JP2009539057A - ハイブリッド物質で作用するケミカルヒートポンプ - Google Patents

Abstract

ケミカルヒートポンプは、活性物質を含む反応器部分（１）と、揮発性液体の、凝縮した状態で存在し活性物質が吸収することができる部分を含む蒸発器／凝縮器部分（３）とを備える。チャネル（４）は反応器部分と蒸発器／凝縮器部分を互いに連結する。少なくとも反応器部分では、母材（１３）は、固体状態と液体状態の両方又は溶液相の活性物質が母材に保持されるか、又は担持されるか、又は接着されるように、活性物質のために設けられる。母材は、有利には、アルミナなどの不活性材料であり、揮発性液体のために透過性であり活性物質が位置する細孔を有する。具体的には、１つ又は複数の表面に液体状態の活性物質が接着することができる材料を使用することができる。例えば、母材は、粉末又は圧縮した繊維材料などの分離した粒子を含む材料でよい。

Description

本出願は、２００６年５月２９日出願のスウェーデン特許出願第０６０１２２２−３号の優先権及び利益を主張するものであり、その文献の教示全体が参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、ハイブリッド原理に従って作用するケミカルヒートポンプに関する。

ケミカルヒートポンプの機能の原理はよく知られている（例えば、米国特許第５４４０８８９号、第５０５６５９１号、第４９９３２３９号、第４７５４８０５号並びに国際公開第ＷＯ９４／２１９７３号パンフレット、第ＷＯ００／３１２０６号パンフレット、第ＷＯ００／３７８６４号パンフレット及び第ＷＯ２００５／０５４７５７号パンフレット参照）。ケミカルヒートポンプでは、まさにヒートポンプの工程を実行し、揮発性の媒体、即ち吸収剤と一緒に作用する活性物質が供給され、それは通常双極性の液体であり多くの場合に水である。先行技術によれば、作用する活性物質として、固体物質、液体物質又は「ハイブリッド物質（ｈｙｂｒｉｄ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）」のいずれかを使用することができる。「固体」活性物質とは、物質が全工程及び全サイクル中に常時、即ち、その中に揮発性の媒体が吸収されていてもいなくても固体状態のままであることを指す。「液体」活性物質とは、物質が全工程及び全サイクル中に常時、即ち、その中に揮発性の媒体が吸収されていてもいなくても液体状態のままであることを指す。「ハイブリッド」物質とは、活性物質がヒートポンプの工程中に固体状態と液体状態の間を変化することを指す。

固体活性物質の場合は、放熱工程全体にわたってヒートポンプが組み込まれた系の冷却温度が一定のままであることや、比較的大きい保管容量を獲得することができることを含むという利点が得られる。吸収剤として水を使用した固体物質の保管容量の典型的な値は、冷却エネルギーとして取られる約０．３ｋＷｈ／ｌ物質である。固体物質の使用に関するもう一つの利点は、系の中に動く構成要素を必要としないことである。物質と均一に接触する層状の熱交換器又は板状の熱交換器を通して、その物質に熱を供給するか又はそこから熱を引き出す。したがって、引用される国際公開第ＷＯ００／３１２０６号パンフレットに記載のケミカルヒートポンプでは、工程の側には動く構成要素が設けられない。固体物質に関する不利な点は、固体物質が一般に熱伝導性が低いので獲得することができる出力が制限されることである。同じ特許出願で、とりわけ、固体物質の熱伝導性が低いことや、それにより出力／効率が低くなることに関する問題を解決する方法が記載されている。その方法は、固体物質が泥状の吸着質でふさがれて、熱交換器の周り又はその中を簡単に充填することができる粘度を有するスラリーを形成することを含む。スラリー中の吸着質の量は、後でヒートポンプが放熱した状態で存在する吸着質の濃度を超えるべきである。その後、物質が変化するときに、ヒートポンプの動作中の吸着質の通常の吸収では溶解されない、最終的な焼結の形状、いわゆる母材（ｍａｔｒｉｘ）を獲得する。

液体物質を使用する場合は、蓄熱工程でも放熱工程でも物質を熱交換器上に噴霧し、したがって、それぞれ効率的に冷却及び加熱することができるので、高出力の利点が得られる。固体物質に関する不利な点は、吸収剤が希釈されるにつれて冷却容量が減少することである。実際に、それは、物質を使用することができる動作間隔を強く制限し、これは、順に、上述のように物質１リットルあたりの冷却エネルギーとして取られる保管容量を低下させる。ケミカルヒートポンプで使用する液体物質の多くは、吸湿性の高い無機塩類の溶液、好ましくは水溶液であり、同様に水は吸収剤として使用される。これにより、溶解した物質は結晶化することができないので他の制限が与えられる。結晶化は、スプレーノズル及びポンプに問題を引き起こす。

いわゆるハイブリッド物質を使用して、固体及び液体系に関するいくつかの利点を組み合わせることができる（上記に引用した国際公開第ＷＯ００／３７８６４号パンフレット参照）。この特許出願に記載されたケミカルヒートポンプは、ハイブリッド原理、ハイブリッド方法又はハイブリッド工程と呼ぶことができる特別な手順に従って操作する。その工程では、工程中に物質が固体状態と液体状態の両方で存在し、固相はエネルギーを保管する場合に使用され、固体系と同じくらいの大きさのエネルギー密度を有し、一方で物質への且つ物質からの熱交換は、物質の液相中でしか行われず、一般的な液体系と同じくらい効率が良い。周囲への熱交換のためには液相のみが使用される。その状況は、固体及び液相が工程中に分離したままにすることができることである。網又はフィルターなどの適切な種類の分離の手段を使用してろ過することによって、或いは他のいくつかの様式で、分離を行うことができる。「溶液」と呼ばれることが多い液相は、熱交換器上にポンプ輸送され噴霧される。溶液しか使用しない、即ち常に液体である物質の系の場合は、ハイブリッド系のポンプ、バルブ、スプレーノズルが循環通路中で結晶によってふさがれないことが重要である。

したがって、概して、固体系は、ポンプ、バルブ及びスプレーノズルを必要としないのでこの点で明らかな利点を有する。

図１に、ケミカルヒートポンプ全体を概略的に示し、そのヒートポンプは、冷却熱又は温熱を生成し、引用した国際公開第ＷＯ００／３７８６４号パンフレットに記載のハイブリッド工程に従って働くように設計されている。ヒートポンプは、ある程度溶解した物質２を含む第１の容器１又はアキュムレーターを含み、その物質２は、発熱を伴って吸着質を吸収又は吸熱を伴って吸着質を脱着することができる。第１の容器１は、管４を通して凝縮器／蒸発器とも呼ばれる第２の容器３に連結される。第２の容器３は、第１の容器１で物質２の吸熱を伴った脱着中に気体状吸着質６を凝縮して液体吸着質５を形成する凝縮器として作用し、液体吸着質５の蒸発器として働いて、第１の容器１の物質２の発熱を伴う吸着質の吸収中に気体状吸着質６を形成する。アキュムレーター１中の物質２は、その中に配置された第１の熱交換器７と熱伝導するように接触し、その第１の熱交換器７は、液体の流れ８を通して熱を周囲から供給され周囲に送出することができる。蒸発器／凝縮器部分３中の液体５は同様に、その中に配置された第２の熱交換器９と熱伝導するように接触し、或いは、そこから熱の流れ１０を通して熱をそれぞれ周囲から又は周囲に供給又は送出することができる。ヒートポンプがハイブリッド原理に従って作用するためには、第１の熱交換器７が固体状態の物質２と一緒に目の細かい網又はフィルター１１で囲まれる。物質の液体状態である溶液は、アキュムレーター１の下側部分に存在し、そこに、第１の熱交換器７の下に位置する空き空間１２に集められる。その空間から、溶液を導管１３及びポンプ１４を通って第１の熱交換器７上に噴霧することができる。

概して、以下のことが言える。
・固体物質で作用する系では、反応が物質の２つの相の状態の間で起こるので一定の冷却温度が得られる。それら２つの相の状態は両方とも固体であり、一方の状態から他方の状態に移行する際に吸収剤の反応圧力を一定に維持する。反応圧力は、全ての物質が第１の状態から第２の状態に変形するまで、一定のままである。その系の不利な点は、熱伝導性が非常に低いこと、及びそれにより出力が低いことである。利点には、可動式の部品なしで働き、保管容量が高く、反応圧力が一定であることが含まれる。
・ハイブリッド物質で作用する系では、吸収剤が物質によって吸収されるとき、即ち放熱工程では、第１の相は固体であり、一方第２の相は液体であり、その際、上記と同じようにして吸収剤の反応圧力を一定に維持する。物質は引き続き連続して固体から液体状態に変化し、それと同時に一定の冷却温度が得られる。全ての物質が固体から液体状態に変わるまで工程は一定の反応圧力を継続する。同じようにして、物質が液体から固体状態に変化するときに、蓄熱工程では反応圧力は一定である。保管容量及び反応圧力は、固体物質のそれと等価である。高出力を得るためにハイブリッド物質で働く系で使用される方法は、液体物質で作用する系と同様にして溶液で作用する。液体は、物質の容器から結晶を分離するシステムを通して噴霧システムにポンプ輸送され、その噴霧システムによって、溶液が反応器の別個のユニットを形成する熱交換器上に振り掛けられる。

本発明の一目的は、ハイブリッド原理に従って作用する効率的なケミカルヒートポンプを提供することである。

本発明の他の目的は、固体系の利点をハイブリッド系の利点と組み合わせたケミカルヒートポンプを提供することである。

上述のように、固体物質で作用するケミカルヒートポンプは、非常に熱伝導性が低く、したがって出力又は効率が低いことに関する不利な点と、可動式の部品なしで働く能力、保管容量が高いこと、及び反応圧力一定であることという利点を有する。ハイブリッド物質で作用するケミカルヒートポンプは、熱伝導性がより高いので出力又は効率が高いことや、更に、やはり可動式の部品なしで働き、保管容量が高く反応圧力が一定であるという利点を有する。

ハイブリッド物質で作用するケミカルヒートポンプでは、活性物質の溶液を使用してアキュムレーター中の活性物質と熱交換器の間の熱伝導を向上させる場合は、これは、例えば、ケミカルヒートポンプの全工程中に活性物質を移動させないこと、即ち、活性物質が常に不動であるか又は不動になるようにして配置されることによって実現することができ、いわゆる「固体」ハイブリッド物質を有するケミカルヒートポンプを得ることができる。これを実現するには、活性物質の溶液を、本明細書では母材又は担持体と呼ばれる非活性物質（ｐａｓｓｉｖｅ ｓｕｂｓｔａｎｃｅ）に吸引及び／又は接着することができ、その不動態物質は、概してアキュムレーターの熱交換器と良好に熱伝導するように接触すべきであり、１つ又は複数の本体として配置し、互いに密接に組み込むことができる。物質が非活性であるとは、活性物質による揮発性の媒体の吸収及び放出に協働しないことを指す。したがって、母材の機能は、活性物質の溶液をその位置に維持し、それにより、活性物質が蓄熱工程で液体から固体状態に、放熱工程中に固体から液体状態に変化するときに熱交換器と活性物質の間の熱伝導を向上させることである。それにより、溶液の熱伝導能力が固体物質より高いことが多いことを利用することができる。母材は、ヒートポンプ中の工程に対し不活性の物質から形成され、概して、活性物質の溶液相を母材自体に結合する能力を有することができ、同時に、活性物質が揮発性の媒体と相互作用することを可能にする。具体的には、母材がそこから形成される１つ又は複数の本体が効率的に吸収することが可能であり、且つ／又は活性物質の溶液相を毛細管式に結合することが可能であることが望ましいことがある。母材は、例えば粒のサイズが異なり粒の形状が異なる粉末、例えば直径が異なり繊維の長さが異なる繊維、及び／又は例えば一様である必要はないが形成された母材本体内で変化することができる、適切な多孔性を有する焼結体など、ある程度分離した粒子を含むことができる。粒子のサイズ及び形状、即ち、特別な場合の粒のサイズ、直径及び多孔性と、固体の母材の場合の多孔性と、母材の本体の材料の選択は、それぞれの場合に、完成したアキュムレーターの保管容量並びに出力及び効率に影響を及ぼす。母材が熱交換器の表面に層として塗布される場合は、層の厚さもアキュムレーターの出力又は効率に影響を及ぼすことがある。

母材がその中に液体を吸引して液体が熱担持媒体を形成する能力と、やはり母材を通して気体を送出することを可能にする母材の能力は、同様にケミカルヒートポンプの凝縮器／蒸発器ユニットに適用可能である。ケミカルヒートポンプを蓄熱するときは、気体が母材を通して送出され、熱交換器の表面で凝縮され、次いで、母材によって吸収され、その後、吸収された液体は、母材の熱伝導を高め、その結果、より多くの気体を冷却、凝縮及び吸収することができる。ケミカルヒートポンプを放熱するときは、母材は水蒸気を放出し、吸収された揮発性液体を冷却し、その揮発性液体の熱伝導性が良いため熱交換器の表面からその液体を通して蒸発領域に蒸発のために熱を送出する。

したがって、ヒートポンプの工程は、本体に吸引されるか或いは繊維又は粉末に吸い取られる活性物質で実行され、その結果高い出力又は効率をもたらすと言うことができる。出力又は効率は、本体中の熱伝導又は吸取り（ｗｉｃｋ）とはほとんど関係ないが、液相の反応、即ち、とりわけ、細かく分けた状態の活性物質が細かく分けた固体材料より熱をよく伝導する溶液に変わることに応じて変化する。

吸引又は吸収する材料であるということができる母材を、異なる複数の材料から選択することができる。例えば、成功した試験は、母材として二酸化ケイ素の布地及び砂を含んだ母材並びに様々な断片のガラス粉末を使用して行われた。ヒートポンプは、熱が液相に案内され、同時に、母材の構造が揮発性の媒体の気相の送出を可能にするのに十分に透過性であることによって働く。粉末又は繊維を焼結してより固い構造を形成することによって母材を生成することも可能である。

本発明の追加の目的及び利点は以下の説明に記載され、部分的にその説明から明らかになるか又は本発明の実施によって習得することができる。本発明の目的及び利点は、具体的には添付の特許請求の範囲で示された、方法、工程、手段及び組合せによって認識及び取得することができる。

本発明の新規の特徴が具体的には添付の特許請求の範囲に記載されており、構成と内容の両方に関して、本発明並びに本発明の上述及び他の特徴の完全な理解を得ることができ、添付の図面を参照して、本明細書で以下に示した非限定的な実施形態の以下の詳細な説明を考察することから本発明をより理解する。

図２ａでは、ハイブリッド工程と、活性物質を保持及び／又は担持する母材とを使用する、冷蔵熱（ｃｈｉｌｌｎｅｓｓ）／冷却熱又は温熱生成用の修正されたケミカルヒートポンプを概略的に示す。

修正されたケミカルヒートポンプは、従来の様式で、アキュムレーター又は反応器と呼ばれることもある第１の容器１を備え、本明細書では単に「物質」と呼ぶこともある活性物質２を含む。その物質は、発熱を伴って吸着質を吸収し吸熱を伴って吸着質を脱着し、その吸着剤は吸収剤とも呼ばれ、通常は水である。物質２は本明細書では、母材即ち担持体１３によって保持又は担持されるか、或いはそれに吸引されるように示しており、その母材即ち担持体１３は、少なくとも１つの多孔質の本体であるか又は概してそれを形成し、その多孔質の本体は開放した細孔を有し適切な不活性物質から作られる。母材は、典型的には、細かく分割した粉末から構成することができ、その粉末は、適切な厚さを有する層、例えば、厚さ５〜１０ｍｍの層など、比較的薄い層に塗布した、例えばアルミナである。この実施形態では、第１の容器２の母材は、具体的には第１の容器の垂直の内面にのみ示すように、第１の熱交換器７に位置するこの容器の内面にのみ塗布される。第１の容器１は、固定又は不動の気体連結部４を介して凝縮器／蒸発器とも呼ばれる他の容器３に連結され、その連結部４は、端部が容器１、３の上部に連結された管の形状である。第２の容器は、第１の容器１中で物質２が吸熱を伴って脱着する際には、気体状吸着質６を凝縮して液体吸着質５を形成する凝縮器として作用し、第１の容器で物質が発熱を伴って吸着質を吸収する際には、気体状吸着質６を形成する液体吸着質５の蒸発器として作用する。第２の容器３は、本明細書では、図中で第２の熱交換器９と接触する内面の半分が毛細管式に吸引する材料１４で被覆され、同じ内面の半分が被覆されずに示される。図による実施形態では、第２の容器３の内側の垂直面の半分が毛細管の吸引機能を有する材料で被覆され、内面の残りが被覆されないことを示す。気体状吸着質６の凝縮は、第２の容器３の熱交換器９の被覆されていない面で起き、蒸発は、第２の容器の内面で吸引する毛細管の材料１４から起こる。

系（ｓｙｓｔｅｍ）とも呼ばれるケミカルヒートポンプの様々な構成要素、即ち、互いに流体連結された第１及び第２の容器１、３並びに気体導管４の内部空間は、完全に気密であり、気体６以外の他の全ての気体を排気している。その気体６は、化学工程に関係し、揮発性の媒体又は吸収剤とも呼ばれ、通常は水蒸気である。アキュムレーター１中の活性物質２は、第１の熱交換器７の表面に直接熱伝導するように接触する。その第１の熱交換器７は、この実施形態では、アキュムレーター１を囲む垂直の内面に位置し、したがって、アキュムレーターを囲むとも言うことができ、第１の液体の流れ８を介して周囲から熱を供給されるか又は周囲に熱を送出することができる。蒸発器／凝縮器部分３の液体５は、同じようにして、第２の熱交換器９の表面と直接熱伝導するように接触する。その第２の熱交換器９は、この実施形態では、蒸発器／凝縮器部分の垂直の内面に配置され、したがって、蒸発器／凝縮器部分を囲むと言うこともでき、第２の液体の流れ１１を介して、第２の熱交換器９に周囲から熱を供給することができるか、又は第２の熱交換器９から周囲に運ぶことができる。

ケミカルヒートポンプの活性物質２は、ヒートポンプが目標とする温度で、ヒートポンプの放熱及び蓄熱工程で固体状態と液体状態の間で変化するように動作することができるように選択される。したがって、アキュムレーター１中の反応は、２つの相の間、つまり活性物質固相状態と液相状態の間で起こる。放熱工程では、吸収剤が物質によって吸収されるときに、第１の相は固体であり第２の相は液体であり、吸収剤に関して反応圧力が一定に維持される。次いで、物質は、固体状態から液体状態に連続して変化し、同時に一定の冷却温度が得られる。その工程は、実質上全ての活性物質が固体から液体状態に変化するまで一定の反応圧力で続く。それに対応するようにして、蓄熱工程での反応圧力は、物質が液体から固体状態に変化する間は一定である。

通常のハイブリッド物質（上述の国際公開第ＷＯ００／３７８６４号パンフレット参照）を有利には使用することができ、そのハイブリッド物質は、所望の濃度に希釈して吸着質の溶液にし、その後、不活性の粉末、即ち、ケミカルヒートポンプの動作中に大幅に変化しない材料の粉末を含む母材に吸引される。したがって、その材料は、ヒートポンプの状況が変化する間は固体状態であるべきであり、ヒートポンプの動作中に集合した状態を変化させるどの物質又は媒体とも化学的に相互作用すべきではなく、即ち化学的に影響を及ぼさないか又は影響を受けるべきではない。実施された試験では、こうした粉末は、例えばアルミナであり、活性物質はＬｉＣｌである。他の可能な活性物質はＳｒＢｒ_２などでよい（上述の国際公開第ＷＯ００／３７８６４号パンフレットも参照）。粉末の粒のサイズは、本明細書では重要なことがあり、毛細管式にそれを吸引又は吸収する能力も同様である。母材の適切な本体を形成するためには、最初にこうした粉末を適切な厚さ、例えば厚さが５ｍｍと１０ｍｍの間の層として熱交換器の１つ又は複数の表面に塗布することができる。したがって、ほとんどの場合は、何らかの網構造（図示せず）を熱交換器に付けて、粉末から本体を形成するためにそれぞれの層を保持しなければならない。例えば、管の外側、内側及び容器の底面に厚さ１０ｍｍに塗布した層を用いて試験を行った。次いで、吸着質とも呼ばれる溶液、即ち揮発性の媒体で希釈した活性物質は、液体状態では、層中の粉末に吸引され、残りの溶液全てが層中の粉末に毛細管式に接着されるまで、使い果たすことができる。その後、固体物質用の反応器が使用されるのと同じようにしてその反応器を使用することができる（例えば、上述の国際公開第ＷＯ００／３１２０６号パンフレット参照）。

この場合、母材は、その中に保持された物質と一緒に、固体の本体ではなく、ヒートポンプが放熱された状態では濡れた砂に似たゆるんだ塊になっている。しかし、ヒートポンプが蓄熱された状態では母材は硬い。活性物質の溶液は、その固体状態の物質と比べて熱伝導性は非常に良い。したがって、第１の熱交換器７からの熱は、活性物質に又は活性物質から効率的に運ぶことができる。例えばアルミナを含む母材が３モルのＬｉＣｌ溶液で満たされると、約１モルの溶液になるまでその系の蓄熱が非常に速く効率的になる。その後、活性物質は今やもはや溶液を含まず、即ち液相又は溶液相のどの部分にも存在しないので、出力は減少する。しかし、濃度が０モルになるまで工程を進めることに問題はない。放熱工程では、工程は、溶液が２．７から２．８モルの状態になるまでは非常に良好に働き、その後減速する。これは、母材が３モルの濃度に達するともはや気体の透過性を有しないからである。その状況では、母材は満たされており、即ち母材は実質上可能な限り溶液を吸収している。

母材に吸引された溶液を使用するハイブリッドの系の機能及び出力は、典型的には、固体の系の機能及び出力よりずっと良い。しかし、ハイブリッド物質及び自由溶液のみを使用する系より熱交換器の表面を大きくする必要がある。試験によると、「接着した」溶液相を使用するハイブリッド系では、自由溶液のみを使用するハイブリッド系と同じ出力に達するのに、熱交換器の面積を２から３倍大きくする必要がある。しかし、系の熱交換器の表面の有効面積を増加すると、その表面の出力密度は非常に小さくなるので、熱交換器が必ずしも直接作用しなければならないとは限らないが、有利には拡大することができる。直接作用する熱交換器又は熱交換器と活性物質／溶液の間の直接作用する熱交換とは、物質／溶液が熱交換器の滑らかで単純な壁の外面に存在し、熱交換器中の熱担持媒体／冷媒又は流体が同じ壁の内面を循環し、即ち物質／溶液が熱交換器の比較的薄く平坦な壁のみを通して熱交換器の媒体に実質上直接接することを指す。熱交換器又は拡大した表面との熱交換とは、例えば、波形にし、且つ／又はフランジなどの何らかの適切な種類の突出部分を備えることによって、有効な熱交換面積を拡大した熱交換器の表面に、物質／流体が存在することを指す。母材に吸引された溶液を使用するハイブリッド系の場合は、やはり母材が熱交換器のこのような表面に位置することを指す。

実験室規模で行われその後本格的な規模に計算しなおした試験により、図３及び図４のグラフから分かるそれぞれ蓄熱及び放熱に関するデータが提供されている。それらの試験は、形状が直径１００ｍｍ高さ１３０ｍｍの１リットルの円柱形の容器であるアキュムレーター１を使用して行われ、その中に物質を含んだ、厚さ１０ｍｍの不活性材料の層１３が容器の円筒形の内面、即ち覆い（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）の内側の表面に位置する。母材の材料及び物質は、この実施形態では、綿布１６又は目の細かい網など、より目の細かい構造の外側のカバーを有する網１５を含む網構造によってそれらの位置に保持される（図５参照）。不活性の担持体及び物質を含む層の構造又は機能の変化は、試験の実施中には観察されなかった。

母材の全体的な構造を図１１ａに概略的に示す。多孔質の母材の材料の層又は本体１３は、熱交換器の壁２３の片側に塗布され細孔２４を有する。それらの細孔の断面は、概して、気体状吸着質の輸送及び吸収を可能にするようになっている。母材は、細孔の壁に活性物質２を担持することができ、その活性物質２は、ヒートポンプの動作のいくつかの段階で存在することができる残りのチャネル２５の気体状吸着質と相互作用することができる。細孔は、２６に示すように溶液又は凝縮液でそれぞれ完全に満たすこともできる。母材の材料は、系の中で流体として水を使用する場合には、母材の材料の表面で活性物質／溶液／凝縮液を結合でき、したがって適切なことに親水性であるか又は少なくとも表面が親水性であるように選択される。しかし、こうした母材を有するケミカルヒートポンプがしばしばヒートポンプの動作のいくつかのサイクルでしか満足に働かなくても、熱交換器の壁に塗布される前に、例えば、活性物質を母材と一緒に混合又は撹拌することによって、活性物質が母材に添加される場合には、親水性の表面を有しないか或いは溶液相の活性物質で湿っているか又は溶液相の活性物質がその表面では著しく接着されない表面を概して有しない材料を使用することが可能である。細孔のサイズは、例えば、吸収しようとする液相を毛細管式に吸引するように選択することができ、凝縮器／蒸発器に配置された母材に関して特に適切にすることができる。細孔２４の典型的な断面寸法は１０〜６０μｍの範囲とすることができる。活性物質の全ての部分と揮発性の媒体の相互作用をより難しくする可能性があるので、細孔が細すぎることは不利になることがある。細孔の体積を、母材本体のかさ容積の、例えば少なくとも２０％、好ましくは少なくとも４０％、更に少なくとも５０％とすることができる。或いは、母材は、上述のように、焼結又は等価の材料のものであり、即ち実質上固体である連結した本体を形成することができる。母材は、ほぼ球形の粒子（図１１ｂ参照）など形状の異なる粒子又は細長い粒子、例えば、長さ／厚さ比が例えば１：２から１：１０の範囲である比較的短くすることができる繊維片（図１１ｃ参照）から形成することもできる。熱交換器の壁２３は、図１１ｄに示すようにフランジ２７を備えることができる。

（母材の材料の実施例１）
母材の材料として適切な材料がＡｌ_２Ｏ_３粉末から生成される。粉末の粒の密度２．８ｋｇ／ｃｍ^３、直径２〜４μｍである。粉末は、上述の説明に従ってその中に活性物質を含む溶液と共に層状に塗布され、それらの層の乾燥した母材の材料はかさ密度が約０．４６ｋｇ／ｃｍ^３であり、それにより、完成した母材の材料の平均充填率又は割合が０．４５になり、即ち体積のほとんど半分が粉末の粒によって占められる。生成した層の粉末の粒間のチャネルは、直径が６０μｍ程度である。

（母材の材料の実施例２）
母材の材料として適切な材料が、ポルトランドセメントの部分が１（重量）であり実施例１のようなＡｌ_２Ｏ_３粉末の部分が５（重量）である混合物を成形することによって生成される。こうした材料はほぼ「焼結」と考えられている。

（母材の材料の実施例３）
母材の材料の適切な繊維材料が、ＳｉＯ_２５４％とＡｌ_２Ｏ_３４７％を含む繊維から生成され、融点が約１７００℃である。繊維の密度は２．５６ｋｇ／ｃｍ^３、直径は２〜４μｍである。それらの繊維は集積度が高くなるように湿った状態で圧縮される。圧縮した材料を乾燥した後のかさ密度は、約０．４６ｋｇ／ｃｍ^３であり、完成した母材の材料の平均充填比が０．１７になる。圧縮した材料の繊維間のチャネルは、直径が約５μｍと１０μｍの間である。

上述の実施形態では、例えば、熱交換器の実質上滑らかな内面に対して、母材の層１３は最も単純な可能なかたちで塗布される。熱構造及び塗布された母材層の様々な形状を、上述の特許出願第ＷＯ００／３１２０６号パンフレットと比較して考えることができる。本明細書で以下に、このような母材及び熱交換器の追加の異なる考えられる構成の例を与え、それらは上述のような母材技術を用いる取付けにおいて適切なものすることができる。したがって、一般的な不動の取付けでは、母材層を、例えば、熱交換器の媒体又は熱担持媒体が循環するより多くの管のうち１つの管の外側に塗布することができる。例えば、厚さ１０ｍｍの母材層が塗布された直径２２ｍｍの管に関する試験を行った。

複数のこうした熱交換器の管が並列に連結され容器中に配置される場合は、出力の高い反応器１を得ることができる。図６はこうした熱交換器の管７’を示し、その熱交換器の管７’は、試験の取付けにおいて、外側で断熱されたアキュムレーター１の容器に並列に取り付けられる。図に示さなくても、こうした複数の管を並列に連結し配置することができることは明らかである。管７’は、熱伝導の良い材料、例えば銅などの適切な金属から作られた容器の内側の少なくとも一部分にある。管７’は適切な貫通導管であり、ソーラーパネル１８などの加熱ユニットに連結されたポンプ１７を含む。層１３は、物質をその中に保持した状態で銅管７’の外側に塗布される。反応器１からの気体通路４は、バルブ１９を含み、バルブ２０を通して真空源に連結され、蒸発器／凝縮器３の上部３’に連結され、蒸発器／凝縮器３の底部は、凝縮した吸収質を受ける凝縮器のタンク３’’である。蒸発器／凝縮器用の熱交換器９は、本明細書では、蒸発器／凝縮器の上部に配置された単純な冷却ループとして示され、適切な貫通導管であり、冷媒冷却器２２に連結されたポンプ２１を含む。

アキュムレータータンクでは、こうした管を、図６のように横向きに又は立った姿勢、即ち垂直に配置することができる。管をタンク中で立った姿勢に配置する場合は、図７に示す構造を有することができる。

床状の下側のプレート２５を作ることも可能であり、熱担持体２６がその底部に配置され、タンク中で互いに上に配置される（図８参照）。チャネルは、プレートの上及びプレートの間の空間を、ガスチャネル３への適切な連結（図示せず）が位置するタンクの上部に連結する。したがって、垂直の内側の空間２７はこうしたチャネルを形成することができる。こうしたチャネル２８を垂直に配置し、プレートを貫通させることもできる。例えば、図に示すように中心に位置することができる。その際、プレート２５は、対応する貫通孔、例えば中心に配置した穴を有しなければならない。

他の実施形態では、ユニット式の管２９は、反応器１及び凝縮器３が同じ閉じた管の内側に位置するように設けられる。反応器部分１には、母材２が底部の壁の内面の周りに位置する（図９ａ参照）。凝縮器／蒸発器部分３を形成する管の上部は、隔壁３０によって分割され、その隔壁３０から、内部の管３２中のガスチャネル３１が管の上部３３を通り、管の上部３３から、蒸気を凝縮し、ガスチャネルとユニット式の管の上側壁面の間の空間３４に集め、その空間から蒸発させることができる。こうしたユニット式の管を、完全に密封してガラス又はエナメル引きのスチールから製造することができる。

次に、ユニット式の管２９の、即ち反応器の底部を、ソーラーパネルと冷却器を置いた屋外との間をそれぞれ循環する熱担持媒体中に、或いは冷却器を置いた屋外に配置することができる。一方、管の上部は、例えば個人住宅、集合住宅若しくは事務所又は冷却器を置いた屋外をそれぞれ冷却する空気調和（ＡＣ）システムのラジエーターを流れる熱担持媒体中に、或いは冷却器を置いた屋外に配置される（図１０ａ及び図１０ｂ参照）。図１０ｂに見られるように、ユニット式の管のバッテリ３５は、管の上部が上側空気チャネル３６に、底部が下側空気チャネル３７に位置するように配置される。蓄熱工程では、屋外の空気は上側空気チャネル中を通り、次いで、ユニット式の管２９の上側部分、即ち凝縮器／蒸発器部分３を冷却して、その中の水蒸気を凝縮し、下側空気チャネルでは、例えばソーラーチャネル（図示せず）からの加熱された空気が流れて、ユニット式の管の底部を加熱して水蒸気を放出する。放熱工程では、屋外の空気が、下側空気チャネル３７中を通り、ユニット式の管２９の下側部分、即ち反応器部分１を冷却し、上側空気チャネル３６を通る空気が、ユニット式の管の上部との接触によって冷却され、空気調和するために、例えば個人住宅又は集合住宅の部屋に送られる。

ユニット式の管２９では、母材物質１４をその凝縮器／蒸発器部分３に配置することもでき、その際、母材物質１４は、凝縮液及び蒸気が母材の全ての部分を通ることを可能にするために管３２の外面と母材の内面の間にチャネル３８が形成される（図９ｂ参照）ように、空間３４の内側の、管の内面の上部に配置することができる。

図１２ａに示し、空気による熱伝導に基づいたヒートポンプの取付けでは、ケミカルヒートポンプ４０は貫通導管であり、ソーラーパネル１８などの熱源と、屋外空気の取入口などの冷媒冷却器２２と、空気調和システム４１とに連結される。バタフライバルブ４２、４３は、反応器及び凝縮器／蒸発器部分をそれぞれ冷却／加熱するために、ヒートポンプの上側チャネル３６と下側空気チャネルの両方に適切なかたちで空気を案内するために、異なる位置に設けられる（図１０ｂと比較）。空気の代わりに、図１２ｂに示す取付けなどに、何らかの熱担持液体媒体を使用することができる。本明細書では２重の導管が、ユニット１８、２２及び４１をヒートポンプ４０に連結する。２重の三方バルブ４４、４５が、熱担持媒体の流れを適切なかたちで制御する。

凝縮器中の全ての流体、即ち典型的には全ての水を、毛細管式に吸引することができ、それにより、ケミカルヒートポンプで自由液体のように完全に無くすことも可能である（図１２ｂの取付け参照）。本明細書では、上側の内面を除く蒸発器／凝縮器３の全ての内面は、毛細管式に吸引をする母材の材料を備えている。その際、熱交換媒体も、容器の底で循環していなければならない。

他の可能性は、ガラス製の場合に上述のユニット式の管をソーラーパネルと一体にすることであり、そのソーラーパネルは冷蔵熱／冷却熱又は温熱のための保管場所及びプロセス装置（ｐｒｏｃｅｓｓ ｕｎｉｔ）にもなる。空気チャネル中のこれらの装置のセルを、蓄熱及び放熱され、冷蔵熱／冷却熱又は温熱を生成する場合に使用することも可能である。

本発明の特定の実施形態を本明細書に図示し説明してきたが、他の多数の実施形態を想定することができ、本発明の精神及び範囲から逸脱することのない多数の追加の利点、修正形態及び変更形態が当業者には簡単に思いつくことが認識される。したがって、本発明は、より広範な態様では、本明細書で示し説明した特定の詳細、代表的な装置及び図示の実施例に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲及びそれらの等価物によって定義される全体的な発明の概念の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正を加えることができる。したがって、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の精神及び範囲内に包含されるこうした修正形態及び変更形態を全て包含するものであることが理解されよう。本発明の精神及び範囲から逸脱することなしに他の多数の実施形態を想定することができる。

ハイブリッド原理に従って働く、先行技術によるケミカルヒートポンプの概略図である。 活性物質が担持体に吸収された、図１と同様のケミカルヒートポンプの概略図である。 ケミカルヒートポンプの代替実施形態の、図２ａと同様の概略図である。 活性物質としてＬｉＣｌを使用する、図２によるケミカルヒートポンプの蓄熱工程のグラフである。 図３と同様ではあるが、放熱工程のグラフである。 図２に示すケミカルヒートポンプのアキュムレータータンクの概略図である。 構成が異なるが、図２と同様のケミカルヒートポンプの概略図である。 図２に示すケミカルヒートポンプ用の代替のアキュムレータータンクの概略図である。 図２に示すケミカルヒートポンプ用の代替のアキュムレータータンクの概略図である。 構造及び熱交換器の外面が異なるが、図２ａのケミカルヒートポンプと同様の機能を有するユニット式の管又はユニット式セルの概略図である。 図９ｂと同様であるが、図２ｂのケミカルヒートポンプと同様の機能を有するユニット式の管の概略図である。 図９ａ又は図９ｂの複数のユニットを含むケミカルヒートポンプの概略図である。 空気流で熱交換をするための、図９ａ又は９ｂのユニット式の管の位置を示す概略図である。 熱交換器の表面に配置された母材の材料の断面詳細図である。 熱交換器の表面に配置された母材の材料の断面詳細図である。 熱交換器の表面に配置された母材の材料の断面詳細図である。 フランジがそこから突き出した熱交換器の表面に位置する母材の材料の断面詳細図である。 空気及び液体媒体とそれぞれ熱交換するケミカルヒートポンプを示す概略図である。 空気及び液体媒体とそれぞれ熱交換するケミカルヒートポンプを示す概略図である。

Claims (15)

1. 活性物質と、第１の温度で前記物質によって吸収され、それより高い第２の温度で前記物質によって脱着されうる揮発性液体とを含み、該活性物質が、第１の温度では固体状態であり、その状態から、揮発性液体及びその気相を吸収するときに活性物質がすぐに又は直接的で部分的に液体状態又は溶液相に変化し、第２の温度では液体状態であるか又は溶液相中に存在し、その状態から、揮発性液体、具体的には、その気相を放出するときに活性物質が固体状態に直接的で部分的に変化し、そして、
   該活性物質を含み、そして第１の熱交換器をも備える反応器部分と、
   該揮発性液体の凝縮した状態で存在する部分を含み、そして第２の熱交換器をも備える蒸発器／凝縮器部分と、
   該反応器部分と該蒸発器／凝縮器部分を互いに連結する、該揮発性液体の気相のためのチャネルとを含むケミカルヒートポンプであって、
   該反応器部分が、該活性物質のための母材を含み、そのため、該活性物質が固体状態でも液相又は溶液相でもその母材に保持及び／又は接着されることを特徴とする、上記ケミカルヒートポンプ。
2. 母材が、不活性材料のものであり、具体的には、少なくともアルミナを含むことを特徴とする、請求項１に記載のケミカルヒートポンプ。
3. 母材が、揮発性液体に対して透過性である細孔を有する材料から作られ、活性物質が塗布されることを特徴とする、請求項１に記載のケミカルヒートポンプ。
4. 母材が、表面に液体状態の活性物質を接着することができる材料、具体的には、液体状態の活性物質及び／又は液体状態の揮発性液体によって表面が湿った材料から作られることを特徴とする、請求項１に記載のケミカルヒートポンプ。
5. 母材が、分離した粒子、具体的には、粉末又は圧縮した繊維材料を含む材料から作られることを特徴とする、請求項１に記載のケミカルヒートポンプ。
6. 母材が、第１の熱交換器の表面に塗布された材料の層である形状を有することを特徴とする、請求項１に記載のケミカルヒートポンプ。
7. 母材が、その中に保持された活性物質と一緒に、制限構造、具体的には、少なくとも網又は繊維材料の布を含む網仕掛けに囲まれることを特徴とする、請求項１に記載のケミカルヒートポンプ。
8. 活性物質と、第１の温度で前記物質によって吸収され、より高い第２の温度で前記物質によって脱着されうる揮発性液体とを含み、該活性物質が、第１の温度では固体状態であり、その状態から、該揮発性液体及びその気相を吸収するときに活性物質がすぐに又は直接的で部分的に液体状態又は溶液相に変化し、第２の温度では液体状態であるか又は溶液相中に存在し、その状態から、揮発性液体、具体的には、その気相を放出するときに活性物質が固体状態に直接部分的に変化し、そして、
   該活性物質を含み、そして第１の熱交換器をも備える反応器部分と、
   揮発性液体の凝縮した状態で存在する部分を含み、そして第２の熱交換器をも備える蒸発器／凝縮器部分と、
   該反応器部分と該蒸発器／凝縮器部分を互いに連結する、該揮発性液体の気相のためのチャネルとを含むケミカルヒートポンプであって、
   該蒸発器／凝縮器部分が、第２の熱交換器の表面の少なくとも一部分で、揮発性液体に対して透過性の多孔質材料を含むことを特徴とする、上記ケミカルヒートポンプ。
9. 循環している熱伝導媒体と活性媒体の間に分離壁を含み、その分離壁において活性媒体が固体状態と液体状態の間で変化することができ、且つ／又はその分離壁において液体状態と気体状態の間で変化することができる、熱交換器又は熱交換器構造であって、
   活性媒体に面した分離壁の表面の少なくとも一部分において、液体及び／又は気体状態の活性媒体に対して透過性である多孔質材料が提供されることを特徴とする、上記熱交換器又は熱交換器構造。
10. 揮発性液体、或いは液体及び／又は気体状態の活性媒体のそれぞれに対して透過性の多孔質材料が、不活性材料、具体的には、少なくともアルミナを含む材料から作られることを特徴とする、請求項８又は９に記載のケミカルヒートポンプ又は熱交換器又は熱交換構造。
11. 揮発性液体、或いは液体及び／又は気体状態の活性媒体のそれぞれに対して透過性の多孔質材料が、揮発性液体に対して透過性の、細孔を含む材料から作られることを特徴とする、請求項８又は９に記載のケミカルヒートポンプ又は熱交換器又は熱交換構造。
12. 揮発性液体、或いは液体及び／又は気体状態の活性媒体のそれぞれに対して透過性の多孔質材料が、表面が揮発性液体及び液体状態の活性媒体をそれぞれ接着することができ、具体的には、液体状態の活性媒体の揮発性液体によって表面が湿った材料からそれぞれ作られることを特徴とする、請求項８又は９に記載のケミカルヒートポンプ又は熱交換器又は熱交換構造。
13. 揮発性液体、或いは液体及び／又は気体状態の活性媒体のそれぞれに対して透過性の多孔質材料が、分離した粒子を含む材料、具体的には粉末又は圧縮した繊維材料から作られることを特徴とする、請求項８又は９に記載のケミカルヒートポンプ又は熱交換器又は熱交換構造。
14. 揮発性液体、或いは液体及び／又は気体状態の活性媒体のそれぞれに対して透過性の多孔質材料が、第２の熱交換器又は分離壁のそれぞれの表面に塗布された材料の層の形状を有することを特徴とする、請求項８又は９に記載のケミカルヒートポンプ又は熱交換器又は熱交換構造。
15. 揮発性液体、或いは液体及び／又は気体状態の活性媒体のそれぞれに対して透過性の多孔質材料が、保持構造、具体的には、少なくとも網及び／又は繊維材料の布を含む網仕掛けで囲まれることを特徴とする、請求項８又は９に記載のケミカルヒートポンプ又は熱交換器又は熱交換構造。
    

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