JP5274483B2 - ヒートポンプ、小規模発電装置、及び熱を移動させる方法 - Google Patents
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Description
本発明のヒートポンプの一実施形態は、前記第1の部分が、熱源へと接続できる蒸発器10と、電流を消費するように構成されたダイナミック型圧縮機16と、液化装置18とを備えており、蒸発器10に接続される前記熱源が、作動流体が第1の圧力において気化するような大きさとされている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器100が、地下水、海水、川の水、湖水又は塩水の形態で環境に存在する水を気化させるように構成され、液化装置18が、液化させた水を前記蒸発器、土壌、又は水処理プラントへと送るように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、圧縮機16が、作動蒸気を25hPaよりも高い作動圧力へと圧縮するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ダイナミック型圧縮機が、ラジアルフロー圧縮機として構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器10が、気化室100へ接続された揚水管102を備えており、揚水管102の一端が液体で満たされた作動液体用容器116へ接続され、揚水管102の他端が重力の作用によって気化室100内に気化圧力がもたらされるように気化室100へ接続されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、揚水管102が8mを超える長さを有するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器が、上流の作動流体の圧力を低下させ、そのプロセスにおいて作動流体からエネルギーを抽出するタービン150を備えており、タービン150が、下流の作動流体を気化室内に存在する圧力から上流の作動流体の圧力にするためのポンプ152へ作用可能に接続されており、この作用的接続154は、タービンが抽出したエネルギーの少なくとも一部をポンプ152が使用するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器10が、気化室において気化室への供給配管の直径の少なくとも3倍へと広がっている膨張器108、膨張器108の縁を越えてあふれ出る作動液体を受け取るように構成された受け取り装置110、及びあふれ出る作動液体を運び去るように構成されたドレイン手段112を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ドレイン手段112が、流れ制御手段114へ接続され、流れ制御手段114を、受け取り装置110にあふれ出る作動液体の水位を所定の範囲内に保つように制御することができる。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器10が、気化させるべき水に溶存しているガスの少なくとも一部を、気化室を介して圧縮機によって吸い込まれることがないように、気化させるべき水から取り除くように構成された気体分離器を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、気体分離器が、取り除いた分のガスを、気化していない水によって運び去られるよう、気化していない水へと送るように配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器10が、気化室100において気化室の外側のドレイン112の直径の少なくとも3倍へと広がっている膨張器200、気化室へと供給された作動液体を受け取るように構成された受け取り装置、及び前記受け取り装置に地下水を供給するための流入手段を備えており、前記膨張器が、作動流体が大きな直径を有している膨張器の縁を越えて小さい直径を有している膨張器の領域へと流れ、そこから排水路を介して流れ出るように、前記気化室に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置が、気体分離器220、222を備えており、該気体分離器が、液化装置に蓄積する、水蒸気とは異なるガスを分離器の空間220から排出する。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、液化した作動液体を排出するためのドレイン22を備えており、ドレイン22が、蒸発器において気泡気化のための核生成効果をもたらすための部分204を、該蒸発器内に備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置からの水のためのドレインの一部分204が、少なくとも核形成のための核生成効果が一般的パイプ形態のドレインの滑らかな表面と比べて増加するような表面粗さを有する粗い領域206を含んでいる。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ドレイン22が、ノズル開口234を備えているノズルパイプ230へと接続されており、ノズル開口234が、ノズルパイプ230内に位置する作動流体を蒸発器内に位置する気化させるべき水へと送り込むことで、該蒸発器における気泡気化のために核生成効果をもたらす。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、蒸発器が、熱交換器236と、該熱交換器への供給のための分岐管238と、ノズル開口234を備えているノズルパイプ230に接続された熱交換器ドレインとを備えており、熱交換器236が、入力側において、液化装置のドレイン22へと接続され、液化装置のドレイン22によって送り出される液体の暖かさが、ノズルパイプ230へと供給される作動流体へと伝えられて、蒸発器における気泡気化のために核生成効果がもたらされる。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、液化した作動液体を排出するためのドレイン22を備えており、該ドレインが、接続位置194において揚水管102又は戻り流パイプ113へと接続され、接続位置194において、揚水管内又は戻り流パイプ113内の液体の圧力がドレイン22に存在する圧力以下となっている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、液化した作動液体を排出するためのドレイン22と圧力補償手段192を備えており、該ドレインは接続位置194において揚水管102又は戻り流パイプ113へと接続されており、圧力補償手段192は液化装置18からのドレイン22と接続位置194との間に配置され、かつ圧力補償手段192は液化装置18から排出される水の圧力を、水が揚水管102又は戻り流パイプ192へと進入するように制御するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、該液化装置から排出される水の圧力を、排出される水が下水道へと進入でき、あるいは土壌へと浸透できるような圧力まで高めるように構成されたポンプ192を備えたドレイン22を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、圧縮機16が、ラジアルフローホイール、半軸流ホイール、軸流ホイール、又はプロペラとして構成され、作動蒸気を圧縮すべく駆動することができる回転可能なホイールを備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が少なくとも液化装置の水180によって途中まで満たすことができ、かつ最低レベルを上回る水位を保つように構成されている液化装置室を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、圧縮機16の出力へと接続された蒸気供給配管198を備えており、該蒸気供給配管が、蒸気が最新の水位の直下で水180へと進入できるように水180の中に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、圧縮された蒸気が液化装置内の水面の下方に配置されたパイプを介して液化装置へと送られるように構成されており、前記パイプが、ノズル開口を備えており、蒸気が該ノズル開口によって定められる領域を介して液化装置内の水へと進入する。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置が、突き出しているノズル開口212を備えたノズル板210を備えており、該ノズル板が、液化装置内の水180の水位が突き出しているノズル開口212とノズル板210との間に位置するように液化装置内に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、冷たい作動液体を凝縮点へと運ぶため、又は熱を冷たい作動液体へと運ぶために、液化した作動液体を循環させる循環ポンプ202を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置が、暖房用の前進流20aと、液化装置の水180への暖房の戻り流20bとを備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、暖房の戻り流20bの一部分にタービン310が配置されており、タービン310によって暖房システム300内の高圧が液化装置180の水180の低い圧力へ下げられ、このプロセスにおいて暖房用の水からエネルギーが抽出され、さらにタービン310が、暖房用の水を液化装置における低い圧力から暖房システム300における高圧にするためのポンプ312へ作用可能に接続されており、この作用的接続314はタービン310が抽出したエネルギーの少なくとも一部をポンプ312が使用するように構成されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、暖房システム300と液化装置とを液体に関して切り離すための熱交換器を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置18が、狭い開口及び広い開口を備える膨張器200を備えており、循環ポンプ202が前記狭い開口内に配置され、圧縮された蒸気を前記広い開口198へと送ることができるように、膨張器が液化装置の内部に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、圧縮機16が、互いに前後に配置された複数のダイナミック型圧縮機によって構成されており、作動蒸気が第1のダイナミック型圧縮機172によって中間の圧力へと圧縮され、最後のダイナミック型圧縮機174によって作動圧力へと圧縮される。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、互いに前後に配置された少なくとも2つのダイナミック型圧縮機が、互いに反対方向の回転方向にて駆動される軸流ホイールを備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、1つ以上の熱交換器170が、作動蒸気から熱を取りだしてその熱で水を加熱するために、第1のダイナミック型圧縮機172又はさらなるダイナミック型圧縮機174の下流に配置されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、熱交換器が、作動蒸気の温度を、最大で、先立つ圧縮機段172の前の温度よりも高温へと低下させる。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、液化装置、蒸発器又は圧縮機における騒音を少なくとも6dB減衰させるように構成された遮音208をさらに備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、目標温度を維持し、実際の温度を検出し、目標温度が実際の温度よりも高い場合に圧縮機16の出力圧力又は出力量を大きくし、目標温度が実際の温度よりも低い場合に出力圧力又は出力量を小さくするように前記圧縮機を制御する制御部250を備えている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、少なくとも気化室、圧縮機のハウジング、液化装置のハウジング又はダイナミック型圧縮機のラジアルフローホイールが、プラスチックで作られている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ダイナミック型圧縮機16が、1つ以上の内側半径から1つ以上の外側半径まで延びる複数の羽根262、272、274、276を備えているラジアルフローホイール260を備えたラジアルフロー圧縮機を備えており、前記羽根が、前記ラジアルフローホイールに関して、該ラジアルフローホイールの異なる半径R 1 、R 2 、R 3 、r 1 から外側へと延びている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、少なくとも1つの羽根272が、ラジアルフローホイール260に関して半径r W から外側へと延びている2つの羽根262の間に配置され、少なくとも1つの羽根272が、ラジアルフローホイール260に関してより大きい半径R 1 から外側へと延びている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、ラジアルフローホイール260が、ベース266及びカバー268を備えており、ラジアルフローホイール260において他の羽根262よりも大きな半径R 1 から外側へと延びている少なくとも1つの羽根272が、カバー268及びベース266の両方に一体に接続されている。
本発明のヒートポンプの好ましい一実施形態において、圧縮のステップにおいて圧縮される水の温度が80℃よりも低く、気化のステップにおいて生成される蒸気の温度が120℃よりも高い。
本発明の好ましい一実施形態において、コンピュータプログラムは演算装置上で作動するときに本発明の方法を実行するためのプログラムコードを有している。
Claims (11)
- 第1の圧力の作動流体を気化(10)させ、気化した作動流体を第2のより高圧へと圧縮(16)し、圧縮された気化作動流体を液化装置(18)において液化(18)させる第1の部分と、
液体の作動流体を第2の圧力よりも高い第3の圧力へと圧縮(1100)し、第3の圧力へと圧縮された作動流体を気化(1102)させ、気化した作動流体を電流を生成すべく緩和(1106)し、気化及び緩和後の作動流体を前記液化装置(18)において液化させる第2の部分と、を備え、
前記第1の部分は、作動流体の気化(10)を20hPaよりも小さい第1の圧力で実行し、気化した作動流体を前記第1の圧力を上回ること5hPa超の第2の圧力へと圧縮するように構成されており、
前記第2の部分は、0.2MPaよりも高い前記第3の圧力への圧縮を行うように構成されており、
前記作動流体は水であり、前記気化した作動流体は水蒸気であり、前記圧縮された気化作動流体は圧縮された水蒸気であり、前記液化装置(18)において液化した作動流体は水であるヒートポンプ。 - 前記第1の部分が、前記気化した作動流体を圧縮するために、前記第2の部分又は外部の電力供給網から来る電流を使用するように構成され、
前記第2の部分が、電流の少なくとも一部を外部の電力供給網へと送るように構成されている請求項1に記載のヒートポンプ。 - 前記第2の部分が、前記液化装置(18)から由来する液化後の作動流体を第3の圧力(1100)へと圧縮するように構成されている請求項1又は2に記載のヒートポンプ。
- 前記第2の部分が、第3の圧力へと圧縮された前記液体の作動流体を、一次エネルギー源(1102)を使用しつつ気化させるように構成されており、
前記一次エネルギー源は、太陽集熱器の熱放散手段の燃焼プロセスの廃ガス流を含んでいる請求項1から3のいずれか一項に記載のヒートポンプ。 - 前記液化装置(18)が、2つの供給配管を備えており、第1の供給配管が前記第1の部分のダイナミック型圧縮機へ接続され、第2の供給配管が前記第2の部分のタービン(1106)へ接続されている請求項1から4のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
- カプラ(1110)が設けられており、
該カプラ(1110)が、入力側に2つの供給配管を有しており、第1の供給配管が前記第1の部分のダイナミック型圧縮機(16)へ接続され、第2の供給配管が前記第2の部分のタービン(1106)へ接続されており、
該カプラ(1110)が、出力側において前記液化装置(18)へ接続されており、
該カプラ(110)が、前記第1の供給配管もしくは前記第2の供給配管を前記液化装置(18)へ接続し、又は両方の供給配管を同時に前記液化装置(18)へ接続するように構成されている請求項1から4のいずれか一項に記載のヒートポンプ。 - 制御信号に応答して前記第2の部分のタービン(1106)の電流の出力を前記第1の部分のダイナミック型圧縮機(16)の電気エネルギーの入力へと接続するためのコントローラを備えている請求項1から6のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
- 前記第2の部分が、液体ポンプ(1100)と、熱源へと接続できる蒸発器(1102)と、電流をもたらすためのタービン(1106)と、前記液化装置(18)とを備えており、前記熱源が、作動流体が第3の圧力において気化するような大きさとされている請求項1から7のいずれか一項に記載のヒートポンプ。
- 熱を移動させる方法であって、
第1の部分を動作させるステップ及び第2の部分を動作させるステップを含んでおり、
前記第1の部分を動作させるステップは、第1の圧力の作動流体を気化させるステップ、気化した作動流体を第2のより高圧へと圧縮するステップ、及び圧縮された気化作動流体を液化装置(18)において液化させるステップを含んでおり、
前記第2の部分を動作させるステップは、液体の作動流体を第2の圧力よりも高い第3の圧力へと圧縮するステップ、第3の圧力へと圧縮された作動流体を気化させるステップ、気化した作動流体を電流を生成すべく第3の圧力よりも小さい圧力へと緩和するステップ、ならびに気化及び緩和後の作動流体を液化装置(18)において液化させるステップを含んでおり、
前記第1の部分は、作動流体の気化を20hPaよりも小さい第1の圧力で実行し、気化した作動流体を前記第1の圧力を上回ること5hPa超の第2の圧力へと圧縮するように構成されており、
前記第2の部分は、0.2MPaよりも高い前記第3の圧力への圧縮を行うように構成されており、
前記作動流体は水であり、前記気化した作動流体は水蒸気であり、前記圧縮された気化作動流体は圧縮された水蒸気であり、前記液化装置(18)において液化した作動流体は水である、熱を移動させる方法。 - 建物を暖房するための小規模な発電装置であって、
水を0.2MPaを超える第1の圧力へと圧縮する水ポンプ(1100)、
前記圧縮された水を、燃焼プロセス又は太陽集熱器からの一次エネルギーを使用して気化させ、第1の圧力の水蒸気をもたらす蒸発器(1102)、
電流を生成するためのタービン(1106)であって、電流を出力する際に水蒸気を50kPaよりも低い第2の圧力にするように構成されているタービン(1106)、及び
前記冷やされた水蒸気を液化させるための液化装置(18)であって、建物を暖房するための暖房用の前進流(20a)及び暖房の戻り流(20b)を備えている液化装置
を備えている発電装置。 - 建物を暖房する方法であって、
水を0.2MPaを超える第1の圧力へと圧縮するステップ、
前記圧縮された水を、燃焼プロセス又は太陽集熱器からの一次エネルギーを使用しつつ気化させ、第1の圧力の水蒸気をもたらすステップ、
前記第1の圧力の水蒸気を50kPaよりも低い第2の圧力へと緩和させることによって電流を生成するステップ、及び
前記電流を生成するステップによって出力された水蒸気を、建物を暖房するための暖房用の前進流(20a)及び暖房の戻り流(20b)へと接続された液化装置の水において液化させるステップを含んでいる、建物を暖房する方法。
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