小山 繁 (())
SAHA Bidyut Baran (())
シャハ ビデュット バラン (())
CHAKRABORTY Anutosh (())
国立大学法人九州大学 (〒81 福岡県福岡市東区箱崎六丁目10番1号 Fukuoka, 〒8128581, JP)
KOYAMA Shigeru (())
小山 繁 (())
SAHA Bidyut Baran (())
シャハ ビデュット バラン (())
| 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。 |
| 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。 |
| 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。 |
| 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。 |
| 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。 |
| 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。 |
| 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。 |
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルと吸 式冷凍サイクルとが組み合わされてなるハ ブリッド式冷凍システムに関するものであ 。
特開平11-63719号公報(特許文献1)、特開平11-83
235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
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
に脱着する少なくとも一対の吸着器を有す
吸着式冷凍サイクルと組み合わせて、吸着
冷凍サイクルの性能を改善する技術が開示
れている。
従来のハイブリッド式冷凍システムの開 では、吸着式冷凍サイクルの性能を改善す ことに主眼が置かれており、蒸気圧縮式冷 サイクルにおける機械的仕事量を低減する 的のために、吸着式冷凍サイクルを活用す ことはほとんど検討されていなかった。
本発明の目的は、蒸気圧縮式冷凍サイク における機械的仕事量を低減することを可 にしたハイブリッド式冷凍システムを提供 ることにある。
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 蒸気圧縮式冷凍サイクル、冷媒を交互に吸 し且つ吸着した冷媒を交互に脱着する少な とも一対の吸着器を有する吸着式冷凍サイ ルが組み合わされて構成される。なお本願 細書においては、凝縮器は、ガスクーラを む概念である。本発明では、蒸気圧縮式冷 サイクルにおける圧縮機の圧縮圧力を低減 るように、吸着式冷凍サイクルを蒸気圧縮 冷凍サイクルに組み合わせる。その結果、 も効果的に、蒸気圧縮式冷凍サイクルにお る機械的仕事量を低減することができる。
蒸気圧縮式冷凍サイクルに吸着式冷凍サ クルを組み合わせて、蒸気圧縮式冷凍サイ 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 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。
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 きる。
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、 1圧縮機により圧縮された第1冷媒を凝縮す 第1凝縮器、第1凝縮器により凝縮された第1 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 器を備えている。また吸着式冷凍サイクル 、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 の吸着器、吸着器から脱着した第2冷媒を凝 する第2凝縮器、第2凝縮器により凝縮され 第2冷媒を膨張させる第2膨張器及び第2膨張 により膨張させられた第2冷媒を蒸発させる 2蒸発器を備えている。そして第1凝縮器を 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。
この発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイ 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 流量(冷凍能力)を大きくすることができる。
第1凝縮器を通る第1冷媒からの吸熱は、 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 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 置された、第3冷媒が循環する冷媒循環路を えた構造とすることもできる。このような 交換器を用いれば、吸着式冷凍サイクルに 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。
以下図面を参照して、本発明のハイブリッ 式冷凍システムの実施の形態を詳細に説明 る。本発明の実施の形態では、二酸化炭素( CO 2 )を冷媒として、蒸気圧縮式冷凍サイクルと 着式冷凍サイクルとを組み合わせて蒸気圧 式冷凍サイクルにおける機械的仕事量を低 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 化炭素は幅広い範囲への適用性を持ち、自 車用空調システムでも広範囲で利用可能で る。個々のサイクルでは一見低い効率が、2 のサイクルを組み合わせることで高効率と る。本実施の形態のハイブリッド式冷凍シ テムでは、自動車用空調機に適用するのに しており、吸着式冷凍サイクルはエンジン 熱で駆動される。
本実施の形態の二酸化炭素を用いたハイ リッド式冷凍システムの実施の形態を説明 る前に、蒸気圧縮式冷凍サイクル及び吸着 冷凍サイクルについて説明する。
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 器)3、受液器4,膨張器5および蒸発器6から構 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 ステムの構成が示されている。内部熱交換 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
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 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 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Maxso rb III(商標)]が吸着器11及び12内に充填されて 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 と加熱により、交互に吸着と脱着とを繰り す。図3の状況においては、冷媒(CO 2 )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 度が高濃度になるまで継続する。冷却水が 着熱を取り除くために用いられる。脱着器 して機能する吸着器(Bed2)11は駆動熱入力(排 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(Be d2)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 9における凝縮熱は冷却水によって除去され 。通常、吸・脱着の駆動時間は、240から600 間継続し、凝縮した冷媒液は規定のサイク に従い蒸発器10に戻る。蒸発が起こらない うにすべてのバルブ13乃至16を閉鎖している 間が約30秒間導入される。その後、すべて バルブを逆のモードにすることにより、完 に逆のサイクルが継続する。
図4は、図1の蒸気圧縮式冷凍サイクルと 3の吸着式冷凍サイクルとを組み合わせた本 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 に100の数を加えた数の符号を付してある。 4の第1の実施の形態のハイブリッド式冷凍 ステムは、蒸気圧縮式冷凍サイクル101にお る圧縮機102と凝縮器103との間に、圧縮機102 より圧縮された冷媒を交互に吸着し且つ吸 した冷媒を交互に脱着する少なくとも一対 吸着器111及び112並びに111″及び112″が位置 るように吸着式冷凍サイクル108を組み合わ ている。吸着式冷凍サイクル108では、吸着 111及び111″と吸着器112及び112″とが、交互 吸着及び脱着動作を行う。連続運転のため 、吸着サイクルのバッチ操作は、スウィッ ング期間とオペレーション期間と呼ばれる つの時間間隔を備えている。運転中、吸・ 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 器(吸着器111~112″のうち脱着動作にあるも )から脱着した流体を冷却し、そこで過冷液 なった流体は膨張器105を経て蒸発器106に戻 、冷凍サイクルを終了する。脱着を終えた 着器(吸着剤を含む)の機能は、外部排熱源 方向を切り替えるスウィッチングによって 復する。同時に、外部冷却もまた指定され 吸着器にスウィッチされ、同様に、圧縮機10 2と凝縮器103もまた各々の吸着器と脱着器(脱 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( 着する吸着器)と凝縮器103との間、冷却され 吸着器(吸着する吸着器)と圧縮機102との間 物質移動は無い。
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 記号を付してあるが、明細書中で使用でき 文字の制限の関係で、明細書中ではこれら 記号を括弧の中に数字を入れた「(1)~(4)」の 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 入口(4)に対応する位置に同じ記号[(1)~(4)]を してある。なお本実施の形態では、圧縮機1 02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 ることなく、中間圧力まで圧縮した冷媒を 着式冷凍サイクル108により中間圧力よりも 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 減することができる。
CO 2 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、CO 2 液冷媒が蒸発し[(4)→(1)]、(ii)気化したCO 2 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)″]。(i ii) 吸着式冷凍サイクル108における脱着によ 、圧縮されたCO 2 蒸気は熱的に圧縮される。(iv)ガスクーラ(ま は凝縮器)圧力で、ガスクーラ(または凝縮 )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。
図6は、図4に示した第1の実施の形態の変 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 態の冷凍サイクルを示す。図6には、図7の 凍サイクルに示した蒸発終了点(1)、中間圧 終了点(2)″、圧縮終了点(2)”、ガスクーラ( 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 器)103出口と蒸発器106の出口との間で用いら 、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、 発器106の出口温度はより上昇する。そして 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 果、圧縮器102による圧縮圧力を上げること く[(2)まで上げることなく]、蒸発器106で冷 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。
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 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 形態の構成では、蒸気圧縮式冷凍サイクル10 1と吸着式冷凍サイクル108との冷媒が共通し いるため、冷媒流路の途中にフィルタ装置 設置しなければ、吸着式冷凍サイクル108に いて冷媒に含まれてしまう可能性が高い機 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 グする必要性が生じる。そこで第3の実施の 態では、吸着器(211及び212,211″及び212″)を 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 蒸気圧縮式冷凍サイクル201は、第1冷媒を圧 する第1圧縮機202、第1圧縮機202により圧縮 れた第1冷媒を凝縮する第1凝縮器203、第1凝 器203により凝縮された第1冷媒を膨張させる 1膨張器205及び第1膨張器205により膨張させ 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 媒を交互に脱着する少なくとも一対の吸着 (211及び212,211″及び212″)、吸着器から脱着 た第2冷媒を凝縮するガスクーラ(または第2 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 せられた第2冷媒を蒸発させる第2蒸発器222 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 直接熱交換するものでも、また別の冷媒を む循環路を両者の間に配置して熱交換する のでもよく、その構成は任意である。本実 の形態では、第1凝縮器203を通る第1冷媒か 第2蒸発器222を介して吸熱するように吸着式 凍サイクル208を蒸気圧縮式冷凍サイクル201 組み合わせている。
図9には、図8の実施の形態の冷凍サイク 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 、第1凝縮器206を通る第1冷媒から第2蒸発器22 2を介して吸熱することにより、蒸気圧縮式 凍サイクル201の膨張器入口(3)″と蒸発器入 (4)″の比エンタルピーを下げる(小さい値に 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 、第1圧縮機202の圧縮圧力(圧縮仕事)を大き 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 きる。
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 実施の形態の構成部材と同様の構成部材に 、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 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 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 のエンジン327の排熱で再生される構造を有 ている。エンジン327と一対の吸着器311及び31 2との間には、脱着の際にエンジン327および ジエーター325を交互に吸着器311及び312と接 するためのバルブ326及び329が配置されてい 。この具体例では、第3の実施の形態と同様 、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 312に油が混入しないように吸着器を運転す ために使用される。また凝縮器309は第2蒸発 310で吸熱した熱を外部に放熱するために用 られる。
以下上記各実施の形態の性能を確認するた
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
線の実験データである。「S. Himeno, T. Komats
u and S. Fujita, High-pressure adsorption equilibria
of methane and carbon dioxide on several activated c
arbons, J. Chem. Eng. Data 50 (2005), 369-376」の
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CO 2
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
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、CO 2
の吸着量はMaxsorb III 1kgあたり最大1.5kgにな
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. Adso
rption 5 (1999), 215-227.」、「A. Kapoor and R.T.
Yang, Kinetic Separation of Methane-Carbon Dioxide Mix
ture 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-Asta
khov 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
CO 2
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
た冷凍冷却システムの実験データと良好な
致を示している。そこで、Langmuirの式を等
線パラメータや吸着熱を見積もるために用
た。実験において用いたLangmuirの式は以下の
通りである。
ここで、Wは吸着体積、W 0
は微細孔への最大吸着体積、Kは非常に吸着
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
のように表すことができる。
ここで、Rはガス定数、Tは平衡温度、K 0 は係数、δH ads 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。
図12は、三つの異なる圧縮機出口圧力に対 る二酸化炭素を用いた単純な遷臨界サイク のP-T(圧力-温度)線図を示す。これと一致す 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CO 2 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 ことを示している。
蒸気圧縮式冷凍機の理論COP(成績係数)は以
の式で与えられる。
ここで、Q ref は冷凍能力、W comp 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CO 2 の比エンタルピーである。図13は、蒸気圧縮 冷凍サイクルのP-T(圧力-温度)線図を示す。 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。
異なるガスクーラ(または凝縮器)温度に する圧縮機出口圧力の関数としての成績係 (COP)を図14に示す。図14のA乃至Cは、図12及び 13の蒸気圧縮式冷凍サイクルのP-T及びP-h線 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 る。
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 するとCOPが低下することに注意すべきであ 。図14において、「蒸気圧縮」は図1の一般 な蒸気圧縮式冷凍サイクルの解析結果であ 、「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。
図15及び図16は、異なる吸着温度(308K,313K 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 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 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 加されると、COP(成績係数)はガスクーラ(凝 器)温度と脱着圧力によっては10以上になる とが図16に示されている。
熱的圧縮機を設計するために、吸着剤の量 計算することは非常に重要である。異なる 着温度(308K,313K及び318K)と脱着圧力に対する 燥Maxsorb III単位質量あたりのCO 2 の質量に基づく冷媒量を図17に示す。図17に いて、Aは図4に示した第1の実施の形態のハ 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 ド式冷凍システムの解析結果を示す。この 析より、必要とされる冷却能力に対するMaxso rb IIIの量を容易に見積もることができる。 部熱交換器IHEが無い場合(図18)および有る場 (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 らの図を用いることにより、複合すること よって節約されるエネルギー量を容易に計 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 凍システムの四つの異なる圧縮機吐出圧力(6 0、 65、 70 and 75 bars)に対する冷却能力、CO P(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=9 4bars及びZ=110barsが示され、Yは最適点として選 ばれた。
図22には、図4に示したハイブリッド式冷 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 る。図22において、圧縮機出口圧力は60barで り、ガスクーラ温度は35℃である。
最適条件での図4および図6に示したハイ リッド式冷凍システムの性能は図25及び図26 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 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。
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 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=94ba rsにおけるハイブリッド式冷凍システムのP-h 図であり、図23においてサイクル1-2-3-4-5は60 bar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 における線図である。
上記実験データは、本発明のハイブリッ 型冷凍システムは、高効率であるばかりで く、高い冷凍効果をもたらすこと、および 縮機やバルブに起因する問題を排除できる とを示している。よって本発明のハイブリ ド型冷凍システムは、自動車用空調システ およびヒートポンプシステムに十分に適用 可能である。
本願明細書中に記載された、いくつかの 明の構成を列記すると以下のとおりになる
(1) 冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機に り圧縮された前記冷媒を凝縮する凝縮器、 記凝縮器により凝縮された前記冷媒を膨張 せる膨張器及び前記膨張器により膨張させ れた前記冷媒を蒸発させる蒸発器からなる 気圧縮式冷凍サイクルにおける前記圧縮機 前記凝縮器との間に、前記圧縮機により圧 された前記冷媒を交互に吸着し且つ吸着し 前記冷媒を交互に脱着する少なくとも一対 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 縮し、前記中間圧力まで圧縮した前記冷媒 前記吸着式冷凍サイクルにより前記中間圧 よりも高い圧力まで昇圧することを特徴と るハイブリッド式冷凍システム。
(2) 第1冷媒を圧縮する第1圧縮機、前記第1圧
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
記第1冷媒を膨張させる第1膨張器及び前記
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
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
対の吸着器、前記吸着器から脱着した前記
2冷媒を凝縮する第2凝縮器、及び前記第2凝
器により凝縮された前記第2冷媒を膨張させ
第2膨張器及び前記第2膨張器により膨張さ
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
2蒸発器を介して吸熱するように前記吸着式
凍サイクルが前記蒸気圧縮式冷凍サイクル
組み合わされていることを特徴とするハイ
リッド式冷凍システム。
(3)第1凝縮器と前記第2蒸発器との間に熱交 器が構成されている上記(2)に記載のハイブ ッド式冷凍システム。
(4)前記熱交換器は、前記第1凝縮器と前記 2蒸発器との間で直接熱交換するように構成 れている上記(3)に記載のハイブリッド式冷 システム。
(5)前記熱交換器は、放熱器を備え前記第1 縮器及び前記第2蒸発器との間で熱交換する 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。
本発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイク における圧縮機の圧縮圧力を低減するよう 、吸着式冷凍サイクルを蒸気圧縮式冷凍サ クルに組み合わせるので、最も効果的に、 気圧縮式冷凍サイクルにおける機械的仕事 を低減することができる。
