JPH0735435A - 吸着ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 冷熱需要の変動に応じて冷媒循環量を調節し
て蒸発量を制御すること。 【構成】 蒸発器９から凝縮器３にかけて冷媒を戻す移
送流路21を接続し、この移送流路21に移送ポンプ22およ
び調節弁23を設ける。調節弁23には流量調節器24を接続
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は吸着剤を用いたヒ―トポ
ンプに係り、更に詳しくは冷媒としての気体状態にある
水と吸着剤としてのシリカゲル等との接触（吸着），あ
るいは離脱（脱着）に伴う発熱・吸熱などの反応による
吸脱着現象を熱サイクルに利用した吸着ヒ―トポンプに
関する。

【０００２】

【従来の技術】吸着ヒ―トポンプとは、ヒ―トポンプサ
イクルにおいて、循環する冷媒が気体の状態で吸着剤に
吸収させたり、逆に吸着剤から冷媒ガスが離脱する際、
発熱あるいは吸熱などの熱の移動を伴う吸脱着現象を熱
サイクルに利用するヒ―トポンプである。冷媒ガスの吸
脱着に伴い、発熱・吸熱する熱を吸着熱と呼び冷媒ガス
の蒸発熱や凝縮熱より吸着熱はやや大きい。

【０００３】冷媒および吸着剤を含んだ吸脱着剤内蔵容
器，凝縮器および蒸発器から構成され、吸脱着を密閉サ
イクルで行わせる吸着ヒ―トポンプにおいて吸着剤とし
てゼオライト活性炭，シリカゲル，活性アルミナなどが
あり、いずれも数百ｍ² ／ｇの代表面積を持つ多孔質の
物質である。本発明では吸着剤の一例としてシリカゲル
を引用して説明する。一方、冷媒としては蒸発熱の最も
大きい水を用いるのが一般的である。

【０００４】図２に示すように、吸脱着剤層を内蔵した
容器１ａ，１ｂを設け、各々の容器１ａ，１ｂには熱源
水11ａ，11ｂと冷却水12ａ，12ｂを外部回路として接続
し、切換弁を用いて熱源水・冷却水の供給，切断を自由
に切り換えられるように設置しておく。凝縮器３，凝縮
液を蓄えておく液だまり５，液だまり５からの液流れを
制御する弁７および蒸発器９に凝縮液を霧状に分散させ
て滴下するスプレ―ノズル８と、これらを接続する流路
２，４，６，10から構成されており、さらに熱源機器か
ら供給される熱源11ａ，11ｂ、脱着熱を放出し、冷媒蒸
気を凝縮させる際に放出あるいは熱回収するための冷却
水12ａ，12ｂ，13、蒸発器９での蒸発熱を奪うための冷
水14の外部回路にて熱の受け渡しが行われる。なお、図
中符号15ａ，15ｂは切換弁である。

【０００５】サイクルを説明すると、容器１ａの冷媒を
多く含んだ吸着剤は熱源水により加熱され温度が上昇
し、吸着していた冷媒の水が蒸発して吸脱着剤層から離
脱して流路２を通って凝縮器３に送り込まれる。凝縮器
３で冷却水13により冷媒蒸気が凝縮し、再び冷媒は液体
となり流路４を経て液だまり５に蓄えられる。凝縮熱は
冷却水により外へ放出される。液だまり５に蓄えられた
凝縮水は弁７を通過しスプレ―ノズル８により蒸発器９
内に分散して滴下し冷却される。凝縮水は飽和圧力で蒸
発し、冷水14から蒸発熱を奪う。発生した冷媒蒸気は容
器１ｂに導かれる。切換弁15ｂの切り換えにより容器１
ｂに流入し冷却水12ｂにて冷却される。吸着剤は冷媒の
蒸発圧力以下となるため、冷媒蒸気を吸着して吸着熱を
発生し、この熱を冷却水にて除去する。吸脱着剤層での
吸着および脱着を一対の容器１ａ，１ｂで行い、一方で
冷媒蒸気の脱着を行う再生工程，もう一方で吸着工程を
行い、各工程が終了後、外部回路（熱源水，冷却水）の
切り換えにより、工程を入れ換えて、連続運転を可能に
できる。

【０００６】ここでサイクルにおける冷凍効率について
述べると、サイクルにおける蒸発温度を例えば５℃，凝
縮温度40℃，吸着温度40℃とし、再生温度 100℃とする
と系外から吸収する総吸熱量Ｑ_A は

【０００７】

【数１】Ｑ_A ＝ΔｑＬＷ ただしΔｑ；吸着量差 ［kg］ Ｌ ；冷媒の蒸発熱［kcal／kg］ Ｗ ；吸着剤重量 ［kg］ となる。一方、吸脱着剤を再生するのに必要な熱量Ｑ_R
は

【０００８】

【数２】Ｑ_R ＝ΔｑＱＷ ただしＱ；吸着熱［kcal／kg］ とすると、冷房効率（成績係数ＣＯＰ）は

【０００９】

【数３】ＣＯＰ＝Ｑ_A ／Ｑ_R ＝Ｌ／Ｑ となる。蒸発熱Ｌよりも吸着熱Ｑの方が大きいため、Ｃ
ＯＰは１以下の値をとる。

【００１０】吸着時に冷却水に放熱し、蒸発時に冷水と
して冷熱を供給する。冷媒の吸着および脱着を繰り返し
て冷房に対して有効に作用する熱量は冷媒の蒸発熱と吸
着剤重量および吸着量により決まる。

【００１１】また単一の吸脱着剤層で伝熱媒体の容器１
ａ，１ｂ内の流れに対して入口付近に冷却水放熱による
吸熱，入口付近で熱源水による再生脱着が同時に進行す
ることが可能である。吸脱着剤層の切り換え運転は不要
なるも吸脱着剤層の充填量が多くなり、大きさ，コスト
の面で不利となる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
吸着ヒ―トポンプサイクルを構成する場合に、冷媒ガス
が脱着凝縮蒸発吸着のサイクルを定常状態で繰り返すた
めには、吸脱着剤層を内蔵する容器１ａ，１ｂ内での吸
着工程，再生工程が完了した時点で速やかに切り換えを
行う必要がある。また容器１ａにて吸着工程が進行して
いる場合、蒸発器９で発生した蒸気を容器１ａに導き、
同時に他の容器１ｂにて再生工程、即ち蒸気を吸脱着剤
層から脱着し、凝縮器３に送り込む。冷媒の流れは容器
１ａまたは容器１ｂから凝縮器３に蒸気が移動し、凝縮
器３にて冷却されて凝縮液となる。さらに凝縮液だまり
５に流れ、凝縮液が貯留される。弁７を開放すると、凝
縮液がスプレ―ノズル８から蒸発器９内に放散され、飽
和圧力以下になるに従い凝縮液は蒸発し、冷水から蒸発
熱を奪う。蒸発した冷媒蒸気は容器１ａまたは容器１ｂ
に流入しサイクルを交互に繰り返す。

【００１３】ところで、吸脱着剤層から発生する蒸気量
は吸脱着剤層での脱着速度（単位時間当たりの脱着量）
に関係し一定ではない。このため凝縮器３および蒸発器
９での凝縮速度（単位時間当たりの凝縮量）および蒸発
速度（単位時間当たりの蒸発量）が再生および吸着工程
が進むに従って時々刻々変化する。そのため蒸気の流れ
を安定化させるため、凝縮液だまり５を設け、弁７にて
凝縮液の流量を調整する。このため凝縮液だまり５には
冷媒流れを調整する緩衝の役割を持たせるので、大きな
容器が必要である。

【００１４】また、冷凍負荷が時間の経過と共に変化し
た場合、冷水から熱を奪う冷媒蒸発量を調整する必要が
あり、一旦蒸発器９に流入した凝縮液（冷媒液）につい
ての蒸発量を制御できない。このように熱負荷変動に対
しても有効な対策が立てられず、冷凍過剰あるいは能力
不足といった供給不安定現象がみられる。

【００１５】熱負荷変動に対して供給不安定なシステム
であり、必要以上に過大な凝縮液だまり５などの設備が
設置され、経済性を圧迫する問題点がある。そこで、本
発明の目的は冷熱需要の変動に応じて冷媒循環流量を調
節して蒸発量を制御するようにした吸着ヒ―トポンプを
提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は吸脱着剤内蔵容
器，凝縮器，蒸発器を密閉した経路に組込み冷媒が循環
する密閉サイクルを構成してなる吸着ヒ―トポンプにお
いて、蒸発器から凝縮器にかけて冷媒液を戻して蒸発量
を制御する冷媒液移送系統を設けたことを特徴とするも
のである。

【００１７】

【作用】前記のように構成された本発明の吸着ヒ―トポ
ンプにおいては、冷熱需要側の所得熱量の変動に対処す
るため、凝縮器の凝縮に伴う放熱量と蒸発器の蒸発に伴
う吸熱量，即ち冷熱供給量を調整する。そのため、従来
凝縮液だまりから蒸発器にスプレ―ノズルにて分散して
いたが、凝縮液だまりからの冷媒液の流量調整を行って
いた弁での制御の他に、冷熱供給量の信号を電気的に検
知し、調節弁の開度を調節し、冷媒液移送流量を調節す
る。蒸発器の蒸発液だまりの冷媒量を増減させることに
より冷媒蒸発量を調節する。新たな吸発熱を調整できる
機能が加わったことにより冷熱供給量を冷熱需要側の使
用熱量変動に対応できるシステムを提供できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の吸着ヒ―トポンプの実施例を
図１を参照して、説明する。図２に示す従来技術による
構成に加えて本実施例においては蒸発器９から凝縮器３
にかけて冷媒を戻す移送流路21を接続し、この移送流路
21に移送ポンプ22および調節弁23を設ける。

【００１９】調節弁23には流量調節器24を接続する。な
お、サイクルにおける蒸発温度を例えば５℃，凝縮温度
40℃，吸着温度を40℃とし、再生温度を 100℃として吸
着ヒ―トポンプサイクルを構成する。

【００２０】次に作用を説明する。上記構成からなる吸
着ヒ―トポンプサイクルにおいて冷水14に冷熱を供給す
るとき、冷熱需要変動に対処するため、移送流路21に接
続された移送ポンプ22を作動させ、移送ポンプ22出口側
の調節弁23の開度を０〜 100％調節する。これにより蒸
発器９の蒸発液だまりの冷媒量を増減させ、蒸発器９に
おける蒸発量を制御し冷熱供給量を調整する。したがっ
て、凝縮器３へ戻す冷媒液移送量を調整し、凝縮器３に
おける凝縮温度を下げる。凝縮温度低下の影響は凝縮液
だまり５により吸収され、冷熱供給量を自由に設定でき
る。

【００２１】冷熱需要は一日の中でも昼夜で変動しまた
夏場冬場などの季節によっても変動する。一日の中では
例えば10時頃から12時頃まで、13時頃から15時頃までの
間に冷熱需要ピ―クが出現し12時頃から13時頃までやや
ピ―クが低下するなど時々刻々変動する。

【００２２】冷媒液移送量は冷媒循環流量の10〜20％と
し、移送ポンプ22出口側の調節弁23の開度を０〜 100％
調節することにより冷熱供給量を定格冷熱出力の80〜90
％とすることができる。この移送量は移送ポンプ22の容
量および調節弁23の開度により自由に設定可能である。

【００２３】このように本発明によれば、吸着ヒ―トポ
ンプサイクルにおいて蒸発熱を奪うことにより冷水の供
給を行う工程で冷熱需要の変動に対して冷熱供給量を制
御できるため、冷水供給を常に必要なだけ行う吸着ヒ―
トポンプサイクル運転が可能となり、凝縮液だまり５の
冷媒液供給調整用機能も軽減することができ、容量をコ
ンパクト化することができる。また冷媒に水を用いるた
め、通常のヒ―トポンプサイクルにおいて適用されるフ
ロン系低沸点媒体のような環境に影響を与える心配は皆
無となる。

【００２４】なお、図１において冷熱供給を連続的に行
う必要のない夜間等においては、吸脱着を内蔵する容器
１ａ，１ｂのいずれかを休止し、再生工程完了後、脱着
した冷媒蒸気を凝縮器に送り込み、凝縮熱を冷却水に加
熱して凝縮液だまり５に蓄熱することを行う。凝縮液だ
まり５から蒸発器９に必要時に限り凝縮液を送り込み蒸
発させることにより蒸発熱を冷水から奪い冷熱供給を行
う。冷水供給量の調整は移送流路21，移送ポンプ22，調
節弁23により行うこともできる。

【００２５】変形例として蒸発器９内に流入させてか
ら、移送する代わりに蒸発器９入口手前から凝縮器３に
移送する方法も可能である。本発明の実施例として、ガ
スエンジンの排熱を利用したジャケット熱交換器から回
収される温水や燃料電池から排出される温排水，或いは
工場内プロセス排熱を回収した熱水を利用して熱源水と
して利用したシステム構成とすることも可能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明においては蒸
発器から凝縮器にかけて冷媒液を戻すように冷媒液移送
系統を設けているので、冷媒液循環流量が調節され、蒸
発量を制御することができる。したがって、必要以上に
過大な凝縮液だまりの容量が小さくなり、コンパクト化
を図ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による吸着ヒ―トポンプサイクルの一実
施例を示す構成図。

【図２】従来の吸着ヒ―トポンプを示す構成図。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ…容器 ３…凝縮器 ５…液だまり ９…蒸発器 21…移送流路 22…移送ポンプ 23…調節弁

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸脱着剤内蔵容器，凝縮器，蒸発器を密
   閉した経路に組込み冷媒が循環する密閉サイクルを構成
   してなる吸着ヒ―トポンプにおいて、 前記蒸発器から前記凝縮器にかけて冷媒液を戻して蒸発
   量を制御する冷媒液移送系統を設けたことを特徴とする
   吸着ヒ―トポンプ。
2. 【請求項２】 前記冷媒液移送系統が前記凝縮器内上方
   から冷媒を散布するノズルおよび前記凝縮器へ移送する
   冷媒液量を調節する調節弁を備えることを特徴とする請
   求項１記載の吸着ヒ―トポンプ。