JP2013091481A - Ｌｎｇの冷熱および海水を用いた船舶の空気調和システム - Google Patents

Abstract

【課題】相互に関連することなく任意に変化する系である、船舶の主機の負荷、或いは排ガス成分による燃料規制を受ける航行海域によって決まるＬＮＧの流量と、空調システムの必要冷熱量の系において、冷熱の供給と需要のそれぞれの変化が他方に影響されないＬＮＧの冷熱を利用した船舶の空調システムを提供する。
【解決手段】ＬＮＧの熱交換器１２に表面温度が冷媒やブラインの凝固点を下回らない構造と材料を持つ伝熱管を使用して、流体の凝固を防ぎ、ＬＮＧの持つ全冷熱の回収を可能とする。回収冷熱量が冷媒の凝縮には不足する場合には、一旦海水で凝縮後に、低温の回収冷熱を冷媒液の過冷却に用いることで有効に回収冷熱を利用し、ＬＮＧ冷熱が空調システムの必要冷熱量を上回る場合には、余剰分をブラインによって回収・蓄冷しておきＬＮＧが得られない場合の冷熱源として利用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＬＮＧの冷熱および海水を冷却源として用いた船舶の空気調和システムに関する。

図面を用いる。

船舶のＬＮＧ燃料系統では主機への燃料供給のために必要な常温のＬＮＧガスを得るために、ＬＮＧを水蒸気、海水、或いは空気によって気化と昇温を行っており、得られた冷熱は無駄に捨てられている。
（例えば、文献１）

従来のＬＮＧの冷熱を用いた空気調和システムは、直接にＬＮＧ冷熱による冷媒の冷却・凝縮を行う方式はなされていないために、装置構成並びに運転方法が複雑化し、また経済的にもコストアップとなる。
（例えば、特許文献２および特許文献３）

空調システムの必要冷熱量に対するＬＮＧから得られる冷熱量の過不足に応じて、ＬＮＧ冷熱の用途を冷媒の凝縮或いは冷媒液の過冷却切り替えることはなされていない。またＬＮＧ冷熱が冷媒の凝縮熱には不足する場合には、ＬＮＧ冷熱は利用されずに外部に捨てられており、空調システムへの寄与はなされていない。
（例えば、特許文献２）

ＬＮＧの冷熱利用時にはＬＮＧの超低温のために冷媒が凍結する恐れがあるために、凍結防止のための伝熱管構造、或いはＬＮＧの冷熱利用範囲の制限が必要であるが、本申請方法の様式はない。
（例えば、特許文献４および特許文献５）

ＬＮＧ流量および空調の負荷変動に関わりなく、昇温後の主機に入る前のガス温度は一定であることが必要であるが、ＬＮＧの冷熱が空調負荷に対して過大であるとき、冷媒の冷却とブラインの冷却とを同一の冷熱回収器によって行い、適切な冷媒冷却と蓄冷およびＬＮＧガス昇温を同時に行う機構は見られない。
（例えば、特許文献２および特許文献３）

ブラインによる空調システムの円滑な運転のためには、一定温度の冷却源の供給が望ましい。このためにはブラインの冷却後の温度を一定にして貯蔵する必要があるが、従来一定温度での蓄冷並びに貯蔵はなされていない。
（例えば、特許文献２および特許文献３）

ブラインによる空気冷却の場合、蓄冷材の過低温のために空気温度が過冷却されることを防止するために、蒸発器に供給される蓄冷材の温度調節が必要であるがなされていない。
（例えば、特許文献２および特許文献３）

ＬＮＧの冷熱によって凝縮された冷媒を空気冷却器に送る場合、凝縮温度が海水冷却による場合に比べてより低温であることを利用した凝縮圧力の極力低減、それに伴う圧縮機の小型化或いは小型ファンによる置き換え、およびポンプによる冷媒液の移送からなる省エネルギー化された冷媒の循環方式は考慮されていない。
（例えば、特許文献２および特許文献３）

ＬＮＧの冷熱によって凝縮された冷媒を空気冷却器に送る場合、上記［０００９］の代案として本申請の冷媒循環方式では、凝縮温度を蒸発温度よりもさらに低温にとり、冷媒の循環は圧縮機を使わずにポンプのみで行うが、本方式による更に省エネルギー化された冷媒の循環方式は考慮されていない。
（例えば、特許文献２および特許文献３）

上記［０００１０］の手段によるＬＮＧの冷熱によって凝縮された冷媒液をポンプによって循環する場合には、冷媒の過冷却度が過度になっており、そのまま蒸発気に送るには不具合である。従って蒸発器に入る前に冷媒液の昇温による過冷却度の調節が必要となるが、従来それは考慮されていない。
（例えば、特許文献２および特許文献３）

冷熱源としてのＬＮＧおよびブラインがない場合には海水による冷媒の冷却方式への切り替えが必要であるが、一装置内で両冷却源の組み合わせは見られない。
（例えば、文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４および特許文献５参照）
特開２００４−２１１９４９号公報 特開平６−３１３６８７号公報 特開平８−１５７８４０号公報 特開２００８−２０２６５２号公報

文献１

ＬＮＧ輸送技術の最新動向、湯浅和昭、石油・天然ガスレビュー、ＶＯＬ．４２ Ｎｏ．４、２００８年７月

船舶の主機燃料としてのＬＮＧを利用するＬＮＧ輸送船は船舶全体に対する割合が少ないために、ＬＮＧの冷熱を利用することの意義が薄かった。今般海事関連の国際機関によって、地球環境の保全並びに航海海域の大気汚染防止のために、広範囲な排ガス制限海域において、船種を問わない全ての船舶に対して燃料として低環境負荷のＬＮＧを燃料として使用することが義務付けられる。かかるＬＮＧ燃料船の急増といった海洋輸送環境の変化に対応してＬＮＧの冷熱利用と空調システムの省エネルギーを組み合わせた環境対応船舶の意義が大きくなる。

船舶の主機の負荷、或いは排ガス成分による燃料規制を受ける航行海域によって決まるＬＮＧの流量と、空調システムの必要冷熱量とは本来、相互に関連することなく任意に変化する系である。従って冷熱の供給と需要のそれぞれの変化が他方に影響されない系統の組み方が必要である。

ＬＮＧの流量が空調システムの冷熱負荷に対して過大な場合においても、空調システムによって回収された後の、更に余剰のＬＮＧの冷熱は外部に無駄に捨てることなく、別な形で回収し、有効に利用されることが望ましい。

空調システムに必要な冷熱負荷がＬＮＧから得られる冷熱よりも過大の場合においてもＬＮＧ冷熱を捨てることなく有効に空調システムに利用するシステムが必要である。

ＬＮＧの冷熱をブラインで蓄冷して、該ブラインで空冷を行う場合には、空調システムの円滑な制御のためには空気冷却器に送る低温ブラインの温度を一定に維持することが重要である。このためには冷却されるブライン温度を一定に制御すること、およびブライン貯蔵のために貯蔵タンクおよび受け入れタンクのそれぞれが独立したタンクの構成が要求される。

従来の海水冷却及び圧縮機による冷媒循環方式では凝縮温度が高いために凝縮圧力が高くなり、圧縮比の増大に伴って、圧縮機の動力は大きくならざるを得なかったが、これを改善する術がなかった。同時に冷媒循環は気体圧縮機に頼らざるを得ず、ガス圧縮には大きい駆動動力を必要としている。

ＬＮＧの温度よりも高い凝固点を持った冷媒やブラインを、冷熱回収媒体とする場合、冷熱回収の熱交換器においては、冷媒やブラインの凝固を回避するための特殊な構造、或いは温度管理が重要である。

同様に冷媒の凝固を回避するための他の手段として、ＬＮＧの冷熱量の大きさに着目して、回収冷熱をＬＮＧの潜熱と顕熱によって使い分けできる熱交換器構成も重要である。

航行海域や主機の状態によってＬＮＧの流れが停止状態の場合、或いは貯蔵した低温ブラインがなくなった状態にあるとき、空調システムの連続した稼動維持には、空調システムの冷却源として従来の海水システムを予め組み込んでおき、かつそれらの切り替えが簡単な弁操作で出来ることが重要である。

以上の課題を解決するために、請求項目１にかかわる発明では、主機へのＬＮＧの流量変動或いは空調システムの負荷変動に関わらず、ＬＮＧの冷熱を潜熱から常温気体の顕熱にいたるまで全て回収し、空調システムの冷媒の冷却及びブラインの冷却に利用して、かつ従来の海水冷却の場合に比べて僅少の動力で空調システムの冷媒循環を行う。ＬＮＧがない場合には蓄冷したブラインによって直接に空気の冷却を行う、更に蓄冷分もない場合には海水によって冷媒の凝縮を行う。以上によりＬＮＧ，ブラインおよび海水の熱特性を適切に組み合わせてＬＮＧの冷熱を無駄なく空調システムの冷却源として利用する。

請求項目２にかかわる発明では、ＬＮＧの回収冷熱が全冷媒を凝縮させるに不足する場合には、冷媒の凝縮は予め海水によって行い、その後ＬＮＧから回収した、冷媒液より低温の冷熱によって、冷媒液の温度を下げる、いわゆる過冷却を行う。この場合に過冷却の必要度に応じてＬＮＧの冷熱利用範囲を潜熱と顕熱の全冷熱にするか、或いは顕熱のみにするかを切り替えることが出来る管系統とする。これによって冷媒の凝縮熱には不足するＬＮＧからの回収冷熱を無駄なく利用して空調システムの冷却能力を上げることができる。

請求項目３にかかわる発明では、ＬＮＧの冷熱回収器に冷媒ラインと同時にブラインラインを設け、冷媒の冷却には余剰となるＬＮＧの冷熱をブラインの循環によって回収しタンク内に蓄冷する。ブラインは予め設定された一定温度に冷却されるように流量制御されて貯蔵タンクに蓄冷される。該蓄冷剤によって空調システムを運転する場合には、本タンクから一定温度のブラインが空冷器に供給され、もう一方のタンクに戻され、貯蔵される。一定温度のブラインが供給されることで空調システムの安定運転が可能となる。

請求項目４にかかわる発明では、ブラインによって直接に空冷を行う場合に、ブラインの過低温度による空気の過冷却あるいは水分凝固の不具合を防ぐために、空気冷却後に昇温したブラインの一部を入り口のブライン供給側に戻して混合し、一定温度に調節したブラインを供給する。これによって空気温度の最適化と空冷器の円滑な作動が可能となる。

請求項目５にかかわる発明では、▲１▼蒸発器を出た後の冷媒ガスを、蒸発圧力よりも僅かに高い圧力に昇圧し、さらに下層甲板に位置する主機室まで送る際の管内の流動、および冷熱回収器内の流動抵抗分、および若干の正圧の合計からなる極力小圧力を持たせた小型ファン或いは小型圧縮機で送り出し、ＬＮＧとの冷熱回収を行って、凝縮した冷媒液をポンプで上甲板に位置する空調機室まで持ち上げて、膨張弁を経由して蒸発器に送る。或いは、▲２▼蒸発器を出た後の冷媒ガスを、下層甲板の主機室まで送り、減圧弁で圧力を調整して冷熱回収器に送り、蒸発圧力よりも低い圧力で凝縮した冷媒液をポンプで上甲板の空調機室まで持ち上げて、ヒーターで過剰な過冷却分を昇温後に膨張弁を経由して蒸発器に送る。この▲１▼或いは▲２▼のいずれかの方法を装備することによって、▲１▼と▲２▼のそれぞれに適切な温度で冷熱の回収による冷媒凝縮が行われ、同時に冷媒循環動力を大幅に小さくすることが出来る。

請求項目６にかかわる発明では、ＬＮＧの冷熱回収器に設ける伝熱管をステンレス鋼等の２重構造とし、内部空間には窒素ガス或いはヘリウムガス等の不活性ガス或いはガラス繊維等の不燃材を充填し、管内外間の伝熱量を制限した構造とする。これによって伝熱管外表面の温度が一定以上に維持されるために、冷媒あるいはブラインの凝固を阻止することが可能となる。

請求項目７にかかわる発明では、ＬＮＧの冷熱回収器に設ける伝熱管をステンレス鋼等製とし、さらにその外表面を銅等の高い熱伝導率の外皮材料で覆う構造とする。これによって部分的に低温箇所が生じた場合、銅材料等の高熱伝導率の物性を利用して、周辺に急速に低温度を分散させ、温度の均しを生じしめるために、冷媒あるいはブラインの凝固を阻止することが可能となる。

請求項目１にかかわる発明では、ＬＮＧが有する極低温の冷熱を空調システムの冷媒の凝縮並びに過冷却に使うことによって、同時に余剰の冷熱をブラインに蓄冷することによって、通常大気や海水或いは水蒸気に捨てられるＬＮＧの気化と昇温のために消費していた熱エネルギーを有効に回収して、それを空調システムの冷却熱源として利用することで、空調システムの運転動力を大幅に削減することが可能である。同時にＬＮＧガス化に消費していた従来の熱媒のための熱エネルギーが不要となり、二重の省エネルギーが可能となる。ＬＮＧがない場合には蓄冷ブラインによる直接の空気冷却を行い、蓄冷ブラインもない場合には通常の海水による冷媒の凝縮並びに大型圧縮機駆動方式に切り替える。これらの運転変換が弁操作のみで容易に切り替えられ、連続した空調システムの運転が可能である。

請求項目２にかかわる発明では、ＬＮＧから回収した冷熱量が冷媒の凝縮を行うのに不足する場合には、冷媒の凝縮は先ず海水で行って、その後にＬＮＧの冷熱を冷媒液の過冷却に用いることによって、ＬＮＧ冷熱を余すことなく有効に活用して、空調システムの冷却能力を上げることが可能である。且つ過冷却の必要度に応じて、利用するＬＮＧの冷熱を潜熱と顕熱の全冷熱量とするか、顕熱のみにするかを調節することによって、柔軟な冷熱利用ができる。

請求項目３にかかわる発明では、ＬＮＧの冷熱量が空調システムに必要な冷熱量を上回る場合に、空調システムでは必要な冷熱量のみを回収し、残りのＬＮＧ冷熱量は別途設けた蓄冷用のブライン系統を通して一定温度で回収し、ＬＮＧ冷熱回収専用のブラインタンクに貯留する。ＬＮＧがないときには該タンクからの低温ブラインを直接に空気冷却の冷却源として循環し、回収されたブラインは専用のブライン回収タンクに貯留する。これにより一定温度の冷却源が得られ、空調システムの安定運転が図られる。

請求項目４にかかわる発明では、蓄冷したブラインを空冷器に送る場合にブラインの温度が過低温であると、空気温度の過低温、或いは水分凝固の不具合が生じる。そこで空気冷却器を通って昇温したブラインを一旦入り口側に戻し、過低温のブラインと昇温ブラインを混合調節することで空気冷却に適した温度のブライン供給が可能となる。

請求項目５のうち▲１▼にかかわる発明では、ＬＮＧ冷熱利用時においては冷媒の凝縮温度及び凝縮圧力を低くとることができる環境を活かし、先ず凝縮圧力を蒸発圧力よりも僅かに高いレベルにとり、これに冷媒循環の配管抵抗および凝縮器内の冷媒流動抵抗に若干の正圧を加えた極力小さい圧力で冷媒の凝縮、並びに冷媒循環を行う。これによっての冷媒蒸気の駆動が小型の圧縮機或いはファンによって可能となり大きな省エネルギー効果が生じる。

請求項目５のうち▲２▼にかかわる発明では、▲１▼の代案として、冷媒の凝縮温度を蒸発温度よりも低いレベルにとり、凝縮した冷媒液をポンプで循環する方式とする。この場合凝縮液はかなりの過冷却となるために、一旦ヒーターで昇温して、適当な液温度に調整しておく。これによって冷媒の循環が液ポンプのみで可能となり、駆動動力の大幅な低減が図られる。

請求項目６にかかわる発明では、ＬＮＧ冷熱回収に用いる熱交換器の伝熱管の表面温度を、常に冷媒或いはブラインの凝固点以上に維持することによって、冷媒或いはブラインが該管表面で凝固することが避けられ、冷媒或いはブラインの円滑な流れと、適切な伝熱機能が維持される。

請求項目７にかかわる発明では、ＬＮＧ冷熱回収に用いる熱交換器の伝熱管の表面温度が局部的に、冷媒或いはブラインの凝固点以下に低下しても、該管表面に設けられた高熱伝導率の材質によって、周囲の比較的高温の部分からの伝導熱流が発生し、温度の分散と、均一化の方向に作用する。その結果、部分的な低温が解消し、冷媒或いはブラインが該管表面で凝固することが避けられ、冷媒或いはブラインの円滑な流れと、適切な伝熱機能が維持される。

本発明は、ＬＮＧの冷熱を空調システムの有効な冷熱源として活用し、地球環境の改善に寄与する高効率で省エネルギーの空調システムの実現を目的とするものである。同時に自然冷媒の２酸化炭素（以下ＣＯ２と略称する）は一般の代替フロン系の冷媒に比べて、臨界温度が低いために海水での凝縮が不可能であり、また１０ＭＰａ程度の高圧力での圧縮を必要とし、その結果冷却能力を落とさざるを得なかったが、本発明によってＣＯ２を冷媒として用いることが容易となり、温暖化係数が小さい、且つオゾン層破壊のないＣＯ２冷媒の利用が促進されて、地球環境への貢献がなされる。

本発明によるエネルギーの節約、並びに冷却効果の増加、地球環境への寄与効果について述べる。ここでＣＯＰは冷却能力を冷媒循環装置の所要動力で除した値で、所要エネルギー当たりの冷却能力を表す。自然冷媒としてＣＯ２及び代替フロンＲ４０４Ａを対象とするが、他の冷媒においても同様の結果が得られる。
両冷媒共にＬＮＧの潜熱および顕熱を回収した場合には、冷却能力はおよそ１．７倍になり、同時に冷媒の循環動力の低減によってＣＯＰが１桁大きくなる。ＬＮＧの顕熱のみの回収の場合には冷却能力はおよそ１．７倍になり、ＣＯＰは２倍程度になる。このように本発明を実施することで、エネルギーの大幅な節約が可能となる。臨界温度が低いＣＯ２に関しては、本発明によって凝縮温度を低く取ることができて凝縮圧力も４ＭＰａ程度と半減以下となり、機器類の軽構造化が可能となり、コスト削減と同時に冷媒としての利用が容易となる。

以下、本発明の実施形態を、図１〜図９に基づいて説明する。冷媒としては、非フロン系の自然冷媒のＣＯ２および一般的な代替フロン系のＲ４０４Ａを対象例として述べる。その他の冷媒を用いた場合についても同様である。

図１は、従来のＬＮＧ燃料船での燃料系統と空調システムの冷媒系統を示し、両者は相互のかかわりなく独立した系統となっている。即ちＬＮＧの冷熱回収はなされていない。

図２は、本実施形態によるＬＮＧの潜熱及び顕熱の全冷熱、或いは顕熱を冷媒によって直接に回収し、該冷媒によって空調システムを作動させると同時に、余剰の冷熱をブラインによって回収蓄冷して、該蓄冷熱で空調システムを作動させる系統図である。同時に海水冷却の系統も示す。

図３は、本実施形態によるＬＮＧ冷熱回収時の冷媒の凝固を避けるために考案されたＬＮＧと冷媒、およびＬＮＧとブラインの熱交換器の伝熱管の構造を示す。

図４〜図９は、本実施形態による空調システム内における冷媒の流れに沿った圧力とエンタルピーの変化を示すｐ−ｈ線図であり、縦軸に圧力を、横軸にエンタルピーを示す。冷却能力の向上と、冷媒循環のための動力低減の状態を表す。

図１によって従来の空調システムの作動を説明する。
Ａは上甲板に設置される空調機室の海水冷却による冷媒系統を表す。
Ｂは下層甲板に設置される主機室でのＬＮＧ燃料系統を表す。
冷媒液は膨張弁６で絞り膨張されて、蒸発器７に入り、ここで空気を冷却して蒸気となり、圧縮機８で凝縮圧力まで圧縮されて、海水凝縮器９に入る。凝縮液は冷媒管１０を通って膨張弁６に戻る。この間冷媒の凝縮に必要な冷熱は海水から得られる。海水の温度は３２℃前後と高いために、凝縮温度は４０℃程度と高く、従って凝縮圧力も高くなる。このために圧縮機８には大きな圧縮比が要求されて圧縮機の所要動力は大きくなる。一方ＬＮＧ系統は供給管１から蒸発器２に流れ、ここで水蒸気によって加熱され気化されて、ＬＮＧ蒸気管３からＬＮＧヒーター４に入り、ここで水蒸気によって常温まで加熱されガス管５を通って主機に供給される。すなわちＬＮＧの気化及びガス昇温に必要な熱は全て高温水蒸気によって与えられる。

図２によって系統Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ及びＨの各々の機能を説明する。
系統ＣはＬＮＧ冷熱で冷媒の過冷却を行った場合、及び海水冷却の場合を示し、本系統は一般に上甲板上の空調機室に設置される。
系統ＤはＬＮＧ冷熱で冷媒の凝縮を行い、小型圧縮機またはファン及びポンプによる冷媒循環を示し、一般に上甲板上の空調機室に設置される。
系統ＥはＬＮＧ冷熱で冷媒の凝縮を行い、ポンプのみによる冷媒循環の場合を示し、一般に上甲板上の空調機室に設置される。
系統ＦはＬＮＧの冷熱回収系統を示し、一般に下層甲板の主機室に設置される。
系統ＧはＬＮＧの冷熱をブラインによる蓄冷を示し、一般に下層甲板の主機室に設置される。
系統ＨはＬＮＧの冷熱によって蓄冷したブラインによる空気冷却を示し、一般に上甲板の空調機室に設置される。
図中に記載する蒸発器２６Ｃ，２６Ｄ，２６Ｅおよび２６Ｈは全て同一の空気冷却器を表しており、作動条件である蒸発温度及び蒸発圧力は空調システムの仕様から決まるもので、全て同一である。２６Ｈのみはブライン液の温度変化のみで冷却を行う。実際の使用時にはその方式に従って、いずれかの管系統につながる。

図２によってまずＬＮＧの冷熱回収系統Ｆについて説明する。ＬＮＧは供給管１１からＬＮＧ蒸発器１２に入り、冷媒及びブラインの冷却熱によって気化する。その後、管１３を通ってヒータ１４に入り、ここで同じく冷媒及びブラインの冷却熱によって昇温し、ＬＮＧガス管１５から主機へと導かれる。この間にＬＮＧの冷熱は冷媒及びブラインを冷却することによって凝縮或いは過冷却の形で回収される。空調システムを使用しない場合にはＬＮＧは蒸気４８及び蒸気４７によって蒸発及び加熱される。

図２によってＬＮＧの冷熱を回収した後の冷媒を循環するポンプ２０について説明する。系統Ｃ，ＤおよびＥの３種類の冷媒循環に必要なポンプ要目のうち、冷媒流量はいずれのケースもほぼ等しく、同一ポンプを使用する。若干異なる吐出圧力は吐出圧力調節弁２１で調節を行う。或いは別々のポンプを設けることも可能である。

図２によって冷媒の過冷却を行う場合の系統Ｃについて説明する。一旦海水冷却器２８によって凝縮した冷媒液は弁２３Ｂを通り、過冷却の要求度に応じてＬＮＧ蒸発器１２およびヒーター１４或いはヒーター１４のみによって冷却されて過冷却液となる。顕熱のみ回収の場合には弁１８を閉じ、バイパス弁１９を開ける。過冷却冷媒は冷媒循環ポンプ２０及び吐出圧力調節弁２１、弁２３Ａおよび冷媒管２４を経て膨張弁２５に至る。蒸発器２６Ｃで所定の温度及び圧力で蒸発し、あと大型圧縮機２７を経て海水凝縮器に戻る。この間冷媒系統の弁３０、管３１或いは管３４は閉である。

図２によってＬＮＧの冷熱を回収して凝縮した冷媒を小動力の圧縮機あるいは小動力のファン及びポンプによって循環する場合の系統Ｄについて説明する。ＬＮＧ蒸発器１２およびヒーター１４によってＬＮＧの潜熱および顕熱を回収して、蒸発温度・同圧力よりも若干高い温度・圧力で凝縮した冷媒は冷媒循環ポンプ２０及び吐出圧力調節弁２１を経て冷媒管２２および冷媒管３１を通り膨張弁３２に至る。次に膨張弁３２において所定の蒸発圧力まで減圧膨張して蒸発器２６Ｄにて蒸発して空気冷却を行う。その後小形圧縮機或いはファンによって若干の正圧に昇圧して、冷媒管３８を通り、ＬＮＧの冷熱回収回路に戻る。この間、圧縮機或いはファンでの昇圧分は蒸発圧力よりも若干高い凝縮圧力に、冷熱回収回路での圧力損失分を加えただけでよいために非常に小さく、したがって所要動力も小さい。冷媒循環ポンプ２０の役割は下層甲板にある主機室から上甲板の空調機室までの垂直落差およびその間の管系統の抵抗分および膨張弁の作動圧力の合計圧力を持てばよいために所要動力は小さい。吐出圧力は吐出圧力調節弁２１によって制御される。

同じく図２によって凝縮した冷媒の循環方法の別案、すなわちポンプのみによって作動するシステムの系統Ｅを説明する。前記と同様にＬＮＧの潜熱および顕熱を回収して、蒸発温度・同圧力よりも低い温度・圧力で凝縮した冷媒は冷媒循環ポンプ２０及び吐出圧力調節弁２１を経て冷媒管２２および冷媒管３４を通り、さらに冷媒液をヒーター３５によって適正な過冷却温度まで昇温して、膨張弁３６に至る。次に膨張弁３６において所定の蒸発圧力まで減圧膨張して蒸発器２６Ｅにて蒸発して空気冷却を行う。次に蒸発器を出た冷媒ガスは凝縮圧力に見合うまで減圧弁３７によって減圧されてＬＮＧの冷熱回収回路に戻る。この間冷媒循環ポンプ２０の役割は下層甲板にある主機室から上甲板の空調機室までの垂直落差、その間の管系統の抵抗分、膨張弁の作動圧力、蒸発器及びＬＮＧ冷熱回収器の抵抗の合計圧力を持てばよいために所要動力は小さい。吐出圧力は吐出圧力調節弁２１によって制御される。

図２によってブラインによるＬＮＧ冷熱の蓄冷の系統Ｇについて説明する。ブラインタンクＢ、４０Ｂを出て、ブラインポンプＢ、４１Ｂによって循環されるブラインはヒーター１４およびＬＮＧ蒸発器１２によって冷熱を回収する。この間に出口点３９において一定温度になるようにブライン流量がブライン流量調節弁４６によって制御されてブラインタンクＡ、４０Ａに貯蔵される。

図２によって蓄冷したブラインによる空気冷却の場合の系統Ｈについて説明する。ブラインタンクＡ、４０Ａを出て、ブラインポンプＡ、４１Ａによって循環されるブラインはブライン管４２を経て蒸発器２６Ｈに供給されてブライン液の温度変化のみによって空気冷却を行う。ブライン温度が過低温の場合には管４３及びブライン循環弁４４によって昇温後の一部のブラインを蒸発器２６Ｈの上流側に戻し適正な温度に調節が行われる。あとブラインタンクＢ、４０Ｂに戻り貯蔵される。

図２によってＬＮＧおよび蓄冷したブラインが共になく、海水のみによって運転される場合について説明する。冷媒は海水凝縮器２８において海水によって凝縮されて冷媒管２９、冷媒弁３０、冷媒管２４および膨張弁２５を通って、蒸発器２６Ｃで所定の温度及び圧力で蒸発し、あと大型圧縮機２７を経て海水凝縮器２８に戻る。この間冷媒弁２３Ａおよび冷媒弁２３Ｂは閉である。

図３によって冷媒或いはブラインの凝固を避けるために設けたＬＮＧ冷熱回収の熱交換器の伝熱管構造を示す。冷媒或いはブライン４９とＬＮＧ５０が伝熱管の外側および内側を流れる。両流体は高熱伝導被覆材５１（例えば銅管）、低熱伝導率外管５２（例えばステンレス鋼）、低熱伝導率支持材５４（例えばステンレス鋼や非金属材料）および低熱伝導率内管５３（例えばステンレス鋼）によって隔離されている。両内管および外管の空間には不活性ガス５５（例えば窒素、或いはヘリウム）あるいは不燃断熱材５５（例えばガラス繊維）が充填される。本構造により、先ず低伝熱構造によって極低温のＬＮＧによる逆面にある管表面の温度低下が適度に阻止される。また、局部的な低温箇所は最外皮の高熱伝導被覆材５１の平面方向の熱伝導による温度分散が行なわれて低温箇所の解消がなされる。これらの材料や寸法の選択は伝熱計算によってなすことが出来る。

従来のＬＮＧ船での空調システムと主機燃料系との関係を表し、両者がそれぞれに独立していることを示す。 本実施形態によるＬＮＧの冷熱を冷媒或いはブラインによって直接に回収し、該冷媒或いはブラインによって空調システムを作動させる場合の系統図を示す。 本実施形態による冷媒やブラインの凝固を避けるためのＬＮＧ冷熱回収の熱交換器の伝熱管の構造を示す。 海水冷却のみによる通常方式における自然冷媒ＣＯ２の場合のＰ（圧力）−ｈ（エンタルピー）線図を示す。両矢印で示す冷却能力線が冷却効果を発揮する部分を表し、この長さに比例して冷却効果を発揮する。同じく両矢印で圧縮仕事量を示し、この長さに比例した圧縮動力が必要となる。以下全ての図に共通である。海水冷却の場合の冷媒循環は大型圧縮機によって行う。 本発明によるＣＯ２冷媒でＬＮＧ全冷熱を回収した場合を示す。凝縮温度低下によって冷却能力が大きく上昇し、同時に圧縮仕事量が減じてＣＯＰが大きく向上する。冷媒循環を小形圧縮機或いはファンで行う場合が上段側であり、ポンプで行う場合が下段側になる。 本発明によるＣＯ２冷媒でＬＮＧの冷熱によって一旦海水で凝縮した冷媒を過冷却する場合を示す。過冷却度の増加によって矢印で示した長さだけ冷却能力が上昇し、同時にＣＯＰが向上する。冷媒の凝縮が海水冷却であるために冷媒循環は大型圧縮機によって行う。 海水冷却のみによる通常方式における代替フロン冷媒Ｒ４０４Ａの場合を示す。海水冷却であるために冷媒循環は大型圧縮機によって行う。 本発明によるＲ４０４Ａ冷媒でＬＮＧ全冷熱を回収した場合を示す。凝縮温度低下によって冷却能力が大きく上昇し、同時にＣＯＰが大きく向上する。冷媒循環を小形圧縮機或いはファンで行う場合は上段側に、ポンプで行う場合を下段側になる。 本発明によるＲ４０４Ａ冷媒でＬＮＧの冷熱によって一旦海水で凝縮した冷媒を過冷却する場合を示す。過冷却度の増加によって矢印で示した長さだけ冷却能力が上昇し、同時にＣＯＰが向上する。冷媒の凝縮が海水冷却であるために冷媒循環は大型圧縮機によって行う。

１：ＬＮＧ供給管
２：ＬＮＧ蒸発器
３：ＬＮＧ蒸気管
４：ＬＮＧヒーター
５：ＬＮＧガス管
６：膨張弁
７：蒸発器
８：圧縮機
９：海水凝縮器
１０：冷媒管
Ａ：海水冷却冷媒系統、空調機室、上甲板設置
Ｂ：ＬＮＧ燃料系統、主機室、下層甲板設置
１１：ＬＮＧ管
１２：蒸発器
１３：ＬＮＧ蒸気管
１４：ヒーター
１５：ＬＮＧガス管
１６：冷媒管
１７：冷媒管
１８：冷媒弁
１９：バイパス弁
２０：冷媒循環ポンプ
２１：吐出圧力調節弁
２２：冷媒管
２３Ａ：冷媒弁
２３Ｂ：冷媒弁
２４：冷媒管
２５：膨張弁
２６Ｃ：蒸発器
２６Ｄ：蒸発器
２６Ｅ：蒸発器
２６Ｈ：蒸発器
２７：大型圧縮機
２８：海水凝縮器
２９：冷媒管
３０：冷媒弁
３１：冷媒管
３２：膨張弁
３３：小型圧縮機またはファン
３４：冷媒管
３５：ヒーター
３６：膨張弁
３７：減圧弁
３８：冷媒管
３９：ブライン管
４０Ａ：ブラインタンクＡ
４０Ｂ：ブラインタンクＢ
４１Ａ：ブラインポンプＡ
４１Ｂ：ブラインポンプＢ
４２：ブライン管
４３：ブライン管
４４：ブライン循環弁
４５：ブライン管
４６：ブライン流量調節弁
４７：蒸気管
４８：蒸気管
Ｃ：ＬＮＧ冷熱での冷媒過冷却及び海水冷却系統、空調機室、上甲板設置
Ｄ：ＬＮＧ冷熱での冷媒凝縮、小型圧縮機またはファン駆動系統、空調機室、上甲板設置
Ｅ：ＬＮＧ冷熱での冷媒凝縮、ポンプ駆動系統、空調機室、上甲板設置
Ｆ：ＬＮＧ冷熱の回収系統、主機室、下層甲板設置
Ｇ：ブライン蓄冷系統、主機室、下層甲板設置
Ｈ：蓄冷ブラインによる空冷系統、空調機室、上甲板設置
４９：冷媒或いはブライン
５０：ＬＮＧ
５１：高熱伝導被覆材
５２：低熱伝導金属外管
５３：低熱伝導金属内管
５４：低熱伝導支持材
５５：不活性ガス或いは不燃断熱材

Claims (7)

1. 船体の推進エンジン（以下主機と称する）の燃料となる液化天然ガス（以下ＬＮＧと称する）の冷熱を利用して、蒸気加熱のＬＮＧ熱交換器内の管系を通して直接に冷媒ガスの凝縮と冷媒液の過冷却を行い、同時に余剰冷熱によって蓄冷のために蓄冷剤（以下ブラインと称する）の冷却を行い、さらにＬＮＧの冷熱が得られない場合には蓄冷したブラインによる直接の空気冷却を行い、或いは海水による冷媒の冷却を行う機能を持ち、これらの機能の選択と操作を管系の弁操作のみによって切り替えることによって、ＬＮＧ、ブライン及び海水のそれぞれの熱物性を最適に組み合わせた冷熱回収と少ない消費動力によって運転される船舶用の空気調和システム（以下空調システムと称する）。
2. 空調システムの熱負荷とＬＮＧの流量の比率に応じて、ＬＮＧの冷熱の利用用途を、冷媒ガスの凝縮にするか、或いは一旦海水で液化した冷媒液の過冷却にするかを切り替えることが出来て、過冷却の場合には過冷却の必要度に応じて、ＬＮＧの冷熱利用をＬＮＧの潜熱および顕熱の全有効冷熱量とするか、顕熱のみにするかを切り替えることが出来る請求項１記載の空調システム
3. 空調システムにＬＮＧの冷熱を利用するのと並行して、同一の冷熱回収器で余剰のＬＮＧ冷熱でブラインを一定の設定温度に冷却して、貯蔵タンクに蓄えておき、ＬＮＧが得られない場合には該ブラインを該貯蔵タンクから空気冷却器に供給して、直接に空気冷却を行い、回収したブラインを別の受け入れタンクに貯蔵する請求項１記載の空調システム
4. ブラインによる直接空冷の場合に、ブラインの過低温度による空気の過冷却と空気中の水分凝縮を防ぐために、空気冷却後に昇温したブラインを入り口の供給ブラインと混合して一定温度に調節して供給する請求項１記載の空調システム
5. ＬＮＧの冷熱によって冷媒を液化する場合に冷媒の循環方式として、▲１▼空気冷却の蒸発器からの冷媒の気化ガスを小駆動力のファン或いは圧縮機によって昇圧してＬＮＧの冷熱回収器に送り、該回収器によって液化し、該液化冷媒を小型ポンプによって圧力と流量を調節の上、膨張弁に送り、減圧膨張して蒸発器に送るシステム、或いは、▲２▼蒸発器からの冷媒の気化ガスを減圧弁によって減圧してＬＮＧの冷熱回収器に送り、該回収器によって、より低温度で液化し、該液化冷媒を小型のポンプによって昇圧し圧力と流量を調節の上、さらにヒーターによって過剰な冷却分を昇温して、膨張弁を介して蒸発器に送るシステム、これらシステム▲１▼または▲２▼のいずれかを設置した請求項１記載の空調システム
6. ＬＮＧと冷媒或いはブラインとの熱交換器の管表面温度が、ＬＮＧの超低温度によって冷媒或いはブラインの凝固温度以下に低下しない伝熱構造を持つＬＮＧの熱回収器を有する請求項１記載の空調システム
7. ＬＮＧと冷媒或いはブラインの熱交換器の管表面温度が局部的に冷媒或いはブラインの凝固温度以下に低下した場合にそれを回復させる伝熱機構を持ったＬＮＧの熱回収器を有する請求項１記載の空調システム