JP4074399B2 - 吸着式冷凍システムの作動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体吸着材の冷媒吸脱着作用を利用して冷凍運転を行う吸着式冷凍システムの作動方法、特に固体吸着材の冷媒吸脱着手段に新規性を加えた蒸気冷凍システムの作動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
吸着式冷凍機は吸着材をあるサイクルタイムで吸脱着を交互に繰り返すことにより吸着時に蒸発器の冷媒を吸着し、蒸発するときの冷媒の蒸発潜熱で蒸発器より冷水を出力するものであり、本出願前より既に公知である。（例えば特公平６−２３６２８号公報参照）
【０００３】
ところで、この種吸着式冷凍機では、吸着を終了した吸着材は次の吸着をさせるために加熱源で加熱され、吸着した冷媒を脱着しなければならない。
そのため吸着材を加熱、冷却するための熱交換器が利用されているが、従来の吸着式冷凍機における吸着材への熱交換器構造は吸着材に接する熱交換器が加熱時と冷却時に共用され、同一回路におけるサイクルタイム毎に主として脱着時には温水が、吸着時には冷却水が交互に流入するように構成され、具体的には吸着材、伝熱管、フィンが隣接した構造となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、一般的な管体の熱交換器は、伝熱管の管内を流れる物質と、伝熱管の管外を流れる物質は、双方とも移動又は流動することを前提として考えられた構造であり、前記の如く移動又は流動することができることにより、その速さ（水速など）やフィンの形状に工夫をすることにより管内で流動している物質と伝熱管との熱伝達と、伝熱管と管外を流動する物質との熱伝達のバランスを調整することができる。
【０００５】
ところが、吸着式冷凍機に使用している吸着材はシリカゲル、ゼオライト、活性炭、活性アルミナ層などの固体吸着材で、熱伝導に劣っている物質であり、又、固体で流動性がないため、フィンとの熱伝達にも劣っている。そのため、吸着材を加熱、冷却するためには多数のフィンが設置された熱交換器のフィン間に吸着材を充填する構造が必要であり、現在、そのような構造として用いられているが、流動性がない管外物質と伝熱管との熱伝達と管内を流動している物質と伝熱管との熱伝達を比較した場合、前者が後者より大幅に劣っており、バランスできていない。
この時、伝熱管の使用する量は、性能が劣っている方、即ち管外を基準に決定される。この場合は、流動性がない管外物質（吸着材）と伝熱管の熱性能による。
【０００６】
一般的に、伝熱管は耐食性を考慮して銅が使用され、形状は、水圧を考慮して管形状であり、管内側から考えた場合、耐食性、耐水圧を考慮して、伝熱管として銅管を使用するのは最適であるが、使用量は管外側の熱特性で決定されているため必要以上になり、機械のコスト、大きさに悪影響を及ぼしているのが現状である。
しかも、管外側から考えた場合、伝熱管の使用量は最適であるが、耐食性、耐水圧を考慮した銅管を必要としていない。
このように、管内側と管外側にアンバランスが生じているのは、伝熱管という管体を使用しているために生じている。
【０００７】
また、前述のように吸着式冷凍機は、吸着を終了した吸着材に対し次に吸着をさせるために加熱源で加熱して吸着した冷媒を脱着させなければならないが、吸着材を加熱又は冷却するための伝熱管に例えば加熱源としての温水と例えば冷却源としての冷却水が交互に流入する構造では脱着時に必要な熱量として、冷媒を脱着させるための熱量以外に、吸着時に冷却源で冷却された吸着材、吸着材を加熱、冷却する熱媒流路としている熱交換器の部品（伝熱管、フィンｅｔｃ）およびその熱交換器の内部に残っていた吸着時の冷却源物質を加熱させるための熱量が必要になる。
通常、後者の熱量が少ない程、冷凍機の成績係数は向上するとされるが、しかし、前述の後者の熱量の内、熱交換器の内部の吸着時に残っていた冷却源物質を加熱させるための熱量が占める比率が大きいため成績係数が向上しないのが現状である。
【０００８】
しかも、前記従来の方式では吸着材を加熱、冷却する熱媒流路が共用されているため熱交換器の構造上、加熱源流体の相と冷却源流体の相が同一でなければならなかった。例えば、加熱源に温水などの液体を使用する場合は、冷却源も冷却塔の冷却水などの液体を、又、加熱源に蒸気も排ガスなどの気体を使用する場合は、冷却源も空気などの気体を使用しなければならなかった。
また、運転時には加熱源物質と冷却源物質が、あるサイクルタイム毎に交互に流入されることにより、加熱源分室と冷却源物質が混合することがあり、例えば、加熱源にボイラー温水の水質が冷却塔の水質と同等になることによりボイラーに悪影響を与えていた。
そこで、これを防止するために、温水系に熱交換器を設置したり、冷却塔に密閉式冷却塔を使用していたため設備コストが必要であった。
【０００９】
本発明は、上述の如き実状に鑑み、これに対処し、特に外部からの熱の出入りを可能にする伝熱面を加熱専用伝熱面と冷却専用伝熱面に分離せしめることを見出すことにより、管内側と管外側に最適状熱交換器を構成することができ、コスト、大きさに有効で、かつ脱着時に冷媒を脱着させる熱量以外の熱量を少なくして、成績係数を向上させ得ると共に、加熱源流体の相と冷却源流体の相を同一にする必要もなく、また加熱源物質と冷却源物質も混合しない吸着式冷凍システムの作動方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち、上記目的に適合し、該目的を達成する本発明はその基本として真空容器内を一面が固体吸着材を加熱、冷却する第１の伝熱面であり、他面が熱媒体の接触する第２の伝熱面である隔壁により２つの領域に区分し、第１の伝熱面側領域に固体吸着材を保有せしめた熱交換器を複数個使用し、各熱交換器の第１の伝熱面側領域を夫々バルブを介して共用の凝縮器及び蒸発器に接続せしめると共に、各熱交換器の第２の伝熱面側の領域に熱媒体を加熱する加熱装置と、熱媒体を冷却する冷却装置とを共用して夫々バルブを介して分離、接続せしめた吸着式冷凍システムにおいて、冷却されている第２の伝熱面側で加熱した熱媒体を凝縮液化させて凝縮液化時の凝縮熱により固体吸着材を加熱して冷媒蒸気の脱着を行う一方、加熱されている第２の伝熱面側で冷却した熱媒体を蒸発気化させて蒸発気化時の蒸発熱により固体吸着材を冷却した冷媒蒸気を吸着する吸脱着工程を繰り返すと共に、少なくとも１つの熱交換器を吸着工程に保持させて蒸発器より連続的に冷熱を出力せしめるにあたり、複数個の熱交換器のうち、吸着工程にある熱交換器の第２の伝熱面側領域と、脱着工程にある熱交換器の第２の伝熱面側領域との間にバルブを具えた配管を設け、吸脱着の切換の合間にバルブを開けて脱着を終了した熱交換器の第２の伝熱面を冷却せしめると共に、一方、バルブを通過して吸着を終了した熱交換器の第２の伝熱面で凝縮液化された熱媒体の凝縮熱により吸着を終了した熱交換器の第２の伝熱面を加熱せしめることを特徴とする。
【００１３】
上記本発明において、熱媒体を加熱する加熱源流体と、熱媒体を冷却する冷却源流体に異なる相の流体を用いることも好ましく、また第１の伝熱面に保有される固体吸着材を薄いボード状形成品にして熱や冷媒蒸気の出入りをし易くすることも好適である。更に上記発明における冷却装置の態様として冷却装置で冷却された熱媒体をポンプを介し第２の伝熱面に散布して、該伝熱面で蒸発気化させることも好適である。
【００１４】
【作用】
上記本発明によれば、複数の熱交換器が使用され、各熱交換器において吸着材脱着時の加熱は熱源装置からのバルブを開けると蒸発気化した熱媒体は直前の吸着時に冷却された隔壁の第２の伝熱面側の表面で凝縮液化し、その凝縮熱で隔壁の反対側の吸着材を加熱し、冷媒蒸気が吸着材より脱着される。そして、隔壁の第２の伝熱面側の表面で凝縮液化した熱媒体は、隔壁の第２の伝熱面の表面より離脱しバルブより熱源装置に戻る。
【００１５】
一方、吸着材より脱着された冷媒蒸気は第１の伝熱面領域に接続されたバルブを介して接続されている凝縮器で凝縮液化され、配管より蒸発器に冷媒液として戻る。
【００１６】
次に吸着材の吸着時の冷却は、第２の伝熱面側に接続されたバルブを介して冷却装置が接続されており、冷却装置には内部に冷却手段が用意されているので、この状態でバルブを開け、ポンプより熱媒体を隔壁の第２の伝熱面の表面に散布すると、直前の脱着時に加熱された隔壁の第２の伝熱面の表面で熱媒体は蒸発気化し、その蒸発熱により隔壁の反対側の吸着材を冷却して冷媒蒸気が吸着される。
そして、吸着材に吸着される冷媒蒸気は接続されたバルブを介して接続されている蒸発器より蒸発気化された冷媒液であり、その蒸発潜熱で蒸発器より冷熱が出力される。
かくして、冷媒の吸脱着作用により所期の冷凍出力を得ることを可能ならしめる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、更に添付図面にもとづいて本発明の具体的な態様を説明する。
【００１８】
図１は本発明に使用される吸着式冷凍システムの熱交換器の概要を示し、図において、３は同システムの中心をなす熱交換器で、大気と隔絶された真空容器Ａ内を隔壁１により上下２つの領域４、５に区分することによって形成されており、隔壁１の上面側は固定吸着材を加熱、冷却する第１の伝熱面となり、下面側は熱媒体の接触する第２の伝熱面となって、第１の伝熱面側の領域４に冷媒蒸気の吸脱着する固体吸着材２が充填保有されている。
【００１９】
固体吸着材２は吸着式冷凍機に一般に用いられているシリカゲル、ゼオライト、活性炭、活性アルミナ等が用いられ、伝熱面をなす隔壁１は特に固定吸着材２の加熱、冷却面である第１の伝熱面は加熱、冷却を効果的ならしめるため、熱的性能のよい材質、構造によって構成されており、図示の如く、フィン６を設けることも効果的である。
【００２０】
なお、固定吸着材２は第１の伝熱面上に保有されるが、吸着時の冷媒蒸気の出入やすさや熱媒体からの熱を出入りし易くするためには層厚みの薄いボード状の形状で保有させることが好ましく、通常、係るボード状の成形品として使用する。
【００２１】
そして以上の熱交換器３において、その第１の伝熱面側の領域４にバルブ２１、２０を介して凝縮器１４及び蒸発器１５が配管１８により接続され、蒸発器１５では下部に溜まった冷媒液１９をポンプにより汲み上げ散布するようにして冷凍回路を構成していると共に、第２の伝熱面側の領域５にはバルブ９を介して熱媒体を加熱する熱源装置７と、バルブ１０を介して冷却装置８が分離して接続されている。
【００２２】
熱源装置７は外部からの加熱手段１１により熱媒体１３に熱が与えられるようになっており、一方、冷却装置８は冷却手段１２が配設されていると共に、下部のポンプ１６を介し散布管１７が付設されていて、ポンプ１６より汲み上げられた熱媒体１３を散布管１７により第２の伝熱面に向かって散布するようになっている。
【００２３】
ここで用いられる熱媒体は作動温度範囲で蒸発、凝縮可能な水、アルコール、アンモニア等であり、第１の伝熱面と第２の伝熱面への熱伝達は上記熱媒体の蒸発、凝縮の潜熱によって行われることは本発明の重要な特徴である。
また、熱媒体の加熱源流体と冷却源流体の相は通常、同一の相の流体が用いられるが、必らずしも同一である必要はなく、異なる相の流体の使用も可能である。
【００２４】
次に以上の冷凍システムにおける吸着材の冷媒脱着時の加熱ならびに冷媒吸着時の冷却について説明すると、先ず脱着時の加熱は第２の伝熱面側領域５に接続された熱源装置７で、外部から８５℃の温水の流通による加熱手段１１によって装置内の熱媒体１３に熱が与えられ、この状態でバルブ９を開けると、熱源装置７より蒸発気化した熱媒体１３は直前の吸着時に冷却された第２の伝熱面表面で凝縮液化し、その凝縮熱で隔壁１の第１の伝熱面領域４の吸着材２を加熱し、冷媒蒸気が吸着材２より脱着される。そして、隔壁１の第２の伝熱面表面で凝縮液化した熱媒体１３は隔壁１の第２の伝熱面表面より離脱し、バルブ９より熱源装置７に戻る。
このとき吸着材２より脱着された冷媒蒸気は第１の伝熱面領域４に接続されたバルブ２１を介して凝縮器１４に至って、凝縮液化され、配管１８より蒸発器１５に冷媒液として戻る。
【００２５】
一方、冷媒吸着時の冷却は、第２の伝熱面側領域５に接続された冷却装置８内に、例えば３１℃の水を流通する冷却手段１２が用意されており、この状態でバルブ１０を開け、ポンプ１６より熱媒体１３を汲み上げ、散布管１７より第２の伝熱面表面に散布すると、直前の脱着時に加熱された隔壁１の第２の伝熱面表面で熱媒体１３は蒸発気化し、その蒸発熱により隔壁１の第２の伝熱面側領域４の吸着材２を冷却し、冷媒蒸気が吸着される。
【００２６】
このとき吸着材に吸着される冷媒蒸気は、第１の伝熱面側領域４に接続されたバルブ２０を介して接続されている蒸発器１５より蒸発気化された冷媒液１９であり、前記の蒸発潜熱で蒸発器１５より冷熱が出力され、冷凍作用に付される。
【００２７】
なお、以上において、冷媒液１９と熱媒体１３が同一の物質、例えば水であれば凝縮器１４と冷却装置８はあえて分離しなくてもよい。
また、吸着材２の脱着加熱時に、加熱装置７より蒸発気化した熱媒体１３が第２の伝熱面表面で凝縮液化し、加熱した時、第２の伝熱面表面より離脱せず、保持できる構造である場合は、吸着材２の冷却が可能なためポンプ１６及び散布管１７は特に必要なく、省略することができる。
なお、冷凍回路における凝縮器１４は通常、３１℃の冷却水配管が収蔵されており、蒸発器１５には通常、１２℃程度の冷水が流通する冷水配管が収蔵されている。
【００２８】
図２は上記図１に示す冷凍システムにもとづいて吸着材２への熱交換器３を２個設置した本発明に係る場合であり、２個の吸着材への熱交換器３のうち、何れか一方が交替して吸着することにより連続的に蒸発器１５から冷熱を出力することができる。
この場合は熱源装置７と冷却装置８及び凝縮器１４と蒸発器１５を夫々両熱交換器３が共用しているため、図１におけるバルブ９、１０及び２０、２１が夫々バルブ９、９ａ、１０，１０ａ、２０、２０ａ、２１、２１ａとして各２個宛２方に分かれて設けられていると共に、ポンプ１６より散布管１７に至る配管にもバルブ１０′、１０′aが設けられていて、適宜、交互に切り換え開閉し得るようになっているが、各熱交換器３、３における冷媒吸着脱着作用は前記図１における説明と同様である。
【００２９】
また、図３は上記図２に示すシステムにおいて、更にバルブ２２を両熱交換器３、３の第２の伝熱面側領域５、５管に設置したものであり、吸脱着の切り換えの合間にバルブ２２を開けると、脱着を終了した吸着材２への熱交換器３の第２の伝熱面側領域５から熱媒体１３が蒸発気化し、その蒸発熱で脱着を終了した吸着材２への熱交換器３は冷却され、気化した熱媒体１３はバルブ２２を通過して吸着を終了した吸着材への熱交換器３の第２の伝熱面側領域５で凝縮液化し、その凝縮熱で吸着を終了した吸着材への熱交換器を加熱することが可能となり、バルブ２２を通過した蒸気の潜熱分だけ吸脱着の切り換え時に余熱回収したことになり、成績係数を向上させることができる。
なお、以上は熱交換器が２個の場合であるが、熱交換器を複数個用いたときもその応用として同様に作用させることができる。
【００３０】
以上の各冷凍システムの吸脱着時の加熱、冷却は、加熱装置７、冷却装置８と吸着材の加熱、冷却面である隔壁１が隣接していないため、隔壁１の形状は吸着材に適した形状とすることができる。
例えば吸着材を薄いボード状の成形品にして、熱や冷媒蒸気の出入りをし易い形状にするなどである。
【００３１】
また隔壁１の第２の伝熱面側領域５の操作には不凝縮ガスのない状態で行うことにより隔壁１は耐食性、耐水圧性の考慮を必要としない構造、材質の採用が可能である。
以下、更に本発明システムと従来システムとの対比結果を示す。
【００３２】
表１は同じ容量の吸着材を充填した熱交換器での、ある吸着終了温度から必要加熱温度まで上昇させなければならない熱量について比較したものである。
以下余白
【００３３】
【表１】

【００３４】
上記表１より本発明システムは耐食性、耐水圧性を考慮しなくてよい分、「熱交換器及び部品の熱量」は７３％に低減でき、加熱装置７及び冷却装置８の熱媒体１３の凝縮、蒸発潜熱により加熱、冷却作用を行うことにより「熱交換器の内部の熱媒体の熱量」は８％に低減でき全体で４９％まで低減できることが分かった。
【００３５】
【発明の効果】
本発明は以上のように、真空容器内を、一面が固体吸着材を加熱、冷却する第１の伝熱面であり、他面が熱媒体の接触する第２の伝熱面である隔壁により２つの領域に区分し、第１伝熱面側の領域に冷媒蒸気の脱着する固定吸着材を保有せしめた熱交換器を複数個使用し、各熱交換器の第１の伝熱面側領域を夫々バルブを介して共用の凝縮器及び蒸発器に接続する一方、各熱交換器の第２の伝熱面側の領域に、熱媒体を加熱する熱源装置と、熱媒体を冷却する冷却装置とを共用して夫々バルブを介して分離接続せしめた吸着式冷凍システムにおいて、熱源装置の加熱手段により熱媒体に熱を与え、冷却されている隔壁の第２の伝熱面で該熱媒体を凝縮液化して、その凝縮熱で第１の伝熱面側の固定吸着材を加熱し、冷媒蒸気を脱着させると共に、冷却装置の冷却手段により熱媒体を冷却して、加熱されている第２の伝熱面で該熱媒体を蒸発気化させ、その蒸発熱で前記第１の伝熱面側の固定吸着材を冷却し、冷媒蒸気を固定吸着材に吸着させてバルブを介して接続されている蒸発器より冷熱を出力せしめるようにしたものであり、従来の吸着式冷凍機の様に加熱、冷却熱媒体の顕熱を利用しておらず、加熱、冷却熱媒体の蒸発熱、凝縮器などの潜熱を使用しているため、単位移動熱量あたりの熱媒体重量が少なくてよく、これは、脱着時に冷媒を脱着させるための熱量以外の熱量の内、吸着材を加熱、冷却する熱媒流路としている熱交換器の内部に残っていた吸着時の冷却源物質重量が少なくなる分、成績係数を向上させることができる格段の効果を有する。
【００３６】
また、本発明は隔壁の形状を吸着材に最適な形状として構成することができるため、コスト、大きさに有効な吸着式冷凍システムを形成することができると共に、熱や冷媒蒸気の出入りをし易い形状として吸着式冷凍システムの実用性を高め、全体として該システムに寄与する実効が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る冷凍システムの基本原理を示す概要図である。
【図２】 本発明に係る冷凍システムの実施例を示す概要図である。
【図３】 本発明に係る冷凍システムの他の実施例を示す概要図である。
【符号の説明】
Ａ 真空容器
１ 隔壁
２ 吸着材
３ 熱交換器
４ 第１の伝熱面側領域
５ 第２の伝熱面側領域
６ フィン
７ 熱源装置
８ 冷却装置
９ 熱源装置のバルブ
１０ 冷却装置のバルブ
１１ 加熱手段
１２ 冷却手段
１３ 熱媒体
１４ 凝縮器
１５ 蒸発器
１６ ポンプ
１７ 散布管
１８ 配管
１９ 冷媒液
２０、２１、２２ バルブ

Claims (1)

1. 真空容器内を板面が固体吸収材を加熱、冷却する第１の伝熱面であり、他面が熱媒体の接触する第２の伝熱面である隔壁により２つの領域に区分し、第１の伝熱面側の領域に固体吸着材を保有せしめた熱交換器を複数個使用し、各熱交換器の第１の伝熱面側領域を夫々バルブを介して共用の凝縮器及び蒸発器に接続せしめると共に、各熱交換器の第２の伝熱面側領域に熱媒体を加熱する加熱装置と、熱媒体を冷却する冷却装置とを共用して夫々バルブを介して分離、接続せしめた吸着式冷凍システムにおいて、冷却されている第 2 の伝熱面で加熱した熱媒体を凝縮液化させて、凝縮液化時の凝縮熱により第１の伝熱面側の固体吸着材を加熱して冷媒蒸気の脱着を行う一方、加熱されている第２の伝熱面側で冷却した熱媒体を蒸発させて、蒸気気化時の蒸発熱により前記第１の伝熱面側の固体吸着材を冷却して冷媒蒸気を固体吸着材に吸着する吸脱着工程を繰り返し、少なくとも１つの熱交換器を吸着工程に保持させて蒸発器より連続的に冷熱を出力せしめると共に、吸着工程にある熱交換器の第２の伝熱面側領域と、脱着工程にある熱交換器の第２の伝熱面側領域との間にバルブを具えた配管を設け、吸脱着の切り替えの合間にバルブを開けて脱着を終了した熱交換器の上記領域よりバルブを通過する気化熱媒体の蒸発熱により上記脱着を終了した熱交換器の第２の伝熱面を冷却せしめると共に、一方、バルブを通過して吸着を終了した熱交換器の第２の伝熱面で凝縮液化された熱媒体の凝縮熱により吸着を終了した熱交換器の第２の伝熱面を加熱せしめることを特徴とする吸着式冷凍システムの作動方法。

Images