JP7499582B2

JP7499582B2 - 吸着式ヒートポンプ

Info

Publication number: JP7499582B2
Application number: JP2020039036A
Authority: JP
Inventors: 大騎鈴木; 靖樹廣田; 崇史山内; 智行秋田; 隆太神谷; 弘之岡; 毅鬼頭
Original assignee: Mayekawa Manufacturing Co; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Mayekawa Manufacturing Co; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2020-03-06
Filing date: 2020-03-06
Publication date: 2024-06-14
Anticipated expiration: 2040-03-06
Also published as: JP2021139585A

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプに関する。

冷熱を供給可能な吸着式ヒートポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された吸着式ヒートポンプでは、加熱器によって加熱された水蒸気が吸着器内の吸着材を加熱する。加熱器は、吸着器の鉛直下方に配置され、流通配管によって吸着器に接続している。流通配管の途中に配置されたバルブによって流通配管内の流路が開閉され、吸着器に供給される水蒸気が制御される。

特許第６１５５７３２号明細書

特許文献１に記載された吸着式ヒートポンプでは、バルブが流通配管を閉じ、かつ、加熱器とは異なる第１蒸発器から供給される水蒸気が吸着器内で凝縮されている状態で、流路内のバルブの上方（吸着器側）に凝縮された水滴が生じる。この水滴は、閉じた状態のバルブを介して、加熱器側の高温蒸気によって加熱されて蒸発する場合がある。すなわち、バルブの伝熱によって、加熱器から熱が流出するおそれがある。加熱器から熱が流出すると、吸着式ヒートポンプのシステム効率が低下する。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、吸着式ヒートポンプのシステム効率を向上させることを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現できる。吸着式ヒートポンプであって、高温蒸気を生成する高温蒸発器と、前記高温蒸気よりも温度が低い低温蒸気を生成する低温蒸発器と、前記高温蒸気および前記低温蒸気が供給される吸着器と、前記高温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記高温蒸気が流れ、鉛直方向に延びる流路を形成する流路形成部と、前記流路形成部に設けられて前記流路を開閉する流路開閉部と、を備え、前記吸着器は、前記流路に接続して鉛直方向に延びる吸着器内流路を形成する伝熱管壁と、前記伝熱管壁を介して前記吸着器内流路の外側に配置された吸着材であって、供給された前記低温蒸気を吸着する吸着材とを有し、前記高温蒸発器は、前記吸着器の鉛直方向の下側に配置され、前記流路開閉部は、前記流路を閉じた状態で、前記流路開閉部によって区画された前記流路間を断熱する断熱機構を有し、前記断熱機構は、前記流路上に互いに離間した状態で直列に配置された第１バルブおよび第２バルブを有し、前記吸着式ヒートポンプは、さらに、前記第１バルブおよび前記第２バルブを同じステップで開閉する制御部を備える、吸着式ヒートポンプ。そのほか、本発明は、以下の形態としても実現可能である。

（１）本発明の一形態によれば、吸着式ヒートポンプが提供される。この吸着式ヒートポンプは、高温蒸気を生成する高温蒸発器と、前記高温蒸気よりも温度が低い低温蒸気を生成する低温蒸発器と、前記高温蒸気および前記低温蒸気が供給される吸着器と、前記高温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記高温蒸気が流れる流路を形成する流路形成部と、前記流路形成部に設けられて前記流路を開閉する流路開閉部と、を備え、前記吸着器は、供給された前記低温蒸気を吸着する吸着材を有し、前記高温蒸発器は、前記吸着器の鉛直方向の下側に配置され、前記流路開閉部は、前記流路を閉じた状態で、前記流路開閉部によって区画された前記流路間を断熱する断熱機構を有する。

この構成によれば、低温蒸発器から供給される低温蒸気は、吸着材に吸着される。吸着材に吸着される際の吸熱反応により、低温蒸発器に冷熱が供給される。吸着材が冷媒を吸着した状態で、高温蒸発器によって高温蒸気が吸着器に供給されると、高温蒸気による熱によって吸着材は冷媒を脱離する。冷媒を脱離した吸着材は、再び、低温蒸気を吸着することにより、低温蒸発器に冷熱を継続的に供給できる。低温蒸気が吸着材に供給される場合に、高温蒸気で満たされた流路と吸着器とは、流路開閉部が閉じられることにより区画される。この場合に、高温蒸発器が吸着器の鉛直方向の下側に配置されるため、吸着器側の流路開閉部には、気化していない冷媒が付着するおそれがある。本構成の流路開閉部が有する断熱機構は、区画された流路間を断熱するため、流路開閉部に付着した冷媒が、流路開閉部を介した高温蒸気側の熱によって蒸発せずに済む。すなわち、断熱機構によって、流路開閉部が閉じた状態で、高温蒸発器側から温度の低い吸着器側へと熱が流出しないため、吸着式ヒートポンプのシステム効率が向上する。

（２）上記形態の吸着式ヒートポンプにおいて、前記断熱機構は、前記流路上に互いに離間した状態で直列に配置された第１バルブおよび第２バルブを有していてもよい。
この構成によれば、離間した第１バルブおよび第２バルブを閉じることにより、第１バルブを伝わる熱と、第２バルブを伝わる熱とは、第１バルブと第２バルブとの間における流路内の冷媒の対流のみによってしか伝わらない。そのため、第１バルブおよび第２バルブが閉じた状態で、高温蒸発器側から吸着器側への熱移動が抑制されるため、吸着式ヒートポンプのシステム効率が向上する。

（３）上記形態の吸着式ヒートポンプにおいて、前記第１バルブは、前記第２バルブよりも鉛直方向の上側に配置されたリードバルブであってもよい。
この構成によれば、高温蒸発器から吸着器へと高温蒸気が供給される際に、第１バルブが圧力差によって自動的に開く。一方で、低温蒸発器から吸着材へと低温蒸気が供給される際には、第１バルブが開かない。これにより、動力を使用せずに第１バルブが開閉するため、吸着式ヒートポンプのシステム効率が向上する。

（４）上記形態の吸着式ヒートポンプにおいて、前記断熱機構は、断熱性を有する弁体を備える第３バルブを有していてもよい。
この構成によれば、１つの第３バルブのみによって、第３バルブが閉じた場合に、高温蒸発器側と吸着器側とを断熱できる。すなわち、簡単な構成によって、断熱機構を実現できる。

（５）上記形態の吸着式ヒートポンプにおいて、前記流路開閉部の熱抵抗は、０．００５Ｋ／Ｗ以上であってもよい。
この構成によれば、高温蒸発器と吸着器とを間を開閉する流路開閉部の熱抵抗が大きい、すなわち断熱性が高いため、流路開閉部により区画された流路間の熱交換が抑制される。

（６）上記形態の吸着式ヒートポンプにおいて、前記高温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記高温蒸気の熱伝達率と、前記低温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記低温蒸気の熱伝達率とが、それぞれ３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）以上であってもよい。
この構成によれば、高温蒸気の熱伝達率と低温蒸気の熱伝達率とが高いため、断熱性を有する断熱機構を用いることにより、流路開閉部により区画された流路間の熱交換がより抑制される。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、吸着式ヒートポンプ、吸着式ポンプ、吸着式ヒートポンプが備えるバルブ、吸着式ヒートポンプの制御方法、およびこれらの装置を備えるシステムまたは制御方法、および、これらシステムや制御方法を実行するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを配布するためのサーバ装置、コンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態としての吸着式ヒートポンプの概略ブロック図である。第１吸着器を拡大した概略断面図である。吸着式ヒートポンプの作動状態についての説明図である。吸着式ヒートポンプの作動状態についての説明図である。吸着式ヒートポンプの制御方法のフローチャートである。第２実施形態の吸着式ヒートポンプの概略ブロック図である。バルブの概略断面図である。バルブの概略断面図である。第２実施形態の吸着式ヒートポンプの制御方法のフローチャートである。バルブの弁体の放熱量についての説明図である。バルブの弁体の放熱量についての説明図である。第２実施形態の第１変形例のバルブの説明図である。第２実施形態の第２変形例のバルブの説明図である。第２実施形態の第３変形例のバルブの説明図である。

＜第１実施形態＞
・吸着式ヒートポンプ１００の構成
図１は、本発明の第１実施形態としての吸着式ヒートポンプ１００の概略ブロック図である。図１に示される吸着式ヒートポンプ１００は、２つの吸着器２０，５０が有する吸着材２５，５５を用いて冷媒（熱媒）としての水を「蒸発－吸着－脱着－凝縮」の順で循環させることにより、低温の温水（６５℃～１００℃）を利用して冷水を作る装置である。

図１に示されるように、吸着式ヒートポンプ１００は、高温蒸気（例えば８５℃）を生成する高温蒸発器３０と、高温蒸気よりも温度が低い低温蒸気（例えば３０℃）を生成する低温蒸発器１０と、高温蒸気および低温蒸気が供給される第１吸着器（吸着器）２０および第２吸着器（吸着器）５０と、低温蒸発器１０と熱交換可能に接続された冷熱機６０と、高温蒸発器３０から第１吸着器２０へと供給される高温蒸気が流れる流路ＦＰ３１～ＦＰ３３を形成する配管（流路形成部）３１～３３と、流路ＦＰ３１，ＦＰ３３を開閉するバルブＶ３３と、流路ＦＰ３２，ＦＰ３３を開閉するバルブＶ３２と、高温蒸発器３０から第２吸着器５０へと供給される高温蒸気が流れる流路ＦＰ３４～ＦＰ３６を形成する配管（流路形成部）３１，３４，３６と、流路ＦＰ３１，ＦＰ３５を開閉するバルブＶ３５と、流路ＦＰ３４，ＦＰ３５を開閉するバルブＶ３４と、冷媒である水蒸気を水へと凝縮する凝縮器４０と、を備えている。

第１吸着器２０は、低温蒸発器１０から供給された低温蒸気を吸着する吸着材２５を有している。同じように、第２吸着器５０は、低温蒸気を吸着する吸着材５５を有している。本実施形態の吸着材２５，５５は、シリカゲルで構成され、冷媒として水および水蒸気を吸着する。

吸着式ヒートポンプ１００は、さらに、第１吸着器２０と低温蒸発器１０とを接続する配管１１，１２と、配管１１，１２内の流路を開閉するＶ１２と、第２吸着器５０と低温蒸発器１０とを接続する配管１１，１３と、配管１１，１３内の流路を開閉するＶ１３と、凝縮器４０と高温蒸発器３０とを接続する配管４１，４２と、凝縮器４０により凝縮された水を高温蒸発器へと供給するために配管４１，４２間に配置されたポンプＰ１と、第１吸着器２０と凝縮器４０とを接続する配管２１，２２および配管２３，２４と、配管２１，２２内の流路を開閉するＶ２１と、配管２３，２４内の流路を開閉するＶ２３と、第２吸着器５０と凝縮器４０とを接続する配管５１，５２および配管５３，５４と、配管５１，５２内の流路を開閉するＶ５１と、配管５３，５４内の流路を開閉するＶ５３と、第１吸着器２０が有するシャワーヘッド２６と凝縮器４０とを接続する配管４３～４５と、配管４４，４５内の流路を開閉するバルブＶ４５と、第２吸着器５０が有するシャワーヘッド５６と凝縮器４０とを接続する配管４３、４４，４６と、配管４４，４６内の流路を開閉するバルブＶ４６と、凝縮器４０により凝縮された水をシャワーヘッド２６，５６へと供給するために配管４３，４４間に配置されたポンプＰ２と、各バルブの開閉制御およびポンプＰ１，Ｐ２の作動制御を行う制御部７０と、を備えている。

制御部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）とを備えている。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されているコンピュータプログラムをＲＡＭに展開して実行することにより、全バルブおよびポンプＰ１，Ｐ２を制御する。なお、第１実施形態の吸着式ヒートポンプ１００が備える全バルブは、ゲートバルブである。

第１吸着器２０と第２吸着器５０とは、同じ構造を有しており、各吸着器２０，５０に接続している配管等も、それぞれ同じ構造を有している。そのため、第１実施形態では、第１吸着器２０に関連する構造について説明し、第２吸着器５０に関連する構造についての説明を省略する。

低温蒸発器１０は、低温蒸気を生成すると共に、各吸着器２０，５０から冷熱を得る。低温蒸発器１０は、例えば、冷熱機６０の室外機として適用可能であり、一方で、この場合には冷熱機６０は室内機として機能する。高温蒸発器３０は、ポンプＰ１によって凝縮器４０から供給される水を加熱して水蒸気を生成する。生成された水蒸気は、流路ＦＰ３１～ＦＰ３５を介して各吸着器２０，５０へと供給される。図１に示されるように、高温蒸発器３０は、吸着式ヒートポンプ１００が配置された場合に、重力方向に沿って各吸着器２０，５０の鉛直方向下側に配置される。バルブＶ３２，Ｖ３３は、流路ＦＰ３１～３３上において、互いに離間した状態で直列に配置されている。なお、バルブＶ３２，Ｖ３４は、第１バルブに相当し、バルブＶ３３，Ｖ３５は、第２バルブに相当する。

なお、図１において、単線によって示された配管４１，４２内および配管４３～４６内の流路には、主として液体の水が流れている。一方で、複線によって示された流路ＦＰ３１～３５と、配管２１～２４内および配管５１～５４内の流路とには、主として気体としての水蒸気が流れている。複線によって示されている流路ＦＰ３１～３５と、配管２１～２４内および配管５１～５４内の流路とは、減圧されて真空状態（または真空に近い圧力状態）に保たれている。

図２は、第１吸着器２０を拡大した概略断面図である。第１吸着器２０は、中心軸ＯＬ１を中心とする略円筒状の形状を有している。図２に示されるように、第１吸着器２０は、中心軸ＯＬ１上に位置する流路ＦＰ２８を形成する伝熱管壁２７と、伝熱管壁２７の外周面に配置された吸着材２５と、流路ＦＰ内に配置されたシャワーヘッド２６とを備えている。

伝熱管壁２７は、熱伝導率の高い材料で形成されており、本実施形態ではアルミニウムによって形成されている。流路ＦＰ２８は、流路ＦＰ３２と流路と配管２３内の流路とを接続している。図２に示されるように、流路ＦＰ２８内を通る水蒸気と、配管１２内および配管２１内の流路を通る水蒸気とは、伝熱管壁２７により分けられている。吸着材２５は、配管１２内および配管２１内の流路を通る水蒸気の吸着と、吸着した水蒸気の脱離とを行う。シャワーヘッド２６は、ポンプＰ２によって凝縮器４０から供給される水を流路ＦＰ２８内に分散する。

・吸着式ヒートポンプ１００の動作説明
本実施形態の吸着式ヒートポンプ１００では、２つの吸着器２０，５０の内、一方の吸着器に低温蒸気が供給され、他方の吸着器に高温蒸気が供給される。低温蒸気の供給と、高温蒸気の供給とが交互に行われることにより、低温蒸気の供給時に吸着材が水蒸気を吸着し、高温蒸気の供給時に吸着材が吸着した水蒸気を脱離する。低温蒸発器１０内の水が低温蒸気に変化する際の気化熱によって、低温蒸発器１０に冷熱が供給される。

図３および図４は、吸着式ヒートポンプ１００の作動状態についての説明図である。図３に示される状態では、第１吸着器２０の吸着材２５が低温蒸気を吸着する吸着工程が行われ、かつ、第２吸着器５０の吸着材５５が高温蒸気の熱交換によって水蒸気を脱離する脱離工程が行われている。図４に示される状態では、第１吸着器２０において脱離工程が行われ、かつ、第２吸着器５０において吸着工程が行われている。

制御部７０は、第１吸着器２０で吸着工程を行うと共に第２吸着器５０で脱離工程を行う場合に、全バルブが閉じた状態から、ポンプＰ１を起動させ、凝縮器４０から高温蒸発器３０へと水を供給する。その後、制御部７０は、図３に示されるように、バルブＶ１２，Ｖ２３，Ｖ４５およびバルブＶ３４，Ｖ３５，Ｖ５１を開く。なお、図３では、閉じられたバルブにハッチングが施されている。

バルブＶ１２が開くことにより、低温蒸発器１０で蒸発した低温蒸気が第１吸着器２０の吸着材２５に吸着される。また、シャワーヘッド２６は、ポンプＰ２によって供給された水を第１吸着器２０内の流路ＦＰ２８に散水する。散水された水が気化するため、気化熱によって第１吸着器２０は冷却され、水蒸気を吸着することによって昇温する吸着材２５が冷却される。気化後の水蒸気は、開いているバルブＶ２３を通って凝縮器４０で水へと凝縮される。

吸着工程が行われている第１吸着器２０の流路ＦＰ２８内では、飽和蒸気圧に達して気化しなかった水および凝縮された水が、重力によって落下してバルブＶ３２に付着する場合がある。しかし、本実施形態では、互いに離間した状態で直列に配置されたバルブＶ３２，Ｖ３３と、バルブＶ３２とバルブＶ３３との間の流路ＦＰ３３内に形成された蒸気層とによって、流路ＦＰ３１内の高温蒸気と流路ＦＰ３２内の低温の水蒸気とにおける熱交換が行われない。すなわち、流路ＦＰ内の高温蒸気と、流路ＦＰ３２内の低温蒸気とは断熱されている。なお、バルブＶ３２，Ｖ３３および流路ＦＰ３３は、断熱機構に相当する。

脱離工程が行われている第２吸着器５０には、バルブＶ３４，Ｖ３５が開いているため、高温蒸発器３０から高温蒸気が供給される。供給された高温蒸気の熱が伝熱管壁５７を介して吸着材５５を加熱するため、吸着材５５に吸着されていた水蒸気が脱離する。脱離した水蒸気は、開いているバルブＶ５１を通って凝縮器４０で水へと凝縮される。制御部７０は、予め設定された時間が経過する毎に、各吸着器２０，５０で行われる工程を切り替える。

・吸着式ヒートポンプ１００の制御フロー
図５は、吸着式ヒートポンプ１００の制御方法のフローチャートである。図５に示されるように、制御部７０は、初めに、吸着式ヒートポンプ１００が備える全バルブを閉じる（ステップＳ１）。制御部７０は、ポンプＰ１を起動し（ステップＳ２）、凝縮器４０から高温蒸発器３０へと水を供給する。

制御部７０は、バルブＶ１２，Ｖ２３，Ｖ４５およびバルブＶ３４，Ｖ３５，Ｖ５１を開いて、第１吸着器２０で吸着工程を開始し、第２吸着器５０で脱離工程を開始する（ステップＳ３）。第１吸着器２０の吸着材２５は、低温蒸発器１０から供給される低温蒸気を吸着する。一方で、第２吸着器５０の吸着材５５は、高温蒸発器３０から供給される高温蒸気の熱によって吸着していた水蒸気を脱離する。なお、吸着式ヒートポンプ１００が稼働し始めた状態で、第２吸着器５０の吸着材５５は、必ずしも水蒸気を吸着していなくてもよい。制御部７０は、所定の時間が経過すると、開いていたバルブＶ１２，Ｖ２３，Ｖ４６およびバルブＶ３４，Ｖ３５，Ｖ５１を閉じる（ステップＳ４）。

制御部７０は、バルブＶ２１，Ｖ３２，Ｖ３３およびバルブＶ１３，Ｖ４６，Ｖ５３，を開いて、第１吸着器２０で脱離工程を開始し、第２吸着器５０で吸着工程を開始する（ステップＳ５）。第１吸着器２０の吸着後の吸着材２５は、高温蒸発器３０から供給される高温蒸気の熱によって吸着していた水蒸気を脱離する。一方で、脱離後の第２吸着器５０の吸着材５５は、低温蒸発器１０から供給される低温蒸気を吸着する。制御部７０は、所定の時間が経過すると、開いていたバルブＶ２１，Ｖ３２，Ｖ３３およびバルブＶ１３，Ｖ４６，Ｖ５３を閉じる（ステップＳ６）。

制御部７０は、キーボード等の入力装置を介して吸着式ヒートポンプ１００のシステム停止要求があったか否かを判定する（ステップＳ７）。制御部７０は、停止要求がないと判定した場合には（ステップＳ７：ＮＯ）、ステップＳ３以降の処理を繰り返す。制御部７０は、停止要求があったと判定した場合には（ステップＳ７：ＹＥＳ）、吸着式ヒートポンプ１００の稼働を停止し、制御フローは終了する。

・吸着式ヒートポンプ１００が奏する効果
以上説明したように、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１００では、高温蒸発器３０は、吸着器２０，５０の鉛直方向の下側に配置される。例えば吸着器２０で脱離工程が行われる場合に（図４）、バルブＶ３２，Ｖ３３バルブＶ３２，Ｖ３３が閉じた状態で、流路ＦＰ３２と流路ＦＰ３１とは、流路ＦＰ３３を介して断熱される。そのため、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１００では、吸着器２０，５０で脱離工程が行われている場合に、高温蒸気で満たされた流路ＦＰ３１側の熱が、低温の水蒸気で満たされている流路ＦＰ３２側へ流出することを抑制できる。これにより、吸着式ヒートポンプ１００のシステム効率が向上する。

また、本実施形態の吸着式ヒートポンプ１００は、流路ＦＰ３１～ＦＰ３３上で互いに離間した状態で直列に配置されたバルブＶ３２，Ｖ３３と、流路ＦＰ３１，ＦＰ３４，ＦＰ３５上で互いに離間した状態で直列に配置されたバルブＶ３４，Ｖ３５を備える。そのため、例えば、離間した２つのバルブＶ３２，Ｖ３３を閉じることにより、バルブＶ３２を伝わる熱と、バルブＶ３３を伝わる熱とは、バルブＶ３２，Ｖ３３を離間させて接続している流路ＦＰ３３内の水蒸気の対流のみによってしか伝わらない。そのため、バルブＶ３２，Ｖ３３が閉じた状態で、流路ＦＰ３２と流路ＦＰ３１と間で熱移動が抑制されるため、吸着式ヒートポンプ１００のシステム効率が向上する。

＜第１実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

この変形例のヒートポンプでは、第１実施形態の吸着式ヒートポンプ１００と比較して、図１に示されるバルブＶ３２は、流路ＦＰ３３から流路ＦＰ３２側へと開くリードバルブであり、同様に、バルブＶ３４は、流路ＦＰ３５側から流路ＦＰ３４側へと開くリードバルブである点のみが異なる。

変形例のヒートポンプでは、直列に配置されたバルブＶ３２，Ｖ３３およびバルブＶ３４，Ｖ３５の内、鉛直方向上側に配置されたバルブＶ３２およびバルブＶ３４がリードバルブである。そのため、各吸着器２０，５０の脱離工程時に、高温蒸発器３０からの高温蒸気による圧力差によってリードバルブであるバルブＶ３２，Ｖ３４が開く。一方で、各吸着器２０，５０の吸着工程時には、バルブＶ３２，３４が開かない。これにより、制御部７０の制御信号およびバルブ開閉の動力がなくても、バルブＶ３２，Ｖ３４の開閉が工程に応じて切り替わる。これにより、変形例の吸着式ヒートポンプのシステム効率が向上する。

＜第１実施形態のその他の変形例＞
上記第１実施形態では、吸着式ヒートポンプ１００の一例について説明したが、吸着式ヒートポンプ１００の構成および形状等については、種々変形可能である。吸着式ヒートポンプ１００では、高温蒸発器３０が吸着器の鉛直方向の下側に配置され、流路ＦＰ３１，ＦＰ３２間を開閉するバルブＶ３２，３３が断熱する断熱機構を有していればよい。そのため、吸着式ヒートポンプ１００は、例えば、凝縮器４０を備えていなくてもよいし、第１吸着器２０を備えて第２吸着器５０を備えていなくてもよい。吸着式ヒートポンプ１００は、上記構成に加えて他の構成を備えていてもよく、吸着器２０，５０と異なる吸着器をさらに備えていてもよい。また、吸着式ヒートポンプ１００の各構成（例えば、吸着器２０，５０および凝縮器４０）間を接続する配管等の形状や接続所については、種々変形可能である。

本明細書における吸着器２０，５０の鉛直方向の下側に配置された高温蒸発器３０とは、吸着器２０，５０に対して、いわゆる真下に配置された高温蒸発器３０に限られない。例えば、鉛直方向に直交する平面上において、各吸着器２０，５０の一方からずれた位置に配置されていてもよい。上記第１実施形態では、断熱機構として、互いに離間した状態で直列に配置されたバルブＶ３２，Ｖ３３およびＶ３４，Ｖ３５を一例として説明したが、例えば、３つ以上のバルブが離間して直列に配置されていてもよい。

第１吸着器２０と第２吸着器５０とは異なる構成を有していてもよい。吸着器２０，５０は、低温蒸気を吸着し、かつ、高温蒸気によって加熱される吸着材２５，５５を有していればよく、例えば、伝熱管壁２７，５７を有していなくてもよい。また、吸着材２５，５５および伝熱管壁２７，５７の形状や材質については、周知技術の範囲で変形可能である。例えば、吸着材２５，５５は、シリカゲル以外の活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、粘土鉱物等によって形成されていてもよい。吸着式ヒートポンプ１００内を循環する熱媒は、水以外であってもよく、例えば、アンモニア等の蒸発潜熱の大きい熱媒が用いられてもよい。

図１に示される流路ＦＰ３１～３５、および配管２１～２４内および配管５１～５４内の流路は、必ずしも真空に保たれている必要はない。これらの流路は、液体の水を蒸発できる状態に保たれていることが好ましく、低圧であると好ましい。

＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態の吸着式ヒートポンプ１００ａの概略ブロック図である。第２実施形態の吸着式ヒートポンプ１００ａでは、第１実施形態の吸着式ヒートポンプ１００と比較して、バルブＶ３２，Ｖ３４が異なること、および、バルブＶ３３，Ｖ３５を備えないことが異なり、その他の構成および形状等については同じである。そのため、第２実施形態では、第１実施形態の吸着式ヒートポンプ１００と異なる構成について説明し、同じ構成等についての説明を省略する。

図７および図８は、バルブＶ３２ａの概略断面図である。図７には、バルブＶ３２ａが開いた状態が示され、図８には、バルブＶ３２ａが閉じた状態が示されている。図７および図８に示されるように、バルブＶ３２ａは、冷媒が流れる流路３２５を形成するボデー３２１と、ボデー３２１に対して中心軸ＯＬ２上で移動可能な弁棒３２３と、弁棒３２３の一端に固定されたハンドル３２４と、弁棒３２３の他端に固定された弁体３２２と、を備えている。

弁棒３２３の外周には、雄ネジ部３２３ｓが形成されている。ボデー３２１は、雄ネジ部３２３ｓと螺合する雌ネジ部３２１ｓを備えている。そのため、ハンドル３２４が中心軸ＯＬ２回りに回転すると、弁棒３２３は、回転方向および回転量に応じて、雌ネジ部３２１ｓに対して中心軸ＯＬ２上を移動する。これにより、弁棒３２３の他端に固定された弁体３２２は、弁棒３２３の移動に応じて中心軸ＯＬ２上を移動する。この結果、弁体３２２は、ボデー３２１に対して移動可能に設けられて、流路３２５を開閉する。

本実施形態の弁体３２２は、ベークライトによって形成されている。ベークライトの熱伝導率は、約０．６Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、いわゆる断熱材である。なお、バルブＶ３４ａは、バルブＶ３２ａと同じ構成を有する。バルブＶ３２ａ，Ｖ３４ａは、断熱性を有する弁体３２２を有する第３バルブに相当する。

図９は、第２実施形態の吸着式ヒートポンプ１００ａの制御方法のフローチャートである。図９に示される第２実施形態の制御フローの各処理の内、ステップＳ１１，Ｓ１２，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１７は、第１実施形態の制御フロー（図５）におけるステップＳ１，Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７と同じである。そのため、第２実施形態では、図９のステップＳ１３，Ｓ１５について説明する。

ステップＳ２の処理が終了すると、制御部７０ａは、バルブＶ１２，Ｖ２３，Ｖ４５およびバルブＶ３４ａ，Ｖ５１を開いて、第１吸着器２０で吸着工程を開始し、第２吸着器５０で脱離工程を開始する（ステップＳ１３）。制御部７０ａは、所定の時間が経過すると、開いていたバルブＶ１２，Ｖ２３，Ｖ４５およびバルブＶ３４ａ，Ｖ５１を閉じる（ステップＳ１４）。

制御部７０ａは、バルブＶ２１，Ｖ３２ａおよびバルブＶ１３，Ｖ４６，Ｖ５３，を開いて、第１吸着器２０で脱離工程を開始し、第２吸着器５０で吸着工程を開始する（ステップＳ１５）。制御部７０ａは、所定の時間が経過すると、開いていたバルブＶ２１，Ｖ３２ａ，Ｖ４６およびバルブＶ１３，Ｖ５３を閉じる（ステップＳ１６）。

以上説明したように、第２実施形態の吸着式ヒートポンプ１００ａでは、１つのバルブＶ３２ａのみによって、バルブＶ３２ａが閉じた場合に、高温蒸発器３０側と吸着器２０側とを断熱できる。すなわち、流路を開閉するより簡単な構成によって、流路間の熱移動を抑制する断熱機構を実現できる。

図１０および図１１は、バルブＶ３２ａの弁体３２２の放熱量についての説明図である。図１０および図１１には、脱離工程時の高温蒸発器３０から第１吸着器２０に供給される高温蒸気の熱伝達率（「高温蒸気側熱伝達率」とも言う）と、吸着工程時における低温蒸発器１０から第１吸着器２０へと供給される低温蒸気の熱伝達率（「吸着器側熱伝達率」とも言う）とが、それぞれ３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）と仮定した場合の弁体３２２の放熱量についての関係が示されている。図１０には、弁体３２２の熱伝達率が材質などに応じて変化した場合の放熱量の変化が示されている。なお、図１０には、断熱材ではないステンレスおよびアルミニウムの熱伝導率が破線で示されている。上記の高温蒸気および低温蒸気の熱伝達率の仮定で、高温蒸発器３０の能力を２００ｋＷとして設定し、放熱量を５％未満（１０ｋＷ）に抑えたい場合には、図１０に示されるように、弁体３２２の熱伝導率を４．８Ｗ／（ｍ・Ｋ）に抑える必要がある（図１０の一点鎖線）。

図１１には、弁体３２２の放熱量に対する熱抵抗の変化が示されている。図１１に示されるように、弁体３２２の放熱量を１０ｋＷ未満に抑える場合には、弁体３２２の熱抵抗が０．００５Ｋ／Ｗ以上であればよい。

第２実施形態の吸着式ヒートポンプ１００ａでは、バルブＶ３２ａの弁体３２２の材質がベークライト、弁体３２２の厚みである弁体厚さＴ_bが１０（ｍｍ）、弁体３２２が高温蒸気および低温蒸気に接している弁体面積Ａが０．５（ｍ²）である。弁体３２２のベークライト熱伝導率λ_bは０．６（Ｗ／（ｍ・Ｋ））であり、高温蒸発器３０から供給される高温蒸気の温度Ｔ_hは８５（℃）であり、低温蒸発器１０から供給される低温蒸気の温度Ｔ_cは３０（℃）である。これらの値を下記式（１）～（３）に代入することにより、熱通過率Ｋ_b、熱流束ｑ_b、および弁体３２２からの放熱量Ｑ_bが算出される。

上記式（１）～（３）を解くことにより、ベークライトで形成された弁体３２２からの放熱量Ｑ_bは、１．９ｋＷである。この値は、高温蒸発器３０の出力である２００ｋＷの１％未満である。また、図１０に示される熱抵抗の変化から、放熱量が１．９ｋＷに対応する熱抵抗は、０．００５Ｋ／Ｗよりも大きい。

一方で、比較例として、弁体が断熱材ではないステンレスで形成されている場合、ステンレスの熱伝導率λ_sは２２２（Ｗ／（ｍ・Ｋ））である。ステンレスの熱伝導率λ_sを、上記式（１）におけるベークライト熱伝導率λ_bに置換して、上記式（１）～（３）を解くと、比較例の弁体からの放熱量Ｑ_sは、２１．２９ｋＷであり、第２実施形態のバルブＶ３２ａにおける弁体３２２からの放熱量Ｑ_bの１０倍以上である。換言すると、比較例の弁体の代わりに第２実施形態の弁体３２２に交換することにより、バルブＶ３２ａの放熱量を９０％以上低減できる。

以上説明したように、第２実施形態の吸着式ヒートポンプ１００ａでは、流路ＦＰ３２と流路ＦＰ３１ａとの接続を開閉するバルブＶ３２ａ（図６）の熱抵抗は、０．００５Ｋ／Ｗよりも大きい。そのため、第２実施形態のバルブＶ３２ａは、弁体３２２を介して隔てられた流路ＦＰ３２，ＦＰ３１ａ間の熱交換を抑制できる。

また、第２実施形態の吸着式ヒートポンプ１００ａでは、脱離工程時の高温蒸気の熱伝達率と、吸着工程時の低温蒸気の熱伝達率とが３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）と高い。そのため、断熱性を有するバルブＶ３２ａを用いることにより、バルブＶ３２ａを介した高温蒸気から低温蒸気への熱媒の放熱をより抑制できる。

＜第２実施形態の変形例＞
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

＜第２実施形態の第１変形例＞
図１２は、第２実施形態の第１変形例のバルブＶ３２ｂの説明図である。第２実施形態の第１変形例のバルブＶ３２ｂでは、第２実施形態のバルブＶ３２ａと比較して、弁体３２２ｂのみが異なる。そのため、第１変形例では、弁体３２２ｂについて説明し、第２実施形態のバルブＶ３２ａと同じ構成についての説明を省略する。

図１２には、第２実施形態の第１変形例の弁体３２２ｂ近傍を拡大した概略断面図が示されている。図１２に示されるように、弁体３２２ｂは、弁体３２２ｂの中心側に位置する本体部３２９と、本体部３２９の外周面を覆う被覆部３２８と、を備えている。本体部３２９は、アルミニウムにより形成されている。一方で、被覆部３２８は、第２実施形態の弁体３２２と同じように、断熱材であるベークライトで形成されている。換言すると、被覆部３２８の全てが断熱性を有する材料により形成されている。第１変形例のように、バルブＶ３２ｂの弁体３２２ｂは、一部が断熱材で構成されていてもよい。

＜第２実施形態の第２変形例＞
図１３は、第２実施形態の第２変形例のバルブＶ３２ｃの説明図である。第２実施形態の第２変形例のバルブＶ３２ｃでは、第２実施形態のバルブＶ３２ａと比較して、弁体３２２ｃのみが異なる。そのため、第２変形例では、弁体３２２ｃについて説明し、第２実施形態のバルブＶ３２ａと同じ構成についての説明を省略する。

図１３には、第３実施形態の第２変形例の弁体３２２ｃ近傍を拡大した概略断面図が示されている。図１３に示されるように、弁体３２２ｃは、弁体３２２ｃの中心部を含む本体部３２９ｃと、本体部３２９ｃの一部の外周面を覆う被覆部３２８ｃと、を備えている。本体部３２９ｃは、第２実施形態の第１変形例の本体部３２９と同じように、アルミニウムにより形成されている。被覆部３２８ｃは、第２実施形態の被覆部３２８と同じように、断熱材であるベークライトで形成されている。図１３に示されるように、被覆部３２８ｃは、弁体３２２ｃが流路３２５を閉じた際に、弁体３２２ｃにより区画された一方の流路３２６に面した本体部３２９ｃの外周面に形成されている。換言すると、弁体３２２ｃが流路３２５を閉じた際に、弁体３２２ｃにより区画された他方の流路３２７に面した側には、被覆部３２８ｃは形成されていない。第２変形例のように、バルブＶ３２ｃの弁体３２２ｃは、流路３２５を閉じた状態で、一方の流路３２６に面した部分が断熱材で構成され、他方の流路３２７に面した部分が断熱材以外の部材で形成されていてもよい。

＜第２実施形態の第３変形例＞
図１４は、第２実施形態の第３変形例のバルブＶ３２ｄの説明図である。第２実施形態の第３変形例のバルブＶ３２ｄでは、第２実施形態の第１変形例のバルブＶ３２ｂ（図１２）と比較して、弁体３２２ｄのみが異なる。そのため、第３変形例では、弁体３２２ｄについて説明し、第２実施形態の第１変形例のバルブＶ３２ｂと同じ構成についての説明を省略する。

図１４には、第２実施形態の第３変形例の弁体３２２ｄ近傍を拡大した概略断面図が示されている。図１４に示されるように、弁体３２２ｄは、図１２に示される第１変形例の弁体３２２ｂと同じように、本体部３２９ｄと、本体部３２９ｄの外周面を覆う被覆部３２８ｄと、を備えている。本体部３２９ｄは、第２実施形態の弁体３２２と同じように、断熱材であるベークライトで形成されている。一方で、被覆部３２８ｄは、多孔質金属であるマイクロポーラス金属で形成されている。第３変形例のように、バルブＶ３２ｄの弁体３２２ｄは、外周の代わりとして中心部が断熱材で構成されていてもよい。

＜第２実施形態のその他の変形例＞
上記第２実施形態では、断熱性を有する弁体を備えるバルブの一例として、バルブＶ３２ａ，Ｖ３２ｂ，Ｖ３２ｃ，Ｖ３２ｄについて説明したが、バルブについては、流路を開閉する弁体が断熱性を有する範囲で種々変形可能である。例えば、バルブは、ゲートバルブ以外のバルブであってもよく、グローブバルブ、ボールバルブ、バタフライバルブ、逆止弁、およびダイヤフラムバルブなど周知のバルブを適用できる。なお、本明細書における断熱性を有する弁体とは、弁体の一部が断熱性を有していればよい。

上記第２実施形態では、断熱性を有する断熱材として、ベークライトを一例に挙げたが、周知の材料を適用できる。また、断熱性を有さない材料として、アルミニウム、ステンレス、およびマイクロポーラス金属を一例に挙げたが、周知の材料を適用できる。第２実施形態の第２変形例のバルブＶ３２ｃの弁体３２２ｃでは、流路３２６側に断熱材で形成された被覆部３２８ｃが形成されていたが、流路３２６側の代わりに流路３２７側に被覆部３２８ｃが形成されていてもよい。

第２実施形態では、弁体厚さＴ_bや弁体面積Ａなどについて、一例として具体的な数値を用いて説明したが、弁体厚さＴ_bや弁体面積Ａなどの数値については、弁体３２２ａが断熱性を有する範囲で、これらに限られず種々変形可能である。吸着式ヒートポンプがバルブを備える場合に、バルブの弁体の熱抵抗が０．００５Ｋ／Ｗ以上であると好ましい。また、高温蒸気側熱伝達率ｈ_hと、吸着器側熱伝達率ｈ_cとが３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）以上と高い吸着式ヒートポンプにおいて、第１吸着器２０と高温蒸発器３０との間に、断熱性を有する弁体を備えるバルブが配置されることが好ましい。第１実施形態の吸着式ヒートポンプ１００のように、弁体が断熱材を有する代わりに、例えば、バルブＶ３２，Ｖ３３と流路ＦＰ３３とによる断熱機構によって、断熱機構の熱抵抗が０．００５Ｋ／Ｗ以上に設定されてもよい。また、第１実施形態の吸着式ヒートポンプ１００において、高温蒸気側熱伝達率ｈ_hと、吸着器側熱伝達率ｈ_cとが３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）以上に制御されてもよい。

以上、実施形態、変形例に基づき本態様について説明してきたが、上記した態様の実施の形態は、本態様の理解を容易にするためのものであり、本態様を限定するものではない。本態様は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本態様にはその等価物が含まれる。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することができる。

１０…低温蒸発器
１１…配管
２０…第１吸着器（吸着器）
２１～２４，４１～４６，５１～５４…配管
２５，５５…吸着材
２６，５６…シャワーヘッド
２７，５７…伝熱管壁
３０…高温蒸発器
３１～３５…配管（流路形成部）
４０…凝縮器
５０…第２吸着器（吸着器）
６０…冷熱機
７０，７０ａ…制御部
１００，１００ａ…吸着式ヒートポンプ
３２１…バルブのボデー
３２１ｓ…雌ネジ部
３２２，３２２ｂ，３２２ｃ，３２２ｄ…弁体
３２３…バルブの弁棒
３２３ｓ…雄ネジ部
３２４…バルブのハンドル
３２５～３２７…バルブの流路
３２８，３２８ｃ，３２８ｄ…弁体の被覆部
３２９，３２９ｃ，３２９ｄ…弁体の本体部
ＦＰ２８…吸着器の流路
ＦＰ３３，ＦＰ３５…流路（断熱機構）
ＦＰ３１，ＦＰ３２，ＦＰ３４，ＦＰ３１ａ…流路
Ｐ１，Ｐ２…ポンプ
Ｖ３２，Ｖ３４…バルブ（第１バルブ）
Ｖ３３，Ｖ３５…バルブ（第２バルブ）
Ｖ３２ａ，Ｖ３２ｂ，Ｖ３２ｃ，Ｖ３２ｄ，Ｖ３４ａ…バルブ（第３バルブ）
Ｖ１２，Ｖ１３，Ｖ２１，Ｖ２３，Ｖ４５，Ｖ４６，Ｖ５１，Ｖ５３…バルブ

Claims

吸着式ヒートポンプであって、
高温蒸気を生成する高温蒸発器と、
前記高温蒸気よりも温度が低い低温蒸気を生成する低温蒸発器と、
前記高温蒸気および前記低温蒸気が供給される吸着器と、
前記高温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記高温蒸気が流れ、鉛直方向に延びる流路を形成する流路形成部と、
前記流路形成部に設けられて前記流路を開閉する流路開閉部と、
を備え、
前記吸着器は、前記流路に接続して鉛直方向に延びる吸着器内流路を形成する伝熱管壁と、前記伝熱管壁を介して前記吸着器内流路の外側に配置された吸着材であって、供給された前記低温蒸気を吸着する吸着材とを有し、
前記高温蒸発器は、前記吸着器の鉛直方向の下側に配置され、
前記流路開閉部は、前記流路を閉じた状態で、前記流路開閉部によって区画された前記流路間を断熱する断熱機構を有し、
前記断熱機構は、前記流路上に互いに離間した状態で直列に配置された第１バルブおよび第２バルブを有し、
前記吸着式ヒートポンプは、さらに、前記第１バルブおよび前記第２バルブを同じステップで開閉する制御部を備える、吸着式ヒートポンプ。
請求項１に記載の吸着式ヒートポンプであって、
前記第１バルブは、前記第２バルブよりも鉛直方向の上側に配置されたリードバルブである、吸着式ヒートポンプ。
請求項１または請求項２に記載の吸着式ヒートポンプであって、
前記流路開閉部の熱抵抗は、０．００５Ｋ／Ｗ以上である、吸着式ヒートポンプ。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の吸着式ヒートポンプであって、
前記高温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記高温蒸気の熱伝達率と、前記低温蒸発器から前記吸着器へと供給される前記低温蒸気の熱伝達率とが、それぞれ３０００Ｗ／（ｍ²・Ｋ）以上である、吸着式ヒートポンプ。