JP4243560B2 - 吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置 - Google Patents
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Description
この空調装置としては、水分を吸着する吸湿能を備えた吸湿材を使用し、この吸湿材における熱の移動を伴う吸脱現象を熱サイクルに利用したヒートポンプがある。
この水分が吸湿材に吸脱する現象は、一種の可逆的な相変化であり、水分が吸湿材に吸着するときに発熱を伴い、また逆に吸湿材から水分が脱離するときに吸熱を伴う(例えば、特許文献1参照)。
前記加熱手段は、前記吸湿材領域内に配置される少なくとも1体の渦電流発熱体と、該渦電流発熱体の外部に巻回され高周波電流を流す加熱コイルとを有し、
更に、前記渦電流発熱体は、金属製の管部材と、該管部材の外側周囲に複数設けられた金属製のフィンとを有し、しかも前記冷却手段は、前記管部材内に配置された冷却管と、該冷却管を流れる第1の冷媒とを有している。
前記目的に沿う請求項4記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置は、吸湿能を有し加熱することによって吸収した水分が蒸発する吸湿材が充填された吸湿材領域を有する減圧容器と、前記吸湿材を加熱するための加熱手段と、前記吸湿材を冷却する冷却手段とを有する吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、
前記加熱手段は、前記吸湿材領域内に配置される少なくとも1体の渦電流発熱体と、該渦電流発熱体の外部に巻回され高周波電流を流す加熱コイルとを有し、
更に、前記加熱コイルは前記吸湿材領域内に配置され、しかも前記冷却手段が、銅製又はステンレス製のチューブで構成された前記加熱コイル内に連続的に流し込まれる第2の冷媒を有する。
請求項1、4記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、吸湿材としては、例えば、ゼオライト、シリカゲル、活性炭等を使用できる。
請求項1、5記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、外側周囲に複数のフィンが設けられた管部材は、例えば、吸湿材領域に複数配置されることが好ましい。
請求項1記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、第1の冷媒としては、例えば水等を使用できる。
請求項3、4記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、第2の冷媒としては、例えば水等を使用できる。
請求項6記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、ゼオライトとは、多孔質結晶性アルミノ珪酸塩であり、例えば一般式が、xM(2/n)O・Al2O3・ySiO2・zH2O(ここで、nは陽イオンMの原子価、xは0.8〜1.2の範囲の数、yは2以上の数、zは0又は0を超える数)で表されるものである。
請求項7記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、吸湿材領域を複数に分割とは、例えば、吸湿材領域を高さ方向に複数段に分割したり、また吸湿材領域を幅方向に複数列に分割して、隣り合う吸湿材領域部の間に間隔(隙間)を設けることを意味する。
また、加熱冷却装置には、圧縮機やポンプなどの可動部分がないので、装置構成が簡単で運転時の騒音が少なく、快適な生活空間を提供できる。
請求項1、5記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置は、渦電流発熱体が、管部材と、この外側周囲に複数設けられたフィンとを有するので、吸湿材との接触面積を広くでき、吸湿材の加熱効率を更に高めることができる。
請求項3、4記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置は、加熱コイル内に第2の冷媒を流すので、加熱された加熱コイルを冷却しながら、吸湿材の冷却を行うことができる。この加熱コイルを冷却手段としても切換え使用することにより、加熱の場合と同様の作用機構によって、冷却パフォーマンスの尚一層の向上がもたらされる。
請求項7記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置は、吸湿材領域が複数に分割されているので、外気に対する吸湿材の表面積を広くでき、例えば、吸湿材に対する水分の吸着、及び吸湿材からの水分の蒸発を更に短時間に行うことができる。
ここで、図1は本発明の一実施の形態に係る吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置の部分側断面図、図2は同吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置を適用したヒートポンプの全体図、図3は図1のa−a部分矢視断面図、図4は変形例に係る吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置の部分側断面図である。
また、減圧容器13は、蒸気用開閉バルブ20が設けられた蒸気用配管21を介してコンデンサー17に接続され、このコンデンサー17は、気化用開閉バルブ22が設けられた気化用配管23を介して貯水槽18に接続されている。
この減圧容器13は、内部に吸湿材領域12が設けられる減圧容器本体24と、この減圧容器本体24の外側に、例えば0.5〜2cm程度の真空断熱用の隙間25を設けて被せられた外壁部26とを有している。なお、減圧容器本体24及び外壁部26の表面及び内面は、輻射熱対策として、例えばクロムめっきを施したり、またバフ研磨を行っておくことが好ましい。
減圧容器本体24には、真空引き用開閉バルブ29が備えられ、減圧容器本体24内と連通する真空引口30が設けられ、その下流側端部に設けられる例えば真空ポンプ(図示しない)によって、減圧容器本体24内の空気を外部へ排気可能な構成となっている。なお、減圧容器本体24内の圧力は、減圧容器本体24内に連通する圧力センサ口31に設けられる圧力センサ(図示しない)によって測定される。
この多孔性容器32に充填されたゼオライト11は、吸湿能を有し加熱することによって吸収した水分が蒸発するものであり、その形状は特に制限がなく、例えば、粒状、粉砕状、球状、ペレット状等で、その大きさが、例えば、2〜15mm程度のものを使用できる。従って、多孔性容器32としては、その開口部をゼオライト11の粒径よりも小さくした網目(ネット)状となったものを使用することができる。
このように、ゼオライト11を充填する容器として多孔性容器32を使用し、この多孔性容器32に充填するゼオライト11の充填率を調整することで、外気と接触するゼオライト11の表面積を広くできる。このため、ゼオライト11への水分の吸着、ゼオライト11からの水分の除去(蒸発)を、従来よりも短時間に行うことができる。
この磁性導電材料33を有する渦電流発熱体、加熱コイル34、及び高周波電源で、加熱手段14が構成されている。
この管部材35は、外径が例えば15〜25mm程度のものであり、その先側は多孔性容器32内に位置し、一方その基側は、減圧容器13の下方へ突出し、減圧容器13の下部に設けられた冷却水回収部37に接続されている。
また、フィン36は、略断面U字状となっており、その突出部分38が管部材35の軸心を中心として略等角度(例えば、10〜60度程度)に配置されるように、基端部が管部材35の外側周囲に取付けられている。なお、このフィン36の下端部は、多孔性容器32の底部39と略同一位置に配置されている。
この冷却管40は、その両端部が開口した状態のものであり、先側は管部材35の内面と空間部42を有して配置され、一方基側は、減圧容器13の下方へ突出し、冷却水回収部37の下方に設けられた冷却水供給部43に接続されている。ここで、冷却管は、例えば、まっすぐなガラス管、つる巻状のガラス管等で構成することも可能である。
なお、前記した管部材35及びフィン36を有する磁性導電材料33が渦電流発熱体(誘導電流発熱体)を構成しているが、ゼオライト11の加熱時には冷却管40も渦電流発熱体の一部を構成することになる。
ここで、銅の高熱伝導性は、加熱及び冷却に有利であるが、境膜の熱抵抗性でうすめられ、加熱及び冷却への寄与は小さいと推測される。
このことから、ろう接性以外のことを考慮すれば、加熱コイルは、銅よりもステンレスで構成することが好ましい。
加熱コイル34の上流側端部は、冷却水供給部43に接続された冷却水供給管46に接続され、また、加熱コイル34の下流側端部は、冷却水回収部37に接続された冷却水排出管47に接続されている。
なお、前記した冷却管40と、冷却管40及び加熱コイル34内をそれぞれ流れる冷却水で、冷却手段15が構成されている。
なお、ゼオライト11の温度は、多孔性容器32内に配置された熱電対48によって測定できる。
以上の高周波電源、真空ポンプ、蒸気用開閉バルブ20、気化用開閉バルブ22、冷却水の循環等は、制御部(図示しない)により、予め設定した値に基づいて制御できる。
これにより、各分割容器51内に充填されたゼオライト11の外気に接触する面積が広くなり、水分がゼオライト11に吸着すること、また逆にゼオライト11から水分が脱離することを容易に行うことができる。
まず、制御部により、蒸気用開閉バルブ20、気化用開閉バルブ22、及び真空引き用開閉バルブ29を開き、真空ポンプを作動させて、減圧容器本体24内を脱気する。このときの減圧容器本体24内の圧力は、例えば、1torr以下、更には0.1torr以下程度まで減圧することが好ましい。なお、減圧容器本体24と外壁部26との間に形成される隙間25内の空気も、制御部により真空ポンプを作動させて脱気し、減圧容器13の断熱を行う。
これにより、磁性導電材料33を有する渦電流発熱体が加熱されるので、減圧容器本体24内を所定温度(例えば、200〜300℃程度)まで加熱することができ、ゼオライト11に吸湿されていた水分を気化させて、この蒸気を蒸気用配管21を介してコンデンサー17へ送り込むことができる。このときの加熱時間は、圧力センサ口31に設けられる圧力センサを用いて、減圧容器本体24内の圧力を目安にして設定することが好ましい。
これにより、ゼオライト11の冷却を、ゼオライト11の内部全体から、略均等に冷却できる。
このゼオライト11に吸湿されるときの吸着熱による発熱を、減圧容器13に設けられ、例えば、水又は油等の流体を循環させる温熱取り出し装置(図示しない)を用いて、温熱として取り出すことができる。
一方、貯水槽18に貯留された水の蒸発潜熱により、貯水槽18内で氷を製造することができる。なお、この貯水槽18に配管を接続しておくことで、例えば、氷、冷水等を連続的に取り出すこともできる。また、貯水槽18に、例えば、水又は油等の流体を循環させた冷熱取り出し装置(図示しない)を設け、貯水槽18から発生した蒸発潜熱を冷熱として取り出すこともできる。
また、前記実施の形態においては、吸湿材としてゼオライトを使用した場合について説明したが、例えば、ゼオライト、シリカゲル、活性炭等の1又は2以上で吸湿材を構成することも可能である。特に、本発明の加熱冷却装置は、従来の加熱冷却装置よりも加熱効率が高められているため、吸湿能が高い吸湿材、即ち吸収した水分が蒸発しにくい吸湿材を使用することに適している。
更に、前記実施の形態においては、加熱コイルをゼオライト内に配置した場合について説明したが、ゼオライトの外側周囲を囲んで配置することも可能である。
Claims (7)
- 吸湿能を有し加熱することによって吸収した水分が蒸発する吸湿材が充填された吸湿材領域を有する減圧容器と、前記吸湿材を加熱するための加熱手段と、前記吸湿材を冷却する冷却手段とを有する吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、
前記加熱手段は、前記吸湿材領域内に配置される少なくとも1体の渦電流発熱体と、該渦電流発熱体の外部に巻回され高周波電流を流す加熱コイルとを有し、
更に、前記渦電流発熱体は、金属製の管部材と、該管部材の外側周囲に複数設けられた金属製のフィンとを有し、しかも前記冷却手段は、前記管部材内に配置された冷却管と、該冷却管を流れる第1の冷媒とを有していることを特徴とする吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置。 - 請求項1記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、前記加熱コイルは前記吸湿材領域内に配置されていることを特徴とする吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置。
- 請求項2記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、前記冷却手段は、銅製のチューブで構成された前記加熱コイル内に連続的に流し込まれる第2の冷媒を有することを特徴とする吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置。
- 吸湿能を有し加熱することによって吸収した水分が蒸発する吸湿材が充填された吸湿材領域を有する減圧容器と、前記吸湿材を加熱するための加熱手段と、前記吸湿材を冷却する冷却手段とを有する吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、
前記加熱手段は、前記吸湿材領域内に配置される少なくとも1体の渦電流発熱体と、該渦電流発熱体の外部に巻回され高周波電流を流す加熱コイルとを有し、
更に、前記加熱コイルは前記吸湿材領域内に配置され、しかも前記冷却手段が、銅製又はステンレス製のチューブで構成された前記加熱コイル内に連続的に流し込まれる第2の冷媒を有することを特徴とする吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置。 - 請求項4記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、前記渦電流発熱体は、金属製の管部材と、該管部材の外側周囲に複数設けられた金属製のフィンとを有することを特徴とする吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、前記吸湿材領域には、前記吸湿材が充填される多孔性容器が配置され、該多孔性容器内に前記吸湿材としてゼオライトを充填することを特徴とする吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置において、前記吸湿材領域は複数に分割されていることを特徴とする吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置。
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