JP2022513231A - ヒートポンプ装置およびヒートポンプ装置を備える地域熱供給網 - Google Patents

Abstract

本発明は、冷却を行う際にランキンサイクルおよびカルノーサイクル部を備えるヒートポンプ装置を提供する。ランキンサイクルは、外部水源（１）から受けた水を直接蒸発させることにより蒸発を行うよう構成された蒸発器（７）を備える。膨張機（７）は、蒸発器（２１）から蒸気を受け、カルノーサイクルの流体を圧縮する圧縮器（９）を駆動する。その後、流体は凝縮器（１３ｂ）で凝縮され、吸収器（１０）で蒸発される。【選択図】図１

Description

本発明は、一般に熱駆動ヒートポンプ装置に関する。ポンプは、低温でランキンサイクル／蒸発器および膨張器部分によって駆動される。これは、内圧が低く、例えば水が７０℃で沸騰するため、可能である。運転サイクルに導入される熱エネルギーは、太陽光吸収パネル、余剰プロセス熱、地域熱供給グリッド、またはそれらの組み合わせから得ることができる。生成された気体流体は、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する膨張タービンを通過する。機械的エネルギーは、適切な歯車を備えた軸を介して、装置の圧縮器サイクル／圧縮器部分の圧縮器に伝達される。機械的動力は、例えば内燃機関または電気モータからのエネルギーを様々な比率でさらに加えることができる。

圧縮器は給液側に真空を発生させ、それにより対象の流体の蒸発を可能にする。熱エネルギーは、蒸発して気相になる液体から抽出される。気体は圧縮されて内部圧力が上昇し、高温での凝縮が可能となる。これにより、エネルギーはある場所から他の場所に送り込まれる。高温により、他のプロセスでのエネルギーの使用が可能となる。エネルギーは、ランキンサイクルを予熱するために使用されるか、または単に熱供給として機能することができる。蒸発プロセスは流体からエネルギーを抽出するため、流体を理想的な冷却媒体とする。

さらに、本発明は、ヒートポンプ装置を備える地域熱供給網に関する。

上記種類のヒートポンプ装置は、冷却および加熱のための装置を開示しているＵＳ ６５８１３８４ Ｂ１、ならびに、いずれも冷却のための装置を開示しているＷＯ ２００７／０３８９２１ Ａ１およびＷＯ ２０１１／１００９７４ Ａ１から公知である。公知の装置では、流体は閉サイクル内を流れている、すなわち、装置の動作中には、流体がサイクルから取り出されたり、サイクルに加えられたりしない。換言すれば、装置の動作中、外部液体源から装置のサイクルに液体は供給されず、装置から外部液体源に液体は供給されない。さらに、膨張器に入る前に、液体は、仕切り壁を介して外部熱源と熱交換して加熱される。

米国特許第６５８１３８４号公報 国際公開第２００７／０３８９２１号パンフレット 国際公開第２０１１／１００９７４号パンフレット

本発明の目的は、冷却の必要性を満たすヒートポンプ装置を提供することである。

さらなる目的は、地域熱供給プラントの性能を改善するために使用可能な多用途のヒートポンプ装置を提供することである。

追加の目的は、費用効果が高く、信頼できるヒートポンプ装置を提供することである。

本発明は、
－外部液体源から、液体入口ラインおよび蒸発器入口を介して、蒸発室に受け取った液体を直接蒸発によって蒸発させるように構成された蒸発タンク等の蒸発器であって、蒸発室内の圧力は液体入口ライン内の圧力よりも低く、かつ、蒸発室に入る液体を蒸発させるのに十分に低い、すなわち、蒸発室内の圧力は、圧力に関連する液体の蒸発温度が、蒸発器入口を通って蒸発室に入る液体の温度よりも低くなるようなものであり、かつ、蒸発器蒸気出口６０を通って蒸発器から出る加圧蒸気の生成を可能にするものであり、蒸発器はさらに蒸発器液体出口を備える、蒸発器と、
－膨張器入口および膨張器出口を有する膨張器であって、膨張器入口は、膨張器を駆動するために蒸発器からの加圧蒸気を受け取るための蒸発器蒸気出口への流体接続を有する、膨張器と、
－圧縮器入口および圧縮器出口を有する圧縮器であって、圧縮器入口の低圧低温入口気体から圧縮器出口の高圧高温出口気体に気体を圧縮するために膨張器によって作動可能に駆動される、圧縮器と、
－第１の凝縮器入口および第１の凝縮器出口を有する第１の凝縮器であって、第１の凝縮器入口は、膨張器出口への流体接続を有し、かつ、膨張器から受け取った流体を凝縮するように構成されており、第１の凝縮器出口は第１の液体出口ラインに接続されている、第１の凝縮器と、
を備えるヒートポンプ装置を提供する。

地域熱供給プラントの熱源等の外部熱源から受け取った液体を直接蒸発させることにより、ヒートポンプ装置は、かかるプラントおよび産業用冷熱供給システムおよび廃液システム等の他のプラントまたはシステムの性能を向上させるのに適している。

直接蒸発は、蒸発器（蒸発タンク）内の真空または部分真空によって提供される蒸発と理解されるべきである。

外部液体源は、前述の従来技術のヒートポンプシステム等のヒートポンプシステムの内部を循環する内部液体とは対照的に、その一部がヒートポンプ装置から取り出されたり、ヒートポンプ装置に供給されたりする液体として理解されるべきである。

システム全体で媒体として水を使用することが好ましいが、他の媒体、特に天然媒体も容易に想定できる。熱エネルギーを含む同じ媒体、例えば地域熱供給用の水を有することにより、および、膨張器を駆動する水を蒸発させることにより、熱交換器の使用を排除した直接蒸発戦略が可能になる。例えば蒸発器内で直接減圧された地域熱供給液を有することで、熱交換器を使用する場合よりも約５℃低い温度での蒸発が可能である。これは、７５℃と比較して７０℃での蒸発を可能とし、効率において大きな相違となる。また、熱システムと装置のランキンサイクル／蒸発器および膨張器部の両方で同じ媒体を使用することにより、直接凝縮も可能である。一例として、給液地域熱供給液（高温）を用いて蒸気を膨張器に入れて直接蒸発させ、復液（低温）を用いて膨張器の排出口に直接噴霧され、直接凝縮を生じさせることが想定される。ここでも、熱交換器／凝縮器の使用と比較して、高温での凝縮が可能である。また、本発明の圧縮側では、達成された圧力水準が復液を用いて凝縮できるほど十分に高い場合には、直接凝縮も可能である。この設定では、システムの駆動に使用されるほぼ全てのエネルギーが地域熱供給グリッド内に保持される。また、本発明の冷却能力を地域熱供給グリッドに伝達することも可能となる。地域熱供給、または例えば製造工程からの余剰熱供給を利用する場合本発明は、ランキンサイクルを駆動するために高温ラインを２つの方法で使用する。蒸発を行う際は、入水温度を、例えば８０℃から７５℃まで下げる。この水はグリッドに戻され、給液ラインの全体的な温度を下げる。凝縮エネルギーが給液パイプラインから復液ラインに伝達されるため、復液ラインの温度はわずかに上昇する。同じ戦略を、ソーラー駆動ユニットにも展開することができる。これにより、システム内にエネルギーが蓄積されるが、これは高効率システムでは望ましくない。地域熱供給の場合、通常、パイプライングリッドでかなりの熱損失が発生し、本発明によるエネルギー増加を適切に平準化する。本発明において地域熱供給グリッド水のみを使用することにより、２つの主要な利点が可能になる。第一に、空冷凝縮の必要がなくなる。ユニットは、自由大気の利用を必要とせず、大規模な高層ビルの地下室に配置することができる。最上階と屋上は、冷却塔以外の処理に利用できる。第二に、冷却範囲は周囲の大気や外気温にもはや左右されない。現在は、空気への凝縮容量ではなく、地域エネルギーグリッドの温度差が制限要因となっている。グリッド内の温度差が３０Ｋの場合、単一のユニットが同じく３０Ｋを冷却することができる。直列で作業すると、空気温度に関係なく、ユニットごとに３０Ｋの冷却段階の縦続効果が容易に想定される。

本発明は、地域エネルギー網の使用を最適化するのに役立つであろう。伝統的に、多くの熱供給グリッドは、１年のうちの暑い時期に性能が低下する。本発明は、暑い季節に熱供給の必要性を生じさせるため、この時期に最適な使用を可能にする。パイプラインでより大きな流量が必要になると、ボイラーが最適な設定で運転できるので、グリッドの性能も向上する。本発明は、圧縮器サイクルによるエネルギー水準の移動を可能にする。蒸発プロセスは、発生するためにエネルギーを必要とする。これは、周囲からエネルギーを吸収することによって行われ、その結果、温度低下を冷却に使用できる。蒸発した気体は、より高い温度または圧力で凝縮するために圧縮される。蒸発によって消費されるエネルギーは、凝縮時に完全に放出される。したがって、６０℃で蒸発した水は、７０℃で凝縮することができる。これにより、熱駆動ヒートポンプが可能となる。たとえば、熱供給プラントが６０℃の給液供給を行う２段階の地域熱供給網があるとする。４０℃の蒸発温度でランキンサイクルを作動することにより、それを７０℃に上げることができる。圧縮中、熱エネルギーをランキンサイクルに伝達し、膨張器内で凝縮することなく完全に膨張することができるようにするために、温度を十分に高くする。

一例によれば、装置は、第２の凝縮器入口および第２の凝縮器出口を有する第２の凝縮器を備え、第２の凝縮器入口は、圧縮器出口への流体接続を有し、この圧縮器出口を通って高圧高温の出口気体が圧縮器から流出する。

第２の凝縮器出口は、蒸発システムへの流体接続を有することができる。

蒸発システムは、吸収器入口および吸収器出口を有する吸収器を備えることができ、吸収器入口は第２の凝縮器出口への流体接続を有し、吸収器出口は圧縮器入口に接続され、低圧低温気体が圧縮器に入る。

あるいは、蒸発システムは、液体を気体から分離し、第１の入口および第２の入口、分離器気体出口および分離器液体出口を有する気液分離器を備えることができる。分離器気体出口は圧縮器入口に流体接続しており、この圧縮機入口を通って低圧低温が圧縮器に入る。分離器液体出口は、吸収器出口を有する吸収器の吸収器入口に流体接続している。分離器の第１の入口は第２の凝縮器の出口に流体接続しており、分離器の第２の入口は、吸収器の出口に流体接続している。

一例として、第２の凝縮器は、第１の温度を有する液体の液体供給のための第２の入口を付加的に有する噴霧凝縮器とすることができ、高圧高温の出口気体と第１の温度を有する液体との噴霧凝縮が温度上昇のために提供されると、第２の凝縮器の出口を通って第２の凝縮器から出る液体が第１の温度より高い第２の温度を有する。

第１の凝縮器は、第１の温度を有する液体の液体供給のための第２の入口（８０）をさらに有する噴霧凝縮器とすることができ、膨張器から受け取った流体と第１の温度を有する液体との噴霧凝縮が温度上昇のために提供されると、第１の凝縮器の出口を通って第１の凝縮器を出る液体が第１の温度より高い第２の温度を有する。

第１の外部液体源は、単一のラインシステムとすることができ、第１の液体入口ラインおよび第１の液体出口ラインは、第１の外部液体源の１つの同一の単一ラインに接続される。

一例として、第１の外部液体流体源の第１の外部液体源は、第１の外部源供給ラインおよび第１の外部源復液ラインを備える液体循環システムとすることができる。

第１の外部液体源の第１の外部源供給ライン内の液体は、第１の外部液体源の第１の外部源復液ライン内の液体よりも高温とすることができる。

第１の液体入口ラインは、液体流体の第１の外部源の第１の外部源供給ラインに接続することができる。

第１の液体入口ラインは、液体流体の第１の外部源の第１の外部源復液ラインに接続することができる。

第１の液体出口ラインは、液体流体の第１の外部源の第１の外部源供給ラインに接続することができる。

第１の液体出口ラインは、液体流体の第１の外部源の第１の外部源復液ラインに接続することができる。

蒸発器液体出口は、第１の外部液体源に流体接続することができ、第１の凝縮器出口は、第１の外部液体源に流体接続することができる。

一例によれば、気液分離器は、第２の凝縮器に流体接続しており、第２の凝縮器出口は、第１の外部液体源に流体接続された第１の液体出口ラインに接続される。

さらなる例として、圧縮器出口は、蒸発器の壁または蒸発器の蒸発室内に配置された熱交換器を介して、任意選択で噴霧凝縮器とすることができる第２の凝縮器に流体接続することができ、それによって圧縮器から膨張器へのエネルギーの伝達を可能にする。

圧縮器出口は、気液分離器と圧縮器の間で、圧縮器出口ラインと圧縮器入口ラインとの間の熱交換を行う熱交換器を介して、任意選択で噴霧凝縮器とすることができる第２の凝縮器に流体接続することができる。

外部加熱源を、凝縮器と膨張器の間の流体接続（ライン）に配置することができる。

一例では、２つ以上の膨張器が直列に配置され、第１の膨張器は蒸発器からの排出流によって駆動され、第２の膨張器は第１の膨張器からの排出流によって駆動される。

膨張器は、並列または直列に配置されたそれぞれの圧縮器に駆動可能に接続することができる。

一例では、第１の膨張器は圧縮器に駆動可能に接続され、第２の膨張器は発電機に駆動可能に接続されている。

さらなる例では、熱交換器は、圧縮器からの流体出口ラインと、第１の膨張器から第２の膨張器への排出ラインとの間に配置される。

付加的な例では、２つ以上の膨張器が並列に配置され、両方が蒸発器からのそれぞれの排出流によって直接駆動され、直列に配置されたそれぞれの圧縮器に駆動可能に接続され、第１の圧縮器からの排出気体が第２の圧縮器に送られる。

さらなる例では、始動手順または連続運転中の手順を支援するために、補助モータが膨張器または圧縮器に接続されている。

本発明はさらに、
第１のグリッドである第１の外部液体源と、第２のグリッドである第２の外部液体源とを備え、第１のグリッドは第１のグリッド供給ラインおよび第１のグリッド復液ラインを備え、第２のグリッドは第２のグリッド供給ラインおよび第２のグリッド復液ラインを備え、
第１のグリッド供給ラインは第２のグリッド供給ラインより低温であり、第１のグリッド復液ライン（５４）は第２のグリッド復液ラインより低温であり、
第１および第２のグリッドのラインは、請求項１および２に記載のヒートポンプ装置に接続されており、ヒートポンプ装置はさらに、
気体を液体から分離し、液体入口と液体出口と、圧縮器入口に流体接続されている気体出口とを有する気液分離器を備える、地域熱供給網を提供する。

一例によれば、蒸発器への第１の液体入口ラインは、第２のグリッドの復液ラインに液体接続されている。分離器の液体入口は、第１グリッドの供給ラインに流体接続されている。第２の凝縮器の入口は、分離器の液体出口に流体接続されている。蒸発器の液体出口は、第２のグリッドの復液ラインに流体接続されている。第２の凝縮器の液体出口は、第２のグリッドの供給ラインに流体接続されており、第１の凝縮器からの液体出口ラインは、第１のグリッドの復液ラインに流体接続されている。

さらなる例によれば、蒸発器への液体入口ラインは、第１のグリッドの供給ラインに流体接続されている。分離器への液体入口は、第２のグリッドの復液ラインに流体接続されている。分離器からの液体出口は、第２のグリッドの復液ラインに流体接続されている。蒸発器の液体出口は、第２の凝縮器に流体接続されている。第２の凝縮器は、第２のグリッドの供給ラインへの流体出口を有し、第１の凝縮器からの液体出口ラインは、第１のグリッドの復液ラインに流体接続されている。

第１または第２の外部液体源からの入口ラインには、装置の低い内部圧力（部分真空）に適合させるために、減圧弁または絞り弁等の減圧手段を設けることが好ましい。

装置から第１および／または第２の外部液体源への出口ラインには、装置内の低圧を第１および第２の外部液体源のより高い圧力に適合させるために、ポンプなどの加圧手段を設けることが好ましい。

出口ラインおよび入口ラインのそれぞれに加圧および減圧手段を使用する代わりに、いわゆるブートストラップポンプを使用して、出口ラインの流体を加圧し、入口ラインの流体を減圧することができる。

簡単に言えば、ブートストラップポンプは、タービンまたはリバースポンプと、軸が相互に接続されたポンプとを組み合わせたものである。液体源からの高圧、例えば６バールが、ポンプを駆動するタービンの入口に与えられる。これにより、液体の圧力は、例えば、タービンの出口で０．５バールに下げられる。０．５バールの液体を本発明の装置に供給することができる。本発明による装置における低流体圧（部分的に真空）は、低圧流体、例えば０．５バールをポンプの入口に与えられる。ポンプは、流体の圧力を例えば５．９バールまで上昇させる。５．９バールでは、例えば６バールの圧力を有する外部の液体源に液体を送り返すのに十分ではないので、ポンプ出口からの液体を小さなポンプに送り、例えば０．２バール圧力を増加させて６．１バールとし、液体を外部液体源にポンプで戻すことを可能とする。

地域熱供給液をシステムに入れてそれを地域エネルギーグリッドに戻す場合には、ブートストラップポンプで必要な仕事は、圧力バルブを通常のポンプと組み合わせる場合よりも１桁少なくなる。世界中の地域熱供給網は、給液圧力が４バールから２８バール以上で、復液の圧力がこれより低いように設計されている。ソーラーパネルに接続されたシステムでも、これらのポンプを使用すると大幅な効率の向上が見られる。

本発明に係るヒートポンプ装置の第１の実施例を示す。 第１の実施例に気液分離器を追加した、第１の実施例の若干の変形例を示す。 地域熱供給システムの復液ラインの水の温度を下げるためにヒートポンプ装置を用いる実施例を示す。 ブートストラップポンプの使用例を示す。 分離器と第２の凝縮器の間に接続ラインが設けられた、ブートストラップポンプを用いる追加実施例を示す。 過熱蒸気を直接発生させる実施例を示す。 圧縮器への入口ラインの温度を上昇させる熱交換器を有する実施例を示す。 発熱源により過熱蒸気を発生させる実施例を示す。 圧縮器からの圧縮蒸気を蒸発器の加熱に用いる実施例を示す。 より高い圧力上昇のために直列に接続された複数の並列膨張器および圧縮器の実施例を示す。 異なる温度範囲で動作する複数の膨張器および圧縮器が直列に接続された実施例を示す。 膨張器を駆動するために、ヒートポンプが第２のグリットの復液ラインを用いる、地域熱供給網の第１の実施例を示す。 膨張器を駆動するために、ヒートポンプが第１のグリットの供給／給液ラインを用いる、地域熱供給網の第２の実施例を示す。 第１のグリッドと第２のグリッドとの間にヒートポンプ装置を配置した地域熱供給網を示す。 発電を行う実施例を示す。 発電を行う他の実施例を示す。

本発明の実施形態は、添付の図面に関連して以下に説明される。図面は、本発明を実施する１つの方法を示しており、他の可能な実施形態に限定するものとして解釈されるべきではない。

図１は、熱交換器１３ｂによる吸収面１８から周囲へのエネルギー伝達装置の一例を示す。熱水は、ライン５を介して蒸発タンク２１に接続された熱源１から提供される。パイプは同時に減圧弁として機能し、蒸発器２１内の圧力を低下させ、水を直接蒸発させる。蒸発しなかった水はライン１６ｂに戻され、ライン１６ａからの凝縮水と混合されて、熱源１に戻される。ポンプ４ａは液体の圧力を高めて、熱源１からの圧力に適合させる。いずれの従来技術とも対照的に、水は蒸発器２１内で直接蒸発され、熱源から可能な限り低い温度水準で蒸気を発生させ、従来技術によって教示される熱交換器２の使用を排除する。蒸発器２１からの蒸気は、熱交換器／凝縮器１３ａで凝縮される前に膨張器７を駆動し、そこから凝縮水はライン１６ａを通って熱源１に戻される。膨張器７は、機械的連結軸１０により圧縮器９を駆動する。ポンプが液体冷媒を吸収面１８に循環させ、そこで周囲から熱エネルギーが吸収される。冷媒は、吸収器１８において液体と気体の混合物となる。しかしながら、その頂部では、気体は液体から分離され、それにより本質的に気体のみが吸収器の出口７９から圧縮器の入口６４へ流れる。

図２は、図１の実施例の変形例を示す。図２に示すヒートポンプ装置の実施例は、熱交換器１３ｂによる吸収面１８から周囲へのエネルギー伝達を提供する。熱水は、ライン５を介して蒸発タンク２１に接続された熱源１から提供される。パイプは同時に減圧弁として機能し、２１の圧力の低下をもたらし、水を直接蒸発させる。蒸発しなかった水はライン１６ｂに戻され、ライン１６ａからの凝縮水と混合され、熱源１に戻される。ポンプ４ａは液体の圧力を高めて、熱源１からの圧力に適合させる。いずれの従来技術とも対照的に、水は蒸発器２１内で直接蒸発され、熱源から可能な限り低い温度水準で蒸気を発生させ、従来技術によって教示される熱交換器２の使用を排除する。蒸発器２１からの蒸気は、熱交換器／凝縮器１３ａで凝縮される前に膨張器７を駆動し、そこから凝縮水はライン１６ａを通って熱源１に戻される。膨張器７は、機械的連結軸１０により圧縮器９を駆動する。ポンプが液体冷媒を吸収面１８に循環させ、そこで周囲から熱エネルギーが吸収される。冷媒は、吸収器１８において液体と気体の混合物となる。接続された圧縮器が真空を適用して気相を除去するので、分離タンク９８内で２相が分離される。残留する液体は、この熱吸収サイクルで再利用される。気相は、凝縮のために圧縮器から熱交換器または凝縮器１３ｂに導かれる。このプロセスからの熱は、第２の凝縮器１３ｂで周囲に伝達される。先行技術とは対照的に、２つのサイクル（ランキンおよびカルノー）は、材料の交換なしで分離される。これにより、必要に応じて、さまざまな駆動および冷却媒体を容易に使用できる。

図３は、地域熱供給システムの復液ラインの水の温度を下げるためにヒートポンプ装置を用いる実施例を示す。地域熱供給プラントからの復液が復液ライン５４を流れる。復液は減圧され、３本のライン５ａ、５ｂ、５ｃのそれぞれの流れに分けられる。ライン５ａの流れは、噴霧凝縮器５１での噴霧凝縮に用いられる。ライン５ｂの流れは、蒸発器２１で蒸発し、蒸発した蒸気が膨張器７を駆動する。第３のライン５ｃの流れは気液分離器９８で蒸発する。蒸発した蒸気は、その入口を通って圧縮器に入り、圧縮器によって噴霧凝縮器５１に送り込まれ、凝縮される。これにより、熱水を給液ライン５３に送り込むことができる。その結果、復液ライン内の復液流が冷却され、プラントは改善された効率を得ることができる。

図４は装置を示しており、熱源１が、給液／供給ライン５３および復液供給ライン５４を有する地域熱供給システムとして表されている。通常、給液ライン５３内の流れは、復液ライン５４の流れよりも高温である。給液ライン５３は、ブートストラップポンプ４０を介して蒸発タンク２１に導かれる。減圧プロセスから得られたエネルギーは、流れを熱源に戻すためにブートストラップポンプ４０に吸収される。蒸発器２１内で蒸気が発生し、膨張器７を通過してそれを回転させる。蒸発器２１内に残留する水は、ブートストラップポンプ４０を介して熱源１に戻される。ブートストラップポンプを用いることにより、液体を戻す作業負荷を最小限にする。復液流５４からの水は、膨張器の排出蒸気の第１の凝縮器５１での直接凝縮のためにブートストラップポンプ４２を通って導かれる。得られた液体は、ブートストラップポンプ４０を介して熱源５４に戻される。この図のカルノーサイクルは、図２のそれに類似する。

図５は、地域熱供給グリッドに接続された冷却装置を示す。熱水は、給液パイプ（５３）によってブートストラップポンプ４０に供給される。減圧された水は蒸発タンク２１に入り、蒸気を発生させる。蒸気は、軸１０を介して圧縮器９を駆動する膨張器７を介して供給される。軸という用語は広義に解釈されるべきであり、機械的接続を提供できるすべての手段または装置を含む。これには、膨張器７と圧縮器９の異なる回転速度に対する歯車の使用を含む。この実施形態および以下の実施形態では、圧縮器９は、ラジアル遠心圧縮器または軸流圧縮器のような任意の形状または技術とすることができる。圧縮器ステップは、直列または並列に実行することができる。凝縮および最終的な熱交換の要件に適合するために、十分な圧力レートが生成されると想定される。膨張器７からの排出は、タンク５１内の直接水噴霧凝縮によって凝縮される。タンク５１内の液体水は、地域熱供給復液５４によって供給される。水は、ブートストラップポンプ４１で減圧される。凝縮液は、ブートストラップポンプ４１によって地域熱供給グリッド５４に送り戻される。圧縮器９は、相分離タンク９８内に連続真空を発生させ、水から蒸気を取り除く。冷却は、熱吸収面１８によって提供される。熱は、水／蒸気混合物を生成することによって吸収され、水／蒸気混合物は分離器９８で相分離される。圧縮器９からの圧縮気体は、タンク５２内の直接水噴霧凝縮で凝縮される。第２の凝縮器５２内の液体水は、復液ライン５４からの地域熱供給復液によって供給される。水は、ブートストラップポンプ４２で減圧される。凝縮液は、ブートストラップポンプ４２によって、地域熱供給グリッド５４に送り戻される。または、凝縮を、１３ｂを介して周囲の空気に行わせることもできる。膨張器７からの排出は、第１の凝縮器１３ａを用いる構成によって同様に凝縮することができる。蒸発器２１内の未使用の水は、ブートストラップポンプ４０によって地域熱供給グリッド５３に送り戻される。分離器９８と第２の凝縮器５２との間の点線で示された流体接続ライン６８は、ヒートポンプ装置に液体が再充填される場合には省略できるという意味で任意選択である。しかしながら、接続ラインは、再充填の必要なくヒートポンプ装置内に十分な水を維持するので有利である。図６～図１０に示す接続ライン６８についても同様である。

図６は、圧縮器９からの圧縮蒸気が熱交換器５５に導かれ、蒸発器２１内の液体気体混合物を加熱して、過熱蒸気を直接生成させ、これを膨張器７に導く他の実施形態を示す。膨張器７、軸１０、または圧縮器９のいずれかに取り付けられたモータ９９は、始動手順を支援するか、または、連続的に装置のハイブリッド動力供給を可能にするか、または、膨張器７、軸１０、および圧縮器９の回転速度を管理するために使用される。十分な熱エネルギーが利用できる場合、モータ９９は発電機として機能することができる。

図７は、図５に示したもののさらなる実施形態である。圧縮器９からの十分に高い排出温度を用いて、蒸発器２１からの残留水を用いた直接凝縮が第２の凝縮器５２において可能である。これにより、供給ライン５３内の給液流に送り戻される水の温度が上昇する。これにより、吸収された冷却エネルギーが供給ライン５３内の給液流に伝達され、装置の使用による熱低下が中和され、復液流ライン５４の温度上昇が最小限に抑えられる。熱交換器５６は、蒸発によって圧縮器に入る小さな液滴を除去する可能性を高め、それによって圧縮器９の効率を高める。圧縮器９への入口温度が順次上昇するにつれて、熱交換器５５内の結果として生じる温度も上昇し、熱伝達をより効率的にする。

図８は、過熱蒸気が、流れに衝突するマイクロ波または赤外線発生器５６によって生成される、さらに好ましい実施形態を示す。発生器５６は、ガス燃焼器、機械的効果、または電気ヒータ等の任意の熱発生源に置き換えることができる。

図９は、圧縮器９からの圧縮蒸気を用いて、接続部５７に流入し、接続部５８から流出する蒸発タンク２１を加熱する他の実施形態を示す。タンクが加熱されると、過熱蒸気が膨張器７に導かれる。このシステムは一連のカスケードユニットに使用することができ、凝縮器５１または第２の凝縮器５２のいずれかの近くに吸収器１８を配置することで、１つのユニットが次のユニットを補助し、より大きな総冷却範囲を可能とする。ブートストラップポンプ４１と第１の凝縮器５１および／またはブートストラップポンプ４２と第２の凝縮器５２の凝縮プロセスは、図３において凝縮器１３によって示されるように、空冷凝縮に置換することができる。９８での相分離および吸収器１８でのエネルギー吸収は、例えば吸収器１８に直接真空を適用する圧縮器９によって、単一のユニットに組み合わせることができる。

図１０は、膨張器７’および７’’により駆動される圧縮器９’および９’’を有することにより、複数段階の圧縮が示される実施形態を示す。膨張器７’と圧縮器９’’の第１の組は、同期駆動用の第１の回転軸１０’を介して接続され、膨張器７’’と圧縮器９’の第２の組は、同期駆動用の第２の回転軸１０’’を介して接続されている。従来技術とは対照的に、膨張器は並列に駆動される。膨張器を並列に配置することの利点は、圧力を下げた設定で作動する結果、軸の回転速度が低下し、圧縮器内の圧力蓄積の減少を招くのとは対照的に、膨張機が同じ圧力で作動することである。回転速度が同じであれば、圧縮器の流量を増やす必要が生ずるが、これは、圧縮器の寸法を大きくすることで実現される。この実施形態では、圧縮器９’および９’’が並行して作動するので、２つの冷却サイクルを異なる蒸発圧力で作動することができるため、冷却を２つの異なる温度で同時に行うことができる。この実施形態を拡張して、同一の装置によって提供される複数の冷却温度を提供することができる。より多くの圧縮器を、９’または９’’のいずれかに直列または並列に追加することができる。

図１１は、直列に作動する膨張器７’、７’’を有するが、並列に作動する圧縮器９’、９’’を有する実施形態を示す。圧縮器９’’は、圧縮器９’とは別のカルノーサイクルに真空を適用している。この実施形態は、２つの異なる冷媒を同時に使用することを可能にする。この実施形態では、カルノーサイクル９１、９８’、９’、５１では水が冷媒であり、サイクル１８、９８’’、９’’、９１ではＮＨ_３が冷媒であり、熱交換器９１は、一方の冷媒の凝縮を、他方の冷媒に熱を吸収させることにより可能とする。これにより、装置の真のカスケード使用が可能になり、類似または異なる冷媒の複数段階の圧縮にさらに拡張することができる。したがって、動作温度範囲が大幅に拡大し、極低温まで冷却することができる。この実施形態では、膨張器７’、７’’および圧縮器９’の両方に対して直接凝縮プロセスが組み合わされている。流体接続部９２は、ランキンサイクルとカルノーサイクルとの間の液体交換を可能にし、それにより、装置の液体充填の要件を低くする。熱源１、５３、５４からの液体が蒸発器２１での蒸発に適している場合には、熱交換器は、熱源とブートストラップポンプ（４０、４１、４２）との間に配置すべきである。これにより、理想的な駆動媒体を装置内で依然として使用することができる。一部の古い地域熱供給システムでは、タービンを停止させる石鹸系洗剤が使用される。この場合、熱交換器が仕様されるべきであり、ブートストラップポンプ（４０、４１、４２）が依然として液圧を調整し、蒸気の発生を制御する。

図１２は発熱の一実施形態を示す図である。地域熱供給網５３’、５４’および５３’’、５４’’は、異なる温度が設定されたグリッドで、一方のグリッド５３’、５４’が他方５３’’、５４’’よりも低く設定されている。復液５４’’は、ブートストラップポンプ４０を介して装置の蒸発タンク２１に入れられる。タンクは、圧縮器９から接続部５７に流入し接続部５８から流出する蒸気によって加熱され、これによって過熱蒸気の直接発生を可能にする。この蒸気は、軸１０と、接続された圧縮器９とを回転させる膨張器７で膨張する。排出蒸気は、復液供給部５４’からのより冷たい水を供給するブートストラップポンプ４２を介して５１で凝縮される。冷給液供給部５３’から、水はブートストラップポンプ４１を介して装置に入り、相分離タンク９８に入る。圧縮器９は、水蒸気を蒸発させて圧縮する分離器９８に真空を適用する。圧縮気体は、第２の凝縮器５２で直接噴霧凝縮によって凝縮される前に、蒸発タンク２１を加熱する。分離器９８内の非蒸発水は、第２の凝縮器５２内のプロセスに使用され、より高温の液相をもたらす。熱水は、ブートストラップポンプ４１を介して温給液地域熱供給グリッド５３’’に送り込まれる。膨張器７、軸１０、または圧縮器９のいずれかに取り付けられたモータ９９は、始動手順を支援するか、または、連続的に装置のハイブリッド動力供給を可能にするか、または、膨張器７、軸１０、もしくは圧縮器９の回転速度を管理する。

図１３は、より低温の給液グリッド５３’によって駆動される地域熱供給グリッド５３’’に熱水を生成するさらなる実施形態を示す。エネルギーは、の温復液５４’’から給液グリッド５３’’に送り込まれる。膨張の凝縮は、冷復液グリッド５４’を用いている。５３’から、水はブートストラップポンプ４０に供給され、蒸発器タンク２１に入る。タンクは、接続部５７に入り接続部５８から出る、圧縮器９からの蒸気によって加熱され、これによって過熱蒸気の直接発生を可能にする。この蒸気は膨張器７で膨張し、軸１０と、接続された圧縮器９とを回転させる。排出蒸気は、復液供給部５４’からのより低温の水を供給するブートストラップポンプ４２を介して第１の凝縮器５１で凝縮される。水は、熱復液供給部５４’’から、ブートストラップポンプ４１を介して相分離タンク９８に入る。圧縮器９は、水蒸気を蒸発させて圧縮する分離器９８に真空を適用する。圧縮気体は、第２の凝縮器５２で直接噴霧凝縮によって凝縮される前に、蒸発タンク２１を加熱する。蒸発器２１内の非蒸発水は、第２の凝縮器５２内の凝縮プロセスに使用され、より高温の液相をもたらす。熱水は、ブートストラップポンプ４０を介して、温給液地域熱供給グリッド５３’’に送り込まれる。膨張器７、軸１０、または圧縮器９のいずれかに取り付けられたモータ９９は、始動手順を支援するか、または、連続的に装置のハイブリッド動力供給を可能にするか、または、膨張器７、軸１０、もしくは圧縮器９．の回転速度を管理するために使用される。あるいは、復液ライン５４’をブートストラップポンプ４２に接続し、復液ライン５４’’をブートストラップポンプ４１に接続することができる。

図１４は、一戸建て、集合住宅、商業オフィス、および／または工業用ビルである最終使用者８２にさらに接続された熱水供給システムに関連したエネルギーポンプ８０の配置の例を示す。本発明は、単一の家から地域熱供給クラスタと同様のグリッド全体まで完全に拡張可能である。余剰熱は、地域熱供給プラント８１、ソーラーパーク、または産業によって、熱水パイプを介して余剰プロセス熱とともに提供される。ここでは、６０℃で地域熱供給プラント８１から出て、エネルギーポンプ８０に入る様子が示されている。エネルギーは、例えば４０℃の復液から給液流に送り込まれ、７０℃となり、３０℃で地域熱供給プラントに戻る。この実施形態では、グリッドは、パイプライングリッドの遠端で昇温される。これにより、パイプラインから周囲に熱が失われることによる損失は、最も長い距離を移動する給液流の温度が低下するため、大幅に減少する。他の実施形態では、地域熱供給プラント８１への入口にエネルギーポンプ８０を配置する。いくつかの地域熱供給プラント８１では、特に、復液の温度が高いと発電量が低下するため、電力と熱の両方を提供するコージェネレーションプラントでは、復液温度が重要である。復液を入力として使用するエネルギーポンプ８０を設置することにより、エネルギーを流出パイプラインに伝達することによって復液の温度を下げ、プラントの最適な温度水準を確保する。

図１５は発電の実施例を示す。熱源１から、熱エネルギーが流体接続部５を介して装置に伝達され、気相および液相が生成される蒸発室２１に入る。液体残留物は、接続部１６ｂを通って復液ポンプ４ａに導かれ、熱源に戻される。気相は、圧縮器９’を回転させる膨張器７’に導かれる。膨張器からの排出は、熱交換器５９で再加熱される。圧縮器９’は、９８で気相と液相を分離する。蒸発エネルギーは吸収器１８に吸収される。圧縮器は気相の温度を上昇させ、それにより熱交換器５９内のエネルギーをランキンサイクルに伝達することができる。膨張器７’からの排出を再加熱した後、膨張器７’’で別の膨張が生ずる。膨張器７’’が軸１０’’を介して発電機９９に接続されると、電力が生成される。膨張器７’’からのランキンサイクルは、第１の凝縮器１３ａでの気相凝縮と熱源１に戻る液体によって完了できる。あるいは、カルノーサイクルからの熱交換により、排出気体を再加熱した後、膨張させて発電するプロセスを、可能な限り高い発電収率のために何度も繰り返すことができる。圧縮からのエネルギー伝達は、単一の圧縮器から、または複数の圧縮器によって行うことができ、吸収器１８を介して吸収することにより、別の熱源からエネルギーを導入する。

図１６は発電の実施例を示す。熱源１から、熱エネルギーが流体接続部５を介して装置に伝達され、蒸発室２１内に入り、気相および液相が生成される。液体残留物は、接続部１６ｂを通って復液ポンプ４ａに導かれ、熱源に戻される。気相は膨張器７’に導かれ、圧縮器９’を回転させる。膨張器からの排出は、熱交換器５９で再加熱される。圧縮器９’は、９８で気相と液相を分離する。蒸発のエネルギーは１８に吸収される。圧縮器は気相の温度を上昇させ、それにより熱交換器５９内のエネルギーをランキンサイクルに伝達することができる。膨張器７’からの排出を再加熱した後、膨張器７’’で別の膨張が生ずる。膨張器７’’が軸１０’’を介して発電機９９に接続されると、電力が生成される。膨張器７’からのランキンサイクルは、第１の凝縮器１３ａでの気相凝縮と熱源１に戻る液体とによって完了することができる。あるいは、カルノーサイクルからの熱交換により、排出気体を再加熱した後、膨張させて発電するプロセスを、可能な限り高い発電収率のために何度も繰り返すことができる。圧縮からのエネルギー伝達は、単一の圧縮器から、または複数の圧縮器によって行うことができ、吸収器１８を介して吸収することにより、別の熱源からエネルギーを導入する。

１ 熱源ライン
４ａ ポンプ
４ｂ ポンプ
５ 液体入口ライン
５ａ 第１のライン
５ｂ 第２のライン
５ｃ 第３のライン
７ 膨張器
７’ 膨張器
７’’ 膨張器
９ 圧縮器
９’ 圧縮器
１０ 軸
１３ａ 第１の凝縮器
１３ｂ 第２の凝縮器
１６ 出口ライン
１６ａ 第１の出口ライン
１６ｂ 第２の出口ライン
１６ｃ 第３の出口ライン
１８ 吸収器
２１ 蒸発器
２２ 蒸発器入口
２３ 蒸発器液出口
２４ 蒸発器蒸気出口
２５ 膨張器入口
２６ 膨張器出口
３１ 第１の凝縮器入口
３２ 第１の凝縮器出口
３３ 第１の液体出口ライン
４０ ブートストラップポンプ
４１ ブートストラップポンプ
４２ ブートストラップポンプ
５１ 第１の凝縮器（噴霧凝縮器）
５２ 第２の凝縮器（噴霧凝縮器）
５３ 供給ライン
５３’ 第１のグリッドの供給ライン
５３’’ 第２のグリッドの供給ライン
５４ 復水ライン
５４’ 第１のグリッドの復水ライン
５４’’ 第２のグリッドの復水ライン
５５ 熱交換器
５６ 熱交換器
５６ 熱発生源
５７ 接続部
５８ 接続部
５７－５８ 熱交換器
５９ 熱交換器
６４ 圧縮器入口
６５ 圧縮器出口
６８ 第２の凝縮器５２と分離器９８との間の接続ライン
６９ 第２の凝縮器の第２の出口
７０ 第２の凝縮器気体入口
７１ 第２の凝縮器液体出口
７３ 分離器への第１の入口
７４ 第２の入口
７５ 第２の入口（吸収器から）
７６ 分離器気体出口
７７ 分離器液体出口
７８ 吸収器入口
７９ 吸収器出口
８０ ヒートポンプ装置
８１ 地域熱供給プラント
８２ 使用者
８５ 第２の凝縮器への第２の入口
９１ 凝縮器
９２ 液体入口分離器９８’
９３ 液体入口分離器９８
９４ 液体入口第２の凝縮器
９５ 液体出口分離器９８
９８ 分離器
９９ モータ、発電機

Claims (17)

1. －外部液体源から、液体入口ライン（５）および蒸発器入口（２２）を介して、蒸発室に受け取った液体を直接蒸発によって蒸発させるように構成された蒸発タンク（２１）等の蒸発器であって、蒸発室内の圧力は液体入口ライン（５）内の圧力よりも低く、かつ、蒸発室に入る液体を蒸発させるのに十分に低い、すなわち、蒸発室内の圧力は、圧力に関連する液体の蒸発温度が、蒸発器入口（２２）を通って蒸発室に入る液体の温度よりも低くなるようなものであり、かつ、蒸発器蒸気出口（２４）を通って蒸発器から出る加圧蒸気の生成を可能にするものであり、蒸発器はさらに蒸発器液体出口（２３）を備える、蒸発器と、
   －膨張器入口（２５）および膨張器出口（２６）を有する膨張器（７）であって、膨張器入口（２５）は、膨張器（７）を駆動するために蒸発器からの加圧蒸気を受け取るための蒸発器蒸気出口（２４）への流体接続を有する、膨張器（７）と、
   －圧縮器入口（６４）および圧縮器出口（６５）を有する圧縮器（９）であって、圧縮器（９）は、圧縮器入口（６４）の低圧低温入口気体から圧縮器出口（６５）の高圧高温出口気体に気体を圧縮するために膨張器（７）によって作動可能に駆動される、圧縮器（９）と、
   －第１の凝縮器入口（３１）および第１の凝縮器出口（３２）を有する第１の凝縮器（１３ａ、５１）であって、第１の凝縮器入口（３１）は、膨張器出口（２６）への流体接続を有し、かつ、膨張器（７）から受け取った流体を凝縮するように構成されており、第１の凝縮器出口（３２）は第１の液体出口ライン（１６ａ、３３）に接続されている、第１の凝縮器（１３ａ、５１）と、
   を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
2. 第２の凝縮器気体入口（７０）および第２の凝縮器蒸気出口（７１）を有する第２の凝縮器（１３ｂ、５２）をさらに備え、第２の凝縮器蒸気入口（７１）は、圧縮器出口（６５）への流体接続を有し、これを介して高圧高温の出口気体が圧縮器（９）から出る、請求項１に記載の装置。
3. 第２の凝縮器出口（７１）は蒸発システムへの流体接続を有する、請求項２に記載の装置。
4. 蒸発システムは、吸収器入口（７８）および吸収器出口（７９）を有する吸収器（１８）を備え、吸収器入口（７８）は第２の凝縮器出口（７１）への流体接続を有し、吸収器出口（７９）は圧縮器入口（７４）に接続され、これを介して低圧低温気体が圧縮器に入る、請求項３に記載の装置。
5. 蒸発システムは、液体を気体から分離し、第１の入口（７３）および第２の入口（７５）、分離器気体出口（７６）および分離器液体出口（７７）を有する気液分離器（９８）を備え、
   分離器気体出口（７６）は圧縮器入口に流体接続しており、これを介して低圧低温が圧縮器（９）に入り、
   分離器液体出口（７７）は、吸収器出口（７９）を有する吸収器（１８）の吸収器入口（７８）に流体接続しており、
   分離器（９８）の第１の入口（７３）は第２の凝縮器（１３ｂ、５２）の出口（７１）に流体接続しており、
   分離器（９８）の第２の入口（７５）は、吸収器（１８）の出口に流体接続している、請求項３に記載の装置。
6. 第２の凝縮器は、第１の温度を有する液体の液体供給のための第２の入口（７４）を付加的に有する噴霧凝縮器（５２）であり、高圧高温の出口気体と第１の温度を有する液体との噴霧凝縮が温度上昇のために提供されると、第２の液体出口６９を通って第２の凝縮器（５２）から出る液体が第１の温度より高い第２の温度を有する、請求項１～５の何れか一項に記載の装置。
7. 外部液体源は、第１の外部源供給ライン（５３）および第１の外部源復液ライン（５４）を備える液体循環システムである、請求項１～６の何れか一項に記載の装置。
8. 気液分離器（９８）は、第２の凝縮器（５２）に流体接続しており、第２の凝縮器第２液体出口（６９）は、第１の外部液体源に流体接続された第１の液体出口ライン（３３）に接続される、請求項１～７の何れか一項に記載の装置。
9. 圧縮器出口（６５）は、蒸発器（２１）の壁または蒸発器（２１）の蒸発室内に配置された熱交換器（５５；５７～５８）を介して、任意選択で噴霧凝縮器（５２）とすることができる第２の凝縮器（１３ｂ、５２）に流体接続される、請求項１～８の何れか一項に記載の装置。
10. ２つ以上の膨張器（７’、７’’）が直列に配置され、第１の膨張器（７’）は蒸発器（２１）からの排出流によって駆動され、第２の膨張器（７’’）は第１の膨張器からの排出流によって駆動される、請求項１～９の記載の装置。
11. 第１の膨張器（７’）は圧縮器（９’）に駆動可能に接続され、第２の膨張器（７’’）は発電機（９９）に駆動可能に接続されている、請求項１０に記載の装置。
12. 熱交換器（５９）は、圧縮器（９）からの流体出口ラインと、第１の膨張器（７’）から第２の膨張器（７’’）への排出ラインとの間に配置される、請求項１１に記載の装置。
13. １つ以上の膨張器（７’、７’’）が並列に配置され、両方が蒸発器（２１）からのそれぞれの排出流によって駆動され、直列に配置されたそれぞれの圧縮器（９’、９’’）に駆動可能に接続され、第１の圧縮器からの排出気体が第２の圧縮器に送られる、請求項１～１２の何れか一項に記載の装置。
14. 補助モータ（９９）が、始動手順または連続運転中の手順を支援するために、膨張器または圧縮器に接続されている、請求項１～１３の何れか一項に記載の装置。
15. 第１のグリッドである第１の外部液体源と、第２のグリッドである第２の外部液体源とを備え、第１のグリッドは第１のグリッド供給ライン（５３’）および第１のグリッド復液ライン（５４’）を備え、第２のグリッドは第２のグリッド供給ライン（５３’’）および第２のグリッド復液ライン（５４’’）を備え、
    第１のグリッド供給ライン（５３’）は第２のグリッド供給ライン（５３’’）より低温であり、第１のグリッド復液ライン（５４’）は第２のグリッド復液ライン（５４’’）より低温であり、
    第１および第２のグリッドのラインは、請求項１および２に記載のヒートポンプ装置に接続されており、ヒートポンプ装置はさらに、
    気体を液体から分離し、液体入口（９３）と液体出口（９２）と、圧縮器入口（６４）に流体接続されている気体出口（７６）とを有する気液分離器（９８）を備える、
    ことを特徴とする地域熱供給網。
16. 蒸発器（２１）への第１の液体入口ライン（５）は、第２のグリッドの復液ライン（５４’’）に液体接続されており、
    分離器（９８）の液体入口（９３）は、第１グリッドの供給ライン（５３’）に流体接続されており、
    第２の凝縮器（５２）の液体入口（９４）は、分離器（９８）の液体出口（９２）に流体接続されており、
    蒸発器（２１）の液体出口（２３）は、第２のグリッドの復液ライン（５４’）に流体接続されており、
    第２の凝縮器（５２）の液体出口（６９）は、第２のグリッドの供給ライン（５３’’）に流体接続されており、
    第１の凝縮器（５１）からの液体出口ライン（３３）は、第１のグリッドの復液ライン（５４’）に流体接続されている、請求項１５に記載の地域熱供給網。
17. 蒸発器（２１）への液体入口ライン（５）は、第１のグリッドの供給ライン（５３’）に流体接続されており、
    分離器（９８）への液体入口（９３）は、第２のグリッドの復液ライン（５４’’）に流体接続されており、
    分離器（９８）からの液体出口（９２）は、第２のグリッドの復液ライン（５４’’）に流体接続されており、
    蒸発器液体出口（２３）は、第２の凝縮器（５２）に流体接続されており、
    第２の凝縮器（５２）は、第２のグリッドの供給ライン（５２’’）への流体出口を有しており、
    第１の凝縮器（５１）からの液体出口ライン（３３）は、第１のグリッドの復液ライン（５４’）に流体接続されている、請求項１５に記載の地域熱供給網。

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