【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、４０℃〜３００℃の低中温度を利用した動力発生機、発電機、および高温熱媒体の製造、さらに冷暖房・冷凍に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電所や工場などの各種産業分野において、低中温度エネルギーの排出は極めて多いにも拘らず、排熱ボイラにより回収して加熱用蒸気や雑用蒸気として工場内のプロセスで使用されたり、工場内冷暖房や給湯に用いられたりすることがほとんどである。また、自動車などの内燃機関においては、排熱の動力利用は現状ではほとんど行われていない。わずかに加給用のターボチャージャーがあるだけである。
【０００３】
また、近年、環境問題の顕在化に伴って、太陽エネルギー、地熱、風力、バイオマス、海洋温度差などの自然エネルギーの利用が化石燃料に替わる代替エネルギー資源として注目されるようになっている。とくに、石油・石炭・天然ガスなどの化石燃料は今後の急激な人口増加を考えると、おおかたの予測として、今世紀中に枯渇するとみられ、石油の９９．８％を輸入に頼る我が国では、化石燃料に替わるエネルギー源の探索が今世紀最大の課題の１つである。しかしながら、自然エネルギーなどから直接得られるエネルギーは４０℃〜３００℃の低中温度であるため、これらから高効率で動力を取り出す装置が必要となっている。。
【０００４】
従来技術では、化石燃料の使用を大前提としたガスタービンや蒸気タービン、内燃機関が主体となっており、低中温度から効率良く動力を取り出すことは困難である。従来の蒸気タービン、ガスタービンは、化石燃料の燃焼温度（約１５００℃）を基準に設計されており、自然エネルギーがふんだんに得られる上記４０〜３００℃の温度範囲では全く作動しない。したがって、これを解決するには従来と全く異なるコンセプトの基に、新しいサイクルを用いる必要がある。
【０００５】
さらに、従来技術では、蒸気動力サイクルであるランキンサイクルと冷凍サイクルの両方を同一のシステムで実現することは不可能であった。エネルギー密度の小さい、たとえば自然エネルギーを有効に利用するには、このような多機能化が必要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点は、従来技術では、４０℃〜３００℃の低中温度エネルギーから動力、仕事等を効率良く回収することが困難である点である。また、ランキンサイクルとその逆回しである冷凍サイクルを同一システムで両立させることである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、請求項１の発明は、一般的な蒸気動力サイクルに用いられているランキンサイクルにおいて、ランキンサイクルを線図上で逆回しすると、通常の冷暖房エアコンに用いられる冷凍サイクルになるという性質と、一般的な冷凍サイクルに用いられる容積型の圧縮機（コンプレッサー）が吸入口と排出口を逆にするだけで、動力取り出し部である膨張機（エキスパンダ）としても機能することを利用し、ランキンサイクルを利用した動力取り出し機関、すなわちエンジンとしての機能と、冷凍サイクルを利用したエアコンとしての機能を任意に切り替えることができるという特徴を有する容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムである。
【０００８】
また、請求項２の発明は、一般的な蒸気動力サイクルに用いられているランキンサイクル機関において、動力取り出し部である膨張機（エキスパンダ）として、容積型のエキスパンダを採用し、蒸発潜熱の小さい熱媒体を用いることによって、従来、効率よく回収できなかった低中温熱源から動力（軸出力、電気）と熱の両方を回収することが可能であるという特徴を有する請求項１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムの構成要素と熱媒体およびエネルギーの流れを示している。
図２は、図１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムのエンジンモード時のランキンサイクルの圧力−エンタルピ線図（Ｐ−ｈ線図）の概略を示している。
図３は、図１記載の容積型ランキンエンジン／空調システムのエアコンモード時の冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（Ｐ−ｈ線図）の概略を示している。図４は、容積型エキスパンダの一例としてのスクロール式エキスパンダの作動原理を示している。
【００１０】
図２および図３が示すように、ランキンサイクルを線図上で逆回しすると冷凍サイクルになるという性質と、容積型コンプレッサーが吸入口と排出口を逆にするだけでエキスパンダとしての機能を有するという性質を利用して、任意にエンジンとしての作動形態（エンジンモード）とエアコンとしての作動形態（エアコンモード）を選択できる機関を発明した。
【００１１】
図１に示すように、エンジンモードにおいては、まず、代替フロンなどの有機系熱媒体をポンプ１によって昇圧し、熱交換器８へと送る。熱交換器８はこの場合には蒸発器（エバポレータ）となっており、熱媒体の沸点よりも高温の熱源から吸熱１２し、これによって熱媒体が加熱気化され、バルブ２を経て高圧ガスとなって容積型エキスパンダ３に送り込まれる。この高圧ガスにより容積型エキスパンダ３で動力４（軸出力）を発生させ、場合によっては発電機５で発電を行わせ電力６を得る。容積型エキスパンダ３から排出されたガスは直後の膨張チャンバ７を経て熱交換器８である凝縮器（コンデンサ）で液化される。このとき熱媒体の沸点よりも低温の低熱源側に放熱１３する。その後、ポンプ１で昇圧され液化した熱媒体は、再び蒸発器８に送り込まれて、蒸発→膨張→凝縮→昇圧の密閉サイクルを繰り返す。
【００１２】
通常の蒸気動力ランキンサイクルにおいてエキスパンダとしては衝動・反動型のタービンが用いられる。装置は大型であり、本発明の対象とする低中温度域では、動力を取り出すことは困難である。このため、本発明ではエキスパンダとして、家庭用および自動車用エアコン等に普及している小型の容積型コンプレッサーをそのまま転用する。容積型コンプレッサーの場合、原理的に吸入口と排出口を逆にするだけでエキスパンダとして使用することができる。容積型エキスパンダの例としては、スクロール式、ロータリー式（ロータリーエンジン形式含む）、レシプロ式、スクリュー式などが考えられるが、現状では効率、信頼性、小型・軽量化の観点からスクロール式が適している。
【００１３】
図５にスクロール式コンプレッサーの作動原理を示す。
【００１４】
図４および図５に示すように、容積型エキスパンダであるスクロール式では、図１に示すモーター５によって軸出力を与えることによって、吸入口１５と排出口１４が逆になり、コンプレッサーとしても転用することができる。これは通常の衝動・反動型のタービンでは不可能である。エキスパンダの場合についての動作を説明すると、中心部にある吸入口１５から入った高圧ガスは、旋回スクロール１６と固定スクロール１７によって形成される膨張室１８を押し広げながら膨張し排出口１４へと出る。このとき旋回スクロール１６を旋回させていくため動力を取り出すことができる。逆に動力を与えて逆回しすることによって図５に示すようにコンプレッサーとして機能する。
【００１５】
エアコンモード時には、エンジンモード時におけるポンプ１が膨張弁９に切り替わる。エアコンモード時には、熱媒体の流れとエネルギーの流れがエンジンモード時とは逆になる。つまり、熱媒体は蒸発器８にて吸熱１２し、気化し、圧縮チャンバ７を経て容積型コンプレッサー３で圧縮され高温高圧になり、凝縮器８にて放熱１３する。その後、膨張弁９で膨張し再び蒸発器８に入る。この場合に用いる熱媒体は、エンジンモード時の高温側および低温側熱源、エアコンモード時の高温側および低温側熱源の条件に適した熱物性値を持つものを選択する。
【００１６】
通常の蒸気動力ランキンサイクルでは、熱媒体は水であるが、代替フロンなどの有機系熱媒体は、低温域で密度が大きいので機器や配管がコンパクトになるとともに、潜熱に比べて相対的に顕熱が大きくなるために水の場合より理想的なランキンサイクルに近づけることが可能で、熱回収による動力化の効率は向上する。
【実施例】
【００１７】
前述の実施形態では、容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムの構成要素、作動原理、およびエアコンとしての機能の両立方法について発案し、容積型エキスパンダとしてスクロール式の例を示した。
他の実施例として、ロータリー式（ロータリーエンジン形式含む）、レシプロ式、スクリュー式などの容積型エキスパンダが考えられる。容積型の場合、原理的に吸入口と排出口を逆に使うことによって、エキスパンダとコンプレッサーの両立が可能であるため、この条件を満たす容積型エキスパンダであればよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムでは、小出力エアコン向けの容積型コンプレッサーをランキンサイクルのエキスパンダに採用し、蒸発潜熱の小さい熱媒体を使用することによって、従来の技術では、回収することが困難であった低中温度エネルギーを高効率で回収することが可能となる。
【００１９】
これによって、これまで利用されていなかった自然エネルギーや無為に棄てられていた諸排熱などからエネルギーを効率よく回収することが可能となり、環境問題の緩和に貢献することができる。
【００２０】
とくに本発明は熱媒体を適宜選択することにより、家庭や工場、病院、ホテル、車などの移動体、バイオマス、発酵熱、太陽熱、海洋温度差、地中熱など、あらゆる排熱から動力や熱を取り出すことが可能であり、２１世紀の新しいエネルギー技術として、極めて有望である。
【００２１】
さらに本発明では、エンジンモードとエアコンモードを任意に選択することが可能となり、エネルギー回収だけではなく、冷暖房・冷凍にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムの構成要素と熱媒体およびエネルギーの流れを示す図である。
【図２】図１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムのエンジンモード時のランキンサイクルの圧力−エンタルピ線図（Ｐ−ｈ線図）の概略図である。
【図３】図１記載の容積型ランキンエンジン／空調・冷凍システムのエアコンモード時の冷凍サイクルの圧力−エンタルピ線図（Ｐ−ｈ線図）の概略図である。
【図４】スクロール式エキスパンダの作動原理である。
【図５】スクロール式コンプレッサーの作動原理である。
【符号の説明】
１ ポンプ
２ バルブ
３ 容積型エキスパンダ兼コンプレッサー
４ 動力
５ 発電機兼モーター
６ 電力
７ 膨張圧縮チャンバ
８ 熱交換器（蒸発器兼凝縮器）
９ 膨張弁
１０ エンジンモード時の熱媒体の流れ
１１ エアコンモード時の熱媒体の流れ
１２ 吸熱
１３ 放熱
１４ 排出口
１５ 吸入口
１６ 旋回スクロール
１７ 固定スクロール
１８ 膨張室
１９ 排出過程
２０ 吸入過程
２１ 膨張過程
２２ 圧縮室
２３ 圧縮過程[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to the production of a power generator, a generator, and a high-temperature heat medium using a low to medium temperature of 40 ° C. to 300 ° C., and further relates to cooling / heating / refrigeration.
[0002]
[Prior art]
In various industrial fields such as power plants and factories, despite the extremely high emission of low and medium temperature energy, it is recovered by a waste heat boiler and used as heating steam or miscellaneous steam in factory processes, Mostly used for air conditioning and hot water supply. Further, in internal combustion engines such as automobiles, power utilization of exhaust heat is hardly performed at present. There is only a slight turbocharger for charging.
[0003]
In recent years, along with the emergence of environmental problems, the use of natural energy such as solar energy, geothermal energy, wind power, biomass, and ocean temperature difference has attracted attention as an alternative energy resource to replace fossil fuels. In particular, fossil fuels such as petroleum, coal, and natural gas are likely to be depleted in the middle of this century, considering the rapid population growth in the future. Searching for an energy source to replace fuel is one of the biggest challenges this century. However, since energy directly obtained from natural energy or the like has a low or medium temperature of 40 ° C. to 300 ° C., a device for efficiently extracting power from these is required. .
[0004]
In the prior art, gas turbines, steam turbines, and internal combustion engines, which are premised on the use of fossil fuels, are mainly used, and it is difficult to efficiently extract power from low and medium temperatures. Conventional steam turbines and gas turbines are designed based on the combustion temperature of fossil fuels (about 1500 ° C.), and do not operate at all in the above temperature range of 40 to 300 ° C. where natural energy is abundantly obtained. Therefore, in order to solve this, it is necessary to use a new cycle based on a completely different concept.
[0005]
Furthermore, in the prior art, it was impossible to realize both a Rankine cycle and a refrigeration cycle, which are steam power cycles, with the same system. In order to effectively use natural energy having a low energy density, such as natural energy, such multi-functionalization is necessary.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The problem to be solved is that it is difficult to efficiently recover power, work, and the like from low to medium temperature energy of 40 ° C. to 300 ° C. in the related art. Another object is to make the Rankine cycle and the refrigerating cycle, which is the reverse cycle, compatible with the same system.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of claim 1 is used in a normal air conditioner when a Rankine cycle is reversed on a diagram in a Rankine cycle used in a general steam power cycle. The nature of becoming a refrigeration cycle and the displacement type compressor (compressor) used for general refrigeration cycle only reverses the inlet and outlet, and it can also be used as an expander (expander) as a power take-out part Positive-displacement Rankine engine / air-conditioning / air-conditioning system having a feature that it can be arbitrarily switched between a function as a power take-out engine using a Rankine cycle, that is, an engine and a function as an air conditioner using a refrigeration cycle. It is a refrigeration system.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in a Rankine cycle engine used in a general steam power cycle, a positive displacement expander is adopted as an expander (expander) as a power take-out unit, and the latent heat of evaporation is reduced. 2. The volume according to claim 1, wherein by using a small heat medium, it is possible to recover both power (shaft output, electricity) and heat from a low-to-medium-temperature heat source that could not be efficiently recovered conventionally. Type Rankine engine / air conditioning / refrigeration system.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 shows the components of a positive displacement Rankine engine / air conditioning / refrigeration system and the flow of heat medium and energy.
FIG. 2 schematically shows a pressure-enthalpy diagram (P-h diagram) of a Rankine cycle in an engine mode of the positive displacement Rankine engine / air conditioning / refrigeration system shown in FIG.
FIG. 3 schematically shows a pressure-enthalpy diagram (Ph diagram) of the refrigeration cycle in the air conditioner mode of the positive displacement Rankine engine / air conditioning system shown in FIG. FIG. 4 shows an operation principle of a scroll expander as an example of a positive displacement expander.
[0010]
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, when the Rankine cycle is reversed on the diagram, it becomes a refrigeration cycle, and the positive displacement compressor has a function as an expander simply by reversing the inlet and the outlet. By utilizing this characteristic, the inventor of the present invention has invented an engine capable of arbitrarily selecting an operation mode (engine mode) as an engine and an operation mode (air conditioner mode) as an air conditioner.
[0011]
As shown in FIG. 1, in the engine mode, first, an organic heat medium such as an alternative fluorocarbon is pressurized by the pump 1 and sent to the heat exchanger 8. In this case, the heat exchanger 8 serves as an evaporator (evaporator), and absorbs heat 12 from a heat source having a temperature higher than the boiling point of the heat medium, whereby the heat medium is heated and vaporized and becomes high-pressure gas through the valve 2. And is sent to the positive displacement expander 3. Power 4 (shaft output) is generated by the positive displacement expander 3 by the high-pressure gas, and in some cases, power is generated by the generator 5 to obtain power 6. The gas discharged from the positive displacement expander 3 passes through the expansion chamber 7 immediately thereafter and is liquefied in a condenser (condenser) which is a heat exchanger 8. At this time, the heat is radiated to the low heat source side at a temperature lower than the boiling point of the heat medium. Thereafter, the heat medium pressurized and liquefied by the pump 1 is sent again to the evaporator 8, and a closed cycle of evaporation → expansion → condensation → pressure is repeated.
[0012]
In an ordinary steam-powered Rankine cycle, an impulse / reaction type turbine is used as an expander. Since the device is large, it is difficult to extract power in the low to medium temperature range targeted by the present invention. For this reason, in the present invention, as an expander, a small positive displacement compressor widely used in home and automobile air conditioners and the like is diverted as it is. In the case of a positive displacement compressor, in principle, it can be used as an expander simply by reversing the inlet and outlet. Examples of positive displacement expanders include scroll type, rotary type (including rotary engine type), reciprocating type, screw type, etc. At present, scroll type is suitable from the viewpoints of efficiency, reliability, miniaturization and weight reduction. ing.
[0013]
FIG. 5 shows the operation principle of the scroll compressor.
[0014]
As shown in FIGS. 4 and 5, in the scroll type which is a positive displacement expander, the suction port 15 and the discharge port 14 are reversed by giving the shaft output by the motor 5 shown in FIG. can do. This is not possible with conventional impulse / reaction turbines. The operation in the case of the expander will be described. The high-pressure gas entering from the suction port 15 at the center expands while expanding the expansion chamber 18 formed by the orbiting scroll 16 and the fixed scroll 17, and expands to the discharge port 14. Get out. At this time, since the orbiting scroll 16 is turned, power can be taken out. On the other hand, by applying power and turning the motor in the reverse direction, it functions as a compressor as shown in FIG.
[0015]
In the air conditioner mode, the pump 1 in the engine mode is switched to the expansion valve 9. In the air conditioner mode, the flow of the heat medium and the flow of energy are opposite to those in the engine mode. That is, the heat medium absorbs heat 12 in the evaporator 8, evaporates, is compressed by the positive displacement compressor 3 through the compression chamber 7, becomes high temperature and high pressure, and radiates heat 13 in the condenser 8. Then, it expands with the expansion valve 9 and enters the evaporator 8 again. The heat medium used in this case is selected from those having thermophysical properties suitable for the conditions of the high-temperature and low-temperature heat sources in the engine mode and the high-temperature and low-temperature heat sources in the air conditioner mode.
[0016]
In a normal steam-powered Rankine cycle, the heat medium is water, but organic heat medium such as chlorofluorocarbon has a high density in the low-temperature range, which makes equipment and piping compact, and is relatively more visible than latent heat. Since the heat is increased, it is possible to approach an ideal Rankine cycle more than in the case of water, and the efficiency of power generation by heat recovery is improved.
【Example】
[0017]
In the above-described embodiment, a method of balancing the components, the operating principle, and the function as an air conditioner of the positive displacement Rankine engine / air conditioning / refrigeration system was proposed, and a scroll type example was shown as the positive displacement expander.
As another embodiment, a positive displacement expander such as a rotary type (including a rotary engine type), a reciprocating type, and a screw type can be considered. In the case of the positive displacement type, in principle, it is possible to achieve both the expander and the compressor by using the suction port and the discharge port in reverse. Therefore, a positive displacement expander that satisfies this condition may be used.
【The invention's effect】
[0018]
As described above, in the positive displacement Rankine engine / air conditioning / refrigeration system of the present invention, by using a positive displacement compressor for a small output air conditioner in the expander of the Rankine cycle and using a heat medium having a small latent heat of vaporization, With the conventional technology, low-medium temperature energy, which has been difficult to recover, can be recovered with high efficiency.
[0019]
This makes it possible to efficiently recover energy from natural energy that has not been used up to now or various kinds of waste heat that have been abandoned, thereby contributing to alleviation of environmental problems.
[0020]
In particular, the present invention can select power and heat from any waste heat such as homes, factories, hospitals, hotels, moving objects such as cars, biomass, fermentation heat, solar heat, ocean temperature difference, ground heat, etc. Can be taken out and is very promising as a new energy technology in the 21st century.
[0021]
Further, according to the present invention, the engine mode and the air conditioner mode can be arbitrarily selected, and the present invention can be used not only for energy recovery but also for cooling / heating / refrigeration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing components of a positive displacement Rankine engine / air conditioning / refrigeration system, and a flow of heat medium and energy.
FIG. 2 is a schematic diagram of a pressure-enthalpy diagram (Ph diagram) of a Rankine cycle in an engine mode of the positive displacement Rankine engine / air conditioning / refrigeration system shown in FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram of a pressure-enthalpy diagram (Ph diagram) of a refrigeration cycle in an air conditioning mode of the positive displacement Rankine engine / air conditioning / refrigeration system shown in FIG.
FIG. 4 is an operation principle of a scroll expander.
FIG. 5 is an operation principle of a scroll compressor.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 pump 2 valve 3 positive displacement expander / compressor 4 power 5 generator / motor 6 power 7 expansion / compression chamber 8 heat exchanger (evaporator / condenser)
9 Expansion Valve 10 Flow of Heat Medium in Engine Mode 11 Flow of Heat Medium in Air Conditioner Mode 12 Heat Absorption 13 Heat Release 14 Outlet 15 Inlet 16 Orbiting Scroll 17 Fixed Scroll 18 Expansion Chamber 19 Discharge Process 20 Suction Process 21 Expansion Process 22 Compression chamber 23 Compression process
