JP3921744B2 - 吸着式冷凍装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸着剤により水等の冷媒を吸着、脱着させることを利用した吸着式冷凍装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、実開平1−126811号公報には、図5に示すような吸着式冷凍装置1が提案されている。この吸着式冷凍装置1には、吸着コア2を収容する吸着コア室62と、冷媒を蒸発、凝縮可能な蒸発凝縮器6を収容する蒸発凝縮器室66とが設けられている。
【0003】
そして、吸着コア2に脱着行程を行なわせるときは、図示しないエンジンからの高温な(例えば90℃程度の)熱交換流体を、吸着コア2の熱交換部21に循環させることにより、吸着コア2の吸着剤Sが加熱されて気体冷媒を脱着させる。この脱着された気体冷媒は、蒸発凝縮器6に流入して凝縮される。そして、低温な(例えば35℃程度の)熱交換流体を、蒸発凝縮器6に循環させることにより、蒸発凝縮器6における凝縮熱を室外へ放熱させている。
【0004】
また、吸着コア2に吸着行程を行なわせるときは、図示しない室外熱交換器からの低温な(例えば35℃程度の)熱交換流体を、吸着コア2の熱交換部21に循環させることにより、吸着コア2の吸着剤Sが冷却されて気体冷媒を吸着する。このとき、吸着コア室62、連通部86、および、蒸発凝縮器室66にて形成される空間の圧力が下がり、蒸発凝縮器室66内の液体冷媒が蒸発する。
【0005】
このため、蒸発凝縮器6において熱交換流体は蒸発潜熱を奪われて例えば10℃程度に冷却され、この冷却された熱交換流体を、図示しない室内熱交換器に循環させることにより、図示しないエアコンの送風ダクト内を流れる空気を冷却する。なお、蒸発凝縮器6には、上記室内熱交換器から流出する例えば20℃程度の熱交換流体が再循環される。
【0006】
ここで、図2のグラフに示すように、吸着コア2における相対湿度が高いほど、吸着剤Sの吸着率は高くなるものである。なお、吸着剤Sの温度(吸着コア2の熱交換部21を循環する熱交換流体の温度)と、蒸発凝縮器6にて発生する冷媒蒸気の温度(蒸発凝縮器6を循環する熱交換流体の温度)との差が小さいほど、上記相対湿度は高くなる。また、水分吸着率とは、単位重量の吸着剤Sが吸着可能な水の重量割合(%)のことである。
【0007】
そして、上記従来技術では、脱着行程時における吸着コア2の相対湿度が例えば8%であるため、水分吸着率は例えば4(%)であり(グラフ中点Aで示す)、吸着行程時における吸着コア2の相対湿度が例えば22(%)であるため、水分吸着率は例えば12%である(グラフ中点Bで示す)。よって、吸着剤Sは、吸着行程と脱着行程とを繰り返すことにより、吸着剤Sの重量の8%分の冷媒蒸気を吸着、脱着することになる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、吸着式冷凍装置の搭載スペースの狭小化により、吸着式冷凍装置の小型化を図ることが必要とされてきている。
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、吸着式冷凍装置の小型化を図ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、吸着コア(2、3)が冷媒を吸着するとき、吸着コア(2、3)の相対湿度を高くして冷媒吸着率を高くすることにより、吸着コア(2、3)が吸着、脱着可能な冷媒量を多くできることに着目して、以下に述べる手段により、上記目的を達成することを見出した。
【0010】
すなわち、請求項1に記載の発明では、吸着コア(2、3)が冷媒を吸着する冷媒吸着時に、第1流体循環路(B)を経て、吸着コア(2、3)と室外熱交換器(12)との間に熱交換流体を循環させ、第2流体循環路(C)を経て、蒸発器(6、7)と室内熱交換器(16)との間に熱交換流体を循環させる吸着式冷凍装置において、
室外熱交換器(12)の出口側を流れる室外出口側熱交換流体と、室内熱交換器(16)の出口側を流れる室内出口側熱交換流体とを熱交換することを特徴としている。
【0011】
ここで、室外出口側熱交換流体は室内出口側熱交換流体よりも高温であるため、室外出口側熱交換流体と室内出口側熱交換流体とを熱交換することにより、室外出口側熱交換流体が冷却されるとともに、室内出口側熱交換流体が加熱される。この結果、吸着コア(2、3)に流入する熱交換流体の温度が従来よりも低くなるとともに、蒸発器(6、7)に流入する熱交換流体の温度が従来よりも高くなるため、上記両熱交換流体の温度差を従来よりも小さくできる。よって、冷媒を吸着するときの吸着コア(2、3)の相対湿度が従来よりも高くなる。よって、吸着コア(2、3)が吸着、脱着可能な冷媒量を多くでき、冷房能力を高めることができるので、吸着コア(2、3)の小型化、ひいては、吸着式冷凍装置の小型化を図ることができる。
【0012】
なお、室内出口側熱交換流体が加熱された分だけ冷房能力が低下するため、吸着コア(2、3)が吸着、脱着可能な冷媒量を多くすることによる冷房能力の向上の方が、上記冷房能力の低下よりも大きくなるように、吸着コア(2、3)に流入する熱交換流体の温度、蒸発器(6、7)に流入する熱交換流体の温度、吸着剤(S)の種類等を設定する。
【0013】
また、請求項2に記載の発明では、室外熱交換器(12)の出口側を流れる室外出口側熱交換流体と、室内熱交換器(16)の出口側を流れる室内出口側熱交換流体とを混合させた混合熱交換流体を、吸着コア(2、3)および蒸発器(6、7)に流入させることを特徴としている。
これによれば、吸着コア(2、3)に流入する熱交換流体の温度が従来よりも低くなるとともに、蒸発器(6、7)に流入する熱交換流体の温度が従来よりも高くなるため、吸着コア(2、3)の相対湿度が従来よりも高くなる。よって、上記した請求項1と同様の効果が得られる。
【0014】
また、請求項3に記載の発明では、室外熱交換器(12)の出口側(B1)に、室内出口側熱交換流体を混合させる第1流体配管(C2)と、室内熱交換器(16)の出口側(C1)に、室外出口側熱交換流体を混合させる第2流体配管(B2)とを備え、第1、第2流体配管(C2、B2)における熱交換流体の流量を、第1、第2流量調整手段(44、42)にて調整することを特徴としている。
【0015】
これによれば、室外熱交換器(12)の出口側(B1)に混合させる室内出口側熱交換流体の量、および、室内熱交換器(16)の出口側(C1)に混合させる室外出口側熱交換流体の量を自在に設定できるため、吸着コア(2、3)に流入する熱交換流体の温度、および、蒸発器(6、7)に流入する熱交換流体の温度を自在に設定できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
本実施形態の吸着式冷凍装置を図1に基づいて説明する。吸着式冷凍装置1は、第1、第2吸着コア2、3、および、第1、第2蒸発凝縮器6、7を備えており、第1吸着コア2と第1蒸発凝縮器6は第1断熱密閉容器601に収容され、第2吸着コア3と第2蒸発凝縮器7は第2断熱密閉容器602に収容されている。これら第1、第2断熱密閉容器601、602の内部にはそれぞれ、所定量の冷媒(例えば水)が封入されている。なお、断熱密閉容器601、602は、第1、第2吸着コア2、3を収容する第1、第2吸着コア室62、63と、第1、第2蒸発凝縮器6、7を収容する第1、第2蒸発凝縮器室66、67と、吸着コア室62、63と蒸発凝縮器6、7とを連通する第1、第2連通部86、87とから構成されている。
【0017】
第1、第2蒸発凝縮器6、7は、周知の熱交換器形状をなし、冷媒を蒸発・凝縮可能なものであり(つまり、本実施形態の吸着式冷凍装置は、蒸発・凝縮一体型の吸着式冷凍装置である)、一方が冷媒を蒸発させる蒸発器としてはたらくとき、他方が冷媒を凝縮する凝縮器としてはたらくようになっている。
また、第1、第2吸着コア2、3は、周知の熱交換器形状をなす熱交換部21、31の周囲に、多数の吸着剤Sを設けてなる。なお、図1には、熱交換部21、31のうち、チューブのみを単純化して示してある。
【0018】
そして、室外に配した室外熱交換器12と、第1蒸発凝縮器6(または第2蒸発凝縮器7)とを、この順に流体配管にて直列に接続して、第1流体循環路Aを構成している。また、室外熱交換器12と、第1吸着コア2(または第2吸着コア3)とを、この順に流体配管にて直列に接続して、第2流体循環路Bを構成している。
【0019】
また、室内(被冷却部)に配した室内熱交換器(被冷却部用熱交換器)16と、第1蒸発凝縮器6(または第2蒸発凝縮器7)とを、この順に流体配管にて直列に接続して、第3流体循環路Cを構成している。また、エンジン11と、第1吸着コア2(または第2吸着コア3)とを、この順に流体配管にて直列に接続して、第4流体循環路Dを構成している。
【0020】
第1流体循環路Aと第2流体循環路Bとの合流部分には、電動ポンプ20が設けてあり、この電動ポンプ20により、図1中矢印方向への熱交換流体流れを断続させている。また、第3流体循環路C、および、第4流体循環路Dには、それぞれ電動ポンプ18、19が設けてあり、これら電動ポンプ18、19により、図1中矢印方向への熱交換流体流れを断続させている。
【0021】
また、流体循環路BおよびDの途中には、四方弁14、15が設けられており、この四方弁14、15により、第1、第2吸着コア2、3に流入する熱交換流体の供給源を、エンジン11または室外熱交換器12に切り替えるようになっている(換言すれば、四方弁14、15により、第1、第2吸着コア2、3の吸着、脱着行程を切り替えるようになっている)。
【0022】
また、流体循環路AおよびCの途中には、四方弁24、25が設けられており、この四方弁24、25により、第1、第2蒸発凝縮器6、7から流出される熱交換流体の供給先を、室外熱交換器12または室内熱交換器16に切り替えるようになっている(換言すれば、四方弁24、25により、第1、第2蒸発凝縮器6、7による冷媒の蒸発、凝縮を切り替えるようになっている)。
【0023】
そして、本実施形態の吸着式冷凍装置1は、流体循環路Bのうち、室外熱交換器12の下流で、かつ、第1、第2吸着コア2、3の上流の流体配管(室外熱交換器12の出口側)B1の内部に、流体循環路Cのうち、室内熱交換器16よりも下流で、かつ、第1、第2蒸発凝縮器6、7の上流の流体配管(室内熱交換器16の出口側)C1を貫通させてなる熱交換部8を備えている。
【0024】
なお、流体配管C1には、室内熱交換器16からの低温な(例えば20℃程度の)熱交換流体が流れ、流体配管B1には、上記低温な熱交換流体よりは高温な(例えば35℃程度の)、室外熱交換器12からの熱交換流体が流れる。このため、熱交換部8では、流体配管C1を流れる上記低温な熱交換流体と、流体配管B1を流れる上記高温な熱交換流体とが、配管の壁面を経て熱交換する。
【0025】
よって、流体配管B1を流れる熱交換流体は、流体配管C1を流れる熱交換流体にて冷却され、流体配管C1を流れる熱交換流体は、流体配管B1を流れる熱交換流体にて加熱されることになる。このため、流体循環路Bのうち流体配管B1の下流には、例えば27.5℃程度の熱交換流体が流れ、流体循環路Cのうち流体配管C1の下流には、例えば27.5℃程度の熱交換流体が流れる。
【0026】
また、熱交換部8においては、流体配管B1の熱交換流体の流れ方向(図1中左向き)と、流体配管C1における熱交換流体の流れ方向(図1中右向き)とが逆になるようにして、この熱交換部8における熱交換効率を良好にしている。
そして、図示しない冷房スイッチ、および、上記した四方弁14、15、24、25、および、電動ポンプ18、19、20は、図示しない電気制御装置にて制御されるようになっている。また、上記した流体循環路A、B、C、D、および、熱交換部8を構成する流体配管は、全て断熱されている。
【0027】
そして、上記冷房スイッチがオンされると、第1吸着コア2が吸着行程、第2吸着コア3が脱着行程を行なう第1行程と、第1吸着コア2が脱着行程、第2吸着コア3が吸着行程を行なう第2行程とを、所定時間(例えば60秒)毎に交互に行なう。
具体的には、冷房スイッチがオンされると、電動ポンプ18、19、20が作動して、上記各流体循環路A、B、C、Dに熱交換流体を循環させるとともに、四方弁14、15、24、25を図1中実線位置とすることにより、上記第1行程を行なう。
【0028】
この第1行程では、エンジン11からの例えば90℃程度のエンジン冷却水(加熱用熱交換流体)が、流体循環路Dを経て第2吸着コア3の熱交換部31に循環されるので、第2吸着コア3の吸着剤Sが加熱されて気体冷媒を脱着し、この吸着剤Sから脱着された気体冷媒が、第2連通部87を経て第2蒸発凝縮器室67へ流入する。
【0029】
これに対して、室外熱交換器12からの例えば35℃程度の熱交換流体が、流体循環路Aを経て第2蒸発凝縮器7に循環される。これにより、第2蒸発凝縮器7が冷却され、この第2蒸発凝縮器室67において気体冷媒が凝縮される。そして、凝縮熱を吸熱した熱交換流体は、室外熱交換器12において室外に放熱する。
【0030】
また、室外熱交換器12からの35℃程度の熱交換流体が、流体循環路Bを経て、途中、熱交換部8にて例えば27.5℃程度に冷却された後、第1吸着コア2に循環される。これにより、第1吸着コア2の吸着剤Sが冷却され、吸着剤Sが気体冷媒を吸着する。なお、第1吸着コア2において吸着熱を吸着して加熱された熱交換流体は、室外熱交換器12において室外へ放熱する。
【0031】
そして、第1吸着コア2の吸着剤Sが気体冷媒を吸着することにより、吸着コア室62、連通部86、および、第1蒸発凝縮器室66にて形成される空間の圧力が下がり、第1蒸発凝縮器室66内の液体冷媒が蒸発する。また、室内熱交換器16からの例えば20℃程度の熱交換流体(冷却流体)が、流体循環路Cを経て、途中、熱交換部8にて例えば27.5℃程度に加熱された後、第1蒸発凝縮器室66に循環される。これにより、第1蒸発凝縮器6において、熱交換流体は冷媒の蒸発潜熱を奪われて冷却され、この冷却された熱交換流体を、流体循環路Cを経て室内熱交換器16に循環することにより、図示しないエアコンの送風ダクト内を流れる空気を冷却、除湿する。
【0032】
そして、第1行程において、熱交換部8にて上述のように熱交換することにより、第1吸着コア2(吸着側の吸着コア)の熱交換部21を循環する熱交換流体の温度と、第1蒸発凝縮器6(蒸発側の蒸発凝縮器)を循環する熱交換流体の温度)との差(本実施形態ではほぼゼロ)が従来よりも小さくなるので、吸着剤Sの温度と、第1蒸発凝縮器6にて発生する冷媒蒸気の温度との差が、従来よりも小さくなる。
【0033】
この結果、第1吸着コア2の相対湿度が従来よりも高くなる(例えば34%となる)ため、この第1吸着コア2の水分吸着率が従来よりも高くなる(例えば 19%となる。グラフ中点Cで示す)。
なお、第2吸着コア3(脱着側の吸着コア)の相対湿度は、従来と同じで例えば8%であるため、水分吸着率は例えば4(%)である(グラフ中点Aで示す)。よって、吸着剤Sは、吸着行程と脱着行程とを繰り返すことにより、吸着剤Sの重量の15%分の冷媒蒸気を吸着、脱着することになる。このため、吸着行程において、より多くの冷媒蒸気を吸着できるため、所定の冷房能力を得るために必要とされる吸着剤Sの量が少なくて済み、吸着コア2の小型化、ひいては、吸着式冷凍装置1の小型化を図ることができる。
【0034】
そして、四方弁14、15、24、25を図1中点線位置とすることにより、第2行程が実行される。この第2行程では、上記した第1行程の吸着と脱着、蒸発と凝縮が入れ替わるだけであるため、第2行程の作動説明は省略する。
(第2の実施形態)
本実施形態は、図3に示すように、熱交換部8の替わりに、断熱密閉容器からなる流体混合タンク80を設けている。この流体混合タンク80には、室内熱交換器16の出口側の熱交換流体が流入する第1流入口80aと、室外熱交換器12の出口側の熱交換流体が流入する第2流入口80bと、タンク80内の熱交換流体を流出させる第1流出口80cと、第2流出口80dとが形成されている。そして、第1流出口80cから流出した冷媒は、蒸発側の蒸発凝縮器6、7へ流入し、第2流出口80dから流出した冷媒は、吸着側の吸着コア2、3へ流入する。
【0035】
なお、第1流入口80aおよび第2流入口80bからは、それぞれ異なる温度の熱交換流体が流入するが、タンク80において混合されることにより、第1流出口80cおよび第2流出口80dからは、略同温の熱交換流体が流出する。
このため、上記第1の実施形態と同様の効果が得られる。
(第3の実施形態)
本実施形態は、図4に示すように、熱交換部8の替わりに、流体混合部81を設けている。この流体混合部81は、流体配管B1、C1に加えて、流体配管B1から分岐して流体配管C1に合流する補助流体配管(第2流体配管)B2と、流体配管C1から分岐して流体配管B1に合流する補助流体配管(第1流体配管)C2とが備えられている。そして、補助流体配管B2、C2のそれぞれに、流量調整弁42、44を設けており、これら流量調整弁42、44は、補助流体配管B2、C2において、図4中矢印方向に熱交換流体を循環させるため、逆止弁付きの流量調整弁からなる。
【0036】
ここで、蒸発側の蒸発凝縮器6、7へ流入させる熱交換流体と、吸着側の吸着コア2、3へ流入させる熱交換流体との温度差を近づけることによる冷房能力の向上の方が、蒸発側の蒸発凝縮器6、7へ流入させる熱交換流体の温度上昇による冷房能力の低下よりも大きくなるように、吸着剤Sの種類や、上記温度差等を設定する必要がある。
【0037】
そして、本実施形態では、蒸発側の蒸発凝縮器6、7へ流入させる熱交換流体と、吸着側の吸着コア2、3へ流入させる熱交換流体との混合比を、上記流量調整弁42、44の開度にて調整することにより、上記温度差を所定温度差に調整している。
そして、流量調整弁42、44を例えば全開状態として、それぞれの流体配管B1、B2、C1、C2に熱交換流体を循環させることにより、流体循環路Bの流体配管B1を流れる例えば35℃程度の熱交換流体に、補助流体配管C2を経て流体循環路Cの例えば10℃程度の熱交換流体が混入されるとともに、流体循環路Cの流体配管C1を流れる例えば10℃程度の熱交換流体に、補助流体配管B2を経て流体循環路Bの例えば35℃程度の熱交換流体が混入される。この結果、流体循環路Bのうち流体配管B1の下流には、例えば27.5℃程度の熱交換流体が流れ、流体循環路Cのうち流体配管C1の下流には、例えば27.5℃程度の熱交換流体が流れる。よって、上記第1、第2の実施形態と同様の効果が得られる。
【0038】
また、上記流量調整弁42、44の開度を例えば全開に対して2.5割程度とすれば、流体配管B1の下流には、例えば29℃程度の熱交換流体が流れ、流体配管C1の下流には、例えば16℃程度の熱交換流体が流れることになる。
(他の実施形態)
まず、上記第1の実施形態において、流体配管C1および流体配管B1を流れる熱交換流体の流速や流量等を調整することにより、蒸発側の蒸発凝縮器6、7に流入させる熱交換流体と、吸着側の吸着コア2、3に流入させる熱交換流体との温度差を調整してもよい。
【0039】
また、上記第3の実施形態において、流量調整弁42、44の開度を調整したり、補助流体配管B2、C2の配管断面積を調整することにより、流体循環路Bから蒸発側の蒸発凝縮器6に流入させる熱交換流体の温度と、流体循環路Cから吸着側の吸着コア2の熱交換部21に流入させる熱交換流体の温度とを、自在に設定可能としてもよい。具体的には、流量調整弁42、44の開度を小さくしたり、補助流体配管B2、C2の配管断面積を小さくすることにより、流体循環路Bから蒸発側の蒸発凝縮器6に流入させる熱交換流体の温度を高めにできるとともに、流体循環路Cから吸着側の吸着コア2の熱交換部21に流入させる熱交換流体の温度を低めに設定できる。
【0040】
また、上記実施形態では、吸着剤Sとしてシリカゲルを用い、冷媒として水を用いていたが、吸着剤Sとしてゼオライトや活性炭等を用いてもよいし、冷媒としてアルコール等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、吸着剤に冷媒を吸着、脱着させる吸着器を備えた吸着式冷凍装置について述べたが、吸収液に冷媒を吸収させる吸収器と、吸収液から冷媒を分離させる発生器とを備える吸収式冷凍装置に本発明を適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係わる吸着式冷凍装置の全体構成図である。
【図2】吸着コアの相対湿度と吸着剤の水分吸着率との関係を示すグラフである。
【図3】本発明の第2の実施形態に係わる吸着式冷凍装置の全体構成図である。
【図4】本発明の第3の実施形態に係わる吸着式冷凍装置の全体構成図である。
【図5】従来技術に係わる吸着式冷凍装置の部分構成図である。
【符号の説明】
2、3…吸着コア、S…吸着剤、6、7…蒸発凝縮器(蒸発器、凝縮器)、
12…室外熱交換器、16…室内熱交換器、B…第1流体循環路、
C…第2流体循環路、8…熱交換器。

Claims (3)

  1. 冷媒を吸着、脱着可能な吸着剤(S)を有する吸着コア(2、3)と、
    前記吸着コア(2、3)が冷媒を吸着する冷媒吸着時に冷媒を蒸発させる蒸発器(6、7)と、
    外気と熱交換する室外熱交換器(12)と、
    内気と熱交換する室内熱交換器(16)と、
    前記冷媒吸着時に、前記吸着コア(2、3)と前記室外熱交換器(12)との間に熱交換流体を循環させる第1流体循環路(B)と、
    前記冷媒吸着時に、前記蒸発器(6、7)と前記室内熱交換器(16)との間に熱交換流体を循環させる第2流体循環路(C)とを備え、
    前記第1流体循環路(B)のうち前記室外熱交換器(12)の出口側(B1)を流れる室外出口側熱交換流体と、前記第2流体循環路(C)のうち前記室内熱交換器(16)の出口側(C1)を流れる室内出口側熱交換流体とを熱交換することを特徴とする吸着式冷凍装置。
  2. 冷媒を吸着、脱着可能な吸着剤(S)を有する吸着コア(2、3)と、
    前記吸着コア(2、3)が冷媒を吸着する冷媒吸着時に冷媒を蒸発させる蒸発器(6、7)と、
    外気が送風される室外熱交換器(12)と、
    内気が送風される室内熱交換器(16)とを備え、
    前記冷媒吸着時には、前記室外熱交換器(12)の出口側(B1)を流れる室外出口側熱交換流体と、前記室内熱交換器(16)の出口側(C1)を流れる室内出口側熱交換流体とを混合させた混合熱交換流体を、前記吸着コア(2、3)および前記蒸発器(6、7)に流入させることを特徴とする吸着式冷凍装置。
  3. 前記冷媒吸着時に、前記吸着コア(2、3)と前記室外熱交換器(12)との間に熱交換流体を循環させる第1流体循環路(B)と、
    前記冷媒吸着時に、前記蒸発器(6、7)と前記室内熱交換器(16)との間に熱交換流体を循環させる第2流体循環路(C)とを備え、
    前記第1流体循環路(B)のうち、前記室外熱交換器(12)の出口側(B1)に、前記室内出口側熱交換流体を混合させる第1流体配管(C2)と、
    前記第2流体循環路(C)のうち、前記室内熱交換器(16)の出口側(C1)に前記室外出口側熱交換流体を混合させる第2流体配管(B2)と、
    前記第1流体配管(C2)における熱交換流体の流量を調整する第1流量調整手段(44)と、
    前記第2流体配管(B2)における熱交換流体の流量を調整する第2流量調整手段(42)とを備えることを特徴とする請求項2に記載の吸着式冷凍装置。
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