JP2008298406A - 多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
外部に排出されて捨てられていた冷凍装置の凝縮熱を回収し、多元冷媒回路により構成したヒートポンプ回路により所要の蒸気や温水を生成して前記凝縮熱を有効利用し、しかも冷凍装置の運転の安定化、冷凍装置の設備コストの低減をも期すことができ、もって省エネルギー化に貢献することのできる多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置を提供する。
【解決手段】
低元側冷媒回路３の排熱回収熱交換器９にて外部冷凍機２の凝縮熱を回収し、この回収した熱をカスケードコンデンサ５を介して高元側冷媒回路４に送り、この高元側冷媒回路４における熱交換器１５、１６において高元側冷媒回路４を循環する冷媒の熱によって外部から供給される水を加熱することにより、蒸気、温水のいずれか一方、または両方を同時に生成する構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、既存の冷凍装置等の熱源から回収した熱をヒートポンプ方式によって蒸気や温水として有効利用することのできる多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置に関する。

ヒートポンプ方式によって温水や蒸気を発生する装置は、従来から各種のものがある（例えば、特許文献１、２参照）。

ところで、冷凍食品工場などの施設では凍結装置などの冷凍装置からかなりの凝縮熱が排出され、このような熱は施設屋外の冷却塔から大気に放出されるのが一般的であるが、例えば食品工場では同じ施設において加熱処理、殺菌処理、洗浄作業などに多量の温水や蒸気が必要とされ、このような温水や蒸気は前記冷凍装置とは独立して設けられる温水、蒸気発生装置によって生成される。

すなわち、上述のような従来の施設では排熱を有効利用することなく無駄に排出しており、省エネルギー化に沿った適切な対応策が求められている。

また、前述のような冷凍装置では例えば冷凍装置の運転開始時などの特に負荷が大である状態に備え、凝縮熱を排出するための冷却塔の能力やこの冷却塔に循環させる冷却水用送水ポンプの定格を大としなければならず、凝縮熱の無駄な排出は単なるエネルギーの浪費に止まらず、設備コストの増大をも強いている。

ここで、前述のような従来のヒートポンプ方式によって排熱を回収するという技術的発想が求められるのであるが、回収される熱の変動や温度範囲と、生成すべき蒸気、温水の温度範囲との関係は、運転状況などの諸条件によって大きく変動するため、従来のヒートポンプ方式による冷媒回路をそのまま熱回収用として採用したのではこのような変動に対して柔軟な対応が困難であった。

特開平７−２９４０５８号公報（第１〜３頁、図１） 特開２００５−１４７６０９号公報（第１〜７頁、図１）

本発明は、従来は外部に排出されて捨てられていた冷凍装置の凝縮熱を回収し、多元冷媒回路により構成したヒートポンプ回路により所要の蒸気や温水を生成して前記凝縮熱を有効利用し、しかも冷凍装置の運転の安定化、冷凍装置の設備コストの低減をも期すことができ、もって省エネルギー化に貢献することのできる多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、低元側圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、カスケードコンデンサの１次側、膨張弁、排熱回収熱交換器を介して低元側圧縮機の吸入側に接続された低元側冷媒回路と、高元側圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、熱交換器、膨張弁、前記カスケードコンデンサの２次側を介して高元側圧縮機の吸入側に接続された高元側冷媒回路とを備え、前記高元側冷媒回路における熱交換器において高元側冷媒回路を循環する冷媒の熱によって外部から供給される水を加熱することにより、蒸気、温水のいずれか一方、または両方を同時に生成する構成のものとしてある。

本発明の請求項２に係る多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、前記高元側冷媒回路における熱交換器を、冷媒回路上流側の第一熱交換器と同下流側の第二熱交換器で構成し、第一熱交換器においては蒸気を生成し、第二熱交換器においては温水を生成するようにした構成のものとしてある。

本発明の請求項３に係る多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記カスケードコンデンサと膨張弁との間に切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を切替装置と膨張弁との間に接続した分岐管の途中にサブコンデンサを設け、前記切替装置は、前記高元側冷媒回路の前記熱交換器において生成される蒸気、温水の量に応じてサブコンデンサへ流通せしめる冷媒の流量を制御するように構成したものとしてある。

本発明の請求項４に係る多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記カスケードコンデンサと膨張弁との間に切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を切替装置と膨張弁との間に接続した分岐管の途中にサブコンデンサを設け、前記切替装置は、低元側冷媒回路と高元側冷媒回路における高圧側圧力のうちの少なくともいずれか一方の圧力に基いて制御されるように構成したものとしてある。

本発明の請求項５に係る多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、前記排熱回収熱交換器は、冷却塔を備える外部の冷凍装置においてこれら冷凍装置と冷却塔との間を循環する冷却水回路から、上記冷凍装置における凝縮熱により加熱された冷却水を導入する排熱導入管と、排熱を回収した後の冷却水を前記冷却水回路に送る戻し管とを備え、前記排熱導入管と戻し管は、それぞれ前記冷却水回路との接続部に連動する第１、第２の切替手段を備え、これらの切替手段は、外部の冷凍装置、低元冷媒回路、高元冷媒回路の運転状況に応じて、外部の冷凍装置からの冷却水を前記冷却塔と排熱回収熱交換器のいずれか一方または両方に流通せしめるよう制御されるように構成したものとしてある。

本発明の請求項６に係る多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記カスケードコンデンサと膨張弁との間に切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を切替装置と膨張弁との間に接続した分岐管の途中にサブコンデンサを設け、前記切替装置は、低元側冷媒回路、高元側冷媒回路または外部の冷凍装置における少なくともいずれかの高圧側圧力に基いて制御されるように構成したものとしてある。

本発明の請求項７に係る多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、前記低元側冷媒回路は、冷媒にフロン冷媒または自然冷媒を使用し、かつ、前記高元側冷媒回路は、冷媒に臨界温度が１３０℃以上のものを使用した構成のものとしてある。

本発明の請求項８に係る多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、前記高元側冷媒回路の冷媒をＲ２４５ｆａとしたものとしてある。

本発明によれば、低元側冷媒回路と高元側冷媒回路を備え、低元側冷媒回路にて排熱回収を行い、高元側冷媒回路において蒸気、温水の生成を行う構成としてあるので、低元側には回収される排熱の温度範囲に、高元側には生成する蒸気、温水の温度範囲にそれぞれ適した物性を有する冷媒を採用することができ、しかも排熱の回収量や生成する蒸気、温水の量に応じて運転状態を最も効率のよい状態に制御することができ、エネルギーの有効利用を効率よくかつ安定して行うことができる。

また、外部の冷凍装置からの凝縮熱を回収する構成のものでは、外部冷凍装置における凝縮熱排出用の冷却塔や冷却水循環用送水ポンプを小型のものとしても、低減側冷媒回路における排熱回収用熱交換器によって凝縮熱を確実に回収することができ、したがって外部冷凍装置の負荷が大であってり、同冷凍装置の運転開始時における一時的な負荷の増大に対しても十分に対応することができ、外部冷凍装置の設備コストの低減を図ることができるとともに安定した運転を実現できる。

さらに、低元側冷媒回路にサブコンデンサを備えるものでは、高元側冷媒回路における蒸気、温水の使用量が小あるいは不使用の場合であっても、このサブコンデンサによって低元側冷媒回路における冷媒の凝縮を行うことができ、したがって蒸気、温水の生成の要否や生成量にかかわらず、低元側冷媒回路によって外部の冷凍装置からの凝縮熱の回収を行うことができ、このことによっても外部冷凍装置の安定した運転を行うことができる。

以下、本発明に係る装置の実施例を、添付図面に示す具体例に基いて詳細に説明する。
図１において、符号１は本発明の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置、２は外部の冷凍装置をそれぞれ示している。

前記蒸気・温水発生装置は、低元側冷媒回路３と高元側冷媒回路４を備え、これら低元側冷媒回路と高元側冷媒回路がカスケードコンデンサ５を介して接続されていて、低元側冷媒回路には、例えばアンモニア等の自然冷媒やフロンガスが冷媒として使用され、高元側冷媒回路には臨界温度１３０℃以上の冷媒、例えばＲ２４５ｆａが使用される。

前記低元側冷媒回路３は、低元側圧縮機６の吐出側に一端が接続された冷媒管７の他端を、前記カスケードコンデンサ５の１次側、膨張弁８、排熱回収熱交換器９を介して前記低元側圧縮機６の吸入側に接続してある。

また、冷媒管７の前記カスケードコンデンサ５と膨張弁８との間に切替装置１０を設け、この切替装置に分岐管１１の一端を接続してあって、この分岐管の他端を、サブコンデンサ１２を介して冷媒管７における切替装置１０と膨張弁８との間に接続してある。
なお、上記サブコンデンサ１２は、水冷式、空冷式のいずれのタイプのものであってもよい。

そして、前記高元側冷媒回路４は、高元側圧縮機１３の吐出側に一端が接続された冷媒管１４の他端を、第一熱交換器１５、第二熱交換器１６、膨張弁１７、前記カスケードコンデンサ５の２次側を介して前記高元側圧縮機１３の吸入側に接続してある。

前記第一熱交換器１５の２次側には、蒸気送り管１８と水戻し管１９を介して気液分離器２０を接続してあり、この気液分離器２０内の気相に臨む蒸気管２１を外部に導出してある。

また、前記水戻し管１９の途中には弁装置２２を介して外部からの給水管２３を接続してあり、前記気液分離器２０内の水位に応じて外部から所要量の水を適宜補充できるように構成してある。上記弁装置２２は、例えば気液分離器２０側への水の逆流を防止する逆止弁、第一熱交換器１５への給水量を制御する流量調節弁、外部からの給水を操作する開閉弁で構成する。

前記第二熱交換器１６の２次側には、その入口側に外部からの給水管２４を、同出口側に温水管２５を接続してあり、これら給水管２４、温水管２５の途中にはそれぞれ給水量、温水供給量を調節する流量調節弁２４ａ、２５ａを設けてある。

しかして、前記低元冷媒回路３における排熱回収熱交換器９の１次側は、外部の冷凍装置２における冷却水回路に接続してあって、この冷却水回路により導出される冷凍装置における凝縮熱を排熱回収熱交換器に導入するように構成してある。

具体的には、外部冷凍装置２におけるコンデンシングユニット２６の冷却水出口に一端が接続され、他端が冷却水の送水ポンプ２７を介して冷却塔２８に接続された冷却水送り管２９と、冷却塔２８に一端が接続され、他端が前記コンデンシングユニット２６の冷却水入口に接続された冷却水戻し管３０の途中に、それぞれ第１の切替手段３１と第２の切替手段３２を設けてあって、第１の切替手段３１に一端が接続された排熱導入管３３の他端と、第２の切替手段３２に一端が接続された戻し管３４の他端とを、それぞれ排熱回収熱交換器９の１次側における入口と出口に接続してある。

次に、上述のように構成した本発明の装置の作用について説明する。
外部の冷凍装置２におけるコンデンシングユニット２６の凝縮熱は、送水ポンプ２７の駆動によって冷却水回路を循環させられる冷却水により冷却塔２８に送られ、この冷却塔において熱を放出して冷却された冷却水はコンデンシングユニット２６に戻される。

ここで、コンデンシングユニットにおける凝縮熱によって昇温した冷却水の一部または全部は、第１および第２の切替手段３１、３２の開度に応じて低元冷媒回路３の排熱回収熱交換器９に送られ、低元冷媒回路３を流通する冷媒の気化熱により冷却され、コンデンシングユニット２６に戻される。

したがって、外部の冷凍装置２においては冷却塔２８の規模が小であっても十分にコンデンシングユニットからの凝縮熱を排出することができ、送水ポンプ２７の送液能力も小なるもので事が足り、冷凍装置２の起動時など、負荷が通常よりも大となっても確実に凝縮熱を排出することができる。

なお、前記第１の切替手段３１および第２の切替手段３２の開度は互いに連動して制御されるものとしてあり、この開度制御は、コンデンシングユニット２６における高圧側圧力と、高元側冷媒回路４における高圧側圧力とを検知することによって行うのが好適である。

すなわち、冷凍装置２の負荷が大になるとこの冷凍装置のコンデンシングユニット２６における高圧側圧力が上昇するので、この高圧側圧力が所定の値を超えると排熱回収熱交換器と冷却塔への冷却水の送水量を増大せしめ、負荷が低下して安定した運転状態にあるときには、蒸気・温水の生成量が大の場合は排熱回収熱交換器９への送水量を大に、蒸気・温水の生成量が小、あるいはゼロである場合には、冷却塔２８への送水量を大とするように切替手段３１、３２が制御される。

上述のように、排熱回収熱交換器９にて回収された熱は、低元側冷媒回路３における冷媒の気化熱となり、この排熱回収熱交換器にて気化した冷媒は低元側圧縮機６に吸入され、この低元側圧縮機にてホットガスとなって前記カスケードコンデンサ５に送出される。

このカスケードコンデンサ５に流入したホットガスは、高元側冷媒回路の冷媒と熱交換して凝縮させられ、切替装置１０、膨張弁８を経て前記排熱回収熱交換器９に送られる。

前記切替装置１０においては、冷媒管７を流通する冷媒の一部または全部を分岐管１１を介してサブコンデンサ１２に送る構成となっている。
すなわち、高元側冷媒回路４において蒸気・温水の生成量が大である場合には、カスケードコンデンサ５内において高元側冷媒回路から得られる冷熱が十分であるので、低元側冷媒回路においては冷媒の凝縮を確実に行うことができるが、蒸気・温水の生成量が小であったり、ゼロである場合には、凝縮用の冷熱が不足する。したがって、このような場合にはカスケードコンデンサ５を通過して凝縮が十分でない冷媒がサブコンデンサ１２に送られ、このサブコンデンサにおいて十分に凝縮させられて、膨張弁８、排熱回収熱交換器９に送られるようになっているのである。

そして高元側冷媒回路４においては、カスケードコンデンサ５において低元側冷媒回路３の冷媒から気化熱を得た冷媒が気化して高元側圧縮機１３に吸入され、この高元側圧縮機にてホットガスとされて熱交換器１５、１６に送出される。

しかして、第一熱交換器１５においてはホットガスとなっている冷媒の主として潜熱により水を加熱して蒸気を生成し、生成した蒸気は蒸気送り管１８によって気液分離器２０に送られ、この気液分離器内における気相、すなわち蒸気だけが蒸気管２１によって外部に送り出され、蒸気のうち凝縮して液化した水は気液分離器２０内の液相から水戻し管１９によって第一熱交換器に戻される。

蒸気の生成に伴って、第一熱交換器１５と気液分離器２０を循環する水の量が減少するので、例えば気液分離器２０内に設けたレベル計で検出される液位に基いて弁装置２２を開閉し、給水管２３によって外部から水を補充する。

前記第二熱交換器１６においては、前記第一熱交換器１５において所要の熱を奪われた冷媒の主として顕熱を利用して、外部から給水管２４を経て送られる水を加熱し、温水を生成して温水管２５により外部へ温水を供給する。

なお、外部へ供給する温水の温度や量は、前記給水管２４、温水管２５に設けた流量調節弁２４ａ、２５ａの開度を調節することにより設定される。

上述のように構成した本発明の装置では、外部の冷凍装置２における冷媒の凝縮温度を、例えば夏季において冷却塔２８のみを使用した場合に３５〜４０℃となるところを、排熱回収熱交換器９において凝縮熱を回収することにより、常に（年間を通して）２５℃以下に維持することができ、かくすることによって外部の冷凍装置における消費電力を１５％程度削減することができ、しかもコンデンシングユニット２６における圧縮機用モータの定格も１０％程度小なるものを利用することができる。

本実施例においては、カスケードコンデンサ５により接続した低元側冷媒回路３と高元側冷媒回路４の２元のもので構成してあるが、これらの冷媒回路の間にさらに１つあるいはそれ以上の数の冷媒回路を介在せしめて、３元以上の多元のものとする場合もある。

また、本実施例においては外部冷凍装置２の冷却塔２８と排熱回収熱交換器９を並列に接続した冷却水回路としてあるが、図２に示されるように、コンデンシングユニット２６からの冷却水戻し管３５を排熱回収熱交換器９の１次側入口に接続し、同出口に一端を接続した冷却水戻し管３６の途中に、冷却塔２８、送水ポンプ３７を設けてその他端をコンデンシングユニット２６の冷却水入口に接続し、冷却塔２８と排熱回収熱交換器９を直列に接続する場合もある。

本発明に係る装置の構成図。 本発明に係る装置における冷却水回路の他の例を示す構成図。

符号の説明

１ 蒸気・温水発生装置
２ 冷凍装置
３ 低元側冷媒回路
４ 高元側冷媒回路
５ カスケードコンデンサ
６ 低元側圧縮機
７ 冷媒管
８ 膨張弁
９ 排熱回収熱交換器
１０ 切替装置
１１ 分岐管
１２ サブコンデンサ
１３ 高元側圧縮機
１４ 冷媒管
１５ 第一熱交換器
１６ 第二熱交換器
１７ 膨張弁
１８ 蒸気送り管
１９ 水戻し管
２０ 気液分離器
２１ 蒸気管
２２ 弁装置
２３ 給水管
２４ 給水管
２５ 温水管
２６ コンデンシングユニット
２７ 送水ポンプ
２８ 冷却塔
２９ 冷却水送り管
３０ 冷却水戻し管
３１ 第１の切替手段
３２ 第２の切替手段
３３ 排熱導入管
３４ 戻し管
３５ 冷却水戻し管
３６ 冷却水送り管
３７ 送水ポンプ

Claims (8)

1. 低元側圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、カスケードコンデンサの１次側、膨張弁、排熱回収熱交換器を介して低元側圧縮機の吸入側に接続された低元側冷媒回路と、高元側圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、熱交換器、膨張弁、前記カスケードコンデンサの２次側を介して高元側圧縮機の吸入側に接続された高元側冷媒回路とを備え、前記高元側冷媒回路における熱交換器において高元側冷媒回路を循環する冷媒の熱によって外部から供給される水を加熱することにより、蒸気、温水のいずれか一方、または両方を同時に生成する多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
2. 前記高元側冷媒回路における熱交換器を、冷媒回路上流側の第一熱交換器と同下流側の第二熱交換器で構成し、第一熱交換器において蒸気を生成し、第二熱交換器において温水を生成するように構成してなる請求項１に記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
3. 前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記カスケードコンデンサと膨張弁との間に切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を切替装置と膨張弁との間に接続した分岐管の途中にサブコンデンサを設け、前記切替装置は、前記高元側冷媒回路の前記熱交換器において生成される蒸気、温水の量に応じてサブコンデンサへ流通せしめる冷媒の流量を制御するように構成してなる請求項１に記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
4. 前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記カスケードコンデンサと膨張弁との間に切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を切替装置と膨張弁との間に接続した分岐管の途中にサブコンデンサを設け、前記切替装置は、低元側冷媒回路と高元側冷媒回路における高圧側圧力のうちの少なくともいずれか一方の圧力に基いて制御されるように構成してなる請求項１に記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
5. 前記排熱回収熱交換器は、冷却塔を備える外部の冷凍装置においてこれら冷凍装置と冷却塔との間を循環する冷却水回路から、上記冷凍装置における凝縮熱により加熱された冷却水を導入する排熱導入管と、排熱を回収した後の冷却水を前記冷却水回路に送る戻し管とを備え、前記排熱導入管と戻し管は、それぞれ前記冷却水回路との接続部に連動する第１、第２の切替手段を備え、これらの切替手段は、外部の冷凍装置、低元冷媒回路、高元冷媒回路の運転状況に応じて、外部の冷凍装置からの冷却水を前記冷却塔と排熱回収熱交換器のいずれか一方または両方に流通せしめるよう制御されるように構成してなる請求項１乃至４のいずれかに記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
6. 前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記カスケードコンデンサと膨張弁との間に切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を切替装置と膨張弁との間に接続した分岐管の途中にサブコンデンサを設け、前記切替装置は、低元側冷媒回路、高元側冷媒回路または外部の冷凍装置における少なくともいずれかの高圧側圧力に基いて制御されるように構成してなる請求項５に記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
7. 前記低元側冷媒回路は、冷媒にフロン冷媒または自然冷媒を使用し、かつ、前記高元側冷媒回路は、冷媒に臨界温度が１３０℃以上のものを使用してなる請求項１乃至６のいずれかに記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
8. 前記高元側冷媒回路の冷媒をＲ２４５ｆａとしてなる請求項７に記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。

Images