JP5214994B2

JP5214994B2 - コンバインドシステム

Info

Publication number: JP5214994B2
Application number: JP2008039036A
Authority: JP
Inventors: 洋藤本; 努若林
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP2009198057A

Description

本発明は、外部から熱を得て冷熱を発生する吸収冷凍サイクルを備えたシステムに関する。

ガスエンジンやディーゼルエンジン等の原動機で発電し、その排熱を吸収冷凍システムの再生器に導いて冷熱を取り出す技術は、コージェネレーションで広く採用されている。このような排熱としては、エンジンを冷却するための冷却水が回収する熱（エンジン投入エネルギーの約３割）と、エンジンから排気される排ガスが保有する熱（同約３割）との両方がある。発明者らは、特許文献１で、このような、冷却水系統と排ガス系統との両方の系統から、排熱回収を行い、冷熱を得る冷温水機を提案している。
さらに、冷却水系統と排ガス系統とが分かれるのを避けるために、冷却水系統で排気ガスの熱をも回収し、ひとまとめにして再生器の熱源とすることが考えられる。

特開２０００−３０４３７５号公報

上記のように、原動機と吸収冷凍システムとのコンバインドを考えた場合、原動機をスターリングエンジンに置き換えることが可能である。この場合、エンジンのジャケット冷却水は、スターリングエンジンのクーラの冷却水となる。
しかしながら、このシステムには次のような問題が残存する。
１スターリングエンジンと吸収冷凍機の二つの機器が必要であり、また、冷却水ラインやその制御系を必要とするので、ガスエンジンの場合と同様に全体が大きくコスト高となる。
２スターリングエンジンの排熱を一旦、冷却水という別媒体を通して再生器における加熱に利用することとなり、加熱は冷却水を介する間接加熱となるため、その間にエクセルギーロスが発生する。
３スターリングエンジンの排気ガスの有する熱（投入エネルギーの１５％程度）は、通常、給気加熱等の他の用途に既に利用されており、回収できる部分が少ない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、原動機と吸収冷凍システムとを組み合わせたコンバインドシステムを形成するに、できるだけ構成が簡略化できるとともに、エクセルギーロスを低減できるシステムを構築することにある。

上記目的を達成するためのコンバインドシステムは、
蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器及び膨張弁を備え、前記蒸発器において冷媒蒸気を発生し、前記吸収器において前記蒸発器で発生された冷媒蒸気を吸収液に吸収させて希溶液を生成し、前記再生器において前記吸収器で発生させた希溶液から冷媒蒸気を発生させるとともに、吸収液を濃溶液として再生し、前記凝縮器において前記冷媒蒸気を凝縮させるとともに前記膨張弁を介して膨張させて前記蒸発器に送り、前記再生器で再生された濃溶液が前記吸収器に戻されて作動する吸収冷凍システムを設け、
高温空間と低温空間との間に作動ガスが移動可能な作動ガス連通路を備えるとともに、前記作動ガス連通路の前記高温空間側にヒータ部を、前記作動ガス連通路の低温空間側にクーラ部を備えるとともに、前記ヒータ部とクーラ部との間にリジェネレータ部を備え、前記ヒータ部により前記作動ガス連通路を流れる作動ガスを加熱可能に、前記クーラ部により前記作動ガス連通路を流れる作動ガスを冷却可能に構成されるとともに、前記リジェネレータ部により作動ガスが有する熱を回収可能に、且つ作動ガスに前記リジェネレータ部が有する熱を供与可能に構成され、前記ヒータ部から熱が供給される状態で、前記高温空間と低温空間との間を作動ガスが交互に移動することにより発生する動力を出力する出力機構を備えたスターリングエンジンを設け、
前記クーラ部は、前記作動ガス連通路の周りに溶液室を構成すると共に、
前記溶液室に、前記吸収器から希溶液を送る希溶液路と前記吸収器に濃溶液を戻す濃溶液路を接続するとともに、当該溶液室において発生した冷媒蒸気を前記凝縮器に送る冷媒蒸気路を接続することで、
スターリングエンジンの前記クーラ部を、吸収冷凍システムの前記再生器とすることにある。

このコンバインドシステムは、吸収冷凍システムとスターリングエンジンを備えて構成される。そして、スターリングエンジンのクーラ部が吸収冷凍システムの再生器とされる。スターリングエンジンに関し、その排熱は作動ガスのクーラ系統（本願にいうクーラ部の冷却水系統）と排ガス（バーナ加熱の場合のみ）系統があるが、後者の比率は比較的小さく（エンジン投入エネルギーの１５％）、その殆んどがクーラ系統からのものである。従って、本願構造のコンバインドシステムを採用することで、スターリングエンジンの排熱のうち、その過半を占めるクーラ部からの排熱を利用して、効率的に冷熱を得ることができる。また、ガスエンジンのように、シリンダを複雑な経路を通って冷却する必要がなく、クーラ部の構造はシンプルであり、実質的に現存するスターリングエンジンの構造をそのまま踏襲しながら、システムを構築できる。
そして、本願の構成では、クーラ部が吸収冷凍システムの再生器とされるため、スターリングエンジンの作動ガスと再生器内で再生される吸収液との間に、他の熱媒体が介在することがない。結果、先に説明したエクセルギーロスを抑えることができ、再生器の温度をその分だけ高くでき、ＣＯＰの向上を達成することができる。

そして、吸収冷凍システムを成す凝縮器、膨張弁及び蒸発器と、スターリングエンジンの軸出力で駆動される圧縮機とを備え、この圧縮機により圧縮された冷媒蒸気を、前記凝縮器において凝縮させるとともに前記膨張弁を介して膨張させ前記蒸発器に送り、前記蒸発器で冷媒蒸気を発生させる圧縮冷凍システムを設けることが好ましい。
このように構成することで、スターリングエンジンから発生する排熱に関しては吸収冷凍システムで、軸出力に関しては圧縮冷凍システムで、それぞれ使用して冷熱を得ることができる。
さらに具体的には、例えば、吸収冷凍システムの冷媒をアンモニア、吸収液を水とし、圧縮冷凍システムの冷媒をアンモニアとする等、吸収冷凍システムと圧縮冷凍システムとで冷媒に共通な媒体を選び、吸収式と圧縮式とで凝縮器と蒸発器を共用するようにすることで、スターリングエンジンから発生する軸出力を有効に冷熱の発生に利用でき、さらにコンパクト化を図ることができる。

また、スターリングエンジンのヒータ部に於いて発生される排ガスが保有する熱を、希溶液路を流れる希溶液に回収可能に構成しておくと、スターリングエンジンから発生する排気ガスの排熱を回収することで熱の有効利用を図れる。

以下、本願に係るコンバインドシステム１００の構成を、図面に基づいて説明する。
〔第１実施の形態〕
図１は、第１実施の形態のコンバインドシステム１００の構成を模式的に示したものである。図１に示すように、このシステム１００は、単効用吸収冷凍システム１０１とスターリングエンジン１０２とを組み合わせて構成されており、単効用吸収冷凍システム１０１の再生器３がスターリングエンジン１０２のクーラ部３として共用されている。以下、単効用吸収冷凍システム１０１として働く機能部位の構成、スターリングエンジン１０２として働く機能部位の構成の順に説明する。

１単効用吸収冷凍システム
単効用吸収冷凍システム１０１は、良く知られているように、蒸発器１、吸収器２、再生器（スターリングエンジン１０２のクーラ部）３及び凝縮器４を備え、吸収器２、再生器３間において、吸収液ａがその濃度を変えながら循環されるとともに、蒸発器１、吸収器２、再生器３及び凝縮器４間を冷媒ｂが相を変化しながら循環して運転される。
この冷凍システム１０１は、後述するスターリングエンジン１０２を熱源機とし、このエンジンから発生する熱により動作される。以下、冷凍システム１０１における吸収液ａ及び冷媒ｂの循環に従って、この吸収冷凍システムの構造と動作を説明する。

吸収器２にあっては、再生器（クーラ部）３から濃溶液路を介して戻ってきた濃溶液ａ１（濃状態の吸収液ａ１）に蒸発器１から移流してくる冷媒ｂが吸収され、希溶液ａ２が生成される。この吸収器２には冷却水が循環されており、この冷却水から供給される冷熱によって、吸収器２において吸収が起こる。当該吸収器２で生成される希溶液ａ２が希溶液路を介して循環ポンプｐ１により再生器（クーラ部）３に送られ、再生される（希溶液ａ２が濃溶液ａ１とされる）。再生器（クーラ部）３では、スターリングエンジン１０２の作動ガスが有する熱を回収して、回収された熱により希溶液ａ２を濃溶液ａ１に再生する。吸収器２と再生器（クーラ部）３との間には、吸収器２に戻る濃溶液ａ１と再生器（クーラ部）３へ送られる希溶液ａ２との熱交換を行う熱交換器５が設けられる。

冷媒ｂの循環に関して説明すると、冷媒ｂは、吸収器２から再生器（クーラ部）３へは吸収液（希溶液ａ２）に吸収された状態で移動する。再生器（クーラ部）３にあっては、エンジン１０２から発生する熱により吸収液ａから気相状態で分離され、冷媒蒸気路を介して凝縮器４に移流する。凝縮器４にあっては、吸収器２から送られてくる冷却水により冷却され、凝縮し液相に戻る。そして、膨張弁６を介して蒸発器１に移流する。蒸発器１にあっては、蒸発して、吸収器２に移動する。

２スターリングエンジン
スターリングエンジン１０２は、シリンダ１１内に収納されるディスプレーサピストン１２、パワーピストン１３を備えて構成されるとともに、ディスプレーサピストン１２の一方の側（図示す例では上側）に、作動ガスが収納される高温空間１４を、他方の側（図示す例では下側）に、同じく作動ガスが収納される低温空間１５を備えて構成される。ディスプレーサピストン１２、パワーピストン１３は、ともに、エンジン１０２の出力軸であるクランク軸１６に連結されている。両ピストン１２、１３間で、クランク軸１６における連結部位は、軸周方向で９０度位相がずれる構成とされている。そして、上記高温空間１４と低温空間１５との間で、ディスプレーサピストン１２の移動に従って、作動ガスが移動可能に構成され、その移動経路に沿って、高温空間１４から低温空間１５からに向けて、ヒータ部の一部１７、リジェネレータ部１８、再生器（クーラ部）３が夫々設けられている。

以下、さらに詳細に説明する。
この例にあっては、ヒータ部１７は、前記高温空間１４の外部に面して、内部にバーナ１７ａを備えた加熱室として構成されている。この加熱室には、空気取入れ口１７ｂを介して酸素含有ガスである空気が流入され、排気口１７ｃから排気ガスが排気される構成とされている。

ディスプレーサピストン１２及びパワーピストン１３は、それぞれクランク軸１６に連結されているが、両者は、当該クランク軸１６に９０度位相をずらして連結されている。従って、パワーピストン１３の往復動に従って、クランク軸１６から動力を取り出すことができる。

図１に示すように、スターリングエンジン１０２は、シリンダ１１内に、ディスプレーサピストン１２が往復動する第１筒部材１９ａと、パワーピストン１３が往復動する第２筒部材１９ｂとを備えて構成されている。高温空間１４と低温空間１５とは、シリンダ１１と第１筒部材１９ａとの間に形成される断面リング状の中間空間２０を介して連通されている。そして、作動ガス連通路としての中間空間２０は、高温空間１４側から低温空間１５側に向けて、ヒータ部の一部１７、リジェネレータ部１８、クーラ部（再生器）３とされている。

リジェネレータ部１８は、前記中間空間２０にオーステナイト系ステンレス鋼や黄銅等の金網のマトリックス材を詰めて構成している。作動ガスは、マトリックス材を通り抜けて、ヒータ部の一部１７又はクーラ部３に流れる。作動ガスは、このリジェネレータ部１８を通り抜けるときに、マトリックス材から吸熱し、又はマトリックス材に放熱する。作動ガスは少なくともヒータ部の一部１７により加熱される。

クーラ部３は、本願にあっては、単効用吸収冷凍システム１０１を成す再生器として構成される。このクーラ部３は、中間空間２０の周りに溶液室を構成されており、この溶液室には、吸収器２から吸収器２において冷媒を吸収して希釈化された吸収液である希溶液ａ２が希溶液路を介して送られてくるとともに、作動ガスから吸熱することで濃縮された吸収液である濃溶液ａ１が濃溶液路を介して吸収器２に戻されるように構成されている。さらに、この溶液室から発生する冷媒蒸気ｂは、冷媒蒸気路を介して凝縮器４に送られるように構成されている。従って、このクーラ部３において、作動ガスが有する熱は再生動作に使用され、作動ガスは冷却される。

上記構成を採用することで、ディスプレーサピストン１２の往復動に従って、高温空間１４と低温空間１５とに渡って作動ガスが移動する。作動ガスは、ヒータ部１７で加熱され膨張して高温空間１４に導入され、クーラ部３で冷却され収縮して低温空間１５に導入される。結果、高温空間１４及び低温空間１５とを合わせた作動空間を全体として、作動空間に圧力変化及び容積変化が生じる。この作動空間の変化によってパワーピストン１３が往復動することで軸出力を得ることができる。従って、スターリングエンジン１０２にあっては、ディスプレーサピストン１２、パワーピストン１３及び、これらに連結されるクランク軸１６が、本願における出力機構を成す。

〔第２実施の形態〕
図２は、第２実施の形態のコンバインドシステム１００の構成を模式的に示したものである。このシステム１００も、単効用吸収冷凍システム１０１とスターリングエンジン１０２とを組み合わせて構成され、スターリングエンジン１０２のクーラ部３が、単効用吸収冷凍システム１０１の再生器として共用されている。さらに、吸収冷凍システム１０１として働く吸収回路に加えて、スターリングエンジン１０２の軸出力で、吸収冷凍システム１０１と同一冷媒を使用する圧縮冷凍システム１０３の圧縮機２１を駆動し、当該圧縮冷凍システム１０３の凝縮器４と当該吸収冷凍システム１０１の凝縮器４、蒸発器１を共用するシステムとされている。
即ち、第１の実施の形態に追加された構成に関して説明すると、スターリングエンジン１０２により駆動される圧縮機２１を設けるとともに、この圧縮機２１の吸引側に蒸発器１から吸収器２に向かう冷媒蒸気の一部を吸引し、圧縮機２１により圧縮された冷媒を、再生器（クーラ部）３から凝縮器４に向かう冷媒蒸気に合流させることにより、吸収冷凍システム１０１及び圧縮冷凍システム１０３との両方で、スターリングエンジン１０２の運転に伴って発生する動力、及び一般に冷却水を介して捨てられる熱を回収して、有用に利用することができる。
〔別実施の形態〕
さらに、図３に示すように、これまで説明してきたコンバインドシステム１００であって、吸収器２から再生器（クーラ部）３に送る希溶液を途中で、排気口１７ｃに設けられた排ガス熱交換器３０に導き、排気ガスの熱を回収する構造としてもよい。

原動機と吸収冷凍システムとを組み合わせたコンバインドシステムを形成するに、できるだけ構成が簡略化できるとともに、エクセルギーロスを低減できるシステムを構築することができた。

本発明のコンバインドシステムの構成を示す図本発明の別実施形態のコンバインドシステムの構成を示す図本発明の別実施形態のコンバインドシステムの構成を示す図

符号の説明

１：蒸発器
２：吸収器
３：再生器（クーラ部）
４：凝縮器
１００：コンバインドシステム
１０１：単効用吸収冷凍システム
１０２：スターリングエンジン
１０３：圧縮冷凍システム
ａ：吸収液
ｂ：冷媒

Claims

蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器及び膨張弁を備え、前記蒸発器において冷媒蒸気を発生し、前記吸収器において前記蒸発器で発生された冷媒蒸気を吸収液に吸収させて希溶液を生成し、前記再生器において前記吸収器で発生させた希溶液から冷媒蒸気を発生させるとともに、吸収液を濃溶液として再生し、前記凝縮器において前記冷媒蒸気を凝縮させるとともに前記膨張弁を介して膨張させて前記蒸発器に送り、前記再生器で再生された濃溶液が前記吸収器に戻されて作動する吸収冷凍システムを設け、
高温空間と低温空間との間に作動ガスが移動可能な作動ガス連通路を備えるとともに、前記作動ガス連通路の前記高温空間側にヒータ部を、前記作動ガス連通路の低温空間側にクーラ部を備えるとともに、前記ヒータ部とクーラ部との間にリジェネレータ部を備え、前記ヒータ部により前記作動ガス連通路を流れる作動ガスを加熱可能に、前記クーラ部により前記作動ガス連通路を流れる作動ガスを冷却可能に構成されるとともに、前記リジェネレータ部により作動ガスが有する熱を回収可能に、且つ作動ガスに前記リジェネレータ部が有する熱を供与可能に構成され、前記ヒータ部から熱が供給される状態で、前記高温空間と低温空間との間を作動ガスが交互に移動することにより発生する動力を出力する出力機構を備えたスターリングエンジンを設け、
前記クーラ部は、前記作動ガス連通路の周りに溶液室を構成すると共に、
前記溶液室に、前記吸収器から希溶液を送る希溶液路と前記吸収器に濃溶液を戻す濃溶液路を接続するとともに、当該溶液室において発生した冷媒蒸気を前記凝縮器に送る冷媒蒸気路を接続することで、
スターリングエンジンの前記クーラ部を、吸収冷凍システムの前記再生器とするコンバインドシステム。
前記吸収冷凍システムを成す前記凝縮器、前記膨張弁及び前記蒸発器と、前記スターリングエンジンの軸出力で駆動される圧縮機とを備え、
前記圧縮機により圧縮された冷媒蒸気を、前記凝縮器において凝縮させるとともに前記膨張弁を介して膨張させ前記蒸発器に送り、前記蒸発器で冷媒蒸気を発生させる圧縮冷凍システムを設けた請求項１記載のコンバインドシステム。
前記ヒータ部に於いて発生される排ガスが保有する熱を、前記希溶液路を流れる前記希溶液に回収可能に構成されている請求項１又は２記載のコンバインドシステム。