JP6402645B2 - ヒートポンプ及び冷熱生成方法 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ及び冷熱生成方法に関する。

特許文献１には、蒸発器、吸着器、蓄熱反応器及び凝縮器を備え、蓄熱反応器が、熱を蓄熱すると共に、熱媒の蒸発潜熱以上の熱を吸着器に放熱し再生温度以上の熱を作用させることで吸着器を再生し、蒸発器が連続的に冷熱を生成する構成の吸着式ヒートポンプが開示されている。

特開２０１４−４０９５９号公報

特許文献１に記載の技術は、吸着器から熱交換媒体を脱着させることを、蓄熱反応器から吸着器に供給した熱による作用のみで実現する構成であるので、吸着器の脱着に関して効率改善の余地がある。また、この課題は、特許文献１に記載の技術において、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応器として、例えば、物理吸着、化学吸着、吸収、化学反応等の何れの反応を利用した反応器を用いた場合にも共通する課題である。

本発明は上記事実を考慮して成されたもので、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部から熱交換媒体を脱離させる際の効率を向上できるヒートポンプ及び冷熱生成方法を得ることが目的である。

請求項１記載の発明に係るヒートポンプは、熱交換媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部と、当該反応部と熱交換可能で前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体を凝縮させて保持する保持部と、を含む第１反応器と、前記第１反応器の前記反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する第２反応器と、前記蒸発器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部と、前記反応部が前記蒸発器と連通する第１状態、又は、前記反応部が前記第２反応器と連通し、かつ前記保持部が前記蒸発器と連通する第２状態に切替えると共に、前記第２反応器に保持された熱交換媒体を、前記蒸発器を経由して前記貯留部へ導く第３状態にも切替える切替部と、を含んでいる。

請求項１記載の発明では、切替部が、第１反応器の反応部が蒸発器と連通する第１状態に切替えると、第１反応器の反応部が、蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持するので、蒸発器で冷熱が生成される。また、第１反応器の反応部で発生する反応熱が第１反応器の保持部に伝導し、保持部に熱交換媒体が保持されていれば、保持されている熱交換媒体が蒸発することで、前記反応熱が除去される。

また、切替部が、第１反応器の反応部が第２反応器と連通し、かつ第１反応器の保持部が蒸発器と連通する第２状態に切替えると、蒸発器で蒸発した熱交換媒体が第１反応器の保持部に移動し、凝縮されて保持部に保持される。これにより、蒸発器で冷熱が生成される。また、蒸発器から第１反応器の保持部に移動した熱交換媒体により与えられた熱が、第１反応器の保持部から第１反応器の反応部に伝導し、第１反応器の反応部の温度が上昇する。更に、第２反応器が、第１反応器の反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する。これにより、第１反応器の反応部から熱交換媒体が脱離し、第１反応器の反応部から脱離した熱交換媒体が第２反応器へ移動して第２反応器に保持される。

このように、請求項１記載の発明では、蒸発器から供給された熱と、第２反応器による熱交換媒体との反応と、の相乗効果によって第１反応器の反応部から熱交換媒体を脱離させるので、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部から熱交換媒体を脱離させる際の効率を向上させることができる。また、蒸発器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部を更に含み、切替部は、第２反応器に保持された熱交換媒体を、蒸発器を経由して貯留部へ導く第３状態にも切替えるので、第２反応器に保持された熱交換媒体を、第２反応器から脱離させ、蒸発器で凝縮させて貯留部に回収することができる。

なお、請求項１記載の発明において、例えば請求項２に記載したように、第２反応器が保持可能な熱交換媒体の容量が、第１反応器の反応部が保持可能な熱交換媒体の容量よりも大きいことが好ましい。これにより、第１反応器の反応部に保持された熱交換媒体を確実に(例えば反応部に保持された熱交換媒体の全量に近い量を)脱離させて、第２反応器で保持させることができる。

また、請求項１又は請求項２記載の発明において、第１反応器のうち、熱交換媒体を保持する保持部は、例えば請求項３に記載したように、保持部の伝熱面に、液状の熱交換媒体を収容して一時的に保持する収容部を設けることで実現することができる。

また、請求項１〜請求項３の何れか１項記載の発明において、例えば請求項４に記載したように、熱交換媒体を凝縮させる凝縮器を更に含み、切替部は、第１状態で保持部を凝縮器と連通させることが好ましい。これにより、第１状態において、保持部に保持されていた状態から、第１反応器の反応部で発生する反応熱によって蒸発された熱交換媒体を、凝縮器で凝縮させて回収することが可能となる。

また、請求項４記載の発明において、例えば請求項５に記載したように、蒸発器及び凝縮器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部を更に含み、切替部は、第２反応器に保持された熱交換媒体を、凝縮器又は蒸発器を経由して貯留部へ導く第３状態にも切替えることが好ましい。これにより、第２反応器に保持された熱交換媒体を、第２反応器から脱離させ、凝縮器又は蒸発器で凝縮させて貯留部に回収することができる。

請求項６記載の発明に係る冷熱生成方法は、熱交換媒体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部と、当該反応部と熱交換可能で前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体を凝縮させて保持する保持部と、を含む第１反応器と、前記第１反応器の前記反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する第２反応器と、前記蒸発器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部と、を用い、前記反応部が前記蒸発器と連通する第１状態、又は、前記反応部が前記第２反応器と連通し、かつ前記保持部が前記蒸発器と連通する第２状態に切替えることで、前記蒸発器で冷熱を生成させると共に、前記第２反応器に保持された熱交換媒体を、前記蒸発器を経由して前記貯留部へ導く第３状態にも切替えるので、請求項１記載の発明と同様に、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部から熱交換媒体を脱離させる際の効率を向上させることができる。

本発明は、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部から熱交換媒体を脱離させる際の効率を向上できる、という効果を有する。

実施形態に係る吸着式ヒートポンプの概略構成図である。 吸着器を示す斜視図である。 図２のＡ−Ａ線に沿った概略断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿った概略断面図である。 実施形態に係る吸着式ヒートポンプの制御系の概略ブロック図である。 ヒートポンプ制御処理の内容を示すフローチャートである。 実施形態に係る吸着式ヒートポンプの第１の冷熱生成ステップにおける状態を示す説明図である。 実施形態に係る吸着式ヒートポンプの第２の冷熱生成ステップにおける状態を示す説明図である。 実施形態に係る吸着式ヒートポンプの蓄熱器再生ステップにおける状態を示す説明図である。 各種の吸着材の吸着等温線を示す線図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。図１には本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０が示されている。吸着式ヒートポンプ１０は、主な構成要素として、蒸発器１２、吸着器１４、蓄熱器１６、凝縮器１８、液タンク２０及び制御部２２(図５参照)を備えている。

なお、本実施形態において、吸着式ヒートポンプ１０は本発明に係るヒートポンプの一例であり、蒸発器１２は本発明における蒸発器の一例であり、吸着器１４は本発明における第１反応器の一例である。また、本実施形態において、蓄熱器１６は本発明における第２反応器の一例であり、凝縮器１８は本発明における凝縮器の一例であり、液タンク２０は本発明における貯留部の一例である。更に、本実施形態において、制御部２２は後述するバルブ駆動部３６及びバルブ群３８と共に、本発明における切替部の一例である。

蒸発器１２は、配管１１６を介して液タンク２０と接続されており、液タンク２０から熱交換媒体が供給され、供給された熱交換媒体を蒸発(気化)させることで冷熱を生成する。なお、熱交換媒体Ｆとしては、例えば、水、或いはアンモニアを用いることができる。水及びアンモニアは、吸着式ヒートポンプ１０において求められる条件(温度及び圧力)で吸着材に対し吸着及び脱着し、しかも安価に調達できる。但し、熱交換媒体は、例えば炭素数１〜４のアルコール等を用いてもよいし、単一物質を用いても２種以上の混合物を用いてもよい。

蒸発器１２は、熱交換用流体(例えば水又は水と水溶性溶剤との混合溶媒)で満たされた配管２４が内部に配設されており、配管２４の両端には配管２６,２８の一端が接続されている。配管２６,２８の他端は冷熱負荷３０に各々接続されており、熱交換用流体の循環路が形成されている。循環路には図示しない循環用ポンプが設けられており、当該循環用ポンプによって循環路内を熱交換用流体が循環して流通することで、蒸発器１２で生成された冷熱(例えば15[℃]の冷熱)が冷熱負荷３０に供給される。なお、冷熱負荷３０の具体例は特に限定されないが、例えば、冷熱負荷３０としては空調負荷、より詳しくは空調装置の室外機が挙げられる。

また、配管２６,２８の途中にはバルブ３２,３４が設けられている。バルブ３２,３４は、モータ等を含むバルブ駆動部３６(図５参照)によって開閉される。なお、図５では、吸着式ヒートポンプ１０に設けられた各バルブを「バルブ群３８」と総称して表記している。バルブ駆動部３６は制御部２２(図５参照)に接続されており、バルブ３２,３４の開閉は制御部２２によって制御される。

蒸発器１２には配管４０,４２の一端が接続され、配管４０の他端は吸着器１４(の後述する吸着部７０)に接続されており、配管４０を介して蒸発器１２と吸着器１４(の吸着部７０)は連通されている。また、配管４２の他端は吸着器１４(の後述する保持部７２)に接続されており、配管４２を介して蒸発器１２と吸着器１４(の保持部７２)は連通されている。配管４０,４２の途中にはバルブ４４,４６が設けられている。バルブ４４,４６はバルブ駆動部３６(図５参照)によって開閉され、バルブ４４,４６の開閉は制御部２２(図５参照)によって制御される。

図２及び図３に示すように、吸着器１４は、第１熱交換媒体Ｆ１と反応して第１熱交換媒体Ｆ１の吸着及び脱着を行う吸着材層６４を含む吸着室６２を複数備えた吸着部７０と、第２熱交換媒体Ｆ２が流通する流路６６を複数備えた保持部７２と、が設けられた吸着器筐体６０を有している。吸着部７０の個々の吸着室６２と保持部７２の個々の流路６６とは隔壁を隔てて互いに分離されており、吸着部７０の吸着材層６４と、保持部７２の流路６６の壁面(伝熱面)と、の間で熱交換可能とされている。また吸着器１４は、吸着部７０の吸着室６２と保持部７２の流路６６とが交互に配置されており、これにより上記の熱交換の効率が向上されている。

なお、本実施形態において、吸着部７０は本発明における第１反応器の反応部の一例であり、保持部７２は本発明における第１反応器の保持部の一例である。

また、吸着器１４において、吸着部７０の吸着室６２は、一端が扁平矩形状の開口端である四角柱状空間とされている。一方、保持部７２の流路６６は、両端が扁平矩形状の開口端である四角柱状空間とされている。そして吸着器１４は、吸着室６２の開口方向(第１熱交換媒体Ｆ１の流通方向)と流路６６の開口方向(第２熱交換媒体Ｆ２の流通方向)とが側面視で直交する、直交流型の熱交換器とされている。

なお、吸着部の吸着室及び保持部の流路の数は、図２及び図３に示す数に限定されないことは勿論であり、吸着部７０における第１熱交換媒体Ｆ１の吸着量や、保持部７２の流路６６の壁面の保持構造(後述する凹部６８)に保持される第２熱交換媒体Ｆ２の量、吸着器１４に入出力される熱量等を考慮して適宜設定される。

各吸着室６２内の相対する一対の壁面には、それぞれ吸着材層６４が設けられており、一方の吸着材層６４の表面と他方の吸着材層６４の表面との間には空間(隙間)が設けられている。これにより、吸着材層６４の表面全体で、第１熱交換媒体Ｆ１の吸着及び脱着を効率良く行えるようになっている。

吸着室６２には対向する壁面が二対存在し、面積が広い方の一対の壁面(吸着室６２の空間の厚み方向に直交する一対の壁面)にのみ吸着材層６４が設けられている。しかし、吸着材層６４は、面積が広い方の一対の壁面(吸着室６２の空間の厚み方向に直交する一対の壁面)に加え、面積が狭い方の一対の壁面(第２熱交換媒体Ｆ２の流通方向に直交する一対の壁面)にも設けられていてもよいし、更には吸着室６２内の壁面全面(五面)に設けられていてもよい。

一方、吸着器１４の保持部７２の各流路６６は、上記の吸着材層６４を加熱し且つ冷却する第２熱交換媒体Ｆ２を流通する流路である。詳細には、吸着器１４では、第２熱交換媒体Ｆ２が流路６６の壁面で凝縮するときに、その凝縮熱によって吸着材層６４が加熱される。更に、第２熱交換媒体Ｆ２が流路６６の壁面で蒸発するときに、その蒸発熱によって吸着材層６４が冷却される。

各流路６６の相対する一対の壁面には、図４に示すように、開口部が正六角形状である凹部６８(保持構造)が複数設けられている。詳細には、各凹部６８は、一端に正六角形状の開口部を有する六角柱状空間となっている。本実施形態では、これらの凹部６８(保持構造)によって、凝縮した第２熱交換媒体Ｆ２(液体)が保持される。本実施形態では、この凹部６８を備えたことにより、流路６６の壁面で第２熱交換媒体Ｆ２の蒸発及び凝縮を繰り返し行うことができ、ひいては吸着室６２内で第１熱交換媒体Ｆ１の吸着及び脱着を繰り返し行うことができる。特に、凹部６８は、開口部が正六角形状であるため、第２熱交換媒体Ｆ２を取り囲む凹部６８の壁面全体(底面及び６つの側壁面)を通じて第２熱交換媒体Ｆ２を効率よく加熱し、蒸発させることができる。

また、図４に示すように、複数の凹部６８は、流路の壁面(伝熱面)にハニカム状に配列されている。この配列により、流路の壁面における複数の凹部６８の配列密度が高くなっており、流路の壁面の単位面積当たりに保持できる液体状態の第２熱交換媒体Ｆ２の量が高くなっている。

なお、凹部６８の数は、図４に示す数に限定されないことは勿論であり、保持部７２に保持される第２熱交換媒体Ｆ２の体積や、吸着器１４に入出力される熱量等を考慮して適宜設定される。また、凹部６８の壁面(側壁面及び底面)には、公知の方法により表面処理（例えば親水化処理）が施されていてもよい。また、本実施形態において、凹部６８は本発明における収容部の一例である。

また、本実施形態では、吸着器１４の吸着材層６４の吸着材として、ＡＱＳＯＡ−Ｚ０５(「ＡＱＳＯＡ」は三菱樹脂株式会社の登録商標)を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物等であってもよい。また、本実施形態では、第１熱交換媒体Ｆ１及び第２熱交換媒体Ｆ２として、蒸発器１２から同一の熱交換媒体Ｆが供給される。

また、吸着器筐体６０(流路６６の壁面を含む)の材質としては、金属(例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金等)等の、熱伝導性が高く、かつ、熱交換媒体Ｆに対して耐食性を有する材質が好適である。上述した吸着器１４は、伝熱抵抗と物質移動抵抗が軽減されることで、吸着材層６４の細孔内部での流体の相速度変化が支配的となって吸着及び脱離の速度が定まる構成になっている。

吸着器１４の吸着部７０には配管４８の一端が接続されており、配管４８の他端は蓄熱器１６に接続されている。吸着器１４の吸着部７０と蓄熱器１６は配管４８を介して連通されており、吸着部７０の吸着材層６４から脱着した熱交換媒体は蓄熱器１６に案内される。配管４８の途中にはバルブ５０が設けられている。バルブ５０はバルブ駆動部３６(図５参照)によって開閉され、バルブ５０の開閉は制御部２２(図５参照)によって制御される。

蓄熱器１６は、前述した吸着器１４と同様に、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を吸着し、外部からエネルギーが加えられると熱交換媒体を脱着する吸着材を含む吸着部を備えている。本実施形態では、蓄熱器１６の吸着材として、Ｙ型ゼオライトを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物等であってもよい。また、蓄熱器１６が吸着・保持可能な熱交換媒体の容量は、吸着器１４の吸着部７０が保持可能な熱交換媒体の容量よりも大きく(例えば２倍程度と)されている。

また、蓄熱器１６は、熱交換用流体で満たされた配管５２が内部に配設されており、配管５２の両端には配管５４,５６の一端が接続されている。配管５４,５６の他端は中温熱源５８に各々接続されており、熱交換用流体の循環路が形成されている。また、配管５４,５６の途中にはバルブ８０,８２が設けられている。バルブ８０,８２はバルブ駆動部３６(図５参照)によって開閉され、バルブ８０,８２の開閉は制御部２２(図５参照)によって制御される。循環路には図示しない循環用ポンプが設けられており、バルブ８０,８２が開放されている状態で、前記循環用ポンプによって循環路内を熱交換用流体が循環して流通することで、中温熱源５８から蓄熱器１６に中温(例えば30[℃])の熱交換用流体が供給される。

また、蓄熱器１６は、熱交換用流体で満たされた配管８４が内部に配設されており、配管８４の両端には配管８６,８８の一端が接続されている。配管８６,８８の他端は高温熱源９０に各々接続されており、熱交換用流体の循環路が形成されている。また、配管８６,８８の途中にはバルブ９２,９４が設けられている。バルブ９２,９４はバルブ駆動部３６(図５参照)によって開閉され、バルブ９２,９４の開閉は制御部２２(図５参照)によって制御される。循環路には図示しない循環用ポンプが設けられており、バルブ９２,９４が開放されている状態で、前記循環用ポンプによって循環路内を熱交換用流体が循環して流通することで、高温熱源９０から蓄熱器１６に高温(例えば200[℃])の熱交換用流体が供給される。

なお、中温熱源５８及び高温熱源９０の具体例は特に限定されないが、中温熱源５８は蒸発器１２が生成する冷熱よりも高温であり、高温熱源９０は中温熱源５８よりも高温である。中温熱源５８としては、例えば外気等を用いることができる。高温熱源９０としては、例えば、内燃機関を搭載した車両の排気ガス等を用いることができる。

蓄熱器１６の吸着部には配管９６の一端が接続され、配管９６の他端は凝縮器１８に接続されており、蓄熱器１６の吸着部と凝縮器１８は配管９６を介して連通されている。配管９６の途中にはバルブ９８が設けられている。バルブ９８はバルブ駆動部３６(図５参照)によって開閉され、バルブ９８の開閉は制御部２２(図５参照)によって制御される。バルブ９８が開放されている状態で、蓄熱器１６の吸着部から脱着した熱交換媒体は凝縮器１８に案内される。

吸着器１４の保持部７２には配管１００の一端が接続され、配管１００の他端は凝縮器１８に接続されており、吸着器１４の保持部７２と凝縮器１８は配管１００を介して連通されている。配管１００の途中にはバルブ１０２が設けられている。バルブ１０２はバルブ駆動部３６(図５参照)によって開閉され、バルブ１０２の開閉は制御部２２(図５参照)によって制御される。バルブ１０２が開放されている状態で、吸着器１４の保持部７２から脱離した熱交換媒体は凝縮器１８に案内される。

凝縮器１８は、熱交換用流体で満たされた配管１０４が内部に配設されており、配管１０４の両端には配管１０６,１０８の一端が接続されている。配管１０６,１０８の他端は中温熱源５８に各々接続されており、熱交換用流体の循環路が形成されている。また、配管１０６,１０８の途中にはバルブ１１０,１１２が設けられている。バルブ１１０,１１２はバルブ駆動部３６(図５参照)によって開閉され、バルブ１１０,１１２の開閉は制御部２２(図５参照)によって制御される。循環路には図示しない循環用ポンプが設けられており、バルブ１１０,１１２が開放されている状態で、前記循環用ポンプによって循環路内を熱交換用流体が循環して流通することで、中温熱源５８から凝縮器１８に中温(例えば30[℃])の熱交換用流体が供給される。

凝縮器１８では、吸着器１４の保持部７２又は蓄熱器１６の吸着部から送り込まれた熱交換媒体が、配管１０４によって冷却されて凝縮される。凝縮器１８は配管１１４を介して液タンク２０と接続されており、凝縮器１８で凝縮された熱交換媒体は、配管１１４を経由して液タンク２０へ送られ、液タンク２０に貯留される。

図５に示すように、制御部２２は、ＣＰＵ１２０、ＲＯＭやＲＡＭ等を含むメモリ１２２、ハードディスクドライブ、或いはフラッシュメモリを含む不揮発性の記憶部１２４、入出力(Ｉ／Ｏ)インタフェース部１２６を備えている。記憶部１２４には、ＣＰＵ１２０が後述するヒートポンプ制御処理を行うためのヒートポンプ制御プログラム１２８がインストールされている。先に説明したバルブ駆動部３６はＩ／Ｏインタフェース部１２６に接続されている。

次に本実施形態の作用を説明する。吸着式ヒートポンプ１０の制御部は、電力が供給されている間、図６に示すヒートポンプ制御処理を行う。なお、ヒートポンプ制御処理は本発明に係る冷熱生成方法が適用された処理である。

本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０は、動作ステップとして、第１の冷熱生成ステップ、第２の冷熱生成ステップ及び蓄熱器再生ステップが設けられている。各ステップの詳細は後述するが、第１の冷熱生成ステップでは、蒸発器１２で蒸発した熱交換媒体を吸着器１４の吸着部７０で吸着することで、蒸発器１２で冷熱が生成される。また、第２の冷熱生成ステップでは、蒸発器１２で蒸発した熱交換媒体を吸着器１４の保持部７２で保持することで、蒸発器１２で冷熱が生成される。また、蓄熱器再生ステップでは、蓄熱器１６の吸着部から熱交換媒体を脱着することで、蓄熱器１６が再生される。

ヒートポンプ制御処理のステップ２００において、制御部２２は、第１の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ２００の判定が否定された場合はステップ２０２へ移行し、ステップ２０２において、制御部２２は、第２の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ２０２の判定が否定された場合はステップ２０４へ移行し、ステップ２０４において、制御部２２は、蓄熱器再生ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ２０４の判定が否定された場合はステップ２００に戻り、ステップ２００〜２０４の何れかの判定が肯定される迄、ステップ２００〜２０４を繰り返す。

本実施形態において、各ステップの実行順序のパターンは、一例として、第１の冷熱生成ステップと第２の冷熱生成ステップとを交互に繰り返し、蓄熱器１６の再生が必要になった時点で蓄熱器再生ステップを割り込み実行するパターンとすることができる。第１の冷熱生成ステップと第２の冷熱生成ステップの継続時間は、例えば、実験等によってそれぞれの継続時間の最適値を予め求めておき、第１の冷熱生成ステップを最適値に相当する時間継続した後、第２の冷熱生成ステップを最適値に相当する時間継続することを繰り返すことができる。また、熱交換媒体の温度を検出して後述する相対圧を算出し、算出した相対圧に基づいて第１の冷熱生成ステップと第２の冷熱生成ステップの継続時間を決定するようにしてもよい。

また、蓄熱器再生ステップを割り込み実行するタイミングは、例えば、第１の冷熱生成ステップと第２の冷熱生成ステップの繰り返し回数が所定回に達したか否かに基づいて判定するようにしてもよいし、例えば、蓄熱器再生ステップを前回行ってからの経過時間が所定時間を越えたか否かに基づいて判定するようにしてもよい。また、蓄熱器再生ステップの継続時間については、例えば、実験等によって継続時間の最適値を予め求めておき、蓄熱器再生ステップを最適値に相当する時間継続することができる。

(第１の冷熱生成ステップ)
第１の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ２００の判定が肯定されてステップ２０６へ移行する。ステップ２０６において、制御部２２は、図７にも示すように、蒸発器１２と冷熱負荷３０との間のバルブ３２,３４、蒸発器１２と吸着器１４の吸着部７０との間のバルブ４４、吸着器１４の保持部７２と凝縮器１８との間のバルブ１０２、凝縮器１８と中温熱源５８との間のバルブ１１０,１１２、蓄熱器１６と中温熱源５８との間のバルブ８０,８２を各々開放する。

また、次のステップ２０８において、制御部２２は、図７にも示すように、蒸発器１２と吸着器１４の保持部７２との間のバルブ４６、吸着器１４の吸着部７０と蓄熱器１６との間のバルブ５０、蓄熱器１６と高温熱源９０との間のバルブ９２,９４、蓄熱器１６と凝縮器１８との間のバルブ９８を各々閉塞する。ステップ２０８の処理を行うとステップ２００に戻る。なお、上記のステップ２０６,２０８は本発明における切替部による第１状態への切替えの一例である。

上述したバルブ群３８の開閉により、蒸発器１２で蒸発した熱交換媒体が、蒸発器１２から吸着器１４の吸着部７０に供給される。そして、吸着部７０の吸着材(吸着材層６４)は、吸着部７０に供給された熱交換媒体に反応し、熱交換媒体を吸着する。

ここで、蒸発器１２で生成する冷熱の温度Ｔ１を15[℃]、吸着器１４の吸着部７０の温度Ｔ２を30[℃]とする。吸着器１４の吸着部７０における相対圧φ２は、蒸発器１２の温度Ｔ１における飽和蒸気圧Ｐ１、吸着器１４の吸着部７０の温度Ｔ２における飽和蒸気圧Ｐ２を用いて、φ２＝Ｐ１／Ｐ２となる。例えばＰ１＝1.5[ｋＰａ]、Ｐ２＝4.3[ｋＰａ]とすると、φ２≒0.348である。

図１０には、吸着器１４の吸着部７０や蓄熱器１６の吸着部に使用可能な各種の吸着材について、相対圧と吸着量との関係を示している。図１０から、吸着器１４の吸着部７０で吸着材として使用しているＡＱＳＯＡ−Ｚ０５は、相対圧φ２が0.348のとき、吸着可能な熱交換媒体量のほぼ全量を吸着できることが明らかである。このため、蒸発器１２で蒸発した熱交換媒体が吸着部７０の吸着材に吸着されることで、蒸発器１２で15[℃]の冷熱を生成することができる。

また、吸着部７０の吸着材への熱交換媒体の吸着に伴って吸着熱が発生し、吸着器１４のうち、吸着部７０と保持部７２の間に存在している隔壁が加熱され、隔壁の温度が上昇する。これにより、前回の第２の冷熱生成ステップで保持部７２の凹部６８に保持されていた熱交換媒体が気化し、凝縮器１８へ移動することで、発生した吸着熱が吸着器１４から除去される。凝縮器１８へ移動した熱交換媒体は、凝縮器１８で凝縮された後、液タンク２０へ送られる。

(第２の冷熱生成ステップ)
また、第２の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ２０２の判定が肯定されてステップ２１０へ移行する。ステップ２１０において、制御部２２は、図８にも示すように、蒸発器１２と冷熱負荷３０との間のバルブ３２,３４、蒸発器１２と吸着器１４の保持部７２との間のバルブ４６、吸着器１４の吸着部７０と蓄熱器１６との間のバルブ５０、蓄熱器１６と中温熱源５８との間のバルブ８０,８２を各々開放する。

次のステップ２１２において、制御部２２は、図８にも示すように、蒸発器１２と吸着器１４の吸着部７０との間のバルブ４４、吸着器１４の保持部７２と凝縮器１８との間のバルブ１０２、凝縮器１８と中温熱源５８との間のバルブ１１０,１１２、蓄熱器１６と高温熱源９０との間のバルブ９２,９４、蓄熱器１６と凝縮器１８との間のバルブ９８を各々閉塞する。ステップ２１２の処理を行うとステップ２００に戻る。なお、上記のステップ２１０,２１２は本発明における切替部による第２状態への切替えの一例である。

上述したバルブ群３８の開閉により、蒸発器１２で蒸発した熱交換媒体が、蒸発器１２から吸着器１４の保持部７２に移動し、保持部７２に供給された熱交換媒体は保持部７２で凝縮されて凹部６８に保持される。

また、蒸発器１２から吸着器１４の保持部７２に移動した熱交換媒体により、吸着器１４のうち、吸着部７０と保持部７２の間に存在している隔壁が加熱され、隔壁の温度が上昇する。これにより、吸着部７０の吸着材が加熱される。また、蓄熱器１６の吸着部の吸着材は、吸着器１４の吸着部７０から脱着して蓄熱器１６に供給された熱交換媒体に反応し、熱交換媒体を吸着する。これにより、吸着器１４の吸着部７０に吸着されていた熱交換媒体が脱着される。このように、蒸発器１２から供給された熱と、蓄熱器１６の吸着部の吸着材による熱交換媒体との反応と、の相乗効果によって吸着器１４の吸着部７０から熱交換媒体を脱着させるので、吸着器１４の吸着部７０からの熱交換媒体の脱着を高効率で行うことができる。

ここで、吸着器１４の吸着部７０における温度Ｔ１を15[℃]、中温熱源５８の温度Ｔ２を30[℃]とする。吸着器１４の吸着部７０における相対圧φ１は、蓄熱器１６の吸着部における温度Ｔ２での平衡圧Ｐ３、吸着器１４の吸着部７０における温度Ｔ１での飽和蒸気圧Ｐ４を用いて、φ１＝Ｐ３／Ｐ４と定義される。実質的に、Ｐ４≒Ｐ１である。

図１０に示すＹ型ゼオライトの吸着等温線において、相対圧φ１＝0.05になるまでＹ型ゼオライトを使用すると仮定した場合、蓄熱器１６の吸着部における温度Ｔ２での平衡圧Ｐ３は、
Ｐ３＝Ｐ２×0.05＝4.3[ｋＰａ]×0.05＝0.215[ｋＰａ]
となる。これにより、φ１＝0.143となる。図１０から明らかなように、吸着器１４の吸着部７０の吸着材であるＡＱＳＯＡ−Ｚ０５は、相対圧が0.143のとき、吸着可能な熱交換媒体量のほぼ全量を脱着できる。このように、蒸発器１２で15[℃]の冷熱が生成されることで吸着器１４の吸着部７０における温度Ｔ１が15[℃]になったとしても、吸着部７０で吸着可能な熱交換媒体量のほぼ全量を脱着できるので、蒸発器１２で15[℃]の冷熱を生成することができる。また、第２の冷熱生成ステップでは、前述のように、吸着器１４の吸着部７０に吸着されていた熱交換媒体のほぼ全量が脱着され、蓄熱器１６の吸着部の吸着材に吸着されるので、吸着器１４の吸着部７０が再生される。

上述した第１の冷熱生成ステップと第２の冷熱生成ステップとが繰り返されている間、蒸発器１２では連続的に冷熱が生成される。また、吸着器１４は、外部の熱源からエネルギーを直接受けることなく作動する。

(蓄熱器再生ステップ)
また、蓄熱器再生ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ２０４の判定が肯定されてステップ２１４へ移行する。ステップ２１４において、制御部２２は、図９にも示すように、蓄熱器１６と高温熱源９０との間のバルブ９２,９４、蓄熱器１６と凝縮器１８との間のバルブ９８、凝縮器１８と中温熱源５８との間のバルブ１１０,１１２を各々開放する。

次のステップ２１６において、制御部２２は、図９にも示すように、蒸発器１２と冷熱負荷３０との間のバルブ３２,３４、蒸発器１２と吸着器１４の吸着部７０との間のバルブ４４、蒸発器１２と吸着器１４の保持部７２との間のバルブ４６、吸着器１４の保持部７２と凝縮器１８との間のバルブ１０２、吸着器１４の吸着部７０と蓄熱器１６との間のバルブ５０、蓄熱器１６と中温熱源５８との間のバルブ８０,８２を各々閉塞する。ステップ２１６の処理を行うとステップ２００に戻る。なお、上記のステップ２１４,２１６は本発明における切替部による第３状態への切替えの一例である。

上述したバルブ群３８の開閉により、高温熱源９０から蓄熱器１６に高温の熱交換用流体が供給され、蓄熱器１６の吸着部の吸着材が加熱されることで、蓄熱器１６の吸着部の吸着材に吸着されていた熱交換媒体が脱着する。脱着した熱交換媒体は、凝縮器１８へ移動し、凝縮器１８で凝縮された後、液タンク２０へ送られる。これにより、蓄熱器１６の吸着部が再生される。

なお、上記では凝縮器１８が設けられた態様を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、吸着器１４の保持部７２から気化した熱交換媒体を吸着式ヒートポンプ１０の系外へ排出することで、凝縮器１８を省略することも可能である。

また、上記では蓄熱器再生ステップにおいて、蓄熱器１６の吸着部の吸着材から脱着した熱交換媒体を、凝縮器１８で凝縮させた後に液タンク２０へ送る態様を説明したが、これに限定されるものではなく、蓄熱器１６の吸着部の吸着材から脱着した熱交換媒体を、吸着器１４を経由して蒸発器１２へ送り、蒸発器１２で凝縮させた後に液タンク２０へ送るようにしてもよい。特に、前述のように凝縮器１８を省略した構成においては、蓄熱器１６の吸着部の吸着材から脱着した熱交換媒体を蒸発器１２で凝縮させる方式は有用である。

また、上記では本発明に係るヒートポンプの一例として吸着式ヒートポンプ１０を説明すると共に、本発明における第１反応器及び第２反応器の一例として、吸着材によって熱交換媒体を吸着及び脱着する構成の吸着器１４及び蓄熱器１６を説明したが、本発明における第１反応器及び第２反応器は、吸着材によって熱交換媒体を吸着及び脱着する構成に限定されるものではなく、熱交換媒体の飽和蒸気圧以下の圧力で熱交換媒体と反応することで、系の圧力を低下させることが可能な反応器であればよい。ここでいう反応には、物理吸着、化学吸着、吸収、化学反応等が含まれる。

１０ 吸着式ヒートポンプ
１２ 蒸発器
１４ 吸着器
１６ 蓄熱器
１８ 凝縮器
２０ 液タンク
２２ 制御部
３８ バルブ群
６８ 凹部
７０ 吸着部
７２ 保持部

Claims (6)

1. 熱交換媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部と、当該反応部と熱交換可能で前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体を凝縮させて保持する保持部と、を含む第１反応器と、
   前記第１反応器の前記反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する第２反応器と、
   前記蒸発器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部と、
   前記反応部が前記蒸発器と連通する第１状態、又は、前記反応部が前記第２反応器と連通し、かつ前記保持部が前記蒸発器と連通する第２状態に切替えると共に、前記第２反応器に保持された熱交換媒体を、前記蒸発器を経由して前記貯留部へ導く第３状態にも切替える切替部と、
   を含むヒートポンプ。
2. 前記第２反応器が保持可能な熱交換媒体の容量が、前記第１反応器の前記反応部が保持可能な熱交換媒体の容量よりも大きい請求項１記載のヒートポンプ。
3. 前記第１反応器の前記保持部は、前記保持部の伝熱面に設けられ液状の熱交換媒体を収容して一時的に保持する収容部を備えている請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ。
4. 熱交換媒体を凝縮させる凝縮器を更に含み、
   前記切替部は、前記第１状態で前記保持部を前記凝縮器と連通させる請求項１〜請求項３の何れか１項記載のヒートポンプ。
5. 前記蒸発器及び前記凝縮器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部を更に含み、
   前記切替部は、前記第２反応器に保持された熱交換媒体を、前記凝縮器又は前記蒸発器を経由して前記貯留部へ導く第３状態にも切替える請求項４記載のヒートポンプ。
6. 熱交換媒体を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応部と、当該反応部と熱交換可能で前記蒸発器で蒸発された熱交換媒体を凝縮させて保持する保持部と、を含む第１反応器と、
   前記第１反応器の前記反応部から脱離した熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する第２反応器と、
   前記蒸発器と接続され、熱交換媒体を貯留する貯留部と、
   を用い、
   前記反応部が前記蒸発器と連通する第１状態、又は、前記反応部が前記第２反応器と連通し、かつ前記保持部が前記蒸発器と連通する第２状態に切替えることで、前記蒸発器で冷熱を生成させると共に、前記第２反応器に保持された熱交換媒体を、前記蒸発器を経由して前記貯留部へ導く第３状態にも切替える冷熱生成方法。

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