JP5320304B2

JP5320304B2 - 中温熱溶解式冷凍装置

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Publication number: JP5320304B2
Application number: JP2009553367A
Authority: JP
Inventors: 俊典金光
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Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2029-02-12
Also published as: WO2009101809A1; JPWO2009101809A1

Description

本発明は、溶質が溶媒中へ溶解するときの溶解熱を利用した、溶解式冷凍装置に関するものである。より詳細には、熱源として太陽熱やごみ排熱などの１００℃以下の中温熱を用いた、中温熱溶解式冷凍装置に関するものである。

従来、溶質が溶媒中へ溶解するときの溶解熱を利用した溶解式冷凍装置として、例えば、特許文献１や特許文献２に示す装置が提案されている。これらの冷凍装置は、主な工程として、溶質を溶媒に溶解させて冷熱を取り出す溶解工程と、溶質が溶解した溶液を加熱して溶質を再結晶化する再生工程とを繰り返すことにより、連続的に冷凍を行うようになっている。

こうした従来提案されている溶解熱を利用した溶解式冷凍装置では、再生工程において溶液を蒸発濃縮させて生成した高温濃厚溶液を次工程に搬送させることから、異常停止等には装置内各所に再結晶化した溶質の結晶が析出する。このため、再起動時の作動流体の流動性を維持するための対策が必要であった。さらに、各工程間の溶質結晶及び溶質結晶と溶液からなる結晶スラリーの安定的な輸送を確保する必要があった。

また、再生工程で溶液を加熱する際に必要な温度レベルは１００℃を超えるため、高温熱源が必要であり、１００℃以下の中温熱が利用できなくて、化石燃料の燃焼を消費するとともに、当該燃焼に伴う炭酸ガスやばい煙の発生による環境破壊が避けがたいものであった。

これらの問題が阻害要因となって、従来提案されている溶解熱を利用した溶解式冷凍装置は、いまだ実用化に至っていない。
特公平１−２６４６２号公報特開２００５−３２６１３０号公報

以上に述べたように、従来の溶解式冷凍装置の実用化を阻害している主な問題点は、化石燃料の消費に伴う環境破壊の問題と、当該溶解式冷凍装置における各工程間の溶質結晶及び溶質結晶と溶液からなる結晶スラリーの安定的な輸送の確保と、異常停止時等に各工程間の管路を溶質結晶が閉塞する問題である。本発明は上記の問題点を解決した溶解式冷凍装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明の中温熱溶解式冷凍装置は、溶質の溶媒中への溶解と、前記溶解により生成した溶液を加熱し前記溶媒を蒸発させて前記溶質の再結晶化を行う溶質貯槽と、前記溶質貯槽から、前記溶質の溶媒中への溶解により発生する冷熱を取り出す冷熱取出手段と、前記溶質が溶媒中へ溶解した後の溶質貯槽を１００℃以下の中温熱で加熱し、前記溶解した溶質を再結晶化させる溶質貯槽加熱手段と、前記溶質貯槽加熱手段により溶質を再結晶化させるときに、前記溶質貯槽から発生する溶媒蒸気を吸引するエゼクターと、前記溶媒蒸気を液化して、前記エゼクターを駆動させるエゼクター駆動蒸気から分離する溶媒分離手段と、前記溶媒分離手段により分離された溶媒を再び前記溶質貯槽に供給する溶媒供給手段とを備え、前記エゼクター駆動蒸気と前記吸引された溶媒蒸気とが前記エゼクターを通過した後に、前記エゼクター駆動蒸気と親和性の高い吸収媒体を接触させて、前記吸収媒体に前記エゼクター駆動蒸気を吸収させることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の中温熱溶解式冷凍装置において、前記吸収媒体として、前記エゼクター駆動蒸気に用いる物質の沸点よりも高い沸点の物質を用い、さらに前記エゼクター駆動蒸気を吸収した吸収媒体を１００℃以下の中温熱で加熱して前記エゼクター駆動蒸気と液体状態である前記吸収媒体を気液分離する吸収媒体再生手段を備え、前記分離したエゼクター駆動蒸気を前記エゼクターに供給し、前記分離した吸収媒体を前記エゼクター通過後のエゼクター駆動蒸気と前記エゼクターに吸引された溶媒蒸気とに接触させ、前記エゼクター駆動蒸気を吸収した吸収媒体を再び前記吸収媒体再生手段に供給することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載の中温熱溶解式冷凍装置において、前記吸収媒体により吸収されなかった未吸収のエゼクター駆動蒸気を、圧縮して予冷した後、断熱膨張させて発生する冷熱により、前記吸収媒体を、前記エゼクター通過後のエゼクター駆動蒸気と溶媒蒸気に接触させる前に、予め冷却することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のうちいずれか一つに記載の中温熱溶解式冷凍装置において、前記エゼクター駆動蒸気の圧力に応じて開閉する間欠噴射弁機構を備え、前記エゼクターを断続的に稼動させることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか一つに記載の中温熱溶解式冷凍装置において、前記溶質貯槽を複数設けて、それぞれの溶質貯槽が異なる工程を進行するようにして、回分連続的に冷熱を取り出すようにしたことを特徴とする。

なお、請求項１乃至請求項５において、「中温熱」とは、通常大気温度以上で１００℃以下の温熱を意味する。

本発明によれば、同一の溶質貯槽において、溶質の溶媒中への溶解と、溶解した溶質の再結晶化が行われるため、各工程間で溶質結晶及び溶質結晶からなる結晶スラリーを輸送する必要がない。従って、異常停止時等に各工程間の管路を溶質結晶が閉塞することはない。さらに、各工程間での輸送が不要であるため、溶質を再結晶化する際に、輸送可能な流動性を確保する必要はなく、限界まで乾燥させることができる。そのため、再結晶化がより進んだ溶質を溶媒に溶解させることができ、溶解熱を効率よく発生させることができる。

また、溶質を再結晶化させるための溶質貯槽加熱手段で、１００℃以下の中温熱を用いることにより、化石燃料を消費することはなく環境破壊の問題が生じない。

また、溶質を再結晶化させるときに、溶質貯槽から発生する溶媒蒸気をエゼクターで吸引することにより、溶質貯槽内の溶媒の蒸発速度を速めて、溶質の再結晶化を促進することができる。従って、高温熱源ではなく１００℃以下の中温熱を用いても支障はない。

また、吸引した溶媒蒸気は、液化されて、エゼクター駆動蒸気と分離されてから、再び溶質貯槽に供給されるため、溶媒を循環させて有効に利用できる。

また、エゼクター駆動蒸気と溶媒蒸気とがエゼクターを通過した後に、エゼクター駆動蒸気と親和性の高い吸収媒体を接触させることにより、エゼクター駆動蒸気を吸収媒体に吸収させて、媒体蒸気から除去することができる。その結果、エゼクターの吐出口では、エゼクター駆動蒸気が除去されることで圧力が低下し、エゼクターの吸引力を高めることができる。

また、吸収媒体として、エゼクター駆動蒸気に用いる物質の沸点よりも高い沸点の物質を用い、さらに吸収媒体再生手段により１００℃以下の中温熱で加熱して、エゼクター駆動蒸気と液体状態である吸収媒体を気液分離することにより、分離したエゼクター駆動蒸気をエゼクターに供給し、分離した吸収媒体をエゼクター通過後のエゼクター駆動蒸気とエゼクターに吸引された溶媒蒸気とに接触させ、エゼクター駆動蒸気を吸収した吸収媒体を再び吸収媒体再生手段に供給するという、循環サイクルを形成することができる。

また、吸収媒体を、エゼクター通過後のエゼクター駆動蒸気と溶媒蒸気に接触させる前に、予め冷却することにより、吸収媒体の吸収効果を高めることができる。冷却するための冷熱は、吸収媒体により吸収されなかった未吸収のエゼクター駆動蒸気を、圧縮して予冷した後、断熱膨張させて発生させることにより、別途の熱源を用意する必要はない。

また、エゼクター駆動蒸気の圧力に応じて開閉する間欠噴射弁機構により、エゼクターを断続的に稼動させることにより、圧力の高いエゼクター駆動蒸気を用いて、エネルギー効率を高めることができる。

また、溶質貯槽を複数設けることにより、それぞれの溶質貯槽が異なる工程を進行するようにして、回分連続的に冷熱を取り出すことができる。

本発明の実施形態に係る中温熱溶解式冷凍装置を示す構成図である。間欠噴射弁機構および蒸気圧駆動吸収媒体循環ポンプを示す構成図である。間欠噴射弁機構および蒸気圧駆動未吸収蒸気圧縮機を示す構成図である。

符号の説明

１間欠噴射弁機構
２エゼクター
３エゼクター吸引口レシーバータンク
４ジェットミキサー
５ジェットミキサー吸引口レシーバータンク
６油水分離器
７有孔仕切板
８仕切板
９温水戻管路
１０温水戻ヘッダ
１１温水循環ポンプ
１２温水供給管路
１３温水制御弁
１４温水供給ヘッダ
１６給水管路
１７水蒸気ヘッダ
１８水蒸気吸引管路
１９給水ヘッダ
２０給水制御弁
２１溶質貯槽
２２太陽熱受熱給湯器
２３給湯ヘッダ
２４加熱用熱交換器
２５冷熱取出用熱交換器
２６溶質貯槽内気液界面
２７冷熱媒体取出弁
２８太陽熱受熱管
２９汽水ドラム
３０エゼクター駆動蒸気管路
３１親油性成分最高液位
３２親油性成分最低液位
３３親水性成分最高液位
３４親水性成分最低液位
３５安全弁
３６吸収媒体循環ポンプ
３７汽水ドラム内気液界面
３８吸収媒体管路
３９吸収媒体戻管路
４０放熱形吸収媒体管路
４１未吸収蒸気圧縮機
４２断熱膨張弁
４３未吸収蒸気管路
４４吸収媒体冷却器
４５熱交換器
４６放熱形未吸収蒸気レシーバータンク
４７太陽熱受熱形吸収媒体再生器
４８エアー抜き
４９冷熱媒体戻管路
５０逆止弁
５１磁石
５２導圧管
５３磁石内蔵閉止栓
５４磁石内蔵ピストン
５５間欠噴射弁機構
５６蒸気圧駆動吸収媒体循環ポンプ
５７蒸気圧駆動未吸収蒸気圧縮機

図１を参照して、本発明の実施形態に係る中温熱溶解式冷凍装置について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る中温熱溶解式冷凍装置を示す構成図である。

本実施形態に係る中温熱溶解式冷凍装置は、主として、エゼクター２、ジェットミキサー４、油水分離器６、溶質貯槽２１、太陽熱受熱給湯器２２、及び太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７から構成されている。そして、溶質貯槽２１の内部で、溶質の溶媒中への溶解と、溶質の再結晶化が繰り返し行われるようになっている。

本実施形態においては、太陽熱から得られる１００℃程度の温水を主たる駆動エネルギー源とする。なお、以下において、通常大気温度以上で１００℃以下の温熱を、「中温熱」と称する。また、溶解熱を得るための溶質として、例えば、チオシアン酸カリウムや硝酸アンモニウムを用いることができる。さらに溶媒としては、水を用いる。
また、エゼクター２を駆動させる蒸気成分としてｎブタンを、さらにエゼクター駆動蒸気成分の吸収除去に用いる吸収媒体成分としてｎペンタンをそれぞれ用いる。なお、ｎブタンは少量のイソブタンが含まれていてもよい。

まず、本実施形態においては、溶質貯槽２１内で繰り返される溶解と再結晶化の工程を、冷凍工程、予熱工程、乾燥工程、予冷工程の４工程に分けて、これを順次繰り返す４工程システムとした。冷凍工程は、溶質が溶媒中（水）へ溶解するときの溶解熱を利用して、冷熱を発生させる工程である。乾燥工程は、溶質が溶媒に溶解した溶液を加熱し、溶媒を蒸発させて溶質の再結晶化を行う工程である。また、予冷工程および予熱工程は、それぞれ冷凍工程と乾燥工程の前段階の処理を行う工程である。そのため本実施形態では、溶質貯槽２１を４つ配置し、それぞれの溶質貯槽２１が異なる工程を進行するようにして、回分連続的に冷凍工程から冷熱を取り出せるようにした。
なお、乾燥工程と予熱工程を一体化して全体を３工程としてもよいし、さらに予冷工程と冷凍工程を一体化して全体を２工程にすることも可能である。

また、各流体の分配、制御には、４つの溶質貯槽２１それぞれの容器内にジメチルエーテルまたはｎブタンを封入し、温度変化に伴う圧力変化をベローズなどで取り出して利用することができる。冷凍装置の運転温度が０℃以上の高い場合にはｎブタンなどを、またマイナス１０℃程度と低い場合にはジメチルエーテルなどの沸点の低いものを利用するとよい。これにより、溶質貯槽２１に断続的に溶媒流体を流入するための溶媒流入制御を、溶質貯槽２１内に配置した容器の中に予め注入しておく流体の蒸気圧を利用して行うことができる。

溶質貯槽２１には、乾燥工程において太陽熱を容器に移入するための加熱用熱交換器２４と、冷凍工程における冷熱の取り出しのための冷熱取出用熱交換器２５とが設けられている。なお、熱交換器の形式は何れも利用可能であるが、例えば、特許第３８９０４７５号に開示されているような、平行四辺形環状管路形状のものを用いることができる。その場合、平行四辺形環状管路の中に、高温側温度で沸騰し低温側温度で凝縮する中間の沸点を有する揮発性の媒体を注入するとよい。

冷熱取出用熱交換器２５の外部端部には、冷熱媒体取出弁２７や冷熱媒体戻管路４９が設けられており、冷熱輸送媒体である水を介して冷熱を取り出すようになっている。また、加熱用熱交換器２４の外部端部には、温水制御弁１３や温水供給管路１２、温水戻管路９が設けられており、冷熱輸送媒体である水を介して太陽熱を容器に移入するようになっている。
なお、このように平行四辺形環状管路の外部端部を二重構造として熱輸送媒体を利用する方法のほか、直接、太陽熱受熱給湯器２２や冷熱利用施設とつなげるようにしてもよい。

加熱用熱交換器２４の外部端部には、温水供給管路１２と温水戻管路９が接続されており、水が循環するようになっている。温水供給管路１２からは、太陽熱により中温熱レベルに加熱された温水が供給され、加熱用熱交換器２４を介して、溶質貯槽２１内の溶液を加熱する。そして、加熱に用いられて温度が低下した温水は、温水戻管路９を経由して太陽熱受熱給湯器２２へと戻っていくようになっている。温水を循環させるために、温水戻管路９上には、温水循環ポンプ１１が設けられている。

また、溶質貯槽２１には、給水管路１６が接続されており、油水分離器６で分離された溶媒である水が、給水管路１６を経由して溶質貯槽２１内に流入するようになっている。また、給水管路１６上には、給水制御弁２０とエアー抜き４８が設けられている。

さらに、溶質貯槽２１には、水蒸気吸引管路１８が接続されており、溶質貯槽２１内で気化した水蒸気が、水蒸気吸引管路１８を経由してエゼクター２に吸引されるようになっている。なお、図１中の溶質貯槽２１内の波線２６は、溶質貯槽内気液界面２６を示している。

なお、本実施形態では、各工程に合わせて溶質貯槽２１を４つ配置しているため、溶媒である水の給水管路１６には給水ヘッダ１９が、水蒸気吸引管路１８には水蒸気ヘッダ１７が、温水戻管路９には温水戻ヘッダ１０が、温水供給管路１２には温水供給ヘッダ１４がそれぞれ設けられている。

太陽熱受熱給湯器２２は、加熱用熱交換器２４の外部端部から温水戻管路９を経由して戻ってきた水を、太陽熱により加熱して中温熱レベルの温水とし、温水供給管路１２を経由して加熱用熱交換器２４の外部端部へと供給するようになっている。太陽熱受熱給湯器２２の先端には給湯ヘッダ２３とエアー抜き４８が設けられている。
太陽熱受熱給湯器２２は、

エゼクター２は、太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７からエゼクター駆動蒸気管路３０を経由してきたエゼクター駆動蒸気（ｎブタン）により駆動される。そして、溶質貯槽２１から水蒸気吸引管路１８を経由して水蒸気を吸引して、溶質貯槽２１における溶質の再結晶化にあたり溶媒である水の蒸発を助長するようになっている。また、エゼクター駆動蒸気管路３０の途中には、間欠噴射弁機構１が設けられて、エゼクター２へのエゼクター駆動蒸気の流入を制御できるようになっている。
なお、エゼクター２の吸引部には、急激な圧力変動への緩衝として、エゼクター吸引口レシーバータンク３を設けることが好ましい。

エゼクター２の吐出部には、ジェットミキサー４が配置されている。さらに、ジェットミキサー４は、太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７の汽水ドラム２９から、吸収媒体管路３８を経由して、吸収媒体（ｎペンタン）を注入するようになっている。そして、ジェットミキサー４により、エゼクター駆動蒸気（ｎブタン）及び水蒸気と、吸収媒体（ｎペンタン）とを急速に混合接触させることにより、エゼクター２から吐出された水蒸気から、エゼクター駆動蒸気（ｎブタン）を吸収除去するようになっている。同時に、水蒸気は吸収媒体と接触することで、冷却液化される。
なお、ジェットミキサー４の吸引部には、吸引効率を高めるために、ジェットミキサー吸引口レシーバータンク５を設けることが好ましい。

吸収媒体管路３８の一部は、放熱形吸収媒体管路４０となっている。さらに、吸収媒体管路３８の途中には、熱交換器４５を備えた吸収媒体冷却器４４が設けられており、吸収媒体（ｎペンタン）の吸収効果を高めるために予冷される。吸収媒体冷却器４４の予冷用冷熱源としては、後述する油水分離器６内の未吸収蒸気を、未吸収蒸気圧縮機４１により圧縮し、放熱形未吸収蒸気レシーバータンク４６において大気熱で予冷した後、断熱膨張弁４２を通過させて、その際の断熱膨張に伴い発生する冷熱を利用する。なお、低温排水などの冷熱源がある場合には、これを利用してもよい。

ジェットミキサー４の吐出部には、油水分離器６が配置され、親水性成分である水と、親油性成分であるｎブタンおよびｎペンタンが、液相側において密度差によって分離されるようになっている。油水分離器６には、油滴が通過できる程度の孔が開けられた有孔仕切板７と、仕切板８が配置されており、油水分離を助長する構成となっている。なお、金属ブランケットを配置しても効果が高まる。
図１中の油水分離器６内の波線３１，３２，３３，３４は、それぞれ、親油性成分最高液位３１、親油性成分最低液位３２、親水性成分最高液位３３、親水性成分最低液位３４を示している。

油水分離器６で分離された、親油性成分であるｎブタンおよびｎペンタンは、吸収媒体戻管路３９を経由して、太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７へと循環するようになっている。吸収媒体戻管路３９の途中には、ｎブタンおよびｎペンタンを循環させるための吸収媒体循環ポンプ３６が配置されている。
なお、吸収媒体循環ポンプ３６としては、電気駆動ポンプを用いることができるが、後述するように、間欠噴射弁機構１において発生する圧力変動を利用した、蒸気圧駆動吸収媒体ポンプ５６を用いることもできる。

油水分離器６で分離された、溶媒である水は、給水管路１６を経由して、再び溶質貯槽２１へと供給されるようになっている。

一方、油水分離器６の上層部（気相側）には、ｎブタンを主成分とする未吸収蒸気が存在することがある。この未吸収蒸気は、未吸収蒸気管路４３を経由して循環するようになっている。そして、未吸収蒸気管路４３において、未吸収蒸気を未吸収蒸気圧縮機４１により圧縮し、放熱形未吸収蒸気レシーバータンク４６において大気熱で予冷した後、断熱膨張弁４２を通過させる。その際の断熱膨張に伴い発生する冷熱により、ｎブタン自体を冷却するとともに、吸収媒体冷却器４４を介して、吸収媒体管路３８の吸収媒体（ｎペンタン）を冷却する。
なお、未吸収蒸気圧縮機４１としては、電気駆動ポンプを用いることができるが、後述するように、間欠噴射弁機構１において発生する圧力変動を利用した、蒸気圧駆動未吸収蒸気圧縮機５７を用いることもできる。

太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７は、太陽熱受熱管２８と、汽水ドラム２９から構成されている。油水分離器６から吸収媒体戻管路３９を経由して戻ってきた、ｎブタンおよびｎペンタンの混合流体は、太陽熱受熱管２８を通過しながら中温熱レベルまで加熱され、汽水ドラム２９において気液分離される。これにより、吸収媒体であるｎペンタンが再生される。図１中の汽水ドラム２９内の波線３７は、汽水ドラム内気液界面３７を示している。なお、汽水ドラム３７には、安全弁３５が設けられている。

このとき、ｎブタンとｎペンタンの沸点の違いから、汽水ドラム２９内の気相側には、ｎブタンを主成分とする加圧気体が発生し、液相側にはｎペンタンを主成分とする吸収媒体が再生される。そして、ｎブタンを主成分とする加圧気体は、エゼクター駆動蒸気管路３０を経由して、エゼクター２へと向かう。一方、ｎペンタンを主成分とする吸収媒体は、吸収媒体管路３８を経由してジェットミキサー４へと向かう。

次に、本実施形態に係る中温熱溶解式冷凍装置の作用効果について、冷凍工程と乾燥工程を中心に説明する。

まず、冷凍工程では、溶質貯槽２１内において、溶質（例えば、チオシアン酸カリウムや硝酸アンモニウム）が溶媒（水）へ溶解し、冷熱が発生する。発生した冷熱は、冷熱取出用熱交換器２５を介して外部に取り出され利用される。

次に、乾燥工程では、溶質貯槽２１内において、溶質が溶媒に溶解した溶液を加熱し、溶媒を蒸発させて溶質の再結晶化を行う。このとき溶液を加熱するためには、太陽熱受熱給湯器２２から供給される温水を利用し、加熱用熱交換器２４を介して行う。溶液の加熱により発生した溶媒蒸気は、水蒸気吸引管路１８を経由して、エゼクター２へと向かう。

このとき、太陽熱受熱給湯器２２から供給される温水は中温熱レベルであるため、これだけでは溶質の再結晶化を行うための溶媒の蒸発速度が遅い。これに対して、本実施形態では、水蒸気吸引管路１８を経由してエゼクター２により水蒸気を吸引することで、溶質貯槽２１内の溶媒の蒸発速度を速めて、溶質の再結晶化を促進することができる。

また、エゼクター２を駆動させるための蒸気成分として、ｎブタンを用いた。ｎブタンは、太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７を用いて中温熱レベルで加熱することで気化し、エゼクター２の駆動蒸気として必要な圧力を得ることができる。

一方、エゼクター２に吸引された水蒸気は、冷却液化させた後、再び溶質貯槽２１に供給する必要があるため、油水分離機６において密度差によって分離され、給水管路１６を経由して溶質貯槽２１へと還流する。

ここで、本実施形態では、エゼクター２の吸引力をより高めるための吸収媒体として、エゼクター駆動蒸気であるｎブタンと親和性の高いｎペンタンを用いた。すなわち、エゼクター２から吐出されたエゼクター駆動蒸気（ｎブタン）及び水蒸気と、吸収媒体（ｎペンタン）とを急速に混合接触させることにより、エゼクター２から吐出された水蒸気から、エゼクター駆動蒸気（ｎブタン）を吸収除去するようになっている。その結果、エゼクター２の吐出口では、ｎブタンが除去されることで圧力が低下し、エゼクター２の吸引力を高めることができる。

また、ｎペンタンの吸収効果を高めるために、ｎペンタンを吸収媒体冷却器４４で予冷する構成となっている。さらに、その予冷用冷熱源として、油水分離器６内の未吸収蒸気を、未吸収蒸気圧縮機４１により圧縮し、放熱形未吸収蒸気レシーバータンク４６において大気熱で予冷した後、断熱膨張弁４２を通過させて、その際の断熱膨張に伴い発生する冷熱を利用する。そのため、別途の冷熱源を用意することなく、効果的にｎペンタンの吸収効果を高めることができる。

なお、本実施形態では、エゼクター駆動蒸気としてｎブタンを、吸収媒体としてｎペンタンを用いたが、エゼクター駆動蒸気に用いる物質の沸点よりも、吸収媒体に用いる物質の沸点の方が高くなるような組み合わせであれば、様々な物質を用いることができる。
例えば、エゼクター駆動蒸気として、分子中の炭素数が３から５のいずれかである炭化水素を単一または二種類以上混合して用い、吸収媒体として、エゼクター駆動蒸気に用いたすべての炭化水素よりも分子中の炭素数が１から２多い炭化水素を単一または二種類以上混合して用いることが好ましい。

次に、図２を参照して、吸収媒体循環ポンプ３６として用いることが可能な、蒸気圧駆動吸収媒体ポンプについて説明する。図２は、間欠噴射弁機構５５および蒸気圧駆動吸収媒体循環ポンプ５６を示す構成図である。図２に示すように、蒸気圧駆動吸収媒体循環ポンプ５６は、間欠噴射弁機構５５と一体に構成されており、間欠噴射弁機構５５（図１における間欠噴射弁機構１）において発生する圧力変動を利用するものである。

間欠噴射弁機構５５は、図２の上半分に該当し、複数の磁石５１、磁石内蔵閉止栓５３、逆支弁５０から構成されており、導圧管５２を介して図２の下半分に該当する蒸気圧駆動吸収媒体循環ポンプ５６と接続されている。磁石内蔵閉止栓５３は、Ｔ字形に形成されており、上下に可動できるようになっている。図２は、磁石内蔵閉止栓５３が、磁石５１，５１に引き付けられて、栓を塞いだ状態を示している。次に、太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７の汽水ドラム２９から、エゼクター駆動蒸気であるｎブタンが供給されると、その圧力により磁石内蔵閉止栓５３が押し上げられ、栓が開く。そして、逆支弁３０を経由してエゼクター駆動蒸気がエゼクター２に供給される。

いったん栓が開いてエゼクター駆動蒸気が排出されると、磁石内蔵閉止栓５３を押し上げる圧力は低下し、再び磁石５１，５１に引き付けられて、栓が塞がれる。そして、エゼクター駆動蒸気のエゼクター２への供給が止まる。以上を繰り返すことにより、間欠噴射弁機構５５は、エゼクター２に対してエゼクター駆動蒸気を間欠噴射することができる。このように、間欠噴射を行うことで、圧力の高いエゼクター駆動蒸気を用いて、エネルギー効率を高めることができる。

一方、蒸気圧駆動吸収媒体循環ポンプ５６は、図２の下半分に該当し、複数の磁石５１，磁石内蔵ピストン５４，逆支弁５０から構成されており、導圧管５２を介して図２の上半分に該当する間欠噴射弁機構５５と接続されている。磁石内蔵ピストン５４は、Ｔ字形に形成されており、上下に可動できるようになっている。ここで、間欠噴射弁機構５５において発生するエゼクター駆動蒸気の圧力変動は、導圧管５２を介して蒸気圧駆動吸収媒体循環ポンプ５６側に伝わる。そして、磁石内臓ピストン５４は、エゼクター駆動蒸気の圧力変動と、複数の磁石５１の引力・反発力の影響を受けて上下運動する。その結果、吸収媒体戻管路３９で吸収媒体を循環させるポンプとして機能する。なお、本ポンプの構成は、図１における温水循環ポンプ１１にも適用可能である。

次に、図３を参照して、未吸収蒸気圧縮機４１として用いることが可能な、蒸気圧駆動未吸収蒸気圧縮機について説明する。図３は、間欠噴射弁機構５５および蒸気圧駆動未吸収蒸気圧縮機５７示す構成図である。図３に示すように、蒸気圧駆動未吸収蒸気圧縮機５７は、間欠噴射弁機構５５と一体に構成されており、間欠噴射弁機構５５（図１における間欠噴射弁機構１）において発生する圧力変動を利用するものである。なお、間欠噴射弁機構５５は、図２と同様の構成であるため、説明を省略する。

一方、蒸気圧駆動未吸収蒸気圧縮機５７は、図３の下半分に該当し、複数の磁石５１，磁石内蔵ピストン５４，逆支弁５０から構成されており、導圧管５２を介して図３の上半分に該当する間欠噴射弁機構５５と接続されている。磁石内蔵ピストン５４は、Ｔ字形に形成されており、上下に可動できるようになっている。ここで、間欠噴射弁機構５５において発生するエゼクター駆動蒸気の圧力変動は、導圧管５２を介して蒸気圧駆動未吸収蒸気圧圧縮機５７側に伝わる。そして、磁石内臓ピストン５４は、エゼクター駆動蒸気の圧力変動と、複数の磁石５１の引力・反発力の影響を受けて上下運動する。その結果、未吸収蒸気管路４３で未吸収蒸気を圧縮する圧縮機として機能する。

なお、間欠噴射弁機構５５、蒸気圧駆動吸収媒体循環ポンプ５６、蒸気圧駆動未吸収蒸気圧縮機５７では、圧力変動に伴う反動力の力として磁石を利用したが、ばねなどの機械力を利用してもよい。
また、間欠噴射弁機構５５の閉止栓５３に内蔵している磁石は、開栓時の圧力を初期の瞬間だけ高める目的であり、これにより瞬間的な間欠噴射力を高めることができる。

本実施形態に係る中温熱溶解式冷凍装置は、以上のように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。

同一の溶質貯槽２１において、溶質の溶媒中への溶解と、溶解した溶質の再結晶化が行われるため、各工程間で溶質結晶及び溶質結晶からなる結晶スラリーを輸送する必要がない。従って、異常停止時等に各工程間の管路を溶質結晶が閉塞することはない。さらに、各工程間での輸送が不要であるため、溶質を再結晶化する際に、輸送可能な流動性を確保する必要はなく、限界まで乾燥させることができる。そのため、再結晶化がより進んだ溶質を溶媒に溶解させることができ、溶解熱を効率よく発生させることができる。

また、溶質を再結晶化させるための溶質貯槽加熱手段として、太陽熱受熱給湯器２２において１００℃以下の中温熱を用いることにより、化石燃料を消費することはなく環境破壊の問題が生じない。

また、溶質を再結晶化させるときに、溶質貯槽２１から発生する水蒸気をエゼクターで吸引することにより、溶質貯槽２１内の水の蒸発速度を速めて、溶質の再結晶化を促進することができる。従って、高温熱源ではなく１００℃以下の中温熱を用いても支障はない。

また、吸引した水蒸気は、液化されて、エゼクター駆動蒸気（ｎブタン）と分離されてから、再び溶質貯槽２１に供給されるため、溶媒である水を循環させて有効に利用できる。

また、エゼクター駆動蒸気（ｎブタン）と水蒸気とがエゼクター２を通過した後に、エゼクター駆動蒸気（ｎブタン）と親和性の高い吸収媒体（ｎペンタン）を接触させることにより、エゼクター駆動蒸気を吸収媒体に吸収させて、水蒸気から除去することができる。その結果、エゼクター２の吐出口では、エゼクター駆動蒸気が除去されることで圧力が低下し、エゼクター２の吸引力を高めることができる。

また、吸収媒体として、エゼクター駆動蒸気に用いるｎブタンの沸点よりも高い沸点の物質であるｎペンタンを用い、さらに吸収媒体再生手段である太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７により１００℃以下の中温熱で加熱して、エゼクター駆動蒸気（ｎブタン）と液体状態である吸収媒体（ｎペンタン）を気液分離することにより、分離したエゼクター駆動蒸気をエゼクター２に供給し、分離した吸収媒体をエゼクター２通過後のエゼクター駆動蒸気とエゼクターに吸引された溶媒蒸気とに接触させ、エゼクター駆動蒸気を吸収した吸収媒体を再び太陽熱受熱形吸収媒体再生器４７に供給するという、循環サイクルを形成することができる。

また、吸収媒体（ｎペンタン）を、エゼクター２通過後のエゼクター駆動蒸気（ｎブタン）と水蒸気に接触させる前に、予め冷却することにより、吸収媒体の吸収効果を高めることができる。冷却するための冷熱は、吸収媒体により吸収されなかった未吸収のエゼクター駆動蒸気を、圧縮して予冷した後、断熱膨張させて発生させることにより、別途の熱源を用意する必要はない。

また、エゼクター駆動蒸気の圧力に応じて開閉する間欠噴射弁機構１により、エゼクター２を断続的に稼動させることにより、圧力の高いエゼクター駆動蒸気を用いて、エネルギー効率を高めることができる。

また、溶質貯槽２１を複数設けることにより、それぞれの溶質貯槽２１が異なる工程を進行するようにして、回分連続的に冷熱を取り出すことができる。

なお、本実施形態においては、駆動エネルギー源として太陽熱を用いたが、ごみ排熱や地熱を利用することも可能である。

本発明は、簡易に利用できる環境にやさしい太陽熱やごみ廃熱の利用により冷凍を行わんとするものであり、この技術の普及は省資源、省エネルギーに資する冷凍装置として広く多用途に役立つものである。

Claims

溶質の溶媒中への溶解と、前記溶解により生成した溶液を加熱し前記溶媒を蒸発させて前記溶質の再結晶化を行う溶質貯槽と、
前記溶質貯槽から、前記溶質の溶媒中への溶解により発生する冷熱を取り出す冷熱取出手段と、
前記溶質が溶媒中へ溶解した後の溶質貯槽を１００℃以下の中温熱で加熱し、前記溶解した溶質を再結晶化させる溶質貯槽加熱手段と、
前記溶質貯槽加熱手段により溶質を再結晶化させるときに、前記溶質貯槽から発生する溶媒蒸気を吸引するエゼクターと、
前記溶媒蒸気を液化して、前記エゼクターを駆動させるエゼクター駆動蒸気から分離する溶媒分離手段と、
前記溶媒分離手段により分離された溶媒を再び前記溶質貯槽に供給する溶媒供給手段とを備え、
前記エゼクター駆動蒸気と前記吸引された溶媒蒸気とが前記エゼクターを通過した後に、前記エゼクター駆動蒸気と親和性の高い吸収媒体を接触させて、前記吸収媒体に前記エゼクター駆動蒸気を吸収させることを特徴とする中温熱溶解式冷凍装置。
前記吸収媒体として、前記エゼクター駆動蒸気に用いる物質の沸点よりも高い沸点の物質を用い、さらに前記エゼクター駆動蒸気を吸収した吸収媒体を１００℃以下の中温熱で加熱して前記エゼクター駆動蒸気と液体状態である前記吸収媒体を気液分離する吸収媒体再生手段を備え、
前記分離したエゼクター駆動蒸気を前記エゼクターに供給し、前記分離した吸収媒体を前記エゼクター通過後のエゼクター駆動蒸気と前記エゼクターに吸引された溶媒蒸気とに接触させ、前記エゼクター駆動蒸気を吸収した吸収媒体を再び前記吸収媒体再生手段に供給することを特徴とする請求項１に記載の中温熱溶解式冷凍装置。
前記吸収媒体により吸収されなかった未吸収のエゼクター駆動蒸気を、圧縮して予冷した後、断熱膨張させて発生する冷熱により、前記吸収媒体を、前記エゼクター通過後のエゼクター駆動蒸気と溶媒蒸気に接触させる前に、予め冷却することを特徴とする請求項２に記載の中温熱溶解式冷凍装置。
前記エゼクター駆動蒸気の圧力に応じて開閉する間欠噴射弁機構を備え、前記エゼクターを断続的に稼動させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか一つに記載の中温熱溶解式冷凍装置。
前記溶質貯槽を複数設けて、それぞれの溶質貯槽が異なる工程を進行するようにして、回分連続的に冷熱を取り出すようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか一つに記載の中温熱溶解式冷凍装置。