JP4815232B2 - 複合ヒートポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンなどの原動機の軸動力を、圧縮機においてアンモニアなどの冷媒を圧縮するための動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路と、同原動機の排熱を、再生器において水などの吸収液を加熱して冷媒を分離するための熱源として利用する吸収式ヒートポンプ回路とを、凝縮器及び蒸発器を共有する形態で備えた複合ヒートポンプシステムに関する。

従来の冷凍機として、上記のように圧縮式ヒートポンプ回路と吸収式ヒートポンプ回路とを組み合わせた複合ヒートポンプシステムが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
この複合ヒートポンプシステムは、圧縮式ヒートポンプ回路が有する圧縮機の高圧側と、吸収式ヒートポンプ回路が有する再生器の冷媒流出側とが、当該両ヒートポンプ回路が共有する凝縮器の冷媒流入側に接続されていると共に、圧縮式ヒートポンプ回路が有する圧縮機の冷媒流入側と、吸収式ヒートポンプ回路が有する吸収器の冷媒流入側とが、当該両ヒートポンプ回路が共有する蒸発器の冷媒流出側に接続されているという形態で、圧縮式ヒートポンプ回路と吸収式ヒートポンプ回路とが、凝縮器及び蒸発器を共有する形態で構成されている。そして、上記圧縮式ヒートポンプ回路と上記吸収式ヒートポンプ回路とを作動させることで、蒸発器で冷房用等の冷熱が得られ、又、吸収器及び凝縮器で給湯用又は暖房用等の温熱が得られる。

そして、このように圧縮式ヒートポンプ回路と吸収式ヒートポンプ回路とを凝縮器及び蒸発器を共有する形態で備えた複合ヒートポンプシステムは、エンジンなどの原動機を備え、圧縮式ヒートポンプ回路において、冷媒を圧縮する圧縮機の動力源として同原動機の軸出力を利用すると共に、吸収式ヒートポンプ回路において、吸収液を加熱して冷媒を分離する再生器の熱源として、同原動機の排熱を利用するというように、エンジンの軸動力及び排熱を有効利用して、高いＣＯＰを実現することができるものとされている。

また、上記複合ヒートポンプシステムとは異なるが、圧縮式ヒートポンプ回路のみを備えた従来の圧縮式ヒートポンプシステムとして、エンジンなどの原動機の軸出力を、冷媒を圧縮する圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路を備えると共に、同原動機の軸動力により作動されて発電を行う発電機を備えた圧縮式ヒートポンプシステムが知られている（例えば、特許文献２を参照）。
この圧縮式ヒートポンプシステムは、原動機を定格運転等の高効率な運転状態に維持して、原動機の軸出力の余剰分により発電機を作動して、システム効率を向上することができるものとされている。

特開平８−１４５４９６号公報 特開２００１−３２４２４０号公報

上記特許文献１に記載の複合ヒートポンプシステムでは、圧縮式ヒートポンプ回路及び吸収式ヒートポンプ回路により、原動機の軸出力と排熱とを有効利用して、高いＣＯＰを実現することができるが、熱負荷が低いときにおいても、圧縮式ヒートポンプ回路と吸収式ヒートポンプ回路との両方を作動させるので、その熱負荷に対する両ヒートポンプ回路の作動ロスの割合が大きくなって、システム全体としての効率が低下する。
また、このような複合ヒートポンプシステムにおいて、上記特許文献２のように、原動機の軸動力により作動されて発電を行う発電機を備えることで、原動機を定格運転等の高効率な運転状態に維持して、原動機の軸出力の余剰分により発電機を作動するように構成した場合でも、熱負荷が低いときにおける両ヒートポンプ回路の作動ロスが大きく、システム効率を充分に向上することができない。更に、熱負荷が無いときにおいては、吸収式ヒートポンプ回路において原動機の排熱を有効利用することができないので、システムを停止するか、又は、原動機の軸出力のみを利用して発電機を作動するという低効率な運転を行うことになる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、原動機の軸動力を圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路と、同原動機の排熱を、再生器の熱源として利用する吸収式ヒートポンプ回路とを、凝縮器及び蒸発器を共有する形態で備えた複合ヒートポンプシステムにおいて、システム効率を向上しながら、熱負荷の変動に応じて合理的に運転可能とする技術を提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る複合ヒートポンプシステムは、原動機の軸出力を、冷媒を圧縮する圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路と、
前記原動機の排熱を、吸収液を加熱して冷媒を分離する再生器の熱源として利用する吸収式ヒートポンプ回路とを備え、
前記圧縮式ヒートポンプ回路が有する圧縮機の高圧側と、前記吸収式ヒートポンプ回路が有する再生器の冷媒流出側とが、当該両ヒートポンプ回路が共有する凝縮器の冷媒流入側に接続されていると共に、
前記圧縮式ヒートポンプ回路が有する圧縮機の低圧側と、前記吸収式ヒートポンプ回路が有する吸収器の冷媒流入側とが、当該両ヒートポンプ回路が共有する蒸発器の冷媒流出側に接続されている複合ヒートポンプシステムであって、その第１特徴構成は、前記原動機と前記圧縮機とを連結する連結部が、前記原動機の軸動力を前記圧縮機に伝達させて前記圧縮機を冷媒を圧縮する流体ポンプとして作動させるポンプ作動状態と、前記原動機の軸動力を前記圧縮機に伝達させない原動機軸動力否伝達状態とで連結状態を切換自在に構成され、
熱負荷に基づいて前記連結部の連結状態の切換制御を行う連結状態制御手段を備え、
前記圧縮機が、前記流体ポンプとして作動したときの圧縮方向とは逆方向の冷媒の流通により軸出力を出力する流体モータとして作動するように構成され、
前記連結部が、前記連結状態を、前記原動機軸動力否伝達状態として、前記圧縮機をモータとして作動させて当該圧縮機の軸出力を前記原動機の軸動力に付加するモータ作動状態に切換自在に構成されているとともに、
前記凝縮器への冷媒の流入を断続可能な冷媒流入側開閉弁を備え、
前記連結状態制御手段が、前記連結部の連結状態を前記モータ作動状態としたときに前記冷媒流入側開閉弁を閉状態として、前記凝縮器への冷媒の流入を阻止した状態で前記再生器から前記圧縮機へ冷媒を供給するように構成されている点にある。

上記第１特徴構成によれば、上記連結部の連結状態を上記ポンプ作動状態とすれば、吸収式ヒートポンプ回路を作動させるのに加えて、原動機の軸動力が圧縮機に伝達されて圧縮機が流体ポンプとして作動して圧縮式ヒートポンプ回路を作動させることができるので、蒸発器で冷熱として得られる熱量、又は、吸収器及び凝縮器で温熱として得られる熱量を、大きいものとすることができる。一方、上記連結部の連結状態を上記原動機軸動力否伝達状態とすれば、原動機の軸動力が圧縮器に伝達させずに圧縮式ヒートポンプ回路の作動を停止させることができるので、蒸発器で冷熱として得られる熱量、又は、吸収器及び凝縮器で温熱として得られる熱量を、小さくすることができる。

よって、上記連結状態制御手段により、熱負荷に基づいて上記連結部の連結状態を制御して、熱負荷が比較的大きいときに上記ポンプ作動状態とすれば、原動機の軸出力及び排熱の両方を有効利用して、圧縮式ヒートポンプ回路及び吸収式ヒートポンプ回路の両方を作動させて、蒸発器又は吸収器及び凝縮器により、大きな熱負荷に対して充分に大きな冷熱又は温熱を得ることができる。上記連結状態制御手段により、熱負荷に基づいて上記連結部の連結状態を制御して、熱負荷が比較的小さいときに上記原動機軸動力否伝達状態とすれば、圧縮式ヒートポンプ回路の作動を停止して、原動機の軸出力を、圧縮機で消費することなく、熱負荷に対する冷熱又は温熱の発生以外の発電用等別の用途に利用することができる。

したがって、システム効率を向上しながら、熱負荷の変動に応じて合理的に運転可能とする複合ヒートポンプシステムを実現することができる。
加えて、上記特徴構成によれば、上記連結部を、圧縮機を上記流体モータとして作動させるモータ作動状態とすれば、圧縮式ヒートポンプ回路及び吸収式ヒートポンプ回路の作動を停止すると共に、再生器で原動機の排熱を熱源として吸収液を加熱して得た冷媒を、圧縮機において上記圧縮方向とは逆方向に流通させて、圧縮機を流体モータとして作動させ、原動機の軸出力に加えて、流体モータとして作動する圧縮機の軸出力を、熱負荷に対する冷熱又は温熱の発生以外の別の用途に利用することができる。
よって、上記連結状態制御手段により、熱負荷に基づいて上記連結部の連結状態を制御して、熱負荷が極めて小さいとき、又は、熱負荷が無いときでも、運転を停止することなく、原動機軸動力否伝達状態としてのモータ作動状態とすれば、吸収式ヒートポンプ回路及び圧縮式ヒートポンプ回路の作動を停止して、原動機の軸出力と流体モータとして作動する圧縮機の軸出力とを、発電用等の別の用途に有効利用することができる。
また、上記特徴構成によれば、上記連結状態制御手段により、熱負荷に基づいて上記連結部の連結状態の切換制御を行うにあたり、連結部の連結状態を上記モータ作動状態するときには、上記冷媒流入側開閉弁を閉状態として、凝縮器への冷媒の流入を阻止し、当該冷媒を流体モータとして作動する圧縮機側に逆流させて、当該圧縮機から軸出力を発生させることができる。
一方、上記連結状態制御手段により、熱負荷に基づいて上記連結部の連結状態の切換制御を行うにあたり、連結部の連結状態をポンプ作動状態又は下記第３特徴構成における連結解離状態とするときには、上記冷媒流入側開閉弁を開状態として、凝縮器への冷媒の流入を許容し、吸収式ヒートポンプ回路Ｙを作動させて、冷熱又は温熱を得ることができる。
尚、本願において、上記圧縮式ヒートポンプ回路や上記吸収式ヒートポンプ回路を作動させるとは、夫々のヒートポンプ回路のポンプや弁等の各種補機を、蒸発器又は吸収器及び凝縮器により冷熱又は温熱を得るように動作させることを言う。逆に、夫々のヒートポンプ回路の作動を停止するとは、夫々のヒートポンプ回路のポンプや弁等の各種補機を、蒸発器又は吸収器及び凝縮器により冷熱又は温熱を得るようには動作させないことを言うが、このとき、夫々の補機については、冷熱又は温熱を得るという目的以外の目的で動作させても構わない。

本発明に係る複合ヒートポンプシステムの第２特徴構成は、前記原動機の軸動力により作動されて発電を行う発電機を備えた点にある。

上記第２特徴構成によれば、上記発電機を備えることで、上記連結状態制御手段により、熱負荷が比較的小さいときに、上記連結部の連結状態を上記原動機軸動力否伝達状態とし、圧縮式ヒートポンプ回路の作動を停止した場合に、原動機の軸出力を、発電機の作動源として有効に利用して、その発電機の発電出力を、補機や他の電力負荷等において有効利用することができ、結果、本複合ヒートポンプシステムを、熱と電気とを併給するコジェネレーションシステムとして機能させることができる。

本発明に係る複合ヒートポンプシステムの第３特徴構成は、前記連結部が、前記連結状態を、前記原動機軸動力否伝達状態として、前記原動機と前記圧縮機との連結を解離させる連結解離状態に切換自在に構成されている点にある。

上記第３特徴構成によれば、上記連結部を、原動機と圧縮機との連結を解離させる連結解離状態とすれば、原動機の排熱を利用して吸収式ヒートポンプ回路を作動させながら、圧縮式ヒートポンプ回路の作動を停止することができ、蒸発器又は吸収器及び凝縮器により、小さな熱負荷に対して適切な小さな冷熱又は温熱を得ながら、原動機の軸出力を、圧縮機で消費することなくそのまま、熱負荷に対する冷熱又は温熱の発生以外の別の用途に利用することができる。

よって、上記連結状態制御手段により、熱負荷に基づいて上記連結部の連結状態を制御して、熱負荷が比較的小さいときに、原動機軸動力否伝達状態としての連結解離状態とすれば、吸収式ヒートポンプ回路を作動させて比較的小さな冷熱又は温熱を得ながら、圧縮式ヒートポンプ回路の作動を停止して、原動機の軸出力を発電用等の別の用途に有効利用することができる。

本発明に係る複合ヒートポンプシステムの第４特徴構成は、前記原動機がエンジンであり、
前記エンジンの排ガスを熱源として前記再生器から流出する冷媒を過熱可能な過熱部を備え、
前記連結状態制御手段が、前記連結部の連結状態を前記モータ作動状態としたときに前記過熱部を作動させるように構成されている点にある。

上記第４特徴構成によれば、上記連結状態制御手段により、熱負荷に基づいて上記連結部の連結状態の切換制御を行うにあたり、連結部の連結状態を上記モータ作動状態するときには、上記過熱部を作動させて、当該過熱部によりエンジンから排出される比較的高温の排ガスを熱源として比較的高温に過熱した冷媒を、流体モータとして作動する圧縮機に供給することで、圧縮部から比較的大きな軸出力を発生させることができる。
一方、上記連結状態制御手段により、熱負荷に基づいて上記連結部の連結状態の切換制御を行うにあたり、連結部の連結状態をポンプ作動状態又は上記第３特徴構成における連結解離状態とするときには、上記過熱部の作動を停止して、エンジンの冷却水や排ガス等から得られる排熱の多くを再生器の熱源として利用し、再生器において吸収液から良好に冷媒を分離することで、ＣＯＰの向上を図ることができる。

本発明の複合ヒートポンプシステム（以下、本システムと呼ぶ。）の実施の形態について、図１〜図３に基づいて説明する。
本システムは、原動機としてのエンジン２０の軸出力を、アンモニアである冷媒Ａを圧縮する圧縮機１０の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路Ｘと、エンジン２０の排熱を、上記アンモニアを吸収可能且つアンモニアよりも沸点が高い水である吸収液Ｂを加熱して冷媒を分離する再生器４の熱源として利用する吸収式ヒートポンプ回路Ｙとを、凝縮器１及び蒸発器２を共有する形態で備えて構成されており、上記圧縮式ヒートポンプ回路Ｘと上記吸収式ヒートポンプ回路Ｙとを作動させることで、エンジン２０の軸出力及び排熱を有効利用することができる。

上記圧縮式ヒートポンプ回路Ｘは、凝縮器１、膨張弁６、蒸発器２、圧縮機１０を配置して構成されている。即ち、蒸発した冷媒蒸気Ａ１が、圧縮器１０において圧縮されて高温高圧状態となり、次に、その高温高圧状態の冷媒蒸気Ａ１が、凝縮器１において、伝熱管１ａ内に流通する温熱用水Ｈに放熱して凝縮し、次に、その凝縮した冷媒液Ａ２が、膨張弁６において、膨張して低温低圧状態となり、次に、その低温低圧状態の冷媒液Ａ２が、蒸発器２において、伝熱管２ａ内に流通する冷熱用水Ｃから吸熱して蒸発し、その蒸発した冷媒蒸気Ａ１が再度圧縮機１０に供給されるという形態で、作動するように構成されている。そして、この圧縮式ヒートポンプ回路Ｘにおいては、凝縮器１において温熱用水Ｈを加熱する形態で給湯用や暖房用等に利用可能な温熱を発生すると共に、蒸発器２において冷熱用水Ｃを冷却する形態で冷房用等に利用可能な冷熱を発生することができる。
尚、本願において、凝縮器１や圧縮機及び吸収器３に供給される蒸気を冷媒蒸気Ａ１と呼ぶが、その蒸気には、冷媒の蒸気に加えて、当該冷媒よりも沸点が高い吸収液の蒸気が含まれる場合がある。また、このように冷媒蒸気Ａ１に吸収液が含まれている場合には、当然凝縮器１から蒸発器２に供給される冷媒液Ａ２にも吸収液が含まれることになる。

また、この圧縮式ヒートポンプ回路Ｘの作動時において、圧縮機１０には、エンジン２０の軸出力が、ベルトとプーリとからなるベルト伝動部２０ａ及び連結部１４を通じて伝達される。即ち、圧縮機１０は、動力源としてエンジン２０の軸動力を利用して、冷媒蒸気Ａ１を圧縮する流体ポンプとして作動するように構成されている。

更に、この圧縮式ヒートポンプ回路Ｘには、凝縮器１から膨張弁６に供給される比較的高温の冷媒液Ａ２により、蒸発器２から圧縮機１０に供給される冷媒蒸気Ａ１を過熱する再生熱交換器５が設けられている。この再生熱交換器５により、膨張弁６及び蒸発器２に供給される冷媒液Ａ２の温度を低下させると共に、圧縮機１０に供給する冷媒蒸気Ａ１の温度を上昇させることで、圧縮式ヒートポンプ回路ＸにおけるＣＯＰの向上が図られている。
また、上記蒸発器２には、下方に溜まる冷媒液Ａ２を伝熱管２ａに散布する冷媒液循環路２ｂが設けられており、これにより、蒸発器２における冷媒液Ａ２が、良好に、伝熱管２ａ内に流通する冷熱用水Ｃから吸熱して蒸発することができる。

一方、上記吸収式ヒートポンプ回路Ｙは、上記凝縮器１及び上記蒸発器２に加えて、吸収器３、再生器４を配置して構成されている。即ち、蒸発器２で蒸発した冷媒蒸気Ａ１が、吸収器３において、吸収液Ｂに吸収されて、その吸収熱を伝熱管３ａ内に流通する温熱用水Ｈに放熱し、その吸収液Ｂが、吸収液ポンプ１２により吸収器３と再生器４との間で循環され、その循環する吸収液Ｂが、再生器４において、伝熱管４ａ内に流通するエンジン冷却水ＪＷから吸熱して加熱されることで、吸収液Ｂから冷媒蒸気Ａ１が分離され、その分離された冷媒蒸気Ａ１が凝縮器１に供給される形態で、作動するように構成されている。そして、この吸収式ヒートポンプ回路Ｙにおいては、凝縮器１及び吸収器３において温熱用水Ｈを加熱する形態で給湯用や暖房用等に利用可能な温熱を発生すると共に、蒸発器２において冷熱用水Ｃを冷却する形態で冷房用等に利用可能な冷熱を発生することができる。尚、凝縮器１と、吸収器３とは、個々に別用途の温熱用水Ｈを加熱するように構成しても構わないが、凝縮器１が吸収器３よりも温熱用水Ｈを高温に加熱することができることから、吸収器３で加熱された温熱用水Ｈを凝縮器１で更に高温に加熱するように構成しても構わない。

また、この吸収式ヒートポンプ回路Ｙの作動時において、再生器４の伝熱管４ａには、エンジン冷却水循環路２１を循環するエンジン冷却水ＪＷが、エンジン２０の水ジャケット２０ｃを流通して排熱を回収して昇温し、更に、エンジン２０の排ガス流路２０ｂに設けられた排ガス熱交換器２４を流通して排ガスにより加熱された後に、供給される。即ち、この再生器４は、熱源としてエンジンの排熱を利用するように構成されている。尚、上記エンジン冷却水循環路２１には、再生器４から流出したエンジン冷却水ＪＷを空冷して水ジャケット２０Ｃに供給する空冷部２３が設けられている。

また、エンジン冷却水循環路２１は、複数の開閉弁２５の開閉状態を切り換えることで、エンジン冷却水ＪＷを、上記排ガス熱交換器２４に流通させた後に再生器４の伝熱管４ａに供給する状態と、上記排ガス熱交換器２４に流通させずに再生器４の伝熱管４ａに供給する状態とに切換自在に構成されている。
そして、吸収式ヒートポンプ回路Ｙを作動するときには、エンジン冷却水ＪＷを上記排ガス熱交換器２４に流通させた後に再生器４の伝熱管４ａに供給する状態として、できるだけ高温のエンジン冷却水ＪＷを再生器４の熱源として供給するが、吸収式ヒートポンプ回路Ｙの作動を停止して後述する発電運転モードとするときには、エンジン冷却水ＪＷを排ガス熱交換器２４に流通させずに再生器４の伝熱管４ａに供給する状態として、若干低温のエンジン冷却水ＪＷを再生器４の熱源として供給する。

更に、上記複数の開閉弁２５の開閉状態を切り換えて、上記排ガス熱交換器２４に流通させずに再生器４の伝熱管４ａに供給する状態とする場合には、再生器４の冷媒流出側に設けられた複数の開閉弁２８を切り換えることで、再生器４から流出した冷媒蒸気Ａ１を、上記排ガス熱交換器２４に流通させた後に圧縮機１０の高圧側と凝縮器１の冷媒流入側との接続部に供給する状態と、上記排ガス熱交換器２４に流通させずに同接続部に供給する状態とに切換自在に構成されている。

更に、この吸収式ヒートポンプ回路Ｙには、再生器４から吸収器３に供給される比較的高温の吸収液Ｂにより、吸収器３から再生器４に供給される吸収液Ｂを加熱する再生熱交換器１１が設けられている。この再生熱交換器１１により、再生器４に供給される吸収液Ｂの温度を上昇させて、再生器４における加熱効率を向上させると共に、吸収器３に供給される吸収液Ｂの温度を低下させて、吸収器３における冷媒蒸気Ａ１に対する吸収効率を向上させることができる。

また、上述した圧縮式ヒートポンプ回路Ｘと吸収式ヒートポンプ回路Ｙの夫々は、凝縮器１から蒸発器２に至る冷媒液Ａ２の経路を共有する形態で、構成されている。
即ち、圧縮式ヒートポンプ回路Ｘが有する圧縮機１０の高圧側（冷媒蒸気Ａ１を圧縮する場合に圧縮後の冷媒蒸気Ａ１が流出する側）と、吸収式ヒートポンプ回路Ｙが有する再生器４の冷媒流出側（分離後の冷媒蒸気Ａ１が流出する側）とが、両ヒートポンプ回路Ｘ，Ｙが共有する凝縮器１の冷媒流入側（凝縮前の冷媒蒸気Ａ１が流入する側）に接続されている。更に、圧縮式ヒートポンプ回路Ｘが有する圧縮機１０の低圧側（冷媒蒸気Ａ２を圧縮する場合に圧縮前の冷媒蒸気Ａ１が流入する側）と、吸収式ヒートポンプ回路Ｙが有する吸収器３の冷媒流入側（吸収前の冷媒蒸気Ａ１が流入する側）とが、両ヒートポンプ回路Ｘ，Ｙが共有する蒸発器２の冷媒流出側（蒸発後の冷媒蒸気Ａ１が流出する側）に接続されている。

そして、このように圧縮式ヒートポンプ回路Ｘと吸収式ヒートポンプ回路Ｙとを組み合わせた本システムでは、図１に示すように、上記圧縮式ヒートポンプ回路Ｘと上記吸収式ヒートポンプ回路Ｙとを作動させることで、エンジン２０の軸動力及び排熱を有効利用して、蒸発器２で冷房用等の多くの冷熱を得、又は、吸収器３及び凝縮器１で給湯用又は暖房用等の多くの温熱を得て、高いＣＯＰを実現することができる。

また、上記のように圧縮式ヒートポンプ回路Ｘに対して吸収式ヒートポンプ回路Ｙを組み合わせる場合には、吸収式ヒートポンプ回路Ｙにおける再生器４を圧縮式ヒートポンプ回路Ｘにおける凝縮器１と同様の高圧状態とし、一方、吸収式ヒートポンプ回路Ｙにおける吸収器３を圧縮式ヒートポンプ回路Ｘにおける蒸発器２と同様の低圧状態とする必要がある。よって、再生器４から吸収器３に供給される吸収液Ｂは、膨張弁１３により減圧され、吸収器３から再生器４に供給される吸収液Ｂは、吸収液ポンプ１２により加圧される形態で、再生器４と吸収器３との間で吸収液Ｂが循環されている。

これまで説明してきた本システムは、図１に示すように圧縮式ヒートポンプ回路Ｘと吸収式ヒートポンプ回路Ｙとの両方を作動させて比較的大きな温熱又は冷熱を得るための高熱負荷運転モードと、図２に示すように吸収式ヒートポンプ回路Ｙのみを作動させて比較的小さな温熱又は冷熱を得るための低熱負荷運転モードと、図３に示すような両ヒートポンプ回路Ｘ，Ｙの作動は停止するが発電機１５を作動させて発電を行う発電運転モードとの間で切換自在に構成されており、その詳細構成について以下に説明する。

圧縮機１０は、上述したように冷媒蒸気Ａ１を圧縮する流体ポンプとして作動するのに加えて、当該圧縮方向とは逆方向の冷媒蒸気Ａ１の流通により軸出力を出力する流体モータとしても作動するように構成されている。
また、本システムには、エンジン２０の軸出力により作動されて発電を行う発電機１５が設けられており、この発電機１５には、エンジン２０の軸出力が、ベルト伝動部２０ａ及び発電機１５とエンジン２０との連結を断続可能なクラッチ１５ａとを通じて伝達される。

更に、上記圧縮式ヒートポンプ回路Ｘが有する圧縮機１０とエンジン２０との連結部１４には、圧縮機１０とエンジン２０との連結を断続可能なクラッチ１０ａと、圧縮機１０の回転軸とクラッチ１０ａの回転軸とを一方の回転軸の回転力を他方の回転軸の回転力として伝達させる形態で連結すると共に、両回転軸の相対的な回転方向を、同方向とする正転状態と、逆方向とする逆転状態とに切換自在に構成された回転方向切換部１０ｂとが設けられている。尚、この回転方向切換部１０ｂは自動車などで利用される公知の歯車装置を採用することができる。

よって、連結部１４の連結状態は、詳細については以下に説明するが、原動機２０の軸動力を圧縮機１０に伝達させて圧縮機１０を、冷媒蒸気Ａ１を圧縮する流体ポンプとして作動させるポンプ作動状態と、原動機２０の軸動力を圧縮機１０に伝達させない原動機軸動力否伝達状態としての連結解離状態と、同原動機軸動力否伝達状態としての原動機モータ作動状態とで切換自在に構成されている。
即ち、ポンプ作動状態では、クラッチ１０ａが圧縮機１０とエンジン２０とを連結する状態に維持されると共に、回転方向切換部１０ｂが正転状態に維持される。よって、エンジン２０の軸動力が流体ポンプとして作動する圧縮機１０に伝達され、圧縮機１０において冷媒蒸気Ａ１を圧縮することができる。
また、連結解離状態では、クラッチ１０ａが圧縮機１０とエンジン２０との連結を解離させる連結解離状態に維持される。よって、エンジン２０の軸動力が圧縮機１０に伝達されず、圧縮機１０の作動を停止することができる。
更にまた、モータ作動状態では、クラッチ１０ａが圧縮機１０とエンジン２０とを連結する状態に維持されると共に、回転方向切換部１０ｂが逆転状態に維持される。よって、流体モータとして作動する圧縮機１０の軸出力をエンジン２０の軸出力に付加して、発電機１５側に伝達させることができる。

凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入を断続可能な冷媒流入側開閉弁１８が設けられている。更に、圧縮機１０の高圧側には、凝縮器１に向かう冷媒蒸気Ａ１の流通を許容し逆流を阻止する高圧側逆止弁１７と、冷媒蒸気Ａ１の流通を断続可能な高圧側開閉弁１６とが並列で配置されている。

また、エンジン冷却水循環路２１は、複数の開閉弁２５の開閉状態を切り換えることで、エンジン冷却水ＪＷを、排ガス熱交換器２４に流通させた後に再生器４の伝熱管４ａに供給する状態と、排ガス熱交換器２４に流通させずに再生器４の伝熱管４ａに供給する状態とに切換自在に構成されている。
更に、再生器４の冷媒流出側は、複数の開閉弁２８の開閉状態を切り換えることで、流出した冷媒蒸気Ａ１を、排ガス熱交換器２４に流通させて排熱により過熱する状態と、排ガス熱交換器２４に流通させない状態とに切換自在に構成されている。
即ち、上記排ガス熱交換器２４は、開閉弁２５，２８の開閉状態の切換操作により、エンジン冷却水ＪＷと冷媒蒸気Ａ１とを択一的に流通可能に構成されている。
また、上記排ガス熱交換器２４は、上記冷媒蒸気Ａ１を流通させる状態において、再生器４から流出する冷媒蒸気Ａ１を過熱可能な過熱部として機能することになる。
尚、排ガス熱交換器２４において、エンジン冷却水ＪＷと冷媒Ａとの混合が発生するが、吸収式ヒートポンプ回路Ｙにおいて、冷媒Ａ及び吸収液Ｂとしてアンモニア及び水を使用し、エンジン冷却水ＪＷについても水を使用していることから、これらの混合は特に問題ない。
また、本実施形態では、エンジン冷却水ＪＷの加熱用、及び、冷媒蒸気Ａ１の過熱用に、共通の上記排ガス熱交換器２４を使用するように構成したが、それらを別々に配置するように構成しても構わない。

蒸発器２において冷却される冷熱用水Ｃを利用して消費される冷熱負荷や、凝縮器１又は吸収器３において加熱される温熱用水Ｈを利用して消費される温熱負荷を、本システムの熱負荷として計測する熱負荷計測部４１が設けられている。

この熱負荷計測部４１は、冷熱用水Ｃにより冷熱を消費する場合には、蒸発器２に供給される冷熱用水Ｃの温度及び流量や当該冷熱用水Ｃの冷熱を消費する冷房機器等の冷房負荷等により、その消費された冷熱負荷を計測することができ、一方、温熱用水Ｈにより温熱を消費する場合には、凝縮器１又は吸収器３に供給される温熱用水Ｈの温度及び流量や当該温熱用水Ｈの温熱を消費する暖房機器の暖房負荷等により、温熱負荷を計測することができる。

そして、本システムの制御装置が機能する連結状態制御手段４０が設けられており、この連結状態制御手段４０は、システム効率を向上しながら、熱負荷の変動に応じた合理的な運転を可能とするべく、熱負荷計測部４１で計測された熱負荷に基づいて、圧縮機１０とエンジン２０との連結部１４の連結状態の制御を伴った、高熱負荷運転モードと低熱負荷運転モードと発電運転モードとの切換制御を実行するように構成されており、以下に、その詳細について運転モード毎に説明する。

〔高熱負荷運転モード〕
図１に示すように、連結状態制御手段４０は、熱負荷が予め設定された設定値よりも大きいときに、高熱負荷運転モードとして、連結部１４の連結状態を上述したポンプ作動状態に切り換えて、エンジン２０の軸動力を圧縮機１０に伝達させる。
この高熱負荷運転モードにおいて、冷媒流入側開閉弁１８は開状態に維持され、凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入が許容され、更に、高圧側開閉弁１６は閉状態に維持されて、圧縮部１０における冷媒蒸気Ａ１の逆流が阻止されている。

よって、この高熱負荷運転モードにおいては、エンジン２０の軸出力により圧縮機１０が流体ポンプとして作動して冷媒蒸気Ａ１を圧縮することで、圧縮式ヒートポンプ回路Ｘが作動し、更に、エンジン２０の排熱により再生器２０が吸収液Ｂから冷媒蒸気Ａ１を分離することで、吸収式ヒートポンプ回路Ｙが作動することになる。よって、両ヒートポンプ回路Ｘ，Ｙの作動により、凝縮器１及び吸収器３において充分に大きな温熱を得ると共に、蒸発器２において充分に大きな冷熱を得ることができ、この温熱又は冷熱を大きな熱負荷に利用することができる。

尚、この高熱負荷運転モードにおいては、再生器４における冷媒蒸気Ａ１の分離を良好なものとするべく、開閉弁２５，２８の開閉状態の切換操作により、エンジン冷却水ＪＷを上記排ガス熱交換器２４に流通させた後に再生器４の伝熱管４ａに供給する状態として、できるだけ高温のエンジン冷却水ＪＷを再生器４の熱源として供給する。
また、この高熱負荷運転モードにおいては、上記エンジン２０の軸出力は、主に圧縮機１０に伝達されるのであるが、その余剰分で発電機１５を作動して発電を行うことができる。また、この余剰分の軸出力が期待できない場合には、発電機１５側のクラッチ１５ａを、発電機１５とエンジン２０との連結を解離させる状態としても構わない。

〔低熱負荷運転モード〕
図１に示すように、連結状態制御手段４０は、熱負荷が予め設定された設定値以下且つ０よりも大きいときに、低熱負荷運転モードとして、連結部１４の連結状態を上述した連結解離状態に切り換えて、エンジン２０の軸動力を、圧縮機１０に伝達させず、発電機１５のみに伝達させて、発電に利用する。
この低熱負荷運転モードにおいて、冷媒流入側開閉弁１８は開状態に維持され、凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入が許容され、更に、高圧側開閉弁１６は閉状態に維持されて、圧縮部１０における冷媒蒸気Ａ１の逆流が阻止されている。

よって、この低熱負荷運転モードにおいては、圧縮式ヒートポンプ回路Ｘの作動は停止されるが、エンジン２０の排熱により再生器２０が吸収液Ｂから冷媒蒸気Ａ１を分離することで、吸収式ヒートポンプ回路Ｙのみが作動することになる。よって、吸収式ヒートポンプ回路Ｙのみの作動により、凝縮器１及び吸収器３において上記高熱負荷運転モードよりも小さな温熱を得ると共に、蒸発器２において上記高熱負荷運転モードよりも小さな冷熱を得ることができ、この温熱又は冷熱を小さな熱負荷に利用することができる。更に、エンジン２０の軸出力を利用して、発電機１５により発電を行って、その発電出力をポンプや制御装置などの補機や他の電力負荷等において有効利用することができる。

尚、この低熱負荷運転モードにおいては、再生器４における冷媒蒸気Ａ１２の分離を良好なものとするべく、開閉弁２５，２８の開閉状態の切換操作により、エンジン冷却水ＪＷを上記排ガス熱交換器２４に流通させた後に再生器４の伝熱管４ａに供給する状態として、できるだけ高温のエンジン冷却水ＪＷを再生器４の熱源として供給する。

〔発電運転モード〕
図３に示すように、連結状態制御手段４０は、熱負荷が０であるときに、発電機１５による発電のみを行う発電運転モードとして、連結部１４の連結状態を上述したモータ作動状態に切り換えて、エンジン２０の軸動力と、モータとして作動する圧縮機１０の軸出力を、発電機１５に伝達させる。
この発電運転モードにおいて、冷媒流入側開閉弁１８は閉状態に維持され、凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入が阻止され、更に、高圧側開閉弁１６は開状態に維持されて、圧縮部１０における冷媒蒸気Ａ１の逆流が許容されている。

よって、この発電運転モードにおいては、圧縮式ヒートポンプ回路Ｘ及び吸収式ヒートポンプ回路Ｙの作動が停止するが、エンジン２０の排熱により再生器２０が吸収液Ｂから冷媒蒸気Ａ１を分離することで、その再生器２０から冷媒蒸気Ａ１が発生し、その冷媒蒸気Ａ１が流体モータとして作動する圧縮機１０を逆流し、その圧縮機１０から流出した冷媒蒸気Ａ１が吸収器３に供給され吸収液Ｂに吸収される形態で、冷媒蒸気Ａ１により圧縮機１０を流体モータとして作動させて、圧縮器１０から軸出力を出力する、所謂ランキンサイクルを利用した動力サイクルが実現される。

よって、このようにエンジン２０の排熱を利用して圧縮機１０から出力された軸出力は、エンジン２０の軸出力に付加されて、発電機１５側に伝達されるので、発電機１５では、エンジン２０の軸出力に加えて排熱をも利用して大きな発電出力を得ることができる。

尚、この発電運転モードにおいては、ランキンサイクルの効率を向上するべく、開閉弁２５，２８の開閉状態の切換操作により、上記排ガス熱交換器２４を過熱部として作動させて、再生器４から流出した冷媒蒸気Ａ１を上記排ガス熱交換器２４に流通させた後に圧縮機１０に供給する状態として、流体モータとして作動する圧縮器１０に供給する冷媒蒸気Ａ１の高温化が図られている。

以上のように、熱負荷に基づいて、高熱負荷運転モードと低熱負荷運転モードと発電運転モードとの切換制御を実行すれば、熱負荷の変動に拘わらず、エンジン２０を常に定格運転に近い状態で運転して、エンジン２０の運転効率を高いものに維持でき、更に、熱負荷に応じた温熱又は冷熱を発生しながら、余剰分のエネルギにより効率良く、発電機１５を作動して発電出力を発生するというように、熱電比を変更可能なコジェネレーションシステムを実現することができる。

尚、上記実施の形態では、連結部１４の連結状態を、ポンプ作動状態と、原動機軸動力否伝達状態としての連結解離状態と、原動機軸動力否伝達状態としてのモータ作動状態とで切換自在に構成したが、別に、原動機軸動力否伝達状態を、ポンプ作動状態と、原動機軸動力否伝達状態としての連結解離状態及びモータ作動状態の何れか一方とで切換自在に構成し、高熱負荷時に上記ポンプ作動状態とし、低熱負荷又は無熱負荷時に上記原動機軸動力否伝達状態とするように構成しても構わない。

本発明に係る複合ヒートポンプシステムは、原動機の軸動力を圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路と、同原動機の排熱を、再生器の熱源として利用する吸収式ヒートポンプ回路とを、凝縮器及び蒸発器を共有する形態で備えた場合において、システム効率を向上しながら、熱負荷の変動に応じて合理的に運転可能とする複合ヒートポンプシステムとして有効に利用可能である。

本発明に係る複合ヒートポンプシステムの高熱負荷運転モードの状態を示す概略構成図 本発明に係る複合ヒートポンプシステムの低熱負荷運転モードの状態を示す概略構成図 本発明に係る複合ヒートポンプシステムの発電運転モードの状態を示す概略構成図

符号の説明

１：凝縮器
２：蒸発器
３：吸収器
４：再生器
１０：圧縮機
１４：連結部
１５：発電機
１８：冷媒流入側開閉弁
２０：エンジン（原動機）
２４：排ガス熱交換器（過熱部）
４０：連結状態制御手段
４１：熱負荷計測部
Ａ：冷媒
Ｂ：吸収液
Ｘ：圧縮式ヒートポンプ回路
Ｙ：吸収式ヒートポンプ回路

Claims (4)

1. 原動機の軸出力を、冷媒を圧縮する圧縮機の動力源として利用する圧縮式ヒートポンプ回路と、
   前記原動機の排熱を、吸収液を加熱して冷媒を分離する再生器の熱源として利用する吸収式ヒートポンプ回路とを備え、
   前記圧縮式ヒートポンプ回路が有する圧縮機の高圧側と、前記吸収式ヒートポンプ回路が有する再生器の冷媒流出側とが、当該両ヒートポンプ回路が共有する凝縮器の冷媒流入側に接続されていると共に、
   前記圧縮式ヒートポンプ回路が有する圧縮機の低圧側と、前記吸収式ヒートポンプ回路が有する吸収器の冷媒流入側とが、当該両ヒートポンプ回路が共有する蒸発器の冷媒流出側に接続されている複合ヒートポンプシステムであって、
   前記原動機と前記圧縮機とを連結する連結部が、前記原動機の軸動力を前記圧縮機に伝達させて前記圧縮機を冷媒を圧縮する流体ポンプとして作動させるポンプ作動状態と、前記原動機の軸動力を前記圧縮機に伝達させない原動機軸動力否伝達状態とで連結状態を切換自在に構成され、
   熱負荷に基づいて前記連結部の連結状態の切換制御を行う連結状態制御手段を備え、
   前記圧縮機が、前記流体ポンプとして作動したときの圧縮方向とは逆方向の冷媒の流通により軸出力を出力する流体モータとして作動するように構成され、
   前記連結部が、前記連結状態を、前記原動機軸動力否伝達状態として、前記圧縮機をモータとして作動させて当該圧縮機の軸出力を前記原動機の軸動力に付加するモータ作動状態に切換自在に構成されているとともに、
   前記凝縮器への冷媒の流入を断続可能な冷媒流入側開閉弁を備え、
   前記連結状態制御手段が、前記連結部の連結状態を前記モータ作動状態としたときに前記冷媒流入側開閉弁を閉状態として、前記凝縮器への冷媒の流入を阻止した状態で前記再生器から前記圧縮機へ冷媒を供給するように構成されている複合ヒートポンプシステム。
2. 前記原動機の軸動力により作動されて発電を行う発電機を備えた請求項１に記載の複合ヒートポンプシステム。
3. 前記連結部が、前記連結状態を、前記原動機軸動力否伝達状態として、前記原動機と前記圧縮機との連結を解離させる連結解離状態に切換自在に構成されている請求項１又は２に記載の複合ヒートポンプシステム。
4. 前記原動機がエンジンであり、
   前記エンジンの排ガスを熱源として前記再生器から流出する冷媒を過熱可能な過熱部を備え、
   前記連結状態制御手段が、前記連結部の連結状態を前記モータ作動状態としたときに前記過熱部を作動させるように構成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の複合ヒートポンプシステム。

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