JP6083123B2 - 吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法に関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが扱われるようになり、データセンター等の施設において多数の計算機を同一室内に設置して一括管理することが多くなっている。例えば、データセンターでは、計算機室内に多数のラック（サーバラック）を設置し、各ラックにそれぞれ複数の計算機（サーバ）を収納している。そして、それらの計算機の稼動状態に応じて各計算機にジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。

計算機の稼動にともなって計算機から多量の熱が発生する。計算機内の温度が高くなると誤動作や故障の原因となるため、計算機を冷却することが重要になる。そのため、通常データセンターでは、計算機で発生した熱を送風ファンによりラックの外に排出するとともに、空調機（エアコン）を使用して室内の温度を調整している。

ところで、データセンターでは、大量の電力が空調設備で消費されている。そこで、計算機等の電子機器から排出される熱（廃熱）を回収し、エネルギーとして有効利用することが提案されている。一般的に、計算機等の電子機器から回収される熱の温度は９０℃以下であるが、吸着式ヒートポンプ（Adsorption Heat Pump:ＡＨＰ）を使用すると、９０℃以下の廃熱を利用して、空調や電子機器の冷却等に使用可能な冷水を得ることができる。

特表２０１０−５０３８２３号公報 特開２００５−２５７１７３号公報 特開２００２−１００８９１号公報

比較的小規模の施設でも使用できる吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、吸着器及び凝縮器を備えた吸着式ヒートポンプと、前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器との間で熱媒体が循環する熱媒体供給部と、前記吸着式ヒートポンプの前記凝縮器との間で冷媒が循環する冷却装置と、制御部とを有し、前記熱媒体供給部が、前記熱媒体を加熱する熱源となる電子機器と、パラフィン系又は酢酸ナトリウム水和物の蓄熱材を含み、前記熱媒体により前記電子機器から移送された熱を蓄積可能な蓄熱部と、前記制御部により制御されて前記電子機器及び前記蓄熱部から排出される前記熱媒体の流路を変更する流路変更部とを有し、前記制御部は、前記流路変更部を制御して、前記電子機器から排出された前記熱媒体を一定時間前記蓄熱部に供給し、その後前記蓄熱部と前記電子機器との両方から前記吸着器に前記熱媒体を供給する吸着式ヒートポンプシステムが提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、熱源となる電子機器から排出された熱を吸着式ヒートポンプの吸着器に供給して前記吸着式ヒートポンプを駆動する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、前記電子機器で発生する熱を熱媒体を介して蓄熱部に移送し、該蓄熱部に熱を蓄積する工程と、前記蓄熱部と前記電子機器との両方から前記吸着器に前記熱媒体を供給する工程とを有し、前記蓄熱部はパラフィン系又は酢酸ナトリウム水和物の蓄熱材を含む吸着式ヒートポンプの駆動方法が提供される。

上記一観点に係る吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法によれば、熱媒体で発生した熱を蓄熱部に蓄積し、その後熱源及び蓄熱部の両方から吸着式ヒートポンプの吸着器に熱を供給する。これにより、吸着器で大量の蒸気が発生し、凝縮器から排出される冷媒の温度が高くなって、冷却装置の熱交換効率が高くなる。その結果、比較的小規模の施設でも吸着式ヒートポンプを効率よく使用することができる。

図１は、吸着式ヒートポンプの一例を表した模式図である。 図２は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図（その１）である。 図３は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図（その２）である。 図４（ａ）は再生工程の前半における温水の流路を示す図、図４（ｂ）は再生工程の後半における温水の流路を示す図である。 図５は、凝縮器から排出される冷却水の１再生工程期間における温度変化を示す図である。 図６は、第２の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図（その１）である。 図７は、第２の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図（その２）である。 図８（ａ），（ｂ）は第３の実施形態における温水供給部の切替バルブの制御を示す図である。 図９は、第４の実施形態の吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１は吸着式ヒートポンプの一例を表した模式図である。

図１に例示する吸着式ヒートポンプ１０は、蒸発器１１と、蒸発器１１の上方に配置された凝縮器１２と、蒸発器１１と凝縮器１２との間に並列に配置された吸着器１３ａ，１３ｂとを有する。吸着式ヒートポンプ１０内の空間は、例えば１／１００気圧〜１／１０気圧程度に減圧されている。

蒸発器１１には、冷却水が通る冷却水配管１１ａと、冷媒を貯留するためのバット１１ｂとが設けられている。ここでは、冷媒として水を使用するものとする。

吸着器１３ａ，１３ｂ内には、それぞれ伝熱配管１４と吸着剤（デシカント）１５とが設けられている。また、吸着器１３ａと蒸発器１１とはバルブ１６ａを介して連結されており、吸着器１３ｂと蒸発器１１とはバルブ１６ｂを介して連結されている。吸着剤１５には、例えば活性炭、シリカゲル又はゼオライトなどが使用される。

凝縮器１２には、多数のプレートフィンが取り付けられた冷却水配管１２ａが配置されている。凝縮器１２と吸着器１３ａとの間にはバルブ１７ａが配置されており、凝縮器１２と吸着器１３ｂとの間にはバルブ１７ｂが配置されている。

バルブ１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂは、例えば制御部（図示せず）から出力される電気信号により開閉する。また、凝縮器１２と蒸発器１１とは、配管１８により連結されている。

以下、上述の吸着式ヒートポンプ１０の動作について説明する。

ここでは、初期状態において、蒸発器１１と吸着器１３ａとの間のバルブ１６ａ、及び吸着器１３ｂと凝縮器１２との間のバルブ１７ｂがいずれも開状態であるとする。また、蒸発器１１と吸着器１３ｂとの間のバルブ１６ｂ、及び吸着器１３ａと凝縮器１２との間のバルブ１７ａがいずれも閉状態であるとする。更に、凝縮器１２の冷却水配管には冷却水が供給され、吸着器１３ｂの伝熱配管１４には電子機器から排出された熱により温められた温水が供給されるものとする。

吸着器１３ａでは、吸着剤１５が雰囲気中の水分を吸着するのにともなって吸着器１３ａ内の圧力が低下する。吸着器１３ａと蒸発器１１との間のバルブ１６ａが開状態であるので、蒸発器１１内の圧力も低下し、それにともなってバット１１ｂに貯留された水が蒸発して、冷却水配管１１ａから潜熱を奪う。

これにより、冷却水配管１１ａ内を通る水の温度が下がり、冷却水配管１１ａから低温の冷却水が排出される。この冷却水は、例えば室内の空調や電子機器の冷却等に使用される。蒸発器１１で発生した水蒸気は、バルブ１６ａを介して吸着器１３内に進入し、吸着剤１５に吸着される。

一方の吸着器１３ａで吸着剤１５に水分を吸着する吸着工程を実施している間、他方の吸着器１３ｂでは吸着剤１５を再生（乾燥）する再生工程を実施する。すなわち、吸着器１３ｂでは、吸着剤１５に吸着されていた水分が伝熱配管１４内を通る温水により加熱されて水蒸気になり、吸着剤１５から離脱する。吸着器１３ｂで発生した水蒸気は、開状態のバルブ１７ｂを通って凝縮器１２内に進入する。

吸着器１３ｂから凝縮器１２内に進入した水蒸気は、冷却水配管１２ａ内を通る冷却水により冷却され、冷却水配管１２ａの周囲で凝縮して液体となる。この液体は、配管１８を介して蒸発器１１に移動し、バット１１ｂ内に貯留される。

吸着器１３ａ内の吸着剤１５がある程度水分を吸着すると、吸着剤１５の吸着効率が低下する。そこで、制御部は、一定の時間が経過すると、温水の供給先を吸着器１３ｂから吸着器１３ａに切り替えるとともに、バルブ１６ａ，１７ｂを閉状態、バルブ１６ｂ，１７ａを開状態にする。これにより、吸着器１３ｂ内の吸着剤１５で水分の吸着が開始され、吸着器１３ａ内の吸着剤１５では水分が蒸発して吸着剤１５が再生される。

このように一定の時間毎に温水の供給先を吸着器１３ａと吸着器１３ｂとの間で切り替えることにより、吸着式ヒートポンプ１０が連続的に稼動する。

ところで、上述したように凝縮器１２の冷却水配管１２ａには冷却水を供給する必要がある。通常、凝縮器１２に供給する冷却水には循環水を使用しており、循環水の温度が上昇しないように冷却装置で冷却している。冷却装置で消費する電力量が多いと、吸着式ヒートポンプを使用することにより得られる省エネルギー効果が削減されてしまう。そのため、冷却装置には、消費電力が比較的小さい散水式のクーリングタワーを用いることが多い。

しかし、散水式のクーリングタワーを設置するためには比較的大きなスペースが必要であり、上述した吸着式ヒートポンプを小規模の施設で使用することは困難である。

以下の実施形態では、比較的小規模の施設でも使用できる吸着式ヒートポンプシステム及び吸着式ヒートポンプの駆動方法について説明する。

（１）第１の実施形態
図２，図３は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図である。図２は吸着式ヒートポンプとその吸着式ヒートポンプの凝縮器に冷却水を供給する空冷装置とを表しており、図３は吸着式ヒートポンプに温水（熱媒体）を供給する温水供給部を表している。

図２のように、吸着式ヒートポンプ２０は、蒸発器２１と、蒸発器２１の上方に配置された凝縮器２２と、蒸発器２１と凝縮器２２との間に並列に配置された吸着器２３ａ，２３ｂとを有する。吸着式ヒートポンプ２０内の空間は、例えば１／１００気圧〜１／１０気圧程度に減圧されている。

なお、本実施形態では蒸発器２１と凝縮器２２との間に２個の吸着器２３ａ，２３ｂを並列に配置しているが、蒸発器２１と凝縮器２２との間に３個又はそれ以上の吸着器を配置してもよい。

本実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムは、上述の吸着式ヒートポンプ２０と、空冷装置（冷却装置）２９と、制御部３０と、温水供給部４０とを有する。吸着式ヒートポンプ２０及び温水供給部４０は例えば屋内に配置され、空冷装置２９は屋外に配置される。

蒸発器２１には、冷却水が通る冷却水配管２１ａと、冷媒を貯留するためのバット２１ｂとが設けられている。冷媒には水又はアルコール等が使用されるが、本実施形態では冷媒として水を使用するものとする。

吸着器２３ａ，２３ｂ内には、それぞれ伝熱配管２４と吸着剤（デシカント）２５とが設けられている。また、吸着器２３ａと蒸発器２１との間にはバルブ２６ａが配置されており、吸着器２３ｂと蒸発器２１との間にはバルブ２６ｂが配置されている。吸着剤２５には、例えば活性炭、シリカゲル又はゼオライトなどが使用される。

凝縮器２２には、多数のプレートフィンが取り付けられた冷却水配管２２ａが配置されている。凝縮器２２と吸着器２３ａとの間にはバルブ２７ａが配置されており、凝縮器２２と吸着器２３ｂとの間にはバルブ２７ｂが配置されている。また、凝縮器２２と蒸発器２１とは、配管２８により連結されている。

バルブ２６ａ，２６ｂ，２７ａ，２７ｂとして制御部３０により開閉が制御される電磁バルブを使用してもよいが、本実施形態では気圧差により自動的に開閉する差圧駆動式バルブを使用し、より一層の省電力化を図っている。

制御部３０は、切替バルブ（図示せず）を制御して、温水供給部４０から供給される温水を所定の時間毎に吸着器２３ａの伝熱配管２４及び吸着器２３ｂの伝熱配管２４に交互に供給する。

空冷装置２９は、多数のプレートフィン２９ａが取り付けられた配管２９ｂと送風ファン２９ｃとを有し、送風ファン２９ｃからプレートフィン２９ａ間に外気を送風することにより、配管２９ｂ内を通流する冷却水（冷媒）を冷却する。空冷装置２９の冷却水入口部は配管３５ａを介して凝縮器２２の冷却水配管２２ａの冷却水出口部に接続され、空冷装置２９の冷却水出口部は配管３５ｂを介して冷却水循環ポンプ３１の吸引側に接続されている。また、冷却水循環ポンプ３１の吐出側は配管３５ｃを介して凝縮器２２の冷却水配管２２ａの冷却水入口部に接続されている。

以下、図３を参照して温水供給部４０について説明する。なお、温水供給部４０は、熱媒体供給部の一例である。

図３に示すように、温水供給部４０は、熱源４１と、蓄熱部４２と、ポンプ４３，４４と、切替バルブ４５〜４８と、配管５１〜６０とを有している。ポンプ４３，４４及び切替バルブ４５〜４８は、制御部３０により制御される。切替バルブ４５〜４８は、流路変更部の一例である。

本実施形態では、熱源４１としてサーバ等の電子機器を使用する。熱源４１には冷却水流路が設けられており、冷却水が冷却水流路を通る間に熱源４１で発生した熱により温められて温水となる。なお、熱源４１として、電子機器以外のものを使用してもよい。

蓄熱部４２は、温水流路と、温水流路の周囲に配置された蓄熱剤とを有し、温水流路を通る温水の熱を蓄熱剤に蓄積したり、蓄熱剤に蓄積した熱により温水流路を通る温水を加熱したりする。蓄熱剤として、パラフィン系蓄熱剤及び酢酸ナトリウム水和物などのように温度に応じて流体又は固体に相変化（凝固又は溶解）して熱の蓄積及び放出を行うものを使用すると、比較的少ない容積で大きな熱を蓄積することができる。

パラフィン系蓄熱剤は分子構造を調整することで相変化を起こす温度を変化させることができるので、所望の温度で相変化する蓄熱剤を容易に得ることができる。一方、酢酸ナトリウム水和物は、体積当たりの蓄熱容量（体積蓄熱密度）がパラフィン系蓄熱剤よりも大きいため、スペース効率が高いという利点がある。なお、相変化をともなわない物質を蓄熱剤として使用してもよい。

配管５１は、熱源４１の温水出口部と切替バルブ４５とを接続している。配管５１にはポンプ４３が接続されており、このポンプ４３により熱源４１から温水が移送される。

配管５２は、切替バルブ４５と吸着式ヒートポンプ２０の温水入口部との間を接続している。また、配管５３は、吸着式ヒートポンプ２０の温水出口部と切替バルブ４８との間を接続している。

配管５４は、切替バルブ４８と熱源４１の冷却水入口部との間を接続している。また、配管５５は、切替バルブ４５と切替バルブ４６との間を接続している。更に、配管５６は、切替バルブ４６と蓄熱部４２の温水入口部との間を接続している。

配管５７は、蓄熱部４２の温水出口部と切替バルブ４７との間を接続している。配管５７にはポンプ４４が接続しており、このポンプ４４により蓄熱部４２から温水が移送される。

配管５８は、切替バルブ４７と切替バルブ４８との間を接続している。配管５９は配管５３と切替バルブ４６との間を接続しており、配管６０は切替バルブ４７と配管５２との間を接続している。

以下、上述の吸着式ヒートポンプシステムにおける吸着式ヒートポンプの駆動方法について説明する。ここでは、初期状態において、吸着器２３ａの吸着剤２５は乾燥した状態であり、吸着器２３ｂの吸着剤２５は水分を吸着した状態であるとする。

（吸着工程）
吸着器２３ａでは、吸着剤２５が水分を吸着することにより吸着器２３ａ内の圧力が蒸発器２１内の圧力よりも低くなり、バルブ２６ａが開状態となる。これにより、蒸発器２１内の圧力も減少して冷媒である水が蒸発し、冷却水配管２１ａから潜熱を奪う。その結果、冷却水配管２１ａ内を通る水の温度が下がり、冷却水配管２１ａから低温の冷却水が排出される。この冷却水は、例えば室内の空調や電子機器の冷却等に使用される。

蒸発器２１内で発生した水蒸気は、バルブ２６ａを介して吸着器２３ａ内に進入し、吸着剤２５に吸着される。

なお、吸着剤２５が水分を吸着するときに熱が発生する。このため、吸着工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）の伝熱配管２４に冷却水を流して、吸着剤２５を冷却することが好ましい。その場合は、例えば空冷装置２９から供給される冷却水の一部が吸着工程を実施している吸着器の伝熱配管２４に流れるようにしたり、吸着器用に空冷装置を別途設置したりすればよい。

（再生工程）
吸着器２３ｂの伝熱配管２４に温水が供給されると、吸着器２３ｂの吸着剤２５から水分が蒸発し、吸着器２３ｂ内の圧力が上昇する。このため、バルブ２６ｂは閉状態となり、バルブ２７ｂは開状態となって、吸着器２３ｂから凝縮器２２に水蒸気が進入する。また、凝縮器２２内の圧力が吸着器２３ａ内の圧力よりも高くなって、バルブ２７ａが閉状態となる。

吸着器２３ｂから凝縮器２２に進入した水蒸気は、冷却水配管２２ａ内を通る冷却水により冷却されて液体（水）となる。この液体は、配管２８を通って蒸発器２１に移動し、バット２１ｂに貯留される。

吸着器２３ｂの伝熱配管２４に一定時間温水を供給し続けることにより、吸着器２３ｂ内の吸着剤２５が再生（乾燥）される。

（吸着工程と再生工程との切り替え）
吸着器２３ａ内の吸着剤２５がある程度水分を吸着すると、吸着剤２５の吸着効率が低下する。そこで、制御部３０は、一定の時間経過すると、温水の供給先を吸着器２３ｂから吸着器２３ａに切り替える。そうすると、吸着器２３ａでは吸着剤２５に吸着されていた水分が蒸発するため、吸着器２３ａ内の圧力が上昇し、バルブ２６ａが閉状態、バルブ２７ａが開状態となる。これにより、吸着器２３ａ内で発生した蒸気が凝縮器２２内に進入する。

一方、吸着器２３ｂでは、温水の供給停止により、吸着器２３ｂ内の圧力が減少する。これにより、バルブ２７ｂが閉状態となり、バルブ２６ｂが開状態となって、蒸発器２１で発生した蒸気が吸着器２３ｂ内に進入するようになる。

このように吸着工程を実施する吸着器と再生工程を実施する吸着器とを一定の時間ごとに切り替えることにより、吸着ヒートポンプ２０が連続的に稼働する。

（凝縮器に供給する冷却水の制御）
凝縮器２２では、水分が凝縮することにより凝縮熱が発生し、冷却水配管２２ａ内を通る冷却水の温度が上昇する。本実施形態では、この冷却水を空冷装置２９で冷却し、再度凝縮器２２に供給する。この場合、凝縮器２２から排出される冷却水の温度と外気温との差が小さいと、空冷装置２９の熱交換効率が低くなって、電力を無駄に消費することになる。このため、本実施形態では、次に説明するように温水供給部４０を制御して、凝縮器２２から排出される冷却水の温度が外気温よりも２℃以上、好ましくは５℃以上高くなるようにする。

（吸着式ヒートポンプに供給する温水の制御）
本実施形態では、各吸着器２３ａ，２３ｂが再生工程を実施する際に、再生工程の前半（蓄熱工程）では熱源４１から排出される温水を蓄熱部４２に通し、蓄熱部４２に熱を蓄積する。そして、再生工程の後半（放熱工程）では、熱源４１及び蓄熱部４２の両方から吸着式ヒートポンプ２０に温水を供給し、再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）の吸着剤２５を再生する。

すなわち、再生工程の前半では、制御部３０により図４（ａ）のように切替バルブ４５〜４８が制御される。これにより、熱源４１から排出された温水は、配管５１、切替バルブ４５、配管５５、切替バルブ４６及び配管５６を介して蓄熱部４２の温水流路に流れ、蓄熱部４２内の蓄熱剤に熱が蓄積される。そして、蓄熱部４２から排出された温水は、配管５７、切替バルブ４７、配管５８、切替バルブ４８及び配管５４を通り、冷却水として熱源４１に戻る。このとき、吸着式ヒートポンプ２０には温水が供給されない。

再生工程の後半では、制御部３０により図４（ｂ）のように切替バルブ４５〜４８が制御される。これにより、熱源４１から排出された温水は、配管５１、切替バルブ４５、配管５２を通り、再生工程を実施する吸着器（吸着器２３ａ又は吸着器２３ｂ）に供給される。また、蓄熱部４２から排出された温水も、配管５７、切替バルブ４７、配管６０及び配管５２を通って再生工程を実施する吸着器に供給される。これにより、再生工程を実施する吸着器内の吸着剤２５が再生される。

一方、吸着式ヒートポンプ２０から排出された温水は、配管５３で分岐される。分岐された一方の温水は、切替バルブ４８及び配管５４を通って熱源４１に入る。また、分岐された他方の温水は、配管５９、切替バルブ４６及び配管５６を通って蓄熱部４２に入る。

本実施形態では、上述したように再生工程の前半で蓄熱部４２に熱を蓄積し、後半で熱源４１及び蓄熱部４２の両方から再生工程を実施する吸着器に温水を供給するため、再生工程の後半では吸着器内に水蒸気が大量に発生する。そして、その水蒸気は凝縮器２２内に移動し、凝縮器２２内で凝縮する際に大量の凝縮熱を発生する。このため、冷却水配管２２ａを通る冷却水の温度が急激に上昇する。

図５は、横軸に時間をとり、縦軸に凝縮器２２から排出される冷却水の温度をとって、凝縮器２２から排出される冷却水の１再生工程期間における温度変化を示す図である。なお、図５中の破線は外気温を示している。

この図５のように、本実施形態では、再生工程の後半（放熱工程）に凝縮器２２から排出される冷却水の温度が急激に上昇し、外気温との温度差ΔＴが大きくなる。このため、空冷装置２９において配管２９ｂを通る冷却水と外気との間の熱交換効率が高く、比較的小型の空冷装置２９で吸着式ヒートポンプ２０を十分に稼働させることができる。

（実験例）
以下、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを実際に製造し、その性能を調べた結果について、図２，図３を参照して説明する。

吸着器２３ａ，２３ｂには、親水化処理を施した活性炭を２００ｇ充填した銅製のコルゲートフィン型熱交換器をそれぞれ５台ずつ配置した。また、蒸発器２１及び凝縮器２２には、吸着器２３ａ，２３ｂに配置したものと同一形状の銅製熱交換器を配置した。但し、蒸発器２１及び凝縮器２２の熱交換器には活性炭は充填されていない。更に、蓄熱部４２には、５ｋｇのパラフィン系蓄熱剤を配置した。

蒸発器２１と吸着器２３ａ，２３ｂとの間のバルブ２６ａ，２６ｂ、及び吸着器２３ａ，２３ｂと凝縮器２２との間のバルブ２７ａ，２７ｂにはＰＥＴ（ポリエチレンフタレート）により作製した差圧駆動式バルブを使用した。

１再生工程期間を１５分間とし、前半の蓄熱工程の時間を７分間、後半の放熱工程の時間を８分間とした。そして、蓄熱工程では、６０℃の温水を５Ｌ（リットル）／minの流量で蓄熱部４２に供給し、蓄熱部４２に熱を蓄積した。また、放熱工程では、熱源４１から６０℃の温水を５Ｌ／minの流量で吸着式ヒートポンプ２０に供給するとともに、蓄熱部５２からも５Ｌ／minの流量で吸着式ヒートポンプ２０に温水を供給した。

なお、凝縮器２２と空冷装置２９との間を循環する冷却水の流量は４Ｌ／minとした。また、外気温は２７℃であった。

その結果、１回の再生工程における吸着器の平均加熱量は４００Ｗであった。また、凝縮器２２から排出される冷却水の温度は外気温よりも十分に高い温度となり、吸着式ヒートポンプ２０を安定して稼働させることができた。

（２）第２の実施形態
図６，図７は、第２の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図である。図６は吸着式ヒートポンプとその吸着式ヒートポンプの凝縮器に冷却水を供給する空冷装置とを表しており、図７は吸着式ヒートポンプに温水を供給する温水供給部を表している。なお、図６，図７において、図２，図３と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

凝縮器２２から排出される冷却水の温度と外気の温度との差が大きいほど、空冷装置２９の熱交換効率が高くなり、省エネルギー効果が大きくなる。しかし、空冷装置２９の熱交換効率を高くしようとして凝縮器２２に供給する冷却水の流量を極端に減少させると、凝縮器２２内で凝縮する水分量が減少し、再生工程を実施中の吸着器（吸着器２３ａ又は２３ｂ）の内壁面で結露が発生する。

吸着器の内壁面で結露した水分は、次の吸着工程において内壁面から蒸発して吸着剤２５に吸着される。このため、吸着器の内壁面の結露により吸着式ヒートポンプ２０が動作を停止することはない。しかし、吸着器内での水分の蒸発は蒸発器２１の冷却水配管２１ａ内を通る冷却水の冷却には寄与しないため、吸着式ヒートポンプ２０の性能低下の原因となる。

そこで、本実施形態では、凝縮器２２で発生する凝縮熱の熱量と、温水供給部４０から再生工程を実施中の吸着器に供給する熱量とが同じになるように、凝縮器２２に供給する冷却水の流量を制御する。

すなわち、図６に示すように、吸着式ヒートポンプ２０の凝縮器２２に冷却水を供給する配管３５ｃには、冷却水の温度を検出する温度計６１ａと、冷却水の流量を検出する流量計６２とが取り付けられている。また、凝縮器２２から排出された冷却水が通る配管３５ａには、冷却水の温度を検出する温度計６２ｂが取り付けられている。これらの温度計６１ａ，６１ｂ及び流量計６２から出力される信号は、制御部３０に伝達される。

また、図７のように、本実施形態では、温水供給部４０から吸着式ヒートポンプ２０に供給される温水が通る配管５２には、温水の温度を検出する温度計６３ａと、温水の流量を検出する流量計６４とが取り付けられている。更に、吸着式ヒートポンプ２０から排出される温水が通る配管５３には、温水の温度を検出する温度計６３ｂが取り付けられている。これらの温度計６３ａ，６３ｂ及び流量計６４から出力される信号も、制御部３０に伝達される。

制御部３０は、吸着式ヒートポンプ２０に供給される温水の温度と吸着式ヒートポンプから排出される温水の温度との差と、吸着式ヒートポンプ２０に供給される温水の流量とから、再生工程を実施中の吸着器で吸収される熱量を算出する。また、制御部３０は、凝縮器２２に供給される冷却水の温度と凝縮器２２から排出される冷却水の温度との差と、凝縮器２２に供給される冷却水の流量とから、凝縮器２２で発生する凝縮熱の熱量を算出する。そして、制御部３０は、これらの熱量が同じになるようにポンプ３１を制御して、凝縮器２２に供給する冷却水の流量を制御する。

本実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られるのに加えて、再生工程を実施中の吸着器２３ａ，２３ｂ内で水分（冷媒）が結露することを防止できるため、吸着式ヒートポンプ２０の性能低下が回避されるという効果を得ることができる。

（３）第３の実施形態
熱源４１としてサーバ等の電子機器を使用した場合、熱源４１で発生する熱量は電子機器の稼働状態に応じて大きく変化する。そこで、本実施形態では、再生工程の前半では第１の実施形態と同様に蓄熱部４２に熱を蓄積し、後半では熱源４１から排出された温水を更に蓄熱部４２を通して吸着式ヒートポンプ２０に供給する。

図８（ａ），（ｂ）は、本実施形態における温水供給部の切替バルブ４５〜４８の制御を示す図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、制御部３０による切替バルブ４５〜４８の制御方法が異なる点にあり、システムの構成自体は第１の実施形態と基本的に同一であるので、本実施形態においても図２，図３を参照して説明する。

本実施形態では、再生工程の前半（蓄熱工程）では、制御部３０により図８（ａ）のように切替バルブ４５〜４８が制御される。これにより、熱源４１から排出された温水は、配管５１、切替バルブ４５、配管５５、切替バルブ４６及び配管５６を介して蓄熱部４２の温水流路に流れ、蓄熱部４２内の蓄熱剤に熱が蓄積される。蓄熱部４２から排出された温水は、配管５７、切替バルブ４７、配管５８、切替バルブ４８及び配管５４を通り、冷却水として熱源４１に戻る。

一方、再生工程の後半（放熱工程）では、制御部３０により図８（ｂ）のように切替バルブ４５〜４８が制御される。これにより、熱源４１から排出された温水は、配管５１、切替バルブ４５、配管５５、切替バルブ４６及び配管５６を通って蓄熱部４２に入る。そして、蓄熱部４２から排出された温水は、配管５７、切替バルブ４７、配管６０及び配管５２を通って吸着式ヒートポンプ２０に供給される。

また、吸着式ヒートポンプ２０から排出された温水は、配管５３、切替バルブ４８及び配管５４を通って熱源４１に冷却水として流入する。

本実施形態では、上述したように熱源４１から排出された温水を更に蓄熱部４２に通してから吸着式ヒートポンプ２０に供給する。このため、１再生工程期間内に熱源４１から排出される温水の温度が大きく変化しくても、吸着式ヒートポンプ２０に供給される温水の温度変化を小さくすることができる。

なお、本実施形態においても、第２の実施形態と同様に、再生工程を実施中の吸着器で吸収される熱量と、凝縮器２２で発生する凝縮熱の熱量とが同じになるように、凝縮器２２に供給する冷却水の流量を制御することが好ましい。

ところで、前述の第１の実施形態では、放熱工程（再生工程の後半）において切替バルブ４５〜４８を図４（ａ）のように制御して蓄熱部４２から吸着式ヒートポンプ２０に温水を供給している。この場合、放熱工程の初期では蓄熱部４２から比較的高温の温水が吸着式ヒートポンプ２０に供給されるが、放熱工程の末期では蓄熱部４２に蓄積されている熱量が少なくなり、蓄熱部４２から供給される温水の温度が低下する。そこで、放熱工程の初期では図４（ｂ）のように切替バルブ４５〜４８を制御し、放熱工程の末期では図８（ｂ）のように切替バルブ４５〜４８を制御して、蓄熱部４２に蓄積された熱をより有効に利用するようにしてもよい。

（４）第４の実施形態
図９は、第４の実施形態の吸着式ヒートポンプシステムを表した模式図である。

図９に例示した吸着式ヒートポンプシステムは、２台の吸着式ヒートポンプ７０ａ，７０ｂと、制御部８０と、空冷装置９１，９４と、温水供給部９２と、冷却水タンク９３と、切替ユニット８１，８２とを有している。なお、実際には空冷装置９１，９４及び冷却水タンク９３にそれぞれポンプが接続されているが、図９ではそれらのポンプの図示を省略している。

吸着式ヒートポンプ７０ａ，７０ｂは蒸発／凝縮器７１と、吸着器７２とを有し、吸着式ヒートポンプ７０ａ，７０ｂ内は例えば１／１００気圧〜１／１０気圧程度に減圧されている。

蒸発／凝縮器７１は、冷却水が通流する伝熱配管７３と、冷媒を貯留するバット７４とを有する。伝熱配管７３には、プレートフィン７３ａが設けられている。伝熱配管７３の冷却水入口部には温度計８５ａ及び流量計８６が配置されており、冷却水出口部には温度計８５ｂが配置されている。

吸着器７２は、伝熱配管７５と吸着剤７６とを有する。伝熱配管７５の熱媒体入口部には温度計８３ａ及び流量計８４が配置されており、熱媒体出口部には温度計８３ｂが配置されている。

なお、図９では蒸発／凝縮器７１の上方に吸着器７２が配置されているが、吸着器７２は蒸発／凝縮器７１の側方に配置されていてもよい。また、本実施形態においても、吸着式ヒートポンプ７０ａ，７０ｂ内に封入する冷媒として、水を使用するものとする。

空冷装置９１，９４は、第１の実施形態と同様に（図２参照）、プレートフィン２９ａが取り付けられた配管２９ｂと、プレートフィン２９ａに向けて外気を吹き付ける送風ファン２９ｃとを有している。

また、冷却水タンク９３は、吸着式ヒートポンプ７０ａ，７０ｂにより冷却された冷却水を貯留する。この冷却水タンク９３に貯留された冷却水は、室内の空調や電子機器の冷却等に使用される。

更に、温水供給部９２は、電子機器等から排出される熱により温められた温水を、切替ユニット８１を介して吸着式ヒートポンプ７１ａ，７０ｂに供給する。温水供給部９２は、第１の実施形態と同様に（図３参照）、熱源４１と、蓄熱部４２と、ポンプ４３，４４と切替バルブ４５〜４８とを有する。ポンプ４３，４５及び切替バルブ４５〜４８は制御部８０により制御される。本実施形態においても、１再生工程期間内に蓄熱工程と放熱工程とが実施される。

以下、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムにおける吸着式ヒートポンプの駆動方法について説明する。ここでは、初期状態において、吸着式ヒートポンプ７０ａの吸着器７２の吸着剤７６は水分を吸着した状態であり、吸着式ヒートポンプ７０ｂの吸着器７２の吸着剤７６は乾燥した状態であるとする。

この場合、制御部８０は、切替ユニット８１を制御して、吸着式ヒートポンプ７０ａの吸着器７２と温水供給部９２とを接続し、吸着式ヒートポンプ７０ｂの吸着器７２と空冷装置９１とを接続する。これと同時に、制御部８０は、切替ユニット８２を制御して、吸着式ヒートポンプ７０ａの蒸発／凝縮器７１と空冷装置９４とを接続し、吸着式ヒートポンプ７０ｂの蒸発／凝縮器７１と冷却水タンク９３とを接続する。

そうすると、吸着式ヒートポンプ７０ａの吸着器７２には温水が供給され、吸着剤７６に吸着されていた水分が蒸発して水蒸気が発生する。この水蒸気は蒸発／凝縮器７１で冷却されて液体となり、バット７４に貯留される。

一方、吸着式ヒートポンプ７０ｂでは、吸着器７２の吸着剤７６に水分が吸着され、吸着式ヒートポンプ７０ｂ内の圧力が減少する。これにより、バット７４に貯留されている水が蒸発して伝熱配管７３から潜熱を奪うため、伝熱配管７３を通流する冷却水の温度が低下する。

一定の時間が経過すると、制御部８０は切替ユニット８１を制御して、吸着式ヒートポンプ７０ａの吸着器７２と空冷装置９１とを接続し、吸着式ヒートポンプ７０ｂの吸着器７２と温水供給部９２とを接続する。これと同時に、制御部９０は、切替ユニット８２を制御して、吸着式ヒートポンプ７０ａの蒸発／凝縮器７１と冷却水タンク９３とを接続し、吸着式ヒートポンプ７０ｂの蒸発／凝縮器７１と空冷装置９４とを接続する。

そうすると、吸着式ヒートポンプ７０ａでは、吸着器７２の吸着剤７６に水分が吸着され、吸着式ヒートポンプ７０ａ内の圧力が減少する。これにより、バット７４に貯留されている水が蒸発して伝熱配管７３から潜熱を奪うため、伝熱配管７３を通流する冷却水の温度が低下する。

一方、吸着式ヒートポンプ７０ｂの吸着器７２には温水が供給され、吸着剤７６に吸着されていた水分が蒸発して水蒸気が発生する。この水蒸気は、蒸発／凝縮器７１で冷却され凝縮して液体となり、バット７４に貯留される。

このように、一定の時間毎に制御部８０が切替ユニット８１，８２を制御することにより、冷却水タンク９３には連続的に低温の冷却水が供給される。

制御部８０は、温度計８３ａ，８３ｂ，８５ａ，８５ｂ及び流量計８４，８６により、吸着式ヒートポンプ７０ａ，７０ｂの各伝熱配管７５，７３の温水入口部及び温水出口部の冷却水又は温水の温度と、冷却水又は温水の流量とを取得する。そして、吸着工程を実施中の吸着器７２の吸着熱量と再生工程を実施中の蒸発／凝縮器７１の凝縮熱量とが同一となるように、空冷装置９４から蒸発／凝縮器７１に供給する冷却水の水量を調整する。

本実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムにおいても、第１の実施形態と同様に、散水式クーリングタワー等の大型の設備が不要であり、小規模の施設でも使用することができる。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）吸着器及び凝縮器を備えた吸着式ヒートポンプと、
前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器との間で熱媒体が循環する熱媒体供給部と、
前記吸着式ヒートポンプの前記凝縮器との間で冷媒が循環する冷却装置と、
制御部とを有し、
前記熱媒体供給部が、
前記熱媒体を加熱する熱源と、
前記熱媒体により前記熱源から移送された熱を蓄積可能な蓄熱部と、
前記制御部により制御されて前記熱源及び前記蓄熱部から排出される前記熱媒体の流路を変更する流路変更部と
を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプシステム。

（付記２）前記制御部は、前記凝縮器で発生する凝縮熱の熱量と、前記吸着器で前記熱媒体から吸収される熱量とが同じになるように、前記凝縮器に供給される前記冷媒の流量を制御することを特徴とする付記１に記載の吸着式ヒートポンプシステム。

（付記３）前記冷却装置が、空気で前記冷媒を冷却する空冷式冷却装置であることを特徴とする付記１又は２に記載の吸着式ヒートポンプシステム。

（付記４）前記蓄熱部は、温度に応じて流体又は固体に変化する蓄熱剤を有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。

（付記５）前記制御部は、前記流路変更部を制御して前記熱源から排出された前記熱媒体を一定時間前記蓄熱部に供給し、その後前記蓄熱部と前記熱源との両方から前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器に前記熱媒体を供給することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。

（付記６）前記制御部は、前記流路変更部を制御して前記熱源から排出された前記熱媒体を一定時間前記蓄熱部に供給し、その後前記熱源から排出された前記熱媒体を前記蓄熱部を介して前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器に供給することを特徴とする付記１乃至４のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。

（付記７）熱源から排出された熱を吸着式ヒートポンプの吸着器に供給して前記吸着式ヒートポンプを駆動する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、
前記熱源で発生する熱を熱媒体を介して蓄熱部に移送し、該蓄熱部に熱を蓄積する工程と、
前記蓄熱部に蓄熱した熱を前記熱媒体を介して前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器に供給する工程と
を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記８）前記吸着式ヒートポンプの凝縮器で発生する熱量と、前記吸着器で前記熱媒体から吸収される熱量とが等しくなるように、前記凝縮器に供給される冷媒の流量を制御することを特徴とする付記７に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記９）前記蓄熱部に蓄熱した熱を前記熱媒体を介して前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器に供給する工程では、前記熱源から排出された前記熱媒体と前記蓄熱部から排出された前記熱媒体との両方を同時に、前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器に供給することを特徴とする付記７又は８に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

（付記１０）前記蓄熱部に蓄熱した熱を前記熱媒体を介して前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器に供給する工程では、前記熱源から排出された熱媒体を前記蓄熱部を介して前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器に供給することを特徴とする付記７又は８に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

１０，２０…吸着式ヒートポンプ、１１，２１…蒸発器、１２，２２…凝縮器、１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ…吸着器、１４，２４…伝熱配管、１５，２５…吸着剤、２９…空冷装置、３０…制御部、３１…循環ポンプ、４０…温水供給部、４１…熱源、４２…蓄熱部、４３，４４…ポンプ、４５〜４８…切替バルブ、６１ａ，６１ｂ，６３ａ，６３ｂ…温度計、６２，６４…流量計、７０ａ，７０ｂ…吸着式ヒートポンプ、７１…蒸発／凝縮器、７２…吸着器、７５…伝熱配管、７６…吸着剤、８０…制御部、８１，８２…切替ユニット、８３ａ，８３ｂ，８５ａ，８５ｂ…温度計、８４，８６…流量計、９１，９４…空冷装置、９２…温水供給部、９３…冷却水タンク。

Claims (7)

1. 吸着器及び凝縮器を備えた吸着式ヒートポンプと、
   前記吸着式ヒートポンプの前記吸着器との間で熱媒体が循環する熱媒体供給部と、
   前記吸着式ヒートポンプの前記凝縮器との間で冷媒が循環する冷却装置と、
   制御部とを有し、
   前記熱媒体供給部が、
   前記熱媒体を加熱する熱源となる電子機器と、
   パラフィン系又は酢酸ナトリウム水和物の蓄熱材を含み、前記熱媒体により前記電子機器から移送された熱を蓄積可能な蓄熱部と、
   前記制御部により制御されて前記電子機器及び前記蓄熱部から排出される前記熱媒体の流路を変更する流路変更部とを有し、
   前記制御部は、前記流路変更部を制御して、前記電子機器から排出された前記熱媒体を一定時間前記蓄熱部に供給し、その後前記蓄熱部と前記電子機器との両方から前記吸着器に前記熱媒体を供給する
   ことを特徴とする吸着式ヒートポンプシステム。
2. 前記制御部は、前記凝縮器で発生する凝縮熱の熱量と、前記吸着器で前記熱媒体から吸収される熱量とが同じになるように、前記凝縮器に供給される前記冷媒の流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
3. 前記冷却装置が、空気で前記冷媒を冷却する空冷式冷却装置であることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
4. 前記制御部は、前記蓄熱部と前記電子機器との両方から前記吸着器に前記熱媒体を供給する際に、前記流路変更部を制御して、前記電子機器から排出された前記熱媒体を前記蓄熱部を介して前記吸着器に供給することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
5. 熱源となる電子機器から排出された熱を吸着式ヒートポンプの吸着器に供給して前記吸着式ヒートポンプを駆動する吸着式ヒートポンプの駆動方法において、
   前記電子機器で発生する熱を熱媒体を介して蓄熱部に移送し、該蓄熱部に熱を蓄積する工程と、
   前記蓄熱部と前記電子機器との両方から前記吸着器に前記熱媒体を供給する工程とを有し、
   前記蓄熱部はパラフィン系又は酢酸ナトリウム水和物の蓄熱材を含むことを特徴とする吸着式ヒートポンプの駆動方法。
6. 前記吸着式ヒートポンプの凝縮器で発生する熱量と、前記吸着器で前記熱媒体から吸収される熱量とが等しくなるように、前記凝縮器に供給される冷媒の流量を制御することを特徴とする請求項５に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。
7. 前記蓄熱部と前記電子機器との両方から前記吸着器に熱を供給する工程では、前記電子機器から排出された熱媒体を前記蓄熱部を介して前記吸着器に供給することを特徴とする請求項５又６に記載の吸着式ヒートポンプの駆動方法。

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