JPH0893633A - エネルギー変換装置 - Google Patents

エネルギー変換装置

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JPH0893633A
JPH0893633A JP6224918A JP22491894A JPH0893633A JP H0893633 A JPH0893633 A JP H0893633A JP 6224918 A JP6224918 A JP 6224918A JP 22491894 A JP22491894 A JP 22491894A JP H0893633 A JPH0893633 A JP H0893633A
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康之 池上
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春男 上原
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 混合媒体を用いて低熱源から高熱源に熱エネ
ルギーを汲み上げるエネルギー変換装置の熱エネルギー
汲み上げの効率を高め、一つのサイクルで、冷凍機及び
ヒートポンプの機能とともに、発電装置としての機能を
有する高効率で多機能なエネルギー変換装置を提供す
る。 【構成】 低熱源１と作動流体とを熱交換する蒸発器４
と、蒸発器の流体排出側に排出流体を圧縮するよう連結
した圧縮機５と、圧縮機より排出される作動流体と高熱
源とを熱交換するよう圧縮機の排出側に連結した凝縮機
６と、凝縮機の排出側に連結した気液分離器７と、気液
分離器の気体排出側に排出気体を膨張させるよう連結し
た膨張機１０と、気液分離器の液体排出側に液体を減圧
するよう連結した減圧弁と、前記膨張機よりの膨張気体
と、前記減圧弁よりの減圧液体とを混合する混合弁と、
混合弁の排出流体を前記蒸発器で蒸発させるよう配管に
より連通した熱交換サイクルより成る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、混合媒体を用いて低熱
源から高熱源に熱エネルギーを汲み上げるエネルギー変
換装置の改良に関するもので、上記エネルギー変換装置
の熱エネルギー汲み上げの効率を高めるとともに、蒸発
器及び凝縮器の性能を改善し、装置の製作費を減少しよ
うとするものである。また、本発明は部分負荷の場合も
広範囲にわたって性能を維持するよう改良したものであ
って、一つのサイクルで、冷凍機及びヒートポンプの機
能とともに、発電装置としての機能を有する高効率で多
機能なエネルギー変換装置を提供しようとするものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】低熱源から高熱源に熱エネルギーを汲み
上げるこの種のヒートポンプ及び冷凍機においては、従
来から (1)フロン、アンモニアなどの単成分媒体や、沸
点が同じ種々の冷媒を混合した共沸混合媒体を用いた圧
縮式装置（逆ランキンサイクル）、 (2)逆ランキンサイ
クルに対して高性能化を図ることを目的として、沸点が
異なる種々の冷媒を混合した非共沸混合媒体を用いた圧
縮式装置（ローレンツサイクル）、 (3)アンモニアと水
や、水とリチウムブロマイド（ＬｉＢｒ）など、冷媒と
吸収剤を組み合わせた吸収式装置（吸収サイクル）、な
どが主に使用されていた。
【０００３】これまでの逆ランキンサイクルを行う圧縮
式のヒートポンプ及び冷凍機では、成績係数の改善には
限界があり、特に熱源の温度変化が大きいときに成績係
数が小さくなる。この欠点をなくすべく、沸点が異なる
種々の冷媒を混合した非共沸混合媒体を用いたローレン
ツサイクルの圧縮式ヒートポンプ、冷凍機が開発されて
いる。このサイクルの圧縮式ヒートポンプ、冷凍機は、
媒体が蒸発器及び凝縮器で相変化をする際に温度が変化
するため、熱源との温度変化を一致させることにより、
蒸発器及び凝縮器での有効エネルギーが増大し、圧縮機
の動力が減少することによって成績係数が大幅に改善さ
れるという考えにもとづいている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、非共沸混合媒
体を用いるために、蒸発器及び凝縮器での伝熱性能が低
下し、凝縮圧力が高くなり、蒸発圧力が低くなるので圧
縮機の動力が増大してしまう欠点がある。この伝熱性能
の低下は、特に凝縮器出口で顕著におこる。これは、凝
縮器において凝縮し易い高沸点媒体が先に凝縮し、凝縮
し難い低沸点媒体が凝縮器出口に多く残るためである。
このため、凝縮器を多段に分けて、各段で凝縮した凝縮
液と凝縮しなかった蒸気とに分離し、凝縮しなかった蒸
気のみを再度熱源で凝縮させ、これを繰り返す方法など
が考察されている。しかし、この場合も凝縮しなかった
蒸気において低沸点媒体の濃度が次第に高くなり、一定
の温度の熱源で完全に凝縮させようとすると、どうして
も凝縮圧力が高くなる。このため十分に圧縮機の動力を
低減できない欠点があり、同様のことが蒸発器でもおこ
る。
【０００５】吸収式のヒートポンプ及び冷凍機では、上
記の圧縮式装置と比べて成績係数が小さくなる。これに
関して、多重効用吸収サイクルや、吸収器の排熱の一部
を再生器の加熱につかって再生器加熱量を減ずるＧＡＸ
（Ｇenerator−Ａbsorber Ｈeat Ｅxchanger Ｃycl
e）、トリプルサイクルなどが研究開発されているが、
上記の圧縮式装置ほどの高い成績係数は得られない。
【０００６】また、圧縮式装置と吸収式装置を組み合わ
せた圧縮−吸収式ハイブリッド装置が研究開発されてい
るが、上述の点、すなわち混合媒体を用いた場合の凝縮
器、蒸発器の性能低下の課題は残り、機器の高性能化及
びコンパクト化は望めない。
【０００７】一方、従来のヒートポンプ及び冷凍機にお
ける部分負荷の制御は、作動媒体の循環量の制御、及び
混合媒体を用いる場合さらに組成の制御によって行われ
ている。しかし、循環量を変えることによる性能の低
下、及び組成の制御の難しさや装置の増大などが大きな
課題となっている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、上述し
た従来の欠点を除去し、ヒートポンプ及び冷凍機の成績
係数を向上させ、また、部分負荷に対しても広範囲に性
能を維持するようにし、設備コストを低減したエネルギ
ー変換装置を提供しようとするものである。
【０００９】本発明の特徴とする所は、次の通りであ
る。本発明は、低熱源と作動流体とを熱交換する蒸発器
と、蒸発器の流体排出側に排出流体を圧縮するよう連結
した圧縮機と、圧縮機より排出される作動流体と高熱源
と熱交換するよう圧縮機の排出側に連結した凝縮器と、
凝縮器の排出側に連結した気液分離器と、気液分離器の
気体排出側に排出気体を膨張させるよう連結した膨張機
と、気液分離器の液体排出側に液体を減圧するよう連結
した減圧弁と、前記膨張機よりの膨張気体と、前記減圧
弁よりの減圧液体とを混合する混合器又は吸収器と、混
合器又は吸収器の排出流体を前記蒸発器で蒸発させるよ
う配管により連通した熱交換サイクルより成ることを特
徴とするエネルギー変換装置にある。
【００１０】本発明の他の目的とする所は、低熱源と作
動流体とを熱交換する蒸発器と、蒸発器の流体排出側に
排出流体を圧縮するよう連結した圧縮機と、圧縮機より
排出される作動流体と高熱源とを熱交換するよう圧縮機
の排出側に連結した凝縮器と、凝縮器の排出側に連結し
た気液分離器と、気液分離器の気体排出側に排出気体を
膨張させるよう連結した膨張機と、前記膨張機よりの膨
張気体と、気液分離器よりの排出流体を再生器及び減圧
弁を介して送られる流体とを混合する混合器又は吸収器
と、前記混合器又は吸収器の排出流体と前記気液分離器
の排出液体と熱交換する再生器と、再生器よりの排出流
体と低熱源と熱交換する前記蒸発器とを配管により連通
した熱交換サイクルより成ることを特徴とするエネルギ
ー変換装置を提供するにある。
【００１１】
【作用】本発明において作動流体の一例をあげるとアン
モニアと水の混合物又はフロン32とフロン134a との混
合物より選択された流体が使用できる。ここで使用を提
案したフロン32とフロン134a とはオゾン層を破壊する
惧れのない流体である。本発明で言うエネルギー変換装
置とは、熱源として河川水、地下水、大気、太陽熱、地
熱、湖水、海水、地熱、工場から排出する温排水や水蒸
気、火力発電所及び原子力発電所の排熱、都市の排熱
（下水処理場、清掃工場、変電所、地下街、地下鉄、コ
ンピュータセンター、冷蔵倉庫、ＬＮＧ、ＬＰＧなど）
等を利用するエネルギーシステムをいう。
【００１２】本発明の実施に当っては膨張機として膨張
タービン等を使用する。又この膨張タービンに発電機を
接続し、エネルギー変換と同時に発電を行いエネルギー
変換効率を挙げるようにすることもできるのが特徴であ
る。また、膨張機に圧縮機を連結することにより膨張機
で生じた回転エネルギーを圧縮機の回転に利用して、エ
ネルギー効率を挙げるとよい。
【００１３】
【実施例】以下に本発明を実施例につき図面を参照して
詳細に説明する。図１に示す本発明エネルギー変換装置
は、低熱源１及び高熱源２に対して、蒸発器４、圧縮機
５、凝縮器６、気液分離器７、減圧弁８、混合器９、膨
張機（タービンなど）10から構成される。それらの各部
を配管（作動流体用配管３）及びバルブ（図示せず）を
介して相互に連通して連結してある。なお、混合器は吸
収器として使用してもよい。
【００１４】図１において、具体的に配管による連結態
様を述べると、低熱源１に対し、低熱源１と熱交換する
蒸発器４を連結し、蒸発器４を通る作動流体用配管３を
介して圧縮機５及び高熱源２と熱交換する凝縮器６及び
気液分離器７に連通し、気液分離器７で分離された蒸気
を配管３により膨張タービンなどの膨張機10に連通し、
膨張機10の排出蒸気を混合器９に送り、気液分離器７よ
りの排出液を減圧弁８及び配管３を介して混合器９に送
り、前記混合器９よりの排出物を配管で蒸発器４に送る
サイクルを示す。実施にあたっては、蒸発器４、凝縮器
６及び膨張機10は単一でなく、複数個所設置すると有効
な場合がある。また、図２に示すように、減圧弁８と気
液分離器７の間に再生器11を設置し、熱回収を行うと熱
回収効率の向上に有効な場合がある。
【００１５】図示の構成例において、２ないし３成分の
沸点の異なる混合物からなる作動流体は、圧縮機５によ
って混合物の蒸気が凝縮器６に送られる。混合物の作動
流体蒸気は、凝縮器６で高熱源２と熱交換し、完全凝縮
状態になる前の二相状態まで凝縮され、気液分離器７に
入る。気液分離器７では、混合物の蒸気と液に分離さ
れ、液は減圧弁８に、蒸気は膨張機10に送られる。この
混合物の液は、減圧弁８で減圧された後、混合器９に入
る。一方、混合物の蒸気は、膨張機10で仕事をした後、
混合器９に入り、減圧弁８で減圧された液と混合され
る。混合器９を出た混合物の液体は、蒸発器４に送ら
れ、低熱源１と熱交換し蒸発する。この混合物の蒸気
は、再び圧縮機５によって凝縮器６に送られる。
【００１６】凝縮器６の後に、気液分離器７を設置する
ことにより、従来のように凝縮器後方に多くなる低沸点
媒体の蒸気を完全に凝縮させるのではなく、気液分離器
７で低沸点媒体がより多い蒸気と、高沸点媒体がより多
い液体とに分離する。低沸点媒体がより多い蒸気は、膨
張機10によって動力として回収し、高沸点媒体がより多
い液体は、減圧弁８でそのまま減圧するか、再生器11
（図２）によって熱回収する。このことによって、凝縮
器６及び蒸発器４の伝熱性能は高くなり、装置のコンパ
クト化が可能になる。
【００１７】この装置の作動流体の好ましい例として
は、アンモニアと水の混合物及び、フロン32とフロン13
4a の混合物などがあげられる。その最適な混合割合
は、利用する温度と圧力によって異なる。アンモニアと
水の混合物の場合、利用する温度が高くなるほど、水の
混合割合を高くしなければならない。フロン32とフロン
134aの混合物の場合は、利用する温度が高くなるほど、
フロン134a の混合割合を高くしなければならない。ア
ンモニアと水の混合物とフロン32とフロン134a の混合
物とでは、アンモニアと水の混合物の方が、より高い温
度範囲まで適応できる。
【００１８】膨張機10によって得られた動力は、膨張機
10例えば膨張タービンに発電機を付設することによっ
て、電気エネルギーに変換することができる。一方、こ
の電気エネルギーを圧縮機５で必要な電気エネルギーの
一部として利用し、成績係数を向上させることができ
る。また、膨張機10と圧縮機５を連結することにより、
圧縮機５に必要な動力を軽減させ、成績係数を向上させ
ることもできる。また、減圧弁８の替わりに、膨張機を
設置したり、膨張機10の替わりに減圧弁を設置すると有
効な場合がある。
【００１９】気液分離器７における混合物の蒸気と液の
分離の割合は、気液分離器７における圧力、温度、作動
流体の流量、及び気液分離器７の気液分離特性などを変
えることにより変更できる。この気液分離率を変更する
ことにより、膨張機10での動力Ｗと、凝縮器６及び蒸発
器４での熱負荷Ｑとの割合を制御できる。すなわち動力
Ｗの割合を大きくしたいときは、気液分離器７で分離さ
れる蒸気の割合を多くする。熱負荷Ｑの割合を大きくし
たいときは、気液分離器７で分離される蒸気の割合を少
なくすればよい。又一方、熱負荷を制御したい場合、従
来のように作動流体の流量の制御を行わずに、一定流量
に対して気液分離器７での気液の分離率を変更するだけ
で可能となる。このことにより、広範囲の部分負荷に対
して全体の熱効率を低減させることなく負荷制御が可能
となる。
【００２０】本発明装置は、 (1)深夜電力で安価に貯蔵
した圧縮空気を昼間に圧縮機５の動力源として利用し、
ヒートポンプ及び冷凍機の機能とともに発電を行った
り、(2)車のエンジンの動力を圧縮機５の動力源として
利用し、車中の空調用の機能とともに発電を行なうな
ど、他のエネルギーを有効に利用してヒートポンプ及び
冷凍機の機能とともに発電を行なうと有効な場合かあ
る。
【００２１】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば凝縮器６の後に、気液分離器７を設置し、気液
分離器７で低沸点流体がより多い蒸気と、高沸点流体が
より多い液体とに分離するとともに、低沸点流体がより
多い蒸気は、膨張機10によって動力として回収し、高沸
点流体がより多い液体は、減圧弁８でそのまま減圧する
か、再生器11によって熱回収することによって、凝縮器
６及び蒸発器４の伝熱性能を向上させ、エネルギー変換
器の効率を増大させられるという顕著な効果がある。
【００２２】その一例として、従来用いられているロー
レンツサイクルのヒートポンプにおいて、フロン32とフ
ロン134a の混合物を使用し、高熱源入口温度40℃、高
熱源出口温度60℃、低熱源入口温度10℃、低熱源出口温
度20℃、蒸発器４での伝熱性能（熱通過係数・伝熱面積
／熱交換量）が0.15（１／Ｋ）、凝縮器６での伝熱性能
が0.15Ｋ、フロン32の質量組成が0.2 kg／kg の場合、
理論成績係数が約4.7になるのに対し、本発明の装置で
は、同一条件で理論成績係数がほぼ5.1 になる。この場
合で約８％、成績係数が向上する。
【００２３】また、従来のヒートポンプ及び冷凍機では
部分負荷の際のシステムの性能低下などが課題である
が、本発明によれば、気液分離器７での分離率の制御の
みでこれらの問題が改善させる。これは、作動流体の流
量は一定で、気液分離器７での分離率のみを変更する。
熱負荷Ｑの割合を小さくしたいときは、分離器７で分離
される蒸気の割合を多くする。熱負荷Ｑの割合を大きく
したいときは、分離器７で分離される蒸気の割合を少な
くする。
【００２４】その一例として、本発明エネルギー変換装
置において、フロン32とフロン134aとの混合物を使用
し、高熱源入口温度40℃、高熱源出口温度60℃、低熱減
入口温度10℃、低熱減出口温度20℃、蒸発器４での伝熱
性能が0.15（１／Ｋ）、凝縮器６での伝熱性能が0.15
Ｋ、分離器７入口のフロン32の質量組成が0.5 kg／kg
の場合、分離器での気液分離率（液の質量／全流入量）
を0.1 〜0.8 まで変化させ、凝縮器出口での熱負荷を１
ＫＷから2.66 ＫＷまで変更したときのヒートポンプの
理論的成績係数の変化は、僅かでほぼ一定値である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施の一例を示すエネルギー変
換サイクルを示す図である。
【図２】図２は本発明の他の実施の一例を示すエネルギ
ー変換サイクルを示す図である。
【符号の説明】
１ 低熱源 ２ 高熱源 ３ 配管 ４ 蒸発器 ５ 圧縮機 ６ 凝縮器 ７ 気液分離器 ８ 減圧弁 ９ 混合器 １０ 膨張機 １１ 再生器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ２５Ｂ 11/02 Ｄ 30/02 Ｚ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 低熱源と作動流体とを熱交換する蒸発器
    と、蒸発器の流体排出側に排出流体を圧縮するよう連結
    した圧縮機と、圧縮機より排出される作動流体と高熱源
    とを熱交換するよう圧縮機の排出側に連結した凝縮器
    と、凝縮器の排出側に連結した気液分離器と、気液分離
    器の気体排出側に排出気体を膨張させるよう連結した膨
    張機と、気液分離器の液体排出側に液体を減圧するよう
    連結した減圧弁と、前記膨張機よりの膨張気体と、前記
    減圧弁よりの減圧液体とを混合する混合器又は吸収器
    と、混合器又は吸収器の排出流体を前記蒸発器で蒸発さ
    せるよう配管により連通した熱交換サイクルより成るこ
    とを特徴とするエネルギー変換装置。
  2. 【請求項２】 低熱源と作動流体とを熱交換する蒸発器
    と、蒸発器の流体排出側に排出流体を圧縮するよう連結
    した圧縮機と、圧縮機より排出される作動流体と高熱源
    とを熱交換するよう圧縮機の排出側に連結した凝縮器
    と、凝縮器の排出側に連結した気液分離器と、気液分離
    器の気体排出側に排出気体を膨張させるよう連結した膨
    張機と、前記膨張機よりの膨張気体と、気液分離器より
    の排出流体を再生器及び減圧弁を介して送られる流体と
    を混合する混合器又は吸収器と、前記混合器又は吸収器
    の排出流体と前記気液分離器の排出液体と熱交換する再
    生器と、前記再生器よりの排出流体と低熱源と熱交換す
    る前記蒸発器とを配管により連通した熱交換サイクルよ
    り成ることを特徴とするエネルギー変換装置。
  3. 【請求項３】 作動流体はアンモニアと水との混合物、
    及びフロン32とフロン134a との混合物より使用条件に
    適して選択された流体である請求項１及び２の何れかに
    記載のエネルギー変換装置。
  4. 【請求項４】 発電を行う場合、膨張機は発電機に連結
    した膨張タービンでありエネルギー変換と同時に発電を
    行う請求項１ないし２に記載のエネルギー変換装置。
  5. 【請求項５】 前記気液分離器で低沸点媒体がより多い
    蒸気と、高沸点媒体がより多い液体とに分離する請求項
    １記載のエネルギー変換装置。
  6. 【請求項６】 膨張機に圧縮機を連結する請求項１及び
    ２の何れかに記載のエネルギー変換装置。
JP6224918A 1994-09-20 1994-09-20 エネルギー変換装置 Expired - Lifetime JP2611185B2 (ja)

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JP6224918A JP2611185B2 (ja) 1994-09-20 1994-09-20 エネルギー変換装置
US08/521,820 US5617738A (en) 1994-09-20 1995-08-31 Energy converter
DE69520630T DE69520630T2 (de) 1994-09-20 1995-09-19 Energieumwandler
CN95117351A CN1066815C (zh) 1994-09-20 1995-09-19 能量转换装置
EP95850163A EP0703420B1 (en) 1994-09-20 1995-09-19 Energy converter

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JP2611185B2 JP2611185B2 (ja) 1997-05-21

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