JPH04309760A - サーモサイフォンを利用した回転モジュール型吸着式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転モジュール型吸着
式ヒートポンプの対向する２つのモジュール空間の間に
選択的な熱遮断特性　（Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｄｉｏｄｅ）
を具備したサーモサイフォン　（Ｔｈｅｒｍｏ　ｓｙｐ
ｈｏｎ）を連結設置し、モジュール空間の相互間で内部
熱交換がなされるようにした回転モジュール型吸着式ヒ
ートポンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般的に圧縮機を使用しないヒートポン
プは吸収式（Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）と吸着式（Ａｄｓ
ｏｒｐｔｉｏｎ）の２種の形態で大別され、吸着式は吸
収式に比べ起動性及び気密の信頼性を始めとする効率面
で有利なものとして知られている。吸着式ヒートポンプ
は、大略凝縮器及び蒸発器で構成する容器と周期的に冷
媒の吸着又は発生を順番に遂行する吸着／発生機からな
り、吸着剤としては固体状態のゼオライト等が主に使用
される。

【０００３】このような吸着式ヒートポンプの駆動原理
を図６により説明すれば次の通りである。図６で　（Ａ
）　は発生／凝縮過程であり、　（Ｂ）　は吸着／蒸発
過程であり、　（Ｃ）　は各段階別温度の圧力関係を示
したＴ−Ｐ線図で、　（Ａ）　，　（Ｂ）　に図示した
ように吸着式ヒートポンプは内部に吸着剤としてゼオラ
イト１が挿入され、外部熱源により冷媒の発生と吸着を
遂行する発生／吸着器２と、これに連結された凝縮器，
凝縮冷媒貯蔵器４及び蒸発器５とから構成される。

【０００４】まず、発生／凝縮過程は　（Ａ）　に示す
ように発生／吸着器２に発生熱ＱＨ　が加えられれば、
内部の圧力が増加し冷媒の発生　（吸着剤からの離脱）
　が起こり、発生した冷媒　（水蒸気）は凝縮器３に移
動し凝縮熱ＱＫ　を放出しながら凝縮するが、暖房の場
合にはこの凝縮熱ＱＫ　を暖房に利用するようになり、
冷房の場合には凝縮熱ＱＫ　は大気に放出される。

【０００５】次に、吸着／蒸発過程は　（Ｂ）　に示す
ように蒸発器５で蒸発熱ＱＯ　を受け蒸発した冷媒が発
生／吸着器２内のゼオライト１に吸着しながら吸着熱Ｑ
Ａ　を放出するようになるが、暖房の場合この吸着熱Ｑ
Ａ　を利用し、冷房の場合蒸発熱ＱＯ　を利用するよう
になる。吸着式ヒートポンプはこのような発生／凝縮過
程と吸着／蒸発過程を１つの周期として継続的に作動し
ながら暖房とか冷房の機能を遂行できるようになる。

【０００６】しかし、吸着式ヒートポンプは吸着と発生
行程を周期的に反復遂行する過程で熱を周期的に加える
一方で除去しなければならないから熱の供給と回収が断
続的に起こる短所があって連続的な熱量の供給が要求さ
れる一般的な冷暖房機器には適合できない問題点がある
。一方、吸着式ヒートポンプの上記問題点を解決するた
めの方便として、加熱した熱伝達媒体をバルブ操作によ
り２個の発生／吸着器で交代に通過させ２台の発生／吸
着器が常に交代で発生と吸着とを行うようにした構造の
吸着式ヒートポンプが知られているが、このような構造
のヒートポンプはバルブ操作を通じ熱伝達媒体の方向を
随時に調節しなければならないので制御が複雑であるだ
けでなく、熱量供給の不連続性に対する問題点は依然存
在するようになる。

【０００７】このような吸着式ヒートポンプの性能の不
連続とバルブ制御の複雑性を解決するための方案として
、ドイツ特許第３３４２９８５Ａ１号で回転モジュール
型吸着式ヒートポンプが現れている。図７に符号１で示
した回転モジュール型吸着式ヒートポンプは、外方側の
発生／吸着器２と内方側の凝縮／蒸発器４とにより構成
されている。前記発生／吸着器２内には吸着剤が充填さ
れ、該吸着剤は加熱されると作動蒸気を発生し、冷却さ
れると作動蒸気を吸着する。かつ、凝縮／蒸発器４は発
生／吸着器２と連結されているので、発生する蒸気を凝
縮させ、モジュールが回転したときその凝縮した作動液
体を蒸発させる。隔壁で仕切られる各モジュール空間は
装置自体の回転に従い発生→冷却→吸着→加熱→発生の
過程を反復するようになる。図７で符号７は、各モジュ
ール空間の間で必要な熱伝達を遂行する熱伝達媒体を示
したものである。図７において発生が終わった後の冷却
部と吸着部の加熱部とが内部熱交換を行うと、冷媒発生
に必要な発生熱が減少される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の回転モジュール型吸着式ヒートポンプにおい
ては、オイル又は空気のような熱伝達媒体の顕熱を利用
して冷却部と加熱部間の内部熱交換を遂行するのに限界
があり、かつ、熱伝達手段の構造が複雑でヒートポンプ
装置自体の大きさを増加させる問題点がある。

【０００９】これに従い、本発明は回転モジュール型吸
着式ヒートポンプの内部熱交換を向上させるための方便
として対向するモジュール空間の間に伝熱特性の優秀な
サーモサイフォンを通じ効果的な内部熱交換がなされる
よう構成された回転モジュール型吸着式ヒートポンプを
提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため本発明に係るサ
ーモサイフォンを利用した回転モジュール型吸着式ヒー
トポンプは、水平状態に配置した回転軸を中心として回
転する回転体の回転軸を中心として放射状に密閉して仕
切られた各モジュール空間に、冷媒と該冷媒の吸着時に
発熱し吸熱時に冷媒を離脱して発生する機能を有した吸
着剤とを充填すると共に、各モジュール空間内の吸着剤
と前記回転軸を挟んで対向するモジュール空間内の吸着
剤との間に、回転軸の下側に流下するように液状熱媒体
が封入され下側部分が上側部分より高温である場合のみ
下側から上側への熱伝達が行われる機能を有したサーモ
サイフォンを連結設置し、かつ、回転軸より上側の所定
位置に吸着剤の加熱部及び冷媒の放熱部，回転軸より下
側の所定位置に冷媒の吸熱部及び吸着剤の放熱部を設け
て構成した。

【００１１】

【作用】回転体が水平状態に配置された回転軸を中心と
して一方向に回転すると、各モジュール空間は回転軸よ
り上側にあるときに吸着剤の加熱部に移動し、ここで前
記モジュール空間内の吸着剤が加熱されるので該吸着剤
に吸着されていた冷媒が離脱して発生しつつ冷媒の放熱
部において放熱しながら凝縮する。

【００１２】次いで、回転軸より下側に移動すると、サ
ーモサイフォン内の液状熱媒体が回転軸より下側に流下
し、前記加熱により高温状態となっている吸着剤から該
サーモサイフォンを介して対向する上側のモジュール空
間内の吸着剤に熱が伝達される。その結果、前記上側の
モジュール空間内吸着剤は受熱により、その後の冷媒発
生に要する前記加熱部での加熱量を減少でき、一方、下
側のモジュール空間内の吸着剤は熱送達により冷却され
る。

【００１３】したがって、更に回転して下側のモジュー
ル空間が冷媒の吸熱部に位置した時に吸熱により蒸発し
た冷媒の吸着剤への吸着が前記吸着剤の冷却によって促
進される。また、ここで、冷媒の吸着剤への吸着により
発生した熱は、同一部に設けられる吸着剤の放熱部によ
り外部に放熱される。このようにして冷媒の吸着，発生
を繰り返しつつ所定位置で放熱と冷却が継続的に行われ
る。

【００１４】

【実施例】図１〜図５は本発明に係る回転モジュール型
吸着式ヒートポンプ装置の一実施例を示し、該装置は図
示したように重力方向ｇと垂直、つまり水平状態に配置
される回転軸Ｏを中心として回転する回転体の内部空間
が回転軸Ｏを中心として放射状に仕切られて、扇形形態
の８個のモジュール空間　（Ｉ番〜ＶＩＩＩ番）　から
構成されるが、各モジュール空間は隣接するモジュール
空間とは独立的に密閉されている。各々のモジュール空
間は内部にサーモサイフォン１５の１軸が挿入設置され
、その周囲に固体状態の吸着剤であるゼオライト１６が
充填された内室ａ〜ｈとその外側の比較的大きい空間部
から構成された外室Ａ〜Ｈの間には冷媒が出入りできる
ように上部が開かれている。

【００１５】また、回転軸Ｏより直上の所定位置に吸着
剤　（ゼオライト１６）　の加熱部とその外側に冷媒の
放熱部が設けられる。加熱部の底部にはゼオライト１６
を加熱するため高温の空気を送風する加熱用ファン１７
が設けられ、冷媒の放熱は冷却ファン１８により送風さ
れる空気を外室壁に当て、該外室壁を介して冷媒の熱を
送風空気に伝達して熱交換することにより行う。

【００１６】一方、前記加熱部と回転軸Ｏを挟んで対向
する下側の所定位置に冷媒の吸熱部とその内側に吸着剤
の放熱部が設けられる。該冷媒の吸熱は外室壁に送風フ
ァン１９により空気を送風し、該外室壁を介して空気の
持つ熱を冷媒に伝達して熱交換することにより行う。ま
た、放熱部の底部には冷媒のゼオライト１６への吸着に
より発生する熱を外部に放熱するための放熱用ファン２
０が設けられる。

【００１７】ここで、対角線上の２個のモジュールを横
切ってゼオライト１６の内部に挿入される４個のサーモ
サイフォン１５は各々両端部が対向する内室即ちａ−ｅ
，　ｂ−ｆ，ｃ−ｇ及びｄ−ｈ内に位置するように互い
に交差した状態を維持する。本発明で使用するサーモサ
イフォン１５は密閉式２相サーモサイフォン　（Ｔｗｏ
　ｐｈａｓｅ　ｃｌｏｓｅｄ　Ｔｈｅｒｍｏ　ｓｙｐｈ
ｏｎ）　でヒートパイプ　（ｈｅａｔ　ｐｉｐｅ　）　
とは次の点で区別される。

【００１８】即ち、ヒートパイプは加熱部で蒸発した気
体が凝縮部で凝縮し、加熱部に復元する際において、円
周面に付着された芯地体　（ｗｉｃｋ）　を通じた毛細
管現象を利用することによって加熱部位置の上下に関係
なく常に加熱部から凝縮部に熱を輸送するのに対し、密
閉式２相サーモサイフォンは重力を復元力に利用するこ
とによって加熱部が重力方向に対し、下部に位置する場
合に限り加熱部から冷却部である凝縮部に熱を輸送する
特性がある。

【００１９】即ち、密閉式２相サーモサイフォンは加熱
部が重力方向に対し上部にある時には熱を輸送せず、最
近報告された研究論文によれば加熱部が水平から３°以
上の傾斜を維持しながら下側に位置する場合の熱輸送量
は加熱部が重力方向の最下部に位置する場合と殆ど似た
ものと報告されている　（参照：”ＨＥＡＴ　ＴＲＡＮ
ＳＦＡＲ　ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ　ＯＦ　ＡＮ　ＩＮ
ＣＬＩＮＥＤ　ＴＷＯ　ＦＡＣＥ　ＣＬＯＳＥＤ　ＴＨ
ＥＲＭＯ　ＳＹＰＨＯＮ”，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ　Ｔ
ｒａｎｓｆａｒＶｏｌ　２６．　Ｎｏ．８　ｐｐ１２０
７−１２１３，　１９８３）　。

【００２０】このような本発明の一実施例を利用し、冷
房時の作動過程を添付図面の図２及び図３により詳細に
説明すれば次の通りである。図２は本発明の正面を示し
た図２からモジュール全体が反時計方向に１／８　回転
した状態の正面図であり、図５は水の吸着したゼオライ
トのｈ−ｘ線図である　（但し、Ｘは乾燥したゼオライ
ト１Ｋｇ当り水の質量分率）　。

【００２１】冷房時の作動条件及び設計条件は次のよう
に設定する。 ・吸着剤：ゼオライト ・作動流体　（冷媒）　：２回蒸留した水・設計条件：
作動流体５°Ｃ，８．７ｍｂａｒ・凝縮器　：３５°Ｃ
，５６．３ｍｂａｒ・吸着器　：３５°Ｃ，８．７ｍｂ
ａｒ，　Ｘ＝０．２４３・再生器　：２００　°Ｃ，５
６．３ｍｂａｒ，Ｘ＝０．０７５・サーモサイフォン内
の作動流体　（液状熱媒体）　：２回蒸留した水 上記のような作動流体及び設計条件を具備した本発明実
施例の作動過程として先ず各々独立した８個のモジュー
ル　（即ち、Ａ／ａ　乃至Ｈ／ｈ　）に対し真空ポンプ
を利用し、８．７ｍｂａｒ　の真空に維持する。

【００２２】この時の各モジュール空間状態は図５で■
番に該当する状態で水がゼオライト１６に吸着されてい
る状態である。この時、図２でＩ番モジュール空間の内
室ａに８０〜９０°の熱が加えられれば、Ｉ番モジュー
ル空間の内室ａ内のゼオライト１６に吸着されていた水
分の温度が上昇するようになり、ゼオライト１６に吸着
されていた水泡の発生が起こる。このような発生と並行
し内室ａの圧力が高くなるに従い　（図５の■番位置）
　図３に示すようにＩ番モジュール空間の内室ａ，　外
室Ａの間に形成された間隙を経由し水蒸気が外室Ａに移
動する。この過程で外室Ａの圧力はそれ以上上昇しない
まま温度だけが上昇するが、これは図５で■−■の過程
に該当する。

【００２３】次に、外室Ａに移動した水蒸気は現在の外
室Ａ外側に固定設置され外室Ａ内の水蒸気より低い温度
の空気を通過させる冷却ファン１８の作動により、前述
したように該空気と熱交換して凝縮が行われる。このよ
うな凝縮過程で発生した凝縮熱は冷却ファン１８の駆動
により外室Ａを通過する空気を通じ除去され、除去され
た熱は冷房しようとする室内空間の外側と連結されたダ
クトに案内され外部に排出される。

【００２４】この時、冷却ファン１８の位置は反時計方
向に回転する全体モジュール空間に対し常に固定した位
置を維持するに従い冷却ファン１８に接触する各モジュ
ール空間の外室　（Ａ乃至Ｈ）　は図２を基準とする時
Ａ→Ｈ→Ｇ→Ｆの順序となる。したがって、モジュール
空間が反時計方向に１／８　回転しＩ番モジュール空間
が図４のように水平方向の下側に位置するようになる場
合に冷却ファン１８はＶＩＩＩ番モジュール空間の外室
Ｈを冷却するようになる。そして、加熱源　（加熱部）
　は今度はＶＩＩＩ番モジュール空間の内室ｂに接触す
ることになるから前のＩ番モジュール空間でと同一に内
室ｈで蒸発し、ゼオライト１６から分離されて出た水蒸
気は冷却ファン１８により外室Ｈで冷却され、凝縮しな
がら周辺に凝縮熱を放出する。

【００２５】一方、水平方向より下側に位置するように
なった１番モジュール空間の内室ａは直ぐ前に加熱源が
接触したセクションであるためにその温度が８０°Ｃ程
度の高い温度を維持するようになり、この熱はＩ番モジ
ュール空間の内室ａとＶ番モジュール空間の内室ｅ間の
間を横切って挿入されているサーモサイフォン１５を通
じＩ番モジュール空間の内室ａからＶ番モジュール空間
の内室ｅに移動するようになる。

【００２６】このようなサーモサイフォン１５を通じた
熱の移動は前に説明したように密閉式２相サーモサイフ
ォンの特性に起因するもので、図４のＩ番モジュール空
間のようにサーモサイフォン１５の加熱部が水平方向に
対し、約３°以上の角度を維持しながら下に位置する場
合下部の加熱部から上側に熱を輸送するようになる。次
に、全体モジュール空間が継続回転し　（即ち、３／８
　回転し）　内番モジュール空間が図４のＩＶモジュー
ル空間位置にくる間Ｉ番モジュール空間をサーモサイフ
ォン１５により継続的に冷却されこれに並行し内部圧力
も低くなる。

【００２７】この過程は図５のゼオライト線図上で■−
■過程に該当し、この時ゼオライト１６でそれ以上の水
分含量変化は無く、Ｉ番モジュール空間が水平線の直ぐ
下の位置である図４のＩＶ番モジュール空間位置に至る
ようになれば温度と圧力は図５の■即ち、５°Ｃ，８．
７ｍａｂ　状態の飽和状態になる。一方、図２でＩ番モ
ジュール空間の外室Ａ位置に冷却ファン１８が固定設置
されているようにＶ番モジュール空間の外室Ｅ側にも送
風ファン１９が固定設置され、冷房しようとする室内の
空気を送風ファン１９を利用し送風ファン１９と接触す
る各モジュール空間の外室に吹き入れるようになる。し
たがって、Ｉ番モジュール空間の外室Ａが送風ファン１
９に接触するようになれば送風ファン１９の駆動による
室内空気との接触を通じ吸熱によって外室Ａにある水が
蒸発し内室ａ側に移動するようになる。

【００２８】この時周辺から蒸発熱を吸収するようにな
り、ヒートポンプはこのように蒸発によって周辺から熱
を奪う過程を利用し室内を冷房させるようになる。万一
熱伝達の能力が無限であると仮定する場合送風ファン１
９を通過した室内の空気温度は５°Ｃになるであろう。 次に、Ｉ番モジュール空間の内室ａ側に移動した水蒸気
はゼオライト１６に吸着が起こりこの時の過程は図５で
■−■の過程に該当する。

【００２９】このような吸着過程中に吸着熱が発生する
ようになるが、この吸着熱は前の凝縮熱と同じく冷房し
ようとする室内空気の外側に放出させなければならない
。以上の事実を総合し全体的な動作過程を説明すれば、
図２の状態を基準とするとき、Ｉ番モジュール空間の内
室ａ内にあるゼオライトに含有されていた水が外部熱を
通じた加熱により蒸発しながらゼオライトから離脱する
状態即ち、発生　（Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）　が起こり
蒸発した水蒸気は外室Ａに移動し冷却空気との接触によ
り凝縮　（Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ）　が起こる。こ
の時Ｖ番モジュール空間の外室Ｅでは蒸発　（Ｅｖａｐ
ｏｒａｔｉｏｎ　）　が起こりながら室内の空気を冷却
するようになり、この時蒸発した水蒸気は内室ｅに移動
しゼオライトに吸着　（Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）　する
。

【００３０】然るに、Ｉ番モジュール空間の内室ａは発
生のために人為的に外部から熱を加えねばならず、Ｖ番
モジュール空間の内室ｅは吸着されるとき発生する熱を
除去させねばならないが、これは、発生熱を外部方向へ
放熱する放熱用ファン２０により、良好に除去される。 また、万一この時Ｉ番モジュール空間の内室ａとＶ番モ
ジュール空間の内室ｅ間に熱伝達がなされる場合であれ
ば全体システムに悪影響を及ぼすようになる。但し、こ
のような吸着過程中にはサーモサイフォン１５の作動流
体が水平方向の下側であるＶ番モジュール空間の内室ｅ
側に位置し、この時の温度は水平方向に対し上側に位置
するＩ番モジュール空間の内室ａの温度がＶ番モジュー
ル空間の内室ｅの温度より高いからサーモサイフォンは
作動しない。従ってサーモサイフォンを通じた熱伝達は
発生しないでただサーモサイフォンの周壁を通じた伝導
　（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ）　によりある程度の熱が伝
達するのが予想できるがヒートポンプ自体が回転するに
従い伝導に十分な時間が無いからサーモサイフォンの周
壁を通じ伝達される熱は無視することのできる程度の極
めて一部に過ぎない。

【００３１】一方、モジュール全体が回転　（１／８　
回転）　し、図４でのようにＩ番モジュール空間の無い
室ａが水平以下に下って来ればサーモサイフォンの作動
流体も又下側の高温部に下って来てＩ番モジュール空間
の内室ａからＶ番モジュール空間の内室ｅに熱の伝達が
なされる。この時、Ｉ番モジュール空間の内室ａは発生
が完了し吸着の位置に移動するためには温度を低くしな
ければならなく、又、Ｖ番モジュール空間の内室ｅは吸
着が完了し発生の位置に行くために温度を上げねばなら
ないが、このような２つの条件はサーモサイフォン１５
による内部熱交換を通じ円滑に充足される。

【００３２】以上では本発明の１実施例が冷房用に使用
される時の動作過程を説明したが、反対に暖房用として
使用する場合には作動原理は冷房時と同一であり、ただ
図２を基準とする外室Ａで起こる凝縮過程で発生する発
生熱と吸着熱を利用して暖房をし、Ｖ番モジュール空間
の外室Ｅで蒸発が起こる時暖房をしようとする室外側か
らヒートポンプ内に熱量を受け入れるようになる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は伝熱特性
が優秀で重力を復元力とするサーモサイフォンを回転モ
ジュール型吸着式ヒートポンプに利用し、望ましい方向
のみに内部熱交換を遂行することで熱量供給と回収を連
続的に行えると同時に熱回収効率を高めて外部供給熱量
を低減でき、かつ、外部から別途制御の必要性を排除し
たまま高効率を現す効果があり、圧縮機のいらない低ラ
ンニングコストの冷暖房装置等に十分適合できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る回転モジュール型吸着
式ヒートポンプの斜視図

【図２】同上ヒートポンプの縦断面図

【図３】図２のＢ−Ｂ断面図

【図４】同上ヒートポンプの縦断面図の図２とは異なる
回転位置の縦断面図

【図５】同上ヒートポンプのｈ−ｘ線図

【図６】一般的
な吸着式ヒートポンプの駆動原理の説明図で、　（Ａ）
　は発生／凝縮過程，　（Ｂ）　は吸着／蒸発過程，　
（Ｃ）　は各過程別Ｔ−ｐ線図

【図７】従来例に係る回転モジュール型吸着式ヒートポ
ンプの構造を示す断面図

【符号の説明】

１５　　　　サーモサイフォン １６　　　　ゼオライト １７　　　　加熱用ファン １８　　　　冷却ファン １９　　　　送風ファン ２０　　　　放熱用ファン Ｉ〜ＶＩＩＩ　　　　モジュール空間 Ｏ　　　　回転軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水平状態に配置した回転軸を中心として回
   転する回転体の回転軸を中心として放射状に密閉して仕
   切られた各モジュール空間に、冷媒と該冷媒の吸着時に
   発熱し吸熱時に冷媒を離脱して発生する機能を有した吸
   着剤とを充填すると共に、各モジュール空間内の吸着剤
   と前記回転軸を挟んで対向するモジュール空間内の吸着
   剤との間に、回転軸の下側に流下するように液状熱媒体
   が封入され下側部分が上側部分より高温である場合のみ
   下側から上側への熱伝達が行われる機能を有したサーモ
   サイフォンを連結設置し、かつ、回転軸より上側の所定
   位置に吸着剤の加熱部及び冷媒の放熱部，回転軸より下
   側の所定位置に冷媒の吸熱部及び吸着剤の放熱部を設け
   て構成したことを特徴とするサーモサイフォンを利用し
   た回転モジュール型吸着式ヒートポンプ。