JP4333627B2 - 吸着式ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は吸着式ヒートポンプ装置、特に、作動媒体としてアンモニアを用いた吸着式ヒートポンプ装置に関する。

作動媒体としてアンモニアを用い、作動媒体を吸着しかつ脱着（放出）できる活性炭のような吸着材を収容した一対の吸脱着器と、一対の吸脱着器に選択的に接続し、作動媒体であるアンモニア蒸気を凝縮液化する凝縮器、および液状アンモニアを蒸発させる蒸発器とを少なくとも備えた吸着式ヒートポンプ装置は知られている（例えば、特許文献１参照）。

図７は吸着式ヒートポンプ装置の基本構成図を示しており、図示の状態において、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２内の吸着材に吸着したアンモニアは、図示しない外部熱源からの高温熱媒体が内部を通過して加熱されることにより蒸発し、開いているバルブＶ２を通って凝縮器ＣＯＮに入る。このときバルブＶ１は閉じている。アンモニア蒸気は、凝縮器ＣＯＮ内で低温熱媒体と熱交換して凝縮し液体となり蒸発器ＥＶＡに送られる。液状のアンモニアは蒸発器ＥＶＡで蒸発し、バルブＶ５を通過して第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１内の吸着材に吸着される。このときバルブＶ７は閉じている。アンモニアの蒸発潜熱によって得られる冷熱が、蒸発器ＥＶＡ内の図示しない熱交換器を通して外部に取り出される。通常、凝縮器ＣＯＮで熱交換した低温熱媒体は外部熱源として吸着側の吸脱着器内を通過するようにされており、吸着側の吸脱着器を冷却してアンモニア蒸気の吸着を促進している。

一定時間が経過して、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２からの作動媒体（アンモニア）の脱着が完了し、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２で作動媒体の飽和吸着に達した時点で、回路の切り替えが行われる。すなわち、バルブＶ１が開、バルブＶ２が閉、バルブＶ７が開、バルブＶ５が閉の状態となり、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１が脱着側、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２が吸着側となって、運転が継続する。

特開平１１−６３７２０号公報

上記した作動媒体としてアンモニアを用いる吸着式ヒートポンプ装置は、アンモニアの蒸発潜熱が大きいことから、小型の装置でありながら、大きな冷熱発生量が得られる利点がある。しかし、アンモニアは蒸気圧が高いために、回路の切り替えを行うとき、すなわち、図７に示した例で、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１の吸着が飽和吸着に到達し、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２を吸着側に、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１を脱着側に切り替えるときに、凝縮器ＣＯＮ内が相対的に高圧に、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１内が相対的に低圧となっていることから、凝縮器ＣＯＮ内の作動媒体（アンモニアガス）が、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２側でなく、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１側に逆流することが起こる。

すなわち、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は吸着反応のために低圧状態にあること、および、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１内は吸着温度（ほぼ環境温度あるいはそれ以下）になっているが、凝縮器ＣＯＮ内はアンモニアガスが液化するときの凝縮熱によって第１の脱着器Ａ／Ｂ１の吸着時の温度よりも高くなっており、それにより、アンモニア固有の高い蒸気圧によって、凝縮器ＣＯＮ内圧力が高くなる（例えば、１００〜５００ｋＰａ程度）こと、の理由から、切り替え直時に、圧力の関係が、凝縮器ＣＯＮ＞第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１となるのを避けられず、アンモニアガスが、部分的に凝縮器ＣＯＮから第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１に向けて逆流する。

このことは回路を切り替えて運転を継続し、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２の吸着が飽和吸着に達して、再び回路を切り替えようとするとき、凝縮器ＣＯＮと第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２との間でも同様に生じる。

この作動媒体であるアンモニアの逆流現象は、装置の運転効率を低下させる一因となっており、解決が求められている。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、作動媒体としてアンモニアを用いる吸着式ヒートポンプ装置において、回路の切り替え時に、凝縮器から脱着側となる吸脱着器に作動媒体が一時的に逆流するのを防止して、運転効率を低下させることなく継続した装置の運転を行うことを可能とした吸着式ヒートポンプ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明による吸着式ヒートポンプ装置の第１の形態は、作動媒体がアンモニアであり、作動媒体用の吸着材を収容した対をなす第１と第２の吸脱着器と、凝縮器と、蒸発器とを少なくとも備え、第１の吸脱着器が脱着工程にあって吸着材が吸着した作動媒体を凝縮器に向けて脱着しているときに、第２の吸脱着器は吸着工程にあって蒸発器で蒸発した作動媒体を吸着剤に吸着するようになっており、かつ、所定間隔で第１と第２の吸脱着器での脱着工程と吸着工程とが切り替えられるようになっている吸着式ヒートポンプ装置であって、前記装置は第１および第２の吸脱着器よりも吸着容量の小さい補助吸脱着器をさらに備え、該補助吸脱着器は吸着側をバルブを介して装置の蒸発器に接続しており、放出側をバルブを介して装置の第１と第２の吸脱着器の双方に選択的に接続可能となっていることを特徴とする。

上記の吸着式ヒートポンプ装置では、例えば第１の吸脱着器が吸着工程にあるときに、補助吸脱着器にも蒸発器から作動媒体を送り込み、補助吸脱着器を吸着飽和した状態とする。また、熱媒（外部熱源）によって脱着温度まで加熱（加圧）した状態で待機させておく。第１の吸脱着器が吸着飽和し、第１の吸脱着器を脱着工程に切り替えるとき、またはその直前に、補助吸脱着器と第１の吸脱着器との間のバルブを開いて両者を連通させる。それにより、補助吸脱着器の吸着材に飽和吸着している作動媒体蒸気は脱着して第１の吸脱着器内に導入され、第１の吸脱着器内の圧力を高くする。そのために、第１の吸脱着器と凝縮器とが連通状態となっても、凝縮器から第１の吸脱着器側に、作動媒体が逆流するのを阻止することができ、吸脱着サイクルの効率、すなわち装置の運転効率を高めことができる。

さらに、補助吸脱着器から高温高圧の作動媒体が第１の吸脱着器に流入することにより、脱着工程に切り替わった第１の吸脱着器の吸着材を迅速に脱着温度まで昇温させることができ、このことからも、吸脱着サイクルの短縮が図られる。さらに、補助吸脱着器が蒸発器からの作動媒体を吸着することで、装置の熱移動量（冷熱出力）の増大も図ることができる。

回路を切り替えて運転を継続し、第２の吸脱着器の吸着が飽和吸着に到達して、再び回路を切り替えようとするときには、同じような操作が第２の吸脱着器と補助吸脱着器との間で行われる。

上記課題を解決する本発明による吸着式ヒートポンプ装置の第２の形態は、前記補助吸脱着器は、吸着側をバルブを介して装置の凝縮器に接続しており、放出側をバルブを介して装置のいずれか一方の吸脱着器に接続していることを特徴とする。

上記の吸着式ヒートポンプ装置では、例えば第１の吸脱着器が吸着飽和して脱着工程に入るときに、あらかじめ、バルブを開いて凝縮器と補助吸脱着器とを連通させる。それにより、凝縮器内の作動媒体の一部は補助吸脱着器内の吸着材に吸着され、凝縮器内は減圧される。それにより、バルブを開いて第１の吸脱着器を凝縮器に連通させ脱着工程としたときに、前記した脱着工程にある第１の吸脱着器へ凝縮器から作動媒体が逆流する現象を防ぐことができる。また、第２の吸脱着器が吸着飽和して脱着工程に入るときには、吸着飽和状態にある補助吸脱着器を熱媒（外部熱源）によって脱着温度まで加熱（加圧）した状態で待機させておく。そして、バルブを切り替えて第２の吸脱着器が脱着工程に移行したときに、バルブを開き補助吸脱着器から加熱・加圧した作動媒体蒸気を第２の吸脱着器内に導入する。それにより、第２の吸脱着器内の圧力を高くなり、第２の吸脱着器と凝縮器とが連通状態となっても、凝縮器から脱着工程にある第２の吸脱着器側に、作動媒体が逆流するのを防ぐことができる。

この結果、第１と第２の吸脱着器の脱着速度が速くなり、この形態でも、前記第１の形態と同様、吸脱着サイクルの効率、すなわち装置の運転効率を高めことができる。また、この形態では、補助吸脱着器での作動媒体蒸気の吸着分を上乗せできることからも、熱移動量（冷熱出力）の増大を図ることができる。

本発明によれば、作動媒体としてアンモニアを用いる吸着式ヒートポンプ装置において、作動媒体が凝縮器から吸脱着器へ逆流する現象を起こるのを防ぐことができる。それにより、吸脱着器での吸脱着サイクルの短縮が図られて、吸着式ヒートポンプ装置の運転効率が向上する。また、熱移動量（冷熱出力）の増大を図ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。図１は本発明による第１の形態の吸着式ヒートポンプ装置の構成図であり、図２は図１に示す吸着式ヒートポンプ装置の吸脱着の各工程における状態図である。また、図３は図１に示す吸着式ヒートポンプ装置を実機に用いた例を示している。

図１は、前記した図７に相当する構成図であり、図７で説明したものと同じ部材には同じ符号を付している。図１ではバルブはすべて閉じた状態となっているが、運転時にはそれぞれのバルブの開閉操作が行われる。図１に示す吸着式ヒートポンプ装置では、さらに補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂが用いられる点で、図７に示した従来の吸着式ヒートポンプ装置と構成を異にしている。

補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは、その吸着側がバルブＶ６を介して蒸発器ＥＶＡに接続しており、放出側（脱着側）が、バルブＶ３およびＶ４を介して第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１と第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２とに選択的に接続するようになっている。補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは、作動媒体（アンモニア）の吸着容量が第１および第２の吸脱着器よりも小さいことを条件に、第１および第２の吸脱着器と同じ構造のものであってよい。

図２を参照して、図１に示す吸着式ヒートポンプ装置の各作動工程を説明する。なお、図２では外部熱源からの高温熱媒体および低温熱媒体の流路は省略しており、加熱と冷却の状態を矢印で示している。

この例において、［工程Ａ］では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは吸着工程にあり吸着用の低温熱媒体が投入されて冷却されている。第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は脱着工程にあり脱着用の高温熱媒体が投入されて加熱されている。蒸発器ＥＶＡは第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂとに開の状態にあり、両者は蒸発器ＥＶＡからの作動媒体（アンモニア）の蒸気を継続して吸着している。脱着工程にある第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と凝縮器ＣＯＮは開の状態にあり、凝縮器ＣＯＮは脱着されて送られてくるアンモニア蒸気を逐次液化している。次ぎに工程Ｂ移る。

［工程Ｂ］では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は吸着工程を、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は脱着工程を継続しているが、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは飽和吸着量に達し、バルブＶ６が閉じられると共に、脱着用の高温熱媒体が投入されて加熱され、脱着工程に入る。次ぎに工程Ｃに移る。

［工程Ｃ］では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は飽和吸着量に達し、脱着工程に入り、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは脱着工程を継続している。第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は脱着が完了し吸着工程に入る。バルブＶ３が開き第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂとが開の状態となることで、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂから高温・高圧のアンモニア蒸気が第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１に流入し、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１内の温度と圧力を高くすると共に、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１内の吸着材に吸着していたアンモニアの脱着を促進する。この状態では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは脱着用の高温熱媒体で加熱されており、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は吸着用の低温熱媒体で冷却されている。次ぎに工程Ｄに移る。

［工程Ｄ］では、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂが吸着工程にあり、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１が脱着工程にある。蒸発器ＥＶＡは第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂに開の状態にあり、両者は蒸発器ＥＶＡからのアンモニア蒸気を継続して吸着する。バルブＶ１が開き、脱着工程にある第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１と凝縮器ＣＯＮは開の状態となる。工程Ｃにおいて、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は相対的に凝縮器ＣＯＮよりも高い圧力となっており、バルブＶ１が開いたときに、凝縮器ＣＯＮから第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１にアンモニア蒸気が逆流する現象は生じない。そのために、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１が脱着するアンモニア蒸気は速やかに凝縮器ＣＯＮに送られ、凝縮器ＣＯＮはアンモニア蒸気を逐次液化する。なお、このとき、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは吸着用の低温熱媒体で冷却され、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は脱着用の高温熱媒体で加熱されている。次ぎに工程Ｅに移る。

［工程Ｅ］では、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は吸着工程、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は脱着工程を継続し、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは飽和吸着量に達し、バルブＶ６は閉じられ、脱着工程に入る。第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と蒸発器ＥＶＡは開で、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２はアンモニア蒸気の吸着を継続している。第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は凝縮器ＣＯＮと開であり、脱着したアンモニア蒸気は凝縮器ＣＯＮで逐次液化される。このとき、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は吸着用の低温熱媒体で冷却されており、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂと第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は脱着用の高温熱媒体で加熱されている。次ぎに工程Ｆに移る。

［工程Ｆ］では、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２が飽和吸着量に達して脱着工程に入り、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは脱着工程を継続している。第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は脱着が完了したために吸着工程に入る。バルブＶ４が開き第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂとが開の状態となることで、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂから高温・高圧のアンモニア蒸気が第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２に流入し、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２内の温度と圧力を高くすると共に、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２内の吸着材に吸着していたアンモニアの脱着を促進する。この状態では、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは脱着用の高温熱媒体で加熱されており、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は吸着用の低温熱媒体で冷却されている。次ぎに工程Ａに移る。

上記の工程Ａ〜工程Ｆを繰り返すことにより、運転が継続される。上記の装置構成を持つ吸着式ヒートポンプ装置では、工程Ｄで説明したように、吸着工程にある第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１が脱着工程に切り替わるときに、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１の圧力は、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂの存在により、相対的に凝縮器ＣＯＮよりも高い圧力となっており、凝縮器ＣＯＮから第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１にアンモニアが逆流する現象は生じない。また、工程Ｆから工程Ａに移るとき、すなわち、吸着工程にある第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２が脱着工程に切り替わるときにも、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２の圧力は、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂの存在により、相対的に凝縮器ＣＯＮよりも高い圧力となっており、凝縮器ＣＯＮから第２の吸脱着器Ａ／Ｂ１にアンモニアが逆流する現象は生じない。

図３は、図１および図２で説明した装置構成を持つ吸着式ヒートポンプ装置を実機に使用した場合の一例を示す系統図である。なお、図示の各バルブの切り替え状態は、図２における工程Ｃの状態となっている。また、図３では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１を１Ａで示し、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２を１Ｂで示し、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂを２で示している。また、３は蒸発器ＥＶＡであり、４は凝縮器ＣＯＮである。

第１の吸脱着器１Ａ、第２の吸脱着器１Ｂ、補助吸脱着器２は、吸着材（例えば活性炭）を収容した吸着材ベッド８、９、１０を有し、内部を熱交換用配管８ａ、９ａ、１０ａが走っている。Ｐは、高温熱媒体や低温熱媒体の贈り用ポンプである。

蒸発器３は、作動媒体流路１１および流路切り替え弁Ｖ２を介して、第１の吸脱着器１Ａと第２の吸脱着器１Ｂのいずれかの作動媒体（アンモニア）吸着側に選択的に接続するようになっており、凝縮器４は、作動媒体流路１１および流路切り替え弁Ｖ１を介して、第１の吸脱着器１Ａと第２の吸脱着器１Ｂのいずれにも接続しない状態と、いずれかの作動媒体放出側に接続する状態とを選択的にとりうるようになっている。蒸発器３と凝縮器４は作動媒体循環路１３および膨張弁１０を介して接続しており、作動媒体は凝縮器４から蒸発器３側に流れる。また、蒸発器３内には作動媒体（アンモニア）の蒸発潜熱と熱交換する冷房用熱交換器６の配管が走っている。

補助吸脱着器２は、その吸着側を作動媒体流路１４およびバルブＶ６１（図１でのバルブＶ６に相当する）を介して蒸発器３に接続しており、放出側を作動媒体流路１５および流路切り替え弁Ｖ９を介して第１の吸脱着器１Ａと第２の吸脱着器１Ｂのいずれかに選択的に接続するようにされている。

各熱交換用配管８ａ、９ａ、１０ａには、流路切り替え弁Ｖ３〜Ｖ８を適宜切り替えることにより、高温熱源交換器７で加熱された高温熱媒体と低温熱媒体冷却用熱交換器５で冷却された低温熱媒体のいずれかが、高温熱媒体流路１６を通して、あるいは低温熱媒体流路１７を通して、選択的に供給される。

図２における工程Ｃの状態と合わせながら、図３に示す系統図での運転状況を説明する。第１の吸脱着器１Ａおよび補助吸脱着器２は作動媒体（アンモニア）を飽和吸着した状態となって脱着工程にあり、第１の吸脱着器１Ａには、高温熱源交換器７で加熱された高温熱媒体が、高温熱媒体流路１６、流路切り替え弁Ｖ３、熱交換用配管８ａ、流路切り替え弁Ｖ４を通って循環し、吸着材ベッド８を加熱している。第１の吸脱着器１Ａの放出側の作動媒体流路１２は閉じている。補助吸脱着器２にも、高温熱媒体流路１６、流路切り替え弁Ｖ７、熱交換用配管１０ａ、流路切り替え弁Ｖ８を通って高温熱媒体が循環しており、吸着材ベッド１０ａを加熱して脱着工程を継続させている。

流路切り替え弁Ｖ９は、第１の吸脱着器１Ａと補助吸脱着器２とを連通する位置にあり、補助吸脱着器２からの高温・高圧のアンモニア蒸気は、作動媒体流路１５を通って第１の吸脱着器１Ａに流入し、第１の吸脱着器１Ａの温度と圧力を高くすると共に、第１の吸脱着器１Ａ内の吸着材に吸着しているアンモニアの脱着を促進している。この状態では、バルブＶ６１は閉じている。次の工程で、前記図２の工程Ｄで説明したように、流路切り替え弁Ｖ１を操作して、第１の吸脱着器１Ａを凝縮器４に接続することとなるが、第１の吸脱着器１Ａ内の圧力は十分に高くなっており、凝縮器４からアンモニアが逆流してくることはない。

蒸発器３において、凝縮器４から送られるアンモニアは蒸発し、蒸発潜熱により冷却された冷媒は冷房用熱交換器６で室内の冷房に利用される。蒸発したアンモニア蒸気は作動媒体循環路１１および流路切り替え弁Ｖ２を介して第２の吸脱着器１Ｂに送られ、そこで吸着材に吸着される。第２の吸脱着器１Ｂには、低温熱媒体冷却用熱交換器５で冷却された低温熱媒体が、低温熱媒体流路１７、流路切り替え弁Ｖ６、熱交換用配管９ａ、流路切り替え弁Ｖ５を通って循環しており、第２の吸脱着器１Ｂを冷却して吸着を促進している。また、図２基づき説明したように、補助吸脱着器２が吸着工程にあるときには、バルブ６１が開となり、蒸発器３で蒸発したアンモニア蒸気が作動媒体流路１４を通って補助吸脱着器２内に流入し、補助吸脱着器２を飽和吸着状態とする。

次ぎに、本発明による第２の形態の吸着式ヒートポンプ装置について説明する。図４は第２の形態の吸着式ヒートポンプの構成図であり、図５は図４に示す吸着式ヒートポンプ装置の吸脱着の各工程における状態図である。また、図６は図４に示す吸着式ヒートポンプ装置を実機に用いた例を示している。

図４は、前記図１に相当する図であり、同じ機能を奏する部材は同じ符号を付している。この吸着式ヒートポンプ装置も、第１の形態の吸着式ヒートポンプ装置と同じ補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂを用いるが、その接続の仕方が相違している。すなわち、ここでは、図４に示すように、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは、その吸着側をバルブＶ８を介して装置の凝縮器ＣＯＮに接続しており、放出側をバルブＶ９を介して装置のいずれか一方の吸脱着器（この例では、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２）に接続している。

図５を参照して、図４に示す吸着式ヒートポンプ装置の各作動工程を説明する。なお、図５でも、図１の場合と同様に、外部熱源からの高温熱媒体および低温熱媒体の流路は省略し、加熱と冷却の状態を矢印で示している。

［工程Ａ］では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は飽和吸着量に達し、脱着工程に入り、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは吸着工程にある。すなわち、蒸発器ＥＶＡは第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と開の状態にあり、作動媒体であるアンモニア蒸気を第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は継続して吸着している。凝縮器ＣＯＮは補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂと開の状態にあり、凝縮器ＣＯＮ内のアンモニア蒸気が補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂ内の吸着材に吸着することで凝縮器ＣＯＮ内が減圧される。ここで、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は脱着用の高温熱媒体で加熱され、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは吸着用の低温熱媒体で冷却されている。次ぎに工程Ｂに移る。

［工程Ｂ］では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１はバルブＶ１を開いて脱着工程を継続する。工程Ａで凝縮器ＣＯＮ内のアンモニア蒸気が補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂ内の吸着材に吸着されることで凝縮器ＣＯＮ内は既に減圧された状態にあり、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は相対的に凝縮器ＣＯＮよりも高い圧力となっている。そのために、バルブＶ１が開いたときに、凝縮器ＣＯＮから第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１にアンモニアが逆流する現象が生じることはなく、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１が脱着するアンモニア蒸気は速やかに凝縮器ＣＯＮに送られ、凝縮器ＣＯＮにはアンモニア蒸気を逐次液化する。なお、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は吸着工程を継続し、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは飽和吸着量に達し、バルブＶ８を閉じて脱着工程に入っている。ここで、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは高温熱媒体で加熱されており、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は低温熱媒体で冷却されている。次ぎに工程Ｃに移る。

［工程Ｃ］では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１の脱着が完了し、吸着工程に入り、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は飽和吸着量に達し、脱着工程に入っている。補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは脱着工程を継続している。第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は蒸発器ＥＶＡと開の状態にあり、アンモニア蒸気を吸着する。バルブＶ９が開き第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂとが開の状態となることで、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂから高温・高圧のアンモニア蒸気が第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２に流入し、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２内の温度と圧力を高くすると共に、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２内の吸着材に吸着していたアンモニアの脱着を促進する。この状態では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は低温熱媒体で冷却され、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは高温熱媒体で加熱されている。次ぎに工程Ｄに移る。

［工程Ｄ］では、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１は吸着工程を継続し、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２はバルブＶ２を開ひらいて凝縮器ＣＯＮと開となり、脱着を継続する。工程Ｃにおいて、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂから高温・高圧のアンモニア蒸気が第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２に流入して第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２内の温度と圧力を高くしており、そのために、バルブＶ２が開いたときに、凝縮器ＣＯＮから第２の吸脱着器Ａ／Ｂ１にアンモニアが逆流することはない。第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２が脱着するアンモニア蒸気は速やかに凝縮器ＣＯＮに送られ、凝縮器ＣＯＮにはアンモニア蒸気を逐次液化する。なお、このとき、補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは脱着が完了し、吸着工程に入っている。また、第１の吸脱着器Ａ／Ｂ１と補助吸脱着器ＳｕｂＡ／Ｂは低温熱媒体で冷却されており、第２の吸脱着器Ａ／Ｂ２は高温熱媒体で加熱されている。次ぎに工程Ａに移る。

上記の工程Ａ〜工程Ｄを繰り返すことにより、運転が継続される。上記の装置構成を持つ吸着式ヒートポンプ装置でも、第１の形態の装置と同様に、吸着工程にある第１あるいは第２の吸脱着器が脱着工程に切り替わるときに、その内部圧力は、相対的に凝縮器ＣＯＮよりも高い圧力となっており、凝縮器ＣＯＮから第１あるいは第２の吸脱着器にアンモニアが逆流する現象は生じない。そのために、第１の形態の装置と同様、吸脱着器での吸脱着サイクルの短縮が図られて、吸着式ヒートポンプ装置の運転効率が向上し、また、熱移動量（冷熱出力）の増大を図ることができる。

図６は、図３に示した系統図に相当するものであり、図４および図５で説明した第２の形態の吸着式ヒートポンプ装置を実機に使用した場合の一例を示している。なお、図６では、図５における工程Ａの状態を表している。図６に示す系統図において、補助吸脱着器２の接続態様を除き、他の構成は図３に示した系統図のものと同じである。従って、図３に示したものと同じ機能を奏する部材には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

前記したように、第２の形態の吸着式ヒートポンプ装置において、補助吸脱着器２は、その吸着側を作動媒体流路１８およびバルブＶ８１（図４でのバルブＶ８に相当する）を介して凝縮器４に接続しており、放出側を作動媒体流路１９およびバルブＶ９１（図４でのバルブＶ９に相当する）を介して第２の吸脱着器１Ｂに接続している。

図５における工程Ａの状態と合わせながら、図６に示される系統図を説明する。第１の吸脱着器１Ａは作動媒体（アンモニア）を飽和吸着した状態となって脱着工程にあり、高温熱源交換器７で加熱された高温熱媒体が、高温熱媒体流路１６、流路切り替え弁Ｖ３、熱交換用配管８ａ、流路切り替え弁Ｖ４を通って循環し、吸着材ベッド８を加熱している。第１の吸脱着器１Ａの吸着側の作動媒体流路１１は閉じており蒸発器３に接続していない。放出側の作動媒体流路１２も閉じており凝縮器４に接続していない。

第２の吸脱着器１Ｂは吸着工程にあり、作動媒体流路１１および流路切り替え弁Ｖ２を介して蒸発器３に接続しており、アンモニア蒸気を継続して吸着している。第２の吸脱着器１Ｂの放出側の作動媒体流路１３は閉じており凝縮器４に接続していない。

補助吸脱着器２は吸着工程にあり、吸着側は作動媒体流路１８およびバルブＶ８１を介して凝縮器４に接続し、凝縮器４内のアンモニア蒸気を補助吸脱着器２内の吸着材で吸着し、凝縮器４の内圧を減圧している。補助吸脱着器２の放出側は作動媒体流路１９およびバルブＶ９１を介して第２の吸脱着器１Ｂにつながっているが、この時点ではバルブＶ９１は閉じており、連通はしていない。

吸着工程にある第２の吸脱着器１Ｂには、低温熱媒体冷却用熱交換器５で冷却された低温熱媒体が、低温熱媒体流路１７、流路切り替え弁Ｖ６、熱交換用配管９ａ、流路切り替え弁Ｖ５を通って循環し、その吸着ベッド９を冷却しており、また、補助吸脱着器２にも、低温熱媒体冷却用熱交換器５で冷却された低温熱媒体が、低温熱媒体流路１７、流路切り替え弁Ｖ８、熱交換用配管１０ａ、流路切り替え弁Ｖ７を通って循環し、その吸着ベッド１０ａを冷却している。それにより、吸着を促進している。

この状態で、工程Ｂで説明したように、流路切り替え弁Ｖ１を操作して、第１の吸脱着器１Ａを凝縮器４に接続することとなるが、凝縮器４の内圧は補助吸脱着器２の存在により十分に低くなっており、凝縮器４から第１の吸脱着器１Ａにアンモニアが逆流してくることはない。

前記工程Ｃ、Ｄで説明したように、第２の吸脱着器１Ｂが飽和吸着となり、第２の吸脱着器１Ｂを脱着工程に切り替えるときには、直前に、バルブＶ９１を開き、補助吸脱着器２を第２の吸脱着器１Ｂに接続する。その時点で、補助吸脱着器２は飽和吸着状態にあり、かつ脱着用の加熱媒体が熱交換用配管１０ａを循環することにより加熱加圧されているので、補助吸脱着器２内の高温高圧のアンモニアガスは瞬時に第２の吸脱着器１Ｂ内に流入する。結果として、第２の吸脱着器１Ｂの内圧は高くなるので、流路切り替え弁Ｖ１を操作して第２の吸脱着器１Ｂを凝縮器４に接続したときに、凝縮器４から第２の吸脱着器１Ｂにアンモニアが逆流することはない。

本発明による吸着式ヒートポンプ装置の第１の形態の構成図。 図１に示す吸着式ヒートポンプ装置の吸脱着の各工程における状態図。 図１に示す吸着式ヒートポンプ装置を実機に用いた例を示す系統図。 本発明による吸着式ヒートポンプ装置の第２の形態の構成図。 図４に示す吸着式ヒートポンプ装置の吸脱着の各工程における状態図。 図４に示す吸着式ヒートポンプ装置を実機に用いた例を示す系統図。 従来の作動媒体としてアンモニアを用いる吸着式ヒートポンプ装置の構成図。

符号の説明

Ａ／Ｂ１、１Ａ…第１の吸脱着器、Ａ／Ｂ２、１Ｂ…第２の吸脱着器、ＳｕｂＡ／Ｂ、２…補助吸脱着器、ＥＶＡ、３…蒸発器、ＣＯＮ、４…凝縮器

Claims (2)

1. 作動媒体がアンモニアであり、作動媒体用の吸着材を収容した対をなす第１と第２の吸脱着器と、該第１と第２の吸脱着器に接続された凝縮器と、該第１と第２の吸脱着器に接続された蒸発器とを少なくとも備え、第１の吸脱着器が脱着工程にあって吸着材が吸着した作動媒体を凝縮器に向けて脱着しているときに、第２の吸脱着器は吸着工程にあって蒸発器で蒸発した作動媒体を吸着剤に吸着するようになっており、かつ、所定間隔で第１と第２の吸脱着器での脱着工程と吸着工程とが切り替えられるようになっている吸着式ヒートポンプ装置であって、
   前記装置は第１および第２の吸脱着器よりも吸着容量の小さい補助吸脱着器をさらに備え、該補助吸脱着器は吸着側をバルブを介して装置の蒸発器に接続しており、放出側をバルブを介して装置の第１と第２の吸脱着器の双方に選択的に接続可能となっていることを特徴とする吸着式ヒートポンプ装置。
2. 作動媒体がアンモニアであり、作動媒体用の吸着材を収容した一対の吸脱着器と、該一対の吸脱着器に接続された凝縮器と、該一対の吸脱着器に接続された蒸発器とを少なくとも備え、第１の吸脱着器が脱着工程にあって吸着材が吸着した作動媒体を凝縮器に向けて放出しているときに、第２の吸脱着器は吸着工程にあって蒸発器で蒸発した作動媒体を吸着剤に吸着するようになっており、かつ、所定間隔で第１と第２の吸脱着器での脱着工程と吸着工程とが切り替えられるようになっている吸着式ヒートポンプ装置であって、
   前記装置は補助吸脱着器をさらに備え、該補助吸脱着器は吸着側をバルブを介して装置の凝縮器に接続しており、放出側をバルブを介して装置のいずれか一方の吸脱着器に接続していることを特徴とする吸着式ヒートポンプ装置。

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