(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１２１）、凝縮器（１２２）、減圧器（１２３）および蒸発器（１２４）を有する蒸気圧縮式冷凍機（１２０）と、
液冷媒および蒸気冷媒を吸着する吸着剤（Ｓｉ）が収納された吸着器（１３１ｂ）を有する吸着式冷凍機（１３０）とを備え、
前記吸着器（１３１ｂ）は、１つだけ設けられており、
吸着状態にある前記吸着器（１３１ｂ）の冷却作用により前記凝縮器（１２２）を冷却するとともに、前記蒸発器（１２４）により被冷却体を冷却する状態と、前記凝縮器（１２２）にて発生する熱により前記吸着剤（Ｓｉ）を加熱して吸着された蒸気冷媒を脱離させるとともに、前記吸着剤（Ｓｉ）から脱離した蒸気冷媒を前記蒸発器（１２４）の冷却作用により凝縮させる再生状態とを一定時間毎に切り替えるようになっており、
前記吸着器（１３１ｂ）は、前記吸着剤（Ｓｉ）が配置された部位に設けられて、前記吸着剤（Ｓｉ）と熱交換媒体とを熱交換させる吸着剤熱交換器（１３２ｂ）、および、前記液冷媒が位置する部位に設けられて液冷媒と熱交換媒体とを熱交換させる水熱交換器（１３３ｂ）を有し、
さらに、前記凝縮器（１２２）にて加熱された熱交換媒体と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器（１３４）と、
前記蒸発器（１２４）にて冷却された熱交換媒体と被冷却体とを熱交換させる室内熱交換器（４０）と、
前記吸着剤熱交換器（１３２ｂ）と前記室外熱交換器（１３４）との間で熱交換媒体を循環させる流路、および、前記吸着剤熱交換器（１３２ｂ）と前記凝縮器（１２２）との間で熱交換媒体を循環させる流路を切り替える第１切替弁（１３６ａ、１３６ｂ）と、
前記水熱交換器（１３３ｂ）と前記凝縮器（１２２）との間で熱交換媒体を循環させる流路、および、前記水熱交換器（１３３ｂ）と前記蒸発器（１２４）側との間で熱交換媒体を循環させる流路を切り替える第２切替弁（１３６ｃ、１３６ｄ）と、
前記蒸発器（１２４）と前記室内熱交換器（４０）との間で熱交換媒体を循環させる流路、および、前記蒸発器（１２４）と前記水熱交換器（１３３ｂ）との間で熱交換媒体を循環させる流路とを切り替える第３切替弁（１３６ｅ、１３６ｆ）とを備えることを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
前記蒸発器（１１４）により冷却される蓄冷材（１５０）を有しており、
前記蓄冷材（１５０）は、前記再生状態のときに前記被冷却体を冷却することを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
【請求項３】
前記蓄冷材（１５０）は、物質の凝固融解を利用する潜熱蓄冷材であることを特徴とする請求項２に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒を圧縮蒸発させることにより冷却能力を得る蒸気圧縮式冷凍機と、略真空（０．１ｍｍＨｇ）に保持された吸着器内に蒸気冷媒を吸着する吸着剤および液冷媒を収納した吸着式冷凍機とを組み合わせた冷凍装置に関するもので、空調装置に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
蒸気圧縮式冷凍機と吸着式冷凍機とを組み合わせた冷凍装置としては、特開平３−１８６１６３号公報がある。そして、上記公報に記載の発明は、蒸気圧縮式冷凍機の廃熱（凝縮熱）により、吸着式冷凍機の再生（吸着剤に吸着された蒸気冷媒を脱離させる行為）効率の向上を図るものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、比較的小型の冷凍装置（一般家庭用または小型業務用空調装置等）では、蒸気圧縮式冷凍機からの廃熱温度が比較的低い（通常は約６０℃以下）ので、上記公報に記載の発明では、再生時に吸着剤および液冷媒を高い温度まで上げることができない。
【０００４】
したがって、上記公報に記載の発明では、吸着時と再生時との温度差が比較的小さいので、十分な冷凍能力を得ることが困難である。
本発明は、上記点に鑑み、蒸気圧縮式冷凍機と吸着式冷凍機とを組み合わせた冷凍装置において、少ない動力で十分な冷凍能力を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１に記載の発明では、圧縮機（１２１）、凝縮器（１２２）、減圧器（１２３）および蒸発器（１２４）を有する蒸気圧縮式冷凍機（１２０）と、液冷媒および蒸気冷媒を吸着する吸着剤（Ｓｉ）が収納された吸着器（１３１ｂ）を有する吸着式冷凍機（１３０）とを備え、吸着器（１３１ｂ）は、１つだけ設けられており、吸着状態にある吸着器（１３１ｂ）の冷却作用により凝縮器（１２２）を冷却するとともに、蒸発器（１２４）により被冷却体を冷却する状態と、凝縮器（１２２）にて発生する熱により吸着剤（Ｓｉ）を加熱して吸着された蒸気冷媒を脱離させるとともに、吸着剤（Ｓｉ）から脱離した蒸気冷媒を蒸発器（１２４）の冷却作用により凝縮させる再生状態とを一定時間毎に切り替えるようになっており、吸着器（１３１ｂ）は、吸着剤（Ｓｉ）が配置された部位に設けられて、吸着剤（Ｓｉ）と熱交換媒体とを熱交換させる吸着剤熱交換器（１３２ｂ）、および、液冷媒が位置する部位に設けられて液冷媒と熱交換媒体とを熱交換させる水熱交換器（１３３ｂ）を有し、
さらに、凝縮器（１２２）にて加熱された熱交換媒体と室外空気とを熱交換させる室外熱交換器（１３４）と、蒸発器（１２４）にて冷却された熱交換媒体と被冷却体とを熱交換させる室内熱交換器（４０）と、吸着剤熱交換器（１３２ｂ）と室外熱交換器（１３４）との間で熱交換媒体を循環させる流路、および、吸着剤熱交換器（１３２ｂ）と凝縮器（１２２）との間で熱交換媒体を循環させる流路を切り替える第１切替弁（１３６ａ、１３６ｂ）と、水熱交換器（１３３ｂ）と凝縮器（１２２）との間で熱交換媒体を循環させる流路、および、水熱交換器（１３３ｂ）と蒸発器（１２４）側との間で熱交換媒体を循環させる流路を切り替える第２切替弁（１３６ｃ、１３６ｄ）と、蒸発器（１２４）と室内熱交換器（４０）との間で熱交換媒体を循環させる流路、および、蒸発器（１２４）と水熱交換器（１３３ｂ）との間で熱交換媒体を循環させる流路とを切り替える第３切替弁（１３６ｅ、１３６ｆ）とを備える冷凍装置を特徴とする。
【０００６】
これにより、蒸気圧縮式冷凍機（１２０）の凝縮器（１２２）内の圧力を下げることができるので、蒸気圧縮式冷凍機（１２０）の圧縮機（１２１）の動力（圧縮仕事）を低減することができる。したがって、蒸気圧縮式冷凍機（１２０）と吸着式冷凍機（１３０）とを組み合わせた冷凍装置において、少ない動力で十分な冷凍能力を得ることができる。
【０００８】
さらに、吸着式冷凍機（１３０）における吸着器（１３１ｂ）を、１つだけ設ける構成としているので、冷凍装置の構成を簡素なものとして、冷凍装置の製造原価低減を図ることができる。ところで、請求項１に記載の発明では、一定時間毎に吸着状態と再生状態とを切り替えて運転するので、再生状態では被冷却体を冷却することができない場合がある。
【０００９】
そこで、請求項２に記載の発明では、蒸発器（１１４）により冷却される蓄冷材（１５０）を有するとともに、蓄冷材（１５０）は再生状態のときに被冷却体を冷却することを特徴とする。これにより、蓄冷材１５０により再生状態のときに室内空気の冷却をすることができる。請求項３に記載の発明のように、蓄冷材（１５０）は、物質の凝固融解を利用する潜熱蓄冷材であってもよい。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下説明する第１〜第３実施形態のうち、特許請求の範囲に記載した発明の実施形態は、第２、第３実施形態であり、第１実施形態は本発明の前提となる参考例を示す。
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る冷凍装置１００を室内の冷房を図る空調装置に適用したものであり、図１は本実施形態に係る冷凍装置１００の模式図である。図１中、１１０、１２０はフロンを冷媒とする第１、２蒸気圧縮式冷凍機であり、これら第１、２蒸気圧縮式冷凍機１１０、１２０は、周知のごとく、第１、２圧縮機１１１、１２１、第１、２凝縮器（放熱器）１１２、１２２、第１、２減圧器１１３、１２３、第１、２蒸発器１１４、１２４および第１、２アキュームレータ１１５、１２５を有して構成されている。
【００１２】
因みに、第１、２圧縮機１１１、１２１は電動モータ（図示せず）により駆動されるとともに、その回転数は電動モータを制御することにより行われ、第１、２減圧器１１３、１２３はキャピラリーチューブ等の固定絞り手段である。
また、蒸発器１１４、１２４は冷媒を蒸発させることにより冷凍能力を発揮するものであり、第１、２アキュームレータ１１５、１２５各々は蒸発器１１４から流出した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を第１、２圧縮機１１１、１２１の吸入側に流出するものである。
【００１３】
１３１ａ、１３１ｂは内部が略真空（０．１ｍｍＨｇ）に保持された第１、２吸着器であり、この第１、２吸着器１３１ａ、１３１ｂ内には、液冷媒（本実施形態では水）Ｌｒと、蒸発した液冷媒（水蒸気）を吸着する吸着剤（本実施形態ではシリカゲル）Ｓｉとが収納されている。
そして、吸着剤Ｓｉが配設されている部位には第１、２吸着剤熱交換器１３２ａ、１３２ｂが配設され、液冷媒Ｌｒが位置している部位には第１、２水熱交換器１３３ａ、１３３ｂが配設されており、各熱交換器１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂ内には熱交換媒体（本実施形態では水）が循環している。
【００１４】
また、１３４は室外に配設されて熱交換媒体と室外空気とを熱交換する室外熱交換器であり、１３５ａ〜１３５ｄは、熱交換媒体を循環させる第１〜４ポンプである。そして、各熱交換器１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂ、１３４、第１、２凝縮器１１２、１２２および第１、２蒸発器１１４、１２４間における熱交換媒体の流通状態の制御は、第１〜４四方弁１３６ａ〜１３６ｄを切り替え制御することにより行われる。なお、第１〜４四方弁１３６ａ〜１３６ｄおよび第１〜４ポンプ１３５ａ〜１３５ｄは、電子制御装置（図示せず）により作動制御されている。
【００１５】
そして、本実施形態では、第１、２吸着器１３１ａ、１３１ｂおよび各熱交換器１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂ、１３４等から吸着式冷凍機１３０が構成されている。
次に、冷凍装置１００の作動を述べる。
図１は第１吸着器１３１ａが吸着状態にあり、第２吸着器１３１ｂが再生状態にあるときを示しており、第１吸着器１３１ａ内では液冷媒Ｌｒの蒸発が進行するので、第１水熱交換器１３３ａを流通する熱交換媒体が冷却されて第２凝縮器１２２を冷却する。
【００１６】
このとき、第１吸着剤熱交換器１３２ａには、室外熱交換器１３４にて室外空気で冷却された熱交換媒体が流通しているので、吸着剤Ｓｉが冷却される。したがって、吸着剤Ｓｉの温度上昇が抑制されるので、吸着剤Ｓｉの吸着能力の低下を防止して、吸着式冷凍機１３０の冷却能力の低下を防止する。
一方、第２吸着剤熱交換器１３２ｂには、第１凝縮器１１２にて加熱された熱交換媒体が流通するので、第２吸着器１３１ｂの吸着剤Ｓｉは吸着した水蒸気を脱離する。また、第２水熱交換器１３３ｂには室外熱交換器１３４にて室外空気で冷却された熱交換媒体が流通しているので、脱離した水蒸気が凝縮して再生する。
【００１７】
そして、電子制御装置は、第１〜４四方弁１３６ａ〜１３６ｄを一定時間毎に切り替える制御することにより、両吸着器１３１ａ、１３１ｂが交互に吸着状態と再生状態とになるように制御している。因みに、図２は第２吸着器１３１ｂが吸着状態で第１吸着器１３１ａが脱離状態の場合の模式図である。
なお、図３は、吸着器１３１ａ、１３１ｂ内の吸着剤Ｓｉの状態を示す吸着等温線であり、吸着剤Ｓｉの水分吸着率は、図３に示すように、吸着剤Ｓｉの温度および液冷媒Ｌｒの温度によって決定される。そして、吸着剤Ｓｉは、Ａ点（再生状態）とＢ点（吸着状態）との差分の水分を吸着するととともに、その吸着水分量に対応する蒸発潜熱が吸着冷凍機１３０の冷凍能力となる。
【００１８】
因みに、図３から明らかなように、第１〜４四方弁１３６ａ〜１３６ｄを切り替える時間は、吸着剤Ｓｉの種類、吸着剤Ｓｉの粒径、吸着剤Ｓｉの充填量などによてって適宜選定されるものであるが、本実施形態では、約２〜１０分毎に切り替えている。
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００１９】
本実施形態によれば、吸着式冷凍機１３０により第２凝縮器１２２が冷却されるので、第２凝縮器１２２内の圧力を下げることができる。したがって、第２圧縮機１２１の動力（圧縮仕事）を低減することができるので、第１、２蒸気圧縮式冷凍機１１０、１２０と吸着式冷凍機１３０とを組み合わせた冷凍装置１００において、少ない動力で十分な冷凍能力を得ることができる。
【００２０】
以下、本実施形態の特徴を具体的な例を挙げて説明しておく。
図４の実線は第１蒸気圧縮式冷凍機１１０のモリエル線図であり、図４の破線は第２蒸気圧縮式冷凍機１２０のモリエル線図である。そして、図４から明らかなように、第１蒸気圧縮式冷凍機１１０の高圧側（第１凝縮器１１２側）圧力が０．８８［ＭＰａ］、低圧側（第１蒸発器１１４側）圧力が０．４６［ＭＰａ］であるので、成績係数（ＣＯＰ1 ）は約７．２である。同様に、第２蒸気圧縮式冷凍機１２０の高圧側（第２凝縮器１２２側）圧力が０．５９［ＭＰａ］、低圧側（第２蒸発器１２４側）圧力が０．３５［ＭＰａ］であるので、成績係数（ＣＯＰ2 ）は約９．９である。
【００２１】
ところで、本実施形態では、室内空気（被冷却体）の冷却は第２蒸発器１２４にて行うので、第２蒸発器１２４で必要とされる冷凍能力をＸ［Ｗ］とすれば、第２圧縮機１２１の動力は０．１Ｘ（＝Ｘ／ＣＯＰ2 ）［Ｗ］であり、第２凝縮器１２２で発生する熱量Ｑは｛Ｘ（１＋１／ＣＯＰ2 ）｝［Ｗ］となる。
そして、熱量Ｑは吸着式冷凍機１３０での冷凍能力に等しいので、吸着状態にある吸着器（１３１ａ）の水冷媒の蒸発潜熱に等しくなり、この蒸発潜熱は、再生状態にある吸着器（１３１ｂ）での蒸気冷媒の凝縮熱に等しい。したがって、熱量Ｑは第１蒸気圧縮式冷凍機１１０の冷凍能力に等しくなるので、第１圧縮機１１１の動力は０．１５Ｘ（＝Ｑ／ＣＯＰ1 ）［Ｗ］となり、合計動力は０．２５Ｘ「Ｗ］となる。
【００２２】
一方、１つの蒸気圧縮式冷凍機にてＸ［Ｗ］の冷凍能力を発揮するには、図５に示すように、高圧側圧力が１．１７［ＭＰａ］、低圧側圧力が０．３５［ＭＰａ］であるので、成績係数（ＣＯＰ）は約３．６である。したがって、１つの蒸気圧縮式冷凍機にてＸ［Ｗ］の冷凍能力を発揮するには０．２８Ｘ［Ｗ］必要とするので、本実施形態では約１０％の省動力化を図ることができる。
【００２３】
また、本実施形態では、第１蒸気圧縮冷凍機１１０は、吸着式冷凍機１３０（吸着器１３１ａ、１３１ｂ）の加熱及び冷却のみに使用していることに加えて、吸着状態にある吸着剤Ｓｉが冷却されているので、吸着剤Ｓｉの温度を吸着状態および再生状態のいずれの状態においても、等しい温度とすることができる（図３参照）。
【００２４】
したがって、吸着剤Ｓｉ自体の温度を変化させるに必要な熱量を必要としないので、吸着式冷凍機１３０の効率を向上させることができるので、さらに冷凍装置１００の効率を向上させることができる。
（第２実施形態）
本実施形態は、図６に示すように、第１蒸気圧縮式冷凍機１１０を廃止して蒸気圧縮式冷凍機を１つ（第２蒸気圧縮式冷凍機１２０のみ）とするとともに、吸着式冷凍機１３０の第１吸着器１３２ａを廃止して吸着器を１つ（第２吸着器１３２ｂのみ）としたものである。
【００２５】
そして、吸着状態にある吸着器１３２ｂの冷却作用により凝縮器１２２を冷却する場合と、凝縮器１２２にて発生する熱により吸着剤Ｓｉを加熱して吸着された蒸気冷媒を脱離再生する場合とを一定時間毎に切り替えることにより、疑似的に第１実施形態に係る冷凍装置１００と同等としたものである。なお、本実施形態では、蒸発器１２４と室内に配設された室内熱交換器１４０との間を熱交換媒体（本実施形態では水）を循環させて（ブライン式により）室内空気の冷却を図っている。因みに、１３６ｅ、１３６ｆは水熱交換器１３３ｂと蒸発器１２４との間で熱交換媒体を循環させる場合と、室内熱交換器１４０と蒸発器１２４との間で熱交換媒体を循環させる場合と切り替える四方弁である。
【００２６】
これにより、第１実施形態に係る冷凍装置１００と同等の効果を得ながら、冷凍装置１００の構成を簡素なものとして、冷凍装置１００の製造原価低減を図ることができる。
（第３実施形態）
第２実施形態では、一定時間毎に吸着状態と再生状態とを切り替えて運転するので、再生状態では室内空気を冷却することができない。
【００２７】
そこで、本実施形態では、図７に示すように、熱交換媒体の循環経路（本実施形態では室内熱交換器１４０の下流側）に蓄冷材１５０を配設している。
これにより、再生状態に、第２蒸発器１２４、室内熱交換器１４０および蓄冷材１５０間に熱交換媒体を循環させれば、蓄冷材１５０により室内空気の冷却をすることができる。
【００２８】
なお、蓄冷材１５０は、物質の凝固融解を利用する潜熱蓄冷材であり、本実施形態では、冷房温度（５℃〜１５℃）程度で凝固融解するポリエチレングリコールである。
ところで、上述の実施形態では、吸着剤Ｓｉとしてシリカゲルを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、吸着剤Ｓｉとして活性炭、ゼオライト、活性アルミナなどを用いてもよい。
【００２９】
また、上述の実施形態では、液冷媒として水を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、アルコール、フロンなど吸着剤Ｓｉに吸着されるものであれば、その他の物であってもよい。
また、上述の実施形態では、圧縮機１１１に液冷媒が吸入されることを防止すべく、アキュームレータ１２５を設けたが、アキュームレータ１２５を廃止して、減圧器１１３として、蒸発器１１４の出口側加熱度を所定値となるように減圧度（開度）を調節する温度式膨張弁を用いてもよい。なお、この場合に、凝縮器１１２の出口側にレシーバを設けてもよい。
【００３０】
また、上述の実施形態では、本発明に係る冷凍装置１００を空調装置に適用したが、本発明に係る冷凍装置は空調装置にその適用が限定されるものではなく、その他の物を冷却する冷凍装置としても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷凍装置において、第１吸着器が吸着状態にある場合の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る冷凍装置において、第２吸着器が吸着状態にある場合の模式図である。
【図３】吸着剤の状態を示す吸着等温線である。
【図４】蒸気圧縮式冷凍機のモリエル線図である。
【図５】蒸気圧縮式冷凍機のモリエル線図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る冷凍装置の模式図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る冷凍装置の模式図である。
【符号の説明】
１１０…第１蒸気圧縮式冷凍機、１１１…第１圧縮機、１１２…第１凝縮器、
１１３…第１減圧器、１１４…蒸発器、１１５…第１アキュームレータ、
１２０…第２蒸気圧縮式冷凍機、１２１…第２圧縮機、１２２…第２凝縮器、
１２３…第２減圧器、１２５…第２アキュームレータ、
１３０…吸着式冷凍機、１３１ａ…第１吸着器、１３１ｂ…第２吸着器、
１３２ａ…第１吸着剤熱交換器、１３２ｂ…第２吸着剤熱交換器、
１３３ａ…第１水熱交換器、１２３ｂ…第２水熱交換器、
１３４…室外熱交換器。
【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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