JP2007046026A - アセトンと水の混合冷媒及びこの混合冷媒を用いたランキンサイクルと冷凍空調システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を用いるランキンサイクルシステムや冷凍空調システムに用いられる冷媒として、作動流体の飽和液点の温度より飽和蒸気点の温度が高くなるような混合冷媒とするため、アセトンと水の混合冷媒及びこの混合冷媒を用いたランキンサイクルと冷凍空調システムを提供する。
【解決手段】アセトンと水の混合冷媒、特にアセトンの混合比（モル比）が６０％以下の混合冷媒を用いることにより、解決する。特に、同一回転軸の小型高速発電機タービンや小型高速モータ駆動圧縮機が実現され、更に、ガス軸受や磁気軸受で回転軸を支持することによって、混合冷媒に潤滑油を混入させる必要がなくなり、熱交換器の効率向上が可能となる。
【選択図】なし

Description

アセトンと水の混合冷媒、ランキンサイクル、冷凍空調

ランキンサイクル機関には、温度と圧力によって液とガス状態に変化する作動流体が使われ、一つの作動流体の場合は、液からガスへと変化する蒸発時やガスから液へ変化する凝縮時には、図９に示すように等温度、等圧力状態で変化する。一方、作動流体に熱を与える（放熱）流体や熱を奪う（受熱）流体は、ガスや液の状態が保たれる場合が多く、熱交換をするとほぼ等圧力で受熱や放熱量に比例して温度が変化する。この場合、受熱流体や放熱流体は、作動流体と作動流体の蒸発時や凝縮時の等温度、等圧力状態で熱交換を行うため、受熱流体や放熱流体と作動流体間にある温度差が必要であるが、作動流体の温度が飽和液点又は飽和蒸気点のいずれかで最小となり、他方では所要の温度差より大きくなり、効率的な熱交換が阻害されている。

このため、作動流体の飽和液点の温度より飽和蒸気点の温度が高くなるような混合冷媒が考案されている。混合冷媒の代表的なものは、ブタン＋エタン＋メタン＋プロパン、フロンＲ４０１Ａ、Ｒ４０２、Ｒ４０３、・・・・Ｒ４１４、Ｒ５００、Ｒ５０１、・・・・Ｒ５０９Ａ、水＋アンモニアがある。

ブタン＋エタン＋メタン＋プロパンの混合冷媒は、臨界点温度は−５１．８４℃、圧力６．３６ＭＰａであり、水＋アンモニアの臨界点温度と臨界点圧力は、図１に示すようにアンモニアの混合比（質量比）によって異なり、アンモニア１００％で１３２．２５℃、１１．３３３ＭＰａ、０％で３７３．９５℃、２２．０６４ＭＰａである。

アンモニアと水の混合冷媒は、温暖化係数０であり、図１０に示すように同一圧力での飽和液点に比べて飽和蒸気点の温度が７０−１００度高く、サイクル効率が高いことから、比較的大きな発電システムに実用化されている。

アンモニアは、単独でも銅などの特定の材料を溶かしたり侵食し、水と混合すると、更に多くの材料を侵食するため、一般に使用されている銅線や銅合金、アルミ材料などの加工が容易で低コストの材料、Ｏリングなどを使用できないため、高コストになることが多い。

アンモニアと水の混合冷媒を用いた発電冷凍システムにガス軸受を採用した例（「アンモニアを使用したガスエンジン排熱利用技術の開発」日本機械学会、Ｎｏ．０５−３０第１０回動力・エネルギー技術シンポジウム、２００５年６月２８日（火）〜２９日（水）、於長崎）がある。冷媒を用いたランキンサイクルや冷凍空調システムでは、回転軸を支える軸受に潤滑油を供給又は軸受に潤滑油を保持させているため、冷媒に多くの潤滑油が混入している。

冷媒の混合に関する特許調査結果を表１に示す。混合冷媒は、フロン系の混合冷媒、冷媒と潤滑剤、アンモニアと水の混合冷媒の混合比、制御、システムに関するものであり、本考案に関わるものは見当たらない。

フロン系冷媒は、温暖化係数が高く、長期的な使用は不可能である。

ブタン＋エタン＋メタン＋プロパンの混合冷媒は、臨界点温度は−５１．８４℃、圧力６．３６ＭＰａであり、大気温度以上で使用するには、臨界点温度が低すぎる。

アンモニアは、樹脂や銅系材料を溶かし、アンモニアと水の混合冷媒は、銅系に加えて、アルミニューム系材料、ステンレス系材料を侵食するため、アンモニアと水の混合冷媒を使ったプラントは特定の材料で製作する必要があり、構成が限定され、コスト高となっている。

特に、高速発電機や高速モータと直結されたタービンや圧縮機で小型高速化が実現されているが、水＋アンモニア混合冷媒は、高速発電機や高速モータのステータに使用される導線（銅系材料、アルミ系材料）、軸受摺動部の樹脂系材料、銅系、アルミ系、テフロン系材料を侵食するため、高速発電機や高速モータ、ガス軸受などを使うことができない。

アンモニア及びアンモニアと水の混合冷媒は、炭化水素系冷媒やフロン系冷媒に比べて、同一温度での密度が大きく、潜熱が約２倍と大きいため、タービンや圧縮機を小さくできるが、数百ｋＷ以下の小出力のものには、小さくなりすぎて、回転数が高くなり、高速発電機や高速モータとの適合性が悪く、製作が困難である。

冷媒中に潤滑油が混入していると熱交換器の伝熱面に付着して熱抵抗が大きくなり、熱交換効率が低下する。

アンモニアと水の混合冷媒を用いた発電冷凍システムにガス軸受を採用した例では、アンモニアと水により、接触時の磨耗などを回避するために軸受潤滑面に設けられた材料が強い浸食作用を受けて正常に機能しなくなっている。

温暖化係数が０の炭化水素系冷媒と水を混合して、飽和液と飽和蒸気の温度差が大きな混合冷媒、アセトンと水の混合冷媒を作る。

冷媒の使用温度及び圧力領域でアセトンと水の混合冷媒の適正な混合比（モル比）を設定する。

アセトンと水の混合冷媒の混合比（モル比）をアセトンのモル比が６０％以下とすることにより、同一圧力における飽和液点と飽和蒸気点の温度差を大きくする。

本考案の混合冷媒を用い、同一の回転軸上に発電機と膨張機又はタービンを配置したランキンサイクル発電システムを構成する。更に、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持することにより、システム内の潤滑油を排除することが可能となる。

本考案の混合冷媒を用い、同一の回転軸上にモータと圧縮機を配置した冷凍空調システムを構成する。更に、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持することにより、システム内の潤滑油を排除することが可能となる。

アセトンと水は、温暖化係数０の自然冷媒であり、環境保全に有効である。

アセトンと水は、樹脂系、銅系、アルミ系及び鉄系などの一般的に熱機関、冷凍冷房機器、発電機、モータなどに使用される材料に対して腐食や浸食などの悪影響を及ぼさないため、使用する機器の構成に自由度を与え、コスト低減に有効である。

熱利用領域の温度に対応して、混合比（モル比）を変更することにより、湿り領域の圧力及び飽和蒸気と飽和液の温度と温度差を選択でき、熱利用効率の向上を図ることができる。

比較的低温の排気ガスなどの排熱を利用してタービンなどを使って発電するシステムにおいて、作動流体として本発明の混合冷媒を使用すると作動流体の蒸発時の排気ガスからの受熱を効率的に行えるとともに、凝縮時の放熱を効率的に行うことができる。

上記の受熱及び排熱を行う熱交換器において、ピンチポイントの温度差を大きくとることができ、熱交換器の効率を向上又は熱交換器のサイズを小さくできる。

アセトンの物性は、沸点：５６℃、融点：−９５℃、比重：０．８、水への溶解性：混和する、相対蒸気密度（空気＝１）：２．０、２０℃での蒸気／空気混合気体の相対密度（空気＝１）：１．２、引火点：−１８℃（Ｃ．Ｃ．）、発火温度：４６５℃、爆発限界：２．２〜１３ｖｏｌ％（空気中）であり、アセトン及びアセトンと水の混合冷媒は、燃料電池などに使用されているメタノールと同等以上の安全性を有する。

本考案の混合冷媒を用いることにより、同一回転軸上に発電機と膨張機又はタービンを配置でき、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持可能となる。

本考案の混合冷媒を用いることにより、同一回転軸上にモータと圧縮機を配置でき、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持可能となる。

炭化水素系冷媒であるアセトンは水に容易に溶解するので、アセトンと水のモル比が０．６：０．４から０．０１：０．９９で溶解した混合冷媒を作る。

水は混合前に含有ガスや不純物の除去を行ったものを用いる。

アセトンは、アセトンと水の混合は、密閉された容器などの中で行う。

実施例１のアセトンと水の混合冷媒の圧力・エンタルピー線図を図１に示す。図中の臨界点（Ｃｒｉｔｉｃａｌ ｐｏｉｎｔ）を境にして、左が飽和液線、右が飽和蒸気線である。等温線Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は、いずれも飽和液線と交差する点、飽和液点の圧力が、飽和蒸気点の圧力より高くなっている。熱交換器内の作動流体は、ほぼ等圧力で流れており、図中の等圧力線Ａ・Ａに沿って考えると、飽和液線の温度はＴ１で、飽和蒸気点の温度は、Ｔ２とＴ３の間のＴ１より高い温度となっている。

図１の状態線図は、ほぼ臨界点の温度や圧力に対応して変化するので、代表的な値として臨界点の温度、圧力を比較することで、全体的な状態値の変化を調べることができる。

作動流体のアセトンと水の混合比（モル比）によって、状態値が大きく変化する状況を臨界点の圧力と温度を、他の単一冷媒（Ｐｕｒｅ Ｆｌｕｉｄ）、炭化水素系やフロン系の混合冷媒（Ｐｒｅｄｅｆｉｎｅｄ Ｍｉｘｔｕｒｅ）、アンモニアと水の混合冷媒と比較して図２に示す。他の単一冷媒、炭化水素系やフロン系の混合冷媒は、臨界点の温度が約２００℃以下で、圧力は約５ＭＰａ以下のものが多く、空調冷凍機には使いやすいものとなっている。アンモニアと水の混合冷媒及びアセトンと水の混合冷媒のアセトン又はアンモニアの配合比の異なる点は、アセトン又はアンモニア１００％と水１００％の点を繋ぐほぼ直線状の線上にある。アンモニアと水の混合冷媒に比べて、アセトンと水の混合冷媒は、同一温度での圧力が全ての点で低くなっている。アセトンと水の混合比（モル比）は、モル比、アンモニアと水の混合比（質量比）は、質量比である。

アセトンと水のモル比５０／５０％と３０／７０％における飽和液点と飽和蒸気点の圧力と温度の関係を図３に示す。混合比による１００ｋＰａにおける飽和液点と飽和蒸気点の温度差の変化を図４に示す。アセトンの混合比２０％で温度差は約９０℃、混合比が６０％を超えると温度差はほぼ０℃になる。

実施例２のアセトンと水の混合冷媒を使った廃熱利用発電システムの系統図を図５（ａ）にと混合冷媒の状態図を図５（ｂ）に示す。このシステムは、エンジン（１００）から出る排気ガスとジャケット水の熱を利用するもので、アセトンと水の混合冷媒を作動流体としたものである。ジャケット水の熱交換器（４０）と排気ガス熱交換器（５０）で加熱された作動流体は、タービン入口（１１）からタービン（１０）へ入り、発電機（２００）を駆動、出口（１２）から凝縮機（２０）の入口（２１）へと導かれる。凝縮器（２０）で冷却水と熱交換して凝縮し、冷媒ポンプ（３０）へと入り、昇圧されて再び熱交換器（４０）へと入る。

図５（ｂ）に記載した番号は、図５（ａ）の番号と対応している。作動流体は、ポンプ出口（３２）から熱交換器（４０）の出口（４２）まで液体であり、熱交換器（４０）で加熱され、図５（ｂ）の点（４２）で飽和液になり、点（４２）から点（１１）までに蒸発する。この間、温度が上がっているので、点（５５）（５６）の排気ガスや点（４５）（４６）のジャケット水の加熱による温度低下と並行しており、温度差がほぼ一定に保たれ、熱交換効率が高く保たれる。

凝縮器（２０）の前後の作動媒体の点（２２）（１２）間の凝縮過程でも、温度が上がっているので、冷却水の温度、点（２５）（２６）との温度差をほぼ一定に保つことができ、凝縮器（２０）の効率を高く保つことができる。

実施例３のメタノールと水の混合冷媒を使った冷凍空調システムの系統図を図８（ａ）にと混合冷媒の状態図を図８（ｂ）に示す。圧縮機（５１０）で圧縮され、高温になった混合冷媒は、室外熱交（５２０）で外気によって冷却され、液化後にエジェクター（５３０）で膨張して低温となり、室内熱交（５５０）で空気を冷却後に再び圧縮機へ戻る。

実施例４の同一回転軸上に発電機と膨張機又はタービンを配置し、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持したランキンサイクル発電タービンの構成を図７に示す。

図７において、冷媒は、スクロール（３１０）に入り、ノズル（３２０）で高速ガス流となり、動翼（３３０）で回転トルクを発生、ジャーナル軸受（３６０）とスラスト軸受（３７０）で支持されたロータ（３５０）及び回転軸（３９０）に伝えられ、ロータ（３５０）で発生された回転磁界によりステータ（３８０）で交流電力が作られる。

実施例４の同一回転軸上にモータと圧縮機を配置し、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持した冷凍空調用又はヒートポンプ用圧縮機の構成を図８に示す。

図８において、ステータ（４７０）内の巻線に通電された電気により、回転磁界が発生してモータロータ（４５０）及びロータ（４５０）と一体化された回転軸（４９０）が回転し、羽根車（４２０）が回転、入口（４１０）から冷媒が吸い込まれて、圧縮・高速ガス流にされてディフューザ（４３０）へと入り、ガス流のエネルギーが圧力へと転換され、スクロール（４４０）で高圧の冷媒として集められる。
冷凍空調システムの状態線図は、図９や図１の状態線図から容易に類推できるので省略する。

本考案のアセトンと水の混合冷媒は、排熱回収、地熱、太陽熱などの低温度差の熱エネルギーを利用する発電システム、空調システムなどに適用でき、従来の冷媒に比べて、システムに使用可能な材料が自由に選択でき、低コスト化も可能である。

特に、数百ｋＷの発電システムに、従来のアンモニアと水の混合冷媒を使用すると、タービンが小さく、高速回転になる。このような高速回転のタービンは、高速発電機と直結して一軸構成とするのが高効率で低コストとなるが、発電機の巻線や軸受摺動面に使用される材料を侵食するため、高価な材料やシールなどの複雑な構成の採用を余儀なくされるため、コスト高となる。

本考案のアセトンと水の混合冷媒は、アンモニアと水の混合冷媒と異なり、ほとんどの材料を侵食することがないので、自由な材料選定や最適の構成が選択できる。

本考案の混合冷媒を使用すると、アンモニアと水の混合冷媒に比べて、図２に示すように圧力、密度が低く、潜熱も小さくなるため、比較的大型となるが、回転数が低くなり、出力と回転数の関係で決まる発電機との整合性が良くなる。

同一回転軸上に発電機と膨張機又はタービンを配置し、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持したランキンサイクル発電タービンの開発により、従来はコスト高で実用化されにくかった小出力の地熱や排熱利用の小型発電システムの実用化が可能となり、省エネルギー化が進展する。

同一回転軸上にモータと圧縮機を配置し、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持した冷凍空調用又はヒートポンプ用圧縮機の開発により、従来品は大きくて重かった圧縮機部分が小型軽量化、低コスト化されるとともに、冷媒から潤滑油が排除されるため、熱交換器の効率が大幅に向上し、冷凍空調システムやヒートポンプを使ったシステム全体の効率向上、小型軽量化、低コスト化が可能となり、省エネルギー化も進展する。

混合媒体の圧力・エンタルピー線図 本考案の混合冷媒と従来の単一及び混合冷媒の臨界点温度／圧力比較 本考案の混合冷媒の混合比（モル比）５０／５０％（アセトン／水）及び３０／７０％の飽和蒸気と飽和液の温度・圧力関係図 混合比（モル比）による飽和液点と飽和蒸気点の温度差 本発明の混合冷媒を適用した排熱利用発電システム系統図と対応する状態線図 本発明の混合冷媒を適用した冷凍空調システム系統図と対応する状態線図 同一回転軸上に発電機とタービンを配置し、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持した発電タービン 同一回転軸上にモータと圧縮機を配置し、回転軸をガス軸受又は磁気軸受で支持したモータ駆動圧縮機 従来の単一冷媒を用いた発電システムの状態線図例 アンモニアと水の混合冷媒の混合比（質量比）５０／５０％（アンモニア／水）及び２０／７０％の飽和蒸気と飽和液の温度・圧力関係図

符号の説明

（１０） タービン （５０） 排ガス熱交換器
（１１） タービン入口 （５１） 排ガス熱交換器入口
（２０） 凝縮器 （５２） 排ガス熱交換器出口
（２１） 凝縮器入口 （５５） 排ガス入口
（２２） 凝縮器出口 （５６） 排ガス出口
（２５） 冷却水入口 （１００） エンジン
（２６） 冷却水出口 （２００） 発電機
（３０） ポンプ （３００） 発電用タービン
（３１） ポンプ入口 （３１０） スクロール
（３２） ポンプ出口 （３２０） ノズル
（４０） 熱交換器 （３３０） 動翼
（４１） 熱交換器入口 （３４０） 出口
（４２） 熱交換器出口 （３５０） 発電機ロータ
（４５） ジャケット水入口 （３６０） ジャーナル軸受
（４６） ジャケット水出口 （３７０） スラスト軸受
（３８０） ステータ （５５０） 室内熱交
（３９０） 回転軸 （５５１） 室内熱交空気入口
（４００） モータ駆動圧縮機 （５５２） 室内熱交空気出口
（４１０） 入口管 （５５５） 室内熱交冷媒入口
（４２０） 羽根車 （５５６） 室内熱交冷媒出口
（４３０） ディフューザ （６００） モータ
（４４０） スクロール
（４５０） モータロータ
（４６０） ジャーナル軸受
（４７０） スラスト軸受
（４８０） ステータ
（４９０） 回転軸
（４００） モータ駆動圧縮機
（４１０） 入口管
（４２０） 羽根車
（４３０） ディフューザ
（４４０） スクロール
（４５０） モータロータ
（４６０） ジャーナル軸受
（４７０） スラスト軸受
（４８０） ステータ
（４９０） 回転軸
（５００） 室内
（５１０） 圧縮機
（５１５） 圧縮機入口
（５１６） 圧縮機出口
（５２０） 室外熱交
（５２１） 室外熱交空気入口
（５２２） 室外熱交空気出口
（５２５） 室外熱交冷媒入口
（５２６） 室外熱交冷媒出口
（５３０） エジェクター
（５３５） エジェクター入口
（５３６） エジェクター出口

Claims (10)

1. 冷媒を用いるランキンサイクルシステムや冷凍空調システムに用いられる冷媒として、アセトンと水を混合したことを特徴とする混合冷媒。
2. 請求項１において、アセトンの混合比（モル比）が６０％以下のアセトンと水を混合したことを特徴とする混合冷媒。
3. 請求項１の混合冷媒を用いることを特徴とするランキンサイクルの膨張機やタービンのシステム及び冷凍空調システム。
4. 請求項２の混合冷媒を用いることを特徴とするランキンサイクルの膨張機やタービンのシステム及び冷凍空調システム。
5. 請求項３及び４において、膨張機又はタービンと発電機を同一軸上に配置したことを特徴とするランキンサイクル発電システム。
6. 請求項３及び４において、圧縮機とモータを同一軸上に配置したことを特徴とする冷凍空調機。
7. 請求項５において、回転軸をガス軸受で支持したことを特徴とするランキンサイクル発電システム。
8. 請求項６において、回転軸をガス軸受で支持したことを特徴とする冷凍空調機。
9. 請求項５において、回転軸を磁気軸受で支持したことを特徴とするランキンサイクル発電システム。
10. 請求項６において、回転軸を磁気軸受で支持したことを特徴とする冷凍空調機。