(57)【要約】【課題】  排熱などの温熱源を別途必要とせずに自立運転ができ、エネルギー効率に優れた吸着式ヒートポンプを提供することである。【解決手段】  ２つの吸着塔と、凝縮器と、蒸発器と、これらの機器間を冷媒が循環する流路とを備え、この２つの吸着塔が交互に吸着器および再生器として用いられ、吸着塔からの脱着蒸気を凝縮器で凝縮し、この凝縮水を蒸発器で蒸発させ、蒸発器内に設けた流通管を通過する流体と熱交換させるようにした吸着式ヒートポンプにおいて、前記脱着蒸気が通過する流路の、前記吸着塔１、２と、吸着塔１、２に脱着蒸気の流路管３ａ、４ａをそれぞれ設けて凝縮器として機能させる熱交換ライン３、４との間に蒸気圧縮機８を配設し、生成した過熱蒸気の顕熱と凝縮潜熱とを脱着用温熱源として用いるようにしたのである。それにより、排熱などを利用せずに前記ヒートポンプを自立運転することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの吸着塔と、凝縮器と、蒸発器と、これらの機器間を冷媒が循環する流路とを備え、前記一方の吸着塔が冷熱源により冷却されて蒸発器からの冷媒の蒸気を吸着し、他方の吸着塔が加熱源により加熱されて、前に吸着されていた冷媒の蒸気を脱着して吸着塔内の吸着材を再生し、この２つの吸着塔が交互に吸着器および再生器として用いられ、再生中の吸着塔からの冷媒の脱着蒸気を凝縮器で凝縮し、この凝縮水を蒸発器に供給して蒸発させ、この蒸発器内に設けた流通管を通過する流体と熱交換させるようにした吸着式ヒートポンプにおいて、前記脱着蒸気が通過する流路の、前記吸着塔と凝縮器との間に蒸気圧縮機を配設し、前記凝縮器を、前記吸着塔の内部に前記脱着蒸気の流路をそれぞれ設けて形成し、この脱着蒸気の凝縮潜熱を前記温熱源として用いることを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
【請求項２】
前記凝縮器と前記蒸発器との間に、絞り弁と膨張後に発生した蒸気を凝縮水から分離するフラッシュタンクとを設けた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。
【請求項３】
前記凝縮器と前記蒸発器との間に、前記凝縮器からの凝縮水を冷却する熱交換器を設けた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。
【請求項４】
前記凝縮器と前記フラッシュタンクとの間に、前記凝縮器からの凝縮水を冷却する熱交換器を設けたことを特徴とする請求項２に記載の吸着式ヒートポンプ。
【請求項５】
前記冷媒が水であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の吸着式ヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、吸着材の再生に排熱を必要としない吸着式ヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
吸着式ヒートポンプは、シリカゲルや活性炭などの固体吸着材への、水やアルコールなどの作動媒体（冷媒）の吸着および脱着現象に付随して起こる相変化を利用して、熱の汲み上げを行なう装置である。図５は、この吸着式ヒートポンプを吸着式冷凍機として使用する例を示したもので、シリカゲルなどの固体吸着材Ａを充填した２つの吸着塔２１、２２と、凝縮器２３と、蒸発器２４とを備え、前記吸着塔２１、２２は、冷媒蒸気、即ち、水を冷媒に用いた場合の水蒸気を吸着する吸着器と、吸着した水分（水蒸気）を脱着する再生器とに一定運転時間毎に交互に切り替えて使用される。いま、図５に示したように、吸着塔２１が吸着器として使用され、吸着塔２２が再生器として使用されている場合、再生器側の吸着塔２２の熱交換器２５内を流れる温水が固体吸着材Ａを加熱して前に吸着されていた水分を脱着し、この脱着水蒸気の圧力でダンパー２６が開となり、脱着水蒸気が吸着塔２２に連通状態となった凝縮器２３に移動する。そして、冷却水が通過する熱交換用パイプ２３ａにより冷却されて凝縮し、凝縮水配管２７を介して蒸発器２４に移動する。この凝縮水は、真空状態に減圧された蒸発器２４中の冷水が通過する熱交換用パイプ２４ａに降りかかると、蒸発し、このときの気化熱で流通管２４ａ内の冷水は抜熱されて急速に温度が低下する。一方、水の蒸気圧でダンパー２６ａが開き、水蒸気は、冷却塔などから供給される冷却水が流れる吸着器２１側の吸着熱を除去するための熱交換器２５ａで固体吸着材Ａに吸着される。以下、このサイクルが繰り返される。このようにして、蒸発器２４内を通過する熱交換用パイプ２４ａから、その内部で急速に温度降下した冷水を外部へ供給することができる。
【０００３】
前述のように、吸着式ヒートポンプでは、吸着材の再生に温熱源が必要である。この温熱源からの熱量を再生器側の吸着塔に供給する方法として、従来から、ガスタービンコージェネレーション、またはガスエンジン等から発生する排熱をジャケット水、または温水ボイラで回収し、その温水を再生熱源として用いる方法などが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６６６５６号公報（［００１３］〜［００２４］）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、前記吸着式ヒートポンプでは、１００℃以下の温熱源のみでの駆動が可能であり、また、冷媒として水を使用しても、従来の圧縮式ヒートポンプのようにコンプレッサーの大型化、高圧縮比化などの設備上のデメリット伴わずに済むなどの特徴を有するものの、前述のように、固体吸着材の再生工程で使用する、排熱などの温熱源を別途確保する必要がある。温熱源として排熱を利用する場合には温水ボイラ等の設備を別途配設する必要があり、設備上煩雑となる。また、現状では、吸着式ヒートポンプはエネルギー効率が低いという問題もある。
【０００６】
そこで、この発明の課題は、排熱などの温熱源を別途必要とせずに自立運転ができ、エネルギー効率に優れた吸着式ヒートポンプを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の課題を解決するために、この発明では以下の構成を採用したのである。
【０００８】
即ち、２つの吸着塔と、凝縮器と、蒸発器と、これらの機器間を冷媒が循環する流路とを備え、前記一方の吸着塔が冷熱源により冷却されて蒸発器からの冷媒の蒸気を吸着し、他方の吸着塔が加熱源により加熱されて、前に吸着されていた冷媒の蒸気を脱着して吸着塔内の吸着材を再生し、この２つの吸着塔が交互に吸着器および再生器として用いられ、再生中の吸着塔からの冷媒の脱着蒸気を凝縮器で凝縮し、この凝縮水を蒸発器に供給して蒸発させ、この蒸発器内に設けた流通管を通過する流体と熱交換させるようにした吸着式ヒートポンプにおいて、前記吸着塔の出側の脱着蒸気が通過する流路に蒸気圧縮機を配設し、この蒸気圧縮機により脱着蒸気を圧縮して過熱蒸気を生成させ、前記吸着塔に前記過熱蒸気の流路をそれぞれ設けて凝縮器を形成し、この過熱蒸気の凝縮により発生した熱を前記加熱源として用いるようにしたのである。
【０００９】
このように、脱着蒸気を圧縮することにより、温度が飛躍的に上昇した過熱蒸気とすることができ、この過熱蒸気を吸着塔内に設けた前記流路内に通過させ、顕熱および昇圧した圧力に相当する飽和温度において凝縮潜熱を放出させることにより加熱源、即ち温熱源が得られ、吸着材を加熱することができる。それにより、排熱を利用しなくても、吸着材に吸着された冷媒の蒸気を脱着し、吸着塔を再生することができる。
【００１０】
また、前記過熱蒸気は高温であり、放出する顕熱および凝縮潜熱により脱着能力に優れるため蓄熱密度の増大化が可能で、冷熱または昇温能力を上昇させることができる。それにより、エネルギー効率も上昇する。
【００１１】
前記凝縮器と前記蒸発器との間に、絞り弁と膨張後に発生した蒸気を凝縮水から分離するフラッシュタンクとを設けることが望ましい。
【００１２】
このようにすれば、絞り弁により凝縮水の温度および圧力を低下させることができ、絞り弁の出側での膨張後に発生した蒸気が蒸発器に流入しないため、蒸発器での熱交換効率の低下を防止することができる。
【００１３】
前記凝縮器と前記蒸発器との間に、前記凝縮器からの凝縮水を冷却する熱交換器を設けることが望ましい。
【００１４】
吸着器が再生初期過程にある場合、蒸気圧縮機（メカニカルブースタ）により圧縮された過熱蒸気は、凝縮器出口ではほぼ凝縮水となるが、再生が進むにつれて次第に凝縮後の水蒸気の乾き度が大きくなり、蒸発器での冷熱取り出し量が低下するという問題が生じることになる。上記のように、凝縮器と蒸発器との間に、冷却水を通水できる熱交換器を設けることにより、凝縮後の水蒸気の乾き度の上昇を抑制でき、上記問題を回避することができる。
【００１５】
前記凝縮器と前記フラッシュタンクとの間に、前記凝縮器からの凝縮水を冷却する熱交換器を設けることもできる。
【００１６】
上記熱交換器を設けることにより、前述のように、凝縮後の水蒸気の乾き度の上昇を抑制でき、上記問題を回避することができる。この熱交換器として、絞り弁の作用と熱交換器の作用を併せ持ったキャピラリーチューブを設置することもできる。
【００１７】
前記冷媒として水を用いることができる。
【００１８】
従来の圧縮式冷凍機では、冷媒として水を使用するためには、作動圧力が低いことによる大流量化や高圧縮比化などによるコンプレッサーの大型化を伴うが、前記吸着式ヒートポンプではそのような装置の大型化を伴わずに、水を冷媒として用いることができ、冷媒の廃棄に特別の処理を要せず、環境に対する負荷が発生しない。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、この発明によれば、排熱を利用しなくても冷媒の循環流路に蒸気圧縮機を設けるだけで脱着蒸気を過熱蒸気とし、その凝縮により温熱源が得られ、この温熱源により冷媒蒸気を脱着して吸着塔を再生することができる。それにより、排熱を利用するための温水ボイラ等を別途配設する必要がなく、設備上の煩雑さを解消できる。また、自立運転ができるため、設置環境に関係なく吸着式ヒートポンプを駆動することができる。
【００２０】
さらに、前記脱着蒸気の圧縮により得られる過熱蒸気は高温であるため、昇圧した圧力に相当する飽和温度で凝縮潜熱を放出でき、また、脱着能力に優れるため、吸着スイング幅を大きくして冷熱または昇温能力を上昇させることができ、エネルギー効率も上昇する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、この発明の実施形態を添付の図１から図４に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、実施形態の吸着式ヒートポンプの構成を示したもので、この吸着式ヒートポンプは、シリカゲルなどの固体の吸着材Ａが充填された２つの吸着塔１、２と、この吸着塔１、２に冷媒の脱着蒸気の流路、即ち流通管３ａ、４ａをそれぞれ設けて形成された、冷媒蒸気を凝縮する凝縮器として機能する熱交換ライン３、４と、熱交換用パイプ５ａを設けた、冷水貯水槽を兼ねる蒸発器５と、これらの機器間を冷媒が循環する流路ＰＬ１〜ＰＬ６とを備え、この流路ＰＬ１〜ＰＬ６には、冷媒の流れを切り替えるバルブＶ１〜Ｖ８が設けられている。吸着塔１、２には、熱交換ライン３、４の、一例として対向する側に、冷却塔などから供給される冷却水の流通管からなる熱交換ライン６、７が設けられ、この熱交換ライン６、７に供給される冷却水が、吸着塔１、２のそれぞれの冷熱源となる。
【００２３】
前記吸着塔１、２と熱交換ライン３、４との間には、冷媒の脱着蒸気を圧縮して過熱蒸気を生成させる蒸気圧縮機８（メカニカルブースター）が設けられている。この過熱蒸気が、バルブＶ４とＶ８、およびバルブＶ３とＶ７をそれぞれ切り替えることにより、熱交換ライン３または４に供給されたときに、吸着塔１または２の加熱源、即ち温熱源となる。また、熱交換ライン３、４と蒸発器５との間には、バルブＶ２とＶ６とをそれぞれ介して、脱着蒸気と凝縮水とを分離するフラッシュタンク９が設けられ、その入側には絞り弁１０が、側方上部には蒸気を逃がすバルブＶ９がそれぞれ設けられている。
【００２４】
前記吸着塔１および２は、前記バルブの切り替えにより、一方の吸着塔が冷媒蒸気を吸着する吸着器として用いられるときに、他方の吸着塔が前に吸着されていた冷媒蒸気を脱着する再生器として用いられる。いま、吸着塔１が吸着器として、吸着塔２が再生器として用いられる場合の、即ち、吸着塔１が吸着工程にあり、吸着塔２が再生工程にある場合の前記吸着式ヒートポンプの動作について説明する。なお、図１で、バルブＶ１、Ｖ６〜Ｖ８は開状態で、塗りつぶしたバルブＶ２〜Ｖ５は閉状態を示す。
【００２５】
前記蒸発器５内に配設された、冷水が通過する熱交換用パイプ５ａに、冷媒の水が接触すると、吸着式ヒートポンプの内部は真空状態に減圧されているため、この水は蒸発する。この蒸発した水蒸気は、開放されたバルブＶ１を介して吸着塔１に達し、固体の吸着材Ａ（例えば、シリカゲル、吸着密度０．０５ｋｇ／ｋｇ、吸着塔１基あたりの充填量２６ｋｇ）に吸着される。このときに発生する吸着熱は、冷熱源である、熱交換器６内を通過する冷却水（例えば、入側温度２９℃、出側温度３３℃）によって除去され、吸着材の温度上昇が抑制される。蒸発器５内での水の気化熱により、熱交換用パイプ５ａ内の冷水は急速に抜熱され、その温度がさらに低下する。
【００２６】
一方、前記吸着塔２では再生工程にあり、前に吸着されていた水蒸気が固体吸着材Ａから脱着し、この脱着水蒸気（例えば、温度４０℃、圧力１．０ｋＰａ）が、流路ＰＬ４、バルブＶ８、流路ＰＬ１を介して蒸気圧縮機８に達し、圧縮されて高温の過熱蒸気（例えば、圧縮比１０．０、温度３００℃、圧力１０．０ｋＰａ）となる。この過熱蒸気は、流路ＰＬ２、バルブＶ７を経て、熱交換ライン４内で凝縮し、この凝縮潜熱および過熱状態から飽和状態に温度降下する際の顕熱が加熱源となって、吸着材Ａの脱着が促進される。この凝縮水（例えば、温度４５℃、圧力１０．０ｋＰａ）は、バルブＶ６および流路ＰＬ５を経て、絞り弁Ｖ１０での絞りにより、温度および圧力を低下し（例えば、７℃、１．０ＫＰａ）、少量の乾き飽和蒸気（例えば、乾き度０．００６４）と凝縮水とからなる混合相となる。そして、フラッシュタンク９内で、水蒸気と凝縮水に分離され、水蒸気はバルブＶ９を経て系外に放出され、凝縮水は流路ＰＬ６を経て蒸発器５に戻され、温度５〜８℃、圧力０．８〜１ｋＰａの水が蒸発器５に貯槽される。
【００２７】
図２は、吸着塔１、２の運転状態を切り替えて、吸着塔１が再生工程に、吸着塔２が吸着工程にある場合を示したものである。なお、図２で、バルブＶ２〜Ｖ５は開状態、塗りつぶしたバルブＶ１、Ｖ６〜Ｖ８は閉状態を示す。
【００２８】
蒸発器５でフラッシュタンク９から流入した凝縮水が、冷水が通過する熱交換用パイプ５ａに接触して蒸発した冷媒水蒸気は、開放されたバルブＶ５を介して吸着塔２に達し、固体吸着材Ａに吸着される。このときに発生する吸着熱は、冷熱源である、熱交換器７内を通過する冷却水によって除去され、吸着材の温度上昇が抑制される。前記冷媒の蒸発の際の気化熱により、熱交換用パイプ５ａ内の冷水は急速に抜熱され、その温度がさらに低下する。
【００２９】
一方、吸着塔１では、固体吸着材Ａからの脱着水蒸気が、流路ＰＬ３、バルブＶ４、流路ＰＬ１を介して蒸気圧縮機８に達し、圧縮されて高温の過熱蒸気となる。この過熱蒸気は、流路ＰＬ２、バルブＶ３を経て、熱交換ライン３内で凝縮し、この凝縮潜熱および過熱状態から飽和状態に温度降下する際の顕熱が加熱源となって、脱着が促進される。この凝縮水は、バルブＶ２および流路ＰＬ５を経て、絞り弁Ｖ１０での絞りにより、温度および圧力が低下し、少量の乾き飽和蒸気と凝縮水とからなる混合相となる。そして、フラッシュタンク９内で、水蒸気と凝縮水に分離され、水蒸気はバルブＶ９を経て系外に放出され、凝縮水は流路ＰＬ３を経て蒸発器５に戻される。
【００３０】
このように、前記吸着式ヒートポンプでは、脱着水蒸気など、冷媒の脱着蒸気が通過する流路に蒸気圧縮機８を配設し、この脱着蒸気を圧縮して過熱蒸気とし、この過熱蒸気を熱交換ライン３または４を通過させて凝縮してその凝縮潜熱と過熱蒸気が有する顕熱を回収するようにしたので、吸着材Ａの脱着用に加熱源（温熱源）を別個に必要としない。それにより、排熱などの温熱源を利用しなくても吸着式ヒートポンプの運転が可能であり、温水ボイラ等を別途配設する必要がなく、設備上の煩雑さを解消できる。また、設置環境に関係なく、吸着式ヒートポンプを自立運転することができる。さらに、前記蒸気圧縮機８により、高温の過熱蒸気が得られ、この過熱蒸気は高温であり、顕熱と凝縮潜熱とを有し、脱着能力に優れるため蓄熱密度の増大化が可能で、冷熱または昇温能力を上昇させることがでる。それにより、エネルギー効率も上昇する。
【００３１】
図３および図４は、他の実施形態を示したもので、熱交換ライン４（吸着塔２が再生工程にある場合）または熱交換ライン３（吸着塔１が再生工程にある場合）とフラッシュタンク９との間に凝縮水を冷却する熱交換器１１が設けられている。この熱交換器１１には、前記冷熱源である冷却水（例えば、入側温度２９℃、出側温度３３℃）が通過して、凝縮器４または３からの凝縮水が冷却され、絞り弁１０を介してフラッシュタンク９で水蒸気が分離される。このように熱交換器１１を設けると、図３に示したように、吸着塔２が再生工程にある場合、この再生初期過程で、蒸気圧縮機８により圧縮された過熱蒸気は、凝縮器４の出口ではほぼ凝縮水となるが、再生が進むにつれて次第に凝縮後の水蒸気の乾き度が大きくなり、蒸発器５での冷熱取り出し量が低下するという問題が生じることになる。このため、上述のように、凝縮器４と蒸発器５との間に、冷却水を通水できる熱交換器１１を設けることにより、凝縮後の水蒸気の乾き度の上昇を抑制でき、上記問題を回避することができる。図４に示した吸着塔１が再生工程にある場合も同様である。なお、前記熱交換器１１として、絞り弁の作用と熱交換器の作用を併せ持ったキャピラリーチューブを設置することもできる。
【００３２】
なお、吸着開始時の再生側吸着塔の予熱源として、蒸気圧縮機８の吸引口と蒸発器５とをバイパスし、蒸発器５の水蒸気を圧縮することによって得られる高温の過熱蒸気を利用することができる。それにより、吸着塔１、２の運転切替え時に冷熱供給が途切れず、冷熱を連続して供給することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
この発明の吸着式ヒートポンプは、排熱を必要とせず、自立運転ができるため、装置が煩雑化せず、また、大型設置環境の影響を受けずにすみ、産業分野のプロセス冷却工程への安定した冷水供給源などとして利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】この発明の実施形態の吸着式ヒートポンプの構成を示す説明図。
【図２】図１に示す実施形態において冷媒の流路が異なる場合の吸着式ヒートポンプの構成を示す説明図。
【図３】他の実施形態の吸着式ヒートポンプの構成を示す説明図。
【図４】図３に示す実施形態において冷媒の流路が異なる場合の吸着式ヒートポンプの構成を示す説明図。
【図５】従来技術の吸着式ヒートポンプの説明図。
【符号の説明】
【００３５】
１、２：吸着塔        ３、４：熱交換ライン    ３ａ、４ａ：流通管
５：蒸発器          ５ａ：熱交換用パイプ      ６、７：熱交換器
８：蒸気圧縮機        ９：フラッシュタンク      １０：絞り弁
１１：熱交換器      ＰＬ１〜ＰＬ６：流路    Ｖ１〜Ｖ９：バルブ
【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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