JP4134841B2 - 吸着式冷凍機用吸着器 - Google Patents

Description

本発明は、吸着剤が気相冷媒を吸着する作用を利用して冷媒を蒸発させて、その蒸発潜熱により冷凍能力を発揮する吸着式冷凍機に適用される吸着器に関するものである。

吸着式冷凍機は、シリカゲル等の吸着剤が水蒸気を吸着する作用を利用したものあり、略真空状態に保たれた吸着器のケーシング内に封入された水等の液相冷媒が吸着される際の気化熱（蒸発潜熱）により液が冷却されて冷凍能力を得るものである（例えば、特許文献１参照）。

そして、ケーシング内の液相冷媒が全て蒸発したとき、又は吸着剤の吸着能力が飽和することにより吸着剤の吸着量が限界に達してケーシング内の圧力が上昇し、液相冷媒の蒸発が停止したとき等には、吸着剤を加熱して吸着した気相冷媒（水蒸気）を吸着剤から脱離する（以下、この行為を吸着剤の再生と呼ぶ。）とともに、脱離した気相冷媒を冷却して凝縮させる。

吸着器内では、前述のごとく、吸着作用による液相冷媒の冷却、吸着剤の加熱及び発生した冷凍能力の回収等の行為が行われるので、これらの行為を行うための熱交換器がケーシング内に収納されている。

そして、熱交換器の材質としては、一般的にアルミニウム等の熱伝導率の大きく、加工性に優れた金属が採用されている。

このとき、例えば冷媒を水（Ｈ₂Ｏ）とし、熱交換器をアルミニウムとした場合には、アルミニウム（Ａｌ）が冷媒中の水素（Ｈ）よりイオン化傾向が大きいため、アルミニウムと水とが化学反応して水素ガス（Ｈ₂）が発生してしまう。

そして、水素ガスが発生すると、吸着剤の細孔内に凝縮しない水素ガスが溜まるので、水蒸気の吸着が阻害され、吸着剤の吸着能力が低下してしまうので、冷媒の蒸発量が減少し、冷凍能力が低下する。

そこで、従来は、ケーシング内に収納されたアルミニウム製の熱交換器の表面にケイ酸皮膜（ＳｉＯ₂）を設けることにより、アルミニウムと水とが化学反応して水素ガスが発生してしまうことを抑制して吸着剤の吸着作用が阻害されることを防止している（例えば、特許文献２参照）。

また、他の従来技術では、ケーシング内で発生した水素ガスをパラジウム等の吸着剤にて吸着し、ケーシング内に水素ガスが充満してしまうことを防止している（例えば、特許文献３参照）。
特開平１−２７３９６８号公報 特開平１３−１２４４３５号公報 特開平１１−４０２１１号公報

しかし、特許文献２に記載のケイ酸皮膜の形成方法では、フィンの端部等の表面積が非常に小さい部分にケイ酸皮膜を形成することは難しい場合が多く、高い歩留まりを維持しながら熱交換器の表面全体にケイ酸皮膜を形成することが困難であるので、特許文献２に記載の発明では、水素ガスが発生してしまうことを十分に抑制することが難しい。

また、特許文献３に記載の発明では、パラジウム等の吸着剤及びケーシング内に充満した水素ガスを吸着剤に送り出すポンプ装置等を必要とするので、吸着式冷凍機の製造原価低減を図ることが難しい。

本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な吸着式冷凍機用の吸着器を提供し、第２には、簡便な手段にて吸着器に水素ガスが充満することを抑制することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、吸着剤が気相冷媒を吸着する作用を利用して冷媒を蒸発させて、その蒸発潜熱により冷凍能力を発揮する吸着式冷凍機に用いられる吸着器であって、冷媒として水を主成分とする冷媒が用いられ、冷媒および吸着剤が封入されたケーシング（１１０）と、ケーシング（１１０）内に配設され、冷媒および吸着剤のいずれか一方と熱交換するアルミニウム製の熱交換器（１２０、１３０）と、ケーシング（１１０）内の冷媒を加熱して沸騰させる加熱器（１４０）と、ケーシング（１１０）内外を連通させるようにケーシング（１１０）に形成され、熱交換器（１２０、１３０）を形成するアルミニウムと冷媒に含まれる水との化学反応により発生する水素ガスをケーシング（１１０）外に排出するための連通穴（１４１）と、連通穴（１４１）を開閉するバルブ（１４２）とを備えることを特徴とする。

これにより、本発明では、ケーシング（１１０）内を加熱して、ケーシング（１１０）内の圧力が所定圧力を超えたときに連通穴（１４１）、つまりバルブ（１４２）を開いてケーシング（１１０）内の気体をケーシング（１１０）外に排出するといった簡便な手段にて吸着器に溜まった水素ガスを排出することができる。

延いては、吸着器、つまり吸着式冷凍機の製造原価低減を図りながら、吸着剤の吸着能力が低下してしまうことを防止できる。

請求項２に記載の発明では、バルブ（１４２）は、ケーシング（１１０）内の圧力が所定圧力以上となったときに開くリリーフ弁であることを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明では、加熱器（１４０）は、ケーシング（１１０）の下方側に設置され、連通穴（１４１）は、ケーシング（１１０）の上側に設けられていることを特徴とするものである。

請求項４に記載の発明では、加熱器（１４０）は、ケーシング（１１０）外の下方側に設置されていることを特徴とするものである。

因みに、上記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一例である。

本実施形態は、本発明に係る吸着式冷凍機用吸着器を吸着式空調装置に適用したものであって、図１は吸着式空調装置の模式図である。

本実施形態に係る吸着器１００は、図１（ａ）に示すように、少なくとも２個設けられており、以下、紙面上側の吸着器１００を第１吸着器１００と表記し、紙面下側の吸着器１００を第２吸着器１００と表記し、第１、２吸着器を総称するときは、単に吸着器１００と表記する。なお、吸着器１００の詳細は、後述する。

室外熱交換器２００は吸着器１００内を循環した熱媒体（本実施形態では、水にエチレングリコール系の不凍液を混合した流体）と室外空気とを熱交換する熱交換器であり、室内熱交換器３００は吸着器１００にて発生した冷凍能力により冷却された熱媒体と室内に吹き出す空気（以下、この空気を空調風と呼ぶ。）とを熱交換し、空調風を冷却する熱交換器である。

因みに、室内熱交換器３００は、図１（ｂ）に示すように、空調風の通路を形成する空調ケーシング３１０内に配設されており、この空調ケーシング３１０の空気流れ上流側には、遠心式送風機３２０等の送風手段が設けられている。

なお、本実施形態では、水冷式エンジン（水冷式内燃機関）等の熱機関、又はパワーアンプ等の電気機器で発生した廃熱を回収した冷却水（本実施形態では、熱媒体と同じ流体）を吸着器１００（正確には、後述する第２熱交換器１３０）内に循環させることにより吸着剤の再生を行っており、切換弁４１０〜４４０は熱媒体の循環経路を切り換えるものであり、ポンプ４５０、４６０は熱媒体を循環させるものである。

次に、吸着器１００について述べる。

吸着器１００は、図２に示すように、内部が略真空に保たれた状態で冷媒（本実施形態では、水）が封入されたステンレス（本実施形態では、ＳＵＳ３０４）製のケーシング１１０、熱交換媒体とケーシング１１０内の冷媒（本実施形態では、水）との間で熱交換を行う蒸発／凝縮コアをなす第１熱交換器１２０、及び吸着剤（本実施形態ではシリカゲル）を冷却又は加熱する吸着コアをなす第２熱交換器１３０から等から構成されている。

ここで、両熱交換器１２０、１３０はケーシング１１０内に収納されているとともに、扁平状に形成されたアルミニウム（本実施形態では、例えばＡ３０００系のアルミニウム材にろう材が被覆されたもの）製のチューブ、及び波状に形成されたアルミニウム（本実施形態では、例えばＡ１０００系又は３０００系）製のフィン等からなる周知の構造を有するもので、第２熱交換器１３０のチューブ及びフィンの表面には、吸着剤１３５が接着剤（本実施形態では、エポキシ樹脂）によって接着固定されている。

また、配管１２３、１３３は第１、２熱交換器１２０、１３０に接合されてケーシング１１０内外側を貫通するアルミニウム（本実施形態では、例えばＡ１０００系又は３０００系）製の管であり、この配管１２３、１３３により熱媒体が吸着器１００内、つまり第１、２熱交換器１２０、１３０に導かれる。

そして、ケーシング１１０外の下方側には、ケーシング１１０内を加熱する加熱器１４０が設けられ、一方、ケーシング１１０の上側には、ケーシング１１０内外を連通させる連通穴をなすガス抜き穴１４１が設けられている。そして、このガス抜き穴１４１は、レギュレータバルブ１４２により開閉制御される。

また、本実施形態では、加熱器１４０として、通電することにより発熱するシーズヒータ等の電気ヒータが用いられているとともに、その発熱制御、つまり加熱器１４０に通電するか否かは、図１に示すように、手動操作されるヒータスイッチ１４３により制御される。

なお、本実施形態に係るヒータスイッチ１４３は、投入（オン）された後、所定時間後に自動的に通電が遮断されるタイマー機能付きのスイッチであり、このヒータスイッチ１４３が投入されると、本実施形態では、約１２０秒の間、加熱器１４０は約２００Ｗの熱を発生する。

また、本実施形態では、レギュレータバルブ１４２として、ケーシング１１０内の圧力が所定圧力以上となったときに開く機械式のリリーフ弁を採用している。具体的には、弁口（図示せず。）を開閉する弁体（図示せず。）、及びケーシング１１０内の圧力に対向して弁体を閉弁方向に押し付けるコイルバネ等の弾性手段等からなるもので、コイルバネの初期加重（プリロード）を調節することにより開弁圧力が制御される。

次に、空調装置の概略作動を述べる。

先ず、切換弁４１０〜４４０を図１の実線に示すように作動させて、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０と室内熱交換器３００との間、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０と室外器２００との間、並びに第２吸着器１００の第１熱交換器と室外器２００との間、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０とエンジンとの間に熱媒体を循環させる。

これにより、第１吸着器１００内の液相冷媒が、第１熱交換器１２０を介して室内熱交換器３００にて室内に吹き出す空気から吸熱して温度が上昇した熱媒体から吸熱して蒸発するとともに、その蒸発した気相冷媒（蒸気冷媒）が吸着剤１３５に吸着される。

なお、以下、液相冷媒の蒸発及び気相冷媒の吸着が行われている吸着器１００を吸着工程にある吸着器と呼ぶ。

因みに、吸着剤１３５が気相冷媒を吸着するときに凝縮熱相当の吸着熱が発生するが、
吸着熱により吸着剤１３５が加熱されると、吸着剤１３５の表面における相対湿度（関係
湿度）が低下して吸着能力が低下するので、吸着行程にある吸着器の第２熱交換器１３０
に室外熱交換器２００にて冷却された熱媒体を循環させて吸着剤１３５を冷却する。

一方、第２吸着器１００の吸着剤１３５が加熱されるので、吸着剤１３５に吸着されていた冷媒が気相冷媒として吸着剤１３５から脱離するとともに、その脱離した気相冷媒が第１熱交換器１２０にて冷却されて凝縮し、冷媒が再生される。

なお、以下、吸着剤１３５の再生及び気相冷媒の凝縮が行われている吸着器１００を脱
離行程にある吸着器と呼ぶ。

つまり、この状態（以下、第１状態と呼ぶ。）では、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０は液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を冷却する冷却器として機能し、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０は吸着剤１３５から脱離した水蒸気を冷却する凝縮器として機能し、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を加熱する加熱器として機能する。

そして、第１状態で所定時間（本実施形態では、６０秒〜１００秒）が経過したときに、切換弁４１０〜４４０を図１の破線に示すように作動させて、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０と室内熱交換器３００との間、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０と室外器２００との間、並びに第１吸着器１００の第１熱交換器と室外器２００との間、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０とエンジンとの間に熱媒体を循環させる。

これにより、第２吸着器１００が吸着行程となり、第１吸着器１００が脱離行程となる
ので、第２吸着器１００で発生した冷凍能力により空調風が冷却され、第１吸着器１００
にて吸着剤１３５の再生が行われる。

つまり、この状態（以下、第２状態と呼ぶ。）では、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０は液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を冷却する冷却器として機能し、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０は吸着剤１３５から脱離した水蒸気を冷却する凝縮器として機能し、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を加熱する加熱器として機能する。

そして、第２状態で所定時間が経過したとき、切換弁４１０〜４４０作動させて再び第１状態とする。このように、第１状態及び第２状態を所定時間毎に交互に繰り返して、空調装置を連続的に稼働させる。

なお、所定時間は、ケーシング１１０内に存在する液相冷媒の残量や吸着剤１３５の吸着能力等に基づいて適宜選定されるものである。

次に、ケーシング１１０内の水素ガス抜きについて述べる。

上記した作動、つまり第１状態及び第２状態を所定時間毎に交互に繰り返して、空調装置を連続的に稼働させることを約１年程度行うと、吸着剤１３５の吸着能力を阻害する程度の水素ガスがケーシング１１０内に溜まる。

そこで、約１年に１回程度の割合で、手動操作にてヒータスイッチ１４３を投入する。すると、吸着器１００内に残存する液相冷媒（水）が沸騰するとともに、内部の気体の温度が、例えば、１１０℃以上まで上昇して内圧が所定圧力（例えば、１４０ｋＰａ）超えると、レギュレータバルブ１４２が自動的に開き、気相冷媒と水素ガスとの混合気がケーシング１１０外に排出される。

そして、ヒータスイッチ１４３を投入した時から１２０秒（２分）経過したときに、加熱器１４０への通電が遮断されるので、ケーシング１１０内の温度及び圧力が低下し、内圧が所定圧力（例えば、１４０ｋＰａ）未満となると、レギュレータバルブ１４２が自動的に閉じる。

なお、上記作動説明における所定圧力（例えば、１４０ｋＰａ）及びヒータスイッチ１４３を投入した時から１２０秒の時間は、ケーシング１１０内に封入する冷媒量や吸着剤１３５の吸着能力等に基づいて適宜選定されるものである。

因みに、図３は上記水素ガス抜き作動を説明する説明図である。そして、図３（ａ）は前回水素ガス抜きを行ってから約１年経過したときの脱離行程にある吸着器１００を示しており、この状態では、ケーシング１１０内温度は約７５℃、ケーシング１１０内の水蒸気分圧は約３８．６ｋＰａであり、ケーシング１１０内の水素ガス分圧は６５Ｐａであり、ケーシング１１０内の気体総量体積は約２０００ｃｃである。

そして、図３（ｂ）は、手動操作にてヒータスイッチ１４３を投入した後、ケーシング１１０内の圧力が所定圧力（例えば、１４０ｋＰａ）超えてレギュレータバルブ１４２が自動的に開いた状態を示しており、この状態では、約４０００ｃｃの気体がケーシング１１０外に排出されるため、ほぼ全量の水素ガスをケーシング１１０外に排出することができる。

なお、水素ガス抜き作業は、冬場等の空調装置（吸着式冷凍機）を使用しないときに行うことが望ましい。

次に、本実施形態の特徴を述べる。

本実施形態では、ケーシング１１０内を加熱して、ケーシング１１０内の圧力が所定圧力を超えたときにガス抜き穴１４１、つまりレギュレータバルブ１４２を開いてケーシング１１０内の気体をケーシング１１０外に排出するといった簡便な手段にて吸着器１００に溜まった水素ガスを排出することができる。

したがって、吸着器１００、つまり吸着式冷凍機の製造原価低減を図りながら、吸着剤の吸着能力が低下してしまうことを防止できる。

なお、本実施形態では、ケーシング１１０内の水素ガスをケーシング１１０外に排出する際に、冷媒（水蒸気）もケーシング１１０外に排出されてしまうので、予め、この排出されてしまう冷媒量を見込んで、その分多めに冷媒をケーシング１１０内に封入している。

因みに、上記実施例では、水素ガス抜き作業１回当たり約４ｃｃの液相冷媒が排出されるので、年１回程度の頻度で水素ガス抜き作業を行うとして、吸着式冷凍機の寿命を約１０年とすると、約４０ｃｃ程度の液相冷媒を多めに封入しておけば、実用上問題ない。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、手動操作によりヒータスイッチ１４３が投入されたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば累積稼動時間を記憶し、この累積稼動時間が所定時間を超えたときに自動的に加熱器１４０に通電されるようにしてもよい。

また、上述の実施形態では、レギュレータバルブ１４２を機械式としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばケーシング１１０内の圧力を圧力センサで検出し、この圧力センサの検出圧力が所定圧力を超えたときガス抜き穴１４１を開く電気式のレギュレータバルブ１４２を採用してもよい。

また、熱交換器１２０、１３０の外表面に、冷媒である水とアルミニウム、つまり両熱交換器１２０、１３０とが直接に接触することを防止する保護膜を形成してもよい。

なお、この保護膜は、陽極酸化皮膜処理（アルマイト処理）にて形成された第１皮膜をなす酸化皮膜（Ａｌ₂Ｏ₃）と電気絶縁性を有する第２皮膜をなすＳｉＯ₂皮膜とからなる二層構造とし、かつ、ＳｉＯ₂皮膜を酸化皮膜の上に形成することが望ましい。

（ａ）は吸着式冷凍機の模式図であり、（ｂ）は空調ケーシングの模式図である。 本発明の実施形態に係る吸着器の説明図である。 水素ガス抜き作業の説明図である。

符号の説明

１１０…ケーシング、１２０…第１熱交換器（蒸発器／凝縮コア）、
１３０…第２熱交換器（吸着コア）、１３５…吸着剤、１４０…加熱器（電気ヒータ）、
１４１…ガス抜き穴、１４２…レギュレータバルブ。

Claims (4)

1. 吸着剤が気相冷媒を吸着する作用を利用して冷媒を蒸発させて、その蒸発潜熱により冷凍能力を発揮する吸着式冷凍機に用いられる吸着器であって、
   前記冷媒として水を主成分とする冷媒が用いられ、
   前記冷媒および前記吸着剤が封入されたケーシング（１１０）と、
   前記ケーシング（１１０）内に配設され、前記冷媒および前記吸着剤のいずれか一方と熱交換するアルミニウム製の熱交換器（１２０、１３０）と、
   前記ケーシング（１１０）内の前記冷媒を加熱して沸騰させる加熱器（１４０）と、
   前記ケーシング（１１０）内外を連通させるように前記ケーシング（１１０）に形成され、前記熱交換器（１２０、１３０）を形成するアルミニウムと前記冷媒に含まれる水との化学反応により発生する水素ガスを前記ケーシング（１１０）外に排出するための連通穴（１４１）と、
   前記連通穴（１４１）を開閉するバルブ（１４２）とを備えることを特徴とする吸着式冷凍機用吸着器。
2. 前記バルブ（１４２）は、前記ケーシング（１１０）内の圧力が所定圧力以上となったときに開くリリーフ弁であることを特徴とする請求項１に記載の吸着式冷凍機用吸着器。
3. 前記加熱器（１４０）は、前記ケーシング（１１０）の下方側に設置され、
   前記連通穴（１４１）は、前記ケーシング（１１０）の上側に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の吸着式冷凍機用吸着器。
4. 前記加熱器（１４０）は、前記ケーシング（１１０）外の下方側に設置されていることを特徴とする請求項３に記載の吸着式冷凍機用吸着器。

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