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
本発明は、吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置に係り、更に詳細には吸湿材の加熱を従来よりも短時間で行うことが可能な吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置に関する。
従来、例えば、オフィスビル、ホテル、レストラン、百貨店等には、その場所を利用する者に快適な居住空間を提供するため、空調装置が設置されている。
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）。
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）。
しかしながら、前記従来のヒートポンプは、吸湿材の加熱に、例えば、電熱線、温水、熱水等が使用されており、吸湿材の加熱に長い時間を要していた。特に、吸湿材として、吸湿材の中でも吸湿能が高いゼオライト等を使用した場合は、例えば、液状流体のような対流混合が期待できないため、伝熱スピードが著しく劣り、吸湿材の吸脱現象を十分に発揮させることができなかった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、吸湿材の加熱を従来よりも短時間に行うことができ、装置構成も簡単な吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置を提供することを目的とする。
前記目的に沿う請求項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。
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２、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、前記加熱コイルが前記吸湿材領域内に配置されている。
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、前記渦電流発熱体が、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。
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、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は、前記冷却手段が、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。
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は、前記冷却手段が、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。
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は、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、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。
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は、請求項１〜６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、前記吸湿材領域は複数に分割されている。
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。
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。
請求項１〜７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、加熱コイルに高周波電流を流すことで、渦電流発熱体（誘導電流発熱体）に渦電流（誘導電流）を誘起させ、ジュール発熱させて吸湿材を加熱するので、例えば、従来のような電熱線、温水、熱水等を使用した場合よりも、吸湿材の加熱を、速い立上りを以て短時間に行うことができ、加熱パフォーマンス（加熱モードの実効時間率等）に優れる。特に、複数体の渦電流発熱体を配置した場合、熱の伝達時間の短縮が、伝熱距離の平均的な縮小比の２乗の寄与を以てもたらされ、加熱パフォーマンスが一層向上する。また、従来の電熱線を使用した場合のように、吸湿材が充填された吸湿材領域内に電熱線を配線する必要性がなくなるので、装置構成を簡単にできる。
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。
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。
特に、請求項２、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、加熱コイルを吸湿材領域内に配置するので、加熱コイルの銅損による熱も吸湿材の加熱に利用することができ、吸湿材を経済的に加熱できる。加えて、発熱源として加熱コイルが追加されたことで、前記した加熱パフォーマンスの尚一層の向上がもたらされる。なお、加熱コイルを冷却手段としても機能させる場合、加熱サイクルにおいては、例えば、銅製のチューブで構成された加熱コイル内への冷媒の送給を停止することで、銅損発熱を徹底的に利用できる。
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は、冷却手段が、管部材内に配置された冷却管と、この冷却管を流れる第１の冷媒とを有しているので、加熱された渦電流発熱体を冷却しながら吸湿材を冷却でき、冷却パフォーマンス（冷却モードの実効時間率等）に優れる。また、吸湿材の冷却を簡単な構成で行うことができ、しかも短時間に実施でき、特に、複数本の渦電流発熱体を分散配置した場合、前記した加熱のときと同じ作用機構で、冷熱源との距離の平均的な縮小比の２乗の寄与を以て冷熱の伝達時間が短縮され、冷却パフォーマンスが一層向上する。
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は、吸湿材であるゼオライトが吸湿材領域に配置される多孔性容器内に充填されているので、外気と接触する吸湿材の表面積を広くでき、例えば、ゼオライト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。また、吸湿材にゼオライトを使用するので、他の吸湿材よりも吸湿効率を高めた吸湿材を使用可能なヒートポンプを提供できる。
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。
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。
上述のように、本発明の最大の効果は、発熱源や冷熱源を分散配置できたことなどによる加熱及び冷却パフォーマンスの向上によるヒートポンプ性能と、それに伴うエネルギー効率の向上にある。
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
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。
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。
図１〜図３に示すように、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（以下、単に加熱冷却装置ともいう）１０は、ゼオライト（吸湿材の一例）１１が充填された吸湿材領域１２を有する減圧容器１３と、ゼオライト１１を加熱するための加熱手段１４と、ゼオライト１１を冷却する冷却手段１５とを有するものである。以下、詳しく説明する。
図１、図２に示すように、加熱冷却装置１０が設けられるヒートポンプ１６は、加熱冷却装置１０と、この加熱冷却装置１０の減圧容器１３に接続され、減圧容器１３内で生成した蒸気を水分に戻すコンデンサー（復水器）１７と、このコンデンサー１７に接続され、水分を貯留する貯水槽１８とを有している。なお、コンデンサー１７には、このコンデンサー１７に冷却水を連続的に供給可能な冷却水供給手段（例えば、水循環用ポンプ等）１９が取付けられている。
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。
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。
減圧容器１３は、側面視して逆Ｕ字状輪郭のステンレス製のものであり、内径が例えば１０〜５０ｃｍ程度（本実施の形態では２５ｃｍ程度）、高さが例えば内径の１．５〜２．５倍程度（本実施の形態では４５ｃｍ程度）のものである。
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。
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。
外壁部２６には、隙間２５に連通する真空引口２７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、隙間２５内の空気を外部へ排気し、減圧容器本体２４内の熱が外部へ放出されることを抑制、更には防止できる構成となっている。なお、隙間２５の真空度は、隙間２５に連通して設けられた真空計２８によって測定される。
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。
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。
この減圧容器本体２４内の下部及び上部を除く部分には、ゼオライト１１が充填された多孔性容器３２が、減圧容器本体２４の内側面と隙間（例えば、３〜１０ｍｍ程度）を有して取付けられている。従って、この多孔性容器３２が吸湿材領域１２を形成する。
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。
ここで、多孔性容器３２に充填するゼオライト１１の充填率は、吸着効率等を考慮すれば、例えば、０．３〜０．７程度、更には０．４〜０．６程度とすることが好ましい。
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。
多孔性容器３２内には、複数（本実施の形態では、２０本程度）の磁性導電材料３３と、多孔性容器３２の内側壁面と隙間を有して配置され、複数の磁性導電材料３３の外部に螺旋状に巻回された高周波電流を流す加熱コイル３４とが設けられている。なお、この加熱コイル３４の両端部には、周波数を例えば２０〜５０ｋＨｚ程度に調整可能な高周波電源（図示しない）が接続されている。
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。
図１、図３に示すように、磁性導電材料３３は、ステンレス鋼で構成され、先側が閉塞し基側が開口した管部材３５と、この管部材３５の外側周囲に複数（本実施の形態では８組１６個）設けられた金属製（例えば、ステンレス鋼）のフィン３６とを有する。なお、磁性導電材料は、例えば防食被覆等を施した炭素鋼で構成することも可能である。
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。
管部材３５の内部には、耐食性を備えたステンレス鋼（例えば、オーステナイト系ステンレス鋼等）で構成された冷却管４０が、管部材３５の内面と例えば１〜３ｍｍ程度の隙間４１を有して配置されている。
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。
このように構成することで、冷却水入口４４から冷却水供給部４３に供給された冷却水（第１の冷媒の一例）が、冷却管４０の内部を通過して冷却管４０の上方から空間部４２へ吹き出した後、管部材３５の内面に沿って管部材３５と冷却管４０との間に形成される隙間４１を通過して落下し、冷却水回収部３７に送られて冷却水出口４５から外部へ排出される。これにより、冷却時におけるゼオライト１１の冷却を、磁性導電材料３３を冷却しながら行うことができ、ゼオライト１１の冷却効率を高めることができる。
多孔性容器３２内に配置された加熱コイル３４は、銅製のチューブで構成されている。この加熱コイル３４の表面には、ポリイミド樹脂等の耐熱材が被覆されているが、被覆しなくてもよい。なお、加熱コイルに銅損発熱体を兼ねさせる場合、低抵抗の銅を使用するメリットは少ないため、ステンレスで構成することも可能である。
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。
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。
このように構成することで、冷却水入口４４から冷却水供給部４３に供給された冷却水（第２の冷媒の一例）が、冷却水供給管４６を介して加熱コイル３４内に流れ込んだ後、冷却水排出管４７を介して冷却水回収部３７に送られ冷却水出口４５から外部へ排出される。これにより、冷却時におけるゼオライト１１の冷却を、加熱コイル３４を冷却しながら行うことができる。
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、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。
以上のことから、ゼオライト１１の加熱時においては、高周波電源を使用して加熱コイル３４に高周波電流（周波数が例えば２０〜５０ｋＨｚ程度）を流し、加熱された複数の磁性導電材料３３を介してゼオライト１１を例えば２００〜３００℃程度に加熱することができる。一方、ゼオライト１１の冷却時においては、冷却水供給部４３に供給された冷却水を、冷却管４０及び加熱コイル３４内に連続的に供給することで、加熱されたゼオライト１１を冷却することができる。
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。
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。
また、図４に示すように、加熱冷却装置１０の多孔性容器３２の代わりに、高さ方向に複数段に分割して設けられた多孔性容器４９を使用した加熱冷却装置５０を使用することもできる。このように、多孔性容器４９を構成する複数段に分割された分割容器５１内に、ゼオライト１１をそれぞれ充填することで、減圧容器１３内に設けられる吸湿材領域５２も複数に分割されることになる。なお、多孔性容器４９の一番下の分割容器５１内に熱電対５３を配置しているが、全ての分割容器５１内に熱電対を設置することも可能である。
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。
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。
続いて、ヒートポンプ１６の動作方法について、前記した加熱冷却装置１０及び図１〜図３を参照しながら説明する。
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。
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。
減圧容器本体２４内を十分に脱気した後、気化用開閉バルブ２２を閉じて、高周波電源を用い加熱コイル３４に周波数が例えば２０ｋＨｚ程度の高周波電流を流す。なお、このときの電力は、減圧容器１３の大きさや減圧容器本体２４内の設定温度等にもよるが、例えば１〜４０ｋＷ程度の範囲である。
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、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。
ゼオライト１１の加熱を、目的とする状態（ゼオライト１１が吸湿した水分を十分に除去できた状態）まで行った後、制御部により蒸発用開閉バルブ２０を閉じ、冷却水入口４４を介して冷却水供給部４３に冷却水を供給する。この冷却水供給部４３に供給された冷却水は、冷却管４０内を通過して管部材３５と冷却管４０との間に形成される隙間４１に流れ込み、磁性導電材料３３を冷却しながら冷却水回収部３７に送られて冷却水出口４５から外部へ排出される。また、冷却水供給部４３に供給された冷却水は、加熱コイル３４内に流れ込み、加熱コイル３４を冷却しながら冷却水排出管４７を介して冷却水回収部３７に送られ、冷却水出口４５から外部へ排出される。
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。
これにより、減圧容器本体２４内のゼオライト１１を、例えば室温程度まで冷却した後、蒸発用開閉バルブ２０及び気化用開閉バルブ２２を開けることで、貯水槽１８に貯留された水が蒸発しながらゼオライト１１に吸湿される。
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。
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。
以上、本発明を、一実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明の吸湿材を用いたヒートポンプにおける加熱冷却装置を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
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。
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。
そして、前記実施の形態においては、耐食性を備えたステンレス製の冷却管を、金属製の管部材の内部に配置した場合について説明した。しかし、銅製の冷却管を使用し、この冷却管を管部材の内部に配置することなく、多孔性容器内のゼオライトに直接接触するように配置して、ゼオライトの冷却を行うことも可能である。
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。
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。
１０：加熱冷却装置、１１：ゼオライト（吸湿材）、１２：吸湿材領域、１３：減圧容器、１４：加熱手段、１５：冷却手段、１６：ヒートポンプ、１７：コンデンサー、１８：貯水槽、１９：冷却水供給手段、２０：蒸気用開閉バルブ、２１：蒸気用配管、２２：気化用開閉バルブ、２３：気化用配管、２４：減圧容器本体、２５：隙間、２６：外壁部、２７：真空引口、２８：真空計、２９：真空引き用開閉バルブ、３０：真空引口、３１：圧力センサ口、３２：多孔性容器、３３：磁性導電材料、３４：加熱コイル、３５：管部材、３６：フィン、３７：冷却水回収部、３８：突出部分、３９：底部、４０：冷却管、４１：隙間、４２：空間部、４３：冷却水供給部、４４：冷却水入口、４５：冷却水出口、４６：冷却水供給管、４７：冷却水排出管、４８：熱電対、４９：多孔性容器、５０：加熱冷却装置、５１：分割容器、５２：吸湿材領域、５３：熱電対
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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