JP4649268B2

JP4649268B2 - 自然冷媒ヒートポンプシステム

Info

Publication number: JP4649268B2
Application number: JP2005149200A
Authority: JP
Inventors: 賢小川
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-05-23
Filing date: 2005-05-23
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2025-05-23
Also published as: JP2006329445A

Description

本発明は、家庭用や業務用の給湯、風呂、暖房等に熱を供給するヒートポンプに関し、特にＣＯ_２等の自然界に存在する冷媒を用いた自然冷媒ヒートポンプのシステム構成に関するものである。

近年、オゾン層保護の観点から、フロン等の人為的に合成された冷媒ではなく、ＣＯ_２、水、空気、アンモニア、ハイドロカーボン等の自然界に存在する物質を冷媒（このような冷媒を本明細書では「自然冷媒」という）として用いた熱システムが注目されており、実際このような自然冷媒を使用したヒートポンプ（以下、自然冷媒ヒートポンプという）システム応用品、例えば家庭用や業務用の自然冷媒ヒートポンプ給湯器が、既に多くの企業で商品化されて販売されている（例えば特許文献１、２参照）。

図１８は、家庭や業務用の熱供給システムを構築するために用いられる、従来の自然冷媒ヒートポンプのシステム例を示している。このシステムは基本構成として、ヒートポンプユニット１０と貯湯ユニット２０とを備えている。そしてヒートポンプユニット１０は、蒸発器１０１、ＣＯ_２圧縮機（コンプレッサー）１０２並びに該圧縮機１０２を駆動する電動機１０３、熱交換器１０４、及び膨張弁１０５を有し、これら機器は循環管路で連結されており、該管路内には自然冷媒、例えばＣＯ_２が封入されている。

このような構成において、先ず前記自然冷媒（ＣＯ_２）は蒸発器１０１において熱交換作用を受けて気体Ｐ１０とされ、圧縮機１０２へ送られる。そして圧縮機１０２においてＣＯ_２は圧縮され、約１３０℃の高温に加熱されて超臨界状態とされた超臨界流体Ｐ２０となり、熱交換器１０４へ送られる。熱交換器１０４でＣＯ_２は、貯湯ユニット２０の貯湯槽２０１から循環されて来る水と熱交換して約６０〜９０℃程度まで昇温させ、温水Ｗを生成する。一方、ＣＯ_２自身は常温近くまで冷却され、常温流体Ｐ３０となる。この時点でＣＯ_２はまだ高圧の超臨界状態であるために、膨張弁１０５で断熱膨張され、大部分が液体ＣＯ_２でその一部が気体ＣＯ_２である二相流体Ｐ４０となる。しかる後、ＣＯ_２二相流体Ｐ４０は蒸発器１０１へ戻り、空気中から熱を取り込み常温まで昇温されて気化して気体Ｐ１０となり、上述のサイクルが繰り返されるものである。

他方、生成された温水Ｗは貯湯槽２０１へ送られる。この場合貯湯槽２０１内の水温分布は、上層部が約６０〜９０℃の高温、下層部が常温の温度混合層になる。この貯湯槽２０１から必要に応じて給湯、風呂用の湯が供給され、また不足する水は水道水等から貯湯槽２０１へ給水される。このような自然冷媒ヒートポンプを用いた熱供給システムによれば、蒸発器１０１により大気の熱を取り込むために、使用する電力量と大気の熱を給湯用エネルギーとして使用でき、ＣＯＰ（利用できる熱エネルギー量／使用する電力エネルギー量）は３となり、非常に経済的なシステムを構築することができる。

図１９（イ）に、上述したようなＣＯ_２自然冷媒ヒートポンプのＴ−Ｓ線図を、図１９（ロ）に、Ｐ−Ｉ線図をそれぞれ示しておく。なお、これら線図における（ａ）〜（ｄ）の記号は、Ｔ−Ｓ線図中に略記しているヒートポンプシステム図に付されている記号（ａ）〜（ｄ）と対応し、当該部位の状態を示すものである。従って、図１８中の矢印Ｐ１０＝（ａ）、Ｐ２０＝（ｂ）、Ｐ３０＝（ｃ）、Ｐ４０＝（ｄ）という対応関係となる。図１９（イ）、（ロ）において、状態（ａ）における２ＭＰａ，−３℃のＣＯ_２ガスは圧縮機で圧縮され、状態（ｂ）の１００℃（上述の例では約１３０℃として説明），１０ＭＰａの高圧臨界流体となる。その後、熱交換器に入り、貯湯槽の給水と熱交換され、状態（ｃ）の約１８℃程度まで温度が低下する一方で、１０ＭＰａの高圧臨界状態が維持された常温高圧臨界流体となる。この状態で膨張弁により、状態（ｄ）の通り２ＭＰａ，−３℃まで膨張して大部分は液化し、一部は気化してＣＯ_２ガス化する二相流体となる。しかる後、蒸発器により全てが気体のＣＯ_２ガスになる。このサイクルを繰り返すことにより熱交換器で給湯水が製造されるものである。
特開２００３−１８５３０６号公報特開２００２−３７２３１８号公報

上述したような自然冷媒ヒートポンプシステムでは、ＣＯ_２圧縮機（コンプレッサー）１０２の駆動のために電動機１０３を使用しており、当該ヒートポンプの運転中は電力を消費することになる。この種ヒートポンプシステムの一般家庭用のものでは、電動機１０３の電力消費量は１．０〜１．５ｋＷ程度である。現状では自然冷媒ヒートポンプによる給湯器のランニングコストはガス給湯器に比べて１／５程度と優位性を有しているが、設備コストは４〜５倍程度を要してしまうのが通常であり、ガス給湯器から自然冷媒ヒートポンプ給湯器への代替を目指すには、設備償却を考慮するとさらにランニングコストを下げる必要がある。

また、家庭等の電力は昼間と夜間では価格に大きな差が有り（昼間は２４円／ｋＷｈ，夜間は７円／ｋＷｈ程度）、このため自然冷媒ヒートポンプは経済的といえども、安価な深夜電力を使用して夜間に貯湯槽に湯を蓄えておく必要がある。かかる貯湯を行うため、貯湯槽容量としては、家族の人数やライフスタイルによるが、３５０〜４５０リットル程度のタンクが必要となり、電気温水器の場合と同様に設置スペース面での制約が生じるという問題がある。

以上の通り、自然冷媒ヒートポンプシステム（給湯器）のランニングコストをさらに下げる必要性に加え、貯湯槽容量を小さくしてスペース面の問題を解消する一方で、昼間電力を使用してヒートポンプを運転して貯湯槽容量縮小分を補う運転方式としても十分経済的となるような改良を為す必要性がある。また別観点の問題として、現状の自然冷媒ヒートポンプでは、高圧の超臨界状態とされたＣＯ_２を、膨張弁を使用して常圧にして液化させているが、かかる高圧エネルギーが有効利用されていないと言え、このエネルギーを回収して経済性や運用性を改善する必要性がある。

本発明は、これらの必要性に鑑みてなされたものであって、超臨界状態とされた自然冷媒が保有する高圧エネルギーを有効活用し、自然冷媒ヒートポンプを用いた給湯器等のシステムの、ランニングコストの低減を図り得る自然冷媒ヒートポンプシステムを提供することを目的とする。

本発明の請求項１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムは、自然冷媒を圧縮機で高温高圧化して熱交換器に送り、該熱交換器を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張させ、蒸発器で自然冷媒を気化させるサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプシステムにおいて、前記自然冷媒を膨張させる機構として、ピストン及びシリンダを備える往復式ピストン機関を用いると共に、前記ピストンの往復運動に基づき回転駆動されるクランク軸を具備してなり、該往復式ピストン機関のシリンダへ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで、前記クランク軸の回転出力を得る構成を含み、前記往復式ピストン機関は複数台が備えられ、第１の往復式ピストン機関のシリンダの排気口が、第２の往復式ピストン機関のシリンダの吸気口に接続されるように複数台の往復式ピストン機関が直列的に接続されると共に、各ピストンの往復運動が共通のクランク軸に与えられる単気筒多段構成とされており、自然冷媒が前記第１の往復式ピストン機関のシリンダの排気口から、第２の往復式ピストン機関のシリンダの吸気口へ至る間において、前記自然冷媒を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする。

従来のシステム構成においては、膨張弁を使用して自然冷媒たるＣＯ_２圧力を常圧まで降下させているが、約１０ＭＰａの高圧のＣＯ_２超臨界流体を単純に約２ＭＰａまで膨張させているのみで、高圧エネルギーの回収をしていない。そこで本発明では、自然冷媒の降圧機器（膨張機構）として、低温高圧状態の自然冷媒が備える圧力エネルギーを回転エネルギーに変換して回転出力を生成する構成を用いることで高圧エネルギーの回収を行う構成としたものである。前記回転出力生成手段にて生成された回転エネルギーを、当該自然冷媒ヒートポンプシステムの稼動に必要となる駆動機構のエネルギー源として活用することで、システムの効率化を図ることができる。

上記構成によれば、自然冷媒を膨張させる機構として、ピストン及びシリンダを備える往復式ピストン機関を使用し、該往復式ピストン機関のシリンダへ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることでクランク軸の回転出力が得られる。すなわち、自然冷媒をシリンダ内で膨張させると同時にピストンの往復運動に基づくクランク軸の回転出力を生成させることで高圧エネルギーの回収を行う構成である。前記クランク軸から発生される回転エネルギーを、当該自然冷媒ヒートポンプシステムの稼動に必要となる駆動機構のエネルギー源として活用することで、システムの効率化を図ることができる。

また、上記構成によれば、直列的に接続された複数台の往復式ピストン機関の、上流側の往復式ピストン機関（第１の往復式ピストン機関）に比較的高圧の自然冷媒が導入されて断熱膨張仕事をし、続いて下流側の往復式ピストン機関（第２の往復式ピストン機関）に比較的低圧の自然冷媒が導入されて断熱膨張仕事をするというように、高圧自然冷媒が保有する圧力エネルギーが段階的に利用される。自然冷媒は、このような２段階若しくはそれ以上の多段階の過程を経て、高圧から常圧近くまで減圧されることになる。

さらに、自然冷媒が前記第１の往復式ピストン機関のシリンダの排気口から、第２の往復式ピストン機関のシリンダの吸気口へ至る間において、前記自然冷媒を加熱する加熱手段を備えるので、上流側から下流側の往復式ピストン機関へ自然冷媒が導入される際に、自然冷媒が例えば大気と熱交換を行うような加熱手段により加熱される。従って、上流側の往復式ピストン機関における断熱膨張で自然冷媒のガス温度が低下された場合でも、前記加熱手段により昇温された状態で自然冷媒を下流側の往復式ピストン機関へ導入できるようになる。

上記構成において、前記回転出力により駆動されることで電力を発生する発電機を具備させることができる（請求項２）。この構成によれば、クランク軸等の回転出力にて発電機が駆動され、当該発電機により電力が発生される。このようにして発生された電力は、例えば当該自然冷媒ヒートポンプシステムの稼動のために使用される電動機等の駆動電源として活用することができる。

この場合、前記発電機が発生した電力を、商用電力の周波数に変換するインバータを具備させることが望ましい（請求項３）。発電機が発生する電力の周波数は、クランク軸等の回転数に依存することになる。この場合、商用電力と同じ周波数の電力が得られないこともあるが、インバータを具備させることで、発電機が発生する電力を５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの電力に変換することが可能となり、発生される電力の汎用性を高めることができる。

上記構成にあって、前記圧縮機が電動機をその駆動動力源とする場合において、前記発電機により発生された電力を、前記電動機に給電するよう構成することができる（請求項４）。また、前記蒸発器が電動機で駆動される送気ファンを有する場合において、前記発電機により発生された電力を、前記送気ファンの電動機に給電するよう構成することができる（請求項５）。これらの構成によれば、圧縮機や送気ファンを駆動させる電動機の電源を、当該自然冷媒ヒートポンプシステムで回収されたエネルギーにて賄うことができる。

上記構成にあって、前記熱交換器から与えられる熱により生成された温水を貯留する貯湯槽を有する場合において、前記貯湯槽内に電気ヒータを配置し、前記発電機により発生された電力を、前記電気ヒータに給電するよう構成することができる（請求項６）。この構成によれば、前記発電機で発生された電力が、貯湯槽内の温水を保温乃至は加熱する電気ヒータの電源として活用されるようになる。なお、電気ヒータは電源周波数がさほど問題にならないことから、インバータ等を用いることなく簡易に電力を活用できるという利点がある。

上記構成において、前記回転出力が、前記圧縮機の駆動動力源、及び／又は前記蒸発器が送気ファンを備える場合における該送気ファンの駆動動力源として、直接的に利用されるよう構成することができる（請求項７）。この構成によれば、往復式ピストン機関等で回収された回転エネルギーが、圧縮機及び／又は送気ファンにおいて、直接的に駆動源として活用される。従って、エネルギー変換効率が高い態様のエネルギーリサイクル系が構築されるようになる。

上記構成において、前記往復式ピストン機関のシリンダには吸気弁と排気弁とが備えられ、前記吸気弁及び排気弁の開閉速度を制御することで前記回転出力の回転数を制御する開閉制御手段を具備する構成とすることが望ましい（請求項８）。この構成によれば、クランク軸の回転数が、シリンダの吸気弁及び排気弁の開閉速度により制御され、ひいてはクランク軸の回転出力を受ける各種機器（発電機、或いは圧縮機や送気ファン）の出力調整が、前記開閉制御手段にて行えるようになる。例えば、発電機が発生する電力の周波数調整も可能となり、インバータ等を用いることなく所望の周波数の電力を発生させることが可能となる。

上記構成にあって、圧縮機の回転軸とクランク軸とを機械的に連結する場合において、前記圧縮機の回転数を検出する回転数検出手段を設け、前記開閉制御手段は、前記回転数検出手段により検出された回転数に前記回転出力の回転数が同期するよう、前記吸気弁及び排気弁の開閉速度を制御することが望ましい（請求項９）。クランク軸の回転出力で圧縮機を直接駆動させるよう構成した場合、圧縮機の回転数とクランク軸の回転数とを一致させないと、例えば圧縮機が往復式ピストン機関を強制駆動する現象が惹起されかねない。そこで、吸気弁及び排気弁の開閉速度を、圧縮機の回転数に応じて制御し、圧縮機の回転軸とクランク軸とを同期回転させることで、機械損失の発生を未然に防止できるようになる。

また、上記構成において、前記吸気弁、若しくは前記吸気弁及び排気弁として、回転式の切替弁を用いることで、前記回転出力の回転数を制御することが望ましい（請求項１０）。この構成によれば、シリンダへ導入される自然冷媒の流量制御を、回転式切替弁の弁座の回転数を調整することで行え、弁の上下動による方式よりも素早く動作させることが可能となる。

上記構成において、往復式ピストン機関のシリンダへ自然冷媒を導入するための第１配管と、前記シリンダをバイパスして自然冷媒を蒸発器に導く第２配管と、前記第１配管及び／又は第２配管に配置される流量制御弁と、前記流量制御弁の動作制御を行い自然冷媒の流量を制御することで前記回転出力の回転数を制御する制御手段とを具備する構成とすることができる（請求項１１）。この構成によれば、流量制御弁による自然冷媒の流量制御により、往復式ピストン機関の往復動作を制御することが可能となり、これによりクランク軸の回転数も制御可能となる。

上記構成において、前記圧縮機及び／又は前記送気ファンを駆動させる駆動軸と、前記回転出力が生成される回転軸とを所定の制御信号に基づき連結又は開放する連結器と、前記圧縮機及び／又は前記送気ファンの負荷に応じて、前記連結又は開放の制御信号を生成する連結器制御手段とを具備する構成とすることができる（請求項１２）。この構成によれば、連結器制御手段により、往復式ピストン機関の駆動力が大きく圧縮機等に有効な駆動力を与えることができる状態のときに連結器にて前記回転軸と駆動軸とを繋ぎ、往復式ピストン機関の駆動力が小さく圧縮機等に却って負荷を与えてしまうときは連結器を解放するという運転制御が行えるようになる。

上記構成において、膨張された自然冷媒から冷熱を回収する冷熱回収機構を付設することが望ましい（請求項１３）。この構成によれば、例えば自然冷媒が蒸発器において低温から常温へ昇温される際に冷熱が回収され、冷熱の利用も可能な自然冷媒ヒートポンプシステムが構築される。

請求項１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、自然冷媒を膨張させる機構として、低温高圧状態の自然冷媒が備える圧力エネルギーを回転エネルギーに変換して回転出力を生成するので、前記回転出力を当該自然冷媒ヒートポンプシステムの各部で必要とされる電力の生成や駆動力に用いることで、ヒートポンプシステム全体としての経済性を改善することができる。また、自然冷媒を膨張させる機構として、ピストン及びシリンダを備える往復式ピストン機関が使用され、前記ピストンの往復運動に基づき回転駆動されるクランク軸から回転出力を得るよう構成されているので、前記回転出力を当該自然冷媒ヒートポンプシステムの各部で必要とされる電力の生成や駆動力に用いることで、ヒートポンプシステム全体としての経済性を改善することができる。

また、自然冷媒は、直列的に接続された複数台の往復式ピストン機関により、高圧から常圧近くまで段階的に減圧される。つまり、約１０ＭＰａの高圧のＣＯ_２超臨界流体を一段の往復式ピストン機関で一気に常圧まで低下させるのではなく、複数台の往復式ピストン機関にて多段階を経て減圧させるので、自然冷媒が保有する圧力エネルギーを効率的に利用することができる。さらに、各段の往復式ピストン機関にて断熱膨張仕事を行って低温化した自然冷媒が加熱手段により加熱され、再度温度上昇された後に次段の往復式ピストン機関で断熱膨張仕事をすることになるので、各段の往復式ピストン機関における仕事量を多くすることができる。ここで、加熱手段として大気、或いは当該自然冷媒ヒートポンプシステムの未利用排熱を利用して熱交換すれば、前記加熱手段の熱源を別途準備する必要がなく、システムの一層の効率化を図ることができる。

請求項２にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、クランク軸等の回転出力を利用して電力が生成される。この電力を、当該自然冷媒ヒートポンプシステムの稼動のために使用される電動機等の駆動電源として活用することで、ヒートポンプシステムとしての電力使用量を減少させることができ、全体としてのＣＯＰ、経済性が改善する。また、電気使用量が減少するために、電力料金が高い昼間に運転しても経済性が高くなることから、貯湯槽湯量は風呂給湯に必要な１００〜２００リットル程度に少なくでき、洗面所や台所で必要とする間歇的な給湯はヒートポンプシステムを昼間運転することにより供給しても経済性が得られるようになるという効果を奏する。

請求項３にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、インバータにより発電機が発生する電力を商用電力に変換して電力の汎用性を高めることができるので、電力の利用用途を拡張することができる。

請求項４にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、発電機により発生される電力が、圧縮機を駆動させる電動機の動作電源として活用されるので、システムの経済性を向上させることができる。

請求項５にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、発電機により発生される電力が、送気ファンを駆動させる電動機の動作電源として活用されるので、システムの経済性を向上させることができる。

請求項６にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、発電機により発生される電力が、貯湯槽内の温水を保温乃至は加熱する電気ヒータの動作電源として活用されるので、システムの経済性を向上させることができる。また、電気ヒータの設置により高温での貯湯が可能となることから、貯湯槽容量のコンパクト化を図ることもできる。

請求項７にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、往復式ピストン機関等で回収された回転エネルギーが、圧縮機及び／又は送気ファンにおいて、直接的に駆動源として活用される。これにより、圧縮機及び／又は送気ファンを駆動させる動力源（電動機等）の負担を軽減でき、経済性を向上させることができる。

請求項８にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、クランク軸の回転数が、シリンダの吸気弁及び排気弁の開閉速度により制御され、これによりクランク軸の回転出力を受ける各種機器の出力調整が行えるので、例えば発電機が発生する電力の周波数調整も可能となり、インバータ等を用いることなく所望の周波数の電力を発生させることが可能となる。従って、インバータ等の機器の使用を不要とでき、システムの簡素化を図ることができる。

請求項９にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、吸気弁及び排気弁の開閉速度を、圧縮機の回転数に応じて制御し、圧縮機の回転軸とクランク軸とを同期回転させることで、機械損失の発生を未然に防止できるので、システムの一層効率的な運転が確保できるようになる。

請求項１０にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、回転式の切替弁を用いることで、簡易的に自然冷媒の流量調整が行えるようになる。また、弁の開閉による機械的稼動部が少なくなるため、機械的な信頼性を向上させることができる。

請求項１１にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、流量制御弁による自然冷媒の流量制御により、往復式ピストン機関の往復動作を制御し、クランク軸の回転数も制御できる。従って、クランク軸で発電機等を駆動させる場合でもインバータ等の機器の使用を不要とでき、システムの簡素化を図ることができる。

請求項１２にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、起動時や低負荷時には連結器を切り離して起動することにより、起動が容易に行えると共に、低負荷時には圧縮機用電動機を駆動させる電動機等の負荷低減が可能になる。

請求項１３にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムによれば、冷熱回収機構で回収された冷熱で氷や冷水、冷気などを生成することが可能となり、自然冷媒ヒートポンプシステムの利用性を一層向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
（第１実施形態）
図１は本発明にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１の構成例を示すブロック図である。このシステムＳ１は、基本構成として、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている。そしてヒートポンプユニット１は、蒸発器１１、この蒸発器１１に付設された送気ファン１１１及びその駆動電動機１１２、自然冷媒の圧縮機（コンプレッサー）１２及びその駆動電動機１３、熱交換器１４、自然冷媒を断熱膨張させる機構であって自然冷媒の圧力エネルギーで動作される往復式ピストン機関１５、開閉弁１７、流量制御弁１８などを有し、これら機器は循環管路で連結されており、該管路内には自然冷媒、例えばＣＯ_２が封入されている。なお、往復式ピストン機関１５には、その動作により回転駆動されるクランク軸３０が連結され、該クランク軸３０には発電機４１の発電機回転子の軸が連結されている。また、発電機４１にはインバータ４２が接続されている。

蒸発器１１は、大気中の熱を取り込んで自然冷媒を気化させるためのものであり、例えば自然冷媒を流通可能とした伝熱管を蛇行させ、この蛇行伝熱管に熱交換フィンを多数枚取り付けた構成のものを用いることができる。送気ファン１１１は電動機１１２にて回転駆動され、前記蒸発器１１に熱交換用の大気を送気するものである。

圧縮機１２は、蒸発器１１から送られて来る自然冷媒を圧縮して高温高圧化するもので、各種の気体圧縮機が使用でき、二段圧縮ロータリー式の圧縮機等も使用することができる。本実施形態では電動機１３にて圧縮機１２を駆動させる態様を例示しているが、ガスエンジン方式や、後述の実施形態のように、クランク軸３０から直接圧縮機１２に回転駆動力が与えられるようにすることもできる。この圧縮機１２による自然冷媒の圧縮は、自然冷媒を超臨界状態にまで高温高圧化することを目的とし、自然冷媒としてＣＯ_２を使用した場合には、このＣＯ_２ガスは圧縮機１２で１０〜２０ＭＰａ程度に圧縮されると共に、約１３０℃の高温に加熱され、超臨界状態とされる。

熱交換器１４は、高温高圧の超臨界状態にある自然冷媒が保有する熱を、低温状態にある他の熱吸収媒体に伝熱するための機器である。前記熱吸収媒体は、当該自然冷媒ヒートポンプシステムが例えば給湯用途である場合は水であり、空調用途である場合には空気となる。本実施形態では、給湯用途を例示しており、この場合熱交換器１４内には後述する通り水が流通可能とされ、自然冷媒が保有する熱がこの水に与えられることとなる。そしてこの熱の授受により、水は加温される一方で、自然冷媒（ＣＯ_２）自身は常温近くまで冷却されることになる。

往復式ピストン機関１５は、熱交換器１４を経て常温近くまで冷却されているが超臨界状態を保ったままのＣＯ_２自然冷媒を断熱膨張させる。そして、この断熱膨張の際に発生する圧力をエネルギー源として、クランク軸３０に回転エネルギーを与える。すなわち、断熱膨張というヒートポンプサイクルにおける本来的な役目に加え、低温高圧状態のＣＯ_２自然冷媒が備える圧力エネルギーを回転エネルギーに変換して回転出力を生成するものである。

図２は、高圧状態の自然冷媒をエネルギー源として利用した単気筒式の往復式ピストン機関１５により回転出力を生成する動作を説明するための断面図である。往復式ピストン機関１５は、大略的にピストン１５１とシリンダ１５２とで構成され、円筒状のシリンダ１５２内にピストン１５１が上下動可能に収容されてなる。シリンダ１５２の上部には、吸気座１５３と排気座１５４とが設けられ、前記吸気座１５３から低温高圧状態のＣＯ_２自然冷媒がシリンダ室内Ｒへ導入され、前記排気座１５４から断熱膨張仕事を行った後のＣＯ_２自然冷媒が排出される。なお、前記吸気座１５３及び排気座１５４には、それぞれ吸気弁１５４及び排気弁１５６が設置され、これらの弁の開閉操作により吸気及び排気タイミングが制御されるようになっている。前記吸気弁１５４は、図１に示す開閉弁１７に相当するものである。

ピストン１５１は、図略のピストンリングをその外周に備え、シリンダ１５２の内周壁と気密状態で摺接する。ピストン１５１には、シリンダ１５２の下方向に延びる連接棒３１の上端が、ピストンピンにて揺動可能に取り付けられている。該連接棒３１は、ピストン１５１のヘッドに圧力エネルギーが与えられてピストン１５１がシリンダ１５２内を上下方向に往復運動すると、これに連動して上下動を行う。

一方、連接棒３１の下端には、クランクピン３２１を介してクランク３２が連結されている。そして、前記クランク３２には、所定の軸受けで軸支されたクランク軸３０が固着されている。このような構成を備えることで、ピストン１５１が直線的な往復運動を行うと、連接棒３１とクランク３２との連結点（クランクピン３２１）が円軌道を描くように運動することになり、クランク軸３０が回転駆動されるものである。

以上のように構成された往復式ピストン機関１５の動作は次の（ａ）〜（ｄ）通りとなる。なお、下記（ａ）〜（ｄ）の動作は、図２の（ａ）〜（ｄ）に示す状態図に対応させたものである。
（ａ）ピストン１５１がシリンダ１５２の上端に達したとき、吸気弁１５４が「開」とされ、低温高圧のＣＯ_２自然冷媒（高圧ガス）が所定量だけ吸気座１５を介してシリンダ室内Ｒに導入される。
（ｂ）導入されたＣＯ_２自然冷媒はシリンダ室内Ｒで断熱膨張仕事を行い、その際に発生される圧力でピストン１５１はシリンダ１５２の最下点まで押圧される。
（ｃ）ピストン１５１が最下点まで下がると吸気弁１５４が「閉」とされ、一方排気弁１５６が「開」とされる。ピストン１５１は連接棒３１から与えられる慣性でシリンダ１５２内を上方向に押し上げられ、シリンダ室内Ｒに存在している断熱膨張仕事後の低圧の自然冷媒を、排気座１５５を介して排気させる。
（ｄ）ピストン１５１がシリンダ１５２の上端に達すると、排気弁１５６が「閉」とされ、再び上記（ａ）の工程に戻る。

上記のようなピストン１５１の直線的な往復動作が、連接棒３１とクランクにより回転運動に変換され、クランク軸３０から回転出力として取り出される。すなわち、ＣＯ_２自然冷媒がシリンダ室内Ｒにて断熱膨張されると共に、断熱膨張する際の圧力エネルギーがピストン１５１のヘッドに与えられ、これがクランク軸３０の回転力に変換されるものである。なお、図２（ａ）〜（ｄ）に示した例は、本発明にかかる往復式ピストン機関１５の一例であり、吸気弁１５４や排気弁１５６の位置、構造として様々な形態のものを採用することができる。

図１に戻って、前記クランク軸３０には、発電機４１の回転子の回転軸が連結されている。つまり、発電機４１の回転子はクランク軸３０の回転出力で回転駆動されて同期高速回転し、これにより発電機４１は交流電力を発電するもので、事実上、発電機４１は往復式ピストン機関１５により駆動されて交流電力を発電する。この交流電力は、発電機４１の回転子回転数により様々な周波数となり、そのままでは動力用電源として用いることが一般に困難である。そこで発電機４１の出力端にインバータ４２が接続されている。インバータ４２は、発電機４１により発電された交流電力を、６０Ｈｚ若しくは５０Ｈｚの商用周波数電力に変換させるものである。

インバータ４２には、その出力を送電する電力ケーブル４２１が接続されている。この電力ケーブル４２１は、前記電動機１３の給電線路１３１と電気的に接続されており、インバータ４２で周波数変換されて出力された電力Ｄは、電力ケーブル４２１及び給電線路１３１を通して、圧縮機１２を駆動する電動機３の動作電源の一部として使用される。勿論、送気ファン１１１の電動機１１２にも電力を供給するようにしても良い。なお、後述のように往復式ピストン機関１５により回転駆動されるクランク軸３０の回転数を制御し、これにより発生電力の周波数を商用周波数（５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ）に制御する場合は、前記インバータ４２を省き、発電機４１で発生された電力を直接利用することが可能となる。

ＣＯ_２自然冷媒を循環させる配管は、熱交換器１４を経由した後、往復式ピストン機関１５（のシリンダ）へ向かう第１配管１０１と、往復式ピストン機関１５を経由させずにバイパスして蒸発器１１へ向かう第２配管１０２（バイパス配管）とに分岐される。開閉弁１７は、前記第１配管１０１に配置され、往復式ピストン機関１５へのＣＯ_２自然冷媒の吸入若しくは遮断を可能とするもので、例えば上述した図２の吸気弁１５４のような弁を用いることができる。

流量制御弁１８は、ＣＯ_２自然冷媒の流量を制御するためのもので、前記第２配管１０２に配置される。すなわち、流量制御弁１８の開度を大きくすれば、第２配管１０２に流れるＣＯ_２自然冷媒の流量が多くなり、逆に開度を小さくすれば、第１配管１０１に流れるＣＯ_２自然冷媒の流量が多くなる。従って、この流量制御弁１８の開度調整を行うことで、往復式ピストン機関１５で発生されるパワー（クランク軸３０のトルク）やクランク軸３０の回転数を制御することが可能となる。

なお、流量制御弁１８に従来の膨張弁の機能を持たせるようにしても良い。この場合、開閉弁１７を閉止することにより、当該自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１を従来方式の自然冷媒ヒートポンプシステムと同様に機能させることができる。これにより、例えば、冬季のように冷熱利用の用途がなく、往復式ピストン機関１５の出口温度が低くなり過ぎるような場合に、往復式ピストン機関１５に流れるＣＯ_２自然冷媒の量を少なく、あるいは停止させて、流量制御弁１８が備えられた膨張弁の機能によりＣＯ_２自然冷媒の圧力を下げて蒸発器１１に送るようにすることも可能となる。

一方貯湯ユニット２は、貯湯槽２１及び第１乃至第３の配管路２２、２３、２４を備えている。貯湯槽２１は給湯すべき温水を貯留するためのものであり、家庭用の場合は１００〜５００リットル程度の容積を備えるタンクが用いられる。第１の配管路２２は貯湯槽２１の底部を起点とし、前記熱交換器１４内を経由し、貯湯槽２１の上層部へ至る閉管路を構成している。すなわち、貯湯槽２１底部から吐出される冷水を熱交換器１４へ導いて熱交換させ、温水化した後に貯湯槽２１の上層部へ還流させる閉管路である。第２の配管路２３は、貯湯槽２１の上層部にその一端が配置され、熱交換器１４を経て加温された温水を各種の給湯設備（図示省略）へ給湯するための管路である。また第３の配管路２４は、貯湯槽２１の底部にその一端が配置され、給湯設備への給湯により不足した水を貯湯槽２１へ補給すべく、上水道設備（図示省略）と連結する管路である。

以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムの動作を、自然冷媒であるＣＯ_２のヒートポンプユニット１内における相変位に関連づけて説明する。先ずヒートポンプユニット１の閉管路内に封入されているＣＯ_２は、蒸発器１１において熱交換作用を受けて気体Ｐ１とされ、圧縮機１２へ送られる。そして電動機１３で駆動されている圧縮機１２においてＣＯ_２は、１０〜２０ＭＰａ程度に圧縮され、約１３０℃の高温に加熱されて超臨界状態の流体Ｐ２となる。

次いでこの超臨界流体Ｐ２となったＣＯ_２は、熱交換器１４へ送られる。熱交換器１４でＣＯ_２は、貯湯ユニット２の配管路２２を介して貯湯槽２１から循環されて来る水Ｗ２と熱交換して約６０〜９０℃程度まで昇温させ、温水Ｗ１を生成する。一方、熱を受け渡したＣＯ_２自身は常温近くまで冷却される。しかし、この時点でＣＯ_２はまだ高圧の超臨界状態であり、低温高圧の流体Ｐ３となる（高圧ガスの状態。一部は液化する場合がある）。そして、低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ_２は、第１配管１０１及び開閉弁１７を介して往復式ピストン機関１５へ導入されることとなる。

往復式ピストン機関１５内（シリンダ内）で低温高圧流体Ｐ３の状態であるＣＯ_２は断熱膨張され、大部分が液体ＣＯ_２となり、その一部が気体ＣＯ_２である二相流体Ｐ４１となる。この断熱膨張時のエネルギーにより、前述の通りピストン１５１（図２参照）がシリンダ１５２内で往復運動し、クランク軸３０が回転駆動される。このクランク軸３０の回転出力が発電機４１の回転子へ伝達され、発電機４１では交流電力の発電が行われる。そして該交流電力はインバータ４２で商用周波数電力に変換され、電動機１３の動作電源として給電される。このような仕事を終え、二相流体Ｐ４２となったＣＯ_２は蒸発器１１へ向けて送られる。一方、第２配管１０２に送られるＣＯ_２も、膨張弁の機能を有する流量制御弁１８或いは別途設けられた断熱膨張機構により二相流体Ｐ４２の状態で蒸発器１１へ向けて送られることになる。

上記第１配管１０１及び第２配管１０２を経て二相流体Ｐ４１、Ｐ４２の状態となったＣＯ_２は合流し、低温低圧の二相流体Ｐ５として蒸発器１１へ導入される。そして蒸発器１１において大気との熱交換が行われ、ＣＯ_２は気体Ｐ１となって圧縮機１２へ再び送られる。以上のようなサイクルが、このヒートポンプユニット１内で繰り返されるものである。

一方貯湯ユニット２側においては、熱交換器１４で昇温された約９０℃の温水Ｗ１は、配管路２２を介して貯湯槽２１の上層部に送られる。このような高温の温水Ｗ１が投入されることで、貯湯槽２１内の上層部は約９０℃の高温水、下層部は常温に近い混合層を形成することとなる。この貯湯槽２１の上層部から必要に応じて、配管路２３を介して給湯や風呂用の温水Ｗ３が供給される。また、給湯に使用した水量に相当する分の水Ｗ０が、配管路２４を介して給水される。以上のようなサイクルが、貯湯ユニット２１内で繰り返されるものである。

以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１にあっては、圧縮機１２の駆動源として電動機３を使用しており、電力を必要とするものであるが、その駆動に必要な電力の一部として往復式ピストン機関１５で回収した圧力エネルギーから生成した電力を供給するために、当該自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１を稼動させるために必要な外部動力を減少させることができる。また、蒸発器１１により大気の熱を取り込んで熱交換の起点としているために、使用する電力量と大気の熱を給湯用エネルギーとして使用でき、ＣＯＰは従来型の３よりもさらに向上できる経済的なシステムとなる。

このような自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１の経済性について概略的に説明する。往復式ピストン機関１５で回転駆動されるクランク軸３０に発電機４１とインバータ４２とを組み付け、断熱膨張エネルギーを電気エネルギーとして回収することにより、ヒートポンプシステムの電力使用量が減少することになる。従来型の一般家庭用のＣＯ_２ヒートポンプシステムにおける１ケ月の電気使用量は約１８０ｋＷｈであり、深夜電力換算（７円／ｋＷｈ）でのランニングコストは約１２６０円／月となる。仮に、圧縮機１２の容量が１．５ｋＷ、往復式ピストン機関１５の効率が２０％であるとすると、発電容量は約３００Ｗとなり、１ケ月の電気使用量は１４４ｋＷｈに減少し、ランニングコストは深夜電力換算で約１００８円／月となり、年間３，０２４円節約される。往復式ピストン機関１５、発電機４１及びインバータ４２のエネルギー回収設備を５年で回収するには、この設備の追加費用が１５，０００円程度であれば回収は可能となる。また、昼夜間に運転する場合は、電気代の比（昼間２３円／夜間７円）より約５０，０００円程度であれば設備回収は可能となる。

続いて、上記自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１の変形実施形態として、インバータ４２を用いることなく、発電機４１で発生される電力の周波数を制御することが可能な制御システムにつき説明する。図３は、このような制御システムの構成を示すブロック図である。この制御システムは、図１、図２に示したように往復式ピストン機関１５で回転駆動されるクランク軸３０が発電機４１の回転子に直結され、シリンダ１５２に吸気弁１５４と排気弁１５６とが備えられているハード構成を制御対象とするもので、運転制御部５０、開閉制御部５１（開閉制御手段）、吸気弁駆動部５２１、排気弁駆動部５２２及び電圧検出部（周波数検出部）５３を備えている。

運転制御部５０は、発電機４１により発生させる電力の周波数制御を行うための運転制御信号を生成するもので、発電機４１の回転子（クランク軸３０）の回転数と発生される電力の周波数との関係を表すデータテーブル等を備え、所望の出力電圧周波数の設定情報（５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ）或いは電圧検出部５３から与えられる周波数変動情報に応じて、開閉制御部５１に運転制御信号を出力する。なお、出力電圧周波数は、発電機４１の極数と回転数とにより一義的に定まることから、かかる運転制御部５０を省略するようにしても良い。

開閉制御部５１は、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉動作を制御する開閉制御信号を生成する。具体的には開閉制御部５１は、クランク軸３０の回転数と吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度との関係を表すデータテーブル等を備え、目標とするクランク軸３０の回転数に応じて、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度を設定し、これに応じた制御信号を生成して吸気弁駆動部５２１及び排気弁駆動部５２２へ出力する。

吸気弁駆動部５２１は、開閉制御部５１から与えられる制御信号に応じて、吸気弁１５４を開閉駆動する。また排気弁駆動部５２２は、開閉制御部５１から与えられる制御信号に応じて、排気弁１５４を開閉駆動する。なお、このように吸気弁１５４及び排気弁１５４を、個別に吸気弁駆動部５２１及び排気弁駆動部５２２により電気的に制御する代わりに、吸気弁１５４と排気弁１５４とを共通のカム軸により開閉駆動する機械的な方式を採用するようにしても良い。

電圧検出部５３は、発電機４１から出力される交流電力を検出し、その周波数情報を抽出する。すなわち、発電機４１から出力される交流電力の周波数変動を監視するもので、抽出された周波数情報は、前記運転制御部５０へ出力される。

このような制御システムによれば、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度が、所定の目標値に応じて開閉制御部５１により制御される。ここで、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度を比較的早くすると、シリンダ１５２内へ比較的早いサイクルでＣＯ_２自然冷媒が吸気され、また排気が行われることから、ピストン１５１の往復運動のサイクルが早くなり、これによりクランク軸３０の回転速度も速くなる。一方、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度を比較的遅くすると、吸気及び排気のサイクルが遅くなってピストン１５１の往復運動のサイクルも比較的遅くなり、これによりクランク軸３０の回転速度も遅くなる。

従って、発電機４１の出力電圧の周波数はクランク軸３０の回転数に依存することから、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度を所定速度に調整することで、例えば商用交流電圧の周波数（５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ）と同一周波数の交流電圧を発電機４１から出力させることが可能となる。また、電圧検出部５３にて出力電圧の周波数を監視し、運転制御部５０へフィードバックすることで、出力電圧の周波数を安定化させることも可能となる。そして、商用交流電圧と同一周波数の交流電圧を発電機４１から発生させるよう制御することで、インバータ４２を介することなく、発電機４１から直接的に圧縮機１２の電動機１３等へ電力を供給できるようになる。

図４は、制御システムの他の構成を示すブロック図である。この図４に示す制御システムは、第２配管（バイパス配管）１０２にバイパスさせるＣＯ_２自然冷媒の流量を制御することで往復式ピストン機関１５の動作制御を行うもので、運転制御部６０と、弁制御部６１とを備えて構成されている。

運転制御部６０は、発電機４１により発生させる電力の周波数制御を行うための運転制御信号を生成するもので、開閉弁１７の開閉速度及び流量制御弁１８の開度と、発電機４１或いはクランク軸３０の回転数（電力の周波数と同等）との関係を表すデータテーブル等を備え、所望の出力電圧周波数の設定情報（５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ）に応じて、弁制御部６１に運転制御信号を出力する。

弁制御部６１は、開閉制御部６１１と流量制御部６１２とからなる。開閉制御部６１１は、開閉弁１７を所定のタイミングで開閉させる制御信号を生成する。この開閉制御部６１１は、先に図３に示した開閉制御部５１と同様なものとすることができ、開閉弁１７に代えて吸気弁制御部５２１及び排気弁制御部５２２を制御するように構成することもできる。流量制御部６１２は、流量制御弁１８の開度調整を行うための制御信号を生成する。具体的には、流量制御部６１２は、クランク軸３０の回転数と開閉弁１７（或いは吸気弁１５４及び排気弁１５６）の開閉動作と流量制御弁１８の開度との関係を表すデータベース等を備え、目標とするクランク軸３０の回転数に応じて、開閉弁１７（或いは吸気弁１５４及び排気弁１５６）の開閉速度と流量制御弁１８の開度を求める演算を行い、これに応じた制御信号を生成して開閉弁１７（或いは吸気弁制御部５２１及び排気弁制御部５２２）と流量制御弁１８とに信号を出力する。

このような制御システムによれば、流量制御弁１８の開度が、所定の目標値に応じて流量制御部６１２により制御される。ここで、流量制御弁１８の開度を比較的小さくするか閉止すると、第１配管１０１（往復式ピストン機関１５）へ流れるＣＯ_２自然冷媒の流量が比較的多くなり、シリンダ内へ比較的多くのＣＯ_２自然冷媒が吸気され、また排気が行われることから、ピストンの往復運動のサイクルが早くなり、これによりクランク軸３０の回転速度も速くなる。一方、流量制御弁１８の開度を比較的大きくすると、第１配管１０１へ流れるＣＯ_２自然冷媒の流量が比較的少なくなり、逆にクランク軸３０の回転速度が遅くなる。

このように、流量制御弁１８の開度調整によって第１配管１０１へ流れるＣＯ_２自然冷媒の流量を制御することで、比較的広い範囲でのクランク軸３０の回転数制御を行い、開閉弁１７（或いは吸気弁１５４及び排気弁１５６）の開閉速度の制御によって比較的狭い範囲での正確な回転数制御を行うことが可能となる。従って、例えば商用交流電圧の周波数（５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ）と同一周波数の交流電圧を発電機４１から出力させることが可能となる。これにより、インバータ４２を介することなく、発電機４１から直接的に圧縮機１２の電動機１３等へ電力を供給できるようになる。

次に、上記吸気弁１５４及び排気弁１５６として、回転式の切替弁を用いることで、クランク軸３０の回転速度の制御を行う実施形態につき説明する。図５は、回転式の切替弁５４の一例を示す断面図である。この切替弁５４は、内管５５と外管５７とからなる二重管構造とされ、内管５５及び外管５７の双方とも一定の切欠部５６、５８が設けられている。なお、内管５５の内部空間５５１には、高圧ガス（この場合、高圧のＣＯ_２自然冷媒）が流通可能とされている。

このように構成された切替弁５４において、図５（ａ）に示すように、内管切欠部５６と外管切欠部５８とが重なっている場合は、高圧ガスは内部空間５５１から前記内管切欠部５６及び外管切欠部５８を通過して外部へ、例えばシリンダ室内Ｒ（図２参照）へ流れてゆくことになる。一方、図５（ｂ）に示すように、内管５５が外管５７に対して相対的に回転されることにより、内管切欠部５６と外管切欠部５８との重なり範囲が少なくなると、内部空間５５１から流出する高圧ガス流量も減少する。さらに、図５（ｃ）に示すように、内管５５がさらに回転されることにより、内管切欠部５６と外管切欠部５８とが所謂背中合わせで相対するようになると、内部空間５５１の外部に対する開口部はなくなり、高圧ガスの外部に対する流れは停止されるようになる。なお、内管切欠部５６及び外管切欠部５８が半円状とされている場合、高圧ガスが閉止状態となるのは図５（ｃ）の状態の一瞬のみであることから、例えば図２（ｃ）、（ｄ）のように吸気弁１５４が閉止すべき工程に対応することが困難となる。そこで、外管５７の開口部面積を小さくする（外管切欠部５８を半円状ではなく扇形状とする）ことで、高圧ガス流を閉止する時間を調整することが望ましい。勿論、内管５５の開口部面積も小さくする（内管切欠部５６を半円状ではなく扇形状とする）ようにしても良い。

かかる切替弁５４によれば、内管５５を適宜回転させることにより、内部空間５５１を流通する高圧ガスの外部に対する噴出制御を行うことが可能となる。すなわち、内管５５の回転速度を制御することで、高圧ガス（ＣＯ_２自然冷媒）の往復式ピストン機関１５に対する供給量を制御することができ、これによりクランク軸３０の回転速度を制御できるようになる。従って、内管５５を回転駆動させる駆動部に対して、先に図３及び図４で説明した運転制御部５０、６０のような制御手段を付設することで、発電機４１の回転子回転数を制御可能となり、出力電圧の周波数制御も行えるものである。

図５に示した切替弁５４は、内管５５に対して１つの内管切欠部５６が設けられた一段の弁機構のものであるが、このような弁機構を軸の長手方向に数段設け、多気筒式の往復式ピストン機関に高圧ガスを供給可能な構成とすることもできる。図６は、多段の弁機構を備えた切替弁５４０の一例を示す断面図、図７は該切替弁５４０に用いられる内管５５の斜視図である。

この切替弁５４０の内管５５には、図７に示すように、その軸方向に第１切欠部５６１、第２切欠部５６２、第３切欠部５６３の３つの独立した切欠部が備えられている例を示している。これら３つの切欠部５６１〜５６３は、それぞれ内管５５の中心軸に対して６０度の開口角を有しており、断面視（図６参照）でこれらの開口が円周方向に並ぶように設けられている。そして、３つの切欠部５６１〜５６３の間には、シールリング５５２が取り付けられ、高圧ガスの漏洩が防止されるようになっている。一方、外管５７には、３つの切欠部５６１〜５６３と外部とを連通させるような外管切欠部５８が備えられている。ここでは外管切欠部５８が、中心軸に対して１２０度の開口角を有している場合を例示している。

このように構成された切替弁５４０において、図６（ａ）に示す状態では、３つの切欠部５６１〜５６３の全てから高圧ガスの噴出が可能となる。この場合、外管切欠部５８と完全に重なっている第２切欠部５６２からはフルに高圧ガスが吐出され、半分程度重なっている第１切欠部５６１及び第３切欠部５６３からは半量程度の高圧ガスが吐出されることになる。次に、内管５５が外管５７に対して相対的に回転され、図６（ｂ）に示す状態になった場合、第１切欠部５６１のみからフルに高圧ガスが吐出され、第２切欠部５６２及び第３切欠部５６３は外管５７により閉止される。さらに、図６（ｃ）に示す状態では、３つの切欠部５６１〜５６３の全てが閉止されるようになる。

このような切替弁５４０によれば、複数設けられた切欠部のそれぞれから高圧ガスを各往復式ピストン機関のシリンダへ供給可能な構成とすることで、後述の第２実施形態に示すような多気筒構成に対応できるようになる。例えば６気筒式の往復式ピストン機関の場合、開口角を６０度に設定した切欠部を、角度をずらして６つ内管に設けることで、高圧ガスを常時いずれかのシリンダへ供給可能となる。この場合、シリンダに対する高圧ガス流が停滞する時間はなくなり、ガス流に脈動が発生しないようにすることができる。

図５、図６に示したような切替弁５４、５４０は排気弁にも勿論適用することができる。この場合、図５（ａ）〜（ｃ）若しくは図６（ａ）〜（ｃ）に示した工程と逆工程に動作する切替弁５４、５４０が採用される。なお、往復式ピストン機関の構造によっては、ピストンの位置と排気口の位置とによりピストンが排気弁の役割を果たす場合もあり、このような構造では排気弁は必ずしも設ける必要がない。この場合、吸気弁のみに切替弁５４、５４０を設ければ良い。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ２の構成を示すブロック図である。このシステムＳ２も基本構成として、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている点で上述の第１実施形態（図１参照）と同一であるが、往復式ピストン機関が１台ではなく、複数台（２台）備えられている点で相違する。なお、図８において、図１と同一符号が付されている部分は同一部分を示し、これに同一部分については説明を省略乃至は簡略化する（以下に説明する実施形態でも同じ）。

この自然冷媒ヒートポンプシステムＳ２は、第１配管１０１を分岐させて第１の往復式ピストン機関１５ａと第２の往復式ピストン機関１５ｂとがそれぞれ並列的に配置され、これら往復式ピストン機関１５ａ、１５ｂのシリンダへそれぞれ自然冷媒が導入されると共に、各ピストンの往復運動が共通のクランク軸３０に与えられる２気筒構成とされている。前記第１、第２往復式ピストン機関１５ａ、１５ｂそれぞれへのＣＯ_２自然冷媒の供給タイミングは、第１配管１０１の分岐部に配置された冷媒切替弁（制御弁）１９により行われる。なお、この冷媒切替弁１９としては、所定の制御手段で動作制御される各種の流路切替弁を用いることが可能であり、例えば上記図５〜図７に示したような回転式の切替弁５４、５４０が好適に用いられる。

このように構成された自然冷媒ヒートポンプシステムＳ２によれば、熱交換器１４で冷却された低温高圧のＣＯ_２自然冷媒は、まず冷媒切替弁１９により第１の往復式ピストン機関１５ａ側の配管が選択され、そのシリンダへ導入される。そこでＣＯ_２自然冷媒は断熱膨張の仕事をして圧力と温度とが下げられる。しかる後、第１の往復式ピストン機関１５ａはシリンダ内部の低温低圧のＣＯ_２自然冷媒の排気工程に入る。この排気行程と同期して、冷媒切替弁１９により第２の往復式ピストン機関１５ｂ側の配管が選択され、そのシリンダへ低温高圧のＣＯ_２自然冷媒が導入される。そこでＣＯ_２自然冷媒は断熱膨張の仕事をして圧力と温度とが下げられる。これに続いて、第２の往復式ピストン機関１５ｂから低温低圧のＣＯ_２自然冷媒が排気される排気工程に移行され、これと同期して再び冷媒切替弁１９により第１の往復式ピストン機関１５ａ側の配管が選択されるというサイクルが繰り返されるものである。なお、第１、第２往復式ピストン機関１５ａ、１５ｂにおいて断熱膨張の仕事を終え、それぞれ二相流体Ｐ４１１、Ｐ４１２となったＣＯ_２自然冷媒は蒸発器１１へ向けて送られる。

第１、第２往復式ピストン機関１５ａ、１５ｂが上記の通りに動作されることから、これらに対して共通的に連結されているクランク軸３０には、安定的に動力が与えられるようになる。すなわち、一つのクランク軸３０に対して２台の往復式ピストン機関１５ａ、１５ｂが連結された２気筒構成とされ、各往復式ピストン機関１５ａ、１５ｂのシリンダへＣＯ_２自然冷媒を供給するタイミングを制御する冷媒切替弁１９が具備されているので、各往復式ピストン機関１５ａ、１５ｂの吸気、膨張、排気工程に時間差を設けることが可能となり、これにより動力を安定的にクランク軸へ与えることができる。従って、クランク軸３０に直結されている発電機４１は、安定的に交流電力を発生することが可能となる。

なお、この自然冷媒ヒートポンプシステムＳ２においては、２台の往復式ピストン機関（２気筒）を使用する場合を例示しているが、これを３気筒以上にすることもできる。また、各気筒を円形に配置する星型構成としても良い。このように多気筒構成にすることにより、往復式ピストン機関入口側や出口側のＣＯ_２自然冷媒の脈動を少なくすることができるという利点もある。

（第３実施形態）
図９は、本発明の第３実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ３の構成を示すブロック図である。このシステムＳ３も基本構成として、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている点で上述の第１実施形態と同一であるが、発電機４１で発生させた電力を、圧縮機１２を駆動させる電動機１３の電源として用いるのではなく、貯湯槽２１に付設した電気ヒータ４３の動作電源として活用する点において相違する。以下、かかる相違点を中心に本実施形態を説明する。

上述した第１実施形態との構成上の相違は、貯湯槽２１に高周波電力を電源とする電気ヒータ（例えば誘導加熱方式の電気ヒータ）４３を付設し、発電機４１と前記電気ヒータ４３とを電力ケーブル４２２で直結した点であり、往復式ピストン機関１５の往復運動に伴うクランク軸３０の回転により発生された高周波電力をインバータで商用周波数に変換することなく電気ヒータ４３に給電し、該電気ヒータ４３が発する熱により貯湯槽２１の温水（水）を加熱させるようにしたシステムである。

ここで用いる電気ヒータ４３としては、上記の誘導加熱方式のヒータの他、抵抗加熱方式、赤外加熱方式のヒータ等も用いることができる。これら電気ヒータ４３が、通常の商用周波数の電力を電源としている場合は、前述の実施形態のようにインバータを用いて周波数変換を行うようにすれば良い。また、電気ヒータ４３の付設態様としては、貯湯槽２１に電気ヒータ４３の加熱部分を突出させる、或いは吊り下げる（所謂投げ込み式のヒータの場合）、若しくは貯湯槽２１の壁面に電気ヒータ４３を沿わせる等の態様を挙げることができる。

以上の通り構成された第３実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ３の動作を説明する。自然冷媒であるＣＯ_２のヒートポンプユニット１内における相変位は、第１実施形態の場合と同一であるので重複部分の説明を省略するが、本実施形態では熱交換器１４における水Ｗ２との熱交換温度が約６０℃程度の比較的低温度に設定される点で相違する。これは、６０℃程度の熱交換温度に設定したときに、ＣＯ_２ヒートポンプサイクルの効率が最も高くなることに着目したものである。従って、水Ｗ２は熱交換器１４を経ることで約６０℃程度の温水Ｗ１とされて貯湯槽２１へ供給される。

このような熱交換をして冷却された超臨界状態の流体Ｐ３であるＣＯ_２自然冷媒は、往復式ピストン機関１５のシリンダへ導入される。そして前記シリンダ内でＣＯ_２自然冷媒は断熱膨張され、そのときのエネルギーによりピストンが往復運動されてクランク軸３０を高速回転させ（或いは吸気弁が開閉制御されることで所定の回転速度に制御され）、発電機４１を駆動させて高周波電力（所定の周波数の電力）を発生させる。ここで発生された高周波電力は、電力ケーブル４２２を通して電気ヒータ４３に給電され、電気ヒータ４３を発熱させる。

電気ヒータ４３の発熱により、貯湯槽２１内の温水は加熱されることとなり、前述の通り約６０℃に加熱されて温水Ｗ１として貯湯槽２１へ投入された温水は、約６０℃から９０℃の高温に昇温される。かかる昇温により、貯湯槽２１内の上層部は約９０℃の高温水、下層部は常温に近い混合層を形成することとなる。この貯湯槽２１の上層部から必要に応じて、配管路２３を介して給湯や風呂用の温水Ｗ３が供給される。また、給湯に使用した水量に相当する分の水Ｗ０が、配管路２４を介して給水されるものである。

以上の通り構成された自然冷媒ヒートポンプシステムＳ３によれば、ヒートポンプユニット１の熱交換器１４における熱交換温度を、サイクル効率が良い比較的低温（約６０℃）に設定し、低温水から高温水への昇温（約６０℃から９０℃の昇温）を、往復式ピストン機関１５による回収エネルギーで賄うといった運用を行うことができ、運用面での経済性を高くすることができる。

（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の構成を示すブロック図である。このシステムＳ４も基本構成として、ヒートポンプユニット１と貯湯ユニット２とを備えている点で上述の第１実施形態と同一であるが、発電機４１を使用せず、クランク軸３０の回転出力で圧縮機１２を直接的に駆動させるようにした点において相違する。以下、かかる相違点を中心に本実施形態を説明する。

この自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４は、往復式ピストン機関１５に連結されているクランク軸３０と、圧縮機１２の回転駆動軸に直結されたリレー回転軸１２１とが、クラッチ機構３３（連結器）を介して連結されてなり、クランク軸３０の回転出力がダイレクトに圧縮機１２の回転駆動軸に与えられる構成とされている。なお、かかる構成を採用しても、圧縮機１２をクランク軸３０の回転出力のみで駆動することはできないことから、圧縮機１２には電動機１３が付設される。すなわち、往復式ピストン機関１５で回収された動力は常に圧縮機１２を駆動する動力よりも小さくなることから、圧縮機１２を回転駆動させる補助的な動力としてクランク軸３０の回転出力が利用されるものである。これにより、電動機１３の動力負荷を減少させることができ、その分だけ電力使用量を削減することができる。

クラッチ機構３３は、前記リレー回転軸１２１とクランク軸３０とを必要に応じて機械的に連結したり、開放したりするものである。自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の起動時や低負荷時においては、往復式ピストン機関１５から駆動力はほとんど発生されないことから、リレー回転軸１２１とクランク軸３０とが常時連結されていると、逆に往復式ピストン機関１５を駆動させるための駆動力が圧縮機１２の電動機１３に負担されるようになる。この場合、電動機１３の負荷が大幅に増加してしまうことになる。このような負荷増大を防止するために、リレー回転軸１２１とクランク軸３０との間にクラッチ機構３３が設けられている。このクラッチ機構３３は、遠心式、電子式等の各種のものが採用可能であり、その種類は問わない。

さらに、この自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４においては、システムの運転時に圧縮機１２をクランク軸３０の回転出力で駆動させる関係上、圧縮機１２の回転数と往復式ピストン機関１５により駆動されるクランク軸３０の回転数とを同期させる必要がある。

図１１は、上記クラッチ機構３３の動作制御、並びに回転数同期制御を行うための制御システムの一例を示すブロック図である。この制御システムは、運転制御部７０、クラッチ駆動部７１、回転数検出部７２、負荷検出部７３、吸気弁駆動部７４１及び排気弁駆動部７４２を備えている。

クラッチ駆動部７１は、運転制御部７０から与えられる制御信号に基づきクラッチ機構３３を駆動させ、リレー回転軸１２１とクランク軸３０とを連結させたり、或いは両者を開放状態とさせたりする。回転数検出部７２は、圧縮機１２の回転数を検出する。なお、電動機１３の出力軸の回転数を検出するようにしても良い。負荷検出部７３は、当該自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の負荷状態を検出する。吸気弁駆動部７４１及び排気弁駆動部７４２は、運転制御部７０から与えられる制御信号に応じて、吸気弁１５４及び排気弁１５６（図２参照）を開閉駆動する。

運転制御部７０は、以上の各構成部の動作制御を行うもので、クラッチ制御部７０１、開閉制御部７０２及び同期制御部７０３を備えている。クラッチ制御部７０１は、前記負荷検出部７３にて検出される自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の負荷状態に応じて、「クラッチ連結」又は「クラッチ開放」のいずれかの制御信号を生成する。具体的には、自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の起動時や低負荷時等、往復式ピストン機関１５から駆動力が期待できない場合は「クラッチ開放」の制御信号を生成し、負荷が所定値以上となって往復式ピストン機関１５から相応の駆動力が得られる状態になったときに「クラッチ連結」の制御信号を生成する。かかる制御信号は、クラッチ駆動部７１へ出力される。

開閉制御部７０２は、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉動作を制御する開閉制御信号を生成する。具体的には開閉制御部７０２は、クランク軸３０の回転数と吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度との関係を表すデータテーブル等を備え、目標とするクランク軸３０の回転数に応じて、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度を設定し、これに応じた制御信号を生成して吸気弁駆動部７４１及び排気弁駆動部７４２へ出力する。

同期制御部７０３は、圧縮機１２の回転数にクランク軸３０の回転数を同期させるために、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉動作を調整する同期制御信号を生成する。具体的には同期制御部７０３は、前記回転数検出部７２で検出される圧縮機の回転数とクランク軸３０の回転数とが同期するよう、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度を修正する演算を行い、これに応じた同期制御信号を生成して前記吸気弁駆動部７４１及び排気弁駆動部７４２に与える。すなわち同期制御部７０３は、クラッチ連結時に圧縮機１２の回転数とクランク軸３０の回転数とを一致させるために機能する。

以上の通り構成された図１１の制御システムの動作について説明する。図１２は当該制御システムの動作を示すフローチャートである。自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４が起動されると（ステップＳ１）、システムの負荷が所定値以上であるかが負荷検出部７３により確認される（ステップＳ２）。負荷が低レベルにある場合（ステップＳ２でＮＯ）、電動機１３に往復式ピストン機関１５を駆動させる駆動負荷を与えてしまうことになるので、クラッチ制御部７０１はクラッチ機構３３を開放状態とする「クラッチ開放」との制御信号を生成し、クラッチ駆動部７１に出力する。これにより、クランク軸３０とリレー回転軸１２１とは非連結状態に維持される。

一方、負荷が所定値を超過した場合（ステップＳ２でＹＥＳ）、クラッチを連結するに先立ち、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉タイミングを制御して往復式ピストン機関１５の回転数を上げる動作が実行される（ステップＳ３）。すなわち、当初開閉弁１７は閉止状態とされ、ＣＯ_２自然冷媒は流量制御弁１８を流れているが、負荷の上昇に伴い開閉弁１７を「開」とし、流量制御弁１８の流量を絞りながら吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉タイミングを制御することで往復式ピストン機関１５の回転数を上昇させる。そして、圧縮機１２の回転数とクランク軸３０の回転数との同期状態が確認され（ステップＳ４）、両者の回転数が許容値内に一致したならば（ステップＳ４でＹＥＳ）、クラッチ制御部７０１はクラッチ機構３３を連結状態とする「クラッチ連結」との制御信号を生成し、クラッチ駆動部７１に出力する。これにより、クランク軸３０とリレー回転軸１２１とは連結状態に移行される（ステップＳ５）。以後、往復式ピストン機関１５により駆動されるクランク軸３０の回転出力が、圧縮機１２の補助動力として活用される。一方、両者の回転数が許容値内に一致しない場合は（ステップＳ４でＮＯ）、ステップＳ３に戻って弁の開閉タイミング制御が継続される。

続いて、所定のサンプリング周期毎に、回転数検出部７２により圧縮機１２の回転数が検出され（ステップＳ６）、圧縮機１２の回転数に応じて吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉速度が制御されているか否かが確認される（ステップＳ７）。もし、圧縮機１２の回転数が規定値より低下していたり、電動機１３の動力が規定値よりも大きくなっている場合は（ステップＳ７でＮＯ）、同期制御部７０３により吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉動作を調整する同期制御信号が生成され、吸気弁１５４及び排気弁１５６の開閉タイミングが制御される（ステップＳ８）。その後、ステップＳ６に戻って、処理が繰り返される。

一方、圧縮機１２の回転数が規定値内で、電動機１３の動力が増加していない場合は（ステップＳ７でＹＥＳ）、続いて負荷検出部７３により負荷状況が確認され（ステップＳ９）、負荷が所定値を超過している場合は（ステップＳ９でＹＥＳ）、ステップＳ６に戻って、処理が繰り返される。これに対して、負荷が所定値を下回っている場合は（ステップＳ９でＮＯ）、クラッチ制御部７０１によりクラッチ機構３３を開放状態とする制御信号が生成され、クランク軸３０とリレー回転軸１２１とが非連結状態とされる（ステップＳ１０）。そして、システムが停止される場合（ステップＳ１１でＹＥＳ）、そのまま処理が終了する。また、システムが停止されない場合は（ステップＳ１１でＮＯ）、ステップＳ２に戻って、処理が繰り返されるものである。

なお、クラッチ機構３３を使用せず、クランク軸３０とリレー回転軸１２１とを常時直結状態とする場合は、開閉弁１７及び流量制御弁１８（図１０参照）の動作を制御することで、起動時における電動機１３の負荷を軽減することが可能である。この場合、流量制御弁１８としては、膨張弁としての機能を有するものを使用する必要がある。

すなわち、自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の起動時においては、開閉弁１７を「閉」とすると共に流量制御弁１８を「開」とする制御を行う。これにより、ＣＯ_２自然冷媒は供給されず往復式ピストン機関１５は開放状態とされ、電動機１３により空転状態で回転されることとなる。従って、電動機１３には大きな負荷が与えられないようになる。このとき、ＣＯ_２自然冷媒は、流量制御弁１８にて断熱膨張される。一方、運転が安定状態に入ると、今度は開閉弁１７を「開」とすると共に流量制御弁１８を「閉」若しくは流量絞る制御を行う。これによりＣＯ_２自然冷媒が往復式ピストン機関１５に供給され、クランク軸３０に動力が与えられるようになる。従って、クランク軸３０から圧縮機１２に補助駆動力を与えられるものである。以上のような制御を行うことで、クラッチ機構３３を使用せず機構を簡略化し、また電動機１３の容量増加をすることなくスムースにシステムを起動させることができる。

また、圧縮機１２の回転数とクランク軸３０の回転数との同期制御に関し、往復式ピストン機関１５として、例えばガスパリン社のＣＯ_２モータを使用する場合は、特に同期制御機構を設けずとも、実質的に両者の同期を取ることが可能となる。前記ＣＯ_２モータは、往復式ピストン機関と同様な構造を備えるが、シリンダ上部に棒状のロッドが取り付けられており、ピストンが上死点に到達すると前記棒状ロッドが、玉形逆支弁構造の入口弁の玉を押し上げて高圧ガスをシリンダ内に流入させ、ピストンが下がると棒状ロッドも下がり、玉形逆支弁の入口弁の玉も下がり高圧ガスの流入が停止される構成である。従って、圧縮機１２の回転駆動軸とクランク軸３０とを直結させると、前記回転駆動軸の回転に機械的に同期してシリンダの入口弁が開閉されることから、つまりＣＯ_２自然冷媒の導入タイミングが機械的に同期制御されることから、電気的な同期制御機構等が不要となるものである。

（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ５の構成を示すブロック図である。このシステムＳ５は、基本構成は上述の第１実施形態と同一であるが、クランク軸３０の回転出力を発電機４１の駆動用だけでなく、蒸発器１１に対して大気を送風する送気ファン１１１の直接的な駆動用としても用いた点において相違する。

この自然冷媒ヒートポンプシステムＳ５は、往復式ピストン機関１５により回転駆動されるクランク軸３０の一端側を発電機４１の回転子に直結する一方で、クランク軸３０の他端側を送気ファン１１１の回転軸１１３とギア機構３４を介して（或いは、第４実施形態で説明したようなクラッチ機構３３を介して）連結した構成とされている。

このような自然冷媒ヒートポンプシステムＳ５によれば、往復式ピストン機関１５で得られたクランク軸３０の回転出力が、送気ファン１１１の駆動用に用いられる。また、一般に送気ファン１１１の駆動には大きなトルクを要しないことから、クランク軸３０の回転出力を発電機４１の回転子も回転駆動される。これにより、図１に示した当該送気ファン１１１の駆動用電動機１１２を省くことが可能となり、また発電機４１で発生される電力Ｄにて圧縮機１２を駆動させる電動機１３の電力の一部を担うことができる。従って、自然冷媒ヒートポンプシステムＳ５を動作させるに当たって必要とされる動力を、往復式ピストン機関１５で回収されたエネルギーにて大部分を賄わせることが可能となる。

（第６実施形態）
図１４は、本発明の第６実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ６の構成を示すブロック図である。このシステムＳ６は、基本構成は上述の第１実施形態と同一であるが、蒸発器１１の手前に、往復式ピストン機関１５から排出された低温ＣＯ_２自然冷媒が保有する冷熱を回収する冷熱用熱交換器８０及び冷熱蓄熱槽８１を設けた点において相違する。

冷熱用熱交換器８０は、往復式ピストン機関１５のシリンダ内で断熱膨張して排出され、その殆どが液化し、水の氷点以下の低温となっているＣＯ_２自然冷媒から低温エネルギーを抽出する役目を果たす。このような冷熱用熱交換器８０としては、例えば各種の多管円筒型熱交換器（シェル・アンド・チューブ型熱交換器）を用いることができる。

冷熱蓄熱槽８１は、例えば予め冷熱を蓄熱し必要時に放冷する作用をなす潜熱蓄冷材（例えば、水、無機塩、無機水和塩などを蓄冷媒体とするもの）が、所定量槽内に備えられたものを用いることができ、具体的には氷蓄熱槽等が好適に用いられる。

前記冷熱用熱交換器８０と冷熱蓄熱槽８１との間は、伝熱配管路８２にて熱的に接続されている。この伝熱配管路８２は、一端側が冷熱用熱交換器８０内へ導入されてＣＯ_２自然冷媒と熱交換可能に配管され、他端側が前記冷熱蓄熱槽８１内へ導入されて槽内の熱交換部において、前記蓄冷材等と熱交換可能に配管された循環配管路である。該伝熱配管路８２の循環路の中間部には図略の冷媒循環ポンプが設けられており、伝熱配管路８２内に封入されている中間冷媒が冷熱用熱交換器８０側から冷熱蓄熱槽８１へ向けて循環されるよう構成されている。

この自然冷媒ヒートポンプシステムＳ６におけるＣＯ_２自然冷媒の状態サイクルにおいては、熱交換器１４で温熱を供給して低温高圧となったＣＯ_２自然冷媒が、往復式ピストン機関１５で断熱膨張され、一時的に低温低圧の液体状態（つまり低温エネルギーの保有状態）を呈することになる。このとき、液体状態のＣＯ_２は水の氷点以下の低温であることから、冷熱源としては十分なエネルギーを備えている。そこで、冷熱用熱交換器８０にてこの冷熱を回収する（伝熱配管路８２内に封入されている中間冷媒と熱交換する）ようにし、この低温エネルギーを種々の冷熱用途に用いるべく、冷熱蓄熱槽８１へ冷熱を蓄えるようにしたものである。この冷熱は、例えば冷房等に使用することができる。

以上のように構成された自然冷媒ヒートポンプシステムＳ６によれば、往復式ピストン機関１５でクランク軸３０を回転駆動することで発電機４１から電力エネルギーを回収するだけでなく、断熱膨張により低温低圧化したＣＯ_２自然冷媒から冷熱エネルギーをも回収するので、より経済性の高いシステムとすることができる。また、冷熱用熱交換器８０にてある程度ＣＯ_２自然冷媒が昇温されて蒸発器１１へ向かうことになるので、蒸発器１１の負担を軽減することができる。

（第７実施形態）
図１５は、本発明の第７実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ７の構成を示すブロック図である。このシステムＳ７は、基本構成は上述の第１実施形態と同一であるが、２台の往復式ピストン機関１５ｃ、１５ｄを直列的に接続した単気筒２段構成とされている点において相違する。なお、図１６は、第７実施形態の要部である前記単気筒２段構成を示した断面図である。

この自然冷媒ヒートポンプシステムＳ７では、第１の往復式ピストン機関１５ｃと第２の往復式ピストン機関１５ｄとの２台が用いられ、図１６に示すように、第１の往復式ピストン機関１５ｃのシリンダ１５２ｃに設けられている排気口１５５ｃと、第２の往復式ピストン機関１５ｄのシリンダ１５２ｄに設けられている吸気口１５３ｄとが連結管１５７で接続されている。そして、第１の往復式ピストン機関１５ｃの吸気口１５３ｃは第１配管１０１と接続され、また第２の往復式ピストン機関１５ｄの排気口１５５ｄは蒸発器１１へ至る配管に接続されている。

第１の往復式ピストン機関１５ｃのピストン１５１ｃは連接棒３１ｃ及びクランク３２ｃを介してクランク軸３０に連結されている。また、第２の往復式ピストン機関１５ｄのピストン１５１ｄも、同様に連接棒３１ｃ及びクランク３２ｃを介して同じクランク軸３０に連結されている。このように、２台の往復式ピストン機関１５ｃ、１５ｄが直列的に接続されると共に、各ピストン１５１ｃ、１５１ｄの往復運動が共通のクランク軸３０に与えられる単気筒２段構成とされている。なお、直列接続する往復式ピストン機関の台数を増やし、２段以上の単気筒多段構成とすることもできる。

このような自然冷媒ヒートポンプシステムＳ７によれば、上流側に位置する第１の往復式ピストン機関１５ｃに比較的高圧のＣＯ_２自然冷媒が導入されて断熱膨張仕事をし、続いて下流側に位置する第２の往復式ピストン機関１５ｄに比較的低圧のＣＯ_２自然冷媒が導入されて断熱膨張仕事をするというように、ＣＯ_２自然冷媒が保有する圧力エネルギーが段階的に利用される。ＣＯ_２自然冷媒は、このような２段階の過程を経て、高圧から常圧近くまで減圧されることになる。

以上のように、段階的に高圧のＣＯ_２自然冷媒を常圧近くまで減圧させることによる利点は次の通りである。すなわち、一般的な自然冷媒ヒートポンプシステムにおいて熱交換器を経て断熱膨張機構に送られてくるＣＯ_２自然冷媒の圧力は、約１０ＭＰａと非常に高いものであり、これを一段で一気に常圧まで低下させた場合、その膨張比は１００にもなり、本発明のように往復式ピストン機関を断熱膨張機構として用いるとシリンダストロークが非常に長くなるために、効率が悪化してしまう場合がある。例えば、ガソリンエンジンの場合、一般的に圧縮比（膨張比）は１０程度である。

従って、往復式ピストン機関を断熱膨張機構として使用する場合は、１０ＭＰａのガス圧力を一段（第１の往復式ピストン機関１５ｃ）で１ＭＰａまで低下させ、続いてこの１ＭＰａのガス圧力を二段（第２の往復式ピストン機関１５ｄ）で０．１ＭＰａ（大気圧）まで低下させるのが実用的であるといえる。このことから、第７実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ７のように、往復式ピストン機関を単気筒２段構成にして段階的に減圧することで、往復式ピストン機関のシリンダストロークを最適化することができるようになる。

（第８実施形態）
図１６は、本発明の第８実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ８の構成を示すブロック図である。このシステムＳ８は、基本構成は上述の第７実施形態と同一であるが、２台の往復式ピストン機関１５ｃ、１５ｄを直列的に接続する連結管１５７に、ＣＯ_２自然冷媒と熱交換する中間熱交換器９０（自然冷媒を加熱する加熱手段）を設けた点において相違する。

この自然冷媒ヒートポンプシステムＳ８には、第１の往復式ピストン機関１５ｃと第２の往復式ピストン機関１５ｄとを連結する連結管１５７に対し、大気やその他の低温熱源９１と連結管１５７中を通過するＣＯ_２自然冷媒とを熱交換させる中間熱交換器９０が備えられている。

このような中間熱交換器９０を設けることで、第１の往復式ピストン機関１５ｃで一旦断熱膨張仕事を行って低温化したＣＯ_２自然冷媒に対し、低温熱源９１から熱が与えられる。従って、ＣＯ_２自然冷媒は、温度が上昇された状態で第２の往復式ピストン機関１５ｄへ導入されるようになる。これによりＣＯ_２自然冷媒は、圧力エネルギーが上昇された状態で第２の往復式ピストン機関１５ｄにおいて断熱膨張仕事を行うこととなり、仕事量を増やすことができる。なお、中間熱交換器９０において大気と熱交換させた場合、熱交換により冷やされた大気を、冷房用途に用いることも可能である。

以上、本発明のかかる第１〜第８実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、大型の自然冷媒ヒートポンプシステムにおいては、図８に示した往復式ピストン機関の多気筒構成と、図１５、図１７に示した単気筒複数段方式とを組み合わせるようにすることもできる。また、複数の往復式ピストン機関それぞれにクランク軸を連結し、各々の固有の往復式ピストン機関により発電機等が駆動されるようにしても良い。

また、本発明においては、自然冷媒を膨張させる機構として、低温高圧状態の自然冷媒が備える圧力エネルギーを回転エネルギーに変換して回転出力を生成することが可能な回転出力生成手段であれば、往復式ピストン機関以外の機関を用いることもできる。このような回転出力生成手段としては、例えばロータリー式機関、ルーツ式、リショルム式、スクロール式等の膨張機関をほぼ同じ条件で使用することが可能である。

さらに、自然冷媒に関し、上記実施形態ではＣＯ_２自然冷媒を使用する例を示したが、この他に水、空気、アンモニア、ハイドロカーボン等を、自然冷媒として用いることが可能である。

本発明の第１実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１の構成を示すブロック図である。高圧状態の自然冷媒をエネルギー源として利用した単気筒式の往復式ピストン機関により回転出力を生成する動作を説明するための断面図である。自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１の制御システムの構成例を示すブロック図である。自然冷媒ヒートポンプシステムＳ１の制御システムの他の構成例を示すブロック図である。回転式の切替弁の一例を示す断面図である。多段の弁機構を備えた回転式切替弁の一例を示す断面図である。図６に示す切替弁に用いられる内管の斜視図である。本発明の第２実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ２の構成を示すブロック図である。本発明の第３実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ３の構成を示すブロック図である。本発明の第４実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の構成を示すブロック図である。自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の制御システムの構成例を示すブロック図である。自然冷媒ヒートポンプシステムＳ４の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の第５実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ５の構成を示すブロック図である。本発明の第６実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ６の構成を示すブロック図である。本発明の第７実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ７の構成を示すブロック図である。自然冷媒ヒートポンプシステムＳ７の要部である前記単気筒２段構成を示した断面図である。本発明の第８実施形態にかかる自然冷媒ヒートポンプシステムＳ８の構成を示すブロック図である。従来の自然冷媒ヒートポンプシステムの構成を示すブロック図である。従来の家庭用自然冷媒ヒートポンプにおけるＴ−Ｓ線図（図イ）と、Ｐ−Ｉ線図（図ロ）である。

１ヒートポンプユニット
１０１第１配管
１０２第２配管
１１蒸発器
１１１送気ファン
１２圧縮機
１３、１１２電動機
１４熱交換器
１５、１５ａ〜１５ｄ往復式ピストン機関
１５１ピストン
１５２シリンダ
１５４吸気弁
１５６排気弁
１７開閉弁
１８流量制御弁
２１貯湯槽
３０クランク軸
３３クラッチ機構（連結器）
４１発電機
４２インバータ
４３電気ヒータ
５０、６０、７０運転制御部
５１、７０２開閉制御部（開閉制御手段）
５４、５４０回転式切替弁
７０１クラッチ制御部（連結器制御手段）
７０３同期制御部
８０冷熱用熱交換器（冷熱回収機構）
９０中間熱交換器（加熱手段）
Ｓ１〜Ｓ８自然冷媒ヒートポンプシステム

Claims

自然冷媒を圧縮機で高温高圧化して熱交換器に送り、該熱交換器を経て低温高圧状態となった自然冷媒を膨張させ、蒸発器で自然冷媒を気化させるサイクルを有する自然冷媒ヒートポンプシステムにおいて、
前記自然冷媒を膨張させる機構として、ピストン及びシリンダを備える往復式ピストン機関を用いると共に、前記ピストンの往復運動に基づき回転駆動されるクランク軸を具備してなり、
該往復式ピストン機関のシリンダへ低温高圧状態の自然冷媒を導入して断熱膨張させることで、前記クランク軸の回転出力を得る構成を含み、
前記往復式ピストン機関は複数台が備えられ、第１の往復式ピストン機関のシリンダの排気口が、第２の往復式ピストン機関のシリンダの吸気口に接続されるように複数台の往復式ピストン機関が直列的に接続されると共に、各ピストンの往復運動が共通のクランク軸に与えられる単気筒多段構成とされており、
自然冷媒が前記第１の往復式ピストン機関のシリンダの排気口から、第２の往復式ピストン機関のシリンダの吸気口へ至る間において、前記自然冷媒を加熱する加熱手段を設けたことを特徴とする自然冷媒ヒートポンプシステム。
前記回転出力により駆動されることで電力を発生する発電機を具備させたことを特徴とする請求項１に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
前記発電機が発生した電力を、商用電力の周波数に変換するインバータを具備させたことを特徴とする請求項２に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
前記圧縮機が電動機をその駆動動力源とする場合において、
前記発電機により発生された電力を、前記電動機に給電するよう構成したことを特徴とする請求項２又は３に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
前記蒸発器が電動機で駆動される送気ファンを有する場合において、
前記発電機により発生された電力を、前記送気ファンの電動機に給電するよう構成したことを特徴とする請求項２又は３に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
前記熱交換器から与えられる熱により生成された温水を貯留する貯湯槽を有する場合において、
前記貯湯槽内に電気ヒータを配置し、
前記発電機により発生された電力を、前記電気ヒータに給電するよう構成したことを特徴とする請求項２又は３に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
前記回転出力が、前記圧縮機の駆動動力源、及び／又は前記蒸発器が送気ファンを備える場合における該送気ファンの駆動動力源として、直接的に利用されるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
前記往復式ピストン機関のシリンダには吸気弁と排気弁とが備えられ、
前記吸気弁及び排気弁の開閉速度を制御することで前記回転出力の回転数を制御する開閉制御手段を具備することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
圧縮機の回転軸とクランク軸とを機械的に連結する場合において、
前記圧縮機の回転数を検出する回転数検出手段を設け、
前記開閉制御手段は、前記回転数検出手段により検出された回転数に前記回転出力の回転数が同期するよう、前記吸気弁及び排気弁の開閉速度を制御することを特徴とする請求項８に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
前記吸気弁、若しくは前記吸気弁及び排気弁として、回転式の切替弁を用いることで、前記回転出力の回転数を制御することを特徴とする請求項８に記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
往復式ピストン機関のシリンダへ自然冷媒を導入するための第１配管と、前記シリンダをバイパスして自然冷媒を蒸発器に導く第２配管と、
前記第１配管及び／又は第２配管に配置される流量制御弁と、
前記流量制御弁の動作制御を行い自然冷媒の流量を制御することで前記回転出力の回転数を制御する制御手段とを具備することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。
請求項７に記載の自然冷媒ヒートポンプシステムにおいて、
前記圧縮機及び／又は前記送気ファンを駆動させる駆動軸と、前記回転出力が生成される回転軸とを所定の制御信号に基づき連結又は開放する連結器と、
前記圧縮機及び／又は前記送気ファンの負荷に応じて、前記連結又は開放の制御信号を生成する連結器制御手段とを具備することを特徴とする自然冷媒ヒートポンプシステム。
膨張された自然冷媒から冷熱を回収する冷熱回収機構を付設したことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の自然冷媒ヒートポンプシステム。