JP2007101036A - 冷熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】電気ヒータ等の補助の加熱手段を必要とすることなく温水回路を流通する温水を確実に加熱することのできる冷熱システムを提供する。
【解決手段】高温側熱交換器３２と並列に冷媒回路３０に設けられ、冷媒回路３０を流通する高温側の冷媒と、冷却水回路１０を流通する冷却水とを熱交換可能な排熱熱交換器１３を備えたので、冷媒回路３０から放出される排熱を、冷却水回路１０を流通する冷却水に吸熱させることができ、発電機２からの排熱が不足する場合においても温水回路２０を流通する温水を加熱する電気ヒータ等の補助の熱源を必要とすることなく、省エネルギー化を図ることが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料を燃焼させることによって発電し、発電する際に放出される排熱を熱源として利用するとともに、発電された電力によって冷却装置を運転する冷熱システムに関するものである。

従来、エンジンまたはタービン等によって発電する発電機と、発電の際に放出される排熱を回収する冷却水回路と、回収した排熱によって加熱された温水を流通させる温水回路とを備え、発電の際に放出される排熱を給湯などの加熱用の熱源として利用するようにしたコージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−９２４６８号公報

しかしながら、従来のコージェネレーションシステムでは、温水回路を流通する水をエンジンまたはタービンの排熱によって加熱するようにしているため、温水回路側の負荷が大きく熱量が不足する場合には、温水回路を流通する水を加熱する電気ヒータ等の補助の加熱手段が必要となり、省エネルギー化を図ることができないという問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電気ヒータ等の補助の加熱手段を必要とすることなく温水回路を流通する温水を確実に加熱することのできる冷熱システムを提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために、燃料を燃焼させることによって発電する発電機と、発電の際に放出される排熱を回収する冷却水回路と、回収した排熱によって加熱された温水を流通させる温水回路と、圧縮機、高温側熱交換器、膨張手段及び低温側熱交換器からなる冷媒回路と、高温側熱交換器と並列に冷媒回路に設けられ、冷媒回路を流通する高温側の冷媒と、冷却水回路を流通する冷却水とを熱交換可能な排熱熱交換器とを備えている。

これにより、冷媒回路を流通する高温側の冷媒と冷却水回路を流通する冷却水とが熱交換されることから、冷媒回路から放出される排熱が冷却水回路を流通する冷却水に吸熱される。

本発明によれば、冷媒回路から放出される排熱を、冷却水回路を流通する冷却水に吸熱させることができるので、発電機からの排熱が不足する場合においても温水回路を流通する温水を加熱する電気ヒータ等の補助の熱源を必要とすることなく、省エネルギー化を図ることが可能となる。

図１乃至図５は本発明の一実施形態を示すもので、図１は冷熱システムの概略構成図、図２は冷媒回路の流路を高温側熱交換器側に設定した場合を示す冷熱システムの動作説明図、図３は冷媒回路の流路を排熱熱交換器側に設定した場合を示す冷熱システムの動作説明図、図４は冷媒回路の切換制御に関するフローチャート、図５は補助低温側熱交換器用送風機の運転制御に関するフローチャートである。

この冷熱システムは、複数の自動販売機１に収納された商品の冷却及び加熱を行うものであり、エンジン駆動の発電機２から放出される排熱を回収するための冷却水回路１０と、貯湯タンク３を介して冷却水回路１０に接続され、排熱を回収することにより加熱された温水を自動販売機１側に流通させるための温水回路２０と、発電機２または電力会社から供給される電力によって運転可能なモータ駆動の圧縮機３を有する冷媒回路３０と、冷媒回路３０によって冷却されたブラインを自動販売機１側に流通させるためのブライン回路４０と、冷却水回路１０、温水回路２０、冷媒回路３０及びブライン回路４０の運転を制御するための制御部５０とを備えている。

冷却水回路１０は、発電機２、貯湯タンク３、第１のポンプ１１、放熱器１２及び排熱熱交換器１３を配管によって接続することにより構成されている。即ち、第１のポンプ１１の吐出側には、放熱器１２の流入側が接続され、放熱器１２の流出側には、発電機２の流入側が接続されている。また、発電機２の流出側には、排熱熱交換器１３の冷却水流入側が接続され、排熱熱交換器１３の冷却水流出側には、貯湯タンク３の冷却水流入側が接続されている。更に、貯湯タンク３の冷却水流出側には、第１のポンプ１１の吸入側が接続されている。冷却水回路１０には、貯湯タンク３内の水が流通するようになっている。また、放熱器１２には、放熱器１２を流通する貯湯タンク３内の水と熱交換する空気を流通させるための放熱器用送風機１２ａが設けられている。

温水回路２０は、貯湯タンク３、第２のポンプ２１、複数の加熱用熱交換器２２、複数の加熱用二方弁２３及び加熱用バイパス二方弁２４を配管によって接続することにより構成されている。即ち、第２のポンプ２１の吐出側には、各加熱用熱交換器２２の流入側が並列に接続され、各加熱用熱交換器２２の流入側には、加熱用二方弁２３が設けられている。また、各加熱用熱交換器２２流出側には、貯湯タンク３の温水流入側が接続され、貯湯タンク３の温水流出側には、第２のポンプ２１の吸入側が接続されている。更に、第２のポンプ２１の吐出側は、各加熱用熱交換器２２をバイパスするように、加熱用バイパス二方弁２４を介して貯湯タンク３の温水流入側に接続され、第２のポンプ２１を流通する温水の流量を均一にするようになっている。温水回路２０には、貯湯タンク３内に貯えられた冷却水回路１０によって加熱された温水が流通するようになっている。また、各加熱用熱交換器２２には、加熱用熱交換器２２を流通する温水と熱交換する空気を流通させるための加熱用送風機２２ａが設けられている。

冷媒回路３０は、排熱熱交換器１３、圧縮機３１、高温側熱交換器３２、膨張弁３３、低温側熱交換器３４、三方弁３５及び補助熱交換器としての補助低温側熱交換器３６を配管によって接続することにより構成されている。即ち、圧縮機３１の吐出側には、排熱熱交換器１３の冷媒流入側及び高温側熱交換器３２の流入側が三方弁３５を介して並列に接続され、排熱熱交換器１３の冷媒流出側及び高温側熱交換器３２の流出側には、膨張弁３３を介して補助低温側熱交換器３６の流入側が並列に接続されている。また、補助低温側熱交換器３６の流出側には、低温側熱交換器３４の流入側が接続され、低温側熱交換器３４の流出側には、圧縮機３１の吸入側が接続されている。冷媒回路３０には、冷媒として二酸化炭素が流通するようになっている。また、高温側熱交換器３２には、高温側熱交換器３２を流通する冷媒と熱交換する空気を流通させるための高温側熱交換器用送風機３２ａが設けられている。更に、補助低温側熱交換器３６には、補助低温側熱交換器３６を流通する冷媒と熱交換する空気を流通させるための補助熱交換器用送風機としての補助低温側熱交換器用送風機３６ａが設けられている。

ブライン回路４０は、低温側熱交換器３４、第３のポンプ４１、複数の冷却用熱交換器４２、複数の冷却用二方弁４３及び冷却用バイパス二方弁４４を配管によって接続することにより構成されている。即ち、第３のポンプ４１の吐出側には、各冷却用熱交換器４２の流入側が並列に接続され、各冷却用熱交換器４２の流入側には、冷却用二方弁４３が設けられている。また、各冷却用熱交換器４２の流出側には、低温側熱交換器３４のブライン流入側が接続され、低温側熱交換器３４のブライン流出側には、第３のポンプ４１の吸入側が接続されている。更に、第３のポンプ４１の吐出側は、各冷却用熱交換器４２をバイパスするように、冷却用バイパス二方弁４４を介して低温側熱交換器３４のブライン流入側に接続され、第３のポンプ４１を流通するブラインの流量を均一にするようになっている。ブライン回路４０には、塩化カルシウムやエチレングリコールの水溶液からなるブラインが流通するようになっている。また、ブライン回路４０には、冷却する対象となる冷却温度に応じて冷水を流通させるようにしてもよい。また、各冷却用熱交換器４２には、冷却用熱交換器４２を流通するブラインと熱交換する空気を流通させるための冷却用送風機４２ａが設けられている。

自動販売機１は、内部に設けられた商品収納庫内に加熱用熱交換器２２及び冷却用熱交換器４２が配置されている。各加熱用熱交換器２２及び各冷却用熱交換器４２は、それぞれの流入側に設けられた加熱用二方弁２３及び冷却用二方弁４３の開度に応じて温水及びブラインの流通量が調整されるようになっており、各商品収納庫が所定の温度に加熱または冷却されるようになっている。

発電機２は、ガスを燃料としてエンジンを駆動させ、エンジンの駆動によって発電するようになっている。また、発電した電力は、電力切換器４を介して圧縮機３１に供給されるようになっている。更に、発電の際に発生した排熱は、冷却水回路１０を流通する水によって回収されるようになっている。発電機２は、設定された時間帯（例えば夜間など）に停止するスケジュール運転を行うようになっている。また、発電機２の運転を停止している間、冷媒回路３０の圧縮機３１は、電力切換器４を介して電力会社から供給された電力によって駆動するようになっている。

貯湯タンク３は、内部の水が下部から流出して冷却水回路を１０流通し、発電機２及び排熱熱交換器１３において加熱された水が温水として上部から流入するようになっている。また、貯湯タンク３は、内部の温水が上部から流出して温水回路２０を流通し、加熱用熱交換器１３において冷却された温水が下部から流入するようになっている。

排熱熱交換器１３は、冷却水回路１０を流通する水と冷媒回路３０を流通する高温側の冷媒とを熱交換するように設けられ、冷却水回路１０を流通する水は吸熱し、冷媒回路３０を流通する冷媒は放熱するようになっている。

制御部５０は、マイクロコンピュータによって構成され、そのメモリには、電力の切換に関するプログラム、冷媒回路３０の流路の切換動作に関するプログラム及び補助低温側熱交換器用送風機３６ａの運転に関するプログラムが記憶されている。また、制御部５０には、三方弁３５、補助低温側熱交換器用送風機３６ａ及び貯湯タンク３内の温水の温度を検出する温度検出器５１が接続されている。

以上のように構成された冷熱システムにおいて、加熱運転を発電機２の排熱のみを利用して行う場合には、三方弁３５によって冷媒回路３０の流路を高温側熱交換器３２側に設定する。このとき、補助低温側熱交換器用送風機３６ａは停止した状態とする。これにより、図２に示すように、冷却水回路１０の第１のポンプ１１から吐出された水は、放熱器１２を流通することにより放熱して冷却された後、発電機２の排熱を吸熱して加熱される。発電機２において加熱された水は、排熱熱交換器１３において熱交換することなく貯湯タンク３内に貯えられる。貯湯タンク３内に貯えられた温水は、第２のポンプ２１によって温水回路２０を流通し、各加熱用熱交換器２２において放熱して自動販売機１の商品収納庫内を加熱する。また、冷媒回路３０の圧縮機３１から吐出された冷媒は、高温側熱交換器３２を流通することにより放熱して冷却され、膨張弁３３を介して低温側熱交換器３４に流入してブライン回路４０を流通するブラインを冷却する。低温側熱交換器３４において冷却されたブラインは、第３のポンプ４１によってブライン回路４０を流通し、各冷却用熱交換器２２において吸熱して自動販売機１の商品収納庫内を冷却する。

また、加熱運転を発電機２の排熱及び冷媒回路３０の排熱を利用して行う場合には、三方弁３５によって冷媒回路３０の流路を排熱熱交換器１３側に設定する。このとき、補助低温側熱交換器用送風機３６ａは停止した状態とする。これにより、図３に示すように、冷却水回路１０の第１のポンプ１１から吐出された水は、放熱器１２を流通することにより放熱して冷却された後、発電機２の排熱を吸熱して加熱される。発電機２において加熱された水は、排熱熱交換器１３において高温の冷媒と熱交換することによって更に加熱され、貯湯タンク３内に貯えられる。このとき、冷媒回路３０の冷媒は、排熱熱交換器１３において放熱し、膨張弁３３を介して低温側熱交換器３４に流入して吸熱してブライン回路４０を流通するブラインを冷却する。低温側熱交換器３４において冷却されたブラインは、第３のポンプ４１によってブライン回路４０を流通し、各冷却用熱交換器２２において吸熱して自動販売機１の商品収納庫内を冷却する。

ここで、冷媒回路３０の流路の切換に関する制御部５０の動作を図４のフローチャートを用いて説明する。まず、冷媒回路３０の流路を高温側熱交換器３２側に設定し（ステップＳ１）、温度検出器５１の検出温度Ｔが第１の所定温度Ｔ１以下になると（ステップＳ２）、冷媒回路３０の流路を排熱熱交換器１３側に切換える（ステップＳ３）。次に、温度検出器５１の検出温度Ｔが第２の所定温度Ｔ２（Ｔ１≦Ｔ２）より高くなると（ステップＳ４）、再び冷媒回路３０の流路を高温側熱交換器３２側に切換える（ステップＳ１）。

また、冷媒回路３０の圧縮機３１を、発電機２の運転を停止して電力会社から供給された電力によって駆動する場合には、三方弁３５によって冷媒回路３０の流路を排熱交換器１３側に設定する。これにより、冷却水回路１０を流通する水は、排熱熱交換器１３においてのみ加熱され、貯湯タンク３内に貯えられる。このとき、冷媒回路３０の冷媒は、低温側熱交換器３４において吸熱して排熱熱交換器１３において放熱するが、補助低温側熱交換器用送風機３６ａを運転して補助低温側熱交換器において吸熱させることにより、排熱熱交換器１３における放熱量を増加させることが可能となる。

ここで、補助低温側熱交換器用送風機３６ａの運転に関する制御部５０の動作を図５のフローチャートを用いて説明する。まず、温度検出器５１の検出温度Ｔが第３の所定温度Ｔ３以下になると（ステップＳ１１）、補助低温側熱交換器用送風機３６ａの運転する（ステップＳ１２）。次に、温度検出器５１の検出温度Ｔが第４の所定温度Ｔ４（Ｔ３≦Ｔ４）より高くなると（ステップＳ１３）、補助低温側熱交換器用送風機３６ａの運転を停止する（ステップＳ１４）。

このように、本実施形態の冷熱システムによれば、高温側熱交換器３２と並列に冷媒回路３０に設けられ、冷媒回路３０を流通する高温側の冷媒と、冷却水回路１０を流通する冷却水とを熱交換可能な排熱熱交換器１３を備えたので、冷媒回路３０から放出される排熱を、冷却水回路１０を流通する冷却水に吸熱させることができ、発電機２からの排熱が不足する場合においても温水回路２０を流通する温水を加熱する電気ヒータ等の補助の熱源を必要とすることなく、省エネルギー化を図ることが可能となる。

また、温水回路２０を流通する温水の温度を検出する温度検出器５１の検出温度Ｔに基づいて、冷媒回路３０の冷媒流路を高温側熱交換器３２または排熱熱交換器１３に切換えるようにしたので、冷却水回路１０及び温水回路２０を流通する水の温度を最適な温度に保持することができ、冷却水回路１０を流通する冷却水が高温になることによって発電機２の放出する排熱を回収できないといった不具合を生じることはない。

また、冷媒回路３０を流通する冷媒に吸熱させるための補助低温側熱交換器３６を備えたので、補助低温側熱交換器３６において吸熱した熱を排熱熱交換器１３において放熱させることができ、低温側熱交換器３４の吸熱量が不足する場合においても温水回路２０を流通する温水を加熱する電気ヒータ等の補助の熱源を必要とすることなく、省エネルギー化を図ることが可能となる。

また、補助低温側熱交換器３６を流通する冷媒と熱交換する空気を流通可能な補助低温側熱交換器用送風機３６ａと、温水回路２０を流通する温水の温度を検出する温度検出器５１と、温度検出器５１の検出温度Ｔに基づいて補助低温側熱交換器用送風機３６ａの運転を制御するようにしたので、冷却水回路１０及び温水回路２０を流通する水の温度を最適な温度に保持することができ、冷却水回路１０を流通する冷却水が高温になることによって排熱熱交換器１３を流通する冷媒を放熱させることができないといった不具合を生じることはない。

尚、前記実施形態では、冷却水回路１０及び温水回路２０をそれぞれ貯湯タンク３に接続し、貯湯タンク３内の水を冷却水回路１０及び温水回路２０に流通させるようにしたものを示したが、図６に示すように、冷却水回路１０と、貯湯タンク３が接続された温水回路２０をそれぞれ別の系統として設け、冷却水回路１０を流通する冷却水とポンプ２６によって流通する貯湯タンク３内の温水とを熱交換器２７によって熱交換するようにしてもよい。

冷熱システムの概略構成図 冷媒回路の流路を高温側熱交換器側に設定した場合を示す冷熱システムの動作説明図 冷媒回路の流路を排熱熱交換器側に設定した場合を示す冷熱システムの動作説明図 冷媒回路の切換制御に関するフローチャート 補助低温側熱交換器用送風機の運転制御に関するフローチャート その他の例を示す冷熱システムの概略構成図

符号の説明

２…発電機、１０…冷却水回路、１３…排熱熱交換器、２０…温水回路、３０…冷媒回路、３１…圧縮機、３２…高温側熱交換器、３３…膨張弁、３４…低温側熱交換器、３５…三方弁、３６…補助低温側熱交換器、３６ａ…補助低温側熱交換器用送風機、５０…制御部、５１…温度検出器。

Claims (4)

1. 燃料を燃焼させることによって発電する発電機と、
   発電の際に放出される排熱を回収する冷却水回路と、
   回収した排熱によって加熱された温水を流通させる温水回路と、
   圧縮機、高温側熱交換器、膨張手段及び低温側熱交換器からなる冷媒回路と、
   高温側熱交換器と並列に冷媒回路に設けられ、冷媒回路を流通する高温側の冷媒と、冷却水回路を流通する冷却水とを熱交換可能な排熱熱交換器とを備えた
   ことを特徴とする冷熱システム。
2. 前記冷媒回路の冷媒流路を、高温側熱交換器側または排熱熱交換器側に切換える流路切換手段と、
   温水回路を流通する温水の温度を検出する温度検出器と、
   温度検出器の検出温度に基づいて流路切換手段を制御する流路切換制御手段とを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の冷熱システム。
3. 前記冷媒回路を流通する冷媒に吸熱させるための補助熱交換器を備えた
   ことを特徴とする請求項１または２記載の冷熱システム。
4. 前記補助熱交換器を流通する冷媒と熱交換する空気を流通可能な送風機と、
   温水回路を流通する温水の温度を検出する温度検出器と、
   温度検出器の検出温度に基づいて送風機の運転を制御する送風機運転制御手段とを備えた
   ことを特徴とする請求項３記載の冷熱システム。
   

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