JP4471992B2 - 多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置 - Google Patents
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Description
本発明は、既存の冷凍装置における冷媒の凝縮熱をヒートポンプ方式によって蒸気や温水の熱源として有効利用することのできる多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置に関する。
ヒートポンプ方式によって温水や蒸気を発生する装置は、従来から各種のものがある（例えば、特許文献１、２参照）。
ところで、冷凍食品工場などの食品工場では、凍結装置などの冷凍装置からかなりの凝縮熱が排出され、このような熱は施設屋外の冷却塔から大気に放出されるのが一般的であるが、同じ食品工場において、上述した冷凍装置とは別に、加熱処理、殺菌処理、洗浄作業などに多量に使用される温水や蒸気の発生装置が別途設けられる。
すなわち、上述のような従来の施設では冷凍装置における冷媒の凝縮熱を有効利用することなく無駄に排出しているにも関わらず、蒸気や温水を生成するための熱を別途電気エネルギーや化石燃料等の別のエネルギーから生成しており、省エネルギー化が望まれている。
前述のような従来のヒートポンプ方式を利用すれば、凝縮熱を回収して蒸気や温水の熱源として利用できるということはこれまでも検討されてきたが、冷凍装置における運転状態はその負荷に応じて変動し、したがって冷凍装置から回収される凝縮熱の変動や温度範囲と、生成すべき蒸気、温水の温度範囲との関係が大きく変動し、従来のヒートポンプ方式による冷媒回路をそのまま凝縮熱の回収手段として採用することは容易ではない。
本発明は、従来は外部に排出されて捨てられていた冷凍装置の凝縮熱を回収し、多元冷媒回路により構成したヒートポンプ回路により所要の蒸気や温水を生成して前記凝縮熱を有効利用し、しかも冷凍装置の運転の安定化、冷凍装置の設備コストの低減をも期すことができ、もって省エネルギー化に貢献することのできる多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決するために、本発明の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置は、低元側圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、第二カスケードコンデンサの１次側、膨張弁、第一カスケードコンデンサの２次側を介して低元側圧縮機の吸入側に接続された低元側冷媒回路と、高元側圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、熱交換器、膨張弁、前記第二カスケードコンデンサの２次側を介して高元側圧縮機の吸入側に接続された高元側冷媒回路とを備え、前記第一カスケードコンデンサの１次側には外部冷凍装置の冷媒回路における高圧側から導出されるガス冷媒が流通され、前記高元側冷媒回路における熱交換器において高元側冷媒回路を循環する冷媒の熱によって外部から供給される水を加熱することにより、蒸気、温水のいずれか一方、または両方を同時に生成するよう構成し、前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記低元側圧縮機と第二カスケードコンデンサとの間に第一の切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を切替装置と第二カスケードコンデンサとの間に接続した第一分岐管の途中にサブコンデンサを設け、前記第一の切替装置は、前記高元側冷媒回路の前記熱交換器において生成される蒸気、温水の量に応じてサブコンデンサへ流通せしめる冷媒の流量を制御し、前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記第二カスケードコンデンサと膨張弁との間に第二の切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を前記第一カスケードコンデンサと前記低元側圧縮機との間に接続した第二分岐管の途中にサブ膨張弁と冷却器を設け、前記第二切替装置は、外部冷凍装置の冷媒回路、低元側冷媒回路と高元側冷媒回路における高圧側圧力のうちの少なくともいずれかの圧力に基づいて冷却器へ送る冷媒の流量を制御し、前記低元側冷媒回路は、冷媒にフロン冷媒または自然冷媒を使用し、かつ、前記高元側冷媒回路は、冷媒に臨界温度が１３０℃以上のものを使用してなるものとしてある。
また、 前記高元側冷媒回路における熱交換器を、冷媒回路上流側の第一熱交換器と同下流側の第二熱交換器で構成し、第一熱交換器において蒸気を生成し、第二熱交換器において温水を生成するように構成したものとしてある。
また、前記第一カスケードコンデンサに導入する外部冷凍装置からの冷媒の量を、外部冷凍装置における高圧側圧力に基づいて制御するように構成したものとしてある。
また、前記高元側冷媒回路の冷媒をＲ２４５ｆａとしたものとしてある。
本発明によれば、低元側冷媒回路と高元側冷媒回路を備え、低元側冷媒回路にて外部の冷凍装置からの凝縮熱を低元側冷媒回路の第一カスケードコンデンサにより回収し、高元側冷媒回路において蒸気、温水の生成を行う構成としてあるので、低元側には回収される凝縮熱の温度範囲に、高元側には生成する蒸気、温水の温度範囲にそれぞれ適した物性を有する冷媒を採用することができ、しかも前記凝縮熱の回収量や生成する蒸気、温水の量に応じて運転状態を最も効率のよい状態に制御することができ、エネルギーの有効利用を効率よくかつ安定して行うことができる。
また、外部冷凍装置における冷媒回路の高圧側圧力に応じて第一カスケードコンデンサにて回収される凝縮熱を調節することができ、したがって外部冷凍装置の運転状況に応じて最も適した凝縮熱の回収を行うことができ、外部冷凍装置の安定した運転にも寄与できる。
さらに、低元側冷媒回路にサブコンデンサを備えるものでは、高元側冷媒回路における蒸気、温水の使用量が小あるいは不使用の場合であっても、このサブコンデンサによって低元側冷媒回路における冷媒の凝縮を行うことができ、したがって蒸気、温水の生成の要否や生成量にかかわらず、低元側冷媒回路によって外部の冷凍装置からの凝縮熱の回収を行うことができ、このことによっても外部冷凍装置の安定した運転を行うことができる。
また、低元側冷媒回路において第一カスケードコンデンサと並列に蒸発器を備えるものでは、外部冷凍装置の運転状態に関わらず、低元冷媒回路を運転することができ、しかもこの冷却器を用いて冷蔵庫等の外部冷凍装置とは別の冷却装置を設けることができる。
さらに、外部冷凍装置においては凝縮器における冷媒の冷却に加えて第一カスケードコンデンサによる冷却が行われるので、凝縮器を小型のものとすることができるとともに、凝縮温度を低く抑えることができるので、外部冷凍装置における圧縮機の定格を小なるものとすることができ、設備コストの低減をも期すことができる。
以下、本発明に係る装置の実施例を、添付図面に示す具体例に基いて詳細に説明する。
図１において、符号１は本発明の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置、２は外部の冷凍装置をそれぞれ示している。
図１において、符号１は本発明の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置、２は外部の冷凍装置をそれぞれ示している。
前記蒸気・温水発生装置は、低元側冷媒回路３と高元側冷媒回路４を備え、これら低元側冷媒回路と高元側冷媒回路が第二カスケードコンデンサ５を介して接続されていて、低元側冷媒回路には、例えばアンモニア等の自然冷媒やフロンガスが冷媒として使用され、高元側冷媒回路には臨界温度１３０℃以上の冷媒、例えばＲ２４５ｆａが使用される。
前記低元側冷媒回路３は、低元側圧縮機６の吐出側に一端が接続された冷媒管７の他端を、前記第二カスケードコンデンサ５の１次側、膨張弁８、第一カスケードコンデンサ９の２次側を介して前記低元側圧縮機６の吸入側に接続してある。
また、冷媒管７の前記低元側圧縮機６と第二カスケードコンデンサ５との間に第一切替装置１０を設け、この第一切替装置に第一分岐管１１の一端を接続してあって、この第一分岐管の他端を、サブコンデンサ１２を介して冷媒管７における第一切替装置１０と第二カスケードコンデンサ５との間に接続してある。
なお、上記サブコンデンサ１２は、水冷式、空冷式のいずれのタイプのものであってもよい。
なお、上記サブコンデンサ１２は、水冷式、空冷式のいずれのタイプのものであってもよい。
さらに、冷媒前記第二カスケードコンデンサ５と膨張弁８との間に第二切替装置１３を設け、この第二切替装置に第二分岐管１４の一端を接続してあって、この第二分岐管の他端を、サブ膨張弁１５と冷却器１６を介して冷媒管７における第一カスケードコンデンサ９と低元側圧縮機６との間に接続してある。
そして、前記高元側冷媒回路４は、高元側圧縮機１７の吐出側に一端が接続された冷媒管１８の他端を、第一熱交換器１９、第二熱交換器２０、膨張弁２１、前記第二カスケードコンデンサ５の２次側を介して前記高元側圧縮機１７の吸入側に接続してある。
前記第一熱交換器１９の２次側には、蒸気送り管２２と水戻し管２３を介して気液分離器２４を接続してあり、この気液分離器２４内の気相に臨む蒸気管２５を外部に導出してある。
また、前記水戻し管２３の途中には弁装置２６を介して外部からの給水管２７を接続してあり、前記気液分離器２４内の水位に応じて外部から所要量の水を適宜補充できるように構成してある。上記弁装置２６は、例えば気液分離器２４側への水の逆流を防止する逆止弁、第一熱交換器１９への給水量を制御する流量調節弁、外部からの給水を操作する開閉弁で構成する。
前記第二熱交換器２０の２次側には、その入口側に外部からの給水管２８を、同出口側に温水管２９を接続してあり、これら給水管２８、温水管２９の途中にはそれぞれ給水量、温水供給量を調節する流量調節弁２８ａ、２９ａを設けてある。
しかして、前記低元冷媒回路３における第一カスケードコンデンサ９の１次側は、外部の冷凍装置２における冷媒回路に接続してあって、この冷媒回路から導出されるガス冷媒からその凝縮熱を第一カスケードコンデンサにて回収するように構成してある。
具体的には、外部冷凍装置２における圧縮機３０と凝縮器３１との間における冷媒管３２の途中に切替装置３３を設けてあり、この切替装置から分岐する冷媒導出管３４を第一カスケードコンデンサ９の１次側入口に接続し、同出口に一端を接続した冷媒戻し管３５の他端を、冷媒管３２における前記切替装置３３と凝縮器３１との間に接続してある。
なお、図において符号３６は膨張弁、３７は冷却器をそれぞれ示している。
なお、図において符号３６は膨張弁、３７は冷却器をそれぞれ示している。
上記切替装置３３は、圧縮機３０の高圧側圧力に基づいて制御されるものとしてあり、外部冷凍装置２の運転開始時や冷却器３５における負荷の増大などにより高圧側圧力が予め設定された値よりも上昇すると、第一カスケードコンデンサ９側への冷媒流通量を増大せしめ、高圧側圧力の低下に応じて第一カスケードコンデンサ９側への冷媒流通量を減少させるように制御する。
次に、上述のように構成した本発明の装置の作用について説明する。
外部の冷凍装置２からの高温のガス冷媒は、切替装置３３の開度に応じて冷媒導出管３４を経て第一カスケードコンデンサ９に送られ、低元側冷媒回路３における冷媒と熱交換して冷却、凝縮され、冷凍装置２の冷媒回路に戻される。
外部の冷凍装置２からの高温のガス冷媒は、切替装置３３の開度に応じて冷媒導出管３４を経て第一カスケードコンデンサ９に送られ、低元側冷媒回路３における冷媒と熱交換して冷却、凝縮され、冷凍装置２の冷媒回路に戻される。
ここで切替手段３３の開度制御は、圧縮機３０の高圧側圧力を検知することによって行われ、冷凍装置２の負荷が大になるとこの冷凍装置における高圧側圧力が上昇するので、この高圧側圧力が所定の値を超えると第一カスケードコンデンサ９への冷媒供給量を増大せしめ、負荷が低下して安定した運転状態にあるときには、同冷媒供給量を小とするように制御される。
なお、上述した圧縮機３０の高圧側圧力に応じ、凝縮器３１における冷却量、例えば凝縮器が水冷の場合には冷却水の供給量を、前記第一カスケードコンデンサへの冷媒供給量の制御に併せて行う場合もある。
上述のように、第一カスケードコンデンサ９にて回収された熱は、低元側冷媒回路３における冷媒の気化熱となり、この排熱回収熱交換器にて気化した冷媒は低元側圧縮機６に吸入され、この低元側圧縮機にてホットガス（高温ガス冷媒）となって第一切替装置１０を経て前記第二カスケードコンデンサ５に送出される。
この第二カスケードコンデンサ５に流入したホットガスは、高元側冷媒回路の冷媒と熱交換して凝縮させられ、第二切替装置１３、膨張弁８を経て前記第一カスケードコンデンサ９に送られる。
前記第一切替装置１０においては、冷媒管７を流通する冷媒の一部または全部を第一分岐管１１を介してサブコンデンサ１２に送る構成となっている。
すなわち、高元側冷媒回路４において蒸気・温水の生成量が大である場合には、第二カスケードコンデンサ５内において高元側冷媒回路から得られる冷熱が十分であるので、低元側冷媒回路においては冷媒の凝縮を確実に行うことができるが、蒸気・温水の生成量が小であったり、ゼロである場合には、凝縮用の冷熱が不足する。したがって、このような場合には第二カスケードコンデンサ５を通過する前の冷媒の一部または全部をサブコンデンサ１２に送り、このサブコンデンサにおいて予めある程度の凝縮を行ってから第二カスケードコンデンサに冷媒を送り、そして十分に凝縮した冷媒を膨張弁８、第一カスケードコンデンサ９に送るよう構成してある。
また、前記外部冷凍装置２の運転が停止されている場合や、同冷凍装置の負荷が小である場合、あるいは別途の冷蔵庫などの冷却装置での冷熱の使用をしたい場合には、前記第二切替装置１３の開度制御によって第二分岐管１４に凝縮冷媒の一部または全部が送られ、この第二分岐管１４に設けたサブ膨張弁１５を経て冷却器１６において気化させられ、低元側圧縮機６の吸入側に戻されるようになっている。
そして高元側冷媒回路４においては、第二カスケードコンデンサ５において低元側冷媒回路３の冷媒から気化熱を得た冷媒が気化して高元側圧縮機１７に吸入され、この高元側圧縮機にてホットガスとされて熱交換器１９、２０に送出される。
しかして、第一熱交換器１９においてはホットガスとなっている冷媒の主として潜熱により水を加熱して蒸気を生成し、生成した蒸気は蒸気送り管２２によって気液分離器２４に送られ、この気液分離器内における気相、すなわち蒸気だけが蒸気管２５によって外部に送り出され、蒸気のうち凝縮して液化した水は気液分離器２４内の液相から水戻し管２３によって第一熱交換器に戻される。
蒸気の生成に伴って、第一熱交換器１９と気液分離器２４を循環する水の量が減少するので、例えば気液分離器２４内に設けた図示省略のレベル計で検出される液位に基いて弁装置２６を開閉し、給水管２７によって外部から水を補充する。
また、前記第二熱交換器２０においては、前記第一熱交換器１９において所要の熱を奪われた冷媒の主として顕熱を利用して、外部から給水管２８を経て送られる水を加熱し、温水を生成して温水管２９により外部へ温水を供給する。
なお、外部へ供給する温水の温度や量は、前記給水管２８、温水管２９に設けた流量調節弁２８ａ、２９ａの開度を調節することにより設定される。
上述のように構成した本発明の装置では、外部の冷凍装置２における冷媒の凝縮温度を、例えば夏季において冷却塔から冷却水が供給される凝縮器３１のみを使用した場合に３５〜４０℃となるところを、第一カスケードコンデンサ９において凝縮熱を回収することにより、常に（年間を通して）２５℃以下に維持することができ、かくすることによって外部の冷凍装置における消費電力を１５％程度削減することができ、しかも冷凍装置２における圧縮機用モータの定格も１０％程度小なるものを利用することができる。
本実施例においては、第二カスケードコンデンサ５により接続した低元側冷媒回路３と高元側冷媒回路４の２元のもので構成してあるが、これらの冷媒回路の間にさらに１つあるいはそれ以上の数の冷媒回路を介在せしめて、３元以上の多元のものとする場合もある。
１ 蒸気・温水発生装置
２ 冷凍装置
３ 低元側冷媒回路
４ 高元側冷媒回路
５ 第二カスケードコンデンサ
６ 低元側圧縮機
７ 冷媒管
８ 膨張弁
９ 第一カスケードコンデンサ
１０ 第一切替装置
１１ 第一分岐管
１２ サブコンデンサ
１３ 第二切替装置
１４ 第二分岐管
１５ サブ膨張弁
１６ 冷却器
１７ 高元側圧縮機
１８ 冷媒管
１９ 第一熱交換器
２０ 第二熱交換器
２１ 膨張弁
２２ 蒸気送り管
２３ 水戻し管
２４ 気液分離器
２５ 蒸気管
２６ 弁装置
２７ 給水管
２８ 給水管
２９ 温水管
３０ 圧縮機
３１ 凝縮器
３２ 冷媒管
３３ 切替装置
３４ 膨張弁
３５ 冷却器
３６ 膨張弁
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Claims (4)
- 低元側圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、第二カスケードコンデンサの１次側、膨張弁、第一カスケードコンデンサの２次側を介して低元側圧縮機の吸入側に接続された低元側冷媒回路と、高元側圧縮機の吐出側に一端が接続された冷媒管の他端が、熱交換器、膨張弁、前記第二カスケードコンデンサの２次側を介して高元側圧縮機の吸入側に接続された高元側冷媒回路とを備え、前記第一カスケードコンデンサの１次側には外部冷凍装置の冷媒回路における高圧側から導出されるガス冷媒が流通され、前記高元側冷媒回路における熱交換器において高元側冷媒回路を循環する冷媒の熱によって外部から供給される水を加熱することにより、蒸気、温水のいずれか一方、または両方を同時に生成するよう構成し、前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記低元側圧縮機と第二カスケードコンデンサとの間に第一切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を切替装置と第二カスケードコンデンサとの間に接続した第一分岐管の途中にサブコンデンサを設け、前記第一切替装置は、前記高元側冷媒回路の前記熱交換器において生成される蒸気、温水の量に応じてサブコンデンサへ流通せしめる冷媒の流量を制御し、前記低元側冷媒回路における冷媒管の前記第二カスケードコンデンサと膨張弁との間に第二切替装置を設け、この切替装置から分岐し、他端を前記第一カスケードコンデンサと前記低元側圧縮機との間に接続した第二分岐管の途中にサブ膨張弁と冷却器を設け、前記第二切替装置は、外部冷凍装置の冷媒回路、低元側冷媒回路と高元側冷媒回路における高圧側圧力のうちの少なくともいずれかの圧力に基づいて冷却器へ送る冷媒の流量を制御し、前記低元側冷媒回路は、冷媒にフロン冷媒または自然冷媒を使用し、かつ、前記高元側冷媒回路は、冷媒に臨界温度が１３０℃以上のものを使用してなる多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
- 前記高元側冷媒回路における熱交換器を、冷媒回路上流側の第一熱交換器と同下流側の第二熱交換器で構成し、第一熱交換器において蒸気を生成し、第二熱交換器において温水を生成するように構成してなる請求項１に記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
- 前記第一カスケードコンデンサに導入する外部冷凍装置からの冷媒の量を、外部冷凍装置における高圧側圧力に基づいて制御するように構成してなる請求項１または２に記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
- 前記高元側冷媒回路の冷媒をＲ２４５ｆａとしてなる請求項１に記載の多元ヒートポンプ式蒸気・温水発生装置。
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