JPH0765816B2 - 吸着式冷凍機とその運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は吸着式冷凍機の構造及びその運転方法に係り、
詳しくは、冷凍効率を向上させるため、２基の吸着塔間
にバルブを付設した配管を設けてなる吸着式冷凍機と前
記バルブの操作方法に関するものである。

（従来の技術） 固体吸着剤の冷媒吸脱着作用を利用し、冷熱を発生した
り、ヒードポンプ運転を行うための吸着式冷凍機は、太
陽集熱器等で得られる温水や工場廃熱などの低等級の熱
源（例えば、85℃前後の温水）を有効利用出来ると共
に、コンプレッサタイプの冷凍機と比較してポンプなど
の可動部分が少なく装置コストが安価で、かつ、運転騒
音が小さいなど多くの利点を有している。

ところで、この種従来の吸着式冷凍機は、一般に、シリ
カゲル，ゼオライト，活性炭，活性アルミナ等の固体吸
着剤を収設した吸着塔を２基並列に設置し、両吸着塔に
吸着剤加熱用熱媒および冷却水を交互に供給し、吸脱着
工程を反復させることにより連続して冷凍出力を得られ
るようシステムが組まれている。

本発明者は、上記システムにおいて、さらに冷凍出力を
向上させるべく、効率的な運転方法を先に開示した（特
開昭64−58966号公報）。これは、吸脱着工程を切り換
える直前に、脱着工程を終了した吸着塔内部の残留温水
を、他の吸着塔、即ち、これから脱着工程に入ろうとす
る吸着塔に供給し、かかる吸着塔内の固体吸着剤の予熱
を行い、しかる後、吸脱着工程を切り換える方法で、熱
量を有効に利用し得るものであった。

一方、これとは別に従来の吸着式冷凍機において、例え
ば２基のうち１基の吸着塔に着目したとき、これが脱着
工程にあるとすると、このとき吸着塔の内部は固体吸着
剤から吐出した冷媒蒸気が充満しており、ここで上記の
予熱を行い、又は行なわずして吸着工程に切り換えて
も、吸着工程当初は自身の内部に充満する冷媒蒸気を吸
着しなければならないという不合理な一面も有してい
た。

従って、吸着工程に切り換わった初期の段階では、本来
の目的である蒸発器内の冷媒液を吸着して所定の冷凍出
力を得ることが困難であり、冷凍出力を低下させてい
た。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、かかる実状に対処して、吸着式冷凍機の脱着
工程の終了に伴って残存する上記の冷媒蒸気を、吸脱着
工程切り換えに先立って他の吸着塔に吸着せしめ、各吸
着塔内で進行していた吸着あるいは脱着の各工程をさら
に進行させることにより、冷媒の効率的な利用を図り、
冷凍効率の向上を得ることを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 即ち、上記目的に適合する本発明の特徴は、固体吸着剤
および伝熱管を内蔵した吸着塔を２基使用し、各吸着塔
の胴体を冷媒が循環可能なる如く凝縮器及び蒸発器に接
続すると共に、前記吸着塔のうち、一方が他方と異なる
工程となる如く、吸着・脱着工程切り換え運転がされる
吸着式冷凍システムにおいて、通常の吸脱着工程の終了
と共に、２基の吸着塔の間だけで、さらに、吸脱着を進
行せしめ、その後、通常の吸脱着工程に切り換える運転
方法にある。

また、このために、前述の如く、２基の吸着塔のうち一
方が他方と異なる工程となる如く、吸着，脱着工程が切
り換え運転される吸着式冷凍システムにおいて、２基の
吸着塔間を直接連結する配管を設けると共に、該配管に
バルブを付設して吸着式冷凍機を構成する。

そして上記の如く構成された吸着式冷凍機の運転に際し
ては、吸脱着工程の終了にあたり、吸着塔と蒸発器との
間、及び吸着塔と凝縮器との間の冷媒の移動を、バルブ
を閉じる等の手段によって停止すると共に、前記２基の
吸着塔を接続する配管中に設けられたバルブを開き、２
基の吸着塔間の圧力を均衡せしめ、圧力が略々均衡した
時点で前記バルブを再び閉じて吸脱着工程を終える。

（作用） しかして、吸脱着工程終了時においては、脱着側の吸着
塔内部の圧力は脱着した冷媒蒸気のため吸着側のそれよ
りも極めて高く、ここで前記の如く、各吸着塔と、蒸発
器や凝縮器との間のバルブを全て閉じる等によって冷媒
の移動を停止すると共に、前記吸着塔間を接続する配管
中に設けられたバルブを開放すると、脱着工程側の吸着
塔内に充満していた冷媒蒸気は、一勢に配管を通って吸
着工程側の吸着塔へ移動し、この後、両者の圧力が均衡
するまでこの状態が続く。この間、上記工程中と同様に
吸着工程側には冷却水を、一方、脱着工程側には熱源側
熱媒を供給し続けておくと、前記冷媒蒸気の移動に伴
い、各吸着塔における吸脱着は、それぞれさらに進行す
る。

かくして、二基の吸着塔間で圧力が略々均衡すれば前記
バルブを閉じて、一つの吸脱着工程を終え、しかる後、
脱着工程にあった吸着塔内の残留温水を他の吸着塔に供
給して、次に脱着工程を行う吸着塔の予熱を行い、ある
いは、かかる予熱工程を省略して、次の吸脱着工程に切
り換える。

そこで、いま新たな吸脱着工程に切り換えたとすると、
前回の工程終了時に上記の如く脱着側の吸着塔に充満す
る冷媒蒸気が直接、他方の吸着塔に移動したことによ
り、新たな脱着工程に係る吸着塔においては、より多量
の冷媒を含んだ吸着剤が存在し、従って多量の冷媒を脱
着することが可能となり、多くの冷媒液が凝縮器に貯溜
され、そして蒸発器に供給されることになる。一方、該
蒸発器の冷媒を吸着する側の吸着塔においても、前記の
如く内部に充満していた冷媒ガスが減少しているので、
吸着能力に余裕ができ、充分これを吸着し得る。

（実施例） 以下本発明方法を第１図乃至第５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５図は、本発明に係る吸着式冷凍機の一例
を示す概要図である。

なお、熱媒又は冷媒が流れている流路は実線で、また、
流れていない流路は破線で示している。

これらの図において、（１）および（11）′は真空容器
（12）および（12）′内に太陽熱集熱器あるいは工場廃
熱など低等級熱源から熱交換器を介し、又は介さずして
供給される温水と、クーリングタワー等の冷却水発生器
等で生成された冷却水を交互に通過させるフィンチュー
ブ（13），（13）′を内蔵し、該フィンチューブ（1
3），（13）′のフィン間隙にシリカゲル，ゼオライ
ト，活性炭，活性アルミナ等の固体吸着剤（Ｓ）を充填
してなる２基の吸着塔であって、該吸着塔（11），（1
1）′は、本発明の特徴として途中にバルブ（V₅）を備
えた配管（10）を設けることによって２基が連結されて
いる。（14）は両吸着塔（11），（11）′の胴体（1
2），（12）′にバルブ（V₂），（V₄）を備えたダクト
（16），（16）′を介して接続された凝縮器、（17）は
該凝縮器（14）の胴体（14a）の底部にトラップ形状の
配管（18）を介して接続された蒸発器であって、該蒸発
器（17）のケーシング（17a）と前記第1,台２の吸着塔
（11），（11）′の真空容器（12），（12）′とは、途
中にバルブ（V₁），（V₃）を備えたダクト（20），（2
0）′により互いに接続され、真空容器（12），（1
2）′内に封入された所定量の水などの冷媒が前記バル
ブ（V₁），（V₂），（V₃），（V₄）の開閉に伴ってこの
間を循環し得るようになっている。

前記凝縮器（14）は、胴体（14a）の内部に、クロスフ
ィンチューブあるいはエロフィンチューブ等のフィン付
伝熱管（21）を収設したもので、該伝熱管（21）内に常
時供給される冷却水により、前記吸着塔（11），（1
1）′内の固体吸着剤（Ｓ）から吐き出された冷媒蒸気
を凝縮液化して胴体（14a）の底部に貯溜し、配管（1
8）を通じて前記蒸発器（17）へ供給するようになって
いる。

一方、上記蒸発器（17）は、横長のケーシング（17a）
内に利用側熱媒を通過させる伝熱管（22）を挿通し、該
伝熱管（22）の下部に設けた蒸発皿（図示せず）に前記
凝縮器（14）から導入された冷媒液を貯溜して伝熱管
（22）の表面で蒸発気化させ、前記利用側熱媒体から蒸
発潜熱を奪いこれを冷却する。

図中、（V₁₁），（V₁₂），（V₁₃），…（V₂₁）は前記吸
着塔（11），（11）′の伝熱管（13），（13）′、凝縮
器（14）の伝熱管（21）、冷却水入口（23）、冷却水出
口（24）、熱源側熱媒入口（25）ならびに熱源側熱媒出
口（26）を繋ぐ管路に設けられたバルブであって、各バ
ルブ（V₁₁），（V₁₂），（V₁₃），…（V₂₁）及び前記バ
ルブ（V₁），（V₂），…（V₅）は図示なき制御手段の指
令にもとづき順序的に開閉動作するようになっている。

次いで本発明方法を上記構成の冷凍機にもとづいて説明
する。

第１図は第１の吸着塔（11）に冷却水を供給し、吸着運
転を行うと共に、第２の吸着塔（11）′に熱源側熱媒を
供給し、脱着運転を行っている場合である。

即ち、入口（25）から導入された熱源側熱媒は、バルブ
（V₆）を通じて第２の吸着塔（11）′の伝熱管（13）′
に入り、固体吸着剤（Ｓ）を加熱脱着し、バルブ（V₄）
を介して熱源側熱媒出口（26）から熱源に還流する。

吸着塔（11）′内で加熱脱着された冷媒蒸気は、バルブ
（15）を通って凝縮器（14）に入り、伝熱管（21）内を
流れる冷却水で冷却されて液化し、胴体（14a）の底部
に貯溜され、圧力差等により配管（18）を通じて蒸発器
（17）に送られる。

また、この間、第１の吸着塔（11）においては、凝縮器
（14）の伝熱管（21）と共に、バルブ（V₁₅）を通じて
伝熱管（13）に冷却水が導入され、固体吸着剤（Ｓ）が
冷却されて冷媒蒸気を吸着するため、蒸発器（17）内の
冷媒液が伝熱管（22）の表面から盛んに蒸発し、伝熱管
（22）内を流れる利用側熱媒から蒸発潜熱を奪って冷却
するため、該利用側熱媒を空調対象域に設置したファン
コイルユニットに供給すれば一般的な空調システムの温
度条件（例えば、冷却水入口温度30℃，利用側熱媒入口
温度12℃，同出口温度７℃）を満足させることが出来
る。

次に、上記の運転状態から２基の吸着塔（11），（1
1）′の吸脱着工程を切り換えて運転するに当たって
は、第２図に示す如くバルブ（V₁₁），（V₁₂）〜
（V₂₁）は、そのままにしてバルブ（V₂），（V₃）及び
バルブ（V₅）を一勢に切り換えると、第１の吸着塔（1
1）には冷却水が、第２の吸着塔（11）′には熱源側熱
媒が変わらず供給されるが、各吸着塔（11），（11）′
と蒸発器（17）および凝縮器（14）との間の冷媒の流れ
は停止し、かつ、第１の吸着塔（11）と第２の吸着塔
（11）′との間だけで冷媒が流れることになる。

ここで、第２の吸着塔（11）′は脱着した冷媒蒸気で高
圧状態にあり、これに比べて第１の吸着塔（11）は冷媒
を吸着して低圧状態にある。従って冷媒蒸気はバルブ
（V₅）の開放によって配管（10）を経て、第２の吸着塔
（11）′から第１の吸着塔（11）へ噴出する如く移動
し、両吸着塔（11），（11）′内の圧力を均衡させる。

この間、上記の如く伝熱管（13），（13）′にはそれぞ
れ冷却水、熱源側熱媒が流れ、第１の吸着塔（11）では
固体吸着剤（Ｓ）が冷却されて、移動してきた冷媒蒸気
を吸着し、また第２の吸着塔（11）′では固体吸着剤
（Ｓ）が加熱されて、脱着を促し、上記の冷媒蒸気の移
動を助け、かくして、それぞれの吸着塔（11），（1
1）′において、吸着あるいは脱着の各工程がさらに進
行することになる。

次いで両吸着塔（11），（11）′の圧力が均衡し、両吸
着塔（11），（11）′間で吸脱着が進行しなくなった時
点で、第３図の如くバルブ（V₅）を閉じ、上記の吸脱着
進行工程を終え、それと同時に、バルブ（V₁₁），
（V₁₃），（V₁₄），（V₁₅），（V₁₆），（V₁₉）を一勢
に切り換える。すると入口（25）から導入される熱源側
熱媒はバルブ（V₁₃）を通じてそのまま出口（26）へ向
かい、第２の吸着塔（11）′への供給が停止され、ま
た、第２の吸着塔（11）′の伝熱管（13）′内には温水
が残留する。ところが一方、冷却水がバルブ（V₁₉）を
経て前記伝熱管（13）′に供給されるため、前記の残留
温水は押し出され、バルブ（V₁₁）を経て第１の吸着塔
（11）の伝熱管（13）に導入され、ここで脱着工程に入
る直前の固定吸着剤（Ｓ）の予熱に供される。

なお、このまま運転を続行すると第２の吸着塔（11）′
に供給される冷却水によって、第１の吸着塔（11）に導
入された残留温水が冷却水出口（24）側に流出してしま
うため、タイミングを見計らって第４図の如くバルブ
（V₁₁），（V₁₂），（V₁₇），（V₁₈），（V₂₁）を切り
換えると共にバルブ（V₁），（V₄）を開ければ第１の吸
着塔（11）に対し熱源側熱媒を供給すべく入口（25）か
ら入った熱源側熱媒はバルブ（V₁₂）を通じて第１の吸
着塔（11）の伝熱管（13）に流入し、該伝熱管（13）内
に残留していた吸着剤予熱用の残留温水を追い出しなが
ら、バルブ（V₁₇）を通って熱源側熱媒出口（26）に向
かうため、前記残留温水は熱源側の熱交換器に還流し、
温水の熱量の損失が防止される。

かくして第１の吸着塔（11）は予熱工程を経て脱着工程
に入るが、予熱工程に先立つ前記第２図の吸着進行工程
において、より多量の冷媒を吸着していることから、固
体吸着剤（Ｓ）から吐出される冷媒ガスは多量を極め、
これがバルブ（V₄）及びダクト（16）′を通って凝縮器
（14）に入り、ここで凝縮液化し、蒸発器（17）に送ら
れる。

そして同時に吸着工程に入った第２の吸着塔（11）′は
内部に充満する冷媒蒸気を、第２図の脱着進行工程によ
って減少しているため、上記の蒸発器（17）内の多量の
冷媒液を固体吸着剤（Ｓ）によって余裕をもって吸着気
化して冷凍効率の向上に寄与する。

更に、第１の吸着塔（11）及び第２の吸着塔（11）′を
この状態から前記第１図の如く吸脱着を反転させる場合
には、上記と同様な手順にて、先ずバルブ（V₁），
（V₄）を閉じる一方、バルブ（V₅）を開け、第１の吸着
塔（11）と第２の吸着塔（11）′との間を連通せしめる
ことによって、第１の吸着塔（11）から第２の吸着塔
（11）′へ向かって冷媒ガスを移行させ、第１の吸着塔
（11）における脱着、及び第２の吸着塔（11）′におけ
る吸着の各工程をいずれもさらに進行させる（第５
図）。次いで、第１の吸着塔（11）内の残留温水によっ
て、第２の吸着塔（11）′の吸着剤予熱を図り（第６
図）、この後、吸脱着の切り換えを行えばよい。

この間のバルブの操作手順については説明を省略する。

なお、上記実施例において、吸脱着進行工程に引き続い
て予熱工程を行っているが、かかる予熱工程を省略して
も本発明の意図する冷凍効率の向上が得られることは言
う迄もない。

次に本発明に係る吸着式冷凍機を本発明方法によって運
転した場合と、２基の吸着塔を接続する配管（10）及び
バルブ（V₅）を有しない従来の吸着式冷凍機との冷却効
率比較結果を示す。なお従来の吸着式冷凍機は、配管
（10）及びバルブ（V₅）を有しない他は、何ら本発明に
係る吸着式冷凍機と変わらないものである。

比較にあたって、その方法は、第1,第２各吸着塔内の圧
力と蒸発器内の圧力とを測定し、冷凍に寄与する吸着容
量、wt％を求め、これを比較した。

先ず、従来の吸着式冷凍機は、脱着側の吸着塔の圧力が
433.6mmHg、吸着剤の吸着塔の圧力が33.7mmHg、蒸発器
内の圧力が7.5mmHgであり、 脱着 Δｑ＝0.346（33.7/433.6）＝0.07 吸着 Δｑ＝0.346（7.5/33.7）^1/16＝0.136 となる。従って冷凍に寄与される吸着容量は、 wt％＝100（0.136−0.07）＝6.5％である。

次に、本発明に係る吸着式冷凍機において、吸脱着切り
換え時にバルブ（V₅）を開放して吸着塔間の圧力の均衡
を図った時点では、各吸着塔の圧力は共に10.89mmHgで
あり、各工程終了時のwt％は 脱着 Δｑ＝0.346（10.86/433.6）^1/16＝0.03 Δｑ′＝0.07−0.035＝0.035 吸着 Δｑ＝0.346（10.86/33.7）^1/16＝0.17 Δｑ′＝0.17−0.135＝0.035 となってこのΔｑ′分だけ冷凍に反映されるwt％が増す
事になる。

即ちwt（％）＝100×（0.065＋0.035）＝10（％） から10％の吸着容量を得ることができる。

この関係をグラフで示すと第７図のようになる。

同グラフにおいて太線で示す部分がバルブ（V₅）を開放
して吸脱着を進行させた部分てある。

また、従来の吸着式冷凍機を、脱着及び吸着を共に5.5
分のサイクルで運転すると、100RTの能力を得、一方、
本発明に係る吸着式冷凍機を、吸脱着切り換え時に１分
間バルブ（V₅）を開放すると共に、吸，脱着時間を上記
従来の吸着式冷凍機と同様に行ったときは、130RTとな
って1.3倍の能力向上を得た。

（発明の効果） 以上述べたように本発明に係る吸着式冷凍機は２基の吸
着塔を直接配管で接続し、かつ、該配管中にバルブを設
けたことを特徴とするもので、これを本発明方法によっ
て運転するとき、吸脱着工程切り換えに先立ち、脱着工
程にあった吸着塔から、吸着工程にあった吸着塔に向か
って冷媒蒸気が移行することにより、従来では冷凍に供
されていなかった冷媒蒸気を有効に利用して、吸着塔間
の吸脱着をさらに進行させ、吸脱着工程切り換え直後に
おける冷凍効率を向上させ、ひいては効率的な吸着式冷
凍機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図乃至第６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７図は同吸着式冷凍機
と従来の吸着式冷凍機の吸着容量の比較を時間と共に表
したグラフである。 （10）…配管、（11），（11）′…吸着塔、（12），
（12）′…胴体（真空容器）、（14）…凝縮器、（17）
…蒸発器、（Ｓ）…固体吸着剤、（V₅）…バルブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 松下 昌生 大阪府寝屋川市松屋町13―８―1108 (72)発明者 森川 淳 京都府八幡市男山八望２番地Ｃ―15―402 (72)発明者 吉原 基司 京都府八幡市八幡武蔵芝６―９ (56)参考文献 特開 昭64−58966（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸着剤および伝熱管を内蔵した吸着塔を２
   基使用し、各吸着塔の胴体を冷媒が循環可能なる如く凝
   縮器及び蒸発器に接続すると共に、前記吸着塔のうち、
   一方が他方と異なる工程となる如く、吸着，脱着工程切
   り換え運転される吸着式冷凍システムにおいて、吸脱着
   工程の終了時に、２基の吸着塔間で吸脱着を進行させ、
   その後に吸脱着の工程を切り換えることを特徴とする吸
   着式冷凍機の運転方法。
2. 【請求項２】吸着剤および伝熱管を内蔵した吸着塔を２
   基使用し、各吸着塔の胴体を冷媒が循環可能なる如く凝
   縮器及び蒸発器に接続すると共に、前記吸着塔のうち、
   一方が他方と異なる工程となる如く、吸着，脱着工程切
   り換え運転される吸着式冷凍機において、前記２基の吸
   着塔を配管によって直接接続すると共に、該配管中にバ
   ルブを設けたことを特徴とする吸着式冷凍機。
3. 【請求項３】請求項２記載の冷凍機を用いて、吸着塔の
   うち、一方が他方と異なる工程となる如く、吸着，脱着
   工程切り換え運転される吸着式冷凍システムにおいて、
   吸脱着工程の終了に際し、吸着塔と蒸発器及び吸着塔と
   凝縮器との間の冷媒通路をいずれも遮断すると共に、２
   基の吸着塔間を接続する配管中に設けられたバルブを開
   き、次いで２基の吸着塔間の圧力が略々均衡した時点
   で、上記バルブを閉じて吸脱着工程を終えることを特徴
   とする吸着式冷凍機の運転方法。