JP2006052889A - 吸着式冷凍システム用吸着塔 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、装置の小型化を図るとともに、コストの低減化に寄与する吸着式冷凍システム用吸着塔を提供する。
【解決手段】単一の真空容器である吸着塔Ｅ内に、吸着質Ｋと、この吸着質を吸着剤Ｓに吸着しもしくは吸着剤から吸着質を脱着する吸着熱交換器５と、この吸着熱交換器から脱着された吸着質を凝縮する凝縮熱交換器７と、この凝縮熱交換器で凝縮された吸着質を蒸発させて吸着剤に吸着させる蒸発熱交換器９を収納してなり、吸着熱交換器の周囲に凝縮熱交換器を配置した。
【選択図】 図３

Description

本発明は、シリカゲル、活性炭、ゼオライト等からなる吸着剤を加熱あるいは冷却することにより、吸着剤からアルコール、水、アンモニア等の吸着質を脱着し、あるいは吸着質を吸着剤に吸着させて冷熱を発生させる吸着式冷凍システム用吸着塔に関する。

近時、吸着式冷凍システムに対する注目度が高まっている。このような吸着式冷凍システムに係る先行技術が、たとえば［特許文献１］および［特許文献２］に開示されている。
このシステムは、アルコール、水、アンモニア等の吸着質を蒸発させる蒸発熱交換器と、蒸発した吸着質をシリカゲル、活性炭、ゼオライト等からなる吸着剤に吸着させ、もしくは吸着剤から吸着質を脱着させる吸着熱交換器と、吸着剤から脱着した吸着質蒸気を凝縮して液状の吸着質に戻す凝縮熱交換器を備えている。

［特許文献１］においては、蒸発槽と凝縮槽が１ユニットずつ、吸着槽は２ユニットが備えられ、互いに逆止弁（蒸気バルブ）を介在させた配管によって連結された吸着式冷凍装置が開示されている。上記逆止弁に対する切換え操作によって、吸着質が蒸発槽と吸着槽および凝縮槽との間を循環するようになっている。
［特許文献２］においては、吸着器内の連通する同一空間に、上部から下部に亘って、吸着コアと、凝縮器および蒸発器が配置された吸着式冷凍機が開示されている。上記吸着コアは少なくとも２器備えられ、吸着工程と脱着工程とが交互に行われるようになっている。
特開２００２−１８１４１２号公報 特開２００３− ７２３６２号公報

このように、［特許文献１］の構成では、各槽間を連通する配管と、これら配管の所定の部位に逆止弁（蒸気バルブ）が必要であり、コストが嵩む欠点があるのに対して、［特許文献２］の構成では配管と蒸気バルブが不要になって、その分、コストの削減化と信頼性の向上を得られる。
しかしながら、［特許文献２］の構成では、吸着器自体が大型化して、吸着器を製作するためのコストがかかるうえに、冷凍機自体を設置する際の制約が大きくなってしまう不具合がある。

本発明は上記事情に着目してなされたものであり、その目的とするところは、装置の小型化を図るとともに、コストの低減化に寄与する吸着式冷凍システム用吸着塔を提供しようとするものである。

上述の目的を満足するため本発明の吸着式冷凍システム用吸着塔は、単一の真空容器内に、吸着質と、吸着剤が充填され吸着質を吸着剤に吸着させもしくは吸着剤から吸着質を脱着する吸着熱交換器と、この吸着熱交換器から脱着された吸着質を凝縮する凝縮熱交換器と、この凝縮熱交換器で凝縮された吸着質を蒸発させて吸着熱交換器の吸着剤に吸着させる蒸発熱交換器を収納してなり、吸着熱交換器の周囲に、凝縮熱交換器を配置した。

本発明によれば、装置全体の小型化を得るとともに、コストの低減に繋げられ、かつ装置を設置する際の制約の低減化を図れるなどの効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態に係る吸着式冷凍システムを説明する。
はじめに、本発明における第１の実施の形態として、図１から吸着式冷凍システム全体の概略構成と作用を説明する。
互いに同一形状構造の、第１の吸着塔Ａと、第２の吸着塔Ｂと、第３の吸着塔Ｃおよび第４の吸着塔Ｄが、それぞれ所定の位置に配置されている。各吸着塔Ａ〜Ｄは密閉構造であるうえに、図示しない真空源と連通される真空容器である。

各々の内部には後述するように、吸着ユニット１ａ〜１ｄと、凝縮ユニット２ａ〜２ｄおよび蒸発ユニット３ａ〜３ｄが収容されているとともに、アルコール、水、アンモニア等からなる吸着質（作動流体とも呼ばれる）Ｋが所定量、充填されている。
上記吸着ユニット１ａ〜１ｄは、本体内に吸着熱交換器５が収容され、かつ吸着熱交換器５間にシリカゲル、活性炭、ゼオライト等の吸着剤Ｓが充填されてなる。上記吸着熱交換器５を構成する熱交換パイプの両端部は、それぞれの吸着ユニット１ａ〜１ｄから外部に延出される。

上記凝縮ユニット２ａ〜２ｄは、本体内に凝縮熱交換器７が収容されていて、この凝縮熱交換器７の周囲は上述した吸着質Ｋで満たされている。凝縮熱交換器７を構成する熱交換パイプの両端部は、それぞれ外部へ延出される。
上記蒸発ユニット３ａ〜３ｄは、本体内に蒸発熱交換器９が収容されていて、この蒸発熱交換器９の周囲は上述した吸着質Ｋで満たされている。蒸発熱交換器９を構成する熱交換パイプの両端部は、それぞれ外部へ延出される。

各吸着塔Ａ〜Ｄにおける蒸発ユニット３ａ〜３ｄ対向部位のみ断熱材１０が充填されていて、蒸発ユニット３ａ〜３ｄは二重構造の容器となし、特に外面側が断熱構造となる。このことから、各吸着塔Ａ〜Ｄの外部から内部である蒸発ユニット３ａ〜３ｄへの熱侵入を阻止でき、蒸発ユニットにおける熱交換効率の向上を得られる。
以上説明した第１〜第４の吸着塔Ａ〜Ｄのそれぞれとは離間する一側部位に、熱源器１１と、熱源切換器１２と、第１の放熱切換器１３および放熱器１４が配置される。

上記熱源器１１は、常時、高温を保持するように温度制御された熱媒を集溜している。熱源機１１と熱源切換器１２との間には２本の配管ｐが接続され、そのうちの１本の配管中途部に、熱源器１１から高温の熱媒を図中矢印方向である熱源切換器１２へ給出する循環ポンプ１５が設けられる。
上記循環ポンプ１５の存在から、一方配管ｐが高温熱媒を熱源器１１から熱源切換器１２へ給出案内する導出管であり、他方配管ｐが熱源切換器１２から温度低下した熱媒を熱源器１１に戻し案内する戻し管となる。

上記放熱器１４は、常時、低温を保持するように温度制御された熱媒を集溜している。放熱器１４と第１の放熱切換器１３とは２本の配管ｐで接続されていて、そのうちの１本の配管中途部に、放熱器１４から低温の熱媒を図中矢印方向である第１の放熱切換器１３側へ給出する循環ポンプ１６が設けられる。
上記循環ポンプ１６の存在から、一方配管ｐが低温の熱媒を放熱器１４から第１の放熱切換器１３へ給出案内する導出管であり、他方配管ｐが第１の放熱切換器１３から熱媒を放熱器１４へ戻し案内する戻し管となる。

上記熱源切換器１２および第１の放熱切換器１３とも、流出部と流入部とで対になる接続ポート１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄが各々４対備えられる。各切換器１２，１３内部には１組の切換え機構が収容され、各４対の接続ポート１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄのうちのいずれか２対の接続ポートが、上記導入管ｐと戻し管ｐおよび接続ポート相互に連通するように切換えられる。
熱源切換器１２と、第１の放熱切換器１３の接続ポート１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄに接続される配管は、各切換器１２，１３における同一部位の接続ポートと連通するように配管されている。

すなわち、熱源切換器１２と第１の放熱切換器１３における第１の接続ポート１２ａ，１３ａ相互、第２の接続ポート１２ｂ，１３ｂ相互、第３の接続ポート１２ｃ，１３ｃ相互、第４の接続ポート１２ｄ，１３ｄ相互が連通される。

さらに、第１の接続ポート１２ａ，１３ａ相互を連通する一対の配管ｐ中途部から別の配管ｐが分岐していて、これら配管ｐは上記第１の吸着塔Ａにおける吸着ユニット１ａの吸着熱交換器５に接続される。
以下同様に、第２の接続ポート１２ｂ，１３ｂ相互を連通する配管ｐから分岐して、第２の吸着塔Ｂにおける吸着ユニット１ｂの吸着熱交換器５に接続される。第３の接続ポート１２ｃ．１３ｃ相互を連通する配管ｐから分岐して、第３の吸着塔Ｃにおける吸着ユニット１ｃの吸着熱交換器５に接続される。第４の接続ポート１２ｄ，１３ｄ相互を連通する配管ｐから分岐して、第４の吸着塔Ｄにおける吸着ユニット１ｄの吸着熱交換器５に接続される。

上記第１の吸着塔Ａ〜第４の吸着塔Ｄにおける他側部位には、冷却器１７と、冷却切換器１８および第２の放熱切換器１９が配置される。
上記冷却器１７は、後述するようにして得られた低温の熱媒を集溜する。すなわち、吸着式冷凍システムとして、冷却器１７に集溜する熱媒から冷熱を取出し、利用部位に供給することにより必要な冷凍作用をなす。
冷却器１７と冷却切換器１８との間には２本の配管ｐが接続され、このうちの１本の配管ｐ中途部に、利用部位で利用してある程度温度上昇した熱媒を冷却器１７から図中矢印方向である冷却切換器１８へ給出する循環ポンプ２０が設けられる。

上記循環ポンプ２０の存在から、一方配管ｐが冷却器１７の熱媒を上記冷却切換器１８へ案内する導出管となり、他方配管ｐが冷却切換器１８から熱媒を冷却器１７へ戻し案内する戻し管となる。
上記冷却切換器１８は、流出部と流入部とで対になる接続ポート１８ａ〜１８ｄが各々４対備えられる。さらに、冷却切換器１８は循環用配管ｐの両端部を接続する接続ポート１８ｅを備えている。この循環用配管ｐには補助循環ポンプ２１が設けられ、図中実線矢印方向へ熱媒を循環供給する。
上記冷却切換器１８内部には２組の切換え機構が収容されている。一方の切換え機構は、各接続ポート１８ａ〜１８ｄのうちの、いずれか１対の接続ポートと上記導出管ｐおよび戻し管ｐとを連通するように切換える。他方の切換え機構は、各接続ポート１８ａ〜１８ｄのうちの、いずれか２対の接続ポートと上記循環用配管ｐおよび上記２対の接続ポート相互を連通するように切換える。

なお、冷却切換器１８に備えられる２組の切換え機構は、同時に切換え作用をなす。この切換え作用にともなって、冷却器１７と１対の接続ポート１８ａ〜１８ｄのいずれかが連通し、循環用配管ｐと２対の接続ポート１８ａ〜１８ｄのいずれかが連通するので、常に３対の接続ポートが同時に切換えられる。
上記冷却切換器１８における４対の接続ポート１８ａ〜１８ｄには、それぞれ配置順に上記第１〜第４の吸着塔Ａ〜Ｄにおける蒸発ユニット３ａ〜３ｄの熱交換パイプ９に連通する配管ｐが接続されている。したがって、冷却切換器１８は常に、冷却器１７と循環用配管ｐおよび第１〜第４の吸着塔Ａ〜Ｄにおける３組の吸着塔の、蒸発ユニット３ａ〜３ｄのいずれかに熱媒を供給するよう切換えるようになっている。

上記第２の放熱切換器１９には、放熱器１４と第１の放熱切換器１３とを連通する配管ｐの中途部から分岐する配管ｐが接続される。そして、第２の放熱切換器１９には、流出部と流入部とで対になる接続ポート１９ａ〜１９ｄが各々４対備えられる。
第２の放熱切換器１９内部には１組の切換え機構が収容されていて、この作用にともない第１〜第４の接続ポート１９ａ〜１９ｄにおける、いずれか２対の接続ポートが上記導入管ｐと戻し管ｐおよび上記接続ポート相互に連通するように切換えられる。

第２の放熱切換器１９に備えられる４対の接続ポート１９ａ〜１９ｄは、第１〜第４の吸着塔Ａ〜Ｄにおける凝縮ユニット２ａ〜２ｄに配置順に連通する配管ｐが接続される。したがって、第２の放熱切換器１９は第１〜第４の吸着塔Ａ〜Ｄにおける凝縮ユニット２ａ〜２ｄのうち、常に２組の吸着塔における凝縮ユニットに熱媒を供給するよう切換えられるようになっている。
このようにして構成される吸着式冷凍システムであって、つぎに運転方法について説明する。
第１の吸着塔Ａ〜第４の吸着塔Ｄは、［表 １］に示すように、状態１−状態２−状態３−状態４の各工程に順次切換えられて、再び状態１の工程に戻る。

図２に、［状態１］の工程を具体的に示している。
このとき、第１の吸着塔Ａにおける吸着ユニット１ａでは、吸着剤Ｓから吸着質Ｋを脱着する脱着工程が行われる。第２の吸着塔Ｂにおける吸着ユニット１ｂでは、吸着剤Ｓに対する予冷工程が行われる。第３の吸着塔Ｃにおける吸着ユニット１ｃでは、吸着剤Ｓに吸着質Ｋを吸着させる吸着工程が行われる。第４の吸着塔Ｄにおける吸着ユニット１ｄでは、吸着剤Ｓに対する予熱工程が行われる。
すなわち、循環ポンプ１５が駆動され、熱源器１１から供給される高温の熱媒は熱源切換器１２を介して第１の吸着塔Ａにおける吸着ユニット１ａに導かれ、吸着熱交換器５は吸着剤Ｓを加熱する。そのため、第１の吸着塔Ａにおいて前工程で後述するように予熱した吸着剤Ｓから吸着質Ｋを脱着する脱着作用をなす。吸着剤Ｓは予熱された状態になっているので、吸着していた吸着質Ｋを効率よく脱着する。

同時に、循環ポンプ１６が駆動され、放熱器１４から低温熱媒の一部が第１の吸着塔Ａにおける凝縮ユニット２ａの凝縮熱交換器７に導かれる。凝縮熱交換器７が吸着剤Ｓを加熱することによって、吸着剤Ｓから脱着した吸着質Ｋは凝縮熱交換器７と熱交換して凝縮液化する。
放熱器１４から循環ポンプ１６を介して供給される残りの低温熱媒は、第１の放熱切換器１３を介して第３の吸着塔Ｃにおける吸着ユニット１ｃの吸着熱交換器５に導かれ、吸着剤Ｓを冷却する。そのため、第３の吸着塔Ｃにおいて前々工程で吸着質Ｋが脱着され、前工程で予冷したあとの吸着剤Ｓに吸着質Ｋを吸着させる吸着作用が行われる。後述するように、吸着剤Ｓを予冷しているので、吸着質Ｋの吸着作用は効率よく行われる。

この第３の吸着塔Ｃにおける蒸発ユニット３ｃの蒸発熱交換器９には、冷却器１７から冷熱を出力したあとの、ある程度温度上昇した熱媒が循環ポンプ２０の作動によって導かれる。そして、この蒸発ユニット３ｃでは吸着質Ｋの蒸発にともなう潜熱の発生があり、蒸発熱交換器９に導かれる熱媒は温度低下する。
蒸発ユニット３ｃの蒸発熱交換器９で温度低下した熱媒は冷却器１７に戻され、ここに集溜されている熱媒が温度低下する。したがって、冷却器１７に冷熱が蓄積され、必要に応じて冷熱を取出し利用部位に供給することで冷凍作用を得られる。

上記第２の吸着塔Ｂにおける吸着ユニット１ｂでは、予冷工程が行われている。この予冷工程は、第２の吸着塔Ｂにおける前工程（脱着工程）で温度上昇した吸着剤Ｓをある程度冷却し、次工程（吸着工程）との温度差を小さくして切換えを円滑化し、かつ熱ロスを最小限に抑制するための工程である。
具体的には、放熱器１４から第１の放熱切換器１３を介して第３の吸着塔Ｃにおける吸着ユニット１ｃの吸着熱交換器５に導かれたあとの熱媒を、そのまま第２の吸着塔Ｂにおける吸着ユニット１ｂの吸着熱交換器５へ導びくように第１の放熱切換器１３が切換えられる。上述したように第３の吸着塔Ｃでは吸着工程をなしていて、ここである程度温度上昇した熱媒が導びかれる。

しかしながら、第２の吸着塔Ｂにおける吸着ユニット１ｂの吸着熱交換器５に導かれる熱媒の温度は、前工程（脱着工程）における吸着剤Ｓの温度よりも低いから、この吸着剤Ｓを冷却（予冷）することができる。
第２の吸着塔Ｂにおける蒸発ユニット３ｂの蒸発熱交換器９には、冷却切換器１８の循環ポンプ２１と循環用配管ｐを介して、第４の吸着塔Ｄの蒸発ユニット３ｄにおける前工程（吸着工程）の余熱による低温の熱媒が導かれているので、蒸発熱交換器９自体の温度低下も得られる。このような切換え操作によって、予冷工程が円滑に行われる。

上記第４の吸着塔Ｄにおける吸着ユニット１ｄでは予熱工程が行われている。この予熱工程は、前工程（吸着工程）で温度低下した吸着剤Ｓをある程度加熱し、次工程（脱着工程）との温度差を小さくして切換えを円滑化し、かつ熱ロスを最小限に抑制するために切換えられる。
具体的には、熱源器１１から熱源切換器１２を介して第１の吸着塔Ａにおける吸着ユニット１ａの吸着熱交換器５に導かれたあとの熱媒を、第４の吸着塔Ｄにおける吸着ユニット１ｄの吸着熱交換器５に導びくように熱源切換器１２が切換えられる。上述したように、第１の吸着塔Ａでは脱着工程をなしていて、ここからある程度温度低下した熱媒を導くことになる。

しかしながら、第４の吸着塔Ｄにおける吸着ユニット１ｄの吸着熱交換器５に導かれる熱媒は前工程（吸着工程）における吸着剤Ｓの温度よりも高いから、この吸着剤Ｓの温度上昇を図って予熱することができる。
第４の吸着塔Ｄにおける蒸発ユニット３ｄの蒸発熱交換器９には、冷却切換器１８の切換えと循環ポンプ２１の作動によって、第２の吸着塔Ｂの蒸発ユニット３ｂから熱媒が導かれている。第２の吸着塔の吸着ユニットＢでは予冷工程が行われていて、ここで蒸発ユニット３ｂから汲み上げた熱を第４の吸着塔Ｄにおける蒸発ユニット３ｄの蒸発熱交換器９に導びくことになる。

第４の吸着塔Ｄにおける凝縮ユニット３ｄの凝縮熱交換器７には、脱着工程が行われている第１の吸着塔Ａにおける凝縮ユニット２ａの凝縮熱交換器７から熱媒が導かれる。すなわち、第１の吸着塔Ａにおける凝縮ユニット２ａの凝縮熱交換器７から汲み上げた熱を、第４の吸着塔Ｄにおける凝縮ユニット２ｄの凝縮熱交換器７に導びいて吸着質Ｋを温める。
このようにして、第４の吸着塔Ｄにおいては第１の吸着塔Ａにおける吸着ユニット１ａの吸着熱交換器５と、第２の吸着塔Ｂにおける凝縮ユニット２ａの凝縮熱交換器７から流出した熱媒の余熱を利用する、予熱工程が行われる。

以上で、図２に示す［状態１］の工程である、第１の吸着塔Ａでの脱着工程と、第２の吸着塔Ｂでの予冷工程と、第３の吸着塔Ｃでの吸着工程および第４の吸着塔Ｄでの予熱工程の、それぞれの説明がなされる。
以下、特に図示していないが、［状態２］では第１の吸着塔Ａ〜第４の吸着塔Ｄにおいて、先に説明した［状態１］での工程から順次１工程づつ繰り上がった工程となる。すなわち、第１の吸着塔Ａにおいて予冷工程が行われ、第２の吸着塔Ｂにおいて吸着工程が行われ、第３の吸着塔Ｃにおいて予熱工程が行われ、第４の吸着塔Ｄにおいて脱着工程が行われる。

［状態３］では、第１の吸着塔Ａにおいて吸着工程が行われ、第２の吸着塔Ｂにおいて予熱工程が行われ、第３の吸着塔Ｃにおいて脱着工程が行われ、第４の吸着塔Ｄにおいて予冷工程が行われる。
［状態４］では、第１の吸着塔Ａにおいて予熱工程が行われ、第２の吸着塔Ｂにおいて脱着工程が行われ、第３の吸着塔Ｃにおいて予冷工程が行われ、第４の吸着塔Ｄにおいて吸着工程が行われる。

このようにして、［状態２］ないし［状態４］では、第１の吸着塔Ａ〜第４の吸着塔Ｄそれぞれにおいて、先に説明した［状態１］での工程から１工程づつ繰り上がった工程が［状態２］であり、ここからさらに１工程づつ繰り上がった工程が順次［状態３］および［状態４］となる。
換言すれば、第１の吸着塔Ａ〜第４の吸着塔Ｄにおいて、それぞれが −脱着工程−予冷工程−吸着工程−予熱工程− と順次切換えられる。そして、これらの工程切換えは、熱源切換器１２、第１の放熱切換器１３、第２の放熱切換器１９および冷却切換器１８の切換え操作によって可能であり、これら切換器は制御部からの制御信号に応じて操作される。

なお、一般的な吸着式冷凍システムでは、上述したような予冷工程や予熱工程が省略されていて、単純に脱着工程と吸着工程を繰り返すばかりであり、したがってシステム用装置として２基の吸着塔を備えればよいことになる。
一方の吸着塔において、吸着熱交換器５に温水を導き、凝縮熱交換器７に冷却水を導く脱着工程をなす。他方の吸着塔において、吸着熱交換器５に冷却水を導き、蒸発熱交換器９に冷水を導く吸着工程をなす。各吸着塔において交互に脱着工程と吸着工程を繰り返すことにより、温水入力から冷水（冷凍能力）を得られることとなる。

図３は、本発明における第２の実施の形態を示し、実際の真空容器である吸着塔Ｅの内部構成を説明するための、吸着式冷凍システム用吸着塔の模式的な断面図である。
すなわち、吸着塔Ｅ内部は上下に二分されている。この吸着塔Ｅ内部の上部側には、軸芯に沿って吸着熱交換器５が配置される。吸着熱交換器５の外周面と吸着塔Ｅ内周面との間は所定の間隙（空間スペース）Ｚを存していて、この間隙に凝縮熱交換器７が配置される。

したがって、吸着塔Ｅ内において吸着熱交換器５と凝縮熱交換器７は、全く同位置に揃えられ配置された状態で吸着塔Ｅ内部に収容されることになる。これに対して吸着塔Ｅ内部の下部側には、蒸発熱交換器９が収容される。
このような構成を採用することにより、吸着塔Ｅとしての全高は、たとえば先に説明した［特許文献１］のように、上下方向に亘って凝縮槽と吸着槽および蒸発槽を設け、これら槽間に逆止弁を介在させた構成のものよりも全高が低くてすみ、装置として小型化を得られる。

また、先に説明した［特許文献２］のように、吸着器内部に上下方向に亘って吸着コアと、凝縮器および蒸発器を収容してなる構成のものよりも全高が低くてすみ、装置として小型化を得られる。
このような第２の実施の形態における、吸着塔Ｅ上部側の構成をさらに詳細に説明するのが、図４（Ａ）（Ｂ）である。図４（Ａ）（Ｂ）は、吸着塔Ｅ上部における互いに異なる構成の横断面図である。
図４（Ａ）においては、吸着塔Ｅは円筒状をなしていて、この軸心に沿って吸着熱交換器５ａが収容される。上記吸着熱交換器５ａは、円形状の横断面をなしていて、当然、吸着塔Ｅの軸心に対して吸着熱交換器５ａは同心である。したがって、これら吸着熱交換器５ａと吸着塔Ｅとは全周に亘って均一の間隙（空間スペース）Ｚａを存している。

そして、吸着塔Ｅと吸着熱交換器５ａとの間隙（空間スペース）Ｚａに凝縮熱交換器７ａが設けられる。この凝縮熱交換器７ａは、吸着塔Ｅおよび吸着熱交換器５ａと同一の軸心をなして円筒状に形成される。すなわち、凝縮熱交換器７ａと吸着塔Ｅとの間隙および、凝縮熱交換器７ａと吸着熱交換器５ａとの間隙は全周に亘って均一である。
本来、吸着塔Ｅ内部において吸着熱交換器５ａの周囲はデッドスペースＺａとなっているが、このデッドスペースを利用して凝縮熱交換器７ａを配置する。このことにより、吸着塔Ｅの小型化を図ることができ、コストの低減化と、装置を設置する際の制約の低減に繋がる。

図４（Ｂ）は、円筒状の吸着塔Ｅに対して、吸着熱交換器５ｂは横断面が正四角状をなす直方体である。この場合も、吸着塔Ｅ内周面と吸着熱交換器５ｂにおける各辺部外面部との間（４箇所）は、互いに同一形状面積の空間スペースＺｂが形成されることになる。
そこで、上述の空間スペースＺｂのそれぞれに、横断面が薄板状をなす凝縮熱交換器７ｂが配置される。
結果として、先に説明したものと同様、吸着塔Ｅ内に吸着熱交換器５ｂが収容された状態でのデッドスペースＺｂに凝縮熱交換器７ｂを配置することとなり、吸着塔Ｅの小型化を図ることができ、コストの低減化と、装置を設置する際の制約低減に繋がる。

図５は、本発明における第３の実施の形態を示す、吸着式冷凍システム用吸着塔の模式的な断面図である。
真空容器である吸着塔Ｅの内部で、上部側には軸心に沿って吸着熱交換器５が配置され、この吸着熱交換器５と吸着塔Ｅとの空間スペースＺに凝縮熱交換器７が配置されていることは変りがない。
吸着塔Ｅの下部側には蒸発熱交換器９が配置されている。この蒸発熱交換器９を収容する部分のみ二重構造の容器となっていて、凝縮熱交換器７で凝縮された吸着質を一旦外側の容器に貯留し、上部に設けた開口を介して内側の容器に導入するようになっている。これにより、内側の容器内の吸着質が外気と直接熱交換することなく、断熱効果が得られる。
このような蒸発熱交換器９は、部分的もしくは全体的に吸着質Ｋに浸漬するよう設計されている。上記吸着質Ｋは、凝縮熱交換器７と熱交換することによって凝縮され、液相状態で集溜している。
上記蒸発熱交換器９の下部である吸着塔Ｅ底部には、超音波を発振する超音波振動子３０が取付けられる。吸着塔Ｅの内部構成から、上記超音波振動子３０を発振することにより、蒸発熱交換器９が超音波振動する。同時に、蒸発熱交換器９を浸漬する吸着質Ｋが超音波振動するとともに、吸着塔Ｅ全体が超音波振動する。

蒸発熱交換器９の一部もしくは全体を液相の吸着質Ｋに浸漬したうえで、超音波振動子３０を発振して液相吸着質Ｋを振動する。液相吸着質Ｋは振動を吸収して、液相から気相への相変態を促進する。したがって、蒸発熱交換器９の沸騰熱伝達率が向上し、結果として冷凍能力の増大化が得られる。
この種の吸着式冷凍システム用吸着塔においては、蒸発熱交換器９の吸着質Ｋに対する蒸発構造として、蒸発熱交換器上方部位にシャワーなどの散布手段を備えて、液相吸着質を蒸発熱交換器に散布することが考えられる。

しかしながら、このような構成の吸着式冷凍システム用吸着塔と比較して、上述したように超音波振動子３０を備えて液相吸着質Ｋを振動する構成では、部品点数が少なくてすみ、組立が簡単で製造コストを低く抑えるなどの有利な条件を有する。
なお、超音波振動子３０を吸着塔Ｅの底面に取付け、吸着塔全体を超音波振動させるようにしたので、吸着塔Ｅ内の各所に水滴状で付着していた吸着質Ｋが超音波振動を受けて流下し、吸着塔Ｅ最下部に位置する吸着熱交換器９の浸漬部へ効率よく導かれる。吸着工程時の蒸発熱交換器９以外からの蒸発による冷凍能力の損失を確実に減少させ得る。

図６（Ａ）〜（Ｄ）は、上述した第３の実施の形態における、冷凍能力の制御方式を説明する図である。
図６（Ａ）は、吸着塔Ｅにおける工程図である。ここでは先に第１の実施の形態で説明したような予冷工程や予熱工程は省略していて、単純に脱着工程と吸着工程を所定時間毎に繰り返している。
図６（Ｂ）は、通常の吸着式冷凍システム用吸着塔における冷凍出力変化を説明する図である。すなわち、先にも説明したように、吸着工程の開始とともに冷凍出力が増大する。そして、設定値αを越える冷凍出力があり、吸着工程の経過とともに冷凍出力が低下する。

吸着工程の終了直前では、冷凍出力が吸着工程開始直後の数分の一に低下してしまい、吸着工程中での冷凍出力に差が大きい。したがって、このような冷凍出力の差を可能な限り短縮化することが求められている。
図６（Ｃ）は、上述した超音波振動子（振動装置）３０を吸着塔Ｅ底面に取付けて、超音波振動させるタイミングを説明する図である。すなわち、超音波振動のタイミングは、吸着工程終了の直前で、かつ複数回に分けて行うのが理想である。

図６（Ｄ）は、吸着工程の終了前に超音波振動をなした場合での冷凍出力変化を示す図である。吸着質Ｋに超音波振動をかけることにより、最大の冷凍出力から下がり始めたタイミングで再び冷凍出力が増加し最大出力まで上がる。超音波振動を一旦停止することにより、再び冷凍出力も低下するが、再度超音波振動をなすことで、冷凍出力も上がる。
実際には、吸着工程を開始して冷凍出力の状態を検知し、冷凍出力が規定値αａ以下に低下したら超音波振動子３０を所定時間だけ発振させて冷凍出力を増大させる。そして、冷凍出力が規定値αｂ以上になったことを検知したら、超音波振動子３０の発振を停止する。再び冷凍出力が規定値αａ以下になったら、超音波振動を所定時間だけ行わせる。以下、上述の制御を繰り返すことになる。

このようにして、吸着工程の終了直前のタイミングで複数回に分けて超音波振動を繰り返すことで冷凍出力が平均して上昇し、結果的に冷凍能力の向上を図れる。
なお、上述の超音波振動子３０を凝縮熱交換器７または凝縮熱交換器７に接続される配管に取付けて、凝縮熱交換器７全体を超音波振動させるようにしてもよい。この場合も、凝縮熱交換器７の凝縮作用によって付着する吸着質Ｋの液滴が効率よく滴下して、凝縮能力の増大化を得られる。

また、超音波振動子３０を取付ける吸着塔Ｅは、内部の上部側に吸着熱交換器５と凝縮熱交換器７を配置し、下部に蒸発熱交換器９を配置する構成としたが、たとえば［特許文献１］で説明したような最下部に蒸発槽を備えた吸着式冷凍システムにおいて、上記蒸発槽底面に加振手段である超音波振動子を取付けるようにしてもよい。
あるいは、［特許文献２］で説明したように、吸着器内に上下方向に亘って吸着コアと、凝縮器と、蒸発器を備えた構成で、吸着器底面に加振手段である超音波振動子を取付けるようにしてもよい。
これらの場合はいずれも、吸着塔の全高が本発明のものよりも高くなってしまうが、冷凍出力の低下を可能な限り抑制するという効果を奏する点については何ら変りがない。

図７（Ａ）〜（Ｃ）は本発明における第４の実施の形態を示し、吸着式冷凍システムの構成を説明する図である。
すなわち、図７（Ａ）は吸着式冷凍システム用装置の外観図であり、図７（Ｂ）は吸着式冷凍システム用装置の内部構成を示す模式的な断面図であり、図７（Ｃ）は吸着式冷凍システム用装置の内部構成を示す模式的な上面図である。
吸着式冷凍システム用装置として、平面視で矩形状をなす筐体４０内に、平面視で円形状をなす４基の吸着塔Ａ〜Ｄが、縦横２基づつ並設状態で配置されている。２基の吸着塔Ａ，Ｃの一側部には、制御用電気部品類を収容する制御器４１が配置される。

また、制御器４１を除く４基の吸着塔Ａ〜Ｄの上部周囲を囲む状態で熱交換器４２が配置される。この熱交換器４２は図示しない圧縮機などと冷凍サイクルを構成するよう冷媒管を介して連通されていて、冷却器の作用をなす。
上記熱交換器４２の取付け位置と対向する筐体４０部位には、多数の孔部からなる吸込み口４３が設けられる。このような筐体４０の上面部は、中心部のみ開口し、他の部分は閉成される。上記開口部に沿って筒状に突設され、これらで吹出し口体４４が形成される。そして、吹出し口体４４内には送風機Ｆが配置されていて、吹出し方向を鉛直上方に向けている。これらで空冷機構（空冷手段）４５が構成される。

吸着式冷凍システム用装置では、ここでは図示しない凝縮熱交換器７に供給する冷却水の温度が外気温よりも高いため、吸着塔Ａ〜Ｄ内の温度が外気温より上昇する。しかしながら、上記空冷機構４５を構成する送風機Ｆを駆動し、外気を吸込み口４３を介して筐体４０内部に吸込み、冷却器である熱交換器４２を通過させて冷気に換える。冷気は全ての吸着塔Ａ〜Ｄに接触して冷却し、これら吸着塔の温度を低下させた後、吹出し口体４４から吹出される。
すなわち、上記凝縮熱交換器７に供給している冷却水が温度上昇することで、冷凍能力は低下してしまう。とりわけ、通常冷凍能力を必要とする高外気温時の凝縮能力低下により冷凍能力の低下に繋がってしまう。ここでは、吸着塔Ａ〜Ｄを外気にて空冷することで、吸着塔内の温度上昇を抑制し、吸着質Ｋに対する凝縮を促進して冷凍効率の向上を図れる。

そして、吸着塔Ａ〜Ｄばかりでなく、２基の吸着塔Ａ，Ｃの側部に配置される制御器４１も同時に冷却される。凝縮熱交換器７へ供給する冷却水も上記熱交換器４１で冷却することとなり、これらを一体化した冷却構成が得られて、必要配置スペースおよび製造コストのさらなる低減化に繋げられる。
そして、吸着式冷凍システム用装置として、複数の吸着塔Ａ〜Ｄの直上部外周に沿って熱交換器４２を配置し、かつこれら吸着塔の直上部中央に送風機Ｆを取付けて鉛直上方へ送風する構成としたから、各吸着塔Ａ〜Ｄを均等に冷却して、冷凍能力の平準化を得られる。

図８は、本発明における第５の実施の形態を示し、凝縮熱交換器７を構成する伝熱管５０の外観図である。
一般的な吸着式冷凍システム用吸着塔では、上述したように、吸着熱交換器５に温水を導き、凝縮熱交換器７に冷却水を導く脱着工程と、吸着熱交換器５に冷却水を導き、蒸発熱交換器９に冷水を導く吸着工程とを、交互に繰り返すことにより、温水入力から冷水（冷凍能力）を得る。
したがって、特に凝縮熱交換器７における熱交換効率をより向上させることで、冷凍能力の増大を得られる。このような凝縮熱交換器７を構成する伝熱管５０として、通常は、鉛直溝付き管や、水平フィン付き管等が用いられる。

これに対して本発明の実施の形態においては、凝縮熱交換器７での熱交換効率をより向上させるため、管外凝縮熱伝達を促進すべく、凝縮熱交換器７を構成する伝熱管５０は鉛直方向に配置される。そして、この伝熱管５０の外周面には、周方向に傾斜した複数の溝５１が設けられ、これら溝の底部には排水流路５２が設けられる。
なお説明すれば、伝熱管５０に設けられる管外溝５１形状を逆Ｖ字状として、凝縮した吸着質Ｋが流下し易い形状とする。流下した吸着質Ｋは、溝５１の底部に設けられる排水流路５２に沿って導かれ、円滑に排水される。
上記凝縮熱交換器７を構成する伝熱管５０は、管外溝５１底部に凝縮した吸着質Ｋを集め、溝頂部の液膜厚さを抑えることにより、凝縮伝熱促進が図れるとともに、溝底部に溜まった液は排水流路５２に沿って流下し、溝５１底部に保水されることなく速やかに排出除去する。このため、溝部５１での凝縮熱伝達が促進され、凝縮工程終了後に速やかに凝縮した吸着質Ｋの排水を行うことができ、蒸発工程での再蒸発による熱ロスを低減する。

図９（Ａ）（Ｂ）は、凝縮熱交換器７を構成する伝熱管５０の製造工程を順に示す図である。
はじめ図９（Ａ）に示すように、平板５５に予めフィン５６形状を加工した後、ロール成形をなすとともに、合わせ面ｇを溶接加工することにより、図９（Ｂ）に示すように管外溝５１を備え、かつ排水流路５２を有する伝熱管５０を形成する。このような製造方法を採用すれば、フィン形状の加工が任意に設定できて、伝熱管５０内面へのフィン加工が可能となる。さらに、伝熱管５０に複数の排水流路を設ける加工や、伝熱管の軸方向における形状変更が可能となり、伝熱管の性能向上に寄与する。

すなわち、管外の溝５１を、たとえばヘリンボーン溝付き管と同様に成形するとともに、管内にも伝熱促進フィンを形成する。このことにより、管外と同様の製造工程で管内伝達を促進でき、コストの上昇を抑制して、凝縮熱交換器７を高性能で高能率化できる。
さらに、伝熱管５０の管外溝５１形状を複数の逆Ｖ字状とし、排水流路５２を複数備えるとよい。この場合、管径によらず、凝縮された吸着質Ｋの生成速度に応じて溝５１形状および排水流路５２を構成することが可能となり、機器への適用が容易となる。
さらに、管外溝５１を、凝縮された吸着質Ｋの流下する方向に縮小し、その一方で排水流路５２を拡大する構成を採用してもよい。この場合、凝縮された吸着質Ｋが集中する伝熱管５０下部の排水性を高めることができて、凝縮された吸着質Ｋの液膜厚さが増加してしまう、あるいは保水量が増加してしまうことの防止が可能となる。

本発明における第１の実施の形態に係る、吸着式冷凍システムの全体構成図。 同実施の形態に係る、［状態１］の工程を説明する流路構成図。 本発明における第２の実施の形態に係る、吸着塔の模式的な断面図。 同実施の形態に係る、互いに異なる構成の吸着塔の横断面図。 本発明における第３の実施の形態に係る、吸着塔の模式的な断面図。 同実施の形態に係る、冷凍制御のタイミングチャート図。 本発明における第４の実施の形態に係る、吸着式冷凍システムの外観図と、模式的な断面図および模式的な平面図。 本発明における第５の実施の形態に係る、凝縮熱交換器を構成する伝熱管の外観図。 同実施の形態に係る、伝熱管の製造工程を順に示す図。

符号の説明

Ａ…第１の吸着塔、Ｂ…第２の吸着塔、Ｃ…第３の吸着塔、Ｄ…第４の吸着塔、Ｅ…吸着塔、Ｋ…吸着質、Ｓ…吸着剤、１ａ〜１ｄ…吸着熱交換器、２ａ〜２ｄ…凝縮熱交換器、３ａ〜３ｄ…蒸発熱交換器、３０…超音波振動子（加振手段）、４５…空冷機構（空冷手段）、５０…伝熱管、５１…溝、５２…排水流路。

Claims (4)

1. 単一の真空容器内に、
   吸着質と、
   吸着剤が充填され、上記吸着質を吸着剤に吸着させ、もしくは吸着剤から吸着質を脱着する吸着熱交換器と、
   この吸着熱交換器から脱着された吸着質を凝縮する凝縮熱交換器と、
   この凝縮熱交換器で凝縮された吸着質を蒸発させて上記吸着熱交換器の吸着剤に吸着させる蒸発熱交換器を収納してなり、
   上記吸着熱交換器の周囲に、上記凝縮熱交換器を配置したことを特徴とする吸着式冷凍システム用吸着塔。
2. 上記凝縮熱交換器で凝縮された液相の吸着質を振動する加振手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の吸着式冷凍システム用吸着塔。
3. 外部から空冷する空冷手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の吸着式冷凍システム用吸着塔。
4. 上記凝縮熱交換器は、鉛直方向に配置される伝熱管を備えるとともに、この伝熱管の外周面に、周方向に沿って傾斜した複数の溝が設けられ、これら溝の底部には排水流路が設けられることを特徴とする請求項１記載の吸着式冷凍システム用吸着塔。

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