JP2016151389A - Heat pump and cold heat generation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はヒートポンプ及び冷熱生成方法に関する。 The present invention relates to a heat pump and a cold heat generation method.
特許文献1には、蒸発器、吸着器、蓄熱反応器及び凝縮器を備え、蓄熱反応器が、熱を蓄熱すると共に、熱媒の蒸発潜熱以上の熱を吸着器に放熱し再生温度以上の熱を作用させることで吸着器を再生し、蒸発器が連続的に冷熱を生成する構成の吸着式ヒートポンプが開示されている。
特許文献1に記載の技術は、吸着器から熱交換媒体を脱着させることを、蓄熱反応器から吸着器に供給した熱による作用のみで実現する構成であるので、吸着器の脱着に関して効率改善の余地がある。また、この課題は、特許文献1に記載の技術において、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応器として、例えば、物理吸着、化学吸着、吸収、化学反応等の何れの反応を利用した反応器を用いた場合にも共通する課題である。
The technology described in
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部から熱交換媒体を脱離させる際の効率を向上できるヒートポンプ及び冷熱生成方法を得ることが目的である。 The present invention has been made in consideration of the above facts, and provides a heat pump and a method for generating cold that can improve the efficiency when the heat exchange medium is desorbed from the reaction section that holds the heat exchange medium by reacting with the heat exchange medium. The purpose is to obtain.
請求項1記載の発明に係るヒートポンプは、熱交換媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部と、当該反応部と熱交換可能で前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体を凝縮させて保持する保持部と、を含む第1反応器と、前記第1反応器の前記反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する第2反応器と、前記反応部が前記蒸発器と連通する第1状態、又は、前記反応部が前記第2反応器と連通し、かつ前記保持部が前記蒸発器と連通する第2状態に切替える切替部と、を含んでいる。 The heat pump according to the first aspect of the present invention includes an evaporator that evaporates a heat exchange medium, a reaction unit that reacts with the heat exchange medium evaporated by the evaporator and holds the heat exchange medium, and the reaction unit and heat A first reactor comprising: a holding unit that condenses and holds the heat exchange medium that is exchangeable and evaporated in the evaporator; and reacts with the heat exchange medium desorbed from the reaction part of the first reactor. A second reactor that holds the heat exchange medium and a first state in which the reaction section communicates with the evaporator, or the reaction section communicates with the second reactor, and the holding section serves as the evaporator. And a switching unit that switches to a second state that communicates with the second state.
請求項1記載の発明では、切替部が、第1反応器の反応部が蒸発器と連通する第1状態に切替えると、第1反応器の反応部が、蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持するので、蒸発器で冷熱が生成される。また、第1反応器の反応部で発生する反応熱が第1反応器の保持部に伝導し、保持部に熱交換媒体が保持されていれば、保持されている熱交換媒体が蒸発することで、前記反応熱が除去される。 In the first aspect of the invention, when the switching unit switches to the first state in which the reaction unit of the first reactor communicates with the evaporator, the reaction unit of the first reactor is a heat exchange medium evaporated by the evaporator. Since it reacts with and holds the heat exchange medium, cold heat is generated in the evaporator. Moreover, if the heat of reaction generated in the reaction part of the first reactor is conducted to the holding part of the first reactor and the heat exchange medium is held in the holding part, the held heat exchange medium evaporates. The reaction heat is removed.
また、切替部が、第1反応器の反応部が第2反応器と連通し、かつ第1反応器の保持部が蒸発器と連通する第2状態に切替えると、蒸発器で蒸発した熱交換媒体が第1反応器の保持部に移動し、凝縮されて保持部に保持される。これにより、蒸発器で冷熱が生成される。また、蒸発器から第1反応器の保持部に移動した熱交換媒体により与えられた熱が、第1反応器の保持部から第1反応器の反応部に伝導し、第1反応器の反応部の温度が上昇する。更に、第2反応器が、第1反応器の反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する。これにより、第1反応器の反応部から熱交換媒体が脱離し、第1反応器の反応部から脱離した熱交換媒体が第2反応器へ移動して第2反応器に保持される。 Further, when the switching unit switches to the second state in which the reaction unit of the first reactor communicates with the second reactor and the holding unit of the first reactor communicates with the evaporator, the heat exchange evaporated in the evaporator The medium moves to the holding unit of the first reactor, is condensed, and is held by the holding unit. Thereby, cold heat is generated in the evaporator. Further, the heat given by the heat exchange medium moved from the evaporator to the holding unit of the first reactor is conducted from the holding unit of the first reactor to the reaction unit of the first reactor, and the reaction of the first reactor is performed. The temperature of the part rises. Further, the second reactor reacts with the heat exchange medium desorbed from the reaction part of the first reactor and holds the heat exchange medium. As a result, the heat exchange medium is desorbed from the reaction section of the first reactor, and the heat exchange medium desorbed from the reaction section of the first reactor moves to the second reactor and is held in the second reactor.
このように、請求項1記載の発明では、蒸発器から供給された熱と、第2反応器による熱交換媒体との反応と、の相乗効果によって第1反応器の反応部から熱交換媒体を脱離させるので、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部から熱交換媒体を脱離させる際の効率を向上させることができる。
Thus, in the invention described in
なお、請求項1記載の発明において、例えば請求項2に記載したように、第2反応器が保持可能な熱交換媒体の容量が、第1反応器の反応部が保持可能な熱交換媒体の容量よりも大きいことが好ましい。これにより、第1反応器の反応部に保持された熱交換媒体を確実に(例えば反応部に保持された熱交換媒体の全量に近い量を)脱離させて、第2反応器で保持させることができる。
In the invention described in
また、請求項1又は請求項2記載の発明において、第1反応器のうち、熱交換媒体を保持する保持部は、例えば請求項3に記載したように、保持部の伝熱面に、液状の熱交換媒体を収容して一時的に保持する収容部を設けることで実現することができる。
Further, in the invention according to
また、請求項1〜請求項3の何れか1項記載の発明において、例えば請求項4に記載したように、熱交換媒体を凝縮させる凝縮器を更に含み、切替部は、第1状態で保持部を凝縮器と連通させることが好ましい。これにより、第1状態において、保持部に保持されていた状態から、第1反応器の反応部で発生する反応熱によって蒸発された熱交換媒体を、凝縮器で凝縮させて回収することが可能となる。
Moreover, in invention of any one of Claims 1-3, for example, as described in
また、請求項4記載の発明において、例えば請求項5に記載したように、蒸発器及び凝縮器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部を更に含み、切替部は、第2反応器に保持された熱交換媒体を、凝縮器又は蒸発器を経由して貯留部へ導く第3状態にも切替えることが好ましい。これにより、第2反応器に保持された熱交換媒体を、第2反応器から脱離させ、凝縮器又は蒸発器で凝縮させて貯留部に回収することができる。
Further, in the invention described in
また、請求項1〜請求項3の何れか1項記載の発明において、例えば請求項6に記載したように、蒸発器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部を更に含み、切替部は、第2反応器に保持された熱交換媒体を、蒸発器を経由して貯留部へ導く第3状態にも切替えるよう構成してもよい。これにより、第2反応器に保持された熱交換媒体を、第2反応器から脱離させ、蒸発器で凝縮させて貯留部に回収することができる。
Further, in the invention according to any one of
請求項7記載の発明に係る冷熱生成方法は、熱交換媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部と、当該反応部と熱交換可能で前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体を凝縮させて保持する保持部と、を含む第1反応器と、前記第1反応器の前記反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する第2反応器と、を用い、前記反応部が前記蒸発器と連通する第1状態、又は、前記反応部が前記第2反応器と連通し、かつ前記保持部が前記蒸発器と連通する第2状態に切替えることで、前記蒸発器で冷熱を生成させるので、請求項1記載の発明と同様に、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部から熱交換媒体を脱離させる際の効率を向上させることができる。
The cold heat generation method according to the invention of claim 7 includes an evaporator for evaporating the heat exchange medium, a reaction unit for holding the heat exchange medium by reacting with the heat exchange medium evaporated by the evaporator, and the reaction unit And a heat exchanger that is capable of exchanging heat and that condenses and holds the heat exchange medium evaporated in the evaporator, and a heat exchange medium desorbed from the reaction part of the first reactor, A second reactor that reacts and holds a heat exchange medium, wherein the reaction section communicates with the evaporator, or the reaction section communicates with the second reactor and holds Since the cooler is generated in the evaporator by switching to the second state where the unit communicates with the evaporator, the reaction that reacts with the heat exchange medium and holds the heat exchange medium as in the invention of
本発明は、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部から熱交換媒体を脱離させる際の効率を向上できる、という効果を有する。 The present invention has an effect that the efficiency at the time of detaching the heat exchange medium from the reaction part that holds the heat exchange medium by reacting with the heat exchange medium can be improved.
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。図1には本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ10が示されている。吸着式ヒートポンプ10は、主な構成要素として、蒸発器12、吸着器14、蓄熱器16、凝縮器18、液タンク20及び制御部22(図5参照)を備えている。
Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows an
なお、本実施形態において、吸着式ヒートポンプ10は本発明に係るヒートポンプの一例であり、蒸発器12は本発明における蒸発器の一例であり、吸着器14は本発明における第1反応器の一例である。また、本実施形態において、蓄熱器16は本発明における第2反応器の一例であり、凝縮器18は本発明における凝縮器の一例であり、液タンク20は本発明における貯留部の一例である。更に、本実施形態において、制御部22は後述するバルブ駆動部36及びバルブ群38と共に、本発明における切替部の一例である。
In the present embodiment, the
蒸発器12は、配管116を介して液タンク20と接続されており、液タンク20から熱交換媒体が供給され、供給された熱交換媒体を蒸発(気化)させることで冷熱を生成する。なお、熱交換媒体Fとしては、例えば、水、或いはアンモニアを用いることができる。水及びアンモニアは、吸着式ヒートポンプ10において求められる条件(温度及び圧力)で吸着材に対し吸着及び脱着し、しかも安価に調達できる。但し、熱交換媒体は、例えば炭素数1〜4のアルコール等を用いてもよいし、単一物質を用いても2種以上の混合物を用いてもよい。
The
蒸発器12は、熱交換用流体(例えば水又は水と水溶性溶剤との混合溶媒)で満たされた配管24が内部に配設されており、配管24の両端には配管26,28の一端が接続されている。配管26,28の他端は冷熱負荷30に各々接続されており、熱交換用流体の循環路が形成されている。循環路には図示しない循環用ポンプが設けられており、当該循環用ポンプによって循環路内を熱交換用流体が循環して流通することで、蒸発器12で生成された冷熱(例えば15[℃]の冷熱)が冷熱負荷30に供給される。なお、冷熱負荷30の具体例は特に限定されないが、例えば、冷熱負荷30としては空調負荷、より詳しくは空調装置の室外機が挙げられる。
In the
また、配管26,28の途中にはバルブ32,34が設けられている。バルブ32,34は、モータ等を含むバルブ駆動部36(図5参照)によって開閉される。なお、図5では、吸着式ヒートポンプ10に設けられた各バルブを「バルブ群38」と総称して表記している。バルブ駆動部36は制御部22(図5参照)に接続されており、バルブ32,34の開閉は制御部22によって制御される。
蒸発器12には配管40,42の一端が接続され、配管40の他端は吸着器14(の後述する吸着部70)に接続されており、配管40を介して蒸発器12と吸着器14(の吸着部70)は連通されている。また、配管42の他端は吸着器14(の後述する保持部72)に接続されており、配管42を介して蒸発器12と吸着器14(の保持部72)は連通されている。配管40,42の途中にはバルブ44,46が設けられている。バルブ44,46はバルブ駆動部36(図5参照)によって開閉され、バルブ44,46の開閉は制御部22(図5参照)によって制御される。
One end of
図2及び図3に示すように、吸着器14は、第1熱交換媒体F1と反応して第1熱交換媒体F1の吸着及び脱着を行う吸着材層64を含む吸着室62を複数備えた吸着部70と、第2熱交換媒体F2が流通する流路66を複数備えた保持部72と、が設けられた吸着器筐体60を有している。吸着部70の個々の吸着室62と保持部72の個々の流路66とは隔壁を隔てて互いに分離されており、吸着部70の吸着材層64と、保持部72の流路66の壁面(伝熱面)と、の間で熱交換可能とされている。また吸着器14は、吸着部70の吸着室62と保持部72の流路66とが交互に配置されており、これにより上記の熱交換の効率が向上されている。
2 and 3, the
なお、本実施形態において、吸着部70は本発明における第1反応器の反応部の一例であり、保持部72は本発明における第1反応器の保持部の一例である。
In the present embodiment, the
また、吸着器14において、吸着部70の吸着室62は、一端が扁平矩形状の開口端である四角柱状空間とされている。一方、保持部72の流路66は、両端が扁平矩形状の開口端である四角柱状空間とされている。そして吸着器14は、吸着室62の開口方向(第1熱交換媒体F1の流通方向)と流路66の開口方向(第2熱交換媒体F2の流通方向)とが側面視で直交する、直交流型の熱交換器とされている。
Further, in the
なお、吸着部の吸着室及び保持部の流路の数は、図2及び図3に示す数に限定されないことは勿論であり、吸着部70における第1熱交換媒体F1の吸着量や、保持部72の流路66の壁面の保持構造(後述する凹部68)に保持される第2熱交換媒体F2の量、吸着器14に入出力される熱量等を考慮して適宜設定される。
It should be noted that the number of adsorption chambers in the adsorption unit and the number of flow paths in the holding unit are not limited to the numbers shown in FIGS. 2 and 3, and the adsorption amount of the first heat exchange medium F1 in the
各吸着室62内の相対する一対の壁面には、それぞれ吸着材層64が設けられており、一方の吸着材層64の表面と他方の吸着材層64の表面との間には空間(隙間)が設けられている。これにより、吸着材層64の表面全体で、第1熱交換媒体F1の吸着及び脱着を効率良く行えるようになっている。
An
吸着室62には対向する壁面が二対存在し、面積が広い方の一対の壁面(吸着室62の空間の厚み方向に直交する一対の壁面)にのみ吸着材層64が設けられている。しかし、吸着材層64は、面積が広い方の一対の壁面(吸着室62の空間の厚み方向に直交する一対の壁面)に加え、面積が狭い方の一対の壁面(第2熱交換媒体F2の流通方向に直交する一対の壁面)にも設けられていてもよいし、更には吸着室62内の壁面全面(五面)に設けられていてもよい。
The
一方、吸着器14の保持部72の各流路66は、上記の吸着材層64を加熱し且つ冷却する第2熱交換媒体F2を流通する流路である。詳細には、吸着器14では、第2熱交換媒体F2が流路66の壁面で凝縮するときに、その凝縮熱によって吸着材層64が加熱される。更に、第2熱交換媒体F2が流路66の壁面で蒸発するときに、その蒸発熱によって吸着材層64が冷却される。
On the other hand, each
各流路66の相対する一対の壁面には、図4に示すように、開口部が正六角形状である凹部68(保持構造)が複数設けられている。詳細には、各凹部68は、一端に正六角形状の開口部を有する六角柱状空間となっている。本実施形態では、これらの凹部68(保持構造)によって、凝縮した第2熱交換媒体F2(液体)が保持される。本実施形態では、この凹部68を備えたことにより、流路66の壁面で第2熱交換媒体F2の蒸発及び凝縮を繰り返し行うことができ、ひいては吸着室62内で第1熱交換媒体F1の吸着及び脱着を繰り返し行うことができる。特に、凹部68は、開口部が正六角形状であるため、第2熱交換媒体F2を取り囲む凹部68の壁面全体(底面及び6つの側壁面)を通じて第2熱交換媒体F2を効率よく加熱し、蒸発させることができる。
As shown in FIG. 4, a plurality of recesses 68 (holding structures) whose openings are regular hexagonal shapes are provided on a pair of opposing wall surfaces of each
また、図4に示すように、複数の凹部68は、流路の壁面(伝熱面)にハニカム状に配列されている。この配列により、流路の壁面における複数の凹部68の配列密度が高くなっており、流路の壁面の単位面積当たりに保持できる液体状態の第2熱交換媒体F2の量が高くなっている。
Further, as shown in FIG. 4, the plurality of
なお、凹部68の数は、図4に示す数に限定されないことは勿論であり、保持部72に保持される第2熱交換媒体F2の体積や、吸着器14に入出力される熱量等を考慮して適宜設定される。また、凹部68の壁面(側壁面及び底面)には、公知の方法により表面処理(例えば親水化処理)が施されていてもよい。また、本実施形態において、凹部68は本発明における収容部の一例である。
Note that the number of the
また、本実施形態では、吸着器14の吸着材層64の吸着材として、AQSOA−Z05(「AQSOA」は三菱樹脂株式会社の登録商標)を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物等であってもよい。また、本実施形態では、第1熱交換媒体F1及び第2熱交換媒体F2として、蒸発器12から同一の熱交換媒体Fが供給される。
In this embodiment, AQSOA-Z05 (“AQSOA” is a registered trademark of Mitsubishi Plastics) is used as the adsorbent of the
また、吸着器筐体60(流路66の壁面を含む)の材質としては、金属(例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等)等の、熱伝導性が高く、かつ、熱交換媒体Fに対して耐食性を有する材質が好適である。上述した吸着器14は、伝熱抵抗と物質移動抵抗が軽減されることで、吸着材層64の細孔内部での流体の相速度変化が支配的となって吸着及び脱離の速度が定まる構成になっている。
Further, the material of the adsorber housing 60 (including the wall surface of the flow path 66) is a metal (for example, stainless steel, aluminum, aluminum alloy, etc.), etc., which has a high thermal conductivity and is suitable for the heat exchange medium F. On the other hand, a material having corrosion resistance is suitable. In the
吸着器14の吸着部70には配管48の一端が接続されており、配管48の他端は蓄熱器16に接続されている。吸着器14の吸着部70と蓄熱器16は配管48を介して連通されており、吸着部70の吸着材層64から脱着した熱交換媒体は蓄熱器16に案内される。配管48の途中にはバルブ50が設けられている。バルブ50はバルブ駆動部36(図5参照)によって開閉され、バルブ50の開閉は制御部22(図5参照)によって制御される。
One end of a
蓄熱器16は、前述した吸着器14と同様に、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を吸着し、外部からエネルギーが加えられると熱交換媒体を脱着する吸着材を含む吸着部を備えている。本実施形態では、蓄熱器16の吸着材として、Y型ゼオライトを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物等であってもよい。また、蓄熱器16が吸着・保持可能な熱交換媒体の容量は、吸着器14の吸着部70が保持可能な熱交換媒体の容量よりも大きく(例えば2倍程度と)されている。
Similar to the
また、蓄熱器16は、熱交換用流体で満たされた配管52が内部に配設されており、配管52の両端には配管54,56の一端が接続されている。配管54,56の他端は中温熱源58に各々接続されており、熱交換用流体の循環路が形成されている。また、配管54,56の途中にはバルブ80,82が設けられている。バルブ80,82はバルブ駆動部36(図5参照)によって開閉され、バルブ80,82の開閉は制御部22(図5参照)によって制御される。循環路には図示しない循環用ポンプが設けられており、バルブ80,82が開放されている状態で、前記循環用ポンプによって循環路内を熱交換用流体が循環して流通することで、中温熱源58から蓄熱器16に中温(例えば30[℃])の熱交換用流体が供給される。
The
また、蓄熱器16は、熱交換用流体で満たされた配管84が内部に配設されており、配管84の両端には配管86,88の一端が接続されている。配管86,88の他端は高温熱源90に各々接続されており、熱交換用流体の循環路が形成されている。また、配管86,88の途中にはバルブ92,94が設けられている。バルブ92,94はバルブ駆動部36(図5参照)によって開閉され、バルブ92,94の開閉は制御部22(図5参照)によって制御される。循環路には図示しない循環用ポンプが設けられており、バルブ92,94が開放されている状態で、前記循環用ポンプによって循環路内を熱交換用流体が循環して流通することで、高温熱源90から蓄熱器16に高温(例えば200[℃])の熱交換用流体が供給される。
Further, the
なお、中温熱源58及び高温熱源90の具体例は特に限定されないが、中温熱源58は蒸発器12が生成する冷熱よりも高温であり、高温熱源90は中温熱源58よりも高温である。中温熱源58としては、例えば外気等を用いることができる。高温熱源90としては、例えば、内燃機関を搭載した車両の排気ガス等を用いることができる。
Specific examples of the intermediate
蓄熱器16の吸着部には配管96の一端が接続され、配管96の他端は凝縮器18に接続されており、蓄熱器16の吸着部と凝縮器18は配管96を介して連通されている。配管96の途中にはバルブ98が設けられている。バルブ98はバルブ駆動部36(図5参照)によって開閉され、バルブ98の開閉は制御部22(図5参照)によって制御される。バルブ98が開放されている状態で、蓄熱器16の吸着部から脱着した熱交換媒体は凝縮器18に案内される。
One end of a
吸着器14の保持部72には配管100の一端が接続され、配管100の他端は凝縮器18に接続されており、吸着器14の保持部72と凝縮器18は配管100を介して連通されている。配管100の途中にはバルブ102が設けられている。バルブ102はバルブ駆動部36(図5参照)によって開閉され、バルブ102の開閉は制御部22(図5参照)によって制御される。バルブ102が開放されている状態で、吸着器14の保持部72から脱離した熱交換媒体は凝縮器18に案内される。
One end of the
凝縮器18は、熱交換用流体で満たされた配管104が内部に配設されており、配管104の両端には配管106,108の一端が接続されている。配管106,108の他端は中温熱源58に各々接続されており、熱交換用流体の循環路が形成されている。また、配管106,108の途中にはバルブ110,112が設けられている。バルブ110,112はバルブ駆動部36(図5参照)によって開閉され、バルブ110,112の開閉は制御部22(図5参照)によって制御される。循環路には図示しない循環用ポンプが設けられており、バルブ110,112が開放されている状態で、前記循環用ポンプによって循環路内を熱交換用流体が循環して流通することで、中温熱源58から凝縮器18に中温(例えば30[℃])の熱交換用流体が供給される。
In the
凝縮器18では、吸着器14の保持部72又は蓄熱器16の吸着部から送り込まれた熱交換媒体が、配管104によって冷却されて凝縮される。凝縮器18は配管114を介して液タンク20と接続されており、凝縮器18で凝縮された熱交換媒体は、配管114を経由して液タンク20へ送られ、液タンク20に貯留される。
In the
図5に示すように、制御部22は、CPU120、ROMやRAM等を含むメモリ122、ハードディスクドライブ、或いはフラッシュメモリを含む不揮発性の記憶部124、入出力(I/O)インタフェース部126を備えている。記憶部124には、CPU120が後述するヒートポンプ制御処理を行うためのヒートポンプ制御プログラム128がインストールされている。先に説明したバルブ駆動部36はI/Oインタフェース部126に接続されている。
As shown in FIG. 5, the
次に本実施形態の作用を説明する。吸着式ヒートポンプ10の制御部は、電力が供給されている間、図6に示すヒートポンプ制御処理を行う。なお、ヒートポンプ制御処理は本発明に係る冷熱生成方法が適用された処理である。
Next, the operation of this embodiment will be described. The controller of the
本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ10は、動作ステップとして、第1の冷熱生成ステップ、第2の冷熱生成ステップ及び蓄熱器再生ステップが設けられている。各ステップの詳細は後述するが、第1の冷熱生成ステップでは、蒸発器12で蒸発した熱交換媒体を吸着器14の吸着部70で吸着することで、蒸発器12で冷熱が生成される。また、第2の冷熱生成ステップでは、蒸発器12で蒸発した熱交換媒体を吸着器14の保持部72で保持することで、蒸発器12で冷熱が生成される。また、蓄熱器再生ステップでは、蓄熱器16の吸着部から熱交換媒体を脱着することで、蓄熱器16が再生される。
The
ヒートポンプ制御処理のステップ200において、制御部22は、第1の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ200の判定が否定された場合はステップ202へ移行し、ステップ202において、制御部22は、第2の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ202の判定が否定された場合はステップ204へ移行し、ステップ204において、制御部22は、蓄熱器再生ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ204の判定が否定された場合はステップ200に戻り、ステップ200〜204の何れかの判定が肯定される迄、ステップ200〜204を繰り返す。
In
本実施形態において、各ステップの実行順序のパターンは、一例として、第1の冷熱生成ステップと第2の冷熱生成ステップとを交互に繰り返し、蓄熱器16の再生が必要になった時点で蓄熱器再生ステップを割り込み実行するパターンとすることができる。第1の冷熱生成ステップと第2の冷熱生成ステップの継続時間は、例えば、実験等によってそれぞれの継続時間の最適値を予め求めておき、第1の冷熱生成ステップを最適値に相当する時間継続した後、第2の冷熱生成ステップを最適値に相当する時間継続することを繰り返すことができる。また、熱交換媒体の温度を検出して後述する相対圧を算出し、算出した相対圧に基づいて第1の冷熱生成ステップと第2の冷熱生成ステップの継続時間を決定するようにしてもよい。
In the present embodiment, the pattern of the execution order of each step is, for example, the first cold heat generation step and the second cold heat generation step that are alternately repeated, and when the
また、蓄熱器再生ステップを割り込み実行するタイミングは、例えば、第1の冷熱生成ステップと第2の冷熱生成ステップの繰り返し回数が所定回に達したか否かに基づいて判定するようにしてもよいし、例えば、蓄熱器再生ステップを前回行ってからの経過時間が所定時間を越えたか否かに基づいて判定するようにしてもよい。また、蓄熱器再生ステップの継続時間については、例えば、実験等によって継続時間の最適値を予め求めておき、蓄熱器再生ステップを最適値に相当する時間継続することができる。 In addition, the timing for interrupting and executing the regenerator regeneration step may be determined based on, for example, whether or not the number of repetitions of the first cold heat generation step and the second cold heat generation step has reached a predetermined number. For example, you may make it determine based on whether the elapsed time after performing a heat | energy storage regeneration step last time exceeded predetermined time. For the duration of the regenerator regeneration step, for example, an optimum value of the duration can be obtained in advance by experiments or the like, and the regenerator regeneration step can be continued for a time corresponding to the optimum value.
(第1の冷熱生成ステップ)
第1の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ200の判定が肯定されてステップ206へ移行する。ステップ206において、制御部22は、図7にも示すように、蒸発器12と冷熱負荷30との間のバルブ32,34、蒸発器12と吸着器14の吸着部70との間のバルブ44、吸着器14の保持部72と凝縮器18との間のバルブ102、凝縮器18と中温熱源58との間のバルブ110,112、蓄熱器16と中温熱源58との間のバルブ80,82を各々開放する。
(First cold heat generation step)
When the timing for starting the first cold heat generation step arrives, the determination in
また、次のステップ208において、制御部22は、図7にも示すように、蒸発器12と吸着器14の保持部72との間のバルブ46、吸着器14の吸着部70と蓄熱器16との間のバルブ50、蓄熱器16と高温熱源90との間のバルブ92,94、蓄熱器16と凝縮器18との間のバルブ98を各々閉塞する。ステップ208の処理を行うとステップ200に戻る。なお、上記のステップ206,208は本発明における切替部による第1状態への切替えの一例である。
Further, in the next step 208, as shown in FIG. 7, the
上述したバルブ群38の開閉により、蒸発器12で蒸発した熱交換媒体が、蒸発器12から吸着器14の吸着部70に供給される。そして、吸着部70の吸着材(吸着材層64)は、吸着部70に供給された熱交換媒体に反応し、熱交換媒体を吸着する。
By opening and closing the
ここで、蒸発器12で生成する冷熱の温度T1を15[℃]、吸着器14の吸着部70の温度T2を30[℃]とする。吸着器14の吸着部70における相対圧φ2は、蒸発器12の温度T1における飽和蒸気圧P1、吸着器14の吸着部70の温度T2における飽和蒸気圧P2を用いて、φ2=P1/P2となる。例えばP1=1.5[kPa]、P2=4.3[kPa]とすると、φ2≒0.348である。
Here, the temperature T1 of the cold generated by the
図10には、吸着器14の吸着部70や蓄熱器16の吸着部に使用可能な各種の吸着材について、相対圧と吸着量との関係を示している。図10から、吸着器14の吸着部70で吸着材として使用しているAQSOA−Z05は、相対圧φ2が0.348のとき、吸着可能な熱交換媒体量のほぼ全量を吸着できることが明らかである。このため、蒸発器12で蒸発した熱交換媒体が吸着部70の吸着材に吸着されることで、蒸発器12で15[℃]の冷熱を生成することができる。
FIG. 10 shows the relationship between the relative pressure and the amount of adsorption for various adsorbents that can be used in the adsorbing
また、吸着部70の吸着材への熱交換媒体の吸着に伴って吸着熱が発生し、吸着器14のうち、吸着部70と保持部72の間に存在している隔壁が加熱され、隔壁の温度が上昇する。これにより、前回の第2の冷熱生成ステップで保持部72の凹部68に保持されていた熱交換媒体が気化し、凝縮器18へ移動することで、発生した吸着熱が吸着器14から除去される。凝縮器18へ移動した熱交換媒体は、凝縮器18で凝縮された後、液タンク20へ送られる。
Further, heat of adsorption is generated along with the adsorption of the heat exchange medium to the adsorbent of the adsorbing
(第2の冷熱生成ステップ)
また、第2の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ202の判定が肯定されてステップ210へ移行する。ステップ210において、制御部22は、図8にも示すように、蒸発器12と冷熱負荷30との間のバルブ32,34、蒸発器12と吸着器14の保持部72との間のバルブ46、吸着器14の吸着部70と蓄熱器16との間のバルブ50、蓄熱器16と中温熱源58との間のバルブ80,82を各々開放する。
(Second cold generation step)
When the timing for starting the second cold heat generation step comes, the determination in
次のステップ212において、制御部22は、図8にも示すように、蒸発器12と吸着器14の吸着部70との間のバルブ44、吸着器14の保持部72と凝縮器18との間のバルブ102、凝縮器18と中温熱源58との間のバルブ110,112、蓄熱器16と高温熱源90との間のバルブ92,94、蓄熱器16と凝縮器18との間のバルブ98を各々閉塞する。ステップ212の処理を行うとステップ200に戻る。なお、上記のステップ210,212は本発明における切替部による第2状態への切替えの一例である。
In the
上述したバルブ群38の開閉により、蒸発器12で蒸発した熱交換媒体が、蒸発器12から吸着器14の保持部72に移動し、保持部72に供給された熱交換媒体は保持部72で凝縮されて凹部68に保持される。
By opening and closing the
また、蒸発器12から吸着器14の保持部72に移動した熱交換媒体により、吸着器14のうち、吸着部70と保持部72の間に存在している隔壁が加熱され、隔壁の温度が上昇する。これにより、吸着部70の吸着材が加熱される。また、蓄熱器16の吸着部の吸着材は、吸着器14の吸着部70から脱着して蓄熱器16に供給された熱交換媒体に反応し、熱交換媒体を吸着する。これにより、吸着器14の吸着部70に吸着されていた熱交換媒体が脱着される。このように、蒸発器12から供給された熱と、蓄熱器16の吸着部の吸着材による熱交換媒体との反応と、の相乗効果によって吸着器14の吸着部70から熱交換媒体を脱着させるので、吸着器14の吸着部70からの熱交換媒体の脱着を高効率で行うことができる。
In addition, the heat exchange medium moved from the
ここで、吸着器14の吸着部70における温度T1を15[℃]、中温熱源58の温度T2を30[℃]とする。吸着器14の吸着部70における相対圧φ1は、蓄熱器16の吸着部における温度T2での平衡圧P3、吸着器14の吸着部70における温度T1での飽和蒸気圧P4を用いて、φ1=P3/P4と定義される。実質的に、P4≒P1である。
Here, the temperature T1 in the
図10に示すY型ゼオライトの吸着等温線において、相対圧φ1=0.05になるまでY型ゼオライトを使用すると仮定した場合、蓄熱器16の吸着部における温度T2での平衡圧P3は、
P3=P2×0.05=4.3[kPa]×0.05=0.215[kPa]
となる。これにより、φ1=0.143となる。図10から明らかなように、吸着器14の吸着部70の吸着材であるAQSOA−Z05は、相対圧が0.143のとき、吸着可能な熱交換媒体量のほぼ全量を脱着できる。このように、蒸発器12で15[℃]の冷熱が生成されることで吸着器14の吸着部70における温度T1が15[℃]になったとしても、吸着部70で吸着可能な熱交換媒体量のほぼ全量を脱着できるので、蒸発器12で15[℃]の冷熱を生成することができる。また、第2の冷熱生成ステップでは、前述のように、吸着器14の吸着部70に吸着されていた熱交換媒体のほぼ全量が脱着され、蓄熱器16の吸着部の吸着材に吸着されるので、吸着器14の吸着部70が再生される。
In the adsorption isotherm of the Y-type zeolite shown in FIG. 10, when it is assumed that the Y-type zeolite is used until the relative pressure φ1 = 0.05, the equilibrium pressure P3 at the temperature T2 in the adsorption part of the
P3 = P2 × 0.05 = 4.3 [kPa] × 0.05 = 0.215 [kPa]
It becomes. Thereby, φ1 = 0.143. As can be seen from FIG. 10, AQSOA-Z05, which is the adsorbent of the adsorbing
上述した第1の冷熱生成ステップと第2の冷熱生成ステップとが繰り返されている間、蒸発器12では連続的に冷熱が生成される。また、吸着器14は、外部の熱源からエネルギーを直接受けることなく作動する。
While the first cold heat generation step and the second cold heat generation step described above are repeated, the
(蓄熱器再生ステップ)
また、蓄熱器再生ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ204の判定が肯定されてステップ214へ移行する。ステップ214において、制御部22は、図9にも示すように、蓄熱器16と高温熱源90との間のバルブ92,94、蓄熱器16と凝縮器18との間のバルブ98、凝縮器18と中温熱源58との間のバルブ110,112を各々開放する。
(Regenerator regeneration step)
When the timing for starting the regenerator regeneration step comes, the determination in
次のステップ216において、制御部22は、図9にも示すように、蒸発器12と冷熱負荷30との間のバルブ32,34、蒸発器12と吸着器14の吸着部70との間のバルブ44、蒸発器12と吸着器14の保持部72との間のバルブ46、吸着器14の保持部72と凝縮器18との間のバルブ102、吸着器14の吸着部70と蓄熱器16との間のバルブ50、蓄熱器16と中温熱源58との間のバルブ80,82を各々閉塞する。ステップ216の処理を行うとステップ200に戻る。なお、上記のステップ214,216は本発明における切替部による第3状態への切替えの一例である。
In the
上述したバルブ群38の開閉により、高温熱源90から蓄熱器16に高温の熱交換用流体が供給され、蓄熱器16の吸着部の吸着材が加熱されることで、蓄熱器16の吸着部の吸着材に吸着されていた熱交換媒体が脱着する。脱着した熱交換媒体は、凝縮器18へ移動し、凝縮器18で凝縮された後、液タンク20へ送られる。これにより、蓄熱器16の吸着部が再生される。
By opening and closing the
なお、上記では凝縮器18が設けられた態様を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、吸着器14の保持部72から気化した熱交換媒体を吸着式ヒートポンプ10の系外へ排出することで、凝縮器18を省略することも可能である。
In addition, although the aspect provided with the
また、上記では蓄熱器再生ステップにおいて、蓄熱器16の吸着部の吸着材から脱着した熱交換媒体を、凝縮器18で凝縮させた後に液タンク20へ送る態様を説明したが、これに限定されるものではなく、蓄熱器16の吸着部の吸着材から脱着した熱交換媒体を、吸着器14を経由して蒸発器12へ送り、蒸発器12で凝縮させた後に液タンク20へ送るようにしてもよい。特に、前述のように凝縮器18を省略した構成においては、蓄熱器16の吸着部の吸着材から脱着した熱交換媒体を蒸発器12で凝縮させる方式は有用である。
In the above description, the heat exchange medium desorbed from the adsorbent of the adsorbing portion of the
また、上記では本発明に係るヒートポンプの一例として吸着式ヒートポンプ10を説明すると共に、本発明における第1反応器及び第2反応器の一例として、吸着材によって熱交換媒体を吸着及び脱着する構成の吸着器14及び蓄熱器16を説明したが、本発明における第1反応器及び第2反応器は、吸着材によって熱交換媒体を吸着及び脱着する構成に限定されるものではなく、熱交換媒体の飽和蒸気圧以下の圧力で熱交換媒体と反応することで、系の圧力を低下させることが可能な反応器であればよい。ここでいう反応には、物理吸着、化学吸着、吸収、化学反応等が含まれる。
In the above description, the
10 吸着式ヒートポンプ
12 蒸発器
14 吸着器
16 蓄熱器
18 凝縮器
20 液タンク
22 制御部
38 バルブ群
68 凹部
70 吸着部
72 保持部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部と、当該反応部と熱交換可能で前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体を凝縮させて保持する保持部と、を含む第1反応器と、
前記第1反応器の前記反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する第2反応器と、
前記反応部が前記蒸発器と連通する第1状態、又は、前記反応部が前記第2反応器と連通し、かつ前記保持部が前記蒸発器と連通する第2状態に切替える切替部と、
を含むヒートポンプ。 An evaporator for evaporating the heat exchange medium;
A reaction unit that holds the heat exchange medium by reacting with the heat exchange medium evaporated in the evaporator, and a holding unit that condenses and holds the heat exchange medium evaporated in the evaporator that can exchange heat with the reaction unit. A first reactor comprising:
A second reactor for holding the heat exchange medium by reacting with the heat exchange medium desorbed from the reaction section of the first reactor;
A switching unit that switches to a first state in which the reaction unit communicates with the evaporator, or a second state in which the reaction unit communicates with the second reactor and the holding unit communicates with the evaporator;
Including heat pump.
前記切替部は、前記第1状態で前記保持部を前記凝縮器と連通させる請求項1〜請求項3の何れか1項記載のヒートポンプ。 A condenser for condensing the heat exchange medium;
The heat pump according to any one of claims 1 to 3, wherein the switching unit causes the holding unit to communicate with the condenser in the first state.
前記切替部は、前記第2反応器に保持された熱交換媒体を、前記凝縮器又は前記蒸発器を経由して前記貯留部へ導く第3状態にも切替える請求項4記載のヒートポンプ。 A storage section connected to the evaporator and the condenser and storing a heat exchange medium;
The heat pump according to claim 4, wherein the switching unit switches the heat exchange medium held in the second reactor to a third state in which the heat exchange medium is led to the storage unit via the condenser or the evaporator.
前記切替部は、前記第2反応器に保持された熱交換媒体を、前記蒸発器を経由して前記貯留部へ導く第3状態にも切替える請求項1〜請求項3の何れか1項記載のヒートポンプ。 A storage unit connected to the evaporator and storing a heat exchange medium;
The said switching part switches the heat exchange medium hold | maintained at the said 2nd reactor also to the 3rd state which guides to the said storage part via the said evaporator, The any one of Claims 1-3. Heat pump.
前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部と、当該反応部と熱交換可能で前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体を凝縮させて保持する保持部と、を含む第1反応器と、
前記第1反応器の前記反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する第2反応器と、
を用い、
前記反応部が前記蒸発器と連通する第1状態、又は、前記反応部が前記第2反応器と連通し、かつ前記保持部が前記蒸発器と連通する第2状態に切替えることで、前記蒸発器で冷熱を生成させる冷熱生成方法。 An evaporator for evaporating the heat exchange medium;
A reaction unit that holds the heat exchange medium by reacting with the heat exchange medium evaporated in the evaporator, and a holding unit that condenses and holds the heat exchange medium evaporated in the evaporator that can exchange heat with the reaction unit. A first reactor comprising:
A second reactor for holding the heat exchange medium by reacting with the heat exchange medium desorbed from the reaction section of the first reactor;
Use
By switching to the first state in which the reaction unit communicates with the evaporator or the second state in which the reaction unit communicates with the second reactor and the holding unit communicates with the evaporator, A cold heat generation method for generating cold heat in a vessel.
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