(57)【要約】  蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける機械的仕事量を低減することを可能にしたハイブリッド式冷凍システムを提供する。本発明のハイブリッド式冷凍システム１０１は、圧縮機１０２、凝縮器１０３、膨張器１０５及び蒸発器１０６からなる蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１と、冷媒を交互に吸着し且つ吸着した冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器１１１〜１１２′を有する吸着式冷凍サイクル１０８とが組み合わされて構成される。蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１における圧縮機１０２の圧縮圧力を低減するように、吸着式冷凍サイクル１０８を蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１に組み合わせる。
2009145278.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍サイクルと、冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器を有する吸着式冷凍サイクルとが組み合わされてなるハイブリッド式冷凍システムであって、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける前記圧縮機の圧縮圧力を低減するように、前記吸着式冷凍サイクルが前記蒸気圧縮式冷凍サイクルに組み合わされていることを特徴とするハイブリッド式冷凍システム。
【請求項２】
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける前記圧縮機と前記凝縮器との間に、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器が位置するように前記吸着式冷凍サイクルを組み合わせて、前記圧縮機により前記冷媒を中間圧力まで圧縮し、前記中間圧力まで圧縮した前記冷媒を前記吸着式冷凍サイクルにより前記中間圧力よりも高い圧力まで昇圧することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【請求項３】
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルは、第１冷媒を圧縮する第１圧縮機、前記第１圧縮機により圧縮された前記第１冷媒を凝縮する第１凝縮器、前記第１凝縮器により凝縮された前記第１冷媒を膨張させる第１膨張器及び前記第膨張器により膨張させられた前記第１冷媒を蒸発させる第１蒸発器を備え、
前記吸着式冷凍サイクルは、蒸発した第２冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記第２冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器、前記吸着器から脱着した前記第２冷媒を凝縮する第２凝縮器、及び前記第２凝縮器により凝縮された前記第２冷媒を膨張させる第２膨張器及び前記第２膨張器により膨張させられた前記第２冷媒を蒸発させる第２蒸発器を備えており、
前記第１凝縮器を通る前記第１冷媒から前記第２蒸発器を介して吸熱するように前記吸着式冷凍サイクルが前記蒸気圧縮式冷凍サイクルに組み合わされている請求項１に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【請求項４】
前記第１凝縮器と前記第２蒸発器との間に熱交換器が構成されている請求項３に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【請求項５】
前記熱交換器は、前記第１凝縮器と前記第２蒸発器との間で直接熱交換するように構成されている請求項４に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【請求項６】
前記熱交換器は、放熱器を備え前記第１凝縮器及び前記第２蒸発器との間で熱交換するように配置された、第３冷媒が循環する冷媒循環路を備えている請求項４に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【請求項７】
前記蒸発器と前記圧縮機とをつなぐ冷媒流路と前記凝縮器と前記膨張器とをつなぐ冷媒流路との間で熱交換を行う内部熱交換器をさらに備えている請求項２に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルと吸着式冷凍サイクルとが組み合わされてなるハイブリッド式冷凍システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平１１−６３７１９号公報（特許文献１）、特開平１１−８３２３５号公報（特許文献２）及び特開２００５−３０８３５５号公報（特許文献３）には、圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍サイクルを、冷媒を交互に吸着し且つ吸着した冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器を有する吸着式冷凍サイクルと組み合わせて、吸着式冷凍サイクルの性能を改善する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平１１−６３７１９号公報
【特許文献２】特開平１１−８３２３５号公報
【特許文献３】特開２００５−３０８３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来のハイブリッド式冷凍システムの開発では、吸着式冷凍サイクルの性能を改善することに主眼が置かれており、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける機械的仕事量を低減する目的のために、吸着式冷凍サイクルを活用することはほとんど検討されていなかった。【０００４】
本発明の目的は、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける機械的仕事量を低減することを可能にしたハイブリッド式冷凍システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のハイブリッド式冷凍システムは、圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍サイクル、冷媒を交互に吸着し且つ吸着した冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器を有する吸着式冷凍サイクルが組み合わされて構成される。なお本願明細書においては、凝縮器は、ガスクーラを含む概念である。本発明では、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける圧縮機の圧縮圧力を低減するように、吸着式冷凍サイクルを蒸気圧縮式冷凍サイクルに組み合わせる。その結果、最も効果的に、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける機械的仕事量を低減することができる。【０００６】
蒸気圧縮式冷凍サイクルに吸着式冷凍サイクルを組み合わせて、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける圧縮機の圧縮圧力（機械的仕事量）を低減するための具体的な構成として、発明者は２種類の具体的な発明を提案する。第１の種類の発明では、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける圧縮機と凝縮器との間に、圧縮機により圧縮された冷媒を交互に吸着し且つ吸着した冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器が位置するように吸着式冷凍サイクルを組み合わせる。そして本発明においては、圧縮機により冷媒を中間圧力まで圧縮し、中間圧力まで圧縮した冷媒を吸着式冷凍サイクルにより中間圧力よりも高い圧力まで昇圧する。このようにすれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける圧縮機による圧縮圧力を従来よりも低くすることができて、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける機械的仕事量を低減することができる。【０００７】
なお第１の種類の発明において、蒸発器と圧縮機とをつなぐ冷媒流路と凝縮器と膨張器とをつなぐ冷媒流路との間で熱交換を行う内部熱交換器をさらに備えていてもよいのは勿論である。このような内部熱交換器を設ければ、凝縮器を通った冷媒から吸熱することにより、蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張器入口と蒸発器入口の比エンタルピーを下げることができる。その結果、蒸発器で冷媒が周囲から奪う熱流量（冷凍能力）を大きくすることができる。【０００８】
第２の種類の発明で用いる蒸気圧縮式冷凍サイクルは、第１冷媒を圧縮する第１圧縮機、第１圧縮機により圧縮された第１冷媒を凝縮する第１凝縮器、第１凝縮器により凝縮された第１冷媒を膨張させる第１膨張器及び第１膨張器により膨張させられた第１冷媒を蒸発させる第１蒸発器を備えている。また吸着式冷凍サイクルは、蒸発した第２冷媒を交互に吸着し且つ吸着した第２冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器、吸着器から脱着した第２冷媒を凝縮する第２凝縮器、第２凝縮器により凝縮された第２冷媒を膨張させる第２膨張器及び第２膨張器により膨張させられた第２冷媒を蒸発させる第２蒸発器を備えている。そして第１凝縮器を通る第１冷媒から第２蒸発器を介して吸熱するように吸着式冷凍サイクルを蒸気圧縮式冷凍サイクルに組み合わせる。【０００９】
この発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルの第１圧縮機の圧縮圧力を高くすることなく、第１凝縮器を通る第１冷媒から第２蒸発器を介して吸熱することにより、蒸気圧縮式冷凍サイクルの膨張器入口と蒸発器入口の比エンタルピーを下げることができる。その結果、第１圧縮機の圧縮圧力（圧縮仕事）を大きくすることなく、第１蒸発器で冷媒が周囲から奪う熱流量（冷凍能力）を大きくすることができる。【００１０】
第１凝縮器を通る第１冷媒からの吸熱は、第１凝縮器と第２蒸発器との間に熱交換器を構成することにより実現することができる。この熱交換器は、第１凝縮器と第２蒸発器との間で直接熱交換するように構成することができる。またこの熱交換器は、放熱器を備え第１凝縮器及び第２蒸発器との間で熱交換するように配置された、第３冷媒が循環する冷媒循環路を備えた構造とすることもできる。このような熱交換器を用いれば、吸着式冷凍サイクルに第１圧縮機から出る油が混入しないように蒸気圧縮式冷凍サイクルを組み合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一般的な蒸気圧縮式冷凍システムの構成を示す図である。
【図２】本実施の形態で利用する内部熱交換器を備えた蒸気圧縮式冷凍システムの構成を示す図である。
【図３】シングルステージの吸着式冷凍サイクルの一般的な構成を示す図である。
【図４】蒸気圧縮式冷凍サイクルと吸着式冷凍サイクルとを組み合わせた本発明の第１の実施の形態の概略構成を示す図である。
【図５】図４の実施の形態の冷凍サイクルを示す図である。
【図６】本願発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。
【図７】図６に示した実施の形態の冷凍サイクルを示す図である。
【図８】本発明のハイブリッド式冷凍システムの第３の実施の形態の構成を示す図である。
【図９】図８の実施の形態の冷凍サイクルを示す図である。
【図１０】本発明のハイブリッド式冷凍システムの第４の実施の形態の構成を示す図である。
【図１１】吸着器で使用する吸着剤の吸着等温線の実験データを示す図である。
【図１２】三つの異なる圧縮機出口圧力に対する二酸化炭素を用いた単純な遷臨界サイクルのP-T（圧力−温度）線図である。
【図１３】図１２に対応するＰ−ｈ（圧力−比エンタルピー）線図である。
【図１４】異なるガスクーラ（凝縮器）温度に対する圧縮機出口圧力の関数としての成績係数(COP)を示す図である。
【図１５】異なる吸着温度と脱着圧力に対するハイブリッド式冷凍システムの冷却能力の性能マップを示す図である。
【図１６】異なる吸着温度と脱着圧力に対するハイブリッド式冷凍システムのCOP（成績係数）の性能マップを示す図である。
【図１７】異なる吸着温度と脱着圧力に対する乾燥Maxsorb III単位質量あたりのCO2の質量に基づく冷媒量を示す図である。
【図１８】内部熱交換器IHEが無い場合の、吸着温度（３０８Ｋ，３１３Ｋ及び３１８Ｋ）におけるＰ−ｈ線図を示す図である。
【図１９】内部熱交換器IHEがある場合の、吸着温度（３０８Ｋ，３１３Ｋ及び３１８Ｋ）におけるＰ−ｈ線図を示す図である。
【図２０】（Ａ）及び（Ｂ）は、図４に示した第１の実施の形態のハイブリッド式冷凍システムの四つの異なる圧縮機吐出圧力(60、 65、 70 and 75 bars)に対する冷却能力及びCOP（成績係数）を脱着圧力の関数として示す図である。
【図２１】図４に示した第１の実施の形態のハイブリッド式冷凍システムの四つの異なる圧縮機吐出圧力(60、 65、 70 and 75 bars)に対する冷媒流量を脱着圧力の関数として示す図である。
【図２２】図４に示したハイブリッド式冷凍システムの図１８及び図１９の性能曲線に示されたＹ＝９４barにおける、圧力−温度−濃度線図である。
【図２３】図１８及び図１９に示したＹ＝９４barsにおけるハイブリッド式冷凍システムのＰ−ｈ線図である。
【図２４】図４に示したハイブリッド式冷凍システムの操作概念の把握のために、Ｘ＝８１bars，Ｙ＝９４bars及びＺ＝１１０barsの三つの操作条件に対するＰ−ｈ線図を示す図である。
【図２５】図１８のＰ−ｈ線図を示すハイブリッド式冷凍システムの性能データを示す表図である。
【図２６】図１９のＰ−ｈ線図の内部熱交換機（ＩＨＥ）付きのハイブリッド式冷凍システムの性能データを示す表図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下図面を参照して、本発明のハイブリッド式冷凍システムの実施の形態を詳細に説明する。本発明の実施の形態では、二酸化炭素（CO2）を冷媒として、蒸気圧縮式冷凍サイクルと吸着式冷凍サイクルとを組み合わせて蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける機械的仕事量を低減する。二酸化炭素は、ODP（オゾン破壊係数）が0で、GWP（地球温暖化係数）が無視できるほど小さい（＝１）無毒で不燃性の自然冷媒である。二酸化炭素は幅広い範囲への適用性を持ち、自動車用空調システムでも広範囲で利用可能である。個々のサイクルでは一見低い効率が、２つのサイクルを組み合わせることで高効率となる。本実施の形態のハイブリッド式冷凍システムでは、自動車用空調機に適用するのに適しており、吸着式冷凍サイクルはエンジン排熱で駆動される。【００１３】
本実施の形態の二酸化炭素を用いたハイブリッド式冷凍システムの実施の形態を説明する前に、蒸気圧縮式冷凍サイクル及び吸着式冷凍サイクルについて説明する。【００１４】
一般的な蒸気圧縮式冷凍システムは、図１に概略を示すように圧縮機２、ガスクーラ（凝縮器）３、受液器４，膨張器５および蒸発器６から構成される。また図２には、本実施の形態で利用する内部熱交換器７を備えた蒸気圧縮式冷凍システムの構成が示されている。内部熱交換器７は、ガスクーラ（凝縮器）３の出口と蒸発器６の出口で用いられ、この間で熱交換することにより、ガスクーラ（凝縮器）３の出口温度はより低下し、蒸発器６の出口温度がより上昇する。【００１５】
図３は、シングルステージの吸着式冷凍サイクル８の一般的な構成を示している。この吸着式冷凍サイクル８は、ガスクーラ（または凝縮器）９、蒸発器１０および一対の吸着器（吸・脱着熱交換器）１１及び１２と４つのバルブ１３乃至１６を備えている。吸着剤としては、活性炭［例えばMaxsorb III（商標）］が吸着器１１及び１２内に充填されている。蒸発過程において、吸着器１１及び１２の一方で冷媒の吸着が行われ、蒸発過程において先に冷媒の吸着が行われた吸着器で脱着が引き起こされる。吸着器１１及び１２は、交互の冷却と加熱により、交互に吸着と脱着とを繰り返す。図３の状況においては、冷媒（CO2）は蒸発器１０において蒸発温度で蒸発し、吸着器（Bed1）１２で吸着される。吸着は吸着剤の冷媒濃度が高濃度になるまで継続する。冷却水が吸着熱を取り除くために用いられる。脱着器として機能する吸着器(Bed2)１１は駆動熱入力（排熱あるいは再生可能エネルギー源からの熱源）によって脱着温度まで加熱される。吸着器（Bed2）１１から脱着した冷媒はガスクーラ（または凝縮器）９で冷却される（または凝縮する）。凝縮器９における凝縮熱は冷却水によって除去される。通常、吸・脱着の駆動時間は、240から600秒間継続し、凝縮した冷媒液は規定のサイクルに従い蒸発器１０に戻る。蒸発が起こらないようにすべてのバルブ１３乃至１６を閉鎖している時間が約30秒間導入される。その後、すべてのバルブを逆のモードにすることにより、完全に逆のサイクルが継続する。【００１６】
図４は、図１の蒸気圧縮式冷凍サイクルと図３の吸着式冷凍サイクルとを組み合わせた本発明の第１の実施の形態の概略構成を示している。図４において、図１及び図３に示した部材と同様の部材には、図１及び図２に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付してある。図４の第１の実施の形態のハイブリッド式冷凍システムは、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１における圧縮機１０２と凝縮器１０３との間に、圧縮機１０２により圧縮された冷媒を交互に吸着し且つ吸着した冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器１１１及び１１２並びに１１１′及び１１２′が位置するように吸着式冷凍サイクル１０８を組み合わせている。吸着式冷凍サイクル１０８では、吸着器１１１及び１１１′と吸着器１１２及び１１２′とが、交互に吸着及び脱着動作を行う。連続運転のために、吸着サイクルのバッチ操作は、スウィッチング期間とオペレーション期間と呼ばれる二つの時間間隔を備えている。運転中、吸・脱着は圧縮圧力とガスクーラ（または凝縮器）圧力を維持するために行われる。水冷あるいは空冷のガスクーラ（または凝縮器）は指定の脱着器（吸着器１１１〜１１２′のうち脱着動作にあるもの）から脱着した流体を冷却し、そこで過冷液となった流体は膨張器１０５を経て蒸発器１０６に戻り、冷凍サイクルを終了する。脱着を終えた吸着器（吸着剤を含む）の機能は、外部排熱源の方向を切り替えるスウィッチングによって回復する。同時に、外部冷却もまた指定された吸着器にスウィッチされ、同様に、圧縮機１０２と凝縮器１０３もまた各々の吸着器と脱着器（脱着を行う吸着器）にスウィッチされる。ただし、スウィッチング期間は加熱された脱着器（脱着する吸着器）と凝縮器１０３との間、冷却された吸着器（吸着する吸着器）と圧縮機１０２との間の物質移動は無い。【００１７】
図５に図４の実施の形態の冷凍サイクルｗ２を示す。図４中には、丸印の中に数字１〜４を付した記号を付してあるが、明細書中で使用できる文字の制限の関係で、明細書中ではこれらの記号を括弧の中に数字を入れた「(1)〜(4)」の文字を用いて記述する。また図４以降の図面中においても、丸印の中に数字を付した記号を付してある場合には、同様にこれらの記号については、(1)〜(4)等の文字を用いて記述する。図４には、図５の冷凍サイクルに示した蒸発終了点(1)、中間圧縮終了点(2)′、圧縮終了点(2)“、ガスクーラ（または凝縮器）出口(3)、蒸発器入口(4)に対応する位置に同じ記号［(1)〜(4)］を付してある。なお本実施の形態では、圧縮機１０２により冷媒を中間圧力まで圧縮する［(1)→(2)′］。そして圧縮器１０２の圧縮圧力を(2)まで上げることなく、中間圧力まで圧縮した冷媒を吸着式冷凍サイクル１０８により中間圧力よりも高い圧力まで昇圧する［(2)′→(2)”］。このようにすれば、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１における圧縮機１０２による圧縮圧力を従来よりも低い中間圧力とすることができて、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１における機械的仕事量（動力）を低減することができる。【００１８】
CO2液冷媒を用いる本実施の形態の具体的な実施例では、主要な過程は(i)一定温度（5℃）、一定圧力（39．8bar）に維持された蒸発器１０６に熱負荷がかかり、CO2液冷媒が蒸発し［(4)→(1)］、(ii)気化したCO2液冷媒は圧縮機１０２を通って蒸発圧力から圧縮圧力（中間圧力）まで加圧される［(1)→(2)′］。(iii) 吸着式冷凍サイクル１０８における脱着により、圧縮されたCO2蒸気は熱的に圧縮される。(iv)ガスクーラ（または凝縮器）圧力で、ガスクーラ（または凝縮器）による等圧熱放出過程を経る［(2)”→(3)］、(v)そして断熱膨張過程［(3)→(4)］を経る。【００１９】
図６は、図４に示した第１の実施の形態の変形例としての本願発明の第２の実施の形態の構成を示す図である。図６には、図４に示した第１の実施の形態の部材と同じ部材には、同じ符号を付してある。図７は、図６に示した実施の形態の冷凍サイクルを示す。図６には、図７の冷凍サイクルに示した蒸発終了点(1)、中間圧縮終了点(2)′、圧縮終了点(2)”、ガスクーラ（または凝縮器）出口(3)、蒸発器入口(4)′に対応する位置に同じ記号［(1)〜(4)′］を付してある。本実施の形態では、蒸発器１０６と圧縮機１０２とをつなぐ冷媒流路ＦＰ１と凝縮器１０３と膨張器１０５とをつなぐ冷媒流路ＦＰ２との間で熱交換を行う内部熱交換器１０７を備えている。この実施の形態では、内部熱交換器１０７がガスクーラ（または凝縮器）１０３出口と蒸発器１０６の出口との間で用いられ、それらの間の熱交換により、ガスクーラ（または凝縮器）１０３の出口温度はより低下し、蒸発器１０６の出口温度はより上昇する。そしてそのことによりシステムの成績係数(COP)が上昇する。このような内部熱交換器１０７を設ければ、凝縮器１０３を通った冷媒から吸熱することにより、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１′の膨張器入口(3)′と蒸発器入口(4)′の比エンタルピー（ｈ）を、内部熱交換器１０７を設けない場合と比べて、下げる（小さくする）ことができる。その結果、圧縮器１０２による圧縮圧力を上げることなく［(2)まで上げることなく］、蒸発器１０６で冷媒が周囲から奪う熱流量（冷凍能力）を大きくすることができる。すなわち本実施の形態によっても、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１′における機械的仕事量を低減することができる。【００２０】
図８は、本発明のハイブリッド式冷凍システムの第３の実施の形態の構成を示している。図８に示した実施の形態には、図４に示した上記第１の実施の形態の構成部材と同様の構成部材に、図４及び図６に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付してある。第１の実施の形態の構成では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０１と吸着式冷凍サイクル１０８との冷媒が共通しているため、冷媒流路の途中にフィルタ装置を設置しなければ、吸着式冷凍サイクル１０８において冷媒に含まれてしまう可能性が高い機械油等の汚染物質が、吸着器（２１１及び２１２，２１１′及び２１２′）を通過する。吸着器（２１１及び２１２，２１１′及び２１２′）が汚染されると、定期的にクリーニングする必要性が生じる。そこで第３の実施の形態では、吸着器（２１１及び２１２，２１１′及び２１２′）を汚れから守る構成を採用した。第３の実施の形態では、蒸気圧縮式冷凍サイクル２０１で使用する冷媒と吸着式冷凍サイクル２０８で使用する冷媒とを別のものとして、両サイクルの間で熱交換を行う。そこで第３の実施の形態で用いる蒸気圧縮式冷凍サイクル２０１は、第１冷媒を圧縮する第１圧縮機２０２、第１圧縮機２０２により圧縮された第１冷媒を凝縮する第１凝縮器２０３、第１凝縮器２０３により凝縮された第１冷媒を膨張させる第１膨張器２０５及び第１膨張器２０５により膨張させられた第１冷媒を蒸発させる第１蒸発器２０６を備えている。また吸着式冷凍サイクル２０８は、蒸発した第２冷媒を交互に吸着し且つ吸着した第２冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器（２１１及び２１２，２１１′及び２１２′）、吸着器から脱着した第２冷媒を凝縮するガスクーラ（または第２凝縮器）２２３、ガスクーラ（または第２凝縮器）２２３により冷却（または凝縮）された第２冷媒を膨張させる第２膨張器２２１及び第２膨張器２２１により膨張させられた第２冷媒を蒸発させる第２蒸発器２２２を備えている。第１凝縮器２０３と第２蒸発器２２２とは、両者間に熱交換器を構成するように一つのユニットとして構成されている。なおこの熱交換器は、第１凝縮器２０２と第２蒸発器２２２との間で直接熱交換するものでも、また別の冷媒を含む循環路を両者の間に配置して熱交換するものでもよく、その構成は任意である。本実施の形態では、第１凝縮器２０３を通る第１冷媒から第２蒸発器２２２を介して吸熱するように吸着式冷凍サイクル２０８を蒸気圧縮式冷凍サイクル２０１に組み合わせている。【００２１】
図９には、図８の実施の形態の冷凍サイクルを示す。図９には、図８の冷凍サイクルに示した蒸発終了点(1)(5)、圧縮終了点(2)′(6)、凝縮終了点(3)′(7)、膨張終了点(4)′(8)に対応する位置に同じ記号［(1)〜(8)］を付してある。本実施の形態によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクル２０１の第１圧縮機２０２の圧縮圧力を高くすることなく、第１凝縮器２０６を通る第１冷媒から第２蒸発器２２２を介して吸熱することにより、蒸気圧縮式冷凍サイクル２０１の膨張器入口(3)′と蒸発器入口(4)′の比エンタルピーを下げる（小さい値にする）ことができる。その結果、本実施の形態によっても、第１及び第２の実施の形態と同様に、第１圧縮機２０２の圧縮圧力（圧縮仕事）を大きくすることなく、第１蒸発器２０６で冷媒が周囲から奪う熱流量（冷凍能力）を大きくすることができる。【００２２】
図１０は、図８に示した第３の実施の形態の変形例としての第４の実施の形態である。図１０に示した実施の形態には、図８に示した上記第３の実施の形態の構成部材と同様の構成部材には、図８に付した符号の数に１００の数を加えた数の符号を付してある。第３の実施の形態では、第１凝縮器２０３と第２蒸発器２２２とを、両者間に熱交換器を構成するように一つのユニットとして構成している。これに対して第４の実施の形態では、第１凝縮器２０３と第２蒸発器２２２との間で熱交換を行う熱交換器は、放熱器３２４を備え、第１凝縮器３０３及び第２蒸発器３１０との間で熱交換するように配置された、第３冷媒が循環する冷媒循環路３２８を備えた構造としている。また第４の実施の形態では、吸着器３１１及び３１２が自動車のエンジン３２７の排熱で再生される構造を有している。エンジン３２７と一対の吸着器３１１及び３１２との間には、脱着の際にエンジン３２７およびラジエーター３２５を交互に吸着器３１１及び３１２と接続するためのバルブ３２６及び３２９が配置されている。この具体例では、第３の実施の形態と同様に、第１蒸発器３０６は冷却能力を発生させるために使用され、第２の蒸発器３１０は、吸着器３１１及び３１２に油が混入しないように吸着器を運転するために使用される。また凝縮器３０９は第２蒸発器３１０で吸熱した熱を外部に放熱するために用いられる。【００２３】
以下上記各実施の形態の性能を確認するために役立つ各種の試験結果について説明する。図１１は、吸着器で使用する吸着剤の吸着等温線の実験データである。「S. Himeno, T. Komatsu and S. Fujita, High-pressure adsorption equilibria of methane and carbon dioxide on several activated carbons, J. Chem. Eng. Data 50 (2005), 369-376」の論文には、超微細多孔質の活性炭［Maxsorb III（商標）］への冷媒として用いるCO2の吸着に関するデータとして、温度範囲が273 to 348 K、圧力が最高４MPaの範囲で測定された結果が記載されている。図１１の実験データは、種々の吸着温度における圧力変化に対する吸着量の関係を示している。図１１からは、CO2の吸着量はMaxsorb III  １kgあたり最大1．5kgになることが判る。吸着剤１ｇあたりの最大等温吸着量で定義される吸着能力は、「F. Dreisbach, R. Staudt and J.U. Keller, J High-pressure adsorption Data of Methane, Nitrogen, Carbon Dioxide and their Binary and Ternary Mixtures on Activated Carbon. Adsorption 5 (1999), 215-227.」、「A. Kapoor and R.T. Yang, Kinetic Separation of Methane-Carbon Dioxide Mixture by Adsorption on Molecular Sieve Carbon. Chem. Eng. Sci. 44 (1989), 1723-1783.」及び「S. Ozawa, S. Kusumi and Y. Ogino, Physical adsorption of gases at high pressure. An improvement of the Dubinin-Astakhov equation. J. Colloid. Interface Sci. 56 (1976), 83-91.」等に示された他の吸着剤を用いた他のCO2の等温吸着データと比較しても、Maxsorb IIIを使用した結果が最も高い値を示すことが確認されている。Langmuirの式は、Maxsorb IIIを使用した冷凍冷却システムの実験データと良好な一致を示している。そこで、Langmuirの式を等温線パラメータや吸着熱を見積もるために用いた。実験において用いたLangmuirの式は以下の通りである。
【数１】
2009145278.tif 000003
【００２４】
ここで、Ｗは吸着体積、Ｗ０は微細孔への最大吸着体積、Ｋは非常に吸着量が小さい場合の吸着指標であるLangmuir定数、Ｐは圧力である。定数Ｋは温度の関数として以下のように表すことができる。
【数２】
2009145278.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｒはガス定数、Ｔは平衡温度、Ｋ０は係数、ΔＨadsは吸着熱である。Langmuirの吸着等温モデルは、実験データと±5%以内で一致することが確認できた。【００２６】
図１２は、三つの異なる圧縮機出口圧力に対する二酸化炭素を用いた単純な遷臨界サイクルのP-T（圧力−温度）線図を示す。これと一致するＰ−ｈ（圧力−比エンタルピー）線図は図１３のようになる。遷臨界CO2サイクルは(a)等エンタルピー圧縮過程(1-2 or 1-2’ or 1-2”)、(b)等圧熱放出過程(2-3 or 2'-3' or 2"-3")、(c)断熱膨張過程(3-4 or 3'-5 or 3"-6)、(d)等圧蒸発過程(4-1 or 5-1 or 6-1)からなることを示している。【００２７】
蒸気圧縮式冷凍機の理論COP（成績係数）は以下の式で与えられる。
【数３】
2009145278.tif 000005
【００２８】
ここで、Ｑrefは冷凍能力、Ｗcompは圧縮仕事を示す。h1、 h2、 h2’、 h2”、 h4、 h5、 h6は図１３と一致する点でのCO2の比エンタルピーである。図１３は、蒸気圧縮式冷凍サイクルのP-T（圧力−温度）線図を示す。図１３において、Ａはサイクル１−２−３−４−１を示し、Ｂはサイクル１−２′−３′−５−１を示し、Ｃはサイクル１−２” −３” −６−１を示している。【００２９】
異なるガスクーラ（または凝縮器）温度に対する圧縮機出口圧力の関数としての成績係数(COP)を図１４に示す。図１４のＡ乃至Ｃは、図１２及び図１３の蒸気圧縮式冷凍サイクルのＰ−Ｔ及びＰ−ｈ線図に示されたサイクル１−２−３−４−１、サイクル１−２′−３′−５−１、及びサイクル１−２” −３” −６−１を示している。【００３０】
この解析より、ガスクーラ（凝縮器）温度35℃に対する最適条件でCOPは４．０になることがわかる。ここで、ガスクーラ（凝縮器）温度が上昇するとCOPが低下することに注意すべきである。図１４において、「蒸気圧縮」は図１の一般的な蒸気圧縮式冷凍サイクルの解析結果であり、「ＩＨＥ利用蒸気圧縮」は、図２の内部熱交換器を備えた蒸気圧縮式冷凍サイクルの解析結果である。【００３１】
図１５及び図１６は、異なる吸着温度（３０８Ｋ，３１３Ｋ及び３１８Ｋ）と脱着圧力に対するハイブリッド式冷凍システムの冷却能力およびCOP（成績係数）の性能マップをそれぞれ示す。図１５及び図１６において、Ａは図４に示した第１の実施の形態のハイブリッド式冷凍システムの解析結果を示す、Ｂは図６に示した第２の実施の形態のハイブリッド式冷凍システムの解析結果を示す。COP（成績係数）はガスクーラ（凝縮器）温度35℃の最適条件に対して蒸気圧縮式冷凍サイクルの約二倍にあたる８．０近くになる。内部熱交換器(IHE)が付加されると、COP（成績係数）はガスクーラ（凝縮器）温度と脱着圧力によっては１０以上になることが図1６に示されている。【００３２】
熱的圧縮機を設計するために、吸着剤の量を計算することは非常に重要である。異なる吸着温度（３０８Ｋ，３１３Ｋ及び３１８Ｋ）と脱着圧力に対する乾燥Maxsorb III単位質量あたりのCO2の質量に基づく冷媒量を図１７に示す。図１７において、Ａは図４に示した第１の実施の形態のハイブリッド式冷凍システムの解析結果を示す、Ｂは図６に示した第２の実施の形態のハイブリッド式冷凍システムの解析結果を示す。この解析より、必要とされる冷却能力に対するMaxsorb IIIの量を容易に見積もることができる。内部熱交換器ＩＨＥが無い場合（図１８）および有る場合（図１９）の、吸着温度（３０８Ｋ，３１３Ｋ及び３１８Ｋ）におけるＰ−ｈ線図を図１８および図１９にそれぞれ示す。これらの図を用いることにより、複合することによって節約されるエネルギー量を容易に計算できる。また図２０（Ａ）及び（Ｂ）並びに図２１に、図４に示した第１の実施の形態のハイブリッド式冷凍システムの四つの異なる圧縮機吐出圧力（60、 65、 70 and 75 bars）に対する冷却能力、COP（成績係数）および冷媒流量を脱着圧力の関数として示す。ここで、三つの操作点Ｘ＝８１bars，Ｙ＝９４bars及びＺ＝１１０barsが示され、Ｙは最適点として選ばれた。【００３３】
図２２には、図４に示したハイブリッド式冷凍システムの図１８及び図１９の性能曲線に示されたＹ＝９４barにおける、圧力−温度−濃度線図を示す。図２２には、蒸気圧縮過程、熱的圧縮過程（吸着−予熱−脱着−予冷）および膨張過程を示してある。図２２において、圧縮機出口圧力は６０barであり、ガスクーラ温度は３５℃である。【００３４】
最適条件での図４および図６に示したハイブリッド式冷凍システムの性能は図２５及び図２６に示した表にも示す。図２５は図１６のハイブリッド式冷凍システムの性能データを示し、図２６は図１７の内部熱交換機（ＩＨＥ）付きのハイブリッド式冷凍システムの性能データを示す。【００３５】
図４に示したハイブリッド式冷凍システムの操作概念の把握のために、Ｘ＝８１bars，Ｙ＝９４bars及びＺ＝１１０bars（図２４のサイクル１−２−３−４―５，サイクル１−２−３′−４′−５′及びサイクル１−２−３” −４” −５”が対応）の三つの操作条件に対するＰ−ｈ線図を図２４に示す。なお図２３は、図１８及び図１９に示したＹ＝９４barsにおけるハイブリッド式冷凍システムのＰ−ｈ線図であり、図２３においてサイクル１−２−３−４−５は６０barの圧縮機出口圧力における線図であり、サイクル１−２′−２”−３′−４−５は７５barの圧縮機出口圧力における線図である。【００３６】
上記実験データは、本発明のハイブリッド型冷凍システムは、高効率であるばかりで無く、高い冷凍効果をもたらすこと、および圧縮機やバルブに起因する問題を排除できることを示している。よって本発明のハイブリッド型冷凍システムは、自動車用空調システムおよびヒートポンプシステムに十分に適用が可能である。【００３７】
本願明細書中に記載された、いくつかの発明の構成を列記すると以下のとおりになる。【００３８】
（１） 冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮器、前記凝縮器により凝縮された前記冷媒を膨張させる膨張器及び前記膨張器により膨張させられた前記冷媒を蒸発させる蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける前記圧縮機と前記凝縮器との間に、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器を有する吸着式冷凍サイクルを備え、前記圧縮機により前記冷媒を中間圧力まで圧縮し、前記中間圧力まで圧縮した前記冷媒を前記吸着式冷凍サイクルにより前記中間圧力よりも高い圧力まで昇圧することを特徴とするハイブリッド式冷凍システム。【００３９】
（２） 第１冷媒を圧縮する第１圧縮機、前記第１圧縮機により圧縮された前記第１冷媒を凝縮する第１凝縮器、前記第１凝縮器により凝縮された前記第１冷媒を膨張させる第１膨張器及び前記第１膨張器により膨張させられた前記第１冷媒を蒸発させる第１蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍サイクルと、
蒸発した第２冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記第２冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器、前記吸着器から脱着した前記第２冷媒を凝縮する第２凝縮器、及び前記第２凝縮器により凝縮された前記第２冷媒を膨張させる第２膨張器及び前記第２膨張器により膨張させられた前記第２冷媒を蒸発させる第２蒸発器を備えた吸着式冷凍サイクルとを備え、
前記第１凝縮器を通る前記第１冷媒から前記第２蒸発器を介して吸熱するように前記吸着式冷凍サイクルが前記蒸気圧縮式冷凍サイクルに組み合わされていることを特徴とするハイブリッド式冷凍システム。【００４０】
（３）第１凝縮器と前記第２蒸発器との間に熱交換器が構成されている上記（２）に記載のハイブリッド式冷凍システム。【００４１】
（４）前記熱交換器は、前記第１凝縮器と前記第２蒸発器との間で直接熱交換するように構成されている上記（３）に記載のハイブリッド式冷凍システム。【００４２】
（５）前記熱交換器は、放熱器を備え前記第１凝縮器及び前記第２蒸発器との間で熱交換するように配置された、第３冷媒が循環する冷媒循環路を備えている上記（３）に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける圧縮機の圧縮圧力を低減するように、吸着式冷凍サイクルを蒸気圧縮式冷凍サイクルに組み合わせるので、最も効果的に、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける機械的仕事量を低減することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年3月26日(2010.3.26)
【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】
圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍サイクルと、冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器を有する吸着式冷凍サイクルとが組み合わされてなるハイブリッド式冷凍システムであって、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける前記圧縮機の圧縮圧力を低減するように、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける前記圧縮機と前記凝縮器との間に、前記圧縮機により圧縮された前記冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器が位置するように前記吸着式冷凍サイクルを組み合わせて、前記圧縮機により前記冷媒を中間圧力まで圧縮し、前記中間圧力まで圧縮した前記冷媒を前記吸着式冷凍サイクルにより前記中間圧力よりも高い圧力まで昇圧することを特徴とするハイブリッド式冷凍システム。
【請求項２】
前記蒸発器と前記圧縮機とをつなぐ冷媒流路と前記凝縮器と前記膨張器とをつなぐ冷媒流路との間で熱交換を行う内部熱交換器をさらに備えている請求項１に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【請求項３】
圧縮機、凝縮器、膨張器及び蒸発器からなる蒸気圧縮式冷凍サイクルと、冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器を有する吸着式冷凍サイクルとが組み合わされてなるハイブリッド式冷凍システムであって、前記蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける前記圧縮機の圧縮圧力を低減するように、
前記蒸気圧縮式冷凍サイクルは、第１冷媒を圧縮する第１圧縮機、前記第１圧縮機により圧縮された前記第１冷媒を凝縮する第１凝縮器、前記第１凝縮器により凝縮された前記第１冷媒を膨張させる第１膨張器及び前記第１膨張器により膨張させられた前記第１冷媒を蒸発させる第１蒸発器を備え、
前記吸着式冷凍サイクルは、蒸発した第２冷媒を交互に吸着し且つ吸着した前記第２冷媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着器、前記吸着器から脱着した前記第２冷媒を凝縮する第２凝縮器、及び前記第２凝縮器により凝縮された前記第２冷媒を膨張させる第２膨張器及び前記第２膨張器により膨張させられた前記第２冷媒を蒸発させる第２蒸発器を備えており、
前記第１凝縮器を通る前記第１冷媒から前記第２蒸発器を介して吸熱するように前記吸着式冷凍サイクルが前記蒸気圧縮式冷凍サイクルに組み合わされているハイブリッド式冷凍システム。
【請求項４】
前記第１凝縮器と前記第２蒸発器との間に熱交換器が構成されている請求項３に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【請求項５】
前記熱交換器は、前記第１凝縮器と前記第２蒸発器との間で直接熱交換するように構成されている請求項４に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【請求項６】
前記熱交換器は、放熱器を備え前記第１凝縮器及び前記第２蒸発器との間で熱交換するように配置された、第３冷媒が循環する冷媒循環路を備えている請求項４に記載のハイブリッド式冷凍システム。
【国際調査報告】
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2009145278.tif 000034
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