JP6402511B2 - 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。吸着器の吸着材を再生する際に排熱等の熱源が必要となるが、当該熱源についても効率的に利用することが求められる。

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、冷熱生成モード時に前記蒸発器と連通され前記蒸発器からの熱媒を吸着しつつ吸着熱を生成し、第１再生モード時に前記吸着した熱媒をメイン再生温度で脱離して第１再生されるメイン吸着器と、第２再生モード時に前記第１再生後の前記メイン吸着器から熱媒を吸着して前記メイン吸着器を第２再生し、前記メイン吸着器の冷熱生成モード時に前記メイン吸着器と連通され、前記メイン吸着器の前記吸着熱により加熱されてアシスト再生される、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、冷熱生成モード時に、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、蒸発器と連通されたメイン吸着器が蒸発器で蒸発した熱媒を吸着し、このとき吸着熱を生成する。また、メイン吸着器は、第１再生モード時に、吸着した熱媒をメイン再生温度で脱離して第１再生される。

一方、再生アシスト吸着器は、メイン吸着器の冷熱生成モード時にメイン吸着器と連通され、メイン吸着器の吸着熱により加熱されてアシスト再生される。また、第２再生モード時に、第１再生後のメイン吸着器から熱媒を吸着してメイン吸着器を第２再生する。

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、再生モードでメイン吸着器からより多くの熱媒を脱離させて、冷熱モードで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。

さらに、メイン吸着器が生成する吸着熱を利用して再生アシスト吸着器を再生（アシスト再生）するので、アシスト再生用の熱源を別途必要とせず、熱源の利用量を少なくすることができる。

請求項２に係る吸着式ヒートポンプは、前記メイン吸着器は、前記蒸発器、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２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、蒸発器と再生アシスト吸着機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３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、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が前記第１メイン吸着器からの吸着熱により加熱されて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、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４に係る吸着式ヒートポンプは、前記メイン吸着器と接続され、熱交換用熱媒を蒸発させて前記メイン吸着器へ供給し、熱交換により前記メイン吸着器を前記メイン再生温度に上昇させる高温蒸発器と、前記メイン吸着器の冷熱生成モード時に前記熱交換用熱媒を前記メイン吸着器から受け取り、前記再生アシスト吸着器を加熱する伝熱タンクと、をさらに備えている。

請求項４に係る吸着式ヒートポンプでは、高温蒸発器で蒸発した熱交換用熱媒（気相状態）をメイン吸着器へ供給することにより、メイン吸着器を加熱してメイン再生温度に上昇させる。また、冷熱生成モード時には、当該熱交換用熱媒をメイン吸着器の吸着熱により加熱して再生アシスト吸着器へ供給することにより、再生アシスト吸着器を加熱することができる。

請求項５に係る吸着式ヒートポンプは、 メイン吸着器及び再生アシスト吸着器が、熱媒を凝縮する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、メイン吸着器及び再生アシスト吸着器を凝縮器と接続することにより、メイン吸着器及び再生アシスト吸着器から脱離された熱媒を凝縮し、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つつ吸着熱を生成し、該吸着熱で再生アシスト吸着器を加熱してアシスト再生し、メイン再生温度で前記吸着した熱媒を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再生後に前記メイン吸着器からの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再生するものである。

請求項６に係る冷熱生成方法によれば、メイン吸着器で生成された吸着熱を用いて再生アシスト吸着器を加熱してアシスト再生するので、アシスト再生用の熱源を別途必要とせず、熱源の利用量を少なくすることができる。

また、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ものである。

請求項７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。 吸着式ヒートポンプシステムの制御部とバルブの接続を示すブロック図である。 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３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。 （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。 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、高温蒸発器１３、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。

吸着式ヒートポンプ１０は、さらに制御部７２（図２参照）を備えている。制御部７２はＣＰＵ、メモリ、バルブを切り替えるドライバ等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後述するバルブ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内には、配管ＰＡが配設されており、配管ＰＡは冷熱機器７０に接続されている。配管ＰＡ内は熱交換用の流体（本実施形態では水）で満たされており、不図示のポンプによって配管ＰＡ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。

凝縮器２０は、送られてくる熱媒（気相状態）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。凝縮器２０内には、配管ＰＢが配設されており、配管ＰＢは冷却部７１に接続されている。配管ＰＢ内は熱交換用の流体（本実施形態では水）で満たされており、不図示のポンプによって配管ＰＢ内を熱交換流体が循環することにより、凝縮器２０内を所定の温度に維持し、凝縮器２０へ送られた蒸気を凝縮させる。

凝縮器２０は、蒸発器１２及び高温蒸発器１３と配管２９を介して接続されている。配管２９には、液バルブＶＬが設けられている。配管２９の一端側は、凝縮器２０に接続され、他端側は、蒸発器１２側に接続される配管２９Ａと高温蒸発器１３側に接続される配管２９Ｂとに分岐されている。液バルブＶＬは、配管２９の分岐部に対する凝縮器２０側に設けられている。また、配管２９Ｂには、ポンプＰが設けられている。液バルブＶＬは、制御部７２と接続され、適宜開閉されて、凝縮器２０から蒸発器１２、高温蒸発器１３へ水を送出する。高温蒸発器１３へ水を送出する際には、ポンプＰも作動させる。

高温蒸発器１３内には、熱交換流体（本実施形態では水）が貯留されている。高温蒸発器１３内の水は、不図示の熱源により加熱されて水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６へ適宜供給される。

第１メイン吸着器１４内には吸着材１４Ａ及び伝熱タンク１４Ｂが配置され、第２メイン吸着器１６内には吸着材１６Ａ及び伝熱タンク１６Ｂ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。伝熱タンク１４Ｂ、１６Ｂは、吸着材１４Ａ、１６Ａとは隔壁を介して熱交換可能とされ、熱媒としての水を貯留可能とされている。

再生アシスト吸着器１８内にはアシスト吸着材１８Ａ及び伝熱タンク１８Ｂが配置されている。アシスト吸着材１８Ａ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。なお、アシスト吸着材１８Ａとしては、吸着材１４Ａ、１６Ａとは異なる吸着特性を有するものが選択される。アシスト吸着材１８Ａは、後述する第１再生モード時には吸着した熱媒を脱離する。また、第２再生モード時には、吸着材１４Ａ、１６Ａからの熱媒を吸着する。伝熱タンク１８Ｂは、アシスト吸着材１８Ａとは隔壁を介して熱交換可能とされ、熱媒としての水を貯留可能とされている。

蒸発器１２は、第１メイン吸着器１４の吸着材１４Ａが収容されている空間（以下、この空間を「吸着材空間１４Ｒ」という）、及び、第２メイン吸着器１６の吸着材１６Ａが収容されている空間（以下、この空間を「吸着材空間１６Ｒ」という）と、配管２２を介して接続されている。配管２２は、第１メイン吸着器１４と接続される配管２２Ａ、第２メイン吸着器１６に接続される配管２２Ｂに分岐されており、配管２２ＡにはバルブＶ１１が設けられており、配管２２ＢにはバルブＶ１２が設けられている。図２に「示されるように、バルブＶ１１、Ｖ１２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Ｖ１１、Ｖ１２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の吸着材空間１４Ｒ、第２メイン吸着器１６の吸着材空間１６Ｒへの熱媒（気相状態）の移動が可能となる。

高温蒸発器１３は、第１メイン吸着器１４の伝熱タンク１４Ｂ、第２メイン吸着器１６の伝熱タンク１６Ｂと、配管Ｔ１で接続されている。配管Ｔ１は、伝熱タンク１４Ｂと接続される配管Ｔ１Ａ、第２メイン吸着器１６に接続される配管Ｔ１Ｂに分岐されており、配管Ｔ１ＡにはバルブＶ２が設けられており、配管Ｔ１ＢにはバルブＶ１が設けられている。バルブＶ１、Ｖ２は、制御部７２と接続されており（図２参照）、制御部７２によって開閉が制御されている。バルブＶ１、Ｖ２を開放することにより、高温蒸発器１３から第１メイン吸着器１４の伝熱タンク１４Ｂ、第２メイン吸着器１６の伝熱タンク１６Ｂへの熱媒（気相状態）の移動が可能となる。

第１メイン吸着器１４の吸着材空間１４Ｒ、及び、第２メイン吸着器１６の吸着材空間１６Ｒは、配管２４を介して再生アシスト吸着器１８の吸着材１８Ａが収容されている空間（以下、この空間を「吸着材空間１８Ｒ」という）と接続されている。配管２４は、一端が吸着材空間１８Ｒに接続されており、中間部で吸着材空間１４Ｒに接続される配管２４Ａと、吸着材空間１６Ｒに接続される配管２４Ｂに分岐されている。配管２４ＡにはバルブＶ３が設けられ、配管２４ＢにはバルブＶ４が設けられ、配管２４Ａ、２４Ｂが合流した配管２４にはバルブＶ５が設けられている。バルブＶ３〜５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。

第１メイン吸着器１４の伝熱タンク１４Ｂ、及び、第２メイン吸着器１６の伝熱タンク１６Ｂは、配管Ｔ２を介して再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂと接続されている。配管Ｔ２は、一端が伝熱タンク１８Ｂに接続されており、中間部で伝熱タンク１４Ｂに接続される配管Ｔ２Ａと、伝熱タンク１６Ｂに接続される配管Ｔ２Ｂに分岐されている。配管Ｔ２ＡにはバルブＶ６が設けられ、配管Ｔ２ＢにはバルブＶ７が設けられている。バルブＶ６、Ｖ７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。

配管２４のバルブＶ３及びＶ４とバルブＶ５の間には、配管２６の一端が接続されている。配管２６の他端は、凝縮器２０と接続されている。配管２６には、バルブＶ８が設けられている。バルブＶ８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。

再生アシスト吸着器１８の吸着材空間１８Ｒは、配管２８を介して凝縮器２０と接続されている。配管２８には、バルブＶ１０が設けられている。バルブＶ１０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。

再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂは、配管Ｔ３を介して凝縮器２０と接続されている。配管Ｔ３には、バルブＶ９が設けられている。バルブＶ９は、制御部７２と接続されており（図２参照）、制御部７２によって開閉が制御されている。

本実施形態では、上記のように、蒸発器１２と再生アシスト吸着器１８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７１で冷却される熱交換流体の温度は常温Ｔｍとする。また、高温蒸発器１３で生成されて送出される水蒸気の温度は６０℃〜９０℃程度が想定されており、この温度が吸着材１４Ａ、１６Ａを再生する際のメイン再生温度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、メイン再生温度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３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４には、図３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４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。

冷熱生成モードの間、上記の特性を有する吸着材１４Ａ（または「吸着材１６Ａ」、以下、括弧内に第２メイン吸着器１６に対応するものを併記している）を備えた第１メイン吸着器１４の吸着材空間１４Ｒ（第２メイン吸着器１６の吸着材空間１６Ｒ）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)内の温度を常温Ｔｍとし、蒸発器１２内の冷熱温度を常温Ｔｍよりも低い冷熱温度Ｔｌとすると、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３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（単位質量当たり）の熱媒吸着量ｑ０ａ＝０．３程度となる。

また、本実施形態では、冷熱生成モードの間、第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）の吸着熱による蒸気を再生アシスト吸着器１８に送るため、伝熱タンク１４Ｂ（伝熱タンク１６Ｂ）と再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂとを接続する。この時の伝熱タンク１８Ｂの温度をアシスト再生温度Ｔａとし、吸着材１４Ａ（吸着材１６Ａ）の吸着時の平衡温度をＴｂとすると、第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）の吸着材１４Ａ（吸着材１６Ａ）の相対圧φ４は、式２で表わされる。

φ４ ＝ 温度Ｔａでの飽和蒸気圧／平衡温度Ｔｂでの飽和蒸気圧 …（式２）

図３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、再生アシスト温度Ｔａ＝４５℃、平衡温度Ｔｂ＝７０℃で、相対圧φ４＝０．３とすると、吸着材当たりの熱媒吸着量ｑ０ｂ＝０．２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の吸着材１４Ａ（第２メイン吸着器１６の吸着材１６Ａ）は凝縮器２０と連通される。また、第１メイン吸着器１４の伝熱タンク１４Ｂ（第２メイン吸着器１６の伝熱タンク１６Ｂ）は高温蒸発器１３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）内の温度を再生温度Ｔｈとし、凝縮器２０内の温度を常温Ｔｍとすると、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３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３）

図３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程度となる。相対圧φ２で吸着を行った吸着材１４Ａ、１６Ａからは、ｑ０ａとｑ１の差分Δｑ１ａ＝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の吸着材１４Ａ（第２メイン吸着器１６の吸着材１６Ａ）が再生アシスト吸着器１８のアシスト吸着材１８Ａ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φ５は、式４で表わされる。

φ５＝温度Ｔｍでの再生アシスト吸着器の平衡圧力／温度Ｔｈでの飽和蒸気圧…式４）

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φ５は、相対圧φ１よりも小さくなる。図３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φ５＝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程度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＝Δｑ１ａ＋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。このとき、伝熱タンク１４Ｂ（伝熱タンク１６Ｂ）から再生アシスト吸着器１８内の伝熱タンク１８Ｂに供給された熱媒の蒸気が凝縮されて液相になるときの凝縮熱により再生アシスト吸着器１８内が加熱され、再生アシスト吸着器１８内はアシスト再生温度Ｔａとなる。再生アシスト吸着器１８（アシスト吸着材１８Ａ）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φ３は、式５で表される。

φ３ ＝ 温度Ｔｍでの飽和蒸気圧／温度Ｔａでの飽和蒸気圧 …（式５）

図５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℃、アシスト再生温度Ｔａ＝４５℃で、相対圧φ３＝０．５８とすると、吸着材当たりの熱媒吸着量ｑ５＝０．０４程度となる。

一方、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、伝熱タンク１８Ｂは、凝縮器２０と接続され、再生アシスト吸着器１８内の温度は常温Ｔｍとなる。

このとき、再生アシスト吸着器１８では、熱媒の吸着が行われ、図５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０．３５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Δｑ５＝０．３１となる。吸着量差Δｑ５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φ３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（立ち上がり傾斜の大きいもの）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６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７に示されるように、ステップＳ１２でバルブＶ２、Ｖ３、Ｖ１２を閉鎖させ、ステップＳ１４でバルブＶ６、Ｖ１１を開放させる指示により行われる。これにより、蒸発器１２と第１メイン吸着器１４の吸着材空間１４Ｒとが接続される。蒸発器１２では熱媒が蒸発し、蒸発した熱媒が配管２２、２２Ａ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である。また、第１メイン吸着器１４の伝熱タンク１４Ｂは再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂと接続され、吸着材１４Ａの吸着熱により加熱されて伝熱タンク１４Ｂ内の蒸気が再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂへ送出される。第１メイン吸着器１４内の温度は、アシスト再生温度Ｔａである。吸着材１４Ａは、相対圧φ４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８に示されるように、ステップＳ２２でバルブＶ５、Ｖ７を閉鎖させ、ステップＳ２４でバルブＶ１、Ｖ４、Ｖ８を開放させる指示により行われる。これにより、高温蒸発器１３と第２メイン吸着器１６の伝熱タンク１６Ｂが接続され、高温蒸発器１３からの蒸気が凝縮し、第２メイン吸着器１６内の温度はメイン再生温度Ｔｈとなる。また、第２メイン吸着器１６の吸着材空間１６Ｒは凝縮器２０と接続され、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９に示されるように、ステップＳ３２でバルブＶ９を閉鎖させ、ステップＳ３４でバルブＶ１０を開放させる指示により行われる。再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂには、第１メイン吸着器１４の伝熱タンク１４Ｂから蒸気が送られ、当該蒸気が凝縮し、再生アシスト吸着器１８内の温度はアシスト再生温度Ｔａとなる。また、再生アシスト吸着器１８のアシスト吸着材１８Ａは、凝縮器２０（常温Ｔｍ）と連通され、アシスト吸着材１８Ａが相対圧φ３で再生される。

次に、ステップＳ３８（図６参照）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及び再生アシスト吸着器１８のアシスト吸着材１８Ａの再生にかける時間であり、各々の相対圧で吸着材１６Ａ、アシスト吸着材１８Ａ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１０に示されるように、ステップＳ４２でバルブＶ８、Ｖ１０を閉鎖させ、ステップＳ４４でバルブＶ５、Ｖ９を開放させる指示により行われる。これにより、第２メイン吸着器１６の吸着材空間１６Ｒは再生アシスト吸着器１８の吸着材空間１８Ｒと連通される。第２メイン吸着器１６内は再生温度Ｔｈが維持される。一方、再生アシスト吸着器１８内の温度は、伝熱タンク１８Ｂに貯留された液相の熱媒が蒸発して冷却され、凝縮器２０内と同じ常温Ｔｍとなり、第２メイン吸着器１６の吸着材１６Ａは相対圧φ５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６参照）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φ５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１１に示されるように、ステップＳ５２でバルブＶ１、Ｖ４、Ｖ１１を閉鎖させ、ステップＳ５４でバルブＶ７、Ｖ１２を開放させる指示により行われる。これにより、蒸発器１２と第２メイン吸着器１６の吸着材空間１６Ｒとが接続される。蒸発器１２では熱媒が蒸発し、蒸発した熱媒が配管２２、２２Ｂ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である。また、第２メイン吸着器１６の伝熱タンク１６Ｂは再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂと接続され、吸着材１６Ａの吸着熱により加熱されて伝熱タンク１６Ｂ内の蒸気が再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂへ送出される。第２メイン吸着器１６内の温度は、アシスト再生温度Ｔａである。吸着材１６Ａは、相対圧φ４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１２に示されるように、ステップＳ６２でバルブＶ５、Ｖ６を閉鎖させ、ステップＳ６４でバルブＶ３、Ｖ８を開放させる指示により行われる。これにより、第１メイン吸着器１４内の温度はメイン再生温度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９に示される、ステップＳ３２、Ｓ３４で定義される。再生アシスト吸着器１８の伝熱タンク１８Ｂには、第２メイン吸着器１６の伝熱タンク１６Ｂから蒸気が送られ、当該蒸気が凝縮し、再生アシスト吸着器１８内の温度はアシスト再生温度Ｔａとなる。また、再生アシスト吸着器１８のアシスト吸着材１８Ａは、凝縮器２０（常温Ｔｍ）と連通され、アシスト吸着材１８Ａが相対圧φ３で再生される。

次に、ステップＳ７８（図６参照）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、再生アシスト吸着器１８のアシスト吸着材１８Ａの再生にかける時間であり、各々の相対圧で吸着材１４Ａ、アシスト吸着材１８Ａ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１０に示される、ステップＳ４２、Ｓ４４で定義される。これにより、第１メイン吸着器１４の吸着材空間１４Ｒは再生アシスト吸着器１８の吸着材空間１８Ｒと連通される。第１メイン吸着器１４内は再生温度Ｔｈが維持される。一方、再生アシスト吸着器１８内の温度は、伝熱タンク１８Ｂに貯留された液相の熱媒が蒸発して冷却され、凝縮器２０内と同じ常温Ｔｍとなり、第１メイン吸着器１４の吸着材１４Ａは相対圧φ５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６参照）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、相対圧φ５で第１メイン吸着器１４の吸着材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φ４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、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、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、第１メイン吸着器１４、第２メイン吸着器１６の吸着熱を再生アシスト吸着器１８の吸着材１８Ａを再生する際の熱源として利用するので、熱源を別途必要とせず、アシスト再生用の、熱源を少なくすることができる。

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なくして効率よく行うことができる。また、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、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が凝縮器２０と接続され、凝縮器２０が蒸発器１２、高温蒸発器１３と接続されているので、各々からの蒸気を凝縮器２０で凝縮させて、蒸発器１２、高温蒸発器１３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（例えば、第１メイン吸着器１４）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、冷熱生成モード時に第１メイン吸着器１４からの吸着熱により再生アシスト吸着器１８のアシスト吸着材１８Ａが再生される。この場合でも、第１メイン吸着器１４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φ５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、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。

さらに、再生アシスト吸着器１８の再生の際の熱源として、第１メイン吸着器１４（第２メイン吸着器１６）の吸着熱を利用するので、効率よく熱を利用することができる。また、アシスト再生用の熱源を別途必要とせず、熱源を少なくすることができる。

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で冷熱生成を行った場合と、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０で冷熱生成を行った場合の、メイン再生温度Ｔｈ毎の吸着量差Δｑを示すグラフが示されている。いずれの吸着式ヒートポンプにおいても、吸着材１４Ａ、１６Ａとしては図３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５に示すように、相対圧φ３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。メイン再生温度Ｔｈ５５℃〜８０℃において、５℃ずつ変化させた場合の吸着量差Δｑは、低温になるほど、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０と比較例の吸着式ヒートポンプの吸着量差Δｑの差が開いている。本実施形態の吸着式ヒートポンプ１０によれば、メイン再生温度Ｔｈが５５℃という低温であっても、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
１３ 高温蒸発器
１４ メイン吸着器
１６ メイン吸着器
１８ 再生アシスト吸着器
２０ 凝縮器

Claims (7)

1. 熱媒を蒸発させる蒸発器と、
   冷熱生成モード時に前記蒸発器と連通され前記蒸発器からの熱媒を吸着しつつ吸着熱を生成し、第１再生モード時に前記吸着した熱媒をメイン再生温度で脱離して第１再生されるメイン吸着器と、
   第２再生モード時に前記第１再生後の前記メイン吸着器から熱媒を吸着して前記メイン吸着器を第２再生し、前記メイン吸着器の冷熱生成モード時に前記メイン吸着器と連通され、前記メイン吸着器の前記吸着熱により加熱されてアシスト再生される、再生アシスト吸着器と、
   を備えた吸着式ヒートポンプ。
2. 前記メイン吸着器は、前記蒸発器、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に記載の吸着式ヒートポンプ。
3. 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、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が前記第１メイン吸着器からの吸着熱により加熱されて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、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２に記載の吸着式ヒートポンプ。
4. 前記メイン吸着器と接続され、熱交換用熱媒を蒸発させて前記メイン吸着器へ供給し、熱交換により前記メイン吸着器を前記メイン再生温度に上昇させる高温蒸発器と、
   前記メイン吸着器の冷熱生成モード時に前記熱交換用熱媒を前記メイン吸着器から受け取り、前記再生アシスト吸着器を加熱する伝熱タンクと、
   をさらに備えた、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。
5. 前記メイン吸着器及び前記再生アシスト吸着器は、熱媒を凝縮する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つつ吸着熱を生成し、該吸着熱で再生アシスト吸着器を加熱してアシスト再生し、
   メイン再生温度で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再生後に前記メイン吸着器からの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６に記載の冷熱生成方法。

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