特許 7048490 熱圧縮機を備える熱力学的ボイラー

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-28

(45)【発行日】2022-04-05

(54)【発明の名称】熱圧縮機を備える熱力学的ボイラー

(51)【国際特許分類】

   F04B 35/00 20060101AFI20220329BHJP

   F24D 3/18 20060101ALI20220329BHJP

   F24H 4/02 20220101ALI20220329BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20220329BHJP

   F25B 1/10 20060101ALI20220329BHJP

   F25B 29/00 20060101ALI20220329BHJP

   F04B 25/00 20060101ALI20220329BHJP

【ＦＩ】

F04B35/00 Z

F24D3/18

F24H4/02 F

F25B1/00 396D

F25B1/00 399Y

F25B1/10 P

F25B29/00 361Z

F04B25/00

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2018520604

(86)(22)【出願日】2016-10-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2018-11-08

(86)【国際出願番号】 EP2016075271

(87)【国際公開番号】W WO2017068066

(87)【国際公開日】2017-04-27

【審査請求日】2019-10-18

(31)【優先権主張番号】1560169

(32)【優先日】2015-10-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】FR

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】513203060

【氏名又は名称】ブーストヒート

(74)【代理人】

【識別番号】100108453

【弁理士】

【氏名又は名称】村山 靖彦

(74)【代理人】

【識別番号】100110364

【弁理士】

【氏名又は名称】実広 信哉

(74)【代理人】

【識別番号】100133400

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 達彦

(72)【発明者】

【氏名】ジャン－マルク・ジョフロワ

【審査官】田谷 宗隆

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０６７０１７２１（ＵＳ，Ｂ１）

【文献】特開平０９－０５３８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２１３４１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ３５／００

Ｆ２４Ｄ ３／１８

Ｆ２４Ｈ ４／０２

Ｆ２５Ｂ １／００

Ｆ２５Ｂ １／１０

Ｆ２５Ｂ ２９／００

Ｆ０４Ｂ ２５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つの加熱回路（３０）を介して熱交換するための熱力学的ボイラーであって、熱圧縮機（１）を備えている前記熱力学的ボイラーにおいて、
前記熱圧縮機（１）が、圧縮可能流体に作用するように構成されていると共に、第１の圧縮段（Ｕ１）を備えており、
前記第１の圧縮段（Ｕ１）が、第１のチャンバ（８１）と第２のチャンバ（８２）とを隔てると共に往復運動する双方向ピストンと、前記第１のチャンバ（８１）に結合されている熱源を形成している第１の燃料バーナー（１１）であって、前記第２のチャンバに結合されている冷熱源として前記加熱回路（３０）を使用する前記第１の燃料バーナー（１１）とを備えており、
前記熱圧縮機（１）が、可逆ヒートポンプ式ループ（３１、３４）の圧縮機能を形成しており、
前記第１のチャンバ（８１）及び第２のチャンバ（８２）が、流体の前後運動を介して、再生器（１９）を通じて互いとの間において流体連結されており、
変調ユニット及びモータ（１７）が、前記熱圧縮機（１）の前記第１の圧縮段の回転速度を調節すなわち上下させるように設けられており、前記熱圧縮機（１）が、前記第１の圧縮段（Ｕ１）と第２の圧縮段（Ｕ２）とを具備する少なくとも２つの独立した圧縮段を備えており、前記第２の圧縮段（Ｕ２）が、前記第１の圧縮段（Ｕ１）に類似しており、前記第１の圧縮段（Ｕ１）と直列に配置されており、
前記熱力学的ボイラーが、圧縮可能流体回路（３１）と前記加熱回路（３０）との間に熱界面を形成する主交換器（５）を備えており、
前記熱圧縮機（１）が、少なくとも前記主交換器（５）を通過した後に前記熱圧縮機（１）の低温区域を通過する前記加熱回路の復路によって冷却される、熱力学的ボイラー。

【請求項2】

前記熱力学的ボイラーが、熱を前記加熱回路（３０）に供給し、
前記可逆ヒートポンプ式ループ（３１、３４）が、熱を外部ユニット（４）から引き込む、請求項１に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項3】

前記熱力学的ボイラーが、補助装置（２）を備えており、
前記補助装置（２）が、前記第１の燃料バーナー（１１）とは異なる補助バーナー（２０）と、前記加熱回路（３０）に配置されている補助交換器（２１）とを備えている、請求項２に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項4】

前記圧縮可能流体が、Ｒ７４４とされる、請求項１～３のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項5】

前記可逆ヒートポンプ式ループ（３１、３４）が、２つのカスケード回路を、すなわち圧縮可能ガス作動回路（３１、１、５、７、６）とグリコール水回路（３４、４、６）とを備えている、請求項１～４のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項6】

前記熱圧縮機（１）が、第３の圧縮段（Ｕ３）を備えている、請求項１に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項7】

前記第１の圧縮段（Ｕ１）と前記第２の圧縮段（Ｕ２）と前記第３の圧縮段（Ｕ３）とが、互いから独立している、請求項６に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項8】

前記熱力学的ボイラーが、少なくとも１つの前記第１の燃料バーナーへの入口において、空気予加熱器（９）を備えている、請求項１～７のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項9】

前記加熱回路（３０）の復路が、前記熱圧縮機（１）を冷却した後に補助交換器（２１）を通過する、請求項３に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項10】

前記主交換器（５）が、高温交換器（５０）と低温交換器（５１）とを備えている、請求項１に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項11】

前記熱力学的ボイラーが、家庭用温水回路（１５、１６）を備えている、請求項１～１０のいずれか一項に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項12】

家庭用温水（３３）が、前記熱圧縮機（１）の出口において圧縮可能流体回路（３１）に直接配置されている高温交換器（５０）をよって加熱される、請求項１０及び１１に記載の熱力学的ボイラー。

【請求項13】

前記熱力学的ボイラーが、冷却機能を提供するために、前記加熱回路（３０）から熱を除去し、除去された熱を前記家庭用温水回路（１５、１６）又は外部ユニット（４）に伝達させる、請求項１１に記載の熱力学的ボイラー。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボイラーとして知られている装置を備える加熱システムに関する。本発明は、詳細には、ヒートポンプ（「ＨＰ」と短縮される）と呼ばれる装置から利益を得る熱力学的ボイラーに関する。

【背景技術】

【0002】

ボイラーとの関連においてヒートポンプ装置を実装するためのいくつかの技術的解決策が、すでに存在している。

【0003】

第一に、熱伝達作動流体を圧縮及び循環させるための電気圧縮機の使用が知られている。これらの圧縮機は「電気ＨＰ」としても知られている。しかしながら、これらのシステムの効率は、外気温度が低下するにつれて急激に低下し、ほとんどの場合で、補助的な従来の燃料バーナーを有することになる。

【0004】

ガスエンジンヒートポンプ（「ガスエンジンＨＰ」）も知られている。このシステムは、騒音が大きく定期的な保守を必要とする内燃エンジンの使用を伴う。

【0005】

例えば特許文献１から、例えば水／アンモニア又は水／ゼオライトの組み合わせを用いるものなど、吸着／脱着ガスヒートポンプも知られている。しかし、これらの装置は複雑で高価であり、潜在的に汚染又は害になる物質も使用する。

【0006】

また、この種類のボイラーは、出力が適合可能であること、及び家庭用温水（「ＤＨＷ」として知られている）を供給するように設計もされることが、概して望ましい。

【0007】

また、前述したシステムのほとんどは、概して、冷却モードで逆に動作され得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】米国特許第５７２９９８８号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

前述の欠点を考慮すると、ヒートポンプ効果を伴う熱力学的ボイラーシステムのための改良された解決策を提案する必要性がある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

この目的のために、少なくとも１つの加熱回路を介して熱交換するための熱力学的ボイラーであって、ボイラーは熱圧縮機を備え、熱圧縮機は、圧縮可能流体に作用し、第１のチャンバと第２のチャンバとを隔てると共に往復運動する双方向ピストンと、第１のチャンバに結合される熱源を形成し、加熱回路を、第２のチャンバに結合される冷熱源として使用する第１の燃料バーナーとを備える少なくとも１つの圧縮段を備え、熱圧縮機は、可逆ヒートポンプ式ループの圧縮機能を形成し、第１のチャンバ及び第２のチャンバは、流体の前後運動によって、再生器を通じて互いの間において流体連結される、熱力学的ボイラーが提案される。

【0011】

このような対策を通じて、本発明は、バーナーと、圧縮される作動流体との間における熱の直接的な伝達から利益を得られ、圧縮機は単純でコンパクトであり、可逆ヒートポンプ式ループは、加熱モード（「冬」モード）において熱を加熱回路に提供するか、ある場合には、冷却モード（「夏」モード）において熱を加熱回路から引き込むかのいずれかで使用できる。

【0012】

また、このようなボイラーは、非常に少ない保守しか必要とせず、保守作業は実質的に隔たれ得る。

【0013】

注１：本文書で使用される語彙に関して、加熱回路は、ほとんどの場合で建物である興味のある実体と熱を主に交換するための回路として広く解釈でき、目標が興味のある実体を加熱又は冷却することであることは、留意されるべきである。

【0014】

注２：前述したヒートポンプ式ループでは、圧縮可能二相熱伝達流体が使用され、本発明は、１つの交換器における蒸発現象と、別の交換器における凝縮現象とから利益を得る。

【0015】

加熱として知られる構成によれば、熱力学的ボイラーは熱を加熱回路に供給し（「加熱」又は「冬」モード）、可逆ヒートポンプ式ループは熱を外部ユニットから引き込む。

【0016】

これらの条件の下で、熱効率の視点から、バーナーにおいて費やされるすべてのエネルギーは、圧縮のために直接的に使用されるか、又は、加熱回路へと分配されるかのいずれかである。また、圧縮及び関連する流体回路は、外部の「自由な」熱の引き込みを誘導する。結果として、非常に満足できる性能係数がこれらの条件の下で得られる。

【0017】

本発明の様々な実施形態では、以下の構成のうちの１つ及び／又は他のものに訴えることも可能である。

【0018】

本発明の一態様によれば、熱力学的ボイラーは、第１の燃料バーナーと別の補助バーナーと、加熱回路に配置される補助交換器とを備える補助装置を備えてもよい。したがって、本発明は、一方で、非常に冷たい外部温度条件の下での動作、又は、ＨＰ回路が利用できない場合の動作を確保し、他方で、特には加熱しながらの家庭用温水の場合、ピーク要件に合格することが必要である。

【0019】

本発明の一態様によれば、燃料は有利にはガスである。有利には、化石起源のガス又はバイオガスのいずれかが使用される。

【0020】

本発明の一態様によれば、圧縮可能熱伝達流体はＣＯ２であり、これは利用可能な非汚染の安全な流体である。

【0021】

一態様によれば、変調ユニット及びモータ（ピストン移動につなげられる電磁アクチュエータ）が、圧縮機回転速度を調節する（上げる及び／又は落とす）ために有利に提供される。このような出力変調は、快適性と、得られる季節的な性能との間における理想的な妥協を可能にし、ＨＰの利用率を最大化する。

【0022】

一態様によれば、ヒートポンプ式ループは、２つのカスケード回路、つまり、圧縮可能ガス作動回路（３１、１、５、７、６）とグリコール水回路（３４、４、６）とを備え、これは、圧縮可能ガス作動回路を工場で封止されたボイラー組立体内に収容させることができ、これによって配管工又は設置工はこの回路の防漏性を取り扱うことを免れ、これは、実装するのがより容易で、配管工によって設置され得るグリコール水回路とは対照的である。

【0023】

一態様によれば、圧縮機は、少なくとも２つの圧縮段を直列に備えてもよく、つまり、第１の圧縮段Ｕ１に加えて少なくとも１つの第２の圧縮段Ｕ２を備えてもよい。結果として、ＣＯ２（Ｒ７４４）の種類の流体が、圧力における大きな変動域と、加熱される水回路の温度に従って適合されるＣＯ２流体温度とを伴って、使用され得る。したがって、優れた全体の熱力学的効率が得られる。

【0024】

一態様によれば、圧縮機は３段を備えてもよく、結果として、本発明は、圧力上昇の間隔と、加熱される水回路の温度、及び、伝えられる熱出力に従って適合されるＣＯ２流体温度の適切性とを最適化する。

【0025】

段は有利には独立している。これは大きさの形成を容易にし、各々の段の変調能力を拡大する。

【0026】

熱力学的ボイラーは、第１の燃料バーナーの入口において空気予加熱器を備え、熱は、燃焼煙から回収され、バーナーに向かわされる空気へと投入され、これは全体の性能係数を向上させる。

【0027】

熱力学的ボイラーは、圧縮可能流体回路３１と加熱回路３０との間に必須の熱界面を形成する主交換器５を備え、圧縮機は、少なくとも１つの主交換器５内を最初に通過し、次に熱圧縮機の低温区域内を通過する加熱回路の復路によって冷却され、これは、優れたシステム性能及び効率のために最良の選択である。

【0028】

さらに、圧縮機を冷却した後、加熱回路の復路は補助交換器へと進む。この方法では、加熱回路に供給された熱は最大化される。

【0029】

主交換器は、高温の「ＨＴ」交換器と、低温の「ＬＴ」交換器とを備え、そのため、熱は、一方が高い平均温度（ＨＴに結合される）で、他方が極端でない高い平均温度（ＬＴに結合される）である２つの異なる加熱回路に供給され得る。

【0030】

熱力学的ボイラーは家庭用温水回路を備え、したがってボイラーはすべての家庭用ボイラー機能を遂行できる。

【0031】

家庭用温水は、熱圧縮機の出口において直接的に圧縮可能流体回路に配置される高温交換器（５０）を用いて加熱され、これは、家庭用温水に与えられる優先権に寄与する。

【0032】

冷却として知られている一構成によれば、熱力学的ボイラーは、加熱回路３０から熱を取り去り、この熱を、家庭用温水ＤＨＷ回路又は外部ユニット４（夏モード）のいずれかへと伝え、そのためボイラーは、冷却機能を提供でき、エネルギーを使わない家庭用温水も提供できる。

【0033】

本発明の他の態様、目的、及び利点は、非限定的な例を用いて与えられる本発明の実施形態の以下の記載を読むことで明らかとなる。本発明は、添付の図面に関してより良く理解されるものである。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】本発明によるボイラーを備える加熱システムの概略図である。

【図2】ボイラーがハイブリッドであって補足的なバーナーを含む図１と同様のシステムの図である。

【図3】空気予加熱交換器が設けられ、ボイラー圧縮機が２つの圧縮段を備える図１と同様のシステムの図である。

【図4】家庭用温水の提供も確保されている図３と同様のシステムの図である。

【図5】ボイラー圧縮機が３つの圧縮段を備える図４と同様のシステムの図である。

【図6】段のさらなる詳細、つまり、熱圧縮機で使用される圧縮ユニットの図である。

【図7】段における熱力学的サイクルの図である。

【図8】３段構成における圧縮機の中枢部品の図である。

【図9】加熱モード及び冷却モードで使用可能な、可逆ヒートポンプ式ループでの本発明による熱圧縮機の使用の非常におおまかな図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

様々な図において、同じ符号は同一又は同様の要素を指示している。

【0036】

図１は、産業用の建物、個人住宅、又は集合住宅に典型的には提供される加熱システムの概観を示している。加熱システムは、後に記載されているボイラー１０を備える。

【0037】

システムは、加熱回路３０を備えており、最初に述べたように、「加熱回路」という用語は、この回路が熱を取り去ることを妨げるものではなく、しかしながら図示した第１の例では、加熱回路は、加熱される建物の部屋に据え付けられた放熱器／対流器３及び／又は床下加熱器の形態の熱受入実体３を備える。

【0038】

例えば、低温における一方（床下加熱器）と、高温における他方（対流器、家庭用温水）といった、いくつかの熱受入実体があり得る。循環装置Ｍ３が水を加熱回路３０において循環させる。

【0039】

１つの熱受入実体がプール又は温室である場合も検討できる。また、加熱システムは、産業用プロセス機器の形態での熱受入実体での産業用の関連で使用されてもよい。

【0040】

ボイラー１０は、ヒートポンプ回路の原動力構成要素を構成する熱圧縮機１を備える。図示した例では、外部ユニット４だけが建物（ビル、住宅など）の外側に配置されている。主な構成要素の残りの部分は、建物の内側に、又は、さらにはボイラー１０の筐体に、配置される。

【0041】

図では、配管は象徴的に描写されていることに留意されたい。

【0042】

一方で、ヒートポンプ装置は、外部ユニット４において循環するグリコール水回路３４と、圧縮機１を通じて進む作動流体回路３１とを備える。図示した例では、作動流体は、ＣＯ２として知られるＲ７４４であるが、同様の特性を伴う別の流体が選択されてもよい。他の流体を区別するために、回路３１における作動流体は、以後において、技術的に冷媒流体としても知られている「圧縮可能」流体と呼ばれる。これは、主に水（グリコール水）に基づく外部ユニット（回路３４）において外で循環する流体と対比させられており、同じく主に水に基づき、そのため圧縮可能ではないすでに言及した加熱回路３０において循環する流体とも対比させられている。

【0043】

回路３１、３１、３４において使用される様々な流体は、圧縮可能であるかないかに拘わらず、熱伝達流体であり、熱を主に外部ユニット４から受入実体３へと伝達し、圧縮機のバーナー１１から受入実体３へも伝達する。

【0044】

同じく可能な冷却モードは後に記載されている。

【0045】

外部ユニット４が前述のユニット又は地熱ユニットであり得ることは、留意されるべきである。

【0046】

界面交換器６とも呼称される交換器６を介して好ましくは直交流交換器を介して直列に接続されている２つの流体回路を使用することによって、外部の熱がヒートポンプ効果により採熱される。グリコール水回路３４は、循環装置Ｍ４を備えており、外部ユニット４から熱を回収し、回収された熱を界面交換器６に伝達させる。圧縮可能流体回路組立体３１すなわちＣＯ２組立体が、製造工場に設けられたボイラー１０の内部に収容されているので、作業員は、グリコール水回路３４のみを目的の設備に設置すれば良いことに留意すべきである。

【0047】

また、ヒートポンプ装置は、圧力について圧縮機の反対の役割を演じる、それ自体知られている膨張装置７と、圧縮機出口における圧縮可能流体回路を加熱回路３０と熱的に結合する主交換器５とを備える。主交換器５は、好ましくは、直交流交換器となるように構成される。描写されているような単一の交換器５１の代わりに、主交換器は、並列で、又は、後で見られるような直列で、いくつかの交換器から構成されてもよい。

【0048】

圧縮可能流体回路３１は、熱を界面交換器６（二相流体が液体状態から蒸気状態へと通過する「蒸発器」と呼ばれる側）から回収し、この熱を主交換器５（二相流体が蒸気状態から液体状態へと通過する「凝縮器」と呼ばれる側）へと伝える二相形態で流体を収容している。

【0049】

加熱回路の復路３０は、この主交換器５を最初に通過し、次に、加熱回路流体が圧縮機１を冷却する場所における圧縮機の低温領域へと方向付けられることに留意されたい。

【0050】

バーナー１１の燃焼済みガス出口回路３２が、加熱回路と結合される交換器２１の内部へと通じ、その場所において、煙はそれ自体の熱を主加熱回路３０の流体に与えることに留意されたい。後にこの交換器２１は、特定の場合に、「補助交換器」２１とも呼ばれ得ることが分かる。

【0051】

バーナー１１によって導入及び燃焼されるガスの品質は、ボイラーを調節するためのユニット（描写されていない）によって制御される。

【0052】

バーナー１１は、典型的には、６ｋＷまでを伝えることができる大きさとされ、実際には、圧縮機が動作しているとき、調節によって出力を２ｋＷから６ｋＷまでの間に調整する。

【0053】

圧縮機１についてより具体的には、図６を参照すると、圧縮機１は、熱提供領域（高温領域）と、冷却領域（低温領域）と、２つの逆止め弁、つまり、入口弁４１（吸気）及び出口弁４２（逆流）のおかげで外部と連通する収容された筐体８とを伴う「再生」圧縮機として知られる熱圧縮機である。

【0054】

図１からの例では、単一の圧縮段Ｕ１だけがある。

【0055】

収容された筐体８では、圧縮可能流体は実際に一定の体積を占めており、ディスプレーサピストン７１が、圧縮可能流体の体積のほとんどを高温領域又は低温領域へと変位させるために、図示した例では上から下へと、往復変位するように筐体８内に構成されている。ピストンは、後で分かる自己駆動システムにおけるロッド及びクランクシャフト駆動システムに連結されている。

【0056】

図６に表わすように、圧縮機は、好ましくは鉛直に配置される軸方向Ｘの周りに構築されているが、別の構成が排除されることはない。円筒状のライナ９０において移動可能に搭載されたピストン７１が、この軸に沿って変位され得る。前記ピストンは第１のチャンバ８１を第２のチャンバ８２から隔てており、これらの２つのチャンバは、それらの容積の合計Ｖ１＋Ｖ２が実質的に一定な状態で作動筐体８に含まれている。ピストン７１は、例えば半球形といったドームの形態で上方のピストンを表している。

【0057】

作動筐体８は、断熱環体９７の介在されている高温ケーシング９６と低温シリンダヘッド９５とから形成された組立体で構造的に収容されている。

【0058】

「高温チャンバ」としても知られている第１のチャンバ８１は、ピストンの上方に配置されており、第１のチャンバ８１におけるガス状流体に熱を直接的に供給する熱源１１（燃料バーナー１１）に熱的に結合されている。第１のチャンバは、ピストンの直径Ｄ１に対応する直径の円筒形部分と、圧縮可能流体の入口及び出口のための中心開口８３を備える上方部における半球形部分とを備える軸対称となっている。熱源１１は、バーナー噴射装置１１ａを備える、高温チャンバ８１を全体で包囲するキャップを形成している。

【0059】

「低温チャンバ」としても知られている第２のチャンバ８２は、ピストンの下方に配置されており、冷熱源（ここでは加熱回路９１の復路）に熱的に結合されることで、熱を圧縮可能流体から加熱回路へと伝達する。第２のチャンバは、直径Ｄ１を伴う円筒形であり、ピストンの下で、軸の周りで円になる、圧縮可能流体の入口及び出口のためのいくつかの開口８４を備える。

【0060】

スターリングエンジン式の熱力学機械で従来から使用されている種類の再生熱交換器１９は、円筒状のライナ９０の壁の周りに配置されている。この交換器１９（以下において単に「再生器」と呼ばれている）は、小さい断面を伴う流体通路と、金属ワイヤの熱エネルギー及び／又は密なネットワークを保管するための要素とを備える。この再生器１９は、筐体の上方端と下方端との間の中間の高さに配置され、高温側１９ａを上に向けて呈し、低温側１９ｂを下に向けて呈している。

【0061】

再生器の内側では、かなりの温度勾配が高温側と低温側との間における観察され、高温側は、バーナーキャップの温度、つまり、７００℃に近い温度を有し、低温側は、加熱回路の温度、つまり、加熱回路に存在する実体に依存して、３０℃から７０℃の間の温度に近い温度を有する。

【0062】

高温ケーシング９６の内面に接触して環状の連続隙間２４が、第１のチャンバの開口８３を再生器の高温側１９ａに連結している。

【0063】

シリンダヘッド９５における通路２５は、第２のチャンバの開口８４を再生器の低温側１９ｂに連結している。

【0064】

そのため、ピストンが上に移動するとき、圧縮可能ガスは、第２の低温チャンバ８２の方向において、連続隙間２４、再生器１９、及び通路２５によって第１のチャンバ８１から追い払われる。反対に、ピストンが下に移動するとき、圧縮可能ガスは、第１のチャンバ８１の方向において、通路２５、再生器１９、及び連続隙間２４によって第２の低温チャンバ８２から一掃される。

【0065】

他に述べられているように、第１のチャンバ８１及び第２のチャンバ８２は、流体の前後運動によって、再生器１９を通じて互いとの間における流体連結される。

【0066】

圧縮機の動作は、下死点ＰＭＢと上死点ＰＭＨとの間におけるピストン７１の往復運動によって、並びに、入口における吸気弁４１及び出口における逆流防止弁４２の動作によって、確保される。以下に記載されている異なるステップＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄが、図６及び図７に描写されている。

【0067】

ステップＡ
初期に上にあるピストンが下向きに移動し、第１のチャンバ８１の容積が増加し、一方、第２のチャンバ８２の容積が低減する。このため、流体は下から上へと再生器１９を通じて押され、その過程において加熱される。圧力Ｐｗが同時に上昇する。

【0068】

ステップＢ
圧力Ｐｗが特定の値を超えるとき、出口弁４２が開き、圧力Ｐｗは、圧縮された流体吐出圧力Ｐ２となり、流体は出口に向かって放出される（入口弁４１は、当然ながら、この時の間には閉じられたままである）。これは、ピストンが下死点に到達するまで続く。

【0069】

ステップＣ
ここではピストンは下から上向きに移動し、第２のチャンバの容積が増加し、一方、第１のチャンバの容積が縮小する。このため、流体は上から下向きに再生器１９を通じて押され、その過程において冷却される。圧力Ｐｗが同時に低下する。上向きの移動が始まるとき、出口弁４２は閉じる。

【0070】

ステップＤ
圧力Ｐｗが特定の値未満に低下するとき、入口弁４１が開き、圧力Ｐｗが流体吸込み圧力Ｐ１となり、流体が入口を通じて引き込まれる（出口弁４２は、当然ながら、この時の間には閉じられたままである）。これは、ピストンが上死点に到達するまで続く。ピストンがその下降を開始するとき、入口弁４１は閉じることになる。

【0071】

ロッド１８の移動は、ロッドの一端に作用する自己駆動装置１４によって制御される。この自己駆動装置は、フライホイール１４２と、例えばころ軸受１４３といった枢動連結部によって前記フライホイールに連結された連結ロッド１４１とを備える。連結ロッドは、例えばころ軸受１４４といった別の枢動連結部によってロッドに連結されている。

【0072】

補助チャンバ８８が、圧力Ｐａにおいてガス状作動流体で満たされている。装置が動作中であるとき、補助チャンバ８８における圧力Ｐａは、最小圧力Ｐ１と最大圧力Ｐ２との合計の半分に実質的に等しい平均圧力になる。実際、環体１１８とロッド１８との間の小さくされた機能的クリアランスのため、動的モードにおいて、この非常に僅かな漏れは動作に影響せず、無視できるままである。

【0073】

フライホイールが一回転するとき、ピストンは、直径Ｄ１によって乗算される上死点と下死点との間の距離に対応する体積を一掃する。

【0074】

図７に提示されているような熱力学的サイクルは、正の仕事を自己駆動装置に提供する。

【0075】

しかしながら、初期の始動については、回転速度を調節するために、電気モータ１７がフライホイール１４２に結合されている。

【0076】

このモータは、有利には、補助チャンバ８８に収められ得る、又は、壁への磁気結合で外部に収められ得る。

【0077】

モータ１７は、図には描写されていない調節ユニットによって駆動され、モータを制御することで、フライホイールの回転速度を加速又は減速させることができ、交換される熱流はフライホイールの回転速度に実際に比例する。モータ１７のおかげで、調節ユニットは、回転速度を、典型的には１００ｒｐｍから５００ｒｐｍまでの間に、優先的には［２００～３００ｒｐｍ］の範囲内に調整できる。

【0078】

モータ１７が自己駆動装置１４を始動させるように機能することも留意されたい。

【0079】

ピストン７１が出力を受け入れるピストンではなく（内燃エンジン又は従来からのスターリングエンジンと異なる）、単なるディスプレーサピストンであることに留意されたい。出力は、作動ガス圧力を増加させる形態で供給される。

【0080】

ロッド１８の体積変動が除外される場合、Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖｃｈａｎｎｅｌ＝Ｖｔｏｔａｌであり、ここで、Ｖ１は第１のチャンバの容積であり、Ｖ２は第２のチャンバの容積であり、Ｖｃｈａｎｎｅｌは導路２４、２５の容積であることに留意されたい。好ましくは、構成は、小さい断面の導管によってできるだけ最小の死容積を有するようにさせられ、例えば、Ｖ１＋Ｖ２の１０％未満のＶｃｈａｎｎｅｌが得られる。

【0081】

図２に示しているように、ボイラーは有利にはハイブリッドであり得る。つまり、ボイラーは、第１の燃料バーナー１１及び補助交換器２１とは別に補助バーナー２０を収容し得る。この補助バーナー２０は、非常に低温の外部温度における動作の事象において、及び、加熱設備（存在する場合には、これは家庭用温水を伴う。以下を参照）からのピーク要件に合格するために、主に使用される。

【0082】

補助交換器の補助バーナー２０は、概して、典型的には個人住宅向けで、約２０ｋＷの熱出力を有するような大きさとされ、これは、先に見てきたような圧縮機の圧縮機能に必要な熱出力よりはるかに大きい。

【0083】

より具体的には、調節ユニットは、外部温度と、関係する回路３０、３１、３２、３４における流体の様々な温度とを測定して、補助バーナー２０を動作させるための要求を決定する。

【0084】

すでに言及しているように、第１の燃料バーナーの燃焼済みガス出口回路３２は補助交換器２１の内側へと通じ、その内側の場所で、その熱を主加熱回路３０の流体に明け渡す。

【0085】

加熱回路３０における流体は、その熱を、主交換器５、５１から、圧縮機の低温部（領域９１）から、そして最終的に、補助交換器２１において燃焼された燃焼ガスから受け取ることに留意されたい。補助バーナー２０が動作中である場合、熱は補助バーナー２０からも直接的に提供される。

【0086】

図３は、本発明のボイラーに存在し得る２つの追加的な特徴を示している。

【0087】

第一に、２つの圧縮段、換言すれば、２つの圧縮ユニットＵ１、Ｕ２が直列に設置されており、一方のＵ２が他方のＵ１の後にあり、各々がそれ自体のバーナー１１、１２を有している。

【0088】

第２の段Ｕ２は第１の段Ｕ１とすべての点において同様又は類似であり、第２の段Ｕ２は、入ってくる空気と混合されたガスの燃焼が生成されるバーナー１２と、移動及び回転速度が第１のものとは独立している、第１の段のディスプレーサピストンと同様のディスプレーサピストン７２とを備える。２つのバーナー１１、１２の出力の合計は約１０ｋＷの大きさとされ得る。

【0089】

実際には、第１の段の逆止め弁４２の出口が第２の段の入口逆止め弁４３へと投入される。低温部品が共有される一体型の場合、弁４２、４３が組み合わされる。第２の段Ｕ２の出口、つまり、弁４４は、圧縮機１の出口を形成している。

【0090】

一方で、吸気予加熱交換器９が提供でき、それによって、本発明は、バーナーの炎へと流れる低温空気３５を予加熱するために、排気が出ていくバーナー１１、１２に存在する熱から利益を得る。ここで、予加熱交換器９は、図示した例では直交流で使用されている、それ自体で知られている空気／空気交換器である。

【0091】

したがって、バーナー１１の噴射装置１１ａに到達した空気は、１００℃から３００℃までの間の温度にある。

【0092】

図４は、２つの連続した（後で詳述されている特徴の）交換器によって形成された第１の主交換器５と、別の追加の特徴、つまり、家庭用温水（「ＤＨＷ」と短縮される）の供給とを示している。それ自体知られているため詳しくは記載されていない家庭用温水貯蔵タンク１６が設けられている。この貯蔵タンクにおける水は、ＤＨＷ交換器１５を通過するとき、液体の循環３６によって加熱される。

【0093】

加熱回路３０のバイパス分岐３３がこのＤＨＷ交換器１５において循環する。このバイパス分岐は、高温（ＨＴ）主交換器５０から熱を引き込み、その熱をＤＨＷ交換器１５における家庭用温水へと伝える。

【0094】

バイパス分岐３３において循環する流体の流れは、それ自体知られている調節弁７８によって制御され得る。この流れは、家庭用温水貯蔵タンクを調節するシステムの要求に比例して決定される。

【0095】

ここで、主交換器５は、ＣＯ２回路３１において直列に配置される２つの交換器、すなわち、家庭用温水を加熱するように構成されたバイパス３３が循環する「高」温交換器５０と、ＣＯ２回路３１の加熱回路３０との主な結合を形成する「低」温交換器５１とを備える。例えば、一方が低温で他方が高温である２つの加熱受入回路がある場合、家庭用温水回路のない２つの交換器（高温及び低温）の組み合わせがあり得ることに留意されたい。

【0096】

典型的には、高温交換器５０における圧縮可能流体の平均温度は１００℃よりはるかに高くなり、一方、低温交換器５１における圧縮可能流体の平均温度は、高温交換器の出口温度より実質的に低くなり、ほとんどの場合で１５０℃未満であり、優先的には１００℃未満である。

【0097】

図５は、追加の特徴、つまり、３つの圧縮段の構成、換言すれば、３つの圧縮ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３を示している。

【0098】

本発明は、バーナー１１を第１の段に有し、バーナー１２を第２の段に有し、第３のバーナー１３を第３の段Ｕ３に有する計画である。各々の段は、図６の題材で記載したものと同様である。３つのバーナー１１、１２、１３の出力の合計は、約１３ｋＷの大きさ、又は、さらには１５ｋＷの大きさとされ得る。

【0099】

有利には、それら段は独立して動作し、回転速度は、ある段と別の段とで異なってもよく、第２及び第３の段は、ピストン７２、７３をそれぞれ有する。

【0100】

加熱回路が、連続する通路９３、９２、及び９１によって、圧縮機の３つの低温領域を冷却することに留意されたい。

【0101】

第１の段の出口、つまり、弁４２は、第２の段の入口、つまり、弁４３に連結されている。第２の段の出口、つまり、弁４４は、第３の段の入口、つまり、弁４５に連結されている。弁４６の出口は圧縮機１の全体的な出口を形成している。

【0102】

圧力の段階付けは、典型的には次のようにでき、第１の段Ｕ１の吸気圧力は３０ｂａｒの程度となり、第１の段（第２の段の吸気）の吐出圧力は４５ｂａｒの程度となり、第２の段Ｕ２（第３の段の吸気）の吐出圧力は６０～６５ｂａｒの程度となり、第３の段Ｕ３の出口は９０ｂａｒの程度となり得る。

【0103】

３つの段Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の３つの低温領域が、点線９５′に示したものなど（図５）、低温シリンダヘッドと呼ばれる単一部品を形成することが提供され得る。

【0104】

ボイラーの別の任意選択の特徴が図５に示されており、いわゆる防氷交換器７５が、圧縮可能ガス回路３１を含むことなく、グリコール水回路３４を加熱回路３０に直接的に結合することを可能にしている。

【0105】

補助回路７６が、この防氷交換器を作動させる弁７４（手動又は制御可能）によって作動され得る。

【0106】

その名前が示すように、この防氷交換器７５は、加熱回路からの熱を伝えることで、外部ユニット４を防氷するために使用される。

【0107】

この交換器が、加熱回路から外部交換器へと熱を伝える同じ原理に従って、パッシブ冷却のために特定の場合で使用できることに留意されたい。

【0108】

概して、バーナーで使用される燃料が、天然ガス、植物もしくは動物に由来するバイオガス、又は、産業上の石油処理廃棄物からの軽炭化水素化合物であり得ることに留意されたい。

【0109】

図９に示しているように、前述した熱圧縮機１は、図１～図５の描写の文脈内で、当然ながら加熱モードで使用できるが、逆に冷却モードで使用されてもよい。

【0110】

この場合、冷却モードでは、熱は加熱回路３０（例えば、床下加熱器において）から引き込まれ、家庭用温水回路１５、１６又は外部ユニット４のいずれかへと向けられる。

【0111】

この結果は、圧縮可能ガスループ３１における蒸発交換器５′及び凝縮交換器６′の役目を逆にすることで得られる。

【0112】

明確にする理由のため、流体循環の方向を逆にさせることができる四方弁７７は図１～図５に描写されていないが、原理は図９に描写されており、そこでは四方弁７７は、加熱モードとして知られている通常の位置と、冷却モードとして知られている特別な（逆の）位置とを呈している。

【0113】

四方弁７７が通常の位置にあるとき、交換器６′は凝縮器モードで動作し、交換器５′は蒸発器モードで動作する。

【0114】

逆に、弁７７が逆の位置にあるとき、交換器５′は凝縮器モードで動作し、交換器６′は蒸発器モードで動作する。

【0115】

ボイラーシステムでは、明確にする理由のため、特定の構成要素が、存在してもよいが、描写されていない。具体的には、これらの構成要素は、次の通りである。
－ 水回路３４、３０における膨張タンク。
－ 加熱回路の充填栓及び排水栓。
－ ＣＯ２回路の充填栓及び排水栓。
－ 調節ユニットによってシステムを制御するために必要な様々な圧力計及び温度センサ。

【符号の説明】

【0116】

１ 熱圧縮機
３ 放熱器、対流器、熱受入実体
４ 外部ユニット
５ 主交換器
５′ 蒸発交換器
６ 界面交換器
６′ 凝縮交換器
７ 膨張装置
８ 作動筐体
９ 吸気予加熱交換器
１０ ボイラー
１１、１２、１３ 燃料バーナー、熱源
１１ａ 噴射装置
１４ 自己駆動装置
１５ ＤＨＷ交換器
１６ 家庭用温水貯蔵タンク
１７ 電気モータ
１８ ロッド
１９ 再生熱交換器、再生器
１９ａ 高温側
１９ｂ 低温側
２０ 補助バーナー
２１ 補助交換器
２４ 連続隙間、導路
２５ 通路、導路
３０ 加熱回路、加熱回路の復路
３１ 作動流体回路、圧縮可能ＣＯ２流体、ＣＯ２回路、圧縮可能ガス回路、圧縮ガスループ
３２ 燃焼済みガス出口回路、燃焼煙
３３ バイパス分岐、ＤＨＷのための分岐
３４ グリコール水回路、グリコール水（外部との交換）
３５ 低温空気、加熱される空気の入口
３６ 液体の循環、特定のＤＨＷ回路
４１ 入口弁、吸気弁
４２ 出口弁、逆流防止弁、逆止め弁
４３ 入口逆止め弁
４４、４５ 弁
５１ 高温交換器
５２ 低温交換器
７１、７２ ディスプレーサピストン
７５ 防氷交換器
７６ 補助回路、防氷バイパス
７７ 四方弁
７８ 調節弁
８１ 第１のチャンバ、高温チャンバ
８２ 第２のチャンバ、低温チャンバ
８３ 中心開口
８４ 開口
８８ 補助チャンバ
９０ ライナ
９１ 加熱回路、領域、通路
９２、９３ 通路
９５ 低温シリンダヘッド
９６ 高温ケーシング
９７ 断熱環体
１１８ 環体
１４１ 連結ロッド
１４２ フライホイール
１４３ ころ軸受
１４４ ころ軸受
Ｄ１ ピストンの直径
Ｍ３ 循環装置
Ｍ４ 循環装置
Ｐ１ 最小圧力、流体吸込み圧力
Ｐ２ 最大圧力、流体吐出圧力
Ｐａ 圧力
ＰＭＢ 下死点
ＰＭＨ 上死点
Ｐｗ 圧力
Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３ 圧縮段、圧縮ユニット
Ｖ１、Ｖ２ 容積

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】