WO2013115073A1 - 自己熱再生を利用した省エネルギー装置および省エネルギー方法 - Google Patents

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WO2013115073A1
WO2013115073A1 PCT/JP2013/051516 JP2013051516W WO2013115073A1 WO 2013115073 A1 WO2013115073 A1 WO 2013115073A1 JP 2013051516 W JP2013051516 W JP 2013051516W WO 2013115073 A1 WO2013115073 A1 WO 2013115073A1
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heat
working fluid
heat exchanger
unit
self
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堤　敦司
堤　香津雄
Original Assignee
国立大学法人 東京大学
エクセルギー工学研究所株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/007—Energy recuperation; Heat pumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D1/00—Evaporating
    • B01D1/28—Evaporating with vapour compression
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
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    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/10—Greenhouse gas [GHG] capture, material saving, heat recovery or other energy efficient measures, e.g. motor control, characterised by manufacturing processes, e.g. for rolling metal or metal working

Definitions

  • the present invention relates to an energy saving apparatus and an energy saving method using self-heat of a working fluid, and more particularly, to an energy saving apparatus and an energy saving method that suppress the heat that is discarded and improve the exergy rate of the entire system.
  • Air conditioners burn gas to heat the outside air and supply hot air into the room. Hot air is released into the atmosphere after warming the room. Moreover, an air conditioner (cooler) cools air with a refrigerant
  • a heat pump is known as a conventional energy saving device.
  • (1. Conventional heat pump) 1B includes a first fluid circuit 110A and a second fluid circuit 110B through which a refrigerant flows.
  • the first fluid circuit 110 ⁇ / b> A includes a first heat exchanger 112 and a unit to be processed 113.
  • the second fluid circuit 110B is a closed fluid circuit in which a refrigerant circulates, and includes a compressor 115, a heat exchanger 112, an expander 116, and a second heat exchanger 117, which are connected by piping in order. Has been.
  • the heat pump 110 collects the heat of the outside air in the second heat exchanger 117 and exchanges heat between the outside air and the refrigerant.
  • the refrigerant that has obtained heat is compressed by the compressor 115 and further becomes high temperature and pressure.
  • the first heat exchanger 112 exchanges heat between the high-temperature and high-pressure refrigerant and the air taken in from the working fluid inlet 111, and the air that has obtained heat from the refrigerant is released into the room 113.
  • the refrigerant that has heated the air becomes low-temperature and low-pressure in the expander 116 and returns to the second heat exchanger 117 again.
  • the heat pump 110 When the temperature of the outside air is low, the heat pump 110 has a small temperature difference from the refrigerant and has a low energy saving effect. Moreover, since the high-temperature air introduced into the room is discarded as it is after the room is warmed, the thermal energy is not fully utilized.
  • the conventional dryer 120 shown in FIG. 2C takes in the outside air by the blower fan 121, heats the outside air by the electric heater 122, or burns the fuel to change the chemical energy of the fuel into heat and takes in the heat. Warm the outside air. And the warm external air is taken in into the tank 123, and objects, such as a laundry, are dried with a hot air. The air obtained by drying the object in the tank 123 is discharged outside the tank by the blower fan 124. Since the heat energy of the released air is discarded, the energy loss is large and the exergy rate is low.
  • the refrigerant (20 ° C.) discharged from the indoor unit 130A is decompressed by the expansion valve 136 to become a low-temperature and low-pressure refrigerant ( ⁇ 10 ° C.) and enters the outdoor heat exchanger 134.
  • the low-temperature and low-pressure refrigerant ( ⁇ 10 ° C.) that has entered the outdoor heat exchanger 134 exchanges heat with the outside air (7 ° C.) taken in by the outdoor fan 133, and the refrigerant (7 ° C.) that is substantially the same temperature as the outside air temperature. Become.
  • This refrigerant (7 ° C.) is compressed by the compressor 135 to become a high-temperature and high-pressure refrigerant (40 ° C.).
  • the high-temperature and high-pressure refrigerant (40 ° C.) enters the indoor heat exchanger 132, exchanges heat with the indoor air (20 ° C.) taken in by the indoor fan 131, and sends the warmed air into the room.
  • the refrigerant (20 ° C.) that has been deprived of heat by the indoor air and has substantially the same temperature as the indoor air enters the expansion valve 136. In this way, the refrigerant circulates between the indoor unit 130A and the outdoor unit 130B.
  • the thermal energy of the air is discarded outside the room.
  • the conventional sterilization apparatus 140 shown in FIG. 4B heats water with a boiler 141 to generate water vapor, and performs sterilization with water vapor in the unit to be treated 142.
  • the water vapor exiting the unit to be treated 142 is returned to the water by the cooler 143 and discharged.
  • the conventional sterilizer 140 burns fossil fuel in the boiler 141.
  • the combustion exhaust gas is exhausted to the outside from the boiler 141, and much of the heat of the combustion exhaust gas is wasted. Furthermore, since the heat applied by the unit 142 is discarded by the cooler 143, energy is wasted.
  • the air conditioner has the same problem as the heater. In other words, the air (15 ° C) cooled by the indoor heat exchanger takes heat from the air (30 ° C) taken into the room and then is exhausted to the outside as it is. , Discarded outside.
  • ⁇ G energy that can be taken out as work, and is called exergy as effective energy.
  • ⁇ G / ⁇ H is called the exergy rate as the ability to extract effective energy. The exergy rate decreases when heat is generated.
  • An object of the present invention is to solve the above-described problems, and is to improve the exergy rate ⁇ G / ⁇ H. Specifically, it is an object of the present invention to provide an apparatus and method for minimizing wasteful heat energy.
  • an energy saving device using self-heat regeneration includes a first fluid circuit through which a first working fluid flows, and a second fluid circuit through which a second working fluid that is a compressive fluid flows.
  • a first heat exchanger that radiates heat from the second working fluid and receives heat from the first working fluid; and a second heat exchanger that radiates heat from the first working fluid and receives heat from the second working fluid.
  • a compressor disposed upstream of the first heat exchanger and downstream of the second heat exchanger in the second fluid circuit; and the first heat exchanger in the second fluid circuit.
  • an expander disposed on the upstream side of the second heat exchanger, and in the first fluid circuit, on the downstream side of the first heat exchanger and upstream of the second heat exchanger. And a unit to be processed arranged on the side.
  • the heat of the first working fluid exiting the unit to be treated is not discarded as it is. That is, the first working fluid heats the second working fluid in the second heat exchanger. Further, the high-temperature and high-pressure second working fluid exiting the compressor heats the first working fluid in the first heat exchanger.
  • the first working fluid and the second working fluid exchange self heat. That is, these working fluids serve as heat sources and heat each other. Therefore, further energy saving than before can be realized without adding a separate heat source and by using the self-heating of the working fluid that has been conventionally discarded.
  • the second working fluid to be compressed / expanded is a compressible fluid.
  • the first working fluid may be a compressive fluid or an incompressible fluid.
  • second working fluid another working fluid that is a compressible fluid, the self-heat of these working fluids can be used. Energy saving can be realized.
  • the compressible fluid refers to, for example, a gas, a gas-liquid mixed fluid, or a fluid that changes phase.
  • the compression is preferably adiabatic compression
  • the expansion is preferably adiabatic expansion.
  • the adiabatic compression or adiabatic expansion referred to here is performed by rapidly compressing or expanding the gas. Therefore, in practice, it is difficult to completely block heat from entering and exiting the outside in the process of adiabatic compression and adiabatic expansion, and some adiabatic compression and adiabatic expansion cause heat to enter and exit from the outside. Including.
  • the power generated from the expander is used as power for driving the compressor.
  • the rotating shaft of the expander and the rotating shaft of the compressor are connected. According to this configuration, the power of the expander can be recovered and used for driving the compressor. For this reason, further energy saving is realizable.
  • an electric motor that drives the compressor may be provided.
  • the energy-saving device using self-heat regeneration according to the present invention further includes a transport pump disposed at the inlet of the first fluid circuit and a pressure reducing valve disposed at the outlet of the first fluid circuit.
  • a transport pump disposed at the inlet of the first fluid circuit
  • a pressure reducing valve disposed at the outlet of the first fluid circuit.
  • the working fluid flowing through the first fluid circuit is a liquid
  • the transport pump discharges the working fluid toward the pressure reducing valve.
  • the pressure reducing valve adjusts the flow rate of the working fluid and the pressure of the processing chamber.
  • the energy-saving device using self-heat regeneration includes a unit to be treated into which a working fluid that is a compressive fluid flows, and a working fluid that has exited the unit to be radiated and before entering the unit to be treated. It is preferable to include a heat exchanger that receives the working fluid and a compressor disposed between the unit to be processed and the heat exchanger.
  • the working fluid that has exited the unit to be treated is adiabatically compressed by the compressor, is heated and pressure-intensified, and exchanges heat with the working fluid before entering the unit to be treated.
  • the self-heat of the working fluid can be recycled, it is not necessary to add a separate heat source.
  • the working fluid whose temperature has been raised by the compression serves as a heat source, and the working fluids exchange heat with each other, so that energy saving can be realized by effectively using the self-heating of the working fluid.
  • the energy saving apparatus using self-heat regeneration according to the present invention further includes an expander that expands the working fluid radiated in the heat exchanger.
  • the power generated from the expander is used as power for driving the compressor.
  • the rotating shaft of the compressor and the rotating shaft of the expander may be connected. According to this configuration, the thermal energy of the working fluid can be recovered as work by the expander.
  • the working fluid is air
  • the air that has exited the unit to be processed dissipates heat in the heat exchanger after passing through the compressor.
  • the high-temperature air after being used in the unit to be processed can be used for heating the air taken from outside by exchanging heat with the air taken from outside without being discarded as it is. . That is, the heat energy of the used air that has been conventionally discarded is recycled and energy saving can be realized. Further, since air is used as the working fluid, it is not necessary to prepare a special gas separately.
  • the working fluid is water or steam
  • the water or air received in the heat exchanger flows into the processing target unit after passing through the compressor. It is preferable to do.
  • the water vapor used in the unit to be treated serves as a heat source, heats the water before input to the unit to be treated, and converts the water into water vapor.
  • steam converted from water is adiabatically compressed with a compressor, and is further heated, before inputting into a to-be-processed unit.
  • the water vapor used in the unit to be treated that has become a heat source is decompressed by a valve after heat exchange and discarded as water. Thereby, the thermal energy which the water vapor
  • the energy saving apparatus using self-heat regeneration according to the present invention further includes a pressure reducing valve that depressurizes the working fluid radiated in the heat exchanger.
  • the unit to be treated may be a unit that performs sterilization.
  • the unit to be treated may be a unit that performs concrete curing.
  • An energy saving apparatus using self-heat regeneration includes a compressor that compresses air taken in from the outside, a unit to be processed disposed downstream of the compressor, and expands the air so that the object is processed.
  • An expander that is sent out toward a unit; and heat exchange after the air that has exited the compressor and before flowing into the expander radiates heat, and the air that has exited the unit to be treated receives heat. And a vessel.
  • the power generated from the expander is used as power for driving the compressor.
  • An energy saving method using self-heat regeneration includes a step of flowing a working fluid that is a compressible fluid into a unit to be processed, a step of using the working fluid in the unit to be processed, and the unit to be processed. A step of compressing the discharged working fluid; and a step of performing heat exchange in which the compressed working fluid dissipates heat and heat is received by the working fluid before flowing into the processing target unit.
  • the energy saving method using self-heat regeneration according to the present invention further includes a step of expanding the radiated working fluid, and uses the power generated in the expansion step as power in the compression step.
  • the reversible energy conversion step refers to, for example, a step of changing to energy that can be taken out as work such as gas compression / expansion.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows schematic structure of the energy saving apparatus of Embodiment 1 of this invention. It is the prior art of Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a schematic diagram which shows schematic structure of the energy saving apparatus of Embodiment 2 of this invention. It is a schematic diagram which shows schematic structure of the energy saving apparatus of embodiment different from FIG. 2A. It is the prior art of Embodiment 2.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows schematic structure of the energy saving apparatus of Embodiment 3 of this invention. It is the prior art of Embodiment 3.
  • Embodiment 1 shown to FIG. 1A is related with the energy saving apparatus which concerns on one Embodiment of this invention.
  • the energy saving device 10 realizes energy saving by using a first working fluid that is an incompressible fluid and a second working fluid that is a compressible fluid, and compressing and decompressing the second working fluid.
  • the 1A includes a first fluid circuit 10A through which a first working fluid flows and a second fluid circuit 10B through which a second working fluid flows.
  • the first fluid circuit 10A includes a pump 16, a first heat exchanger 12 (first flow path 12A), a processing target unit 13, and a second heat between the first working fluid inlet 11a and the outlet 11b.
  • the exchanger 14 (fourth flow path 14A) and the valve 15 are provided, and these are sequentially connected by piping.
  • the outlet of the first flow path 12A and the inlet of the fourth flow path 14A are connected by a first pipe 19Aa, and the processing target unit 13 is connected in the middle of the first pipe 19Aa.
  • the second fluid circuit 10B is a closed fluid circuit through which the second working fluid circulates, and includes the compressor 17, the first heat exchanger 12 (second flow path 12B), the turbine 18, and the second heat exchanger. 14 (third flow path 14B), and these are connected by piping in order.
  • entrance of the 3rd flow path 14B are connected by 3rd piping 19Bb, and the turbine 18 is arrange
  • the outlet of the third flow path 14B and the inlet of the second flow path 12B are connected by a second pipe 19Ba, and the compressor 17 is arranged in the middle of the pipe 19Ba.
  • the first flow path 12A and the third flow path 14B are on the heat receiving side, and the second flow path 12B and the fourth flow path 14A are on the heat dissipation side, respectively. .
  • the first working fluid flows into the inlet 11a, the pump 16, the first flow path 12A of the first heat exchanger 12, the unit to be processed 13, the fourth flow path 14A of the second heat exchanger 14, the valve 15, It flows in the order of the outlet 11b.
  • the second working fluid flows in the order of the compressor 17, the second flow path 12 ⁇ / b> B of the first heat exchanger 12, the turbine 18, and the third flow path 14 ⁇ / b> B of the second heat exchanger 14, and again the compressor 17.
  • the rotating shaft of the compressor 17 and the rotating shaft of the turbine 18 are connected, and the compressor 17 can be driven by the power generated by the turbine 18.
  • a generator (not shown) may be connected to the turbine 18 to drive the compressor 17 with electric power from the generator.
  • the 1st working fluid of this embodiment is a liquid
  • a 2nd working fluid is a gas, a gas-liquid mixed fluid, or a fluid which changes phase.
  • the operation of the energy saving apparatus 10 will be described separately for the first fluid circuit 10A and the second fluid circuit 10B.
  • the first fluid circuit 10 ⁇ / b> A the first working fluid taken in from the inlet 11 a by the pump 16 flows into the first flow path 12 ⁇ / b> A of the first heat exchanger 12.
  • the second working fluid that has been adiabatically compressed by the compressor 17 to a high temperature flows into the second flow path 12B, and heats the first working fluid in the first flow path 12A.
  • the first working fluid that has exited the first flow path 12 ⁇ / b> A of the first heat exchanger 12 flows into the processing target unit 13.
  • the first working fluid that has exited the processing target unit 13 flows into the fourth flow path 14 ⁇ / b> A of the second heat exchanger 14.
  • the first working fluid that has flowed into the fourth flow path 14A serves as a heat source, and heats the second working fluid that flows through the third flow path 14B. Then, the first working fluid that has exited the fourth flow path 14 ⁇ / b> A of the heat exchanger 14 is discharged from the discharge port 11 b via the valve 15.
  • the second working fluid that is adiabatically compressed by the compressor 17 and becomes high temperature and pressure flows into the second flow path 12B of the first heat exchanger 12.
  • the second working fluid becomes a heat source and heats the first working fluid before flowing into the processing target unit 13.
  • the second working fluid that has been deprived of heat by the first working fluid in the first heat exchanger 12 is adiabatically expanded by the turbine 18 to become a lower temperature fluid, and the third flow of the second heat exchanger 14. It flows into the path 14B.
  • the second working fluid that has flowed into the third flow path 14B is heated by the first working fluid that has flowed into the fourth flow path 14A.
  • the heated second working fluid is adiabatically compressed again by the compressor 17. As described above, the second working fluid circulates through the second fluid circuit B.
  • the temperature difference between the first working fluid at the inlet 11a and the first working fluid at the outlet 11b is preferably as small as possible.
  • the temperature of the first working fluid at the discharge port 11b is preferably about 5 ° C. to 10 ° C. higher than that at the introduction port 11a, and more preferably the temperature difference is 5 ° C. or less.
  • the energy saving apparatus 10 of this embodiment does not require heat sources, such as external air, unlike a heat pump.
  • the working fluid is an incompressible fluid
  • it is difficult to apply the self-heating regeneration technology because the temperature hardly changes even if a pressure change is applied to the working fluid, but by using the compressive fluid as the second working fluid, The self-heating of the first working fluid and the second working fluid can be effectively utilized.
  • the heat exchanger 22 has a first flow path 22A and a second flow path 22B through which the working fluid flows, and the outlet of the first flow path 22A and the second flow path 22B.
  • a pipe 27 is connected by a pipe 27.
  • the outlet of the first flow path 22A and the compressor 24 are connected by a first pipe 27A
  • the compressor 24 and the inlet of the second flow path 22B are connected by a second pipe 27B
  • the middle of the second pipe 27B is disposed in the area.
  • the inlet of the first flow path 22 ⁇ / b> A of the heat exchanger 22 and the inlet 21 are connected, and the outlet of the second flow path 22 ⁇ / b> B of the heat exchanger 22 and the outlet 26 are connected via the turbine 25.
  • the first flow path 22A is the heat receiving side
  • the second flow path 22B is the heat dissipation side.
  • the working fluid is introduced into the inlet 21, the first flow path 22A of the heat exchanger 22, the compressor 24, the unit to be processed 23, the second flow path 22B of the heat exchanger 22, the turbine 25, the discharge port 26, It flows in the order.
  • the working fluid that has exited the heat exchanger 22 is adiabatically compressed by the compressor 24 and is heated and pressurized, and then flows into the processing target unit 23.
  • the working fluid that has exited the unit to be processed 23 heats the working fluid flowing from the inlet 21 in the heat exchanger 22.
  • the rotating shaft of the compressor 24 and the rotating shaft of the turbine 25 are connected, and the compressor 24 can be driven by the power generated by the turbine 25.
  • a generator (not shown) may be connected to the turbine 25 and the compressor 24 may be driven by the electric power from the generator.
  • the difference in temperature between the air at the inlet 21 and the air at the outlet 26 is preferably as small as possible.
  • the temperature of the air at the outlet 26 is 5 ° C. to 10 ° C. higher than the temperature of the air at the inlet 21.
  • the temperature is preferably as high as about 0C, more preferably 5C or less.
  • the energy saving apparatus 20 of this embodiment heat-exchanges the self-heat which a working fluid has, it does not require heat sources, such as external air, separately like a heat pump.
  • FIG. 2B An embodiment in which the energy saving apparatus according to Embodiment 2 is applied to a dryer is shown in FIG. 2B.
  • the heat exchanger 32 has a first flow path 32A and a second flow path 32B through which a working fluid flows, and an outlet of the first flow path 32A and an inlet of the second flow path 32B are connected by a pipe 38.
  • the tank 33 and the compressor 34 are sequentially arranged in the middle of the pipe 38.
  • the inlet of the first flow path 32A of the heat exchanger 32 and the inlet 31 are connected via a blower fan 37
  • the outlet of the second flow path 32B of the heat exchanger 32 and the outlet 36 are connected to the turbine 35 and the blower.
  • the fan 37 is connected.
  • the working fluid is air.
  • the first flow path 32A is the heat receiving side
  • the second flow path 32B is the heat dissipation side.
  • the rotating shaft of the compressor 34 and the rotating shaft of the turbine 35 are connected, and the power generated in the turbine 35 is used to drive the compressor 34. Further, electric power generated from a generator (not shown) driven by the turbine 35 may be supplied to an electric motor that drives the compressor 34.
  • the operation of the energy saving device 30 will be described.
  • the outside air taken in from the inlet 31 by the blower fan 37 flows into the first flow path 32 ⁇ / b> A of the heat exchanger 32.
  • the air in the first flow path 32A which has obtained heat from the air in the second flow path 32B, is released to the tank 13 to dry the object.
  • the air that has left the tank 33 is adiabatically compressed by the compressor 34 and becomes high temperature, flows into the second flow path 32B, and heats the air in the first flow path 32A.
  • the air exiting the second flow path 32B is adiabatically expanded by the turbine 35 and discarded from the discharge port 36 by the blower fan 37.
  • the power of the turbine 35 is power for driving the compressor.
  • the temperature of the air at the discharge port 36 is preferably about 5 ° C. to 10 ° C. higher than the temperature of the air at the introduction port 31, and more preferably the temperature difference is 5 ° C. or less.
  • the energy saving apparatus 30 is applied to a dryer using air as a working fluid as described above, it does not require any special gas and the air after use for drying is used for heating the inflow air. Can be realized.
  • the energy saving apparatus 30 is a significant energy saving compared to the conventional dryer 120 (see FIG. 2C).
  • Embodiment 3 shown to FIG. 3A applies the energy saving apparatus which concerns on one Embodiment of this invention to a heater.
  • the heat exchanger 42 has a first flow path 42A and a second flow path 42B through which a working fluid flows.
  • the first inlet 41 is an inlet for taking in outside air.
  • the second introduction port 48 is an inlet for taking in the air in the chamber 43.
  • the rotating shaft of the compressor 44 and the rotating shaft of the turbine 45 are connected.
  • the working fluid is air.
  • the first flow path 42A is the heat receiving side
  • the second flow path 42B is the heat dissipation side.
  • the energy saving apparatus 40 includes a first inlet 41, a first flow path 42A of the heat exchanger 42, a chamber 43 (unit to be processed), a compressor 44, a second flow path 42B of the heat exchanger 42, and a turbine 45, which are sequentially piped. Connected and configured.
  • the air (25 degreeC) of the chamber 43 taken in from the 2nd inlet 48 is adiabatically compressed with the compressor 44, and turns into high temperature / high pressure air (35 degreeC).
  • This high-temperature and high-pressure air flows into the second flow path 42B of the heat exchanger 42 and heats the air (10 ° C.) in the first flow path 42A.
  • the temperature of the air in the second flow path 42B is reduced by heat exchange (15 ° C.).
  • the air that has exited the second flow path 42B is adiabatically expanded by the turbine 45, becomes low temperature and low pressure (5 ° C.), and is discharged from the discharge port 46.
  • the energy saving device 40 of the third embodiment can realize energy saving as compared with the conventional heater by exchanging heat between the working fluids using the self-heating of the working fluid that has left the chamber 43.
  • the energy saving device 40 is significantly energy saving as compared with the conventional heater 130.
  • Embodiment 4 shown to FIG. 4A applies an energy saving apparatus to a sterilizer.
  • the sterilization apparatus is an apparatus that is mainly used in the fields of medical treatment and biological experiments, and sterilizes an object with water vapor.
  • the heat exchanger 52 has a first flow path 52A and a second flow path 52B through which the working fluid flows. Further, the outlet of the first flow path 52A and the compressor 53 are connected by a first pipe 57A. Further, the compressor 53 and the inlet of the second flow path 52B are connected by a second pipe 57B, and the unit to be processed 54 is disposed in the middle of the second pipe 57B. Further, the inlet of the first flow path 52 ⁇ / b> A of the heat exchanger 52 and the inlet 51 are connected, and the outlet of the second flow path 52 ⁇ / b> B of the heat exchanger 52 and the outlet 56 are connected via a valve 55.
  • the working fluid flows in the order of the introduction port 51, the first flow path 52A of the heat exchanger 52, the compressor 53, the unit to be treated 54, the second flow path 52B of the heat exchanger 52, the valve 55, and the discharge port 56.
  • the first flow path 52A is the heat receiving side
  • the second flow path 52B is the heat dissipation side.
  • the energy consumption in the energy saving apparatus 50 of the present embodiment is compared with the energy consumption in the conventional sterilization apparatus 140 (see FIG. 4B).
  • the energy consumption in the process in the energy saving apparatus 50 is calculated by applying the above formula, the energy consumption is 1.4 kJ / mol.
  • the energy consumption in the process of the conventional sterilization apparatus 140 is 46 kJ / mol, it can be seen that significant energy saving can be realized by using the energy saving apparatus 60.
  • the heat exchanger 62 has a first flow path 62A and a second flow path 62B through which the working fluid flows.
  • the first inlet 61 is an inlet for taking in outside air.
  • the second introduction port 68 is an inlet for taking in the air in the chamber 83.
  • the rotating shaft of the compressor 64 and the rotating shaft of the turbine 65 are connected.
  • the working fluid is air.
  • the first flow path 62A is the heat receiving side
  • the second flow path 62B is the heat dissipation side.
  • the energy saving device 60 includes a first introduction port 61, a compressor 64, a second flow path 62B of the heat exchanger 62, a turbine 65, a chamber 63 (unit to be treated), a first flow path 62A of the heat exchanger 62, and a discharge port 66.
  • a first introduction port 61 a compressor 64, a second flow path 62B of the heat exchanger 62, a turbine 65, a chamber 63 (unit to be treated), a first flow path 62A of the heat exchanger 62, and a discharge port 66.
  • the outside air (30 ° C.) taken from the first inlet 61 is adiabatically compressed by the compressor 64 to become high-temperature and high-pressure air (40 ° C.).
  • the high-temperature and high-pressure air (40 ° C.) flows into the second flow path 62B of the heat exchanger 62.
  • the high-temperature and high-pressure air (40 ° C.) flowing into the second flow path 62B is cooled by exchanging heat with the low-temperature air (25 ° C.) flowing through the first flow path 62A.
  • the air (30 ° C.) in the second flow path 62B which has been deprived of heat by the air in the first flow path 62A (25 ° C.), is adiabatically expanded by the turbine 65 to become lower temperature air (10 ° C.).
  • the energy saving device 60 of the fifth embodiment can realize energy saving as compared with the conventional air conditioner by using the self-heat of the working fluid exiting the chamber 63 by heat exchange. Moreover, the energy saving apparatus 60 does not require a refrigerant such as chlorofluorocarbon, and is excellent in environmental performance.
  • the energy saving device 60 is significantly energy saving compared to the conventional cooling device 150.

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Abstract

自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、第一作動流体が流れる第一流体回路と、圧縮性流体である第二作動流体が流れる第二流体回路と、前記第二作動流体が放熱するとともに、前記第一作動流体が受熱する第一熱交換器と、前記第一作動流体が放熱するとともに、前記第二作動流体が受熱する第二熱交換器と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の上流側であって前記第二熱交換器の下流側に配置された圧縮機と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された膨張機と、前記第一流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された被処理ユニットと、を備えている。

Description

自己熱再生を利用した省エネルギー装置および省エネルギー方法
　本発明は、作動流体の有する自己熱を利用した省エネルギー装置および省エネルギー方法に関し、詳しくは、廃棄される熱を抑えて、系全体のエクセルギー率を向上した省エネルギー装置および省エネルギー方法に関する。
　空調機（暖房機）は、ガスを燃焼して外気を加熱し、高温の空気を室内に供給する。高温の空気は、室内を暖めた後、大気に放出される。また、空調機（冷房機）は、冷媒によって空気を冷却し、低温の空気が室内に供給される。低温の空気は、室内を冷やした後、大気に放出される（例えば、特許文献１参照）。また、従来の省エネルギー装置としてヒートポンプが知られている。
　以下、従来のヒートポンプ、乾燥機、暖房機、冷房機、滅菌装置について説明する（例えば、特許文献２～４参照）。
（１．従来のヒートポンプ）
　図１Ｂに示すヒートポンプ１１０は、第一流体回路１１０Ａと、冷媒が流れる第二流体回路１１０Ｂとを備える。第一流体回路１１０Ａは、第一熱交換器１１２と、被処理ユニット１１３とを備えている。第二流体回路１１０Ｂは、冷媒が循環する閉じた流体回路であり、圧縮機１１５と、熱交換器１１２と、膨張機１１６と、第二熱交換器１１７とを備え、これらが順に配管で接続されている。
　ヒートポンプ１１０は、外気の熱を第二熱交換器１１７に集めて、外気と冷媒とを熱交換する。熱を得た冷媒は、圧縮機１１５で圧縮され、さらに高温高圧となる。高温高圧になった冷媒と、作動流体の導入口１１１から取り込まれた空気とを第一熱交換器１１２で熱交換して、冷媒から熱を得た空気が、室内１１３に放出される。一方、空気を加熱した冷媒は、膨張機１１６で低温低圧となり、再び熱第二交換器１１７に戻る。
　ヒートポンプ１１０は、外気の温度が低い場合、冷媒との温度差が小さく、省エネルギー効果が低い。また、室内に導入した高温の空気は、室内を温めた後、そのまま廃棄されるので、その熱エネルギーは十分に利用されない。
（２．従来の乾燥機）
　図２Ｃに示す従来の乾燥機１２０は、送風ファン１２１により外気を取り込み、電気ヒーター１２２により外気に熱を与え、または、燃料を燃焼させて燃料の持つ化学エネルギーを熱に変え、その熱により取り込んだ外気を温める。そして、温められた外気が槽１２３に取り入れられ、熱風により洗濯物等の対象物が乾燥される。槽１２３で対象物を乾燥した空気は、送風ファン１２４によって、槽外に放出される。放出される空気の持つ熱エネルギーは、廃棄されるので、エネルギーの損失が大きく、エクセルギー率は低い。
（３．従来の空調機）
　図３Ｂに示す従来の暖房機１３０において、室内機１３０Ａから出た冷媒（２０℃）が、膨張弁１３６により減圧されて、低温低圧の冷媒（－１０℃）となり、室外熱交換器１３４に入る。室外熱交換器１３４に入った低温低圧の冷媒（－１０℃）は、室外ファン１３３によって取り込まれた外気（７℃）と熱交換して、外気温と略同温の冷媒（７℃）となる。この冷媒（７℃）は、圧縮機１３５で圧縮され、高温高圧の冷媒（４０℃）となる。高温高圧の冷媒（４０℃）は、室内熱交換器１３２に入り、室内ファン１３１により取り込まれた室内の空気（２０℃）と熱交換して、温められた空気を室内に送る。室内の空気に熱を奪われ、室内の空気と略同温となった冷媒（２０℃）は、膨張弁１３６に入る。このようにして、冷媒が、室内機１３０Ａと室外機１３０Ｂとの間を循環する。
　従来の暖房機１３０によれば、温められた空気が、そのまま室外に排出されるので、この空気の持つ熱エネルギーは、室外に廃棄される。
（４．従来の滅菌装置）
　図４Ｂに示す従来の滅菌装置１４０は、水をボイラー１４１により加熱して水蒸気を発生させ、被処理ユニット１４２において、水蒸気により滅菌処理を行う。被処理ユニット１４２を出た水蒸気は冷却器１４３により水に戻され排出される。
　従来の滅菌装置１４０は、ボイラー１４１において化石燃料を燃焼させている。燃焼排ガスはボイラー１４１から外部に排気され、燃焼排ガスの有する熱の多くは無駄になっている。さらに被処理ユニット１４２で、加えた熱は冷却器１４３で捨てられるので、エネルギーの無駄となる。
（５．従来の冷房機）
　冷房機についても、暖房機と同様の課題を有している。すなわち、室内の熱交換器で冷やされた空気（１５℃）は、室内に取り入れた空気（３０℃）から熱を奪った後、そのまま室外に排出されてしまうので、この空気の持つ熱エネルギーは、室外に廃棄される。
特開２００６－３００３６５号公報 特開２００８－３０９４６４号公報 特開２００８－１８８０４５号公報 特開２００４－０２８３６０号公報
従来のヒートポンプ、乾燥機、暖房機、冷房機、滅菌装置において、空気や水等の作動流体は、その熱エネルギーが十分有効に利用されないまま廃棄されており、作動流体の持つ熱エネルギーが有効に利用されていない。
　ところで、化学反応を利用して電力を取り出す場合、燃料が本来有するエネルギーをΔＨとすれば、ΔＧを電気として取り出すことができ、ＴΔＳを熱として取り出すことができる。ΔＧは、仕事として取り出すことができるエネルギーであり、有効なエネルギーとしてエクセルギーと呼ばれている。そして、有効なエネルギーを取り出す能力として、ΔＧ／ΔＨは、エクセルギー率と呼ばれている。エクセルギー率は、熱が発生した時点で低下する。
　本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨを向上させることにある。具体的には、無駄に廃棄される熱エネルギーを極力少なくする装置および方法を提供することを解決課題とする。
　上記の課題を解決するため、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、第一作動流体が流れる第一流体回路と、圧縮性流体である第二作動流体が流れる第二流体回路と、前記第二作動流体が放熱するとともに、前記第一作動流体が受熱する第一熱交換器と、前記第一作動流体が放熱するとともに、前記第二作動流体が受熱する第二熱交換器と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の上流側であって前記第二熱交換器の下流側に配置された圧縮機と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された膨張機と、前記第一流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された被処理ユニットと、を備えている。
　この構成によれば、被処理ユニットを出た第一作動流体の熱は、そのまま廃棄されない。すなわち、この第一作動流体は、第二熱交換器において、第二作動流体を加熱する。また、圧縮機を出た高温高圧の第二作動流体は、第一熱交換器において、第一作動流体を加熱する。このように、第一作動流体と第二作動流体とが、自己熱のやりとりを行う。すなわち、これら作動流体が互いに熱源となり、互いを加熱することとなる。よって、熱源を別途追加することなく、また、従来廃棄されていた作動流体の自己熱を利用することで、従来よりも更なる省エネルギーを実現できる。
　また、圧縮・膨張される第二作動流体は、圧縮性流体である。一方、第一作動流体は、圧縮性流体でもよく、非圧縮性流体であってもよい。これにより、非圧縮性流体を作動流体とする装置であっても、圧縮性流体である別の作動流体（第二作動流体）を併用することで、これら作動流体の自己熱を利用しての省エネルギーを実現できる。なお、圧縮性流体とは、例えば、気体、気液混合流体、相変化する流体をいう。
　ここで、圧縮は、断熱圧縮であることが望ましく、膨張は、断熱膨張であることが望ましい。ここにいう断熱圧縮または断熱膨張は、急激に気体を圧縮または膨張させることにより行われる。したがって、実際には、断熱圧縮・断熱膨張の過程において、外部との熱の出入りを完全に遮断することは困難であり、断熱圧縮・断熱膨張には、外部との熱の出入りが生じるものも含む。
　本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置では、前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられることが好ましい。また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置では、前記膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とが接続されていることが好ましい。この構成によれば、膨張機の動力を回収して、圧縮機の駆動に利用することができる。このため、更なる省エネルギーを実現できる。また、不足する動力を補うために、圧縮機を駆動する電動機を備えていてもよい。
　本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記第一流体回路の入口に配置された輸送ポンプと、前記第一流体回路の出口に配置された減圧弁と、をさらに備えていることが好ましい。この構成において、第一流体回路を流れる作動流体は液体であり、輸送ポンプは作動流体を減圧弁に向けて排出する。減圧弁は作動流体の流量を調節すると共に、被処理室の圧力を調節する。
　本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、圧縮性流体である作動流体が流入する被処理ユニットと、前記被処理ユニットを出た作動流体が放熱するとともに、前記被処理ユニットに入る前の作動流体が受熱する、熱交換器と、前記被処理ユニットと前記熱交換器との間に配置された圧縮機と、を備えていることが好ましい。
　この構成によれば、被処理ユニットを出た作動流体は、圧縮機で断熱圧縮されて昇温昇圧して、被処理ユニットに入る前の作動流体と熱交換する。これにより、作動流体の自己熱が再生利用できるので、別途熱源を追加する必要がない。
　上記構成の本発明によれば、圧縮により昇温した作動流体が熱源となり、作動流体同士が熱交換されることで、作動流体の自己熱を有効に利用して省エネルギーを実現できる。
　本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記熱交換器において放熱した前記作動流体を膨張させる膨張機をさらに備えていることが好ましい。また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられることが好ましい。圧縮機の回転軸と、膨張機の回転軸とが接続されていてもよい。この構成によれば、作動流体の熱エネルギーを、膨張機により仕事として回収できる。
　前記作動流体が空気であり、前記被処理ユニットを出た前記空気は、前記圧縮機を通過後に、前記熱交換器において放熱することが好ましい。
　この構成によれば、被処理ユニットで使用された後の高温の空気が、そのまま廃棄されることなく、外部から取り込まれた空気と熱交換して、外部から取り込まれた空気の加熱に利用できる。すなわち、従来廃棄されていた使用後の空気の持つ熱エネルギーが、再生利用され、省エネルギーを実現できる。また、作動流体に空気を利用するので、別途特殊な気体を用意する必要がない。
　本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記作動流体が水または水蒸気であり、前記熱交換器において受熱した前記水または空気は、前記圧縮機を通過後に、前記被処理ユニットに流入することが好ましい。
　従来の水蒸気を利用した装置では、水をボイラーで化石燃料を燃焼した燃焼熱により水蒸気に変換して、その水蒸気を被処理ユニットに入力していた。そして、被処理ユニットで使われた水蒸気は、冷却器により水に再変換され、廃棄されていた。つまり、ボイラーで水を水蒸気にする際に使われた熱エネルギーの多くが、利用されずに廃棄されていた。
　一方、上記の本発明の構成によれば、熱交換器において、被処理ユニットで使用された水蒸気が、熱源となって、被処理ユニットに入力前の水を加熱して、水を水蒸気に変換させる。そして、水から変換された水蒸気は、被処理ユニットに入力される前に、圧縮機で断熱圧縮されて、更に昇温される。一方、熱源となった被処理ユニットで使用された水蒸気は、熱交換後にバルブで減圧され、水として廃棄される。これにより、被処理ユニットで使用された水蒸気の持つ熱エネルギーが、有効に利用される。また、加熱に用いるボイラーなども必要としないので、従来よりも省エネルギーとなる。
　本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記熱交換器において放熱した前記作動流体を減圧する減圧弁をさらに有していることが好ましい。
　また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記被処理ユニットが、滅菌処理を行うユニットであってもよい。
　また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記被処理ユニットが、コンクリート養生を行うユニットであってもよい。
　本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、外部から取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の下流に配置された被処理ユニットと、前記空気を膨張させて、前記被処理ユニットに向けて送出する膨張機と、前記圧縮機を出た後であって前記膨張機に流入する前の前記空気が放熱するとともに、前記被処理ユニットを出た前記空気が受熱する、熱交換器と、備えていることが好ましい。また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられることが好ましい。
　本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー方法は、圧縮性流体である作動流体を被処理ユニットに流入する工程と、前記被処理ユニットにおいて前記作動流体を利用する工程と、前記被処理ユニットから排出された前記作動流体を圧縮する工程と、前記圧縮された前記作動流体が放熱するとともに、前記被処理ユニットに流入する前の前記作動流体が受熱する熱交換を行う工程と、を有する。また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー方法は、放熱した前記作動流体を膨張する工程を更に備え、前記膨張工程で生じる動力を、前記圧縮工程における動力に利用する。
　この構成によれば、放熱工程または燃焼工程の一部または全部を、可逆的なエネルギー変換工程に代えることで、加熱または燃焼に伴うエクセルギー率の低い熱エネルギーの損失を抑えることができる。これにより、ＴΔＳを減少させ、ΔＧを増加させ、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨを従来よりも向上させる。ここで、可逆的なエネルギー変換工程とは、例えば、気体の圧縮・膨張などの仕事として取り出し可能なエネルギーに変更する工程をいう。
　以上のように、本発明によれば、エネルギー損失を抑えて、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨが向上した省エネルギー装置および省エネルギー方法を提供することができる。
本発明の実施形態１の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。 実施形態１の従来技術である。 本発明の実施形態２の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。 図２Ａと別の実施形態の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。 実施形態２の従来技術である。 本発明の実施形態３の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。 実施形態３の従来技術である。 本発明の実施形態４の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。 実施形態４の従来技術である。 本発明の実施形態５の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。
　以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。
＜実施形態１＞
　図１Ａに示す実施形態１は、本発明の一実施形態に係る省エネルギー装置に関するものである。省エネルギー装置１０は、非圧縮性の流体である第一作動流体と圧縮性の流体である第二作動流体とを用い、第二作動流体を圧縮・減圧することにより省エネルギーを実現する。
　図１Ａに示す省エネルギー装置１０は、第一作動流体が流動する第一流体回路１０Ａと、第二作動流体が流動する第二流体回路１０Ｂとを備える。第一流体回路１０Ａは、第一作動流体の導入口１１ａと排出口１１ｂの間に、ポンプ１６と、第一熱交換器１２（第一流路１２Ａ）と、被処理ユニット１３と、第二熱交換器１４（第四流路１４Ａ）と、バルブ１５とを備え、これらが順に配管で接続されている。なお、第一流路１２Ａの出口と第四流路１４Ａの入口とが、第一配管１９Ａａで接続されていて、第一配管１９Ａａの途中に被処理ユニット１３が接続されている。第二流体回路１０Ｂは、第二作動流体が循環する閉じた流体回路であり、圧縮機１７と、第一熱交換器１２（第二流路１２Ｂ）と、タービン１８と、第二熱交換器１４（第三流路１４Ｂ）とを備え、これらが順に配管で接続されている。なお、第二流路１２Ｂの出口と第三流路１４Ｂの入口とが第三配管１９Ｂｂで接続されていて、第三配管１９Ｂｂの途中にタービン１８が配置されている。また、第三流路１４Ｂの出口と第二流路１２Ｂの入口とが第二配管１９Ｂａで接続されていて、配管１９Ｂａの途中に圧縮機１７が配置されている。
　なお、本実施形態の熱交換器１２および熱交換器１４において、それぞれ、第一流路１２Ａおよび第三流路１４Ｂが受熱側となり、第二流路１２Ｂおよび第四流路１４Ａが放熱側となる。
　これにより、第一作動流体は、導入口１１ａ、ポンプ１６、第一熱交換器１２の第一流路１２Ａ、被処理ユニッ１３、第二熱交換器１４の第四流路１４Ａ、バルブ１５、排出口１１ｂ、の順に流動する。一方、第二作動流体は、圧縮機１７、第一熱交換器１２の第二流路１２Ｂ、タービン１８、第二熱交換器１４の第三流路１４Ｂ、の順に流動して再び圧縮機１７に戻る。なお、圧縮機１７の回転軸とタービン１８の回転軸は連結されていて、タービン１８で発生する動力で、圧縮機１７を駆動することができる。また、タービン１８に発電機（図示せず）を接続して、この発電機からの電力で圧縮機１７を駆動してもよい。なお、本実施形態の第一作動流体は液体であり、第二作動流体は気体または気液混合流体または相変化する流体である。
　省エネルギー装置１０の動作を、第一流体回路１０Ａと第二流体回路１０Ｂに分けて説明する。第一流体回路１０Ａにおいて、ポンプ１６により導入口１１ａからが取り込まれた第一作動流体は、第一熱交換器１２の第一流路１２Ａに流入する。熱交換器１２において、圧縮機１７で断熱圧縮されて高温となった第二作動流体は、第二流路１２Ｂに流入して、第一流路１２Ａの第一作動流体を加熱する。次に、第一熱交換器１２の第一流路１２Ａを出た第一作動流体は、被処理ユニット１３に流入する。被処理ユニット１３を出た第一作動流体は、第二熱交換器１４の第四流路１４Ａに流入する。第二熱交換器１４において、第四流路１４Ａに流入した第一作動流体が熱源となり、第三流路１４Ｂを流れる第二作動流体を加熱する。そして、熱交換器１４の第四流路１４Ａを出た第一作動流体は、バルブ１５を介して排出口１１ｂから排出される。
　一方、第二流体回路１０Ｂにおいて、圧縮機１７で断熱圧縮されて高温高圧となった第二作動流体は、第一熱交換器１２の第二流路１２Ｂに流入する。第一熱交換器１２において、第二作動流体が熱源となり、被処理ユニット１３に流入前の第一作動流体を加熱する。第一熱交換器１２で第一作動流体に熱を奪われ低温となった第二作動流体は、タービン１８で断熱膨張して、さらに低温の流体となり、第二熱交換器１４の第三流路１４Ｂに流入する。第三流路１４Ｂに流入した第二作動流体は、第四流路１４Ａに流入した第一作動流体により加熱される。加熱された第二作動流体は、再度圧縮機１７で断熱圧縮される。以上のようにして、第二作動流体が第二流体回路Ｂを循環する。
　このように、第一作動流体および第二作動流体の有する自己熱を利用して、第一作動流体と第二作動流体とが熱交換することにより、省エネルギーが実現される。なお、導入口１１ａでの第一作動流体と排出口１１ｂでの第一作動流体の温度差は小さいほど好ましい。具体的には排出口１１ｂでの第一作動流体の温度は、導入口１１ａでのそれよりも５℃～１０℃程度高温であることが好ましく、温度差が５℃以下であればより好ましい。また、本実施形態の省エネルギー装置１０は、ヒートポンプのように外気等の熱源を必要としない。作動流体が非圧縮性流体である場合には作動流体に圧力変化を加えてもほとんど温度変化しないため自己熱再生技術の適用が困難であるが、圧縮性流体を第二作動流体として用いることで、第一作動流体および第二作動流体の自己熱を有効に利用することができる。
＜実施形態２＞
（実施形態２の省エネルギー装置）
　図２Ａに示す本実施形態２の省エネルギー装置２０において、熱交換器２２は、作動流体が流れる第一流路２２Ａおよび第二流路２２Ｂを有し、第一流路２２Ａの出口と第二流路２２Ｂの入口とが配管２７で連結されている。詳しくは、第一流路２２Ａの出口と圧縮機２４とが第一配管２７Ａで接続され、圧縮機２４と第二流路２２Ｂの入口とが第二配管２７Ｂで接続され、第二配管２７Ｂの途中に被処理ユニット２３が配置されている。また、熱交換器２２の第一流路２２Ａの入口と導入口２１とが接続され、熱交換器２２の第二流路２２Ｂの出口と排出口２６とがタービン２５を介して接続されている。なお、本実施形態の熱交換器２２において、第一流路２２Ａが受熱側となり、第二流路２２Ｂが放熱側となる。
　省エネルギー装置２０において、作動流体が、導入口２１、熱交換器２２の第一流路２２Ａ、圧縮機２４、被処理ユニット２３、熱交換器２２の第二流路２２Ｂ、タービン２５、排出口２６、の順に流動する。熱交換器２２を出た作動流体は、圧縮機２４で断熱圧縮され、昇温昇圧された後、被処理ユニット２３に流入する。被処理ユニット２３を出た作動流体は、熱交換器２２において、導入口２１から流入する作動流体を加熱する。なお、圧縮機２４の回転軸とタービン２５の回転軸は連結されていて、タービン２５で発生する動力で、圧縮機２４を駆動することができる。また、タービン２５に発電機（図示せず）を接続して、この発電機からの電力で圧縮機２４を駆動してもよい。
　このように、作動流体の有する自己熱を交換することで、省エネルギーを実現できる。なお、導入口２１での空気と排出口２６での空気の温度差は小さいほど好ましく、具体的には排出口２６での空気の温度は導入口２１での空気の温度よりも５℃～１０℃程度高温であることが好ましく、温度差が５℃以下であればより好ましい。また、本実施形態の省エネルギー装置２０は、作動流体の有する自己熱を熱交換するので、ヒートポンプのように外気等の熱源を別途必要としない。
（実施形態２の別の省エネルギー装置）
　実施形態２に係る省エネルギー装置を乾燥機に適用した実施形態を図２Ｂに示す。
　省エネルギー装置３０において、熱交換器３２は、作動流体が流れる第一流路３２Ａおよび第二流路３２Ｂを有し、第一流路３２Ａの出口と第二流路３２Ｂの入口とが配管３８で接続されていて、配管３８の途中に槽３３と圧縮機３４とが、順次配置されている。また、熱交換器３２の第一流路３２Ａの入口と導入口３１とが送風ファン３７を介して接続され、熱交換器３２の第二流路３２Ｂの出口と排出口３６とがタービン３５、送風ファン３７を介して接続されている。なお、作動流体は空気である。本実施形態の熱交換器３２において、第一流路３２Ａが受熱側となり、第二流路３２Ｂが放熱側となる。
　圧縮機３４の回転軸とタービン３５の回転軸とは連結されていて、タービン３５で発生する動力を圧縮機３４の駆動に用いる。また、タービン３５で駆動される発電機（図示せず）から発生する電力を圧縮機３４を駆動する電動機に供給してもよい。
　省エネルギー装置３０の動作について説明する。送風ファン３７により導入口３１から取り込まれた外気は、熱交換器３２の第一流路３２Ａに流入する。第二流路３２Ｂの空気から熱を得た第一流路３２Ａの空気は、槽１３に放出されて対象物を乾燥する。槽３３を出た空気は、圧縮機３４で断熱圧縮されて高温となり、第二流路３２Ｂに流入して、第一流路３２Ａの空気を加熱する。第二流路３２Ｂを出た空気は、タービン３５で断熱膨張され、送風ファン３７により排出口３６から廃棄される。タービン３５の動力は、圧縮機を駆動する動力となる。
　このようにして、槽３３を出た作動流体の有する自己熱を熱交換させることで、従来よりも省エネルギーを実現できる。なお、導入口３１での空気と排出口３６での空気の温度差は小さいほど好ましい。具体的には排出口３６での空気の温度が導入口３１の空気の温度よりも５℃～１０℃程度高温であることが好ましく、温度差が５℃以下であればより好ましい。
　また、上記のように省エネルギー装置３０は空気を作動流体とした乾燥機に適用するため、別途特殊な気体などを必要とせず、乾燥に使用後の空気を、流入空気の加熱に用いるので、省エネルギーが実現できる。
　エクセルギー損失が発生するのは圧縮機３４と膨張タービン３５の差（正味の必要仕事）のみとなる。したがって、省エネルギー装置３０は、従来の乾燥機１２０（図２Ｃ参照）に比べて、大幅な省エネルギーとなる。
＜実施形態３＞
　図３Ａに示す実施形態３は、本発明の一実施形態に係る省エネルギー装置を暖房機に適用したものである。
　図３Ａに示す本実施形態の省エネルギー装置４０において、熱交換器４２は、作動流体が流れる第一流路４２Ａおよび第二流路４２Ｂを有する。第一導入口４１は、外気を取り込むための入口である。第二導入口４８は、室４３の空気を取り込むための入口である。また、圧縮機４４の回転軸とタービン４５の回転軸とが接続されていることが好ましい。なお、作動流体は空気である。本実施形態の熱交換器４２において、第一流路４２Ａが受熱側となり、第二流路４２Ｂが放熱側となる。
　省エネルギー装置４０は、第一導入口４１、熱交換器４２の第一流路４２Ａ、室４３（被処理ユニット）、圧縮機４４、熱交換器４２の第二流路４２Ｂ、タービン４５が、順次配管によって接続されて構成されている。
　次に、省エネルギー装置４０の動作を説明する。なお、説明をわかりやすくするために、作動流体である空気の温度の一例を記載する。第一導入口４１から外気（１０℃）が取り込まれ、その外気が熱交換器４２の第一流路４２Ａに流入する。この外気は、熱交換器４２において、第二流路１２Ｂを流れる高温の空気により加熱される。第二流路４２Ｂの空気（３５℃）から熱を得た第一流路４２Ａの空気（３０℃）は、送風口４７から室４３（１５℃）に放出されて、室４３内部の空気が温められる（２５℃）。そして、第二導入口４８より取り込まれた室４３の空気（２５℃）は、圧縮機４４で断熱圧縮されて高温高圧の空気（３５℃）となる。この高温高圧の空気は、熱交換器４２の第二流路４２Ｂに流入して、第一流路４２Ａの空気（１０℃）を加熱する。第二流路４２Ｂの空気は熱交換により温度が低下する（１５℃）。第二流路４２Ｂを出た空気は、タービン４５で断熱膨張され、低温低圧となり（５℃）、排出口４６から排出される。
　このように、実施形態３の省エネルギー装置４０は、室４３を出た作動流体の自己熱を利用して、作動流体同士で熱交換することで、従来の暖房機よりも省エネルギーを実現できる。
　なお、熱を循環するために仕事が必要であり、この仕事は圧縮機４４の動力として系に加えられる。その動力の一部は、タービン４５が発生する動力で回収される。
　すなわち、エクセルギー損失が起こるのは圧縮機４４と膨張タービン４５の差（正味の必要仕事）のみとなる。したがって、省エネルギー装置４０は、従来の暖房機１３０に比べて、大幅な省エネルギーとなる。
＜実施形態４＞
　図４Ａに示す実施形態４は、省エネルギー装置を滅菌装置に適用したものである。なお、滅菌装置は、主に医療や生物学実験の分野において用いられ、対象物を水蒸気により滅菌処理する装置である。
　図４Ａに示す省エネルギー装置５０において、熱交換器５２は、作動流体が流れる第一流路５２Ａおよび第二流路５２Ｂを有する。また、第一流路５２Ａの出口と圧縮機５３とが第一配管５７Ａで接続されている。また、圧縮機５３と第二流路５２Ｂの入口とが第二配管５７Ｂで連結されていて、第二配管５７Ｂの途中に被処理ユニット５４が配置されている。また、熱交換器５２の第一流路５２Ａの入口と導入口５１とが接続され、熱交換器５２の第二流路５２Ｂの出口と排出口５６とがバルブ５５を介して接続されている。作動流体は、導入口５１、熱交換器５２の第一流路５２Ａ、圧縮機５３、被処理ユニット５４、熱交換器５２の第二流路５２Ｂ、バルブ５５、排出口５６、の順に流動する。本実施形態の熱交換器５２において、第一流路５２Ａが受熱側となり、第二流路５２Ｂが放熱側となる。
　次に、省エネルギー装置５０の動作を作動流体の流れに沿って説明する。なお、説明をわかりやすくするために、作動流体の温度、圧力の一例を記載する。図示しないポンプにより、水（２５℃、１ａｔｍ）が導入口５１から取り込まれ、熱交換器５２の第一流路５２Ａに流入する。熱交換器５２において、第二流路５２Ｂを流れる作動流体により、第一流路５２Ａの作動流体が加熱される。第二流路５２Ｂの作動流体から熱を得た第一流路５２Ａの水は、水蒸気（３６０℃、１ａｔｍ）となる。第一流路５２Ａから出た水蒸気（３６０℃、１ａｔｍ）は、圧縮機５３に流入して、圧縮機５３で断熱圧縮されて、さらに高温高圧の水蒸気（４００℃、１．３ａｔｍ）となり、被処理ユニット５４に流入して、対象物を滅菌処理する。そして、被処理ユニット５４で使用された水蒸気は、熱交換器５２の第二流路５２Ｂに流入して、第一流路５２Ａの水に熱を与える。第二流路５２Ｂの水蒸気は熱を奪われて、水または水と水蒸気の気液混合流体となる。その後、第二流路５２Ｂを出た水または水と水蒸気の気液混合流体は、バルブ５５で減圧された後、排出口５６から排出される。
　ここで、本実施形態の省エネルギー装置５０におけるエネルギー消費量と、従来の滅菌装置１４０（図４Ｂ参照）におけるエネルギー消費量とを比較する。
まず、従来の滅菌装置１４０において、ボイラー１４１を用いて常温、常圧（２５℃、１ａｔｍ）の水１ｋｇを４００℃まで加熱するために必要なエネルギーは、ある温度における水および蒸気のエンタルピー差から次のように計算できる。
・４００℃のエンタルピー
（３３３３．８－３２３０．４）／５０＊２３＋３２３０．４＝３２７８ｋＪ／ｋｇ
・２９８℃のエンタルピー
（１１２．６－７０．８）／１０＊８＋７０．８＝１０４．２ｋＪ／ｋｇ
・必要エネルギー量（エンタルピー差）
３２７８－１０４＝３１７４ｋＪ／ｋｇ
　水の量を１４．５ｍｏｌ（２６１ｇ）と仮定すると、ボイラーで必要となるエネルギー量は下記となる。
・３１７４Ｊ／ｇ＊２６１ｇ＝８２８ｋＪ／ｇ
・（８２８ｋＪ／ｇ）／（１８ｇ／ｍｏｌ）＝４６ｋＪ／ｍｏｌ
　一方、省エネルギー装置５０におけるプロセスでのエネルギー消費量を上記の式にあてはめて計算すると、エネルギー消費量は、１．４ｋＪ／ｍｏｌとなる。上記のように、従来の滅菌装置１４０におけるプロセスでのエネルギー消費量が４６ｋＪ／ｍｏｌであるため、省エネルギー装置６０を用いることで、大幅な省エネルギーを実現できることがわかる。
＜実施形態５＞
　図５に示す実施形態５は、本発明の一実施形態に係る省エネルギー装置を冷房機に適用したものである。
　図５に示す本実施形態の省エネルギー装置６０において、熱交換器６２は、作動流体が流れる第一流路６２Ａおよび第二流路６２Ｂを有する。第一導入口６１は、外気を取り込むための入口である。第二導入口６８は、室８３の空気を取り込むための入口である。また、圧縮機６４の回転軸とタービン６５の回転軸とは接続されている。なお、作動流体は空気である。本実施形態の熱交換器６２において、第一流路６２Ａが受熱側となり、第二流路６２Ｂが放熱側となる。
　省エネルギー装置６０は、第一導入口６１、圧縮機６４、熱交換器６２の第ニ流路６２Ｂ、タービン６５、室６３（被処理ユニット）、熱交換器６２の第一流路６２Ａ、排出口６６、の順に配管によって接続され構成されている。
　次に、省エネルギー装置６０の動作を説明する。なお、説明をわかりやすくするために、空気の温度の一例を記載する。第一導入口６１から取り込まれた外気（３０℃）は、圧縮機６４で断熱圧縮されて高温高圧の空気（４０℃）となる。高温高圧となった空気（４０℃）が熱交換器６２の第二流路６２Ｂに流入する。第二流路６２Ｂに流入した高温高圧の空気（４０℃）は、第一流路６２Ａを流れる低温の空気（２５℃）と熱交換して、冷却される。第一流路６２Ａの空気（２５℃）に熱を奪われた第二流路６２Ｂの空気（３０℃）は、タービン６５で断熱膨張して、更に低温の空気（１０℃）となり、送風口６７から室６３（３５℃）に放出され、室６３の空気が冷やされる（２５℃）。そして、第二導入口６８より取り込まれた室６３の空気（２５℃）は、熱交換器６２の第一流路６２Ａに流入して、第二流路６２Ｂの空気（４０℃）を冷却して、外気に近い温度（３５℃）となって、排出口６６から排出される。
　このように、実施形態５の省エネルギー装置６０は、室６３を出た作動流体の有する自己熱を熱交換で利用することで、従来の冷房機よりも省エネルギーが実現できる。また、省エネルギー装置６０は、フロンなどの冷媒を必要とせず、環境性能に優れる。
　なお本実施形態は、熱を循環するために仕事が必要であり、この仕事は圧縮機６４の動力として系に加えられる。この動力は、タービン６５で発生する動力により回収される。
　すなわち、エクセルギー損失が起こるのは圧縮機６４と膨張タービン６５の差（正味の必要仕事）のみとなる。したがって、省エネルギー装置６０は、従来の冷房機１５０に比べて、大幅な省エネルギーとなる。
　以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。
１０　省エネルギー装置
１０Ａ　第一流体回路
１０Ｂ　第二流体回路
１１ａ　導入口
１１ｂ　排出口
１２　第一熱交換器
１２Ａ　第一流路
１２Ｂ　第二流路
１３　被処理ユニット
１４　第二熱交換器
１４Ａ　第四流路
１４Ｂ　第三流路
１５　バルブ（第一減圧部）
１６　ポンプ
１７　圧縮機
１８　タービン（第二減圧部）
２０　省エネルギー装置
２１　導入口
２２　熱交換器
２２Ａ　第一流路
２２Ｂ　第二流路
２３　被処理ユニット
２４　圧縮機
２５　タービン
２６　排出口
３０　省エネルギー装置
３１　導入口
３２　熱交換器
３２Ａ　第一流路
３２Ｂ　第二流路
３３　槽（被処理ユニット）
３４　圧縮機
３５　タービン
３６　排出口
３７　送風ファン
４０　省エネルギー装置
４１　第一導入口
４２　熱交換器
４２Ａ　第一流路
４２Ｂ　第二流路
４３　室（被処理ユニット）
４４　圧縮機
４５　タービン
４６　排出口
４７　送風口
４８　第二導入口
５０　省エネルギー装置
５１　導入口
５２　熱交換器
５２Ａ　第一流路
５２Ｂ　第二流路
５３　圧縮機
５４　被処理ユニット
５５　バルブ（減圧弁）
５６　排出口
６０　省エネルギー装置
６１　第一導入口
６２　熱交換器
６２Ａ　第一流路
６２Ｂ　第二流路
６３　室（被処理ユニット）
６４　圧縮機
６５　タービン
６６　排出口
６７　送風口
６８　第二導入口
 

Claims (16)

  1. 　第一作動流体が流れる第一流体回路と、
    　圧縮性流体である第二作動流体が流れる第二流体回路と、
    　前記第二作動流体が放熱するとともに、前記第一作動流体が受熱する第一熱交換器と、
    　前記第一作動流体が放熱するとともに、前記第二作動流体が受熱する第二熱交換器と、
    　前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の上流側であって前記第二熱交換器の下流側に配置された圧縮機と、
    　前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された膨張機と、
    　前記第一流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された被処理ユニットと、を備えている、
    自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  2. 　前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられる、
    請求項１に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  3. 　前記膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とが接続されている、
    請求項２に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  4. 　前記第一流体回路の入口に配置された輸送ポンプと、
    　前記第一流体回路の出口に配置された減圧弁と、をさらに備えている、請求項１に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  5. 　圧縮性流体である作動流体が流入する被処理ユニットと、
    　前記被処理ユニットを出た作動流体が放熱するとともに、前記被処理ユニットに入る前の作動流体が受熱する、熱交換器と、
    　前記被処理ユニットと前記熱交換器との間に配置された圧縮機と、を備えている、
    自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  6. 　前記熱交換器において放熱した前記作動流体を膨張させる膨張機をさらに備えている、請求項５に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  7. 　前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられる、
    請求項６に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  8. 　前記作動流体が空気であり、
    　前記被処理ユニットを出た前記空気は、前記圧縮機を通過後に、前記熱交換器において放熱する、請求項７に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  9. 　前記作動流体が水または水蒸気であり、
    　前記熱交換器において受熱した前記水または空気は、前記圧縮機を通過後に、前記被処理ユニットに流入する、請求項５に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  10. 　前記熱交換器において放熱した前記作動流体を減圧する減圧弁をさらに有している、請求項９に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  11. 　前記被処理ユニットが、滅菌処理を行うユニットである、請求項１０に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  12. 　前記被処理ユニットが、コンクリート養生を行うユニットである、請求項１０に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  13. 　外部から取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、
    　前記圧縮機の下流に配置された被処理ユニットと、
    　前記空気を膨張させて、前記被処理ユニットに向けて送出する膨張機と、
    　前記圧縮機を出た後であって前記膨張機に流入する前の前記空気が放熱するとともに、前記被処理ユニットを出た前記空気が受熱する、熱交換器と、備えた、
    自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  14. 　前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられる、
    請求項１３に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
  15. 　圧縮性流体である作動流体を被処理ユニットに流入する工程と、
    　前記被処理ユニットにおいて前記作動流体を利用する工程と、
    　前記被処理ユニットから排出された前記作動流体を圧縮する工程と、
    　前記圧縮された前記作動流体が放熱するとともに、前記被処理ユニットに流入する前の前記作動流体が受熱する熱交換を行う工程と、を有する、
    自己熱再生を利用した省エネルギー方法。
  16. 　放熱した前記作動流体を膨張する工程を更に備え、前記膨張工程で生じる動力を、前記圧縮工程における動力に利用する、
    請求項１５に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー方法。
     
     
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