JPS6248149B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、分子篩ゼオライトの収着能力が、温
度変化と共に大幅に変化することを利用すること
によつて、太陽エネルギーや発電所の廃熱の如き
低等級の熱を利用するためのシステムに関する。
特に本発明のシステムは、絶対温度の小さな変化
を比較的大きなガス圧力変化に変換するシステム
に関し、このガス圧力変化は機械的または電気的
エネルギーまたは冷蔵における冷却作用を生ずる
ために利用される。

太陽エネルギーを熱および冷却目的に利用する
のを妨げる主な困難事の１つは、地球上の太陽エ
ネルギーの密度が低い（平方メートル当り1.5キ
ロワツトより小）ことである。太陽エネルギーコ
レクタで得られる温度差は小さく、また日光集中
装置を用いた場合でも200−300℃より高温を得る
ためには複雑な太陽追従技法を必要とする。かよ
うに、小さな温度差例えば30−100℃の温度差に
てエネルギーを効果的に変換する方法を開発する
必要がある。ここに、ゼオライトの特異な収着特
性が、特に家庭での冷却および空気調整の必要性
を満足させるための、斯くの如きシステムの設計
を可能とすることが見出された。その様なシステ
ムの出力は、太陽負荷が増すにつれて増加し、従
つて自動冷却の高度の必要性は、その様なシステ
ムのより一層高い出力によつて満たされる。本発
明の主目的は太陽エネルギーによる冷却および建
物の空気調整のための代替的な方法を提供するこ
とであるが、そのシステムはまた、発電所や他の
熱汚染源からの廃熱を操作し斯くして汚染を減少
させそして廃熱を有用なエネルギーに変換し得る
大規模システムを開発するためにも利用できる。

太陽エネルギーにより得られ得る小さな温度差
のために、通常のガス膨脹を利用するシステムの
カルノー効率が必然的に非常に低いことは、当業
者が理解していることである。この理由のため、
殆どの太陽エネルギー冷蔵システムは、液体への
ガスの溶解度が温度と共に変化することに基づく
旧式で充分に試用された吸収冷蔵サイクルに集中
している。このプロセスは熱的に賦活されるか
ら、小さな絶対温度変化に対して大きなガス圧力
変化を可能とする様な温度依存性は指数的であ
る。このプロセスは、初期のガス冷蔵器に用いら
れたアンモニア−水以外のシステムの工業的使用
によつて新しい勢いを得た。例えばニユーヨーク
市のケネデイーエアポートでは、作動流体として
臭化リチウムと水を用いた空気調整システムが備
えられている。

固体収着剤を用いる収着冷却系としては、例え
ば実公昭33−19972号に、シリカゲル等の吸着剤
を充填した一対の吸着筒を電熱装置により交互に
加熱する装置が開示されている。その他の従来作
動させることに成功した固体収着式冷凍系では、
熱源は通常ガス炎またはスチームにより供給され
る。これらすべての系において熱源は約300〓
（約150℃）であつた。これに対し、平板式コレク
タからの太陽熱は、殆んど190〓（88℃）を超え
ることはなく、そして該コレクタの熱捕集効率は
120ないし140〓（50ないし60℃）という比較的低
い温度での方がずつと高い。この比較的低い温度
範囲のため、および特に熱源として太陽エネルギ
ーから得られる熱が少ないために、商業的に有望
な冷却系は未だ生まれていない。例えば臭化リチ
ウム系を太陽エネルギー用に変形したものは、80
〓（27℃）の水冷式凝結器を必要とする極めて小
容量且低効率のものに終つている。凝縮器温度が
120〓（50℃）に上昇−これは空冷式凝縮器では
必然である−した場合、平板式コレクタから無理
なく得られる140ないし160〓（60ないし70℃）の
駆動温度では該系を作動させるには不充分であ
る。また、特に詳述するように、シリカゲル、活
性アルミナ、活性炭といつた収着剤の収着挙動は
温度に依存する他に圧力に強く依存し、その吸着
等温線は直線的でしかも互に平行でない。このよ
うな吸着剤では加熱脱着時に温度と圧力が相拮抗
して作用するのでより多くの加熱を必要とする等
の理由から、得られる温度差及び熱量の小さい太
陽エネルギーのような低等級熱を利用する場合に
は実質的な効率を有する冷却系は得られない。従
つて、このような系は、いずれも商業的重要性を
獲得していない。

太陽エネルギーを従来の収着系に適用すること
の主要な困難性は、包含される物理的プロセスが
溶解または表面収着であり、単純なアレニウス式
に従つて指数的に熱的に賦活されることであると
考えられる。この結果、その小さな温度差から得
られる圧力差は実用不可能な程小さく、殆んどの
用途に役立たない。

ここに、固体収着剤として分子篩ゼオライトを
使用することにより、太陽エネルギーのような低
等級熱源を利用して実質的な高効率のシステムを
得ることができることが見出された。

分子篩ゼオライトは、温度および圧力に関し２
〜４乗の指数で表わされる独特の非直線的収着特
性を有する一群の合成または天然鉱物材料であ
る。ゼオライトは、小さな温度変化を、実際に冷
却サイクルに利用または機械的エネルギーに変換
し得る非常に大きな圧力変化に変換することを特
異的に可能とする。ゼオライトは、固体材料を使
用しそして固体材料内の拡散を利用することによ
つて、可動部品を用いず従つて長い寿命と信頼性
を可能とする高変換効率の太陽利用冷蔵システム
を供給するような独特な設計のために役立つ。

後に詳述するように、分子篩ゼオライトの収着
挙動は、前記シリカゲル等の収着剤と著しく異な
つて圧力にあまり依存せず、強く温度依存性であ
る。即ち分子篩ゼオライトは非常に低い圧力で早
くも飽和する。その後は圧力が増加しても吸着量
はあまり変化せず、従つて吸着等温線は傾斜が小
さく殆んど水平であり、そして互に平行である。
このため分子篩ゼオライトは低い圧力範囲におけ
る収着能力がシリカゲル等の他の収着剤に比べて
かなり大きく、そしてその加熱脱着は圧力により
殆んど影響を受けない。これは低等級熱源から得
られる小さな温度変化を実際に冷却サイクルに利
用または機械的エネルギーに変換し得る大きな圧
力変化に変換することを可能とする。

ゼオライトは後述するような特異な収着挙動の
故に室温で大量（40重量％まで）の極性ガス、即
ち双極子または四極子モーメントを有するガス例
えばH₂O、NH₃、H₂S、N₂、CO₂等並びにフルオ
ロ−、クロロ−およびハイドロカーボン、を収着
する。その収着特性の高度な非直線性の故に、ゼ
オライトは平板式太陽コレクタにより容易に到達
する温度に加熱された時、大量の該極性ガスを脱
着する。例えば、ガスを収着したゼオライトを充
満した容器を室温から200〓（93℃）以下に加熱
した場合、50対１ないし1000対１の圧力差が得ら
れる。

実際に、室温で平衡化し、0.05psiaの分圧を有
する水蒸気が、120〓（50℃）では1.5psiaの圧力
を有するであろう。更に、この温度は、若干の水
蒸気を脱着させて120〓に保たれた凝縮器中で凝
縮させるに充分である。ゼオライトの温度を140
〓（60℃）に上昇させることにより、10重量％ま
での水蒸気をゼオライトから脱着させ得る。

また、室温で１気圧（15psia）で窒素ガスと平
衡化したゼオライトを160〓（70℃）に加熱した
時、窒素ガスを脱着して容器内圧力は15000psia
に増大し、該圧力で多量の窒素ガスを脱着し得
る。NH₃、CO₂、フルオロ−およびクロロカーボ
ンの場合も、ゼオライトを室温から200〓（93
℃）に加熱した時、容器内の圧力は50ないし1000
倍に増加し、そしてその高圧下で、平均して10重
量％のガスを脱着する。

これに対し、シリカゲル、活性アルミナおよび
活性炭のような他の固体収着剤の場合、同一条件
下で該ガスの収着量はゼオライトの場合よりかな
り少なく、そして160ないし200〓（70ないし93
℃）の範囲に加熱した時の脱着量も小さい。従つ
て得られる圧力も比較的小さく、また高圧下での
ガス脱着量も無視しうる程に少ない。上記のよう
な低温および高圧では、液体−ガス吸収系もこれ
らの固体収着剤の場合と同様の欠点を有し、たと
え作動するとしても効率的には作動しないことが
見出されている。これは、100ないし120〓（38な
いし50℃）の空冷凝縮器で140ないし160〓（60な
いし70℃）で駆動させた時に確かめられている。

分子篩ゼオライトに吸収されるガス量は次式 ａ＝ａ_p2θ_２＋ａ_poθ_o ｛式中ａ_pはガスの収着限界値であり、θ_o＝exp
〔（RTln（Ｐ_s／Ｐ）／Ｅ_o〕ⁿであり、ｎは２−５の
整数である｝ で示される。ここでＲは普遍的ガス定数であり、
Ｐ_sは限界飽和圧力であり、Ｐは実際の圧力であ
り、Ｅ_oは活性化エネルギーであり、これはモル
当り数キロカロリー程度である。この点に関して
はM.DubinとV.Astakhov、“Description of
Adsorption Equilibria of Vapors on Zeolites
Over Wide Ranges of Temperature and
Pressure”、Second International Conference
on Molecular Sieve Zeolites、Sept.8−11、
1970、Worcester Polytechnic Institute、
Worcester、Massachusetts、pp.155−166を参照
されたい。

前記から、分子篩ゼオライトにおけるガス吸収
の温度依存性は少なくとも温度の平方について指
数的でありそして温度の５乗に対して指数的であ
る程に高まることもある。（例えばアセチレンと
ゼオライトNaA）。

本発明の目的は、分子篩ゼオライトを利用して
小さな温度差で合理的に大きな圧力差を生ずるこ
とによつて、太陽エネルギーまたは他の、低い出
力濃度を有し従つて比較的小さな加熱効果を生ず
る様な種類のエネルギーを用いることである。斯
して本発明は、逆止め弁を各々有する入口と出口
を有する密封容器； 分子レベルで極めておよび均一に多孔性であ
り、そして極性分子からなる膨脹性流体を該分子
と相互作用する不均一な電界勾配により吸着する
ように適合した結晶構造を有し、該入口および出
口における作動圧力に実質的に依存せずそして該
吸着剤材料の温度に実質的に依存する量で該流体
を比較的低温の時に該入口を通して該容器内に引
入れそして比較的加熱されている時に該出口を通
して追出しうる、該容器内の分子篩ゼオライトか
らなる固体吸着剤材料； 該吸着剤材料の温度を該比較的低温から該比較
的加熱されている温度に周期的に上げるように適
合した低等級加熱手段； 該容器中の該吸着剤材料によつて吸着されるよ
うに適合し、そして該吸着剤材料が比較的低温の
時に該入口を通して該吸着剤材料中に引入れられ
そして該吸着剤材料が比較的加熱されている温度
の時にそこから該出口を通して追出されるように
適合した該極性分子からなるガス状流体；および 該出口から圧力下の該流体を受入れそしてそこ
からエネルギーを抽出後比較的低圧で該流体を該
入口へ排出するように接続された熱エネルギー利
用手段； を含む低等級熱利用システムに関する。

上記の目的は、分子篩ゼオライト内に存在する
如き或種の材料へのガス収着および脱着が、極め
て強く温度に依存する（前記の如く温度の５乗ま
で指数的）ので達成され得る。大きな圧力差は、
その様な材料を用いた太陽エネルギー冷却システ
ムの建造に用いられる。２つの異なる方法がここ
に開示され、その１つは分子篩に一定の温度を用
いる方法であり、他の１つは温度勾配を発生させ
る方法である。

極めて強い温度依存性に起因して、25−100℃
の温度変化は一定圧力にて99.9％より多くのガス
を脱着し得る。代りに、一定容積において、同じ
温度変化は４オーダーの大きさの圧力増加をもた
らす。

太陽エネルギーを用いる２つの方法がここに開
示され、その第１は吸収剤材料製のパネルで建物
の屋根を建造しそして周囲温度にてパネルに作動
ガスを飽和させる方法である。パネルが太陽の熱
によつて加熱される時に、パネルはガスを脱着
し、圧力が増加し次いで起こるガス膨脹によつて
所望冷却効果が生ずる。ガスは次に好ましくは収
着材料を備えた別個の容器に集められ、そして夜
間に屋根パネルが放熱によつて冷却される時に、
パネルは作動ガスを再充填され飽和されることが
できて、次の日中の新しいサイクルの用意ができ
る。

工業用ゼオライトの収着能力は、材料100ポン
ド当りガス約20−40ポンド程度である。モル当り
４−10キロカロリーの活性化エネルギーの既存値
を用いると、収着材料100ポンド当りの理論冷却
能力は10000−20000BTUである。かように代表
的な家の既存屋根面積がほど良く効果的な冷却シ
ステムのために充分であることが認識されるであ
ろう。

屋根パネルは、分子篩ゼオライト材料を押圧し
焼結して適切な形にし、そして耐圧容器内にそれ
を密封することによつて製造できる。本明細書に
は２つのタイプの容器が開示される。その１つ
は、好ましくは太陽エネルギーの吸収を増すため
に例えばカーボンブラツクで一方の表面を暗色化
された分子篩ゼオライトパネルによつて太陽エネ
ルギーが直接吸収される様なガラスカバー付のも
のであり、他の容器は、暗色化金属だけで建造さ
れそして、分子篩の全ての側を取囲む周知のはち
の巣構造に類似した構造によつて、吸収エネルギ
ーが内部の吸収剤材料に伝えられる様なものであ
る。この後者の構造は分子篩材料の間接的な加熱
を利用するものであるが、この構造においてはよ
り一層高い作動圧力が可能であり、従つてより一
層高い操作効率が可能である。

前記のことから、本発明の主な目的は、分子篩
ゼオライトの収着能力の大きな変化を利用するこ
とによつて、太陽熱または発電所等の廃熱の如き
低等級の熱を利用するためのシステムを供給し、
これによつて、温度変化を用いてこのシステムが
小さな絶対温度変化を大きなガス圧力変化に変換
して、冷蔵または他のエネルギー使用のために次
いで利用し得る様にすることである。

本発明のもう１つの目的は、前記のシステムを
提供して、収着材料のサイクル加熱を生ぜしめ、
斯くして相対的圧力下に高温収着剤から低温収着
剤へガスを流して所望エネルギーを生ずる様にす
ることである。

本発明のもう１つの目的は、圧力差を生ずる温
度勾配を収着材料に生ぜしめ、ガスが外側集成装
置を経て収着材料の高温側から低温側へ流れ、こ
の外側集成装置内でエネルギーが使われ、そして
ガスは低温側から高温側へ材料内を流れ、斯くし
てある圧力差にて連続的ガス流を生ぜしめ、従つ
て相対的に一方の側だけが加熱される吸収剤材料
中の圧送効果により生ずるエネルギーを連続的に
生ずる様にすることである。

他の目的、適応性および可能性は、添付図参照
下に次の記載から明らかであろう。

第１−４図について説明するが、金属または他
の伝熱性材料で構成される容器１０ははちの巣構
造を有することが好ましく、このはちの巣構造は
ゼオライト１１または他の適切な吸収剤材料で満
たされる。容器１０の表面１２は黒ずませられ
て、実際的な程に多い太陽エネルギーを吸収でき
る様にされる。容器１０にはガス出口１４とガス
入口１５が備えられていることがわかるであろ
う。家の屋根または太陽によつて照らされる他の
表面の上に設置され得る、第１図に示される如き
多数のパネルの代表的なものの断面図が第２図に
示されることが理解されるべきである。個々のパ
ネル１０は組合わされてモジユール１６になり、
モジユール１６にはガス出口１４が一緒に連結さ
れてモジユールの出口１４ａとなり、同様にガス
入口１５が一緒に連結されてモジユールのガス入
口１５ａを形成する。各モジユール１６は逆止め
弁１７と接続され、弁１７は圧力制御されてモジ
ユール１６内の圧力が、選択された値に増した時
に開くようにされる。出口１４ａは適切なマニホ
ルドを経て第１導管またはライン２０に通じ、こ
の第１導管２０は、フアン２２により冷却される
凝縮器２１の取入口に連通する。第２導管または
線路２４は、凝縮器２１の出口からガスエキスパ
ンダークーラー部材２５の入口と連通し、このエ
キスパンダークーラー部材２５は膨脹弁２６を中
に有する。クーラー部材２５を建物の空気調整装
置に接続してこれに冷却作用を与え得ることは当
業者によつて理解されるであろう。クーラー部材
２５から第３ラインまたは導管２７が出ており、
この第３ラインは、逆止め弁３０を経て幽閉空間
に流体を運ぶ作用をする。この幽閉空間はコール
ドモジユール１６であつてよく、これは第３図で
は１６ａで示される。その代りに、貯蔵容器１６
ａは空のガス容器であつてよく、そして所望なら
ばゼオライト材料が充填され、斯くしてその他の
点で必要な容積を最小にする様にされてよい。

モジユール１６が加熱された時に、ゼオライト
材料１１中のガスは脱着されて容器１０中の圧力
が増す。逆止め弁１７によつて設定された上限値
を越えた時に、弁１７が開きそしてガスは第１ラ
イン２０の出口１４ａを経て凝縮器２１に流れて
いく。この凝縮器２１は図示の如くにフアン２２
で冷却されてよく水冷されてもよい。作動ガスは
凝縮器２１内で冷却され、ここでガスは液体流体
に変換され次に第２ライン２４を経てクーラー部
材２５に運ばれ得る。ここでガスは膨脹し（また
は液体流体が蒸発してガスとなり）、一方同時に
クーラー部材２５を冷却する。前記の如く、冷却
効果はこの地点で慣用方法によつて空気調整また
は冷凍等のために好ましく用いられる。次にガス
は第３ライン２７と逆止め弁３０を通過して貯蔵
空間１６ａに入る。前記の如く、貯蔵帯域１６ａ
は、特定時期に太陽の直接光線にさらされないこ
との他はモジユール１６と等しいモジユールであ
り得る。

モジユール１６中のゼオライトが貯蔵空間１６
ａ中のガスまたはゼオライトよりも温かい限り、
ガスがモジユール１６から凝縮器２１とクーラー
部材２５を経て貯蔵帯域１６ａに流れることは理
解されるであろう。モジユール１６が例えば家の
陰になつた側にあり、または他の何らかの手段に
よつて陰におおわれまたは太陽が沈んで夜になつ
た時などに、モジユール１６がもはや熱せられな
くなつた時に次の操作サイクルが起こる。その様
な場合にはモジユール１６はその後に放熱によつ
て冷却され、容器１０の内部に低圧を生ぜしめ
る。その様な場合には、いくつかの変化が起こり
得る。例えば日中が暑く夜間が冷たいさばくの天
候においては、貯蔵空間１６ａは埋められまたは
他の工合に断熱されてよく、そして第３図に示さ
れる如くに逆止め弁３２を有する導管またはライ
ン３１を経て入口１５ａとモジユール１６に直接
接続され得る。しかし夕方も温かい場合には、夜
間に空気調整することが望まれることがあり、こ
の場合には第４図に示される配列がより一層望ま
しい。かように第４図はガス貯蔵空間１６ａから
今や冷却されたモジユール１６へ戻るサイクルを
示すことは認識されるであろう。

貯蔵空間１６ａは、弁１７と同様の逆止め圧力
調整弁３４を含む第４ラインまたは導管３５に通
じ、この弁３４は予め定められた圧力差にてガス
を貯蔵空間１６ａから通す様に設定される。導管
３５は、凝縮器２１と同一のまたは異なるもので
あつてよい凝縮器２１ａに連通する。凝縮器２１
ａからの出口は第５ラインまたは導管３６とな
り、この第５ライン３６はクーラー部材２５ａの
膨脹弁２６ａに通ずる。このクーラー部材５ａは
クーラー部材２５と同一であることができ、この
場合には当業者により考えられる様に、モジユー
ル１６と貯蔵空間１６ａ内の圧力との間の相対圧
力によつて制御される、モジユール１６に通ずる
第２導管を有する逆止め弁３０を備えるべきであ
る。これに関連して第６ラインまたは導管３７が
クーラー部材２６ａの出口とモジユール１６の入
口１５とを接続することがわかるであろう。ライ
ン３７には逆止め弁４０が備えられる。図示され
る如く、凝縮器２１ａとクーラー部材２５ａが
各々凝縦器２１とクーラー部材２５と同じである
場合に好ましく制御される単一弁内に弁４０と弁
３０を組込み得る。凝縮器２１ａは凝縮器２１と
同様に、フアン、冷却水、または他の適切な手段
によつて冷却され得る。

モジユール１６が冷却されそしてその中のガス
状流体が貯蔵空間１６ａよりも低い圧力にあるサ
イクルにおいては、適切な圧力差が増して弁３４
が開き、ガス状流体が凝縮器２１ａ内に流れその
中で冷却される。次に作動流体はガスまたは液体
としてクーラー部材２５ａ内に流れ、ここで膨脹
弁２６ａによつて膨脹せしめられ、そして冷却し
て、建物の空気調整または冷却システムのために
または冷蔵等のために用いられ得る様になる。最
後にモジユール１６には次のサイクルのために作
動ガスが再充填される。

１つのサイクルは日中に起こり他のサイクルは
夕方に起こり、またはモジユールが建物の異なる
側に置かれる場合には１つのサイクルは朝に起こ
りそして次のサイクルは午後と夕方に起こり得る
ことは理解されるであろう。後者の場合には、ガ
スが建物または屋根の東側の高温モジユール１６
から建物または屋根の西側の低温モジユール１６
へ流れ、次に後者の低温モジユールが加熱された
時に流れが貯蔵空間へ向かい、そして最後に夕方
または夜には、建物の屋根の東側の第１モジユー
ルにもどる様な工合に、サイクルを配列し得る。

代りに、モジユール１６のための熱は、太陽に
よる加熱によらずに動力装置、焼却器または他の
熱汚染源の廃熱から熱交換器を経て供給され得
る。膨脹ガスのエネルギーはまた、往復機関また
はタービンや発電機を用いた慣用的手段によつて
該エネルギーを機械的または電気的エネルギーに
交換するために使用され得る。その様な場合に
は、モジユール１６と貯蔵空間１６ａのサイクル
加熱冷却の発明は、源からゼオライト材料のため
の熱交換器への廃熱を適切に弁調節することによ
つて達成され得る。

前記の方法は、圧縮機または他の可動部品を用
いずに圧送効果を達成し得るという、日中−夜間
の太陽エネルギーのサイクル特性を利用したもの
である。分子篩ゼオライトは、弁を含めてあらゆ
る可動部分を全く用いずに、太陽エネルギー以外
のエネルギー源を必要とすることなく、吸着冷凍
システムを実際に満足に作動させ得る唯一の固体
吸着剤である。これは分子篩ゼオライトの低い圧
力範囲における異常に大きな収着能力による。即
ち、分子篩ゼオライトは例えば0.05psiという低
い圧力（この圧力における水の沸点は約−７℃）
において約20重量％の水蒸気を吸着し得る。他の
固体吸着剤では４重量％未満である。日中ゼオラ
イトパネルが太陽エネルギーにより加熱された
時、ゼオライトの脱着によりシステム内圧力は
0.5psiまたはそれ以上に上昇し、脱着された水蒸
気は80゜〜102〓の凝縮器温度で凝縮され得る。
他の固体吸着剤では脱着される水蒸気も非常に少
ない。夜間に前記パネル内のゼオライトが再び吸
着して圧力が下ると、他方の容器（ゼオライトを
含まない）に貯留された凝縮水は、0.07psiで27
〓で一部が蒸発し始め、残部は蒸発熱のために、
結氷するに至ることは理解されるであろう（水の
蒸発熱は約1000BTU／ポンドであり、一方水の
融解熱は僅か約145BTU／ポンドである）。

前記第１−４図の方法は長い無保全寿命の可能
性を有する。しかし、この方法は、丸一日できる
だけ多くの統合日光負荷を得て従つて殆どの時間
のあいだその最大能力にて作動する様に設計され
なければならず、また熱が最大である日に代替的
冷却法によつて強化されるべきである。

全システムのサイズとコストを減ずる結果を生
ずる様な、最大能力を得る問題を解決する第２の
方法を次に記載する。この方法は、１つの吸収剤
材料に熱勾配を適用した時にその結果として実質
的に圧送作用が得られるという情況に基づく。こ
のことは、熱的に賦活される拡散係数を有する材
料について知られているが、分子篩材料の場合に
は事情は実質的に異なる。

分子篩ゼオライトは、大きなまたは小さな分割
された窓によつて結合された（分子という意味で
の）大きなキヤビテイの形の結晶内細孔のある結
晶構造を有する。この理由から、ガス分子の動き
は、キヤビテイの内側と、第２エネルギー遮断壁
へ、熱的に賦活されて「粘着」してキヤビテイ間
の窓を通して拡散することからなる。この第２の
プロセスは、分子篩の篩分け作用を果たし、これ
によつて窓のサイズよりも小さい分子寸法を有す
るガスが篩を通過し、一方窓よりも大きな分子サ
イズを有するガスが通過しない様になる。さら
に、大きな電気双極子モーメントを有する分子は
通常キヤビテイに「粘着」し（例えば水）、これ
と対照的にその様なモーメントを有しない原子や
分子（例えば貴ガス）はキヤビテイに粘着せずそ
の動きは窓のサイズに対する相対的サイズによつ
て制御されるだけである。この理由から、分子篩
を通るガスの動きはわずかに拡散に似ているだけ
でありそしてかなり複雑である。

ゼオライト、リンデ（Linde）タイプ4Aを用い
た試みにおいては、カオリン（Kaolin）結合剤と
共にパネルが焼結された。このようなパネルの片
方の側を約100℃に加熱すると、種々の異なる作
動ガスを用いて圧送作用が観察された。その様な
ガスとしてはCO₂、フレオン−11（CCl₃F）、フ
レオン−12（CCl₂F₂）、フレオン−21
（CHCl₂F）、フレオン−22（CHClF₂）、水蒸気、
NH₃、SO₂、N₂およびO₂が挙げられる。

本発明の具体例においては、ガラスで覆われた
容器４１が用いられ、そして容器を別個の圧力容
器に分離するための、第１の方法に匹敵する様な
デバイダとしてパネル４４が用いられ、ここにお
いてゼオライトは圧力遮壁を形成せず、そしてか
ように容器１０の入口および出口部分は実際には
常時ほぼ同じ圧力にあるようにされる。

第５−７図において、透明カバー４２を有する
金属容器４１が焼結ゼオライトデバイダ４４を含
むことに注意すべきである。ゼオライト４４の、
太陽に面する側４５は適切な手段により例えばカ
ーボンブラツクで暗色にされる。容器４１は２等
分され後方の半分４６は低圧低温ガスを含み、前
方のケーシング４７は高圧高温の作動ガスを含
む。

太陽または他の源からの熱によつてゼオライト
４１の側４５が加熱される時に、この熱によつて
温度勾配ΔＴが生ぜしめられ、この温度勾配は第
６図の参照番号５０で示される。前記のゼオライ
ト遮壁４４の内側分子圧送作用は、容器４１の後
方の半分４６と前方ケーシング４７との間に圧力
差を生ぜしめる。この圧力差は次にこのシステム
の所望エネルギー消費を生ずるために用いられ
る。

第５図に示されるモジユール５１において、個
個のパネル４１は、第５図の上部に示される如く
に直列に接続された出口５２と入口５４を有し、
これによつてより一層高い圧力を得るようにさ
れ、または第５図の下方に示される如くにこの出
口と入口は並列に接続されてより一層大の流速を
得るようにされ、または直列並列接続が組わせて
用いられる。

第７図に示される如く、モジユール５１の出口
５２は逆止め弁５６を経て第１導管５５に接続さ
れ、この導管５５は、フアン６０または他の適切
な冷却手段によつて冷却され得る凝縮器５７に通
ずる。作動ガスは凝縮器５７の出口から導管５９
を通り逆止め弁６１を経てクーラー部材６２に運
ばれる。クーラー部材６２において、ガスは膨脹
弁６４によつて膨脹せしめられ、これによつてガ
スは非常に低温となりそして空気調整、冷蔵等に
用いられ得る様になる。生じる流体は次に集めら
れそして、帰り導管６５に含まれる逆止め弁６６
を経てモジユール５１の低圧ガス入口５４に戻さ
れる。

かように、前記の第５−７図の装置に示される
如く、高圧ケーシング４７からの作動ガスは高圧
出口５２から逆止め弁５６および導管５５を経て
凝縮器５７に運ばれ、ここでガスはフアン６０か
らの空気または冷却水または他の適切な手段によ
つて冷却される。冷却されたガス（液状であつて
よい）は凝縮器５７からクーラー部材６２に運ば
れ、ここで膨脹弁６４による膨脹によつて冷却ま
たは冷蔵作用を生ずる。生ずる低圧ガスは次に逆
止め弁６６を経て導管６５を通り低圧ガス入口５
４を通つて容器４１の低圧側の半分４６に戻され
る。

各種のガスの場合に絶対圧力で示して次の圧力
差が実施可能であることが判明した。フレオン−
11、3/18psi；フレオン−12、26/107psi；フレオ
ン−21、5/51psi；フレオン−22、43/175psi；水
蒸気、0.1/1.0psi；SO₂、12/66psi；CO₂、332/1
０４３psi；NH₃、35/170psi。

この最後に記載の具体例は、所定日数にわたつ
て同一容積のガスを幾度も再使用でき、そして太
陽熱負荷に正比例する冷却出力を有するという長
所を有する。かように、太陽熱負荷が大であれば
ある程、生ずる冷却作用は大である。

両方の方法共が、収着プロセスのはるかに強い
温度依存性の故に潜在的により一層高い効率を有
するという点で、慣用的な収着冷却システムより
優れた長所を有する。さらに、本発明のシステム
は固体パネル、圧力容器および導管、および作動
ガスだけからなる機械的可動部品は必要なく、か
ように高い信頼性および長い操作寿命を提供す
る。

以上、本発明の好ましい実施態様を述べたが、
本発明の精神および技術範囲内において種々の適
用および変更が可能であることは理解されるであ
ろう。

第８−１５図は一般に大気圧以下の圧力におけ
る水蒸気を作動流体として用いた場合の、分子篩
ゼオライトの特異な収着挙動および他の固体収着
剤との比較を示すものである。

前記のように、分子篩ゼオライトを使用するこ
との大きな利点は、それが、すべての微細孔質収
着剤に共通の性質である毛管凝縮の他に、静電的
相互作用によつて極性分子を収着する能力を有す
ることによる。水、二酸化炭素のような双極子モ
ーメントの大きい分子、または窒素、酸素のよう
な四極子モーメントの大きい分子は、ゼオライト
のアルミナ−シリカ網状構造の陽および陰イオン
との静電的相互作用により、ゼオライト微細骨格
に結合する。これは、極性分子ガスのゼオライト
への収着に特徴的な、極めて非直線的な温度およ
び圧力依存性を生む。

第８図において直線１は０−100℃においてガ
スがいかに膨脹するかを示す（理想気体の式）。
曲線２は種々の圧力（mmHg）における水の沸点
を示す。これを片対数グラフで表わすと第９図の
線２のように直線となる。第９図は、一定量の水
を吸着した固体収着剤上の水蒸気圧と温度の関係
を示す。12重量％の水を有するシリカゲルの線
２′も本質的に直線である。しかし、20重量％の
水を有するゼオライトの線３は曲線であり、そし
て約４mmHgのところから線２及び２′よりも急勾
配になり始める。これはゼオライトが圧力に影響
される度合がかなり小さくそして温度に影響され
る度合がかなり大きく、従つて（４mmHg以上に
おける）ゼオライトの小さな温度上昇は、シリカ
ゲルの同じ温度上昇よりも、その“内部”分圧を
かなり大きく増大させ、そして従つてゼオライト
の脱着は、シリカゲルの場合に比べて該吸着剤の
外のシステム内の圧力によつてあまり抑制されな
いことを意味する。この点に関し、ゼオライト以
外のすべての吸着剤はシリカゲルと同様に反応す
る。

第１５図は種々の材料への吸着水量を相対湿度
に対してプロツトした水蒸気平衡曲線である。こ
れからわかるように、分子篩ゼオライトの特性は
シリカゲルやアルミナのそれと明瞭に異なる。分
子篩ゼオライトは低い蒸気圧で非常に急速に水蒸
気を吸着し、その後は蒸気圧が増えても曲線はフ
ラツトである。

何故分子篩ゼオライトだけが低い圧力範囲にお
いて有効に作動し得るかは第１０−１４図からも
理解される。第１０図はＡ型ゼオライトへの水蒸
気の吸着等温線である。水蒸気分圧５mmHg（こ
れは水の沸騰温度約35〓に相当する）において、
このゼオライトは室温で20重量％以上の水を収着
する。他方ゼオライトを200〓（93℃）に加熱す
ると、そは収着量が約17重量％に減少するまで、
分圧に殆んど無関係に水蒸気を脱着する。第１３
図はシリカゲルへの水蒸気の吸着等温線である
が、シリカゲルの水吸着は温度にばかりでなく圧
力にも依存することが示されている。圧力が増加
するとシリカゲルの吸着容量は増える。斯してシ
ステム中の一定量の水から出発して、シリカゲル
では圧力と温度は相拮抗して作用する。ゼオライ
トでは圧力の影響は非常に小さいので、密閉系に
おいてゼオライトの比較的小さな温度変化は非常
に大きな差圧を生ずる。第１４図はゼオライトパ
ネルからの水蒸気の脱着とパネル温度を時間の函
数としてプロツトした曲線であるが、これからわ
かるように、ゼオライトからの水蒸気の脱着は温
度が125℃に上げられた後数時間にわたり殆んど
時間の函数である。

第１１および１２図は、二種の活性炭への水の
室温吸着等温線である。この温度における水の飽
和蒸気圧Ｐ_pは25mmHgである。従つて、水の沸騰
温度35〓において、Ｐ／Ｐ_pは５／25＝0.2であ
る。第９および１０図から、このような低い分圧
においては、有意な量の水は収着されず（収着量
は２重量％に達しない）、従つて活性炭を用いる
システムはこのような圧力の水蒸気では作動しな
いであろうことが理解されよう。そのような低圧
の水蒸気を用いる実際的システムにおいて、活性
炭やシリカゲルのような収着剤はゼロまたは殆ん
どゼロの効率しか示さないが、ゼオライトは35な
いし40％もの全効率を与え、これは更に向上する
可能性がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一群のパネルを示す透視
図、第２図は第１図のパネルの１つの断面図、第
３図は日中操作またはガス回路の高温側を示す系
統図、第４図は夜間操作またはシステムの低温側
の系統図、第５図は本発明の別の具体例の一群の
パネルを示す図、第６図は第５図のパネルの１つ
の断面図、第７図は後者の具体例による屋根パネ
ルを用いた回路の系統図、第８図は大気圧以下の
水の沸点を示すグラフ、第９図は一定量の水を含
む収着剤上の水蒸気圧と温度の関係を示すグラ
フ、第１０図はＡ型ゼオライトへの水の吸着等温
図、第１１図はBPL活性炭への水の室温での吸着
等温図、第１２図はASCウエトレライト・カー
ボンへの水の室温での吸着等温図、第１３図はシ
リカゲルへの水の吸着等温図、第１４図はゼオラ
イトパネルからの水の脱着およびパネル温度と時
間の関係を示すグラフ、第１５図は種々の材料に
おける吸着水量と相対湿度の関係を示すグラフで
ある。 １０……容器、１１……ゼオライト、１４……
ガス出口、１５……ガス入口、１６ａ……貯蔵帯
域、１６，５１……モジユール、１７，３０，３
２……逆止め弁、２１，２１ａ，５７……凝縮
器、２２，６０……フアン、２５，２５ａ，６２
……クーラー部材、２６，２６ａ……膨脹弁、４
１……金属容器、４２……透明カバー、４４……
焼結ゼオライトデバイダー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 逆止め弁を各々有する入口と出口を有する密
   封容器； 分子レベルで極めておよび均一に多孔性であ
   り、そして極性分子からなる膨脹性流体を該分子
   と相互作用する不均一な電界勾配により吸着する
   ように適合した結晶構造を有し、該入口および出
   口における作動圧力に実質的に依存せずそして該
   吸着剤材料の温度に実質的に依存する量で該流体
   を比較的低温の時に該入口を通して該容器内に引
   入れそして比較的加熱されている時に該出口を通
   して追出しうる、該容器内の分子篩ゼオライトか
   らなる固体吸着剤材料； 該吸着剤材料の温度を該比較的低温から該比較
   的加熱されている温度に周期的に上げるように適
   合した低等級加熱手段； 該容器中の該吸着剤材料によつて吸着されるよ
   うに適合し、そして該吸着剤材料が比較的低温の
   時に該入口を通して該吸着剤材料中に引入れられ
   そして該吸着剤材料が比較的加熱されている温度
   の時にそこから該出口を通して追出されるように
   適合した該極性分子からなるガス状流体；および 該出口から圧力下の該流体を受入れそしてそこ
   からエネルギーを抽出後比較的低圧で該流体を該
   入口へ排出するように接続された熱エネルギー利
   用手段； を含む低等級熱利用システム。 ２ 該熱エネルギー利用手段が該ガスを冷却する
   ための凝縮器とガス膨脹クーラー手段とを有す
   る、特許請求の範囲第１項記載の低等級熱利用シ
   ステム。 ３ 該熱エネルギー利用手段が往復機関を含む、
   特許請求の範囲第１項記載の低等級熱利用システ
   ム。 ４ 該熱エネルギー利用手段がタービンを含む、
   特許請求の範囲第１項記載の低等級熱利用システ
   ム。 ５ 該膨脹性流体が水である、特許請求の範囲第
   １項記載の低等級熱利用システム。 ６ 水が平方インチあたり約0.1ポンドの絶対圧
   で吸着されそして平方インチあたり約１ポンドの
   絶対圧で脱着される、特許請求の範囲第５項記載
   の低等級熱利用システム。