JP2000179978A - 吸着式冷凍システムの作動方法 - Google Patents
吸着式冷凍システムの作動方法Info
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Abstract
着させる熱量以外の熱量を少なくして成績係数を向上さ
せ得る吸着式冷凍システムの作動方法を提供する。 【解決手段】 一面が固体吸着材を加熱、冷却する第1
伝熱面、他面が熱媒体の接触する第2伝熱面である隔壁
1により2つの領域4、5に区分し、第1伝熱面側領域
4に固体吸着材2を保有せしめた熱交換器3を用いて、
その第1伝熱面側領域4を凝縮器14及び蒸発器15に
接続する一方、第2伝熱面側の領域5に、熱媒体の熱源
装置7と冷却装置8を分離接続せしめた吸着式冷凍シス
テムにおいて、冷却されている隔壁1の第2伝熱面で加
熱熱媒体を凝縮液化して、その凝縮熱で固体吸着材2を
加熱し、冷媒蒸気を脱着させると共に、加熱されている
第2伝熱面で冷却熱媒体を蒸発気化させ、その蒸発熱で
固体吸着材2を冷却し、冷媒蒸気を固体吸着材に吸着さ
せて接続されている蒸発器14より冷熱を出力せしめ
る。
Description
脱着作用を利用して冷凍運転を行う吸着式冷凍システム
の作動方法、特に固体吸着材の冷媒吸脱着手段に新規性
を加えた蒸気冷凍システムの作動方法に関するものであ
る。
イムで吸脱着を交互に繰り返すことにより吸着時に蒸発
器の冷媒を吸着し、蒸発するときの冷媒の蒸発潜熱で蒸
発器より冷水を出力するものであり、本出願前より既に
公知である。(例えば特公平6−23628号公報参
照)
を終了した吸着材は次の吸着をさせるために加熱源で加
熱され、吸着した冷媒を脱着しなければならない。その
ため吸着材を加熱、冷却するための熱交換器が利用され
ているが、従来の吸着式冷凍機における吸着材への熱交
換器構造は吸着材に接する熱交換器が加熱時と冷却時に
共用され、同一回路におけるサイクルタイム毎に主とし
て脱着時には温水が、吸着時には冷却水が交互に流入す
るように構成され、具体的には吸着材、伝熱管、フィン
が隣接した構造となっている。
体の熱交換器は、伝熱管の管内を流れる物質と、伝熱管
の管外を流れる物質は、双方とも移動又は流動すること
を前提として考えられた構造であり、前記の如く移動又
は流動することができることにより、その速さ(水速な
ど)やフィンの形状に工夫をすることにより管内で流動
している物質と伝熱管との熱伝達と、伝熱管と管外を流
動する物質との熱伝達のバランスを調整することができ
る。
着材はシリカゲル、ゼオライト、活性炭、活性アルミナ
層などの固体吸着材で、熱伝導に劣っている物質であ
り、又、固体で流動性がないため、フィンとの熱伝達に
も劣っている。そのため、吸着材を加熱、冷却するため
には多数のフィンが設置された熱交換器のフィン間に吸
着材を充填する構造が必要であり、現在、そのような構
造として用いられているが、流動性がない管外物質と伝
熱管との熱伝達と管内を流動している物質と伝熱管との
熱伝達を比較した場合、前者が後者より大幅に劣ってお
り、バランスできていない。この時、伝熱管の使用する
量は、性能が劣っている方、即ち管外を基準に決定され
る。この場合は、流動性がない管外物質(吸着材)と伝
熱管の熱性能による。
使用され、形状は、水圧を考慮して管形状であり、管内
側から考えた場合、耐食性、耐水圧を考慮して、伝熱管
として銅管を使用するのは最適であるが、使用量は管外
側の熱特性で決定されているため必要以上になり、機械
のコスト、大きさに悪影響を及ぼしているのが現状であ
る。しかも、管外側から考えた場合、伝熱管の使用量は
最適であるが、耐食性、耐水圧を考慮した銅管を必要と
していない。このように、管内側と管外側にアンバラン
スが生じているのは、伝熱管という管体を使用している
ために生じている。
を終了した吸着材に対し次に吸着をさせるために加熱源
で加熱して吸着した冷媒を脱着させなければならない
が、吸着材を加熱又は冷却するための伝熱管に例えば加
熱源としての温水と例えば冷却源としての冷却水が交互
に流入する構造では脱着時に必要な熱量として、冷媒を
脱着させるための熱量以外に、吸着時に冷却源で冷却さ
れた吸着材、吸着材を加熱、冷却する熱媒流路としてい
る熱交換器の部品(伝熱管、フィンetc)およびその
熱交換器の内部に残っていた吸着時の冷却源物質を加熱
させるための熱量が必要になる。通常、後者の熱量が少
ない程、冷凍機の成績係数は向上するとされるが、しか
し、前述の後者の熱量の内、熱交換器の内部の吸着時に
残っていた冷却源物質を加熱させるための熱量が占める
比率が大きいため成績係数が向上しないのが現状であ
る。
熱、冷却する熱媒流路が共用されているため熱交換器の
構造上、加熱源流体の相と冷却源流体の相が同一でなけ
ればならなかった。例えば、加熱源に温水などの液体を
使用する場合は、冷却源も冷却塔の冷却水などの液体
を、又、加熱源に蒸気も排ガスなどの気体を使用する場
合は、冷却源も空気などの気体を使用しなければならな
かった。また、運転時には加熱源物質と冷却源物質が、
あるサイクルタイム毎に交互に流入されることにより、
加熱源分室と冷却源物質が混合することがあり、例え
ば、加熱源にボイラー温水の水質が冷却塔の水質と同等
になることによりボイラーに悪影響を与えていた。そこ
で、これを防止するために、温水系に熱交換器を設置し
たり、冷却塔に密閉式冷却塔を使用していたため設備コ
ストが必要であった。
対処し、特に外部からの熱の出入りを可能にする伝熱面
を加熱専用伝熱面と冷却専用伝熱面に分離せしめること
を見出すことにより、管内側と管外側に最適状熱交換器
を構成することができ、コスト、大きさに有効で、かつ
脱着時に冷媒を脱着させる熱量以外の熱量を少なくし
て、成績係数を向上させ得ると共に、加熱源流体の相と
冷却源流体の相を同一にする必要もなく、また加熱源物
質と冷却源物質も混合しない吸着式冷凍システムの作動
方法を提供することを目的とするものである。
し、該目的を達成する本発明はその基本として、真空容
器内を、一面が固体吸着材を加熱、冷却する第1の伝熱
面であり、他面が熱媒体の接触する第2の伝熱面である
隔壁により2つの領域に区分し、第1の伝熱面側の領域
に冷媒蒸気の脱着する固体吸着材を保有せしめた熱交換
器を用いて、この熱交換器の第1の伝熱面側領域をバル
ブを介して凝縮器及び蒸発器に接続する一方、第2の伝
熱面側の領域に、熱媒体を加熱する熱源装置と熱媒体を
冷却する冷却装置を夫々バルブを介して分離接続せしめ
た吸着式冷凍システムにおいて、熱源装置の加熱手段に
より熱媒体に熱を与え、冷却されている隔壁の第2の伝
熱面で該熱媒体を凝縮液化して、その凝縮熱で第1の伝
熱面側の固体吸着材を加熱し、冷媒蒸気を脱着させると
共に、冷却装置の冷却手段により熱媒体を冷却して、加
熱されている第2の伝熱面で該熱媒体を蒸発気化させ、
その蒸発熱で前記第1の伝熱面側の固体吸着材を冷却
し、冷媒蒸気を固体吸着材に吸着させてバルブを介して
接続されている蒸発器より冷熱を出力せしめることを特
徴とする。
使用する場合であり、真空容器内を一面が固体吸着材を
加熱、冷却する第1の伝熱面であり、他面が熱媒体の接
触する第2の伝熱面である隔壁により2つの領域に区分
し、第1の伝熱面側領域に固体吸着材を保有せしめた熱
交換器を複数個使用し、各熱交換器の第1の伝熱面側領
域を夫々バルブを介して共用の凝縮器及び蒸発器に接続
せしめると共に、各熱交換器の第2の伝熱面側領域に熱
媒体を加熱する加熱装置と、熱媒体を冷却する冷却装置
とを共用して夫々バルブを介して分離、接続せしめた吸
着式冷凍システムにおいて、冷却されている第2の伝熱
面側で加熱した熱媒体を凝縮液化させて凝縮液化時の凝
縮熱により固体吸着材を加熱して冷媒蒸気の脱着を行う
一方、加熱されている第2の伝熱面側で冷却した熱媒体
を蒸発気化させて蒸発気化時の蒸発熱により固体吸着材
を冷却して冷媒蒸気を吸着する吸脱着工程を繰り返すと
共に、少なくとも1つの熱交換器を吸着工程に保持させ
て蒸発器より連続的に冷熱を出力せしめることを特徴と
する。
の熱交換器を利用する場合において熱回収に好適な作動
方法であり、複数個の熱交換器のうち、吸着工程にある
熱交換器の第2の伝熱面側領域と、脱着工程にある熱交
換器の第2の伝熱面側領域との間にバルブを具えた配管
を設け、吸脱着の切り換えの合間にバルブを開けて脱着
を終了した熱交換器の上記領域よりバルブを通過する気
化熱媒体の蒸発熱により上記脱着を終了した熱交換器の
第2の伝熱面を冷却せしめると共に、一方、バルブを通
過して吸着を終了した熱交換器の第2の伝熱面で凝縮液
化された熱媒体の凝縮熱により吸着を終了した熱交換器
の第2の伝熱面を加熱せしめることを特徴とする。
る熱媒体を加熱する加熱源流体と、熱媒体を冷却する冷
却源流体に異なる相の流体を用いる場合であり、請求項
5に係る発明は上記各発明において、第1の伝熱面に保
有される固体吸着材を薄いボード状成形品にして熱や冷
媒蒸気の出入りをし易くした態様であり、請求項6に係
る発明は同じく上記各発明における冷却装置の態様とし
て冷却装置で冷却された熱媒体をポンプを介し第2の伝
熱面に散布して、該伝熱面で蒸発気化させることを特徴
とするものである。
源装置からのバルブを開けると蒸発気化した熱媒体は直
前の吸着時に冷却された隔壁の第2の伝熱面側の表面で
凝縮液化し、その凝縮熱で隔壁の反対側の吸着材を加熱
し、冷媒蒸気が吸着材より脱着される。そして、隔壁の
第2の伝熱面側の表面で凝縮液化した熱媒体は、隔壁の
第2の伝熱面表面より離脱しバルブより熱源装置に戻
る。
1の伝熱面領域に接続されたバルブを介して接続されて
いる凝縮器で凝縮液化され、配管より蒸発器に冷媒液と
して戻る。
面側に接続されたバルブを介して冷却装置が接続されて
おり、冷却装置には内部に冷却手段が用意されているの
で、この状態でバルブを開け、ポンプより熱媒体を隔壁
の第2の伝熱面の表面に散布すると、直前の脱着時に加
熱された隔壁の第2の伝熱面の表面で熱媒体は蒸発気化
し、その蒸発熱により隔壁の反対側の吸着材を冷却して
冷媒蒸気が吸着される。そして、吸着材に吸着される冷
媒蒸気は接続されたバルブを介して接続されている蒸発
器より蒸発気化された冷媒液であり、その蒸発潜熱で蒸
発器より冷熱が出力される。かくして、冷媒の吸脱着作
用により所期の冷凍出力を得ることを可能ならしめる。
本発明の具体的な態様を説明する。
を実施する吸着式冷凍システムの概要を示し、図におい
て、3は同システムの中心をなす熱交換器で、大気と隔
絶された真空容器A内を隔壁1により上下2つの領域
4、5に区分することによって形成されており、隔壁1
の上面側は固定吸着材を加熱、冷却する第1の伝熱面と
なり、下面側は熱媒体の接触する第2の伝熱面となっ
て、第1の伝熱面側の領域4に冷媒蒸気の吸脱着する固
体吸着材2が充填保有されている。
られているシリカゲル、ゼオライト、活性炭、活性アル
ミナ等が用いられ、伝熱面をなす隔壁1は特に固定吸着
材2の加熱、冷却面である第1の伝熱面は加熱、冷却を
効果的ならしめるため、熱的性能のよい材質、構造によ
って構成されており、図示の如く、フィン6を設けるこ
とも効果的である。
有されるが、吸着時の冷媒蒸気の出入やすさや熱媒体か
らの熱を出入りし易くするためには層厚みの薄いボード
状の形状で保有させることが好ましく、通常、係るボー
ド状の成形品として使用する。
1の伝熱面側の領域4にバルブ21、20を介して凝縮
器14及び蒸発器15が配管18により接続され、蒸発
器15では下部に溜まった冷媒液19をポンプにより汲
み上げ散布するようにして冷凍回路を構成していると共
に、第2の伝熱面側の領域5にはバルブ9を介して熱媒
体を加熱する熱源装置7と、バルブ10を介して冷却装
置8が分離して接続されている。
り熱媒体13に熱が与えられるようになっており、一
方、冷却装置8は冷却手段12が配設されていると共
に、下部のポンプ16を介し散布管17が付設されてい
て、ポンプ16より汲み上げられた熱媒体13を散布管
17により第2の伝熱面に向かって散布するようになっ
ている。
蒸発、凝縮可能な水、アルコール、アンモニア等であ
り、第1の伝熱面と第2の伝熱面への熱伝達は上記熱媒
体の蒸発、凝縮の潜熱によって行われることは本発明の
重要な特徴である。また、熱媒体の加熱源流体と冷却源
流体の相は通常、同一の相の流体が用いられるが、必ら
ずしも同一である必要はなく、異なる相の流体の使用も
可能である。
冷媒脱着時の加熱ならびに冷媒吸着時の冷却について説
明すると、先ず脱着時の加熱は第2の伝熱面側領域5に
接続された熱源装置7で、外部から85℃の温水の流通
による加熱手段11によって装置内の熱媒体13に熱が
与えられ、この状態でバルブ9を開けると、熱源装置7
より蒸発気化した熱媒体13は直前の吸着時に冷却され
た第2の伝熱面表面で凝縮液化し、その凝縮熱で隔壁1
の第1の伝熱面領域4の吸着材2を加熱し、冷媒蒸気が
吸着材2より脱着される。そして、隔壁1の第2の伝熱
面表面で凝縮液化した熱媒体13は隔壁1の第2の伝熱
面表面より離脱し、バルブ9より熱源装置7に戻る。こ
のとき吸着材2より脱着された冷媒蒸気は第1の伝熱面
領域4に接続されたバルブ21を介して凝縮器14に至
って、凝縮液化され、配管18より蒸発器15に冷媒液
として戻る。
側領域5に接続された冷却装置8内に、例えば31℃の
水を流通する冷却手段12が用意されており、この状態
でバルブ10を開け、ポンプ16より熱媒体13を汲み
上げ、散布管17より第2の伝熱面表面に散布すると、
直前の脱着時に加熱された隔壁1の第2の伝熱面表面で
熱媒体13は蒸発気化し、その蒸発熱により隔壁1の第
2の伝熱面側領域4の吸着材2を冷却し、冷媒蒸気が吸
着される。
第1の伝熱面側領域4に接続されたバルブ20を介して
接続されている蒸発器15より蒸発気化された冷媒液1
9であり、前記の蒸発潜熱で蒸発器15より冷熱が出力
され、冷凍作用に付される。
13が同一の物質、例えば水であれば凝縮器14と冷却
装置8はあえて分離しなくてもよい。また、吸着材2の
脱着加熱時に、加熱装置7より蒸発気化した熱媒体13
が第2の伝熱面表面で凝縮液化し、加熱した時、第2の
伝熱面表面より離脱せず、保持できる構造である場合
は、吸着材2の冷却が可能なためポンプ16及び散布管
17は特に必要なく、省略することができる。なお、冷
凍回路における凝縮器14は通常、31℃の冷却水配管
が収蔵されており、蒸発器15には通常、12℃程度の
冷水が流通する冷水配管が収蔵されている。
て、吸着材2への熱交換器3を2個設置した場合であ
り、2個の吸着材への熱交換器3のうち、何れか一方が
交替して吸着することにより連続的に蒸発器15から冷
熱を出力することができる。この場合は熱源装置7と冷
却装置8及び凝縮器14と蒸発器15を夫々両熱交換器
3が共用しているため、図1におけるバルブ9、10及
び20、21が夫々バルブ9、9a、10、10a、2
0、20a、21、21aとして各2個宛2方に分かれ
て設けられていると共に、ポンプ16より散布管17に
至る配管にもバルブ10′、10′aが設けられてい
て、適宜、交互に切り換え開閉し得るようになっている
が、各熱交換器3、3における冷媒吸着脱着作用は前記
図1における説明と同様である。
いて、更にバルブ22を両熱交換器3、3の第2の伝熱
面側領域5、5管に設置したものであり、吸脱着の切り
換えの合間にバルブ22を開けると、脱着を終了した吸
着材2への熱交換器3の第2の伝熱面側領域5から熱媒
体13が蒸発気化し、その蒸発熱で脱着を終了した吸着
材2への熱交換器3は冷却され、気化した熱媒体13は
バルブ22を通過して吸着を終了した吸着材への熱交換
器3の第2の伝熱面側領域5で凝縮液化し、その凝縮熱
で吸着を終了した吸着材への熱交換器を加熱することが
可能となり、バルブ22を通過した蒸気の潜熱分だけ吸
脱着の切り換え時に余熱回収したことになり、成績係数
を向上させることができる。なお、以上は熱交換器が2
個の場合であるが、熱交換器を複数個用いたときもその
応用として同様に作用させることができる。
冷却は、加熱装置7、冷却装置8と吸着材の加熱、冷却
面である隔壁1が隣接していないため、隔壁1の形状は
吸着材に適した形状とすることができる。例えば吸着材
を薄いボード状の成形品にして、熱や冷媒蒸気の出入り
をし易い形状にするなどである。
には不凝縮ガスのない状態で行うことにより隔壁1は耐
食性、耐水圧性の考慮を必要としない構造、材質の採用
が可能である。以下、更に本発明システムと従来システ
ムとの対比結果を示す。
器での、ある吸着終了温度から必要加熱温度まで上昇さ
せなければならない熱量について比較したものである。 以下余白
水圧性を考慮しなくてよい分、「熱交換器及び部品の熱
量」は73%に低減でき、加熱装置7及び冷却装置8の
熱媒体13の凝縮、蒸発潜熱により加熱、冷却作用を行
うことにより「熱交換器の内部の熱媒体の熱量」は8%
に低減でき全体で49%まで低減できることが分かっ
た。
一面が固体吸着材を加熱、冷却する第1の伝熱面であ
り、他面が熱媒体の接触する第2の伝熱面である隔壁に
より2つの領域に区分し、第1伝熱面側の領域に冷媒蒸
気の脱着する固定吸着材を保有せしめ、バルブを介して
凝縮器及び蒸発器に接続する一方、第2の伝熱面側の領
域に、熱媒体を加熱する熱源装置と、熱媒体を冷却する
冷却装置を夫々バルブを介して分離接続せしめた吸着式
冷凍システムにおいて、熱源装置の加熱手段により熱媒
体に熱を与え、冷却されている隔壁の第2の伝熱面で該
熱媒体を凝縮液化して、その凝縮熱で第1の伝熱面側の
固定吸着材を加熱し、冷媒蒸気を脱着させると共に、冷
却装置の冷却手段により熱媒体を冷却して、加熱されて
いる第2の伝熱面で該熱媒体を蒸発気化させ、その蒸発
熱で前記第1の伝熱面側の固定吸着材を冷却し、冷媒蒸
気を固定吸着材に吸着させてバルブを介して接続されて
いる蒸発器より冷熱を出力せしめるようにしたものであ
り、従来の吸着式冷凍機の様に加熱、冷却熱媒体の顕熱
を利用しておらず、加熱、冷却熱媒体の蒸発熱、凝縮熱
などの潜熱を利用しているため、単位移動熱量あたりの
熱媒体重量が少なくてよく、これは、脱着時に冷媒を脱
着させるための熱量以外の熱量の内、吸着材を加熱、冷
却する熱媒流路としている熱交換器の内部に残っていた
吸着時の冷却源物質重量が少なくなる分、成績係数を向
上させることができる格段の効果を有する。
な形状として構成することができるため、コスト、大き
さに有効な吸着式冷凍システムを形成することができる
と共に、熱や冷媒蒸気の出入りをし易い形状として吸着
式冷凍システムの実用性を高め、全体として該システム
に寄与する実効が期待される。
である。
概要図である。
示す概要図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 真空容器内を、一面が固体吸着材を加
熱、冷却する第1の伝熱面であり、他面が熱媒体の接触
する第2の伝熱面である隔壁により2つの領域に区分
し、第1の伝熱面側の領域に冷媒蒸気の脱着する固体吸
着材を保有せしめ、バルブを介して凝縮器及び蒸発器に
接続する一方、第2の伝熱面側の領域に、熱媒体を加熱
する熱源装置と熱媒体を冷却する冷却装置を夫々バルブ
を介して分離接続せしめた吸着式冷凍システムにおい
て、熱源装置の加熱手段により熱媒体に熱を与え、冷却
されている隔壁の第2の伝熱面で該熱媒体を凝縮液化し
て、その凝縮熱で第1の伝熱面側の固体吸着材を加熱
し、冷媒蒸気を脱着させると共に、冷却装置の冷却手段
により熱媒体を冷却して、加熱されている第2の伝熱面
で該熱媒体を蒸発気化させ、その蒸発熱で前記第1の伝
熱面側の固体吸着材を冷却し、冷媒蒸気を固体吸着材に
吸着させてバルブを介して接続されている蒸発器より冷
熱を出力せしめることを特徴とする吸着式冷凍システム
の作動方法。 - 【請求項2】 真空容器内を一面が固体吸着材を加熱、
冷却する第1の伝熱面であり、他面が熱媒体の接触する
第2の伝熱面である隔壁により2つの領域に区分し、第
1の伝熱面側領域に固体吸着材を保有せしめた熱交換器
を複数個使用し、各熱交換器の第1の伝熱面側領域を夫
々バルブを介して共用の凝縮器及び蒸発器に接続せしめ
ると共に、各熱交換器の第2の伝熱面側領域に熱媒体を
加熱する加熱装置と、熱媒体を冷却する冷却装置とを共
用して夫々バルブを介して分離、接続せしめた吸着式冷
凍システムにおいて、冷却されている第2の伝熱面側で
加熱した熱媒体を凝縮液化させて、凝縮液化時の凝縮熱
により固体吸着材を加熱して冷媒蒸気の脱着を行う一
方、加熱されている第2の伝熱面側で冷却した熱媒体を
蒸発気化させて、蒸発気化時の蒸発熱により固体吸着材
を冷却して冷媒蒸気を吸着する吸脱着工程を繰り返すと
共に、少なくとも1つの熱交換器を吸着工程に保持させ
て蒸発器より連続的に冷熱を出力せしめることを特徴と
する吸着式冷凍システムの作動方法。 - 【請求項3】 請求項2記載の吸着式冷凍システムにお
いて、吸着工程にある熱交換器の第2の伝熱面側領域
と、脱着工程にある熱交換器の第2の伝熱面側領域との
間にバルブを具えた配管を設け、吸脱着の切り換えの合
間にバルブを開けて脱着を終了した熱交換器の上記領域
よりバルブを通過する気化熱媒体の蒸発熱により上記脱
着を終了した熱交換器の第2の伝熱面を冷却せしめると
共に、一方、バルブを通過して吸着を終了した熱交換器
の第2の伝熱面で凝縮液化された熱媒体の凝縮熱により
吸着を終了した熱交換器の第2の伝熱面を加熱せしめる
ことを特徴とする吸着式冷凍システムの作動方法。 - 【請求項4】 熱媒体を加熱する加熱源流体と、熱媒体
を冷却する冷却源流体に異なる相の流体を用いる請求項
1、2または3記載の吸着式冷凍システムの作動方法。 - 【請求項5】 第1の伝熱面に保有される固体吸着材を
薄いボード状成形品にして熱や冷媒蒸気の出入りをし易
くした請求項1、2、3または4記載の吸着式冷凍シス
テムの作動方法。 - 【請求項6】 冷却装置で冷却された熱媒体をポンプを
介し第2の伝熱面に散布して該伝熱面で蒸発気化させる
請求項1〜5の何れかの項に記載の吸着式冷凍システム
の作動方法。
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JP37565298A JP4074399B2 (ja) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | 吸着式冷凍システムの作動方法 |
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JP37565298A JP4074399B2 (ja) | 1998-12-15 | 1998-12-15 | 吸着式冷凍システムの作動方法 |
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