(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの排気ガスを熱源とし蒸気を生成する排ガスボイラと、蒸気発生用のボイラと、
前記エンジンで駆動される冷媒圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を備える圧縮式冷凍機と、
前記排ガスボイラで生成した蒸気及び前記ボイラで発生した蒸気を熱源とする再生器、凝縮器、蒸発器、吸収器を備える吸収式冷凍機と、
冷水利用装置からの戻り冷水を前記圧縮式冷凍機の蒸発器で冷却した後、前記冷水利用装置に供給する冷水配管と、
温水利用装置からの戻り温水の一部を前記圧縮式冷凍機の凝縮器で加熱した温水と、前記温水利用装置からの戻り温水の残りを前記吸収式冷凍機の吸収器及び凝縮器で順に加熱した温水とを混合した後、前記温水利用装置に供給する温水配管と、
前記エンジン用のクーラーを前記吸収式冷凍機の蒸発器を用いて冷却するように配管された冷却水循環配管とを備えて成ることを特徴とする熱利用システム。
【請求項２】
前記温水利用装置からの戻り温水の一部を前記圧縮式冷凍機の凝縮器で加熱した後さらに前記エンジンのジャケット冷却水との熱交換により再加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱利用システム。
【請求項３】
前記エンジン用のクーラーは、過給器からの空気を冷却するエアークーラー及び前記エンジンのオイルを冷却するオイルクーラーであることを特徴とする請求項１及び２に記載の熱利用システム。
【請求項４】
前記冷水利用装置へ供給する冷水の温度を検出して、この冷水の温度が予め定められた温度になるように、エンジンへ供給する燃料の量を制御することを特徴とする請求項１ないし３に記載の熱利用システム。
【請求項５】
前記エンジン用のクーラーの冷却に使用される前記吸収式冷凍機の蒸発器から出るブラインの温度を検出し、エンジン用のクーラーの冷却に供給するブラインの温度が予め定められた温度になるように、前記ボイラへ供給する燃料の量を制御することを特徴とする請求項１ないし４に記載の熱利用システム。
【請求項６】
前記冷水利用装置へ供給する冷水の温度を検出して予め定められた温度になるように、エンジンへ供給される燃料の量を制御するとともに、前記エンジン用のクーラーの冷却に使用される前記吸収式冷凍機の蒸発器から出るブラインの温度を検出して、このブラインの温度が予め定められた温度になるように、前記ボイラへ供給される燃料の量を制御することを特徴とする請求項１ないし４に記載の熱利用システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン、ガスエンジンなどのエンジンを用いて冷温水を利用側に供給する熱利用システムに関し、特にエンジンの駆動力及び排気ガスを有効に利用して、全体としての熱効率を改善した熱利用システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、冷水あるいは温水を得る装置として、ターボ冷凍機、吸収式冷凍機などの各種の冷凍機および高温排気ガスを利用した装置が知られている。
【０００３】
例えば、高温排気ガスを利用するものとして特開平５−１８７２０６号公報では、高温排気ガスを排ガスボイラに導いて蒸気を発生させ、この蒸気を吸収式冷凍機の熱源に用いて冷水を得る排熱回収方式が示されており、また特開平８−２３２６８１号公報では、ガスタービンの排気ガスを温水器に流通させて水を加温し温水を供給するシステムが示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記したような従来の冷水あるいは温水を得る装置では、冷水あるいは温水のいずれかを得るのみの構成であったため、そのエネルギー効率は充分に満足し得るほど高いものが得られなかった。また、冷水および温水を同時に供給できるように単にそれらを組み合わせただけでは全体のエネルギー効率を高めることは困難であった。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑み、二つの種類の異なる冷凍機を組み合わせエンジンの駆動力及び排気ガスを有効に利用するとともに、冷水から放熱される廃熱をも回収して温水に有効利用することにより、冷水および温水を同時に供給する構成として、全体としての熱効率を改善した熱利用システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の熱利用システムは、エンジンの排気ガスを熱源とし蒸気を生成する排ガスボイラと、蒸気発生用のボイラと、前記エンジンで駆動される冷媒圧縮機、凝縮器、減圧装置、蒸発器を備える圧縮式冷凍機と、前記排ガスボイラで生成した蒸気及び前記ボイラで発生した蒸気を熱源とする再生器、凝縮器、蒸発器、吸収器を備える吸収式冷凍機と、冷水利用装置からの戻り冷水を前記圧縮式冷凍機の蒸発器で冷却した後、前記冷水利用装置に供給する冷水配管と、温水利用装置からの戻り温水の一部を前記圧縮式冷凍機の凝縮器で加熱した温水と、前記温水利用装置からの戻り温水の残りを前記吸収式冷凍機の吸収器及び凝縮器で順に加熱した温水とを混合した後、前記温水利用装置に供給する温水配管と、前記エンジン用のクーラーを前記吸収式冷凍機の蒸発器を用いて冷却するように配管された冷却水循環配管とを備えて成ることを特徴とするものである。
【０００７】
また、前記温水利用装置からの戻り温水の一部を前記圧縮式冷凍機の凝縮器で加熱した後さらに前記エンジンのジャケット冷却水との熱交換により再加熱する構成とすることもできる。
【０００８】
また、過給器からの空気を冷却するエアークーラー及び前記エンジンのオイルを冷却するオイルクーラーを、前記吸収式冷凍機の蒸発器を用いて冷却するように構成しても良い。
【０００９】
そして、冷水利用装置へ供給する冷水の温度を検出して、この冷水の温度が予め定められた温度になるように、エンジンへ供給する燃料の量を制御すると良い。
【００１０】
また、前記冷水利用装置へ供給する冷水の温度を検出して、この冷水の温度が予め定められた温度になるように、エンジンへ供給する燃料の量を制御することが好ましい。
【００１１】
あるいは、前記冷水利用装置へ供給する冷水の温度を検出して予め定められた温度になるように、エンジンへ供給される燃料の量を制御するとともに、前記エンジン用のクーラーの冷却に使用される前記吸収式冷凍機の蒸発器から出るブラインの温度を検出して、このブラインの温度が予め定められた温度になるように、前記ボイラへ供給される燃料の量を制御すると良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図に基づき説明する。図１は、本発明の熱利用システムの実施例を示す図であり、本発明の熱利用システムは主に、エンジン設備と、ボイラ設備と、圧縮式冷凍機と、吸収式冷凍機から構成され、図示せぬ熱（冷水、温水）利用装置に冷水及び温水が循環供給される。
【００１３】
エンジン設備は、エンジン１と、燃料としての都市ガスの供給量を制御する流量制御弁２と、エンジン１に空気を供給する過給器３と、過給器３からの空気を冷却してエンジン１に供給するエアークーラー４と、エンジン１のエンジンオイルを冷却するオイルクーラー５と、エンジン１を冷却するジャケットウオーターが通水されるジャケット６と、ジャケットウオーターを冷却する熱交換器１７とから構成される。
【００１４】
この流量制御弁２を介した燃料と、しての都市ガスと、過給器３からエアークーラー４を経て得られる空気とが供給されてエンジン１が駆動される。このエンジン１で発生される駆動力は前記圧縮式冷凍機に、排気ガスは排ガスボイラを介して吸収式冷凍機にそれぞれエンジン設備からのエネルギー源として供給される。また、エンジン１の駆動により温度が上昇したエンジンオイルがオイルクーラー５に送られる。エアークーラー４とオイルクーラー５には外部から冷却水が供給され過給器３で圧縮された空気とオイルが冷却される一方、この冷却水はエアークーラー４とオイルクーラー５で圧縮された空気とオイルの放熱により温度が上昇する。また、エンジン１の駆動により、ジャケット６と熱交換器１７Aを循環してるジャケットウオーターの温度も上昇するが、熱交換器１７Ａに供給されている冷却水で冷却される。
【００１５】
なお、エンジン１のジャケットウオーターはジャケット６と熱交換器１７Ａとを循環しているが、ジャケット６に戻るジャケットウオーターの温度が所定の温度、例えば８０℃より外れる場合にはエンジン１の運転に支障が生じる恐れがあるため、流量制御弁７で熱交換器１７Ａのバイパス量を変化させることにより、熱交換器１７Ｂから熱交換器１７Ａに通水される冷却水を変化させて、ジャケット６に戻るジャケットウオーターの温度が所定の温度になるようにコントロールしている。
【００１６】
同じく、エンジン１とオイルクーラー５を循環しているエンジンオイルのエンジン１側に戻る温度が所定の温度から外れるとエンジン１の運転に支障を来す恐れがあるので、オイルクーラー５に通水させる冷却水量を変化させて、エンジンオイルがエンジン１に戻る温度を所定の温度にコントロールしている。
【００１７】
ボイラ設備は、エンジン１からの排気ガスが供給される排ガスボイラ１８と、補助ボイラ１９と、この補助ボイラ１９の燃料の供給量を制御する流量制御弁２０と、これら排ガスボイラ１８と補助ボイラ１９に水を供給する還水槽（ホットウエルタンク）２２及びポンプ２３とから構成される。
【００１８】
この構成で、還水槽（ホットウエルタンク）２２からポンプ２３により排ガスボイラ１８及び補助ボイラ１９に供給された水は、排ガスボイラ１８でエンジン１から供給された排気ガスの熱量により、また、補助ボイラ１９で流量制御弁２０を介して供給される燃料の燃焼により高温高圧の蒸気に変わる。これら排ガスボイラ１８及び補助ボイラ１９で発生した高温高圧の蒸気が混合されて、吸収式冷凍機２４に供給される。
【００１９】
圧縮式冷凍機は、エンジン１にギヤ等を介して結合されたターボ圧縮機１３に凝縮器１４、減圧弁１５、蒸発器１６等が冷媒配管により循環接続されて構成される。
【００２０】
この構成で、蒸発器１６からの低温低圧の冷媒ガスは、圧縮機１３により圧縮されて高温高圧の冷媒ガスになる。この高温高圧の冷媒ガスは凝縮器１４に入り、後述する温水利用装置からの戻り温水により冷却されて液化する一方、この冷却水としての戻り温水を逆に加熱してその温度を上昇させる。凝縮器１４で冷却されて液化した冷媒は、減圧弁１５で圧力が低下して蒸発器１６に流入する。この圧力が低下して蒸発器１６に流入した冷媒液体は、後述する冷水利用装置からの戻り冷水の熱を奪って低圧下低温で蒸発する一方、戻り冷水を冷却してその温度を低下させる。一方、蒸発した低温低圧の冷媒ガスは再び圧縮機１３に吸入されて高温高圧の冷媒ガスに圧縮される。冷媒はこの冷凍サイクルを繰り返す。
【００２１】
吸収式冷凍機２４は、冷媒として水を使用し、吸収溶液として非常に水を吸収し易い臭化リチウムを使用している。その構成は、熱源として排ガスボイラ１８及び補助ボイラ１９で発生し混合された高温高圧の蒸気が供給され、その高温高圧の蒸気により冷媒を吸収している吸収溶液から冷媒蒸気を発生させる再生器２５と、通水される戻り温水を加熱して温度を上昇させる凝縮器２６と、通水される戻り冷水から熱回収して温度を低下させる蒸発器２７と、通水される戻り温水を加熱して温度を上昇させる吸収器２８との４つの部分からなっている。
【００２２】
図示していないが、吸収式冷凍機２４には、再生器２５で発生した冷媒蒸気が凝縮器２６に供給され、その凝縮器２６で凝縮された冷媒液体が蒸発器２７に供給され、その蒸発器２７で蒸発された冷媒蒸気が吸収器２８に供給される冷媒配管が接続されている。吸収器２８では供給された冷媒蒸気が吸収溶液に吸収される。また、冷媒を吸収した吸収溶液が再生器２５に供給されて、冷媒を蒸発させるとともに、冷媒が蒸発して濃溶液となった吸収溶液が再び吸収器２８に戻されるように配管接続されている。このように吸収式冷凍機２４には各容器を配管接続する図示せぬ冷媒及び吸収溶液の循環経路が形成されている。
【００２３】
この吸収式冷凍機２４の再生器２５に外部からの加熱源として蒸気が供給されると、冷媒を吸収している吸収溶液から冷媒蒸気が発生する。この冷媒蒸気は凝縮器２６に入り、通水されている温水を加熱して凝縮し冷媒液となり、加熱された温水の温度は上昇する。つぎに、凝縮器２６で凝縮した冷媒液は、低圧（例えば絶対圧力で12〜13mmHg）に保たれている蒸発器２７に入り、蒸発器２７に通水されている冷水で加熱されて低温（例えば15℃）で蒸発し、冷媒蒸となる。冷水は冷媒を加熱することでその温度を低下させる。つぎに蒸発器２７で蒸発した冷媒蒸気は、吸収器２８へ入り、濃い吸収溶液に吸収される。このとき通水されている温水は、冷媒蒸気を吸収する吸収液により、加熱されてその温度が上昇するように構成されている。
【００２４】
このとき冷水戻り管２９の冷水利用装置からの戻り冷水ＣＷ（Ｒ）は、ポンプを介して圧縮式冷凍機の蒸発器１６を経て、送り冷水ＣＷ（Ｓ）として冷水送り管３０から図示省略した冷水利用装置に送出されるように配管接続されている。また、温水戻り管３１の温水利用装置からの戻り温水ＨＷ（Ｒ）は２系統に分けられ、第１の系統は圧縮式冷凍機の凝縮器１４とエンジン設備の熱交換器１７を経て、また第２の系統は吸収式冷凍機２４の吸収器２８及び凝縮器２６を経て、両者が混合されて送り温水ＨＷ（Ｓ）として温水送り管２５から図示省略した温水利用装置に送出される配管接続されている。
【００２５】
なお、図面中の各数値は都市ガス１３Ａを燃料としてエンジン１に990.2Nm３/h、補助ボイラ１９に107Nm３/hを供給したときのものである。これらの数値は当然のことながら燃料供給量を変えたり、弁の調節などにより変わるものであり、概念を理解し易くするため一例として示したものである。
【００２６】
本実施例の熱利用システムは以上のように構成されて、以下のように動作する。  まず、燃料としての都市ガス（１３Ａ）が、流量990.2Nm３/hで流量制御弁２を介してエンジン１に供給されるとともに、流量107Nm３/hで流量制御弁２０を介して補助ボイラ１９に供給される。その駆動力により圧縮機６が駆動されるとともに、その排気ガスは排ガスボイラ１８に供給される。
【００２７】
燃料の供給によりエンジン１が動作して圧縮機１３が駆動されると、圧縮式冷凍機内部を循環する冷媒は、前述したように圧縮機１３から凝縮器１４に、減圧弁１５、蒸発器１６を経て再び圧縮機１３に戻る冷凍サイクルを繰り返し、凝縮器１４が高温、蒸発器１６が低温となる。
【００２８】
一方、エンジン１からの排ガスは、排ガスボイラ１８に供給されて、還水槽２２からポンプ２３により送水される3,897kg/hの水の内2,400kg/h、60℃の水を9ataの蒸気に変える。このとき、補助ボイラ１９は燃料を燃やして還水槽２２からの残り1,497kg/h、60℃の水を9ataの蒸気に変える。
【００２９】
この排ガスボイラ１８で発生された2400kg/hの蒸気と、補助ボイラ１９で発生された1,497kg/hの蒸気は混合され、3,897kg/h、9ata蒸気として吸収式冷凍機２４に供給され、その蒸気のもつ熱を再生器２５に与えて水となり、蒸気トラップ２５を介して還水槽（ホットウエルタンク）２２に回収される。回収された水は還水槽２２からポンプ２３により再び排ガスボイラ１８及び補助ボイラ１９に供給される。  両ボイラ１８、１９からの蒸気が供給されて加熱されることにより再生器２５で発生した冷媒蒸気は、前述したように、凝縮器２６から蒸発器２７、吸収器２８を経て再び再生器２５に戻り循環すると同時に、吸収溶液が再生器２５と吸収器２８を循環することにより、凝縮器２６、吸収器２８が高温、蒸発器２７が低温となる。
【００３０】
従って、配管３１を介して供給される温水利用装置からの40℃、2569.8t/hの戻り温水ＨＷ（Ｒ）の第１系統（2446.1t/h）は、凝縮器１４の内部を流れる高温高圧の冷媒蒸気と熱交換されて40℃から50℃に温度が上昇する。さらに、ジャケットウオーター90℃、58.1t/hが熱交換器１７Ａに循環供給され、さらにその熱交換された冷却水が熱交換器１７Ｂを循環することにより、凝縮器１４を通過した戻り温水はこの熱交換器１７Ｂでの熱交換により50℃から50.2℃に温度が上昇する。また戻り温水ＨＷ（Ｒ）の第２系統（123.7t/h）は、吸収式冷凍機２４の吸収器２８で熱をもらって40℃から57℃に温度が上昇し、さらに、凝縮器２６で熱をもらって57℃から70℃に温度が上昇する。これら第１系統の温水と第２系統の温水とが混合されて、温度が51.8℃の送り温水ＨＷ（Ｓ）として配管３２から温水利用装置に供給される。
【００３１】
また、配管２９を介して供給される冷水利用装置からの13℃、2016.1t/hの戻り冷水ＣＷ（Ｒ）は、圧縮式冷凍機の蒸発器１６で冷却されて13℃から3℃に温度が低下して、送り冷水ＣＷ（Ｓ）となって冷水送り管３０から冷水利用装置に送出される。
【００３２】
このとき、オイルクーラー５及びエアークーラー４での熱交換で温められた30℃、150.3t/hの冷却水が吸収式冷凍機２４の蒸発器２７により20℃に冷却されて再びオイルクーラー５及びエアークーラー４に循環供給される。
【００３３】
ところで、配管３０から冷水利用装置に供給される3℃の送り冷水ＣＷ（Ｓ）の温度は、冷水利用装置の負荷の変動や、周囲温度の変化などによって、変動する。
【００３４】
この送り冷水ＣＷ（Ｓ）を常時、例えば3℃の所望設定温度に保つ必要がある場合には、送り冷水ＣＷ（Ｓ）の温度を温度検出器３３で検出し、検出された温度を制御装置３４に与えて、制御装置３４からの指令によってエンジン１の流量制御弁２の開度を調節して、エンジン１の燃焼量を制御すればよい。たとえば、送り冷水ＣＷ（Ｓ）の温度が所定値の例えば3℃より高くなれば流量制御弁２の開度を大きくなるように調節して、エンジン１の燃焼量を増やすように制御する。そうすれば、蒸発器１６の温度が下がって冷水の温度を3℃に保つ。逆に、送り冷水ＣＷ（Ｓ）の温度が所定値の例えば3℃より低くなれば流量制御弁２の開度を小さくなるように調節して、エンジン１の燃焼量を減らすように制御する。そうすれば、蒸発器１６の温度が上がって冷水の温度を3℃に保つことができるようになる。
【００３５】
また、オイルクーラー５とエアークーラー４の冷却水の温度が変動するとエンジン１の運転に支障を来す恐れがあるため、この冷却に使用される冷却水（ブライン）の温度を吸収式冷凍機の蒸発器出口で温度検出器３５により検出し、制御装置３６から流量制御弁２０に制御信号を送り、補助ボイラ１９の燃焼量を制御する。たとえば、検出温度が所定値の例えば20℃より高くなれば流量制御弁２０の開度を大きくしてなるように調節して、補助ボイラ１９の燃焼量を増やすように制御する。
【００３６】
なお、この実施例では送り温水ＨＷ（Ｓ）の温度制御は行っていないので、送り温水ＨＷ（Ｓ）の温度が低くなる場合には温水送り管３２に追い炊きボイラ（図示しない）を配置して必要な温度を確保する。
【００３７】
なお、エンジン１に発電機を結合することで、冷水、温水負荷の必要度に応じて発電を行う構成とすることも可能である。
【００３８】
以上に説明したように、本発明による熱利用システムでは、燃料はまずポテンシャルが高くて利用しやすい動力に利用し、ついでカスケード式に温度の高い排気ガスを利用して排ガスボイラで蒸気を発生し、前者の動力を用いて圧縮式冷凍機を駆動し、後者の蒸気と不足分を補う補助ボイラの蒸気を利用して吸収式冷凍機を駆動している。しかも冷水のみでなく、これらの冷凍機の機能を活かして、通常は冷却水に捨てられる冷水からの放熱を熱回収して温水に有効に利用し、冷水と温水とを同時に供給するとともに、駆動源であるエンジンの運転により発生する廃熱をも熱源として用いることにより、全体システムとしての効率を改善している。勿論このためには単に組み合わせるのではなく、各エネルギー源（動力、排気ガス及び廃熱）の特性を考慮し、かつ複数種類の冷凍機を特性と温水及び冷水の順序を巧みに組み合わせることによって、はじめて全体としての効率が大幅に改善されることは上述したとおりである。
【００３９】
この効率の例を実施例についてみると、通常コージェネレーションシステムＣＧＳの熱効率は、低位発熱量基準で原動機が43.8％、排熱回収が35.9％で、合計79.6％程度であるが、本発明の実施例を成績係数ＣＯＰ（利用熱量を入熱量で除した値）で表現すると、成績係数ＣＯＰが4.28となる。すなわち、入力（エンジンへの入熱＋補助ボイラへの入熱）100に対し出熱（冷熱＋温熱）428が有効に利用できることになる。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳しく説明したことから明らかなように、本発明の構成によれば、熱利用システムとして、二つの種類の異なる冷凍機を組み合わせエンジンの駆動力及び排気ガスを有効に利用し、排気ガスの不足分をボイラで補うことで、通常は冷却水に放熱されている廃熱をも有効に利用することにより、冷水および温水を同時に供給する構成とするとともに、エンジンに発生する廃熱をも利用することにより、全体としての熱効率を大幅に改善することができる。すなわち、本発明では、燃料はまずポテンシャルが高くて利用しやすい動力に利用し、ついでカスケード式に温度の高い排気ガスを利用して排ガスボイラで蒸気を発生し、前者の動力を用いて圧縮式冷凍機を駆動し、後者の蒸気と不足分を補うボイラの蒸気を利用して吸収式冷凍機を駆動している。しかも冷水のみでなく、これらの冷凍機の機能を活かして、通常は冷却水に捨てられる冷水からの放熱を熱回収して温水に有効に利用し、冷水と温水とを同時に供給するとともに、駆動源であるエンジンの運転により発生する廃熱をも熱源として用いることにより、全体システムとしての効率を大幅に改善している。勿論このためには各機器を単に組み合わせるのではなく、各エネルギー源（動力及び排気ガス）の特性を考慮し、かつ複数種類の冷凍機を特性と温水及び冷水の順序を巧みに組み合わせることによって、はじめて全体としての効率を大幅に改善することが可能になったものである。
【００４１】
そして、冷水負荷へ供給する冷水の温度を検出し、この冷水の温度が予め定められた温度になるように、エンジンへ供給される燃料の量を制御することで、熱利用システムとして予め設定した温度の冷水を安定して供給することができる。
【００４２】
また、エンジンの冷却水の温度を吸収式冷凍機の蒸発器から出るブライン温度を検出し、ボイラの燃料の量を制御することで、エンジンの運転を安定して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱利用システムの実施例を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン
２  流量制御弁
３  過給器（スーパーチャージャー）
４  エアークーラー
５  オイルクーラー
６  ジャケット
７  流量制御弁
８  流量制御弁
１３  圧縮機
１４  圧縮式冷凍機の凝縮器
１６  圧縮式冷凍機の蒸発器
１８  排ガスボイラ
１９  補助ボイラ
２０  流量制御弁
２４  吸収式冷凍機
２５  吸収式冷凍機の再生器
２６  吸収式冷凍機の凝縮器
２７  吸収式冷凍機の蒸発器
２８  吸収式冷凍機の吸収器
２９  冷水戻り管
３０  冷水送り管
３１  温水戻り管
３２  温水送り管
３３  温度検出器
３４  制御装置
３５  温度検出器
３６  制御装置
【図１】
0003986633.tif 000002