JP4710023B2 - 吸着ヒートポンプ、車両用空調装置、除湿空調装置、及び吸着材の使用方法 - Google Patents
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Description
比較的高温(120℃以上)の排熱、温熱を、吸着材の再生熱源として利用する吸収式ヒートポンプが既に実用化されている。しかし一般にコジェネレーション機器、燃料電池、自動車エンジンの冷却水や太陽熱などによって得られる熱は100℃以下と比較的低温であるため、現在実用化されている吸収式ヒートポンプの駆動熱源としては利用できず、100℃以下、更には60℃〜80℃の低温排熱の有効利用が求められていた。
例えば、吸着ヒートポンプ用のゼオライトの代表例として13Xの水蒸気吸着等温線を考えると、相対蒸気圧0.05以下で急激に吸着され、0.05より高い相対蒸気圧域ではゼオライトの水蒸気吸着量は変化しない。吸着剤を再生する際には、周囲の気体の相対湿度を低下させて一度吸着した水分を脱着して除くが、ゼオライト13Xに吸着された水を脱着するには相対蒸気圧を下げる必要があるため、150℃〜200℃の熱源が必要であると言われている。
A)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å3以上16.0T/1,000Å3以下、
B)細孔径が3Å以上10Å以下、
C)微分吸着熱が40kJ/mol以上65kJ/mol以下、
であるゼオライトであり、該ゼオライトが、骨格構造にアルミニウムとリンを含み、かつ、相対蒸気圧0.05以上0.30以下の範囲に、相対蒸気圧が0.15変化したときに水の吸着量変化が0.18g/g以上である相対蒸気圧域を有する吸着材であることを特徴とする吸着ヒートポンプに存する。他の要旨は、上記吸着ヒートポンプを車両室内の空調に使用することを特徴とする車両用空調装置に存する。さらに他の要旨は、吸着材により水分が吸着される処理空気の経路と、100℃以下の加熱源によって加熱された後、前記水分吸着後の吸着材中の水分を脱着して再生する再生空気の経路とを有する除湿空調装置において、該吸着材がA)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å3以上16.0T/1,000Å3以下、B)細孔径が3Å以上10Å以下、C)微分吸着熱が40kJ/mol以上65kJ/mol以下、であるゼオライトであり、該ゼオライトが、骨格構造にアルミニウムとリンを含み、かつ、相対蒸気圧0.05以上0.30以下の範囲に、相対蒸気圧が0.15変化したときに水の吸着量変化が0.18g/g以上である相対蒸気圧域を有する吸着材であることを特徴とする除湿空調装置に存する。さらに他の要旨は、100℃以下の熱源で吸着材を加熱して吸着質を脱着させ、乾燥した吸着材を吸着質の吸着に使用する温度まで冷却して再度吸着質の吸着に使用する吸着材の使用方法において、該吸着材がA)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å 3 以上16.0T/1,000Å 3 以下、B)細孔径が3Å以上10Å以下、かつC)微分吸着熱が40kJ/mol以上65kJ/mol以下、であるゼオライトであり、該ゼオライトが、骨格構造にアルミニウムとリンを含み、かつ、相対蒸気圧0.05以上0.30以下の範囲に、相対蒸気圧が0.15変化したときに水の吸着量変化が0.18g/g以上である相対蒸気圧域を有する吸着材であることを特徴とする吸着材の使用方法に存する。
更に、本発明の、比較的低い相対蒸気圧の範囲で大きな吸脱着量変化を示す吸着材を利用した吸着ヒートポンプまたは除湿空調装置は、吸着材の吸脱着による水分吸着量の差が大きく、低温度で吸着材の再生(脱着)が可能になるため、従来に比べて低温の熱源を利用して、効率よく吸着ヒートポンプまたは除湿空調装置を駆動することができる。すなわち、本発明の吸着材によれば、100℃以下の比較的低温の熱源で駆動する吸着ヒートポンプおよび除湿空調装置を提供できる。
吸着ヒートポンプの操作蒸気圧範囲は、次式で求められる脱着側相対蒸気圧φ1と吸着側相対蒸気圧φ2によって決定され、φ1とφ2との間が操作可能な相対蒸気圧範囲である。
吸着側相対蒸気圧φ2=平衡蒸気圧(Tcool)/平衡蒸気圧(Tlow2)
ここで、高温熱源温度Thighは吸着材から吸着質を脱着して吸着材を再生する際に加熱する熱媒の温度を、低温熱源温度Tlow1は凝縮部の吸着質の温度を、低温熱源温度Tlow2は再生後の吸着材を吸着に共する際に冷却する熱媒の温度を、冷熱生成温度Tcoolは蒸発部の吸着質の温度すなわち生成した冷熱の温度を、意味する。なお、平衡蒸気圧は吸着質の平衡蒸気圧曲線を用いて、温度から求めることができる。
本発明では吸着材としてゼオライトを用いるが、そのフレームワーク密度は10.0T/1,000Å3以上16.0T/1,000Å3以下、好ましくは10.0T/1,000Å3以上15.0T/1,000Å3以下である。ここでフレームワーク密度とは、ゼオライトの1,000Å3あたりの酸素以外の骨格を構成する元素の数を意味し、この値はゼオライトの構造により決まるものである。
上記フレームワーク密度を満たすゼオライトの構造としては、IZAが定めるコードで示すと、AFG、MER、LIO、LOS、PHI、BOG、ERI、OFF、PAU、EAB、AFT、LEV、LTN、AEI、AFR、AFX、GIS、KFI、CHA、GME、THO、MEI、VFI、AFS、LTA、FAU、RHO、DFO、EMT、AFY、*BEA等があり、好ましくはAEI、GIS、KFI、CHA、GME、VFI、AFS、LTA、FAU、RHO、EMT、AFY、*BEAが挙げられる。
本発明の吸着材の細孔径は3Å以上10Å以下である。中でも、3Å以上、8Å以下が好ましく、3Å以上、7.5Å以下が好ましい。細孔径が10Åより大きいと目的とする相対湿度で吸着が起こらなくなるため不適であり、細孔径が3Åより小さいと吸着質である水分子が吸着材に拡散しにくくなり不適である。特に、骨格構造にアルミニウムとリンを含むゼオライト、更には、疎水性を示し、ALPOと称されるアルミノフォスフェートにおいて、この傾向が顕著である。
本発明の吸着材であるゼオライトは、骨格構造にアルミニウムとリンを含むのが好ましい。ここでいうゼオライトは天然のゼオライトでも人工のゼオライトでもよく、例えば人工のゼオライトではInternational Zeolite Association (IZA)の規定によるアルミノフォスフェート類が含まれる。通称ALPOと称されアルミノフォスフェートが特に好ましい。
尚、本発明の水蒸気吸着等温線は、吸着温度25℃における吸着等温線であり、相対蒸気圧と水の吸着量変化は水蒸気吸着等温線から求められる。
本発明の吸着ヒートポンプの一例の概念図を図1に示す。図1に示す吸着ヒートポンプは、吸着質を吸脱着可能な吸着材と、吸着材が充填され吸着質の吸脱着により発生した熱を熱媒に伝達する吸脱着部である吸着塔1および2と、吸着質の蒸発により得られた冷熱を外部へ取り出す蒸発器4と、吸着質の凝縮により得られた温熱を外部へ放出する凝縮器5から構成されている。なお、吸着ヒートポンプを操作する場合には運転に必要な吸脱着量を得られるように環境温度における吸着等温線から操作条件を求め、通常は装置を運転する上で最大の吸脱着量を得られるように決定する。
吸着質配管30には蒸発器4及び凝縮器5が接続されている。吸着塔1及び2は蒸発器4、凝縮器5の間に並列に接続されており、凝縮器5と蒸発器4の間には凝縮器にて凝縮された吸着質を蒸発器4に戻すための戻し配管3を設ける。なお、符号41は蒸発器4からの冷房出力となる冷水の入口、符号51は凝縮器5に対する冷却水の入口である。符号42及び52はそれぞれ冷水及び冷却水の出口である。また、冷水配管41及び42には、室内空間(空調空間)と熱交換するための室内機300と、冷水を循環するポンプ301が接続されている。
合成例1 ALPO−34の合成
ALPO−34をMicroporous and Mesoporous Materials 30, (1999), 145-153にしたがって合成した。
合成例2 ALPO−18の合成
ALPO−18を特公平1−57041にしたがって合成した。85%リン酸16.1gと水30gの溶液にベーマイト9.52g(25%含水)を加え、1時間攪拌した。これに35%テトラエチルアンモニウムヒドロキシド水溶液39.38g、37%塩酸2.27gを加え、3時間攪拌した。これをテフロン(登録商標)内張りのステンレス製オートクレーブに仕込み、150℃14日間加熱した。生成物を濾過、水洗、乾燥し、560℃6時間空気気流下焼成する事により、ALPO−18を得た。このゼオライトのXRDを測定したところ、AEI構造であった。
実施例1〜2
合成例1のALPO−34(実施例1)、合成例2のALPO−18(実施例2)について、以下の方法で25℃における水蒸気吸着温線を求めた。
空気高温槽温度 :50℃、
吸着温度 :25℃、
初期導入圧力 :3.0torr、
導入圧力設定点数 :0、
飽和蒸気圧 :23.76mmHg、
平衡時間 :500秒。
図2から吸着温度25℃における吸着等温線において、相対蒸気圧0.06付近で急激に水蒸気を吸着しており、相対蒸気圧範囲0.05〜0.20の吸着量変化量は0.24g/gであることがわかる。尚、ALPO−34のフレームワーク密度は14.6T/1,000Å3、細孔径は3.8×3.8Åである。又、図2に示す25℃と40℃での吸着等温線からクラジウス−クラペイロンの式を用いて微分吸着熱を求めると約60kJ/molとなる。
図4に、多孔質リン酸アルミニウム系モレキュラーシーブのAFI型(フレームワーク密度=17.3T/1,000Å3、細孔径7.3×7.3Å)ゼオライトであるALPO−5の吸着等温線(Colloid Polym Sci 277, p83〜88(1999), Fig.1(吸着温度30℃)より引用)の吸着等温線を示す。ALPO−5は相対蒸気圧0.25〜0.40の範囲で吸着量が急激に上昇し、相対蒸気圧0.05〜0.3の範囲で吸脱着させることは可能であるが、相対蒸気圧0.15〜0.30の範囲での吸着量変化は0.14g/gである。
図5にFAU型ゼオライト13X(フレームワーク密度=12.7T/1,000Å3、細孔径7.4×7.4×7.4Å)の25℃の吸着等温線を示す(出典:蓄熱・増熱技術(蓄熱・増熱技術編集委員会編)、株式会社アイピーシー、P342)。FAU構造である13Xはフレームワーク密度が12.7T/1,000Å3と小さく、かつ細孔径も7.4×7.4×7.4Åと10Åより小さく適しているが、図5に示すように極めて低い相対蒸気圧域で吸着がおこり本発明で用いる相対蒸気圧域での吸着量差は小さく、実用に耐えない。相対蒸気圧0.05は図5では1.19Torr、相対蒸気圧0.20は4.75Toor、相対蒸気圧0.30は7.13Torrとなり、本発明で用いる0.05-0.20の範囲、図5では1.19-4.75Torrでの吸着量差は約0.06g/gである。これは13Xの微分吸着熱が全範囲において65kJ/molより大きいため、極めて低相対蒸気圧域で吸着がおこるためである。セ゛オライト13Xの微分吸着熱を図6に示す(出典:蓄熱・増熱技術(蓄熱・増熱技術編集委員会編)、株式会社アイピーシー、P342)。
2 吸着塔
3 吸着質配管
4 蒸発器
5 凝縮器
11 熱媒配管
111冷却水入口
112冷却水出口
113温水入口
114温水出口
115切り替えバルブ
116切り替えバルブ
21 熱媒配管
211冷却水入口
212冷却水出口
213温水入口
214温水出口
215切り替えバルブ
216切り替えバルブ
30 吸着質配管
31 制御バルブ
32 制御バルブ
33 制御バルブ
34 制御バルブ
300室内機
301ポンプ
41 冷水配管(入口)
42 冷水配管(出口)
51 冷却水配管(入口)
52 冷却水配管(出口)
Claims (16)
- 吸着質と、吸着質を吸脱着する吸着材を備えた吸脱着部と、該吸脱着部に連結された吸着質の蒸発を行う蒸発部と、該吸脱着部に連結された吸着質の凝縮を行う凝縮部とを備え、100℃以下の熱源で駆動する吸着ヒートポンプにおいて、該吸着材がA)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å3以上16.0T/1,000Å3以下、B)細孔径が3Å以上10Å以下、C)微分吸着熱が40kJ/mol以上65kJ/mol以下、であるゼオライトであり、該ゼオライトが、骨格構造にアルミニウムとリンを含み、かつ、相対蒸気圧0.05以上0.30以下の範囲に、相対蒸気圧が0.15変化したときに水の吸着量変化が0.18g/g以上である相対蒸気圧域を有する吸着材であることを特徴とする吸着ヒートポンプ。
- 該吸着材のA)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å3以上15.0T/1,000Å3以下である請求項1に記載の吸着ヒートポンプ。
- 吸着材が、相対蒸気圧0.05での吸着量が0.05g/g以下である請求項1又は2に記載の吸着ヒートポンプ。
- 該ゼオライトがアルミノフォスフェートである請求項1〜3のいずれか1項に記載の吸着ヒートポンプ。
- 該ゼオライトがCHA型又はAEI型である請求項1〜4のいずれか1項に記載の吸着ヒートポンプ。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の吸着ヒートポンプを車両室内の空調に使用することを特徴とする車両用空調装置。
- 吸着材により水分が吸着される処理空気の経路と、100℃以下の加熱源によって加熱された後、前記水分吸着後の吸着材中の水分を脱着して再生する再生空気の経路とを有する除湿空調装置において、該吸着材がA)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å3以上16.0T/1,000Å3以下、B)細孔径が3Å以上10Å以下、C)微分吸着熱が40kJ/mol以上65kJ/mol以下であるゼオライトであり、該ゼオライトが、骨格構造にアルミニウムとリンを含み、かつ、相対蒸気圧0.05以上0.30以下の範囲に、相対蒸気圧が0.15変化したときに水の吸着量変化が0.18g/g以上である相対蒸気圧域を有する吸着材であることを特徴とする除湿空調装置。
- 該吸着材のA)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å3以上15.0T/1,000Å3以下である請求項7に記載の除湿空調装置。
- 吸着材が、相対蒸気圧0.05での吸着量が0.05g/g以下である請求項7又は8に記載の除湿空調装置。
- 該ゼオライトがアルミノフォスフェートである請求項7〜9のいずれか1項に記載の除湿空調装置。
- 該ゼオライトがCHA型又はAEI型である請求項7〜10のいずれか1項に記載の除湿空調装置。
- 100℃以下の熱源で吸着材を加熱して吸着質を脱着させ、乾燥した吸着材を吸着質の吸着に使用する温度まで冷却して再度吸着質の吸着に使用する吸着材の使用方法において、該吸着材がA)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å3以上16.0T/1,000Å3 以下、B)細孔径が3Å以上10Å以下、C)微分吸着熱が40kJ/mol以上65kJ/mol以下、であるゼオライトであり、該ゼオライトが、骨格構造にアルミニウムとリンを含み、かつ、相対蒸気圧0.05以上0.30以下の範囲に、相対蒸気圧が0.15変化したときに水の吸着量変化が0.18g/g以上である相対蒸気圧域を有する吸着材であることを特徴とする吸着材の使用方法。
- 該吸着材のA)フレームワーク密度が10.0T/1,000Å 3 以上15.0T/1,000Å 3 以下である請求項12に記載の吸着材の使用方法。
- 吸着材が、相対蒸気圧0.05での吸着量が0.05g/g以下である請求項12又は13に記載の吸着材の使用方法。
- 該ゼオライトがアルミノフォスフェートである請求項12〜14のいずれか1項に記載の吸着材の使用方法。
- 該ゼオライトがCHA型又はAEI型である請求項12〜15のいずれか1項に記載の吸着材の使用方法。
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