JPH0627592B2 - 吸着式冷凍システムの運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は固体吸着剤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効率的な運転方法に係
り、特に、吸着工程から脱着工程に移行する際に冷凍機
内に残留した冷水を利用側熱交換器に供給することによ
り、その有効利用を図り、システム効率の向上を達成す
る前記吸着式冷凍システムの運転方法に関するものであ
る。

（従来の技術） 近年の世界的なエネルギー資源枯渇の問題は、エネルギ
ー資源の乏しい我が国の将来にとって極めて深刻な問題
であり、特に、エネルギー資源の無駄使いについて今
後、厳しい管理して行く必要がある。

ところで、この種エネルギー資源のうちでも、とりわ
け、火力発電所で高温熱回収した後の冷却水あるいは化
学工場等で副次的に発生する、例えば８０℃以下の低等
級の熱源は、これを回収する装置の効率、回収コスト等
の問題が原因で全く利用することなく廃棄しているのが
実情である。

また、クリーンエネルギーの獲得を目指して開発が進め
られている太陽熱エネルギーの利用技術分野において
も、平板式集熱器で容易に得られる低等級熱源を冷房運
転の熱源として利用することが、装置コストおよびラン
ニングコストの面で最も有利であることが知られている
が、この場合においても、従来の吸収式冷凍機を使用し
た冷房システムでは、熱電の温度が低いために一般的な
空調システムの温度条件（冷却水入口温度３０℃，冷水
入口温度１２℃、冷水出口温度７℃）を満足する能力を
十分発揮させることが出来ず、冷凍機の大型化等による
装置コストの高騰を免れなかった。

そのため、最近では従来の吸収式冷凍機に替え、シリカ
ゲルあるいはゼオライト等の固体吸着剤の冷媒吸脱着作
用を応用して吸着式冷凍機を空調システムに組み込むこ
とが見直されつつある。

ところで、この種従来の吸着式冷凍機の分野において
は、一般に吸着式冷凍機１基を単独に使用し、その利用
側に蓄熱槽を接続することにより、冷凍機内で生成した
冷水を一旦蓄熱槽に貯え、そこから一定した出力を取出
すことが行われていた。

ところが上述のように１基の吸着式冷凍機により吸着工
程および脱着工程を交互にくり返す場合は、第７図のグ
ラフからも分かるように、平均出力Q₁を確保するために
は、吸着工程時間内に脱着工程中の出力を補う２倍の出
力（2Q₁)が必要で、かつ、吸着工程中に２倍の量の冷却
水を供給することが必要であるため、ポンプとして大型
で大容量のものを使用しなけばならず、前記蓄熱槽の使
用と共に装置コストならびに運転コストの高騰を招く問
題があった。

なお、かかる不都合を克服するため、上述の吸着式冷凍
機を２基使用して冷凍システムを組み立て、両冷凍機を
切換弁の操作により交互に吸脱着運転し、蓄熱槽や大容
量のポンプを使用することなしに平均した冷凍出力を得
ることも行われている。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、この様な吸着式冷凍システムにおいて
も、単に２基の吸着式冷凍機を並列に接続して流路を切
換えるだげでは、第８図のグラフに示すように吸脱着工
程切換え時点で、脱着工程にある冷凍機から利用側熱交
換器にクーリングタワーなどにより生成した３０℃前後
の冷却水が送られるため、冷凍能力がマイナス値となり
空調対象域が逆に暖房される問題があった。

なお、かかる問題点を排除すべく利用側熱交換器に熱媒
を供給するポンプを脱着工程から吸着工程に移行した冷
凍機の出力が立ち上がるまで一時停止させたり、利用側
熱交換器に熱媒を送る流路に蓄熱槽を介在させて利用側
熱交換器の出力への影響を少なくすることも考えられる
が、前者の場合はマイナス要素をカット出来る反面、そ
の間の冷凍出力が中断する不都合があり、また、後者の
場合は蓄熱槽を使用する関係から装置コストが高騰する
問題を生じ好ましくない。

勿論、吸着式冷凍機を３基以上使用して冷凍システムを
構成し、その吸脱着工程に時間的なズレを生じさせるこ
とにより、蓄熱槽を使用することなく利用側における冷
凍出力の中断を防止することも可能であるが、この場合
においても吸着工程終了の際、冷凍機内に残留した冷水
が無駄になるためシステム効率の向上に限界を生じてい
た。

本発明はかかる従来の吸着式冷凍機が有していた問題点
に着目してなされたもので、吸着式冷凍機を複数基使用
し、これらを順序的に吸脱着運転して連続的に冷凍出力
を得るに際し、吸脱着工程切換え途中において、吸着式
冷凍機の凝縮器・蒸発器兼用のフインチューブ内に残留
した冷水を脱着工程が開始するまでの間、利用側熱交換
器に供給することにより工程切換え時における冷媒出力
の中断を防止すると共に、冷水の有効利用によりシステ
ム効率の向上を図り、もって前記問題点を解消せんとす
るものである。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するための本発明の特徴は、第１図乃至
第４図に示す如く、所定量の冷媒を封入した真空の胴体
(1),(1)′の内部に熱源側熱媒を通過させる第１のフイ
ンチューブ(3),(3)′と、利用側熱媒を通過させる第２
のフインチューブ(5),(5)′とを収設し、前記第１のフ
インチューブ(3),(3)′に固体吸着剤(S) を保持せしめ
てなる吸着式冷凍機を複数基使用し、両冷凍機に含まれ
る第１のフインチューブ(3),(3)′の各出入口(3a),(3
b),(3a)′,(3b)′を切換弁(V₁),(V₂) を介して熱源(2)
の熱媒出入口(2a),(2b) に夫々並列に接続すると共に、
前記第２のフインチューブ(5),(5)′の各出入口(5a),(5
b),(5a)′,(5b)′を切換弁(V₃),(V₄) を介して利用側熱
交換器(4)の熱媒出入口(4a),(4b)に夫々並列に接続せし
め、前記複数基の吸着式冷凍機(A)(B)を少なくとも１つ
が他と異なる工程になる如く吸着・脱着切換え運転する
吸着式冷凍システムにおいて、前記複数基の吸着式冷凍
器(A)(B)のうち、吸着工程から脱着工程に移行する途中
の吸着式冷凍機の前記第２のフインチューブの熱媒出口
の前記利用側熱交換器(4)の熱媒入口(4b)に連通させ、
該冷凍機の吸着工程終了時点で第２のフインチューブ内
に残留した冷水を前記利用側熱交換器(4)に供給し、そ
の略々全量が流出した時点で切換弁を作動させ、脱着工
程に移行させることにある。

（作 用） 従って、一つの吸着式冷凍機を吸着工程から脱着工程に
切換えるとき、その凝縮・蒸発器として作用する第２の
フインチューブ内に残留した冷水を利用側熱交換器(4)
に供給し、全量が送り出された時点で脱着工程に切換え
れば、その他の吸着式冷凍機の出力が既に立ち上った時
点で、脱着工程に入るため、特に吸着式冷凍機を２基使
用して交互に吸脱着運転する場合でも総合の出力が中断
する時点が生じす、連続的に冷凍運転を行うことが可能
で、利用側での出力が安定すると共に、第２のフインチ
ューブ内で生成された冷水の冷熱を排棄することなく有
効に利用出来るため、システム全体の成績効率が向上す
ることになる。

（実施例） 以下本発明方法を第１図乃至第４図に示す冷凍システム
の場合について説明する。

第１図乃至第４図は本発明方法を適用可能な吸着式冷凍
システムの一例を示す概要図である。なお、熱媒が流れ
ている管路は実線、流れていない管路は破線で示してい
る。

２基の吸着式冷凍機(A),(B) は、夫々が所定量の冷媒を
封入した真空の胴体(1),(1)′の内部において、太陽熱
収集器等の熱源(2)から供給される熱源側熱媒を通過さ
せる第１のフインチューブ(3),(3)′と、利用側熱交換
器(4)から還流する利用側熱媒を通過させる第２のフイ
ンチューブ(5),(5)′を所要間隔を置いて収設してお
り、前記第１のフインチューブ(3),(3)′のフイン間隙
において、ゼオライト，活性炭，活性アルミナ又はシリ
カゲル等の固体吸着剤を保持している。また、前記第１
のフインチューブ(3),(3)′は、各熱媒入口 (3a),(3
a)′が切換弁(V₁)を介して前記熱源(2)の熱媒出口(2a)
に接続され、かつ、各熱媒出口 (3b)，(3b)′が切換弁
(V₂)を介して前記熱源(2)の熱媒入口(2b)に接続されて
いる。一方、前記第２のフインチューブ(5),(5)′は、
各熱媒入口 (5a)，(5b)′が切換弁(V₃)を介して利用側
熱交換器(4)の熱媒出口(4a)に接続されていると共に、
熱媒出口 (5b)，(5b)′が切換弁(V₄)を介して前記利用
側熱交換器(4)の熱媒入口(4b)に接続されている。

(6)は、各吸着式冷凍機(A),(B) に冷却水を供給するク
ーリングタワーであって、該クーリングタワー(6)は、
その冷却水出口(6a)に接続された配管が冷却水ポンプ
(7)の出口から左右に分岐し、一方が切換弁(V₅)を介し
て前記第１のフインチューブ(3),(3)′の各熱媒入口 (3
a),(3a )′に夫々接続されていると共に、他方の配管が
切換弁(V₇)を介して前記第２のフインチューブ(5),
(5)′の各熱媒入口 (5a),(5a )′に夫々接続されてい
る。

更に前記クーリングタワー(6)の熱媒入口(6b)に接続さ
れ、左右に分岐した配管は、その一方が切換弁(V₆)を介
して前記第１のフインチューブ(3),(3)′の各熱媒出口
(3b)，(3b)′に夫々接続されていると共に、他方の配管
が切換弁(V₈)を介して前記第２のフインチューブ(5),
(5)′の各熱媒出口 (5b)，(5b)′に接続されている。図
中、(8)は熱源(2)から熱源側熱媒を送出するポンプ、
(9)は利用側熱交換器(4)内の熱媒を吸着式冷凍機(A),
(B) 側へ還流させるポンプ、(10)はファンを夫々示して
いる。

第５図は上記の吸着式冷凍システムに適用可能なバルブ
ユニットの一例を示したもので、図において、(11)は、
８個の三方切換弁 (V₁),(V₂),(V₃),(V₄),(V₅),(V₆),
(V₇),(V₈)を支持する矩形形状の機枠であって該機枠(1
1)は、仕切(12)で区画された左右一対の枠組み(13)，(1
4)内において、夫々２組各４個の切換弁を、その切換レ
バー(15)が互いに隣接する如く配置して保持しており、
各枠組み(13)，(14)の中央に固着した減速機付きモータ
(16),(16)′の出力軸に連結された駆動レバー(17),(1
7)′が前記三方切換弁 (V₁),(V₂),(V₃),(V₄),(V₅),
(V₆),(V₇),(V₈)の各切換レバー(15)の先端と連杆(18),
(18)′により連結されており、前記モータ(16),(16)′
の正逆回転により、各枠組(13)，(14)内の三方切換弁
(V₁),(V₂),(V₃),(V₄),(V₅),(V₆),(V₇),(V₈)を夫々４個
宛、一勢に切換えるようになっている。

なお、上記三方切換弁 (V₁),(V₂),(V₃),(V₄),(V₅),
(V₆),(V₇),(V₈)を切換えるモータ(16),(16)′として
は、いずれもその回転速度が自由に設定出来るものが使
用され、弁の開閉速度を調節してウオータハンマー現象
を防止出来るようになっている。

(19)は、各切換弁 (V₁),(V₂),(V₃),(V₄),(V₅),(V₆),
(V₇),(V₈)の切換レバー(15)と当接して回動角度を検知
し、モータ(16),(16)′を停止させるリミットスイッチ
である。

なお、上記モータ(16),(16)′に代え、作動速度調節可
能な流体圧シリンダを用いることもある。

次いで本発明方法を上記構成の冷凍システムにもとづい
て説明する。

第１図は一方の吸着式冷凍機(A) が脱着運転を、また、
もう一方の吸着式冷凍機(B) が吸着運転を行っている場
合である。

先ず、熱源(2)の熱媒出口(2a)からポンプ(8)により送出
された熱源側熱媒は、切換弁 (V₁)を介して熱媒入口(3
a)から第１のフインチューブ(3)に供給され、該第１の
フインチューブ(3)に保持された固体吸着剤(S) を加熱
脱着し、切換弁(V₂)を介して熱媒入口(2b)より熱源(2)
に還流する。

また、この間、冷凍機(A)側においては、クーリングタ
ワー(6)からポンプ(7)により送られる冷却水が切換弁(V
₇)を介して熱媒入口(5a)から第２のフインチューブ(5)
内に導入されるため、胴体(1)内の冷媒蒸気が冷却され
て表面で凝縮し、均一な液膜状態で保持される。

一方、吸着式冷凍機(B) 側においてはクーリングタワー
(6)から切換弁(V₅)を通じて第１のフインチューブ(3)′
に冷却水が供給され、固体吸着剤(S) の吸着を促進して
切換弁(V₆)から前記クーリングタワー(6)に還流する。
また、この間、利用側熱交換器(4)で空気と熱交換し温
度上昇した利用側熱媒は熱媒出口(4a)からポンプ(9)に
より切換弁(V₃)を介して第２のフインチューブ(5)′に
入り、ここで冷水となって熱媒出口(5b )′から切換弁
(V₄) を通じて利用側熱交換器(4)に供給される。

このとき吸着式冷凍機(B) 内においては、第１のフイン
チューブ(3)′内を流れる冷却水により固体吸着剤(S)
が冷却され、吸着作用が促進されて胴体(1)′内の冷媒
蒸気が吸着されると同時に、第２のフインチューブ
(5)′の表面に形成された冷媒液膜が蒸発し、ここを流
れる利用側熱媒から蒸発潜熱を奪って熱媒を冷却する。

次に、上記の運転状態から２基の吸着式冷凍機(A),(B)
の吸脱着工程を切換えて運転する場合は、第２図に示す
如く切換弁(V₂),(V₄),(V₆),(V₈) は、そのままにして切
換弁(V₁),(V₃),(V₅),(V₇)を一勢に切り換え、熱源(2)か
ら出た熱媒を切換弁 (V₁) を通じて冷凍機(B) 側の第１
のフインチューブ(3)′に供給すると共に、クーリング
タワー(6)から供給される冷却水を切換弁 (V₅) を通じ
て冷凍機(A) 側の第１のフインチューブ(3)に供給す
る。また、利用側においては、切換弁(V₃)を冷凍機(A)
側の第２のフインチューブ(5)の熱媒入口(5a)に連通さ
せると共に、クーリングタワー(6)から出た冷却水を切
換弁(V₇)を通じて冷凍機(B) 側の第２のフインチューブ
(5)′に供給する。

かくして、冷凍機(A) 側においては、第１のフインチュ
ーブ(3)内に残留した熱源側熱媒がクーリングタワー(6)
から圧送される冷却水により押し出され、これが切換弁
(V₂)を通じて熱源(2)に戻され、再利用されることにな
る。また、冷凍機(B) 側においては、前の吸着工程で生
成された冷水がクーリングタワー(6)から圧送される冷
却水より押し出され、これが熱媒出口(5b )′から切換
弁(V₄)を通じて利用側熱交換器(4)に供給される。

なお、吸着工程から脱着工程に移行する途中の冷凍機、
即ち第２図に示す冷凍機(B) 側の第２のフインチューブ
(5)′内において、吸着工程中に生成された冷水が略々
完全に流出した時点で、切換弁 (V₁),(V₃),(V₅),(V₇)を
そのままにして、切換弁 (V₂),(V₄),(V₆),(V₈)を第３図
の如く一勢切換えると、冷凍機(A) が吸着工程に入り、
かつ、冷凍機(B) が脱着工程に移行する。

なお、第４図は、第３図の状態から冷凍機(A) ,(B) の
吸脱着工程を切換える場合の熱媒の流れを示したもの
で、第２図と全く同じ作用であるため、ここでは動作説
明を省略する。

上記本発明方法を実施した場合における冷凍能力の経時
的変化は第６図のグラフに示される通りである。

即ち、冷凍機(A) 又は(B) が吸着工程から脱着工程に切
換わる途中において、切換弁を操作し冷凍システムの回
路を第２図または第４図の状態に切換えると吸着工程時
に生成された第２のフインチューブ(5)又は(5)′内の冷
水が利用側熱交換器(4)に送られるため、冷凍出力がそ
の間持続し、切換え時点から吸着工程に移行した他の冷
凍機の出力の値がプラスになった時点で、始めて回路が
第１図又は第３図の状態に切換えられるため、利用側熱
交換器(4)には常時吸着工程で生成された冷水が供給さ
れることになり、冷凍出力の中断を生じず、また、冷凍
出力が常時プラスの値に保たれる。

なお、切換弁を第１図又は第３図の状態から第２図又は
第４図の状態に切り換えるタイミング、即ちサイクルタ
イム(T₁)は、一般に、第２のフインチューブ(5),(5)′
内の冷水残量が全量利用側熱交換器(4)に送られた時点
で、既に吸着工程に移行した冷凍機の出力がプラスの値
になっているよう設定する必要がある。なお、第２のフ
インチューブ(5),(5)′内の冷水が全量流出する時間(t)
は各フインチューブ(5),(5)′の容量をポンプ(9)によ
る熱媒流量で除した値で定まるから、これを元に前記冷
凍システムのサイクルタイム(T₁)を定めればよい。一般
に、吸着式冷凍機単体の出力は、立ち上がりが速く、ピ
ークを過ぎた時点からゆるやかに減少するため、サイク
ルタイム(T₁)に対する切り換え時間(t) を相当短く設定
した場合でも、充分吸着工程に移行した冷凍機の立ち上
がり時間を補うことが可能である。

また、第２図又は第４図の状態を維持する切り換え時間
(t) は第２のフインチューブの容量、又は、該フインチ
ューブ内を流れる熱媒の流速を変更するだけで任意に設
定可能である。

更に、吸着工程から脱着工程に移行する際に冷水を有効
に利用することによる冷凍能力の増加量は第６図におい
て網目状斜線を付した部分であり、これに相当する出力
（α）が平均出力(Q_１+ α）としてシステム効率に反影
されることになる。

なお、上記実施例においては、吸着式冷凍機を２基使用
した場合について説明したが、本発明は冷凍機の使用台
数が別段３基以上の場合も同様なシステム構成により適
用が可能であり、冷水の有効によるシステム効率の向上
を図ることが出来る。

ただし、冷凍機を２基使用して交互運転を行う場合は、
切換弁やポンプの使用個数を少なくし、配管の複雑化を
防止出来るため、装置コストならびに運転コストの低廉
化を図る上に極めて有利である。

（発明の効果） 以上の述べた如く本発明は、所定量の冷媒を封入した真
空の胴体内部に熱源側熱媒を通過させる第１のフインチ
ューブと、利用側熱媒を通過させる第２のフインチュー
ブとを収設し、前記第１のフインチューブの外周に固体
吸着剤を接触保持せしめてなる吸着式冷凍機を複数基使
用し、各冷凍機の前記第１のフインチューブの各熱媒出
入口を切換弁を介して熱源側の熱媒出入口に夫々並列に
接続し、かつ、前記第２のフインチューブの各熱媒出入
口を切換弁を介して利用側熱交換器の各熱媒出入口に夫
々並列に接続せしめると共に、前記複数基の吸着式冷凍
機を少なくとも１つが他と異なる工程になる如く吸着・
脱着切換え運転する吸着式冷凍システムにおいて、前記
複数基の吸着式冷凍機のうち、吸着工程から脱着工程に
移行する途中の吸着式冷凍機の前記第２のフインチュー
ブの熱媒出口を前記利用側熱交換器の熱媒入口に接続
し、該冷凍機の吸着工程終了時点で第２のフインチュー
ブ内に残留した冷水を前記利用側熱交換器に供給し、そ
の略々全量が流出した時点で、切換弁を作動させ、脱着
工程に移行させる吸着式冷凍機システムの運転方法であ
るから、吸着工程終了時点において冷凍機内に残留した
冷水を有効に利用し、システム効率の向上を図ることが
出来ると共に、残留した冷水を利用側熱交換器に供給し
ている時間によって他の吸着式冷凍機の冷凍出力立ち上
がりに要する時間をカバーすることが可能で、冷凍出力
を中断させることなく安定した出力を持続出来るという
すぐれた効果を発揮する。

しかも、本発明方法によれば、蓄熱槽を使用することな
く利用側熱交換器への冷水連続供給が可能であり、装置
コストの高騰に抑制し得ると共に、ポンプとして小型の
ものを使用することが可能で電力消費量の節減を図り得
るなどの実際的な効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明方法を適用可能な吸着式冷凍
システムの一例を示す概要図、第５図は同冷凍システム
に使用されるバルブユニットの一例を示したもので、
(イ) はバルブユニットの側面図、(ロ) は同バルブユニッ
トの平面図である。また、第６図は本発明方法により運
転した場合における冷凍能力の時間的変化を示すグラ
フ、第７図および第８図は夫々従来の吸着式冷凍システ
ム運転方法による冷凍能力の時間的変化を示すグラフで
ある。 (1),(1)′……胴体、(2)……熱源、 (2a)……熱媒出口、(2b)……熱媒入口、 (3),(3)′……第１のフインチューブ、 (3a),(3a)′……熱媒入口、 (3b),(3b)′……熱媒出口、 (4)……利用側熱交換器、 (4a)……熱媒出口、(4b)……熱媒入口、 (5),(5)′……第2 のフインチューブ、 (5a),(5a)′……熱媒入口、 (5b),(5b)′……熱媒出口、 (A),(B) ……吸着式冷凍機、 (S) ……固体吸着剤、 (V₁),(V₂),(V₃),(V₄),(V₅),(V₆),(V₇),(V₈) ……切換
弁。

フロントページの続き (72)発明者 吉原 基司 京都府八幡市八幡武蔵芝６−９

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定量の冷媒を封入した真空の胴体内部に
   熱源側熱媒を通過させる第１のフインチューブと、利用
   側熱媒を通過させる第２のフインチューブとを収設し、
   前記第１のフインチューブの外周に固体吸着剤を接触保
   持せしめてなる吸着式冷凍機を複数基使用し、各冷凍機
   の前記第１のフインチューブの各熱媒出入口を切換弁を
   介して熱源側の熱媒出入口に夫々並列に接続し、かつ、
   前記第２のフインチューブの各熱媒出入口を切換弁を介
   して利用側熱交換器の各熱媒出入口に夫々並列に接続せ
   しめると共に、前記複数基の吸着式冷凍機を少なくとも
   一つが他と異なる工程になる如く吸着・脱着切換え運転
   する吸着式冷凍システムにおいて、前記複数基の吸着式
   冷凍機のうち、吸着工程から脱着工程に移行する途中の
   吸着式冷凍機の前記第２のフインチューブの熱媒出口を
   前記利用側熱交換器の熱媒入口に接続し、該冷凍機の吸
   着工程終了時点で第２のフインチューブ内に残留した冷
   水を前記利用側熱交換器に供給し、その略々全量が流出
   した時点で、切換弁を作動させ、脱着工程に移行させる
   ことを特徴とする吸着式冷凍システムの運転方法。
2. 【請求項２】吸着式冷凍システムが吸着式冷凍機を２基
   使用したシステムであり、両冷凍機が交互に吸脱着切換
   え運転される特許請求の範囲第１項記載の運転方法。