JP2018155458A - 吸着冷凍機 - Google Patents

Abstract

【課題】これまで、低温熱源温度でも運転が可能で、かつ、ＣＯＰを高く改善することのできる吸着冷凍機は、実現されていなかった。【解決手段】液化した冷媒を気化させることで冷熱を発生させる蒸発器と、蒸発器から生じる気化された冷媒を、冷却しつつ第１の吸着材に吸着させてから、加熱により脱着させる第１の吸着反応部と、蒸発器から生じる気化された冷媒を、第１の吸着材と異なる第２の吸着材に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる第２の吸着反応部と、第１の吸着反応部および第２の吸着反応部で脱着された冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された冷媒を冷却することで液化させて、蒸発器へ供給する凝縮器と、第１の吸着反応部における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、第２の吸着反応部における脱着のための加熱に用いる再利用流路を備える吸着冷凍機を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮機組み込み型二重効用吸着冷凍機に関する。

実用化されている吸着冷凍サイクルのエネルギー変換効率（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ、ＣＯＰ）は、０．６程度であって効率が良いとはいえず、高効率化の課題を抱えている。また、熱源より系に投入された熱を２回利用する、いわゆる二重効用サイクルによりＣＯＰの向上を図ろうとする場合には、１００℃程度の比較的高温の熱源温度が必要となり、８０℃以下の未利用廃熱を有効利用することができなかった（例えば、非特許文献１参照）。

非特許文献１ Ａｋｉｓａｗａ， Ａ．， Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｄｓｏｒｂｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｄｏｕｂｌｅ Ｅｆｆｅｃｔ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｃｙｃｌｅ， Ｔｈｅ ２０ｓｔ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍ， Ｍｉｙａｇｉ（２０１５），ｐｐ． １２７−１３０

今までに、低温熱源温度でも運転が可能で、かつ、ＣＯＰを高く改善することのできる吸着冷凍機は、実現されていなかった。

本発明の第１の態様においては、液化した冷媒を気化させることで冷熱を発生させる蒸発器と、前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を、冷却しつつ第１の吸着材に吸着させてから、加熱により脱着させる第１の吸着反応部と、前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を、前記第１の吸着材と異なる第２の吸着材に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる第２の吸着反応部と、前記第１の吸着反応部および前記第２の吸着反応部で脱着された前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を冷却することで液化させて、前記蒸発器へ供給する凝縮器と、前記第１の吸着反応部における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、前記第２の吸着反応部における脱着のための加熱に用いる再利用流路とを備える吸着冷凍機を提供する。

本発明の第２の態様においては、液化した冷媒を気化させることで冷熱を発生させる蒸発器と、前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を、冷却しつつ第１の吸着材に吸着させてから、加熱により脱着させる第１の吸着反応部と、前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を、前記第１の吸着材と異なる第２の吸着材に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる第２の吸着反応部と、前記第１の吸着反応部および前記第２の吸着反応部で脱着された前記冷媒を冷却することで液化させて、前記蒸発器へ供給する凝縮器と、前記第１の吸着反応部における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、前記第２の吸着反応部における脱着のための加熱に用いる再利用流路とを備える吸着冷凍機を提供する。

上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションも発明となりうる。

吸着冷凍機１０を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第１の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第２の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第３の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第４の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０のタイムサイクルを示す。 デューリング線図に表現した吸着冷凍機１０による模式的なサイクルの例である。 吸着材としてＦＡＭ Ｚ０１とＦＡＭ Ｚ０２を用いた場合の、吸着冷凍機１０のサイクルの挙動を、デューリング線図に描いたものである。 吸着冷凍機１０によるＣＯＰの改善効果を表す図である。 他の吸着冷凍機２００を示す模式図である。 吸着冷凍機２００のタイムサイクルを示す。 他の吸着冷凍機３００を示す模式図である。 デューリング線図に表現した吸着冷凍機３００による模式的なサイクルの例である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、吸着冷凍機１０を示す模式図である。吸着冷凍機１０は、蒸発器２０と、第１の吸着反応部３０と、第２の吸着反応部５０と、圧縮機６０と、凝縮器７０と、再利用流路８０を有する。本実施形態において、第２の吸着反応部５０は、第１の吸着反応部３０が動作する温度よりも、低温で動作する。

蒸発器２０は、液化した冷媒１２を気化させることで冷熱を発生させる。蒸発器２０は、冷熱出力管２４が接続された熱交換器２２を備える。蒸発器２０内において、液化された冷媒１２は、熱交換器２２に向けて滴下される。噴霧された冷媒１２は、熱交換器２２から潜熱を奪って気化する。熱交換器２２の内部を流れる冷媒液は、冷却されて、冷熱が必要とされる場所へ出力される。

蒸発器２０は、連結管１００および制御バルブ２６を介して、第１の吸着反応部３０に連結されており、また、連結管１０２および制御バルブ２８を介して、第２の吸着反応部５０に連結されている。

蒸発器２０から生じる気化された冷媒１２は、第１の吸着反応部３０および第２の吸着反応部５０において、吸着されてから再び気化される。２つの吸着反応部は、再利用流路８０および制御バルブ４２を介して、互いに連結される。

第１の吸着反応部３０は、冷媒１２を吸着する第１の吸着材３２と、熱交換器３４とを備える。第１の吸着反応部３０は、蒸発器２０から生じる気化された冷媒１２を、冷却しつつ第１の吸着材３２に吸着させてから、加熱により脱着させる。第１の吸着材３２は、熱交換器３４の周囲に設けられ、熱交換器３４によって加熱および冷却される。

熱交換器３４は、制御バルブ３６を介して冷却水源１４に接続されている一方、制御バルブ３８を介して温水源１６に接続されている。熱交換器３４の内部を通過した水は、制御バルブ４０、４２の開閉に応じて、系の外に排出されるか、または再利用流路８０を経て第２の吸着反応部５０へと移動する。

第１の吸着反応部３０は、連結管１０４および制御バルブ６２を介して、圧縮機６０に連結されている。第１の吸着反応部３０と圧縮機６０とが連通すると、第１の吸着反応部３０の内部圧力が低下する。加熱および圧力の低下は、第１の吸着材３２からの冷媒１２の脱着および気化を促進する。

第２の吸着反応部５０は、冷媒１２を吸着する第２の吸着材５２と、熱交換器５４とを備える。第２の吸着反応部５０は、蒸発器から生じる気化された冷媒１２を、冷却しつつ第２の吸着材５２に吸着させてから、加熱により脱着させる。第２の吸着材５２は、熱交換器５４の周囲に設けられ、熱交換器５４によって加熱および冷却される。第２の吸着材５２は、第１の吸着材３２とは異なる吸着材であって、吸着比率の変化が第１の吸着材３２よりも低温側で大きい。

熱交換器５４は、制御バルブ５６を介して、冷却水源１８に接続されているが、系外部の温水源と接続されておらず、その点で、第１の吸着反応部３０に備えられる熱交換器３４とは異なる。熱交換器５４は、再利用流路８０を介して温水の供給をうける。

第２の吸着反応部５０は、連結管１０６および制御バルブ６４を介して、圧縮機６０に連結されている。第２の吸着反応部５０と圧縮機６０とが連通すると、第２の吸着反応部５０の内部圧力が低下する。加熱および圧力の低下は、第２の吸着材５２からの冷媒１２の脱着および気化を促進する。

圧縮機６０は、第１の吸着反応部３０および第２の吸着反応部５０で脱着された冷媒１２を加圧により圧縮して、凝縮器７０に供給する。なお、圧縮機６０が消費する電力は、本実施形態の吸着冷凍機に投入されるエネルギー全体のなかで占められる割合が非常に小さい。

圧縮機６０は、第１の吸着反応部３０および第２の吸着反応部５０の内部圧力を低下させて、凝縮器７０との間で圧力差を発生させる。すなわち、圧縮機６０は、脱着時における吸着材温度に対する冷媒蒸気圧と、圧縮機６０の入り口における冷媒１２の圧力との比である相対圧を小さくできる。これにより、吸着濃度が減少し脱着を促進することができる。また、第１の吸着材３２および第２の吸着材５２、並びにそれらに吸着された冷媒１２に対する加熱が比較的低温の場合であっても、上記吸着材からの冷媒１２の脱着を実現することができる。

凝縮器７０は、圧縮機６０で圧縮された冷媒１２を冷却することで液化させて、蒸発器２０へ供給する。凝縮器７０は、冷却水源７４に接続された熱交換器７２を備える。冷却水が内部を流れることにより、熱交換器７２は冷却されて、気化された冷媒１２の液化が促進される。

凝縮器７０は、連結管１０８および減圧弁１２０を介して、蒸発器２０に連結されている。減圧弁１２０を設けることによって、凝縮器７０は、蒸発器２０との間で予め定められた圧力差を維持しながら、予め定められた量の液化された冷媒１２を蒸発器２０に供給する。

制御部７８は、コンピュータ装置によって構成され、中央処理装置、記憶装置等を有する。記憶装置には、予め、それぞれの制御バルブの開閉を制御するプログラムが格納されている。制御部７８は、当該プログラムに従って、それぞれの制御バルブの開閉を制御する。

再利用流路８０は、第１の吸着反応部３０における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、第２の吸着反応部５０における脱着のための加熱を行うために用いられる。すなわち、熱交換器５４に供給される温水は、第１の吸着反応部３０において熱交換器３４に供給される冷却水であったもので、第１の吸着材３２から熱を回収して水温が上昇し、温水となったものである。これにより、二重効用サイクルを構成している。

本実施形態において、冷媒１２は、水または水に添加物を含むものであってよく、水以外の流体を用いてもよい。図１に示される実施形態における冷媒１２は、一例として水である。

本実施形態において、第１の吸着材３２と第２の吸着材５２は、温度変化に対し異なる挙動を示す。より高温で吸着濃度の変化が大きい第１の吸着材３２を、高温側の脱吸着反応を行う第１の吸着反応部３０に用いる。

一方、第２の吸着材５２は、第１の吸着材３２が吸着濃度を大きく変化させる温度よりも低い温度で、吸着濃度を大きく変化させる。第２の吸着材５２は、第１の吸着反応部３０よりも低温で脱吸着反応を行う第２の吸着反応部５０に用いられる。これにより、それぞれの吸着冷凍サイクルの効率が向上するので好ましい。

本実施形態における吸着材の例として、シリカゲル、メソポーラスシリカ、ＡＱＳＯＡ（登録商標）（ＦＡＭ−Ｚ０１、Ｚ０２、Ｚ０５）等のＡＩＰＯ系ゼオライト、活性炭、ゼオライト（天然、合成）、イモゴライト、高分子系吸着材等がある。これらの吸着材から、複数の異なる吸着材を条件や用途に合わせて選択することができる。

図２から図５は、吸着冷凍機１０の冷凍動作を説明する図である。吸着冷凍機１０は、第１の状態から順番に第４の状態を繰り返すことによって、冷熱出力管２４から冷熱を継続して出力する。なお、図２から図５において、白抜きの制御バルブは、開くように制御された制御バルブを示し、黒塗りの制御バルブは、閉じるように制御された制御バルブを示す。

図２を用いて第１の状態を説明する。第１の状態において、制御バルブ２６、３６、４２、６４は、閉じるように制御され、上記以外の制御バルブは、開くように制御される。

蒸発器２０で気化された冷媒１２は、連結管１０２を通じて、第２の吸着反応部５０へ移動する。制御バルブ６４が閉じられて、第２の吸着反応部５０と圧縮機６０との連通は断たれる。第２の吸着反応部５０へ移動した冷媒１２は、第２の吸着材５２に吸着される。この工程を吸着工程と呼ぶ。

気化された冷媒１２は、第２の吸着材５２に吸着する際に吸着熱を放出する。制御バルブ５６が開かれて、制御バルブ４２が閉じられると、冷却水源１８から熱交換器５４に冷却水が供給される。冷却水が内部を流れる熱交換器５４は、吸着熱を吸収して、第２の吸着材５２を冷却する。吸着材の冷却は、冷媒１２の吸着を促進する。

吸着工程時、連通されている第２の吸着反応部５０と蒸発器２０は、その内部圧力が等しくなる。蒸発器２０では、冷媒１２が気化される一方、第２の吸着反応部５０では、第２の吸着材５２が気化された冷媒１２を吸着する。これにより、冷媒１２は、蒸発器２０から第２の吸着反応部５０へ継続的に移動する。

第１の吸着反応部３０において、制御バルブ３６が閉じられて、制御バルブ３８が開かれると、温水源１６から熱交換器３４に温水が供給される。内部に温水が流れる熱交換器３４は、第１の吸着材３２を加熱するとともに、第１の吸着材３２に吸着している冷媒１２も加熱する。加熱された冷媒１２は、第１の吸着材３２から脱着して気化する。この工程を脱着工程と呼ぶ。

第１の吸着反応部３０と圧縮機６０とをつなぐ制御バルブ６２が開かれると、脱着して気化した冷媒１２は、連結管１０４を通じて圧縮機６０に移動する。圧縮機６０は、気化した冷媒１２を圧縮して、第１の吸着反応部３０の内部圧力を低下させる。そのため、熱交換器３４を通した加熱が比較的低温であっても、脱着圧力を低下させることにより、冷媒１２を第１の吸着材３２から脱着させて気化することができる。

圧縮機６０で圧縮された冷媒１２の蒸気は、凝縮器７０に送られる。凝縮器７０の熱交換器７２に、冷却水源７４から冷却水が供給されている。圧縮機６０で圧縮された冷媒１２の蒸気は、熱交換器７２に冷却されて液化する。液化された冷媒１２は、凝縮器７０と蒸発器２０を接続している連結管１０８および減圧弁１２０を経由して蒸発器２０に流入し、滴下される。

図３は、吸着冷凍機１０の第２の状態を示す模式図である。第２の状態において、制御バルブ３６と４２は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは、閉じるように制御される。この状態において、第１の吸着反応部３０および第２の吸着反応部５０は、蒸発器２０と圧縮機６０のいずれにも連通していない。

第１の吸着反応部３０では、冷却水源１４から冷却水が供給される熱交換器３４が、第１の吸着材３２を冷却する。この吸着材の冷却により、第１の吸着反応部３０内に存在する気化された冷媒１２は、第１の吸着材３２に吸着される。気化されていた冷媒１２の吸着によって、第１の吸着反応部３０の内圧は低下する。この工程を予備冷却工程と呼ぶ。

冷却水源１４から熱交換器３４に供給される冷却水は、予備冷却工程時における熱の回収により水温が高められて温水となる。制御バルブ５６が閉じられ、制御バルブ４２が開かれることにより、温水が、再利用流路８０を通って第１の吸着反応部３０から第２の吸着反応部５０へと移動し、熱交換器５４に供給される。

第２の吸着反応部５０では、再利用流路８０を介して温水が供給される熱交換器５４が、第２の吸着材５２を加熱する。これにより、第２の吸着材５２に吸着されている冷媒１２も、加熱されて気化しはじめる。第２の吸着反応部５０の内圧は、吸着されていた冷媒１２の気化により高められる。この工程を予備加熱工程と呼ぶ。

図４は、吸着冷凍機１０の第３の状態を示す模式図である。第３の状態において、制御バルブ２８、３８、４０、５６、６２は、閉じるように制御され、上記以外の制御バルブは、開くように制御される。

蒸発器２０で気化された冷媒１２は、蒸発器２０と第１の吸着反応部３０との圧力差により、連結管１００を通じて、第１の吸着反応部３０へ移動する。制御バルブ６２が閉じられて、第１の吸着反応部３０と圧縮機６０との連通は断たれている。第１の吸着反応部３０では吸着工程が実施されて、冷媒１２は第１の吸着材３２に吸着される。

気化された冷媒１２は、第１の吸着材３２に吸着する際に吸着熱を放出する。制御バルブ３６が開かれて、制御バルブ３８が閉じられると、冷却水源１４から熱交換器３４に冷却水が供給される。冷却水が内部を流れる熱交換器３４が、吸着熱を吸収して、第１の吸着材３２および吸着された冷媒１２を冷却する。吸着材の冷却は、冷媒１２の吸着を促進する。

吸着工程時、連通されている第１の吸着反応部３０と蒸発器２０は、その内部圧力が等しくなる。蒸発器２０では、冷媒１２が気化される一方、第１の吸着材３２では、第２の吸着材５２が気化された冷媒１２を吸着する。これにより、冷媒１２は、蒸発器２０から第１の吸着反応部３０へ継続的に移動する。

冷却水源１４から熱交換器３４に供給される冷却水は、吸着熱の回収により温水となる。制御バルブ５６が閉じられ、制御バルブ４２が開かれると、温水が、再利用流路８０を通って第１の吸着反応部３０から第２の吸着反応部５０へと移動して、熱交換器５４に供給される。

第２の吸着反応部５０において、脱着工程が実施される。再利用流路８０から供給された温水が内部を流れる熱交換器５４は、第２の吸着材５２を加熱するとともに、第２の吸着材５２に吸着している冷媒１２も加熱する。加熱された冷媒１２は、第２の吸着材５２から脱着して気化する。

第２の吸着反応部５０の熱交換器５４の内部を通過した水は、系の外に排出されるか、または回収されて、第１の吸着反応部３０の熱交換器３４に冷却水として再び供給されるよう循環させてもよい。

第２の吸着反応部５０と圧縮機６０とをつなぐ制御バルブ６４が開かれて、脱着して気化した冷媒１２が、連結管１０６を通じて圧縮機６０に移動する。圧縮機６０は、気化した冷媒１２を圧縮して、第２の吸着反応部５０の内部圧力を低下させる。これにより、熱交換器５４による加熱が比較的低温であっても、脱着圧力の低下により、冷媒１２を第２の吸着材５２から脱着させることができる。

圧縮機６０で圧縮された冷媒１２の蒸気は、凝縮器７０に送られる。凝縮器７０の熱交換器７２には、冷却水源７４から冷却水が供給されている。圧縮機６０で圧縮された冷媒１２の蒸気は、熱交換器７２に冷却されて液化する。液化された冷媒１２は、凝縮器７０と蒸発器２０を接続している連結管１０８および減圧弁１２０を経由して蒸発器２０に流入し、滴下される。

図５は、吸着冷凍機１０の第４の状態を示す模式図である。第４の状態において、制御バルブ３８、４０、５６は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは、閉じるように制御される。この状態において、第１の吸着反応部３０および第２の吸着反応部５０は、蒸発器２０と圧縮機６０のいずれにも連通していない。

第１の吸着反応部３０では、予備加熱工程が実施され、温水源１６から温水が熱交換器３４に供給される。温水が内部を流れる熱交換器３４は、第１の吸着材３２を加熱する。第１の吸着材３２に吸着されている冷媒１２も加熱されて、気化しはじめる。第１の吸着反応部３０の内圧は、吸着されていた冷媒１２の気化により高められる。

第２の吸着反応部５０では、予備冷却工程が実施され、冷却水源１８から冷却水が熱交換器５４に供給される。冷却水が内部を流れる熱交換器５４は、第２の吸着材５２を冷却する。この吸着材の冷却により、第２の吸着反応部５０内に存在する気化された冷媒１２は、第２の吸着材５２に吸着される。気化されていた冷媒１２の吸着によって、第２の吸着反応部５０の内圧は低下する。

第４の状態の後は、再び、第１の状態に戻る。このように、第１の状態から第４の状態を順番に繰り返すことによって、吸着冷凍機１０は、冷熱出力管２４から継続的に冷熱を出力する。

図６は、吸着冷凍機１０のタイムサイクルを示す。なお、本願の実施形態の説明において、便宜上、高温側サイクルをＨＴＣ（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｙｃｌｅ）、低温側サイクルをＬＴＣ（Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｙｃｌｅ）と表記する場合がある。

図２から図５を用いて説明したように、高温側で使用される第１の吸着反応部３０は、制御部７８の制御により、脱着工程［１］、予備冷却工程［２］、吸着工程［３］、予備加熱工程［４］というサイクルで各工程を実行する。

低温側で使用される第２の吸着反応部５０は、制御部７８の制御により、吸着工程［１'］、予備加熱工程［２'］、脱着工程［３'］、予備冷却工程［４'］というサイクルで各工程を実行する。したがって、本実施形態において、２つの吸着反応部は、吸着と脱着を半周期ずらして繰り返す。

図６の矢印Ａは、系外部からの加熱を表す。矢印Ｂは、高温側で動作する第１の吸着反応部３０の吸着工程で発生する吸着熱を回収して、それを低温側で動作する第２の吸着反応部５０の脱着工程に投入することを表す。したがって、系に入力された熱を２回利用することによって、ＣＯＰを高めることができる。

図７は、本実施形態の挙動を模式的に示したデューリング線図である。横軸は吸着反応部温度、縦軸が冷媒の圧力、斜め線が吸着等量線である。二重効用吸着冷凍サイクルでは、高温側の吸着反応部のサイクル（ＨＴＣ）と低温側の吸着反応部のサイクル（ＬＴＣ）の２つからなる。

実線で表されるサイクルは、二重効用吸着冷凍サイクルの吸着反応部と凝縮器との間に、圧縮機を組み込んだ本実施形態によるものを表す。点線で表されるサイクル箇所は、圧縮機が組み込まれない従来型の二重効用吸着冷凍サイクルの例を表す。

実線で表される本実施形態において、ＨＴＣが脱着工程［１］にあるとき、ＬＴＣは吸着工程［１'］にある。ＨＴＣの脱着工程［１］では、矢印Ａで示される熱源水による加熱により、吸着反応部内の圧力が脱着圧力に達した時点で、吸着反応部と凝縮器が接続され、脱着圧力の状態で吸着濃度が減少する。ＨＴＣの脱着工程［１］は、熱源水温度に、吸着材の温度が一致した時点で終了してもよい。

ＬＴＣの吸着工程［１'］では、吸着反応部の内部圧力が、蒸発器の圧力に達した時点で蒸発器と接続され、蒸発器の圧力の状態で吸着濃度が上昇する。ＬＴＣの吸着工程［１'］は、冷却水の温度に達した時点で終了してもよい。

ＨＴＣが予備冷却工程［２］にあるとき、ＬＴＣは予備加熱工程［２'］にある。ＨＴＣの予備冷却工程［２］は、吸着反応部が蒸発器と凝縮器とから切断され、吸着濃度を保ったまま、温度の低下に伴い、圧力が低下する。

ＬＴＣの予備加熱工程［２'］では、吸着反応部は、蒸発器および凝縮器から切断され、吸着濃度を保ったまま、加熱により温度と圧力が上昇する。

ＨＴＣが吸着工程［３］にあるとき、ＬＴＣは脱着工程［３'］にある。本実施形態における二重効用サイクルは中間温度を任意に決定できる。ＨＴＣの吸着工程［３］は、吸着反応部が中間温度に達した時点で終えてもよい。

ＨＴＣの吸着工程［３］において、吸着材が冷媒を吸着する時に発生する吸着熱が、ＬＴＣの予備加熱工程［２'］および脱着工程［３'］で使用される熱源として再利用される。線図中の矢印Ｂは、高温側から低温側への熱の移動を表し、吸着熱が再利用されることを示す。ＬＴＣの脱着工程［３'］では、任意の中間温度に達した時点で終了してもよい。

ＨＴＣが予備加熱工程［４］にあるとき、ＬＴＣは予備冷却工程［４'］にある。本サイクルが終わった時点で、ＨＴＣとＬＴＣは、［１］と［１'］にそれぞれ戻り、連続運転を行う。

点線により表されるサイクルと、本実施形態の挙動を表す実線のサイクルとの離隔は、二重効用吸着サイクルに圧縮機を組み込むことにより、吸着材が再生する圧力を調整できることを意味する。

すなわち、本実施形態における吸着冷凍機は、様々な熱源温度に対しても、吸着材の吸脱着量を適切な範囲に制御できる。これにより、高温側サイクルと低温側サイクルのそれぞれに対して、脱着圧力を吸着濃度が急激に変化する範囲に収まるように設定し、二重効用吸着冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

本実施形態は、１つの圧縮機を備えるものであるが、第１の吸着反応部３０からの冷媒１２を圧縮する第１の圧縮機と、第２の吸着反応部５０からの冷媒１２を圧縮する第２の圧縮機とを備えるものであってもよい。

以上のような構成を採用することにより、低温熱源温度でも運転が可能で、かつ、ＣＯＰを高く改善することのできる吸着冷凍機を実現できる。本実施形態は、圧縮機を組み込んだ単段型吸着冷凍サイクル、および圧縮機を備えない二重効用サイクルとの間で性能の比較を行った、以下の非限定的な実施例においてさらに例示される。

本実施例の２種類の吸着材には、ゼオライト系吸着材であるＦＡＭ Ｚ０１とＦＡＭ Ｚ０２（三菱樹脂株式会社製、商品名ＡＱＳＯＡ）をそれぞれ使用した。ＦＡＭ Ｚ０１は狭い相対圧範囲で多量に吸着することが可能で、さらに再生温度も低いため、低温サイクル側の吸着材として利用し、ＦＡＭ Ｚ０２を高温サイクル側の吸着材とした。

図８は、本実施例の挙動を示すデューリング線図であって、斜め方向の実線がＦＡＭ Ｚ０１、点線がＦＡＭ Ｚ０２の吸着等量線を表す。デューリング線図において、斜め線の幅が狭いほど、少ない温度差で吸着材の吸着濃度が変化する。そこで、高温側のＦＡＭ Ｚ０２のサイクルと、低温側のＦＡＭ Ｚ０１のサイクルのそれぞれに対して、吸着濃度が急激に変化する範囲に収まるよう、圧縮機により脱着圧力を設定して、効率の向上を図った。

吸着冷凍機の性能の比較は、それぞれで得られるＣＯＰに基づき行われた。図９は、異なる熱源温度を用いた場合の、本実施例である「二重効用＋圧縮機」、比較例１として単段型吸着冷凍機「単段型＋圧縮機」、および比較例２として圧縮機を備えない二重効用吸着冷凍機「二重効用（圧縮機なし）」の、それぞれのＣＯＰを比較した図である。

図９に示される結果から、本実施例は、熱源温度６０〜８０℃においてほぼ一様な安定したＣＯＰを達成するとともに，他の二つよりも高い性能を持つことがわかる。すなわち、本実施例の吸着冷凍機によれば、従来の二重効用吸着冷凍サイクル（比較例２）では性能が低下する温度域である６０から８０℃においても、理想的に約１．２のＣＯＰを得られることが見込まれる。また、従来の単段型吸着冷凍サイクル（比較例１）と比較しても、２倍程度のＣＯＰの向上を実現できる。

上記の実施形態は、第１および第２の吸着反応部からなる吸着冷凍機であったが、他の実施形態において、蒸発器から生じる気化された冷媒を、第１の吸着材および第２の吸着材と異なる第３の吸着材に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる第３の吸着反応部と、第２の吸着反応部における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、第３の吸着反応部における脱着のための加熱に用いる第２の再利用流路をさらにそなえてもよい。

図１０は、そのような他の実施形態の一例である吸着冷凍機２００を示す模式図である。以下において説明される他の実施形態の各図において、図１から図９において示された実施形態と同一または相当する部材、部位については、同一符号を付した。

吸着冷凍機２００は、図１において示される実施形態が備える要素のほかに、第３の吸着材２１２と熱交換器２１４とを備えた第３の吸着反応部２１０を有する。第３の吸着反応部２１０は、蒸発器２０から生じる気化された冷媒１２を、第１の吸着材３２および第２の吸着材５２と異なる第３の吸着材２１２に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる。第３の吸着材２１２は、吸着比率の変化が他の２種類の吸着材よりもさらに低温側で大きい。

第３の吸着反応部２１０は、連結管２３０および制御バルブ２１６を介して蒸発部２０に連結されており、また、連結管２３２および制御バルブ２１８を介して、圧縮機６０に連結されている。

吸着冷凍機２００の第３の吸着反応部２１０は、制御バルブ２２０を介して、冷却水源１８に接続されているが、系外部の温水源と接続されておらず、再利用流路２４０および制御バルブ２２４を介して第２の吸着反応部５０と連結されている。

第２の吸着反応部５０の熱交換器５４の内部を通過した水は、制御バルブ２２２、２２４の開閉に応じて、系の外に排出されるか、または再利用流路２４０を経て第３の吸着反応部２１０へと移動する。

再利用流路２４０は、第２の吸着反応部５０における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、第３の吸着反応部２１０における脱着のための加熱に用いる第２の再利用流路である。すなわち、熱交換器２１４に供給される温水は、第２の吸着反応部５０において熱交換器５４に供給される冷却水であったもので、第２の吸着材５２から熱を回収して水温が上昇し、温水となったものである。これにより、第１の吸着反応部３０と第２の吸着反応部５０をつなぐ再利用流路８０による効用と併せて、三重効用サイクルを構成している。

図１１は、吸着冷凍機２００のタイムサイクルを示す。同図において、第１の吸着反応部３０における高温側サイクルをＨＴＣ、第３の吸着反応部２１０における低温側サイクルをＬＴＣと表記するのに加え、第２の吸着反応部５０の中温側サイクルをＭＴＣ（Ｍｅｄｉｕｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｙｃｌｅ）と表記する。

高温側で使用される第１の吸着反応部３０は、制御部７８の制御により、脱着工程［１］、予備冷却工程［２］、吸着工程［３］、予備加熱工程［４］というサイクルで各工程を実行する。

中温側で使用される第２の吸着反応部５０は、制御部７８の制御により、吸着工程［１'］、予備加熱工程［２'］、脱着工程［３'］、予備冷却工程［４'］というサイクルで各工程を実行する。したがって、第１の吸着反応部３０とは半周期ずらして、吸着と脱着を繰り返す。

低温側で使用される第３の吸着反応部２１０は、制御部７８の制御により、脱着工程［１''］、予備冷却工程［２''］、吸着工程［３''］、予備加熱工程［４''］というサイクルで各工程を実行する。したがって、第３の吸着反応部２１０とは半周期ずらして吸着と脱着を繰り返すが、第１の吸着反応部３０とは同一の周期となる。

図１１の矢印Ａは、系外部からの加熱を表す。矢印Ｂは、高温側で動作する第１の吸着反応部３０の吸着工程で発生する吸着熱を回収して、それを中温側で動作する第２の吸着反応部５０の脱着工程に投入することを表す。矢印Ｃは、中温側で動作する第２の吸着反応部５０の吸着工程で発生する吸着熱を回収して、それを低温側で動作する第３の吸着反応部２１０の脱着工程に投入することを表す。したがって、系に入力された熱を３回利用することによって、ＣＯＰを高めることができる。

図１２は、他の実施形態の一例である吸着冷凍機３００を示す模式図である。これまでに説明された実施形態において、同一または相当する部材、部位については、同一符号を付して説明する。

他の吸着冷凍機３００は、図１において示される実施形態が備える要素と比較して、圧縮機の配置が異なる。吸着冷凍機３００の圧縮機３１０は、蒸発器２０から生じる気化された冷媒１２を圧縮する。

圧縮機３１０により圧縮されて圧力が増した冷媒１２は、連結管３１４および制御バルブ３１２を介して第１の吸着反応部３０に移動するか、または、連結管３１８および制御バルブ３１６を介して、第２の吸着反応部５０に移動する。

圧縮機３１０により、気化された冷媒１２を圧縮することで、吸着材に吸着される際の圧力（相対圧）を高めることができ、それにより、吸着濃度を増加させて吸着を促進することができる。

図１３は、吸着冷凍機３００の挙動を模式的に示したデューリング線図である。実線で表されるサイクルは、第１の吸着反応部３０および第２の吸着反応部５０と、蒸発器２０との間に、圧縮機３１０を組み込んだ本実施形態によるものを表す。点線で表されるサイクル箇所は、圧縮機が組み込まれない形態の例を示す。

点線により表されるサイクルと実線のサイクルの比較から明らかなとおり、吸着冷凍機３００は、冷媒が吸着材に吸着される圧力を調整でき、二重効用吸着冷凍サイクルの効率を向上させることができる。

吸着冷凍機３００の上記の実施形態は、１つの圧縮機３１０を備えるものであるが、他の実施形態において、蒸発器２０からの冷媒を圧縮して第１の吸着反応部３０に供給する第１の圧縮機と、蒸発器２０からの前記冷媒を圧縮して第２の吸着反応部５０に供給する第２の圧縮機とを含んでもよい。

図１に示される吸着冷凍機１０の他の実施形態において、第１の吸着反応部３０および第２の吸着反応部５０で脱着された冷媒１２を圧縮する圧縮機６０に加えて、蒸発器２０で気化された冷媒１２を圧縮する圧縮機３１０が含まれてもよい。これにより、吸着圧力と脱着圧力の両方を調整することができるため、吸着冷凍サイクルの性能をさらなる向上を実現できる。

同様に、図１０に示される第３の吸着反応部２１０をさらに備えた吸着冷凍機２００の他の実施形態において、圧縮機６０に加えて、蒸発器２０から生じる気化された冷媒１２を圧縮する圧縮機３１０が含まれてもよい。この場合においても、吸着冷凍サイクルの性能を向上が実現される。なお、吸着冷凍機２００の実施形態の一例において、圧縮機６０を備えずに、蒸発器２０から生じる気化された冷媒１２を圧縮する圧縮機３１０が備えられてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 吸着冷凍機、１２ 冷媒、１４、１８、７４ 冷却水源、１６ 温水源、２０ 蒸発器、２２、３４、５４、７２、２１４ 熱交換器、２４ 冷熱出力管、２６、２８、３６、３８、４０、４２、５６、６２、６４、２１６、２１８、２２０、２２２、２２４、３１２、３１６ 制御バルブ、３０ 第１の吸着反応部、３２ 第１の吸着材、５０ 第２の吸着反応部、５２ 第２の吸着材、６０、３１０ 圧縮機、７０ 凝縮器、７８ 制御部、８０、２４０ 再利用流路、１００、１０２、１０４、１０６、１０８、２３０、３１４、３１８ 連結管、１２０ 減圧弁、２１０ 第３の吸着反応部、２１２ 第３の吸着材

Claims (9)

1. 液化した冷媒を気化させることで冷熱を発生させる蒸発器と、
   前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を、冷却しつつ第１の吸着材に吸着させてから、加熱により脱着させる第１の吸着反応部と、
   前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を、前記第１の吸着材と異なる第２の吸着材に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる第２の吸着反応部と、
   前記第１の吸着反応部および前記第２の吸着反応部で脱着された前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を冷却することで液化させて、前記蒸発器へ供給する凝縮器と、
   前記第１の吸着反応部における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、前記第２の吸着反応部における脱着のための加熱に用いる再利用流路と
   を備える吸着冷凍機。
2. 前記圧縮機は、前記第１の吸着反応部からの前記冷媒を圧縮する第１の圧縮機と、前記第２の吸着反応部からの前記冷媒を圧縮する第２の圧縮機とを含む請求項１に記載の吸着冷凍機。
3. 前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を圧縮し、前記第１の吸着反応部及び前記第２の吸着反応部の少なくとも一方に供給する他の圧縮機を更に備えた、請求項１または２に記載の吸着冷凍機。
4. 前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を、前記第１の吸着材および前記第２の吸着材と異なる第３の吸着材に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる第３の吸着反応部と、
   前記第２の吸着反応部における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、前記第３の吸着反応部における脱着のための加熱に用いる第２の再利用流路と
   を更に備える請求項１から３のいずれか１項に記載の吸着冷凍機。
5. 液化した冷媒を気化させることで冷熱を発生させる蒸発器と、
   前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を、冷却しつつ第１の吸着材に吸着させてから、加熱により脱着させる第１の吸着反応部と、
   前記圧縮機で圧縮された前記冷媒を、前記第１の吸着材と異なる第２の吸着材に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる第２の吸着反応部と、
   前記第１の吸着反応部および前記第２の吸着反応部で脱着された前記冷媒を冷却することで液化させて、前記蒸発器へ供給する凝縮器と、
   前記第１の吸着反応部における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、前記第２の吸着反応部における脱着のための加熱に用いる再利用流路と
   を備える吸着冷凍機。
6. 前記圧縮機は、前記蒸発器からの前記冷媒を圧縮して前記第１の吸着反応部に供給する第１の圧縮機と、前記蒸発器からの前記冷媒を圧縮して前記第２の吸着反応部に供給する第２の圧縮機とを含む請求項５に記載の吸着冷凍機。
7. 前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を、前記第１の吸着材および前記第２の吸着材と異なる第３の吸着材に、冷却しつつ吸着させてから、加熱により脱着させる第３の吸着反応部と、
   前記第２の吸着反応部における冷却のために用いられる流体により吸着熱を回収して、前記第３の吸着反応部における脱着のための加熱に用いる第２の再利用流路と
   を更に備える請求項５または６に記載の吸着冷凍機。
8. 前記第２の吸着反応部は、前記第１の吸着反応部が動作する温度よりも、低温で動作する請求項１から７のいずれか１項に記載の吸着冷凍機。
9. 前記第２の吸着材は、吸着比率の変化が前記第１の吸着材よりも低温側で大きい請求項１から８のいずれか１項に記載の吸着冷凍機。

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