JP6364913B2 - 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、一対の吸着器と、凝縮器及び蒸発器を備えた構成が記載されている。

このような構成の吸着式ヒートポンプにおいては、一般的に、吸着時と脱離時の温度差を大きくすることにより、１サイクル当たりの吸着材における吸着量の差を大きくすることができる。吸着／脱離の量の差を大きくすることにより、効率よく冷熱生成を行うことができる。

また、非特許文献１には、吸着式ヒートポンプシステムにおいて、吸着器を２段に分けて搭載することにより脱着能力を高めたことが記載されている。

特開２０１０−１５１３８６号公報

２０１３年度日本冷凍空調学会年次大会「５０℃で駆動する吸着式ヒートポンプの出力に対する吸着器内流量の影響」

しかしながら、吸着器における吸着時と脱離時の温度差が大きいと、顕熱ロス（実際のエネルギー交換に利用できない熱量）が大きくなる。実際の吸着式ヒートポンプでは、より効率的に冷熱を得ることが望まれる。また、非特許文献１には、２段に分けた吸着器同士を接続することのみが記載されているだけであり、２個の吸着器をより効率的に再生することが望まれる。

本発明は上記事実を考慮し、効率的に冷熱生成が可能な吸着式ヒートポンプ及び冷熱生成方法を得ることを課題とする。

請求項１に係る吸着式ヒートポンプは、熱媒を蒸発させる蒸発器と、前記熱媒を凝縮する凝縮器と、前記蒸発器と接続され前記熱媒を吸着すると共に、前記凝縮器と接続され前記熱媒を脱離して第１再生されるメイン吸着器と、前記メイン吸着器と接続され、前記第１再生による熱媒脱離後の前記メイン吸着器から残存する熱媒を吸着して前記メイン吸着器を第２再生する再生アシスト吸着器と、を備えている。

請求項１に係る吸着式ヒートポンプでは、蒸発器における熱媒の蒸発により冷熱が生成される。また、蒸発器と接続されたメイン吸着器が蒸発した蒸発器の熱媒を吸着する。メイン吸着器は、熱媒を凝縮する凝縮器と接続されており、熱媒を脱離して第１再生される。凝縮器では、メイン吸着器からの熱媒が凝縮される。さらに、メイン吸着器は、再生アシスト吸着器と接続されており、再生アシスト吸着器によって相対圧が下がることから、第１再生後に熱媒が更に脱離して第２再生される。再生アシスト吸着器は、メイン吸着器からの熱媒を吸着する。

請求項１に係る吸着式ヒートポンプによれば、メイン吸着器を再生アシスト吸着器と連通させて再生することにより、第２再生時の相対圧を第１再生時の相対圧よりも小さくすることができる。したがって、メイン吸着器からより多くの熱媒を脱離させて、効率よく冷熱生成を行うことができる。

また、請求項１に係る吸着式ヒートポンプによれば、第１再生後に再生アシスト吸着器を用いてメイン吸着器の第２再生を行うので、メイン吸着器の再生をすべて再生アシスト吸着器で行う必要がない。したがって、再生アシスト吸着器に求められる吸着量を少なくすることができ、小容量の再生アシスト吸着器で効率的にメイン吸着器の再生を補助することができる。

請求項２に係る吸着式ヒートポンプは、前記再生アシスト吸着器は、前記メイン吸着器の第１再生時に前記熱媒を脱離してアシスト再生されること、を特徴とする。

請求項２に係る吸着式ヒートポンプによれば、再生アシスト吸着器の再生（アシスト再生）を、メイン吸着器の第１再生時に行うので、時間ロスを少なくして再生アシスト吸着器の再生を効率よく行うことができる。

請求項３に係る吸着式ヒートポンプは、前記メイン吸着器が、前記蒸発器、前記凝縮器、及び前記再生アシスト吸着器と各々接続された第１メイン吸着器及び第２メイン吸着器を含んで構成されている。

請求項３に係る吸着式ヒートポンプによれば、２個のメイン吸着器が、蒸発器と凝縮器の間に並列に配置されているので、２個のメイン吸着器の冷熱生成と再生を交互に行うことにより、連続した冷熱生成を行うことができる。

請求項４に係る吸着式ヒートポンプは、前記第１メイン吸着器による前記熱媒の吸着時に前記第２メイン吸着器の前記第１再生、前記第２再生が行われると共に、前記第２メイン吸着器の前記第１再生時に前記再生アシスト吸着器の前記アシスト再生が行われ、前記第２メイン吸着器による前記熱媒の吸着時に前記第１メイン吸着器の前記第１再生、前記第２再生が行われると共に、前記第１メイン吸着器の前記第１再生時に前記再生アシスト吸着器の前記アシスト再生が行われること、を特徴とする。

請求項４に係る吸着式ヒートポンプによれば、第１メイン吸着器と第２メイン吸着器の冷熱生成と第１再生、第２再生とを交互に行うことにより、連続した冷熱生成を行うことができる。また、再生アシスト吸着器のアシスト再生は、第１メイン吸着器の第１再生時、及び第２メイン吸着器の第１再生時に行われる。このように、再生アシスト吸着器の再生を行うことにより、再生アシスト吸着器は、一方のメイン吸着器が第１再生された後に連続して当該メイン吸着器の第２再生を行うことができる。したがって、１つの再生アシスト吸着器を用いて第１メイン吸着器及び第２メイン吸着器の第２再生を行うことができる。

請求項５に係る吸着式ヒートポンプは、前記再生アシスト吸着器は、前記凝縮器と接続されていること、を特徴とする。

請求項５に係る吸着式ヒートポンプによれば、再生アシスト吸着器を凝縮器と接続することにより、再生アシスト吸着器から脱離された熱媒も凝縮し、メイン吸着器から脱離されて凝縮された熱媒と共に蒸発器に送ることが可能となる。

請求項６に係る冷熱生成方法は、蒸発器で熱媒を蒸発させて冷熱生成を行うと共に、前記熱媒をメイン吸着器で吸着し、前記メイン吸着器と前記熱媒を凝縮する凝縮器とを連通させて、前記吸着した熱媒を前記メイン吸着器から脱離させて前記メイン吸着器を第１再生し、前記第１再生による熱媒脱離後に再生アシスト吸着器と前記メイン吸着器とを接続して前記メイン吸着器から残存する熱媒を前記再生アシスト吸着器で吸着して前記メイン吸着器を第２再生する。

請求項６に係る冷熱生成方法によれば、メイン吸着器からの熱媒を再生アシスト吸着器で吸着してメイン吸着器を第２再生するので、メイン吸着器からより多くの熱媒を脱離させることができる。このように、再生アシスト吸着器を用いることにより、効率よく冷熱生成を行うことができる。

また、請求項６に係る冷熱生成方法によれば、第１再生後に再生アシスト吸着器を用いてメイン吸着器の第２再生を行うので、メイン吸着器の再生をすべて再生アシスト吸着器で行う必要がない。したがって、再生アシスト吸着器に求められる吸着量を少なくすることができ、小容量の再生アシスト吸着器で効率的にメイン吸着器の再生を補助することができる。

請求項７に係る冷熱生成方法は、前記メイン吸着器の第１再生時に前記熱媒を脱離して前記再生アシスト吸着器をアシスト再生する。

請求項７に係る冷熱生成方法によれば、再生アシスト吸着器の再生（アシスト再生）を、メイン吸着器の第１再生時に行うので、時間ロスを少なくして再生アシスト吸着器の再生を効率よく行うことができる。

請求項８に係る冷熱生成方法は、前記メイン吸着器は、第１メイン吸着器及び第２メイン吸着器を有し、前記第１メイン吸着器での前記冷熱生成時に、前記第２メイン吸着器の前記第１再生及び前記第２再生を行うと共に、前記第２メイン吸着器の前記第１再生時に前記再生アシスト吸着器の前記アシスト再生を行い、前記第２メイン吸着器での前記冷熱生成時に、前記第１メイン吸着器の前記第１再生及び前記第２再生を行うと共に、前記第１メイン吸着器の前記第１再生時に前記再生アシスト吸着器の前記アシスト再生を行う。

請求項８に係る冷熱生成方法によれば、第１メイン吸着器と第２メイン吸着器の冷熱生成と第１再生、第２再生とを交互に行うことにより、連続した冷熱生成を行うことができる。また、再生アシスト吸着器のアシスト再生は、第１メイン吸着器の第１再生時、及び第２メイン吸着器の第１再生時に行われる。このように、再生アシスト吸着器の再生を行うことにより、１つの再生アシスト吸着器を第１メイン吸着器及び第２メイン吸着器の第２再生に用いることができる。

本発明は上記構成としたので、効率的に冷熱生成が可能な吸着式ヒートポンプ及び冷熱生成方法を得ることができる。

本発明の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。 吸着材の吸着特性の一例を示す吸着等温線のグラフである。 図２の吸着特性を有する吸着材の再生温度を８０℃から５℃ずつ低下させたときの吸着量差Δｑをプロットしたグラフである。 アシスト用吸着材の吸着特性の一例を示す吸着等温線のグラフである。 吸着式ヒートポンプ１０の運転処理のフローチャートである。 第１冷熱生成モード開始指示のフローチャートである。 第１再生第２モード開始指示のフローチャートである。 アシスト再生の開始指示のフローチャートである。 第２再生第２モード開始指示のフローチャートである。 第２冷熱生成モード開始指示のフローチャートである。 第１再生第１モードの開始指示のフローチャートである。 第２再生第１モード開始指示のフローチャートである。 （Ａ）は第１冷熱生成モード及び第１再生第２モード時の配管接続関係を説明する図であり、（Ｂ）は第１冷熱生成モード及び第２再生第２モード時の配管接続関係を説明する図である。 （Ａ）は第２冷熱生成モード及び第１再生第１モード時の配管接続関係を説明する図であり、（Ｂ）は第２冷熱生成モード及び第２再生第１モード時の配管接続関係を説明する図である。 比較例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。 実施例と比較例の吸着式ヒートポンプでの再生温度と吸着量差Δｑとの関係を示すグラフである。

図１には、本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０が示されている。吸着式ヒートポンプ１０は、蒸発器１２、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６、再生アシスト吸着器１８、及び凝縮器２０を備えている。

蒸発器１２は、内部に熱媒である流体を有し、熱媒を蒸発させ、その際の気化熱により外部からエネルギー（熱量）を吸収する動作（冷熱生成）を行うことが可能である。本実施形態では、熱媒として水を用いる。蒸発器１２は、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６と、配管２１、２２で各々接続されている。配管２１にはバルブ２１Ａが設けられており、配管２２にはバルブ２２Ａが設けられている。バルブ２１Ａ、２２Ａは、制御部７２と接続されており、制御部７２によって開閉が制御されている。バルブ２１、２２を開放することにより、蒸発器１２から第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６への熱媒の移動が可能となる。

制御部７２はＣＰＵ、メモリ、バルブや三方弁を切り替えるドライバを含んで構成されている。制御部７２は、予め記録されたプログラムに基づいてバルブや三方弁を切り替えることで、吸着式ヒートポンプ１０を作動させる。

蒸発器１２内には、配管Ｐ０が配設されており、配管Ｐ０は冷熱機器７０に接続されている。配管Ｐ０内は熱交換用の流体で満たされており、不図示のポンプによって配管Ｐ０内を熱交換流体が循環することにより、蒸発器１２で生成した冷熱が冷熱機器７０に供給される。

第１メイン吸着器１４内には吸着材１４Ａが配置され、第２メイン吸着器１６内には吸着材１６Ａが配置されている。吸着材１４Ａ、１６Ａは、熱媒として気相の水を吸着／脱離するものであり、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト等を用いることができる。吸着材１４Ａ、１６Ａは、後述する冷熱生成モード時には、蒸発器１２からの熱媒を吸着し、第１、第２再生モード時には吸着した熱媒を脱離する。

第１メイン吸着器１４は、再生アシスト吸着器１８と配管２３で接続され、凝縮器２０と配管２４で接続されている。第２メイン吸着器１６は、再生アシスト吸着器１８と配管２５で接続され、凝縮器２０と配管２６で接続されている。配管２３、２４、２５、２６には、バルブ２３Ａ、２４Ａ、２５Ａ、２６Ａが設けられている。バルブ２３Ａ、２４Ａ、２５Ａ、２６Ａは、制御部７２と接続されており、制御部７２によって開閉が制御されている。バルブ２３Ａ、２５Ａを開放することにより、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６から再生アシスト吸着器１８への熱媒の移動が可能となる。また、バルブ２４Ａ、２６Ａを開放することにより、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６から凝縮器２０への熱媒の移動が可能となる。

第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６内には、配管Ｐ１、Ｐ２が配設されている。配管Ｐ１、Ｐ２は、三方弁３０、３２を介して配管Ｐ１Ｃ、Ｐ１Ｈ、及び、配管Ｐ２Ｃ、Ｐ２Ｈに分岐され、熱源部Ｈ及び冷却部Ｃに接続されている。配管Ｐ１、Ｐ２内は熱交換用の流体で満たされており、不図示のポンプによって配管Ｐ１、Ｐ２内を熱交換流体が循環することにより、熱源部Ｈで温められた熱交換流体または冷却部Ｃで冷却された熱交換流体が第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６に供給される。三方弁３０、３２は、制御部７２と接続されており、制御部７２によって切り換えが制御されている。

再生アシスト吸着器１８内にはアシスト吸着材１８Ａが配置されている。アシスト吸着材１８Ａは、熱媒としての水を吸着／脱離するものであり、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト等を用いることができる。アシスト吸着材１８Ａは、後述する第２再生モード時には第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６からの熱媒を吸着し、第１再生モード時には吸着した熱媒を脱離する。

再生アシスト吸着器１８は、凝縮器２０と配管２８で接続されている。配管２８には、バルブ２８Ａが設けられている。バルブ２８Ａは、制御部７２と接続されており、制御部７２によって開閉が制御されている。バルブ２８Ａを開放することにより、再生アシスト吸着器１８から凝縮器２０への熱媒の移動が可能となる。

再生アシスト吸着器１８内には、配管Ｐ３が配設されている。配管Ｐ３は、三方弁３４を介して配管Ｐ３Ｃ、Ｐ３Ｈに分岐され、熱源部Ｈ及び冷却部Ｃに接続されている。配管Ｐ３内は熱交換用の流体で満たされており、不図示のポンプによって配管Ｐ３内を熱交換流体が循環することにより、熱源部Ｈで温められた熱交換流体または冷却部Ｃで冷却された熱交換流体が再生アシスト吸着器１８に供給される。

凝縮器２０は、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６、及び再生アシスト吸着器１８から送られた熱媒を凝縮させ、凝縮熱を外部に放出する動作（温熱生成）を行うことが可能である。凝縮器２０は蒸発器１２と配管２９で接続されており、凝縮後の熱媒を蒸発器１２へ送る。また、凝縮器２０内には、配管Ｐ４が配設されており、配管Ｐ４は冷却部Ｃに接続されている。配管Ｐ４内は熱交換用の流体で満たされており、不図示のポンプによって配管Ｐ４内を熱交換流体が循環することにより、凝縮器２０内の熱媒蒸気が熱交換流体により冷却される。

本実施形態では、上記のように、蒸発器１２と凝縮器２０の間に、第１メイン吸着器１４と第２メイン吸着器１６が並列的に配置されている。したがって、第１メイン吸着器１４を冷熱生成用に用いている時に第２メイン吸着器１６を再生し、第２メイン吸着器１６を冷熱生成用に用いているときに第１メイン吸着器１４を再生することにより、連続した冷熱生成を行うことができる。

なお、本実施形態において、冷却部Ｃで冷却される熱交換流体の温度は常温Ｔｍである。また、熱源部Ｈで温められる熱交換流体の温度は６０℃〜９０℃が想定されており、この温度が吸着材を再生する際の再生温度Ｔｈとなる。本実施形態では、常温Ｔｍを３５℃程度、冷熱温度Ｔｌを２０℃程度、再生温度Ｔｈを８０℃程度とする。

ここで、第１メイン吸着器１４内の吸着材１４Ａ、第２メイン吸着器１６内の吸着材１６Ａによる熱媒の吸着と脱離について説明する。

図２には、相対圧φ（吸着材の圧力と飽和蒸気圧の比）と吸着材の吸着量ｑとの関係（吸着特性）の一例を示すグラフ（吸着等温線）が示されている。吸着材による吸着量は、相対圧φによって変化するので、この相対圧φを変化させることにより、吸着材による熱媒の吸着、及び吸着材からの熱媒の脱離を行うことができる。相対圧φの変化に対応する吸着材による吸着量の差Δｑが大きいほど、効率的に冷熱生成を行うことができる。

上記の相対圧φは、温度に依存するため、熱媒を脱離させるときの温度（再生温度Ｔｈ）が低いと、吸着量差Δｑが小さくなる。図３には、図２の吸着特性を有する吸着材の再生温度を８０℃から５℃ずつ低下させたときの吸着量差Δｑをプロットしたグラフが示されている。図３に示されるように、再生温度が低下すると、吸着量差Δｑが小さくなり、冷熱生成を効率よく行うことが難しい。一方、吸着材の再生に工場やその他各種の排熱を用いることが効率的な冷熱生成には求められるが、これらの排熱は、通常１００℃よりも低い低温であり、このような低温の排熱についても利用が求められている。

冷熱生成に寄与している間、上記の特性の吸着材１４Ａ、１６Ａを有する第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６は、蒸発器１２と連通され、蒸発器１２から蒸発した熱媒を吸着している。このとき、蒸発器１２では冷熱生成が行われている。第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６内の温度は常温Ｔｍであり、蒸発器１２内の冷熱温度は常温Ｔｍよりも低い冷熱温度Ｔｌである。この時の第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）の相対圧φ２は、式１で表わされる。

φ２ ＝ 温度Ｔｌでの飽和蒸気圧／温度Ｔｍでの飽和蒸気圧 …（式１）

図２に示された吸着特性を有する吸着材を吸着材１４Ａ、１６Ａとして使用した場合、冷熱温度Ｔｌ＝２０℃、常温Ｔｍ＝３５℃で、相対圧φ２＝０．４とすると、吸着材当たりの熱媒吸着量ｑ０＝０．３程度となる。

吸着材１４Ａ、１６Ａが吸着した熱媒を脱離する動作を再生といい、本実施形態では、第１再生、第２再生の２段階で再生が行われる。第１再生では、第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）が凝縮器２０と連通される。このとき、第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）内の温度は再生温度Ｔｈであり、凝縮器２０内の温度は常温Ｔｍである。この時の第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）の相対圧φ１は、式２で表わされる。

φ１ ＝ 温度Ｔｍでの飽和蒸気圧／温度Ｔｈでの飽和蒸気圧 …（式２）

図２に示される吸着特性を有する吸着材を吸着材１４Ａ、１６Ａとして使用した場合、再生温度Ｔｈ＝８０℃、常温Ｔｍ＝３５℃で、相対圧φ１＝０．１とすると、吸着材当たりの熱媒吸着量ｑ１＝０．０８程度となり、吸着材１４Ａ、１６Ａからは、ｑ０とｑ１の差分Δｑ１＝０．２２の熱媒が脱離される。

第２再生では、第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）が再生アシスト吸着器１８と連通される。このとき、第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）内の温度は再生温度Ｔｈであり、再生アシスト吸着器１８内の温度は常温Ｔｍである。この時の第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）の相対圧φ３は、式３で表わされる。

φ３ ＝ 温度Ｔｍでの再生アシスト吸着器における平衡圧力／温度Ｔｈでの飽和蒸気圧 …（式３）

ここで、再生アシスト吸着器１８内の温度は常温Ｔｍであり、飽和蒸気圧は凝縮器２０における飽和蒸気圧と同じである。同じ常温Ｔｍ下では、アシスト吸着材１８Ａにより、再生アシスト吸着器１８内の平衡圧力は常温Ｔｍでの飽和蒸気圧よりも低くなる。したがって、相対圧φ３は、相対圧φ１よりも小さくなる。図２に示される吸着特性を有する吸着材を吸着材１４Ａ、１６Ａとして使用した場合、相対圧φ３＝０．０５とすると、吸着材当たりの熱媒吸着量ｑ２＝０．０５程度となり、吸着材１４Ａ、１６Ａからは、ｑ１とｑ２の差分Δｑ２＝０．０３の熱媒がさらに脱離される。

以上のように、冷熱生成時には多くの熱媒を吸着し、再生時には吸着した熱媒をできるだけ多く脱離させることにより、効率のよい冷熱生成を行うことができる。すなわち、冷熱生成時における吸着材による吸着量ｑ０と、再生時における吸着材の吸着量ｑ２の差Δｑ０＝Δｑ１＋Δｑ２が大きいほど、効率的に冷熱生成を行うことができる。

次に、再生アシスト吸着器１８内のアシスト吸着材１８Ａによる熱媒の吸着及び脱離（アシスト再生）について説明する。アシスト吸着材１８Ａから熱媒を脱離させるアシスト再生は、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の第１再生時に行われる。アシスト再生の時には、再生アシスト吸着器１８内の温度は再生温度Ｔｈとされ、再生アシスト吸着器１８は凝縮器２０と連通状態とされる。このときの再生アシスト吸着器１８の相対圧はφ１となる。

図４には、相対圧とアシスト吸着材１８Ａの吸着量の関係（吸着特性）の一例を示すグラフ（吸着等温線）が示されている。当該吸着特性を有するアシスト吸着材１８Ａを使用した場合、常温Ｔｍ＝３５℃、再生温度Ｔｈ＝８０℃、相対圧φ１＝０．１とすると、吸着材当たりの熱媒吸着量は、０．０１程度となる。

アシスト吸着材１８Ａは、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の第２再生時に、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６から脱離された熱媒を吸着（アシスト吸着）する。第２再生時には、再生アシスト吸着器１８内の温度は常温Ｔｍであり、凝縮器２０とは非連通状態とされる。アシスト吸着材１８Ａでは熱媒の吸着が行われ、図４に示される吸着特性を有する吸着材をアシスト吸着材１８Ａとして使用すると、吸着量が０．２１程度となるまで吸着が進む。

上記の例では、アシスト吸着材１８Ａでの吸着差Δｑ４＝０．２となる。吸着量差Δｑ４が大きいほど、効率よくアシスト吸着材１８Ａを用いることができるため、アシスト吸着材１８Ａとしては、相対圧φ１から０．１〜０．２程度高い相対圧で大きな吸着量差を有するものを選択することが好ましい。

次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０の運転処理について説明する。吸着式ヒートポンプ１０の運転処理においては、第１メイン吸着器１４及び第２メイン吸着器１６の一方の冷熱生成モード時に、他方が第１再生モード、第２再生モードになり、冷熱生成モードと第１再生モード、第２再生モードとが交互に繰り返されて、連続した冷熱生成が行われる。以下、第１メイン吸着器１４の冷熱生成モードを冷熱生成第１モード、第２メイン吸着器１６の冷熱生成モードを冷熱生成第２モードという。また、第１メイン吸着器１４の第１再生モード、第２再生モードを第１再生第１モード、第２再生第１モードといい、第２メイン吸着器１６の第１再生モード、第２再生モードを第１再生第２モード、第２再生第２モードという。

吸着式ヒートポンプ運転処理は、制御部７２によって実行される。ユーザーから制御部７２へ処理開始指示が入力されると、図５に示す吸着式ヒートポンプ運転処理が実行される。

まず、ステップＳ１０において、第１冷熱生成モードの開始が指示される。第１冷熱生成モードの開始は、図６に示されるように、ステップＳ１２でバルブ２３Ａを閉鎖させ、ステップＳ１４でバルブ２１Ａを開放させ、ステップＳ１６で三方弁３０を切り換えて配管Ｐ１をＰ１Ｃと連通させることにより指示される。これにより、蒸発器１２では熱媒が蒸発し、蒸発した熱媒が配管２１を経由して第１メイン吸着器１４へ移動し、吸着材１４Ａで吸着される。このとき、蒸発器１２内の温度は、冷熱温度Ｔｌであり、第１メイン吸着器１４内の温度は常温Ｔｍである。吸着材１４Ａは、相対圧φ２で熱媒を吸着する（図１３（Ａ）参照）。

次に、ステップＳ２０において、第１再生第２モードの開始が指示される。第１再生第２モードの開始は、図７に示されるように、ステップＳ２２でバルブ２２Ａ及び２５Ａを閉鎖させ、ステップＳ２４でバルブ２６Ａを開放させ、ステップＳ２６で三方弁３２を切り換えて配管Ｐ２をＰ２Ｈと連通させることにより指示される。これにより、第２メイン吸着器１６内の温度は再生温度Ｔｈとなり、凝縮器２０（常温Ｔｍ）と連通され、吸着材１６Ａが相対圧φ１で再生される。

次に、ステップＳ３０において、アシスト再生の開始が指示される。アシスト再生の開始は、図８に示されるように、ステップＳ３２でバルブ２８Ａを開放させ、ステップＳ３４で三方弁３４を切り換えて配管Ｐ３をＰ３Ｈと連通させることにより指示される。これにより、再生アシスト吸着器１８内の温度は再生温度Ｔｈとなり、凝縮器２０（常温Ｔｍ）と連通され、アシスト吸着材１８Ａが相対圧φ１で再生される。

次に、ステップＳ３８（図５参照）で所定時間Ｔ１が経過したかどうかを判断する。ここでの所定時間Ｔ１は、第２メイン吸着器１６の吸着材１６Ａの再生にかける時間であり、相対圧φ１において吸着材１６Ａを十分再生させることのできる時間を確保することが好ましい。所定時間Ｔ１が経過すると、ステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０において、第２再生第２モードの開始が指示される。第２再生第２モードの開始は、図９に示されるように、ステップＳ４２でバルブ２６Ａ、２８Ａを閉鎖させ、ステップＳ４４でバルブ２５Ａを開放させ、ステップＳ４６で三方弁３４を切り換えて配管Ｐ３をＰ３Ｃと連通させることにより指示される。これにより、第２メイン吸着器１６は凝縮器２０との連通が遮断されると共に再生アシスト吸着器１８と連通される。第２メイン吸着器１６内は再生温度Ｔｈが維持され、再生アシスト吸着器１８内の温度は常温Ｔｍとなり、第２メイン吸着器１６の吸着材１６Ａは相対圧φ３で再生される。このとき、再生アシスト吸着器１８のアシスト吸着材１８Ａは、第２メイン吸着器１６からの熱媒を吸着する（図１３（Ｂ）参照）。

次に、ステップＳ４８（図５参照）で所定時間Ｔ２が経過したかどうかを判断する。ここでの所定時間Ｔ２は、第２メイン吸着器１６の吸着材１６Ａが相対圧φ３で十分に再生することができる時間を確保することが好ましい。所定時間Ｔ２が経過すると、ステップＳ５０に進む。

ステップＳ５０では、第２冷熱生成モードの開始が指示される。第２冷熱生成モードの開始は、図１０に示されるように、ステップＳ５２でバルブ２５Ａを閉鎖させ、ステップＳ５４でバルブ２２Ａを開放させ、ステップＳ５６で三方弁３２を切り換えて配管Ｐ２をＰ２Ｃと連通させることにより指示される。これにより、蒸発器１２では熱媒が蒸発し、蒸発した熱媒が配管２２を経由して第２メイン吸着器１６へ移動し、吸着材１６Ａで吸着される。このとき、蒸発器１２内の温度は、冷熱温度Ｔｌであり、第２メイン吸着器１６内の温度は常温Ｔｍである。吸着材１６Ａは、相対圧φ２で熱媒を吸着する（図１４（Ａ）参照）。

次に、ステップＳ６０において、第１再生第１モードの開始が指示される。第１再生第１モードの開始は、図１１に示されるように、ステップＳ６２でバルブ２１Ａを閉鎖させ、ステップＳ６４でバルブ２４Ａを開放させ、ステップＳ６６で三方弁３０を切り換えて配管Ｐ１をＰ１Ｈと連通させることにより指示される。これにより、第１メイン吸着器１４内の温度は再生温度Ｔｈとなり、凝縮器２０（常温Ｔｍ）と連通され、吸着材１４Ａが相対圧φ１で再生される。

次に、ステップＳ７０において、アシスト再生の開始が指示される。アシスト再生の開始は、前述した図８に示される、ステップＳ３２、Ｓ３６で定義される。これにより、再生アシスト吸着器１８内の温度は再生温度Ｔｈとなり、凝縮器２０（常温Ｔｍ）と連通され、アシスト吸着材１８Ａが相対圧φ１で再生される。

次に、ステップＳ７８（図５参照）で所定時間Ｔ３が経過したかどうかを判断する。ここでの所定時間Ｔ３は、第１メイン吸着器１４の吸着材１４Ａの再生にかける時間であり、相対圧φ１において吸着材１４Ａを十分再生させる時間を確保することが好ましい。所定時間Ｔ３が経過すると、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ８０において、第２再生第１モードの開始が指示される。第２再生第１モードの開始は、図１２に示されるように、ステップＳ８２でバルブ２４Ａ、２８Ａを閉鎖させ、ステップＳ８４でバルブ２３Ａを開放させ、ステップＳ８６で三方弁３４を切り換えて配管Ｐ３をＰ３Ｃと連通させることにより指示される。これにより、第１メイン吸着器１４は凝縮器２０との連通が遮断されると共に再生アシスト吸着器１８と連通される。第１メイン吸着器１４内は再生温度Ｔｈが維持され、再生アシスト吸着器１８内の温度は常温Ｔｍとなり、第１メイン吸着器１４の吸着材１４Ａは相対圧φ３で再生される。このとき、再生アシスト吸着器１８のアシスト吸着材１８Ａは、第１メイン吸着器１４からの熱媒を吸着する（図１４（Ｂ）参照）。

次に、ステップＳ８８（図５参照）で所定時間Ｔ４が経過したかどうかを判断する。ここでの所定時間Ｔ２は、第１メイン吸着器１４の吸着材１４Ａの相対圧φ３において十分再生させる時間を確保することが好ましい。所定時間Ｔ４が経過すると、ステップＳ１０に戻り、以下の処理を繰り返す。

以上のように、吸着式ヒートポンプ運転が行われることにより、連続して冷熱生成することができる。

本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０では、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６を再生アシスト吸着器と連通させて第２再生を行うので、相対圧φ３を第１再生時の相対圧φ１よりも小さくすることができる。したがって、吸着材１４Ａ、１６Ａからより多くの熱媒を脱離させることができ、効率よく冷熱生成を行うことができる。

また、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０では、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の第２再生は、凝縮器２０と連通させて行う第１再生の後に行われる。したがって、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の再生のすべてを再生アシスト吸着器１８で行う必要がない。これにより、再生アシスト吸着器１８に求められる吸着量を少なくすることができ、再生アシスト吸着器１８を小容量のもので効率的使用し、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の再生を補助することができる。

また、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０では、再生アシスト吸着器１８の再生（アシスト再生）が、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の第１再生時に行われる。したがって、一方のメイン吸着器（第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の一方）が第１再生された後に連続して当該メイン吸着器（第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の一方）の第２再生を行うことができ再生アシスト吸着器１８の再生を時間ロスを少なくして効率よく行うことができる。これにより、２個のメイン吸着器（第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６）を１個の再生アシスト吸着器１８で第２再生することができる。

また、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０では、２個のメイン吸着器（第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６）を用い、一方での冷熱処理と他方での再生を交互に行うことで、連続した冷熱生成を行うことができる。

また、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０では、再生アシスト吸着器１８についても凝縮器２０と接続されているので、再生アシスト吸着器１８で脱離された熱媒についても凝縮器２０で凝縮させて液相状態とし、蒸発器１２へ送ることができる。

なお、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０は、第１メイン吸着器１４と第２メイン吸着器１６の２個のメイン吸着器を備えたが、連続運転しない場合には、１個のメイン吸着器（第１メイン吸着器１４または第２メイン吸着器１６）のみを備えるものであってもよい。この場合には、１個のメイン吸着器で冷熱生成、第１再生、第２再生を繰り返す。この場合でも、第１メイン吸着器１４（または第２メイン吸着器１６）を再生アシスト吸着器と連通させて第２再生を行うので、相対圧φ３を第１再生時の相対圧φ１よりも小さくすることができ、吸着材１４Ａ（１６Ａ）からより多くの熱媒を脱離させることができ、効率よく冷熱生成を行うことができる。また、第１メイン吸着器１４（または第２メイン吸着器１６）の第２再生は、凝縮器２０と連通させて行う第１再生の後に行われる。したがって、第１メイン吸着器１４（または第２メイン吸着器１６）の再生のすべてを再生アシスト吸着器１８で行う必要がなく、比較的小容量の再生アシスト吸着器１８を効率的に使用することができる。

なお、上記実施形態において、熱媒としては、たとえば、水やアンモニアを用いることが可能である。また、吸着材１４Ａ、１６Ａとしては、熱媒の吸着及び脱着が可能であれば良く、例えばシリカゲルを用いることが可能である。また、アシスト吸着材１８Ａとしては、シリカゲルを用いることもできるが、ゼオライト、活性炭、その他の物質を用いることもできる。

図１５には、再生アシスト吸着器１８を有しない比較例としての吸着式ヒートポンプ６０の概略図が示されている。当該吸着式ヒートポンプ６０と本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０とで、冷熱生成を行った場合の再生温度Ｔｈ毎の吸着量差Δｑを比較した。吸着材１４Ａ、１６Ａとしては図２に示す吸着特性を有するものを用い、アシスト吸着材１８Ａとしては、図４に示す相対圧φ１よりも０．１高い相対圧で大きな吸着量差を持つ吸着特性を有するものを用いた。再生温度Ｔｈ５５℃〜８０℃において、５℃ずつ変化させた場合の吸着量差Δｑは、図１６のとおりである。再生温度Ｔｈが５５℃という低温であっても、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０によれば、大きな吸着量差Δｑを得ることができる。

１０ 吸着式ヒートポンプ
１２ 蒸発器
１４ 第１メイン吸着器
１６ 第２メイン吸着器
１８ 再生アシスト吸着器
２０ 凝縮器

Claims (8)

1. 熱媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記熱媒を凝縮する凝縮器と、
   前記蒸発器と接続され前記熱媒を吸着すると共に、前記凝縮器と接続され前記熱媒を脱離して第１再生されるメイン吸着器と、
   前記メイン吸着器と接続され、前記第１再生による熱媒脱離後の前記メイン吸着器から残存する熱媒を吸着して前記メイン吸着器を第２再生する再生アシスト吸着器と、
   を備えた吸着式ヒートポンプ。
2. 前記再生アシスト吸着器は、前記メイン吸着器の第１再生時に前記熱媒を脱離してアシスト再生されること、を特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプ。
3. 前記メイン吸着器は、前記蒸発器、前記凝縮器、及び前記再生アシスト吸着器と各々接続された第１メイン吸着器及び第２メイン吸着器を含んで構成されている、請求項１または請求項２に記載の吸着式ヒートポンプ。
4. 前記第１メイン吸着器による前記熱媒の吸着時に前記第２メイン吸着器の前記第１再生、前記第２再生が行われると共に、前記第２メイン吸着器の前記第１再生時に前記再生アシスト吸着器の前記アシスト再生が行われ、前記第２メイン吸着器による前記熱媒の吸着時に前記第１メイン吸着器の前記第１再生、前記第２再生が行われると共に、前記第１メイン吸着器の前記第１再生時に前記再生アシスト吸着器の前記アシスト再生が行われること、を特徴とする請求項３に記載の吸着式ヒートポンプ。
5. 前記再生アシスト吸着器は、前記凝縮器と接続されていること、を特徴とする請求項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。
6. 蒸発器で熱媒を蒸発させて冷熱生成を行うと共に、前記熱媒をメイン吸着器で吸着し、
   前記メイン吸着器と前記熱媒を凝縮する凝縮器とを連通させて、前記吸着した熱媒を前記メイン吸着器から脱離させて前記メイン吸着器を第１再生し、
   前記第１再生による熱媒脱離後に再生アシスト吸着器と前記メイン吸着器とを接続して前記メイン吸着器から残存する熱媒を前記再生アシスト吸着器で吸着して前記メイン吸着器を第２再生する、
   冷熱生成方法。
7. 前記メイン吸着器の第１再生時に前記熱媒を脱離して前記再生アシスト吸着器をアシスト再生する、請求項６に記載の冷熱生成方法。
8. 前記メイン吸着器は、第１メイン吸着器及び第２メイン吸着器を有し、
   前記第１メイン吸着器での前記冷熱生成時に、前記第２メイン吸着器の前記第１再生及び前記第２再生を行うと共に、前記第２メイン吸着器の前記第１再生時に前記再生アシスト吸着器の前記アシスト再生を行い、
   前記第２メイン吸着器での前記冷熱生成時に、前記第１メイン吸着器の前記第１再生及び前記第２再生を行うと共に、前記第１メイン吸着器の前記第１再生時に前記再生アシスト吸着器の前記アシスト再生を行う、
   請求項７に記載の冷熱生成方法。

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