JP6550058B2 - 吸着冷凍機および吸着冷凍方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着冷凍機および吸着冷凍方法に関する。

温水源の温度が低い場合においても、吸着反応器における冷媒蒸気の吸脱着量を確保するために、３段に多段化された６個の吸着反応器を備える吸着冷凍機が知られている。（例えば、非特許文献１参照）。

ＢＩＤＹＵＴ Ｂ．ＳＡＨＡ， ＥＬＩＳＡ Ｃ．ＢＯＥＬＭＡＮ， ＴＡＫＡＯ ＫＡＳＨＩＷＡＧＩ 「ＣＯＭＰＵＴＡＴＩＯＮＡＬ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ ＡＮ ＡＤＶＡＮＣＥＤ ＡＤＳＯＲＰＴＩＯＮ ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＣＹＣＬＥ」 １９９５ Ｅｎｅｒｇｙ Ｖｏｌｕｍｅ ２０， Ｎｏ １０， ｐｐ ９８３−９９４

しかしながら、吸着反応器の大きさは非常に大きいので、吸着反応器を６個用いる従来の吸着冷凍機は非常に大きくなり、広い設置スペースが必要になる、という課題があった。

本発明の第１の態様の吸着冷凍機は、液化した冷媒を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させてから再び気化させる第１の吸着反応部と、第１の吸着反応部から生じる気化された冷媒を吸着させてから再び気化させる第２の吸着反応部と、第２の吸着反応部から生じる気化された冷媒を冷却することで液化させて、蒸発器へ供給する凝縮器とを備え、第１の吸着反応部および前記第２の吸着反応部の少なくとも一方は、少なくとも２つの吸着反応器と、２つの吸着反応器を連結する第１の連結管と、第１の連結管の開閉を制御する第１の制御バルブと、を含む。

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

吸着冷凍機１０の第１の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第２の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第３の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第４の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第５の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第６の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第７の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０の第８の状態を示す模式図である。 吸着冷凍機１０タイムサイクルを示す。 従来の吸着冷凍機２００を示す模式図である。 シミュレーションに用いた物性値と基本運転条件を示す表である。 各工程の運転時間を示す表である。 ＣＯＰ値およびＳＣＰ値を示すグラフである。 吸着冷凍機１０の他のタイムサイクルの他の例を示す。 他の吸着冷凍機３００を示す模式図である。 他の吸着冷凍機４００を示す模式図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、吸着冷凍機１０の第１の状態を示す模式図である。吸着冷凍機１０は、第１の吸着反応部１２と、第２の吸着反応部１４と、蒸発器２０と、凝縮器９０と、制御部９８とを有する。第１の吸着反応部１２、第２の吸着反応部１４、蒸発器２０および凝縮器９０は密閉された状態となっており、それぞれの内部は、減圧状態で維持されている。

第１の吸着反応部１２は、蒸発器２０から生じる気化された冷媒１６を吸着させてから再び気化させる２つの吸着反応器３０、５０を有する。吸着反応器３０は、冷媒１６を吸着する吸着材３２と、吸着材３２を加熱および冷却する熱交換器３４とを備える。吸着材３２は、熱交換器３４の周囲に設けられ、熱交換器３４によって加熱および冷却される。熱交換器３４は、制御バルブ３６を介して、冷却水源４０に接続されており、制御バルブ３８を介して、温水源４２に接続されている。

制御バルブ３６が閉じられ、制御バルブ３８が開かれることによって、熱交換器３４に温水が供給される。これにより、熱交換器３４は加熱され、吸着材３２および吸着材３２に吸着された冷媒１６も加熱されて気化する。制御バルブ３８が閉じられ、制御バルブ３６が開かれることによって、熱交換器３４に冷却水が供給される。これにより、熱交換器３４は冷却され、吸着材３２も冷却される。

吸着反応器５０は、冷媒１６を吸着する吸着材５２と、吸着材５２を加熱および冷却する熱交換器５４とを備える。吸着材５２は、熱交換器５４の周囲に設けられ、熱交換器５４によって加熱および冷却される。熱交換器５４は、制御バルブ５６を介して、冷却水源６０に接続されており、制御バルブ５８を介して、温水源６２に接続されている。なお、熱交換器５４による吸着材５２および吸着材５２に吸着された冷媒１６への加熱および冷却については、吸着反応器３０と同じであるので説明を省略する。

吸着反応器３０は、連結管１４４および制御バルブ１０４を介して、第２の吸着反応部１４に連結されており、吸着反応器５０は、連結管１４６および制御バルブ１０６を介して、第２の吸着反応部１４に連結されている。また、吸着反応器３０と吸着反応器５０とは、制御バルブ１１０および連結管１１２を介して、互いに連結されている。

第２の吸着反応部１４は、第１の吸着反応部から生じる気化された冷媒１６を吸着させてから再び気化させる吸着反応器７０を有する。吸着反応器７０は、冷媒１６を吸着する吸着材７２と、吸着材７２を加熱および冷却する熱交換器７４とを備える。吸着材７２は、熱交換器７４の周囲に設けられ、熱交換器７４によって加熱および冷却される。熱交換器７４は、制御バルブ７６を介して冷却水源８０に接続されており、制御バルブ７８を介して温水源８２に接続されている。なお、熱交換器５４による吸着材５２および吸着材５２に吸着された冷媒１６への加熱および冷却については、吸着反応器３０と同じであるので説明を省略する。

吸着反応器７０は、連結管１４４および制御バルブ１０４を介して、吸着反応器３０に連結されており、また、連結管１４６および制御バルブ１０６を介して、吸着反応器５０に連結されている。また、吸着反応器７０は、連結管１４８および制御バルブ１０８を介して、凝縮器９０に連結されている。

蒸発器２０は、液化した冷媒１６を気化させることで冷熱を出力する。蒸発器２０は、冷熱出力管２４が接続した熱交換器２２を備える。蒸発器２０内において、液化された溶媒は、熱交換器２２に向けて噴霧される。噴霧された冷媒１６は、熱交換器２２から潜熱を奪って気化する。これにより、熱交換器２２は約５℃に冷却され、冷却された熱交換器２２によって冷熱出力管２４および冷熱出力管２４内を循環する冷媒液は、約８℃に冷却される。そして、冷却された冷媒液は、冷熱が必要とされる場所へ出力される。蒸発器２０は、連結管１４０および制御バルブ１００を介して、吸着反応器３０に連結されており、連結管１４２および制御バルブ１０２を介して、吸着反応器５０に連結されている。

凝縮器９０は、第２の吸着反応部１４から生じる気化された冷媒１６を冷却して液化する。凝縮器９０は、液化した冷媒１６を蒸発器２０へ供給する。凝縮器９０は、制御バルブ９４を介して、冷却水源９６に接続した熱交換器９２を備える。制御バルブ９４が開かれることによって、熱交換器９２に冷却水が供給される。これにより熱交換器９２は冷却され、気化された冷媒１６の液化が促進される。液化された冷媒１６は、凝縮器９０内に蓄えられる。凝縮器９０は、連結管１５０および減圧弁１１４を介して、蒸発器２０に連結されている。減圧弁１１４を設けることによって、凝縮器９０は、蒸発器２０との間で予め定められた圧力差を維持しながら、予め定められた量の液化された冷媒１６を蒸発器２０に供給する。

制御部９８は、コンピュータ装置によって構成され、中央処理装置、記憶装置等を有する。記憶装置には、予め、それぞれの制御バルブの開閉を制御するプログラムが格納されている。制御部９８は、当該プログラムに従って、それぞれの制御バルブの開閉を制御する。

なお、図１に示した例において、冷媒１６は、例えば、水である。また、冷却水源４０、６０、８０、９６から供給される冷却水の温度は、例えば、３０℃であり、温水源４２、６２、８２から供給される温水の温度は、例えば、４５℃である。

また、吸着材７２に吸着される冷媒１６の吸着可能量は、吸着材３２および吸着材５２に吸着される冷媒１６の吸着可能量より多いことが好ましい。これにより、第１の吸着反応部１２において吸着され、気化された冷媒１６を、第２の吸着反応部１４に吸着させることができる。なお、吸着材３２、５２および７２は、例えば、シリカゲルである。

次に、吸着冷凍機１０の冷凍動作について説明する。吸着冷凍機１０は、第１の状態から順番に第８の状態を繰り返しとることによって、冷熱出力管２４から冷熱を出力する。まず、図１を用いて第１の状態を説明する。なお、図１から図１１において、白抜きの制御バルブは、開くように制御された制御バルブを示し、黒塗りの制御バルブは、閉じるように制御された制御バルブを示す。

第１の状態において、制御バルブ３６、５８、７６、１００、１０６は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは、閉じるように制御される。蒸発器２０で気化された冷媒１６は、蒸発器２０と吸着反応器３０との圧力差により、連結管１４０を通じて、吸着反応器３０へ移動する。吸着反応器３０へ移動した冷媒１６は、吸着材３２に吸着される。この工程を吸着工程とする。

気化された冷媒１６は、吸着材３２に吸着する際、吸着熱を放出するので吸着材３２は、冷媒１６に温められる。第１の状態の吸着反応器３０において、熱交換器３４には、冷却水源４０から冷却水が供給されるので、熱交換器３４は吸着材３２を冷却する。そのため、温められた吸着材３２は冷却されるので、冷媒１６の吸着材３２への吸着が促進される。また、吸着反応器３０では、冷媒１６の吸着材３２への吸着により、吸着反応器３０の内圧は低下する。一方、蒸発器２０では冷媒が気化することで、蒸発器２０の内圧は高くなる。これにより、冷媒１６は、蒸発器２０から吸着反応器３０へ継続的に移動する。

吸着反応器５０において、熱交換器５４には、温水源６２から温水が供給されるので、熱交換器５４は、吸着材５２を加熱する。これにより、吸着材５２に吸着されている冷媒１６も加熱され、冷媒１６は気化する。この工程を脱着工程とする。

気化された冷媒１６は、吸着反応器５０と吸着反応器７０との圧力差により、連結管１４６を通じて吸着反応器７０へ移動する。吸着反応器７０へ移動した冷媒１６は、吸着材７２に吸着される。この吸着工程は、吸着反応器３０における吸着工程と同じなので、説明を省略する。

図２は、吸着冷凍機１０の第２の状態を示す模式図である。図２を用いて第２の状態を説明する。第２の状態において、制御バルブ３６、５８、７８、１１０は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは、閉じるように制御される。

吸着反応器５０において、熱交換器５４は、加熱された状態を維持し、脱着工程が実行されている。吸着反応器５０で気化された冷媒１６は、吸着反応器５０と吸着反応器３０との圧力差により、連結管１１２を通じて、吸着反応器３０へ移動する。吸着反応器３０において、熱交換器３４は、冷却された状態を維持し、吸着工程が実行されている。したがって、吸着反応器５０から吸着反応器３０へ移動された冷媒１６は、さらに吸着材３２に吸着される。このように、吸着反応器３０と吸着反応器５０とを連結させて、吸着反応器５０では脱着工程が実行され、吸着反応器３０では吸着工程が実行される工程を蒸気再生工程とする。なお、第２の状態における吸着反応器５０で実行される蒸気再生工程を、蒸気再生工程（脱着）とし、吸着反応器３０で実行される蒸気再生工程を蒸気再生工程（吸着）とする。

吸着反応器３０と吸着反応器５０とを連結する連結管１１２の制御バルブ１１０が開かれ、蒸気再生工程が実行されている場合において、蒸発器２０と吸着反応器３０とを連結する連結管１４０は、制御バルブ１００により閉じられており、蒸発器２０と吸着反応器５０とを連結する連結管１４２は、制御バルブ１０２により閉じられている。ここで、連結管１１２は、第１の連結管の一例であり、制御バルブ１１０は、第１の制御バルブの一例である。連結管１４０は、第２の連結管の一例であり、制御バルブ１００は、第２の制御バルブの一例であり、連結管１４２は、第３の連結管の一例であり、制御バルブ１０２は、第３の制御バルブの一例である。

吸着反応器７０では、制御バルブ１０４、１０６、１０８が閉じられることによって、吸着反応器７０は、閉じられた状態となっている。この状態で、熱交換器７４に温水源８２から温水が供給されて、熱交換器７４は吸着材７２を加熱する。これにより、吸着材７２に吸着されている冷媒１６も加熱され、冷媒１６は気化し、吸着反応器７０は、気化された冷媒１６で満たされる。この工程を予備加熱工程とする。この予備加熱工程が実行され、吸着されている冷媒１６が気化することによって、吸着反応器７０の内圧は高められる。

図３は、吸着冷凍機１０の第３の状態を示す模式図である。図３を用いて第３の状態を説明する。第３の状態において、制御バルブ３６、５８、７８、９４、１０８、１１０は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは、閉じるように制御される。

吸着反応器３０および吸着反応器５０では蒸気再生工程が継続して実行されている。吸着反応器７０では、脱着工程が実行されている。吸着反応器７０から生じる気化された冷媒１６は、吸着反応器７０と凝縮器９０との圧力差により、連結管１４８を通じて、凝縮器９０へ移動する。吸着反応器７０では、第２の状態において、予備加熱工程が実行され、吸着反応器７０の内圧は、気化された冷媒１６により高められている。これにより、冷媒１６は、吸着反応器７０から凝縮器９０へ迅速に移動する。

凝縮器９０において、熱交換器９２には冷却水源９６から冷却水が供給され、熱交換器９２は冷却されている。これにより、気化された冷媒１６は、熱交換器９２に冷却されて液化する。液化した冷媒１６は、凝縮器９０内に蓄えられる。

図４は、吸着冷凍機１０の第４の状態を示す模式図である。第４の状態を、図４を用いて説明する。第４の状態において、制御バルブ３８、５６、７６は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは、閉じるように制御される。

第４の状態において、制御バルブ１００、１０４、１１０が閉じられることによって、吸着反応器３０は閉じられた状態となっている。この状態で、吸着反応器３０では予備加熱工程が実行される。

また、制御バルブ１０２、１０６、１１０が閉じられることによって、吸着反応器５０は、閉じられた状態となっている。この状態で、熱交換器５４には冷却水源６０から冷却水が供給され、熱交換器５４は、吸着材５２を冷却する。この吸着材５２の冷却によって、吸着反応器５０内に存在する気化された冷媒１６は、吸着材５２に吸着される。この工程を予備冷却工程とする。予備冷却工程において、気化された冷媒１６が、吸着材５２に吸着することによって、吸着反応器５０の内圧は低下する。また、吸着反応器７０においても、制御バルブ１０４、１０６、１０８が閉じられた状態で、予備冷却工程が実行される。

図５は、吸着冷凍機１０の第５の状態を示す模式図である。図５を用いて第５の状態を説明する。第５の状態において、制御バルブ３８、５６、７６、１０２、１０４は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは閉じるように制御される。

蒸発器２０で気化された冷媒１６は、蒸発器２０と吸着反応器５０との圧力差により、連結管１４２を通じて、吸着反応器５０へ移動する。吸着反応器５０では、第４の状態において、予備冷却工程が実行されているので、吸着反応器５０の内圧は、冷媒１６の吸着材５２への吸着により低下されている。これにより、冷媒１６は、蒸発器２０から吸着反応器５０へ迅速に移動する。そして、吸着反応器５０では、吸着工程が実行され、蒸発器２０から生じた気化された冷媒１６は、吸着材５２に吸着される。

吸着反応器３０では、脱着工程が実行され、吸着材３２に吸着された冷媒は、気化される。吸着反応器３０から生じた気化された冷媒１６は、連結管１４４を通じて、吸着反応器７０へ移動する。吸着反応器７０では、吸着工程が実行され、吸着反応器３０から生じた気化された冷媒１６は、吸着材７２に吸着される。

図６は、吸着冷凍機１０の第６の状態を示す模式図である。図６を用いて第６の状態を説明する。第６の状態において、制御バルブ３８、５６、７８、１１０は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは閉じるように制御される。

吸着反応器３０において、熱交換器３４は、加熱された状態を維持し、脱着工程が実行される。吸着反応器３０で気化された冷媒１６は、吸着反応器３０と吸着反応器５０との圧力差により、連結管１１２を通じて、吸着反応器５０へ移動する。吸着反応器５０において、熱交換器５４は冷却された状態を維持し、吸着工程が実行される。したがって、吸着反応器５０から吸着反応器３０へ移動された冷媒１６は、さらに吸着材３２に吸着される。このように、吸着反応器３０と吸着反応器５０とを連結させて、吸着反応器３０では脱着工程が実行され、吸着反応器５０では吸着工程が実行される工程も蒸気再生工程とする。なお、第６の状態における吸着反応器３０で実行される蒸気再生工程は、蒸気再生工程（脱着）であり、吸着反応器５０で実行される蒸気再生工程は蒸気再生工程（吸着）である。また、吸着反応器７０では、制御バルブ１０４、１０６、１０８が閉じられた状態で、予備加熱工程が実行される。

図７は、吸着冷凍機１０の第７の状態を示す模式図である。図７を用いて第７の状態を説明する。第７の状態において、制御バルブ３８、５６、７８、９４、１０８、１１０は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは閉じるように制御される。

吸着反応器３０および吸着反応器５０では蒸気再生工程が継続して実行される。吸着反応器７０では、脱着工程が実行される。吸着反応器７０から生じる気化された冷媒１６は、吸着反応器７０と凝縮器９０との圧力差により、連結管１４８を通じて、凝縮器９０へ移動する。

凝縮器９０において、熱交換器９２には冷却水源９６から冷却水が供給され、熱交換器９２は冷却されている。これにより、気化された冷媒１６は、熱交換器９２に冷却されて液化する。そして、液化された冷媒１６は、凝縮器９０内に蓄えられる。

図８は、吸着冷凍機１０の第８の状態を示す模式図である。図８を用いて第８の状態を説明する。第８の状態において、制御バルブ３６、５８、７６は、開くように制御され、上記以外の制御バルブは閉じるように制御される。

吸着反応器３０では、制御バルブ１００、１０４、１１０が閉じられることによって、吸着反応器３０は閉じられた状態となっている。この状態で、吸着反応器３０では、予備冷却工程が実行される。吸着反応器５０では、制御バルブ１０２、１０６、１１０が閉じられることによって、吸着反応器５０は閉じられた状態となっている。この状態で、吸着反応器５０では、予備加熱工程が実行される。また、吸着反応器７０では、制御バルブ１０４、１０６、１０８が閉じられることによって、吸着反応器７０は閉じられた状態となっている。この状態で、吸着反応器７０では、予備冷却工程が実行される。そして、第８の状態の後は、再び、第１の状態に戻る。このように、第１の状態から第８の状態を順番に繰り返すことによって、吸着冷凍機１０は、冷熱出力管２４から継続的に冷熱を出力する。

図９は、吸着冷凍機１０タイムサイクルを示す。図１から図８を用いて説明したように、吸着反応器３０において、制御部９８は、吸着工程、蒸気再生工程（吸着）、予備加熱工程、蒸気再生工程（脱着）、予備冷却工程、というサイクルで各工程を実行する。同様に、吸着反応器５０において、制御部９８は、脱着工程、蒸気再生工程（脱着）、予備冷却工程、吸着工程、蒸気再生工程（吸着）、予備加熱工程というサイクルで各工程を実行する。同様に、吸着反応器７０において、制御部９８は、吸着工程、予備加熱工程、脱着工程、予備冷却工程、吸着工程、予備加熱工程、脱着工程、予備冷却工程、というサイクルで各工程を実行する。

なお、第１の吸着反応部１２が有する吸着反応器３０および５０における吸着工程、予備加熱工程、予備冷却工程が実行される段階は、第１の吸着反応段階の一例である。また、吸着反応器３０および５０における蒸気再生工程（吸着）および蒸気再生工程（脱着）は、第１の連結段階の一例である。また、第２の吸着反応部１４が有する吸着反応器７０における吸着工程、予備加熱工程、脱着工程、予備冷却工程が実行される段階は、第２の吸着反応段階の一例である。

制御部９８は、例えば、吸着反応器３０、吸着反応器５０および吸着反応器７０の各工程について予め定められた開始時間および終了時間に従い実行する。また、吸着冷凍機１０のそれぞれの吸着反応器に圧力センサおよび／または温度センサを設け、これらのセンサの出力が予め定められた値と異なった場合に、各工程を実行する制御を変更してもよい。なお、各工程の制御の変更には、各工程を停止させることを含む。

吸着冷凍機において、温水源の温度が低い場合、吸着材の脱着能力が低下する。温水源の温度が低い場合においても、吸着反応器における冷媒蒸気の吸脱着量を確保するために、吸着反応器を多段化する技術が知られている。すなわち、蒸発器２０と凝縮器９０との間に２段あるいは３段に多段化した複数の吸着反応器を設けて、冷媒を２段階または３段階に渡って複数の吸着反応器へ通過させる。このような構成とすることで、温水源の温度が低温であっても、吸着反応器の冷媒蒸気の吸脱着性能を維持できる。

一方、３段階に多段化した吸着反応器を有する吸着冷凍機は、６個の吸着反応器を備える。実用的な冷熱を出力するための冷媒量を確保するのに必要な吸着反応器は、大きいので、３段階に多段化した吸着反応器を有する吸着冷凍機は非常に大きい。しかし、本実施形態に示した吸着冷凍機１０において、第１の吸着反応部１２は、２つの吸着反応器３０、５０と、２つの吸着反応器３０、５０を連結する連結管１１２と、連結管１１２の開閉を制御する制御バルブ１１０とを含む。そして、吸着反応器３０と蒸発器２０を連結する連結管１４０の制御バルブ１００を閉じ、吸着反応器５０と蒸発器２０を連結する連結管１４２を閉じた状態で、吸着反応器３０と吸着反応器５０とを連結管１１２および制御バルブ１１０を用いて連結させて、蒸気再生工程を実行する。これにより、多段に分割された吸着冷凍装置における１段目および２段目の吸脱着を、吸着反応器３０および吸着反応器５０で実行できる。これに、吸着反応器７０を加えることによって、吸着冷凍機１０は、３つの吸着反応器から構成される３段に多段化した吸着冷凍装置となる。これにより、３段に多段化した吸着冷凍機の大きさを小さくできる。

図１０は、従来の吸着冷凍機２００を示す模式図である。吸着冷凍機２００は、６つの吸着反応器２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２と、蒸発器２０と、凝縮器９０と、制御部９８とを有する。なお、図１０において、図１と共通する要素には同じ参照番号を付して重複する説明を省略する。

吸着冷凍機２００において、吸着反応器２０２と、吸着反応器２０４と、吸着反応器２０６は、連結管２４２および制御バルブ２２２、連結管２４４および制御バルブ２２４を介して直列に連結されている。そして、吸着反応器２０２は、連結管２４０および制御バルブ２２０を介して、蒸発器２０に連結され、吸着反応器２０６は、連結管２４６および制御バルブ２２６を介して、凝縮器９０に連結されている。また、吸着反応器２０８と、吸着反応器２１０と、吸着反応器２１２は、連結管２５０および制御バルブ２３０、連結管２５２および制御バルブ２３２を介して直列に連結されている。そして、吸着反応器２０８は、連結管２４８および制御バルブ２２８を介して、蒸発器２０に連結され、吸着反応器２１２は、連結管２５４および制御バルブ２３４を介して、凝縮器９０に連結されている。

図１０は、吸着冷凍機２００における第１の状態を示している。第１の状態において、吸着反応器２０２では、脱着工程が実行されており、吸着反応器２０４では、吸着工程が実行されており、吸着反応器２０６では、脱着工程が実行されている。また、吸着反応器２０８では、吸着工程が実行されており、吸着反応器２１０では、脱着工程が実行されており、吸着反応器２１２では、吸着工程が実行されている。そして、蒸発器２０から生じた気化された冷媒は、連結管２４８を通じて、吸着反応器２０８に供給される。また、吸着反応器２０６から生じた気化された冷媒は、連結管２４６を通じて、凝縮器９０に供給される。

吸着冷凍機２００における第２の状態は、図１０に示した第１の状態の左右を入れ替えた状態となる。すなわち、吸着反応器２０２では、吸着工程が実行されており、吸着反応器２０４では、脱着工程が実行されており、吸着反応器２０６では、吸着工程が実行されている。また、吸着反応器２０８では、脱着工程が実行されており、吸着反応器２１０では、吸着工程が実行されており、吸着反応器２１２では、脱着工程が実行されている。そして、蒸発器２０から生じた気化された冷媒は、連結管２４０を通じて、吸着反応器２０２に供給され、吸着反応器２１２から生じた気化された冷媒は、連結管２５４を通じて、凝縮器９０に供給される。第１の状態と第２の状態を繰り返しとるように制御されることによって、吸着冷凍機２００は、冷熱出力管２４から継続的に冷熱を出力する。

次に、ＣＯＰ（Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ：成績係数）と、ＳＣＰ（Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ）について説明する。吸着冷凍機１０および吸着冷凍機２００のＣＯＰおよびＳＣＰを算出する目的で、シミュレーションを実施した。図１１は、シミュレーションに用いた物性値と基本運転条件を示す表である。図１１において、図１１（ａ）は、シミュレーションに用いた各物性値を示す表であり、図１１（ｂ）は、基本運転条件を示す表である。また、図１２は、各工程の運転時間を示す表である。

図１２は、各工程の運転時間を示す表である。図１２において、３Ｂ−３ｓｔは、３つの吸着反応器から構成される３段の吸着冷凍機、すなわち、本実施形態の吸着冷凍機１０を示す。また、６Ｂ−３ｓｔは、６つの吸着反応器から構成される３段の吸着冷凍機、すなわち、吸着冷凍機２００を示す。

図１３は、ＣＯＰ値およびＳＣＰ値を示すグラフである。図１３において、図１３（ａ）は、ＣＯＰ値を示すグラフであり、縦軸はＣＯＰ値であり、横軸は温水源の温度［℃］である。また、図１３（ｂ）は、ＳＣＰ値を示すグラフであり、縦軸はＳＣＰ値［Ｗ／ｋｇ］であり、横軸は温水源の温度［℃］である。

ＣＯＰ値は、冷房器具などのエネルギー消費効率の目安として用いられる係数値である。また、ＳＣＰ値は、吸着材の重量に対する冷凍出力を示す値である。図１３（ａ）（ｂ）において、実線は、吸着冷凍機１０のＣＯＰ値およびＳＣＰ値を示している。また、破線が吸着冷凍機２００のＣＯＰ値およびＳＣＰ値を示している。図１１（ａ）（ｂ）より、吸着冷凍機２００に対して、吸着冷凍機１０のＣＯＰ値およびＳＣＰ値が大幅に向上していることが見て取れる。このことから、本実施形態に係る吸着冷凍機１０は、従来の吸着冷凍機２００に対して、エネルギー消費効率が高く、吸着材の重量に対する冷凍出力が大きいことが示された。なお、温水源の温度が４５℃から５０℃である場合、２段もしくは１段の吸着冷凍機は、温水源の温度が低く冷熱が出力されない。このため、吸着冷凍機１０は、２段もしくは１段の吸着冷凍機とＣＯＰ値およびＳＣＰ値を比較できない。しかしながら、温水源の温度が低くても冷熱が出力できる吸着冷凍機１０は、２段もしくは１段の吸着冷凍機よりも利用できる温水源の温度幅を広げることができる。

図１４は、吸着冷凍機１０のタイムサイクルの他の例を示す。図１４に示したタイムサイクルは、蒸気生成工程を含まない。吸着反応器３０、５０、７０に供給される温水源４２、６２、８２の温度が高い場合には、２段の吸着冷凍機であっても冷熱を出力できる。そのため、吸着冷凍機１０において、制御部９８は、温水源４２、６２、８２の温度が予め定められた温度よりも低い場合には、図９に示した蒸気再生工程を含むタイムサイクルで、各吸着反応器の各工程を実行させて、温水源４２、６２、８２の温度が予め定められた温度よりも高い場合には、図１４に示した蒸気再生工程を含まないタイムサイクルで、各吸着反応器の各工程を実行させてもよい。

図１５は、他の吸着冷凍機３００を示す模式図である。吸着冷凍機３００は、第１の吸着反応部１３と、第２の吸着反応部１８と、蒸発器２０と、凝縮器９０と、制御部９８とを有する。なお、図１４において、図１と共通する要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省略する。

吸着冷凍機３００において、第１の吸着反応部１３は、２つの吸着反応器３０、５０を有するが、吸着反応器３０と吸着反応器５０は、連結されていない。第２の吸着反応部１８は、２つの吸着反応器７０、７１を有する。吸着反応器７１は、吸着反応器７０と同様に、冷媒１６を吸着する吸着材７３と、吸着材７３を加熱および冷却する熱交換器７５とを備える。吸着材７３は、熱交換器７５の周囲に設けられ、熱交換器７５によって加熱および冷却される。熱交換器７５は、冷却水源８１と制御バルブ７７を介して接続されており、温水源８３と制御バルブ７９を介して接続されている。

吸着反応器７１は、連結管１４４および制御バルブ１０４を介して、吸着反応器３０に連結され、連結管１４９および制御バルブ１０９を介して、凝縮器９０に連結されている。一方、吸着反応器７０は、連結管１４６および制御バルブ１０６を介して、吸着反応器５０に連結され、連結管１４８および制御バルブ１０８を介して、凝縮器９０に連結されている。

さらに、吸着反応器７０は、連結管１２２および制御バルブ１２０を介して、吸着反応器７１に連結されている。そして、吸着反応器７０と吸着反応器７１との間で蒸気再生工程が実行される。このように、凝縮器９０に近い第２の吸着反応部１８が吸着反応器７０と吸着反応器７１とを有し、吸着反応器７０と吸着反応器７１とで蒸気再生工程を実行させる。これにより、多段に分割された吸着冷凍機における２段目および３段目の吸脱着を、吸着反応器７０と吸着反応器７１とで実行できる。

吸着冷凍機３００において、吸着反応器３０は、吸着工程、脱着工程、予備冷却工程および予備加熱工程が実行され、吸着反応器５０においても、吸着工程、脱着工程、予備冷却工程および予備加熱工程が実行される。また、吸着反応器７１においては、吸着反応器３０に対応させて、吸着工程、脱着工程、予備冷却工程、予備加熱工程および蒸気再生工程が実行され、吸着反応器７０においては、吸着反応器５０に対応させて、吸着工程、脱着工程、予備冷却工程、予備加熱工程および蒸気再生工程が実行される。

このような構成とすることで、吸着冷凍機３００は、４つの吸着反応器から構成された３段に多段化した吸着冷凍機となる。これにより、３段に多段化した吸着冷凍機３００の大きさを従来の吸着冷凍機２００に比べて小さくできる。なお、吸着冷凍機３００では、凝縮器９０に近い第２の吸着反応部１８が吸着反応器７０と吸着反応器７１とを有し、吸着反応器７０と吸着反応器７１とで蒸気再生工程を実行させる例を示したが、これに代えて、第１の吸着反応部１３における吸着反応器３０と吸着反応器５０とを連結管にて連結し、吸着反応器３０と吸着反応器５０とで蒸気再生工程を実行させてもよい。

図１６は、他の吸着冷凍機４００を示す模式図である。吸着冷凍機４００は、第１の吸着反応部１５と、第２の吸着反応部１８と、蒸発器２０と、凝縮器９０と、制御部９８とを有する。なお、図１６において、図１および図１５と共通する要素には、同じ参照番号を付して重複する説明を省略する。

吸着冷凍機４００において、第１の吸着反応部１５は、１つの吸着反応器３０を有する。このように、蒸発器２０に近い第１の吸着反応部１５が吸着反応器３０のみを有する構成であってもよい。そして、凝縮器９０に近い第２の吸着反応部１８が吸着反応器７０と吸着反応器７１とを有し、吸着反応器７０と吸着反応器７１とで蒸気再生工程を実行させる。これにより、多段に分割された吸着冷凍機における２段目および３段目の吸脱着を、吸着反応器７０と吸着反応器７１とで実行できる。

このように、吸着冷凍機４００は、３つの吸着反応器から構成された３段に多段化した吸着冷凍機となる。これにより、３段に多段化した吸着冷凍機３００の大きさを従来の吸着冷凍機２００に比べて小さくできる。

なお、図１、図１５に示した例において、第１の吸着反応部１２および１３は、２つの吸着反応器３０、５０を有する例を示したが、第１の吸着反応部１２および１３が有する吸着反応器の数は、２つに限られない。また、図１５および１６に示した例における第２の吸着反応部１８が有する吸着反応器の数もまた２つに限られない。３段に多段化した吸着冷凍機１０、３００および４００において、少なくとも、吸着反応器の合計数が５個以下であれば、従来の吸着冷凍機２００に対して小さくできる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０、２００、３００、４００ 吸着冷凍機、１２、１３、１５ 第１の吸着反応部、１４、１８ 第２の吸着反応部、１６ 冷媒、２０ 蒸発器、２２、３４、５４、７４、７５、９２ 熱交換器、２４ 冷熱出力管、３０、５０、７０、７１、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２ 吸着反応器、３２、５２、７２、７３ 吸着材、３６、３８、５６、５８、７６、７７、７８、７９、９４、１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１０９、１１０、１２０、２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、２３４ 制御バルブ、４０、６０、８０、８１、９６ 冷却水源、４２、６２、８２、８３ 温水源、９０ 凝縮器、９８ 制御部、１１２、１２２、１４０、１４２、１４４、１４６、１４８、１４９、１５０、２４０、２４２、２４４、２４６、２４８、２５０、２５２、２５４、 連結管、１１４ 減圧弁

Claims (7)

1. 液化した冷媒を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させてから再び気化させる第１の吸着反応部と、
   前記第１の吸着反応部から生じる気化された前記冷媒を吸着させてから再び気化させる第２の吸着反応部と、
   前記第２の吸着反応部から生じる気化された前記冷媒を冷却することで液化させて、前記蒸発器へ供給する凝縮器と
   を備え、
   前記第１の吸着反応部および前記第２の吸着反応部の少なくとも一方は、
   少なくとも２つの吸着反応器と、
   前記２つの吸着反応器を連結する第１の連結管と、
   前記第１の連結管の開閉を制御する第１の制御バルブと
   を含む吸着冷凍機。
2. 前記少なくとも一方は前記第１の吸着反応部であり、
   前記第２の吸着反応部は、前記少なくとも２つの吸着反応器が連結される１つの吸着反応器を有する請求項１に記載の吸着冷凍機。
3. 前記２つの吸着反応器の一方と前記蒸発器とを連結する第２の連結管と、前記第２の連結管の開閉を制御する第２の制御バルブと、前記２つの吸着反応器の他方と前記蒸発器とを連結する第３の連結管と、前記第３の連結管の開閉を制御する第３の制御バルブとを含み、前記第１の制御バルブが開いている場合に、前記第２の制御バルブおよび前記第３の制御バルブは閉じる請求項２に記載の吸着冷凍機。
4. 前記第２の吸着反応部の前記１つの吸着反応器における冷媒吸着量は、前記第１の吸着反応部の前記少なくとも２つの吸着反応器の何れの冷媒吸着量よりも多い請求項３に記載の吸着冷凍機。
5. 蒸発器において、液化した冷媒を気化させることで冷熱を発生させる蒸発段階と、
   第１の吸着反応部において、前記蒸発器から生じる気化された前記冷媒を吸着させてから再び気化させる第１の吸着反応段階と、
   第２の吸着反応部において、前記第１の吸着反応部から生じる気化された前記冷媒を吸着させてから再び気化させる第２の吸着反応段階と、
   凝縮器において、前記第２の吸着反応部から生じる気化された前記冷媒を冷却することで液化させて、前記蒸発器へ供給する凝縮段階と、
   を備え、
   前記第１の吸着反応段階および前記第２の吸着反応段階の少なくとも一方は、
   前記第１の吸着反応部および前記第２の吸着反応部の少なくとも一方に含まれる少なくとも２つの吸着反応器を連結する第１の連結段階を含む吸着冷凍方法。
6. 前記２つの吸着反応器の一方と前記蒸発器とを連結する第２の連結段階と、
   前記２つの吸着反応器の他方と前記蒸発器とを連結する第３の連結段階と、
   を含み、前記第１の連結段階が実行されている場合には、前記第２の連結段階および前記第３の連結段階を実行しない請求項５に記載の吸着冷凍方法。
7. 前記第１の吸着反応段階および前記第２の吸着反応段階の何れかに供給される温水の温度が予め定められた温度より低い場合には、前記第１の連結段階を実行して、前記温水の温度が予め定められた温度より高い場合には、前記第１の連結段階を実行しない請求項５または６に記載の吸着冷凍方法。

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