JP7311426B2 - 熱力学的ｃｏ２ボイラおよび熱圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、ボイラと呼ばれるデバイスを含む暖房システムに関する。詳細には、本発明は、熱ポンプ（「ＨＰ」と略される）と呼ばれるデバイスを利用する、熱力学的ボイラに関する。

ボイラとの関連で熱ポンプデバイスを実装するためのいくつかの技術的解決法がすでに存在する。

第１に、熱伝達作動流体を圧縮しかつ循環させるための電気圧縮機の使用が知られている。「電気ＨＰ」という用語も使用される。

ガス機関熱ポンプ（「ガス機関ＨＰ」）も知られている。このシステムは、騒音が大きくかつ定期的なメンテナンスを必要とする内燃機関の使用を伴う。

ペアとされた水／アンモニアまたは水／ゼオライトを使用するものなどの、脱着／吸着ガス熱ポンプ(desorption/adsorption gas heat pump)も知られている。しかし、それらのデバイスは、複雑かつ高価である。さらに、それらのデバイスは、汚染するかまたは害を及ぼす可能性のある材料を使用する。

さらに、このタイプのボイラは、出力調節可能であること、また、需要に応じて家庭用温水（「ＤＨＷ」）を提供できることが、一般に好ましい。

さらに、一般に、熱ポンプループの性能は、外部温度が低いとき、特に空気熱エネルギーシステムにおいてはとりわけ０℃未満であるときに大幅に低下し、また、外部からの熱エネルギーの収集は、－１０℃未満の外部温度においてはほとんど無視できる程度になるかゼロにすらなることが、よく知られている。

これが、多くのボイラが熱ポンプの圧縮機とは別体のブースタ燃焼器（または「バックアップ」燃焼器）を備える理由であり、このブースタ燃焼器は、例えば特許文献１によって教示されているように、暖房回路内に熱を送達する。これらのボイラは、熱ポンプ回路と従来のバックアップ燃焼器を組み合わせるので、「ハイブリッド」と呼ばれる。しかし、これらの「ハイブリッド」ボイラは、比較的複雑かつ高価である。

国際公開第２０１４／０８３４４０号パンフレット 国際公開第２０１４／２０２８８５号パンフレット

したがって、このような状況からすれば、熱ポンプ効果を伴う熱力学的ボイラシステムにより最適化された解決法を提供する必要性が依然として存在する。

この目的のために、少なくとも１つの暖房回路（３０）内に熱を送達するための熱力学的ボイラが提案され、このボイラは、冷媒を使用する熱ポンプ型ループ（３１、３４）の圧縮機能を形成する少なくとも１つの圧縮機（Ｍ１）を備え、ボイラは、少なくとも冷媒内に熱を送達する燃料燃焼器（１１）をさらに備え、燃料燃焼器は、圧縮機の下流において冷媒内に熱を送達する。

これらの構成によれば、「ブースタ」または「バックアップ」熱は、冷媒回路内に送達され、これは、ボイラのアーキテクチャを単純化し、かつ、ＨＰ機能および「バックアップ」機能のための暖房回路とともに好ましくは単一の熱交換器を使用することを可能にする。

有利には、タイプＲ７４４（言い換えれば、基本的にＣＯ２）の圧縮性流体が、冷媒として選択される。

注記１：タイプＲ７４４の圧縮性流体を含む上述の熱ポンプ型ループにおいては、蒸発現象が、１つの交換器において利用され、冷却／凝縮現象が、別の交換器において利用される。本発明によれば、Ｒ７４４のものに近い物理的性質を有する任意のタイプの冷媒を使用することが同様に可能であることが、留意されるべきである。

注記２：本明細書において使用される語彙に関して、ここで「暖房回路」と呼ばれるものは、ほとんどの場合建物である対象となる実体との熱の交換のための主要回路として広義に解釈され、その目的は建物を暖めることであるが、場合により、特に熱ポンプが可逆であるときには、システムは建物を冷やすために使用され得ることが、留意されるべきである。

本発明の様々な実施形態において、以下の構成のうちの１つまたは複数も使用され得る。

本発明の１つの態様によれば、圧縮機は、往復するピストンを含む少なくとも１つの圧縮段を備える熱圧縮機であり、燃料燃焼器が圧縮機の熱源をさらに形成し、暖房回路が圧縮機の低温源を形成する。これらの条件の下では、熱効率の観点から、燃焼器において生成される全てのエネルギーは、圧縮のために直接使用されるか、または、圧縮性流体内に直接拡散され、排出ガスの形態の一部分が、暖房回路内に拡散され得る。

本発明の１つの態様によれば、熱力学的ボイラは、家庭用温水回路を備える。有利には、相当な大きさの貯蔵槽を必要とせずに、家庭用温水のほぼ即時的な利用可能性を有するのに十分な出力を送達することが可能である。

本発明の１つの態様によれば、圧縮機燃焼器は、ボイラの唯一の燃焼器を形成する。この単一の燃焼器により、ピーク時（温水を引き込んで、別荘を常温にする）中の急上昇を含むエネルギー要求を満たすことができる。

１つの態様によれば、熱力学的ボイラは、圧縮機燃焼器内を循環する圧縮性流体を過熱するための回路（３８）と、圧縮性流体の制御された部分が前述の過熱回路内を循環することを可能にするブースタ制御弁（７５）と、を備え、それにより、ボイラは、ブースタ制御弁の位置に応じて、調節されたブーストを伴ってまたはブーストを伴わずに動作し得る。さらに、ブースタ出力は、有利には、燃焼器内に噴射されるガスの量およびブースタ制御弁が開く度合いに従って調節可能である。

１つの態様によれば、圧縮機燃焼器は、ボイラの全ての出力を送達することを可能にし、また、好ましくは、２０ｋＷから２５ｋＷの間の出力を有する。この出力は、例えば１００ｍ^２で４／６人の典型的な家屋には十分である。

１つの態様によれば、熱力学的ボイラは、圧縮性流体回路（３１）と暖房回路（３０）との間の本質的な熱界面を形成する交換器（５）を備えることができ、この交換器（５）は、高温交換器（５０）および低温交換器（５１）を含み、高温交換器は、家庭用温水回路に結合されており、これは、ほぼ即時的に利用可能な、高温で作られた温水を有することを可能にする。

１つの態様によれば、熱ポンプ型ループは、ＣＯ２回路での作業を必要とする最終的な現場での据え付けを行う配管工がいなくてもＣＯ２回路がボイラ内に閉じ込められ得るように、カスケードの２つの回路、すなわち、圧縮性Ｒ７４４ガスの動作回路（３１、Ｍ１、５、７、６）と、グリコール化水の回路（３４、４、６）と、を備え得る。

１つの態様によれば、圧縮機の回転速度を調整する、すなわち上げるかつ／または下げるために、調節ユニットおよびモータ（１７）が設けられていてもよく、したがって、圧縮機の回転速度を暖房および温水に対する需要にリアルタイムで適応させることが可能である。

１つの態様によれば、圧縮機は、連続した少なくとも２つの圧縮段、すなわち、第１の圧縮段（Ｕ１）および第２の圧縮段（Ｕ２）を備えることができ、それにより、ＣＯ２タイプの流体（Ｒ７４４）は、大きい圧力スイングと加熱されるべき水回路の温度に従って適応されたＣＯ２流体温度を有して使用され得る。したがって、良好な全体的な熱力学的効率が得られる。

１つの態様によれば、圧縮機は、３つの段を備えることができ、それにより、圧力上昇の段階分け、ならびに、加熱されるべき水回路の温度および送達されるべき熱出力に従って適応されるＣＯ２流体温度の適切さが、最適化される。

１つの態様によれば、段は、有利には独立している。これは、サイジングを促進し、かつ、各段の調節可能性を高める。

１つの態様によれば、圧縮機は、平行な少なくとも２つの圧縮段を備えることができる。これは、連続的な構成に代わる構成となる。

１つの態様によれば、熱力学的ボイラは、第１の燃焼器の入口に空気予熱器（９）を含み得る。したがって、熱エネルギーは、燃焼排ガスから回収されて、燃焼器のための空気に注入される。これは、全体的な成績係数を向上させる。

暖房と呼ばれる１つの構成によれば、熱力学的ボイラは、暖房回路に熱エネルギーを供給し（「暖房」または「冬季」モード）、可逆熱ポンプ型ループは、外部ユニットから熱を獲得する。

空気調節と呼ばれる別の構成によれば、熱力学的ボイラは、暖房回路３０から熱を獲得して、この熱を家庭用温水回路ＤＨＷまたは外部ユニット４のどちらかに送達する（夏季モード）。したがって、ボイラは、空気調節機能を提供することができ、さらに、エネルギーに関してフリーの家庭用温水を提供することができる。

本発明の他の特徴、目的、および利点は、非限定的な例として与えられた本発明の１つの実施形態に関する以下の説明を読めば明らかになるであろう。本発明はまた、添付の図面を参照することでより良く理解されるであろう。

本発明によるボイラを備える暖房システムを概略的に示す図である。 ボイラが熱圧縮機を備える、図１に類似したシステムの図である。 ブーストが熱圧縮機の高温部分内に直接送達される、図２に類似したシステムの図である。 熱圧縮機の段を概略的に示す図である。 出力対温度のダイヤグラムを示す図である。 熱圧縮機の段をより詳細に示す図である。 熱力学的サイクルを示す図である。 熱圧縮機の３段構成を示す図である。 調節システムのダイヤグラムを概略的に示す図である。 熱ポンプループの可逆性を示す図である。

様々な図において、同じ参照記号は、一致するまたは類似の要素を示す。

図１は、産業用建物または個人住宅もしくは集合住宅を暖めるために典型的に提供される暖房システムの概観を示す。暖房システムは、以下で説明されるボイラ１０を備える。

システムは、符号３０で示された暖房回路を備える。最初に述べたように、「暖房回路」という用語は、回路が熱を奪うことを排除しないが、示されたような第１の例では、暖房回路は、暖められるべき建物の空間に配置される、ラジエータ／コンベクタ３および／または床下暖房の形態の受熱体(heat-receiving entity)３を含む。

いくつかの受熱体が存在する場合があり、例えば、１つの受熱体は低温におけるもの（床下暖房）であり、別の受熱体はより高い温度におけるもの（対流放熱器、家庭用温水）である。循環機Ｍ３が、暖房回路３０内に水を循環させる。

受熱体がプールまたは温室である状況も対処され得る。同様に、暖房システムは、産業プロセス設備の形態をした受熱体を含む産業的状況において使用され得る。

それ自体周知でありそのため本明細書では詳細には説明されない家庭用温水のための貯蔵槽１６を用いる、家庭用温水（「ＤＨＷ」）の生成が提供される。この貯蔵槽内の水は、水がＤＨＷ交換器１５を通過する間に流体の循環部３６によって加熱される。

有利には、本発明においては、貯蔵槽１６の容積は、例えば５リットル、一般には１０リットル未満と、非常に小さくされ得る。

このＤＨＷ交換器１５内には、暖房回路３０のバイパス枝路３３が循環する。このバイパス枝路は、符号５０で示された高温熱交換器（ＨＴ）から熱を取り込んで、ＤＨＷ交換器１５を介してその熱を家庭用温水に伝達する。

バイパス枝路３３内の流体の流量は、それ自体周知のＤＨＷ制御弁７８によって制御され得る。この流量は、家庭用温水貯蔵槽の調節システムの要件に準じて決定される。

ボイラ１０は、熱ポンプ回路の駆動構成要素を構成する圧縮機Ｍ１を備える。示された例では、符号４で示された外部ユニットのみが、建物（ビル、住居、など）の外側に配置され、他の主要構成要素は、建物内に配置されるか、さらにはボイラ１０のケーシング内に配置される。

図では、管は象徴的に表されていることに留意されたい。

熱ポンプデバイスは、外部ユニット４内を循環するグリコール化水回路３４、および、圧縮機Ｍ１を通過する作動流体回路３１を備える。示された例では、作動流体は、Ｒ７４４、言い換えればＣＯ２であるが、類似した性質を有する別の流体が選択されてもよい。この流体を他の流体と区別するために、回路３１の作動流体は、以下、「圧縮性」流体と呼ばれる（また、当技術分野では「冷媒」と呼ばれる）。これは、外部ユニット（回路３４）内を外向きに流れる主に水をベースとする流体（グリコール化水）とは対照的であり、また、同じく主に水をベースとししたがって非圧縮性である、すでに述べられた暖房回路３０内を流れる流体とは対照的である。

回路３０、３１、３４内で使用される種々の流体は、圧縮性のものであるか否かを問わず伝熱流体であり、それら流体は、主に外部ユニット４から受熱体３にカロリーを伝達することを可能にするが、燃焼器１１から受熱体３にカロリーを伝達することも可能にする。

同じく可能とされる空気調節モードが、以下でさらに説明される。

外部ユニット４は空気熱ユニットまたは地熱ユニットであり得ることが、留意されるべきである。

熱ポンプ効果による外部熱の捕捉は、好ましくは直交流である、界面交換器６と呼ばれる交換器６によって相互作用される一連の２つの流体の回路を使用することが、留意されるであろう。グリコール化水回路３４は、循環機Ｍ４を備え、外部ユニット４から熱を回収し、この熱を界面交換器６に送達する。圧縮性流体回路３１全体、すなわちＣＯ２回路は、製造プラントにおいて用意されるボイラ１０の内側に閉じ込められ、グリコール化水回路３４のみが、対象の施設において専門家によって実装されなければならないことが分かる。

さらに、熱ポンプデバイスは、圧力に関して圧縮機とは反対の役割を果たすそれ自体周知の逃がし弁７、および、圧縮機から出る圧縮性流体回路３１と暖房回路３０とを熱的に結合する交換器５を備える。

ここでは、交換器５は、ＣＯ２回路３１上に直列に配置された２つの交換器、すなわち、家庭用温水を加熱するように構成されたバイパス３３が循環する「高温ＨＴ」交換器５０と、ＣＯ２回路３１と暖房回路３０との主要な結合を形成する「低温ＬＴ」交換器５１と、を備える。

主要交換器５はまた、家庭用温水回路３３に結合された第１の部分と暖房回路３０に結合された第２の部分とを含む単一の交換器を形成し得る。

圧縮性流体回路３１は、界面交換器６から熱を回収し（２相流体が液相状態から気相状態になる「蒸発器」側）この熱を主要交換器５に送達する（２相流体が冷える「凝縮器」側）、２相の形態の流体を含む。圧縮性流体は、交換器５内で冷えるが、本質的に気相のままである。圧縮性流体が本質的に液相に変わるのは、膨張弁７における膨張を受けることによるものである。

図１の構成では、圧縮機Ｍ１は、電動機を含む圧縮機であり得る。その場合、圧縮機の下流には、ブースタ燃焼器１１が設けられ、このブースタ燃焼器１１は、暖房回路および／または家庭用温水回路におけるエネルギー需要に十分な被変調出力で圧縮機の下流の圧縮性流体に直接熱を送達する。

バックアップ熱は、圧縮性流体において送達され、暖房回路に直接結合された交換器においては送達されないことに留意されたい。

図２の構成では、圧縮機Ｍ１は、ガス機関によって駆動されるタイプの圧縮機であり得る。ガス機関は、符号１１ａで示された燃焼器を使用する。ガス機関は、前述の圧縮機Ｍ１を駆動し、別の燃焼器１１ｂが、前述の場合におけるように圧縮性流体回路において、言い換えれば圧縮機Ｍ１の下流において、熱ブースタを形成する。

図３の構成では、圧縮機Ｍ１は、熱圧縮機であり、つまり、圧縮機Ｍ１は、熱源として熱エネルギーを使用し、また、低温源を使用して、ピストンを作動させ、ピストンの往復運動および逆止め弁の使用が、圧縮機を形成する。このタイプの熱圧縮機の例が、特許文献２において、また、本明細書の図６において、詳細に開示されている。

図３の構成では、１つの燃焼器１１のみが存在し、この燃焼器１１は、有利には、圧縮段の出口においてＲ７４４圧縮性流体が圧縮機の燃焼器環境に向けられて、燃焼器から（この場所での追加の圧縮を伴わずに）熱エネルギーを獲得するために燃焼器環境で循環するので、熱圧縮機Ｍ１の熱源および熱ブースタの両方を形成する。図３、図４、図６、図８では、この圧縮機の高温セクションにおける循環のための回路は、符号３８で示されている。この回路はまた、本明細書の他の部分では、「過熱回路」３８と呼ばれる。過熱回路３８は、上流部分３８ａとも呼ばれる第１の部分、および、下流部分３８ｂとも呼ばれる第２の部分を備える。

圧縮機の高温セクションにおける循環がブースタ制御弁７５によって決定され、このブースタ制御弁７５は、２つの位置の間で、つまり、全てのＣＯ２が圧縮機の高温セクションに向けられる（ブースタが必要とされる場合の）第１の最終位置と全てのＣＯ２が圧縮機の高温セクションを通過することなしに暖房回路を含む主熱交換器５に直接向けられる第２の（全て閉じられた）最終位置との間で任意の程度まで開かれることに、気づくであろう。

圧縮機Ｍ１が稼働しており、かつ、選択弁７５が完全に閉じた位置にあるときに、過熱回路３８内に停滞する作動流体が存在し、過熱回路３８において、作動流体の温度が、典型的には６００℃から７００℃の間（下記参照）である燃焼器の温度に近い温度まで上昇することに、気づくであろう。しかし、選択された流体、言い換えればＣＯ２の物理的性質により、高度の過圧または爆発の危険性はない。

圧縮機が稼働しており、かつ、選択弁が第１の位置にある場合、再循環回路の下流部分３８ｂでは、ＣＯ２圧縮性流体の温度は、燃焼器において供給されるブースト出力に応じて、１００℃から３００℃の間である。

図３の構成では、単一の燃焼器１１に送達される出力は、０ｋＷから２０ｋＷの間で調節され得る。ブーストが必要とされずに圧縮機が稼働している場合、送達される出力は、具体的には３ｋＷから６ｋＷの間である。ブーストが必要である場合、圧縮機は稼働しており（３ｋＷから６ｋＷを示す）、出力の残りの部分（２ｋＷから１５ｋＷを示す）は、燃焼器から過熱回路３８内を再循環している作動流体に直接供給される。

関係する出力間の平衡は、図５に示されている。符号９５をつけられた曲線「ブースタなしで利用可能な出力」は、圧縮機によって供給される出力と外部環境におけるエネルギーの自由な収集の和を表す。曲線９６ａ、９６ｂ、９６ｃは、定常状態における３つのタイプの住居のための暖房に対する需要を表す。

「ブースタが必要とされる」状況は、外部温度が約－５℃から０℃の閾値未満の領域内である場合に生じる。

さらに、このダイヤグラムは、シャワー、トイレ、台所用の器具、などを使用する人数に依存する家庭用温水の生成などの需要の急上昇を表わしていない。このダイヤグラムはまた、まれにしか使用されない住居をその通常の温度に戻すときの需要の急上昇を表わしていない。

図２および図３の構成では、暖房回路３０の帰路が、最初に主要熱交換器５、５１を通過し、次いで暖房回路の流体が圧縮機Ｍ１を冷やす圧縮機の低温ゾーンに向かうことに、気づくであろう。

全ての構成において、暖房回路３０の帰路は、燃焼器１１からの燃焼ガスのための出口回路（符号３２で示される）が、暖房回路に結合された交換器２１の内側を通り、交換器２１において（燃焼に由来する）排出ガスがそれらの熱エネルギーを主要暖房回路３０の流体に伝達するように、配置され得る。

反対に、全ての構成において、符号９で示された空気取入れ口予熱交換器が設けられてもよく、この空気取入れ口予熱交換器は、燃焼器１１から離れるガス中に存在する熱エネルギーを使用して、燃焼器火炎に提供される新鮮空気３５を予熱する。ここで、予熱交換器９は、示された例では直交流で使用される、それ自体周知の空気対空気交換器である。

したがって、燃焼器１１のノズルに入る空気は、１００℃から２００℃の範囲内の温度である。

導入されて燃焼器１１によって燃焼されるガスの量は、制御ユニット１（図９参照）によって制御され、この制御ユニット１は、圧縮機Ｍ１の高温部の温度を目標温度（典型的には６００℃から７００℃の間）に維持するための少なくとも１つのサーボループを含む。制御ユニット１は、燃焼器１１に送達されるガスの量を（豊富度の制御により）制御するだけでなく、ＤＨＷ制御弁７８を、また必要であれば以下で論じられる調整モータ１７の回転速度をも制御する。制御ユニットはまた、ブースタ加熱の必要性に対処することに加えて、過熱回路３８を作動させるかまたは作動させない選択弁７５の位置を制御する。

具体的には、圧縮機燃焼器を収容するハウジング１１０の温度を捕らえる温度センサ６１が設けられる（図６参照）。制御ユニットはまた、家庭用温水回路、使用者が温度を設定するために使用する、住居内の暖房を制御するための汎用サーモスタット６６、などから、種々の温度および流量の情報６２、６３を受信することができる。

現在の構成および温度に応じて、この制御は、燃焼器における流量、ブースタ制御弁７５、およびＤＨＷ制御弁７８に対して、全か無かの決定（オン／オフサイクリング）および／または連続的なサーボ制御を引き起こす。

より具体的には、圧縮機Ｍ１の構成に関して、図６を参照すると、圧縮機Ｍ１は、熱エネルギーを供給するためのゾーン（高温ゾーン）、冷却ゾーン（低温ゾーン）、２つの逆止め弁すなわち入口弁４１（取入れ）および出口弁４２（排出）を通じて外部と連通する閉じたチャンバ８を含む、「再生式」熱圧縮機である。

図４および図６の例では、符号Ｕ１で示された１つの圧縮段のみが存在するが、図８の例では、圧縮段は、３段の圧縮、言い換えれば３つの圧縮ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３を含む構成である。

密閉されたチャンバ８内では、圧縮性流体は、ほぼ一定の体積を占め、変位するピストン７１が、圧縮性流体の体積の大部分を高温ゾーンへまたは低温ゾーンへ移動させるために、示された例では頂部から底部まで、その移動を交互に行うように構成される。ピストンは、以下で分かる自己駆動システム内の連接ロッドおよびクランク軸システムに接続される。

図６に示されるように、圧縮機は、軸方向Ｘの周りに設計され、この軸方向Ｘは、好ましくは垂直に配置されるが、他の配置が排除される訳ではない。円筒形ジャケット９０内で移動するように取り付けられたピストン７１は、この軸に沿って移動することができる。前述のピストンは、第１のチャンバ８１および第２のチャンバ８２を分離し、これら２つのチャンバは、作動チャンバ８内に含まれており、それらの体積の和Ｖ１＋Ｖ２は、実質的に一定である。ピストン７１は、ドーム形状の、例えば半球状の上方部分を有する。

作動チャンバ８は、断熱リング９７が挿入された高温ケーシング９６と低温シリンダヘッド９５とによって形成された組立体内に構造的に収容される。

「高温チャンバ」とも呼ばれる第１のチャンバ８１は、ピストンの上方に配置され、かつ、ガス状流体に直接熱を供給する熱源１１（燃料燃焼器１１）に熱的に結合される。第１のチャンバは、ピストンの直径Ｄ１に対応する直径を有する円筒形部分と頂部における半球状部分とを含む回転体であり、半球状部分は、圧縮性流体の出入りのための中央開口部８３を備える。熱源１１は、高温チャンバ８１の全周に配置されるキャップ１１０を形成し、燃焼器ノズルが中央に位置する。

「低温チャンバ」とも呼ばれる第２のチャンバ８２は、ピストンの下方に配置され、かつ、低温源（ここでは、暖房回路９１の帰路）に熱的に結合され、したがって、圧縮性流体から暖房回路に熱を伝達する。第２のチャンバは、直径Ｄ１の円筒形であり、かつ、圧縮性流体の出入りのために、ピストンの下方で軸を中心とした円に配置されたいくつかの開口部８４を備える。

円筒形ジャケット９０の壁の周りには、スターリング型熱力学的機関において従来使用されるタイプの再生式熱交換器１９が配置される。この交換器１９（以下では、単純に「再生器」とも呼ばれる）は、小断面積の流体チャネルと、熱エネルギー貯蔵要素および／または金属線の密なメッシュと、を備える。この再生器１９は、チャンバの上端部と下端部との間の中間の高さに配置され、かつ、頂部に向かう高温側１９ａ、および底部に向かう低温側１９ｂを有する。

再生器内では、高温側と低温側との間の強い温度勾配が認められ、高温側は、燃焼器キャップの温度、すなわち７００℃に近い温度を有しており、低温側は、暖房回路の温度、すなわち暖房回路上に存在する実体に応じて３０℃から７０℃の間の温度に近い温度を有している。

高温ケーシング９６の内表面に向かい合って配置された環状の循環間隙２４が、第１のチャンバの開口部８３を再生器の高温側１９ａに接続する。

シリンダヘッド９５内のチャネル２５が、第２のチャンバの開口部８４を再生器の低温側１９ｂに接続する。

したがって、ピストンが上昇するときに、圧縮性ガスは、第１のチャンバ８１から、循環間隙２４、再生器１９、およびチャネル２５を介して、低温の第２のチャンバ８２に向かって推進される。反対に、ピストンが下降するときに、圧縮性ガスは、低温の第２のチャンバ８２から、チャネル２５、再生器１９、および循環間隙２４を介して、第１のチャンバ８１に向かって推進される。

圧縮機の動作は、下死点ＢＤＣと上死点ＴＤＣとの間でのピストン７１の往復運動、ならびに、入口上の吸込み弁４１の作用および出口上の排出逆止め弁４２の作用によって提供される。以下で説明される種々のステップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、図６および図７に表わされている。

ステップＡ。
最初は頂部にあるピストンは下方に移動し、第１のチャンバ８１の体積が増大する一方で、第２のチャンバ８２の体積が減少する。そのため、流体は、再生器１９を通して底部から頂部へと押され、この過程において加熱される。それと同時に圧力Ｐｗが上昇する。

ステップＢ。
圧力Ｐｗが特定の値を超えると、出口弁４２が開き、圧力Ｐｗは、圧縮流体出口圧力Ｐ２に落ち着き、流体は、出口へ放出される（この間、入口弁４１は、当然ながら閉じたままである）。これは、ピストンが下死点に到達するまで継続する。

ステップＣ。
そして、ピストンは底部から頂部へと移動し、第１のチャンバの体積が減少するにつれて、第２のチャンバの体積が増大する。その結果、流体は、再生器１９を通して頂部から底部へと押され、この過程において冷える。それと同時に圧力Ｐｗが低下する。出口弁４２は、この上方移動の開始時に閉じられる。

ステップＤ。
圧力Ｐｗが特定の値未満に下がる場合、入口弁４１が開き、圧力Ｐｗは、流体入口圧力Ｐ１に落ち着き、流体は、入口に吸い込まれる（この間、出口弁４２は、当然ながら閉じたままである）。これは、ピストンが上死点に到達するまで継続する。入口弁４１は、ピストンがその下降を始めるときに閉じる。

ロッド１８の運動は、ロッドの一方の端部に作用する自己駆動デバイス１４によって制御される。この自己駆動デバイスは、軸Ｙ１の周りで回転するように取り付けられたはずみ車１４２と、例えば転がり軸受１４３であるピボット接続部により前述のはずみ車に接続された連接ロッド１４１と、を備える。連接ロッド１４１は、例えばころ軸受１４４である別のピボット接続部により、ロッドに接続される。

ブースタチャンバ８８は、Ｐａで示された圧力のガス状作動流体で満たされる。デバイスが動作しているとき、ブースタチャンバ８８内の圧力Ｐａは、最小圧力Ｐ１と最大圧力Ｐ２の和の半分に実質的に等しい平均圧力に収束する。実際には、動的モードにおいては、リング１１８とロッド１８との間の減少した機能的クリアランスにより、この微量の漏れは動作に影響せず、ごくわずかなままである。

はずみ車が１回転だけ回転するときに、ピストンは、直径Ｄ１を乗じた中立点と下死点との間の距離に対応する体積を通る。

熱力学的サイクルは、図７に示されたように、自己駆動デバイスに正の仕事を供給する。

しかし、初始動のために、また、回転速度を調節することができるようにするために、はずみ車１４２に結合されるモータ１７が設けられる。

このモータは、有利には、ブースタチャンバ８８内に収容されるか、または、壁への磁気結合によりブースタチャンバ８８の外側に位置し得る。

モータ１７は、図に示されていない制御ユニットによって制御される。モータは、はずみ車の回転速度を速くするかまたは遅くするように制御可能であり、交換される熱流量は、はずみ車の回転速度とほぼ比例関係にある。モータ１７により、制御ユニットは、回転速度を典型的には１００ｒｐｍから５００ｒｐｍの間で、好ましくは［２００ｒｐｍ～３００ｒｐｍ］の範囲内で調節することができる。

モータ１７が自己駆動デバイス１４を起動する働きをすることに気づくであろう。

ピストン７１は（内燃機関または従来のスターリング機関とは違って）受動ピストンではなく、単純に変位ピストンであることに留意されたい。動力は、動作ガスの圧力の上昇の形で供給される。

ロッド１８の体積の変化を無視し、Ｖ１が第１のチャンバの体積であり、Ｖ２が第２のチャンバの体積であり、Ｖｃｈａｎｎｅｌが導管２４、２５の体積である場合、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖｃｈａｎｎｅｌ＝Ｖｔｏｔａｌであることに気づくであろう。それは、例えばＶｃｈａｎｎｅｌ＜１０％Ｖ１＋Ｖ２が得られる、より小さな断面積の管により、可能な限り少ないデッドボリュームを有するように配置されることが好ましい。

図８は、相補的な特性、すなわち、３つの圧縮段、言い換えれば３つの圧縮ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３を含む構成を示す。

第２の段Ｕ２および第３の段Ｕ３は、あらゆる点で第１の段Ｕ１に類似または相似しており、それぞれは、吸い込まれた空気と混合されたガスの燃焼が起こる場所である燃焼器１２、１３と、第１の段のものに類似しておりかつその運動および回転速度が第１の段のものとは独立している変位ピストン７２、７３と、を備える。

有利には、段は、独立して動作する。回転速度は、段ごとに異なり得る。

暖房回路が一連のチャネル９３、９２、および９１を介して圧縮機の３つの低温ゾーンを冷やすことに気づくであろう。

第１の段の出口、言い換えれば弁４２は、第２の段の入口、言い換えれば弁４３に接続される。第２の段の出口、言い換えれば弁４４は、第３の段の入口、言い換えれば弁４５に接続される。弁４６の出口は、圧縮機１の全体的な出口を形成する。

圧力の段階分けは、典型的には以下の通りとされ得る。第１の段Ｕ１の入口圧力は、約２０バールである。第１の段の排出圧力（第２の段の入口）は、約４０バールである。第２の段Ｕ２の排出圧力（第３の段の入口）は、約６０バールである。第３の段Ｕ３の出力は、約８０バールであり得る。

それは、３つの段Ｕｌ、Ｕ２、Ｕ３の３つの低温ゾーンが、低温シリンダヘッドと呼ばれる単一の部品を形成するように、配置され得る。

当然ながら、２段の構成Ｕ１、Ｕ２を有することも可能である。

さらに、上述のものに類似した２つの（または、それより多くの）段が平行に配置される構成を提供することが可能である。

一般に、燃焼器において使用される燃料は、天然ガス、または植物もしくは動物起源のバイオガス、または産業用石油処理からの軽質炭化水素廃棄物であり得ることに、気づくであろう。

家庭用温水の場合は別として、時折の居住者が到着するときに常温にされなければならない別荘の場合に、大出力の必要性が存在する。提示された構成は、住居を暖めるかまたは冷やすために、比較的長時間にわたって２０ｋＷ超を送達することを可能にする。

図１０に示されるように、上述の熱圧縮機１は、図１から図３のダイヤグラムとの関連で、当然ながら暖房モードで使用され得るが、その可逆性により空気調節のためにも使用され得る。

その場合、空気調節モードでは、熱は、（例えば、床下暖房において）暖房回路３０から取り込まれ、集められた熱は、家庭用温水回路１５、１６に、または外部ユニット４に向けられる。

この結果は、圧縮性ガスループ３１上の蒸発および凝縮交換器５’、６’の役割を逆転させることによって得られ得る。

明瞭性のために、流体の流れの方向を逆転させることを可能にする四方弁７７は、図１から図３には示されていないが、原理は図１０に表わされており、ここでは、四方弁７７は、暖房モードと呼ばれる通常位置、および、空気調節モードと呼ばれる（逆転した）特別位置を有し、特別位置は、それ自体周知のように符号５’および６’で示された交換器の役割を反対にする。

明瞭性のために、ボイラシステムにおけるいくつかの構成要素は示されていなかったが、それらの構成要素も存在し得る。それらの構成要素には、
－ 水回路３４、３０上の膨張容器(expansion vessel)、
－ 暖房回路の充填およびパージのためのコック、
－ ＣＯ２回路の充填およびパージのためのコック、
－ システムを制御するために制御ユニットに必要な種々のマノメータおよび温度センサ
が含まれる。

回路の概要
３０：暖房回路
３１：ＣＯ２圧縮性流体
３２：燃焼ガス
３３：ＤＨＷのためのバイパス
３４：グリコール化水（外部との交換）
３５：加熱される吸気
３６：ＤＨＷ特定回路

１ 制御ユニット
３ 受熱体
４ 外部ユニット
５ 交換器、蒸発および凝縮交換器
６ 界面交換器、蒸発および凝縮交換器
７ 逃がし弁、膨張弁
８ チャンバ、作動チャンバ
９ 空気取入れ口予熱交換器、予熱交換器
１０ ボイラ
１１ 燃焼器、ブースタ燃焼器、燃料燃焼器
１１ａ 燃焼器
１１ｂ 燃焼器
１２ 燃焼器
１３ 燃焼器
１４ 自己駆動デバイス
１５ ＤＨＷ交換器、家庭用温水回路
１６ 貯蔵槽、家庭用温水回路
１７ 調整モータ
１８ ロッド
１９ 再生式熱交換器、再生器
１９ａ 高温側
１９ｂ 低温側
２１ 交換器
２４ 循環間隙、導管
２５ チャネル、導管
３０ 暖房回路
３１ 熱ポンプ型ループ、圧縮性流体回路、作動流体回路、ＣＯ２回路、圧縮性ガスループ
３２ 出口回路
３３ バイパス枝路、家庭用温水回路、バイパス
３４ 熱ポンプ型ループ、グリコール化水回路、水回路
３５ 新鮮空気
３６ 流体の循環
３８ 過熱回路
３８ａ 上流部分
３８ｂ 下流部分
４１ 入口弁、吸込み弁
４２ 出口弁、排出逆止め弁
４３ 弁
４４ 弁
４５ 弁
４６ 弁
５０ 高温交換器
５１ 低温交換器
６１ 温度センサ
６２ 温度情報
６３ 流量情報
６６ 汎用サーモスタット
７１ ピストン
７２ 変位ピストン
７３ 変位ピストン
７５ ブースタ制御弁、選択弁
７７ 四方弁
７８ ＤＨＷ制御弁
８１ 第１のチャンバ、高温チャンバ
８２ 第２のチャンバ、低温チャンバ
８３ 中央開口部
８４ 開口部
８８ ブースタチャンバ
９０ 円筒形ジャケット
９１ 暖房回路、チャネル
９２ チャネル
９３ チャネル
９５ 低温シリンダヘッド
９６ 高温ケーシング
９７ 断熱リング
１１０ ハウジング、キャップ
１１８ リング
１４１ 連接ロッド
１４２ はずみ車
１４３ 転がり軸受
１４４ ころ軸受
Ｄ１ ピストンの直径
Ｍ１ 圧縮機
Ｍ３ 循環機
Ｍ４ 循環機
Ｐ１ 流体入口圧力、最小圧力
Ｐ２ 圧縮流体出口圧力、最大圧力
Ｐａ 圧力
Ｐｗ 圧力
Ｕ１ 第１の圧縮段
Ｕ２ 第２の圧縮段
Ｕ３ 第３の圧縮段
Ｘ 軸方向
Ｙ１ 軸

Claims (11)

1. 冷媒を使用する熱ポンプ型ループ（３１、３４）の圧縮機能を形成する少なくとも１つの圧縮機（Ｍ１）を備え、少なくとも前記冷媒に熱を送達する燃料燃焼器（１１）をさらに備える、少なくとも１つの暖房回路（３０）内に少なくとも熱を送達するための熱力学的ボイラであって、前記燃料燃焼器が、前記圧縮機の下流で前記冷媒に前記熱を送達し、
   前記圧縮機が、往復するピストン（７１）を含む少なくとも１つの圧縮段を備える熱圧縮機であり、前記燃料燃焼器（１１）が、前記圧縮機の熱源をさらに形成し、前記暖房回路が、前記圧縮機の低温源を形成することを特徴とする、熱力学的ボイラ。
2. 前記冷媒が、タイプＲ７４４、すなわち二酸化炭素の圧縮性流体である、請求項１に記載の熱力学的ボイラ。
3. 家庭用温水回路（１５、１６）を備える、請求項１または２に記載の熱力学的ボイラ。
4. 前記圧縮機の前記燃料燃焼器（１１）が、前記熱力学的ボイラの唯一の燃焼器を形成する、請求項１から３のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラ。
5. 前記燃料燃焼器においてまたは前記燃料燃焼器のすぐ近くで前記冷媒を過熱するための回路（３８）と、前記冷媒が前記過熱回路内を循環することを選択的に可能にするためのブースタ制御弁（７５）と、を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラ。
6. 前記圧縮機の前記燃料燃焼器（１１）が、前記熱力学的ボイラの全ての出力を送達することを可能にする、請求項１から５のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラ。
7. 前記冷媒の回路（３１）と前記暖房回路（３０）との間の本質的な熱界面を形成する交換器（５）を備え、前記交換器（５）が、高温交換器（５０）および低温交換器（５１）を含み、前記高温交換器が、前記家庭用温水回路（１５、１６）に結合される、請求項３に記載の、または請求項３を引用した場合の請求項４から６のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラ。
8. 前記熱ポンプ型ループが、カスケードの２つの回路、すなわち、Ｒ７４４圧縮性ガスの動作回路（３１、Ｍ１、５、７、６）と、グリコール化水の回路（３４、４、６）と、を備える、請求項１から７のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラ。
9. 前記圧縮機の回転速度を調整する、すなわち上げるかつ／または下げるために、調節ユニットおよびモータ（１７）が設けられている、請求項１から８のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラ。
10. 前記圧縮機が、連続した少なくとも２つの圧縮段、すなわち、第１の圧縮段（Ｕ１）および第２の圧縮段（Ｕ２）を備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラ。
11. 第３の圧縮段（Ｕ３）をさらに備える、請求項１０に記載の熱力学的ボイラ。

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