JP2021135015A - 吸着式ヒートポンプ、冷熱生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着質を吸着した吸着材を加熱することだけで再生させる場合と比して、吸着材を再生させるために必要な熱エネルギーを少なくすることができる吸着式ヒートポンプ、及び冷熱生成方法を提供する。【解決手段】蒸発器１２は、吸着質を蒸発させる。さらに、圧縮されることで吸着等温線が変化する吸着材５２は、蒸発器１２によって蒸発した吸着質を吸着する。また、圧縮部６０が、吸着質を吸着した吸着材５２を圧縮し、蒸発器１２で蒸発される吸着質を吸着材５２から脱着させる。【選択図】図１

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプ、及び冷熱生成方法に関する。

特許文献１には、吸着質を吸着した吸着材を加熱することで再生させる吸着式ヒートポンプが記載されている。

特開２０１０−１５１３８６号公報

従来の吸着式ヒートポンプでは、吸着質を吸着した吸着材を加熱することだけで再生させている。

本発明の課題は、吸着質を吸着した吸着材を加熱することだけで再生させる場合と比して、吸着材を再生させるために必要な熱エネルギーを少なくすることである。

本発明の請求項１に係る吸着式ヒートポンプは、吸着質を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器に連結された容器に配置され、前記蒸発器によって蒸発した前記吸着質を吸着すると共に、圧縮されることで吸着等温線が変化する吸着材と、前記容器に配置され、前記吸着質を吸着した前記吸着材を圧縮し、前記蒸発器で蒸発される前記吸着質を前記吸着材から脱着させる圧縮部とを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、蒸発器は、吸着質を蒸発させる。さらに、圧縮されることで吸着等温線が変化する吸着材は、蒸発器によって蒸発した吸着質を吸着する。また、圧縮部が、吸着質を吸着した吸着材を圧縮し、蒸発器で蒸発される吸着質を吸着材から脱着させる。このようにして、吸着材は再生する。

これにより、吸着式ヒートポンプでは、吸着質を吸着した吸着材を加熱することだけで再生させる場合と比して、吸着材を再生させるために必要とする熱エネルギーを少なくすることができる。

本発明の請求項２に係る吸着式ヒートポンプは、請求項１に記載の吸着式ヒートポンプにおいて、前記圧縮部は、前記吸着材を圧縮し、前記容器の雰囲気圧力を上昇させることで、前記吸着質の少なくとも一部を液体として前記吸着材から脱着させることを特徴とする。

上記構成によれば、圧縮部は、吸着材を圧縮し、容器の雰囲気圧力を上昇させることで、吸着質の少なくとも一部を液体として吸着材から脱着させる。これにより、蒸発した吸着質を凝縮する工程に必要とする時間が短くなり、サイクルタイムを短くすることができる。

本発明の請求項３に係る吸着式ヒートポンプは、請求項１又は２に記載の反応装置において、前記吸着材は、ゼオライト鋳型炭素であることを特徴とする。

上記構成によれば、吸着材として、ゼオライト鋳型炭素（＝ＺＴＣ）が用いられている。このため、吸着質を吸着したゼオライト鋳型炭素を圧縮することで、ゼオライト鋳型炭素から吸着質を脱着させることができる。

本発明の請求項４に係る冷熱生成方法は、請求項１〜３の何れか１項に記載の吸着式ヒートポンプを用いて冷熱を生成する冷熱生成方法であって、前記蒸発器で前記吸着質が蒸発して、冷熱を生成する冷熱生成工程と、前記吸着材が蒸発した前記吸着質を吸着する吸着工程と、前記圧縮部が前記吸着材を圧縮して、前記吸着材が前記吸着質を脱着する脱着工程と、を備えることを特徴とする。

上記構成によれば、冷熱を生成する冷熱生成工程と、吸着材が吸着質を吸着する吸着工程と、吸着材が吸着質を脱着する脱着する脱着工程とを備えている。ここで、脱着工程では、圧縮部が吸着材を圧縮することで、吸着材が吸着質を脱着する。これにより、冷熱生成方法では、吸着質を吸着した吸着材を加熱することだけで再生させる場合と比して、吸着材を再生させるために必要な熱エネルギーを少なくすることができる。

本発明によれば、吸着質を吸着した吸着材を加熱することだけで再生させる場合と比して、吸着材を再生させるために必要な熱エネルギーを少なくすることができる。

本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプであって、開閉弁によって流路が閉鎖された状態を示した構成図である。 本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプであって、一方の開閉弁によって一方の流路が開放された状態を示した構成図である。 本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプであって、開閉弁によって流路が閉鎖され、吸着材が圧縮された状態を示した構成図である。 本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプであって、他方の開閉弁によって他方の流路が開放され、圧縮されていた吸着材が開放された状態を示した構成図である。 本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプに備えられた吸着材の吸着等温線をグラフで示した図面である。 本発明の実施形態に係る本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプに備えられた制御部の制御系を示したブロック図である。

本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプ及び冷熱生成方法の一例について図１〜図６を用いて説明する。なお、図中に示す矢印Ｈは装置上下方向（鉛直方向）を示し、矢印Ｗは装置幅方向（水平方向）を示す。

本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０（以下「ヒートポンプ１０」）は、図１に示されるように、吸着質の一例としての水の蒸発を行う蒸発器１２と、吸着装置３２とを備えている。さらに、ヒートポンプ１０は、蒸発器１２から吸着装置３２への液体又は気体の流通を可能とする配管８０と、吸着装置３２から蒸発器１２への液体又は気体の流通を可能とする配管９０とを備えている。そして、蒸発器１２及び吸着装置３２は、内圧が大気圧と比して低い減圧系とされている。

この吸着式ヒートポンプ１０は、詳細は後述するが、冷熱生成工程において流体Ｒ１を冷却して冷熱を生成する装置である。

（蒸発器１２）
蒸発器１２は、図１に示されるように、真空脱気されて内部に水が貯留されている容器１４と、容器１４の内部に一部が配置されて流体Ｒ１が流れる流路１８とを備えている。また、容器１４の内部は、気相部１４ａと液相部１４ｂとに分かれており、流路１８は、少なくとも液相部１４ｂを含む部分で、液相部１４ｂの水と流体Ｒ１との熱交換が行われるように配置されている。また、本実施形態では、流体Ｒ１として、一例として、２５〔℃〕の水が用いられる。

この構成において、蒸発器１２は、貯留した水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気が吸着装置３２に供給される。そして、水を蒸発させる際の気化熱により、流路１８を流れる流体Ｒ１が冷却される。

（吸着装置３２）
吸着装置３２は、図１に示されるように、容器３４と、容器３４の内部に設けられている吸着モジュール５０と、熱媒Ｆ１が流れる流路７２を形成する流路形成材７０とを備えている。

〔容器３４〕
容器３４は、軸方向を上下方向とする円筒状で、天板３４ａと、側板３４ｂと、底板３４ｃとから形成されている。また、容器３４の内部は、真空脱気されており、本実施形態では、内部の温度は、一例として、３０〔℃〕とされている。さらに、容器３４の側板３４ｂには、蒸発器１２で生成された水蒸気を流入させる流入口３６ａと、後述する吸着材５２の脱着により生成された水、又は水蒸気を蒸発器１２へ流出させる流出口３６ｂとが形成されている。流入口３６ａは、側板３４ｂの上方部分に形成されており、流出口３６ｂは、側板３４ｂにおいて流入口３６ａと装置幅方向で対向し、かつ、下方部分に形成されている。

さらに、容器３４の側板３４ｂには、熱媒Ｆ１を流路７２に流入させる流入口３８ａと、熱媒Ｆ１を流路７２から流出させる流出口３８ｂとが形成されている。流入口３８ａは、流入口３６ａの下方に配置され、流出口３８ｂは、流出口３６ｂの下方に配置されている。そして、流入口３８ａと流出口３８ｂとは、上下方向において同様の位置に配置されている。

さらに、容器３４の天板３４ａには、後述する連結部６４ｂが通る貫通孔４０が形成されている。

〔吸着モジュール５０〕
吸着モジュール５０は、吸着材５２と、吸着材５２を下方から支持している支持部材５６と、吸着材５２を圧縮する圧縮機構６０とを備えている。

−吸着材５２−
吸着材５２は、容器３４の内部に配置され、上方から見て円状で、上下方向の厚さは一定とされている。吸着材５２は、圧縮され、吸着材５２に応力が加わることで吸着等温線が変化する部材である。

図５に示すグラフには、吸着材５２の吸着等温線が示されている。具体的には、図５に示すグラフの横軸は、吸着材５２が配置されている空間の相対湿度であり、縦軸は、吸着材５２による吸着質（本実施形態では水）の吸着量である。また、実線Ｌ０１は、応力が加えられた状態の吸着材５２の吸着等温線であって、一点鎖線Ｌ０２は、応力が加えられていない状態の吸着材５２の吸着等温線である。このグラフから、吸着材５２を圧縮して吸着材５２に応力を加えることで、吸着材５２によって吸着される吸着質の吸着量が減ることが分かる。なお、本実施形態では、一例として、吸着材５２にゼオライト鋳型炭素（＝ＺＴＣ）が用いられている。

−支持部材５６−
支持部材５６は、図１に示されるように、容器３４の内部で上下方向において流入口３６ａの下方に配置され、上方が開放された平皿形状とされている。また、支持部材５６は、底板５６ａと側板５６ｂとを有し、側板５６ｂは、容器３４の側板３４ｂに取り付けられている。さらに、側板５６ｂは、側板３４ｂに形成された流出口３６ｂと対向した部分を有し、この部分には、側板５６ｂを貫通する貫通口５８が形成されている。

この構成において、支持部材５６の内部に吸着材５２が配置されることで、支持部材５６が吸着材５２を支持している。

−圧縮機構６０−
圧縮機構６０は、吸着材５２の上方に配置され、油圧シリンダ６２（以下単に「シリンダ６２」）と、吸着材５２と当接する当接部６４とを備えている。そして、当接部６４及びシリンダ６２は、下方から上方へこの順番で配置されている。圧縮機構６０は、圧縮部の一例である。

当接部６４は、円盤状の円盤部６４ａと、シリンダ６２に連結される連結部６４ｂとを有している。連結部６４ｂは、上下方向に延びる円柱状で、容器３４の天板３４ａに形成された貫通孔４０を通っている。そして、連結部６４ｂの上端に、シリンダ６２が連結されている。

シリンダ６２は、容器３４の外部で、容器３４の上方に配置されている。そして、シリンダ６２を稼働させることで、当接部６４は、吸着材５２と離間する離間位置（図２参照）と、吸着材５２を押圧して圧縮する圧縮位置（図３参照）とに移動するようになっている。

−流路形成材７０−
流路形成材７０は、支持部材５６の底板５６ａの下方に配置され、上方から見て円状とされている。さらに、流路形成材７０の端面は、容器３４の側板３４ｂに取り付けられている。そして、流路形成材７０と底板５６ａとの間の部分に、熱媒Ｆ１が流れる流路７２が形成されている。

この構成において、熱媒Ｆ１が流入口３８ａから流路７２に流入し、流路７２を流れた熱媒Ｆ１が流出口３８ｂから流出する。本実施形態では、熱媒Ｆ１には、一例として、３０〔℃〕の水が用いられている。そして、流路７２に流入される熱媒Ｆ１の温度は、容器３４の内部の圧力における吸着材５２の平衡温度より低くされている。

また、熱媒Ｆ１として３０〔℃〕の水が用いられることで、前述したように、容器３４の内部が３０〔℃〕とされている。

〔配管８０、配管９０〕
配管８０は、前述したように、蒸発器１２から吸着装置３２への液体又は気体の流通を可能とするように配置されている。具体的には、配管８０の一端は、蒸発器１２の容器１４における気相部１４ａの開口に接続され、配管８０他端は、容器３４の流入口３６ａに接続されている。さらに、配管８０には、配管８０の流路を開閉する開閉弁８２が設けられている。配管８０は、第一配管の一例である。開閉弁８２は、第一開閉弁の一例である。

配管９０は、前述したように、吸着装置３２から蒸発器１２への液体又は気体の流通を可能とするように配置されている。具体的には、配管９０の一端は、蒸発器１２の容器１４における気相部１４ａの開口に接続され、配管９０他端は、容器３４における流出口３６ｂに接続されている。さらに、配管９０には、配管９０の流路を開閉する開閉弁９２が設けられている。配管９０は、第二配管の一例である。開閉弁９２は、第二開閉弁の一例である。

〔制御部３０〕
図６に示す制御部３０は、ＣＰＵ、メモリ、開閉弁８２、９２を切り替えるドライバ、及びシリンダ６２を稼働させるドライバを含んで構成されている。制御部３０は、予め記録されたプログラムに基づいて開閉弁８２、９２、シリンダ６２を制御することで、ヒートポンプ１０を稼働させる。なお、制御部３０による具体的な制御については、後述する作用と共に説明する。

（作用）
次に、ヒートポンプ１０を用いて冷熱を生成する冷熱生成方法について説明する。ヒートポンプ１０を稼働させる際には、容器３４の内部は、真空脱気され、吸着材５２は、水蒸気を脱着した状態となっている。また、図１に示されるように、圧縮機構６０の当接部６４は、離間位置に配置され、開閉弁８２、９２は、流路を閉鎖している。

さらに、熱媒Ｆ１が流入口３８ａから流路７２に流入し、流路７２を流れた熱媒Ｆ１が流出口３８ｂから流出している。ここで、前述したように、流路７２に流入する際の熱媒Ｆ１の温度は、容器３４の内部の圧力における吸着材５２の平衡温度より低くされている。

また、蒸発器１２の流路１８に、流体Ｒ１が流れている。本実施形態では、一例として、２５〔℃〕の水である流体Ｒ１が、流路１８を流れている。そして、蒸発器１２は、液相部１４ｂの水を、流体Ｒ１との熱交換により蒸発させる。水を蒸発させる際の気化熱により、蒸発器１２の流路１８を流れる流体Ｒ１が冷却される。本実形態では、一例として、流体Ｒ１は、２５〔℃〕から２０〔℃〕に冷却される。このようにして冷熱が生成される（冷熱生成工程）。

さらに、制御部３０は、図２に示されるように、開閉弁８２を稼働させて配管８０の流路を開放する。これにより、蒸発器１２で生成された水蒸気は、配管８０の流路を流れて、容器３４の流入口３６ａから容器３４の内部に流入する。そして、吸着材５２は、容器３４の内部に流入した水蒸気を吸着する（吸着工程）。

吸着材５２が水蒸気を吸着すると、制御部３０は、図３に示されるように、開閉弁８２を稼働させて配管８０の流路を閉鎖し、さらに、シリンダ６２を稼働させて離間位置に配置されていた当接部６４を圧縮位置へ移動させる。

離間位置に配置されていた当接部６４が圧縮位置へ移動することで、吸着材５２が圧縮機構６０によって圧縮され、吸着材５２に応力が加わる。これにより、吸着材５２の水（＝吸着質）に対する吸着特性が変化し、吸着材５２は、吸着していた水蒸気を水として脱着する。これにより、吸着材５２は、水蒸気を脱着した状態となる。

具体的には、本実施形態においては、吸着材５２が水蒸気を脱着する際に吸着材５２に応力を加えることで、吸着材５２から気体が排出され、雰囲気圧力が上昇する。雰囲気圧力が上昇することで、水蒸気を吸着した吸着材５２から液体としての水が脱着される。これにより、吸着材５２は、水を脱着した状態となる。換言すれば、吸着材５２は、再生する。

吸着材５２が水を脱着すると、制御部３０は、図４に示されるように、開閉弁９２を稼働させて配管９０の流路を開放し、さらに、シリンダ６２を稼働させて圧縮位置に配置されていた当接部６４を離間位置へ移動させる。

当接部６４が離間位置へ移動することで、圧縮されることで吸着材５２に加えられていた応力が無くなり、吸着材５２の水に対する吸着特性が変化する。

また、配管９０の流路を開放することで、吸着材５２から脱着した水は、容器３４の内部空間と容器１４の内部空間との圧力差によって、貫通口５８を通って、配管９０を流れて容器１４へ流入する。吸着材５２から脱着した水の全てが容器１４へ流入すると、制御部３０は、図１に示されるように、開閉弁９２を稼働させて配管９０の流路を閉鎖する。

以上の工程を繰り返すことで、冷熱が連続的に生成される。

（まとめ）
以上説明したように、ヒートポンプ１０では、圧縮機構６０が水蒸気を吸着した吸着材５２を圧縮することで、水蒸気を吸着した吸着材５２に応力を加え、水蒸気を水として吸着材５２から脱着させる。このようにして、吸着材５２は再生する。さらに、吸着材５２から脱着した水は、配管９０を流れて蒸発器１２の容器１４に流入する。

このため、ヒートポンプで１０では、水蒸気を吸着した吸着材５２を加熱することだけで再生させる場合と比して、吸着材５２を再生させるために必要な熱エネルギーを少なくすることができる。

また、ヒートポンプ１０では、吸着材を再生させるための熱媒体が不要となり、吸着材５２を再生させるための熱媒体を排出する必要がない。このため、吸着材を再生させるために熱媒体を必要とする構成と比して、ヒートポンプ１０から排出される熱量を減らすことができる。

また、ヒートポンプ１０では、圧縮機構６０が吸着材５２を圧縮し、吸着材５２は、吸着していた水蒸気を水として脱着する。このため、水蒸気を凝縮する工程が不要となり、サイクルタイムを短くすることができる。

また、ヒートポンプ１０では、水蒸気を凝縮する凝縮器が不要となるため、装置を小型化することができる。

また、ヒートポンプ１０では、吸着材５２として、ゼオライト鋳型炭素（＝ＺＴＣ）が用いられている。このため、水を吸着したゼオライト鋳型炭素を圧縮することで、ゼオライト鋳型炭素から水を脱着させることができる。

また、冷熱生成方法では、冷熱を生成する冷熱生成工程と、水蒸気を吸着材５２が吸着する吸着工程と、吸着材５２が水蒸気を水として脱着する脱着工程とを備えている。ここで、脱着工程では、圧縮機構６０が吸着材５２を圧縮することで、吸着材５２が水蒸気を水として脱着する。このため、水蒸気を吸着した吸着材５２を加熱することだけで再生させる場合と比して、吸着材５２を再生させるために必要な熱エネルギーを少なくすることができる。

なお、本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態をとることが可能であることは当業者にとって明らかである。例えば、上記実施形態では、吸着質として、水を用いたが、アンモニアやエタノール等を吸着質として用いてもよい。

また、上記実施形態では、吸着材５２は、吸着していた水蒸気を水として脱着したが、水蒸気として脱着してもよい。この場合には、水として脱着することで奏する作用は奏しない。

また、上記実施形態では、吸着材５２は、吸着していた水蒸気を水として脱着したが、少なくとも一部を水として脱着してもよい。この場合には、水として脱着することで奏する作用は奏しない。しかし、全てを水蒸気として脱着させる場合と比して、水蒸気を凝縮する工程に必要とする時間が短くなる。これにより、サイクルタイムを短くすることができる。

１０ ヒートポンプ
１２ 蒸発器
３４ 容器
５２ 吸着材
６０ 圧縮機構（圧縮部の一例）
８０ 配管（第一配管の一例）
９０ 配管（第二配管の一例）

Claims (4)

1. 吸着質を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器に連結された容器に配置され、前記蒸発器によって蒸発した前記吸着質を吸着すると共に、圧縮されることで吸着等温線が変化する吸着材と、
   前記容器に配置され、前記吸着質を吸着した前記吸着材を圧縮し、前記蒸発器で蒸発される前記吸着質を前記吸着材から脱着させる圧縮部と、
   を備える吸着式ヒートポンプ。
2. 前記圧縮部は、前記吸着材を圧縮し、前記容器の雰囲気圧力を上昇させることで、前記吸着質の少なくとも一部を液体として前記吸着材から脱着させる請求項１に記載の吸着式ヒートポンプ。
3. 前記吸着材は、ゼオライト鋳型炭素である請求項１又は２に記載の吸着式ヒートポンプ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の吸着式ヒートポンプを用いて冷熱を生成する冷熱生成方法であって、
   前記蒸発器で前記吸着質が蒸発して、冷熱を生成する冷熱生成工程と、
   前記吸着材が蒸発した前記吸着質を吸着する吸着工程と、
   前記圧縮部が前記吸着材を圧縮して、前記吸着材が前記吸着質を脱着する脱着工程と、
   を備える冷熱生成方法。

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