JP4200214B2 - 粒子循環型吸着式ヒートポンプ - Google Patents

Description

本発明は、水分を吸着することにより発熱する吸着剤粒子を循環させ、冷熱と温熱を有効に利用することができるようにした粒子循環型吸着式ヒートポンプに関するものである。

化学プロセスにおける排熱や太陽熱で容易に得られる８００℃以下の低温度熱エネルギーの有効利用技術開発は、現代社会の大きな問題となっている二酸化炭素排出量低減、ヒートアイランド現象、夏季電力需要変動等の、環境保全問題あるいはエネルギー問題への対応における重要課題のひとつである。これに対して有効と考えられる既存技術のひとつが、高い水の吸脱離性を有する吸着剤を利用したシステムである。

吸着剤を利用したシステムとしては、従来よりデシカント空調システムが広く用いられている。従来より実用化されているデシカント空調システムにおいては、例えば図７に示すように処理行程と再生行程が対面通行の形で行われる。即ちデシカント（乾燥剤）を塗布した除湿ローター１０１と顕熱交換ローター１０２が直列に配置されており、処理側に導入した環境空気の除湿と熱交換を逐次的に行う。顕熱交換ローター１０２の後流に水スプレー１０３を配置し、中温・低湿の空気に水を噴霧することで水の気化熱が奪われ、空気は低温・高湿となる。

一方、再生行程では、室内の中温・高湿の環境空気を取り込み、蒸発式冷却器１０４により低温・高湿の空気とし、顕熱交換ローター１０２に送り込まれる。処理側で高温となった顕熱交換ローター１０２は、この中温・高湿空気によって冷却される。また、顕熱交換ローター１０２より熱が与えられ、温度が高くなった空気はさらに加熱ヒータ１０５により加熱される。なお、この加熱ヒータ１０５の熱源としては種々のものを用いることができる。この高温空気によって除湿ローター１０１を加熱し、除湿剤上の水分を蒸発させ、除湿剤を再生する。

上記のようなデシカント空調システムにおいて、二つのローターはハニカム状になっており、空気との接触が良好に行われるようになっている。これらが低速で回転することによって、処理工程と再生行程を同時に行うことができ、パッケージ化に成功し、商業化されている。なお、このようなデシカント空調装置は例えば特開２００３−３５４３４号（特許文献１）に記載されている。

前記従来のデシカント空調システムでは、吸湿性を有するデシカントと高湿空気の接触量を大きくするためにハニカム状のローターなどを採用している。その結果、システムにおける所要面積の増大を招いてしまう。そのため、このような構造では特に大容量の空調処理にとって障害となっている。また、特定のデシカント空調装置は空気処理量に応じてその大きさが決まるため、その最適作動効率をなす空気処理容量がほぼ決まってしまう。そのため、１つのデシカント空調装置で広範囲の容量の空調装置として使用することが困難であり、デシカント空調システムにおいて、単位体積・単位時間あたりの空調・調湿容量を容易に変化させる装置の開発が期待されている。

一方、火力発電などのエネルギー生産あるいはエチレンやセメント製造などの物質生産において低温（８０〜２００℃程度）の熱エネルギーがプロセス排熱として未利用のまま環境に放出されている。このように、それ自体が仕事をすることができないような低レベルの熱エネルギーを地域の冷暖房あるいは調湿に利用することができればそれは革新的な省エネルギーにつながる。このような目的において、上述のデシカント空調システムは前記のような低温の熱によっても駆動でき、冷・暖房あるいは調湿が可能となるため、有望な省エネルギー技術と言える。

しかしながら、高温プロセスからの低レベル排熱を地域の冷・暖房などの他の需要に量的に適合させ、あるいは時間的に適合させ、更には熱の発生場所と使用場所の位置としての空間的な適合が困難であるため、その熱エネルギーの輸送と蓄積が不可欠となる。それに対して、前記従来のデシカント空調システムではこれらに適合することは困難であり、その対策として多孔質粒子を吸湿剤として利用し、このような低レベル廃熱を利用したエネルギーの貯蔵・輸送を可能とし、且つその能力を飛躍的に高めることが考えられる。

その際には、並設した２つの吸着剤収容塔に吸着剤粒子を充填し、蒸発器としての水蒸気発生部との間を各々循環ダクトで連結するシステムとすることが考えられる。即ち、このシステムにおいては、一方の乾燥した吸着剤粒子を収容している吸着剤収容塔と水蒸気蒸発部との間の吸着剤循環ダクトを開放して、水蒸気発生部の水蒸気を吸着剤によって吸着しながら蒸発させて冷却する。一方の吸着剤収容塔は水蒸気蒸発部との循環ダクトを閉じて、先に水蒸気を吸着した吸着剤粒子の水分を、別の熱源からの熱によって加熱し、また真空引きと併せて蒸発させ、乾燥した吸着剤粒子としておく。前記のように次第に水蒸気を吸着して吸着効率が次第に落ちてきたときこの塔の循環ダクトを閉じ、前記乾燥した吸着剤粒子を含む吸着剤収容塔の循環ダクトを開放して前記と同様の作動を繰り返す。
特開２００３−３５４３４号 化学工学会第３６回秋季大会Ｃ２Ａ０４

上記のように吸着剤を収容する２つの塔を用いるシステムにおいては、蒸発器と吸着剤収容部との間に距離があるため蒸発速度に限界があり、冷熱発生速度に上限があった。また、廃熱利用やピークシフトも可能であるが、需要と供給のバランスが大きくずれている場合は限界があった。

したがって本発明は、蒸発器と吸着剤収容部との間を近接することにより大量の蒸発を可能とし、冷熱発生速度を上昇させ、有効に廃熱を利用することができると共に需要と供給のバランスのずれに容易に対応することができるようにした粒子循環型吸着式ヒートポンプを提供することを主たる目的とする。

本発明による粒子循環式吸着型ヒートポンプは上記課題を解決するため、上部に吸着剤導入孔を、下部に吸着剤排出口を設けた容器内に、液体供給管と、その下方に流体供給管を配置し、前記液体供給管は内部を流れる液体の蒸気を外部に放散する多孔体を備え、液体を吸着することにより発熱する吸着剤を前記吸着剤導入孔から容器内で落下させ、前記液体供給管から放散する蒸気を前記吸着剤導入孔からの吸着剤に吸着して前記液体供給管内の液体を冷却し、前記蒸気を吸着して発熱した吸着剤が前記液体供給管の直下に配置した前記流体供給管内部の流体を加熱した後吸着剤排出口から排出し、排出した吸着剤を吸着剤再生器で乾燥して再生し、再利用するようにしたものである。

また、本発明による他の粒子循環式吸着型ヒートポンプは、前記粒子循環式吸着型ヒートポンプにおいて、前記吸着剤排出口から排出した吸着剤を吸着剤下部貯槽に貯留し、その後バッチ処理で吸着剤再生器に搬送して再生し、再生した吸着剤を前記吸着剤上部貯槽に搬送して再利用するようにしたものである。

また、本発明による他の粒子循環式吸着型ヒートポンプは、前記粒子循環式吸着型ヒートポンプにおいて、前記吸着剤排出口と吸着剤導入孔とを吸着剤搬送管路で連結し、前記吸着剤搬送管路に前記吸着剤再生器を配置したものである。

また、本発明による他の粒子循環式吸着型ヒートポンプは、前記粒子循環式吸着型ヒートポンプにおいて、前記液体供給管を、蒸気のみ透過する多孔性の壁体から構成したものである。

また、本発明による他の粒子循環式吸着型ヒートポンプは、前記粒子循環式吸着型ヒートポンプにおいて、前記液体供給管は、多数の孔を設けた壁体周囲に蒸気のみを透過する蒸気透過物体を設けたものである。

また、本発明による他の粒子循環式吸着型ヒートポンプは、前記粒子循環式吸着型ヒートポンプにおいて、前記液体供給管は、水を透過する多孔性壁体と、その周囲に配置した蒸気のみを透過する蒸気透過性壁体とからなるものである。

本発明は上記のように吸着剤粒子をこのシステム内で循環し、液体の蒸気を速やかに吸着して蒸気を放散する液体を冷却し、蒸気を吸着して発熱した吸着剤が下方の流体を加熱することにより粒子循環型熱交換器を構成しており、熱の授受の面からヒートポンプと同様の作用を行うことによってこのシステムは粒子循環型吸着式ヒートポンプということができる。

本発明は上記のように構成したので、廃熱の供給量に変動に応じたピークシフト対応が可能となり、省エネルギー効果を高めることができる。また、特に蒸発器としての液体供給管の周囲に存在する吸着剤は、常にフレッシュな粒子であるため、蒸発速度が速く、かつ、蒸発作用を一定にし、液体の温度を所定の状態に維持することができる。

本発明は、廃熱のピークシフト対応を可能とし、また安定した作動を行うことができるようにするため、上部に吸着剤導入孔を、下部に吸着剤排出口を設けた容器内に、液体供給管と、その下方に流体供給管を配置し、前記液体供給管は内部を流れる液体の蒸気を外部に放散する多孔体を備え、液体を吸着することにより発熱する吸着剤を前記吸着剤導入孔から容器内で落下させ、前記液体供給管から放散する蒸気を前記吸着剤導入孔からの吸着剤に吸着して前記液体供給管内の液体を冷却し、前記蒸気を吸着して発熱した吸着剤が前記液体供給管の直下に配置した前記流体供給管内部の流体を加熱した後吸着剤排出口から排出し、排出した吸着剤を吸着剤再生器で乾燥して再生し、再利用するようにしたものである。

図１は本発明の粒子循環型吸着式ヒートポンプの実施例の模式図を示しており、図示の例においては容器１内に複数列、複数段の流体供給管が水平に多数配置されている。なお、以下に示す実施例においては容器１内に設ける流体供給管内に水を供給する例を示すが、水以外の種々の液体、或いは流体を利用することができる。

特に上方に配置する流体供給管には蒸発可能な流体として液体を流すものであり、したがってこの流体供給管は液体供給管ということができる。また、その液体供給管の下方に配置する流体供給管には、気体を含む液体以外の流体も流すことができるので、ここでは流体供給管と称している。

図１に示す実施例においては、図中最上段の液体供給管２については、少なくとも容器１内の部分では例えば同図（ｃ）に示すように、内部の水３を管外に蒸気として放出できるように多孔体としての蒸気透過壁４を備えている。蒸気透過壁４としては種々の態様で実施することができ、例えば合成樹脂や金属の多孔部外周に微細孔金網や布を巻いたもの、或いは管壁自体が蒸気のみを透過する壁体としたもの等が用いられ、したがって外部からは吸着剤の粉末が入り込むことが無く、内部からは蒸気が放散されるものであれば種々のものを用いることができる。

図１に示す例においては容器１内における最上段の液体供給管２以下の段における流体供給管５は通常の熱交換用の管によって作られ、同図（ａ）に示すように共通の水供給源から水を供給している。なお、最上段の液体供給管２はその下段に配置した流体供給管５とは別の供給源から水を供給しても良く、或いは全て同一の供給源から水を供給しても作動させることができる。

容器１には上部に吸着剤導入孔６を備え、下部に吸着剤排出孔７を備えており、吸着剤導入孔６からはその上方に配置した吸着剤上部貯槽８から吸着剤９を導入可能とし、吸着剤排出口７からはその下方に配置した吸着剤下部貯槽１０に吸着剤９を排出可能としている。吸着剤導入孔６と吸着剤排出口７は吸着剤が満たされており、また、必要に応じて容器１の中央部より下方にた真空ポンプ１８を接続し、容器１内部を減圧して吸着剤の蒸発を促進させるようにする。その際には容器の各種出入り口は密封可能としておく。

それにより、吸着剤上部貯槽８内の吸着剤は、吸着剤導入孔８から容器１内に入り、容器１内部の多数の配管の間を通って自然落下し、下端の吸着剤排出口７から吸着剤下部貯槽１０に排出し、その内部に蓄えられる。その後吸着剤下部貯槽１０内の吸着剤は、別途乾燥して再生処理され、吸着剤上部貯槽８に戻されてバッチ処理により循環可能としている。このとき、上記の吸着剤下部貯槽１０自体を取り外して空の貯槽と交換し、別途設けた吸着剤再生器１５でこの吸着剤を乾燥させ、その後この貯槽を吸着剤上部貯槽８として搬送しても良い。

前記のように容器１内で吸着剤導入孔６から導入されて自然落下する乾燥剤等の吸着剤９は、最初最上段の液体供給管２の周囲を落下するとき、内部を流れている水が蒸気透過壁４から外部に放散する蒸気を吸着する。このように吸着剤９が液体供給管２の周囲の蒸気を吸着するため、液体供給管２の周囲は気化熱によって冷却され、内部を流れる水が冷やされることにより、液体供給管２の出口１１からは図１（ａ）に示すように、冷水が外部に供給される。このような冷水は夏期の冷房時に冷媒を用いたクーラーの熱放散用液体等に有効に利用することができる。

液体供給管２から放散する蒸気を吸着した吸着剤９は吸着熱を発生し、温度上昇する。そのため、上記のように最上段の液体供給管２を通過して発熱した吸着剤９は、その下部の流体供給管３の周囲を落下するとき、内部の水を加熱する。同様に、その下部に配置されている流体供給管３の周囲を落下するとき各流体供給管３内の水を加熱する結果、図１（ａ）に示すように各流体供給管３の出口１２からは温水が排出され、これを外部の各種温水利用源に供給する。前記のように、蒸気を吸着して発熱した吸着剤９は、直ちにその直下に配置されている流体供給管５に熱を与えることができるので、効率的な熱交換を行うことができる。

このように、上記システムにおいては、吸着剤が液体供給管２の水から熱を奪ってこれを冷水とし、その吸着剤は発熱してその下方の流体供給管５内の水に熱を与えることによって、吸着式ヒートポンプとして作動する。

上記実施例において、冷水発生管としての液体供給管２は前記のように多孔性の管の周囲に布等を巻いたものを用いることができるが、その他図１（ｃ）に示す液体供給管２のように多孔性セラミックス、多孔性樹脂等の多孔性の管を用いてもよい。その他、例えば図１（ｄ）に示すように２重管とし、内側は比較的径の大きな孔を有する水透過壁１４とし、その外側は蒸気のみを通す蒸気透過壁１３としても良い。これらの種々の管についても、前記と同様に任意の大きさの孔を有する多孔性セラミックスを適宜選択して用いることができる。

上記のような構成からなる吸着式ヒートポンプのシステムにおいては、容器１下方において独立している吸着剤下部貯槽１０に、蒸気を吸着して発熱し流体供給管５に熱を与えることによって次第に冷えた吸着剤９が落下して貯留される。この吸着剤下部貯槽１０内の吸着剤は、このシステムの不作動時に、或いは併設した他の吸着剤下部貯槽に容器１からの吸着剤の貯留を切り換えることにより、先に貯留した吸着剤を取り出し、別途設置されている廃熱等が供給される加熱管を備えた吸着剤再生器１５によって内部の蒸気を放出して再生する。この吸着式ヒートポンプにおいては粒子循環型の上記構成によって、吸着剤粒子の再生は別の場所で独立して行うことができ、熱の供給ピークに容易に対応することができるようになる。

また、蒸発器としての冷水発生部が吸着剤に取り囲まれており、しかも吸着剤は常に下降するため、水分吸着によって発生する熱は迅速に下方に移動し、直下に配置されている流体供給管に直ちにその熱を与えることができ、効率よく作動させることができる。特に、常に新しい吸着剤が供給されることによって繰り返され、水分の吸収速度は速く、且ついつも一定にすることができる。そのため、冷水や温水の需要が変動したときには、吸着剤の供給量を調節することにより容易に、且つ正確に制御し、対応することができる。

前記実施例においては容器１内に設けた管内に水を供給する例を示したが、水以外の任意の液体を用いることにより、利用廃熱温度、発生冷水温度、温水温度を調節することができる。また、前記実施例においては吸着剤下部貯槽に貯留された吸着剤をバッチ処理により再生する例を示したが、図１に示す矢印に沿った搬送管路系統を設け、その管路系統に吸着剤再生器１５を設けるとともに、吸着剤下部貯槽１０を充分大きくすることにより、実質的に連続処理方式と同様の作動を行わせることもできる。

また、容器１については図１（ｂ）に破線で示すように、空気取込口１６と空気排出口１７とを設け、容器１内に空気を吹き込んで、発熱している吸着剤の熱を利用することも可能である。また、前記実施例においては容器１内に液体供給管２、流体供給管５を設けて、内部に水を供給する例を示したが、それ以外に各種の液体を用いる液体供給管とすることができるものであるが、特に液体供給管２の下方に配置する管内には液体以外に空気を初めとする各種気体を流す流体供給管とし、その気体を加熱して各種用途に用いても良い。

本発明は空調や低温廃熱の有効利用分野に広く適用することができる。

本発明の実施例の説明図である。 従来のデシカント空調装置の説明図である。

符号の説明

１ 容器
２ 液体供給管
３ 水
４ 蒸気透過壁
５ 流体供給管
６ 吸着剤導入孔
７ 吸着剤排出孔
８ 吸着剤上部貯槽
９ 吸着剤
１０ 吸着剤下部貯槽
１１ 出口
１２ 出口
１３ 蒸気透過壁
１４ 水透過壁
１５ 吸着剤再生器
１６ 空気取込口
１７ 空気排出口
１８ 真空ポンプ

Claims (6)

1. 上部に吸着剤導入孔を、下部に吸着剤排出口を設けた容器内に、液体供給管と、その下方に流体供給管を配置し、
   前記液体供給管は内部を流れる液体の蒸気を外部に放散する多孔体を備え、
   液体を吸着することにより発熱する吸着剤を前記吸着剤導入孔から容器内で落下させ、前記液体供給管から放散する蒸気を前記吸着剤導入孔からの吸着剤に吸着して前記液体供給管内の液体を冷却し、前記蒸気を吸着して発熱した吸着剤が前記液体供給管の直下に配置した前記流体供給管内部の流体を加熱した後吸着剤排出口から排出し、排出した吸着剤を吸着剤再生器で乾燥して再生し、再利用することを特徴とする粒子循環式吸着型ヒートポンプ。
2. 前記吸着剤排出口から排出した吸着剤は吸着剤下部貯槽に貯留し、その後バッチ処理で吸着剤再生器に搬送して再生し、再生した吸着剤を前記吸着剤上部貯槽に搬送して再利用することを特徴とする請求項１記載の粒子循環式吸着型ヒートポンプ。
3. 前記吸着剤排出口と吸着剤導入孔とを吸着剤搬送管路で連結し、前記吸着剤搬送管路に前記吸着剤再生器を配置したことを特徴とする請求項１記載の粒子循環式吸着型ヒートポンプ。
4. 前記液体供給管は、蒸気のみ透過する多孔性の壁体からなることを特徴とする請求項１記載の粒子循環式吸着型ヒートポンプ。
5. 前記液体供給管は、多数の孔を設けた壁体周囲に蒸気のみを透過する蒸気透過物体を設けたものであることを特徴とする請求項１記載の粒子循環式吸着型ヒートポンプ。
6. 前記液体供給管は、水を透過する多孔性壁体と、その周囲に配置した蒸気のみを透過する蒸気透過性壁体とからなることを特徴とする請求項１記載の粒子循環式吸着型ヒートポンプ。