JP2017155731A - 排熱回収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機の排熱が利用できる排熱回収装置を提供する。
【解決手段】排熱回収装置２は、空気流路４と、ランキンサイクル流路６と、冷凍サイクル流路８とを備え、流路４は、第１圧縮機１０と、圧縮機１０の下流の圧縮空気から熱回収する第１熱交換器１２と、熱交換器１２の下流の圧縮空気から熱回収する第２熱交換器１４とが設けられ、流路６は、循環流路であって、圧縮空気の熱により冷媒を蒸発させる熱交換器１２と、蒸発した冷媒により駆動される膨張機１６と、第１凝縮器１８と、ポンプ２０とを設け、流路８は、流路６内の冷媒と同種の冷媒が流動する循環流路であって、圧縮空気の熱により冷媒を蒸発させる熱交換器１４と、膨張機１６の回転駆動力で回転駆動され、熱交換器１４で蒸発した冷媒を圧縮する第２圧縮機２２と、圧縮機２２から吐出された冷媒を凝縮させる第２凝縮器２６と、凝縮器２６で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁２８とが設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、排熱回収装置に関する。

圧縮機から吐出される圧縮空気は、例えば１５０℃もの高温に達するため、冷却して利用する必要がある。さらに言えば、この排熱を回収して利用することが好ましい。冷却および排熱回収のためには、特許文献１に記載の排熱回収装置のように、冷凍サイクルおよびランキンサイクル等が利用可能である。冷凍サイクル中には圧縮機を設ける必要がある。圧縮機は、消費電力が大きな機械の１つであるため、圧縮機の消費電力を低減することが求められる。

特開２０１３−６４３５０号公報

特許文献１の排熱回収装置では、冷凍サイクル中の圧縮機を駆動するための動力を外部電力に依存しており、省エネに関する特段の考慮がなされていない。

本発明は、圧縮機の排熱を有効に利用でき、省エネ化された排熱回収装置を提供することを課題とする。

本発明の第１の態様の排熱回収装置は、
入口から出口までの流路であって、空気を前記入口から吸気して圧縮して前記出口へ吐出する第１圧縮機と、前記第１圧縮機の下流の圧縮空気から熱回収する第１熱交換器と、前記第１熱交換器の下流の圧縮空気から熱回収する第２熱交換器とが設けられている空気流路と、
循環流路であって、前記圧縮空気との熱交換により冷媒を蒸発させる前記第１熱交換器と、前記第１熱交換器で蒸発した冷媒により駆動される膨張機と、前記膨張機から排気された冷媒を凝縮させる第１凝縮器と、前記第１凝縮器で凝縮した冷媒を前記第１熱交換器に供給するポンプとが設けられているランキンサイクル流路と、
前記ランキンサイクル流路内を流動する冷媒と同種の冷媒が流動する循環流路であって、前記圧縮空気との熱交換により冷媒を蒸発させる前記第２熱交換器と、前記膨張機で得られた回転駆動力で回転駆動され、前記第２熱交換器で蒸発した冷媒を圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる第２凝縮器と、前記第２凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁とが設けられている冷凍サイクル流路とを備える。

この構成によれば、空気流路の圧縮機の排熱をランキンサイクル流路の第１熱交換器および冷凍サイクル流路の第２熱交換器で有効に利用できる。さらに、ランキンサイクル流路の膨張機で発生した回転駆動力を冷凍サイクル流路の第２圧縮機の回転駆動力として使用し、第２圧縮機の駆動電力を低減し省エネ化できる。この際、膨張機で発生した回転駆動力を電気等に変換せず、第２圧縮機を直接回転駆動するため、電気変換等に伴うエネルギーロスもない。また、ランキンサイクル流路の膨張機から冷凍サイクル流路の圧縮機に回転駆動力を伝達できるようにしたことから、機械的な接続を伴う場合のように両流路の冷媒が一部混合することも考えられる。しかし、本発明では両流路において同種の冷媒を使用しているため、ランキンサイクル流路の膨張機と冷凍サイクル流路の第２圧縮機との間の冷媒の混合を防止する必要がない。従って、膨張機と第２圧縮機との間のシールが不要である。

前記第２圧縮機と前記膨張機とは、共通のケーシングの中にそれぞれの回転要素および回転軸が収容されていることが好ましい。

膨張機と第２圧縮機とをケーシング内で流体的に接続しているので、膨張機と第２圧縮機との間にシール装置を設ける必要がなく、ケーシングを別個に設ける必要もないため、簡素で信頼性が高い排熱回収装置を提供できる。

前記第１凝縮器及び前記第２凝縮器は、兼用であることが好ましい。

第１凝縮器及び第２凝縮器を兼用として１つの凝縮器とすることで、構成を簡易化して小型化でき、さらにコストを低減できる。

前記第２圧縮機は電動機をさらに備え、前記電動機により駆動補助されることが好ましい。

第２圧縮機が電動機を備えることで、膨張機からの回転駆動力に対して電動機による駆動力を補助動力として利用できるため、第２圧縮機を広い圧力範囲で活用できる。

本発明の第２の態様の排熱回収方法は、空気圧縮過程において、第１圧縮機により空気を圧縮し、第１熱交換器によって前記第１圧縮機の下流の圧縮空気から熱回収し、第２熱交換器によって前記第１熱交換器の下流の圧縮空気から熱回収し、
ランキンサイクル過程において、前記圧縮空気と熱交換する前記第１熱交換器を蒸発器として使用し、前記第１熱交換器で蒸発した冷媒で膨張機を駆動し、
前記ランキンサイクル過程と同種の冷媒を使用する冷凍サイクル過程において、前記圧縮空気と熱交換する前記第２熱交換器を蒸発器として使用し、前記膨張機で得られた回転駆動力で回転駆動される第２圧縮機によって前記第２熱交換器で蒸発した冷媒を圧縮することを含む。

本発明の排熱回収装置によれば、空気流路の圧縮機の排熱をランキンサイクル流路の第１熱交換器および冷凍サイクル流路の第２熱交換器で有効に利用できる。さらに、ランキンサイクル流路の膨張機で発生した回転駆動力を冷凍サイクル流路の第２圧縮機の回転駆動力として使用し、第２圧縮機の駆動電力を低減し省エネ化できる。この際、膨張機で発生した回転駆動力を電気等に変換せず、第２圧縮機を直接回転駆動するため、電気変換等に伴うエネルギーロスもない。また、ランキンサイクル流路および冷凍サイクル流路において同種の冷媒を使用しているため、ランキンサイクル流路の膨張機と冷凍サイクル流路の第２圧縮機との間の冷媒の混合を防止する必要がない。従って、膨張機と第２圧縮機との間のシールが不要である。

本発明の第１実施形態における排熱回収装置の概略構成図。 本発明の第２実施形態における排熱回収装置の概略構成図。 本発明の第３実施形態における排熱回収装置の概略構成図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１を参照して、本実施形態の排熱回収装置２は３つの流路を備え、第１圧縮機１０の排熱を有効に利用している。３つの流路とは、空気流路４と、ランキンサイクル流路６と、冷凍サイクル流路８とを表す。

第１に、空気流路４について説明する。空気流路４は、入口４ａから出口４ｂまでの流路であって、空気を入口４ａから吸気して圧縮して出口４ｂへ吐出する第１圧縮機１０と、第１圧縮機１０の下流の圧縮空気から熱回収する第１熱交換器１２と、第１熱交換器１２の下流の圧縮空気から熱回収する第２熱交換器１４とが設けられている。

第１圧縮機１０は、図示しない機械的に接続されたモータで駆動される。第１圧縮機１０が駆動されると、入口４ａから空気配管５ａを通じて吸気口１０ａより空気を吸気し、圧縮して吐出口１０ｂより吐出する。吐出口１０ｂより吐出された圧縮空気は、空気配管５ｂ，５ｃを通じて第１熱交換器１２および第２熱交換器１４を通過した後、空気配管５ｄを介して出口４ｂより吐出される。第１圧縮機１０は、本実施形態ではスクリュ式であるが、ターボ式、スクロール式、及びレシプロ式等であってもよい。

第１熱交換器１２は、第１圧縮機１０から下流へ延びる空気配管５ｂ内の圧縮空気と、後述するランキンサイクル流路６中の冷媒（作動流体とも言う）とで熱交換し、第１圧縮機１０で発生した圧縮熱を冷媒に回収している。即ち、第１熱交換器１２では、圧縮空気の温度は低下し、冷媒の温度は上昇する。

第２熱交換器１４は、第１熱交換器１２から下流へ延びる空気配管５ｃ内の圧縮空気と、後述する冷凍サイクル流路８中の冷媒とで熱交換し、第１熱交換器１２で回収しきれなかった圧縮熱を冷媒に回収している。即ち、第２熱交換器１４では、圧縮空気の温度は低下し、冷媒の温度は上昇する。

このように、空気流路４では、第１圧縮機１０の排熱を第１熱交換器１２および第２熱交換器１４の２段階で回収している。空気流路４における空気の温度を確認すると、例えば、第１圧縮機１０の圧縮前の図のＡ点の温度は、大気温度の２０℃程度であり、第１圧縮機１０での圧縮により図のＢ点では１５０℃程度まで温度が上昇する。次いで、第１熱交換器１２での熱回収により図のＣ点では４０℃程度まで温度が低下し、第２熱交換器１４での熱回収により図のＤ点では１０℃程度まで温度が低下する。

第２に、ランキンサイクル流路６について説明する。ランキンサイクル流路６は、循環流路であって、前記圧縮空気との熱交換により冷媒を蒸発させる第１熱交換器１２と、前記第１熱交換器１２で蒸発した冷媒により駆動される膨張機１６と、膨張機１６から排気された冷媒を凝縮させる第１凝縮器１８と、第１凝縮器１８で凝縮した冷媒を第１熱交換器１２に供給するポンプ２０とが設けられている。ランキンサイクル流路６を流れる冷媒は、例えばＲ２４５ｆａ等が使用される。

第１熱交換器１２は、ランキンサイクル中で蒸発器として機能する。即ち、ランキンサイクル流路６中の冷媒は、第１熱交換器１２では加熱されて蒸発する。蒸発した冷媒は、冷媒配管７ａを通じて膨張機１６の給気口１６ａに供給される。

膨張機１６は、後述の冷凍サイクル流路８中の第２圧縮機２２と一体的に形成されている。膨張機１６および第２圧縮機２２は共にスクリュ式であり、共通のケーシング２４内に雌雄一対のロータ（回転要素）１６ｃ，１６ｄおよび２２ｃ，２２ｄがそれぞれ噛合した状態で収容されている。膨張機１６の雄ロータ１６ｃおよび第２圧縮機２２の雄ロータ２２ｃは、同一軸上でこれらを回転可能に支持する回転軸１６ｅ，２２ｅがカップリング１７を介して機械的に接続されている。即ち、第２圧縮機２２と膨張機１６とは、共通のケーシング２４の中に、雌雄一対のロータ（回転要素）１６ｃ，１６ｄおよび２２ｃ，２２ｄと回転軸１６ｅ，２２ｅとが収容されている。そのため、膨張機１６で冷媒を膨張させる際に得られた回転駆動力で第２圧縮機２２を回転駆動できる。膨張機１６で膨張された冷媒は、排気口１６ｂより排気される。排気された冷媒は、冷媒配管７ｂを通じて第１凝縮器１８に供給される。

このように、膨張機１６と第２圧縮機２２とをケーシング２４内で流体的に接続しているので、膨張機１６と第２圧縮機２２との間にシール装置を設ける必要がなく、ケーシング２４を別個に設ける必要もないため、簡素で信頼性が高い排熱回収装置を提供できる。

第１凝縮器１８は、膨張機１６で膨張された冷媒を凝縮させる。第１凝縮器１８は、例えば冷却水を利用した熱交換器等であってもよく、その態様は特に限定されない。第１凝縮器１８で凝縮された冷媒は、第１凝縮器１８から第１熱交換器１２へと延びる冷媒配管７ｃに介設されたポンプ２０により第１熱交換器１２に供給される。このようにしてランキンサイクル流路６中で冷媒は循環している。

第３に、冷凍サイクル流路８について説明する。冷凍サイクル流路８は、ランキンサイクル流路６内を流動する冷媒と同種の冷媒（例えばランキンサイクル流路６内を流動する冷媒と同じＲ２４５ｆａ）が流動する循環流路であって、前記圧縮空気との熱交換により冷媒を蒸発させる第２熱交換器１４と、膨張機１６で得られた回転駆動力で回転駆動され、第２熱交換器１４で蒸発した冷媒を圧縮する第２圧縮機２２と、第２圧縮機２２から吐出された冷媒を凝縮させる第２凝縮器２６と、第２凝縮器２６で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁２８とが設けられている。

第２熱交換器１４は、冷凍サイクル中で蒸発器として機能する。即ち、冷凍サイクル流路８中の冷媒は、第２熱交換器１４では加熱されて蒸発する。蒸発した冷媒は、冷媒配管９ａを通じて第２圧縮機２２の吸気口２２ａに供給される。

第２圧縮機２２は、上述のようにランキンサイクル流路６中の膨張機１６と一体的に形成されている。膨張機１６で冷媒を膨張させる際に得られた回転駆動力が回転軸１６ｅ，２２ｅおよびカップリング１７を介して伝達されることで、第２圧縮機２２は駆動される。第２圧縮機２２で圧縮された冷媒は、吐出口２２ｂより吐出される。吐出された冷媒は、冷媒配管９ｂを通じて第２凝縮器２６に供給される。

第２凝縮器２６は、第２圧縮機２２で圧縮された冷媒を凝縮させる。第２凝縮器２６は、第１凝縮器１８と同様に例えば冷却水を利用した熱交換器等であってもよく、その態様は特に限定されない。第２凝縮器２６で凝縮された冷媒は、冷媒配管９ｃを通じて膨張弁２８に供給される。

膨張弁２８は、冷媒配管９ｃの開度を調整することで、第２凝縮器２６で凝縮された冷媒を膨張させる。膨張弁２８は、第２熱交換器１４の出口温度を測定する温度センサ２９からの測定信号を受け（破線参照）、図示しない制御装置等により冷媒を所望の温度に維持するように自動的に開度調整される。膨張弁２８で膨張された冷媒は、冷媒配管９ｃを通じて第２熱交換器１４に供給される。このようにして冷凍サイクル流路８中で、冷媒は循環している。

この構成によれば、空気流路４の第１圧縮機１０の排熱をランキンサイクル流路６の第１熱交換器１２および冷凍サイクル流路８の第２熱交換器１４で有効に利用できる。さらに、ランキンサイクル流路６の膨張機１６で発生した回転駆動力を冷凍サイクル流路８の第２圧縮機２２の回転駆動力として使用し、第２圧縮機２２の駆動電力を低減し省エネ化できる。この際、膨張機１６で発生した回転駆動力を電気等に変換せず、第２圧縮機２２を直接回転駆動するため、電気変換等に伴うエネルギーロスもない。また、ランキンサイクル流路６および冷凍サイクル流路８において同種の冷媒を使用しているため、ランキンサイクル流路６の膨張機１６と冷凍サイクル流路８の第２圧縮機２２との間の冷媒の混合を防止する必要がない。従って、膨張機１６と第２圧縮機２２との間のシールが不要である。

（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の排熱回収装置２の概略構成図である。本実施形態の排熱回収装置２は、第１実施形態における第１凝縮器１８（図１参照）および第２凝縮器２６（図１参照）を兼用の構成としていることに関する以外は図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。

本実施形態の排熱回収装置２は、図１の第１実施形態における第１凝縮器１８および第２凝縮器２６を兼用とした第３凝縮器３０が１つのみ設けられている。本実施形態では、ランキンサイクル流路６と冷凍サイクル流路８は、一部を共有している。具体的には、ランキンサイクル流路６の膨張機１６で膨張された冷媒と冷凍サイクル流路８の第２圧縮機２２で圧縮された冷媒は、ケーシング２４内の合流空間２４ａで混合され、混合出口２４ｂから取り出される。混合出口２４ｂから取り出された冷媒は、ランキンサイクル流路６と冷凍サイクル流路８で共有する冷媒配管７ｄ（９ｄ）を通じて第３凝縮器３０に供給される。

第３凝縮器３０は、膨張機１６で膨張された冷媒および第２圧縮機２２で圧縮された冷媒を凝縮させる。第３凝縮器３０は、第１実施形態の第１凝縮器１８および第２凝縮器２６と構成上の差異はなく、同様のものを使用できる。第３凝縮器３０で凝縮された冷媒は、冷媒配管７ｄ（９ｄ）を通じて分岐点３２に供給され、分岐点３２でランキンサイクル流路６の冷媒配管７ｃまたは冷凍サイクル流路８の冷媒配管９ｃに分岐する。

このように、図１の第１実施形態における第１凝縮器１８及び第２凝縮器２６を本実施形態では兼用として１つの第３凝縮器３０とすることで、構成を簡易化して小型化でき、さらにコストを低減できる。

（第３実施形態）
図３は、第３実施形態の排熱回収装置２の概略構成図である。本実施形態の排熱回収装置２は、第２圧縮機２２がモータ（電動機）３４を備えることに関する以外の構成は図１の第１実施形態と実質的に同様である。従って、図１に示した構成と同様の部分については説明を省略する。

本実施形態の排熱回収装置２では、モータ３４は、回転子３４ａが第２圧縮機２２の回転軸２２ｅに対して一体に設けられ、カップリング１７により同軸に膨張機１６の回転軸１６ｅも機械的に接続されている。また、固定子３４ｂが回転子３４ａの周囲でケーシング２４に固定されている。従って、第２圧縮機２２は、モータ３４によって駆動され、膨張機１６によって駆動が補助される。なお、本実施形態では、モータ３４は、第２圧縮機２２の回転軸２２ｅに対して一体に設けられているが、カップリング１７機構を有するため、膨張機１６の回転軸１６ｅ側に設けられていてもよい。

このように、第２圧縮機２２がモータ３４を備えることで、モータ３４による駆動に対して膨張機１６からの回転駆動力を補助動力として利用できるため、第２圧縮機２２を広い圧力範囲で活用できる。

なお、上記形態では膨張機１６の回転軸１６ｅと第２圧縮機２２の回転軸２２ｅをカップリング１７で接続する例で説明したが、カップリング１７を介することなく連続した一本の回転軸であってもよい。また、膨張弁２８は、第２熱交換器１４の出口温度を測定する温度センサ２９からの測定信号を受け、制御装置等により冷媒を所望の温度に維持するように自動的に開度調整されるものを例示したがこれに限らない。膨張弁２８は、第２熱交換器１４の出口温度を測定する温度センサ２９からの測定信号を受け、制御装置等により冷媒を所望の温度に維持するように自動的に強制空冷されるキャピラリチューブであってもよい。また、上記第２実施形態では、ケーシング２４内に合流空間を設ける例で説明したが、ケーシング２４内では合流させずケーシング２４外で合流させる構成としてもよい。なお、本発明の排熱回収装置２は、第１圧縮機１０の吐出側の空気流路５ｂに設けられる第１熱交換器１２および第２熱交換器１４が、空気圧縮機のアフタークーラおよび冷凍式エアドライヤの熱交換器として好適に利用できる。

以上より、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、個々の実施形態の内容を適宜組み合わせたものを、この発明の一実施形態としてもよい。

２ 排熱回収装置
４ 空気流路
４ａ 入口
４ｂ 出口
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ 空気配管
６ ランキンサイクル流路
７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ 冷媒配管
８ 冷凍サイクル流路
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ 冷媒配管
１０ 第１圧縮機
１０ａ 吸気口
１０ｂ 吐出口
１２ 第１熱交換器
１４ 第２熱交換器
１６ 膨張機
１６ａ 給気口
１６ｂ 排気口
１６ｃ 雄ロータ（回転要素）
１６ｄ 雌ロータ（回転要素）
１６ｅ 回転軸
１７ カップリング
１８ 第１凝縮器
２０ ポンプ
２２ 第２圧縮機
２２ａ 吸気口
２２ｂ 吐出口
２２ｃ 雄ロータ（回転要素）
２２ｄ 雌ロータ（回転要素）
２２ｅ 回転軸
２４ ケーシング
２４ａ 合流空間
２４ｂ 混合出口
２６ 第２凝縮器
２８ 膨張弁
２９ 温度センサ
３０ 第３凝縮器（第１凝縮器）（第２凝縮器）
３２ 分岐点
３４ モータ
３４ａ 回転子
３４ｂ 固定子

Claims (5)

1. 入口から出口までの流路であって、空気を前記入口から吸気して圧縮して前記出口へ吐出する第１圧縮機と、前記第１圧縮機の下流の圧縮空気から熱回収する第１熱交換器と、前記第１熱交換器の下流の圧縮空気から熱回収する第２熱交換器とが設けられている空気流路と、
   循環流路であって、前記圧縮空気との熱交換により冷媒を蒸発させる前記第１熱交換器と、前記第１熱交換器で蒸発した冷媒により駆動される膨張機と、前記膨張機から排気された冷媒を凝縮させる第１凝縮器と、前記第１凝縮器で凝縮した冷媒を前記第１熱交換器に供給するポンプとが設けられているランキンサイクル流路と、
   前記ランキンサイクル流路内を流動する冷媒と同種の冷媒が流動する循環流路であって、前記圧縮空気との熱交換により冷媒を蒸発させる前記第２熱交換器と、前記膨張機で得られた回転駆動力で回転駆動され、前記第２熱交換器で蒸発した冷媒を圧縮する第２圧縮機と、前記第２圧縮機から吐出された冷媒を凝縮させる第２凝縮器と、前記第２凝縮器で凝縮された冷媒を膨張させる膨張弁とが設けられている冷凍サイクル流路と
   を備える、排熱回収装置。
2. 前記第２圧縮機と前記膨張機とは、共通のケーシングの中にそれぞれの回転要素および回転軸が収容されている、請求項１に記載の排熱回収装置。
3. 前記第１凝縮器及び前記第２凝縮器は、兼用である、請求項１又は請求項２に記載の排熱回収装置。
4. 前記第２圧縮機は電動機をさらに備え、前記電動機により駆動補助される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の排熱回収装置。
5. 空気圧縮過程において、第１圧縮機により空気を圧縮し、第１熱交換器によって前記第１圧縮機の下流の圧縮空気から熱回収し、第２熱交換器によって前記第１熱交換器の下流の圧縮空気から熱回収し、
   ランキンサイクル過程において、前記圧縮空気と熱交換する前記第１熱交換器を蒸発器として使用し、前記第１熱交換器で蒸発した冷媒で膨張機を駆動し、
   前記ランキンサイクル過程と同種の冷媒を使用する冷凍サイクル過程において、前記圧縮空気と熱交換する前記第２熱交換器を蒸発器として使用し、前記膨張機で得られた回転駆動力で回転駆動される第２圧縮機によって前記第２熱交換器で蒸発した冷媒を圧縮する
   ことを含む、排熱回収方法。

Images