(57)【要約】【課題】  設備の大型化を伴わずに、再生エネルギーを低減し、かつ、冷凍能力を増加させ、エネルギー効率を向上させた吸着式冷凍機およびそれに用いる吸着材を提供することである。  【解決手段】  冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発した冷媒を吸着する吸着材を装填し、吸着材の加熱手段と冷却手段とをそれぞれ備えた吸着器と、この吸着器から脱着した冷媒を凝縮する凝縮器とからなる吸着式冷凍機において、前記冷媒に水を用い、相対圧(P/P0)が0.14〜0.2の間で吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）以上変化する吸着材を装填し、吸着量が0.04kg／吸着材(１kg）以上の領域で吸着スイング操作および脱着操作を行なうようにしたのである。このようにすれば毛管凝縮の領域で吸・脱着操作が行なわれるため、吸着熱が抑制され、再生に要する加熱量も少なくなり、冷凍能力およびエネルギー効率が向上する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を蒸発させる蒸発器と、吸着材を充填し、吸着材の加熱手段と冷却手段とをそれぞれ備えた吸着器と、この吸着器から脱着した冷媒を凝縮する凝縮器とからなり、一方の吸着器が前記冷却手段により冷却されて蒸発器からの冷媒の蒸気を吸着し、他方の吸着器が前記加熱手段により加熱されて吸着材が再生され、前記吸着器が交互に吸着器および再生器として用いられる吸着式冷凍機において、前記冷媒が水であり、相対圧(P/P0)が0.14〜0.20の間で吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）以上変化する吸着材を充填したことを特徴とする吸着式冷凍機。
【請求項２】
前記加熱手段が５０〜２００℃の温度域にある排熱を温熱源として用い、前記冷却手段が冷却塔によって得られる３０〜４０℃の温度域にある冷却水を冷熱源として用いる請求項１に記載の吸着式冷凍機。
【請求項３】
請求項１に記載の吸着式冷凍機の運転方法であって、吸着器に充填された吸着材の吸着量が0.04kg／吸着材(１kg）以上の領域で吸着スイング操作および脱着操作を行なうことを特徴とする吸着式冷凍機の運転方法。
【請求項４】
冷媒として水を用いる吸着式冷凍機用の吸着材であって、前記吸着材の細孔内構造が高規則性のものであり、少なくとも３×１０5ｍ2／吸着材(１kg)以上の比表面積を有し、相対圧0.14〜0.20の範囲で吸着量スイング量が0.05kg／吸着材(1kg)以上の性能を有することを特徴とする吸着式冷凍機用の吸着材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧力スイング法により冷凍能力を高めた吸着式冷凍機とその運転方法、およびこの吸着式冷凍機に使用する吸着材に関する。
【背景技術】
【０００２】
吸着式ヒートポンプは、シリカゲルや活性炭などの固体吸着材への、水やアルコールなどの作動媒体（冷媒）の吸着および脱着現象に付随して起こる相変化を利用して、熱の汲み上げを行なう装置である。図１は、この吸着式ヒートポンプを吸着式冷凍機として使用する例を示したもので、冷媒を蒸発させる蒸発器１と、シリカゲルなどの固体の吸着材を充填した２つの吸着器、即ち吸着塔２、３と、凝縮器４とを備え、これらの装置系内は減圧密閉され、前記吸着塔２、３は、冷媒蒸気、即ち、水を冷媒に用いた場合の水蒸気を吸着する吸着塔と、吸着した水分（水蒸気）を脱着する再生器、即ち再生塔とに一定運転時間毎に交互に切り替えて使用される。いま、図１に示したように、吸着塔２が吸着器として使用され、吸着塔３が再生器として使用されている場合、即ち、バルブＶ１、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ１１、Ｖ１２が開状態で、塗りつぶしたバルブＶ２、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０が閉状態の場合、再生器側の吸着塔３の熱交換器５内を流れる、例えば、５５〜７５℃程度の温水がシリカゲルなどの固体の吸着材を加熱して前に吸着されていた水分を脱着する。この脱着水蒸気がバルブＶ４を介して、冷却塔６によって例えば、３０〜３７℃程度に冷却された冷却水が通過する熱交換用パイプを備えた凝縮器４に移動する。そして、凝縮器４内の前記熱交換用パイプにより冷却されて凝縮し、凝縮水は冷却塔６で冷却され、図示を省略した凝縮水配管を介して蒸発器１に移動する。この蒸発器の水は、蒸発器１中の冷水が通過する熱交換用パイプに降りかかると、沸騰蒸発し、このときの気化熱で前記熱交換用パイプ内の冷水は抜熱されて急速に温度が低下する。一方、蒸発器１で気化した水蒸気は、バルブＶ１を介して吸着塔２内に流入し、冷却塔６からバルブＶ３を介して冷却水が供給される吸着塔２側の熱交換器５ａで、吸着熱が除去されながら吸着材に吸着される。塗りつぶしたバルブＶ２、Ｖ３、Ｖ７、Ｖ８、Ｖ９、Ｖ１０が開状態、バルブＶ１、Ｖ４、Ｖ５、Ｖ６、Ｖ１１、Ｖ１２が閉状態となるようにバルブを切り替えると、吸着塔２が再生器として使用され、吸着塔３が吸着器として使用される。以下、このサイクルが基本となって繰り返される。吸着開始時または再生開始時において吸着器、再生器内の水蒸気圧を吸着または再生しやすいように冷却・予熱工程を考慮したサイクルも行われる。このようにして、蒸発器１内を通過する熱交換用パイプから、その内部で急速に温度降下した冷水を外部へ供給することができる。なお、前記熱交換器５、５ａは、例えば、冷却水または温水流路と吸着材充填層が交互に積層されたフィンタイプのものが組み込まれ、吸着材はフィン空間に所要量充填される。
【０００３】
前記吸着式冷凍機では、従来の圧縮式ヒートポンプのようにコンプレッサーの大型化、高圧縮比化などの設備上のデメリット伴わずに、冷媒として環境負荷を伴わない水を用いることができる。一般に、吸着および脱着現象に付随した相変化を利用した吸着式の冷凍機等では、吸着材の吸着特性は作動媒体、即ち冷媒との組み合わせで決まり、冷媒に水を用いた場合には、吸着材としては通常、シリカゲルが適合する。このシリカゲル−水系の吸着式冷凍機では、１００℃以下の排熱などの温熱源のみでの駆動が可能であるが、吸着量差を大きくとれず、このため、冷熱出力が限られる。また、１００℃以下の温熱源の場合でも、排熱の温度が高くなると、この温熱源で再生した吸着器での吸着工程では、低い相対圧(P/P0)（P:吸着器内の水蒸気分圧、P0:７℃における飽和水蒸気圧）の状態で吸着が行なわれるため、吸着材のシリカゲルに吸着質、即ち冷媒の水が直接細孔内表面に吸着される状態に近く、その結合エネルギーは毛管凝縮により吸着される場合に比べて大きくなる。このため、脱着に要する加熱量および吸着時の吸着熱量が大きくなり、吸着器内の熱交換器の伝熱面積もそれにあわせて大きくする必要があり、設備の大型化およびエネルギー効率の低下を招く。
【０００４】
一方、少ない再生熱量で十分な冷凍能力を得て、エネルギー効率（成績係数）を向上させた吸着式冷凍機として、直列に配置された２台の吸着器と１台の熱交換器からなる空調ラインを、連続的な冷房が可能となるように２系列設けた吸着式冷凍機が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この吸着式冷凍機では、一方の空調ラインの前記２台の吸着器で除湿加熱された空調用空気が、前記熱交換器で湿度一定の状態で冷却された後、脱着工程にある他方の空調ラインの１台の吸着器で加湿冷却されて空調空間に送り出される。この加湿冷却により、前記１台の吸着器では外部から熱エネルギーを供給せずに脱着が可能となり、得られる冷凍能力に対して、必要再生熱量を少なくできる利点がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−９１０９０号公報（［００１９］〜［００３２］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、シリカゲル−水系の吸着式冷凍機では、前述のような問題点があり、また、特許文献１に開示された、必要再生エネルギーを少なくできる吸着式冷凍機では、十分な冷凍能力を得るために、一つの空調ライン、即ち吸着工程に複数の吸着器を配置する必要があり、設備が大型化するなどの問題を伴う。
【０００７】
そこで、この発明の課題は、設備の大型化を伴わずに、再生エネルギーを低減し、かつ、冷凍能力を増加させ、エネルギー効率を向上させた吸着式冷凍機およびそれに用いる吸着材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【０００９】
即ち、冷媒を蒸発させる蒸発器と、吸着材を充填し、吸着材の加熱手段と冷却手段とをそれぞれ備えた吸着器と、この吸着器から脱着した冷媒を凝縮する凝縮器とからなり、一方の吸着器が前記冷却手段により冷却されて蒸発器からの冷媒の蒸気を吸着し、他方の吸着器が前記加熱手段により加熱されて吸着材が再生され、前記吸着器が交互に吸着器および再生器として用いられる吸着式冷凍機において、前記冷媒が水であり、相対圧(P/P0)が0.14〜0.20の間で吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）以上変化する吸着材を充填したのである。ここで、相対圧(P/P0)は、吸着器に充填された吸着材表面温度における飽和水蒸気圧P0に対する、蒸発器内の雰囲気温度での飽和水蒸気圧Pの比率であり、ここでは、蒸発器内の雰囲気温度を７℃と想定している。
【００１０】
上記の狭い相対圧(P/P0)が0.14〜0.20の間で吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）以上変化する吸着材、即ち理想吸着材を充填すれば、この低く、狭い相対圧間で圧力スイングさせて吸着操作を行なうことにより、発生する吸着熱を抑制することができるため、吸着時の吸着器、即ち吸着材充填層の冷却水流量を低減でき、また、比較的低温の排熱などを用いた温熱源により吸着した水分の脱着を容易に行なうことができる。
【００１１】
ここで相対圧(P/P0)を0.14〜0.20の範囲に、また吸着スイング量を0.05kg／吸着材（１kg）以上にそれぞれ限定した理由について説明すると次のようになる。前記吸着式冷凍機において7〜12℃の冷熱を得るためには、吸着時の吸着材温度が吸着器の冷却水温度である30〜35℃に依存し、吸着時の相対圧(P/P0)は0.2が最大となる。一方、吸着スイング量を向上させるために相対圧(P/P0)を0.14より小さくすると、再生時の吸着材をより高い温度にする必要があり、装置内の顕熱損失が増加すること、および吸着材の乾燥度が高くなったことによる吸着時の結合エネルギーが大きくなる。このため、脱着に要する加熱量および吸着時の吸着熱量が大きくなり、吸着器内の熱交換器の伝熱面積もより大きくする必要が生じる。また、前記吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）以上変化する吸着材を充填すれば、通常のシリカゲルを吸着材として用いる場合に比べて、冷凍能力を著しく向上させることができるが、吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）よりも小さくなると、冷凍能力の向上効果が減少する。
【００１２】
このように吸着操作に圧力スイング法を用い、上記の低い相対圧間で、開始吸着量が0.04kg／吸着材（１kg）、吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）以上変化する吸着材を充填すれば、発生する吸着熱が抑制され、脱着に要するエネルギーも少なくて済み、通常のシリカゲルを吸着材として用いる場合に比べて、冷凍能力およびエネルギー効率を著しく向上させることができる。
【００１３】
図２は、吸着式冷凍機に上述の理想吸着材Ａf、および通常のシリカゲルＡsを充填したときに、それぞれの吸着等温線に対して、吸着スイング操作を行なう相対圧（P/P0）の範囲における吸着スイング量Δｑを比較して示したものである。この吸着式冷凍機の運転条件を表１に示す。なお、理想吸着材Ａfの吸着等温線は理論計算に基づくものであり、その細孔構造は均一、即ち高規則性であるものが望ましい。また、シリカゲルＡsの吸着器温線は２５℃における実測値に基づくものである。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
図２から、相対圧(P/P0)が0.14から0.20の範囲に収まる理想のスイング位置で吸着操作を行なうことによって、理想吸着材Ａfを充填した場合は、吸着量が0.095〜0.180kg／吸着材(kg)の高吸着量域での吸着スイング量が実現し、0.085kg/吸着材(1kg)の高い吸着量が得られる。これに対し、シリカゲルＡsを充填した場合には、吸着スイング域が0.075〜0.080kg／吸着材(1kg)での0.005kg/吸着材(1kg)の低い吸着量しか得られない。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
表２は、理想吸着材Ａfを充填した吸着式冷凍機の冷凍能力を、従来のシリカゲルＡsを充填した場合と比較して示したものである。吸着材の充填量が同程度の場合には理想吸着材Ａfを充填することにより、冷凍能力を９倍程度高めることが可能であることがわかる。
【００１８】
前記加熱手段が５０〜２００℃の温度域にある排熱を温熱源として用い、前記冷却手段が冷却塔によって得られる３０〜４０℃の温度域にある冷却水を冷熱源として用いることが望ましい。
【００１９】
前記相対圧(P/P0)が0.14〜0.20の間で吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）以上変化する性能を有する吸着材は、上記温度範囲の、工場からの排蒸気や排温水を温熱源として脱着が可能であり、また、吸着工程での吸着熱が抑制されるため、冷却塔によって通常得られる上記温度域の冷却水で吸着熱を除去し、吸着器内を所要の温度以下に保つことができる。
【００２０】
上述の吸着式冷凍機の運転方法であって、吸着器に充填された吸着材の吸着量が0.04kg／吸着材(１kg）以上の領域で吸着スイング操作および脱着操作を行なうことが望ましい。
【００２１】
このように、吸着材の細孔構造が高規則性を有するものであって、吸着量が0.04kg／吸着材(１kg）となる領域では、吸着材の細孔内表面の大半が吸着質、即ち冷媒の水で覆われる状態にある。この状態から吸着スイング操作を行なえば、毛管凝縮の領域で吸着および脱着が行なわれることになり、吸着時および脱着時に、冷却および加熱に必要な熱量がより少なくて済み、より低エネルギーで吸着冷凍機を運転することができ、エネルギー効率が向上する。なお、ここで、吸着量の下限を0.04kg／吸着材(１kg）としたのは、前記の低相対圧(P/P0) 0.14〜0.20間で前記吸着スイング量が0.05kg／吸着材（１kg）以上変化する吸着材では、0.04kg／吸着材(１kg）以上の吸着量領域で吸着スイング操作を開始する方がより吸着量を多くとることができて冷凍能力が向上し、また、0.04kg／吸着材(１kg）以上の吸着領域で吸着スイング操作を行なうことにより、前述の温熱源の温度範囲（５０〜２００℃）では、その温度にかかわらず所要の脱着が行なえて、冷凍能力が低下しないためである。
【００２２】
なお、前記吸着スイング操作の開始および終了のタイミングは、予め測定した吸着材の吸着等温線、吸着器内に充填された吸着材ＡPの温度および蒸発器内の雰囲気温度の測定値に基づいて制御することができる。
【００２３】
冷媒として水を用いる吸着式冷凍機用の吸着材であって、前記吸着材の細孔内構造が高規則性のものであり、少なくとも３×１０5ｍ2／吸着材(1kg)以上の比表面積を有し、相対圧(P/P0)0.14〜0.20の範囲で吸着量スイング量が0.05kg／吸着材(1kg)以上の性能を有することが望ましい。
【００２４】
前記吸着材の比表面積が３×１０5ｍ2／吸着材(1kg)よりも小さいと、0.05g／吸着材(1g)以上の吸着スイング量が得られなくなる。また、この比表面積の上限はおよそ１５×１０5ｍ2／吸着材(1kg)程度とすることが望ましい。比表面積が大きくなりすぎると、操作相対圧において吸着材の細孔表面が冷媒の水で覆われない部分が生じ、この状態から吸着スイング操作を開始すると、吸着材に冷媒の水が直接吸着される状態となり、その結合エネルギーは毛管凝縮により吸着される場合に比べて大きくなるため、吸着時の吸着熱量および脱着に要する加熱量が大きくなり、エネルギー効率が低下する。なお、前述のように、相対圧(P/P0) 0.14〜0.20の範囲で吸着開始時の吸着量が0.04kg／吸着材(1kg)以上の性能を有すれば、発生する吸着熱が抑制され、脱着に要するエネルギーも少なくて済み、通常のシリカゲルを用いる場合に比べて、冷凍能力およびエネルギー効率を著しく向上させることができる。
【００２５】
前記構造および吸着特性を有する理想吸着材Ａfを実現する材料としては、製造工程で細孔構造を細孔径2nm以下に調整した高規則性シリカやゼオライトなどを挙げることができる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明では、低い相対圧(P/P0)0.14〜0.20の範囲で吸着量スイング量が0.05g／吸着材(1g)以上変化する性能を有する吸着材を吸着式冷凍機に充填するようにしたので、発生する吸着熱が抑制され、脱着に要するエネルギーも少なくて済み、冷凍能力およびエネルギー効率を著しく向上させることができる。
【００２７】
また、前記吸着冷凍機を、吸着量が0.04kg／吸着材(１kg）以上となる領域において吸着スイング操作を開始するように運転することにより、毛管凝縮領域の多くを利用して吸着および脱着操作が行なわれるため、吸着時および脱着時に、冷却および加熱に必要な熱量がより少なくて済み、冷凍能力およびエネルギー効率向上に寄与する。そして、脱着時の加熱に必要な熱量がより少なくて済むため、冷凍能力が温熱源の温度の影響を受けずに済む。
【００２８】
さらに、前記吸着式冷凍機は、工場からの通常の排蒸気や排温水を温熱源として脱着を行なうことができ、また、通常の冷却塔で得られる温度域の冷却水を吸着熱の除去に用いることができるため、特別の設置環境を要せず、簡便に運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下に、この発明の実施形態を実施例に示した図３から図７に基づいて説明する。なお、実施形態の吸着式冷凍機の装置構成は、吸着塔２、３（図１参照）に充填される実施形態の新規吸着材ＡP以外は、図１に示した吸着式冷凍機と同様である。
【実施例】
【００３０】
図３は、２５℃で実測した、実施形態の新規吸着材Ａpの吸着等温線を示したもので、この新規吸着材Ａpは、テンプレートとしてdouble-chain タイプの２種類の界面活性剤を用い、水熱合成法により作製したメソポーラスシリカである。再生終了時から吸着終了時までの吸着式冷凍機の操作相対圧(P/P0)0.14〜0.20の運転範囲において、吸着量が0.04kg／吸着材（1kg）以上となる領域で、0.05kg／吸着材（1kg）の吸着スイング量Δｑが実現されていることがわかる。
【００３１】
図４は、前記新規吸着材Ａpと通常の吸着材Ａs（シリカゲル）をそれぞれ充填した吸着式冷凍機を、相対圧(P/P0)0.14〜0.20の範囲で圧力スイング法を用いて運転、即ち吸着操作したときの、吸着時間に対する吸着量Δｑを比較したもので、吸着時間が経過するにつれて、新規吸着材Ａpの吸着能力の方が、シリカゲルよりも優れることがわかる。
【００３２】
図５は、新規吸着材Ａpと通常の吸着材Ａs（シリカゲル）をそれぞれ充填した相対圧(P/P0)0.14〜0.20の範囲での吸着式冷凍機の運転時に、日中の冷熱出力の変化により、蒸発器１（図１参照）からの冷水の供給温度が７〜１４℃の範囲で変動した場合の、吸着時間に対する吸着量Δｑを比較したもので、吸着量、即ち吸着能力は、新規吸着材Ａpの方がシリカゲルよりも８〜２１％程度優れていることがわかる。
【００３３】
図６は、新規吸着材Ａpと通常の吸着材Ａs（シリカゲル）をそれぞれ充填した相対圧(P/P0)0.14〜0.20の範囲での吸着式冷凍機の運転時に、温熱源の温度変動により再生温度が変化した場合の、新規吸着材Ａpと通常の吸着材Ａs（シリカゲル）の再生温度に対する吸着量Δｑを比較した一例を示したもので、新規吸着材Ａpの方がシリカゲルよりも平均で１５％程度吸着量、即ち吸着能力が優れていることがわかる。
【００３４】
図７は、同様に、新規吸着材Ａpと通常の吸着材Ａs（シリカゲル）をそれぞれ充填した相対圧(P/P0)0.14〜0.20の範囲での吸着式冷凍機の運転時に、吸着時間の変化に対する冷熱出力を比較したものである。新規吸着材Ａpの方がシリカゲルに比べて冷熱出力が高く、ピークの冷熱出力が１４％程度優れている。
【００３５】
このように、吸着式冷凍機に前記低相対圧間で吸着スイング量が0.05kg／吸着材（1kg）以上変化する吸着材を充填し、圧力スイング法を用いて吸着操作を行なうことにより、シリカゲルなどの従来の吸着材を充填する場合に比べて、吸着量が増加して冷凍能力を著しく向上させ、かつ、再生に必要な加熱量を少なくすることができ、冷凍機のエネルギー効率が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
この発明の吸着式冷凍機は、所要の吸着材を充填すれば、圧力スイング法を用いた吸着操作によって冷凍能力およびエネルギー効率を向上させることができ、産業分野のプロセス冷却工程への安定した、低コストの冷水供給源などとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】吸着式冷凍機の説明図である。
【図２】吸着式冷凍機での吸着スイング操作を行なう相対圧（P/P0）の範囲と吸着スイング量Δｑの関係を示す説明図である。
【図３】新規吸着材（Ａp）の吸着等温線の説明図である。
【図４】新規吸着材（Ａp）と従来のシリカゲルとの吸着時間に対する吸着量を比較した説明図である。
【図５】同上の蒸発器温度に対する吸着量を比較した説明図である。
【図６】新規吸着材（Ａp）と従来のシリカゲルとの再生温度に対する吸着量を比較した説明図である。
【図７】新規吸着材（Ａp）を充填した実施形態の吸着式冷凍機とシリカゲルを充填した吸着式冷凍機との冷熱出力を比較した説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１：蒸発器              ２、３：吸着塔          ４：凝縮器
５、５ａ：熱交換器          ６：冷却塔
【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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