JP2006017350A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 系全体としての放出熱量を削減できると共に、消費電力の削減、並びに成績係数の向上が図れる冷凍装置を提供する。
【解決手段】 再生器１、凝縮器３、蒸発器５、及び吸収器７を備える吸収式冷凍サイクル１００と、圧縮機３１、熱源側熱交換器３３，３５、減圧装置３９、及び利用側熱交換器４７を備える蒸気圧縮式冷凍サイクル２００とを備え、吸収式冷凍サイクル１００の各機器を循環する冷媒に蒸気圧縮式冷凍サイクル２００の熱源側熱交換器の排熱を熱回収させると共に、吸収式冷凍サイクル１００の蒸発器５により蒸気圧縮式冷凍サイクル２００の熱源側熱交換器の出口側冷媒を冷却させるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば、二酸化炭素等の冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルを備える冷凍装置に関する。

一般に、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、及び利用側熱交換器を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルを備えた冷凍装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この種のものでは、熱源側熱交換器が水冷式であったり、空冷式であったりするが、いずれの場合も、熱源側熱交換器の排熱は、水、又は空気に対し放熱される。
特開２００２−２２８２２９号公報

しかし、従来の構成では、熱源側熱交換器の排熱が有効利用されず、その排熱が無駄になると共に、熱源側熱交換器が水冷式、或いは空冷式であるため、熱交換の効率があまり良くなく、成績係数の向上に限界があった。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する課題を解消し、系全体としての放出熱量を削減できると共に、消費電力の削減、並びに成績係数の向上が図れる冷凍装置を提供することにある。

本発明は、再生器、凝縮器、蒸発器、及び吸収器を備える吸収式冷凍サイクルと、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、及び利用側熱交換器を備える蒸気圧縮式冷凍サイクルとを備え、前記吸収式冷凍サイクルの熱源として前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の排熱を利用すると共に、前記吸収式冷凍サイクルの蒸発器により蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の出口側冷媒を冷却させることを特徴とする。

この場合において、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、前記吸収式冷凍サイクルの再生器内に配置された第１の熱源側熱交換器を備えて構成されていてもよい。また、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、前記吸収式冷凍サイクルの蒸発器内に配置された第２の熱源側熱交換器を備えて構成されていてもよい。前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、第１の熱源側熱交換器及び第２の熱源側熱交換器間に接続された空冷式放熱器からなる第３の熱源側熱交換器を備えて構成されていてもよい。前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの第１の熱源側熱交換器の排熱を、前記吸収式冷凍サイクルの冷媒に直接熱回収させてもよい。

前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの利用側熱交換器と前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの減圧装置との間に、第２の絞り装置と中間冷却器とを設け、この中間冷却器で分離された気相の冷媒を、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機の中間圧部に導入する導入手段を設けてもよい。前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機が２段圧縮機であり、導入手段が２段圧縮機の１段目と２段目の間に気相の冷媒を導入してもよい。前記蒸気圧縮式冷凍サイクルに二酸化炭素冷媒を封入してもよい。

本発明では、吸収式冷凍サイクルの各機器を循環する冷媒に蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の排熱を熱回収させるため、当該排熱を有効利用することができると共に、吸収式冷凍サイクルの蒸発器により蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の出口側冷媒を冷却させるため、成績係数を向上させることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１において、１００は、単効用吸収式冷凍機の原理による吸収式冷凍サイクルを示し、２００は、二酸化炭素冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクルを示している。

吸収式冷凍サイクル１００は、例えば、吸収式冷凍サイクルの冷媒に水、吸収剤に臭化リチウム（ＬｉＢｒ）を用いた吸収式冷凍サイクルであり、再生器１と、凝縮器３と、蒸発器５と、吸収器７と、溶液冷却器９と、溶液熱交換器１１とを備えて構成されている。再生器１では、後述する蒸気圧縮式冷凍サイクル２００の排熱を利用して、希吸収液（以下希液と言う。）を加熱することによって、この希液を、濃吸収液（以下濃液と言う。）に濃縮する。

この再生器１で発生する吸収式冷凍サイクルの冷媒蒸気は、凝縮器３に入り、ここで冷却塔１３からの冷却水と熱交換して凝縮する。１４は冷却水ポンプである。凝縮器３で凝縮した吸収式冷凍サイクルの冷媒液は、制御弁１５を介して、蒸発器５に入り、ここで蒸発する。この蒸発器５で蒸発した吸収式冷凍サイクルの冷媒蒸気は、隣接する吸収器７に入る。一方で、再生器１で濃縮された濃液は、溶液熱交換器１１を経て冷却された後、上記の吸収器７に入り、この吸収器７では、濃液に、蒸発器５で蒸発した吸収式冷凍サイクルの冷媒蒸気を吸収させる。この吸収器７の下部に溜まった濃液の一部は、第１ポンプ１７を介して、溶液冷却器９に入り、ここで冷却されて吸収器７に入る。また、その残りは、第２ポンプ１９を介して、溶液熱交換器１１に入り、ここで再生器１から吸収器７に向かう上述の濃液によって加熱されて、再生器１に戻される。２１は第３ポンプであり、この第３ポンプ２１は、蒸発器５で蒸発し切れなかった吸収式冷凍サイクルの冷媒を、蒸発器５に環流させている。

つぎに、二酸化炭素冷媒を使用した蒸気圧縮式冷凍サイクル２００を説明する。この蒸気圧縮式冷凍サイクル２００は、２段圧縮機３１を備えて構成される。この２段圧縮機３１には、冷媒配管３２を介して、再生器１の内部に設けられた吸収式冷凍サイクル再生用の第１の熱源側熱交換器３３が接続され、この第１の熱源側熱交換器３３には、冷媒配管３４を介して、第３の熱源側熱交換器（空冷式放熱器）３５が接続されている。第３の熱源側熱交換器３５には、冷媒配管３６を介して、蒸発器５１の内部に設けられた第２の熱源側熱交換器（追加冷却器）３７が接続され、第２の熱源側熱交換器３７には、冷媒配管３８を介して、減圧装置（第２の絞り装置）３９、及び中間冷却器４１が、この順に直列に接続されている。第１〜第３の熱源側熱交換器３３、３５、３７が、蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器を構成する。

この中間冷却器４１は、蒸気圧縮式冷凍サイクルの二酸化炭素冷媒を、気相の冷媒と液相の冷媒とに分離するものであり、気相の二酸化炭素冷媒は、冷媒配管４２（導入手段）を介して、２段圧縮機３１の１段目３１Ａと２段目３１Ｂの間の中間圧部３１Ｃに導入される。また、この中間冷却器４１で分離された、蒸気圧縮式冷凍サイクルの液相の二酸化炭素冷媒は、冷媒配管４３を介して、減圧装置４５、及び二酸化炭素蒸発器（利用側熱交換器）４７に至り、ここで蒸発して気相化した後に、２段圧縮機３１の１段目３１Ａの吸い込み管４８に戻される。上記蒸気圧縮式冷凍サイクルの二酸化炭素蒸発器４７は、冷凍倉庫４７Ａ内を冷却する。

本構成では、吸収式冷凍サイクル１００の各機器１，３，５，７，９，１１を循環する冷媒に、蒸気圧縮式冷凍サイクル２００の第１の熱源側熱交換器３３の排熱が熱回収され、吸収式冷凍サイクル１００の蒸発器５により、第２の熱源側熱交換器３７を介して、蒸気圧縮式冷凍サイクル２００の二酸化炭素蒸発器４７の入口側冷媒が冷却される。

図２は、エンタルピ・圧力線図である。二酸化炭素冷媒が封入された場合、図２に示すように、高圧管内は運転中に超臨界圧力で運転される。この高圧管内が、超臨界圧力で運転される蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒には、二酸化炭素冷媒のほかに、例えばエチレン、ジボラン、エタン、酸化窒素等が挙げられる。

図２において、２段圧縮機３１の２段目３１Ｂの出口における、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の状態は、状態ａで示される。この蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒は、第１の熱源側熱交換器３３、第３の熱源側熱交換器３５、並びに第２の熱源側熱交換器（冷却器）３７を通って循環し、そこで状態ｂ、状態ｃを経て状態ｄにまで順に冷却され、熱を、再生器１内の吸収式の冷媒に、また冷却空気に、さらに蒸発器５１内の吸収式の冷媒に放出する。ついで、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒は、減圧装置３９での圧力低下により、状態ｅに至り、ここでは気相／液相の２相混合体が形成され、中間冷却器４１に至る。

中間冷却器４１において、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒は気液分離がなされる。この場合、気相／液相の比率は、ｍ１の線分長／ｍ２の線分長に相当している。冷媒の気相部分は、中間冷却器４１内で状態ｌとなる。そして、この気相部分は、２段圧縮機３１の１段目３１Ａと２段目３１Ｂの間の中間圧部３１Ｃに導入される。

状態ｋは、２段圧縮機３１における２段目３１Ｂの入口の状態である。一方、中間冷却器４１内で、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の液相部分は状態ｆとなる。この液相部分は減圧装置４５での圧力低下によって、状態ｇに至る。さらに蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の液相部分は、二酸化炭素蒸発器４７において蒸発し、熱を吸収する。蒸発器４７により気相となった蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒は、状態ｉまで加熱されて、２段圧縮機３１の１段目３１Ａの吸い込み管４８に戻される。状態ｊは、２段圧縮機３１の１段目３１Ａの吐出である。

上記超臨界サイクルにおいて、圧縮機３１から吐出される蒸気圧縮式冷凍サイクルの高圧気相冷媒は、凝縮されないが、第１の熱源側熱交換器３３、第３の熱源側熱交換器３５、並びに第２の熱源側熱交換器（冷却器）３７において温度低下が起こる。第３の熱源側熱交換器３５（状態ｃ）における蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒の最終温度は、冷却空気の温度よりも数度高い。そして、高圧気相冷媒は第２の熱源側熱交換器３７において、数度低い状態ｄまで冷却されることとなる。

上記構成では、中間冷却器４１において、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒が気液分離され、冷媒の気相部分が、２段圧縮機３１の中間圧部３１Ｃに導入される。この気相部分は、二酸化炭素蒸発器４７に供給されても、そこでの冷凍効果は少ない。本構成では、この気相部分を、二酸化炭素蒸発器４７をバイパスさせて、２段圧縮機３１の中間圧部３１Ｃに導入し、二酸化炭素蒸発器４７には、気液分離された後の液相部分だけを供給し、ここで蒸発した冷媒を、２段圧縮機３１の１段目３１Ａの吸い込み管４８に戻すため、気相／液相のすべての冷媒を吸い込み管４８に戻す構成と比較した場合、２段圧縮機３１の仕事量を減ずることができる。

ところで、この種の冷凍装置において、熱源側熱交換器に空冷式の熱交換器を利用した、二酸化炭素冷媒使用の超臨界サイクルでは、冷房運転時において、熱源側熱交換器の周囲温度が高いと、当該熱源側熱交換器での熱交換が不十分となり、冷房能力、及び成績係数が著しく低下する。

本実施形態では、第２の熱源側熱交換器（追加冷却器）３５において、吸収式冷凍サイクル１００によって、蒸気圧縮式冷凍サイクル２００における熱源側熱交換器の出口側の冷媒を冷却するため、熱源側熱交換器出口の冷媒の比エンタルピを小さくでき、その結果として、蒸発器入口での比エンタルピを小さくでき、冷凍効果を増大させることができる。従って、例えば、外気温度が高い冷房運転時であっても、冷房運転能力、並びに成績係数を向上させることができる。

また、本構成による吸収式冷凍サイクル１００の熱源は、蒸気圧縮式冷凍サイクル２００における熱源側熱交換器の排熱によって賄われるため、当該排熱の有効利用により、省エネルギー運転の実現が可能になる。

図３は、吸収式冷凍サイクル１００及び蒸気圧縮式冷凍サイクル２００を組み合わせた、本実施形態に係る、いわゆる「ハイブリッド・サイクル」の性能を示す。この「ハイブリッド・サイクル」の基礎となる蒸気圧縮式冷凍サイクル２００では、図３Ｂに示すように、二酸化炭素蒸発器（利用側熱交換器）４７での蒸発温度が−３５℃、冷凍能力が２５ｋＷ、圧縮機３１及び空冷ファンの消費電力が１７．５ｋＷ、成績係数が１．４３、外気温度が３５℃、熱源側熱交換器の放出熱量が１６．２ｋＷであるとして、同じく吸収式冷凍サイクル１００では、蒸発器５での蒸発温度が２０℃、冷凍能力が９．３０ｋＷ、各種ポンプ及びファンの消費電力が０．８２ｋＷ、成績係数が０．８４０、冷却水温度が３２℃、放出熱量が２０．３ｋＷであるとした場合、「ハイブリッド・サイクル」の全体では、蒸発温度が−３５℃、冷凍能力が２５ｋＷ、消費電力が１８．３２ｋＷ、成績係数が１．３６、外気温度が３５℃、放出熱量が４３．３ｋＷとなる。

これに対し、従来の蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、即ち、熱源側熱交換器に空冷式の熱交換器を利用した、二酸化炭素冷媒使用の一般的な蒸気圧縮式冷凍サイクルでは、利用側熱交換器での蒸発温度が−３５℃、冷凍能力が２５ｋＷ、圧縮機３１及び空冷ファンの消費電力が２１．４２ｋＷ、成績係数が１．１７、外気温度が３５℃、熱源側熱交換器の放出熱量が４６．４ｋＷとなる。

これらを比較した場合、図３Ａに示すように、「ハイブリッド・サイクル」とすることにより、成績係数が１６．２％向上、さらに、消費電力が１４．５％削減、放出熱量が６．７％削減になっている。

以上、一実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、第１の熱源側熱交換器３３と、第３の熱源側熱交換器３５との組み合わせは、これに限定されるものではない。第３の熱源側熱交換器３５は省略してもよいし、この第３の熱源側熱交換器３５の代わりに、冷却塔１３内に別の放熱器を設けてもよい。また、圧縮機３１は２段圧縮機に限定されず、１段圧縮機でもよい。この場合、中間圧部は１段圧縮の途中に設けられる。

本発明の一実施形態を示す回路図である。 本発明の一実施形態を示すエンタルピ・圧力線図である。 Ａ、Ｂは、吸収式冷凍サイクル及び蒸気圧縮式冷凍サイクルを組み合わせた、本実施形態に係る「ハイブリッド・サイクル」の性能を示す図である。

符号の説明

１００ 吸収式冷凍サイクル
２００ 蒸気圧縮式冷凍サイクル
１ 再生器
３ 凝縮器
５ 蒸発器
７ 吸収器
９ 溶液冷却器
１１ 溶液熱交換器
３１ ２段圧縮機
３１Ｃ 中間圧部
３３ 第１の熱源側熱交換器
３５ 第３の熱源側熱交換器
３７ 第２の熱源側熱交換器
３９ 減圧装置
４１ 中間冷却器
４７ 二酸化炭素蒸発器（利用側熱交換器）

Claims (8)

1. 再生器、凝縮器、蒸発器、及び吸収器を備える吸収式冷凍サイクルと、圧縮機、熱源側熱交換器、減圧装置、及び利用側熱交換器を備える蒸気圧縮式冷凍サイクルとを備え、前記吸収式冷凍サイクルの熱源として前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の排熱を利用すると共に、前記吸収式冷凍サイクルの蒸発器により蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器の出口側冷媒を冷却させることを特徴とする冷凍装置。
2. 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、前記吸収式冷凍サイクルの再生器内に配置された第１の熱源側熱交換器を備えて構成されていることを特徴とする請求項１記載の冷凍装置。
3. 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、前記吸収式冷凍サイクルの蒸発器内に配置された第２の熱源側熱交換器を備えて構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷凍装置。
4. 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの熱源側熱交換器が、第１の熱源側熱交換器及び第２の熱源側熱交換器間に接続された空冷式放熱器からなる第３の熱源側熱交換器を備えて構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の冷凍装置。
5. 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの第１の熱源側熱交換器の排熱を、前記吸収式冷凍サイクルの冷媒に直接熱回収させることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項記載の冷凍装置。
6. 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの利用側熱交換器と前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの減圧装置との間に、第２の絞り装置と中間冷却器とを設け、
   この中間冷却器で分離された気相の冷媒を、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機の中間圧部に導入する導入手段を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の冷凍装置。
7. 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルの圧縮機が２段圧縮機であり、
   導入手段が２段圧縮機の１段目と２段目の間に気相の冷媒を導入することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載の冷凍装置。
8. 前記蒸気圧縮式冷凍サイクルに二酸化炭素冷媒を封入したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項記載の冷凍装置。
   
   

Images