JP2005331206A - 冷熱生成システム及び冷熱生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続運転が可能で成績係数（ＣＯＰ）の高いダンプトラップ方式を採用した冷熱生成システム及びこの冷熱生成システムを利用した冷熱生成方法を提供する。
【解決手段】 エジェクタ４と、蒸気発生器２と、蒸発器３と、凝縮器５と、受液器８とを備え、蒸気発生器２から発生した蒸気によりエジェクタ４を駆動する冷熱生成システム１であって、受液器８に貯留された凝縮液冷媒を、蒸気発生器２を加熱するための加熱用流体を利用して加熱することにより、受液器８に貯留された凝縮液冷媒を蒸気発生器２に移送するものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、冷熱生成システム及び冷熱生成方法に関し、特に凝縮液冷媒の液戻し方法としてダンプトラップ方式を採用した冷熱生成システムと、この冷熱生成システムを用いた冷熱生成方法に関する。

図４は、従来のエジェクタを利用した蒸気噴射式冷却・ヒートポンプシステム（冷熱生成システム）を示した構成図である（例えば、特許文献１参照）。なお図４に示す冷熱生成システムでは、液戻し方法としてダンプトラップ方式を採用しているものであり、ここで一般的なエジェクタを用いた冷熱生成システムについて説明する。

図４に示すように従来の冷熱生成システム３０は、蒸気発生器３１、蒸発器３２、エジェクタ３３、凝縮器３４及び膨張弁３５を備えている。また凝縮器３４には、液戻し配管４１を介して受液器４３が接続されており、液戻し配管４１にはバルブ４２が、受液器４３にはレベル計４４が設けられている。さらに蒸気発生器３１と受液器４３を結ぶ配管にはバルブ４５が、蒸気発生器３１とエジェクタ３３を結ぶ配管にはバルブ５０が設けられている。また凝縮器３４と蒸気発生器３１を接続する冷媒ガス配管４６に受液器４３を分岐配管４７で接続し、冷媒ガス配管４６には、冷媒ガス配管４６と分岐配管４７の接続部の両側にバルブ４８、４９が備えられている。

図４に示すエジェクタ３３を用いた冷熱生成システム３０の動作について説明する。冷熱生成システム３０の全体を流れる冷媒は、まず蒸気発生器３１で温水等の加熱用流体により加熱され１次蒸気（駆動蒸気）となる。なおこの蒸気発生器３１で冷媒を加熱する際に、パイプ等の内部に加熱用流体を流すシェル・アンド・チューブ式熱交換器を用いても、多層の平板に加熱用流体を流すプレート式熱交換器を用いてもよい。またプレート式熱交換器を蒸気発生器３１の外部に設置して所謂ボイラーのように構成してもよい。

蒸気発生器３１の圧力は凝縮器３４の圧力より高く、１次蒸気はエジェクタ３３に導かれる。エジェクタ３３では蒸発器３２で発生した冷媒ガス（２次蒸気）を、１次蒸気のノズルからの噴射によって吸引し混合する。このとき冷媒ガスの気化熱により蒸発器３２の温度が下がり、蒸発器３２内を流れる水等の液体（冷水）を冷却する。なお蒸発器３２における液体の冷却も、シェル・アンド・チューブ式熱交換器やプレート式熱交換器（ボイラー型を含む）を利用することができる。エジェクタ３３では混合ガスが昇圧され凝縮器３４の冷却水によって凝縮液冷媒となり、凝縮液冷媒の一部は受液器４３に貯留される。凝縮液冷媒の残りは膨張弁３５で冷熱生成に必要な状態まで減圧され、再び蒸発器３２で蒸発して冷熱を生成する。

ここで冷熱生成システム３０の液戻し方法について説明する。
まずエジェクタ３３が駆動して液戻しが行われる前は、バルブ４５、４９が閉、バルブ４２、４８、５０が開の状態になっている。凝縮器３４で凝縮した凝縮液冷媒の一部は膨張弁３５から蒸発器３２へ導かれるが、一部は受液器４３に蓄えられる。受液器４３内の凝縮液冷媒がレベル計４４により設定された液レベルに達すると、ダンプトラップ方式により、受液器４３の凝縮液冷媒が蒸気発生器３１に移送される。具体的には、バルブ４２、４８を閉、バルブ４９を開にして、蒸気発生器３１内にある高温高圧の１次蒸気を冷媒ガス配管４６、分岐配管４７を経て受液器４３に導き、受液器４３内の凝縮液冷媒が例えば自重給液できる圧力まで加圧する。なおこのとき、バルブ５０を閉めて蒸気発生器３１の１次蒸気がすべて受液器４３に向かうようにする。続いてバルブ４５を開け、凝縮液冷媒を受液器４３から蒸気発生器３１に自重給液等により移送する。

凝縮液冷媒を移送した後に加圧された受液器４３を減圧するには、バルブ４５、４９を閉、バルブ４２、４８を開にして、受液器４３内の冷媒ガスを凝縮器３４内に導くようにする。またバルブ５０を開くことにより、エジェクタ３３への１次蒸気の供給が再開される。なお、ダンプトラップ方式においては、バルブ４２、４５の代わりに逆止弁を用いてもよい。

上記のように、エジェクタ３３を用いた冷熱生成システムにおいて、フロン冷媒、代替フロン冷媒、炭化水素系冷媒、アンモニア冷媒を用いた場合、通常、凝縮器３４と蒸気発生器３１の圧力差は大きくなる。このため、凝縮液冷媒を蒸気発生器３１にポンプ式で移送するには、ポンプ動力が大きくなるため、冷熱生成システムの効率を表す成績係数（ＣＯＰ）が低くなる。

このように、ポンプ等の動力を使用せずに、受液器４３等を設置して凝縮液冷媒を蒸気発生器（冷媒加熱器）に移送する方式は、一般的にダンプトラップ方式と呼ばれている。ダンプトラップ方式は、ポンプ等の補助動力を必要としないため、冷熱生成システムの効率を表す成績係数（ＣＯＰ）が高いという利点がある。
特開２００３−２６２４１２号公報（図１、図２）

しかし従来のエジェクタを利用した蒸気噴射式冷却・ヒートポンプシステムでは（例えば、特許文献１参照）、ダンプトラップ方式で凝縮液冷媒を受液器から蒸気発生器（冷媒加熱器）に自重給液させるときに、蒸気発生器から受液器に蒸気を送って蒸気発生器と受液器を均圧にするため、この間にエジェクタに供給する蒸気が不足する。このため、凝縮液冷媒を受液器から蒸気発生器に自重給液させている間は、エジェクタに移送する蒸気をバルブによって遮断しており、エジェクタを事実上停止させていた。このように、従来のダンプトラップ方式を採用した蒸気噴射式冷却・ヒートポンプシステムでは、エジェクタの連続運転ができないという問題点があった。

本発明は、連続運転が可能で成績係数（ＣＯＰ）の高いダンプトラップ方式を採用した冷熱生成システム及びこの冷熱生成システムを利用した冷熱生成方法を提供することを目的とする。

本発明に係る冷熱生成システムは、エジェクタと、蒸気発生器と、蒸発器と、凝縮器と、受液器とを備え、蒸気発生器から発生した蒸気によりエジェクタを駆動する冷熱生成システムであって、受液器に貯留された凝縮液冷媒を、蒸気発生器を加熱するための加熱用流体を利用して加熱することにより、受液器に貯留された凝縮液冷媒を蒸気発生器に移送するものである。
エジェクタや受液器を備えた、いわゆるダンプトラップ方式を採用した冷熱生成システムにおいて、受液器に貯留された凝縮液冷媒を、蒸気発生器（冷媒加熱器）から受液器に蒸気を送る代わりに、蒸気発生器を加熱するための加熱用流体を利用して加熱・加圧する。このため、エジェクタに供給する蒸気が不足することがなく、エジェクタ及び冷熱生成システム全体の連続運転が可能となる。また蒸気発生器の圧力及び温度が安定し、安定した冷熱生成を行うことができる。

また本発明に係る冷熱生成システムは、受液器に貯留された凝縮液冷媒を、蒸気発生器を加熱するための加熱用流体を利用して加熱する際に、シェル・アンド・チューブ式熱交換器又はプレート式熱交換器を用いるものである。
従来のエジェクタを利用した蒸気噴射式冷却・ヒートポンプシステムでは、蒸気によって受液器内の凝縮液冷媒を加熱していたため、加熱に時間がかかり運転サイクルを長くする原因となっていた。本発明では、シェル・アンド・チューブ式熱交換器又はプレート式熱交換器に蒸気発生器を加熱するための加熱用流体を流すことにより、凝縮液冷媒を直接的に加熱して、加熱時間を短縮しているものである。

また本発明に係る冷熱生成システムは、受液器に貯留された凝縮液冷媒を、凝縮器を冷却するための冷却用流体を利用して冷却することにより、受液器の内部を減圧するものである。
凝縮液冷媒を凝縮器から受液器に移送する際に、高圧になっている受液器を減圧して凝縮器と受液器を均圧する必要がある。この際本発明では、受液器に貯留された凝縮液冷媒を、凝縮器を冷却するための冷却用流体を利用して冷却することにより、受液器の内部を減圧するため、凝縮器の圧力が変動せず且つ短時間で減圧することができ、冷熱生成システムの安定化と運転サイクルの短縮化を図ることができる。

本発明に係る冷熱生成システムは、エジェクタが連続的に稼働されることにより冷熱が連続的に生成されるものである。
上記のように本発明では、受液器に貯留された凝縮液冷媒を、蒸気発生器から受液器に蒸気を送る代わりに、蒸気発生器を加熱するための加熱用流体を利用して加熱・加圧等するため、ダンプトラップ方式の液戻し方式の冷熱生成システムにおいても、エジェクタの連続運転が可能となり、それにより冷熱を連続的に生成することができる。

本発明に係る冷熱生成方法は、上記のいずれかの冷熱生成システムを用いて、エジェクタを連続的に稼働することにより冷熱を連続的に生成するものである。
上記の冷熱生成システムを用いれば、ダンプトラップ方式を採用した冷熱生成システムにおいても、エジェクタを連続運転し、冷熱を連続的に生成する冷熱生成方法が可能となる。

実施形態１．
図１は、本発明の実施形態１に係る冷熱生成システムを示した構成図である。なお、本実施形態１の冷熱生成システム１において、蒸気発生器２、蒸発器３、エジェクタ４、凝縮器５で冷熱を生成する動作及び原理については、上記の図４で説明した動作及び原理とほぼ同様であるため、説明を省略する。また本実施形態１の冷熱生成システム１は、液戻し方法としてダンプトラップ方式を採用したものであり、図４の冷熱生成システム３０と相違する部分を中心に説明する。

図１に示すように本実施形態１に係る冷熱生成システム１は、蒸気発生器２、蒸発器３、エジェクタ４、凝縮器５及び膨張弁３５を備えている。また凝縮器５には、液戻し配管７を介して受液器８が接続されており、液戻し配管７にはバルブ９が、受液器８にはレベル計１０が設けられている。さらに蒸気発生器２と受液器８を結ぶ配管にはバルブ１１が設けられている。なお本実施形態１では、蒸気発生器２とエジェクタ４を結ぶ配管にはエジェクタ４を運転又は停止するためのバルブが設けられていない。また冷媒ガス配管１２は凝縮器５と受液器８を接続するようになっており、この冷媒ガス配管１２にはバルブ１３が備えられている。なお上記のバルブ９、バルブ１１、バルブ１３には、電磁弁等を用いることができる。

また本実施形態１に係る冷熱生成システム１では、蒸気発生器２を加熱するための温水等の加熱用流体を分岐して受液器８に送るための加熱用流体分岐配管１４が設けられており、この加熱用流体分岐配管１４にはバルブ１５が設けられている。この加熱用流体分岐配管１４から温水等の加熱用流体を搬送することにより、受液器８に貯留された凝縮液冷媒を加熱することができるようになっている。
なお分岐された加熱用流体によって受液器８に貯留された凝縮液冷媒を加熱する方法として、上記のシェル・アンド・チューブ式熱交換器やプレート式熱交換器（ボイラー型を含む）を用いることができる。これにより、受液器８に貯留された凝縮液冷媒を直接的に加熱することが可能となり、蒸気で加熱するよりも素早く加熱することができる（図４参照）。

ここで本実施形態１の冷熱生成システム１の液戻し方法について説明する。
まずエジェクタ４が駆動して液戻しが行われる前は、バルブ１１、１５が閉、バルブ９、１３が開の状態になっている。凝縮器５で凝縮した凝縮液冷媒の一部は膨張弁６から蒸発器３へ導かれるが、一部は受液器８に蓄えられる。受液器８内の凝縮液冷媒がレベル計１０により設定された液レベルに達すると、ダンプトラップ方式により、受液器８の凝縮液冷媒が蒸気発生器２に移送される。具体的には、バルブ９、１３を閉、バルブ１５を開にして、蒸気発生器２を加熱するための温水等の加熱用流体を加熱用流体分岐配管１４を経て受液器８に導き、受液器８内の凝縮液冷媒が例えば自重給液できる圧力まで加熱・加圧する。なおこのときの加熱量は、タイマーや圧力計などを用いて制御することができる。このとき、図４に示す冷熱生成システム３０と違い、蒸気発生器２の１次蒸気はすべてエジェクタ４に向かっており、エジェクタ４は連続運転されている。続いてバルブ１１を開け、凝縮液冷媒を受液器８から蒸気発生器２に自重給液等により移送する。

凝縮液冷媒を移送した後に加圧された受液器８を減圧するには、バルブ１１、１５を閉、バルブ９、１３を開にして、受液器８内の冷媒ガスを凝縮器５内に導くようにする。本実施形態１では、上記の液戻しの時にもエジェクタ４が連続的に稼働しており、冷熱が連続的に生成されている。
なお、本実施形態１において、バルブ１１の代わりに逆止弁を用いてもよい。また受液器８に貯留された凝縮液冷媒を加熱するための熱源は、蒸気発生器２を加熱するための温水等の加熱用流体以外のものを使用してもよい。

図２は、本実施形態１に係る冷熱生成システムの他の例を示した構成図である。なお、図２に示す冷熱生成システム１では、受液器８ａ及び受液器８ｂの２つの受液器が設けられており、受液器８ａと凝縮器５は液戻し配管７によって接続されている。なお液戻し配管７にはバルブは設けられておらず、受液器８ａにはレベル計１０及び加熱用流体分岐配管１４は設けられていない。また受液器８ａと受液器８ｂは、冷媒ガス配管１２ａと液移送配管１７によって接続されており、冷媒ガス配管１２ａと液移送配管１７にはそれぞれバルブ１８及びバルブ１９が設けられている。さらに図２に示す冷熱生成システム１では、凝縮器５がプレート式熱交換器によって構成されており、また受液器８ｂの凝縮液冷媒を加熱するための加熱器が、ボイラー型のプレート式熱交換器２０によって構成されている。
なおその他の冷熱生成システム１の構成要素、冷熱を生成する動作及び原理については、図１に示す冷熱生成システムとほぼ同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

図２に示す冷熱生成装置１の液戻し方法は、バルブ１１、１５が閉、バルブ１８、１９が開の状態で凝縮液冷媒が受液器８ａ及び８ｂに蓄えられる。受液器８ｂ内の凝縮液冷媒がレベル計１０により設定された液レベルに達すると、ダンプトラップ方式により、受液器８ｂの凝縮液冷媒が蒸気発生器２に移送される。具体的には、バルブ１８、１９を閉、バルブ１５を開にして、蒸気発生器２を加熱するための温水等の加熱用流体を加熱用流体分岐配管１４を経て受液器８ｂに導き、受液器８ｂ内の凝縮液冷媒が例えば自重給液できる圧力まで加熱・加圧する。なおこのとき、図１に示す冷熱生成システム１と同様に、蒸気発生器２の１次蒸気はすべてエジェクタ４に向かっており、エジェクタ４は連続運転されている。続いてバルブ１１を開け、凝縮液冷媒を受液器８ｂから蒸気発生器２に自重給液等により移送する。

凝縮液冷媒を移送した後に加圧された受液器８ａ及び８ｂを減圧するには、バルブ１１、１５を閉、バルブ１８、１９を開にして、受液器８ａ及び８ｂ内の冷媒ガスを凝縮器５内に導くようにする。なお図２に示す冷熱生成装置１においても、液戻しの時にエジェクタ４が連続的に稼働しており、冷熱が連続的に生成されている。

本実施形態１では、受液器８に貯留された凝縮液冷媒を、蒸気発生器２から受液器８に蒸気を送る代わりに、蒸気発生器２を加熱するための加熱用流体を利用して加熱・加圧する。このため、エジェクタ４に供給する蒸気が不足することがなく、エジェクタ４及び冷熱生成システム１全体の連続運転が可能となる。また蒸気発生器２の圧力及び温度が安定し、安定した冷熱生成を行うことができる。
また蒸気によって受液器８内の凝縮液冷媒を加熱する代わりに、シェル・アンド・チューブ式熱交換器又はプレート式熱交換器によって受液器８内の凝縮液冷媒を加熱するため、凝縮液冷媒を直接的に加熱でき、加熱時間を短縮することができる。

実施形態２．
図３は、本発明の実施形態２に係る冷熱生成システムを示した構成図である。なお、図３に示す冷熱生成システム１では、凝縮器５を冷却するための冷却水等の冷却用流体を分岐して受液器８に送るための冷却用流体分岐配管２２が設けられており、この冷却用流体分岐配管２２にはバルブ２４とバルブ２５が設けられている。この冷却用流体分岐配管２２から冷却水等の冷却用流体を搬送することにより、受液器８に貯留された凝縮液冷媒を冷却することができるようになっている。またこの加熱用流体分岐配管１４にもバルブ２６とバルブ２７が設けられている。なお本実施形態２では、冷却用流体分岐配管２２と加熱用流体分岐配管１４が接続された状態となっているが、これらを別々の配管系統にしてもよい。
なおその他の冷熱生成システム１の構成要素、冷熱を生成する動作及び原理については、実施形態１の図１に示す冷熱生成システムとほぼ同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。

本実施形態２の冷熱生成システム１の液戻し方法は、エジェクタ４が駆動して液戻しが行われる前は、バルブ２６、２７が閉、バルブ２４、２５が開の状態になっており、受液器８に貯留された凝縮液冷媒が冷却用流体によって冷却されている。このとき凝縮器５で凝縮した凝縮液冷媒の一部は膨張弁６から蒸発器３へ導かれるが、一部は受液器８に蓄えられる。受液器８内の凝縮液冷媒がレベル計１０により設定された液レベルに達すると、ダンプトラップ方式により、受液器８の凝縮液冷媒が蒸気発生器２に移送される。具体的には、バルブ２４、２５を閉、バルブ２６、２７を開にして、受液器８への冷却用流体の搬送を停止して、温水等の加熱用流体を受液器８に導き、受液器８内の凝縮液冷媒が例えば自重給液できる圧力まで加熱・加圧する。なおこのとき、実施形態１の図１に示す冷熱生成システム１と同様に、蒸気発生器２の１次蒸気はすべてエジェクタ４に向かっており、エジェクタ４は連続運転されている。続いてバルブ１１を開け、凝縮液冷媒を受液器８から蒸気発生器２に自重給液等により移送する。

凝縮液冷媒を移送した後に加圧された受液器８を減圧するには、バルブ２６、２７を閉、バルブ２４、２５を開にして、冷却用流体によって再び受液器８内の凝縮液冷媒を冷却すればよい。本実施形態２では、実施形態１と同様に液戻しの時にもエジェクタ４が連続的に稼働しており、冷熱が連続的に生成されている。
なお本実施形態２の冷熱生成システムに、凝縮器５と受液器８を接続する冷媒ガス配管１２及びバルブ１３（図１参照）を設けるようにしてもよい。これにより、凝縮器５と受液器８をさらに短時間で均圧にすることができる。また受液器８の加熱及び冷却には、実施形態１と同様、シェル・アンド・チューブ式熱交換器やプレート式熱交換器（ボイラー型を含む）を用いることができる。

本実施形態２では、受液器８に貯留された凝縮液冷媒を、凝縮器５を冷却するための冷却用流体を利用して冷却することにより、受液器８の内部を減圧するため、短時間で減圧することができ、運転サイクルを短縮することができる。
その他の効果については、実施形態１の図１及び図２に示す冷熱生成システム１と同様である。

本発明の実施形態１に係る冷熱生成システムを示した構成図。 本実施形態１に係る冷熱生成システムの他の例を示した構成図。 本発明の実施形態２に係る冷熱生成システムを示した構成図。 従来の蒸気噴射式冷却・ヒートポンプシステムを示した構成図。

符号の説明

１ 冷熱生成システム、２ 蒸気発生器、３ 蒸発器、４ エジェクタ、５ 凝縮器、６ 膨張弁、７ 液戻し配管、８ 受液器、９ バルブ、１０ レベル計、１１ バルブ、１２ 冷媒ガス配管、１３ バルブ、１４ 加熱用流体分岐配管、１５ バルブ。

Claims (5)

1. エジェクタと、蒸気発生器と、蒸発器と、凝縮器と、受液器とを備え、前記蒸気発生器から発生した蒸気により前記エジェクタを駆動する冷熱生成システムであって、
   前記受液器に貯留された凝縮液冷媒を、前記蒸気発生器を加熱するための加熱用流体を利用して加熱することにより、前記受液器に貯留された凝縮液冷媒を前記蒸気発生器に移送することを特徴とする冷熱生成システム。
2. 前記受液器に貯留された凝縮液冷媒を、前記蒸気発生器を加熱するための加熱用流体を利用して加熱する際に、シェル・アンド・チューブ式熱交換器又はプレート式熱交換器を用いることを特徴とする請求項１記載の冷熱生成システム。
3. 前記受液器に貯留された凝縮液冷媒を、前記凝縮器を冷却するための冷却用流体を利用して冷却することにより、前記受液器の内部を減圧することを特徴とする請求項１又は２記載の冷熱生成システム。
4. 前記エジェクタが連続的に稼働されることにより冷熱が連続的に生成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷熱生成システム。
5. 請求項１〜３のいずれかに記載の冷熱生成システムを用いて、前記エジェクタを連続的に稼働することにより冷熱を連続的に生成することを特徴とする冷熱生成方法。
   

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