JP2011511258A - 吸収式冷凍機 - Google Patents

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Abstract

不揮発性の収着剤と揮発性の冷媒とを含有する作業媒体、および吸収器を有し、前記吸収器において冷媒を含有する気相と収着剤を含有する液相とが、冷媒を透過させ且つ収着剤を透過させない半透過性メンブレンによって互いに分離されている、吸収式冷凍機。

Description

本発明は、力学的エネルギーの需要を減少させる吸収式冷凍機に関する。
従来の冷却器は、蒸発した冷媒の循環に基づき、その際、冷媒に吸収される蒸発熱によって冷却される。蒸発した冷媒はその後、凝縮器を用いてより高い圧力にされ、且つ、蒸発の際よりも高い温度で凝縮され、その際、蒸発熱は再び放出される。引き続き、液化した冷媒を再び、蒸発器の圧力に放圧する。
従来の冷却器は、蒸気形態の冷媒の圧縮のために多くの力学的エネルギーを消費するという欠点を有している。それに対して、吸収式冷凍機は力学的エネルギーのすでに軽減された需要を有する。吸収式冷凍機は、従来の冷却器の冷媒、蒸発器、および凝縮器に加えて、さらに収着剤、吸収器および脱着器を有する。吸収器において、蒸発した冷媒は蒸発の圧力で収着剤内に吸収され、そして引き続き、脱着器において、凝縮物のより高い圧力で、熱流入によって再び収着剤から脱着される。冷媒と収着剤とからの液体の作業媒体の圧縮は、従来の冷却器における冷媒蒸気の圧縮よりも少ない力学的エネルギーしか必要とせず、力学的エネルギーの消費が、冷媒の脱着のために使用される熱エネルギーで置き換えられる。
US1882258号は、吸収器において、吸収剤の水と冷媒のアンモニアとからの液相を多孔質の透過性壁によって、蒸発形態のアンモニアと不活性ガスとを含有する気相から分離している吸収式冷凍機を開示している。この文献に記載された機械は、力学的エネルギーの供給なく稼働される。しかしながら、この文献に記載された機械の場合、吸収器、脱着器、凝縮器および蒸発器はすべて同一の圧力で稼働され、その結果、低い効率を有する。さらに、アンモニアの他に、液相からの水蒸気も多孔質壁によって蒸発器に到達し、そしてそこで例えば氷の形成によって支障をきたすことがある。
吸収器内に隔膜が配置され、それを通じて吸収剤の水が同様に蒸気形態で吸収器体に達することがあるDE633146号内で提案される方法、ならびに同様に収着剤として水を使用するWO2004/104496号内で提案される方法の場合、同一の問題が生じる。
DE19511709号は、不揮発性収着剤としてのLiBrもしくはLiBr/ZnBr2、および揮発性冷媒としての水もしくはメタノールを含有する作業媒体を有する、吸収式冷凍機を開示している。それらの機械の場合、冷媒の凝縮および蒸発を行わない。その代わりに、吸収器から来る冷媒を多く含む作業媒体からの冷媒の透析蒸発による冷却を、脱着器から来る冷媒の乏しい作業媒体内で疎水性のメンブレンによって引き起こす。メンブレンはこの機械の場合、吸収器内に配置されていない。
US41529001号およびUS5873260号は脱着器内にメンブレンを含有し、それによって作業媒体からの冷媒の脱着を実施する、吸収式冷凍機を開示している。US41529001号の方法においては、メンブレンを収着剤が通過し、蒸発器に到達する。同様にUS5873260号内には、収着剤の水が蒸気の形態でメンブレンを通じて到達することが記載されている。
従って、さらに冷却器の蒸発器への吸収剤の連行によって支障をきたすことなく、先行水準から公知の吸収式冷凍機と比べて力学的エネルギーにおける需要をさらに軽減する必要性がある。
本発明の対象は、不揮発性の収着剤と揮発性の冷媒とを含有する作業媒体と吸収器とを有し、前記吸収器において冷媒を含有する気相と収着剤を含有する液相とがメンブレンによって互いに分離されており、その際、該メンブレンは冷媒を透過させ且つ収着剤を透過させない半透過性のメンブレンである、吸収式冷凍機である。
液体の作業媒体から蒸気の形態の冷媒を分離する、吸収器内の半透過性メンブレンの配置は、不揮発性の収着剤と組み合わせて、収着剤が吸収器の蒸気室内および蒸発器内に達し得ることなく、蒸気の形態の冷媒と液体の作業媒体との間の圧力差に逆らった吸収をも可能にする。それによって冷媒は、蒸発の圧力よりずっと高い、液体の作業媒体の圧力でも吸収されることができ、そのために蒸気形態の冷媒の圧縮は必要ではなく、且つ、蒸発器内への収着剤の連行によって支障をきたさない。吸収器内の液体の作業媒体の圧力上昇によって、従来技術から公知の吸収式冷凍機と比べて、液体の作業媒体の圧縮のための力学的エネルギーにおける需要が軽減され得る。
本発明による吸収式冷凍機は、不揮発性の収着剤と揮発性の冷媒とを含有する作業媒体と、冷媒を透過させ且つ収着剤を透過させない半透過性のメンブレンとを含む。原理的に、吸収式冷凍機のための従来技術から公知の、不揮発性の収着剤と揮発性の冷媒とを有する全ての作業媒体を、適した半透過性メンブレンと組み合わせて使用できる。
有利には、揮発性の冷媒としての作業媒体は、水、アンモニアまたは二酸化炭素を含有する。冷媒として水を使用することが特に好ましい。
作業媒体はさらに、不揮発性の収着剤を含有する。不揮発性の収着剤の概念は、その蒸気圧が冷媒の蒸気圧の10000分の1未満である収着剤を表す。好ましくは、収着剤は20℃で10-3mbar未満、特に好ましくは10-6mbar未満の蒸気圧を有する。不揮発性の収着剤として、有利にはポリマーまたは塩の形態の収着剤を使用する。
本発明による吸収式冷凍機に適した、従来技術から公知の作業媒体は、冷媒として水を用いたリチウム臭化物の水溶液、および不揮発性収着剤としてのリチウム臭化物である。
有利には、本発明による吸収式冷凍機において、1つまたはそれより多くのイオン性液体を含む収着剤を使用する。ここで、イオン性液体の概念は、塩、またはアニオンおよびカチオンからの塩の混合物を表し、その際、塩もしくは塩の混合物は、100℃未満の融点を有する。イオン性液体は、従来の収着剤、例えばリチウム臭化物に対して、収着剤の凝固が生じることなく、脱着器内でより多くの割合の冷媒が脱着され得るという長所を有している。従って該吸収式冷凍機は、収着剤としてイオン性液体を用いて、冷媒に対してより高い容量の作業媒体で支障なく稼働でき、吸収式冷凍機の小型化された構成を可能にする。
有利には、有機カチオンと有機または無機アニオンとの、1つまたはそれより多くの塩からのイオン性液体が存在する。異なる有機カチオンと同一のアニオンとを有するいくつかの塩からの混合物が特に好ましい。
有機カチオンとして、以下の一般式(I)ないし(V)のカチオンが殊に適している:
1234+ (I)
12+=CR34 (II)
1234+ (III)
12+=CR34 (IV)
123+ (V)
[式中、
1、R2、R3、R4は同一あるいは異なって、且つ水素、1〜30個の炭素原子を有する直鎖または分枝鎖の脂肪族またはオレフィン性の炭化水素基、5〜40個の炭素原子を有する脂環式またはシクロオレフィン性炭化水素基、6〜40個の炭素原子を有する芳香族炭化水素基、7〜40個の炭素原子を有するアルキルアリール基、−O−、−NH−、−NR’−、−O−C(O)−、−(O)C−O−、−NH−C(O)−、−(O)C−NH−、−(CH3)N−C(O)−、−(O)C−N(CH3)−、−S(O2)−O−、−O−S(O2)−、−S(O2)−NH−、−NH−S(O2)−、−S(O2)−N(CH3)−または−N(CH3)−S(O2)−の1つまたはそれより多くの基によって中断された、2〜30個の炭素原子を有する直鎖又は分枝鎖の脂肪族またはオレフィン性炭化水素基、末端でOH、OR’、NH2、N(H)R’またはN(R’)2によって官能化された、1〜30個の炭素原子を有する直鎖または分枝鎖の脂肪族またはオレフィン性炭化水素基、または式−(R5−O)n−R6のブロック状またはランダムに構成されているポリエーテル基を意味する、
R’は、1〜30個の炭素原子を有する脂肪族またはオレフィン性炭化水素基である、
5は2〜4個の炭素原子を含有する直鎖または分枝鎖の炭化水素基である、
nは1〜200、有利には2〜60である、
6は、水素、1〜30個の炭素原子を有する直鎖または分枝鎖の脂肪族またはオレフィン性炭化水素基、5〜40個の炭素原子を有する脂環式またはシクロオレフィン性炭化水素基、6〜40個の炭素原子を有する芳香族炭化水素基、7〜40個の炭素原子を有するアルキルアリール基、または−C(O)−R7基である、
7は、1〜30個の炭素原子を有する直鎖または分枝鎖の脂肪族またはオレフィン性炭化水素基、5〜40個の炭素原子を有する脂環式またはシクロオレフィン性炭化水素基、6〜40個の炭素原子を有する芳香族炭化水素基、または7〜40個の炭素原子を有するアルキルアリール基である、
その際、少なくとも1つの、且つ好ましくは各々の基R1、R2、R3およびR4は水素とは異なる]。
同様に適しているのは、基R1とR3とが一緒になって4ないし10員環、好ましくは5ないし6員環を構成している式(I)ないし(V)のカチオンである。
同様に適しているのは、上で定義された基R1を有する、環内に少なくとも1つの第四級窒素原子を有する複素環式芳香族カチオン、有利には窒素原子上で置換された、ピロール、ピラゾール、イミダゾール、オキサゾール、イソオキサゾール、チアゾール、イソチアゾール、ピリジン、ピリミジン、ピラジン、インドール、キノリン、イソキノリン、シンノリン、キノキサリンまたはフタラジンの誘導体である。
無機のアニオンとして、殊にテトラフルオロボレート、ヘキサフルオロホスフェート、ニトレート、スルフェート、硫酸水素、ホスフェート、リン酸水素、リン酸二水素、水酸化物、カーボネート、炭酸水素およびハロゲン化物、有利には塩化物が適している。
有機アニオンとして、殊にRaOSO3 -、RaSO3 -、RaOPO3 2-、(RaO)2PO2 -、RaPO3 2-、RaCOO-、Ra-、(RaCO)2-、(RaSO22-およびNCN- (式中、Raは1〜30個の炭素原子を有する直鎖または分枝鎖の脂肪族炭化水素基、5〜40個の炭素原子を有する脂環式炭化水素基、6〜40個の炭素原子を有する芳香族炭化水素基、7〜40個の炭素原子を有するアルキルアリール基、または1〜30個の炭素原子を有する直鎖または分枝鎖のペルフルオロアルキル基である)が適している。
好ましい実施態様においては、イオン性液体は1つまたはそれより多くの1,3−ジアルキルイミダゾリウム塩を含み、ここで、アルキル基は特に好ましくは互いに独立してメチル、エチル、n−プロピル、n−ブチル、およびn−ヘキシルから選択される。特に好ましいイオン性液体は、1つまたはそれより多くのカチオンの1,3−ジメチルイミダゾリウム、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム、1−(n−ブチル)−3−メチルイミダゾリウム、1−(n−ブチル)−3−エチルイミダゾリウム、1−(n−ヘキシル)−3−メチルイミダゾリウム、1−(n−ヘキシル)−3−エチル−イミダゾリウムおよび1−(n−ヘキシル)−3−ブチル−イミダゾリウムと、アニオンの塩化物、アセテート、メチルスルフェート、エチルスルフェート、ジメチルホスフェートまたはメチルスルホネートとの塩である。
さらに好ましい実施態様において、イオン性液体は、一価のアニオンと、一般式(I)において
1が1〜20個の炭素原子を有するアルキル基であり、
2が1〜4個の炭素原子を有するアルキル基であり、
3が基(CH2CHRO)n−H (nは1〜200、且つR=HまたはCH3)であり、
4が1〜4個の炭素原子を有するアルキル基、または基(CH2CHRO)n−H(nは1〜200、且つR=HまたはCH3)であるカチオンとを有する1つまたはそれより多くの第四級アンモニウム塩を含む。
アニオンとして、塩化物、アセテート、メチルスルフェート、エチルスルフェート、ジメチルホスフェート、またはメチルスルホネートが特に好ましい。
イオン性液体の製造方法は、従来技術から当業者に公知である。
有利には収着剤として、150℃の温度で安定なイオン性液体が使用される。冷媒として水を使用する場合、有利には加水分解安定性のイオン性液体が使用される。加水分解安定性のイオン性液体は、50質量%の水との混合物において80℃で寝かせた場合、8000時間以内で加水分解によって5%未満の分解を示す。
好ましくは収着剤として、冷媒と共に冷媒の蒸気圧を下げる非理想の混合物を形成するイオン性液体が使用される。
作業媒体は、収着剤および冷媒の他に、なおさらなる添加剤を含有できる。有利には、作業媒体はさらに1つまたはそれより多くの腐食防止剤を含有する。その際、従来技術から吸収式冷凍機のために使用される原料に適しているとして知られる全ての、不揮発性腐食防止剤を使用してよい。
本発明による吸収式冷凍機の好ましい実施態様において、吸収器内の半透過性メンブレンは溶液拡散メンブレンである。溶液拡散メンブレンは実際には孔を有さない。冷媒に対するメンブレンの選択的な透過性は、収着剤がメンブレン材料内で不溶性である一方で、冷媒がメンブレンの材料内で溶解し且つメンブレンを通って拡散する、溶液拡散メンブレンに基づく。従って、本発明による吸収式冷凍機のための溶液拡散メンブレンの適性を、当業者はメンブレン材料中での冷媒および収着剤の可溶性についての簡単な実験によって見出すことができる。
冷媒としての水および塩形態の収着剤を用いた好ましい実施態様のために、溶液拡散メンブレンとして、透析、逆浸透、および透析蒸発の技術分野から塩の水溶液の脱塩のために適するとして当業者に公知の、全ての孔のないメンブレンを使用できる。
有利には、溶液拡散メンブレンのための材料として、ポリビニルアルコール、ポリイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリベンズイミダゾロン、ポリアミドヒドラジド、セルロースエステル、セルロースアセテート、セルロースジアセテート、セルローストリアセテート、セルロースブチレート、硝酸セルロース、ポリウレア、ポリフラン、ポリエチレングリコール、ポリ(オクチル−メチルシロキサン)、ポリシロキサン、ポリ−アルキル−シロキサン、ポリジアルキルシロキサン、ポリエステルポリエーテル−ブロックコポリマー、ポリスルホン、スルホン化ポリスルホン、ポリアミド、殊に芳香族ポリアミド、ポリエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエステル、ポリエーテルウレア−組成物、ポリアミド−ウレア−組成物、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリアクリル酸またはポリアクリロニトリルを含有する、親水性または親水性官能基が付与されたポリマーが使用される。同様に、2つまたはそれより多くのこれらのポリマーの混合物またはコポリマーも使用できる。セルロースアセテート、架橋性ポリエチレングリコール、架橋性ポリジメチルシロキサンまたはポリエステル−ポリエーテルブロックコポリマーからの溶液拡散メンブレンが特に好ましい。
本発明による吸収式冷凍機の好ましい実施態様において、吸収器内の半透過性メンブレンは微孔質メンブレンである。本発明の主旨における微孔質メンブレンとは、そのメンブレンを通って延びている0.3〜100μmの範囲の最小直径を有する孔を提供するメンブレンである。有利には、該メンブレンは0.3〜0.1μmの範囲の孔を有する。
有利には、吸収器内で収着剤と冷媒とからの作業媒体で濡らされない微孔質メンブレンを使用する。ここで、ぬれの意味は、作業媒体と微孔質メンブレンとの間の接触角が90゜未満であり、毛細管力によるメンブレンの孔内への作業媒体の侵入をもたらすことを表す。有利には、作業媒体と微孔質メンブレンとの間の接触角は120゜よりも大きく、特に好ましくは140゜よりも大きい。ぬれ性のない微孔質メンブレンの使用によって、液体の作業媒体の側での圧力が蒸気の側に対して高められていても、メンブレンの孔を通じてメンブレンの蒸気の側に向かう液体の作業媒体の流れを妨げることができる。従って、当業者は本発明による吸収式冷凍機のための微孔質メンブレンの適性を作業媒体とメンブレンとの間の接触角の測定によって見出すことができる。
冷媒として水を用いた好ましい実施態様のために、有利には半透過性メンブレンとして疎水性の微孔質メンブレンを使用する。適した疎水性の微孔質メンブレンは、機能性衣料の技術分野の防水性および水蒸気透過性メンブレンとして当業者に公知である。
有利には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ポリビニリデンまたはフルオロアルキル変性ポリマーからの疎水性の微孔質メンブレンを使用する。同様に、2つまたはそれより多くのこれらのポリマーの混合物またはコポリマーも使用できる。無機の疎水性の微孔質メンブレン、または無機の疎水性の微孔質材料を有する複合メンブレン、例えば孔がシリカライトまたは疎水性のケイ酸によって形成されているメンブレンも同様に適している。
有利には、半透過性メンブレンは多孔質の支持層(Stuetzschicht)に配置されている。多孔質の支持層上への配置によって、薄い半透過性メンブレンを用いても、機械的に安定したメンブレンユニットを達成できる。それはメンブレンを通じた迅速な物質移動を可能にし、且つ、それと共により小型且つよりかさばらない吸収器の態様を可能にする。有利には、支持層は半透過性メンブレンの気相と接している面の上に配置される。支持層のかかる配置は、メンブレンの液体の作業媒体に向いた面の上への支持層の配置よりも小さい物質移動抵抗をもたらす。
多孔質の支持層は、無機材料と同様に有機材料から構成されてもよい。有利には、疎水性ポリマー、殊にポリオレフィン、ポリエステルまたはフッ化ポリビニリデンからの多孔質の支持層上にメンブレンを配置する。該支持層はさらに、例えば織物層による補強材を含有してよい。
好ましい実施態様において、吸収器内の半透過性メンブレンは中空繊維の形態で配置されている。中空繊維の形態のメンブレンの態様は、吸収器の特にかさばらない構造、および吸収器内で気相と液相との間のより高い圧力差での吸収器の稼働を可能にする。
本発明による吸収式冷凍機はさらに、脱着器内にもメンブレンを含有し、それによって作業媒体からの冷媒の脱着を実施する。脱着器において、原理的には本発明による吸収式冷凍機の吸収器のための半透過性メンブレンとして適する全てのメンブレンを使用できる。脱着器内でのメンブレンの使用は、脱着器内での起泡が減少する作業媒体の使用も可能にする。
本発明による吸収式冷凍機は、F. Ziegler, R. Kahn, F. Summerer, G. Alefeld "Multi Effect absorption chillers", Rev. Int. Froid 16 (1993) 301〜311内に記載される通り、多段式の冷却器の形態で実施してもよい。
本発明による吸収式冷凍機は、特に可動性の用途、殊に自動車および船のためのかさばらない構造および力学的エネルギーの少ない需要のために適している。さらに、本発明による吸収式冷凍機は特に建物の空調にも適しており、なぜなら特に静音稼働でき、太陽エネルギーを用いた効率的な空調を可能にするからである。

Claims (12)

  1. 不揮発性の収着剤と揮発性の冷媒とを含有する作業媒体、および吸収器を含み、該吸収器内で冷媒を含有する気相と収着剤を含有する液相とがメンブレンによって互いに分離されている吸収式冷凍機において、前記のメンブレンが冷媒を透過し且つ収着剤を透過させない半透過性メンブレンであることを特徴とする、吸収式冷凍機。
  2. 冷媒が水であることを特徴とする、請求項1に記載の吸収式冷凍機。
  3. 収着剤が、1つまたはそれより多くのイオン性液体を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の吸収式冷凍機。
  4. イオン性液体が有機のカチオンと有機または無機のアニオンとの塩からなることを特徴とする、請求項3に記載の吸収式冷凍機。
  5. イオン性液体が1つまたはそれより多くの1,3−ジアルキルイミダゾリウム塩を含むことを特徴とする、請求項4に記載の吸収式冷凍機。
  6. イオン性液体が、一般式(I)
    1234+-
    [式中、
    1は1〜20個の炭素原子を有するアルキル基であり、
    2は1〜4個の炭素原子を有するアルキル基であり、
    3は基(CH2CHRO)n−H (nは1〜200、且つR=HまたはCH3)であり、
    4は1〜4個の炭素原子を有するアルキル基、または基(CH2CHRO)n−H(nは1〜200、且つR=HまたはCH3)であり、且つ
    -は一価のアニオンである]
    の1つまたはそれより多くの第四級アンモニウム塩を含むことを特徴とする、請求項4に記載の吸収式冷凍機。
  7. 半透過性メンブレンが、溶液拡散メンブレンであることを特徴とする、請求項1から6までのいずれか1項に記載の吸収式冷凍機。
  8. 半透過性メンブレンが、作業媒体で濡らされない微孔質メンブレンであることを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項に記載の吸収式冷凍機。
  9. 冷媒が水であり、且つ、半透過性メンブレンが疎水性の微孔質メンブレンであることを特徴とする、請求項8に記載の吸収式冷凍機。
  10. 半透過性メンブレンが、多孔質の支持層に配置されていることを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1項に記載の吸収式冷凍機。
  11. 半透過性メンブレンの気相に接する側に支持層が配置されていることを特徴とする、請求項10に記載の吸収式冷凍機。
  12. 半透過性メンブレンが吸収器内で中空繊維の形態で配置されていることを特徴とする、請求項1から11までのいずれか1項に記載の吸収式冷凍機。
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