JPH04507133A - 固体―蒸気化合物反応炉のディスクリート定圧段 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 固体−蒸気化合物反応炉のディスクリート定圧段発明の背景 固体吸着媒上の気体分子の吸着によって形成される固体蒸気組成物を熱ポンプ作 用材料として含む化合物の使用は技術において知られている。このような材料を 使用した熱ポンプシステムは住居および商業の空間の空調、工業用熱ポンプおよ び冷却のための他の熱ポンプに比べて多くの利点を有する。このような利点には 固体−蒸気媒体によって生じるより高い温度の上昇を含み、このため他の収着媒 体に比べて冷却塔または上昇多段化の必要がない。さらに、固体−蒸気化合物熱 ポンプのための装置の使用は、もしあるとしても非常に少ない移動部分を必要と し、それにより簡単でかつ信頼できる本体構造部の結果をもたらす。さらに、こ のようなシステムは異議のあるＣＦＣを使用しない。

熱ポンプに適する固体−蒸気化合物は、通常固体金属無機塩である固体吸着媒と 電子変位を介して気体反応物が配位する配位結合を形成する気体の分子を吸着す る材料である錯化合物を含む。吸着／脱着プロセスは吸着の間に著しい熱を放出 し、かつ脱着相の間にエネルギーを吸着する。

他のたいていの収着プロセスと異なり、全体の吸着または脱着反応は定温で起こ り、こうして熱くかつ冷たいソーバ（５ｏｒｂｅｒ）端部での問題を除去する。

育益な気体の反応物は水、アンモニア、メタノール、メタン、エタンなどを含む 。多数のこのような材料は米国特許第４．　８２２．　３９１号および第４，８ ４８．９９４号において記述されている。

１９８８年２月２９日に出願された第２６２．０１６号。

前述の同時係属出願において記述されているこのような化合物およびそれらの使 用はここに引用により援用される。

熱活性される熱ポンプは、高圧冷媒蒸気を発生する熱エンジンサブシステム、本 質的に熱圧縮機、および冷却または熱ボンピングを発生する高圧冷媒を使用する 熱ポンプサブシステムからなる。熱活性される熱ポンプにおける熱圧縮機、熱ポ ンプ、およびそれらの組合せは固体−気体反応を有利に使用する有用な熱力学シ ステムを含む。この発明の目的はさらにより大きい利点および効率でこのような 反応を使用することである。さらに、熱エネルギーおよび冷蔵システムもまた、 温度およびエネルギー密度を充填しかつ放出することに関するこの発明の多段化 技術を使用することによって改善されてもよい。

発明の概要 この発明は固体−気体吸着／脱着技術を非常に有利に使用するために設計された 方法および装置を利用するシステムを含む。反応では、固体反応物は気体反応物 と反応し、気体が交互に吸着されたり脱着されたりする化合物を形成する。この 発明のプロセスでは、複数個の、または一連の異なった化合物が気体反応物の蒸 気圧に基づいて選択される。１つまたはそれ以上の反応炉における複数個の反応 炉または反応チャンバまたは場所を利用し、それらの各々は異なった固体反応物 で充填され、材料は気体の平衡蒸気圧より下にまたは上に圧力を調節することに よって所与の定圧において気体反応物を吸着し、または脱着するように作られる 。装置内の異なった反応炉を充填するのに使用される一連の適当な固体を選択す ることによって、かつ脱着反応に適する圧力および典型的に異なる吸着反応のた めの圧力を選択することによって、システムは、機械的な、または熱による活性 および熱エネルギー蓄積を介する熱圧縮、ヒートボンピングを達成するために異 なった化合物のディスクリートて段階的な吸着および脱着を十分に利用するよう な機能を果たすようにされ得る。熱は各段階においで気体反応蒸気を脱着し、熱 ポンプのすへての段階を通りカスケードされる。この発明のシステムは比較的簡 単な本体構造部を使用して改良された効率を達成する。以下の詳細な説明からこ れらおよび他の利点が明らかになるであろう。

図面の簡単な説明 図１はこの発明のシステムにおいて使用される装置の概略的な図示および例であ る。

図２は図１において示されている装置において実施されるこの発明のプロセスの 好ましい実施例を示す相図である。

図３はこの発明に従った方法を実施するための別の装置実施例を示す。

図４はこの発明のシステムにおいて使用されている機械的に活性される熱ポンプ 装置を示す。

図５は図４において示されている装置において実施されるこの発明のプロセスの 好ましい実施例を示す相図である。

図６は異なった圧力および温度レベルにおける定圧段階を使用するこの発明の別 の実施例を示す相図である。

詳細な説明 熱活性される熱ポンプ ここで使用されているように、用語「化合物」はこの発明の範囲内の固体反応物 上における気体反応物の吸着および脱着によって形成されるいかなる反応生成物 をも意味することを意図する。この発明に従って、定圧エンジンサイクルのディ スクリートな段階を実施することにおいて、複数個の２つまたはそれ以上の異な った固体反応物か選択され、かつ異なった固体反応物は熱ポンプ装置内の異なっ た反応炉または反応場所に導入される。プロセスにおいて使用される１組、一連 または一群の化合物のうちの異なった化合物は、低圧における低蒸気圧化合物の 吸着の温度が高圧における次により高い蒸気圧化合物の脱着温度より高くなるよ う選択される。このような組または群の化合物の各々は異なった蒸気圧曲線も示 し、すなわち各々が異なった蒸気圧温度関係を有し、かつそれは気体反応物の濃 度から独立している。適当な化合物を選択し、かつ前述のシーケンスにそれらを 配置することによって、プロセスサイクルは、吸着の熱が、サイクルにおいて次 の、または次に続く脱着反応を駆動するのに適当な温度に絶えずなるように実施 されるであろう。好ましくは、一連の化合物は、同じ反応炉におけるどの化合物 もより低い平衡温度において付加的な配位ステップを有さないように選択され、 断続的な動作の間のサイクル性能を減少するてあろう一時休止状態または温度平 衡の間に他の化合物からより多くの反応物気体を吸着し得る。さらに、各化合物 の量は、おおよそ等しい熱量が各化合物を脱着するのに必要とされるように調整 される。

この発明において存用な化合物を形成するために使用される特定の反応物は、金 属酸化物、水素化物、／％ロゲン化物、炭酸塩、亜硝酸塩、硝酸塩、シュウ酸エ ステル、硫化物および硫酸塩を含む。無機塩のための好ましい金属はアルカリお よびアルカリ土類金属、遷移金属、アルミニウム、亜鉛、カドミウムおよび錫か ら選択される。好ましい遷移金属はマンガン、鉄、ニッケルおよびコバルトであ る。これ以降、これらの反応物はしばしば固体、塩または固体反応物と呼ばれる であろう。

この発明のプロセスにおいて特に有用である化合物を形成するために固体上に吸 着する気体反応物は、アンモニア、水、メチルアミンおよびメタノールであり、 アンモニアは安定しており、かつ高エネルギー錯体を形成するので特に適当であ る。しかしなから、水素、二酸化炭素、二酸化硫黄、他の低級アルカノール、低 級アルカン、特にメタンおよびエタン、ピリジン、アルキルアミン、ポリアミン およびホスフィンもまた使用されてもよい。これらの気体反応物もまたここで冷 媒と呼ばれ得る。

この発明に従ったシステムを示すために、一連または１組の化合物の特定の例に おいて、塩ＭｇＢｒｔ　、ＭｇＣｌ２１　５ｒＢｒｚ、およびＳ　ｒ　Ｃ］　ｚ が１つまたはそれ以上の反応炉において４つの別個の反応容器または別個の熱伝 達領域からなる熱ポンプにおいて使用される。化合物は、２ないし６ＮＨ□を含 む錯体を形成する塩、ＭｇＢｒ２およびＭｇ　Ｃ１２，２ないし８　Ｎ　Ｈｘを 含む５ｒＢｒｚおよび１ないし８ＮＨ３を含む５ｒＣ１＊での上記塩のアンモニ ア配位子錯化合物を含む。図１はディスクリートな定圧段階熱ポンプを実施する ための装置実施例の例を概略的に示す。塩は錯化合物配位子蒸気圧の上昇順に反 応炉１２゜１４．１６および１８にそれぞれ充填される。こうして、第１の反応 炉１２はＭｇＢｒｔて充填され、反応炉１４はＭｇＣＬで充填され、反応炉１６ は５ｒＢｒｚで充填され、かつ反応炉１８は５ｒＣ１＊で充填される。装置はノ く−す２０、熱交換器２２、蒸発装置２４および冷却器２６を、アンモニア気体 を反応炉および冷却器および蒸発装置から、かつ、それらへ向けるための適当な ノくルブおよび導管と、システム内に熱伝達流体をポンプするために反応炉開お よびポンプと熱交換導管の間に熱伝達流体を向けるためのバルブ５２．５４およ び５６と、共に含む。前半のすイクルでは、高温の塩Ｍ　ｇ　Ｂ　ｒ　２を含む 反応炉１２は図２における（１）に対応する高圧であり、かつ５ｒＢｒｚを含む 反応炉１６もまた（３）に対応する高圧である。反応炉１４および１８は低圧で あり、Ｓ　ｒ　Ｃ１ｘを含む反応炉１８およびＭ　ｇ　Ｃ１２を含む反応炉１４ は（７）および（９）にそれぞれ対応する。

前半のサイクルの間に、バルブ５２および５６は、ポンプ１９か反応炉１４およ び１６を通り熱伝達流体を循環するように位置決めされ、それによって気体吸着 の間に放出されるエネルギーを反応炉１４からそこで発生する脱着反応を駆動す るために反応炉１６における固体反応物に伝達する。バルブ１５のバルブ設定お よび適切な位置決めにより、反応炉１８において吸着の間に放出されたエネルギ ーは熱交換器２２を介して拒絶されるかまたは回復される。

熱交換サイクルのこの前半では、バルブ２５はまた、反応炉１２および１６から 冷却器２６へ、かつ蒸発装置２４から反応炉１４および１８へアンモニア蒸気を 向けるために位置決めされる。ポンプ１７は反応炉１２に、その反応炉において 化合物の脱着を駆動するためにバーナ２０から熱伝達流体を循環する。

プロセスの後半の開始の前に、熱回復および温度移動の短い相が必要とされる。

バルブ位置は熱伝達のために、それぞれ、反応炉１２および１４が結合され、反 応炉Ｉ６および１８か結合されるように変えられる。熱伝達流体はより熱い反応 炉からより冷たい反応炉へ熱を伝達するために結合された反応炉の各組を通りポ ンプされる。こうして、反応炉１２は反応炉１４か加熱される間に冷却され、反 応炉１６は反応炉１８か加熱される間に冷却される。これにより後半の準備にお ける回復および温度調整用か終了する。

後半では、バーナ２０は使用されない。反応炉１４における固体反応物は反応炉 Ｉ２における吸着反応からの熱によって駆動され、その気体反応物を脱着する。

反応炉■８における化合物は、反応炉１６における化合物の吸着から放出された 熱によって駆動され、脱着する。脱着反応からのアンモニアは冷却器２６に向け られ、かつ吸着反応のためのアンモニアは蒸発装置２４から得られる。

後半の終結において、前述の回復および温度調整の別の相か前半を繰返すために システムを準備する。この例では、前述の吸着ならびに脱着圧力および温度を使 用し、冷却器２６における凝縮温度は３１５’にであり、かつ蒸発装置では２７ ５°にである。図１の装置は、それぞれ単一の容器において反応炉１２および１ ６か組合わされ、反応炉１４および１８が組合わされて変更され得、なぜならそ れぞれの組の双方の反応炉はいつも同じ圧力だからである。すべての４つの化合 物か単一の反応炉に位置し得、熱ポンプは２つのこのような反応炉からなり、各 々は交互に高圧および低圧で動作する。

図２の相図上の点１−１０は、アンモニア配位子が金属塩の上に交互に吸着され かつ脱着されるときに様々な温度および圧力で反応炉内で起こるディスクリート な段階を示す。（１）では、図１における源、たとえばバーナ２０からの最初の 熱か部分的に、または、完全にＭｇＢｒｔ　・６ＮＨ，をＭｇＢｒ２　・２　Ｎ 　Ｈ２に脱着するのに使用される。

（２）では、Ｍ　ｇ　Ｃ１ｔ　・６ＮＨ，が脱着され、（３）ではＳ　ｒ　Ｂ　 ｒ２　４８ＮＨ２か脱着され、かつ（４）ではＳｒＣＩ　２　・８ＮＨ２が脱着 される。脱着からの気体反応物は（５）において熱を放出し冷却され、それはい かなる熱交換手段によっても回復されてもよい。脱着反応は単一な圧力、１６． ２８バールにおいて実施される。

反応の吸着相はより低い圧力、４．６バールで実施され、前述の錯体、アンモニ アはより低い圧力に向けられ、かつ（６）で熱を吸収して蒸発する。アンモニア 蒸気はそれから点（７）、（８）、（９）および（１０）で吸着して４つの錯化 合物になる。

（７）における吸着から放出された熱は熱交換器２２（図１）によって外部で拒 絶され、かつ他の３つの吸着反応からの熱はそれぞれ、（８）と（４）、（９） と（３）、および（１０）と（２）との間の矢印によって示されている脱着反応 を駆動するのに使用される。

サイクルのこの部分の終わりでは、プロセスは逆転され、そのため、たとえば、 今、脱着されている（１）における錯体か吸着のために（１０）における状態に 温度および圧力において下げられる。今、吸着されている（１０）における錯体 は、他の３つの反応炉における錯化合物のように、（１）の状態に温度および圧 力において増加する。こうして、サイクルからの出力は意図された適用に依存し て、アンモニア蒸発から得られたもの、または準継続モードにおいて（５）およ び（７）におけるプロセスから放出された熱を冷却するために使用され得る。

４つの前述の錯化合物を使用する例と図２における点（１）−（１０）を再び参 照し、以下の表は錯化合物かアンモニア配位子を吸着および脱着する異なった温 度および圧（１６，２８バール）（４，６バール）ＮＨ，温度　０Ｋ Ｍｇ　Ｂ　ｒ　＊　、　２／６　（１）　６０４　５４４　（１０）ＭｇＣ１＊ 、２／６　（２）　４９５　４４９　（９）ＳｒＢｒ２．２／８　（３）　４３ ２　３９１　（８）ＳｒＣ］、ｚ　、　１／８　（４）　３７４　３４２　（７ ）１組または一連の錯化合物のこの例から、低蒸気圧塩の吸着の温度は、宅扱着 圧力において、次に高い蒸気圧塩の脱着温度よりも高いことか示されている。図 ２を観察すると、相図番号に対応するサイクル段階の点を示す表における錯化合 物からこの重要な特徴は明白であろう。

図３を参照して、この発明に従ったシステムを利用をン）３つの反応炉装置か示 されでいる。ディスクリ−１・な定圧吸着／脱着プロセスを実施するだめのこの ような装置における使用に適した化合物の例は脱着ならびに吸着温度および圧力 と共に表■および■に示されている。化合物は最も低いアンモニア蒸気圧から最 も高いアンモニア蒸気圧の上昇順で記載される。図３の例では、図１において示 される蒸気装置および冷却器を使用する代わりに、反応炉５５および５７におけ るＮａＢｒまたはＢａＣｌ２が反応炉７２゜７４および７６から、または、それ らへアンモニアを脱着および吸着するのに使用される。この例では、それぞれの 反応炉の各々で、表■または表■の錯化合物を形成する塩のうちの異なったもの か反応炉の各々に置かれ、そのため最も低い気体蒸気圧を有する化合物は最初の 反応炉７２にあり、かつ順により高い気体反応物蒸気圧の化合物は順に反応炉７ ４および７６にある。再び、前述され、図において示された、対応する連続の反 応炉または反応領域における蒸気圧の上昇順に基づいた化合物のこの連続する位 置決めはこの発明にとって重要である。

バーナ７１および熱交換器７０は図１において前述される態様（バーナ２ｏおよ び熱交換器２２に対して）で利用される。熱はまた反応炉５５および５７を通っ て流れる熱伝達流体と外部へ交換される。これらの反応炉は交互に加熱および冷 却を与える。半サイクルの間に、反応炉５７は１５５が加熱１−る間冷部を与７ ζ、か一つ他方の半シイクルでは５５は冷却しかっ５７は加熱する。冷却器／蒸 発装置とは異なって、気体反応物を吸着７／脱着するための臭化ナトリウムまた は他の固体反応物を使用する利点には、（１）性能のより高い係数およびより少 ないシステム量の結果をもたらす気体の蒸発および凝縮に比べて吸着／脱着反応 におけるより高いエネルギー密度と、（２）冷媒凝縮を利用したときに必要とさ れるであろうよりも低いシステム圧力で高温において熱を拒絶することができる 能力が含まれる。

継続的に冷却するために２つまたはそれ以上のサブシステムが相がずれたモード で動作され得る。

（１６，２８バール）　（４，６バール）ＮＨ２温度　０Ｋ ＭｇＢｒ２．２／６　６０４　５４４ ＣｏＣＬ、２／６　４９５　４４９ ＳｒＣＩｔ　、１／８　３７４　３４２表■ 脱着　吸着 （７，３１バール）　（１，４４バール）ＮＨ，温度　０Ｋ ＭｇＢｒｘ　、　２／６　５６２　５０２ＣｏＣＩｔ、２／６　４６１　４１６ ＣａＣＬ、２／４　３５６　３２０ 熱圧縮機 この発明のプロセスおよびシステムは熱圧縮機としてもまた使用されてもよく、 それは熱活性される熱ポンプのサブシステムである。たとえば、図１を参照して 、冷却器２６、蒸発装置２４、およびバルブ３１を取除くことによって、結果と して生じたサブシステム装置は熱により活性される圧縮機であり、導管４３を介 して低圧蒸気を受けかつ導管４５を介して高圧蒸気を運搬する。このような熱圧 縮機は圧縮された気体反応物を得るための電気的に駆動される圧縮機に対する廉 価な代替物として使用されてもよい。

こうして、適当な化合物の定圧段階は、水、アンモニア、二酸化炭素、二酸化硫 黄、メタノールおよび他の低級アルカノール、アルキルアミン、ポリアミン、お よびホスフィンのようないかなる気体反応物での効率的な熱圧縮機を提供し得る 。水素もまた錯化合物の代わりに、反応炉において水素化物の使用によって圧縮 され得、一方、二酸化炭素は金属酸化物／金属炭酸塩反応物と共に使用され得、 かつ水は金属酸化物／金属水酸化物または錯化合物反応物と共に使用され得る。

この発明のプロセスを使用したこのような熱圧縮機は従来の熱圧縮機よりより効 率的であり、なぜなら熱が数段階を通りカスケードされ、かつ高圧蒸気か各段階 で発生されるからである。

機械作用または圧力によって活性化される熱ポンプ発明の定圧段階プロセスはま た、高圧冷媒蒸気を受取り、定圧蒸気を放出し、冷却または加熱を生ずる熱ポン プにおいても使用され得る。高圧冷媒蒸気は、機械的圧縮機、熱による圧縮機、 たとえば、上記の定圧段階熱圧縮機または他の源によって与えられ得る。定圧段 階熱ポンプは、機械的圧縮機に結合されるとき最も有利であり、なぜなら機械的 圧縮機の効率および信頼性は圧縮比が減少するにつれ増加するからである。この ような装置は図４において示され、かつプロセス状態は図５において示される。

化合物Ａ、　Ｂ。

ＣおよびＤはそれぞれ反応炉１０４，２０５，１０６．および１０７に含まれる 。前半の間、バルブ１０１は圧縮機１００から導管１１３を介して運搬される高 圧蒸気が反応炉１０４および１．０６に向けられるように位置決めされる。

反応炉１０４における化合物Ａおよび反応炉１０６における錯体Ｃは前半におい て最初は高圧Ｐ２てあり、かつ反応炉１０５および１０７におけるＢおよびＤは 低圧Ｐｌである。化合物Ａは高圧点（５）において吸着し、低圧点（２）におい て化合物Ｂの脱着を駆動する熱を放出し、化合物Ｃは高圧（７）において吸着し 、低圧点（４）における化合物りの脱着を駆動する熱を放出する。化合物Ｂおよ びＤの脱着の間に発生される蒸気は圧縮機１００の入日（低圧）側へバルブ１０ １および導管１１４を介して経路づけられる。

後半の間、化合物ＡおよびＣは低圧であり、かつ化合物ＢおよびＤは高圧である 。バルブ１０１は圧縮機から容器１０５および１０７における化合物ＢおよびＤ へ高圧蒸気を向けるように、かつ反応炉１０４および１０６から圧縮機１００の 入口側に低圧蒸気を向けるように位置決めされる。この半サイクルの間ては、化 合物Ａは低圧（１）で脱着し、温度ＴＩにおいて冷却を生ずる。化合物Ｂは高圧 （６）で吸着し、かつ放出された熱は低圧（３）て錯体Ｃの脱着を駆動するのに 使用される。化合物りは高圧（８）で脱着し、温度Ｔ８て熱を運搬する。Ｔ１に おける冷却、Ｔ８における加熱、または両方は熱ポンプ動作の有用な産物である 。連続的な冷却または加熱は２つまたはそれ以上の段の反応炉を一致せずに動作 して利用することによって与えられる。

使用される化合物の数は２つまたはそれ以上になり得る。

最も低い温度化合物（図５におけるＡ）は気体反応物の蒸発および凝縮によって 置換えられ得る。発明の利用と改良は、図５から明らかである。圧力Ｐ１および Ｐ２の間て動作される間、熱は温度ＴＩからＴ８へ上昇される。唯一の化合物Ａ （または冷媒凝縮／蒸発）の使用は同じ圧力で熱をＴ３に上昇させるにすぎない だろう。最高圧力であるＰ３は、Ｐ２より数オーダ高い大きさであるか、Ｔ８へ の温度上昇を得るために必要とされるであろう。

化合物および動作状態は十分な高圧で高圧化合物か常に吸着されるように選択さ れ、そのため放出された熱か次の脱着を駆動するのに使用され得る。具体的には 、図５を参照して、Ｔ３はＴ２より大きくなければならず、Ｔ５はＴ４より大き くなければならず、かつＴ７はＴ６よりも大きくならなければならない。こうし て、この実施例では、組または群における順次の化合物か、高圧においてより高 温の吸着化合物、すなわち、より高い温度で吸着する化合物が、次に続く化合物 の低圧における脱着温度より高い吸着温度を有するように選択される。化合物は 吸着温度の上昇順に順次、反応炉中に位置する。このような化合物ならびに高反 応の圧力および低反応の圧力の選択は当業者によって理解されるであろう。ここ に記述されかつ示された反応は、極端な温度状態下での熱ポンプ動作、または多 重温度レベル動作のような、ある例では、次に続くより高い蒸気圧化合物を通常 含むであろうか、どの特定のサイクルにおいても１つまたはそれ以上の化合物を 抜かすことが望ましいかもしれない。

ここにおいて開示されたディスクリートな定圧多段化サイクルプロセスは、以前 から知られている熱ポンプサイクル、熱圧縮機、および熱蓄積に対して多数の利 点を有する。

熱活性される熱ポンプまたは熱圧縮機として、この発明のプロセスは高係数性能 を産出し、かつ最も低い蒸気圧化合物の安定性によってのみ制限される高駆動温 度を熱力学的に利用する。多重段階か単一の段階システムの本体構造部内で達成 され、かつ他の２つまたは多重段階サイクルで可能なものよりより低いコストの 結果をもたらす。半サイクル間で、各段階における錯体は、次のより熱い段階か らの熱を引出し、かなりの熱の再発生を効率よく単純なものにし、かつ他の固体 −蒸気熱ポンプおよび熱圧縮機と比へてサイクル効率を改善することによって加 熱する。機械的または熱圧縮機熱ポンプとして動作し、この発明のシステムは高 温上昇と定圧比を可能にする。別個の反応炉が異なった反応場所として図面にお いて示されているが、反応は反応場所または単一の反応炉のチャンバで実施され てもよい。

こうして、ここで使用されるように、反応炉という用語は単一反応炉および多重 反応炉における１つまたはそれ以上の反応場所またはチャンバを含むことを意図 される。

この発明の定圧段階は１つ以上の圧力レベルにおける蒸気を受取りまたは運搬す るために使用され得る。この能力は、多重温度冷却、熱ポンプからの多重温度熱 運搬、異なった温度レベルにおける熱蓄積、または１つ以上の圧力比において同 時に動作する熱圧縮を許容する。可能な異なった圧縮比の数はサイクルにおける 段の数に等しい。図６は２つの異なった温度において冷却を与えるための６つの 段階サイクルの例を示す相図である。冷媒温度Ｔ１およびＴ２は熱ポンプ作用媒 体の蒸気圧機能に従ってシステム圧力Ｐ１およびＰ２を確立し、それは相変化を 受ける純粋な冷媒またはいかなる収着プロセスにおいて含まれる冷媒でもあり得 る。圧力Ｐ３における熱拒絶温度Ｔ３もまた熱ポンプ媒体蒸気圧線上にある。サ イクルは前述の態様で動作する。熱は温度Ｔ４で入力され、それはＴ３に比べて 比較的高い。状態点（１）におけるエネルギー人力は化合物Ａの脱着を駆動する 。点（１５）における吸着は点（２）における脱着を駆動するための熱を放出し 、かつ化合物Ｂ−Ｆに対してもそっである。点（１）における熱入力は状態点シ ーケンス！−１５−２−１４−３−１３−４−１２−５−Ｉ　１−６−１０にお いてサイクルを通って効率的にカスケードされる。状態点ｌＯにおける吸着の間 の熱放出は熱ポンプサイクルに外部で拒絶される。このサイクル実施例の利点お よび独特の特徴は、吸着か２つの異なった圧力レベルにおいて発生することであ る。Ｔ１における冷却を与えるために発生された気体反応物蒸気は圧力Ｐ１にあ り、かつ状態点！０．１２．および１５において吸着され、一方Ｔ２における冷 却を与えるために発生された蒸気は圧力Ｐ２にあり、かつ、１１．１３．および １４において吸着される。異なった段階のための圧力の選択は所望された、また は利用可能な媒体、すなわち、固体−蒸気、液体−蒸気、などと、各温度レベル において達成される冷却の量とに依存する。段階間の熱交換のための適当な熱伝 達方策温度（温度微分）を維持する間、サイクルにおける段の数は最大にするこ とか望ましい。さらに、２つ以上の温度および圧力レベルも才た使用され得る。

このようなシステムの多重冷却および加熱温度を利用し、入力するためにとの状 態点（反応チャンバ）と外部の熱交換手段との間に熱は向けられてもよい。たと えば、このようなシステムはカスケードされた冷却、空気加熱および温水供給、 および多重温度レベルにおいて過剰な無駄な熱か利用可能であるコージェネレー ションシステムでの適用において使用されてもよい。

多重熱拒絶温度を組込む熱ポンプ、または多重運搬圧力を使用する熱圧縮機は、 収着の幾つかの段は中間圧力レベルより下で動作するが、同じ態様で動作する。

多重吸着および脱着圧力もまた単一システムで使用されてもよい。

この発明の一部として意図されていないか、定圧多段化システムは吸着媒蒸気圧 もまた冷媒凝縮の機能である二変量の媒体で動作され得る。各個々の蒸気圧線は 特定の媒体か動作する溶解領域によって置換えられる。結果として生じたシステ ムは、たとえば、ゼオライトまたは活性化された炭素のような二変量の固体蒸気 媒体での使用に対してそれほど実用的でなく、なぜなら媒体において広かる合理 的な溶媒凝縮の溶解分野はかなり広いからである。溶解領域の重複部分は受入れ 可能でないので、論理的な溶解領域の一部のみと非常に少ない段階か使用され得 る。さらに、大きな熱量および非効率的な段階か低効率の結果をもたらす。

さらに、一時休止の間、すべての冷媒は最も低い蒸気圧媒体に移動するであろう し、ザイクル動作の効率をさらに減少する。液体吸着媒の使用はこれらの二変量 の媒体問題の幾つかを克服する。定圧段階サイクルの各段階は媒体の狭い凝縮範 囲であるであろう。媒体は、それか脱着しがっ蒸気か減少するにつれて、より高 温の段階へ移動し、かつ流体か冷媒を吸着するとともにより低温の段階に移動す るように、段から段へ、ポンピングされてもよい。段間の温度変化は回復させて 達成されてもよい。

−］ 国際調査報告

Claims (52)

【特許請求の範囲】
1. １．エネルギーを伝達しかつ回復する方法であって、（ａ）固体反応物吸着媒お よびそこに吸着された気体反応物を含む複数個の２つまたはそれ以上の異なった 化合物を選択するステップを含み、各化合物の各々は異なった気体反応物蒸気圧 を気体反応物の濃度から実質的に独立して、有し、 （ｂ）複数個の反応炉のうちの異なった１つに前記化合物の異なった１つを配置 するステップと、（ｃ）第１の反応サイクルにおいて、第１の圧力において前記 反応炉の第１の部分を加圧するステップとを含み、それによりそこにおける前記 化合物は吸熱反応において前記気体反応物を脱着し、かつ第２の圧力において前 記反応炉の前記第２の部分を加圧するステップとを含み、それによりそこにおけ る前記化合物は発熱反応において前記気体反応物を吸着し、かつ （ｄ）第２の反応サイクルにおいて、前記第２の圧力において前記反応炉の前記 第１の部分を加圧するステップを含み、それによりそこにおける前記化合物は発 熱反応において前記気体反応物を吸着し、かつ前記第１の圧力において前記反応 炉の前記第２の部分を加圧するステップを含み、それによってそこにおける前記 化合物は吸熱反応において前記気体反応物を脱着し、かつ （ｅ）エネルギー回復のための熱交換手段に、前記発熱反応の間に放出された熱 の少なくとも一部または前記吸熱反応の間に吸収された熱の少なくとも一部を向 けるステップとを含む方法。
2. ２．前記発熱吸着反応からの前記熱の一部は吸熱脱着反応を駆動するために、そ こにある化合物を加熱するために前記反応炉に向けられる、請求項１に記載の方 法。
3. ３．前記脱着の間に、前記化合物から放出された気体反応物を凝縮し、かつ気体 反応物凝縮からの熱を回復するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. ４．前記凝縮された気体反応物の少なくとも一部を蒸発し、かつ前記蒸発からの 熱を吸収するステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. ５．外部の熱は前記第１のサイクルにおける前記反応炉の第１の部分の第１の反 応炉に、そこで吸熱反応を駆動するために向けられる、請求項１に記載の方法。
6. ６．前記吸着および脱着反応の少なくとも一部は機械または熱駆動の圧縮機であ る、請求項１に記載の方法。
7. ７．熱を回復または吸収するために前記反応炉から外部の吸着器／脱着器反応炉 に脱着された気体反応物の一部を向けるステップを含む、請求項１に記載の方法 。
8. ８．前記気体反応物は、アンモニア、水、水素、二酸化炭素、二酸化硫黄、低級 アルカノール、アルキルアミン、ポリアミンおよびホスフィンからなる群から選 択される、請求項１に記載の方法。
9. ９．前記固体反応物は金属酸化物、水素化物、ハロゲン化物、炭酸塩、硝酸塩、 亜硝酸塩、硫酸塩、シユウ酸エステルまたは硫化物である、請求項８に記載の方 法。
10. １０．前記無機塩の金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、アル ミニウム、亜鉛、カドミウム、および錫からなる群から選択される、請求項９に 記載の方法。
11. １１．前記固体反応物は二重金属塩化物を含み、前記金属はアルカリ金属、アル カリ土類金属、アルミニウム、マグネシウム、鉄、ニッケルおよびコバルトから なる群から選択される、請求項９に記載の方法。
12. １２．前記気体反応物はアンモニアであり、かつ前記固体反応物は前記金属のハ ロゲン化物である、請求項１０に記載の方法。
13. １３．前記脱着反応からの前記気体反応物は回復され、かつ吸着反応のための反 応炉へ向けられる、請求項１に記載の方法。
14. １４．前記蒸発された気体反応物は吸着反応のための反応炉へ向けられる、請求 項４に記載の方法。
15. １５．前記化合物の各々は前記反応圧力において、それぞれ異なった温度で同一 の気体反応物を吸着しかつ脱着し、かつ前記選択された複数個の化合物は気体蒸 気圧の連続する上昇順で連続する反応炉に置かれる、請求項１に記載の方法。
16. １６．前記化合物は、低反応圧力におけるより低い蒸気圧化合物の吸着温度が高 反応圧力における連続するより高い蒸気圧化合物の脱着温度より高くなるように 選択される、請求項１５に記載の方法。
17. １７．前記第１の圧力は前記第２の圧力より高い、請求項１６に記載の方法。
18. １８．前記化合物のうちの第２のものより低い蒸気圧を有する前記化合物のうち の第１のものの発熱吸着反応からの熱の少なくとも一部は、その吸熱脱着反応を 駆動するための次により高い蒸気圧を有する化合物を含む反応炉に向けられる、 請求項１７に記載の方法。
19. １９．前記第１の反応サイクルにおいて、第３の圧力において前記反応炉の第３ の部分を加圧するステップを含み、それによってそこにおける前記化合物は発熱 反応において前記気体反応物を吸着し、前記第２および第３の圧力は互いに異な り、前記第１の圧力より少ない、請求項１に記載の方法。
20. ２０．前記第２の反応サイクルにおいて、前記第１または第２の圧力において前 記反応炉の前記第３の部分を加圧するステップを含み、それによりそこにおける 前記化合物は吸熱反応において前記気体反応物を脱着する、請求項１９に記載の 方法。
21. ２１．熱活性される熱ポンプを動作する改良された方法であって、 （ａ）固体反応物吸着媒およびそこに吸着される気体反応物を含む複数個の２つ またはそれ以上の異なった化合物を選択するステップを含み、前記化合物の各々 は実質的に気体反応物の濃度から独立して、異なった気体反応物蒸気圧を存し、 （ｂ）複数個の反応炉の異なった１つに前記化合物のうちの異なった１つを位置 するステップと、（ｃ）第１の反応サイクルにおいて、第１の圧力で前記反応炉 の第１の部分を加圧するステップとを含み、それによってそこにおける前記化合 物は吸熱反応において前記気体反応物を脱着し、かつ前記第１の圧力よりも低い 第２の圧力で前記反応炉の前記第２の部分を加圧するステップを含み、それによ ってそこにおける前記化合物は発熱反応において前記気体反応物を吸着し、かつ （ｄ）第２の反応サイクルにおいて、前記第２の圧力で前記反応炉の前記第１の 部分を加圧するステップを含み、それによってそこにおける前記化合物は発熱反 応において前記気体反応物を吸着し、かつ前記第１の圧力において前記反応炉の 前記第２の部分を加圧するステップを含み、それによってそこにおける前記化合 物が吸熱反応において前記気体反応物を脱着し、かつ （ｅ）吸熱脱着反応を駆動するために、前記発熱吸着反応から放出された熱の少 なくとも一部を、そこにおける化合物を加熱するために反応炉に向けられる改良 された方法。
22. ２２．前記化合物の各々が前記反応圧力でそれぞれ異なった温度で同一の気体反 応物を吸着および脱着するように前記複数個の化合物を選択するステップを含む 、請求項２１に記載の方法。
23. ２３．気体蒸気圧の連続する上昇順で連続する反応炉の中に前記化合物を位置す るステップを含む、請求項２２に記載の方法。
24. ２４．前記化合物は、低反応圧力におけるより低い蒸気圧化合物の吸着温度が高 反応圧力における次に続くより高い蒸気圧化合物の脱着温度より高くなるように 選択される、請求項２３に記載の方法。
25. ２５．前記第１の反応サイクルにおいて、第３の圧力で前記反応炉の第３の部分 を加圧するステップを含み、それによってそこにおける前記化合物は発熱反応に おいて前記気体反応物を吸着し、前記第２および第３の圧力は互いに異なり、か つ前記第１の圧力より低い、請求項２１に記載の方法。
26. ２６．前記第２の反応サイクルにおいて、前記第１または第２の圧力で前記反応 炉の前記第３の部分を加圧するステップを含み、それによりそこにある前記化合 物は吸熱反応において前記気体反応物を脱着する、請求項２５に記載の方法。
27. ２７．圧縮機駆動されるヒートポンプを動作する改良された方法であって、 （ａ）固体反応物吸着媒およびそこに吸着される気体反応物を含む複数個の２個 またはそれ以上の異なった化合物を選択するステップを含み、前記錯化合物の各 々は気体反応物の濃度から実質的に独立して異なった気体反応物蒸気圧を有し、 （ｂ）複数個の反応炉の異なった１つに前記化合物のうちの異なった１つを位置 させるステップを含み、（ｃ）第１の反応サイクルにおいて、第１の圧力で前記 反応炉の第１の部分を加圧するステップを含み、それによってそこにある前記化 合物は吸熱反応において前記第１の圧力で前記気体反応物を脱着し、前記脱着さ れた気体反応物を圧縮機に向け、かつ前記圧縮機からの気体反応物での前記第１ の圧力より高い第２の圧力で前記反応炉の第２の部分を加圧するステップを含み 、それによって前記化合物は発熱反応において前記第２の圧力で前記気体反応物 を吸着し、かつ （ｄ）第２の反応サイクルにおいて、前記圧力器からの気体反応物での前記第２ の圧力における前記反応炉の前記第１の部分を加圧するステップを含み、それに よって前記化合物は発熱反応において前記第２の圧力における前記気体反応物を 吸着し、かつ前記第１の圧力で前記反応炉の前記第２の部分を加圧するステップ を含み、それによってそこにおける前記化合物は吸熱反応において前記第１の圧 力における前記気体反応物を脱着し、かつ前記圧縮機に前記脱着された気体反応 物を向けるステップを含み、かつ（ｅ）吸熱脱着反応を駆動するために前記発熱 吸着反応から放出された熱の少なくとも一部をそこにおける化合物を加圧するた めに反応炉に向けるステップを含む改良された方法。
28. ２８．それぞれ異なった温度で、前記反応圧力で前記化合物の端々が同一の気体 反応物を吸着しかつ脱着するように前記複数個の化合物を選択するステップを含 む、請求項２７に記載の方法。
29. ２９．同じ脱着圧力で脱着温度の連続する上昇順において前記化合物を連続する 反応炉に導入するステップを含む、請求項２８に記載の方法。
30. ３０．前記化合物は、吸着圧力における化合物の吸着温度が脱着圧力における次 に低い蒸気圧化合物の脱着温度より高くなるように選択される、請求項２９に記 載の方法。
31. ３１．前記第１の反応サイクルにおいて、第３の圧力で前記反応炉の第３の部分 を加圧するステップを含み、それによってそこにある前記化合物は発熱反応にお いて前記気体反応物を吸着し、前記第２および第３の圧力は互いに異なり、かつ 前記第１の圧力より少ない、請求項２７に記載の方法。
32. ３２．前記第２の反応サイクルにおいて、前記第１または第２の圧力で前記反応 炉の前記第３の部分を加圧するステップを含み、それによってそこにある前記化 合物は吸熱反応において前記気体反応物を脱着する、請求項３１に記載の方法。
33. ３３．（ａ）複数個の２つまたはそれ以上の反応チャンバを含み、前記チャンバ の各々は固体反応物吸着媒およびそこに吸着される気体反応物を含む異なった化 合物をそこに有し、前記化合物の各々はそこにおける気体反応物の濃度から実質 的に独立して異なった気体反応物蒸気圧を有し、 （ｂ）前記チャンバの少なくとも１つに熱を導入するための加熱手段と、 （ｃ）前記チャンバヘ、かつ、それから気体反応物を向けるための手段と、 （ｄ）前記チャンバヘ、かつ、それから熱を向けるための熱伝達手段と、 （ｅ）前記チャンバから向けられた前記気体反応物を処理するための受取手段と 、 （ｆ）前記チャンバからの熱を選択的に回復および／または吸収するための熱交 換手段とを含む装置。
34. ３４．前記受取手段は前記気体反応物を凝縮させかつ蒸発させるための手段を含 む、請求項３３に記載の装置。
35. ３５．前記受取手段は前記気体反応物を吸着し、かつ脱着するための手段を含む 、請求項３３に記載の装置。
36. ３６．前記吸着し、かつ脱着するための手段は化合物、固体吸着媒または液体吸 着媒を含む反応炉を含む、請求項３５に記載の装置。
37. ３７．前記受取手段は圧力活性される熱ポンプを含む、請求項３３に記載の装置 。
38. ３８．前記圧力活性される熱ポンプは、固体反応物吸着媒およびそこに吸着され る気体反応物を含む異なった化合物を各々がそこに有する複数個の２つまたはそ れ以上の反応場所を含み、前記化合物の各々はそこにおける気体反応物の濃度か ら実質的に独立して異なった気体反応物蒸気圧を有する、請求項３７に記載の装 置。
39. ３９．前記化合物は上昇順の気体反応物蒸気圧を有し、高反応圧力における蒸気 圧化合物の吸着温度は低反応圧力における次に続くより低い蒸気圧化合物の脱着 温度より高い、請求項３８に記載の装置。
40. ４０．前記化合物は、アンモニア、水、水素、二酸化炭素、二酸化硫黄、低級ア ルカノール、低級アルカン、アルキルアミン、ポリアミンおよびホスフィンから なる群から選択される気体反応物並びに金属酸化物、水素化物、ハロゲン化物、 炭酸塩、シュウ酸エステル、硝酸塩、亜硝酸塩、硫化物および硫酸塩からなる群 から選択される固体無機塩を含む、請求項３３に記載の装置。
41. ４１．前記金属は、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属、アルミニウム 、亜鉛、カドミウム、および錫からなる群から選択される、請求項４０に記載の 装置。
42. ４２．前記熱伝達手段は前記反応チャンバヘ、かつ、それから熱伝達流体を向け るためのポンプおよび導管手段を含む、請求項３３に記載の装置。
43. ４３．前記導管手段は前記反応チャンバこおける前記化合物に対して熱伝達する 、請求項４２に記載の装置。
44. ４４．前記導管手段は前記熱交換手段に対して熱伝達する、請求項４２に記載の 装置。
45. ４５．熱活性される熱ポンプ装置であって、複数個の２つまたはそれ以上の反応 チャンバを含み、前記チャンバの各々は固体反応物吸着媒およびそこに吸着され る気体反応物を含む異なった化合物をそこに有し、前記化合物の各々は，そこに おける気体反応物の濃度から実質的に独立して、異なった気体反応物蒸気圧を有 し、前記化合物は上昇順の気体反応物蒸気圧を有し、低反応圧力におけるより低 い蒸気圧化合物の吸着温度は高反応圧力における次に続くより高い蒸気圧化合物 の脱着温度より高い装置。
46. ４６．吸着反応チャンバから脱着反応チャンバへ熱を向けるための手段を含む、 請求項４５に記載の装置。
47. ４７．吸着反応チャンバと外部の熱交換手段との間に熱を向けるための手段を含 む、請求項４５に記載の装置。
48. ４８．脱着反応チャンバと外部の熱交換手段との間に熱を向けるための手段を含 む、請求項４５に記載の装置。
49. ４９．機械的に、または圧力により起動される熱ポンプ装置であって、 複数個の２つまたはそれ以上の反応チャンバを食み、前記チャンバの各々は固体 反応物吸着媒およびそこに吸着される気体反応物を含む異なった化合物をそこに 有し、前記化合物の各々はそこにおける気体反応物の濃度から実質的に独立して 異なった気体反応物蒸気圧を有し、前記化合物は同じ吸着および脱着圧力でそれ ぞれ上昇順の脱着温度を有し、かつ高反応圧力におけるより低い脱着温度化合物 脱着温度は低反応圧力における次に続くより高い吸着温度化合物の脱着温度より 高い装置。
50. ５０．吸着反応チャンバから脱着反応チャンバへ熱を向けるための手段を含む、 請求項４９に記載の装置。
51. ５１．吸着反応チャンバと外部の熱交換器手段の間に熱を向けるための手段を含 む、請求項４９に記載の装置。
52. ５２．脱着反応チャンバと外部の熱交換手段との間に熱を向けるための手段を含 む、請求項４９に記載の装置。