JP3745102B2 - 吸着式冷凍機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸脱着切り換え操作により冷媒である水に対し蒸発機能を形成し冷媒蒸気である水蒸気に対し凝縮機能を形成する蒸発・凝縮兼用の二基の接触熱交換器を、二基の固体吸着剤熱交換器とそれぞれ一体構造にして二基の真空容器内に収納させた高成績係数の吸着式冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸着式冷凍機は固体吸着剤（例えばシリカ系）と冷媒（水）との間の可逆反応に伴う発吸熱現象を利用し、温熱を熱源として冷熱を発生させる冷凍機で、基本サイクルは再生工程と吸着工程とよりなり、該工程を二基の固体吸着剤熱交換器を交互に切り替え作動するようにしたものである。
例えば、図１８において、再生工程を固体吸着剤熱交換器５０により行い、吸着工程を固体吸着剤熱交換器５１で行う場合には、図に見るように、黒マークの切り替えバルブと蒸気弁を閉鎖状態とし、白マークの切り換えバルブと蒸気弁を解放状態にする。即ち、真空容器内の固体吸着剤熱交換器５０を再生用温水でバルブ６１を介して加熱すると、吸着剤５０ａが吸着していた水は水蒸気となり蒸気弁５６と蒸気配管５４（５４ａ、５４ｂ）を介して凝縮器５２へ放出され、該凝縮器５２で凝縮用冷却水で液化される。ここで当該固体吸着剤熱交換器５０の吸着剤５０ａは脱着再生される。
一方、真空容器内の固体吸着剤熱交換器５１には吸着用冷却水がバルブ６３を介して導入され、吸着剤５１ａは冷却され吸着可能の状態になる。一方、蒸発器５３では噴霧器５３ａを介して発生した水蒸気は蒸気弁５７と蒸気配管５５（５５ａ、５５ｂ）を介して固体吸着剤熱交換器５１へ送られ吸着剤５１ａに吸着される。この時蒸発器５３では、噴霧器５３ａを介して噴霧状の水は蒸発しながら被冷却流体６０から蒸発潜熱を奪う。その結果冷水の製造が可能となる。つまり、固体吸着剤熱交換器５１の吸着剤５１ａは吸着工程に置かれ、蒸発器５３の被冷却流体６０に冷熱を供給する。
上記吸着式冷凍機は、夫々真空容器に収納された固体吸着剤熱交換器５０、５１と、再生用温水と吸着用冷却水と、凝縮器５２と、蒸発器５３と、冷水負荷系と凝縮用冷却水系と、４個の蒸気弁５６、５７、５８、５９と、水用切り替え弁６１、６２、６３、６４と、蒸気配管５４、５５と、より構成されている。
【０００３】
また、従来一般に使用されている吸着式冷凍機において、例えば駆動熱源には温度６０〜８０℃の温水を使用し、また、入り口温度が約２９℃の凝縮用冷却水を使用して、１４℃の冷水より９℃の冷水が得られ、その場合の、成績係数（ＣＯＰ）は約０．６６の値が得られている。
なお、吸着式冷凍機の成績係数については、下記研究報告もある。
１、温水入り口温度を高くするほど発生冷熱量の上昇の割合が小さくなり、冷却水入り口温度及び冷水温度条件によって、成績係数はある温水入り口温度で最大値を取る。
２、吸着用冷却水の入り口温度が低いほど発生冷熱量および成績係数は大きくなる。
即ち、上記記載には、再生用温水温度と吸着用冷却水温度についての成績係数の関係が示されてあるが、成績係数の向上についての抜本的提案はされていない状況である。
【０００４】
ところで、従来の凝縮器は水冷式、空冷式や発熱式に大別できるが、どのタイプの凝縮器においても、熱は冷媒から管壁を経由して冷却媒体である水または空気へ流れる。
即ち、熱の授受は管壁の熱伝達率により左右されるわけで、近年この問題点を対象とした高性能伝熱管の開発に注力されている傾向にある。
また、前記従来の吸着式冷凍機においては、上記したように、再生工程では吸着剤５０ａより脱着した水蒸気は固体吸着剤熱交換器５０より蒸気配管５４を介して凝縮器５２へ到達するが、それまでに前記蒸気配管内に生ずる圧力損失により、前記熱交換器５０における水蒸気圧が高くなり吸着剤５０ａからの水蒸気脱着速度及び脱着量が抑制される問題点があり、吸脱着剤量の増大化、配管の大口径化、切り替え操作時の応答性の低下の要因を形成し、
また、吸着工程では、蒸発器５３で蒸発した水蒸気が吸着用の固体吸着剤熱交換器５１に到達するまでに蒸気配管５５で圧力損失を生ずるため、吸着反応器内の水蒸気圧が低くなり、吸着反応器の吸着能力の低下を招く問題を内蔵しており、蒸気バルブの大口径化、配管の大口径化、吸着剤重量の増大化の要因を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、上記問題点につき種々研究を重ねた結果、
従来の凝縮器・蒸発器に見られた管壁を仲介とした熱伝達手段に代わる高効率の凝縮器・蒸発器兼用の熱交換器の使用と、固体吸着剤熱交換機と前記凝縮器・蒸発器兼用の熱交換器との間を接続する蒸気配管における圧力損失を皆無とする構成を持つ吸着式冷凍機の提供が最大必要条件事項と考えられ、
切り換え操作により冷媒に対し蒸発機能を形成し冷媒蒸気に対し凝縮機能を形成する蒸発器・凝縮器兼用の高熱伝達率の直接接触型の接触熱交換器を使用し、蒸気配管における圧力損失除去のためには固体吸着剤熱交換器と一体化して真空容器内に収納する構成とした、高成績係数の吸着式冷凍機の提供を目的としたものである。
【０００６】
また、吸着工程→熱回収工程→再生工程→熱回収工程の運転サイクルを繰り返すバッチ式吸着式冷凍機においては、吸着・再生工程の切り替え前の準備工程として、凝縮器及び蒸発器内の冷媒の移送交換をすべく熱回収工程を設ける必要があるが、この無駄な工程を削除して短時間且つ熱損失の少ない吸着、再生の切り替えを可能とする吸着式冷凍機の提供が望まれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の吸着式冷凍機は、二基の真空容器と、該容器の切り替え接続可能の再生用温水と吸着用冷却水と冷水負荷系と凝縮用冷却水系とよりなる吸着式冷凍機において、上記真空容器内に、固体吸着剤熱交換器と、スプレイ噴霧部とその下方に設けた水槽部とより構成された蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器とを一体構造として収納する構成したことを特徴とする。
【０００８】
上記構成により、凝縮器及び蒸発器兼用の接触熱交換器を使用する構成にしてあるため、凝縮時の熱伝達率が従来の伝熱管方式の熱交換器より大きい値が得られ、また、蒸発器と凝縮器とを同一構造の画一化を図ることが出来、且つ固体吸着剤熱熱交換器と一体のコンパクト、低サイズ化を図ることができ、
また、上記一体構造により、水蒸気の蒸発空間と吸着剤による吸着空間とを同一連続空間内に設け、水蒸気の着脱空間と凝集空間とを同一連続空間内に設ける構成が可能となり、蒸気配管の省略が可能となる。その結果、
再生工程では、水蒸気の該蒸気配管内の移動にともなう圧力損失を皆無とし、吸着剤からの水蒸気脱着速度及び脱着量の抑制の要因が除去することができ、
また吸着工程では、吸着反応容器内の水蒸気圧が高くなり、水の蒸発温度の上昇、吸着反応器の能力の低下を招く問題を排除できる。
また、熱容量を著しく低減でき、高い成績係数（ＣＯＰ）を得ることができる。
【００１０】
上記構成により、水槽部のタンクよりポンプアップされた冷水はスプレイ噴霧部を介してスプレイとタンクとの間を分散飛散し冷却され、真空減圧下のもとに沸騰蒸発し冷水から蒸発潜熱を奪うとともに、蒸発した水蒸気は吸着用冷却水により冷却された吸着剤に吸着され、蒸発器として機能する。
また、吸着剤の温水加熱により脱着した水蒸気はスプレイ噴霧部より分散飛散する水滴に直接高密度に接触し、冷却露点され下部の水槽部のタンクに滴下し、凝縮器として高効率に機能する。
【００１１】
なお、請求項２記載の発明により、
請求項１記載のスプレイ噴霧部は、柱状型または円錐状型ないし棚段型に構成することを特徴とする。
【００１２】
次に、請求項３に記載してある熱回収工程の削除を可能とする本発明の別の発明である吸着式冷凍機は、
二基の真空容器と、該容器の切り替え接続可能の再生用温水と吸着用冷却水と冷水負荷系と凝縮用冷却水系とよりなる吸着式冷凍機において、
上記真空容器内に、固体吸着剤熱交換器と、スプレイ噴霧部より構成する蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器とを一体構造として収納する構成とし、
上記二基の蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器にバルブ接続する冷水タンクと凝縮水タンクを含む冷水受給部と凝縮水受給部とを設け、それぞれ冷水負荷系と凝縮用冷却水系に接続させるとともに、冷水タンクと凝縮水タンクとの間に膨張弁を設け凝縮液の冷水タンクへの供給可能に構成したことを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、吸着時専用の冷水タンク及び再生時専用の凝縮水タンクは二基の真空容器とは別に設けてあるため、吸着工程→再生工程、再生工程→吸着工程の切り換え時には請求項１記載の発明に見るように蒸発器や凝縮器内の冷媒を熱回収のため移送する必要がなく、冷水タンクと凝縮水タンクのそれぞれに接続する前記二基の真空容器内の接触熱交換器のスプレイ噴霧部とをバルブにより切り替えれば良い。
そのため、吸着槽の吸着・再生の切り替え前に必要とする熱回収工程の削除ができ高速切り替えが可能となり、熱損失のない効率的バッチ運転ができる。
また、冷水タンク、凝縮水タンクを独立して設け、両者の間に膨張弁が設けてあるため、負荷の変動に対しても冷水温度変動を最小に押さえることができる。
【００１５】
なお、請求項４記載の発明により、前記スプレイ噴霧部は、柱状型または三角形板状、円錐状型ないし棚段型に構成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の形態を、図示例と共に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は本発明の吸着式冷凍機の概略の構成を示す図で、図２は図１の真空容器内に収納された接触熱交換器と真空容器外に設けた冷水負荷及び冷水ポンプと冷却塔及び冷却水ポンプとの切り換え操作による蒸発・凝縮機能の何れかに機能する状況を示す図で、（Ａ）は蒸発機能を形成する場合を示し（Ｂ）は凝縮機能を形成する場合を示す図である。図形成する場合を示す図である。図３は図１の接触熱交換器のスプレイ噴霧部の構成を示す図で、（ａ）は柱状スプレイ型を示し、（ｂ）は円錐状スプレイ型を示し、（ｃ）は棚段状スプレイ型を示し、（ｄ）は三角形板状スプレイを示す図である。
【００１７】
本発明の吸着式冷凍機は、図１に示すように、二基の真空容器１６ａ、１６ｂと、再生用温水源１８と、吸着用冷却水源１７と、冷水負荷２３と、冷却塔２４と、内部切り替え弁１３、１４（Ｖ９〜Ｖ１２）と、複数の外部切り替え弁（Ｖ１〜Ｖ８、Ｖ１３〜Ｖ１６）とを含む構成とする。
即ち、本発明においては、それぞれ一対の同一構造の真空容器１６ａ、１６ｂと、同一構造の固体吸着剤熱交換器（以下吸着反応器という）１５ａ、１５ｂと、同一構造の接触熱交換器１０ａ、１０ｂとを備え、真空容器１６ａは、吸着反応器１５ａと接触熱交換器１０ａとを一体構造にして内蔵し、真空容器１６ｂは、吸着反応器１５ｂと接触熱交換器１０ｂとを一体構造にして内蔵する。
接触熱交換機１０ａは、スプレイ噴霧部２０ａと、外部に設けたポンプＰ２とタンク２１ａとよりなる水槽部２２ａと、より構成する。また、接触熱交換器１０ｂは、スプレイ噴霧部２０ｂと、外部に設けたポンプＰ３とタンク２１ｂとよりなる水槽部２２ｂと、より構成する。
【００１８】
前記吸着反応器１５ａ、１５ｂは、外部切り替え弁の操作により吸着用冷却水源１７ないし再生用温水源１８と切り替え接続をなし、吸着ないし再生可能の構成にしてある。
また、接触熱交換器１０ａ、１０ｂは、冷水負荷２３と冷却塔２４とを内部切り替え弁１３、１４による切り替え操作により、前記吸着反応器１５ａ、１５ｂの吸着／再生に対応して蒸発／凝縮の機能切り替えを可能にしてある。
即ち、吸着反応器１５ａを吸着反応をさせ、吸着反応器１５ｂに再生反応をさせるときは、前記接触熱交換器１０ａを冷水負荷２３に接続させ、接触熱交換器１０ｂを冷却塔２４に接続させ、それぞれ蒸発器、凝縮器として機能させるようにしてある。
なお、上記冷水負荷２３とポンプＰ２／Ｐ３とで冷水負荷系を形成し、冷却塔２４とポンプＰ２／Ｐ３とで凝縮用冷却水系を形成してある。
【００１９】
上記接触熱交換器１０ａ、１０ｂが蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能するそれぞれの場合を図２（Ａ）、（Ｂ）に示してある。
同図（Ａ）に見るように、蒸発器として機能する場合は、例えば、真空容器１６ａ内に吸着反応器１５ａと一体構造にして収納してある当該接触熱交換器１０ａの上部にはスプレイ噴霧部２０ａを設け、下部には真空容器１６ａ外に掛け設けた水槽部２２ａを設け、前記スプレイ噴霧部と水槽部２２ａとで冷水負荷２３の両端を結ぶようにしたもので、水槽部２２ａに備えたポンプＰ２を作動させタンク２１ａの冷水を冷水負荷２３へ送り込み、冷熱を外部負荷に供給した後冷水２３ａをスプレイ噴霧部２０ａより接触熱交換器１０ａの下部のタンク２１ａへ分散滴下還流するようにしてある。
即ち、吸着サイクル時には、前記吸着反応器１５ａに吸着用冷却水源より冷却水を導入して内蔵する吸着剤を冷却するとともに、吸着熱は図示してない冷却塔に捨てる。
一方、接触熱交換器１０ａを形成するスプレイ噴霧部（この場合は棚段状スプレ型）２０ａは、冷水を先端のノズルにより真空容器１６ａ内で霧状に分散散布させる。散布冷水の各部位は散布により冷却され、且つ真空減圧下のもとに沸騰蒸発し水蒸気１１ａを発生し、冷水より潜熱を奪う。
上記潜熱により冷却された冷水は冷水ポンプＰ２を介してタンク２１ａより冷水負荷２３へ送られ冷熱を外部負荷へ供給する。前記気化蒸発した水蒸気１１ａは、吸着用冷却水により冷却された吸着反応器１５ａの吸着剤に容易に吸着される。
【００２０】
図２（Ｂ）に見るように、凝縮器として機能する場合は、例えば、真空容器１６ｂ内に吸着反応器１５ｂと一体構造にして収納してある当該接触熱交換器１０ｂの上部にはスプレイ噴霧部２０ｂを設け、下部には真空容器１６ｂ外に掛け水槽部２２ｂを設け、前記スプレイ噴霧部２０ｂと水槽部２２ｂとを冷却塔２４の両端を結び、水槽部２２ｂに備えたポンプＰ３を作動させタンク２１ｂの冷却水を冷却塔２４へ送り込み、冷却熱を外部へ排出する。排出し冷やされた冷却水２４ａはスプレイ噴霧部２０ｂより下部のタンク２１ｂへ分散滴下還流するようにしてある。
即ち、再生サイクル時には、前記吸着反応器１５ｂに再生用温水源より温水を導入して内蔵する吸着剤を加熱して吸着している水を水蒸気１１ｂとして放出させる。
一方、接触熱交換器１０ｂを形成するスプレイ噴霧部（この場合は棚段状スプレ型）２０ｂは、冷却水を先端のノズルにより真空容器内１６ｂ内で霧状に分散散布させる。散布冷却水の各部位は前記水蒸気１１ｂに高密度に直接接触して凝縮させる。
前記凝縮に伴う凝縮熱はポンプＰ３を介して冷却塔２４より排出する。
【００２１】
上記構成のように、図２（Ａ）の蒸発器として機能する場合における接触熱交換器１０ａは、図２（Ｂ）の凝縮器として機能する場合における接触熱交換器１０ｂと同一構造を持つスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂと水槽部２２ａ、２２ｂで構成してあるため、蒸発器と凝縮器は兼用出来なかった従来方式に対し、兼用することが出来、システム全体コンパクト化が図れる。
また、従来の伝熱管による伝熱機構に対し、スプレイ噴霧部と水槽部による直接接触の伝熱機構を使用して、構造的にも複雑で煩雑な管理を必要とした伝熱管を省略できるようにしてあり、後記するように熱容量を大幅に削減でき、接触熱交換器を使用した本発明の冷凍機の場合その成績係数（ＣＯＰ）も飛躍的に向上させることができる。
また、吸着反応器と一体構造に真空容器内に組み込むことができ、その間の往復用蒸気バルブ及び蒸気配管を省略でき、従来必要としたこの間の配管を皆無とするばかりでなく、前記配管による蒸気圧降下を排除できる。即ち、再生工程での、水蒸気の該蒸気配管内の移動にともなう圧力損失、及び吸着剤からの水蒸気脱着速度及び脱着量の抑制要因を除去することができ、また、吸着工程での、蒸発器内の水蒸気圧の上昇にともなう、水の蒸発温度の上昇、熱交換器能力の低下を招く問題を排除できる。
【００２２】
なお、上記接触熱交換器１０ａ、１０ｂのスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂは、図３（ａ）に示す柱状スプレイ型の噴霧２５ａにより形成しても良く、また同図（ｂ）に示すように薄肉円錐状スプレイ型の噴霧２５ｂにより形成しても良く、また同図（ｃ）に示すように棚段状スプレイ型の噴霧２５ｃにより形成しても良く、また同図（ｄ）に示すように三角形板状スプレイ型の噴霧２５ｄにより形成しても良く、上記噴霧形状は、伝熱媒体と被伝熱媒体との間の効率的接触の機会を多量に作り出す構成にしてある。
【００２３】
前記図１に示す本発明の吸着式冷凍機は、吸着反応器１５ａ、１５ｂを表１に記載の組合せのもとに４通り（＃１〜＃４）の運転サイクルを繰り返すバッチ式吸着式冷凍機である。
【００２４】
【表１】
【００２５】
以下に上記各運転サイクルに付き図面により説明する。
【００２６】
図４に示す＃１の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
即ち、吸着反応器１５ａを吸着用冷却水で冷却し、吸着工程に入る。また、冷水２３ａをスプレイ噴霧部２０ａに供給し先端のノズルを介して真空容器１６ａ内の接触熱交換器１０ａの棚段に噴霧状散布する。
その結果、分散散布された冷水の各部位は真空雰囲気下で冷やされ且つ沸騰蒸発し、水蒸気１１ａを発生する。発生した水蒸気１１ａは前記吸着用冷却水により冷却されている吸着剤に容易に吸着される。
一方、冷水２３ａ自身は潜熱に冷却されタンク２１ａに滴下した冷水は、ポンプＰ２により冷水負荷２３へ送り込まれ、外部負荷に冷熱を与え、再びスプレイ噴霧部２０ａに還流する。
一方、吸着反応器１５ｂは再生用温水で加熱され、吸着剤に吸着されている水が脱着し水蒸気１１ｂを発生し再生工程に入る。また、凝縮器として機能する接触熱交換器１０ｂのスプレイ噴霧部２０ｂの棚段には先端ノズルを介して冷却水２４ａが分散散布される。その結果、脱着した水蒸気１１ｂは分散散布した冷却水に直接接触し高密度に凝縮され、凝縮加熱状態でタンク２１ｂに滴下した冷却水はポンプＰ３を介して冷却塔２４に送られ凝縮熱は外部へ排出冷却されるようにしてある。
【００２７】
図５に示す＃２の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
即ち、図４に対し、内部切り替え弁１３と外部切り替え弁を作動させ、前記再生工程にあった吸着反応器１５ｂの温水を、吸着工程にあった吸着反応器１５ａ内の冷却水とを熱回収用ポンプＰ１を介して置き換え、熱回収を可能にし、
また、再生工程にあった接触熱交換器１０ｂと冷却塔２４を含む凝縮器として機能するシステムの冷却水を、吸着工程にあった接触熱交換器１０ａと冷水負荷２３を含む蒸発器として機能するシステムの冷水をポンプＰ２、Ｐ３により置き換えるようにして、熱回収を可能にしてある。
【００２８】
図６に示す＃３の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
この場合は＃１の運転サイクルとは逆の場合で、吸着反応器１５ａが再生工程に置かれ、吸着反応器１５ｂが吸着工程に置かれた場合である。
この場合、図５に対し、内部切り替え弁１４と外部切り替え弁を作動させ、接触熱交換器１０ａと冷却塔２４を含むシステムは凝縮器として機能させ、接触熱交換器１０ｂと冷水負荷２３とを含むシステムは蒸発器として機能させるようにしたものでる。
【００２９】
図７に示す＃４の運転サイクルは、前記運転サイクル＃２と同じ熱回収サイクルで、前記運転サイクル＃２とともにサイクル切り換え時の熱損失を最小限に押さえるようにしてある。
【００３０】
図８には、本発明の別の発明である熱回収工程の削除を可能とした吸着式冷凍機の概略の構成を示してある。
上記吸着式冷凍機は、図８に示すように、二基の真空容器１６ａ、１６ｂと、冷水受給部３０と、凝縮水受給部３１、再生用温水源１８と、吸着用冷却水源１７と、冷水負荷２３と、冷却塔２４と、内部切り替え弁１３（Ｖ１１〜Ｖ１２）と、複数の外部切り替え弁（Ｖ１〜Ｖ２、Ｖ５〜Ｖ８、Ｖ１５〜Ｖ１６））とを含む構成とする。
【００３１】
即ち、本発明においては、それぞれ一対の同一構造の真空容器１６ａ、１６ｂと、同一構造の固体吸着剤熱交換器（以下吸着反応器という）１５ａ、１５ｂと、同一構造のスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂにより形成される接触熱交換器１０ａ、１０ｂとを備え、
真空容器１６ａは、吸着反応器１５ａと接触熱交換器１０ａとを一体構造にして内蔵し、真空容器１６ｂは、吸着反応器１５ｂと接触熱交換器１０ｂとを一体構造にして内蔵する。
而して、冷水タンク３０ａとポンプＰ４とよりなる冷水受給部３０と、ポンプＰ５と膨張バルブｖ5と凝縮水タンク３１ａとよりなる凝縮水受給部３１とを前記接触熱交換器１０ａ、１０ｂより切り離して真空容器１６ａ、１６ｂの器外に設け、それぞれ冷水負荷２３と冷却塔２４に接続してある。
冷水タンク３０ａはバルブｖ1を介して接触熱交換器１０ａに接続し、バルブｖ4を介して接触熱交換器１０ｂに接続する構成とする。凝縮水タンク３１ａはバルブｖ3を介して接触熱交換器１０ａに接続し、バルブｖ2を介して接触熱交換器１０ｂに接続する構成としてある。
なお、上記膨張バルブｖ5は凝縮水タンク３１ａより凝縮液を適宜冷水タンクへ供給し冷水を適温自動制御可能にしてある。
【００３２】
前記吸着反応器１５ａ、１５ｂは、外部切り替え弁（Ｖ１〜Ｖ２、Ｖ５〜Ｖ８、Ｖ１５〜Ｖ１６）の操作により吸着用冷却水源１７ないし再生用温水源１８と切り替え接続をなし、吸着ないし再生可能の構成にしてある。
また、冷水受給部３０のポンプＰ４は冷水負荷２３と接続し、凝縮水受給部３１のポンプＰ５は冷却塔２４と接続し、それぞれ内部切り替え弁１３（Ｖ１１〜Ｖ１２）による切り替え操作により、接触熱交換器１０ａ、１０ｂのスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂに接続され、前記吸着反応器１５ａ、１５ｂの吸着／再生に対応して蒸発／凝縮の機能切り替えを可能にしてある。
即ち、吸着反応器１５ａを吸着反応をさせ、吸着反応器１５ｂに再生反応をさせるときは、前記接触熱交換器１０ａをバルブｖ1及び冷水受給部３０を介して冷水負荷２３に接続させ、接触熱交換器１０ｂをバルブｖ2及び凝縮水受給部３１を介して冷却塔２４に接続させ、それぞれ内部切り替え弁１３を経由してスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂに還流させ蒸発器、凝縮器として機能させるようにしてある。
【００３３】
上記接触熱交換器１０ａ、１０ｂが蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能するそれぞれの場合を図９（Ａ）、（Ｂ）に示してある。
同図（Ａ）に見るように、蒸発器として機能する場合は、例えば、真空容器１６ａ内に吸着反応器１５ａと一体構造にして収納してある当該接触熱交換器１０ａの上部にはスプレイ噴霧部２０ａを設け、下部（真空容器に下部に相当）にはバルブｖ1を介して冷水受給部３０を設け、前記スプレイ噴霧部２０ａと冷水受給部３０のポンプＰ４とで冷水負荷２３の両端を接続するようにしたものである。 そのため、ポンプＰ４を作動させ冷水タンク３０ａの冷水を冷水負荷２３へ送り込み、冷熱を外部負荷に供給した後冷水２３ａをスプレイ噴霧部２０ａより接触熱交換器１０ａの下部へ分散滴下還流するようにしてある。
【００３４】
即ち、吸着サイクル時には、前記吸着反応器１５ａに吸着用冷却水源より冷却水を導入して内蔵する吸着剤を冷却するとともに、吸着熱は図示してない冷却塔に捨てる。
一方、接触熱交換器１０ａを形成するスプレイ噴霧部（この場合は棚段状スプレ型）２０ａは、冷水を先端のノズルにより真空容器１６ａ内で霧状に分散散布させる。散布冷水の各部位は散布により冷却され、且つ真空減圧下のもとに沸騰蒸発し水蒸気１１ａを発生し、冷水より潜熱を奪う。
上記潜熱により冷却された冷水はポンプＰ４を介して冷水タンク３０ａより冷水負荷２３へ送られ冷熱を外部負荷へ供給する。前記気化蒸発した水蒸気１１ａは、吸着用冷却水により冷却された吸着反応器１５ａの吸着剤に容易に吸着される。
【００３５】
図９（Ｂ）に見るように、凝縮器として機能する場合は、例えば、真空容器１６ｂ内に吸着反応器１５ｂと一体構造にして収納してある当該接触熱交換器１０ｂの上部にはスプレイ噴霧部２０ｂを設け、下部（真空容器の下部に相当）にはバルブｖ2を介して凝縮水受給部３１を設け、前記スプレイ噴霧部２０ｂと凝縮水受給部３１とで冷却塔２４の両端を結び、凝縮水受給部３１のポンプＰ５を作動させ凝縮水タンク３１ａの凝縮水を冷却塔２４へ送り込み、凝縮熱を外部へ排出する。冷やされた凝縮水は２４ａはスプレイ噴霧部２０ｂより冷却水として接触熱交換器１０ｂの下部のへ分散滴下還流するようにしてある。
即ち、再生サイクル時には、前記吸着反応器１５ｂに再生用温水源１８より温水を導入して内蔵する吸着剤を加熱して吸着している水を水蒸気１１ｂとして放出させる。
一方、接触熱交換器１０ｂを形成するスプレイ噴霧部（この場合は棚段状スプレ型）２０ｂは、冷却水を先端のノズルにより真空容器内１６ｂ内で霧状に分散散布させる。散布冷却水の各部位は前記水蒸気１１ｂに高密度に直接接触して凝縮させる。
前記凝縮に伴う凝縮熱はポンプＰ５を介して冷却塔２４より排出される。
【００３６】
上記構成のように、図９（Ａ）の蒸発器として機能する場合における接触熱交換器１０ａは、図９（Ｂ）の凝縮器として機能する場合における接触熱交換器１０ｂと同一構造を持つスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂにより形成されているため、蒸発器と凝縮器は兼用出来なかった従来方式に対し、兼用することが出来、システム全体コンパクト化が図れる。
また、従来の伝熱管による伝熱機構に対し、スプレイ噴霧部による直接接触の伝熱機構を使用して、構造的にも複雑で煩雑な管理を必要とした伝熱管を省略できるようにしてあり、後記するように熱容量を大幅に削減でき、接触熱交換器を使用した本発明の冷凍機の場合その成績係数（ＣＯＰ）も飛躍的に向上させることができる。
また、吸着反応器と一体構造に真空容器内に組み込むことができ、その間の往復用蒸気バルブ及び蒸気配管を省略でき、従来必要としたこの間の配管を皆無とするばかりでなく、前記配管による蒸気圧降下を排除できる。即ち、再生工程での、水蒸気の該蒸気配管内の移動にともなう圧力損失、及び吸着剤からの水蒸気脱着速度及び脱着量の抑制要因をが除去することができ、また、吸着工程での、蒸発器内の水蒸気圧の上昇にともなう、水の蒸発温度の上昇、熱交換器能力の低下を招く問題を排除できる。
【００３７】
なお、上記接触熱交換器１０ａ、１０ｂを形成するスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂは、図３（ａ）に示す柱状スプレイ型の噴霧２５ａにより形成しても良く、また同図（ｂ）に示すように薄肉円錐状スプレイ型の噴霧２５ｂにより形成しても良く、また同図（ｃ）に示すように棚段状スプレイ型の噴霧２５ｃにより形成しても良く、また同図（ｄ）に示すように三角形板状スプレイ型の噴霧２５ｄにより形成しても良く、上記噴霧形状は、伝熱媒体と被伝熱媒体との間の効率的接触の機会を多量に作り出す構成にしてある。
【００３８】
上記図８に示す本発明の別の発明である吸着式冷凍機は、吸着反応器１５ａ、１５ｂを表１に記載の４通り組合せのうち、＃２、＃４の熱回収工程を削除した＃１、＃３の運転サイクルを繰り返すバッチ式吸着式冷凍機である。
以下に上記＃１、＃３の各運転サイクルに付き図面により説明する。
【００３９】
図１０に示す＃１の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
即ち、吸着反応器１５ａを吸着用冷却水１７で冷却し、吸着工程に入る。また、冷水２３ａをポンプＰ４によりスプレイ噴霧部２０ａに供給し先端のノズルを介して真空容器１６ａ内の接触熱交換器１０ａの棚段に噴霧状散布する。
その結果、分散散布された冷水の各部位は真空雰囲気下で冷やされ且つ沸騰蒸発し、水蒸気１１ａを発生する。発生したした水蒸気１１ａは前記吸着用冷却水により冷却されている吸着剤に容易に吸着される。
一方、冷水２３ａ自身は潜熱に冷却され接触熱交換器１０ａの下部に滴下した冷水はバルブｖ1を介して冷水タンク３０ａに貯留される。貯留された冷水は、ポンプＰ４により冷水負荷２３へ送り込まれ、外部負荷に冷熱を与え、再びスプレイ噴霧部２０ａに還流する。
一方、吸着反応器１５ｂは再生用温水１８で加熱され、吸着剤に吸着されている水が脱着し水蒸気１１ｂを発生し再生工程に入る。また、凝縮器として機能する接触熱交換器１０ｂを形成するスプレイ噴霧部２０ｂの棚段には先端ノズルを介して冷却水２４ａが分散散布される。その結果、脱着した水蒸気１１ｂは分散散布した冷却水に直接接触し高密度に凝縮され、凝縮加熱状態でバルブｖ2を介して凝縮水タンク３１ａに滴下した凝縮水はポンプＰ５を介して冷却塔２４に送られ凝縮熱は外部へ排出冷却されるようにしてある。
【００４０】
ついで、＃１工程より＃３の工程に移行するわけであるが、この場合は図８に示すバルブの下記操作により行う。
ａ、外部切り替えバルブＶ１、Ｖ２、及びＶ１５、Ｖ１６の操作により吸着用冷却水及び再生用温水の吸着反応器１５ａ、１５ｂへの通水を停止させ、冷凍出力を零状態にする。
ｂ、内部切り替えバルブ１３（Ｖ１１、Ｖ１２）の操作により冷水負荷２３の末端を接触熱交換器１０ｂに接続し、冷却塔２４の末端を接触熱交換器１０ａに接続する。
ｃ、バルブｖ1 、バルブｖ2 を閉鎖し、バルブｖ3 、バルブｖ4 を開放して、接触熱交換器１０ａを凝縮水タンク３１ａに接続し接触熱交換器１０ｂを冷水タンク３０ａに接続する。
ｄ、外部切り替えバルブＶ１〜Ｖ２、Ｖ５〜Ｖ８、Ｖ１５〜Ｖ１６を操作して、吸着用冷水１７の吸着反応器１５ｂへの供給路を形成させ、また再生用温水１８の吸着反応器１５ａへの供給路を形成させる。
【００４１】
上記のようにバルブ（ｖ1 、ｖ2 ）と（ｖ3 、ｖ4 ）の切り替え、及び内部切り替えバルブ１３（Ｖ１１、Ｖ１２）の切り替えのみで短時間ですみ、且つ熱損失はない。
また、冷水タンク及び凝縮水タンクを備える構成にしているため、切り替え時（冷凍出力は零）冷水温度の変動を緩和できる。
【００４２】
図１１に示す＃３の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
この場合は＃１の運転サイクルとは逆の場合で、前記した切り替えバルブ操作により吸着反応器１５ａが再生工程に置かれ、吸着反応器１５ｂが吸着工程に置かれた場合で、接触熱交換器１０ａはバルブｖ3を介して凝縮水タンク３１ａに接続され、接触熱交換器１０ｂはバルブｖ4を介して冷水タンク３０ａに接続される。また、内部切り換えバルブ１３により冷水負荷２３の末端は接触熱交換器１０ｂのスプレイ噴霧部２０ｂに接続され蒸発器として機能させ、冷却塔２４の末端は接触熱交換器１０ａのスプレイ噴霧部２０ａに接続され凝縮器として機能させるようにしてある。
【００４３】
本発明の接触熱交換器の凝縮／蒸発の熱伝達率については、文献検索の結果、大気圧以下での直接接触凝縮に関するSklover 他の提案した実験式として数式１を示す。
【００４４】
【数１】
【００４５】
大気圧以下での直接接触蒸発に関するMills 他の提案した実験式として数式２を示す。
【００４６】
【数２】
【００４７】
【表２】
【００４８】
数式１、数式２を用いて、表２に示す実験条件及び物性値に基づき、
且つ、凝縮、蒸発ともにノズル直径は0.002mとし、ノズルからの距離ｌは実験装置から0.241mとし、流速ｕ0は実験装置での最大流量ＱMaxが７（l／min）であることから37.136（m/s）として予測を行った。
予測結果は下記の値が得られた。
凝縮の場合 h=3.621×105 [ Kcal/m2・h・℃ ]
蒸発の場合 h=6.539×104 [ Kcal/m2・h・℃ ]
なお、ノズル距離を0.01から0.3mまで変えその他の条件は同じとした場合の熱伝達率の予測図を図１３に、また流量Ｑを１〜８（l／min ）まで変えその他の条件を同じとしたときの熱伝達率の予測図を図１６に示してある。
【００４９】
また、図１に示す吸着式冷凍機の吸着サイクルにおける蒸発熱伝達率の実測値が図１４に示され、図１５には同じく再生サイクルにおける凝縮熱伝達率の実測値が示してあるが、図に示された最大値は、
凝縮の場合；0.6×105 Kcal/m2・h・℃
蒸発の場合；1.4×104 Kcal/m2・h・℃
となり、上記予測値に比較し約１／６〜１／４．５であるが、
従来のシェルアンドチューブ型などの熱交換器に比較し飛躍的に大きな値を示し、このような高熱伝達率を持つ接触熱交換器を使用した吸着式冷凍機の成績係数も飛躍的に増大することが期待される。
また、図１６、図１７には、図１に示す吸着式冷凍機の冷水と凝縮用冷却水の入り口及び出口温度のサイクルタイムに対する変化の状況を示してある。
図１６には、吸着サイクルにおける冷水入り口温度及び出口温度、蒸気温度、吸着槽温度の変化の状況が示され、図１７には、再生サイクルにおける凝縮用冷却水の入り口温度及び出口温度、蒸気温度、吸着槽温度の変化の状況を示してある。
【００５０】
【発明の効果】
上記構成により、下記効果を奏する。
１、本発明の吸着式冷凍機に使用した接触熱交換器は、冷媒と被冷却媒体との間に介在した従来の伝熱管の代わりに直接接触して伝熱できる構成としたため、凝縮時、蒸発時の熱伝達率を大きい値に設定でき、熱交換器のサイズをコンパクトに設定できる。
２、凝縮器及び蒸発器として伝熱管を持たない接触熱交換器を吸着式冷凍機の凝縮器と蒸発器の代わりに使用する構成としたため、熱交換器の熱容量を著しく低減でき、吸着式冷凍機の成績係数も高く設定できる。
３、吸着式冷凍機において、従来の吸着反応器を内蔵する真空容器の外側に設けた凝縮器や蒸発器の代わりに構造の簡単な接触熱交換器を一体構造に設けたため、前記吸着反応器と凝縮器や蒸発器とを結ぶ蒸気バルブ及び蒸気配管をなくすとともに、吸着、脱着速度の向上と吸着剤量の低減、及び熱交換器能力の向上を図ることが出来、コンパクトな構造にすることができる。
４、本発明の別の発明の吸収式冷凍機においては、冷水タンクを含む冷水受給部と凝縮水タンクを含む凝縮水受給部を真空容器外に独立して設ける構成としたため、吸着・再生工程の切り替え前の熱回収工程を削除することができ、切り替え時間の節約及び熱損失を皆無とすることができる。
また、切り換え時の冷水温度変動を緩和することができる。
５、上記のようにして、冷凍機の性能向上、装置のコンパクト化、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の吸着式冷凍機の概略の構成を示す図である。
【図２】図１の真空容器内に収納された蒸発、凝縮兼用の接触熱交換器が蒸発器あるいは凝縮器として機能する場合の付帯器具の配設状況を示す図で、（Ａ）は蒸発機能を形成する場合を示し（Ｂ）は凝縮機能を形成する場合を示す図である。
【図３】図１の接触熱交換器のスプレイ噴霧部の構成を示す図で、（ａ）は柱状スプレイ型を示し、（ｂ）は円錐状スプレイ型を示し、（ｃ）は棚段状スプレイ型を示し、（ｄ）は三角形板状スプレイ型を示す図である。
【図４】図１の吸着式冷凍機の＃１〜＃４にわたる運転サイクルにつき、＃１（２基の吸着反応器が吸着工程、再生工程に基づき運転）の運転サイクルの場合のシステム図である。
【図５】図１の吸着式冷凍機の＃１〜＃４にわたる運転サイクルにつき、＃２（２基の吸着反応器とも熱回収工程に基づき運転）の運転サイクルの場合のシステム図である。
【図６】図１の吸着式冷凍機の＃１〜＃４にわたる運転サイクルにつき、＃３（２基の吸着反応器が再生工程、吸着工程に基づき運転）の運転サイクルの場合のシステム図である。
【図７】図１の吸着式冷凍機の＃１〜＃４にわたる運転サイクルにつき、＃４（２基の吸着反応器とも熱回収工程に基づき運転）の運転サイクルの場合のシステム図である。
【図８】本発明の別の発明である熱回収工程の削除を可能とした吸着式冷凍機の概略の構成を示す図である。
【図９】図８の真空容器内に収納された蒸発、凝縮兼用の接触熱交換器が蒸発器あるいは凝縮器として機能する場合の付帯器具の配設状況を示す図で、（Ａ）は蒸発機能を形成する場合を示し（Ｂ）は凝縮機能を形成する場合を示す図である。
【図１０】図８の吸着式冷凍機の運転サイクルにつき、２基の吸着反応器１５ａ、１５ｂがそれぞれ吸着工程、再生工程に基づき形成された運転サイクルの場合のシステム図である。
【図１１】図８の吸着式冷凍機の運転サイクルにつき、２基の吸着反応器１５ａ、１５ｂがそれぞれ再生工程、吸着工程に基づき形成された運転サイクルの場合のシステム図である。
【図１２】図１の吸着式冷凍機に使用してある接触熱交換器について、凝縮と蒸発の場合における実験式から得られた熱伝達率の予測図である。（ノズルからの距離が２４０ｍｍの場合）
【図１３】図１の吸着式冷凍機に使用してある接触熱交換器について、凝縮と蒸発の場合における実験式から得られた熱伝達率の予測図である。（流量が毎分７ｌの場合）
【図１４】図１の吸着式冷凍機の吸着サイクルにおける蒸発熱伝達率の実測値を示す図である。
【図１５】図１の吸着式冷凍機の再生サイクルにおける凝縮熱伝達率の実測値を示す図である。
【図１６】図１の吸着式冷凍機の吸着サイクルにおける水蒸気温度、冷水温度、吸着槽温度等を示す温度特性図である。
【図１７】図１の吸着式冷凍機の再生サイクルにおける水蒸気温度、凝縮器用冷却水温度、吸着槽温度等を示す温度特性図である。
【図１８】従来の吸着式冷凍機の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ 接触熱交換器
１１ａ、１１ｂ 水蒸気
１３、１４ 内部切り替え弁
１５ａ、１５ｂ 吸着反応器
１６ａ、１６ｂ 真空容器
２０ａ、２０ｂ スプレイ噴霧部
２２ａ、２２ｂ 水槽部
２３ 冷水負荷
２４ 冷却塔
３０ 冷水受給部
３１ 凝縮水受給部
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸脱着切り換え操作により冷媒である水に対し蒸発機能を形成し冷媒蒸気である水蒸気に対し凝縮機能を形成する蒸発・凝縮兼用の二基の接触熱交換器を、二基の固体吸着剤熱交換器とそれぞれ一体構造にして二基の真空容器内に収納させた高成績係数の吸着式冷凍機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸着式冷凍機は固体吸着剤（例えばシリカ系）と冷媒（水）との間の可逆反応に伴う発吸熱現象を利用し、温熱を熱源として冷熱を発生させる冷凍機で、基本サイクルは再生工程と吸着工程とよりなり、該工程を二基の固体吸着剤熱交換器を交互に切り替え作動するようにしたものである。
例えば、図１８において、再生工程を固体吸着剤熱交換器５０により行い、吸着工程を固体吸着剤熱交換器５１で行う場合には、図に見るように、黒マークの切り替えバルブと蒸気弁を閉鎖状態とし、白マークの切り換えバルブと蒸気弁を解放状態にする。即ち、真空容器内の固体吸着剤熱交換器５０を再生用温水でバルブ６１を介して加熱すると、吸着剤５０ａが吸着していた水は水蒸気となり蒸気弁５６と蒸気配管５４（５４ａ、５４ｂ）を介して凝縮器５２へ放出され、該凝縮器５２で凝縮用冷却水で液化される。ここで当該固体吸着剤熱交換器５０の吸着剤５０ａは脱着再生される。
一方、真空容器内の固体吸着剤熱交換器５１には吸着用冷却水がバルブ６３を介して導入され、吸着剤５１ａは冷却され吸着可能の状態になる。一方、蒸発器５３では噴霧器５３ａを介して発生した水蒸気は蒸気弁５７と蒸気配管５５（５５ａ、５５ｂ）を介して固体吸着剤熱交換器５１へ送られ吸着剤５１ａに吸着される。この時蒸発器５３では、噴霧器５３ａを介して噴霧状の水は蒸発しながら被冷却流体６０から蒸発潜熱を奪う。その結果冷水の製造が可能となる。つまり、固体吸着剤熱交換器５１の吸着剤５１ａは吸着工程に置かれ、蒸発器５３の被冷却流体６０に冷熱を供給する。
上記吸着式冷凍機は、夫々真空容器に収納された固体吸着剤熱交換器５０、５１と、再生用温水と吸着用冷却水と、凝縮器５２と、蒸発器５３と、冷水負荷系と凝縮用冷却水系と、４個の蒸気弁５６、５７、５８、５９と、水用切り替え弁６１、６２、６３、６４と、蒸気配管５４、５５と、より構成されている。
【０００３】
また、従来一般に使用されている吸着式冷凍機において、例えば駆動熱源には温度６０〜８０℃の温水を使用し、また、入り口温度が約２９℃の凝縮用冷却水を使用して、１４℃の冷水より９℃の冷水が得られ、その場合の、成績係数（ＣＯＰ）は約０．６６の値が得られている。
なお、吸着式冷凍機の成績係数については、下記研究報告もある。
１、温水入り口温度を高くするほど発生冷熱量の上昇の割合が小さくなり、冷却水入り口温度及び冷水温度条件によって、成績係数はある温水入り口温度で最大値を取る。
２、吸着用冷却水の入り口温度が低いほど発生冷熱量および成績係数は大きくなる。
即ち、上記記載には、再生用温水温度と吸着用冷却水温度についての成績係数の関係が示されてあるが、成績係数の向上についての抜本的提案はされていない状況である。
【０００４】
ところで、従来の凝縮器は水冷式、空冷式や発熱式に大別できるが、どのタイプの凝縮器においても、熱は冷媒から管壁を経由して冷却媒体である水または空気へ流れる。
即ち、熱の授受は管壁の熱伝達率により左右されるわけで、近年この問題点を対象とした高性能伝熱管の開発に注力されている傾向にある。
また、前記従来の吸着式冷凍機においては、上記したように、再生工程では吸着剤５０ａより脱着した水蒸気は固体吸着剤熱交換器５０より蒸気配管５４を介して凝縮器５２へ到達するが、それまでに前記蒸気配管内に生ずる圧力損失により、前記熱交換器５０における水蒸気圧が高くなり吸着剤５０ａからの水蒸気脱着速度及び脱着量が抑制される問題点があり、吸脱着剤量の増大化、配管の大口径化、切り替え操作時の応答性の低下の要因を形成し、
また、吸着工程では、蒸発器５３で蒸発した水蒸気が吸着用の固体吸着剤熱交換器５１に到達するまでに蒸気配管５５で圧力損失を生ずるため、吸着反応器内の水蒸気圧が低くなり、吸着反応器の吸着能力の低下を招く問題を内蔵しており、蒸気バルブの大口径化、配管の大口径化、吸着剤重量の増大化の要因を形成している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、上記問題点につき種々研究を重ねた結果、
従来の凝縮器・蒸発器に見られた管壁を仲介とした熱伝達手段に代わる高効率の凝縮器・蒸発器兼用の熱交換器の使用と、固体吸着剤熱交換機と前記凝縮器・蒸発器兼用の熱交換器との間を接続する蒸気配管における圧力損失を皆無とする構成を持つ吸着式冷凍機の提供が最大必要条件事項と考えられ、
切り換え操作により冷媒に対し蒸発機能を形成し冷媒蒸気に対し凝縮機能を形成する蒸発器・凝縮器兼用の高熱伝達率の直接接触型の接触熱交換器を使用し、蒸気配管における圧力損失除去のためには固体吸着剤熱交換器と一体化して真空容器内に収納する構成とした、高成績係数の吸着式冷凍機の提供を目的としたものである。
【０００６】
また、吸着工程→熱回収工程→再生工程→熱回収工程の運転サイクルを繰り返すバッチ式吸着式冷凍機においては、吸着・再生工程の切り替え前の準備工程として、凝縮器及び蒸発器内の冷媒の移送交換をすべく熱回収工程を設ける必要があるが、この無駄な工程を削除して短時間且つ熱損失の少ない吸着、再生の切り替えを可能とする吸着式冷凍機の提供が望まれる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の吸着式冷凍機は、二基の真空容器と、該容器の切り替え接続可能の再生用温水と吸着用冷却水と冷水負荷系と凝縮用冷却水系とよりなる吸着式冷凍機において、上記真空容器内に、固体吸着剤熱交換器と、スプレイ噴霧部とその下方に設けた水槽部とより構成された蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器とを一体構造として収納する構成したことを特徴とする。
【０００８】
上記構成により、凝縮器及び蒸発器兼用の接触熱交換器を使用する構成にしてあるため、凝縮時の熱伝達率が従来の伝熱管方式の熱交換器より大きい値が得られ、また、蒸発器と凝縮器とを同一構造の画一化を図ることが出来、且つ固体吸着剤熱熱交換器と一体のコンパクト、低サイズ化を図ることができ、
また、上記一体構造により、水蒸気の蒸発空間と吸着剤による吸着空間とを同一連続空間内に設け、水蒸気の着脱空間と凝集空間とを同一連続空間内に設ける構成が可能となり、蒸気配管の省略が可能となる。その結果、
再生工程では、水蒸気の該蒸気配管内の移動にともなう圧力損失を皆無とし、吸着剤からの水蒸気脱着速度及び脱着量の抑制の要因が除去することができ、
また吸着工程では、吸着反応容器内の水蒸気圧が高くなり、水の蒸発温度の上昇、吸着反応器の能力の低下を招く問題を排除できる。
また、熱容量を著しく低減でき、高い成績係数（ＣＯＰ）を得ることができる。
【００１０】
上記構成により、水槽部のタンクよりポンプアップされた冷水はスプレイ噴霧部を介してスプレイとタンクとの間を分散飛散し冷却され、真空減圧下のもとに沸騰蒸発し冷水から蒸発潜熱を奪うとともに、蒸発した水蒸気は吸着用冷却水により冷却された吸着剤に吸着され、蒸発器として機能する。
また、吸着剤の温水加熱により脱着した水蒸気はスプレイ噴霧部より分散飛散する水滴に直接高密度に接触し、冷却露点され下部の水槽部のタンクに滴下し、凝縮器として高効率に機能する。
【００１１】
なお、請求項２記載の発明により、
請求項１記載のスプレイ噴霧部は、柱状型または円錐状型ないし棚段型に構成することを特徴とする。
【００１２】
次に、請求項３に記載してある熱回収工程の削除を可能とする本発明の別の発明である吸着式冷凍機は、
二基の真空容器と、該容器の切り替え接続可能の再生用温水と吸着用冷却水と冷水負荷系と凝縮用冷却水系とよりなる吸着式冷凍機において、
上記真空容器内に、固体吸着剤熱交換器と、スプレイ噴霧部より構成する蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器とを一体構造として収納する構成とし、
上記二基の蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器にバルブ接続する冷水タンクと凝縮水タンクを含む冷水受給部と凝縮水受給部とを設け、それぞれ冷水負荷系と凝縮用冷却水系に接続させるとともに、冷水タンクと凝縮水タンクとの間に膨張弁を設け凝縮液の冷水タンクへの供給可能に構成したことを特徴とする。
【００１３】
上記構成により、吸着時専用の冷水タンク及び再生時専用の凝縮水タンクは二基の真空容器とは別に設けてあるため、吸着工程→再生工程、再生工程→吸着工程の切り換え時には請求項１記載の発明に見るように蒸発器や凝縮器内の冷媒を熱回収のため移送する必要がなく、冷水タンクと凝縮水タンクのそれぞれに接続する前記二基の真空容器内の接触熱交換器のスプレイ噴霧部とをバルブにより切り替えれば良い。
そのため、吸着槽の吸着・再生の切り替え前に必要とする熱回収工程の削除ができ高速切り替えが可能となり、熱損失のない効率的バッチ運転ができる。
また、冷水タンク、凝縮水タンクを独立して設け、両者の間に膨張弁が設けてあるため、負荷の変動に対しても冷水温度変動を最小に押さえることができる。
【００１５】
なお、請求項４記載の発明により、前記スプレイ噴霧部は、柱状型または三角形板状、円錐状型ないし棚段型に構成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例の形態を、図示例と共に説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、形状、その相対的位置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
図１は本発明の吸着式冷凍機の概略の構成を示す図で、図２は図１の真空容器内に収納された接触熱交換器と真空容器外に設けた冷水負荷及び冷水ポンプと冷却塔及び冷却水ポンプとの切り換え操作による蒸発・凝縮機能の何れかに機能する状況を示す図で、（Ａ）は蒸発機能を形成する場合を示し（Ｂ）は凝縮機能を形成する場合を示す図である。図形成する場合を示す図である。図３は図１の接触熱交換器のスプレイ噴霧部の構成を示す図で、（ａ）は柱状スプレイ型を示し、（ｂ）は円錐状スプレイ型を示し、（ｃ）は棚段状スプレイ型を示し、（ｄ）は三角形板状スプレイを示す図である。
【００１７】
本発明の吸着式冷凍機は、図１に示すように、二基の真空容器１６ａ、１６ｂと、再生用温水源１８と、吸着用冷却水源１７と、冷水負荷２３と、冷却塔２４と、内部切り替え弁１３、１４（Ｖ９〜Ｖ１２）と、複数の外部切り替え弁（Ｖ１〜Ｖ８、Ｖ１３〜Ｖ１６）とを含む構成とする。
即ち、本発明においては、それぞれ一対の同一構造の真空容器１６ａ、１６ｂと、同一構造の固体吸着剤熱交換器（以下吸着反応器という）１５ａ、１５ｂと、同一構造の接触熱交換器１０ａ、１０ｂとを備え、真空容器１６ａは、吸着反応器１５ａと接触熱交換器１０ａとを一体構造にして内蔵し、真空容器１６ｂは、吸着反応器１５ｂと接触熱交換器１０ｂとを一体構造にして内蔵する。
接触熱交換機１０ａは、スプレイ噴霧部２０ａと、外部に設けたポンプＰ２とタンク２１ａとよりなる水槽部２２ａと、より構成する。また、接触熱交換器１０ｂは、スプレイ噴霧部２０ｂと、外部に設けたポンプＰ３とタンク２１ｂとよりなる水槽部２２ｂと、より構成する。
【００１８】
前記吸着反応器１５ａ、１５ｂは、外部切り替え弁の操作により吸着用冷却水源１７ないし再生用温水源１８と切り替え接続をなし、吸着ないし再生可能の構成にしてある。
また、接触熱交換器１０ａ、１０ｂは、冷水負荷２３と冷却塔２４とを内部切り替え弁１３、１４による切り替え操作により、前記吸着反応器１５ａ、１５ｂの吸着／再生に対応して蒸発／凝縮の機能切り替えを可能にしてある。
即ち、吸着反応器１５ａを吸着反応をさせ、吸着反応器１５ｂに再生反応をさせるときは、前記接触熱交換器１０ａを冷水負荷２３に接続させ、接触熱交換器１０ｂを冷却塔２４に接続させ、それぞれ蒸発器、凝縮器として機能させるようにしてある。
なお、上記冷水負荷２３とポンプＰ２／Ｐ３とで冷水負荷系を形成し、冷却塔２４とポンプＰ２／Ｐ３とで凝縮用冷却水系を形成してある。
【００１９】
上記接触熱交換器１０ａ、１０ｂが蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能するそれぞれの場合を図２（Ａ）、（Ｂ）に示してある。
同図（Ａ）に見るように、蒸発器として機能する場合は、例えば、真空容器１６ａ内に吸着反応器１５ａと一体構造にして収納してある当該接触熱交換器１０ａの上部にはスプレイ噴霧部２０ａを設け、下部には真空容器１６ａ外に掛け設けた水槽部２２ａを設け、前記スプレイ噴霧部と水槽部２２ａとで冷水負荷２３の両端を結ぶようにしたもので、水槽部２２ａに備えたポンプＰ２を作動させタンク２１ａの冷水を冷水負荷２３へ送り込み、冷熱を外部負荷に供給した後冷水２３ａをスプレイ噴霧部２０ａより接触熱交換器１０ａの下部のタンク２１ａへ分散滴下還流するようにしてある。
即ち、吸着サイクル時には、前記吸着反応器１５ａに吸着用冷却水源より冷却水を導入して内蔵する吸着剤を冷却するとともに、吸着熱は図示してない冷却塔に捨てる。
一方、接触熱交換器１０ａを形成するスプレイ噴霧部（この場合は棚段状スプレ型）２０ａは、冷水を先端のノズルにより真空容器１６ａ内で霧状に分散散布させる。散布冷水の各部位は散布により冷却され、且つ真空減圧下のもとに沸騰蒸発し水蒸気１１ａを発生し、冷水より潜熱を奪う。
上記潜熱により冷却された冷水は冷水ポンプＰ２を介してタンク２１ａより冷水負荷２３へ送られ冷熱を外部負荷へ供給する。前記気化蒸発した水蒸気１１ａは、吸着用冷却水により冷却された吸着反応器１５ａの吸着剤に容易に吸着される。
【００２０】
図２（Ｂ）に見るように、凝縮器として機能する場合は、例えば、真空容器１６ｂ内に吸着反応器１５ｂと一体構造にして収納してある当該接触熱交換器１０ｂの上部にはスプレイ噴霧部２０ｂを設け、下部には真空容器１６ｂ外に掛け水槽部２２ｂを設け、前記スプレイ噴霧部２０ｂと水槽部２２ｂとを冷却塔２４の両端を結び、水槽部２２ｂに備えたポンプＰ３を作動させタンク２１ｂの冷却水を冷却塔２４へ送り込み、冷却熱を外部へ排出する。排出し冷やされた冷却水２４ａはスプレイ噴霧部２０ｂより下部のタンク２１ｂへ分散滴下還流するようにしてある。
即ち、再生サイクル時には、前記吸着反応器１５ｂに再生用温水源より温水を導入して内蔵する吸着剤を加熱して吸着している水を水蒸気１１ｂとして放出させる。
一方、接触熱交換器１０ｂを形成するスプレイ噴霧部（この場合は棚段状スプレ型）２０ｂは、冷却水を先端のノズルにより真空容器内１６ｂ内で霧状に分散散布させる。散布冷却水の各部位は前記水蒸気１１ｂに高密度に直接接触して凝縮させる。
前記凝縮に伴う凝縮熱はポンプＰ３を介して冷却塔２４より排出する。
【００２１】
上記構成のように、図２（Ａ）の蒸発器として機能する場合における接触熱交換器１０ａは、図２（Ｂ）の凝縮器として機能する場合における接触熱交換器１０ｂと同一構造を持つスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂと水槽部２２ａ、２２ｂで構成してあるため、蒸発器と凝縮器は兼用出来なかった従来方式に対し、兼用することが出来、システム全体コンパクト化が図れる。
また、従来の伝熱管による伝熱機構に対し、スプレイ噴霧部と水槽部による直接接触の伝熱機構を使用して、構造的にも複雑で煩雑な管理を必要とした伝熱管を省略できるようにしてあり、後記するように熱容量を大幅に削減でき、接触熱交換器を使用した本発明の冷凍機の場合その成績係数（ＣＯＰ）も飛躍的に向上させることができる。
また、吸着反応器と一体構造に真空容器内に組み込むことができ、その間の往復用蒸気バルブ及び蒸気配管を省略でき、従来必要としたこの間の配管を皆無とするばかりでなく、前記配管による蒸気圧降下を排除できる。即ち、再生工程での、水蒸気の該蒸気配管内の移動にともなう圧力損失、及び吸着剤からの水蒸気脱着速度及び脱着量の抑制要因を除去することができ、また、吸着工程での、蒸発器内の水蒸気圧の上昇にともなう、水の蒸発温度の上昇、熱交換器能力の低下を招く問題を排除できる。
【００２２】
なお、上記接触熱交換器１０ａ、１０ｂのスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂは、図３（ａ）に示す柱状スプレイ型の噴霧２５ａにより形成しても良く、また同図（ｂ）に示すように薄肉円錐状スプレイ型の噴霧２５ｂにより形成しても良く、また同図（ｃ）に示すように棚段状スプレイ型の噴霧２５ｃにより形成しても良く、また同図（ｄ）に示すように三角形板状スプレイ型の噴霧２５ｄにより形成しても良く、上記噴霧形状は、伝熱媒体と被伝熱媒体との間の効率的接触の機会を多量に作り出す構成にしてある。
【００２３】
前記図１に示す本発明の吸着式冷凍機は、吸着反応器１５ａ、１５ｂを表１に記載の組合せのもとに４通り（＃１〜＃４）の運転サイクルを繰り返すバッチ式吸着式冷凍機である。
【００２４】
【表１】
以下に上記各運転サイクルに付き図面により説明する。
【００２６】
図４に示す＃１の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
即ち、吸着反応器１５ａを吸着用冷却水で冷却し、吸着工程に入る。また、冷水２３ａをスプレイ噴霧部２０ａに供給し先端のノズルを介して真空容器１６ａ内の接触熱交換器１０ａの棚段に噴霧状散布する。
その結果、分散散布された冷水の各部位は真空雰囲気下で冷やされ且つ沸騰蒸発し、水蒸気１１ａを発生する。発生した水蒸気１１ａは前記吸着用冷却水により冷却されている吸着剤に容易に吸着される。
一方、冷水２３ａ自身は潜熱に冷却されタンク２１ａに滴下した冷水は、ポンプＰ２により冷水負荷２３へ送り込まれ、外部負荷に冷熱を与え、再びスプレイ噴霧部２０ａに還流する。
一方、吸着反応器１５ｂは再生用温水で加熱され、吸着剤に吸着されている水が脱着し水蒸気１１ｂを発生し再生工程に入る。また、凝縮器として機能する接触熱交換器１０ｂのスプレイ噴霧部２０ｂの棚段には先端ノズルを介して冷却水２４ａが分散散布される。その結果、脱着した水蒸気１１ｂは分散散布した冷却水に直接接触し高密度に凝縮され、凝縮加熱状態でタンク２１ｂに滴下した冷却水はポンプＰ３を介して冷却塔２４に送られ凝縮熱は外部へ排出冷却されるようにしてある。
【００２７】
図５に示す＃２の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
即ち、図４に対し、内部切り替え弁１３と外部切り替え弁を作動させ、前記再生工程にあった吸着反応器１５ｂの温水を、吸着工程にあった吸着反応器１５ａ内の冷却水とを熱回収用ポンプＰ１を介して置き換え、熱回収を可能にし、
また、再生工程にあった接触熱交換器１０ｂと冷却塔２４を含む凝縮器として機能するシステムの冷却水を、吸着工程にあった接触熱交換器１０ａと冷水負荷２３を含む蒸発器として機能するシステムの冷水をポンプＰ２、Ｐ３により置き換えるようにして、熱回収を可能にしてある。
【００２８】
図６に示す＃３の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
この場合は＃１の運転サイクルとは逆の場合で、吸着反応器１５ａが再生工程に置かれ、吸着反応器１５ｂが吸着工程に置かれた場合である。
この場合、図５に対し、内部切り替え弁１４と外部切り替え弁を作動させ、接触熱交換器１０ａと冷却塔２４を含むシステムは凝縮器として機能させ、接触熱交換器１０ｂと冷水負荷２３とを含むシステムは蒸発器として機能させるようにしたものでる。
【００２９】
図７に示す＃４の運転サイクルは、前記運転サイクル＃２と同じ熱回収サイクルで、前記運転サイクル＃２とともにサイクル切り換え時の熱損失を最小限に押さえるようにしてある。
【００３０】
図８には、本発明の別の発明である熱回収工程の削除を可能とした吸着式冷凍機の概略の構成を示してある。
上記吸着式冷凍機は、図８に示すように、二基の真空容器１６ａ、１６ｂと、冷水受給部３０と、凝縮水受給部３１、再生用温水源１８と、吸着用冷却水源１７と、冷水負荷２３と、冷却塔２４と、内部切り替え弁１３（Ｖ１１〜Ｖ１２）と、複数の外部切り替え弁（Ｖ１〜Ｖ２、Ｖ５〜Ｖ８、Ｖ１５〜Ｖ１６））とを含む構成とする。
【００３１】
即ち、本発明においては、それぞれ一対の同一構造の真空容器１６ａ、１６ｂと、同一構造の固体吸着剤熱交換器（以下吸着反応器という）１５ａ、１５ｂと、同一構造のスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂにより形成される接触熱交換器１０ａ、１０ｂとを備え、
真空容器１６ａは、吸着反応器１５ａと接触熱交換器１０ａとを一体構造にして内蔵し、真空容器１６ｂは、吸着反応器１５ｂと接触熱交換器１０ｂとを一体構造にして内蔵する。
而して、冷水タンク３０ａとポンプＰ４とよりなる冷水受給部３０と、ポンプＰ５と膨張バルブｖ5と凝縮水タンク３１ａとよりなる凝縮水受給部３１とを前記接触熱交換器１０ａ、１０ｂより切り離して真空容器１６ａ、１６ｂの器外に設け、それぞれ冷水負荷２３と冷却塔２４に接続してある。
冷水タンク３０ａはバルブｖ1を介して接触熱交換器１０ａに接続し、バルブｖ4を介して接触熱交換器１０ｂに接続する構成とする。凝縮水タンク３１ａはバルブｖ3を介して接触熱交換器１０ａに接続し、バルブｖ2を介して接触熱交換器１０ｂに接続する構成としてある。
なお、上記膨張バルブｖ5は凝縮水タンク３１ａより凝縮液を適宜冷水タンクへ供給し冷水を適温自動制御可能にしてある。
【００３２】
前記吸着反応器１５ａ、１５ｂは、外部切り替え弁（Ｖ１〜Ｖ２、Ｖ５〜Ｖ８、Ｖ１５〜Ｖ１６）の操作により吸着用冷却水源１７ないし再生用温水源１８と切り替え接続をなし、吸着ないし再生可能の構成にしてある。
また、冷水受給部３０のポンプＰ４は冷水負荷２３と接続し、凝縮水受給部３１のポンプＰ５は冷却塔２４と接続し、それぞれ内部切り替え弁１３（Ｖ１１〜Ｖ１２）による切り替え操作により、接触熱交換器１０ａ、１０ｂのスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂに接続され、前記吸着反応器１５ａ、１５ｂの吸着／再生に対応して蒸発／凝縮の機能切り替えを可能にしてある。
即ち、吸着反応器１５ａを吸着反応をさせ、吸着反応器１５ｂに再生反応をさせるときは、前記接触熱交換器１０ａをバルブｖ1及び冷水受給部３０を介して冷水負荷２３に接続させ、接触熱交換器１０ｂをバルブｖ2及び凝縮水受給部３１を介して冷却塔２４に接続させ、それぞれ内部切り替え弁１３を経由してスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂに還流させ蒸発器、凝縮器として機能させるようにしてある。
【００３３】
上記接触熱交換器１０ａ、１０ｂが蒸発器として機能する場合と凝縮器として機能するそれぞれの場合を図９（Ａ）、（Ｂ）に示してある。
同図（Ａ）に見るように、蒸発器として機能する場合は、例えば、真空容器１６ａ内に吸着反応器１５ａと一体構造にして収納してある当該接触熱交換器１０ａの上部にはスプレイ噴霧部２０ａを設け、下部（真空容器に下部に相当）にはバルブｖ1を介して冷水受給部３０を設け、前記スプレイ噴霧部２０ａと冷水受給部３０のポンプＰ４とで冷水負荷２３の両端を接続するようにしたものである。 そのため、ポンプＰ４を作動させ冷水タンク３０ａの冷水を冷水負荷２３へ送り込み、冷熱を外部負荷に供給した後冷水２３ａをスプレイ噴霧部２０ａより接触熱交換器１０ａの下部へ分散滴下還流するようにしてある。
【００３４】
即ち、吸着サイクル時には、前記吸着反応器１５ａに吸着用冷却水源より冷却水を導入して内蔵する吸着剤を冷却するとともに、吸着熱は図示してない冷却塔に捨てる。
一方、接触熱交換器１０ａを形成するスプレイ噴霧部（この場合は棚段状スプレ型）２０ａは、冷水を先端のノズルにより真空容器１６ａ内で霧状に分散散布させる。散布冷水の各部位は散布により冷却され、且つ真空減圧下のもとに沸騰蒸発し水蒸気１１ａを発生し、冷水より潜熱を奪う。
上記潜熱により冷却された冷水はポンプＰ４を介して冷水タンク３０ａより冷水負荷２３へ送られ冷熱を外部負荷へ供給する。前記気化蒸発した水蒸気１１ａは、吸着用冷却水により冷却された吸着反応器１５ａの吸着剤に容易に吸着される。
【００３５】
図９（Ｂ）に見るように、凝縮器として機能する場合は、例えば、真空容器１６ｂ内に吸着反応器１５ｂと一体構造にして収納してある当該接触熱交換器１０ｂの上部にはスプレイ噴霧部２０ｂを設け、下部（真空容器の下部に相当）にはバルブｖ2を介して凝縮水受給部３１を設け、前記スプレイ噴霧部２０ｂと凝縮水受給部３１とで冷却塔２４の両端を結び、凝縮水受給部３１のポンプＰ５を作動させ凝縮水タンク３１ａの凝縮水を冷却塔２４へ送り込み、凝縮熱を外部へ排出する。冷やされた凝縮水は２４ａはスプレイ噴霧部２０ｂより冷却水として接触熱交換器１０ｂの下部のへ分散滴下還流するようにしてある。
即ち、再生サイクル時には、前記吸着反応器１５ｂに再生用温水源１８より温水を導入して内蔵する吸着剤を加熱して吸着している水を水蒸気１１ｂとして放出させる。
一方、接触熱交換器１０ｂを形成するスプレイ噴霧部（この場合は棚段状スプレ型）２０ｂは、冷却水を先端のノズルにより真空容器内１６ｂ内で霧状に分散散布させる。散布冷却水の各部位は前記水蒸気１１ｂに高密度に直接接触して凝縮させる。
前記凝縮に伴う凝縮熱はポンプＰ５を介して冷却塔２４より排出される。
【００３６】
上記構成のように、図９（Ａ）の蒸発器として機能する場合における接触熱交換器１０ａは、図９（Ｂ）の凝縮器として機能する場合における接触熱交換器１０ｂと同一構造を持つスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂにより形成されているため、蒸発器と凝縮器は兼用出来なかった従来方式に対し、兼用することが出来、システム全体コンパクト化が図れる。
また、従来の伝熱管による伝熱機構に対し、スプレイ噴霧部による直接接触の伝熱機構を使用して、構造的にも複雑で煩雑な管理を必要とした伝熱管を省略できるようにしてあり、後記するように熱容量を大幅に削減でき、接触熱交換器を使用した本発明の冷凍機の場合その成績係数（ＣＯＰ）も飛躍的に向上させることができる。
また、吸着反応器と一体構造に真空容器内に組み込むことができ、その間の往復用蒸気バルブ及び蒸気配管を省略でき、従来必要としたこの間の配管を皆無とするばかりでなく、前記配管による蒸気圧降下を排除できる。即ち、再生工程での、水蒸気の該蒸気配管内の移動にともなう圧力損失、及び吸着剤からの水蒸気脱着速度及び脱着量の抑制要因をが除去することができ、また、吸着工程での、蒸発器内の水蒸気圧の上昇にともなう、水の蒸発温度の上昇、熱交換器能力の低下を招く問題を排除できる。
【００３７】
なお、上記接触熱交換器１０ａ、１０ｂを形成するスプレイ噴霧部２０ａ、２０ｂは、図３（ａ）に示す柱状スプレイ型の噴霧２５ａにより形成しても良く、また同図（ｂ）に示すように薄肉円錐状スプレイ型の噴霧２５ｂにより形成しても良く、また同図（ｃ）に示すように棚段状スプレイ型の噴霧２５ｃにより形成しても良く、また同図（ｄ）に示すように三角形板状スプレイ型の噴霧２５ｄにより形成しても良く、上記噴霧形状は、伝熱媒体と被伝熱媒体との間の効率的接触の機会を多量に作り出す構成にしてある。
【００３８】
上記図８に示す本発明の別の発明である吸着式冷凍機は、吸着反応器１５ａ、１５ｂを表１に記載の４通り組合せのうち、＃２、＃４の熱回収工程を削除した＃１、＃３の運転サイクルを繰り返すバッチ式吸着式冷凍機である。
以下に上記＃１、＃３の各運転サイクルに付き図面により説明する。
【００３９】
図１０に示す＃１の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
即ち、吸着反応器１５ａを吸着用冷却水１７で冷却し、吸着工程に入る。また、冷水２３ａをポンプＰ４によりスプレイ噴霧部２０ａに供給し先端のノズルを介して真空容器１６ａ内の接触熱交換器１０ａの棚段に噴霧状散布する。
その結果、分散散布された冷水の各部位は真空雰囲気下で冷やされ且つ沸騰蒸発し、水蒸気１１ａを発生する。発生したした水蒸気１１ａは前記吸着用冷却水により冷却されている吸着剤に容易に吸着される。
一方、冷水２３ａ自身は潜熱に冷却され接触熱交換器１０ａの下部に滴下した冷水はバルブｖ1を介して冷水タンク３０ａに貯留される。貯留された冷水は、ポンプＰ４により冷水負荷２３へ送り込まれ、外部負荷に冷熱を与え、再びスプレイ噴霧部２０ａに還流する。
一方、吸着反応器１５ｂは再生用温水１８で加熱され、吸着剤に吸着されている水が脱着し水蒸気１１ｂを発生し再生工程に入る。また、凝縮器として機能する接触熱交換器１０ｂを形成するスプレイ噴霧部２０ｂの棚段には先端ノズルを介して冷却水２４ａが分散散布される。その結果、脱着した水蒸気１１ｂは分散散布した冷却水に直接接触し高密度に凝縮され、凝縮加熱状態でバルブｖ2を介して凝縮水タンク３１ａに滴下した凝縮水はポンプＰ５を介して冷却塔２４に送られ凝縮熱は外部へ排出冷却されるようにしてある。
【００４０】
ついで、＃１工程より＃３の工程に移行するわけであるが、この場合は図８に示すバルブの下記操作により行う。
ａ、外部切り替えバルブＶ１、Ｖ２、及びＶ１５、Ｖ１６の操作により吸着用冷却水及び再生用温水の吸着反応器１５ａ、１５ｂへの通水を停止させ、冷凍出力を零状態にする。
ｂ、内部切り替えバルブ１３（Ｖ１１、Ｖ１２）の操作により冷水負荷２３の末端を接触熱交換器１０ｂに接続し、冷却塔２４の末端を接触熱交換器１０ａに接続する。
ｃ、バルブｖ1 、バルブｖ2 を閉鎖し、バルブｖ3 、バルブｖ4 を開放して、接触熱交換器１０ａを凝縮水タンク３１ａに接続し接触熱交換器１０ｂを冷水タンク３０ａに接続する。
ｄ、外部切り替えバルブＶ１〜Ｖ２、Ｖ５〜Ｖ８、Ｖ１５〜Ｖ１６を操作して、吸着用冷水１７の吸着反応器１５ｂへの供給路を形成させ、また再生用温水１８の吸着反応器１５ａへの供給路を形成させる。
【００４１】
上記のようにバルブ（ｖ1 、ｖ2 ）と（ｖ3 、ｖ4 ）の切り替え、及び内部切り替えバルブ１３（Ｖ１１、Ｖ１２）の切り替えのみで短時間ですみ、且つ熱損失はない。
また、冷水タンク及び凝縮水タンクを備える構成にしているため、切り替え時（冷凍出力は零）冷水温度の変動を緩和できる。
【００４２】
図１１に示す＃３の運転サイクルにおいては、下記構成により形成される。
この場合は＃１の運転サイクルとは逆の場合で、前記した切り替えバルブ操作により吸着反応器１５ａが再生工程に置かれ、吸着反応器１５ｂが吸着工程に置かれた場合で、接触熱交換器１０ａはバルブｖ3を介して凝縮水タンク３１ａに接続され、接触熱交換器１０ｂはバルブｖ4を介して冷水タンク３０ａに接続される。また、内部切り換えバルブ１３により冷水負荷２３の末端は接触熱交換器１０ｂのスプレイ噴霧部２０ｂに接続され蒸発器として機能させ、冷却塔２４の末端は接触熱交換器１０ａのスプレイ噴霧部２０ａに接続され凝縮器として機能させるようにしてある。
【００４３】
本発明の接触熱交換器の凝縮／蒸発の熱伝達率については、文献検索の結果、大気圧以下での直接接触凝縮に関するSklover 他の提案した実験式として数式１を示す。
【００４４】
【数１】
大気圧以下での直接接触蒸発に関するMills 他の提案した実験式として数式２を示す。
【００４６】
【数２】
【表２】
数式１、数式２を用いて、表２に示す実験条件及び物性値に基づき、
且つ、凝縮、蒸発ともにノズル直径は0.002mとし、ノズルからの距離ｌは実験装置から0.241mとし、流速ｕ0は実験装置での最大流量ＱMaxが７（l／min）であることから37.136（m/s）として予測を行った。
予測結果は下記の値が得られた。
凝縮の場合 h=3.621×105 [ Kcal/m2・h・℃ ]
蒸発の場合 h=6.539×104 [ Kcal/m2・h・℃ ]
なお、ノズル距離を0.01から0.3mまで変えその他の条件は同じとした場合の熱伝達率の予測図を図１３に、また流量Ｑを１〜８（l／min ）まで変えその他の条件を同じとしたときの熱伝達率の予測図を図１６に示してある。
【００４９】
また、図１に示す吸着式冷凍機の吸着サイクルにおける蒸発熱伝達率の実測値が図１４に示され、図１５には同じく再生サイクルにおける凝縮熱伝達率の実測値が示してあるが、図に示された最大値は、
凝縮の場合；0.6×105 Kcal/m2・h・℃
蒸発の場合；1.4×104 Kcal/m2・h・℃
となり、上記予測値に比較し約１／６〜１／４．５であるが、
従来のシェルアンドチューブ型などの熱交換器に比較し飛躍的に大きな値を示し、このような高熱伝達率を持つ接触熱交換器を使用した吸着式冷凍機の成績係数も飛躍的に増大することが期待される。
また、図１６、図１７には、図１に示す吸着式冷凍機の冷水と凝縮用冷却水の入り口及び出口温度のサイクルタイムに対する変化の状況を示してある。
図１６には、吸着サイクルにおける冷水入り口温度及び出口温度、蒸気温度、吸着槽温度の変化の状況が示され、図１７には、再生サイクルにおける凝縮用冷却水の入り口温度及び出口温度、蒸気温度、吸着槽温度の変化の状況を示してある。
【００５０】
【発明の効果】
上記構成により、下記効果を奏する。
１、本発明の吸着式冷凍機に使用した接触熱交換器は、冷媒と被冷却媒体との間に介在した従来の伝熱管の代わりに直接接触して伝熱できる構成としたため、凝縮時、蒸発時の熱伝達率を大きい値に設定でき、熱交換器のサイズをコンパクトに設定できる。
２、凝縮器及び蒸発器として伝熱管を持たない接触熱交換器を吸着式冷凍機の凝縮器と蒸発器の代わりに使用する構成としたため、熱交換器の熱容量を著しく低減でき、吸着式冷凍機の成績係数も高く設定できる。
３、吸着式冷凍機において、従来の吸着反応器を内蔵する真空容器の外側に設けた凝縮器や蒸発器の代わりに構造の簡単な接触熱交換器を一体構造に設けたため、前記吸着反応器と凝縮器や蒸発器とを結ぶ蒸気バルブ及び蒸気配管をなくすとともに、吸着、脱着速度の向上と吸着剤量の低減、及び熱交換器能力の向上を図ることが出来、コンパクトな構造にすることができる。
４、本発明の別の発明の吸収式冷凍機においては、冷水タンクを含む冷水受給部と凝縮水タンクを含む凝縮水受給部を真空容器外に独立して設ける構成としたため、吸着・再生工程の切り替え前の熱回収工程を削除することができ、切り替え時間の節約及び熱損失を皆無とすることができる。
また、切り換え時の冷水温度変動を緩和することができる。
５、上記のようにして、冷凍機の性能向上、装置のコンパクト化、コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の吸着式冷凍機の概略の構成を示す図である。
【図２】図１の真空容器内に収納された蒸発、凝縮兼用の接触熱交換器が蒸発器あるいは凝縮器として機能する場合の付帯器具の配設状況を示す図で、（Ａ）は蒸発機能を形成する場合を示し（Ｂ）は凝縮機能を形成する場合を示す図である。
【図３】図１の接触熱交換器のスプレイ噴霧部の構成を示す図で、（ａ）は柱状スプレイ型を示し、（ｂ）は円錐状スプレイ型を示し、（ｃ）は棚段状スプレイ型を示し、（ｄ）は三角形板状スプレイ型を示す図である。
【図４】図１の吸着式冷凍機の＃１〜＃４にわたる運転サイクルにつき、＃１（２基の吸着反応器が吸着工程、再生工程に基づき運転）の運転サイクルの場合のシステム図である。
【図５】図１の吸着式冷凍機の＃１〜＃４にわたる運転サイクルにつき、＃２（２基の吸着反応器とも熱回収工程に基づき運転）の運転サイクルの場合のシステム図である。
【図６】図１の吸着式冷凍機の＃１〜＃４にわたる運転サイクルにつき、＃３（２基の吸着反応器が再生工程、吸着工程に基づき運転）の運転サイクルの場合のシステム図である。
【図７】図１の吸着式冷凍機の＃１〜＃４にわたる運転サイクルにつき、＃４（２基の吸着反応器とも熱回収工程に基づき運転）の運転サイクルの場合のシステム図である。
【図８】本発明の別の発明である熱回収工程の削除を可能とした吸着式冷凍機の概略の構成を示す図である。
【図９】図８の真空容器内に収納された蒸発、凝縮兼用の接触熱交換器が蒸発器あるいは凝縮器として機能する場合の付帯器具の配設状況を示す図で、（Ａ）は蒸発機能を形成する場合を示し（Ｂ）は凝縮機能を形成する場合を示す図である。
【図１０】図８の吸着式冷凍機の運転サイクルにつき、２基の吸着反応器１５ａ、１５ｂがそれぞれ吸着工程、再生工程に基づき形成された運転サイクルの場合のシステム図である。
【図１１】図８の吸着式冷凍機の運転サイクルにつき、２基の吸着反応器１５ａ、１５ｂがそれぞれ再生工程、吸着工程に基づき形成された運転サイクルの場合のシステム図である。
【図１２】図１の吸着式冷凍機に使用してある接触熱交換器について、凝縮と蒸発の場合における実験式から得られた熱伝達率の予測図である。（ノズルからの距離が２４０ｍｍの場合）
【図１３】図１の吸着式冷凍機に使用してある接触熱交換器について、凝縮と蒸発の場合における実験式から得られた熱伝達率の予測図である。（流量が毎分７ｌの場合）
【図１４】図１の吸着式冷凍機の吸着サイクルにおける蒸発熱伝達率の実測値を示す図である。
【図１５】図１の吸着式冷凍機の再生サイクルにおける凝縮熱伝達率の実測値を示す図である。
【図１６】図１の吸着式冷凍機の吸着サイクルにおける水蒸気温度、冷水温度、吸着槽温度等を示す温度特性図である。
【図１７】図１の吸着式冷凍機の再生サイクルにおける水蒸気温度、凝縮器用冷却水温度、吸着槽温度等を示す温度特性図である。
【図１８】従来の吸着式冷凍機の構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｂ 接触熱交換器
１１ａ、１１ｂ 水蒸気
１３、１４ 内部切り替え弁
１５ａ、１５ｂ 吸着反応器
１６ａ、１６ｂ 真空容器
２０ａ、２０ｂ スプレイ噴霧部
２２ａ、２２ｂ 水槽部
２３ 冷水負荷
２４ 冷却塔
３０ 冷水受給部
３１ 凝縮水受給部
Claims (4)
- 二基の真空容器と、該容器の切り替え接続可能の再生用温水と吸着用冷却水と冷水負荷系と凝縮用冷却水系とよりなる吸着式冷凍機において、上記真空容器内に、固体吸着剤熱交換器と、スプレイ噴霧部とその下方に設けた水槽部とより構成された蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器とを一体構造として収納する構成したことを特徴とする吸着式冷凍機。
- 前記スプレイ噴霧部は、柱状型または三角形板状、円錐状型ないし棚段型に構成することを特徴とする請求項１記載の吸着式冷凍機。
- 二基の真空容器と、該容器の切り替え接続可能の再生用温水と吸着用冷却水と冷水負荷系と凝縮用冷却水系とよりなる吸着式冷凍機において、
上記真空容器内に、固体吸着剤熱交換器と、スプレイ噴霧部より構成する蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器とを一体構造として収納する構成とし、
上記二基の蒸発・凝縮兼用の接触熱交換器にバルブ接続する冷水タンクと凝縮水タンクを含む冷水受給部と凝縮水受給部とを設け、それぞれ冷水負荷系と凝縮用冷却水系に接続させるとともに、冷水タンクと凝縮水タンクとの間に膨張弁を設け凝縮液の冷水タンクへの供給可能に構成したことを特徴とする吸着式冷凍機。 - 前記スプレイ噴霧部は、柱状型または三角形板状、円錐状型ないし棚段型に構成することを特徴とする請求項３記載の吸着式冷凍機。
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-
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- 1997-10-30 JP JP31424097A patent/JP3745102B2/ja not_active Expired - Fee Related
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