JP6775185B2 - ランキンサイクルシステム及び発電方法 - Google Patents

Description

本開示は、ランキンサイクルシステムに関する。

従来、発電を行うための装置としてランキンサイクル装置を備えたランキンサイクルシステムが知られている。ランキンサイクルシステムの一例として、エンジンの排熱を熱源としてランキンサイクル装置を動作させるランキンサイクルシステムが知られている。

例えば、特許文献１には、図４に示す通り、ランキンサイクル回路１４０を備えたエンジン駆動式空気調和装置が記載されている。このエンジン駆動式空気調和装置は、空気調和回路１１１及び冷却液回路１３０を備えている。ランキンサイクル回路１４０は、冷房運転時にガスエンジン１１０の排熱で作動流体を加熱して動力として回収する。ランキンサイクル回路１４０には、第２補助熱交換器１３３、プレート熱交換器１４１、膨張機１４２、ランキンサイクル用ラジエータ１４３、受液器１４４、及びポンプ１４５が配設されている。膨張機１４２は、プレート熱交換器１４１を経由した作動流体を膨張させて駆動力を発生する。膨張機１４２には発電機１４６が機械的に接続されており、膨張機１４２で発生した機械的エネルギー（駆動力）を更に電気的エネルギーに変換する。ランキンサイクル用ラジエータ１４３は、膨張機１４２を経由した作動流体を凝縮させるための凝縮器として機能する。

空気調和回路１１１は、ガスエンジン１１０により駆動される圧縮機１１２から吐出された冷媒が圧縮機１１２に吸入されるまでの流路を形成する。空気調和回路１１１には、四方弁１１３、室外機熱交換器１１４、逆止弁１１５ａ、電子膨張弁１１５ｂ、膨張弁、室内機熱交換器、第１補助熱交換器１１６、電子膨張弁１１７、アキュムレータ１１８が設けられている。第１補助熱交換器１１６及び第２補助熱交換器１３３は、冷却液を供給可能な互いに独立の第１冷却液供給路１３６及び第２冷却液供給路１３７に配設されている。第１冷却液供給路１３６及び第２冷却液供給路１３７には、第１電子膨張弁１３８及び第２電子膨張弁１３９が配設されている。

冷却液回路１３０には、ウォーターポンプ１３１、第１補助熱交換器１１６、第２補助熱交換器１３３、サーモスタット１３５などが設けられている。冷却液回路１３０は、バイパス流路１３４を含む。

冷房運転において、冷却液温度Ｔが低側温度Ｔ１を超え、かつ高側温度Ｔ２以下の場合には、ウォーターポンプ１３１から送り出されてガスエンジン１１０を通過した冷却液は、主として第２補助熱交換器１３３を経てウォーターポンプ１３１に戻る。この場合、第２補助熱交換器１３３において冷却液によりランキンサイクル回路１４０の作動流体を昇圧するべくガスエンジン１１０の排熱が利用される。その結果、ランキンサイクル回路１４０の動力回収効率が向上する。

暖房運転において、冷却液温度Ｔが低側温度Ｔ１を超え、かつ高側温度Ｔ２以下の場合には、ウォーターポンプ１３１から送り出されてガスエンジン１１０を通過した冷却液は、第１補助熱交換器１１６を経てウォーターポンプ１３１に戻る。この場合、第１補助熱交換器１１６において冷却液により空気調和回路１１１の冷媒を温めて蒸発させるべく、ガスエンジン１１０の排熱が利用される。その結果、空気調和回路１１１の暖房効率が向上する。暖房運転において、冷却液温度Ｔが高側温度Ｔ２を超える場合には、未使用状態にあるランキンサイクル用ラジエータ１４３を用いて、ランキンサイクル用ラジエータ１４３において冷却液から外部に放熱させる。これにより、ガスエンジン１１０の排熱を外部に放出させる。

特開２０１２−２４２０１５号公報

特許文献１に記載の技術に鑑みると、ランキンサイクルによる通年の総発電量を増加させる余地がある。そこで、本開示は、通年の総発電量を増加させるのに有利なランキンサイクルシステムを提供する。

本開示は、
冷媒が流れるヒートポンプサイクル経路と、
作動流体が流れるランキンサイクル経路と、
前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と連結され、前記圧縮機を駆動するエンジンと、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記作動流体を吸入し、吸入した前記作動流体を圧送するポンプと、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記ポンプによって圧送された前記作動流体を前記エンジンの排熱によって加熱する加熱器と、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記加熱器によって加熱された前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記ランキンサイクル経路上及び前記ヒートポンプサイクル経路上に跨って配置され、前記膨張機から吐出された前記作動流体の熱を前記冷媒に放熱する第一熱交換器と、を備えた、
ランキンサイクルシステムを提供する。

上記のランキンサイクルシステムは、通年の総発電量を増加させるうえで有利である。

図１は、本開示のランキンサイクルシステムの実施形態の一例を示す構成図である。 図２Ａは、図１に示すランキンサイクルシステムの冷房運転における動作を説明する構成図である。 図２Ｂは、図１に示すランキンサイクルシステムの暖房運転における動作を説明する構成図である。 図３は、本開示のランキンサイクルシステムの実施形態の変形例を示す構成図である。 図４は、従来のランキンサイクル回路を備えたエンジン駆動式空気調和装置を示す構成図である。

＜本発明者らの検討に基づく知見＞
本発明者らは、冷房及び暖房に利用されるヒートポンプサイクルの圧縮機をエンジンで駆動し、そのエンジンの排熱を利用してランキンサイクルを動作させるランキンサイクルシステムに関し、通年の総発電量を増加させるための検討を行った。この検討の結果、本発明者らは、ランキンサイクルの低温熱源としてヒートポンプサイクル経路を流れる冷媒を利用すれば冷房運転が行われているときのみならず暖房運転が行われているときにもランキンサイクルを動作させることができることを新たに見出した。本発明者らは、これにより、ランキンサイクルによる通年の総発電量を著しく増加させることができることを新たに見出した。

本発明者らは、このような新たな知見に基いて本開示のランキンサイクルシステムを案出した。なお、特許文献１に記載のエンジン駆動式空気調和装置では、暖房運転時において、未使用状態にあるランキンサイクル用ラジエータ１４３を用いて、ランキンサイクル用ラジエータ１４３において冷却液から外部に放熱させている。このため、特許文献１に記載の技術では、暖房運転時にランキンサイクルを動作させることができず、特許文献１に記載の技術は通年の総発電量を増加させる観点からは不利である。

本開示の第１態様は、
冷媒が流れるヒートポンプサイクル経路と、
作動流体が流れるランキンサイクル経路と、
前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機と連結され、前記圧縮機を駆動するエンジンと、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記作動流体を吸入し、吸入した前記作動流体を圧送するポンプと、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記ポンプによって圧送された前記作動流体を前記エンジンの排熱によって加熱する加熱器と、
前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記加熱器によって加熱された前記作動流体を膨張させる膨張機と、
前記ランキンサイクル経路上及び前記ヒートポンプサイクル経路上に跨って配置され、前記膨張機から吐出された前記作動流体の熱を前記冷媒に放熱する第一熱交換器と、を備えた、
ランキンサイクルシステムを提供する。

第１態様によれば、ランキンサイクルシステムが第一熱交換器を備えるので、ランキンサイクルの高温熱源としてエンジンの排熱が利用されつつ、ランキンサイクルの低温熱源としてヒートポンプサイクル経路を流れる冷媒が利用される。このため、ヒートポンプサイクル経路において冷房運転が行われているときにおいても、暖房運転が行われているときにおいても、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱を、ヒートポンプサイクルの冷媒に放熱できる。第１態様によれば、通年の発電が可能である。このため、第１態様のランキンサイクルシステムは、通年の総発電量を増加させるうえで有利である。

本開示の第２態様は、第１態様に加えて、前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、暖房運転において前記冷媒を加熱して蒸発させ、かつ、冷房運転において前記冷媒の熱を放熱して凝縮させる第二熱交換器と、前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、をさらに備え、前記第一熱交換器は、前記圧縮機及び前記膨張弁によって２つに区切られた前記ヒートポンプサイクル経路の２つの部分のうち、前記第二熱交換器における前記冷媒の流路を含む部分に配置されている、ランキンサイクルシステムを提供する。第２態様によれば、暖房運転が行われる場合に、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱を、膨張弁を通過して圧縮機の吸入口に向かってヒートポンプサイクル経路を流れている冷媒に放熱できる。暖房運転が行われる場合に、膨張弁を通過して圧縮機の吸入口に向かってヒートポンプサイクル経路を流れている冷媒の温度は、ヒートポンプサイクル経路において最も低く、暖房運転が行われる冬期の外気温よりも低い。このため、第２態様によれば、暖房運転中のランキンサイクルの低温熱源の温度を、ランキンサイクルの低温熱源として大気が利用される場合に比べて低くできる。このため、ランキンサイクルによる発電量を増加させることができる。加えて、第２態様によれば、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体によって膨張弁を通過して圧縮機の吸入口に向かってヒートポンプサイクル経路を流れている冷媒を加熱できるので、ヒートポンプサイクルの暖房効率が高い。

本開示の第３態様は、第１態様又は第２態様に加えて、前記ランキンサイクル経路における前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間に配置され、前記作動流体の熱を大気に放熱する空冷放熱器をさらに備えた、ランキンサイクルシステムを提供する。第３態様によれば、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱を第一熱交換器においてだけでなく空冷放熱器において放熱できる。これにより、第一熱交換器においてランキンサイクルの作動流体から冷媒に放熱される熱量が十分でない場合でも、空冷放熱器においてランキンサイクルの作動流体から大気に対して十分な熱量を放熱できる。その結果、ランキンサイクルによる発電量を増加させることができる。加えて、ヒートポンプサイクル経路を流れる冷媒の温度が大気の温度より高い場合、空冷放熱器において大気に対して放熱できるので、ランキンサイクルによる発電量をさらに増加させることができる。

本開示の第４態様は、第１態様〜第３態様のいずれか１つの態様に加えて、前記ランキンサイクル経路における前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間に配置され、前記作動流体の熱を前記ランキンサイクル経路の外部から供給された水に放熱する水冷放熱器をさらに備えた、ランキンサイクルシステムを提供する。第４態様によれば、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱をランキンサイクル経路の外部から供給された水によって回収でき、水冷放熱器によって温水を得ることができる。このようにして得られた温水を給湯又は暖房に利用することにより、エネルギー利用の総合効率が良い。また、水冷放熱器に供給される水の温度がヒートポンプサイクル経路を流れている冷媒の温度又は大気の温度より低い場合、ランキンサイクルによる発電の効率を高めることができ、ランキンサイクルによる発電量を増加させることができる。

本開示の第５態様は、第１態様〜第４態様のいずれか１つの態様に加えて、前記ランキンサイクル経路は、前記第一熱交換器をバイパスするバイパス経路を含む、ランキンサイクルシステムを提供する。第５態様によれば、バイパス経路によってランキンサイクルの作動流体が第一熱交換器をバイパスするように流れることによって、例えば、ランキンサイクルの膨張機から吐出された作動流体の熱がヒートポンプサイクル経路を流れる冷媒に放熱されない状態を実現できる。また、バイパス経路によって、第一熱交換器における作動流体から冷媒への放熱量を調整できる。これにより、ヒートポンプサイクル経路に配置された熱交換器における放熱量を低減でき、ヒートポンプサイクル経路に配置された熱交換器を小型化しやすい。

以下、本開示の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。

図１に示す通り、ランキンサイクルシステム１ａは、ヒートポンプサイクル経路４と、ランキンサイクル経路３と、圧縮機５と、エンジン２と、ポンプ１７と、加熱器６と、膨張機１６と、第一熱交換器１５とを備えている。ヒートポンプサイクル経路４は、冷媒が流れる経路である。ランキンサイクル経路３は、作動流体が流れる経路である。圧縮機５は、ヒートポンプサイクル経路４上に配置されており、冷媒を圧縮する。エンジン２は、圧縮機５と連結されており、圧縮機５を駆動する。ポンプ１７は、ランキンサイクル経路３上に配置されており、作動流体を吸入し、吸入した作動流体を圧送する。加熱器６は、ランキンサイクル経路３上に配置されており、ポンプ１７によって圧送された作動流体をエンジンの排熱によって加熱する。膨張機１６は、ランキンサイクル経路３上に配置されており、加熱器６によって加熱された作動流体を膨張させる。第一熱交換器１５は、ランキンサイクル経路３上及びヒートポンプサイクル経路４上に跨って配置されており、膨張機１６から吐出された作動流体の熱を冷媒に放熱する。

エンジン２は、例えば、１３Ａ等の都市ガスを燃焼させて発生したエネルギーを機械的仕事に変換するガスエンジンである。エンジン２は、例えば、クランクシャフト及びベルト伝導装置等の動力伝達機構（図示省略）によって圧縮機５に連結されている。これにより、エンジン２で発生した機械的仕事が圧縮機５に伝達され、圧縮機５が駆動される。エンジン２において燃料が燃焼することによって排気ガスが発生する。この排気ガスは、エンジン２の外部に排出される。例えば、エンジン２で発生した排気ガスは加熱器６に導かれ、ランキンサイクル経路３において加熱器６を流れる作動流体と熱交換して冷却され、その後大気に放出される。エンジン２は、都市ガス以外のガス燃料又はガソリン及び重油などの液体燃料を燃焼させて機械的仕事を得る機械であってもよい。

図１に示す通り、例えば、ランキンサイクルシステム１ａは、冷却液経路７をさらに備えている。冷却液経路７は、エンジン２を冷却するための冷却液が流れる経路である。冷却液経路７には、例えば、冷却液ポンプ８、エンジンジャケット９、及びラジエータ１０が配置されており、これらのコンポーネントは閉回路を構成するように複数の配管によってこの順番で環状に接続されている。冷却液ポンプ８によって圧送された冷却液は、エンジンジャケット９を通る過程においてエンジン２で発生した熱を吸収し、ラジエータ１０においてエンジンジャケット９で吸収した熱を大気に放熱する。その後、冷却液は冷却液ポンプ８に戻る。エンジンジャケット９における冷却液によるエンジン２の冷却により、エンジン２の温度が所望の温度範囲に保たれる。

ランキンサイクルシステム１ａは、例えば、第二熱交換器１４と、膨張弁１３とをさらに備えている。第二熱交換器１４は、ヒートポンプサイクル経路４上に配置され、暖房運転において冷媒を加熱して蒸発させ、かつ、冷房運転において冷媒の熱を放熱して凝縮させる熱交換器である。膨張弁１３は、ヒートポンプサイクル経路４上に配置されており、冷媒を膨張させる。第一熱交換器１５は、例えば、圧縮機５及び膨張弁１３によって２つに区切られたヒートポンプサイクル経路４の２つの部分のうち、第二熱交換器１４における冷媒の流路を含む部分に配置されている。

図１に示す通り、例えば、ヒートポンプサイクル経路４には、圧縮機５、四方弁１１、室内熱交換器１２、膨張弁１３、及び第二熱交換器１４（室外熱交換器）が配置されている。これらのコンポーネントは、閉回路を構成するように複数の配管によって上記の順番で環状に接続されている。

圧縮機５は、上記の通り、動力伝達機構によってエンジン２と連結されており、エンジン２が作動することにより圧縮機５が駆動される。圧縮機５は、例えば、容積型の圧縮機である。容積型の圧縮機である圧縮機５は、例えばスクロール圧縮機、ロータリ圧縮機、スクリュー圧縮機、又は往復圧縮機である。

四方弁１１には、４本の配管が接続されている。四方弁１１に接続された４本の配管には、四方弁１１に冷媒を流入させるための一対の流入管と、四方弁１１から冷媒を流出させるための一対の流出管とを含む。四方弁１１は、一対の流入管の一方を通って四方弁１１に流入した冷媒を一対の流出管の一方に流出させ、かつ、一対の流入管の他方を通って四方弁１１に流入した冷媒を一対の流出管の他方に流出させる。また、四方弁１１は、四方弁１１の内部の流路を切り替えて、冷媒が四方弁１１から流出する方向（流路）を切り替えることができる。例えば、四方弁１１に接続された４本の配管は、第一配管、第二配管、第三配管、及び第四配管を含む。第一配管は、ヒートポンプサイクル経路４において圧縮機５の冷媒の吐出口と四方弁１１とをつなぐ経路の少なくとも一部を定めている。第二配管は、ヒートポンプサイクル経路４において四方弁１１と室内熱交換器１２とをつなぐ経路の少なくとも一部を定めている。第三配管は、ヒートポンプサイクル経路４において四方弁１１と第二熱交換器１４とをつなぐ経路の少なくとも一部を定めている。第四配管はヒートポンプサイクル経路４において四方弁１１と圧縮機５の冷媒の吸入口とをつなぐ経路の少なくとも一部を定めている。四方弁１１の内部の流路が切り替わることにより、状態Ａと状態Ｂとが選択的に切り替わる。状態Ａは、四方弁１１によって、第一配管の内部と第二配管の内部とが連通しているとともに第三配管の内部と第四配管の内部とが連通している状態である。状態Ｂは、四方弁１１によって、第一配管の内部と第三配管の内部とが連通しているとともに第二配管の内部と第四配管の内部とが連通している状態である。

室内熱交換器１２は、例えば建物の内部に設置されている。室内熱交換器１２において、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒と室内の空気とが熱交換することによって、冷媒が冷却又は加熱される。室内熱交換器１２として、例えば、フィンチューブ式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒が膨張弁１３を通過すると、冷媒が減圧膨張して低温かつ低圧になる。第二熱交換器１４（室外熱交換器）は、例えば建物の外部に設置されている。第二熱交換器１４において、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒と大気とが熱交換することによって、冷媒が冷却又は加熱される。第二熱交換器１４として、例えば、フィンチューブ式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。

第一熱交換器１５は、ランキンサイクルの膨張機１６から吐出された作動流体とヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒とを熱交換させることによって、冷媒を加熱する。第一熱交換器１５として、例えば、プレート式熱交換器及び二重管式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。第一熱交換器１５は、望ましくはプレート式熱交換器である。この場合、フィンチューブ式熱交換器を用いてランキンサイクルの作動流体と空気とを熱交換させる場合に比べて、第一熱交換器１５の熱交換効率が高く、第一熱交換器１５を小型化しやすい。ヒートポンプサイクル経路４における第一熱交換器１５の配置は特定の配置に制限されない。第一熱交換器１５は、例えば、圧縮機５及び膨張弁１３によって２つに区切られたヒートポンプサイクル経路４の２つの部分のうち、第二熱交換器１４における冷媒の流路を含む部分に配置されている。この場合、第一熱交換器１５は、例えば、圧縮機５の冷媒の吸入口又は四方弁１１と室外熱交換器１４との間に配置されている。

図１に示す通り、例えば、ランキンサイクル１ａは、空冷放熱器１９をさらに備えている。空冷放熱器１９は、ランキンサイクル経路３における膨張機１６の出口とポンプ１７の入口との間に配置され、作動流体の熱を大気に放熱する。

例えば、ランキンサイクル経路３において、膨張機１６、第一熱交換器１５、空冷放熱器１９、ポンプ１７、及び加熱器６は、これらのコンポーネントが閉回路を構成するようにこの順番で環状に接続されている。膨張機１６は、作動流体を膨張させることによって作動流体の有するエネルギーを回転動力に変換する。膨張機１６の回転軸には、発電機２１が接続されている。膨張機１６によって発電機２１が駆動される。膨張機１６は、例えば、容積型又は速度型の膨張機である。膨張機１６として利用可能な容積型の膨張機は、例えば、スクロール膨張機、ロータリ膨張機、スクリュー膨張機、及び往復膨張機である。膨張機１６として利用可能な速度型の膨張機は、例えば膨張タービンである。

膨張機１６は、望ましくは容積型の膨張機である。容積型の膨張機は、典型的には速度型の膨張機よりも広範囲の回転数で高い膨張機効率を発揮する。例えば、高い膨張機効率を維持したまま、定格回転数の半分以下の回転数で容積型の膨張機を運転することも可能である。つまり、高い膨張機効率を維持したまま、発電量を定格発電量の半分以下に低下させることができる。容積型の膨張機は、このような特性を持っているので、膨張機１６として容積型の膨張機を使用すればヒートポンプサイクル経路３における熱需要の変動によって発電量を柔軟に変動させる必要がある場合に対応できる。加えて、膨張機１６として容積型の膨張機を使用すれば、電力の需要の変動に応じるように高い膨張機効率を維持したまま発電量を変動させることができる。

第一熱交換器１５は、典型的には、ランキンサイクル経路３において膨張機１６の出口とポンプ１７の入口との間に配置されている。さらに、第一熱交換器１５は、例えば、ランキンサイクル経路３において膨張機１６の出口と空冷放熱器１９の入口との間に配置されている。第一熱交換器１５は、ヒートポンプサイクル経路４の冷媒と膨張機１６から吐出された作動流体とを熱交換させることによって、作動流体を冷却する。

空冷放熱器１９は、第一熱交換器１５又は膨張機１６から吐出された作動流体と、大気とを熱交換させることによって、作動流体を冷却する。空冷放熱器１９として、フィンチューブ式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。

ポンプ１７は、第一熱交換器１５又は空冷放熱器１９から流出した作動流体を吸入し、加熱器６に向かって圧送する。ポンプ１７として、容積型又は速度型のポンプを使用できる。ポンプ１７として利用可能な容積型のポンプは、例えば、ピストンポンプ、ギヤポンプ、ベーンポンプ、及びロータリポンプである。ポンプ１７として利用可能な速度型のポンプは、例えば、遠心ポンプ、斜流ポンプ、及び軸流ポンプである。

加熱器６は、エンジン２で発生した排気ガスが有する熱エネルギーを吸収する熱交換器である。加熱器６として、プレート式熱交換器及びフィンチューブ式熱交換器などの公知の熱交換器を使用できる。エンジン２から供給された排気ガスとランキンサイクル経路３を流れる作動流体とが加熱器６において熱交換する。これにより、ランキンサイクル経路３を流れる作動流体が加熱され、蒸発する。

図１に示す通り、ランキンサイクル経路３は、第一熱交換器１５をバイパスするバイパス経路２０を含む。

バイパス経路２０の上流端は、ランキンサイクル経路３における膨張機１６の出口と第一熱交換器１５の入口との間に位置している。また、バイパス経路２０の下流端は、例えば、ランキンサイクル経路３における第一熱交換器１５の出口とポンプ１７の入口との間に位置している。バイパス経路２０の下流端は、望ましくは、ランキンサイクル経路３における第一熱交換器１５の出口と空冷放熱器１９の入口との間に位置している。

バイパス経路２０には、バイパスバルブ２０ａが配置されている。バイパスバルブ２０ａは、バイパス経路２０を流れる作動流体の流量を調整可能な流量調整弁である。バイパスバルブ２０ａとしては、例えばニードルバルブなど公知の流量調整弁を使用できる。また、バイパスバルブ２０ａとして、ボールバルブ等の開閉弁も使用できる。

ランキンサイクル経路３を流れる作動流体は、望ましくは、所定の有機化合物である有機作動流体である。多くの場合、有機作動流体の沸点は低い。そのため、ランキンサイクル経路３を流れる作動流体として有機作動流体を使用すれば、エンジン２から供給された排気ガスの温度が約２００℃〜４００℃であってもランキンサイクルシステム１ａのランキンサイクルが高い効率で発電できる。ランキンサイクル経路３を流れる有機作動流体として、ハロゲン化炭化水素及び炭化水素等の有機化合物を使用できる。ランキンサイクル経路３を流れる有機作動流体であるハロゲン化炭化水素は、例えば、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−１２３４ｚｅ、又はＲ−３５６ｍｆｃである。ランキンサイクル経路３を流れる有機作動流体である炭化水素は、例えば、プロパン、ブタン、ペンタン、イソペンタン等のアルカンである。１種類の有機化合物が有機作動流体として単独で使用されてもよいし、２種類以上の有機化合物が混合された混合物が有機作動流体として使用されてもよい。場合によっては、ランキンサイクル経路３を流れる作動流体として、水、二酸化炭素、及びアンモニアなどの無機化合物が使用されてもよい。

ランキンサイクルシステム１ａの動作の一例を説明する。まず、ヒートポンプサイクル経路４において冷房運転が行われる場合のランキンサイクルシステム１ａの動作の一例を説明する。図２Ａに示す通り、冷房運転において、エンジン２が作動して圧縮機５が回転することにより、圧縮機５に吸入された冷媒が圧縮されて高温かつ高圧の蒸気となり、四方弁１１に導かれる。冷房運転において、四方弁１１の状態は状態Ｂである。圧縮機５から吐出されて四方弁１１を通過した冷媒は、第一熱交換器１５に供給される。冷媒は、第一熱交換器１５においてランキンサイクル経路３を流れる作動流体の有する熱を受け取り、その後第二熱交換器１４（室外熱交換器）に流入する。冷媒は、第二熱交換器１４において大気と熱交換して冷却されて低温かつ高圧の状態となり、膨張弁１３に導かれる。冷媒は、膨張弁１３によって減圧膨張して低温かつ低圧の状態になり、その後室内熱交換器１２に供給される。冷媒は、室内熱交換器１２において室内の空気と熱交換して加熱される。これにより、室内の空気が冷却され、室内が冷房される。室内熱交換器１２を通過した冷媒は、四方弁１１を通って、圧縮機５の吸入口から圧縮機５の内部に流入する。なお、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、一点鎖線の矢印はヒートポンプサイクル経路４における冷媒の流れを示し、実線の矢印はランキンサイクル経路３における作動流体の流れを示し、二点鎖線の矢印は冷却液回路７における冷却液の流れを示す。

冷房運転において、図２Ａに示す通り、ポンプ１７は作動流体を圧送し、ポンプ１７によって圧送され高圧になった作動流体は加熱器６に流入する。作動流体は、加熱器６において、エンジン２の排気ガスとの熱交換により加熱されて蒸発し、高温かつ高圧の蒸気になる。高温かつ高圧の作動流体は、加熱器６から流出し、膨張機１６へ送られる。膨張機１６において、作動流体の圧力エネルギーが機械的エネルギーに変換され、発電機２１が駆動される。これにより、発電機２１において電力が生成される。膨張機１６から吐出された作動流体は、第一熱交換器１５に流入する。作動流体は、第一熱交換器１５において、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒によって冷却され、第一熱交換器１５において全部又は一部の作動流体が凝縮する。これにより、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒は第一熱交換器１５において作動流体によって加熱される。第一熱交換器１５から流出した作動流体は空冷放熱器１９に流入する。空冷放熱器１９において、作動流体は、大気によってさらに冷却される。第一熱交換器１５における作動流体の冷却が不十分であり、第一熱交換器１５を通過した作動流体の過冷却度が小さい、又は、作動流体の一部のみが凝縮していて作動流体が気液二相状態である場合、作動流体は空冷放熱器１９においてさらに冷却される。なお、作動流体が第一熱交換器１５において十分に冷却されている場合には、作動流体は空冷放熱器１９を通過するだけで大気との熱交換が制限されていてもよい。換言すると、作動流体が第一熱交換器１５において十分に冷却されている場合には、空冷放熱器１９を通過する空気の流れを生じさせるためのファンが停止していてもよい。空冷放熱器１９を通過した作動流体は低温かつ低圧の液相状態になり、ポンプ１７に向かって流れる。

冷房運転において、バイパス経路２０及びバイパスバルブ２０ａによって、第一熱交換器１５への作動流体の供給量（流量）が調整される。例えば、冷房運転において、ヒートポンプサイクル経路４の第二熱交換器１４における放熱量が許容値を超える場合には、バイパスバルブ２０ａの開度を大きくする。これにより、一部又は全部の作動流体が第一熱交換器１５を迂回して流れる。これにより、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒が第一熱交換器１５において作動流体から受け取る熱量を低減できる。

次に、ヒートポンプサイクル経路４において暖房運転が行われる場合のランキンサイクルシステム１ａの動作の一例を説明する。図２Ｂに示す通り、暖房運転において、エンジン２が作動して圧縮機５が回転することにより、圧縮機５に吸入された冷媒が圧縮されて高温かつ高圧の蒸気となり、四方弁１１に導かれる。暖房運転における四方弁１１の状態は状態Ａである。圧縮機５から吐出されて四方弁１１を通過した冷媒は、室内熱交換器１２に供給される。冷媒は、室内熱交換器１２において室内の空気と熱交換して冷却され、低温かつ高圧の状態となり、その後膨張弁１３に向かって流れる。これにより、室内の空気が加熱され、室内が暖房される。冷媒は、膨張弁１３によって減圧膨張し、低温かつ低圧の状態になり、その後第二熱交換器１４（室外熱交換器）に供給される。冷媒は、第二熱交換器１４において大気との熱交換により加熱され、その後第一熱交換器１５に供給される。冷媒は、第一熱交換器１５においてランキンサイクル経路３を流れる作動流体の有する熱を受け取り、その後四方弁１１を通って圧縮機５に吸入される。

暖房運転において、図２Ｂに示す通り、冷房運転と同様に、ポンプ１７は作動流体を圧送し、ポンプ１７によって圧送され高圧になった作動流体は加熱器６に流入する。作動流体は、加熱器６において、エンジン２の排気ガスとの熱交換により加熱されて蒸発し、高温かつ高圧の蒸気になる。高温かつ高圧の作動流体は、加熱器６から流出し、膨張機１６へ送られる。膨張機１６において、作動流体の圧力エネルギーが機械的エネルギーに変換され、発電機２１が駆動される。これにより、発電機２１において電力が生成される。膨張機１６から吐出された作動流体は、第一熱交換器１５に供給される。作動流体は、第一熱交換器１５において、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒によって冷却され、第一熱交換器１５において全部又は一部の作動流体が凝縮する。これにより、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒は第一熱交換器１５において作動流体によって加熱される。第一熱交換器１５から流出した作動流体は空冷放熱器１９に流入する。空冷放熱器１９において、作動流体は、大気によってさらに冷却される。第一熱交換器１５における作動流体の冷却が不十分であり、第一熱交換器１５を通過した作動流体の過冷却度が小さい、又は、作動流体の一部のみが凝縮していて作動流体が気液二相状態である場合、作動流体は空冷放熱器１９においてさらに冷却される。なお、作動流体が第一熱交換器１５において十分に冷却されている場合には、作動流体は空冷放熱器１９を通過するだけで大気との熱交換が制限されていてもよい。換言すると、作動流体が第一熱交換器１５において十分に冷却されている場合には、空冷放熱器１９に向かう空気の流れを生じさせるためのファンが停止していてもよい。空冷放熱器１９を通過した作動流体は低温かつ低圧の液相状態になり、ポンプ１７に向かって流れる。

暖房運転において、バイパス経路２０及びバイパスバルブ２０ａによって、第一熱交換器１５への作動流体の供給量（流量）が調整される。例えば、第二熱交換器１４（室外熱交換器）において冷媒が大気から受け取る熱量が少なく、圧縮機５の吸入口における冷媒の過熱度が十分でない場合、バイパスバルブ２０ａの開度を小さくして、第一熱交換器１５への作動流体の供給量（流量）を増加させる。これにより、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒が第一熱交換器１５において作動流体から受け取る熱量を増加させ、圧縮機５の吸入口における冷媒の過熱度を十分に大きくできる。これとは逆に、圧縮機５の吸入口における冷媒の過熱度が十分に大きい場合には、バイパスバルブ２０ａの開度を大きくし、第一熱交換器１５を通過する作動流体の流量を低減させる。これにより、圧縮機５の吸入口における冷媒の過熱度を適切に調整し、ヒートポンプサイクル経路４において安定的に暖房運転が行われる。

このように、ランキンサイクルシステム１ａによれば、ランキンサイクルの高温熱源としてエンジン２の排熱が利用されつつ、ランキンサイクルの低温熱源としてヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒が利用される。このため、ヒートポンプサイクル経路４において、冷房運転及び暖房運転のいずれが行われても、ランキンサイクルの膨張機１６から吐出された作動流体の熱を、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒に向かって放熱できる。このため、ランキンサイクルシステム１ａによれば、ランキンサイクルによる通年の発電が可能である。

例えば、第一熱交換器１５として、フィンチューブ式熱交換器よりも高い熱交換効率を有するプレート式熱交換器を用いれば、作動流体を凝縮させるための熱交換器を小型化しやすい。また、ランキンサイクル経路３において、空冷放熱器１９は、例えば、作動流体の流れ方向において第一熱交換器１５よりも下流に配置されている。この場合、第一熱交換器１５において作動流体の有する熱が放熱されることにより、空冷放熱器１９において必要な放熱量が低減される。これにより、膨張機から吐出された作動流体を凝縮させるために空冷放熱器のみを用いる場合に比べて、空冷放熱器１９の大きさを小さくできる。

ランキンサイクルシステム１ａにおいて、第一熱交換器１５は、例えば、ヒートポンプサイクル経路４における圧縮機５の冷媒の吸入口と第二熱交換器１４との間に配置されている。これにより、ヒートポンプサイクル経路４において暖房運転が行われる場合に、ランキンサイクル経路３の膨張機１６から吐出された作動流体の熱を、ヒートポンプサイクル経路４を流れる圧縮機５に吸入される冷媒に放熱できる。暖房運転において、ヒートポンプサイクル経路４の圧縮機５に吸入される冷媒の温度は、低くなりやすく、暖房運転が必要な冬期の外気温より低い。このため、ランキンサイクルの低温熱源の温度が低い。これにより、ランキンサイクルによる発電の効率を向上させることができ、ランキンサイクルによる発電量を増加させることができる。また、ランキンサイクル経路３を流れる作動流体の有する熱を、ヒートポンプサイクル経路４を流れる圧縮機５に吸入される冷媒の加熱に用いることができるので、ヒートポンプサイクルにおける暖房効率が高い。

ランキンサイクルシステム１ａの空冷放熱器１９は、例えば、ランキンサイクル経路３において第一熱交換器１５における作動流体の出口とポンプ１７の入口との間に配置されている。これにより、膨張機１６から吐出された作動流体の有する熱を第一熱交換器１５においてだけでなく、空冷放熱器１９において放熱できる。ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒の温度が高い場合又はヒートポンプサイクル経路４における冷媒の循環量が小さい場合には、ヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒による冷却だけでは作動流体を十分に冷却できない可能性がある。このような場合でも、冷媒による冷却だけでは不足する作動流体の放熱量に相当する熱量を空冷放熱器１９によって大気に放熱できる。これにより、ランキンサイクルの発電効率が高まり、ランキンサイクルによる発電量を増加させることができる。

図１に示す通り、例えば、ランキンサイクル経路３はバイパス経路２０を含み、バイパス経路２０にはバイパスバルブ２０ａが配置されている。これにより、ランキンサイクル経路３の膨張機１６から吐出された作動流体の熱を第一熱交換器１５においてヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒に放熱させることを避けることができ、又は、第一熱交換器１５における作動流体の放熱量を調整できる。特に、冷房運転において、バイパス経路２０及びバイパスバルブ２０ａによって、第一熱交換器１５に供給される作動流体の流量を調整することにより、ヒートポンプサイクル経路４の第二熱交換器１４（室外熱交換器）における放熱量を低減でき、第二熱交換器１４を小型化しやすい。

（変形例）
ランキンサイクルシステム１ａは、様々な観点から変更可能である。例えば、ランキンサイクルシステム１ａは、図３に示すランキンサイクルシステム１ｂのように変更されてもよい。ランキンサイクルシステム１ａの構成要素と同一又は対応するランキンサイクルシステム１ｂの構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。ランキンサイクルシステム１ａに関する説明は、技術的に矛盾しない限りランキンサイクルシステム１ｂにも適用される。

図３に示す通り、ランキンサイクルシステム１ｂは、水冷放熱器２２をさらに備えている。水冷放熱器２２は、ランキンサイクル経路３における膨張機１６の出口とポンプ１７の入口との間に配置され、作動流体の熱をランキンサイクル経路３の外部から供給された水に放熱する。

水冷放熱器２２は、特に制限されないが、例えば、プレート式熱交換器又は二重管式熱交換器である。

水冷放熱器２２は、例えば、ランキンサイクル経路３において空冷放熱器１９の出口とポンプ１７の入口との間に配置されている。水冷放熱器２２により、空冷放熱器１９から流出した作動流体の熱を水冷放熱器２２に供給された水によって回収できる。これにより、生成された温水を給湯又は暖房に利用できる。その結果、ランキンサイクルシステム１ｂにおいてエネルギー利用の総合効率が良い。また、水冷放熱器２２に供給された水の温度がヒートポンプサイクル経路４を流れる冷媒の温度又は大気温度よりも低い場合、ランキンサイクルの発電効率を向上させることができ、ランキンサイクルによる発電量をさらに増加させることができる。

水冷放熱器２２は、ランキンサイクル経路３において第一熱交換器１５における作動流体の出口と空冷放熱器１９の入口との間に配置されていてもよい。この場合、第一熱交換器１５から流出した比較的高温の作動流体と水とが熱交換でき、高温の温水が得られやすい。これにより、水冷放熱器２２によって得られた温水が高温な温水に対する需要にも応えることができ、水冷放熱器２２によって得られた温水の用途が広い。

水冷放熱器２２は、ランキンサイクル経路３において膨張機１６の出口と第一熱交換器１５における作動流体の入口との間に配置されていてもよい。この場合、水冷放熱器２２によってより高温の温水を得ることができ、より高温な温水に対する需要に応えることができる。これにより、水冷放熱器２２によって得られた温水の用途がより広い。

本願の明細書に記載された技術は、ガスエンジン駆動式空気調和装置等の装置のエンジンの排熱を有効に利用して発電するシステムに有利に利用できる。

１ａ、１ｂ ランキンサイクルシステム
２ エンジン
３ ランキンサイクル経路
４ ヒートポンプサイクル経路
５ 圧縮機
６ 加熱器
１３ 膨張弁
１４ 第二熱交換器
１５ 第一熱交換器
１６ 膨張機
１７ ポンプ
１９ 空冷放熱器
２０ バイパス経路
２２ 水冷放熱器

Claims (12)

1. 冷媒が流れるヒートポンプサイクル経路と、
   作動流体が流れるランキンサイクル経路と、
   前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機と連結され、前記圧縮機を駆動するエンジンと、
   前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記作動流体を吸入し、吸入した前記作動流体を圧送するポンプと、
   前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記ポンプによって圧送された前記作動流体を前記エンジンの排熱によって加熱する加熱器と、
   前記ランキンサイクル経路上に配置され、前記加熱器によって加熱された前記作動流体を膨張させる膨張機と、
   前記ランキンサイクル経路上及び前記ヒートポンプサイクル経路上に跨って配置され、前記膨張機から吐出された前記作動流体の熱を前記冷媒に放熱する第一熱交換器と、を備えた、
   ランキンサイクルシステム。
2. 前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、暖房運転において前記冷媒を加熱して蒸発させ、かつ、冷房運転において前記冷媒の熱を放熱して凝縮させる第二熱交換器と、
   前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を膨張させる膨張弁と、をさらに備え、
   前記第一熱交換器は、前記圧縮機及び前記膨張弁によって２つに区切られた前記ヒートポンプサイクル経路の２つの部分のうち、前記第二熱交換器における前記冷媒の流路を含む部分に配置されている、
   請求項１に記載のランキンサイクルシステム。
3. 前記ランキンサイクル経路における前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間に配置され、前記作動流体の熱を大気に放熱する空冷放熱器をさらに備えた、請求項１又は２に記載のランキンサイクルシステム。
4. 前記ランキンサイクル経路における前記膨張機の出口と前記ポンプの入口との間に配置され、前記作動流体の熱を前記ランキンサイクル経路の外部から供給された水に放熱する水冷放熱器をさらに備えた、請求項１〜３のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
5. 前記ランキンサイクル経路は、前記第一熱交換器をバイパスするバイパス経路を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
6. 前記加熱器は、前記エンジンで発生した排気ガスが有する熱によって前記作動流体を加熱する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
7. 前記エンジンで発生した熱を吸収する冷却液が流れる冷却液経路と、
   前記冷却液経路上に配置され、前記冷却液の熱を放熱するラジエータと、をさらに備えた、請求項１〜６のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
8. 前記作動流体は有機化合物である、請求項１〜７のいずれか１項に記載のランキンサイクルシステム。
9. 冷媒が流れるヒートポンプサイクル経路と、
   作動流体が流れるランキンサイクル経路と、
   前記ヒートポンプサイクル経路上に配置された圧縮機を駆動するエンジンと、
   前記ランキンサイクル経路上及び前記ヒートポンプサイクル経路上に跨って配置されて前記作動流体と前記冷媒とを熱交換させる第一熱交換器と、を備えたシステムにおいて、
   前記ランキンサイクル経路上に配置された膨張機で前記作動流体が膨張することで得られる回転動力を用いて発電を行う発電方法であって、
   前記ヒートポンプサイクル経路において暖房運転が行われる場合、前記エンジンの排熱で加熱して前記膨張機で膨張させた前記作動流体を、前記第一熱交換器において前記圧縮機に流入させる前記冷媒で冷却する、
   発電方法。
10. 前記システムは、前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒を膨張する膨張弁をさらに備え、
    前記ヒートポンプサイクル経路において暖房運転が行われる場合、前記膨張弁で膨張させた後に、前記圧縮機に流入させる前記冷媒で前記作動流体を冷却する、請求項９に記載の発電方法。
11. 前記ヒートポンプサイクル経路において冷房運転が行われる場合、前記エンジンの排熱で加熱して前記膨張機で膨張させた前記作動流体を、前記第一熱交換器において前記圧縮機から吐出された前記冷媒で冷却する、請求項９又は１０に記載の発電方法。
12. 前記システムは、前記ヒートポンプサイクル経路上に配置され、前記冷媒が大気と熱交換する第二熱交換器をさらに備え、
    前記ランキンサイクル経路は、前記第一熱交換器をバイパスするバイパス経路を含み、
    前記ヒートポンプサイクル経路において冷房運転が行われる場合、前記第二熱交換器における前記冷媒の放熱量に基づいて、前記バイパス経路を流れる前記作動流体の流量を調節する、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の発電方法。

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