JPWO2006030779A1 - 熱ポンプ、熱ポンプシステム及びランキンサイクル - Google Patents
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Abstract
Description
また超臨界圧以上に昇圧すると、ポンプの仕事量が急激に増大するという問題点がある。
また本発明の第2の手段においては、前記温度調節器により、導入する媒体を冷媒又は熱媒に切り替えることにより、密閉容器内の冷媒を冷却した後加熱することにより、第1の手段と同様のポンプ機能を有する。
この冷媒を冷媒排出管から一定圧力以上になると開く圧力調整弁を介して一定圧力以上の冷媒として供給、搬送する。このような操作によって冷媒液を加熱して気相をつくり、昇圧して供給する機能を有するため、従来の機械式ポンプのような、機械パーツをもたない、機械損失のない冷媒の昇圧及び搬送手段を実現できる。
一方ガス化状態の場合、ポンプ効率は低いが(液充填率数十%)、加温送液開始時に超臨界ガスを排出するときに前記問題は生じない。
本発明において、液封状態を含めた運転をする場合、安全性を考慮すれば、密閉容器の圧力がある一定値を超えた場合に作動するリリーフ弁を設けたり、あるいは密閉容器を複数個設けた場合、装置全体としての安全空間は25℃に保たれ、温度上昇しても、液封状態にはならない。
これによって密閉容器内の冷媒の冷却時、前記開閉弁を開いて密閉容器と前記ラインを連結することにより、密閉容器内を冷媒液の液化圧力まで減圧でき、さらに密閉容器内で冷却器により冷媒を冷却して、密閉容器内の圧力を下げることにより、密閉容器内への冷媒液の吸入を容易にする。
あるいは前記構成に加えて、冷媒液導入管にポンプを介装するとともに、密閉容器から液留めに接続する連通管を設け、同ポンプを稼動させることにより、冷媒液導入時間の短縮を図ることもできる。
すなわち密閉容器の内部上方に設けられた冷却器、あるいは冷媒導入に切り替えられた温度調節器によって、密閉容器内の冷媒を同冷媒の飽和温度以下に冷却して圧力を下げ、これによって前記凝縮器で凝縮された冷媒液を前記冷媒液導入管から開閉弁を介し冷媒液を前記密閉容器に吸入し、その後密閉容器の下方に設けられた加熱器、あるいは熱媒導入に切り替えられた温度調節器によって、密閉容器内の冷媒を加熱して気相とし、同冷媒を前記冷媒排出管から一定圧力以上になると開く圧力調整弁を介し前記排出管に接続された加熱器に一定圧力以上の冷媒を供給する。
また好ましくは、前記凝縮器の下流側に液溜めを設け、前記密閉容器内の冷媒液の液面が前記液溜めの液面よりも下方になるように構成して、両者の液面高さの差圧分に相当する液圧が密閉容器側に加わるようにし、凝縮器内の冷媒液が密閉容器内に流入するのを助けるようにする。
また密閉容器に設置される前記冷却器の冷熱源としては、前記ランキンサイクルの内外の冷熱源を利用可能であるが、たとえば前記ランキンサイクル内の冷熱源としては、凝縮器で冷媒蒸気を凝縮するための冷熱源の一部を利用してもよい。
またこの構成をランキンサイクルに採用した場合は、凝縮器の気相部が密閉容器の気相部と開閉弁を介して接続されることにより、前記と同様の効果を奏することができる。
2、12 膨張タンク(密閉容器)
3、13 冷媒液導入管
4、14 冷媒排出管
5 集熱装置(加熱器)
6 開閉弁
7 膨張タービン
8 凝縮器
9 冷却器
10 ガス抜き管
11 リリーフ弁
15 温度調節器
16 低温水用配管
17 高温水用配管
18、a1 開閉弁
a2、19 圧力調整弁
s 電磁弁
C 冷却器
H 加熱器
W 外部になす仕事
図2は、本発明をCO2を冷媒とした遷臨界ランキンサイクルに適用した第1実施例を示す系統図、図3は、第1実施例の遷臨界ランキンサイクルのモリエル線図である。
ここで冷却器Cにより膨張タンク2内の冷媒液を冷却することにより、膨張タンク2内の圧力を下げ、それによって凝縮器8から冷媒液を吸収する。これで膨張タンク2内の状態は図3の(1)に位置する状態となる。
なおモリエル線図中、Slは飽和液線、Syは飽和蒸気線、Tkは等温線、Pkは臨界圧である。
その後CO2冷媒蒸気は凝縮器8に送られ、冷却器9で冷却されて液化し、図3のモリエル線図上の(5)の状態(気液二相混合の湿り蒸気)となる。
電磁弁sを開とすることによって、膨張タンク2の内部と凝縮器8の内部とが均圧化し、膨張タンク2内の冷媒液の液面が凝縮器8内の冷媒液の液面より低くなるように配置されているため、両液面差に相当する液圧が膨張タンク2側に付加される。
その後膨張タンク2内の冷媒液は加熱器Hにより加熱されて前述の工程を繰り返す。
また膨張タンク2内の冷却器Cの冷熱源も本ランキンサイクル内外の冷熱源を利用可能であり、たとえば外部の冷凍サイクルの冷熱源の一部、又は凝縮器8の冷却器9の冷熱源の一部を利用可能である。
すなわち可動部をもたず、単純構造の熱ポンプであるため、機械損失がなく、システム効率が高く、さらにメンテナンスを必要とせず、信頼性が高いという利点をもつ。
また膨張タンク2内の冷媒液の液面が凝縮器8内の冷媒液の液面よりも下方になるように構成されているため、膨張タンク2内の冷媒の冷却時、凝縮器8内の冷媒液の液面と膨張タンク2内の液面との差に相当する液圧が膨張タンク2側に加わり、膨張タンク2内への冷媒液の吸入を容易にすることができる。
また図4は、前記第1実施例と同様に本発明をCO2を冷媒とした遷臨界ランキンサイクルに適用した第2実施例の一部を示す系統図であり、図4において、膨張タンク12の内部には、温度調節器15が設けられ、温度調節器15には、低温水用配管16及び高温水用配管17が接続され、弁16a及び17aによって切り替え可能となっている。18は、冷媒液導入管13に設けられた開閉弁、19は冷媒排出管14に設けられた圧力調整弁である。
これによって図2の膨張タンク2と同様のポンプ機能を有することができる。
また冷媒排出管を膨張タンクの内部に延長し、膨張タンク内に溜まっている冷媒液面下まで延長することによって、吐出圧が臨界圧(7.38Mpa)以下の液吐出に適用できる。
Claims (9)
- 密閉容器の下部に冷媒液導入管を接続するとともに、同密閉容器の上部に冷媒排出管を接続し、同冷媒液導入管に開閉弁を設けるとともに、同冷媒排出管に一定圧力以上になると開く圧力調整弁を設け、前記密閉容器の内部上方に冷却器を設けるとともに、同密閉容器の内部下方に加熱器を設けたことを特徴とする熱ポンプ。
- 密閉容器の下部に冷媒液導入管を接続するとともに、同密閉容器の上部に冷媒排出管を接続し、同冷媒液導入管に開閉弁を設けるとともに、同冷媒排出管に一定圧力以上になると開く圧力調整弁を設け、前記密閉容器の内部に導入する媒体を熱媒又は冷媒に切り替えることで加熱又は冷却が可能な温度調節器を設けたことを特徴とする熱ポンプ。
- 前記冷媒排出管から分岐したか又は前記密閉容器の上部に接続した管路を、開閉弁を介して前記密閉容器に供給される冷媒液を液化圧力まで減圧できるラインに連結したことを特徴とする請求項1又は2記載の熱ポンプ。
- 前記冷媒液導入管に接続して冷媒液の液溜めを設け、前記密閉容器内の冷媒液の液面が前記液溜めの液面よりも下方になるように構成したことを特徴とする請求項1又は2記載の熱ポンプ。
- 請求項1又は2に記載の熱ポンプを複数台並列に設置し、前記冷却器による冷却工程及び前記加熱器による加熱工程に時差をつけて運転し、個々の熱ポンプの前記冷媒排出管から排出される冷媒合計量を平滑化することを特徴とする熱ポンプシステム。
- 請求項1又は2記載の熱ポンプと、同熱ポンプの冷媒排出管と一定圧力以上になると開く圧力調整弁を介し接続される加熱器と、同加熱器から冷媒を導入して外部に対し仕事を行なう膨張タービンと、同膨張タービンから冷媒蒸気を受け入れて凝縮するとともに、前記熱ポンプと開閉弁を介して接続された凝縮器とを備えたことを特徴とするランキンサイクル。
- 前記凝縮器の気相部が前記熱ポンプを構成する密閉容器の気相部と開閉弁を介して接続されていることを特徴とする請求項6記載のランキンサイクル。
- 前記熱ポンプを複数台並列に設置し、個々の熱ポンプの前記冷却器による冷却工程及び前記加熱器による加熱工程に時差をつけて運転し、個々の熱ポンプの前記冷媒排出管から排出される冷媒合計量を平滑化することを特徴とする請求項6記載のランキンサイクル。
- 前記凝縮器の下流側に液溜めを設け、前記密閉容器内の冷媒液の液面が前記液溜めの液面よりも下方になるように構成したことを特徴とする請求項6記載のランキンサイクル。
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