JP4066485B2

JP4066485B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP4066485B2
Application number: JP35821697A
Authority: JP
Inventors: 誠司井上; 伸本田; 勝也石井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-12-25
Filing date: 1997-12-25
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2017-12-25
Also published as: JPH11190566A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒を圧縮蒸発させることにより冷却能力を得る蒸気圧縮式冷凍機と、略真空（０．１ｍｍＨｇ）に保持された吸着器内に蒸気冷媒を吸着する吸着剤および液冷媒を収納した吸着式冷凍機とを組み合わせた冷凍装置に関するもので、空調装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気圧縮式冷凍機と吸着式冷凍機とを組み合わせた冷凍装置としては、特開平３−１８６１６３号公報がある。そして、上記公報に記載の発明は、蒸気圧縮式冷凍機の廃熱（凝縮熱）により、吸着式冷凍機の再生（吸着剤に吸着された蒸気冷媒を脱離させる行為）効率の向上を図るものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、比較的小型の冷凍装置（一般家庭用または小型業務用空調装置等）では、蒸気圧縮式冷凍機からの廃熱温度が比較的低い（通常は約６０℃以下）ので、上記公報に記載の発明では、再生時に吸着剤および液冷媒を高い温度まで上げることができない。
【０００４】
したがって、上記公報に記載の発明では、吸着時と再生時との温度差が比較的小さいので、十分な冷凍能力を得ることが困難である。
本発明は、上記点に鑑み、蒸気圧縮式冷凍機と吸着式冷凍機とを組み合わせた冷凍装置において、少ない動力で十分な冷凍能力を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１〜４に記載の発明では、両吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）を吸着状態と吸着された蒸気冷媒を脱離再生する再生状態とに一定時間毎に切り替えるとともに、第１蒸気圧縮式冷凍機（１１０）の凝縮器（１１２）により、再生状態にある吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）内の吸着剤（Ｓｉ）を加熱するとともに、室外熱交換器（１３４）により再生状態にある吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）内の液冷媒を冷却し、かつ、室外熱交換器（１３４）により吸着状態にある吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）内の吸着剤（Ｓｉ）を冷却し、吸着状態にある吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）の冷却作用により、第２蒸気圧縮式冷凍機（１２０）の凝縮器（１２２）を冷却することを特徴とする。
【０００６】
これにより、第２蒸気圧縮式冷凍機（１２０）の凝縮器（１２２）内の圧力を下げることができるので、第２蒸気圧縮式冷凍機（１２０）の圧縮機（１２１）の動力（圧縮仕事）を低減することができる。したがって、第１、２蒸気圧縮式冷凍機（１１０、１２０）と吸着式冷凍機（１３０）とを組み合わせた冷凍装置において、少ない動力で十分な冷凍能力を得ることができる。
【０００７】
なお、請求項２に記載の発明のごとく、両蒸気圧縮式冷凍機（１１０、１２０）の蒸発器を一体化してもよい。
請求項３に記載の発明では、２つの蒸発器（１１４、１２４）のうち被冷却体の流通方向上流側の蒸発器（１１４）内の圧力を下流側の蒸発器（１２４）内の圧力より高くしたことを特徴とする。
【０００８】
これにより、上流側の蒸発器（１１４）を有する蒸気圧縮式冷凍機（１１０）の低圧側と高圧側との圧力差を小さくすることができるので、第１蒸気圧縮式冷凍機（１１０）の圧縮機（１１１）の省動力化を図ることができる。なお、請求項４に記載の発明のごとく、吸着状態にある吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）の冷却作用により、両蒸気圧縮式冷凍機（１１０、１２０）のうち少なくとも一方側の凝縮器（１１２、１２２）出口側の冷媒を冷却してもよい。
【０００９】
請求項５に記載の発明では、室外熱交換器（１３４）により吸着状態にある前記吸着器（１３１ａ）内の前記吸着剤（Ｓｉ）を冷却し、吸着状態にある吸着器（１３１ａ）の冷却作用により凝縮器（１１２）を冷却する場合と、凝縮器（１１２）にて発生する熱により前記吸着剤（Ｓｉ）を加熱するとともに、前記室外熱交換器（１３４）により再生状態にある前記吸着器（１３１ａ）内の前記液冷媒を冷却して吸着された蒸気冷媒を脱離再生する場合とを一定時間毎に切り替えることを特徴とする。これにより、請求項１〜４に記載の発明と同等の効果を得ながら、冷凍装置の構成を簡素なものとして、冷凍装置の製造原価低減を図ることができる。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る冷凍装置１００を室内の冷房を図る空調装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係る冷凍装置１００の模式図である。
図１中、１１０、１２０はフロンを冷媒とする第１、２蒸気圧縮式冷凍機であり、これら第１、２蒸気圧縮式冷凍機１１０、１２０は、周知のごとく、第１、２圧縮機１１１、１２１、第１、２凝縮器（放熱器）１１２、１２２、第１、２減圧器１１３、１２３、蒸発器１１４および第１、２アキュームレータ１１５、１２５を有して構成されている。なお、本実施形態では、第１、２蒸気冷凍機１１０、１２０の蒸発器は、一体化されている。
【００１２】
因みに、第１、２圧縮機１１１、１２１は電動モータ（図示せず）により駆動されるとともに、その回転数は電動モータを制御することにより行われ、第１、２減圧器１１３、１２３はキャピラリーチューブ等の固定絞り手段である。
また、蒸発器１１４は冷媒を蒸発させることにより室内空気（被冷却体）を冷却するものであり、第１、２アキュームレータ１１５、１２５各々は蒸発器１１４から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を第１、２圧縮機１１１、１２１の吸入側に流出するものである。
【００１３】
１３１ａ、１３１ｂは内部が略真空（０．１ｍｍＨｇ）に保持された第１、２吸着器であり、この第１、２吸着器１３１ａ、１３１ｂ内には、液冷媒（本実施形態では水）Ｌｒと、蒸発した液冷媒（水蒸気）を吸着する吸着剤（本実施形態ではシリカゲル）Ｓｉとが収納されている。
そして、吸着剤Ｓｉが配設されている部位には第１、２吸着剤熱交換器１３２ａ、１３２ｂが配設され、液冷媒Ｌｒが位置している部位には第１、２水熱交換器１３３ａ、１３３ｂが配設されており、各熱交換器１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂ内には熱交換媒体（本実施形態では水）が循環している。
【００１４】
また、１３４は室外に配設されて熱交換媒体と室外空気とを熱交換する室外熱交換器であり、１３５ａ〜１３５ｃは、熱交換媒体を循環させる第１〜３ポンプである。そして、各熱交換器１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂ、１３４および凝縮器１１２、１２２間における熱交換媒体の流通状態の制御は、第１〜４四方弁１３６ａ〜１３６ｄを切り替え制御することにより行われる。なお、第１〜４四方弁１３６ａ〜１３６ｄおよび第１〜３ポンプ１３５ａ〜１３５ｃは、電子制御装置（図示せず）により作動制御されている。
【００１５】
そして、本実施形態では、第１、２吸着器１３１ａ、１３１ｂおよび各熱交換器１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂ、１３４等から吸着式冷凍機１３０が構成されている。次に、冷凍装置１００の作動を述べる。図１は第１吸着器１３１ａが吸着状態にあり、第２吸着器１３１ｂが再生状態にあるときを示しており、第１吸着器１３１ａ内では液冷媒Ｌｒの蒸発が進行するので、第１水熱交換器１３３ａを流通する熱交換媒体が冷却されて第２凝縮器１２２を冷却する。同時に、蒸発器１１４により室内空気（被冷却体）が冷却される。
【００１６】
このとき、第１吸着剤熱交換器１３２ａには、室外熱交換器１３４にて室外空気で冷却された熱交換媒体が流通しているので、吸着剤Ｓｉが冷却される。したがって、吸着剤Ｓｉの温度上昇が抑制されるので、吸着剤Ｓｉの吸着能力の低下を防止して、吸着式冷凍機１３０の冷却能力の低下を防止する。一方、第２吸着剤熱交換器１３２ｂには、第１凝縮器１１２にて加熱された熱交換媒体が流通するので、第２吸着器１３１ｂの吸着剤Ｓｉは吸着した水蒸気を脱離する。また、第２水熱交換器１３３ｂには室外熱交換器１３４にて室外空気で冷却された熱交換媒体が流通しているので、脱離した水蒸気が凝縮して再生する。
【００１７】
そして、電子制御装置は、第１〜４四方弁１３６ａ〜１３６ｄを一定時間毎に切り替える制御することにより、両吸着器１３１ａ、１３１ｂが交互に吸着状態と再生状態とになるように制御している。因みに、図２は第２吸着器１３１ｂが吸着状態で第１吸着器１３１ａが脱離状態の場合の模式図である。
なお、図３は、吸着器１３１ａ、１３１ｂ内の吸着剤Ｓｉの状態を示す吸着等温線であり、吸着剤Ｓｉの水分吸着率は、図３に示すように、吸着剤Ｓｉの温度および液冷媒Ｌｒの温度によって決定される。そして、吸着剤Ｓｉは、Ａ点（再生状態）とＢ点（吸着状態）との差分の水分を吸着するととともに、その吸着水分量に対応する蒸発潜熱が吸着冷凍機１３０の冷凍能力となる。
【００１８】
因みに、図３から明らかなように、第１〜４四方弁１３６ａ〜１３６ｄを切り替える時間は、吸着剤Ｓｉの種類、吸着剤Ｓｉの粒径、吸着剤Ｓｉの充填量などによって適宜選定されるものであるが、本実施形態では、約２〜１０分毎に切り替えている。また、第１、２蒸気圧縮式冷凍機１１０、１２０は、圧縮機１１１の回転数を制御することにより、蒸発器１１４内（低圧側）の冷媒温度及び圧力が所定値（温度：約５［℃］、圧力：０．３５［ＭＰａ］）となるように制御されている。
【００１９】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
本実施形態によれば、吸着式冷凍機１３０により第２凝縮器１２２が冷却されるので、第２凝縮器１２２内の圧力を下げることができる。したがって、第２圧縮機１２１の動力（圧縮仕事）を低減することができるので、第１、２蒸気圧縮式冷凍機１１０、１２０と吸着式冷凍機１３０とを組み合わせた冷凍装置１００において、少ない動力で十分な冷凍能力を得ることができる。
【００２０】
以下、本実施形態の特徴を具体的な例を挙げて説明しておく。
仮に、第１蒸気圧縮式冷凍機１１０の高圧側（第１凝縮器１１２側）の冷媒温度を４５℃とし、圧力を１．１［ＭＰａ］とした場合の成績係数（ＣＯＰ）は、約３．６である（図４の実線参照）。したがって、Ｘ［Ｗ］の冷凍能力を得るには、第１圧縮機１１１の動力（圧縮仕事）として０．２８Ｘ［Ｗ］必要とする。
【００２１】
一方、第２凝縮器１２２は、図４の破線に示すように、吸着式冷凍機１３０により冷却されて圧力が低下する（１．１→０．７［ＭＰａ］）ので、第２圧縮機１２１の動力が低減することに伴って成績係数が約６．３となり、Ｘ［Ｗ］の冷凍能力を得るのに、第２圧縮機１２１の動力として０．１６Ｘ［Ｗ］必要とする。
【００２２】
室内で必要とする冷凍能力をＸ［Ｗ］として、その冷凍能力（Ｘ［Ｗ］）を両蒸気圧縮式冷凍機１１０、１２０で等分負担すれば、第１圧縮機１１１の動力は０．１４Ｘ［Ｗ］となり、第２圧縮機１２１の動力は０．０８Ｘ［Ｗ］となる。したがって、吸着式冷凍機１３０と組み合わせることなく、１つの蒸気圧縮式冷凍機にて冷凍能力Ｘ［Ｗ］を得る場合（０．２８Ｘ［Ｗ］）に比べて、冷凍装置１００に投入する動力（圧縮機の圧縮仕事）を約２１％省動力化することができる。
【００２３】
（第２実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、第１蒸気圧縮式冷凍機１１０用の第１蒸発器１１４、および第２蒸気圧縮式冷凍機１２０用の第２蒸発器１２４をそれぞれ独立に設けるとともに、両蒸発器１１４、１２４を空気流れに直列に配設して上流側の蒸発器（本実施形態では第１蒸発器１１４）内の圧力を下流側の蒸発器（本実施形態では第２蒸発器１２４）内の圧力より高くなるように、第１、２減圧器１１３、１２３および第１、２圧縮機１１１、１２１を設定制御したものである。
【００２４】
これにより、第１蒸気圧縮冷凍機１１０の低圧側（第１蒸発器１１４）と高圧側（第１凝縮器１１２側）との圧力差を小さくすることができるので、第１圧縮機１１１の省動力化を図ることができる。なお、第１蒸発器１１４内の圧力が上昇するので、第１蒸発器１１４の温度が上昇して第１蒸気圧縮冷凍機１１０の冷凍能力が低下するおそれがある。しかし、第１蒸発器１１４は空気流れ上流側に位置しているので、流通空気（室内空気）と第１蒸発器１１４との間で十分な温度差を得ることができる。したがって、第１蒸気圧縮冷凍機１１０での冷凍能力の低下を抑制できるので、実用上、十分な冷凍能力を得ることができる。
【００２５】
（第３実施形態）
本実施形態は、図６に示すように、両蒸気圧縮式冷凍機１１０、１２０のうち少なくとも一方側の凝縮器（本実施形態では第１凝縮器１１２）出口側の冷媒を冷却するサブクーラ（過冷却器）１４０を、吸着状態にある吸着器により冷却するように構成したものである。
【００２６】
これにより、第１蒸発器１１４の入口側と出口側との比エンタルピ差を大きくすることができるので、第１圧縮機１１１の動力を上昇させることなく、冷凍能力の増大（成績係数の向上）を図ることができる。なお、本実施形態は、第２蒸気圧縮式冷凍機１２０、又は両蒸気圧縮式冷凍機１１０、１２０にサブクーラ１４０を設けてもよい。
【００２７】
（第４実施形態）
本実施形態は、図７に示すように、第２蒸気圧縮式冷凍機１２０を廃止して蒸気圧縮式冷凍機を１つ（第１蒸気圧縮式冷凍機１１０のみ）とするとともに、吸着式冷凍機１３０の第２吸着器１３１ｂを廃止して吸着器を１つ（第１吸着器１３１ａのみ）としたものである。
【００２８】
そして、吸着状態にある吸着器１３１ａの冷却作用により第１凝縮器１１２を冷却する場合と、第１凝縮器１１２にて発生する熱により吸着剤Ｓｉを加熱して吸着された蒸気冷媒を脱離再生する場合とを一定時間毎に切り替えることにより、疑似的に第１実施形態に係る冷凍装置１００と同等としたものである。これにより、第１実施形態に係る冷凍装置１００と同等の効果を得ながら、冷凍装置１００の構成を簡素なものとして、冷凍装置１００の製造原価低減を図ることができる。
【００２９】
ところで、上述の実施形態では、吸着剤Ｓｉとしてシリカゲルを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸着剤Ｓｉとして活性炭、ゼオライト、活性アルミナなどを用いてもよい。
また、上述の実施形態では、液冷媒として水を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルコール、フロンなど吸着剤Ｓｉに吸着されるものであれば、その他の物であってもよい。
【００３０】
また、上述の実施形態では、圧縮機１１１に液冷媒が吸入されることを防止すべく、アキュームレータ１２５を設けたが、アキュームレータ１２５を廃止して、減圧器１１３として、蒸発器１１４の出口側加熱度を所定値となるように減圧度（開度）を調節する温度式膨張弁を用いてもよい。なお、この場合に、凝縮器１１２の出口側にレシーバを設けてもよい。
【００３１】
また、上述の実施形態では、本発明に係る冷凍装置１００を空調装置に適用したが、本発明に係る冷凍装置は空調装置にその適用が限定されるものではなく、その他の物を冷却する冷凍装置としても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍装置において、第１吸着器が吸着状態にある場合の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る冷凍装置において、第２吸着器が吸着状態にある場合の模式図である。
【図３】吸着剤の状態を示す吸着等温線である。
【図４】蒸気圧縮式冷凍機のモリエル線図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る冷凍装置の模式図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る冷凍装置の模式図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係る冷凍装置の模式図である。
【符号の説明】
１１０…第１蒸気圧縮式冷凍機、１１１…第１圧縮機、１１２…第１凝縮器、
１１３…第１減圧器、１１４…蒸発器、１１５…第１アキュームレータ、
１２０…第２蒸気圧縮式冷凍機、１２１…第２圧縮機、１２２…第２凝縮器、
１２３…第２減圧器、１２５…第２アキュームレータ、
１３０…吸着式冷凍機、１３１ａ…第１吸着器、１３１ｂ…第２吸着器、
１３２ａ…第１吸着剤熱交換器、１３２ｂ…第２吸着剤熱交換器、
１３３ａ…第１水熱交換器、１２３ｂ…第２水熱交換器、
１３４…室外熱交換器。

Claims

圧縮機（１１１、１２１）、凝縮器（１１２、１２２）、減圧器（１１３、１２３）および蒸発器（１１４、１２４）を有し、前記蒸発器（１１４、１２４）にて被冷却体を冷却する第１、２蒸気圧縮式冷凍機（１１０、１２０）と、
蒸気冷媒を吸着する吸着剤（Ｓｉ）および液冷媒が収納された第１、２吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）ならびに前記蒸気冷媒および前記液冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器（１３４）を有する吸着式冷凍機（１３０）とを備え、
前記両吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）を吸着状態と吸着された蒸気冷媒を脱離再生する再生状態とに一定時間毎に切り替え、
前記第１蒸気圧縮式冷凍機（１１０）の凝縮器（１１２）にて発生する熱により、再生状態にある前記吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）内の前記吸着剤（Ｓｉ）を加熱するとともに、前記室外熱交換器（１３４）により再生状態にある前記吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）内の前記液冷媒を冷却し、
前記室外熱交換器（１３４）により吸着状態にある前記吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）内の前記吸着剤（Ｓｉ）を冷却し、吸着状態にある前記吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）の冷却作用により、前記第２蒸気圧縮式冷凍機（１２０）の凝縮器（１２２）を冷却することを特徴とする冷凍装置。
前記両蒸気圧縮式冷凍機（１１０、１２０）の蒸発器を一体化したことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
前記被冷却体は流動性を有する流体であり、
前記第１蒸気圧縮式冷凍機（１１０）の前記蒸発器（１１４）と前記第２蒸気圧縮式冷凍機（１２０）の前記蒸発器（１２４）とは、前記被冷却体の流通方向に直列に並んで配設され、
さらに、前記２つの蒸発器（１１４、１２４）のうち前記被冷却体の流通方向上流側の蒸発器（１１４）内の圧力は、下流側の蒸発器（１２４）内の圧力より高いことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
吸着状態にある前記吸着器（１３１ａ、１３１ｂ）の冷却作用により、前記両蒸気圧縮式冷凍機（１１０、１２０）のうち少なくとも一方側の前記凝縮器（１１２、１２２）出口側の冷媒を冷却することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷凍装置。
圧縮機（１１１）、凝縮器（１１２）、減圧器（１１３）および蒸発器（１１４）を有し、前記蒸発器（１１４）にて被冷却体を冷却する蒸気圧縮式冷凍機（１１０）と、
液冷媒および蒸気冷媒を吸着する吸着剤（Ｓｉ）が収納された吸着器（１３１ａ）ならびに前記蒸気冷媒および前記液冷媒と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器（１３４）を有する吸着式冷凍機（１３０）とを備え、
前記室外熱交換器（１３４）により吸着状態にある前記吸着器（１３１ａ）内の前記吸着剤（Ｓｉ）を冷却し、吸着状態にある前記吸着器（１３１ａ）の冷却作用により前記凝縮器（１１２）を冷却する場合と、前記凝縮器（１１２）にて発生する熱により前記吸着剤（Ｓｉ）を加熱するとともに、前記室外熱交換器（１３４）により再生状態にある前記吸着器（１３１ａ）内の前記液冷媒を冷却して吸着された蒸気冷媒を脱離再生する場合とを一定時間毎に切り替えることを特徴とする冷凍装置。