JP4396938B2

JP4396938B2 - 冷房・冷凍装置及びそれを搭載した自動車

Info

Publication number: JP4396938B2
Application number: JP2005087519A
Authority: JP
Inventors: 好勉三
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: JP2006264568A

Description

本発明は、液化天然ガス（以下、ＬＮＧと記す）を気化して使用する装置、例えば内燃機関と組み合わせて運転される冷房・冷凍装置に関する。
なお、ここでいう冷房・冷凍装置とは、空調装置に含まれる冷房装置、あるいは冷蔵庫（車）などの冷却のための冷凍装置のいずれかである。

ＬＮＧを燃料とするエンジン、自動車等においては、ＬＮＧ燃料を液体状で貯留し、供給ラインにおける気化手段で加熱して気体状とし、エンジンに供給している。
一方、自動車の空調装置や冷凍ユニット等におけるコンプレッサ、コンデンサ、エバポレータで構成し、冷媒を循環して冷凍サイクル（圧縮、凝縮、膨張、蒸発）で運転する冷房・冷凍装置では、コンデンサから放出される凝縮熱は、通常は利用されることなく大気に放出されている。

なお、ＬＮＧを気化する際の冷熱を、アルコール水を媒体として有効に利用する技術が開示されているが（特許文献１参照）、冷房装置に組み合わせるものではない。
特開２０００−５５５２０号公報

本発明は、上記ＬＮＧの気化手段および冷房・冷凍装置の省エネルギ化を図る、すなわち、冷房・冷凍装置の凝縮行程での発生熱をＬＮＧ供給装置の気化手段に利用して省エネルギ化を図った冷房・冷凍装置及びそれを搭載した自動車を提供することを目的とする。

本発明の冷房・冷凍装置によれば、コンプレッサ１、コンデンサ２、およびエバポレータ３を設け、それらを順次循環する冷媒回路Ｌ１〜Ｌ３を設けて冷凍サイクルを運転する冷房・冷凍装置において、液化天然ガスの気化手段１２ｂを有する天然ガス供給装置１０を前記冷媒回路Ｌに併設し、前記冷媒回路Ｌに前記コンデンサ２を迂回するバイパス回路Ｌ４、Ｌ５を設け、そのバイパス回路Ｌ４、Ｌ５に熱交換手段１２を介装して前記液化天然ガスの気化手段１２ｂと熱交換を行わせ、そのバイパス回路Ｌ４と前記コンデンサ２への回路Ｌ１ａとを選択的に切り換えて冷凍サイクルを運転するように構成している。

そして、本発明の冷房・冷凍装置では、前記熱交換手段１２が冷媒回路Ｌの冷媒、天然ガス供給ラインＰの液化天然ガス、および冷却水回路Ｗの温水のそれぞれが熱交換を行う３元の熱交換器であって冷凍サイクルのコンデンサおよび液化天然ガスの気化手段の機能を有している。

または、前記熱交換手段１２は冷媒回路Ｌの冷媒と天然ガス供給ラインＰの液化天然ガスとの間で熱交換を行う第１の熱交換器１２Ａと、冷却水回路の温水を供給して液化天然ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器１４とよりなり、その第１の熱交換器１２Ａおよび第２の熱交換器１４は天然ガス供給ラインＰに直列に介装されている。

また、本発明の冷房・冷凍装置は、前記天然ガス供給ラインＰの気化手段１２上流にて分岐し液化天然ガスの冷熱で冷凍庫５内を冷却する熱交換手段１５を併設している。

本発明の冷房・冷凍装置を搭載した自動車は、液化天然ガスの気化手段１２ｂを有する天然ガス供給装置１０と、その天然ガス供給装置１０に接続され天然ガスを燃料とする内燃機関Ｅと、その内燃機関Ｅで駆動されるコンプレッサ１を有する冷房・冷凍装置とを搭載した自動車において、前記冷房・冷凍装置のコンデンサ３を迂回するバイパス回路Ｌ４、Ｌ５を設け、そのバイパス回路Ｌ４、Ｌ５に熱交換手段１２ａを介装し、その熱交換手段１２ａを前記液化天然ガスの気化手段１２ｂの液化天然ガスと、冷房・冷凍装置の冷媒と、前記内燃機関Ｅの冷却水回路Ｗの温水とのそれぞれが熱交換するように構成し、そのバイパス回路Ｌ４と前記コンデンサへの回路Ｌ１ａとを選択的に切り換えて冷凍サイクルを運転するように構成している。

または、液化天然ガスの気化手段１２ｂを有する天然ガス供給装置１０と、その天然ガス供給装置１０に接続され天然ガスを燃料とする内燃機関Ｅと、その内燃機関Ｅで駆動されるコンプレッサ１を有する冷房・冷凍装置とを搭載した自動車において、前記冷房・冷凍装置のコンデンサ３を迂回するバイパス回路Ｌ４、Ｌ５を設け、そのバイパス回路Ｌ４、Ｌ５に熱交換手段１２ａを介装し、その熱交換手段１２ａを前記液化天然ガスの気化手段１２ｂの液化天然ガスと冷房・冷凍装置の冷媒とが熱交換するように構成し、さらにその液化天然ガスと内燃機関Ｅの冷却水回路Ｗの温水とが熱交換を行う第２の熱交換器１４を直列に設け、前記バイパス回路Ｌ４と前記コンデンサへの回路Ｌ１ａとを選択的に切り換えて冷凍サイクルを運転するように構成している。

前記天然ガス供給ラインＰの気化手段１２ｂ上流にて分岐し液化天然ガスの冷熱で冷凍庫５内を冷却する熱交換手段１５を併設した冷房・冷凍装置を搭載している。

本発明による作用効果は、以下の通りである。
（ａ）ＬＮＧの気化手段に冷房・冷凍装置の廃熱が利用され、省エネルギ化が図れる。
（ｂ）冷房・冷凍装置の負荷とＬＮＧ供給量とはそれぞれ変動するが、それぞれの系に制御弁を設けて制御することで容易にバランスをとって運転することができる。
（ｃ）内燃機関に限らず、ＬＮＧを気化して利用する各種の装置、例えばＬＮＧボイラ、ＬＮＧ運搬船等に適用できる。
また、組み合わせる冷凍サイクルは、蒸気圧縮冷凍サイクルに限らず、例えば吸収冷凍サイクルと組み合わせることも可能である。

以下、本発明の実施形態を、ＬＮＧを燃料とするエンジンで駆動する空調装置、または冷凍装置に適用した実施例（例えば、冷凍車、冷凍コンテナ等）について説明する。
まず、第１実施形態では、図１に示すように、冷房・冷凍装置は、冷房手段１０とＬＮＧ供給装置２０との２系統で構成されている。冷房手段１０側は、コンプレッサ１、コンデンサ２、エバポレータ３およびこれらを連結する冷媒回路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３（記号Ｌで総称する）で構成されており、ＬＮＧ供給装置２０側は、ＬＮＧ燃料容器１１、ＬＮＧ気化手段１２ｂ、およびバッファタンク１３が配管Ｐ１、Ｐ２で連結され、さら配管Ｐ３によって図示しないエンジンに接続されてＬＮＧ供給ライン（符号Ｐで総称する）が構成されている。さらに、前記ＬＮＧ気化手段１２ｂには、開閉弁Ｖ２が介装されたエンジン冷却水回路Ｗ１およびＷ２が接続されて温水が供給されるように構成されている。
なお、図中の冷媒回路ＬおよびＬＮＧ供給ラインＰは、液相の流れる部位を実線で、気相の流れる部位を破線で示している。

そして、前記冷媒回路Ｌには、コンプレッサ１とコンデンサ２との間の回路Ｌ１に切換弁Ｖ３（この弁は、後記にて説明するように出口をいずれか一方、または両方を開に切り換える、なお、２個の弁で構成してもよい）が介装されてバイパス回路Ｌ４が分岐され、そのバイパス回路Ｌ４は、熱交換器１２ａに連通されており、そしてその熱交換器１２ａから回路Ｌ５によってコンデンサ２とエバポレータ３間の回路Ｌ２に合流されている。
この熱交換器１２ａと、前記ＬＮＧ気化手段１２ｂと、エンジン冷却水回路の温水とは３元の熱交換を行って熱交換手段１２を構成している。
すなわち、弁Ｖ３をバイパス回路Ｌ４側に切り換えた場合、この熱交換器１２ａは気化手段１２ｂと熱交換を行い、コンプレッサ１からの冷媒を凝縮してコンデンサとして機能し、冷凍サイクルの作動を行う。

また、ＬＮＧ供給装置２０側のＬＮＧ燃料容器１１の気相側（上部）からは、配管Ｐ４が開閉弁Ｖ１を介して容器１１と気化手段１２ｂとをつなぐ配管Ｐ１に合流されている。そして、この弁Ｖ１の制御によってエンジンまでの供給ラインＰ内のＬＮＧの圧力が調整される。

次に、前記冷却水回路Ｗ１の開閉弁Ｖ２および冷媒回路Ｌ１の切換弁Ｖ３の制御による作動の態様を説明する（図４参照）。
熱交換手段１２内のＬＮＧ温度Ｔｋ、冷媒温度Ｔｆが、Ｔｋ＜Ｔｆである場合、基本的には、冷却水回路Ｗの弁Ｖ２を閉じて冷媒によってＬＮＧを加熱する。通常状態（冷凍機が作動し、ＬＮＧ燃料系とバランスよく熱交換している状態）では、冷媒回路Ｌの切換弁Ｖ３は、バイパス回路Ｌ４を開として熱交換器１２ａへ冷媒が流れる。冷媒温度Ｔｆが過度に上昇した場合（冷凍機側の故障等が考えられ、通常は起こらない）、コンデンサ方向Ｌ１ａとバイパス方向Ｌ４との両方を開とする。また、ＬＮＧ温度Ｔｋが規定温度以下になった場合（冷凍機が作動していない、または軽負荷運転中の場合）には、弁Ｖ２を開き、切換弁Ｖ３はバイパス方向Ｌ４からコンデンサ方向Ｌ１ａ開に切り換える。

そして、Ｔｋ＞Ｔｆの場合は、冷却水回路Ｗの弁Ｖ２を開き、温水によってＬＮＧを気化させる。通常（冷凍機は作動してない、または軽負荷運転中の場合）は、冷媒回路Ｌの切換弁Ｖ３は、コンデンサ側Ｌ１ａを開としてバイパス側Ｌ４を閉じる。また、冷媒温度Ｔｆが規定温度以上となった場合（冷凍機が軽負荷から高負荷運転に転じた場合）は、冷却水回路Ｗの弁Ｖ２を閉じ、冷媒回路Ｌの切換弁Ｖ３をバイパス方向Ｌ４開に切り換える。

次に、図２を参照し、第２実施形態を説明する。なお、前記第１実施形態と同様な構成部品は同じ符号を付し、重複した説明は省略する。
この第２実施形態では、冷房手段１０側は、前記図１に示した実施形態と基本的には同様な構成である。一方、ＬＮＧ供給装置２０Ａ側は、熱交換手段の構成が相違しており、この熱交換手段は、冷房手段１０のバイパス回路Ｌ４、Ｌ５の冷媒側熱交換器１２ａとＬＮＧ（液相）熱交換器１２ｂとが熱交換を行う第１の熱交換器１２Ａと、冷却水回路Ｗの温水とＬＮＧ（液相→気相）とが熱交換を行う第２の熱交換器１４とが直列に介装されている。
なお、弁Ｖ２およびＶ３の制御による作動は、前記第１実施形態の場合（図４）と同様である。

次に、図３に示す第３実施形態では、前記図１に示す第１実施形態における気化手段１２の上流側ＬＮＧ供給ラインＰ１に分岐回路Ｐ６、Ｐ７を設けて冷凍庫５内に導き、熱交換器１５を介して低温のＬＮＧによって庫内を冷却し、再びＬＮＧ供給ラインＰに戻るように構成されている。なお、分岐回路Ｐ６には、開閉弁Ｖ４が介装されてＯＮ／ＯＦＦ制御されている。
この様に構成すれば、熱交換器１５を流過するＬＮＧが冷凍庫５内から蒸発熱を奪うので、冷凍庫５内はエバポレータ３のみならず、熱交換器１５によっても冷凍されることになるので、冷凍庫５における冷凍能力が向上する。それと共に、冷凍庫５内から蒸発熱を投入されるので、ＬＮＧがエンジンに供給されるまでに確実に気化されることを担保することが出来る。
分岐回路Ｐ７とＬＮＧ供給ラインＰ１との合流点よりも後流側（図３では右側）の気化手段等の構成は、図１の構成或いは図２で示す構成と同様である。

以上説明した冷房・冷凍装置の各実施形態は、いずれもＬＮＧを燃料とするエンジンを搭載した自動車と組み合わせた構成とすることができる。
すなわち、図５に示すように、ＬＮＧエンジンＥを搭載したトラックに、前記第１または第２実施形態の冷房装置を適用し、コンプレッサ（１）をエンジンＥで駆動し、エバポレータ３を車室内に開放するように構成する。

また、図６は、冷凍車の例を示し、前記第１〜第３実施形態の冷凍装置を適用し、コンプレッサ１をエンジンＥで駆動し、エバポレータ３を庫内に配設している。

なお、上記図６の例は、走行エンジンＥで冷凍装置１０を駆動する構成を示したが、走行用エンジンＥとは別にコンプレッサ駆動エンジンを設けて冷凍装置をユニット化し、その駆動エンジンをＬＰＧ燃料エンジンとし、図１〜図３の構成とすることも可能である。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、図示の実施形態では、冷凍サイクルとしては蒸気圧縮冷凍サイクルを採用しているが、例えば吸収冷凍サイクルを採用することも可能である。

本発明の冷房・冷凍装置の一実施形態を示す構成図。本発明の冷房・冷凍装置の別の実施形態を示す構成図。本発明の冷凍装置のさらに別の実施形態を示す構成図。冷房・冷凍装置に介装された各弁の制御動作を示す表。本発明による冷房装置を搭載した自動車の一実施構成を説明する図。本発明による冷凍装置を搭載した自動車の一実施構成を説明する図。

符号の説明

１・・・コンプレッサ
２・・・コンデンサ
３・・・エバポレータ
１１・・・ＬＮＧ燃料容器
１２、１２Ａ・・・熱交換手段
１２ａ・・・冷媒回路側熱交換器
１２ｂ・・・気化手段（ＬＮＧ側熱交換器）
１３・・・バッファタンク
Ｌ、Ｌ１〜Ｌ５・・・冷媒回路
Ｐ、Ｐ１〜Ｐ５・・・ＬＮＧ供給配管
Ｗ、Ｗ１、Ｗ２・・・冷却水回路
Ｖ１〜Ｖ４・・・制御弁

Claims

コンプレッサ、コンデンサ、およびエバポレータを設け、それらを順次循環する冷媒回路を設けて冷凍サイクルを運転する冷房・冷凍装置において、液化天然ガスの気化手段を有する天然ガス供給装置を前記冷媒回路に併設し、前記冷媒回路に前記コンデンサを迂回するバイパス回路を設け、そのバイパス回路に熱交換手段を介装して前記液化天然ガスの気化手段と熱交換を行わせ、そのバイパス回路と前記コンデンサへの回路とを選択的に切り換えて冷凍サイクルを運転するように構成したことを特徴とする冷房・冷凍装置。
前記熱交換手段が冷媒回路の冷媒、天然ガス供給ラインの液化天然ガス、および冷却水回路の温水のそれぞれが熱交換を行う３元の熱交換器であって冷凍サイクルのコンデンサおよび液化天然ガスの気化手段の機能を有している請求項１記載の冷房・冷凍装置。
前記熱交換手段は冷媒回路の冷媒と天然ガス供給ラインの液化天然ガスとの間で熱交換を行う第１の熱交換器と、冷却水回路の温水を供給して液化天然ガスとの間で熱交換を行う第２の熱交換器とよりなり、その第１の熱交換器および第２の熱交換器は天然ガス供給ラインに直列に介装されている請求項１記載の冷房・冷凍装置。
前記天然ガス供給ラインの気化手段上流にて分岐し液化天然ガスの冷熱で冷凍庫内を冷却する熱交換手段を併設した請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。
液化天然ガスの気化手段を有する天然ガス供給装置と、その天然ガス供給装置に接続され天然ガスを燃料とする内燃機関と、その内燃機関で駆動されるコンプレッサを有する冷房・冷凍装置とを搭載した自動車において、前記冷房・冷凍装置のコンデンサを迂回するバイパス回路を設け、そのバイパス回路に熱交換手段を介装し、その熱交換手段を前記液化天然ガスの気化手段の液化天然ガスと、冷房・冷凍装置の冷媒と、前記内燃機関の冷却水回路の温水とのそれぞれが熱交換するように構成し、そのバイパス回路と前記コンデンサへの回路とを選択的に切り換えて冷凍サイクルを運転するように構成していることを特徴とする自動車。
液化天然ガスの気化手段を有する天然ガス供給装置と、その天然ガス供給装置に接続され天然ガスを燃料とする内燃機関と、その内燃機関で駆動されるコンプレッサを有する冷房・冷凍装置とを搭載した自動車において、前記冷房・冷凍装置のコンデンサを迂回するバイパス回路を設け、そのバイパス回路に熱交換手段を介装し、その熱交換手段を前記液化天然ガスの気化手段の液化天然ガスと冷房・冷凍装置の冷媒とが熱交換するように構成し、さらにその液化天然ガスと内燃機関の冷却水回路の温水とが熱交換を行う第２の熱交換器を直列に設け、前記バイパス回路と前記コンデンサへの回路とを選択的に切り換えて冷凍サイクルを運転するように構成していることを特徴とする自動車。
前記天然ガス供給ラインの気化手段上流にて分岐し液化天然ガスの冷熱で冷凍庫内を冷却する熱交換手段を併設した冷房・冷凍装置を搭載した請求項５または６のいずれかに記載の自動車。