(57)【要約】【課題】  密閉容器内に存在する吸着質以外の気体分子を捕集して出力低下の発生を回避しつつも、面倒なメンテナンスを省力化し得る吸着式ヒートポンプを提供する。【解決手段】  吸着槽２ａ，２ｂとして、吸着剤が塗布された気体補修用熱交換器２２と吸着／脱着用熱交換器２３，２４とを密閉容器２１に内蔵する。全熱交換器に高温熱媒を循環供給して脱着させつつ真空ポンプ５で真空引きする準備運転の後に、冷熱取り出し運転として一方の吸着槽で吸着工程を、他方の吸着槽で脱着工程を交互に繰り返す。冷熱取り出し運転の間、気体捕集用熱交換器に対し気体捕集用の所定温度の熱媒を供給して、密閉容器内で放出・侵入・発生される不要気体分子を吸着させて捕集する。メンテナンスとして定期的に準備運転と同じ処理を行えば捕集能力を再生・回復し得る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１又は２以上の吸着槽と、凝縮槽と、蒸発槽とを備えて、吸着質の吸着と脱着とを繰り返す吸着式冷凍サイクルが実行される吸着式ヒートポンプであって、
上記吸着槽は、密閉容器と、この密閉容器に内蔵されて、吸着工程と脱着工程とに交互に切換えられる少なくとも１つの吸着／脱着用熱交換器、及び、上記密閉容器内の吸着質以外の気体が吸着される少なくとも１つの気体捕集用熱交換器とを備えて構成され、
上記気体捕集用熱交換器は、この気体捕集用熱交換器に対し上記気体吸着用に設定された温度の熱媒が循環供給されるように構成されている
ことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
【請求項２】
１又は２以上の吸着槽と、凝縮槽と、蒸発槽とを備えて、吸着質の吸着と脱着とを繰り返す吸着式冷凍サイクルが実行される吸着式ヒートポンプであって、
上記吸着槽は、密閉容器と、この密閉容器に内蔵された少なくとも２つの吸着／脱着用熱交換器とを備えて構成され、
上記少なくとも２つの吸着／脱着用熱交換器の内の１つの吸着／脱着用熱交換器が上記密閉容器内の吸着質以外の気体を吸着する気体捕集用熱交換器として構成され、他の吸着／脱着用熱交換器で吸着工程と脱着工程とが選択的に実行されるように構成されている
ことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着式冷凍サイクルを利用した吸着式ヒートポンプであって、特に吸着槽内に侵入したり、放出されたり、発生したりすることのある、吸着質以外の気体分子を捕集して出力低下の発生を回避し得る吸着式ヒートポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の吸着式ヒートポンプとして、複数の吸着器、蒸発器、凝縮器及び複数の切換弁等を１つの真空容器内に収納することにより、各機器の真空度を個別に管理する場合の煩雑さを回避して、各機器の真空度の管理の容易化を図ることにしたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
又、真空容器内を真空にするものとして、冷凍機からの液体ヘリウムの供給を受けて極低温に降下させたクライオパネルに上記真空容器内の気体分子を凝縮又は吸着保持させて、真空容器内を排気して内部を真空状態にする真空クライオポンプも知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】特許第３８３１９６４号公報
【特許文献２】特開平６−５８２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、冷凍サイクルを利用して吸着式ヒートポンプにより冷熱取り出しのための運転を行うには、密閉容器内を気相状態もしくは液相状態の吸着質のみが存在し吸着質以外の気体分子が存在しないように略真空状態に維持する必要がある。このため、吸着式ヒートポンプでは、冷熱取り出し運転の供用開始前の初期準備運転において、吸着器を高温に維持して吸着剤から気体の脱着を促しつつ、吸着槽を構成する密閉容器内を真空ポンプにより長時間に亘り真空引きし、その後、十分に脱気した吸着質(例えば水であると、真空引きすることにより溶解していた気体を追い出した後の脱気した水)を真空状態に維持された上記密閉容器内（吸着槽を構成する蒸発室内）に封入する、という準備工程を行うようにしている。
【０００６】
しかしながら、このような吸着式ヒートポンプでは、真空状態に維持された密閉容器内に吸着質以外の気体分子が存在するようになると、冷熱取り出し運転における出力（仕事率又は単位時間当たりの熱移動量）の低下を招くことになる。例えば、吸着質として水が封入されている場合には、その水や水蒸気以外の気体（例えばＮ２，Ｏ２，ＣＯ２，Ｈ２）が存在すると、吸着質の水を蒸発させる際に水の拡散を妨げて蒸発速度を低下させる原因となり、所定量の水を蒸発させるために要する時間がより長くなって、冷熱取り出しのための１サイクルの運転時間がより長くかかることになる結果、出力低下を招くことになる。
【０００７】
上記の如き気体は、例えば真空ポンプとの接続部位に必要となるバルブに存在するシール部位から、つまり外部から僅かずつであっても空気が侵入したり、吸着剤に吸着されたまま残留した気体分子や熱交換器の金属表面に吸着されたままの気体分子（アウトガス）
が後になってから密閉容器内に放出されたり、内部に封入された吸着質の水が化学反応を生じて気体を発生させたり、というような原因により存在することになるおそれがある。従って、上記の密閉容器内を恒久的に吸着質である水や水蒸気のみが封入された状態の真空状態に保持することは困難であり、そのため、定期的に真空ポンプを作動させて密閉容器内を真空引きさせるという再真空化のためのメンテナンスが行われている。
【０００８】
又、上記の如き吸着質以外の気体分子（以下、「不要気体分子」と総称する）を捕集するために、選択的化学吸着が可能なゲッタを密閉容器内に設置又は塗布することも考えられるが、吸着許容量を超える前に交換又は再生作業を行う必要がある上に、その交換又は再生作業のためのメンテナンスにおいては密閉容器をその都度開けて再度密閉するという開閉作業が必然的に付随することになって多大な手間を要することになる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、密閉容器内に存在する吸着質以外の気体分子を捕集して出力低下の発生を回避しつつも、面倒なメンテナンスを省力化し得る吸着式ヒートポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、１又は２以上の吸着槽と、凝縮槽と、蒸発槽とを備えて、吸着質の吸着と脱着とを繰り返す吸着式冷凍サイクルが実行される吸着式ヒートポンプを対象にして次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記吸着槽として、密閉容器と、この密閉容器に内蔵されて、吸着工程と脱着工程とに交互に切換えられる少なくとも１つの吸着／脱着用熱交換器、及び、上記密閉容器内の吸着質以外の気体が吸着される少なくとも１つの気体捕集用熱交換器とを備えて構成し、上記気体捕集用熱交換器として、この気体捕集用熱交換器に対し上記気体吸着用に設定された温度の熱媒が循環供給される構成とした。
【００１１】
この発明の場合、吸着槽を構成する密閉容器内の吸着質以外の気体分子（不要気体分子）が気体補修用熱交換器によって吸着されて捕集され、その捕集した状態に維持されることになる。これにより、密閉容器内の真空状態の保持が図られ、吸着質以外の不要気体分子の存在に起因する出力低下の発生を回避することが可能となる。しかも、気体捕集用熱交換器の吸着能を再生させるには単に脱着用の高温熱媒に供給切換するだけのメンテナンス運転を行えば済み、密閉容器を開けるために分解する必要がないため、メンテナンス作業の大幅な省力化を図り得ることになる。
【００１２】
請求項２に係る発明では、１又は２以上の吸着槽と、凝縮槽と、蒸発槽とを備えて、吸着質の吸着と脱着とを繰り返す吸着式冷凍サイクルが実行される吸着式ヒートポンプを対象にして次の特定事項を備えることとした。すなわち、上記吸着槽として、密閉容器と、この密閉容器に内蔵された少なくとも２つの吸着／脱着用熱交換器とを備えて構成し、上記少なくとも２つの吸着／脱着用熱交換器の内の１つの吸着／脱着用熱交換器を上記密閉容器内の吸着質以外の気体が吸着される気体捕集用熱交換器として構成し、他の吸着／脱着用熱交換器で吸着工程と脱着工程とが選択的に実行される構成とした。
【００１３】
この発明の場合、請求項１に係る発明の場合と同様に、吸着槽を構成する密閉容器内の不要気体分子が気体補修用熱交換器によって吸着されて捕集され、その捕集した状態に維持されることになる。これにより、密閉容器内の真空状態の保持が図られ、吸着質以外の不要気体分子の存在に起因する出力低下の発生を回避することが可能となる。しかも、気体捕集用熱交換器の吸着能を再生させるには単に脱着用の高温熱媒に供給切換するだけのメンテナンス運転を行えば済み、密閉容器を開けるために分解する必要がないため、メンテナンス作業の大幅な省力化を図り得ることになる。その上に、気体捕集用熱交換器としては、少なくとも２つの吸着／脱着用熱交換器の内のいずれか１つを用いればよく、特別な気体捕集用熱交換器を備える必要もない。
【発明の効果】
【００１４】
以上、説明したように、請求項１又は請求項２の吸着式ヒートポンプによれば、吸着槽を構成する密閉容器内の不要気体分子を気体補修用熱交換器によって吸着して捕集することができ、その捕集した状態に維持することができる。これにより、密閉容器内の真空状態の保持を確実に図ることができ、吸着質以外の不要気体分子の存在に起因する出力低下の発生を回避することができるようになる。しかも、気体捕集用熱交換器の吸着能を再生させるには単に脱着用の高温熱媒に供給切換するだけのメンテナンス運転を行えば済み、密閉容器を分解する必要を省略して、メンテナンス作業の大幅な省力化を図ることができるようになる。
【００１５】
特に、請求項２によれば、気体捕集用熱交換器としては、少なくとも２つの吸着／脱着用熱交換器の内のいずれか１つを用いればよく、特別な気体捕集用熱交換器を備える必要もなく簡易に本発明の吸着式ヒートポンプを構成することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの作動原理を示すものであり、この吸着式ヒートポンプは一対の吸着槽２ａ，２ｂと、凝縮槽３と、蒸発槽４とを備えたものである。各槽２ａ，２ｂ，３，４は熱交換器を内蔵した密閉容器により形成され、真空ポンプ５，５等により所定の真空状態に維持されるようになっている。各吸着槽２ａ，２ｂは凝縮槽３と開閉切換弁６１，６２を介して連通接続可能とされる一方、蒸発槽４と開閉切換弁６３，６４を介して連通接続可能とされている。加えて、凝縮槽３は蒸発槽４と開閉切換弁６５を介して連通接続可能とされている。そして、特に蒸発槽４の内部には例えば水、アルコール、アンモニア等の吸着質が所要量封入されている。以下、吸着質として水が封入されているものとして説明を続ける。
【００１８】
まず、簡単にこの吸着式ヒートポンプを用いた、吸着式冷凍サイクルに基づく冷熱取り出しのための運転について説明する。この運転は、一対の吸着槽２ａ，２ｂで吸着工程と脱着工程とを交互に切換えるというバッチ処理方式によって連続した冷熱取り出しを可能とするものである。すなわち、あるサイクルでのバッチ処理として、開変換させた開閉切換弁６３を通して蒸発槽４から蒸発された水蒸気の供給を受けて一方の吸着槽（例えば２ａ）で吸着工程を行うと同時に、他方の吸着槽２ｂで脱着工程を行い開変換させた開閉切換弁６２を通して脱着後の水蒸気を凝縮槽３に供給して凝縮させる。そして、次のサイクルのバッチ処理では、一対の吸着槽２ａ，２ｂでの工程を互いに切換えて、上記の吸着槽２ａで脱着工程を行わせると同時に上記の吸着槽２ｂで吸着工程を行わせる。つまり吸着槽２ａでは前のサイクルで吸着させた水蒸気を脱着させて開閉切換弁６１を通して凝縮槽３に供給し、吸着槽２ｂでは前のサイクルで脱着させた後の吸着剤に対し蒸発槽４からの水蒸気を開閉切換弁６４を通して供給して吸着させるのである。このようなサイクルを交互に繰り返す。
【００１９】
このサイクルの際に、例えば吸着槽２ａでは、内蔵している吸着／脱着用熱交換器に対し循環供給する熱媒として低温−高温−低温−高温…の順でと交互に供給切換することにより、吸着−脱着−吸着−脱着…の工程を交互に繰り返し、一方、吸着槽２ｂでは、吸着槽２ａとは逆に循環供給する熱媒を高温−低温−高温−低温…と交互に供給切換して脱着−吸着−脱着−吸着…というように工程切換を行う。このようにすることにより、蒸発槽４での蒸発と、凝縮槽３での凝縮とが連続して行われ、蒸発槽４に循環供給される熱媒が蒸発熱により冷却されて戻され、この冷却された熱媒によって冷熱を連続して取り出すことができるようになる。
【００２０】
次に、本実施形態で採用されている吸着槽２ａ，２ｂについて、図２を参照しつつ説明する。両吸着槽２ａ，２ｂは互いに同じ構成を備え、それぞれ、密閉容器２１と、密閉容器２１に内蔵された２以上（図例では３つ）の熱交換器２２，２３，２４とを備えて構成されている。３つの内、１つの熱交換器２２は気体捕集用熱交換器とされ、他の残りの熱交換器２３，２４が吸着／脱着用熱交換器とされている。これら３つの熱交換器２２，２３，２４は全て同じ構成を有し、それぞれ外表面にはゼオライト，シリカゲルもしくは活性炭等の吸着剤が固定されている。例えば、フィンアンドチューブ形式の場合には、図例の如くフィン２０１，２０１，…やチューブ２０２の外表面に吸着剤２０３が層状に固定されている。
【００２１】
そして、図示を省略しているが、各吸着／脱着用熱交換器２３，２４には、これに対し高温（例えば７５℃）の熱媒又は中温（例えば３２℃）の熱媒のいずれかが供給切換可能に循環供給されるように熱媒供給配管が接続されている。つまり、吸着／脱着用熱交換器２３，２４に中温の熱媒（高低２種類の温度の熱媒の内の低温の熱媒）が循環供給されると、吸着槽２ａ又は２ｂは、吸着工程を行うことになり、外表面の吸着剤が冷やされて気体状態の吸着質である水蒸気を吸着する吸着器の役割を果たすことになり、逆に高温の熱媒が循環供給されると、吸着槽２ａ又は２ｂは、脱着工程を行うようになり、吸着剤に既に吸着されていた水蒸気を脱着(分離)させる脱着器としての役割を果たすことになる。
【００２２】
一方、気体捕集用熱交換器２２には、これに対し不要気体分子の吸着用の所定温度の熱媒又は準備運転又はメンテナンス用の高温（例えば７５℃）の熱媒のいずれかが供給切換可能に循環供給されるように熱媒供給管が接続されている。不要気体分子の吸着用に循環供給させる熱媒温度としては、水蒸気（吸着質）を吸着せずに不要気体分子のみを吸着して保持し得る温度が最も望ましいものの、実用的には若干量の水蒸気の吸着が生じたとしても水蒸気の吸着をできるだけ抑制して不要気体分子を吸着して保持し得る温度を採用すればよい。このような温度値としては、上記の吸着／脱着用熱交換器２３，２４に循環供給される中温の熱媒温度（例えば３２℃）から、蒸発槽４の蒸発用熱交換器に対し蒸発作動用に循環供給される低温の熱媒温度（例えば２０℃）までの範囲の温度値を採用すればよい。ここで、不要気体分子の吸着用に循環供給する熱媒温度として、吸着用の中温と同程度の温度値に設定してもよいが、吸着用の中温よりも少しでも低温側の温度値に設定するのが好ましい。不要気体分子の吸着に伴い若干量の水蒸気の吸着を生じたとしても、不要気体気体分子が混入した状態で冷熱取り出し運転をし続けるよりは、出力低下度合の軽減化を図ることができる上に、後述の如くメンテナンスの省力化を図ることができるからである。あるいは、同様の理由により、同じ吸着槽２ａ又は２ｂ内の吸着／脱着用熱交換器２３，２４に供給されている熱媒温度よりも低温側に所定温度だけ温度差を有する温度値を、不要気体分子の吸着用に循環供給する熱媒温度として設定するようにしてもよい。例えば、高温・中温・低温の３種類の温度の熱媒供給が可能な場合には、吸着／脱着用熱交換器２３，２４に脱着用に高温（例えば７５℃）の熱媒が供給されているときには、気体捕集用熱交換器２２に対し中温（例えば３２℃）の熱媒を供給し、吸着／脱着用熱交換器２３，２４に吸着用に中温（例えば３２℃）の熱媒が供給されているときには、気体捕集用熱交換器２２に対し低温（例えば２０℃）の熱媒を供給するようにしてもよい。
【００２３】
次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプの準備運転、吸着／脱着のサイクルを繰り返す冷熱取り出し運転、及び、メンテナンス運転の際の吸着槽２ａ，２ｂの作動状況について説明する。準備運転では、全熱交換器２２，２３，２４に対しそれぞれ高温の熱媒を循環供給しつつ、真空ポンプ５を作動させて密閉容器２１内を真空引きする。これにより、各熱交換器２２，２３，２４の吸着剤に吸着・捕集されているかもしれない気体分子等を十分に脱着させた上で（図２参照）、所定の真空状態に維持する。
【００２４】
この真空状態に維持された状態で上記の如きバッチ処理方式による冷熱取り出し運転を開始させる。一方の吸着槽（例えば２ａ）が吸着工程にある場合には、図３に示すように、開変換された開閉切換弁６３を通して蒸発槽４（図１参照）から蒸発された水蒸気が密閉容器２１内に導入され、この水蒸気が吸着／脱着用熱交換器２３，２４に吸着される一方、気体捕集用熱交換器２２には密閉容器２１内の不要気体分子が吸着されることになる。これに平行して、他方の吸着槽（例えば２ｂ）では脱着工程が行われ、図４に示すように、吸着／脱着用熱交換器２３，２４から脱着した水蒸気が開変換された開閉切換弁６２を通して凝縮槽３（図１参照）に導出される一方、気体捕集用熱交換器２２は密閉容器２１内の不要気体分子を吸着し続けることになる。このように吸着槽２ａ，２ｂにおいて吸着工程と脱着工程とを繰り返す冷熱取り出し運転が行われている間、各吸着槽２ａ，２ｂ内の気体捕集用熱交換器２２には気体捕集用の所定温度の熱媒が循環供給され続け、これにより、気体捕集用熱交換器２２は密閉容器２１内の不要気体分子の捕集・保持を継続することになる。
【００２５】
そして、所定時間経過した後のメンテナンス運転は、気体捕集用熱交換器２２に吸着・捕集された不要気体分子を脱着させて密閉容器２１外に排出するために行われる。このメンテナンス運転は上記の準備運転と同じ処理を行うだけで済む。すなわち、全熱交換器２２，２３，２４に対しそれぞれ高温の熱媒を循環供給しつつ、真空ポンプ５を作動させて密閉容器２１内を真空引きする。これにより、気体捕集用熱交換器２２の吸着剤に吸着・捕集されている不要気体分子や、吸着／脱着用熱交換器２３，２４の吸着剤に吸着されている水蒸気がそれぞれ脱着され、脱着された不要気体分子等が真空ポンプ５による真空引きにより排出されることになる。そして、次の冷熱取り出し運転のために密閉容器２１を所定の真空状態に維持する。以上のメンテナンス運転により、容易かつ迅速に気体捕集用熱交換器２２による不要気体分子の捕集能力を回復・再生させることができる。
【００２６】
以上の吸着式ヒートポンプの場合、吸着槽２ａ，２ｂを構成する密閉容器２１内の不要気体分子を気体補修用熱交換器２２によって吸着して捕集し、その捕集した状態に維持させることができる。これにより、密閉容器２１内の真空状態の保持を図り、水や水蒸気（吸着質）以外の不要気体分子の存在に起因する出力低下の発生を回避することができる。特に、供用開始前の初期の準備運転による脱着・真空引きによっても各熱交換器２２，２３，２４から脱けきれずに、その後の冷熱取り出し運転の進行により徐々に密閉容器２１内に放出される不要気体分子を確実に捕集することができ、かかる不要気体分子に起因して吸着槽２ａ，２ｂ内の圧力が上昇してしまい、その結果、出力が低下するような事態の発生を、確実に阻止することができる。さらに、気体捕集用熱交換器２２の吸着剤や気体捕集用の熱媒温度設定によって、不要気体分子の捕集能力を調整することができ、これにより、不要気体分子の吸着能に到達、つまり出力低下が生じ始めるまでの経過時間をより長く延ばすことができる。このため、次回のメンテナンス運転までの冷熱取り出し運転の継続時間をより長く延ばすことができるようになる。しかも、気体捕集用熱交換器２２の吸着剤の吸着能を再生させるには単に脱着用の高温熱媒に供給切換するだけのメンテナンス運転を行えば済み、密閉容器を開けるために分解する必要がないため、メンテナンス作業の大幅な省力化を図ることができるようになる。
【００２７】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、吸着槽として一対のものを備えた吸着式ヒートポンプを示したが、これに限らず、吸着槽としては少なくとも１つ備えていればよく、３つ以上の吸着槽を備えて構成してもよい。
【００２８】
上記実施形態では、吸着槽として２つの吸着／脱着用熱交換器２３，２４と、１つの気体捕集用熱交換器２２との３つの同じ熱交換器を備えて構成しているが、これに限らず、全体の数については２つ以上、気体捕集用熱交換器のサイズや構成としては吸着／脱着用熱交換器よりも大きい又は小さいものとしてもよい。要するに、吸着／脱着用熱交換器の数は少なくとも１つあればよく、又、気体捕集用熱交換器も少なくとも１つあればよい。つまり、吸着槽として、少なくとも１つの吸着／脱着用熱交換器と、少なくとも１つの気体捕集用熱交換器とで構成すればよい。
【００２９】
吸着／脱着用熱交換器２３，２４や、気体捕集用熱交換器２２として、フィンアンドチューブ形式のものを示したが、これに限らず、他の形式の熱交換器を用いてもよい。
【００３０】
吸着槽２ａ，２ｂのそれぞれに真空ポンプ５が付設された状態を図示しているが、真空ポンプは１つでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態の吸着式ヒートポンプの基本的な構成を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態の吸着槽を示す説明図である。
【図３】吸着工程にある状態の吸着槽を示す図２相当図である。
【図４】脱着工程にある状態の吸着槽を示す図２相当図である。
【符号の説明】
【００３２】
２ａ，２ｂ      吸着槽
３              凝縮槽
４              蒸発槽
２１            密閉容器
２２            気体捕集用熱交換器
２３，２４      吸着／脱着用熱交換器
【図１】
2009275938.tif 000003
【図２】
2009275938.tif 000004
【図３】
2009275938.tif 000005
【図４】
2009275938.tif 000006