JP2006029614A - Vapor compression type heat pump system - Google Patents

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衞 井上
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B45/00Arrangements for charging or discharging refrigerant

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vapor compression type heat pump system using an internal combustion engine as a drive source capable of flexibly corresponding to load fluctuation. <P>SOLUTION: The vapor compression type heat pump system is provided with a refrigerating cycle arranged with a compressor 10 using the engine as the drive source, a condenser 20, an expansion valve 30, and an evaporator 40 in this order. It is a cooling system comprised by connecting a first reservoir 60 storing a liquid refrigerant to a refrigerant pipe connecting the condenser 20 and the expansion valve 30, and connecting a second reservoir 70 storing a gas refrigerant to a refrigerant pipe connecting the evaporator 40 and the compressor 10. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は蒸気圧縮式ヒートポンプシステムに関する。より詳しくは、圧縮機の駆動源が内燃機関(エンジン)である蒸気圧縮式ヒートポンプシステムに関する。本発明のシステムは、冷房や暖房など、冷却または加熱するシステムに適用される。   The present invention relates to a vapor compression heat pump system. More specifically, the present invention relates to a vapor compression heat pump system in which the drive source of the compressor is an internal combustion engine (engine). The system of the present invention is applied to a cooling or heating system such as cooling or heating.

空調の冷暖房、冷蔵、冷凍などに用いられるシステムとして、蒸気圧縮式ヒートポンプシステムが知られている。蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を冷媒が循環するシステムである。圧縮機で圧縮された気体の冷媒は、凝縮器において凝縮して液体になる。液体の冷媒は、膨張弁を通じて蒸発器に搬送され、蒸発器において蒸発する。蒸発時には、蒸発熱として周囲の熱を奪い、結果として周辺環境を冷却する。蒸発した気体の冷媒は、圧縮機に搬送され、再度圧縮される。蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、冷却にも利用できるし、逆に暖房にも利用できることが知られている。   A vapor compression heat pump system is known as a system used for air conditioning air conditioning, refrigeration, refrigeration, and the like. A vapor compression heat pump system is a system in which refrigerant circulates through a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator. The gaseous refrigerant compressed by the compressor is condensed into a liquid in the condenser. The liquid refrigerant is conveyed to the evaporator through the expansion valve and is evaporated in the evaporator. At the time of evaporation, the surrounding heat is taken as evaporation heat, and as a result, the surrounding environment is cooled. The evaporated gaseous refrigerant is conveyed to the compressor and compressed again. It is known that a vapor compression heat pump system can be used for cooling and conversely for heating.

蒸気圧縮式ヒートポンプシステムにおいて、圧縮機の駆動源としては、電気モーターが広く用いられている。例えば、非特許文献1には、冷媒として二酸化炭素を使用する空調システムが紹介されている。しかし、発電設備に関する社会的負担を減らすために、電力需要がピークとなる夏季の日中の電力使用量を減少させることが求められている。   In a vapor compression heat pump system, an electric motor is widely used as a compressor drive source. For example, Non-Patent Document 1 introduces an air conditioning system that uses carbon dioxide as a refrigerant. However, in order to reduce the social burden related to power generation facilities, it is required to reduce power consumption during the daytime in summer when power demand peaks.

蒸気圧縮式ヒートポンプシステムについて言えば、モーターで駆動する圧縮機の代わりに、ガスエンジンやディーゼルエンジンなどのエンジンで駆動する圧縮機を設置すればよいため、駆動源の非電力化は比較的容易である。このため、エンジンを用いた蒸気圧縮式ヒートポンプシステムの開発が進行し、社会に徐々に浸透しつつある。例えば、エンジンを用いた冷却システムとして、エンジンを圧縮機の動力源として用いる車両用空調装置が開示されている(特許文献1参照)。   As for the vapor compression heat pump system, it is only necessary to install a compressor driven by an engine such as a gas engine or a diesel engine instead of a compressor driven by a motor. is there. For this reason, development of a vapor compression heat pump system using an engine is progressing and gradually penetrating into society. For example, a vehicle air conditioner that uses an engine as a power source of a compressor is disclosed as a cooling system using the engine (see Patent Document 1).

しかしながら、エンジンは負荷変動に対応しづらく、圧縮機の必要動力が変動すると、エネルギー効率が低下する問題がある。電気を駆動源とする場合には、インバーター制御によってエネルギー効率を向上させる技術が開発されているが、エンジンを駆動源とする場合には、負荷変動に効率的に対応することが困難である。エンジンの回転数を制御することは可能であるが、特に低速回転においてはエネルギー効率が大幅に低下してしまう。このことは、エンジンと電気モーターとを組み合わせたハイブリッド自動車において、エンジンを最適な回転数で制御することによって、燃費が大幅に改善されていることからも理解できる。
橋詰 匠「CO2冷媒を用いた空調システムについて」 建設設備と配管工事 2001.3、p6〜11 特開2001−121946号公報(図5、段落0050)
However, the engine is difficult to cope with load fluctuations, and there is a problem that energy efficiency decreases when the required power of the compressor fluctuates. In the case where electricity is used as a drive source, a technique for improving energy efficiency by inverter control has been developed. However, in the case where an engine is used as a drive source, it is difficult to efficiently cope with load fluctuations. Although it is possible to control the engine speed, the energy efficiency is greatly reduced, especially at low speeds. This can also be understood from the fact that in a hybrid vehicle combining an engine and an electric motor, the fuel consumption is greatly improved by controlling the engine at an optimum rotational speed.
Takumi Hashizume "Air conditioning system using CO2 refrigerant" Construction equipment and piping work 2001.3, p6-11 JP 2001-121946 A (FIG. 5, paragraph 0050)

本発明の目的は、負荷の変動に柔軟に対応可能である、エンジンを駆動源とする蒸気圧縮式ヒートポンプシステムを提供することである。   An object of the present invention is to provide a vapor compression heat pump system using an engine as a drive source, which can flexibly cope with fluctuations in load.

本発明は、エンジンを駆動源とする圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器がこの順に配置された冷媒サイクルを備える蒸気圧縮式ヒートポンプシステムであって、前記凝縮器と前記膨張弁とを繋ぐ冷媒管に、液体冷媒またはガス冷媒を貯蔵する第1貯蔵器が接続されてなり、前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ冷媒管に、ガス冷媒を貯蔵する第2貯蔵器が接続されてなる、蒸気圧縮式ヒートポンプシステムである。   The present invention is a vapor compression heat pump system including a refrigerant cycle in which an engine-driven compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator are arranged in this order, and the condenser and the expansion valve A first reservoir that stores liquid refrigerant or gas refrigerant is connected to the refrigerant pipe that connects, and a second reservoir that stores gas refrigerant is connected to the refrigerant pipe that connects the evaporator and the compressor. It is a vapor compression heat pump system.

本発明のエンジンを駆動源とする蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、出力変動に柔軟に対応可能である。本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、電力消費に関する使用者の金銭的負担を軽減する。また、本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムが社会に普及することにより、夏場日中の電力供給量に対する社会的負担が軽減される。   The vapor compression heat pump system using the engine of the present invention as a drive source can flexibly cope with output fluctuations. The vapor compression heat pump system of the present invention reduces the financial burden on the user regarding power consumption. Moreover, the spread of the vapor compression heat pump system of the present invention to society reduces the social burden on the amount of power supply during the summer day.

以下、本発明について、詳細に説明する。以下の説明は、主として本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムが冷却システムとして用いられる態様について説明するが、本発明の技術的範囲がこのような態様に限定されるわけではない。本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、冷暖房の双方に使用されうるし、冷暖房以外の加熱システムおよび/または冷却システムとしても用いられうる。例えば、本発明が加熱システムとして用いられる場合には、凝縮器における発熱を用いて、対象を加熱すればよい。   Hereinafter, the present invention will be described in detail. The following description mainly describes an embodiment in which the vapor compression heat pump system of the present invention is used as a cooling system, but the technical scope of the present invention is not limited to such an embodiment. The vapor compression heat pump system of the present invention can be used for both air conditioning and heating, and can also be used as a heating system and / or a cooling system other than air conditioning. For example, when the present invention is used as a heating system, the object may be heated using heat generated in the condenser.

また、本願においては、使用される媒体を「冷媒」として記載するが、本発明が暖房や加熱器として用いられる場合には、対象に熱を運搬する熱媒として機能する。ただし、凝縮器における加熱および蒸発器における冷却は表裏一体であるため、本願においては「冷媒」と記載する。   Moreover, in this application, although the medium used is described as a "refrigerant", when this invention is used as a heating or a heater, it functions as a heat medium which conveys heat to object. However, since the heating in the condenser and the cooling in the evaporator are integrated with each other, they are described as “refrigerant” in the present application.

まず、本発明の冷却システムの概念について、図面を用いて説明する。図1は、本発明の冷却システムの概念図である。図1において、横軸は冷媒のエンタルピーを示し、右側ほど、冷媒のエンタルピーが高い状態であることを示す。縦軸は圧力を示し、上方ほど、冷媒の圧力が高いことを示す。   First, the concept of the cooling system of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram of the cooling system of the present invention. In FIG. 1, the horizontal axis indicates the enthalpy of the refrigerant, and the right side indicates that the enthalpy of the refrigerant is higher. The vertical axis indicates the pressure, and the higher the pressure, the higher the pressure of the refrigerant.

冷却システムにおいては、エンジンを駆動源とする圧縮機10、凝縮器20、膨張弁30、蒸発器40がこの順に配置されており、これらは冷媒が搬送される冷媒管50で接続されている。   In the cooling system, a compressor 10, a condenser 20, an expansion valve 30, and an evaporator 40, which are driven by an engine, are arranged in this order, and these are connected by a refrigerant pipe 50 through which a refrigerant is conveyed.

ガス状態の冷媒は、圧縮機10において圧縮され、エンタルピーおよび圧力が共に高い状態になる(状態A)。高圧高温の冷媒は凝縮器20において凝縮し、液化する(状態B)。このとき、冷媒の凝縮に伴い、冷媒から外部への放熱が生じる。冷却システムが空調システムである場合には、凝縮器20は室外に配置され、空気や水などを用いてガス冷媒が冷却される。液化した冷媒は、膨張弁30において膨張し、蒸発器40において気化しやすい状態となる(状態C)。膨張弁30は、通常、小さな孔を通じて液体冷媒を漏らすことによって、低圧低温の液体冷媒を生成する。低圧低温の液体冷媒は、蒸発器40において気化し、ガス状態の冷媒となる(状態D)。このとき、冷媒の蒸発に伴い、外部から冷媒への吸熱が生じる。冷却システムが空調システムである場合、この吸熱によって、雰囲気が冷却される。   The refrigerant in the gas state is compressed in the compressor 10, and both the enthalpy and the pressure become high (state A). The high-pressure and high-temperature refrigerant is condensed and liquefied in the condenser 20 (state B). At this time, heat radiation from the refrigerant to the outside occurs with the condensation of the refrigerant. When the cooling system is an air conditioning system, the condenser 20 is disposed outside the room, and the gas refrigerant is cooled using air, water, or the like. The liquefied refrigerant expands in the expansion valve 30 and is easily vaporized in the evaporator 40 (state C). The expansion valve 30 usually generates low-pressure and low-temperature liquid refrigerant by leaking the liquid refrigerant through a small hole. The low-pressure and low-temperature liquid refrigerant is vaporized in the evaporator 40, and becomes a gaseous refrigerant (state D). At this time, heat absorption from the outside to the refrigerant occurs as the refrigerant evaporates. When the cooling system is an air conditioning system, the atmosphere is cooled by this heat absorption.

本発明においては、圧縮機10の駆動源はエンジンである。ところが、エンジンのエネルギー効率は、所定の状態で安定運転させたときには良好であるが、出力を変動させた場合には大きく低下する。特に低速回転においては、エネルギー効率が大幅に低下する。   In the present invention, the drive source of the compressor 10 is an engine. However, the energy efficiency of the engine is good when the engine is stably operated in a predetermined state, but greatly decreases when the output is varied. In particular, at low speed, the energy efficiency is greatly reduced.

この問題は、第1貯蔵器60および第2貯蔵器70を配置することによって解決可能である。第1貯蔵器60は、凝縮器20と膨張弁30とを繋ぐ冷媒管50に接続される。接続形態としては、例えば、凝縮器20と膨張弁30とを繋ぐ冷媒管50に弁が配置され、必要に応じて第1貯蔵器60から液体冷媒が出し入れされる。第2貯蔵器70は、蒸発器40と圧縮機10とを繋ぐ冷媒管に接続される。接続形態としては、例えば、蒸発器40と圧縮機10とを繋ぐ冷媒管50に弁が配置され、必要に応じて第2貯蔵器70からガス冷媒が出し入れされる。   This problem can be solved by arranging the first reservoir 60 and the second reservoir 70. The first reservoir 60 is connected to a refrigerant pipe 50 that connects the condenser 20 and the expansion valve 30. As a connection form, for example, a valve is arranged in the refrigerant pipe 50 that connects the condenser 20 and the expansion valve 30, and liquid refrigerant is taken in and out from the first reservoir 60 as necessary. The second reservoir 70 is connected to a refrigerant pipe that connects the evaporator 40 and the compressor 10. As a connection form, for example, a valve is arranged in the refrigerant pipe 50 connecting the evaporator 40 and the compressor 10, and gas refrigerant is taken in and out from the second reservoir 70 as necessary.

一般的な冷却サイクルにおいては、冷媒は状態Bにおいては液化しており、第1貯蔵器60は液体状態の冷媒を貯蔵する貯蔵器である。ただし、冷媒の種類や圧縮圧力によっては、状態Bで完全に液化しないケースもありうる。この場合には、第1貯蔵器60として、高圧用のガス貯蔵器が用いられても良い。   In a general cooling cycle, the refrigerant is liquefied in the state B, and the first reservoir 60 is a reservoir that stores the refrigerant in the liquid state. However, depending on the type of refrigerant and the compression pressure, there may be a case where the state B does not completely liquefy. In this case, a high-pressure gas reservoir may be used as the first reservoir 60.

本発明のように、第1貯蔵器60および第2貯蔵器70が配置されていると、圧縮機10の駆動源であるエンジンを、効率のよい状態で安定運転させることが可能である。この効果について、図面を用いて説明する。図2は、時間と冷却システムに要求される能力との関係を示すグラフである。図3は、第1貯蔵器および第2貯蔵器を有さない冷却システムにおける、時間と圧縮機にかかる負荷との関係を示すグラフである。図4は、第1貯蔵器および第2貯蔵器を有する冷却システムにおける、時間と圧縮機にかかる負荷との関係を示すグラフである。   If the 1st store 60 and the 2nd store 70 are arranged like the present invention, it is possible to carry out stable operation of the engine which is a drive source of compressor 10 in an efficient state. This effect will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a graph showing the relationship between time and capacity required for the cooling system. FIG. 3 is a graph showing the relationship between time and the load on the compressor in a cooling system that does not have a first reservoir and a second reservoir. FIG. 4 is a graph showing the relationship between time and the load on the compressor in a cooling system having a first reservoir and a second reservoir.

エアコンを考えてみれば容易に想像できるように、冷却システムに要求される能力は一日を通じて一定ではない。エアコンの場合、外気温が上昇する日中は負荷が大きくなり、外気温が降下する夜間は負荷が小さくなる。このため、冷却システムに要求される能力は、図2に示すように、時間によって変動する。   As you can easily imagine when considering an air conditioner, the capacity required for a cooling system is not constant throughout the day. In the case of an air conditioner, the load increases during the day when the outside temperature rises, and decreases during the night when the outside temperature falls. Therefore, the capacity required for the cooling system varies with time as shown in FIG.

第1貯蔵器および第2貯蔵器を有さない冷却システムでは、冷却システムに要求される能力の変動に応じて、圧縮機にかかる負荷も変動させる必要がある(図3)。このため、圧縮機の駆動源であるエンジンの運転も、冷却システムに要求される能力の変動に応じて変動させる必要があり、エンジンのエネルギー効率が低下してしまう。   In a cooling system that does not have the first reservoir and the second reservoir, the load on the compressor needs to be changed according to the change in capacity required for the cooling system (FIG. 3). For this reason, the operation of the engine, which is the driving source of the compressor, also needs to be changed according to the change in capacity required for the cooling system, and the energy efficiency of the engine is reduced.

一方、本発明の冷却システムにおいては、ハイブリッド自動車のように、第1貯蔵器および第2貯蔵器によって、エンジンを効率のよい状態で安定運転させることが可能である。基本的にエンジンは効率のよい状態で稼動させる(図4)。必要に応じて、冷却システムに要求される負荷に応じてon−offを切り替える。冷却システムに要求される負荷よりも圧縮機の能力が高い場合には、図4においてEで表される部分に相当する液体冷媒を第1貯蔵器において貯蔵する。液体冷媒が第1貯蔵器に貯蔵されることによって、蒸発器を経由して圧縮機に供給される冷媒量は減少するが、この減少分は第2貯蔵器に貯蔵されていたガス冷媒を放出することによって補う。逆に、冷却システムに要求される負荷よりも圧縮機の能力が低い場合、または圧縮機を停止している場合には、第1貯蔵器において貯蔵されていた液体冷媒を放出し、蒸発器において蒸発する冷媒量を増加させる。そして、圧縮機にかかる負荷を一定にするために、第1貯蔵器から放出された冷媒に相当する量の冷媒を、第2貯蔵器に貯蔵する。つまり、エンジンを効率の良い状態で稼動させて、余剰の冷却エネルギー(図4におけるE)を貯蔵し、不足分(図4におけるF)に充足する。   On the other hand, in the cooling system of the present invention, the engine can be stably operated in an efficient state by the first storage device and the second storage device, as in a hybrid vehicle. Basically, the engine is operated in an efficient state (FIG. 4). If necessary, on-off is switched according to the load required for the cooling system. When the capacity of the compressor is higher than the load required for the cooling system, the liquid refrigerant corresponding to the portion represented by E in FIG. 4 is stored in the first reservoir. When the liquid refrigerant is stored in the first reservoir, the amount of refrigerant supplied to the compressor via the evaporator decreases, but this reduced amount releases the gas refrigerant stored in the second reservoir. Make up by doing. On the contrary, when the capacity of the compressor is lower than the load required for the cooling system, or when the compressor is stopped, the liquid refrigerant stored in the first reservoir is discharged, and the evaporator Increase the amount of refrigerant that evaporates. And in order to make the load concerning a compressor constant, the quantity of a refrigerant | coolant equivalent to the refrigerant | coolant discharged | emitted from the 1st store is stored in a 2nd store. That is, the engine is operated in an efficient state, and excess cooling energy (E in FIG. 4) is stored to satisfy the shortage (F in FIG. 4).

このような冷却システムによって、冷却システムにかかる負荷が変動する場合であっても、エネルギー効率の高い状態でエンジンを駆動させて、冷却システム全体のエネルギー効率を高めることが可能である。また、本発明の冷却システムにおいては、急速な冷却が可能という利点もある。ある程度の液体を第1貯蔵器に蓄えておき、冷却開始時に蒸発器で気化させるという手法を用いれば、エンジンの起動や安定化に要する時間に関係なく、即時に冷却を開始することが可能である。したがって、使用していなかった部屋を急速に冷却する場合や、人の出入りが激しい部屋を冷却する場合に、本発明のシステムは有効である。本発明が有効に活用される他の例としては、炎天下で駐車された車両の室内を急速に冷却する場合が考えられる。高温に昇温した車室内を冷却する場合、求められる冷却能力が発揮できず、室内が快適になった時には目的地に到達しているということも頻繁に生じるところである。本発明のシステムは、このような負荷の変動にも速やかに追従可能である。   With such a cooling system, even when the load on the cooling system fluctuates, it is possible to drive the engine with high energy efficiency and increase the energy efficiency of the entire cooling system. In addition, the cooling system of the present invention has an advantage that rapid cooling is possible. If a method of storing a certain amount of liquid in the first reservoir and evaporating with an evaporator at the start of cooling, it is possible to start cooling immediately regardless of the time required for starting and stabilizing the engine. is there. Therefore, the system of the present invention is effective when rapidly cooling a room that has not been used, or when cooling a room where people come and go. As another example in which the present invention is effectively utilized, a case where the interior of a vehicle parked under a hot sun is rapidly cooled can be considered. When the interior of a vehicle that has been heated to a high temperature is cooled, the required cooling capacity cannot be exhibited, and it often occurs that the vehicle reaches the destination when the interior becomes comfortable. The system of the present invention can quickly follow such load fluctuations.

次に、本発明の構成要件について詳細に説明する。   Next, the configuration requirements of the present invention will be described in detail.

圧縮機10、凝縮器20、膨張弁30、および蒸発器40からなる冷却システム自体は公知のシステムであり、本発明においては特に限定されない。各装置の種類やサイズなど具体的な装置構成は、現存する冷媒サイクルや冷却サイクルについての既知の技術的事項を参考にして決定されうる。例えば、非特許文献1に記載されている知見が参照されうる。新たに得られた知見が、装置に盛り込まれてもよい。装置構成を決定する際には、使用する冷媒が考慮されることが好ましい。例えば、二酸化炭素を冷媒として用いる場合には、二酸化炭素の臨界点温度が約31℃/7.38MPaと低いことを考慮すると、高圧設計の圧縮機や熱交換器を設置することが好ましい。   The cooling system itself composed of the compressor 10, the condenser 20, the expansion valve 30, and the evaporator 40 is a known system, and is not particularly limited in the present invention. The specific device configuration such as the type and size of each device can be determined by referring to known technical matters regarding the existing refrigerant cycle and cooling cycle. For example, the knowledge described in Non-Patent Document 1 can be referred to. Newly obtained knowledge may be incorporated into the apparatus. In determining the apparatus configuration, it is preferable to consider the refrigerant to be used. For example, when carbon dioxide is used as a refrigerant, it is preferable to install a compressor or heat exchanger having a high-pressure design in consideration of the low critical point temperature of carbon dioxide of about 31 ° C./7.38 MPa.

冷媒は、冷却システムが設置される環境において、冷媒として作用する材料であれば、特に限定されない。冷媒の具体例としては、二酸化炭素、アンモニア、プロパンおよびブタンなどの炭化水素、水、空気、HFC、HCFCなどが挙げられる。環境への影響を考慮すると、二酸化炭素、アンモニア、炭化水素、水、および空気などの自然系冷媒が好ましく、二酸化炭素がより好ましい。二酸化炭素は、オゾン層破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数は冷媒HFCの千分の一程度である。また、二酸化炭素は、人体に無害、非可燃性、非腐食性、熱的に安定などの特徴も有する。現状の空調や冷蔵・冷凍システムは、フロン系の冷媒を用いているため、二酸化炭素などの自然冷媒に置き換えられる過渡的な方法として、フロン系の冷媒を同じ考え方でガス貯蔵材に吸着させることも可能である。   The refrigerant is not particularly limited as long as it is a material that acts as a refrigerant in an environment where the cooling system is installed. Specific examples of the refrigerant include hydrocarbons such as carbon dioxide, ammonia, propane and butane, water, air, HFC, HCFC, and the like. Considering the influence on the environment, natural refrigerants such as carbon dioxide, ammonia, hydrocarbons, water, and air are preferable, and carbon dioxide is more preferable. Carbon dioxide has an ozone depletion coefficient of zero, and the global warming coefficient is about a thousandth that of the refrigerant HFC. Carbon dioxide also has characteristics such as harmless to human body, non-flammability, non-corrosion, and thermal stability. The current air-conditioning and refrigeration / refrigeration systems use chlorofluorocarbon-based refrigerants, and as a transient method that can be replaced by natural refrigerants such as carbon dioxide, chlorofluorocarbon-based refrigerants are adsorbed to gas storage materials using the same concept. Is also possible.

第1貯蔵器60は、液体状態の冷媒を貯蔵可能であれば、その態様については限定されない。使用される冷媒を液体状態で保持しうる各種手段が用いられうる。例えば、冷媒として二酸化炭素が用いられる場合には、液体COボンベが用いられうる。前述したように、状態Bにおける冷媒が気体である場合には、第1貯蔵器60はガス状態の冷媒を貯蔵可能な装置であることが好ましい。例えば、ガス冷媒を貯蔵可能な高圧ボンベが用いられる。 The first reservoir 60 is not limited as long as it can store a liquid refrigerant. Various means capable of holding the refrigerant used in a liquid state can be used. For example, when carbon dioxide is used as the refrigerant, a liquid CO 2 cylinder can be used. As described above, when the refrigerant in the state B is a gas, the first reservoir 60 is preferably a device that can store the refrigerant in the gas state. For example, a high-pressure cylinder capable of storing a gas refrigerant is used.

第1貯蔵器の大きさは、冷却システムのサイズおよび冷却システムに要求される能力の変動度合い、エンジンの稼動状況などに応じて決定するとよい。冷却システムのサイズが大きいと、第1貯蔵器の大きさも大きくなる。冷却システムに要求される能力の変動が大きいと、第1貯蔵器に貯蔵しておく液体冷媒の量が多くなるので、第1貯蔵器の大きさも大きくなる。また、エンジンのon−offの間隔が長いと、第1貯蔵器に貯蔵しておく液体冷媒の量が多くなる傾向があり、第1貯蔵器の大きさも大きくなる。   The size of the first reservoir may be determined in accordance with the size of the cooling system, the degree of fluctuation in capacity required for the cooling system, the operating state of the engine, and the like. The larger the size of the cooling system, the larger the size of the first reservoir. When the fluctuation in capacity required for the cooling system is large, the amount of the liquid refrigerant stored in the first reservoir increases, so that the size of the first reservoir also increases. In addition, when the engine on-off interval is long, the amount of liquid refrigerant stored in the first reservoir tends to increase, and the size of the first reservoir also increases.

凝縮器20と膨張弁30とを繋ぐ管と、第1貯蔵器60との間での、液体冷媒の受け渡しは、例えば、弁を用いて制御することができる。具体的には、弁の前後に圧力センサーを配置して、その差圧を制御することによって、冷媒の流量をコントロールすることができる。より精度よく流量をコントロールするために、液体冷媒用または気体冷媒用のポンプを弁の出側に配置することも可能である。   The delivery of the liquid refrigerant between the pipe connecting the condenser 20 and the expansion valve 30 and the first reservoir 60 can be controlled using a valve, for example. Specifically, the flow rate of the refrigerant can be controlled by arranging pressure sensors before and after the valve and controlling the differential pressure. In order to control the flow rate with higher accuracy, it is also possible to arrange a pump for liquid refrigerant or gas refrigerant on the outlet side of the valve.

第2貯蔵器70は、ガス状態の冷媒を貯蔵可能であれば、その態様については限定されない。第2貯蔵器におけるガス貯蔵を効率的にするには、ガス吸着材が内部に配置された第2貯蔵器を用いることが好ましい。ガス吸着材を収容する容器の構成や材料は、従来公知の技術を用いることができ、特に限定されない。バルブ制御によって、蒸発器40と圧縮機10とを繋ぐ管と、第2貯蔵器60との間での、ガス冷媒の受け渡しを制御できる金属製容器等などが用いられる。また、金属製の薄肉容器の外面に、単位密度当たりの強度に優れる炭素繊維強化プラスチック材を巻き付けたものが用いられてもよい。容器には、第2貯蔵器の内圧を制御するための調整弁を備えておけば、第2貯蔵器からガスを放出させる際に、調整弁を活用することができる。   The second reservoir 70 is not limited as long as it can store a gaseous refrigerant. In order to efficiently store the gas in the second reservoir, it is preferable to use the second reservoir in which the gas adsorbent is disposed. A conventionally well-known technique can be used for the structure and material of the container which accommodates a gas adsorbent, and it is not specifically limited. A metal container or the like that can control the delivery of the gas refrigerant between the pipe connecting the evaporator 40 and the compressor 10 and the second reservoir 60 by the valve control is used. Moreover, what wound the carbon fiber reinforced plastic material excellent in the intensity | strength per unit density to the outer surface of a metal thin container may be used. If the container is provided with a regulating valve for controlling the internal pressure of the second reservoir, the regulating valve can be utilized when gas is released from the second reservoir.

第2貯蔵器の大きさは、第1貯蔵器と同様、冷却システムのサイズおよび冷却システムに要求される能力の変動度合い、エンジンの稼動状況などに応じて決定するとよい。冷却システムのサイズが大きいと、第2貯蔵器の大きさも大きくなる。冷却システムに要求される能力の変動が大きいと、第2貯蔵器に貯蔵しておくガス冷媒の量が多くなるので、第2貯蔵器の大きさも大きくなる。また、エンジンのon−offの間隔が長いと、第2貯蔵器に貯蔵しておくガス冷媒の量が多くなる傾向があり、第2貯蔵器の大きさも大きくなる。   Similar to the first reservoir, the size of the second reservoir may be determined according to the size of the cooling system, the degree of fluctuation in the capacity required for the cooling system, the operating state of the engine, and the like. The larger the size of the cooling system, the larger the size of the second reservoir. When the fluctuation of the capacity required for the cooling system is large, the amount of the gas refrigerant stored in the second reservoir increases, so that the size of the second reservoir also increases. In addition, when the engine on-off interval is long, the amount of gas refrigerant stored in the second reservoir tends to increase, and the size of the second reservoir also increases.

ガス吸着材の収容方法は、耐圧容器中への充填等の公知手法を用いることができ、特に限定されるものではない。ガス吸着材の収容量は、第2貯蔵器に求めるガス貯蔵能力に応じて決定すればよい。耐圧容器の形状や材質は、特に限定されるものではない。本発明を用いる場合、より低圧で、従来と同じ貯蔵量を確保することが可能であるため、特別な耐圧構造を設けずともよい。この点で、コスト的に優位性があると言える。   The method for accommodating the gas adsorbent is not particularly limited, and a known method such as filling into a pressure vessel can be used. What is necessary is just to determine the accommodation amount of a gas adsorbent according to the gas storage capacity calculated | required by a 2nd store. The shape and material of the pressure vessel are not particularly limited. In the case of using the present invention, it is possible to secure the same storage amount as in the conventional case at a lower pressure, and therefore it is not necessary to provide a special pressure resistant structure. In this respect, it can be said that there is an advantage in cost.

ガス吸着材が粉末状である場合には、第2貯蔵器を構成する容器に収容しようとすると、うまく充填できない虞がある。形状自由度の高いタンクを用いる場合には、特にこの問題が顕著となる虞がある。この場合には、粉体を錠剤形状にして収容してもよい。錠剤形状の物を用いる場合には、取扱性に優れ、老朽化した化合物を交換する際等に非常に便利である。   When the gas adsorbent is in a powder form, there is a possibility that the gas adsorbent cannot be filled well if it is stored in a container constituting the second reservoir. When using a tank having a high degree of freedom in shape, this problem may be particularly noticeable. In this case, the powder may be stored in a tablet shape. In the case of using a tablet-shaped product, it is excellent in handleability and is very convenient when replacing an aged compound.

ガス吸着材の種類は、特に限定されないが、第2貯蔵器の占有体積を小さくし、冷却システム全体の小型化を図るためには、単位体積あたりのガス貯蔵量が高いガス吸着材を用いることが好ましい。ガス吸着材としては、活性炭やゼオライトなどが知られているが、好ましくは、冷媒に関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物が用いられる。ヒステリシスループを示す化合物については、1気圧20℃の下での二酸化炭素1gの体積が3.1cmという非常に高いガス吸着性が確認されており、ガス吸着材として有用である。ちなみに、1気圧20℃の下での二酸化炭素1gの体積を例示すると、気体のCOガスは520cmであり、液化炭酸は1cmである。 The type of gas adsorbent is not particularly limited, but in order to reduce the occupied volume of the second reservoir and reduce the size of the entire cooling system, use a gas adsorbent with a high gas storage amount per unit volume. Is preferred. As the gas adsorbent, activated carbon, zeolite, and the like are known. Preferably, a compound in which the adsorption / desorption isotherm regarding the refrigerant exhibits a hysteresis loop is used. The compound exhibiting a hysteresis loop has been confirmed to have a very high gas adsorbability such that the volume of 1 g of carbon dioxide under one atmosphere pressure of 20 ° C. is 3.1 cm 3 , and is useful as a gas adsorbent. Incidentally, when the volume of 1 g of carbon dioxide under 1 atm. 20 ° C. is exemplified, the gaseous CO 2 gas is 520 cm 3 and the liquefied carbonic acid is 1 cm 3 .

続いて、ガス冷媒に関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物について、説明する。ガス冷媒に関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物は、図5に示すように、吸着時のガス圧力−ガス吸着量カーブと、脱着時のガス圧力−ガス吸着量カーブとが異なる材料である。   Subsequently, a compound in which the adsorption / desorption isotherm regarding the gas refrigerant exhibits a hysteresis loop will be described. The compound in which the adsorption / desorption isotherm regarding the gas refrigerant exhibits a hysteresis loop is a material in which the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of adsorption and the gas pressure-gas adsorption amount curve at the time of desorption are different as shown in FIG. .

図5は、ヒステリシスループを示すガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。図6は、一般のガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。図中、横軸はガス圧力を示し、縦軸は吸着材の単位質量あたりのガス吸着量を示す。なお、ガス圧力−ガス吸着量カーブは、本願において吸脱着等温線とも呼ばれる。   FIG. 5 is a graph showing the relationship between the gas pressure and the gas adsorption amount in the gas adsorbent showing a hysteresis loop. FIG. 6 is a graph showing the relationship between gas pressure and gas adsorption amount in a general gas adsorbent. In the figure, the horizontal axis indicates the gas pressure, and the vertical axis indicates the gas adsorption amount per unit mass of the adsorbent. The gas pressure-gas adsorption amount curve is also referred to as an adsorption / desorption isotherm in the present application.

従来のガス吸着材においては、ガス圧力の増加に従ってガス吸着量も増加し、吸着の際の圧力−吸着量カーブと、脱着の際の圧力−吸着量カーブとは一致する(図6)。   In the conventional gas adsorbent, the gas adsorption amount increases as the gas pressure increases, and the pressure-adsorption amount curve during adsorption coincides with the pressure-adsorption amount curve during desorption (FIG. 6).

ヒステリシスループを示すガス吸着材においては、吸脱着等温線が全く異なる(図5)。ガス圧力がPになると吸着が始まり、Pでガス吸着量はAまで急激に増加する。これを減圧するとPで脱着が始まり、Pでガス吸着量はAまで減少する。ガス吸着材料を選択することによって、この吸脱着性能であるP〜Pを任意に選ぶことができる。本システムの場合には、冷媒が膨張弁30を経て蒸発器40を出てからガス状態で貯蔵されるので、ガス吸着圧Pは蒸発器40の圧力より低いことが好ましい。冷媒の種類やヒートサイクルの関係で適切な吸着材がない場合には、第2貯蔵器70の前に小さなガス圧縮機を設置し、適切な圧力にガス圧を調整すればよい。 In the gas adsorbent exhibiting a hysteresis loop, the adsorption / desorption isotherm is completely different (FIG. 5). It begins adsorption and the gas pressure is P 2, a gas adsorption amount with P 1 increases rapidly to A 1. When vacuum this desorption starts at P 3, the gas adsorption amount with P 4 is reduced to A 2. By selecting the gas adsorbing material, P 1 to P 4 which are the adsorption / desorption performance can be arbitrarily selected. In the case of this system, since the refrigerant exits the evaporator 40 via the expansion valve 30 and is stored in a gas state, the gas adsorption pressure P 1 is preferably lower than the pressure of the evaporator 40. If there is no appropriate adsorbent due to the type of refrigerant or heat cycle, a small gas compressor may be installed in front of the second reservoir 70 and the gas pressure adjusted to an appropriate pressure.

なお、図5に示したヒステリシスループはヒステリシスループの一例であり、ヒステリシスループの形状は、図示した形状に限定されるわけではない。吸着の際の圧力−吸着量カーブと脱着の際の圧力−吸着量カーブとが異なり、効率的なガス吸脱着が行えれば、ヒステリシスループの形状は特に限定されない。   Note that the hysteresis loop shown in FIG. 5 is an example of the hysteresis loop, and the shape of the hysteresis loop is not limited to the illustrated shape. The shape of the hysteresis loop is not particularly limited as long as the pressure-adsorption amount curve during adsorption is different from the pressure-adsorption amount curve during desorption, and efficient gas adsorption / desorption can be performed.

ガス脱着圧Pとガス吸着圧Pとの差圧P−Pは小さい方が好ましい。従来のガス吸着材の場合は、図6に示すように、ガス吸着量をAからAに脱着するためには、ガス圧力をPからPまで減圧する必要がある。この圧力差P−Pに比べて、図5のP−Pは小さいので、吸脱着を効果的に生じさせうる。このような理由により、吸脱着の効率化のためには、吸着と脱着との差圧が小さいことが好ましい。 Gas desorption pressure P 4 and the pressure difference P 1 -P 4 of a gas adsorption pressure P 1 is preferably small. In the case of a conventional gas adsorbent, as shown in FIG. 6, in order to desorb the gas adsorption amount from A 1 to A 3 , it is necessary to reduce the gas pressure from P 1 to P 5 . Since P 1 -P 4 in FIG. 5 is smaller than the pressure difference P 1 -P 5 , adsorption / desorption can be effectively caused. For these reasons, in order to increase the efficiency of adsorption / desorption, it is preferable that the differential pressure between adsorption and desorption is small.

本発明に用いられる、ガス吸着材の吸着特性、組成および構造について説明する。   The adsorption characteristics, composition and structure of the gas adsorbent used in the present invention will be described.

本発明で用いられるガス吸着材は、ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す材料が好ましい。ヒステリシスループを示す材料は、少なくともガス冷媒に関してヒステリシスループを発現すればよく、全てのガスに対してヒステリシスループを示さずともよい。   The gas adsorbent used in the present invention is preferably a material in which an adsorption / desorption isotherm related to gas exhibits a hysteresis loop. A material that exhibits a hysteresis loop may exhibit a hysteresis loop at least with respect to a gas refrigerant, and may not exhibit a hysteresis loop for all gases.

ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す材料としては、例えば、下記化学式1で表される高分子錯体が挙げられる。   Examples of the material in which the gas adsorption / desorption isotherm shows a hysteresis loop include a polymer complex represented by the following chemical formula 1.

Figure 2006029614
Figure 2006029614

化学式1において、Xは2価の遷移金属イオン、Yは陰イオン、Lは2個の配位部位を有する有機配位子を示す。aはLが帯電しておらずYが1価の陰イオンである場合には2、Lが帯電しておらずYが2価の陰イオンである場合は1、Lが1価に帯電している場合には0であり、mは0又は0.5以上8以下である。   In Chemical Formula 1, X represents a divalent transition metal ion, Y represents an anion, and L represents an organic ligand having two coordination sites. a is 2 when L is not charged and Y is a monovalent anion, 1 when L is not charged and Y is a divalent anion, and L is charged monovalently. And m is 0 or 0.5 or more and 8 or less.

化学式1で表される化合物は、以下の化合物を原料として製造されうる。   The compound represented by Chemical Formula 1 can be produced using the following compounds as raw materials.

原料の1つは、金属塩であり、XYで表される化合物である。Xとしては、2価の遷移金属イオン、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のイオン等が挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、好ましくは、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のイオンであり、さらに好ましくは、ニッケル、銅のイオンである。 One of the raw material is a metal salt, a compound represented by XY a. Examples of X include divalent transition metal ions such as iron, cobalt, nickel, copper, and zinc ions. In terms of ease of making a complex, ions of cobalt, nickel, copper, and zinc are preferable, and ions of nickel and copper are more preferable.

Yは1価又は2価の陰イオンであり、1価の陰イオンとしては、例えば、Cl、Br、BF 、PF 、CFSO 、CFCO 等の強酸の酸イオンが挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、BF 、PF 、CFSO 、CFCO 、さらに好ましくは、BF 、PF 、CFSO が挙げられる。2価の陰イオンとしては、SiF 2−、GeF 2−、SbF 2−、SO 2−等が挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、SiF 2−、SO 2−が好ましい。 Y is a monovalent or divalent anion, and examples of the monovalent anion include Cl , Br , BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 and CF 3 CO 2 . Examples include strong acid acid ions. BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , CF 3 CO 2 , and more preferably BF 4 , PF 6 , and CF 3 SO 3 are mentioned in terms of ease of making the complex. Examples of the divalent anion include SiF 6 2− , GeF 6 2− , SbF 6 2− , SO 4 2− and the like. SiF 6 2− and SO 4 2− are preferable in terms of ease of forming the complex.

他の原料としては、有機配位子Lが用いられる。Lは、分子内の比較的離れた位置に2個の配位部位を有する配位子である。すなわち、4,4’−ビピリジル及び分子の両末端に4−ピリジル基を1個ずつ有するA−B−A(A=4−ピリジル基)型の配位子である。Bとしては、−CH−、−CH=CH−(シス又はトランス)、−CO−NH−、1,4−フェニレン又は置換フェニレン、1,3−フェニレン又は置換フェニレン、2,5−チオフェニル又はその置換体、2,7−フルオレニル又はその置換体および1,4−ジエチニルベンゼン等が挙げられる。比較的安価に入手可能な点で、4,4’−ビピリジル、1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼン、1,4−ビス(4−ピリジル)チオフェンおよび1,4−ビス(4−ピリジル)アセチレンが好ましく、汎用品として入手容易と言う点で4,4’−ビピリジルが好ましい。 As another raw material, the organic ligand L is used. L is a ligand having two coordination sites at relatively distant positions in the molecule. That is, it is an ABA (A = 4-pyridyl group) type ligand having 4,4′-bipyridyl and one 4-pyridyl group at both ends of the molecule. As B, —CH 2 —, —CH═CH— (cis or trans), —CO—NH—, 1,4-phenylene or substituted phenylene, 1,3-phenylene or substituted phenylene, 2,5-thiophenyl or The substitution product, 2,7-fluorenyl or the substitution product thereof, 1,4-diethynylbenzene and the like can be mentioned. 4,4′-bipyridyl, 1,4-bis (4-pyridyl) benzene, 1,4-bis (4-pyridyl) thiophene and 1,4-bis (4-pyridyl) are relatively inexpensive ) Acetylene is preferable, and 4,4′-bipyridyl is preferable because it is easily available as a general-purpose product.

高分子錯体は極性を有する物質であるため、水やアルコールやエーテル等を包摂する可能性がある。包摂される水分子の数を表すmは0.5〜8まで様々で、錯体が保存される環境に応じて可逆的に変化する。また、これらは高分子錯体に弱く結合しているだけであり、減圧乾燥等の処理によって除かれ、mが0となる場合もあり、その場合には、化学式2で示されるような水などを含まない錯体に変化する場合がある。   Since the polymer complex is a substance having polarity, it may include water, alcohol, ether or the like. M representing the number of water molecules to be included varies from 0.5 to 8, and reversibly changes depending on the environment in which the complex is stored. In addition, these are only weakly bonded to the polymer complex, and may be removed by a treatment such as drying under reduced pressure, and m may be 0. In such a case, water such as represented by Chemical Formula 2 may be used. It may change to a complex that does not contain.

Figure 2006029614
Figure 2006029614

化学式2において、Xは2価の遷移金属イオン、Yは陰イオン、Lは2個の配位部位を有する有機配位子を示す。aはLが帯電しておらずYが1価の陰イオンである場合には2、Lが帯電しておらずYが2価の陰イオンである場合は1、Lが1価に帯電している場合には0となる。   In Chemical Formula 2, X represents a divalent transition metal ion, Y represents an anion, and L represents an organic ligand having two coordination sites. a is 2 when L is not charged and Y is a monovalent anion, 1 when L is not charged and Y is a divalent anion, and L is charged monovalently. 0 if it is.

しかし、化学式2で表される錯体は吸湿することで、化学式1で表される錯体に戻る。そのため、化学式2で表されるような錯体であっても、本質的には本発明で使用される高分子錯体と同一物と見なすことができる。   However, the complex represented by Chemical Formula 2 returns to the complex represented by Chemical Formula 1 by absorbing moisture. Therefore, even a complex represented by Chemical Formula 2 can be regarded as essentially the same as the polymer complex used in the present invention.

ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す他の材料としては、下記化学式3で表される高分子錯体が挙げられる。   As another material in which the adsorption / desorption isotherm regarding gas exhibits a hysteresis loop, a polymer complex represented by the following chemical formula 3 can be mentioned.

Figure 2006029614
Figure 2006029614

化学式3において、Xは2価の遷移金属イオン、Cは芳香族カルボン酸系配位子、L’は2個の配位部位を有する非カルボン酸型配位子を示す。   In Chemical Formula 3, X represents a divalent transition metal ion, C represents an aromatic carboxylic acid ligand, and L ′ represents a non-carboxylic acid type ligand having two coordination sites.

化学式3で表される化合物は、以下の化合物を原料として製造されうる。   The compound represented by Chemical Formula 3 can be produced using the following compounds as raw materials.

原料の1つは、遷移金属イオンXを含む金属塩である。Xは2価の遷移金属イオン、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のイオン等が挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、好ましくは、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のイオンであり、さらに好ましくは、ニッケル、銅のイオンである。   One of the raw materials is a metal salt containing a transition metal ion X. X may be a divalent transition metal ion such as iron, cobalt, nickel, copper, or zinc ion. In terms of ease of making a complex, ions of cobalt, nickel, copper, and zinc are preferable, and ions of nickel and copper are more preferable.

Xの対イオンとしては1価又は2価の陰イオンが例示でき、例えば、Cl、Br、BF 、PF 、CFSO 、CFCO 、CHCO 、NO 、SiF 2−、GeF 2−、SO 2−等のイオンが挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、BF 、PF 、CFSO 、CFCO 、CHCO 、NO 、SiF 2−、GeF 2−、SO 2−であり、さらに好ましくは、BF 、PF 、CFSO 、CFCO 、CHCO 、NO が挙げられる。これらの対イオンは、単一のものを使用してもよいし、混合使用してもかまわない。例えば、金属塩として銅塩を用いる場合、Cu(BFを単独で使用してもよいし、Cu(BFとCu(OAc)を混合使用してもかまわない。混合比は任意でよい。 Examples of the counter ion of X include a monovalent or divalent anion. For example, Cl , Br , BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , CF 3 CO 2 , and CH 3 CO 2. , NO 3 , SiF 6 2− , GeF 6 2− , SO 4 2−, and the like. BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , CF 3 CO 2 , CH 3 CO 2 , NO 3 , SiF 6 2− , GeF 6 2− , SO 4 2- , more preferably BF 4 , PF 6 , CF 3 SO 3 , CF 3 CO 2 , CH 3 CO 2 , and NO 3 . These counter ions may be used alone or in combination. For example, when a copper salt is used as the metal salt, Cu (BF 4 ) 2 may be used alone, or Cu (BF 4 ) 2 and Cu (OAc) 2 may be mixed and used. The mixing ratio may be arbitrary.

Cは、芳香族カルボン酸系配位子である。芳香族カルボン酸系配位子とは、芳香族にカルボキシル基が1個以上置換した化合物を指す。   C is an aromatic carboxylic acid-based ligand. An aromatic carboxylic acid-based ligand refers to a compound in which one or more carboxyl groups are substituted on an aromatic group.

カルボキシル基が1個置換した配位子の例としては、安息香酸や4−カルボキシビフェニルのようにカルボキシル基以外の官能基を含まないもの又はカルボキシル基以外の官能基を含む、2−ヒドロキシ安息香酸、3−ヒドロキシ安息香酸、4−ヒドロキシ安息香酸、2,4−ジヒドロキシ安息香酸、2,5−ジヒドロキシ安息香酸、3,5−ジヒドロキシ安息香酸、2−アミノ安息香酸、3−アミノ安息香酸、4−アミノ安息香酸、2,4−ジアミノ安息香酸、2,5−ジアミノ安息香酸、3,5−ジアミノ安息香酸、2−メトキシ安息香酸、3−メトキシ安息香酸、4−メトキシ安息香酸、2,4−ジメトキシ安息香酸、2,5−ジメトキシ安息香酸、3,5−ジメトキシ安息香酸、4−アセトキシ安息香酸、2,4−ジアセトキシ安息香酸、2,5−ジアセトキシ安息香酸、4−アセチル安息香酸、2,4−ジアセチル安息香酸、2,5−ジアセチル安息香酸等を広く例示できる。   Examples of ligands substituted with one carboxyl group include 2-hydroxybenzoic acid containing no functional groups other than carboxyl groups or functional groups other than carboxyl groups such as benzoic acid and 4-carboxybiphenyl. 3-hydroxybenzoic acid, 4-hydroxybenzoic acid, 2,4-dihydroxybenzoic acid, 2,5-dihydroxybenzoic acid, 3,5-dihydroxybenzoic acid, 2-aminobenzoic acid, 3-aminobenzoic acid, 4 -Aminobenzoic acid, 2,4-diaminobenzoic acid, 2,5-diaminobenzoic acid, 3,5-diaminobenzoic acid, 2-methoxybenzoic acid, 3-methoxybenzoic acid, 4-methoxybenzoic acid, 2,4 -Dimethoxybenzoic acid, 2,5-dimethoxybenzoic acid, 3,5-dimethoxybenzoic acid, 4-acetoxybenzoic acid, 2,4-diacetoxybenzoic acid Acid, 2,5-diacetoxy benzoic acid, 4-acetyl benzoic acid, 2,4-diacetyl-benzoic acid can be exemplified widely 2,5 diacetyl benzoate.

また、カルボキシル基を2個以上含む配位子の例としては、テレフタル酸、1,3,5−ベンゼントリカルボン酸、ピロメリット酸、4,4’−ビフェニルジカルボン酸、2,5−ジメチルテレフタル酸等を例示できる。これらのカルボン酸系配位子は、配位の際には、カルボキシル基の一つが電離し、カルボン酸陰イオンとして配位している。化合物が比較的安価に入手でき、化合物の安定性が高い点で、ヒドロキシ基又はメトキシ基が置換した安息香酸、無置換の安息香酸、テレフタル酸、4,4’−ビフェニルジカルボン酸が好ましい。   Examples of ligands containing two or more carboxyl groups include terephthalic acid, 1,3,5-benzenetricarboxylic acid, pyromellitic acid, 4,4′-biphenyldicarboxylic acid, 2,5-dimethylterephthalic acid. Etc. can be illustrated. In these carboxylic acid-based ligands, one of the carboxyl groups is ionized during coordination and coordinated as a carboxylic acid anion. From the viewpoint that the compound can be obtained relatively inexpensively and the stability of the compound is high, a benzoic acid substituted with a hydroxy group or a methoxy group, an unsubstituted benzoic acid, terephthalic acid, or 4,4'-biphenyldicarboxylic acid is preferable.

他の原料としては、非カルボン酸型配位子L’である。L’は、分子内の比較的離れた位置に、カルボキシル基ではない2個の配位部位を有する配位子である。すなわち、4,4’−ビピリジル又は分子の両末端に4−ピリジル基を1個ずつ有するA−B−A(A=4−ピリジル基)型の配位子である。Bは、−CH−、−CH=CH−(シス又はトランス)、−CO−NH−、1,4−フェニレン又は置換フェニレン、1,3−フェニレン又は置換フェニレン、2,5−チオフェニル又はその置換体、2,7−フルオレニル又はその置換体、1,4−ジエチニルベンゼン等が挙げられる。比較的安価に入手可能な点で、4,4’−ビピリジル、1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼン、1,4−ビス(4−ピリジル)チオフェン、1,4−ビス(4−ピリジル)アセチレン、が好ましく、汎用品として入手容易と言う点で、4,4’−ビピリジルが好ましい。 Another raw material is a non-carboxylic acid type ligand L ′. L ′ is a ligand having two coordination sites that are not carboxyl groups at relatively distant positions in the molecule. That is, it is 4,4′-bipyridyl or an ABA (A = 4-pyridyl group) type ligand having one 4-pyridyl group at both ends of the molecule. B is —CH 2 —, —CH═CH— (cis or trans), —CO—NH—, 1,4-phenylene or substituted phenylene, 1,3-phenylene or substituted phenylene, 2,5-thiophenyl or the like A substituted body, 2,7-fluorenyl or its substituted body, 1,4-diethynylbenzene, etc. are mentioned. 4,4′-bipyridyl, 1,4-bis (4-pyridyl) benzene, 1,4-bis (4-pyridyl) thiophene, 1,4-bis (4-pyridyl) are relatively inexpensive. ) Acetylene is preferred, and 4,4′-bipyridyl is preferred because it is readily available as a general-purpose product.

[XAL’型高分子錯体の立体構造の例としては、線形の主鎖が集合した態様や格子状構造が考えられるが、いずれでもかまわない。 [XA 2 L ′ 2 ] As an example of the steric structure of the n- type polymer complex, a mode in which linear main chains are aggregated or a lattice structure can be considered, but any of them may be used.

化学式1で表される高分子錯体と同様、高分子錯体は、極性を有する物質であるため、水やアルコールやエーテル等の有機分子に触れると、水や有機溶媒を含有し、場合によっては金属イオンと配位子の間に水や有機溶媒の挿入を受け、例えば、化学式4で示されるような複合錯体に変化する場合がある。   Similar to the polymer complex represented by Chemical Formula 1, the polymer complex is a substance having polarity, so when it comes into contact with organic molecules such as water, alcohol or ether, it contains water or an organic solvent. In some cases, water or an organic solvent is inserted between the ion and the ligand, and for example, the complex may be changed into a complex complex represented by Chemical Formula 4.

Figure 2006029614
Figure 2006029614

化学式4において、Xは2価の遷移金属イオン、Dは安息香酸系配位子、L’は2個の配位部位を有する非カルボン酸型配位子を示す。Zは水、アルコール、エーテル等の低分子を示し、mは0.5以上8以下である。   In Chemical Formula 4, X represents a divalent transition metal ion, D represents a benzoic acid-based ligand, and L ′ represents a non-carboxylic acid type ligand having two coordination sites. Z represents a low molecule such as water, alcohol or ether, and m is 0.5 or more and 8 or less.

しかし、これらの複合錯体中の水やアルコール、エーテル等の有機分子は高分子錯体に弱く結合しているだけであり、減圧乾燥等の処理によって除かれ、化学式3で表される錯体に戻る。そのため、化学式4で表されるような錯体であっても、本質的には本発明で使用される高分子錯体と同一物と見なすことができる。   However, organic molecules such as water, alcohol and ether in these complex complexes are only weakly bonded to the polymer complex, and are removed by a treatment such as drying under reduced pressure to return to the complex represented by Chemical Formula 3. Therefore, even a complex represented by Chemical Formula 4 can be regarded as essentially the same as the polymer complex used in the present invention.

化学式1〜4の高分子金属錯体は、化学式1〜4で表される単位構造が繰り返された構造を有する高分子体である。化学式1〜4においてnは、一般的な高分子化合物の表記の場合と同様、化学式1〜4の単位構造が繰り返されることを示しているに過ぎず、nの範囲については特に限定されない。高分子化合物の分子量についても、特に限定されない。例えば、化学式1〜4の高分子金属錯体は、1000以上の数平均分子量を有する。   The polymer metal complex of Chemical Formulas 1-4 is a polymer body having a structure in which the unit structures represented by Chemical Formulas 1-4 are repeated. In the chemical formulas 1 to 4, n indicates that the unit structure of the chemical formulas 1 to 4 is repeated, as in the case of general polymer compounds, and the range of n is not particularly limited. The molecular weight of the polymer compound is not particularly limited. For example, the polymer metal complexes of Chemical Formulas 1 to 4 have a number average molecular weight of 1000 or more.

化学式1〜4で表されるガス吸着材は、貯蔵させるガスや吸着時に必要となる圧力に応じて選択すればよい。特に制限されるものではないが、具体例としては、[Cu(BF(bpy)(式中、bpyは4,4’−ビピリジルを表す)、[Ni(BF(bp1p)(式中、bp1pは1,4−ビス(4−ピリジル)ベンゼンを表す)、[Cu(CFSO(bpy)が挙げられる。 The gas adsorbents represented by the chemical formulas 1 to 4 may be selected according to the gas to be stored and the pressure required at the time of adsorption. Although not particularly limited, specific examples include [Cu (BF 4 ) 2 (bpy) 2 ] n (where bpy represents 4,4′-bipyridyl), [Ni (BF 4 ) 2 (BP1P) 2] n (wherein, BP1P is 1,4-bis (4-pyridyl) represents a benzene) include [Cu (CF 3 SO 3) 2 (bpy) 2] n.

高分子金属錯体は、原料となる金属塩と配位子とを溶媒中で混合することで得られる。この際、金属塩の溶媒としては、非水系溶媒を使用することが好ましい。溶媒として水系溶媒を使用すると、含水型の錯体が生成する虞がある(Kitagawa,S.,J.Chem.Soc.,Dalton Trans.,(1999)1569参照)。金属塩や有機配位子を溶解させる溶媒中に水が混合していると、含水型の錯体が生じる虞があるが、合計5モル%程度以下の水の混入であれば、目的とする化合物の収率は低下しづらい。高分子金属錯体の製造方法に際しては、特開2004−74025号公報などの公知文献が参照されてもよい。   The polymer metal complex can be obtained by mixing a metal salt as a raw material and a ligand in a solvent. At this time, it is preferable to use a non-aqueous solvent as the metal salt solvent. When an aqueous solvent is used as a solvent, a water-containing complex may be formed (see Kitagawa, S., J. Chem. Soc., Dalton Trans., (1999) 1569). If water is mixed in a solvent that dissolves metal salts and organic ligands, a water-containing complex may be formed. The yield of is difficult to decrease. In the production method of the polymer metal complex, known documents such as JP-A-2004-74025 may be referred to.

本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、加熱および/または冷却を必要とする様々な用途に適用されうる。例えば、室内を加熱および/または冷却するための空調システム、車両の冷暖房システムなどが挙げられる。蒸発器における吸熱を利用して、液体が加熱および/または冷却されてもよい。   The vapor compression heat pump system of the present invention can be applied to various applications that require heating and / or cooling. For example, an air conditioning system for heating and / or cooling a room, a vehicle air conditioning system, and the like can be given. The liquid may be heated and / or cooled using the endotherm in the evaporator.

6畳間が3部屋ある家庭の空調システムとして用いられるケースを想定して、必要となる第2貯蔵器および第1貯蔵器の大きさを試算した。冷媒は二酸化炭素を想定した。貯蔵器の大きさは、圧縮機を作動させずに1時間空調システムを作動させるために必要な大きさとして求めた。   Assuming the case where it is used as a home air conditioning system with 3 rooms between 6 mats, the required size of the second and first reservoirs was estimated. The refrigerant assumed carbon dioxide. The size of the reservoir was determined as the size required to operate the air conditioning system for 1 hour without operating the compressor.

冷却される部屋の広さは、6(畳)×3(部屋)≒10(m)×3=30(m)である。家庭における冷房負荷が1(m)あたり100(kcal/hr)と見積もると、1時間に必要とされる冷房負荷は、100(kcal/hr・m)×30(m)=3000(kcal/hr)である。モリエル線図より、二酸化炭素のエンタルピー差は(740−550)×0.239=45.4(kcal/kg)である。したがって、1時間冷却するための二酸化炭素貯蔵量は、3000(kcal)/45.4(kcal/kg)=66(kg)である。 The size of the room to be cooled is 6 (tatami) × 3 (room) ≈10 (m 2 ) × 3 = 30 (m 2 ). Assuming that the cooling load at home is 100 (kcal / hr) per 1 (m 2 ), the cooling load required per hour is 100 (kcal / hr · m 2 ) × 30 (m 2 ) = 3000 ( kcal / hr). From the Mollier diagram, the enthalpy difference of carbon dioxide is (740−550) × 0.239 = 45.4 (kcal / kg). Therefore, the carbon dioxide storage amount for cooling for 1 hour is 3000 (kcal) /45.4 (kcal / kg) = 66 (kg).

ガス貯蔵装置には、ガス吸着材として1気圧20℃の下での二酸化炭素1gの体積が3.1cmである高分子金属錯体が配置されているとすると、必要となるガス貯蔵装置の大きさは198リットルである。これは、1m×1m×20cm程度の容器に相当する。この程度のサイズであれば、床下や天井に配置することは容易である。 In the gas storage device, if a polymer metal complex having a volume of 3.1 cm 3 of carbon dioxide (1 g) at 1 atm and 20 ° C. as a gas adsorbent is disposed, the size of the required gas storage device is large. The size is 198 liters. This corresponds to a container of about 1 m × 1 m × 20 cm. If it is this size, it is easy to arrange under the floor or the ceiling.

液体貯蔵装置の大きさは、二酸化炭素の比重が1.03g/cmであることを考慮すると、66リットルである。これは、直径24cm×高さ1m程度のボンベに相当する。 The size of the liquid storage device is 66 liters considering that the specific gravity of carbon dioxide is 1.03 g / cm 3 . This corresponds to a cylinder having a diameter of 24 cm and a height of about 1 m.

本発明の冷却サイクルの概念図である。横軸は冷媒のエンタルピーを示し、右側ほど、冷媒のエンタルピーが高い状態であることを示す。縦軸は圧力を示し、上方ほど、冷媒の圧力が高いことを示す。It is a conceptual diagram of the cooling cycle of this invention. The horizontal axis shows the enthalpy of the refrigerant, and the right side shows that the enthalpy of the refrigerant is higher. The vertical axis indicates the pressure, and the higher the pressure, the higher the pressure of the refrigerant. 時間と冷却システムに要求される能力との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between time and the capability requested | required of a cooling system. 第1貯蔵器および第2貯蔵器を有さない冷却システムにおける、時間と圧縮機にかかる負荷との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between time and the load concerning a compressor in the cooling system which does not have a 1st store and a 2nd store. 第1貯蔵器および第2貯蔵器を有する冷却システムにおける、時間と圧縮機にかかる負荷との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between time and the load concerning a compressor in the cooling system which has a 1st store and a 2nd store. ヒステリシスループを示すガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gas pressure and gas adsorption amount in the gas adsorbent which shows a hysteresis loop. 一般のガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the gas pressure and gas adsorption amount in a common gas adsorbent.

符号の説明Explanation of symbols

10…圧縮機、20…凝縮器、30…膨張弁、40…蒸発器、50…管、60…第1貯蔵器、70…第2貯蔵器。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Compressor, 20 ... Condenser, 30 ... Expansion valve, 40 ... Evaporator, 50 ... Pipe, 60 ... 1st reservoir, 70 ... 2nd reservoir.

Claims (4)

エンジンを駆動源とする圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器がこの順に配置された冷媒サイクルを備える蒸気圧縮式ヒートポンプシステムであって、
前記凝縮器と前記膨張弁とを繋ぐ冷媒管に、液体冷媒またはガス冷媒を貯蔵する第1貯蔵器が接続されてなり、
前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ冷媒管に、ガス冷媒を貯蔵する第2貯蔵器が接続されてなる、蒸気圧縮式ヒートポンプシステム。
A vapor compression heat pump system including a refrigerant cycle in which an engine-driven compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator are arranged in this order,
A refrigerant pipe connecting the condenser and the expansion valve is connected to a first reservoir that stores liquid refrigerant or gas refrigerant,
A vapor compression heat pump system in which a second storage for storing a gas refrigerant is connected to a refrigerant pipe connecting the evaporator and the compressor.
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項1に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプシステム。   The vapor compression heat pump system according to claim 1, wherein the refrigerant is carbon dioxide. 前記第2貯蔵器には、前記冷媒に関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物が配置されてなる、請求項1または2に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプシステム。   The vapor compression heat pump system according to claim 1 or 2, wherein the second reservoir is provided with a compound in which an adsorption / desorption isotherm relating to the refrigerant exhibits a hysteresis loop. 前記蒸発器における吸熱によって室内の気温を低下させる空調システムである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプシステム。   The vapor compression heat pump system according to any one of claims 1 to 3, wherein the vapor compression heat pump system is an air conditioning system that reduces an indoor air temperature by absorbing heat in the evaporator.
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