JP3126852B2 - エンジン駆動ヒートポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はエンジン駆動により温熱
及び冷熱を発生させるエンジン駆動ヒートポンプに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジン駆動ヒートポンプにおい
て、エンジン動力によりヒートポンプを運転して温熱及
び冷熱を得ることに加え、エンジン排ガスやエンジン冷
却水が保有するエンジン排熱を回収利用するには、その
エンジン排熱をヒートポンプの運転とは別の、例えば、
給湯における水加熱や暖房における空気加熱等の温熱消
費系における単なる加熱源として用いており、エンジン
排熱を熱形態のままで消費し放散させる利用形態となっ
ていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の如き従
来のエンジン排熱利用形態では、全体としての温熱発生
量（すなわち、ヒートポンプの発生温熱量とエンジン排
熱を給湯や暖房等の加熱源に用いて得る温熱量との和）
と、冷熱発生量（すなわちヒートポンプの発生冷熱量）
とを合わせた有効取り出し熱エネルギを、エンジンに対
する入力エネルギと比較した場合のエネルギ効率が未だ
低く、この点で改善の余地があった。

【０００４】また、エンジン排熱を温熱として熱形態の
ままで消費することから、上記の全体としての温熱発生
量と冷熱発生量とを比較した場合、一般に温熱発生量が
過大となる傾向があり、このような温熱発生量と冷熱発
生量とのバランスの悪さが、ヒートポンプ設備上におけ
る使い勝手の悪さとなる問題もあった。

【０００５】本発明の目的は、エンジン動力に加えエン
ジン排熱を利用した合理的なヒートポンプ運転を行うこ
とにより、上記問題の解消を図る点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によるエンジン駆
動ヒートポンプの第１特徴構成は、エンジンの動力によ
り、高温室、中温室、及び、低温室の夫々に作動ガスの
吐出と吸入とを周期的に行わせる動作手段を設け、その
動作手段を、前記高温室と前記低温室とが互いにほぼ等
しい周期で、かつ、ほぼ等しい位相で作動ガスの吐出と
吸入とを行うとともに、前記中温室が前記高温室及び低
温室の吐出吸入周期とほぼ等しい周期で、かつ、ほぼ１
／４周期分だけ位相が遅れた状態で作動ガスの吐出と吸
入を行うように構成し、前記高温室と前記中温室とを連
通する高温側ガス路、及び、前記中温室と前記低温室と
を連通する低温側ガス路を設けて、それらガス路の夫々
に再生熱交換器を介装し、高温側の前記再生熱交換器よ
りも前記高温室の側において作動ガスにエンジン排熱を
吸熱させる排熱吸熱器、低温側の前記再生熱交換器より
も前記低温室の側において作動ガスに低温吸熱源から吸
熱させる低温側吸熱器、並びに、前記高温側再生熱交換
器と前記低温側再生熱交換器との間において作動ガスを
放熱源に対し放熱させる放熱器を設けたことにある。

【０００７】また、本発明によるエンジン駆動ヒートポ
ンプの第２特徴構成は、前記高温室を前記高温側ガス路
に対し直列に接続する複数室として、それら複数室どう
しを連通する副ガス路に副再生熱交換器を介装し、前記
排熱吸熱器の複数分割部、又は、作動ガスにエンジン排
熱以外の他の高温吸熱源から吸熱させる他系統高温側吸
熱器と前記排熱吸熱器を、温度レベルの高いものほど前
記複数室の直列接続系統において端末側に位置させる配
列で、前記複数室の夫々に対応させて配備してあること
にある。

【０００８】

【作用】（第１特徴構成の作用） すなわち、上記の第１特徴構成では（図１及び図６参
照）、動作手段Ａをもってエンジン１の動力により高温
室１４、中温室１５、及び、低温室１６の夫々に作動ガ
スＧの吐出と吸入とを周期的に行わせることにおいて、
位相がほぼ等しい高・低温室１４，１６と、それらに対
しほぼ１／４周期分だけ位相が遅れる中温室１５とが共
に作動ガス吐出工程となる状態（図６におけるｄ〜ｅ過
程）が生じ、また、高・低温室１４，１６と中温室１５
とが共に作動ガス吸入工程となる状態（図６におけるｂ
〜ｃ過程）が生じることで、各室１４，１５，１６にわ
たる作動ガス系において、作動ガスＧの圧縮（上記ｄ〜
ｅ過程）と膨張（上記ｂ〜ｃ過程）とが交互にあらわれ
るガスサイクルが形成される。

【０００９】そして、このガスサイクルの進行を高温室
１４と中温室１５とについて見れば、圧縮された作動ガ
スＧが高温側の再生熱交換器２０を通じ高温室１４に導
入され（図６におけるａ〜ｂ過程）、その後、この作動
ガスＧが膨張過程を経て排熱吸熱器２２によりエンジン
排熱を吸熱（すなわち、作動ガスＧの高温加熱）し（図
６におけるｂ〜ｃ過程）、続いて、この作動ガスＧが再
び高温側の再生熱交換器２０を通じ、その高温側再生熱
交換器２０への温熱蓄熱と自身の温度降下を伴って高温
室１４側から中温室１５側へ導出される（図６における
ｃ〜ｄ過程）。

【００１０】また、この温度降下した導出作動ガスＧ
は、続いての圧縮過程を経て高温室１４の温度レベルよ
りも低い中温レベルにおいて放熱器２６により放熱源Ｈ
に対し放熱する（図６におけるｄ〜ｅ過程）。つまり、
この一連の動作を更に詳述すれば、中温室１５が高温室
１４の吐出吸入周期とほぼ等しい周期で、かつ、ほぼ１
／４周期分だけ位相が遅れた状態で作動ガスＧの吐出と
吸入とを行うことから、高温室１４と中温室１５とにつ
いて見た場合（図６参照）、ａ〜ｂの過程で、作動ガス
Ｇは高温側の再生熱交換器２０を通じ高温室１４に導入
され、この際、作動ガスＧは高温側の再生熱交換器２０
からの先の蓄熱温熱の受熱により温度上昇して容積一定
のもとで圧力上昇し、ｂ〜ｃの過程で、作動ガスＧは排
熱吸熱器２２によりエンジン排熱をもって加熱されるこ
とで膨張し、この膨張により外部への仕事（エンジン動
力に対し付加される仕事）が発生する。 続いてｃ〜ｄの
過程で、作動ガスＧは高温側の再生熱交換器２０を通じ
中温室１５に導入され、この際、作動ガスＧは高温側の
再生熱交換器２０に対し温熱を蓄熱することで温度低下
して容積一定のもとで圧力低下し、ｄ〜ｅの過程で、作
動ガスＧは圧縮（負の仕事）され、これにより作動ガス
Ｇは高温室１４の温度レベルよりも低い温度レベル（中
温）で放熱器２６に対し放熱し、そして、再びａの状態
に戻る。 すなわち、高温室１４と中温室１５とについて
の上記ａ〜ｄのサイクルは、Ｐ−ｖ線図及びＴ−ｓ線図
で模式的に示せば図７の（イ），（ロ）の如く示され、
これは所謂スターリングサイクルであり、熱入力により
仕事を発生する。

【００１１】一方、上記のガスサイクルの進行を中温室
１５と低温室１６とについて見れば、圧縮された作動ガ
スＧが低温側の再生熱交換器２１を通じ低温室１６に導
入され（図６におけるａ〜ｂ過程）、その後、この作動
ガスＧが膨張過程を経て低温側吸熱器２４により低温吸
熱源Ｃから低温レベルで吸熱（すなわち、冷熱の発生）
するとともに（図６におけるｂ〜ｃ過程）、再び低温側
の再生熱交換器２１を通じ、その低温側再生熱交換器２
１への冷熱蓄熱と自身の温度上昇を伴って低温側１６室
から中温室１５側へ導出される（図６におけるｃ〜ｄ過
程）。

【００１２】また、この温度上昇した作動ガスＧは、続
いての圧縮過程を経て低温室１６の温度レベルよりも高
い前記の中温レベルで放熱器２６により放熱源Ｈに対し
放熱する（図６におけるｄ〜ｅ過程）。 つまり、この一
連の動作を更に詳述すれば、中温室１５が低温室１６の
吐出吸入周期とほぼ等しい周期で、かつ、ほぼ１／４周
期分だけ位相が遅れた状態で作動ガスＧの吐出と吸入と
を行うことから、中温室１５と低温室１６とについて見
た場合（同図６参照）、ａ〜ｂの過程で、作動ガスＧは
低温側の再生熱交換器２１を通じ低温室１６に導入さ
れ、この際、作動ガスＧは低温側の再生熱交換器２１か
らの先の蓄熱冷熱の受熱により温度低下して容積一定の
もとで圧力低下し、ｂ〜ｃの過程で、作動ガスＧは外部
からの仕事（エンジン動力）により膨張し、これにより
作動ガスＧは低温レベルで低温側吸熱器２４から吸熱
（低熱の発生）する。続いてｃ〜ｄの過程で、作動ガス
Ｇは低温側の再生熱交換器２１を通じ中温室１５に導入
され、この際、作動ガスＧは低温側の再生熱交換器２１
に対し冷熱を蓄熱することで温度上昇して容積一定のも
とで圧力上昇し、ｄ〜ｅの過程で、作動ガスＧは外部か
らの仕事（エンジン動力）により圧縮され、これにより
作動ガスＧは低温室１６の温度レベルよりも高い温度レ
ベル（中温）で放熱器２６に対し放熱（温熱の発生）
し、そして、再びａの状態に戻る。 すなわち、中温室１
５と低温室１６とについての上記ａ〜ｄのサイクルは、
Ｐ−ｖ線図及びＴ−ｓ線図で模式的に示せば図８の
（イ）、（ロ）の如く示され、これは所謂逆スターリン
グサイクルであり、動力入力により冷温熱を発生する。

【００１３】以上のことから、中温室１５を各別の再生
熱交換器２０，２１を介し高温室１４と低温室１６とに
連通させた構造において、高温室１４と低温室１６とが
互いにほぼ等しい周期で、かつ、ほぼ等しい位相で作動
ガスＧの吐出と吸入を行うとともに、中温室１５が高温
室１４及び低温室１６の吐出吸入周期とほぼ等しい周期
で、かつ、ほぼ１／４周期分だけ位相が遅れた状態で作
動ガスＧの吐出と吸入を行うようにすれば、高温室１４
と中温室１５との間での上記の如きスターリングサイク
ル的な熱機関サイクルと、中温室１５と低温室１６との
間での上記の如き逆スターリングサイクル的なヒートポ
ンプサイクル（冷凍サイクル）とが、両サイクルについ
て中温室１５を共用した状態で、かつ、各サイクルにお
けるａ，ｂ，ｃ，ｄの各点がタイミング的に対応した状
態で、図９のＴ−ｓ線図に示す如き形態をもって並行実
施され、これにより、動作手段Ａによる動力連係下にお
いて、高・中温室１４，１５の側の上記熱機関サイクル
により得られる発生仕事が本来のヒートポンプ駆動用エ
ンジン動力に付加された状態、すなわち、この発生仕事
分だけヒートポンプ運転動力が増強された状態で、上記
の中・低温室１５，１６の側のヒートポンプサイクルが
運転される。

【００１４】そして、エンジン排熱について見れば、上
記の如く高・中温室１４，１５の側の熱機関サイクルで
動力変換してヒートポンプ運転動力の増強に利用したの
ち、その熱機関サイクルからの排熱の形態で、中・低温
室１５，１６の側のヒートポンプサイクルによる低温吸
熱源Ｃからの汲み上げ熱とともに中温レベルの有効温熱
として放熱器２６から放熱源Ｈに対し放熱する形態とな
る。

【００１５】（第２特徴構成の作用）前記の第２特徴構
成では（図２ないし図３参照）、エンジン排ガスＥの保
有熱とエンジン冷却水Ｗの保有熱等のように互いに異な
る温度のエンジン排熱を前記の高温室１４の側において
作動ガスＧに吸熱させる場合や、あるいは、エンジン排
熱とは温度の異なる他の高温吸熱源Ｘ１，Ｘ２からの吸
熱とエンジン排熱の吸熱とを前記の高温室１４の側にお
いて作動ガスＧに行わせる場合等において、その高温室
１４側での吸熱（すなわち、作動ガスＧの高温加熱）を
効率良く行うことができる。

【００１６】つまり、高温室１４を高温側ガス路１８に
対し直列に接続する複数室１４ａ，１４ｂ，１４ｃとし
て、それら複数室１４ａ，１４ｂ，１４ｃどうしを互い
の間の副再生熱交換器２９ａ，２９ｂにより温度的に区
分し、これに対し、異なる温度のエンジン排熱を作動ガ
スＧに吸熱させる場合は、エンジン排熱を吸熱させる前
記の排熱吸熱器２２をエンジン排熱の温度毎に複数部２
２ａ，２２ｂに分割し、また、エンジン排熱とは温度の
異なる他の高温吸熱源Ｘ１，Ｘ２からの吸熱とエンジン
排熱の吸熱とを作動ガスＧに行わせる場合は、その高温
吸熱源Ｘ１，Ｘ２からの吸熱を行わせる他系統高温側吸
熱器３０，３１と、エンジン排熱を吸熱させる排熱吸熱
器２２とを各別に設ける。

【００１７】そして、それら排熱吸熱器２２の複数分割
部２２ａ，２２ｂ、あるいは、他系統高温側吸熱器３
０，３１と排熱吸熱器２２とを、温度レベルの高いもの
ほど複数室１４ａ，１４ｂ，１４ｃの直列接続系統にお
ける端末側に位置させる配列で複数室１４ａ，１４ｂ，
１４ｃの夫々に対応させて配備することにより、温度レ
ベル毎に区分した状態での高温吸熱を作動ガスＧに行わ
せるようにし、これにより、互いに温度の異なるエンジ
ン排熱を、温度的に平衡させた熱的混合状態で一つの排
熱吸熱器により作動ガスＧに吸熱させたり、あるいは、
他の高温吸熱源Ｘ１，Ｘ２から得られる高温熱と、それ
とは温度の異なるエンジン排熱とを、温度的に平衡させ
た熱的混合状態で一つの高温側吸熱器により作動ガスＧ
に吸熱させたりするに比べ、異なる温度の熱的混合で生
じる有効熱エネルギの損失を回避した状態で、高温室１
４側での吸熱を効率良く行わせる。 すなわち、図３に示
す構成例で更に説明すれば、前記のａ〜ｂの過程で高温
室１４に導入される作動ガスＧのうちの一部Ｇａは、高
温側の再生熱交換器２０と２つの副再生熱交換器２９
ｂ，２９ａを経て最端末室１４ａまで導入され、この導
入過程で各再生熱交換器２０，２９ｂ，２９ａからの蓄
熱温熱の順次受熱により３段階にわたって温度上昇す
る。 また、高温室１４への導入作動ガスＧのうちの他の
一部Ｇｂは、高温側の再生熱交換器２０と１つの副再生
熱交換器２９ｂを経て端末前室１４ｂまで導入され、こ
の導入過程で２つの再生熱交換器２０，２９ｂからの蓄
熱温熱の順次受熱により２段階にわたって温度上昇し、
残りの導入作動ガスＧｃは最手前室１４ｃまでの導入と
なって、高温側再生熱交換器２０からの蓄熱温熱の受熱
により１段階のみ温度上昇する。 一方、これら導入作動
ガスＧａ，Ｇｂ，Ｇｃが前記のｃ〜ｄ（厳密にはｃ〜
ｅ）の過程で高温室１４から導出される際には、最端末
室１４ａの導入作動ガスＧａは各再生熱交換器２９ａ，
２９ｂ，２０に対し順次に温熱蓄熱することにより、３
段階にわたって温度低下し、また、端末前室１４ｂの導
入作動ガスＧｂは、２つの再生熱交換器２９ｂ，２０に
対し順次に温熱蓄熱することにより、２段階にわたって
温度低下し、最手前室１４ｃの導入作動ガスＧｃは高温
側再生熱交換 器２０に対してのみ温熱蓄熱して１段階の
み温度低下し、このことから、端末側ほど温度レベルの
高い吸熱器２２，３０，３１を配備することに対し、複
数室１４ａ，１４ｂ，１４ｃが温度的に区分された状態
に保たれる。 そして、このように温度区分した状態で各
吸熱器２２，３０，３１から各導入作動ガスＧａ，Ｇ
ｂ，Ｇｃに吸熱させることにより、互いに異なる温度の
熱を温度的に平衡させた熱的混合状態で作動ガスＧに吸
熱させるに比べ、既述の如く、異なる温度の熱的混合で
生じる有効熱エネルギの損失（略言すれば、高温熱が低
温吸熱器の側に漏出する熱ロス）を回避した状態で、高
温室１４側での吸熱を効率良く行わせることができる。

【００１８】

【発明の効果】

（第１特徴構成の効果）つまり、本発明の第１特徴構成
によれば、単にエンジン動力のみによりヒートポンプを
運転するに比べ、エンジン排熱を利用したヒートポンプ
運転動力の増強により、ヒートポンプの発生冷熱量及び
発生温熱量について、その双方を効果的に増大でき、し
かも、エンジン排熱を動力変換の後、その動力変換機関
の排熱という形態でヒートポンプの発生温熱とともに中
温レベルの有効温熱として放熱源に対し取り出せること
も相まって、全体としての温熱発生量及び冷熱発生量を
前述の従来形態に比べ大きく増大でき、これにより、全
体としてのエネルギ効率を従前に比して大きく向上する
ことできる。

【００１９】また、エンジン排熱をヒートポンプ運転動
力の増強に利用してヒートポンプにおける発生冷熱量と
発生温熱量との双方を増大させるという形態であるか
ら、上記の全体としての温熱発生量と冷熱発生量とを比
較した場合に温熱発生量が過大となるといった従来傾向
も抑制できて、ヒートポンプ設備上で使い勝手の良いも
のとすることができる。

【００２０】（第２特徴構成の効果）本発明の第２特徴
構成を採用すれば、エンジン排ガスの保有熱とエンジン
冷却水の保有熱等のように異なる温度のエンジン排熱を
高温室の側において作動ガスに吸熱させる場合や、ある
いは、エンジン排熱とは温度の異なる他の高温吸熱源か
らの吸熱とエンジン排熱の吸熱とを高温室の側において
作動ガスに行わせる場合等において、それら温度の異な
るエンジン排熱や他の高温熱を温度レベル毎に高温室の
側において効率良く吸熱できることで、ひいては、その
高温室側での吸熱によるヒートポンプ運転動力の増強、
及び、それによる全体エネルギ効率の向上を極めて効果
的に達成できる。

【００２１】

【実施例】図１は本発明によるエンジン駆動ヒートポン
プの構成例を示し、１はエンジン、２はエンジン１によ
り駆動される熱機器部である。

【００２２】エンジン１において、３はエンジン出力
軸、４は燃料路、５は吸気路、６はエンジン排ガスＥの
排気路であり、７はエンジン冷却水Ｗの循環路である。

【００２３】熱機器部２において、８は内装の第１ピス
トン１１とともに高温室１４を形成する第１シリンダ、
９は内装の第２ピストン１２とともに中温室１５を形成
する第２シリンダ、１０は内装の第３ピストン１３とと
もに低温室１６を形成する第３シリンダであり、高温室
１４、中温室１５、低温室１６の夫々は、対応ピストン
１１，１２，１３の往復動作により作動ガスＧ（例えば
ヘリウムガスや水素ガス）の吐出と吸入を周期的に行
う。

【００２４】ピストン駆動構造については、エンジン出
力軸３に連結したクランク軸１７に、第１ないし第３ピ
ストン１１，１２，１３夫々のピストンロッド１１ｐ，
１２ｐ，１３ｐをエンジン出力軸３の回転軸芯周りで同
位相位置に連結してあり、これら第１ないし第３ピスト
ン１１，１２，１３、各ピストンロッド１１ｐ，１２
ｐ，１３ｐ、クランク軸１７をもって、エンジン１の軸
動力により高温室１４、中温室１５、低温室１６の夫々
に作動ガスＧの吐出と吸入を周期的に行なわせる動作手
段Ａを構成してある。

【００２５】また、この動作手段Ａを構成するについて
は、上記の如く各ピストンロッド１１ｐ，１２ｐ，１３
ｐをエンジン出力軸３の回転軸芯周りにおける同位相位
置でクランク軸１７に連結することに対し、第１ピスト
ン１１と第３ピストン１３の往復動作方向（すなわち、
第１シリンダ８と第３シリンダ１０の向き）を同一にす
るとともに、第２ピストン１２の往復動作方向（すなわ
ち、第２シリンダ９の向き）を、第１及び第３ピストン
１１，１３の往復動作方向に対してエンジン回転向きの
下手側へ９０°だけ傾けてあり、これにより、エンジン
駆動による高温室１４、中温室１５、低温室１６夫々の
作動ガス吐出吸入において、高温室１４と低温室１６と
が互いに等しい周期で、かつ、等しい位相で作動ガスＧ
の吐出と吸入とを行うとともに、中温室１５が高温室１
４及び低温室１６の吐出吸入周期と等しい周期で、か
つ、１／４周期分だけ位相が遅れた状態で作動ガスＧの
吐出と吸入を行うように構成してある。

【００２６】作動ガスＧの回路構成については、高温室
１４と中温室１５とを高温側ガス路１８により連通させ
るとともに、中温室１５と低温室１６とを低温側ガス路
１９により連通させ、これら高温側及び低温側夫々のガ
ス路１８，１９には再生熱交換器２０，２１を介装して
ある。

【００２７】また、第１シリンダ８には、排気路６によ
り導かれるエンジン排気Ｅと作動ガスＧとを熱交換させ
て、エンジン排気Ｅの保有する高温のエンジン排熱を作
動ガスＧに吸熱させる（すなわち、作動ガスＧを高温加
熱する）排熱吸熱器２２を装備し、一方、第３シリンダ
１０には、冷熱側熱媒路２３により導かれる低温吸熱源
としての冷熱媒Ｃと作動ガスＧとを熱交換させて、その
冷熱媒Ｃに対し作動ガスＧを吸熱させる（すなわち、冷
熱媒Ｃを冷却する）低温吸熱器２４を装備し、さらに、
第２シリンダ９には、温熱側熱媒路２５により導かれる
放熱源としての温熱媒Ｈと作動ガスＧとを熱交換させ
て、その温熱媒Ｈに対し作動ガスＧを放熱させる（すな
わち、温熱媒Ｈを加温する）放熱器２６を装備してあ
る。

【００２８】なお、高温側及び低温側の再生熱交換器２
０，２１は夫々、蓄熱要素を内蔵し、高温側の再生熱交
換器２０は通過作動ガスＧとの熱授受において温熱蓄熱
するよう作用し、また、低温側の再生熱交換器２１は通
過作動ガスＧとの熱授受において冷熱蓄熱するよう作用
する。

【００２９】２７は上記の低温吸熱器２４で冷却された
冷熱媒Ｃを用いて冷房や物品の冷却等を行う冷熱消費装
置であり、２８は上記の放熱器２６で加温された温熱媒
Ｈを用いて暖房や給湯、あるいは、物品の加熱等を行う
温熱消費装置である。

【００３０】以上の機器構成での運転については、エン
ジン１の軸動力により熱機器部２の各ピストン１１、１
２、１３を駆動すると、高温室１４と低温室１６とが互
いに等しい位相で作動ガスＧの吐出吸入を行うことに対
し、中温室１５が１／４周期分だけ位相が遅れて作動ガ
スＧの吐出吸入を行うことから、図６に示す如く、高・
低温室１４，１６と中温室１５とが共に作動ガス吐出工
程となって作動ガスＧの圧縮が生じる状態（ｄ〜ｅ過
程）と、高・低温室１４，１６と中温室１５とが共に作
動ガス吸入工程となって作動ガスＧの膨張が生じる状態
（ｂ〜ｃ過程）とが交互に現れ、各室１４，１５，１６
にわたる全体作動ガス系について、作動ガスＧの圧縮と
膨張が交互に現れるガスサイクルが形成される。

【００３１】そして、このガスサイクルの進行を高温室
１４と中温室１５とについて見れば、作動ガスＧが圧縮
され、その圧縮された作動ガスＧが高温側の再生熱交換
器２０を通じ高温室１４に導入され（ａ〜ｂ過程）、そ
の後、この作動ガスＧが膨張過程を経て排熱吸熱器２２
によりエンジン排ガスＥから高温のエンジン排熱を吸熱
（すなわち、作動ガスＧの高温加熱）し（ｂ〜ｃ過
程）、続いて、この作動ガスＧが再び高温側の再生熱交
換器２０を通じ、その高温側再生熱交換器２０への温熱
蓄熱と自身の温度降下を伴って高温室１４側から中温室
１５側へ導出される（ｃ〜ｄ過程）といった形態とな
り、換言すれば、エンジン排ガスＥが保有するエンジン
排熱を入力熱エネルギとする一種のスターリングサイク
ル的な熱機関サイクルが形成される。

【００３２】また、この温度降下した導出作動ガスＧ
は、続いての圧縮過程を経て高温室１４の温度レベルよ
りも低い中温レベルにおいて放熱器２６により放熱源と
しての温熱媒Ｈに対し放熱（すなわち、温熱媒Ｈを加
温）する（ｄ〜ｅ過程）。

【００３３】一方、上記のガスサイクルの進行を中温室
１５と低温室１６とについて見れば、作動ガスＧが圧縮
され、その圧縮された作動ガスＧが低温側の再生熱交換
器２１を通じ低温室１６に導入され（ａ〜ｂ過程）、そ
の後、この作動ガスＧが膨張過程を経て低温側吸熱器２
４により低温吸熱源としての冷熱媒Ｃから低温レベルで
吸熱（すなわち、膨張による冷熱発生で冷熱媒Ｃを冷
却）するとともに（ｂ〜ｃ過程）、再び低温側の再生熱
交換器２１を通じ、その低温側再生熱交換器２１への冷
熱蓄熱と自身の温度上昇を伴って低温側１６室から中温
室１５側へ導出され（ｃ〜ｄ過程）、また、この温度上
昇した導出作動ガスＧが、続いての圧縮過程を経て、低
温室１６の温度レベルよりも高い前記の中温レベルで前
述の高温室１４側からの導出作動ガスと同様、放熱器２
６により放熱源としての温熱媒Ｈに対し放熱（すなわ
ち、温熱媒Ｈを加温）する（ｄ〜ｅ過程）といった形態
となり、換言すれば、一種の逆スターリングサイクル的
なヒートポンプサイクル（冷凍サイクル）が形成され
る。

【００３４】つまり、中温室１５を各別の再生熱交換器
２０，２１を介し高温室１４と低温室１６とに連通させ
た構造において、高温室１４と低温室１６とが互いにほ
ぼ等しい周期で、かつ、ほぼ等しい位相で作動ガスＧの
吐出と吸入を行うとともに、中温室１５が高温室１４及
び低温室１６の吐出吸入周期とほぼ等しい周期で、か
つ、ほぼ１／４周期分だけ位相が遅れた状態で作動ガス
Ｇの吐出と吸入を行うようにすることで、高温室１４と
中温室１５との間での上記の如きスターリングサイクル
的な熱機関サイクルと、中温室１５と低温室１６との間
での上記の如き逆スターリングサイクル的なヒートポン
プサイクルとが、両サイクルについて中温室１５を共用
した状態で、かつ、各サイクルにおけるａ，ｂ，ｃ，ｄ
の各点がタイミング的に対応した状態で、図９のＴ−ｓ
線図に示す如き形態をもって並行実施されるようにす
る。 すなわち、このことにより熱機器部２では、前記の
動作手段Ａによる動力連係下において、エンジン排熱を
入力熱エネルギとする高・中温室１４，１５の側の上記
熱機関サイクルで得られる発生仕事がエンジン軸動力に
付加された状態で、中・低温室１５，１６の側の上記ヒ
ートポンプサイクルが運転される形態となり、これによ
り、単にエンジン軸動力だけでヒートポンプを運転する
形態に比べ、中・低温室１５，１６の側のヒートポンプ
サイクルにおける冷熱発生能力及び温熱発生能力（すな
わち、冷熱媒Ｃに対する冷却能力、及び、温熱媒Ｈに対
する加温能力）が大きく向上する。

【００３５】また、エンジン排ガスＥから吸熱したエン
ジン排熱は、上記の如く高・中温室１４，１５の側の熱
機関サイクルで動力変換されてヒートポンプ運転動力の
増強に寄与したのち、その熱機関サイクルからの排熱と
して、中・低温室１５，１６の側のヒートポンプサイク
ルによる冷熱媒Ｃからの汲み上げ熱とともに放熱器２６
での温熱媒加温に用いられ、これにより、エンジン排ガ
スＥの保有するエンジン排熱が最大限に有効利用され
る。

【００３６】〔別実施例〕次に別実施例を列記する。

【００３７】（１）前述の実施例ではエンジン排ガスＥ
が保有するエンジン排熱を排熱吸熱器２２で作動ガスＧ
に吸熱させたが、エンジン排ガスＥが保有するエンジン
排熱とエンジン冷却水Ｗが保有するエンジン排熱等のよ
うに、互いの温度が異なるエンジン排熱を作動ガスＧに
吸熱させる場合、図２に示す如き構成を採用してもよ
い。

【００３８】つまり、高温室１４を形成する第１シリン
ダ８及び第１ピストン１１を二段構造として、高温室１
４を二室１４ａ，１４ｂに分割し、そして、これら二室
１４ａ，１４ｂを高温側ガス路１８に対し直列に接続す
るとともに、二室１４ａ，１４ｂどうしを連通する副ガ
ス路１８ａに副再生熱交換器２９を介装する。

【００３９】これに対し、エンジン排熱を作動ガスＧに
吸熱させる排熱吸熱器２２は、エンジン排ガスＥが保有
するエンジン排熱を作動ガスＧに吸熱させる排ガス側吸
熱器２２ａと、エンジン排ガスＥよりも温度が低いエン
ジン冷却水Ｗが保有するエンジン排熱を作動ガスＧに吸
熱させる冷却水側吸熱器２２ｂとに分割し、そして、冷
却水側吸熱器２２ｂよりも温度レベルが高い排ガス側吸
熱器２２ａを、上記二室１４ａ，１４ｂのうち直列接続
系統の端末側に位置する一室１４ａに対し装備するとと
もに、他方の冷却水側吸熱器２２ｂを上記二室１４ａ，
１４ｂのうち高温側再生熱交換器２０の側に位置する一
室１４ｂに対し装備する。

【００４０】すなわち、この構成により、エンジン排ガ
スＥが保有するエンジン排熱とエンジン冷却水Ｗが保有
するエンジン排熱とを、温度区分した状態で夫々の温度
レベルにおいて作動ガスＧに効率良く吸熱させる。

【００４１】（２）エンジン排熱の吸熱とともに、エン
ジン排熱とは温度が異なる他の高温吸熱源からの吸熱も
あわせて作動ガスＧに行わせる場合、図３に示す如き構
成を採用してもよい。

【００４２】つまり、個別のピストン１１ａ，１１ｂ，
１１ｃを備える複数のシリンダ８ａ，８ｂ，８ｃによ
り、高温室１４を複数室１４ａ，１４ｂ，１４ｃに分割
し、そして、これら複数室１４ａ，１４ｂ，１４ｃを高
温側ガス路１８に対し直列に接続するとともに、複数室
１４ａ，１４ｂ，１４ｃどうしを連通する副ガス路１８
ａ、１８ｂの夫々に副再生熱交換器２９ａ，２９ｂを介
装する。

【００４３】これに対し、吸熱器としては、エンジン排
熱を作動ガスＧに吸熱させる排熱吸熱器２２とともに、
作動ガスＧに他の高温吸熱源Ｘ１，Ｘ２からの吸熱を行
わせる他系統高温側吸熱器３０，３１を設け、そして、
これら排熱吸熱器２２と他系統高温側吸熱器３０，３１
とを、温度レベルの高いものほど上記複数室１４ａ，１
４ｂ，１４ｃの直列接続系統において端末側に位置させ
る状態で、複数室１４ａ，１４ｂ，１４ｃの夫々に対応
させて配備する。

【００４４】すなわち、この構成においても前記の図２
に示す構成と同様、エンジン排熱と、その他の高温吸熱
源Ｘ１，Ｘ２から得る高温熱とを、温度区分した状態で
夫々の温度レベルにおいて作動ガスＧに効率良く吸熱さ
せる。

【００４５】なお、前記の図２に示す構成、及び、この
図３に示す構成は、いずれも〔課題を解決するための手
段〕の項における第２特徴構成の実施例を示す。

【００４６】（３）図４に示すように、放熱器２６を二
分割して、一方の分割部分２６ａは高温側ガス路１８で
高温側再生熱交換器２０と中温室１５との間に介装し、
これに対し、他方の分割部分２６ｂは低温側ガス路１９
で低温側再生熱交換器２１と中温室１５との間に介装す
るといった構成を採用してもよい。

【００４７】また、排熱吸熱器２２や前記の他系統高温
側吸熱器３０，３１、あるいは、低温側吸熱器２４も、
夫々、高温室１４や低温室１６の室構成そのものに対し
配設するに代え、各室に対するガス路中に介装する構成
としてもよい。

【００４８】（４）高温室１４の吐出吸入位相と低温室
１６の吐出吸入位相とは、必ずしも厳密に一致させる必
要はなく、両室１４，１６の吐出吸入位相に例えば１０
°程度の位相差を与えてもよく、また、中温室１５の吐
出吸入位相も高温室１４や低温室１６の吐出吸入位相に
対して、必ずしも１／４周期分（９０°）だけ厳密に遅
らせる必要はなく、高温室１４や低温室１６の吐出吸入
位相に対し中温室１５の吐出吸入位相に例えば８０°や
１００°といった位相遅れを与える形態としてもよい。

【００４９】（５）エンジン動力により高温室１４、中
温室１５、低温室１６の夫々に作動ガスＧの吐出吸入を
周期的に行わせる動作手段Ａの具体的構造、及び、それ
ら各室１４，１５，１６の具体的形成構造は種々の構成
変更が可能であり、例えば、ディスプレーサー式のシリ
ンダ・ピストン構造を採用してもよい。

【００５０】（６）図５に示すように、エンジン１、熱
機器部２、及び、発電機Ｄを軸連動させる構成とし、こ
れにより、エンジン排熱を入力熱エネルギとして熱機器
部２における高・中温室１４，１５の側の熱機関サイク
ルで発生する動力と、エンジン１本来の軸動力との和
（すなわち、エンジン排熱を含めたエンジン１の総出
力）をもって、熱機器部２における中・低温室１５，１
６の側のヒートポンプサイクルの運転とともに、必要に
応じ発電運転を行えるようにしてもよい。

【００５１】尚、特許請求の範囲の項に図面との対照を
便利にするため符号を記すが、該記入により本発明は添
付図面の構成に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例を示す装置構成図

【図２】別実施例を示す部分拡大部

【図３】別実施例を示す部分拡大図

【図４】別実施例を示す部分拡大図

【図５】別実施例を示す外観装置構成図

【図６】 装置動作を順次的に説明する図

【図７】 スターリングサイクルを示すＰ−ｖ線図及びＴ
−ｓ線図

【図８】 逆スターリングサイクルを示すＰ−ｖ線図及び
Ｔ−ｓ線図

【図９】 中温室共用状態での並行サイクル形態を示すＴ
−ｓ線図

【符号の説明】

１ エンジン １４ 高温室 １４ａ〜１４ｃ 複数室 １５ 中温室 １６ 低温室 １８ 高温側ガス路 １８ａ，１８ｂ 副ガス路 １９ 低温側ガス路 ２０ 高温側再生熱交換器 ２１ 低温側再生熱交換器 ２２ 排熱吸熱器 ２２ａ，２２ｂ 複数分割部 ２４ 低温側吸熱器 ２６ 放熱器 ２９ａ，２９ｂ 副再生熱交換器 ３０，３１ 他系統高温側吸熱器 Ａ 動作手段 Ｃ 低温吸熱源 Ｇ 作動ガス Ｈ 放熱源 Ｘ１，Ｘ２ 高温吸熱源

フロントページの続き (73)特許権者 000222037 東北電力株式会社 宮城県仙台市青葉区一番町３丁目７番１ 号 (72)発明者 柳生 寿美夫 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会 社クボタ 技術開発研究所内 (72)発明者 藤島 一郎 兵庫県尼崎市浜１丁目１番１号 株式会 社クボタ 技術開発研究所内 (72)発明者 一色 尚次 東京都世田谷区経堂２丁目29番６号 (72)発明者 大友 充弘 宮城県仙台市青葉区中山七丁目２番１号 東北電力株式会社 電力技術研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 9/14 520 F25B 27/02

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 エンジン（１）の動力により、高温室
   （１４）、中温室（１５）、及び、低温室（１６）の夫
   々に作動ガス（Ｇ）の吐出と吸入とを周期的に行わせる
   動作手段（Ａ）を設け、 その動作手段（Ａ）を、 前記高温室（１４）と前記低温室（１６）とが互いにほ
   ぼ等しい周期で、かつ、ほぼ等しい位相で作動ガス
   （Ｇ）の吐出と吸入とを行うとともに、 前記中温室（１５）が前記高温室（１４）及び低温室
   （１６）の吐出吸入周期とほぼ等しい周期で、かつ、ほ
   ぼ１／４周期分だけ位相が遅れた状態で作動ガス（Ｇ）
   の吐出と吸入を行うように構成し、 前記高温室（１４）と前記中温室（１５）とを連通する
   高温側ガス路（１８）、及び、前記中温室（１５）と前
   記低温室（１６）とを連通する低温側ガス路（１９）を
   設けて、それらガス路（１８），（１９）の夫々に再生
   熱交換器（２０），（２１）を介装し、 高温側の前記再生熱交換器（２０）よりも前記高温室
   （１４）の側において作動ガス（Ｇ）にエンジン排熱を
   吸熱させる排熱吸熱器（２２）、低温側の前記再生熱交
   換器（２１）よりも前記低温室（１６）の側において作
   動ガス（Ｇ）に低温吸熱源（Ｃ）から吸熱させる低温側
   吸熱器（２４）、並びに、前記高温側再生熱交換器（２
   ０）と前記低温側再生熱交換器（２１）との間において
   作動ガス（Ｇ）を放熱源（Ｈ）に対し放熱させる放熱器
   （２６）を設けたエンジン駆動ヒートポンプ。
2. 【請求項２】 前記高温室（１４）を前記高温側ガス路
   （１８）に対し直列に接続する複数室（１４ａ），（１
   ４ｂ），（１４ｃ）として、それら複数室（１４ａ），
   （１４ｂ），（１４ｃ）どうしを連通する副ガス路（１
   ８ａ），（１８ｂ）に副再生熱交換器（２９ａ），（２
   ９ｂ）を介装し、 前記排熱吸熱器（２２）の複数分割部（２２ａ），（２
   ２ｂ）、又は、作動ガス（Ｇ）にエンジン排熱以外の他
   の高温吸熱源（Ｘ１），（Ｘ２）から吸熱させる他系統
   高温側吸熱器（３０），（３１）と前記排熱吸熱器（２
   ２）を、温度レベルの高いものほど前記複数室（１４
   ａ），（１４ｂ），（１４ｃ）の直列接続系統において
   端末側に位置させる配列で、前記複数室（１４ａ），
   （１４ｂ），（１４ｃ）の夫々に対応させて配備してあ
   る請求項１記載のエンジン駆動ヒートポンプ。