JP2003294336A

JP2003294336A - ゼオライト吸着剤を用いたヒートポンプシステム

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Publication number: JP2003294336A
Application number: JP2002095047A
Authority: JP
Inventors: Keiji Itabashi; 慶治板橋; Tadahito Mizota; 忠人溝田
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2003-10-15
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP4165103B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】８０℃以下の低温領域で水分脱離量が従来知ら
れているゼオライト以上に大きいゼオライトを用いるゼ
オライト−水系ヒートポンプシステム、およびそれを利
用したエアコンディショナー等の応用機器を提供する。【解決手段】水和したＢＥＡ型ゼオライトを１ｔｏｒｒ
以下の減圧下において８０℃の温度で加熱したときの水
分脱離量が、１４ｗｔ％以上の値を有するものをヒート
ポンプシステムに用いる。さらには、このヒートポンプ
システムを応用機器に利用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ゼオライト−水系
ヒートポンプシステムにおいて、水分吸着時の水分吸着
熱による発熱量および水蒸発潜熱による冷熱量が大きい
ＢＥＡ型ゼオライトを用いるゼオライトヒートポンプシ
ステムに関するものである。また、ＢＥＡ型ゼオライト
を用いたヒートポンプを利用するエアコンディショナ
ー、冷蔵庫、冷凍機、冷凍庫、製氷機、冷水機、低温貯
蔵庫、電子機器冷却装置、コンピューターＣＰＵ冷却装
置、温水器、保温貯蔵庫、乾燥機、凍結乾燥機などの応
用機器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】吸着剤を利用したヒートポンプのアイデ
ィアは古くから提案されており、例えば、Ｄ．Ｉ．Ｔｃ
ｈｅｒｎｅｖ氏による報告（ＮａｔｕｒａｌＺｅｏｌ
ｉｔｅｓ、ＰｅｒｇａｍｏｎＰｒｅｓｓ、ｐ．４７９
−４８５、１９７８およびＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
ｏｆ５ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＺｅｏｌ
ｉｔｅＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｈｅｙｄｅｎ、ｐ．
７８８−７９４、１９８０）には天然ゼオライトを用い
た水の吸着熱による温熱の利用と、太陽熱による脱水後
の水分吸着による水の蒸発潜熱による冷熱利用のシステ
ムが提案されている。また、特開２００１−２３９１５
６号公報にはＭｇイオンなどの二価金属イオンを交換し
たゼオライトを用いるヒートポンプシステムが提案され
ている。ヒートポンプシステムを有効に活用するために
は、水分吸着熱が大きいことと同時に、低温排熱を利用
して効率的に冷熱に変換することが大きなポイントであ
る。そのためには、水分吸着後、低温領域での水分脱離
量が大きいゼオライトが必要である。しかしながらこれ
までは、比較的低温領域で加熱再生した時の水分脱離量
は小さいゼオライトしか存在しなかった。また、水分脱
離量を大きくしようとすると、１５０℃以上の高温を必
要とするのが一般的なゼオライトの性質であった。

【０００３】又、特開２００２−０２８４８２号公報に
は、ＢＥＡ、ＦＡＵ型構造を有するアルミノシリケート
ゼオライトの一種以上から成り、室温での水分飽和吸着
状態から１００℃まで加熱した時の吸着剤の水分脱離量
が６重量％以上、および２００℃まで加熱した時の水分
脱離量が１９重量％以上であり、かつ１００〜２００℃
までの水分脱離量の差が６重量％以上であるヒートポン
プ用ゼオライト吸着剤が記載されているが、特に、実際
にゼオライト−水系ヒートポンプシステムに適用して水
分吸着時の温熱発生量や冷熱発生量を測定した実施例の
記載がない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、従来
技術の問題点を解決するために、８０℃以下の低温領域
で水分脱離量が従来知られているゼオライト以上に大き
いゼオライトを用いるゼオライト−水系ヒートポンプシ
ステムを提供し、およびそれを利用したエアコンディシ
ョナー等の応用機器を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは従来技術の
問題点を解決するために、ゼオライトの構造、組成、交
換イオン種との組合せ、および水分吸着・脱離特性につ
いて鋭意検討を重ねた結果、８０℃以下の低温領域での
水分脱離量が従来のゼオライトにはない大きな値を有す
るゼオライトを見出した。これをヒートポンプシステム
に初めて応用して、水分吸着時の吸着熱による温熱発生
量と、水分蒸発潜熱による冷熱発生量が共に大きいこと
を実証して、本発明に至った。

【０００６】ゼオライトは多孔質結晶性アルミノ珪酸塩
であり、一般式ｘＭ_2/nＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ｙＳｉＯ₂・ｚＨ₂Ｏ（ここで、ｎは陽イオンＭの原子価、ｘは０．８〜１．
２の範囲の数、ｙは２以上の数、ｚは０以上の数）で表
される。ここで陽イオンＭはアルミノ珪酸塩骨格の負電
荷を補償するために結合しているものである。一般的に
は、陽イオンＭはアルカリ金属やアルカリ土類金属およ
び／または有機陽イオンであるが、他の金属陽イオンと
容易に交換することができる。また、鉱酸類で処理する
か、あるいはアンモニウム塩でイオン交換したアンモニ
ウム型を熱処理してプロトン型として使用する場合もあ
る。ゼオライトの骨格構造は、珪素及びアルミニウムを
中心として４つの酸素が配位した四面体が酸素を共有し
て三次元的に規則正しく結合したものである。その結晶
構造は粉末Ｘ線回折図で特徴づけられ、数多くの種類が
公知である。ゼオライトはその構造中に約３〜１０オン
グストロームの大きさの細孔を有しており、その細孔径
と細孔構造はゼオライトの種類により特徴づけられる。

【０００７】上記式の中でｚの値が大きいほど水分吸着
容量が大きいといえるが、加熱時の水分脱離特性は容易
に推定できるものではない。ゼオライトは親水性の強い
物質であり、高温まで加熱しないと吸着した水分は容易
に脱離しない。アルミニウム含有量が低下すると疎水的
性質を示すようになって水分吸着容量が減少し、比較的
低温下での水分脱離量が相対的に増加する傾向に変化す
る、というのが一般的である。本発明のＢＥＡ型ゼオラ
イトは低温領域での脱水量が従来のゼオライトの常識を
はるかに超えて大きく、また、それを充填したヒートポ
ンプ装置は十分に高い熱交換性能を有し、１００℃以下
の低温熱源を利用したヒートポンプシステムの構築が可
能であることを、我々は本発明で初めて見出した。

【０００８】ゼオライト−水系ヒートポンプシステムの
原理は、脱水されたゼオライト吸着剤に水分が吸着され
るときに発生する吸着熱を温熱として利用し、また、吸
着する水が蒸発する時の蒸発潜熱を冷熱として利用しよ
うとするものである。またこのシステムは、深夜電力な
どの未利用エネルギー、ボイラー排熱や工場排熱などの
低温排熱、および太陽エネルギーや地熱、温泉熱などの
自然エネルギーなどを有効に利用するために考案された
ものであり、熱源は比較的低温のものである。したがっ
て、例えば１００℃以下のより低い熱源を利用できるも
のほど利用価値が高いと言える。

【０００９】ゼオライト−水系ヒートポンプシステムは
後記するように、系内を十分に脱気した後、大気等の漏
れがないようにして初めてスムーズに作動する装置であ
るので、ヒートポンプシステムにおける水分吸着量と水
の蒸発量は、別の装置で減圧下において加熱したときの
水分脱離量とほぼ等しいと考えて良い。この水分脱離量
は、室温下で飽和量の水分を吸着させた後、例えば水和
熱測定装置などにセットし、減圧下で加熱して求めるこ
とができる。減圧度は１ｔｏｒｒ以下、好ましくは０．
１ｔｏｒｒ以下である。この場合、減圧度が水分脱離量
に与える影響は小さく、水分脱離量は加熱温度に大きく
依存するので、飽和量の水分を吸着させた状態を基準と
した脱離量（ｗｔ％）として求められる。加熱時間は、
重量減少の経時変化がほとんどなくなったときを終了の
目安とすればよい。

【００１０】次に、図１に示すヒートポンプ装置概略図
に基づいて、ゼオライトヒートポンプの運転および温
熱、冷熱の取出しについて述べる。図１の１、３、４に
示すゼオライト充填槽、コンデンサー、および貯水槽
を、バルブ５、５’を開いて真空ポンプ１０により脱気
する。系内を十分脱気後、バルブ５’を閉じた後にゼオ
ライトベッド２を所定温度に加熱しながら真空ポンプに
より脱水する。このときの減圧度が１ｔｏｒｒ以下、ま
たは０．１ｔｏｒｒ以下であることが好ましい。このと
きの減圧度が１ｔｏｒｒよりも高いと空気などが残存
し、下記する水分の再吸着が阻害され、温熱、冷熱共に
発生量が不十分となる。加熱時間は特に限定されず、減
圧度を目安に決めることが好ましい。その後、系内を真
空ポンプと切り離してバルブ５を閉じる。ゼオライトベ
ッド２を室温まで冷却後、バルブ５および５’を開ける
と、貯水槽４の水が蒸発すると同時にゼオライトベッド
２のゼオライトが水分を吸着する。吸着熱による発熱
を、水またはオイルなどの流体を循環する温熱取出し装
置７で温熱として系外へ取り出す。また、水の蒸発潜熱
による冷却熱を、水またはオイルなどの流体を循環する
冷熱取出し装置９で冷熱として系外へ取り出す。減圧下
で加熱脱水した時とほぼ同じ量の水分を吸着すると、吸
着熱と蒸発潜熱の発生はなくなる。

【００１１】ゼオライト−水系ヒートポンプシステムに
おいて利用できる温熱量（Ｑ_h）および冷熱量（Ｑ_c）
は、水和熱測定装置等で測定した水分吸着熱、および水
の蒸発潜熱の値を用いて、下式により求めることができ
る。

【００１２】Ｑ_h＝ｑ（ａｄｓ）× ｗ（ａｄｓ）Ｑ_c＝ｈ（ｖａｐ）× ｗ（ｖａｐ）ここでｑ（ａｄｓ）は水分吸着熱（ｋＪ／ｍｏｌ（Ｈ₂
Ｏ））、ｗ（ａｄｓ）は水分吸着量（ｍｏｌ（Ｈ₂Ｏ）
／ｋｇ）である。また、ｈ（ｖａｐ）は水の蒸発潜熱
（ｋＪ／ｍｏｌ（Ｈ₂Ｏ））、ｗ（ｖａｐ）は水の蒸発
量（ｍｏｌ（Ｈ₂Ｏ）／ｋｇ）であり、ｗ（ａｄｓ）＝
ｗ（ｖａｐ）である。また、ここでゼオライトの重量
（ｋｇ）は飽和量の水分を吸着させた状態を基準とする
ものである。ｗ（ａｄｓ）＝ｗ（ｖａｐ）の値は、水分
吸着前・後の貯水槽４の減少量を計量することにより求
めることができる。

【００１３】ゼオライトへの水の吸着熱は、ゼオライト
の構造、交換イオンの種類により異なるが、大きく変化
することはない。上記式から分かるようにように、水分
吸着・脱離量の大きいゼオライトが有利となる。

【００１４】水分吸着終了後、サイクルを繰り返す場合
は、再度ゼオライトベッドを加熱することから始めれば
よい。系内に大気等の漏れがない装置を用いれば、この
場合に真空ポンプによる脱気は不要である。ゼオライト
ヒートポンプシステムは、バルブ５’を閉じて最初の真
空ポンプによる脱気後、１ｔｏｒｒ以下、好ましくは
０．１ｔｏｒｒの減圧度を維持できる装置であることが
好ましい。このときの減圧度が１ｔｏｒｒよりも高いと
水分の再吸着が阻害され、温熱、冷熱共に発生量が不十
分となるので、毎回真空ポンプによる減圧操作が必要と
なり効率が低下する。

【００１５】本発明のＢＥＡ型ゼオライトの水分脱離量
が、低温領域で他のゼオライトよりも大きくなる理由は
まだ十分に明らかではない。したがって、本発明に用い
られるＢＥＡ型ゼオライトのＳｉ／Ａｌ比や交換陽イオ
ンの種類は特に限定されるものではない。本発明では、
水和したＢＥＡ型ゼオライトを減圧下において８０℃の
温度で加熱したときの水分脱離量が、１４ｗｔ％以上の
値を有するものであればよい。好ましくは１８ｗｔ％以
上、さらに好ましくは２０ｗｔ％以上である。

【００１６】また、本発明のゼオライト−水系ヒートポ
ンプシステムにおいて、１００℃の温度で再生後の水分
吸着時の温熱発生量が２５０ｋＪ／ｋｇ以上であり、且
つ冷熱発生量が２２０ｋＪ／ｋｇ以上であるＢＥＡ型ゼ
オライトを用いることが好ましい。

【００１７】このゼオライトをヒートポンプシステムに
使用する際のゼオライト吸着剤の形態は特に限定されな
い。小型装置の場合は微小結晶粉末をそのまま用いても
よいし、吸着剤スラリーを熱交換器表面に塗付する方法
を用いてもよい。大型装置においては吸着剤充填量が多
くなるため、粉末状で充填すると水蒸気の拡散が妨げら
れ、全吸着剤に効率的に水分を吸着させることが困難で
ある。そこで粒状に成形した吸着剤を用いれば成形体空
隙が水蒸気拡散通路となり、効率的に水分を吸着させて
吸着熱を回収することができ、また、十分な水分蒸発に
よる蒸発潜熱を回収することもできる。粒状成形体の形
状は特に限定されず、容器の大きさや充填密度を考慮し
て形状、大きさが選択される。一般的には、円柱状や球
状の成形体が用いられる。成形のためのバインダーや成
形助剤も特に限定されないが、熱交換を効率的に行うた
めに、熱伝導度を上げる工夫をすることが好ましい。

【００１８】上記したヒートポンプ用吸着剤の吸着熱測
定法は特に限定されず、複数の吸着等温線から求めても
よいし、水和熱測定装置や熱量計を用いて直接熱測定を
行ってもよい。

【００１９】本発明のヒートポンプシステムは、エアコ
ンディショナー、冷蔵庫、冷凍機、冷凍庫、製氷機、冷
水機、低温貯蔵庫、電子機器冷却装置、コンピューター
ＣＰＵ冷却装置、温水器、保温貯蔵庫、乾燥機、凍結乾
燥機などの応用機器に好適に使用することができる。

【００２０】

【実施例】以下、実施例において本発明を詳細に説明す
る。しかし、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではない。

【００２１】＜実施例１＞ＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃比＝１
６．１のＨ⁺イオン交換ＢＥＡ型ゼオライト粉末（Ｈ ⁺イ
オン交換率９９％以上、東ソー製、ＨＳＺ９２０ＨＯ
Ａ）に粘土を加えて球状（直径０．８〜２．５ｍｍ）に
成形後焼成した吸着剤を十分水和後、水和熱測定装置の
中で真空ポンプにより減圧にしながら６０℃で加熱脱水
した。そのときの水分脱離量は表１に示すとおりであっ
た。また、試料を冷却後、水分を再吸着させて求めた吸
着熱は５１．８ｋＪ／ｍｏｌ（Ｈ₂Ｏ）であった。

【００２２】＜実施例２、３＞組成と形状の異なるＨ⁺
イオン交換率９９％以上のＢＥＡ型ゼオライト（東ソー
製、ＨＳＺ９２０ＨＯＡ（実施例２）、ＨＳＺ９３０Ｈ
ＯＡ（実施例３））を十分水和後、実施例１と同じ方法
により水和熱測定装置の中で８０℃で加熱脱水した。そ
のときの水分脱離量は表１に示すとおりであった。

【００２３】＜実施例４＞実施例１で用いたものと同じ
ＢＥＡ型ゼオライト吸着剤４．２５ｋｇを、図１に示す
ヒートポンプ装置の２に充填した。装置内を十分脱気
後、吸着剤を１００℃で加熱して脱水した。脱離した水
はコンデンサー３で熱交換して凝縮させて貯水槽４に溜
めた。２１０分間加熱後バルブ５を閉じて室温まで冷却
した。その後バルブ５を開けて水分を蒸発させてゼオラ
イト吸着剤に吸着させて６時間後にバルブ５を閉じた。
このときの貯水槽の減水量と、実施例１で求めた吸着熱
および水の蒸発潜熱から、温熱発生量と冷熱発生量を算
出すると、それぞれ２９５ｋＪ／ｋｇ、２５１ｋＪ／ｋ
ｇであった。

【００２４】＜実施例５＞１００℃での脱水時間を２０
０分、脱水後の水分吸着時間を４．５時間とした以外は
実施例４と同じ操作を繰り返して、水和による温熱発生
量と蒸発潜熱による冷熱発生量を算出した結果、それぞ
れ２９０ｋＪ／ｋｇ、２４７ｋＪ／ｋｇであった。

【００２５】＜比較例１〜４＞ＭｇおよびＣａイオン交
換したＡ型ゼオライト粉末（東ソー製、ゼオラム）とＬ
ＳＸ型ゼオライト粉末（特開平１１−２１７２１２号公
報に基づき製造）を実施例１と同様の方法で水分脱離量
を測定した。その結果は表２に示すとおりであった。

【００２６】

【表１】

【表２】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例で用いたゼオライトヒートポンプ装置概
略図。

【符号の説明】

１ゼオライト充填槽２ゼオライトベッド３コンデンサー４貯水槽５，５’ バルブ６温度、圧力センサー７温熱取出し８冷却水９冷熱取出し１０真空ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水和したゼオライトを１ｔｏｒｒ以下の減
圧下で、８０℃以下の温度で加熱したときの水分脱離量
が１４ｗｔ％以上であるＢＥＡ型ゼオライトを用いるこ
とを特徴とするゼオライト−水系ヒートポンプシステ
ム。
【請求項２】請求項１に記載のゼオライト−水系ヒート
ポンプシステムにおいて、１００℃の温度で再生後の水
分吸着時の温熱発生量が２５０ｋＪ／ｋｇ以上であり、
且つ冷熱発生量が２２０ｋＪ／ｋｇ以上であるＢＥＡ型
ゼオライトを用いることを特徴とするヒートポンプシス
テム。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載のゼオライト
ヒートポンプシステムを利用するエアコンディショナ
ー。
【請求項４】請求項１又は請求項２に記載のゼオライト
ヒートポンプシステムを利用する冷蔵庫。
【請求項５】請求項１又は請求項２に記載のゼオライト
ヒートポンプシステムを利用する冷凍機。
【請求項６】請求項１又は請求項２に記載のゼオライト
ヒートポンプシステムを利用する冷凍庫。
【請求項７】請求項１又は請求項２に記載のゼオライト
ヒートポンプシステムを利用する製氷機。
【請求項８】請求項１又は請求項２に記載のゼオライト
ヒートポンプシステムを利用する冷水機。
【請求項９】請求項１又は請求項２に記載のゼオライト
ヒートポンプシステムを利用する低温貯蔵庫。
【請求項１０】請求項１又は請求項２に記載のゼオライ
トヒートポンプシステムを利用する電子機器冷却装置。
【請求項１１】請求項１又は請求項２に記載のゼオライ
トヒートポンプシステムを利用するコンピューターＣＰ
Ｕ冷却装置。
【請求項１２】請求項１又は請求項２に記載のゼオライ
トヒートポンプシステムを利用する温水器。
【請求項１３】請求項１又は請求項２に記載のゼオライ
トヒートポンプシステムを利用する保温貯蔵庫。
【請求項１４】請求項１又は請求項２に記載のゼオライ
トヒートポンプシステムを利用する乾燥機。
【請求項１５】請求項１又は請求項２に記載のゼオライ
トヒートポンプシステムを利用する凍結乾燥機。