(57)【要約】流体連通した少なくとも第１の隔室および第２の隔室を有する吸収装置。第１の隔室は、ＬｉＢｒ、ＬｉI、ＬｉＣｌ、ＮａＩおよびＮＨ４Ｉからなる群から選択される少なくとも１つの塩を収容し、少なくとも第１の隔室は、第１の隔室に少なくとも１つの塩と共に液体を形成するのに十分な量のＮＨ３を収容している。この新しい混合物を使用することの利点は、塩とＮＨ３を使用する吸収装置を、同じ電力でより小型化および軽量化できることである。さらにΔＴの改善が可能である。系内のＮＨ３の蒸気圧を比較的高く維持することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体連通した少なくとも第１の隔室および第２の隔室を有する吸収装置であって、
前記第１の隔室が、ＬｉＢｒ、ＬｉI、ＬｉＣｌ、ＮａＩおよびＮＨ４Ｉからなる群から選択される少なくとも１つの塩を収容し、
少なくとも第１の隔室は、前記第１の隔室に前記少なくとも１つの塩と共に液体を形成するのに十分な量のＮＨ３を収容している、吸収装置。
【請求項２】
前記第１の隔室はＬｉＩ・３Ｈ２Ｏを収容している、請求項１に記載された吸収装置。
【請求項３】
前記第１の隔室には、前記少なくとも１つの塩の水和物に相当する量の水以外には、水が存在しない、請求項１または請求項２に記載された吸収装置。
【請求項４】
前記第１の隔室および前記第２の隔室の両方が、前記第１の隔室および前記第２の隔室と熱伝達するように適合された少なくとも１つの周囲システムと熱伝導接続されている、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【請求項５】
前記第１の隔室および前記第２の隔室のうちの少なくとも１つは、圧力を調節することができるようになっている、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【請求項６】
前記少なくとも２つの隔室のうちの１つの隔室は、他の隔室よりも圧力を高く保持することができるようになっている、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【請求項７】
前記吸収装置は、吸収原理により作動するケミカルヒートポンプであり、
少なくとも１つの塩を含み、外部媒体によって加熱および冷却されるように構成された反応器部分と、
凝縮状態にあるＮＨ３の一部を含み、外部媒体によって加熱および冷却されるように構成された蒸発器/凝縮器部分と、
気相のＮＨ３のための通路であって、前記反応器部分と前記蒸発器/凝縮器部分とを接続する通路とを備える、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【請求項８】
前記第１の隔室および前記第２の隔室のうちの少なくとも１つには粒子が収容されている、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【請求項９】
前記第１の隔室および前記第２の隔室のうちの少なくとも１つには、１〜１００nｍの範囲の最大直径を有する粒子が収容されている、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【請求項１０】
前記第１の隔室および前記第２の隔室のうちの少なくとも１つには２次元粒子が収容されている、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【請求項１１】
前記第１の隔室および前記第２の隔室のうちの少なくとも１つにはグラフェンを含む粒子が収容されている、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【請求項１２】
前記第１の隔室および前記第２の隔室のうちの少なくとも１つには、０．０１〜１０μｍ、好ましくは０．１〜１μｍの範囲のサイズを有するグラフェンを含む粒子が収容されている、請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された吸収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く言えば、ケミカルヒートポンプのような吸収装置に使用される混合体、及びこの混合物を含むケミカルヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ケミカルヒートポンプや吸収装置は広く知られている。これらの装置は、通常、吸収材料または吸収物質/混合体および揮発性液体を含有する。
【０００３】
ヨウ化リチウムは、例えば電池に使用することで知られている。ヨウ化リチウムは、無水形態、並びに一水和物、二水和物及び三水和物が存在する。水と水和物を形成する他の吸湿性の塩も知られている。
【０００４】
米国特許第３，３１２，０７７号は、吸収冷凍システムにおいてヨウ化リチウム-アンモニア溶液を吸収剤として、アンモニアを冷媒として使用することを開示している。明細書の記載では、このシステムは水を含有しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３，３１２，０７７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、ケミカルヒートポンプによって利用される温度差ΔＴをどのように改善するかが問題である。さらに、ケミカルヒートポンプの容量を増加させること、そのサイズおよび重量を低減させることが課題となる。さらに米国特許第３，３１２，０７７号を考慮すると、系内の蒸気圧を増加させることもさらなる課題である。
【０００７】
本発明の目的は、先行技術のこれらの欠点の少なくともいくつかを取り除き、改良された吸収装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の観点によれば、吸収装置は、互いに流体連通した少なくとも第１の隔室および第２の隔室を有し、第１の隔室が、ＬｉＢｒ、ＬｉI、ＬｉＣｌ、ＮａＩおよびＮＨ４Ｉからなる群から選択される少なくとも１つの塩を収容し、少なくとも第１の隔室は、第１の隔室に少なくとも1つの塩と共に液体を形成するのに十分な量のＮＨ３を収容している。
【０００９】
本発明の他の観点および具体例は、添付の特許請求の範囲に記載されており、それらは本明細書に援用される。
【００１０】
本発明の有利な効果の１つは、吸収装置の効率を高めることができることである。ΔＴを大きくすることができる。この吸収装置は、その容量および/またはエネルギー貯蔵能力に対して小型化することができる。
【００１１】
他の効果としては、液体マトリックスの製造が簡単で安価であることである。
【００１２】
以下、本発明を、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＮＨ３の異なる濃度（単位はＭ（モル/リットル））におけるＬｉＩ・３Ｈ２Ｏ＋ＮＨ３の蒸気圧。
【図２】ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏ＋ＮＨ３を有する系を吐出させた実験からの図。
【図３】グラフェンを添加しない実施例での温度。
【図４】グラフェンを添加しない他の実施例での温度。
【図５】実施例の構成の模式外観図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の目的は、先行技術の欠点の少なくともいくつかを取り除き、ケミカルヒートポンプ用の改善された混合物を提供することである。
【００１５】
本発明の第１の観点によれば、吸収装置は、互いに流体連通した少なくとも第１の隔室および第２の隔室を有し、第１の隔室が、ＬｉＢｒ、ＬｉI、ＬｉＣｌ、ＮａＩおよびＮＨ４Ｉからなる群から選択される少なくとも１つの塩を収容し、少なくとも第１の隔室は、第１の隔室に少なくとも１つの塩と共に液体を形成するのに十分な量のＮＨ３を収容している。
【００１６】
一具体例によれば、第１の隔室はＬｉＩ・３Ｈ２Ｏを収容し、少なくとも第１の隔室は、第１の隔室に少なくとも１つの塩とともに液体を形成するのに十分な量のＮＨ３を収容している。
【００１７】
請求項１または請求項２に記載された吸収装置では、少なくとも１つのソルトン石塩（ｓａｌｔｏｎｅ  ｓａｌｔ）の水和物に相当する量の水を除いて、第１の隔室に水が存在しない。吸収装置に存在する全ての水または本質的に全ての水、すなわち９９重量％超の水は、少なくとも１種の塩の水和物に相当する量で存在する。一例は、ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏであり、系内の水の量は水素化物中に存在できる量を超えない。系の水量は、１重量％を超えて少なくとも１種の塩と水和物を形成できる量を超えてはならない。一具体例では、系のすべての水は、少なくとも１つの塩の水和物として存在できる最大量に対応する。
【００１８】
通常、塩は第１の隔室に存在し、アンモニアは塩に吸収されて第１の隔室で液体を形成する。そして、アンモニアは、吸収装置の使用中に第１の隔室内の液体から脱着できる。アンモニアの量は、使用される塩並びに温度および圧力に依存して変化する。下記の具体例では、約１．４当量のアンモニアが添加されると、すなわち、ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏに一分子に対してＮＨ３が１．４分子で、ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏの塩とアンモニアとの混合物が液体を生成し始める。
【００１９】
通常、溶液が液体を維持し凝固しないように十分なアンモニアを添加することが望ましい。一具体例では、塩（ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏなど）の各分子について２〜５当量のＮＨ３が使用される。他の具体例では、塩の各分子について３〜４当量のＮＨ３が使用される。さらに他の具体例では、塩の各分子について２当量を超えるＮＨ３が使用される。さらに別の具体例では、塩の分子に対して１．５当量を超えるＮＨ３が使用される。
【００２０】
一具体例によれば、互いに流体連通する少なくとも第１の隔室および第２の隔室を備える吸収装置が提供される。第１の隔室はＬｉＩ・３Ｈ２Ｏを収容し、少なくとも第１の隔室は、第１の隔室に少なくとも１つの塩とともに液体を形成するのに十分な量のＮＨ３を収容している。このＬｉＩ・３Ｈ２ＯおよびＮＨ３を用いたこの特定の具体例については、実施例の項でさらに説明する。
【００２１】
一具体例によれば、第１の隔室および第２の隔室の両方が、第１の隔室および第２の隔室と熱伝達するように適合された少なくとも１つの周囲システムと熱伝導接続されている。従って、この吸収装置は、加熱及び冷却用途並びに熱伝達用途を含む様々な目的に使用できる。
【００２２】
一具体例によれば、第１の隔室および第２の隔室のうちの少なくとも１つは、圧力を調節することができる。さらに他の具体例によれば、少なくとも２つの隔室のうちの１つの隔室は、他の隔室よりも圧力を高く保持することができる。圧力調整は、弁、減圧弁及びポンプを含むが、これに限定されない公知の方法で行うことが考えられる。
【００２３】
一具体例では、吸収装置は、吸収原理により作動するケミカルヒートポンプであり、
ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏなどの少なくとも1つの塩を含み、外部媒体によって加熱および冷却されるように構成された反応器部分と、
凝縮状態にあるＮＨ３の一部を含み、外部媒体によって加熱および冷却されるように構成された蒸発器/凝縮器部分と、
気相のＮＨ３のための通路であって、反応器部分と蒸発器/凝縮器部分とを接続する通路とを備える。
【００２４】
一具体例では、第１の隔室および第２の隔室のうちの少なくとも１つには粒子が収容される。他の具体例では、第１の隔室および第２の隔室のうちの少なくとも１つには、１〜１００nｍの範囲の最大直径を有する粒子が収容される。さらに他の具体例では、第１の隔室および第２の隔室のうちの少なくとも1つには、２次元粒子が収容される。一具体例では、粒子は第１の隔室にのみ存在する。二次元粒子には、これに限定されるものではないが、グラフェン粒子を含む。グラフェン粒子は、主に二次元に広がっており、第三の次元は僅か１個または数個の原子層である。二次元の大きさが厚さに比べてはるかに大きい二次元粒子はフレークと呼ぶことができる。一具体例では、厚さは横方向サイズの１０−２または１０−３未満であり、他の具体例では、１０−４または１０−５未満でさえある。他の具体例では、第１の隔室および第２の隔室のうちの少なくとも１つは、グラフェンを含む粒子を含む。一具体例では、第１の隔室および第２の隔室のうちの少なくとも１つは、０．０１〜１０μｍ、好ましくは０．１〜１μｍの範囲のサイズを有するグラフェンを含む粒子を含む。このサイズは二次元の最大距離を指し、第三の次元は厚さが非常に薄く、わずか１または数原子の厚さである。一具体例では、塩に対するグラフェンの量は、グラフェンの重量を水和物に含まれる塩の重量で割った値を計算すると０．００１〜０．１重量％である。
【００２５】
粒子を使用する利点は、熱伝導率が改善されることである。粒子により、少なくとも1つの塩および/またはＮＨ３の溶液から隔室を囲む壁への熱移動が改善される。この効果は、実施例の項で実証される。グラフェンの添加により顕著な改善が見られることがわかる。
【００２６】
他の観点および具体例は、添付の特許請求の範囲に規定される。
【００２７】
１つの利点は、例えばＬｉＩ・３Ｈ２Ｏ＋ＮＨ３などの塩を使用するケミカルヒートポンプなどの吸収装置を、同じ電力で小型軽量化できることである。さらにΔＴを改善することができる。系内のアンモニアの蒸気圧は比較的高く維持することができる。多くの水が水和物として塩に結合する系を使用する利点の１つは、系の水分圧が非常に低く保たれて、代わりに気相のアンモニアの効率的な使用が可能になることであり、それにより、例えば、ΔＴが良好になり、水とは異なる温度での動作が可能になるという利点がある。それとともに、液相を利用することもでき、それにより熱伝導などの点でも利点がある。このことから、当業者であれば、塩の水和物に相当する量よりも多くの水が添加されると、その機能は、加えられる水の増加とともに徐々に効率が低下することが理解できるであろう。
【００２８】
本発明を開示し詳細に説明する前に、本発明は、本明細書に開示される特定の化合物、構成、方法、部材および材料に限定されないことを理解されたい。これらの化合物、構成、方法、部材および材料はいくらか変化させてもよい。また、本明細書で使用される用語は、特定の具体例を説明する目的でのみ使用され、限定することを意図するものではないことも理解されたい。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等によってのみ限定される。
【００２９】
単数形（「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」）は、文脈上他に明確に指示されない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。特別に定義されていない場合、本明細書で使用される用語および科学用語は、本発明の技術分野の当業者によって一般的に理解される意味を有することを意図している。
【００３０】
一般にＮＨ３および水の両方を利用する吸収装置では、混合物が加熱されるとき、水がＮＨ３に追随して、ＮＨ３に追随する水が問題になる。本発明では、これは、ＮＨ３を吸収して水和物として塩に結合するＬｉＩ・３Ｈ２Ｏのような塩を使用することによって解決される。ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏ＋ＮＨ３の蒸気圧は図１に示されており、これから明らかなように、相当のΔＴを達成することができる。ＮＨ３が４ＭではΔＴは７０℃に近く、１．７７Ｍでは１２０℃に近くなる。
【００３１】
ＬｉＩ・３Ｈ２ＯおよびＮＨ３のような塩の溶液は水を含むが、この環境では水の蒸気圧は低いので、加熱中のＮＨ３に続く水の量は、性能に著しい程度に影響を与えるものではない。さらに、この水は吐出中にＮＨ３とともに戻る。たとえ水が水和物として、および、ある限定的な程度の遊離水としての両形態で存在していても、水の総量は、少なくとも１つの塩の水和物の形態で存在できる水の量を超えない。少なくとも１種の塩の特性により、系内の水の分圧は非常に低く維持される。
【００３２】
温度安定性試験によれば、２００℃の温度によっても系の安定性に影響を受けないことが示されている。
【００３３】
図２は、ＮＨ３を断熱隔室から取り出し、磁気攪拌機で撹拌しながらＬｉＩ・３Ｈ２Ｏを約６０℃に保った場合の吐出図を示す。ＮＨ３は、断熱隔室内の自由流体、すなわちリアクタである。これから、冷却能力が大きいことが分かる。
【００３４】
ＮＨ３は水と混和するので、ＮＨ３の一部は、ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏからの接近可能なＨ２Ｏ分子を有する溶液を形成できると考えられる。
【実施例】
【００３５】
結晶の存在を調べるために、２．５５ＭのＮＨ３を有するＬｉＩ・３Ｈ２ＯとＮＨ３の溶液を大気圧で氷浴上のガラスフラスコに入れたが、結晶化は観察されなかった。他の実験としては、１００ｇのＬｉＩ・３Ｈ２Ｏをフラスコに入れ、ＮＨ３を１．７７Ｍに相当する８０ｍｂａｒの圧力で加えた。溶液を氷上で冷却したが、結晶化は見られなかった。
【００３６】
安定性を調べるために、以下の試験を行った。１００ｇのＬｉＩ・３Ｈ２Ｏと４モルのＮＨ３とを混合した。これを、凝縮器に接続された蒸発器で撹拌しながら加熱した。凝縮器は、室温（約２０℃）に保った。蒸発器の温度は、６．３バールの圧力で２００℃に上昇させた。この温度および圧力で、蒸発器と凝縮器との間のバルブを閉じ、反応器を室温まで冷却した。凝縮器を氷で０℃に冷却したところ、圧力は４．３バールであった。凝縮器からＮＨ３を除去し、新しいＮＨ３と置換した。これを氷で０℃に冷却したが、圧力は依然として４．３バールであった。このことは、２００℃の凝縮器からＮＨ３を取り込んだ後の凝縮器は、水を受け取っていないことを示している。
【００３７】
実施例１
装置の第1の隔室である反応器を用いた実験。第1の隔室は、ＬｉＩ・３Ｈ２ＯとＮＨ３を収容する。ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏは純粋な形態の軟質結晶として存在する。室温でＮＨ３と混合すると、ＮＨ３はＬｉＩ・３Ｈ２Ｏによって吸収される。経験上、ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏあたり約１．４のＮＨ３分子が吸収されると、塩は液体になり始めることが知られている。
【００３８】
この例は完全な吸収装置ではなく、材料の熱伝達能力を研究するために、反応器部分（第１の隔室）をモデル調査する。この構成は、以下の要素を図５に模式的に示す。ある量の液体ＬｉＩ・３Ｈ２ＯおよびＮＨ３（１）、気液界面上方の空間（２）、熱交換器（３）、噴霧ノズル（４）、液体ＬｉＩ・３Ｈ２ＯおよびＮＨ３用のポンプ（５）、温度計（６）、熱伝達媒体用のポンプ（７）、電気ヒーター（８）、熱伝達媒体用の温度計（９）。
【００３９】
第１の隔室は、ＮＨ３がＬｉＩ・３Ｈ２Ｏと反応すると形成されるヨウ化リチウム三水和アンモニア化物を含む。隔室を１ｋｇのヨウ化リチウム三水和物で満たし、ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏ当たり３分子のアンモニアを吸収させた。ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏを、周囲空気を排気したチャンバー内に保持し、その後、所望量のＮＨ３を添加した。三水和物としての結晶水以外に追加の水は加えなかった。すなわち、存在する水は、塩の水和物として存在できる量のみである。この例では、ヨウ化リチウムの１つに３つのアンモニア分子が吸収された。これは、周囲圧力および室温で液体になる。液体は、スプレーポンプ５によって、熱交換器３の二次側の上にあるスプレーノズル４に送られる。ポンプ７によって循環される水を介して電気ヒーター８から熱交換器の一次側に熱が加えられた。
【００４０】
加えられる熱の温度は、熱交換器の一次側の第１温度計９で測定した。ヨウ化リチウム三水和アンモニア化物の温度は、スプレーポンプからスプレーノズルまでの流れを温度計６によって測定した。
【００４１】
第１の実験では、第１の隔室にヨウ化リチウム三水和アンモニア化物が入れられた。スプレーポンプおよび循環ポンプを始動させ、電気加熱なしで上記２箇所の温度を測定した。この系は、周囲温度２０℃の室内で、２つの温度が同じ温度になるまで行った。
【００４２】
時間の経過とともに２つの異なる温度が等しくなり安定したとき、電気加熱が始められた。得られた温度を図３に示す。３分後の温度差は約５℃であり、９分後の温度差は約７℃であることが分かる。温度の上昇に伴って熱の伝達が損なわれることが分かる。
【００４３】
実施例２
隔室の内容物を変えて実験を繰り返した。熱伝達特性への影響を調べるために、グラフェンを系に添加した。
【００４４】
グラフェンを水懸濁液でヨウ化リチウム三水和物に添加した。水懸濁液中のグラフェン濃度は０.２重量％であった。グラフェンは、０．１〜１μｍの間隔のサイズの薄片の形態であった。１ｋｇのヨウ化リチウム三水和物を使用した。次いで、ヨウ化リチウム三水和物が残るまでグラフェンを含む水溶液を蒸発させた。重量がヨウ化リチウム三水和物およびグラフェンに対応するまで、水を蒸発させ重量を測定した。従って、全ての添加された水が除去された。この混合物は、ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏ当たり３分子のアンモニアを吸収させた。ＬｉＩ・３Ｈ２Ｏを、周囲空気を排気したチャンバー内に保持し、その後、所望量のＮＨ３を添加した。水和物に相当する量の水のみが残った。
【００４５】
実施例１の実験を温度安定化および加熱と共に繰り返した。
【００４６】
図４では、３分後の温度差はやはり約５℃であるが、9分後の温度差はなおも約５℃であることが分かる。グラフェンは高温で積極的に材料の熱伝達に影響を与えていると結論付けることができる。
【００４７】
多くの用途での系の温度は、グラフェンがプラスの影響を与える７０℃を超えることが想定されている。
【００４８】
これらのデータから、グラフェンは材料の熱伝達能力を約３０％向上させると推定される。
【００４９】
本発明の思想から逸脱することなく、上記の具体例の代替形態またはその一部を自由に組み合わせることは、組み合わせが矛盾しない限り可能である。
【００５０】
本発明の他の構成および用途およびそれらに関連する利点は、本明細書および実施例を読むことによって当業者に明らかになるであろう。
【００５１】
本発明は、ここに示される特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。本発明の具体例は、例示の目的でのみ示されており本発明の範囲を限定するものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等によってのみ限定される。
【図１】
2018526610.tif 000003
【図２】
2018526610.tif 000004
【図３】
2018526610.tif 000005
【図４】
2018526610.tif 000006
【図５】
2018526610.tif 000007
【国際調査報告】
2018526610.tif 000008
2018526610.tif 000009