JPH05322364A - 吸着式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特開平3-31663号公報の吸着式冷凍機を一層
改善する。すなわち，該冷凍機では作動中に液相の水が
存在したが，これをなくして装置構成をよりコンパクト
にし且つ安定して作動できるようにする。 【構成】 中空プレートの外表面に吸着剤層を装着して
なる熱交換プレートの多数枚を作動流体と共に密閉容器
の中に封入し，該多数枚の熱交換プレートを少なくとも
２つの系統に区分したうえ，各系統とも該中空プレート
内に高温流体を通流する脱着群と低温流体を通流する吸
着群とに分け，少なくとも一方の系統の脱吸着動作がほ
ぼ完了した時点で両系統とも高温流体と低温流体とを切
換えるようにした吸着式ヒートポンプである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，吸着剤に対して作動流
体を吸着・脱着操作することよって熱の移動と貯蔵を行
う吸着式ヒートポンプに関する。より具体的には，同一
出願人に係る特開平3-31663号公報に提案した吸着式冷
凍機と同様に, 中空プレートの外表面に吸着剤層を装着
してなる熱交換プレートの多数枚を作動流体と共に密閉
容器の中に封入するヒートポンプの改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平3-31663号公報は，中空プレート
の外表面に吸着剤層を装着した熱交換プレート (吸着剤
熱交換器) を用いた吸着式冷凍機を開示している。この
冷凍機は，吸着剤熱交換器の他に, 蒸発器または凝縮器
として機能する熱交換器を別途第一機能室と第二機能室
に設けるものであり，膨脹弁操作による気液の相変化を
行わせるものである。

【０００３】この特開平3-31663号公報に記載の吸着剤
熱交換器は，プレート式熱交換器の各プレートの表面に
吸着剤を装着できるような小さなセルを設けたものであ
り,このセルを構成する部材がフインとしても作用する
ものである。したがって，中空プレートの内部に高温流
体が通流するとその表面の吸着剤層に吸着してした作動
流体が蒸発し，また，低温流体を通流するとその表面の
吸着剤層に容器内の気相の作動流体が吸着する (低温流
体がその吸着熱を抜熱する) 。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は，特開平3-
31663号公報の吸着式冷凍機を発明したあとも研究を続
けてきたが，該冷凍機の場合には，凝縮器と蒸発器とを
持たせたので, 冷凍機の作動中液相の水が存在すること
になり，このために液面制御が必要となり，また水系の
配管や減圧弁等の設置も必要であることから装置がやや
複雑になること，またメンテナンス時にも水抜きが必要
となるといった不都合に遭遇した。

【０００５】そこで，液相の水を生成させない新しいヒ
ートポンプの開発を意図した。これが本発明が解決しよ
うとする課題である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は，特開平3-3166
3号公報の吸着式冷凍機の凝縮器と蒸発器を同一の吸着
剤熱交換器を用いた吸着器と脱着器に置き代えるという
発想に基いている。これによると作動流体はすべて気相
で作動し，液面を作らない。

【０００７】すなわち本発明によれば，中空プレートの
外表面に吸着剤層を装着してなる熱交換プレートの多数
枚を作動流体と共に密閉容器の中に封入し，該多数枚の
熱交換プレートを少なくとも２つの系統に区分したう
え，各系統とも該中空プレート内に高温流体を通流する
群（該吸着剤層に吸着している作動流体を脱着させるよ
うに機能させる群・・脱着群と呼ぶ）と低温流体を通流
する群（密閉容器内に存在する気相の作動流体を該吸着
剤層に吸着させるように機能する群・・吸着群と呼ぶ）
とに分け，少なくとも一方の系統の脱吸着動作がほぼ完
了した時点で両系統とも高温流体と低温流体とを切換え
るようにしたものである。

【０００８】

【実施例】図１〜図３は，中空プレート１の外表面に吸
着剤を装着する場合の装填構造を示したもので，熱交換
面となる中空プレート１のほぼ全外表面積にわたってフ
インを用いて枡目状のセル２を多数形成する例を示して
いる。

【０００９】図１に見られにように，中空プレート１の
両外表面に軸方向に延びるフイン３とこれと直交する方
向に延びる同じ高さのフイン４を互いにクロスしながら
碁盤目状に多数設けることによって，フイン３と４で囲
われるセル２を多数形成し，この各々のセル２を固体吸
着剤の装填容器としてある。

【００１０】各セル２に固体吸着剤を装填すると，中空
プレート１の両外表面には所定の厚みをもつ固体吸着剤
の層がプレート１の外面およびフイン面と接触して取付
けられることになり，各セルを形成する６面体のうち５
面体が伝熱面となって吸着剤と接し，しかも小さなセル
に分割されることから中空プレート１内を流れる熱媒体
と吸着剤との熱交換は極めて良好となる。各セル２の全
外側面には，図示しないが多孔質の板または網体が被着
され，この通気性カバーによって各セル２内に吸着剤が
押え込まれる。このカバーの取付けは，フイン３と４の
端部を廻る枠体５を用いて行われる。

【００１１】なお，図１の例では中空プレート１が金属
などの一体成形品からなり，図２の例では中空プレート
１は二枚の金属板６と７をスペーサー８を用いてチュー
ブプレートに加工してあり，図３の例では二枚の金属板
６と７の端縁を重ね合わせ溶接によって接合することに
よってチューブプレートに形成してある。いずれもフイ
ン３と４で吸着剤装填用のセル２を多数形成する点では
変わりはない。

【００１２】図１〜図３の例のほか，場合によってはフ
イン３だけを，またはフイン４だけを平行に配置し，そ
の間隙に固体吸着剤を装填したうえ，多孔質または網体
をその上に被着した構造のものも使用することができ
る。

【００１３】図４は，前記のように固体吸着剤を中空プ
レート１の外表面に装填してなる熱交換プレート（以
後，吸着剤熱交換プレートと呼ぶ）を用いてヒートポン
プを構成した本発明の実施例を示したものであり，多数
枚の吸着剤熱交換プレート９が密閉容器１０内に作動流
体（以後，冷媒と呼ぶ）と共に封入されている。冷媒と
して水が使用できる。しかし，液体の水は密閉容器１０
内の空間には実質上存在せず，固体吸着剤に吸着される
ときに気相から液相に相変化するに似た状態で固定され
る。

【００１４】図４の例では，密閉容器１０は第一室Ａと
第二室Ｂとに仕切壁１１によって区分されており，容器
ＡとＢとは互いに連通していない。したがって，冷媒は
各室ＡとＢとに独立して存在している。

【００１５】図４において，多数枚の吸着剤熱交換プレ
ート９は室Ａの系統と室Ｂの系統の二つの系統に区分さ
れ，いずれの系統でも，高温流体を通流する群（脱着
群）と低温流体を通流する群（吸着群）とに分けられて
いる。いま，図の状態では，室Ａの系統においては，イ
の吸着剤熱交換プレートが脱着群を構成し，ロの吸着剤
熱交換プレートが吸着群を構成している。一方，室Ｂの
系統においても，イの吸着剤熱交換プレートが脱着群を
構成し，ロの吸着剤熱交換プレートが吸着群を構成して
いる。

【００１６】室Ａの系統の吸着剤熱交換プレートのう
ち，脱着群のプレート内に加熱媒体（例えば温排水）１
２が通流され，吸着群のプレート内には冷却水１３が通
流される。これにより，脱着群の吸着剤が加熱媒体１２
によって加熱され，吸着していた冷媒が蒸発し，その冷
媒蒸気は室Ａ内に拡散する。一方，吸着群の吸着剤は冷
却水１３によって冷却され，室Ａ内の冷媒蒸気を吸着す
る。この動作により，加熱媒体１２は冷媒の脱着熱によ
る抜熱のために冷却されて系外に導出され，冷却水は冷
媒の吸着熱を受熱し温度が上昇して系外に導出される。
この動作を続行すると，脱着群の吸着剤は冷媒を僅かし
か保持しない乾燥状態となり，吸着群の吸着剤は冷媒を
多量に保持した湿潤状態となる。

【００１７】同様に，室Ｂでは湿潤状態にある脱着群の
プレート内に冷熱を取り出したい媒体（採冷熱媒体１４
と呼ぶ）を通流し，乾燥状態になる吸着群のプレート内
に冷却水１５を通流させる。採冷熱媒体１４は例えば冷
房用の熱源水等であり，熱源水の場合には通常は蓄熱槽
１６に蓄えられるが，冷房運転によって高温になった熱
源水をポンプ１７によって脱着群に通流させたあと，再
び蓄熱槽１６に戻す。高温の熱源水は脱着群に通流する
間に吸着剤を加熱し，吸着している冷媒を蒸発させ，こ
の脱着熱が奪熱されることによって，熱源水は冷却され
る。一方，吸着群では冷却水１５に吸着熱を付与しなが
ら，蒸発した冷媒蒸気が吸着剤に吸着される。

【００１８】この室Ａの系統および室Ｂの系統の動作を
或る時間続けると，その脱吸着の機能が飽和に近づく。
いずれか一方の系統の機能が飽和に近づいた時点で，脱
吸着動作を逆に切り換える。図示の状態で飽和に近づい
たときには，室Ａのイの吸着剤熱交換プレートに冷却水
（１５）を通流し，ロの吸着剤熱交換プレートに採冷熱
媒体（１４）を通流させる。そして，室Ｂのイの吸着剤
熱交換プレートに冷却水（１３）を，ロの吸着剤熱交換
プレートに加熱媒体（１２）を通流させる。これによっ
て，先に述べた室Ａと室Ｂの動作と全く同じ作用が室Ｂ
と室Ａで行われることになり，採冷熱媒体１４には冷熱
が採取できる。

【００１９】この切換えを流体の流れが休止しないよう
に連続的に行えば，採冷熱媒体１４には連続的に冷熱が
取り出せる。また，この切換えを時間を置いて行えば，
その休止時間帯の間だけ，温熱または冷熱を保持できる
ので，蓄熱装置としても機能する。

【００２０】図５は，前記した図４のヒートポンプにお
いて，第一室ＡとＢに配置する吸着剤熱交換プレート９
を横型に配置した本発明の実施例を示す。この場合に
も，各吸着剤熱交換プレート９には吸着剤が装填される
ので，全く同様の作用のもとで吸着式ヒートポンプとし
ての機能を果たす。

【００２１】図６は，前記した図４のヒートポンプにお
いて，第一室ＡとＢを仕切る仕切壁１１を垂直方向にし
た本発明の実施例を示す。この場合にも，全く同様の作
用のもとで吸着式ヒートポンプとしての機能を果たす。

【００２２】図７は，前記した図４のヒートポンプにお
いて，脱着群の吸着剤熱交換プレート（イ）と吸着群の
吸着剤熱交換プレート（ロ）をほぼ同間隔の間隙をあけ
て交互に配置した本発明の実施例を示す。この場合，脱
着群には高温流体（加熱媒体または採冷熱媒体）を，吸
着群には低温流体（冷却水）を流す点は前例と同様であ
り，脱着動作している吸着剤熱交換プレート（イ）を脱
着器と，また吸着動作している吸着剤熱交換プレート
（ロ）を吸着器として表示してある。脱吸着動作が飽和
近くに達したら，プレート内に通流する流体の流路を切
り換えることは前例と同様である。

【００２３】図７の例では，同じ構造の吸着剤熱交換プ
レートが交互に室Ａおよび室Ｂ内に配置されており，脱
着器と吸着器とは互いに隣合っているから，脱吸着動作
が隣接した吸着剤層との間で主として行われるので応答
性がよい。

【００２４】図８は，脱着器と吸着器とを一層密着させ
た以外は，図７と同様の本発明の実施例を示す。すなわ
ち，脱着器と吸着器とを殆んど隙間が無い程度に密着さ
せた組立物を室ＡとＢ内に設置し，且つ室ＡとＢの内部
には余分の空間が殆んど存在しないように室内一杯に該
組立物を配置したものである。そのさい，脱着器として
機能する吸着剤熱交換プレートと吸着器として機能する
吸着剤熱交換プレートとはヒートブリッジが形成されな
いように，僅かの隙間を開けるか，或いは多孔質の断熱
層１９を両者の間に介装させておく。これによって，両
プレートが作動状態で４０〜５０℃程度の温度差があっ
てもヒートブリッジが防止できる。

【００２５】図８の構造を採用すると，室内での冷媒蒸
気の空間が非常に少なくなり，また脱着器と吸着器の間
を移動する冷媒の距離が最短となるので，安定した脱吸
着反応が行えるだけでなく，装置全体が非常に小さくな
り，コンパクトで効率のよいヒートポンプを構成するこ
とができる。

【００２６】図９〜図１１は，図８のような脱着器と吸
着器とが隣接した組立物の具体例を示したものである。
すなわち，先ず図９と図１０に示したように，互いに対
称的な形状の吸着剤熱交換プレート９ａと９ｂを作る。
まず，吸着剤熱交換プレート９ａについて説明すると，
菱形枠（デイスタンスピース）２０ａの両側に同形の金
属プレート２１ａと２１ｂを貼り合わせて，中空プレー
トを構成する。プレート２１ａと２１ｂには，頂部と底
部に通流管２３と２４を取付ける。また，プレート２１
ａと２１ｂの表面にはフイン２５と２６を取付ける。前
述のように，これらのフイン２５と２６の隙間には固体
吸着剤が装填される。これによって，一枚の吸着剤熱交
換プレート９ａが出来上がる。

【００２７】同様に，これと対称的な形状を有している
吸着剤熱交換プレート９ｂも，９ａと同様にして作る。
この場合，９ｂでは通流管２７と２８の位置が９ａのも
のとは一致しない位置に設けられる。すなわち，菱形の
形状のプレートを反転することによって，その頂部と底
部の位置がずれるので，両プレートの頂部と底部に通流
管が設ければ，両プレートの通流管は異なる位置に配置
することができる。しかし，フイン２５と２６について
は，両プレート９ａと９ｂとも，同方向にして同じ高さ
の位置に取付けられる。

【００２８】このようにして作られた互いに対称な吸着
剤熱交換プレート９ａと９ｂとを互い違いにして図１１
のように組立てる。そのさい，吸着剤熱交換プレート９
ａの通流管２３同士，２４同士を接続して供給側または
導出側のマニホールドを形成し，吸着剤熱交換プレート
９ｂの通流管２７同士，２８同士を接続して供給側また
は導出側のマニホールドを形成する。

【００２９】これによって，各マニホールドに加熱媒体
と冷却水，採冷熱媒体と冷却水を既述のように切換え可
能に通流させることによって吸着剤熱交換プレート９ａ
が共通して脱着器として機能し，これらの全てに近接し
て９ｂが吸着器として機能させるように作動させること
ができる。しかも，各マニホールドは各プレートの面積
内に位置するので，この組立物を密閉容器内に配置する
場合に，マニホールドのための設置スペースが省略さ
れ，非常にコンパクトに収納できることになる。

【００３０】図１２は，図１１で説明したような脱着器
と吸着器とを交互に配置した組立物３０ａと３０ｂをそ
れぞれ別の独立した密閉容器１０ａと１０ｂ内に配置す
ることによって，本発明のヒートポンプを構成した例を
示す。すなわち，各々独立した密閉容器１０ａと１０ｂ
の空間内に冷媒と組立物３０ａと３０ｂとが収納されて
おり，各組立物３０ａと３０ｂには，容器外に連結した
２３〜２４および２７〜２８に先に説明したように各熱
媒体が導入および導出される。

【００３１】図１２において，例えば組立物３０ａにお
ける脱着器群に２８ａから加熱媒体を通流し２７ａから
送出し，同組立物３０ａの吸着器群に２３ａから冷却水
を通流し２４ａから送出すると，脱着器から隣接する吸
着器に直接的に冷媒が移動する。同様に，組立物３０ｂ
の脱着器群に２８ｂから採冷熱媒体を通流し２７ｂから
送出し，吸着器群に冷却水を２３ｂから通流し２４ｂか
ら送出すると，脱着器から隣接する吸着器に直接的に冷
媒が移動する。この運転が飽和状態もしくはそれに近い
状態に達したら前記のように熱媒の経路を切り換える。

【００３２】なお，図１２では独立した密閉容器１０ａ
と１０ｂを左右に配置した例を示したが，図１３のよう
に前後に背中合わせで配置してもよい。いずれにして
も，少なくとも一方の系統の脱吸着動作がほぼ完了した
時点で通流媒体の流路を切換えることによって，連続し
て冷熱または温熱の一方向性の搬送が可能となる。

【００３３】以上の実施例において，固体吸着剤とこれ
に脱吸着させる冷媒の組合せとしては，ゼオライト／
水，シリカゲル／水，活性炭／水，硫化ナトリウム／
水，臭化カルシウム／水，よう化ナトリウム／アンモニ
ア，塩化ニッケルアンモニア錯体／アンモニア，生石灰
／水などが適用可能である。そのうちゼオライト／水，
シリカゲル／水，活性炭／水の組み合わせのものがが安
全で環境保全の面からも望ましく且つ経済的である。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述したように，本発明によれば，
特開平3-31663号公報において先に提案した吸着式冷凍
機に比べると，装置（密閉容器）内で作動する冷媒は吸
着剤に吸着されているか或いは気相の状態にある。この
ため，冷媒の搬送管路が不要化すると共に，液相と気相
の相変換を助成するための膨脹弁も不要化し，装置構成
が簡略化すると共に可動部が無くなり，このために故障
や作動不良を起こすような危険が回避された。

【００３５】加えて，装置がコンパクトになることから
単位容積当たりのヒートポンプ機能が向上し，ひいては
成績係数も向上し，また液相が存在しないので装置は反
転や移動が自由となり，設置場所に制約を受けないとい
う効果も奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】中空プレートの外表面に吸着剤を装着する場合
の装填構造を示した熱交換プレートの実施例を示す斜視
図である。

【図２】中空プレートの外表面に吸着剤を装着する場合
の装填構造を示した熱交換プレートの他の実施例を示す
斜視図である。

【図３】中空プレートの外表面に吸着剤を装着する場合
の装填構造を示した熱交換プレートのさらに他の実施例
を示す斜視図である。

【図４】吸着剤熱交換プレートを用いてヒートポンプを
構成した本発明の実施例を示す機器配置系統図である。

【図５】図４のヒートポンプにおいて，第一室Ａと第二
室Ｂに配置する吸着剤熱交換プレートを横型に配置した
本発明の実施例を示す略断面図である。

【図６】図４のヒートポンプにおいて，第一室Ａと第二
室Ｂを仕切る仕切壁を垂直方向にした本発明の実施例を
示す略断面図である。

【図７】図４のヒートポンプにおいて，脱着群の吸着剤
熱交換プレート（イ）と吸着群の吸着剤熱交換プレート
（ロ）をほぼ同間隔の間隙をあけて交互に配置した本発
明の実施例を示す略断面図である。

【図８】脱着器と吸着器とを一層密着させた以外は図７
と同様の本発明の実施例を示す略断面図である。。

【図９】図８の脱着器と吸着器とを隣接させる場合の一
方の吸着剤熱交換プレート９ａの組立図である。

【図１０】図８の脱着器と吸着器とを隣接させる場合の
一方の吸着剤熱交換プレート９ｂの組立図である。

【図１１】図９と図１０の吸着剤熱交換プレートを組み
合わせた組立物の一部を示す斜視図である。

【図１２】図１１の組立物を左右に配した別々の密閉容
器内に独立して配置することによって本発明のヒートポ
ンプを構成した実施例を示す略斜視図である。

【図１３】図１１の組立物を前後に別々の密閉容器内に
独立して配置することによって本発明のヒートポンプを
構成した実施例を示す略斜視図である。

【符号の説明】

１ 中空プレート ２ 吸着剤装填用セル ３，４ フイン ９ 吸着剤熱交換プレート １０ 密閉容器 １１ 仕切壁 １２ 加熱媒体 １３ 冷却水 １４ 採冷熱媒体 １５ 冷却水 ３０ 脱着器と吸着器とを隣接させた組立物

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空プレートの外表面に吸着剤層を装着
   してなる熱交換プレートの多数枚を作動流体と共に密閉
   容器の中に封入し，該多数枚の熱交換プレートを少なく
   とも２つの系統に区分したうえ，各系統とも該中空プレ
   ート内に高温流体を通流する群（該吸着剤層に吸着して
   いる作動流体を脱着させるように機能させる群・・脱着
   群と呼ぶ）と低温流体を通流する群（密閉容器内に存在
   する気相の作動流体を該吸着剤層に吸着させるように機
   能する群・・吸着群と呼ぶ）とに分け，少なくとも一方
   の系統の脱吸着動作がほぼ完了した時点で両系統とも高
   温流体と低温流体とを切換えるようにした吸着式ヒート
   ポンプ。
2. 【請求項２】 ２つの系統は，仕切壁を介してそれぞれ
   独立して一つの密閉容器内に形成されている請求項１に
   記載の吸着式ヒートポンプ。
3. 【請求項３】 ２つの系統は，吸着剤を充填した２つの
   密閉容器内にそれぞれ独立して形成されている請求項１
   に記載の吸着式ヒートポンプ。
4. 【請求項４】 一方の系統の高温流体が加熱流体である
   とき，他方の系統の高温流体が採冷熱用流体である請求
   項１，２または３に記載の吸着式ヒートポンプ。
5. 【請求項５】 各系統の脱着群は，複数枚の熱交換プレ
   ートを重ねて構成され，この脱着群と離れた位置にその
   系統の吸着群が複数枚の熱交換プレートを重ねて構成さ
   れている請求項１，２，３，または４に記載の吸着式ヒ
   ートポンプ。
6. 【請求項６】 各系統の脱着群と吸着群は該吸着剤層が
   互いに近接するように熱交換プレートが交互に重ねられ
   ている請求項３または４に記載の吸着式ヒートポンプ。
7. 【請求項７】 作動流体は水であり，吸着剤はシリカゲ
   ルまたはゼオライトである請求項１，２，３，４，５ま
   たは６に記載の吸着式ヒートポンプ。