(57)【要約】  水分吸着手段による除湿機能を有し、冷凍サイクルにおける凝縮排熱や低い温度帯の排熱を用いて水分吸着手段の再生が可能で、乾球温度が０℃以下においても安定した性能が発揮される冷凍空調装置を得る。  水分吸着手段であるデシカントロータ１に、乾球温度が０℃以下の所定温度範囲の空間において、細孔径が５μｍ以下、さらに好ましくは２０ｎｍ以下、さらに好ましくは１〜１．４ｎｍの吸着剤を担持させる。また、デシカントロータ１を回転させながら、冷凍庫内において、デシカントロータ１によって除湿された空気を風下に配置された蒸発器２０ｄに供給することで、蒸発器２０ｄへの着霜を防止するとともに、冷凍庫外において、風上に配置された凝縮器２０ｂの排熱により乾燥した空気をデシカントロータ１に供給することで、吸湿した吸着剤を乾燥させて吸着能力の再生を図ることができる。
2008084573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路を有する冷凍空調装置において、
乾球温度が０℃以下の冷蔵室を冷却し、該冷蔵室内空気の水分を吸着し、外気に前記吸着した水分を放出する水分吸着手段を備え、
前記水分吸着手段は細孔径が１ｎｍ以上で５μｍ以下の吸着剤を担持することを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
前記水分吸着手段は、前記吸着剤に代えて、細孔径が２０ｎｍ以下の吸着剤を担持することを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
【請求項３】
前記水分吸着手段は、前記吸着剤に代えて、細孔径が１〜１．４ｎｍの吸着剤を担持することを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
【請求項４】
前記凝縮器は前記水分吸着手段に対し前記外気側空間の風上側に配置され、前記蒸発器は前記水分吸着手段に対して前記冷蔵室内空気の風下側に配置されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【請求項５】
前記水分吸着手段にデシカントロータを用い、前記吸着剤を前記デシカントロータに担持させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【請求項６】
蒸発器の吹き出し温度と相対湿度を検知する温湿度センサと、
前記温湿度センサの出力が、予め設定した相対湿度の目標値になるように前記圧縮機の周波数または前記絞り装置の開度を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷凍空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷蔵あるいは冷凍倉庫に設置され、乾球温度が０℃以下において使用する冷凍空調装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の除湿機能を有する冷凍空調装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、デフロストヒーターとで構成されている。冷凍空調装置の冷凍サイクル内には冷媒が充填されている。圧縮機で圧縮された冷媒は高温高圧のガス冷媒となり、凝縮器に送り込まれる。凝縮器に流れ込んだ冷媒は、空気に熱を放出することにより液化する。液化した冷媒は膨張弁で減圧されて気液二相流状態となり、蒸発器にて周囲空気から熱を吸収することでガス化し、圧縮機へと流れる。特に、冷凍・冷蔵倉庫においては０℃より低い温度帯に制御しなければならないため、蒸発温度が０℃より低くなる。（一般的に、冷凍・冷蔵倉庫内は−１０℃以下に制御されるケースが多い。）このため、蒸発器で霜が発生し冷却能力を低下させていた。そこで、蒸発器にヒーターを取り付け定期的に霜取り運転を行っていた。その結果、除霜のために余計なエネルギーを消費することになり、冷凍空調装置の冷却効率の低下を引き起こしていた。さらに、除霜運転後は、冷凍・冷蔵倉庫内の温度が上昇し、冷凍空調装置の負荷が増大し、消費電力の増大を招いていた。【０００３】
そこで、冷凍機と水分吸着手段であるデシカントロータを組み合わせ、細孔径が１．５〜２．５ｎｍ程度の細孔を多数有し、なお且つ３０％〜６０％の範囲における相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率が当該３０％〜６０％以外の範囲におけるそれよりも大きいシリカゲルやゼオライトなどの吸着剤を表面に担持するデシカントロータにより蒸発器（吸熱器）に流れ込む空気の水分をあらかじめ除去し、霜取運転を無くす方法が開示されている。
すなわち、水分吸着手段であるデシカントロータにシリカゲルやゼオライトなどの多数の細孔を有する吸着剤を担持させ、デシカントロータを冷凍庫の内外に跨るように構成して一定の速度で回転させ、デシカントロータの冷凍庫外から冷凍庫内へ移動した部分に設けられた吸着剤によって冷凍庫内の空気を減湿し、減湿された空気を蒸発器（吸熱器）へ供給する一方、凝縮器（放熱器）からの排熱によって加熱された高温の空気をデシカントロータの冷凍庫内から冷凍庫外の外気側空間に移動した部分へ供給することで、デシカントロータの吸着剤が吸着した水分を脱着させて再生するという動作を繰り返す。（例えば、特許文献１参照）。【０００４】
【特許文献１】特開２００６−４６７７６号公報（図２、図４、図６、段落００１７〜００１８、００２４、００２７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に示されるような従来の冷凍空調装置では、デシカントロータの表面に設けられる吸着剤としてゼオライトやシリカゲルを用いており、空気条件が０℃を上回る場合には上記吸着剤の細孔内の水分は凍結せず液として存在するため、冷凍サイクルの排熱を利用して再生することができる。しかしながら、冷凍庫内などのように乾球温度が０℃以下の環境下では、温度（例えば、−１０℃以下）や吸着剤の細孔径の条件によっては、上記吸着剤の細孔内の水分は凍結してしまい、安定した除湿性能を得ることができなかった。また、吸着剤を再生するためには、「融解エネルギー＋蒸発エネルギー」を与える必要があり、冷凍サイクルだけでなく、デフロストヒーターやボイラー等の加熱手段も必要とし、除湿の際には大幅なエネルギー消費効率の低下を招いていた。【０００６】
また、デシカントロータで広く用いられているゼオライトは、細孔径が非常に小さいため（約０．３〜０．５nm程度）、乾球温度０℃以下の環境下では、吸着剤の細孔内の水分が壁面と干渉し、凍結が発生していた。その結果、再生に必要なエネルギーが非常に大きくなり、除湿の際にはエネルギー消費の効率が大幅に低下していた。【０００７】
また、吸着剤がシリカゲルの場合、図５ｂに示すように、細孔径のバラツキが大きく、比較的大きな細孔の割合が多いため、０℃以下の環境下では、細孔径の大きい細孔内で吸着した水分が凍結し、性能が大幅に低下するという問題があった。シリカゲルの細孔径のバラツキが大きいのは、シリカの粒子がゲル化する際に、粒子が成長・凝縮して空隙をもつシリカヒドロゲルとなり、３次元の細孔構造が形成され、この空隙（＝細孔）はさまざまな大きさを取り得るためである。【０００８】
また、細孔内で水分が凍結すると、膨張するため、吸着剤の細孔を破壊し、性能を著しく低下させるという問題があった。【０００９】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、乾球温度が０℃以下の環境下においても水分吸着手段による除湿機能を有し、水分吸着手段に吸着された水分を凍結させることなく冷凍サイクルにおける凝縮排熱や低い温度帯の排熱を用いて水分吸着手段から水分を脱着することが可能で、安定した冷却性能を発揮する冷凍空調装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る冷凍空調装置は、冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路を有するものであって、乾球温度が０℃以下の冷蔵室を冷却し、冷蔵室内空気の水分を吸着し、外気に前記吸着した水分を放出する水分吸着手段を備え、水分吸着手段に細孔径が５μｍ以下の吸着剤を担持させたものである。【００１１】
また、この発明に係る冷凍空調装置は、冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路を有するものであって、乾球温度が０℃以下の冷蔵室を冷却し、冷蔵室内空気の水分を吸着し、外気に前記吸着した水分を放出する水分吸着手段を備え、水分吸着手段に細孔径が２０ｎｍ以下の吸着剤を担持させたものである。【００１２】
また、この発明に係る冷凍空調装置は、冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路を有するものであって、乾球温度が０℃以下の冷蔵室を冷却し、冷蔵室内空気の水分を吸着し、外気に前記吸着した水分を放出する水分吸着手段を備え、水分吸着手段に細孔径が１〜１．４ｎｍの吸着剤を担持させたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明に係る冷凍空調装置によれば、冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路を有し、乾球温度が０℃以下の所定の温度範囲の空間を冷却するものであって、細孔径が５μｍ以下の吸着剤を担持し、冷蔵室内空気の水分を吸着し、外気に前記吸着した水分を放出する水分吸着手段を備えたことにより、乾球温度が０℃以下においても水分吸着手段の細孔内の水分が凍結せず、安定した除湿性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置の構成を説明する概略図である。
【図２】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１の駆動状態を説明する概略図である。
【図３】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１が担持する吸着剤の水分吸着特性を説明する特性図である。
【図４】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置の動作を説明する空気線図である。
【図５ａ】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１が担持する吸着剤の細孔径の分布を示す図である。
【図５ｂ】従来のシリカゲルの細孔分布の一例（バラツキが大きい細孔分布）を示す図である。
【図５ｃ】従来のシリカゲルの細孔分布の一例（バラツキが大きい細孔分布）であり、凍結発生の細孔径を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１が担持する吸着剤の細孔径と毛管凝縮現象が発生する相対湿度との関係を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１の除湿能力と回転速度との関係を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１が担持する吸着剤の細孔径と含水率（吸着特性）の急激な変化を示す相対湿度との関係を示す特性図である。
【図９】この発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１が担持する吸着剤の細孔径と凍結温度との関係を示す図である。
【図１０】細孔径約１〜１．４ｎｍの細孔を有するメソポーラスシリカの温度と吸熱量との関係を示す図である。
【図１１】細孔径約０．３〜０．５ｎｍの細孔を有するゼオライトの温度と吸熱量との関係を示す図である。
【図１２】細孔径約０．３〜０．５ｎｍの細孔を有するゼオライトの時間と吸着量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  デシカントロータ、２  モータ、３ａ  ファン、３ｂ  ファン、４ａ  第１の空気、４ｂ  第２の空気、５  デシカントロータの回転方向、２０  冷凍機、２０ａ  圧縮機、２０ｂ  凝縮器、２０ｃ  絞り装置、２０ｄ  蒸発器、２０ｅ  温度検知手段（蒸発温度）、２０ｆ  温湿度検知手段、２０ｇ  温湿度検知手段、２０ｈ  制御・演算手段、１００ａ  外気側空間、１００ｂ  冷蔵室。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
実施の形態１．
本実施の形態１における冷凍空調装置の構成を説明する。図１は、この発明の実施の形態１における冷凍空調装置の構成を説明する概略図である。この冷凍空調装置は、水分吸着手段であるデシカントロータ１と冷凍機２０とを備えている。また、デシカントロータ１を駆動するための駆動手段であるモータ２、第１の空調空間である外気側空間１００ａの第１の空気４ａをデシカントロータ１へ供給するための第１の送風手段であるファン３ａ、第２の空調空間である冷蔵室１００ｂの第２の空気４ｂをデシカントロータ１へ供給するための第２の送風手段であるファン３ｂをも備える。冷凍機２０は、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）系の冷媒であるＲ４０４Ａが封入され、圧縮機２０ａ、凝縮器２０ｂ、絞り装置である膨張弁２０ｃ、蒸発器２０ｄなどから構成されている。冷媒はＲ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ、ＣＯ２、アンモニア、ＨＣなどでもよい。【００１７】
温湿度センサ２０ｆは、冷蔵室１００ｂ内の温度を検知しており、制御演算手段２０ｈは、温湿度センサ２０ｆの検出結果に基づいて、常に冷蔵室１００ｂ内が所定温度（本実施の形態１では−１０℃）になるように、冷凍機２０を制御している。この様に、通常、冷蔵室１００ｂ内は、常に管球温度が０℃以下の温度環境にコントロールされている。尚、ファン３ａが回転することにより、第１の空気４ａが凝縮器２０ｂと熱交換するとともにデシカントロータ１を通過するように気流を形成する。また、ファン３ｂが回転することにより、第２の空気４ｂがデシカントロータ１を通過し、蒸発器２０ｄと熱交換するように気流を形成する。また、凝縮器２０ｂは、水分吸着手段であるデシカントロータ１に対し第１の空気４ａの風上側に配置され、蒸発器２０ｄは、デシカントロータ１に対し第２の空気４ｂの風下側に配置される。【００１８】
図２に示すように、デシカントロータ１は円柱形をしており、モータ２により矢印５の方向に回転し、外気側１００ａと冷蔵室１００ｂとの間を時間とともに移動する。なお、デシカントロータ１の回転速度については、図７に示すように、吸着速度、脱着速度の関係から最適回転速度が存在する。本実施の形態１においては、予め色々な運転条件で実験を行い、その結果確認された最適な回転速度でデシカントロータ１が回転移動するようにしている。【００１９】
次に、冷凍手段２０の動作について説明する。圧縮機２０ａで圧縮された冷媒は、高温・高圧の冷媒となって凝縮器２０ｂに流れ込む。凝縮器２０ｂに流れ込んだ冷媒は、周囲空気に熱を捨て、液冷媒になる。この周囲に捨てた熱（凝縮排熱）を、デシカントロータ１の再生に利用する。液状態となった冷媒は、膨張弁２０ｃによって減圧されて低圧の気液二相冷媒になり、蒸発器２０ｄに送り込まれる。【００２０】
特に、冷媒にＣＯ２を用いた場合、臨界圧以上で凝縮器（ガスクーラ）が作用するため、冷媒は凝縮器では顕熱変化する（通常、ＨＦＣ冷媒は凝縮器では潜熱変化する）。この物性の特徴と、熱交換器での風の流し方を対向流にすることによって、吹出しの空気温度（図１の（５））を圧縮機の吐出温度近くまでヒートアップさせることができる。その結果、デシカントロータ１の性能が上昇するためデシカントロータ１の小型化を図ることができる。【００２１】
蒸発器２０ｄに送り込まれた二相冷媒は、周囲の空気から熱を吸収（吸熱）することでガス状態になり、圧縮機２０ａに吸引される。また、蒸発器２０ｄに流れ込む空気は予めデシカントロータ１によって水分が除去された空気であり、この空気から吸熱するため蒸発器２０ｄの表面（フィン、伝熱管）に霜が着かないのが特徴である。【００２２】
図６はこの発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１が担持する吸着剤の細孔の直径（以下、細孔径という）と毛管凝縮現象が発生する相対湿度との関係を示す図である。横軸は細孔径［ｎｍ（ナノメートル）］、縦軸は冷却等を行う対象空間における空気の相対湿度［％］（現在の湿度をＰ、現在の湿度における飽和湿度をＰ０としたとき、相対湿度はＰ／Ｐ０と表せる）を表す。図６は数１で表されるケルビンの式に基づいて算出したグラフである。【００２３】
【数１】
2008084573.tif 000003
【００２４】
ここで、Ｖ１は凝縮分子体積、γは表面張力、θは毛細管に接触する際の角度、Ｒは気体定数（８．３１[Ｊ／ｍｏｌ・°Ｋ]）、Ｔは絶対温度、ｒは細孔の半径を示している。この関係は水蒸気の場合にも成立し、或る相対圧力Ｐ／Ｐ０に対して、水蒸気が毛管凝縮を生じるために必要な細孔の半径ｒを理論的に求めることができる。
図６に示すようにメソ孔、ナノ孔、ミクロ孔と呼ばれるような孔径の細孔では、その細孔径に応じた相対湿度において毛管凝縮（細孔内の蒸気（水分）が液化する現象）が起こる。図６において、Ａゾーンは細孔内に水分子を保持でき、一方、Ｂゾーンは細孔内に水分子を保持することができない。すなわち、Ａゾーンでは空気中の水分を吸着することができ、逆にＢゾーンの空気状態にすることによって、吸着剤を再生することができるのである。【００２５】
図６から、細孔径と吸着等温線の関係を求めることができる。図８はこの発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１が担持する吸着剤の細孔径と含水率（吸着特性）の急激な変化（以下、立ち上がりという）を示す相対湿度との関係を示す特性図である。図８に示すように、デシカントロータ１の細孔径を相対的に小さくすれば、立ち上がり位置の相対湿度が相対的に低くなり（図８の線（ア））、逆に相対的に大きくすれば、立ち上がり位置の相対湿度が相対的に高くなる（図８の線（イ））。
例えば、細孔径を１．４ｎｍ程度に設定すれば線（ア）のように、相対湿度２０％付近で急激に立ち上がる特性を示す吸着剤となる。また、細孔径を２０ｎｍ程度に設定すれば、相対湿度が９０％付近で急激に立ち上がる特性を示す吸着剤となる。すなわち、図６を利用することによって、吸着剤の特性を自在にコントロールすることが可能である。【００２６】
図３は、この発明の実施の形態１における冷凍空調装置のデシカントロータ１が担持する吸着剤の水分吸着特性を説明する特性図である。吸着剤は多孔質ケイ素材料（例えば、シリカゲル）であり、１．４ｎｍ（ナノメートル）程度の細孔が多数設けられたものである。図３において、横軸は空調空間の相対湿度、縦軸は水分の平衡吸着量である。図３から分かるように、本実施の形態１で用いる吸着剤は、相対湿度が２０％〜３０％の範囲における相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率である傾斜が、２０％未満または３０％を超える範囲における相対湿度に対する水分の平衡吸着量の変化率である傾斜よりも遥かに大きい。
上述したように、細孔径とは、吸着剤の細孔の直径を表している。細孔径をＢＪＨ法（細孔の形状が円柱状であると仮定し、細孔分布を算出する計算方法）により求めた一例を図５ａに示す。また、吸着剤の細孔径には図５ａに示すような分布が存在しており、本発明での細孔径とは、細孔径分布の中心値を表している。【００２７】
図４は本実施の形態１における冷凍空調装置の動作を説明する空気線図である。この図４と図１を参照しながら上記冷凍空調装置の動作を説明する。なお、ここでは冷蔵室１００ｂのデシカントロータ１を通過する第２の空気４ｂに対し、デシカントロータ１を通過する前の空気の状態を（１）、デシカントロータ１を通過した直後の空気の状態を（２）、蒸発器２０ｄと熱交換した直後の空気の状態を（３）とする。また、外気側空間１００ａのデシカントロータ１を通過する第１の空気４ａに対し、凝縮器２０ｂの風上側空気の状態を（４）、凝縮器２０ｂと熱交換した直後の空気の状態を（５）、デシカントロータ１を通過した直後の空気の状態を（６）とする。【００２８】
まず、デシカントロータ１が冷蔵室１００ｂ内の水分を吸着する動作を説明する。状態（１）の空気は、乾球温度が−１０［℃］、相対湿度が６０％、絶対湿度が０．９６［ｇ／ｋｇ］である。デシカントロータ１に供給された状態（１）の空気は、等エンタルピー線に沿って、相対湿度が６０％から例えば２０％まで減湿され、絶対湿度は０．９６［ｇ／ｋｇ］から０．３６［ｇ／ｋｇ］まで減湿され、乾球温度は−１０［℃］から−８．５［℃］まで上昇した状態（２）の空気となって蒸発器２０ｄへ向かう。図３に示すように、デシカントロータ１に設けられる吸着剤は、相対湿度３０％以上の領域では吸着できる水分量が大きいので、状態（１）の空気を減湿できる。一方、状態（２）の空気は蒸発器２０ｄで熱交換され、絶対湿度が一定の状態で顕熱のみが除去されて冷却され、相対湿度が１００％未満、乾球温度が−２０［℃］である状態（３）の空気となる。制御・演算手段２０ｈは、除霜運転をしなくて済むようにするために、蒸発器２０ｄの蒸発温度が状態（２）の空気における露点温度（本実施の形態では−２５．７[℃]）よりも高くなるように、絞り手段である膨張弁２０ｃの開度、圧縮機２０ａの回転速度、ファン３ｂの回転速度等を制御している。状態（３）の空気は冷蔵室１００ｂ内へ拡散され、冷蔵室１００ｂの乾球温度を−１０［℃］に保つ。また、デシカントロータ１の水分を吸着した領域は、モータ２により外気側空間１００ａに移動され、外気側空間１００ａで脱着される。【００２９】
次に、デシカントロータ１に吸着された水分が外気側空間１００ａで脱水される動作を説明する。制御・演算手段２０ｈは、凝縮器２０ｂの凝縮温度が５５［℃］になるように、膨張弁２０ｃの開度、圧縮機２０ａの回転速度、ファン４ａの回転速度等を制御する。状態（４）の空気は、気温である乾球温度が３２［℃］、相対湿度が６０％、絶対湿度が１８．０４［ｇ／ｋｇ］である。凝縮器２０ｂに供給された状態（４）の空気は、凝縮器２０ｂで熱交換されて加熱され、絶対湿度が一定の状態で顕熱のみが加わり、乾球温度が５３［℃］まで上昇し、相対湿度が２０％まで減湿された状態（５）の空気となってデシカントロータ１へ供給される。デシカントロータ１へ供給された状態（５）の空気は、等エンタルピー線に沿って、相対湿度が２０％から６０％まで増湿され、絶対湿度が１８．０４［ｇ／ｋｇ］から２４．３８［ｇ／ｋｇ］まで増湿され、乾球温度が５３［℃］から３７.３［℃］まで低下した状態（６）の空気となり、外気側空間１００ａへ放出される。相対湿度が２０％である状態（５）の空気がデシカントロータ１に供給されれば、図３に示すようにデシカントロータ１に設けられている吸着剤で保持できる水分量が相対湿度３０％以上の領域における水分量よりも極端に小さくなるため、外気側空間１００ａの空気に水分を放出することができる。水分が脱着されたデシカントロータ１の領域は、モータ２によって再び冷蔵室１００ｂ内へ移動する。この動作を繰り返すことにより、冷蔵室１００ｂ内を減湿する。【００３０】
次に、冷凍機２０の制御方法の一例を説明する。冷凍機２０は、蒸発器２０ｄの温度を検知する温度センサ２０ｅと、蒸発器２０ｄの吸込み空気温度Ｔ１と相対湿度ＲＨ１を検知する温湿度センサ２０ｆと、凝縮器２０ｂの吹出し空気温度Ｔ２と相対湿度ＲＨ２を検知する温湿度センサ２０ｇと、これらの手段を制御する制御・演算手段２０ｈとを備えている。温湿度センサ２０ｆによって検知された蒸発器２０ｄの吸込み空気温度Ｔ１と相対湿度ＲＨ１は、制御・演算手段２０ｈによって露点温度Ｔｄに換算される。蒸発温度Ｔｅを露点温度以上に制御すれば、蒸発器２０ｄに霜が着かず、デフロスト運転（除霜運転）が不要となり、大幅に冷凍効率を改善できる。本実施の形態１では、センサの誤差、電気回路のバラツキなどを考慮して、「露点温度＋所定の温度（マージン）」を目標蒸発温度Ｔｅｍとする。例えば、「露点温度Ｔｄ℃＋１℃」を目標の蒸発温度Ｔｅｍとする。制御手段２０ｈは、温度センサ２０ｆによって検知される蒸発温度Ｔｅが目標の蒸発温度Ｔｅｍになるように圧縮機２０ａの周波数、膨張弁の開度２０ｃを制御する。即ち、Ｔｅ＞Ｔｅｍの場合には、制御・演算手段２０ｈは、Ｔｅを下げるようにするために圧縮機２０ａの周波数（回転速度）をアップさせたり、膨張弁２０ｃの開度を小さくしたりする。逆に、Ｔｅ＜Ｔｅｍの場合には、制御・演算手段２０ｈは、Ｔｅを上げるようにするために圧縮機２０ａの周波数をダウンさせたり、膨張弁２０ｃの開度を大きくしたりする。【００３１】
次に、凝縮器の制御方法の一例を説明する。温湿度センサ２０ｇは吹出し空気の温度Ｔ２と相対湿度ＲＨ２を検知する。制御・演算手段２０ｈは、温湿度センサ２０ｇによって検知された凝縮器２０ｂの吹出し空気の相対湿度ＲＨ２が目標の相対湿度ＲＨｍ（本実施の形態では２０％）になるように圧縮機２０ａの周波数、膨張弁の開度２０ｃを制御する。即ち、ＲＨ２＞ＲＨｍの場合には、制御・演算手段２０ｈは、ＲＨ２を下げるようにするために圧縮機２０ａの周波数をアップさせたり、膨張弁２０ｃの開度を小さくしたりする。逆に、ＲＨ２＜ＲＨｍの場合には、制御・演算手段２０ｈは、ＲＨ２を上げるようにするために圧縮機２０ａの周波数をダウンさせたり、膨張弁２０ｃの開度を大きくしたりする。【００３２】
このように、本実施の形態１における冷凍空調装置は冷蔵室１００ｂ内を減湿できるので、冷蔵室１００ｂを低温に保つ蒸発器への着霜をなくすことができる。また、第１の相対湿度及び第２の相対湿度が２０％から３０％の範囲である吸着剤を担持するデシカントロータ１を用いたので、冷蔵室１００ｂにおける湿度が３０％より高く、外気側空間１００ａにおける湿度が２０％より低い場合には、冷蔵室１００ｂ内を除湿するとともに、冷凍サイクルにおける凝縮排熱を用いてデシカントロータ１を再生できる。また、デシカントロータ１が担持する吸着剤の細孔の径を適切に選択することにより、第１の湿度及び第２の湿度の値を適宜設定することができる。【００３３】
次に、本発明のポイントである低温域に必要な吸着剤の仕様（細孔径）を説明する。０℃以下の温度が求められるような冷蔵倉庫では、吸着剤の細孔内で凍結が生じない細孔径に設定する必要がある。水が凍結する温度は０℃以下であるが、細孔の中では、水の凍結温度は細孔径が小さいほど低くなるという性質を示すことが知られている（Ｇｉｂｂｓ−Ｔｈｏｍｓｏｎ効果）。文献（ＰＨＹＳＩＣＡＬ  ＲＥＶＩＥＷ  Ｅ  ６７、０６１６０２）によれば、０℃付近（正確には−０．０２℃）において、細孔内で凍結しない細孔径は５μｍ程度であるとされている。すなわち、冷凍空調装置を低温領域、つまり、０℃以下において動作させる場合、水分吸着手段の細孔内で水分を凍結させずに冷凍空調装置を動作させるためには、吸着剤の細孔径を５μｍより小さくする必要がある。【００３４】
そこで、上記条件を満足するメソポーラスシリカ（以下、ＭＰＳという場合もある）を製造しようとすると、従来の製造方法では以下の課題があることが判明した。すなわち、従来はＭＰＳの製造に際しては、製造コストを抑えるために、安価なテンプレート（細孔を作り出すための物質）を用いていたため、比較的大きな細孔径（5nm程度）のものしか得られなかった。また、製造プロセスを簡略化し、製造条件を相対的に甘くしていたため、図５ａのように細孔径の分布がシャープではなかった。
その結果、細孔の仕上がり精度はバラツキが大きくなり、後述する通り、その細孔径ゆえに、０℃以下では水分が細孔内で凍結する虞があった。例えば、庫内温度−１０℃において、細孔内で凍結が発生しない細孔径は図９より、６〜７ｎｍであるため、図５ｃに示すようなシリカゲルを用いた場合、ハンチング部分の細孔では凍結が発生してしまう。すなわち、大半の細孔にて凍結が発生してしまうため、性能が大幅に低下する。【００３５】
本願発明者は、細孔径と凍結温度との相関関係について着目し、ＭＰＳの製造にあたり、その細孔径を選別し、選択し、製造コントロールした。
選別、選択、製造コントロールにおいては、上述したように、製造コストの課題があったが、水熱合成法を改良することで対処した。
そして、細孔径を選択して製造したＭＰＳを担持するデシカントロータ１が０℃以下の低温領域において、果たして水分吸着手段として利用可能か否かの検討を行なった。
まず、デシカントロータ１を試作し、次に、０℃以下の環境下で静的な単体試験を実施し、０℃以下で凍結せずに、吸脱着が可能であるか、また冷凍サイクルの排熱で再生できるか（低温再生が可能か）を確認した。結果は図１０、図１１、図１２の如くであり、図９に示す細孔径と凍結温度の関係とほぼ一致した。また、図１２より、０℃以下（温度−９℃／相対湿度４３％）においても吸着することができ、さらに低温（温度−1℃／相対湿度１１％）で再生（脱着）することができた。
以上より、本願発明者は「実機におけるＭＰＳの細孔径と凍結温度との相関関係を初めて確認」し、０℃以下でも水が凍結しない細孔径を、冷凍空調装置の低温領域で水分吸着手段として採用するまでに至った。【００３６】
細孔径と凍結温度には相関関係があり、表１にその理論的関係の一例を示す。また、前記文献値と表１の理論的関係を図示したものが図９である。図９より、使用する冷蔵倉庫や冷凍倉庫の温度によって、吸着剤の仕様（細孔径）を選択することができる。例えば、本実施の形態１のように、庫内温度が−１０℃の場合、図９より吸着剤の細孔径を６〜７ｎｍに設計すれば、細孔径で水分が凍結することがなくなり、安定した除湿性能が得られる。【００３７】
表１  細孔径と融解点の関係  （  ）内は℃
細孔径[ｎｍ]          融解点[°Ｋ]、（）内は℃                                 
２．９                 ２４９（−２４）                                      
３．５                 ２５３（−２０）                                      
４．２                 ２５６（−１７）                                        
５．０                   ２５８（−１５）                                      
５．８                 ２６１（−１２）                                      
【００３８】
ところで、冷凍機は除湿を目的に吸着剤を使用するため、相対湿度の上限は１００％未満である。吸着剤の特性としては、相対湿度９０％付近において、急激な立ち上がり特性を示す図８中の線（イ）が冷凍機で用いる吸着特性の上限値であり、その細孔径は２０ｎｍ程度である。すなわち、乾球温度が０℃以下の冷蔵倉庫や冷凍倉庫で用いる除湿用の吸着剤の細孔径の上限は２０ｎｍとなる。【００３９】
用途毎に細孔径を選択し、製造を行えば、製造量が少なくなり、吸着剤のコストアップに繋がる。また、ナノスケールの細孔は人間の目では見えないので、細孔径が異なる吸着剤を識別することができない。その結果、誤って最適ではない細孔径の吸着剤を製品に搭載する虞があり、品質の低下につながりかねない。そこで、吸着剤の細孔径を１種類に集約することがコスト面、品質面から望ましい。そこで、０℃以下において、製品として成立するためには、細孔内で水分の凍結が発生せず、尚且つ、大部分の用途（大部分の湿度条件）において、除湿できる吸着剤を開発しなければならない。【００４０】
表２に、用途毎に求められる細孔径（相対湿度）の一例を示す。例えば、青果物を保存する倉庫では、相対湿度が７０〜９５％程度が求められるため、図６に示す吸着特性において、相対湿度が８５〜９５％付近で急激に立ち上がる細孔径にすれば良い。すなわち、図６（細孔径と毛管現象との関係を示す図）から、吸着剤の細孔径を１０〜２０ｎｍに設計すればよい。また、空調空間（人が居住する空間）においては、相対湿度が３０〜６０％に保持されるべきであると一般に言われている。
以上述べたように、一般的な相対湿度の下限値はおおよそ２０〜３０％と考えられ、図３に示すような２０％〜３０％付近にて急激に立ち上がる吸着特性（細孔径は約１．４ｎｍ）を有する吸着剤を用いれば、大部分の用途を網羅することができ、同一仕様（同一細孔径）の吸着剤の使用量が増えるので、吸着剤の低コスト化を図ることが可能となり、さらに製造品質も向上する。【００４１】
表２
分野                            細孔径［ｎｍ］         相対湿度条件［％］      
青果物                          ６〜２０               ７０〜９５              
畜産物                          ４〜２０               ６５〜９５              
製薬工場                        ２〜４                 ４０〜５０              
図書館                          ２〜４                 ４０〜５０              
美術館／博物館／図書館          ２〜５                 ４０〜５５              
写真工場                        １〜６                 ２４〜７０              
人                              １〜２                 ２０〜３０              
日本冷凍空調学会講演会「最新の湿度制御技術」論文集Ｐ5〜6  平成17年5月25日
【００４２】
尚、冷凍空調装置における冷凍サイクルの設計圧力は凝縮温度で約６５℃相当の凝縮圧力である。この制約から、凝縮器において、外気側１００ａの空気は６５℃程度までしかヒートアップさせることができないため、冷凍サイクルの凝縮器の排熱で作り出せる相対湿度の下限値は１０％程度と考えるのが現実的である（３２℃、相対湿度６０％の外気を凝縮器で６５℃、相対湿度１０％にヒートアップ）。そのときの細孔径は、図６より約１ｎｍである。すなわち、乾球温度が０℃以下の冷蔵倉庫や冷凍倉庫で用いる除湿用の吸着剤の細孔径の下限は１ｎｍとなる。【００４３】
図１０、図１１に低温示差走査熱量測定（以下、低温ＤＳＣという。ＤＳＣ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｃａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ）測定結果を示す。図１０は細孔径が１〜１．４ｎｍ程度のメソポーラスシリカに水（液体）を吸着させ、アルミニウムバンに封入したサンプルについてＤＳＣ測定を行った結果である。図１１は細孔径が０．３〜０．５ｎｍ程度のゼオライトについて同様の方法にてＤＳＣ測定を行った結果である。図１０において、０℃付近と、−４０℃付近に吸着ピークが存在している。この測定は−１２０℃から２０℃まで徐々に温度を上昇させながらサンプルへの熱の出入りを測定しており、−４０℃で現れるピークは、細孔内の凍結していた水分が融解したために生じた吸熱ピークを意味している。すなわち、細孔径1〜１．４ｎｍ内部に存在する水の融点はー４０℃であることを意味しており、逆に言えば、このような細孔の内部に存在する水は、−４０℃まで凍結しないことを裏付けるデータである。
図１０における０℃付近のピークは細孔内部に存在する水ではなく、吸着剤粒子間に存在する水分が融解しているものであり、通常の氷の融点である０℃で吸熱ピークを示していることから、細孔内に存在する氷の融解ではない。
図１１はゼオライトの結果であるが、図１０のように氷点下（マイナス）領域での大きな吸熱ピークが見られず、０℃付近のみにピークがあることから、細孔径が０．３〜０．５ｎｍの範囲では、細孔内に存在する水は、０℃のみにおいて融解が発生することを意味している。ゼオライトのように小さい細孔径を有する吸着剤においては、細孔の内部に存在する水は０℃付近で凍結すると考えられる。【００４４】
以上より、０℃以下でより安定した除湿性能が得られ、冷凍サイクルの排熱で再生でき、尚且つ１種類の細孔径に集約するためには、１．０〜１．４ｎｍの細孔径を有する吸着剤を使用する必要があるが、前述した通り、用途毎に吸着剤を用いれば、用途に応じた最適設計が可能となる。
【図１】
2008084573.tif 000004
【図２】
2008084573.tif 000005
【図３】
2008084573.tif 000006
【図４】
2008084573.tif 000007
【図５ａ】
2008084573.tif 000008
【図５ｂ】
2008084573.tif 000009
【図５ｃ】
2008084573.tif 000010
【図６】
2008084573.tif 000011
【図７】
2008084573.tif 000012
【図８】
2008084573.tif 000013
【図９】
2008084573.tif 000014
【図１０】
2008084573.tif 000015
【図１１】
2008084573.tif 000016
【図１２】
2008084573.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成21年7月2日(2009.7.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路を有する冷凍空調装置において、
前記冷凍空調装置は乾球温度が０℃以下で−４０℃以上の冷凍室または冷蔵室を冷却するものであり、
前記冷凍室または冷蔵室内空気の水分を吸着し、外気に前記吸着した水分を放出する水分吸着手段を備え、
前記水分吸着手段は細孔径が１ｎｍ〜１．４ｎｍの吸着剤を担持することを特徴とする冷凍空調装置。
【請求項２】
前記凝縮器は前記水分吸着手段に対し前記外気側空間の風上側に配置され、前記蒸発器は前記水分吸着手段に対して前記冷凍室または冷蔵室空間の風下側に配置されたことを特徴とする請求項１記載の冷凍空調装置。
【請求項３】
前記水分吸着手段に、回転して外気側空間と前記冷凍室または冷蔵室空間とに位置するデシカントロータを用い、前記吸着剤を前記デシカントロータに担持させたことを特徴とする請求項１または２記載の冷凍空調装置。
【請求項４】
前記蒸発器の吸込み空気温度と相対湿度を検知する温湿度センサと、
前記温湿度センサの出力が、予め設定した相対湿度の目標値になるように前記圧縮機の周波数または前記絞り装置の開度を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷凍空調装置。
【請求項５】
冷媒が充填され、冷媒を圧縮する圧縮機、凝縮器、絞り装置及び蒸発器を備えた冷媒回路を有する冷凍空調装置において、
前記冷凍空調装置は乾球温度が０℃以下で、相対湿度が７０〜９５％の冷凍室または冷蔵室を冷却するものであり、
前記冷凍室または冷蔵室内空気の水分を吸着し、外気に前記吸着した水分を放出する水分吸着手段を備え、
前記水分吸着手段は細孔径が１〜２０ｎｍの吸着剤を担持することを特徴とする冷凍空調装置。
【国際調査報告】
2008084573.tif 000018
2008084573.tif 000019
2008084573.tif 000020