JP6065882B2 - 吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法に関する。

吸着式ヒートポンプとして、特許文献１には、蒸発器、吸着器および蓄熱反応器を備え、蓄熱反応器は熱を蓄熱すると共に、熱媒の蒸発潜熱以上の熱を吸着器に対し放熱し、再生温度以上の熱を作用させることで吸着器を再生する構成が記載されている。

特開２０１４−４０９５９号公報

吸着式ヒートポンプシステムでは、吸着質を吸着した吸着器を再生するにはエネルギーが必要であり、効率的な冷熱生成が望まれる。

本発明は上記事実を考慮し、効率的な冷熱生成を行うことを課題とする。

請求項１に記載の発明では、吸着質を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器の前記吸着質を吸着し前記蒸発器で冷熱を生成させる第一吸着器と、前記第一吸着器に吸着された前記吸着質を吸着し前記第一吸着器で冷熱を生成させる第二吸着器と、を有する。

この吸着式ヒートポンプシステムでは、第一吸着器で、蒸発器の吸着質を吸着する。すなわち、蒸発器では吸着質が蒸発し、冷熱が生成される。

第二吸着器は、第一吸着器に吸着された吸着質を吸着する。すなわち、第一吸着器が減圧される。第一吸着器では吸着質が蒸発し、第一吸着器の吸着剤の一部が再生される。そして、第一吸着器では冷熱が生成されると共に、蒸発した吸着質が第二吸着器で吸着される。

すなわち、この吸着式ヒートポンプシステムでは、第一吸着器の再生時に吸着質が脱着する際の脱着エネルギーを用いて、冷熱を生成できる。したがって、この脱着エネルギーを冷熱生成に使用しない構成と比較して、効率的な冷熱生成が可能である。

さらに、請求項１に記載の発明では、前記第一吸着器及び前記第二吸着器の吸着剤の組み合わせが、前記第一吸着器で前記吸着質を脱着した後の第一平衡圧力に対し、前記脱着された前記吸着質を前記第二吸着器で吸着した後の第二平衡圧力が前記第一平衡圧力以下となる組み合わせである。

これにより、第一吸着器で脱着された吸着質を第二吸着器で吸着させる動作を確実に行わせることが可能となる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、前記第二吸着器の吸着容量が前記第一吸着器の吸着容量よりも大きい。

このように、第二吸着器の吸着容量が第一吸着器の吸着容量よりも大きいと、第一吸着器の吸着質を確実に（好ましくは吸着された全量に近い量を）第二吸着器で吸着することが可能である。

請求項３に記載の発明では、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記吸着質が水又はアンモニアである。

すなわち、汎用性の高い水又はアンモニアを吸着質として用いることで、低コストで吸着式ヒートポンプシステムを構成できる。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、前記蒸発器が、導入された気体状の前記吸着質を凝縮する凝縮器を兼ね、複数第一吸着器をバイパスして前記蒸発器と前記第二吸着器とを接続するバイパス配管を有する。

バイパス配管により、第一吸着器をバイパスして、第二吸着器と蒸発器とを接続することで、第二吸着器で脱着された吸着質を蒸発器に移動させることができ、第二吸着器の再生が簡易に行える。

請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、前記第一吸着器が複数備えられ、前記蒸発器及び前記第二吸着器との接続方向に対し並列に配置される。

したがって、並列配置された複数の第一吸着器により、異なる処理を行うことが可能である。たとえば、特定の第一吸着器では蒸発器の吸着質を吸着し、他の第一吸着器では、第二吸着器の吸着質を吸着して第二吸着器の再生に利用することが可能である。

請求項６に記載の発明では、前記第一吸着器と前記第二吸着器の間に、前記吸着質を凝縮させる凝縮器を備える。

凝縮器により、第二吸着器で脱着された吸着質を凝縮することで、第二吸着器の再生を効率的に行うことが可能である。

請求項７に記載の発明では、吸着質を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器の前記吸着質を吸着する第一吸着器と、前記第一吸着器に吸着された前記吸着質を吸着する第二吸着器と、を用い、前記第一吸着器及び前記第二吸着器の吸着剤の組み合わせが、前記第一吸着器で前記吸着質を脱着した後の第一平衡圧力に対し、前記脱着された前記吸着質を前記第二吸着器で吸着した後の第二平衡圧力が前記第一平衡圧力以下となる組み合わせとされ、前記第一吸着器で前記蒸発器の前記吸着質を吸着して前記蒸発器で冷熱を生成し、前記第二吸着器で前記第一吸着器の前記吸着質を吸着して前記第一吸着器で冷熱を生成する。

この冷熱生成方法では、第一吸着器で、蒸発器の吸着質を吸着する。すなわち、蒸発器では吸着質が蒸発し、冷熱が生成される。

さらに、第二吸着器は、第一吸着器を減圧させる。第一吸着器では吸着質が蒸発し、第一吸着器の吸着剤の一部が再生される。そして、第一吸着器では冷熱が生成されると共に、蒸発した吸着質が第二吸着器で吸着される。

このように、第二吸着器によって、第一吸着器の再生時に吸着質が脱着する際の脱着エネルギーを用いて、冷熱を生成できる。したがって、この脱着エネルギーを冷熱生成に使用しない構成と比較して、効率的な冷熱生成が可能である。

請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の発明において、前記蒸発器が、導入された気体状の前記吸着質を凝縮する凝縮器を兼ね、前記第二吸着器の再生時に前記第二吸着器の前記吸着質を前記第一吸着器に吸着させ、又は前記蒸発器で凝縮させる。

すなわち、第二吸着器の再生に、第一吸着器または蒸発器を用いるので、第二吸着器を効率的に再生できる。

本発明は上記構成としたので、効率的な冷熱生成を行うことが可能である。

本発明の第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。 各種の吸着剤の吸着等温線を示すグラフである。 本発明の第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける冷熱生成状態を示す説明図である。 本発明の第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける冷熱生成状態を示す説明図である。 本発明の第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける再生状態を示す説明図である。 本発明の第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける再生状態を示す説明図である。 本発明の第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける再生状態を示す説明図である。 ＡＬＰＯ５の１５℃における吸着等温線を示すグラフである。 ＡＬＰＯ５の３０℃における吸着等温線を示すグラフである。 本発明の第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。

図１には、本発明の第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステム（以下では「ヒートポンプ」と略記する）１２が示されている。

ヒートポンプ１２は、蒸発／凝縮器１４、第一吸着器２０、第二吸着器２２を有する。本実施形態の蒸発／凝縮器１４は、蒸発器としての機能と、凝縮器としての機能とを併せ持っている。すなわち、内部の液体の吸着質にエネルギー（温熱）が作用すると、この吸着質が蒸発され、その際に冷熱が生成される。また、外部から流入した気体の吸着質からエネルギーを奪うと、吸着質が凝縮される。

第一吸着器２０及び第二吸着器２２には、それぞれ、異なる種類の吸着剤が収容されている。第二吸着器２２の吸着剤は、第一吸着器２０の吸着剤よりも高い再生温度の熱で吸着質を脱着させる材料が選択される。

本実施形態では、第一吸着器２０の吸着剤は、たとえばＡＱＳＯＡ−Ｚ０５（「ＡＱＳＯＡ」は三菱樹脂の登録商標）であり、第二吸着器２２の吸着剤は、たとえば、Ｙ型ゼオライトである。また、吸着質としては、たとえば、水あるいはアンモニアを用いることができる。水及びアンモニアは、ヒートポンプ１２において求められる条件（温度及び圧力）で吸着剤に対し吸着及び脱着し、しかも安価に調達できる。

蒸発／凝縮器１４、第一吸着器２０及び第二吸着器２２は、この順で、接続配管１６Ａ、１６Ｂにより直列状に接続される。

接続配管１６Ａには、開閉弁１８Ａが設けられる。開閉弁１８Ａが開弁されると、第一吸着器２０から蒸発／凝縮器１４への吸着質の移動が可能である。接続配管１６Ｂには、開閉弁１８Ｂが設けられる。開閉弁１８Ｂが開弁されると、第二吸着器２２から第一吸着器２０への吸着質の移動が可能である。

蒸発／凝縮器１４と第二吸着器２２とは、第一吸着器２０をバイパスするバイパス配管２４により接続される。バイパス配管２４には、バイパス弁２６が設けられる。バイパス弁２６が開弁されると、第二吸着器２２から第一吸着器２０を経由することなく、蒸発／凝縮器１４への直接的な吸着質の移動が可能である。

蒸発／凝縮器１４には、２つの熱源（低温熱源２８Ｌ及び中温熱源２８Ｍ）を接続する接続管３０Ａが設けられる。接続管３０Ａは熱源側において、それぞれの熱源に対応して分岐しており、分岐部分には、開閉弁３２Ｌ、３２Ｍが設けられる。開閉弁３２Ｌ、３２Ｍが開弁されると、熱源から熱交換媒体が蒸発／凝縮器１４に流れ、蒸発／凝縮器１４で熱交換されて熱源に戻る。

第一吸着器２０には、３つの熱源（低温熱源２８Ｌ、中温熱源２８Ｍ及び高温熱源２８Ｈ）を接続する接続管３０Ｂが設けられる。接続管３０Ｂは熱源側において、それぞれの熱源に対応して分岐しており、分岐部分には、開閉弁３４Ｌ、３４Ｍ、３４Ｈが設けられる。開閉弁３４Ｌ、３４Ｍ、３４Ｈが開弁されると、熱源から熱交換媒体が第一吸着器２０に流れ、第一吸着器２０で熱交換されて熱源に戻る。

第二吸着器２２には、２つの熱源（中温熱源２８Ｍ及び高温熱源２８Ｈ）を接続する接続管３０Ｃが設けられる。接続管３０Ｃは熱源側において、それぞれの熱源に対応して分岐しており、分岐部分には、開閉弁３６Ｍ、３６Ｈが設けられる。開閉弁３６Ｍ、３６Ｈが開弁されると、熱源から熱交換媒体が第二吸着器２２に流れ、第二吸着器２２で熱交換されて熱源にもとる。

低温熱源２８Ｌ、中温熱源２８Ｍ及び高温熱源２８Ｈの具体例は特に限定されないが、中温熱源２８Ｍは低温熱源２８Ｌよりも高温であり、高温熱源２８Ｈは中温熱源２８Ｍよりも高温である。たとえば、低温熱源２８Ｌとしては、冷却対象を冷却する（冷熱を得る）ために管路２９Ｌを循環している冷媒の熱源を挙げることができる。中温熱源２８Ｍとしては、冷却対象の外部（室外）において外部と熱交換するために管路２９Ｍを流れる熱交換媒体の熱源を挙げることができる。高温熱源２８Ｈとしては、ヒートポンプ１２を再生するために管路２９Ｈを流れる熱交換媒体の熱源を挙げることができる。

次に、本実施形態のヒートポンプ１２を用いて冷熱を生成する方法、及び本実施形態のヒートポンプ１２の作用を説明する。以下において、特に開弁状態であると明記した開閉弁以外の開閉弁は、閉弁されている。

ヒートポンプ１２を用いて冷熱を生成するには、以下に詳述するように、冷熱生成工程と、再生工程とを交互に行う。なお、以下において具体例を挙げる場合には、前記したように、第一吸着器２０の吸着剤としてＡＱＳＯＡ−Ｚ０５、第二吸着器２２の吸着剤としてＹ型ゼオライトをそれぞれ用いた例を示す。

＜冷熱生成工程＞

（冷熱生成ステップ１）

冷熱生成工程では、冷熱生成ステップ１を行う。冷熱生成ステップ１では、図３に示すように、開閉弁３２Ｌを開弁して、蒸発／凝縮器１４に低温熱源２８Ｌから熱交換媒体を移動可能とする。また、開閉弁３４Ｍを開弁して、第一吸着器２０に中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を移動可能とする。そして、開閉弁１８Ａを開弁する。

これにより、蒸発／凝縮器１４で吸着質が蒸発し、図３に矢印Ｆ１で示すように、この吸着質が第一吸着器２０で吸着される。

ここで、低温熱源２８Ｌとして取り出す温度Ｔ１（得ようとする冷熱の温度）を１５［℃］、中温熱源２８Ｍの温度Ｔ２（室外の環境温度）を３０［℃］とする。第一吸着器２０における相対圧φ２は、蒸発／凝縮器１４の上記温度Ｔ１における飽和蒸気圧Ｐ１、第一吸着器２０の上記温度Ｔ２における飽和蒸気圧Ｐ２を用いて、φ２＝Ｐ１／Ｐ２となる。Ｐ１＝１．５［ｋＰａ］、Ｐ２＝４．３［ｋＰａ］とすると、φ２≒０．３４８である。

図２には、第一吸着器２０又は第二吸着器２２に用いられる吸着剤の各種の例について、相対圧と吸着量との関係が示されている。第一吸着器２０の吸着剤であるＡＱＳＯＡ−Ｚ０５は、相対圧φ２が０．３４８のとき、吸着可能な量の略全量を吸着できることが分かる。蒸発／凝縮器１４で蒸発した吸着質を第一吸着器２０で吸着することで、１５℃の冷熱を生成可能である。

次に、冷熱生成ステップ２を行う。冷熱生成ステップ２では、まず、図４に示すように、開閉弁３２Ｌ、３４Ｍ、１８Ａを閉じる。

そして、開閉弁３４Ｌを開弁して、第一吸着器２０に低温熱源２８Ｌから熱交換媒体を移動可能とする。さらに、開閉弁３６Ｍを開弁して、第二吸着器２２に中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を移動可能とする。そして、開閉弁１８Ｂを開弁する。

これにより、第一吸着器２０で吸着質が蒸発し、図４に矢印Ｆ２で示すように、この吸着質が第二吸着器２２で吸着される。

ここで、上記と同様に、低温熱源２８Ｌとして取り出す温度Ｔ１（得ようとする冷熱の温度）を１５［℃］、中温熱源２８Ｍの温度Ｔ２（室外の環境温度）を３０［℃］とする。第一吸着器２０における相対圧φ１は、第二吸着器２２の上記温度Ｔ２における平衡圧Ｐ３、第一吸着器２０における上記温度Ｔ１における飽和蒸気圧Ｐ４を用いて、φ１＝Ｐ３／Ｐ４と定義される。実質的に、Ｐ４≒Ｐ１である。

図２に示すＹ型ゼオライトの吸着等温線において、相対圧が０．０５になるまでＹ型ゼオライトを使用すると仮定した場合、第二吸着器２２の温度Ｔ２における平衡圧Ｐ３は、Ｐ３＝Ｐ２×０．０５＝４．３［ｋＰａ］×０．０５＝０．２１５［ｋＰａ］となる。

これにより、φ１＝０．１４３となる。図２のグラフから、第一吸着器２０の吸着剤であるＡＱＳＯＡ−Ｚ０５は、相対圧が０．１４３のとき、略全量を脱着できるため、１５℃の冷熱を生成可能である。

以上の説明から分かるように、冷熱生成ステップ２では、第一吸着器２０から吸着質を脱着することで、第一吸着器２０を再生している。そして、第一吸着器２０の再生時に吸着質が脱着する際の脱着エネルギーを利用して、冷熱を生成している。

＜再生工程＞

冷熱生成工程を行うと、特に冷熱生成ステップ２において、第二吸着器２２に吸着質が吸着されるため、以下の再生方法を行うことで再生する。

［第一再生方法］

第一再生方法は、第一吸着器２０を用いない再生方法である。第一再生方法では、図５に示すように、開閉弁３２Ｍを開弁し、蒸発／凝縮器１４に中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を移動可能とする。また、開閉弁３６Ｈを開弁して、第二吸着器２２に高温熱源２８Ｈから熱交換媒体を移動可能とする。そして、バイパス弁２６を開弁する。

これにより、高温熱源２８Ｈの熱を受けて第二吸着器２２の吸着質が脱着され、第二吸着器２２が再生される。たとえば、高温熱源２８Ｈの温度を２００［℃］とすると、第二吸着器２２の相対圧は０．００２５となる、図２のグラフから、Ｙ型ゼオライトは相対圧０．００２５では、十分に再生されることが分かる。第二吸着器２２に吸着されていた吸着質は、図５に矢印Ｆ３で示すように、蒸発／凝縮器１４に移動して凝縮される。

以上が第一再生方法である。なお、第一再生方法において、開閉弁３２Ｍに代えて、開閉弁３２Ｌを開弁してもよい。さらに、開閉弁３２Ｌを開弁する場合、低温熱源２８Ｌ及び中温熱源２８Ｍの温度によっては、開閉弁３６Ｈに代えて開閉弁３６Ｍを開弁することも可能である。

［第二再生方法］

第二再生方法は、第一吸着器２０を用いる再生方法であり、再生ステップ１及び再生ステップ２を交互に行う。なお、第二再生方法を行うにあたり、第一吸着器２０は、上記した冷熱生成方法、特に冷熱生成ステップ２において、吸着質が脱着されており、実質的に再生されている。

（再生ステップ１）

再生ステップ１では、図６に示すように、開閉弁３４Ｍを開弁し、第一吸着器２０へ中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を移動可能とする。また、開閉弁３６Ｈを開弁し、第二吸着器２２へ高温熱源２８Ｈから熱交換媒体を移動可能とする。そして、開閉弁１８Ｂを開弁する。

これにより、高温熱源２８Ｈの熱を受けて第二吸着器２２の吸着質が脱着され、第二吸着器２２が再生される。第一再生方法と同様に、Ｙ型ゼオライトを相対圧０．００２５まで再生する場合、高温熱源２８Ｈの温度は、１４５℃程度あればよい。第二吸着器２２に吸着されていた吸着質は、第一吸着器２０に移動して吸着される。

（再生ステップ２）

第一吸着器２０が吸着平衡（たとえば相対圧０．３程度）に達すると、再生ステップ２を行う。再生ステップ２では、図７に示すように、開閉弁３２Ｍを開弁し、蒸発／凝縮器１４へ中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を移動可能とする。また、開閉弁３４Ｈを開弁し、第一吸着器２０へ高温熱源２８Ｈから熱交換媒体を移動可能とする。そして、開閉弁１８Ａを開弁する。なお、図７では、開閉弁３６Ｈも開弁しているが、開閉弁３６Ｈは閉弁されていてもよい。

これにより、高温熱源２８Ｈの熱を受けて第一吸着器２０の吸着質が脱着され、第一吸着器２０が再生される。第一吸着器２０に吸着されていた吸着質は、蒸発／凝縮器１４に移動して凝縮される。

以上が第二再生方法である。

第二吸着器２２の再生には、上記した第一再生方法及び第二再生方法のいずれも適用可能である。第二再生方法では、第一再生方法と比較して、高温熱源２８Ｈの温度が低くても、第二吸着器２２を再生できる。第一再生方法では、第二再生方法と比較して、第一吸着器２０において吸着質の吸着と脱着とを繰り返さないので、第二吸着器２２の再生に必要な総エネルギーは小さくなり、効率的に第二吸着器２２を再生できる。

なお、上記では、２つの吸着器（第一吸着器２０及び第二吸着器２２）を備えた構成を例示したが、３つ以上の吸着器を直列状に配置してもよい。たとえば、Ｎ個（Ｎは自然数）の吸着器を直列状に配置した構成を考える。蒸発／凝縮器１４から最も遠い位置の吸着器における吸着質の反応量をｘ、ｉ番目の吸着器における吸着質の単位質量あたりの反応熱をΔＨｉとすると、ヒートポンプ全体で得られる冷熱Ｌは、

となる。

これに対し、ヒートポンプの再生に必要なエネルギーＲは、Ｎ番目の吸着器における吸着質を脱着させればよいのであるから、Ｒ＝ｘ・ΔＨ_Ｎとなる。そして、ヒートポンプにおける冷熱の生成効率Ｅは、Ｅ＝Ｌ／Ｒとなる。第一実施形態において、蒸発／凝縮器１４の蒸発潜熱が約２．４２［ｋＪ／ｇ］、第一吸着器２０の吸脱着熱が約３．２［ｋＪ／ｇ］、第二吸着器２２の吸脱着熱が約３．２［ｋＪ／ｇ］として冷熱生成効率Ｅを計算すると、約１．７６となる。

実際上は、第一吸着器２０から吸着質が脱着されるときには、顕熱ロスが発生する。ここで、第二吸着器２２の吸着剤の比熱をＣ_ａ［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］第一吸着器２０で脱着され第二吸着器２２で吸着される吸着質の量をｑ［ｇ／ｇ］、吸着質の比熱をＣ_ｍ［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］、第一吸着器２０における脱着時のエネルギーをΔＨとして、（Ｃ_ａ＋ｑ・Ｃ_ｍ）・（Ｔ２−Ｔ１）＜ｑ・ΔＨ （２）を満たす吸着量ｑをもった吸着剤であればよい。

図８には、ＡＱＳＯＡ−Ｚ０５（ＡＬＰＯ５）の１５［℃］における吸着等温線が、図９には同じくＡＱＳＯＡ−Ｚ０５の３０［℃］における吸着等温線が示されている。図８において、一点鎖線が吸着時、二点鎖線が脱着時の吸着等温線である。

図８及び図９において、圧力Ｐ１（約９００［Ｐａ］）から圧力Ｐ２（約４００［Ｐａ］）に低下したときを考えると、ｑ＝０．２［ｇ／ｇ］である。また、ＡＱＳＯＡ−Ｚ０５の比熱Ｃ_ａの値は１［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］、反応熱はΔＨ＝２．５［ｋＪ／ｇ］とする。吸着質としては水を用いる場合を想定すると、水の比熱Ｃ_ｍ＝４．２［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］である。

これにより、上記式（２）の左辺＝（１［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］＋０．２［ｇ／ｇ］×４．２［Ｊ／（ｇ・Ｋ）］）×（３０［Ｋ］−１５［Ｋ］）＝２７．６「Ｊ／ｇ］、右辺＝０．２［ｇ／ｇ］×２．５［ｋＪ／ｇ］×１０００［Ｊ／ｋＪ］＝５００［Ｊ／ｇ］となり、式（２）の条件に適合することが分かる。

また、本実施形態において、第一吸着器２０および第二吸着器２２の吸着剤は、第一吸着器２０で脱着した吸着質を第二吸着器２２で吸着できる組み合わせであればよい。たとえば、温度Ｔ１において第一吸着器２０で吸着質を脱着した後の平衡圧力を第一平衡圧力とし、温度Ｔ２において第二吸着器２２で吸着質を吸着した後の平衡圧力を第二平衡圧力とする。この場合、第二平衡圧力が第一平衡圧力以下となる吸着剤の組み合わせを適用できる。この条件を満たせば、第一吸着器２０で脱着した吸着質を、第二吸着器２２で効果的に吸着できる。

なお、上記した吸着剤の選択（組み合わせ）については、吸着器が３つ以上の構成にも適用できる。この場合、隣り合う２つの吸着器において、相対的に蒸発／凝縮器１４に近い吸着器を第一吸着器２０、遠い吸着器を第二吸着器２２とみなして、上記した条件を適用すればよい。ただし、吸着器があまりに多くなると、ヒートポンプ１２の構造が複雑になる。したがって、ヒートポンプ１２の構造の複雑化を抑制しつつ、所望の冷熱を生成する観点からは、吸着器の数は、吸着質が水の場合で２つ、アンモニアの場合で３つ程度とすればよい。

図１０には、本発明の第二実施形態のヒートポンプ５２が示されている。第二実施形態において、第一実施形態と同一の構成要素、部材等については同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

第二実施形態のヒートポンプ５２は、第一吸着器２０を２つ備える。以下において、これらの第一吸着器２０を必要に応じて、第一吸着器２０Ａ、第一吸着器２０Ｂとして区別する。

第一吸着器２０Ａと第一吸着器２０Ｂとは、蒸発／凝縮器１４及び第二吸着器２２との接続方向、及び、第一吸着器２０と第二吸着器２２にいたる直列方向に対し、並列方向に配置されている。第二実施形態では、接続配管１６Ａは第一吸着器２０側で分岐しており、分岐部分のそれぞれに開閉弁１８Ａが設けられる。接続配管１６Ｂも、第一吸着器２０側で分岐しており、分岐部分のそれぞれに開閉弁１８Ｂが設けられる。

また、第二実施形態では、第一吸着器２０と第二吸着器２２の間に凝縮器５４が備えられる。凝縮器５４は、たとえば、第一吸着器２０から第二吸着器２２へ吸着質が移動するときは、吸着質の移動に抵抗を生じさせないように機能する。これに対し、第二吸着器２２から第一吸着器２０に向かって吸着質が移動しようとするときは、吸着質の一部または全部を凝縮（液化）する。

凝縮器５４には、接続管３０Ｄにより、低温熱源２８Ｌが接続される。接続管３０Ｄは開閉弁５６により開閉される。凝縮器５４と第二吸着器２２の間の接続配管１６Ｂには、開閉弁１８Ｃが設けられる。

上記構成とされた第二実施形態のヒートポンプ５２では、たとえば、２つの第一吸着器２０Ａ、２０Ｂを一体的な１つの第一吸着器２０とみなして、同時に運転することが可能である。

さらに、第二実施形態のヒートポンプ５２では、２つの第一吸着器２０Ａ、２０Ｂに対し、異なった動作をさせることも可能である。たとえば、第一吸着器２０Ａでは、蒸発／凝縮器１４で脱着された吸着質を吸着する動作を行い、第一吸着器２０Ｂでは、吸着質を脱着させて、第二吸着器２２で吸着させる（第一吸着器２０Ｂは再生されつつ冷熱生成する）動作を行うことが可能である。また、第一吸着器２０Ａで、蒸発／凝縮器１４の吸着質を吸着する動作を行っているときに、第二吸着器２２を再生させ、第二吸着器２２で脱着された吸着質を第一吸着器２０Ｂで吸着する動作を行ってもよい。

さらに第二実施形態のヒートポンプ５２では、第二吸着器２２の再生時に脱着された吸着質の一部または全部を凝縮器５４で凝縮することが可能である。これにより、第二吸着器２２の吸着質を第一吸着器２０で吸着する際の第一吸着器２０の負荷が少なくなる。

第二実施形態のヒートポンプ５２では、上記のように、並列配置された複数の第一吸着器２０を有する構成である。この構成では、第二吸着器２２の吸着容量が、第一吸着器２０の全体での吸着容量よりも大きければ、複数の第一吸着器２０から交互に（あるいは順に）脱着させた吸着質を吸着でき、第一吸着器２０における連続的な冷熱生成を確実に行うことが可能である。

本発明の吸着器には、吸着剤によって吸着質を吸着及び脱着する構成に限定されず、たとえば、吸着質の飽和蒸気圧以下の圧力で吸着質と反応することで、系の圧力を飽和蒸気圧以下に下げることが可能な反応器であればよい。ここでいう反応には、物理吸着、化学吸着、吸収、化学反応等が含まれる。

１２ ヒートポンプ
１４ 蒸発／凝縮器（蒸発器の一例）
１６Ａ、１６Ｂ 接続配管
１８Ａ、１８Ｂ 開閉弁
２０、２０Ａ、２０Ｂ 第一吸着器
２２ 第二吸着器
２４ バイパス配管
２６ バイパス弁
２８Ｌ 低温熱源
２８Ｍ 中温熱源
２８Ｈ 高温熱源
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ 接続管
３２Ｌ、３２Ｍ 開閉弁
３４Ｌ、３４Ｍ、３４Ｈ 開閉弁
３６Ｍ、３６Ｈ 開閉弁
５２ ヒートポンプ
５４ 凝縮器

Claims (8)

1. 吸着質を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器の前記吸着質を吸着し前記蒸発器で冷熱を生成させる第一吸着器と、
   前記第一吸着器に吸着された前記吸着質を吸着し前記第一吸着器で冷熱を生成させる第二吸着器と、
   を有し、
   前記第一吸着器及び前記第二吸着器の吸着剤の組み合わせが、前記第一吸着器で前記吸着質を脱着した後の第一平衡圧力に対し、前記脱着された前記吸着質を前記第二吸着器で吸着した後の第二平衡圧力が前記第一平衡圧力以下となる組み合わせである吸着式ヒートポンプシステム。
2. 前記第二吸着器の吸着容量が前記第一吸着器の吸着容量よりも大きい請求項１に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
3. 前記吸着質が水又はアンモニアである請求項１又は請求項２に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
4. 前記蒸発器が、導入された気体状の前記吸着質を凝縮する凝縮器を兼ね、
   複数第一吸着器をバイパスして前記蒸発器と前記第二吸着器とを接続するバイパス配管を有する請求項１〜請求項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. 前記第一吸着器が複数備えられ、前記蒸発器及び前記第二吸着器との接続方向に対し並列に配置される請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
6. 前記第一吸着器と前記第二吸着器の間に、前記吸着質を凝縮させる凝縮器を備える請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
7. 吸着質を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器の前記吸着質を吸着する第一吸着器と、
   前記第一吸着器に吸着された前記吸着質を吸着する第二吸着器と、
   を用い、
   前記第一吸着器及び前記第二吸着器の吸着剤の組み合わせが、前記第一吸着器で前記吸着質を脱着した後の第一平衡圧力に対し、前記脱着された前記吸着質を前記第二吸着器で吸着した後の第二平衡圧力が前記第一平衡圧力以下となる組み合わせとされ、
   前記第一吸着器で前記蒸発器の前記吸着質を吸着して前記蒸発器で冷熱を生成させ、
   前記第二吸着器で前記第一吸着器の前記吸着質を吸着して前記第一吸着器で冷熱を生成させる冷熱生成方法。
8. 前記蒸発器が、導入された気体状の前記吸着質を凝縮する凝縮器を兼ね、
   前記第二吸着器の再生時に前記第二吸着器の前記吸着質を前記第一吸着器に吸着させ、又は前記蒸発器で凝縮させる請求項７に記載の冷熱生成方法。

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