(57)【要約】      （修正有）【課題】熱交換媒体と反応する際の温度が、熱交換媒体との反応量が低下する温度となる場合にも、生成する冷熱の温度上昇を抑制できるヒートポンプ及び冷熱生成方法を提供する。【解決手段】吸着式ヒートポンプ１０は、第１熱交換媒体を蒸発させる蒸発／凝縮部１２Ａ及び第２熱交換媒体が流通する配管１２Ｂを含む蒸発／凝縮器１２と、第１熱交換媒体を保持する吸着部１４Ａ，１６Ａ及び第２熱交換媒体が流通する配管１４Ｂ，１６Ｂを各々含む第１吸着器１４，１６と、第１吸着器から脱離した第１熱交換媒体を保持する第２吸着器１８を含む。第１熱交換媒体と反応可能な状態の第１吸着器１６の吸着部１６Ａを蒸発／凝縮器の蒸発／凝縮部と連通させ、第１吸着器１４の吸着部１４Ａを第２吸着器の吸着部１８Ａと連通させると共に、第１吸着器１４の配管１４Ｂを蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと直列に接続する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱交換媒体を蒸発させる蒸発部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を含む蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発された第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する反応部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を各々含む複数の第１反応器と、
前記第１反応器から脱離した第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する第２反応器と、
複数の前記第１反応器のうち、一部の前記第１反応器の前記反応部を前記蒸発器の蒸発部と連通させる場合に、他の前記第１反応器の前記反応部を前記第２反応器と連通させると共に、前記第２反応器と連通させた他の前記第１反応器の前記流通部を前記蒸発器の前記流通部と直列に接続する切替部と、
を含むヒートポンプ。
【請求項２】
複数の前記第１反応器が、前記蒸発器と前記第２反応器との間に並列に配置されている請求項１記載のヒートポンプ。
【請求項３】
前記第１熱交換媒体が水、若しくはアンモニアであり、前記第１反応器の前記反応部の反応材として、相対蒸気圧0.1〜0.9の範囲内で第１熱交換媒体との反応量が全反応容量の70％以上を示す反応材を用いる請求項１又は請求項２記載のヒートポンプ。
【請求項４】
前記第２反応器の反応材として、前記第１反応器の冷熱生成温度が0〜25℃で、前記第１反応器の反応材が全反応容量の70％以上を反応できる平衡圧以下になる反応材を用いる請求項３記載のヒートポンプ。
【請求項５】
前記蒸発器は、供給された第１熱交換媒体を凝縮する凝縮器を兼ね、
前記切替部は、第１熱交換媒体を保持している状態の前記第２反応器を、前記第１反応器を介して、又は前記第１反応器をバイパスするバイパス配管を介して、前記蒸発器の蒸発部と連通させる請求項１〜請求項４の何れか１項記載のヒートポンプ。
【請求項６】
第１熱交換媒体を蒸発させる蒸発部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を含む蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発された第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する反応部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を各々含む複数の第１反応器と、
前記第１反応器から脱離した第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する第２反応器と、
を用い、
複数の前記第１反応器のうち、一部の前記第１反応器の前記反応部を前記蒸発器の蒸発部と連通させる場合に、他の前記第１反応器の前記反応部を前記第２反応器と連通させると共に、前記第２反応器と連通させた他の前記第１反応器の前記流通部を前記蒸発器の前記流通部と直列に接続する
ことで冷熱を生成させる冷熱生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はヒートポンプ及び冷熱生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、蒸発器、吸着器、蓄熱反応器及び凝縮器を備え、まず、蒸発器を蓄熱反応器と接続すると共に吸着器を凝縮器と接続することで、蒸発器で冷熱を生成すると共に、蓄熱反応器で生成された反応熱を吸着器に作用させて吸着器を再生し、次に、蒸発器を吸着器と接続することで蒸発器で冷熱を生成する構成の吸着式ヒートポンプが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−４０９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸着式ヒートポンプにおいて、吸着器の吸着材が熱交換媒体を吸着する際には吸着熱が発生するが、吸着材による熱交換媒体の吸着量は吸着材の温度(吸着温度)によって変化し、吸着温度が上昇すると吸着量が低下する傾向にある。このため、特許文献１に記載の技術において、吸着熱によって吸着温度が上昇し、これに伴って吸着器の吸着量が低下すると、蒸発器における蒸発量も低下するので、蒸発器で生成される冷熱の温度が上昇することになる。
【０００５】
なお、上記の課題は、特許文献１に記載の技術において、熱交換媒体と反応して熱交換媒体を保持する反応器として、例えば、物理吸着、化学吸着、吸収、化学反応等の何れの反応を利用した反応器を用いた場合にも共通する課題である。
【０００６】
本発明は上記事実を考慮して成されたもので、熱交換媒体と反応する際の温度が、熱交換媒体との反応量が低下する温度となる場合にも、生成する冷熱の温度上昇を抑制できるヒートポンプ及び冷熱生成方法を得ることが目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１記載の発明に係るヒートポンプは、第１熱交換媒体を蒸発させる蒸発部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を含む蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する反応部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を各々含む複数の第１反応器と、前記第１反応器から脱離した第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する第２反応器と、複数の前記第１反応器のうち、一部の前記第１反応器の前記反応部を前記蒸発器の蒸発部と連通させる場合に、他の前記第１反応器の前記反応部を前記第２反応器と連通させると共に、前記第２反応器と連通させた他の前記第１反応器の前記流通部を前記蒸発器の前記流通部と直列に接続する切替部と、を含んでいる。
【０００８】
請求項１記載の発明では、第１熱交換媒体を蒸発させる蒸発部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を含む蒸発器、蒸発器で蒸発された第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する反応部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を各々含む複数の第１反応器、及び、第１反応器から脱離した第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する第２反応器が設けられている。そして、切替部は、複数の前記第１反応器のうち、一部の第１反応器の反応部を蒸発器の蒸発部と連通させる場合に、他の第１反応器の反応部を第２反応器と連通させる。これにより、蒸発器の蒸発部と連通された一部の第１反応器の反応部が第１熱交換媒体と反応することで、蒸発器で冷熱が生成され、他の第１反応器と連通された第２反応器が第１熱交換媒体と反応することで、第２反応器と連通された他の第１反応器でも冷熱が生成される。
【０００９】
ここで、蒸発器の蒸発部と連通された一部の第１反応器の反応部が第１熱交換媒体と反応する際の温度が、第１熱交換媒体との反応量が低下する温度である場合、第１熱交換媒体との反応量の低下に伴って蒸発器における第１熱交換媒体の蒸発量が低下し、蒸発器で生成される冷熱の温度が上昇する。これに対して請求項１記載の発明では、切替部が、第２反応器と連通させた他の第１反応器の流通部を蒸発器の流通部と直列に接続するので、蒸発器で生成された冷熱が、第２反応器と連通された他の第１反応器で生成された冷熱と重畳されることで、生成された冷熱の温度(第２熱交換媒体の温度)が全体として低下される。従って、請求項１記載の発明によれば、熱交換媒体と反応する際の温度が、熱交換媒体との反応量が低下する温度となる場合にも、生成する冷熱の温度上昇を抑制することができる。
【００１０】
なお、請求項１記載の発明において、複数の第１反応器は、例えば請求項２に記載したように、蒸発器と第２反応器との間に並列に配置することができる。これにより、個々の第１反応器と蒸発器及び第２反応器との間に、各々の間の連通・閉塞を切替え可能なバルブ等の開閉部を各々設けることで、個々の第１反応器と蒸発器及び第２反応器との間を独立して連通又は閉塞することができる。
【００１１】
また、請求項１又は請求項２記載の発明において、例えば請求項３に記載したように、第１熱交換媒体が水、若しくはアンモニアであり、第１反応器の反応部の反応材として、相対蒸気圧0.1〜0.9の範囲内で第１熱交換媒体との反応量が全反応容量の70％以上を示す反応材を用いることができる。これにより、第１熱交換媒体と反応可能な状態の第１反応器の反応部が蒸発器の蒸発部と連通された際に、第１反応器と蒸発器との温度差により相対蒸気圧が0.1〜0.9の範囲内になれば、第１反応器の反応部を、全反応容量の70％以上の第１熱交換媒体と反応させることができる。
【００１２】
また、請求項３記載の発明において、例えば請求項４に記載したように、第２反応器の反応材として、第１反応器の冷熱生成温度が0〜25℃で、第１反応器の反応材が全反応容量の70％以上を反応できる平衡圧以下になる反応材を用いることができる。これにより、他の第１反応器の反応部が第２反応器と連通された際に、他の第１反応器から第１熱交換媒体を脱離させることができる。
【００１３】
また、請求項１〜請求項３の何れか１項記載の発明において、例えば請求項５に記載したように、蒸発器は、供給された第１熱交換媒体を凝縮する凝縮器を兼ね、切替部は、第１熱交換媒体を保持している状態の第２反応器を、第１反応器を介して、又は第１反応器をバイパスするバイパス配管を介して、蒸発器の蒸発部と連通させることができる。これにより、第１熱交換媒体を保持している状態の第２反応器から第１熱交換媒体を脱離させ、第２反応器から脱離した第１熱交換媒体を蒸発器で凝縮させることができる。
【００１４】
請求項６記載の冷熱生成方法は、第１熱交換媒体を蒸発させる蒸発部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を含む蒸発器と、前記蒸発器で蒸発された第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する反応部及び第２熱交換媒体が流通する流通部を各々含む複数の第１反応器と、前記第１反応器から脱離した第１熱交換媒体と反応して第１熱交換媒体を保持する第２反応器と、を用い、複数の前記第１反応器のうち、一部の前記第１反応器の前記反応部を前記蒸発器の蒸発部と連通させる場合に、他の前記第１反応器の前記反応部を前記第２反応器と連通させると共に、前記第２反応器と連通させた他の前記第１反応器の前記流通部を前記蒸発器の前記流通部と直列に接続することで冷熱を生成させるので、請求項１記載の発明と同様に、第１熱交換媒体と反応する際の温度が、第１熱交換媒体との反応量が低下する温度となる場合にも、生成する冷熱の温度上昇を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、熱交換媒体と反応する際の温度が、熱交換媒体との反応量が低下する温度となる場合にも、生成する冷熱の温度上昇を抑制できる、という効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に係る吸着式ヒートポンプの概略構成図である。
【図２】吸着式ヒートポンプの制御系の概略ブロック図である。
【図３】ヒートポンプ制御処理の内容を示すフローチャートである。
【図４】吸着式ヒートポンプの第１の冷熱生成ステップでの状態を示す説明図である。
【図５】吸着式ヒートポンプの第２の冷熱生成ステップでの状態を示す説明図である。
【図６】吸着式ヒートポンプの第２吸着器再生ステップでの状態を示す説明図である。
【図７】各種の吸着材の吸着等温線を示す線図である。
【図８】吸着材としてＡＱＳＯＡ−Ｚ０５を用いた第１吸着器の吸着温度が変化したときの、蒸発／凝縮器の蒸発温度と第１吸着器の吸着量との関係の変化を示す線図である。
【図９】吸着材としてＹ型ゼオライトを用いた第２吸着器の吸着温度が変化したときの、第１吸着器の脱着温度と第１吸着器からの脱着量との関係の変化を示す線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施形態の一例を詳細に説明する。図１には本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０が示されている。吸着式ヒートポンプ１０は、主な構成要素として、蒸発／凝縮器１２、第１吸着器１４,１６、第２吸着器１８及び制御部２０(図２参照)を備えている。
【００１８】
なお、本実施形態において、吸着式ヒートポンプ１０は本発明に係るヒートポンプの一例であり、蒸発／凝縮器１２は本発明における蒸発器(より詳しくは請求項５に記載の蒸発器)の一例であり、第１吸着器１４,１６は本発明における第１反応器の一例である。また、本実施形態において、第２吸着器１８は本発明における第２反応器の一例であり、制御部２０は後述するバルブ駆動部１３０及びバルブ群１３２と共に、本発明における切替部の一例である。
【００１９】
蒸発／凝縮器１２は、第１熱交換媒体を蒸発／凝縮させる蒸発／凝縮部１２Ａと、当該蒸発／凝縮部に配設され第２熱交換媒体が流通する配管１２Ｂと、を備えている。蒸発／凝縮器１２は、後述する第１の冷熱生成ステップ及び第２の冷熱生成ステップにおいて、蒸発／凝縮部で第１熱交換媒体を蒸発(気化)させることで冷熱を生成し、配管１２Ｂを流通する第２熱交換媒体を冷却する。蒸発／凝縮器１２は、後述する第２吸着器再生ステップにおいて、気化した状態の第１熱交換媒体を蒸発／凝縮部で凝縮させる。なお、蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａは本発明における蒸発器の蒸発部の一例、配管１２Ｂは本発明における蒸発器の流通部の一例である。
【００２０】
なお、第１熱交換媒体としては、例えば、水、或いはアンモニアを用いることができる。水及びアンモニアは、吸着式ヒートポンプ１０において求められる条件(温度及び圧力)で吸着材に対し吸着及び脱着し、しかも安価に調達できる。但し、第１熱交換媒体は、例えば炭素数１〜４のアルコール等を用いてもよいし、単一物質を用いても２種以上の混合物を用いてもよい。また、第２熱交換媒体としては、例えば、水、或いはアンモニア、或いは水と水溶性溶剤との混合溶媒を用いることができる。
【００２１】
蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂの一端には配管３０,３２の一端が各々接続されている。配管３０の他端は冷熱負荷２２に接続され、配管３２の他端は中温熱源２４に接続されている。配管３０,３２の途中にはバルブ３４,３６が設けられている。バルブ３４,３６は、モータ等を含むバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉される。なお、図２では、吸着式ヒートポンプ１０に設けられた各バルブを「バルブ群１３２」と総称して表記している。バルブ駆動部１３０は制御部２０(図２参照)に接続されており、バルブ３４,３６は選択的に開閉されるように制御部２０によって開閉が制御される。これにより、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂには、冷熱負荷２２又は中温熱源２４から第２熱交換媒体が選択的に供給される。
【００２２】
なお、冷熱負荷２２の具体例は特に限定されないが、例えば、冷熱負荷２２としては空調負荷、より詳しくは空調装置の室外機が挙げられる。また、本実施形態において、冷熱負荷２２からは、例えば30[℃]の第２熱交換媒体が供給される。
【００２３】
なお、中温熱源２４は吸着式ヒートポンプ１０で生成される冷熱よりも高温であればよく、中温熱源２４の具体例も特に限定されないが、例えば、吸着式ヒートポンプ１０が内燃機関を搭載した車両に設けられる場合、中温熱源２４としては内燃機関の冷却水等を用いることができる。また、本実施形態において、中温熱源２４からは、例えば40[℃]の第２熱交換媒体が供給される。
【００２４】
また、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂの他端には配管３８,４０の一端が各々接続されている。配管３８の他端は中温熱源２４に接続され、配管４０の他端には配管５４,５６の一端が各々接続されている。配管３８,４０の途中にはバルブ４２,４４が設けられている。バルブ４２,４４はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、選択的に開閉されるように制御部２０によって開閉が制御される。
【００２５】
第１吸着器１４は、第１熱交換媒体を吸着する吸着材が設けられ第１熱交換媒体を吸着／脱離(脱着)させる吸着部１４Ａと、当該吸着部１４Ａに配設され第２熱交換媒体が流通する配管１４Ｂと、を備えている。また、第１吸着器１６は第１吸着器１４と同一の構造とされ、第１熱交換媒体を吸着する吸着材が設けられ第１熱交換媒体を吸着／脱離させる吸着部１６Ａと、当該吸着部１６Ａに配設され第２熱交換媒体が流通する配管１６Ｂと、を備えている。なお、本実施形態では、第１吸着器１４,１６の吸着部１４Ａ,１６Ａの吸着材として、ＡＱＳＯＡ−Ｚ０５(「ＡＱＳＯＡ」は三菱樹脂株式会社の登録商標)を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ＡＱＳＯＡ−Ｚ０１、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物等であってもよい。
【００２６】
なお、第１吸着器１４,１６の吸着部１４Ａ,１６Ａは本発明における第１吸着器の反応部の一例であり、第１吸着器１４,１６の配管１４Ｂ,１６Ｂは本発明における第１吸着器の流通部の一例である。また、ＡＱＳＯＡ−Ｚ０５は請求項３に記載の反応材の一例である。
【００２７】
蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部には配管４６,４８の一端が接続されている。配管４６の他端は第１吸着器１４の吸着部１４Ａに接続されており、配管４６を介して蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａと第１吸着器１４の吸着部１４Ａは連通されている。同様に、配管４８の他端は第１吸着器１６の吸着部１６Ａに接続されており、配管４８を介して蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａと第１吸着器１６の吸着部１６Ａは連通されている。配管４６,４８の途中にはバルブ５０,５２が設けられている。バルブ５０,５２はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、制御部２０によって開閉が制御される。
【００２８】
配管５４の一端は第１吸着器１４の配管１４Ｂの一端に接続されており、配管５６の一端は第１吸着器１６の配管１６Ｂの一端に接続されている。配管５４,５６の途中にはバルブ５８,６０が設けられている。バルブ５８,６０はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、制御部２０によって開閉が制御される。
【００２９】
また、第１吸着器１４の配管１４Ｂの一端には配管６２の一端も接続されており、第１吸着器１６の配管１６Ｂの一端には配管６４の一端も接続されている。配管６２,６４の他端は接続されている。配管６２,６４の途中にはバルブ６６,６８が設けられている。バルブ６６,６８はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、制御部２０によって開閉が制御される。また、配管６２,６４の他端の接続部には配管７０の一端が接続されており、配管７０の他端は中温熱源２４に接続されている。
【００３０】
また、第１吸着器１４の配管１４Ｂの他端には、配管７２,７４の一端が各々接続されている。配管７２の他端は冷熱負荷２２に接続されており、配管７４の他端は中温熱源２４に接続されている。配管７２,７４の途中にはバルブ７６,７８が設けられている。バルブ７６,７８はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、制御部２０によって開閉が制御される。
【００３１】
また、第１吸着器１６の配管１６Ｂの他端には、配管８０,８２の一端が各々接続されている。配管８０の他端は冷熱負荷２２に接続されており、配管８２の他端は中温熱源２４に接続されている。配管８０,８２の途中にはバルブ８４,８６が設けられている。バルブ８４,８６はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、制御部２０によって開閉が制御される。
【００３２】
第２吸着器１８は、前述した第１吸着器１４,１６と同様に、第１熱交換媒体を吸着する吸着材が設けられ第１熱交換媒体を吸着／脱離させる吸着部１８Ａと、当該吸着部１８Ａに配設され第２熱交換媒体が流通する配管１８Ｂと、を備えている。本実施形態では、第２吸着器１８の吸着部１８Ａの吸着材として、Ｙ型ゼオライトを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物等であってもよい。また、第２吸着器１８の吸着部１８Ａが吸着可能な第１熱交換媒体の容量は、第１吸着器１４,１６の吸着部１４Ａ,１６Ａが吸着可能な第１熱交換媒体の容量よりも大きく(例えば２倍以上と)されている。第２吸着器１８は本発明における第２反応器の一例であり、Ｙ型ゼオライトは請求項４に記載の反応材の一例である。
【００３３】
第１吸着器１４の吸着部１４Ａには配管８８の一端が接続されている。配管８８の他端は第２吸着器１８の吸着部１８Ａに接続されており、第１吸着器１４の吸着部１４Ａと第２吸着器１８の吸着部１８Ａは配管８８を介して連通されている。同様に、第１吸着器１６の吸着部１６Ａには配管９０の一端が接続されている。配管９０の他端は第２吸着器１８の吸着部１８Ａに接続されており、第１吸着器１６の吸着部１６Ａと第２吸着器１８の吸着部１８Ａは配管９０を介して連通されている。配管８８,９０の途中にはバルブ９２,９４が設けられている。バルブ９２,９４はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、制御部２０によって開閉が制御される。
【００３４】
また、第２吸着器１８の配管１８Ｂの一端には配管９６,９８の一端が各々接続されている。配管９６の他端は中温熱源２４に接続されており、配管９８の他端は高温熱源２６に接続されている。配管９６,９８の途中にはバルブ１００,１０２が設けられている。バルブ１００,１０２はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、制御部２０によって開閉が制御される。
【００３５】
また、第２吸着器１８の配管１８Ｂの他端には配管１０４,１０６の一端が各々接続されている。配管１０４の他端は中温熱源２４に接続されており、配管１０６の他端は高温熱源２６に接続されている。配管１０４,１０６の途中にはバルブ１０８,１１０が設けられている。バルブ１０８,１１０はバルブ駆動部１３０(図２参照)によって開閉され、制御部２０によって開閉が制御される。
【００３６】
なお、高温熱源２６は中温熱源２４よりも高温であればよく、高温熱源２６の具体例も特に限定されないが、例えば、吸着式ヒートポンプ１０が内燃機関を搭載した車両に設けられる場合、高温熱源２６としては内燃機関の排気ガス等を用いることができる。また、本実施形態において、高温熱源２６からは、例えば200[℃]の第２熱交換媒体が供給される。
【００３７】
図２に示すように、制御部２０は、ＣＰＵ１２０、ＲＯＭやＲＡＭ等を含むメモリ１２２、ハードディスクドライブ、或いはフラッシュメモリを含む不揮発性の記憶部１２４、入出力(Ｉ／Ｏ)インタフェース部１２６を備えている。記憶部１２４には、ＣＰＵ１２０が後述するヒートポンプ制御処理を行うためのヒートポンプ制御プログラム１２８がインストールされている。先に説明したバルブ駆動部１３０はＩ／Ｏインタフェース部１２６に接続されている。
【００３８】
次に本実施形態の作用を説明する。吸着式ヒートポンプ１０の制御部２０は、電力が供給されている間、図３に示すヒートポンプ制御処理を行う。なお、ヒートポンプ制御処理は本発明に係る冷熱生成方法が適用された処理である。
【００３９】
本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０は、動作ステップとして、第１の冷熱生成ステップ、第２の冷熱生成ステップ及び第２吸着器再生ステップが設けられている。各ステップの詳細は後述するが、第１の冷熱生成ステップでは、蒸発／凝縮器１２で蒸発した第１熱交換媒体を第１吸着器１６の吸着部１６Ａで吸着すると共に、第１吸着器１４の吸着部１４Ａから脱離した第１熱交換媒体を第２吸着器１８の吸着部１８Ａで吸着することで、蒸発／凝縮器１２及び第１吸着器１４で冷熱が生成される。
【００４０】
また、第２の冷熱生成ステップでは、蒸発／凝縮器１２で蒸発した第１熱交換媒体を第１吸着器１４の吸着部１４Ａで吸着すると共に、第１吸着器１６の吸着部１６Ａから脱離した第１熱交換媒体を第２吸着器１８の吸着部１８Ａで吸着することで、蒸発／凝縮器１２及び第１吸着器１６で冷熱が生成される。また、第２吸着器再生ステップでは、第２吸着器１８の吸着部１８Ａから第１熱交換媒体を脱離させて蒸発／凝縮器１２で凝縮させることで、第２吸着器１８が再生される。
【００４１】
ヒートポンプ制御処理のステップ２００において、制御部２０は、第１の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ２００の判定が否定された場合はステップ２０２へ移行し、ステップ２０２において、制御部２０は、第２の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ２０２の判定が否定された場合はステップ２０４へ移行し、ステップ２０４において、制御部２０は、第２吸着器再生ステップを開始するタイミングが到来したか否か判定する。ステップ２０４の判定が否定された場合はステップ２００に戻り、ステップ２００〜２０４の何れかの判定が肯定される迄、ステップ２００〜２０４を繰り返す。
【００４２】
本実施形態において、各ステップの実行順序は、一例として、第１の冷熱生成ステップと第２の冷熱生成ステップとを交互に繰り返し、第２吸着器１８の再生が必要になった時点で第２吸着器再生ステップを割り込み実行するパターンとすることができる。第１の冷熱生成ステップ及び第２の冷熱生成ステップの継続時間は、例えば、実験等によって最適値を予め求めておき、第１の冷熱生成ステップを最適値に相当する時間継続した後、第２の冷熱生成ステップを最適値に相当する時間継続することを繰り返すことができる。また、第１熱交換媒体の温度を検出して後述する相対圧を算出し、算出した相対圧に基づいて第１の冷熱生成ステップと第２の冷熱生成ステップの継続時間を決定するようにしてもよい。
【００４３】
また、第２吸着器再生ステップを割り込み実行するタイミングは、例えば、第１の冷熱生成ステップと第２の冷熱生成ステップの繰り返し回数が所定回に達したか否かに基づいて判定するようにしてもよいし、例えば、第２吸着器再生ステップを前回行ってからの経過時間が所定時間を越えたか否かに基づいて判定するようにしてもよい。また、第２吸着器再生ステップの継続時間については、例えば、実験等によって最適値を予め求めておき、第２吸着器再生ステップを最適値に相当する時間継続することができる。
【００４４】
(第１の冷熱生成ステップ)
第１の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ２００の判定が肯定されてステップ２０６へ移行する。ステップ２０６において、制御部２０は、図４にも示すように、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと冷熱負荷２２との間のバルブ３４、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと第１吸着器１４の配管１４Ｂとの間のバルブ４４,５８、第１吸着器１４の配管１４Ｂと冷熱負荷２２との間のバルブ７６、蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａと第１吸着器１６の吸着部１６Ａとの間のバルブ５２、第１吸着器１６の配管１６Ｂと中温熱源２４との間のバルブ６８,８６、第１吸着器１４の吸着部１４Ａと第２吸着器１８の吸着部１８Ａとの間のバルブ９２、及び、第２吸着器１８の配管１８Ｂと中温熱源２４との間のバルブ１００,１０８を各々開放する。
【００４５】
また、次のステップ２０８において、制御部２０は、図４にも示すように、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと中温熱源２４との間のバルブ３６,４２、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと第１吸着器１６の配管１６Ｂとの間のバルブ６０、第１吸着器１６の配管１６Ｂと冷熱負荷２２との間のバルブ８４、蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａと第１吸着器１４の吸着部１４Ａとの間のバルブ、第１吸着器１４の配管１４Ｂと中温熱源２４との間のバルブ６６,７８、第１吸着器１６の吸着部１６Ａと第２吸着器１８の吸着部１８Ａとの間のバルブ９４、及び、第２吸着器１８の配管１８Ｂと高温熱源２６との間のバルブ１０２,１１０を各々閉塞する。ステップ２０８の処理を行うとステップ２００に戻る。
【００４６】
上述したバルブ群１３２の開閉により、第１の冷熱生成ステップでは、図４に示すように、蒸発／凝縮器１２で蒸発した第１熱交換媒体が、蒸発／凝縮器１２から第１吸着器１６の吸着部１６Ａに供給される。そして、吸着部１６Ａの吸着材は、吸着部１６Ａに供給された第１熱交換媒体に反応し、第１熱交換媒体を吸着する。
【００４７】
ここで、吸着式ヒートポンプ１０で生成する冷熱の温度Ｔ１を15[℃]、中温熱源２４から第１吸着器１６の配管１６Ｂに供給される第２熱交換媒体の温度Ｔ２を30[℃]と仮定する。第１吸着器１６の吸着部１６Ａにおける相対圧φ２は、蒸発／凝縮器１２の温度Ｔ１における飽和蒸気圧Ｐ１、第１吸着器１６の吸着部１６Ａの温度Ｔ２における飽和蒸気圧Ｐ２を用いて、φ２＝Ｐ１／Ｐ２となる。例えばＰ１＝1.5[ｋＰａ]、Ｐ２＝4.3[ｋＰａ]とすると、φ２≒0.348である。
【００４８】
図７には、第１吸着器１４の吸着部１４Ａや第１吸着器１６の吸着部１６Ａ、第２吸着器１８の吸着部１８Ａに使用可能な各種の吸着材について、相対圧と吸着量との関係を示している。図７から、第１吸着器１６の吸着部１６Ａで吸着材として使用しているＡＱＳＯＡ−Ｚ０５は、相対圧φ２が0.348のとき、吸着可能な第１熱交換媒体量のほぼ全量を吸着できる。
【００４９】
また、第１の冷熱生成ステップでは、バルブ９２を開放することで、前回の第２の冷熱生成ステップで第１熱交換媒体を吸着している状態の第１吸着器１４の吸着部１４Ａと、第２吸着器１８の吸着部１８Ａとが連通される。また、バルブ１００,１０８を開放することで、中温熱源２４から第２吸着器１８の配管１８Ｂに第２熱交換媒体が供給される。これにより、第１吸着器１４の吸着部１４Ａに吸着されていた第１熱交換媒体が吸着部１４Ａから脱離(脱着)し、第２吸着器１８の吸着部１８Ａに吸着される。
【００５０】
ここで、第１吸着器１４の吸着部１４Ａの温度Ｔ１を15[℃]、中温熱源２４から第２吸着器１８の配管１８Ｂに供給される第２熱交換媒体の温度Ｔ２を30[℃]と仮定する。第１吸着器１４の吸着部１４Ａにおける相対圧φ１は、第２吸着器１８の吸着部１８Ａにおける温度Ｔ２での平衡圧Ｐ３、第１吸着器１４の吸着部１４Ａの温度Ｔ１での飽和蒸気圧Ｐ４を用いて、φ１＝Ｐ３／Ｐ４と定義される。実質的に、Ｐ４≒Ｐ１である。
【００５１】
本実施形態において、第２吸着器１８の吸着部１８Ａは吸着材としてＹ型ゼオライトを用いている。図７に示すＹ型ゼオライトの吸着等温線において、相対圧φ１＝0.05になるまでＹ型ゼオライトを使用すると仮定した場合、第２吸着器１８の吸着部１８Ａにおける温度Ｔ２での平衡圧Ｐ３は、
Ｐ３＝Ｐ２×0.05＝4.3[ｋＰａ]×0.05＝0.215[ｋＰａ]
となる。これにより、φ１＝0.143となる。図７から明らかなように、第１吸着器１４の吸着部１４Ａの吸着材であるＡＱＳＯＡ−Ｚ０５は、相対圧が0.143のとき、吸着可能な第１熱交換媒体量のほぼ全量を脱着できる。
【００５２】
但し、上記では中温熱源２４から供給される第２熱交換媒体の温度Ｔ２を30[℃]と仮定したが、本実施形態では、中温熱源２４から温度Ｔ２が40[℃]の第２熱交換媒体が供給され、第１吸着器１６の吸着部１６Ａの温度(吸着温度)Ｔ２も40[℃]となる。図８に示すように、吸着材としてＡＱＳＯＡ−Ｚ０５を用いている第１吸着器１６は、吸着温度Ｔ２が30[℃]であれば、蒸発／凝縮器１２の温度Ｔ１が15[℃]であっても吸着可能な第１熱交換媒体量のほぼ全量を吸着できるが、吸着温度Ｔ２が35[℃]に上昇すると、蒸発／凝縮器１２の温度Ｔ１が15[℃]のときの第１熱交換媒体量の吸着量が大幅に低下する。そして、吸着温度Ｔ２が40[℃]まで上昇すると、蒸発／凝縮器１２の温度Ｔ１が15[℃]のときに第１熱交換媒体量を殆ど吸着できなくなる。
【００５３】
従って、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０は、中温熱源２４から供給される第２熱交換媒体の温度が比較的高く(例えば40[℃]に)なると、第１吸着器１６による第１熱交換媒体の吸着のみで、温度Ｔ１が15[℃]の冷熱を蒸発／凝縮器１２で生成することは困難である。
【００５４】
これに対し、吸着材としてＹ型ゼオライトを用いている第２吸着器１８は、図９に示すように、第１吸着器１４の吸着部１４Ａの脱着温度Ｔ１が15[℃]の場合、吸着温度Ｔ２が30[℃]から40[℃]に上昇したとしても、第１吸着器１４の吸着部１４Ａからの第１熱交換媒体の脱着量(第２吸着器１８の吸着部１８Ａによる第１熱交換媒体の吸着量)は殆ど低下しない。このため、第１吸着器１４では吸着部１４Ａからの第１熱交換媒体の脱着に伴って冷熱が発生する。
【００５５】
そして、第１の冷熱生成ステップでは、バルブ４４,５８,７６を開放することで、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂ、第１吸着器１４の配管１４Ｂ及び冷熱負荷２２を直列に接続し、当該接続によって形成された循環路(冷熱負荷２２→配管３０→蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂ→配管４０→配管５４→第１吸着器１４の配管１４Ｂ→配管７２→冷熱負荷２２と循環する循環路)に第２熱交換媒体を流通させている。
【００５６】
これにより、蒸発／凝縮器１２で生成された冷熱と第１吸着器１４で生成された冷熱とが重畳され、中温熱源２４から温度が40[℃]の第２熱交換媒体が供給されるという条件であっても、冷熱負荷２２から蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂに供給された温度が30[℃]の第２熱交換媒体が、例えば、蒸発／凝縮器１２の出口では23[℃]、第１吸着器１４の出口では14[℃]まで冷却された後に、冷熱負荷２２に供給されることになる。また、第１の冷熱生成ステップでは、前述のように、第１吸着器１４の吸着部１４Ａに吸着されていた第１熱交換媒体のほぼ全量が脱着され、第２吸着器１８の吸着部１８Ａの吸着材に吸着されるので、第１吸着器１４の吸着部１４Ａが再生される。
【００５７】
(第２の冷熱生成ステップ)
第２の冷熱生成ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ２０２の判定が肯定されてステップ２１０へ移行する。ステップ２１０において、制御部２０は、図５にも示すように、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと冷熱負荷２２との間のバルブ３４、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと第１吸着器１６の配管１６Ｂとの間のバルブ４４,６０、第１吸着器１６の配管１６Ｂと冷熱負荷２２との間のバルブ８４、蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａと第１吸着器１４の吸着部１４Ａとの間のバルブ５０、第１吸着器１４の配管１４Ｂと中温熱源２４との間のバルブ６６,７８、第１吸着器１６の吸着部１６Ａと第２吸着器１８の吸着部１８Ａとの間のバルブ９４、及び、第２吸着器１８の配管１８Ｂと中温熱源２４との間のバルブ１００,１０８を各々開放する。
【００５８】
次のステップ２１２において、制御部２０は、図５にも示すように、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと中温熱源２４との間のバルブ３６,４２、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと第１吸着器１４の配管１４Ｂとの間のバルブ５８、第１吸着器１４の配管１４Ｂと冷熱負荷２２との間のバルブ７６、蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａと第１吸着器１６の吸着部１６Ａとの間のバルブ５２、第１吸着器１６の配管１６Ｂと中温熱源２４との間のバルブ６８,８６、第１吸着器１４の吸着部１４Ａと第２吸着器１８の吸着部１８Ａとの間のバルブ９２、及び、第２吸着器１８の配管１８Ｂと高温熱源２６との間のバルブ１０２,１１０を各々閉塞する。ステップ２１２の処理を行うとステップ２００に戻る。
【００５９】
上述したバルブ群１３２の開閉により、第２の冷熱生成ステップでは、図５に示すように、蒸発／凝縮器１２で蒸発した第１熱交換媒体が、蒸発／凝縮器１２から第１吸着器１４の吸着部１４Ａに供給される。そして、吸着部１４Ａの吸着材は、吸着部１４Ａに供給された第１熱交換媒体に反応し、第１熱交換媒体を吸着する。
【００６０】
また、第２の冷熱生成ステップでは、バルブ９４を開放することで、前回の第１の冷熱生成ステップで第１熱交換媒体を吸着している状態の第１吸着器１６の吸着部１６Ａと、第２吸着器１８の吸着部１８Ａとが連通される。また、バルブ１００,１０８を開放することで、中温熱源２４から第２吸着器１８の配管１８Ｂに第２熱交換媒体が供給される。これにより、第１吸着器１６の吸着部１６Ａに吸着されていた第１熱交換媒体が吸着部１６Ａから脱離(脱着)し、第２吸着器１８の吸着部１８Ａに吸着される。
【００６１】
そして、第２の冷熱生成ステップでは、バルブ４４,６０,８４を開放することで、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂ、第１吸着器１６の配管１６Ｂ及び冷熱負荷２２を直列に接続し、当該接続によって形成された循環路(冷熱負荷２２→配管３０→蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂ→配管４０→配管５６→第１吸着器１６の配管１６Ｂ→配管８０→冷熱負荷２２と循環する循環路)に第２熱交換媒体を流通させている。
【００６２】
これにより、蒸発／凝縮器１２で生成された冷熱と第１吸着器１６で生成された冷熱とが重畳され、中温熱源２４から温度が40[℃]の第２熱交換媒体が供給されるという条件であっても、冷熱負荷２２から蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂに供給された温度が30[℃]の第２熱交換媒体が、例えば、蒸発／凝縮器１２の出口では23[℃]、第１吸着器１６の出口では14[℃]まで冷却された後に、冷熱負荷２２に供給されることになる。また、第２の冷熱生成ステップでは、前述のように、第１吸着器１６の吸着部１６Ａに吸着されていた第１熱交換媒体のほぼ全量が脱着され、第２吸着器１８の吸着部１８Ａの吸着材に吸着されるので、第１吸着器１６の吸着部１６Ａが再生される。
【００６３】
(第２吸着器再生ステップ)
また、第２吸着器再生ステップを開始するタイミングが到来すると、ステップ２０４の判定が肯定されてステップ２１４へ移行する。ステップ２１４において、制御部２０は、図６にも示すように、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと中温熱源２４との間のバルブ３６,４２、蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａと第１吸着器１４,１６の吸着部１４Ａ,１６Ａとの間のバルブ５０,５２、第１吸着器１４,１６の吸着部１４Ａ,１６Ａと第２吸着器１８の吸着部１８Ａとの間のバルブ９２,９４、及び、第２吸着器１８の配管１８Ｂと高温熱源２６との間のバルブ１０２,１１０を各々開放する。
【００６４】
次のステップ２１６において、制御部２０は、図６にも示すように、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと冷熱負荷２２との間のバルブ３４、蒸発／凝縮器１２の配管１２Ｂと第１吸着器１４,１６の配管１４Ｂ,１６Ｂとの間のバルブ４４,５８,６０、第１吸着器１４,１６の配管１４Ｂ,１６Ｂと冷熱負荷２２との間のバルブ７６,８４、第１吸着器１４,１６の配管１４Ｂ,１６Ｂと中温熱源２４との間のバルブ６６,７８,６８,８６、及び、第２吸着器１８の配管１８Ｂと中温熱源２４との間のバルブ１００,１０８を各々閉塞する。ステップ２１６の処理を行うとステップ２００に戻る。
【００６５】
上述したバルブ群１３２の開閉により、第２吸着器再生ステップでは、図６に示すように、高温熱源２６から第２吸着器１８に高温の第２熱交換媒体が供給され、第２吸着器１８の吸着部１８Ａの吸着材が加熱されることで、第２吸着器１８の吸着部１８Ａの吸着材に吸着されていた第１熱交換媒体が脱着する。これにより、第２吸着器１８の吸着部１８Ａが再生される。吸着部１８Ａから脱着した第１熱交換媒体は、第１吸着器１４,１６を経由して蒸発／凝縮器１２へ供給され、蒸発／凝縮器１２で凝縮される。
【００６６】
なお、蒸発／凝縮器１２で凝縮された第１熱交換媒体は、吸着式ヒートポンプ１０の系外へ排出するようにしてもよいし、図示しない液タンクに一旦貯留し、蒸発／凝縮器１２における第１熱交換媒体の蒸発に再利用するようにしてもよい。
【００６７】
なお、上記では第２吸着器再生ステップにおいて、第２吸着器１８の吸着部１８Ａから脱着(気化)した第１熱交換媒体を、第１吸着器１４,１６を経由して蒸発／凝縮器１２へ供給する態様を説明したが、これに限定されるものではなく、第２吸着器１８の吸着部１８Ａと蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａとを直接接続するバイパス配管を設け、当該バイパス配管を経由して第２吸着器１８の吸着部１８Ａから蒸発／凝縮器１２の蒸発／凝縮部１２Ａへ第１熱交換媒体を供給するように構成してもよい。
【００６８】
また、上記では第２吸着器１８の吸着部１８Ａから脱着(気化)した第１熱交換媒体を蒸発／凝縮器１２で凝縮する態様を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、第２吸着器１８の吸着部１８Ａから脱着(気化)した第１熱交換媒体を、蒸発／凝縮器１２と別に設けた凝縮器で凝縮するようにしてもよいし、例えば、第２吸着器１８の吸着部１８Ａから脱着(気化)した第１熱交換媒体を、凝縮することなく吸着式ヒートポンプ１０の系外へ排出することも可能である。
【００６９】
また、上記では本発明に係るヒートポンプの一例として吸着式ヒートポンプ１０を説明すると共に、本発明における第１反応器及び第２反応器の一例として、吸着材によって第１熱交換媒体を吸着及び脱着する構成の第１吸着器１４及び第２吸着器１８を説明したが、本発明における第１反応器及び第２反応器は、吸着材によって第１熱交換媒体を吸着及び脱着する構成に限定されるものではなく、第１熱交換媒体の飽和蒸気圧以下の圧力で第１熱交換媒体と反応することで、系の圧力を低下させることが可能な反応器であればよい。ここでいう反応には、物理吸着、化学吸着、吸収、化学反応等が含まれる。
【符号の説明】
【００７０】
１０  吸着式ヒートポンプ
１２  蒸発／凝縮器
１２Ａ  蒸発／凝縮部
１２Ｂ  配管
１４,１６  第１吸着器
１４Ａ,１６Ａ  吸着部
１４Ｂ,１６Ｂ  配管
１８  第２吸着器
２０  制御部
１３０  バルブ駆動部
１３２  バルブ群
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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