JP5039293B2

JP5039293B2 - 炭酸ガス除去設備

Info

Publication number: JP5039293B2
Application number: JP2005281905A
Authority: JP
Inventors: 朗木村; 輝雄岸本; 将秀増田
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2025-09-28
Also published as: JP2007093085A

Description

本発明は、空気調節装置の廃熱を利用した炭酸ガス除去装置に関する。

従来より、住宅やオフィスビル、及び電車や航空機等の交通機関といった人が生活上利用する所定の空間を有する区画では、暖房や冷房を行う空気調節装置を設置して、人が生活するのに快適な温度に維持されている。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「所定の空間を有する区画」とは、交通機関、マンション等居住施設、オフィスビル、密閉性の高い公共施設等の一般建造物における冷暖房の空気調節を行う閉鎖空間及び準閉鎖空間を有する区画をいう。

このような区画内で空気調節を行う空気調節装置（エアコンディショナや吸収式冷凍機等、以下、「空調装置」ともいう。）は、熱を移動させる装置であり、通常、冷媒が使用される。この空調装置のサイクルとしては、冷媒で空気から熱エネルギを吸収した後（空気冷却）、この冷媒を圧縮機で高圧化した後、凝縮器で冷却して吸収した熱エネルギを放出させる。その後、冷媒は膨張弁で低圧化され、再度、空気から熱エネルギを吸収する。このようなサイクルで熱を移動させる冷媒の圧縮機の下流側では、前記凝縮器で除去された熱エネルギが、外部に放出されている。

一方、前記したような区画では、生活する人の呼吸等により空気状態が変化するため、換気することにより、酸素の供給や炭酸ガスの排出を行っている。このため、暖房や冷房により温度調整された空気は換気によって外気へと放出され、空調装置には区画内容積以上の負荷がかかることとなる。しかも、今日の空調システムでは、炭酸ガスの増加を考慮して換気回数を多く設定しているので、換気回数を増やすと冷暖房で温度調節した多くの空気を外部に放出することとなり、大きなエネルギ損失を生じている。

一般的には、前記した一般建造物のように所定の空間を有する区画を空気調節する場合に、その区画内で発生した炭酸ガスを炭酸ガス除去装置で除去することにより、空調負荷を軽減させることができると考えられている。

なお、この種の炭酸ガス除去に関する従来技術として、高速車両や航空機等の、大量の空気を外部から取入れる換気ファンのモータを冷却して昇温した冷却液体を再生用熱源とする炭酸ガス吸着体を備えたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の従来技術として、製鉄所で発生する副生ガスから化学吸収液で二酸化炭素を吸収後、化学吸収液を加熱して二酸化炭素を分離させる熱源に、製鉄所で発生する５００℃以下の低品位排熱を利用するようにしたものもある（例えば、特許文献２参照。）。
特開平５−１３７９５８号公報（第２−３頁、図１）特開平２００４−２９２２９８号公報（第８−１０頁、図１）

しかしながら、前記した所定の空間を有する区画には、オフィスビルのように大きな空間もあるため、その区画内における空気中の炭酸ガスを炭酸ガス除去装置で除去するためには、炭酸ガス除去装置に多くのエネルギが必要であり、このような炭酸ガス除去装置を設けた場合、空気調節装置と炭酸ガス除去装置とのそれぞれの装置に対してエネルギ（電力）が必要であり、ランニングコストの面で大きな負担になって実現は難しい。

なお、前記特許文献１は換気ファンに注目した発明であり、前記特許文献２は製鉄所に注目した発明であり、前記したような一般建造物には、これらの発明のような廃熱源がないため、適用することはできない。

そこで、本発明は、所定の空間を有する区画を冷暖房するために通常設置されている空気調節装置における廃熱を炭酸ガス除去装置の再生工程に利用した省エネルギの炭酸ガス除去設備を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は、所定の空間を有する区画内の温度を調節する空気調節装置と、前記区画内の炭酸ガスを吸着剤で除去する炭酸ガス除去装置とを備え、前記空気調節装置を、熱交換機と、該熱交換機で冷却した冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の下流側に設けて圧縮機で圧縮した高温の冷媒で吸着剤加熱媒体を加熱する媒体加熱器と、該媒体加熱器で吸着剤加熱媒体を加熱した後の冷媒から熱エネルギを除去する凝縮器とを備え、前記凝縮器で熱エネルギを除去した冷媒を前記熱交換機に循環させるようにした空気調節装置で構成し、該空気調節装置と炭酸ガス除去装置との間に、前記媒体加熱器で冷媒の熱エネルギにより吸着剤加熱媒体を加熱して前記炭酸ガス除去装置内に導いて、前記炭酸ガス除去装置の吸着剤を再生する再生用熱源として利用する吸着剤加熱路を設けている。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「吸着剤加熱媒体」は、炭酸ガス除去装置内の吸着剤から炭酸ガスを脱着することができる温度に加熱できる媒体をいう。また、この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「加熱」には、炭酸ガス除去装置の吸着剤を再生し得る再生用温度によっては「過熱」も含まれる。これにより、空気調節装置の冷媒の廃熱のエネルギを炭酸ガス除去装置の吸着剤の再生用熱源として利用するので、炭酸ガス除去装置の吸着剤加熱用熱源の省エネルギを図った炭酸ガス除去設備を構成することができる。

また、圧縮機の下流側における熱エネルギを利用して吸着剤加熱用熱源とする省エネルギを図ることができる。

さらに、圧縮機の下流側における比較的高い熱エネルギを吸着剤加熱用媒体の加熱エネルギとして有効利用することができる。

その上、これらいずれかの炭酸ガス除去設備において、前記炭酸ガス除去装置を複数台並設し、該複数台の炭酸ガス除去装置の吸着剤加熱路を切替える切替機を設ければ、複数台の炭酸ガス除去装置で炭酸ガス除去と吸着剤の再生とを順に行うことにより、連続的に炭酸ガスの除去を行える炭酸ガス除去設備を構成することができる。

本発明は、以上説明したような手段により、所定の空間を有する区画内の炭酸ガスを、空気調節装置の廃熱を利用した炭酸ガス除去装置で効果的に除去することができ、省エネルギの炭酸ガス除去設備を構成することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の炭酸ガス除去設備における吸着剤加熱エネルギを廃熱利用する基本的概念を示すブロック図であり、図２は、本発明の第１実施の形態を示す炭酸ガス除去設備の系統図である。

図１に示すように、炭酸ガス除去設備１には、空気調節装置２と炭酸ガス除去装置３とが備えられている。そして、この炭酸ガス除去装置３において、空気中から炭酸ガスを除去する吸着剤を再生するための加熱用エネルギＥとして、空気調節装置２における廃熱が利用されている。炭酸ガス除去装置３は、炭酸ガスを吸着後、吸着剤を加熱することにより炭酸ガスを脱着させると、再度吸着可能となるものである。この明細書中では、炭酸ガス除去装置３において吸着剤を加熱する脱着工程を、再生工程と呼ぶ場合がある。

図２に示す第１実施の形態の炭酸ガス除去設備１を、以下に説明する。図示するように、空気調節装置２（エアコンディショナ）内を循環する冷媒は、熱交換部４で区画内空気（図中右向きの矢印で示す流れ。）を冷却した後、圧縮機５で圧縮される。この圧縮機５で圧縮される冷媒は、断熱圧縮により高温の冷媒となる。圧縮機５の下流側には媒体加熱器６が設けられている。

この媒体加熱器６は、断熱圧縮によって高温となった冷媒により、炭酸ガス除去装置３の吸着剤加熱媒体を加熱するものである。媒体加熱器６の内部には、吸着剤加熱路７が設けられている。この吸着剤加熱路７は、高温となった冷媒の熱エネルギによって、この吸着剤加熱路７内の吸着剤加熱媒体を所定の温度まで加熱するように構成されている。このようにして、炭酸ガス除去装置３の吸着剤から炭酸ガスを脱着して再生するための吸着剤加熱媒体を、空気調節装置２の冷媒の熱エネルギで加熱するようにしている。

空気調節装置２の冷媒は、その後、凝縮器８により熱エネルギが除去される。凝縮器８に示す点線は冷却水の流れを示している。この凝縮器８によって除去される熱エネルギは、媒体過熱器６で吸着剤加熱路７内の吸着剤加熱媒体を加熱した熱エネルギ分が少なくなっているので、凝縮器８の能力を小さくすることもできる。凝縮器８で冷却された冷媒は、膨張弁９から噴射され、この断熱膨張により低温となって噴射された冷媒により前記熱交換部４で区画内空気が冷却させる。空気調節装置２の内部では、このようなサイクルが繰り返されており、圧縮機５の下流側に設けられた媒体加熱器６内では、常に高温の冷媒が循環している。

そして、媒体加熱器６で高温の冷媒によって加熱された吸着剤加熱路７内の吸着剤加熱媒体は、ポンプ１０によって炭酸ガス除去装置３へと送られる。この実施の形態では、炭酸ガス除去装置３に供給される吸着剤加熱媒体の温度を調節するためのヒータ１１が吸着剤加熱路７に設けられている。このヒータ１１は、炭酸ガス除去装置３に供給される吸着剤加熱媒体が、吸着剤から炭酸ガスを脱着させるのに好ましい温度となるように調節する必要がある場合に使用される。例えば、媒体加熱器６による高温の冷媒による吸着剤加熱媒体の加熱のみでは吸着剤加熱媒体が十分に加熱されていない場合等に使用され、このような場合にはヒータ１１が作動して、吸着剤加熱路７内の吸着剤加熱媒体の温度が所望の温度まで加熱される。また、このヒータ１１により、吸着剤加熱媒体を所望の温度で一定に保つようにしてもよい。このヒータ１１の制御は、吸着剤加熱通路７内の吸着剤加熱媒体温度を検出して制御すればよい。

炭酸ガス除去装置３は、内部に吸着剤１２が充填されており、図示する下部に入口管１３が設けられ、上部に排出管１４が設けられている。排出管１４の矢印は区画内空気の流れを示している。入口管１３には、入口弁１５が設けられている。この炭酸ガス除去装置３に充填される吸着剤１２としては、例えば、固体アミンのようなものが充填される。この吸着剤１２としては、昇圧した空気を通過させることにより、その空気中の炭酸ガスを吸着し、大気圧に戻して加熱することにより炭酸ガスを脱着させることができるものや、大気圧の空気を通過させることにより、その空気中の炭酸ガスを吸着し、減圧して加熱することにより炭酸ガスを脱着させることができるものが用いられる。

この炭酸ガス除去装置３の内部には、充填された吸着剤１２を加熱するように前記吸着剤加熱路７が設けられている。この吸着剤加熱路７内には、前記ポンプ１０によって送られてくる吸着剤加熱媒体が循環している。この吸着剤加熱路７の配置としては、炭酸ガス除去装置３内の吸着剤１２を均一に加熱することができるような配置が好ましい。

以上のように構成された炭酸ガス除去設備１によれば、炭酸ガス除去装置３によって炭酸ガスを除去するときには、入口管１３の入口弁１５を「開」とし、内部に空気を通過させることにより、吸着剤１２に炭酸ガスが吸着されて空気中から炭酸ガスが除去される。このようにして炭酸ガスを吸着した吸着剤１２を再生するときには、入口弁１５を「閉」とし、ポンプ１０によって媒体加熱路７内の吸着剤加熱媒体を炭酸ガス除去装置３内に循環させて吸着剤１２を加熱することにより、吸着剤１２に吸着された炭酸ガスを脱着させることができる。

このようにして、吸着剤１２から炭酸ガスを脱着させるための吸着剤加熱エネルギとして、空気調節装置２内を循環する冷媒を圧縮機５で加熱した後の高温冷媒の廃熱を利用し、この高温冷媒の廃熱によって吸着剤加熱路７内の吸着剤加熱媒体を加熱するので、炭酸ガス除去装置３において炭酸ガスを脱着するために吸着剤１２を加熱するためのエネルギの省エネルギ化を図ることができる。すなわち、再生工程における吸着剤加熱エネルギとして、空気調節装置２の冷媒圧縮後の廃熱（熱エネルギ）を利用することにより、省エネルギを図っている。

この場合、吸着剤再生時の吸着剤加熱媒体を加熱するための熱エネルギの全て又は一部として空気調節装置２の圧縮機５の下流の冷媒の熱エネルギを利用し、不足する場合はヒータ１１によって加熱される。しかも、この第１実施の形態では、このヒータ１１による加熱を行うことにより、常に一定温度の吸着剤加熱媒体とすることが容易にできる。

また、このように炭酸ガスを除去する方法として、炭酸ガス除去装置３内を大気圧の空気で通過させてその空気中の炭酸ガスを吸着し、炭酸ガス除去装置３内の吸着剤１２に吸着した炭酸ガスを除去するときには炭酸ガス除去装置３内を減圧して吸着剤加熱媒体で吸着剤１２を加熱して炭酸ガスを脱着させることにより、温度を低く抑えた吸着剤加熱媒体で吸着剤を再生できるようにするのが好ましい。この方法によれば、例えば、吸着剤１２を再生するための加熱温度として、比較的低い温度である低温の９０〜１００℃程度に抑えることができる。このような低温であれば、吸着剤加熱媒体として水を使用し、空調装置２の圧縮機５の下流における高温の冷媒によって加熱した１００℃程度の温水で吸着剤１２から炭酸ガスを脱着させることができ、前記ヒータ１１も使用せずに、より省エネルギ化を図ることができる。

さらに、図２では１基の炭酸ガス除去装置３を示しているが、この炭酸ガス除去装置３を２基以上並設し、１基は大気を通過させることにより吸着剤１２で炭酸ガスを吸着し、他の基では吸着剤１２を直接加熱又は媒体（水等）により加熱することで炭酸ガスを脱着させるように、各炭酸ガス除去装置３を切替えて使用できる切替機を設けるように構成するのが好ましい。このように構成することにより、炭酸ガスを吸着する炭酸ガス除去装置３と、吸着した炭酸ガスを脱着する炭酸ガス除去装置３とを切替えて、炭酸ガスの吸着と炭酸ガスの脱着とを同時に行いながら炭酸ガス除去設備１を連続運転することが可能となる。

図３は、本発明の第１参考例を示す炭酸ガス除去設備の系統図である。前記図２に示す第１実施の形態の炭酸ガス除去設備１では、圧縮機５で圧縮した高温の冷媒によって媒体加熱器６で吸着剤加熱媒体を間接的に加熱していたが、この第１参考例では、炭酸ガス除去装置３の吸着剤１２の加熱を、空気調節装置２の高温となった冷媒で直接的に加熱している。すなわち、この第１参考例は、空気調節装置２の冷媒を、炭酸ガス除去装置３の吸着剤加熱媒体として直接使用している。なお、第１実施の形態と同一の構成には同一符号を付して、詳細な説明は省略する。

図示するように、この第１参考例では、空気調節装置２（エアコンディショナ）内を循環して圧縮機５による断熱圧縮で高温となった冷媒を、炭酸ガス除去装置３の内部に設けられた吸着剤加熱路１６に循環させるように構成されている。

この第１参考例の吸着剤加熱路１６には、バイパス路１７と、吸着剤加熱路１６の開閉弁１８とバイパス路１７の開閉弁１９とが設けられており、圧縮機の下流側の高温冷媒を炭酸ガス除去装置３における吸着剤加熱媒体として利用する場合と、空気調節装置２内を循環させる場合とを選択できるように構成されている。

以上のように構成された炭酸ガス除去設備２０によれば、炭酸ガス除去装置３によって炭酸ガスを除去するときには、入口管１３の入口弁１５を「開」とし、内部に空気を通過させることにより、吸着剤１２に炭酸ガスが吸着されて空気中から炭酸ガスが除去される。この時、空気調節装置２内を循環する冷媒は、バイパス路１７を通って循環している（図中に一点鎖線で示す矢印の流れ。）。開閉弁１９は「開」の状態で、開閉弁１８は「閉」の状態である。このようにして炭酸ガスを吸着した吸着剤１２を再生するときには、入口弁を「閉」とするとともに、吸着剤加熱路１６の開閉弁１８を「開」、バイパス路１７の開閉弁１９を「閉」にして空気調節装置２の圧縮機５の下流側の冷媒を吸着剤加熱路１６に循環させて吸着剤１２を加熱することにより、吸着剤１２に吸着された炭酸ガスを脱着させることができる。

このようにして吸着剤１２から炭酸ガスを脱着させるための吸着剤加熱エネルギとして、空気調節装置２内を循環する冷媒を圧縮機５で圧縮した後の高温の冷媒の廃熱となる熱エネルギを直接利用するので、炭酸ガス除去装置３において炭酸ガスを脱着するための加熱エネルギの省エネルギ化を図ることができる。

他の作用効果等は前記第１実施の形態の炭酸ガス除去設備１と同様であるため、詳細な説明は省略する。

図４は、本発明の第２参考例を示す炭酸ガス除去設備の系統図である。前記図１，２に示す炭酸ガス除去設備１，２０では、空気調節装置２としてエアコンディショナ（ヒートポンプ）を例に説明したが、この第２参考例の空気調節装置２１は、吸収式冷凍機である。なお、第１実施の形態と同一の構成には同一符号を付して、詳細な説明は省略する。

図示するように、空気調節装置２１（吸収式冷凍機）は、真空に近い減圧した蒸発器２２の中でポンプ２３によって管路２３ａから水を散布し、この水が蒸発する時に周囲を冷す気化熱で冷却パイプ２４の中の水を冷して冷却水を作る。この蒸発器２２で蒸発した水蒸気は、臭化リチウムのように湿気を吸収しやすい吸収液を撒布する吸収器２５と蒸発器２２とが連通しているので、吸収器２５の吸収液に吸収される。蒸発器２２からの水蒸気を吸収してうすくなった吸収器２５内の吸収液は、ポンプ２６によって管路２６ａを介して再生器２７に送られる。再生器２７に送られた吸収液は、この再生器２７でヒータ２８によって加熱されて、水分は水蒸気となって吸収液から分離される。この水分が分離されて濃縮された吸収液は、管路２７ａを介して吸収器２５へと戻されて散布され、前記したように水蒸気の吸収を繰り返す。再生器２７で蒸発した水蒸気は、この再生器２７と連通する凝縮器２９へと送られて凝縮液化され、管路２９ａを介して蒸発器２２に戻される。

この第２参考例では、この凝縮器２９に吸着剤加熱路３０が設けられており、水蒸気を液化するための廃熱を利用して吸着剤加熱路３０内の吸着剤加熱媒体を加熱するようにしている。すなわち、この空気調節装置２１（吸収式冷凍機）の場合には、再生器２７によって発生させた水蒸気が凝縮器２９で液化するときの廃熱を利用して、炭酸ガス除去装置３の吸着剤加熱媒体を加熱するようにしている。

以上のように構成された炭酸ガス除去設備３１によれば、炭酸ガス除去装置３によって炭酸ガスを除去するときには、入口管１３の入口弁１５を「開」とし、内部に空気を通過させることにより、吸着剤１２に炭酸ガスが吸着されて空気中から炭酸ガスが除去される。このようにして炭酸ガスを吸着した吸着剤１２を再生するときには、入口弁１５を「閉」とし、ポンプ１０によって吸着剤加熱路３０内の吸着剤加熱媒体を炭酸ガス除去装置３内に循環させて吸着剤１２を加熱することにより、吸着剤１２に吸着された炭酸ガスを脱着させることができる。

このようにして吸着剤１２から炭酸ガスを脱着させるための吸着剤加熱エネルギとして、空気調節装置２１における凝縮器２９の廃熱で吸着剤加熱媒体を加熱して間接的に利用しているので、炭酸ガス除去装置３において吸着剤１２から炭酸ガスを脱着するための加熱エネルギの省エネルギ化を図ることができる。すなわち、吸着剤加熱エネルギとして、吸収式冷凍機（空気調節装置２１）の凝縮器２９における廃熱（熱エネルギ）を利用することにより、省エネルギを図っている。

この場合、吸着剤再生時の吸着剤加熱媒体を加熱するためのエネルギの全て又は一部として空気調節装置２１（吸収式冷凍機）の凝縮器２９における熱エネルギを利用し、不足する場合はヒータ１１によって加熱される。

以上説明したように、第１実施の形態及び第１参考例の炭酸ガス除去設備１，２０によれば、空気調節装置２としてエアコンディショナが備えられた炭酸ガス除去設備において、炭酸ガス除去装置３における必要エネルギの大部分である、吸収剤１２の再生工程における吸着剤加熱エネルギのすべて又は一部（炭酸ガス除去装置３の大きさや空気調節装置２の能力により決まる。）を、空気調節装置２の圧縮機５の下流における冷媒の廃熱を利用するので、省エネルギ（省電力化）を図った炭酸ガス除去設備１，２０を構成することが可能となる。

また、第２参考例の炭酸ガス除去設備３１によれば、空気調節装置２１として吸収式冷凍機が備えられた炭酸ガス除去設備において、炭酸ガス除去装置３における必要エネルギの大部分である、吸収剤１２の再生工程における吸着剤加熱エネルギのすべて又は一部（炭酸ガス除去装置３の大きさや空気調節装置２１の能力により決定される。）を、空気調節装置２１の凝縮器２９における廃熱を利用するので、省エネルギ（省電力化）を図った炭酸ガス除去設備３１を構成することが可能となる。

なお、前記した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は前述した実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る炭酸ガス除去設備は、空気調節装置によって空気調節が図られた所定の空間を有する区画内で、省エネルギを図った炭酸ガス除去装置によって炭酸ガスを除去したい設備に利用するとこができる。

本発明の炭酸ガス除去設備における吸着剤加熱エネルギを廃熱利用する基本的概念を示すブロック図である。本発明の第１実施の形態を示す炭酸ガス除去設備の系統図である。本発明の第１参考例を示す炭酸ガス除去設備の系統図である。本発明の第２参考例を示す炭酸ガス除去設備の系統図である。

符号の説明

１…炭酸ガス除去設備
２…空気調節装置（エアコンディショナ）
３…炭酸ガス除去装置
４…熱交換部
５…圧縮機
６…媒体加熱器
７…吸着剤加熱路
８…凝縮器
９…膨張弁
１０…ポンプ
１１…ヒータ
１２…吸着剤
１３…入口管
１４…排出管
１５…入口弁
１６…吸着剤加熱路
１７…バイパス路
１８，１９…開閉弁
２０…炭酸ガス除去設備
２１…空気調節装置（吸収式冷凍機）
２２…蒸発器
２３…ポンプ
２４…冷却パイプ
２５…吸収器
２６…ポンプ
２７…再生器
２８…ヒータ
２９…凝縮器
３０…吸着剤加熱路
３１…炭酸ガス除去設備

Claims

所定の空間を有する区画内の温度を調節する空気調節装置と、前記区画内の炭酸ガスを吸着剤で除去する炭酸ガス除去装置とを備え、
前記空気調節装置を、熱交換機と、該熱交換機で冷却した冷媒を圧縮する圧縮機と、該圧縮機の下流側に設けて圧縮機で圧縮した高温の冷媒で吸着剤加熱媒体を加熱する媒体加熱器と、該媒体加熱器で吸着剤加熱媒体を加熱した後の冷媒から熱エネルギを除去する凝縮器とを備え、前記凝縮器で熱エネルギを除去した冷媒を前記熱交換機に循環させるようにした空気調節装置で構成し、
該空気調節装置と炭酸ガス除去装置との間に、前記媒体加熱器で冷媒の熱エネルギにより吸着剤加熱媒体を加熱して前記炭酸ガス除去装置内に導いて、前記炭酸ガス除去装置の吸着剤を再生する再生用熱源として利用する吸着剤加熱路を設けた炭酸ガス除去設備。
請求項１に記載の炭酸ガス除去設備において、
前記炭酸ガス除去装置を複数台並設し、該複数台の炭酸ガス除去装置の吸着剤加熱路を切替える切替機を設けた炭酸ガス除去設備。