JPS6256421B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はランキンサイクル式熱機関によりヒー
トポンプサイクルを駆動してなる冷暖房装置に関
し、より具体的には膨張機に容積型流体機械を採
用したランキン．ヒートポンプサイクルの制御に
関するものである。

従来、ランキンサイクル式熱機関としては火力
発電所における蒸気タービンサイクルがその代表
例として示されるように、大型定負荷用動力装置
として位置付けられていた。しかし乍ら近年小型
熱動力機関としての新しい用途、即ち廃熱利用．
太陽熱利用．外燃機関等からランキンサイクル機
関が見直されている。このため従来の大型蒸気タ
ービン機関等の速度型流体機械に変り数馬力程度
の出力を取出すのに適し加工性にも優れた容積型
膨張機等が注目されつつある。

本発明はランキンサイクル機関においてその出
力機構に容積型流体機械を採用した場合における
固有の問題点を解析し、ランキンサイクル機関を
負荷に応じて自在に制御するための各種方策を開
示するものである。

先ず発明の詳細な説明に先立ち現状のランキン
サイクルとタービン等の速度型流体機械の組合せ
における特性を若干説明する。第１図に通常の火
力発電所等におけるランキンサイクルの基本シス
テムを示す。図において１は作動流体液ポンプ２
は動作流体液を加熱して過熱蒸気を発生する発生
器、３は蒸気タービン、４は凝縮器、５は発電機
である。第２図に第１図に示すシステムのランキ
ンサイクルをｐ―ｉ線図（モリエル線図）として
示す。第３図にランキンサイクルをＰ―Ｖ線図と
して示す。つぎに第１図〜第３図に示される速度
型流体機械を用いたランキンサイクルの特性を更
に詳細に説明すると、作動流体液ポンプ１は凝縮
器４により液化された低圧（凝縮圧力Ｐ_C）作動
流体液を吸引昇圧して高圧（発生圧力Ｐ_G）液と
成し発生器２へ導く。発生器２内においては火力
バーナ６により作動流体液は加熱され最終的に高
圧過熱蒸気状態で発生器２を出て流量制御弁７を
通り速度型機関である蒸気タービン３へ導かれ
る。蒸気タービン３は通常複数段の羽根車により
構成され必要に応じて再熱器（図示せず）等が介
設される。タービン３の出力軸は必要に応じて減
速機構等を介して発電機５を駆動して発電を行い
送電線へ送電する。タービン３内において凝縮圧
力Ｐ_C迄減圧膨張して有効仕事を取出された低圧
過熱蒸気は凝縮器４において海水等により冷却さ
れ液化した後再び液ポンプ１に吸引される。この
ようにランキンサイクルは第２図のモリエル線図
において１′―２′―３′―４′―１′の閉サイクル
を構成する。すなわち、第２図において点３′と
点２′におけるエンタルピ差と作動流体循環量と
の積が発生器２においてサイクルに供給された熱
量、点３と点４におけるエンタルピ差と作動流体
循環量との積がランキンサイクルより出力軸に取
出される出力を示す。また、ランキンサイクルよ
り取出される出力は第３図のＰ―Ｖ線図としても
表わすことが可能である。すなわち発生圧力Ｐ
_G．凝縮圧力Ｐ_C．作動流体の断熱指数．作動流体
循環量より閉ループのＰ―Ｖ線図を得ることが出
来、線図内の面積（第３図の斜線または点描で示
される）としてタービン３の出力を表わすことが
できる。なお第３図においてａは部分負荷状態、
ｂは全負荷状態を示す。このような速度型流体機
械を採用してなるランキンサイクルにおいてはそ
の特性として例えば発電容量等の負荷容量が変動
した場合、ランキンサイクルの出力動力は次の如
く制御される。すなわち、発電機としての特性か
ら出力周波数を定常に保つ必要があり回転数は一
定に保持されており、従つて出力動力の制御は出
力トルクの制御を行うことである。この出力トル
クは速度型流体機械であるタービンにおいては流
入する作動流体速度を変化させることにより制御
され、すなわち、これは作動流体循環量を増減さ
せて制御している。すなわちこれを第２図、第３
図において説明すると第２図のモリエル線図にお
いては線図上においては基本的な作動状態の変化
は無く、第３図のＰ―Ｖ線図においては例えば部
分負荷状態ａ（斜線部）に対して出力が増大する
場合には全負荷状態ｂ（点描部）のように出力仕
事面積が増大して出力トルク制御が行われる。

すなわち、速度型流体機械を採用する場合の出
力制御はサイクルの圧力条件は一定の状態サイク
ルの循環量を制御することにより達成される。

これに対しタービン３に変つて容積型流体機械
を採用するランキンサイクルの出力制御は全く異
なつた状態で行われる。すなわち、第４図に容積
型流体機械を用いた場合のＰ―Ｖ線図に示すよう
に、例えば凝縮圧力Ｐ_Cを一定とした場合、基準
出力トルクを発生する基準発生圧力をＰ_GAとした
場合、負荷トルクが増大した場合の出力トルク
は、第４図に示すように変化する。すなわち、回
転数一定とした場合、入口容積V₁と出口容積V₂
が固定されている容積型流体機械においては発生
圧力Ｐ_GAが上昇してＰ_GBに移動することにより斜
線部で示される標準出力Ｌ_Aが高負荷出力Ｌ_Bに変
化する。同様に負荷トルクが減少した場合は発生
圧力はＰ_GC、低負荷出力Ｌ_Cに減少してサイクル
が構成されるものである。

このように、容積型流体機械を採用する場合、
ランキンサイクルの出力制御はサイクルの圧力設
定が変化することにより行われるものである。

すなわち、第６図に示されるように、ランキン
サイクルにおいて速度型流体機械を採用する場合
に作動流体液ポンプにおける作動差圧（Ｐ）及び
作動液体循環量（Ｑ）の釣合点Ｂ_Sは負荷動力の
変動に応じて定圧力変流量方向（図の水平方向）
に移動する。また、第６図に示されるように、容
積型流体機械を採用する場合は液ポンプの作動釣
合点Ｂ_Yは負荷動力の変動に応じて定流量変圧力
方向（図の垂直方向）に移動する。この負荷変動
時における作動点の移動特性の相違がランキンサ
イクルの制御を行う上で最も重要な相違点であ
る。

第７図に定容積型流体機械の一例としてのベー
ンロータリ型膨張機の一構成例を示す。このベー
ンロータリ型膨張機はシリンダ１１とロータ１
２、ロータ１２内をシリンダ１１内面に沿つて摺
動するベーン８（複数）より構成され、高圧ガス
流入ポート９をベーン８が閉止した時の基準容積
がV₁、低圧流出ポート１０をベーン８が開放し
た時の基準容積がV₂である。従つてV₁，V₂は形
状より決定される値であり、ランキンサイクルの
作動状態には無関係である。

また、別の従来例として容積型流体機械におい
ても、蒸気機関車に代表される如く、流入弁のタ
イミング制御により流入基準容積V₁を可変容積
としている例もあるが、この場合は制御特性は第
５図と同様となり基本的に速度型流体機械の制御
特性に準ずるので本発明以前の制御特性となる。
従つて本発明の以後の説明で容積型流体機械とは
定容積型流体機械を示すものとする。

以下本発明の制御方式に関し更に詳細に説明を
加えると、第８図に本発明を導入する一流体方式
ランキン．ヒートポンプサイクルの一構成例、第
９図は上記一流体サイクルのモリエル（p.i）線
図、第１０図は同じくＰ−Ｖ線図を示す。

第８図において、１３は室外熱交換器で冷房時
はランキンサイクル及びヒートポンプサイクルの
凝縮器として作用し、暖房時はヒートポンプサイ
クルの蒸発器として作用する。１４は室内熱交換
器で冷房時はヒートポンプサイクルの蒸発器とし
て作用して室内空気を冷却すると共に、暖房時は
ランキンサイクル及びヒートポンプサイクルの凝
縮器として作用して室内空気を加熱する。１５は
例えば可変速モータ３２等による容量制御機構を
有する作動流体液ポンプで、回転数センサ３３の
検出回転数が一定になるように容量制御を行な
う。１６は発生器、１７は容積型膨張機であり、
これらは適宜接続されてランキンサイクルを形成
する。また、１８は上記膨張機１７により駆動さ
れる圧縮機であり、その吐出側は前記膨張機１７
の出口側と連結された後、作動流体の流れを冷房
時は図の実線の如くかつ暖房時は図の破線の如く
切換える四方弁１９に接続される。この圧縮機１
８、四方弁１９、室内熱交換器１４、室外熱交換
器１３、絞り機構２０によりヒートポンプサイク
ルが構成される。なお、２１，２２は冷暖で冷媒
の流れを制御する逆止弁、２３は発生器１６を加
熱する加熱源、、２４は室外熱交換器用送風機、
２５は室内熱交換器用送風機である。つまり回転
数センサ３３の回転数によりヒートポンプサイク
ルの圧縮機１８の負荷変動を検出して負荷の増大
か減少かを判断し、負荷増大時には前記作動流体
液ポンプ１５の吐出圧力ならびに吐出液量を増大
させ、負荷減少時には前記作動流体液ポンプ１５
の吐出出力ならびに吐出液量を減少させて前記回
転数センサ３３の検出回転数が常に一定となるよ
う前記作動流体液ポンプ１５の容量を制御する手
段を設けたものである。第９図は第８図のサイク
ルを表わすモリエル線図、第１０図は同じく第８
図の膨張機出力．圧縮機入力を表わすＰ―Ｖ線図
である。

第１０図のＰ―Ｖ線図において第８図に示す一
流体ランキンヒートポンプサイクルの特性を更に
説明すると、圧縮機１８の所要負荷トルクは室内
熱交換器１４における室内負荷条件及び室外熱交
換器１３における外気条件により決定される。す
なわち蒸発圧力Ｐ_E、凝縮圧力Ｐ_C、圧縮機基準容
積Ｖ_COMPにより圧縮負荷仕事Ｌ_COMPが第１０図の
如く決定される。これに伴い、この仕事Ｌ_COMPに
等しい仕事量を膨張機１７が発生せねばならず、
膨張機基準容積Ｖ_EXP、凝縮圧力Ｐ_C、膨張発生仕
事Ｌ_EXP（＝Ｌ_COMP）より発生圧力Ｐ_Gが決定する
のは前記説明に明きらかな通りである。なお、説
明の便宜上膨張機１７、圧縮機１８における各効
率（膨張．圧縮効率．機械効率．容積効率）は省
略した。このように膨張機１７として容積型流体
機械を採用する場合、ヒートポンプサイクル側の
負荷に応じて発生圧力Ｐ_Gが応動するという固有
の特性が明きらかになつたが、さらに実用上の空
調機特性としてはヒートポンプサイクルの負荷変
動に拘らずシステム全体の運転回転数を定常に保
つことが望ましい。本発明は上記容積型流体機械
の固有の特性を鑑み乍らシステムを定常に運転可
能な如く制御することを可能にした点である。

ヒートポンプサイクルの負荷に応じて発生圧力
Ｐ_Gが変化することは既に示したが、この容積型
流体機械固有の作動圧力変化に伴い次の問題が生
ずる。すなわち、第９図に示す通り気体一般の特
性として発生圧力Ｐ_Gの上昇により膨張機１７入
口ガス比容積Ｖは減少する。これにより膨張機１
７の一回転当りの作動流体循環量は発生圧力Ｐ_G
の上昇に従つて増大する、すなわちヒートポンプ
の負荷に応じて発生圧力が変化し同時に膨張機１
７一回転当りの作動流体循環量も変化する。

第１１図に容積型流体機械を採用したランキン
サイクル機関において、作動流体ポンプ基準（Ｐ
―Ｑ特性基準）の標準釣合点Ｂ_YRがシステム回転
数一定の場合システムの負荷に応じて移動する様
子を示す。図において負荷増大時は右上方へ負荷
減少時は左下方へ釣合点が移動する。

以上に示したように、ランキンサイクルに容積
型流体機械を採用する場合、従来公知の速度型流
体機械を採用した場合と異なり、負荷の増大時に
システムの作動圧力が上昇する。この圧力上昇に
対応しシステムを定常速度で運転するには、サイ
クルの作動流体液ポンプを第８図に示すように負
荷増大時には吐出圧力上昇かつ吐出流量増大する
如く制御し、また、負荷減少時には吐出圧力低下
かつ吐出流量減少するように制御する必要があ
る。すなわち、上記のように作動流体液ポンプを
制御することにより、初めて容積型流体機械を用
いるランキンサイクルにおいて圧縮機の負荷動力
が変化した場合においても定常速度でシステムを
運転することが可能となる。

また、循環量の変化に伴ない当然のこととして
発生器においてランキンサイクルに加えられる熱
量及び凝縮器においてランキンサイクル（及びヒ
ートポンプサイクル）より放出される熱量は変化
するものであり、発生器における投入熱量制御及
び凝縮器における放熱量制御も同時に考慮する必
要がある。発生器においてはその出口における作
動流体過熱度を一定に保つようにバーナ等の発生
熱量を自動制御すれば良く、凝縮器の場合は放熱
や量に応じて凝縮圧力自体が若干変動して自動的
に外気等への放熱量が釣合う如く凝縮温度が変化
する。ただしこの凝縮温度変化は通常の場合は微
少な変化であり、第１１図に示す釣合点変化特性
は基本的に変化しない。

作動流体液ポンプの容量制御方式としては実施
例のように可変速モータ等による回転数制御、あ
るいはバイパス回路及びバイパス弁等によるバイ
パス制御等多くの方式があるが何れの方式を用い
ても良く、また負荷動力検知方式としては直接圧
縮機及び膨張機の結合軸トルクを検出しても良い
し、回転数検知または便宜的に外気．室温等の雰
囲気条件を検知しても良い。

容積型流体機械としては往復動ピストン型、ベ
ーンロータリ型、スクロール型、ローリングピス
トン型、スクリユー型等何れの型式を採用しても
差仕えない。なお、Ｐ―Ｖ線図は何れもベーンロ
ータリ型の場合を示しているが、本発明は何れの
型式としても何ら変るものでは無い。

本発明によれば、ランキンサイクルの作動流体
液ポンプには容量制御機構を設け、ヒートポンプ
サイクルの圧縮機の負荷変動に応じて前記液ポン
プ容量を制御し負荷増大時には液ポンプ吐出圧力
ならびに吐出流量を増大させ、負荷減少時には吐
出圧力ならびに吐出流量を減少する如く制御する
機構を設け、前記定容積型流体機械の運転速度を
一定に保持することができ、作動流体液ポンプを
制御することにより、ランキンサイクルにおいて
圧縮機の負荷動力が変化した場合においても定常
速度で運転可能となる優れた効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の速度型流体機械を用いたランキ
ンサイクル図、第２図は第１図のサイクルのモリ
エル線図、第３図は同Ｐ―Ｖ線図、第４図は定容
積型流体機械に於けるＰ―Ｖ線の変化を示す説明
図、第５図は速度型流体機械採用時のＰ―Ｑ線図
の釣合点移動特性図、第６図は容積型流体機械採
用時のＰ―Ｑ線図の釣合点移動特性、第７図は定
容積型流体機械の一構成例を示す断面図、第８図
は本発明の空気調和装置の一実施例を示す一流体
式ランキンヒートポンプサイクル図、第９図は第
８図に示すサイクルのモリエル線図、第１０図は
同Ｐ―Ｖ線図、第１１図は本発明におけるポンプ
制御のＰ―Ｑ線図である。 １３……室外熱交換器、１４……室内熱交換
器、１５……作動流体液ポンプ、１６……発生
器、１７……容積型膨張機、１８……圧縮機、１
９……四方弁、２０……絞り機構、２３……バー
ナ、３２……可変速モータ、３３……回転数セン
サ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 加熱源により加熱される蒸気の発生器と、容
   積型膨張機と、四方弁と、室外熱交換器と、可変
   速モータ等による容量制御機構を有する作動流体
   液ポンプとを循環して接続し、前記四方弁と前記
   室外熱交換器との間に、前記容積型膨張機により
   駆動される圧縮機および室内熱交換器を設け、前
   記容積型膨張機の回転数を検出する回転数センサ
   を設け、前記回転数センサの回転数によりヒート
   ポンプサイクルの圧縮機の負荷変動を検出して負
   荷の増大か減少かを判断し、負荷増大時には前記
   作動流体液ポンプの吐出圧力ならびに吐出液量を
   増大させ、負荷減少時には前記作動流体液ポンプ
   の吐出圧力ならびに吐出液量を減少させて前記回
   転数センサの検出回転数が常に一定となるよう前
   記作動流体液ポンプの容量を制御する手段を設け
   た空気調和装置。