JP6436557B2 - 吸着式冷凍機 - Google Patents

Description

本発明は、流体の吸着・脱離を行う吸着剤を有する吸着式冷凍機に関するものである。

従来、吸着式冷凍機に用いられる吸着器として、熱媒体が流れる熱媒体管の外周に、吸着剤と伝熱部材とが混合された吸着層を設けられたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−１４８１９４号公報

上記特許文献１に記載のような吸着器において、吸着能力Ｑは、以下の数式１にて表される。

（数１）
Ｑ＝Ｇ・ΔＨ・ΔＣ・η／τ
但し、Ｇは吸着剤量であり、ΔＨは吸着剤が吸着・脱離する冷媒の冷媒潜熱であり、ΔＣは吸着容量であり、ηは吸着効率であり、τは切替時間である。なお、切替時間τとは、吸着剤に冷媒を吸着させる吸着工程と、吸着剤から吸着した冷媒を脱離させる脱離工程との切替時間のことをいう。

この数式１から明らかなように、吸着剤量Ｇが多くなると、吸着能力Ｑが向上する。しかしながら、吸着層のうち吸着剤の割合が多い場合、吸着剤の熱抵抗が大きいため、吸着剤量Ｇの増加分以上に吸着効率ηが低下し、その結果、吸着能力Ｑが低下するという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、吸着能力を向上させることができる吸着式冷凍機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部を熱媒体が流通する熱媒体管（１２１）と、熱媒体によって冷却されることで熱媒体管（１２１）外部の気相状態の冷媒を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した冷媒を脱離する吸着剤（１２４）を有する吸着層（１２２）と、熱媒体管（１２１）の長手方向に直交するように配置され、熱媒体管（１２１）と吸着剤（１２４）との間で熱の授受を行う伝熱部材（１２３）とを備え、複数の伝熱部材（１２３）が所定ピッチで並べられ、隣り合う伝熱部材（１２３）の間に吸着材（１２４）が充填され、伝熱部材（１２３）と吸着剤（１２４）とが一体に形成されている吸着器を複数備える吸着式冷凍機において、所定ピッチは２００μｍ以下であり、吸着層（１２２）内に充填された吸着剤（１２４）の充填密度（ρ）を、吸着剤（１２３）の粒子の真密度（ρａｂｓ）で除した値を吸着剤充填割合（φ）としたとき、吸着剤充填割合（φ）が７０％以下であり、伝熱部材（１２３）と前記熱媒体管（１２１）とが金属接合されており、複数の吸着器（１１、１２）のうち、吸着剤（１２４）に冷媒を吸着させる吸着工程となる吸着器および吸着剤（１２４）から吸着した冷媒を脱離させる脱離工程となる吸着器を切り換えることによって、複数の運転モードを切り換えるように構成されており、吸着工程と脱離工程との切替時間（τ）が、２０秒以上、２４０秒以下の範囲に設定されていることを特徴とする。

これによれば、吸着剤充填割合（φ）を７０％以下とすることで、吸着剤充填割合（φ）が９０％前後の従来の吸着器に比べ、２倍以上の吸着能力を確保することができるので、吸着能力を向上させることができる（図４参照）。

なお、本発明において、「伝熱部材（１２３）と吸着剤（１２４）とが一体に形成されている」とは、吸着剤（１２４）が伝熱部材（１２３）に対して三次元的に配置されていることを意味している。例えば、熱媒体管（１２１）が円管により構成されているとともに、プレート状の伝熱部材（１２３）が熱媒体管（１２１）の外表面に複数設けられている場合、「伝熱部材（１２３）と吸着剤（１２４）とが一体に形成されている」とは、吸着剤（１２４）が伝熱部材（１２３）に対して、伝熱部材（１２３）の長手方向（熱媒体管（１２１）の径方向）だけでなく、熱媒体管（１２１）の長手方向（軸方向）および熱媒体管（１２１）の周方向に三次元的に配置されていることを意味している。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態における吸着式冷凍機の全体構成図であり、第１の作動状態を示している。 第１実施形態における第１吸着器を示す要部拡大図である。 第１実施形態における吸着式冷凍機の全体構成図であり、第２の作動状態を示している。 切替時間と吸着能力との関係を示す特性図である。 切替時間と吸着効率との関係を示す特性図である。 伝熱部材の構成材料を変更した場合の吸着能力の変化を示す特性図である。 第２実施形態における第１吸着器を示す正面図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ断面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。図１に示すように、吸着式冷凍機は、第１、第２の２つの吸着器１１、１２、凝縮器１３および蒸発器１４を備えている。

第１、第２吸着器１１、１２の内部には第１熱媒体（本実施形態では水）が流通する。第１、第２吸着器１１、１２の表面には、冷媒を吸着・脱離する吸着剤が保持されている。

第１、第２吸着器１１、１２の内部に流通する第１熱媒体としては、熱源１５で加熱された高温熱媒体と、室外器１６で冷却された低温熱媒体とを切り替え可能になっている。室外器１６は、熱媒体と室外空気とを熱交換させて第１熱媒体を冷却する放熱用熱交換器である。

第１、第２吸着器１１、１２の内部に低温熱媒体が流通している場合には、吸着剤は蒸気冷媒を吸着する。第１、第２吸着器１１、１２の内部に高温熱媒体が流通している場合には、吸着剤は冷媒を脱離する。吸着剤としては、ゼオライトやシリカゲル等を用いることができる。

凝縮器１３は、室外器１６で冷却された第１熱媒体と、第１、第２吸着器１１、１２のいずれか一方で脱離した蒸気冷媒（本実施形態では水蒸気）とを熱交換させて蒸気冷媒を凝縮させる。

蒸発器１４は、凝縮器１３で凝縮した液冷媒（本実施形態では水）と室内器１７からの第２熱媒体（本実施形態では水）とを熱交換させて液冷媒を蒸発させる。蒸発器１４で蒸発した蒸気冷媒は、第１、第２吸着器１１、１２のいずれか一方に吸着される。室内器１７は、蒸発器１４で吸熱された第２熱媒体と室内空気とを熱交換させて室内空気を冷却する冷却用熱交換器である。

第１、第２吸着器１１、１２、凝縮器１３および蒸発器１４の間の蒸気冷媒の流通は、蒸気バルブ１８によって制御される。

図１中、ポンプ１９、２０は第１熱媒体を循環させるものであり、ポンプ２１は第２熱媒体を循環させるものである。切換弁２２、２３は第１熱媒体の循環経路を切り換えるものである。

次に、本実施形態の第１、第２吸着器１１、１２の構成について説明する。なお、第１吸着器１１と第２吸着器１２とは同様の構成であるため、以下では第１吸着器１１について説明し、第２吸着器１２については説明を省略する。

図２に示すように、第１吸着器１１は、熱媒体が流れる熱媒体管１２１を有している。熱媒体管１２１は、熱伝導性に優れる金属（本実施形態では、銅または銅合金）により構成されている。熱媒体管１２１の外側には、吸着層１２２が設けられている。

具体的には、熱媒体管１２１の外表面には、熱伝導性に優れる金属（本実施形態では、銅または銅合金）により構成された伝熱部材１２３が金属接合されている。本実施形態の伝熱部材１２３は、板状に形成されており、複数枚が所定のピッチＰで等間隔に並べられている。複数枚の伝熱部材１２３の配置方向は、熱媒体管１２１内の熱媒体の流れ方向と平行になっている。

隣り合う伝熱部材１２３の間には、吸着剤１２４が充填されている。これにより、伝熱部材１２３と吸着剤１２４とが一体に形成されている。吸着剤１２４は、熱媒体によって冷却されることで熱媒体管１２１外部の気相状態の冷媒（水蒸気）を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した冷媒（水蒸気）を脱離するものである。吸着剤１２４は、微小な多数の粒子状に形成されており、例えば、シリカゲル、ゼオライトから構成されている。このような伝熱部材１２３および吸着剤１２４により、吸着層１２２が構成されている。

次に、上記構成における作動を説明する。吸着式冷凍機は、第１、第２吸着器１１、１２のうち、吸着剤１２４に冷媒を吸着させる吸着工程となる吸着器および吸着剤１２４から吸着した冷媒を脱離させる脱離工程となる吸着器を切り換えるように構成されている。

具体的には、まず切換弁２２、２３を図１に示すように作動させて、熱源１５と第１吸着器１１との間に高温の第１熱媒体を循環させるとともに、室外器１６と第２吸着器１２および凝縮器１３との間に低温の第１熱媒体を循環させる。

これにより、第１吸着器１１が、吸着していた冷媒を脱離する脱離工程となり、第２吸着器１２が、蒸気冷媒を吸着する吸着工程となるので、第１吸着器１１では吸着剤の再生が行われ、第２吸着器１２で発生した冷凍能力により室内に吹き出す空気が冷却される。

そして、この状態（第１の作動状態）で所定時間が経過したときに、切換弁２２、２３を図３に示すように作動させて、熱源１５と第２吸着器１２との間に高温の第１熱媒を循環させるとともに、室外器１６と第１吸着器１１および凝縮器１３との間に低温の第１熱媒体を循環させる。

これにより、第１吸着器１１が吸着工程となり、第２吸着器１２が脱離工程となるので、第１吸着器１１で発生した冷凍能力により空調風が冷却され、第２吸着器１２にて吸着剤の再生が行われる。

そして、この状態（第２の作動状態）で所定時間が経過したとき、切換弁２２、２３を作動させて再び図１の状態（第１の作動状態）とする。このように、図１の第１の作動状態と図３の第２の作動状態とを所定時間毎に交互に繰り返して、吸着式冷凍機を連続的に稼働させる。

なお、所定時間は、ケーシング２４内に存在する液冷媒の残量や、第１、第２吸着器１２の吸着剤の吸着能力等に基づいて適宜選定されるものである。以下、この所定時間を、切替時間τという。なお、本実施形態では、各吸着器１１、１２において、吸着剤１２４に冷媒を吸着させる時間である吸着工程時間と、吸着剤１２４から吸着した冷媒を脱離させる時間である脱離工程時間とが等しくなっている。

ところで、第１、第２吸着器１１、１２における吸着能力Ｑは、発明が解決しようとする課題の欄に記載の通り、以下の数式１で表される。

（数１）
Ｑ＝Ｇ・ΔＨ・ΔＣ・η／τ
このとき、吸着容量ΔＣと吸着効率ηの積は、以下の数式２のように、吸着剤温度Ｔａｄと冷媒温度Ｔｖとの関数で表される。

但し、Ｔａｄは吸着剤温度であり、Ｔｖは冷媒温度である。

ここで、吸着剤温度Ｔａｄは、熱媒体から吸着剤１２４までの熱抵抗によって伝熱計算がされる。吸着剤１２４としてシリカゲルやゼオライト等の一般的な吸着剤を採用した場合、吸着剤１２４の熱伝導率は０．０１〜０．１Ｗ／ｍＫオーダーとなる。これに対し、銅やアルミニウム等から構成される伝熱部材１２３の熱伝導率は数百Ｗ／ｍＫオーダーであるため、伝熱部材１２３に対して吸着剤１２４の熱抵抗が非常に大きい。

したがって、吸着剤１２４や伝熱部材１２３の材質よりも、吸着剤１２４の充填割合φが吸着剤温度に与える影響が大きく、吸着能力ηは吸着剤１２４の充填割合φに律速される。

そして、吸着剤１２４の充填割合φは、以下の数式３で表される。

但し、ρは吸着層１２２内に充填された吸着剤１２４の充填密度であり、ρａｂｓは吸着剤１２４の粒子の真密度である。吸着剤１２４の充填密度ρは、以下の数式４で表される。

（数４）
ρ＝ｍ／Ｖ
但し、ｍは吸着層１２２内に充填された吸着剤１２４の重量であり、Ｖは吸着層１２２全体の体積である。

ここで、吸着剤１２４としてゼオライトを用いるとともに、伝熱部材１２３を銅で構成した吸着器１１、１２において、吸着剤１２４の充填割合φ変更した場合の吸着能力の変化を図４に示し、吸着剤１２４の充填割合φ変更した場合の吸着効率の変化を図５に示す。なお、下記の表１に示すように、伝熱部材１２３の板厚ＴおよびピッチＰを変更することにより、吸着剤１２４の充填割合を変更することができる。

なお、吸着剤１２４の充填割合φの上限は、伝熱部材１２３の製造限界から決まり、伝熱部材１２３を一般的な機械加工により製造する場合、９０％である。

図４および図５から明らかなように、吸着剤１２４の充填割合φが小さくなるほど、吸着能力が高くなり、また、吸着効率も高くなる。

吸着剤１２４の充填割合φが小さくなるほど吸着能力が高くなるという傾向は、図４に示すように、切替時間τが２０秒〜２４０秒の範囲において、より顕著に表れる。具体的には、吸着剤１２４の充填割合φを７０％以下とすることで、従来の吸着器（吸着剤１２４の充填割合φが９０％）における吸着能力の最大値（図４中の白丸参照）に対して２倍以上の吸着能力を確保することができる。さらに、吸着剤１２４の充填割合φを６０％以下とすることで、従来の吸着器における吸着能力の最大値に対して３倍以上の吸着能力を確保することができる。

ところで、上述の吸着器１１、１２において、伝熱部材１２３の構成材料を変更した場合の吸着能力の変化を図６に示す。図６では、吸着剤１２４の充填割合φを６０％とした場合における、伝熱部材の１２３の構成材料を銅としたときの吸着能力の変化、および、伝熱部材１２３の構成材料をアルミニウムとしたときの吸着能力の変化を示している。

図６から明らかなように、伝熱部材の１２３の構成材料を銅としてもアルミニウムとしても、切替時間τに対する吸着能力はほとんど変わらない。したがって、伝熱部材の１２３の構成材料を変更しても、吸着剤１２４の充填割合φが小さくなるほど吸着能力が高くなるという傾向は変わらない。

以上説明したように、吸着剤充填割合φを７０％以下とすることで、吸着剤充填割合φが９０％前後の従来の吸着器に比べ、２倍以上の吸着能力を確保することができるので、吸着能力を向上させることができる。さらに、吸着剤充填割合φを６０％以下とすることで、前記従来の吸着器に比べ、３倍以上の吸着能力を確保することができるので、吸着能力をより向上させることができる。

このとき、吸着剤充填割合φを低下させると、吸着剤量Ｇが少なくなるため、上述した数式１において、吸着剤量Ｇが減少した分だけ吸着能力Ｑが低下すると考えられる。しかしながら、吸着剤量Ｇの減少分以上に吸着効率ηが上昇しているため、結果として吸着能力Ｑは向上している。

すなわち、本実施形態では、吸着剤充填割合φを低下させても、すなわち吸着剤量を減少させても、吸着能力を向上させることができる。このため、吸着能力を向上させつつ、吸着器１１、１２の小型化を図ることができる。吸着器１１、１２を小型化することにより、吸着器１１、１２の熱容量が小さくなるため、吸着式冷凍機の冷凍サイクル全体として高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７〜図９に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、第１吸着器１１および第２吸着器１２の構成が異なるものである。なお、本実施形態においても、第１吸着器１１と第２吸着器１２とは同様の構成であるため、以下では第１吸着器１１について説明し、第２吸着器１２については説明を省略する。

本実施形態の第１吸着器１１は、図７、図８および図９に示すように、金属製の筐体３０内に吸着コア２０を一体化成形して備えている。吸着コア２０は、熱媒体管１２１を有している。熱媒体管１２１の周辺部には、細孔１２３ａを有する伝熱部材１２３および吸着剤１２４が設けられている。すなわち、吸着コア２０は、熱媒体管１２１と、細孔を有する伝熱部材１２３と、その細孔に充填された吸着剤１２４とを有している。

伝熱部材１２３は、熱伝導性に優れる金属粉を加熱して、溶融することなく焼結によって結合した焼結体である。金属粉は、銅または銅合金を用いており、例えばその金属粉は、粉末状、粒子状、鱗片状および繊維状のいずれか（本実施形態では、繊維状）に形成されているものであればよい。

上記焼結時においては、金属粉間に存在する空隙によって、いわゆる三次元網目状の気孔が焼結体に形成される。この三次元網目状の気孔が、上記細孔に相当するものである。細孔は、粒子径が微小な吸着剤１２４を充填可能に構成された微細な孔である。金属粉、すなわち伝熱部材１２３は、熱媒体管１２１に焼結によって金属的に結合（接合）されている。伝熱部材１２３は、その全体が一方向に伸長するように、複数の円筒状の熱媒体管１２１の周辺部に形成されており、全体形状として円筒状である。

さらに、本実施形態では、図８に示すように、熱媒体管１２１の間に、冷媒が流通する冷媒通路１２５が配置されている。この冷媒通路１２５は、上記三次元網目状の細孔とは異なり、一方向に例えばまっすぐに延びるように形成されている。具体的には、冷媒通路１２５は、熱媒体管１２１の延伸方向、すなわち円筒状の熱媒体管１２１の軸方向に延びるように形成されている。

筐体３０は、図７および図９に示すように、筐体本体１３１、シート１３２、１３３、およびタンク１３４、１３５を有している。

筐体本体１３１は、円筒状に形成されており、内部に、円筒状の吸着コア２０の伝熱部材１２３が収容可能に形成されている。また、筐体本体１３１の上端側開口部と下端側開口部は、シート１３２、１３３で封止可能に形成されている。筐体本体１３１の上部には、吸着コア２０の吸着層（吸着剤充填層）に、冷媒（水蒸気）を導くことが可能な冷媒流入配管１３６および冷媒流出配管１３７が設けられている。

このように筐体本体１３１とシート１３２、１３３を封止することにより、内部を真空に保持可能である。これにより、筐体本体１３１とシート１３２、１３３によって形成される内部密閉空間内には、被吸着媒体としての冷媒以外には、他の気体は存在しないようになっている。

吸着時には、冷媒は、蒸発器側から冷媒流入配管１３６を通して、冷媒通路１２５に分配される。冷媒通路１２５に分配された冷媒は、吸着層の内部に浸透する。また、脱離時には、冷媒は、吸着層から吐き出され、吐き出た冷媒は各冷媒通路１２５を通して、冷媒流出配管１３７より凝縮器側へ導かれる。

また、シート１３２、１３３には、熱媒体管１２１が貫通可能な貫通穴１３２ａ、１３３ａが形成されている。この貫通穴１３２ａ、１３３ａと熱媒体管１２１は、ろう付け等による接合により気密に固定されている。

タンク１３４、１３５には、熱媒体を導くことが可能な熱媒体流入配管１３８および熱媒体流出配管１３９が設けられている。熱媒体は、下部タンク１３４の熱媒体流入配管１３８に流入し、熱媒体管１２１を通して、上部タンク１３５の熱媒体流出配管１３９より流出する。このような下部タンク１３４および上部タンク１３５は、熱交換媒体を複数の熱媒体管１２１へ供給分配するためのタンクである。

本実施形態のように、伝熱部材１２３を金属粉により構成した吸着器１１、１２においても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、熱媒体管１２１および伝熱部材１２３を銅または銅合金により構成した例について説明したが、これに限らず、例えばステンレスやアルミニウム等、他の金属によりそれぞれ構成してもよい。

（２）上記実施形態では、各吸着器１１、１２において、吸着工程時間と脱離工程時間とが等しくなっている例について説明したが、これに限定されない。

吸着式冷凍機を、連続的な冷房運転（吸着器１１、１２で発生した冷凍能力により空調風を冷却する運転）およびヒートポンプとして作動させる場合は、通常、吸着工程時間と脱離工程時間とが等しくなる。しかしながら、吸着工程時間と脱離工程時間とが異なる場合に、本発明を適用してもよい。なお、この場合、吸着性能は吸着工程時間に律速されるので、吸着工程時間を切替時間τとみなしてもよい。

（３）上記第２実施形態では、伝熱部材１２３を金属粉により構成した例について説明したが、これに限らず、伝熱部材１２３を金属粉、金属繊維、金属メッシュおよび発泡金属の群から選択される少なくとも一種により構成してもよい。

（４）上記第２実施形態では、熱媒体管１２１および筐体３０の径方向断面を円筒形状とした例について説明したが、これに限らず、熱媒体管および筐体の径方向断面を、楕円形状、矩形状等のいずれの形状としてもよい。

１２１ 熱媒体管
１２２ 吸着層
１２３ 伝熱部材
１２４ 吸着剤

Claims (1)

1. 内部を熱媒体が流通する熱媒体管（１２１）と、
   前記熱媒体によって冷却されることで前記熱媒体管（１２１）外部の気相状態の冷媒を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した前記冷媒を脱離する吸着剤（１２４）を有する吸着層（１２２）と、
   前記熱媒体管（１２１）の長手方向に直交するように配置され、前記熱媒体管（１２１）と前記吸着剤（１２４）との間で熱の授受を行う伝熱部材（１２３）とを備え、
   複数の前記伝熱部材（１２３）が所定ピッチで並べられ、隣り合う前記伝熱部材（１２３）の間に前記吸着材（１２４）が充填され、前記伝熱部材（１２３）と前記吸着剤（１２４）とが一体に形成されている吸着器を複数備える吸着式冷凍機であって、
   前記所定ピッチは２００μｍ以下であり、
   前記吸着層（１２２）内に充填された前記吸着剤（１２４）の充填密度（ρ）を、前記吸着剤（１２３）の粒子の真密度（ρａｂｓ）で除した値を吸着剤充填割合（φ）としたとき、前記吸着剤充填割合（φ）が７０％以下であり、
   前記伝熱部材（１２３）と前記熱媒体管（１２１）とが金属接合されており、
   前記複数の吸着器（１１、１２）のうち、前記吸着剤（１２４）に前記冷媒を吸着させる吸着工程となる吸着器および前記吸着剤（１２４）から前記吸着した前記冷媒を脱離させる脱離工程となる吸着器を切り換えることによって、複数の運転モードを切り換えるように構成されており、
   前記吸着工程と前記脱離工程との切替時間（τ）が、２０秒以上、２４０秒以下の範囲に設定されていることを特徴とする吸着式冷凍機。

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