JP2623202B2 - 空気式冷凍サイクル装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，冷媒として空気を用い
る空気式冷凍機をコージエネレーション用の熱機関の動
力を利用して駆動するようにした空気式冷凍サイクル装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】アイススケート，アイスホーケー，ボブ
スレー等の氷を用いる遊戯・スポーツ施設では，製氷や
補氷を適切且つ迅速に行うことが必要とされる。かよう
な氷利用施設に対する従来の製氷は，冷凍サイクルの冷
媒（フロンやアンモニア等）をリンクやコースに埋め込
まれた製氷コイルで直膨式に蒸発させて行う方式が多く
採用されている。また，冷凍機で作ったブラインを該コ
イルに循環させる方式も採用されている。

【０００３】製氷までは行わなくても冷熱を必要とする
施設は極めて多く，例えば大規模建物の冷房にはそれな
りの冷凍機を必要とする。

【０００４】冷凍機として空気サイクル冷凍機も知られ
ているが，効率が低いので駆動する動力や電力を多く消
費し，ランニングコストが高く省エネルギー性に欠ける
ので一般には使用されていない。例えば外気が５℃の環
境で製氷を行う場合を例とすると，その成績係数は 0.8
程度であり, フロン等を用いる冷凍機のそれに比べると
1/2〜1/3 の性能でしかない。

【０００５】他方, 熱機関の熱と動力を総合的に利用す
るコージエネレーションシステムが普及し, その動力を
冷凍機の駆動源とする場合の最も省エネルギー的な種々
の技術の開発が進められてきた。しかし，冷凍機はいず
れもフロンやアンモニア等の冷媒を使用するものであっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】氷利用施設に対する従
来の製氷法では，施工不良や経年変化によって冷媒漏れ
やブライン漏れが発生するおそれがある。特に定期的に
行うメインテナンス時にはストレーナの掃除等を行うさ
いに必然的に漏れが発生する。或る報告によれば設備系
内の保有冷媒量の５％が一年に放出される計算となると
言われている。

【０００７】フロン漏れはオゾン層破壊の問題を生じ，
アンモニアやブライン漏れも空気汚染や土壌汚染の原因
となり，環境保護の点からその回避策が急務となってい
る。

【０００８】氷利用施設のみならず冷熱採取用の冷凍機
として空気式冷凍機を用いれば，かような冷媒による環
境汚染の問題は回避され得るが，省エネルギー性に問題
があり，実用に供し得ないのが実状である。

【０００９】本発明は，かような状況に鑑み，冷媒やブ
ラインを用いないで製氷や冷熱の採取を省エネルギー的
に行うことを目的としたものであり，コージエネレーシ
ョンシステムと空気サイクル式冷凍機との新しいコンバ
インドシステムを提供しようとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】 本発明によれば，空気
圧縮機，圧縮空気冷却器，膨脹機および製氷用冷風器を
空気流れの順に配置したうえ該製氷用冷風器を経た空気
を再び空気圧縮機に戻すレタン経路を設け，且つ該製氷
用冷風器を経た空気と圧縮空気冷却器を経た空気とを熱
交換する空気対空気熱交換器を設けてなる空気式冷凍機
と，コージエネレーションシステムの熱機関との間で，
該冷凍機の空気圧縮機および膨張機の駆動軸を該熱機関
のエンジン出力軸に接続してなる製氷用の空気式冷凍サ
イクル装置を提供する。

【００１１】また本発明によれば，開放系の空気サイク
ル冷凍機として，給気取入口，空気圧縮機，圧縮空気冷
却器，膨脹機および冷風取出口を空気流れの順に配置し
てなる空気式冷凍機を構成し，これと熱機関とを，該熱
機関の排気タービンの出力軸を該空気式冷凍機の空気圧
縮機および膨脹機の駆動軸に接続し，且つ該膨張機を経
た冷風の一部を該熱機関の吸気の一部に取入れるように
した空気式冷凍サイクル装置を提供する。

【００１２】

【作用】空気を圧縮して高圧空気（例えば２気圧）とす
れば８０℃以上の高温となるので，これを水道水温度や
外気温度で常温近くまで簡単に冷却できる。この常温高
圧空気を冷風器を経た低温空気でさらに冷却するとさら
に低温の高圧空気が得られる。この低温高圧空気を膨脹
機で常圧付近にまで膨脹させれば−５℃〜−４５℃程度
の低温空気を得ることができる。

【００１３】この零℃以下の冷風を，リンクやコース内
に埋設した冷風器（管）に通風すれば，氷リンクや氷コ
ースを屋内外で作れる。冷風管を通過したレタン空気は
再び圧縮・冷却・膨脹にリサイクルすることができる。
また該零℃以下の空気を水滴や水膜流に直接的に接触さ
せても直接的に製氷できる。

【００１４】圧縮空気を冷却するのに外気や水道水を用
いた場合には，温風と温水が得られるので，これを施設
の暖房や保温用に使用することができる。

【００１５】本発明に従う空気式冷凍機の空気圧縮機と
空気膨脹機は回転動力を用いる通常の機器を使用するこ
とができるが，その回転動力をコージエネレーション用
熱機関のエンジンまたは排気タービンから受動すること
により，コージエネレーションシステム（以下，ＣＧＳ
と呼ぶ）の動力回収と熱の採取が効率よく行える。

【実施例】図１は，本発明に従う空気サイクル冷凍機の
動力源にＣＧＳの熱機関を用いた例を示したものであ
り，空気サイクル冷凍機の機器類は図中の破線範囲で表
している。空気サイクル冷凍機は，図示のように閉鎖し
た空気循環路に，空気圧縮機１，圧縮空気冷却器２（第
一熱交換器２Ａおよび第二熱交換器２Ｂからなる），膨
脹機３および冷風器４を空気の流れの順に配置し，冷風
器４を経た空気を再び空気圧縮機１に戻すレタン経路５
を設けてあり，クローズド系を構成している。

【００１６】圧縮機１は回転動力で駆動するのものが使
用され約２気圧の高圧空気を作る。膨脹機３は高圧空気
を常圧より若干高い圧まで減圧膨脹させる回転動力式の
ものが使用されている。

【００１７】図示の空気式冷凍機では，圧縮機１から膨
脹機３に至る空気経路に配置する圧縮空気冷却器２とし
て，第一熱交換器２Ａと第二熱交換器２Ｂが設けてあ
る。

【００１８】第一熱交換器２Ａは冷却媒体を用いて圧縮
空気を冷却する熱交換器であるが，図例では冷却水を用
いて冷却する水対空気熱交換器が用いてある。冷却水と
しては施設稼動時期が冬期の場合には通常の水道水を用
いることができる。なお，図示の実施例に代えて，冷却
媒体として外気を用いる空気対空気熱交換器を使用する
こともできる。

【００１９】第二熱交換器２Ｂは空気対空気熱交換器で
ある。これは，圧縮機１に戻るレタン経路５の空気（冷
風器通過後も低温を維持している空気）の冷熱を利用し
て圧縮空気を冷却するために利用される。これにより，
レタン空気の温度が昇温して圧縮機１に戻る空気温度が
高くなり，同時に，膨脹器３に入る空気温度が下がるの
でサイクルの成績係数を上昇させることができる。

【００２０】冷風器４は，膨脹機３で得られる低温空気
をその中に通気し，その周囲の温度を零℃以下に下げて
氷を生成させるための製氷用熱交換器である。これは氷
利用施設の氷リンクやコースを形成する箇所に埋設さ
れ，必要な氷層を形成するのに供される。氷層の位置や
形態によっては多数本の通気管で構成することもできる
が，フイン付熱交換コイルとして，或いは伝熱材料内に
通気管を埋設した面熱性の熱交換器として該施設に供さ
れる。

【００２１】氷利用施設によっては，膨脹機３で得られ
る低温空気の一部はホース７を経て外部に放出させる。
このホース７の先端に，弁またはダンパー８を介してノ
ズル９を取付け，ノズル９から意図する位置に低温空気
を放出させ，放出した低温空気と水とを直接接触させ
て，意図する箇所に必要量の氷を生成させることができ
る。例えば，散水ノズルとこのノズル９とを用いて，散
水ノズルからの噴霧水を氷滴にしてこれを氷リンクやコ
ース（例えばボブスレーコース等）の補氷箇所に吹付け
たり，或いは補氷箇所に水膜を作り，この水膜にノズル
９から低温空気を吹付けて該水膜を氷結させる。

【００２２】このように空気の一部をクローズドサイク
ル系から放出させる場合には，これに見合う空気を系内
に取入れる。これは，第二熱交換器２Ｂを経た後の空気
圧縮機１に戻るレタン経路５で取入れるのがよい。すな
わち，弁またはダンパー１０を介装した外気取入管路１
１をレタン経路５に接続し，弁またはダンパー１０の操
作で，必要量の外気を閉鎖経路内に取入れる。

【００２３】外気を系内に取入れる場合には湿分の除去
が問題となるが，これは吸着器１２を介装することによ
って解決できる。この吸着器１２としては，シリカゲル
等の吸湿剤を用いた乾式除湿器を用いるのが便宜であ
る。この場合，吸湿剤の再生を行うことが必要となる
が，ムンター式（回転式の再生機能をもつ除湿機）のほ
か再生と吸湿とを切替式に行う二塔式のものも使用でき
る。

【００２４】一方，この空気式冷凍機の圧縮機１および
膨脹機３の軸動力は，その施設のＣＧＳにおける熱機関
のエンジン１４の回転軸から伝達される。エンジン１４
は吸気を取入れて燃料燃焼で駆動するが，その高温排ガ
スは排ガスボイラ１５に送られ，ボイラに通水される水
と熱交換したあと排気ガスとして系外に排出される。こ
れにより排ガスボイラ１５では高圧水蒸気が取り出され
ると共に，エンジンではエンジン冷却水から温水が取り
出される。

【００２５】なお，熱機関の余剰動力は発電用動力とし
て，さらには他の動力機械に必要に応じて振り分けられ
る。すなわち，熱機関の回転動力は本発明に従う空気式
冷凍機の発停や駆動状況に応じて，蓄電用等に適宜振り
分けられ，全体として無駄な動力が生じないように運転
される。

【００２６】このように構成された空気式冷凍機を用い
て或る氷利用施設の製氷を冬期に行う場合の該設備の諸
元は，例えば次のとおりである。 氷利用施設における製氷のための冷却面積：４５００m² 同施設の製氷のための最大負荷：３５０kcal/h.m² 同施設の製氷のための平均負荷：１５０kcal/h.m² 必要風量：３０００m³/min として，わが国の１２月から２月の三ケ月に稼動する場
合，水道水の平均温度が５℃，外気の平均気温が6.4 ℃
とする。

【００２７】この場合，製氷用の冷風器４に供給する冷
風温度を−４５℃，この製氷用冷風器４から出る空気温
度が−１５℃に設定し，形成される氷の表面温度を−１
〜−３℃に維持する場合には，本設備による運転状況は
図１に示したとおり，次のようになる。

【００２８】圧縮機１の出口空気が８８℃で２気圧とな
るように稼動し，第一熱交換器２Ａでは５℃の水を通水
し，この水を６０℃程度まで昇温する。これは温水とし
て採取される。第一熱交換器２Ａを通過した空気は２０
℃ (２気圧) で第二熱交換器２Ｂに入り, ここで，冷風
機４を経た−１５℃の空気と熱交換して−１０℃で膨脹
機３に入る。

【００２９】膨脹機３では−４５℃で常圧より若干高圧
（例えば1.1 気圧）の空気とし，これを製氷用冷風器４
に送り，前記諸元の施設で製氷し，−１５℃の空気とし
て第二熱交換器２Ｂに通し，ここで１５℃に昇温して圧
縮機１に戻す。

【００３０】これによって，乾き空気１kgあたりの冷凍
能力：7.３２Kcal，成績係数：0.８の冷凍サイクルが形
成できる。得られる温水と温風等の熱量は１6.４３Kcal
/kg'で, 成績係数：1.８となり，全体の成績係数：2.6
が得られる。

【００３１】ＣＧＳでは，図１のように排気ボイラ１５
をもつものでは，供給する燃料のエネルギーを１として
軸出力が0.35, 蒸気と温水の回収熱量が0.45のエンジン
の場合には, 前記の冷凍システムで得られる冷却能力は
0.28, 回収温熱は0.63が得られ, ＣＧＳと冷凍システム
との全体で得られる熱量は，0.45＋0.28＋0.63＝1.36と
なる。

【００３２】この値は, 従来のフロン等の冷媒を用いる
エンジン駆動式のヒートポンプの総合効率0.35×3.0＋
0.45＝1.50(3.0は成績係数) とほぼ同等の値であり，空
気を冷媒とするものでは従来達成できなかった好成績で
ある。また，従来のフロン等の冷媒を用いる電力式冷凍
機の一次エネルギー換算の成績係数0.35×3.0 ＝1.05
(0.35は商用電力の受電端効率) よりも大きな値となっ
ている。

【００３３】回収される温熱 (温水または温風) は遊戯
用の氷利用施設では観客席の足元等に温水配管や温風配
管を行って観客席の観戦環境の向上に利用できるほか,
リングやコース補修のさいの融氷用にも利用できるし，
もちろんＣＧＳを備えた一般建造物施設の給湯や室内暖
房に利用できる。

【００３４】図２は，排気タービンをもつ熱機関を備え
たＣＧＳを本発明に従う空気式冷凍機の連結した以外は
図１の実施例と実質的に同一の実施例を示したものであ
る。すなわち，図１のエンジン１４と排気ボイラー１５
との間の排気通路に排気タービン１６をもつ熱機関が使
用されているＣＧＳに対し，図１と同様の空気式冷凍機
を組合せたものであり，排気タービン１６の軸動力を空
気圧縮機１および空気膨脹機３の回転動力に伝達するよ
うにしたものである。

【００３５】この場合，エンジン１４の軸出力はＣＧＳ
用の発電機に全て供給できるし，場合によっては，施設
の乗客や貨物移送用の輸送動力源にも利用できる。本例
において，エンジン排気が 580℃で２気圧, 排気タービ
ン出側の排気が 430℃で１気圧, ボイラ出側の排気が 2
50℃で１気圧とすると，供給燃料のエネルギーを１とす
れば, 例えば軸出力が0.25, 排気タービンの出力が 0.
1, 蒸気と温水の回収熱量が0.32程度となる。

【００３６】したがって，本例の場合には空気式冷凍サ
イクルで得られる冷却能力が0.08,回収温熱が0.18とな
り得るから, 動力＝0.25, 熱量＝0.32＋0.08＋0.18＝0.
58となる。これは，既存のＣＧＳの動力・熱量のものと
何ら遜色のない値である。このため，本例では空気を冷
媒とする冷凍サイクルにも拘わらず冷熱・温熱・動力回
収のための非常に効率の良い省エネルギーシステムが構
築され得る。

【００３７】図３は，オープン系の空気冷凍サイクルに
対して，排気タービンをもつ熱機関を接続し，その排気
タービンの動力を利用して該サイクルを駆動するように
した例を示したものである。この場合には，熱機関は移
動式のもの（例えば乗物用エンジン）であってもよく，
エンジンの過給機を冷凍サイクルに改造することができ
る。

【００３８】図例の空気冷凍サイクルは，給気取入口１
８，空気圧縮機１，圧縮空気冷却器２，膨脹機３および
冷風取出口１９をもち，給気取入口１８から外気を取入
れ，これを空気圧縮機１で圧縮して高温圧縮空気とし，
圧縮空気冷却器２で冷却媒体（冷却水）で冷却したう
え，膨脹機３で常圧低温空気とし，この冷風を冷風取出
口１９から系外に取り出せるようにしたものである。

【００３９】一方，熱機関はエンジン１４の排気路には
排気タービン１６を備えており，この排気タービン１６
の出力軸が圧縮機１の駆動軸に接続されている。圧縮機
１と膨脹機３とはカップリング２０を介して連結され，
また，膨脹機３を迂回するバイパス管路２１が設けら
れ，このバイパス管路２１にはバイパス弁２２が設けて
ある。

【００４０】エンジン１４の吸気路２３は吸気弁２４を
介して外気に通じているが，この吸気路２３に空気冷凍
サイクルの冷風管２５が冷風量調整弁２６を介して接続
してある。

【００４１】図３のものでは，エンジンの排気動力を利
用して，その温度と圧力例を図中の数値で示したよう
に，例えば５℃の冷風を取り出すことができるが，エン
ジンの過給機（図中の破線で示す）の改造により，冷風
を取り出せるようにしたものでもある。すなわち，エン
ジンの排気動力で強制吸気を行う過給機において，その
吸気経路に空気冷却機２と膨脹機３を配置したものでも
ある。

【００４２】この場合，過給機としてだけ機能させると
きには，カップリング２０で膨脹機３への軸動力を切離
し，空気冷却器２への通水を停止し，冷風量調整弁２６
を吸気路２３側に切換えればよい。エンジンは走行式機
械に組み込まれたものであってもよく，この場合には，
冷風が必要な場所に該機械を移動し，空気式冷凍サイク
ルを駆動するように切換えれば，必要な場所で冷風を取
り出すことができる。ただし，本例は走行式機械に限ら
れるものではなく，熱機関が定置式ＣＧＳのものであっ
てもよいことはもちろんである。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば，空気を媒介とした空気
式冷凍サイクル装置で冷熱を得るものであるから全く無
公害である。このため氷利用施設等の製氷や冷房用冷熱
採取などが環境に影響を与えることなく行える。

【００４４】そして，この冷凍サイクル装置はＣＧＳと
結合したものであるから，総合的な省エネルギーが達成
され，空気式冷凍機の欠点であるランニングコストの負
担が大きく軽減される。加えて，空気と水の配管施工で
工事が行えるので施工性がよく融通性も良好であるし，
既存のＣＧＳに対しても本発明装置に改造することが容
易である等，実用的な効果が大きく，特に氷利用施設等
の製氷を伴う設備に対して多大の貢献を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う空気式冷凍サイクル装置の機器配
置を示した図である。

【図２】本発明に従う空気式冷凍サイクル装置の他の例
を示す機器配置図である。

【図３】本発明に従う空気式冷凍サイクル装置の更に他
の例を示す機器配置図である。

【符号の説明】

１ 空気圧縮機 ２ 圧縮空気冷却器 ３ 膨脹機 ４ 冷風器 ５ レタン経路 １４ ＣＧＳのエンジン １５ 排気ボイラ １６ 排気タービン １８ 給気取入口 １９ 冷風取出口 ２６ 冷風量調整弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−141481（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−301652（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−137047（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−151240（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−129267（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−116653（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気圧縮機，圧縮空気冷却器，膨脹機お
   よび製氷用冷風器を空気流れの順に配置したうえ該製氷
   用冷風器を経た空気を再び空気圧縮機に戻すレタン経路
   を設け，且つ該製氷用冷風器を経た空気と圧縮空気冷却
   器を経た空気とを熱交換する空気対空気熱交換器を設け
   てなる空気式冷凍機と，コージエネレーションシステム
   の熱機関との間で，該冷凍機の空気圧縮機および膨張機
   の駆動軸を該熱機関のエンジン出力軸に接続してなる製
   氷用の空気式冷凍サイクル装置。
2. 【請求項２】 空気圧縮機，圧縮空気冷却器，膨脹機お
   よび製氷用冷風器を空気流れの順に配置したうえ該製氷
   用冷風器を経た空気を再び空気圧縮機に戻すレタン経路
   を設け，且つ該製氷用冷風器を経た空気と圧縮空気冷却
   器を経た空気とを熱交換する空気対空気熱交換器が設け
   てなる空気式冷凍機と，コージエネレーションシステム
   の熱機関との間で，該冷凍機の空気圧縮機および膨張機
   の駆動軸を該熱機関の排気タービンの出力軸に接続して
   なる製氷用の空気式冷凍サイクル装置。
3. 【請求項３】 給気取入口，空気圧縮機，圧縮空気冷却
   器，膨脹機および冷風取出口を空気流れの順に配置して
   なる空気式冷凍機と，熱機関との間で，該空気式冷凍機
   の空気圧縮機および膨脹機の駆動軸を該熱機関の排気タ
   ービンの出力軸に接続し，且つ該冷凍機の膨張機を経た
   冷風の一部を該熱機関の吸気の一部に取入れるようにし
   た空気式冷凍サイクル装置。