JP2004150792A - 緩衝剤蓄え器を備えた吸着式・冷却装置および該吸着式・冷却装置を運転するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却したい媒体が脱着期中に、許容できないほどに熱せられてしまうことのないような吸着式・冷却装置を提供する。
【解決手段】液化器（１３）が緩衝剤蓄え器（１４）に連結されており、該緩衝剤蓄え器（１４）が作業手段蒸気の液化熱の少なくとも一部分を緩衝し、かつ蓄えられた熱を吸着期中にも周囲に再度導出できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸着式・冷却装置であって、吸着期中に作業手段を発熱性に収着しかつ次の脱着期中に熱供給下でより高温時に再度脱着する収着手段を含有した、間欠的に加熱される収着手段容器と、接続管路を介して、液化された作業手段を蒸発器内へ導出する液化器とが設けられており、さらに、蒸発器が収着手段に作業手段蒸気管路を介して連通しており、吸着期中に熱を、冷却したい媒体から奪うようになっている形式のものに関する。さらに本発明は、このような形式の吸着式・冷却装置を運転するための方法に関する。

吸着式・冷却装置は、固形の収着手段が蒸気状の作業手段を、放熱の下で中間的な温度レベルで収着する（吸着期）装置である。この場合、作業手段は蒸発器内で吸熱の下でより低い温度レベルで蒸発する。吸着期後に作業手段は入熱もしくは熱供給により、高い温度レベルで再度脱着されることができる（脱着期）。この場合、作業手段は収着手段から蒸発して、液化器内に流入する。そこで作業手段は液体に戻されて、蒸発器内で引き続いて改めて蒸発させられる。

固形の収着手段を備えた吸着式・冷却装置は欧州特許第０３６８１１１号明細書およびドイツ連邦共和国特許出願公開第３４２５４１９号明細書から公知である。この場合、収着手段で満たされた収着手段容器は、蒸発器内で発生する作業手段蒸気を吸い出して、作業手段蒸気を収着手段充填内で放熱の下で収着する。この場合、収着熱は収着手段充填から導出されなければならない。冷却装置は食品を、熱絶縁された容器内で冷却および保温するために使用されることができる。蒸発器と収着手段との間でこの冷却装置は遮断装置を含んでいる。この遮断装置はより遅い時点での作業手段の蒸発および収着を可能にする。

欧州特許第０３６８１１１号明細書から公知の吸着式・冷却装置は運搬可能な冷却ユニットと、この冷却ユニットから分離可能な、定置の載置ステーションとから成っている。冷却ユニットは、個体の収着手段で満たされた収着容器と、液体の作業手段を備えた蒸発器とを含んでいる。ここでも、蒸発器および収着容器は遮断可能な蒸気管路を介して互いに接続されている。蒸発器内に埋設された熱交換器を通して液体の媒体が流れ、この媒体は遮断装置を温度調整式に開放および閉鎖することにより所望の温度レベルに冷却される。収着手段が作業手段で飽和した後、収着手段は載置ステーションで加熱されることができる。この際に流出する作業手段蒸気は蒸発器内で液体に戻される。凝縮熱は、埋設された熱交換器を通して流れる冷却水により導出される。

遮断装置は、一方で脱着期中に、高温の作業手段蒸気が低温の蒸発器内に流入することを防止するために、蒸発器を残りの冷却装置から断絶する働きをし、他方では吸着期中に、蒸発器内の冷熱発生を調整するか、またはより遅い時点へとずらす働きをする。いずれにせよ遮断装置なしには、蒸発器が脱着期中に高温になって、ひいては、蒸発器に接触している冷却したい媒体が熱せられてしまう。
欧州特許第０３６８１１１号明細書 ドイツ連邦共和国特許出願公開第３４２５４１９号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭で述べた形式の、遮断装置を備えていない吸着式・冷却装置を改良して、冷却したい媒体が脱着期中に、許容できないほどに熱せられてしまうことのないような吸着式・冷却装置を提供することである。さらに本発明の課題は、このような吸着式・冷却装置を運転するための方法を提供することである。

この課題を解決した本発明の構成によれば、液化器が緩衝剤蓄え器に連結されており、該緩衝剤蓄え器が作業手段蒸気の液化熱の少なくとも一部分を緩衝し、かつ蓄えられた熱を吸着期中にも周囲に再度導出できるようにした。さらに上記課題を解決するために本発明の方法では、脱着期が吸着期の時間の１／３よりも少なくて、かつ脱着期中の液化熱を熱蓄え器媒体によって緩衝し、緩衝された熱の大部分を吸着期中に再度導出するようにした。従属請求項は本発明の有利な構成を示している。

液化器を緩衝剤蓄え器に連結することにより、明らかに迅速な脱着と、これに由来するより高い脱着能力とが可能になる。それというのは、液化熱が例えば対流の発生に基づいて効果的に導出されることができるからである。これにより、脱着期は吸着期に比べて明らかに短縮されることができる。冷却したい媒体は高温の液化温度に長くは曝されない。緩衝剤蓄え器を適当に寸法設定すれば、脱着期を数分に減じることができる一方で、吸着期は数時間から数日間持続することができる。緩衝剤蓄え器はこの長い吸着期中に、高い容量で受容された熱負荷をゆっくりと、小さな熱交換器面を介して導出できる。

緩衝剤蓄え器として原理的には、液体、相変化物質（ＰＣＭ：Ｐｈａｓｅｎｗｅｃｈｓｅｌｍａｔｅｒｉａｌ）および固体のような、熱蓄え器技術から公知の全ての蓄え器媒体が適している。安価なものとしては、高い熱伝達能力も可能な水が挙げられる。この場合、液化器は直接的に水蓄え器内に組み込まれていることができる。そうして、タンクの外側の表面を介して、緩衝された熱が長い吸着期中に付加的な熱交換器なしに周囲空気へと導出される。

特に有利なのは、蒸発器が、冷却したい媒体に関して、脱着期中に比較的に僅かな熱を放出するように配置されている場合である。このことは例えば、比較的僅かにしか、冷却したい媒体が蒸発器に接触していないか、または脱着期中には循環されないことにより達成される。冷却したい媒体が例えば冷蔵庫内でそうであるようにガス状である場合、蒸発器を庫の天井の下に配置することは有利である。暖気が冷気よりも軽いために、冷たい空気塊は庫の下位の領域に留まる一方で、蒸発器を取り巻く空気塊だけが温められる。庫内に貯蔵された品物はそれゆえ、比較的に短い脱着期の間、冷たいままである。この効果はさらに付加的に、蒸発器の下側に配置されている、蓄冷する媒体および／または放射線遮蔽（Ｓｔｒａｈｌｕｎｇｓｓｃｈｉｒｍ）により強化されることができる。

高い脱着能のためには、収着手段内の高い熱伝導性と、加熱源からの良好な熱伝達とが必要である。特に有利であり得るのは、脱着期中における収着手段への熱出力が、周囲への熱損失よりもはるかに高い場合である。この場合、周囲に面した収着容器・シースに設けられる熱絶縁体は省略されることができる。この収着容器・シースを介して吸着期中に吸着熱は、付加的な手段を必要とすることなしに放出される。

特に有利なのはゼオライト／水という吸着物質ペアの使用である。ゼオライトは結晶性の鉱物であって、酸化ケイ素および酸化アルミニウムから成る規則的な骨格構造から構成されている。この骨格構造は小さな空洞を含んでおり、これらの空洞内に水分子が放熱の下で吸着されることができる。骨格構造の内部で水分子は強い場の力（Ｆｅｌｄｋｒａｆｔ）に曝されていて、この場の力は分子を格子内に液体に類似した相で結合する。水分子に作用する結合力の強さは、既に前吸着された水の量とゼオライトの温度とに依存している。実際の使用のために、ゼオライト１００ｇ当たり水２５ｇまでが収着されることができる。ゼオライトは固形の物質であって、吸着反応もしくは脱着反応時に、障害となる熱膨張を行わない。骨格構造は全ての側から水蒸気分子のために自由に接近可能である。それゆえ装置はいずれの姿勢においても使用可能である。

水を作業手段として使用することは、必要となる調整手間を最小に減じることを可能にする。水を真空下で蒸発させる場合、水表面は０℃に冷えて、蒸発が進行すると氷へと凍結する。氷層は有利には、冷却したい媒体の温度を調整するために使用されることができる。熱供給が僅かである場合には氷層が成長し、熱供給が極めて大きい場合には氷層が融解する。氷形成により、冷却したい媒体から蒸発器への熱伝達が減じられるので、媒体は０℃の下に冷えることはできない。蒸発が進行すると、蒸発器内に貯蔵された全ての水が氷結できる。氷層の昇華温度がその後で０℃下に低下する。

冷却したい媒体の温度が０℃下に低下すべき場合には、水性の蒸発器内容物に、凝固点下に低下させる物質が混入されていてもよい。

収着手段が固体であってかつ吸着反応時においても固体のままである別の収着物質ペアも使用可能である。固形の収着手段は僅かな熱伝導性と限定的な熱伝達性とを有している。収着手段容器から、熱を受容する周囲空気への熱伝達も同じ規模にあるので、原理的には、例えばプレート、管および波形の金属チューブのような、リブ形成されていない熱交換器が推奨される。ゼオライトのような幾つかの固体の収着手段は、外部の超過圧力も薄壁の熱交換器面上で補償するために、十分に安定である。それゆえ、付加的な補強または肉厚の熱交換器面は不要である。

加えて、固体の収着手段は成形体（Ｆｏｒｍｋｏｅｒｐｅｒ）に加工される。個々の成形体または幾つかの成形体が１つの完全な、安価な収着手段充填を形成することができる。

経済的な運転形式のために、ゼオライト／水・システムの場合、脱着・終了温度は２００〜３００℃および吸着・終了温度は４０〜８０℃が望ましい。特にゼオライト顆粒が僅かな熱伝導性を有しているので、収着手段容器は、変換された熱量のための熱伝導経路が３ｃｍを越えないように設計されていなければならない。

脱着期のための熱源として、脱着反応のために必要な温度レベルがそれによって達成されることを前提として、全ての公知の装置が適している。有利には、収着手段容器の幾何学形状に適合されていて電気的に加熱されるプレートまたはカートリッジである。放射または誘導（渦電流）を用いて収着手段充填を加熱するヒータ装置も良好に適している。収着手段を炎で加熱する場合、加熱面は、吸着期中の熱放出のための熱交換器面としても使用され得る。それにより、通常は二重に備え付けられた熱交換器面の内の一方を節減することができる。

収着手段容器の幾何学形状を特別に吸着期中の熱放出に合わせて調整することも有利である。周囲空気へ熱放出する場合には、大きくて流動に適した熱交換器面が有利である。

作業手段の大部分は液化器内で凝縮する。凝縮液はそこから蒸発器内に導かれなければならない。吸着式・冷却装置が簡単に構成されている場合、凝縮液は付加的な補助装置なしに蒸発器内に流れ戻ることができなければならない。このことは、液化器、ひいては熱緩衝器が蒸発器よりも高くに位置するようにすれば、常に簡単に実現することができる。そうすれば、凝縮液は既に脱着期中に重力に基づいて流れ戻ることができる。このことが不可能な冷却装置の場合、凝縮液が液化器または集合タンク内に貯蔵されて、そして、蒸発器内の蒸気圧が低下する吸着期の開始時に、蒸発器内に吸い上げられるようにすれば有利である。

安価な冷却装置の場合、高価な電子的なコントロールは省略されなければならない。しかし吸着式装置は必然的に強く変動する冷却出力を放出するので、冷却出力が簡単な形式で制限されることができれば有利である。このために本発明により、収着手段へ向かって延びる作業手段蒸気管路の横断面が減じられる。このことは例えば、温度低下時に収着手段への管路横断面を減じる延伸体により行われることができる。特に安価であるのは、バイメタル・エレメントであって、これは蒸発器内に組み込まれていて、蒸発器の出口を蒸発器温度の低下時に狭窄する。

蒸発器がシステムの構造上、各脱着時に液化の温度レベルにまで高められ、かつ吸着期の開始時に作業手段の一部の蒸発により再度、蒸発の低い温度レベルにまで冷却されなければならないので、蒸発器の熱容量（ｔｈｅｒｍｉｓｃｈｅ Ｍａｓｓｅ）を僅かに保ち、かつ液体の作業手段の量を、吸着期の終了時に可能な限り全ての作業手段が蒸発させられているように調節することは意味のあることである。吸着が終了する頃に、蒸発器内の作業手段量はますます小さくなって、結果として、冷却したい媒体から熱を奪う熱交換器面を湿らすことがますます困難になる。本発明により、蒸発器はこの運転状態のために湿し手段を含んでおり、この湿し手段は残りの作業手段を内側の蒸発器面にわたって均等に分配する。このためにはガラス繊維フリースが有効であって、ガラス繊維フリースは薄い層として、当該の蒸発器面に被着されている。

以下に図面を参照しながら本発明の実施例について詳説する。

図１に示した冷蔵庫１は熱絶縁性の中空ボディ２から成っており、この中空ボディ２を前面でドア３が閉鎖しており、中空ボディ２は内室で食料品および飲料ボトル１１を冷却して、冷やした状態で貯蔵する。蒸発器により冷却したい媒体はこの使用例では冷蔵庫の内室内の空気である。

冷蔵庫１の天井の下側に蒸発器４が配置されており、蒸発器４から作業手段である水５が蒸発する。蒸発器４は作業手段蒸気管路９を介して収着手段容器１２に接続されており、かつ別の接続管路１０を介して凝縮器もしくは液化器１３に接続されている。蒸発器４の下側の内面には吸収力のある繊維フリースもしくは不織布６が被覆されており、繊維フリース６は作業手段である水を、吸熱する表面にわたって均等に分配する。蒸発器４は外面に複数の冷却リブ７を有しており、冷却リブ７は熱を、冷却したい媒体である空気から吸熱する。冷却リブ７の下側には一列の、冷熱を蓄えるエレメント８が嵌め込まれており、エレメント８は含水することができて、しかも氷結できる。作業手段蒸気管路９の開口部の手前にはバイメタル・エレメント２３が配置されており、このバイメタル・エレメント２３は蒸発器温度の低下時に収着手段容器への流出開口を狭窄する。熱交換器リブ１５を備えた液化器１３は緩衝剤蓄え器（Ｐｕｆｆｅｒｓｐｅｉｃｈｅｒ）１４の下位の領域に位置しており、緩衝剤蓄え器１４は水１６で満たされている。収着手段容器１２は金属製の２つの収着器シース１７から成っており、収着器シース１７は中央に電気的なヒータ１８を埋設している。収着器シース１７はその都度１つの収着手段充填１９を有しており、収着手段充填１９はゼオライト成形体から構成されている。

コントローラ２０はヒータ１８の運転を、冷蔵庫空気の温度と収着手段充填１９の温度とに関連して制御する。コントローラ２０への入力値は、温度センサ２１を介して検出される冷蔵庫内の空気温度と、ゼオライト・温度フィーラ２２により伝えられるゼオライト温度とである。

冷蔵庫の本発明による機能は、相対的に短い脱着期と、明らかに長い吸着期とに分けられる。

脱着期は収着手段充填１９の加熱により開始する。温度センサ２１はコントローラ２０に、冷蔵庫空気の、前もって設定された温度の超過を伝送する。それに基づいて電気的なヒータ１８は、ゼオライト・温度フィーラ２２が脱着・終了温度の到達を確認するまで運転される。加熱期中に、ますます温かくなる収着手段充填１９から水蒸気が追い出され、この水蒸気は作業手段蒸気管路９と、蒸発器４と、接続管路１０とを通って液化器１３内に流入する。この液化器１３内で蒸気は、熱交換器リブ１５を介した緩衝水１６への熱放出により液化される。凝縮液は液化器１３の下位の領域に集合する。水蒸気の小さな部分は蒸発器４内で、蒸発器４が液化器１３の温度レベルに上昇するまで液化する。蒸発器４周辺の空気塊も熱せられる。この空気塊は、下位の冷蔵庫領域内の冷たい空気よりも軽いので、混合は生じない。加えて、蓄冷するエレメント８によって、冷蔵庫内の飲料ボトル１１が（例えば熱放射により）顕著に温められることが防止される。

周囲空気と接触している収着容器・シース１７も脱着期中に熱を放出する。しかし、脱着期が本発明により短く維持されることができ、しかも熱損失が、高い熱出力に対して相対的に僅かであるので、外側の収着容器・シース１７の熱絶縁体を省略することができる。加えて、収着手段充填１９内には比較的に強い温度勾配が形成される。それにより、電気的なヒータ１８の近傍では４００℃までの温度が測定可能である一方で、外側に位置する収着容器・シース１７に接触しているゼオライトの温度は１４０℃にしか熱くならない。周囲への熱損失はこの低い温度レベルによって明らかにより僅かになる。加えて、これらの温度は脱着期の終了時にのみ出現する。脱着・終了温度に到達すると、加熱は停止される。緩衝剤蓄え器はこの時点でその最高の温度を有している。その後で、この温度は後続の吸着期中に連続的に低下する。それというのは、容器壁を介して徐々に熱が周囲に流出するからである。

熱絶縁されていない収着容器・シース１７を介しても、引き続き熱が、流過する周囲空気へと流出する。これにより、収着手段充填１９の温度は低下し、作業手段蒸気は収着手段容器１２内に流れ戻る。それに基づいて、蒸発器４内の蒸気圧は、凝縮液が液化器から吸い上げられるまでに低下する。やがて、液体の全作業手段量が蒸発器４内に位置する。収着手段充填１９の冷却が進展すると、吸着期の経過に伴って、蒸発器内の水の塊も蒸発熱の受容の下で蒸発する。蒸発温度が凝固点下にある場合、徐々に、残りの水量が氷結される。凝固点を遙かに下回る、起こり得る冷却は、作業手段蒸気管路９への流入開口を狭窄するバイメタル・エレメント２３が阻止する。コントローラ２０が高すぎる空気温度を冷蔵庫内に記録すると、吸着期の終了に達する。収着手段充填１９の加熱により、脱着期が再び最初から開始する。

図２に示した吸着式・冷却装置の場合、緩衝剤蓄え器３０は蒸発器３２の上側に位置している。収着手段容器３３から作業手段蒸気管路３４が緩衝剤蓄え器３０を通って延びており、それにより、緩衝剤蓄え器３０の内容水３５に液化熱を効果的に導出できるようになっている。その結果として、熱を内容水３５に放出できる、作業手段蒸気管路３４の部分は同時に液化器の機能を有している。作業手段蒸気管路３４は傾いて配置されているので、凝縮液３９は既に脱着期中に、付加的な手段なしに重力に従って直接に蒸発器３２内へと流出できる。収着容器３３はこの構成では、内部に位置するヒータカートリッジ３８と収着手段充填３７とから成っており、収着手段充填３７は円筒形の吸着剤・シース３６により包囲されている。この吸着剤・シース３６も熱絶縁体を必要としない。それというのは、熱損失は短い脱着期と、収着手段充填３７内の大きな温度勾配とに基づいて僅かであるからである。

図２に示した冷却装置の運転形式は、上記の、図１に示した装置の運転形式と同一に展開する。唯一の違いとしては、凝縮液３９が液化器内に留まるのではなく、既に脱着期中に蒸発器３２へと流出できる点である。

低くに位置した液化器を備えた吸着式・冷却装置の断面図である。

蒸発器よりも高くに位置した液化器を備えた吸着式・冷却装置の上部の断面図である。

符号の説明

１ 冷蔵庫、 ２ 中空ボディ、 ３ ドア、 ４ 蒸発器、 ５ 水、 ６ 湿し手段、 ７ 冷却リブ、 ８ 蓄冷するエレメント、 ９ 作業手段蒸気管路、 １０ 接続管路、 １１ 飲料ボトル、 １２ 収着手段容器、 １３ 液化器、 １４ 緩衝剤蓄え器、 １５ 熱交換器リブ、 １６ 水、 １７ 収着器・シース、 １８ ヒータ、 １９ 収着手段充填、 ２０ コントローラ、 ２１ 温度センサ、 ２２ ゼオライト・温度フィーラ、 ２３ バイメタル・エレメント、 ３０ 緩衝剤蓄え器、 ３２ 蒸発器、 ３３ 収着手段容器、 ３４ 作業手段蒸気管路、 ３５ 内容水、 ３６ 収着器・シース、 ３７ 収着手段充填、 ３８ ヒータカートリッジ、 ３９ 凝縮液

Claims (13)

1. 吸着式・冷却装置であって、吸着期中に作業手段を発熱性に収着しかつ次の脱着期中に熱供給下でより高温時に再度脱着する収着手段（１９）を含有した、間欠的に加熱される収着手段容器（１２）と、接続管路（１０）を介して、液化された作業手段を蒸発器（４）内へ導出する液化器（１３）とが設けられており、さらに、蒸発器（４）が収着手段（１９）に作業手段蒸気管路（９）を介して連通しており、吸着期中に熱を、冷却したい媒体から奪うようになっている形式のものにおいて、液化器（１３）が緩衝剤蓄え器（１４）に連結されており、該緩衝剤蓄え器（１４）が作業手段蒸気の液化熱の少なくとも一部分を緩衝し、かつ蓄えられた熱を吸着期中にも周囲に再度導出できることを特徴とする、緩衝剤蓄え器を備えた吸着式・冷却装置。
2. 蒸発器（４）が、脱着期中に比較的僅かな熱を、冷却したい媒体に放出するように配置されている、請求項１記載の吸着式・冷却装置。
3. 蒸発器（４）が、冷却したい媒体の上位の領域に配置されており、かつ脱着期中に熱せられる媒体が比較的僅かな密度に基づいて、その下に位置する比較的冷たい媒体と混ざり合わない、請求項１または２記載の吸着式・冷却装置。
4. 蒸発器（４）の下側に、蓄冷するエレメント（８）または放射線遮蔽が配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の吸着式・冷却装置。
5. 冷却したい媒体が遮断装置によって、脱着期中に、既に冷却された媒体と熱を交換することを阻止される、請求項１から４までのいずれか１項記載の吸着式・冷却装置。
6. 脱着期中に供給される脱着熱がバーナから供給される、請求項１から５までのいずれか１項記載の吸着式・冷却装置。
7. 収着手段がゼオライトを含み、かつ作業手段が水を含む、請求項１から６までのいずれか１項記載の吸着式・冷却装置
8. 凝縮液が凝縮液緩衝器内でより深いレベルに集められ、吸着期の開始時に蒸発器（４）の、より高くに位置したレベルに吸い込まれる、請求項１から７までのいずれか１項記載の吸着式・冷却装置。
9. 蒸発器（４）が湿し手段（６）を含んでおり、該湿し手段（６）が液体の作業手段の、蒸発器内での均等な配分を生ぜしめる、請求項１から８までのいずれか１項記載の吸着式・冷却装置。
10. 作業手段蒸気管路（９）が調整エレメントを含んでおり、該調整エレメントが流動横断面を、低すぎる蒸発器温度時に狭窄する、請求項１から９までのいずれか１項記載の吸着式・冷却装置。
11. 調整エレメントがバイメタル・エレメント（２３）を含んでいる、請求項１０記載の吸着式・冷却装置。
12. 吸着期中に作業手段を発熱性に収着しかつ次の脱着期中に熱供給下でより高温時に再度脱着する収着手段を含有した、間欠的に加熱される収着容器と、凝縮液管路を介して、液化された作業手段を蒸発器内へ導出する、接続された液化器とが設けられており、さらに、蒸発器が収着手段に作業手段蒸気管路を介して連通している吸着式・冷却装置を運転するための方法であって、脱着期が吸着期の時間の１／３よりも少なくて、かつ脱着期中の液化熱を熱蓄え器媒体によって緩衝し、緩衝された熱の大部分を吸着期中に再度導出することを特徴とする、吸着式・冷却装置を運転するための方法。
13. 脱着期中に、高い熱出力に起因して、収着手段内で１００Ｋを超える温度勾配が、熱を受容する面と熱を放出する面との間で発生する、請求項１２記載の、脱着式・冷却装置を運転するための方法。