JP2010048446A - Hybrid air cycle refrigerating and cooling unit - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、空気サイクル冷凍冷却ユニットと他の冷却ユニットとを組み合わせて構成したハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットに関する。 The present invention relates to a hybrid air cycle refrigeration cooling unit configured by combining an air cycle refrigeration cooling unit and another cooling unit.
空気サイクル冷凍冷却ユニットは、冷媒として空気を用いるため、フロンやアンモニアガス等を用いる場合に比べてエネルギー効率が不足するが、環境保護の面では好ましい。また、冷凍倉庫等のように、冷媒空気を直接に吹き込むことができる施設では、庫内ファンの省略等によってトータルコストを引下げられる可能性があり、このような用途で空気サイクル冷凍冷却ユニットが提案されている(例えば特許文献1)。 Since the air cycle refrigeration / cooling unit uses air as a refrigerant, energy efficiency is insufficient as compared with the case where chlorofluorocarbon, ammonia gas, or the like is used. Also, in facilities where refrigerant air can be directly blown in, such as refrigerated warehouses, the total cost may be reduced by omitting the internal fan, etc., and air cycle refrigeration cooling units are proposed for such applications. (For example, Patent Document 1).
また、−30℃〜−60℃のディープ・コール領域では、空気冷却の理論効率は、フロンやアンモニアガスと同等以上になることが知られている。ただし、上記空気冷却の理論効率を得ることは、最適に設計された周辺装置があって、初めて成り立つとも述べられている。周辺装置は、コンプレッサや膨張タービン等である。 Further, it is known that the theoretical efficiency of air cooling is equal to or higher than that of Freon or ammonia gas in a deep coal region of -30 ° C to -60 ° C. However, it is stated that obtaining the above-described theoretical efficiency of air cooling can only be achieved with optimally designed peripheral devices. The peripheral device is a compressor, an expansion turbine, or the like.
空気サイクル冷凍冷却ユニットは、冷媒空気を圧縮する際、高温の空気を得る。従来、この高温空気は、後段の放熱用熱交換器によって冷却用空気もしくは冷媒と熱交換して、廃熱を外気に放出していた。また、廃熱利用例として、放熱用熱交換器の冷却媒体として水を用いて温水を得るようにした例や、外気と熱交換して高温になった外気で吸湿器の乾燥を行うようにしたものがある(特許文献2)。
しかし、特許文献2に開示のように、空気サイクル冷凍冷却ユニットの廃熱を吸湿器の乾燥に利用する例では、僅かのシステム効率向上しか図れず、とくに10℃〜30℃の空調領域ではフロンやアンモニアガスと同等以上の性能を得ることが難しい。
However, as disclosed in
この発明の目的は、システム効率の改善が可能なハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットを提供することである。 An object of the present invention is to provide a hybrid air cycle refrigeration cooling unit capable of improving system efficiency.
この発明のハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットは、コンプレッサと膨張タービンの組み合わせからなるコンプレッサ・タービンユニットと熱交換器を備え、被冷却部から流入する冷媒空気に対して、前記コンプレッサによる圧縮、前記熱交換器による冷却、および前記膨張タービンによる断熱膨張を行ない、これにより冷却した冷媒空気を前記被冷却部内に戻すようにした空気サイクル冷凍冷却ユニットにおいて、
前記コンプレッサを出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用する熱駆動式の冷却ユニットを設け、この冷却ユニットで前記被冷却部から流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部内に戻すようにしたことを特徴とする。
この構成によると、空気サイクル冷凍冷却ユニットのコンプレッサを出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用して、熱駆動式の冷却ユニットを運転し、被冷却部から流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部に戻すようにしているので、空気サイクル冷凍冷却ユニットの単独運転の場合に比べてシステム効率の改善が可能となる。
The hybrid air cycle refrigeration cooling unit of the present invention includes a compressor / turbine unit comprising a combination of a compressor and an expansion turbine, and a heat exchanger, and compresses the refrigerant air flowing in from the cooled portion by the compressor and exchanges the heat. In an air cycle refrigeration cooling unit that performs cooling by a cooler and adiabatic expansion by the expansion turbine, thereby returning the cooled refrigerant air into the cooled part,
A heat-driven cooling unit that uses the waste heat of the refrigerant air that has been discharged from the compressor and that has become hot is provided, and this cooling unit cools a part of the refrigerant air that flows from the cooled part to enter the cooled part. It is characterized by being returned.
According to this configuration, a part of the refrigerant air that flows from the cooled part is operated by operating the heat-driven cooling unit by using the waste heat of the refrigerant air that has been heated from the compressor of the air cycle refrigeration cooling unit. Since the air is cooled and returned to the part to be cooled, the system efficiency can be improved as compared with the case where the air cycle refrigeration cooling unit is operated alone.
この発明において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、冷媒液の蒸気を吸着・脱離する吸着剤を充填した吸着・再生器と、前記吸着剤から脱離した蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を蒸発させて前記吸着・再生器に供給する蒸発器とを備える吸着式冷却ユニットであり、前記蒸発器では前記被冷却部から流入する冷媒空気を冷媒液により冷却し、前記吸着・再生器では前記コンプレッサを出た冷媒空気の廃熱で前記吸着剤を乾燥させて吸着剤から冷媒液の蒸気を脱離させるものとしても良い。 In the present invention, the heat-driven cooling unit includes an adsorption / regenerator filled with an adsorbent that adsorbs / desorbs vapor of the refrigerant liquid, a condenser that condenses the vapor desorbed from the adsorbent, And an evaporator for supplying the adsorbed / regenerator with the vaporized refrigerant liquid, wherein the evaporator cools the refrigerant air flowing from the cooled portion with the refrigerant liquid, and In the regenerator, the adsorbent may be dried with waste heat of the refrigerant air discharged from the compressor to desorb the vapor of the refrigerant liquid from the adsorbent.
この発明において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、蒸気吸収液を収容し冷媒液の蒸気を吸収する吸収器と、蒸気吸収液から冷媒液の蒸気を放出させる再生器と、前記蒸気吸収液から放出した冷媒液の蒸気を凝縮させる凝縮器と、凝縮した冷媒液を蒸発させて前記吸収器に供給する蒸発器とを備える吸収式冷却ユニットであり、前記蒸発器では前記被冷却部から流入する冷媒空気を冷媒液により冷却し、前記再生器では前記コンプレッサを出た冷媒空気の廃熱で前記蒸気吸収液から冷媒液の蒸気を放出させるものとしても良い。 In the present invention, the heat-driven cooling unit includes an absorber that stores the vapor absorbing liquid and absorbs the vapor of the refrigerant liquid, a regenerator that releases the vapor of the refrigerant liquid from the vapor absorbing liquid, and the vapor absorbing liquid. An absorption cooling unit comprising a condenser for condensing the vapor of the discharged refrigerant liquid and an evaporator for evaporating the condensed refrigerant liquid and supplying the condensed refrigerant liquid to the absorber, wherein the evaporator flows from the portion to be cooled. The refrigerant air may be cooled by the refrigerant liquid, and the regenerator may release the vapor of the refrigerant liquid from the vapor absorbing liquid by the waste heat of the refrigerant air that has exited the compressor.
この発明において、前記熱駆動式の冷却ユニットは、熱音響効果を用いた熱音響式冷却ユニットであっても良い。 In the present invention, the thermally driven cooling unit may be a thermoacoustic cooling unit using a thermoacoustic effect.
この発明において、前記被冷却部の設定温度が所定温度以下での運転では、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットのみを駆動し、所定温度以上での運転では、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットと前記熱駆動式の冷却ユニットを共に駆動するものとしても良い。上記所定温度は任意の値で良い。
被冷却部の設定温度が熱駆動式の冷却ユニットでの冷媒液の凝固温度以下では使用できない。そこで、被冷却部の設定温度が冷媒液の凝固点温度を下回る所定の温度以下の場合は、熱駆動式の冷却ユニットの運転を停止して、空気サイクル冷凍冷却ユニットのみでの運転を行うことになる。
In the present invention, in the operation where the set temperature of the cooled part is below a predetermined temperature, only the air cycle refrigeration cooling unit is driven, and in the operation above the predetermined temperature, the air cycle refrigeration cooling unit and the heat driven type are driven. These cooling units may be driven together. The predetermined temperature may be an arbitrary value.
It cannot be used when the set temperature of the part to be cooled is below the solidification temperature of the refrigerant liquid in the heat-driven cooling unit. Therefore, when the set temperature of the cooled part is equal to or lower than a predetermined temperature lower than the freezing point temperature of the refrigerant liquid, the operation of the heat-driven cooling unit is stopped and only the air cycle refrigeration cooling unit is operated. Become.
この発明において、前記被冷却部の設定温度が所定温度以上での運転では、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットを、前記熱駆動式の冷却ユニットに必要な熱量を発生できる時間だけ駆動するものとしても良い。上記所定温度は任意の値で良い。
空気サイクル冷凍冷却ユニットを高効率で運転するためには、コンプレッサ・タービンユニットを高効率点で回転させる必要があり、回転数は1点に決められる。このため、被冷却部の温度調整には、空気サイクル冷凍冷却ユニットを断続運転することで対応することになる。そこで、被冷却部の設定温度が所定温度以上での運転では、断続運転として、空気サイクル冷凍冷却ユニットを、熱駆動式の冷却ユニットに必要な熱量を発生できる時間だけ駆動するのが望ましい。
In the present invention, in the operation where the set temperature of the cooled part is equal to or higher than a predetermined temperature, the air cycle refrigeration cooling unit may be driven for a period of time that can generate the amount of heat necessary for the heat-driven cooling unit. . The predetermined temperature may be an arbitrary value.
In order to operate the air cycle refrigeration cooling unit with high efficiency, it is necessary to rotate the compressor / turbine unit at a high efficiency point, and the number of rotations is determined to be one point. For this reason, the temperature adjustment of the portion to be cooled is handled by intermittently operating the air cycle refrigeration cooling unit. Therefore, in an operation in which the set temperature of the cooled part is equal to or higher than a predetermined temperature, it is desirable to drive the air cycle refrigeration cooling unit for an amount of time during which heat necessary for the heat-driven cooling unit can be generated as an intermittent operation.
この発明において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサと膨張タービンとの間に熱電素子を介在させても良い。
熱電素子は、温度差によって起電力を発生するベーゼック効果を利用した素子である。コンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサと膨張タービンとの間には150℃程度の温度差があるので、その温度差を利用して熱電素子から起電力を取り出すことができる。
In the present invention, a thermoelectric element may be interposed between the compressor and the expansion turbine of the compressor / turbine unit in the air cycle refrigeration cooling unit.
A thermoelectric element is an element utilizing the Bezek effect that generates an electromotive force due to a temperature difference. Since there is a temperature difference of about 150 ° C. between the compressor and the expansion turbine of the compressor / turbine unit, the electromotive force can be taken out from the thermoelectric element using the temperature difference.
この発明において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットの外部で、そのコンプレッサと膨張タービンとを熱良導材で橋絡し、その熱良導材の途中部分に熱電素子を介在させても良い。上記熱良導材は、鋼材程度の熱伝導率を有する材質であれば良く、銅、アルミニウム等であっても良い。
この構成例の場合も、コンプレッサと膨張タービンの温度差を利用して起電力を取り出すことができる。
In the present invention, outside the compressor / turbine unit in the air cycle refrigeration / cooling unit, the compressor and the expansion turbine are bridged by a heat conducting material, and a thermoelectric element is interposed in the middle of the heat conducting material. Also good. The heat conducting material may be a material having a thermal conductivity similar to that of a steel material, and may be copper, aluminum, or the like.
Also in this configuration example, the electromotive force can be taken out using the temperature difference between the compressor and the expansion turbine.
この発明において、前記空気サイクル冷凍冷却ユニットにおけるコンプレッサ・タービンユニットのコンプレッサと、コンプレッサ・タービンユニットの外側の低温部材とを熱良導材で接続し、その熱良導材の途中部分に熱電素子を介在させても良い。この場合の低温部材は、例えばコンプレッサ・タービンユニットを覆うカバー等である。この構成の場合も、コンプレッサと低温部材との温度差を利用して起電力を取り出すことができる。 In the present invention, the compressor of the compressor / turbine unit in the air cycle refrigeration / cooling unit and the low temperature member outside the compressor / turbine unit are connected by a heat conducting material, and a thermoelectric element is provided in the middle of the heat conducting material. It may be interposed. The low temperature member in this case is, for example, a cover that covers the compressor / turbine unit. Also in this configuration, the electromotive force can be taken out using the temperature difference between the compressor and the low temperature member.
この発明において、前記被冷却部が冷凍コンテナであっても良い。 In this invention, the part to be cooled may be a refrigeration container.
この発明のハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットは、コンプレッサと膨張タービンの組み合わせからなるコンプレッサ・タービンユニットと熱交換器を備え、被冷却部から流入する冷媒空気に対して、前記コンプレッサによる圧縮、前記熱交換器による冷却、および前記膨張タービンによる断熱膨張を行ない、これにより冷却した冷媒空気を前記被冷却部内に戻すようにした空気サイクル冷凍冷却ユニットにおいて、前記コンプレッサを出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用する熱駆動式の冷却ユニットを設け、この冷却ユニットで前記被冷却部から流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部内に戻すようにしたため、システム効率の改善が可能となる。 The hybrid air cycle refrigeration cooling unit of the present invention includes a compressor / turbine unit comprising a combination of a compressor and an expansion turbine, and a heat exchanger, and compresses the refrigerant air flowing in from the cooled portion by the compressor and exchanges the heat. In an air cycle refrigeration cooling unit that performs cooling by a cooler and adiabatic expansion by the expansion turbine to return the cooled refrigerant air into the cooled part, waste of the refrigerant air that has been discharged from the compressor and has reached a high temperature Since a heat-driven cooling unit that uses heat is provided, and a part of the refrigerant air that flows from the cooled part is cooled by this cooling unit and returned to the cooled part, the system efficiency can be improved. .
この発明の一実施形態を図1ないし図7と共に説明する。図1は、この実施形態のハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットの系統図を示す。このハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニットは、コンプレッサ・タービンユニット5と2つの熱交換器2,3とで構成された空気サイクル冷凍冷却ユニット9と、熱駆動式の冷却ユニット10とを組み合わせてなり、被冷却部Rの空気を直接に冷媒として冷却する装置である。被冷却部Rは、例えば冷凍コンテナである。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 shows a system diagram of the hybrid air cycle refrigeration cooling unit of this embodiment. This hybrid air cycle refrigeration cooling unit is formed by combining an air cycle
空気サイクル冷凍冷却ユニット9は、被冷却部Rにそれぞれ開口した空気の庫内吸込み口Naから庫内噴出口Nbに至る冷媒経路1を有する。コンプレッサ・タービンユニット5は、コンプレッサ6と膨張タービン7の組み合わせからなる。前記冷媒経路1に、コンプレッサ・タービンユニット5のコンプレッサ6、放熱用熱交換器2、熱回収用熱交換器3、コンプレッサ・タービンユニット5の膨張タービン7が順に設けられている。
The air cycle refrigeration /
この空気サイクル冷凍冷却ユニット9において、被冷却空間Rの空気(−30℃,0.1MPa)は、その出口から冷媒経路1の庫内吸込み口Naに流入する。庫内吸込み口Naに流入した空気は、熱回収用熱交換器3により、冷媒経路1中の空気の冷却に使用され、昇温する(30℃,0.1MPa)。すなわち、熱回収用熱交換器3は、放熱用熱交換器2を出た空気が流入する高温流路1cと、被冷却部Rを出た低温空気が流入する低温流路1aとの間で熱交換を行なって、放熱用熱交換器2を出た空気を冷却する。
In the air cycle refrigeration /
熱回収用熱交換器3の低温流路1aを経た空気はコンプレッサ・タービンユニット5のコンプレッサ6により圧縮され、この圧縮により昇温した状態で(130℃,0.18MPa)、熱駆動式の冷却ユニットを通過して(50〜80℃)、放熱用熱交換器2により冷却される(40℃)。すなわち、放熱用熱交換器2は、例えば図示しないブロワにより供給される外気が流入する低温流路8と、1bとの間で熱交換を行なって、冷媒空気を冷却する。
The air that has passed through the low-
放熱用熱交換器2により冷却された空気は、上記したように熱回収用熱交換器3で冷却された後(−20℃,0.18MPa)、コンプレッサ・タービンユニット5の膨張タービン7により断熱膨張されることで冷却されて(−50℃,0.1MPa)、庫内噴出口Nbから被冷却部Rに戻される。なお、上記説明で示した温度および気圧の数値は、一応の目安となる一例である。
The air cooled by the heat
熱駆動式の冷却ユニット11は、空気サイクル冷凍冷却ユニット9における前記コンプレッサ6を出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用して、被冷却部Rから流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部Rに戻すものである。熱駆動式の冷却ユニット11は、被冷却部Rにそれぞれ開口した空気の庫内吸込み口N1aから庫内噴出口N1bに至る別の冷媒経路11を有する。
The heat-driven
図2には、前記熱駆動式の冷却ユニット10の一例の系統図を示す。この熱駆動式の冷却ユニット10は、吸着・再生器30、凝縮器31および蒸発器32を備える吸着式冷却ユニットである。吸着・再生器30は、冷媒液の蒸気を吸着・脱離する吸着剤を充填した容器であり、複数個のものが用意される。冷媒液として例えば水や塩水が用いられ、吸着剤として例えばゼオライトが用いられる。これらの各吸着・再生器30には、その吸着剤を冷却して冷媒液の蒸気を吸着させる冷却経路33が配管されると共に、吸着剤を乾燥させて冷媒液の蒸気を脱離させる乾燥経路34が配管される。冷却経路33は、冷媒として例えば図示しないブロワにより外気が供給される経路である。乾燥経路34は、前記コンプレッサ6の出口から100℃以上の高温となった冷媒空気が供給されて放熱用熱交換器入口に戻される経路である。これら両経路33,34は電磁弁からなる切換弁35を介して並列に接続されている。これにより、切換弁35の開閉切換えで、冷却経路33を冷媒が流れて吸着剤を冷却する状態と、コンプレッサ6を出た高温の冷媒空気が乾燥経路34を流れて吸着剤を乾燥させる状態とに切り換えられる。
FIG. 2 shows a system diagram of an example of the heat-driven
凝縮器31は、吸着・再生器30の吸着剤から脱離した冷媒液の蒸気を凝縮させる容器であり、途中に電磁弁からなる開閉弁36が介在する蒸気還流路37により各吸着・再生器30に接続されている。これにより、各吸着・再生器30において吸着剤から脱離した冷媒液の蒸気は、開閉弁36を開くことにより蒸気還流路37を経て凝縮器31に回収され、ここで凝縮されて冷媒液に戻される。
The
蒸発器32は、凝縮器31から取り込んだ冷媒液を蒸発させる容器であり、前記冷媒経路11が配管される。蒸発器32は、途中に電磁弁からなる開閉弁38が介在する蒸気供給路39により各吸着・再生器30に接続されている。図示しない真空ポンプにより真空引きして、蒸発器32と各吸着・再生器30の内部気圧を下げ冷媒液の蒸気圧以下とした状態で前記開閉弁38を開くと、蒸発器32における冷媒液の蒸気が蒸気供給路39を経て各吸着・再生器30に流入して吸着剤に吸着される。蒸発器32の冷媒液は、蒸発するときの潜熱によって温度が低下する。冷媒液が水の場合であれば0℃まで、塩水の場合であれば濃度に応じて−20℃程度まで冷却される。これにより、冷媒経路11を経て蒸気器32に供給される被冷却部Rからの冷媒空気は冷却されて被冷却部Rに戻される。
The
ただし、被冷却部Rの設定温度が前記熱駆動式の冷却ユニット10での冷媒液の凝固温度以下では使用できないので、被冷却部Rの設定温度が所定の温度以下の場合は、熱駆動式の冷却ユニット10の運転を停止して、空気サイクル冷凍冷却ユニット9のみでの運転を行うことになる。
However, since the set temperature of the cooled portion R cannot be used below the solidification temperature of the refrigerant liquid in the heat driven cooling
吸着・再生器30の吸着剤は、冷媒液を吸着しても、100℃程度の空気や水(ここではコンプレッサ6から出た冷媒空気)により乾燥させることで繰り返し使用することができる。そこで、前記切換弁35、開閉弁36,38の開閉を切り換えて、吸着・再生器30での工程を、吸着、乾燥、冷却の各工程に切り換えることにより、熱駆動式の冷却ユニット10において被冷却部Rの冷媒空気の空調領域での冷却を効率良く行うことができる。
Even if the adsorbent of the adsorber /
この場合の熱駆動式の冷却ユニット10での駆動電力は、電磁弁からなる前記切換弁35、開閉弁36,38の開閉の切り換えと、吸着工程の前段での真空引きだけとなる。
In this case, the driving power in the heat-driven
なお、空気サイクル冷凍冷却ユニット9を高効率で運転するためには、コンプレッサ・タービンユニット5を高効率点で回転させる必要があり、回転数は1点に決められる。このため、被冷却部Rの温度調整には、空気サイクル冷凍冷却ユニット9を断続運転することで対応することになる。そこで、この場合、被冷却部Rの設定温度が所定温度以上での運転では、空気サイクル冷凍冷却ユニット9を、熱駆動式の冷却ユニット10に必要な熱量を発生できる時間だけ駆動するものとしている。なお、上記所定温度は、種々の状況に応じて適宜定められる任意の温度で良い。
In order to operate the air cycle
図3には、前記熱駆動式の冷却ユニット10の他の例の系統図を示す。この熱駆動式の冷却ユニット10は、吸収器40、再生器41、凝縮器42および蒸発器43を備える吸収式冷却ユニットである。吸収器40は、冷媒液の蒸気を吸収する蒸気吸収液を収容した容器である。冷媒液として例えば水が用いられ、蒸気吸収液として例えば臭化リチウム(LiBr)の水溶液が用いられる。
FIG. 3 shows a system diagram of another example of the heat-driven
再生器41は、吸収器40から取り込んだ蒸気吸収液から冷媒液の蒸気を放出させる容器であり、蒸気吸収液を加熱して冷媒液の蒸気を放出させる蒸気放熱経路44が配管される。この蒸気放熱経路44は、前記コンプレッサ6の出口から100℃以上の高温となった冷媒空気が供給されて放熱用熱交換器入口に戻される経路である。
The
凝縮器42は、再生器41で蒸気吸収液から放出した冷媒液の蒸気を凝縮させる容器であり、蒸気還流路47により再生器41に接続されている。これにより、再生器41において蒸気吸収液から放出された冷媒液の蒸気は、蒸気還流路47を経て凝縮器42に回収され、ここで凝縮されて冷媒液に戻される。
The
蒸発器43は、凝縮器42から取り込んだ冷媒液を蒸発させる容器であり、前記冷媒経路11が配管される。蒸発器43は、蒸気供給路49により吸収器40に接続されている。図示しない真空ポンプによる真空引きで、蒸発器43と吸収器40の内部気圧を下げると、蒸発器43における冷媒液の蒸気が蒸気供給路49を経て吸収器40に流入して蒸気吸収液に吸収される。蒸発器43の冷媒液は、蒸発するときの潜熱によって温度が低下する。これにより、冷媒経路11を経て蒸気器43に供給される被冷却部Rからの冷媒空気は冷却されて被冷却部Rに戻される。
The
吸収器40の蒸気吸収液は、その吸収剤濃度が低下すると蒸気の吸収ができなくなる。そこで、ここでは、蒸気吸収液を前記吸収器40、再生器41、凝縮器42、蒸発器43の間で循環させながら、再生器41において、蒸気還流路47を経て供給されるコンプレッサ6を出た高温空気により蒸気吸収液を加熱し蒸気を放出させる。これにより、蒸気吸収液の吸収剤濃度を一定範囲内に保つことができ、被冷却部Rからの冷媒空気を連続して冷却できる。その他の構成は、吸着式冷却ユニットの場合と同様である。
The vapor absorbing liquid in the
図4には、前記熱駆動式の冷却ユニット10のさらに他の例の概略図を示す。この熱駆動式の冷却ユニット10は、熱と音波とのエネルギー変換現象である熱音響効果を用いた熱音響式冷却ユニットであり、薄板あるいは細管を束ねてなるスタック51をリング状の管体50の途中1箇所に介在させると共に、管体50の途中の他の1箇所に別のスタック52を介在させて構成される。この構成において、例えばスタック51の両端部51a,51b間に温度差を与えると、スタック51から音波が発生する。逆に、管体50の一端に音波を加えると、スタック51,52の両端部間に温度差が生じる。
FIG. 4 shows a schematic diagram of still another example of the heat-driven
ここでは、一方のスタック51の一端部51aに、コンプレッサ6を出て高温となった冷媒空気を供給する高温流路53を配管し、そのスタック51の他端部51bを冷却水などで一定温度に保っている。また、他方のスタック52の管体50を介して前記スタック一端部51aと対向する一端部52bを冷却水などで一定温度に保ち、そのスタック52の他端部52aに、被冷却部Rからの冷媒空気を循環供給する冷媒経路11を配管している。
Here, a high-
この熱駆動式の冷却ユニット10の場合、一方のスタック51において、高温流路53を経て供給されるコンプレッサ6からの高温の冷媒空気により加熱される一端部51aと、一定温度に保たれる他端部51bとの間に温度差が与えられる。これにより、管体50を経て、他方のスタック52の一定温度に保たれている一端部52bに音波が加えられ、その他端部52aに温度低下が生じる。この温度低下した他端部52aと冷媒経路11を流れる冷媒空気との間で熱交換が行なわれ、冷媒空気が冷却して被冷却部Rに戻される。
In the case of this heat-driven
図5は、前記空気サイクル冷凍冷却ユニット9におけるコンプレッサ・タービンユニット5の一例の断面図を示す。このコンプレッサ・タービンユニット5は圧縮膨張タービンシステムを構成するものであり、コンプレッサ6および膨張タービン7を有し、コンプレッサ6のコンプレッサ翼車6aおよび膨張タービン7のタービン翼車7aが共通の主軸13の両端にそれぞれ嵌合して取り付けられ、その主軸13がモータ一体型磁気軸受装置で支持されている。
FIG. 5 shows a cross-sectional view of an example of the compressor /
図5において、コンプレッサ6は、コンプレッサ翼車6aと隙間d1を介して対向するコンプレッサハウジング6bを有し、中心部の吸込口6cから軸方向に吸入した空気を、コンプレッサ翼車6aで圧縮し、外周部の出口(図示せず)から矢印6dで示すように排出する。
膨張タービン7は、タービン翼車7aと微小の隙間d2を介して対向するタービンハウジング7bを有し、外周部から矢印7cで示すように吸い込んだ空気を、タービン翼車7aで断熱膨張させ、中心部の排出口7dから軸方向に排出する。
In FIG. 5, the
The
このコンプレッサ・タービンユニット5におけるモータ一体型磁気軸受装置は、主軸13をラジアル方向に対し複数の軸受15,16で支持し、主軸13にかかるアキシアル負荷と軸受予圧のどちらか一方または両方を磁気軸受である電磁石17と永久磁石17Aとにより支持すると共に、主軸13を回転駆動するアキシアルギャップ型のモータ28を設けたものである。このコンプレッサ・タービンユニット5は、主軸13に作用するスラスト力を検出するセンサ18と、このセンサ18の出力に応じて前記電磁石17による支持力を制御する磁気軸受用コントローラ19と、電磁石17とは独立に前記モータ28を制御するモータ用コントローラ29とを有している。
The motor-integrated magnetic bearing device in the compressor /
磁気軸受の一部構成部品である電磁石17は、主軸13の軸方向中間部において軸方向に並ぶように主軸13に垂直かつ同軸に設けられた強磁性体からなるフランジ状の2つのスラスト板13a,13bのうち、コンプレッサ6寄りに位置するスラスト板13aのコンプレッサ6側に向く片面を磁石ターゲットとして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング14に設置されている。また、磁気軸受の他の構成部品である永久磁石17Aは、膨張タービン7寄りに位置するスラスト板13bの膨張タービン7側に向く片面を磁石ターゲットとして、この片面に非接触で対向するようにスピンドルハウジング14に設置されている。
The
モータ28は、前記電磁石17および永久磁石17Aと並んで主軸13に設けられたモータロータ28aと、このモータロータ28aに対し軸方向に対向するモータステータ28bとでなるモータユニットである。具体的には、モータユニットの一部品を構成するモータロータ28aは、主軸13における前記各スラスト板13a,13bの電磁石17および永久磁石17Aが対向する側とは反対側の各片面に、円周方向に等ピッチで並ぶ永久磁石28aaを配置することで左右一対のものが構成される。このように軸方向に対向配置される永久磁石28aaの間では、その磁極が互いに異極となるように設定される。
The
モータユニットの他の部品であるモータステータ28bは、前記左右一対のモータロータ28aに挟まれる軸方向中央の位置において、これら両モータロータ28aの各面に非接触で対向するようにコアの無い状態で配置した複数個のモータコイル28baと、これらモータコイル28baを内部に収容した絶縁材であるケース28bbとでなる。このケース28bbがスピンドルハウジング14に固定される。このモータ28は、前記モータロータ28aとモータステータ28b間に作用するローレンツ力により、主軸13を回転させる。
The
主軸13を支持する軸受15,16は転がり軸受であって、アキシアル方向位置の規制機能を有するものであり、例えば深溝玉軸受やアンギュラ玉軸受が用いられる。深溝玉軸受の場合、両方向のスラスト支持機能を有し、内外輪のアキシアル方向位置を中立位置に戻す作用を持つ。これら2個の転がり軸受15,16は、それぞれスピンドルハウジング14におけるコンプレッサ翼車6aおよびタービン翼車7aの近傍に配置されている。
The
主軸13は、中間部の大径部13cと、両端部の小径部13dとを有する段付き軸とされている。両側の軸受15,16は、その内輪15a,16aが小径部13dに圧入状態に嵌合し、片方の幅面が大径部13cと小径部13d間の段差面に係合する。スピンドルハウジング14における両側の軸受15,16よりも各翼車6a,7a側の部分には、主軸13との間の隙間を密封するシール21,22が設けられている。
The
前記センサ18は、タービン翼車7a側の軸受16の近傍における静止側、つまりスピンドルハウジング14側に設けられ、軸受16の外輪16bを支持する軸受ハウジングを兼ねる。このセンサ18は、アキシアル方向に移動自在にスピンドルハウジング14に嵌合している。また、センサ18には、センサ予圧ばね25によりアキシアル方向の予圧が印加されている。
The
センサ予圧ばね25による予圧は、押し付け力によってスラスト力を検出するセンサ18が、主軸13のアキシアル方向のいずれの向きの移動に対しても検出できるようにするためであり、コンプレッサ・タービンユニット5の通常の運転状態で主軸13に作用する平均的なスラスト力以上の大きさとされている。
The preload by the
センサ18の非配置側の軸受15は、スピンドルハウジング14に対してアキシアル方向に移動自在に設置され、かつ軸受予圧ばね26によって弾性支持されている。この例では軸受15の外輪15bが、軸受ハウジング27を介してスピンドルハウジング14の内径面にアキシアル方向移動自在に嵌合していて、軸受予圧ばね26は、軸受ハウジング27とスピンドルハウジング14との間に介在している。軸受予圧ばね26は、内輪15aの幅面が係合した主軸13の段面に対向して外輪15bを付勢するものとされ、軸受15に予圧を与えている。軸受予圧ばね26は、センサ予圧ばね25よりもばね定数が小さいものとされる。
The bearing 15 on the non-arrangement side of the
前記モータ28の冷却手段として、動力部であるモータ28の配置部を貫通するモータ冷却流路54が、スピンドルハウジング14に設けられている。このモータ冷却流路54は、図1の空気サイクル冷凍冷却ユニット9の冷媒流路1に一点鎖線で示すように介在させられる。具体的には、図1において、コンプレッサ6から放熱用熱交換器2を経た空気が前記モータ冷却流路54を流れることにより、モータ28のモータロータ28aが冷却される。
As a cooling means for the
前記スピンドルハウジング14におけるコンプレッサ6側(コンプレッサハウジング6b)と、膨張タービン7側(タービンハウジング7b)との間には、熱電素子55が介在させてある。熱電素子55は、温度差によって起電力を発生するベーゼック効果を利用した素子である。スピンドルハウジング14の高温側であるコンプレッサ6側と低温側である膨張タービン7側との間には150℃程度の温度差があるので、この温度差を利用して熱電素子55から起電力を取り出すことができる。
A
図6は、コンプレッサ・タービンユニット5の他の例の断面図を示す。このコンプレッサ・タービンユニット5は、図5の例において、スピンドルハウジング14の外部で、コンプレッサ6側と膨張タービン7側とを熱良導材56で橋絡し、その熱良導材56の途中部分に熱電素子55を介在させたものである。熱良導材56は、鋼材程度の熱伝導率を有する材質であれば良く、銅、アルミニウム、鋼材等であっても良い。その他の構成は図5の例の場合と同様である。この構成例の場合も、スピンドルハウジング14における温度差を利用して起電力を取り出すことができる。
FIG. 6 is a sectional view of another example of the compressor /
図7は、コンプレッサ・タービンユニット5のさらに他の例の断面図を示す。このコンプレッサ・タービンユニット5は、図5の例において、スピンドルハウジング14の高温側であるコンプレッサ6の出口部と、コンプレッサ・タービンユニット5の外側の低温部材57とを熱良導材56で接続し、その熱良導材56の途中部分に熱電素子55を介在させたものである。この場合の低温部材57は、例えばコンプレッサ・タービンユニット5を覆うカバー等である。その他の構成は図5の例の場合と同様である。この構成の場合も、コンプレッサ5と外部の低温部材57との温度差を利用して起電力を取り出すことができる。
FIG. 7 is a sectional view of still another example of the compressor /
1,11…冷媒経路
2…放熱用熱交換器
3…熱回収用熱交換器
5…コンプレッサ・タービンユニット
6…コンプレッサ
6b…コンプレッサハウジング
7…膨張タービン
7b…タービンハウジング
9…空気サイクル冷凍冷却ユニット
10…熱駆動式の冷却ユニット
14…スピンドルハウジング
30…吸着・再生器
31…凝縮器
32…蒸発器
40…吸収器
41…再生器
42…凝縮器
43…蒸発器
50…管体
51,52…スタック
51a,51b,52a,52b…スタック端部
55…熱電素子
56…熱良導材
57…低温部材
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記コンプレッサを出て高温となった冷媒空気の廃熱を利用する熱駆動式の冷却ユニットを設け、この冷却ユニットで前記被冷却部から流入する冷媒空気の一部を冷却して被冷却部内に戻すようにしたことを特徴とするハイブリッド空気サイクル冷凍冷却ユニット。 A compressor / turbine unit comprising a combination of a compressor and an expansion turbine and a heat exchanger are provided, and the refrigerant air flowing in from the cooled part is compressed by the compressor, cooled by the heat exchanger, and adiabatic expansion by the expansion turbine. In the air cycle refrigeration / cooling unit configured to return the refrigerant air cooled thereby into the cooled portion,
A heat-driven cooling unit that uses the waste heat of the refrigerant air that has been discharged from the compressor and that has become hot is provided, and this cooling unit cools a part of the refrigerant air that flows from the cooled part to enter the cooled part. A hybrid air cycle refrigeration cooling unit characterized by being returned.
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