排熱回収利用システム
【課題】 大型変圧器の排熱を有効利用する実用性の高い排熱回収利用システムの提供。
【解決手段】 電力機器の例えば変圧器１の排熱を給湯や暖房などに有効利用するシステムで、ヒートポンプ１０と蓄熱器２０を備える。ヒートポンプ１０は、変圧器１の放熱部３を収納する膨張吸熱部１０ａと、蓄熱器２０内の温水２５中を蛇行する放熱凝縮部１０ｃを有し、循環する冷媒を封入する。膨張吸熱部１０ａは放熱部３を収納する容器形状で、封入した冷媒と放熱部３との熱交換面積を大きくして、吸熱および放熱の熱交換効率を高くし、変圧器１の冷却効率と排熱有効利用率を上げる。
【解決手段】 電力機器の例えば変圧器１の排熱を給湯や暖房などに有効利用するシステムで、ヒートポンプ１０と蓄熱器２０を備える。ヒートポンプ１０は、変圧器１の放熱部３を収納する膨張吸熱部１０ａと、蓄熱器２０内の温水２５中を蛇行する放熱凝縮部１０ｃを有し、循環する冷媒を封入する。膨張吸熱部１０ａは放熱部３を収納する容器形状で、封入した冷媒と放熱部３との熱交換面積を大きくして、吸熱および放熱の熱交換効率を高くし、変圧器１の冷却効率と排熱有効利用率を上げる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型の変圧器や電力変換器の使用時に生じる電力ロスによる排熱を回収して有効利用する排熱回収利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器や交換器などの電力機器は、使用中に電流通電に伴うジュール熱や交流通電に伴う交流損などによるロスを生じ、これらロスが排熱として排出される。例えば、変圧器は使用中にコイルや鉄心部分で銅損や鉄損などによる熱が発生するため、この機器内部で発生した排熱を機器外部に放出して、使用中の変圧器が最高許容温度以下になるようにしている。変圧器の放熱構造は、排熱を発生する変圧器本体部の熱を冷却媒体（絶縁油、ＳＦガスなどの絶縁媒体）で吸熱し、放熱器（熱交換器）で大気中に放熱する構造が一般的である。
【０００３】
変圧器を最高許容温度以下で使用するため、使用時のロスを極力低減させる技術改変が行われているが、ロスの低減には既に極限に近付きつつあり、僅かなロスを低減させるために多大な対価を覚悟しなければならない状況になっている。また、大型ビルなどの変電室に設置される大型変圧器においては、ロスによる排熱量が大きいことから、この排熱をビルの給湯や暖房などに積極的に有効利用する排熱回収システムが知られている。この排熱回収システムとして、変圧器の放熱器と蓄熱材の間の熱交換をヒートパイプやヒートポンプで行うようにしたシステムが公知である（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
上記ヒートパイプは、脱気して負圧にした容器（パイプ）内に蒸発冷媒（純水、アルコールなど）を封入している。この容器の一部を変圧器の排熱などで加温すると、内部の冷媒が吸熱し蒸発して、加熱されていない低温で蒸気圧の低い部分に高速移動し、この低温部分で結露して凝縮放熱を行う。この凝縮放熱で蓄熱器の蓄熱材を高温に加熱して、暖房や給湯などに利用する。
【特許文献１】特開昭５９−１５８５０７号公報（第３図）
【特許文献２】特開平０５−２７５２４５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記ヒートパイプを使用した変圧器の排熱回収システムは、変圧器からの排熱の回収温度が低くて利用価値が低い。そのため、変圧器の排熱の利用効率を実用段階まで上げることが構造的に難しく、ほとんど実用化されていないのが現状である。また、変圧器のロスの低減化が極限に近付きつつあり、現状のロスは１％程度であることから、変圧器の排熱を有効利用する技術改良よりも、変圧器を小型軽量化するといった技術改良が優先されて、排熱回収システムの実質的な技術改良が遅れている。
【０００６】
地球温暖化が極めて大きな問題となっている最近においては、冷暖房などで消費されるエネルギーに基づく二酸化炭素の発生、増大は憂慮するべき問題であり、二酸化炭素の発生を低減させる技術の開発がますます重要となっている。変圧器などの電力機器の排熱回収システムを効率と設備の両面で実用段階まで技術改良すれば、排熱を有効利用した分に相応する二酸化炭素の発生が削減されることになり、地球環境にやさしいシステムが構築できることが分かっている。
【０００７】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたもので、効率と設備の両面で実用価値に優れた電力機器用排熱回収利用システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するため、電力機器の排熱をヒートポンプの膨張吸熱部で回収して電力機器を冷却すると共に、ヒートポンプの放熱凝縮部の放熱を利用して蓄熱器の蓄熱材を加熱昇温させ、同時に蓄熱材への放熱により冷媒を凝縮させ、この凝縮冷媒を電力機器側に循環させて電力機器の排熱回収を繰り返す排熱回収利用システムであって、電力機器は、排熱を発生する機器本体部と、この機器本体部の排熱を集熱して放熱する放熱部を有し、ヒートポンプの膨張吸熱部は、前記放熱部を収納する容器状で前記冷媒を封入する構造としたことを特徴とする。また、上記目的を達成するため、電力機器は、排熱を発生する機器本体部と、この機器本体部を収納するハウジングを有し、ヒートポンプの膨張吸熱部は、ハウジングに収納され、機器本体部の放熱で昇温する冷媒を封入する構造としたことを特徴とする。
【０００９】
ここで、電力機器は、使用時のロス発生部位が集中し、定常的にロスが発生する大型電力機器で、例えば変電所や大型ビルの変電室などに設置される変圧器、変換器が有効に適用できる。ヒートポンプは電力機器と蓄熱器の間に設置し配管により接続されるもので、電力機器側に膨張吸熱部を有し、蓄熱器側に放熱凝縮部を有する。電力機器の放熱部は、排熱を発生する機器本体部を冷却する冷却媒体を機器本体部との間で循環させる独立した放熱器、または、機器本体部を収納するハウジングの一部に設けた放熱部位である。ヒートポンプは、真空引きされた負圧の系内に冷媒を封入したもので、その動作原理は既存のものと同じである。ヒートポンプの膨張吸熱部は、電力機器の放熱部を収納して冷媒を封入する容器状の熱交換器や、電力機器の放熱部に直結されて冷媒を封入する配管状の熱交換器など種々の熱交換器の適用ができる。容器状膨張吸熱部とは、電力機器の放熱部を全周から囲う密閉容器構造で、ヒートポンプの冷媒を膨張弁を通して膨張室に噴射して断熱膨張により低温環境を作り出し、もって放熱部からの放熱の全てを冷媒で吸収する。配管状膨張吸熱部とは、電力機器の冷却媒体中に直接吸熱部を挿入してここに冷媒を流すように吸熱する配管構造で、電力機器のハウジング内に収納される。ヒートポンプの冷媒は、常温常圧時の沸点が−１０℃〜０℃のノルマルブタン、ＨＣＦＣ−１４２ｂなどが電力機器への過大な圧力負担を避ける上で望ましい。
【００１０】
本発明においては、電力機器はその機器本体部とヒートポンプの膨張吸熱部を収納する共通のハウジングを有し、このハウジング内の最上位に膨張吸熱部を配設した構造とすることができる。ハウジング内の機器本体部より上位に膨張吸熱部を設けることで、機器本体部を冷却する冷却媒体が速やかに膨張吸熱部に移動し、膨張吸熱部に効率よく吸熱されて吸熱効率が良くなる。
【００１１】
また、電力機器は、機器本体部を収納する第１ケース部と放熱部を収納する第２ケース部を一体にした放熱性ハウジングを有し、このハウジングの第２ケース部をヒートポンプの膨張吸熱部の外装部材として共用させた構造とすることができる。このように電力機器のハウジングの一部の第２ケース部をヒートポンプの膨張吸熱部の外装部材とすることで、ヒートポンプが放熱性ハウジングの熱をも吸収して吸熱効率が良くなると共に、ヒートポンプの膨張吸熱部に専用の外装部材が一部省略でき、小形コンパクト化できる。
【００１２】
さらに本発明においては、蓄熱器は温水の蓄熱材を収納する蓄熱槽構造で、部分的に温水の過剰温度上昇により発生する蒸気を逃がす緊急用蒸気排出口を開閉可能に設置した構造にすることができる。ここでの蓄熱器の蓄熱材として使用する温水の蓄熱温度は、レジオネラ菌死滅温度である６０℃以上の温度に設定することが望ましい。蓄熱器の蓄熱材に蓄熱された熱量は、必要に応じて暖房器などの排熱利用する負荷側で利用される。排熱利用する負荷側の使用熱量がヒートポンプで回収される回収熱量を下回り、回収熱量が過剰になると蓄熱器の緊急用蒸気排出口を自動または手動で開く。回収熱量過剰の状態が生じた場合に、蓄熱温水を沸騰させ、沸騰潜熱を利用して水蒸気として余剰熱量を排出口から大気中に排出することにより、電力機器からの熱回収に支障が生じるのを防止する。
【００１３】
また、蓄熱器内に、蓄熱材を適宜に加熱する加温用ヒーターを配設することができる。この場合、排熱利用する負荷側の使用熱量がヒートポンプからの回収熱量を上回り、蓄熱器内部の蓄熱温度が所定の温度以下に低下したときに、緊急的に加温用ヒーターに通電して蓄熱材を所定の温度以上に加温する。このようにすることで排熱利用する負荷側の熱利用に支障をきたすことがなくなる。
【００１４】
さらに、蓄熱器に、大気の熱を吸熱し、この吸熱で蓄熱材を適宜に加温する気中吸熱器を付設することができる。この気中吸熱器は、大気中の熱をヒートパイプ（上記のヒートポンプと区別するためにここではヒートパイプと称する）で吸熱し、吸熱した熱を放熱凝縮部で発熱して蓄熱材を加温するもので、上記の加温用ヒーターと同様にして使用される。この場合、蓄熱器内部の気中吸熱器の発熱部より上位に加温用ヒーターを配備することが望ましい。つまり、蓄熱器内部の気中吸熱器の発熱部より下位に加温用ヒーターを配備すると、気中吸熱器の発熱部がヒーターで加温された蓄熱材に対して熱を伝えることになり、ヒーターで加温された分だけ発熱部と蓄熱材の温度差が小さくなり、伝熱効率が下がる。この効率低下は、発熱部より上位にヒーターを配置することで回避される。
【００１５】
また、本発明においては、電力機器の機器本体部と蓄熱器の一セットに対して、電力機器の放熱部とヒートポンプを含む一連の系列で、それぞれが単独に作動する複数の熱回収系列を並列状に配設して、複数の熱回収系列を選択的に作動させることができる。ここでの複数の熱回収系列のそれぞれは同一構造、性能のものが適用できる。複数の熱回収系列を定常的に作動させるものと、作動させずに待機させるものに分け、定常的に作動する熱回収系列が故障などで停止したり著しく性能低下をきたしたときに、待機させていた熱回収系列を作動させるようにして、システム全体の性能低下を回避する。実用上においては熱回収系列を二系列設けて、一方の一系列を定常的に作動させ、他方の一系列を待機させることができる。
【００１６】
さらに、本発明においては、電力機器に、電力機器の放熱部とヒートポンプを含む一連の熱回収系列が正常に作動するときは、大気中の熱を回収して熱回収系列の排熱回収を補助し、熱回収系列の非作動時は機器本体部の排熱を吸収して大気に放熱する緊急用熱交換器を付設することができる。ここでの緊急用熱交換器は、熱回収系列が故障などで正常に作動しなくなったときに電力機器を所定の適温まで冷却して、電力機器の異常発生を回避する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の排熱回収利用システムによれば、電力機器の放熱部からのヒートポンプによる吸熱効率を上げ、排熱回収率を実用段階まで上げることが容易にでき、変電所や大型ビルの変電室などに設置された電力機器を熱源とする排熱回収利用システムの効率と設備両面での実用化を容易にするという優れた効果を奏し得る。この排熱回収利用システムの実用化で、電力機器の排熱を有効利用した分に相応する二酸化炭素の発生が削減され、地球温暖化を少しでも抑制することで、地球環境保全に協働することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図８を参照して説明する。なお、全図は実施の形態の概要を示すものであり、全図を通じて同一または相当部分には同一符号を付して、詳細な説明の重複を避ける。
【００１９】
図１に示す排熱回収利用システムは、変圧器１の排熱を給湯や暖房などに有効利用する本発明基本形態のシステムで、ヒートポンプ１０と蓄熱器２０を備える。変圧器１は、使用時に排熱を発生する鉄心と巻線の機器本体部２と、機器本体部２を収納するハウジング４と、ハウジング４に封入された冷却媒体（絶縁媒体）が循環する放熱部３を有する。放熱部３は、ハウジング４に外付けで連接された放熱器である。蓄熱器２０は、蓄熱材例えば温水２５を貯留する蓄熱槽２１である。蓄熱槽２１の槽壁下部に冷水入口２２が形成され、槽壁上部に温水出口２３が形成される。温水２５は入口２２から蓄熱槽２１に入り、蓄熱槽２１内で加温されて温湯となり、出口２３から図示しない熱利用の負荷側へと給送される。
【００２０】
ヒートポンプ１０は、変圧器１の放熱部３と蓄熱器２０の間で冷媒を循環させる。冷媒はＣＦＣ−１２やＣＦＣ−１１などの通常の冷媒が使用できる。また、冷媒に常温常圧時の沸点が−１０℃〜０℃のノルマルブタン、ＨＣＦＣ−１４２ｂなどを使用すれば、通常の変圧器使用温度で使用する範囲では、膨張吸熱部１０ａでの蒸気圧が過大に上昇することがなく、機器側に過大な圧力負担をかける心配が軽減される。ヒートポンプ１０は、放熱部３を収納する膨張吸熱部１０ａと、膨張吸熱部１０ａと蓄熱器２０の間に配管された冷媒伝送部１０ｂと、冷媒伝送部１０ｂの先端から延在して蓄熱器２０内の温水２５中を蛇行する放熱凝縮部１０ｃと、放熱凝縮部１０ｃの先端から延在して膨張吸熱部１０ａに冷媒を戻す循環部１０ｄを有する。循環部１０ｄの一部に膨張弁１１が連接される。膨張吸熱部１０ａは、放熱部３を収納する容器形状の外装部分１２を有し、放熱部３との間に断熱膨張により温度低下した冷媒が噴射される。
【００２１】
ヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａ内は、常時冷媒が断熱膨張できるよう低圧に維持される。変圧器１が作動して機器本体部２が排熱を発生すると、この排熱でハウジング４内の絶縁油などの冷却媒体が加熱され、加熱された冷却媒体が放熱部３に流れる。加温された媒体が放熱部３で放熱して温度低下し、ハウジング４内に戻されて機器本体部２が冷却される。放熱部３で放出された排熱をヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａ内の冷媒が吸収して加温される。加温されて蒸発した蒸発冷媒は、冷媒伝送部１０ｂへと高速移動しヒートポンプで圧縮されてさらに温度を高め、放熱凝縮部１０ｃに到達する。放熱凝縮部１０ｃは、蓄熱器２０に収容された温水２５中を上位から下位へと蛇行する。したがって、放熱凝縮部１０ｃ内を移動する蒸発冷媒と温水２５との間で熱交換が行われて、温水２５が高温に加熱され、冷媒が温度低下して凝縮結露し凝縮液になる。この凝縮液の冷媒が循環部１０ｄ、膨張弁１１を流れて膨張吸熱部１０ａに循環し、放熱部３で再加熱される。
【００２２】
ヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａに送り込まれた断熱膨張により温度低下した冷媒蒸気は、変圧器１の排熱で速やかに加熱され、高温の蒸発冷媒となって速やかに放熱凝縮部１０ｃに移動する。膨張吸熱部１０ａは変圧器１の放熱部３を収納する容器形状のため、放熱部３から放熱される熱のほとんどが冷媒蒸気の加熱に使用される。したがって、放熱部３に対する膨張吸熱部１０ａの吸熱効率が高く、変圧器１の排熱のほとんどがヒートポンプ１０で温水２５の加熱に使用されて、排熱の実質的な有効利用が行われ、実用価値の高い排熱回収利用システムが構築できる。
【００２３】
図２に示す排熱回収利用システムは、図１システムと同様に変圧器１の排熱を給湯や暖房などに有効利用する。図２システムは、変圧器１のハウジング４の一部を放熱部３の全体を収納する外装部分１２の一部にして、ハウジング４を第１ケース部４ａと第２ケース部４ｂで構成する。第２ケース部４ｂをヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａの外装部材として使用する。第１ケース部４ａと第２ケース部４ｂは仕切板４ｃで仕切られて、第２ケース部４ｂ内に冷媒蒸気が噴出される。
【００２４】
図２の場合、膨張吸熱部１０ａの外装部分１２の一部がハウジング４と共用になり、この共用部分４ｃからハウジング４の熱を直接吸収できるため、膨張吸熱部１０ａの吸熱効率が増大して、排熱の吸収効率が増す。また、膨張吸熱部１０ａの外装部材が第２ケース部４ｂで構成されることで、外装部材が一部省略でき、その分、システムの小形コンパクト化が実現できる。
【００２５】
図３に示す排熱回収利用システムは、図２システムに示す放熱部３を備えず、図２の放熱部３と同様の熱交換器を膨張吸熱部１０ａとして使用し、ハウジング４に収納する。図３システムは、ヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａを管形またはプレート形熱交換器にしてハウジング４内に収納している。膨張吸熱部１０ａに封入された冷媒が膨張吸熱部１０ａ内の熱交換面を循環することで、機器本体部２から放熱される変圧器排熱で直接的に加熱されて冷媒蒸気が昇温される。この場合も、機器本体部２に対する膨張吸熱部１０ａの吸熱効率が高く、変圧器１の排熱のほとんどがヒートポンプ１０で温水２５の加熱に使用されて、排熱の実質的な有効利用が行われ、排熱回収利用システムの実質的な実現が可能となる。
【００２６】
図４に示す排熱回収利用システムは、図３システムと同様に変圧器１の機器本体部２と膨張吸熱部１０ａを１つのハウジング４に収納している。図４システムの図３システムと相違するところは、ハウジング４内の最上位に膨張吸熱部１０ａを配置している。このようにすると機器本体部２の排熱が効率よく膨張吸熱部１０ａに伝送され、ハウジング４内の熱が吸収されて膨張吸熱部１０ａの吸熱効率をさらに上げる。また、ハウジング４内に上下に分けて機器本体部２と膨張吸熱部１０ａを配置することで、ハウジング４の幅、設置スペースの縮小が図れる。
【００２７】
図５に示す排熱回収利用システムは、蓄熱器２０に温水２５の過剰温度上昇で発生した蒸気を逃がす緊急用蒸気排出口２６を形成している。この蒸気排出口２６には図示しない開閉弁が連接されて、蒸気排出口２６は自動または手動で開閉制御される。蒸気排出口２６は、蓄熱器２０である蓄熱槽２１の上端を塞ぐ天板部の任意箇所に形成される。また、図５システムにおける変圧器１とヒートポンプ１０を図２と同様な構造にしているが、図１や図３、図４の構造のものであってもよい。このことは、図６〜図８の各排熱回収利用システムにおいても同様である。
【００２８】
蒸気排出口２６の開閉は、次のようにして行われる。蓄熱器２０の温水２５に蓄熱された熱量は、定常的あるいは必要に応じて非定常的に暖房器などの排熱利用する負荷側で利用される。排熱利用する負荷側の使用熱量とヒートポンプ１０で回収される回収熱量の差が少ない場合は、蒸気排出口２６は閉じたままであり、排熱利用が継続して行われる。負荷側の使用熱量がヒートポンプ１０の回収熱量を下回り、回収熱量が過剰になると蒸気排出口２６を開く。回収熱量過剰の状態が生じると、蓄熱温水２５を沸騰させ、その沸騰潜熱を利用して水蒸気として余剰熱量を蒸気排出口２６から大気中に排出する。このようにすることで、変圧器１の排熱回収と排熱有効利用の安全性が増す。
【００２９】
図６は、蓄熱器２０の内部に温水２５を適宜に加熱する二種類の熱源である加温用ヒーター２７と気中吸熱器用放熱器３１を配設した排熱回収利用システムを示す。一方の熱源の加温用ヒーター２７は、通電により温水２５を加熱する電気ヒーターである。他方の熱源である放熱器３１は、大気の熱を吸熱する気中吸熱器３０に連接されたヒートポンプ３２の放熱凝縮部である。ヒートポンプ３２は、上記ヒートポンプ１０と同様な構造で、気中吸熱器３０に直結された膨張吸熱部３２ａから放熱器３１に延びる冷媒伝送部３２ｂと、放熱器３１から気中吸熱器３０に延びる循環部３２ｄを有し、循環部３２ｄに膨脹弁３５を連結している。放熱器３１が温水２５に浸漬されて、温水２５を適宜に加温する。これら二種類の熱源は、自動または手動で温水２５を次のように加温する。
【００３０】
排熱利用する負荷側の使用熱量とヒートポンプ１０からの回収熱量の差が小さく、負荷側に給送する温水２５の温度が許容範囲の適温を保つ場合は、ヒーター２７と放熱器３１は運転停止状態に保持されて温水加熱を行わない。排熱利用する負荷側の使用熱量がヒートポンプ１０からの回収熱量を大きく上回り、負荷側に給送する温水２５の温度が規定値以下に低下したときに、緊急的に加温用ヒーター２７と放熱器３１のいずれか一方または両方が運転開始して温水２５を規定値以上の温度になるまで加熱する。ただし、この場合、ヒートポンプ３２の方が効率が高いので、使用時はヒートポンプ３２を優先し、ヒーター２７は最終手段とする。このようにすることで排熱利用する負荷側の熱利用に支障をきたすことがなくなる。
【００３１】
図６システムの場合、蓄熱器２０の温水２５の中に上記二つの熱源にヒートポンプ１０の放熱凝縮部１０ｃを加えた計三つの熱源が配置される。このような場合、優先順位の高い熱源を下位に置く。つまり、優先順位の高い放熱凝縮部１０ｃを最下位に配置して、放熱凝縮部１０ｃで加熱される温水２５との温度差を大きく設定することで、放熱凝縮部１０ｃの加熱効率を高める。また、優先順位の低いヒーター２７を最上位に設置して、ヒーター２７で加熱される温水２５との温度差を小さく設定することで、ヒーター２７の温水加熱量を少なくし、温水加熱に要する消費電力を少なくする。
【００３２】
図７に示す排熱回収利用システムは、変圧器１の機器本体部２と蓄熱器２０の一セットに対して、変圧器１の放熱部３とヒートポンプ１０を含む一連の熱回収系列４０を複数系列で配備している。例えば、熱回収系列４０は、第１熱回収系列４０ａと第２熱回収系列４０ｂの二系列を並列状に配置して構成される。この二系列４０ａ、４０ｂのそれぞれが単独に作動し、二系列４０ａ、４０ｂのいずれか一方が選択的に作動するようにしてある。
【００３３】
図７システムの場合、例えば第１熱回収系列４０ａを定常的に作動させ、第２熱回収系列４０ｂを運転停止状態に待機させて、変圧器１と蓄熱器２０の間で排熱回収利用の運転を行う。この運転時に作動する第１熱回収系列４０ａが故障などで停止したり著しく性能低下をきたすと、待機させていた第２熱回収系列４０ｂが作動するように運転を切り換えて、システム全体の機能停止、性能低下を回避する。
【００３４】
なお、図７システムの場合、二熱回収系列４０ａ、４０ｂを同時に作動させることもできる。例えば、変圧器１の排熱量が増大して冷却効果を高める必要時や、利用熱量が増大するような場合に、二熱回収系列４０ａ、４０ｂを同時運転させて対処することができる。また、二熱回収系列４０ａ、４０ｂの性能を大小に相違させて、定常時は性能大の一方の熱回収系列で運転し、性能アップが要求される場合に性能小の他方の熱回収系列を補助的に運転させるようにしてもよい。この図７システムは、図１、図３、図４システムについても適用できる。
【００３５】
次に、図８の排熱回収利用システムを説明する。このシステムは、変圧器１に緊急用の放熱器と吸熱器の両機能を備える熱交換器５０を付設している。この熱交換器５０は、変圧器１のハウジング４に外付けされる。熱交換器５０は、大気中の熱を回収して熱回収系列の排熱回収を補助する吸熱器の機能と、機器本体部２の排熱を吸収して大気に放熱する放熱器の機能を備える。熱交換器５０が吸熱器として機能するときは、変圧器１の放熱部３とヒートポンプ１０を含む一連の熱回収系列が正常に作動して、変圧器１が冷却され、排熱が有効利用されているときである。熱交換器５０が放熱器として機能するときは、変圧器１の放熱部３とヒートポンプ１０を含む一連の熱回収系列が正常に作動しないときで、変圧器１を冷却して変圧器１の異常発生を防止する。
【００３６】
なお、本発明の排熱回収利用システムは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図２】第２の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図３】第３の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図４】第４の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図５】第５の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図６】第６の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図７】第７の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図８】第８の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 変圧器
２ 機器本体部
３ 放熱部
４ ハウジング
４ａ 第１ケース部
４ｂ 第２ケース部
１０ ヒートポンプ
１０ａ 膨張吸熱部
１０ｂ 冷媒伝送部
１０ｃ 放熱凝縮部
１０ｄ 循環部
１１ 膨張弁
１２ 外装部分
２０ 蓄熱器
２１ 蓄熱槽
２２ 蓄熱材入口
２３ 蓄熱材出口
２５ 蓄熱材、温水
２６ 緊急用蒸気排出口
２７ 加温用ヒーター
３０ 気中吸熱器
３１ 放熱器
３２ ヒートポンプ
４０ 熱回収系列
４０ａ、４０ｂ 複数の熱回収系列
５０ 緊急用熱交換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型の変圧器や電力変換器の使用時に生じる電力ロスによる排熱を回収して有効利用する排熱回収利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
変圧器や交換器などの電力機器は、使用中に電流通電に伴うジュール熱や交流通電に伴う交流損などによるロスを生じ、これらロスが排熱として排出される。例えば、変圧器は使用中にコイルや鉄心部分で銅損や鉄損などによる熱が発生するため、この機器内部で発生した排熱を機器外部に放出して、使用中の変圧器が最高許容温度以下になるようにしている。変圧器の放熱構造は、排熱を発生する変圧器本体部の熱を冷却媒体（絶縁油、ＳＦガスなどの絶縁媒体）で吸熱し、放熱器（熱交換器）で大気中に放熱する構造が一般的である。
【０００３】
変圧器を最高許容温度以下で使用するため、使用時のロスを極力低減させる技術改変が行われているが、ロスの低減には既に極限に近付きつつあり、僅かなロスを低減させるために多大な対価を覚悟しなければならない状況になっている。また、大型ビルなどの変電室に設置される大型変圧器においては、ロスによる排熱量が大きいことから、この排熱をビルの給湯や暖房などに積極的に有効利用する排熱回収システムが知られている。この排熱回収システムとして、変圧器の放熱器と蓄熱材の間の熱交換をヒートパイプやヒートポンプで行うようにしたシステムが公知である（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。
【０００４】
上記ヒートパイプは、脱気して負圧にした容器（パイプ）内に蒸発冷媒（純水、アルコールなど）を封入している。この容器の一部を変圧器の排熱などで加温すると、内部の冷媒が吸熱し蒸発して、加熱されていない低温で蒸気圧の低い部分に高速移動し、この低温部分で結露して凝縮放熱を行う。この凝縮放熱で蓄熱器の蓄熱材を高温に加熱して、暖房や給湯などに利用する。
【特許文献１】特開昭５９−１５８５０７号公報（第３図）
【特許文献２】特開平０５−２７５２４５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記ヒートパイプを使用した変圧器の排熱回収システムは、変圧器からの排熱の回収温度が低くて利用価値が低い。そのため、変圧器の排熱の利用効率を実用段階まで上げることが構造的に難しく、ほとんど実用化されていないのが現状である。また、変圧器のロスの低減化が極限に近付きつつあり、現状のロスは１％程度であることから、変圧器の排熱を有効利用する技術改良よりも、変圧器を小型軽量化するといった技術改良が優先されて、排熱回収システムの実質的な技術改良が遅れている。
【０００６】
地球温暖化が極めて大きな問題となっている最近においては、冷暖房などで消費されるエネルギーに基づく二酸化炭素の発生、増大は憂慮するべき問題であり、二酸化炭素の発生を低減させる技術の開発がますます重要となっている。変圧器などの電力機器の排熱回収システムを効率と設備の両面で実用段階まで技術改良すれば、排熱を有効利用した分に相応する二酸化炭素の発生が削減されることになり、地球環境にやさしいシステムが構築できることが分かっている。
【０００７】
本発明は、かかる実情に鑑みてなされたもので、効率と設備の両面で実用価値に優れた電力機器用排熱回収利用システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するため、電力機器の排熱をヒートポンプの膨張吸熱部で回収して電力機器を冷却すると共に、ヒートポンプの放熱凝縮部の放熱を利用して蓄熱器の蓄熱材を加熱昇温させ、同時に蓄熱材への放熱により冷媒を凝縮させ、この凝縮冷媒を電力機器側に循環させて電力機器の排熱回収を繰り返す排熱回収利用システムであって、電力機器は、排熱を発生する機器本体部と、この機器本体部の排熱を集熱して放熱する放熱部を有し、ヒートポンプの膨張吸熱部は、前記放熱部を収納する容器状で前記冷媒を封入する構造としたことを特徴とする。また、上記目的を達成するため、電力機器は、排熱を発生する機器本体部と、この機器本体部を収納するハウジングを有し、ヒートポンプの膨張吸熱部は、ハウジングに収納され、機器本体部の放熱で昇温する冷媒を封入する構造としたことを特徴とする。
【０００９】
ここで、電力機器は、使用時のロス発生部位が集中し、定常的にロスが発生する大型電力機器で、例えば変電所や大型ビルの変電室などに設置される変圧器、変換器が有効に適用できる。ヒートポンプは電力機器と蓄熱器の間に設置し配管により接続されるもので、電力機器側に膨張吸熱部を有し、蓄熱器側に放熱凝縮部を有する。電力機器の放熱部は、排熱を発生する機器本体部を冷却する冷却媒体を機器本体部との間で循環させる独立した放熱器、または、機器本体部を収納するハウジングの一部に設けた放熱部位である。ヒートポンプは、真空引きされた負圧の系内に冷媒を封入したもので、その動作原理は既存のものと同じである。ヒートポンプの膨張吸熱部は、電力機器の放熱部を収納して冷媒を封入する容器状の熱交換器や、電力機器の放熱部に直結されて冷媒を封入する配管状の熱交換器など種々の熱交換器の適用ができる。容器状膨張吸熱部とは、電力機器の放熱部を全周から囲う密閉容器構造で、ヒートポンプの冷媒を膨張弁を通して膨張室に噴射して断熱膨張により低温環境を作り出し、もって放熱部からの放熱の全てを冷媒で吸収する。配管状膨張吸熱部とは、電力機器の冷却媒体中に直接吸熱部を挿入してここに冷媒を流すように吸熱する配管構造で、電力機器のハウジング内に収納される。ヒートポンプの冷媒は、常温常圧時の沸点が−１０℃〜０℃のノルマルブタン、ＨＣＦＣ−１４２ｂなどが電力機器への過大な圧力負担を避ける上で望ましい。
【００１０】
本発明においては、電力機器はその機器本体部とヒートポンプの膨張吸熱部を収納する共通のハウジングを有し、このハウジング内の最上位に膨張吸熱部を配設した構造とすることができる。ハウジング内の機器本体部より上位に膨張吸熱部を設けることで、機器本体部を冷却する冷却媒体が速やかに膨張吸熱部に移動し、膨張吸熱部に効率よく吸熱されて吸熱効率が良くなる。
【００１１】
また、電力機器は、機器本体部を収納する第１ケース部と放熱部を収納する第２ケース部を一体にした放熱性ハウジングを有し、このハウジングの第２ケース部をヒートポンプの膨張吸熱部の外装部材として共用させた構造とすることができる。このように電力機器のハウジングの一部の第２ケース部をヒートポンプの膨張吸熱部の外装部材とすることで、ヒートポンプが放熱性ハウジングの熱をも吸収して吸熱効率が良くなると共に、ヒートポンプの膨張吸熱部に専用の外装部材が一部省略でき、小形コンパクト化できる。
【００１２】
さらに本発明においては、蓄熱器は温水の蓄熱材を収納する蓄熱槽構造で、部分的に温水の過剰温度上昇により発生する蒸気を逃がす緊急用蒸気排出口を開閉可能に設置した構造にすることができる。ここでの蓄熱器の蓄熱材として使用する温水の蓄熱温度は、レジオネラ菌死滅温度である６０℃以上の温度に設定することが望ましい。蓄熱器の蓄熱材に蓄熱された熱量は、必要に応じて暖房器などの排熱利用する負荷側で利用される。排熱利用する負荷側の使用熱量がヒートポンプで回収される回収熱量を下回り、回収熱量が過剰になると蓄熱器の緊急用蒸気排出口を自動または手動で開く。回収熱量過剰の状態が生じた場合に、蓄熱温水を沸騰させ、沸騰潜熱を利用して水蒸気として余剰熱量を排出口から大気中に排出することにより、電力機器からの熱回収に支障が生じるのを防止する。
【００１３】
また、蓄熱器内に、蓄熱材を適宜に加熱する加温用ヒーターを配設することができる。この場合、排熱利用する負荷側の使用熱量がヒートポンプからの回収熱量を上回り、蓄熱器内部の蓄熱温度が所定の温度以下に低下したときに、緊急的に加温用ヒーターに通電して蓄熱材を所定の温度以上に加温する。このようにすることで排熱利用する負荷側の熱利用に支障をきたすことがなくなる。
【００１４】
さらに、蓄熱器に、大気の熱を吸熱し、この吸熱で蓄熱材を適宜に加温する気中吸熱器を付設することができる。この気中吸熱器は、大気中の熱をヒートパイプ（上記のヒートポンプと区別するためにここではヒートパイプと称する）で吸熱し、吸熱した熱を放熱凝縮部で発熱して蓄熱材を加温するもので、上記の加温用ヒーターと同様にして使用される。この場合、蓄熱器内部の気中吸熱器の発熱部より上位に加温用ヒーターを配備することが望ましい。つまり、蓄熱器内部の気中吸熱器の発熱部より下位に加温用ヒーターを配備すると、気中吸熱器の発熱部がヒーターで加温された蓄熱材に対して熱を伝えることになり、ヒーターで加温された分だけ発熱部と蓄熱材の温度差が小さくなり、伝熱効率が下がる。この効率低下は、発熱部より上位にヒーターを配置することで回避される。
【００１５】
また、本発明においては、電力機器の機器本体部と蓄熱器の一セットに対して、電力機器の放熱部とヒートポンプを含む一連の系列で、それぞれが単独に作動する複数の熱回収系列を並列状に配設して、複数の熱回収系列を選択的に作動させることができる。ここでの複数の熱回収系列のそれぞれは同一構造、性能のものが適用できる。複数の熱回収系列を定常的に作動させるものと、作動させずに待機させるものに分け、定常的に作動する熱回収系列が故障などで停止したり著しく性能低下をきたしたときに、待機させていた熱回収系列を作動させるようにして、システム全体の性能低下を回避する。実用上においては熱回収系列を二系列設けて、一方の一系列を定常的に作動させ、他方の一系列を待機させることができる。
【００１６】
さらに、本発明においては、電力機器に、電力機器の放熱部とヒートポンプを含む一連の熱回収系列が正常に作動するときは、大気中の熱を回収して熱回収系列の排熱回収を補助し、熱回収系列の非作動時は機器本体部の排熱を吸収して大気に放熱する緊急用熱交換器を付設することができる。ここでの緊急用熱交換器は、熱回収系列が故障などで正常に作動しなくなったときに電力機器を所定の適温まで冷却して、電力機器の異常発生を回避する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の排熱回収利用システムによれば、電力機器の放熱部からのヒートポンプによる吸熱効率を上げ、排熱回収率を実用段階まで上げることが容易にでき、変電所や大型ビルの変電室などに設置された電力機器を熱源とする排熱回収利用システムの効率と設備両面での実用化を容易にするという優れた効果を奏し得る。この排熱回収利用システムの実用化で、電力機器の排熱を有効利用した分に相応する二酸化炭素の発生が削減され、地球温暖化を少しでも抑制することで、地球環境保全に協働することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図１〜図８を参照して説明する。なお、全図は実施の形態の概要を示すものであり、全図を通じて同一または相当部分には同一符号を付して、詳細な説明の重複を避ける。
【００１９】
図１に示す排熱回収利用システムは、変圧器１の排熱を給湯や暖房などに有効利用する本発明基本形態のシステムで、ヒートポンプ１０と蓄熱器２０を備える。変圧器１は、使用時に排熱を発生する鉄心と巻線の機器本体部２と、機器本体部２を収納するハウジング４と、ハウジング４に封入された冷却媒体（絶縁媒体）が循環する放熱部３を有する。放熱部３は、ハウジング４に外付けで連接された放熱器である。蓄熱器２０は、蓄熱材例えば温水２５を貯留する蓄熱槽２１である。蓄熱槽２１の槽壁下部に冷水入口２２が形成され、槽壁上部に温水出口２３が形成される。温水２５は入口２２から蓄熱槽２１に入り、蓄熱槽２１内で加温されて温湯となり、出口２３から図示しない熱利用の負荷側へと給送される。
【００２０】
ヒートポンプ１０は、変圧器１の放熱部３と蓄熱器２０の間で冷媒を循環させる。冷媒はＣＦＣ−１２やＣＦＣ−１１などの通常の冷媒が使用できる。また、冷媒に常温常圧時の沸点が−１０℃〜０℃のノルマルブタン、ＨＣＦＣ−１４２ｂなどを使用すれば、通常の変圧器使用温度で使用する範囲では、膨張吸熱部１０ａでの蒸気圧が過大に上昇することがなく、機器側に過大な圧力負担をかける心配が軽減される。ヒートポンプ１０は、放熱部３を収納する膨張吸熱部１０ａと、膨張吸熱部１０ａと蓄熱器２０の間に配管された冷媒伝送部１０ｂと、冷媒伝送部１０ｂの先端から延在して蓄熱器２０内の温水２５中を蛇行する放熱凝縮部１０ｃと、放熱凝縮部１０ｃの先端から延在して膨張吸熱部１０ａに冷媒を戻す循環部１０ｄを有する。循環部１０ｄの一部に膨張弁１１が連接される。膨張吸熱部１０ａは、放熱部３を収納する容器形状の外装部分１２を有し、放熱部３との間に断熱膨張により温度低下した冷媒が噴射される。
【００２１】
ヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａ内は、常時冷媒が断熱膨張できるよう低圧に維持される。変圧器１が作動して機器本体部２が排熱を発生すると、この排熱でハウジング４内の絶縁油などの冷却媒体が加熱され、加熱された冷却媒体が放熱部３に流れる。加温された媒体が放熱部３で放熱して温度低下し、ハウジング４内に戻されて機器本体部２が冷却される。放熱部３で放出された排熱をヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａ内の冷媒が吸収して加温される。加温されて蒸発した蒸発冷媒は、冷媒伝送部１０ｂへと高速移動しヒートポンプで圧縮されてさらに温度を高め、放熱凝縮部１０ｃに到達する。放熱凝縮部１０ｃは、蓄熱器２０に収容された温水２５中を上位から下位へと蛇行する。したがって、放熱凝縮部１０ｃ内を移動する蒸発冷媒と温水２５との間で熱交換が行われて、温水２５が高温に加熱され、冷媒が温度低下して凝縮結露し凝縮液になる。この凝縮液の冷媒が循環部１０ｄ、膨張弁１１を流れて膨張吸熱部１０ａに循環し、放熱部３で再加熱される。
【００２２】
ヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａに送り込まれた断熱膨張により温度低下した冷媒蒸気は、変圧器１の排熱で速やかに加熱され、高温の蒸発冷媒となって速やかに放熱凝縮部１０ｃに移動する。膨張吸熱部１０ａは変圧器１の放熱部３を収納する容器形状のため、放熱部３から放熱される熱のほとんどが冷媒蒸気の加熱に使用される。したがって、放熱部３に対する膨張吸熱部１０ａの吸熱効率が高く、変圧器１の排熱のほとんどがヒートポンプ１０で温水２５の加熱に使用されて、排熱の実質的な有効利用が行われ、実用価値の高い排熱回収利用システムが構築できる。
【００２３】
図２に示す排熱回収利用システムは、図１システムと同様に変圧器１の排熱を給湯や暖房などに有効利用する。図２システムは、変圧器１のハウジング４の一部を放熱部３の全体を収納する外装部分１２の一部にして、ハウジング４を第１ケース部４ａと第２ケース部４ｂで構成する。第２ケース部４ｂをヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａの外装部材として使用する。第１ケース部４ａと第２ケース部４ｂは仕切板４ｃで仕切られて、第２ケース部４ｂ内に冷媒蒸気が噴出される。
【００２４】
図２の場合、膨張吸熱部１０ａの外装部分１２の一部がハウジング４と共用になり、この共用部分４ｃからハウジング４の熱を直接吸収できるため、膨張吸熱部１０ａの吸熱効率が増大して、排熱の吸収効率が増す。また、膨張吸熱部１０ａの外装部材が第２ケース部４ｂで構成されることで、外装部材が一部省略でき、その分、システムの小形コンパクト化が実現できる。
【００２５】
図３に示す排熱回収利用システムは、図２システムに示す放熱部３を備えず、図２の放熱部３と同様の熱交換器を膨張吸熱部１０ａとして使用し、ハウジング４に収納する。図３システムは、ヒートポンプ１０の膨張吸熱部１０ａを管形またはプレート形熱交換器にしてハウジング４内に収納している。膨張吸熱部１０ａに封入された冷媒が膨張吸熱部１０ａ内の熱交換面を循環することで、機器本体部２から放熱される変圧器排熱で直接的に加熱されて冷媒蒸気が昇温される。この場合も、機器本体部２に対する膨張吸熱部１０ａの吸熱効率が高く、変圧器１の排熱のほとんどがヒートポンプ１０で温水２５の加熱に使用されて、排熱の実質的な有効利用が行われ、排熱回収利用システムの実質的な実現が可能となる。
【００２６】
図４に示す排熱回収利用システムは、図３システムと同様に変圧器１の機器本体部２と膨張吸熱部１０ａを１つのハウジング４に収納している。図４システムの図３システムと相違するところは、ハウジング４内の最上位に膨張吸熱部１０ａを配置している。このようにすると機器本体部２の排熱が効率よく膨張吸熱部１０ａに伝送され、ハウジング４内の熱が吸収されて膨張吸熱部１０ａの吸熱効率をさらに上げる。また、ハウジング４内に上下に分けて機器本体部２と膨張吸熱部１０ａを配置することで、ハウジング４の幅、設置スペースの縮小が図れる。
【００２７】
図５に示す排熱回収利用システムは、蓄熱器２０に温水２５の過剰温度上昇で発生した蒸気を逃がす緊急用蒸気排出口２６を形成している。この蒸気排出口２６には図示しない開閉弁が連接されて、蒸気排出口２６は自動または手動で開閉制御される。蒸気排出口２６は、蓄熱器２０である蓄熱槽２１の上端を塞ぐ天板部の任意箇所に形成される。また、図５システムにおける変圧器１とヒートポンプ１０を図２と同様な構造にしているが、図１や図３、図４の構造のものであってもよい。このことは、図６〜図８の各排熱回収利用システムにおいても同様である。
【００２８】
蒸気排出口２６の開閉は、次のようにして行われる。蓄熱器２０の温水２５に蓄熱された熱量は、定常的あるいは必要に応じて非定常的に暖房器などの排熱利用する負荷側で利用される。排熱利用する負荷側の使用熱量とヒートポンプ１０で回収される回収熱量の差が少ない場合は、蒸気排出口２６は閉じたままであり、排熱利用が継続して行われる。負荷側の使用熱量がヒートポンプ１０の回収熱量を下回り、回収熱量が過剰になると蒸気排出口２６を開く。回収熱量過剰の状態が生じると、蓄熱温水２５を沸騰させ、その沸騰潜熱を利用して水蒸気として余剰熱量を蒸気排出口２６から大気中に排出する。このようにすることで、変圧器１の排熱回収と排熱有効利用の安全性が増す。
【００２９】
図６は、蓄熱器２０の内部に温水２５を適宜に加熱する二種類の熱源である加温用ヒーター２７と気中吸熱器用放熱器３１を配設した排熱回収利用システムを示す。一方の熱源の加温用ヒーター２７は、通電により温水２５を加熱する電気ヒーターである。他方の熱源である放熱器３１は、大気の熱を吸熱する気中吸熱器３０に連接されたヒートポンプ３２の放熱凝縮部である。ヒートポンプ３２は、上記ヒートポンプ１０と同様な構造で、気中吸熱器３０に直結された膨張吸熱部３２ａから放熱器３１に延びる冷媒伝送部３２ｂと、放熱器３１から気中吸熱器３０に延びる循環部３２ｄを有し、循環部３２ｄに膨脹弁３５を連結している。放熱器３１が温水２５に浸漬されて、温水２５を適宜に加温する。これら二種類の熱源は、自動または手動で温水２５を次のように加温する。
【００３０】
排熱利用する負荷側の使用熱量とヒートポンプ１０からの回収熱量の差が小さく、負荷側に給送する温水２５の温度が許容範囲の適温を保つ場合は、ヒーター２７と放熱器３１は運転停止状態に保持されて温水加熱を行わない。排熱利用する負荷側の使用熱量がヒートポンプ１０からの回収熱量を大きく上回り、負荷側に給送する温水２５の温度が規定値以下に低下したときに、緊急的に加温用ヒーター２７と放熱器３１のいずれか一方または両方が運転開始して温水２５を規定値以上の温度になるまで加熱する。ただし、この場合、ヒートポンプ３２の方が効率が高いので、使用時はヒートポンプ３２を優先し、ヒーター２７は最終手段とする。このようにすることで排熱利用する負荷側の熱利用に支障をきたすことがなくなる。
【００３１】
図６システムの場合、蓄熱器２０の温水２５の中に上記二つの熱源にヒートポンプ１０の放熱凝縮部１０ｃを加えた計三つの熱源が配置される。このような場合、優先順位の高い熱源を下位に置く。つまり、優先順位の高い放熱凝縮部１０ｃを最下位に配置して、放熱凝縮部１０ｃで加熱される温水２５との温度差を大きく設定することで、放熱凝縮部１０ｃの加熱効率を高める。また、優先順位の低いヒーター２７を最上位に設置して、ヒーター２７で加熱される温水２５との温度差を小さく設定することで、ヒーター２７の温水加熱量を少なくし、温水加熱に要する消費電力を少なくする。
【００３２】
図７に示す排熱回収利用システムは、変圧器１の機器本体部２と蓄熱器２０の一セットに対して、変圧器１の放熱部３とヒートポンプ１０を含む一連の熱回収系列４０を複数系列で配備している。例えば、熱回収系列４０は、第１熱回収系列４０ａと第２熱回収系列４０ｂの二系列を並列状に配置して構成される。この二系列４０ａ、４０ｂのそれぞれが単独に作動し、二系列４０ａ、４０ｂのいずれか一方が選択的に作動するようにしてある。
【００３３】
図７システムの場合、例えば第１熱回収系列４０ａを定常的に作動させ、第２熱回収系列４０ｂを運転停止状態に待機させて、変圧器１と蓄熱器２０の間で排熱回収利用の運転を行う。この運転時に作動する第１熱回収系列４０ａが故障などで停止したり著しく性能低下をきたすと、待機させていた第２熱回収系列４０ｂが作動するように運転を切り換えて、システム全体の機能停止、性能低下を回避する。
【００３４】
なお、図７システムの場合、二熱回収系列４０ａ、４０ｂを同時に作動させることもできる。例えば、変圧器１の排熱量が増大して冷却効果を高める必要時や、利用熱量が増大するような場合に、二熱回収系列４０ａ、４０ｂを同時運転させて対処することができる。また、二熱回収系列４０ａ、４０ｂの性能を大小に相違させて、定常時は性能大の一方の熱回収系列で運転し、性能アップが要求される場合に性能小の他方の熱回収系列を補助的に運転させるようにしてもよい。この図７システムは、図１、図３、図４システムについても適用できる。
【００３５】
次に、図８の排熱回収利用システムを説明する。このシステムは、変圧器１に緊急用の放熱器と吸熱器の両機能を備える熱交換器５０を付設している。この熱交換器５０は、変圧器１のハウジング４に外付けされる。熱交換器５０は、大気中の熱を回収して熱回収系列の排熱回収を補助する吸熱器の機能と、機器本体部２の排熱を吸収して大気に放熱する放熱器の機能を備える。熱交換器５０が吸熱器として機能するときは、変圧器１の放熱部３とヒートポンプ１０を含む一連の熱回収系列が正常に作動して、変圧器１が冷却され、排熱が有効利用されているときである。熱交換器５０が放熱器として機能するときは、変圧器１の放熱部３とヒートポンプ１０を含む一連の熱回収系列が正常に作動しないときで、変圧器１を冷却して変圧器１の異常発生を防止する。
【００３６】
なお、本発明の排熱回収利用システムは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図２】第２の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図３】第３の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図４】第４の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図５】第５の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図６】第６の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図７】第７の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【図８】第８の実施の形態である排熱回収利用システムの概要を示す側面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 変圧器
２ 機器本体部
３ 放熱部
４ ハウジング
４ａ 第１ケース部
４ｂ 第２ケース部
１０ ヒートポンプ
１０ａ 膨張吸熱部
１０ｂ 冷媒伝送部
１０ｃ 放熱凝縮部
１０ｄ 循環部
１１ 膨張弁
１２ 外装部分
２０ 蓄熱器
２１ 蓄熱槽
２２ 蓄熱材入口
２３ 蓄熱材出口
２５ 蓄熱材、温水
２６ 緊急用蒸気排出口
２７ 加温用ヒーター
３０ 気中吸熱器
３１ 放熱器
３２ ヒートポンプ
４０ 熱回収系列
４０ａ、４０ｂ 複数の熱回収系列
５０ 緊急用熱交換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力機器の排熱をヒートポンプの膨張吸熱部で回収して前記電力機器を冷却すると共に、前記ヒートポンプの放熱凝縮部の放熱を利用して蓄熱器の蓄熱材を加熱昇温させ、同時に蓄熱材への放熱により冷媒を凝縮させ、この凝縮冷媒を前記電力機器側に循環させて電力機器の排熱回収を繰り返す排熱回収利用システムであって、
前記電力機器は、前記排熱を発生する機器本体部と、この機器本体部の排熱を集熱して放熱する放熱部を有し、前記ヒートポンプの膨張吸熱部は、前記放熱部を収納する容器状で前記冷媒を封入することを特徴とする排熱回収利用システム。
【請求項２】
前記電力機器は、前記機器本体部を収納する第１ケース部と前記放熱部を収納する第２ケース部を一体にしたハウジングを有し、このハウジングの前記第２ケース部を前記ヒートポンプの膨張吸熱部の外装部材の一部として共用させたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収利用システム。
【請求項３】
電力機器の排熱をヒートポンプの膨張吸熱部で回収して前記電力機器を冷却すると共に、前記ヒートポンプの放熱凝縮部の放熱を利用して蓄熱器の蓄熱材を加熱昇温させ、同時に蓄熱材への放熱により冷媒を凝縮させ、この凝縮冷媒を前記電力機器側に循環させて電力機器の排熱回収を繰り返す排熱回収利用システムであって、
前記電力機器は、前記排熱を発生する機器本体部と、この機器本体部を収納するハウジングを有し、前記ヒートポンプの膨張吸熱部は、前記ハウジングに収納され、前記機器本体部の放熱で昇温する前記冷媒を封入することを特徴とする排熱回収利用システム。
【請求項４】
前記ハウジング内の最上位に前記ヒートポンプの膨張吸熱部を配設したことを特徴とする請求項２に記載の排熱回収利用システム。
【請求項５】
前記蓄熱器は、温水の蓄熱材を収容する蓄熱槽で、一時的な前記蓄熱材の過剰温度上昇により発生する蒸気を逃がす緊急用蒸気排出口を開閉可能に設置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項６】
前記蓄熱器内に、前記蓄熱材を適宜に加熱する加温用ヒーターを配設したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項７】
前記蓄熱器に、大気から吸収した吸熱で前記蓄熱材を適宜に加温する気中吸熱器を付設したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項８】
前記蓄熱器内の最上位に前記加温用ヒーターを配設したことを特徴とする請求項７に記載の排熱回収利用システム。
【請求項９】
前記電力機器の機器本体部と前記蓄熱器の一セットに対して、前記電力機器の放熱部と前記ヒートポンプを含む一連の系列で、それぞれが単独に作動する複数の熱回収系列を並列状に配設して、複数の熱回収系列を選択的に作動させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項１０】
前記電力機器に、前記電力機器の放熱部と前記ヒートポンプを含む一連の熱回収系列が正常に作動するときは大気中の熱を回収して前記熱回収系列の排熱回収を補助し、前記熱回収系列の非作動時は前記機器本体部の排熱を吸収して大気に放熱する緊急用熱交換器を付設したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項１】
電力機器の排熱をヒートポンプの膨張吸熱部で回収して前記電力機器を冷却すると共に、前記ヒートポンプの放熱凝縮部の放熱を利用して蓄熱器の蓄熱材を加熱昇温させ、同時に蓄熱材への放熱により冷媒を凝縮させ、この凝縮冷媒を前記電力機器側に循環させて電力機器の排熱回収を繰り返す排熱回収利用システムであって、
前記電力機器は、前記排熱を発生する機器本体部と、この機器本体部の排熱を集熱して放熱する放熱部を有し、前記ヒートポンプの膨張吸熱部は、前記放熱部を収納する容器状で前記冷媒を封入することを特徴とする排熱回収利用システム。
【請求項２】
前記電力機器は、前記機器本体部を収納する第１ケース部と前記放熱部を収納する第２ケース部を一体にしたハウジングを有し、このハウジングの前記第２ケース部を前記ヒートポンプの膨張吸熱部の外装部材の一部として共用させたことを特徴とする請求項１に記載の排熱回収利用システム。
【請求項３】
電力機器の排熱をヒートポンプの膨張吸熱部で回収して前記電力機器を冷却すると共に、前記ヒートポンプの放熱凝縮部の放熱を利用して蓄熱器の蓄熱材を加熱昇温させ、同時に蓄熱材への放熱により冷媒を凝縮させ、この凝縮冷媒を前記電力機器側に循環させて電力機器の排熱回収を繰り返す排熱回収利用システムであって、
前記電力機器は、前記排熱を発生する機器本体部と、この機器本体部を収納するハウジングを有し、前記ヒートポンプの膨張吸熱部は、前記ハウジングに収納され、前記機器本体部の放熱で昇温する前記冷媒を封入することを特徴とする排熱回収利用システム。
【請求項４】
前記ハウジング内の最上位に前記ヒートポンプの膨張吸熱部を配設したことを特徴とする請求項２に記載の排熱回収利用システム。
【請求項５】
前記蓄熱器は、温水の蓄熱材を収容する蓄熱槽で、一時的な前記蓄熱材の過剰温度上昇により発生する蒸気を逃がす緊急用蒸気排出口を開閉可能に設置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項６】
前記蓄熱器内に、前記蓄熱材を適宜に加熱する加温用ヒーターを配設したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項７】
前記蓄熱器に、大気から吸収した吸熱で前記蓄熱材を適宜に加温する気中吸熱器を付設したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項８】
前記蓄熱器内の最上位に前記加温用ヒーターを配設したことを特徴とする請求項７に記載の排熱回収利用システム。
【請求項９】
前記電力機器の機器本体部と前記蓄熱器の一セットに対して、前記電力機器の放熱部と前記ヒートポンプを含む一連の系列で、それぞれが単独に作動する複数の熱回収系列を並列状に配設して、複数の熱回収系列を選択的に作動させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【請求項１０】
前記電力機器に、前記電力機器の放熱部と前記ヒートポンプを含む一連の熱回収系列が正常に作動するときは大気中の熱を回収して前記熱回収系列の排熱回収を補助し、前記熱回収系列の非作動時は前記機器本体部の排熱を吸収して大気に放熱する緊急用熱交換器を付設したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の排熱回収利用システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１３４５１９（Ｐ２００７−１３４５１９Ａ）
【公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３２６５５７（Ｐ２００５−３２６５５７）
【出願日】平成１７年１１月１０日（２００５．１１．１０）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月３１日（２００７．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月１０日（２００５．１１．１０）
【出願人】（０００００３９４２）日新電機株式会社 (328)
【Ｆターム（参考）】
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