CN103052853A - 吸附式热泵 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种与以往相比进一步提高热效率的吸附式热泵。吸附式热泵具有使制冷剂蒸发的蒸发器、用于冷凝制冷剂的蒸气的冷凝器、以及两个配置有吸附剂的吸附剂换热器。吸附剂换热器具有由入口侧歧管（31）、出口侧歧管（32）、以及多根将入口侧歧管（31）和出口侧歧管（32）之间连接起来的支管（33）形成的导热管道。在支管（33）间配置有使多张吸附剂片（24a）重叠而成的吸附部件（24）、按压板（36）、以及双金属片（37）。在再生（干燥）吸附部件（24）时温度高的载热体在支管（33）内流动，因此双金属片（37）变形而经由按压板（36）按压吸附部件（24）。由此，吸附部件（24）被压缩，从而吸附剂片（24a）彼此密集地接触，加快吸附剂片（24a）间的导热速度。

Description

吸附式热泵

技术领域

本发明涉及吸附式热泵。

背景技术

近年来，伴随着高度信息化社会的到来，大多使用计算机处理大量的数据，并将多台计算机设置于同一室内来进行统一管理。例如在数据中心，在计算机室内设置有多个机架（服务器机架），各个机架收纳有多台计算机（服务器）。而且，对这些计算机有机地分配任务，来高效地处理大量的任务。

然而，在数据中心，伴随着计算机的运转而产生大量的热（废热）。以往，这些热被释放到大气中，但从节能以及降低环境负荷的观点来看，提出有将这些热回收并再利用的方案。因此，吸附式热泵作为用于将比较低温的热回收并再利用的装置而受到注目。

吸附式热泵例如具有蒸发器、两个吸附剂换热器、以及冷凝器，利用在水或者甲醇等制冷剂气化时吸收周围的热的方式来降低在蒸发器内的管道通过的水的温度。此时，气化的制冷剂由被配置于吸附剂换热器内的吸附剂吸附。

在使用一吸附剂换热器吸附制冷剂的期间，使用另一吸附剂换热器进行吸附剂的再生（干燥）。在再生侧的吸附剂换热器中，由于温度由于废热而上升的温水在换热器内通过而加热吸附剂，从而使制冷剂蒸发。从吸附剂脱离的制冷剂的蒸气在冷凝器中被冷却而变回液体，并被转移至蒸发器。

在吸附式热泵中，能够每隔一定的时间切换吸附制冷剂的吸附剂换热器、和再生吸附剂的吸附剂换热器。

专利文献1:日本特开2000-35256号公报

专利文献2:日本特开2003-114067号公报

为了进一步推进节能以及降低环境负荷，希望能够进一步提高吸附式热泵的热效率。

发明内容

从以上说明中，可知本发明的目的在于提供一种与以往相比进一步提高热效率的吸附式热泵。

根据一个观点，提供一种吸附式热泵，其具有使制冷剂蒸发的蒸发器、以及配置有吸附由上述蒸发器蒸发的蒸气的吸附部件和供载热体通过的导热管道的吸附剂换热器，上述吸附剂换热器具有按压机构，该按压机构根据在上述导热管道内通过的载热体的温度来按压并压缩上述吸附部件。

上述一个观点的吸附式热泵具有按压机构，该按压机构根据在导热管道内通过的载热体的温度来按压并压缩吸附部件。由此，在再生时能够施加比在吸附部件吸附时大的按压力，从而吸附部件内的间隙减小，加快导热速度。其结果是，能够维持吸附时的吸附效率不变地加快再生时的导热速度，由此与以往相比能够进一步提高热效率。

附图说明

图1是第一实施方式的吸附式热泵的示意图。

图2（a）是表示第一实施方式的吸附式热泵的吸附剂换热器内的构造的俯视图，图2（b）是图2（a）中虚线包围的部分的放大图。

图3（a）、（b）是表示双金属片由于在导热管道内流动的载热体的温度而产生的变形的示意图。

图4是表示检查使温度为65℃的温水在测试用换热器中流通，而使吸附剂片的温度变为60℃的时间的结果的图。

图5是表示第二实施方式的吸附式热泵的吸附剂换热器内的构造的俯视图。

图6（a）、（b）是表示第三实施方式的吸附式热泵的吸附剂换热器内的构造的俯视图。

图7是表示第三实施方式的吸附式热泵的凸轮驱动机构的示意图。

具体实施方式

以下，在说明实施方式前，对用于使实施方式的理解更容易的预备事项进行说明。

为了提高吸附式热泵的热效率，重要的是加快使吸附剂吸附制冷剂的蒸气时（吸附时）的吸附速度，并在使吸附剂干燥时（再生时）迅速将温水的热传递到全部吸附剂。为了加快制冷剂的吸附速度，重要的是使制冷剂的蒸气容易在吸附剂间的间隙中流通，所以优选为使吸附剂间的间隙较大。另一方面，为了迅速将温水的热传递到全部吸附剂，重要的是加快吸附剂间的导热速度，所以优选为使吸附剂间的间隙较小。

换句话说，若使吸附剂的填充较密集则再生时的吸附剂间的导热速度加快，但制冷剂吸附时的吸附速度减慢。相反，若使吸附剂的填充较稀疏则制冷剂吸附时的吸附速度加快，但再生时的吸附剂间的导热速度减慢。因此，在现有的吸附式热泵中，难以使制冷剂吸附时的吸附速度和再生时的吸附剂间的导热速度都加快。

（第一实施方式）

图1是第一实施方式的吸附式热泵的示意图。另外，图2（a）是同样表示该吸附式热泵的吸附剂换热器内的构造的俯视图，图2（b）是图2（a）中虚线包围的部分的放大图。

如图1所示，本实施方式的吸附式热泵10具有蒸发器11、冷凝器12、以及吸附剂换热器13、14。蒸发器11与吸附剂换热器13、14分别经由阀15a、15b而连接，冷凝器12与吸附剂换热器13、14分别经由阀16a、16b而连接。此外，吸附式热泵10内的空间被真空装置（未图示）减压。

在蒸发器11内设有冷却管道21、和用于对冷却管道21喷射液态的制冷剂的喷嘴（未图示）。用于将冷却对象装置（例如服务器等）冷却的冷却水在冷却管道21中流通。

在冷凝器12内设有冷却管道22。从未图示的供水装置对冷却管道22供给冷却水，并如后述那样地将气态的制冷剂冷凝成液体。冷凝器12和蒸发器11被管道25连接，由冷凝器12转换为液体的制冷剂通过管道25而被转移至蒸发器11，并从喷嘴被喷出。

在吸附剂换热器13、14内分别配置有导热管道23和吸附部件24。如图2（a）所示，导热管道23具有供载热体（冷却水或者温水）流入的入口侧歧管31；供载热体流出的出口侧歧管32；以及多个在上述歧管31、32间并列连接的支管33。

在各支管33间配置有被相对于支管33垂直地配置并将支管33间连结起来的第一导热板34；和被相对于支管33平行地配置并将各导热板34间连结起来的第二导热板35。这些导热板34、35将支管33之间分割为多个矩形形状的空间。导热板34、35例如由导热性良好的铜等金属或者碳板等形成。因此，导热板34、35的温度与在支管33内通过的载热体的温度几乎相等。

如图2（b）所示，在被导热板34、35分割出的各矩形形状的空间内，配置有吸附制冷剂的吸附部件24、双金属片（热感应部件）37、以及按压板36。双金属片37具有将热膨胀率不同的两种金属板贴合而成的构造，例如由以铁（Fe）和镍（Ni）为主要成分的合金形成。热膨胀率例如通过添加于合金中的元素（例如Mn、Cr以及Cu等）和其添加量来进行调整。

双金属片37形成为“J”字状，并配置成其一端部侧的直线状的部分固定于导热板35，另一端部侧（以下也称为前端侧）弯曲的部分与按压板36接触。另外，吸附部件24配置于按压板36与支管33之间。

若双金属片37的温度比规定的温度高则前端侧弯曲的部分的曲率半径增大，从而将按压板36朝向支管33进行按压。由此，吸附部件24被按压板36和支管33夹持而被压缩。

此外，在本实施方式中，将纤维状的活性碳（吸附剂）加工成片状（布状）作为吸附剂片24a，并将使多个吸附剂片24a重叠而成的部件作为吸附部件24使用。吸附部件24不限定为加工成片状的活性碳，但吸附部件24需要根据经由按压板36施加的应力而弹性地变形。

以下，对上述吸附式热泵10的动作进行说明。这里，在初始状态下，如图1所示，蒸发器11与吸附剂换热器13之间的阀15a、以及吸附剂换热器14与冷凝器12之间的阀16b都处于开状态。另外，蒸发器11与吸附剂换热器14之间的阀15b、以及吸附剂换热器13与冷凝器12之间的阀16a都处于闭状态。

此外，这里使用水作为制冷剂。除此之外，吸附式热泵10内的空间被真空装置（未图示）减压至例如0.6kPa~6.0kPa左右。除此之外，若双金属片37的温度超过40℃则前端侧弯曲的部分的曲率半径增大，从而经由按压板36来对吸附部件24施加压力。

从冷却对象装置（例如服务器等）向蒸发器11的冷却管道21供给用于冷却的冷却水。这里，向蒸发器11供给的冷却水的温度为20℃~25℃左右。

若从喷嘴对冷却管道21喷射水，则蒸发器11内被减压，因此喷射出的水容易在冷却管道21的周面或者其附近蒸发（气化），从而从冷却管道21吸收潜热。由此，在冷却管道21内流通的冷却水的温度下降，从而从冷却管道21排出低温（例如18℃左右）的冷却水。该冷却水返回冷却对象装置，用于冷却对象装置的冷却。

蒸发器11产生的水蒸气（气态的制冷剂）经由开状态的阀15a而进入吸附剂换热器13内，并被吸附剂换热器13内的吸附部件24吸附。若水蒸气被吸附部件24吸附则水蒸气变化成水（液体），从而产生与气化热大小相当的热。该热传递到在导热管道23内通过的冷却水（载热体），其结果是，在冷却管道23内通过的冷却水的温度上升。这里，对冷却管道23供给常温（例如25℃）的水作为冷却水。

该情况下，在导热管道23（支管33）内流动的冷却水的温度低为25℃左右，因此如图3（a）示意性地表示那样，双金属片37的前端侧的曲率半径减小。因此，对按压板36的按压力减小，从而吸附片24a间的间隙由于吸附部件24的弹性而扩大。由此，制冷剂的蒸气比较容易地进入吸附剂片24a间的间隙，从而吸附剂片24a吸附制冷剂的蒸气的速度（吸附速度）加快。

在使用一吸附剂换热器13实施吸附由蒸发器11产生的气态的制冷剂的吸附工序的期间，使用另一吸附剂换热器14实施对吸附部件24进行再生（干燥）的再生工序。即，对吸附剂换热器14的导热管道23供给温度由于废热而上升的温水（例如70℃左右的温水）作为载热体。利用该温水加热吸附部件24，从而被吸附部件24吸附的水分转换成气体（水蒸气）而从吸附部件24脱离。

在该情况下，因为在导热管道23（支管33）内流动的温水的温度高为70℃左右，所以如图3（b）示意性地表示那样，双金属片37的前端侧的曲率半径增大。因此，对按压板36的按压力增大，吸附部件24被按压板36和支管33夹持而被压缩。由此，吸附剂片24a彼此的接触变得密集，从而吸附剂片24a间的导热速度加快，进而促进来自各吸附剂片24a的制冷剂（水）的蒸发。由再生侧的吸附剂换热器14产生的蒸气经由阀16b而进入冷凝器12内。

对冷凝器12内的冷却管道22例如供给常温的冷却水。作为该冷却水，也可以使用从吸附剂换热器13的导热管道23a排出的冷却水。进入冷凝器12的水蒸气在冷却管道22的周面或者其附近冷凝而转换成水（液体）。然后，该水经由管道25而转移至蒸发器11，并从喷嘴被喷射到冷却管道21内。

阀15a、15b、16a、16b例如根据从计时器（未图示）每隔一定时间输出的信号来反转开闭状态。与此同时，被供给至吸附剂换热器14的温水向吸附剂换热器13的导热管道23供给，被供给至吸附剂换热器13的冷却水向吸附剂换热器14的导热管道23供给。这样，吸附式换热器13、14每隔一定时间交替实施吸附工序和再生工序。

如上所述，在本实施方式的吸附式热泵10中，利用双金属片37的形状由于温度而发生变化的情况来使对吸附部件24（吸附剂片24a）施加的压力变化。由此，在制冷剂吸附时吸附剂片24a间的间隙增大，从而制冷剂的蒸气容易在吸附剂片24a之间流通。另外，在再生时吸附剂片24a间的间隙减小，从而在导热管道23（支管33）中通过的温水的热迅速传递至各吸附剂片24a。

这样，根据本实施方式，能够使制冷剂吸附时的吸附速度和再生时的吸附剂片24a间的导热速度双方都加快。其结果是，每单位时间的处理量（在冷却管道21内通过的冷却水的冷却量）增多，与以往相比能够进一步提高吸附式热泵的热效率。

此外，在上述的实施方式中，利用双金属片37使对吸附剂片24a施加的压力变化。但是，代替双金属片37，使用由形状因温度而变化的形状记忆合金（例如大同特殊钢株式会社制造的KIOKALLOY（注册商标））或者形状记忆树脂构成的部件，也能够获得相同的效果。

另外，在上述的实施方式中，使用活性碳作为吸附剂，但也可以使用硅胶、沸石等作为吸附剂。其中，因为活性碳能够在比较低的温度范围内进行水分的吸附和干燥，所以具有即使废热的温度较低也能够使用的优点。

（实验例）

制成具有如图2（a）、（b）所示的构造的换热器作为测试用换热器1。其中，使用将弯曲系数（变形率）为14×10^-6/℃、力系数为4750kg/mm²、长度为15mm的平板型双金属片加工成“J”字状而成的部件作为双金属片37。另外，使用厚度为0.5mm、纯度为99.99％的铜板作为按压板36。

此外，使用KURARAY CHEMICAL株式会社的“クラクティブ”（注册商标）作为吸附剂片24a。而且，将5张宽度为20mm、长度为60mm的吸附剂片24a重叠作为吸附部件24，并在导热板35的两侧分别配置吸附部件24。此外，支管33间的间隔为12mm。

另一方面，作为测试用换热器2，制成如果除代替双金属片37而配置与双金属片37形状相同的铜板的情况之外，就与测试用换热器1构造相同的换热器。

检查使温度为65℃的温水在上述测试用换热器1、2流通，从而吸附剂片24a的温度变为60℃所用的时间。其结果如图4所示。

从图4中可知，在测试用换热器1（有双金属片）中吸附剂片24a的温度变为60℃为止需要3分30秒左右，与此相对，在测试用换热器2（无双金属片）中需要4分20秒左右。由此，能够确认出使用了双金属片37的测试用换热器1与未使用双金属片的测试用换热器2相比导热速度较快。

此外，当温水在测试用换热器1中流通时，观察到双金属片37变形引起导热板35与按压板36的间隙扩大的情况。

（第二实施方式）

图5是表示第二实施方式的吸附式热泵的吸附剂换热器内的构造的俯视图。此外，本实施方式与第一实施方式不同之处在于代替双金属片37而使用了热膨胀部件41，其他的构造基本上与第一实施方式相同。因此，在图5中对与图2（b）相同的部件标注相同附图标记，并省略重复的部分的说明。

本实施方式的吸附式热泵中，如图5所示，在导热板35与按压板36之间配置有热膨胀系数大的树脂，例如由聚酯、聚乙烯或者聚氯乙烯等构成的热膨胀部件41。在对支管33供给温度为25℃左右的冷却水时，几乎不从热膨胀部件41对按压板36施加压力。

但是，若对支管33供给温度为70℃左右的温水，则热膨胀部件41热膨胀而按压按压板36，从而吸附部件24在按压板36与支管33之间被夹持而被压缩。在本实施方式中，也能够获得与第一实施方式相同的效果。另外，在本实施方式中，由于热膨胀部件由树脂形成，所以具有不产生腐蚀的优点。

（第三实施方式）

图6（a）、（b）是表示第三实施方式的吸附式热泵的吸附剂换热器内的构造的俯视图，图7是表示凸轮驱动机构的示意图。此外，本实施方式与第一实施方式不同之处在于代替双金属片37而设有凸轮57和凸轮驱动机构，其他的构造基本上与第一实施方式相同。因此，在图6（a）、（b）中对与图2（b）相同的部件标注相同附图标记，并省略重复的部分的说明。

在本实施方式中，如图6（a）、（b）所示，在支管33间分别配置有两组吸附部件24、两张按压板36、以及椭圆形的凸轮57。吸附部件24与第一实施方式相同，由重叠多个吸附剂片24a（加工成片状的活性碳纤维）而形成。另外，按压板36隔着吸附部件24而配置于支管33的相反侧。而且，凸轮57配置于两张按压板36之间。

如图7所示，马达52的旋转轴53的旋转经由齿轮54、55而传递到凸轮57的中心轴56。马达52被来自控制部51的信号驱动。

该控制部51利用温度传感器58测定导热管道23的温度，根据该测定结果判定在导热管道23内通过的载热体是冷却水还是温水并驱动马达52。

例如，在导热管道23的温度为40℃以下的情况下，控制部51判定为在导热管道23内通过的载热体为冷却水，并驱动马达52来如图6（a）所示地将凸轮57的长轴配置为与支管33平行。由此，按压板36对吸附部件24的按压力减小，从而吸附剂片24a间的间隙增大，吸附剂片24a容易吸附制冷剂。

另外，在导热管道23的温度超过40℃的情况下，控制部51判定为在导热管道23内通过的载热体为温水，从而驱动马达52来如图6（b）所示地将凸轮57的长轴配置为相对于支管33垂直。由此，按压板36对吸附部件24的按压力增大，从而吸附剂片24a彼此的接触变得密集。其结果是，吸附剂片24a间的导热速度加快。

在本实施方式中，也能够获得与第一实施方式相同的效果。另外，在本实施方式中，与使用了双金属片的情况相比还具有能够用更大的压力对按压板36进行按压的优点。

此外，在本实施方式中利用控制部51驱动马达52来使对按压板36的按压力变化，但也可以通过其它的方法对按压板36进行按压。例如在按压板36间配置由于空气而伸缩的伸缩部件，并利用控制部51控制对该伸缩部件供给的空气的压力，也能够获得相同的效果。

Claims (10)

1.一种吸附式热泵，其特征在于，

该吸附式热泵具有：

使制冷剂蒸发的蒸发器；以及

配置有吸附由所述蒸发器蒸发的蒸气的吸附部件和供载热体通过的导热管道的吸附剂换热器，

所述吸附剂换热器具有按压机构，该按压机构根据在所述导热管道内通过的载热体的温度来按压并压缩所述吸附部件。

2.根据权利要求1所述的吸附式热泵，其特征在于，

所述按压机构形成为包括热感应部件，该热感应部件的形状根据所述导热管道的温度而变化。

3.根据权利要求2所述的吸附式热泵，其特征在于，

所述热感应部件是由双金属片、形状记忆合金以及形状记忆树脂中的任意一种形成的部件。

4.根据权利要求1或2所述的吸附式热泵，其特征在于，

所述吸附部件通过重叠多个吸附剂片而形成。

5.根据权利要求4所述的吸附式热泵，其特征在于，

所述吸附剂片形成为包括将纤维状的活性碳加工成片状而成的部件。

6.根据权利要求1或2所述的吸附式热泵，其特征在于，

所述吸附部件包括硅胶、沸石以及活性碳中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的吸附式热泵，其特征在于，

所述按压机构包括热膨胀部件，该热膨胀部件由于从所述导热管道传递的热而热膨胀。

8.根据权利要求1所述的吸附式热泵，其特征在于，

所述按压机构具有：用于检测所述导热管道的温度的温度传感器；用于输出与所述温度传感器的检测温度对应的信号的控制部；以及根据从所述控制部输出的信号来按压所述吸附部件的按压部件。

9.根据权利要求1或2所述的吸附式热泵，其特征在于，

所述导热管道具有：

供载热体流入的入口侧歧管；

供所述载热体流出的出口侧歧管；

多个将所述入口侧歧管与所述出口侧歧管之间连接起来的支管；

被相对于所述支管垂直地配置并将所述支管间连接起来的第一导热板；以及

被相对于所述支管平行地配置并将所述第一导热板间连接起来的第二导热板，

所述吸附部件配置于所述第二导热板与所述支管之间，所述按压机构配置于所述第二导热板与所述吸附部件之间。

10.根据权利要求1或2所述的吸附式热泵，其特征在于，

使用水或者甲醇作为所述制冷剂。

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