JP2010065922A

JP2010065922A - 吸着式冷凍機及びその制御方法

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Publication number: JP2010065922A
Application number: JP2008232457A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yoshida; 宏章吉田; Takeo Kasashima; 丈夫笠嶋; Fumio Takei; 文雄武井; Kazufumi Uno; 和史宇野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2008-09-10
Filing date: 2008-09-10
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-10
Also published as: JP5412775B2

Abstract

【課題】吸着式冷凍機とその制御方法において、動作効率を向上させること。
【解決手段】冷媒８１を蒸発させる蒸発器４５と、蒸発器４５に接続され、冷媒８１を吸着する吸着剤８０を収容した複数の吸着器（容器）４１〜４４と、複数の吸着器４１〜４４のそれぞれに接続され、吸着剤８０から脱離した冷媒８１を凝縮させる複数の凝縮器５１〜５４と、凝縮器５１〜５４同士を連通又は分離するバルブ（分離手段）Ｖ９〜Ｖ１２とを有する吸着式冷凍機４０による。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸着式冷凍機及びその制御方法に関する。

近年、電子機器類の進歩に加え、高度情報通信網の整備により、大量のデータを扱うブレードサーバやストレージサーバを多数設置したデータセンタの増加が著しく、これに伴い、これらの電子機器類からの廃熱エネルギも増加の一途をたどっている。

特に、データセンタ等では、１ラックあたり複数のボードを装着してデータ処理能力を向上させるブレードサーバが一般的になっており、このブレードサーバでは１ラック当たりの消費電力が数kW以上と大電力化している。

このような廃熱エネルギの増加に伴い、発熱源であるCPU(Central Processing Unit)等の冷却技術についても様々に検討されている。例えば、空冷式の冷却技術では、大型のデータセンタやビル内に接地されたサーバルームにおいて、専用の空調機を用いて室内に冷風を循環させ、この冷風をサーバーラック内にファンを用いて導入することでCPU等を冷却している。

しかしながら、このような空冷式の冷却技術では、十分な冷風を作り出すために大量の電力を消費するので、低コスト化や環境問題の点で課題がある。

そこで、サーバ等の電子機器から廃熱を回収し、それを再利用する技術として、吸着式冷凍機が着目されている。

吸着式冷凍機では、吸着剤に冷媒を吸着させる吸着工程の後、脱着工程と呼ばれる工程において、廃熱を運んできた水等の加熱流体の熱により吸着剤から冷媒を脱離させる。そして、この脱着工程において吸着剤が吸熱することを利用して加熱流体を冷却し、その冷却後の加熱流体により電子機器等を冷却する。

一方、上記の吸着工程では、蒸発器に入れられた冷媒を蒸発させて吸着剤に吸着させる。このとき、冷媒が蒸発する際の気化熱により冷熱を得ることができ、この冷熱でサーバルーム内やラック内に冷風を供給することにより廃熱を有効活用することができる。

そして、このような吸着工程と脱着工程とを繰り返すことにより、廃熱の回収と冷熱の生成とを連続して行うことが可能となる。
特許第３９２４８８５号明細書特開２００２−１００８９１号公報特開平３−１８６１６５号公報高性能ケミカルヒートポンプ応用事例集、サイエンスフォーラム社

吸着式冷凍機とその制御方法において、動作効率を向上させることを目的とする。

以下の開示の一観点によれば、冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器に接続され、前記冷媒を吸着する吸着剤を収容した複数の容器と、複数の前記容器のそれぞれに接続され、前記吸着剤から脱離した前記冷媒を凝縮させる複数の凝縮器と、前記凝縮器同士を連通又は分離する分離手段とを有する吸着式冷凍機が提供される。

また、その開示の他の観点によれば、吸着剤に冷媒の蒸気を吸着させる吸着工程と、前記吸着剤から前記冷媒の蒸気を脱離させ、該脱離した蒸気を凝縮器内で凝縮させる脱着工程とを有し、前記脱着工程の途中で前記凝縮器の容積を変える吸着式冷凍機の制御方法が提供される。

開示の吸着式冷凍機とその制御方法によれば、脱着工程の途中で凝縮器の容積が可変なため、脱着工程の初期における凝縮器の容積を、脱着工程の末期におけるよりも大きくすることができる。そのため、脱着工程の初期に吸着剤から多量に脱離する冷媒蒸気の蒸気圧が凝縮器内で飽和し難くなるので、吸着剤から脱離する冷媒の脱離速度が低下し難くなり、脱着工程を速やかに行うことが可能となる。

（１）予備的事項
実施の形態の説明に先立ち、基礎となる予備的事項について説明する。

図１は、吸着式冷凍機の断面図である。

この吸着式冷凍機３０は、内部が減圧された第１の吸着器１、第２の吸着器２、蒸発器３、及び凝縮器４と、これらを接続する真空経路１９とを有する。

このうち、第１及び第２の吸着器１、２には吸着剤１７としてシリカゲルが収容され、蒸発器３には冷媒１８として水が収容される。なお、シリカゲルに代えてゼオライトを吸着剤１７として用いてもよい。

一方、真空経路１９にはバルブ１１〜１４が図示のように設けられており、これらのバルブ１１〜１４の開閉を切り替えることにより、吸着式冷凍機３０内で吸着工程と脱着工程とを切り替えることができる。

例えば、図示のようなバルブの開閉状態では、第１の吸着器１において吸着工程が行われ、第２の吸着器２において脱着工程が行われる。

すなわち、吸着工程が行われている第１の吸着器１では、蒸発器３において蒸発した冷媒１８の蒸気がバルブ１２を介して供給され、その蒸気が吸着剤１７によって吸着される。吸着時に吸着剤１７で発生する熱は、内部配管７を流れる冷却水等の冷却流体９によって冷却される。

冷却流体９は例えば冷却水であって、その温度は第１の吸着器１に入る直前で約２５℃である。そして、第１の吸着器１を出た直後の冷却流体９は、冷媒１８を吸着したことで発熱した吸着剤１７によって３０℃程度に温められる。

一方、脱着工程が行われている第２の吸着器２では、サーバ等の電子機器から廃熱を運んできた加熱流体６が内部配管７に流され、その熱によって吸着剤１７から冷媒１８が脱離する。このとき、吸着剤１７が吸熱するので、加熱流体６が冷却されることになる。例えば、第２の吸着器２に入る直前の加熱流体の温度が７５℃の場合、第２の吸着器２を出た直後では加熱流体６の温度は７０℃程度に低下する。

このように冷却された加熱流体６は、電子機器の冷却に使用された後、再び第２の吸着器２に戻って冷却される。

蒸発器３には、冷媒１８が溜められていると共に、水等の循環流体５が流れる循環配管１０が通されている。そして、第１の吸着器１で吸着工程が行われているとき、冷媒１８の気化熱によって循環流体５が冷やされ、蒸発器３に入る前よりも５℃程度低い温度に循環流体５を冷やすことができる。

一方、凝縮器４には、脱着工程が行われている第２の吸着器２から冷媒１８の蒸気が供給される。その蒸気は、冷却配管８を流れる冷却水１５により冷却されて液化した後、冷媒回収配管１６を通って再び蒸発器１８に戻される。冷却水８は、凝縮器４に入る直前ではその温度が２５℃程度であるが、凝縮器４から出た直後ではその温度は３０℃程度に上昇する。

このような一連のプロセスでは、加熱流体６の熱によって吸着剤１７から冷媒１８を脱離させ、更に蒸発器３における冷媒１８の気化熱によって循環流体５を冷却しており、加熱流体６の熱が循環流体５の冷熱の生成に再利用されていることになる。その冷熱は、例えばサーバルームやラック内に冷風を供給するのに使用される。

ここで、上記のように第２の吸着器２において脱着工程を行っていると、第２の吸着器２における吸着剤１７の乾燥が進み、吸着剤１７の吸熱を利用した加熱流体６の冷却効率が次第に低下する。

そのため、第２の吸着器２における吸着剤１７から所定の量の冷媒１８が脱離した時点で、各吸着器１、２における吸着工程と脱着工程とを切り替える。その切り替えは、バルブ１１〜１４の開閉状態を反転すると共に、加熱流体６を第１の吸着器１の内部配管７に流し、冷却流体９を第２の吸着器の内部配管７に流すことで行われる。

このとき、各流体６、９の切り替えに時間がかかると、加熱流体６の流れが一旦停止し、加熱流体が運んできた廃熱を吸着式冷凍機３０内で連続的に利用することができない。

したがって、吸着器１、２に加えて更に他の吸着器を設け、これら３台以上の吸着器の動作タイミングを互いにずらしながら運転することにより、少なくとも一つの吸着器においては常に加熱流体６が流れておく状態にしておくのが好ましい。

ところで、一つの吸着器における１サイクルは、吸着工程と脱着工程とを合わせたものとして定義されるが、一般的に吸着工程よりも脱着工程の方が長い時間を要するので、１サイクルの時間は脱着工程の時間が支配的となる。

図１を参照して説明したように、脱着工程では、第２の吸着器２において吸着剤１７から冷媒１８が脱離すると共に、気化した冷媒が凝縮器４において凝縮する。したがって、脱着工程に要する時間は、吸着剤１７から冷媒１８が脱離する脱離速度と、凝縮器４における冷媒１８の凝縮速度との競争関係で決定される。

脱着工程の開始直後では、吸着剤１７に多量の冷媒１８が吸着しているため、脱着工程の末期と比較して吸着剤１７から脱離する冷媒１８の量が多い。そのため、凝縮器４内において冷媒１８の蒸気圧が飽和し易く、それにより吸着剤１７から脱離する冷媒１８の脱離速度が低下し、脱着工程に長時間を要する原因となる。

特に、上記のように３台以上の吸着器を設ける場合に、各吸着器のそれぞれに対応して個別に凝縮器を設けたのでは、それぞれの吸着器において脱着時間が長くなり、吸着式冷凍機全体の動作効率が低下する。

そのような不都合は、各凝縮器を連結してその容積を増大させ、脱着工程の初期に各凝縮器内で冷媒の蒸気圧が飽和し難いようにすれば解消し得る。

しかしながら、この場合は、脱着工程の初期と末期にある吸着器が共通の凝縮器を使用することになり、脱着工程の初期にある吸着器から出る多量の溶媒蒸気が脱着工程の末期にある吸着器内に入ってしまう。そのため、脱着工程の末期の吸着剤が、蒸気の溶媒蒸気に曝されて十分に乾燥しきれず、乾燥するまでに長時間を要してしまう。

このように、３台以上の吸着器のそれぞれに個別に凝縮器を設ける場合と、それらの凝縮器を連結する場合のいずれの場合でも、脱着工程に長時間がかかり、吸着式冷凍機全体の動作効率が低下してしまう。

本願発明者は、このような知見に基づき、以下に説明するような実施形態を着想した。

（２）第１実施形態
図２は、本実施形態に係る吸着式冷凍機の斜視図である。

この吸着式冷凍機４０は、いずれも内部が減圧された蒸発器４５と、第１〜第４の吸着器（容器）４１〜４４と、第１〜第４の凝縮器５１〜５４とを有する。

このうち、第１〜第４の凝縮器５１〜５４は、第１〜第４のバルブＶ１〜Ｖ４を介して、それぞれ第１〜第４の吸着器４１〜４４に接続される。

また、互いに隣接する凝縮器５１〜５４の間には、これらの凝縮器同士を連通又は分離するバルブ（分離手段）Ｖ９〜Ｖ１２が設けられる。

一方、蒸発器４５は、各吸着器４１〜４４に共通であり、第５〜第８バルブＶ５〜Ｖ８を介してこれらの吸着器４１〜４４に接続される。なお、第６バルブＶ６は、他の要素に隠れているが、第２の吸着器４２と蒸発器４５との間に設けられる。

各バルブＶ１〜Ｖ１２の種類は特に限定されないが、本実施形態ではゲートバルブを使用する。そして、バルブＶ１〜Ｖ１２の各々は、コンピュータ等の制御部１００から出力される開閉信号Ｑ１〜Ｑ１２によって開閉が制御される。

図３は、この吸着式冷凍機４０の断面図である。

蒸発器４５には、冷媒８１が溜められていると共に、水等の循環流体６１が流れる循環配管６９が通されている。

冷媒８１は、吸着器４１〜４４において吸着工程が行われるときに、バルブＶ５〜Ｖ８を介して吸着器４１〜４４に入り、吸着器４１〜４４内の吸着剤８０に吸着される。吸着剤８０は特に限定されないが、例えばシリカゲルを使用し得る。

各吸着器４１〜４４には、冷却流体６５と加熱流体６６のいずれかが通る内部配管６２が設けられる。

冷却流体６５としては例えば冷却水を使用し得る。一方、加熱流体６６としては、サーバ等の電子機器から廃熱を運ぶ水を使用し得る。

吸着剤８０と接する部分の内部配管６２にはコルゲートフィンタイプの熱交換部６２ａが設けられる。このような熱交換部６２ａにより、内部配管６２と吸着剤８０との接触面積が増え、流体６５、６６と吸着剤８０との熱交換の効率が高められる。

冷却流体６５と加熱流体６６の選択は、切り替え部６８において行われる。

吸着器４１〜４４において吸着工程が行われているときは、切り替え部６８によって冷却流体６５が各吸着器４１〜４４に通され、吸着剤８０が冷媒８１を吸着するときに発生する熱が冷却流体６５によって奪われる。その結果、吸着器４１〜４４に入る直前での冷却流体６５の温度が２５℃程度の場合、吸着器４１〜４４を出た直後の冷却流体６５は３０℃程度に温められる。

一方、吸着器４１〜４４において脱着工程が行われているときには、切り替え部６８によって加熱流体６６が各吸着器４１〜４４に通され、加熱流体６６の熱によって吸着剤８０から冷媒８１が脱離する。このとき、吸着剤８０が吸着するので、加熱流体６６が冷却されることになる。例えば、吸着器４１〜４４に入る直前での加熱流体６６の温度が７５℃程度の場合、吸着器４１〜４４を出た直後の加熱流体６６の温度は７０℃程度に低下する。

このようにして冷却された加熱流体６６は、電子機器の冷却に使用された後、再び吸着器４１〜４４に戻って冷却される。

一方、第１〜第４の凝縮器５１〜５４には、脱着工程が行われている第１〜第４の吸着器４１〜４４から、バルブＶ１〜Ｖ４を介して冷媒８１の蒸気が供給される。その蒸気は、冷却配管６３を流れる冷却水７０により冷却されて液化した後、冷媒回収配管７５を通って再び蒸発器４５に戻される。冷却水７０は、各凝縮器５１〜５４に入る直前ではその温度が２５℃程度であるが、凝縮器５１〜５４から出た直後では、冷媒蒸気に曝されたことでその温度は３０℃程度に上昇する。

また、冷却配管６３には、冷却水７０の温度を測定する第１及び第２の温度測定部７１、７２が設けられる。このうち、第１の温度測定部７１は、凝縮器５１〜５４に入る前の冷却水７０の温度を測定するものであり、第２の温度測定部７２は、凝縮器５１〜５４を出た後の冷却水７０の温度を測定するものである。更に、冷却配管６３には、冷却水７０の流量を測定する流量測定部７３が設けられる。

このような吸着式冷凍機４０では、電子機器等の廃熱を運んできた加熱流体６６の熱によって吸着剤８０から冷媒８１を脱離させ、更に蒸発器１８における冷媒８１の気化熱によって循環流体６１が冷却される。これにより、電子機器の廃熱が、循環流体６１の冷熱の生成に再利用されることになる。

ところで、図２に示したように、この吸着式冷凍機４０は、複数の凝縮器５１〜５４がバルブＶ９〜Ｖ１２によって接続された構造となっている。

実使用下においては、第１〜第４の吸着器４１〜４４のいずれかにおいて脱着工程で行われているときに、バルブＶ９〜Ｖ１２の開閉を制御することにより、脱着工程の開始時期に応じて各吸着器４１〜４４に連通する凝縮器５１〜５４同士の合計の容積を変える。

以下に、そのようなバルブの制御方法について説明する。

図４は、バルブＶ１〜Ｖ１２の開閉タイミングについて説明するための図である。

吸着式冷凍機の１サイクルは、第１〜第４の吸着器４１〜４４のいずれかにおいて、脱着工程が開始してから吸着工程が終了するまでと定義される。

その１サイクルは、第１の吸着器４１の動作状態を基準にして、図４のようにステップＳ１〜Ｓ４の四つに分けられる。

このうち、ステップＳ１は、第１の吸着器４１において脱着工程が開始してから所定期間が経過するまでの脱着工程初期を示す。

そして、ステップＳ２は、ステップＳ１が終了してから第１の吸着器４１において脱着工程が終了するまでの脱着工程末期を示す。

同様に、ステップＳ３は、第１の吸着器４１において吸着工程が開始してから所定期間が経過するまでの吸着工程初期を示す。また、ステップＳ４は、ステップＳ３が終了してから第１の吸着器４１において吸着工程が終了するまでの吸着工程末期を示す。

これらステップＳ１〜Ｓ４において、バルブＶ１〜Ｖ１２は図４のように開閉が制御される。

また、図４に示されるように、第１の吸着器４１以外の吸着器４２〜４３は、第１の吸着器４１と比較して凡そ１／４サイクルだけずれて動作する。

次に、各ステップＳ１〜Ｓ４における吸着式冷凍機の内部状態について説明する。

図５〜図８は、各ステップにおける吸着式冷凍機の内部状態を模式的に示す図である。

図５に示すように、最初のステップＳ１では、第１の吸着器４１が脱着工程初期にあり、他の吸着器４２〜４４と比較して第１の吸着器４１において最も遅く脱着工程が開始されている。

既述のように、脱着工程の初期では、吸着剤８０から冷媒８１の蒸気が多量に脱離する。

そこで、この例では、バルブＶ１、Ｖ９、Ｖ１０を開くことにより、第１の吸着器４１に連通する凝縮器を、第１、第２、第４の凝縮器５１、５２、５４の三個にする。図５〜図８では、連通して一体的に機能する複数の凝縮器を点線で示している。

これにより、第１の吸着器４１に連通する凝縮器同士の合計の容積が、第４の吸着器４４に連通する第３の凝縮器４３の容器よりも大きくなる。

その結果、脱着工程の初期にある第１の吸着器４１から出る多量の冷媒８１の蒸気が、三個の凝縮器５１、５２、５４に入るようになるので、第１の吸着器４１において冷媒８１の蒸気圧が飽和し難くなる。そのため、脱離する冷媒８１の脱離速度が低下せず、第１の吸着器４１において脱着工程に要する時間が短縮される。

一方、第４の吸着器４４は、第１の吸着器４１と比較して脱着工程が早く始まっており、脱着工程の末期にある。

脱着工程の末期では、吸着剤８０がほぼ乾燥した状態となっているので、脱着工程の初期と比較して吸着剤８０から脱離する冷媒８１の量は少なく、凝縮器内の冷媒８１の蒸気によって脱離速度が低下するおそれはない。

そこで、本例では、バルブＶ１１、Ｖ１２を閉じることにより、第４の吸着器４４に連通する凝縮器を第３の凝縮器５３のみとする。これにより、第４の吸着器４４に連通する凝縮器の容積は、脱着工程の初期にある第１の吸着器４１に連通する凝縮器５１、５２、５４よりも小さくなる。

また、バルブＶ１１、Ｖ１２を閉じたことにより、脱着工程の初期にある第１の吸着器４１で発生した多量の溶媒蒸気が、これらのバルブを介して第４の吸着器４４に入るのを防止できる。その結果、第４の吸着器４４においてほぼ乾燥状態にある吸着剤８０が多量の溶媒蒸気に曝されずに乾燥が進み、第４の吸着器４４における脱着工程を短時間に終了することができる。

このように、脱着工程の開始時期に応じて凝縮器容積を拡大したり縮小したりすることで、脱着工程に要する時間を短縮することができる。

更に、この例では、隣接する二つの吸着器４１〜４４のうち、一方において脱着工程が行われ他方において吸着工程が行われる。例えば、ステップＳ１では第１の吸着器４１において脱着工程が行われ、隣接する第２の吸着器４２において吸着工程が行われている。

このように、ある吸着器と、その両隣のうちの少なくとも一方の吸着器とが互いに逆の動作をするようにすると、隣接する凝縮器５１〜５４同士をバルブＶ９〜Ｖ１２を介して接続すれば凝縮器容積の拡大や縮小を行うことができる。そのため、隣接していない凝縮器５１〜５４を接続する必要がなく、各凝縮器５１〜５４を接続する配管の距離を短くすることが可能となる。

このようにしてステップＳ１が終了した後は、図６のステップＳ２に移る。

そのステップＳ２では、第１の吸着器４１が脱着工程の末期にあり、第３の吸着器４３が脱着工程の初期にある。

そこで、ステップＳ１と同様にして、脱着工程の開始時期に応じて各吸着器４１、４３のそれぞれに連通する凝縮器同士の合計の容積を変えることにより、これらの吸着器４１、４３における脱着工程を早期に終了させる。

本例では、脱着工程の初期にある第３の吸着器４３に対しては、第２〜第４の凝縮器５２〜５４の三個に連通させ、脱着工程の初期に多量に発生する冷媒蒸気の蒸気圧が飽和し難くする。

一方、脱着工程の末期にある１の吸着器４１に対しては、バルブＶ１２、Ｖ９を閉じて吸着器５２〜５４から遮断し、脱着工程の初期にある第３の吸着器４３から発生する多量の冷媒蒸気が入らないようにする。

その後、図７に示すように、ステップＳ３に移る。

ステップＳ３では、第２の吸着器４２が脱着工程の初期にあり、第３の吸着器４３が脱着工程の末期にある。

そこで、第１〜第３の凝縮器５１〜５３の三個を連通させることにより、これらのうちの一個のみを使用する場合と比較して第２の吸着器４２に連通する凝縮器の合計容積を大きくし、脱着工程の初期に多量に発生する冷媒蒸気が飽和し難くする。

そして、第３の吸着器４３については、バルブＶ１０、Ｖ１１を閉じることにより第２の吸着器４２に連通しないようにする。これにより、第２の吸着器４２において発生した多量の冷媒蒸気が第３の吸着器４３に入らないようになり、第３の吸着器４３においてほぼ乾燥状態にある吸着剤８０の乾燥が促される。

次いで、図８に示すように、ステップＳ４に移る。

ステップＳ４では、第４の吸着器４４が脱着工程の初期にあり、第２の吸着器４２が脱着工程の末期にある。

そこで、ステップＳ１〜Ｓ３と同様に、第４の吸着器４４用の凝縮器としては三個の凝縮器５１、５３、５４を使用し、第２の吸着器４２用の凝縮器としては第２の凝縮器５２のみを利用する。これにより、ステップＳ１〜Ｓ３と同じ理由により、各吸着器４２、４３における脱着工程が速やかに行われる。

この後は、上記したステップＳ１〜Ｓ４が繰り返して行われることになる。

以上説明したような吸着式冷凍機の制御方法によれば、吸着器４１〜４４のうちで脱着工程の初期にあるものについては、四個の凝縮器５１〜５４のうちの三個の凝縮器を利用して、凝縮器の合計容積を大きくする。これにより、脱着工程の初期において多量に発生する冷媒蒸気の蒸気圧が飽和し難くなり、吸着剤から冷媒が速やかに脱離するようになる。

また、吸着器４１〜４４のうちで脱着工程の末期にあるものについては、残りの一つの凝縮器を利用することで、脱着工程の初期にある吸着器で発生した冷媒蒸気に吸着剤が曝されないようにし、吸着剤の乾燥を促すようにする。

このように、脱着工程の初期と末期のいずれにおいても、吸着剤から脱離する冷媒の脱離速度が速められ、脱着工程を早期に終了させることが可能となる。

図９は、本実施形態に係る吸着式冷凍機によって脱着工程の時間がどの程度短縮できるかを調査して得られたグラフである。

この調査では、吸着剤８０として、平均粒径が６００〜８００μmで乾燥重量が６００gのシリカゲル（富士シリア化学製）を使用した。また、冷媒８１としては水を使用し、脱着温度は７０℃に設定した。

そして、各吸着器４１〜４４において脱着工程と吸着工程とをそれぞれ６分間行い、吸着式冷凍機４０を連続的に動作させた。この場合、脱着工程の初期は、脱着工程が開始してから３分以内の期間となる。

一方、この調査では比較例についても調査された。その比較例では、第１〜第４の凝縮器５１〜５４の間のバルブＶ９〜Ｖ１２を常に閉じておいた。これ以外のバルブＶ１〜Ｖ８の動作は本実施形態と同様である。これにより、比較例では、常に、凝縮器の容積が一定となる。

図９の横軸は吸着式冷凍機の動作時間を示す。そして、縦軸は、第１〜第４の吸着器４１〜４４のうち、脱着工程にあるものから脱離した溶媒蒸気が、凝縮器５１〜５４において凝縮する凝縮速度（任意単位）を示す。

図９に示されるように、本実施形態では、脱着工程の初期における凝縮速度が比較例よりも速まっている。このことから、本実施形態のように脱着工程の初期に凝縮器の容積を拡大することが、吸着剤から冷媒を速やかに脱離させるのに有効であることが確かめられた。

また、脱着工程の末期では、比較例よりも本実施形態の方が凝縮速度が遅いので、本実施形態における吸着剤の乾燥が進んでいることが理解される。

このように、本実施形態によれば、脱着工程の初期と末期のいずれにおいても吸着剤からの冷媒の脱離が促進され、比較例よりも脱着工程が早期に終了する。

ところで、既述のように脱着工程の初期と末期とで凝縮器５１〜５４を使い分けるには、脱着工程の初期であるか末期であるかを制御部１００において判断し、その判断結果に基づいて各バルブＶ１〜Ｖ１２の開閉を自動的に制御するのが好ましい。

そこで、脱着工程の初期と末期とを識別する方法の一例について以下に説明する。

図１０は、脱着工程における吸着器４１〜４４と凝縮器５１〜５４の断面図である。

凝縮器５１〜５４の冷却配管６３には、既述のように第１及び第２の温度測定部７１、７２が設けられ、これらの測定部からはそれぞれ温度測定信号S_T1、S_T2が出力される。

また、その冷媒配管６３には、冷却水７０の流量を測定する流量測定部７３が設けられており、流量測定信号S_Fが流量測定部７３から出力される。

制御部１００は、これらの測定信号S_T1、S_T2、S_Fに基づいて脱着工程が初期であるか末期であるかを判断し、その判断結果に基づいて既述のバルブの開閉信号Ｑ１〜Ｑ１２を出力する。

その判断は以下のようにして行われる。なお、以下において記号の意味を次のように定める。

Ｔ１：第１の温度測定部７１での冷却水７０の温度測定値（℃）
Ｔ２：第２の温度測定部７２での冷却水７０の温度測定値（℃）
Ｌ：流量測定部７３での冷却水７０の流量測定値（リットル／分）
Ｑ：温度Ｔ１での冷媒（水）８１の蒸発熱（J／g）
ここで、脱着開始から時間tが経過した時点において、第１の凝縮器５１に凝縮する冷媒（水）８１の凝縮速度Ｖ１は次の式（１）のようになる。

残りの第２〜第４の凝縮器５２〜５４における凝縮速度Ｖ２〜Ｖ４も式（１）と同様に書ける。

また、１サイクル中にそれぞれの凝縮器５１〜５４で凝縮する冷媒（水）８１の総重量Ｘ（kg）は、次の式（２）のようになる。

なお、式（２）において、Δｑは、単位重量の乾燥した吸着剤８０に吸脱着する冷媒（水）８１の重量（kg）である。そして、Ｍは、乾燥した状態での吸着剤８０の重量（kg）である。

上記のＶ１とＸとを用いると、脱着開始から時間tが経過した時点における各凝縮器５１〜５４のそれぞれにおける吸着剤８０の乾燥度αは、次の式（３）のように表される。

式（３）における乾燥度αは、一つの凝縮器における値であるが、三個の凝縮器を連通させて用いる場合には、各凝縮器の乾燥度αの和が全体の乾燥度Ａとなる。

このように、第１及び第２の温度測定部７１、７２と流量測定部７３は乾燥度Ａを測定する測定手段として使用される。

そして、制御部１００は、乾燥度Aが所定値A₀（例えば０．８）よりも小さい場合には脱着工程が初期にあると判断し、所定値A₀よりも大きい場合には脱着工程の末期にあると判断する判断手段としての機能も有する。制御部１００は、この判断結果に基づいて、各吸着器４１〜４４における脱着工程の開始時期を判断し、既述の図４に示したタイミングで各バルブＶ１〜Ｖ１２の開閉を制御することになる。

（３）第２実施形態
図１１は、本実施形態に係る吸着式冷凍機の構成図である。図１１において、第１実施形態と同じ要素には第１実施形態と同じ符号を付し、以下ではその説明を省略する。

本実施形態に係る吸着式冷凍機９０が第１実施形態と異なる点は、第１〜第４の凝縮器５１〜５４に加えて補助凝縮器５５を設けた点である。その補助凝縮器５５は、バルブＶ９〜Ｖ１２を介して第１〜第４の凝縮器５１〜５４の全てに連通する。更に、補助凝縮器５５は、第１〜第４の吸着器４１〜４４のいずれにも接続されていない。

この他は第１実施形態と同様であり、各バルブＶ１〜Ｖ１２は制御部１００から出力される開閉信号Ｑ１〜Ｑ１２によって開閉が制御される。

本実施形態では、第１〜第４の吸着器４１〜４４のうち、脱着工程の初期にあるものについて、以下のようにして補助凝縮器５５を利用して凝縮器の容積を拡大する。

図１２は、本実施形態に係るバルブＶ１〜Ｖ１２の開閉タイミングについて説明するための図である。これに示されるように、本実施形態に係る吸着式冷凍機９０においても、第１実施形態と同様に１サイクルがステップＳ１〜Ｓ４に分けられる。

また、バルブＶ１〜Ｖ８の開閉タイミングは第１実施形態と同じであり、バルブＶ９〜Ｖ１２の開閉タイミングのみが第１実施形態と異なる。

図１３〜図１６は、各ステップにおける吸着式冷凍機の内部状態を模式的に示す図である。

最初のステップＳ１では、図１３に示されるように、第１の吸着器４１が脱着工程の初期にある。そこで、バルブＶ９を開いて第１の凝縮器５１と補助凝縮器５５とを連通させ、第１の吸着器４１に連通する凝縮器の容積を拡大する。図１３〜図１６では、連通して一体的に機能する複数の凝縮器を点線で示している。

これにより、第１実施形態で説明したように、脱着工程の初期にある第１の吸着器４１において多量に発生する溶媒蒸気の蒸気圧が飽和し難くなるので、吸着剤から脱離する溶媒の脱離速度が低下せず、脱着工程が速やかに行われる。

また、バルブＶ１２が閉状態であるため、上記のようにして第１の吸着器４１で多量に発生した溶媒蒸気が補助容器５５を通じて第４の吸着器４４に入ることがない。そのため、脱着工程の末期にある第４の吸着器４４において、ほぼ乾燥状態の吸着剤が多量の溶媒蒸気に曝されず、脱着工程を速やかに終了させることが可能となる。

このようにしてステップＳ１が終了した後は、図１４〜図１６のステップＳ２〜Ｓ４に移行する。

ステップＳ１と同様に、これらのステップＳ２〜Ｓ４においても、脱着工程の初期にある吸着器４２〜４４については補助凝縮器５５を使用する。また、脱着工程の末期にある吸着器４１〜４３については、対応するバルブＶ９〜Ｖ１２を閉じて補助容器５５と連通しないようにする。

これにより、脱着工程の初期と末期のいずれにおいても溶媒の脱離速度が低下せず、脱着工程を速やかに行うことが可能となる。

以上、本実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、第１、第２実施形態では四個の吸着器４１〜４４と四個の脱着器５１〜５４を用いたが、これらよりも多くの吸着器と脱着器とを用いてもよい。

更に、上記では吸着剤と冷媒との組み合わせとしてシリカゲル−水系を使用したが、これに代えて活性炭素−メタノール系や、活性炭素−アンモニア系を使用してもよい。また、活性炭素表面にアルカリ等で賦活処理を施し親水化した賦活活性炭を吸着剤として用い、冷媒として水を用いる組み合わせもある。

以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器に接続され、前記冷媒を吸着する吸着剤を収容した複数の容器と、
複数の前記容器のそれぞれに接続され、前記吸着剤から脱離した前記冷媒を凝縮させる複数の凝縮器と、
前記凝縮器同士を連通又は分離する分離手段と、
を有することを特徴とする吸着式冷凍機。

（付記２）前記吸着剤から前記冷媒が脱離する脱着工程が前記容器内で行われているときに、前記分離手段を制御することにより、前記脱着工程の開始時期に応じて前記容器に連通する前記凝縮器同士の合計の容積を変えることを特徴とする付記１に記載の吸着式冷凍機。

（付記３）前記脱着工程が最も遅く始まった前記容器に連通する前記凝縮器同士の合計の容積を、それ以外の前記容器に連通する前記凝縮器同士の合計の容積よりも大きくすることを特徴とする付記２に記載の吸着式冷凍機。

（付記４）前記脱着工程が最も早く始まった前記容器に連通する前記凝縮器同士の合計の容積を、それ以外の前記容器に連通する前記凝縮器同士の合計の容積よりも小さくすることを特徴とする付記２又は付記３に記載の吸着式冷凍機。

（付記５）前記吸着剤の乾燥度を測定する測定手段と、
前記測定手段における前記乾燥度の測定結果に基づいて、前記容器における前記脱着工程の前記開始時期を判断する判断手段とを更に有することを特徴とする付記２〜４いずれかに記載の吸着式冷凍機。

（付記６）隣接する二つの前記容器のうち、一方の該容器において前記吸着工程が行われ、他方の該容器において、前記吸着剤に前記冷媒を吸着させる吸着工程が行われることを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の吸着式冷凍機。

（付記７）前記分離手段を介して全ての前記凝縮器に連通し、かつ、複数の前記容器のいずれにも接続されていない補助凝縮器を更に備えたことを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の吸着式冷凍機。

（付記８）吸着剤に冷媒の蒸気を吸着させる吸着工程と、
前記吸着剤から前記冷媒の蒸気を脱離させ、該脱離した蒸気を凝縮器内で凝縮させる脱着工程とを有し、
前記脱着工程の途中で前記凝縮器の容積を変えることを特徴とする吸着式冷凍機の制御方法。

（付記９）前記凝縮器を複数使用し、該凝縮器同士を連通又は分離することにより、前記凝縮器同士の合計の容積を変えることを特徴とする吸着式冷凍機の制御方法。

（付記１０）前記脱着工程が開始してから所定時間が経過した後、前記所定時間が経過する前よりも前記凝縮器の容積を拡大することを特徴とする吸着式冷凍機の制御方法。

図１は、予備的事項に係る吸着式冷凍機の断面図である。図２は、第１実施形態に係る吸着式冷凍機の斜視図である。図３は、第１実施形態に係る吸着式冷凍機の断面図である。図４は、第１実施形態におけるバルブの開閉タイミングについて説明するための図である。図５は、第１実施形態に係る吸着式冷凍機の各ステップにおける内部状態を模式的に示す図（その１）である。図６は、第１実施形態に係る吸着式冷凍機の各ステップにおける内部状態を模式的に示す図（その２）である。図７は、第１実施形態に係る吸着式冷凍機の各ステップにおける内部状態を模式的に示す図（その３）である。図８は、第１実施形態に係る吸着式冷凍機の各ステップにおける内部状態を模式的に示す図（その４）である。図９は、第１実施形態に係る吸着式冷凍機によって脱着工程の時間がどの程度短縮できるかを調査して得られたグラフである。図１０は、第１実施形態において、脱着工程における吸着器と凝縮器の断面図である。図１１は、第２実施形態に係る吸着式冷凍機の構成図である。図１２は、第２実施形態におけるバルブの開閉タイミングについて説明するための図である。図１３は、第２実施形態に係る吸着式冷凍機の各ステップにおける内部状態を模式的に示す図（その１）である。図１４は、第２実施形態に係る吸着式冷凍機の各ステップにおける内部状態を模式的に示す図（その２）である。図１５は、第２実施形態に係る吸着式冷凍機の各ステップにおける内部状態を模式的に示す図（その３）である。図１６は、第２実施形態に係る吸着式冷凍機の各ステップにおける内部状態を模式的に示す図（その４）である。

符号の説明

１…第１の吸着器、２…第２の吸着器、３…蒸発器、４…凝縮器、６…加熱流体、７…内部配管、８…冷却配管、９…冷却流体、１０…循環配管、１１〜１４…バルブ、１５…冷却水、１６…冷媒回収配管、１７…吸着剤、１８…冷媒、１９…真空経路、３０、４０、９０…吸着式冷凍機、４１〜４４…第１〜第４の吸着器、４５…蒸発器、５１〜５４…第１〜第４の凝縮器、５５…補助凝縮器、６１…循環流体、６２…内部配管、６３…冷却配管、６５…冷却流体、６６…加熱流体、６８…切り替え部、６９…循環配管、７０…冷却水、７１、７２…第１及び第２の温度測定部、７３…流量測定部、７５…冷媒回収配管、１００…制御部。

Claims

冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器に接続され、前記冷媒を吸着する吸着剤を収容した複数の容器と、
複数の前記容器のそれぞれに接続され、前記吸着剤から脱離した前記冷媒を凝縮させる複数の凝縮器と、
前記凝縮器同士を連通又は分離する分離手段と、
を有することを特徴とする吸着式冷凍機。
前記吸着剤から前記冷媒が脱離する脱着工程が前記容器内で行われているときに、前記分離手段を制御することにより、前記脱着工程の開始時期に応じて前記容器に連通する前記凝縮器同士の合計の容積を変えることを特徴とする請求項１に記載の吸着式冷凍機。
前記脱着工程が最も遅く始まった前記容器に連通する前記凝縮器同士の合計の容積を、それ以外の前記容器に連通する前記凝縮器同士の合計の容積よりも大きくすることを特徴とする請求項２に記載の吸着式冷凍機。
前記吸着剤の乾燥度を測定する測定手段と、
前記測定手段における前記乾燥度の測定結果に基づいて、前記容器における前記脱着工程の前記開始時期を判断する判断手段とを更に有することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の吸着式冷凍機。
吸着剤に冷媒の蒸気を吸着させる吸着工程と、
前記吸着剤から前記冷媒の蒸気を脱離させ、該脱離した蒸気を凝縮器内で凝縮させる脱着工程とを有し、
前記脱着工程の途中で前記凝縮器の容積を変えることを特徴とする吸着式冷凍機の制御方法。