(57)【要約】【課題】プレート式や多管式などの熱交換器およびポンプを省略して、コスト低減および省エネルギーを達成できる空調システムを提供する。【解決手段】ゲスト化合物の水溶液を冷却することにより製造されるゲスト化合物の水和物を含む水和物スラリを冷熱輸送媒体として用いる空調システムであって、ゲスト化合物の水溶液との熱交換を行う蒸発器を有する冷凍機と、前記蒸発器と空調負荷との間に設けられた往き配管および戻り配管を含む冷熱輸送媒体の循環系と、ゲスト化合物の水溶液を過冷却するように前記冷凍機の冷凍能力を制御する手段と、前記往き配管に設けられ、過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリを生成させる手段とを有する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲスト化合物の水溶液を冷却することにより製造されるゲスト化合物の水和物を含む水和物スラリを冷熱輸送媒体として用いる空調システムであって、
ゲスト化合物の水溶液との熱交換を行う蒸発器を有する冷凍機と、
前記蒸発器と空調負荷との間に設けられた往き配管および戻り配管を含む冷熱輸送媒体の循環系と、
ゲスト化合物の水溶液を過冷却するように前記冷凍機の冷凍能力を制御する手段と、
前記往き配管に設けられ、過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリを生成させる手段と
を有することを特徴とする空調システム。
【請求項２】
前記冷凍機が、吸収式冷凍機または圧縮式冷凍機であることを特徴とする請求項１記載の空調システム。
【請求項３】
前記過冷却解除手段が、小型冷凍機の冷却部、低温突起、超音波発振器の発振部、低周波振動子、水和物スラリの注入手段、スタティックミキサー、攪拌羽根、またはポンプであることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
【請求項４】
前記ゲスト化合物が、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩およびトリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩からなる群より選択される少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
【請求項５】
ゲスト化合物の水溶液を冷却することにより製造されるゲスト化合物の水和物を含む水和物スラリを冷熱輸送媒体として用いる空調システムを運転するにあたり、冷凍機の蒸発器での熱交換によりゲスト化合物の水溶液を過冷却解除後に所望の熱密度となる温度まで過冷却し、前記蒸発器の外部において水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリを製造し、製造された水和物スラリを空調負荷へ輸送することを特徴とする空調システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水和物スラリを冷熱輸送媒体として用いる空調システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ゲスト化合物（テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩、トリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩などの各種塩類）を含む水溶液を冷却すると、ホスト分子である水分子によって構成された籠状の包接格子内にゲスト化合物が包み込まれて結晶化し、水和物（液系包接水和物）が生成する。この水和物は、大気圧下において０℃以上の温度で生成でき、しかも５〜１２℃程度の冷熱利用温度域で潜熱が大きく、冷水に比較して数倍の熱量の冷熱を貯蔵することができる。また、この水和物は微細な結晶粒子であり水溶液中に浮遊するため、比較的流動性の高い水和物スラリ（固液二相流体）の形態で存在する。
【０００３】
この水和物スラリは、従来の冷熱輸送媒体である冷水と比較して、所定の輸送熱密度に対して輸送動力（ポンプ動力）を低減でき省エネルギーを達成できるので、空調システムや産業用冷熱利用システムなどで利用される冷熱輸送媒体として好ましい特性を有している。ここで、固相割合が約２０ｗｔ％の水和物スラリは、冷水による冷熱輸送と比較して、輸送動力の点で最も有利な熱密度を持つことがわかっている。
【０００４】
従来の空調システムで所定の熱密度を持つ水和物スラリを製造するには、プレート式や多管式などの伝熱面積の大きい熱交換器に、冷凍機によって冷却した冷水とゲスト化合物の水溶液とを流通させて両者を熱交換させていた。
【０００５】
これは、冷凍機の蒸発器での熱交換によってゲスト化合物の水溶液を冷却して所定の熱密度を持つ水和物スラリを直接製造することが困難であったためである。すなわち、蒸発器での熱交換により水和物スラリを製造しようとすると、水和物スラリの粘性が水よりも高くかつ冷却面に水和物が付着するなどの理由から熱抵抗が大きくなる。一方、蒸発器の伝熱面積は小さいため、熱抵抗が大きいと所定の熱密度を持つ水和物スラリを直接製造することは極めて困難になる。
【０００６】
しかし、上述した従来の空調システムでは、プレート式や多管式などの熱交換器に加えて、冷水用のポンプと水和物スラリ用のポンプが必要になるため、設備コストが高く、消費エネルギーも多い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、プレート式や多管式などの熱交換器およびポンプを省略して、コスト低減および省エネルギーを達成できる空調システムおよびその運転方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様に係る空調システムは、ゲスト化合物の水溶液を冷却することにより製造されるゲスト化合物の水和物を含む水和物スラリを冷熱輸送媒体として用いる空調システムであって、ゲスト化合物の水溶液との熱交換を行う蒸発器を有する冷凍機と、前記蒸発器と空調負荷との間に設けられた往き配管および戻り配管を含む冷熱輸送媒体の循環系と、ゲスト化合物の水溶液を過冷却するように前記冷凍機の冷凍能力を制御する手段と、前記往き配管に設けられ、過冷却された水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリを生成させる手段とを有する。
【０００９】
本発明に係る空調システムにおいては、前記冷凍機として、たとえば吸収式冷凍機または圧縮式冷凍機が用いられる。
【００１０】
本発明に係る空調システムにおいて、前記過冷却解除手段としては、小型冷凍機の冷却部、低温突起、超音波発振器の発振部、低周波振動子、水和物スラリの注入手段、スタティックミキサー、攪拌羽根、ポンプなどが用いられる。
【００１１】
本発明に係る空調システムにおいて、前記ゲスト化合物としては、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩およびトリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。
【００１２】
本発明の他の態様に係る空調システムの運転方法は、ゲスト化合物の水溶液を冷却することにより製造されるゲスト化合物の水和物を含む水和物スラリを冷熱輸送媒体として用いる空調システムを運転するにあたり、冷凍機の蒸発器での熱交換によりゲスト化合物の水溶液を過冷却解除後に所望の熱密度となる温度まで過冷却し、前記蒸発器の外部において水溶液の過冷却状態を解除して水和物スラリを製造し、製造された水和物スラリを空調負荷へ輸送することを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
【００１４】
ゲスト化合物（テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩、トリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩などの各種塩類）を含む水溶液を冷却すると、水和物生成温度より低い温度でも水和物が生成することなく水溶液として存在することがあり得る。これは過冷却と呼ばれる現象であり、ゲスト化合物の水溶液の過冷却度は比較的大きい。
【００１５】
一方、上述したように冷凍機の蒸発器での熱交換によってゲスト化合物の水溶液を冷却して所定の熱密度を持つ水和物スラリを直接製造することは困難であるが、冷凍機の蒸発器での熱交換によってゲスト化合物を含む水溶液を過冷却することは容易である。例えば、アンモニア吸収式冷凍機は冷媒であるアンモニア濃度を調整することによって被冷却流体を氷点下まで冷却できる特性を持つので、水和物生成温度が５〜１２℃程度であるゲスト化合物の水溶液を過冷却することができる。なお、冷凍機はアンモニア吸収式冷凍機、臭化リチウム吸収式冷凍機でもよいし、圧縮式冷凍機でもよい。過冷却の水溶液の伝熱性能は、冷水の伝熱性能と同程度であるから、冷凍機の蒸発器を改造する必要はない。
【００１６】
この際、冷凍機の冷凍能力を制御することによって、ゲスト化合物の水溶液を過冷却する。冷凍能力制御手段の入力信号としては、例えば蒸発器の下流側の往き配管に設けられた温度計、密度計、導電率計などで測定された水溶液の温度、密度、導電率などを単独でまたは組み合わせて用いることができる。これらの測定結果に基づいて冷凍機の冷凍能力を制御することにより、過冷却状態の水溶液を安定して製造することができる。
【００１７】
本発明に係る空調システムでは、冷凍機の蒸発器での熱交換によりゲスト化合物を含む水溶液を空調負荷に応じて最も有利となる（輸送動力を低減できる）熱密度になる過冷却状態の温度まで冷却し、冷凍機の蒸発器外部の往き配管（往き配管のバイパス配管も含む）に設けられた過冷却解除手段で水溶液の過冷却状態を解除させることにより、冷水輸送に対して最も有利となる熱密度（例えば固相割合約２０ｗｔ％）の水和物スラリを製造する。
【００１８】
過冷却解除手段としては、小型冷凍機の冷却部、低温突起、超音波発振器の発振部、低周波振動子、水和物スラリの注入手段、スタティックミキサー、攪拌羽根、またはポンプなどを用いることができる。
【００１９】
製造された水和物スラリは往き配管を通って空調負荷に輸送されて冷熱が使用され、空調負荷で冷熱が使用されて温度上昇した水溶液は戻り配管を通って冷凍機の蒸発器まで戻って過冷却される。水和物スラリ（水溶液）の循環はポンプによる輸送動力を用いてなされる。
【００２０】
本発明に係る空調システムでは、従来の空調システムにおいて冷水とゲスト化合物の水溶液との熱交換を行うために必要であったプレート式や多管式などの熱交換器および冷水用ポンプが不要になるため、設備コストを低減できるとともに省エネルギーを達成できる。
【００２１】
【実施例】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。
【００２２】
図１に本発明の一実施例に係る吸収式冷凍機を有する空調システムの構成図を示す。図１において、吸収式冷凍機１０は、蒸発器１１、凝縮器１２、発生器１３などを有する。凝縮器１２には冷却塔１４で冷却された冷水が冷水ポンプ１５により供給される。蒸発器１１と空調負荷５との間には、往き配管１および戻り配管２を含む冷熱輸送媒体の循環系が接続されている。蒸発器１１から空調負荷５までの往き配管１には冷凍能力制御器３および過冷却解除手段４が設けられている。過冷却解除手段４から空調負荷５までの往き配管１には輸送ポンプ６が設けられており、水和物スラリが循環される。
【００２３】
この空調システムは以下のように運転される。空調負荷５から戻る水溶液は吸収式冷凍機１０の蒸発器１１に流通され、蒸発器１１での熱交換により過冷却状態にまで冷却される。このとき、吸収式冷凍機１０の冷凍能力は冷凍能力制御器３によって制御されており、過冷却状態の水溶液が安定に製造される。冷凍能力制御器３から吸収式冷凍機１０への入力信号としては、例えば往き配管１に設けられた温度計、密度計、導電率計などで測定される水溶液の温度、密度、導電率などを単独でまたは組み合わせて用いることができる。蒸発器１１での熱交換により過冷却状態にまで冷却された水溶液は蒸発器１１下流の往き配管１に設けられた過冷却解除手段４で過冷却状態が解除され、水和物スラリが製造される。この水和物スラリは空調負荷へ輸送され、その冷熱が利用される。
【００２４】
図１の空調システムでは、従来の空調システムにおいて冷水とゲスト化合物の水溶液との熱交換を行うために必要であったプレート式や多管式などの熱交換器および冷水用ポンプが不要になるため、設備コストを低減できるとともに省エネルギーを達成できる。
【００２５】
図２に本発明の他の実施例に係る圧縮式冷凍機を有する空調システムの構成図を示す。図２において、圧縮式冷凍機２０は、蒸発器２１、凝縮器２２、圧縮器２３などを有する。その他の構成は図１に示す空調システムと同様である。図２の空調システムでも図１のものと同様な効果が得られる。
【００２６】
次に、図３〜図１０を参照して過冷却解除手段４の例を説明する。
図３の過冷却解除手段は、小型冷凍機３１に接続された冷却部３２からなっており、冷却部３２は外部から往き配管１中に挿入されている。冷却部３２の表面には水和物が付着している。過冷却された水溶液が冷却部３２に接触すると、冷却部３２の表面に存在する付着水和物が生成核として作用し過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。なお、小型冷凍機３１に接続された冷却部３２の代わりに、ペルチェ素子などからなる低温突起を用いてもよい。
【００２７】
図４の過冷却解除手段は、超音波発振器３３に接続された発振部３４からなっており、発振部３４は外部から往き配管１中に挿入されている。過冷却された水溶液が発振部３４に接触すると、振動によって過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。超音波発振器３３の代わりに、数〜数百Ｈｚの低周波振動子を用いてもよい。
【００２８】
図５の過冷却解除手段は、水和物スラリ容器３５からポンプ３６により水和物を往き配管１に注入するようにした注入口３７からなっている。過冷却された水溶液が、注入口３７から注入された水和物と接触すると、注入された水和物が生成核となって容易に水和物が生成する。
【００２９】
図６の過冷却解除手段は、往き配管１内に設けられた流体を反転・混合させるためのねじり板のような機構を有するスタティックミキサー３８からなっている。過冷却された水溶液はスタティックミキサー３８によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００３０】
図７の過冷却解除手段は、往き配管１の途中に挿入された容器内に収容された、モータ３９によって回転する攪拌羽根４０からなっている。過冷却された水溶液は攪拌羽根４０によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００３１】
図８の過冷却解除手段は、往き配管１の途中に設けられたポンプケーシング内をインペラが回転しているポンプ５０である。過冷却された水溶液はポンプ５０によって攪拌されて過冷却が解除され、容易に水和物が生成する。
【００３２】
図９に示すように、往き配管１にバイパス管路６１を設けるとともに往き配管１およびバイパス管路６１にそれぞれ流路切換え弁６２，６３を設け、バイパス管路６１に小型冷凍機の冷却部３２などの過冷却解除手段を設けてもよい。
【００３３】
さらに、過冷却解除手段は１個所に限らず、複数個所に設けてもよい。また、複数の種類の異なる過冷却解除手段を併用してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、プレート式や多管式などの熱交換器およびポンプを省略して、コスト低減および省エネルギーを達成できる空調システムおよびその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る吸収式冷凍機を有する空調システムの構成図。
【図２】本発明の他の実施例に係る圧縮式冷凍機を有する空調システムの構成図。
【図３】過冷却解除手段の一例を示す構成図。
【図４】過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図５】過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図６】過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図７】過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図８】過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【図９】過冷却解除手段の他の例を示す構成図。
【符号の説明】
１…往き配管
２…戻り配管
３…冷凍能力制御器
４…過冷却解除手段
５…空調負荷
６…輸送ポンプ
１０…吸収式冷凍機
１１…蒸発器
１２…凝縮器
１３…発生器
１４…冷却塔
１５…冷水ポンプ
２０…圧縮式冷凍機
２１…蒸発器
２２…凝縮器
２３…圧縮器
３１…小型冷凍機
３２…冷却部
３３…超音波発振器
３４…発振部
３５…水和物スラリ容器
３６…ポンプ
３７…注入口
３８…スタティックミキサー
３９…モータ
４０…攪拌羽根
５０…ポンプ
６１…バイパス管路
６２，６３…流路切換え弁
【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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