JP4430363B2 - 複合式空気調和装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池等の温熱および電気を同時に出力する熱電出力装置（分散電源機器とも呼ばれる）と、この熱電出力装置で出力される電力と温熱を利用する蒸気圧縮式ヒートポンプ装置および吸着式冷凍機から構成される複合式空気調和装置に関する。

近年、燃料電池の開発改良が盛んに行われている。この燃料電池は、水素と酸素が化合して水ができるときのエネルギーを電気に変換するものであって、燃料である水素を供給し続ける限り発電させることができ、燃料から電気への変換効率も高い利点がある。そして、この燃料電池による発電システムを利用して空気調和運転をなすことの開発も併せて行われている。

たとえば、［特許文献１］においては、燃料電池と、この燃料電池のエネルギーを利用する作動機器とを備えて、燃料電池または作動機器を制御する燃料電池発電システムが開示されている。作動機器の一例として温熱を利用する空気調和機があり、さらに空気調和機は蓄熱機器の温熱によって吸収液を再生する吸収式冷凍機、あるいは吸着剤を再生する吸着式冷凍機が示されている。
特開２００１−６８１２６号公報

このように、燃料電池等の熱電出力装置による温熱出力を利用する空気調和システムとして、上述した吸収式冷凍機および吸着式冷凍機（これらを総称して、ＡＨＰとも呼ばれる）が一般的であり、あるいは冷房運転と暖房運転との切換えが可能な蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（ＥＨＰとも呼ばれる）の適用も考えられる。

しかしながら上記吸収式冷凍機は、温熱出力の温度が低くなるにしたがって冷凍能力が低下し、温熱出力が８０℃以下ではほとんど使用できないのが現状である。上記吸着式冷凍機では、温熱出力の温度が比較的低温の７０℃前後まで利用可能であるが、温熱を冷熱に変換する成績係数（ＣＯＰ＝冷熱出力／温熱入力）が低い。また、燃料電池の熱電比（温熱出力／電気出力）は他の分散電源機器と比較して小さく、空調に必要な冷熱出力に合わせてＡＨＰを選択すると、燃料電池に求められる出力が大きくなってしまい、システムとしてのトータルコストが高くなる。

一方、燃料電池と上記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置との組合せでは、特に冷房シーズンにおいて温熱出力の使い道が給湯以外には少ない。システムとしての総合効率が、市中電源を利用する一般的な空気調和機および給湯機よりも悪くなる等の理由で、燃料電池自体が普及し難い事情がある。しかも、給湯の使用状況として燃料電池からの出力温度が６０℃前後と比較的低く、貯湯タンクが大きくなってしまい、追い炊き用機器が追加で必要となり、コスト的・スペース的にも課題が多い。

本発明は上記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池等の熱電出力装置と、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置および吸着式冷凍機とから構成して、装置相互間で出力の増大化を得られ、総合効率の向上化を図った複合式空気調和装置を提供しようとするものである。

本発明の複合式空気調和装置は上述の目的を満足するためになされたものであり、燃料電池等の熱電出力装置と、この熱電出力装置による電気出力をもって駆動される圧縮機、四方切換え弁、凝縮器、減圧装置および蒸発器を備え、冷房運転と暖房運転との切換えが可能な蒸気圧縮式ヒートポンプ装置と、この蒸気圧縮式ヒートポンプ装置による冷房運転時に熱電出力装置の温熱出力を導いて吸着剤の再生脱着をなす吸着器、蒸発器および凝縮器とで構成される吸着式冷凍機と、この吸着式冷凍機の蒸発器で発生する冷熱出力と蒸気圧縮式ヒートポンプ装置の凝縮器の下流側冷媒とを熱交換させ、凝縮器の下流側冷媒を冷却する（第１の）熱交換手段と、吸着式冷凍機の凝縮器から導かれる冷媒を冷却する空冷式熱交換器と、この空冷式熱交換器の出口の冷媒と蒸気式ヒートポンプ装置の圧縮機に吸込まれる冷媒とを熱交換させ、空冷式熱交換器出口の冷媒を冷却する（第４の）熱交換手段とを具備する。

本発明によれば、熱電出力装置の電気出力により蒸気圧縮式ヒートポンプ装置を駆動し、熱電出力装置の温熱出力により吸着式冷凍機を介して蒸気圧縮式ヒートポンプ装置の出力を増加させ、よってシステム全体の総合効率の向上化を図れるなどの効果を奏する。

[実施例１]
以下、本発明の実施例１を図１にもとずいて説明する。図１は、複合式空気調和装置のシステム系統図であって、冷房運転状態を示している。この複合式空気調和装置は、熱電出力装置である燃料電池１と、貯湯タンク２と、吸着式冷凍機（ＡＨＰ）３および蒸気圧縮式ヒートポンプ装置（ＥＨＰ）４とから構成される。

上記燃料電池１は、燃料電池１の排熱を回収する蓄熱機器としての貯湯タンク２と水配管Ｐ１を介して連通され、これらで循環回路を構成している。貯湯タンク２内部には水が充填されるとともに、加熱部を備えた加熱配管（図示しない）が収容されていて、この加熱配管に燃料電池１の排熱が与えられ貯湯タンク２内の水を加熱するようになっている。さらに、水配管Ｐ１には貯湯タンク２の水または湯を循環させる図示しないポンプを備えている。

上記吸着式冷凍機３は、冷凍機本体３Ａ内に、シリカゲルやゼオライト等の吸着剤が充填される吸着器Ａと、熱交換パイプからなる凝縮器Ｂおよび蒸発器Ｃが収容配置され、冷凍機本体３Ａ外部には空冷式熱交換器Ｄが配置されてなる。

吸着器Ａと凝縮器Ｂとは図示しない切換え弁を備えた回路を介して連通されている。吸着器Ａ内の吸着剤を後述する手段によって加熱し、吸着剤に吸着された水やアルコールなどの吸着質（蒸気冷媒とも呼ばれる）を脱着して吸着剤を再生させる。脱着した吸着質を凝縮器Ｂに導き後述する手段によって冷却して、凝縮液化させる。

蒸発器Ｃは、凝縮器Ｂおよび吸着器Ａと図示しない切換え弁を備えた回路を介して連通され、凝縮器Ｂで液化した吸着質を導いて後述する手段によって蒸発させ、蒸発した吸着質を吸着器Ａに導びいて吸着剤に吸着させる。したがって、上記蒸発器Ｃで吸着質が蒸発する際に、蒸発潜熱による冷熱が出力される。空冷式熱交換器Ｄでは冷却水（冷媒）の熱を放熱し、凝縮器Ｂでの凝縮作用の補助をなす。

上記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４は、圧縮機４ａと、四方切換え弁４ｂと、室外熱交換器４ｃと、減圧装置（膨張弁）４ｄおよび室内熱交換器４ｅが冷媒管Ｐａを介して順に接続され、四方切換え弁４ｂに対する切換え作用によって冷房運転と暖房運転の切換えが可能なヒートポンプ式冷凍サイクルが構成されている。

上記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４における室外熱交換器４ｃと減圧装置４ｄとの間には、室外熱交換器４ｃと減圧装置４ｄとの間に導かれる液冷媒と、上記吸着式冷凍機３の蒸発器Ｃで発生する冷熱出力とを熱交換させる第１の熱交換器（第１の熱交換手段）６が設けられる。

上記圧縮機４ａの吐出部と四方切換え弁４ｂとの間には、圧縮機４ａから吐出される冷媒ガスと、燃料電池１で生成される温熱出力とを熱交換させる第２の熱交換器（第２の熱交換手段）５が設けられる。さらに、圧縮機４ａの吸込み部と四方切換え弁４ｂとの間には、吸込み部に導かれる蒸発冷媒ガスと、吸着式冷凍機３で吸着器Ａに充填される吸着剤を再生脱着した後の温熱とを熱交換させる第３の熱交換器（第３の熱交換手段）７が設けられる。

これら第１の熱交換器６と、第２の熱交換器５および、第３の熱交換器７は、燃料電池１と第２の水配管Ｐ２を介して連通されていて、この第２の水配管Ｐ２における第１の熱交換器６と第２の熱交換器５との間には、三方切換え弁構造の流路切換え弁８が設けられている。

このように構成された複合式空気調和装置において、冷房運転時には、流路切換え弁８が吸着式冷凍機３を構成する吸着器Ａ側に切換えられている。燃料電池１で得られる電気出力をもって蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の圧縮機４ａが駆動される。同時に、燃料電池１の排熱により加熱され温度上昇した温熱出力が第２の熱交換器５に導かれ、圧縮機４ａから吐出される高温高圧ガスによってさらに加熱される。

温度上昇した高温水が吸着式冷凍機３の吸着器Ａに導かれ、吸着器Ａに充填される吸着剤を加熱し、吸着剤に吸着されている吸着質を吸着剤から脱着させる。脱着された吸着質は凝縮器Ｂに導かれ、空冷式熱交換器Ｄで放熱した低温の水と熱交換して凝縮液化する。凝縮器Ｂで液化した吸着質は蒸発器Ｃに導かれ、蒸発して冷熱が出力される。蒸発器Ｃで蒸発した吸着質は吸着器Ａに導かれて、ここに充填されている吸着剤に吸着される。

吸着質は吸着器Ａに導かれる燃料電池１の温熱出力によって加熱され、再び上述したサイクルを循環する。一方、蒸発器Ｃで発生した冷熱出力は第１の熱交換器６に導かれ、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の室外熱交換器（凝縮器である）４ｃの下流側冷媒と熱交換し、下流側冷媒が冷却される。

吸着式冷凍機３の吸着器Ａで吸着剤から吸着質を脱着した後の温熱が第３の熱交換器７に導かれ、ここで圧縮機４ａの吸込み部を流通する蒸発冷媒ガスと熱交換する。吸着質を脱着した後の温熱が冷却され、この冷却された温熱が燃料電池１に戻って再び燃料電池１内で加熱昇温され、さらに第２の水配管Ｐ２を循環する。

このようにして、燃料電池１と、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４と、吸着式冷凍機３との組合せで構成される複合式空気調和装置であり、燃料電池１の電気出力で蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４を駆動し、燃料電池１の温熱出力で吸着式冷凍機３の蒸発器Ｃにおける冷熱出力を増大させる。その結果、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の出力を増大させることになり、複合式空気調和装置として総合効率の向上化を得られる。

第１の熱交換器６を備えて、吸着式冷凍機３の蒸発器Ｃで出力される冷熱と、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の凝縮器（室外熱交換器４ｃ）の下流側冷媒とを熱交換させた。したがって、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４においては、図６のモリエル線図に示すように、外気温度以下の過冷却温度（ΔＨ１）が実現して、過冷却度を大きくとることができ、冷凍サイクル効率の向上が図れ、能力増大化が得られる。

同時に、吸着式冷凍機３の蒸発器Ｃによる冷熱で、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の室外熱交換器（凝縮器）４ｃ下流側冷媒を冷却するため、吸着式冷凍機３における蒸発器Ｃの冷熱を直接冷房に使用する方式（１０〜１５℃）に比べて高く（２０〜３０℃程度）設定でき、冷凍能力の増大化とともにＣＯＰの向上化も図れる。

特に、能力可変方式の圧縮機の場合は、運転周波数の低減化を得られて、同一能力基準ではＣＯＰ向上化を実現できる。燃料電池１のＤＣ出力を直接、インバータに持ってくることも可能であり、この場合は、ＤＣ−ＡＣ変換や、ＡＣ−ＤＣ変換する際の電力変換ロスの低減を得られる。トータルとして、高効率のコージェネレーションシステムを構築することができる。

第２の熱交換器５を備えて、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４を構成する圧縮機４ａから吐出される冷媒ガスと、燃料電池１の温熱出力とを熱交換させるようにしたから、燃料電池１の温熱出力の高温化を図ることができるとともに、吸着式冷凍機３における冷凍能力の増大化と効率の向上化が得られる。

第３の熱交換器７を備えて、吸着式冷凍機３の吸着器Ａで吸着剤から吸着質を脱着した後の温熱と、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の圧縮機４ａに吸込まれる蒸発冷媒ガスとを熱交換させるようにしたから、吸着器Ａで吸着質を脱着した後の温熱を冷却でき、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４のサイクルＣＯＰを保持した状態で燃料電池１の温熱の高温化が可能となる。そして、吸着式冷凍機３の戻り水温が冷却されるので、燃料電池１の冷却用として再利用できることになる。

なお、上述の構成では燃料電池１の温熱出力を吸着式冷凍機３の吸着器Ａに直接導くようにしたが、これに限定されるものではなく、図１に破線で示すように、燃料電池１の温熱出力をもって加熱された貯湯タンク２の温水を上記吸着器Ａに導く回路Ｐ３を備えてもよい。

図２（Ａ）（Ｂ）は、吸着式冷凍機３の具体的構成で、かつ互いに異なる状態を示している。ここでは、第１の吸着器Ａ１と第１の凝縮器Ｂ１および第１の蒸発器Ｃ１を収容するとともに吸着質を充填する第１の吸着塔Ｅ１と、第２の吸着器Ａ２と第２の凝縮器Ｂ２および第２の蒸発器Ｃ２を収容するとともに吸着質を充填する第２の吸着塔Ｅ２を備え、別途、空冷式熱交換器Ｄが配置される。さらに、上述の各構成部品は水回路Ｗによって連通されていて、この水回路Ｗには構成部品に対して切換え操作をなす四方切換え弁Ｆ１，Ｆ２および三方切換え弁Ｆ３〜Ｆ６が設けられ、循環ポンプ９が接続される。

上記四方切換え弁Ｆ１，Ｆ２と三方切換え弁Ｆ３〜Ｆ６の流路切換えによって、第１の吸着器Ａ１と第２の吸着器Ａ２に燃料電池１の温熱出力である高温水を交互に導くことができ、それによって、吸着器Ａ１，Ａ２において交互に吸着作用が行われて、連続的な冷凍出力を可能にしている。

なお説明すると、図２（Ａ）では、燃料電池１の温熱出力を第１の吸着器Ａ１に導いて加熱し、吸着剤の脱着再生をなす。さらに、空冷式熱交換器Ｄで冷却された冷却水を第１の凝縮器Ｂ１に導いて熱交換させ脱着した吸着質を凝縮する。同時に、空冷式熱交換器Ｄで冷却された冷却水を第２の吸着器Ａ２に導き、吸着剤を冷却して吸着質を吸着させるとともに、第２の蒸発器Ｃ２で吸着質を蒸発させ上記第１の熱交換器６に導かれる冷却水に冷熱を出力する。

図２（Ｂ）では、四方切換え弁Ｆ１，Ｆ２と三方切換え弁Ｆ３〜Ｆ６を切換えることにより、図２（Ａ）とは全く逆の状態を示している。すなわち、燃料電池１の温熱出力を第２の吸着器Ａ２に導いて加熱し、吸着剤の脱着再生をなす。空冷式熱交換器Ｄで冷却された冷却水を第２の凝縮器Ｂ２に導いて熱交換させ吸着質を凝縮する。同時に、空冷式熱交換器Ｄで冷却された冷却水を第１の吸着器Ａ１に導き、吸着剤を冷却して吸着質を吸着させるとともに、第１の蒸発器Ｃ１で吸着質を蒸発させ上記第１の熱交換器６に導かれる冷却水に冷熱を出力する。

なお、ここでは第１，第２の吸着器Ａ１，Ａ２と、第１，第２の凝縮器Ｂ１，Ｂ２および第１，第２の蒸発器Ｃ１，Ｃ２を同じ第１，第２の吸着塔Ｅ１，Ｅ２内に配置しているが、それぞれ別の吸着塔内に収納してバルブで接続する方式を採用してもよい。

図３は、図１に示した複合式空気調和装置と同一のサイクル構成で、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４において四方切換え弁４ｂを暖房運転に切換えた状態を示している。この暖房運転時には、吸着式冷凍機３の運転は行われず、流路切換え弁８は除霜運転時など必要に応じて吸着式冷凍機３の蒸発器Ｃ側に切換えられている。

しかして、燃料電池１の温熱出力と、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の圧縮機４ａから吐出されるガスとが第２の熱交換器５において熱交換され、温熱出力が加熱される。この加熱された温熱出力は流路切換え弁８を介して吸着式冷凍機３の蒸発器Ｃ側に導かれ、暖房運転時に凝縮器となる室内熱交換器４ｅを介して減圧装置４ｄを通過したあとの、蒸発器となる室外熱交換器４ｃ上流側の冷媒と、第１の熱交換器６において熱交換する。

室内熱交換器４ｅを介して減圧装置４ｄを通過した冷媒は、第１の熱交換器６で温度上昇した温熱出力によって加熱され、温度上昇した状態で室外熱交換器４ｃに導かれる。したがって、室外熱交換器４ｃに霜が付着している場合であっても、温度上昇した冷媒が室外熱交換器４ｃを加熱して除霜をなし、除霜時間の短縮化を図れる。通常の除霜運転のように、四方切換え弁４ｂを冷房運転サイクルに切換える必要がなく、切換え時の騒音低下と、室温変動の低減を図り、快適性の向上化を得られる。

具体的には、燃料電池１の低温出力（約６０℃）が第２の熱交換器５において圧縮機４ａの吐出ガス温度（約１０５℃）により加熱昇温（〜約８０℃）され、吸着式冷凍機３に出力されるので、吸着式冷凍機３の冷凍能力が大になるとともに、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の性能向上が得られて、暖房運転時も高温の湯を供給でき、除霜時間が短縮化する。

蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４側では、図６のモリエル線図におけるΔＨ２に示すように吸込み温度のスーパーヒート量が増加し、吐出温度も高温化して、圧縮仕事の増加なしに暖房能力アップおよび給湯追い炊きなどに利用可能となる。

[実施例２]
つぎに、実施例２を図４にもとづいて説明する。後述する部位を除いて他の構成は全て同一であり、同一構成部品には同番号を付して新たな説明は省略する。

ここでは、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４を構成する圧縮機４ａの吸込み部に吸込まれる蒸発冷媒ガスと、吸着式冷凍機３の空冷式熱交換器Ｄにおいて放熱した後の冷媒（冷水）とを熱交換する、第４の熱交換器（第４の熱交換手段）１０を備えている。

そして、上記空冷式熱交換器Ｄにおいて放熱した後の冷媒（冷水）が第４の熱交換器１０に導かれ、圧縮機４ａの吸込み部に吸込まれる蒸発冷媒ガスと熱交換し、そのあと、吸着式冷凍機３を構成する凝縮器Ｂに導かれる回路Ｐ４を備えている。

このような構成をなしているので、空冷式熱交換器Ｄにおいて放熱した後の冷媒（冷水）が、第４の熱交換器１０において圧縮機４ａの吸込み部に吸込まれる蒸発冷媒ガスによって冷却される。その冷却された冷媒（冷水）が吸着式冷凍機３を構成する凝縮器Ｂに導かれるので、外気温度が高い条件下にあっても、吸着式冷凍機３における凝縮能力が向上することとなり、冷凍能力の増大に繋げられ、併せて空冷式熱交換器Ｄの小型化が可能となる。

[実施例３]
つぎに実施例３を図５にもとづいて説明する。ここでは、燃料電池１と貯湯タンク２および蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４とで複合式空気調和装置を構成しており、先に説明した吸着式冷凍機は備えていないことを特徴としている。

そして、蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４の圧縮機４ａから吐出される冷媒ガスと、上記燃料電池１の温熱出力とを熱交換させる第５の熱交換器（第５の熱交換手段）２０を備え、かつ圧縮機４ａに吸込まれる蒸発冷媒ガスと、燃料電池１の温熱出力とを熱交換させる第６の熱交換器（第６の熱交換手段）３０を備えている。

したがって、第６の熱交換器３０において燃料電池１の温熱出力を利用して圧縮機４ａに吸込まれる冷媒を、図６のモリエル線図でΔＨ３に示すように加熱でき、その結果、圧縮機４ａから吐出される冷媒ガスの温度上昇を得られる。そして、第５の熱交換器２０において圧縮機４ａから吐出される冷媒ガスで燃料電池１からの温熱出力を再加熱し昇温させる。このようにして、貯湯タンク２に貯湯される温水に対して追い炊きが可能となり、しかも蒸気圧縮式ヒートポンプ装置４における効率には何らの影響もない。

さらに、本発明は前記実施例の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形実施できることは勿論である。

本発明の実施例１に係る、複合式空気調和装置のサイクル構成図で冷房運転状態を表している。 同実施例１に係る、吸着式冷凍機の具体的な構成と、互いに異なる作用状態を示す図。 同実施例１に係る、暖房運転状態を表す図。 本発明の実施例２に係る、複合式空気調和装置のサイクル構成図。 本発明の実施例３に係る、複合式空気調和装置のサイクル構成図。 本発明の複合式空気調和装置に係るモリエル線図。

符号の説明

１…燃料電池（熱電出力装置）、４ａ…圧縮機、４…蒸気圧縮式ヒートポンプ装置、Ａ…吸着器、３…吸着式冷凍機、Ｃ…蒸発器、４ｃ…室外熱交換器（冷房運転時の凝縮器）、６…第１の熱交換器（第１の熱交換手段）、４ｅ…室内熱交換器（暖房運転時の凝縮器）、５…第２の熱交換器（第２の熱交換手段）、７…第３の熱交換器（第３の熱交換手段）、Ｄ…空冷式熱交換器、１０…第４の熱交換器（第４の熱交換手段）、２…貯湯タンク、２０…第５の熱交換器（第５の熱交換手段）、３０…第６の熱交換器（第６の熱交換手段）。

Claims (1)

1. 燃料電池等の熱電出力装置と、
   この熱電出力装置による電気出力をもって駆動される圧縮機、四方切換え弁、凝縮器、減圧装置および蒸発器を備え、冷房運転と暖房運転との切換えが可能な蒸気圧縮式ヒートポンプ装置と、
   上記熱電出力装置の温熱出力を導いて吸着剤に吸着された吸着質を脱着させる吸着器と、この吸着器で脱着した吸着質を導いて凝縮液化する凝縮器および液化した吸着質を導いて蒸発させ冷熱を出力する蒸発器とで構成される吸着式冷凍機と、
   上記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置による冷房運転時に、吸着式冷凍機の蒸発器で発生する冷熱出力と、上記蒸気圧縮式ヒートポンプ装置の凝縮器の下流側冷媒とを熱交換させ、凝縮器の下流側冷媒を冷却する熱交換手段と、
   上記吸着式冷凍機の凝縮器から導かれる冷媒を冷却する空冷式熱交換器と、
   この空冷式熱交換器の出口の冷媒と、上記蒸気式ヒートポンプ装置の圧縮機に吸込まれる冷媒とを熱交換させ、上記空冷式熱交換器出口の冷媒を冷却する熱交換手段と、を具備することを特徴とする複合式空気調和装置。

Images