JP2000213419A - 低温熱利用の熱源システム、及び、それを用いたコ―ジェネレ―ションシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エネルギ利用効率の高い低温熱利用熱源シス
テムを構築する。 【解決手段】 高温吸熱室４・低温吸熱室２・高温放熱
室３・低温放熱室５の四室間で作動ガスＧを行き来させ
てスターリングサイクルと逆スターリングサイクルとを
併行実施するサイクル実行部１を設け、このサイクル実
行部１において、高温吸熱室４の高温加熱器４ａで熱入
力用の高温熱媒Ｎａと作動ガスＧとを熱交換させ、低温
吸熱室２の低温加熱器２ａで利用対象低温熱を保有する
低温熱媒Ｎｂと作動ガスＧとを熱交換させ、高温放熱室
３の高温放熱器３ａで熱需要先９へ供給する温熱出力用
熱媒Ｎｃと作動ガスＧとを熱交換させ、低温放熱室５の
低温放熱器５ａで放熱用冷却熱媒Ｎｃと作動ガスＧとを
熱交換させる構成にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、種々の機器からの
廃熱などとして得られる低温熱を回収利用して高温熱を
生成する低温熱利用の熱源システム、及び、それを用い
たコージェネレーションシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、廃熱などの低温熱（例えば、吸収
式冷凍機の駆動熱源としても利用することが難しい８０
℃以下の熱）を回収利用して高温熱を生成するには、所
謂スーパーヒートポンプシステムとして、特殊な冷媒や
多段圧縮方式を用いた電動機駆動の高出力圧縮式ヒート
ポンプにより、低温熱源からの回収熱を１００℃以上の
レベルにヒートアップするシステムがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のスーパ
ーヒートポンプシステムでは、全体としてのエネルギ利
用効率（特に電動機への供給電力の生成効率も含めたエ
ネルギ利用効率）が未だ低く、また、それ自身が電動機
駆動であるため、省エネの１つの有効な手段であるコー
ジェネレーションシステム（熱電併給システム）の構築
に不向きであり、この点、一層の省エネを図る上で、よ
り有効な低温熱利用熱源システムが望まれている。

【０００４】この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、
エネルギ利用効率の一層の向上が可能で、また、コージ
ェネレーションシステムの構築にも適した低温熱利用熱
源システムを提供する点にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】〔１〕請求項１に係る発
明では、高温加熱器を備える高温吸熱室と、低温加熱器
を備える低温吸熱室と、高温放熱器を備える高温放熱室
と、低温放熱器を備える低温放熱室とを各室間に再生熱
交換器を介在させて連通させた状態で、作動ガスを前記
再生熱交換器を通じて前記高温放熱室及び前記低温放熱
室から前記高温吸熱室及び前記低温吸熱室に移動させる
吸熱側作動ガス移動過程と、前記高温加熱器及び前記低
温加熱器からの採熱を伴う作動ガス膨張過程と、作動ガ
スを前記再生熱交換器を通じて前記高温吸熱室及び前記
低温吸熱室から前記高温放熱室及び前記低温放熱室に移
動させる放熱側作動ガス移動過程と、前記高温放熱器及
び前記低温放熱器への放熱を伴う作動ガス圧縮過程と
を、その順に繰り返してスターリングサイクルと逆スタ
ーリングサイクルとを併行実施するサイクル実行部を設
ける。そして、前記高温加熱器において熱入力用の高温
熱媒と作動ガスとを熱交換させ、前記低温加熱器におい
て利用対象の低温熱を保有する低温熱媒と作動ガスとを
熱交換させ、前記高温放熱器において熱需要先へ供給す
る温熱出力用熱媒と作動ガスとを熱交換させ、前記低温
放熱器において放熱用冷却熱媒と作動ガスとを熱交換さ
せる構成にする。

【０００６】つまり、この構成では、高温吸熱室と低温
吸熱室と高温放熱室と低温放熱室との４室を有するサイ
クル実行部において、上記の吸熱側作動ガス移動過程と
作動ガス膨張過程と放熱側作動ガス移動過程と作動ガス
圧縮過程とをその順に繰り返すことにより、４室のう
ち、高温加熱器を備える高温吸熱室とそれぞれが放熱器
を備える高温・低温放熱室との組み合わせ、並びに、低
温加熱器を備える低温吸熱室と低温放熱器を備える低温
放熱室との組み合わせの夫々については、吸熱側作動ガ
ス移動過程で再生用熱交換器を通じ各吸熱室に移動させ
た作動ガスを、作動ガス膨張過程で各加熱器からの採熱
（この場合、各加熱器による作動ガス加熱）により膨張
させて動力を発生（正の仕事）させ、これに続き、放熱
側作動ガス移動過程で再生熱交換器を通じ各放熱室に移
動させた作動ガスを、作動ガス圧縮過程で圧縮（負の仕
事）して各放熱器に放熱させるスターリングサイクルを
実行させる。

【０００７】また、これに併行して、４室のうち、低温
加熱器を備える低温吸熱室と高温放熱器を備える高温放
熱室との組み合わせについては、吸熱側作動ガス移動過
程で再生熱交換器を通じ低温吸熱室に移動させた作動ガ
スを、作動ガス膨張過程で前記の発生動力により膨張さ
せて低温加熱器から採熱（この場合、低温加熱器から吸
熱）させ、これに続き、放熱側作動ガス移動過程で再生
熱交換器を通じ高温放熱室に移動させた作動ガスを、作
動ガス圧縮過程で前記の発生動力により圧縮して高温放
熱器に放熱させる逆スターリングサイクルを実行させ
る。

【０００８】そして、各加熱器について、高温吸熱室の
高温加熱器では熱入力用の高温熱媒を作動ガスと熱交換
させ、他方、低温吸熱室の低温加熱器では利用対象の低
温熱を保有する低温熱媒を作動ガスと熱交換させ、ま
た、各放熱器について、高温放熱室の高温放熱器では熱
需要先へ供給する温熱出力用熱媒を作動ガスと熱交換さ
せ、他方、低温放熱室の低温放熱器では放熱用冷却熱媒
を作動ガスと熱交換させることにより、上記スターリン
グサイクルによるエンジン機能については、高温加熱器
での熱入力用高温熱媒からの熱入力に加え、低温加熱器
における低温熱媒（利用対象低温熱を保有する低温熱
媒）からも熱入力して動力を発生し、そして、そのエン
ジン排熱のうち高温部分を高温放熱器から温熱出力用熱
媒に放熱し、低温部分を低温放熱器から放熱用冷却熱媒
に放熱する形態のものにする。

【０００９】また、上記逆スターリングサイクルによる
ヒートポンプ機能については、上記エンジン機能による
発生動力を駆動源として、低温加熱器における低温熱媒
（利用対象低温熱を保有する低温熱媒）から熱回収し、
その回収熱をヒートアップして前記エンジン排熱におけ
る高温部分とともに高温放熱器における温熱出力用熱媒
に付与する形態のものにする。

【００１０】すなわち、この構成によれば、熱入力用高
温熱媒による高温熱入力のみならず、利用対象の低温熱
も有効利用した状態でスターリングサイクルによるエン
ジン機能により効率的に動力を発生させ、そして、その
発生動力を用いた逆スターリングサイクルによるヒート
ポンプ機能により利用対象の低温熱を昇温して熱需要先
へ供給する高温熱（温熱出力用熱媒への付与熱）を生成
するから、また、エンジン機能を得る為の熱入力用高温
熱媒による高温熱入力に対し、エンジン排熱のうちの高
温部分をヒートポンプ機能による昇温熱とともに温熱出
力用熱媒へ付与して更に有効利用するから、全体として
のエネルギ利用効率の向上を極めて効果的に達成でき
る。

【００１１】また、入力は熱入力用高温熱媒による熱入
力となることから、電動機駆動のヒートポンプシステム
に比べ、コージェネレーションシステムの構築にも適し
たものとなる。

【００１２】〔２〕請求項２に係る発明では、前記熱需
要先として吸収式冷凍機を設け、この吸収式冷凍機の駆
動熱源として、前記高温放熱器において作動ガスと熱交
換させた温熱出力用熱媒と、前記高温加熱器において作
動ガスと熱交換させた後の熱入力用高温熱媒とを併用す
る構成にする。

【００１３】つまり、この構成では、前記高温放熱器に
おいて作動ガスと熱交換させた温熱出力用熱媒（すなわ
ち、低温熱を回収利用して生成した高温熱を保有する熱
媒）を駆動熱源とする吸収式冷凍機を設けることで、低
温熱を利用しての冷熱供給を可能にする。

【００１４】そして、その吸収式冷凍機の駆動熱源とし
て、高温放熱器で作動ガスと熱交換させた温熱出力用熱
媒に加え、前記高温加熱器において作動ガスと熱交換さ
せた後の熱入力用高温熱媒を併せ用いることにより、そ
の熱入力用高温熱媒の残存保有熱を冷熱生成において更
に有効利用する。すなわち、このことにより、吸収式冷
凍機での冷熱発生量を増大させることができ、全体とし
てのエネルギ利用効率を一層向上させることができる。

【００１５】なお、高温放熱器で作動ガスと熱交換させ
た温熱出力用熱媒と、高温加熱器で作動ガスと熱交換さ
せた熱入力用高温熱媒とは、それら熱媒の温度に応じ、
吸収式冷凍機において必要温度が異なる部分で各別に使
用するのが望ましい。

【００１６】また、ボイラによる生成蒸気や生成高温水
を熱入力用高温熱媒として用いる場合、高温放熱器で作
動ガスと熱交換させた後の温熱出力用熱媒と、高温加熱
器で作動ガスと熱交換させた後の熱入力用高温熱媒とを
吸収式冷凍機の駆動熱源として併用することに加え、ボ
イラの燃焼排ガスも併せて、その吸収式冷凍機の駆動熱
源として用いるようにすれば、エネルギ利用効率を更に
向上させることができる。

【００１７】〔３〕請求項３に係る発明では、前記吸収
式冷凍機の発生冷熱を冷房又は冷却用の冷熱源にすると
ともに、前記低温加熱器において作動ガスと熱交換させ
た後の低温熱媒を暖房又は加熱用の温熱源とする構成に
する。

【００１８】つまり、この構成によれば、吸収式冷凍機
の発生冷熱（すなわち、低温熱を回収利用して生成した
冷熱）を冷房又は冷却用の冷熱源に用いることに加え、
低温加熱器において作動ガスと熱交換させた後の低温熱
媒（すなわち、利用対象の保有低温熱を回収した後の低
温熱媒）を更に暖房又は加熱用の温熱源に用いて、その
低温熱媒の残存保有熱も有効利用することから、全体と
してのエネルギ利用効率を更に向上させることができ
る。

【００１９】〔４〕請求項４に係る発明では、請求項１
〜３のいずれか１項に係る発明の低温熱利用熱源システ
ムを用いてコージェネレーションシステムを構築するに
あたり、発電部として燃料電池を設け、この燃料電池の
廃熱を保有する低温熱媒を前記低温加熱器において作動
ガスと熱交換させる構成にする。

【００２０】つまり、この構成によれば、燃料電池によ
る電力発生に加え、この燃料電池の廃熱を利用対象の低
温熱として、前述の如きサイクル実行部でのスターリン
グサイクルと逆スターリングサイクルとの併行実施によ
り、吸収式冷凍機の駆動熱源等に用いる利用価値の高い
高温熱を効率的に生成することができ、これにより、エ
ネルギ利用効率の高いコージェネレーションシステムに
することができる。

【００２１】そして特に、他の形式に比べ廃熱温度が低
くて、そのままでは廃熱を吸収式冷凍機の駆動熱源等に
用いることが難しい固体高分子型の燃料電池を発電部と
する場合に有効なシステムとなる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１において、１はスターリング
サイクルと逆スターリングサイクルとを併行実施するサ
イクル実行部であり、低温加熱器２ａを備える低温吸熱
室２と、高温放熱器３ａを備える高温放熱室３と、高温
加熱器４ａを備える高温吸熱室４と、低温放熱器５ａを
備える低温放熱室５とを、蓄熱材の充填層からなる再生
熱交換器６を各室間に介在させた状態で、その順に直列
に連通させ、そして、各室２〜５には作動ガスＧの吐出
吸入を行うためのピストン２ｐ〜５ｐを装備してある。

【００２３】クランク軸７を介して同一周期で連動動作
させる上記の各ピストン２ｐ〜５ｐは、低温吸熱室２の
ピストン２ｐと高温吸熱室４のピストン４ｐとがほぼ同
位相で往復動作するのに対し、高温放熱室３のピストン
３ｐと低温放熱室５のピストン５ｐの夫々が各吸熱室
２，４のピストン２ｐ，４ｐよりも所定位相差（例えば
１／４周期分程度）だけ位相が遅れた状態で往復動作す
るように位相差関係を設定してあり、これにより、作動
ガスＧを再生熱交換器６を通じて高温放熱室３及び低温
放熱室５から高温吸熱室４及び低温吸熱室２に移動させ
る吸熱側作動ガス移動過程（図２におけるイ〜ロの過
程）と、高温加熱器４ａ及び低温加熱器２ａからの採熱
を伴う作動ガス膨張過程（図２におけるロ〜ハの過程）
と、作動ガスＧを再生熱交換器６を通じて高温吸熱室４
及び低温吸熱室２から高温放熱室３及び低温放熱室５に
移動させる放熱側作動ガス移動過程（図２におけるハ〜
ニ）と、高温放熱器３ａ及び低温放熱器５ａへの放熱を
伴う作動ガス圧縮過程（図２におけるニ〜イ）とを、そ
の順に繰り返すようにしてある。

【００２４】つまり、四室２〜５のうち、高温加熱器４
ａを備える高温吸熱室４とそれぞれが放熱器３ａ，５ａ
を備える高温・低温放熱室３，５との組み合わせ、並び
に、低温加熱器２ａを備える低温吸熱室２と低温放熱器
５ａを備える低温放熱室５との組み合わせの夫々につい
ては、吸熱側作動ガス移動過程で再生用熱交換器６を通
じ各吸熱室２，４に移動させた作動ガスＧを、作動ガス
膨張過程で各加熱器２ａ，４ａからの採熱（この場合、
各加熱器２ａ，４ａによる作動ガス加熱）により膨張さ
せて動力を発生（正の仕事）させ、これに続き、放熱側
作動ガス移動過程で再生熱交換器６を通じ各放熱室３，
５に移動させた作動ガスＧを、作動ガス圧縮過程で圧縮
（負の仕事）して各放熱器３ａ，５ａに放熱させるスタ
ーリングサイクルを実行させる。

【００２５】また、これに併行して、四室２〜５のう
ち、低温加熱器２ａを備える低温吸熱室２と高温放熱器
３ａを備える高温放熱室３との組み合わせについては、
吸熱側作動ガス移動過程で再生熱交換器６を通じ低温吸
熱室２に移動させた作動ガスＧを、作動ガス膨張過程で
前記の発生動力により膨張させて低温加熱器２ａから採
熱（この場合、低温加熱器２ａから吸熱）させ、これに
続き、放熱側作動ガス移動過程で再生熱交換器６を通じ
高温放熱室３に移動させた作動ガスＧを、作動ガス圧縮
過程で前記の発生動力により圧縮して高温放熱器３ａに
放熱させる逆スターリングサイクルを実行させる。

【００２６】一方、８は熱入力用のボイラ、９は吸収式
冷凍機、１０はコージェネレーションシステムにおける
発電部としての燃料電池であり、これら機器の装備に対
し、上記サイクル実行部１における高温吸熱室４の高温
加熱器４ａでは、ボイラ８で生成する熱入力用の高温熱
媒Ｎａ（例えば、２００℃程度の高温蒸気）を作動ガス
Ｇと熱交換させ、低温吸熱室２の低温吸熱器２ａでは、
燃料電池１０を廃熱源として、その燃料電池１０からの
低温廃熱を保有する低温熱媒Ｎｂ（例えば、６０〜１１
０℃の蒸気や温水）を作動ガスＧと熱交換させる構成に
してある。

【００２７】また、高温放熱室３の高温放熱器３ａで
は、熱需要先としての吸収式冷凍機９へ供給する温熱出
力用熱媒Ｎｃ（例えば、高温放熱器３ａでの加熱により
１２０〜１３０℃の蒸気とする温水）を作動ガスＧと熱
交換させ、低温放熱室５の低温放熱器５ａでは、放熱用
冷却熱媒Ｎｄ（例えば、２０℃程度の冷却水）を作動ガ
スＧと熱交換させる構成にしてある。

【００２８】すなわち、前記のサイクル実行部１では、
スターリングサイクルによるエンジン機能と逆スターリ
ングサイクルによるヒートポンプ機能とを併行して得る
が、このサイクル実行部１に対し上記の如きの熱媒供給
を行うことにより、スターリングサイクルによるエンジ
ン機能については、ボイラ８からの熱入力用高温熱媒Ｎ
ａによる高温加熱器４ａでの熱入力に加え、低温加熱器
２ａにおける廃熱保有低温熱媒Ｎｂからも併せ熱入力し
て動力を発生し、そして、そのエンジン排熱のうち高温
部分を高温放熱器３ａから温熱出力用熱媒Ｎｃに放熱
し、低温部分を低温放熱器５ａから放熱用冷却熱媒Ｎｄ
に放熱する形態のものにする。

【００２９】また、逆スターリングサイクルによるヒー
トポンプ機能については、上記エンジン機能による発生
動力を駆動源として、低温加熱器２ａにおける廃熱保有
低温熱媒Ｎｂから熱回収し、その回収熱をヒートアップ
して前記エンジン排熱における高温部分とともに高温放
熱器３ａにおける温熱出力用熱媒Ｎｃに付与する形態の
ものにし、これにより、燃料電池１０の低温廃熱を回収
利用して、吸収式冷凍機９の駆動熱源とする高温熱を効
率的に生成するように、また、エンジン排熱のうちの高
温部分をヒートポンプ機能による昇温熱とともに吸収式
冷凍機９の駆動熱源として更に有効利用するようにして
ある。

【００３０】なお、本例のシステムでは、高温放熱器３
ａで作動ガスＧと熱交換させた温熱出力用熱媒Ｎｃに加
え、高温加熱器４ａにおいて作動ガスＧと熱交換させた
後の熱入力用高温熱媒Ｎａ′（例えば、高温の蒸気復水
や一部凝縮した高温湿り蒸気）、及び、ボイラ８の排ガ
スＥも駆動熱源として吸収式冷凍機９に供給し、これら
熱入力用高温熱媒Ｎａ′や排ガスＥの残存保有熱も吸収
式冷凍機９での冷熱生成に有効利用するようにしてあ
る。

【００３１】また、本例システムでは、吸収式冷凍機９
の発生冷熱を冷房や冷却等の冷熱用途に対する冷熱源に
用いることに加え、低温加熱器２ａにおいて作動ガスＧ
と熱交換させた後の低温熱媒Ｎｂ′（すなわち、未だ低
温の残存温熱を保有する熱媒）を更に暖房や加熱等の温
熱用途に対する温熱源に用い、これにより、一層高いエ
ネルギ利用効率を実現するようにしてある。

【００３２】１１はボイラ８に対する燃料供給路、１２
はサイクル実行部１に対する起動用の電動機である。

【００３３】〔別実施形態〕作動ガスを再生熱交換器を
通じて高温放熱室及び低温放熱室から高温吸熱室及び低
温吸熱室に移動させる吸熱側作動ガス移動過程と、高温
加熱器及び低温加熱器からの採熱を伴う作動ガス膨張過
程と、作動ガスを再生熱交換器を通じて高温吸熱室及び
低温吸熱室から高温放熱室及び低温放熱室に移動させる
放熱側作動ガス移動過程と、高温放熱器及び低温放熱器
への放熱を伴う作動ガス圧縮過程とを、その順に繰り返
してスターリングサイクルと逆スターリングサイクルと
を併行実施するサイクル実行部の具体的構造は、所謂ア
ルファ型のスターリング機器構造をベースにした前述実
施形態の如き構造に限定されるものではなく、ベータ型
やガンマ型のスターリング機器構造をベースにした構造
を採用するなど、種々の構成変更が可能である。

【００３４】熱入力用高温熱媒Ｎａの温度、利用対象の
低温熱を保有する低温熱媒Ｎｂの温度、温熱出力用熱媒
Ｎｃの温度、放熱用冷却熱媒Ｎｄの温度など、各部の具
体的温度は前述の実施形態で例示した温度に限定される
ものではなく、条件に応じ種々の温度を採用できる。

【００３５】利用対象の低温熱は燃料電池の廃熱に限ら
れるものではなく、種々の低温熱を利用対象熱とするこ
とができ、また、その低温熱を回収利用して生成した高
温熱の用途も吸収式冷凍機の駆動熱源に限られるもので
はなく、種々の高温熱用途に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】システム構成を示す図

【図２】サイクル実行部の動作過程を示す図

【符号の説明】

１ サイクル実行部 ２ 低温吸熱室 ２ａ 低温加熱器 ３ 高温放熱室 ３ａ 高温放熱器 ４ 高温吸熱室 ４ａ 高温加熱器 ５ 低温放熱室 ５ａ 低温放熱器 ６ 再生熱交換器 ９ 熱需要先，吸収式冷凍機 １０ 燃料電池 Ｇ 作動ガス Ｎａ 熱入力用の高温熱媒 Ｎａ′ 作動ガスとの熱交換後の熱入力用高温
熱媒 Ｎｂ 低温熱媒 Ｎｂ′ 作動ガスとの熱交換後の低温熱媒 Ｎｃ 温熱出力用熱媒 Ｎｄ 放熱用冷却熱媒

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温加熱器を備える高温吸熱室と、低温
   加熱器を備える低温吸熱室と、高温放熱器を備える高温
   放熱室と、低温放熱器を備える低温放熱室とを各室間に
   再生熱交換器を介在させて連通させた状態で、 作動ガスを前記再生熱交換器を通じて前記高温放熱室及
   び前記低温放熱室から前記高温吸熱室及び前記低温吸熱
   室に移動させる吸熱側作動ガス移動過程と、 前記高温加熱器及び前記低温加熱器からの採熱を伴う作
   動ガス膨張過程と、 作動ガスを前記再生熱交換器を通じて前記高温吸熱室及
   び前記低温吸熱室から前記高温放熱室及び前記低温放熱
   室に移動させる放熱側作動ガス移動過程と、 前記高温放熱器及び前記低温放熱器への放熱を伴う作動
   ガス圧縮過程とを、 その順に繰り返してスターリングサイクルと逆スターリ
   ングサイクルとを併行実施するサイクル実行部を設け、 前記高温加熱器において熱入力用の高温熱媒と作動ガス
   とを熱交換させ、前記低温加熱器において利用対象の低
   温熱を保有する低温熱媒と作動ガスとを熱交換させ、前
   記高温放熱器において熱需要先へ供給する温熱出力用熱
   媒と作動ガスとを熱交換させ、前記低温放熱器において
   放熱用冷却熱媒と作動ガスとを熱交換させる構成にして
   ある低温熱利用の熱源システム。
2. 【請求項２】 前記熱需要先として吸収式冷凍機を設
   け、 この吸収式冷凍機の駆動熱源として、前記高温放熱器に
   おいて作動ガスと熱交換させた温熱出力用熱媒と、前記
   高温加熱器において作動ガスと熱交換させた後の熱入力
   用高温熱媒とを併用する構成にしてある請求項１記載の
   低温熱利用の熱源システム。
3. 【請求項３】 前記吸収式冷凍機の発生冷熱を冷房又は
   冷却用の冷熱源にするとともに、前記低温加熱器におい
   て作動ガスと熱交換させた後の低温熱媒を暖房又は加熱
   用の温熱源にしてある請求項２記載の低温熱利用の熱源
   システム。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれか１項に記載の低
   温熱利用熱源システムを用いたコージェネレーションシ
   ステムであって、 発電部として燃料電池を設け、この燃料電池の廃熱を保
   有する低温熱媒を前記低温加熱器において作動ガスと熱
   交換させる構成にしてあるコージェネレーションシステ
   ム。