JP2013217578A - 空冷式吸着ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】吸着ヒートポンプシステムにおいて、簡素化と小型化、設備コストの軽減と応用範囲の拡大を図る。
【解決手段】吸着ヒートポンプは、蒸発器４８、吸脱着器４９，５０及び凝縮器５１からなる空冷式吸着ヒートポンプであり、吸脱着器４９，５０は、流体Ａの流路と流体Ｂの流路とで熱交換する構造の直交型熱交換器３８を備え、流体Ａの流路は、吸着材を担持させてなり且つ吸着質としての水蒸気が流れるように構成され、流体Ｂの流路は、作動流体としての空気が流れるように構成され、直交型熱交換器３８で水蒸気の吸脱着を繰り返し、蒸発器４８と凝縮器５１との間で水を循環させることにより、蒸発器４８で得られた冷熱を冷風として出力するようになされている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空冷式吸着ヒートポンプに関するものであり、詳しくは、吸着材が塗布された直交型熱交換器を使用することにより、空気を加熱源および冷却源として利用し、冷風を供給できるようにした空冷式吸着ヒートポンプに関するものである。

吸着ヒートポンプは、吸着材の水蒸気の吸着、脱着現象を利用して断続的に冷水を製造する機器である。図４に示すように、従来の吸着ヒートポンプ１は、蒸発器２、吸脱着器３及び４、凝縮器５を備えており、吸着ヒートポンプ１の内部は、約１０００〜５０００Ｐａの真空状態に保持されている。蒸発器２内に適量の水（冷媒）８を封入しておくと、常温で水は気化して水蒸気となり、その気化による圧力によってバルブ１０を開き、水蒸気が吸脱着器３へ移動する。その場合、バルブ１１は、さらに上部にある凝縮器５との圧力差によって閉のままである。

また、その際、水８の気化を促進するために、冷媒ポンプ６によって水８を配管７を用いて循環させ、蒸発器２内に設置した伝熱管９に散布する。これにより、水８は伝熱管９の表面で主に気化し、その際に発生する気化熱を伝熱管９から奪い、伝熱管９および当該伝熱管内を流れる流体（冷水）を冷却する。バルブ１０を通じて移動した水蒸気は、吸脱着器３内に設置されたフィンチューブ熱交換器１３の表面に塗布またはフィン間に充填された吸着材に吸着される。吸着操作において、吸着材から発生する吸着熱は、チューブ１２内を流れる冷却水によって徐熱され、水蒸気の吸着が促進される。

一方、吸脱着器４にも同仕様のフィンチューブ熱交換器１５が設置されており、吸脱着器４では上記の吸着操作と同時に脱着操作が行われる。フィンチューブ熱交換器１５は、その前段階の吸着操作において飽和状態まで水蒸気を吸着しており、チューブ１４内に流れる温水の熱によって加熱され、フィンチューブ熱交換器１５の表面に塗布またはフィン間に充填された吸着材から水分が脱着（蒸発）する。脱着した水蒸気は、その圧力差によってバルブ１６を開け、凝縮器５へ移動する。その場合、バルブ１７は、蒸発器２との圧力差によって閉のままである。バルブ１６を通じて凝縮器５へ移動した水蒸気は、冷却水が流れる伝熱管１８によって冷却され、結露凝集し、液滴となって凝縮器５内の下部１９に溜まり、配管２０を通じて蒸発器２へ還水される。

同時に吸脱着器３内で行われる吸着操作と吸脱着器４内で行われる脱着操作は、数分から数１０分程度のサイクル時間で交互に繰り返される。すなわち、吸着操作を行っていた吸脱着器３内のフィンチューブ熱交換器１３のチューブ１２には、冷却水から切り替わって温水が流れ、一方、脱着操作を行っていた吸脱着器４内のフィンチューブ熱交換器１５のチューブ１４には、温水から切り替わって冷却水が流れる。吸着操作と脱着操作の切換えにより、吸脱着器３内では圧力差によってバルブ１０が閉まると同時にバルブ１１が開き、フィンチューブ熱交換器１３から脱着した水蒸気が凝縮器５へ移動する。また、吸脱着器４内では圧力差によってバルブ１６が閉まると同時にバルブ１７が開き、蒸発器から移動してくる水蒸気をフィンチューブ熱交換器１５が吸着する。

上記のようなサイクルを繰り返すことによって、吸着ヒートポンプ１内部では冷媒である水８が気化と液化を繰り返し、フィンチューブ熱交換器１３、１５では水蒸気の吸着と脱着が繰り返され、伝熱管９からは連続的に冷水を得ることができる。その際、伝熱管１８には連続的に冷却水が流れ、チューブ１２とチューブ１４には温水と冷却水がサイクル時間毎に切り替わって流れる。

一般的に、チューブ１２と伝熱管１８、或いは、チューブ１４と伝熱管１８は、各サイクル時間毎に連結されることが多く、ひとつのサイクル時間内ではチューブ１２から流出した冷却水はそのまま伝熱管１８に流入し、次のサイクル時間内ではチューブ１４から流出した冷却水はそのまま伝熱管１８に流入するような配管系とすることが多い。このような配管流路の切替は、電気的な信号で開閉動作するバルブ等によって行われる。上記のような吸着ヒートポンプの基本的な原理は種々の分野で利用されている。

特開２００７−３０６９６０号公報 特開平１０−３１１６９１号公報

ところで、図５に示すように、吸着ヒートポンプ２１においては、温水配管２２、冷却水配管２８及び冷水配管３１の3種類の配管系が必要となる。温水配管系では、吸着ヒートポンプ２１の駆動源となる太陽熱、地熱、バイオマス熱、産業排熱などの温熱源２６から熱交換器２４を介して加熱された温水が温水ポンプ２３によって循環される。その際、温水温度の変動や熱量変動を緩和するために、温水タンク２５を設置することが多い。また、温熱源２６から出る熱媒２７は、温水ではなく、高温ガス、不純物を含む温水や高温蒸気等であるため、吸着ヒートポンプ２１の駆動用の温水の汚染を防ぐために熱交換器２４が介装される。

冷却水配管系では、冷却用熱源として、一般的には冷却塔３０が用いられ、冷却水が冷却水ポンプ２９によって循環される。冷却水は、図４で示したように、吸着ヒートポンプ２１内で吸着熱の徐熱用と水蒸気の凝縮用に使用される。冷水配管系では、冷水ポンプ３４で冷水が循環され、例えば冷房負荷に対応するために、空調機やファンコイルユニットなど冷水を冷風３２に変換する機器３３に繋がれる。また、冷水温度の変動を緩和するための冷水タンク３５を設置することもある。

このように、従来の吸着ヒートポンプ２１では、冷凍機単独で稼動するわけではなく、温水系、冷却水系、冷水系それぞれにおいて数種の附帯機器とそれらを繋ぐ配管が必要である。これらは、設備設計の手間を含めたコストアップに直結するだけでなく、設備設置の際にある一定以上の設置スペースを必要とし、必然的に大規模な熱源システムとならざるを得ない。

本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸着ヒートポンプシステムの簡素化と小型化、また、設備コストの軽減と応用範囲の拡大にある。

上記の課題を解決するため、本発明においては、吸着材を担持させた特定の直交型熱交換器を使用することにより、従来の吸着ヒートポンプの加熱源や冷却源だった温水や冷却水をそれぞれ温風、冷風で代替し、かつ、冷熱需要への冷熱の供給形態も冷水ではなく、冷風で行うようにした。

すなわち、本発明の要旨は、蒸発器、吸脱着器および凝縮器からなる空冷式の吸着ヒートポンプであって、吸脱着器は、流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる流路とで熱交換する構造の直交型熱交換器を備え、流体Ａの流路は、吸着材を担持させてなり且つ吸着質としての水蒸気が流れるように構成され、流体Ｂの流路は、作動流体としての空気が流れるように構成され、直交型熱交換器で水蒸気の吸脱着を繰り返し、蒸発器と凝縮器との間で水を循環させることにより、蒸発器で得られる冷熱を冷風として出力するようになされていることを特徴とする空冷式吸着ヒートポンプに存する。

本発明の空冷式吸着ヒートポンプによれば、空気を加熱源および冷却源として利用し、冷熱として冷風を供給するため、システムの簡素化および小型化を図ることができ、設備コストを軽減でき、また、種々の用途に幅広く適用できる。

本発明に係る空冷式吸着ヒートポンプの構造を破断して示す図であり、分図（ａ）は正面図、分図（ｂ）は側面図、分図（ｃ）は上面図である。 本発明に係る空冷式吸着ヒートポンプにおける直交型側熱交換器の流体Ａ側と流体Ｂ側のシール構造を示す図であり、分図（ａ）は直交型熱交換器の構成要素を示す斜視図、分図（ｂ）は直交型側熱交換器の外観を示す斜視図である。 図２の直交型熱交換器の要部を拡大して示す図であり、分図（ａ）は直交型熱交換器の流体Ｂ側の流路構造を示す平面図、分図（ｂ）は直交型熱交換器の流体Ａ側の流路構造を示す側面図である。 従来の吸着ヒートポンプの動作原理図を示す説明図である。 従来の吸着ヒートポンプの熱源システムの概要を示すブロック図である。

本発明に係る空冷式吸着ヒートポンプ（以下、「ヒートポンプ」と略記する。）の実施形態の一例を図面に基づいて説明する。

本発明のヒートポンプは、冷却と加熱のための作動流体として空気を使用する空冷式のヒートポンプであり、図１に示すように、ケーシング４７内に蒸発器４８、吸脱着器４９，５０及び凝縮器５１を収めて構成される。吸脱着器４９，５０は、流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる流路とで熱交換する構造の直交型熱交換器３８を備えており、当該直交型熱交換器において、流体Ａの流路は、吸着材４３を担持させてなり且つ真空下で吸着質としての水蒸気が流れるように構成され、流体Ｂの流路は、常圧下で作動流体としての空気（温風および冷風）が流れるように構成される。そして、直交型熱交換器３８で水蒸気の吸脱着を繰り返し、蒸発器４８と凝縮器５１との間で水を循環させることにより、蒸発器４８で得られる冷熱を冷風（ＳＡ）として出力するようになされている。

先ず、本発明のヒートポンプに使用される直交型熱交換器３８について説明する。直交型熱交換器３８は、図２に示すように、複数の板状の構成要素３６を一定の間隔で平行に配列して構成される。各構成要素３６は、図３（ａ）に示すように、2枚の平板４１で波板４２を挟み込んで例えば方形板状に構成され、平板４１と波板４２の接触面は接着剤で密着接合される。平板４１及び波板４２は、通常は金属、軽量であり加工も容易であることから好ましくはアルミニウムで作製される。また、図２（ａ）に示すように、構成要素３６の厚み部分のコーナー部および平行な２つの端面（図２（ａ）で手前の面とその反対側の面）は、気密が保たれるようにシール材４４で密封される。斯かるシール材４４としては、例えば耐熱性シリコン樹脂、エポキシ樹脂などが好ましい。

直交型熱交換器３８は、図２（ｂ）に示すように、上記の構成要素３６を複数枚を重ね合わせ且つ隣接する構成要素３６，３６の間にスペーサー３９を挟み込んだ構造を備えている。図２（ｂ）中のスペーサー３９と平板４１で囲まれるスペース（隙間）が並ぶ面が流体Ａ側（真空側）の通気面である。平板４１表面には、図３（ｂ）に示すように、吸着材４３が所定膜厚で塗布され、前記のスペース（隙間）が水蒸気の流路となっている。スペーサー３９は、真空側スペースに生じる負圧に対する構成要素３６の座屈を防ぐために配置され、例えば、金属製の丸棒や角棒などの座屈力に耐え得る素材で構成される。なお、上記のスペースには、粒状の吸着材が密充填されていてもよいし、吸着材４３の塗布膜が形成され且つ粒状の吸着材が充填されていてもよい。更に、上記のスペースには、水蒸気の拡散を大きく阻害しない限り、伝熱を促進し且つ吸着材４３の充填率を向上させるために、その表面に吸着材４３が塗布された波板を挿入することもできる。

一方、図２（ｂ）中の平板４１と波板４２で構成される面が流体Ｂ側（常圧側）の通気面である。図３（ａ）に示すように、波板４２の凹凸で形成される隙間が温風、冷風の流路となっている。上記のような金属製の波板４２で温風および冷風の流路を形成することにより、伝熱面積を増大でき、伝熱を促進させることができる。また、温風や冷風の流動抵抗があまり大きくならない限り、伝熱面積を一層大きくするため、波板４２の表面に更に凹凸が形成されていたり、あるいは、波板４２で形成されるスペース（隙間）に金属製繊維が充填されていてもよい。

図２（ｂ）に示すように、直交型熱交換器３８においては、真空側である流体Ａ側の流路と、これに直交する常圧側である流体Ｂ側の流路とを構成するため、当該直交型熱交換器のコーナー部を含む流体Ｂ側（常圧側）の通気面と、流体Ａ側（真空側）の通気面とが隔壁板４５で仕切られている。具体的には、隣接する構成要素３６，３６の間のスペース（隙間）の両端側は、各構成要素３６の波板４２が露出する開口部分に沿って配置されたシール材４０により気密に封止される。シール材４０は、シール材４４と同材質の素材で構成される。そして、矩形型熱交換器３８には、流体Ａ側面または流体Ｂ側面と同一形状の矩形状の穴が空いた隔壁板４５がシール材４０に相当する部分に配置され、かつ、隔壁板４５は、図２（ｂ）中の接触線４６においてシール材４０に溶接される。

直交型熱交換器３８においては、上記の構造により、流体Ａ側の流路と流体Ｂ側の流路との気密を完全に保つことができる。図２において、上下の隔壁板４５，４５の間が流体Ａ側（真空側）の領域となり、ヒートポンプの蒸発器４８や凝縮器５１と繋がり且つ水蒸気が流れる流路となる。一方、図２において、上部の隔壁板４５よりも上方側、および、下部の隔壁板４５よりも下方側が流体Ｂ側（常圧側）の領域となり、流体Ａ側の流路の吸着材４３の水蒸気吸脱着機能を促進させるための温風および冷風が流れる流路となる。

本発明においては、吸着材４３としてゼオライトが使用される。好ましくは、骨格構造にアルミニウムとリンを含む結晶性アルミノフォスフェート類であって、かつ、２５℃で測定した水蒸気吸着等温線において、相対蒸気圧０．１〜０．２５の範囲における相対蒸気圧の値が０．１増加したときの水の吸着量の増加が０．１２ｇ／ｇ以上のものである。更に好ましくは、吸脱着特性が、例えば、４０℃の水蒸気吸着等温線において相対蒸気圧０．０５での吸着量が０．１ｇ／ｇ以下であり、かつ、相対蒸気圧０．０５以上、０．２５以下の範囲で相対蒸気圧が０．１５変化したときの水の吸着量変化が０．１５ｇ／ｇ以上の相対蒸気圧域を有するものや、５５℃の水蒸気吸着等温線において相対蒸気圧０．０３での吸着量が０．１ｇ／ｇ以下であり、かつ、相対蒸気圧０．０３以上、０．２０以下の範囲で相対蒸気圧が０．１５変化したときの水の吸着量変化が０．１５ｇ／ｇ以上の相対蒸気圧域を有するものである。

上記の特性を有するゼオライトは、１００℃以下で吸着質を脱着させることができるため、吸・脱着特性の優れた水蒸気吸着材として用いることができる。このような特性を有していることにより、低温から高温まで、低湿度から高湿度までの広い条件で吸着が可能であり、しかも、比較的低温で脱着ができる。斯かる吸着材としては、このような性能を示すものであれば特に制限されないが、上記の結晶性アルミノフォスフェート類が好ましい。結晶性アルミノフォスフェート類の製造方法は公知であり、例えば、特開２００３−１８３０２０号、特開２００５−０７５７０２等に記載の方法が挙げられる。このほか、その骨格構造内に少なくとも珪素原子、鉄原子等のヘテロ原子、Ａｌ及びＰを含有するメタロアルミノフォスフェートも挙げられる。

次に、上記の直交型熱交換器３８を使用したヒートポンプについて説明する。本発明のヒートポンプは、図１に示すように、中空矩形のケーシング（本体）４７内に蒸発器４８、吸脱着器４９及び５０、ならびに、凝縮器５１を収めて構成され、これらは、ケーシング４７内において、開閉バルブ５４、５５、６０、６１を備えた隔壁で隔たれており、ケーシング４７内は、約１０００〜５０００Ｐａの真空状態が保持されている。蒸発器４８内に適量の水（冷媒）５２を封入しておくと、常温で水は気化して水蒸気となり、バルブ５４をその気化による圧力によって開き、水蒸気が吸脱着器４９へ移動する。その場合、バルブ５５は、さらに上部にある凝縮器５１との圧力差によって閉のままである。

また、蒸発器４８内の水５２の気化を促進するために、循環ポンプなどを用いて水５２を熱交換器５３に散布循環させる機構があるのが好ましい。これにより、水は熱交換器５３の表面で主に気化し、その際に発生する気化熱を熱交換器５３から奪い、熱交換器５３および熱交換器５３内を流れる流体（冷風）を冷却する。なお、熱交換器５３としては、多管式熱交換器、フィンチューブ熱交換器、直交型熱交換器などが好ましい。

バルブ５４を通じて移動した水蒸気は、吸脱着器４９内に設置された直交型熱交換器３８の流体Ａ側の流路表面に塗布（或いは充填）された吸着材４３に吸着される。吸着操作の際、吸着材４３から発生する吸着熱は、直交型熱交換器３８の流体Ｂ側の流路を流れる冷風５６によって徐熱される。その場合、冷風を加熱するための電気ヒーターなどの熱源５７は通電オフの状態である。

一方、吸脱着器５０にも同様の直交型熱交換器３８が設置されている。吸脱着器５０においては、吸脱着器４９の吸着操作と同時に、脱着操作が行われる。脱着操作において、直交型熱交換器３８は、その前段階の吸着操作において飽和状態まで水蒸気を吸着しており、その流体Ｂ側の流路には電気ヒーターなどの熱源５９で加熱された温風が流れている。斯かる温風の熱によって直交型熱交換器３８が加熱され、流体Ａ側の流路の表面に塗布（或いは充填）された吸着材４３から水分が脱着（蒸発）する。脱着した水蒸気は、その圧力差によってバルブ６１を開け、凝縮器５１へ移動する。その際、バルブ６０は蒸発器４８との圧力差によって閉のままである。凝縮器５１へ移動した水蒸気は、内部に冷風が流れる熱交換器６２によって冷却され、結露凝集し、液滴となって凝縮器５１の下部に溜まり、その水６３がバルブ管６４を通じて蒸発器４８へ還水される。なお、熱交換器６２は、多管式熱交換器、フィンチューブ熱交換器、直交型熱交換器などが好ましい。

同時に行われる吸脱着器４９での吸着操作（脱着操作）と吸脱着器５０での脱着操作（吸着操作）は数分から数１０分程度のサイクル時間で交互に繰り返される。すなわち、例えば、吸着操作を行っていた吸脱着器４９内の直交型熱交換器３８の流体Ｂ側の流路には、熱源である通電された電気ヒーター５７によって加熱された温風が流れ、一方、脱着操作を行っていた吸脱着器５０内の直交型熱交換器３８の流体Ｂ側の流路には、通電停止となった電気ヒーター５９を介して加熱されない状態の冷風が流れる。

また、そのことによって吸脱着器４９内では圧力差によってバルブ５４が閉まると同時にバルブ５５が開き、直交型熱交換器３８の流体Ａ側の流路から脱着した水蒸気が凝縮器５１へ移動する。一方、吸脱着器５０内では圧力差によってバルブ６１は閉まると同時にバルブ６０が開き、蒸発器４８から移動してくる水蒸気が直交型熱交換器３８の流体Ａ側の流路の吸着材４３で吸着される。

以上のようなサイクルを繰り返すことにより、ヒートポンプ内部では冷媒である水５２が気化と液化を繰り返され、直交型熱交換器３８では水蒸気の吸着と脱着が繰り返される。その結果、蒸発器４８の伝熱管５３から連続的に冷風（ＳＡ）を得ることができ、冷房負荷に対応することができる。冷風（ＳＡ）は、例えば冷房負荷室内からのリターンエア（ＲＡ）に外気（ＯＡ）が適量混合された後、熱交換器５３にファン６６で供給される。

また、吸着材の吸脱操作を促進させるための冷風（図１（ａ），（ｃ）中の右向き矢印および図１（ｃ）中の上向き矢印、すなわち、図１（ｂ）中の上側の右向き矢印で示すＲＡ）、温風（図１（ａ），（ｃ）中の左向き矢印で示すＲＡ）はファン６５によって吸引されることにより発生する気流であり、直交型熱交換器３８の流体Ｂ側の流路を通過した後、排ガス（ＥＡ）となって例えば屋外へ排気される。

なお、熱源５７、５９としては、電気ヒーターに代えて、太陽熱、地熱、バイオマス熱などの再生可能エネルギーや工場排熱などを利用することにより、省エネルギーに寄与することができる。また、図１では、直交側熱交換器３８を２個使用する２ポットタイプのヒートポンプを例示したが、直交型熱交換器３８を１個のみ使用する１ポットタイプのヒートポンプも構成できる。この場合、冷熱負荷に対応する冷風は連続的な供給はできず間歇供給となる。更に、１ポットタイプでは、蒸発器と凝縮器を一体化した通称エバコンタイプを採用することが可能であり、冷凍機の小型化に対しては効果的である。

３６：直交型熱交換器の構成要素
３８：直交型熱交換器
３９：スペーサー
４０：シール材
４１：平板
４２：波板
４３：吸着材
４４：シール材
４５：流体Ａ側と流体Ｂ側を隔てる隔壁板
４６：隔壁板の溶接線
４７：空冷式吸着ヒートポンプのケーシング
４８：蒸発器
４９：吸脱着器
５０：吸脱着器
５１：凝縮器
５２：水（冷媒）
５３：蒸発器内伝熱管
５４：仕切りバルブ
５５：仕切りバルブ
５７：空気加熱用熱源（電気ヒーター）
５９：空気加熱用熱源（電気ヒーター）
６０：仕切りバルブ
６１：仕切りバルブ
６２：凝縮器内伝熱管
６３：水（凝縮器内冷媒)
６４：バルブ管
６５：冷温風排気ファン
６６：冷熱負荷供給用冷風ファン

Claims (3)

1. 蒸発器、吸脱着器および凝縮器からなる空冷式の吸着ヒートポンプであって、吸脱着器は、流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる流路とで熱交換する構造の直交型熱交換器を備え、流体Ａの流路は、吸着材を担持させてなり且つ吸着質としての水蒸気が流れるように構成され、流体Ｂの流路は、作動流体としての空気が流れるように構成され、直交型熱交換器で水蒸気の吸脱着を繰り返し、蒸発器と凝縮器との間で水を循環させることにより、蒸発器で得られる冷熱を冷風として出力するようになされていることを特徴とする空冷式吸着ヒートポンプ。
2. 流体Ａの流路は、真空下において吸着質としての水蒸気が流れるように構成され、流体Ｂの流路は、常圧下において作動流体としての空気が流れるように構成されている請求項１に記載の空冷式吸着ヒートポンプ。
3. 直交型熱交換器は、真空側である流体Ａの流路と、常圧側である流体Ｂの流路とが隔壁板で仕切られている請求項１又は２に記載の空冷式吸着ヒートポンプ。

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