JP2005214552A - 吸着式蓄熱装置とそれを用いた蓄熱方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷熱出力が向上し、かつ熱需要先での設置の利便性からコンパクト化が可能な吸着式蓄熱装置とそれを用いた蓄熱方法を提供することである。
【解決手段】 吸着材Ａを充填し、熱交換流路１６を設けて吸着材Ａを冷却または加熱するようにした吸着器３ａ〜３ｃと、上側を内部空間に開放した冷水流路７ａ〜７ｃを設けて冷媒を蒸発させる蒸発器２ａ〜２ｃとを流量制御バルブ５ａ〜５ｃを介してユニット状に形成し、この吸着ユニットを上下に複数段設けて、各吸着ユニット６ａ〜６ｃの蒸発器間をニードルバルブ９により水封状態で連通可能とし、それぞれの吸着ユニットで、異なる相対水蒸気圧力下での冷媒吸着を可能としたのである。それにより蓄熱装置全体の吸着量を増加させることができ、また直接接触式蒸発機構により効率のよい熱伝達が行われて冷熱出力が向上し、同一冷熱能力の単段式の蓄熱装置に比べて装置のコンパクト化が可能となる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、空調用蓄熱システムに用いられる蓄熱装置に係り、詳しくは、蒸発器と吸着器をユニット状に形成した吸着ユニットを多段に設けた吸着式蓄熱装置に関する。

熱エネルギー有効利用のための蓄熱技術として、吸着式蓄熱装置を利用した蓄熱システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この吸着式蓄熱装置は、吸着式冷凍機の運転原理を利用したもので、吸着式冷凍機と同様の構造を有する。また、吸着材を熱源で乾燥させ、化学的に蓄熱する乾燥工程と、水分、例えば高湿度空気と吸着材とを接触させて吸着熱を発生させる発熱工程とを包含し、吸着材を可搬式容器に充填し、乾燥工程に必要な熱排出元と発熱工程で発熱を熱交換により回収する熱需要先とが離れている場合に、とくに便利な熱利用方法が開示されている（特許文献２参照）。

一方、前記吸着冷凍機を、例えばカーエアコンに適用する場合に、自動車が冷熱源を備えていなくても、吸着材の吸着能力を充分に発揮させ、高い冷却能力を得るために、吸着器および蒸発器を複数段設け、吸着器の冷却流体および冷媒の温度を調節することにより、吸着量および脱着量を増加させ、吸着器の大型化を回避しながら冷凍能力を高める方法が開示されている（特許文献３参照）。また、従来の凝縮器・蒸発器の管壁を介した間接熱伝達手段にかわり、冷媒に対して蒸発機能を、冷媒蒸気に対して凝縮機能をそれぞれ形成する、スプレイ噴霧部と水槽部による直接接触型の接触熱交換器を使用して蒸気配管における圧力損失を解消して冷凍機の性能向上等を図る技術が開示されている（特許文献４参照）。

特開平３−９１６６０号公報（第２頁〜第４頁） 特開２００１−２５５０８８号公報（［０００５］〜［００１５］） 特開平９−３０３９００号公報（［００２０］〜［００２３］） 特開平１０−３２５６３８号公報（［０００７］〜［００１０］）

前記特許文献１および特許文献２に開示されたような蓄熱システムや熱利用法では、吸着式蓄熱装置は熱需要先に設置されるため、コンパクトでかつ装置単位容積あたりのエネルギー出力（利用可能熱量密度（［ＭＪ／ｍ³］）が大きいことが望まれている。しかし、吸着式冷凍機の原理を利用した蓄熱装置では、氷蓄熱等の潜熱を利用した蓄熱装置よりも利用可能熱量密度が小さいため、蓄熱容積、即ち蓄熱装置の大きさに比べてエネルギー出力が小さいという問題がある。また、特許文献３に開示された吸着器および蒸発器を複数段設けた吸着式冷凍機の原理を用いて蓄熱装置を形成すれば、配管系統が複雑となって装置のコンパクト化には不利となる。さらに、特許文献４に開示された、直接接触型の接触熱交換器を有する吸着式冷凍機では、装置のコンパクト化には有利であるものの、エネルギー出力、即ち冷熱出力の面では改善の余地がある。

この発明は上記の問題に鑑みなされたもので、その課題は、冷熱出力が向上し、かつ熱需要先での設置の利便性からコンパクト化が可能な吸着式蓄熱装置とそれを用いた蓄熱方法を提供することである。

前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。

即ち、吸着材が充填され、熱交換流路を設けて吸着材を冷却または加熱するようにした吸着器と、冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、吸着材が前記熱交換流路を介して冷却されながら蒸発器からの冷媒の蒸気を吸着し、この蒸発潜熱により冷却された冷水が得られ、前記熱交換流路を介して加熱されて吸着された冷媒が脱着して凝縮し、前記吸着材を乾燥させて蓄熱するようにした吸着式蓄熱装置において、前記吸着器と前記蒸発器とを流量制御手段を介してユニット状に形成し、この吸着ユニットを複数段設けて、それぞれの吸着ユニットで異なる相対水蒸気圧力下で冷媒の吸着を可能としたのである。

このようにすれば、各段の蒸発器で気化した冷媒蒸気を各段の吸着器の吸着材で吸着する際の相対水蒸気圧（ｐ／ｐ₀、ｐ₀：吸着温度での吸着質の飽和蒸気圧、ｐ：吸着材雰囲気飽和蒸気圧；以下、相対圧と記す）が各吸着器で異なり、前段の吸着ユニットの方が、相対圧（ｐ／ｐ₀）がより大きくなって、吸着率、即ち吸着材単位質量あたりの吸着量が増加して、全吸着ユニットでの総吸着量を向上させることができる。従って、蒸発器および吸着器を一段に配置した単段式の蓄熱装置に比べて、少量の吸着材で多量の冷媒蒸気を吸着することができ、同一冷熱能力では単段式に比べて吸着材を減量できるため、蓄熱装置のコンパクト化が可能となる。

前記吸着ユニットを上下方向に複数段設け、各段の蒸発器を水封状態で連通可能とし、前記熱交換流路を介した加熱により脱着した冷媒蒸気を、前記流量制御手段を介して蒸発器に導入して凝縮させるようにすることが望ましい。

このように吸着ユニットを上下方向に複数段設ければ、最上段の蒸発器に供給した冷水を自然落下により、各吸着ユニットの蒸発器内を容易に流通させることができる。また、脱着した冷媒蒸気を蒸発器に導入して凝縮させることにより、蒸発器が凝縮器を兼ねて配管系統も簡素化され、蓄熱装置のコンパクト化に寄与することができる。

前記各吸着ユニットに、その蒸発器に設けた貯水部の冷水の温度を測定する手段が設けられ、各蒸発器の冷水温度の測定値と設定温度とを対比し、その偏差に基づいて前記流量制御手段により冷媒蒸発量を制御して冷水温度を設定温度に調整するようにすることが望ましい。

このように、各吸着ユニットの蒸発器毎に冷水温度を管理すれば、空調設備等の負荷への冷水温度を精度よく制御でき、冷熱能力が安定する。

前記蒸発器は、その内部空間に開放した冷水の流路を備え、冷水がこの流路を通過しながら蒸発し、その蒸発潜熱で冷水の温度が降下する直接接触式蒸発機構が形成される構造であることが望ましい。

このようにすれば、蒸発器に熱交換器が不要となり、また、熱交換器の管壁を介さずに直接接触型の効率のよい熱伝達が行われるため、蒸発器の小型化および軽量化が可能となり、蓄熱装置をコンパクト化できる。

上記の吸着式蓄熱装置を用い、夜間電力を利用して、吸着器に設けた熱交換のための流体流路に加熱流体を流通させて吸着した冷媒を脱着し、吸着材を乾燥させて蓄熱するようにすることができる。

このようにすれば、割安な電力を利用して夜間に吸着材が再生され、化学的に蓄熱された状態となり、常時昼間に吸着運転を行なうことができるため、経済的に冷熱を得ることができる。

この発明では、吸着器と蒸発器とを流量制御手段を介してユニット状に形成し、このユニットを複数段設け吸着式蓄熱装置を構成したため、それぞれのユニットで、異なる相対水蒸気圧力下で冷媒の吸着が可能となり、単段式の場合に比べて蓄熱装置全体の吸着量を増加させることができる。従って、同一冷熱能力の単段式の蓄熱装置に比べて、装置のコンパクト化が可能となる。

また、前記各ユニットに、その蒸発器に設けた貯水部の冷水温度の測定値に基づいて冷媒蒸発量を制御して冷水温度を設定温度に調整・管理するようにしたので、空調設備等の負荷への冷水温度を精度よく制御でき、冷熱能力が安定する。

さらに、前記蒸発器を、直接接触式蒸発機構を有する構造としたので、熱交換器が不要となり、効率のよい熱伝達が行われ、蒸発器の小型化および軽量化が可能となって蓄熱装置のコンパクト化に寄与できる。

そして、割安な電力を利用して夜間に吸着材を再生して化学的に蓄熱された状態とすることができるため、常時昼間に吸着運転を行なうことができ、経済的に冷熱を得ることができる。

以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図４に基づいて説明する。

図１は、実施形態の吸着式蓄熱装置１を示したもので、この吸着式蓄熱装置１は、複数の蒸発器２ａ、２ｂ、２ｃと吸着器３ａ、３ｂ、３ｃを有し、各蒸発器２ａ〜２ｃと各吸着器３ａ〜３ｃは、仕切り壁４に設けた流量制御手段、即ち流量制御バルブ５ａ、５ｂ、５ｃを介して横方向に連通可能に配置されてユニット状に形成され、この吸着ユニットは上下方向に複数段設けられ、冷媒として水が使用される。この実施形態では３段の吸着ユニット６ａ、６ｂ、６ｃが設けられ、各吸着ユニット６ａ、６ｂ、６ｃは、図示を省略した真空装置によって、例えば、数Ｐａ程度に減圧されている。前記蒸発器２ａ〜２ｃには、図２（ａ）および図３（ａ）に示すように、上側がその内部空間に開放した冷水流路７ａ、７ｂ、７ｃが、底面を斜め上方に傾斜させて千鳥掛状に設けられている。図３（ａ）に示したように、蒸発器２ａ、２ｂ間および蒸発器２ｂ、２ｃ間の仕切り壁８、８には、異なる相対圧を保持するために、冷水が水封状態で連通可能なようにニードルバルブ９を設けている。前記仕切り壁８、８の上面、即ち蒸発器２ａ、２ｂの内部底面は、ニードルバルブ９を設けた連通部に向かって、冷水が流出しやすいように斜め下方に勾配が形成され、この蒸発器２ａ、２ｂの底部が冷水の貯水部１０ａ、１０ｂとなっている。図１および図２（ｂ）に示したように、各吸着ユニット６ａ、６ｂ、６ｃの吸着器３ａ、３ｂ、３ｃ間にはそれぞれ仕切り壁８ａが設けられ、最下段の吸着ユニット６ｃの仕切り壁８ａの下部には冷水槽１１が設けられている。そして、最上段の吸着ユニット６ａの蒸発器側の側壁上部には、冷水を蒸発器２ａ内に設けた冷水流路７ａに供給するための、流量制御バルブ１２を取り付けた冷水供給口１３ａが設けられ、最下段の吸着ユニット６ｃの蒸発器側の側壁下部には、同様にバルブ１２を取り付けた冷水排出口１３ｂが設けられている。

前記上段ユニット６ａの蒸発器２ａの貯水部１０ａ、および中段吸着ユニット６ｂの蒸発器２ｂの貯水部１０ｂには、冷水温度管理用の温度計Ｔがそれぞれ取付けられ、下段吸着ユニット６ｃの蒸発器２ｃについては、冷水温度管理用の温度計Ｔが冷水排出口１３ｂの出側に取付けられている。これらの温度計Ｔの各出力に基づいて、制御機器１４を介して設定温度からの偏差が各吸着ユニット６ａ、６ｂ、６ｃの流量制御バルブ５ａ、５ｂ、５ｃに設けたバルブ開度制御計１５にフィードバックされてバルブ開度がそれぞれ調節され、各蒸発器２ａ、２ｂ、２ｃでの蒸発水蒸気量を制御して冷水温度が設定温度に調節されるようになっている。前記冷水槽１１には、このようにして設定温度に調整された冷水が貯水される。なお、前記流量制御バルブとしては、図２（ａ）および図３（ｃ）に示すように、冷媒の双方向の流通が可能なバタフライ弁５ａ〜５ｃまたはゲート弁Ｇなどを用いることができる。

図４は、吸着器３ａ、３ｂ、３ｃの内部構造を示したもので、同図は、３段の吸着器の中の２段、例えば吸着器３ａ、３ｂについて、その要部を拡大して示したものである。吸着器３ａ〜３ｃは、プレートチューブ式熱交換器タイプの熱交換流路１６が、縦方向に並列して組み込まれた層状のプレート１７間に吸着材Ａが充填されて形成され、図１に示した、吸着式蓄熱装置１の長手方向のみならず、図２（ｂ）に示したように、幅方向にも複数配列されている。前記熱交換流路１６には、図１に示したように、この蓄熱装置１の吸着器側の側壁にそれぞれ設けた冷却水または加熱流体の供給口１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、および各供給口に備えたバルブ１９ａ、１９ｂ、１９ｃを介して、吸着運転時には冷却水が、再生運転時には蒸気などの加熱流体がそれぞれ流通するようになっている。なお、必要な場合には、図１に示したように、各蒸発器２ａ〜２ｃでの冷水の設定温度からの偏差が、制御機器１４を介して、冷却水の供給口１８ａ〜１８ｃに設けたバルブ１９ａ〜１９ｃの開度制御計１５にもフィードバックされ、その開度が調節される。なお、前記吸着ユニット６ａ、６ｂ、６ｃの多段化は上下方向に限らず、水平方向に多段化することも可能である。

この発明の実施形態は以上のような構成であり、以下にその機能について説明する。

まず、吸着運転の場合について記すと、前記冷却水供給口１３ａから、例えば、１２℃程度の冷水が上段吸着ユニット６ａの蒸発器２ａ内の冷却水流路７ａに供給されると、各吸着ユニット６ａ〜６ｃ内部は真空状態に減圧されているため、この冷水は蒸発しながら冷却水流路７ａを千鳥掛状に流下し、蒸発潜熱により冷却されて貯水部１０ａに溜まる。蒸発した冷媒は、流量制御バルブ５ａを通過して吸着器３ａで吸着される。貯水部１０ａに溜まった冷水は、蒸発器２ａと中段吸着ユニット６ｂの蒸発器２ｂとの仕切り壁８に設けたニードルバルブ９を通過して、蒸発器２ｂ内の冷却水流路７ｂに落下する。その際に、ニードルバルブ９の開度を適正に調節することにより、蒸発器２ａ、２ｂ間は貯水部１０ａで水封状態が保たれる。冷却水流路７ｂに落下した冷水は、蒸発器２ａ内での挙動と同様に、蒸発を繰り返しながら流下し、蒸発潜熱により冷却されて貯水部１０ｂに溜まる。蒸発した冷媒は、流量制御バルブ５ｂを通過して吸着器３ｂで吸着される。貯水部１０ｂに溜まった冷水は、蒸発器２ｂと下段吸着ユニット６ｃの蒸発器２ｃとの仕切り壁８に設けたニードルバルブ９を通過して、蒸発器２ｃ内の冷却水流路７ｃに落下する。その際に、ニードルバルブ９の開度を適正に調節することにより、蒸発器２ｂ、２ｃ間は貯水部１０ｂで水封状態が保たれる。冷却水流路７ｃに落下した冷水は、蒸発器２ａ、２ｂ内での挙動と同様に、蒸発を繰り返しながら流下し、蒸発潜熱により冷却されて冷水槽１１に溜まる。蒸発した冷媒は、流量制御バルブ５ｃを通過して吸着器３ｃで吸着される。そして、冷水槽１１に溜まった、例えば７℃程度の冷水は、冷水排出口１３ｂから、バルブ１２を介して、空調設備等の負荷に供給され、この負荷からの排水はバルブ１２を介して冷水供給口１３ａから蒸発器２ａの冷水流路７ａに供給され、上記吸着運転が継続される。上記吸着運転中は、吸着熱除去のための吸着材の冷却水が、各吸着ユニット６ａ、６ｂ、６ｃの吸着器側の側壁に設けた供給口１８ａ、１８ｂ、１８ｃから供給され、それぞれの熱交換流路１６を通過して各吸着器３ａ、３ｂ、３ｃに充填された吸着材Ａを冷却し、図示を省略した排出口から排出される。

前記各蒸発器間は、上述のように、連通し、かつ水封状態に保持されているため、各吸着器３ａ〜３ｃで、異なる相対圧（ｐ／ｐ₀）の下で吸着材に冷媒蒸気を吸着させることができる。この相対圧（ｐ／ｐ₀）は、前段側、即ち上段側の吸着ユニットの方が大きくなるため、吸着材単位質量あたりの吸着量が増加して、全吸着ユニットでの総吸着量を向上させることができる。また、温度計Ｔにより、各蒸発器２ａ、２ｂ下部の貯水部１０ａ、１０ｂの冷水温度、および蒸発器２ｃの下部側の冷水槽の冷水温度を測定し、設定温度との偏差に基づいて、それぞれ対応する流量制御バルブ５ａ、５ｂ、５ｃの開度を制御し、蒸発器毎に冷水温度を管理するようにしたので、空調設備等の負荷への冷水温度を精度よく制御でき、冷熱能力が安定する。さらに、各蒸発器２ａ〜２ｃ内に上側が内部空間に開放した冷水流路７ａ〜７ｃを設けたので、直接接触式蒸発機構により冷水の温度降下が効率よく行なわれ、各蒸発器２ａ〜２ｃの小型化および軽量化が可能となる。

次に、再生運転の場合について記すと、各吸着ユニット６ａ、６ｂ、６ｃに設けた前記供給口１８ａから、蒸気などの加熱流体が供給され、前記熱交換流路７ａ、７ｂ、７ｃを流通して吸着材Ａに吸着された冷媒蒸気を脱着し、この脱着蒸気は各吸着ユニット６ａ、６ｂ、６ｃの流量制御バルブ５ａ、５ｂ、５ｃを通過して、冷水供給口１３ａから所要量の冷水を供給し、冷水流路７ａ、７ｂ、７ｃを流下させるようにした蒸発器２ａ、２ｂ、２ｃに流入して凝縮する。この凝縮水は、前記冷水流路およびニードルバルブ９を流下して冷水槽１１に溜まり、冷水排出口１３ｂから適宜排出される。この再生運転は夜間電力を利用して行なうことができるため、昼間は常時吸着運転を行なうことができ、経済的に冷熱を得ることができる。

この発明の吸着式蓄熱装置は、空調分野で、定置式または非定置式（移動式）蓄熱装置として利用することができ、氷蓄熱など冷媒の凝縮、蒸発、凝固を利用した潜熱蓄熱、水蓄熱、躯体蓄熱などの顕熱蓄熱のいずれの蓄熱方式にも適用が可能である。

この発明の実施形態の吸着式蓄熱装置の縦断正面図 （ａ）図１のＡ−Ａ線における断面図（ｂ）図１のＢ−Ｂ線における断面図 （ａ）図１に示した吸着式蓄熱装置の蒸発器の縦断正面図（ｂ）図３（ａ）のＡ−Ａ線における断面図（ｃ）図３（ａ）に示した流量制御バルブの一例を示す説明図 図１の吸着式蓄熱装置の吸着器の要部を示す拡大斜視図

符号の説明

１：吸着式蓄熱装置 ２ａ〜２ｃ：蒸発器 ３ａ〜３ｃ：吸着器
４：仕切り壁 ５ａ〜５ｃ：流量制御バルブ（バタフライ弁）
６ａ〜６ｃ：吸着ユニット
７ａ〜７ｃ：冷水流路 ８、８ａ、８ｂ：仕切り壁 ９：ニードルバルブ
１０ａ、１０ｂ：貯水部 １１：冷水槽 １２：バルブ
１３ａ：冷水供給口 １３ｂ：冷水排出口
１４：制御機器 １５：バルブ開度制御計 １６：熱交換流路
１７：プレート １８ａ、１８ｂ、１８ｃ：供給口
１９ａ、１９ｂ、１９ｃ：バルブ Ａ：吸着材 Ｇ：ゲート弁
Ｔ：温度計 Ｗ：冷水

Claims (5)

1. 吸着材が充填され、熱交換流路を設けて吸着材を冷却または加熱するようにした吸着器と、冷媒を蒸発させる蒸発器とを備え、吸着材が前記熱交換流路を介して冷却されながら蒸発器からの冷媒の蒸気を吸着し、この蒸発潜熱により冷却された冷水が得られ、前記熱交換流路を介して加熱されて吸着された冷媒が脱着して凝縮し、前記吸着材を乾燥させて蓄熱するようにした吸着式蓄熱装置において、前記吸着器と前記蒸発器とを流量制御手段を介してユニット状に形成し、この吸着ユニットを複数段設けて、それぞれの吸着ユニットで異なる相対水蒸気圧力下で冷媒の吸着を可能としたことを特徴とする吸着式蓄熱装置。
2. 前記吸着ユニットを上下方向に複数段設け、各段の蒸発器を水封状態で連通可能とし、前記熱交換流路を介した加熱により脱着した冷媒蒸気を、前記流量制御手段を介して蒸発器に導入して凝縮させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の吸着式蓄熱装置。
3. 前記各吸着ユニットに、その蒸発器に設けた貯水部の冷水の温度を測定する手段が設けられ、各蒸発器の冷水温度の測定値と設定温度とを対比し、その偏差に基づいて前記流量制御手段により冷媒蒸発量を制御して冷水温度を設定温度に調整するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の吸着式蓄熱装置。
4. 前記蒸発器は、その内部空間に開放した冷水の流路を備え、冷水がこの流路を通過しながら蒸発し、その蒸発潜熱で冷水の温度が降下する直接接触式蒸発機構が形成される構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の吸着式蓄熱装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の吸着式蓄熱装置を用い、夜間電力を利用して、吸着器に設けた熱交換流路に加熱流体を流通させて吸着した冷媒を脱着し、吸着材を乾燥させて蓄熱するようにした蓄熱方法。
   

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