JP2009198056A

JP2009198056A - ハイブリッド冷凍機

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Publication number: JP2009198056A
Application number: JP2008039035A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimoto; 洋藤本; Tsutomu Wakabayashi; 努若林
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP5173477B2

Abstract

【課題】圧縮冷凍サイクルと原動機とを備えた冷凍機において、排熱を有効利用する。
【解決手段】蒸発器２で発生される冷媒蒸気を、低圧圧縮機１ａ及び高圧圧縮機１ｂで順次圧縮し、高圧圧縮機１ｂで生成される高圧冷媒蒸気を凝縮器３で凝縮させて冷媒液とするとともに、冷媒液を膨張弁４で膨張させ、蒸発器２で蒸発させて冷熱を発生させる圧縮冷凍サイクル１０２を設け、軸出力を発生する原動機１０１を設け、原動機１０１から回収される排熱により作動媒体の蒸気を得る蒸気発生機構１１と、蒸気発生機構１１で発生された蒸気を膨張させて軸出力を得る膨張機１２と、膨張機１２で膨張後の作動媒体を液に戻す復水器を備えた蒸気サイクル１０３を設け、原動機１０１の軸出力により低圧圧縮機１ａが働き、膨張機１２の軸出力により高圧圧縮機１ｂが働く冷凍機とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、原動機と、その軸出力により駆動される圧縮機とを有する圧縮冷凍サイクルを備えた冷凍機に関する。

圧縮式冷凍機をガスエンジンなどの原動機で駆動することは広く行われているが、排熱は給湯に利用する以外は捨てられることが多い。排熱で駆動する排熱吸収冷凍機は、発電を主体とするコージェネレーションでは多く用いられるが、圧縮式冷凍機と併設されることは少ない。この点、原動機に加えて、圧縮式冷凍機、排熱吸収冷凍機を備えて設備を構成すると、設備全体が大きくなる、圧縮冷凍機と排熱吸収冷凍機との負荷分担と温度制御精度の両立が難しい、冷媒を直接室内で蒸発させる直膨タイプを作りにくいなどの理由によるものと考えられる。

これらの欠陥をある程度改善し、原動機から発生する排熱を有効に利用するものとして、圧縮冷凍サイクルと排熱吸収冷凍サイクルとを共に設け、両サイクルで凝縮器と蒸発器を共用し融合したアンモニアハイブリッドサイクルが提案されている（非特許文献１）。
一方、非特許文献２には、排熱吸収冷凍サイクルの蒸発器と吸収器の間に、圧縮機を挿入する構造が提案されている。

Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎｃｙｃｌｅｓｄｒｉｖｅｎｂｙａｎｅｎｇｉｎｅ，ＹａｎｇＺｈａｏｅｓｔ．，ＡｐｐｌｉｅｄＥｎｅｒｇｙ７６（２００３）３７９−３８９ＨｙｂｒｉｄＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ／ＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎＴｙｐｅＨｅａｔＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，Ｔ．Ｋａｒｉｍａｔａｅｔｃ．，６ｔｈＩＥＡＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｎｅｒｇｙＡｇｅｎｃｙＨｅａｔＰｕｍｐＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ１９９９ "ＨｅａｔＰｕｍｐ−ａＢｅｎｅｆｉｔｆｏｒｔｈｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ"Ｍａｙ３１−Ｊｕｎｅ２，１９９９，Ｂｅｒｌｉｎ，Ｐ３４

しかしながら、非特許文献１に開示されるアンモニアハイブリッドサイクルにおいては、蒸発器の冷媒を圧縮機の吸込みと吸収器とに異なるメカニズムを使用して分配しており、負荷分担が難しく、また吸収器側の水分が圧縮サイクル側に紛れ込み圧縮機の潤滑オイルの性能劣化や蒸発器の性能劣化を引き起こす危険性がある。さらに、このアンモニアハイブリッドサイクルでは、蒸気発生器には精留器を設ける必要があるが、これが性能低下の要因になる。この例における吸収器は、図２に示す本願の第２実施形態における復水器と、近似する役割を果たす。

一方、非特許文献２に開示されているように、排熱吸収冷凍サイクルの蒸発器と吸収器の間に、圧縮機を挿入する構造を採用すると冷媒の分配の問題は解決されるが、圧縮機を原動機としてのエンジンで駆動する場合、圧縮機の能力が当該排熱吸収冷凍サイクルの再生器の蒸発能力に対して過大であり、サイクルが成立しなくなる。

本発明の目的は、軸出力を得ることができる原動機と、圧縮冷凍サイクルとを備えた冷凍機において、軸出力の発生に伴って原動機から発生する排熱を有効に利用できる冷凍機を得ることにある。

上記目的を達成するための、本願に係るハイブリッド冷凍機の特徴構成は、
蒸発器で発生される冷媒蒸気を、低圧圧縮機及び高圧圧縮機で順次圧縮し、高圧圧縮機で生成される高圧冷媒蒸気を凝縮器で凝縮させて冷媒液とするとともに、冷媒液を膨張弁で膨張させ、前記蒸発器で蒸発させて冷熱を発生させる圧縮冷凍サイクルを設け、
軸出力を発生する原動機を設け、
前記原動機から回収される排熱により作動媒体の蒸気を得る蒸気発生機構と、前記蒸気発生機構で発生された蒸気を膨張させて軸出力を得る膨張機と、前記膨張機で膨張後の作動媒体を液に戻す復水器を備えた蒸気サイクルを設け、
前記原動機の軸出力により前記低圧圧縮機が働き、前記膨張機の軸出力により前記高圧圧縮機が働くことにある。

このハイブリッド冷凍機は、圧縮冷凍サイクルと、蒸気サイクルと、原動機とを備えて構成される。そして、原動機を運転することで、その軸出力を低圧圧縮機の動力として使用し、その排熱を蒸気サイクルを介して膨張機の軸出力として取り出し、その軸出力を高圧圧縮機の動力として使用する。
ここで、これら低圧圧縮機及び高圧圧縮機は直列に接続されており、圧縮冷凍サイクルを成す蒸発器で発生される冷媒蒸気が順次圧縮される。この二段圧縮にあっては、高圧圧縮機による圧縮に関して、低圧圧縮機で圧縮された冷媒をさらに圧縮するものとなるため、必要とされる動力は比較的小さくなり、蒸気サイクルで回収される排熱で発生できる動力で十分まかなうことができる。また、排熱で駆動する程度の小型圧縮機を高圧圧縮機に使用できる。さらに、この構成では、圧縮冷凍サイクルを循環する冷媒は、その全量が順次圧縮されるため、先に説明したような冷媒の分配の問題も発生することはない。
そして、上記の二段の圧縮工程を経て得られた冷媒を凝縮器に送り凝縮させるとともに、膨張弁で膨張させ、さらに蒸発器で蒸発させることで、原動機から発生される軸出力及び排熱を利用して、冷熱を、コンパクトな機器構成で得ることができる。

上記の構成で、前記蒸気サイクルを循環する作動媒体が、前記圧縮冷凍サイクルを循環する冷媒の溶液であり、前記蒸気発生機構が、前記原動機の冷却水により回収された排熱により作動媒体を再生する再生器と、当該再生器で再生された作動媒体を冷媒の低濃度溶液と高濃度蒸気とに分離する分離器により構成され、
前記低濃度溶液を復水器に戻す低濃度溶液戻り路が備えられ、前記高濃度蒸気が前記膨張機に送られる構成とされていることが好ましい。

このハイブリッド冷凍機にあっては、蒸気サイクルを循環する作動媒体が、圧縮冷凍サイクルを循環する冷媒の溶液とされることで、媒体の共通化が図られる。従って、圧縮機側から膨張機側へ冷媒が多少洩れても、大きな影響を及ぼす心配はない。
そして、蒸気発生機構を、原動機の冷却水により回収された排熱により作動媒体を再生する再生器と、当該再生器で再生された作動媒体を冷媒の低濃度溶液と高濃度蒸気とに分離する分離器とで構成し、この分離器で分離される低濃度溶液を、低濃度溶液戻り路を介して復水器に戻し、高濃度蒸気を膨張機に送る。このようにすることで、蒸気発生機構において、排熱吸収冷凍サイクルにおける再生器の役割を担わせることができ、排熱を作動媒体の再生に利用しながら、得られる高濃度蒸気のみを膨張機に送り軸出力を得ることができる。この構成では、再生器圧力、すなわち、高濃度蒸気の圧力は、再生器に送り込む溶液の濃度によって調整することができるので、膨張機の圧力比を効率が高くなるよう適切に維持できる。

また、この構成において、さらに具体的には、圧縮冷凍サイクルを循環する冷媒がアンモニアであり、蒸気サイクルを循環する作動媒体がアンモニアと水の混合媒体であり、高圧圧縮機と膨張機を直結した軸の膨張機側圧力が、圧縮機側圧力よりも低くなるように、前記作動媒体のアンモニア濃度が設定されていることが好ましい。
この構成のハイブリッド冷凍機では、高圧圧縮機と膨張機とを直結して（所謂、ターボチャジャーとして）、その中間をシールし、且つ軸の膨張機側を圧縮機側より若干低くする。従って、この構造では、漏洩は高圧圧縮機（圧縮冷凍サイクル）側から膨張機（蒸気サイクル）側に向かってのみ起こり、漏洩は圧縮冷凍サイクル内を循環する冷媒成分に影響しないし、膨張機側も少量の漏洩であれば殆ど影響はない。従って、圧縮冷凍サイクルに備えられる低圧圧縮機及び高圧圧縮機における圧縮機の潤滑オイルの劣化を防止できるとともに、冷凍機全体を一体設計できる。

さて、これまで説明してきた構成において、低圧圧縮機から高圧圧縮機に送られる冷媒を、復水器から蒸気発生機構に送られる作動媒体の液又は蒸気発生機構から膨張機に向かう蒸気、あるいはそれらの両方と熱交換可能に構成することが好ましい。
この構成を採用することで、蒸気サイクル側の効率が向上するとともに、圧縮機側は、所謂、二段圧縮中間冷却の構造になるため、やはり効率を向上することができる。

以下、本願の実施形態を図面に基づいて説明する。本明細書では、第１実施形態（図１）、第２実施形態（図２）及び第３実施形態（図３）を紹介するが、まず、共通構成に関して説明する。

〔共通構成〕
本願に係るハイブリッド冷凍機であるコンバインドシステム１００は、原動機１０１と圧縮冷凍サイクル１０２及び蒸気サイクル１０３を備えて構成されている。

原動機１０１は、軸出力を出力可能に構成されるとともに、その軸出力の出力に伴って発生する排熱は冷却水ｃにより回収される。

圧縮冷凍サイクル１０２の構成は全ての形態で共通しており、圧縮機１として、直列接続された低圧圧縮機１ａと高圧圧縮機１ｂとを備えて構成されている。そして、前記原動機１０１の軸出力によりこの低圧圧縮機１ａが働く構成が採用されるとともに、後述する蒸気サイクル１０２を成す膨張機１２の軸出力により高圧圧縮機１ｂが働く構成が採用されている。
さらに、詳細には、圧縮冷凍サイクル１０２は、良く知られているように、蒸発器２、圧縮機１（直列接続された低圧圧縮機１ａと高圧圧縮機１ｂ）、凝縮器３、膨張弁４を、冷媒が循環する循環回路に記載順に備えて構成されている。そして、蒸発器２で発生される冷媒蒸気を、低圧圧縮機１ａ及び高圧圧縮機１ｂで順次圧縮し、高圧圧縮機１ｂで生成される高圧冷媒蒸気を凝縮器３で凝縮させて冷媒液とするとともに、この冷媒液を膨張弁４で膨張させ、蒸発器２でさらに蒸発させて、当該蒸発器２で冷媒の蒸発に伴って冷熱を取り出せるように構成されている。この圧縮冷凍サイクル１０１の冷媒ａとしては、例えばアンモニアが使用可能である。

蒸気サイクル１０３は、蒸気発生機構１１、膨張機１２、復水器１３、循環ポンプ１４を、作動媒体が循環する循環回路に記載順に備えて構成されており、原動機１０１の排熱により作動媒体の蒸気を得る蒸気発生機構１１と、この蒸気発生機構１１で発生された蒸気を膨張させて軸出力を得る膨張機１２と、膨張機１２で膨張後の作動媒体を液に戻す復水器１３とを備えて構成されており、復水器１３により液状態となった作動媒体を循環ポンプ１４により蒸気発生機構１１に導入する構成とされている。この蒸気サイクル１０３の作動媒体ｂとしては、例えば吸収液に吸収される被吸収液が水、吸収液がアンモニアである混合媒体ｂを使用可能である。ここで、先にも説明したように、膨張機１２で発生される軸出力は高圧圧縮機１ｂの運転に使用されるが、膨張機１２の出力軸は高圧圧縮機１ｂの駆動軸に直結されている。そして、高圧圧縮機１ｂと前記膨張機１２を直結した軸の膨張機側圧力が、圧縮機側圧力よりも低く設定される場合は、圧縮冷凍サイクル１０２側から蒸気サイクル１０３側へのアンモニアの漏れは許容されるが、蒸気サイクル１０３側から圧縮冷凍サイクル１０２側への作動媒体の侵入は起こらない。この様な圧力設定は、混合媒体のアンモニア濃度を適切に選択することで実現できる。
以上が、本願に係るコンバインドシステム１００の共通構成である。以下、各図をも参考にして、各実施形態の特徴構成を中心に説明する。

〔第１実施形態〕
この実施形態が図１に示されている。同図に示すように、この例では、蒸気発生機構１１として、冷却水ｃが保有する排熱から作動媒体の蒸気を発生する蒸気発生器１１ａを採用している。この形態は、本願の最も基本的な実施形態となっている。従って、この実施形態では、発生される全ての蒸気が膨張機１２に送られる。

〔第２実施形態〕
この実施形態が図２に示されている。同図に示すように、この例では、蒸気発生機構１１が、原動機１０１の冷却水ｃにより回収される排熱により作動媒体ｂを再生する再生器１１ｂと、当該再生器１１ｂで発生される低濃度溶液と高濃度蒸気とに分離する分離器１１ｃにより構成される例であり、分離器１１ｃから低濃度溶液（水濃度が低い水アンモニア溶液）が低濃度溶液路１１ｄを介して復水器１３に戻され、高濃度蒸気（水濃度が高い蒸気）が膨張機１２に送られる構成が採用されている。この形態は、混合媒体ｂの特性を有効に利用できる実施形態となっている。

〔第３実施形態〕
この実施形態が図３に示されている。同図に示すように、この例では、低圧圧縮機１ａから高圧圧縮機１ｂに送られる冷媒ａを、復水器１３から蒸気発生機構１１に送られる作動媒体の液ｂ及び蒸気発生機構１１から膨張機１２に向かう蒸気ｂの両方と熱交換するように、第１熱交換器１５ａ、第２熱交換器１５ｂが設けられている。この形態は、蒸気サイクル１０３側の効率が向上するとともに、圧縮機構１側で、二段圧縮中間冷却の構造となるため、やはり効率を向上することができる。
この例の場合、第１熱交換器１５ａ、第２熱交換器１５ｂとのいずれか一方を備える構造としてもよい。

〔別実施形態〕
（１）上記の実施形態にあっては、原動機の冷却水で回収される排熱を蒸気サイクルの熱源としたが、原動機から排出される排ガスが有する熱を利用して、蒸気サイクルを運転することとしてもよい。
（２）上記の実施形態にあっては、圧縮冷凍サイクルの冷媒としてアンモニアを使用し、蒸気サイクルの作動媒体として水アンモニアの混合媒体を使用する例を示したが、圧縮冷凍サイクルの冷媒としてエチルアルコールを使用し、蒸気サイクルの作動媒体としてエチルアルコールと水との混合媒体を使用するものとしてもよい。

第１実施形態の構成を示す図第２実施形態の構成を示す図第３実施形態の構成を示す図

符号の説明

１圧縮機
１ａ低圧圧縮機
１ｂ高圧圧縮機
２蒸発器
３凝縮器
４膨張弁
１１蒸気発生機構
１１ａ蒸気発生器
１１ｂ再生器
１１ｃ分離器
１２膨張機
１３復水器
１４循環ポンプ
１５熱交換器
１００コンバインドシステム
１０１原動機
１０２圧縮冷凍サイクル
１０３蒸気サイクル
ａ冷媒
ｂ作動媒体
ｃ冷却水

Claims

蒸発器で発生される冷媒蒸気を、低圧圧縮機及び高圧圧縮機で順次圧縮し、高圧圧縮機で生成される高圧冷媒蒸気を凝縮器で凝縮させて冷媒液とするとともに、冷媒液を膨張弁で膨張させ、前記蒸発器で蒸発させて冷熱を発生させる圧縮冷凍サイクルを設け、
軸出力を発生する原動機を設け、
前記原動機から回収される排熱により作動媒体の蒸気を得る蒸気発生機構と、前記蒸気発生機構で発生された蒸気を膨張させて軸出力を得る膨張機と、前記膨張機で膨張後の作動媒体を液に戻す復水器を備えた蒸気サイクルを設け、
前記原動機の軸出力により前記低圧圧縮機が働き、前記膨張機の軸出力により前記高圧圧縮機が働くハイブリッド冷凍機。
前記蒸気サイクルを循環する作動媒体が、前記圧縮冷凍サイクルを循環する冷媒の溶液であり、前記蒸気発生機構が、前記原動機の冷却水により回収された排熱により作動媒体を再生する再生器と、当該再生器で再生された作動媒体を冷媒の低濃度溶液と高濃度蒸気とに分離する分離器により構成され、
前記低濃度溶液を復水器に戻す低濃度溶液戻り路が備えられ、前記高濃度蒸気が前記膨張機に送られる請求項１記載のハイブリッド冷凍機。
前記圧縮冷凍サイクルを循環する冷媒がアンモニアであり、前記蒸気サイクルを循環する作動媒体がアンモニアと水の混合媒体であり、
前記高圧圧縮機と前記膨張機を直結した軸の膨張機側圧力が、圧縮機側圧力よりも低くなるように、前記作動媒体のアンモニア濃度が設定されている請求項１又は２記載のハイブリッド冷凍機。
前記低圧圧縮機から高圧圧縮機に送られる冷媒を、前記復水器から前記蒸気発生機構に送られる作動媒体の液又は前記蒸気発生機構から前記膨張機に向かう蒸気、あるいはそれらの両方と熱交換可能に構成した請求項１〜３のいずれか一項記載のハイブリッド冷凍機。