JPH04366370A - 動力駆動型吸着式ヒートポンプ - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，吸着剤に対する冷媒の
吸着脱着可逆反応に伴う発熱吸熱現象を利用すると共に
動力で冷媒の圧縮動作を行なわせるようにした動力駆動
型の吸着式ヒートポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近，自家発電機を備えた建物や各種設
備における電力需要と熱需要の最適バランスを図るコー
ジエネレーションシステムが注目されているが，そのさ
い，刻々の電力と熱の対応関係を検知して導入エネルギ
ーが最も有効に利用できるようなシステムに構成しなけ
ればならない。そのためにはエンジンやタービンの運転
状況に応じて複雑に変化する排熱を追従性よく回収する
ことが必要とされる。例えば，かような排熱から冷房用
冷水を製造することが一般化しており，これには吸収式
冷凍機が通常使用される。しかし，吸収式冷凍機はその
立ち上がり特性に問題があると共に，熱源や冷却水の温
度変化や量的変化に対しての追従性がいま一つ問題があ
り，また温度が低下すると（例えば１０℃以下）　吸収
剤から溶質が析出・凝固するなどの不具合があった。こ
のために，固体吸着剤を真空系内に配置した吸着式冷凍
機が着目されるようになった。

【０００３】吸着式冷凍機は，シリカ等の固体吸着剤に
対して水等の冷媒が吸着脱着するさいの発熱吸熱を利用
して温排熱等を熱源として冷熱を発生させる機関であり
，密閉系の高真空容器内に吸着剤熱交換器と蒸発器また
は凝縮器として機能する熱交換器を配置し，吸着工程と
脱着（再生）工程とを反復するように構成される。この
吸着式冷凍機は吸収液を利用する吸収式冷凍機に比べて
立ち上がり性が良好であり，熱源や冷却水温度・量の変
動に対する追従性がよく，媒体の凝固などの不具合がな
い等の特徴を有している。

【０００４】本発明者は先に特開平３−３１６６３　号
公報において，中空プレートの外表面に吸着剤を装着し
たプレート式熱交換器を用いた吸着式冷凍機を提案した
。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平３−３１６６３
号公報に提案した吸着式冷凍機によれば，温度の低い熱
エネルギーでも有効利用できまた立上り特性も良好であ
り，蓄熱・蓄冷ができる点でコージエネレーション用に
非常に好適なものであるが，駆動源として熱エネルギー
だけを使用するものであった。

【０００６】コージエネレーションシステムでは自家発
電のための機関動力や熱さらには電力が総合的に無駄な
く利用されることが本来の使命であり，熱エネルギーの
みならず，電力や機関動力によって適宜冷凍機を稼働で
きるに越したことはない。本発明はこれを課題として特
開平３−３１６６３号公報に提案した吸着式冷凍機を一
層発展させ，動力駆動型の吸着剤ヒートポンプの開発を
意図したものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明によれば，真空気
密室内に蒸発器として機能する熱交換器と中空プレート
の外表面に吸着剤を装着してなるプレート式吸着剤熱交
換器とを配置したうえ室内に冷媒を封入してなる第一機
能部と，真空気密室内に蒸発器として機能する熱交換器
と中空プレートの外表面に吸着剤を装着してなるプレー
ト式吸着剤熱交換器とを配置したうえ室内に冷媒を封入
してなる第二機能部と，該第一機能部の吸着剤熱交換器
内を通過した冷媒液を第二機能部の蒸発器表面に向けて
送液する膨脹弁介装の第一送液管路と，該第二機能部の
吸着剤熱交換器内を通過した冷媒液を第一機能部の蒸発
器表面に向けて送液する膨脹弁介装の第二送液管路と，
からなる吸着式冷凍機本体と：この冷凍機本体の器外に
設置された動力駆動型の冷媒圧縮機と：からなり，該冷
媒圧縮機から吐出する高圧冷媒を第一機能部の吸着剤熱
交換器内に圧送し且つ第一機能部の機内の冷媒を該圧縮
機に吸引する第一外部管路と，冷媒圧縮機から吐出する
高圧冷媒を第二機能部の吸着剤熱交換器内に圧送し且つ
第二機能部の機内の冷媒を該圧縮機に吸引する第二外部
管路と，を設けたことを特徴とする動力駆動型吸着式ヒ
ートポンプを提供する。

【０００８】

【実施例】以下に図面に示した実施例について説明する
。

【０００９】図１は本発明に従う動力駆動型吸着式冷凍
機の要部断面を示したもので，両端が閉じた円筒状のシ
エル１内を，中心軸を通る隔壁２によって二つの気密室
３と４に分割し，気密室３を第一機能部を構成する室（
以下，第一機能室３とよぶ）に，また気密室４を第二機
能部を構成する室（以下，第二機能室４と呼ぶ）とした
例を示す。また図２は，図１と同じ断面であるが，図１
の場合とは冷媒の流れが切り替わっている状況を示して
いる。

【００１０】図１〜２に見られるように，第一機能室３
には吸着剤熱交換器５（以下，第一吸着剤熱交換器５と
呼ぶ）と，蒸発器として機能する熱交換器６（同，第一
熱交換器６と呼ぶ）とが配置され，同じく第二機能室４
には吸着剤熱交換器７（同，第二吸着剤熱交換器７と呼
ぶ）と，蒸発器として機能する熱交換器８（同，第二熱
交換器８と呼ぶ）が配置されている。

【００１１】第一吸着剤熱交換器５と第二吸着剤熱交換
器７は同じ構造を有しており，いずれも，中空プレート
９の外表面に吸着剤１０を装着させた吸着剤付きプレー
トの多数を，互いに隣接しながらシエル１の軸方向に沿
ってシエル内（第一機能室３および第二機能室４内）に
設置されたプレート型熱交換器である。各中空プレート
９の両端は，シエル１の両端に設けられたヘッダーＨ１
，　Ｈ２に接続されており，一方のヘッダーＨ１から各
々の中空プレート９内に，　後述のように圧縮された高
圧冷媒が分配供給され，各中空プレート９内を通過して
凝縮されたあと，他方のヘッダーＨ２に集液される。中
空プレート９の外表面に装着される吸着剤１０はゼオラ
イトやシリカゲル等の如き固体の吸着剤であり，その装
着機構は後記の図３〜５　で詳述するが，中空プレート
９の外表面に設けたフインの間隙に装填され，多孔質の
板または網体を用いてその表面を押さえて該間隙に保持
される。

【００１２】蒸発器として機能する第一熱交換器６と第
二熱交換器８も互いに同じ構造を有しており，中空プレ
ート１１の多数を互いに隣接しながら，シエル１の軸方
向に沿ってシエル内（第一機能室３および第二機能室４
内）に設置されたプレート型熱交換器である。各中空プ
レート１１の両端はシエル１の両端に設けられたヘッダ
ー（図示されていない）に接続されており，一方のヘッ
ダーから各中空プレート１１内に熱媒が供給され，各中
空プレート１１内を通過したあと他方のヘッダーに排出
される。

【００１３】第一熱交換器６と第二熱交換器８の下方に
はそれぞれ受け１２，　１３が設置され，またこれらの
上方には，　器表面に冷媒液を均等に分散して散液する
ための散液ノズル板１４，　１５がそれぞれ設置されて
いる。

【００１４】そして，図１に示したように，第一吸着剤
熱交換器５の出側ヘッダーＨ２から第二熱交換器８の散
液ノズル板１５に通ずる第一送液管路１６と，図２に示
したように第二吸着剤熱交換器７の出側ヘッダーＨ２か
ら第一熱交換器６の散液ノズル板１４に通ずる第二送液
管路１７が施設され，これら第一送液管路１６と第二送
液管路１７にはいずれも膨脹弁１８，１９が介装されて
いる。図示の例では第一送液管路１６と第二送液管路１
７はいずれも隔壁２を貫通して施設した例が示されてい
るが，本例に限らず，　第一機能室３および第二機能室
４のシエル壁を貫通していったんシエル外に管路を取出
し，　このシエル外に露出する管路部分に膨脹弁１８，
１９を介装させる構成でもよい。いずれにしても膨脹弁
１８と１９は，吸着脱着動作の切換に応じてその開閉制
御がなされるものであり，この開閉動作を自動化するた
めに電磁弁が使用される。

【００１５】図３〜５は，第一および第二吸着剤熱交換
器における中空プレート９の外表面に吸着剤を装着する
場合の装填構造を示したもので，熱交換面となる中空プ
レート９のほぼ全外表面積にわたってフインを用いて枡
目状のセル２１を多数形成する例を示している。すなわ
ち，　中空プレート９の両外表面に軸方向に延びるフイ
ン２２とこれと直交する方向に延びる同じ高さのフイン
２３を互いにクロスしながら碁盤目状に多数設けること
によって，フイン２２と２３で囲われるセル２１を多数
形成し，この各々のセル２１を固体吸着剤の装填容器と
したものである。これによって中空プレート９の両外表
面には所定の厚みをもつ固体吸着剤の層がプレート９の
外面およびフイン面と接触して取付けられることになり
，各セルを形成する６面体のうち５面体が伝熱面となっ
て吸着剤と接し，しかも小さなセルに分割されることか
ら中空プレート９内を流れる熱媒体と吸着剤との熱交換
は極めて良好となる。各セル２１の全外側面には，図示
しないが多孔質の板または網体が被着され，この通気性
カバーによって各セル２１内に吸着剤が押え込まれる。 このカバーの取付けは，フイン２２と２３の端部を廻る
枠体２４を用いて行われる。

【００１６】なお，図３〜５において，図３のものは中
空プレート９が金属などの一体成形品からなり，図４の
ものは二枚の金属板２５，２６とスペーサー２７を用い
てチューブプレートに加工したもの，図５のものは，二
枚の金属板２５，２６の端部を重ね合わせ溶接によって
接合することによってチューブプレートとした例を示し
たものであり，いずれの場合にもフイン２２と２３で吸
着剤装填用のセル２１を多数形成する点では変わりはな
い。

【００１７】以上のようにして本発明に従う吸着式冷凍
機の本体が構成されるが，この吸着式冷凍機本体の器外
に，図１および図２に示したように動力駆動型の冷媒圧
縮機３０を設置する。この冷媒圧縮機３０は図示の例で
は電力または熱機関によって駆動する動力部３１を有し
た往復動式圧縮機であり，動力部３１によって往復動す
るピストン３２によって，シリンダー３３内に冷媒が吸
引され圧縮される。

【００１８】図１の状態では，圧縮機３０で圧縮された
高圧冷媒が冷凍機本体の第一吸着剤熱交換器５の入側ヘ
ッダーＨ１に高圧管路３４を通じて供給され，　第一機
能室３内の低圧冷媒が低圧管路３５を通じて圧縮機３０
に吸引される状態を示している。また図２状態では，圧
縮機３０で圧縮された高圧冷媒が冷凍機本体の第二吸着
剤熱交換器７の入側ヘッダーＨ１に高圧管路３６を通じ
て供給され，　第二機能室３内の低圧冷媒が低圧管路３
７を通じて圧縮機３０に吸引される状態を示している。 管路３４と３５を第一外部管路，　管路３６と３７を第
二外部管路と呼び，これらは弁動作によって適宜切換え
られるか，或いは二台の圧縮機を使用してどちらか一方
の外部管路だけを稼働するように圧縮機の切換え操作を
行う。

【００１９】以上の構成になる本発明の動力駆動型吸着
式ヒートポンプの運転態様を図１〜２とこれに対応する
図６〜７を参照しながら具体的に説明する。

【００２０】図１と図６は，第一機能室３の第一吸着剤
熱交換器５が凝縮脱着器，第二機能室４の第二熱交換器
８が蒸発器として機能しており，第一吸着剤熱交換器５
の表面の吸着剤は脱着反応を，第二吸着剤熱交換器７の
表面の吸着剤が吸着反応を起こしている状態を示す。ま
た，図２と図７は第二機能室３の第二吸着剤熱交換器７
が凝縮脱着器，第一機能室４の第一熱交換器６が蒸発器
として機能しており，前図とは逆に，第二吸着剤熱交換
器７の表面の吸着剤は脱着反応を，第一吸着剤熱交換器
５の吸着剤が吸着反応を起こしている状態を示す。以下
に冷媒として液相として水，気相として水蒸気を用いて
稼働する場合について説明する。

【００２１】先ず図１と図６の運転状態について説明す
ると，弁１９が閉じ，　弁１８が絞り弁として機能する
程度に開いており，この状態において，第一吸着剤熱交
換器５内に圧縮機３０から高圧スチームが供給され，こ
の器内を通過する間に凝縮し，　その凝縮熱は吸着剤に
吸着している水の脱着に供される。脱着して第一機能室
３内に存在する水蒸気は圧縮機３０に吸引され，　再び
第一吸着剤熱交換器５内に高圧スチームとして供給され
る。一方，　第一吸着剤熱交換器５内で凝縮した水は膨
張弁１８で絞られたあと，散水ノズル１５から第二熱交
換器８の表面全体に散水され，　ここで蒸発する。この
第二熱交換器８の中空プレート内に被冷却水を通水する
ことによって，　該蒸発にさいしてこの被冷却水から抜
熱するので被冷却水が冷却され，この第二熱交換器８か
らは冷水が取り出される。

【００２２】他方，第二熱交換器８の表面で蒸発した水
は，第二機能室の第二吸着剤熱交換器７の表面の吸着剤
に吸着される。この吸着熱は，第二吸着剤熱交換器７内
に冷却水を通水することによって，温水として取り出さ
れる。すなわち，　第二熱交換器８に通液される被冷却
水から抜熱して蒸発してここで冷水が製造され，吸着剤
に吸着されるさいに発生する吸着熱は第二吸着剤熱交換
器７を流れる熱媒　（例えば冷却水または空気）　によ
って系外に取り出され，且つ第一機能室３では吸着剤か
らの冷媒の脱着，第二機能室４では吸着剤への冷媒の吸
着が行われ，この状態が続行し，やがて脱着吸着が終了
すると，　次の図２および図７に示す運転態様に切り換
える。

【００２３】図２と図６の運転状態では，弁１８が閉じ
，　弁１９が絞り弁として機能する程度に開いており，
この状態において，第二吸着剤熱交換器７内に圧縮機３
０から高圧スチームが供給され，この器内を通過する間
に凝縮し，　その凝縮熱は吸着剤に吸着している水の脱
着に供される。脱着して第二機能室４内に存在する水蒸
気は圧縮機３０に吸引され，　第二吸着剤熱交換器７内
に高圧スチームとして循環される。一方，　第二吸着剤
熱交換器７内で凝縮した水は膨張弁１９で絞られたあと
，散水ノズル１４から第一熱交換器６の表面全体に散水
され，　ここで蒸発する。この第一熱交換器６の中空プ
レート内に被冷却水を通水することによって，　該蒸発
にさいしてこの被冷却水から抜熱するので被冷却水が冷
却され，第二交換器６から冷水が取り出される。

【００２４】他方，第一熱交換器６の表面で蒸発した水
は，第一機能室の第一吸着剤熱交換器５の表面の吸着剤
に吸着される。この吸着熱は，第一吸着剤熱交換器５内
に冷却水を通水することによって，温水として取り出さ
れる。

【００２５】この二つのサイクルを繰り返すことによっ
て，冷水と温水（温風）が作りだされ，切り換え動作を
連続化することによって，冷水と温水（温風）を連続的
に作り出すことができる。一方，　見方を変えると，蒸
発器として機能している第一熱交換器６または第二熱交
換器８から凝縮器として機能している第二吸着剤熱交換
器または第一吸着剤熱交換器に熱の移動が行われること
になり，ヒートポンプが形成されることになる。また，
切り換え動作を連続化しないで例えば第一機能室３で脱
着が完了した時点でその状態を保持しておけば，また，
第二機能室で吸着が完了した時点でその状態を維持して
おけば，必要な時間までそのエネルギー状態を蓄えてお
くことができ，蓄熱装置としても機能する。

【００２６】

【発明の効果】以上の構成および作用をもつ本発明の動
力型吸着式冷凍機は，特に吸着剤熱交換器としてプレー
ト型熱交換器を使用し，その表面に吸着剤を大きな伝熱
面積をもって装着したものであるから，脱着吸着性能が
高くなり，装置を小型することができると共に，この種
装置の問題であった立ち上がり性すなわち起動性が良好
となり，短い起動時間で良好に応答し，サイクルの連続
化がスムースに行われるという特色を有すると共に，動
力を利用して冷媒の圧縮を行なえるようにしたから，電
力や機関動力がヒートポンプの稼働エネルギーに利用で
きることになり，コージエネレーションシステムなどに
おける排熱のみならず，電力および機関動力を無駄なく
ヒートポンプの稼働に利用できるようになり，総合的な
省エネルギーに貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従う動力駆動型吸着式冷凍機の或る時
点の運転状態を示す略断面図である。

【図２】本発明に従う動力駆動型吸着式冷凍機の他の時
点の運転状態を示す略断面図である。

【図３】本発明に従う吸着剤熱交換器の表面構造の一例
を示す斜視図である。

【図４】吸着剤熱交換器の他の例を示す図３と同様の斜
視図である。

【図５】吸着剤熱交換器のさらに他の例を示す図３と同
様の斜視図である。

【図６】図１の時点における吸着剤冷凍機の稼働状態を
図解した系統図である。

【図７】図２の時点における吸着剤冷凍機の稼働状態を
図解した系統図である。

【符号の説明】

１　　シエル ２　　隔壁 ３　　気密室（第一機能室） ４　　気密室（第二機能室） ５　　第一吸着剤熱交換器 ６　　第一熱交換器 ７　　第二吸着剤熱交換器 ８　　第二熱交換器 ９，１１　　中空プレート １０　　吸着剤， １２，１３　　液受け １４，１５　　散液ノズル板 １６　　第一送液管路 １７　　第二送液管路 １８，１９　　膨脹弁 ２１　　吸着剤装填用セル ３０　　圧縮機 ３１　　動力部 ３２　　ピストン ３３　　シリンダー ３４，　３５　　第一外部管路 ３６　　３７　　第二外部管路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　真空気密室内に蒸発器として機能する
   熱交換器と中空プレートの外表面に吸着剤を装着してな
   るプレート式吸着剤熱交換器とを配置したうえ室内に冷
   媒を封入してなる第一機能部と，真空気密室内に蒸発器
   として機能する熱交換器と中空プレートの外表面に吸着
   剤を装着してなるプレート式吸着剤熱交換器とを配置し
   たうえ室内に冷媒を封入してなる第二機能部と，該第一
   機能部の吸着剤熱交換器内を通過した冷媒液を第二機能
   部の蒸発器表面に向けて送液する膨脹弁介装の第一送液
   管路と，該第二機能部の吸着剤熱交換器内を通過した冷
   媒液を第一機能部の蒸発器表面に向けて送液する膨脹弁
   介装の第二送液管路と，からなる吸着式冷凍機本体と：
   この冷凍機本体の器外に設置された動力駆動型の冷媒圧
   縮機と：からなり，該冷媒圧縮機から吐出する高圧冷媒
   を第一機能部の吸着剤熱交換器内に圧送し且つ第一機能
   部の機内の冷媒を該圧縮機に吸引する第一外部管路と，
   冷媒圧縮機から吐出する高圧冷媒を第二機能部の吸着剤
   熱交換器内に圧送し且つ第二機能部の機内の冷媒を該圧
   縮機に吸引する第二外部管路と，を設けたことを特徴と
   する動力駆動型吸着式ヒートポンプ。
2. 【請求項２】　　圧縮機は電力または熱機関によって駆
   動する往復動式圧縮機である請求項１に記載の動力駆動
   型吸着式ヒートポンプ。
3. 【請求項３】　　冷媒は水と水蒸気からなる請求項１ま
   たは２に記載の動力駆動型吸着式ヒートポンプ。
4. 【請求項４】　　吸着剤はシリカゲルまたはゼオライト
   からなり，これらはプレート式熱交換器の表面に形成さ
   れたフインの間に装填される請求項１，２または３に記
   載の動力駆動型吸着式ヒートポンプ。
5. 【請求項５】　　第一機能部および第二機能部の蒸発器
   として機能する熱交換器はプレート式熱交換器からなり
   ，このプレート式熱交換器の中空プレート内に系外から
   熱媒が供給される請求項１，２，３または４に記載の動
   力駆動型吸着式ヒートポンプ。
6. 【請求項６】　　第一機能部と第二機能部は，単胴シエ
   ル内を軸に沿った隔壁で二分した室内にそれぞれ形成さ
   れる請求項１，２，３，４または５に記載の動力駆動型
   吸着式ヒートポンプ。
7. 【請求項７】　　第一機能部の吸着剤熱交換器に圧縮機
   で吐出する高圧冷媒が供給されるさいに，第二機能部の
   蒸発器と吸着剤熱交換器に熱媒が供給され，第二機能部
   の吸着剤熱交換器に圧縮機で吐出する高圧冷媒が供給さ
   れるさいに，第一機能部の蒸発器と吸着剤熱交換器に熱
   媒が供給される請求項１，２，３，４，５または６に記
   載の動力駆動型吸着式ヒートポンプ。