JPS6361842A - ランキン駆動ヒ−トポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｃ産業上の利用分野〕 本発明はランキン駆動ヒートポンプ装置に関し、特にラ
ンキン機関からヒートポンプサイクルへの仕事の伝達を
流体により行うランキン駆動ヒートポンプ装置に関する
。

〔発明の背景〕

従来、ランキン駆動ヒートポンプ装置は、ランキン機関
中の発生器で得られる高圧冷媒蒸気（作動流体）の膨張
仕事をピストンやタービンで軸出力として取出し、この
軸出力をヒートポンプサイクル側に機械的に伝達してヒ
ートポンプサイクルの低圧冷媒（冷媒流体）の圧縮を行
っていた。

しかし乍ら、この従来のランキン駆動ヒートポンプでは
、ランキン機関中の高圧冷媒蒸気の膨張仕事を、ピスト
ンやタービンで機械的にヒートボンプサイクル側に伝達
することから、機械の摩擦等で膨張仕事のエネルギーを
消費してしまい、その結果ヒートポンプサイクルを駆動
するためにはランキン機関中の作動流体の蒸発温度と凝
縮温度の差を大きく取らなければならないという問題点
を有していた。

したがって、本発明はライキン機関からヒートポンプサ
イクルへの仕事の伝達ロスを減少させると共に、ランキ
ン機関中の高圧冷媒蒸気の膨張仕事をヒートポンプサイ
クル側でより有効に活用し、もってランキン機関側の発
生器の熱源として例えば太陽熱利用温水器等で得られる
低温水の利用も可能なランキン駆動ヒートポンプ装置を
提供することを目的とするものである。

〔発明の構成〕

本発明のランキン駆動ヒートポンプは、ヒートポンプサ
イクルを駆動するランキン機関に作動流体が膨張仕事を
行う膨張容器を設け、ヒートポンプサイクルに冷媒流体
を段階的に圧縮する複数個の圧縮容器を設け、前記膨張
容器における膨張仕事を圧縮容器に圧縮仕事として伝達
するように膨張容器と圧縮容器を伝達流体を介して接続
し、前記膨張容器の膨張仕事を前記複数個の圧縮容器の
段階的な圧縮圧力レベルに応じて適時選択して圧縮容器
に分配することにより、ヒートポンプサイクルの冷媒流
体を段階的に圧縮するものである。

尚、本発明における伝達流体としては、例えば鉱物油、
合成油等の液体状のもの等が用いられる。

〔実施例〕

以下、本発明を添付図面に基づき説明する。

第１図は、本発明の一実施例を示す概略構成図であり、
３４はランキン機関、３５はヒートポンプサイクルであ
る。

前記ランキン機関３４は、ランキン機関の作動流体を加
熱して作動流体の高温高圧蒸気を発生させるための発生
器５、作動流体の高温高圧蒸気で膨張仕事を行なう膨張
容器３６．３７凝縮器６、概縮後の作動流体を一時溜め
ておく補助タンク８、ポンプとしての機能を有する液タ
ンク９，１０、発生器５に作動流体を供給する供給タン
ク１１から構成されており、膨張容器３６．３７の上方
側には仕切電磁弁３６Ｈ，３６Ｌ、３７Ｈ，３７Ｌが、
また膨張容器３６．３７と発生器５間には作動流体の流
れ方向を制御するための逆止弁１２．１３．１４．１５
がそれぞれ設けられている。

ヒートポンプサイクル３５は、冷媒流体を蒸発させるた
めの藤発器１７．蒸発した冷媒流体を圧縮して高温高圧
蒸気にする圧縮容器１．２，３，４　、凝縮器１７、膨
張弁１８から構成されており、圧縮容器１，２゜３．４
の上方側には作動流体の流れ方向を制御するための逆止
弁１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５．２６が
、また下方側には仕切電磁弁ＬＡ、ＩＢ、２八、２Ｂ、
３八、３Ｂ、４Ａ、４Ｂがそれぞれ設けられている。

前記ランキン機関３４の膨張容器３６　、３７内とヒー
トポンプサイクル３５の圧縮容器１，２，３．４内には
、それぞれの作動流体や冷媒流体と伝達流体とを隔離す
るための隔離膜３３が設けられており、この膨張容器３
６．３７と圧縮容器Ｌ２，３．４とはシリンダー３０．
３１内に挿着されたピストン２８を介して伝達流体で動
力的に連動するように接続されている。このランキン側
シリンダー室３０は、ピストン２８によって３０ａ　、
　３０ｂに区画されており、またヒートポンプ側シリン
ダー室３１は３１ａ、３１ｂに区画されている。

膨張容器３６．３７及び圧縮容器１．２，３．４内の圧
力一体積の変化状態を第２図に示す。それぞれの膨張容
器３６．３７は第２図中のＡ→Ｂ−４Ｃ−Ｄｉ→Ｄ２−
Ｄ３の状態で圧力一体積が変化し、またそれぞれの圧縮
容器Ｌ２，３．４は、Ｄｌ−Ｄ２−Ｄ３−　Ｃ→Ｂ−Ａ
の状態で圧力一体積が変化する。この第２図に於いてＰ
、はランキン機関側の凝縮圧力、Ｐ２はヒートポンプサ
イクル側の蒸発圧力、Ｐ４はヒートポンプサイクル側の
凝縮圧力、Ｐ５はランキン機関側の蒸発圧力をそれぞれ
示し、■３は膨張容器３６．２７と圧縮容器１，２，３
．４容積に相当する。

また、第２図に於ける膨張容器３６　、３７内の各工程
における状態変化は下記の通りである。

工程Ａ・・・発生器５により得られた高温高圧蒸気を膨
張容器３６．３７内に一部吸引する。

工程Ｂ、Ｃ・・吸引した高温高圧蒸気が断熱膨張して膨
張仕事を行う。

工程Ｄ１〜Ｄ３・膨張仕事終了後に低圧となった高温蒸
気が凝縮器６へ送られる。

また、第２図に於いて、圧縮容器１，２，３．４内の各
工程における状態は下記の通りである。

工程Ｄ１〜Ｄ３・蒸発器１７により得られた低温低圧蒸
気を圧縮容器１．２．３．４内に吸引する。

工程Ｂ、Ｃ・・ランキン機関によって得られた仕事で吸
収した低温低圧蒸気を凝縮圧力 （Ｐ４）まで断熱圧縮させる。

工程Ａ　・・・凝縮圧力まで圧縮された高温高圧蒸気が
凝縮器７へ送られる。

次に、上記構成においてその作用を説明する。

尚、このランキン駆動ヒートポンプ装置は、ヒートポン
プサイクル３５の各圧縮容器１，２．３．４の圧縮のレ
ベルとそれに合わせた仕切電磁弁ＬＡ、　ＩＢ、　２Ａ
、　２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂの開閉制御により作
動するので、これら仕切電磁弁のスケジュール表（第３
図）の順にそって、第４図に基づき説明する。

まず、サイクルの初期状態を次のように設定する。

膨張容器３６・・・工程Ｄ３が終った段階膨張容器３７
・・・工程Ｃが終った段階圧縮容器１　・・・工程へが
終った段階圧縮容器２　・・・工程Ｂが終った段階圧縮
容器３　・・・工程Ｃが終った段階圧縮容器４　・・・
工程Ｄ３が終った段階液タンク９　・・・作動流体液で
満たされている液タンク１０・・・作動流体蒸気で満た
されている補助タンク８　・・・適量の作動流体が吸入
されている。

供給タンク１１・・・適量の作動流体が吸入されている
。

次に、仕切電磁弁３６）１，３７Ｌ、　ＩＡ、２Ｂを開
弁することにより、サイクル■の状態に移行する。尚、
他の仕切電磁弁は全て開弁されている。

また、このとき圧縮容器３．４は休止状態にある。

発生器５で得られた高温高圧蒸気は、仕切電磁弁３６Ｈ
を通過して膨張容器３６内へ入り隔離膜３３を押し下げ
ると共に、伝達流体をシリンダー室り０ａ内へ押し込む
。これによりピストン２８は右方向へ移行し、シリンダ
ー室３０ｂ内にあった伝達流体が膨張容器３７内へ入っ
て隔壁膜３３を押し上げると共に、膨張容器３７内にあ
った作動流体蒸気は仕切電磁弁３７Ｌを通り凝縮器６へ
送られる。また、ピストン２８が右方向へ移動した為に
シリンダー室３１ｂにあった伝達流体は仕切電磁弁２Ｂ
を通り、圧縮容器２内へ入り隔壁膜３３を押し上げ、圧
縮容器２内にあった圧縮蒸気を逆止弁２１を通過せしめ
て凝縮器７へ送り込む、と同時に圧縮容器１では伝達流
体がシリンダ室３１ｂ内へ吸い込まれるために隔壁膜３
３が下がると共に、逆止弁２０を介して蒸発器１７で発
生した低圧蒸気を容器２内へ吸い込む。また、液タンク
９内にあった作動流体液は、仕切電磁弁３６Ｈが開いた
ことにより、液タンク９−仕切電磁弁３６１（−発生器
５−逆止弁Ｉ６−供給タンク１１−逆止弁１３−液タン
ク９のループでは同一圧力レベルとなっているために、
逆止弁１３を通過して供給タンク１１へ重力落差により
落ちる。液タンク１０では仕切電磁弁３７Ｌが開いたこ
とに、より、液タンク１０−仕切電磁弁３７Ｌ−凝縮器
６−補助タンク８−逆止弁１４〜液タンク１０のループ
で同一圧力レベルとなっているために、補助タンク８に
溜まっていた作動流体液は逆止弁１４を通過して液タン
ク１０へ重力落差により落ちる。

次に、仕切電磁弁３６１１．２Ｂを開弁すると共に仕切
電磁弁３Ｂを新たに開弁（仕切電磁弁３７Ｂ、　ＩＡは
開弁状態にある）して、サイクル番号■の状態に移行す
る。

尚、このとき圧縮容器２，４は休止状態にある。

サイクル■で膨張容器３６内に入った高圧蒸気が断熱膨
張を行い、サイクル■に引き続いて隔壁膜３３を下方へ
押し下げる（第２図に示すＢ工程）と共に、伝達流体を
シリンダー室り０ａ内へ押し込む。

これによりピストン２８はサイクル■の引き続いて右方
向へ移動し、シリンダー室３０ｂ内にあった伝達流体は
引き続いて膨張容器３７内へ入って隔壁膜３３を押し上
げると共に、膨張タンク３７内にあった作動流体蒸気は
仕切型Ｃｎ弁３７を通過して凝縮器６へ送られる（第２
図に示すＤ２工程）。また、ピストン２８が右方向へ移
動した為に、シリンダー室３１ｂ内にあった伝達流体は
仕切電磁弁３Ｂを通過して圧縮容器３内に入り、隔壁膜
３３を押し上げて圧縮容器３内にある低圧蒸気を凝縮圧
力Ｐ４まで断熱圧縮する（第２図に示すＢ工程）。と同
時に、圧縮容器１ではサイクル■に引き続いて伝達流体
がシリンダー室３０ｂ内へ吸い込まれる為に隔壁膜３３
が下がると共に、蒸発器１７で発生した作動流体の低圧
薄気を逆止弁２０を介して容器１内へ吸い込む（第２図
に示すＤ２工程）。また、液タンク１０では、仕切電磁
弁３７Ｌが開いたことにより、液タンク１０−仕切電磁
弁３７Ｌ−凝縮器６−補助タンク８−逆止弁１４−液タ
ンク１０のループでは同一圧力レベルとなり、補助タン
ク８に溜っていた作動流体は逆止弁１４を通過して補助
タンク１０へ重力落差により落ちる。

次に、仕切電磁弁３Ｂを閉弁すると共に、仕切電磁弁４
Ｂを新たに開弁（仕切電磁弁３７Ｂ、１４は開弁状態に
ある）して、サイクル番号■の状態に移行する。

尚、このとき圧縮容器２．３は休止状態にある。

サイクル■に引き続いて、膨張容器３６内では断熱膨張
を行い、隔壁膜３３を下方へ押し下げる（第２図に示す
Ｃ工程）と共に、伝達流体をシリンダー室り０ａ内へ押
し込む。これによりピストン２８は、サイクル■に引き
続いて右方向へ移動し、シリンダー室３０ｂ内にあった
伝達流体はサイクル■に引き続いて膨張容器３７内へ入
り隔壁膜３３を押し上げると共に、膨張容器３７内にあ
った作動流体蒸気の残りの全てを仕切電磁弁３７Ｌを通
して凝縮器６へ送り込む（第２図に示すＤ３工程）。ま
た、シリンダー室３１ｂ内にあった伝達流体は、仕切電
磁弁４Ｂを通過して圧縮容器４内へ入り、隔壁膜３３を
押し上げて圧縮容器４内に吸入されていた作動流体蒸気
をまずＰ、まで断熱圧縮する（第２図に示すＣ工程）。

同時に、圧縮容器１ではサイクル■に引き続いて仕事伝
達流体がシリンダー室り１ａ内へ吸い込まれる為に隔壁
膜３３が下がると共に、蒸発器１７で発生した作動流体
の低圧蒸気を逆止弁２０を介して圧縮容器４内へ吸い込
む（第２図に示すＤ３工程）。

また、液タンク１０ではサイクル■■と同様、補助タン
ク８に溜まっていた作動流体液は逆止弁１４を通過して
液タンク１０へ重力落差により落ちる。

以下、サイクル■〜■と同様の動きを、サイクル■〜■
、サイクル■〜■、サイクル＠１〜０のなかで行ってい
く。

即ち、サイクル■〜■では、サイクル■〜■で行った圧
縮容器１の動きを圧縮容器２が、また圧縮容器２の動き
を圧縮容器３が、圧縮容器３の動きを圧縮容器４が、圧
縮容器４の動きを圧縮容器１がそれぞれ行うこととなり
、シリンダー３０．３１内のピストン２８は左方向に向
かって移動し、ランキン機関の膨張容器３６と膨張容器
３７とはその動きが逆転する。

以下、同様に第３図に示すタイムスケジュールで仕切電
磁弁３６Ｈ，３６Ｌ、３７Ｈ，３７Ｌ、　１八、ＩＢ、
２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４＾、４Ｂを開閉駆動させ、
第４図に示す状態で膨張容器３６．３７と圧縮容器Ｌ２
，３．４が変化してサイクル番号［相］の状態から初期
状態に戻る動作を繰り返えすことにより、ヒートポンプ
サイクルの冷媒流体が圧縮される。

また、上記実施例では、膨張容器と圧縮容器をピストン
を介して伝達流体で接続することについて述べたが、こ
れに限定されるものではなく、例えば第５図に示すよう
に、２個のベローズ３６．３６を機械的を接続した動力
伝達機構としてもよい。

即ち、膨張容器の膨張仕事により連絡ロッド３７を往復
さ、圧縮容器に圧縮仕事として伝達するものである。

〔発明の効果〕 以上詳述したように、本発明のランキン駆動ヒートポン
プ装置によれば、ランキン機関に膨張容器を設けると共
に、ヒートポンプサイクルに複数個の圧縮容器を設け、
この膨張容器と圧縮容器を伝達流体を介して接続し、膨
張容器の膨張仕事を複数個の圧縮容器の段階的な圧縮圧
力レベルに応じて適時選択して各圧縮容器に分配するこ
とにより、ヒートポンプサイクルの冷媒流体を段階的に
圧縮することから、ランキン機関からヒートポンプサイ
クルへの仕事の伝達ロスを減少させることができ、もっ
てランキン機関中の作動流体の膨張仕事をヒートポンプ
サイクル側でより有効に活用することができ、且つラン
キン機関側の発生器の熱源として例えば太陽熱利用温水
器等で得られる低温水の利用も可能な今までにない全（
新規なランキン駆動ヒートポンプを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略構成図、第２図は
膨張容器と圧縮容器の体積−圧力の変化状態を説明する
ための図、第３図は仕切電磁弁の開閉動作のタイムスケ
ジュールを説明するための図、第４図は膨張容器と圧縮
容器の変化状態のサイクルを説明するための図、第５図
は他の実施例を示す図である。 １．２，３，４　、圧縮容器　　　２８、ピストン３４
、ランキン機関　　　　３５、ヒートポンプサイクル３
６．３７　、膨張容器 特許出廓人 （６６３）京セラ株式会社 ｑ　　ご　　　　　　　２　　　　　ご　　♂　ご束

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ヒートポンプサイクルを駆動するランキン機関
   に作動流体が膨張仕事を行う膨張容器を設け、ヒートポ
   ンプサイクルに冷媒流体を段階的に圧縮する複数個の圧
   縮容器を設け、前記膨張容器における膨張仕事を圧縮容
   器に圧縮仕事として伝達するように膨張容器と圧縮容器
   を伝達流体を介して接続し、前記膨張容器の膨張仕事を
   前記複数個の圧縮容器の段階的な圧縮圧力レベルに応じ
   て適時選択して各圧縮容器に分配することにより、ヒー
   トポンプサイクルの冷媒流体を段階的に圧縮するランキ
   ン駆動ヒートポンプ装置。
2. （２）　前記ランキン機関の膨張器を複数個設け、一方
   の膨張容器で作動流体の膨張工程を行っているときは、
   他方の膨張容器で作動流体の吸入工程を行っていること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のランキン駆
   動ヒートポンプ装置。
3. （３）　前記ランキン機関の膨張器とヒートポンプサイ
   クルの圧縮容器をピストンを介して接続することを特徴
   とする特許請求の範囲第１項に記載のランキン駆動ヒー
   トポンプ装置。