(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着物質と、吸着物質を吸脱着する吸着剤を備えた吸着器と、蒸発器と、凝縮器とを備えた吸着式ヒートポンプシステムにおいて、吸着剤の吸着過程及び脱着過程において用いる温水の入口温度を、低温廃熱から得られる温度と同じで常に一定とするとともに、蒸発器の温度を、吸着器の温度よりも低くかつできるだけ吸着器の温度に近づけるように、蒸発器用温水調整機により調整を行うことを特徴とする吸着式ヒートポンプシステム。
【請求項２】
低温廃熱より得られる温水と、脱着過程の吸着器を通り抜けて入口温度より低くなった温水とを混合することにより、低温廃熱より得られる温水よりも若干低い温度に調整された温水を得、これを用いて前記蒸発器の温度を調整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。
【請求項３】
前記蒸発器と前記吸着器とを恒温槽内に収納し、低温廃熱より得られる温水を用いてその廃熱温度とほぼ同じ温度とす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。
【請求項４】
前記吸着剤として、相対蒸気圧が０.２〜０.９の範囲における水蒸気吸着量が２０ｗｔ％以上で、かつ、温度が高くなるにつれて、同じ相対蒸気圧における吸脱着の変化量が増加する特性を有する吸着剤を用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の吸着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、吸着式ヒートポンプシステムにおいて、低温廃熱を利用し元の低温熱源よりも高温の熱を回収することが可能なシステム、及び該システムに適した吸着性能を有する吸着剤を用いたヒートポンプシステムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、吸着式ヒートポンプシステムは、低温熱源あるいは廃熱を利用して冷媒を得、主に空調用に使用することが検討されている。二酸化炭素削減の問題も含め、低温廃熱利用によるエネルギー効率の向上が求められている現代では様々な廃熱の利用が進められているが、６０℃以下の廃熱はほとんど利用されておらず、この６０℃以下の低温廃熱を利用する技術として多孔質材料−水系吸着式ヒートポンプシステムが有望視されている。
【０００３】
吸着式ヒートポンプシステムは、吸着剤が蒸気を吸着することによって蒸発器内の水の潜熱が奪われ冷却される吸着過程と、水蒸気を吸着した吸着剤を加熱して脱水させる脱着過程によって作動する。
図３は吸着式ヒートポンプの一例を示す概念図であって、吸着物質と、吸着物質を吸脱着する吸着剤と、吸着剤が充填され且つ吸着物質の吸脱着により発生した熱を熱媒に伝達する吸着器３１、３２と、吸着物質の蒸発により得られた冷熱を外部へ取り出す蒸発器３４と、吸着物質の凝縮により得られた温熱を外部へ放出する凝縮器３５とから主に構成されている（特許文献１、２参照）。
【０００４】
該ヒートポンプにおいて、吸着器３１、３２は、その内部に熱交換器を収納しており、吸着剤は、その熱交換器の表面に接着し、さらに充填塔内に充填されている。この吸着器３１、３２では、そこに供給される熱源により吸着／脱着が選択的に起こり、熱に基づく発熱反応や吸熱反応を起こしている。吸着器３１と吸着器３２は、吸着物質配管３３により相互に接続され、その配管内では、吸着物質の蒸気または蒸気と液体との混合物として存在している。蒸発器３４と凝縮器３５は、この吸着物質配管を介して、吸着塔３１、３２に接続されている。凝縮器３５は熱交換器を備えており、吸着塔３１、３２において吸着材から脱離した気体状の吸着物質は、凝縮器３５に導入されて凝縮される。その熱交換器には、外気等で冷却された熱媒体（例えば、ラジエターで冷却された冷却水）などが供給される。凝縮器３５で凝縮された吸着物質（例えば、再生された凝縮水）は、戻し配管３６により蒸発器３４に送られる。蒸発器３４は、凝縮された吸着物質を蒸発させるための装置である。蒸発器３４の内部は略真空に保たれた状態で冷媒（例えば、水）が封入され、さらに熱交換器を備えている。その熱交換器により、例えば室内機３７にて室内に吹き出すエアコン空気と熱交換した熱媒体と、上記の冷媒とが熱交換される。
【０００５】
このような従来のヒートポンプにおいては、低温廃熱を効率的に利用できるか否かは、吸着剤の性質によって決まるため、低温で脱水が可能となる吸着式ヒートポンプシステム用の吸着剤が開発されている（特許文献１〜４）。
【特許文献１】特開２００４−０９３１１７号公報
【特許文献２】特開２００５−２０５３３１号公報
【特許文献３】特開２００３−２９４３３６号公報
【特許文献４】特開２００７−１８１７９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これまでは冷媒を得ることを目的としていたため、低温で脱水する、あるいは低温熱源で脱水が可能となる相対蒸気圧領域にて脱水する吸着式ヒートポンプの吸着剤あるいはシステムの効率化が検討されてきた。それゆえ吸着剤が水蒸気を吸着した際に得られる温熱はそれほどの有効利用を期待されておらず、低温廃熱を利用してさらに高温熱源を得ることを目的した開発はほとんど行なわれていない。しかしながら低温廃熱を利用して、さらに高温熱源を得ることが可能となればさらに吸着式ヒートポンプの有用性は広がるとともに、その実現が望まれている。
【０００７】
そのような中で、８０℃以下特に６０℃以下の低温熱源を用いてそれよりも高温の熱源を効率的に回収するシステムと、加えてその高温熱源を回収することができかつ同程度の温度を有する低温熱源を用いて脱水させることができる吸着剤を開発することが必要となる。
【０００８】
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、８０℃以下の低温熱源を用いてそれよりも高温の熱源を効率的に回収する吸着式ヒートポンプシステムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成すべく検討を重ねた結果、吸着剤の吸着過程及び脱着過程において用いる温水の入口温度を、低温廃熱から得られる温度と同じで常に一定とするとともに、蒸発器の温度を、吸着器の温度よりも低くかつできるだけ吸着器の温度に近づけるように調整を行うことにより、低温廃水を利用してそれよりも高温の熱源が回収可能な吸着式ヒートポンプシステムが得られること、及び該システムに用いるのに好適な吸着剤として、高相対蒸気圧側でも吸着量が多く、かつ吸着時の温度が高温条件においても低温条件と同じ相対蒸気圧にて水蒸気吸着量が増加し、さらに脱水が直接的な温度によらず主に相対蒸気圧が低くなることによるという特性を有している吸着剤を用いることにより、高相対蒸気圧側でも吸着が行なえかつその吸着量を増加させられることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するための本発明は、以下のとおりである。
（１）吸着物質と、吸着物質を吸脱着する吸着剤を備えた吸着器と、蒸発器と、凝縮器とを備えた吸着式ヒートポンプシステムにおいて、吸着剤の吸着過程及び脱着過程において用いる温水の入口温度を、低温廃熱から得られる温度と同じで常に一定とするとともに、蒸発器の温度を、吸着器の温度よりも低くかつできるだけ吸着器の温度に近づけるように、蒸発器用温水調整機により調整を行うことを特徴とする吸着式ヒートポンプシステム。
（２）低温廃熱より得られる温水と、脱着過程の吸着器を通り抜けて入口温度より低くなった温水とを混合することにより、低温廃熱より得られる温水よりも若干低い温度に調整された温水を得、これを用いて前記蒸発器の温度を調整することを特徴とする（１）に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
（３）前記蒸発器と前記吸着器とを恒温槽内に収納し、低温廃熱より得られる温水を用いてその廃熱温度とほぼ同じ温度とすることを特徴とする（１）又は（２）に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
（４）前記吸着剤として、相対蒸気圧が０.２〜０.９の範囲における水蒸気吸着量が２０ｗｔ％以上で、かつ、温度が高くなるにつれて、同じ相対蒸気圧における吸脱着の変化量が増加する特性を有する吸着剤を用いることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の吸着式ヒートポンプシステム。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の吸着式ヒートポンプシステムによれば、８０℃以下の低温熱源を用いて、それよりも高温の熱源を回収することができるとともに、同程度の温度を有する低温熱源を用いて吸着物質の脱着をするので、吸着器に供給する温水を常に一定にできるという利点を有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
図１は、低温熱源を用いてそれよりも高温の熱源を回収することが可能な、本発明のヒートポンプシステムを示す概念図であって、図中、１は恒温槽、２Ａ、２Ｂは凝縮器、３Ａ、３Ｂは吸着器（吸着剤充填槽）、４Ａ、４Ｂは吸着剤ベッド、５Ａ、５Ｂは蒸発器（貯水槽）、６は蒸発器用温水調整器、７Ａ、７Ｂは凝縮器用の水(常温)、８Ａ、８Ｂは廃熱から得られる温水、９Ａ、９Ｂは吸着時の高温温水出口、１０Ａ、１０Ｂは脱着時の温水出口、１１Ａ、１１Ｂは廃熱から得られる温水、１２Ａ〜１２Ｎはコック、をそれぞれ示している。
図に示すとおり、本発明の吸着式ヒートポンプシステムは、吸着器、蒸発器、及び凝縮器から主に構成されており、これらは一つずつでもシステムとしては作動するが、図１に示すように２セット或いはそれ以上並列にして吸着過程及び脱着過程（再生過程）を交互に行なうことにより連続運転を可能としている。
【００１３】
後段でもさらに詳細に説明するが、本発明のシステムにおいて、従来の吸着式ヒートポンプシステムと大きく異なるところは、吸着剤の吸着及び脱着過程において用いる温水の入口温度が、廃熱から得られる温度と同じで常に一定であること、また脱着時に吸着器を通り抜けて入口温度より低くなった温水に、廃熱から得られる温水を混合することにより、廃熱から得られる温水よりも若干低くした温水を蒸発器内へと導入すること、さらには吸着器及び蒸発器を恒温槽等内に収め、低温熱源を用いてその廃熱温度とほぼ同じ温度としていることである。そして、前記蒸発器用温水調整器(６)は、低温廃熱より得られる温水(１１)を用い、これに脱着時に吸着器を通り抜けて入口温度より低くなった温水を混合することにより、低温廃熱より得られる温水よりも若干低い温度に調整された温水を蒸発器に供給するために用いられるものである。
【００１４】
次に、本発明の吸着式ヒートポンプシステムにおける吸着過程および脱着過程について説明する。なお、便宜上、吸着過程を図1における左側で説明し、脱着過程を図1における右側で説明する。またすべてのコックは閉じられている状態から説明する。
【００１５】
（吸着過程）
運転開始時の吸着剤ベッド(４A)は乾燥状態にある。コック(１２E)を開き低温廃熱より得られる温水(８A)を吸着器内へ流し、蒸発器(５A)内にはコック(１２M)を開くことにより蒸発器用温水調整機(６)で調整された低温廃熱より得られる温水より若干低温の温水を導入する。次にコック(１２I)を開くことにより、水蒸気は蒸発器(５A)から吸着器(３A)へと導入され、吸着剤ベッド(４A)にて吸着される。このとき、水蒸気の吸着による発熱により、導入された温水（８Ａ）は温められ、入口の温度よりも高温となる。この低温廃熱より得られる温水よりも高温となった温水は、高温温水出口(９A)から送り出される。
【００１６】
この吸着過程においては、吸着剤に吸着される水蒸気の吸着量が多いことが望まれる。そのためには吸着剤が吸着する際の限界となる相対蒸気圧をできる限り高くすることが望ましく、また高相対蒸気圧側でも水蒸気を吸着する吸着剤が必要となる。
一般に吸着式ヒートポンプにおいて、吸着時の限界となる相対蒸気圧は、吸着器(３Ａ)及び蒸発器(５Ａ)の温度によって決まるものであり、
限界となる相対蒸気圧＝蒸発器の温度における飽和水蒸気圧／吸着器の温度における飽和水蒸気圧
となる。
すなわち、仮に低温廃熱によって得られる温水の温度が６０℃であるとし、蒸発器内の温度を５９℃、吸着器内の温度が６５℃であるとすると、５９℃の飽和水蒸気圧／６５℃の飽和水蒸気圧＝０.７６１より、吸着限界となる相対蒸気圧は０.７６となる。また蒸発器内の温度が６２℃であるとすると、６２℃の飽和水蒸気圧／６５℃の飽和水蒸気圧＝０.８７１より、吸着限界となる相対蒸気圧０.８７となる。
それゆえ蒸発器の温度＜吸着器の温度であることが条件であり、さらに蒸発器の温度と吸着器の温度との差がなるべく小さいことが望ましい。
【００１７】
そのような条件を作り出すため、本発明のシステムにおいては、蒸発器（５Ａ）での温度を吸着器（３Ａ）の温度よりも低くかつできるだけ吸着器の温度に近づけるように、蒸発器用温水調整機(６)により調整を行なう。さらに、蒸発器（５Ａ）の温度と吸着器（３Ａ）の温度の差を小さくするために、蒸発器（５Ａ）及び吸着器（３Ａ）を低温廃熱で得られる温水を循環させる等により恒温槽(１)内に閉じ込める設定としている。
【００１８】
（脱着過程）
運転開始時の吸着剤ベッド(４B)は水蒸気を吸着した状態にある。コック(１２H)を開き低温廃熱より得られる温水(８B)を吸着器内へ流し、凝縮器(２B)内には常温の水(７B)を導入する。次にコック(１２B)を開くことにより、水蒸気は吸着器(３B)から凝縮器(２B)へと導入され、吸着剤ベッド(４B)は脱着される。このとき、水蒸気の脱着により潜熱を奪われるため、導入された温水(８B)は冷やされ、入口の温度よりも低温となる。この低温廃熱より得られる温水よりも低温となった温水は、脱着時の温水出口(１０B)から送り出され、蒸発器用温水調整機（６）に送り込まれ、低温廃熱より得られる温水(１１)の温度を下げるために用いられる。
また上記の吸着・脱着過程時において、作動していない凝縮器(２A)と蒸発器(５B)とを２つのコック(１２Cと１２L)を開くことにより、凝縮器(２A)に溜まった水は蒸発器(５B)に戻される。
【００１９】
この脱着過程においては、吸着剤から脱着される水蒸気の脱着量が多いことが望まれる。そのためには吸着剤が脱着する際の限界となる相対蒸気圧をできる限り低くすることが望ましく、また低相対蒸気圧側で水蒸気を脱着する吸着剤が必要となる。
一般に、脱着時の限界となる相対蒸気圧は、凝縮器(２Ｂ)および吸着器(３Ｂ)の温度によって決まるものであり、
限界となる相対蒸気圧＝凝縮器の温度における飽和水蒸気圧／吸着器の温度における飽和水蒸気圧
となる。
仮に低温廃熱によって得られる温水の温度が６０℃であるとし、凝縮器内の温度を２５℃、吸着器内の温度が５５℃であるとすると、２５℃の飽和水蒸気圧／５５℃の飽和水蒸気圧＝０.２０１より、脱着限界となる相対蒸気圧は０.２となる。
それゆえ凝縮器の温度＜吸着器の温度であることが条件であり、さらに凝縮器の温度と吸着器の温度との差がなるべく大きいことが望ましい。
【００２０】
そのような条件を作り出すため、本発明のシステムにおいては、吸着器での温度を可能な限りの高温（この場合低温廃熱から得られる温水と同じ温度）にし、凝縮器の温度をより低くすることが望ましいため、常温の温水を用いる。
【００２１】
次に、本発明である低温廃熱を利用し元の低温熱源よりも高温の熱を回収するシステムにおいてふさわしい吸着剤について述べる。
低温廃熱によって得られる温水の温度が６０℃であるとし、吸着時の吸着器の温度が６２℃、蒸発器の温度が５９℃、脱着時の吸着器の温度が５５℃、凝縮器の温度が２５℃であるとすると、吸着時の吸着限界となる相対蒸気圧は０.８７であり、脱着時の脱着限界となる相対蒸気圧は０.２となる。つまり相対蒸気圧０.２〜０.８７の範囲において水蒸気吸脱着量が多いことが望ましい。そのような吸着剤として一般に知られているものとしてはシリカゲルB型があげられる。
【００２２】
また本発明の吸着式ヒートポンプシステムにおいては、温度が高くなるにつれて、同じ相対蒸気圧における吸脱着の変化量が大きくなることがもう一つの望ましい条件である。
例えば、温度によって相対蒸気圧による吸着量が変化しない吸着剤と、温度が上昇することによって高相対蒸気圧側での吸着量が増加する吸着剤とでは、その増加した分だけ、吸脱着の変化量が大きくなる。それゆえ吸脱着の変化量が稼動相対蒸気圧範囲において大きく、さらに温度が上昇することによって高相対蒸気圧側での吸着量が増加する吸着剤が最も望ましい吸着剤となる。
【００２３】
次に、本発明において好ましく用いられる吸着剤の具体例を説明するが、本発明はこれによって何ら限定されるものではない。
（吸着剤）
吸着剤としては、高相対蒸気圧領域において吸着量の多い合成イモゴライト（チューブ状アルミニウムケイ酸塩）を用いた。温度を変えた水蒸気吸着量については、Quantachrome社製高温型自動吸着量測定装置Hydrosorbにより吸着時の温度を２５℃、５５℃、８５℃として測定を行った水蒸気吸着等温線から評価を行なった。図２に、その結果を示す。
図２に示すとおり、相対蒸気圧０.２における水蒸気吸着量は、吸着温度によってほとんど変わらずその差は２ｗｔ％程度であるが、相対蒸気圧０.９における水蒸気吸着量は、温度２５℃において３６.６ｗｔ％、５５℃で４４.６ｗｔ％、８５℃で４９.７ｗｔ％と、同じ相対蒸気圧でも吸着時の温度が上がることによって吸着量が１３.１ｗｔ％増加することが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明のヒートポンプシステムの概念図
【図２】吸着温度で測定した際のイモゴライトの水蒸気吸着等温線
【図３】従来のヒートポンプシステムの概念図
【符号の説明】
【００２５】
１：恒温槽
２Ａ、２Ｂ：凝縮器
３Ａ、３Ｂ：吸着器（吸着剤充填槽）
４Ａ、４Ｂ：吸着剤ベッド
５Ａ、５Ｂ：蒸発器（貯水槽）
６：蒸発器用温水調整器
７Ａ、７Ｂ：凝縮器用の水(常温)
８Ａ、８Ｂ：廃熱から得られる温水
９Ａ、９Ｂ：吸着時の高温温水出口
１０Ａ、１０Ｂ：脱着時の温水出口
１１Ａ、１１Ｂ：廃熱から得られる温水
１２Ａ〜１２Ｎ：コック
３１、３２：吸着器
３３：吸着物配管
３４：蒸発器
３５：凝縮器
３６：戻し配管
３７：室内機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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