JP4404295B2 - リヒート吸着冷凍機 - Google Patents

Description

本発明はエネルギーを有効利用するための吸着冷凍機に関する。

吸着冷凍機の従来例を図７に示す。この吸着冷凍機は熱媒として水を利用し，吸着剤としてシリカゲルあるいはゼオライトを用いている（例えば，非特許文献１参照。）。この吸着冷凍機は凝縮器１と蒸発器２，吸着剤熱交換器３Ａ，４Ａという主要機器から構成されている。

蒸発器２に噴霧された熱媒（水）は，蒸発して気化熱を奪い，配管系LEVAを循環する冷水を冷却する。そして図７の状態では，符号ＲＶ１で示す蒸発した熱媒（水蒸気）は弁ＶＲ３を経由して吸着剤熱交換器３Ａに流入し，この熱交換器３Ａに充填された吸着剤（シリカゲルまたはゼオライト）により吸着される。ここで吸着剤は水分を吸着すると発熱するため，配管系LHEXAを介して供給される冷却水により冷却される。配管系ＬHEXAに冷却水を供給するためには，冷却水供給源５と吸着剤熱交換器３Ａ間に介装された切り換え弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を図７において実線で示す系統に切り換えればよい。なお，吸着剤熱交換器３Ａと凝縮器間は弁ＶＲ１を閉じた状態にしてあるため，水蒸気は凝縮器に漏出することなく，熱交換器３Ａ中の吸着剤により十分に吸着される。

一方，図７の脱着側では吸着剤熱交換器４Ａによる吸着が完了しており，そのため吸着剤熱交換器４Ａと蒸発器間に存在する弁ＶＲ４を閉じた状態として水蒸気が流入しないようになっている。この状態では，熱交換器４Ａの吸着剤は飽和状態近くまで水蒸気を吸着しており，そのため配管系LHEXBを介して温水を供給すると，吸着された水分が吸着剤から分離して（脱着），符号ＲＶ２で示すように，開いた状態にある弁ＶＲ２を経由して凝縮器１側へ流出する。そして，吸着剤から脱着した水分（水蒸気）ＲＶ２は配管系LCONDを介して凝縮器１に供給される冷却水との熱交換により，凝縮熱を奪われて液相，すなわち水に変化する。この水は凝縮器と蒸発器間を接続している配管LCEを経由して蒸発器に流入し，噴霧される。なお，吸着剤熱交換器４Ａに温水を供給するためには，温水源７と吸着剤熱交換器４Ａ間に介装された切り換え弁Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８を切り換えて，図中において実線で示す系統に切り換えればよい。

熱交換器３Ａにおける吸着，熱交換器４Ａにおける脱着が完了すると開いた状態にある弁ＶＲ２，ＶＲ３を閉じた状態にし，吸着剤熱交換器３Ａには温水を，熱交換器４Ａには冷却水を供給する。吸着器として機能していた熱交換器３Ａは次の工程で脱着器として，脱着器として機能していた熱交換器４Ａは次の工程で吸着器として機能する。この際の切り替わりが滑らかに行われるようにするためである。なお，この温水および冷却水供給の切り換えは冷却水源５と吸着剤熱交換器３Ａ間に介装された切り換え弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６，および温水源７と吸着剤熱交換器４Ａ間に介装された切り換え弁Ｖ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８を切り換えて図中における点線の系統に切り換えればよい。

前述の工程が終了すると，熱交換器３Ａと凝縮器間に介装された弁ＶＲ１，および熱交換器４Ａと蒸発器間に介装された弁ＶＲ４を開いた状態とする。そして切り換え弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ５，Ｖ６，およびＶ３，Ｖ４，Ｖ７，Ｖ８を図中に示す点線の系統に切り替えることにより熱交換器３Ａに温水を熱交換器４Ａに冷却水を供給し，それぞれ脱着，吸着を行う。

図７で示す吸着冷凍機を一般空調用に用いる場合，吸着剤熱交換器への冷却水源５および凝縮器１の冷却水源６からの冷却水入り口温度（吸着冷凍機へ流入する際の温度）は定格温度３１℃が，蒸発器２において冷却された冷水の出口温度（吸着冷凍機から流出する際の温度）は定格温度７℃が望まれている。そして従来は，温水源７からの温水入り口温度は６５℃程度が必要とされていた。換言すれば，図７で示す吸着冷凍機では一般空調用として望まれる定格条件で運転するためには，駆動熱源温度として６５℃程度が必要とされていた。

また，駆動温度の低温下を目的として吸着・脱着器を多段に組み合わせて構築される多段型吸着冷凍機が考案され（例えば，特許文献１参照。），実証試験された（例えば，非特許文献２参照。）。しかしながら，その理論熱効率は段数の逆数倍以下と小さく，冷熱出力は小さく，実用化までには至っていない。

特開平６−１８０１５９号公報

ビショット・バラン・シャハ（Bidyut Baran Saha），外２名，「コンピュータ・シミュレーション・オブ・ア・シリカゲル・ウォーター・アドソープション・リフリージレーション・サイクル−ザ・インフルエンス・オブ・オペレーティング・コンディションズ・オン・クーリング・アウトプット・アンド・シーオーピー（Computer Simulation of a Silica Gel-Water Adsorption Refrigeration Cycle-The Influence of Operating Conditions on Cooling Output and COP）」，アメリカン・ソサイアティ・オブ・ヒーティング・リフリージレイティング・アンド・エアーコンディショニング・エンジニアーズ・トランスアクション（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Transaction），（米国），アメリカ暖房冷凍空調学会，１９９５年，第１０１号，ｐ．３４８−３５５ エリザ・デ・カストロ・ブーマン（Elisa de Castro Boelman），外２名，エクスペリメンタル・インベスティゲイション・オブ・ア・シリカゲル・ウォーター・アドソープション・リフリージレーション・サイクル−ザ・インフルエンス・オブ・オペレーティング・コンディションズ・オン・クーリング・アウトプット・アンド・シーオーピー（Experimental investigation of a sillica gel-water adsorption refrigeration cycle-the influence of operating conditions on cooling output and COP），アメリカン・ソサイアティ・オブ・ヒーティング・リフリージレイティング・アンド・エアーコンディショニング・エンジニアーズ・トランスアクション（American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers Transaction），（米国），アメリカ暖房冷凍空調学会，１９９５年，第１０１号，ｐ．３５８−３６６

６０℃以下の比較的低温度域の排熱は俗に「低質排熱」と呼ばれ，従来は単に廃棄（排熱）するのみであった。近年，省エネルギーが重要視されるようになり，このような低質排熱を有効利用することが重要となっている。

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたもので、冷却水温度が３１℃、得られた冷水の温度が７℃（定格条件による運転）であっても、６０℃以下の低質排熱を駆動熱源として利用し、かつ冷熱出力を低下させないような吸着冷凍機の提供を目的とし、特に、熱源温度の変化に対して冷熱出力を調節できる吸着冷凍機の提供を目的とする。

本発明の請求項１の発明は、「並列に設置した二組の吸着剤を充填した熱交換器（一組あたり二基）を有し、各熱交換器のそれぞれは冷却水源からの冷却水または温水源からの温水が供給され、かつ、熱交換器のそれぞれは蒸発器、凝縮器、及び、自身以外の他の熱交換器に連通可能であり、これらの熱交換器と凝縮器、および、これらの熱交換器と蒸発器とはいずれも連通せず、かつ、これらの熱交換器を気相熱媒用の配管で連通する蒸気再生工程において、脱着工程終了時の熱交換器に温水を引き続き供給し、かつ、吸着工程終了時の熱交換器に冷却水を引き続き供給する一方で、連続的に冷熱を出力するために、凝縮器と温水を供給する別の脱着側熱交換器を気相熱媒用の配管で連通し、かつ、蒸発器と冷却水を供給する別の吸着側熱交換器を気相熱媒用の配管で連通した吸着冷凍機であって、工程切替時間を制御することによって熱源温度の変化に対して冷熱出力を調節できる吸着冷凍機。」を要旨とする。吸着冷凍機における脱着工程側の熱交換器内の圧力は高く、吸着工程側の熱交換器内の圧力は低い。このため、脱着工程側の熱交換器と吸着工程側の熱交換器を接続することで２つの熱交換器内の圧力は平衡状態になるべく、圧力の高い脱着側の熱交換器から圧力の低い吸着側の熱交換器へ水蒸気は移動する。さらに、脱着工程側の熱交換器に脱着用温水を流しつづけ、かつ、吸着工程側の熱交換器に冷却水を流しつづけることにより水蒸気の移動量と移動速度をさらに増加させて吸着量の変化量を増大させることができる。また、特に重要なことは、切替時間を制御することによって熱源温度の変化に対して冷熱出力を調節できる、点であり、切替時間を短くとれば従来の短段型サイクルと同程度の温度域で出力を確保できる一方、切替時間を長くとれば従来の二段型サイクルと同程度の温度域で出力を確保することができることである。

本発明の請求項２の発明は、「吸着準備工程の熱交換器を通過した後の冷却水を脱着準備工程の熱交換器に供給し、脱着用温水の使用量を削減した請求項１に記載した吸着冷凍機。」を要旨とし、請求項１の発明に加え、吸着準備工程の熱交換器を通過した冷却水は吸着剤との熱交換により熱を回収し、熱回収した冷却水の温度レベルは再生温水温度よりも低いが脱着準備工程の熱交換器に供給されることにより脱着用熱源の一部として機能する。

本発明の請求項３の発明は、「脱着工程終了時の熱交換器と吸着工程終了時の熱交換器が気相熱媒用の配管で連通している間に脱着工程終了時の熱交換器に流す温水流量を任意に調整して温水の使用量を削減した請求項１に記載した吸着冷凍機。」を要旨とし、請求項１の発明に加え、脱着側熱交換器と吸着側熱交換器を接続している間に流す温水流量をポンプなどの回転数を制御して任意に調整することにより、温水使用量を削減する。

（３）
請求項３記載の発明では請求項１記載の脱着側熱交換器と吸着側熱交換器を接続している間に流す温水流量をポンプなどの回転数を制御して任意に調整することにより，温水使用量を削減する。

このことから脱着準備工程に供給されていた脱着用温水の使用量を削減することができ更なる高効率化が望めることになる。

本発明の作用効果を以下に列挙する。

（１）６０℃以下の低質排熱（低温排熱）が吸着冷凍機の熱源として有効利用される。

（２）省エネルギーの要請に応えることができる。

（３）４ベッド構成のため連続して冷熱出力が可能。

（４）工程切り替え時間（サイクル時間）を制御することにより，冷房能力は単段型吸着冷凍機のそれよりも大きくすることができ，取り出される冷水温度は低くなる。

（５）常に蒸発器といずれかの吸着熱交換器が接続されて蒸発が行われるため，取り出される冷水温度が安定している。

冷房能力や成績係数ＣＯＰの計算条件を図８に示す。計算では駆動熱源温度を５０℃から９０℃まで，冷却水供給温度を３０℃，吸着冷凍機に流入する冷水温度を１４℃としている。本サイクルのサイクル時間として１３００秒と３４００秒の２通りを例にとって検討した。それぞれの各工程の時間の例も図８に示す。

冷房能力について従来型である単段型および二段型と比較を行った結果を図９に示す。サイクル時間が１３００秒と短い条件では，駆動熱源温度が５０℃から９０℃の間において冷房能力は単段型を３〜２５％上回っている。また，駆動熱源温度が６５℃以下ではサイクル時間が３４００秒と長い条件においては，２１％から２００％の冷房能力の増大が見積もられる。二段型と比較を行った結果ではサイクル時間が３４００秒と長い条件では，駆動熱源温度が５０℃から７０℃の間において冷房能力は二段型と同等である。また，駆動熱源温度が７５℃では９％の冷房能力の増大が見積もられる。

成績係数ＣＯＰについて従来型である単段型および二段型と比較を行った結果を図１０に示す。駆動熱源温度が６５℃よりも低い温度域において，サイクル時間が３４００秒と長い条件では単段型と同じである。二段型と比較を行った場合，駆動熱源温度が６５℃よりも低い温度域において，サイクル時間が３４００秒と長い条件ではＣＯＰは最大７０％も増大することが見積もられる。

取り出される冷水温度について従来型単段サイクルと比較を行った結果を図１１に示す。熱源温度が７０℃であり，吸着冷凍機に流入する冷水温度（冷水入口温度）が１４℃である場合，本サイクルの取り出し冷水温度は単段型のそれよりも２℃から４℃も低くなっている。

取り出される冷水温度の安定性について従来型二段サイクルと比較を行った結果を図１２に示す。例えば熱源温度が５５℃であり，吸着冷凍機に流入する冷水温度（冷水入口温度）が１４℃である場合，従来型二段サイクルでの取り出し冷水温度は工程切り換え時に約１℃の急激な上昇を示すが，本サイクルでは緩やかに上昇しており瞬間的に温度が変動することがない。

このように，６０℃以下の低質排熱を駆動熱源として利用し，単段型以上の成績係数を示し，かつ二段型並に冷熱出力を低下させないような吸着冷凍機の提供が可能となる。

図１における吸着冷凍機は，凝縮器１，蒸発器２，吸着剤熱交換器３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを備えている。

運転は弁ＶＲ１，ＶＲ２，ＶＲ３，ＶＲ４，ＶＲ５，ＶＲ６，ＶＲ７，ＶＲ８，ＶＲ９，ＶＲ１０，及び，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１１，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１４，Ｖ１５，Ｖ１６の切り換えにより吸着冷凍機においてＭｏｄｅＡ，ＭｏｄｅＢ，ＭｏｄｅＣ，ＭｏｄｅＤ，ＭｏｄｅＥ，ＭｏｄｅＦ，ＭｏｄｅＧ，ＭｏｄｅＨ，ＭｏｄｅＩ，ＭｏｄｅＪを所定時間ずつ繰り返し，ＭｏｄｅＡでは図１に示すごとく，弁ＶＲ１，ＶＲ２を開き，吸着剤熱交換器３Ａと凝縮器１を，及び弁ＶＲ８，ＶＲ１０を開き，熱交換器３Ｃと３Ｄを，弁ＶＲ５を開いて吸着剤熱交換器３Ｂと蒸発器２を接続する。これとともに配管系ＬHEXBに冷却水を供給するため，冷却水源６と吸着剤熱交換器３B，３D間に介装された弁Ｖ５，Ｖ６，Ｖ７，Ｖ８，Ｖ１３，Ｖ１４，Ｖ１５，Ｖ１６，及び配管系LHEXAに温水を供給するために，温水源４と吸着剤熱交換器３Ａ，３C間に介装された弁Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ９，Ｖ１０，Ｖ１１，Ｖ１２を図１に示す実線の系統に切り換える。

蒸発器２に噴霧された熱媒（水）は，蒸発して気化熱を奪い，配管系LEVAを循環する冷水を冷却する。そして図１の状態では，符号ＲＶ１Ｂで示す蒸発した熱媒（水蒸気）は弁ＶＲ５を経由して吸着剤熱交換器３Ｂに流入し，この熱交換器３Ｂに充填された吸着剤に吸着される。ここで吸着剤は水分を吸着すると発熱するため，配管系LHEXBを介して供給される冷却水により冷却される。なお，吸着剤熱交換器３Ｂと凝縮器１間は弁ＶＲ４を閉じた状態にしてあるため，水蒸気は凝縮器に漏出することなく，熱交換器３Ｂ中の吸着剤により十分に吸着される。

一方，図１の脱着側では吸着剤熱交換器３Ａによる吸着が完了しており，そのため吸着剤熱交換器３Ａと３Ｂ及び蒸発器２間に存在する弁ＶＲ４，ＶＲ３を閉じた状態として水蒸気が流入しないようになっている。この状態では，熱交換器３Ａの吸着剤は飽和状態近くまで水蒸気を吸着しており，そのため配管系LHEXAを介して温水を供給すると，吸着された水分が吸着剤から分離して，符号ＲＶ１Ａで示すように，開いた状態にある弁ＶＲ２，ＶＲ１を経由して凝縮器１側へ流出する。そして，吸着剤から脱着した水分ＲＶ１Ａは配管系LCONDを介して凝縮器１に供給される冷却水との熱交換により，凝縮熱を奪われて液相，すなわち水に変化する。この水は凝縮器と蒸発器間を接続している配管LCEを経由して蒸発器に流入し，噴霧される。

このときに同時に，吸着側熱交換器３Ｄと脱着側熱交換器３Ｃとの間に介装されている弁ＶＲ８，ＶＲ１０を開いた状態にする。脱着側熱交換器内の圧力は吸着側熱交換器内の圧力に比べて高いため，脱着側と吸着側の熱交換器を接続した場合，平衡状態になるべく脱着側熱交換器から吸着側熱交換器へ水蒸気が移動し，脱着側熱交換器３Ｃにおいてさらに脱着が，吸着側熱交換器３Ｄにおいてさらに吸着が行われることになる。

ＭｏｄｅＢ（図２）ではＭｏｄｅＡの状態から吸着側熱交換器３Ｄと脱着側熱交換器３Ｃとの間に介装されている弁ＶＲ８，ＶＲ１０のみを閉じる。吸着剤熱交換器３Ｃには冷却水を，吸着剤熱交換器３Ｄには温水を供給する。吸着器として機能していた熱交換器３Ｄは次の工程で脱着器として，脱着器として機能していた熱交換器３Ｃは次の工程で吸着器として機能する。この際の切り替わりが滑らかに行われるようにするためである。なお，この温水および冷却水供給の切り換えは冷却水源６と吸着剤熱交換器３Ｃ間に介装された切り換え弁Ｖ９，Ｖ１１，Ｖ１５，Ｖ１６，および温水源４と吸着剤熱交換器３Ｄ間に介装された切り換え弁Ｖ１０，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１４を切り換えて図中における実線の系統に切り換えればよい。熱交換器３Ａで脱着が，３Ｂで吸着が行われ続ける。

なお，ＭｏｄｅＢに移る前に図６に示すようにＭｏｄｅＡの状態から吸着側熱交換器３Ｄと脱着側熱交換器３Cとの間に介装されている弁ＶＲ８，ＶＲ１０のみを閉じる。吸着剤熱交換器３Ｃに流れていた温水を吸着剤熱交換器３Ｄに，熱交換器３Ｄに流れていた冷却水を熱交換器３Ｃに供給することによって温水使用量を削減することが可能になる。この際，切り換え弁Ｖ９，Ｖ１１，Ｖ１５，Ｖ１６，およびＶ１０，Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ１４を切り換えて図６中における実線の系統に切り換えればよい。図中の冷却水源６からの冷却水は，切り換え弁Ｖ１５およびＶ１６に流入出していない。

ＭｏｄｅＣ（図３）においては気相熱媒用配管系に介装されている弁ＶＲ６，ＶＲ７，ＶＲ１０を開けて熱交換器３Ｄと凝縮器１が連結され脱着工程が，熱交換器３Ｃと蒸発器２が連結され吸着工程が行われる。このとき熱交換器３Ｃには冷却水が，熱交換器３Ｄには温水が供給され続けている。なお，熱交換器３Ａで脱着が，３Ｂで吸着がＭｏｄｅＢと同様に行われ続ける。

ＭｏｄｅＤ（図４）においては熱交換器３Ａによる脱着が，熱交換器３Ｂにおる吸着がそれぞれ完了しており，弁ＶＲ１，ＶＲ５が閉じられる。同時に，脱着側熱交換器３Ａと吸着側熱交換器３Ｂとの間に介装されている弁ＶＲ２，ＶＲ４を開いた状態にする。熱交換器３Ａと熱交換器３ＢにおいてはＭｏｄｅＡにおける熱交換器３Ｃと熱交換器３Ｄと同じ状態となり，脱着側熱交換器３Ａから吸着側熱交換器３Ｂへと水蒸気ＲＶ１ＡＢが移動し，脱着側熱交換器においてさらに脱着が，吸着側熱交換器においてさらに吸着が行われることになる。熱交換器３Ｃと３ＤではＭｏｄｅＣと同様にそれぞれ吸着と脱着が行われ続ける。

ＭｏｄｅＥ以後は図５に示すように各熱交換器は，脱着工程，蒸気再生工程（脱着），準備工程（冷却），吸着工程，蒸気再生工程（冷却），準備工程（加熱）を熱交換器３Ａに対して熱交換器３Ｂは１／２サイクル，熱交換器３Ｃは３／４サイクル，熱交換器３Ｄは１／４サイクルずれながら変化していく。また，図中の各工程の時間は一例である。

なお，吸着剤にはシリカゲル，ゼオライト，活性炭，活性アルミナなど吸着性を有するものであれば種々のものを使用できる。

熱媒としては水，アルコール類など，およびそれら複数の混合物を使用できる。

また，熱交換器３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄで用いる吸着剤は同一のもの，あるいは，互いに異なるもののいずれであってもよい。

吸脱着工程と同時に行われる蒸気再生工程時の運転形態を示す図（ＭｏｄｅＡ） 吸脱着工程と同時に行われる準備工程時の運転形態を示す図（ＭｏｄｅＢ） 吸脱着工程時の運転形態を示す図（ＭｏｄｅＣ） 吸脱着工程と同時に行われる蒸気再生工程時の運転形態を示す図（ＭｏｄｅＤ） 時間経過に対する各熱交換器の工程状態を示す図 温水使用量削減のための運転形態を示す図 従来例を示す説明図 計算条件を示す図 従来型である単段型および二段型との冷房能力における性能比較図 従来型である単段型および二段型とのＣＯＰにおける性能比較図 従来型である単段型との冷水取出し温度についての比較図 従来型である二段型との冷水取出し温度の変動についての比較図

符号の説明

１ 蒸発器
２ 凝縮器
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 吸着剤熱交換器
４ 温水源
５ 凝縮器用冷却水源
６ 熱交換器用冷却水源
７ 冷水源
ＬCOND，ＬEVA，ＬHEXA，ＬHEXB，ＬHEXC，ＬHEXD，ＬCE 配管
ＲＶ１Ａ，ＲＶ１Ｂ，ＲＶ１Ｃ，ＲＶ１Ｄ，ＲＶ１ＡＢ，ＲＶ１ＢＡ，ＲＶ１ＣＤ，ＲＶ１ＤＣ，ＲＶ１，ＲＶ２ 水蒸気
Ｖ１−Ｖ１６，ＶＲ１−ＶＲ１０ 弁

Claims (3)

1. 並列に設置した二組の吸着剤を充填した熱交換器（一組あたり二基）を有し、
   各熱交換器のそれぞれは冷却水源からの冷却水または温水源からの温水が供給され、かつ、熱交換器のそれぞれは蒸発器、凝縮器、及び、自身以外の他の熱交換器に連通可能であり、これらの熱交換器と凝縮器、および、これらの熱交換器と蒸発器とはいずれも連通せず、かつ、これらの熱交換器を気相熱媒用の配管で連通する蒸気再生工程において、脱着工程終了時の熱交換器に温水を引き続き供給し、かつ、吸着工程終了時の熱交換器に冷却水を引き続き供給する一方で、連続的に冷熱を出力するために、凝縮器と温水を供給する別の脱着側熱交換器を気相熱媒用の配管で連通し、かつ、蒸発器と冷却水を供給する別の吸着側熱交換器を気相熱媒用の配管で連通した吸着冷凍機であって、工程切替時間を制御することによって熱源温度の変化に対して冷熱出力を調節できる吸着冷凍機。
2. 吸着準備工程の熱交換器を通過した後の冷却水を脱着準備工程の熱交換器に供給し、脱着用温水の使用量を削減した請求項１に記載した吸着冷凍機。
3. 脱着工程終了時の熱交換器と吸着工程終了時の熱交換器が気相熱媒用の配管で連通している間に脱着工程終了時の熱交換器に流す温水流量を任意に調整して温水の使用量を削減した請求項１に記載した吸着冷凍機。

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