JP4342094B2 - 排熱吸収冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンなどのエンジンから発生する排熱を回収して冷凍用媒体を取り出すように構成した排熱吸収冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の排熱吸収冷凍機としては、図８の従来例の概略構成図に示すようなアンモニア吸収冷凍機があった。
この従来例によれば、エンジン０１に、カップリング０２を介して発電機０３が連動連結されている。
【０００３】
エンジン０１のエンジン冷却部の出口と入口とにわたって、エンジン冷却水（ジャケット冷却水）を循環する第１のポンプ０４を介装した循環配管０５が接続され、この循環配管０５に、単効用吸収冷凍機を構成する再生器０６が設けられている。再生器０６には、エンジン０１からのエンジン冷却水（ジャケット冷却水）［温度85〜95℃］によって蒸発可能なアンモニアを冷媒とし、かつ、水を吸収剤とした非共沸混合媒体としてアンモニア−水系溶液が収容されている。
【０００４】
再生器０６には、精溜器０７を介して水を分離したアンモニア蒸気を供給するように凝縮器０８が連通接続され、かつ、再生器０６に第１の配管０９を介して吸収器０１０が接続されるとともに、凝縮器０８に第２の配管０１１を介して蒸発器０１２が接続され、更に、吸収器０１０と蒸発器０１２とが連通接続され、単効用吸収冷凍機が構成されている。
【０００５】
凝縮器０８では、再生器０６で蒸発したアンモニアを凝縮液化し、その液化したアンモニアを蒸発器０１２に噴霧供給により戻すようになっている。
また、蒸発器０１２では、吸収器０１０における水によるアンモニアの吸収に伴い、アンモニアが蒸発するようになっている。
【０００６】
再生器０６と吸収器０１０とにわたって、溶液ポンプ０１３を介装した第３の配管０１４が接続され、この第３の配管０１４と第１の配管０９との間に熱交換器０１５が設けられ、再生器０６に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、再生器０６から吸収器０１０に流すアンモニア−水系溶液によって加熱するようになっている。
【０００７】
上記構成により、エンジン０１からの排熱であるエンジン冷却水を利用して、蒸発器０１２でのアンモニアの蒸発に伴い、冷水を得るようになっている。
【０００８】
ところが、アンモニアや、ＬｉＢｒ（リチウムブロマイド）などの吸収式冷凍機では、吸収プロセスや蒸発プロセスにたよっているために、電動型圧縮機によって冷媒を強制的に圧縮・膨張する冷媒回路を備えた冷凍機に比べ、成績係数が低くなる傾向にある。
【０００９】
そのため、従来より、吸収式冷凍機の成績係数を高くする方法が種々検討され、その一つとして、蒸発器０１２と吸収器０１０との間に電動型圧縮機を設け、蒸発器０１２内の蒸気を吸引し、その吸引した蒸気を吸収器０１０に加圧供給するようなプロセスが提案されている。
【００１０】
この構成によれば、吸収器０１０内での圧力は低下しないため、前述のような電動型圧縮機によって冷媒を強制的に圧縮・膨張する冷媒回路を備えた冷凍機の場合と同様に低温の温度を取り出すことができる。また、性能面においても、電動型圧縮機に使用する電力を除いた場合の成績係数を 1.2倍以上に高めることができる。また、従来の方法では、デューリング線図上、エンジン冷却水レベルの温度を加熱源として、−10℃以下の冷熱を取り出すことができないが、この電動型圧縮機を使用する構成によれば取り出すことができるようになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電動型圧縮機の場合、電動モータと圧縮機とを連動連結し、伝動軸の軸受部に対して潤滑と漏洩に対するシールをしなければならず、例えば、アンモニア吸収冷凍機に適用した場合、潤滑油が系内に混入するとアンモニアの蒸発が阻害され、冷媒への伝熱に弊害を及ぼすなど、潤滑油と漏洩の問題が、開発を阻害する大きな要因になっていた。
【００１２】
また、同時に、電動型圧縮機の駆動に必要な電力が大きくてランニングコストが増大する問題があった。もちろん、潤滑油や漏洩の問題だけであれば、密閉式のキャンドモータを用いることも可能であるが、ランニングコストやイニシャルコストが増大する欠点があった。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして、エンジンの運転負荷の変動にかかわらず、所望温度の冷凍用媒体を安定して得られるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、冷凍需要の変動にかかわらず、所望温度の冷凍用媒体を安定して得られるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、蒸発温度を一定に維持して、所望温度の冷凍用媒体を安定して得られるようにすることを目的とし、請求項４に係る発明は、省エネルギー性を向上できるようにすることを目的とし、更に、請求項５に係る発明は、蒸気タービンの回転数を一定に維持して、冷凍用媒体の温度が必要以上に低下することを回避できるようにすることを目的する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、再生器(8) と吸収器(12)と凝縮器(10)と蒸発器(14)とから成る単効用吸収冷凍機を、エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体を作動媒体とするとともにエンジン冷却水を熱源として作動し、前記蒸発器(14)から冷凍用媒体を取り出すように構成した排熱吸収冷凍機において、
前記吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体を前記エンジン(1) からの排ガスにより加熱して蒸発させる熱交換器(20)と、
前記熱交換器(20)で蒸発した非共沸混合媒体の蒸気によって駆動する蒸気タービン(21)と、
前記蒸気タービン(21)に一体的に連動連結されて前記蒸発器(14)内の蒸気を吸引して前記吸収器(12)との間に圧力差を発生させる圧縮機(27)と、
前記蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体を加熱可能な補助加熱手段(34)と、
前記蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の温度が設定温度以下にならないように前記補助加熱手段(34)の加熱を制御する加熱制御手段(42)と、を備えて構成する。
【００１５】
また、請求項２に係る発明の排熱吸収冷凍機は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の排熱吸収冷凍機における圧縮機(27)に吸引供給する非共沸混合媒体の蒸気の量を調整する吸引蒸気量調整手段(44)と、
前記蒸発器(14)内の圧力を計測する圧力計測手段(45)と、
前記圧力計測手段(45)で計測される圧力が一定になるように前記吸引蒸気量調整手段(44)を制御する吸引蒸気量制御手段(49)と、
を備えて構成する。
【００１６】
また、請求項３に係る発明の排熱吸収冷凍機は、前述のような目的を達成するために、
請求項１または請求項２に記載の排熱吸収冷凍機における凝縮器(10)で凝縮した非共沸混合媒体の冷媒液を蒸発器(14)に供給する配管(13)に介装されて前記蒸発器(14)に供給する冷媒液の量を調整する分配機構(50)と、
吸収器(12)と熱交換器(20)とを接続する配管(19)に前記分配機構(50)を接続する合流配管(51)と、
前記蒸発器(14)から取り出される冷凍用媒体の温度を計測する温度計測手段(52)と、
前記温度計測手段(52)で計測される冷凍用媒体の温度が一定になるように前記分配機構(50)を制御して前記蒸発器(14)に供給する冷媒液の量を制御する分配制御手段(56)と、
を備えて構成する。
【００１７】
また、請求項４に係る発明の排熱吸収冷凍機は、前述のような目的を達成するために、
請求項３に記載の排熱吸収冷凍機における合流配管(51)を通じて供給される非共沸混合媒体の冷媒液の量を測定する冷媒液量測定手段(57)と、
前記冷媒液量測定手段(57)で測定される冷媒液の量に基づいて、冷媒液の量が多いほど加熱制御手段(21)における設定温度が低くなるように設定温度を変更する設定温度変更手段(62)と、
を備えて構成する。
【００１８】
また、請求項５に係る発明の排熱吸収冷凍機は、前述のような目的を達成するために、
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４のいずれかに記載の排熱吸収冷凍機における蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の量を調整する蒸気量調整手段(64)と、
前記蒸気タービン(21)の回転数を計測する回転数計測手段(65)と、
前記回転数計測手段(65)で計測される回転数が一定になるように前記蒸気量調整手段(64)を制御する蒸気量制御手段(70)と、
を備えて構成する。
【００１９】
エンジンからのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体としては、アンモニア−水系の混合溶液、メタノール−水系の混合溶液等が使用できる。この非共沸混合媒体は、冷媒と吸収剤以外に、腐食防止などのために若干の第三成分を含んでいてもよい。
【００２０】
【作用】
請求項１に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、エンジン(1) からのエンジン冷却水を熱源として単効用吸収冷凍機を作動する。一方、エンジン(1) からの排ガスにより、吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体を熱交換器(20)を介して加熱して非共沸混合媒体の蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン(21)を駆動し、蒸気タービン(21)に一体的に連動連結した圧縮機(27)を駆動する。この圧縮機(27)により、蒸発器(14)内の蒸気を吸引して蒸発器(14)内の圧力を吸収器(12)内の圧力よりも低下させ、蒸発器(14)での蒸発に伴い、低温の冷凍用媒体を取り出すことができる。
また、エンジン(1) からの排ガスに加えて、補助加熱手段(34)により蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体を加熱できるようにし、加熱制御手段(42)によって、蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の温度が設定温度以下にならないように加熱する。
【００２１】
また、請求項２に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、冷凍需要が変動して、蒸発器(14)内の圧力が変化したときには、その変化を圧力計測手段(45)で検知して圧縮機(27)に吸引供給される蒸気の量を調整し、蒸発器(14)内の圧力を一定に維持する。
【００２２】
また、請求項３に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、凝縮器(10)から蒸発器(14)に供給する非共沸混合媒体の冷媒液の量を調整して、蒸発器(14)から取り出される冷凍用媒体の温度を一定に維持する。
また、余った非共沸混合媒体の冷媒液は、吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体に合流して熱交換器(20)に供給することができる。
【００２３】
また、請求項４に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、凝縮器(10)から蒸発器(14)に供給する非共沸混合媒体の冷媒液の量の調整に伴って、吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体に合流される非共沸混合媒体の冷媒液の量が変動する。この変動に伴い、合流状態での非共沸混合媒体の冷媒の濃度が変動し、濃度が高くなるほど非共沸混合媒体の蒸発飽和温度が低くなることに着目し、上述の冷媒液の量を冷媒液量測定手段(57)で測定し、合流される非共沸混合媒体の冷媒液の量が多いほど、すなわち、合流状態での非共沸混合媒体の冷媒の濃度が高いほど加熱制御手段(42)における設定温度が低くなるようにする。
【００２４】
また、請求項５に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、蒸気量制御手段(64)によって蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の量を制御し、蒸気タービン(21)の回転数を一定に維持し、圧縮機(27)の回転数を一定に維持する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱吸収冷凍機の実施例を示す概略構成図であり、エンジン１に、カップリング２を介して発電機３が連動連結されている。
エンジン１の排気管にガス配管４が接続され、そのガス配管４に、ＮＯｘ成分を除去する脱硝装置５が付設されている。
【００２６】
エンジン１のエンジン冷却部１ａの出口と入口とにわたって、エンジン冷却水（ジャケット冷却水）を循環する第１のポンプ６を介装した循環配管７が接続され、この循環配管７に、単効用吸収冷凍機を構成する再生器８が設けられている。再生器８には、エンジン１からのエンジン冷却水（温度85〜95℃）によって蒸発可能なアンモニアを冷媒とし、かつ、水を吸収剤とした非共沸混合媒体としてのアンモニア−水系溶液が収容されている。
【００２７】
再生器８には、精溜器９を介して水を分離したアンモニア蒸気を供給するように凝縮器１０が連通接続され、再生器８に第１の配管１１を介して吸収器１２が接続されるとともに、凝縮器１０に第２の配管１３を介して蒸発器１４が接続され、更に、吸収器１２と蒸発器１４とが蒸気路Ｒを介して連通接続され、単効用吸収冷凍機が構成されている。
凝縮器１０では、再生器８で蒸発した冷媒を凝縮液化し、その液化した冷媒を蒸発器１４に噴霧供給により戻すようになっている。
【００２８】
吸収器１２から再生器８にわたって、第１の溶液ポンプ１５を介装した第３の配管１６が接続され、この第３の配管１６と第１の配管１１との間に第１の熱交換器１７が設けられ、再生器８に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、再生器８から吸収器１２に流すアンモニア−水系溶液によって加熱するようになっている。
【００２９】
第３の配管１６の第１の溶液ポンプ１５と第１の熱交換器１７との間に、第２の溶液ポンプ１８を介装した分岐配管１９が接続され、この分岐配管１９とガス配管４とにわたって第２の熱交換器２０が設けられ、液化したアンモニア−水系溶液をエンジン１からの排ガスとの伝熱により加熱し、高温高圧の蒸気を発生させるように構成されている。
【００３０】
分岐配管１９に蒸気タービン２１が接続されるとともに、その蒸気タービン２１と吸収器１２とが第４の配管２２を介して接続され、単効用吸収冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液の高温高圧の蒸気によって蒸気タービン２１を駆動するとともに、蒸気タービン２１から排出される蒸気を吸収器１２に戻すように構成されている。
【００３１】
第３の配管１６において、開閉弁２３を介装したバイパス配管２４が第１の熱交換器１７と並列に接続され、そのバイパス配管２４と第４の配管２２とにわたって第３の熱交換器２５が設けられ、再生器８に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、蒸気タービン２１から排出されるアンモニア−水系溶液の蒸気によって加熱するようになっている。
【００３２】
図２の断面図に示すように、蒸気タービン２１に伝動軸２６を介して圧縮機２７が一体的に連動連結され、蒸気タービン２１、伝動軸２６および圧縮機２７が、パッキング２８を介してシールした状態で一体化されたケーシング２９内に収容されるとともに、伝動軸２６が気体軸受３０を介して回転自在に支持されている。
【００３３】
第２の配管１３の途中箇所に第４の熱交換器３１が設けられ、この第４の熱交換器３１を介して熱交換するように蒸気路Ｒが接続されるとともにこの蒸気路Ｒに前述の圧縮機２７が設けられている。圧縮機２７と第４の配管２２の途中箇所が接続されている。これらの構成により、圧縮機２７によって蒸発器１４内の蒸気を吸引し、第４の熱交換器３１を経てから吸収器１２に供給するようになっている。この蒸発器１４と吸収器１２とを接続する一連の配管を蒸気路Ｒと称する。
【００３４】
蒸発器１４に、冷凍用媒体としてのブラインを取り出す冷凍用媒体取り出し管３２が付設されている。このブラインとの熱交換により、食品とか下水処理システムでの下水汚泥などの被冷却物を冷却・冷凍するのである。
凝縮器１０および吸収器１２には、クーリングタワーからの冷却水を供給する冷却管３３が通されている。
【００３５】
気体軸受３０には、第２の熱交換器２０で発生した高温高圧の蒸気が供給され、単効用吸収式冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液の蒸気によって潤滑するように構成されている。この気体軸受３０からの蒸気は、第４の配管２２を通じて吸収器１２に戻されるようになっている。
【００３６】
ガス配管４の脱硝装置５と第２の熱交換器２０との間に追い焚きバーナ３４が設けられ、エンジン１からの排ガスを加熱するように構成されている。追い焚きバーナ３４への燃料供給管３５に、燃料供給量を調整する燃料調整弁３６が設けられている。
【００３７】
第２の熱交換器２０と蒸気タービン２１との間において、分岐配管１９に、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液の蒸気の温度を測定する第１の温度計３７が設けられている。
【００３８】
図３のブロック図に示すように、第１の温度計３７がマイクロコンピュータ３８に接続され、そのマイクロコンピュータ３８に燃料調整弁３６が接続されている。マイクロコンピュータ３８には、第１の比較手段３９と第２の比較手段４０と第１の弁開度調整手段４１とから成る加熱制御手段４２が備えられている。
【００３９】
第１の比較手段３９では、例えば、１分毎など所定時間毎に、第１の温度計３７で測定された温度と上限設定温度（例えば、２０５℃）とを比較し、上限設定温度よりも高いときに閉じ信号を出力するようになっている。
第２の比較手段４０では、例えば、１分毎など所定時間毎に、第１の温度計３７で測定された温度と下限設定温度（例えば、１９５℃）とを比較し、下限設定温度よりも低いときに開き信号を出力するようになっている。
【００４０】
弁開度調整手段４１では、第１の比較手段３９からの閉じ信号に応答して、燃料調整弁３６に設定開度だけ閉じる駆動信号を出力し、燃料供給量を設定量だけ減少させ、一方、第２の比較手段４０からの開き信号に応答して、燃料調整弁３６に設定開度だけ開く駆動信号を出力し、燃料供給量を設定量だけ増加させるようになっている。
【００４１】
上記構成により、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液の蒸気の温度を設定範囲内に維持するように追い焚きバーナ３４の加熱を制御し、所定温度の蒸気を蒸気タービン２１に供給できるようになっている。
【００４２】
上記追い焚きバーナ３４に代えて電気ヒータなどを用いても良く、それらの追い焚きバーナ３４や電気ヒータなどをして補助加熱手段と総称する。
また、上述実施例では、追い焚きバーナ３４を、第２の熱交換器２０に供給する排ガスを加熱するように設けているが、例えば、分岐配管１９の第２の熱交換器２０への入口箇所や出口箇所に設けても良く、要するに、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液を加熱できるように構成するものであれば良い。
【００４３】
蒸気路Ｒに、圧縮機２７の前後を挟むように第１のバイパス配管４３が設けられ、この第１のバイパス配管４３に第１の流量調整弁４４が設けられている。
蒸発器１４に、その蒸発器１４内の圧力を計測する圧力計測手段としての圧力計４５が設けられている。
【００４４】
図４のブロック図に示すように、圧力計４５が前記マイクロコンピュータ３８に接続されるとともに、マイクロコンピュータ３８に第１の流量調整弁４４が接続されている。マイクロコンピュータ３８には、第３の比較手段４６と第４の比較手段４７と第２の弁開度調整手段４８とから成る吸引蒸気量制御手段４９が備えられている。
【００４５】
第３の比較手段４６では、例えば、１分毎など所定時間毎に、圧力計４５で測定された圧力と上限設定圧力とを比較し、上限設定圧力よりも高いときに開き信号を出力するようになっている。
第４の比較手段４７では、例えば、１分毎など所定時間毎に、圧力計４５で測定された圧力と下限設定圧力とを比較し、下限設定圧力よりも低いときに閉じ信号を出力するようになっている。
【００４６】
第２の弁開度調整手段４８では、第３の比較手段４６からの開き信号に応答して、第１の流量調整弁４４に設定開度だけ開く駆動信号を出力し、圧縮機２７の出口から入口側に戻す蒸気量を設定量だけ増加させ、蒸発器１４からの吸引蒸気量を減少させるようになっている。一方、第４の比較手段４７からの閉じ信号に応答して、第１の流量調整弁４４に設定開度だけ閉じる駆動信号を出力し、圧縮機２７の出口から入口側に戻す蒸気量を設定量だけ減少させ、蒸発器１４からの吸引蒸気量を増加させるようになっている。
【００４７】
これにより、蒸発器１４内の圧力が一定になるように第１の流量調整弁４４を制御し、蒸発器１４内の圧力が低下しすぎて過冷却やサージングを発生したり、圧縮機２７の動力が過大になって蒸気タービン２１の回転数を一定に維持できなくなることを防止するようになっている。
上記実施例における第１のバイパス配管４３と第１の流量調整弁４４とから成る構成に代えて、蒸気路Ｒの圧縮機２７への入口箇所に流量調整弁を設けるようにしても良く、それらをして吸引蒸気量調整手段と総称する。
【００４８】
第２の配管１３の途中箇所に三方弁５０が設けられ、この三方弁５０と、分岐配管１９の第１の溶液ポンプ１５と第２の溶液ポンプ１８との間の箇所とが合流配管５１を介して接続され、凝縮器１０から蒸発器１４に供給する非共沸混合媒体の冷媒液の量を調整できるように構成されている。上記三方弁５０に代えて、第２の配管１３および合流配管５１それぞれに、互いに連動して所定量づつ分配可能に調整できるように個別の流量調整弁を設けるようにしても良く、それらの蒸発器１４に供給する冷媒液の量を調整する構成をして分配機構と総称する。
【００４９】
冷凍用媒体取り出し配管３２に、蒸発器１４から取り出される冷凍用媒体の温度を計測する温度計測手段としての第２の温度計５２が設けられている。
【００５０】
図５のブロック図に示すように、第２の温度計５２が前記マイクロコンピュータ３８に接続され、そのマイクロコンピュータ３８に三方弁５０が接続されている。マイクロコンピュータ３８には、第５の比較手段５３と第６の比較手段５４と第３の弁開度調整手段５５とから成る分配制御手段５６が備えられている。
【００５１】
第５の比較手段５３では、例えば、１分毎など所定時間毎に、第２の温度計５２で測定された温度と上限設定温度（例えば、−22℃）とを比較し、上限設定温度よりも高いときに開き信号を出力するようになっている。
第６の比較手段５４では、例えば、１分毎など所定時間毎に、第２の温度計５２で測定された温度と下限設定温度（例えば、−20℃）とを比較し、下限設定温度よりも低いときに閉じ信号を出力するようになっている。
【００５２】
第３の弁開度調整手段５３では、第５の比較手段５３からの開き信号に応答して、三方弁５０に設定開度だけ開く駆動信号を出力し、蒸発器１４に供給する冷媒液の量を設定量だけ増加させ、一方、第６の比較手段５４からの閉じ信号に応答して、三方弁５０に設定開度だけ閉じる駆動信号を出力し、蒸発器１４に供給する冷媒液の量を設定量だけ減少させるようになっている。
【００５３】
上記構成により、凝縮器１０から蒸発器１４に供給する冷媒液の量を調整して、蒸発器１４から取り出される冷凍用媒体の温度を一定に維持するようになっている。
【００５４】
三方弁５０には、その開度を測定する開度センサ５７（図６参照）が付設され、図６のブロック図に示すように、開度センサ５７が前記マイクロコンピュータ３８に接続され、マイクロコンピュータ３８に上限温度設定器５８および下限温度設定器５９が接続されている。
マイクロコンピュータ３８には、冷媒液量算出手段６０と変更温度算出手段６１とから成る設定温度変更手段６２が備えられている。
【００５５】
冷媒液量算出手段６０では、開度センサ５７で測定される三方弁５０の開度に基づき、合流配管５１を介して第２の熱交換器２０に供給される冷媒液の量を算出するようになっている。
【００５６】
変更温度算出手段６１では、冷媒液量算出手段６０で算出された冷媒液の量に基づき、吸収器１２から供給されるアンモニア−水系溶液との混合溶液、すなわち、第２の熱交換器２０に供給されるアンモニア−水系溶液の飽和蒸気温度を演算し、その飽和蒸気温度から上限設定温度および下限設定温度それぞれを算出し、算出された上限設定温度および下限設定温度それぞれに変更するように上限温度設定器５８および下限温度設定器５９を調整し、この変更された上限設定温度および下限設定温度それぞれを、加熱制御手段４２における第１および第２の比較手段３９，４０に出力させるようになっている。
【００５７】
上記構成により、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液の蒸気を得る上で必要な最低限またはそれに近い温度を設定し、追い焚きバーナ３４による加熱量を極力少なくし、省エネルギー性を向上するようになっている。
【００５８】
分岐配管１９に、蒸気タービン２１と並列になるように第２のバイパス配管６３が接続されるとともに、この第２のバイパス配管６３に第２の流量調整弁６４が設けられ、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液の蒸気の量を調整するように蒸気量調整手段が構成されている。この蒸気量調整手段としては、第２の流量調整弁６４に代えて、分岐配管１９と第２のバイパス配管６３との接続箇所に分配量を調整可能な三方弁を設けるなどして構成するものでも良い。
【００５９】
図２に示すように、ケーシング２９に、投光器と受光器を内蔵したパルスカウンタ６５が取り付けられ、一方、伝動軸２６の周方向の１箇所に凹部６６が形成され、投光器からの投射光が凹部６６に照射して反射するに伴う投受光の時間差から、蒸気タービン２１の回転数を計測するように回転数計測手段が構成されている。回転数計測手段としては、蒸気タービン２１の特定のタービン翼の回転数を計測するとかタービン軸の回転数をロータリーエンコーダで計測するように構成したものなど各種の構成のものが採用可能である。
【００６０】
図７のブロック図に示すように、パルスカウンタ６５がマイクロコンピュータ３８に接続されるとともに、マイクロコンピュータ３８に第２の流量調整弁６４が接続されている。マイクロコンピュータ３８には、第７の比較手段６７と第８の比較手段６８と第４の弁開度調整手段６９とから成る蒸気量制御手段７０が備えられている。
【００６１】
第７の比較手段６７では、パルスカウンタ６５で計測される蒸気タービン２１の回転数と上限設定回転数とを比較し、計測回転数が上限設定回転数を越えたときには開き信号を出力するようになっている。
第８の比較手段６８では、パルスカウンタ６５で計測される蒸気タービン２１の回転数と下限設定回転数とを比較し、計測回転数が下限設定回転数よりも低くなったときには閉じ信号を出力するようになっている。
【００６２】
第４の弁開度調整手段６９では、第７の比較手段６７からの開き信号に応答して、第２の流量調整弁６４に設定開度だけ開く駆動信号を出力し、蒸気タービン２１に供給する蒸気の量を設定量だけ減少させ、一方、第８の比較手段６８からの閉じ信号に応答して、第２の流量調整弁６４に設定開度だけ閉じる駆動信号を出力し、蒸気タービン２１に供給する蒸気の量を設定量だけ増加させるようになっている。
【００６３】
上記構成により、蒸気タービン２１の回転数が一定になるように制御し、冷凍需要の減少などにより圧縮機２７の動力が減少しても、蒸気タービン２１の回転数が上がることを回避し、冷凍用媒体の温度が必要以上に低下することを回避できる。
【００６４】
上記実施例では、気体軸受３０に、第２の熱交換器２０で発生した高温高圧の蒸気を供給するように構成しているが、例えば、吸収器１２からのアンモニア−水系溶液を供給するなど、要するに、単効用吸収式冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液によって潤滑するものであれば、各種の構成が採用できる。
【００６５】
また、上記第１実施例では、エンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、エンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００６６】
上述実施例のエンジン１としては、ミラーサイクルエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のエンジンを用いることができる。
【００６７】
なお、わかりやすくするために、特許請求の範囲、ならびに、課題を解決するための手段および作用それぞれの欄において、構成部材に参照図番を付しているが、これに制限されるものでは無い。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、エンジンからのエンジン冷却水を熱源として単効用吸収冷凍機を作動しながら、エンジンからの排ガスにより蒸気タービンを駆動して圧縮機を駆動し、蒸発器内の圧力を吸収器内の圧力よりも低下させて低温の冷凍用媒体を取り出すから、エンジン冷却水およびエンジンからの排ガスによって冷凍用媒体を取り出すことができ、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして、低温の冷凍用媒体を得ることができる。
すなわち、例えば、上述の圧縮機として電動型圧縮機を用いれば、圧縮機の駆動に電力を要するためにランニングコストが増大する。本発明ではこのような駆動電力が不要である。
また、蒸気タービンを駆動する蒸気と、蒸発器内の圧力を吸収器内の圧力よりも低下させるために圧縮機によって吸引する蒸気とが、いずれも単効用吸収冷凍機の作動媒体である非共沸混合媒体の蒸気であり、また、軸受潤滑を同一媒体で行えることから、蒸気タービンと圧縮機ならびにそれらを連動連結する伝動軸を同じケーシング内に収容することができ、電動モータと圧縮機とを連動連結する伝動軸に対する軸受部の潤滑と漏洩に対するシールに複雑な構成を採用したり、密閉式のキャンドモータを用いたりする場合に比べてイニシャルコストを安価にできる。
しかも、補助加熱手段を設けて制御することにより、蒸気タービンに供給する非共沸混合媒体の蒸気の温度が設定温度以下にならないように加熱するから、エンジンの運転負荷が減少してエンジンからの排ガスの熱量が減少しても、蒸気タービンに確実に必要量の蒸気を供給することができ、全体として、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして、エンジンの運転負荷の変動にかかわらず、所望温度の冷凍用媒体を安定して得ることができる。
【００６９】
また、請求項２に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、冷凍需要の変動に伴う蒸発器内の圧力の変化を圧力計測手段で検知して圧縮機に吸引供給される蒸気の量を調整し、蒸発器内の圧力を一定に維持するから、冷凍需要の変動にかかわらず、過冷却を招くことを回避して冷凍用媒体の温度を一定に維持することができる。
【００７０】
また、請求項３に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、凝縮器から蒸発器に供給する冷媒液の量を調整して、蒸発器から取り出される冷凍用媒体の温度を一定に維持するから、所望温度の冷凍用媒体を安定して得ることができる。
そのうえ、余った非共沸混合媒体の冷媒液を、吸収器から取り出される非共沸混合媒体に合流し、熱交換器に供給する非共沸混合媒体の冷媒の濃度を高くするから、熱交換器に対する加熱量を一定とした場合に、非共沸混合媒体の蒸気の発生量を増加できて蒸気タービンの出力を向上できる。
【００７１】
また、請求項４に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、吸収器から取り出される非共沸混合媒体に対して凝縮器から合流される非共沸混合媒体の冷媒液の量が変動するに伴い、それに対応する非共沸混合媒体の蒸発飽和温度の変動に合わせて、加熱制御手段における設定温度を変更するから、補助加熱手段による加熱熱量を必要最小限にでき、省エネルギー性を向上できる。
【００７２】
また、請求項５に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、蒸気タービンの回転数を一定に維持して、圧縮機の回転数を一定に維持するから、冷凍用媒体の温度が必要以上に低下することを回避できる。
すなわち、冷凍需要が減少して、蒸発器内の圧力が低下すると、圧縮機の動力が減少して回転負荷が減少するために、蒸気タービンの回転数が増加していき、それに連れて圧縮機の回転数も増加して一層蒸発器内の圧力が低下し、蒸発器から取り出される冷凍用媒体の温度が低下してしまう。このような冷凍用媒体の必要以上の温度低下を、蒸気タービンの回転数を一定に維持することによって回避できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排熱吸収冷凍機の実施例を示す概略構成図である。
【図２】要部の断面図である。
【図３】ブロック図である。
【図４】ブロック図である。
【図５】ブロック図である。
【図６】ブロック図である。
【図７】ブロック図である。
【図８】従来例の概略構成図である。
【符号の説明】
１…エンジン
８…再生器
１０…凝縮器
１２…吸収器
１３…第２の配管
１４…蒸発器
１９…分岐配管
２０…第２の熱交換器
２１…蒸気タービン
２７…圧縮機
３４…追い焚きバーナ（補助加熱手段）
４２…加熱制御手段
４４…第１の流量調整弁（蒸気量調整手段）
４５…圧力計（圧力計測手段）
４９…吸引蒸気量制御手段
５０…三方弁（分配機構）
５１…合流配管
５２…第２の温度計（温度計測手段）
５６…分配制御手段
５７…開度センサ（冷媒液量測定手段）
６２…設定温度変更手段
６４…第２の流量調整弁（吸引蒸気量調整手段）
６５…パルスカウンタ（回転数計測手段）
７０…蒸気量制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン、スターリングエンジン、ミラーサイクルガスエンジンなどのエンジンから発生する排熱を回収して冷凍用媒体を取り出すように構成した排熱吸収冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の排熱吸収冷凍機としては、図８の従来例の概略構成図に示すようなアンモニア吸収冷凍機があった。
この従来例によれば、エンジン０１に、カップリング０２を介して発電機０３が連動連結されている。
【０００３】
エンジン０１のエンジン冷却部の出口と入口とにわたって、エンジン冷却水（ジャケット冷却水）を循環する第１のポンプ０４を介装した循環配管０５が接続され、この循環配管０５に、単効用吸収冷凍機を構成する再生器０６が設けられている。再生器０６には、エンジン０１からのエンジン冷却水（ジャケット冷却水）［温度85〜95℃］によって蒸発可能なアンモニアを冷媒とし、かつ、水を吸収剤とした非共沸混合媒体としてアンモニア−水系溶液が収容されている。
【０００４】
再生器０６には、精溜器０７を介して水を分離したアンモニア蒸気を供給するように凝縮器０８が連通接続され、かつ、再生器０６に第１の配管０９を介して吸収器０１０が接続されるとともに、凝縮器０８に第２の配管０１１を介して蒸発器０１２が接続され、更に、吸収器０１０と蒸発器０１２とが連通接続され、単効用吸収冷凍機が構成されている。
【０００５】
凝縮器０８では、再生器０６で蒸発したアンモニアを凝縮液化し、その液化したアンモニアを蒸発器０１２に噴霧供給により戻すようになっている。
また、蒸発器０１２では、吸収器０１０における水によるアンモニアの吸収に伴い、アンモニアが蒸発するようになっている。
【０００６】
再生器０６と吸収器０１０とにわたって、溶液ポンプ０１３を介装した第３の配管０１４が接続され、この第３の配管０１４と第１の配管０９との間に熱交換器０１５が設けられ、再生器０６に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、再生器０６から吸収器０１０に流すアンモニア−水系溶液によって加熱するようになっている。
【０００７】
上記構成により、エンジン０１からの排熱であるエンジン冷却水を利用して、蒸発器０１２でのアンモニアの蒸発に伴い、冷水を得るようになっている。
【０００８】
ところが、アンモニアや、ＬｉＢｒ（リチウムブロマイド）などの吸収式冷凍機では、吸収プロセスや蒸発プロセスにたよっているために、電動型圧縮機によって冷媒を強制的に圧縮・膨張する冷媒回路を備えた冷凍機に比べ、成績係数が低くなる傾向にある。
【０００９】
そのため、従来より、吸収式冷凍機の成績係数を高くする方法が種々検討され、その一つとして、蒸発器０１２と吸収器０１０との間に電動型圧縮機を設け、蒸発器０１２内の蒸気を吸引し、その吸引した蒸気を吸収器０１０に加圧供給するようなプロセスが提案されている。
【００１０】
この構成によれば、吸収器０１０内での圧力は低下しないため、前述のような電動型圧縮機によって冷媒を強制的に圧縮・膨張する冷媒回路を備えた冷凍機の場合と同様に低温の温度を取り出すことができる。また、性能面においても、電動型圧縮機に使用する電力を除いた場合の成績係数を 1.2倍以上に高めることができる。また、従来の方法では、デューリング線図上、エンジン冷却水レベルの温度を加熱源として、−10℃以下の冷熱を取り出すことができないが、この電動型圧縮機を使用する構成によれば取り出すことができるようになる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、電動型圧縮機の場合、電動モータと圧縮機とを連動連結し、伝動軸の軸受部に対して潤滑と漏洩に対するシールをしなければならず、例えば、アンモニア吸収冷凍機に適用した場合、潤滑油が系内に混入するとアンモニアの蒸発が阻害され、冷媒への伝熱に弊害を及ぼすなど、潤滑油と漏洩の問題が、開発を阻害する大きな要因になっていた。
【００１２】
また、同時に、電動型圧縮機の駆動に必要な電力が大きくてランニングコストが増大する問題があった。もちろん、潤滑油や漏洩の問題だけであれば、密閉式のキャンドモータを用いることも可能であるが、ランニングコストやイニシャルコストが増大する欠点があった。
【００１３】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、請求項１に係る発明は、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして、エンジンの運転負荷の変動にかかわらず、所望温度の冷凍用媒体を安定して得られるようにすることを目的とし、請求項２に係る発明は、冷凍需要の変動にかかわらず、所望温度の冷凍用媒体を安定して得られるようにすることを目的とし、請求項３に係る発明は、蒸発温度を一定に維持して、所望温度の冷凍用媒体を安定して得られるようにすることを目的とし、請求項４に係る発明は、省エネルギー性を向上できるようにすることを目的とし、更に、請求項５に係る発明は、蒸気タービンの回転数を一定に維持して、冷凍用媒体の温度が必要以上に低下することを回避できるようにすることを目的する。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、上述のような目的を達成するために、再生器(8) と吸収器(12)と凝縮器(10)と蒸発器(14)とから成る単効用吸収冷凍機を、エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体を作動媒体とするとともにエンジン冷却水を熱源として作動し、前記蒸発器(14)から冷凍用媒体を取り出すように構成した排熱吸収冷凍機において、
前記吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体を前記エンジン(1) からの排ガスにより加熱して蒸発させる熱交換器(20)と、
前記熱交換器(20)で蒸発した非共沸混合媒体の蒸気によって駆動する蒸気タービン(21)と、
前記蒸気タービン(21)に一体的に連動連結されて前記蒸発器(14)内の蒸気を吸引して前記吸収器(12)との間に圧力差を発生させる圧縮機(27)と、
前記蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体を加熱可能な補助加熱手段(34)と、
前記蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の温度が設定温度以下にならないように前記補助加熱手段(34)の加熱を制御する加熱制御手段(42)と、を備えて構成する。
【００１５】
また、請求項２に係る発明の排熱吸収冷凍機は、前述のような目的を達成するために、
請求項１に記載の排熱吸収冷凍機における圧縮機(27)に吸引供給する非共沸混合媒体の蒸気の量を調整する吸引蒸気量調整手段(44)と、
前記蒸発器(14)内の圧力を計測する圧力計測手段(45)と、
前記圧力計測手段(45)で計測される圧力が一定になるように前記吸引蒸気量調整手段(44)を制御する吸引蒸気量制御手段(49)と、
を備えて構成する。
【００１６】
また、請求項３に係る発明の排熱吸収冷凍機は、前述のような目的を達成するために、
請求項１または請求項２に記載の排熱吸収冷凍機における凝縮器(10)で凝縮した非共沸混合媒体の冷媒液を蒸発器(14)に供給する配管(13)に介装されて前記蒸発器(14)に供給する冷媒液の量を調整する分配機構(50)と、
吸収器(12)と熱交換器(20)とを接続する配管(19)に前記分配機構(50)を接続する合流配管(51)と、
前記蒸発器(14)から取り出される冷凍用媒体の温度を計測する温度計測手段(52)と、
前記温度計測手段(52)で計測される冷凍用媒体の温度が一定になるように前記分配機構(50)を制御して前記蒸発器(14)に供給する冷媒液の量を制御する分配制御手段(56)と、
を備えて構成する。
【００１７】
また、請求項４に係る発明の排熱吸収冷凍機は、前述のような目的を達成するために、
請求項３に記載の排熱吸収冷凍機における合流配管(51)を通じて供給される非共沸混合媒体の冷媒液の量を測定する冷媒液量測定手段(57)と、
前記冷媒液量測定手段(57)で測定される冷媒液の量に基づいて、冷媒液の量が多いほど加熱制御手段(21)における設定温度が低くなるように設定温度を変更する設定温度変更手段(62)と、
を備えて構成する。
【００１８】
また、請求項５に係る発明の排熱吸収冷凍機は、前述のような目的を達成するために、
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４のいずれかに記載の排熱吸収冷凍機における蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の量を調整する蒸気量調整手段(64)と、
前記蒸気タービン(21)の回転数を計測する回転数計測手段(65)と、
前記回転数計測手段(65)で計測される回転数が一定になるように前記蒸気量調整手段(64)を制御する蒸気量制御手段(70)と、
を備えて構成する。
【００１９】
エンジンからのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体としては、アンモニア−水系の混合溶液、メタノール−水系の混合溶液等が使用できる。この非共沸混合媒体は、冷媒と吸収剤以外に、腐食防止などのために若干の第三成分を含んでいてもよい。
【００２０】
【作用】
請求項１に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、エンジン(1) からのエンジン冷却水を熱源として単効用吸収冷凍機を作動する。一方、エンジン(1) からの排ガスにより、吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体を熱交換器(20)を介して加熱して非共沸混合媒体の蒸気を発生させ、その蒸気によって蒸気タービン(21)を駆動し、蒸気タービン(21)に一体的に連動連結した圧縮機(27)を駆動する。この圧縮機(27)により、蒸発器(14)内の蒸気を吸引して蒸発器(14)内の圧力を吸収器(12)内の圧力よりも低下させ、蒸発器(14)での蒸発に伴い、低温の冷凍用媒体を取り出すことができる。
また、エンジン(1) からの排ガスに加えて、補助加熱手段(34)により蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体を加熱できるようにし、加熱制御手段(42)によって、蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の温度が設定温度以下にならないように加熱する。
【００２１】
また、請求項２に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、冷凍需要が変動して、蒸発器(14)内の圧力が変化したときには、その変化を圧力計測手段(45)で検知して圧縮機(27)に吸引供給される蒸気の量を調整し、蒸発器(14)内の圧力を一定に維持する。
【００２２】
また、請求項３に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、凝縮器(10)から蒸発器(14)に供給する非共沸混合媒体の冷媒液の量を調整して、蒸発器(14)から取り出される冷凍用媒体の温度を一定に維持する。
また、余った非共沸混合媒体の冷媒液は、吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体に合流して熱交換器(20)に供給することができる。
【００２３】
また、請求項４に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、凝縮器(10)から蒸発器(14)に供給する非共沸混合媒体の冷媒液の量の調整に伴って、吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体に合流される非共沸混合媒体の冷媒液の量が変動する。この変動に伴い、合流状態での非共沸混合媒体の冷媒の濃度が変動し、濃度が高くなるほど非共沸混合媒体の蒸発飽和温度が低くなることに着目し、上述の冷媒液の量を冷媒液量測定手段(57)で測定し、合流される非共沸混合媒体の冷媒液の量が多いほど、すなわち、合流状態での非共沸混合媒体の冷媒の濃度が高いほど加熱制御手段(42)における設定温度が低くなるようにする。
【００２４】
また、請求項５に係る発明の排熱吸収冷凍機の構成によれば、蒸気量制御手段(64)によって蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の量を制御し、蒸気タービン(21)の回転数を一定に維持し、圧縮機(27)の回転数を一定に維持する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明に係る排熱吸収冷凍機の実施例を示す概略構成図であり、エンジン１に、カップリング２を介して発電機３が連動連結されている。
エンジン１の排気管にガス配管４が接続され、そのガス配管４に、ＮＯｘ成分を除去する脱硝装置５が付設されている。
【００２６】
エンジン１のエンジン冷却部１ａの出口と入口とにわたって、エンジン冷却水（ジャケット冷却水）を循環する第１のポンプ６を介装した循環配管７が接続され、この循環配管７に、単効用吸収冷凍機を構成する再生器８が設けられている。再生器８には、エンジン１からのエンジン冷却水（温度85〜95℃）によって蒸発可能なアンモニアを冷媒とし、かつ、水を吸収剤とした非共沸混合媒体としてのアンモニア−水系溶液が収容されている。
【００２７】
再生器８には、精溜器９を介して水を分離したアンモニア蒸気を供給するように凝縮器１０が連通接続され、再生器８に第１の配管１１を介して吸収器１２が接続されるとともに、凝縮器１０に第２の配管１３を介して蒸発器１４が接続され、更に、吸収器１２と蒸発器１４とが蒸気路Ｒを介して連通接続され、単効用吸収冷凍機が構成されている。
凝縮器１０では、再生器８で蒸発した冷媒を凝縮液化し、その液化した冷媒を蒸発器１４に噴霧供給により戻すようになっている。
【００２８】
吸収器１２から再生器８にわたって、第１の溶液ポンプ１５を介装した第３の配管１６が接続され、この第３の配管１６と第１の配管１１との間に第１の熱交換器１７が設けられ、再生器８に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、再生器８から吸収器１２に流すアンモニア−水系溶液によって加熱するようになっている。
【００２９】
第３の配管１６の第１の溶液ポンプ１５と第１の熱交換器１７との間に、第２の溶液ポンプ１８を介装した分岐配管１９が接続され、この分岐配管１９とガス配管４とにわたって第２の熱交換器２０が設けられ、液化したアンモニア−水系溶液をエンジン１からの排ガスとの伝熱により加熱し、高温高圧の蒸気を発生させるように構成されている。
【００３０】
分岐配管１９に蒸気タービン２１が接続されるとともに、その蒸気タービン２１と吸収器１２とが第４の配管２２を介して接続され、単効用吸収冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液の高温高圧の蒸気によって蒸気タービン２１を駆動するとともに、蒸気タービン２１から排出される蒸気を吸収器１２に戻すように構成されている。
【００３１】
第３の配管１６において、開閉弁２３を介装したバイパス配管２４が第１の熱交換器１７と並列に接続され、そのバイパス配管２４と第４の配管２２とにわたって第３の熱交換器２５が設けられ、再生器８に戻す液化したアンモニア−水系溶液を、蒸気タービン２１から排出されるアンモニア−水系溶液の蒸気によって加熱するようになっている。
【００３２】
図２の断面図に示すように、蒸気タービン２１に伝動軸２６を介して圧縮機２７が一体的に連動連結され、蒸気タービン２１、伝動軸２６および圧縮機２７が、パッキング２８を介してシールした状態で一体化されたケーシング２９内に収容されるとともに、伝動軸２６が気体軸受３０を介して回転自在に支持されている。
【００３３】
第２の配管１３の途中箇所に第４の熱交換器３１が設けられ、この第４の熱交換器３１を介して熱交換するように蒸気路Ｒが接続されるとともにこの蒸気路Ｒに前述の圧縮機２７が設けられている。圧縮機２７と第４の配管２２の途中箇所が接続されている。これらの構成により、圧縮機２７によって蒸発器１４内の蒸気を吸引し、第４の熱交換器３１を経てから吸収器１２に供給するようになっている。この蒸発器１４と吸収器１２とを接続する一連の配管を蒸気路Ｒと称する。
【００３４】
蒸発器１４に、冷凍用媒体としてのブラインを取り出す冷凍用媒体取り出し管３２が付設されている。このブラインとの熱交換により、食品とか下水処理システムでの下水汚泥などの被冷却物を冷却・冷凍するのである。
凝縮器１０および吸収器１２には、クーリングタワーからの冷却水を供給する冷却管３３が通されている。
【００３５】
気体軸受３０には、第２の熱交換器２０で発生した高温高圧の蒸気が供給され、単効用吸収式冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液の蒸気によって潤滑するように構成されている。この気体軸受３０からの蒸気は、第４の配管２２を通じて吸収器１２に戻されるようになっている。
【００３６】
ガス配管４の脱硝装置５と第２の熱交換器２０との間に追い焚きバーナ３４が設けられ、エンジン１からの排ガスを加熱するように構成されている。追い焚きバーナ３４への燃料供給管３５に、燃料供給量を調整する燃料調整弁３６が設けられている。
【００３７】
第２の熱交換器２０と蒸気タービン２１との間において、分岐配管１９に、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液の蒸気の温度を測定する第１の温度計３７が設けられている。
【００３８】
図３のブロック図に示すように、第１の温度計３７がマイクロコンピュータ３８に接続され、そのマイクロコンピュータ３８に燃料調整弁３６が接続されている。マイクロコンピュータ３８には、第１の比較手段３９と第２の比較手段４０と第１の弁開度調整手段４１とから成る加熱制御手段４２が備えられている。
【００３９】
第１の比較手段３９では、例えば、１分毎など所定時間毎に、第１の温度計３７で測定された温度と上限設定温度（例えば、２０５℃）とを比較し、上限設定温度よりも高いときに閉じ信号を出力するようになっている。
第２の比較手段４０では、例えば、１分毎など所定時間毎に、第１の温度計３７で測定された温度と下限設定温度（例えば、１９５℃）とを比較し、下限設定温度よりも低いときに開き信号を出力するようになっている。
【００４０】
弁開度調整手段４１では、第１の比較手段３９からの閉じ信号に応答して、燃料調整弁３６に設定開度だけ閉じる駆動信号を出力し、燃料供給量を設定量だけ減少させ、一方、第２の比較手段４０からの開き信号に応答して、燃料調整弁３６に設定開度だけ開く駆動信号を出力し、燃料供給量を設定量だけ増加させるようになっている。
【００４１】
上記構成により、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液の蒸気の温度を設定範囲内に維持するように追い焚きバーナ３４の加熱を制御し、所定温度の蒸気を蒸気タービン２１に供給できるようになっている。
【００４２】
上記追い焚きバーナ３４に代えて電気ヒータなどを用いても良く、それらの追い焚きバーナ３４や電気ヒータなどをして補助加熱手段と総称する。
また、上述実施例では、追い焚きバーナ３４を、第２の熱交換器２０に供給する排ガスを加熱するように設けているが、例えば、分岐配管１９の第２の熱交換器２０への入口箇所や出口箇所に設けても良く、要するに、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液を加熱できるように構成するものであれば良い。
【００４３】
蒸気路Ｒに、圧縮機２７の前後を挟むように第１のバイパス配管４３が設けられ、この第１のバイパス配管４３に第１の流量調整弁４４が設けられている。
蒸発器１４に、その蒸発器１４内の圧力を計測する圧力計測手段としての圧力計４５が設けられている。
【００４４】
図４のブロック図に示すように、圧力計４５が前記マイクロコンピュータ３８に接続されるとともに、マイクロコンピュータ３８に第１の流量調整弁４４が接続されている。マイクロコンピュータ３８には、第３の比較手段４６と第４の比較手段４７と第２の弁開度調整手段４８とから成る吸引蒸気量制御手段４９が備えられている。
【００４５】
第３の比較手段４６では、例えば、１分毎など所定時間毎に、圧力計４５で測定された圧力と上限設定圧力とを比較し、上限設定圧力よりも高いときに開き信号を出力するようになっている。
第４の比較手段４７では、例えば、１分毎など所定時間毎に、圧力計４５で測定された圧力と下限設定圧力とを比較し、下限設定圧力よりも低いときに閉じ信号を出力するようになっている。
【００４６】
第２の弁開度調整手段４８では、第３の比較手段４６からの開き信号に応答して、第１の流量調整弁４４に設定開度だけ開く駆動信号を出力し、圧縮機２７の出口から入口側に戻す蒸気量を設定量だけ増加させ、蒸発器１４からの吸引蒸気量を減少させるようになっている。一方、第４の比較手段４７からの閉じ信号に応答して、第１の流量調整弁４４に設定開度だけ閉じる駆動信号を出力し、圧縮機２７の出口から入口側に戻す蒸気量を設定量だけ減少させ、蒸発器１４からの吸引蒸気量を増加させるようになっている。
【００４７】
これにより、蒸発器１４内の圧力が一定になるように第１の流量調整弁４４を制御し、蒸発器１４内の圧力が低下しすぎて過冷却やサージングを発生したり、圧縮機２７の動力が過大になって蒸気タービン２１の回転数を一定に維持できなくなることを防止するようになっている。
上記実施例における第１のバイパス配管４３と第１の流量調整弁４４とから成る構成に代えて、蒸気路Ｒの圧縮機２７への入口箇所に流量調整弁を設けるようにしても良く、それらをして吸引蒸気量調整手段と総称する。
【００４８】
第２の配管１３の途中箇所に三方弁５０が設けられ、この三方弁５０と、分岐配管１９の第１の溶液ポンプ１５と第２の溶液ポンプ１８との間の箇所とが合流配管５１を介して接続され、凝縮器１０から蒸発器１４に供給する非共沸混合媒体の冷媒液の量を調整できるように構成されている。上記三方弁５０に代えて、第２の配管１３および合流配管５１それぞれに、互いに連動して所定量づつ分配可能に調整できるように個別の流量調整弁を設けるようにしても良く、それらの蒸発器１４に供給する冷媒液の量を調整する構成をして分配機構と総称する。
【００４９】
冷凍用媒体取り出し配管３２に、蒸発器１４から取り出される冷凍用媒体の温度を計測する温度計測手段としての第２の温度計５２が設けられている。
【００５０】
図５のブロック図に示すように、第２の温度計５２が前記マイクロコンピュータ３８に接続され、そのマイクロコンピュータ３８に三方弁５０が接続されている。マイクロコンピュータ３８には、第５の比較手段５３と第６の比較手段５４と第３の弁開度調整手段５５とから成る分配制御手段５６が備えられている。
【００５１】
第５の比較手段５３では、例えば、１分毎など所定時間毎に、第２の温度計５２で測定された温度と上限設定温度（例えば、−22℃）とを比較し、上限設定温度よりも高いときに開き信号を出力するようになっている。
第６の比較手段５４では、例えば、１分毎など所定時間毎に、第２の温度計５２で測定された温度と下限設定温度（例えば、−20℃）とを比較し、下限設定温度よりも低いときに閉じ信号を出力するようになっている。
【００５２】
第３の弁開度調整手段５３では、第５の比較手段５３からの開き信号に応答して、三方弁５０に設定開度だけ開く駆動信号を出力し、蒸発器１４に供給する冷媒液の量を設定量だけ増加させ、一方、第６の比較手段５４からの閉じ信号に応答して、三方弁５０に設定開度だけ閉じる駆動信号を出力し、蒸発器１４に供給する冷媒液の量を設定量だけ減少させるようになっている。
【００５３】
上記構成により、凝縮器１０から蒸発器１４に供給する冷媒液の量を調整して、蒸発器１４から取り出される冷凍用媒体の温度を一定に維持するようになっている。
【００５４】
三方弁５０には、その開度を測定する開度センサ５７（図６参照）が付設され、図６のブロック図に示すように、開度センサ５７が前記マイクロコンピュータ３８に接続され、マイクロコンピュータ３８に上限温度設定器５８および下限温度設定器５９が接続されている。
マイクロコンピュータ３８には、冷媒液量算出手段６０と変更温度算出手段６１とから成る設定温度変更手段６２が備えられている。
【００５５】
冷媒液量算出手段６０では、開度センサ５７で測定される三方弁５０の開度に基づき、合流配管５１を介して第２の熱交換器２０に供給される冷媒液の量を算出するようになっている。
【００５６】
変更温度算出手段６１では、冷媒液量算出手段６０で算出された冷媒液の量に基づき、吸収器１２から供給されるアンモニア−水系溶液との混合溶液、すなわち、第２の熱交換器２０に供給されるアンモニア−水系溶液の飽和蒸気温度を演算し、その飽和蒸気温度から上限設定温度および下限設定温度それぞれを算出し、算出された上限設定温度および下限設定温度それぞれに変更するように上限温度設定器５８および下限温度設定器５９を調整し、この変更された上限設定温度および下限設定温度それぞれを、加熱制御手段４２における第１および第２の比較手段３９，４０に出力させるようになっている。
【００５７】
上記構成により、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液の蒸気を得る上で必要な最低限またはそれに近い温度を設定し、追い焚きバーナ３４による加熱量を極力少なくし、省エネルギー性を向上するようになっている。
【００５８】
分岐配管１９に、蒸気タービン２１と並列になるように第２のバイパス配管６３が接続されるとともに、この第２のバイパス配管６３に第２の流量調整弁６４が設けられ、蒸気タービン２１に供給するアンモニア−水系溶液の蒸気の量を調整するように蒸気量調整手段が構成されている。この蒸気量調整手段としては、第２の流量調整弁６４に代えて、分岐配管１９と第２のバイパス配管６３との接続箇所に分配量を調整可能な三方弁を設けるなどして構成するものでも良い。
【００５９】
図２に示すように、ケーシング２９に、投光器と受光器を内蔵したパルスカウンタ６５が取り付けられ、一方、伝動軸２６の周方向の１箇所に凹部６６が形成され、投光器からの投射光が凹部６６に照射して反射するに伴う投受光の時間差から、蒸気タービン２１の回転数を計測するように回転数計測手段が構成されている。回転数計測手段としては、蒸気タービン２１の特定のタービン翼の回転数を計測するとかタービン軸の回転数をロータリーエンコーダで計測するように構成したものなど各種の構成のものが採用可能である。
【００６０】
図７のブロック図に示すように、パルスカウンタ６５がマイクロコンピュータ３８に接続されるとともに、マイクロコンピュータ３８に第２の流量調整弁６４が接続されている。マイクロコンピュータ３８には、第７の比較手段６７と第８の比較手段６８と第４の弁開度調整手段６９とから成る蒸気量制御手段７０が備えられている。
【００６１】
第７の比較手段６７では、パルスカウンタ６５で計測される蒸気タービン２１の回転数と上限設定回転数とを比較し、計測回転数が上限設定回転数を越えたときには開き信号を出力するようになっている。
第８の比較手段６８では、パルスカウンタ６５で計測される蒸気タービン２１の回転数と下限設定回転数とを比較し、計測回転数が下限設定回転数よりも低くなったときには閉じ信号を出力するようになっている。
【００６２】
第４の弁開度調整手段６９では、第７の比較手段６７からの開き信号に応答して、第２の流量調整弁６４に設定開度だけ開く駆動信号を出力し、蒸気タービン２１に供給する蒸気の量を設定量だけ減少させ、一方、第８の比較手段６８からの閉じ信号に応答して、第２の流量調整弁６４に設定開度だけ閉じる駆動信号を出力し、蒸気タービン２１に供給する蒸気の量を設定量だけ増加させるようになっている。
【００６３】
上記構成により、蒸気タービン２１の回転数が一定になるように制御し、冷凍需要の減少などにより圧縮機２７の動力が減少しても、蒸気タービン２１の回転数が上がることを回避し、冷凍用媒体の温度が必要以上に低下することを回避できる。
【００６４】
上記実施例では、気体軸受３０に、第２の熱交換器２０で発生した高温高圧の蒸気を供給するように構成しているが、例えば、吸収器１２からのアンモニア−水系溶液を供給するなど、要するに、単効用吸収式冷凍機の作動媒体であるアンモニア−水系溶液によって潤滑するものであれば、各種の構成が採用できる。
【００６５】
また、上記第１実施例では、エンジン１によって発電機３を駆動して電力を取り出す、いわゆるコジェネレーションシステムを示したが、エンジン１によって各種の機械装置を駆動する場合にも適用できる。
【００６６】
上述実施例のエンジン１としては、ミラーサイクルエンジンやディーゼルエンジンやスターリングエンジンなど各種のエンジンを用いることができる。
【００６７】
なお、わかりやすくするために、特許請求の範囲、ならびに、課題を解決するための手段および作用それぞれの欄において、構成部材に参照図番を付しているが、これに制限されるものでは無い。
【００６８】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、エンジンからのエンジン冷却水を熱源として単効用吸収冷凍機を作動しながら、エンジンからの排ガスにより蒸気タービンを駆動して圧縮機を駆動し、蒸発器内の圧力を吸収器内の圧力よりも低下させて低温の冷凍用媒体を取り出すから、エンジン冷却水およびエンジンからの排ガスによって冷凍用媒体を取り出すことができ、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして、低温の冷凍用媒体を得ることができる。
すなわち、例えば、上述の圧縮機として電動型圧縮機を用いれば、圧縮機の駆動に電力を要するためにランニングコストが増大する。本発明ではこのような駆動電力が不要である。
また、蒸気タービンを駆動する蒸気と、蒸発器内の圧力を吸収器内の圧力よりも低下させるために圧縮機によって吸引する蒸気とが、いずれも単効用吸収冷凍機の作動媒体である非共沸混合媒体の蒸気であり、また、軸受潤滑を同一媒体で行えることから、蒸気タービンと圧縮機ならびにそれらを連動連結する伝動軸を同じケーシング内に収容することができ、電動モータと圧縮機とを連動連結する伝動軸に対する軸受部の潤滑と漏洩に対するシールに複雑な構成を採用したり、密閉式のキャンドモータを用いたりする場合に比べてイニシャルコストを安価にできる。
しかも、補助加熱手段を設けて制御することにより、蒸気タービンに供給する非共沸混合媒体の蒸気の温度が設定温度以下にならないように加熱するから、エンジンの運転負荷が減少してエンジンからの排ガスの熱量が減少しても、蒸気タービンに確実に必要量の蒸気を供給することができ、全体として、ランニングコストおよびイニシャルコストのいずれも安価にして、エンジンの運転負荷の変動にかかわらず、所望温度の冷凍用媒体を安定して得ることができる。
【００６９】
また、請求項２に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、冷凍需要の変動に伴う蒸発器内の圧力の変化を圧力計測手段で検知して圧縮機に吸引供給される蒸気の量を調整し、蒸発器内の圧力を一定に維持するから、冷凍需要の変動にかかわらず、過冷却を招くことを回避して冷凍用媒体の温度を一定に維持することができる。
【００７０】
また、請求項３に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、凝縮器から蒸発器に供給する冷媒液の量を調整して、蒸発器から取り出される冷凍用媒体の温度を一定に維持するから、所望温度の冷凍用媒体を安定して得ることができる。
そのうえ、余った非共沸混合媒体の冷媒液を、吸収器から取り出される非共沸混合媒体に合流し、熱交換器に供給する非共沸混合媒体の冷媒の濃度を高くするから、熱交換器に対する加熱量を一定とした場合に、非共沸混合媒体の蒸気の発生量を増加できて蒸気タービンの出力を向上できる。
【００７１】
また、請求項４に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、吸収器から取り出される非共沸混合媒体に対して凝縮器から合流される非共沸混合媒体の冷媒液の量が変動するに伴い、それに対応する非共沸混合媒体の蒸発飽和温度の変動に合わせて、加熱制御手段における設定温度を変更するから、補助加熱手段による加熱熱量を必要最小限にでき、省エネルギー性を向上できる。
【００７２】
また、請求項５に係る発明の排熱吸収冷凍機によれば、蒸気タービンの回転数を一定に維持して、圧縮機の回転数を一定に維持するから、冷凍用媒体の温度が必要以上に低下することを回避できる。
すなわち、冷凍需要が減少して、蒸発器内の圧力が低下すると、圧縮機の動力が減少して回転負荷が減少するために、蒸気タービンの回転数が増加していき、それに連れて圧縮機の回転数も増加して一層蒸発器内の圧力が低下し、蒸発器から取り出される冷凍用媒体の温度が低下してしまう。このような冷凍用媒体の必要以上の温度低下を、蒸気タービンの回転数を一定に維持することによって回避できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る排熱吸収冷凍機の実施例を示す概略構成図である。
【図２】要部の断面図である。
【図３】ブロック図である。
【図４】ブロック図である。
【図５】ブロック図である。
【図６】ブロック図である。
【図７】ブロック図である。
【図８】従来例の概略構成図である。
【符号の説明】
１…エンジン
８…再生器
１０…凝縮器
１２…吸収器
１３…第２の配管
１４…蒸発器
１９…分岐配管
２０…第２の熱交換器
２１…蒸気タービン
２７…圧縮機
３４…追い焚きバーナ（補助加熱手段）
４２…加熱制御手段
４４…第１の流量調整弁（蒸気量調整手段）
４５…圧力計（圧力計測手段）
４９…吸引蒸気量制御手段
５０…三方弁（分配機構）
５１…合流配管
５２…第２の温度計（温度計測手段）
５６…分配制御手段
５７…開度センサ（冷媒液量測定手段）
６２…設定温度変更手段
６４…第２の流量調整弁（吸引蒸気量調整手段）
６５…パルスカウンタ（回転数計測手段）
７０…蒸気量制御手段
Claims (5)
- 再生器(8) と吸収器(12)と凝縮器(10)と蒸発器(14)とから成る単効用吸収冷凍機を、エンジン(1) からのエンジン冷却水によって蒸発可能な冷媒を含む非共沸混合媒体を作動媒体とするとともにエンジン冷却水を熱源として作動し、前記蒸発器(14)から冷凍用媒体を取り出すように構成した排熱吸収冷凍機において、
前記吸収器(12)から取り出される非共沸混合媒体を前記エンジン(1) からの排ガスにより加熱して蒸発させる熱交換器(20)と、
前記熱交換器(20)で蒸発した非共沸混合媒体の蒸気によって駆動する蒸気タービン(21)と、
前記蒸気タービン(21)に一体的に連動連結されて前記蒸発器(14)内の蒸気を吸引して前記吸収器(12)との間に圧力差を発生させる圧縮機(27)と、
前記蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体を加熱可能な補助加熱手段(34)と、
前記蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の温度が設定温度以下にならないように前記補助加熱手段(34)の加熱を制御する加熱制御手段(42)と、を備えたことを特徴とする排熱吸収冷凍機。 - 請求項１に記載の圧縮機(27)に吸引供給する非共沸混合媒体の蒸気の量を調整する吸引蒸気量調整手段(44)と、
前記蒸発器(14)内の圧力を計測する圧力計測手段(45)と、
前記圧力計測手段(45)で計測される圧力が一定になるように前記吸引蒸気量調整手段(44)を制御する吸引蒸気量制御手段(49)と、
を備えた排熱吸収冷凍機。 - 請求項１または請求項２に記載の凝縮器(10)で凝縮した非共沸混合媒体の冷媒液を蒸発器(14)に供給する配管(13)に介装されて前記蒸発器(14)に供給する冷媒液の量を調整する分配機構(50)と、
吸収器(12)と熱交換器(20)とを接続する配管(19)に前記分配機構(50)を接続する合流配管(51)と、
前記蒸発器(14)から取り出される冷凍用媒体の温度を計測する温度計測手段(52)と、
前記温度計測手段(52)で計測される冷凍用媒体の温度が一定になるように前記分配機構(50)を制御して前記蒸発器(14)に供給する冷媒液の量を制御する分配制御手段(56)と、
を備えた排熱吸収冷凍機。 - 請求項３に記載の合流配管(51)を通じて供給される非共沸混合媒体の冷媒液の量を測定する冷媒液量測定手段(57)と、
前記冷媒液量測定手段(57)で測定される冷媒液の量に基づいて、冷媒液の量が多いほど加熱制御手段(42)における設定温度が低くなるように設定温度を変更する設定温度変更手段(62)と、
を備えた排熱吸収冷凍機。 - 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４のいずれかに記載の蒸気タービン(21)に供給する非共沸混合媒体の蒸気の量を調整する蒸気量調整手段(64)と、
前記蒸気タービン(21)の回転数を計測する回転数計測手段(65)と、
前記回転数計測手段(65)で計測される回転数が一定になるように前記蒸気量調整手段(64)を制御する蒸気量制御手段(70)と、
を備えた排熱吸収冷凍機。
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