(57)【要約】【課題】  負荷の変動に柔軟に対応可能である、内燃機関を駆動源とする蒸気圧縮式ヒートポンプシステムを提供する。【解決手段】  エンジンを駆動源とする圧縮機１０、凝縮器２０、膨張弁３０、および蒸発器４０がこの順に配置された冷媒サイクルを備える蒸気圧縮式ヒートポンプシステムであって、凝縮器２０と膨張弁３０とを繋ぐ冷媒管に、液体冷媒を貯蔵する第１貯蔵器６０が接続されてなり、蒸発器４０と圧縮機１０とを繋ぐ冷媒管に、ガス冷媒を貯蔵する第２貯蔵器７０が接続されてなる、冷却システムである。【選択図】  図１
2006029614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンを駆動源とする圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器がこの順に配置された冷媒サイクルを備える蒸気圧縮式ヒートポンプシステムであって、
前記凝縮器と前記膨張弁とを繋ぐ冷媒管に、液体冷媒またはガス冷媒を貯蔵する第１貯蔵器が接続されてなり、
前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ冷媒管に、ガス冷媒を貯蔵する第２貯蔵器が接続されてなる、蒸気圧縮式ヒートポンプシステム。
【請求項２】
前記冷媒は二酸化炭素である、請求項１に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプシステム。
【請求項３】
前記第２貯蔵器には、前記冷媒に関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物が配置されてなる、請求項１または２に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプシステム。
【請求項４】
前記蒸発器における吸熱によって室内の気温を低下させる空調システムである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蒸気圧縮式ヒートポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は蒸気圧縮式ヒートポンプシステムに関する。より詳しくは、圧縮機の駆動源が内燃機関（エンジン）である蒸気圧縮式ヒートポンプシステムに関する。本発明のシステムは、冷房や暖房など、冷却または加熱するシステムに適用される。
【背景技術】
【０００２】
空調の冷暖房、冷蔵、冷凍などに用いられるシステムとして、蒸気圧縮式ヒートポンプシステムが知られている。蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器を冷媒が循環するシステムである。圧縮機で圧縮された気体の冷媒は、凝縮器において凝縮して液体になる。液体の冷媒は、膨張弁を通じて蒸発器に搬送され、蒸発器において蒸発する。蒸発時には、蒸発熱として周囲の熱を奪い、結果として周辺環境を冷却する。蒸発した気体の冷媒は、圧縮機に搬送され、再度圧縮される。蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、冷却にも利用できるし、逆に暖房にも利用できることが知られている。
【０００３】
蒸気圧縮式ヒートポンプシステムにおいて、圧縮機の駆動源としては、電気モーターが広く用いられている。例えば、非特許文献１には、冷媒として二酸化炭素を使用する空調システムが紹介されている。しかし、発電設備に関する社会的負担を減らすために、電力需要がピークとなる夏季の日中の電力使用量を減少させることが求められている。
【０００４】
蒸気圧縮式ヒートポンプシステムについて言えば、モーターで駆動する圧縮機の代わりに、ガスエンジンやディーゼルエンジンなどのエンジンで駆動する圧縮機を設置すればよいため、駆動源の非電力化は比較的容易である。このため、エンジンを用いた蒸気圧縮式ヒートポンプシステムの開発が進行し、社会に徐々に浸透しつつある。例えば、エンジンを用いた冷却システムとして、エンジンを圧縮機の動力源として用いる車両用空調装置が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
しかしながら、エンジンは負荷変動に対応しづらく、圧縮機の必要動力が変動すると、エネルギー効率が低下する問題がある。電気を駆動源とする場合には、インバーター制御によってエネルギー効率を向上させる技術が開発されているが、エンジンを駆動源とする場合には、負荷変動に効率的に対応することが困難である。エンジンの回転数を制御することは可能であるが、特に低速回転においてはエネルギー効率が大幅に低下してしまう。このことは、エンジンと電気モーターとを組み合わせたハイブリッド自動車において、エンジンを最適な回転数で制御することによって、燃費が大幅に改善されていることからも理解できる。
【非特許文献１】橋詰  匠「ＣＯ２冷媒を用いた空調システムについて」  建設設備と配管工事  ２００１．３、ｐ６〜１１
【特許文献１】特開２００１−１２１９４６号公報（図５、段落００５０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、負荷の変動に柔軟に対応可能である、エンジンを駆動源とする蒸気圧縮式ヒートポンプシステムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、エンジンを駆動源とする圧縮機、凝縮器、膨張弁、および蒸発器がこの順に配置された冷媒サイクルを備える蒸気圧縮式ヒートポンプシステムであって、前記凝縮器と前記膨張弁とを繋ぐ冷媒管に、液体冷媒またはガス冷媒を貯蔵する第１貯蔵器が接続されてなり、前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ冷媒管に、ガス冷媒を貯蔵する第２貯蔵器が接続されてなる、蒸気圧縮式ヒートポンプシステムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のエンジンを駆動源とする蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、出力変動に柔軟に対応可能である。本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、電力消費に関する使用者の金銭的負担を軽減する。また、本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムが社会に普及することにより、夏場日中の電力供給量に対する社会的負担が軽減される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明について、詳細に説明する。以下の説明は、主として本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムが冷却システムとして用いられる態様について説明するが、本発明の技術的範囲がこのような態様に限定されるわけではない。本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、冷暖房の双方に使用されうるし、冷暖房以外の加熱システムおよび／または冷却システムとしても用いられうる。例えば、本発明が加熱システムとして用いられる場合には、凝縮器における発熱を用いて、対象を加熱すればよい。
【００１０】
また、本願においては、使用される媒体を「冷媒」として記載するが、本発明が暖房や加熱器として用いられる場合には、対象に熱を運搬する熱媒として機能する。ただし、凝縮器における加熱および蒸発器における冷却は表裏一体であるため、本願においては「冷媒」と記載する。
【００１１】
まず、本発明の冷却システムの概念について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の冷却システムの概念図である。図１において、横軸は冷媒のエンタルピーを示し、右側ほど、冷媒のエンタルピーが高い状態であることを示す。縦軸は圧力を示し、上方ほど、冷媒の圧力が高いことを示す。
【００１２】
冷却システムにおいては、エンジンを駆動源とする圧縮機１０、凝縮器２０、膨張弁３０、蒸発器４０がこの順に配置されており、これらは冷媒が搬送される冷媒管５０で接続されている。
【００１３】
ガス状態の冷媒は、圧縮機１０において圧縮され、エンタルピーおよび圧力が共に高い状態になる（状態Ａ）。高圧高温の冷媒は凝縮器２０において凝縮し、液化する（状態Ｂ）。このとき、冷媒の凝縮に伴い、冷媒から外部への放熱が生じる。冷却システムが空調システムである場合には、凝縮器２０は室外に配置され、空気や水などを用いてガス冷媒が冷却される。液化した冷媒は、膨張弁３０において膨張し、蒸発器４０において気化しやすい状態となる（状態Ｃ）。膨張弁３０は、通常、小さな孔を通じて液体冷媒を漏らすことによって、低圧低温の液体冷媒を生成する。低圧低温の液体冷媒は、蒸発器４０において気化し、ガス状態の冷媒となる（状態Ｄ）。このとき、冷媒の蒸発に伴い、外部から冷媒への吸熱が生じる。冷却システムが空調システムである場合、この吸熱によって、雰囲気が冷却される。
【００１４】
本発明においては、圧縮機１０の駆動源はエンジンである。ところが、エンジンのエネルギー効率は、所定の状態で安定運転させたときには良好であるが、出力を変動させた場合には大きく低下する。特に低速回転においては、エネルギー効率が大幅に低下する。
【００１５】
この問題は、第１貯蔵器６０および第２貯蔵器７０を配置することによって解決可能である。第１貯蔵器６０は、凝縮器２０と膨張弁３０とを繋ぐ冷媒管５０に接続される。接続形態としては、例えば、凝縮器２０と膨張弁３０とを繋ぐ冷媒管５０に弁が配置され、必要に応じて第１貯蔵器６０から液体冷媒が出し入れされる。第２貯蔵器７０は、蒸発器４０と圧縮機１０とを繋ぐ冷媒管に接続される。接続形態としては、例えば、蒸発器４０と圧縮機１０とを繋ぐ冷媒管５０に弁が配置され、必要に応じて第２貯蔵器７０からガス冷媒が出し入れされる。
【００１６】
一般的な冷却サイクルにおいては、冷媒は状態Ｂにおいては液化しており、第１貯蔵器６０は液体状態の冷媒を貯蔵する貯蔵器である。ただし、冷媒の種類や圧縮圧力によっては、状態Ｂで完全に液化しないケースもありうる。この場合には、第１貯蔵器６０として、高圧用のガス貯蔵器が用いられても良い。
【００１７】
本発明のように、第１貯蔵器６０および第２貯蔵器７０が配置されていると、圧縮機１０の駆動源であるエンジンを、効率のよい状態で安定運転させることが可能である。この効果について、図面を用いて説明する。図２は、時間と冷却システムに要求される能力との関係を示すグラフである。図３は、第１貯蔵器および第２貯蔵器を有さない冷却システムにおける、時間と圧縮機にかかる負荷との関係を示すグラフである。図４は、第１貯蔵器および第２貯蔵器を有する冷却システムにおける、時間と圧縮機にかかる負荷との関係を示すグラフである。
【００１８】
エアコンを考えてみれば容易に想像できるように、冷却システムに要求される能力は一日を通じて一定ではない。エアコンの場合、外気温が上昇する日中は負荷が大きくなり、外気温が降下する夜間は負荷が小さくなる。このため、冷却システムに要求される能力は、図２に示すように、時間によって変動する。
【００１９】
第１貯蔵器および第２貯蔵器を有さない冷却システムでは、冷却システムに要求される能力の変動に応じて、圧縮機にかかる負荷も変動させる必要がある（図３）。このため、圧縮機の駆動源であるエンジンの運転も、冷却システムに要求される能力の変動に応じて変動させる必要があり、エンジンのエネルギー効率が低下してしまう。
【００２０】
一方、本発明の冷却システムにおいては、ハイブリッド自動車のように、第１貯蔵器および第２貯蔵器によって、エンジンを効率のよい状態で安定運転させることが可能である。基本的にエンジンは効率のよい状態で稼動させる（図４）。必要に応じて、冷却システムに要求される負荷に応じてｏｎ−ｏｆｆを切り替える。冷却システムに要求される負荷よりも圧縮機の能力が高い場合には、図４においてＥで表される部分に相当する液体冷媒を第１貯蔵器において貯蔵する。液体冷媒が第１貯蔵器に貯蔵されることによって、蒸発器を経由して圧縮機に供給される冷媒量は減少するが、この減少分は第２貯蔵器に貯蔵されていたガス冷媒を放出することによって補う。逆に、冷却システムに要求される負荷よりも圧縮機の能力が低い場合、または圧縮機を停止している場合には、第１貯蔵器において貯蔵されていた液体冷媒を放出し、蒸発器において蒸発する冷媒量を増加させる。そして、圧縮機にかかる負荷を一定にするために、第１貯蔵器から放出された冷媒に相当する量の冷媒を、第２貯蔵器に貯蔵する。つまり、エンジンを効率の良い状態で稼動させて、余剰の冷却エネルギー（図４におけるＥ）を貯蔵し、不足分（図４におけるＦ）に充足する。
【００２１】
このような冷却システムによって、冷却システムにかかる負荷が変動する場合であっても、エネルギー効率の高い状態でエンジンを駆動させて、冷却システム全体のエネルギー効率を高めることが可能である。また、本発明の冷却システムにおいては、急速な冷却が可能という利点もある。ある程度の液体を第１貯蔵器に蓄えておき、冷却開始時に蒸発器で気化させるという手法を用いれば、エンジンの起動や安定化に要する時間に関係なく、即時に冷却を開始することが可能である。したがって、使用していなかった部屋を急速に冷却する場合や、人の出入りが激しい部屋を冷却する場合に、本発明のシステムは有効である。本発明が有効に活用される他の例としては、炎天下で駐車された車両の室内を急速に冷却する場合が考えられる。高温に昇温した車室内を冷却する場合、求められる冷却能力が発揮できず、室内が快適になった時には目的地に到達しているということも頻繁に生じるところである。本発明のシステムは、このような負荷の変動にも速やかに追従可能である。
【００２２】
次に、本発明の構成要件について詳細に説明する。
【００２３】
圧縮機１０、凝縮器２０、膨張弁３０、および蒸発器４０からなる冷却システム自体は公知のシステムであり、本発明においては特に限定されない。各装置の種類やサイズなど具体的な装置構成は、現存する冷媒サイクルや冷却サイクルについての既知の技術的事項を参考にして決定されうる。例えば、非特許文献１に記載されている知見が参照されうる。新たに得られた知見が、装置に盛り込まれてもよい。装置構成を決定する際には、使用する冷媒が考慮されることが好ましい。例えば、二酸化炭素を冷媒として用いる場合には、二酸化炭素の臨界点温度が約３１℃／７．３８ＭＰａと低いことを考慮すると、高圧設計の圧縮機や熱交換器を設置することが好ましい。
【００２４】
冷媒は、冷却システムが設置される環境において、冷媒として作用する材料であれば、特に限定されない。冷媒の具体例としては、二酸化炭素、アンモニア、プロパンおよびブタンなどの炭化水素、水、空気、ＨＦＣ、ＨＣＦＣなどが挙げられる。環境への影響を考慮すると、二酸化炭素、アンモニア、炭化水素、水、および空気などの自然系冷媒が好ましく、二酸化炭素がより好ましい。二酸化炭素は、オゾン層破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数は冷媒ＨＦＣの千分の一程度である。また、二酸化炭素は、人体に無害、非可燃性、非腐食性、熱的に安定などの特徴も有する。現状の空調や冷蔵・冷凍システムは、フロン系の冷媒を用いているため、二酸化炭素などの自然冷媒に置き換えられる過渡的な方法として、フロン系の冷媒を同じ考え方でガス貯蔵材に吸着させることも可能である。
【００２５】
第１貯蔵器６０は、液体状態の冷媒を貯蔵可能であれば、その態様については限定されない。使用される冷媒を液体状態で保持しうる各種手段が用いられうる。例えば、冷媒として二酸化炭素が用いられる場合には、液体ＣＯ２ボンベが用いられうる。前述したように、状態Ｂにおける冷媒が気体である場合には、第１貯蔵器６０はガス状態の冷媒を貯蔵可能な装置であることが好ましい。例えば、ガス冷媒を貯蔵可能な高圧ボンベが用いられる。
【００２６】
第１貯蔵器の大きさは、冷却システムのサイズおよび冷却システムに要求される能力の変動度合い、エンジンの稼動状況などに応じて決定するとよい。冷却システムのサイズが大きいと、第１貯蔵器の大きさも大きくなる。冷却システムに要求される能力の変動が大きいと、第１貯蔵器に貯蔵しておく液体冷媒の量が多くなるので、第１貯蔵器の大きさも大きくなる。また、エンジンのｏｎ−ｏｆｆの間隔が長いと、第１貯蔵器に貯蔵しておく液体冷媒の量が多くなる傾向があり、第１貯蔵器の大きさも大きくなる。
【００２７】
凝縮器２０と膨張弁３０とを繋ぐ管と、第１貯蔵器６０との間での、液体冷媒の受け渡しは、例えば、弁を用いて制御することができる。具体的には、弁の前後に圧力センサーを配置して、その差圧を制御することによって、冷媒の流量をコントロールすることができる。より精度よく流量をコントロールするために、液体冷媒用または気体冷媒用のポンプを弁の出側に配置することも可能である。
【００２８】
第２貯蔵器７０は、ガス状態の冷媒を貯蔵可能であれば、その態様については限定されない。第２貯蔵器におけるガス貯蔵を効率的にするには、ガス吸着材が内部に配置された第２貯蔵器を用いることが好ましい。ガス吸着材を収容する容器の構成や材料は、従来公知の技術を用いることができ、特に限定されない。バルブ制御によって、蒸発器４０と圧縮機１０とを繋ぐ管と、第２貯蔵器６０との間での、ガス冷媒の受け渡しを制御できる金属製容器等などが用いられる。また、金属製の薄肉容器の外面に、単位密度当たりの強度に優れる炭素繊維強化プラスチック材を巻き付けたものが用いられてもよい。容器には、第２貯蔵器の内圧を制御するための調整弁を備えておけば、第２貯蔵器からガスを放出させる際に、調整弁を活用することができる。
【００２９】
第２貯蔵器の大きさは、第１貯蔵器と同様、冷却システムのサイズおよび冷却システムに要求される能力の変動度合い、エンジンの稼動状況などに応じて決定するとよい。冷却システムのサイズが大きいと、第２貯蔵器の大きさも大きくなる。冷却システムに要求される能力の変動が大きいと、第２貯蔵器に貯蔵しておくガス冷媒の量が多くなるので、第２貯蔵器の大きさも大きくなる。また、エンジンのｏｎ−ｏｆｆの間隔が長いと、第２貯蔵器に貯蔵しておくガス冷媒の量が多くなる傾向があり、第２貯蔵器の大きさも大きくなる。
【００３０】
ガス吸着材の収容方法は、耐圧容器中への充填等の公知手法を用いることができ、特に限定されるものではない。ガス吸着材の収容量は、第２貯蔵器に求めるガス貯蔵能力に応じて決定すればよい。耐圧容器の形状や材質は、特に限定されるものではない。本発明を用いる場合、より低圧で、従来と同じ貯蔵量を確保することが可能であるため、特別な耐圧構造を設けずともよい。この点で、コスト的に優位性があると言える。
【００３１】
ガス吸着材が粉末状である場合には、第２貯蔵器を構成する容器に収容しようとすると、うまく充填できない虞がある。形状自由度の高いタンクを用いる場合には、特にこの問題が顕著となる虞がある。この場合には、粉体を錠剤形状にして収容してもよい。錠剤形状の物を用いる場合には、取扱性に優れ、老朽化した化合物を交換する際等に非常に便利である。
【００３２】
ガス吸着材の種類は、特に限定されないが、第２貯蔵器の占有体積を小さくし、冷却システム全体の小型化を図るためには、単位体積あたりのガス貯蔵量が高いガス吸着材を用いることが好ましい。ガス吸着材としては、活性炭やゼオライトなどが知られているが、好ましくは、冷媒に関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物が用いられる。ヒステリシスループを示す化合物については、１気圧２０℃の下での二酸化炭素１ｇの体積が３．１ｃｍ３という非常に高いガス吸着性が確認されており、ガス吸着材として有用である。ちなみに、１気圧２０℃の下での二酸化炭素１ｇの体積を例示すると、気体のＣＯ２ガスは５２０ｃｍ３であり、液化炭酸は１ｃｍ３である。
【００３３】
続いて、ガス冷媒に関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物について、説明する。ガス冷媒に関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す化合物は、図５に示すように、吸着時のガス圧力−ガス吸着量カーブと、脱着時のガス圧力−ガス吸着量カーブとが異なる材料である。
【００３４】
図５は、ヒステリシスループを示すガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。図６は、一般のガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。図中、横軸はガス圧力を示し、縦軸は吸着材の単位質量あたりのガス吸着量を示す。なお、ガス圧力−ガス吸着量カーブは、本願において吸脱着等温線とも呼ばれる。
【００３５】
従来のガス吸着材においては、ガス圧力の増加に従ってガス吸着量も増加し、吸着の際の圧力−吸着量カーブと、脱着の際の圧力−吸着量カーブとは一致する（図６）。
【００３６】
ヒステリシスループを示すガス吸着材においては、吸脱着等温線が全く異なる（図５）。ガス圧力がＰ２になると吸着が始まり、Ｐ１でガス吸着量はＡ１まで急激に増加する。これを減圧するとＰ３で脱着が始まり、Ｐ４でガス吸着量はＡ２まで減少する。ガス吸着材料を選択することによって、この吸脱着性能であるＰ１〜Ｐ４を任意に選ぶことができる。本システムの場合には、冷媒が膨張弁３０を経て蒸発器４０を出てからガス状態で貯蔵されるので、ガス吸着圧Ｐ１は蒸発器４０の圧力より低いことが好ましい。冷媒の種類やヒートサイクルの関係で適切な吸着材がない場合には、第２貯蔵器７０の前に小さなガス圧縮機を設置し、適切な圧力にガス圧を調整すればよい。
【００３７】
なお、図５に示したヒステリシスループはヒステリシスループの一例であり、ヒステリシスループの形状は、図示した形状に限定されるわけではない。吸着の際の圧力−吸着量カーブと脱着の際の圧力−吸着量カーブとが異なり、効率的なガス吸脱着が行えれば、ヒステリシスループの形状は特に限定されない。
【００３８】
ガス脱着圧Ｐ４とガス吸着圧Ｐ１との差圧Ｐ１−Ｐ４は小さい方が好ましい。従来のガス吸着材の場合は、図６に示すように、ガス吸着量をＡ１からＡ３に脱着するためには、ガス圧力をＰ１からＰ５まで減圧する必要がある。この圧力差Ｐ１−Ｐ５に比べて、図５のＰ１−Ｐ４は小さいので、吸脱着を効果的に生じさせうる。このような理由により、吸脱着の効率化のためには、吸着と脱着との差圧が小さいことが好ましい。
【００３９】
本発明に用いられる、ガス吸着材の吸着特性、組成および構造について説明する。
【００４０】
本発明で用いられるガス吸着材は、ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す材料が好ましい。ヒステリシスループを示す材料は、少なくともガス冷媒に関してヒステリシスループを発現すればよく、全てのガスに対してヒステリシスループを示さずともよい。
【００４１】
ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す材料としては、例えば、下記化学式１で表される高分子錯体が挙げられる。
【００４２】
【化１】
2006029614.tif 000003
【００４３】
化学式１において、Ｘは２価の遷移金属イオン、Ｙは陰イオン、Ｌは２個の配位部位を有する有機配位子を示す。ａはＬが帯電しておらずＹが１価の陰イオンである場合には２、Ｌが帯電しておらずＹが２価の陰イオンである場合は１、Ｌが１価に帯電している場合には０であり、ｍは０又は０．５以上８以下である。
【００４４】
化学式１で表される化合物は、以下の化合物を原料として製造されうる。
【００４５】
原料の１つは、金属塩であり、ＸＹａで表される化合物である。Ｘとしては、２価の遷移金属イオン、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のイオン等が挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、好ましくは、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のイオンであり、さらに好ましくは、ニッケル、銅のイオンである。
【００４６】
Ｙは１価又は２価の陰イオンであり、１価の陰イオンとしては、例えば、Ｃｌ−、Ｂｒ−、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＯ２−等の強酸の酸イオンが挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＯ２−、さらに好ましくは、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−が挙げられる。２価の陰イオンとしては、ＳｉＦ６２−、ＧｅＦ６２−、ＳｂＦ６２−、ＳＯ４２−等が挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、ＳｉＦ６２−、ＳＯ４２−が好ましい。
【００４７】
他の原料としては、有機配位子Ｌが用いられる。Ｌは、分子内の比較的離れた位置に２個の配位部位を有する配位子である。すなわち、４，４’−ビピリジル及び分子の両末端に４−ピリジル基を１個ずつ有するＡ−Ｂ−Ａ（Ａ＝４−ピリジル基）型の配位子である。Ｂとしては、−ＣＨ２−、−ＣＨ＝ＣＨ−（シス又はトランス）、−ＣＯ−ＮＨ−、１，４−フェニレン又は置換フェニレン、１，３−フェニレン又は置換フェニレン、２，５−チオフェニル又はその置換体、２，７−フルオレニル又はその置換体および１，４−ジエチニルベンゼン等が挙げられる。比較的安価に入手可能な点で、４，４’−ビピリジル、１，４−ビス（４−ピリジル）ベンゼン、１，４−ビス（４−ピリジル）チオフェンおよび１，４−ビス（４−ピリジル）アセチレンが好ましく、汎用品として入手容易と言う点で４，４’−ビピリジルが好ましい。
【００４８】
高分子錯体は極性を有する物質であるため、水やアルコールやエーテル等を包摂する可能性がある。包摂される水分子の数を表すｍは０．５〜８まで様々で、錯体が保存される環境に応じて可逆的に変化する。また、これらは高分子錯体に弱く結合しているだけであり、減圧乾燥等の処理によって除かれ、ｍが０となる場合もあり、その場合には、化学式２で示されるような水などを含まない錯体に変化する場合がある。
【００４９】
【化２】
2006029614.tif 000004
【００５０】
化学式２において、Ｘは２価の遷移金属イオン、Ｙは陰イオン、Ｌは２個の配位部位を有する有機配位子を示す。ａはＬが帯電しておらずＹが１価の陰イオンである場合には２、Ｌが帯電しておらずＹが２価の陰イオンである場合は１、Ｌが１価に帯電している場合には０となる。
【００５１】
しかし、化学式２で表される錯体は吸湿することで、化学式１で表される錯体に戻る。そのため、化学式２で表されるような錯体であっても、本質的には本発明で使用される高分子錯体と同一物と見なすことができる。
【００５２】
ガスに関する吸脱着等温線がヒステリシスループを示す他の材料としては、下記化学式３で表される高分子錯体が挙げられる。
【００５３】
【化３】
2006029614.tif 000005
【００５４】
化学式３において、Ｘは２価の遷移金属イオン、Ｃは芳香族カルボン酸系配位子、Ｌ’は２個の配位部位を有する非カルボン酸型配位子を示す。
【００５５】
化学式３で表される化合物は、以下の化合物を原料として製造されうる。
【００５６】
原料の１つは、遷移金属イオンＸを含む金属塩である。Ｘは２価の遷移金属イオン、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のイオン等が挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、好ましくは、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛のイオンであり、さらに好ましくは、ニッケル、銅のイオンである。
【００５７】
Ｘの対イオンとしては１価又は２価の陰イオンが例示でき、例えば、Ｃｌ−、Ｂｒ−、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＯ２−、ＣＨ３ＣＯ２−、ＮＯ３−、ＳｉＦ６２−、ＧｅＦ６２−、ＳＯ４２−等のイオンが挙げられる。錯体の作り易さと言う点で、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＯ２−、ＣＨ３ＣＯ２−、ＮＯ３−、ＳｉＦ６２−、ＧｅＦ６２−、ＳＯ４２−であり、さらに好ましくは、ＢＦ４−、ＰＦ６−、ＣＦ３ＳＯ３−、ＣＦ３ＣＯ２−、ＣＨ３ＣＯ２−、ＮＯ３−が挙げられる。これらの対イオンは、単一のものを使用してもよいし、混合使用してもかまわない。例えば、金属塩として銅塩を用いる場合、Ｃｕ（ＢＦ４）２を単独で使用してもよいし、Ｃｕ（ＢＦ４）２とＣｕ（ＯＡｃ）２を混合使用してもかまわない。混合比は任意でよい。
【００５８】
Ｃは、芳香族カルボン酸系配位子である。芳香族カルボン酸系配位子とは、芳香族にカルボキシル基が１個以上置換した化合物を指す。
【００５９】
カルボキシル基が１個置換した配位子の例としては、安息香酸や４−カルボキシビフェニルのようにカルボキシル基以外の官能基を含まないもの又はカルボキシル基以外の官能基を含む、２−ヒドロキシ安息香酸、３−ヒドロキシ安息香酸、４−ヒドロキシ安息香酸、２，４−ジヒドロキシ安息香酸、２，５−ジヒドロキシ安息香酸、３，５−ジヒドロキシ安息香酸、２−アミノ安息香酸、３−アミノ安息香酸、４−アミノ安息香酸、２，４−ジアミノ安息香酸、２，５−ジアミノ安息香酸、３，５−ジアミノ安息香酸、２−メトキシ安息香酸、３−メトキシ安息香酸、４−メトキシ安息香酸、２，４−ジメトキシ安息香酸、２，５−ジメトキシ安息香酸、３，５−ジメトキシ安息香酸、４−アセトキシ安息香酸、２，４−ジアセトキシ安息香酸、２，５−ジアセトキシ安息香酸、４−アセチル安息香酸、２，４−ジアセチル安息香酸、２，５−ジアセチル安息香酸等を広く例示できる。
【００６０】
また、カルボキシル基を２個以上含む配位子の例としては、テレフタル酸、１，３，５−ベンゼントリカルボン酸、ピロメリット酸、４，４’−ビフェニルジカルボン酸、２，５−ジメチルテレフタル酸等を例示できる。これらのカルボン酸系配位子は、配位の際には、カルボキシル基の一つが電離し、カルボン酸陰イオンとして配位している。化合物が比較的安価に入手でき、化合物の安定性が高い点で、ヒドロキシ基又はメトキシ基が置換した安息香酸、無置換の安息香酸、テレフタル酸、４，４’−ビフェニルジカルボン酸が好ましい。
【００６１】
他の原料としては、非カルボン酸型配位子Ｌ’である。Ｌ’は、分子内の比較的離れた位置に、カルボキシル基ではない２個の配位部位を有する配位子である。すなわち、４，４’−ビピリジル又は分子の両末端に４−ピリジル基を１個ずつ有するＡ−Ｂ−Ａ（Ａ＝４−ピリジル基）型の配位子である。Ｂは、−ＣＨ２−、−ＣＨ＝ＣＨ−（シス又はトランス）、−ＣＯ−ＮＨ−、１，４−フェニレン又は置換フェニレン、１，３−フェニレン又は置換フェニレン、２，５−チオフェニル又はその置換体、２，７−フルオレニル又はその置換体、１，４−ジエチニルベンゼン等が挙げられる。比較的安価に入手可能な点で、４，４’−ビピリジル、１，４−ビス（４−ピリジル）ベンゼン、１，４−ビス（４−ピリジル）チオフェン、１，４−ビス（４−ピリジル）アセチレン、が好ましく、汎用品として入手容易と言う点で、４，４’−ビピリジルが好ましい。
【００６２】
［ＸＡ２Ｌ’２］ｎ型高分子錯体の立体構造の例としては、線形の主鎖が集合した態様や格子状構造が考えられるが、いずれでもかまわない。
【００６３】
化学式１で表される高分子錯体と同様、高分子錯体は、極性を有する物質であるため、水やアルコールやエーテル等の有機分子に触れると、水や有機溶媒を含有し、場合によっては金属イオンと配位子の間に水や有機溶媒の挿入を受け、例えば、化学式４で示されるような複合錯体に変化する場合がある。
【００６４】
【化４】
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【００６５】
化学式４において、Ｘは２価の遷移金属イオン、Ｄは安息香酸系配位子、Ｌ’は２個の配位部位を有する非カルボン酸型配位子を示す。Ｚは水、アルコール、エーテル等の低分子を示し、ｍは０．５以上８以下である。
【００６６】
しかし、これらの複合錯体中の水やアルコール、エーテル等の有機分子は高分子錯体に弱く結合しているだけであり、減圧乾燥等の処理によって除かれ、化学式３で表される錯体に戻る。そのため、化学式４で表されるような錯体であっても、本質的には本発明で使用される高分子錯体と同一物と見なすことができる。
【００６７】
化学式１〜４の高分子金属錯体は、化学式１〜４で表される単位構造が繰り返された構造を有する高分子体である。化学式１〜４においてｎは、一般的な高分子化合物の表記の場合と同様、化学式１〜４の単位構造が繰り返されることを示しているに過ぎず、ｎの範囲については特に限定されない。高分子化合物の分子量についても、特に限定されない。例えば、化学式１〜４の高分子金属錯体は、１０００以上の数平均分子量を有する。
【００６８】
化学式１〜４で表されるガス吸着材は、貯蔵させるガスや吸着時に必要となる圧力に応じて選択すればよい。特に制限されるものではないが、具体例としては、［Ｃｕ（ＢＦ４）２（ｂｐｙ）２］ｎ（式中、ｂｐｙは４，４’−ビピリジルを表す）、［Ｎｉ（ＢＦ４）２（ｂｐ１ｐ）２］ｎ（式中、ｂｐ１ｐは１，４−ビス（４−ピリジル）ベンゼンを表す）、［Ｃｕ（ＣＦ３ＳＯ３）２（ｂｐｙ）２］ｎが挙げられる。
【００６９】
高分子金属錯体は、原料となる金属塩と配位子とを溶媒中で混合することで得られる。この際、金属塩の溶媒としては、非水系溶媒を使用することが好ましい。溶媒として水系溶媒を使用すると、含水型の錯体が生成する虞がある（Ｋｉｔａｇａｗａ，Ｓ．，Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，Ｄａｌｔｏｎ  Ｔｒａｎｓ．，（１９９９）１５６９参照）。金属塩や有機配位子を溶解させる溶媒中に水が混合していると、含水型の錯体が生じる虞があるが、合計５モル％程度以下の水の混入であれば、目的とする化合物の収率は低下しづらい。高分子金属錯体の製造方法に際しては、特開２００４−７４０２５号公報などの公知文献が参照されてもよい。
【００７０】
本発明の蒸気圧縮式ヒートポンプシステムは、加熱および／または冷却を必要とする様々な用途に適用されうる。例えば、室内を加熱および／または冷却するための空調システム、車両の冷暖房システムなどが挙げられる。蒸発器における吸熱を利用して、液体が加熱および／または冷却されてもよい。
【実施例】
【００７１】
６畳間が３部屋ある家庭の空調システムとして用いられるケースを想定して、必要となる第２貯蔵器および第１貯蔵器の大きさを試算した。冷媒は二酸化炭素を想定した。貯蔵器の大きさは、圧縮機を作動させずに１時間空調システムを作動させるために必要な大きさとして求めた。
【００７２】
冷却される部屋の広さは、６（畳）×３（部屋）≒１０（ｍ２）×３＝３０（ｍ２）である。家庭における冷房負荷が１（ｍ２）あたり１００（ｋｃａｌ／ｈｒ）と見積もると、１時間に必要とされる冷房負荷は、１００（ｋｃａｌ／ｈｒ・ｍ２）×３０（ｍ２）＝３０００（ｋｃａｌ／ｈｒ）である。モリエル線図より、二酸化炭素のエンタルピー差は（７４０−５５０）×０．２３９＝４５．４（ｋｃａｌ／ｋｇ）である。したがって、１時間冷却するための二酸化炭素貯蔵量は、３０００（ｋｃａｌ）／４５．４（ｋｃａｌ／ｋｇ）＝６６（ｋｇ）である。
【００７３】
ガス貯蔵装置には、ガス吸着材として１気圧２０℃の下での二酸化炭素１ｇの体積が３．１ｃｍ３である高分子金属錯体が配置されているとすると、必要となるガス貯蔵装置の大きさは１９８リットルである。これは、１ｍ×１ｍ×２０ｃｍ程度の容器に相当する。この程度のサイズであれば、床下や天井に配置することは容易である。
【００７４】
液体貯蔵装置の大きさは、二酸化炭素の比重が１．０３ｇ／ｃｍ３であることを考慮すると、６６リットルである。これは、直径２４ｃｍ×高さ１ｍ程度のボンベに相当する。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の冷却サイクルの概念図である。横軸は冷媒のエンタルピーを示し、右側ほど、冷媒のエンタルピーが高い状態であることを示す。縦軸は圧力を示し、上方ほど、冷媒の圧力が高いことを示す。
【図２】時間と冷却システムに要求される能力との関係を示すグラフである。
【図３】第１貯蔵器および第２貯蔵器を有さない冷却システムにおける、時間と圧縮機にかかる負荷との関係を示すグラフである。
【図４】第１貯蔵器および第２貯蔵器を有する冷却システムにおける、時間と圧縮機にかかる負荷との関係を示すグラフである。
【図５】ヒステリシスループを示すガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。
【図６】一般のガス吸着材における、ガス圧力とガス吸着量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７６】
１０…圧縮機、２０…凝縮器、３０…膨張弁、４０…蒸発器、５０…管、６０…第１貯蔵器、７０…第２貯蔵器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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