JP2003336929A - 吸収式と圧縮式とを組合せた冷凍装置とその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 供給される排熱の量や冷房負荷に応じて、最
適な運転モードに切替えできる効率のよい空気調和装置
に用いられる冷凍装置を提供する。 【解決手段】 蒸発器Ｅを有する吸収冷凍機と、圧縮機
Ｍ、外気又は冷却水で冷却する第一凝縮器Ｃ１、第二凝
縮器Ｃ２及び冷凍効果を発揮する利用側蒸発器Ｅｃとを
有する圧縮冷凍機とを組合せた冷凍装置であって、前記
吸収冷凍機の蒸発器Ｅが、前記圧縮冷凍機のＣ２と熱交
換関係にあるか、又はＣ２を兼用していると共に、前記
Ｃ１を冷却する冷却媒体の流量を制御する制御装置を備
えたものであり、前記圧縮冷凍機には、Ｍをバイパスす
る回路を設け、該バイパス回路には逆止弁Ｖ１又は制御
弁を有していてもよく、また、前記Ｍは、高ヘッド圧縮
機と、低ヘッド圧縮機とを有していてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、吸収式と圧縮式と
を組合せた冷凍装置に係り、特に、エンジン、タービ
ン、各種プラント等からの排熱を熱源とする吸収冷凍機
又は吸収冷温水機からの冷凍効果を、圧縮冷凍機と組合
せて有効利用する空気調和装置として使用できる冷凍装
置とその運転方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にコージェネレーションシステムで
は、発電に伴って排気ガスや温水等の形で熱が排出され
る。これら排熱は温度があまり高くないことから、低ポ
テンシャルエネルギに分類され、給湯又は暖房に利用さ
れることが多い。最近では、排熱で吸収冷凍機を運転し
て、冷房に利用することも多くなってきている。コージ
ェネレーションシステムの中で、この排熱は、ガスター
ビンやエンジンの排気ガス及び冷却水、あるいは、燃料
電池の冷却水から得られる。排熱だけで吸収冷凍機を運
転する場合もあるが、複合冷房装置として、排熱を高ポ
テンシャルエネルギと共に用いることで、運転に要する
高ポテンシャルエネルギの量を節約する使い方が提案さ
れ、採用され始めている。

【０００３】ところで、排熱は、発電量に応じて変化す
るため、その供給量は不安定であり、排熱だけで吸収冷
凍機を運転する場合、冷房負荷に応じた能力を取出すこ
とは困難である。これを解決するために、吸収冷凍機の
冷熱を圧縮冷凍機の放熱源として用いて、循環冷媒を冷
却する冷凍装置が知られている（特開平１１−２２３４
１２号公報）。しかし、この冷凍装置の圧縮冷凍機で
は、圧縮機で圧縮した冷媒蒸気を熱源側熱交換器（凝縮
器）で凝縮させ、この凝縮液を、吸収冷凍機の蒸発器で
過冷却させており、吸収冷凍効果は、冷房負荷に関係な
く、常に圧縮冷凍機を運転した状態で利用する必要があ
り、また過冷却分だけで利用しているので、吸収冷凍効
果の比率（圧縮冷凍効果に対する比率）を大きくするこ
とができず、圧縮機を駆動する電動機の消費電力を大幅
には削減ができないという問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明では、上記従来
技術の問題点を解消し、供給される排熱の量や冷房負荷
に応じて、圧縮冷凍機の運転モードを最適なものに切替
えることにより、経済的で効率の良い運転ができる空気
調和装置として用いられる冷凍装置とその運転方法を提
供することを課題とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、蒸発器Ｅを有する吸収冷凍機と、圧縮
機、外気又は冷却水で冷却する第一凝縮器、第二凝縮器
及び冷凍効果を発揮する利用側蒸発器Ｅｃを有する圧縮
冷凍機とを組合せた冷凍装置であって、前記吸収冷凍機
の蒸発器Ｅが、前記圧縮冷凍機の第二凝縮器と熱交換関
係にあるか、又は第二凝縮器を兼用していると共に、前
記第一凝縮器を冷却する冷却媒体の流量を制御する制御
装置を備えたことを特徴とする冷凍装置としたものであ
る。前記冷凍装置において、圧縮冷凍機には、圧縮機を
バイパスする回路を設け、該バイパス回路には逆止弁又
は制御弁を有することができ、また、前記圧縮機は、高
ヘッド圧縮機と、低ヘッド圧縮機とを有していてもよ
い。

【０００６】また、本発明では、前記の冷凍装置の運転
方法において、前記圧縮冷凍機は、次の運転モード
（ａ）〜（ｄ）、（ａ）圧縮機を運転し、第一凝縮器に
冷却媒体を供給して、第一凝縮器で冷媒蒸気を凝縮さ
せ、第二凝縮器では過冷却しない運転モード、（ｂ）圧
縮機を運転し、第一凝縮器に冷却媒体を供給して、第一
凝縮器で冷媒蒸気を凝縮させ、第二凝縮器では第一凝縮
器からの冷媒液を過冷却又は凝縮させる運転モード、
（ｃ）圧縮機を運転し、第一凝縮器への冷却媒体の供給
を停止すると共に、第一凝縮器出口の制御弁（膨張弁）
を全開として、第二凝縮器で冷媒蒸気を凝縮させる運転
モード、（ｄ）圧縮機を停止し、第一凝縮器への冷却媒
体の供給を停止すると共に、第一凝縮器出口の制御弁
（膨張弁）を全開として、第二凝縮器で冷媒蒸気を凝縮
させる運転モード、のうちの少なくとも２種類以上の運
転モードで運転することとしたものである。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明は、圧縮冷凍機の凝縮熱の
放出先として、吸収冷凍機を利用するもので、特に、冷
房負荷及び吸収冷凍機運転状態（吸収冷凍効果への負荷
状態など）に応じて、圧縮冷凍機室外凝縮器（第一凝縮
器Ｃ１）の機能を増減あるいは停止できるようにしたも
のである。凝縮器機能のＯＮ／ＯＦＦと圧縮機発停等の
組合せによる各種運転モードができ、負荷に応じて、こ
れら運転モードを切替えることにより、圧縮機停止、圧
縮機の所要動力（ヘッド）低減等、エネルギ節約を図っ
ている。吸収冷凍機の熱源は、エンジン、ガスタービン
等の排熱器が利用できるが、限定するものではない。ま
た、排熱利用を想定して、吸収冷凍効果は使えるだけ使
おうとしているが、熱源節約のため熱源熱量調節をして
もよい。

【０００８】次に、本発明を図面を用いて詳細に説明す
る。図１及び図２は、本発明の冷凍装置の圧縮冷凍機側
の構成機器の接続例を示すフロー構成図であり、図３
は、図１を用いた各運転モードのモリエ線図である。図
において、Ｍは圧縮機、Ｍ１は高ヘッド圧縮機、Ｍ２は
低ヘッド圧縮機、Ｅｃは蒸発器、Ｃ１は第一凝縮器、Ｃ
２は第二凝縮器、Ｖ１は逆止弁、Ｖ２は制御弁（膨張
弁）、Ｖ３は膨張弁（絞り装置）、１はファン、２は制
御器、３〜６は温度又は圧力センサー、７は液ポンプ、
８は逆止弁、９は媒体流路、１０は吸収冷凍機であり、
各機器は、温度又は圧力センサーからの信号により、運
転、停止を制御するように構成されている。

【０００９】次に、図１と図３を用いて本発明の冷凍装
置の運転について説明する。本発明では、凝縮器バイパ
ス、圧縮機発停等の組合せによる各種運転モード（下記
〜）ができ、負荷に応じて、これら運転モードを切
替えることにより、圧縮機停止あるいは圧縮機の所要動
力（ヘッド）の低減等、エネルギ節約を図っており、以
下、それぞれの運転モードについて説明する。 モード１（第一凝縮器単独モード）は、吸収冷凍機１
０が停止している場合などで、第二凝縮器Ｃ２に吸収冷
凍効果搬送媒体（冷水など）が供給されない時の運転モ
ードであり、通常の圧縮冷凍機と同様な運転となる。冷
媒は、圧縮機Ｍで圧縮され（図３モリエ線図の１１→１
２）、次に第一凝縮器（空冷凝縮器）Ｃ１で凝縮・過冷
却する（線図１２→１３）。制御弁（膨張弁）Ｖ２で過
冷却度を調節すると共に、冷媒蒸気の吹抜けを防止して
いる。このモードでは、第一凝縮器Ｃ１へ冷却媒体を供
給して、冷媒の熱を奪っている。液化した冷媒は、第二
凝縮器Ｃ２を通過（ここでは熱交換は行われない）した
後、絞り装置Ｖ３で膨張する（線図１３→１４）。蒸発
器Ｅｃで、被冷却媒体の熱を奪って蒸発・過熱し（線図
１４→１１）、冷媒蒸気となって、再び圧縮機Ｍに吸込
まれ、冷凍サイクルを成している。

【００１０】モード２（第一・第二凝縮器併用モー
ド）は、上述のモード１において、吸収冷凍機１０から
第二凝縮器Ｃ２に吸収冷凍効果搬送媒体（冷水など）が
供給され、ここで冷媒と熱交換が行われる運転モード
で、吸収冷凍機１０で得られた冷熱を、冷媒の過冷却に
用いる。第一凝縮器Ｃ１で凝縮・過冷却した冷媒（線図
２２→２３）は、第二凝縮器Ｃ２で、吸収冷凍効果で過
冷却される（線図２３→２４）。このモードでも第一凝
縮器Ｃ１へ冷却媒体を供給している。続いて、冷媒は絞
り装置Ｖ３で膨張し（線図２４→２５）、蒸発器Ｅｃで
熱を奪って蒸発・過熱する（線図２５→２６→２１）。
このモード２では、排熱で吸収冷凍機１０を運転して得
られた冷熱を、冷媒の過冷却に用いることで（線図２３
→２４）、同量の冷熱を蒸発器Ｅｃで利用できる（線図
２５→２６）。

【００１１】’モード２’（第一凝縮器主・第二凝縮
器従の併用モード）は、モード２で、第一凝縮器Ｃ１の
冷媒出口の膨張弁Ｖ２を開方向にし、冷媒蒸気と凝縮液
の二相状態で第二凝縮器Ｃ２に冷媒を導いてもよい。こ
のとき、第一凝縮器Ｃ１内の冷媒流動が活発になり、ま
た凝縮冷媒液による伝熱悪化も解消され、伝熱が非常に
よくなり、凝縮圧力は低下し、圧縮動力の低減ができ
る。ただし、吸収冷凍効果への負荷は大きくなる。これ
は、モード２とモード３の中間的な運転である。

【００１２】モード３（第二凝縮器単独モード）は、
制御弁（膨張弁）Ｖ２を開き、第一凝縮器Ｃ１を素通り
して、吸収冷凍機１０で得られた冷熱で、冷媒を凝縮・
過冷却する。すなわち、吸収冷凍効果搬送媒体（冷水な
ど）は、冷却水、外気など冷却媒体よりは低温にできる
ため、冷媒の凝縮圧力は低下し、第一凝縮器Ｃ１では凝
縮せず、素通り状態となる。このモード３では、圧縮機
Ｍの所要ヘッドを、空冷凝縮器を使用した場合（線図１
１→１２）より、低くすることが出来る（線図３１→３
２）。圧縮機Ｍで圧縮された冷媒は、第一凝縮器Ｃ１を
素通りして、第二凝縮器Ｃ２に入り、吸収冷凍効果で、
冷媒は凝縮・過冷却する（線図３２→３４）。吸収冷凍
効果搬送媒体の温度が、冷却媒体温度より高い場合はこ
のモードを利用しないのが望ましい。

【００１３】’モード３’（第一凝縮器従・第二凝縮
器主の併用モード）は、第一凝縮器Ｃ１への冷却媒体の
温度によっては、冷却媒体を供給していれば、圧縮機Ｍ
で過熱した蒸気の過熱部分の冷却には役立つし、また、
冷却媒体温度が、吸収冷凍効果と同程度の温度の場合、
第一凝縮器Ｃ１で冷媒蒸気の一部が凝縮する。これらの
とき、冷却媒体の供給あるいは流量調節をしてもよい。

【００１４】モード４（第二凝縮器直接凝縮モード）
は、吸収冷凍機１０で得られる冷熱が充分な時に、圧縮
機Ｍを停止し、また第一凝縮器Ｃ１への冷却媒体の供給
を停止し、冷媒を第二凝縮器Ｃ２で凝縮させて、自然循
環、又は液ポンプ７により循環させる。このモードでも
制御弁（膨張弁）Ｖ２を開き、逆止弁Ｖ１（又は制御弁
Ｖ１を開）を通過した冷媒（線図４１→４２）は、第一
凝縮器Ｃ１を素通りして、第二凝縮器Ｃ２に入る。第二
凝縮器Ｃ２には、吸収冷凍効果が供給されており、これ
と熱交換することで、冷媒は凝縮・過冷却する（線図４
２→４３）。続いて、冷媒は液ポンプ７で加圧され（線
図４３→４４）た後、絞り装置Ｖ３で膨張し（線図４４
→４５）、蒸発器Ｅｃで熱を奪って蒸発・過熱する（線
図４５→４１）。このモードでは、圧縮機Ｍを運転しな
いため、所要電力を大幅に削減することができる。な
お、吸収冷凍機１０が建物の屋上に設置されるなど、第
二凝縮器Ｃ２が高い位置にあり、充分な液ヘッドが得ら
れる場合は、液ポンプ７を省略して、冷媒を自然循環さ
せることもできる。

【００１５】’モード４’（第一凝縮器直接凝縮モー
ド）は、吸収冷凍機１０で得られる冷水温より、外気温
が低い時に、吸収冷凍機１０及び圧縮機Ｍを停止し、冷
媒を第一凝縮器Ｃ１で凝縮させて自然循環、又は液ポン
プ７により循環させる。このモードでは、逆止弁Ｖ１を
通過した冷媒（線図４１→４２）は、第一凝縮器Ｃ１で
外気と熱交換することで、凝縮・過冷却する（線図４２
→４３）。続いて冷媒は、液ポンプ７で加圧され（線図
４３→４４）た後、絞り装置Ｖ３で膨張し（線図４４→
４５）、蒸発器Ｅｃで熱を奪って蒸発・過熱する（線図
４５→４１）。

【００１６】以下に各モードの運転とその切替について
説明する。モード１は、吸収冷凍機１０からの冷凍効果
供給停止（吸収冷凍機停止）、又は、吸収冷凍効果搬送
媒体温度＞第一凝縮器Ｃ１冷却媒体（冷却水、外気）温
度、又は、吸収冷凍効果搬送媒体温度＞第一凝縮器Ｃ１
出口冷媒温度３のときに運転する。モード４又は４’
は、圧縮機Ｍ停止状態で、圧縮機Ｍ吸込み側圧力６が所
定値以下のとき、運転を続行する。なお、圧縮機Ｍ吸込
み側圧力６が下がり過ぎる時、第一凝縮器Ｃ１へ冷却媒
体を流し、冷媒を加熱することも可能であるが、好まし
いことではない。

【００１７】また、圧縮機Ｍ運転状態（圧縮機可変速度
の場合は最小回転速度）で、圧縮機Ｍ吸込み側圧力６が
下がり過ぎる時、モード４に移行して運転し、圧縮機Ｍ
吸込み側圧力６が上がり過ぎる時、圧縮機Ｍを運転する
モード２又は３に移行する。この制御では、吸込み圧力
６で圧縮機Ｍ関係を制御しているが、蒸発器Ｅｃの被冷
却媒体の目標温度と検出温度との差を基に、制御しても
差支えない（目標温度＜検出温度で圧縮機運転）。ま
た、外気温が吸収冷凍機１０の冷水温より低い時は、吸
収冷凍機１０を停止し、第一凝縮器Ｃ１に外気を供給す
るモード４’としてもよい。モード２の運転で、吸収冷
凍効果搬送媒体の第二凝縮器Ｃ２出口温度４又は圧縮冷
凍機冷媒の第二凝縮器出口温度５が所定値以下の時、制
御弁（膨張弁）Ｖ２を開き、モード３にする。

【００１８】モード３の運転で、吸収冷凍効果搬送媒体
の第二凝縮器出口温度４又は圧縮冷凍機冷媒の第二凝縮
器Ｃ２出口温度５が所定値以上の時、制御弁（膨張弁）
Ｖ２の調節によって、第二凝縮器Ｃ２での冷媒過冷却度
を所定値にするように制御するモード２の運転にする。
移行の際、温度にディファレンシャルを持たせ、頻繁な
移行を阻止する。また、モード２と３との間に、出口温
度４が所定値になるように膨張弁Ｖ２の開度調節をする
モード２’としてもよい。また、モード２と３との間
に、出口温度３が、所定値以上あるいは第一凝縮器Ｃ１
の冷却媒体温度以上のとき、冷却媒体を流すモード３’
としても（ファンをＯＮあるいはポンプをＯＮしても）
よい。

【００１９】図２は、図１において、圧縮機を２台並列
に設けた場合（高ヘッド圧縮機Ｍ１と低ヘッド圧縮機Ｍ
２）であり、運転モードは、上述の図１とほぼ同じであ
るが、次の場合に、高ヘッド圧縮機Ｍ１を停止して、低
ヘッド圧縮機Ｍ２を運転する。１又は２のモードで、外
気温が低い時、及び３のモードの時に運転する。低ヘッ
ド圧縮機の方が消費電力が小さく省エネルギーになる。
なお、図１の圧縮機１台の場合であっても、スクリュウ
圧縮機、スクロール圧縮機等で圧縮比を変えて運転する
方法も省エネルギ運転に対し有効である。

【００２０】吸収冷凍機は、単効用、二重効用、一二重
効用等、特に限定はなく、また吸収冷凍機の作動媒体に
よる限定もない。熱源の形態も、温水、水蒸気、燃料あ
るいは排ガスなど特に限定はなく、また、排熱に限定せ
ず、安価な燃料などを熱源とする吸収冷凍機であっても
よい。１台の圧縮冷凍機を構成する各機器は、複数機器
であっても差支えない。圧縮冷凍機として説明している
が、配管切替でヒートポンプによる暖房運転とする形態
をとってもよい。そのとき、吸収冷凍機を冷温水機とし
て温熱をヒートポンプに与え、あるいは、排熱源を直接
ヒートポンプに与えても良い。

【００２１】

【発明の効果】本発明では、圧縮冷凍機の第一凝縮器の
機能のＯＮ／ＯＦＦを冷却媒体の供給と停止で行い、ま
た圧縮機にバイパス回路を設けていて、負荷に応じて冷
媒フロー（運転モード）を切り替えることにより、吸収
冷凍機からの冷熱を有効に利用して、圧縮機の消費電力
を削減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷凍装置の圧縮冷凍機の接続例の一例
を示すフロー構成図。

【図２】本発明の冷凍装置の圧縮冷凍機の接続例の他の
例を示すフロー構成図。

【図３】図１の装置を用いた各運転モードのモリエ線
図。

【符号の説明】 Ｍ：圧縮機、Ｍ１：高ヘッド圧縮機、Ｍ２：低ヘッド圧
縮機、Ｅｃ：蒸発器、Ｃ１：第一凝縮器、Ｃ２：第二凝
縮器、Ｖ１：逆止弁、Ｖ２：制御弁（膨張弁）、Ｖ３：
膨張弁（絞り装置）、１：ファン、２：制御器、３〜
６：温度又は圧力センサー、７：液ポンプ、８：逆止
弁、９：媒体流路、１０：吸収冷凍機

フロントページの続き (72)発明者 入江 毅一 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 遠藤 哲也 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 青山 淳 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 内村 知行 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 福住 幸大 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸発器Ｅを有する吸収冷凍機と、圧縮
   機、外気又は冷却水で冷却する第一凝縮器、第二凝縮器
   及び冷凍効果を発揮する利用側蒸発器Ｅｃを有する圧縮
   冷凍機とを組合せた冷凍装置であって、前記吸収冷凍機
   の蒸発器Ｅが、前記圧縮冷凍機の第二凝縮器と熱交換関
   係にあるか、又は第二凝縮器を兼用していると共に、前
   記第一凝縮器を冷却する冷却媒体の流量を制御する制御
   装置を備えたことを特徴とする冷凍装置。
2. 【請求項２】 前記圧縮冷凍機には、圧縮機をバイパス
   する回路を設け、該バイパス回路には逆止弁又は制御弁
   を有していることを特徴とする請求項１記載の冷凍装
   置。
3. 【請求項３】 前記圧縮機は、高ヘッド圧縮機と、低ヘ
   ッド圧縮機とを有していることを特徴とする請求項１又
   は２記載の冷凍装置。
4. 【請求項４】 請求項１、２又は３記載の冷凍装置の運
   転方法において、前記圧縮冷凍機は、次の運転モード
   （ａ）〜（ｄ）、 （ａ）圧縮機を運転し、第一凝縮器に冷却媒体を供給し
   て、第一凝縮器で冷媒蒸気を凝縮させ、第二凝縮器では
   過冷却しない運転モード、 （ｂ）圧縮機を運転し、第一凝縮器に冷却媒体を供給し
   て、第一凝縮器で冷媒蒸気を凝縮させ、第二凝縮器では
   第一凝縮器からの冷媒液を過冷却又は凝縮させる運転モ
   ード、 （ｃ）圧縮機を運転し、第一凝縮器への冷却媒体の供給
   を停止すると共に、第一凝縮器出口の制御弁を全開とし
   て、第二凝縮器で冷媒蒸気を凝縮させる運転モード、 （ｄ）圧縮機を停止し、第一凝縮器への冷却媒体の供給
   を停止すると共に、第一凝縮器出口の制御弁を全開とし
   て、第二凝縮器で冷媒蒸気を凝縮させる運転モード、の
   うちの少なくとも２種類以上の運転モードで運転するこ
   とを特徴とする冷凍装置の運転方法。