JP4847933B2 - 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出力を、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、エンジンの軸出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、同原動機の軸出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、原動機の軸出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、原動機の軸出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運転モードを変更しながら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、その特徴構成は、前記圧縮機が、前記原動機の軸出力による回転駆動により冷媒を圧縮する流体ポンプとして作動し、且つ、前記高圧側から前記低圧側に向かう冷媒の流通により前記原動機とは逆回転の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、
前記再生器から前記凝縮器への冷媒の流入を許容する冷媒流入状態と、前記再生器から前記凝縮器への冷媒の流入を阻止する非冷媒流入状態とを切換可能な冷媒流入状態切換手段と、
前記原動機と前記圧縮機との連結を行う連結状態と、前記原動機と前記圧縮機との連結を解離させる非連結状態とを切換可能な連結状態切換手段と、
少なくとも前記非連結状態における前記原動機及び前記圧縮機の軸出力により作動されて発電する発電手段と、
熱負荷に基づいて前記冷媒流入状態切換手段及び前記連結状態切換手段を制御して、高熱負荷域において前記冷媒流入状態且つ前記連結状態とすることで前記圧縮機を前記流体ポンプとして作動させる高熱負荷運転モードで運転を行い、前記高熱負荷域よりも低い低熱負荷域において前記非冷媒流入状態且つ前記非連結状態とすることで前記圧縮機を前記流体モータとして作動させる低熱負荷運転モードで運転を行う運転制御手段とを備えた点にある。

上記特徴構成によれば、上記冷媒流入状態切換手段により再生器から凝縮器への冷媒の流入を許容する上記冷媒流入状態とすると共に、上記連結状態切換手段により原動機と圧縮機とを上記連結状態とすれば、再生器から凝縮器へ冷媒を流入させて吸収式ヒートポンプ回路を作動させるのに加えて、原動機の軸出力が圧縮機に伝達されて圧縮機が上記流体ポンプとして作動して圧縮した冷媒を凝縮器へ流入させて圧縮式ヒートポンプ回路を作動させることができる。よって、上記運転制御手段により、高熱負荷域において、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る上記高熱負荷運転モードで運転することで、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、高熱負荷に対して十分に大きいものとすることができる。

一方、上記冷媒流入状態切換手段により再生器から凝縮器への冷媒の流入を阻止する上記非冷媒流入状態とすると共に、上記連結状態切換手段により上記原動機と上記圧縮機とを上記非連結状態とすれば、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高圧側から上記低圧側に向けて流通させて、圧縮機を上記流体モータとして作動させることができる。そして、上記運転制御手段により、低熱負荷域において、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停止させる上記低熱負荷運転モードで運転することで、圧縮機との連結が解離された原動機の軸出力に加え、このように流体モータとして作動する圧縮機の上記原動機とは逆回転の軸出力を、上記発電手段の作動源として利用し、その発電手段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る。

以上のように、本発明により、システム効率を向上しながら、熱負荷の変動に応じて運転モードを変更しながら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。
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更なる特徴構成は、前記運転制御手段が、前記高熱負荷域と前記低熱負荷域との間の中熱負荷域において前記冷媒流入状態且つ前記非連結状態とすることで前記圧縮機を停止させる中熱負荷運転モードで運転を行う点にある。

上記特徴構成によれば、上記冷媒流入状態切換手段により再生器から凝縮器への冷媒の流入を許容する上記冷媒流入状態とすると共に、上記連結状態切換手段により原動機と圧縮機とを上記非連結状態とすれば、再生器から凝縮器へ冷媒を流入させて吸収式ヒートポンプ回路を作動させながら、原動機の軸出力が圧縮機に伝達され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。よって、上記運転制御手段により、中熱負荷域において、原動機の排熱を有効利用して吸収式ヒートポンプ回路のみを作動させる上記中熱負荷運転モードで運転することで、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、高熱負荷運転モードよりも低下させて中熱負荷に対応させながら、原動機の軸出力を、上記発電手段の作動源として利用し、その発電手段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る。

本発明に係る複合ヒートポンプシステムの更なる特徴構成は、前記原動機がエンジンである点にある。

上記特徴構成によれば、上記運転制御手段により、上述した低熱負荷運転モードや中熱負荷運転モードで運転を行って、エンジンと圧縮機との連結を解離させる非連結状態とするときには、エンジンの排熱を再生器の熱源として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更なる特徴構成は、前記発電手段が、前記原動機の軸出力により作動されて発電する原動機側発電機と、前記圧縮機の軸出力により作動されて発電する圧縮機側発電機とからなる点にある。

上記特徴構成によれば、上記原動機側発電機と上記圧縮機側発電機とを個別に設けることで、少なくとも原動機と圧縮機との連結を解離させる非連結状態における原動機及び圧縮機の軸出力により夫々独立に作動されて発電する発電手段を構成することができる。
即ち、上記非連結状態とする低熱負荷運転モードで運転を行うにあたり、原動機の軸出力の余剰分により原動機側発電機を作動させながら、流体モータとして作動する圧縮機の軸出力により圧縮機側発電機を作動させて、両発電機から発電出力を取り出すことができる。

更に、上記特徴構成を有する場合、前記原動機側発電機が発電した交流電力と前記圧縮機側発電機が発電した交流電力との夫々を直流電力に整流して合流させ、当該合流した直流電力を交流電力に変換して出力する電力出力回路を備えることが好ましい。
即ち、上記原動機側発電機と上記圧縮機側発電機とが発電した夫々の交流電力を、一旦直流に整流した後に合流させることができる。また、このように合流後の直流電力については再度交流電力に変換して出力することで、その交流電力を、補機や他の電力負荷等に供給して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更なる特徴構成は、前記発電手段が、前記非連結状態における前記原動機と前記圧縮機の内の一方側の回転軸に、回転磁界を発生させるロータを設け、他方側の回転軸に、前記回転磁界が作用して電機子により交流電力を発電するステータを設けた連結部発電機からなる点にある。

上記特徴構成によれば、上記連結部発電機を設けることで、少なくとも原動機と圧縮機との連結を解離させる非連結状態における原動機及び圧縮機の軸出力により作動されて発電する発電手段を構成することができる。
即ち、上記非連結状態とする低熱負荷運転モードで運転を行うにあたり、流体モータとして作動する圧縮機の回転軸は、原動機の軸出力の余剰分により回転駆動する原動機の回転軸に対して、逆回転することになる。よって、一方側の回転軸に上記ロータを設け、他方側の回転軸に上記ステータを設けることで、原動機の軸出力の余剰分と上記圧縮機の軸出力とを利用して、当該ロータを当該ステータに対して逆回転させて連結部発電機を作動させ、上記電機子から交流電力を取り出すことができる。
また、この場合、上述した中熱負荷運転モードにおいて、圧縮機を停止させる場合には、圧縮機の回転軸をブレーキ等により停止させた状態で、原動機の回転軸のみを回転させることで、原動機の軸出力の余剰分により連結部発電機を作動させ、上記電機子により交流電力を取り出すことができる。

更に、上記特徴構成を有する場合、前記運転制御手段が、前記高熱負荷運転モードにおいて、前記非連結状態で前記連結部発電機の発電出力を調整して、前記流体ポンプとして作動する前記圧縮機の回転数を制御する回転数制御を実行可能に構成されていることが好ましい。
即ち、原動機と圧縮機との連結が解離される非連結状態で、上記連結部発電機の発電出力を変化させることで、ロータとステータとの間に働くトルクが変化し、それによって、圧縮機の回転軸と原動機の回転軸との滑り速度が変化する。従って、原動機の回転数を所定の定格回転に制御している場合であっても、上記連結部発電機の発電出力を調整することで、ロータとステータとの間に働くトルクにより圧縮機の所定回転数で回転駆動させることができる。
これにより、高熱負荷運転モードにおいて、原動機の回転数を高効率を実現し得る定格回転数に維持し、且つ、上記連結部発電機の発電周波数を一定に維持しながら、流体ポンプとして作動する圧縮機の回転数を、原動機の回転数よりも低く冷暖房負荷に応じた適切な回転数に制御して、省エネルギーを達成することができる。

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。）の実施形態として、詳細については後述する発電手段４０の構成が夫々異なる第一実施形態（図１〜図４）及び第二実施形態（図５〜図８）の詳細構成について図面に基づいて説明する。

〔共通構成〕
先ず、本システムの第一実施形態及び第一実施形態における共通構成について説明する。
本システムは、図１及び図５等に示すように、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３０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３０を配置して構成されている。即ち、蒸発した冷媒蒸気Ａ１が、圧縮機３０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Ｈ１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３０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Ｈ１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３０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。

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３０には、エンジン２０の軸出力が、後述するクラッチ機構５０を通じて伝達される。即ち、圧縮機３０は、動力源としてエンジン２０の軸出力を利用して、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。

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３０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３０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Ｈ２に放熱し、その吸収液Ｂが、吸収液ポンプ８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Ｈ１，Ｈ２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。

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１５を循環するエンジン冷却水ＪＷが、エンジン２０の水ジャケットや排ガス熱交換器などの排熱回収部２０ｃを流通して排熱を回収して昇温して供給される。即ち、この再生器４は、熱源としてエンジン２０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１５には、再生器４から流出したエンジン冷却水ＪＷを空冷して排熱回収部２０ｃに供給する空冷部１６が設けられている。
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ように構成されている。
尚、例えばエンジン冷却水ＪＷが再生器４で充分に放熱して低温となる場合において、上記空冷部１６を省略しても構わない。また、エンジン冷却水循環路１５において、空冷部１６をバイパスするバイパス路を設け、空冷部１６をバイパスしてバイパス路を流通するエンジン冷却水ＪＷの流量を制御して、空冷部１６における放熱量を調整しても良い。

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９が設けられている。この再生熱交換器９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。

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３０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３０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。

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及び図５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の軸出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。

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１０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８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。

再生器４の冷媒流出側には、再生器４から凝縮器１に供給される冷媒蒸気Ａ１を分縮させる分縮器１１が設けられており、この分縮器１１は、伝熱管１１ａ内に流通する温熱用水Ｈ３により再生器４から流出した冷媒蒸気Ａ１を冷却することで冷媒蒸気Ａ１の一部を凝縮させて、冷媒濃度が高い冷媒蒸気Ａ１を凝縮器１に供給すると共に、凝縮した冷媒液を再生器４に戻すように構成されている。

尚、凝縮器１と、吸収器３と、分縮器１１は、個々に別用途の温熱用水Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を加熱するように構成しても構わないが、例えば、温熱用水を、凝縮器１、吸収器３、分縮器１１の順に温熱用水を加熱するように、同じ温熱用水を加熱するように構成しても構わない。

これまで説明してきた本システムは、図１及び図５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及び図６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中熱負荷運転モードと、図３及び図７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を行う低熱負荷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３０は、エンジン２０の軸出力による回転駆動により冷媒蒸気Ａ１を低圧側から高圧側に向けて圧縮する流体ポンプとして作動するのに加え、高圧側から低圧側に向かう冷媒蒸気Ａ１の流通により上記エンジン２０とは逆回転の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ている。

また、上記圧縮式ヒートポンプ回路Ｘが有する圧縮機３０とエンジン２０との間には、エンジン２０と圧縮機３０との連結を行う連結状態（図１及び図５に示す状態）と、エンジン２０と圧縮機３０との連結を解離させる非連結状態（図２，３及び図６，７に示す状態）との間で、エンジン２０と圧縮機３０との連結の状態を切換可能な連結状態切換手段として、圧縮機３０とエンジン２０との連結を断続可能なクラッチ機構５０が設けられている。
即ち、クラッチ機構５０は、連結状態とされることで、エンジン２０の軸出力を圧縮機３０に伝達させて、圧縮機３０を、冷媒蒸気Ａ１を圧縮する流体ポンプとして作動させ、一方、非連結状態とされることで、エンジン２０の軸出力を圧縮機３０に伝達させずに、圧縮機３０を停止させたり、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作動させたりする。

再生器４から凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入を許容する冷媒流入状態（図１，２及び図５，６に示す状態）と、再生器４から凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入を阻止する非冷媒流入状態（図３及び図７に示す状態）との間で、凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入の状態を切換可能な冷媒流入状態切換手段として、凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入部を開閉可能な冷媒流入側開閉弁１２が設けられている。
即ち、冷媒流入側開閉弁１２を開状態とすることで、上記冷媒流入状態となり、冷媒流入側開閉弁１２を閉状態とすることで、上記非冷媒流入状態となる。

更に、圧縮機３０の高圧側には、冷媒蒸気Ａ１の流通を断続可能な高圧側開閉弁１３と、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１４とが並列で配置されている。
そして、冷媒流入側開閉弁１２が開状態とされる冷媒流入状態では、図１，２及び図５，６に示すように、上記高圧側開閉弁１３は閉状態とされて、圧縮機３０への冷媒蒸気Ａ１の逆流が阻止され、逆に、冷媒流入側開閉弁１２が閉状態とされる非冷媒流入状態では、図３及び図７に示すように、上記高圧側開閉弁１３は開状態とされて、圧縮機３０への冷媒蒸気Ａ１の逆流が許容されることになる。

また、詳細構成については第一実施形態と第二実施形態とで個別に説明するが、少なくともクラッチ５０を非連結状態とした場合において、エンジン２０及び圧縮機３０の軸出力により作動されて発電する発電手段４０が設けられている。

更に、本システムの制御装置が機能する運転制御手段８０について説明を加える。
運転制御手段８０には、本システムの熱負荷を計測する熱負荷計測部８１から、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が入力される。

この熱負荷計測部８１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、運転制御手段８０は、システム効率を向上しながら、熱負荷の変動に応じて運転モードを変更しながら合理的な運転を可能とするべく、熱負荷計測部８１で計測された熱負荷に基づいて、連結状態切換手段としてのクラッチ機構５０及び冷媒流入状態切換手段としての冷媒流入側開閉弁１２の制御を伴った、高熱負荷運転モードと中熱負荷運転モードと低熱負荷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及び図５に示すように、運転制御手段８０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、クラッチ機構５０を連結状態に切り換えて、エンジン２０の軸出力を圧縮機３０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１２は開状態に維持されることで、凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入が許容される冷媒流入状態とされ、更に、高圧側開閉弁１３は閉状態に維持されることで、圧縮機３０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３０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４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。
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３０に伝達されるのであるが、その余剰分で発電手段４０を作動して発電を行うことができる。

〔中熱負荷運転モード〕
図２及び図６に示すように、運転制御手段８０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、中熱負荷運転モードとして、クラッチ機構５０を非連結状態に切り換えて、エンジン２０の軸出力を、圧縮機３０に伝達させず、発電手段４０のみに伝達させて、発電に利用する。
この中熱負荷運転モードにおいて、冷媒流入側開閉弁１２は開状態に維持されることで、凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入が許容される冷媒流入状態とされ、更に、高圧側開閉弁１３は閉状態に維持されることで、圧縮機３０における冷媒蒸気Ａ１の逆流が阻止されている。

よって、この中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４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、発電手段４０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。

〔低熱負荷運転モード〕
図３及び図７に示すように、運転制御手段８０は、熱負荷が０であるときに、発電手段４０による発電のみを行う低熱負荷運転モードとして、クラッチ機構５０を非連結状態に切り換えて、エンジン２０の軸出力と、流体モータとして作動する圧縮機３０の軸出力との夫々を、別個に発電手段４０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１２は閉状態に維持されることで、凝縮器１への冷媒蒸気Ａ１の流入が阻止される非冷媒流入状態とされ、更に、高圧側開閉弁１３は開状態に維持されることで、圧縮機３０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４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４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３０を逆流し、その圧縮機３０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３０を流体モータとして作動させて、圧縮機３０から、エンジン２０とは逆回転の軸出力を出力する、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、エンジン２０の軸出力と、エンジン２０の排熱を利用して圧縮機３０から出力された軸出力との夫々が、発電手段４０に伝達されるので、当該発電手段４０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。

以上のように、熱負荷に基づいて、高熱負荷運転モードと中熱負荷運転モードと低熱負荷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、余剰分のエネルギーにより効率良く、発電手段４０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。

〔第一実施形態〕
次に、本システムの第一実施形態における個別構成について、図１〜図４に基づいて説明する。
第一実施形態の本システムでは、図４に示すように、発電手段４０として、エンジン２０の軸出力により作動されて発電する原動機側発電機４１と、圧縮機３０の軸出力により作動されて発電する圧縮機側発電機４２とが設けられている。

更に、上記原動機側発電機４１と上記圧縮機側発電機４２とからなる発電手段４０の発電出力を適切な状態で出力するために、上記原動機側発電機４１が発電した交流電力と、上記圧縮機側発電機４２が発電した交流電力との夫々を、コンバータ６１，６２により直流電力に整流した後に合流させ、当該合流した直流電力をインバータ６５により、商用電力系統７０と同期する所定の電圧且つ周波数の交流電力に変換して出力する電力出力回路６０が設けられている。そして、この電力出力回路６０から出力された交流電力が、商用電力系統７０と連系されて、補機や他の電力負荷等に供給される。
また、これら原動機側発電機４１や圧縮機側発電機４２の作動を停止させるために、原動機側発電機４１とエンジン２０との間や、圧縮機側発電機４２と圧縮機３０との間にクラッチ機構を設けたり、コンバータ６１，６２のスイッチイング制御を行うように構成しても構わない。
また、この電力出力回路６０では、ＤＤコンバータ等の電圧調整回路や高調波抑制回路や絶縁トランスなどが必要となる場合があるが、一般的な構成であるので説明を割愛する。

そして、上述したような図１に示す高熱負荷運転モードにおいては、クラッチ機構５０が連結状態に切り換えられることで、上記エンジン２０の軸出力は、主に圧縮機３０に伝達されるのであるが、その余剰分で原動機側発電機４１や圧縮機側発電機４２が作動されて発電が行われることになる。尚、この原動機側発電機４１及び圧縮機側発電機４２の一方の発電を停止させて、他方のみで発電するように構成しても構わない。

また、上述したような図２に示す中熱負荷運転モードや図３に示す低熱負荷運転モードにおいては、クラッチ機構５０が非連結状態に切り換えられることで、エンジン２０の軸出力は、圧縮機３０に伝達させずに、原動機側発電機４１のみに伝達されて、発電に利用されることになる。

更に、上述したような図３に示す低熱負荷運転モードにおいては、流体モータとして作動する圧縮機３０の軸出力についても、圧縮機側発電機４２に伝達されて、発電に利用されることになる。
よって、低熱負荷運転モードでは、エンジン２０の軸出力が原動機側発電機４１に伝達され、一方、エンジン２０の排熱を利用して圧縮機３０から出力された軸出力が圧縮機側発電機４２に伝達されるので、夫々の発電機４１，４２からなる発電手段４０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。
また、このとき、エンジン２０の軸出力及び圧縮機３０の軸出力は互いに逆回転のものとなるので、原動機側発電機４１及び圧縮機側発電機４２で発電された夫々の交流電力は互いに逆位相のものとなる。
しかし、これら夫々の交流電力は、コンバータ６１，６２により一旦直流電力に整流された後に合流されるので、問題はない。

〔第二実施形態〕
次に、本システムの第二実施形態における個別構成について、図５〜図８に基づいて説明する。
第二実施形態の本システムでは、図８に示すように、発電手段４０として、非連結状態におけるエンジン２０と圧縮機３０の内の一方側の回転軸（具体的には圧縮機３０の回転軸３０ａ）に、回転磁界を発生させるロータ４５を設け、他方側の回転軸（具体的にはエンジン２０の回転軸２０ａ）に、上記ロータ４５により発生された回転磁界が作用して電機子により交流電力を発電するステータ４４を設けた連結部発電機４３が設けられている。
即ち、圧縮機３０の回転軸３０ａに設けられたロータ４５は、周方向に永久磁石が配置されており、回転駆動することにより回転磁界が発生する。一方、エンジン２０の回転軸２０ａに設けられたステータ４４は、上記ロータ４５の永久磁石と対向する形態で巻き線構造の電機子が周方向に配置されており、上記ロータ４５の回転磁界が電機子に作用して、回転軸２０ａに設けられたスリップリング４６から交流電力を発生させるように構成されている。

即ち、上記連結部発電機４３は、クラッチ機構５０を非連結状態に切り換えた状態で、ロータ４５が設けられた圧縮機３０の回転軸３０ａに対してステータ４４が設けられたエンジン２０の回転軸２０ａを相対回転させる、更には、当該圧縮機３０の回転軸３０ａを上記エンジン２０とは逆回転で回転させることで、交流電力を発生することができる。

また、当該圧縮機３０の回転軸３０ａには、当該回転軸３０ａの回転を停止させるブレーキ機構５３が設けられている。

更に、上記連結部発電機４３からなる発電手段４０の発電出力を適切な状態で出力するために、上記連結部発電機４３が発電した交流電力を、コンバータ６３により直流電力に整流した後に、当該直流電力をインバータ６５により、商用電力系統７０と同期する所定の電圧且つ周波数の交流電力に変換して出力する電力出力回路６０が設けられている。そして、この電力出力回路６０から出力された交流電力が、商用電力系統７０と連系されて、補機や他の電力負荷等に供給される。
また、この電力出力回路６０では、ＤＤコンバータ等の電圧調整回路や高調波抑制回路や絶縁トランスなどが必要となる場合があるが、一般的な構成であるので説明を割愛する。

そして、上述したような図５に示す高熱負荷運転モードにおいては、クラッチ機構５０が連結状態に切り換えられることで、上記エンジン２０の軸出力は、圧縮機３０に伝達され、圧縮機３０が流体ポンプとして作動する。

更に、運転制御手段８０は、この高熱負荷運転モードにおいて、クラッチ機構５０を非連結状態として、コンバータ６３のスイッチング制御により連結部発電機４３の発電出力を調整して、流体ポンプとして作動する圧縮機３０の回転数を制御する回転数制御を実行可能に構成されており、その回転数制御について以下に説明する。

即ち、運転制御手段８０は、クラッチ機構５０を非連結状態として、回転数センサ２１で検出されるエンジン２０の回転数が当該エンジン２０を高効率で運転可能な定格回転数となるように、エンジン２０の出力を制御する。そして、運転制御手段８０は、回転数センサ３１で検出される圧縮機３０の回転数が上記エンジン２０の回転数よりも低く冷暖房負荷に応じた適切な目標回転数となるように、コンバータ６３のスイッチング制御を行って、連結部発電機４３の発電出力を調整する。
すると、連結部発電機４３において、定格回転数で回転するエンジン２０の軸出力の一部が、ロータ４５とステータ４４との相対回転による発生する発電出力として取り出され、その残部が圧縮機３０に伝達されて、圧縮機３０を所望の目標回転数で回転駆動させることができる。

また、上述したような図６に示す中熱負荷運転モードや図７に示す低熱負荷運転モードにおいては、クラッチ機構５０が非連結状態に切り換えられることで、エンジン２０の軸出力は、圧縮機３０に伝達させずに、連結部発電機４３に伝達され、ロータ４５に対してステータ４４が相対回転することで、発電に利用されることになる。
また、上記中熱負荷運転モードでは、回転駆動するステータ４４に対してロータ４５の回転を停止させるべく、ブレーキ機構５３により圧縮機３０の回転が停止されている。

更に、上述したような図７に示す低熱負荷運転モードにおいては、流体モータとして作動する圧縮機３０の軸出力についても、連結部発電機４３に伝達され、エンジン２０により回転駆動するステータ４４に対してロータ４５を逆回転に回転駆動させることで、発電に利用されることになる。
よって、低熱負荷運転モードでは、エンジン２０の軸出力が連結部発電機４３のステータ４４を回転駆動させるために利用され、一方、エンジン２０の排熱を利用して圧縮機３０から出力された軸出力が連結部発電機４３のロータ４５を上記エンジン２０とは逆回転に回転駆動させるために利用されることになるので、当該連結部発電機４３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。

〔別実施形態〕
（１）上記実施の形態では、原動機をエンジン２０としたが、排熱と軸出力とを出力するものであればエンジン以外の原動機を利用しても構わない。

（２）上記実施の形態では、運転制御手段８０が中熱負荷運転モードで運転を行うように構成したが、別に、この中熱負荷運転モードを省略して、高熱負荷運転モードと低熱負荷運転モードとの切換のみを行うように構成しても構わない。

本発明は、原動機の軸出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であって、システム効率を向上しながら、熱負荷の変動に応じて運転モードを変更しながら合理的に運転可能とするものとして有効に利用可能である。

第一実施形態の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 第一実施形態の複合ヒートポンプシステムの中熱負荷運転モードの状態を示す概略構成図 第一実施形態の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 第一実施形態の複合ヒートポンプシステムの発電手段の構成を示す部分構成図 第二実施形態の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 第二実施形態の複合ヒートポンプシステムの中熱負荷運転モードの状態を示す概略構成図 第二実施形態の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 第二実施形態の複合ヒートポンプシステムの発電手段の構成を示す部分構成図

符号の説明

１：凝縮器
２：蒸発器
３：吸収器
４：再生器
６：膨張弁
１２：冷媒流入側開閉弁（冷媒流入状態切換手段）
２０：エンジン（原動機）
３０：圧縮機
４０：発電手段
４１：原動機側発電機
４２：圧縮機側発電機
４３：連結部発電機
４４：ステータ
４５：ロータ
５０：クラッチ機構（連結状態切換手段）
６０：電力出力回路
８０：運転制御手段
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 (7)

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、
   前記圧縮機が、前記原動機の軸出力による回転駆動により冷媒を圧縮する流体ポンプとして作動し、且つ、前記高圧側から前記低圧側に向かう冷媒の流通により前記原動機とは逆回転の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、
   前記再生器から前記凝縮器への冷媒の流入を許容する冷媒流入状態と、前記再生器から前記凝縮器への冷媒の流入を阻止する非冷媒流入状態とを切換可能な冷媒流入状態切換手段と、
   前記原動機と前記圧縮機との連結を行う連結状態と、前記原動機と前記圧縮機との連結を解離させる非連結状態とを切換可能な連結状態切換手段と、
   少なくとも前記非連結状態における前記原動機及び前記圧縮機の軸出力により作動されて発電する発電手段と、
   熱負荷に基づいて前記冷媒流入状態切換手段及び前記連結状態切換手段を制御して、高熱負荷域において前記冷媒流入状態且つ前記連結状態とすることで前記圧縮機を前記流体ポンプとして作動させる高熱負荷運転モードで運転を行い、前記高熱負荷域よりも低い低熱負荷域において前記非冷媒流入状態且つ前記非連結状態とすることで前記圧縮機を前記流体モータとして作動させる低熱負荷運転モードで運転を行う運転制御手段とを備えた複合ヒートポンプシステム。
2. 前記運転制御手段が、前記高熱負荷域と前記低熱負荷域との間の中熱負荷域において前記冷媒流入状態且つ前記非連結状態とすることで前記圧縮機を停止させる中熱負荷運転モードで運転を行う請求項１に記載の複合ヒートポンプシステム。
3. 前記原動機がエンジンである請求項１又は２に記載の複合ヒートポンプシステム。
4. 前記発電手段が、前記原動機の軸出力により作動されて発電する原動機側発電機と、前記圧縮機の軸出力により作動されて発電する圧縮機側発電機とからなる請求項１〜３の何れか一項に記載の複合ヒートポンプシステム。
5. 前記原動機側発電機が発電した交流電力と前記圧縮機側発電機が発電した交流電力との夫々を直流電力に整流して合流させ、当該合流した直流電力を交流電力に変換して出力する電力出力回路を備えた請求項４に記載の複合ヒートポンプシステム。
6. 前記発電手段が、前記非連結状態における前記原動機と前記圧縮機の内の一方側の回転軸に、回転磁界を発生させるロータを設け、他方側の回転軸に、前記回転磁界が作用して電機子により交流電力を発電するステータを設けた連結部発電機からなる請求項１〜３の何れか一項に記載の複合ヒートポンプシステム。
7. 前記運転制御手段が、前記高熱負荷運転モードにおいて、前記非連結状態で前記連結部発電機の発電出力を調整して、前記流体ポンプとして作動する前記圧縮機の回転数を制御する回転数制御を実行可能に構成されている請求項６に記載の複合ヒートポンプシステム。

Images