JP2002349995A

JP2002349995A - 熱装置

Info

Publication number: JP2002349995A
Application number: JP2001152132A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Furuya; 泰古谷; Osayuki Inoue; 修行井上; Shinji Kanai; 伸二金井
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2002-12-04

Abstract

(57)【要約】【課題】圧縮機の駆動エネルギーの低減が可能な熱装
置を提供する。【解決手段】利用側熱源流体を冷却または加熱する熱
装置であって、排熱を熱源とし、温水または冷水を供給
する吸収冷温水機３３と、第１の供給側熱源流体と冷媒
とを熱交換させる第１の熱交換器１０２と利用側熱源流
体と冷媒とを熱交換させる利用側熱交換器１３−１〜１
３−３と第１の熱交換器１０２又は利用側熱交換器１３
−１〜のうちいずれか一方で蒸発した冷媒を圧縮して他
方に吐出する圧縮機１１とを有する圧縮式ヒートポンプ
２０２と、吸収冷温水機３３から供給される温水または
冷水を第２の供給側熱源流体として第１の供給側熱源流
体と熱交換させる第２の熱交換器１０９であって、第１
の供給側熱源流体の流れに対して第１の熱交換器１０２
の上流側に設置された第２の熱交換器１０３とを備える
熱装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷凍装置やヒート
ポンプ等の熱装置に関し、特に空調用として用いて好適
な、冷凍機を含むヒートポンプを備える熱装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、空調用のヒートポンプは、図
７に示すように不図示のモータで駆動される圧縮機１
１、送風機１９で送風される外気と冷媒とを熱交換させ
る熱源側熱交換器１２及び室内の空気と冷媒とを熱交換
させる利用側熱交換器１３−１、１３−２、１３−３で
構成されていた。またさらに、冷房運転と暖房運転を可
能にするために、圧縮機１１の吸込側と吐出側を、熱源
側熱交換器と利用側熱交換器との間で切り換える４方切
換弁１４が設けられていた。また、利用側熱交換器１３
−１、１３−２、１３−３への冷媒液供給ラインには、
それぞれ絞り弁（膨張弁）１５−１、１５−２、１５−
３が、その３つの絞り弁には、それぞれバイパス閉止弁
１６−１、１６−２、１６−３が設けられ、また熱源側
熱交換器１２の冷媒液供給ラインには、絞り弁１７、そ
の絞り弁のバイパス閉止弁１８が設けられていた。

【０００３】この装置を冷房運転するときは、（ａ）に
図示するように、切換弁１４で圧縮機１１の吸込側を利
用側熱交換器１３−１〜１３−３に、吐出側を熱源側熱
交換器１２に接続する。また、バイパス閉止弁１６−１
〜１６−３を閉、バイパス閉止弁１８を開とする。この
状態で圧縮機１１と送風機１９を運転すると、圧縮機１
１で圧縮された冷媒は、熱交換器１２で外気により冷却
されて凝縮し、凝縮冷媒は絞り弁１５−１〜１５−３で
絞られ、熱交換器１３−１〜１３−３で膨張する。膨張
した冷媒は、室内の空気を冷却した後、圧縮機に吸込ま
れ冷凍サイクルを完結する。

【０００４】この装置を暖房運転するときは、（ｂ）に
図示するように、切換弁１４で圧縮機１１の吐出側を利
用側熱交換器１３−１〜１３−３に、吸込側を熱源側熱
交換器１２に接続する。また、バイパス閉止弁１６−１
〜１６−３を開、バイパス閉止弁１８を閉とする。この
状態では、熱交換器１２が蒸発器として、熱交換器１３
−１〜１３−３が凝縮器として作用するので、室内の空
気は、外気から汲み上げられた熱により暖められる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の熱
装置によれば、冷房運転、暖房運転いずれの場合も、蒸
発器と凝縮器の間の冷媒の熱ヘッドが大きく、圧縮機を
駆動するモータの電力が大きいという問題があった。そ
こで本発明は、圧縮機の駆動エネルギーの低減が可能な
熱装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に係る発明による熱装置は、例えば図１に
示すように、利用側熱源流体を冷却または加熱する熱装
置であって；排熱を熱源とし、温水または冷水を供給す
る吸収冷温水機３３と；冷媒を圧縮することにより熱を
移動させる圧縮式ヒートポンプ２０２であって、第１の
供給側熱源流体と前記冷媒とを熱交換させる第１の熱交
換器１０２と、前記利用側熱源流体と前記冷媒とを熱交
換させる利用側熱交換器１３−１、１３−２、１３−３
と、第１の熱交換器１０２又は利用側熱交換器１３−
１、１３−２、１３−３のうちいずれか一方で蒸発した
冷媒を圧縮して他方に吐出する圧縮機１１とを有する、
圧縮式ヒートポンプ２０２と；吸収冷温水機３３から供
給される前記温水または冷水を第２の供給側熱源流体と
して前記第１の供給側熱源流体と熱交換させる第２の熱
交換器１０９であって、前記第１の供給側熱源流体の流
れに対して第１の熱交換器１０２の上流側に設置された
第２の熱交換器１０３とを備える。

【０００７】ここで、圧縮式ヒートポンプは利用する熱
が高温側である場合の他、低温側である圧縮式冷凍機含
む概念とする。圧縮式ヒートポンプでは、利用側が冷房
であるときは利用側熱源流体は低熱源（供給側熱源流体
は高熱源）であり、暖房であるときは高熱源（供給側熱
源流体は低熱源）として作用する。また、排熱は典型的
には、ガスタービンの排気ガス、または排気ガスで加熱
された温水、エンジンの冷却水、燃料電池から排出され
る温水である。利用側熱源流体は典型的には空調対象の
空気、冷凍庫内の空気である。

【０００８】このように構成すると、吸収冷温水機を備
えるので本来なら無駄になっていた排熱を熱源として温
水または冷水を供給することができ、圧縮式ヒートポン
プを備え、該圧縮式ヒートポンプが、第１の熱交換器を
有するので第１の供給側熱源流体と冷媒とを熱交換させ
ることができ、利用側熱交換器を有するので利用側熱源
流体と冷媒とを熱交換させることができ、第１の熱交換
器又は利用側熱交換器のうちいずれか一方で蒸発した冷
媒を圧縮して他方に吐出する圧縮機を有するので、一方
から他方に熱を移動させることができ、第２の熱交換器
を備えるので、吸収冷温水機から供給される温水または
冷水を第２の供給側熱源流体として前記第１の供給側熱
源流体と熱交換させることができる。したがって、第１
の熱交換器での冷媒の蒸発温度を比較的高く又は凝縮温
度を比較的低くすることができる。

【０００９】また請求項２に記載のように、請求項１に
記載の熱装置では、前記圧縮式ヒートポンプ２０２は、
圧縮機１１の吐出方向と吸込方向とを切りかえる切換弁
１４を有するようにしてもよい。

【００１０】このように構成すると、切換弁を有するの
で、熱の移動方向を切り換えることができる。したがっ
て、本熱装置を空調装置として利用するときは、例えば
冷房運転と暖房運転との間で切り換え運転をすることが
できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。なお、各図において互い
に同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符
号を付し、重複した説明は省略する。図１のフローチャ
ートを参照して、本発明による第１の実施の形態であ
る、熱装置としての冷暖房装置を説明する。本装置は、
夏は冷房運転、冬は暖房運転をするように切換可能に構
成された、冷暖房装置である。これは例えばビルマルチ
システムに利用して好適な装置である。

【００１２】図１は、本装置が冷房運転用に切り換えら
れた状態を示す。先ず空調ユニット２０２の部分を説明
する。空調ユニットは室内器側ユニット２０２ａと室外
機側ユニット２０２ｂを含んで構成されている。室内器
側ユニット２０２ａには、利用側熱交換器としての熱交
換器１３−１、１３−２、１３−３が、空調対象である
各室内に据付られている。利用側熱源流体は、本実施の
形態では、室内空気である。熱交換器１３−１、１３−
２、１３−３の冷媒ガス側ポートは、個別の配管から、
ガス集合配管５３に集められ、配管５３は４方切換弁１
４のポート１４ａに接続されている。切換弁１４は、４
つのポート１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄを有する。
冷房運転の際は、ポート１４ａと１４ｂ、ポート１４ｃ
と１４ｄがそれぞれ連通するように構成されている。

【００１３】ポート１４ｂは、冷媒を圧縮する圧縮機１
１の吸込口に、配管５４により接続されている。圧縮機
１１の吐出口は配管５９により切換弁１４のポート１４
ｄに接続されている。ポート１４ｃは、配管５１によ
り、室外機側ユニット２０２ｂの構成要素である熱源側
熱交換器１０２のガス側接続口１０２ａに接続されてい
る。熱交換器１０２には、送風機１９により、外気を送
ることができるように構成されている。熱交換器１０２
の液側接続口１０２ｂは、集合配管５２に接続されてい
る。

【００１４】集合配管５２の、熱交換器１０２への接続
部近傍には、絞り弁（膨張弁）１７が配置され、さらに
絞り弁１７をバイパスするバイパス弁１８を有するバイ
パス配管が備えられている。該バイパス配管は、熱交換
器１０２と絞り弁１７との間の配管と集合配管５２とを
連絡する。

【００１５】配管５２は、熱交換器１３−１、１３−
２、１３−３の液側に備えられている絞り弁（膨張弁）
１５−１、１５−２、１５−３の一方のポートにそれぞ
れ接続されている。絞り弁１５−１、１５−２、１５−
３の他方のポートは、配管により、それぞれ熱交換器１
３−１、１３−２、１３−３の液側ポートに接続されて
いる。さらに絞り弁１５−１、１５−２、１５−３をバ
イパスするバイパス弁１６−１、１６−２、１６−３を
有するバイパス配管がそれぞれ備えられている。該バイ
パス配管は、熱交換器１３−１、１３−２、１３−３と
それぞれの絞り弁との間の配管と集合配管５２とを連絡
する。

【００１６】さらに、主熱交換器である熱源側熱交換器
１０２と熱源流体としての外気の流れに対して直列に設
けた補助熱交換器１０３が備えられている。主熱交換器
１０２には送風機１９により、補助熱交換器１０３には
送風機１０９により、外気を送風することができるよう
に構成されている。補助熱交換器１０３は、送風機によ
る外気の流れに対して、主熱交換器１０２の上流側に設
置されている。補助熱交換器１０３には、熱源流体の冷
水又は温水を、配管６１−１、６２−１を用いて供給す
る。

【００１７】この装置では、冷房運転の際は補助熱交換
器１０３には配管６１−１、６２−１を通して冷水が供
給されているので、送風機１０９（及び／又は送風機１
９）を運転すると、外気は補助熱交換器１０３により冷
却されて、主熱交換器１０２に導入される。したがっ
て、圧縮機及び室内器ユニット２０２ａでは、冷凍効果
が高まり、圧縮機の動力を低減することができる。しか
も、主熱交換器１０２を含むユニット２０２が既設のシ
ステムであるとき、その改造を一切することなく、補助
熱交換器１０３を追加設置するだけですむので、容易に
圧縮機動力の低減を図ることができる。

【００１８】なお圧縮機１１と４方弁１４は、室内器側
ユニット２０２ａに含めて説明したが、通常は、構造上
室外機ユニット２０２ｂ近傍に備えられる。

【００１９】さらに図１のフローシートを参照して、別
の空調ユニット２０１を備える熱装置を説明する。本図
では、圧縮機及び室内器ユニットを含む室内器側ユニッ
ト２０１は、室内器側ユニット２０２と同様であるの
で、単にブロック２０１として示してある。したがって
それらについて重複した説明を省略する。本装置では、
ユニット２０２と異なり、第１の熱交換器としての主熱
交換器１２と、第２の熱交換器としての補助熱交換器１
０１とは、冷媒の流れに対して並列である。また補助熱
交換器１０１は空気熱源式ではなく、水熱源式である。
熱源としての冷水又は温水は、熱交換器１０１と冷温水
器３２、３３（後述の温水ボイラー３２、吸収冷凍機３
３）とを接続する配管６１、６２により供給され、また
戻される。配管６１、６２には、閉止弁３８−１、３８
−２が備えられ、熱交換器１０１への冷水又は温水の供
給、戻りを止めることができる。

【００２０】主熱交換器１２は、絞り弁（膨張弁）１７
とそのバイパス弁１８とを介して、配管５２’に接続さ
れている。また、補助熱交換器１０１は、閉止弁１２１
を介して配管５１’に接続されている。さらに主熱交換
器１２と同様に、絞り弁（膨張弁）１０４とそのバイパ
ス弁１０５とを介して、配管５２’に接続されている。

【００２１】このような構成を備える装置は、閉止弁１
２１を閉としておけば、主熱交換器１２のみを熱源側熱
交換器とする従来の冷房装置又は暖房装置として運転が
可能である。閉止弁１２１を開とすると、補助熱交換器
１０１を熱源熱交換器とする冷房運転、又は暖房運転が
可能である。このとき、送風機１９を停止しておけば、
主熱交換器１２は作動しないが、不図示の弁１２１に対
応してガス側の配管に設けられた閉止弁を閉とすれば、
確実に主熱交換器１２を不作動とすることができる。但
し、主熱交換器１２の熱源条件（外気条件）が、補助熱
交換器１０１の熱源条件とマッチするときは、双方の熱
交換器を同時使用するものとしてもよい。

【００２２】本実施の形態によれば、空調ユニット２０
１、２０２のいずれについても、室内器１３−１〜１３
−３、圧縮機１１等が既設であるとき、その設備の一部
を改造するだけで、圧縮機１１の駆動エネルギーの大幅
な低減を図ることができる。特に空調ユニット２０２の
場合は、全く空調装置に手を入れずに、補助熱交換器１
０３を追加するだけであるので、改造が著しく容易であ
る。

【００２３】配管６１、６２には、前述の配管６１−
１、６２−１が、それぞれ接続されている。配管６１−
１、６２−２には、それぞれ閉止弁３９−１、３９−２
が挿入配置されており、必要に応じて、閉止弁３８−１
と３９−１、３８−２と３９−２のそれぞれ一方又は双
方を開とする。

【００２４】ユニット２０１では、補助熱交換器１０１
は、主熱交換器１２と、冷媒の流れに対して並列に配列
されていることになる。

【００２５】さらに図１のフローシートを参照して、熱
源の部分を説明する。熱源装置は、ガスタービン３１、
その排熱を利用して温水を製造する温水ボイラー３２、
その温水を熱源として運転される吸収冷凍機３３を含ん
で構成されている。本実施の形態では、吸収冷凍機の凝
縮熱を放出する冷却塔３４をさらに備えている。なお吸
収冷凍機３３は、後で詳しく説明するが、熱源として温
水を利用する代わりに、ガスタービン３１の排気ガスを
そのまま利用してもよい。また利用する熱源の温度によ
って、単効用の吸収冷凍機としてもよいし、二重効用の
吸収冷凍機としてもよい。

【００２６】冷却塔３４と吸収冷凍機３３の冷却水入口
側ポート３３ｃとを接続する冷却水配管には、冷却水ポ
ンプ３５−２が挿入配置されている。また吸収冷凍機３
３で加熱された水を冷却塔３４に供給する配管は、吸収
冷凍機３３の冷却水出口側ポート３３ｄに接続されてい
る。

【００２７】吸収冷凍機３３の冷水供給ポート３３ａ
は、閉止弁３６−１を介して配管６１に接続され、冷水
戻りポート３３ｂは、閉止弁３６−２を介して配管６２
に接続されている。また同様に、温水ボイラー３２の温
水供給ポート３２ａは、閉止弁３７−１を介して配管６
１に接続され、温水戻りポート３２ｂは、閉止弁３７−
２を介して配管６２に接続されている。

【００２８】図1のフローチャートを参照して、第１の
実施の形態の装置を冷房運転する場合の作用を説明す
る。図中、黒塗りされている閉止弁は閉であることを示
す。圧縮機１１によって加圧された冷媒は冷房運転用に
切り替えられた切り替え弁１４のポート１４ｄ、１４
ｃ、配管５１を通って放熱器となる第１の熱交換器とし
ての屋外器１０２に入り、圧縮機１１及び空調機となる
利用側熱交換器としての室内器１３−１、１３−２、１
３−３から得たエネルギーを放出して液化する。

【００２９】液化した冷媒は、開にされた閉止弁１８を
通して絞り弁１５−１、１５−２、１５−３に達する。
液冷媒は、絞り弁１５−１、１５−２、１５−３で減圧
されて膨張し温度が下がり、利用側の熱源器となる室内
器１３−１、１３−２、１３−３で室内から熱を吸収し
て液冷媒は気化する。なお室内器には、不図示の送風機
が備えられており、冷媒と熱交換するすべき利用側熱源
流体としての室内空気を、室内器と室内とで循環する。
ここで、バイパス用の閉止弁１６−１、１６−２、１６
−３は、冷房運転では、閉となっているので、液冷媒は
全て絞り弁１５−１〜１５−３を通過する。

【００３０】熱交換器１３−１〜１３−２で全てガス化
した冷媒は配管５３、切り替え弁１４のポート１４ａ、
１４ｂを経由して圧縮機１１に戻り、冷凍サイクルが完
結する。

【００３１】利用側熱交換器は、典型的には複数台設置
する（本実施の形態では１３−１〜１３−３の３台）。
また絞り弁及び閉止弁は、利用側熱交換器に対応して設
ける。冷房運転で、冷媒の蒸発器となる利用側熱交換器
（室内器１３−１〜１３−３）の蒸発温度は０〜５℃程
度、凝縮器となる供給側熱交換器（屋外器１２）の凝縮
温度は外気温度によって変化するが、補助熱交換器１０
２を用いないとすれば、条件の厳しい夏期には４０〜４
５℃程度で運転される。凝縮温度が高いのは温度の高い
外気に熱を放出するためである。

【００３２】ここで、熱交換器１０２と外気の流れに対
して直列、且つ上流に配置された補助熱交換器１０３に
冷水を通して、送風機１０９を運転すると、熱交換器１
０２に送られる外気の温度が下がるので、凝縮温度が低
くなる。例えば冷水の温度が７℃であれば、外気の温度
は１２〜１５℃程度になり、この外気により熱交換器１
０２で凝縮する冷媒の温度は、１７〜２０℃程度とな
る。圧縮機１１の吐出圧力はこれに見合う圧力になるの
で、圧縮機１１の所用動力を削減できる省エネルギー運
転を実現できる。

【００３３】この装置を暖房運転するときは、閉止弁３
６−１、３６−２を閉とし、閉止弁３７−１、３７−２
を開として、補助熱交換器１０２に温水を供給する。ま
た、冷媒のバイパス閉止弁１８を閉、同じく１６−１、
１６−２、１６−３を開とする。また４方切換弁１４で
は、ポート１４ａと１４ｄとを、又ポート１４ｂと１４
ｃとを連通させる。

【００３４】以上のような設定をして、圧縮機１１、送
風機１９、１０９を運転すると、熱交換器１０２が蒸発
器、熱交換器１３−１、１３−２、１３−３が凝縮器と
なり、熱交換器１０２から熱交換器１３−１、１３−
２、１３−３に熱を汲み上げるヒートポンプとして作用
する。このとき、補助熱交換器１０３には、温水が流れ
ているので、外気を加熱することができ、その外気によ
り熱交換器１０２で蒸発する冷媒の蒸発温度を高くでき
る。圧縮機１１の吸込圧力はこれに見合う圧力になるの
で、圧縮機１１の所用動力を削減できる。

【００３５】以上の実施の形態では、切換により冷房運
転と暖房運転とに利用できる装置として説明したが、こ
れに限らず、切換弁１４を備えず、冷房運転のみしかで
きない装置に補助熱交換器を設けてもよい。このとき
は、絞り弁１７、閉止弁１８、１６−１、１６−２、１
６−３は不要である。

【００３６】図２を参照して、第２の実施の形態で使用
する、冷凍ユニット２０３を説明する。圧縮機１１は通
常は、構造上室外器の近傍に設置するが、フローの説明
の便宜のために、室内器側ユニット２０３に属するもの
として説明する。本図は、スーパーマーケットの冷凍シ
ョーケースや冷蔵庫に使われる低温用冷凍装置のフロー
チャートである。本実施の形態は、この冷凍ユニット２
０３を、図１の空調ユニット２０２に入れ替えたもので
ある。この装置は常時冷凍運転をする。

【００３７】冷凍装置２０３は、ショーケース側ユニッ
ト２０３ａと室外機側ユニット２０３ｂを含んで構成さ
れている。ショーケース側ユニット２０３ａには、利用
側熱交換器としての熱交換器２１−１、２１−２、２１
−３が、ショーケース内に据付られている。利用側熱源
流体は、本実施の形態では、ショーケース内空気であ
る。熱交換器２１−１、２１−２、２１−３の冷媒ガス
側ポートは、それぞれ３方弁６０−１、６０−２、６０
−３のそれぞれの第１のポートに接続されている。３方
弁６０−１、６０−２、６０−３それぞれの第２のポー
トは枝配管により集合配管５８に接続されている。集合
配管５８は、圧縮機１１の吸込口に接続されている。

【００３８】３方弁６０−１、６０−２、６０−３それ
ぞれの第３のポートは、枝配管５７−１、５７−２、５
７−３により集合配管５７に接続されている。集合配管
５７は、圧縮機１１の吐出口と凝縮機１０４とを接続す
る配管５５に合流している。

【００３９】圧縮機１１の吐出口は配管５５により、室
外機側ユニット２０３ｂの構成要素である熱源側熱交換
器１０４のガス側接続口１０４ａに接続されている。熱
交換器１０４には、送風機１１０により、外気を送るこ
とができるように構成されている。熱交換器１０４の液
側接続口１０４ｂは、集合配管５６に接続されている。

【００４０】配管５６は、熱交換器２１−１、２１−
２、２１−３の液側に備えられている絞り弁（膨張弁）
２２−１、２２−２、２２−３の一方のポートにそれぞ
れ接続されている。絞り弁２２−１、２２−２、２２−
３の他方のポートは、配管により、それぞれ熱交換器２
１−１、２１−２、２１−３の液側ポートに接続されて
いる。さらに絞り弁２２−１、２２−２、２２−３をバ
イパスするバイパス弁２３−１、２３−２、２３−３を
有するバイパス配管がそれぞれ備えられている。該バイ
パス配管は、熱交換器２１−１、２１−２、２１−３と
それぞれの絞り弁との間の配管と集合配管５６とを連絡
する。

【００４１】さらに、主熱交換器である熱源側熱交換器
１０４と供給側熱源流体としての外気の流れに対して直
列に設けた補助熱交換器１０３が備えられている。主熱
交換器１０４には送風機１１０により、補助熱交換器１
０３には送風機１０９により、外気を送風することがで
きるように構成されている。補助熱交換器１０３は、送
風機による外気の流れに対して、主熱交換器１０４の上
流側に設置されている。補助熱交換器１０３には、熱源
流体の冷水又は温水を、配管６１−１、６２−１を用い
て供給する点は、第１の実施の形態と同様である。

【００４２】この装置では、補助熱交換器１０３には配
管６１−１、６２−１を通して冷水が供給されているの
で、送風機１０９（及び／又は送風機１１０）を運転す
ると、外気は補助熱交換器１０３により冷却されて、主
熱交換器である凝縮器１０４に導入される。したがっ
て、凝縮器１０４の凝縮温度は２０℃程度とすることが
可能であり、圧縮機及びショーケースユニット２０３ａ
では、冷凍効果が高まり、圧縮機の動力を低減すること
ができる。ユニット２０３が既設のシステムであると
き、その改造を一切することなく、補助熱交換器１０３
を追加設置するだけですむので、容易に圧縮機動力の低
減を図ることができる点も第１の実施の形態と同様であ
る。

【００４３】通常の運転では、３方弁６０−１、６０−
２、６０−３の第３ポートは閉、第１と第２のポートが
開となって熱交換器２１−１、２１−２、２１−３は蒸
発器として作動する。冷凍ショーケースのデフロストを
行なうときは、３方弁６０−１、６０−２、６０−３の
いずれかの第３のポートを開にして、配管５７−１、５
７−２、５７−３からの吐出ガスを導き、熱交換器２１
−１、２１−２、２１−３のいずれかを凝縮器として作
動させる。熱交換器２１−１、２１−２、２１−３のう
ち凝縮器となった熱交換器に連結する閉止弁２３−１、
２３−２、２３−３は開とし、この開となった閉止弁を
通って凝縮液は液冷媒の集合配管５６に入る。集合配管
５６に入った液冷媒は、絞り弁２２−１〜２２−３のう
ち、凝縮器として作動している熱交換器を除く熱交換器
用の絞り弁で減圧され、熱交換器２１−１〜２１−３の
うち蒸発器として作動している熱交換器で気化し、集合
配管５８を経由して圧縮機１１に戻る。

【００４４】すなわちデフロストサイクルでは、利用側
熱交換器２１−１〜２１−３の間で、熱の移動を行なう
ことになる。この場合、凝縮器となる熱交換器２１−１
〜２１−３に十分な放熱能力があれば、供給側熱交換器
１０４、１０３を停止することも可能であるが、冷媒ガ
スは放熱能力のある熱交換器に、より多く流れるから、
圧力は自動的に調整されることになり、特に供給側熱交
換器を停止する必要はない。このようにしてデフロスト
が行なわれる。

【００４５】図３のモリエ線図を参照して、省エネルギ
ーの効果を冷凍サイクルの場合で説明する。ここでは、
圧縮式冷凍機は、蒸発温度Ｔｅ＝０℃、凝縮温度Ｔｃ＝
２０℃で運転されている。飽和状態１の冷媒ガスは、圧
縮機１１で圧縮され過熱状態２のガスになる。このガス
は、熱交換器１０２で熱を奪われ凝縮する。熱交換器１
０２で冷媒と熱交換する空気は、補助熱交換器１０３で
冷水により冷却されたものである。冷媒は、この低温空
気により熱を奪われ、飽和液状態３になる。

【００４６】この間に、圧縮機１１の動力として、動力
Ｌが投入され、利用側の熱源たる室内空気から熱量Ｑｅ
を受け取り、供給側熱源にＱｃの熱量を放出する。この
とき、利用側熱源の負荷が同一ならば、前記冷凍機の圧
縮動力Ｌは、低温空気を使わない場合と比べて削減され
る。この場合吸収冷凍機３３の冷却能力Ｑは図の放熱量
Ｑｃに消費されることになる。成績係数ＣＯＰ＝Ｑｅ／
Ｌを使って前記冷却能力Ｑの利用率を求めると、Ｑｅ＋
Ｌ＝Ｑｃ＝Ｑより、Ｑｅ＝Ｑ×ＣＯＰ／（ＣＯＰ＋１）
となる。ＣＯＰは６．３程度になるから、吸収冷凍機の
冷熱の利用率をＣＯＰ／（ＣＯＰ＋１）とすれば、これ
は９０％に近くなる。

【００４７】図中に示した具体的な実施例の数値を当て
はめて計算すると以下の通りとなる。Ｑｅ＝３９８．６−２２７．５＝１７１．１ｋＪ／ｋｇＱｃ＝４２６．６−２２７．５＝１９８．１ｋＪ／ｋｇＬ＝４２５．６−３９８．６＝２７．０ｋＪ／ｋｇＣＯＰ＝１７１．１／２７．０＝６．３４Ｑｅ＝１９８．１×６．３４／（６．３４＋１）＝１９
１．８×０．８６４＝１７１．１ｋＪ／ｋｇ

【００４８】電力もＱｅ／ＣＯＰ＝Ｑ／（ＣＯＰ＋１）
だけ投入しなければならないが、従来の冷凍機に比較
すれば圧縮機１１の動力は格段に低減される。即ち、上
記実施例では、モリエ線図上の動力は、Ｌ＝４２．７ｋ
Ｊ／ｋｇであったものが、Ｌ＝２７ｋＪ／ｋｇとなる。
ここで、従来の冷凍機の凝縮温度は４０℃として算出し
た。

【００４９】図４のフローチャートを参照して、吸収冷
凍機３３の典型的な実例を説明する。吸収冷凍機３３
は、冷媒蒸発器３３−１、吸収器３３−２、吸収液再生
器３３−３、冷媒凝縮器３３−４とを備える。典型的に
な吸収冷凍機では、冷媒として水、吸収液としてリチウ
ムブロマイドを用いる。本図では、冷媒及び吸収液の流
れは、図示を省略してある。

【００５０】蒸発器３３−１で冷却された冷水は、冷水
出口ポート３３ａから、前述のように補助熱交換器１０
１、１０３に供給される。また補助熱交換器１０１、１
０３からの戻り冷水は、蒸発器３３−１のポート３３ｂ
に戻り、再び冷却されてポート３３ａから出て行く。

【００５１】冷却塔３４からの冷却水は、吸収器３３−
２の冷却水入口ポート３３ｄに供給され、吸収器３３−
２で多少温度の上がった冷却水は、凝縮器３３−４に供
給され、再生器３３−３で蒸発した冷媒蒸気の凝縮に使
われる。ここで温度の上昇した冷却水は、ポート３３ｃ
から出て、再び冷却塔３４に戻り、外気により冷却され
る。

【００５２】再生器３３−３の加熱源としての温水は、
入口ポート３１−６ａから供給され、吸収液を加熱する
ことにより自身の温度を下げ、ポート３１−６ｂから出
て行く。供給される温水の温度は、８０℃から１２０℃
程度である。

【００５３】図５のフローチャートを参照して、単効用
の吸収冷凍機３３に代えて熱源流体としての冷水、ある
いは温水を供給するのに利用できる、二重効用吸収冷凍
機の典型的な実例１３３を説明する。二重効用吸収冷凍
機１３３は、冷媒蒸発器１３３−１、吸収器１３３−
２、高温再生器１３３−３−１、低温再生器１３３−３
−２、凝縮器１３３−４を備える。

【００５４】蒸発器１３３−１で冷却された冷水は、冷
水出口ポート３３ａから、前述のように補助熱交換器１
０１、１０３に供給される。また補助熱交換器１０１、
１０３からの戻り冷水は、蒸発器３３−１のポート３３
ｂに戻り、再び冷却されてポート３３ａから出て行く。

【００５５】冷却塔３４からの冷却水は、吸収器１３３
−２の冷却水入口ポート３３ｄに供給され、吸収器１３
３−２で多少温度の上がった冷却水は、凝縮器１３３−
４に供給され、低温再生器１３３−３−２で蒸発した冷
媒蒸気の凝縮に使われる。ここで温度の上昇した冷却水
は、ポート３３ｃから出て、再び冷却塔３４に戻り、外
気により冷却される。

【００５６】高温再生器１３３−３−１の加熱源として
の高温の温水、蒸気又はガスタービン３１の排気ガス
は、入口ポート３１−４ａから供給され、吸収液を加熱
することにより自身の温度を下げ、ポート３１−４ｂか
ら出て行く。供給される熱源の温度は、それが高温水或
いは蒸気の場合は１５０℃〜１７０℃、排ガスの場合は
２５０℃〜３００℃程度である。

【００５７】図６のフローチャートを参照して、本装置
で用いる典型的なガスタービン３１の構成と作用を説明
する。ガスタービン３１は、燃焼したガスから機械的エ
ネルギーを発生させるタービン部３１−１、タービン部
３１−１に燃焼用の圧縮空気を供給する空気圧縮機３１
−２、タービン部３１−１で発生した動力で駆動される
発電機３１−３、空気圧縮機３１−２で圧縮された空気
をタービン部３１−１から排出されるガスで予熱する再
生熱交換器３１−４、予熱された空気で燃料を燃焼させ
る燃焼器３１−５、再生熱交換器３１−４で圧縮空気を
予熱した後のガスからさらに熱を回収する熱回収熱交換
器３１−６、燃焼器３１−５に供給する燃料（例えば天
然ガス）を圧縮する燃料圧縮機３１−７、燃料圧縮機を
駆動する不図示のモータを駆動するための電力の周波数
を変換するインバータ３１−８を備えて構成されてい
る。

【００５８】約２０℃の外気は空気圧縮機３１−２で圧
縮されて約２００℃になり、再熱交換器３１−４で約５
３５℃まで加熱されて燃焼器３１−５に供給される。こ
の空気は、燃焼器３１−５で、燃料圧縮機３１−７から
供給される燃料を燃焼させるのに用いられる。

【００５９】燃焼器３１−５で燃焼したガスは約８５０
℃でタービン部３１−１に導入され、動力タービンを駆
動して、約６００℃まで温度を下げて、再生熱交換器３
１−４に流れ、ここで圧縮空気と熱交換して約２９０℃
まで温度を下げる。このガスは、熱回収熱交換器３１−
６に導入され、ここで温水を製造することにより、自身
は約８０℃まで温度を下げて、排気ガスダクト３２ｃか
ら排出される。熱回収熱交換器は、既に説明した温水ボ
イラ３２として用いられる。

【００６０】熱回収熱交換器３１−６では、７０℃の温
水を製造するものとしたが、１００℃以上の低温蒸気を
発生させて、それを吸収冷凍器３３又は補助熱交換器１
０１、１０３に供給するものとしてもよい。

【００６１】熱回収熱交換器３１−６で製造された温水
は、図１で説明した冷房運転の際の単効用吸収冷凍機３
３の熱源流体として用いられるし、また図３で説明した
暖房運転の際の補助熱交換器１０１、１０３に供給され
る温水として用いられる。また二重効用吸収冷凍機１３
３の高温再生器１３３−３−１には、再生熱交換器３１
−４から排出される２９０℃の排ガスを直接供給しても
よい。このときは、再生熱交換器３１−４のガス排気ポ
ート３１−４ａから排ガスを導き出す。

【００６２】以上利用する排熱としては、ガスタービン
からの排気ガスによるもので説明したが、これに限ら
ず、分散型発電設備に用いられる固体高分子型燃料電池
からの排熱、ディーゼルエンジンやガソリンエンジンの
冷却水を利用してもよい。

【００６３】吸収冷凍器３３の放熱は冷却塔３４を利用
するものとして説明したが、これを空冷凝縮器にするこ
とにより放出熱量を直接大気に放出することも可能であ
り、この場合冷却塔を省くことができる。

【００６４】以上説明したように、近年、エネルギー利
用形態の多様化の要求に合ったシステムとして分散型発
電設備が採用されるようになってきた。この中で、マイ
クロガスタービン又は固体高分子型燃料電池が分散型発
電設備の有力候補として注目を集めている。しかしなが
ら、従来の設備では、発電効率としては同じ化石燃料を
使用する最新鋭の大型火力発電設備に比較すれば劣って
いた。マイクロガスタービンでは３０％程度、燃料電池
では３０〜４０％の発電効率（熱効率）が現実的な値で
あり、残り６０〜７０％のエネルギーは周囲の環境に放
出されていた。

【００６５】燃料電池の場合は無条件で７０〜７５℃の
温水を取り出すシステムになっているが、再生器付きマ
イクロガスタービンでは排ガス温度が２４０〜２７０℃
と低いレベルにあるから、これを排熱ボイラーによって
７０〜９０℃の温水として取り出すか、又は１７０℃以
下（８ＭＰａの飽和圧力に相当）の低圧の蒸気として取
り出すシステムにして排熱を利用できるシステムを構築
するのが一般的である。従ってこの分散型発電設備がそ
のメリットを生かすためには、温水又は低圧の蒸気とし
て取り出したエネルギーを利用し、熱エネルギーの利用
率を含めた綜合エネルギー利用効率を如何に高めるに掛
かっていた。この排熱エネルギーの有効な利用用途が無
い限り分散型発電設備の普及はかえって化石燃料の消費
量を増やし、ＣＯ_２の発生を抑制するどころか、却っ
て発生を助長することに成りかねなかった。

【００６６】本発明の実施の形態では、燃料電池の発電
設備から取り出される温水、又はガスタービンの排熱を
利用して駆動される吸収冷凍機で製造される冷水と、通
常の冷凍機に新たに設けた補助熱交換器を通して冷媒と
熱交換し、冷凍機の能力を向上させ、その結果として冷
凍機の動力削減に寄与することができる。

【００６７】熱負荷の大きい夏期での凝縮温度は空冷凝
縮器の場合は４０〜４５℃、冷却塔を持つ水冷凝縮器の
場合は３５〜４０℃となる。この冷凍機に放熱器の一部
として作動する補助熱交換器に前記吸収冷凍機からの７
℃の冷水を供給すれば、凝縮温度が低下し、通常の冷凍
機に比較して大幅に冷凍能力が向上する。また、スーパ
ーマーケットやコンビニエンストアに不可欠なショウケ
ース、冷凍庫、冷蔵庫等に使用されている低温用冷凍機
用凝縮器の放熱源に前記補助熱交換器を設けて７℃の冷
水により、前記同様に凝縮温度を下げれば同様の省エネ
ルギー効果が期待できる。

【００６８】また暖房負荷の発生する冬期に暖房用のヒ
ートポンプとして運転される場合には、燃料電池発電設
備から取り出される温水、又はガスタービンの排熱をボ
イラーを介して取り出した温水又は前記温水によって駆
動する吸収冷温水器の温水を、補助熱交換器に供給すれ
ば、熱源温度の上昇により蒸発器の蒸発圧力が上昇し、
ヒートポンプの能力は格段に増加する。これを従来の空
気熱源ヒートポンプによる暖房システムと比較すれば、
モリエ線図で説明するまでもなく、使用動力の差は歴然
としており、大きな省エネルギー効果が得られる。

【００６９】以上説明した、第１の実施の形態、第２の
実施の形態の冷暖房装置、冷凍ショーケースは、既設の
冷暖房装置やショーケースに供給側熱源流体を供給する
システムを追加設備することにより、既設の冷暖房装置
やショーケースの運転動力を著しく低減することができ
る。また既設の設備を大きく改造する必要がないので、
設備の追加が容易である。

【００７０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、吸収冷温
水機を備えるので本来なら無駄になっていた排熱を熱源
として温水または冷水を供給することができ、圧縮式ヒ
ートポンプを備え、該圧縮式ヒートポンプが、第１の熱
交換器を有するので第１の供給側熱源流体と冷媒とを熱
交換させることができ、利用側熱交換器を有するので利
用側熱源流体と冷媒とを熱交換させることができ、第１
の熱交換器又は利用側熱交換器のうちいずれか一方で蒸
発した冷媒を圧縮して他方に吐出する圧縮機を有するの
で、一方から他方に熱を移動させることができ、第２の
熱交換器を備えるので、吸収冷温水機から供給される温
水または冷水を第２の供給側熱源流体として前記第１の
供給側熱源流体と熱交換させることができる。したがっ
て、第１の熱交換器での冷媒の蒸発温度を比較的高く又
は凝縮温度を比較的低くすることができる。このように
して、圧縮機の動力を低く抑えた、またはＣＯＰの高い
熱装置を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の冷暖房装置を冷房運転する
際のフローチャートである。

【図２】第２の実施の形態で用いる冷凍ショーケースの
フローチャートである。

【図３】第１の実施の形態の作用を説明するモリエ線図
である。

【図４】本発明の実施の形態で用いる単効用吸収冷凍機
のフローの例を示すフローチャートである。

【図５】本発明の実施の形態で用いる二重効用吸収冷凍
機のフローの例を示すフローチャートである。

【図６】本発明の実施の形態で用いるガスタービンのフ
ローの例を示すフローチャートである。

【図７】従来の冷暖房装置のフローチャートである。

【符号の説明】

１１圧縮機１２熱源側熱交換器１３−１、１３−２、１３−３利用側熱交換器１４切換弁１５−１、１５−２、１５−３絞り弁１６−１、１６−２、１６−３閉止弁１７絞り弁１８閉止弁１９送風機３１ガスタービン３２温水ボイラー３３吸収冷凍機３４冷却塔４２切換弁４３冷媒ポンプ１０１、１０３補助熱交換器２０２２０３

フロントページの続き (72)発明者金井伸二東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】利用側熱源流体を冷却または加熱する熱
装置であって；排熱を熱源とし、温水または冷水を供給
する吸収冷温水機と；冷媒を圧縮することにより熱を移
動させる圧縮式ヒートポンプであって、第１の供給側熱
源流体と前記冷媒とを熱交換させる第１の熱交換器と、
前記利用側熱源流体と前記冷媒とを熱交換させる利用側
熱交換器と、前記第１の熱交換器又は前記利用側熱交換
器のうちいずれか一方で蒸発した冷媒を圧縮して他方に
吐出する圧縮機とを有する、圧縮式ヒートポンプと；前
記吸収冷温水機から供給される前記温水または冷水を第
２の供給側熱源流体として前記第１の供給側熱源流体と
熱交換させる第２の熱交換器であって、前記第１の供給
側熱源流体の流れに対して前記第１の熱交換器の上流側
に設置された第２の熱交換器とを備える；熱装置。
【請求項２】前記圧縮式ヒートポンプは、前記圧縮機
の吐出方向と吸込方向とを切りかえる切換弁を有する；
請求項１に記載の熱装置。