JP2010043804A - 吸着式冷凍機および運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着式冷凍機の構造を簡略化し、装置の軽量化、コスト低減および熱およびエネルギー損失の少ない構造の装置で、かつ効率的な熱回収方法を提供する。
【解決手段】冷水製造用の熱交換器３を有する真空容器と熱媒体Ａを吸着脱着する吸着剤Ｂおよび熱交換器４を有する真空容器を接合し、各熱交換器の伝熱効率を向上させる手段として接合した真空容器を回転させることで熱媒体を蒸発凝縮および通過遮断するダクト、弁、ポンプ類を用いずに、単なる３種類の温度領域の熱媒体（温水、冷却水、冷水）の各熱交換器への切り替え導入だけで簡単に熱の授受が行える小型で安価かつ省エネルギー運転システムが提供できる。
【選択図】図３

Description

本発明は高温熱源から温熱を吸収して低温の冷熱を生成する吸着式冷凍機の熱媒体蒸発凝縮用熱交換器の伝熱速度をコントロールすることで蒸発凝縮速度を向上し、また、熱媒体吸脱着用熱交換器の伝熱速度をコントロールすることで吸着脱着速度の向上を図ることで、装置全体の小型軽量化およびシステム全体の省エネルギー化を構築する技術に関する。

吸着式冷凍機の主要構成機器として熱媒体蒸発凝縮用熱交換器および熱媒体吸脱着用熱交換器がある。前者の熱媒体蒸発凝縮用熱交換器は冷却時の熱媒体（例えば、純水）の蒸発および比較的高温の熱媒体蒸気（例えば、水蒸気）の凝縮操作に用いられる。一方、後者の熱媒体吸脱着用熱交換器は，伝熱面上に充填された吸着材である多孔質材料（例えば、シリカゲルおよびゼオライト）が、熱媒体蒸気（例えば、水蒸気）の吸着時に発生する吸着熱を奪う場合と吸着した蒸気の脱着時に必要な熱供給を行う場合に用いられる。（例えば、特許文献１および非特許文献１参照。）

熱媒体蒸発凝縮用熱交換器は、冷水製造時には熱交換器周りの熱媒体（例えば、純水）を蒸発させ蒸発潜熱を利用して冷水を製造する蒸発器として作動し、蒸気凝縮時には冷却水により熱媒体蒸気（例えば、水蒸気）の凝縮をさせる凝縮器として作動する。

熱媒体吸脱着用熱交換器は、吸着式冷凍機の吸着過程において蒸発器から流入する冷媒蒸気を吸着材が吸着するときに発生する吸着熱を冷却水により奪う熱交換器として作動し、脱着過程において高温水により脱着エネルギーを与える熱交換器として作動する。

熱媒体蒸発凝縮用熱交換器の伝熱面での熱媒体（例えば、純水）の熱交換速度は蒸発および凝縮速度を律している。

従来、この伝熱促進法として熱交換器への熱媒体（例えば、純水）の噴霧が行われていたが、伝熱面への均一な噴霧が難しいことと、噴霧エネルギーが大きなこと、さらに噴霧に必要なポンプの維持管理が煩雑となっていた。（例えば、特許文献２参照。）

熱媒体吸脱着用熱交換器の伝熱面と吸着材間の伝熱抵抗が大きいために熱移動速度が抑制され、また堆積する吸着材粒子間での蒸気移動抵抗が大きいため物質移動速度が抑制されることから、高い吸着脱着速度が得られない問題点を解決するため伝熱面積をフィン形式として増大する方法も考えられたが、装置の大型化と重量増加の新たな問題があった。（例えば、特許文献３および特許文献４参照。）

熱媒体蒸発凝縮用熱交換器と前記熱媒体吸脱着用熱交換器は同じ真空圧で運転されるが、この真空を維持するための容器及び配管、バルブ、ポンプなどの構造物は吸着式冷凍機の冷却能力に比例して大型化し、吸着式冷凍機全体は重量物になっていた。（例えば、特許文献５参照。）

特許公開平８−１３６０８１（段落０００１−０００４） 秋澤淳「省エネルギーに向けたヒートカスケード空調技術の展開」吸着冷凍サイクル季報 エネルギー総合工学Vol28 No.1(2005） 特開２００４−２３２９２８（第１図） 特開２００７−０１０１７５（段落０００３−０００９、第４図） 特開平１１−２８７５３１、（段落０００９−００１５） 特開２００４−２３２９２８、（段落０００１−０００７、第１図）

吸着式冷凍機の大型化と重量化を避けて、出力向上と小型化、軽量化、省エネルギー化などの高性能化を図ることが求められる。

装置運転の効率化を図る上で、熱媒体の移動速度を高める必要があると共に、供給および発生熱エネルギーの逸散を抑制した省エネルギー化を図る必要がある。

各熱交換器を有する容器に付帯する制御装置を可能な限り減らし、装置の小型軽量化を図る必要がある。

本発明は、熱媒体容器と吸着剤容器を直結しそれぞれの容器内に内蔵する熱交換器と共に熱媒体および吸着剤の全体を同時に回転することにより、各熱交換器と流体および粉粒体間で高効率の熱交換が可能であることを見出した。

請求項１の発明は、熱媒体および熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を内蔵する熱媒体用容器と吸着材および熱媒体吸脱着用熱交換器を内蔵する吸着材用容器を直結して回転することで熱交換効率を高め小型軽量の吸着式冷凍機を提供するものである。また、請求項２は前記熱媒体用容器および前記吸着材用容器の接合部に液を遮断し蒸気を通過するフィルターを取り付けることで吸着剤の性能低下を防止する効 果をもつ吸着式冷凍機を提供するものである。さらに、請求項３は前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を冷水および冷却水用配管に接続し、前記熱媒体吸脱着用熱交換器を温水および冷却水用配管に接続して、該配管を回転軸として用いる構造により小型軽量化した吸着冷凍機を提供するものである。そして、請求項４は容器および熱交換器の形状に関し、前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器および前記熱媒体吸脱着用熱交換器の形状を螺旋状パイプとし、前記熱媒体用容器および前記吸着材用容器に内接することで、前記熱媒体用容器および前記吸着材用容器に掛かる外圧を補強する役割を兼ねた熱交換器であることにより装置全体を小型軽量化可能となる。また、請求項５は前記回転軸の一方の端には冷水または冷却水が、他方の端には温水または冷却水が通過可能なロータリージョイントを有していることを特徴とした吸着式冷凍機を提供するものである。さらに、請求項６は前記回転軸を低速回転可能な動力を有するモーターと駆動力伝達装置を介して前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器および前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を有する前記吸着材用容器全体が回転できる構造の吸着式冷凍機を提供するものである。

本発明の操作方法に関しては、請求項７に示すように前記吸着式冷凍機の連続運転を行う上で吸着材の冷却および加熱を連続的に行う必要があり、そのためのシステムとして吸着式冷凍機２台以上を有してシステム全体の連続運転が可能になる。また、請求項８は、前記熱媒体が低温で蒸発できる真空度において、前記吸着材に前記熱媒体蒸気が吸着される場合は、一方のロータリージョイントを介して冷却水を供給し、他方のロータリージョイントを介して冷水の循環を行う操作により低温の冷水を製造する方法を示す。さらに、請求項９は前記熱媒体が比較的低温で凝縮できる真空度において、前記吸着材に前記熱媒体蒸気が吸着されて飽和状態にある場合、一方のロータリージョイントを介して温水を供給して前記熱媒体蒸気を蒸発（脱着）せしめ、他方のロータリージョイントを介して冷却水の前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器への循環を行う操作により前記熱媒体蒸気を凝縮させ前記熱媒体用容器内に前記熱媒体を液体として回収する吸着式冷凍機の運転方法を示す。

吸着式冷凍機を軽量小型化する上では、吸着脱着サイクルを短時間で完了することが重要である。吸着脱着時間の短縮化には、吸着脱着現象が生じている吸着材における熱と物質の移動を促進する方策が必要である。請求項１の前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を保有する前記吸着材用容器全体を低速で回転させることにより吸着脱着サイクルを短縮化する効果がある。これにより装置の軽量小型化が可能になる。

前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器の伝熱効率向上のためには、伝熱管表面の熱媒体（例えば、純水）の皮膜を薄くすることが重要である。請求項１は熱媒体薄膜化の手段として、前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器の回転で伝熱面上の熱媒体皮膜を薄くする方法により伝熱係数の向上が可能となることを示す。つまり、前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器全体を低速で回転させることにより、伝熱管に付着する熱媒体が薄膜状となり高い総括伝熱係数の維持が達成され、結果として伝熱管の面積が減少し装置の小型軽量化が可能になる。

吸着式冷凍機の小型軽量化対策として、熱媒体蒸気の移動促進も重要である。請求項２は前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器および前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を有する前記吸着材用容器の間にフィルターを設置し、液状熱媒体を吸着剤へ直接移動させることを防止する効果と熱媒体蒸気の移動がスムーズに進行する役割を果たすものである。このフィルターにより吸着および脱着が効率よく進行する。

吸着式冷凍機は比較的低温領域での熱交換を行うため、装置外表面からの熱損失を低減化することで全体の熱効率を高めることが可能となる。請求項３および請求項５は３種類の熱媒体を前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器および前記熱媒体吸脱着用熱交換器へ供給するため回転軸およびロータリージョイントが該吸着冷凍機に必要不可欠な構成部品であることを示す。この構成により装置全体を小型化し熱損失を最小限に低下することができた。

吸着式冷凍機は前記熱媒体用容器と前記吸着材用容器を真空下で操作するため容器の外圧に対する補強が必要で、容器の板厚が厚くなり装置重量が増す傾向にある。請求項４は前記熱媒体用容器と前記吸着材用容器に内蔵される前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器および前記熱媒体吸脱着用熱交換器の構造を螺旋状の構造とし、かつ前記熱媒体用容器と前記吸着材用容器に内接するように設置する構造とし、装置全体の小型軽量化が可能になった。

請求項６は前記吸着冷凍機本体を回転する方法に関するものであるが、ここに示す方法に限らず前記吸着冷凍機本体を回転する方法ならばいずれの方法でも良い。この回転により安定した熱交換が可能になった。

請求項７は前記吸着冷凍機において前記３種類の熱媒体を連続的に輸送させて連続的な熱交換を行う上で、前記吸着冷凍機を２基以上設置することにより初めて効率よく熱交換を行うことが可能となることを示している。これにより安定した熱交換が可能になった。

請求項８および９は、前記吸着式冷凍機の本体およびシステム全体の運転方法に関する規定で、この方法ではじめて高効率の冷水製造が可能となった。全体として、前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器および前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を有する前記吸着材用容器の合体により、従来必要であった装置に付帯する配管、バルブ、ポンプなどの構造物を削減化できて小型軽量化が可能となり、断熱性が向上し、装置全体から逸散する熱量を抑制することが可能となって省エネルギー化が図れた。

図１に示すように、螺旋パイプ状の熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３を内蔵する円筒型の熱媒体用容器１と螺旋パイプ状の熱媒体吸脱着用熱交換器４を内蔵する円筒型の吸着材用容器２を接合した一体型の円筒型吸着式冷凍機が原型として考えられる。また別な構造として、図２に示すような螺旋パイプ状の熱媒体吸脱着用熱交換器４を内蔵する円筒型の前記吸着材用容器２を内蔵した型で、その外側を螺旋パイプ状の熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３を内蔵する円筒型の熱媒体用容器１が取り囲む形状の円筒型吸着式冷凍機が考えられる。

図１の接合一体型吸着式冷凍機本体の説明をする。本体はベース１５に搭載される。本体は熱媒体用容器１と吸着材用容器２が一体となり６個のフランジ１０により接合される。各種熱媒体を通過するシャフト６が両端のフランジ１０を貫通している。シャフト６の両端には各種熱媒体を導入循環するためのロータリージョイント７が取り付けられている。また、シャフト６を支持回転するための軸受け９が左右に装着され、プーリー１３とタイミングベルト１４を介して駆動用モーター８により、接合一体型吸着式冷凍機の本体全体が回転可能となる。シャフト６には熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３および熱媒体吸脱着用熱交換器４が接合されており、各種熱媒体が供給される。熱媒体用容器１には熱媒体A（例えば、純水）が封入されており、吸着材用容器２には吸着材B（例えば、シリカゲル）が封入されている。熱媒体用容器１と吸着材用容器２は中央のフランジ１０により接合されるが、該フランジ１０にはフィルター５（例えば、不織布）が嵌め込まれている。また吸着材Bが該フィルター５と直接接触することを避けるために多孔板１２を必要に応じ取り付ける場合があるが取り付けなくても良い。熱媒体用容器１と吸着材用容器２は６枚のフランジ１０を貫通するロッド１１とボルト１６により、フランジ１０に内蔵するパッキン１７と熱媒体用容器１と吸着材用容器２を締め付けて、容器全体の密閉化を図る。熱媒体用容器１には熱媒体Aの供給と装置全体の真空度を上げるために取り付けたバルブ１８が、吸着材用容器２は吸着材Bを供給するバルブ１９が設置される。

図２の構造は、図１と同様であるが、前記吸着材用容器２が前記熱媒体用容器１の内部に内蔵された構造で、装置全体がコンパクトになっていることが特徴である。

本発明の運転方法を図３および図４を用いて説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に記載がない限り、この発明の範囲を限定する趣旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図３は冷水製造時で、熱媒体用容器１に内蔵される熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３に冷水Dを供給して熱媒体用容器１内の熱媒体Aの蒸発を促進する。この時、熱媒体用容器１および熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３はゆっくり回転しているため、熱媒体Aは熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３の表面を薄膜状に流動する。この作用で熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３内を流動する冷水Dとの熱交換速度が高まることから、熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３の表面で薄膜状になった熱媒体Aは効率よく蒸発することになる。一方、熱媒体用容器１内で蒸発した熱媒体Aの蒸気（例えば、水蒸気）は、ガス状態を維持しながらフィルター５を通過し、隣接する吸着材用容器２に移動する。この時、吸着材である吸着材B（例えば、シリカゲル）の動きは吸着材用容器２および内蔵している熱媒体吸脱着用熱交換器４の回転により、ゆっくり攪拌されている。吸着材用容器２に侵入した熱媒体Aの蒸気（例えば、水蒸気）は、吸着材B（例えば、シリカゲル）と効率よく接触して吸着される。この吸着時には吸着熱が発生するため効率よくその熱を除去する必要がある。吸着材用容器２に内蔵する熱媒体吸脱着用熱交換器４には冷却水Cが循環しており、吸着材B（例えば、シリカゲル）の発熱を効率よく除去することが可能である。即ち、吸着材Bは熱媒体吸脱着用熱交換器４の回転運動で攪拌されて伝熱促進が行われるためである。

図４は吸着材Bから熱媒体Aを脱着する運転で、生じている現象の効率向上作用は熱媒体用容器１と吸着材用容器２において前記冷水製造時と同様な原理で進む。吸着材B（例えば、シリカゲル）に吸着した熱媒体Aは、熱媒体吸脱着用熱交換器４により加熱された吸着材B（例えば、シリカゲル）の温度上昇に伴い気化して蒸気（例えば、水蒸気）としてフィルター５を通過して隣接の熱媒体用容器１に移動する。この時、吸着材用容器２で生じている現象は、吸着材用容器２に内蔵する熱媒体吸脱着用熱交換器４と吸着材B（例えば、シリカゲル）の効率的な接触と攪拌作用により伝熱が進み脱着作用が進展する。即ち、熱媒体吸脱着用熱交換器４内を流動する温水Eにより吸着材B（例えば、シリカゲル）に間接的に効率よく熱供給ができることから熱移動速度が上昇すると共に、吸着材用容器２および熱媒体吸脱着用熱交換器４のゆっくりした攪拌により吸着材B（例えば、シリカゲル）から蒸発する熱媒体Aの蒸気の物質移動速度も同時に向上する。また、熱媒体用容器１に移動した熱媒体Aの蒸気は、熱媒体用容器１に内蔵する熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３に供給される冷却水Cにより効率良く熱が奪われて、熱媒体Aの蒸気は熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３の伝熱面で凝縮する。

熱媒体蒸発凝縮用熱交換器３および熱媒体吸脱着用熱交換器４への温水E、冷却水C、冷水Dの供給操作は、温水ポンプ２３、冷却水ポンプ２７、冷水ポンプ３３に接続している温水配管２４，冷却水配管２８，冷水配管３４に配置された温水バルブ２５，２６、冷却水バルブ２９，３０，３１，３２、および冷水バルブ３５，３６の切り替えにより吸着、脱着操作がスムーズに移行する。

吸着式冷凍機は従来利用が進んでいなかった温排水の活用に新たな価値を与える技術として研究開発されてきた。熱エネルギーの質的量的評価では、高温ほど良質とされ、低温度温排水は量的な豊富さに対して質的な面から用途が限られていた。この用途の拡大を図る上で、低温度温排水からの冷水製造技術として吸着式冷凍機は重要な設備として位置づけられている。本発明は、装置本体を小型軽量化できるため少量の温排水からも効率よく冷水の製造が可能となり、また小型による装置表面積の縮小で熱損失が抑制でき、高い熱回収効率が可能となった。また、装置のユニット化により大型施設への用途も可能なシステムを提供できる技術である。

一体型吸着式冷凍機（並列型）の構成を示す概観図である。 一体型吸着式冷凍機（内蔵型）の構成を示す概観図である。 吸着時の冷水および冷却水の流れを示す概観図である。 脱着時の冷却水および温水の流れを示す概観図である。

符号の説明

１：熱媒体容器
２：吸着材容器
３：冷水用熱交換器（冷水伝熱管）
４：吸着脱着用熱交換器（吸着伝熱管）
５：フィルター（蒸気透過性フィルター）
６：熱媒体シャフト
７：ロータリージョイント
８：ギアモーター
９：軸受け
１０：フランジ
１１：ロッド
１２：多孔板
１３：プーリー
１４：タイミングベルト
１５：ベース
１６：ボルト
１７：パッキン
１８：冷水用バルブ
１９：吸着材用バルブ
２０：温水タンク
２１：冷却塔
２２：冷水タンク
２３：温水ポンプ
２４：温水配管
２５：温水バルブ−１
２６：温水バルブ−２
２７：冷却水ポンプ
２８：冷却水配管
２９：冷却水バルブ−１
３０：冷却水バルブ−２
３１：冷却水バルブ−３
３２：冷却水バルブ−４
３３：冷水ポンプ
３４：冷水配管
３５：冷水バルブ−１
３６：冷水バルブ−２
A：熱媒体（例えば、純水、メタノール、エタノール）
B：吸着材
C：冷却水（例えば、クーリングタワー水）
D：冷水（例えば、水、食塩水、クーラント）
E：温水

Claims (9)

1. 熱媒体および熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を内蔵する熱媒体用容器と吸着材および熱媒体吸脱着用熱交換器を内蔵する吸着材用容器を直結して回転することを特徴とした吸着式冷凍機。
2. 請求項１に記載の吸着式冷凍機において、前記熱媒体用容器および前記吸着材用容器の接合部に液を遮断し蒸気を通過するフィルターを有する吸着式冷凍機。
3. 請求項１に記載の吸着式冷凍機において、前記熱媒体用容器内に内蔵する前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器は冷水および冷却水用配管と接続され、また前記吸着材用容器に内蔵する前記熱媒体吸脱着用熱交換器は温水および冷却水用配管と接続され、前記冷水および冷却水用配管と前記温水および冷却水用配管は前記熱媒体用容器および内蔵する熱媒体蒸発凝縮用熱交換器と前記吸着材用容器および内蔵する熱媒体吸脱着用熱交換器の回転軸として用いる構造の吸着式冷凍機。
4. 請求項１に記載の吸着式冷凍機において、前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器および前記熱媒体吸脱着用熱交換器は螺旋状に巻かれたパイプで構成され、前記熱媒体用容器および前記吸着材用容器に内接する構造とし、前記熱媒体用容器および前記吸着材用容器に掛かる外圧を補強する構造の熱交換器である吸着式冷凍機。
5. 前記回転軸の一方の端には冷水または冷却水が、他方の端には温水または冷却水が通過可能なロータリージョイントを有している吸着式冷凍機。
6. 前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器および前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を有する前記吸着材用容器を前記回転軸と接続し、前記回転軸を低速回転可能な動力を有するモーターと駆動力伝達装置を介して前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器および前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を有する前記吸着材用容器全体が回転する吸着式冷凍機。
7. 前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器および前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を有する前記吸着材用容器全体と同じ構造の吸着式冷凍機を少なくとも２基以上有し、吸着材の熱媒体の吸着および脱着に合わせて一基ずつを交互に運転する吸着式冷凍機。
8. 前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器および前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を有する前記吸着材用容器全体に対し、前記熱媒体が低温で蒸発できるように真空度を調整し、前記吸着材に前記熱媒体蒸気が吸着される場合は、一方のロータリージョイントを介して冷却水を供給し、他方のロータリージョイントを介して冷水の循環を行う操作により低温の冷水を製造する吸着式冷凍機の運転方法。
9. 前記熱媒体と前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器を有する前記熱媒体用容器および前記吸着材と前記熱媒体吸脱着用熱交換器を有する前記吸着材用容器全体に対し、前記熱媒体が比較的低温で凝縮できるように真空度を調整し、前記吸着材に前記熱媒体蒸気が吸着されて飽和状態にある場合は、一方のロータリージョイントを介して温水を供給して前記熱媒体蒸気を蒸発（脱着）せしめ、他方のロータリージョイントを介して冷却水の前記熱媒体蒸発凝縮用熱交換器への循環を行う操作により前記熱媒体蒸気を凝縮させ前記熱媒体用容器内に前記熱媒体を液体として回収する吸着式冷凍機の運転方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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