(57)【要約】【課題】冷温水製造と共に発電が可能で、発電単独の運転もでき、膨張機の軸受けの潤滑問題を解消した膨張機を組込んだ吸収冷温水装置を提供する。【解決手段】冷媒と吸収剤と界面活性剤とを含んだ媒体を用いて吸収冷凍サイクルを構成する吸収冷温水機に、該吸収冷凍サイクルで発生する冷媒蒸気で稼動する膨張機１又は発電機２と膨張機１を組込んだ吸収冷温水装置であって、前記１が、軸受けの潤滑に、吸収冷凍サイクルに用いる媒体と同じ界面活性剤を用いることとしたものであり、また、１が、スクリュー型であり、スクリューロータを回転させるタイミングギアの潤滑、スクリュー歯形間の液シール及びスクリュー歯形間の潤滑に、前記吸収冷凍サイクルに用いる媒体と同じ界面活性剤を用いることができ、前記吸収冷温水機には、用いる蒸発器Ｅ及び／又は凝縮器Ｃ出口に界面活性剤分離器７を設けてもよい。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒と吸収剤と界面活性剤とを含んだ媒体を用いて吸収冷凍サイクルを構成する吸収冷温水機に、該吸収冷凍サイクルで発生する冷媒蒸気で稼動する膨張機又は発電機と膨張機を組込んだ吸収冷温水装置であって、前記膨張機が、軸受けの潤滑に、前記吸収冷凍サイクルに用いる媒体に含まれるものと同じ界面活性剤を用いることを特徴とする膨張機を組込んだ吸収冷温水装置。
【請求項２】
前記膨張機が、スクリュー型であり、スクリューロータを回転させるタイミングギアの潤滑に、前記吸収冷凍サイクルに用いる媒体に含まれるものと同じ界面活性剤を用いることを特徴とする請求項１記載の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置。
【請求項３】
前記膨張機は、スクリュー又はスクロール歯形間の液シールとして、前記吸収冷凍サイクルに用いる冷媒液を用いることを特徴とする請求項２記載の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置。
【請求項４】
前記膨張機が、スクリュー型であり、スクリュー歯形間の液シール及びスクリュー歯形間の潤滑に、前記吸収冷凍サイクルに用いる媒体に含まれるものと同じ界面活性剤を用いることを特徴とする請求項１記載の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置。
【請求項５】
前記吸収冷温水機には、蒸発器及び／又は凝縮器出口に、界面活性剤分離器を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸収冷温水装置に係り、特に、ガスタービン、エンジン等の外部からの排熱を熱源として、吸収冷温水機を運転すると共に、吸収冷温水機内に組込んだ冷媒蒸気を駆動源とする膨張機で仕事を取出し、あるいは膨張機で発電機を駆動して発電をも行うコージェネレーションシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
排熱を用いて冷温水を製造する装置、あるいは排熱を用いて発電をする装置など、どちらか一方を目的にした装置が、従来から用いられてきた。
排熱を用いて冷温水を製造し、冷暖房をする場合、中間期には、冷温水負荷がほとんどなくなり、排熱が有効利用できなくなる。
一方、排熱を用いて仕事あるいは発電をする装置（以下発電を主に説明する）は、一年中、排熱の利用はできるが、発電効率は低い。冷暖房が必要な時期は、発電した電気で冷凍機あるいはヒートポンプを運転するよりも、排熱で吸収冷温水機を直接駆動した方が利用効率が高くできることが多い。
【０００３】
年間を通して、排熱を有効利用して冷暖房発電をしょうとすると、両装置が必要で、複雑になってくる。
一方、両装置を兼用するために、膨張機を吸収冷凍装置に組込もうとすると、膨張機の軸受けの回転速度が速いので、潤滑が問題となる。即ち、吸収冷温水機の冷媒ポンプや溶液ポンプのように、冷媒液あるいは吸収溶液などを膨張機軸受けの潤滑剤として用いると、粘性不足で焼付けなどを起こしてしまう。
一方、メカニカルシールで軸受け部を分離し、潤滑油を用いると、メカニカルシールから潤滑油が吸収冷凍サイクル系に漏れた場合、冷媒が蒸発し難くなり、また、冷媒を吸収し難くなるという問題が生じる。その他の回転系の潤滑にも、同様の問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、冷温水製造と共に発電が可能で、また、冷暖房負荷が無い時には、発電単独の運転が可能な装置で、膨張機（タービン、スクリュー、スクロール）の軸受けの潤滑問題を解消する簡易な構成の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、冷媒と吸収剤と界面活性剤とを含んだ媒体を用いて吸収冷凍サイクルを構成する吸収冷温水機に、該吸収冷凍サイクルで発生する冷媒蒸気で稼動する膨張機又は発電機と膨張機を組込んだ吸収冷温水装置であって、前記膨張機が、軸受けの潤滑に、前記吸収冷凍サイクルに用いる媒体に含まれるものと同じ界面活性剤を用いることを特徴とする膨張機を組込んだ吸収冷温水装置としたものである。
前記吸収冷温水装置において、膨張機が、スクリュー型であり、スクリューロータを回転させるタイミングギアの潤滑に、前記吸収冷凍サイクルに用いる媒体に含まれるものと同じ界面活性剤を用いることができ、該膨張機は、スクリュー又はスクロール歯形間の液シールとして、吸収冷凍サイクルに用いる冷媒液を用いることができ、また、前記膨張機が、スクリュー型であり、スクリュー歯形間の液シール及びスクリュー歯形間の潤滑に、前記吸収冷凍サイクルに用いる媒体に含まれるものと同じ界面活性剤を用いることができ、さらに、前記吸収冷温水機には、蒸発器及び／又は凝縮器出口に、界面活性剤分離器を設けることができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
発電機のボイラと冷凍装置の再生器とは、蒸気を発生させる機能が同一であり、また、発電装置の凝縮器と冷凍装置の凝縮器とは、蒸気を凝縮させる機能が同一であるなど、発電装置と吸収冷凍装置とでは兼用できる機器が多く、本発明では、吸収冷温水機に膨張機を組込んで、コンパクトな装置で、年間を通して排熱利用で冷暖房負荷あるいは発電を可能としている。
また、膨張機など回転系には、潤滑油が必要であるが、油の種類を、吸収冷凍サイクルに用いる界面活性剤と同じ物を使用する。それにより、メカニカルシールから潤滑油である界面活性剤が吸収冷凍サイクル系に漏れても、全く問題はない。
膨張機としては、タービン型、スクリュー型、スクロール型等各種型式があり、主に、蒸気の容積流量で型式選択を行うことが多い。
また、膨張機にスクリュー型を用いる時、ローター間からの蒸気吹き抜けが問題になるが、ロータ間の液シール剤として、冷媒、界面活性剤などを用いる。
また、膨張機にスクリュー型を用いた場合に対し、スクリューロータ間の潤滑、あるいはタイミングギア付膨張機に対するタイミングギアの潤滑など、膨張機の潤滑、液シールに界面活性剤を用いる。
【０００７】
次に、本発明を、図１〜図３の本発明の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置のフロー構成図を用いて説明する。
図において、Ａは吸収器、ＧＨは熱源再生器、ＧＬＸは低熱源再生器、Ｇは低温再生器、Ｃは凝縮器、Ｅは蒸発器、Ｘは溶液熱交換器、ＸＨは高温熱交換器、ＳＰは溶液ポンプ、ＲＰは冷媒ポンプ、Ｖ１〜Ｖ５は弁、１は膨張機、２は発電機、３と４は冷却水、５は熱源、６は冷温水であり、また、７は分離機、８はオイルタンク、９はオイルポンプ、１０はオイルクーラー、１１〜１７は溶液流路、１８〜２５は冷媒流路である。
このように、図１では、吸収器Ａ、蒸発器Ｅ、凝縮器Ｃを、図２及び図３では、さらに、低温再生器Ｇを、吸収剤に無機塩類、冷媒に水を用いる組合わせで、圧力があまり高くないとして一つの角型缶胴に収め、また、この缶胴とは別に、熱源５を加熱源とする熱源再生器ＧＨ、ＧＬＸと溶液熱交換器Ｘ、ＸＨ及び膨張機１と発電機２とが配備されている。そして、この缶胴の吸収器Ａ及び凝縮器Ｃ又は低温再生器Ｇと、熱源再生器ＧＨ、ＧＬＸ及び膨張機１とは、溶液流路１１、１２及び冷媒流路２０〜２５でそれぞれ接続されている。
【０００８】
図１は、単効用サイクルの例を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は膨張機部分の部分構成図であり、吸収剤に無機塩類、冷媒に水を用いる場合、界面活性剤としてオクチルアルコールを入れて、伝熱、吸収性能の改善を行う。
図１（ａ）を用いた冷房運転について説明すると、蒸発器Ｅで冷媒蒸気が蒸発して、冷水６（又はブライン）を冷却する。蒸発した冷媒蒸気は、吸収器Ａにて、冷却水３で冷却されている吸収溶液に吸収される。
吸収器Ａの溶液は、溶液ポンプＳＰで、溶液熱交換器Ｘの被加熱側を通って流路１１から熱源再生器ＧＨに送られる。
熱源再生器ＧＨで熱源によって加熱され、冷媒蒸気を発生し、溶液は吸収剤が濃縮された状態になる。濃縮溶液は、流路１２から溶液熱交換器Ｘの加熱側を通って吸収器Ａに戻り、吸収器伝熱面に散布される。
【０００９】
再熱源生器ＧＨで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機１で仕事をして低圧になり、流路２２から凝縮器Ｃに入り、冷却水４で冷却されて凝縮し、冷媒液となって蒸発器Ｅに戻る。冷却水温度が高くなり、凝縮圧が高くなって冷凍機出力が不足する場合、あるいは熱源温度が低く冷凍機出力が不足するような場合、弁Ｖ１を開として、あるいは調節して凝縮能力を高めて、冷凍機出力を増大させる。
冷水負荷があまり無く、冷凍出力がオーバーになる時は、熱源が排熱の場合、熱源を最大限使用して発電量を多く確保し、一方、冷水（冷房）出力調整のため、冷媒蒸気膨張機１からの冷媒蒸気の一部を流路２４から吸収器Ａに導き、凝縮器Ｃで凝縮する冷媒量を減少させて負荷調節を行う（弁Ｖ２を利用）。凝縮器Ｃの負荷が小さくなると、凝縮圧力が低下し、膨張機１出力は若干であるが増加する。別の調整法として、蒸発器Ｅの冷媒液を吸収器Ａに戻し吸収能力を低下させるなどの方法もある。
なお、熱源が排熱ではなく、熱源コストが問題になる場合は、発電量と冷凍出力の効果を考慮して調整する必要がある。
【００１０】
次に、暖房運転について説明すると、暖房時には、基本的には吸収器Ａと凝縮器Ｃに冷却水を流さず、吸収溶液を蒸発器Ｅ伝熱面に散布して温水を製造する。
熱源再生器ＧＨで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機１で仕事をし、低圧冷媒蒸気となって、吸収器Ａ又は蒸発器Ｅに入り、流路１７から弁Ｖ３を通り、蒸発器Ｅ伝熱面に散布されている吸収溶液に吸収される。
温水負荷があまり無く出力オーバーになる時は、熱源を最大限使用して発電量を確保し、一方、温水（暖房）出力調整のため、冷却水を流し、余分な温熱を冷却水に捨てる。この際、冷却水は温度を調整あるいは流量を調整して、温水の容量制御をすることになる。温水負荷が多く、発電量よりも温熱出力を重視する場合、熱源再生器ＧＨで発生した冷媒蒸気を弁Ｖ１を通して、直接蒸発器Ｅに導き、温熱を多くしてもよい。
【００１１】
また、発電単独運転について説明すると、基本的には吸収器Ａに吸収溶液を散布すると共に冷却水３を流し、冷媒蒸気膨張機１出口の蒸気を吸収器Ａに導いて吸収させる。（弁Ｖ２全開）
凝縮器Ｃには、冷却水を流さなくてもよいが、流れていても差し支えない。
熱源再生器ＧＨで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機１で仕事をし、低圧冷媒蒸気となって、吸収器Ａで吸収溶液に吸収される。
潤滑系統については、図１（ｂ）に示すように、潤滑油系統は、オイルタンク８、オイルポンプ９、オイルクーラー１０等からなり、この系統にオクチルアルコールを充填し、オイルポンプ９で軸受けにオクチルアルコールを供給する。
オイルクーラー１０でオクチルアルコールを冷却し、温度の制御を行うのであるが、冷却媒体として、吸収サイクル系の吸収溶液、例えば吸収器出口の溶液を用いることができる。
【００１２】
なお、オクチルアルコール量が減少してきた場合、吸収サイクル系でオクチルアルコールが溜まってくる位置、例えば、凝縮器Ｃ出口あるいは蒸発器Ｅ液溜めからオクチルアルコールを回収し、潤滑油系統に戻す（図示していないが、自動でも、手動でも可）。図１（ａ）では、凝縮器Ｃ出口にオクチルアルコール分離器７を設け、オクチルアルコールの比重が軽く、冷媒の上に浮くことを利用して分離している。
蒸気タービンの場合は、タービン、発電機を含めた軸受けの潤滑だけであるが、スクリュー型の場合、タイミングギア付はタイミングギアの潤滑、タイミングギア無しではローター間の潤滑も必要であり、スクロールの場合は、旋回スクロール部の潤滑等も必要になる。
さらに、容積型膨張機のスクリュー型、スクロール型などでは、スクリュー間あるいはスクロール間のシール部の漏れを防ぐため、潤滑油あるいは冷媒液をシール液として用いることもできる。
吸収冷温水機には、単効用、二重効用、一二重効用等各種サイクルが存在するが、構成機器間で温度差があり、蒸気圧力に高低差をつけられる場合は、その機器間に冷媒蒸気膨張機１を設けることもできる。
【００１３】
図２は、二重効用サイクルの例を示す本発明の吸収冷温水装置のフロー構成図である。
冷房運転については、蒸発器Ｅで冷媒蒸気が蒸発して、冷水（又はブライン）を冷却する。蒸発した冷媒蒸気は、吸収器Ａにて、冷却水で冷却されている吸収溶液に吸収される。
吸収器Ａの溶液の一部は、溶液熱交換器Ｘ及び高温熱交換器ＸＨの被加熱側を通って流路１１から熱源再生器ＧＨに送られる。熱源再生器ＧＨでは、熱源によって溶液が加熱されて、冷媒蒸気を発生し、吸収溶液が濃縮された状態になり、高温熱交換器ＸＨの加熱側を経由して流路１２から低温再生器Ｇからの濃縮溶液に合流して吸収器Ａに送られる。吸収器Ａの溶液の残部は、、溶液熱交換器Ｘの被加熱側を通って分岐され、流路１３から低温再生器Ｇに送られ、熱源再生器ＧＨからの冷媒蒸気により加熱濃縮されて、流路１４から流路１２に合流して流路１５から吸収器Ａに送られる。
【００１４】
冷房出力及び発電をするとき、膨張機１側の弁Ｖ５を開、低温再生器Ｇ側の弁Ｖ１を閉とする。なお、若干の冷媒蒸気漏れはあるが、弁Ｖ５を省略し、弁Ｖ１だけで制御してもよい。
発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機１で仕事をし、低圧蒸気となって凝縮器Ｃに入り、凝縮して蒸発器Ｅに戻る。
冷水負荷があまり無く、冷房出力オーバーになる時は、熱源が排熱の場合には、熱源を最大限使用して発電量を多く確保し、一方、冷水（冷房）出力調整のため冷媒蒸気膨張機１からの冷媒蒸気の一部を弁Ｖ２を通して吸収器Ａに導き、凝縮器Ｃで凝縮する冷媒量を減少させて負荷調節を行う。凝縮器Ｃの負荷が小さくなると、凝縮圧力が低下し、膨張機１出力は若干であるが増加する。
【００１５】
また、熱源が排熱ではなく、熱源コストが問題になる場合は、発電量と冷凍出力の効果を考慮して調整する必要がある。
発電よりも冷房優先のときは、膨張機１側の弁Ｖ５を閉、低温再生器Ｇ側の弁Ｖ１を開とする。
発生した冷媒蒸気は、低温再生器Ｇの熱源となり、低温再生器Ｇの溶液を加熱濃縮し、自らは凝縮液となり凝縮器Ｃに入る。一方、低温再生器Ｇで溶液から発生する冷媒蒸気は凝縮器Ｃで凝縮し、先程の凝縮液と共に蒸発器Ｅに戻る。
膨張機１側の弁Ｖ５と、低温再生器Ｇ側の弁Ｖ１とを調節して、冷媒蒸気量を分配し、発電と冷凍出力を調節することもできる。
【００１６】
暖房運転については、暖房時には、基本的には吸収器Ａ、凝縮器Ｃに冷却水を流さず、吸収溶液を流路１７から蒸発器Ｅ伝熱面に散布して温水を製造する。
熱源再生器ＧＨで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機１で仕事をし、低圧冷媒蒸気となって、吸収器Ａ又は蒸発器Ｅに入り、蒸発器Ｅ伝熱面に散布されている吸収溶液に吸収される。
温水負荷があまり無く出力オーバーになる時は、熱源を最大限使用して発電量を確保し、一方、温水（暖房）出力調整のため、冷却水を流し、余分な温熱を冷却水に捨てる。この際冷却水は、温度を調整あるいは流量を調整して、温水の容量制御をすることになる。
発電単独運転については、基本的には吸収器Ａに吸収溶液を散布すると共に冷却水を流し、冷媒蒸気膨張機１出口の蒸気を吸収器Ａに導いて吸収させる。
凝縮器Ｃには冷却水を流さなくてよいが、流れていても差し支えない。
熱源再生器ＧＨで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機１で仕事をし、低圧冷媒蒸気となって、吸収器Ａで吸収溶液に吸収される。
図２は、パラレルフローで示しているが、シリーズフローあるいはリバースフローと呼ばれる各種フローにも利用できる。
【００１７】
図３は、一二重効用サイクルの可能な本発明の吸収冷温水装置を示す。熱源再生器ＧＨに高温側熱源流体を、低熱源再生器ＧＬＸに低温側熱源流体を投入する。
熱源再生器ＧＨの発生蒸気は、冷媒蒸気膨張機１に導くと発電ができ、一方、低温再生器Ｇに導いて加熱源として利用すれば、冷凍能力を増加させることができる。
低熱源再生器ＧＬＸで発生した冷媒蒸気は、凝縮器Ｃに導く。低熱源温度が高ければ、発生冷媒を冷媒蒸気膨張機１の低圧部あるいは低圧段を経由して凝縮器Ｃに導いてもよい。また冷媒蒸気膨張機１と凝縮器Ｃとに切替選択導入などとしてもよい。
凝縮器Ｃと吸収器Ａとを弁Ｖ２を有する配管で結び、冷媒蒸気膨張機１から出る低圧冷媒蒸気を凝縮器Ｃで凝縮させるか、吸収器Ａに吸収させるか調節あるいは選択できる。
【００１８】
冷房運転においては、熱源再生器ＧＨからの冷媒蒸気は、冷房負荷が多く冷房主体で運転する場合は、低温再生器Ｇに導いて溶液の加熱濃縮に利用（二重効用サイクル）し、冷房負荷が高負荷でなく、発電主体で運転する場合は、冷媒蒸気膨張機１に導いて発電し、膨張後の冷媒を凝縮させて冷房に利用する。
低熱源再生器ＧＬＸからの冷媒蒸気は、冷房中は基本的には凝縮器Ｃに導く。
冷水負荷があまり無く出力オーバーになる時は、凝縮器Ｃと吸収器Ａとの間の弁Ｖ２を開とし、冷媒蒸気膨張機１出口から吸収器Ａに入る蒸気量を調節する。
蒸発器Ｅで冷媒蒸気が蒸発して、冷水（又はブライン）を冷却する等は図１と同じである。
溶液の循環は、吸収冷温水機のシリーズフロー、パラレルフロー、リバースフロー、これらの混合したフロー等各種あり、本発明はいずれにも適用できる。
【００１９】
暖房運転については、暖房時には、吸収器Ａ、凝縮器Ｃに冷却水を流さず、吸収溶液を蒸発器Ｅ伝熱面に散布して温水を製造する。
熱源再生器ＧＨで発生した冷媒蒸気は、冷媒蒸気膨張機１にて仕事をした後、低熱源再生器ＧＬＸで発生した冷媒蒸気と共に吸収器Ａ又は蒸発器Ｅに入り、蒸発器Ｅ伝熱面に散布されている吸収溶液に吸収され、蒸発器Ｅを流れる温水を加熱する。
温水負荷があまり無く出力オーバーになる時は、冷却水を流して調節する。
発電単独運転については、熱源再生器ＧＨで発生した冷媒蒸気は冷媒蒸気膨張機１に導き、膨張機１で仕事をした後吸収器Ａの吸収溶液に吸収される。
低熱源再生器ＧＬＸで発生した冷媒蒸気は、吸収器Ａにて吸収溶液に吸収される。なお、低熱源再生器ＧＬＸで発生した冷媒蒸気を冷媒蒸気膨張機１の低圧段に導く構成の場合には、膨張機１で仕事をした後、吸収器Ａにて吸収される。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、冷温水製造と共に発電が可能で、また冷暖房負荷がない時には、発電単独の運転が可能な膨張機を組込んだ吸収冷温水装置において、膨張機（タービン、スクリュー、スクロール）の軸受けの潤滑問題である粘性不足で起きる焼付けや、漏れた場合に冷媒に及ぼす影響を解消することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置の例を示すフロー構成図で、（ａ）全体図、（ｂ）膨張機部分の部分構成図。
【図２】本発明の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置の他の例を示すフロー構成図。
【図３】本発明の膨張機を組込んだ吸収冷温水装置の他の例を示すフロー構成図。
【符号の説明】
Ａ：吸収器、Ｇ：低温再生器、ＧＨ：熱源再生器、ＧＬＸ：低熱源再生器、Ｃ：凝縮器、Ｅ：蒸発器、Ｘ：溶液熱交換器、ＸＨ：高温熱交換器、ＳＰ：溶液ポンプ、ＲＰ：冷媒ポンプ、Ｖ１〜Ｖ５：弁、１：膨張機、２：発電機、３、４：冷却水、５：熱源、６：冷温水、７：分離器、８：オイルタンク、９：オイルポンプ、１０：オイルクーラー、１１〜１７：溶液流路、１８〜２５：冷媒流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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