JP5725201B2 - 吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法に関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが扱われるようになり、データセンター等の施設において多数の計算機を同一室内に設置して一括管理することが多くなっている。例えば、データセンターでは、計算機室内に多数のラック（サーバラック）を設置し、各ラックにそれぞれ複数の計算機（サーバ）を収納している。そして、それらの計算機の稼動状態に応じて各計算機にジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。

計算機の稼動にともなって計算機から多量の熱が発生する。計算機内の温度が高くなると誤動作や故障の原因となるため、計算機を冷却することが重要になる。そのため、通常データセンターでは、計算機で発生した熱を送風機によりラックの外に排出するとともに、空調機（エアコン）を使用して室内の温度を調整している。

ところで、データセンターでは、大量の電力が空調設備で消費されている。そこで、計算機等の電子機器から排出される熱（廃熱）を回収し、エネルギーとして有効利用することが提案されている。一般的に、計算機等の電子機器から回収される熱の温度は９０℃以下であるが、吸着式ヒートポンプ（Adsorption Heat Pump:ＡＨＰ）を使用すると、９０℃以下の廃熱を利用して、空調や電子機器の冷却等に使用可能な冷水を得ることができる。

特開平８−４２９３５号公報

比較的小規模の施設でも使用できる吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器と、前記冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間に並列に配置されて、前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤と、一定の時間毎に温水が通流する伝熱配管とを有する複数の吸着器とを備えた吸着式ヒートポンプと、前記吸着式ヒートポンプの前記凝縮器から排出される冷却液を空冷して再度前記凝縮器に供給する空冷装置と、前記凝縮器に供給される前記冷却液の温度と前記凝縮器から排出される前記冷却液の温度との差が予め設定された温度以上であり、且つ前記温水が通流する前記吸着器内で結露が発生しないように、前記凝縮器に供給する前記冷却液の流量を制御する制御部とを有する吸着式ヒートポンプシステムが提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、吸着式ヒートポンプの凝縮器から排出される冷却液を空冷装置で冷却する吸着式ヒートポンプの駆動方法であって、前記吸着式ヒートポンプは、冷媒の蒸気を凝縮する前記凝縮器と、前記冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間に並列に配置されて、前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤と、一定の時間毎に温水が通流する伝熱配管とを有する複数の吸着器とを有し、前記凝縮器に供給される前記冷却液の温度と前記凝縮器から排出される前記冷却液の温度との差が予め設定された温度以上であり、且つ前記温水が通流する前記吸着器内で結露が発生しないように、前記凝縮器に供給する前記冷却液の流量を制御する吸着式ヒートポンプの駆動方法が提供される。

上記観点によれば、凝縮器から排出される冷却水を空冷装置により冷却するので、散水式クーリングタワー等の大型の設備が不要である。このため、比較的小規模の施設でも使用することができる。

図１は、吸着式ヒートポンプの一例を表した模式図である。 図２は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図である。 図３（ａ），（ｂ）は、変形例１の空冷装置を例示する模式図である。 図４は、変形例２の吸着式ヒートポンプシステムを例示する図（その１）である。 図５は、変形例２の吸着式ヒートポンプシステムを例示する図（その２）である。 図６は、変形例３の吸着式ヒートポンプシステムを例示する図である。 図７は、実験例の吸着式ヒートポンプシステムを表した図である。 図８は、第２の実施形態の吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１は吸着式ヒートポンプの一例を表した模式図である。

図１に例示する吸着式ヒートポンプ１０は、蒸発器１１と、蒸発器１１の上方に配置された凝縮器１２と、蒸発器１１と凝縮器１２との間に並列に配置された吸着器１３ａ，１３ｂとを有する。吸着式ヒートポンプ１０内の空間は、例えば１／１００気圧〜１／１０気圧程度に減圧されている。

蒸発器１１には、冷却水が通る冷却水配管１１ａと、冷媒を貯留するためのバット１１ｂとが設けられている。冷媒には水又はアルコール等が使用されるが、ここでは冷媒として水を使用するものとする。

吸着器１３ａ，１３ｂ内には、それぞれ伝熱配管１４と吸着剤（デシカント）１５とが設けられている。また、吸着器１３ａと蒸発器１１とはバルブ１６ａを介して連結されており、吸着器１３ｂと蒸発器１１とはバルブ１６ｂを介して連結されている。吸着剤１５には、例えば活性炭、シリカゲル又はゼオライトなどが使用される。

凝縮器１２には、多数のプレートフィンが取り付けられた冷却水配管１２ａが配置されている。凝縮器１２と吸着器１３ａとの間にはバルブ１７ａが配置されており、凝縮器１２と吸着器１３ｂとの間にはバルブ１７ｂが配置されている。

バルブ１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂは、例えば制御部（図示せず）から出力される電気信号により開閉する。また、凝縮器１２と蒸発器１１とは、配管１８により連結されている。

以下、上述の吸着式ヒートポンプ１０の動作について説明する。

ここでは、初期状態において、蒸発器１１と吸着器１３ａとの間のバルブ１６ａ及び吸着器１３ｂと凝縮器１２との間のバルブ１７ｂがいずれも開状態であるとする。また、蒸発器１１と吸着器１３ｂとの間のバルブ１６ｂ及び吸着器１３ａと凝縮器１２との間のバルブ１７ａがいずれも閉状態であるとする。更に、凝縮器１２の冷却水配管には冷却水が供給され、吸着器１３ｂの伝熱配管１４には電子機器から排出された熱により温められた温水が供給されるものとする。

吸着器１３ａでは、吸着剤１５が雰囲気中の水分を吸着するのにともなって吸着器１３ａ内の圧力が低下する。吸着器１３ａと蒸発器１１との間のバルブ１６ａが開状態であるので、蒸発器１１内の圧力も低下し、それにともなってバット１１ｂに貯留された水が蒸発して、冷却水配管１１ａから潜熱を奪う。これにより、冷却水配管１１ａ内を通る水の温度が下がり、冷却水配管１１ａから低温の冷却水が排出される。この冷却水は、例えば室内の空調や電子機器の冷却等に使用される。

蒸発器１１で発生した水蒸気は、バルブ１６ａを介して吸着器１３内に進入し、吸着剤１５に吸着される。

一方の吸着器１３ａで吸着剤１５に水分を吸着する吸着工程を実施している間、他方の吸着器１３ｂでは吸着剤１５を再生（乾燥）する再生工程を実施する。すなわち、吸着器１３ｂでは、吸着剤１５に吸着されていた水分が伝熱配管１４内を通る温水により加熱されて水蒸気になり、吸着剤１５から離脱する。吸着器１３ｂで発生した水蒸気は、開状態のバルブ１７ｂを通って凝縮器１２内に進入する。

吸着器１３ｂから凝縮器１２内に進入した水蒸気は、冷却水配管１２ａ内を通る冷却水により冷却され、冷却水配管１２ａの周囲で凝縮して液体となる。この液体は、配管１７を介して蒸発器１１に移動し、バット１１ｂ内に貯留される。

吸着器１３ａ内の吸着剤１５がある程度水分を吸着すると、吸着剤１５の吸着効率が低下する。そこで、制御部は、一定の時間が経過すると、温水の供給先を吸着器１３ｂから吸着器１３ａに切り替えるとともに、バルブ１６ａ，１７ｂを閉状態、バルブ１６ｂ，１７ａを開状態にする。これにより、吸着器１３ｂ内の吸着剤１５で水分の吸着が開始され、吸着器１３ａ内の吸着剤１５では水分が蒸発して吸着剤１５が再生される。

このように一定の時間毎に温水の供給先を吸着器１３ａと吸着器１３ｂとの間で切り替えることにより、吸着式ヒートポンプ１０が連続的に稼動する。

ところで、上述したように凝縮器１２の冷却水配管１２ａには冷却水を供給する必要がある。通常、凝縮器１２に供給する冷却水には循環水を使用しており、循環水の温度が上昇しないように冷却装置で冷却している。冷却装置で消費する電力量が多いと、吸着式ヒートポンプを使用することにより得られる省エネルギー効果が削減されてしまう。そのため、冷却装置には、消費電力が比較的小さい散水式のクーリングタワーを用いることが多い。

しかし、散水式のクーリングタワーを設置するためには比較的大きなスペースが必要であり、上述した吸着式ヒートポンプを小規模の施設で使用することは困難である。

以下の実施形態では、比較的小規模の施設でも使用できる吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法について説明する。

（１）第１の実施形態
図２は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図である。

吸着式ヒートポンプ２０は、蒸発器２１と、蒸発器２１の上方に配置された凝縮器２２と、蒸発器２１と凝縮器２２との間に並列に配置された吸着器２３ａ，２３ｂと、制御部３０とを有する。吸着式ヒートポンプ２０内の空間は、例えば１／１００気圧〜１／１０気圧程度に減圧されている。

なお、本実施形態では蒸発器２１と凝縮器２２との間に２個の吸着器２３ａ，２３ｂを並列に配置しているが、蒸発器２１と凝縮器２２との間に３個又はそれ以上の吸着器を配置してもよい。

本実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムは、上述の吸着式ヒートポンプ２０と、空冷装置２９と、冷却水循環ポンプ３１とを有する。吸着式ヒートポンプ２０は例えば廃熱が排出される電子機器等の近傍に配置され、空冷装置２９及び冷却水循環ポンプ３１は屋外に配置される。

蒸発器２１には、冷却水が通る冷却水配管２１ａと、冷媒を貯留するためのバット２１ｂとが設けられている。冷媒には水又はアルコール等が使用されるが、本実施形態では冷媒として水を使用するものとする。

吸着器２３ａ，２３ｂ内には、それぞれ伝熱配管２４と吸着剤（デシカント）２５とが設けられている。また、吸着器２３ａと蒸発器２１との間にはバルブ２６ａが配置されており、吸着器２３ｂと蒸発器２１との間にはバルブ２６ｂが配置されている。吸着剤２５には、例えば活性炭、シリカゲル又はゼオライトなどが使用される。

吸着器２３ａ内には吸着器２３ａ内の圧力を検出する圧力センサ４１ａが配置されており、吸着器２３ｂ内には吸着器２３ｂ内の圧力を検出する圧力センサ４１ｂが配置されている。これらの圧力センサ４１ａ，４１ｂから出力される信号は、制御部３０に伝達される。

凝縮器２２には、多数のプレートフィンが取り付けられた冷却水配管２２ａが配置されている。凝縮器２２と吸着器２３ａとの間にはバルブ２７ａが配置されており、凝縮器２２と吸着器２３ｂとの間にはバルブ２７ｂが配置されている。また、凝縮器２２と蒸発器２１とは、配管２８により連結されている。

凝縮器２２内には、凝縮器２２内の圧力を検出する圧力センサ２２ｂが配置されている。この圧力センサ２２ｂから出力される信号も、制御部３０に伝達される。

バルブ２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂとして制御部３０により開閉が制御される電磁バルブを使用してもよいが、本実施形態では気圧差により自動的に開閉する差圧駆動式バルブを使用し、より一層の省電力化を図っている。

空冷装置２９は、多数のプレートフィン２９ａが取り付けられた配管２９ｂと送風ファン２９ｃとを有し、送風ファン２９ｃからプレートフィン２９ａ間に外気を送風することにより、配管２９ｂ内を通流する冷却水（冷媒）を冷却する。空冷装置２９のインレットは配管３５ａを介して凝縮器２２の冷却水配管２２ａのアウトレットに接続され、空冷装置２９のアウトレットは配管３５ｂを介して冷却水循環ポンプ３１の吸引側に接続されている。また、冷却水循環ポンプ３１の吐出側は配管３５ｃを介して凝縮器２２の冷却水配管２２ａのインレットに接続されている。

配管３５ｃには、凝縮器２２の冷却水配管２２ａに供給される冷却水の温度を検出する温度センサ４２ａと、冷却水の流量を検出する流量センサ４３とが配置されている。また、配管３５ａには、凝縮器２２から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ４２ｂが配置されている。これらの温度センサ４２ａ，４２ｂ及び流量センサ４３から出力される信号も、制御部３０に伝達される。

制御部３０は、圧力センサ２２ｂ，４１ａ，４１ｂ、温度センサ４２ａ，４２ｂ及び流量センサ４３から出力される信号に基づいて冷却水循環ポンプ３１を制御し、凝縮器２２に供給される冷却水の流量を調整する。また、制御部３０は、電子機器等から排出された熱により温められた温水を、一定の時間毎に吸着器２３ａの伝熱配管２４及び吸着器２３ｂの伝熱配管２４に交互に供給する。

以下、上述の吸着式ヒートポンプシステムにおける吸着式ヒートポンプの駆動方法について説明する。

ここでは、初期状態において、吸着器２３ａの吸着剤２５は乾燥した状態であり、吸着器２３ｂの吸着剤２５は水分を吸着した状態であるとする。また、吸着器２３ｂの伝熱配管２４には、電子機器から排出された熱により６０℃〜９０℃に温められた温水が供給されるものとする。

（再生工程）
吸着器２３ｂの伝熱配管２４には温水が供給されているので、吸着器２３ｂの吸着剤２５から水分が蒸発し、吸着器２３ｂ内の圧力が上昇する。このため、バルブ２６ｂは閉状態となり、バルブ２７ｂは開状態となって、吸着器２３ｂから凝縮器２２に水蒸気が進入する。また、凝縮器２２内の圧力が吸着器２３ａ内の圧力よりも高くなって、バルブ２７ａが閉状態となる。

吸着器２３ｂから凝縮器２２に進入した水蒸気は、冷却水配管２２ａ内を通る冷却水により冷却されて液体となる。この液体は、配管２８を通って蒸発器２１に移動し、バット２１ｂに貯留される。

吸着器２３ｂの伝熱配管２４に一定時間温水を供給し続けることにより、吸着器２３ｂ内の吸着剤２５が再生（乾燥）される。

（吸着工程）
吸着器２３ａでは、吸着剤２５が水分を吸着することにより吸着器２３ａ内の圧力が蒸発器２１内の圧力よりも低くなり、バルブ２６ａが開状態となる。これにより、蒸発器２１内の圧力も減少して冷媒である水が蒸発し、冷却水配管２１ａから潜熱を奪う。その結果、冷却水配管２１ａ内を通る水の温度が下がり、冷却水配管２１ａから低温の冷却水が排出される。この冷却水は、例えば室内の空調や電子機器の冷却等に使用される。

蒸発器２１内で発生した水蒸気は、バルブ２６ａを介して吸着器２３ａ内に進入し、吸着剤２５に吸着される。

なお、吸着剤２５が水分を吸着するときに熱が発生する。このため、吸着工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）の伝熱配管２４に冷却水を通流して、吸着剤２５を冷却することが好ましい。その場合は、例えば空冷装置２９から排出される冷却水の一部が吸着工程を実施中の吸着器の伝熱配管２４に流れるようにしたり、吸着器用に空冷装置を別途設置したりすればよい。

（再生工程と吸着工程との切り替え）
吸着器２３ａ内の吸着剤２５がある程度水分を吸着すると、吸着剤２５の吸着効率が低下する。そこで、制御部３０は、一定の時間経過すると、温水の供給先を吸着器２３ｂから吸着器２３ａに切り替える。そうすると、吸着器２３ａでは吸着剤２５に吸着されていた水分が蒸発するため、吸着器２３ａ内の圧力が上昇し、バルブ２６ａが閉状態、バルブ２７ａが開状態となる。これにより、吸着器２３ａ内で発生した蒸気が凝縮器２２内に進入する。

一方、吸着器２３ｂでは、温水の供給停止により、吸着器２３ｂ内の圧力が減少する。これにより、バルブ２７ｂが閉状態となり、バルブ２６ｂが開状態となって、蒸発器２１で発生した蒸気が吸着器２３ｂ内に進入するようになる。

このようにして、温水の供給先を一定の時間毎に吸着器２３ａと吸着器２３ｂとの間で切り替えることにより、吸着ヒートポンプ２０が連続的に稼働する。

（凝縮器に供給する冷却水の制御）
凝縮器２２では、水分が凝縮することにより凝縮熱が発生し、冷却水配管２２内を通る冷却水の温度が上昇する。本実施形態では、この冷却水を空冷装置２９で冷却し、再度凝縮器２２に供給する。この場合、凝縮器２２から排出される冷却水の温度と外気温との差が小さいと、空冷装置２９の熱交換効率が低くなって、電力を無駄に消費することになる。このため、本実施形態では、凝縮器２２から排出される冷却水の温度が外気温よりも２℃以上、好ましくは５℃以上高くなるように、冷却水循環ポンプ３１を制御して凝縮器２２に供給する冷却水の流量を調整する。

但し、空冷装置２９の熱交換効率を高くしようとして凝縮器２２に供給する冷却水の流量を極端に減少すると、凝縮器２２内で凝縮する水分量が減少し、再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）の内壁面で結露が発生する。吸着器の内壁面で結露した水分は、次の吸着工程において内壁面から蒸発して吸着剤２５に吸着される。このため、吸着器の内壁面の結露により吸着式ヒートポンプ２０が動作を停止することはないが、吸着器内での水分の蒸発は蒸発器２１の冷却水配管２１ａ内を通る冷却水の冷却には寄与しないため、吸着式ヒートポンプ２０の性能低下の原因となる。

そこで、本実施形態では、凝縮器２２及び吸着器２３ａ，２３ｂ内に配置した圧力センサ２２ｂ，４１ａ，４１ｂにより、凝縮器２２内の圧力と、再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）内の圧力とを計測する。そして、制御部３０は、凝縮器２２内の圧力と再生工程を実施中の吸着器内の圧力との差が所定の範囲から外れる場合、凝縮器２２内の圧力と再生工程を実施中の吸着器内の圧力との差が所定の範囲内になるように、冷却水循環ポンプ３１の吐出量を制御する。

凝縮器２２内の圧力と再生工程を実施中の吸着器内の圧力との差が小さいことは、凝縮器２２で凝縮する水分量が少なく、吸着器内で結露が発生しやすいことを意味する。凝縮器２２内の圧力と再生工程を実施中の吸着器内の圧力との差は大きいことが好ましいが、凝縮器２２内の圧力と再生工程を実施中の吸着器内の圧力との差は外気温により制限され、ある程度以上大きくすることはできない。

本実施形態では、再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）と凝縮器２２との圧力差が１ｋＰａ〜２ｋＰａの範囲内になるように冷却水循環ポンプ３１ａを制御して、凝縮器２２への冷却水の供給量を調整するものとする。

但し、再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）と凝縮器２２との圧力差の適切な範囲は吸着式ヒートポンプ２０に供給される温水の温度や吸着剤２５の種類等により異なる。各条件に対応する適切な圧力範囲を予め実験等により求めておき、制御部３０に記録しておくことが好ましい。

（効果）
上述したように、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムは、フィン２９ａが取り付けられた配管２９ｂと送風ファン２９ｃとを有する空冷装置２９により、凝縮器２２から排出された冷却水を冷却する。このため、散水式クーリングタワー等の大型の設備が不要であり、小規模の施設でも吸着式ヒートポンプを使用することができる。

また、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムにおいては、凝縮器２２内の圧力と吸着器２３ａ，２３ｂ内の圧力との差が所定の範囲内になるように凝縮器２２に供給する冷却水の流量を調整する。これにより、空冷装置２９の熱交換効率を高くでき、より一層の省電力化が可能になる。また、再生工程を実施中の吸着器２３ａ，２３ｂ内で水分（冷媒）が結露することを防止できるため、吸着式ヒートポンプ２０の性能低下が回避される。

（変形例１）
上述の第１の実施形態では、空冷装置２９において、送風ファン２９ｃからフィン２９ａに外気を吹き付けて冷却水を冷却している。しかし、例えば図３（ａ）のようにスプレー配管５１ａを設け、フィン２９ａに水をスプレーしてもよい。この場合、水が気化するときにフィン２９ａから潜熱を奪うので、フィン２９ａに単に外気を吹き付ける場合に比べて空冷装置２９の冷却能力が高くなる。

また、図３（ｂ）のように、送風ファンとフィン２９ａとの間に配置したスプレー配管５１ｂから水をスプレーし、気化熱により温度を低下させた空気をフィン２９ａに吹き付けるようにしてもよい。この場合も、図３（ａ）の場合と同様に、フィン２９ａに単に外気を吹き付ける場合に比べて空冷装置２９の冷却能力が高くなる。

（変形例２）
上述の第１の実施形態では、凝縮器２２内の圧力と再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）内の圧力との差により吸着器内での結露の有無を判定している。しかし、例えば図４に例示するように、吸着器２３ａ，２３ｂ内に湿度センサ５２ａ，５２ｂを配置し、それらの湿度センサ５２ａ，５２ｂの出力により制御部３０が結露の有無を判定するようにしてもよい。

また、例えば図５に例示するように、結露により電気伝導度が変化する結露センサ５３ａ，５３ｂを吸着器２３ａ，２３ｂ内に配置し、これらの結露センサ５３ａ，５３ｂの出力により制御部３０が結露の有無を判定するようにしてもよい。

（変形例３）
再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）が温水から吸収する熱量に対して凝縮器２２で水蒸気が凝縮する際に発生する凝縮熱量が少ないと、凝縮能力不足により吸着器内で結露が発生する。

変形例３では、図６のように吸着器２３ａ，２３ｂに供給される温水の温度を検出する温度センサ５４ａ，５４ｂと、吸着器２３ａ，２３ｂから排出される温水の温度を検出する温度センサ５５ａ，５５ｂとを設置する。また、吸着器２３ａ，２３ｂの伝熱配管２４内を流れる温水の流量を検出する流量センサ５６ａ，５６ｂを設置する。

制御部３０は、これらの温度センサ５４ａ，５４ｂ，５５ａ，５５ｂ及び流量センサ５６ａ，５６ｂの出力から、再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）の吸熱量を算出する。また、制御部３０は、温度センサ４２ａ，４２ｂ及び流量センサ４３の出力から、凝縮器２２の凝縮熱量を算出する。そして、制御部３０は、吸着器の吸熱量と凝縮器２２の凝縮熱量とが同一となるように、冷却水循環ポンプ３１を調整する。これにより、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（実験例）
以下、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを実際に製造して、その性能を調べた結果について説明する。

実験例として、図７に示す吸着式ヒートポンプシステムを作製した。図７において、図２，図４〜図６と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

吸着器２３ａ，２３ｂには、親水化処理を施した活性炭を２００ｇ充填した銅製のコルゲートフィン型熱交換器をそれぞれ５台ずつ配置した。また、吸着器２３ａ，２３ｂ内には結露センサ５３ａ，５３ｂを配置した。

蒸発器２１及び凝縮器２２には、吸着器２３ａ，２３ｂに配置したものと同一形状の銅製プレートフィン型熱交換器を配置した。但し、蒸発器２１及び凝縮器２２の熱交換器には活性炭は充填されていない。

蒸発器２１と吸着器２３ａ，２３ｂとの間のバルブ２６ａ，２６ｂ、及び吸着器２３ａ，２３ｂと凝縮器２２との間のバルブ２７ａ，２７ｂには、ＰＥＴ（ポリエチレンフタレート）により作製した差圧駆動式バルブを使用した。

凝縮器２２のインレット側の配管３５ｃには、凝縮器２２に供給される冷却水の温度を検出する温度センサ４２ａと、冷却水の流量を検出する流量センサ４３とを配置した。また、凝縮器２２のアウトレット側の配管３５ａには凝縮器２２から排出される冷却水の温度を検出する温度センサ４２ｂを配置した。これらの温度センサ４２ａ，４２ｂ及び流量センサ４３から出力される信号は、制御部３０に入力されるようにした。

吸着器２３ａ，２３ｂの伝熱配管２４のインレット側の配管には温度センサ５４ａ，５４ｂ及び流量センサ５６ａ，５６ｂを配置し、アウトレット側の配管には温度センサ５５ａ，５５ｂを配置した。これらの温度センサ５４ａ，５４ｂ，５５ａ，５５ｂ及び流量センサ５６ａ，５６ｂから出力される信号も、制御部３０に入力されるようにした。また、外気温を検出する温度センサ５７を設け、この温度センサ５７から出力される信号も制御部３０に入力されるようにした。

このように構成された吸着式ヒートポンプシステムにおいて、蒸発器２１の冷却水配管２１ａには温度が１８℃の冷却水を供給した。また、再生工程を実施する吸着器２３ｂには温度が６０℃の温水を供給し、凝縮器２２及び吸着工程を実施する吸着器２３ａには空冷装置２９により冷却した温度が２６℃の冷却水を供給した。そして、凝縮器２２と吸着器２３ｂとの圧力差が１ｋＰａ〜２ｋＰａとなるように、凝縮器２２に供給する冷却水の流量を制御した。なお、このときの外気温は２５℃であった。

最初に、吸着器２３ｂに温度が６０℃の温水を５Ｌ（リットル）/minの流量で流すと、吸着器２３ｂでは平均４００Ｗの吸熱が行われ、最大吸熱速度は６００Ｗであった。このとき、蒸発器２１の冷却水配管２１ａから排出される冷却水の温度は１５℃であった。

次に、凝縮器２２に供給する冷却水の流量を４Ｌ/minとした。この場合、凝縮器２２から排出される冷却水の温度は２７．４℃であった。凝縮器２２に供給する冷却水の流量を１Ｌ/min〜２Ｌ/minにしたところ、凝縮器２２から排出される冷却水の温度は２８．８℃〜３１．６℃となった。

次いで、冷却水の流量を１Ｌ/min以下にしたところ、凝縮器２２から排出される冷却水の温度は３４℃となった。このとき、結露センサ５３ｂにより吸着器２２ｂ内で結露が発生したことが確認された。このため、凝縮器２２に供給する冷却水の流量を２Ｌ/minに戻した。

このように、凝縮器２２のインレット側とアウトレット側とにおける冷却水の温度差と結露の有無とにより凝縮器２２に供給する冷却水の流量を適宜調整した。その結果、吸着器２３ｂ内での結露を回避しつつ、外気を利用して凝縮器２２から排出される冷却水を冷却できることが確認された。なお、空冷装置２９の冷却能力が不足するおそれがある場合は、前述したようにフィン２９ａに少量の水をスプレーすることにより、空冷装置２９の冷却能力を向上させることができる。

（２）第２の実施形態
図８は第２の実施形態の吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図である。

図８に例示した吸着式ヒートポンプシステムは、２台の吸着式ヒートポンプ６０ａ，６０ｂと、制御部７０と、空冷装置８１，８４と、温水供給源８２と、冷却水タンク８３と、切り替えユニット７１，７２とを有している。なお、実際には空冷装置８１，８４、温水供給源８２及び冷却水タンク８３にそれぞれポンプが接続されているが、図８ではそれらのポンプの図示を省略している。

吸着式ヒートポンプ６０ａ，６０ｂは蒸発／凝縮器６１と、吸着器６２とを有し、吸着式ヒートポンプ６０ａ，６０ｂ内は例えば１／１００気圧〜１／１０気圧程度に減圧されている。

蒸発／凝縮器６１は、冷却水が通流する伝熱配管６３と、冷媒を貯留するバット６４とを有する。伝熱配管６３には、プレートフィン６３ａが設けられている。伝熱配管６３のインレット側には温度センサ７５ａ及び流量センサ７６が配置されており、アウトレット側には温度センサ７５ｂが配置されている。

吸着器６２は、伝熱配管６５と吸着剤６６とを有する。伝熱配管６５のインレット側には温度センサ７３ａ及び流量センサ７４が配置されており、アウトレット側には温度センサ７３ｂが配置されている。

なお、図８では蒸発／凝縮器６１の上方に吸着器６２が配置されているが、吸着器６２は蒸発／凝縮器６１の側方に配置されていてもよい。また、本実施形態においても、吸着式ヒートポンプ６０ａ，６０ｂ内に封入する冷媒として、水を使用するものとする。

空冷装置８１，８４は、第１の実施形態と同様に、プレートフィンが取り付けられた配管と、プレートフィンに向けて外気を吹き付ける送風ファンとを有している。また、温水供給源８２は、電子機器等から排出される熱により温められた温水を供給する。

更に、冷却水タンク８３は、吸着式ヒートポンプ６０ａ，６０ｂにより冷却された冷却水を貯留する。この冷却水タンク８３に貯留された冷却水は、室内の空調や電子機器の冷却等に使用される。

制御部７０は、切り替えユニット７２を制御して、吸着式ヒートポンプ６０ａ，６０ｂに吸着工程と再生工程とを交互に実施させる。

以下、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムにおける吸着式ヒートポンプの駆動方法について説明する。ここでは、初期状態において、吸着式ヒートポンプ６０ａの吸着器６２の吸着剤６６は水分を吸着した状態であり、吸着式ヒートポンプ６０ｂの吸着器６２の吸着剤６６は乾燥した状態であるとする。

この場合、制御部７０は、切り替えユニット７１を制御して、吸着式ヒートポンプ６０ａの吸着器６２と温水供給源８２とを接続し、吸着式ヒートポンプ６０ｂの吸着器６２と空冷装置８１とを接続する。これと同時に、制御部７０は、切り替えユニット７２を制御して、吸着式ヒートポンプ６０ａの蒸発／凝縮器６１と空冷装置８４とを接続し、吸着式ヒートポンプ６０ｂの蒸発／凝縮器６１と冷却水タンク８３とを接続する。

そうすると、吸着式ヒートポンプ６０ａの吸着器６２には温水が供給され、吸着剤６６に吸着されていた水分が蒸発して水蒸気が発生する。この水蒸気は蒸発／凝縮器６１で冷却されて液体となり、バット６４に貯留される。

一方、吸着式ヒートポンプ６０ｂでは、吸着器６２の吸着剤６６に水分が吸着され、吸着式ヒートポンプ６０ｂ内の圧力が減少する。これにより、バット６４に貯留されている水が蒸発して伝熱配管６３から潜熱を奪うため、伝熱配管６３を通流する冷却水の温度が低下する。

一定の時間が経過すると、制御部７０は切り替えユニット７１を制御して、吸着式ヒートポンプ６０ａの吸着器６２と空冷装置８１とを接続し、吸着式ヒートポンプ６０ｂの吸着器６２と温水供給源８２とを接続する。これと同時に、制御部７０は、切り替えユニット７２を制御して、吸着式ヒートポンプ６０ａの蒸発／凝縮器６１と冷却水タンク８３とを接続し、吸着式ヒートポンプ６０ｂの蒸発／凝縮器６１と空冷装置８４とを接続する。

そうすると、吸着式ヒートポンプ６０ａでは、吸着器６２の吸着剤６６に水分が吸着され、吸着式ヒートポンプ６０ａ内の圧力が減少する。これにより、バット６４に貯留されている水が蒸発して伝熱配管６３から潜熱を奪うため、伝熱配管６３を通流する冷却水の温度が低下する。

一方、吸着式ヒートポンプ６０ｂの吸着器６２には温水が供給され、吸着剤６６に吸着されていた水分が蒸発して水蒸気が発生する。この水蒸気は、蒸発／凝縮器６１で冷却され凝縮して液体となり、バット６４に貯留される。

このように、一定の時間毎に制御部７０が切り替えユニット７１，７２を制御することにより、冷却水タンク８３には連続的に低温の冷却水が供給される。

制御部７０は、温度センサ７３ａ，７３ｂ，７５ａ，７５ｂ及び流量センサ７４，７６により、吸着式ヒートポンプ６０ａ，６０ｂの各伝熱配管６５，６３のインレット側及びアウトレット側の冷却水又は温水の温度と、冷却水又は温水の流量とを取得する。そして、吸着工程を実施中の吸着器６２の吸着熱量と再生工程を実施中の蒸発／凝縮器６１の凝縮熱量とが同一となるように、空冷装置８４から蒸発／凝縮器６１に供給する冷却水の水量を調整する。

本実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムにおいても、第１の実施形態と同様に、散水式クーリングタワー等の大型の設備が不要であり、小規模の施設でも使用することができる。

Claims (7)

1. 冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器と、前記冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間に並列に配置されて、前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤と、一定の時間毎に温水が通流する伝熱配管とを有する複数の吸着器とを備えた吸着式ヒートポンプと、
   前記吸着式ヒートポンプの前記凝縮器から排出される冷却液を空冷して再度前記凝縮器に供給する空冷装置と、
   前記凝縮器に供給される前記冷却液の温度と前記凝縮器から排出される前記冷却液の温度との差が予め設定された温度以上であり、且つ前記温水が通流する前記吸着器内で結露が発生しないように、前記凝縮器に供給する前記冷却液の流量を制御する制御部と
   を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプシステム。
2. 前記吸着器内の結露の有無を検出するセンサを有し、前記センサから出力される信号が前記制御部に入力されることを特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
3. 前記制御部は、前記温水が通流する前記吸着器の吸着熱量と前記凝縮器の凝縮熱量とが同じになるように、前記凝縮器に供給する前記冷却液の流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
4. 前記蒸発器と前記吸着器との間、及び前記凝縮器と前記吸着器との間には、圧力差により自動的に開閉する差圧駆動式バルブが配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
5. 吸着式ヒートポンプの凝縮器から排出される冷却液を空冷装置で冷却する吸着式ヒートポンプの駆動方法であって、
   前記吸着式ヒートポンプは、冷媒の蒸気を凝縮する前記凝縮器と、前記冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、前記蒸発器と前記凝縮器との間に並列に配置されて、前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤と、一定の時間毎に温水が通流する伝熱配管とを有する複数の吸着器とを有し、
   前記凝縮器に供給される前記冷却液の温度と前記凝縮器から排出される前記冷却液の温度との差が予め設定された温度以上であり、且つ前記温水が通流する前記吸着器内で結露が発生しないように、前記凝縮器に供給する前記冷却液の流量を制御することを特徴とする吸着式ヒートポンプの駆動方法。
6. 前記空冷装置は、屋外に設置することを特徴とする請求項５に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。
7. 前記温水が、電子機器から排出された熱により温められたものであることを特徴とする請求項５又は６に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

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