JP2010249331A - 蒸気エンジンを用いた冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】 蒸気エンジンを用いて所望温度の冷水を製造し、その冷水を空調に利用する。
【解決手段】 蒸気エンジン４は、蒸気を用いて動力を起こす装置であり、給蒸弁１４を介して蒸気が供給される。減圧タンク６は、中空容器から形成され、中途まで水が貯留される。圧縮機５は、蒸気エンジン４により駆動され、減圧タンク６内の気体を吸引排出して、減圧タンク６内を減圧する。これにより、減圧タンク６内の水は、蒸発を促され、その蒸発潜熱により冷却を図られる。減圧タンク６に設けた温度センサ２８の検出信号に基づき前記給蒸弁１４を制御して、減圧タンク６内の水を所望温度に維持する。このようにして得られる冷水は、外部熱交換器７に循環供給され、冷房に利用される。圧縮機５から吐出される高温の水蒸気は、熱交換器２３において、蒸気ボイラ３への給水と熱交換して凝縮され、給水タンク９に供給される。
【選択図】 図１

Description

この発明は、空調などのために用いられる冷凍機に関するものである。特に、蒸気エンジンを用いて駆動され、空調などのために冷水を得るためのチラーとして用いられる冷凍機に関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、圧縮式冷凍機の蒸発器を水との熱交換器として用い、蒸発器における冷媒の気化熱で水の冷却を図る装置（チラー）が知られている。この装置では蒸気圧縮式冷凍機が用いられるが、蒸気エゼクタによる蒸発器内の減圧を利用した蒸気噴射式冷凍機も知られている。また、このような圧縮式冷凍機の他、吸収式冷凍機も知られている。

特開２００７−２９２３５１号公報

蒸気圧縮式冷凍機を用いる場合、フロン系冷媒によるオゾン層の破壊などの問題がある。また、蒸気噴射式冷凍機では、蒸気エゼクタによる減圧能力の調整が困難であるから、水温調整が難しい。一方、吸収式冷凍機を用いる場合、設備が大掛かりとなる。さらに、いずれの冷凍機も、水の飽和温度に基づき圧縮機を制御するものではなく、水温を所望温度に簡易に保持しにくい。

この発明が解決しようとする課題は、簡易な構成および制御で、所望温度の冷水を得ることができる冷凍機を提供することにある。また、蒸気ボイラとの相性もよく、環境にもやさしい冷凍機を提供することを課題とする。

この発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジンと、中空容器から形成され、水が貯留される減圧タンクと、前記蒸気エンジンにより駆動され、前記減圧タンク内の気体を吸引排出して、前記減圧タンク内を減圧する水蒸気圧縮機と、前記減圧タンク内の圧力または温度に基づき、前記蒸気エンジンへの給蒸を制御する制御器とを備えることを特徴とする冷凍機である。

請求項１に記載の発明によれば、水を冷媒とするので、環境にやさしい冷凍機となる。また、減圧タンク内の圧力または温度に基づき、蒸気エンジンへの給蒸を調整することで、減圧タンク内の水および蒸気の飽和温度が調整される。減圧タンク内の飽和温度を監視して制御することで、所望温度の冷水を容易に得ることができる。

請求項２に記載の発明は、前記減圧タンク外に外部熱交換器が設けられ、前記減圧タンクと前記外部熱交換器とは、取出路と戻し路とを介して接続され、前記減圧タンクと前記外部熱交換器との間を、前記減圧タンク内の水が循環可能とされたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機である。

請求項２に記載の発明によれば、減圧タンクと外部熱交換器との間で水を循環させ、外部熱交換器にて被冷却物の冷却を図ることができる。たとえば、外部熱交換器を室内機として、空調機を構成することができる。

請求項３に記載の発明は、前記減圧タンク内に内部熱交換器が設けられる一方、前記減圧タンク外に外部熱交換器が設けられ、前記内部熱交換器と前記外部熱交換器とは、取出路と戻し路とを介して接続され、前記内部熱交換器と前記外部熱交換器との間を、被冷却液が循環可能とされたことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機である。

請求項３に記載の発明によれば、内部熱交換器と外部熱交換器との間で被冷却液を循環させ、外部熱交換器にて被冷却物の冷却を図ることができる。たとえば、外部熱交換器を室内機として、空調機を構成することができる。

請求項４に記載の発明は、空調機に用いられ、その室内機は前記外部熱交換器とファンとを備えることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の冷凍機である。

請求項４に記載の発明によれば、外部熱交換器を室内機として用いて、空調機を構成することができる。すなわち、外部熱交換器に、減圧タンクからの冷媒を通すことで、クーラーとすることができる。

請求項５に記載の発明は、前記空調機の起動時、前記水蒸気圧縮機による前記減圧タンク内の減圧により、前記減圧タンク内の水温が所定温度以下になるまで、前記ファンの回転を停止することを特徴とする請求項４に記載の冷凍機である。

請求項５に記載の発明によれば、減圧タンク内の水温が所定温度以下になるまでファンを停止させるので、空調機の起動時に、室内機から熱風が吹き出るのが防止される。

請求項６に記載の発明は、前記空調機の運転中、前記減圧タンク内の水温、前記戻し路内の液温、または前記室内機が設置される部屋の室温を監視し、この監視温度に基づき、前記取出路に設けたポンプ、および／または、前記ファンの作動を制御することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の冷凍機である。

請求項６に記載の発明によれば、水温もしくは液温、または室温に基づき、ポンプおよび／またはファンの作動が制御される。これにより、室内を一層快適な空間に維持することができる。

さらに、請求項７に記載の発明は、前記水蒸気圧縮機から吐出される水蒸気は、前記蒸気エンジンへ給蒸するためのボイラへの給水と熱交換され、その凝縮水はそのボイラへの給水タンクに供給されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍機である。

請求項７に記載の発明によれば、水蒸気圧縮機からの高温の水蒸気により、ボイラの給水が予熱される。また、その凝縮水は、ボイラの給水としてそのまま利用される。このようにして、省エネルギーを図ることができる。

この発明の冷凍機によれば、簡易な構成および制御で、所望温度の冷水を得ることができる。また、蒸気ボイラとの相性もよく、環境にもやさしい冷凍機とすることができる。

本発明の冷凍機の実施例１の使用状態を示す概略図である。 本発明の冷凍機の実施例２の使用状態を示す概略図である。

つぎに、この発明の実施の形態について説明する。
本発明の冷凍機は、蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジンと、この蒸気エンジンにより駆動される圧縮機と、この圧縮機の吸込みにより減圧されて貯留水の冷却が図られる減圧タンクとを備える。

蒸気エンジンは、蒸気を用いて動力を起こす装置であり、蒸気タービンまたはスクリュ式蒸気エンジンなどで構成される。この際、同種または異種の複数の装置で構成されてもよい。なお、スクリュ式蒸気エンジンは、互いにかみ合うスクリュロータ間に蒸気が導入され、その蒸気によりスクリュロータを回転させつつ蒸気を膨張して減圧し、その際のスクリュロータの回転により動力を得る装置である。

圧縮機は、蒸気エンジンにより駆動され、減圧タンク内の気体を吸い込んで、圧縮して吐出する。圧縮機は、往復式や回転式など、その種類を特に問わないが、たとえばスクリュ式とされる。スクリュ式圧縮機は、互いにかみ合って回転するスクリュロータ間に気体を吸入して、スクリュロータの回転により圧縮して吐出する装置である。圧縮機も、同種または異種の複数の装置で構成されてもよい。

減圧タンクは、中空容器から形成され、中途まで水が貯留される。圧縮機は、減圧タンク内の気相部に接続され、減圧タンク内の気体を吸引排出して、減圧タンク内を減圧する。

減圧タンク内が減圧されると、減圧タンク内の水は真空冷却を図られる。すなわち、減圧タンク内が減圧されると、減圧タンク内の飽和温度が低下する。従って、減圧タンク内の水は、その水温が前記飽和温度よりも高ければ、蒸発を促され、その蒸発潜熱により冷却を図られる。この際、蒸発により生じる水蒸気は、圧縮機により吸引排出される。そのため、圧縮機は、水蒸気圧縮機ということができる。

このようにして、減圧タンク内を所望の圧力まで減圧維持して、減圧タンク内の水を所望の温度とすることができる。このような一連の処理の際には、減圧タンク内へ適宜給水することで、減圧タンク内を所望の水位に維持することが好ましい。

蒸気エンジンには、蒸気供給源から給蒸路を介して、蒸気が供給される。蒸気供給源は、典型的には蒸気ボイラである。蒸気ボイラには給水タンクから水（通常、軟水が用いられる）が供給され、その水は蒸気ボイラにて蒸気化される。蒸気ボイラからの蒸気は、蒸気エンジンの他、所望により、各種の蒸気使用装置に供給可能とされる。この際、蒸気ボイラからの蒸気は、一旦、蒸気ヘッダに供給され、その蒸気ヘッダの蒸気が、給蒸路を介して蒸気エンジンに供給されたり、蒸気使用装置に供給されたりしてもよい。一方、蒸気エンジンにて使用後の蒸気は、排蒸路を介して排出される。

蒸気エンジンは、蒸気を減圧するものであるから、減圧弁としても機能する。それ故、特にスクリュ式蒸気エンジンの場合、蒸気エンジンにて使用後の蒸気は、従来の減圧弁通過後の蒸気と同様に利用可能である。すなわち、従来、蒸気ボイラからの蒸気は、減圧弁を介して蒸気使用装置に供給されるが、それと同様に、蒸気エンジンにて使用後の蒸気も、蒸気使用装置に供給できる。この際、蒸気エンジンからの蒸気は、排蒸路を介して一旦、蒸気ヘッダに供給され、その蒸気ヘッダの蒸気が、蒸気使用装置に供給されてもよい。

蒸気エンジンの制御は、蒸気エンジンへの給蒸の有無または量を制御してなされる。具体的には、蒸気エンジンへの給蒸路に給蒸弁を設け、この給蒸弁の開閉または開度を制御する。これにより、蒸気エンジンへの給蒸の有無または量を変更でき、蒸気エンジンの作動の有無または出力を変更できる。

たとえば、蒸気エンジンが蒸気タービンの場合、給蒸弁の開閉を制御することで、蒸気タービンへの給蒸の有無を切り替えればよい。これにより、蒸気タービンの作動の有無を変更することができる。一方、蒸気エンジンがスクリュ式蒸気エンジンの場合、蒸気タービンの場合と同様に給蒸弁の開閉を制御してもよいし、給蒸弁の開度を制御してもよい。給蒸弁の開度を制御する場合、スクリュ式蒸気エンジンへの給蒸量を調整して、スクリュ式蒸気エンジンの出力を変更することができる。

但し、蒸気エンジンの制御は、以上の構成に限らない。すなわち、蒸気エンジンは、給蒸の有無または量が変更可能であれば足り、給蒸路に給蒸弁を設けて、その給蒸弁により制御する必要は必ずしもない。たとえば、蒸気エンジンに対する給蒸路と排蒸路とをバイパス路で接続し、このバイパス路に設けたバイパス弁の開閉または開度を制御してもよい。また、前記給蒸弁と前記バイパス弁の双方を設けて、蒸気エンジンへの給蒸の有無または量を制御してもよい。

蒸気エンジンは、減圧タンク内の圧力および／または温度に基づき、制御器により給蒸を制御される。そのために、減圧タンクには、圧力センサおよび／または温度センサが設けられる。減圧タンク内は飽和環境下とされるので、減圧タンク内の液相部または気相部のいずれに、いずれのセンサを設けてもよい。典型的には、減圧タンク内の液相部に温度センサを設けて水温を監視する。あるいは、これに代えてまたはこれに加えて、減圧タンク内の気相部に圧力センサを設けて圧力を監視する。

このようにして得られる冷水は、空調や食品冷却などに用いられる。冷水の利用の仕方により、次の二つの実施形態を挙げることができる。

第一実施形態では、減圧タンク外に外部熱交換器を設け、減圧タンクと外部熱交換器とを、取出路と戻し路とで接続する。そして、減圧タンクと外部熱交換器との間で、減圧タンク内の水をポンプにより循環可能とする。この場合、冷水は、外部熱交換器へ循環供給され、外部熱交換器において熱を奪うことになる。この実施形態の場合、戻し路から減圧タンク内へ水を戻す際、散水または噴霧することで、貯留水の冷却を促すこともできる。

第二実施形態では、減圧タンク内に内部熱交換器を設ける一方、減圧タンク外に外部熱交換器を設け、内部熱交換器と外部熱交換器とを、取出路と戻し路とで接続する。そして、内部熱交換器と外部熱交換器との間で、被冷却液（水でもよい）をポンプにより循環可能とする。この場合、被冷却液は、内部熱交換器において冷水で冷却され、外部熱交換器において熱を奪うことになる。

その他の実施形態として、減圧タンク内の水は、所望温度まで冷却されてから、大気圧まで戻した後または戻しつつ、負荷との熱交換（たとえば食材の冷却）に使用され、使い捨てられてもよい。この場合、減圧下の水を大気圧に戻すことで、蒸発潜熱を利用することもできる。また、前記第二実施形態において、被冷却液は、内部熱交換器に通されて冷却を図られた後、負荷との熱交換に使用され、使い捨てられてもよい。このように、第一実施形態および第二実施形態では、循環仕様とされるが、流水仕様としてもよい。

第一実施形態および第二実施形態の冷凍機は、好適には空調機に用いられる。この場合、空調機は、室内機として、前記外部熱交換器とファンとを備える。一方、蒸気エンジンおよび圧縮機の他、減圧タンクは、通常、室外機とされる。

空調機は、前述したように、減圧タンク内の圧力および／または温度に基づき、蒸気エンジンへの給蒸を制御されて、減圧タンク内の水温が所望温度とされる。減圧タンク内の水を攪拌することで、水温にムラが生じるのを防止してもよい。

空調機の起動時には、圧縮機による減圧タンク内の減圧により、減圧タンク内の水温が所定温度以下になるまで、ファンの回転を停止するのがよい。これにより、空調機の起動時に、室内機から熱風が吹き出るのが防止される。また、この際、ポンプを作動させておけば、前述した取出路や戻し路内の液体の冷却を図ることもできる。

空調機の運転中、減圧タンク内の水温、戻し路内の液温、または室内機が設置される部屋の室温を監視し、この監視温度に基づき、蒸気エンジンへの給蒸を制御してもよい。たとえば、減圧タンク内の水温を設定温度域に維持する場合、その上限温度になれば、給蒸弁を開いて蒸気エンジンを作動させ、下限温度になれば、給蒸弁を閉じて蒸気エンジンを停止させる。あるいは、減圧タンク内の水温に基づき、給蒸弁の開度を制御して、減圧タンク内の水温を設定温度域に維持してもよい。減圧タンク内の水温ではなく、戻し路内の液温や、室内機が設置される室温に基づいても、同様に制御できる。

また、空調機の運転中、減圧タンク内の水温、戻し路内の液温、または室内機が設置される部屋の室温を監視し、この監視温度に基づき、取出路に設けたポンプ、および／または、ファンの作動を制御してもよい。たとえば、減圧タンク内の水温が所定温度を超えると、ポンプおよび／またはファンを停止することで、室内への熱風が吹き出るのが防止される。また、液温または室温に基づき、ポンプおよび／またはファンの作動を制御することで、室内を所望温度に維持することが図られる。

上述した冷凍機によれば、減圧タンク内の飽和温度（飽和圧力ともいえる）を調整することで、所望温度の冷水を得ることができる。これにより、空調機に用いる場合には、減圧タンク内の飽和温度を変更することで、冷水温度を変更して、室内の目標温度を変更することができる。

ところで、圧縮機から吐出される水蒸気は、蒸気エンジンへ給蒸するための蒸気ボイラへの給水と熱交換させるのがよい。さらに、その凝縮水は、ボイラへの給水タンクに供給するのがよい。すなわち、圧縮機からの高温高圧の水蒸気は、ボイラへの給水などと熱交換器にて熱交換を図られた後、給水ポンプより上流側（たとえば給水タンク）へ戻すのがよい。この場合、減圧タンク内に貯留される水は、ボイラへの給水と同様に、軟水とするのが好ましい。

また、上述した冷凍機の場合、減圧タンクなどから構成される冷凍回路内に空気が存在すると、空気分圧の上昇により蒸発潜熱の低下を招くので、冷凍回路内には空気が混入されない構成とされる。また、冷凍機の起動時に、前記圧縮機を用いて、冷凍回路内からの空気排除を図ってもよい。この空気排除中、圧縮機からの吐出気体は、蒸気ボイラへは戻されない。さらに、減圧タンクに補給される水も、脱気を図られたものとするのが好ましい。

以下、この発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の冷凍機の実施例１の使用状態を示す概略図である。本実施例の冷凍機１は、空調のために冷水を得るためのチラーとして用いられ、空調機２の一部を構成する。

本実施例の冷凍機１は、蒸気ボイラ３からの蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジン４と、この蒸気エンジン４により駆動される圧縮機５と、この圧縮機５の吸込みにより減圧されて貯留水の冷却が図られる減圧タンク６と、この減圧タンク６内の水が給排水される外部熱交換器７とを備える。そして、このような構成の冷凍機１と、その外部熱交換器７を介して室内へ送風するためのファン８とから、空調機２が構成される。この場合、空調機２の室内機は、外部熱交換器７とファン８とを備える。一方、蒸気エンジン４および圧縮機５の他、減圧タンク６は、通常、室外機とされる。図１において、一点鎖線は、室内外の仕切りを示している。

蒸気ボイラ３は、その構成を特に問わないが、図示例の場合、円筒状の缶体を備える貫流ボイラとされる。蒸気ボイラ３には、給水タンク９内の水が、給水ポンプ１０により給水路１１を介して供給可能とされる。給水タンク９は、所定量の水を貯留する。この水は、好ましくは軟水とされる。軟水を用いる場合、給水タンク９への給水路１２には、軟水装置（図示省略）が設置される。軟水装置は、イオン交換樹脂などを用いて、原水中に含まれるカルシウムやマグネシウムなどの硬度分を除去する装置である。

このようにして蒸気ボイラ３に供給された水は、バーナの燃焼により加熱され蒸気化される。その蒸気は、気水分離器（図示省略）や主蒸気弁（図示省略）の他、所望により蒸気ヘッダ（図示省略）を介して、蒸気エンジン４や蒸気使用装置（図示省略）に供給される。

蒸気エンジン４は、蒸気を受けて動力を起こし、圧縮機５を駆動する。蒸気エンジン４は、その構成を特に問わないが、たとえば蒸気タービンやスクリュ式蒸気エンジンとされる。スクリュ式蒸気エンジンは、互いにかみ合うスクリュロータ間に蒸気が導入され、その蒸気によりスクリュロータを回転させつつ蒸気を膨張して減圧し、その際のスクリュロータの回転により動力を得る装置である。蒸気エンジン４は、同種または異種の複数の装置で構成されてもよい。

蒸気エンジン４には、蒸気ボイラ３からの蒸気が、給蒸路１３を介して供給される。蒸気ボイラ３から蒸気エンジン４への給蒸路１３には、給蒸弁１４が設けられる。この給蒸弁１４の開閉を制御することで、蒸気エンジン４の作動の有無が切り替えられる。但し、給蒸弁１４の開度を制御して、蒸気エンジン４の出力を調整可能としてもよい。

蒸気エンジン４にて使用後の蒸気は、排蒸路１５を介して排出される。蒸気エンジン４は、蒸気を減圧するものであるから、減圧弁としても機能する。それ故、特にスクリュ式蒸気エンジンの場合、蒸気エンジン４にて使用後の蒸気は、従来の減圧弁通過後の蒸気と同様に利用可能である。すなわち、従来、蒸気ボイラ３からの蒸気は、減圧弁を介して蒸気使用装置に供給されるが、それと同様に、蒸気エンジン４にて使用後の蒸気も、蒸気使用装置に供給できる。この際、蒸気エンジン４からの蒸気は、排蒸路１５を介して蒸気ヘッダ（図示省略）に供給され、その蒸気ヘッダの蒸気が、蒸気使用装置に供給されてもよい。

圧縮機５は、その構成を特に問わないが、たとえばスクリュ式の圧縮機とされる。スクリュ式圧縮機は、互いにかみ合って回転するスクリュロータ間に気体を吸入して、スクリュロータの回転により圧縮して吐出する装置である。圧縮機５も、同種または異種の複数の装置で構成されてもよい。

圧縮機５は、蒸気エンジン４により駆動される。この際、蒸気エンジン４の出力軸１６と、圧縮機５の入力軸１７とは、発電機を介することなく、カップリング１８で接続される。但し、出力軸１６と入力軸１７とは、クラッチを介して接続されてもよい。この場合、蒸気エンジン４による圧縮機５の駆動の有無を、クラッチにより切り替えることができる。また、クラッチは、変速機を備えてもよい。この場合、変速比を変更することで、圧縮機５の吐出圧力を変更することができる。さらに、出力軸１６と入力軸１７とは、電動機（モータ）を介して接続されてもよい。この場合、圧縮機５は、蒸気エンジン４と電動機との内、一方または双方により駆動可能に、駆動割合を変更可能とされる。

減圧タンク６は、中空容器から形成され、圧縮機５の吸込みにより減圧可能とされる。減圧タンク６内へは、補給水路１９を介して水が供給可能とされる。減圧タンク６内は圧縮機５により減圧されるので、補給水路１９からの水は、減圧弁２０を介して減圧タンク６内に供給される。補給水路１９には、減圧弁２０の他、給水弁（図示省略）が設けられており、この給水弁を制御することで、減圧タンク６内は所定水位に維持される。

このようにして、減圧タンク６内は、中途まで水が貯留され、下方が液相部とされ、上方が気相部とされる。減圧タンク６の気相部には、排気路２１を介して圧縮機５が接続される。これにより、圧縮機５を駆動すると、減圧タンク６内の気体が圧縮機５へ吸引排出され、減圧タンク６内の減圧が図られる。

減圧タンク６内が減圧されると、減圧タンク６内の水は真空冷却を図られる。すなわち、減圧タンク６内が減圧されると、減圧タンク６内の飽和温度が低下する。従って、減圧タンク６内の水は、その水温が前記飽和温度よりも高ければ、蒸発を促され、その蒸発潜熱により冷却を図られる。この際、蒸発により生じる水蒸気は、圧縮機５により吸引排出される。そのため、圧縮機５は、水蒸気圧縮機ということができる。

圧縮機５は、減圧タンク６から吸い込んだ水蒸気を、断熱圧縮して高温の水蒸気とする。圧縮機５から吐出される高温の水蒸気は、蒸気ボイラ３への給水の予熱に利用される。そのために、本実施例では、蒸気ボイラ３への給水路１１の中途（図示例では給水ポンプ１０と蒸気ボイラ３との間）と、圧縮機５からの水蒸気吐出路２２の中途とに、熱交換器２３を設置している。これにより、圧縮機５からの高温の水蒸気は、蒸気ボイラ３への給水と間接熱交換して、凝縮を促される。その後、その凝縮水は、給水タンク９内に入れられる。このような点を考慮して、補給水路１９から減圧タンク６に供給される水は、蒸気ボイラ３への給水と同様に、軟水（特に脱気された軟水）であるのが好ましい。

空調機２が設置される室内には、室内機として、外部熱交換器７とファン８とが設けられる。外部熱交換器７は、取出路２４と戻し路２５とを介して、減圧タンク６と接続される。この際、少なくとも取出路２４は、減圧タンク６の液相部に接続される。逆にいうと、減圧タンク６内の水位は、取出路２４との接続口よりも上方に維持される。また、取出路２４には、循環ポンプ２６が設けられる。これにより、減圧タンク６内の水は、取出路２４を介して外部熱交換器７に供給され、戻し路２５を介して減圧タンク６に戻される。戻し路２５から減圧タンク６内に水を戻す際、減圧タンク６内の上部から散水または噴霧してもよい。減圧タンク６内は圧縮機５より減圧され、また循環ポンプ２６の吐出圧を考慮して、戻し路２５には減圧弁２７が設けられる。

ファン８は、それを作動させた際に生ずる風が、外部熱交換器７を通るように設置される。この際、ファン８からの吐出空気が、外部熱交換器７を通過して室内へ送り出されてもよいし、ファン８への吸込空気が、外部熱交換器７を通過し、その後、ファン８により室内へ送り出されてもよい。

減圧タンク６には、圧力センサおよび／または温度センサが設けられる。図示例では、減圧タンク６の液相部に温度センサ２８を設け、減圧タンク６内の水温を検出する。これに代えてまたはこれに加えて、減圧タンク６の気相部に圧力センサを設け、減圧タンク６内の圧力を検出してもよい。

蒸気エンジン４への給蒸弁１４、ファン８のモータ２９、取出路２４の循環ポンプ２６、減圧タンク６の温度センサ２８などは、制御器３０に接続される。そして、制御器３０は、温度センサ２８の検出温度に基づき給蒸弁１４を制御して、減圧タンク６内の水を所望温度に冷却して維持する。この際、温度センサ２８に代えて圧力センサを用い、圧力センサの検出圧力に基づき給蒸弁１４を制御してもよい。いずれにしても、減圧タンク６内の飽和温度（飽和圧力）を調整することで、所望温度の冷水を得ることができる。また、その飽和温度を変更することで、冷水温度を変更することができる。そして、制御器３０は、循環ポンプ２６を作動させることで、減圧タンク６内の水を外部熱交換器７に循環供給する。この際、ファン８を作動させることで、室内を効果的に冷房することができる。

但し、空調機２の起動時、制御器３０は、減圧タンク６内の水温を温度センサ２８により監視して、減圧タンク６内の水温が所定温度以下（典型的には前記所望温度）になるまで、ファン８の回転を停止するのがよい。これにより、空調機２の起動時に、室内機から熱風が吹き出るのが防止される。また、この間、循環ポンプ２６は作動させておけば、取出路２４や戻し路２５内の水の冷却も図ることができる。さらに、循環ポンプ２６の作動による水の循環により、減圧タンク６内の水を攪拌して、温度ムラを軽減することもできる。

また、空調機２の運転中、制御器３０は、減圧タンク６内の水温、戻し路２５内の液温、または室内機が設置される部屋の室温を監視し、この監視温度に基づき、蒸気エンジン４への給蒸を制御してもよい。たとえば、減圧タンク６内の水温を設定温度域に維持する場合、その上限温度になれば、給蒸弁１４を開いて蒸気エンジン４を作動させ、下限温度になれば、給蒸弁１４を閉じて蒸気エンジン４を停止させればよい。あるいは、減圧タンク６内の水温に基づき、給蒸弁１４の開度を制御して、減圧タンク６内の水温を設定温度域に維持してもよい。減圧タンク６内の水温ではなく、戻し路２５内の液温や、室内機が設置される室温に基づいても、同様に制御できる。なお、戻し路２５内の液温は、戻し路２５に設ける温度センサ（図示省略）により検出され、室温は、室内に設置される温度センサ（図示省略）により検出される。

さらに、空調機２の運転中、制御器３０は、減圧タンク６内の水温、戻し路２５内の液温、または室内機が設置される部屋の室温を監視し、この監視温度に基づき、取出路２４に設けた循環ポンプ２６、および／または、ファン８の作動を制御してもよい。たとえば、減圧タンク６内の水温が所定温度を超えると、循環ポンプ２６および／またはファン８を停止することで、室内への熱風が吹き出るのが防止される。また、液温または室温に基づき、循環ポンプ２６および／またはファン８の作動を制御することで、室内を所望温度に維持することが図られる。

このように、本実施例の冷凍機１およびこれを用いた空調機２によれば、減圧タンク６内の飽和温度または飽和圧力を調整して、所望温度の冷水を製造し、室内の冷房を図ることができる。ところで、前記空調機２は、冬場に備えて、前記外部熱交換器７に、蒸気または温水を通すことで、暖房可能に構成してもよい。具体的には、蒸気ボイラ３からの蒸気またはこれにより加熱した温水を、前記外部熱交換器７に通せばよい。

図２は、本発明の冷凍機およびこれを用いた空調機の実施例２を示す概略図である。本実施例２の冷凍機および空調機は、前記実施例１の冷凍機および空調機と、基本的には同一の構成である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。

前記実施例１では、減圧タンク６と外部熱交換器７とを、取出路２４と戻し路２５とを介して接続し、減圧タンク６内の水を外部熱交換器７に循環供給したが、本実施例２では、減圧タンク６内に内部熱交換器３１を設け、この内部熱交換器３１と外部熱交換器７とを、取出路２４と戻し路２５とを介して接続し、内部熱交換器３１と外部熱交換器７との間で、被冷却液を循環ポンプ２６により循環させる構成である。図示例では、内部熱交換器３１は、減圧タンク６の液相部に設けられているが、気相部に設けられてもよい。その他の構成および制御は、前記実施例１と同様のため、説明は省略する。

前記各実施例の構成によれば、水を冷媒とするので、環境にやさしい冷凍機１および空調機２を実現することができる。また、減圧タンク６内は、所望の冷水温度が飽和温度となる程度の真空度になるように、圧力または温度が調整される。そして、この調整は、蒸気エンジン４への給蒸を調整することで、簡易になされる。

このような構成であるから、既設の蒸気ボイラ３を用いて、その余剰蒸気で冷房を図ることもできる。また、圧縮機５が蒸気で駆動されるので、従来の圧縮式冷凍機や吸収式冷凍機と比較して、電気や燃料の消費量を低減でき、二酸化炭素の排出量も低減することができる。

さらに、圧縮機５を用いて減圧タンク６内を減圧することで、高温の水蒸気が発生するが、それを蒸気ボイラ３の給水と熱交換し、凝縮水をそのまま蒸気ボイラ３の給水として用いることができる。これにより、システム全体の熱効率を向上することができる。

本発明の冷凍機およびこれを用いた空調機は、前記各実施例の構成に限らず適宜変更可能である。特に、蒸気エンジン４および圧縮機５は、所望する真空度に応じて、好適な構成が採用される。また、空調機２としての制御の仕方も、前記実施例に限定されず、適宜に変更可能である。また、前記各実施例では、循環ポンプ２６およびファン８は、オンオフ制御されたが、場合によりインバータ制御されてもよい。さらに、前記各実施例では、冷凍機１を空調機２として用いた例を示したが、冷凍機１の用途はこれに限らない。たとえば、冷凍機１で製造した冷水を用いて、食品冷却などを図ってもよい。

１ 冷凍機
２ 空調機
３ 蒸気ボイラ
４ 蒸気エンジン
５ 圧縮機
６ 減圧タンク
７ 外部熱交換器
８ ファン
９ 給水タンク
１４ 給蒸弁
２４ 取出路
２５ 戻し路
２６ 循環ポンプ
２８ 温度センサ
２９ モータ
３０ 制御器
３１ 内部熱交換器

Claims (7)

1. 蒸気を用いて動力を起こす蒸気エンジンと、
   中空容器から形成され、水が貯留される減圧タンクと、
   前記蒸気エンジンにより駆動され、前記減圧タンク内の気体を吸引排出して、前記減圧タンク内を減圧する水蒸気圧縮機と、
   前記減圧タンク内の圧力または温度に基づき、前記蒸気エンジンへの給蒸を制御する制御器と
   を備えることを特徴とする冷凍機。
2. 前記減圧タンク外に外部熱交換器が設けられ、
   前記減圧タンクと前記外部熱交換器とは、取出路と戻し路とを介して接続され、
   前記減圧タンクと前記外部熱交換器との間を、前記減圧タンク内の水が循環可能とされた
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
3. 前記減圧タンク内に内部熱交換器が設けられる一方、前記減圧タンク外に外部熱交換器が設けられ、
   前記内部熱交換器と前記外部熱交換器とは、取出路と戻し路とを介して接続され、
   前記内部熱交換器と前記外部熱交換器との間を、被冷却液が循環可能とされた
   ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍機。
4. 空調機に用いられ、その室内機は前記外部熱交換器とファンとを備える
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の冷凍機。
5. 前記空調機の起動時、前記水蒸気圧縮機による前記減圧タンク内の減圧により、前記減圧タンク内の水温が所定温度以下になるまで、前記ファンの回転を停止する
   ことを特徴とする請求項４に記載の冷凍機。
6. 前記空調機の運転中、前記減圧タンク内の水温、前記戻し路内の液温、または前記室内機が設置される部屋の室温を監視し、
   この監視温度に基づき、前記取出路に設けたポンプ、および／または、前記ファンの作動を制御する
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の冷凍機。
7. 前記水蒸気圧縮機から吐出される水蒸気は、前記蒸気エンジンへ給蒸するためのボイラへの給水と熱交換され、その凝縮水はそのボイラへの給水タンクに供給される
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍機。

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