(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】2022-04-06
(45)【発行日】2022-04-14
(54)【発明の名称】再生熱源利用ハイブリッド吸収式熱ポンプシステム
(51)【国際特許分類】
F25B 15/00 20060101AFI20220407BHJP
F25B 15/02 20060101ALI20220407BHJP
【ＦＩ】
F25B15/00 301B
F25B15/00 B
F25B15/02
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020134884
(22)【出願日】2020-08-07
(65)【公開番号】P2021143816
(43)【公開日】2021-09-24
【審査請求日】2020-08-07
(31)【優先権主張番号】10-2020-0029323
(32)【優先日】2020-03-10
(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 開催日２０１９年８月２６日，ＩＣＲ ２０１９ ｔｈｅ ２５ｔｈ ＩＩＲ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ， Ａｕｇｕｓｔ ２４－３０，２０１９ Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｑｕｅｂｅｃ，Ｃａｎａｄａ（１５９ Ｓａｉｎｔ－Ａｎｔｏｉｎｅ Ｓｔ．Ｗｅｓｔ，Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｑｕｅｂｅｃ，Ｈ２Ｚ １Ｈ２ Ｃａｎａｄａ） ［刊行物等］ 開催日２０１９年１１月２２日，大韓設備工学会２０１９年 冬季学術 発表大会 高麗大学校ハナスクエア（大韓民国 ０２８４１ ソウル ソンブクク アナムロ １４５）
(73)【特許権者】
【識別番号】314000442
【氏名又は名称】高麗大学校産学協力団
【氏名又は名称原語表記】ＫＯＲＥＡ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＲＥＳＥＡＲＣＨ ＡＮＤ ＢＵＳＩＮＥＳＳ ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ
【住所又は居所原語表記】１４５， Ａｎａｍ－ｒｏ Ｓｅｏｎｇｂｕｋ－ｇｕ Ｓｅｏｕｌ ０２８４１， Ｒｅｐｕｂｌｉｃ ｏｆ Ｋｏｒｅａ
(74)【代理人】
【識別番号】100121728
【弁理士】
【氏名又は名称】井関 勝守
(74)【代理人】
【識別番号】100165803
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 修平
(74)【代理人】
【識別番号】100170900
【弁理士】
【氏名又は名称】大西 渉
(72)【発明者】
【氏名】ガン ヨンテ
(72)【発明者】
【氏名】ギム ガブヨン
(72)【発明者】
【氏名】ジョン ハンソル
【審査官】飯星 潤耶
(56)【参考文献】
【文献】特開昭５７－０８７５７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１０－１３３６０５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ２５Ｂ １５／００－１５／１６，３０／０４，４１／２８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
廃熱を利用したハイブリッド吸収式熱ポンプシステムにおいて、冷媒が溶解されている混合溶液を、廃熱を利用して加熱して冷媒蒸気を生成する再生器と、
前記冷媒蒸気を液状冷媒に液化させ、外部に熱を放出する凝縮器と、
前記液状冷媒を冷媒蒸気に気化させ、外部の熱を吸収する蒸発器と、
前記冷媒蒸気を前記混合溶液に吸収させ、外部に熱を放出する吸収器と、
前記再生器と前記吸収器を往復する前記混合溶液との間の熱を交換する混合溶液熱交換機と、
前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムの動作モードに応じて三方バルブを通じた配管の連結関係を調節することによって、前記再生器および前記吸収器の間での前記混合溶液の移送方向ならびに前記凝縮器および前記蒸発器の間での前記液状冷媒の移送方向を制御するように構成された制御部と、
第１ないし第２膨張バルブおよび第２移送ポンプと、
を含み、
前記混合溶液は、
前記吸収器で前記冷媒蒸気を吸収した後、前記再生器に移送される濃溶液と、
前記再生器で前記冷媒蒸気を排出した後、前記吸収器に移送される希溶液と、
を含み、
前記三方バルブは、第１ないし第１０三方バルブを含み、
前記制御部は、前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが冷房モードに作動する時、前記三方バルブを通じた配管の連結状態を調節することによって、前記第１三方バルブ、前記第１膨張バルブ、及び前記第２三方バルブ順に連結される第１ラインを通じて前記凝縮器で液化された前記液状冷媒が前記蒸発器に移送され、前記第３三方バルブ、前記第４三方バルブ、前記第２移送ポンプ、前記混合溶液熱交換機、前記第５三方バルブ、及び前記第６三方バルブ順に連結される第２ラインを通じて前記濃溶液が前記吸収器から前記再生器に移送され、前記第７三方バルブ、前記第８三方バルブ、前記混合溶液熱交換機、前記第２膨張バルブ、前記第９三方バルブ、及び前記第１０三方バルブ順に連結される第３ラインを通じて前記希溶液が前記再生器から前記吸収器に移送されるように制御する、ハイブリッド吸収式熱ポンプシステム。
【請求項2】
さらに、第１移送ポンプと、を含み、
前記制御部は、前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが暖房モードに作動する時、前記三方バルブを通じた配管の連結状態を調節することによって、前記第１三方バルブ、前記第１移送ポンプ、及び前記第２三方バルブ順に連結される第４ラインを通じて前記凝縮器で液化された液状冷媒が前記蒸発器に移送され、前記第７三方バルブ、前記第４三方バルブ、前記第２移送ポンプ、前記混合溶液熱交換機、前記第５三方バルブ、及び前記第１０三方バルブ順に連結される第５ラインを通じて前記希溶液が前記再生器で前記吸収器に移送され、前記第３三方バルブ、前記第８三方バルブ、前記混合溶液熱交換機、前記第２膨張バルブ、前記第９三方バルブ、及び前記第６三方バルブ順に連結される第６ラインを通じて前記濃溶液が前記吸収器から前記再生器に移送されるように制御する、
請求項１に記載のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム。
【請求項3】
前記制御部は、前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが冷房モードに作動する時、前記第１三方バルブは、前記凝縮器と前記第１膨張バルブを連結し、
前記第２三方バルブは、前記第１膨張バルブと前記蒸発器を連結し、
前記第３三方バルブは、前記吸収器と前記第４三方バルブを連結し、
前記第４三方バルブは、前記第３三方バルブと前記第２移送ポンプを連結し、
前記第５三方バルブは、前記混合溶液熱交換機と前記第６三方バルブを連結し、
前記第６三方バルブは、前記第５三方バルブと前記再生器を連結し、
前記第７三方バルブは、前記再生器と前記第８三方バルブを連結し、
前記第８三方バルブは、前記第７三方バルブと前記混合溶液熱交換機を連結し、
前記第９三方バルブは、前記第２膨張バルブと前記第１０三方バルブを連結し、
前記第１０三方バルブは、前記第９三方バルブと前記吸収器を連結するように制御する、
請求項２に記載のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム。
【請求項4】
前記制御部は、前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが暖房モードに作動する時、前記第１三方バルブは、前記凝縮器と前記第１移送ポンプを連結し、
前記第２三方バルブは、前記第１移送ポンプと前記蒸発器を連結し、
前記第３三方バルブは、前記吸収器と前記第８三方バルブを連結し、
前記第４三方バルブは、前記第７三方バルブと前記第２移送ポンプを連結し、
前記第５三方バルブは、前記混合溶液熱交換機と前記第１０三方バルブを連結し、
前記第６三方バルブは、前記第９三方バルブと前記再生器を連結し、
前記第７三方バルブは、前記再生器と前記第４三方バルブを連結し、
前記第８三方バルブは、前記第３三方バルブと前記混合溶液熱交換機を連結し、
前記第９三方バルブは、前記第２膨張バルブと前記第６三方バルブを連結し、
前記第１０三方バルブは、前記第５三方バルブと前記吸収器を連結するように制御する、
請求項３に記載のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム。
【請求項5】
前記混合溶液は、外部の熱を吸収する前記冷媒と、
前記冷媒を溶解させて吸収する吸収剤と、
を含み、
前記冷媒は、ＨＦＣ系列の冷媒またはＨＦＯ系列の冷媒のいずれか１つを含み、
前記吸収剤は、有機溶媒またはイオン性溶媒のいずれか１つを含む、
請求項４に記載のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム。
【請求項6】
前記冷媒は、ＨＦＣ系列の冷媒であるＲ３２を含み、前記吸収剤は、有機溶媒であるＤＭＡＣまたはイオン性溶媒である［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］のいずれか１つを含む、
請求項５に記載のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム。
【請求項7】
前記冷媒は、ＨＦＯ系列の冷媒であるＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）またはＲ１２３４ｙｆのいずれか１つを含み、前記吸収剤は、イオン性溶媒である［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］を含む、
請求項５に記載のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は吸収式熱ポンプシステムに関し、より詳細には新しい冷媒及び吸収剤ペアが適用され、冷房又は暖房モードに変更が可能な再生熱源利用ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムに係る。
【背景技術】
【0002】
従来には化石発電と原子力発電を通じた電気エネルギーを使用して来たが、化石燃料の埋蔵量の減少や環境汚染の問題などで化石燃料と原子力エネルギーを代替する水素エネルギー源の研究があった。水素エネルギーを積極的に活用することができるシステムには代表的に燃料電池がある。
【0003】
図１のように、燃料電池（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は都市ガス等を改質して得ることができる水素ガス（Ｈ２）と空気中の酸素（Ｏ２）の結合反応によって発電を行うシステムである。正極では負極から溶液中を移動して来た水素イオン（Ｈ＋）と正極で生成された水酸イオン（ＯＨ－）が反応して水（Ｈ２Ｏ）が生成されると同時に反応熱が発生する。
【0004】
燃料電池の主燃料である水素は改質器（Ｒｅｆｏｒｍｅｒ）を通じて供給され、燃料電池の核心燃料である水素は部分酸化（ＰＯＸ：Ｐａｒｔｉａｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）反応、自熱改質（ＡＴＲ：Ａｕｔｏ－Ｔｈｅｒｍａｌ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）反応及びメタンの水蒸気改質反応（Ｍｅｔｈａｎｅ Ｓｔｅａｍ Ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）等によって生産されている。
【0005】
燃料電池は電解質の種類に応じて高分子電解質燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ）、固体酸化物燃料電池（Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＳＯＦＣ）、アルカリ型燃料電池（Ａｌｋａｌｉｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＡＦＣ）、溶融炭酸塩燃料電池（Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、ＭＣＦＣ）に区分される。
【0006】
主に家庭用燃料電池では高い電力密度を要求するので、高分子電解質燃料電池ＰＥＭＦＣ技術を多く利用しており、最近には効率が高い固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）技術も開発がされて適用されている。
【0007】
燃料電池が商用化されて普及した事例としては、近年、日本が代表的である。２０１１年の東日本大震災事態の後、日本の場合、脱原発政策を採択した。脱原発政策が実行され、すべての原子力発電所が稼動停止され、これによって、電力需要をカバーするために火力発電所が最大稼動された。火力発電所の最大稼働限界に達したことによって、順次的に停止に至り、日本国内で局地的停電が発生した。結局、日本は不足な電力需要を解決しようとエネファーム（ｅｎｅ－ｆａｒｍ）（登録商標）を開発供給し始めた。
【0008】
エネファーム（登録商標）は、燃料電池を利用した自家発電システムとして補助電力を担当する。家庭は一般的に最大３ｋＷの電力の供給を受け、エネファーム（登録商標）はこの３ｋＷの電力の中の一部の電力を担当するために、都市ガスの供給を受けて発電する。経済的効用性を考慮した時、エネファーム（登録商標）は０．７ｋＷで１ｋＷ級の電力を生産するように開発された。
【0009】
このような燃料電池は発電の時に化学エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、熱が発生することになるが、この時に発生する熱は燃料電池の種類に応じて７０℃から１１００℃に至る。この時、適切な作動温度を維持しなければ、燃料電池効率が低下する。
【0010】
エネファーム（登録商標）の場合燃料電池を通じた発電の時に発生する廃熱を給湯熱として活用しており、これは総エネルギー変換効率９５％に至る高効率エネルギー生産システムとして位置づけられている。しかし、熱エネルギーが活用されているところが給湯熱に限定されているので、高い温度範囲を有する燃料電池が好まれており、これは、最終的に廃熱の使用先が限定的であるという限界を示している。
【0011】
水素エネルギーのみならず、その他の再生熱源としては、太陽光がある。太陽熱は量と持続性をみると、無限であるため、脚光を浴びているが、集熱した時の温度が高くなく、個々の蓄熱システムが難しいので、その活用先が適当ではない。
【0012】
冷暖房のために使用される熱ポンプは、圧縮式サイクルを利用する圧縮式熱ポンプと吸収式サイクルを利用する吸収式熱ポンプの２つの方式がある。どちらの方式も冷媒の蒸発潜熱と凝縮潜熱を利用する。
【0013】
圧縮式サイクルでは冷媒を低圧から高圧に変換させる過程の駆動エネルギーで圧縮器の仕事Ｗが要求される。反面、吸収式サイクルでは吸収器、移送ポンプ、再生器によって冷媒を低圧から高圧に変換させる駆動エネルギーが熱という点が異なる。
【0014】
一般的に家庭用は駆動エネルギーとして電気を使用する圧縮式熱ポンプを利用して冷暖房をしている。これに反して、吸収式熱ポンプは熱を駆動エネルギーとして使用するので、前記言及された廃熱を活用するには非常に適切である。但し、既存の吸収式システムは、性能は優れているが、冷房のみに焦点が合わせられた臭化リチウム－水ペアに限定された作動流体を使用していた。作動流体である臭化リチウム－水ペアは慢性的な問題として耐腐蝕性の問題があり、高温輸送体としての制限があり、低温冷凍が不可能であり、結晶化の問題がある。また、最近リチウム電池需要増加に応じるリチウム価額高騰で商業的吸収式システムの限界に達したことも事実である。
【0015】
即ち、前記問題を解決するための代替冷媒－吸収剤ペアの開発が要求される。
【0016】
熱ポンプに使用される既存の冷媒（Ｒ－２２、Ｒ４１０ａ、Ｒ１３４ａなどのＨＦＣ系列）の場合、高い地球温暖化指数（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ、ＧＷＰ）によって規制が強化されているので、Ｌｏｗ ＧＷＰを有する冷媒を使用することが要求される実情である。
【0017】
Ｌｏｗ ＧＷＰ冷媒を使用する場合、毒性、可燃性、爆発性、ＧＷＰが低いので、冷媒規制に即刻的な対応が可能であり、低い圧力でも駆動可能であるという長所があるが、冷媒の吸収剤として使用される有機溶媒はアンモニア／水を利用する場合より吸収率が低いので、吸収率を増加させることができる組合せを見つけることが不可欠である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0018】
【文献】国際公開第２０１４－０４５９９８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
本発明の目的は新しい冷媒及び吸収剤ペアと配管構造を通じて低温廃熱の活用が可能であり、冷房及び暖房モードの転換が可能なハイブリッド吸収式熱ポンプシステムを提供することにある。
【0020】
一方、本発明で達成しようとする技術的課題は以上で言及した技術的課題に制限されなく、言及しないその他の技術的課題は下の記載から本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に明確に理解されるべきである。
【課題を解決するための手段】
【0021】
本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムは廃熱を利用したハイブリッド吸収式熱ポンプシステムにおいて、冷媒が溶解されている混合溶液を、廃熱を利用して加熱して冷媒蒸気を生成する再生器と、前記再生器で生成された冷媒蒸気を液状冷媒に液化させ、外部に熱を放出する凝縮器と、前記凝縮器で生成された液状冷媒を冷媒蒸気に気化させ、外部の熱を吸収する蒸発器と、前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を前記混合溶液に吸収させ、外部に熱を放出する吸収器と、前記再生器と前記吸収器を往復する混合溶液との間の熱を交換する混合溶液熱交換機と、前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムの動作モードに応じて三方バルブを通じた配管の連結関係を調節することによって、前記再生器と前記吸収器との間での前記混合溶液の移送方向と、前記凝縮器と前記蒸発器との間での前記液状冷媒の移送方向を制御するように構成された制御部と、を含む。
【0022】
前記混合溶液は、前記吸収器で冷媒蒸気を吸収した後、前記再生器に移送される濃溶液と、前記再生器で冷媒蒸気を排出した後、前記吸収器に移送される希溶液と、を含むことができる。
【0023】
前記制御部は前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが冷房モードに作動する時、前記三方バルブを通じた配管の連結状態を調節することによって、第１三方バルブ、第１膨張バルブ、及び第２三方バルブ順に連結される第１ラインを通じて前記凝縮器から液化された液状冷媒が前記蒸発器に移送され、第３三方バルブ、第４三方バルブ、第２移送ポンプ、混合溶液熱交換機、第５三方バルブ、及び第６三方バルブ順に連結される第２ラインを通じて前記濃溶液が前記吸収器から前記再生器に移送され、第７三方バルブ、第８三方バルブ、混合溶液熱交換機、第２膨張バルブ、第９三方バルブ及び第１０三方バルブ順に連結される第３ラインを通じて前記希溶液が前記再生器から前記吸収器に移送されるように制御することができる。
【0024】
前記制御部は前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが暖房モードに作動する時、前記三方バルブを通じた配管の連結状態を調節することによって、第１三方バルブ、第１移送ポンプ及び第２三方バルブ順に連結される第４ラインを通じて前記凝縮器から液化された液状冷媒が前記蒸発器に移送され、第７三方バルブ、第４三方バルブ、第２移送ポンプ、混合溶液熱交換機、第５三方バルブ、及び第１０三方バルブ順に連結される第５ラインを通じて前記希溶液が前記再生器から前記吸収器に移送され、第３三方バルブ、第８三方バルブ、混合溶液熱交換機、第２膨張バルブ、第９三方バルブ、及び第６三方バルブ順に連結される第６ラインを通じて前記濃溶液が前記吸収器から前記再生器に移送されるように制御することができる。
【0025】
前記制御部は前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが冷房モードに作動する時、前記第１三方バルブは凝縮器と第１膨張バルブを連結し、前記第２三方バルブは第１膨張バルブと蒸発器を連結し、前記第３三方バルブは吸収器と第４三方バルブを連結し、前記第４三方バルブは第３三方バルブと第２移送ポンプを連結し、前記第５三方バルブは混合溶液熱交換機と第６三方バルブを連結し、前記第６三方バルブは第５三方バルブと再生器を連結し、前記第７三方バルブは再生器と第８三方バルブを連結し、前記第８三方バルブは第７三方バルブと混合溶液熱交換機を連結し、前記第９三方バルブは第２膨張バルブと第１０三方バルブを連結し、前記第１０三方バルブは第９三方バルブと吸収器を連結するように制御することができる。
【0026】
前記制御部は前記ハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが暖房モードに作動する時、前記第１三方バルブは凝縮器と第１移送ポンプを連結し、前記第２三方バルブは第１移送ポンプと蒸発器を連結し、前記第３三方バルブは吸収器と第８三方バルブを連結し、前記第４三方バルブは第７三方バルブと第２移送ポンプを連結し、前記第５三方バルブは混合溶液熱交換機と第１０三方バルブを連結し、前記第６三方バルブは第９三方バルブと再生器を連結し、前記第７三方バルブは再生器と第４三方バルブを連結し、前記第８三方バルブは第３三方バルブと混合溶液熱交換機を連結し、前記第９三方バルブは第２膨張バルブと第６三方バルブを連結し、前記第１０三方バルブは第５三方バルブと吸収器を連結するように制御することができる。
【0027】
前記混合溶液は、外部の熱を吸収する冷媒と、前記冷媒を溶解させて吸収する吸収剤と、を含み、前記冷媒はＨＦＣ系列の冷媒またはＨＦＯ系列の冷媒のいずれか１つを含み、前記吸収剤は有機溶媒またはイオン性溶媒のいずれか１つを含むことができる。
【0028】
前記冷媒はＨＦＣ系列の冷媒であるＲ３２を含み、前記吸収剤は有機溶媒であるＤＭＡＣまたはイオン性溶媒である［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］の中でいずれか１つを含むことができる。
【0029】
前記冷媒はＨＦＯ系列の冷媒であるＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）またはＲ１２３４ｙｆの中でいずれか１つを含み、前記吸収剤はイオン性溶媒である［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］を含むことができる。
【発明の効果】
【0030】
本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムは新しい冷媒及び吸収剤ペアと配管構造を通じて低温廃熱の活用が可能であり、冷房及び暖房モードの転換が可能である。
【0031】
一方、本発明で得ることができる効果は以上で言及した効果によって制限されなく、言及しないその他の効果は下の記載から本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に明確に理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】燃料電池のエネルギー変換過程を示した図面である。
【図2】既存の第１種吸収式熱ポンプシステムの概略図である。
【図3】既存の第２種吸収式熱ポンプシステムの概略図である。
【図4】本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムの概略図である。
【図5】本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが冷房モードに動作する時を示した概略図である。
【図6】本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが暖房モードに動作する時を示した概略図である。
【図7】本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムに使用される冷媒及び吸収剤ペアに対する冷房性能比較図である。
【図8】本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムに使用される冷媒及び吸収剤ペアに対する暖房性能比較図である。
【図9】本発明の他の実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステム作動方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0033】
本発明の他の長所及び特徴、そしてそれらを達成する方法は添付される図面と共に詳細に後述される実施形態を参照すれば明確になる。しかし、本発明は以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、互いに異なる様々な形態に具現されることができ、本実施形態は単に本発明の開示を完全にするようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明は請求項の範疇によって定義されるだけである。
【0034】
もし定義されてなくても、ここで使用されるすべての用語（技術或いは科学用語を含む）はこの発明が属する従来技術で普遍的な技術によって一般的に意味することと同一な意味を有する。一般的な辞書によって定義された用語は関連した技術及び／或いは本出願の本文に意味することと同一な意味を有することと解釈されることができ、そしてここで明確に定義された表現がなくても概念化されるか、或いは過度に形式的に解釈されないものである。
【0035】
本明細書で使用された用語は実施形態を説明するためのものであり、本発明を制限しようとするものではない。本明細書で、単数形は文句で特別に言及しない限り、複数形も含む。明細書で使用される‘含む’及び／又はこの動詞の様々な活用形、例えば‘含む’、‘含み’、等は言及された組成、成分、構成要素、段階、動作及び／又は素子は１つ以上の他の組成、成分、構成要素、段階、動作及び／又は素子の存在又は追加を排除しない。本明細書で‘及び／又は’という用語は羅列された構成の各々又はこれらの様々な組合を示す。
【0036】
以下、本明細書の添付された図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0037】
吸収式熱ポンプシステムは基本的に再生器、凝縮器、蒸発器、及び吸収器で構成される。吸収式熱ポンプシステムは吸収器と再生器での熱の吸収と放出によって平衡状態の変化に応じた沸点の分離を通じた冷媒の吸収と再生が行われる。再生作用を通じて発生した高圧高エンタルピーの冷媒は凝縮器に移送される。吸収器と再生器は熱エネルギーで駆動され、油類やガスを利用して直接加熱するか、或いは廃熱を熱源として活用するか、又は発電所で排出される廃熱を活用することができる。
【0038】
吸収式熱ポンプシステムは第１種吸収式システムと第２種吸収式システムに区分される。
【0039】
図２は既存の第１種吸収式熱ポンプシステムの概略図である。
【0040】
図２を参照すれば、第１種吸収式熱ポンプシステムは冷房が目的であり、吸収式システムの最も基本的な形態である。濃溶液は移送ポンプ（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｕｍｐ）によって吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）から再生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に移送された後、高圧部である再生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）で外部から熱を受けて冷媒を再生させ、冷媒が再生され、残りの希溶液は吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）に回収される。再生された冷媒は凝縮器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）で完全凝縮されて蒸発器（ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）で蒸発し、冷房目標から熱を奪い、吸収器で回収される。
【0041】
図３は既存の第２種吸収式熱ポンプシステムの概略図である。
【0042】
図３を参照すれば、第２種吸収式熱ポンプシステムはさらに高い高温を得て給湯又は暖房をすることが目的である。第１種吸収式熱ポンプシステムと目立つ違いは、再生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）から吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）に移送ポンプ（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｕｍｐ）が配置されて再生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）で冷媒を再生し、残りの希溶液を吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）に移送させることによって、再生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）が低圧部になり、吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）が高圧部になる。凝縮器（ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）で凝縮された冷媒は膨張バルブ（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ）を経由せずに移送ポンプ（ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｕｍｐ）によって蒸発器（ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）に移送される。蒸発器（ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）から再生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に供給し、残りの残熱を回収した冷媒は吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）を通じて目標に熱を供給する。
【0043】
即ち、第１種吸収式熱ポンプシステムと第２種吸収式熱ポンプシステムは構成する要素が同一であるが、第１種吸収式熱ポンプシステムは混合溶液が吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）から再生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）に移送され、第２種吸収式熱ポンプシステムは混合溶液が再生器（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）から吸収器（ａｂｓｏｒｂｅｒ）に移送される。
【0044】
ここで、混合溶液は冷媒と吸収剤が混合された溶液を言う。混合溶液は濃溶液と希溶液に区分されるが、濃溶液は冷媒の濃度が高い溶液を言い、前記希溶液は冷媒の濃度が低い溶液を言う。
【0045】
既存の吸収式熱ポンプシステムの冷媒及び吸収剤ペアとしてはアンモニア－水又は水－臭化リチウムが主流を成した。しかし、この冷媒及び吸収剤ペアの短所として毒性、耐腐蝕性の問題、７０℃以下で結晶化の問題及び水の凝固点による低温氷結の問題がある。また、水－臭化リチウムで構成された吸収式冷凍機の冷媒吸収剤は単価の約２０％を占めるほど、その割合が大きいが、最近のリチウムイオン電池の需要増加に応じるリチウム価額の高騰による吸収剤価額負担の問題で代替材に対する需要が確認された。
【0046】
既存のアンモニア－水、水－臭化リチウムを代替する吸収式熱ポンプシステムに適用する作動冷媒としては相対的に低いＧＷＰを有するＲ３２をはじめとするＨＦＣ系列冷媒、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）、Ｒ１２３４ｙｆ等のＨＦＯ系列冷媒又はＨＣ系列冷媒であるＲ２９０、Ｒ６００等が考慮されており、吸収剤としては揮発性が少なく、吸収率が良い有機溶媒とイオン性溶液に関する研究が進められた。イオン性溶液というのは常温常圧で溶融塩の形態に存在する陽イオンと陰イオンの組合体を意味する。イオン性溶液は低い蒸気圧力、優れる化学的安定性及び様々な冷媒を溶かすことができる長所がある。
【0047】
先行技術の場合、結晶化地点（７０℃）を避けようと９０℃以上の熱源で作動する水－臭化リチウム吸収式熱ポンプシステムに関する技術が主流を成し、冷凍システムと加熱システムが分離されたモデルに関する研究を進めたが、本発明では新しい冷媒及び吸収剤ペアを利用して低温熱源である８０℃以下で動作が可能であり、動作モードを冷房モード及び暖房モードに動作モードを変更することができるハイブリッド吸収式熱ポンプシステムを提案する。
【0048】
図４は本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムの概略図である。
【0049】
図４を参照すれば、本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステム１０は再生器（Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）１００、凝縮器（Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ）２００、蒸発器（Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ）３００、吸収器（Ａｂｓｏｒｂｅｒ）４００、混合溶液熱交換機（Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｈｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ）５００、膨張バルブ６１０～６２０、移送ポンプ７１０～７２０、三方バルブ（ｔｈｒｅｅｗａｙ ｖａｌｖｅ）８０１～８１０、及び制御部（図示せず）を含む。
【0050】
再生器１００は濃溶液の中で冷媒を蒸発させる蒸気発生器として機能する。
【0051】
具体的に再生器１００は廃熱を利用して前記濃溶液を加熱して冷媒蒸気を発生させ、これを、配管を通じて凝縮器２００に移送する。
【0052】
前記廃熱は燃料電池スタックで発生して捨てられる熱である。この時、燃料電池は高分子電解質燃料電池ＰＥＭＦＣである。高分子電解質燃料電池ＰＥＭＦＣは水素イオン伝導性高分子膜を電解質として使用する燃料電池として他の種類の燃料電池と比較して低温で運転されるので、理論発電効率が高く、電流密度と出力密度が大きく、稼動及び停止が容易である長所がある。また、電池構造設計に柔軟性を有するので、電池の小型化にも有利である。１ｋＷ級高分子電解質燃料電池ＰＥＭＦＣスタックで発生する熱量は最大１．２Ｗであり、それにしたがう温度は約７０℃乃至９０℃である。前記燃料電池スタックは前記高分子電解質燃料電池ＰＥＭＦＣのみならず、固体酸化物燃料電池等の廃熱源を発生させ、電力生産の効果を出す燃料電池を全て含むことができる。
【0053】
但し、前記廃熱は燃料電池で発生されて捨てられる熱に限定されなく、発電過程で発生されるが、使用されずに捨てられる熱源であれば、制限無しで本発明に適用されることができる。
【0054】
冷媒蒸気発生のために、再生器１００に移送される混合溶液は冷媒が多く溶解されている濃溶液に該当する。濃溶液に含まれた冷媒の濃度は再生器１００で冷媒蒸気が発生するほど、徐々に減少し、この過程で希溶液に変化する。濃溶液で冷媒蒸気が発生し、生成された希溶液は配管を通じて混合溶液熱交換機５００に移送される。
【0055】
凝縮器２００は前記冷媒蒸気を凝縮させて液状冷媒に液化する。
【0056】
具体的に凝縮器２００は混合溶液が移動する配管とは異なる別の高温の冷却水配管を含む。前記冷媒は前記高温の冷却水配管に接触して液状の冷媒に転換される。凝縮器２００は蒸気状態の冷媒が液化され、放出する熱を吸収する。凝縮器２００で吸収した熱は暖房に利用することができる。凝縮器２００で生成された液状の冷媒は配管を通じて蒸発器３００に移送される。
【0057】
蒸発器３００は凝縮器２００で生成された液状の冷媒を蒸発させる。
【0058】
具体的に蒸発器３００は液状冷媒を内部の熱交換機を通じて低温冷却水配管表面に接触させる。前記低温冷却水配管に接触した冷媒は蒸発して吸収器４００に移送される。蒸発器３００で冷媒が蒸発しながら、吸収式熱ポンプシステム１０が冷房モードに動作する時には外気を冷却させ、暖房モードに動作する時には再生器に供給され、残りの廃熱を吸収する。
【0059】
吸収器４００は蒸発器３００で生成された冷媒蒸気を希溶液に吸収させる。
【0060】
具体的に、吸収器４００は蒸発器３００から移送された冷媒蒸気を希溶液に吸収させるほど、冷媒蒸気を吸収した希溶液は冷媒濃度が濃くなって濃溶液になる。この時、吸収器４００に存在する希溶液は配管を通じて再生器１００から移送されて混合溶液熱交換機５００を経て流入されたものである。吸収器４００は希溶液が冷媒蒸気を吸収しながら、発生する熱を内部の熱交換機を通じて高温冷却水配管を利用して排出し、当該熱は暖房に使用されることができる。
【0061】
熱力学的なサイクルによって動作する吸収式システムの特徴は各設置場所毎に異なる廃熱使用条件を有するので、使用条件を綿密に検討した後に、吸収式熱平衡サイクルを（Ｈｅａｔ Ｂａｌａｎｃｅ）考慮して設計される。
【0062】
１ｋＷ級高分子電解質燃料電池ＰＥＭＦＣスタックで発生する熱量は最大１．２Ｗであり、それにしたがう温度は約７０℃乃至９０℃である。したがって、燃料電池スタックで放出される廃熱の温度を考慮する時、再生器１００の作動温度範囲は４０℃以上８０℃以下、凝縮器２００の作動温度範囲は２０℃以上６０℃以下、蒸発器３００の作動温度範囲は－１０℃以上５０℃以下、吸収器４００の作動温度範囲は３０℃以上５５℃以下であることが好ましい。但し、具体的な作動条件に応じて変更されることができる。
【0063】
混合溶液熱交換機５００は再生器１００から出る希溶液と吸収器４００から出る濃溶液を相互熱交換させる。
【0064】
膨張バルブ６１０～６２０は流体を低圧に減圧し、流量を調節する。
【0065】
移送ポンプ７１０～７２０は移送速度調節を通じて流体の流量を調節する。
【0066】
三方バルブ８０１～８１０は３つの方向に流体の移送方向を調節することができるバルブを言い、本発明の三方バルブ８００は第１三方バルブ８０１乃至第１０三方バルブ８１０を含む。
【0067】
第１三方バルブ８０１は凝縮器２００、第１膨張バルブ６１０、及び第１移送ポンプ７１０の間の液状の冷媒の移送方向を調節する。
【0068】
第２三方バルブ８０２は第１膨張バルブ６１０、第１移送ポンプ７１０、及び蒸発器３００の間の液状の冷媒の移送方向を調節する。
【0069】
第３三方バルブ８０３は吸収器４００、第４三方バルブ８０４、及び第８三方バルブ８０８の間の混合溶液の移送方向を調節する。
【0070】
第４三方バルブ８０４は第３三方バルブ８０３、第７三方バルブ８０７、第２移送ポンプ７２０の間の混合溶液の移送方向を調節する。
【0071】
第５三方バルブ８０５は混合溶液熱交換機５００、第６三方バルブ８０６、第１０三方バルブ８１０の間の混合溶液の移送方向を調節する。
【0072】
第６三方バルブ８０６は第５三方バルブ８０５、第９三方バルブ８０９、及び再生器１００の間の混合溶液の移送方向を調節する。
【0073】
第７三方バルブ８０７は再生器１００、第８三方バルブ８０８、及び第４三方バルブ８０４の間の混合溶液の移送方向を調節する。
【0074】
第８三方バルブ８０８は第７三方バルブ８０７、第３三方バルブ８０３、及び混合溶液熱交換機５００の間の混合溶液の移送方向を調節する。
【0075】
第９三方バルブ８０９は第２膨張バルブ６２０、第１０三方バルブ８１０、及び第６三方バルブ８０６の間の混合溶液の移送方向を調節する。
【0076】
第１０三方バルブ８１０は第９三方バルブ８０９、第５三方バルブ８０５、及び吸収器４００の間の混合溶液の移送方向を調節する。
【0077】
制御部（図示せず）はハイブリッド吸収式熱ポンプシステムの動作モードに応じて三方バルブ８０１～８１０を通じた配管の連結関係を調節することによって、再生器１００と吸収器４００との間での混合溶液の移送方向と、凝縮器２００と蒸発器３００との間での液状冷媒の移送方向と、を制御するように構成される。
【0078】
図５は本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが冷房モードに動作する時を示した概略図である。
【0079】
図５を参照すれば、冷房モードの時、液状の冷媒は第１ラインに沿って凝縮器２００から蒸発器３００に移送され、濃溶液は第２移送ポンプ７２０によって第２ラインに沿って吸収器４００から再生器１００に移送され、希溶液は第３ラインに沿って再生器１００から吸収器４００に移送される。
【0080】
冷房モードの時、液状の冷媒が凝縮器２００から蒸発器３００に移送される第１ラインは第１三方バルブ８０１、第１膨張バルブ６１０、及び第２三方バルブ８０２順に連結されるラインを言う。
【0081】
具体的に言えば、冷房モードの時、第１三方バルブ８０１は凝縮器２００と第１膨張バルブ６１０を連結する。第１膨張バルブ６１０は前記液状の冷媒の圧力と温度を降下させ、冷凍負荷の変動に対応できるように前記液状冷媒の流量を調節する。したがって、前記液状の冷媒は蒸発による熱吸収作用が容易に起こることができる。第１膨張バルブ６１０で膨張された液状冷媒は配管を通じて第２三方バルブ８０２に移送される。第２三方バルブ８０２は第１膨張バルブ６１０と蒸発器３００を連結する。
【0082】
冷房モードの時、濃溶液が第２移送ポンプ７２０によって吸収器４００から再生器１００に移送される第２ラインは第３三方バルブ８０３、第４三方バルブ８０４、第２移送ポンプ７２０、混合溶液熱交換機５００、第５三方バルブ８０５、及び第６三方バルブ８０６順に連結されるラインを言う。
【0083】
具体的に言えば、冷房モードの時、第３三方バルブ８０３は吸収器４００と第４三方バルブ８０４を連結する。第４三方バルブ８０４は第３三方バルブ８０３と第２移送ポンプ７２０を連結する。第２移送ポンプ７２０は再生器１００に流入される燃料電池廃熱の温度に応じて吸収器４００から再生器１００に移送される濃溶液の流量を調節することができ、これのため、第２移送ポンプ７２０の速度を制御するための流量制御部（図示せず）をさらに含むことができる。混合溶液熱交換機５００は第２移送ポンプ７２０によって吸収器４００から移送される濃溶液と再生器１００から移送される希溶液相互間の熱を交換する。第５三方バルブ８０５は混合溶液熱交換機５００と第６三方バルブ８０６を連結する。第６三方バルブ８０６は第５三方バルブ８０５と再生器１００を連結する。
【0084】
冷房モードの時、希溶液が再生器１００から吸収器４００に移送される第３ラインは第７三方バルブ８０７、第８三方バルブ８０８、混合溶液熱交換機５００、第２膨張バルブ６２０、第９三方バルブ８０９、及び第１０三方バルブ８１０順に連結されるラインを言う。
【0085】
具体的に言えば、冷房モードの時、第７三方バルブ８０７は再生器１００と第８三方バルブ８０８を連結する。第８三方バルブ８０８は第７三方バルブ８０７と混合溶液熱交換機５００を連結する。混合溶液熱交換機５００は再生器１００で移送される希溶液と吸収器４００から移送される濃溶液相互間の熱を交換する。第２膨張バルブ６２０は希溶液を低圧に減圧し、流量を調節する。第９三方バルブ８０９は第２膨張バルブ６２０と第１０三方バルブ８１０を連結する。第１０三方バルブ８１０は第９三方バルブ８０９と吸収器４００を連結する。
【0086】
このような三方バルブ８００を通じた配管の連結関係調節は制御部（図示せず）を通じて成される。
【0087】
制御部（図示せず）はハイブリッド吸収式熱ポンプシステム１０が冷房モードに作動する時、三方バルブ８０１～８１０を通じた配管の連結状態を調節することによって、第１三方バルブ８０１、第１膨張バルブ６１０、及び第２三方バルブ８０２順に連結される第１ラインを通じて凝縮器２００から液化された液状冷媒が蒸発器３００に移送されるように制御する。
【0088】
また、第３三方バルブ８０３、第４三方バルブ８０４、第２移送ポンプ７２０、混合溶液熱交換機５００、第５三方バルブ８０５、及び第６三方バルブ８０６順に連結される第２ラインを通じて濃溶液が吸収器４００から再生器１００に移送されるように制御する。
【0089】
最後に、第７三方バルブ８０７、第８三方バルブ８０８、混合溶液熱交換機５００、第２膨張バルブ６２０、第９三方バルブ８０９、及び第１０三方バルブ８１０順に連結される第３ラインを通じて希溶液が再生器１００から吸収器４００に移送されるように制御する。
【0090】
図６は本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムが暖房モードに動作する時を示した概略図である。
【0091】
図６を参照すれば、暖房モードの時、液状の冷媒は第１移送ポンプ７１０によって第４ラインに沿って凝縮器２００から蒸発器３００に移送され、希溶液は第２移送ポンプ７２０によって第５ラインに沿って再生器１００から吸収器１００に移送され、濃溶液は第６ラインに沿って吸収器４００から再生器１００に移送される。
【0092】
暖房モードの時、液状の冷媒が第１移送ポンプ７１０によって凝縮器２００から蒸発器３００に移送される第４ラインは第１三方バルブ８０１、第１移送ポンプ７１０、及び第２三方バルブ８０２順に連結されるラインを言う。
【0093】
具体的に言えば、暖房モードの時、第１三方バルブ８０１は凝縮器２００と第１移送ポンプ７１０を連結する。第１移送ポンプ７１０は凝縮器２００から蒸発器３００に移送される液状冷媒の流量を調節することができ、このため、第１移送ポンプ７１０の速度を制御するための流量制御部（図示せず）をさらに含むことができる。第２三方バルブ８０２は第１移送ポンプ７１０と蒸発器３００を連結する。
【0094】
暖房モードの時、希溶液が第２移送ポンプ７２０によって再生器１００から吸収器４００に移送される第５ラインは第７三方バルブ８０７、第４三方バルブ８０４、第２移送ポンプ７２０、混合溶液熱交換機５００、第５三方バルブ８０５、及び第１０三方バルブ８１０順に連結されるラインを言う。
【0095】
具体的に言えば、暖房モードの時、第７三方バルブ８０７は再生器１００と第４三方バルブ８０４を連結する。第４三方バルブ８０４は第７三方バルブ８０７と第２移送ポンプ７２０を連結する。第２移送ポンプ７２０は再生器１００から吸収器４００に移送される希溶液の流量を調節することができ、このために第２移送ポンプ７２０の速度を制御するための流量制御部（図示せず）をさらに含むことができる。混合溶液熱交換機５００は第２移送ポンプ７２０によって再生器１００から移送される希溶液と吸収器４００で移送される濃溶液相互間の熱を交換する。第５三方バルブ８０５は混合溶液熱交換機５００と第１０三方バルブ８１０を連結する。第１０三方バルブ８１０は第５三方バルブ８０５と吸収器４００を連結する。
【0096】
暖房モードの時、濃溶液が吸収器４００から再生器１００に移送される第６ラインは第３三方バルブ８０３、第８三方バルブ８０８、混合溶液熱交換機５００、第２膨張バルブ６２０、第９三方バルブ８０９及び第６三方バルブ８０６順に連結されるラインを言う。
【0097】
具体的に言えば、暖房モードの時、第３三方バルブ８０３は吸収器４００と第８三方バルブ８０８を連結する。第８三方バルブ８０８は第３三方バルブ８０３と混合溶液熱交換機５００を連結する。混合溶液熱交換機５００は吸収器４００から移送される濃溶液と再生器１００から移送される希溶液相互間の熱を交換する。第２膨張バルブ６２０は濃溶液を低圧に減圧し、流量を調節する。第９三方バルブ８０９は第２膨張バルブ６２０と第６三方バルブ８０６を連結する。第６三方バルブ８０６は第９三方バルブ８０９と再生器１００を連結する。
【0098】
このような三方バルブ８００を通じた配管の連結関係調節は制御部（図示せず）を通じて成される。
【0099】
制御部（図示せず）はハイブリッド吸収式熱ポンプシステム１０が暖房モードに作動する時、三方バルブ８０１～８１０を通じた配管の連結状態を調節することによって、第１三方バルブ８０１、第１移送ポンプ７１０、及び第２三方バルブ８０２順に連結される第４ラインを通じて凝縮器２００で液化された液状冷媒が蒸発器３００に移送されるように制御する。
【0100】
また、第７三方バルブ８０７、第４三方バルブ８０４、第２移送ポンプ７２０、混合溶液熱交換機５００、第５三方バルブ８０５、及び第１０三方バルブ８１０順に連結される第５ラインを通じて希溶液が再生器１００から吸収器４００に移送されるように制御する。
【0101】
最後に、第３三方バルブ８０３、第８三方バルブ８０８、混合溶液熱交換機５００、第２膨張バルブ６２０、第９三方バルブ８０９、及び第６三方バルブ８０６順に連結される第６ラインを通じて濃溶液が吸収器４００から再生器１００に移送されるように制御する。
【0102】
即ち、本発明のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム１０の場合も図５の冷房モードに動作する時の概略図及び図６の暖房モードに動作する時の概略図からわかるように、膨張バルブ６１０、６２０及び移送ポンプ７１０、７２０を含む。各構成要素の位置又は動作方向を変更する必要無しで制御部（図示せず）を利用して三方バルブ８０１～８１０を通じた配管の連結関係を調節することのみで冷房モード及び暖房モードの中でいずれかを選択的に動作させることができる。
【0103】
本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステム１０の場合、新しい冷媒及び吸収剤ペアを適用することができる。
【0104】
前記冷媒はＨＦＣ系列の冷媒であるジフルオロメタン（Ｄｉｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈａｎｅ）を含むことができる。これはＲ３２（ＨＦＣ－３２）と称され、既存に使用される冷媒に比べて低いＧＷＰ（Ｇｌｏｂａｌ Ｗａｒｍｉｎｇ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を有する。また、前記冷媒はＨＦＯ系列の冷媒であるＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）またはＲ１２３４ｙｆを含むことができる。但し、これに限定されることではなく、再生器１００を通過する過程で蒸発がよく起こることができ、Ｌｏｗ ＧＷＰを有する冷媒をさらに含むことができる。
【0105】
前記吸収剤は有機溶媒またはイオン性溶媒の中でいずれか１つを含むことができる。有機溶媒はＤＭＡＣ（ｄｉｍｅｔｈｙｌａｃｅｔａｍｉｄｅ）、ＤＭＥＤＥＧ（Ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｅｒ Ｄｉｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｇｌｙｃｏｌ）又はＤＭＥＴｒＥＧ（Ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｅｒ Ｔｒｉｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｇｌｙｃｏｌ）を含むことができる。ＤＭＡＣはＤＭＥＤＥＧに比べて相対的に毒性可燃性等が低く、化学的に不揮発性で類推仮定することができるので、熱力学的状態量の予測に容易である。イオン性溶媒とは有機陽イオンと有機又は無機陰イオンで構成されて常温で溶融塩の形態に存在する液体を言い、［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］（１－Ｈｅｘｙｌ－３－ｍｅｔｈｙｌｉｍｉｄａｚｏｌｉｕｍ ｂｉｓ（ｔｒｉｆｌｕｏｒｍｅｔｈｙｌｓｕｌｆｏｎｙｌ）ｉｍｉｄｅ）を含むことができる。
【0106】
図７は本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムに使用される各々の冷媒及び吸収剤ペアに対する冷房性能比較図である。
【0107】
図７を参照すれば、横軸は再生器１００の温度（Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を示し、縦軸は性能係数（ＣＯＰｃ、Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を示す。冷房モードの時、性能係数はＲ３２／ＤＭＡＣ、Ｒ３２／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］及びＲ１２３４ｙｆ／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］順に高いことと現れた。また、再生器温度が増加することによって性能係数は徐々に増加する傾向性を示した。Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアの場合、約９８℃の以後に小幅減少する傾向性を示した。Ｒ３２／ＤＭＡＣペアは最大性能係数０．５８１、Ｒ３２／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアは最大性能係数０．４９８、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアは最大性能係数０．２５１、Ｒ１２３４ｙｆ／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアは最大性能係数０．１８６を示した。作動温度範囲は理論的に臨界温度の前まで作動が可能であることと確認され、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアが６１℃から作動可能であり、最も広い作動温度範囲を有した。作動温度範囲はＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］、Ｒ１２３４ｙｆ／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］、Ｒ３２／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］及びＲ３２／ＤＭＡＣの順を示した。Ｒ１２３４ｙｆ／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアは約６３℃から、Ｒ３２／ＤＭＡＣペアは６３℃から、Ｒ３２／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアは約５９℃から作動可能であることと確認された。
【0108】
図８は本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステムに使用される各々の冷媒及び吸収剤ペアに対する暖房性能比較図である。
【0109】
図８を参照すれば、横軸は再生器１００の温度（Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）を示し、縦軸は性能係数（ＣＯＰｃ、Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を示す。暖房モードの時、再生器温度が増加することに応じてＲ３２／ＤＭＡＣペアは性能係数が増加することと現れた。残りの冷媒／吸収剤ペアは再生器温度が増加することに応じて性能係数が減少することと現れた。再生器温度が７０℃である時、性能係数はＲ３２／ＤＭＡＣ、Ｒ１２３４ｙｆ／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］及びＲ３２／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアの順に高く、各値は１．３８３、１．０４、０．９７７９及び０．９３３５の順に現れた。
【0110】
即ち、図７の冷房性能比較図及び図９の暖房性能比較図で分かるように本発明のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム１０は低温熱源である６０℃乃至９０℃の廃熱源が提供される場合、Ｒ３２、Ｒ１２３４ｚｅ（Ｅ）またはＲ１２３４ｙｆのいずれか１つの冷媒とＤＭＡＣまたは［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］のいずれか１つの吸収剤を組み合わせて生成された混合溶液で作動が可能である。
【0111】
一般的に使用されている水／臭化リチウムの冷媒／吸収剤ペアの場合、９０℃以上の熱源で冷房の時に０．８前後の性能係数を有する。
【0112】
本発明のハイブリッド吸収式熱ポンプシステム１０の場合、Ｒ３２／ＤＭＡＣペア使用の時、６０℃乃至９０℃の低温廃熱源条件下でも冷房モードで０．５乃至０．６の性能係数を有することによって、低温廃熱源を使用するにも拘らず、高温廃熱源に比べて大きく低下されない性能係数を有することを分かった。
【0113】
また、Ｒ３２／ＤＭＡＣペアのみならず、Ｒ３２／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアとＬｏｗＧＷＰ冷媒を使用した冷媒／吸収剤ペアであるＲ１２３４ｙｆ／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］またはＲ１２３４ｚｅ（Ｅ）／［ｈｍｉｍ］［Ｔｆ２Ｎ］ペアの場合にも６０℃乃至９０℃の低温廃熱源条件下で作動することを確認することができる。
【0114】
但し、円滑な熱ポンプシステムの動作のために前記言及された冷媒及び吸収剤ペアの沸点の場合、廃熱源である９０℃よりは低く提供されなければならない。
【0115】
図９は本発明の一実施形態に係るハイブリッド吸収式熱ポンプシステム作動方法２０を示した図面である。
【0116】
図９を参照すれば、本発明の全体サイクルは再生器１００、吸収器４００、及び再生器１００の順序を有する混合溶液サイクルと再生器１００、凝縮器２００、蒸発器３００、吸収器４００、及び再生器１００の順序を有する冷媒サイクルに区分される。
【0117】
ハイブリッド吸収式熱ポンプシステム作動方法２０は再生器で冷媒が溶解されている混合溶液を廃熱を利用して加熱して冷媒蒸気を生成する段階（Ｓ１００）、凝縮器で、前記再生器で生成された冷媒蒸気を液状冷媒に液化させ、外部に熱を放出する段階（Ｓ２００）、蒸発器で、前記凝縮器で生成された液状冷媒を冷媒蒸気に気化させ、外部の熱を吸収する段階（Ｓ３００）、及び吸収器で、前記蒸発器で生成された冷媒蒸気を前記混合溶液に吸収させ、外部に熱を放出する段階（Ｓ４００）を含む。
【0118】
Ｓ１００段階は再生器１００で成される。具体的に、第２移送ポンプ７２０によって吸収器４００から移送された濃溶液と燃料電池スタックで発生した廃熱との間の熱交換を通じて前記濃溶液内の気液平衡点が変化するようになる。前記濃溶液の気液平衡点の変化によって冷媒が気化して冷媒蒸気が発生する。前記濃溶液は冷媒の濃度が低くなって希溶液になる。
【0119】
Ｓ２００段階は凝縮器２００で成される。具体的に、再生器１００から移送された冷媒蒸気が凝縮されて液状冷媒が生成される。前記冷媒蒸気の液化（Ｌｉｑｕｅｆａｃｔｉｏｎ）によって熱が排出され、当該熱は室内暖房に活用される。
【0120】
Ｓ３００段階は蒸発器３００で成される。具体的に、凝縮器２００で排出された液状冷媒は冷房モードの時には第１膨張バルブ６１０によって膨張された後、蒸発器３００に移送され、暖房モードの時には第１移送ポンプ７１０によって蒸発器３００に移送される。蒸発器３００に到達した液状冷媒は外部の熱を吸収し、蒸発するので、これを冷房に活用するか、又は暖房モードの時、さらに多い廃熱を室内に供給する役割を遂行することができる。
【0121】
Ｓ４００段階は吸収器４００で成される。具体的に、蒸発器３００から吸収器４００に移送されて希溶液に吸収される。希溶液は再生器１００から移送されて溶液熱交換機５００を経て吸収器４００に流入されたものである。ここで、希溶液は冷媒の濃度が高くなって濃溶液になり、この時、放出される熱は暖房に活用するか、又は温水給湯に活用される。吸収器４００で生成された濃溶液は溶液熱交換機５００を経て再生器１００に移送される。
【0122】
以上で実施形態を通じて本発明を説明したが、上の実施形態は単なる本発明の思想を説明するためのものであって、これに限定されない。通常の技術者は前述した実施形態に様々な変形が加えられることを理解する。本発明の範囲は添付された特許請求の範囲の解釈を通じてのみに定まれる。
【符号の説明】
【0123】
１０ ハイブリッド吸収式熱ポンプシステム
１００ 再生器
２００ 凝縮器
３００ 蒸発器
４００ 吸収器
５００ 混合溶液熱交換機
６１０、６２０ 膨張バルブ
７１０、７２０ 移送ポンプ
８０１～８１０ 三方バルブ
１００ 再生器
２００ 凝縮器
３００ 蒸発器
４００ 吸収器
５００ 混合溶液熱交換機
６１０、６２０ 膨張バルブ
７１０、７２０ 移送ポンプ
８０１～８１０ 三方バルブ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
