JPH03125866A - 二重効用吸着式冷凍機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明ζよ　小型家庭用から大型産業用まで広い範囲へ
　冷暖房空皿　排熱回収等に利用可能類吸着に伴う吸発
熱現象を利用した吸着式冷凍機および吸着式熱ポンプ装
置に関すム 従来の技術 吸着に伴う吸発熱現象を利用した吸着式冷凍機あるいは
熱ポンプ装置について（よ　ゼオライト、シリカゲル、
活性炭等の吸着剤と人　アルコール等の作動媒体（冷媒
とも称す）を用いて様々な提案がなされている。ここで
その基本的な構成を第３図に示し　動作について簡単に
説明する。３１は作動媒体３５を収容した容器Ａであり
、　３２は作動媒体３５を吸着する吸着剤３６を収容し
た容器Ｂである。３３は両容器３１、３２の空間を連通
ずる作動媒体通路であり、途上に開閉弁３４が設置され
ている。作動媒体３５としては水　アルコ−／ｌ、＝、
　　等が用いられ　吸着剤３６としてはゼオライト、シ
リカゲノ民　活性炭等が用いられるバ系は口直　適用温
度レベル等に応じて適当に選択することができる。まず
開閉弁３４を開放した状態で容器Ｂ３２を駆動源の熱で
加熱すると、容器Ｂ３２中で作動媒体３５の脱着反応が
進行し　作動媒体３５は気相となって容器Ａ３１側に移
動を開始する。このとき容器Ａ３１側で冷却してやれは
　作動媒体３５は凝縮熱を奪われ気相から液相となって
、容器Ａ３１中に貯蔵されることになる。

これを再生操作とする。開閉弁３４を閉止すると容器Ａ
３１に液相状の作動媒体３５、容器Ｂ３２にその作動媒
体３５を吸着する吸着剤３６が開閉弁３４で隔離して封
入される。その後放熱時には開閉弁３４を開状態とし雨
空間を連通すも　そうすると、容器Ａ３１中の作動媒体
３５は気相となり容器Ｂ３２中に移動し　容器Ｂ３２中
の吸着剤３６に吸着し始める。このとき容器Ｂ３２では
反応による発熱が起こり温度が上昇し　容器Ａ３１では
作動媒体３５の蒸発による吸熱が開始され温度が下がる
。よって、反応が終了するまで、容器Ａ３１側では冷熱
が利用でき、容器Ｂ３２側では暖熱が利用できることに
なり、用途に応じてどちらかを自由に選択できる。これ
を利用操作とする。

このように再生と利用の操作は間欠的に行なう必要があ
るた八　一般には第３図に示すようなユニットを二組（
以上）用意し　交互（順番）に再生操作と、利用操作を
繰り返すことにより、見かけ上連続操作としている。こ
のような例として、例えば特開昭６２−９１７６２号公
報等がある。

発明が解決しようとする課題 このような熱駆動型吸着式の熱ポンプを運転した場合、
暖房、給湯等の暖熱を利用する用途に関しては　吸着へ
　凝縮熱および熱源の排熱も利用できるため圏　熱効率
は（機器の使用条イ生　　環境条件に依存するため一部
には言えないカリ熱源の大熱量のおおよそ１〜２倍と効
率よく使用することが可能となっていた　しかし　冷凍
冷房等の冷熱を利用する用途に関して（よ　熱効率が熱
源の大熱量のおおよそ半分程度となってしまうのが普通
であり、よってそのときの熱効率−を向上させることが
この種の熱ポンプの最大の課題であった　再生（脱着）
時に必要な熱入力は吸着熱に等しく、一方冷凍能力は作
動媒体の蒸発潜熱に等しいので、一般にこの種の熱ポン
プの冷凍機としての熱効率で示すことができる。このと
き、吸着剤に対する作動媒体の吸着熱〉作動媒体の蒸発
潜肱　であるた八　熱効率は必然的に１以下となるもの
であり、さらに各部の熱損失等が加わることにより、半
分程度になってしまうものであっな 課題を解決するための手段 本発明は上述の課題を解決するた＆Ａ吸着剤を収容した
第１容器とＢ吸着剤を収容した第２容器はそれぞれ第１
、第２開閉弁を途中に設けた第１、第２作動媒体通路を
介して、共通の作動媒体容器と連通し系を構成すると共
に　系内には適量の作動媒体を封入し　第１作動媒体通
路の一部は第２容器中のＢ吸着剤と熱交換可能とし　少
なくとも第１容器には駆動用の熱源を供給するための熱
交換手段を、作動媒体容器には冷熱を利用するための熱
交換手段をそれぞれ設けて二重効用吸着式冷凍機を構成
し　さらに気相の作動媒体に対する吸着等温線が、低い
相対圧の領域で急な立ち上がりを示す特徴を有するもの
をＡ吸着剤く　同領域でＡ吸着剤に比較して緩慢な立ち
上がりを示すものをＢ吸着剤に用いた吸着剤の組合せと
し　さらに　作動媒体を複数の成分からなる混合物とす
ると共に　ＡＳ　Ｂ吸着剤の少なくとも一方は作動媒体
中の特定成分を主として選択的に吸着する様にした吸着
剤と作動媒体の組合せとし　さら艮Ａ吸着剤が作動媒体
中の特定成分だけを選択的に吸着する様に吸着剤と作動
媒体の組合せを選び、さらに　混合物作動媒体の少なく
とも一成分は水であるとし　さらに　Ａ、　　Ｂ吸着剤
はゼオライト、シリカゲ／Ｉ、＝、　　活性炭の中から
選択するとともへ作動媒体は水とアルコールの混合物で
ある様に吸着剤と作動媒体を組合せたものである。

作用 本発明は上述の構成によって、二重効用吸着式冷凍機を
提供するものであり、二種類の吸着剤を用いることによ
りその目的が達成される。埋板再生（脱着）のための熱
入力をまず第１容器のＡ吸着剤の再生に用１．Ｘ、そこ
で再生（脱着）された作動媒体を第２容器部分で凝縮さ
せ、その凝縮熱を第２容器中のＢ吸着剤の再生に用いる
ものである。このとき両方の吸着剤から再生された作動
媒体は共通の作動媒体容器に収容され　後に冷凍用途に
供される。よって、−度の熱人力を二回用いることにな
り、作動媒体の再生回収量はどちらか一方の吸着剤だけ
を用いる場合のほぼ２倍となり、その２倍のルの作動媒
体を蒸発させる時の冷凍能力も当然はぼ２倍となるた八
　−度の熱入力当りの熱効率もほぼ２倍に向上すること
になる。このとき気相の作動媒体に対する吸着等温線が
、低い相対圧の領域で急な立ち上がりを示す特徴を有す
るものをＡ吸着剤く　同領域で比較的緩慢な立ち上がり
を示すものをＢ吸着剤に用いることで、再生温度はＢ吸
着剤の方がＡ吸着剤より低く設定でき、より有効な熱利
用が可能となるものである。

また作動媒体を混合物とり、、　　Ａ、　　Ｂ吸着剤の
少なくとも一方は作動媒体中の特定成分を主として選択
的に吸着する様に吸着剤と作動媒体の組合せを選び、こ
のときさらにＡ吸着剤が作動媒体中の特定成分を主とし
て選択的に吸着する様に吸着剤と作動媒体の組合せを選
ぶことにより、系内に単独の眼前系が複数構成されるの
と同様となるたへ制御性が向上すると共に上記動作がよ
り確実になるものである。さらに混合物作動媒体の少な
くとも一成分を水さすることて　安全性の向上　コスト
低減等が図れる。またこのとき、Ａ、　　Ｂ吸Ｈ剤はゼ
オライト、シリカゲＡｔ、　　活性炭の中から選択する
ととも圏　作動媒体は水とアルコールの混合物となるよ
う吸着剤と作動媒体を組合せることにより、上記構成と
動作が筒板　確実に実現可能となるものである。

実施例 次（−本発明による一実施例の概要を第１図に示し詳細
を説明する。　ｌは第１容器でありＡ吸着剤が収容され
　第２容器２にはＢ吸着剤が収容されていも　３は作動
媒体容器であり、吸着剤から再生（脱着）された作動媒
体が貯留される。第１、第２容器ｌ、　２と作動媒体容
器３とは第１作動媒体通路４、第２作動媒体通路５を介
して空間が連通して系を形成している。そして両通路４
、５にはそれぞれ第１、第２開閉弁６、７が設けられて
いも　また第１作動媒体通路４は第２容器中のＢ吸着剤
と熱交換可能とする接触部４ａを設けている。８は冷凍
機駆動用の熱源人力部を示Ｌ　９は熱出力利用部を示し
ていも　また第１開閉弁６は調圧機能を有する方が望ま
ししも　ここで吸着剤と作動媒体に何２を選ぶかについ
て簡単に触れる。第２図は典型的な２種類の吸着等温線
を示すものであるカミ　横軸に相対圧が、吸着を測定し
た時の作動媒体圧力／測定温度での作動媒体の飽和蒸気
圧）、縦軸に吸着量を示したものである。ここで示すよ
うへ　気相の作動媒体に対する吸着等温線力交低い相対
圧の領域で急な立ち上がりを示す特徴を有するもの（曲
線Ａ）をＡ吸着剤？Ｑ　　同領域で前者に比較して緩慢
な立ち上がりを示すもの（曲線Ｂ）をＢ吸着剤に用いる
。本実施例に於いてはＡ吸着剤として細孔径が約５　の
ゼオライトを、Ｂ吸着剤として活性炭を、そして作動媒
体としては水　イソプロピルアルコールの重量比を約１
＝１とした混合物作動媒体を採用している。しかし本発
明はこの系に限ることなく、目的用途等に応じて、本発
明で規定する範囲内で自由に選択可能なものである。例
えばＡ吸着剤としてゼオライト、Ｂ吸着剤としてシリカ
ゲホ　作動媒体として水車成分の系を選択することも可
能である。しかしこの場合には熱ポンプとして０℃以下
の環境での使用が（水の氷結の問題から）非常に困難に
なる。

ちなみに人　イソプロピルアルコールの重量比を約ｌ：
ｌとした混合物作動媒体の氷点は約−２３℃となる。ま
たＡ吸着剤として活性炭、Ｂ吸着剤としてシリカゲＡｙ
、　　作動媒体として人　エチルアルコールの混合物を
用いる系なども有効であａまたＢ吸着剤を収容する第２
容器は外部とも熱交換可能に構成している（囲路）。こ
のようにして本実施例は吸着式の冷凍機を形成している
。

次に動作について説明する。まず熱源８からの熱入力に
より吸着剤の再生（吸着剤からの作動媒体の脱着）を行
なう。ここでは熱源としてガス燃焼を用いているカミ　
灯１区　重油等のガス以外の化石燃料の燃焼へ　その他
太陽へ　排熱等を用いることも可能である。第１、第２
開閉弁６、７を開放した状態で熱源８での加熱を開始す
ると、第１容器ｌ内のゼオライトは温度上昇し吸着成分
であろ水の脱着を始める。脱着気化した水は第１作動媒
体通路を通過し　同通路の接触部４ａ（熱容量が大きく
冷たい部分）で凝縮を始める。よって同部で水の凝縮熱
による熱発生と温度上昇が起こり、この熱は第２容器２
中のＢ吸着剤に伝達され吸着剤も温度上昇を始める。そ
うするとＢ吸着剤に吸着されていたイソプロピルアルコ
ール（と水）は脱着を始へ　第２作動媒体通路５を通過
し作動媒体容器３に導かれ　同部で外界と熱交換（冷却
）され凝縮し　第１作動媒体通路４からの水と共に同部
に貯留される。作動媒体の移動がほぼ終了した時点で再
生を終える力交　この動作中必要に応じて第１　（及び
第２）開閉弁を操作し系内の調圧を行なうこともあａ　
このとき第１、第２開閉弁６．７を閉めれば上記状態で
脱着（及び吸着）反応は凍結状態となる。吸着剤を再生
する場合に　Ａ吸着剤タイプの吸着等混線の形を有する
系のときは比較的高温度を必要とし　Ｂ吸着剤タイプの
吸着等温線の形を有する系のときには比較的低温度でも
良い。よって本実施例での第１、第２容器１．２の温度
は当然第１容器ｌ〉第２容器２となる。

次に冷凍操作について説明する。再生が終了した後に　
第１、第２開閉弁６、７を開放状態にすると、第１．第
２容器中１、２のＡ、　　Ｂ吸着剤に対して作動媒体の
吸着が始まる。吸着熱は外界等と熱交換する事になる力
交　一方作動媒体容器３中の作動媒体の蒸発が活発にな
るのでその蒸発潜熱により作動媒体自身が冷却され　温
度が低下すもよって熱出力利用部９で冷熱を取り出し利
用することが可能となる。この吸着動作時において、前
述のように第１容器ｌ中のＡ吸着剤にゼオライト（！Ｉ
Ｉ孔径約５人）を、第２容器２中のＢ吸着剤に活性炭を
用いているが、ゼオライトはその細孔構ム　細孔径から
吸着選択性を有す事はよく知られていることであり、こ
の場合にも混合物作動媒体中の水は吸着するカミ　イソ
プロピルアルコールは吸着しないという選択性を示す。

よって作動媒体容器３中の水は第１容器ｌ中に移動する
ことになる。また水に対する吸着等温線は第２図のＡに
示す線の形となることが良く知られていも　一方残りの
イソプロピルアルコールは第１容器ｌ中のゼオライトに
吸着されないので第２容器２中の活性炭に吸着されるこ
とになる。このときの吸着等温線は第２図の・Ｂに近い
形で示され７）、　　Ａ、　　Ｂ吸着剤の両方に対して
同時に吸゛着が行なわれるので当然ながら作動媒体中の
一部の水は活性炭にも吸着されることになる。このよう
にして吸着が進行している間に作動媒体容器３部で熱出
力利用部９から冷熱を取り出して冷房等に利用すること
ができる。本実施例では冷房等利用のための熱媒体とし
ては水を用いたが、冷凍機駆動用の熱源入力部８、熱出
力利用部９における熱交換は本実施例で採用した方法に
限るものでなく、空気等との直接熱交換　あるいは他の
熱媒体を用いた間接熱交換など、目的や機器設置条件等
に応じて適宜選択することができるものである。

以上本実施例に示す二重効用吸着式冷凍機について説明
してきたが、このままでは間欠動作式の冷凍機となって
しまいあまり実用的ではな（℃　そこで実際には本実施
例の冷凍機を二組用いて、再生と冷凍の動作を交互にか
つ逆に繰り返し　連続で冷熱を取り出せるように構成す
る。あるいは三組以上で構成することもある。これらの
場合には凝縮豫　蒸発器はそれ専用の機能に用いて、吸
着剤を保持する容器だ１す、吸着、再生の切り替えを行
なうように構成する方法も採用することができる。

また　ここまでは冷凍機としての機能について主として
説明してきたカミ　基本的にヒートポンプ機能を有して
いるのであるか収　暖房等の用途に対しても適用可能で
あるのはもちろんの事であａこの場合に（瓜　熱源から
の入熱および蒸発器で外気等から回収した熱を、吸着へ
　凝縮熱として暖房用途に利用することで達成でき、さ
らにそのとき必要ならば熱源の排熱分をも利用すること
が可能である。そして使用環境が極寒で蒸発器からの熱
回収が不可能の場合にζ瓜　熱源の燃焼熱をそのまま暖
房に使用するという操作法を採ることも可能である。ま
たこれらの暖熱は当然ながら給湯にも利用可能である。

このようにして冷暖房機あるいは冷暖房給湯機に機能を
拡張して用いるこ七を可能とするものでもある。

発明の効果 以上の説明から明らかなように　本発明１瓜Ａ吸着剤を
収容した第１容器とＢ吸着剤を収容した第２容器はそれ
ぞれ第１、第２開閉弁を途中に設けた第Ｌｍ２作動媒体
通路を介して、共通の作動媒体容器と連通し系を構成す
ると共く　系内には適最の作動媒体を封入し　第１作動
媒体通路の一部は第２容器中のＢ吸着剤上熱交換可能（
！：Ｌ少なくとも第１容器には駆動用の熱源を供給する
ための熱交換手段を、作動媒体容器には冷熱を利用する
ための熱交換手段をそれぞれ設けて二重効用吸着式冷凍
機を構成し　さらに気相の作動媒体に対する吸着等温線
力士　低い相対圧の領域で急な立ち上がりを示す特徴を
有するものをＡ吸着剤へ同領域でＡ吸着剤に比較して緩
慢な立ち上がりを示すものをＢ吸着剤に用いた吸着剤の
組合せとしさら置　作動媒体を複数の成分からなる混合
物とすると共！Ｑ　　Ａ、　　Ｂ吸着剤の少なくとも一
方は作動媒体中の特定成分を主として選択的に吸着する
様にした吸着剤と作動媒体の組合せとし　さらくＡ吸着
剤が作動媒体中の特定成分だけを選択的に吸着する様に
吸着剤と作動媒体の組合せを選び、さらに　混合物作動
媒体の少なくとも一成分は水であるとし　さらに　Ａ、
　　Ｂ吸着剤はゼオライト、シリカゲル、活性炭の中か
ら選択するとともへ作動媒体は水とアルコールの混合物
である様に吸着剤と作動媒体を組合せたことにより、次
のような効果を生み出すことになも　埋板　従来の機器
の最大の課題であった冷凍（冷房）動作時の低い熱効率
を、従来の機器に比べておおよそ倍増するという画期的
な吸着式冷凍機を提供する事が可能となるものである。

またこのとき、　１サイクル（吸着、脱着各１回）当り
の冷凍能力も大きくなる（はぼ倍増する）ので機器全体
は逆にコンパクトに構成することが可能となるものであ
る。さらに吸着剋　作動媒体共に特殊な物質を用いる必
要がないため低価格化も達成できるものであａ

【図面の簡単な説明】

ｍ１図は本発明による一実施例の／Ａ＝、？檄の概念阻
ａであも ｌ・・・吸着剤Ａを収容した第１容器　２・・・吸着剤
Ｂを収容した第２容鳳　３・・・作動媒体容器　４・・
・第１作動媒体通絡　５・・・第２作動媒体通應　６・
・・第１開閉弁、　７・・・第２開閉光

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）Ａ吸着剤を収容した第１容器とＢ吸着剤を収容し
   た第２容器はそれぞれ第１、第２開閉弁を途中に設けた
   第１、第２作動媒体通路を介して、共通の作動媒体容器
   と連通し系を構成すると共に系内には適量の作動媒体を
   封入し、第１作動媒体通路の一部は第２容器中のＢ吸着
   剤と熱交換可能とし、少なくとも第１容器には駆動用の
   熱源を供給するための熱交換手段を、作動媒体容器には
   冷熱を利用するための熱交換手段をそれぞれ設けて構成
   した二重効用吸着式冷凍機。
2. （２）気相の作動媒体に対する吸着等温線が、低い相対
   圧の領域で急な立ち上がりを示す特徴を有するものをＡ
   吸着剤に、同領域でＡ吸着剤に比較して緩慢な立ち上が
   りを示すものをＢ吸着剤に用いた請求項１記載の二重効
   用吸着式冷凍機。
3. （３）作動媒体を複数の成分からなる混合物とすると共
   に、Ａ、Ｂ吸着剤の少なくとも一方は作動媒体中の特定
   成分をて選択的に吸着する様にしたことを特徴とする請
   求項１または２記載の二重効用吸着式冷凍機。
4. （４）少なくとも一成分は水であるとしたことを特徴と
   する請求項１〜３のいずれかに記載の二重効用吸着式冷
   凍機。
5. （５）Ａ、Ｂ吸着剤はゼオライト、シリカゲル、活性炭
   の中から選択するとともに　作動媒体は水とアルコール
   の混合物である請求項１〜４のいずれかに記載の二重効
   用吸着式冷凍。