JP3947441B2 - 熱源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディスプレッサ型のスターリングエンジンで駆動するランキン式の熱源装置に関し、特にヘリウムガスと二酸化炭素とを作動媒体として使用する熱源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の大多数の家庭用の熱源装置は、発電所から送電される電気で駆動している。ところで図５に示すように、発電所における発電効率は通常４０〜４５％程度であり、更に送電による損失１０％程度を引くと、各家庭で熱源装置に使用できる電気エネルギは、発電所で供給された石油等のエネルギのうち３０〜３５％に過ぎず、残りの６５〜７０％は無駄となっている。
【０００３】
例えば、各家庭等において暖房を行う際には、この電気エネルギを直接電気ヒータとして利用する場合には、３０〜３５％の暖房熱しか利用できない。一方、この電気エネルギによってモーターを回し、このモータによって熱ポンプを駆動する場合には、この熱ポンプの動作効率（ＣＯＰ）を３とすると、外気からくみ上げた６０〜７０％の熱を加えて、９０〜１０５％の暖房熱を利用できるが、この場合にも、各家庭に送電されるまでに、発電所で供給された石油等のエネルギのうち、６５〜７０％が無駄になっている事実に変わりはない。
【０００４】
このため、各家庭で石油等のエネルギ源を直接利用する手段が考えられる。たとえば石油等を燃焼させれば、ほぼ１００％の熱エネルギを暖房として利用することができる。しかし、石油等の有するエネルギ以上の、熱エネルギを利用することはできない。したがって、従来より石油等の燃焼熱により吸収サイクルを作動させる手段や、石油等でエンジンを駆動して、このエンジンでランキンサイクルを作動させる手段が採用されている。
【０００５】
例えば図５の下部に示すように、石油を直接燃料として内燃機関を作動させ、この内燃機関によって熱ポンプを駆動する場合には、内燃機関の熱効率ηを０．２５、熱ポンプの動作係数（ＣＯＰ）を３とすると、暖房熱は、内燃機関の排熱７５％と、内燃機関の発生動力２５％と、外気からくみ上げた熱５０％を加えた、１５０％の暖房熱を発生させることができる。また冬場等の外気温が低い場合には、より暖かい地下水から吸熱することによって、熱ポンプの動作係数（ＣＯＰ）を、例えば６程度に容易に向上させることができる。この場合には、図５の下部の括弧内数字に示すように、２２５％の暖房熱を発生させることもできる。また、同一エネルギ量に対して、石油燃料料金は、電気料金の１／５程度であり、このエネルギコストの差を考慮すると、さらに大幅な費用の削減が可能になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし吸収サイクルは、ランキンサイクルに比べて動作係数が低い。したがって熱エネルギにコストが掛からない、例えば、排熱等を利用する場合に利用されるものであって、家庭用には適さない。また作動流体には、リチウム・臭素やアンモニアが使用されるために、環境保護の点で問題になるおそれがある。一方、上述したように内燃機関でランキンサイクルを駆動する手段には、次の問題があった。
【０００７】
第１には、従来のエンジンは往復式内燃機関が使用されているために、一般的に騒音が大きく、寿命が短い。そして、家庭用の熱源装置は小さな駆動力で足りるため、小型のエンジンを使用することになるが、この小型の内燃機関は、特に騒音が高く、熱効率が低く、耐久性が劣り、何よりも始動性や安定性に劣るといった欠点があり、実用上問題が多い。第２には、ランキンサイクルに使用する往復圧縮機のシールが困難であるという点である。すなわち、往復圧縮機のピストンとシリンダとの間隙からの冷媒の漏洩を遮断するためには、この間隙をできるだけ小さくする必要があるが、一方間隙をあまり小さくすると、両者の摩擦力が大きくなって、損失が増加する。したがって、冷媒の漏洩を完全に遮断することは困難であり、この漏洩により圧縮圧力の低下を招くと共に、漏洩した代替フロンやアンモニア等の冷媒は、環境に悪影響を与え得る。
【０００８】
そして、出力の小さい小型の内燃機関を使用する場合には、このこの漏洩による圧縮圧力の低下は、冷暖房システムの全体効率に大きく影響する。したがって、石油等を利用したランキン式サイクルは、原理的には、家庭用の熱源装置として、極めて効率が良い手段であることは明らかであるが、上述した問題の存在により、魅力的で実用的な手段は提案されていなかった。
【０００９】
そこで本発明の目的は、低コスト低騒音で、耐環境性に優れ、更に高効率で、高い耐久性と信頼性とを備える熱源装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、本発明による熱源装置の第１の特徴は、ディスプレッサ型のスターリングエンジンのパワーピストンにより、ランキンサイクルの熱ポンプの往復圧縮機を駆動するものであって、この往復圧縮機のシリンダは、このパワーピストンのシリンダの一端部にこのシリンダと一体的に形成され、この往復圧縮機のピストンは、このパワーピストンの一端部に、このパワーピストンと一体的に形成してあり、上記スターリングエンジンと、ランキンサイクルの熱ポンプとの作動流体が、共に二酸化炭素であることにある。
【００１１】
ここでディスプレッサ型のスターリングエンジンとは、公知の技術であって、シリンダ内に同心状に配列したパワーピストンとディスプレッサとが、相互に対向して往復運動を行い、外部から供給される熱エネルギによって、パワーピストンに機械的エネルギを発生させるものである。また、熱源装置とは、冷房装置または暖房装置のいずれにも利用できるものを意味する。ランキンサイクルの熱ポンプとは、公知の技術であって、作動流体を往復圧縮機で高温高圧のガスに圧縮し、凝縮器で放熱させ、膨張弁で等エンタルピ膨張させ、気化器で蒸発させて吸熱するものである。そして凝縮器の放熱を利用すれば、暖房装置となり、一方の気化器の吸熱を利用すれば、冷房装置となる。
【００１２】
このように発明を構成することにより、次の作用効果が得られる。第１に、ディスプレッサ型のスターリングエンジンを使用することにより、往復圧縮機の駆動エンジンを、小型軽量、高効率、かつ低騒音にすることができ、さらに耐久性、始動性及び安定性も向上させることができる。第２に、動作係数の高いランキンサイクルの熱ポンプを利用することにより、後述するように、熱源装置の吸熱や放熱量を大きくすることができる。第３に、往復圧縮機を、スターリングエンジンと一体的に形成することによって、この往復圧縮機からの動作流体の洩を、完全に遮断するという困難な手段を回避できる。
【００１３】
すなわち上述したように、作動流体が往復圧縮機のピストンから外気に洩れる場合には、環境上大きな問題となる。しかしこの発明のように、往復圧縮機をスターリングエンジンと一体的に形成することによって、作動流体の外気への流出は防止できる。さらに、スターリングエンジンの作動流体と、ランキンサイクルの作動流体とを同じにすれば、両者の間で作動流体が内部漏洩しても、両者の作動には影響しない。
【００１４】
すなわちスターリングエンジンは、気体状の媒体を作動流体として運転するものである。しかるに二酸化炭素を使用する場合には、スターリングエンジン内の作動流体の作動圧力と温度とが高いために、二酸化炭素は常に気体すなわち炭酸ガスの状態となる。したがって、スターリングエンジンは、作動流体として二酸化炭素を使用することができる。一方ランキンサイクルの熱ポンプは、圧縮した作動流体を一度液化し、この液化した作動流体を気化器で、外部から吸熱して蒸発させる必要があるが、二酸化炭素を使用してこのような相変化を実現できることは、公知の事実である。
【００１５】
したがってスターリングエンジンと、ランキンサイクルの熱ポンプとの作動流体として、共に二酸化炭素を使用することができ、かかる場合には、ランキンサイクルの熱ポンプの往復圧縮機からスターリングエンジンへ、作動流体が内部漏洩しても、作動流体が共に二酸化炭素で同じあること、スターリングエンジン内では、常に気体状態として使用でき、かつランキンサイクルの熱ポンプでは、気体と液体と相変化を利用できることから、両者の作動に影響を与える事はない。さらに二酸化炭素は、容易に入手でき、またフロンガス等に比べて対環境性に優れている。
【００１６】
本発明による熱源装置の第２の特徴は、前記特徴１に記載したランキンサイクルの熱ポンプが、臨界点領域で作動することにある。ここでランキンサイクルの熱ポンプが臨界点領域で作動するとは、凝縮器での放熱温度が、作動流体の臨界温度以上である場合を意味する。すなわち、凝縮器からの放熱を暖房に利用する場合には、凝縮温度が高いため、作動流体によっては、凝縮器で作動流体が液化しない場合もある。しかるにこのような場合にも、ファンにより凝縮器の熱伝達を増加させる等の手段により、適正な暖房や冷房を行うことができる。
【００１７】
（省略）
【００１８】
また本発明による熱源装置の第３の特徴は、前記特徴１〜２に記載したスターリングエンジンと、ランキンサイクルの熱ポンプとの作動流体が、二酸化炭素とヘリウムガスとの混合体であることにある。
【００１９】
すなわち、スターリングエンジンも、ランキンサイクルの熱ポンプも、共に二酸化炭素とヘリウムガスとの混合体を作動流体として運転することができる。この場合には、スターリングエンジンは、気体状態の二酸化炭素とヘリウムガスの混合気体で作動し、一方ランキンサイクルの熱ポンプは、ヘリウムガスを混在しながら、二酸化炭素が気体と液体との相変化が行われる。したがって、二酸化炭素とヘリウムガスとの混合体を作動流体として使用すれば、上述したのと同様に、ランキンサイクルの熱ポンプの往復圧縮機からスターリングエンジンへ、作動流体が内部漏洩しても、両者の作動に影響を与える事はない。また、後述するように、ヘリウムガスを混合することによって、スターリングエンジンの作動効率を向上させることができる。
【００２０】
本発明による熱源装置の第４の特徴は、前記特徴３に記載したランキンサイクルの熱ポンプは、膨張弁と気化器との間に分離器を備えていることにある。この分離器は、作動流体から液化二酸化炭素とヘリウムガスとを分離し、この分離した液化二酸化炭素は、気化器に供給され、この分離したヘリウムガスは、スターリングエンジンの作動流体に還流される。
【００２１】
このように発明を構成することにより、次の作用効果を得ることができる。すなわちスターリングエンジンは、外部から熱を供給し、外部に放熱することにより、内部に密閉した作動流体を膨張、収縮させて作動させるものである。したがって、作動流体として、最も分子量の小さい、すなわち比熱の小さい水素ガスを利用すると、最も高い効率を得ることができる。しかるに水素ガスは可燃性のため、使用上の危険が伴う。したがって、２番目に比熱が小さいヘリウムガスを使用することにより、実用上最も高い効率を得ることができる。一方、ランキンサイクルの熱ポンプは、凝縮機と気化器とで作動流体を相変化させ、この凝縮熱と気化熱とを利用することによって、サイクル効率を大幅に向上させている。
【００２２】
このような２相に相変化する作動流体としては、入手コスト、一般家庭に使用する場合の冷暖房温度の範囲、及び対環境性を考慮すると、二酸化炭素が極めて適していると考えられる。一方、ヘリウムガスは、不燃性であって対環境性に優れていることは周知の事実である。したがって作動流体として、スターリングエンジンにはヘリウムガスを、ランキンサイクルの熱ポンプには二酸化炭素を、それぞれ使用することにより、効率及び対環境性等に優れる熱源装置を構築することができる。
【００２３】
ところで本発明では上述したように、ランキンサイクルの熱ポンプの往復圧縮機の完全なシールの困難性を回避するために、ある程度の内部漏洩を許容する。したがって、運転中に、両者の作動流体の混合が生じ、両者の作動効率の低下を招くことになる。そこで本発明では、ランキンサイクルの熱ポンプの膨張弁と気化器との間に、分離器を備え、この分離器によって、液化二酸化炭素とヘリウムガスとを分離する。すなわちランキンサイクルの熱ポンプにおいては、少なくとも膨張弁の出口では、二酸化炭素は液化状態になる。一方ヘリウムガスは、極低温においてのみ液化するため、ランキンサイクルの熱ポンプにおいては、常に気体状態に維持される。したがって二酸化炭素が液化した膨張弁の出口においては、気体状態のヘリウムガスと、液化した二酸化炭素を、例えばその比重の相違に基づいて、容易に分離することができる。
【００２４】
一方、二酸化炭素が十分液化する温度、圧力になる膨張弁の後流に分離器をおけば、気体状態の二酸化炭素は殆ど残らないため、分離するヘリウムガスに混合する二酸化炭素を極僅かにすることができる。また、ヘリウムガスが液化した二酸化炭素に混入する量も極わずかとなる。したがって、分離したヘリウムガスをスターリングエンジンに還流すれば、このスターリングエンジンは、殆ど二酸化炭素が混在しないヘリウムガスで作動することになるため、上述したように最大に近い効率を発揮する作動流体を使用できることになる。
【００２５】
また、ランキンサイクルの熱ポンプでは、殆どヘリウムガスの混在しない液化二酸化炭素を、気化器で蒸発させることになり、サイクル効率の低下を押えることができる。したがって、本発明のような分離器を採用することで、往復圧縮機の内部漏洩によってヘリウムガスと二酸化炭素が混合しても、スターリングエンジンと、ランキンサイクルの熱ポンプとの作動効率の低下を防止することができる。
【００２６】
さらにこの発明では、ランキンサイクルの熱ポンプの往復圧縮機の吸入圧力と、スターリングエンジンの密閉圧力とを、ほぼ同じにすることができる。すなわち、気化器の圧力損失は筈かであるため、気化器の入口で分離して還流するヘリウムガスの圧力は、気化器の出口、すなわち往復圧縮機の吸入圧力と殆ど等しくなる。したがって、スターリングエンジンの作動流体の圧力と、往復圧縮機の作動流体との内外圧力差を少なくすることができるため、この往復圧縮機からの漏洩量を少なくすることができる。
【００２７】
なお分離器を膨張弁と気化器との間に設けたのは、凝縮温度が高い場合には、凝縮器で必ずしも二酸化炭素が液化するとは限らないからである。すなわち膨張弁の入口側に分離器を設けると、凝縮器において二酸化炭素が十分液化しない場合には、二酸化炭素の気体がこの分離器に流入し、分離するヘリウムガスに、多量の二酸化炭素の気体が混入してしまうからである。一方、膨張弁の出口側に分離器を設けておけば、膨張弁の出口では必ず二酸化炭素を液化することが可能になるため、分離するヘリウムガスには、殆ど二酸化炭素の気体が混入しなくなる。
【００２８】
本発明による熱源装置の第５の特徴は、前記特徴４に記載した膨張弁は、直列に連結した２個の膨張弁からなり、前記分離器は、この２個の膨張弁の間に設けてあることにある。前記往復圧縮機は、切り替え弁によって作動流体の入出方向を切り替え可能になっている。そしてこの切り替え弁の切り替え操作に連動して、２個の膨張弁のうち下流側に位置する膨張弁の絞り機能が解除される。
【００２９】
このように発明を構成することにより、切り替え弁を切り替えるだけで、上述した作用効果を奏しつつ、熱源装置を冷房装置または暖房装置として利用することができる。すなわち、往復圧縮機からの作動流体の流出方向を逆に切り替えれば、気化器で作動流体を凝縮させた後に、上流側の膨張弁で膨張冷却させ、次いで分離器でヘリウムガスを分離した後に、絞りを開放した後流側の膨張弁を素通りさせ、凝縮器で気化させて外部から吸熱させることができる。したがって、気化器又は凝縮器の一方を室内に設置し、他方を屋外に設置しておけば、切り替え弁を切り替えるだけで、冷暖房を切り替えることができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１に示す熱源装置は、外部から熱Ｑ2をくみ上げ、熱量Ｑ1を供給する暖房機として使用する場合を示している。すなわち熱源装置は、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１のパワーピストン１１により、ランキンサイクル２の往復圧縮機２１を駆動するものであって、この往復圧縮機のシリンダ２１ａは、このパワーピストンのシリンダ１３の右側端部に、このシリンダと一体的に形成してある。往復圧縮機２１のピストン２１ｂは、パワーピストン１１の右側端部の中央に、このパワーピストンと一体的に形成してある。
【００３１】
ここで図１を参照しつつ、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１の構成を説明する。ディスプレッサ型のスターリングエンジン１は、円筒形状をしたシリンダ部１３と、このシリンダ部の内周面に摺動し、相互に対向して往復運動する同心状に配列したパワーピストン１１とディスプレッサ１４とを備えている。パワーピストン１１の左側端面中央には、円柱状の突起部が形成してあり、この突起部は、ディスプレッサ１４の対向する面に形成した円柱孔に密接挿入されて、ガスバネ１４ａを形成している。
【００３２】
シリンダ部１３は、容器１５内に収納してあり、この容器内には、作動流体として使用するヘリウムガスが密封してある。シリンダ部１３の左側は開口端となっており、ディスプレッサ１４の左側端面と、容器１５の左端部とで左側密閉空間１６を形成しており、その外部には燃焼室３１が設けてある。シリンダ部１３の右側は閉塞端となっており、上述した往復圧縮機２１が形成してある。シリンダ部１３の外周上には、ディスプレッサ１４の左端面に相当する位置に受熱熱交換器１７が、右端面に相当する位置に放熱熱交換器１９が、そしてそれらの中間に蓄熱器１８が、それぞれ巻装してあり、またパワーピストン１１に相当する位置に、交流発電機３２が巻装してある。
【００３３】
パワーピストン１１の左側端面と、ディスプレッサ１４の右側端面との間には中央空間１４ｂが形成され、この中央空間は、放熱熱交換器１９、蓄熱器１８、及び受熱熱交換器１７を経由して、左側密閉空間１６と連通している。なお中央空間１４ｂは、パワーピストン１１とシリンダ部１３とに形成した貫通孔１３ａを経由して、このパワピストンの中立位置で、右側密閉空間１２と連通している。
【００３４】
次にディスプレッサ型のスターリングエンジン１の作動を説明する。燃料調整装置３３を経由して供給された燃料が、燃焼室３１で燃焼すると、この燃焼熱は、受熱熱交換器１７を経由して左側密閉空間１６内のヘリウムガスに供給される。左側密閉空間１６内と、これに連通する中央空間１４ｂ内とのヘリウムガスは膨張して、パワーピストン１１を右側に押しやる。また、ガスバネ１４ａは、その内部圧力と左側密閉空間１６内の圧力差分だけ圧縮されつつ右側に移動する。パワーピストン１１の右側方向への移動が完了すると、圧縮されたガスバネ１４ａの反発力によって、ディスプレッサ１４は左側に押し戻され、左側密閉空間１６内のヘリウムガスを、中央空間１４ｂ内移動させる。この移動の際に、ヘリウムガスの熱量の一部が蓄熱器１８に蓄熱される。
【００３５】
次に中央空間１４ｂ内のヘリウムガスは、放熱熱交換器１９により外部に放熱して、収縮し、パワーピストン１１を左側方向に移動させる。またガスバネ１４ａは、その内部圧力と左側密閉空間１６内の圧力差分だけ膨張しつつ左側に移動する。パワーピストン１１の左側方向への移動が完了すると、膨張したガスバネ１４ａの復元力によって、ディスプレッサ１４は右側に引き戻され、中央空間１４ｂ内のヘリウムガスを、左側密閉空間１６内に移動させる。この移動の際に、蓄熱器１８に蓄熱された熱量の一部がヘリウムガスに回収され、この熱回収によって熱効率を大幅に向上させる。
【００３６】
以上により、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１は、外部から熱エネルギを受けると共に、この熱エネルギの一部を放出して、残りの熱エネルギをパワーピストン１１の往復運動エネルギに変換する。なお上述したパワーピストン１１と、ディスプレッサ１４との往復運動は、それぞれの運動を分解して記述したものであって、実際的にはガスバネ１４ａの共振を利用して、このパワーピストンと、ディスプレッサとを、相互に対向して往復運動させるものである。
【００３７】
また、交流発電機３２は、始動時からこの往復運動が安定するまでの期間、リニアモータとして、往復運動をサポートし、安定後は、交流発電機として、必要な電気の供給やバッテリーへの充電を行う。そしてピストン１１とシリンダ部１３とに形成した貫通孔１３ａは、パワーピストン１１の外周摺動面からの漏洩によって、中央空間１４ｂと、このパワーピストンの右側端面空間との圧力差が過大又は過小になると、ガスバネ１４ａのバネ定数等が変化して、円滑な作動を維持できなくなるため、このパワーピストンの中立位置において、この中央空間と、後述するように往復圧縮機２１の吸入圧力と同じにしてある右側密閉空間１２とを連通させ、上記圧力差が過大又は過小になるのを防止する。
【００３８】
さて次に、ランキンサイクル２の構成を説明する。ランキンサイクル２は、上述したスターリングエンジン１の右端部に一体成形した往復圧縮機２１と、この往復圧縮機に連通する作動流体の排出経路２２及び吸入経路２３と、この排出経路及び吸入経路を切り替える切り替え弁２４とを備えている。切り替え弁２４の排出経路側は、凝縮器２５、第１の膨張弁２６、及び分離器２７と、この順序にそれぞれ経路で連通してある。分離器２７は、簡単な密閉容器から形成してあり、容器の底部に溜まった液体化した作動流体と、容器の上部に溜まった気体状態の作動流体を、それぞれの経路で外部に流出させる経路を有している。
【００３９】
分離器２７の容器の底部に溜まった液体化した作動流体は、第２の膨張弁２８と、気化器２９とを経由して、往復圧縮機２１の吸入経路２３に還流する。なお第２の膨張弁２８は、切り替え弁２４の切り替え操作に連動して、絞り機能が解除してある。一方分離器２７の容器の上部に溜まった気化した作動流体は、スターリングエンジン２の右側密閉空間１２に導入される。なお、ランキンサイクル２の作動流体は、二酸化炭素を使用している。
【００４０】
次にランキンサイクル２の作動を説明する。ディスプレッサ型のスターリングエンジン１のパワーピストン１１が、右方向に移動し、これと一体形成した往復圧縮機２１によって二酸化炭素は圧縮され、高温高圧の蒸気となって、排出経路２２と切り替え弁２４とを経由して凝縮器２５に流入する。次に二酸化炭素の蒸気は、凝縮器２５において熱量Ｑ1を外気に放熱して凝縮する。なお凝縮器２５の放熱温度によっては、この凝縮器で放熱しても、二酸化炭素が液化しない場合もある。しかしこのような場合にも、二酸化炭素は、膨張弁２６で等エンタルピ膨張することによって、低温になり液化する。
【００４１】
次に液化した二酸化炭素は、分離器２７に導入され、この分離器を構成する容器の底部に溜まる。ところで、本発明の往復圧縮機２１のシリンダ２１ａの内周面と、ピストン２１ｂの外周面との間隙は、完全なシールが困難であるために、スターリングエンジンの作動流体であるヘリウムガスの、ある程度の内部漏洩を許容する構造になっている。したがってランキンサイクル２の作動流体である二酸化炭素には、この間隙を通じて漏洩したヘリウムガスが混入する。そしてこの混入したヘリウムガスは、凝縮器２５及び膨張弁２６において液化することはなく、液化二酸化炭素に混入した状態で、分離器２７に導入される。
【００４２】
したがって、分離器２７を構成する容器には、その比重の相違によって、液化二酸化炭素が底部に溜り、その上部にヘリウムガスと僅かな二酸化炭素の蒸気とが分離される。そして、分離器２７の容積をある程度大きくすれば、液化二酸化炭素に混入するヘリウムガスは少量となり、液化二酸化炭素と混入したヘリウムガスとが、この分離機でほぼ完全に分離される。
【００４３】
次に分離器２７の底部に溜まった液化二酸化炭素は、その分離器の低部から、絞り機能が解除された第２の膨張弁２８を素通りして、気化器２９に導入される。そして、気化器２９において、外部から熱量Ｑ2を吸熱して蒸発し、この蒸発した二酸化炭素は、切り替え弁２４と吸入経路２３とを経由して、往復圧縮機２１に吸引される。一方分離器２７の上部に分離されたヘリウムガスと、僅かな二酸化炭素の蒸気との混合気体は、この分離器の上部から、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１の右側密閉空間１２に還流される。
【００４４】
以上により、ランキンサイクル２は、気化器２９における液化二酸化炭素の蒸発によって、効率的に外部から熱量Ｑ2を汲み上げ、この熱量と往復圧縮機２１の動力とを加えた熱量Ｑ1を、暖房熱として凝縮機２５から供給する。一方、往復圧縮機２１で漏洩混入したヘリウムガスは、分離器２７で液化した二酸化炭素から分離回収されるので、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１は、殆ど二酸化炭素が混入していないヘリウムガスによって、継続運転可能となる。
【００４５】
ところで、分離器２７で分離回収されるヘリウムガスの圧力は、気化器２９の圧力損失が極僅かであるため、往復圧縮機２１の吸引圧力とほぼ同じとなる。すなわち図１に示すように、スターリングエンジン１のパワーピストン１１が、右方向に移動すると、往復圧縮機２１のピストン２１ｂも右方向に移動して、この往復圧縮機のシリンダ２１内の二酸化炭素を圧縮する。一方パワーピストン１１の右側と、このパワーピストンのシリンダ１３の右端部とに挟まれた空間にあるヘリウムガスも、同じストローク分だけ圧縮される。したがって、両作動流体の圧縮圧力は、圧縮前の圧力がほぼ同じであるため、ほぼ同じになる。
【００４６】
逆にスターリングエンジン１のパワーピストン１１が、左方向に移動する場合にも、両作動流体も、同じストローク分だけ膨張するため、両作動流体の圧力もほぼ同じになる。したがって、往復圧縮機２１の内外圧力差が小さくなるため、この往復圧縮機２１における作動流体の内部漏洩を低減することができる。
【００４７】
さて図２は、熱源装置を冷房装置として利用する場合を示している。すなわち図２に示す熱源装置は、図１に示すランキンサイクル２を、切り替え弁２４によって作動流体の流れを逆にし、この切り替え弁の切り替え操作と連動して、第１の膨張弁２６の絞り機能を解除し、一方第２の膨張弁２８の絞り機能を復帰させたものである。この場合には、凝縮器２５と気化器２９、及び第１の膨張弁２６と第２の膨張弁２８とを、相互に逆の機能を発揮させることになり、凝縮器１５で作動流体を気化させて、外部から熱量Ｑ2を吸熱して冷房する。そしてこの吸熱した熱量Ｑ2に、往復圧縮機２１の圧縮仕事を加えた熱量Ｑ1を、気化器２９から放熱する。したがって、凝縮器２５と気化器２９とのいずれかの一方を屋内に設置し、他方を屋外等に設置しておけば、切り替え弁２４を切り替えるだけで、暖房装置と冷房装置とを切り替えて使用することができる。
【００４８】
図３に、ランキンサイクル２のサイクル工程の１例を示す。図３中の点１ｈ〜点４ｈは、図１に示す暖房装置として使用する１例であり、往復圧縮機２１の吸入圧力（点１ｈ）を、４．５ＭＰａに設定してある。すなわち作動流体である二酸化炭素は、往復圧縮機２１で臨界圧力Ｃ以上に圧縮され（点２ｈ）、次いで凝縮器２５で外部に熱量Ｑ1を放熱し（点３ｈ）、第１の膨張弁２６によって等エンタルピ膨張し（点４ｈ）、気化器２９で外部から熱量Ｑ2を吸収する（点１ｈ）。なお、第１の膨張弁２６の出口側の点４ｈにおいて、分離器２７によって、混入しているヘリウムガスを分離する。
【００４９】
図３中の点１ｃ〜点４ｃは、図２に示す冷房装置として使用する１例であり、往復圧縮機２１の吸入圧力（点１ｃ）を、４．７ＭＰａに設定してある。すなわち作動流体である二酸化炭素は、往復圧縮機２１で臨界圧力Ｃ以下に圧縮され（点２ｃ）、次いで気化器２９で外部に熱量Ｑ1を放熱し（点３ｃ）、第２の膨張弁２８によって等エンタルピ膨張し（点４ｃ）、凝縮器２５で気化して外部から熱量Ｑ2を吸収する（１ｃ）。なお、第２の膨張弁２８の出口側の点４ｃにおいて、分離器２７によって、混入しているヘリウムガスを分離する。
【００５０】
ところで上述したように、ディスプレッサ型の、スターリングエンジン１の作動流体であるヘリウムガスの密閉圧力は、ランキンサイクル２の往復圧縮機２１の吸入圧力とほぼ同じになる。したがって上述した例においては、このヘリウムガスの密閉圧力は、ほぼ４．５〜４．７ＭＰａとなり、ディスプレッサ型のスターリングエンジン１を効率よく作動させ得る圧力になっている。
【００５１】
最後に図４中の上図に、上述した熱源装置を暖房装置として使用する場合の、熱勘定の１例を示す。ここで、燃焼器３１の燃焼効率ηを０．８、スターリングエンジン１の熱効率ηを０．３とする。また気化器２９における吸熱Ｑ2は、１０℃の地下水から汲み上げ、凝縮器２５によって３５℃で放熱Ｑ1を行うものとする。このような条件では、スターリングサイクル２の動作係数（ＣＯＰ）は、少なくとも６を達成することができる。したがって、暖房として供給できる熱量は、燃焼器３１からの排熱０．２と、スターリングエンジン１からの排熱、０．８ Ｘ （１．０−０．３）＝０．５６と、スターリングサイクル２からの放熱、０．２４ Ｘ ６＝１．４４とを加えた、２．２０となる。なお、地下水から汲み上げる熱量Ｑ2は、１．４４−０．２４＝１．２０となる。したがって、消費する燃料エネルギー１．０に対して、２２０％の暖房熱を得ることができる。
【００５２】
図４中の下図に、上述した熱源装置を冷房装置として使用する場合の、熱勘定の１例を示す。この場合、２０℃の地下水に放熱し、１２℃の冷風を供給するものとすると、ランキンサイクル２のＣＯＰは、少なくとも１６を達成することができる。したがって、吸収できる熱量Ｑ2は、０．２４ Ｘ １８＝４．３２となる。なお地下水への放熱量Ｑ1は、４．３２ ＋ ０．２４＝４．５６となる。なお、燃焼器３１とスターリングエンジン１とからの排熱、０．２＋０．５６＝０．７６は、温水器の熱源として利用することもできる。
【００５３】
なお凝縮器２５の出口と、圧縮機２１の入口との間で、作動流体の熱を交換させて、ランキンサイクル２の効率を向上することも効果的である。また、図１、図２の破線で示すように、ランキンサイクル２の要求負荷に合わせて、供給燃料の流量と、第１の膨張弁２６と、第２の膨張弁２８との絞り度、すなわち流量とを制御して、気化器２９又は凝縮器２５の出口で、流入した液化作動流体が過不足なく１００％気化するようにして、熱源装置全体の作動効率を最適化することも効果的である。
【００５４】
【発明の効果】
第１に、ディスプレッサ型のスターリングエンジンを使用することにより、往復圧縮機の駆動エンジンを、小型軽量、高効率、かつ低騒音にすることができ、さらに耐久性、始動性及び安定性も向上させることができる。第２に、動作係数の高いランキンサイクルを利用することにより、熱源装置の吸熱や放熱量を大きくすることができる。第３に、往復圧縮機をスターリングエンジンと一体的に形成することによって、作動流体が外気に洩れて環境を損なうことを防止できため、往復圧縮機からの動作流体の漏洩を、完全に遮断するという困難な手段を回避できる。第４に、スターリングエンジンとランキンサイクルとの作動流体として、共に同一の二酸化炭素を使用することにより、両者の間で作動流体が内部漏洩しても、両者の作動に影響を与えない。また二酸化炭素は、機能上及び作動効率上、適切な共通の作動流体であって、かつ入手が容易で、対環境性の問題も少ない。
【００５５】
第５に、スターリングエンジンとランキンサイクルとの作動流体として、共に同じ二酸化炭素とヘリウムガスの混合体を使用することにより、スターリングエンジンの作動効率を向上させることができる。第６に、二酸化炭素が液化する膨張弁の出口に分離器を設けることにより、混入したヘリウムガスを、容易かつ高い純度で分離できる。第７に、分離したヘリウムガスを、スターリングエンジンに回収することにより、スターリングエンジンには主としてヘリウムガスを、ランキンサイクルには主として二酸化炭素を、それぞれ作動流体として使用することができるので、それぞれ最大に近い効率を発揮する作動流体を使用できる。またヘリウムガスは、可燃性が無く、環境性にも優れ、入手も容易である。
【００５６】
第８に、ランキンサイクルの往復圧縮機の吸入圧力と、スターリングエンジンの密閉圧力とを、ほぼ同じにすることができるので、スターリングエンジンの作動流体の圧力と、往復圧縮機の作動流体との内外圧力差を少なくし、これにより往復圧縮機からの内部漏洩量を少なくすることができる。第９に、切り替え弁を切り替えるだけで、上述した作用効果を奏しつつ、熱源装置を冷房装置または暖房装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 熱源装置を暖房装置として使用する場合の、全体構成図である。
【図２】 熱源装置を冷房装置として使用する場合の、全体構成図である。
【図３】 ランキンサイクルの圧力とエンタルピの関係を例示した線図である。
【図４】 熱源装置の熱勘定を例示した説明図である。
【図５】 従来例による暖房装置の熱勘定を例示した説明図である。
【符号の説明】
１ スターリングエンジン
１１ パワーピストン
１２ 右側密閉空間
１３ シリンダ
１４ ディスプレッサ
１５ 容器
１６ 左側密閉空間
２ ランキンサイクル
２１ 往復圧縮機
２１ａ シリンダ
２１ｂ ピストン
２４ 切り替え弁
２５ 凝縮器
２６ 第１の膨張弁
２７ 分離器
２８ 第２の膨張弁
２９ 気化器
３１ 燃焼室

Claims (5)

1. ディスプレッサ型のスターリングエンジンのパワーピストンによりランキンサイクルの熱ポンプの往復圧縮機を駆動するものであって、
   上記往復圧縮機のシリンダは、上記パワーピストンのシリンダの一端部にこのシリンダと一体的に形成され、
   上記往復圧縮機のピストンは、上記パワーピストンの一端部にこのパワーピストンと一体的に形成してあり、
   上記スターリングエンジンと上記ランキンサイクルの熱ポンプとの作動流体が共に二酸化炭素である
   ことを特徴とする熱源装置。
2. 請求項１において、前記ランキンサイクルの熱ポンプが臨界点領域で作動することを特徴とする熱源装置。
3. 請求項１〜２のいずれかにおいて、前記スターリングエンジンとランキンサイクルの熱ポンプとの作動流体が二酸化炭素とヘリウムガスとの混合体であることを特徴とする熱源装置。
4. 請求項３において、前記ランキンサイクルの熱ポンプは、膨張弁と気化器との間に分離器を備え、
   上記分離器は、前記作動流体から液化二酸化炭素とヘリウムガスとを分離し、
   上記記分離した液化二酸化炭素は、上記気化器に供給され、
   上記分離したヘリウムガスは、上記スターリングエンジンの作動流体に還流される
   ことを特徴とする熱源装置。
5. 請求項４において、前記膨張弁は、直列に連結した２個の膨張弁からなり、
   前記分離器は、上記２個の膨張弁の間に設けてあり、
   前記往復圧縮機は、切り替え弁によって作動流体の入出方向を切り替え可能となっており、
   上記切り替え弁の切り替え操作に連動して上記２個の膨張弁のうち下流側に位置する膨張弁の絞り機能が解除される
   ことを特徴とする熱源装置。

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