JP6187232B2 - 吸着式ヒートポンプ及びその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプ及びそ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。データセンターでは、計算機等の電子機器の冷却のために、大量の電力が使用されている。

一方、省エネルギーの観点から、データセンターで消費する電力の削減が要求されている。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、エネルギーとして再生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２００２−１００８９１号公報 特開２００９−１２１７４０号公報 特開平１０−３００２７１号公報

小型で且つ冷熱出力が大きい吸着式ヒートポンプ及びそ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、冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を通流させ、所定のタイミングで前記凝縮器に前記冷媒の蒸発に使用される温水を通流させる制御部とを有する吸着式ヒートポンプが提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、冷媒の蒸気を発生させる蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器とを有する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、前記凝縮器に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程と、前記凝縮器に前記冷媒の蒸発に使用される温水を供給する工程とを有する吸着式ヒートポンプの駆動方法が提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、冷媒の蒸気を発生させる蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、第１の熱交換器及び第２の熱交換器を備え、前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器とを有する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の両方に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程と、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のいずれか一方に前記冷媒の蒸発に使用される温水を供給し、他方に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程とを有する吸着式ヒートポンプの駆動方法が提供される。

上記一観点に係る吸着式ヒートポンプ及びその駆動方法によれば、凝縮器に温水を通流させることにより凝縮器の冷媒凝縮能力が回復する。これにより、小型化しても冷熱出力が大きい吸着式ヒートポンプが得られる。

図１は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの本体部分の模式図である。 図２は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御系を示す模式図である。 図３は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの第１の駆動方法を示すサイクル図である。 図４は、第１工程における温水及び冷却水の流路を示す図である。 図５は、第１工程後の回復工程における温水及び冷却水の流路を示す図である。 図６（ａ），（ｂ）は、回復工程前及び回復工程後の熱交換器のフィンの状態を示す図である。 図７は、第２工程における吸着式ヒートポンプのバルブの状態を示す模式図である。 図８は、第２工程における温水及び冷却水の流路を示す図である。 図９は、第２工程後の回復工程における温水及び冷却水の流路を示す図である。 図１０は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの第２の駆動方法を示すサイクル図である。 図１１は、第２の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの本体部分の模式図である。 図１２は、第２の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの駆動方法を示すサイクル図である。 図１３は、実験時の温水及び冷却水の流路を示す図である。 図１４は、実施例及び比較例の冷熱出力の経時変化を調べた結果を示す図である。 図１５は、第３の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの本体部分の模式図である。 図１６は、第３の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御系を示す模式図である。 図１７は、第３の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの駆動方法を示すサイクル図である。 図１８は、第２工程の開始直後における冷却水及び温水の流れを示す図である。 図１９は、第２工程の後半における冷却水及び温水の流れを示す図である。 図２０は、第１工程の開始直後における冷却水及び温水の流れを示す図である。 図２１は、第１工程の後半における冷却水及び温水の流れを示す図である。

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。

一般的な吸着式ヒートポンプは、蒸発器と、蒸発器の上方に配置された凝縮器と、蒸発器と凝縮器との間に並列に配置された２つの吸着器とを有する。蒸発器内には、冷水が通る冷水管と、液状の冷媒とが配置されている。冷媒には、例えば水やメタノールが使用される。

吸着式ヒートポンプでは、蒸発器内で冷媒が蒸発するときに潜熱を奪うことを利用して、冷水管を通る水を冷却する。冷水管から供給される冷水は、室内の空調や電子機器の冷却等に使用される。

蒸発器内で発生した冷媒の蒸気は、吸着器内に配置された吸着剤に吸着される。吸着剤には、例えばシリカゲルやゼオライトが使用される。

一方の吸着器で冷媒の蒸気を吸着している間、他方の吸着器では電子機器等で発生した熱（廃熱）により暖められた温水が供給され、吸着剤が乾燥（再生）される。

吸着剤の乾燥にともなって発生した冷媒の蒸気は、凝縮器に移動する。凝縮器には熱交換器が配置されており、この熱交換器には冷却水が供給される。凝縮器内に移動した冷媒の蒸気は、熱交換器内を通る冷却水により冷却されて凝縮し、液体となる。この液体は、配管を通って蒸発器に移動する。

ところで、吸着式ヒートポンプの冷熱出力（冷水供給能力）を向上させるためには、凝縮器内で凝縮される単位時間当たりの冷媒の量を増加させることが必要になる。そのためには、凝縮器内の熱交換器を大型化することが考えられる。

しかし、その場合は、熱交換器の大型化にともない凝縮器のサイズが大きくなり、吸着式ヒートポンプの設置場所が限定されてしまう。その結果、例えば吸着式ヒートポンプをサーバラック内に設置することは困難になる。

一般的に、凝縮器内に配置される熱交換器にはフィンが設けられている。熱交換器の熱交換効率はフィンの表面積に関係するので、熱交換器のサイズを変えることなく蒸気の凝縮量を増やすために、フィンの配設ピッチを狭くしてフィンの数を増やすことが考えられる。

しかし、フィンの配設ピッチをある程度以上狭くすると、凝縮により発生した液体が表面張力によりフィン間に滞留し、フィン間への蒸気の進入が阻害されてしまう。これにより、熱交換器の熱交換効率が低下して、吸着式ヒートポンプの冷熱出力が減少してしまう。

以下の実施形態では、小型で且つ冷熱出力が大きい吸着式ヒートポンプ及びその駆動方法について説明する。

１．第１の実施形態
図１は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの本体部分の模式図である。

図１に示すように、本実施形態に係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１／１００ｋＰａ程度に減圧されている。

蒸発器１１内には冷媒１４が貯留されている。また、蒸発器１１内には、冷水が通る冷水管１１ａが設けられている。前述したように一般的な吸着式ヒートポンプでは冷媒１４として水又はメタノール等が使用されるが、本実施形態では冷媒１４として水を使用するものとする。冷媒１４として水以外のものを使用してもよい。

吸着器１３ａ，１３ｂ内には、それぞれ吸着剤（デシカント）１６を備えた熱交換器１５が配置されている。これらの熱交換器１５には、後述するように、温水と冷却水とが交互に供給される。

吸着器１３ａと蒸発器１１とはバルブ１７ａ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１７ｂを介して連結されている。

凝縮器１２内には、冷媒の蒸気を凝縮するための熱交換器１２ａが配置されている。この熱交換器１２ａには冷却水が供給されるが、後述するように回復工程のときには温水が供給される。

凝縮器１２と吸着器１３ａとの間にはバルブ１８ａ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１８ｂが配置されている。

バルブ１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂは、後述する制御部３０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１９により連結されている。

図２は、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０の制御系を示す模式図である。

図２において、温水供給部３１は電子機器等で発生した熱（廃熱）により暖められた温水を供給する部分である。ここでは、温水供給部３１から供給される温水の温度は７０℃程度とする。但し、温水供給部３１から供給される温水の温度は、上記の温度に限定されない。

冷却装置３２は吸着器１３ａ，１３ｂや凝縮器１２に供給する冷却水を冷却する部分である。冷却装置３２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、本実施形態では、冷却装置３２として、消費電力が比較的小さい散水式クーリングタワーを使用するものとする。

ここでは、冷却装置３２から供給される冷却水の温度は２５℃程度とする。但し、冷却装置３２は散水式クーリングタワーに限定されず、冷却装置３２から供給される冷却水の温度も上記の温度に限定されない。

図２に示すように、吸着器１３ａのインレット側配管３５ａと温水供給部３１から供給される温水が通る温水供給配管３３ａとは、バルブ４１ａを介して接続されている。また、吸着器１３ａのインレット側配管３５ａと冷却装置３２から供給される冷却水が通る冷却水供給配管３４ａとは、バルブ４４ａを介して接続されている。

更に、吸着器１３ａのアウトレット側配管３５ｂと温水供給部３１に戻る温水が通る温水戻り配管３３ｂとは、バルブ４１ｂを介して接続されている。更にまた、吸着器１３ａのアウトレット側配管３５ｂと冷却装置３２に戻る冷却水が通る冷却水戻り配管３４ｂとは、バルブ４４ｂを介して接続されている。

これと同様に、吸着器１３ｂのインレット側配管３６ａと温水供給配管３３ａとはバルブ４２ａを介して接続されており、吸着器１３ｂのインレット側配管３６ａと冷却水供給配管３４ａとはバルブ４５ａを介して接続されている。

更に、吸着器１３ｂのアウトレット側配管３６ｂと温水戻り配管３３ｂとはバルブ４２ｂを介して接続されており、吸着器１３ｂのアウトレット側配管３６ｂと冷却水戻り配管３４ｂとはバルブ４５ｂを介して接続されている。

また、凝縮器１２のインレット側配管３７ａと温水供給配管３３ａとはバルブ４３ａを介して接続されており、凝縮器１２のインレット側の配管３７ａと冷却水供給配管３４ａとはバルブ４６ａを介して接続されている。

更に、凝縮器１２のアウトレット側配管３７ｂと温水戻り配管３３ｂとはバルブ４３ｂを介して接続されており、凝縮器１２のアウトレット側配管３７ｂと冷却水戻り配管３４ｂとはバルブ４６ｂを介して接続されている。

これらのバルブ４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂは、いずれも制御部３０から出力される信号により開閉する。

以下、上述した吸着式ヒートポンプ１０の駆動方法について説明する。

なお、以下の説明では、吸着器１３ａに温水が供給され、吸着器１３ｂに冷却水が供給され、凝縮器１２に冷却水が供給されているときを第１工程という。また、吸着器１３ａに冷却水が供給され、吸着器１３ｂに温水が供給され、凝縮器１２に冷却水が供給されているときを第２工程という。更に、凝縮器１２に温水が供給されているときを回復工程という。

（第１の駆動方法）
図３は、吸着式ヒートポンプ１０の第１の駆動方法を示すサイクル図である。

まず、第１工程を実施するために、制御部３０は、吸着器１３ａと蒸発器１１との間のバルブ１７ａ、及び吸着器１３ｂと凝縮器１２との間のバルブ１８ｂを閉にする。また、制御部３０は、吸着器１３ｂと蒸発器１１との間のバルブ１７ｂ及び吸着器１３ａと凝縮器１２との間のバルブ１８ａを開にする（図１参照）。

更に、制御部３０は、バルブ４１ａ，４１ｂ，４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂを開にし、バルブ４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂを閉とする。これにより、図４に示すように、吸着器１３ａに温水が供給され、吸着器１３ｂ及び凝縮器１２に冷却水が供給される。

吸着器１３ｂでは、吸着剤１６が雰囲気中の水分を吸着するのにともなって吸着器１３ｂ内の圧力が低下する。吸着器１３ｂと蒸発器１１との間のバルブ１７ｂが開状態であるので、蒸発器１１内の圧力も低下し、それにともなって蒸発器１１内に貯留された水が蒸発して、冷水管１１ａから潜熱を奪う。

これにより、冷水管１１ａ内を通る水の温度が下がり、冷水管１１ａから冷水が供給される。この冷水は、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１７ｂを介して吸着器１３ｂ内に進入し、吸着剤１６に吸着される。

なお、吸着剤１６が水分を吸着するのにともなって熱を発生する。吸着剤１６の温度が上昇すると水分の吸着効率が低下するが、本実施形態では熱交換器１５内を流れる冷却水により吸着剤１６が冷却される。

一方、吸着器１３ａでは、熱交換器１５に供給される温水により吸着剤１６の温度が上昇し、吸着剤１６に吸着されている水分が水蒸気となって吸着剤１６から離脱する。これにより、吸着剤１６が乾燥（再生）される。吸着器１３ａで発生した水蒸気は、開状態のバルブ１８ａを通って凝縮器１２内に進入する。

吸着器１３ａから凝縮器１２内に進入した水蒸気は、熱交換器１２ａ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１９を介して蒸発器１１に移動する。

第１工程の開始から一定時間が経過すると、制御部３０は回復工程に移行すべく、バルブ４６ａ，４６ｂを閉とし、バルブ４３ａ，４３ｂを開とする。これにより、図５に示すように、凝縮器１２の熱交換器１２ａ内に温水が通流する。回復工程では、その他のバルブの開閉状態は前工程と同じである。

凝縮器１２内で水蒸気を凝縮することにより、例えば図６（ａ）に示すように熱交換器１２ａのフィン１２ｂ間には多量の水分２０が付着し、熱交換器１２ａの熱交換効率が低下する。しかし、フィン１２ｂに付着した水分２０は、回復工程において熱交換器１２ａ内に温水を通流することにより蒸発したり、又は蒸発にともなう水分２０の振動により滴下したりする。これにより、図６（ｂ）に示すようにフィン１２ｂに付着した水分２０が除去され、熱交換器１２ａの熱交換効率が回復する。

なお、凝縮器１２内で発生した水蒸気は、蒸気圧の差により配管１９を通って蒸発器１１に向けて移動し、配管１９内又は蒸発器１１内で凝縮して液体になる。

回復工程の開始から一定時間が経過すると、制御部３０は第２工程に移行すべく、図７に示すように吸着器１３ａと蒸発器１１との間のバルブ１７ａ、及び吸着器１３ｂと凝縮器１２との間のバルブ１８ｂを開にする。また、制御部３０は、吸着器１３ｂと蒸発器１１との間のバルブ１７ｂ、及び吸着器１３ａと凝縮器１２との間のバルブ１８ａを閉にする。

更に、制御部３０は、バルブ４２ａ，４２ｂ，４４ａ，４４ｂ，４６ａ，４６ｂを開にし、バルブ４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ，４５ａ，４５ｂを閉とする。これにより、図８に示すように、吸着器１３ａ及び凝縮器１２に冷却水が供給され、吸着器１３ｂに温水が供給される。

第２工程では、蒸発器１１で発生した水蒸気が吸着器１３ａ内の吸着剤１６により吸着される。また、吸着器１３ｂ内の吸着剤１６に吸着されていた水分が蒸発し、吸着器１３ｂ内の吸着剤１６が乾燥（再生）される。吸着剤１６の再生にともなって発生した水蒸気は、開状態のバルブ１８ｂを通って凝縮器１２内に移動し、冷却管１２ａ内を通る冷却水により凝縮されて水になる。

第２工程の開始から一定時間が経過すると、制御部３０は回復工程に移行すべく、バルブ４６ａ，４６ｂを閉とし、バルブ４３ａ，４３ｂを開とする。これにより、図９に示すように凝縮器１２の熱交換器１２ａ内に温水が通流し、回復工程が実施される。

このように、第１の駆動方法では、第１工程終了後及び第２工程終了後にそれぞれ回復工程を実施するので、第１工程及び第２工程で凝縮器１２の熱交換器１２ａに付着した水が蒸発する。これにより、熱交換器１２ａの熱交換効率が回復し、凝縮器１２内での単位時間当たりの冷媒凝縮量を一定以上に維持することができる。その結果、小型で且つ冷水供給能力が高い吸着式ヒートポンプが得られる。

（第２の駆動方法）
図１０は、吸着式ヒートポンプ１０の第２の駆動方法を示すサイクル図である。第１工程、第２工程及び回復工程における各バルブの動作は第１の駆動方法と基本的に同じであるので、ここではその説明を省略する。

図１０に示すように、第２の駆動方法では、第１工程に続けて第２工程を実施し、第２工程の終了直前に一定時間回復工程を実施する。

凝縮器１２で凝縮される水蒸気の量が多い場合は、第１の駆動方法のように第１工程終了後、及び第２工程終了後にそれぞれ回復工程を実施することが好ましい。しかし、凝縮器１２で凝縮される水蒸気の量がそれほど多くない場合は、第２の駆動方法のように、第１工程終了後には回復工程を実施しなくても、凝縮器１２内の熱交換器１２ａの熱交換効率を一定以上に維持することができる。

第２の駆動方法では第１の駆動方法に比べて回復工程の回数が少なく、吸着式ヒートポンプ１０の実質的な稼働率が向上する。

２．第２の実施形態
図１１は、第２の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの本体部分の模式図である。図１１において、図１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。

本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０の凝縮器１２のインレット側配管には、冷却水の温度を検出する温度センサ２１ａと冷却水の流量を検出する流量センサ２２ａとが設けられている。また、凝縮器１２のアウトレット側配管には、冷却水の温度を検出する温度センサ２１ｂと冷却水の流量を検出する温度センサ２１ｂとが設けられている。

これらの温度センサ２１ａ，２１ｂ及び流量センサ２２ａ，２２ｂの出力は制御部３０に送られる。制御部３０は、温度センサ２１ａ，２１ｂ及び流量センサ２２ａ，２２ｂの出力から、凝縮器１２の凝縮熱量を計算する。

図１２は、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプの駆動方法を示すサイクル図である。この図１２に示すように、制御部３０は、一定の時間毎に第１工程及び第２工程を交互に実施する。このとき、制御部３０は、温度センサ２１ａ，２１ｂ及び流量センサ２２ａ，２２ｂの出力に基づき、凝縮器１２による単位時間当たりの凝縮熱量を計算する。そして、凝縮器１２による単位時間当たりの凝縮熱量が予め設定された所定値以下となると、次に回復工程を実施する。

本実施形態では、凝縮器１２による単位時間当たりの凝縮熱量が予め設定された所定値以下になったときだけ回復工程を実施するので、第１の実施形態に比べて吸着式ヒートポンプ１０の実質的な稼働率がより一層向上する。

なお、凝縮器１２の凝縮熱量と吸着式ヒートポンプ１０の冷熱出力とは関係がある。そのため、蒸発器１１に流入する冷水の温度及び流量と蒸発器１１から供給される冷水の温度及び流量から冷熱出力を算出し、その冷熱出力が所定値以下になったときに回復工程を実施するようにしてもよい。

また、吸着剤を乾燥する工程を実施中の吸着器（吸着器１３ａ又は１３ｂ）の冷媒蒸発量が凝縮器１２の冷媒凝縮量よりも多いときに回復工程を実施するようにしてもよい。吸着器１３ａ，１３ｂの冷媒蒸発量は、吸着器１３ａ，１３ｂの熱交換器１５のインレット側及びアウトレット側にそれぞれ温度センサ及び流量センサを設けることにより、測定することができる。

（実験例）
本実施形態に係る吸着式ヒートポンプの効果を確認すべく、実験を行った。

実験に使用した吸着式ヒートポンプは図１に示す構造を有し、サイズは４５０ｍｍ×２００ｍｍ×５００ｍｍである。蒸発器１１、凝縮器１２及び吸着器１３ａ，１３ｂにはそれぞれサイズが１２０ｍｍ×２４０ｍｍ×３０ｍｍ、フィンピッチが１ｍｍの熱交換器が配置されている。

吸着器１３ａ，１３ｂには、吸着剤１６として粒径が４００μｍの球状の活性炭を充填した。また、吸着式ヒートポンプ１０内には、冷媒として４００ｇの水を封入した。

図１３に示すように、４台のチラーユニット５１，５２，５３，５４を用意した。チラーユニット５１からは温度が１５℃の冷水が供給され、チラーユニット５２，５３からは温度が２５℃の冷却水が供給され、チラーユニット５４からは温度が７０℃の温水が供給される。

チラーユニット５１から供給される冷水は、蒸発器１１との間で循環する。蒸発器１１の冷水管１１ａのインレット側及びアウトレット側にそれぞれ温度センサ及び流量センサを取り付けて、吸着式ヒートポンプ１０の冷熱出力を測定できるようにした。

また、吸着器１３ａ，１３ｂには、チラーユニット５３，５４から切替バルブ５５〜６２を介して冷却水又は温水が供給されるように配管した。更に、凝縮器１２には、チラーユニット５４とチラーユニット５２とから切替バルブ６３〜６６を介して冷却水又は温水が供給されるように配管した。

実施例として、第１工程及び第２工程の時間をそれぞれ２０分間とし、冷熱出力が初期の１５％まで低下すると回復工程を実施して、冷熱出力の経時変化を調べた。

一方、比較例として、回復工程を実施することなく第１工程及び第２工程を交互に繰り返したときの冷熱出力の経時変化を調べた。

図１４は、横軸にサイクル数をとり、縦軸に冷熱出力（出力比）をとって、実施例及び比較例の冷熱出力の経時変化を調べた結果を示す図である。なお、図１４では、初期状態における冷熱出力を１としている。また、第１工程及び第２工程をそれぞれ１回ずつ実施したときを１サイクルとしている。

図１４からわかるように、実施例では回復工程を実施することにより冷熱出力が初期状態に回復し、サイクル数が多くなっても出力比は０．８以上を維持している。それに対し、比較例では、サイクル数が多くなるほど冷熱出力が低下し、６５サイクル（１３００分後）では出力比が初期状態から約３０％低下した。この実験から、開示の技術の有用性が確認された。

３．第３の実施形態
図１５は、第３の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの本体部分の模式図、図１６は同じくその吸着式ヒートポンプ１０の制御系を示す模式図である。図１５，図１６において、図１，図２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。

図１５に示すように、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０では、凝縮器１２内に２基の熱交換器１２ａ，１２ｂが配置されている。

また、熱交換器１２ａ，１２ｂの下方には、熱交換器１２ａ，１２ｂで凝縮した水を受けて配管１９に流す受け皿１２ｃが配置されている。この受け皿１２ｃにより、熱交換器１２ａ，１２ｂで凝縮した水が開状態のバルブ１８ｂ（又は、バルブ１８ａ）を通って吸着器１３ｂ（又は、吸着器１３ａ）に流入することを防止している。なお、前述の第１の実施形態及び第２の実施形態の吸着式ヒートポンプにおいても、同様の受け皿を凝縮器１２内に設けておいてもよい。

図１６に示すように、熱交換器１２ａのインレット側配管３７ａと温水供給配管３３ａとはバルブ４３ａを介して接続されており、熱交換器１２ａのインレット側配管３７ａと冷却水供給配管３４ａとはバルブ４６ａを介して接続されている。

また、熱交換器１２ａのアウトレット側配管３７ｂと温水戻り配管３３ｂとはバルブ４３ｂを介して接続されており、熱交換器１２ａのアウトレット側配管３７ｂと冷却水戻り配管３４ｂとはバルブ４６ｂを介して接続されている。

これと同様に、熱交換器１２ｂのインレット側配管３７ｃと温水供給配管３３ａとはバルブ４３ｃを介して接続されており、熱交換器１２ｂのインレット側配管３７ｃと冷却水供給配管３４ａとはバルブ４６ｃを介して接続されている。

また、熱交換器１２ｂのアウトレット側配管３７ｄと温水戻り配管３３ｂとはバルブ４３ｄを介して接続されており、熱交換器１２ｂのアウトレット側配管３７ｄと冷却水戻り配管３４ｂとはバルブ４６ｄを介して接続されている。

これらのバルブ４３ａ〜４３ｄ，４６ａ〜４６ｄも、制御部３０から出力される信号により開閉する。

図１７は、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０の駆動方法を示すサイクル図である。なお、ここでは、吸着器１３ａに温水が供給され、吸着器１３ｂに冷却水が供給されているときを第１工程という。また、吸着器１３ａに冷却水が供給され、吸着器１３ｂに温水が供給されているときを第２工程という。

この図１７に示すように、制御部３０は、バルブ１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，４１ａ，４１ｂ，〜，４６ａ，４６ｂを制御して、第１工程及び第２工程を繰り返し実施する。そして、凝縮器１２の凝縮能力が低下したと判定すると、第１工程及び第２工程の後半に回復工程を実施する。

凝縮器１２の凝縮量が低下したか否かの判定は、例えば第２の実施形態で説明したように、凝縮器１２の単位時間当たりの凝縮熱量を計算して、その値が所定値以下か否かにより行う。また、蒸発器１１から供給される冷水の冷熱出力が所定値以下か否かにより凝縮器１２の凝縮能力の低下を検出してもよい。更に、吸着剤を乾燥する工程を実施中の吸着器（吸着器１３ａ又は１３ｂ）の冷媒蒸発量と凝縮器１２の冷媒凝縮量とにより凝縮器１２の凝縮能力の低下を検出してもよい。

図１７に示す例では、第１工程を実施中に凝縮器１２の凝縮量の低下を検知し、次の第２工程の後半及び第１工程の後半にそれぞれ回復工程を実施している。

図１８は、第２工程の開始直後における冷却水及び温水の流れを示す図である。この図１８のように、第２工程では吸着器１３ａに冷却水が供給され、吸着器１３ｂに温水が供給される。

第２工程の開始直後では、バルブ４３ａ〜４３ｄがいずれも閉、バルブ４６ａ〜４６ｄがいずれも開であり、凝縮器１２内の熱交換器１２ａ，１２ｂにはいずれも冷却水が通流する。

第２工程の後半になると、制御部３０は、熱交換器１２ｂに対し回復工程を実施すべく、図１９に示すように、バルブ４３ｃ，４３ｄを開、バルブ４６ｃ，４６ｄを閉とする。これにより、熱交換器１２ｂ内に温水が通流し、熱交換器１２ｂのフィンに付着した水分が蒸発したり、又は蒸発にともなう水分の振動により滴下したりする。その結果、熱交換器１２ｂの熱交換効率が回復する。

なお、熱交換器１２ｂに温水が通流している間も、熱交換器１２ａには冷却水が通流している。吸着器１３ｂ内で発生して凝縮器１２内に進入した水蒸気や熱交換器１２ｂで発生した水蒸気は、熱交換器１２ａにより冷却されて凝縮される。

回復工程の開始から所定の時間が経過すると、制御部３０は、第１工程に移行すべく、バルブ１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，４１ａ，４１ｂ，〜，４６ａ，４６ｂを制御する。

図２０は、第１工程の開始直後における冷却水及び温水の流れを示す図である。この図１８のように、第１工程では吸着器１３ａに温水が供給され、吸着器１３ｂに冷却水が供給される。

第１工程の開始直後では、バルブ４３ａ〜４３ｄがいずれも開、バルブ４６ａ〜４６ｄがいずれも開であり、凝縮器１２内の熱交換器１２ａ，１２ｂにはいずれも冷却水が通流する。

第１工程の後半になると、制御部３０は、熱交換器１２ａに対し回復工程を実施しべく、図２１に示すように、バルブ４３ａ，４３ｂを開、バルブ４６ａ，４６ｂを閉とする。これにより、熱交換器１２ａ内に温水が通流し、熱交換器１２ａのフィンに付着した水分が蒸発したり、又は蒸発にともなう水分の振動により滴下したりする。その結果、熱交換器１２ａの熱交換効率が回復する。

なお、熱交換器１２ａに温水が通流している間も、熱交換器１２ｂには冷却水が通流している。吸着器１３ａ内で発生して凝縮器１２内に進入した水蒸気や熱交換器１２ａで発生した水蒸気は、熱交換器１２ｂにより冷却されて凝縮される。

このようにして凝縮器１２内の熱交換器１２ａ，１２ｂに対する回復工程を実施した後、制御部３０は、次に凝縮器１２の凝縮量が低下するまで第１工程及び第２工程を交互に実施する。

前述の第１の実施形態及び第２の実施形態では、凝縮器１２内に熱交換器が１基しかないので、熱交換器に温水が通流しているときには凝縮器１２で水分を凝縮することができない。凝縮器１２内に進入した水蒸気の一部は蒸発器１１内に進入し、蒸発器１１内で凝縮するが、その場合は蒸発器１１内の温度が上昇して、蒸発器１１から出力される冷水の温度が上昇してしまうおそれがある。

一方、本実施形態では、上述したように凝縮器１２内に２基の熱交換器１２ａ，１２ｂが設けられており、一方の熱交換器に対し回復工程を実施している間も他方の熱交換器では水蒸気の凝縮を行っている。このため、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプは、第１の実施形態及び第２の実施形態の吸着式ヒートポンプに比べて稼働率がより一層高く、また蒸発器１１から出力される冷水の温度が上昇するおそれもない。

なお、熱交換器１２ａ，１２ｂの回復工程を実施しているときには、凝縮器１２の凝縮能力が低下する。一方、第１工程から第２工程、又は第２工程から第１工程に切り替えた直後には、吸着器（吸着器１３ａ又は吸着器１３ｂ）から凝縮器１２に大量の水蒸気が進入する。

そのため、第１工程から第２工程、又は第２工程から第１工程に切り替えた直後に回復工程を実施すると、吸着器から進入する大量の水蒸気を凝縮器１２で凝縮できなくなるおそれがある。従って、本実施形態のように、回復工程は、吸着器から進入する水蒸気の量が少なくなる第１工程の後半又は第２工程の後半に実施することが好ましい。

また、上記実施の形態では凝縮器１２の凝縮量の低下を検出して回復工程を実施しているが、一定の時間毎に回復工程を実施してもよい。

更に、上記実施形態では凝縮器１２内に２基の熱交換器を配置しているが、凝縮器１２内に３基以上の熱交換器を配置してもよい。この場合、制御部３０は、凝縮器１２の凝縮能力が予め設定された設定値よりも低下すると、一部の熱交換器に冷却水を通流させながら他の熱交換器に温水を通流させて熱交換器の能力を回復させる。

このとき、温水を通流させる熱交換器の数が冷却水を通流させる熱交換器の数よりも多いと、凝縮器１２内で水蒸気が凝縮しきれず、配管１９を通って蒸発器１１内に水蒸気が進入するおそれがある。このため、冷却水を通流させる熱交換器の数は、温水を通流させる熱交換器の数と同数又はそれ以上とすることが好ましい。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、
前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、
前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器と、
前記凝縮器に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を通流させ、所定のタイミングで前記凝縮器に前記冷媒の蒸発に使用される温水を通流させる制御部と
を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプ。

（付記２）前記制御部は、一定の時間毎に前記冷却水及び前記温水を交互に前記凝縮器に通流させることを特徴とする付記１に記載の吸着式ヒートポンプ。

（付記３）前記制御部は、前記凝縮器に前記冷却水を通流させている間の単位時間当たりの凝縮熱量が所定値以下になったとき、前記蒸発器の冷熱出力が所定値以下になったとき、又は前記第１の吸着器若しくは前記第２の吸着器の冷媒蒸発量が前記凝縮器の冷媒凝縮量よりも多くなったときに、前記凝縮器に前記温水を通流させることを特徴とする付記１に記載の吸着式ヒートポンプ。

（付記４）前記凝縮器内に配置されて前記冷却水又は前記温水が通流する第１の熱交換器及び第２の熱交換器を有し、
前記制御部は、前記第１の熱交換器に前記温水を通流させる際には前記第２の熱交換器に前記冷却水を通流させ、前記第２の熱交換器に前記温水を通流させる際には前記第１の熱交換器に前記冷却水を通流させることを特徴とする付記１に記載の吸着式ヒートポンプ。

（付記５）前記制御部は、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器にいずれも前記冷却水を通流させている間の単位時間当たりの凝縮熱量が所定値以下になったとき、前記蒸発器の冷熱出力が所定値以下になったとき、又は前記第１の吸着器若しくは前記第２の吸着器の冷媒蒸発量が前記凝縮器の冷媒凝縮量よりも多くなったときに、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器に順番に前記温水を通流させることを特徴とする付記４に記載の吸着式ヒートポンプ。

（付記６）前記制御部は、前記第１の吸着器及び前記第２の吸着器のいずれか一方には前記冷却水の供給源から冷却水を供給し、他方には前記温水の供給源から温水を供給し、温水を供給する吸着器と冷却水を供給する吸着器とを一定の順番で切替えることを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプ。

（付記７）前記凝縮器には複数の熱交換器が配置され、前記制御部は前記凝縮器の凝縮能力が設定値よりも低下すると前記複数の熱交換器のうちの一部の熱交換器に温水を通流させ、前記一部の熱交換器と同数又はそれよりも多い数の他の熱交換器には冷却水を通流させ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。

（付記８）冷媒の蒸気を発生させる蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器とを有する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、
前記凝縮器に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程と、
前記凝縮器に前記冷媒の蒸発に使用される温水を供給する工程と
を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記９）前記凝縮器に前記冷却水を供給する工程と前記凝縮器に前記温水を供給する工程とは、一定の時間毎に交互に実施することを特徴とする付記８に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１０）前記凝縮器に前記冷却水を供給する工程において前記凝縮器の単位時間当たりの凝縮熱量が所定値以下になったときに、前記凝縮器に前記温水を供給する工程を実施することを特徴とする付記８に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１１）前記凝縮器に前記冷却水を供給する工程において前記蒸発器の冷熱出力が所定値以下になったときに、前記凝縮器に前記温水を供給する工程を実施することを特徴とする付記８に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１２）前記凝縮器に前記冷却水を供給する工程において前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器の冷媒蒸発量が前記凝縮器の冷媒凝縮量よりも多くなったときに、前記凝縮器に前記温水を供給する工程を実施することを特徴とする付記８に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１３）前記第１の吸着器及び前記第２の吸着器のいずれか一方には前記冷却水の供給源から冷却水を供給し、他方には前記温水の供給源から温水を供給し、温水を供給する吸着器と冷却水を供給する吸着器とを一定の順番で切替えることを特徴とする付記８乃至１２のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１４）冷媒の蒸気を発生させる蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、第１の熱交換器及び第２の熱交換器を備え、前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器とを有する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、
前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の両方に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程と、
前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のいずれか一方に前記冷媒の蒸発に使用される温水を供給し、他方に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程と
を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１５）前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の両方に前記冷却水を供給する工程において前記凝縮器の単位時間当たりの凝縮熱量が所定値以下になったときに、前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のいずれか一方に前記温水を供給する工程とを実施することを特徴とする付記１３に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１６）前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の両方に前記冷却水を供給する工程において前記蒸発器の冷熱出力が所定値以下になったときに、前記凝縮器に前記温水を供給する工程を実施することを特徴とする付記１４に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１７）前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の両方に前記冷却水を供給する工程において前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器の冷媒蒸発量が前記凝縮器の冷媒凝縮量よりも多くなったときに、前記凝縮器に前記温水を供給する工程を実施することを特徴とする付記１４に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１８）前記第１の吸着器及び前記第２の吸着器のいずれか一方には前記冷却水の供給源から冷却水を供給し、他方には前記温水の供給源から温水を供給し、温水を供給する吸着器と冷却水を供給する吸着器とを一定の順番で切替えることを特徴とする付記１４乃至１７のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

１０…吸着式ヒートポンプ、１１…蒸発器、１１ａ…冷水管、１２ｂ…フィン、１２…凝縮器、１２ａ，１２…熱交換器、１３ａ，１３ｂ…吸着器、１４…冷媒、１５…熱交換器、１６…吸着剤、１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ…バルブ、１９…配管、２０…水分、２１ａ，２１ｂ…温度センサ、２２ａ，２２ｂ…流量センサ、３０…制御部、３１…温水供給部、３２…冷却装置、３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ，３５ａ，３５ｂ，３６ａ，３６ｂ，３７ａ，３７ｂ…配管、４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ〜４３ｄ，４４ａ，４４ｂ，４５ａ，４５ｂ，４６ａ〜４６ｄ…バルブ、５１〜５４…チラーユニット、５５〜６２…バルブ。

Claims (8)

1. 冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、
   前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、
   前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器と、
   前記凝縮器に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を通流させ、所定のタイミングで前記凝縮器に前記冷媒の蒸発に使用される温水を通流させる制御部と
   を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
2. 前記制御部は、一定の時間毎に前記冷却水及び前記温水を交互に前記凝縮器に通流させ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。
3. 前記制御部は、前記凝縮器に前記冷却水を通流させている間の単位時間当たりの凝縮熱量が所定値以下になったとき、前記蒸発器の冷熱出力が所定値以下になったとき、又は前記第１の吸着器若しくは前記第２の吸着器の冷媒蒸発量が前記凝縮器の冷媒凝縮量よりも多くなったときに、前記凝縮器に前記温水を通流させ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。
4. 前記凝縮器内に配置されて前記冷却水又は前記温水が通流する第１の熱交換器及び第２の熱交換器を有し、
   前記制御部は、前記第１の熱交換器に前記温水を通流させる際には前記第２の熱交換器に前記冷却水を通流させ、前記第２の熱交換器に前記温水を通流させる際には前記第１の熱交換器に前記冷却水を通流させ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。
5. 前記制御部は、前記第１の吸着器及び前記第２の吸着器のいずれか一方には前記冷却水の供給源から冷却水を供給し、他方には前記温水の供給源から温水を供給し、温水を供給する吸着器と冷却水を供給する吸着器とを一定の順番で切替えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプ。
6. 冷媒の蒸気を発生させる蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器とを有する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、
   前記凝縮器に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程と、
   前記凝縮器に前記冷媒の蒸発に使用される温水を供給する工程と
   を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプの駆動方法。
7. 冷媒の蒸気を発生させる蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を吸着する吸着剤が配置された第１の吸着器及び第２の吸着器と、第１の熱交換器及び第２の熱交換器を備え、前記第１の吸着器又は前記第２の吸着器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器とを有する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、
   前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器の両方に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程と、
   前記第１の熱交換器及び前記第２の熱交換器のいずれか一方に前記冷媒の蒸発に使用される温水を供給し、他方に前記冷媒の蒸気の凝縮に使用される冷却水を供給する工程と
   を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプの駆動方法。
8. 前記第１の吸着器及び前記第２の吸着器のいずれか一方には前記冷却水の供給源から冷却水を供給し、他方には前記温水の供給源から温水を供給し、温水を供給する吸着器と冷却水を供給する吸着器とを一定の順番で切替えることを特徴とする請求項６又は７に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

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