JP2010078182A - 吸着式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 吸着器の熱交換器にて気化した冷媒が吸着器容器の内壁で結露することを防止することが可能な吸着式ヒートポンプを提供する。
【解決手段】 吸着式ヒートポンプ１０は、吸着器１２及び凝集器１４を有する。吸着器１２内に配置された熱交換器２２は、凝集器１４に面する部分２５を除いて構造体３０によって覆われている。構造体３０は、吸着器１２内を、熱交換器２２を含み凝集器１４内の空間と連通可能な第１の空間２７と、熱交換器２２を含まず第１の空間２７から遮断された第２の空間２８とに分離する。熱交換器２２内の吸着剤２４は、凝集器１４に面する部分２５側で、その反対側よりも高いガス透過性を有するように充填される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、吸着器及び凝集器を有する吸着式ヒートポンプに関する。

近年、エネルギーの有効利用の観点から、吸着式ヒートポンプが注目されている。吸着式ヒートポンプは、発熱体から排出された熱を利用して、別の発熱体を冷却すること、又は温風や温水を生成することが可能である。吸着式ヒートポンプは、一般的に大量の熱を排出するシステムに適用されてきたが、電子機器への適用も提案されるに至っている。

図１は吸着器及び凝集器を有する典型的な吸着式ヒートポンプ１００を概略的に示す。吸着式ヒートポンプ１００は、真空状態にされた吸着器１１２及び凝集器１１４を有する。吸着器１１２及び凝集器１１４は、必要に応じてのバルブ１１７を有する冷媒配管１１６によって接続されている。吸着器１１２は、デシカント式熱交換器とも呼ばれる例えばシリカゲル又はゼオライト等の吸着剤１２４が格納された熱交換器１２２を有し、熱交換器１２２の内部には、排熱により加熱された流体を運ぶ配管１２３が導かれている。熱交換器１２２内に格納された吸着剤１２４は、吸着過程において、例えば水である冷媒を吸着し、脱着過程において、配管１２３内を流れる例えば温水である加熱流体から熱量を奪い、吸着していた冷媒を気化させる（脱着する）。凝集器１１４もまた熱交換器１４２を有し、熱交換器１４２の内部には水又は空気などの流体を運ぶ配管１４３が導かれている。凝集器１１４は冷媒１１８を収容しており、上記吸着過程において、吸着器１１２内の吸着剤１２４に吸着される冷媒を供給する。また、凝集器１１４は、上記脱着過程において、冷却流を運ぶ配管１４３が導かれた熱交換器１４２にて、吸着器１１２の熱交換器１２２にて気化された冷媒を凝縮させ、その凝縮熱を利用して配管１４３内の流体を加熱することができる。
特開平５−２７２８３２号公報 特開２００２−１００８９１号公報

吸着式ヒートポンプにおいては、ヒートポンプの効率の観点から、吸着器の熱交換器にて熱量を奪って気化した冷媒が凝集器の熱交換器で凝縮して熱量を全量渡すことが重要である。しかしながら、実際には、吸着器の熱交換器で気化した冷媒の一部は、図１に示すように吸着器容器の内壁で凝縮して結露１１９を生じさせ、ヒートポンプの効率を低下させる。

そこで、本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、吸着器の熱交換器にて気化した冷媒が吸着器の内壁で結露することを防止し、ヒートポンプの効率を向上させることが可能な吸着式ヒートポンプを提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の一観点に従った吸着式ヒートポンプは、吸着器及び凝集器を有する。吸着式ヒートポンプは、吸着器内に配置された熱交換器を有し、更に、吸着器内に設けられ、熱交換器を含み、凝集器に連通する第１の空間と、吸着器内に設けられ、第１の空間から構造体を介して遮断された第２の空間とを備える。

開示される実施形態によれば、吸着器の熱交換器にて気化した冷媒が吸着器の内壁で結露することが防止され、吸着式ヒートポンプの効率が向上され得る。

以下、添付図面を参照しながら実施形態について詳細に説明する。図面全体を通して、対応する要素には同一あるいは類似の参照符号を付する。

図２を用いて、一実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０を説明する。吸着式ヒートポンプ１０は、吸着器１２及び凝集器１４を有する。吸着器１２及び凝集器１４は冷媒配管１６によって接続されており、冷媒配管１６には必要に応じてバルブ１７が設けられる。凝集器１４は例えば水である冷媒１８を収容している。

吸着器１２は、外囲器を成す容器２１と、熱交換器２２と、排熱により加熱された流体を熱交換器２２の内部に導く配管２３とを有する。熱交換器２２は、例えば、デシカント式熱交換器とも呼ばれる、例えばシリカゲル又はゼオライト等の吸着剤２４を格納した熱交換器である。吸着剤２４は、吸着過程において、例えば水蒸気である冷媒１８の蒸気を吸着し、脱着過程において、配管２３内を流れる例えば温水である加熱流体から熱量を奪い、吸着していた冷媒を気化させる。

凝集器１４は、外囲器を成す容器４１と、熱交換器４２と、水又は空気などの流体を熱交換器４２の内部に導く配管４３とを有する。凝集器１４は、上記吸着過程において、吸着器１２内の吸着剤２４に吸着される冷媒１８を供給する。また、凝集器１４は、上記脱着過程において、配管４３が導かれた熱交換器４２にて、吸着器１２の熱交換器２２にて気化された冷媒１８を凝縮させ、その凝縮熱を利用して配管４３内の流体を加熱することができる。

吸着式ヒートポンプ１０において、吸着器１２の熱交換器２２は、凝集器１４に面する部分、すなわち、冷媒配管１６及びバルブ１７を介して凝集器容器４１内の空間に面する部分２５を除いて、例えば金属又はプラスチック等の材料を有する構造体３０で覆われて閉鎖されている。ここでは、熱交換器２２の露出された部分２５の反対側の、構造体３０により閉鎖された面を閉鎖面２６と呼ぶ。構造体３０は、熱交換器２２に接しており、露出部分２５に対応する開口３１を有する枠部３２と、開口３１の位置を冷媒配管１６の位置に整合させるように枠部３２を吸着器容器２１に取り付ける脚部３３とを有する。構造体３０は全体として１つの連続体を形成し、吸着器１２内を、熱交換器２２を含む第１の空間２７と、熱交換器２２を含まない、吸着器１２内に密閉された第２の空間２８とに分離している。換言すると、熱交換器２２は、バルブ１７を介して凝集器１４内の空間と連通可能な第１の空間２７内に置かれ、第２の空間２８から遮断されている。

構造体３０を有することにより、吸着器１２の熱交換器２２で気化した冷媒１８を、吸着器容器２１の内壁で結露させずに、効率的に凝集器１４の熱交換器４２に集めることができる。

密閉された第２の空間２８は、吸着器容器２１の外気と熱交換器２２との間の熱の伝播を低減する。このような断熱性の観点から、第２の空間２８は、第１の空間２７及び凝集器１４内の空間と同様に、真空状態にされることが好ましい。また、構造体３０は、熱交換器２２側、又は図２に示すように吸着器容器２１側の少なくとも一方で断熱材３４により覆われ、金属又はプラスチックと断熱材３４との積層構造を有していてもよい。さらに、構造体３０の脚部３３は、断熱材３５を介して吸着器容器２１に取り付けられることができる。これらの断熱材３４及び３５には、断熱性を有する樹脂や接着剤、例えば、シリコーン樹脂、ポリプロピレン、ＡＢＳ、ＰＯＭ、シリコンゴム等を用い得る。

このような断熱構造の１つ又は組み合わせを用いることにより、熱交換器２２と吸着器１２の外気との間の熱の伝播を低減し、熱交換器２２内の温度を均一化することが可能である。この温度の均一化は熱交換器２２全体で効率的に冷媒１８を吸着／脱着することを可能にする。

吸着器１２内の第２の空間２８が真空状態にされる場合、構造体３０は強度の観点から金属又は十分な厚さを有するプラスチックで形成されることが望ましい。構造体３０を形成し得る金属には例えば、銅、アルミニウム又は真鍮が含まれ、例えば、熱伝導性の点から銅、熱容量の点からアルミニウム、耐酸化性や加工性の点から真鍮、などのように、吸着式ヒートポンプ１０に要求される特性に応じて選択される。

なお、実施形態に係る吸着式ヒートポンプは、図２の形態に限られず、例えば、凝集器と蒸発器とを別々に有する形態など、その他の形態を有していてもよい。

図２に示した吸着式ヒートポンプ１０においては、吸着器１２の熱交換器２２は、凝集器１４側の露出部２５を除いて、構造体３０で覆われて閉鎖されている。そのため、閉鎖面２６側の吸着剤２４は、例えば水蒸気である冷媒蒸気に直接的に接しない。これによる冷媒１８の吸着／脱着量の低下ひいては吸着式ヒートポンプ１０の効率の低下を回避するため、吸着器１２の熱交換器２２は、好ましくは、冷媒蒸気が露出部２５を介して閉鎖面２６側の吸着剤２４まで到達することを促進させる構成を有する。この構成は、露出部２５側のガス透過性を高めるように吸着剤２４を充填することにより実現される。

図３は、露出部２５側のガス透過性を高めるための吸着剤の充填方法の一例を示す。図３（ａ）は熱交換器２２の斜視図を表し、図３（ｂ）は鉛直平面で切断したときの図３（ａ）の断面図を表す。

吸着器１２の熱交換器２２は露出部２５及び閉鎖面２６を有し、複数のフィン５１を有するラジエター５２を含む。フィン５１の隙間において、閉鎖面２６側には第１の吸着剤２４−１、露出面側には第２の吸着剤２４−２が充填されている。第１の吸着剤２４−１の層５３及び第２の吸着剤２４−２の層５４は、例えば金属から成るメッシュ５５により互いに隔てられている。また、露出部２５にもメッシュ５６が配置されている。メッシュ５５は第１の吸着剤２４−１の粒径より小さいメッシュ幅を有し、メッシュ５６は第２の吸着剤２４−２の粒径より小さいメッシュ幅を有することが好ましいが、これら２つのメッシュ５５及び５６は同一の設計を有していてもよい。

図３に示した例では、第１の吸着剤２４−１と第２の吸着剤２４−２との間で吸着剤粒子の粒径を異ならせることにより、２つの吸着剤層５３及び５４の嵩密度に差異を生じさせている。吸着剤２４−１及び２４−２は、例えばシリカゲルである。粒径が０．０１ｍｍ〜１ｍｍのシリカゲルを用いて、嵩密度を０．０１ｇ／ｍＬ〜１．０ｇ／ｍＬの範囲で制御することができる。吸着剤２４−１及び２４−２は、粒径に関して分級されており、閉鎖面２６側から露出部２５側に向かって粒径が大きくなるように充填される。例えば、第１の吸着剤２４−１は２００μｍ以下の粒径を有し、第２の吸着剤２４−２は２００〜４００μｍの粒径を有する。さらに、例えば、４００〜８００μｍの粒径を有する第３の吸着剤の層を露出面側に設けるなど、三層以上の吸着剤層を設けてもよい。粒径の大きい吸着剤の層は、粒径の小さい吸着剤の層より、吸着剤粒子間に大きい空隙を有し、嵩密度が小さくなる。従って、第２の吸着剤の層５４は第１の吸着剤の層５３より高いガス透過性を有し、冷媒蒸気は閉鎖面２６側の第１の吸着剤２４−１まで容易に到達し得る。

なお、ガス透過性の調整は、吸着剤粒子の粒径を調整することに限らず、吸着剤２４の疎密、嵩密度又は充填率を変化させるその他の手法によって行ってもよい。例えば、同一範囲（例えば、２００〜４００μｍ）内の粒径のシリカゲルを用いて、その含有率を変化させてもよい。また、図３の例ではメッシュ５５を用いて複数の吸着剤層を形成しているが、メッシュ５５を用いずに吸着剤２４の嵩密度を段階的あるいは連続的に変化させるよう、接着剤を使用して吸着剤２４を固定してもよい。接着剤の量は、好ましくは、接着剤により塞がれる粒子表面の細孔が半分以下となるようにされる。

このように、露出部２５側のガス透過性を高めるように吸着剤２４を充填することにより、吸着器１２の熱交換器２２内での冷媒蒸気の拡散性を高め、閉鎖面２６側の吸着剤も効率的に冷媒を吸着／脱着することが可能である。従って、熱交換器２２全体で見て、実際に吸着／脱着を行う吸着剤の表面積を、熱交換器２２内に吸着剤を均一且つ高密度に充填した場合より増大させることが可能である。

図２に示した吸着式ヒートポンプ１０は、熱交換器２２の露出部２５側のガス透過性を高めるように吸着剤２４を充填することにより、冷媒１８の吸着／脱着量の低下を抑制あるいは回避しながら、冷媒１８が吸着器容器２１の内壁で結露することを防止することができる。このような吸着剤２４の充填方法により、吸着式ヒートポンプ１０の効率は更に向上され得る。

図４に示すように、吸着器容器２１及び凝集器容器４１として、それぞれ大きさが４００×４００×１５０ｍｍ^３の２つのポリアセタール製の容器（肉厚２０ｍｍ）を、冷媒配管１６で接続して配置した。凝集器１４内部に２００×２００×３０ｍｍ^３の大きさの熱交換器４２（フィンピッチ１ｍｍ）を設置した。吸着器１２には、凝集器１４の熱交換器４２と同一の大きさを有し、且つ上面及び側面に真鍮板３２を張った熱交換器２２を配置した。熱交換器２２を、その底面と吸着器容器２１との間隔が１５ｍｍになるように、真鍮板から成る脚部３３を用いて吸着器容器２１に固定した。脚部３３と吸着器容器２１との間には断熱材（図２の３５を参照）としてシリコーン樹脂を介在させた。

吸着器１２の熱交換器２２は二層構造とし、各層を金属製メッシュ（メッシュ幅０．２ｍｍ、線幅０．４ｍｍ）で区切り、各層に吸着剤としてシリカゲルを充填した。シリカゲルは粒径が異なるものを用意し、凝集器１４に面する側から順に、φ０．６〜０．８ｍｍ、φ０．４〜０．６ｍｍの粒子を充填した。

吸着器１２及び凝集器１４の熱交換器２２及び４２を、それぞれ、配管２３及び４３を介して外部ポンプに接続するとともに、吸着用容器２１及び凝集器容器４１の内部をそれぞれ減圧し、凝集器容器４１内に冷媒として水を注入した。

以上の吸着式ヒートポンプの設置作業の後、作動試験を行って結露の状態を評価した。先ず、シリカゲルへの水蒸気の吸着工程として、凝集器（蒸発器）１４の配管４３に３０℃の水、吸着器１２の配管２３に２０℃の水を流し、凝集器（蒸発器）１４にて蒸発した水をシリカゲルに吸着させた。次に、シリカゲルからの水蒸気の脱着工程として、吸着器１２の配管２３に１００℃の水を流し、凝集器１４の配管４３に２０℃の水を流し、シリカゲルから水を蒸発させ、凝集器１４の熱交換器４２にて凝集させた。吸着器１２の配管２３からの排水はその入水より温度が低く、凝集器１４の配管４３からの排水はその入水より温度が高くなることを確認し、ヒートポンプとしての動作に問題がないことを確認した。そして、吸着器１２内には結露がないことを確認した。

以上、実施形態について詳述したが、本発明は特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

従来技術に係る吸着式ヒートポンプを概略的に示す図である。 実施形態に係る吸着式ヒートポンプを概略的に示す図である。 吸着剤の充填方法の一例を示す図である。 一実施例に係る吸着式ヒートポンプを示す図である。

符号の説明

１０ 吸着式ヒートポンプ
１２ 吸着器
１４ 凝集器
１６ 冷媒配管
１７ バルブ
１８ 冷媒
２１、４１ 容器
２２、４２ 熱交換器
２３、４３ 配管
２４、２４−１、２４−２ 吸着剤
２５ 熱交換器の露出部
２６ 熱交換器の閉鎖面
２７、２８ 吸着器内の空間
３０ 構造体
３１ 開口部
３２ 枠部
３３ 脚部
３４、３５ 断熱材
５３、５４ 吸着剤層
５５、５６ メッシュ

Claims (5)

1. 吸着器及び凝集器を有する吸着式ヒートポンプであって、
   前記吸着器内に配置された熱交換器と、
   前記吸着器内に設けられ、前記熱交換器を含み、前記凝集器に連通する第１の空間と、
   前記吸着器内に設けられ、前記第１の空間から構造体を介して遮断された第２の空間と、
   を備えることを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
2. 前記構造体は前記吸着器の容器に断熱材を介して取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプ。
3. 前記構造体は金属及び断熱材を含む積層構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の吸着式ヒートポンプ。
4. 前記熱交換器は、吸着剤を有し、
   前記凝集器に面する露出側の前記吸着剤は、該露出側の反対側よりも高いガス透過性を有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の吸着式ヒートポンプ。
5. 前記露出側の前記吸着剤は、前記反対側よりも粗い密度で充填されていることを特徴とする請求項４に記載の吸着式ヒートポンプ。

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