この発明は、石油、ガスなどの燃料を燃焼したときに得られる高温度の熱源を利用して家庭、事務所さらには店舗等で利用される５０〜６０℃程度の温水の量を出来るだけ増加した形で得る事、それを年間を通じて実現させ、温熱発生システムとして、石油、燃焼ガスの燃焼エネルギーに対し、発生熱エネルギーを倍増する、即ちエネルギー効率を２００％近くまで高めるための基幹技術、システム技術を提供しようとするものである。 燃料は石油、ガスのみで無く、石炭、エタノール等、燃焼して高温度になるものであれば対象になる。

今後、温水を主体とした温熱エネルギーの消費量は一層の増加をたどる事は避けがたく、 地球的エネルギー問題、環境問題の解決のために多くの技術、発明が提案、検討、具体化されてきた。 例えば自然エネルギー利用としての太陽熱温水器、さらには地熱利用、又は種々の排熱利用温水装置、究極の熱変換システムとしての地域発電を担うコージェネレイション装置、電力駆動によるヒートポンプ給湯器などがその具体例である。

しかしながら現在、家庭、事務所、店舗などで実際に使われている温熱供給装置である石油やガスなどの燃料を燃焼させた熱で直に温水を作り供給する最も簡単な方式の器機に比べてこれらの方式は、供給が時間帯、季節、地域に寄らず安定して得られない事、さらには器機がコンパクトで値段が安いという実用化のための重要な要素に於いて十分なレベルにあるとは言えない。

以上の状況を鑑み、今後、エネルギー効率が極めて高く、簡単でコンパクトなシステムを提供する為の新しい商品技術が発明提案され、早期に実用化されることが期待されている。 そこで現在その目標実現に最も近い方式として次のようなシステムを発案する。 即ち、燃焼熱で冷媒を蒸発させ高圧力のガス冷媒とし、それにより膨張機を駆動して動力を得、その動力で冷凍サイクルの圧縮機を駆動するシステムを利用した方式である。 この方式では高圧力のガス冷媒が膨張して仕事をした後にも、燃焼ガスから受け取った燃焼熱量（Ｈ１）にほぼ等しい熱量（膨張ガス凝縮熱量Ｈ３）を６０℃近い温度で放熱でき、かつ冷凍サイクル側からは室外熱交喚器に於いて室外気から吸収した熱量をやはり６０℃に近い温度で放熱する事が出来る（圧縮ガス凝縮熱量Ｈ２）。

従ってこの双方の熱量(Ｈ２＋Ｈ３)を得る事が出来、結果的には燃焼熱源の発生熱量の2倍に近い熱量を獲得できる可能性があり、全エネルギー効率が２００％近くの高効率を達成できる、優れた方式を対象としている。 本発明はこの方式を商品化可能なコンパクトで実用性があり、信頼性の高い、システムとして完成させる事を目指し、実現のための課題、それを解くための関連する基本技術分野についての技術発明を提示するものである。

本発明の関連する技術分野の商品として、最近、構造が簡単で実用的な新しい方式が商品化されている。 即ち、電力駆動によるヒートポンプ式給湯器が徐々に実用化が進み、商品販売が始まっており、特に日本では、大気から熱を得る事によるエネルギー効率の高さと、深夜電力の価格の割引制度と相まって稼働台数が増え始めている。 このヒートポンプ給湯器の省エネルギー性につき文献（非特許文献１）によれば、発電効率が３７％、ヒートポンプ運転での年間効率が外気温度が東京地区の場合、約３００％程度であるため、総合効率は１１１％程度となり、石油、燃料ガスを直に燃やす器機が約７８〜９５％程度であることに比べ、かなりの高いレベルのエネルギー効率の改善、即ち、石油消費量の低減に寄与している。

しかしながら、この方式では総合効率が１１１％で改善が未だ不十分であると同時に、石油、ガスに比べ、消費する動力源である電力が高価であることから、深夜電力方式で電力価格を低く設定した日本以外では価格メリットが殆ど無く、また、各戸乃至は建物への電力供給量の制約から加熱能力に制約があり、そのため深夜貯湯をしない場合も大きな貯湯タンクが必用、さらには東京より北の寒い地域では冬季の温水供給能力不足と同時に消費電力増という問題がある。

他方、石油やガス等の燃料の燃焼でエンジンを駆動し、その軸出力で冷凍サイクルの圧縮機を駆動する方式はガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）等の名称で実用化されている（非特許文献２）。 これはエアコンの冷暖房用として用いられており、エンジンの出力エネルギー効率を４０％とすると冷凍サイクルの効率を３００％として、冷房時の全エネルギー効率は１２０％程度であるが、暖房乃至は給湯運転の場合はそのヒートポンプ運転の効率は４００％弱であり、総合効率は１６０％弱となり、さらにエンジンの排熱をうまく利用すれば総合効率２００％近い理想的な高い効率を狙えるものである。 しかしながら、その装置はエンジンと冷凍サイクルが必要で、大掛かりで装置費用が高くなるため大型の空調機が主体で有り、かつまた、エンジン出力を密閉構造の冷凍サイクル内に圧縮機へ伝達する軸部分での冷媒シール構造、さらには冷媒リーク時のメンテナンスと地球温暖化への悪影響などの問題もあり、単機能の温熱発生器としては実用化されていない。

燃料の燃焼熱を利用して高圧冷媒をつくり、膨張機を駆動し、その出力により冷凍サイクルの圧縮機を駆動する方式は既に公知である（特許文献２など）。 また、膨張機として用いるスクロール膨張機、乃至はローリングピストン膨張機などについても公知例が見られる（特許文献１など）が、これらを使用した温熱発生システムの技術検討はほとんど進んでいない。 ところが最近、本発明に関連する商品化のアイデアが提案されてきている（例えば、特許文献２）。 さらに、車載用燃料電池の低温度の排熱を利用してランキンエンジンを駆動し、その出力により圧縮機と冷凍サイクルを作動させる方式が特許文献３に見られる。 この冷凍サイクルを利用して増幅された温熱を得る技術構想が本発明に最も近い発想のものである。 この方式は将来のエネルギー環境に対しての具体的な改善につき回答できる方式として、エネルギー効率面、実用性、製品化、コスト面で最も優位な方式の一つであると本発明者は捉えている。

しかしながらこのアイデアを実現するための具体的な原理、技術、装置の構成などがほとんど検討、提案されておらず、このアイデアを如何に実現するかなどは不明である。 従って現在は、前述したように高温度の燃焼熱を熱源として冷媒を蒸発させて圧縮機をランキン駆動し、冷凍サイクルを作動させて温熱を得るシステムは大雑把なアイデアとしては存在してもその実用化に向けては殆ど提案も検討もされていない状況と言える。 この最大の理由は以下のようであると思量される。 即ち燃焼が高温度技術であるのに対しランキン駆動する冷媒回路の技術は低温度技術であり、その技術領域が異なっている事、及びランキン駆動する冷媒回路と冷凍サイクルの二つのシステムを連結させる具体的な技術が無かった事、従って従来技術レベルでこのアイデアを完成させてもシステムが大掛かりになり、実用化出来ないと判断されて来た為と思われる。

さらに具体的に述べるなら以下のようになる。 本発明の土台となる構想は８００℃近くの高温度で扱われる事が多かった燃焼熱を用いて、高効率を得るためになるべく高い温度（出来れば１５０℃以上）でランキン駆動サイクルを作動させ、そこに８０℃以下の分野で使われてきた冷媒システム技術を用い、尚且つその出力エネルギーを別の冷媒回路である冷凍サイクルに伝えていく必用があり、かつまた０℃以下にも下がる室外気から熱を奪う技術と結びつけ、全体をコンパクトでシンプルに構成し、その上で極めて高いエネルギー効率を達成でき、且つ安定して運転できるシステムを実現しようとするもので、そこには従来に無い発想と技術の発明が必要になる。

一方、最近では地球温暖化を和らげるため、空調・冷凍・冷蔵などの機器に用いられる冷媒についても根本的な変革が望まれている。 このため、地球温暖化指数であるＧＷＰ値の小さな新しい冷媒を用いる事、及び封入冷媒量を少なくする事、さらに封入冷媒が機器の据え付け、使用、廃却過程で大気中に漏れないで回収されるという３つの要素を改善しようとする要求が強まってきている。 冷媒の地球温暖化指数であるＧＷＰの観点からは、従来使われてきた、塩素成分を含むもの及びフッ素成分を多く含む冷媒は除外される。 従って燃え難い、科学的に安定して安全な冷媒は殆どが塩素、フッ素を含むため使用できない可能性が強い。 このため自然冷媒の弱点を自然冷媒を使用する商品側での方式、構成、制御などで補える技術の出現が急務である。

高温度領域である燃焼熱源と低温度域の技術で進展してきた冷凍サイクルと作動冷媒を組み合わせる技術により成立するこの種の事業領域を対象とした本発明の様な新しいシステム機器には、上記要請を叶えるための将来機器商品としての条件を満たす事が前提であると考えている。

特開昭５８−１１０８８５号公報

特開平６−１３７７００号公報

特開２００４−６０５５０号公報

日本建築学会偏「建築の次世代エネルギー源」井上書院 Ｐ７９、図５−９ ＣＯ２冷媒ヒートポンプ給湯器の省エネルギー性 日本建築学界偏「建築の次世代エネルギー偏」井上書院 Ｐ４０、 図３−４ ガスエンジンヒートポンプ（ＧＨＰ）エアコンのしくみ

以上、概説してきたが、ここでは燃焼熱で冷媒を蒸発させて高圧のガスとし、これを膨張機で膨張させて動力を得、その動力で冷凍サイクルの圧縮機を駆動する方式について考える。 この方式については従来そのアイデアが散見されるにも拘わらず、実用化できていない状況にあり、その理由そのものが課題となるといえよう。 その課題を大別すると以下のように二つに分けられる。 その一つは従来技術の組み合わせで考えると、複雑な構造で、大掛かりな装置となり、単に温水又は温熱を発生させる機器として実用レベルで商品価値があるものが出来ていないと考えられる。 二つ目の理由は、その商品価値あるレベルに改善するためには多くの新しい技術、発明が必要であると考えられる。 以下、この方式の実現には多くの課題があり、順次列挙するものとする。

上記方式の冷媒回路は冷媒膨張回路と冷凍サイクルから構成される。 この二つの別々の冷媒回路を簡略な構成でシステムを成立させる冷媒サイクルシステム技術、膨張機と圧縮機の仕様、構造、作動方式と同時に別々の冷媒環境の中で膨張機と圧縮機をどの様に動力的に連結するか、そのための方式と具体的構造を簡単で確実なものにする事が全体システムを研究開発する最初となる。 さらに同時に燃焼温度域から室外冬季温度まで広がる広温度範囲に対応できる冷媒、潤滑油などの材料開発も基本事項として重要である。

次に石油燃焼給湯器などでは何ら問題にならない項目であるが、常に温熱を安定して供給できると言う点で、この方式の商品の実用化に於いて重要な課題は冬季の低外気温度での冷凍サイクルの凍結対応、また、豪雪下での冷凍サイクル運転不能状態への対応、短時間でも温水出力温度を高温度にしたいという利用者の要求への対応、実現等も重要な課題となる。

また、今後益々重要に成る地球環境にかかわる項目として、エネルギー効率の向上（２００％を目指す）、 使用冷媒の自然冷媒への転換とその漏れを含めた安全性も重要な課題である。 さらには特殊な機能部品としての機能が要求される熱源熱交喚器、燃焼装置、出力熱交換器、液分流器、冷媒制御弁等につき、新機能、新冷媒化、耐高温度性などが求められるため、新規研究開発が避けて通れない。

単一な燃焼熱源温熱発生システムからの発展形として、緊急時及び深夜電力などの時間帯割引料金などの有効な時には商用電源を利用して運転する機能、また、温水等のみでなく冷水なども出力できる機能付加に対する顧客の要望は強い。 これらを簡単な方式で付加できる事が本方式の実現、進展に影響すると思われ、技術課題のひとつである。

最終的にはシステムと構成を簡略化して品質と信頼性を向上させると共に製造原価をいかに低減するかが最も重要な課題であり、以上のシステムを実用化できるコスト、装置の大きさ、長期信頼性、地球環境的安全性を持って実現化できる具体的構想とその具体案を提示する事も課題となる。 特に膨張機の長期信頼性、寿命の確保と、作動回路に利用する作動冷媒の安全性は重要である。 冷媒に関するＧＷＰの観点からは、従来使われてきた塩素成分を含むもの及びフッ素成分を多く含む冷媒は除外される。 従って燃え難い、科学的に安定して安全な冷媒は殆どが塩素、フッ素を含むため使用できない可能性が強い。 このため自然冷媒を使用する商品側での自然冷媒の弱点を補える改善が急務であるが、以上のような新しい冷媒使用の条件に沿って、この考案のシステムを実現する事ができる新しい技術を提案する事が課題となる。

以上の課題を解決するために一連の解決手段を提示する。 発明１は本温熱発生システムの全体構成を示しており、請求項１に示される。 燃焼発生熱を起点としてスタートし、膨張機冷媒回路によって膨張機、圧縮機、冷凍サイクルを作動させ、室外熱交換器にて室外気から熱を奪い、出力熱交換器で温熱を出力させるという一連の新しいシステム技術の構成が提示されている。 この熱発生システムの心臓部は膨張機である。 それを駆動する高圧冷媒の圧力が高いほどその駆動力は高くなるため、高温度で冷媒を蒸発させて高圧力にする事が重要である。 この場合、冷凍サイクルでは−１０℃以下の低温度の室外空気から熱を奪うため、冷媒の蒸発温度は−１５℃以下に下がる。

この極めて広範囲の温度領域で作動する冷媒回路を実現する必要がある。 この温度範囲につき評価検討が必要となるのは、冷媒の選定とその特性（圧力範囲、臨界圧力、科学的安定性、その他）、潤滑油の選定とその特性（低温流動性、高温粘性、科学的安定性 その他）、その他冷凍サイクル使用材料特性（弁その他の材料、特に絶縁材 など）が重要である。 総括として、全体システムの性能特性への影響、特に上記の膨張機の駆動力の点で高温度蒸発が、燃焼燃料の排気ガスの熱損失低減の点では低温度蒸発が求められる。

前者の点からは、冷媒膨張機で圧縮機を駆動する動力を充分に得るための温度落差を考察すればその設定は明確になる。 即ち、熱源熱交換部の冷媒温度と出力温熱温度（約６０℃が目標）の差が膨張機作動の原動力となる温度落差であり、出力温熱温度（６０℃）と室外気温（７℃：Ｊｉｓ規格にある冬季室外空気温度）との差（５３℃差）が、圧縮機作動により熱をくみ上げる温度落差である。 この関係から算定すると熱源熱交喚器での冷媒温度は１１３℃以上である事が期待される。 １１３℃の飽和圧力を持つ高圧ガスを動力源として本発明のシステムを動作させると、約１７５％程度のエネルギー効率のシステムが実現出来る事がわかっている。 ガスエンジンヒートポンプ方式の１６０％を達成するには、この温度は１００℃以上である事が必要である。

一方、上記の材料特性限度の点で冷媒の温度は最高１５０℃とすべき事を別途説明するが、そのためには出口の最高温度を１５０℃とした場合、この冷媒の圧力を決定する熱源熱交換器の中間点での蒸発温度は約１５℃の過熱を仮定して、１３５℃以下に抑えなくてはならない。 冷媒の臨界点が低く、この作動温度がそれを超えている時は超臨界流体の特性となり、さらに注意が必要であるが、基本的な考えは同じで良い。 その場合はこれは蒸発温度ではなくて超臨界流体の温度という事になる。 以上の観点から、少なくとも高圧部分の冷媒温度はその制御精度からみても１００℃〜１３５℃を制御範囲とするのが妥当である。 一方後者の排気ガスの熱損失の点では燃焼ガス排気温度を６０℃以下に調整するには蒸発冷媒との熱交換で１００℃近くまで温度を下げ、さらに請求項３に発明３として示したように、さらに出力温水へ放熱して７０℃近辺まで放熱させることがエネルギー有効利用、排気ガスの安全性からも好都合である。

請求項２は第二の発明で、燃焼ガスの熱を冷媒回路を通してそこで増幅して温熱として出力するモードと、燃焼ガスの保有する熱を直接に温熱として出力するモードの二つの運転モードを持ち、それを切り替えて利用するものである。 これを実施するためには熱源熱交喚器の構成を工夫するとともに、冷媒回路と温水回路の切り替え調整が必用になる。 しかしながら請求項４では、請求項２と３を組み合わせた形で、双方の回路構成を切り替えることなく実現できる技術を提案している。 従ってこの方法によれば、請求項２の切り替え機能の実現は構成を何ら複雑化することなく実現できる。

しかも、請求項２の効果は実用上極めて大きい。 例えば室外が極めて低温で冷凍サイクルの運転により室外空気熱交換器が凍結した時には、冷媒回路は停止して直接温水を加熱する方式が取られる。 またこの機能を保有する事を前提として、極めて寒冷な地域でも安心して設置が出来るし、またそういった地域では冬季は直接加熱、期間の長い秋、春の中間期には冷媒回路を利用したエネルギー効率の高い運転を利用する事ができるという効果がある。 また、使用者の要求により短時間でも温水温度を高温度（例えば９０℃）に上げたいときには直接温水を加熱してこの要望をかなえる事が出来る。

冷媒回路を利用して温水を供給する方式は、性能面からみて二つの欠点がある。 即ち、温水出力温度が冷媒回路という制約から約６０℃と低い事、さらに燃焼ガスの熱を冷媒に与える際には冷媒回路温度を１００℃以上に上げて冷媒の圧力を高める事が望ましく、この制約から、燃焼ガスは１００℃を超える温度までしか放熱できず、その結果１００℃以上の高温度で排熱され、エネルギーの利用の点で難点がある事である。

そこで、請求項３、４は基本運転モードの際にこれらの欠点を改善する上で有効な発明である。 熱源熱交換器に、冷媒回路とともに温水回路を組み込み、そこで燃焼ガスはまず冷媒回路の冷媒を加熱し蒸発乃至は高温化し、自らは１００℃近くまで温度を下げる。 其の後さらに最終段の出力前の温水を加熱して温水の温度を６０℃以上に上昇させ、自らは１００℃以下まで温度を下げる。

このため、請求項５、発明５は、熱源熱交喚器の構造の基本技術構想を示し、その例としては、内側の空間を燃焼室とし、その外周に円筒状のアルミ製熱源熱交喚器本体を設置し、その本体には冷媒回路と温水回路を埋め込み、該アルミ製の円筒状熱交喚器の内側空間を流れる燃焼ガスの上流部分（高温度部分）に冷媒回路を、下流部分（低温度部分）に温水回路を組み込む構成などが考えられる。

請求項６，７は熱源熱交喚器部分の温度の設定について提示した発明である。 熱源から冷媒が熱を受ける時の温度は、請求項１にあるように、冷媒圧力を上げて膨張機の駆動力を確保するためには高温度に設定する事が望ましいが、一方冷媒の耐熱性とその特性（圧力範囲、臨界圧力、科学的安定性、その他）、潤滑油の耐熱性とその特性（低温流動性、高温粘性、科学的安定性 その他）、その他冷凍サイクル使用材料特性（弁その他の材料、特に絶縁材 など）を満たす事が重要である。 また、燃焼ガスの排気によって失う熱ロスを低減する、などの要因からみると低温度の設定が望ましい。 冷媒、潤滑油などの有機材料としての耐熱性、高温度下の信頼度から考えてその上限温度は１５０℃以下に設定する事が妥当であると考えられる。 一方、第一項の蒸発温度などの条件設定に対し、出口冷媒温度は、約１５℃の過熱状態まで過熱させる事が、膨張機内で液化せずに安定作動するために必要であり、上限温度は１１５℃以上に設定する必要がある。

このシステムの出力エネルギーは一体のユニット内に設置された密閉型の冷媒回路からユニット内で出力される。 そこからユニット外には水等の、途中で漏れた時も安全でかつ補充などのメンテナンスが容易な自然媒体を用いて熱搬送される。 この明確な技術構想が、一体のユニットに全ての密閉型冷媒回路を収納し、安全で、長期的信頼性が高いシステムを提供する。 現在世界の冷媒安全基準を審議する国際団体では、毒性、可燃性のある自然冷媒の使用基準として、室内空気に接する部分を持つ冷媒回路の場合はその回路に封入できる冷媒量に関する規制を設けている。 即ち自然冷媒の特徴であるところの、燃えやすい冷媒、毒性のある冷媒等の装置封入量には規制があるわけである。 しかしながら、該冷媒回路が室内に開放する乃至は室内空気と接する部分が無く、かつ水等を媒体に使用して室内等へ出力としての温熱、冷熱を運搬する方式はこの規制の影響を受けない。 この完全な安全性を実現する事を本発明の前提条件としている。 請求項８の技術は以上の思想の基に発明された。

請求項９は使用する冷媒に関する発明９である。 ＧＷＰ値は地球温暖化へのＣＯ２を１．０とした時の影響度を表しており、現状のフレオン類が１７００以上であることをベースにその１／１０以下を目標にした。 同時に同じ上限温度設定下でより大きな膨張機出力を得るには臨界点温度が高い冷媒を使う必要があるが、最低でも７０℃以上である事が望ましい。 ７０℃以上であれば温熱出力熱交喚器で温水を加熱する時も凝縮熱を利用できるし、
熱源熱交換器で熱源が熱を放熱する時も、大きな温度上昇が無くて（蒸発の場合同じ温度で）も冷媒に熱を与える事が出来る。 一方圧力の制約については６０℃に於ける値を基準とし、それが４．０ＭＰａ以下であれば、全体のシステムを１０．０ＭＰａ以下に収める事ができ、冷媒開路の耐圧許容値内に収める事が出来る。

請求項１０は全体システムの温熱出力の最大化を狙い、膨張機冷媒回路における膨張ガス凝縮熱量（Ｈ３）と冷凍サイクルにおける圧縮ガス凝縮熱量（Ｈ２）を一緒に温熱として同一の温熱出力熱交喚器で出力させるものである。 両者の冷媒回路はこの部分で一体化させているので、一体化した冷媒の流れが温水出力熱交換器にてこの足し合わせた熱量分を出力する事になる。 温熱出力の増幅と同時にこの発明は全ての冷媒回路を二つに分離して回路構成にしたものに比べ、全体の冷媒回路の簡略化、膨張機、圧縮機構造の簡略化と信頼性向上に有効であり、全システムユニットのコンパクト化、コスト削減効果に大きなインパクトを持つ。

請求項１１、１２は膨張機と圧縮機の機構部分の潤滑に関する。 特に膨張機の作動温度と圧力は従来の空調、冷凍機器などの冷凍サイクルのものと比べ大幅に厳しい条件となっている。 この条件でも十分に信頼性の高い作動を得るための発明を１１，１２として示したものである。 １００℃における動粘度７．００ｍｍ／ｓは高温度で作動する膨張機の摺動部分の潤滑油にとり、最低限必要な代表特性と考えられるし、低外気温度下で作動する冷凍サイクルの圧縮機用の潤滑油としては低い流動点が必要になる。 特に運転開始前に低温度にさらされて、潤滑油が非流動化し、半固形化した場合は圧縮機は起動する事が出来なくなるからである。

請求項１０に示した様に、シェル内は膨張機と圧縮機の吐出冷媒で満たす構成を前提として考えている。 従って、シェル内圧より高圧となる膨張機シリンダ内へ潤滑油を送り込むためには新しい工夫と技術が要る。 如かして潤滑油用のオイルポンプを設ける方法も一案であるが、構造、コスト、信頼性からみて得策ではない。 そこで膨張機冷媒回路と冷凍サイクルを分流させる分流器から液ポンプ間の、膨張機冷媒回路中で最も低い圧力となる管路部分へ、潤滑油を圧力差で流し込んで、液ポンプで冷媒とともに昇圧させて膨張機冷媒回路経由で膨張機シリンダまで循環させようとするものである。 これによりシェル内から外部に流出する潤滑油量を最小に抑え、また、性能悪化への影響が著しい冷凍サイクル回路を循環する潤滑油量を最小に抑える事ができるからである。 この冷媒回路は実施例で具体的に例示したい。

発明１３は冷媒回路の冷媒を具体的に選定している。 以上の発明を具体化する為にはそれを実現し易い冷媒を用いる必要があり、請求項９を満たす冷媒としてＲ１５２ａ、Ｒ６００ａ、Ｒ２９０、Ｒ７１７が該当する。 Ｒ６００ａ（イソブタンＣ４Ｈ１０、臨界点温度１３３℃、 飽和圧力６０℃にて０．８ＭＰａ）、Ｒ２９０(プロパンＣ３Ｈ８ 臨界点温度９７℃、飽和圧力６０℃にて２．０ＭＰａ)、Ｒ７１７（アンモニア、ＮＨ３ 臨界点温度１３２℃、飽和圧力６０℃にて２．０ＭＰａ）、Ｒ１５２ａ（低ＧＷＰ−ＨＦＣ、Ｃ２Ｈ４Ｆ２、ＧＷＰ１４０、臨界点温度１１３℃、飽和圧力６０℃にて１．３ＭＰａ）。

発明１４は本発明システム全体の制御に請求項２に関して何れかの運転モードの選択ができる様に制御装置と使用者の操作装置を設定する。 この手段には新しい固有技術は必要は無いが、前述した様に、寒冷な地域にも安心して本発明のシステムを設置できる等、システムとしてこの発明が果たす実際の効果は極めて大きい。 これを請求項１４に提示した。

発明１５は地球環境を重視して自然冷媒を採用する事を前提としている。 この場合、冷媒は可燃性、爆発性、毒性があるものが多く、本発明ユニットに全ての冷媒回路を収納し、冷媒がリークした時に緊急停止などの安全制御を設けるという構成が安全性を保障する最良の方法であり、電源遮断後も、引火、爆発を起こさないように密閉の電源回路で警報を表示するアイデアは、新しい固有技術は無いが、システムに不可欠な技術であり、発明として請求項１５に提案するものである。

発明１６、１７は本発明のシステムを熱源機のみでは無く冷却機、冷房機としても利用する事が出来るようにシステムアップするための発明で、特に請求項１７は冷媒回路の主制御弁を制御し、室外空気熱交換器の室外空気を停止し、水熱交換器の水を通水させ、液冷媒を室外空気熱交換器まで到達させない様に冷媒制御弁を絞る事により、冷媒回路の弁などを追加することなく制御できるもので、投資コストが最も少ない方法で冷却機能を付与できるものである。

本発明のシステムは石油、ガスなどの燃料の燃焼熱を利用する事を前提に構築された技術である。 しかしながら、今後エネルギー源がますます多様化することが考えられ、個々の使用者の要請に対し柔軟に対応できる事が要求されると考えられる。 例えば将来太陽熱発電、海水温度発電、石炭燃焼発電などが実用化されてくることも充分に考えられ、この視点からの商品を考えることも重要である。 そこで膨張機及び、又は電力により作動するモータにより圧縮機を駆動する事もできる方式が実現されれば極めて広い実用性を提供すると考えられる。

請求項１１に示された同軸関係にある膨張機と圧縮機にさらに電動モータを同軸関係に追加するのみで、極めて簡単な構成でこの発明は実現できる。 実際には電動モータで駆動する時は膨張機はシリンダ内を開放してレリース運転に切り替える必用があるなど、小さな工夫が必要となるが、ここでは細部は取り上げない事とする。 重要な事は、動力源の選択、さらにはその双方を同時に利用するシステムが極めて有効であると気付くことであると考えられる。

本発明の利用分野は、石油、ガス等の燃料の燃焼熱を利用してその燃焼により得られる熱量を上回る温熱を出力する装置とそのシステムである。 その根幹の技術は熱源を動力源とした膨張機であり、駆動されるのはヒートポンプにより室外気から空気の熱を吸収する冷凍サイクルである。 このシステムの原理は請求項１０により提示されており、これが本発明システムのコアとなる技術である。 次にこのシステムが安定して作動させるための技術が求められる事になる。 請求項１はそのために設定されるべき冷媒の作動温度を提示した。 請求項２は寒冷地、寒冷時期にも安定して作動する方式を提示した。 請求項４はそのための構成を提示している。 請求項６，７は安定運転のための冷媒の温度制御技術を提示している。 また、請求項１１、１２は安定運転の条件となる膨張機の潤滑に関する技術である。 以上の個々の発明は、本発明システムが安定して作動する技術を提示している。

さらに、本発明のシステムを高いエネルギー効率で運転させるための技術が重要である。
請求項１は冷媒を極力高い温度で作動させて、効率良い運転を実現させる技術である。 又請求項２は効率の面でも最適な運転モードを選定する技術であり、請求項３は駄目押しで残存熱を熱交換させてエネルギー効率を上げている。 請求項４、５は熱源熱交換器の構成を提示しており、それは効率の高い運転を実現するためのものである。 請求項１８はエネルギー源の選択幅を拡げる事によりエネルギー効率上最適な選択ができる事を実現している。 以上の発明はエネルギー効率を高める事に関する技術である。

請求項８、９、１３、１５、は地球環境負荷を低減する新しい冷媒とそのシステム構成を提示しており、現在空調機器などに使用されている代替フロン（ＨＦＣ）に代わる未来の冷媒とそのシステムの実現に一役果たせる技術である。 請求項４、８、１１、１４はシステム構成を簡略化する事に関連した技術で、実用的な商品化の上で極めて重要な技術アイテムであり、密閉された冷媒回路とそれを内包する一体でコンパクトなユニッを構成する基幹技術を提示している。

そして請求項１６、１７は本システムを温熱供給だけでなく、冷熱も供給できるように構成し、より広い使用分野を提供する技術である。 このためには実施例に示すように冷熱出力用の熱交換器を冷凍サイクル内に設置し冷水出力をオンオフする構成が必要である。 オフ機能が無ければ冷水出力回路は凍結してしまう危険が有り、また冷水の需給調整も必用だからである。 このためには室外熱交換器の作動と切り替えて制御する事が必要であり、通常はその冷凍サイクルを切り替えるための弁などが必要になるが、実施例では冷凍サイクルの冷媒制御弁の制御と室外ファンのオンオフ及び冷水出力回路のオンオフのみでそれを実現している。 これは請求項１７に提示した冷水熱交換器の設置位置が重要である。 この配置と上記の制御切り替えは冷水出力オンの時の室外熱交換器配管内への液冷媒量の不要な滞留と該表面からの冷熱の損失を防止している。 この結果極めて簡単な構成により温熱のみでなく、冷熱も出力が可能になり、長時間に渡る運転使用を可能にするための技術を提供している。

また、請求項１８は燃焼熱だけでなく、電力も利用して本発明のシステムを作動できるように構成する技術であり、燃料が不足したとき、より大量の温水を得たいとき、時間帯別に価格上で優遇された電力を利用してランニング費用を下げたい時、等、多くの要望に対応できる応用技術である。
これ等により、前述した課題は改善できていると考えられる。 従来、以上に述べた様な効果を総合的に持った技術は無く、また個々の改善効果が得られる技術はアイデアとしては散見されるが、それを如何に具体化するか、更に全体のシステムを如何に纏め上げるかという技術は発見する事が出来ない。

総合的な効果として、本発明は燃焼熱を使って、その熱とほぼ同等な熱量を室外空気から汲み上げ、それを足し併せて（結局２倍にして）温熱として出力でき。 しかもその温熱は温水として充分広範囲の使用に耐える温度レベル（６０℃）を確保している。 この運転を継続的、安定的に実現する事が出来るばかりでなく、地球環境的にも極めて進んだ技術レベルを実現している。 さらには冷熱出力運転も可能であるし、必要により電力を主動力源に使った運転モードも実現できるなど、将来の温熱エネルギー装置の本命になるシステムを実現するという効果を有するものである。

以下、本発明の実施形態を、図１〜図４に基づいて説明する。

図１は本発明の１つの実施形態のシステム全体図であり、燃焼熱源利用温熱発生システムの中の熱媒体、冷媒の回路と主要部品による全体の構成の概要を示している。 これにより全体のシステムとしての作用、部品の相互関連、熱出力の原理が示される。 図２はこのシステムの冷媒回路を冷媒の圧力エンタルピ線図（Ｐ−Ｈ線図）の中に表示し、全体の冷媒システムの作動を解るようにして、本発明の原理を示そうとしている。 図中１ａ、２ｂ、〜８ｈは各ポイントと、そこでの冷媒の持つエンタルピー（熱量、横軸目盛り）を示す。 図３は図１に示した基本的な本発明のシステムの機能をさらに拡大展開した請求項１６、１７、１８の機能を追加したシステム事例の全体構成図である。 図４は本発明のシステムに用いられ、本発明の重要な部分を担う熱源熱交換器の機能を示す構造図である。

本発明のシステムは燃料は如何なるものでも原理的には構わないが図１ではパイプで供給される液体乃至はガス燃料を想定している。 燃料は燃焼装置２で燃焼し、アルミ製の熱源熱交換器３を加熱しつつ冷却され燃焼ガス排気５として排出される。 この時、図４で分かるとおり、最終段で、冷凍サイクルで５５℃まで加熱された温水をさらに加熱して６０℃まで温度を上げ、自らは８０℃程度まで温度を下げて排気される。 この燃焼ガスは熱源熱交換器の内側に設けられた燃焼ガス通路１０６を通過しつつ、その通路中央に設置された邪魔板１０７により熱交換器内面近くに案内され、その内周面に設けられた内面フィン１０５（これは全内周面に設けられている）を通して効率よく放熱する事ができる。

本事例では冷媒にイソブタンを使用している。 その冷媒としての特性をうまく利用し、システムとして６０℃の温水を効率よく出力できるようにするため、冷媒パイプ１７の冷媒温度を最適な温度範囲である１１０℃〜１３０℃の範囲に収まるように熱交換器３のアルミ本体部の温度を１１５℃〜１３５℃の範囲で制御する。 この温度範囲を保つためには燃料の供給量と燃焼用空気の供給量を制御（何れも図示せず）する。 図２のＰ−Ｈ線図でわかるとおり、この制御によりこの部分のイソブタン冷媒の圧力は２．３５ＭＰａとなり、冷媒の熱源熱交換器出口の最高温度は約１３０℃となる（この温度まで過熱していれば、この後の膨張行程の最後で液冷媒の発生を抑え、ガス状態での効率の良い膨張を実現できる）

この高温高圧の冷媒は膨張圧縮機６に送られ、膨張機７を駆動する。 膨張機７はスクロール型の翼（図示せず）を持つ遠心式の膨張機でその軸はスクロール型圧縮機８の軸と一体で、膨張機は圧縮機を回転させて駆動する。 膨張機と圧縮機には停止した時の軸位置角度によって起動が左右されないスクロール型を用いたので、起動は常に極めてスムースであり、起動補助は必要が無い事も優れた特徴である。 膨張機を出たガス（約６５℃）と圧縮機を出たガス（約８０℃）はシェル内で合流して約７２℃の過熱冷媒となり、膨張圧縮機６を出て、吐出管１１を経て二重管式の出力熱交換器１２にて、図２で分るとおり、０．８７ＭＰａ、６０℃で凝縮放熱し、水を加熱する。 これにより約５５〜６℃の温水を得る事が出来る。 この温水は最終段として熱源熱交換器で６０℃に加熱されて出力される事は既に述べた。

熱源熱交換器は図４で見れるとおり、冷媒パイプを高温度の燃焼ガスと直に熱交換させ、温水パイプはそれを避けた構成としている。 さらにこの考えを進めて、温水回路の入り口をこの温水パイプに導入した後で、出力熱交換器に向かわせるとい逆方向の温水回路構成にして燃焼ガスの排気温度をさらに低下させて熱効率を高める方法もあるが、燃焼排気ガスの結露及び冷媒回路側の効率低下という悪化要因もあり、本事例では採用していない。

この時、圧縮機８で圧縮される冷媒量は膨張機７の冷媒循環量とほぼ同じになる。 何故なら膨張機と圧縮機での夫々の圧縮、膨張仕事量を約同一値になるように、夫々の作動する吸込み、吐出の冷媒圧力を設定し、かつ夫々のスクロール翼のシリンダ容積容量を夫々の冷媒が同一重量流量になるように設定したからである。 一方、図２から分るように、膨張回路（第２図中、上半分）の出力熱交換器出入り口冷媒のエンタルピー差（放熱量、３ｃ−５ｅ）と冷凍サイクル（第２図中、下半分）のそれ（４ｄ−５ｅ）は殆ど同じである事がわかる（実際は４ｄ−５ｅが若干大きい）。 これは、膨張回路側の放熱量と冷凍サイクル側の放熱量はほぼ同じであることを意味する。

この図はまた、燃料が燃焼して冷媒に与えた熱量（２ｂ−１ａ）が前記の各放熱量にほぼ等しい事を示しており、結果として燃料の熱量の約２倍の熱量が温水として出力される事を意味する。 これがこの発明によるシステムの最大の利点である。 出力熱交換器を出た液冷媒は分流器１３によりほぼ当分に分流される。 膨張機冷媒回路側の液冷媒は液ポンプ１６により圧縮されて高圧力になり熱源熱交換器３に入り燃焼熱を受け取って蒸発すると共に大きな比容積ガスとなる。 例えば臨界点温度の低いプロパンなどを冷媒として使えば、この温度域では臨界点温度（９７℃）を超えており超臨界状態の流体となるため、この熱吸収は蒸発ではなくて顕熱上昇によって行われ。 このため、温度制御が難しくなり、伝熱性能も若干劣化するため具体的な設計には注意が必要になる。 従って臨界点温度は充分高い冷媒を選定する事が望ましい。

本事例システムを作動させる全ての出発点はこの液冷媒ポンプ１３の始動により行われる。 通常は２連歯車によるギヤポンプなどが用いられるが、冷媒回路全体の流量、即ち出力制御もこの液冷媒ポンプを駆動する電動モータを制御する事によって行われるので、回転数即ち流量が設定制御でき、圧縮過程で冷媒の漏れを抑えるべく精度の高い、かつ安定して作動するものを使っている。

一方、分流器１３で冷凍サイクル１５側に分流された液冷媒は冷媒制御弁１９に於いて等エンタルピ膨張し、冷凍サイクル１５が最適な状態になるように制御される、室外熱交換器２０に送られ、０℃、０．１６ＭＰａの状態で７℃の室外空気（図１、３、矢印）から熱を奪い蒸発する。 勿論この温度は室外気の温度で左右されるが、外気温度が５℃〜１５℃の範囲であれば、若干の冷媒回路調整で同様な運転状態で作動する。 室外気が５℃以下になると冷凍サイクルの熱を汲み上げる能力が著しく低下し、また室外熱交換器２０の空気側（パイプ外）の電熱フィン表面には霜が発生、成長したり、氷により凍結したりする。 この時は冷媒制御弁を開放し室外熱交換器には高温冷媒を供給し、除霜運転を行い、これを繰り返す。 さらに室外気温度が低下すると、冷凍サイクル１５の作動は停止される。 そのときは液ポンプ１６、室外ファン２１は停止され、冷媒は循環を停止する。 しかしながら燃料の燃焼は継続され、燃焼熱は熱源熱交換器温水パイプ１８を通して直に水に伝熱され、温水が出力される。

この時、冷凍サイクル１５による熱の汲み上げは停止するので、エネルギー効率向上の効果は失われ、通常の燃料燃焼式温水器と同じ状態になる。 温暖地域では冷凍サイクルを作動させる運転モードでほとんど賄えるし、寒冷地域では厳冬期は無理でも、それ以上に長い春秋の中間期における冷凍サイクルによる室外気熱汲み上げ効果は極めて有効で、年間の燃料消費量の低減に大きな効果を上げる。

室外気が１０℃以上の場合、特に１５℃以上では顕著になるが、冷凍サイクル１５側の蒸発温度と圧力が上昇し、圧縮機８の駆動に必要な動力は少なくなるが、汲み上げ熱量は大幅に増え、出力熱交換器１２の冷媒の凝縮圧力が上昇する。 この時、膨張機７の軸出力もこれに併せて低減させる必用がある。 そのためには液ポンプ１６の回転数を下げ、燃焼装置での燃焼燃料の量を少なくする。 この結果膨張機７と圧縮機８の回転数は低下し、膨張機冷媒サイクル１４の冷媒循環量は減少するが、冷凍サイクル１５の冷媒循環量は増える。 それは冷凍サイクル１５の蒸発圧力が高くなり、それにより圧縮機８の吸込み冷媒量が増えるからである。 この結果燃料の使用量は減少し、温熱の出力量は同等か、むしろ増加するので、その温度を制御しながら温水２２の流量を調整する。 この時極めて高いエネルギー効率での運転を実現する。

冷媒にはイソブタンを用いたので、例えそれが外気中に漏れても、地球温暖化の点では全く問題無い。 しかしながらイソブタンは可燃性のＨＣ成分のガスであるため、漏れて燃焼するというリスクがある。 このため本発明は限られた大きさのユニット内で、密閉式（機械的なシール部分の無い）の構造で、冷媒漏れ検知によるリスク回避方式（図示せず）を採用し、かつユニット外には温水２２などの安全な媒体による出力の運搬を条件にしている。 本発明者はこの４項目を満たすシステムがＨＣ冷媒採用のための条件と思量しており、本発明提案の重要技術の一つと位置付けている。

システムの長期的な信頼性で重要な事の1つに膨張機７の機構部分の潤滑特性がある。 膨張機７のシリンダ部分は高温度下で高温度の冷媒に接し、かつ高圧力であるため潤滑油をそこに送り込むのが難しいという条件下にある。 潤滑油供給のためのポンプを専用に設置するのも1つの方法であるが、図１、３に記した方式は最も簡単で少ないコストアップでかつ確実に膨張機のシリンダ、機構部分に潤滑油を送り込むための優れた技術方式である。 潤滑油の特性では、冷媒との相溶性、高温度域の動粘度、低温度域での流動性など多くの重要なポイントがあり、新しい冷媒回路と冷媒に適したものを使う必要がある。 液ポンプ２７を利用した本発明、実施例の方式は、膨張機７の信頼性と性能の安定化のみでなく、高圧力下で作動する液ポンプ２７自体のそれらについても良好な効果を生んでいる。

本発明は温水をエネルギー効率よく供給する単一機能のシステムに関するものである。 しかしながら図３は冷水を作るというもう1つ拡大した機能を実現した請求項１６、１７、の実施例を示している。 冷水熱交換器を追加するだけでその機能を実現できる実用的な発明である。 冷水熱交換器２４は温水発生運転の時は冷水２５の循環を止め、作動を停止して居り、冷媒はその中を素通りして室外熱交換器２０に入り、そこで蒸発する。 一方冷水発生運転の時は冷水２５がポンプなどにより循環され冷水熱交換器２４にて冷媒と熱交換して冷却される。 他方室外ファンは停止され、冷媒制御弁はノズル（図示せず）を絞りこんで冷媒流量を調整し、冷水熱交換器出口で全ての液冷媒が蒸発し終える様に制御し、室外熱交換器は蒸発後のガス冷媒が素通りする。

この方式は冷水熱交換器以外に切り替え弁など、新しいハード部材を全く使用せずに実現しているため、最小限のコスト上昇で有効な機能を追加して実現した。 この機能は温水と共に冷水を必要とする顧客への回答と言うだけではない。 例えば、本システムの主体となる市場の1つである準寒冷地や寒冷地域において高効率で充分な能力を持つ暖房、給湯を提供するのみならず、短いとは云え、夏期の冷房の需要もある。 こういった実用的な機能を提供できる等、種々な需要を持つ市場要望に柔軟に対応できるシステム商品を実現出来るという効果を生んでいる。 この運転の間に温水の需要があるときは冷水と温水を同時に利用できるし、温水の需要が無い時は、ここには示していないが、温水出力２２に設置された温水タンク（図示せず）の温水温度を上昇させながら蓄熱する方式が採られる。 さらに冷房、冷却の需要が多い地区向けの方式として、温熱を室外気に放熱するための熱交換器（図示せず）を冷媒回路に設置し、冷水出力運転のみを継続する事ができるシステムも実現出来る。

図３の膨張圧縮機６ａには電動モータ９が圧縮機を駆動できる構成で組み込まれている。
燃焼熱を利用して圧縮機を駆動するモードと電動モータで圧縮機を駆動するモードを両立させる事が極めて簡単に実現できる。 それだけでなく双方の駆動力を併用するモードも可能である。 電力と燃料の供給という側面で何れかに問題が出た場合、乃至は何れかの価格が変化した場合などに、自由にその運転モードを切り替えて何れかを選択できることは利用者に大きな便利性と安全性を与える事ができ、システムの種々な商品展開に道を開くものである。 これを実現するには選択されなかった方を空回り運転を許容する技術が必要である。 モータはロータに磁石などを使わない誘導電動機とし、膨張機は回転してもシリンダ内部でガスの流動を極力押さえ得る、所謂レリース構造が採用されている。

本発明の実施形態を利用した燃焼熱利用温熱発生システムの全体構成図

図１の実施形態に使われる冷媒回路の状態を示すイソイブタンＰ−Ｈ線図

図１のシステムの機能をさらに拡大展開した高機能システムの全体構成図

図１、図３の実施形態に使われる熱源熱交換器の構造図

符号の説明

１ 燃焼熱利用温熱発生システム２ 燃焼装置３ 熱源熱交換器 ４ 燃料パイプ５ 燃焼ガス排気６ 膨張圧縮機７ 膨張機８ 圧縮機９ 電動モータ１０ シャフト１１ 吐出管１２ 出力熱交喚器１３ 分流器１４ 膨張機冷媒回路１５ 冷凍サイクル１６ 液冷媒ポンプ１７ 熱源熱交換器冷媒パイプ１８ 熱源熱交換器温水パイプ１９ 冷媒制御弁２０ 室外熱交換器２１ 室外ファン２２ 温水出力回路２３ 冷媒回路（１４と１５から成る）
２４ 冷水熱交換器２５ 冷水出力回路２６ 供給電源２７ 潤滑油供給パイプ２８ 電動膨張圧縮機 １ａ 熱源熱交換器入り口（液ポンプ出口）
２ｂ 膨張機入り口（熱源熱交換器出口）
３ｃ 膨張機出口 ４ｄ 圧縮機出口 ５ｅ 分流器（出力熱交換器出口、液ポンプ入り口）
６ｆ 室外熱交換器入り口（冷媒制御弁出口）
７ｇ 圧縮機入り口（室外熱交換器出口）
８ｈ イソブタン臨界点 ９ｉ イソブタン飽和線 １０ｊ膨張過程 １１ｋ圧縮過程１０１熱源熱交換器本体内面フィン１０２燃焼ガス通路１０３燃焼ガス用邪魔板