JP2013181666A

JP2013181666A - 空気調和システム

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Publication number: JP2013181666A
Application number: JP2012043786A
Authority: JP
Inventors: Akira Okuyama; 亮奥山
Original assignee: Fujitsu General Ltd
Current assignee: Fujitsu General Ltd
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-12
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: JP5974541B2

Abstract

【課題】夏などのように外気温が高い場合であっても、効率のよい冷房運転を実現するにあたり、エンジンなどの排熱利用を前提とせず、消費電力の増大も回避できる空気調和システムを提供すること。
【解決手段】主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを備える空気調和システム１Ａであって、主冷凍サイクルを蒸気圧縮式冷凍サイクル１０、過冷却用冷凍サイクルを吸着式冷凍サイクル２０とし、室外熱交換器１２から膨張弁１３に至る主冷凍サイクルの冷媒流路に、主冷凍サイクルの主冷媒と過冷却用冷凍サイクルの副冷媒との間で熱交換を行ない、主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器１７を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、主冷凍サイクルの冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを備える空気調和システムに関する。

蒸気圧縮式冷凍サイクルを備える空気調和システムが広く普及している。しかしながら、この種の空気調和システムでは、夏などのように外気温が高い場合、冷房運転の効率が低下するという問題があった。特に、超臨界で作動する二酸化炭素（以下、適宜ＣＯ２という。）を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクルの空気調和システムでは、冷房運転における効率の低下が顕著であった。

そこで、上記の問題を解決するために、蒸気圧縮式冷凍サイクルの冷媒を過冷却し、冷房運転の効率を改善することが提案されている。例えば、特許文献１には、二酸化炭素を冷媒とする蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、過冷却用の熱交換器（内部熱交換器）を設けることが示されている。しかしながら、この熱交換器は、低圧側の冷媒と高圧側の冷媒との間で熱交換を行なうに過ぎないので、冷凍サイクルの運転状態によっては、十分な過冷却を行なうことができないという問題があった。

さらに、上記の問題を解決するために、主冷凍サイクルの冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを設けることが提案されている。例えば、特許文献２には、過冷却用冷凍サイクルとして蒸気圧縮式冷凍サイクルを設けることが示されており、特許文献３には、過冷却用冷凍サイクルとして吸収式冷凍サイクルを設けることが示されている。

特開２００１−１０８３０８号公報特開２００９−２９９９０９号公報特開２００９−９２３１７号公報

しかしながら、特許文献２に示されるように、過冷却用冷凍サイクルとして蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いる場合は、主冷凍サイクルの圧縮機とは別に、過冷却用冷凍サイクルの圧縮機を増設する必要があるので、消費電力が大きくなるという問題があった。

一方、特許文献３に示されるように、過冷却用冷凍サイクルとして吸収式冷凍サイクルを用いる場合は、圧縮機を増設する必要はないので、特許文献２のものに比べ、消費電力を抑えることができる。しかしながら、吸収式冷凍サイクルは、冷却のために高温の熱源を必要とし、エンジンなどの排熱を利用することが前提となるため、通常の定置式空気調和システムへの適用は困難であった。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑みなされたものであって、主冷凍サイクルの冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを設けることにより、夏などのように外気温が高い場合であっても、効率のよい冷房運転を実現するものでありながら、圧縮機が不要で、かつ低温の熱源で駆動することができる吸着式冷凍サイクルを過冷却用冷凍サイクルに用いることにより、エンジンなどの排熱利用を前提とせず、消費電力の増大も回避できる空気調和システムの提供を目的とする。

本発明は上記目的を達成するために提案されたものであり、請求項１記載の発明は、主冷凍サイクルの冷媒（以下、主冷媒と記す。）を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを備える空気調和システムであって、冷房運転時に、前記主冷凍サイクルは、前記主冷凍サイクルの主冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機から流出した主冷媒と空気との間で熱交換を行ない、同主冷媒の熱を空気に放熱する熱源側熱交換器と、前記熱源側熱交換器から流出した主冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁から流出した主冷媒と空気との間で熱交換を行ない、空気を冷却する利用側熱交換器と、を備える蒸気圧縮式冷凍サイクルであり、前記過冷却用冷凍サイクルは、前記過冷却用冷凍サイクルの冷媒（以下、副冷媒と記す。）を収容し、収容した副冷媒を蒸発させ、当該蒸発潜熱で副冷媒を冷却する容器と、前記容器で蒸発した副冷媒を吸着する吸着材と、前記吸着材が吸着した副冷媒を所定のタイミングで脱着させる脱着手段と、を備える吸着式冷凍サイクルであり、前記熱源側熱交換器から前記膨張弁に至る前記主冷凍サイクルの冷媒流路には、前記主冷凍サイクルの主冷媒と前記過冷却用冷凍サイクルの副冷媒との間で熱交換を行ない、前記主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器が設けられることを特徴とする空気調和システムである。
この構成によれば、主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを設けることにより、夏などのように外気温が高い場合であっても、効率のよい冷房運転を実現するものでありながら、圧縮機が不要で、かつ低温の熱源で駆動することができる吸着式冷凍サイクルを過冷却用冷凍サイクルに用いるので、エンジンなどの排熱利用を前提とせず、消費電力の増大も回避できる空気調和システムの提供が可能になる。

請求項２の発明において、前記主冷凍サイクルの主冷媒は、二酸化炭素である。
この構成によれば、二酸化炭素を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクルの問題点、すなわち外気温が高い場合に冷房運転の効率低下が顕著になるという問題点を本発明によって改善することが可能になる。

請求項３の発明において、前記脱着手段は、前記主冷凍サイクルの主冷媒の熱を利用して前記吸着材から副冷媒を脱着させる。
この構成によれば、脱着用の熱源を別途設ける場合に比べ、空気調和システムの構成を簡略化し、コストダウンを図ることができる。特に、主冷凍サイクルの主冷媒が二酸化炭素である場合は、吸着式冷凍サイクルの脱着に適した温度の排熱が得られるので、吸着式冷凍サイクルの脱着を効率良く行なうことができる。

請求項４の発明において、前記脱着手段は、前記熱源側熱交換器から前記過冷却用熱交換器に至る冷媒流路に分岐路を備え、該分岐路から取り出した主冷媒の熱で前記吸着材から副冷媒を脱着させる。
この構成によれば、過冷却用熱交換器の上流で主冷媒を取り出し、その熱で副冷媒の脱着を行なうことが可能になる。また、熱源側熱交換器が放熱量を調整可能である場合は、脱着時における冷媒温度を最適化し、脱着の効率を向上させることができる。

請求項５の発明において、前記脱着手段は、前記圧縮機から前記熱源側熱交換器に至る冷媒流路に分岐路を備え、該分岐路から取り出した主冷媒の熱で前記吸着材から副冷媒を脱着させる。
この構成によれば、高温の主冷媒を取り出し、その熱で副冷媒の脱着を行なうことができるので、脱着の効率をさらに向上させることが可能になる。

請求項６の発明において、前記脱着手段は、脱着に利用した前記主冷凍サイクルの主冷媒を前記熱源側熱交換器から前記過冷却用熱交換器に至る冷媒流路に合流させる。
この構成によれば、副冷媒の脱着に利用した主冷媒も過冷却用熱交換器にて過冷却することができる。

請求項７の発明において、前記脱着手段は、太陽熱パネルで作った温水の熱を利用して前記吸着材から副冷媒を脱着させる。
この構成によれば、主冷凍サイクルの主冷媒を副冷媒の脱着に利用する必要がないので、主冷凍サイクルに分岐路を設置し、分岐路の切り換えを行なうことが不要となり、主冷凍サイクルの構成が簡略になるという利点がある。

本発明によれば、主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを設けることにより、夏などのように外気温が高い場合であっても、効率のよい冷房運転を実現する空気調和システムでありながら、圧縮機が不要で、かつ低温の熱源で駆動することができる吸着式冷凍サイクルを過冷却用冷凍サイクルに用いることにより、エンジンなどの排熱利用を前提とせず、消費電力の増大も回避できる。

本発明の第一実施形態に係る空気調和システム（冷房運転時）の構成を示す説明図である。吸着式冷凍サイクルに用いる副冷媒の特性を示す表であり、表１は、飽和温度５℃及び１０℃時の蒸発潜熱の大きい代表的な冷媒の比較を示し、表２は、飽和温度５、１０、１５、２０、２５℃の水の蒸発潜熱を示す。Ａ型シリカゲルの吸着等温線を示すグラフである。吸着式冷凍サイクルの冷却能力を示す表であり、表３は、Ａ型シリカゲル５ｋｇ充填で吸着時間３００秒の場合の冷却能力を示す。本発明の第二実施形態に係る空気調和システム（冷房運転時）の構成を示す説明図である。本発明の第二実施形態に係る空気調和システムの具体的な運転例による効果を示す表であり、表４は、システムの運転条件を示し、表５は、従来のＣＯ２冷凍サイクルと本実施形態のＣＯ２冷凍サイクルとの運転結果の比較を示す。本発明の第三実施形態に係る空気調和システム（冷房運転時）の構成を示す説明図である。

以下、本発明に係る好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態の説明の全体を通じて同じ要素には同じ符号を付して説明する。また、以下では、利用側熱交換器を室内熱交換器、熱源側熱交換器を室外熱交換器と記載する。また、前述同様に主冷凍サイクル内を流れる冷媒を主冷媒、過冷却用冷凍サイクル内を流れる冷媒を副冷媒と記載する。

［空気調和システム］
図１は、本発明の第一実施形態に係る空気調和システム（冷房運転時）の構成を示す説明図である。
この図に示すように、本発明の第一実施形態に係る空気調和システム１Ａは、主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを備える定置型の空気調和システムであって、主冷凍サイクルとしては、ＣＯ２を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を用い、過冷却用冷凍サイクルとしては、吸着式冷凍サイクル２０を用いている。

図１において、ＣＯ２を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、符号１１〜１８からなる要素部品で構成され、過冷却用熱交換器１７にて吸着式冷凍サイクル２０と熱的に結合している。また、吸着式冷凍サイクル２０は、符号２１〜２９からなる要素部品で構成されている。ただし、図示を省略しているが、吸着式冷凍サイクル２０は、吸着材から脱着した副冷媒を液体に復帰させる要素部品として、例えば、副冷媒である気体となった水（水蒸気）を復水させる復水器を備えている。

［蒸気圧縮式冷凍サイクル］
図１に示すように、本実施形態の蒸気圧縮式冷凍サイクル１０は、主冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１から流出した主冷媒と室外空気との間で熱交換を行ない、主冷媒の熱を室外空気に放熱する室外熱交換器１２と、室外熱交換器１２から流出した主冷媒を膨張させる膨張弁１３と、膨張弁１３から流出した主冷媒と室内空気との間で熱交換を行ない、室内空気を冷房する室内熱交換器１４と、主冷媒を気相と液相に分離し、気相の主冷媒を圧縮機１１に送るアキュムレータ１５と、冷房運転と暖房運転の切換時に切り換えられる四方弁１６と、室外熱交換器１２から膨張弁１３に至る冷媒流路に設けられ、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の主冷媒と吸着式冷凍サイクル２０の副冷媒との間で熱交換を行ない、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の主冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器１７と、室外熱交換器１２から過冷却用熱交換器１７に至る冷媒流路に設けられた分岐点１８ｄから主冷媒の一部又はすべてを取り出す分岐路１８と、を備えている。

なお、本実施形態の分岐路１８は、本流側及び分岐側に流量調整弁１８ａ、１８ｂを備え、両流量調整弁１８ａ、１８ｂによる流量調整にもとづいて本流側及び分岐側に流す主冷媒の流量を調整可能とし、更に、本流側及び分岐側に流す主冷媒の圧力も調整可能としている。また、室外熱交換器１２及び室内熱交換器１４には、それぞれ室外機用送風ファン３１、室内機用送風ファン３２を設けている。

ＣＯ２を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の冷房運転は、高圧側が超臨界となる遷臨界サイクルを構成するので、冷凍サイクル自体が外気温度による影響を受け易いことが問題となっていた。具体的には、夏場のように外気温度が高いと、室外熱交換器１２の出口温度が外気温度以上となり、冷凍効果が小さくなるという問題があり、この問題を解決することがＣＯ２を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を効率良く利用するための要点となる。

［吸着式冷凍サイクル］
吸着式冷凍サイクル２０は、低温排熱を利用して冷房、冷蔵などの冷却を行うもので、具体的には、容器内で副冷媒を蒸発させることにより冷熱を発生させ、その冷熱で様々な冷却を行うシステムである。低温排熱の温度範囲の定義は色々とあるが、ここでの低温排熱は４０〜１５０℃程度の範囲で想定している。低温排熱は、吸着材に吸着した副冷媒を脱着させるために用いられる。

吸着式冷凍サイクル２０に利用される副冷媒は、価格、安全性、利便性、蒸発潜熱の大きさなど総合的に考えれば、一般には水が利用される。また、吸着式冷凍サイクル２０では、圧縮機のような電力を大きく消費するような要素機器はほとんどなく、主なものは、送水ポンプ、送風ファン、真空ポンプ、切換弁程度であり、常時起動する可能性のある機器は、送水ポンプくらいと考えてよい。

なお、蒸発潜熱の比較的大きい代表的な冷媒は、図２に示す通りであり、水の蒸発潜熱の大きさは群を抜いている。ただし、他の冷媒の飽和圧力は大気圧以上と高いが、水は大気圧の１／１００程度と低く、システムには真空ポンプが必須であることが判る。
以下、水を副冷媒とした吸着式冷凍サイクル２０の具体的な構成について、図１を参照して説明する。

図１に示すように、本実施形態の吸着式冷凍サイクル２０は、容器内に収容した副冷媒を蒸発させ、当該蒸発潜熱で副冷媒を冷却する低圧密閉容器２１と、蒸発した副冷媒を吸着する吸着材２３が充填された吸着コア２２と、吸着コア２２と後述する吸着熱放熱用熱交換器２９との間で冷却材を循環させる吸着材冷却用循環ポンプ２４と、低圧密閉容器２１内の冷却された副冷媒を前述した過冷却用熱交換器１７との間で循環させる冷却水用循環ポンプ２５と、低圧密閉容器２１内の圧力を調整する真空ポンプ２６と、前述した復水器で復水された水を止水弁２７を介して低圧密閉容器２１に流入させる給水口２８と、冷却材と室外空気との間で熱交換を行い、冷却材の熱を室外空気に放熱させる吸着熱放熱用熱交換器２９と、吸着材２３が吸着した副冷媒を所定のタイミングで脱着させる脱着手段と、を備えている。なお、本実施例では、冷却材には価格、安全性、利便性などを総合的に考えて水が利用される。

なお、本実施形態の吸着式冷凍サイクル２０では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の主冷媒の熱を利用して副冷媒の脱着を行うため、本実施形態の脱着手段は、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に設けた分岐路１８となる。また、吸着熱放熱用熱交換器２９には、放熱用送風ファン３３が設けられている。

吸着コア２２内には、常時は副冷媒である水を吸着し、所定の温度にすると吸着した水を放出（脱着）する吸着材２３が充填されると共に、この吸着材２３と接触するように冷却用配管２４ａ及び脱着用配管（分岐路１８の一部）が設けられている。そして、吸着過程では、冷却用配管２４ａに冷却材を通すことで吸着材２３を冷却し、また、脱着過程では、脱着用配管に蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の主冷媒を通すことで吸着材２３から水を放出させるようになっている。

吸着コア２２は、低圧密閉容器２１内の上部に設置されている。低圧密閉容器２１内の底面部には、副冷媒として予め一定量の水が封入されており、低圧密閉容器２１内は真空ポンプ２６によって所定の設定圧力に調整される。低圧密閉容器２１内の設定圧力は、図２の表２に示すような飽和温度になる圧力を目安に設定される。低圧密閉容器２１内の底面部に溜められた水は所定の飽和圧力下で蒸発し、水蒸気として上昇して吸着材２３に吸着される。

吸着材２３には、シリカゲル、ゼオライト、イモゴライト（ナノチューブ状アルミニウム珪酸塩）、珪藻土など多孔質材を用いるが、ＣＯ２冷媒の温度が４０℃から１００℃のところでの熱を副冷媒である水の脱着に利用するので、その温度範囲で脱着効率の良い物質が適している。また、吸着材の吸湿量に着目することも重要である。その際に吸着等温線上で相対湿度（相対蒸気圧）に対する吸湿量が横倒れのＳ字カーブを描く物質がよい。そのような物質としては、メソポーラスシリカ系、活性炭系、ＡＬＰＯ系ゼオライトなどが挙げられる。

例えば、吸着材２３としてＹ型ゼオライトやＡ型シリカゲルを考えた場合、これは脱着（脱水）温度が１００℃以上で効果を発揮するため、その水分脱着のための加熱には太陽熱で温められた水を利用することも考えられる。この方法はＹ型ゼオライトやＡ型シリカゲルに限らず、Ｂ型シリカゲル、イモゴライトなど他の物質に適用してもよい。

吸着材２３が水分を吸着する場合、吸着熱を発生するため、吸着熱放熱用熱交換器２９と吸着コア２２との間に、冷却材（水）が循環可能な閉回路状の吸着材冷却回路を構成すると共に、吸着材冷却用循環ポンプ２４の駆動により冷却材を循環させ、吸着熱放熱用熱交換器２９にて吸着熱を外気に放熱させる。

また、吸着材２３は、吸着量が飽和すると、これ以上の水分を取り込めないため、所定のタイミングで吸着した水分を脱着する必要がある。本実施形態では、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の主冷媒であるＣＯ２を吸着コア２２内の脱着用配管へ流入させることにより、吸着材２３から水分を脱着させる。

具体的に以下の条件において吸着／脱着過程で必要な熱量を算出する。
吸着過程での冷却能力Ｑ（ｋＷ）は、吸着材の質量Ｍ（ｋｇ）、単位質量当りの吸着材に吸着する水の吸着量ΔＣ、水の蒸発潜熱ΔＨＬ（ｋＪ／ｋｇ）、吸着時間ｔ（秒）とすると、
Ｑ＝ＭΔＣΔＨＬ／ｔ
で求まる。

今、一例として、吸着コア２２に吸着材２３としてＡ型シリカゲルをＭ＝５ｋｇ充填して、外気温度がＴ_ro＝３５℃、吸着材２３を冷却する冷却材温度をＴ_m＝４０℃、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の過冷却に必要な冷水温度をＴ_w＝１５℃、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の排熱温度をＴ_H＝９０℃とすると、吸着時の温度Ｔ_adは冷却水温度Ｔ_m、脱着時の温度Ｔ_adは蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の排熱温度Ｔ_Hとみなせる。また、このときの吸着時間はｔ＝３００秒とする。Ａ型シリカゲルの吸着等温線は図３に示す通りであり、上記条件で運転する場合の吸着量と冷却能力は約３．２１ｋＷとなる。このときの蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の膨張弁直前の温度は３１℃（１０ＭＰａ運転時）まで冷却でき、何も対策を採らない場合（従来のシステム）の４０℃と比べて９Ｋ分の温度低減が可能となる。すなわち、このことは本実施形態の吸着システムの採用で膨張弁直前におけるエンタルピーの低減が実現できたことに他ならず、夏場でも冷凍効果を大きくとることが可能となる。

なお、吸着／脱着の条件を変えた場合の冷却能力を図４の表３に示す。また、図示はしないが、過冷却用熱交換器１７から膨張弁１３に至る冷媒流路の主冷媒と、室内熱交換器１４からアキュムレータ１５に至る冷媒流路の主冷媒との間で熱交換を行う内部熱交換器を併設すると、さらに冷凍効果を上げることができる。

次に、吸着式冷凍サイクル２０の動作について説明する。

低圧密閉容器２１の底面部に一定量の水を溜めておき、予め水が所定の飽和温度となるように真空ポンプ２６にて低圧密閉容器２１内を数ｋＰａから数十ｋＰａ程度に減圧して、その状態を保持しておく。真空ポンプ２６には、低圧密閉容器２１側と通じる配管に、低圧密閉容器２１内へ外気が侵入しないように逆止弁（図示せず）が設置されている。

低圧密閉容器２１内の底面部にある水の表面から水蒸気が発生し、その蒸発潜熱により底面部の水は飽和温度に冷却され、冷水となる。水の表面から蒸発した水蒸気は、吸着コア２２内にある吸着材２３に吸着される。吸着材２３は、水蒸気を吸着する際に吸着熱が発生するため、吸着材２３が高温になり吸着効率が劣化する。そこで、その吸着熱を除去するために、吸着コア２２内の冷却用配管２４ａを通る冷却材を吸着材冷却用循環ポンプ２４で吸着熱放熱用放熱器２９に送り、送風ファン３３による強制対流で外気に放熱させる。外気温度近くまで冷却された冷却材は、再び吸着コア２２に戻る。

吸着コア２２内の吸着材２３の水分吸着が飽和状態になってきたら、吸着材冷却用循環ポンプ２４及び送風ファン３３を停止すると共に、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の分岐路１８に設けられる流量調整弁１８ａ、１８ｂの開度を調整し、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０のＣＯ２冷媒を吸着コア２２内の脱着用配管に流入させ、ＣＯ２冷媒の熱を吸着コア２２内の吸着材２３へ放熱させる。これで吸着材２３から水分が水蒸気として脱着され、吸着材２３の吸着能力が回復する。

脱着した水蒸気は、前述した復水器によって液体の水となり、低圧密閉容器２１内の底面部に戻される。また、吸着コア２２に送られて吸着材２３と熱交換したＣＯ２冷媒は、室外熱交換器１２から過冷却用熱交換器１７に至る冷媒流路に合流される。そして、脱着が完了したならば、流量調整弁１８ａ、１８ｂの開度を元の状態にして蒸気圧縮式冷凍サイクル１０を通常の運転状態に戻すと共に、吸着材冷却用循環ポンプ２４及び送風ファン３３の駆動を再開して吸着式冷凍サイクル２０を吸着過程に移行させる。これを一定周期で繰り返すことで、低圧密閉容器２１内の底面部にある水が所定温度に冷却され続けることになる。

低圧密閉容器２１内の底面部にある冷水は、冷却水用循環ポンプ２５の駆動により冷却水用循環配管２５ａを介して過冷却用熱交換器１７との間で循環される。過冷却用熱交換器１７は、室外熱交換器１２から膨張弁１３に至る冷媒流路に設けられており、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０のＣＯ２冷媒と吸着式冷凍サイクル２０の副冷媒である水との間で熱交換を行ない、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０のＣＯ２冷媒を過冷却する。これにより、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０における膨張弁直前の冷媒温度が低下し、冷房運転時の冷房効率が高められる。

また、吸着式冷凍サイクル２０は、送水ポンプ、送風ファン、真空ポンプ、切換弁といった機器にしか電力を消費せず、全体のシステムで考えれば、真空ポンプや切換弁の電力は必要なときに僅かな時間しか起動しないため、無視できる。したがって、ＣＯ２冷媒による蒸気圧縮式冷凍サイクル１０に過冷却用冷凍サイクルとして吸着式冷凍サイクル２０を用いても、消費電力的に問題を生じることなく、効率の良い冷房運転を実現することが可能になる。

なお、脱着速度は、吸着コア２２に送るＣＯ２冷媒の温度に応じて変化させることができる。例えば、脱着速度を早くする場合は、吸着コア２２に対してＣＯ２冷媒をなるべく高温で送るために、室外熱交換器１２の放熱量を意図的に落とすように、送風ファン３１の回転数を低くする制御を行うこともできる。

また、暖房運転時には、四方弁１６を切り換え、圧縮機１１の吐出口が室内熱交換器１４側に接続し、室外熱交換器１２はアキュムレータ１５側に接続される。このとき吸着式冷凍サイクル２０は、稼働させる必要はなく、停止状態である。

以上に述べた第一実施形態によれば、主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを備える空気調和システム１Ａであって、冷房運転時に、主冷凍サイクルは、主冷凍サイクルの主冷媒を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１から流出した主冷媒と室外空気との間で熱交換を行ない、同主冷媒の熱を室外空気に放熱する室外熱交換器１２と、室外熱交換器１２から流出した主冷媒を膨張させる膨張弁１３と、膨張弁１３から流出した主冷媒と室内空気との間で熱交換を行ない、室内空気を冷房する室内熱交換器１４と、を備える蒸気圧縮式冷凍サイクル１０であり、過冷却用冷凍サイクルは、過冷却用冷凍サイクルの副冷媒を収容し、収容した副冷媒を蒸発させ、当該蒸発潜熱で副冷媒を冷却する低圧密閉容器２１と、低圧密閉容器２１で蒸発した副冷媒を吸着する吸着材２３と、吸着材２３が吸着した副冷媒を所定のタイミングで脱着させる脱着手段と、を備える吸着式冷凍サイクル２０であり、室外熱交換器１２から膨張弁１３に至る主冷凍サイクルの冷媒流路には、主冷凍サイクルの主冷媒と過冷却用冷凍サイクルの副冷媒との間で熱交換を行ない、主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器１７が設けられるので、夏などのように外気温が高い場合であっても、効率のよい冷房運転を実現することができる。しかも、圧縮機が不要で、かつ低温の熱源で駆動することができる吸着式冷凍サイクル２０を過冷却用冷凍サイクルに用いるので、エンジンなどの排熱利用を前提とせず、消費電力の増大も回避できる空気調和システムの提供が可能になる。

また、本実施形態に係る主冷凍サイクルの主冷媒は、ＣＯ２であるため、ＣＯ２を冷媒とした蒸気圧縮式冷凍サイクル１０の問題点、すなわち外気温が高い場合に冷房運転の効率低下が顕著になるという問題点を本発明によって改善することが可能になる。

また、脱着手段は、主冷凍サイクルの主冷媒の熱を利用して吸着材２３から副冷媒を脱着させるので、脱着用の熱源を別途設ける場合に比べ、空気調和システム１Ａの構成を簡略化し、コストダウンを図ることができる。特に、主冷凍サイクルの主冷媒がＣＯ２である場合は、吸着式冷凍サイクル２０の副冷媒の脱着に適した温度の排熱が得られるので、吸着式冷凍サイクル２０の脱着過程を効率良く行なうことができる。

また、脱着手段は、室外熱交換器１２から過冷却用熱交換器１７に至る冷媒流路に分岐路１８を備え、該分岐路１８から取り出した主冷媒の熱で吸着材２３から副冷媒を脱着させるので、過冷却用熱交換器１７の上流で主冷媒を取り出し、その熱で脱着を行なうことが可能になる。また、室外熱交換器１２が放熱量を調整可能である場合は、脱着時における冷媒温度を最適化し、脱着の効率を向上させることができる。

また、脱着手段は、脱着に利用した主冷凍サイクルの主冷媒を室外熱交換器１２から過冷却用熱交換器１７に至る冷媒流路にある合流点１８ｃに合流させるので、脱着に利用した主冷媒も過冷却用熱交換器１７にて過冷却することができる。

次に、本発明の第二実施形態に係る空気調和システム１Ｂについて、図５及び図６を参照して説明する。

図５は、本発明の第二実施形態に係る空気調和システム（冷房運転時）の構成を示す説明図である。
この図に示すように、本発明の第二実施形態に係る空気調和システム１Ｂは、圧縮機１１から室外熱交換器１２（四方弁１６）に至る冷媒流路に分岐路１９を備え、分岐点１９ｃから取り出した主冷媒の熱で吸着材２３から副冷媒を脱着させる点が前記実施形態と相違している。このようにすると、高温の主冷媒を取り出し、その熱で脱着を行なうことができるので、脱着の効率をさらに向上させることが可能になる。

分岐路１９は、前述した分岐路１８と同様に、本流側及び分岐側に流量調整弁１９ａ、１９ｂを備え、両流量調整弁１９ａ、１９ｂによる流量調整にもとづいて本流側及び分岐側に流す主冷媒の流量を調整可能としている。また、本実施形態では、分岐路１８と分岐路１９を併設し、蒸気圧縮式冷凍サイクル１０や吸着式冷凍サイクル２０の運転状況に応じて、分岐路１８と分岐路１９を使い分けることを想定しており、両方の分岐路１８、１９から同時に吸着コア２２に主冷媒を送ることは想定していない。また、分岐路１９から吸着コア２２に主冷媒を送る場合は、第一実施形態で行った室外熱交換器１２での放熱量抑制運転は行わない。ちなみに、図６の表４に示す条件で運転した場合における本システムと従来システムの違いを図６の表５に示す。表５に示すように、同じ冷房能力で運転した場合、本システムは従来システムよりも消費電力が少なく、ＣＯＰが良い。

次に、本発明の第三実施形態に係る空気調和システム１Ｃについて、図７を参照して説明する。

図７は、本発明の第三実施形態に係る空気調和システム（冷房運転時）の構成を示す説明図である。
この図に示すように、本発明の第三実施形態に係る空気調和システム１Ｃは、太陽熱パネル４１で作った温水の熱を利用して吸着材２３から副冷媒を脱着させる点が前記実施形態と相違している。このようにすると、主冷凍サイクルの主冷媒を脱着に利用する必要がないので、主冷凍サイクルに分岐路１８、１９を設置したり、分岐路１８、１９の切り換えを行なうことが不要となり、主冷凍サイクルの構成が簡略になるという利点がある。

第三実施形態の空気調和システム１Ｃでは、太陽熱で温水を作る太陽熱パネル４１と、温水を溜める貯湯タンク４２と、太陽熱パネル４１と貯湯タンク４２との間で温水を循環させる温水循環ポンプ（太陽熱パネル側）４３と、貯湯タンク４２と吸着コア２２との間で温水を循環させる温水循環ポンプ（吸着コア側）４４と、が設置されており、その代わりに、第一実施形態や第二実施形態における分岐路１８、１９やそれに付随する配管は必要としない。

太陽熱パネル４１を中心とした温水回路の制御を説明すると、太陽熱パネル４１で予め貯湯タンク４２に溜められている水を温水循環ポンプ（太陽熱パネル側）４３で太陽熱パネル４１に送水して太陽熱で温水を作り、それを温水循環ポンプ（太陽熱パネル側）４３で貯湯タンク４２に戻す。指定温度まで温められた温水が十分貯湯タンク４２に溜められたら、温水循環ポンプ（太陽熱パネル側）４３を停止する。貯湯タンク４２に溜められている温水の温度が所定温度よりも下がった場合は、再び前述同様の制御を行う。

貯湯タンク４２に溜められた高温の温水は、吸着コア２２の脱着過程が必要なったときに温水循環ポンプ（吸着コア側）４４より温水循環配管４４ａを介して吸着コア２２に送水し、脱着を行う。この場合のメリットは、主冷凍サイクル側の流路切替を行う必要がない点である。また、太陽熱パネル４１を中心とした温水回路内の内圧を大気圧より数百ｋＰａ高めにして水の沸点を上げ、さらに吸着材２３における水分脱着の効率を上げることも考えられる。また、吸着式冷凍サイクル２０の制御は基本的に前記実施形態と同様であり、また、ここでも第一実施形態で行った室外熱交換器１２の放熱量抑制運転は行わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

例えば、前記実施形態では、吸着式冷凍サイクル２０の要素部品として、吸着熱放熱用熱交換器２９を設置して吸着材２３を冷却しているが、吸着材２３を冷却しなくても十分な吸着性能が得られる場合は、吸着熱放熱用熱交換器２９を省略してもよい。

１Ａ〜１Ｃ…空気調和システム、１０…蒸気圧縮式冷凍サイクル、１１…圧縮機、１２…室外熱交換器、１３…膨張弁、１４…室内熱交換器、１５…アキュムレータ、１６…四方弁、１７…過冷却用熱交換器、１８…分岐路、１８ａ、１８ｂ…流量調整弁、１８ｃ…合流点、１８ｄ…分岐点、１９…分岐路、１９ａ、１９ｂ…流量調整弁、１９ｃ…分岐点、２０…吸着式冷凍サイクル、２１…低圧密閉容器、２２…吸着コア、２３…吸着材、２４…吸着材冷却用循環ポンプ、２５…冷却水用循環ポンプ、２６…真空ポンプ、２７…止水弁、２８…給水口、２９…吸着熱放熱用熱交換器、３１…室外機用送風ファン、３２…室内機用送風ファン、３３…放熱用送風ファン、４１…太陽熱パネル、４２…貯湯タンク、４３…温水循環ポンプ、４４…温水循環ポンプ

Claims

主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用冷凍サイクルを備える空気調和システムであって、
冷房運転時に、
前記主冷凍サイクルは、
前記主冷凍サイクルの主冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機から流出した主冷媒と空気との間で熱交換を行ない、同主冷媒の熱を空気に放熱する熱源側熱交換器と、
前記熱源側熱交換器から流出した主冷媒を膨張させる膨張弁と、
前記膨張弁から流出した主冷媒と空気との間で熱交換を行ない、空気を冷却する利用側熱交換器と、を備える蒸気圧縮式冷凍サイクルであり、
前記過冷却用冷凍サイクルは、
前記過冷却用冷凍サイクルの副冷媒を収容し、収容した副冷媒を蒸発させ、当該蒸発潜熱で副冷媒を冷却する容器と、
前記容器で蒸発した副冷媒を吸着する吸着材と、
前記吸着材が吸着した副冷媒を所定のタイミングで脱着させる脱着手段と、を備える吸着式冷凍サイクルであり、
前記熱源側熱交換器から前記膨張弁に至る前記主冷凍サイクルの冷媒流路には、前記主冷凍サイクルの主冷媒と前記過冷却用冷凍サイクルの副冷媒との間で熱交換を行ない、前記主冷凍サイクルの主冷媒を過冷却する過冷却用熱交換器が設けられることを特徴とする空気調和システム。
前記主冷凍サイクルの主冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１記載の空気調和システム。
前記脱着手段は、前記主冷凍サイクルの主冷媒の熱を利用して前記吸着材から副冷媒を脱着させることを特徴とする請求項１又は２記載の空気調和システム。
前記脱着手段は、前記熱源側熱交換器から前記過冷却用熱交換器に至る冷媒流路に分岐路を備え、該分岐路から取り出した主冷媒の熱で前記吸着材から副冷媒を脱着させることを特徴とする請求項３に記載の空気調和システム。
前記脱着手段は、前記圧縮機から前記熱源側熱交換器に至る冷媒流路に分岐路を備え、該分岐路から取り出した主冷媒の熱で前記吸着材から副冷媒を脱着させることを特徴とする請求項３又は４に記載の空気調和システム。
前記脱着手段は、脱着に利用した前記主冷凍サイクルの主冷媒を前記熱源側熱交換器から前記過冷却用熱交換器に至る冷媒流路に合流させることを特徴とする請求項４又は５に記載の空気調和システム。
前記脱着手段は、太陽熱パネルで作った温水の熱を利用して前記吸着材から副冷媒を脱着させることを特徴とする請求項１又は２記載の空気調和システム。