JP4697413B2 - 吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材及び該吸着材を用いた吸着型ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、感温性高分子を含む吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材、該吸着材を用いた吸着型ヒートポンプ装置及び該ヒートポンプ装置を用いた熱駆動空調システムに関する。

吸着型ヒートポンプ装置や除湿空調装置においては吸着材が用いられ、吸着材は吸着質としての水蒸気を吸着及び脱着（離脱）可能である。
例えば、吸着型ヒートポンプは、蓄熱（再生）動作と放熱（冷熱生成）動作とを交互に繰り返し、蓄熱動作は、吸着材を加熱して吸着質を脱着させることにより行われ、一方、放熱動作は吸着材に吸着質を吸着させることにより行われる。

吸着材としては、一般に、シリカゲルや低シリカアルミナ比のゼオライトが用いられており、これら無機系の吸着材を用いた吸着型ヒートポンプ装置は、その蓄熱動作時に吸着材を１００℃以上の高温まで加熱する加熱用媒体を必要とする。
ところで、省エネや環境性能といった観点からは、吸着型ヒートポンプ装置には、工場、コジェネレーション機器、燃料電池若しくは自動車エンジンからの排熱や、太陽の輻射熱を蓄熱することが求められる。しかし、これらの熱を単独で利用した場合、吸着型ヒートポンプ装置の加熱用媒体の温度は１００℃まで到達せず、とりわけ、工場の余剰なプロセス排熱を利用した場合、加熱用媒体の温度は５０℃にも到達しない。このため、無機系の吸着材を用いた吸着型ヒートポンプ装置は、これらの熱を効率的に蓄熱することができず、吸着材を加熱するための電力が別途必要になったり、多量の吸着材を必要として装置が大型化するなどの問題点があった。

そこで、近年、無機系の吸着材よりも低温で吸着質を脱着可能な吸着材の開発が進められている。例えば、特許文献１は、感温性高分子からなる吸着材を開示し、この感温性高分子は、相転移温度以下で吸着質を吸着し、相転移温度以上で吸着質を脱着させる。この感温性高分子は１００℃以下の温度で相転移することから、特許文献１の吸着材は、従来の無機系吸着材に比べ、より低い温度範囲での脱着が可能である。しかし、この吸着材には、吸着質の吸着量及び脱着量が少ないという問題があった。

かかる問題を解決すべく、特許文献２は、多孔質体の表面上に感温性高分子の薄膜を形成した吸着材を開示している。この吸着材によれば、多孔質体の表面上に感温性高分子の薄膜を形成することで感温性高分子の比表面積が増大し、もって感温性高分子に対する吸着質の吸・脱着量が増大するものと考える。
また、特許文献２は、吸着質に対して感温性高分子の薄膜を不溶化すべく、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドなど、アクリロイル基、メタクリロイル基、及び／又はアリル基を分子内に２箇所以上有する有機系の架橋剤で感温性高分子を架橋し、感温性高分子ゲルにすることを開示している。
特開平3-286973号公報 特開2005-9703号公報

しかしながら、特許文献２の吸着材を製造するには、多孔質体の表面に感温性高分子の薄膜を形成せねばならず、製造工程が煩雑であり、製造コストも嵩むという問題がある。
また、特許文献２の感温性高分子ゲルにあっては、感温性高分子の架橋時に、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド等の架橋剤同士が架橋して局在化することから、感温性高分子を十分に架橋するには多くの架橋剤が必要となる。この結果、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド等を架橋剤として用いた場合、感温性高分子ゲル中の感温性高分子の割合が低下するのみならず、その網目構造は十分な伸縮性を有さず、水蒸気の吸着量及び脱着量が低下してしまう。

本発明は、上記した課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、水蒸気を低温にて脱着可能であり且つ水蒸気の吸・脱着量が多い吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材、及び該吸着材を用いた効率の良い吸着型ヒートポンプ装置を提供することにある。

本発明者は、上記課題を解決すべく種々検討を行い、層状粘土鉱物で架橋された感温性高分子ゲルにおいて吸着質の吸・脱着量が増大することを見出し、本発明に想到した。
すなわち、本発明によれば、感温性高分子ゲルを含む吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材であって、前記感温性高分子ゲルの高分子間は層状粘土鉱物により架橋され、前記感温性高分子ゲルは、アクリルアミド誘導体及びメタクリルアミド誘導体よりなる群から選ばれた一種又は二種以上の誘導体モノマーとアクリル酸及びメタクリル酸のうちの一方との共重合体を前記高分子として含み、相転移点を境にして親水性と疎水性が可逆的に変化することを特徴とする吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材が提供される（請求項１）。
また、前記共重合体は、前記誘導体モノマーに対して、前記アクリル酸及び前記メタクリル酸のうちの一方を０．１〜３０質量％導入して共重合させて得られたものである構成とすることが好ましい（請求項２）。

好適な態様として、前記層状粘土鉱物はスメクタイトである（請求項３）。

好適な態様として、前記誘導体モノマーのうち一種はＮ−イソプロピルアクリルアミドである（請求項４）。
また、上記した目的を達成すべく、本発明によれば、請求項１乃至４の何れかに記載の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材を収容した吸脱着器と、前記吸着材に対する熱の給排を実施し、前記感温性高分子ゲルを親水性及び疎水性のうち一方に保持する熱給排手段と、前記吸脱着器に対して断続可能に連通し、前記感温性高分子ゲルが疎水性に保持されているときに前記吸着材から脱着した吸着質を凝縮させる凝縮器と、前記吸脱着器に対して前記凝縮器と交互に連通し、前記感温性高分子ゲルが親水性に保持されているときに、前記吸着材に吸着させるべく、蒸発した吸着質を前記吸脱着器に向けて流出させる蒸発器とを具備したことを特徴とする吸着型ヒートポンプが提供される（請求項５）。

本発明の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材は感温性高分子ゲルを含み、感温性高分子ゲルは層状粘土鉱物により架橋されている。この感温性高分子ゲルでは、層状粘土鉱物により架橋したことで、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドなど、アクリロイル基、メタクリロイル基、及び／又はアリル基を分子内に２箇所以上有する有機系の架橋剤により架橋された従来の感温性高分子ゲルを主成分とする吸着材に比べ、水蒸気の吸着量及び脱着量は増大する。これは以下の理由による。

層状粘土鉱物は、表面がマイナスに帯電しているため水溶液中で均一に分散可能であることから、架橋した感温性高分子ゲル中で局在化しない。このため、層状粘土鉱物で架橋する場合、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミド等の架橋剤で架橋する場合に比べて、少量の架橋剤で均一に架橋することができ、感温性高分子ゲルの網目構造では大きな伸縮性が確保される。この結果として、層状粘土鉱物で架橋された感温性高分子ゲルは、その網目構造が大きく伸縮することにより、多量の水蒸気を吸・脱着可能である。

また、本発明の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材によれば、感温性高分子ゲルがスメクタイトにより架橋されたことで、吸・脱着速度が好適に増大する。
また、本発明の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材は、感温性高分子ゲルの高分子がアクリルアミド誘導体及びメタクリルアミド誘導体よりなる群から選ばれた一種又は二種以上の誘導体モノマーの重合体からなることから、従来の無機系吸着材よりも低い温度範囲、例えば、５０℃〜８０℃の温度範囲であっても吸着質を脱着させる。

また、本発明の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材によれば、感温性高分子ゲルが、アクリルアミド誘導体及びメタクリルアミド誘導体よりなる群から選ばれた一種又は二種以上の誘導体モノマーと水溶性ビニル系ノニオンモノマー及び水溶性ビニル系アニオンモノマーのうち一方又は両方との共重合体を含むことで、吸・脱着量が更に増大する。
また、本発明の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材の感温性高分子ゲルは、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドの重合体又は共重合体を含むが、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドのモノマーを用いた場合、重合速度が速くなり、分子量のより大きな重合体又は共重合体が生成される。重合体又は共重合体の分子量の増大は、感温性高分子ゲルにおける架橋密度の低下をもたらし、この結果として、感温性高分子ゲル、つまり吸着材に対する水蒸気の吸着量及び脱着量が更に増大する。

また、本発明の吸着型ヒートポンプ装置は、上述した請求項１乃至４の何れかに記載の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材を含むことから、吸着材での吸着量及び脱着量が多く、このヒートポンプ装置によれば、装置の大型化を招くことなく、より多量の熱を効率的に蓄熱及び放熱することができる。

吸着型ヒートポンプ装置は、吸着材が吸着質を脱着（離脱）させる能力を駆動源として利用している。吸着型ヒートポンプ装置においては、吸着質として、水、エタノール及びアセトン等を使用することができるが、中でも安全性、価格、蒸発潜熱の大きさから、水を用いるのが最も好ましい。
以下、本発明に係る吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材について説明する。

この水蒸気吸着材は、吸着質としての水（水蒸気）を吸着及び脱着可能な高分子ゲルを主成分として含み、高分子ゲルは、例えば３２℃〜８０℃の温度範囲にある相転移点（相転移温度）にて、親水性の低温相（親水相）と疎水性の高温相（疎水相）との間を可逆的に相転移可能である。つまり、この高分子ゲルは、その相状態が低温相にあるときに水蒸気を吸着し、高温相であるときに水蒸気を脱着させるという感温性を有した高分子ゲル（感温性高分子）である。

この感温性高分子ゲルは、その高分子間が層状粘土鉱物を用いて架橋され、網目構造を有した高分子架橋体であり、また、溶媒としての水分を含んでいる。
感温性高分子ゲルを構成する高分子としては、アクリルアミド誘導体モノマーの重合体、メタクリルアミド誘導体モノマーの重合体、またはアクリルアミド誘導体モノマーとメタクリルアミド誘導体モノマーの共重合体などを好適に用いることができる。

より詳しくは、アクリルアミド誘導体としては、Ｎ−メチルアクリルアミド、Ｎ−メチル−Ｎ−エチルアクリルアミド、Ｎ−アクリロイルピロリジン、Ｎ−ジクロロプロピルアクリルアミド、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、Ｎ,Ｎ−ジエチルアクリルアミド、Ｎ−メチル−Ｎ−イソプロピルアクリルアミド、Ｎ−ノルマルプロピルアクリルアミド、Ｎ−メチル−Ｎ−ノルマルアクリルアミド、Ｎ−アクリロイルピペリジンなどを用いることができる。

また、メタクリルアミド誘導体としては、例えばＮ−シクロプロピルメタクリルアミド、Ｎ−エチルメタクリルアミド、Ｎ−イソプロピルメタクリルアミド、Ｎ−ノルマルプロピルメタクリルアミドなどを用いることができる。
これら誘導体のうち、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドは重合速度が大きく、高分子量化が可能であることや、他のモノマーとの共重合性が良好であるという点で特に好適である。なお、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドはモノマーのときには親水性を示すが、ポリマーになると感温性高分子を示すようになる。Ｎ−イソプロピルアクリルアミドゲルの代表的な相転移温度は３２℃であるが、合成条件により相転移温度を３２℃以上の温度にすることができる。

上記したアクリルアミド誘導体モノマーのうちから１種または２種以上のモノマーを適宜選択し、選択したモノマーを重合させるとともに架橋することにより、アクリルアミド誘導体の重合体又は共重合体を含む感温性高分子ゲルを得ることができる。また、上記したメタクリルアミド誘導体モノマーのうちから１種または２種以上のモノマーを適宜選択し、選択したモノマーを重合させるとともに架橋することにより、メタクリルアミド誘導体の重合体又は共重合体を含む感温性高分子ゲルを得ることができる。更に、上記したアクリルアミド誘導体のうちから１種または２種以上のモノマーを適宜選択し、上記したメタクリル誘導体のうちから１種または２種以上のモノマーを適宜選択し、これら選択したモノマー同士を共重合させるとともに架橋することにより、アクリルアミド誘導体とメタクリルアミド誘導体との共重合体を含む感温性高分子ゲルを得ることもできる。

また、感温性高分子ゲルの高分子は、アクリルアミド誘導体モノマー及びメタクリルアミド誘導体モノマーから選択された１種又は２種以上のモノマー（誘導体モノマー）と、水溶性ビニル系ノニオンモノマー及び水溶液ビニル系アニオンモノマーの一方又は両方とを共重合させた共重合体であることが好ましい。これら水溶性ビニル系ノニオンモノマーや水溶性ビニル系アニオンモノマーを誘導体モノマーと共重合させることにより、合成された感温性高分子ゲルの相転移点の高低、並びに、水蒸気の吸着量及び脱着量の大小を制御することができるからである。

なお、水溶性ビニル系ノニオンモノマーとしては、アクリルアミド及びメタクリルアミド等を用いることができ、水溶性ビニル系アニオンモノマーとしてはアクリル酸及びメタクリル酸等を用いることができる。
また、水溶性ビニル系ノニオンモノマー及び水溶性ビニル系アニオンモノマーのうち一方又は両方を誘導体モノマーと共重合させる場合は、誘導体モノマーに対して、水溶性ビニル系ノニオンモノマー及び水溶性ビニル系アニオンモノマーを０.１〜３０質量％導入するのが好ましい。感温性高分子ゲルの感温性を維持するのは勿論、感温性高分子ゲルに対する水蒸気の吸着速度と脱着速度とのバランスを適当に保ちつつ、相転移点が適当な温度範囲に入るよう制御するためである。

なお、アクリルアミド誘導体モノマー、メタクリルアミド誘導体モノマー、水溶液ビニル系ノニオンモノマー及び水溶液ビニル系アニオンモノマーの種類や共重合比などが変わると、合成された感温性高分子ゲルの相転移点も変化するので、感温性高分子ゲルの使用温度との関係で、上記した各成分の種類や共重合比などを適宜に選択することが必要になる。

また、感温性高分子ゲルの高分子の分子量は、通常、１０万〜２０００万程度の範囲にあるが、分子量が２００万以上であるのが好ましい。分子量が大きいほど感温性高分子ゲルにおける架橋密度が小さくなって、感温性高分子ゲルに対する水蒸気の吸着量及び脱着量が大きくなるからである。
なお、分子量が２０００万を超えると、感温性高分子ゲルにおけるポリマー鎖の絡み合いによって、相転移の応答速度が低下するなどの問題が生じる。

一方、感温性高分子ゲルの合成時には、層状粘土鉱物からなる架橋剤が用いられる。層状粘土鉱物を架橋剤として用いることにより、合成された感温性高分子ゲルにあっては、その架橋密度が均一化して機械的強度や形態保持力が高くなり、また水蒸気の吸着量及び脱着量も大きくなるからである。
なお、層状粘土鉱物としては、例えば、スメクタイト、カオリナイト、アロフェン、イモゴライト、ハロサイト、イライト、バーミュライト及びクロライト等を用いることができる。

そして、上記した効果を顕著に示す２−８面体型スメクタイトや３−８面体型スメクタイトなどのスメクタイトを好適に用いることができる。これらのスメクタイトは、Ｎａ^＋を交換性陽イオンとして含む膨潤型であり、有機物をインターカレート（層間に取り込む）することができる。
より詳しくは、２−８面体型スメクタイトとしては、モンモリロナイトやバイデライトを用いることができ、３−８面体型スメクタイトとしては、サホナイト、ヘクトナイト、ソーコナイトなどを用いることができる。

なお、スメクタイトとして、天然スメクタイト及び合成スメクタイトのいずれも用いることができるが、１０nm〜１μｍ程度の粒径を有した合成スメクタイトを用いるのが好ましい。１０nm〜１μｍ程度の粒径を有した合成スメクタイトを用いた場合、合成した感温性高分子ゲルにおける架橋密度が均一化して当該ゲルの強度が増大し、また当該ゲルに対する水蒸気の吸着量及び脱着量が増大するからである。

また、感温性高分子ゲルの合成時、架橋剤としての層状粘土鉱物の配合量は、架橋対象のアクリルアミド誘導体モノマー及びメタクリルアミド誘導体モノマーの総量に対し、１〜５０質量％の範囲にあるのが好ましい。層状粘土鉱物の配合量が少なすぎると、架橋点が少なくなって機械的強度の高い高分子ゲルが得られず、また配合量が多すぎると、高分子ゲルの強度は高くなるとはいえ、高分子ゲルに対する水蒸気の吸着量及び脱着量が小さくなるからである。

上述した感温性高分子ゲルは、上記した各成分を含む反応系に対するラジカル重合方法で製造することができる。
例えば、感温性高分子ゲルを光重合方法で製造する場合、上記した各成分を含む反応系に対して、ベンゾイン、ベンゾインエチルエーテル、ベンゾインイソプロピルエーテルなどを光重合開始剤として更に添加した上で、波長３６５nmの紫外線を照射すればよい。

また、重合促進法の場合には、重合促進剤として、例えば、Ｎ,Ｎ,Ｎ,Ｎ−テトラメチルエチレンジアミンを用い、又は、重合開始剤として、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、過硫酸カリウムなどを用いて感温性高分子ゲルを製造可能である。
これらのラジカル重合方法においては、用いる各薬品の量、照射する紫外線の強度、重合温度などを制御することにより、合成される感温性高分子ゲルの重合度や分子量を調節することができる。

上述した本発明に係る水蒸気吸着材は、吸着型ヒートポンプ装置に適用した場合、５０〜８０℃の温度に加熱するだけで水蒸気を脱着させることができるのみならず、感温性高分子ゲルが多孔質体の表面に薄膜状に堆積されていなくても、より多くの水蒸気を効率良く吸着及び脱着させることができる。
これは、感温性高分子ゲルが層状粘土鉱物で架橋されていることによりその網目構造が大きな伸縮性を有し、感温性高分子ゲルに対する水蒸気の吸着反応及び脱着反応が速やかに進行するのみならず、当該感温性高分子ゲルに対する蒸気の吸着量及び脱着量が、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドなど、アクリロイル基、メタクリロイル基、及び／又はアリル基を分子内に２箇所以上有する有機系の架橋剤で架橋された従来技術の感温性高分子ゲルに対する水蒸気の吸着量及び脱着量に比べて増大したためである。

このように網目構造が大きな伸縮性を有するのは、その表面がマイナスに帯電しているため水溶液中で均一に分散する、という層状粘土鉱物の性質に起因している。この性質に基づき、層状粘土鉱物は架橋した感温性高分子ゲル中で局在化しないため、層状粘土鉱物で架橋する場合、Ｎ，Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドなどで架橋する場合に比べて、少量の架橋剤で均一に架橋することができ、もって網目構造の伸縮性が大きくなる。

その上、上述した水蒸気吸着材の形状は、感温性高分子ゲルがシリカゲルやゼオライト等の多孔質体と比較して柔軟であることから、様々なタイプの熱交換器の内部形状に合わせて容易に成形することができる。また、感温性高分子ゲルが層状粘土鉱物で架橋されていることにより、感温性高分子ゲルの機械的強度が従来技術の感温性高分子の機械的強度に比べて高くなっており、一旦成形された水蒸気吸着材の形状は長い間保持される。

ここで、図１は、熱駆動空調システムに適用された本発明に係る吸着型ヒートポンプ装置を示している。ヒートポンプ装置は、吸着質としての水が流れる環状の環状流路２を有し、環状流路２には、吸着質が流れる方向でみて、二つの三方切換弁４ａ,４ｂ、凝縮器６及び蒸発器８が順次介挿されている。
三方切換弁４ａ,４ｂ間の環状流路２の部分は、これら三方切換弁４ａ,４ｂ同士をそれぞれ接続する一対の管路１０ａ,１０ｂにより形成されている。これら管路１０ａ,１０ｂにはそれぞれ吸脱着器１２ａ,１２ｂが介挿され、これら吸脱着器１２には、環状流路２を流れる吸着質を吸着及び脱着可能な脱着材として、上述した本発明に係る吸着型ヒートポンプ用吸着材が収容されている。なお、吸着材の主成分である感温性高分子ゲルの相転移点は、例えば４０〜５０℃の範囲にある。また、感温性高分子ゲルは、例えば平均粒径が１〜１００００μmの範囲にある粒状をなしているが、感温性高分子ゲルの形状は、繊維状若しくは薄膜状であってもよい。

また、ヒートポンプ装置は、吸脱着器１２に対して熱の給排を行う熱給排手段を備える。より詳しくは、熱給排手段は、２つの環状の切換流路１４ａ,１４ｂを有し、各切換流路１４には一対の三方切換弁１６ａ,１６ｂ,１８ａ,１８ｂがそれぞれ介挿されている。各切換流路１４の一方の三方切換弁１６ａ,１８ａには加熱用流体の給排路２０ａ,２０ｂが接続され、他方の三方切換弁１６ｂ,１８ｂには冷却用流体の給排路２２ａ,２２ｂが接続されている。なお、加熱用流体としては、工場内で発生した排熱を吸収した、例えば温度が５０〜８０℃の範囲にある熱交換水を用いることができ、冷却用媒体としては、工場の冷却塔で冷却され、例えば温度が３０〜４０℃の範囲にある循環冷却水を用いることができる。

これら切換流路１４は、２つの熱交換流路２４ａ,２４ｂにより互いに接続され、各切換流路１４における２つの熱交換流路２４ａ,２４ｂの接続箇所は、三方切換弁１６,１８を介して互いに区画された切換流路１４の２つの流域に別々に位置付けられている。各熱交換流路２４の一部は、吸脱着器１２の内部流路２６ａ,２６ｂにより構成され、吸脱着器１２においては、内部流路２６の回りに吸着材が配置されている。

なお、冷却用流体の給排路２２ａ,２２ｂ間にはバイパス流路２８が設けられ、バイパス流路２８は凝縮器６の内部を通過している。また、蒸発器８と室内機３０との間にはブラインの循環流路３２が延びている。
以下、上述した吸着型ヒートポンプ装置の動作について説明する。
ヒートポンプ装置では、熱給排手段が一方の吸脱着器１２の吸着材に対し熱を供給する間、他方の吸脱着器１２の吸着材から熱を排出させる。つまり、三方切換弁１６,１８を切換作動させることで、一方の熱交換流路２４に加熱用流体を供給し、他方の熱交換流路２４に冷却用流体を供給する。

これにより、一方の吸脱着器１２にて、吸着材が感温性高分子ゲルの相転移点以上の温度まで加熱され、高温相の感温性高分子ゲルから吸着質が脱着する。脱着した吸着質は、一方の吸脱着器１２と凝縮器６との間の圧力差に基づいて一方の吸脱着器１２から流出し、三方切換弁４ｂを通じて凝縮器６に流入する。凝縮器６に流入した吸着質は、冷却用流体との間での熱交換により凝縮器６内で凝縮し、凝縮した吸着質は、凝縮器６から流出して蒸発器８に流入する。吸着質はブラインと熱交換することで蒸発器８内で蒸発し、蒸発した吸着質は、一方の蒸発器８と他方の吸脱着器１２との間の圧力差に基づいて蒸発器８から流出する。蒸発器８から流出した吸着質は、三方切換弁４ａを通じて他方の吸脱着器１２に流入するが、この際、他方の吸脱着器１２の吸着材は、感温性高分子ゲルの相転移点以下の温度まで冷却されており、低温相の感温性高分子ゲルに吸着質が吸着する。なお、この吸着により吸着材は発熱するけれども、吸着材は冷却用流体により冷却されているので、吸着材の温度が上昇することはない。

このようにして一方の吸脱着器１２の吸着材から吸着質を脱着させながら、他方の吸脱着器１２の吸着材に吸着質を所定時間だけ吸着させた後、三方切換弁４,１６,１８を切換作動させ、他方の吸脱着器１２の吸着材から、先に吸着した吸着質を脱着させながら、一方の吸脱着器１２の吸着材に吸着質を所定時間だけ吸着させる。そして、この後、三方切換弁４,１６,１８を元の開閉位置に切換作動させ、一方の吸脱着器１２の吸着材から吸着質を脱着させながら、他方の吸脱着器１２の吸着材に吸着質を所定時間だけ吸着させる。

つまり、この吸着型ヒートポンプ装置によれば、切換流路１４ａに加熱用流体及び冷却用流体を供給しながら、三方切換弁４,１６,１８を周期的に切換作動させることで、吸着質が２つの吸脱着器１２から交互に流出し、蒸発器８内で吸着質が連続的に蒸発する。蒸発器８で吸着質が蒸発すると、吸着質に気化熱を奪われることでブラインが冷却され、この冷却されたブラインを介して室内機３０を配置した室内が冷房される。

ここで、上述した吸着型ヒートポンプ装置の吸脱着器１２には、本発明に係る吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材が収容されており、この吸着材に対する水蒸気の吸・脱着量は従来の感温性高分子ゲルに比べて大きく、且つ、従来の無機系吸着剤であるシリカゲルやゼオライトよりも低温で再生（脱着）可能である。このため、このヒートポンプ装置によれば、装置の大型化を招くことなく、より多量の熱を効率的に蓄熱及び放熱することができ、上述した熱駆動空調システムにあっては、ヒートポンプ装置の放熱に伴い生成される冷熱により室内を効率的に冷房することができる。

１．試料作製
（１）参考例
脱イオン水９０ｇに、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド１０ｇと、合成スメクタイトであるヘクトライト（Rockwood社製、粒径７２〜１４８nm）３ｇとを添加した溶液を用意した。この用意した溶液に対し、ベンゾインイソプロピルエーテル（光重合開始剤）１０mgをアセトン０.１ｇに溶解させた溶液を添加した後、１００mL/minの流量で窒素ガスを２時間送入する撹拌処理を施した。この後、撹拌した溶液を、透明なガラス製の蓋を有する幅１０cm、長さ２０cm、高さ５cmのステンレス鋼製の容器に流し込んだ。それから、蓋を介して容器内の溶液に対し、波長３６５nmの紫外線を２時間に亘って照射して光重合を進行させ、感温性高分子ゲルを合成した。これを参考例の感温性高分子ゲルとする。

（２）実施例１
脱イオン水９０ｇに、Ｎ−イソプロピルアクリルアミド９.９ｇと合成スメクタイト３ｇとを添加した溶液を用意した。この用意した溶液に対し、ベンゾインイソプロピルエーテル１０mgをアクリル酸（水溶性ビニル系アニオンモノマー）０.１ｇに溶解させた溶液を添加した後、更に水酸化ナトリウムを添加して中和した。この後、中和された溶液に対し、参考例の場合と同様にして撹拌処理及び紫外線照射を施し、実施例１の感温性高分子ゲルを合成した。
（３）比較例
層状粘土鉱物である合成スメクタイトに代えて、Ｎ,Ｎ’−メチレンビスアクリルアミドを架橋剤として用いたこと以外は参考例と同じ条件にて、比較例の感温性高分子ゲルを用意した。

２．水蒸気吸着等温線の測定
表に示した測定条件にて、参考例、実施例１及び比較例の感温性高分子ゲルの水蒸気吸着等温線を測定し、この測定結果を図２、図３及び図４にそれぞれ示した。

３．測定結果
（１）図２から明らかなように、参考例の感温性高分子ゲルは、相対蒸気圧の上昇に伴い吸着量が比例的に増加する傾向を示した。吸着型ヒートポンプ装置の運転には、低相対蒸気圧での吸着量、とりわけ相対蒸気圧０.３以下での水蒸気吸着量が重要であるが、相対蒸気圧が０.３のときに、参考例の感温性高分子ゲルの水蒸気吸着量は０.０８g/gであった。

（２）図２及び図３から明らかなように、実施例１の感温性高分子ゲルの吸湿能は、参考例の感温性高分子ゲルに比べて高く、相対蒸気圧０.８以上で急激に高くなる。一方、相対蒸気圧が０.３のとき、実施例１の感温性高分子ゲルの水蒸気吸着量は０.１４g/gであった。実施例１の感温性高分子ゲルは、Ｎ−イソプロピルアクリルアミドモノマーと水溶性ビニル系アニオンモノマーであるアクリル酸とを共重合させたポリマーであり、アクリル酸との共重合によりポリマーの親水性が増し、参考例の感温性高分子ゲルよりも吸湿能が向上したと考えられる。

（３）図４から明らかなように、比較例の感温性高分子ゲルは、参考例の感温性高分子ゲルと同様に、相対蒸気圧の上昇に伴い、吸着量が比例的に増加する傾向を示した。相対蒸気圧が０.３のときの水蒸気吸着量は０.０３g/gであり、比較例の感温性高分子ゲルは、参考例及び実施例１の感温性高分子ゲルに比べ、吸湿能が劣っていた。

以上のように、本発明の感温性高分子ゲルによれば、効果的に水蒸気吸着を行うことができ、且つ、低温で再生可能となり、効率的な吸着型ヒートポンプシステムを提供することが可能となる。
最後に、本発明は上記した実施形態及び実施例に限定されることはなく、種々変形が可能であるのは勿論である。

熱駆動空調システムに適用した本発明に係る吸着型ヒートポンプ装置の概略構成を示す図である。 参考例の高分子ゲルの水蒸気吸着等温線を示すグラフである。 実施例１の高分子ゲルの水蒸気吸着等温線を示すグラフである。 比較例の高分子ゲルの水蒸気吸着等温線を示すグラフである。

符号の説明

６ 凝縮器
８ 蒸発器
１２ａ,１２ｂ 吸脱着器

Claims (5)

1. 感温性高分子ゲルを含む吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材であって、
   前記感温性高分子ゲルの高分子間は層状粘土鉱物により架橋され、
   前記感温性高分子ゲルは、アクリルアミド誘導体及びメタクリルアミド誘導体よりなる群から選ばれた一種又は二種以上の誘導体モノマーとアクリル酸及びメタクリル酸のうちの一方との共重合体を前記高分子として含み、相転移点を境にして親水性と疎水性が可逆的に変化する
   ことを特徴とする吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材。
2. 前記共重合体は、
   前記誘導体モノマーに対して、前記アクリル酸及び前記メタクリル酸のうちの一方を０．１〜３０質量％導入して共重合させて得られたものである
   ことを特徴とする請求項１記載の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材。
3. 前記層状粘土鉱物はスメクタイトであることを特徴とする請求項１又は２記載の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材。
4. 前記誘導体モノマーのうち一種はＮ−イソプロピルアクリルアミドであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の吸着型ヒートポンプ用水蒸気吸着材を収容した吸脱着器と、
   前記吸着材に対する熱の給排を実施し、前記感温性高分子ゲルを親水性及び疎水性のうち一方に保持する熱給排手段と、
   前記吸脱着器に対して断続可能に連通し、前記感温性高分子ゲルが疎水性に保持されているときに前記吸着材から脱着した吸着質を凝縮させる凝縮器と、
   前記吸脱着器に対して前記凝縮器とは交互に連通し、前記感温性高分子ゲルが親水性に保持されているときに、前記吸着材に吸着させるべく、蒸発した吸着質を前記吸脱着器に向けて流出させる蒸発器と
   を具備したことを特徴とする吸着型ヒートポンプ装置。

Images