JP2003336927A

JP2003336927A - 複合冷凍システム

Info

Publication number: JP2003336927A
Application number: JP2002145626A
Authority: JP
Inventors: Kanetoshi Hayashi; 謙年林; Hidemasa Ogose; 英雅生越; Naoyuki Furumoto; 直行古本
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2003-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】熱機関からの排熱を有効利用するとともに、
熱機関からの排熱が十分でない場合に備えて常に圧縮式
冷凍機をベースとして駆動しておき、熱機関からの排熱
が十分ある場合にはさらに排熱駆動冷凍機を駆動して、
必要な冷熱需要を賄うことができるようにした複合冷凍
システムを提供する。【解決手段】熱機関10で駆動される圧縮式冷凍機を圧
縮機12、開閉弁13、15、凝縮器14、第１蒸発器18により
構成し、この冷凍サイクル回路Ａに排熱回収器20、第２
蒸発器22、エジェクタ24、圧縮機12、開閉弁19、26、2
7、凝縮器14、膨張弁28、ポンプ29をもつ排熱駆動冷凍
機の冷凍サイクル回路Ｂと、圧縮機12、開閉弁19、第２
蒸発器23、膨張弁16、第１蒸発器18をもつ圧縮式冷凍機
の冷凍サイクル回路Ｃを結合し、前記圧縮式冷凍機にお
ける圧縮冷媒の凝縮に必要な冷却を、外気による空冷と
前記排熱駆動冷凍機による冷却の２方式から選択できる
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧縮式冷凍機と排
熱駆動冷凍機とを組み合わせた複合冷凍システムに関
し、特に熱機関駆動によるコジェネシステムや車載空調
装置において有効な複合冷凍システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来の熱機関駆動圧縮式冷凍機の
構成図である。この熱機関駆動圧縮式冷凍機は、ガソリ
ンエンジン、ディーゼルエンジン等の熱機関１０で圧縮
機１２を駆動してガス冷媒（例えば、水蒸気）を吸入・
圧縮し、この高圧のガス冷媒は凝縮器１４に送られ、凝
縮器１４にて冷却流体に放熱して凝縮され低温の液冷媒
となり、この液冷媒はさらに膨張弁１６にて減圧されて
蒸発器１８に入り、蒸発器１８にて被冷却流体の熱を吸
収して蒸発し低圧のガス冷媒となって圧縮機１２に戻る
冷凍サイクルを繰り返すものである。

【０００３】しかし、この熱機関駆動圧縮式冷凍機で
は、熱機関の排熱を冷凍のために利用することはでき
ず、温熱用途に利用する以外は廃棄しているのが実情で
ある。特に車載用の冷凍システムでは、熱機関の排熱は
すべて廃棄されている。

【０００４】一方、熱機関の排熱を駆動源として利用す
る従来のエジェクタ方式（蒸気噴射式）の排熱駆動冷凍
機の構成を図４に示す。この排熱駆動冷凍機の構成によ
ると、熱機関１０からの排熱をボイラ２０の排熱回収用
熱交換器２１に導き、熱交換により高温・高圧となった
蒸気冷媒をエジェクタ２４のノズル（図示せず）より高
速で噴出させるとともに、このときの負圧で蒸発器１８
から低温・低圧の蒸気冷媒を吸引して、高温・高圧の蒸
気冷媒と低温・低圧の蒸気冷媒とを混合してエジェクタ
２４のディフューザ部２５で昇圧して凝縮器１４に入れ
る。凝縮器１４では、図３と同様に蒸気冷媒を凝縮・冷
却して液冷媒となし、その液冷媒の一部は膨張弁１６を
介して蒸発器１８に戻し、残りの液冷媒はポンプ２９で
ボイラ２０に戻すという冷凍サイクルを繰り返す。

【０００５】しかし、このような排熱駆動冷凍機のみの
構成では、熱源となる熱機関からの排熱が不足すると冷
熱需要が賄えないという問題がある。

【０００６】また、図５は特開平６−３３１２５号公報
に示された排熱駆動冷凍機の構成図である。この排熱駆
動冷凍機は、熱機関の温水排熱を駆動源とする冷凍サイ
クル回路Ｐを、温水排熱ボイラ３２、エジェクタ３３、
熱交換器３４、膨張弁１６、蒸発器１８、およびポンプ
３５から構成し、熱機関の排気排熱を駆動源とする冷凍
サイクル回路Ｒを、排気排熱ボイラ２０、エジェクタ２
４、凝縮器１４、膨張弁３６、熱交換器３７、およびポ
ンプ３８から構成するものである。そして、この構成に
よれば、熱交換器３４が冷凍サイクル回路Ｐの凝縮器の
働きをし、熱交換器３７が冷凍サイクル回路Ｒの蒸発器
の働きをするため、冷凍サイクル回路Ｐの熱交換器（凝
縮器）３４内の冷媒が冷凍サイクル回路Ｒの熱交換器
（蒸発器）３７内の低温の冷媒と熱交換されることによ
って凝縮されるので、蒸発器１８内の冷媒温度を低くす
ることができ、そのため冷凍能力を向上させることがで
きるとされている。

【０００７】しかし、図５の排熱駆動冷凍機は、熱機関
からの排気排熱および温水排熱が十分に得られる場合に
は有効であるが、常にそのような事情にあるとはいえな
いケースが多く、その場合には図４の排熱駆動冷凍機の
場合と同様の問題がある。すなわち、図５の排熱駆動冷
凍機は排熱駆動冷凍機のみで構成されているので、熱源
となる熱機関からの排熱が十分でない場合には冷房能力
の低下を招くことになる。

【０００８】そこで、熱機関の排熱を有効利用しつつ、
必要な冷熱需要に対応させることが考えられる。そのよ
うな冷凍機に駆動圧縮式冷凍機と排熱駆動冷凍機とを組
み合わせた複合型の冷凍システムがあり、例えば、特開
昭５７−３５２５６号公報で提案されている。

【０００９】図６に上記特開昭５７−３５２５６号公報
による複合冷凍システムの構成を示す。この複合冷凍シ
ステムにおいては、熱機関１０から排出される排熱を熱
交換器３０に導入する一方、その熱機関１０で圧縮機１
２を駆動し凝縮器１４から出る蒸気冷媒の一部をポンプ
２９で加圧して熱交換器３１に送入し、熱交換器３０と
の間で熱交換を行って高温・高圧の蒸気冷媒となして、
この高温・高圧の蒸気冷媒をエジェクタ２４に導入しノ
ズル（図示せず）より噴出させる。その一方、蒸発器１
８からの低温・低圧の蒸気冷媒の一部をエジェクタ２４
内のノズル噴出時の負圧によって吸引し、ノズルより高
速で噴出される高温・高圧の蒸気冷媒と混合し昇圧し
て、この蒸気冷媒を圧縮機１２にて圧縮された高温・高
圧の蒸気冷媒の出側流路に送入するようにしている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
複合冷凍システムでは、圧縮式冷凍機の圧縮機と排熱駆
動冷凍機のエジェクタとが並列に接続されているため、
双方の圧縮圧力比を同一にする必要があり、運転範囲が
限定されるという問題がある。特に、エジェクタの圧縮
性能が不足するような場合には、エジェクタを介して冷
媒が圧縮機出口から蒸発器へ逆流してしまう場合もあり
得る。

【００１１】したがって、本発明の目的は、熱機関から
の排熱を有効利用するとともに、熱機関からの排熱が十
分でない場合に備えて常に圧縮式冷凍機をベースとして
駆動しておき、熱機関からの排熱が十分ある場合にはさ
らに排熱駆動冷凍機を駆動して、必要な冷熱需要を賄う
ことができるようにした複合冷凍システムを提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る複合冷凍シ
ステムは、外部動力で駆動される圧縮式冷凍機と、熱源
からの排熱で駆動される排熱駆動冷凍機とから構成さ
れ、前記圧縮式冷凍機における圧縮冷媒の凝縮に必要な
冷却を、外気による空冷と前記排熱駆動冷凍機による冷
却の２方式から選択できるように回路構成してなること
を特徴とするものである。

【００１３】本発明の複合冷凍システムでは、熱機関か
らの排熱が十分でない場合に備えて常に圧縮式冷凍機を
ベースとして駆動しておくものである。このときには圧
縮式冷凍機の凝縮器を外気により冷却するので、必要な
冷熱需要を圧縮式冷凍機で賄うことができる。そして、
熱機関からの排熱が十分に得られるようになった場合に
は、さらに排熱駆動冷凍機の運転を行うものである。こ
のときには、第２蒸発器における冷媒の蒸発により圧縮
機からの圧縮冷媒の冷却を行い凝縮させるので、外気に
よる凝縮に比べて圧縮式冷凍機の凝縮温度を低減するこ
とが可能となり、圧縮式冷凍機の駆動に必要な熱機関の
軸動力を低減できるというメリットがある。したがっ
て、軸動力の低減分、熱機関の他の用途への転用を可能
とする。

【００１４】また、本発明の複合冷凍システムにおいて
は、圧縮式冷凍機の動力源に熱機関を用いるか、あるい
は熱機関により発電した電力で駆動される電動モータを
用いるものである。また、排熱駆動冷凍機の動力源には
熱機関の排熱を用いる。また、排熱駆動冷凍機は、エジ
ェクタ式冷凍機、吸収式冷凍機、あるいは吸着式冷凍機
など熱によって駆動されるものであればよい。そして、
冷熱需要量に応じて前記圧縮式冷凍機の凝縮熱量を求
め、その凝縮熱量と熱源からの排熱量に基づいて前記排
熱駆動冷凍機の運転時期を判断する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
により説明する。図１は本発明の実施の形態の一例を示
す複合冷凍システムの構成図である。この複合冷凍シス
テムは、熱機関１０により駆動される圧縮機１２、開閉
弁１３、凝縮器１４、開閉弁１５、膨張弁１６、および
第１蒸発器１８からなる圧縮式冷凍機の冷凍サイクル回
路Ａと、熱機関１０からの排熱で冷媒蒸気を発生させる
排熱回収器２０、圧縮機１２により圧縮された冷媒を開
閉弁１９を介して導入する第２蒸発器２２、エジェクタ
２４、開閉弁２６、凝縮器１４、開閉弁２７、膨張弁２
８からなる排熱駆動冷凍機の冷凍サイクル回路Ｂと、並
びに圧縮機１２、開閉弁１９、第２蒸発器２２、膨張弁
１６、第１蒸発器１８からなる圧縮式冷凍機の冷凍サイ
クル回路Ｃとを結合して構成される。なお、２９は凝縮
器１４からの凝縮水の一部を排熱回収器２０へ戻すポン
プである。また、図１に示す白抜きの弁１３、１５は
「開」の状態をあらわしており、黒塗りの弁１９、２
６、２７は「閉」の状態をあらわしており、これらの弁
はセットで開閉を行う。

【００１６】この複合冷凍システムでは、まず、開閉弁
１３、１５は「開」とし、開閉弁１９、２６、２７は
「閉」として、圧縮式冷凍機をベースとして熱機関１０
により駆動しておく。このとき、凝縮器１４は外気によ
り空冷されている。したがって、この場合は従来技術の
熱機関駆動圧縮式冷凍機（図３）と同様に作動し、冷凍
効果を発揮する。すなわち、第１蒸発器１８にて発生す
る冷熱を図示しない送風ファンで送風することにより室
内や車内等の冷房空調に供する。

【００１７】そして、熱機関１０からの排熱が十分に得
られるようになった場合には、逆に開閉弁１９、２６、
２７は「開」とし、開閉弁１３、１５は「閉」とする。
このとき、熱機関１０からの排熱は排熱回収器２０内の
排熱回収用熱交換器２１に導入され、熱交換によって排
熱回収器２０は高温・高圧の冷媒蒸気を発生する。ま
た、圧縮機１２で圧縮された冷媒蒸気は開閉弁１９を介
して第２蒸発器２２内の熱交換器２３に導入される。エ
ジェクタ２４では、排熱回収器２０からの高温・高圧の
冷媒蒸気をノズル（図示せず）より噴出し、そのときの
負圧で第２蒸発器２２からの低温・低圧の冷媒蒸気を吸
引し、ディフューザ部２５で両者の冷媒蒸気を混合・昇
圧して噴出する。エジェクタ２４から噴出された冷媒蒸
気は開閉弁２６を介して凝縮器１４内に流入され、ここ
で外気により冷却されて凝縮される。凝縮器１４からの
凝縮水は、開閉弁２７を介して、その一部はポンプ２９
により排熱回収器２０へ戻され、残りは膨張弁２８で減
圧されて第２蒸発器２２へ戻される。そのため、第２蒸
発器２２における冷媒の蒸発により、圧縮機１２からの
高温・高圧の圧縮冷媒を冷却し凝縮させる。したがっ
て、第２蒸発器２２は圧縮式冷凍機の冷凍サイクル回路
Ｃにおける凝縮器の作用を行う。

【００１８】また、このとき、第２蒸発器２２にて凝縮
された凝縮水は、冷凍サイクル回路Ｃにおいて膨張弁１
６を介して第１蒸発器１８に流入し、ここで送風空気の
熱を吸収して蒸発し冷媒蒸気となって圧縮機１２へ戻
る。すなわち、第１蒸発器１８からの冷熱が上記同様に
冷房空調に供される。

【００１９】したがって、この複合冷凍システムによれ
ば、圧縮式冷凍機の冷凍サイクル回路Ａと、排熱駆動冷
凍機の冷凍サイクル回路Ｂおよび圧縮式冷凍機の冷凍サ
イクル回路Ｃとを開閉弁１３、１５と開閉弁１９、２
６、２７の開閉で選択的に切り替えるようになっている
ので、熱機関からの排熱が十分でない場合には常にベー
スとして駆動されている圧縮式冷凍機の圧縮冷媒の凝縮
に必要な冷却を外気による空冷を行うことによって、す
なわち凝縮器１４を外気により空冷することによって、
必要な冷熱需要を賄うことができる。そしてさらに、熱
機関からの排熱が十分に得られるようになった場合に、
排熱駆動冷凍機を運転することによって、第２蒸発器２
２が圧縮機１２からの圧縮冷媒の凝縮器として働くの
で、同様に必要な冷熱需要を賄うことができる。しか
も、第２蒸発器２２では、圧縮式冷凍機の凝縮器１４に
おける外気による凝縮に比べて圧縮式冷凍機の凝縮温度
を低減することが可能となり、圧縮式冷凍機の駆動に必
要な熱機関の軸動力を低減できるというメリットがあ
る。また、圧縮式冷凍機の駆動動力を低減できることか
ら、熱機関の燃料の節約が可能となるほか、熱機関の軸
動力を他の用途、例えば発電機の駆動を行ったりするこ
とも可能となる（コジェネシステムへの用途）。

【００２０】図２は排熱駆動冷凍機の運転時期を判断す
るためのフローチャートである。まず、圧縮式冷凍機を
駆動しておく（ステップＳ１）。そして、その圧縮式冷
凍機の冷熱需要量Ｑｃを計算で求める（ステップＳ
２）。また、熱機関からの排熱温度Ｔと排熱量Ｑを計測
する（ステップＳ３）。さらに、外気による凝縮温度Ｔ
₂を計測し（ステップＳ４）、駆動条件Ｔ，Ｑ，Ｔ₂にお
ける排熱駆動冷凍機の冷凍能力Ｑ₁、冷凍温度Ｔ₁を計算
する（ステップＳ５）。また、凝縮温度Ｔ₁における圧
縮式冷凍機の効率η₂を計算する（ステップＳ６）。そ
して、排熱駆動冷凍機の冷凍能力Ｑ₁が、圧縮式冷凍機
の凝縮熱量より大きいか否かを次式より計算する（ステ
ップＳ７）。Ｑ₁＞Ｑc＊（１＋η₂）／η₂ 排熱駆動冷凍機の冷凍能力Ｑ₁が圧縮式冷凍機の凝縮熱
量より大きいときには、排熱駆動冷凍機をＯＮにし（ス
テップＳ８）、排熱駆動冷凍機の冷凍能力Ｑ₁が圧縮式
冷凍機の凝縮熱量より小さいときにはステップＳ２に戻
って上記フローを繰り返す。排熱駆動冷凍機が運転開始
された場合には、さらに圧縮式冷凍機の圧縮機圧力比を
調整し、その駆動動力を低減させる（ステップＳ９）。

【００２１】本実施形態では、同じ熱機関１０から圧縮
式冷凍機の動力と排熱駆動冷凍機の熱源を得る構成で説
明したが、各々別の熱機関から動力および熱源をそれぞ
れ得る構成であってもよい。さらに動力、熱源が得られ
るものであれば熱機関には限定されない。例えば、圧縮
式冷凍機の動力源を熱機関により発電される電力を利用
した電動モータとしてもよいものである。また、排熱駆
動冷凍機は、上記のエジェクタ２４を吸収・吸着の原理
に基づく吸収式あるいは吸着式の冷凍機としてもよい。
また、冷凍サイクル回路Ａ、Ｂ、Ｃの冷媒には作動圧力
・温度に応じた任意の冷媒を使用することができる。

【００２２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、外部動
力で駆動される圧縮式冷凍機と、熱源からの排熱で駆動
される排熱駆動冷凍機とから構成され、前記圧縮式冷凍
機における圧縮冷媒の凝縮に必要な冷却を、外気による
空冷と前記排熱駆動冷凍機による冷却の２方式から選択
できるように回路構成したので、熱機関からの排熱が十
分でない場合には常に圧縮式冷凍機をベースとして駆動
しておき、熱機関からの排熱を十分にある場合に限りさ
らに排熱駆動冷凍機の運転を行うことにより、排熱を有
効利用しつつ必要な冷熱需要を賄うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による複合冷凍システム
の構成図である。

【図２】排熱駆動冷凍機の運転時期を判断するための
フローチャートである。

【図３】従来の熱機関駆動圧縮式冷凍機の構成図であ
る。

【図４】従来の排熱駆動冷凍機の構成図である。

【図５】特開平６−３３１２５号公報による複合冷凍
システムの構成図である。

【図６】特開昭５７−３５２５６号公報による複合冷
凍システムの構成図である。

【符号の説明】

１０熱機関１２圧縮機１３開閉弁１４凝縮器１５開閉弁１６膨張弁１８第１蒸発器１９開閉弁２０排熱回収器２２第２蒸発器２４エジェクタ２６開閉弁２７開閉弁２８膨張弁２９ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者古本直行東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外部動力で駆動される圧縮式冷凍機と、
熱源からの排熱で駆動される排熱駆動冷凍機とから構成
され、前記圧縮式冷凍機における圧縮冷媒の凝縮に必要
な冷却を、外気による空冷と前記排熱駆動冷凍機による
冷却の２方式から選択できるように回路構成してなるこ
とを特徴とする複合冷凍システム。
【請求項２】前記圧縮式冷凍機の動力源に熱機関を用
いることを特徴とする請求項１記載の複合冷凍システ
ム。
【請求項３】前記圧縮式冷凍機の動力源に前記熱機関
により発電した電力で駆動される電動モータを用いるこ
とを特徴とする請求項２記載の複合冷凍システム。
【請求項４】前記排熱駆動冷凍機の動力源に熱機関の
排熱を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
に記載の複合冷凍システム。
【請求項５】前記排熱駆動冷凍機がエジェクタ式冷凍
機であることを特徴とする請求項４記載の複合冷凍シス
テム。
【請求項６】前記排熱駆動冷凍機が吸収式冷凍機であ
ることを特徴とする請求項４記載の複合冷凍システム。
【請求項７】前記排熱駆動冷凍機が吸着式冷凍機であ
ることを特徴とする請求項４記載の複合冷凍システム。
【請求項８】冷熱需要量に応じて前記圧縮式冷凍機の
凝縮熱量を求め、その凝縮熱量と熱源からの排熱量に基
づいて前記排熱駆動冷凍機の運転時期を判断することを
特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の複合冷凍シ
ステム。