JP6004381B2 - 吸着冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、吸着冷凍機に関する。

近年、社会における省エネルギーや環境保護等の要求の高まりを受けて、吸着冷凍機が注目されている。吸着冷凍機は、主要な構成要素として、一対の吸着反応器と、凝縮器と、蒸発器を有する。なお、吸着反応器は吸着剤熱交換器とも呼ぶ。更に吸着冷凍機は、吸着反応器と、凝縮器と、蒸発器の中を真空にするための真空ポンプを有する。
凝縮器は、左右に並べられた一対の吸着反応器の上部に設けられる。蒸発器は、吸着反応器の下部に設けられる。また、吸着反応器には、温水又は冷却水を循環させるための第一の水路が設けられる。凝縮器と蒸発器には、冷媒液を循環させるための第二の水路が設けられる。蒸発器には、冷却対象を冷却させる冷水を循環させるための第三の水路が設けられる。凝縮器には、冷却水を循環させるための第四の水路が設けられる。
更に、一対の吸着反応器には、温水又は冷却水を交互に循環させるための切替弁が設けられる。また、一対の吸着反応器と、凝縮器と、蒸発器には、それぞれ開閉弁が設けられており、開閉弁を通じて冷媒液が蒸発した冷媒蒸気が通過可能である。そして、吸着冷凍機は真空ポンプと開閉弁を制御する制御装置を備えている。

吸着反応器にはシリカゲル又はゼオライト等、冷媒蒸気を吸着及び脱着するための吸着剤が充填される。
吸着反応器と、凝縮器と、蒸発器が形成する空間は、真空ポンプによって減圧雰囲気になる。その後、冷媒液が蒸発器で蒸発して冷媒蒸気になる。この時、冷媒液は蒸発して気化するために冷水から熱を奪うので、冷水は冷媒液によって冷やされる。そして、冷媒蒸気は吸着反応器の吸着剤によって吸着される。吸着された冷媒蒸気は吸着剤を温水で温めることで吸着剤から脱着される。吸着剤から脱着された冷媒蒸気は凝縮器で冷却水によって再び冷媒液に凝縮される。凝縮された冷媒液は、配管を通じて蒸発器に送られ、再度蒸発して水蒸気になる。

以上説明した吸着冷凍機は、吸着反応器と、凝縮器と、蒸発器の内部を減圧雰囲気に維持しながら、８０℃程度の温水と、３０℃程度の冷却水を与えることで、９℃前後の冷水を生成できる。この９℃という温度は、空調用として十分利用可能な冷熱である。
吸着冷凍機は、代替フロン等の冷媒を用いる同等規模の一般的な気化圧縮型冷凍機と比べると、消費電力が極めて少ないこと、冷媒に水等の自然作動媒体が使えること、及び比較的低温度の温水を有効に活用できること等の利点がある。つまり、吸着冷凍機は、極めて環境負荷が小さく、安全性が高く、電力消費が小さく、汎用性が高いといえる。

特に、第一の水路に用いる温水又は冷却水は、吸着剤、冷媒液及び冷水と全く接触しないので、化学的安定性等の所定の条件さえ満たせば、何を使ってもよい。極端な例で言えば、海水でも利用可能である。また、通常なら発電には利用できず、様々な工業的用途には利用し難い低温の温水でも十分利用できる。例えば、工場から得られる排熱を利用した温水のみならず、ごみ焼却施設等から得られる温水等の、比較的低温の温水でも十分に利用可能である。
一方で、高い冷却能力を得るために、吸着冷凍機はどうしても大型化せざるを得ないのが唯一の短所ではあるものの、それを補って余りある上述の利点によって、吸着冷凍機は近年大変注目を集めている。

このような吸着冷凍機の性能を更に向上すべく、多くの技術者によって様々な技術開発が進められている。その一つが、吸着反応器を多段化する技術である。
吸着剤が吸着した冷媒蒸気を脱着させるためには、温水が必要である。この温水は温度が高ければ高いほど短時間で冷媒蒸気を分離できる。このため、従来技術の吸着冷凍機は８０℃程度の温水を用いている。しかし、吸着冷凍機を設置する場所や施設によっては、８０℃に至らない温度の温水しか得られない場合もある。つまり、利用可能な温水の温度が低ければ低いほど、吸着冷凍機の利用範囲は拡大する。しかし、従来より低い温度の温水を利用する場合、吸着剤の脱着能力が低下する。したがって、従来と比べて吸着反応器が吸脱着する冷媒蒸気量が少なくなるため、十分な冷却効果が得られない。
そこで、低温の温水を利用する場合でも、吸着反応器における冷媒蒸気の吸脱着量を従来の装置と同等の量に確保するため、吸着反応器を多段化する。つまり、凝縮器と蒸発器の間に二段あるいは三段の、多段化した吸着反応器を設けて、冷媒液を二段階または三段階に渡って吸着反応器へ通過させる。こうすることで、低温の温水を用いることによる、吸着反応器の冷媒蒸気吸着性能の低下を補うことができる。このように吸着冷凍機の吸着反応器を多段化することで、６０℃程度の温水でも実用的な冷却能力を備える吸着冷凍機が実現可能になる。
特許文献１には、二段階の吸着反応器を設けた吸着冷凍機の技術内容が開示されている。

特開平５−２４８７２７号公報

図１１は、従来技術における、二段階（二層式）の吸着反応器を設けた吸着冷凍機の模式図である。
吸着冷凍機１１０１は、蒸発器１１０２の上に開閉弁１１０３ａ及び１１０３ｂを介して、第一下層吸着反応器１１０４と第二下層吸着反応器１１０５が設けられる。
第一下層吸着反応器１１０４の上には、開閉弁１１０３ｃを介して第一上層吸着反応器１１０６が設けられる。
第二下層吸着反応器１１０５の上には、開閉弁１１０３ｄを介して第二上層吸着反応器１１０７が設けられる。
第一上層吸着反応器１１０６と第二上層吸着反応器１１０７の上には、開閉弁１１０３ｅ及び１１０３ｆを介して凝縮器１１０８が設けられる。
図１１を見て判るように、特許文献１に示されるような従来の多段化吸着冷凍機は、吸着反応器の数が段数に応じて二つずつ増加する。二段型であれば４個、三段型であれば６個である。吸着反応器は容積が大きいため、多段化に伴い吸着冷凍機全体の容積が比例して大きく増加する。このため、吸着冷凍機の設置スペースを大きく占有してしまうという問題があった。

本発明は係る課題を解決し、装置全体の体積の増加を抑えつつ、高い冷却能力を実現する、吸着冷凍機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の吸着冷凍機は、減圧雰囲気で冷媒を蒸発させて気化させることで冷熱を発生させる蒸発器と、蒸発器から生じる、気化された冷媒を吸着する吸着剤と、吸着剤を時分割にて温めると共に冷やす吸脱着ラジエータを内包する第一下層吸着反応器を具備する。更に、蒸発器から生じる、気化された冷媒を吸着する吸着剤と、吸着剤を時分割にて温めると共に冷やす吸脱着ラジエータを内包する第二下層吸着反応器を具備する。更に、第一下層吸着反応器及び第二下層吸着反応器から生じる、気化された冷媒を交互に受け取って吸着する吸着剤と、吸着剤を時分割にて温めると共に冷やす吸脱着ラジエータを内包する第一上層吸着反応器と、第一上層吸着反応器から生じる、気化された冷媒を減圧雰囲気で冷却させて凝縮させて、液化した冷媒を蒸発器に供給する凝縮器とを具備する。更に、凝縮器と第一上層吸着反応器の間と、第一上層吸着反応器と第一下層吸着反応器の間と、第一上層吸着反応器と第二下層吸着反応器の間と、第一下層吸着反応器と蒸発器の間と、第二下層吸着反応器と蒸発器の間に設けられる複数の開閉弁とを具備する。更に、第一上層吸着反応器の吸脱着ラジエータに吸着剤を時分割にて温めると共に冷やすための第一冷温切替弁と、第一下層吸着反応器と第二下層吸着反応器の夫々の吸脱着ラジエータに吸着剤を時分割にて温めると共に冷やすための第二冷温切替弁とを具備する。制御部は、複数の開閉弁の開閉状態及び第一冷温切替弁と第二冷温切替弁を制御すると共に、第一の時点で、第一下層吸着反応器と第二下層吸着反応器のうちの一方を冷やして他方を温め、かつ第一上層吸着反応器を冷やし、第二の時点で、第一下層吸着反応器と第二下層吸着反応器のうちの一方を冷やした状態を継続しつつ他方を冷やし、かつ第一上層吸着反応器を温めるシーケンス制御を行う。

本発明により、装置全体の体積の増加を抑えつつ、高い冷却能力を実現する、吸着冷凍機を提供できる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第一の実施形態である、吸着冷凍機の全体構成図である。 第一冷温切替弁の模式図である。 第二冷温切替弁の模式図である。 吸着冷凍機の機能ブロック図である。 吸着冷凍機のタイムチャートである。 吸着冷凍機の動作状態を示す模式図である。 吸着冷凍機の動作状態を示す模式図である。 従来技術に係る二層式の吸着冷凍機と、本発明の第一の実施形態に係る吸着冷凍機との性能を比較したグラフである。 本発明の第二の実施形態である、吸着冷凍機の構成図である。 吸着冷凍機のタイムチャートである。 従来技術に係る二段階の吸着反応器を設けた吸着冷凍機の模式図である。

［第一の実施形態：全体構成］
図１は、本発明の第一の実施形態である、吸着冷凍機の全体構成図である。
図１に示すように、吸着冷凍機１０１は、最上部に凝縮器１０２が設けられ、最下部に蒸発器１０３が設けられる。そして凝縮器１０２と蒸発器１０３との間に、三つの吸着反応器が設けられる。
蒸発器１０３の上側には、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５が並んで設けられる。そして、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５の上側で凝縮器１０２の下側には、上層吸着反応器１０６が設けられる。
更に吸着冷凍機１０１は、凝縮器１０２と、蒸発器１０３と、第一下層吸着反応器１０４と、第二下層吸着反応器１０５と、上層吸着反応器１０６の空気を抜くための真空ポンプ１０７を有する。真空ポンプ１０７は、凝縮器１０２と、蒸発器１０３と、第一下層吸着反応器１０４と、第二下層吸着反応器１０５と、上層吸着反応器１０６をおよそ１０ｈｐａ程度（１／１００気圧）に減圧する。

上層吸着反応器１０６は、図示しない吸着剤と吸脱着ラジエータ１０８ａを内包する。
同様に、第一下層吸着反応器１０４も、図示しない吸着剤と吸脱着ラジエータ１０８ｂを内包する。第二下層吸着反応器１０５も、図示しない吸着剤と吸脱着ラジエータ１０８ｃを内包する。
更に、吸着冷凍機１０１は、上層吸着反応器１０６、第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５の内部に設けられた吸脱着ラジエータ１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃに循環する温水を供給する温水槽１０９を備える。また、吸脱着ラジエータ１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃと、凝縮器１０２に設けられた冷却水ラジエータ１１０に循環する冷却水を供給する冷却水槽１１１を備える。

凝縮器１０２は、その内部が減圧雰囲気の状態で、上層吸着反応器１０６から流入する冷媒蒸気を冷却水ラジエータ１１０で凝縮する。凝縮された冷媒液１１２は、凝縮器１０２の底に貯まり、冷媒液パイプ１１４を伝って蒸発器１０３へ供給される。

凝縮器１０２の底には冷媒液パイプ１１４の一端が接続される。冷媒液パイプ１１４の他端は、蒸発器１０３の内部に設けられる冷媒滴下器１１５に接続される。冷媒滴下器１１５の下には冷水タンク１１６から冷水が循環する第一冷水ラジエータ１１７が設けられる。
蒸発器１０３は、その内部が減圧雰囲気の状態で、冷媒液パイプ１１４から流入する冷媒液１１２を冷媒滴下器１１５で第一冷水ラジエータ１１７に滴下する。すると、減圧雰囲気の中では液体の沸点が低くなるので、冷媒液１１２は第一冷水ラジエータ１１７から熱を奪い、蒸発する。冷媒液１１２が蒸発して生じた冷媒蒸気は、後述する開閉弁を介して第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５へ交互に導かれる。

第一冷水ラジエータ１１７は冷水タンク１１６を介して、冷水ポンプ１１８の一端に接続される。冷水ポンプ１１８の他端は冷却対象１１９の内部に設けられる第二冷水ラジエータ１２０に接続される。第一冷水ラジエータ１１７にて冷やされた冷水は、冷水タンク１１６から冷水ポンプ１１８を介して第二冷水ラジエータ１２０に供給されることで、冷却対象１１９を冷やす。

冷却水槽１１１には３０℃程度の冷却水が満たされており、図示しないポンプで上層吸着反応器１０６、第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５の吸脱着ラジエータ１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃと、凝縮器１０２に設けられた冷却水ラジエータ１１０に循環する冷却水を供給する。また、温水槽１０９には５０℃以上の温水が満たされており、図示しないポンプで上層吸着反応器１０６、第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５の内部に設けられた吸脱着ラジエータ１０８ａ、１０８ｂ及び１０８ｃに循環する温水を供給する。

第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５には、同じ容積の容器に図示しない吸着剤と、吸着剤を網羅する吸脱着ラジエータ１０８ｂ及び１０８ｃが設けられる。吸着剤は周知のシリカゲル、ゼオライト又は活性炭等である。吸着剤は、冷却されると冷媒蒸気を吸着し、加熱されると吸着した冷媒蒸気を脱着する。
吸脱着ラジエータ１０８ｂ及び１０８ｃは、銅やアルミニウム等の金属パイプに、熱交換を促進するフィンが多数設けられる。このフィンは一般的で周知の形状のものである。この吸脱着ラジエータ１０８ｂ及び１０８ｃのフィンの隙間またはフィン表面に、吸着剤が敷き詰められている。このような吸脱着ラジエータ１０８ｂ及び１０８ｃが吸着反応器の容器の内部に多数積層されるように吸着反応器を構成することによって、吸着剤による冷媒蒸気の吸着と脱着が促進される。

上層吸着反応器１０６は、その容器内に図示しない吸着剤と、吸着剤を網羅する吸脱着ラジエータ１０８ａが設けられる。つまり、上層吸着反応器１０６は第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５の形状と同じ構造にて構成される。

上層吸着反応器１０６の吸脱着ラジエータ１０８ａは、第一冷温切替弁１２１に接続される。第一冷温切替弁１２１は更に冷却水槽１１１と温水槽１０９に接続される。第一冷温切替弁１２１の構造の一例を図２に示す。
図２Ａ及びＢは、第一冷温切替弁１２１の模式図である。
第一冷温切替弁１２１の可動部２０１が図２Ａの状態の時、上層吸着反応器１０６の吸脱着ラジエータ１０８ａは温水槽１０９に接続されるので、吸脱着ラジエータ１０８ａには温水が循環される。
図２Ａの状態から第一冷温切替弁１２１の可動部２０１が、紙面において９０°右方向に回転すると、図２Ｂの状態になる。図２Ｂの状態の時、上層吸着反応器１０６の吸脱着ラジエータ１０８ａは冷却水槽１１１に接続されるので、吸脱着ラジエータ１０８ａには冷却水が循環される。

一方、図１に示すように、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５は、第二冷温切替弁１２２に接続される。第二冷温切替弁１２２は冷却水槽１１１と温水槽１０９に接続される。第二冷温切替弁１２２の構造の一例を図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃに示す。
図３Ａ、図３Ｂ及び図３Ｃは、第二冷温切替弁１２２の模式図である。
第二冷温切替弁１２２には、図３Ａに示す可動部３０１と固定部３０２よりなる水路が、図３の紙面の垂直方向に二連装の形態で形成される。二連装の水路のうち一方の水路は冷却水又は温水の供給用水路であり、他方の水路は冷却水又は温水の回収用水路である。
第二冷温切替弁１２２の可動部３０１が図３Ａの状態の時、第一下層吸着反応器１０４の吸脱着ラジエータ１０８ｂと第二下層吸着反応器１０５の吸脱着ラジエータ１０８ｃは、共に冷却水槽１１１に接続される。したがって、冷却水が吸脱着ラジエータ１０８ｂと吸脱着ラジエータ１０８ｃの両方に循環される。一方、温水槽１０９の温水供給は断たれるので、温水はどこにも循環しない。

第二冷温切替弁１２２は、図３Ａの状態から、第一冷温切替弁１２１の可動部３０１が紙面において６０°右方向に回転すると、図３Ｂの状態になる。
第二冷温切替弁１２２が図３Ｂの状態の時、第二下層吸着反応器１０５の吸脱着ラジエータ１０８ｃには冷却水槽１１１に接続される。したがって、吸脱着ラジエータ１０８ｃには冷却水が循環される。そして、第一下層吸着反応器１０４の吸脱着ラジエータ１０８ｂには温水槽１０９に接続されるので、吸脱着ラジエータ１０８ｂには温水が循環される。

第二冷温切替弁１２２は、図３Ａの状態から第一冷温切替弁１２１の可動部３０１が紙面において６０°左方向に回転すると、図３Ｃの状態になる。
第二冷温切替弁１２２が図３Ｃの状態の時、第一下層吸着反応器１０４の吸脱着ラジエータ１０８ｂには冷却水槽１１１に接続される。したがって、吸脱着ラジエータ１０８ｂには冷却水が循環される。そして、第二下層吸着反応器１０５の吸脱着ラジエータ１０８ｃには温水槽１０９に接続されるので、吸脱着ラジエータ１０８ｃには温水が循環される。

再び、図１を参照して、吸着冷凍機１０１の説明を続ける。
図１に示すように、凝縮器１０２と上層吸着反応器１０６との間には、第一開閉弁１２３が設けられる。また、上層吸着反応器１０６と第一下層吸着反応器１０４との間には、第二開閉弁１２４が設けられる。更に、上層吸着反応器１０６と第二下層吸着反応器１０５との間には、第三開閉弁１２５が設けられる。

また、第一下層吸着反応器１０４と蒸発器１０３との間には、第四開閉弁１２６が設けられる。第二下層吸着反応器１０５と蒸発器１０３との間には、第五開閉弁１２７が設けられる。これら、第一開閉弁１２３、第二開閉弁１２４、第三開閉弁１２５、第四開閉弁１２６及び第五開閉弁１２７が、第一冷温切替弁１２１と第二冷温切替弁１２２と共に制御部１２８によって適切に開閉制御されることで、冷却対象１１９によって暖められた冷水は再び冷却される。

図４は、吸着冷凍機１０１の機能ブロック図である。
制御部１２８は、周知のシーケンス制御にて、第一開閉弁１２３、第二開閉弁１２４、第三開閉弁１２５、第四開閉弁１２６及び第五開閉弁１２７、第一冷温切替弁１２１、第二冷温切替弁１２２、真空ポンプ１０７、冷水ポンプ１１８、温水槽１０９の温水ポンプ４０１、冷却水槽１１１の冷却水ポンプ４０２を制御する。周知のマイコンで構成される制御部１２８は、タイマ４０３から受け取る計時情報に基づいて、蒸発器１０３の内部に設けられる真空圧力計４０４、温水槽１０９の内部に設けられる温水温度計４０５、冷却水槽１１１の内部に設けられる冷却水温度計４０６から情報を得て、吸着冷凍機１０１の運転可否状態を判断し、適切なシーケンスタイミングを調整する。

例えば、真空ポンプ１０７が形成する減圧雰囲気が不完全である場合、蒸発器１０３内部で冷媒液１１２が迅速に蒸発しない。したがって、蒸発器１０３等の空気圧が適切な減圧雰囲気に至っているか否かを確認することは重要である。このために、真空圧力計４０４が設けられる。
また、温水槽１０９の温水の温度は、第一下層吸着反応器１０４、第二下層吸着反応器１０５及び上層吸着反応器１０６における脱着プロセスの脱着反応進行速度に大きく影響する。温水の温度が高ければ高いほど、短時間に冷媒蒸気を吸着剤から脱着させることができる。しかし、温水の温度が高い場合、不必要に吸着剤を温め過ぎると、吸着剤に熱が過剰に溜まってしまい、冷却水で吸着剤を冷却しようとしても十分に冷却できなくなってしまう。したがって、温水の温度が高い場合には、脱着プロセスの時間を短くしなければならなくなる。
このように、制御部１２８は、真空圧力計４０４から得られる情報に基づいて吸着冷凍機１０１の運転可否状態を判断すると共に、温水温度計４０５及び冷却水温度計４０６から得られる情報に基づいて、適切なシーケンスタイミングを調整する。

以上の説明から判るように、第一の実施形態に係る吸着冷凍機１０１は、吸着反応器が二層（二段）になっている。しかし、上の段に該当する吸着反応器は、上層吸着反応器１０６一つだけでよいので、従来技術の吸着冷凍機（図１１参照）と比べて一つ少なくて済む。このように、大型の部品が一つ削減できることにより、従来技術と比べて吸着冷凍機の小型化とコストの削減を図ることができる。

［第一の実施形態：動作］
以下、図５、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図７Ｅ、図７Ｆ、図７Ｇ及び図７Ｈを参照して、本発明の第一の実施形態に係る吸着冷凍機１０１の動作の流れを説明する。
図５は、吸着冷凍機１０１のタイムチャートである。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ及び図６Ｄ、図７Ｅ、図７Ｆ、図７Ｇ及び図７Ｈは、吸着冷凍機１０１の動作状態を示す模式図である。

図５中、（ａ）は第四開閉弁１２６のタイムチャートである。
図５中、（ｂ）は第一下層吸着反応器１０４のタイムチャートである。
図５中、（ｃ）は第二開閉弁１２４のタイムチャートである。
図５中、（ｄ）は第五開閉弁１２７のタイムチャートである。
図５中、（ｅ）は第二下層吸着反応器１０５のタイムチャートである。
図５中、（ｆ）は第三開閉弁１２５のタイムチャートである。
図５中、（ｇ）は上層吸着反応器１０６のタイムチャートである。
図５中、（ｈ）は第一開閉弁１２３のタイムチャートである。
図５中、「開」は開閉弁が開いている状態を示し、「閉」は開閉弁が閉じている状態を示す。

図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図７Ｅ、図７Ｆ、図７Ｇ及び図７Ｈ中、第一開閉弁１２３、第二開閉弁１２４、第三開閉弁１２５、第四開閉弁１２６及び第五開閉弁１２７のうち、黒く塗り潰されているものは各開閉弁が閉じていることを示し、白抜きのものは各開閉弁が開いていることを示す。
図５、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図７Ｅ、図７Ｆ、図７Ｇ及び図７Ｈ中、「吸着」とは、第一下層吸着反応器１０４、第二下層吸着反応器１０５及び上層吸着反応器１０６のうちの指定された吸着反応器が冷媒蒸気を吸着するために冷却水が通過する状態を示す。つまり、下側の開閉弁が開放され、上側の開閉弁が閉成されて、該当する吸着反応器がその直下にある設備から冷媒蒸気を吸い取る、吸着プロセスを示している。

図５、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図７Ｅ、図７Ｆ、図７Ｇ及び図７Ｈ中、「脱着」とは、第一下層吸着反応器１０４、第二下層吸着反応器１０５及び上層吸着反応器１０６のうちの指定された吸着反応器が冷媒蒸気を脱着するためにに温水が通過する状態を示す。つまり、下側の開閉弁が閉成され、上側の開閉弁が開放され、該当する吸着反応器がその上にある設備へ冷媒蒸気を吐き出す、脱着プロセスを示している。

また、図５、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図７Ｅ、図７Ｆ、図７Ｇ及び図７Ｈ中、「予冷」とは、第一下層吸着反応器１０４、第二下層吸着反応器１０５及び上層吸着反応器１０６のうちの指定された吸着反応器を吸着プロセスの準備のために冷却水が通過する状態を示す。つまり、下側の開閉弁と上側の開閉弁の双方が閉成され、次の吸着プロセスに備えて該当する吸着反応器が冷却される、予冷プロセスを示している。

図５、図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、図６Ｄ、図７Ｅ、図７Ｆ、図７Ｇ及び図７Ｈ中、「予熱」とは、第一下層吸着反応器１０４、第二下層吸着反応器１０５及び上層吸着反応器１０６のうちの指定された吸着反応器を脱着プロセスの準備のために温水が通過する状態を示す。つまり、下側の開閉弁と上側の開閉弁の双方が閉成され、次の脱着プロセスに備えて該当する吸着反応器が加熱される、予熱プロセスを示している。

図６Ａに示す、図５における時刻ｔ１の時点では、第一開閉弁１２３、第二開閉弁１２４、第三開閉弁１２５、第四開閉弁１２６はいずれも閉じており、第五開閉弁１２７のみが開いている。 この状態では、第一下層吸着反応器１０４は温水が供給されているので、予熱プロセスである。また、第二下層吸着反応器１０５は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。上層吸着反応器１０６は冷却水が供給されているので、予冷プロセスである。
すなわち、時刻ｔ１の時点において、冷媒蒸気は、蒸発器１０３から第二下層吸着反応器１０５へのみ移動する。

図６Ｂに示す、図５における時刻ｔ２の時点では、第一開閉弁１２３、第三開閉弁１２５及び第四開閉弁１２６が閉じ、第二開閉弁１２４と第五開閉弁１２７が開いている。この状態では、第一下層吸着反応器１０４は温水が供給されているので、脱着プロセスである。第二下層吸着反応器１０５は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。上層吸着反応器１０６も冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。
すなわち、時刻ｔ２の時点において、冷媒蒸気は、蒸発器１０３から第二下層吸着反応器１０５へ移動すると共に、第一下層吸着反応器１０４から上層吸着反応器１０６へ移動する。

図６Ｃに示す、図５における時刻ｔ３の時点では、第一開閉弁１２３、第二開閉弁１２４、第三開閉弁１２５、及び第四開閉弁１２６はいずれも閉じており、第五開閉弁１２７のみが開いている。この状態では、第一下層吸着反応器１０４は冷却水が供給されているので、予冷プロセスである。第二下層吸着反応器１０５は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。上層吸着反応器１０６は温水が供給されているので、予熱プロセスである。
すなわち、時刻ｔ３の時点において、冷媒蒸気は、蒸発器１０３から第二下層吸着反応器１０５へのみ移動する。

図６Ｄに示す、図５における時刻ｔ４の時点では、第一開閉弁１２３、第四開閉弁１２６及び第五開閉弁１２７が開いている。そして、第二開閉弁１２４と第三開閉弁１２５は閉じている。この状態では、第一下層吸着反応器１０４は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。第二下層吸着反応器１０５は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。上層吸着反応器１０６は温水が供給されているので、脱着プロセスである。
すなわち、時刻ｔ４の時点において、冷媒蒸気は、蒸発器１０３から第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５へ移動すると共に、上層吸着反応器１０６から凝縮器１０２へ移動する。

図７Ｅに示す、図５における時刻ｔ５の時点では、第一開閉弁１２３、第二開閉弁１２４、第三開閉弁１２５及び第五開閉弁１２７が閉じている。そして、第四開閉弁１２６のみが開いている。この状態では、第一下層吸着反応器１０４は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。第二下層吸着反応器１０５は温水が供給されているので、予熱プロセスである。上層吸着反応器１０６は冷却水が供給されているので、予冷プロセスである。
すなわち、時刻ｔ５の時点において、冷媒蒸気は、蒸発器１０３から第一下層吸着反応器１０４へのみ移動する。

図７Ｆに示す、図５における時刻ｔ６の時点では、第一開閉弁１２３、第二開閉弁１２４及び第五開閉弁１２７が閉じている。そして、第三開閉弁１２５と第四開閉弁１２６が開いている。この状態では、第一下層吸着反応器１０４は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。第二下層吸着反応器１０５は温水が供給されているので、脱着プロセスである。上層吸着反応器１０６は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。
すなわち、時刻ｔ６の時点において、冷媒蒸気は、蒸発器１０３から第一下層吸着反応器１０４へ移動すると共に、第二下層吸着反応器１０５から上層吸着反応器１０６へ移動する。

図７Ｇに示す、図５における時刻ｔ７の時点では、第一開閉弁１２３、第二開閉弁１２４、第三開閉弁１２５、及び第五開閉弁１２７が閉じている。そして、第四開閉弁１２６のみが開いている。この状態では、第一下層吸着反応器１０４は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。第二下層吸着反応器１０５は冷却水が供給されているので、予冷プロセスである。上層吸着反応器１０６は温水が供給されているので、予熱プロセスである。
すなわち、時刻ｔ７の時点において、冷媒蒸気は、蒸発器１０３から第一下層吸着反応器１０４へのみ移動する。

図７Ｈに示す、図５における時刻ｔ８の時点では、第一開閉弁１２３、第四開閉弁１２６及び第五開閉弁１２７が開いている。そして、第二開閉弁１２４と第三開閉弁１２５が閉じている。
この状態では、第一下層吸着反応器１０４は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。第二下層吸着反応器１０５は冷却水が供給されているので、吸着プロセスである。上層吸着反応器１０６は温水が供給されているので、脱着プロセスである。
すなわち、時刻ｔ８の時点において、冷媒蒸気は、蒸発器１０３から第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５へ移動すると共に、上層吸着反応器１０６から凝縮器１０２へ移動する。

以上に説明した、吸着冷凍機１０１のシーケンス制御の特徴は、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５のうち、一方を吸着プロセスのまま保持して、他方を予熱、脱着、予冷、吸着と、プロセスを転換させる点にある。この時、上層吸着反応器１０６は下層の吸着反応器のシーケンス制御に同期して、予冷、吸着、予熱、脱着と、プロセスを転換させる。
また、このようなシーケンス制御を実現するために、第二冷温切替弁１２２は第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５の両方に、同時に冷却水を供給できる必要がある。図５の時刻ｔ４とｔ８、つまり図６Ｄと図７Ｈが、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５の両方に冷却水を供給する状態である。このために、第二冷温切替弁１２２は図３Ａに示すように、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５の両方に、同時に冷却水を供給すると共に、温水の循環を遮断することが可能な構造が採用される。

［シミュレーション］
以上に説明した吸着冷凍機１０１の性能について、シミュレーション計算による結果を示す。
図８は、従来技術に係る二層式の吸着冷凍機１１０１と、本発明の第一の実施形態に係る吸着冷凍機１０１との性能を比較したグラフである。横軸は温水の温度であり、縦軸はＣＯＰ（Coefficient Of Performance：成績係数）と、吸着剤の重量に対する冷凍出力ＳＣＰ（Specific Cooling Power）である。図８中、線Ｌ８０１は本実施形態のＳＣＰであり、線Ｌ８０２は本実施形態のＣＯＰである。これに対し、線Ｌ８０３は従来技術のＳＣＰであり、線Ｌ８０４は従来技術のＣＯＰである。
第一の実施形態の吸着冷凍機１０１は、従来技術の吸着冷凍機１１０１と比べると、ＣＯＰは僅かに低下する。しかし、吸着剤の重量に対する冷凍出力ＳＣＰは大幅に向上している。つまり、本実施形態の吸着冷凍機１０１は、従来技術と比べて吸着剤の利用効率が大幅に向上するのに対して、ＣＯＰについては従来型と比べても大幅な低下はないことが分かる。

［第二の実施形態：全体構成］
図９は、本発明の第二の実施形態である、吸着冷凍機９０１の構成図である。
図９中、図１に示した第一の実施形態に係る吸着冷凍機１０１と共通するものについては、同じ符号を付して説明を省略する。
図９に示す吸着冷凍機９０１の、図１に示した第一の実施形態に係る吸着冷凍機１０１との相違点は、上層吸着反応器９０２の下に中間層吸着反応器９０３が新たに加わった点である。つまり、第一の実施形態に係る吸着冷凍機１０１は、吸着反応器が二層を構成しているが、第二の実施形態に係る吸着冷凍機９０１は、吸着反応器が三層を構成している。
吸着冷凍機９０１のように吸着反応器を三層式に構成すると、吸着反応器が二層式である吸着冷凍機１０１に比べて、吸着反応器を温める温水の温度をより低くしても、冷却性能を維持することが可能になる。

［第二の実施形態：動作］
図１０は、吸着冷凍機９０１のタイムチャートである。
図１０中、（ａ）は第一下層吸着反応器１０４のタイムチャートである。
図１０中、（ｂ）は第二下層吸着反応器１０５のタイムチャートである。
図１０中、（ｃ）は中間層吸着反応器９０３のタイムチャートである。
図１０中、（ｄ）は第一開閉弁９０４のタイムチャートである。
図１０中、（ｅ）は上層吸着反応器９０２のタイムチャートである。
図１０中、（ｆ）は第六開閉弁９０５のタイムチャートである。
図１０中、「開」は開閉弁が開いている状態を示し、「閉」は開閉弁が閉じている状態を示す。
図１０中、「吸着」「脱着」「予冷」「予熱」は、図５、図６及び図７と同じ意味である。

第二の実施形態に係る吸着冷凍機９０１は、中間層吸着反応器９０３から下側に配置される部分の動作が、第一の実施形態に係る吸着冷凍機１０１の動作と同じである。図１０中、（ａ）に示す第一下層吸着反応器１０４のタイムチャートは、図５中（ｂ）の第一下層吸着反応器１０４のタイムチャートと同じである。図１０中、（ｂ）に示す第二下層吸着反応器１０５のタイムチャートは、図５中（ｅ）の第二下層吸着反応器１０５のタイムチャートと同じである。
このため、図１０では図５の（ａ）の第四開閉弁１２６、図５の（ｃ）の第二開閉弁１２４、図５の（ｄ）の第五開閉弁１２７、図５の（ｆ）の第三開閉弁１２５のタイムチャートについては表示を省略した。

図１０中、（ｃ）に示す中間層吸着反応器９０３のタイムチャートは、図５の（ｇ）の上層吸着反応器１０６のタイムチャートと同じである。図１０中、（ｄ）に示す第一開閉弁９０４のタイムチャートは、図５の（ｈ）の第一開閉弁１２３のタイムチャートと同じである。
図１０中、（ｅ）に示す上層吸着反応器９０２のタイムチャートは、図５の（ｇ）の上層吸着反応器１０６のタイムチャートと逆になる。図１０中、（ｆ）に示す第六開閉弁９０５のタイムチャートは、図５の（ｈ）の第一開閉弁１２３のタイムチャートと逆位相の関係になる。

第二の実施形態に係る吸着冷凍機９０１は、吸着反応器が三層式である。従来技術であれば、三層式は合計６個の吸着反応器を設ける必要があったが、本実施形態の吸着冷凍機９０１は吸着反応器が合計４個で済む。

本実施形態は以下のような応用例が可能である。
（１）吸着冷凍機１０１全般に言えることではあるが、冷媒は必ずしも水でなくてもよい。同様に、温水、冷却水、冷水も必ずしも水でなくてもよい。但し、冷媒は蒸発と凝縮を繰り返すので、不純物が極力混じっていないことが望ましい。

（２）第一冷温切替弁１２１と第二冷温切替弁１２２、そして第二の実施形態における第三冷温切替弁９０８を、開閉弁を複数組み合わせて構成することもできる。

（３）吸着冷凍機１０１における蒸発器１０３、吸着反応器、そして凝縮器１０２の配置関係は、必ずしも図１や図９に示すような上下の配置関係である必要はない。
図１及び図９において、蒸発器１０３は、凝縮器１０２から凝縮した冷媒液を受け取る関係上、凝縮器１０２に対して下側に配置される方が好ましいが、冷媒液パイプ１１４にポンプが設けられていれば、その必要はなくなる。
図１において、凝縮器１０２と蒸発器１０３との間に設けられる第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５と上層吸着反応器１０６は、凝縮器１０２及び蒸発器１０３とは異なり、冷媒液が気化した冷媒蒸気が通過する。したがって、冷媒蒸気が支障なく通過する構造であれば、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５と上層吸着反応器１０６と、凝縮器１０２と蒸発器１０３との相対的な配置関係は自由である。例えば、凝縮器１０２の直下に蒸発器１０３が配置されている限り、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５と上層吸着反応器１０６は、凝縮器１０２の上や蒸発器１０３の下に配置されていても良いし、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５と上層吸着反応器１０６の相対的な上下の配置関係も限定されない。
この配置関係に関する制約は、図９の上層吸着反応器９０２、中間層吸着反応器９０３、第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５においても同様である。

（４）第一の実施形態にて開示した吸着冷凍機１０１と、第二の実施形態にて開示した吸着冷凍機９０１は、従来技術と比べて動作シーケンスを改良することで、吸着反応器の数を減らすことに成功した。これら吸着冷凍機１０１及び吸着冷凍機９０１は、使用する吸着反応器に充填される吸着剤の充填量や、吸着剤の材料を制限しない。以下、図１の吸着冷凍機１０１を参照して、吸着冷凍機１０１における吸着反応器に関する設計の自由度について説明する。

先ず、吸着剤の吸着能力が小さい場合、必要な吸着能力を得るためには吸着反応器に充填する吸着剤の充填量を増やすことが必要となる。したがって、吸着剤の種類が凝縮器１０２に接続される上層吸着反応器１０６と、蒸発器１０３に接続される第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５とで異なれば、充填量が同じである必然性はない。

次に、吸着反応器の吸着能力は、一般的に相対圧の関数として示される。
蒸発器１０３に接続される第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５の相対圧は「蒸発器１０３内で冷媒が蒸発する際の蒸発温度における、冷媒蒸気の圧力／第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５の吸着剤を冷却水で冷却した時の温度における、冷媒の飽和蒸気圧」で決まる。ここで、蒸発温度は蒸発器１０３内の気圧に依存する、設計パラメータである。

一方、凝縮器１０２に接続される上層吸着反応器１０６の相対圧は「第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５の内部で、吸着剤が加熱された時の温度における、吸着平衡圧／凝縮器１０２に接続される上層吸着反応器１０６の吸着剤を冷却した時の温度における、冷媒の飽和蒸気圧」で決まる。

上記の定義式より、蒸発器１０３に接続される第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５の相対圧と、凝縮器１０２に接続される上層吸着反応器１０６の相対圧は必ずしも同じではない。したがって、第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５と、上層吸着反応器１０６とで異なる吸着性能を持つ吸着剤を組み合わせる方が、吸着冷凍機１０１全体としての性能が高くなる可能性がある。あるいは、異なる種類の吸着剤を混合することも考えられる。その際、第一下層吸着反応器１０４及び第二下層吸着反応器１０５と、上層吸着反応器１０６とで吸着剤の配合比を異ならせることも考えられる。

また、吸着冷凍機１０１の構造上、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５は、なるべくなら等しい吸着能力を備えていることが望ましい。しかし、先に説明したように、吸着反応器の吸着能力は相対圧の関数である。つまり、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５とで異なる吸着性能を持つ吸着剤を採用しても、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５の、各々に充填される吸着剤の充填量や、加熱及び冷却のサイクルタイムを調整することで、等しい吸着能力を実現できる。

本実施形態では、吸着冷凍機１０１を開示した。
本実施形態の吸着冷凍機１０１は、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５のすぐ上に位置する吸着反応器を単一に構成した。そして、本実施形態の吸着冷凍機１０１は、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５のうち、一方を吸着プロセスのまま保持して、他方を予熱、脱着、予冷、吸着と、プロセスを転換させるシーケンス制御を行う。この時、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５のすぐ上に位置する上層吸着反応器１０６は、下層の吸着反応器のシーケンス制御に同期して、予冷、吸着、予熱、脱着と、プロセスを転換させる。
このようなシーケンス制御を実現するために、本実施形態の吸着冷凍機１０１は、第一下層吸着反応器１０４と第二下層吸着反応器１０５の両方に、同時に冷却水を供給する能力を備える第二冷温切替弁１２２を設けた。
このようなシーケンス制御を採用することで、本実施形態の吸着冷凍機１０１は従来技術と比べて冷却性能に大きな劣化を生じないまま、吸着反応器を一個分減らすことができ、吸着冷凍機１０１の占有体積を減らすことができる。

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。

１０１…吸着冷凍機、１０２…凝縮器、１０３…蒸発器、１０４…第一下層吸着反応器、１０５…第二下層吸着反応器、１０６…上層吸着反応器、１０７…真空ポンプ、１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ…吸脱着ラジエータ、１０９…温水槽、１１０…冷却水ラジエータ、１１１…冷却水槽、１１２…冷媒液、１１４…冷媒液パイプ、１１５…冷媒滴下器、１１６…冷水タンク、１１７…第一冷水ラジエータ、１１８…冷水ポンプ、１１９…冷却対象、１２０…第二冷水ラジエータ、１２１…第一冷温切替弁、１２２…第二冷温切替弁、１２３…第一開閉弁、１２４…第二開閉弁、１２５…第三開閉弁、１２６…第四開閉弁、１２７…第五開閉弁、１２８…制御部、２０１…可動部、３０１…可動部、３０２…固定部、４０１…温水ポンプ、４０２…冷却水ポンプ、４０３…タイマ、４０４…真空圧力計、４０５…温水温度計、４０６…冷却水温度計、９０１…吸着冷凍機、９０２…上層吸着反応器、９０３…中間層吸着反応器、９０４…第一開閉弁、９０５…第六開閉弁

Claims (3)

1. 減圧雰囲気で冷媒を蒸発させて気化させることで冷熱を発生させる蒸発器と、
   前記蒸発器から生じる、気化された前記冷媒を吸着する吸着剤と、前記吸着剤を時分割にて温めると共に冷やす吸脱着ラジエータを内包する第一下層吸着反応器と、
   前記蒸発器から生じる、気化された前記冷媒を吸着する吸着剤と、前記吸着剤を時分割にて温めると共に冷やす吸脱着ラジエータを内包する第二下層吸着反応器と、
   前記第一下層吸着反応器及び前記第二下層吸着反応器から生じる、気化された前記冷媒を交互に受け取って吸着する吸着剤と、前記吸着剤を時分割にて温めると共に冷やす吸脱着ラジエータを内包する第一上層吸着反応器と、
   前記第一上層吸着反応器から生じる、気化された前記冷媒を減圧雰囲気で冷却させて凝縮させて、液化した前記冷媒を前記蒸発器に供給する凝縮器と、
   前記凝縮器と前記第一上層吸着反応器の間と、前記第一上層吸着反応器と前記第一下層吸着反応器の間と、前記第一上層吸着反応器と前記第二下層吸着反応器の間と、前記第一下層吸着反応器と前記蒸発器の間と、前記第二下層吸着反応器と前記蒸発器の間に設けられる複数の開閉弁と、
   前記第一上層吸着反応器の前記吸脱着ラジエータに前記吸着剤を時分割にて温めると共に冷やすための第一冷温切替弁と、
   前記第一下層吸着反応器と前記第二下層吸着反応器の夫々の前記吸脱着ラジエータに前記吸着剤を時分割にて温めると共に冷やすための第二冷温切替弁と、
   前記複数の開閉弁の開閉状態及び前記第一冷温切替弁と前記第二冷温切替弁を制御すると共に、第一の時点で、前記第一下層吸着反応器と前記第二下層吸着反応器のうちの一方を冷やして他方を温め、かつ前記第一上層吸着反応器を冷やし、第二の時点で、前記第一下層吸着反応器と前記第二下層吸着反応器のうちの一方を冷やした状態を継続しつつ他方を冷やし、かつ前記第一上層吸着反応器を温めるシーケンス制御を行う、制御部と
   を具備する吸着冷凍機。
2. 前記制御部は、前記第一下層吸着反応器を冷やして、前記蒸発器から生じる、気化された前記冷媒を吸着させる吸着プロセスを実行する間に、前記第二下層吸着反応器を冷やして、前記蒸発器から生じる、気化された前記冷媒を吸着させる吸着プロセスを実行し、その後、前記第二下層吸着反応器を温めて、前記吸着材から前記冷媒を脱着させる脱着プロセスを実行し、更にその後、前記第二下層吸着反応器を冷やして、前記蒸発器から生じる、気化された前記冷媒を吸着させる吸着プロセスを実行するべく、前記複数の開閉弁の開閉状態及び前記第一冷温切替弁と前記第二冷温切替弁を制御する、請求項２に記載の吸着冷凍機。
3. 更に、
   前記第一上層吸着反応器から生じる、気化された前記冷媒を吸着する吸着剤と、前記吸着剤を時分割にて温めると共に冷やす吸脱着ラジエータを内包する第二上層吸着反応器と
   を具備する、請求項２に記載の吸着冷凍機。

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