1337245 • 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種固體吸附式熱泵裝置,尤指一種 具有製冷、製熱雙重功能之熱泵裝置,同時藉由熱、冷能 回收控制機制,將高溫流體與低溫流體做旁通(by-pass) 控制,可有效解決水源端水量不均之問題,增加製冷/製熱 能力、提高系統性能係數(COP)。
【先前技術】 傳統一體式固體吸附式製冷系統,例如日本專利 JP7012420「Adsorption Type Refrigerating Device(吸 著式冷凍裝置)」,其將吸附床、蒸發器及冷凝器整合於同 一真空腔體内,於腔體上方設有吸附床,於腔體下方設有 蒸發/冷凝熱交換器,該蒸發/冷凝熱交換器可於脫附過程 中作為冷凝器,於吸附過程中作為蒸發器使用;其運行原 理為,當吸附床之管件被通以冷卻水(例如30°C )時,吸 附床進行吸附作用,此時,蒸發/冷凝熱交換器作為蒸發器 使用並被通以冰水(例如12 °C ),冷媒蒸氣上升至吸附床 而被吸附劑吸收,而流過蒸發器管件的水則被降溫(例如 從12°C至7°C );當吸附行程結束後,吸附床的管件改通以 熱水(例如85°C ) ’蒸發/冷凝熱交換器在此時作為冷凝器 使用並被通以冷卻水(例如3(TC ),於是由吸附床脫附出° 的冷媒蒸氣在冷凝器上凝結成液態冷媒。實際上,於上述 行程中並無製冷作用,該系統系將兩個(或兩個以上)此種 1337245 '. 製冷裝置加以並聯使用,並適當·地錯開其吸、脫附行程, 藉此得到連續而不間斷之製冷作用。 • 另如中華民國發明專利申請第93133542號「吸附式製 .- 冷控制系統」、第94141639號「固體吸附式製冷裝置」等 案,其主要利用多通閥連結製冷控制系統内各製冷裝置, 以簡化控制系統之加熱源、冷卻水源以及冰水與吸附式製 冷主機之吸附床、冷凝蒸發熱交換器間迴路間所需之閥數 量,同時具有熱交換器管内侧之熱能回收功效。 • 由上述習知專利前案所揭露之技術手段可知,當兩床 進行運行操作時,僅以單一製冷功能為主,並無製熱功能, 無法滿足使用端製冷與製熱雙重需求;且於連續式雙床吸 附式主機系統於加熱脫附與冷卻吸附過程結束後,切換閥 組進行回熱過程時,傳統上皆以加熱源切換至另一吸附床 (吸附剛結束)將冷卻水推送回至冷卻水塔侧,同時,冷卻 水源切換至另一吸附床(脫附剛結束)將熱水推送回至熱水 ' 槽,於此回熱過程_,雖然有熱能回收效果,但實際運行 ® 時,由於熱水與冷卻水流量不等量,導致某一側水槽之水 量減少或增加,因而影響整體水源處之循環水量控制管理 之困擾。 【發明内容】 有鑑於習知技術之缺失,本發明之目的在於提出一種 固體吸附式熱泵裝置,具有製冷、製熱雙重功能,且於吸 附式主機運行過程令採取熱、冷能回收控制機制,將高溫 流體與低溫流體做旁通(by-pass)控制,可有效解決水源端 ( 8 1337245 '. 水量不均之問題,增加製冷/製熱能力、提高系統性能係數 (COP)。 -為達到上述目的,本發明提出一種固體吸附式熱泵裝 .. 置,其係由一主機、一模式轉換裝置及一能量回收裝置構 . 成,該主機包含複數吸附床及冷凝蒸發器,用以進行吸附、 脫附、冷凝或蒸發等反應;該模式轉換裝置係與該主機連 接,用以轉換該固體吸附式熱泵裝置進行製冷或製熱模 式;該能量回收裝置係與該主機及轉換裝置連接,用以回 • 收該主機作動所產生之能量。 為使貴審查委員對於本發明之結構目的和功效有更 進一步之了解與認同,茲配合圖示詳細說明如后。 【實施方式】 以下將參照隨附之圖式來描述本發明為達成目的所使 用的技術手段與功效,而以下圖式所列舉之實施例僅為辅 助說明,以利貴審查委員瞭解,但本案之技術手段並不限 於所列舉圖式。 請參閱圖一所示,本發明所提供之固體吸附式熱泵裝 置,其主要係由並聯之一第一真空腔體100及一第二真空 腔體200所構成之主機A,以及由一熱能回收閥組300以 及一冷能回收閥組400所構成之能量回收裝置,以及一模 式轉換裝置500所構成。 該第一真空腔體100及第二真空腔體200内分別設置 有一第一吸附床101以及一第二吸附床201,於該等吸附 / 9 1337245 别述忒環境單元602可為冷卻水塔等裝置,該負載單 元603則^固體吸附式·裝置所進行之模式不同而呈 現不同功能,例如,當該固體吸附式熱泵裝置處於製冷模 式時’該負載單元603係作為冷房使用,而當該固體吸附 式熱栗裝置處於製熱模式時,該負載單元6()3係作為暖房 使用:此外,該環境單元6〇2及負载單元6〇3所提供之流 體溫度依作動模式不同而改變,綜合前述該加熱源6〇ι以 及該環境單元6G2、負載單元603而言,例如該加熱源謝 可提供具有第-溫度之流體,該環境單元6G2可提供具有 第二溫度之流體,該負載單元603可提供具有第三溫度之 流體;當本發明處於製冷模式時,該第一溫度係高於該第 二及第三溫度,且該第二溫度高於該第三溫度,例如,該 第一溫度可為攝氏80度,該第二溫度可為攝氏3Q度,該 第三溫度可為攝氏14度;至於當本發明處於製熱模式時, 該第一溫度係高於該第二及第三溫度,且該第二溫度低於 該第三溫度,例如,該第一溫度可為攝氏8〇度,該第二溫 度可為攝氏14度’該第三溫度可為攝氏30度。 必須說明的是’前述該等熱能回收閥301〜3〇3、4亥等 冷能回收閥401〜403、該等轉換閥501、502,及其所連接 之第一真空腔體100、第二真空腔體200、模式轉換裝置 5〇〇、加熱源601、環境單元602及負載單元603之間^可 設置管件相互連接,該管件可為直管、彎管等等,且該管 件之長度依實際所需而設定,此為相關技術領域人士所熟 知技藝,在此不予贅述。 *’、、 依據上述本發明各構件組合可知,當切換該模式轉換 1337245 • · 裝置500之該等轉換閥501、502時,可改變該環境單元 602及負載單元603輸出入流體之流向,藉此轉換該固體 - 吸附式熱泵裝置進行製冷或製熱模式,藉由以下實施例可 ,. 充分說明其作動方式。 . 請參閱圖一及圖一 A至圖一 F,說明本發明進行製冷 模式時之運轉程序,其係以水為流體作為說明例。 首先參閱圖一所示,當本發明進行製冷模式時,該加 熱源601可提供高溫熱水經由第一熱能回收閥301、第二 ® 熱能回收閥302進入該第一吸附床101内進行加熱脫附動 作,再經由第三熱能回收閥303、第一熱能回收閥301回 流至加熱源601,回流至加熱源601之熱水溫度會略為降 低,例如原本攝氏80度之熱水,大約會降低至攝氏75度 左右;而該環境單元602作為散熱源,可提供中溫冷卻水 (約攝氏30度)經由第一轉換閥501進入該主機A,以進行 脫附冷凝與吸附床冷卻散熱,而後再經由第二轉換閥502 * 回至該環境單元602,回流至環境單元602之中温冷卻水 ® 溫度會略為升高,例如原本攝氏30度之中溫冷卻水,大約 會升高至約攝氏35度左右;而該負載單元603作為冷房, 可提供低溫冰水經由第一轉換閥501進入主機A產生蒸發 製冷後,再經由第二轉換閥502回至該負載單元603,而 回至該負載單元603之冰水溫度會更為降低,例如原本攝 氏14度之冰水,大約可再降低至攝氏9度左右,如此即可 供應冰水提供室内空調冷能負載需求。 關於進行上述流程之過程,將詳細說明於後;必須說 明的是,以下說明所提及之加熱源601、環境單元602及 12 1337245 負載單元603可參閱圖一,於圖一 a至圖一 F所示簡圖中 予以省略。 請參閱圖一 A,其顯示第一吸附床1〇丨脫附,以及第 二吸附床201吸附之過程:熱水(由圖一該加熱源6〇 1提供) 由管件P1進入第一熱能回收閥3〇卜第二熱能回收閥3〇2, 再進入該第一吸附床1〇1内加熱吸附後,再經由第三熱能 回收閥303、第一熱能回收閥30丨,由管件P6送回加熱源 601 ;來自環境單元602之冷卻水經由管件P2通過第二冷 能回收閥402進入第一冷凝蒸發器丨〇2 ’此時,該第一冷 凝蒸發益102作為冷凝器使用;最後’冷卻水再經由第三 冷能回收閥403、第二熱能回收閥302進入該第二吸附床 201進行冷卻吸附,再經由第三熱能回收閥3〇3由管件p3 回至環境單元602 ;此時,該第一真空腔體丨〇〇中之蒸汽 壓力上升,當壓力超過第一冷凝蒸發器溫度相對應之 飽和蒸Ά壓時,即開始冷凝,將第一吸附床1 〇 1所脫附出 之冷媒蒸a冷/旋為液態冷媒;同時,該第二吸附床20]開 始降溫吸附,第二真空腔體200内之冷媒蒸汽壓力隨之下 降,負載單元603將冰水由管件p4送入第一冷能回收閥 4〇1、第二冷能回收閥402進入該第二冷凝蒸發器202,開 始蒸發製冷,所產生之冰水最後離開該第二冷凝蒸發器 2〇2,經由第三冷能回收閥4〇3、第一冷能回收閥1 ,由 管件P5回至負載單元6〇3。 °月參閱圖一 β,其顯示由第一吸附床101至第二吸附 床201之熱能回收過程:本過程與圖一 Α之差別在於將第 —熱能回收閥301、第二熱能回收間3〇2換向;熱水由管 13 1337245 件P1進入第一熱能回收閥301後,由管件P6旁通回流至 加熱源601 ;第一熱能回收閥301、第二熱能回收閥302換 - 向後,可使原本駐留於第一吸附床101内之熱水經由該等 ,. 熱能回收閥303、301、302推送至第二吸附床201,此時, • 原本駐留於第二吸附床201之冷卻水將經由第三熱能回收 閥303排出,由管件P3回至環境單元602。 請參閱圖一 C,其顯示由第二吸附床201至第一吸附 床101之冷能回收過程:本過程與圖一 B之差別在於將第 ® 一冷能回收閥401、第二冷能回收閥402換向;負載單元 603將冰水經由管件P4送入第一冷能回收閥401後,直接 由管件P5旁通回流至負載單元603 ;原本駐留於第二冷凝 蒸發器202内之冰水可經由該等冷能回收閥403、401、402 流入第一冷凝蒸發器102中,使原本駐留於該第一冷凝蒸 發器102内之冷卻水經由第三冷能回收閥403排出,再串 接第二熱能回收閥302並接續前述圖一 B所示之吸附床熱 能回收過程。 ® 請參閱圖一 D,其顯示第二吸附床201脫附及第一吸 附床101吸附過程:本過程與圖一 C之差別在於將第三熱 能回收閥303、第一熱能回收閥3(H、第三冷能回收閥403、 第一冷能回收閥401換向;當前述該熱、冷能回收過程完 成時,熱水經由管件P1通過第一熱能回收閥301、第二熱 能回收閥302進入第二吸附床201内加熱吸附後離開該第 二吸附床201,再經由第三熱能回收閥303、第一熱能回收 閥301,由管件P6回至加熱源601 ;來自環境單元602之 冷卻水經由管件P2通過第二冷能回收閥402進入第二冷凝 14 1337245 '· 蒸發器202,此時,該第二冷凝蒸發器202係作為冷凝器 使用,冷卻水再經由第三冷能回收閥403再串接第二熱能 ‘ 回收閥302進入第一吸附床101内冷卻吸附後離開,進入 .. 第三熱能回收閥303,再由管件P3回至環境單元602 ;此 ^ 時,該第二真空腔體200中之蒸汽壓力上升,當壓力超過 第二冷凝蒸發器202溫度相對應之飽和蒸汽壓時,開始冷 凝將第二吸附床201所脫附出冷媒蒸汽冷凝為液態冷媒; 同時,該第一吸附床101開始降溫吸附,第一真空腔體100 • 内之冷媒蒸汽壓力隨之下降;同時,負載單元603提供冰 水,經由管件P4通過閥第一冷能回收閥401、第二冷能回 收閥402,再進入該第一冷凝蒸發器102,其蒸發面開始蒸 發製冷,所產生之冰水最後離開該第一冷凝蒸發器102, 經由第三冷能回收閥403、第一冷能回收閥401後,由管 件P5回至負載單元603。 請參閱圖一 E,其顯由第二吸附床201至第一吸附床 " 101之熱能回收過程:本過程與圖一 D之差別在於將第一 ® 熱能回收閥301、第二熱能回收閥302換向;當第一、第 二吸附床101、201脫附及吸附過程結束時,需進行熱能回 收過程;由環境單元602提供之冷卻水由管件P2通過第二 冷能回收閥402、第二冷凝蒸發器202、第三冷能回收閥 403、第二熱能回收閥302進入第二吸附床201,將原本駐 留於第二吸附床201内之熱水經由該等熱能回收閥303、 301、302推送至第一吸附床101,此時原本駐留於第一吸 附床101之冷卻水將經由第三熱能回收閥303,再透過管 件P3回至環境單元602。 15 1337245 - 請參閱圖一 F,其顯示由第一吸附床101至第二吸附 床201之冷能回收過程:本過程與圖一 E之差別在於將第 - 一冷能回收閥401、第二冷能回收閥402換向;第一冷凝 蒸發器102内駐留之冰水可經由該等冷能回收閥403、 401、402流入第二冷凝蒸發器202中,將原本駐留於第二 令 冷凝蒸發器202内之冷卻水排出;而負載單元603之冰水 由管件P4進入第一冷能回收閥401後,可直接由管件P5 旁通回流至負載單元603 ;而來自環境單元602之冷卻水 • 可經由管件P2進入第一冷凝蒸發器102,將原本駐留於第 一冷凝蒸發器102内之冰水經由該等冷能回收閥403、 401、402推送至第二冷凝蒸發器202,同時將原本駐留於 第二冷凝蒸發器202之冷卻水推送經由第三冷能回收閥 403排出,再串接第二熱能回收閥302並接續前述圖一 E 所示之吸附床熱能回收過程 依上述圖一 A至圖一 F步驟循序週而復始循環運行, ' 即可連續執行製冷模式。 ® 其次,請參閱圖二及圖二A至圖二F,說明本發明進 行製熱模式時之運轉程序,其係以水為流體作為說明例。 首先參閱圖二所示,本發明之特點在於設有該模式轉 換裝置500,通過簡單的閥切換,即可轉換製冷或製熱模 式;如圖二所示,其與圖一之差別僅在於將該等轉換閥 501、502換向,改變該環境單元602及負載單元603輸出 入流體之流向,藉此進行製熱模式;由加熱源601提供高 溫熱水經由第一熱能回收閥301、第二熱能回收閥302進 入該第一吸附床101内進行加熱脫附動作,再經由第三熱 16 1337245 能回收閥303、第一熱能回收閥301回流至加熱源601,回 流至加熱源601之熱水溫度會略為降低,例如原本攝氏80 -度之熱水,大約會降低至攝氏75度左右;於製熱模式下, .該環境單元602作為取熱源,可提供低溫冰水經由第一轉 換閥501進入該主機A,以進行吸附製冷,再經由第二轉 換閥502回至該環境單元602,回流至環境單元602之低 溫冰水溫度會略為降低,例如原本攝氏14度之低溫冰水, 大約會降低至攝氏9度左右;而該負載單元603作為暖房, • 可提供冷卻水經由第一轉換閥501進入主機A進行脫附冷 凝與吸附冷卻後,再經由第二轉換閥502回至該負載單元 603,而回至該負載單元603之冷卻水溫度會更為升高,例 如原本攝氏30度之冷卻水,大約可升高至攝氏35度左右, 如此即可供應室内空調暖房熱能負載需求。 關於進行上述流程之過程,將詳細說明於後;同樣地, 以下說明所提及之加熱源601、環境單元602及負載單元 * 603可參閱圖二,於圖二A至圖二F所示簡圖中予以省略。 ® 請參閱圖二A,其顯示第一吸附床101脫附,以及第 二吸附床201吸附之過程:熱水(由圖二該加熱源601提供) 由管件P1進入第一熱能回收闊301、第二熱能回收閥302, 再進入該第一吸附床101内加熱吸附後,再經由第三熱能 回收閥303、第一熱能回收閥301,由管件P6送回加熱源 601 ;來自負載單元603提供冷卻水經由管件P2通過第二 冷能回收閥402進入第一冷凝蒸發器102,此時,該第一 冷凝蒸發器102作為冷凝器使用;最後,水再經由第三冷 能回收閥403、第二熱能回收閥302進入該第二吸附床201 17 1337245 進行冷卻吸附,再經由第三熱能回收閥3〇3由管件p3回至 負載單/〇 603 ;此時,該第—真空腔體1〇〇中之蒸汽壓力 上升,當壓力超過第一冷凝蒸發器1〇2溫度相對應之飽和 瘵汽壓時,即開始冷凝,將第一吸附床1〇1所脫附出之冷 媒洛汽冷凝為液態冷媒;同時,該第二吸附床2〇 1開始降 溫吸附,第二真空腔體200内之冷媒蒸汽壓力隨之下降; 環境單元602將冰水由管件P4送入第一冷能回收閥4〇1、 第二冷能回收閥402進入該第二冷凝蒸發器2〇2 ,開始蒸 發製冷,使冷卻水降溫後離開該第二冷凝蒸發器2〇2,經 由第三冷能回收閥403、第一冷能回收閥4〇1,由管件P5 回至環境單元602。 請參閱圖二B,其顯示由第一吸附床1〇1至第二吸附 床201之熱能回收過程:本過程與圖二A之差別在於將第 一熱能回收閥301、第二熱能回收閥3〇2換向;熱水由管 件P1進入第一熱能回收閥301後,由管件P6旁通回流至 加熱源601,第一熱能回收閥3〇 1、第二熱能回收閥3〇2換 向後,可使原本駐留於第一吸附床101内之熱水經由該等 熱能回收閥303、301、302推送至第二吸附床2〇 1,此時, 原本駐留於第二吸附床2〇1之冷卻水將經由第三熱能回收 閥303排出’由管件P3回至負栽單元603。 請參閱圖二C,其顯示由第二吸附床2〇1至第一吸附 床101之冷能回收過程:本過程與圖二B之差別在於將第 一冷能回收閥401、第二冷能回收閥402換向;環境單元 602將冰水經由管件P4送入第一冷能回收閥4〇1後直接 由管件P5旁通回流至環境單元602 ;原本駐留於第二冷凝 18 1337245 蒸發器202内之冷卻水可經由該等冷能回收閥403、401、 402流入第一冷凝蒸發器102中,使原本駐留於該第一冷 凝蒸發器102内之冰水經由第三冷能回收閥403排出,再 串接第二熱能回收閥302並接續前述圖二B所示之吸附床 熱能回收過程。 請參閱圖二D,其顯示第二吸附床201脫附及第一吸 附床101吸附過程:本過程與圖二C之差別在於將第三熱 能回收閥303、第一熱能回收閥30卜第三冷能回收閥403、 第一冷能回收閥401換向;當前述該熱、冷能回收過程完 成時,熱水經由管件P1通過第一熱能回收閥301、第二熱 能回收閥302進入第二吸附床201内加熱吸附後離開該第 二吸附床201,再經由第三熱能回收閥303、第一熱能回收 閥301,由管件P6回至加熱源601 ;來自負載單元603之 冷卻水經由管件P2通過第二冷能回收閥402進入第二冷凝 蒸發器202,此時,該第二冷凝蒸發器202係作為冷凝器 使用,冷卻水再經由第三冷能回收閥403再串接第二熱能 回收閥302進入第一吸附床101内冷卻吸附後離開,進入 第三熱能回收閥303,再由管件P3回至負載單元603 ;此 時,該第二真空腔體200中之蒸汽壓力上升,當壓力超過 第二冷凝蒸發器202溫度相對應之飽和蒸汽壓時,開始冷 凝將第二吸附床201所脫附出冷媒蒸汽冷凝為液態冷媒; 同時,該第一吸附床101開始降溫吸附,第一真空腔體100 内之冷媒蒸汽壓力隨之下降;同時,環境單元602提供冰 水,經由管件P4通過第一冷能回收閥401、第二冷能回收 閥402,再進入該第一冷凝蒸發器102,其蒸發面開始蒸發 19 1337245 製熱,所產生之冰水最後離開該第一冷凝蒸發器102,經 由第三冷能回收閥403、第一冷能回收閥401後,由管件 P5回至環境單元602。 請參閱圖二E,其顯由第二吸附床201至第一吸附床 101之熱能回收過程:本過程與圖二D之差別在於將第一 熱能回收閥301、第二熱能回收閥302換向;當第一、第 二吸附床101、201脫附及吸附過程結束時,需進行熱能回 收過程;由負載單元603提供之冷卻水由管件P2通過第二 冷能回收閥402、第二冷凝蒸發器202、第三冷能回收閥 403、第二熱能回收閥302進入第二吸附床201,將原本駐 留於第二吸附床201内之熱水經由該等熱能回收閥303、 301、302推送至第一吸附床101,此時原本駐留於第一吸 附床101之冷卻水將經由第三熱能回收閥303,再透過管 件P3回至負載單元603。 請參閱圖二F,其顯示由第一吸附床101至第二吸附 床201之冷能回收過程:本過程與圖二E之差別在於將第 一冷能回收閥401、第二冷能回收閥402換向;第一冷凝 蒸發器102内駐留之冰水可經由該等冷能回收閥403、 401、402流入第二冷凝蒸發器202中,將原本駐留於第二 冷凝蒸發器202内之冷卻水排出;而環境單元602之冰水 由管件P4進入第一冷能回收閥401後,可直接由管件P5 旁通回流至環境單元602 ;而來自負載單元603之冷卻水 可經由管件P2進入第一冷凝蒸發器102,將原本駐留於第 一冷凝蒸發器102内之冰水經由該等冷能回收閥403、 401、402推送至第二冷凝蒸發器202,同時將原本駐留於 20 1337245 第二冷凝蒸發器202之冷卻水推送經由第三冷能回收閥 403排出,再串接第二熱能回收閥302並接續前述圖二E 所示之吸附床熱能回收過程 依上述圖二A至圖二F步驟循序週而復始循環運行, 即可連續執行製熱模式。 綜上所述,本發明提供之固體吸附式熱泵裝置,將閥 與管件所構成之模式轉換裝置整合於固體吸附裝置,可隨 使用者所需變換製冷或製熱功能,滿足夏季製冷、冬季採 暖製熱之季節性需求。並於吸附式主機運行過程中採取熱 能回收、冷能回收等控制機制,將加熱源與冰水源做旁通 控制,可有效解決水源端之水量增多或減少之問題,同時 具有高效熱冷能回收功能,以及增加製冷/製熱能力提高整 體系統之性能係數(COP)。 惟以上所述者,僅為本發明之最佳實施例而已,當不 能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專 利範圍所作之均等變化與修飾,皆應仍屬於本發明專利涵 蓋之範圍内,謹請貴審查委員明鑑,並祈惠准,是所至 禱0 【圖式簡單說明】 圖一係本發明實施例處於製冷模式之架構示意圖。 圖一 A至圖一 F係本發明製冷程序之連續步驟圖。 圖二係本發明實施例處於製熱模式之架構示意圖。 圖二A至圖二F係本發明製熱程序之連續步驟圖。 21 1337245 【主要元件符號說明】 100- 第一真空腔體 101- 第一吸附床 102- 第一冷凝蒸發器 200- 第二真空腔體 201- 第二吸附床 202- 第二冷凝蒸發器 300- 熱能回枚閥組 301- 第一熱能回收閥 302- 第二熱能回收閥 303- 第三熱能回收閥 400- 冷能回收閥組 401- 第一冷能回收閥 402- 第二冷能回收閥 403- 第三冷能回收閥 500- 模式轉換裝置 501- 第一轉換閥 502- 第二轉換閥 6 01 -加熱源 602- 環境單元 603- 負載單元 A-主機 22 1337245 P1〜P6-管件