(57)【要約】【課題】  外気温等の外部変動要因や吸着材等の内部変動要因を加味して冷熱取り出しの効率化を図り得る吸着式ヒートポンプを提供する。【解決手段】  一対の吸着器２ａ，２ｂ、凝縮器３、蒸発器４がハウジング１内で互いに独立して区画配置されたセパレート式のものとする。脱着工程が行われる吸着器２ｂに対し脱着のために高温熱媒部５から循環供給される熱媒の往きと戻りとの差温に流量を乗じた熱量が設定熱量以下になれば脱着工程を終了させ、吸着工程が行われる吸着器２ａに対し吸着させるための吸着質を供給する蒸発器３に冷却部７から循環供給されて戻される熱媒の冷熱温度が設定温度以上になれば吸着工程を終了させる。終了タイミングの遅い側を基準にして次のサイクルの吸着及び脱着の両工程を同時に開始させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の吸着器、凝縮器及び蒸発器がハウジング内で互いに独立して区画配置され、吸着工程と脱着工程とを一対の吸着器で交互に切換制御して吸着質の吸着と脱着とを繰り返す吸着式冷凍サイクルを実行する運転制御手段を備えた吸着式ヒートポンプであって、
上記運転制御手段は、脱着工程が行われる吸着器に対し脱着のために供給される熱媒から脱着により吸着質が受熱する熱量の変動を監視し、この熱量の変動に応じて脱着工程の終了タイミングを決定する一方、吸着工程が行われる吸着器に対し吸着させるための吸着質を供給する蒸発器において吸着質の蒸発により熱交換された後の熱媒が有する冷熱の熱量の変動を監視し、この熱量の変動に応じて吸着工程の終了タイミングを決定するように構成されている、
ことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
【請求項２】
請求項１記載の吸着式ヒートポンプであって、
上記運転制御手段は、脱着により吸着質が熱媒から受熱する熱量が設定熱量を下回ることにより脱着工程を終了させる一方、吸着に基づき蒸発器で得られる冷熱の熱量が設定熱量を下回ることにより吸着工程を終了させるように構成されている、吸着式ヒートポンプ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の吸着式ヒートポンプであって、
上記運転制御手段は、脱着により吸着質が受熱する熱量を、脱着工程が行われる吸着器に循環供給される熱媒の往きと戻りとの間の差温に熱媒流量を乗じる演算により得るように構成されている、吸着式ヒートポンプ。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の吸着式ヒートポンプであって、
上記運転制御手段は、脱着工程の終了タイミングと、吸着工程の終了タイミングとを比較して遅い側の終了タイミングを基準にして、次のサイクルを開始するように構成されている、吸着式ヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着式冷凍サイクルを利用した吸着式ヒートポンプに関し、特に冷熱取り出し効率の向上を図り得る技術に係る。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の吸着式冷凍サイクルを利用した吸着式ヒートポンプの運転制御として、吸着及び脱着の両工程を切換えるサイクル時間値を発熱体の集熱量に応じて変化させるものが提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
又、吸着式冷凍装置において、熱媒の出口温度に基づいてポンプの回転数を制御することにより、熱媒の温度変動幅を一定範囲に抑制しようとすることも提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２１３４６号公報
【特許文献２】特開２００４−２３９５９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、吸着式冷凍サイクルを利用した冷熱取り出しにおいては、特に外気温や室温等の変動や、吸着材の能力変化等の影響を受け易く、特にバッチ式の運転制御を行う上で吸着工程と脱着工程とを固定時間間隔で、しかも同期させて切換えるようにすると、エネルギー消費の無駄を招き冷熱取り出しの効率の向上を図り得ない事態を招くことになる。たとえ、上記の特許文献１で提案の如くサイクル時間値を固定時間とせずに変化させたとしても、単にサイクル時間が変化するだけで吸着及び脱着の両工程が共に同期させて切換えられることになるため、吸着工程又は脱着工程のいずれか一方が既に吸着能力不足又は脱着能力不足に陥ったとしても同期切換タイミングが到来するまでは工程が継続され、これに伴いポンプ等の工程継続のためのエネルギーが無駄に消費されることになる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外気温等の外部変動要因や吸着材等の内部変動要因を加味して冷熱取り出しの効率化を図り得る吸着式ヒートポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、一対の吸着器、凝縮器及び蒸発器がハウジング内で互いに独立して区画配置され、吸着工程と脱着工程とを一対の吸着器で交互に切換制御して吸着質の吸着と脱着とを繰り返す吸着式冷凍サイクルを実行する運転制御手段を備えた吸着式ヒートポンプを対象にして、次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記運転制御手段として、脱着工程が行われる吸着器に対し脱着のために供給される熱媒から脱着により吸着質が受熱する熱量の変動を監視し、この熱量の変動に応じて脱着工程の終了タイミングを決定する一方、吸着工程が行われる吸着器に対し吸着させるための吸着質を供給する蒸発器において吸着質の蒸発により熱交換された後の熱媒が有する冷熱の熱量の変動を監視し、この熱量の変動に応じて吸着工程の終了タイミングを決定する構成とした（請求項１）。
【０００８】
この発明の場合、脱着工程の終了タイミングと、吸着工程の終了タイミングとがそれぞれの熱特性に基づいて別個に決定されることになり、サイクル時間という概念が取り払われることになる。すなわち、脱着工程における受熱の熱量と、吸着工程における冷熱の熱量とに基づいてそれぞれの熱特性に応じて各工程の終了タイミングが決定され、このため、ポンプ等を無駄に駆動継続させることなくエネルギー消費の無駄を廃して効率化を図ることが可能になる。
【０００９】
本発明の運転制御手段として、脱着により吸着質が熱媒から受熱する熱量が設定熱量を下回ることにより脱着工程を終了させる一方、吸着に基づき蒸発器で得られる冷熱の熱量が設定熱量を下回ることにより吸着工程を終了させる構成とすることができる（請求項２）。このようにすることで、より具体的に終了タイミングの決定を行うことが可能となる。すなわち、脱着や吸着の能力が外気温等の外部変動要因や吸着材の能力等の内部変動要因に基づいて変動したとしても、脱着や吸着の各能力が相当程度まで低下することで個別に工程を終了させることが可能となり、終了タイミングをより最適に決定し得ることになる。
【００１０】
又、上記運転制御手段として、脱着により吸着質が受熱する熱量を、脱着工程が行われる吸着器に循環供給される熱媒の往きと戻りとの間の差温に熱媒流量を乗じる演算により得る構成とすることができる（請求項３）。このようにすることにより、受熱の熱量を簡易にかつ確実に検出し得ることになり、脱着工程の終了タイミングをより的確に決定し得ることになる。
【００１１】
さらに、上記運転制御手段として、脱着工程の終了タイミングと、吸着工程の終了タイミングとを比較して遅い側の終了タイミングを基準にして、次のサイクルを開始する構成とすることができる（請求項４）。このように次のサイクルの脱着工程と吸着工程とを同時に開始させるようにすることにより、前のサイクルでの脱着工程と吸着工程とが別々のタイミングで終了したとしても、次のサイクルでの開始タイミングの到来を待って開始させることが可能となり、運転制御の容易化が図り得ることになる。
【発明の効果】
【００１２】
以上、説明したように、請求項１〜請求項４のいずれかの吸着式ヒートポンプによれば、脱着工程の終了タイミングと、吸着工程の終了タイミングとをそれぞれの熱特性に基づいて別個に決定することができ、サイクル時間という概念を取り払った運転制御を行うことができるようになる。これにより、脱着工程における受熱の熱量と、吸着工程における冷熱の熱量とに基づいてそれぞれの熱特性に応じて各工程の終了タイミングを決定することができるため、ポンプ等を無駄に駆動継続させることなくエネルギー消費の無駄を廃して効率化を図ることができるようになる。
【００１３】
特に請求項２によれば、脱着や吸着の能力が外気温等の外部変動要因や吸着材の能力等の内部変動要因に基づいて変動したとしても、脱着や吸着の各能力が相当程度まで低下することで個別に工程を終了させることができ、終了タイミングをより具体的域かつ最適に決定することができるようになる。
【００１４】
又、請求項３によれば、脱着工程が行われる吸着器に循環供給される熱媒の往きと戻りとの間の差温の検出と、熱媒流量の検出とによって、受熱の熱量を簡易にかつ確実に検出することができるようになり、脱着工程の終了タイミングをより的確に決定することができるようになる。
【００１５】
さらに、請求項４によれば、脱着工程の終了タイミングと、吸着工程の終了タイミングとを比較して遅い側の終了タイミングを基準にして、次のサイクルの脱着工程と吸着工程とを同時に開始させることで、前のサイクルでの脱着工程と吸着工程とが別々のタイミングで終了したとしても、次のサイクルでの開始タイミングの到来を待って開始させることができ、運転制御の容易化を図ることができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの例を示す原理図である。同図において、符号１はハウジング、２ａ，２ｂは一対の吸着器、３は凝縮器、４は蒸発器である。一対の吸着器２ａ，２ｂ、凝縮器３及び蒸発器４は、ハウジング１の内部空間を区画壁で仕切ることにより互いに独立した密閉空間として区画形成したものであり、いわゆるセパレート式に構成されている。すなわち、一対の吸着器２ａ，２ｂはそれぞれ吸着又は脱着工程が行われる密閉空間に吸着／脱着用熱交換器が配設されて構成されたものであり、凝縮器３又は蒸発器４もそれぞれ凝縮工程又は蒸発工程が行われる密閉空間に凝縮用熱交換器又は蒸発用熱交換器が配設されて構成されたものである。上記各ハウジング１は内部が図示省略の真空ポンプ等により略真空状態に維持されて、内部には例えば水、アルコール、アンモニア等の吸着質が所要量封入されている。そして、蒸発器３と各吸着器２ａ，２ｂとの間には蒸発器３で蒸発された吸着質を吸着工程が行われる吸着器２ａ又は２ｂに供給するための開閉弁Ｖ１，Ｖ２が介装され、各吸着器２ａ，２ｂと凝縮器４との間には脱着工程が行われる吸着器２ｂ又は２ａから脱着された吸着質を凝縮器４に供給するための開閉弁Ｖ３，Ｖ４が介装されている。なお、上記各吸着器２ａ，２ｂを構成する吸着／脱着用熱交換器にはその外表面に例えばゼオライト、シリカゲル、活性炭等の吸着剤が固定されている。
【００１８】
又、図１において、符号５は例えば廃棄温水等の廃熱を利用して熱媒を所定の高温状態にして保持する高温熱媒部、６は熱媒を所定の低温状態に維持して保持する放熱部(例えば室外機)、７はこれに戻される最も低温の熱媒から熱交換により冷熱を回収して取り出すための冷熱取り出し用熱交換器を内蔵した冷却部、８は熱媒供給系の通路切換部である。上記の高温熱媒部５、放熱部６及び冷却部７と、それぞれに付設されたポンプ５１，６１，７１と、上記通路切換部８と等を含んで熱媒供給系が構成されている。
【００１９】
高温熱媒部５からはポンプ５１の作動により温度TH（例えば８０℃）の高温の熱媒が通路切換部８に供給され、この通路切換部８での通路切換により脱着工程が行われる吸着器２ａ又は２ｂに上記の温度THの熱媒が供給されるようになっている。そして、脱着工程が行われている吸着器２ａ，２ｂからは、脱着のために吸着質に受熱させることにより温度低下した熱媒が通路切換部８を介して上記高温熱媒部５に戻されて再び上記温度THまで熱媒が昇温されて循環されるようになっている。この熱媒の往き通路５２には脱着工程の吸着器２ａ又は２ｂに供給される熱媒の入温度を検出する入温度検出センサ５３と、その熱媒の流量を検出する熱媒流量検出センサ５４とが介装され、熱媒の戻り通路５５には脱着工程の吸着器２ａ，２ｂから出て高温熱媒部５に戻される熱媒の出温度を検出する出温度検出センサ５６が介装されている。
【００２０】
放熱部６からはポンプ６１の作動により温度TM（例えば４０℃）の中温の熱媒が凝縮器４と、通路切換部８を介して吸着工程の行われる吸着器２ｂ又は２ａとのそれぞれに分岐供給されるようになっている。そして、吸着工程で吸着質との熱交換により昇温した熱媒が通路切換部８を介して上記放熱部６に戻されて再び上記温度TMまで冷却・降温されて循環されるようになっている。
【００２１】
上記冷却部７からはポンプ７１の作動により温度TＬ（例えば１５℃）の低温の熱媒が蒸発器３に供給されるようになっている。そして、蒸発器３での吸着質との熱交換により温度低下した熱媒が冷却部７に戻され、この冷却部７で冷熱取り出し後に再び上記温度TLの熱媒が循環されるようになっている。冷却部７への戻り通路には蒸発器７からの熱媒の出温度を検出する冷熱温度検出センサ７２が介装されている。
【００２２】
以上のポンプ５１，６１，７１の作動制御や、開閉弁Ｖ１〜Ｖ４の開閉切換制御等は運転制御手段９による運転制御によって行われるようになっており、これにより、次に説明する吸着式冷凍サイクルに基づく冷熱取り出しのための運転が行われることになる。この運転は、基本的には、一対の吸着器２ａ，２ｂの一方で吸着工程を行うと共に他方で脱着工程を行い、その際に蒸発器３からは吸着工程を行う吸着器２ａ又は２ｂに対し蒸発させた吸着質を開閉弁Ｖ１又はＶ２を開変換して供給する一方、脱着工程を行う吸着器２ｂ又は２ａからは凝縮器４に対し脱着させた吸着質を開閉弁Ｖ４又はＶ３を開変換させて供給するようにし、一対の吸着器２ａ，２ｂで吸着工程と脱着工程とを交互に切換える、というバッチ処理方式にて行われるようになっている。以下、かかる冷熱取り出しのための運転制御について説明する。
【００２３】
図２は、吸着器２ａでは吸着工程が行われる一方、吸着器２ｂでは脱着工程が行われる場合を示している。同図において太い破線が放熱部６からの温度TMの熱媒の循環経路を示し、太い実線が高温熱媒部５からの温度THの熱媒の循環経路を示している。すなわち、ポンプ５１の作動により高温熱媒部５から温度THの熱媒を往き通路５２及び通路切換部８を通して吸着器２ｂに供給し、それまでに吸着器２ｂに吸着されていた吸着質を脱着させ、この脱着された吸着質を開変換させた開閉弁Ｖ４から凝縮器４に供給する。凝縮器４では上記の脱着された高温の吸着質を放熱部６から供給される温度TMの熱媒との熱交換により凝縮させる。そして、脱着により温度低下した熱媒が通路切換部８及び戻り通路５５を通して高温熱媒部５に戻される。
【００２４】
この過程において、運転制御手段では脱着工程が行われる吸着器２ｂで吸着質が受熱する受熱量の熱量変動を監視し、この熱量変動が所定の設定熱量まで低下すればポンプ５１の作動を停止させて脱着工程を終了させるようになっている。受熱量の熱量変動の監視は、高温熱媒部５から送り出される熱量と、吸着質への受熱により熱量が奪われた後に戻される熱量との差を検出することにより行う。すなわち、次式で示すように、入温度検出センサ５２による検出温度Taから出温度検出センサ５６により検出温度Trを差し引いた差温に熱媒流量検出センサ５４により検出される熱媒流量Qを乗じることで脱着により吸着質に受熱された熱量(脱着熱量)Adを得る。
【００２５】
Ad ＝ Ｑ×（ Ta − Tr ）
そして、この検出された脱着熱量が設定脱着熱量Atを下回ることになれば（Ad＜At）、ポンプ５１を停止させて脱着工程を終了させる。
【００２６】
この脱着熱量の熱量変化は、脱着後の吸着質が凝縮器４で凝縮される凝縮器出力の変化となって表れる。例えば図３に示すように、脱着工程が開始されて盛んに脱着が行われると凝縮器出力も上昇するものの、脱着が限界に近づくと受熱量も低下する一方、凝縮器出力も低下することになる。このため、脱着熱量が設定脱着熱量を下回る段階（図３のＰ１参照）になれば、ポンプ５１を停止させて脱着工程を終了するようにしている。これにより、工程切換を予め設定した固定の時間間隔で行う運転制御の場合に脱着自体が不能又は低調になっているにも拘わらずポンプ５１を作動させ続けることによる無駄なエネルギー消費を削減して、得られる凝縮器出力を消費電力で除した電気ＣＯＰの値を向上せさることができるようになる。
【００２７】
又、吸着工程は、ポンプ６１の作動により放熱部６から温度TMの熱媒を通路切換部８を通して吸着器２ａに供給し、開変換した開閉弁Ｖ１を通して蒸発器３から供給された吸着質を吸着器２ａに吸着させる。この吸着時の吸着質との熱交換により昇温した熱媒が再び通路切換部８を介して放熱部６に戻されることになる。
【００２８】
この過程において、運転制御手段では蒸発器３に供給されて蒸発により温度低下した熱媒の冷熱量の熱量変動を監視し、この冷熱量が所定の設定冷熱量よりも下回り冷熱取り出しが低調になった段階で吸着工程を終了させるようになっている。具体的には、蒸発器３での蒸発により温度低下した熱媒の戻り温度、つまり冷熱温度検出センサ７２により検出される検出温度を監視し、この検出温度が設定上限温度まで上昇した段階でポンプ６１を停止させて吸着工程を終了させるようにしている。つまり、蒸発器３での蒸発による蒸発熱は吸着工程の当初は盛んに吸着されるため増大して冷熱取り出しも高まるものの、吸着工程が進んで吸着能が低下すると共に蒸発熱も低減して冷熱取り出しも低調となる。このため、冷熱量が設定冷熱量を下回る段階になれば、つまり蒸発器出力（冷熱取り出しの度合である冷熱出力）が設定値（図３のＰ２参照）より低下すれば、ポンプ６１を停止させて吸着工程を終了するようにしている。これにより、上記の脱着工程の場合と同様に、工程切換を予め設定した固定の時間間隔で行う運転制御の場合に吸着自体が不能又は低調になっているにも拘わらずポンプ６１を作動させ続けることによる無駄なエネルギー消費を削減して、得られる蒸発器出力を消費電力で除した電気ＣＯＰの値を向上せさることができるようになる。その上に、無駄にポンプ６１を作動し続けることによる無駄な放熱も抑制することができるようなる。
【００２９】
そして、脱着工程の終了タイミング及び吸着工程の終了タイミングのいずれか遅い方を基準として、次のバッチ処理、つまり吸着工程と脱着工程とを一対の吸着器２ａ，２ｂで役割を交代させて行う次のサイクルを開始させる。図３には、吸着工程の終了タイミングの方が脱着工程の終了タイミングよりも遅く、この遅い側の終了タイミングに基づいて次のサイクルを開始させる例を図示している。以上の如き脱着熱量や冷熱量の熱量変動は外気温や室温等の外部変動要因や、吸着材自体の能力変化等の内部変動要因によって生じるため、これらをも考慮して最適な終了タイミングを決定することで、従来の固定時間間隔でしかも同期して切換を行う運転制御に比して冷熱取り出しにおける効率の向上を図ることができるようになる。なお、遅い側（吸着固定）の終了タイミングから開始タイミングまでに存在する若干の遅れは、それまでに脱着工程が行われていた吸着器２ｂで残留している顕熱を吸着器２ｂから次に脱着工程が行われることになる吸着器２ａに対し付与し、逆に、それまでに吸着工程が行われていた吸着器２ａで残留している顕熱を吸着器２ａから次に吸着工程が行われることになる吸着器２ｂに対し付与するという顕熱交換を実行しているためである。この顕熱交換は通路切換部８の通路切換により行われる。
【００３０】
次に開始されるサイクルの例を図４に示している。図２の場合と同様に、太い破線が放熱部６からの温度TMの熱媒の循環経路を示し、太い実線が高温熱媒部５からの温度THの熱媒の循環経路を示している。すなわち、ポンプ５１の作動により高温熱媒部５から温度THの熱媒を往き通路５２及び通路切換部８を通して吸着器２ａに供給し、前工程の吸着工程で吸着器２ａに吸着されていた吸着質を脱着させ、この脱着された吸着質を開変換させた開閉弁Ｖ３から凝縮器４に供給する。凝縮器４では上記の脱着された高温の吸着質を放熱部６から供給される温度TMの熱媒との熱交換により凝縮させる。そして、脱着により温度低下した熱媒が通路切換部８及び戻り通路５５を通して高温熱媒部５に戻される。一方、ポンプ６１の作動により放熱部６から温度TMの熱媒を通路切換部８を通して吸着器２ｂに供給し、開変換した開閉弁Ｖ２を通して蒸発器３から供給された吸着質を吸着器２ｂに吸着させる。この吸着時の吸着質との熱交換により昇温した熱媒が再び通路切換部８を介して放熱部６に戻されることになる。これらの過程において、上記の場合と同様に、脱着工程の側では脱着熱量の熱量変動を監視して脱着工程の終了タイミングを決定し、吸着工程の側では冷熱の熱量変動を監視して吸着工程の終了タイミングを決定する。
【００３１】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、ハウジング１の下側位置に蒸発器３、上側位置に凝縮器４、中間位置の両側にそれぞれ吸着器２ａ，２ｂがそれぞれ配置されてセパレート式に構成された吸着式ヒートポンプを示したが、これに限らず、セパレート式であれば上記以外の配置のものに対しても本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態の吸着式ヒートポンプの基本的な構成を示す構成図である。
【図２】吸着器２ａで吸着工程を、吸着器２ｂで脱着工程をそれぞれ実行している状態を示す図１対応図である。
【図３】時間経過と、凝縮器出力及び蒸発器出力との関係を示す関係図である。
【図４】吸着器２ａで脱着工程を、吸着器２ｂで吸着工程をそれぞれ実行している状態を示す図１対応図である。
【符号の説明】
【００３３】
１              ハウジング
２ａ，２ｂ      吸着器
３              凝縮器
４              蒸発器
９              運転制御手段
５３            入温度検出センサ
５４            冷媒流量検出センサ
５６            出温度検出センサ
７２            冷熱温度検出センサ
【図１】
2010151386.tif 000003
【図２】
2010151386.tif 000004
【図３】
2010151386.tif 000005
【図４】
2010151386.tif 000006