工場に眠る未利用熱のさらなる有効活用へ　一重効用ダブルリフト吸収冷凍機の実用化

2台分を1台にして小型化・効率化をはかる

低温廃熱の利用には何が必要か？ 原理から単純に考えれば、2台の吸収冷凍機を並べてつなげばそれは可能です。60℃程度の温水から７℃の冷水を作るためには、吸収冷凍機を２段として、１段目の冷凍機で発生した15℃程度の冷水を２段目の冷却水として用いる方法があります（図4）。

「けれども、冷凍機を2台置いた装置をそのまま世に出しても、コストも設置面積もかさんで普及しないのは明らかです。工夫をしてコストを下げ、大きさもコンパクトにする必要があります」と、内田さんは開発の狙いを説明します。

図4　2台の吸収冷凍機を並べて冷房利用可能な冷水を作る仕組み。原理的には、加熱力が弱い温水（60℃）を活用するには、冷凍サイクルを2段化すればよいが、1段目、2段目それぞれに駆動熱源が必要で、コストと設置面積も２倍になってしまい、実用化には適さない　（資料提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

そこでプロジェクトでは、1台のコストと大きさで、２台分の働きをする吸収冷凍機を目指しました。「1台の吸収冷凍機には、蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器の4つの素子（熱交換器）があります。単純に冷凍機2台を並べると素子の数は2倍の8つになりますが、1台にまとめると、蒸発器と凝縮器はそれぞれ1つに集約できます。すると残る課題は、吸収器と再生器となります」と藤居さんは説明します。

では「吸収」と「再生」をどのような設計にするか。内田さんや藤居さんらがまず取り組んだのが、「吸収」と「再生」における「ダブルリフトサイクル」の設計でした。60℃程度の低温の熱を生かすための仕組みで、吸収冷凍の大きなサイクルに、もう一つ小さなサイクルを組み込んだ状態になっています（図5）。

図5　二つのサイクルを合成し、蒸発器と凝縮器を共用することで
低温廃熱水で駆動できる「ダブルリフトサイクル」を構成する　(資料提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

「ダブルリフトサイクル」の過程を順番にたどると、吸収器で「吸収」した冷媒（水）を再生器で熱して気化させる「再生」の過程を踏んだあと、その気化した冷媒（水）を補助吸収器でさらに「吸収」させてから補助再生器へと送り込み、ここでも冷媒（水）を熱して気化させる「再生」の過程を踏むというものです。つまり「吸収」と「再生」を2段式で実行します（図6）。「吸収」と「再生」を２段にすることで低温の廃熱でも、高温廃熱を利用したときと同程度のエネルギーを得ることができ、結果として冷房に使用できる低温水を作り出せます。

図6　「ダブルリフトサイクル」の模式図　（資料提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

これだけで１台分のコストと大きさで低温廃熱を利用する吸収冷凍機を実現することはできそうですが、さらに、プロジェクトのもうひとつの狙いであった「広域な温度範囲の熱を使う」効用を高めるため、「ダブルリフトサイクル」の前段に、95℃の高温廃熱で冷媒（水）を気化させる「再生」過程も取り入れることにしました。　高温廃熱を一度「再生」過程で利用し、その後、温度が下がった廃熱を「ダブルリフトサイクル」で、もう一度「再生」に利用することで、大きな効用向上が実現します（図7）。

図7　本プロジェクトで実現を目指した冷凍サイクルの原理。低温の熱で駆動される「ダブルリフトサイクル」（左）と、従来から使われている高温の熱を利用した「一重効用サイクル」（中）を組み合わせて、「一重効用ダブルリフトサイクル」（右）を実現し、広域な温度範囲の熱回収を目指す　（資料提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

「もちろん、線図で表したりすることは簡単です。それをどう形にするかの難しさは、また別にありました」と藤居さんは振り返ります。

機器の開発では、まずは単純な「ダブルリフトサイクル」の原理試作機（図8）を作ることから始めました。その結果、60℃の温水を熱源として、冷房に利用できる7℃の冷水を作ることが可能であることが実証できました。そして次の段階として、「一重効用ダブルリフトサイクル」を採り入れた機能試作機を作り（図9）、原理どおりに冷却できるかを確かめました。

図8　開発の第一段階として「ダブルリフトサイクル」の原理試作機を製作。60℃の温水による動作を確認　 (出典：日本機械学会論文集　88巻906号)

図9　機能試作機の原理　(資料提供：日立ジョンソンコントロールズ空調)

機能試作機までで、高温再生とダブルリフト再生を組み合わせた機能面の確認はできましたが、製品化するためには課題が残っていました。

「それでもまだコンパクト化のため、製品幅を小さくする必要がありました。また、大量の冷媒の水蒸気が機内でスムーズに移動できるように、各機器をつなぐダクトも十分な通過面積を確保するように注意して設計しました」と内田さんは振り返ります。

つまり機能試作機からもう一段、各素子などの配置を改良する必要があったわけです。そのためにレイアウトを5案ほど考え、最善と考えられる案を基に製品試作機が作られました。

「機能試作機から製品試作機にかけて大きく変更したのは、横並びだった補助吸収器や補助再生器などを縦に並べたことです」と藤居さんは改良点を挙げます。横並びだと幅をとりますが、縦並びにすれば設置面積は小さくできます。

一方、これまで使用したことのない部品などはできるだけ使わないことを心がけたと藤居さんは言います。「従来から使っている部品には信頼性があります。われわれの経験に基づいた信頼できる部品を使いながら、仕組みとしては新しいものを実現していきました」と内田さんが補足します（写真3）。

写真3　コンピュータを利用した素子・部品レイアウトの検討　（再現イメージ）

こうして、2台を単純に組み合わせただけの原理試作機から、機能試作機、さらに製品試作機と進むにつれ、装置はコンパクトになり、エネルギー効率も大幅に向上していきました（図10、表1、写真4、5）。

図10　製品試作機の原理　（資料提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

表1　原理試作機、機能試作機と製品試作機のサイズ、能力比較　（資料提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

写真4、5　製品試作機の組み立て風景　（写真提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

柔軟な熱利用へ「パラレルフロー」の採用

冷媒（水）と吸収剤からなる溶液である吸収液を、「吸収」から、高温と低温での「再生」にいかに流していくかについても、検討を重ねました。

「いくつか選択肢があるなかで、われわれは『パラレルフロー』方式を選びました」と内田さんは言います。

「パラレルフロー」とは、吸収液を高温再生器と低温再生器に分配して流し込む方法のことです。流し込み方には他に、2つの再生器に順番に流し込む方式の「シリーズフロー」や、「シリーズフロー」と逆方向に流し込む方式の「リバースフロー」などもあります。「パラレルフロー」を選択したのは、「熱の使い方の重みづけを自由に変えやすい方式だからです」と藤居さんは説明します。

「これまでの吸収冷凍機では、『再生』に使う熱源の温度は固定されていました。これからは、あるときは高温の熱を使い、またあるときは低温の熱を使うといったように、使う熱の温度範囲がさまざまに変わる状況も増えてくるでしょう。その点、パラレルフローでは、使用する熱源温度に合わせて吸収液の流量を変えることでよりエネルギー効率が上げられます。流量調整はバルブ操作で簡単にできるので、設置後も高温の熱をより多く使いたいときは吸収液を高温側に多く流し、低温の熱をより多く使いたいときは吸収液を低温側に多く流すことができます（図11、写真6）」（藤居さん）

図11　設計イメージにおけるパラレルフロー。吸収器から出た吸収液を、高温再生器と低温再生器に分配して流す。流量の配分も調整可能　（資料提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

写真6　「DXSシリーズ」の操作画面に表示されるサイクルフロー図　（写真提供：日立ジョンソンコントロールズ空調）

状況に応じた計画変更でユーザーニーズに対応

NEDOプロジェクトの「柔軟性」により、技術開発の進むべき道を状況に応じてシフト変更できたことも実用化を後押ししたと藤居さんは言います。

「実は当初の計画は、『ダブルリフトサイクル』を採り入れるという単純なものでした。けれども、プロジェクト期間中、ユーザーに近い立場の方々の話を聞いていくと、廃熱を高温で使ってさらに低温でも使う高効用な利用法にニーズがあることがわかってきました。そこで、こうした情報や事情を、NEDO省エネルギー部の担当者にきちんと説明したところ、計画変更の了解を得られました。NEDOプロジェクトは、当初の計画書どおりに進めなければならないと思っていたので、この点はとてもありがたかったです」（藤居さん）

開発途中での計画変更はほかにもありました。NEDOから海外メーカーでは冷房能力の目標値をより高く設定しているといった最新の情報を提供したところ、「海外勢に負けてはいられない」（藤居さん）と、開発目標の修正を柔軟に行いました。