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JP7632247B2 - Adsorption device and adsorption multi-stage heat pump - Google Patents
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JP7632247B2 - Adsorption device and adsorption multi-stage heat pump - Google Patents

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Description

本開示は、吸着器、および、吸着式多段ヒートポンプに関する。 This disclosure relates to an adsorption device and an adsorption-type multi-stage heat pump.

従来、吸着式ヒートポンプとして、吸着質を蒸発させる蒸発器と、この蒸発器に対して直列に接続された複数の吸着器と、を備える吸着式多段ヒートポンプが知られている(例えば、特許文献1参照)。このような吸着式多段式ヒートポンプでは、蒸発器において冷熱が生成される他、蒸発器に接続された第1段目の吸着器が第2段目の吸着器と連通されて減圧されると、第1段目の吸着器において吸着質が脱着されると共に冷熱が生成されるため、ヒートポンプにおける冷熱生成の効率を高めることが可能になる。 Conventionally, as an adsorption heat pump, a multi-stage adsorption heat pump is known that includes an evaporator that evaporates the adsorbate and a number of adsorbers connected in series to the evaporator (see, for example, Patent Document 1). In such an adsorption multi-stage heat pump, in addition to generating cold energy in the evaporator, when the first-stage adsorber connected to the evaporator is connected to the second-stage adsorber and depressurized, the adsorbate is desorbed in the first-stage adsorber and cold energy is generated, thereby making it possible to increase the efficiency of cold energy generation in the heat pump.

特開2016-11822号公報JP 2016-11822 A

しかしながら、例えば、第1段目の吸着器で吸着質が脱着されて、第2段目の吸着器で吸着質が吸着されるときの動作圧力が比較的低い場合には、第1段目の吸着器において吸着質の蒸気の拡散が遅くなり、吸着質の脱着および冷熱の生成が抑えられる可能性がある。第1段目の吸着器において吸着質の蒸気の拡散性を高めるために、第1段目の吸着器の吸着材の表面積を増加させようとしても、その結果、吸着材における伝熱が抑えられると、吸着質の脱着が抑えられて、冷熱の生成効率が十分に向上しない可能性がある。そのため、第1段目の吸着器における吸着材の脱着および冷熱生成の効率を高めるために、第1段目の吸着器の構成のさらなる改善が望まれていた。 However, for example, if the operating pressure when the adsorbate is desorbed in the first-stage adsorber and adsorbed in the second-stage adsorber is relatively low, the diffusion of the adsorbate vapor in the first-stage adsorber may be slow, and the desorption of the adsorbate and the generation of cold heat may be suppressed. Even if an attempt is made to increase the surface area of the adsorbent in the first-stage adsorber in order to increase the diffusivity of the adsorbate vapor in the first-stage adsorber, if this results in suppression of heat transfer in the adsorbent, the desorption of the adsorbate may be suppressed and the efficiency of cold heat generation may not be sufficiently improved. Therefore, further improvement of the configuration of the first-stage adsorber has been desired in order to increase the efficiency of desorption of the adsorbent and cold heat generation in the first-stage adsorber.

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
(1)本開示の一形態によれば、蒸発器に対して複数の吸着器が直列に接続された吸着式多段ヒートポンプにおいて、前記蒸発器に接続して設けられる第1段目の吸着器が提供される。この吸着器は、筒状に形成されて、内部に熱媒体が流れる伝熱管と、吸着質を吸着および脱着する吸着材を含んで線状に形成された線状部材が一定方向に配列されている層である線材層が、前記伝熱管の外壁上に複数積層されており、積層方向に隣接する前記線材層の間では、前記線状部材が配列される角度が異なって、互いに交差している吸着材層と、を備える。
この形態の吸着器によれば、吸着材層全体が網目状に形成されているため、吸着材層が備える吸着材内における吸着質の拡散距離を短くして吸着質の拡散速度を高めることができると共に、吸着材層における吸着材の利用効率を高めることができる。また、筒状に形成される伝熱管の外壁上に吸着材層を層状に配置しているため、伝熱管から吸着材層への伝熱効率を高めることができる。そのため、吸着式多段ヒートポンプの第1段目の吸着器として吸着器を用いたときに、吸着器において吸着質の脱着を行わせる際に、冷熱生成の効率を高めることができる。
(2)上記形態の吸着器において、前記吸着材は、アルミニウムを含む金属有機構造体(Al-MOF)であることとしてもよい。このような構成とすれば、吸着式多段ヒートポンプの第1段目の吸着器が備える吸着材としてAl-MOFを用いることで、この吸着器を備える多段式ヒートポンプにおいて、冷熱生成の効率を高めることが、より容易になる。
(3)上記形態の吸着器において、前記線状部材の線径wは、0.05mmよりも大きく、0.6mm未満であり、前記吸着材層の厚みHは、0.5mmよりも大きく、4.0mm未満であることとしてもよい。このような構成とすれば、この吸着器を多段ヒートポンプの第1段目の吸着器として用いたときに、第1段目の吸着器において吸着質の脱着を行う際の冷熱生成の効率を高めることができる。すなわち、吸着材における吸着質の蒸気の拡散速度と、吸着材における伝熱とを両立して、吸着材における脱着の効率を高めることができる。
(4)上記形態の吸着器において、前記線状部材の線径wは、0.1mmよりも大きく、0.4mm未満であることとしてもよい。このような構成とすれば、この吸着器を多段ヒートポンプの第1段目の吸着器として用いたときに、第1段目の吸着器において吸着質の脱着を行う際の冷熱生成の効率を、より高めることができる。
(5)上記形態の吸着器において、前記吸着材層の厚みHは、0.8mmよりも大きく、3.0mm未満であることとしてもよい。このような構成とすれば、この吸着器を多段ヒートポンプの第1段目の吸着器として用いたときに、第1段目の吸着器において吸着質の脱着を行う際の冷熱生成の効率を、より高めることができる。
(6)本開示の他の一形態によれば、蒸発器に対して複数の吸着器が直列に接続された吸着式多段ヒートポンプが提供される。この吸着式多段ヒートポンプは、前記蒸発器に接続して設けられる第1段目の吸着器として、(1)から(5)までのいずれか一項に記載の吸着器を備える。この形態の吸着式多段ヒートポンプによれば、ヒートポンプを用いた冷熱生成の効率を高めることができる。
本開示は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、吸着器の製造方法、吸着器を備える吸着式多段ヒートポンプの製造方法、あるいは、吸着式多段ヒートポンプにおける吸脱着の制御方法などの形態で実現することが可能である。
The present disclosure can be realized in the following forms.
(1) According to one aspect of the present disclosure, in an adsorption-type multi-stage heat pump in which a plurality of adsorbers are connected in series to an evaporator, a first-stage adsorber is provided that is connected to the evaporator. This adsorber includes a cylindrical heat transfer tube through which a heat medium flows, and an adsorbent layer in which a plurality of wire layers are stacked on an outer wall of the heat transfer tube, the wire layers being layers in which linear members containing an adsorbent that adsorbs and desorbs an adsorbate are arranged in a certain direction, and the wire layers adjacent to each other in the stacking direction have different angles at which the linear members are arranged and cross each other.
According to this type of adsorber, since the entire adsorbent layer is formed in a mesh shape, the diffusion distance of the adsorbate in the adsorbent of the adsorbent layer can be shortened to increase the diffusion rate of the adsorbate and the utilization efficiency of the adsorbent in the adsorbent layer can be increased. Also, since the adsorbent layer is arranged in layers on the outer wall of the cylindrical heat transfer tube, the efficiency of heat transfer from the heat transfer tube to the adsorbent layer can be increased. Therefore, when the adsorber is used as the first stage adsorber of an adsorption-type multistage heat pump, the efficiency of cold generation can be increased when the adsorbate is desorbed in the adsorber.
(2) In the adsorber of the above embodiment, the adsorbent may be an aluminum-containing metal organic framework (Al-MOF). With this configuration, by using Al-MOF as the adsorbent in the first stage of the adsorption multistage heat pump, it becomes easier to increase the efficiency of cold heat generation in the multistage heat pump including the adsorber.
(3) In the adsorber of the above embodiment, the wire diameter w of the linear member may be greater than 0.05 mm and less than 0.6 mm, and the thickness H of the adsorbent layer may be greater than 0.5 mm and less than 4.0 mm. With this configuration, when the adsorber is used as a first-stage adsorber of a multi-stage heat pump, the efficiency of cold generation during desorption of the adsorbate in the first-stage adsorber can be improved. In other words, the diffusion rate of the adsorbate vapor in the adsorbent and the heat transfer in the adsorbent can be both achieved, thereby improving the efficiency of desorption in the adsorbent.
(4) In the adsorber of the above embodiment, the wire diameter w of the linear member may be greater than 0.1 mm and less than 0.4 mm. With this configuration, when the adsorber is used as a first-stage adsorber of a multi-stage heat pump, the efficiency of cold generation during adsorption and desorption of the adsorbate in the first-stage adsorber can be further improved.
(5) In the adsorber of the above embodiment, the thickness H of the adsorbent layer may be greater than 0.8 mm and less than 3.0 mm. With this configuration, when the adsorber is used as a first-stage adsorber of a multi-stage heat pump, the efficiency of cold generation during the adsorption and desorption of the adsorbate in the first-stage adsorber can be further improved.
(6) According to another aspect of the present disclosure, there is provided an adsorption multistage heat pump in which a plurality of adsorbers are connected in series to an evaporator. This multistage adsorption heat pump includes the adsorber according to any one of (1) to (5) as a first stage adsorber connected to the evaporator. According to this aspect of the multistage adsorption heat pump, it is possible to increase the efficiency of cold heat generation using the heat pump.
The present disclosure may be realized in various forms other than those described above, for example, in the form of a method for manufacturing an adsorption device, a method for manufacturing an adsorption-type multi-stage heat pump including an adsorption device, or a method for controlling adsorption and desorption in an adsorption-type multi-stage heat pump.

ヒートポンプの概略構成を表す説明図。FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a heat pump. 第1吸着器の構成を模式的に表す説明図。FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of a first suction unit; 管状モジュールの概略構成を表す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a schematic configuration of a tubular module. 管状モジュールの外観の概要を表す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing an outline of the external appearance of a tubular module. 管状モジュールの一部を拡大して示す説明図。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an enlarged view of a part of the tubular module. 吸着材層の製造方法の説明図。FIG. 吸着材層の製造方法の説明図。FIG. 線径wおよび厚みHに対する出力VCPの等高線図を示す説明図。FIG. 2 is a contour map of output VCP versus wire diameter w and thickness H. 条件aにおける脱着開始後10秒の吸着量分布を表す説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram showing the distribution of adsorption amounts 10 seconds after the start of desorption under condition a. 条件bにおける脱着開始後10秒経過時の吸着量分布を表す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the distribution of the amount of adsorption 10 seconds after the start of desorption under condition b. 条件cにおける脱着開始後10秒経過時の吸着量分布を表す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the distribution of the amount of adsorption 10 seconds after the start of desorption under condition c. 条件aにおける脱着開始後10秒経過時の温度分布を表す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the temperature distribution 10 seconds after the start of desorption under condition a. 条件bにおける脱着開始後10秒経過時の温度分布を表す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the temperature distribution 10 seconds after the start of desorption under condition b. 条件cにおける脱着開始後10秒経過時の温度分布を表す説明図。FIG. 11 is an explanatory diagram showing the temperature distribution 10 seconds after the start of desorption under condition c. 線径wおよび厚みHに対する出力VCPの等高線図を示す説明図。FIG. 2 is a contour map of output VCP versus wire diameter w and thickness H.

A.ヒートポンプの構成:
図1は、本実施形態のヒートポンプ10の概略構成を表す説明図である。ヒートポンプ10は、蒸発器12と、凝縮器18と、蒸発器12と凝縮器18との間において並列に接続される2つの吸着部である第1吸着部14および第2吸着部16と、を備える。ヒートポンプ10は、吸着式多段ヒートポンプであり、第1吸着部14および第2吸着部16の各々は、複数段(本実施形態では2段)の吸着器を備える。
A. Heat Pump Configuration:
1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a heat pump 10 according to the present embodiment. The heat pump 10 includes an evaporator 12, a condenser 18, and two adsorption units, a first adsorption unit 14 and a second adsorption unit 16, which are connected in parallel between the evaporator 12 and the condenser 18. The heat pump 10 is an adsorption-type multistage heat pump, and each of the first adsorption unit 14 and the second adsorption unit 16 includes an adsorption unit with multiple stages (two stages in the present embodiment).

第1吸着部14は、蒸発器12と凝縮器18との間において直列に接続される2つの吸着器を備える。具体的には、第1吸着部14は、蒸発器12に接続される第1段目の吸着器である第1吸着器20と、第1吸着器20および凝縮器18に接続される第2段目の吸着器である第2吸着器22と、を備える。第1吸着器20は、反応容器20aと、反応容器20a内に収容される吸着体と、反応容器20aの内部において熱媒体を流通させる熱媒流路20bとを備え、第2吸着器22は、反応容器22aと、反応容器22a内に収容される吸着体と、反応容器22aの内部において熱媒体を流通させる熱媒流路22bとを備える。第1吸着器20および第2吸着器22は、互いに異なる種類の吸着材を備える。第1吸着器20は、単に「吸着器」とも呼ぶ。また、第1吸着器20が備える吸着材を「第1吸着材」、あるいは単に「吸着材」とも呼び、第2吸着器22が備える吸着材を「第2吸着材」とも呼ぶ。第1吸着材は、ヒートポンプ10における動作圧力の範囲(吸脱着相対圧範囲)において、平衡吸着量差が、より大きいことが望ましい。 The first adsorption unit 14 includes two adsorbers connected in series between the evaporator 12 and the condenser 18. Specifically, the first adsorption unit 14 includes a first adsorber 20, which is a first-stage adsorber connected to the evaporator 12, and a second adsorber 22, which is a second-stage adsorber connected to the first adsorber 20 and the condenser 18. The first adsorber 20 includes a reaction vessel 20a, an adsorbent housed in the reaction vessel 20a, and a heat medium flow path 20b through which a heat medium flows inside the reaction vessel 20a, and the second adsorber 22 includes a reaction vessel 22a, an adsorbent housed in the reaction vessel 22a, and a heat medium flow path 22b through which a heat medium flows inside the reaction vessel 22a. The first adsorber 20 and the second adsorber 22 include different types of adsorbents. The first adsorber 20 is also simply called an "adsorber". The adsorbent in the first adsorption device 20 is also called the "first adsorbent" or simply the "adsorbent", and the adsorbent in the second adsorption device 22 is also called the "second adsorbent". It is desirable for the first adsorbent to have a larger equilibrium adsorption amount difference in the range of operating pressures in the heat pump 10 (adsorption/desorption relative pressure range).

第1吸着材と第2吸着材の組み合わせとしては、例えば、第1吸着材としてアルミニウムを含む金属有機構造体(Al-MOF)を用い、第2吸着材としてゼオライト13Xを用いる組み合わせが挙げられる。また、第1吸着剤としてAQSOA-Z01、AQSOA-Z02、AQSOA-Z05(「AQSOA」は三菱樹脂の登録商標)等のゼオライト系吸着材を用い、第2吸着材としてY型ゼオライトを用いる組み合わせが挙げられる。あるいは、第1吸着材としてゼオライトBを用い、第2吸着材としてゼオライトDを用いる組み合わせとしてもよい。特に、第1吸着材としてAl-MOF(Metal-Organic Framework)を用い、第2吸着材としてゼオライト13Xを用いる構成が好ましい。Al-MOFは、一般に、相対圧0.2~0.4以下という比較的低い圧力条件下で脱着するため、第1段目の吸着器である第1吸着器20が備える第1吸着材として望ましい。Al-MOFについては後述する。なお、「相対圧」とは、吸着器内の吸着材が吸着平衡状態にあるときの吸着質の蒸気の圧力と、吸着質の飽和蒸気圧との比をいう。 As a combination of the first adsorbent and the second adsorbent, for example, a combination of using an aluminum-containing metal organic framework (Al-MOF) as the first adsorbent and using zeolite 13X as the second adsorbent can be mentioned. In addition, a combination of using a zeolite-based adsorbent such as AQSOA-Z01, AQSOA-Z02, or AQSOA-Z05 ("AQSOA" is a registered trademark of Mitsubishi Plastics) as the first adsorbent and using Y-type zeolite as the second adsorbent can be mentioned. Alternatively, a combination of using zeolite B as the first adsorbent and zeolite D as the second adsorbent may be used. In particular, a configuration using Al-MOF (Metal-Organic Framework) as the first adsorbent and zeolite 13X as the second adsorbent is preferable. Since Al-MOF is generally desorbed under relatively low pressure conditions of 0.2 to 0.4 or less relative pressure, it is desirable as the first adsorbent provided in the first adsorber 20, which is the first stage adsorber. Al-MOF will be described later. Note that "relative pressure" refers to the ratio of the vapor pressure of the adsorbate when the adsorbent in the adsorber is in adsorption equilibrium to the saturated vapor pressure of the adsorbate.

ただし、第1吸着材と第2吸着材との組み合わせは、ヒートポンプ10において設定可能な温度条件下および相対圧条件下において、第1吸着材が脱着可能となる相対圧の方が、第2吸着材が脱着可能となる相対圧よりも大きくなる組み合わせであれば、第1吸着材から第2吸着材への吸着質の移動が可能になるため、上記した組み合わせに限定されない。例えば、Al-MOFやAQSOA-Z01、AQSOA-Z02、AQSOA-Z05のように、特定の相対圧において吸着量が立ち上がる(狭い分圧幅で吸着量が大きく変化する)特性を持つ吸着材を第1吸着材として用いることが望ましく、このような場合には、第2吸着材は、上記特定の相対圧よりも低い相対圧において、第1吸着材が脱着した吸着質を吸着可能となる吸着量を示す吸着材であればよい。 However, the combination of the first adsorbent and the second adsorbent is not limited to the above combinations, since any combination that allows the adsorbate to move from the first adsorbent to the second adsorbent is possible as long as the relative pressure at which the first adsorbent is desorbable is greater than the relative pressure at which the second adsorbent is desorbable under temperature and relative pressure conditions that can be set in the heat pump 10. For example, it is desirable to use an adsorbent such as Al-MOF, AQSOA-Z01, AQSOA-Z02, or AQSOA-Z05, which has a characteristic that the adsorption amount rises at a specific relative pressure (the adsorption amount changes greatly over a narrow partial pressure range), as the first adsorbent. In such a case, the second adsorbent may be an adsorbent that exhibits an adsorption amount that allows the first adsorbent to adsorb the adsorbate desorbed at a relative pressure lower than the specific relative pressure.

第1吸着材として好適に用いられるAl-MOF(Metal-Organic Framework)は、アルミニウムイオンと有機架橋配位子の自己組織化を利用して得られる錯体結晶であり、金属と有機リガンドとが相互作用することで、高表面積を持つ多孔質の配位ネットワーク構造を形成している。以下では、Al-MOFを具体的に例示するが、第1吸着材として利用可能なAl-MOFは、これらに限定されない。 Al-MOF (Metal-Organic Framework), which is preferably used as the first adsorbent, is a complex crystal obtained by utilizing the self-organization of aluminum ions and organic bridging ligands, and the metal and organic ligands interact to form a porous coordination network structure with a high surface area. Specific examples of Al-MOF are given below, but Al-MOFs that can be used as the first adsorbent are not limited to these.

第1吸着材として利用可能なAl-MOFの一例として、Al3+と、このAl3+に配位している、下記式(I): An example of an Al-MOF that can be used as the first adsorbent is an adsorbent having Al 3+ and the following formula (I):

Figure 0007632247000001
Figure 0007632247000001

〔式中、Rはそれぞれ独立に、水素原子、アルキル基、ヒドロキシル基またはアルコキシ基を表す。〕
で表されるイソフタル酸およびその誘導体からなる群から選択される少なくとも1種の芳香族ジカルボン酸に由来する第一の配位子および下記式(II):
[In the formula, each R independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, or an alkoxy group.]
and a first ligand derived from at least one aromatic dicarboxylic acid selected from the group consisting of isophthalic acid and derivatives thereof represented by the following formula (II):

Figure 0007632247000002
Figure 0007632247000002

〔式中、Xは、窒素原子、硫黄原子または酸素原子を表し、nは2または3である。〕
で表される少なくとも1種の複素環式ジカルボン酸に由来する第二の配位子とからなるものを挙げることができる。
[In the formula, X represents a nitrogen atom, a sulfur atom, or an oxygen atom, and n is 2 or 3.]
and a second ligand derived from at least one heterocyclic dicarboxylic acid represented by the following formula:

また、第1吸着材として利用可能なAl-MOFの他の例として、Al3+と、このAl3+に配位している、既述した式(I)で表されるイソフタル酸およびその誘導体からなる群から選択される少なくとも1種の芳香族ジカルボン酸に由来する第一の配位子および下記式(III): Another example of an Al-MOF that can be used as the first adsorbent is a MOF that is composed of Al 3+ , a first ligand derived from at least one aromatic dicarboxylic acid selected from the group consisting of isophthalic acid and its derivatives, which is coordinated to the Al 3+ , and a ligand represented by the following formula (III):

Figure 0007632247000003
Figure 0007632247000003

〔式中、Xはそれぞれ独立に、水素原子、アルキル基、ヒドロキシル基またはアルコキシ基を表し、nは2または4である。〕
で表される少なくとも1種の脂肪族ジカルボン酸に由来する第二の配位子とからなるものを挙げることができる。
[In the formula, each X independently represents a hydrogen atom, an alkyl group, a hydroxyl group, or an alkoxy group, and n is 2 or 4.]
and a second ligand derived from at least one aliphatic dicarboxylic acid represented by the following formula:

また、第1吸着材として利用可能なAl-MOFのさらに他の例として、Al3+と、このAl3+に配位している、下記式(IV): Further, as another example of an Al-MOF that can be used as the first adsorbent, there is an Al- MOF having Al 3+ and a compound represented by the following formula (IV):

Figure 0007632247000004
Figure 0007632247000004

[式中、R1は、それぞれ独立に、水素原子、置換基を有していてもよいアルキル基、ヒドロキシ基、または置換基を有していてもよいアルコキシ基を示す。]
で表されるフマル酸及びフマル酸誘導体からなる群から選択される少なくとも1種のフマル酸系化合物に由来する第一の配位子、並びに、下記式(V):

Figure 0007632247000005
[In the formula, each R 1 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group which may have a substituent, a hydroxyl group, or an alkoxy group which may have a substituent.]
and a first ligand derived from at least one fumaric acid compound selected from the group consisting of fumaric acid and fumaric acid derivatives represented by the following formula (V):
Figure 0007632247000005

[式中、R2は、それぞれ独立に、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数1~3のアルキル基、ヒドロキシ基、または置換基を有していてもよい炭素数1~3のアルコキシ基を示し、R3は、それぞれ独立に、水素原子、炭素数1~3のアルキル基、ヒドロキシ基、または炭素数1~3のアルコキシ基を示す。]
で表されるアスパラギン酸およびアスパラギン酸誘導体、並びに、それらのアルカリ金属塩からなる群から選択される少なくとも1種のアスパラギン酸系化合物に由来する第二の配位子と、からなるものを挙げることができる。
[In the formula, each R 2 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms which may have a substituent, a hydroxyl group, or an alkoxy group having 1 to 3 carbon atoms which may have a substituent, and each R 3 independently represents a hydrogen atom, an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms, a hydroxyl group, or an alkoxy group having 1 to 3 carbon atoms.]
and a second ligand derived from at least one aspartic acid compound selected from the group consisting of aspartic acid and aspartic acid derivatives represented by the following formula (I) and alkali metal salts thereof.

第1吸着材および第2吸着材において吸脱着させる吸着質としては、たとえば、水、アンモニア、メタノール、あるいはエタノール等を用いることができる。水およびアンモニアは、ヒートポンプ10で設定される動作条件(温度および圧力)で吸着材に対し吸着および脱着し、比較的安価であるため、望ましく、水が特に望ましい。 The adsorbate to be adsorbed and desorbed in the first adsorbent and the second adsorbent may be, for example, water, ammonia, methanol, or ethanol. Water and ammonia are desirable because they are adsorbed and desorbed to the adsorbent under the operating conditions (temperature and pressure) set by the heat pump 10 and are relatively inexpensive, with water being particularly desirable.

本実施形態の第1吸着器20は、特に、吸着質の脱着の効率を高めることができる構成を有している。第1吸着器20の詳しい構成については後述する。 The first adsorption device 20 of this embodiment has a configuration that can particularly increase the efficiency of adsorption of the adsorbate. The detailed configuration of the first adsorption device 20 will be described later.

ヒートポンプ10は、蒸発器12と第1吸着器20とを接続する配管21を備えており、配管21には開閉弁21aが設けられている。開閉弁21aが開弁されると、蒸発器12から第1吸着器20への吸着質の移動が可能になる。また、ヒートポンプ10は、第1吸着器20と第2吸着器22とを接続する配管23を備えており、配管23には開閉弁23aが設けられている。開閉弁23aが開弁されると、第1吸着器20から第2吸着器22への吸着質の移動が可能になる。また、ヒートポンプ10は、第2吸着器22と凝縮器18とを接続する配管24を備えており、配管24には開閉弁24aが設けられている。開閉弁24aが開弁されると、第2吸着器22から凝縮器18への吸着質の移動が可能になる。 The heat pump 10 includes a pipe 21 that connects the evaporator 12 and the first adsorber 20, and the pipe 21 is provided with an on-off valve 21a. When the on-off valve 21a is opened, the adsorbate can be transferred from the evaporator 12 to the first adsorber 20. The heat pump 10 also includes a pipe 23 that connects the first adsorber 20 and the second adsorber 22, and the pipe 23 is provided with an on-off valve 23a. When the on-off valve 23a is opened, the adsorbate can be transferred from the first adsorber 20 to the second adsorber 22. The heat pump 10 also includes a pipe 24 that connects the second adsorber 22 and the condenser 18, and the pipe 24 is provided with an on-off valve 24a. When the on-off valve 24a is opened, the adsorbate can be transferred from the second adsorber 22 to the condenser 18.

第2吸着部16は、第1吸着部14と同様の構成を備えており、共通する部分には同じ参照番号を付している。 The second suction portion 16 has a similar configuration to the first suction portion 14, and the common parts are given the same reference numbers.

蒸発器12は、貯留容器12aと、貯留容器12a内に貯留される吸着質と、吸着質と熱交換する熱媒体が流れる熱媒流路12bと、を備える。蒸発器12では、貯留容器12aに貯留される吸着質が蒸発し、蒸発潜熱によって冷熱が生成されて、生成された冷熱が熱媒体を介して蒸発器12から取り出される。 The evaporator 12 includes a storage container 12a, an adsorbate stored in the storage container 12a, and a heat medium flow path 12b through which a heat medium flows to exchange heat with the adsorbate. In the evaporator 12, the adsorbate stored in the storage container 12a evaporates, and cold heat is generated by the latent heat of evaporation, and the generated cold heat is extracted from the evaporator 12 via the heat medium.

凝縮器18は、第2吸着器22から吸着質の蒸気が供給されて、吸着質を凝縮させる。ヒートポンプ10は、さらに、凝縮器18と蒸発器12とを接続する配管25を備えており、配管25には開閉弁25aが設けられている。開閉弁25aが開弁されると、凝縮器18で凝縮した吸着質が、蒸発器12へと移動可能になる。 The condenser 18 is supplied with vapor of the adsorbate from the second adsorbent 22 and condenses the adsorbate. The heat pump 10 further includes a pipe 25 that connects the condenser 18 to the evaporator 12, and the pipe 25 is provided with an on-off valve 25a. When the on-off valve 25a is opened, the adsorbate condensed in the condenser 18 can move to the evaporator 12.

ヒートポンプ10は、さらに、図示しない制御部を備える。この制御部は、既述した各開閉弁の制御を含む、ヒートポンプ10の運転モード(後述する第1段吸着工程、吸脱着工程、および第2段脱着工程を含む工程)の切り替えに係る制御を行う。 The heat pump 10 further includes a control unit (not shown). This control unit controls the switching of the operation modes of the heat pump 10 (processes including the first-stage adsorption process, the adsorption/desorption process, and the second-stage desorption process, which will be described later), including the control of each of the on-off valves described above.

B.ヒートポンプの運転制御:
ヒートポンプ10においては、冷熱生成に係る運転制御において、第1段吸着工程と、吸脱着工程と、第2段脱着工程と、を含む工程を繰り返し実行する運転制御が行われる。上記した工程のうち、第1段吸着工程と吸脱着工程とが、冷熱を生成する工程である。以下では、これらの各工程における動作を順に説明する。図1では、一例として、第1吸着部14の第1吸着器20が第1段吸着工程を実行しており、第2吸着部16が吸脱着工程を実行しており、第1吸着部14の第2吸着器22が第2段脱着工程を実行している様子を示している。図1では、白抜きの開閉弁は開弁状態を表しており、以下の説明では、特に開弁状態であると明記した開閉弁以外の開閉弁は、閉弁されている。
B. Heat pump operation control:
In the heat pump 10, in the operation control related to cold energy generation, an operation control is performed in which a process including a first-stage adsorption process, an adsorption/desorption process, and a second-stage desorption process is repeatedly performed. Of the above-mentioned processes, the first-stage adsorption process and the adsorption/desorption process are processes for generating cold energy. The operation of each of these processes will be described in order below. As an example, FIG. 1 shows a state in which the first adsorption unit 20 of the first adsorption unit 14 is performing the first-stage adsorption process, the second adsorption unit 16 is performing the adsorption/desorption process, and the second adsorption unit 22 of the first adsorption unit 14 is performing the second-stage desorption process. In FIG. 1, the open-close valves represent an open state, and in the following description, the open-close valves other than the open-close valves specifically stated to be in an open state are closed.

第1段吸着工程では、図1の第1吸着部14の第1吸着器20に示すように、開閉弁21aが開弁されて、配管21を介して蒸発器12と第1吸着器20とが連通される。このとき、蒸発器12では、熱媒流路12b内において、図示しない低温熱源から供給される熱媒体(例えば、10~15℃)が流通される。そして、第1吸着器20では、熱媒流路20b内において、図示しない中温熱源から供給される熱媒体(例えば30℃)が流通する。また、開閉弁23aは閉弁されて、第1吸着器20と第2吸着器22との間の接続が遮断される。これにより、蒸発器12では吸着質が蒸発し、蒸発した吸着質は、第1吸着器20の第1吸着材に吸着される。そして、吸着質の蒸発に伴って、蒸発器12では冷熱が生成されて、生成された冷熱は熱媒流路12b内の熱媒体を介して取り出される。 In the first-stage adsorption process, as shown in the first adsorber 20 of the first adsorption section 14 in FIG. 1, the on-off valve 21a is opened, and the evaporator 12 and the first adsorber 20 are connected through the pipe 21. At this time, in the evaporator 12, a heat medium (e.g., 10 to 15°C) supplied from a low-temperature heat source (not shown) flows through the heat medium flow path 12b. Then, in the first adsorber 20, a heat medium (e.g., 30°C) supplied from a medium-temperature heat source (not shown) flows through the heat medium flow path 20b. Also, the on-off valve 23a is closed, and the connection between the first adsorber 20 and the second adsorber 22 is cut off. As a result, the adsorbate evaporates in the evaporator 12, and the evaporated adsorbate is adsorbed by the first adsorbent of the first adsorber 20. Then, as the adsorbate evaporates, cold heat is generated in the evaporator 12, and the generated cold heat is taken out through the heat medium in the heat medium flow path 12b.

吸脱着工程では、図1の第2吸着部16に示すように、配管21の開閉弁21a、および、配管24の開閉弁24aが閉弁されて、蒸発器12と第1吸着器20との間の接続、および、第2吸着器22と凝縮器18との間の接続が遮断される。また、配管23の開閉弁23aが開弁されて、第1吸着器20と第2吸着器22とが連通される。このとき、第1吸着器20では、熱媒流路20b内において、図示しない低温熱源から供給される熱媒体(例えば、10~15℃)が流通される。また、第2吸着器22では、熱媒流路22b内において、図示しない中温熱源から供給される熱媒体(例えば30℃)が流通される。このようにして実現される圧力条件下(相対圧)において、第1吸着材および第2吸着材の吸脱着特性に基づいて、第1吸着器20の第1吸着材で吸着質が脱着すると共に、脱着した吸着質は、第2吸着器22の第2吸着材に吸着される。そして、第1吸着材における吸着質の脱着に伴って、第1吸着器20では冷熱が生成されて、生成された冷熱は熱媒流路20b内の熱媒体を介して取り出される。 In the adsorption/desorption process, as shown in the second adsorption section 16 in FIG. 1, the on-off valve 21a of the pipe 21 and the on-off valve 24a of the pipe 24 are closed to cut off the connection between the evaporator 12 and the first adsorption device 20, and the connection between the second adsorption device 22 and the condenser 18. The on-off valve 23a of the pipe 23 is opened to connect the first adsorption device 20 and the second adsorption device 22. At this time, in the first adsorption device 20, a heat medium (e.g., 10 to 15°C) supplied from a low-temperature heat source (not shown) flows through the heat medium flow path 20b. In the second adsorption device 22, a heat medium (e.g., 30°C) supplied from a medium-temperature heat source (not shown) flows through the heat medium flow path 22b. Under the pressure conditions (relative pressure) thus achieved, the adsorbate is desorbed by the first adsorbent of the first adsorber 20 based on the adsorption/desorption characteristics of the first adsorbent and the second adsorbent, and the desorbed adsorbate is adsorbed by the second adsorbent of the second adsorber 22. As the adsorbate is desorbed by the first adsorbent, cold heat is generated in the first adsorber 20, and the generated cold heat is extracted via the heat medium in the heat medium flow path 20b.

第2段脱着工程では、図1の第1吸着部14の第2吸着器22に示すように、配管23の開閉弁23aが閉弁されて、第1吸着器20と第2吸着器22との間の接続が遮断される。また、配管24の開閉弁24aが開弁されて、配管24を介して第2吸着器22と凝縮器18とが連通される。このとき、第2吸着器22では、熱媒流路22b内において、図示しない高温熱源から供給される熱媒体(例えば、40~55℃)が流通する。このようにして実現される圧力条件下(相対圧)において、第2吸着材の吸脱着特性に基づいて、第2吸着器22の第2吸着材で吸着質が脱着すると共に、脱着した吸着質は、凝縮器18で凝縮される。そして、凝縮器18で凝縮した吸着質は、開閉弁21aを開弁することにより、配管25を介して蒸発器12に供給される。 In the second-stage desorption process, as shown in the second adsorber 22 of the first adsorption section 14 in FIG. 1, the on-off valve 23a of the pipe 23 is closed to cut off the connection between the first adsorber 20 and the second adsorber 22. Also, the on-off valve 24a of the pipe 24 is opened to connect the second adsorber 22 and the condenser 18 through the pipe 24. At this time, in the second adsorber 22, a heat medium (e.g., 40 to 55°C) supplied from a high-temperature heat source (not shown) flows through the heat medium flow path 22b. Under the pressure conditions (relative pressure) thus realized, the adsorbate is desorbed by the second adsorbent of the second adsorber 22 based on the adsorption and desorption characteristics of the second adsorbent, and the desorbed adsorbate is condensed in the condenser 18. Then, the adsorbate condensed in the condenser 18 is supplied to the evaporator 12 through the pipe 25 by opening the on-off valve 21a.

C.第1段目の吸着器:
(C-1)第1吸着器の構造:
図2は、第1吸着器20の構成を模式的に表す説明図であり、図3は、第1吸着器20の反応容器20a内に収納される管状モジュール30(より具体的には、管状モジュール30の集合体としての、後述する伝熱管単位セル50)の概略構成を表す斜視図である。なお、図2、図3、および後述する図4~図7は、各部の寸法の比率を正確に表すものではない。
C. First stage adsorber:
(C-1) Structure of the first adsorption device:
Fig. 2 is an explanatory diagram that typically illustrates the configuration of the first adsorption unit 20, and Fig. 3 is a perspective view that illustrates the schematic configuration of a tubular module 30 (more specifically, a heat transfer tube unit cell 50, described later, as an assembly of the tubular modules 30) housed in the reaction vessel 20a of the first adsorption unit 20. Note that Figs. 2 and 3, and Figs. 4 to 7 that will be described later, do not accurately illustrate the dimensional ratios of the various parts.

第1吸着器20は、複数(N本)の管状モジュール30を備える多管式熱交換型吸着器である。管状モジュール30は、筒状に形成されて、内部に熱媒体が流れる伝熱管32と、吸着質を吸着および脱着する第1吸着材を含む吸着材層34と、を備える。図3では、第1吸着器20が備える複数の管状モジュール30のうちの、近接して配置された3本の管状モジュール30の様子を示している。また、図3では、管状モジュール30の端部において、吸着材層34が形成された部位の断面が露出する様子を示している。伝熱管32は、銅や銅合金などの金属製の筒状部材であり、伝熱管32の内部は、熱媒体が流れる管内流路を構成している。伝熱管32の管壁の厚さは、例えば、0.5~2.0mmとすることができる。伝熱管32内に形成される管内流路は、既述した熱媒流路20bの一部を構成している。既述した第1段吸着工程においては、配管21を介して第1吸着器20に供給された吸着質の蒸気は、管状モジュール30の外表面に沿って流れつつ、吸着材層34の第1吸着質に吸着される。 The first adsorber 20 is a multi-tube heat exchange type adsorber comprising a plurality (N) of tubular modules 30. The tubular module 30 comprises a heat transfer tube 32 formed in a cylindrical shape, through which a heat medium flows, and an adsorbent layer 34 containing a first adsorbent that adsorbs and desorbs an adsorbate. FIG. 3 shows three tubular modules 30 arranged closely among the plurality of tubular modules 30 included in the first adsorber 20. FIG. 3 also shows the cross section of the portion where the adsorbent layer 34 is formed exposed at the end of the tubular module 30. The heat transfer tube 32 is a tubular member made of a metal such as copper or a copper alloy, and the inside of the heat transfer tube 32 constitutes an in-tube flow path through which the heat medium flows. The thickness of the tube wall of the heat transfer tube 32 can be, for example, 0.5 to 2.0 mm. The in-tube flow path formed in the heat transfer tube 32 constitutes a part of the heat medium flow path 20b described above. In the first-stage adsorption process described above, the adsorbate vapor supplied to the first adsorbent 20 via the pipe 21 flows along the outer surface of the tubular module 30 and is adsorbed by the first adsorbate in the adsorbent layer 34.

図4は、管状モジュール30の外観の概要を表す斜視図であり、図5は、図3において破線αで囲んだ管状モジュール30の一部を拡大して示す説明図である。吸着材層34は、伝熱管32の外周面を覆うように形成されており、図5は、伝熱管32および吸着層34の積層方向に、伝熱管32および吸着層34を貫通するように、管状モジュール30の一部を切り出した構造を示している。図5では、各部の断面にはハッチングを付している。吸着材層34は、図5に示すように、第1吸着材を含んで線状に形成された線状部材35が一定方向に配列されている線材層36が、伝熱管32の外壁上に複数積層されており、積層方向に隣接する線材層36の間では、線状部材35が配列される角度が異なって、互いに交差している。すなわち、各線材層36では、線状部材35が伝熱管32上で螺旋状に巻回されるように形成されている(図4参照)。本実施形態では、線状部材35が配列される角度は、同じ線材層36を構成する線状部材35同士、および、1つ置きに積層される線材層36同士では同じとなっており、線状部材35は、吸着材層34全体で網目状に形成されている。図5では、一例として、線材層36を5段設けた様子を示している。なお、伝熱管32上で線状部材35が配列される角度は、特に限定されないが、例えば、伝熱管32の中心軸C(図4参照)に対して、10°~170°とすることができ、積層方向に隣接する線材層36によって網目構造が形成されていればよい。 4 is a perspective view showing an outline of the appearance of the tubular module 30, and FIG. 5 is an explanatory diagram showing an enlarged portion of the tubular module 30 surrounded by the dashed line α in FIG. 3. The adsorbent layer 34 is formed so as to cover the outer circumferential surface of the heat transfer tube 32, and FIG. 5 shows a structure in which a portion of the tubular module 30 is cut out so as to penetrate the heat transfer tube 32 and the adsorption layer 34 in the stacking direction of the heat transfer tube 32 and the adsorption layer 34. In FIG. 5, the cross section of each part is hatched. As shown in FIG. 5, the adsorbent layer 34 is formed by stacking a plurality of wire layers 36 on the outer wall of the heat transfer tube 32, in which linear members 35 formed in a line containing the first adsorbent are arranged in a certain direction, and between the wire layers 36 adjacent to each other in the stacking direction, the angles at which the linear members 35 are arranged are different, and they cross each other. That is, in each wire layer 36, the linear members 35 are formed so as to be wound in a spiral shape on the heat transfer tube 32 (see FIG. 4). In this embodiment, the angle at which the linear members 35 are arranged is the same for the linear members 35 that make up the same wire layer 36 and for the wire layers 36 that are stacked every other wire layer 36, and the linear members 35 are formed in a mesh shape throughout the adsorbent layer 34. FIG. 5 shows an example in which five wire layers 36 are provided. The angle at which the linear members 35 are arranged on the heat transfer tube 32 is not particularly limited, but can be, for example, 10° to 170° with respect to the central axis C of the heat transfer tube 32 (see FIG. 4), and it is sufficient that a mesh structure is formed by the wire layers 36 adjacent in the stacking direction.

図5では、吸着材層34の厚みはH(mm)として示されており、線状部材35の線径はw(mm)として示されている。吸着材層34の厚みHは、0.5mmよりも大きく、4.0mm未満とすればよい。また、線状部材35の線径wは、0.05mmよりも大きく、0.6mm未満とすればよい。本実施形態では、線状部材35の横断面の形状は、縦横の辺の長さがほぼ同じである矩形となっており、線径wは、上記横断面における矩形の外周形状の1辺の長さである。吸着材層34の厚みHおよび線状部材35の線径wについては、後に詳しく説明する。線材層36の段数をn段とすると、吸着材層34の厚みHは、以下の式(1)で表される。 In FIG. 5, the thickness of the adsorbent layer 34 is indicated as H (mm), and the wire diameter of the linear member 35 is indicated as w (mm). The thickness H of the adsorbent layer 34 may be greater than 0.5 mm and less than 4.0 mm. The wire diameter w of the linear member 35 may be greater than 0.05 mm and less than 0.6 mm. In this embodiment, the cross-sectional shape of the linear member 35 is a rectangle with approximately the same length and width, and the wire diameter w is the length of one side of the periphery of the rectangle in the cross-sectional shape. The thickness H of the adsorbent layer 34 and the wire diameter w of the linear member 35 will be described in detail later. If the number of stages of the linear layer 36 is n stages, the thickness H of the adsorbent layer 34 is expressed by the following formula (1).

H=w×n … (1) H=w×n… (1)

また、同じ線材層36を構成しつつ、隣接して配置される線状部材35間の隙間は一定となっており、図4および図5では、上記隙間は、線材間隙間wgap(mm)として示されている。伝熱管32の外壁上において一定の角度で配置される線状部材35間において形成されるこのような隙間は、気化した吸着質、すなわち、第1吸着材に吸着する吸着質や、第1吸着材から脱着した吸着質が流れる流路となる。線材間隙間wgapは、例えば、50μm以上2mm以下の範囲で適宜設定することができる。 Furthermore, the gap between adjacent linear members 35 constituting the same wire layer 36 is constant, and in Figures 4 and 5, the gap is indicated as a wire gap w gap (mm). Such a gap formed between the linear members 35 arranged at a constant angle on the outer wall of the heat transfer tube 32 serves as a flow path for the vaporized adsorbate, i.e., the adsorbate adsorbed to the first adsorbent and the adsorbate desorbed from the first adsorbent. The wire gap w gap can be set appropriately within a range of, for example, 50 µm to 2 mm.

図6および図7は、管状モジュール30における吸着材層34の製造方法の説明図である。この製造方法では、第1吸着材と熱伝導助剤(カーボンファイバー等)とが混合された材料にバインダおよび溶媒を添加してペースト状にした材料(以下、「吸着材形成材料」とも呼ぶ)を用いて、例えば、3Dプリンタにより、吸着材層34の形状を形成する。 6 and 7 are explanatory diagrams of a manufacturing method for the adsorbent layer 34 in the tubular module 30. In this manufacturing method, a material in the form of a paste made by adding a binder and a solvent to a mixture of a first adsorbent and a heat transfer assistant (carbon fiber, etc.) is used to form the shape of the adsorbent layer 34, for example, by a 3D printer.

具体的には、まず、図6に示すように、伝熱管32を、伝熱管32の中心軸Cを回転中心として回転させながら(図6の白抜き矢印F32)、ノズル40を伝熱管32の一方の端部32aから他方の端部32bに向けて移動させる(図6の白抜き矢印F41)。移動するノズル40の吐出口から押し出される吸着材形成材料が伝熱管32の外壁面に接着することで、図6に示すような中心軸Cに対して斜めに配置される成形体が形成される。このような成形体を、線状部材中間体35prとも呼ぶ。1本の線状部材中間体35prを成形したのち、線材間隙間wgapに対応する隙間をあけて別の線状部材中間体35prを同じ方法で成形する。このような動作を繰り返すことにより、1段目の線材層36となる層が形成される。 Specifically, first, as shown in FIG. 6, the nozzle 40 is moved from one end 32a of the heat transfer tube 32 to the other end 32b of the heat transfer tube 32 (white arrow F32 in FIG. 6) while rotating the heat transfer tube 32 about the central axis C of the heat transfer tube 32 as the center of rotation (white arrow F41 in FIG. 6). The adsorbent forming material extruded from the discharge port of the moving nozzle 40 adheres to the outer wall surface of the heat transfer tube 32, forming a molded body disposed obliquely with respect to the central axis C as shown in FIG. 6. Such a molded body is also called a linear member intermediate body 35pr. After one linear member intermediate body 35pr is molded, another linear member intermediate body 35pr is molded in the same manner with a gap corresponding to the inter-wire gap w gap . By repeating such an operation, a layer that becomes the first wire layer 36 is formed.

次に、図7に示すように、伝熱管32を、伝熱管32の中心軸Cを回転中心として回転させながら(図7の白抜き矢印F32)、ノズル40を伝熱管32の他方の端部32bから一方の端部32aに向けて移動させる(図7の白抜き矢印F42)。移動するノズル40の吐出口から押し出される吸着材形成材料が、既述した1段目の線材層36となる層の外側面に接着することで、図7に示すような中心軸Cに対して斜めに配置される線状部材中間体35prが形成される。1本の線状部材中間体35prを成形したのち、線材間隙間wgapに対応する隙間をあけて別の線状部材中間体35prを同じ方法で成形する。このような動作を繰り返すことにより、2段目の線材層36となる層が形成される。2段目の線材層36となる層を構成する各線状部材中間体35prは、1段目の線材層36となる層を構成する各線状部材中間体35prと比べて、既述したように、配列される角度が異なって、互いに交差している。 Next, as shown in Fig. 7, the nozzle 40 is moved from the other end 32b of the heat transfer tube 32 to one end 32a of the heat transfer tube 32 (white arrow F32 in Fig. 7) while rotating the heat transfer tube 32 around the central axis C of the heat transfer tube 32 as the center of rotation. The adsorbent forming material extruded from the discharge port of the moving nozzle 40 is adhered to the outer surface of the layer that will become the first-stage wire layer 36 described above, thereby forming a linear member intermediate body 35pr that is disposed obliquely with respect to the central axis C as shown in Fig. 7. After forming one linear member intermediate body 35pr, another linear member intermediate body 35pr is formed in the same manner with a gap corresponding to the wire gap w gap . By repeating such an operation, a layer that will become the second-stage wire layer 36 is formed. As described above, each linear member intermediate 35pr constituting the layer that will become the second wire layer 36 is arranged at a different angle and intersects with each other compared to each linear member intermediate 35pr constituting the layer that will become the first wire layer 36.

上記のように線材層36となる層を形成する動作を、設けるべき線材層36の段数に応じて繰り返した後、乾燥および焼成の工程を行うことで、吸着材層34が完成される。なお、個々の線材層36は、上記のように互いに離間するように配置された複数の線状部材中間体35prにより形成する他、1本の線状部材中間体35prを伝熱管32上で位置をずらしながら巻回することにより形成してもよい。 The above-described operation of forming the layers that will become the wire layers 36 is repeated according to the number of wire layers 36 to be provided, and then the drying and firing processes are performed to complete the adsorbent layer 34. Each wire layer 36 may be formed by a plurality of wire member intermediates 35pr arranged to be spaced apart from each other as described above, or by winding a single wire member intermediate 35pr while shifting its position on the heat transfer tube 32.

(C-2)線状部材の線径wと吸着材層の厚みH:
本実施形態では、線状部材35の線径wと吸着材層34の厚みHとの関係を特定の関係にすることにより、第1吸着器20から吸着質が脱着するとき(吸脱着工程)における、第1吸着器20の単位体積当たりの出力VCPを高めている。「出力VCP」とは、第1吸着器20の単位体積(1L)あたりに取り出される冷熱量(冷熱出力密度)であり、単位はkW/Lである。既述したように、本実施形態の第1吸着器20は、線状部材35の線径w(mm)が以下の式(2)を満たし、吸着材層34の厚みH(mm)が以下の式(3)を満たすように形成している。
(C-2) Linear diameter w of linear member and thickness H of adsorbent layer:
In this embodiment, the relationship between the wire diameter w of the linear members 35 and the thickness H of the adsorbent layer 34 is set to a specific relationship, thereby increasing the output VCP per unit volume of the first adsorption device 20 when the adsorbate is desorbed from the first adsorption device 20 (adsorption/desorption process). "Output VCP" refers to the amount of cold energy (cold energy output density) extracted per unit volume (1 L) of the first adsorption device 20, and is expressed in kW/L. As described above, the first adsorption device 20 in this embodiment is formed so that the wire diameter w (mm) of the linear members 35 satisfies the following formula (2), and the thickness H (mm) of the adsorbent layer 34 satisfies the following formula (3).

0.05<w< 0.6 …(2)
0.5<H<4.0 …(3)
0.05<w<0.6...(2)
0.5<H<4.0...(3)

図8は、線状部材35の線径wおよび吸着材層34の厚みHに対する、第1吸着器20の出力VCPの等高線図を示す説明図である。図8に示す出力VCPは、第1吸着材としてAl-MOFの1種を用いた複数の管状モジュール30を備えた多管構造を有する第1吸着器20を、伝熱管単位セル50に分割すると共に、吸着材層34を、網目構造単位セル52に分割した有限要素法モデルを用いて数値解析することにより求めた。「伝熱管単位セル50」とは、第1吸着器20の多管構造を構成する繰り返し単位であり、図3に示すように、3本の管状モジュール30により構成される。図3では、管状モジュール30間の距離を、伝熱管同士隙間Wgapとして示している。伝熱管同士隙間Wgapの大きさは、特に限定されないが、組み付け精度の確保の容易性の観点から、例えば1mm以上とすればよい。また、ヒートポンプの大型化を抑える観点から、伝熱管同士隙間Wgapの大きさは、例えば10mm以下とすればよい。さらに、図3では、管状モジュール30の直径の長さを、直径Dとして示している。直径Dは、例えば、10~40mmとすることができる。また、「網目構造単位セル52」とは、吸着材層34の網目構造を構成する繰り返し単位であり、図5に示す構造を有している。具体的には、網目構造単位セル52は、管状モジュール30の一部を、その厚み方向に貫通するように取り出した構造を有しており、隣接する線材層36を構成する線状部材35同士が積層方向に交差する箇所を含む構造である。 FIG. 8 is an explanatory diagram showing a contour map of the output VCP of the first adsorption device 20 with respect to the wire diameter w of the linear member 35 and the thickness H of the adsorbent layer 34. The output VCP shown in FIG. 8 was obtained by numerical analysis using a finite element method model in which the first adsorption device 20 having a multi-tube structure with a plurality of tubular modules 30 using one type of Al-MOF as the first adsorbent was divided into heat transfer tube unit cells 50 and the adsorbent layer 34 was divided into network structure unit cells 52. The "heat transfer tube unit cell 50" is a repeating unit constituting the multi-tube structure of the first adsorption device 20, and is composed of three tubular modules 30 as shown in FIG. 3. In FIG. 3, the distance between the tubular modules 30 is shown as the gap W gap between the heat transfer tubes. The size of the gap W gap between the heat transfer tubes is not particularly limited, but may be, for example, 1 mm or more from the viewpoint of easiness in ensuring assembly accuracy. From the viewpoint of preventing the heat pump from becoming large, the size of the gap W gap between the heat transfer tubes may be, for example, 10 mm or less. Furthermore, in Fig. 3, the diameter of the tubular module 30 is shown as diameter D. Diameter D can be, for example, 10 to 40 mm. Furthermore, the "mesh structure unit cell 52" is a repeating unit that constitutes the mesh structure of the adsorbent layer 34, and has a structure shown in Fig. 5. Specifically, the mesh structure unit cell 52 has a structure in which a part of the tubular module 30 is taken out so as to penetrate through it in the thickness direction, and has a structure including a portion where the linear members 35 that constitute adjacent wire layers 36 cross each other in the stacking direction.

図8に示す出力VCPの算出時には、管状モジュール30の長さLを1800mm、伝熱管同士隙間Wgapを2mm、線材間隙間wgapを0.3mm、管状モジュール30の直径Dを26mmとし、第1吸着器20の圧力を1500Paから100Paへ変化させることとし、伝熱管32の内側の温度を15℃とした。そして、網目構造単位セル52について、吸着質の蒸気拡散、吸脱着反応、伝熱を考慮して、第1吸着器20の第1吸着材が再生される吸脱着工程における出力VCPを、有限要素法を用いて算出した。図8では、出力VCPの探索範囲においてVCPが最大となった条件(条件b)と、吸着材層34の厚みHが条件bよりも大きい条件(条件a)と、線状部材35の線径wが条件bよりも大きい条件(条件c)として、(w、H)=b(0.2,1.0)、a(0.2,4.0)、c(0.6,1.0)の3つの条件を示している。 8 was calculated with the length L of the tubular module 30 set to 1800 mm, the gap W gap between the heat transfer tubes set to 2 mm, the gap w gap between the wires set to 0.3 mm, and the diameter D of the tubular module 30 set to 26 mm, the pressure of the first adsorption device 20 changed from 1500 Pa to 100 Pa, and the temperature inside the heat transfer tube 32 set to 15° C. Then, with respect to the network structure unit cell 52, the output VCP in the adsorption/desorption step in which the first adsorbent of the first adsorption device 20 was regenerated was calculated using the finite element method, taking into consideration the vapor diffusion of the adsorbate, the adsorption/desorption reaction, and heat transfer. Figure 8 shows three conditions, (w, H) = b (0.2, 1.0), a (0.2, 4.0), and c (0.6, 1.0), as the condition (condition b) under which VCP was maximized in the search range of the output VCP, the condition (condition a) under which the thickness H of the adsorbent layer 34 was greater than condition b, and the condition (condition c) under which the wire diameter w of the linear member 35 was greater than condition b.

図9は、条件aを満たす網目構造単位セル52における、脱着開始後10秒経過時の吸着量分布を表す説明図であり、図10は、条件bを満たす網目構造単位セル52における、脱着開始後10秒経過時の吸着量分布を表す説明図であり、図11は、条件cを満たす網目構造単位セル52における、脱着開始後10秒経過時の吸着量分布を表す説明図である。図9に記載した(a)、図10に記載した(a)、および図11に記載した(a)は、吸着量が0.2~0.3(g/g)となる範囲を表し、図9に記載した(b)、図10に記載した(b)、図11に記載した(b)は、吸着量が0.1~0.2(g/g)となる範囲を表し、図9に記載した(c)、図10に記載した(c)、図11に記載した(c)は、吸着量が0.0~0.1(g/g)となる範囲を表す。 Figure 9 is an explanatory diagram showing the adsorption amount distribution 10 seconds after the start of desorption in a network structure unit cell 52 that satisfies condition a, Figure 10 is an explanatory diagram showing the adsorption amount distribution 10 seconds after the start of desorption in a network structure unit cell 52 that satisfies condition b, and Figure 11 is an explanatory diagram showing the adsorption amount distribution 10 seconds after the start of desorption in a network structure unit cell 52 that satisfies condition c. (a) in Figure 9, (a) in Figure 10, and (a) in Figure 11 represent the range in which the adsorption amount is 0.2 to 0.3 (g/g), (b) in Figure 9, (b) in Figure 10, and (b) in Figure 11 represent the range in which the adsorption amount is 0.1 to 0.2 (g/g), and (c) in Figure 9, (c) in Figure 10, and (c) in Figure 11 represent the range in which the adsorption amount is 0.0 to 0.1 (g/g).

図12は、条件aを満たす網目構造単位セル52における、脱着開始後10秒経過時の温度分布を表す説明図であり、図13は、条件bを満たす網目構造単位セル52における、脱着開始後10秒経過時の温度分布を表す説明図であり、図14は、条件cを満たす網目構造単位セル52における、脱着開始後10秒経過時の温度分布を表す説明図である。図12に記載した(a)、図13に記載した(a)、および図14に記載した(a)は、温度が10~15(℃)となる範囲を表し、図12に記載した(b)、図13に記載した(b)、図14に記載した(b)は、温度が5.0~10(℃)となる範囲を表し、図12に記載した(c)、図13に記載した(c)、図14に記載した(c)は、温度が0.0~5.0(℃)となる範囲を表す。 Figure 12 is an explanatory diagram showing the temperature distribution 10 seconds after the start of desorption in a network structure unit cell 52 that satisfies condition a, Figure 13 is an explanatory diagram showing the temperature distribution 10 seconds after the start of desorption in a network structure unit cell 52 that satisfies condition b, and Figure 14 is an explanatory diagram showing the temperature distribution 10 seconds after the start of desorption in a network structure unit cell 52 that satisfies condition c. (a) in Figure 12, (a) in Figure 13, and (a) in Figure 14 represent the temperature range of 10 to 15 (°C), (b) in Figure 12, (b) in Figure 13, and (b) in Figure 14 represent the temperature range of 5.0 to 10 (°C), and (c) in Figure 12, (c) in Figure 13, and (c) in Figure 14 represent the temperature range of 0.0 to 5.0 (°C).

図8における条件aおよび条件bに示すように、線状部材35の線径wが同じである条件同士を比較すると、出力VCPが最大となる吸着材層34の厚みHが存在する。このように、線径wが同じであるときに出力VCPが最大となる厚みHが定まるのは、厚みHが増加して、第1吸着器20に占める第1吸着材の体積が大きくなることにより、出力VCPが大きくなる効果と、厚みHが増加して、伝熱管32から第1吸着材への伝熱距離が大きくなって脱着速度が低下することにより、出力VCPが小さくなる影響と、がバランスすることによると考えられる。これを、図9、図10に示した吸着質の吸着量と、図12、図13に示した温度分布と、から確認すると、例えば、条件bよりも条件aの方が、吸着材層34の上端部での吸着量が多く(図9および図10参照)、吸着質の脱離が遅いことが確認される。これは、条件bよりも条件aの方が、伝熱管32から第1吸着材への伝熱距離が長く、吸着材層34の上端部の温度が低いためと考えられる(図12および図13参照)。 8, when comparing conditions in which the wire diameter w of the linear member 35 is the same, there is a thickness H of the adsorbent layer 34 at which the output VCP is maximized. In this way, the thickness H at which the output VCP is maximized when the wire diameter w is the same is determined because the effect of increasing the output VCP due to the increase in the thickness H and the increase in the volume of the first adsorbent in the first adsorber 20, and the effect of decreasing the output VCP due to the increase in the thickness H and the increase in the heat transfer distance from the heat transfer tube 32 to the first adsorbent, which reduces the desorption rate, are balanced. When this is confirmed from the adsorption amount of the adsorbate shown in Figures 9 and 10 and the temperature distribution shown in Figures 12 and 13, it is confirmed that, for example, the adsorption amount at the upper end of the adsorbent layer 34 is greater under condition a than under condition b (see Figures 9 and 10), and the desorption of the adsorbate is slower. This is thought to be because the heat transfer distance from the heat transfer tube 32 to the first adsorbent is longer under condition a than under condition b, and the temperature at the upper end of the adsorbent layer 34 is lower (see Figures 12 and 13).

また、図8における条件bおよび条件cに示すように、吸着材層34の厚みHが同じである条件同士を比較すると、出力VCPが最大となる線状部材35の線径wが存在する。このように、厚みHが同じであるときに出力VCPが最大となる線径wが定まるのは、線径wが増加して、第1吸着器20に占める第1吸着材の体積が大きくなることにより出力VCPが大きくなる効果と、線径wが増加して、線状部材35内における吸着質の拡散距離が大きくなって線状部材35内部の脱着が遅れることにより、出力VCPが小さくなる影響と、がバランスすることによると考えられる。これを、図10、図11に示した吸着質の吸着量と、図13、図14に示した温度分布と、から確認すると、例えば、条件bよりも条件cの方が、吸着材層34の温度が高く(図13および図14参照)、脱着反応に有利であった。それにも関わらず、条件bよりも条件cの方が、線状部材35内部の吸着量が多く(図10および図11参照)、脱離が遅いことが確認された。このことから、条件bに比べて条件cでは、線状部材35内における吸着質の拡散が律速となって、脱着が抑えられたと考えられる。 Also, as shown in condition b and condition c in FIG. 8, when comparing conditions in which the thickness H of the adsorbent layer 34 is the same, there is a wire diameter w of the linear member 35 at which the output VCP is maximum. In this way, the wire diameter w at which the output VCP is maximum when the thickness H is the same is determined because the effect of increasing the wire diameter w and increasing the volume of the first adsorbent in the first adsorber 20, thereby increasing the output VCP, and the effect of increasing the wire diameter w and increasing the diffusion distance of the adsorbate in the linear member 35, thereby delaying desorption inside the linear member 35, thereby decreasing the output VCP, are balanced. When this is confirmed from the adsorption amount of the adsorbate shown in FIG. 10 and FIG. 11 and the temperature distribution shown in FIG. 13 and FIG. 14, for example, the temperature of the adsorbent layer 34 is higher in condition c than in condition b (see FIG. 13 and FIG. 14), which is favorable for the desorption reaction. Nevertheless, it was confirmed that the amount of adsorption inside the linear member 35 was greater under condition c than under condition b (see Figures 10 and 11), and desorption was slower. From this, it is believed that the diffusion of the adsorbate inside the linear member 35 was rate-limiting under condition c compared to condition b, suppressing desorption.

上記のように出力VCPが厚みHおよび線径wの影響を受けることから、より高い出力VCPを得るためには、式(2)に示したように、吸着材層34の厚みHは、0.5mmよりも大きく、4.0mm未満とすればよく、式(3)に示したように、線状部材35の線径wは、0.05mmよりも大きく、0.6mm未満とすればよい。ここで、図8では、伝熱管同士隙間Wgapを2mm、線材間隙間wgapを0.3mm、 管状モジュール30の直径Dを26mmとしているが、これらの条件が異なっていても、出力VCPを高めるための望ましい厚みHおよび線径wの既述した数値範囲は、同様に適用可能である。以下では、これについて説明する。 Since the output VCP is affected by the thickness H and the wire diameter w as described above, in order to obtain a higher output VCP, the thickness H of the adsorbent layer 34 should be greater than 0.5 mm and less than 4.0 mm as shown in formula (2), and the wire diameter w of the wire member 35 should be greater than 0.05 mm and less than 0.6 mm as shown in formula (3). Here, in Fig. 8, the gap W gap between the heat transfer tubes is 2 mm, the gap w gap between the wires is 0.3 mm, and the diameter D of the tubular module 30 is 26 mm, but even if these conditions are different, the above-mentioned numerical ranges of the thickness H and the wire diameter w that are desirable for increasing the output VCP can be applied in the same way. This will be described below.

出力VCPは、以下の式(4)により表すことができる。式(4)において、Qは、伝熱管単位セル50の冷熱出力を表し、Vは、伝熱管単位セル50の体積を表し、Dは、管状モジュール30の直径を表し、Lは、管状モジュール30の長さを表し、qは、網目構造単位セル52の冷熱出力を表し、Wgapは、隣り合う管状モジュール30間の距離である伝熱管同士隙間を表し、wgapは、隣接して配置される線状部材35間の距離である線材間隙間を表す(図3および図5参照)。なお、下記の式(4)の2段目の部分の分子は、網目構造単位セル52の冷熱出力qに、網目構造単位セル52の個数を乗算することにより、伝熱管単位セル50の冷熱出力が求められることを表している。 The output VCP can be expressed by the following formula (4). In formula (4), Q represents the cold output of the heat transfer tube unit cell 50, V represents the volume of the heat transfer tube unit cell 50, D represents the diameter of the tubular module 30, L represents the length of the tubular module 30, q represents the cold output of the network structure unit cell 52, W gap represents the heat transfer tube gap which is the distance between adjacent tubular modules 30, and w gap represents the wire gap which is the distance between adjacently arranged linear members 35 (see Figs. 3 and 5). The numerator in the second row of formula (4) below represents that the cold output of the heat transfer tube unit cell 50 is obtained by multiplying the cold output q of the network structure unit cell 52 by the number of network structure unit cells 52.

Figure 0007632247000006
Figure 0007632247000006

上記した式(4)は、さらに、以下の式(5)のように書き換えることができる。 The above formula (4) can be further rewritten as the following formula (5).

Figure 0007632247000007
Figure 0007632247000007

ここで、qは、既述したように網目構造単位セル52の冷熱出力であり、吸着材層34の厚み方向の拡散、および、厚み方向の伝熱によって律速されるため、吸着材層34の構造に係るパラメータである線状部材35の線径wと吸着材層34の厚みHの関数となり、式(5)ではq(w、H)として示している。式(5)において、Fは、その他の項をまとめた関数である。式(5)において、線材間隙間wgap、管状モジュール30の直径D、および伝熱管同士隙間Wgapによって変更される関数Fの値は、VCPの係数とも考えられる。そのため、線材間隙間wgap、管状モジュール30の直径、および伝熱管同士隙間Wgapが変化しても、線径wと吸着材層34の厚みHに対する出力VCPのマップは、ピークの高さは変わる(等高線図の高さ方向にシフトする)ものの、VCPが変化する全体の傾向は変わらないと考えられる。すなわち、線材間隙間wgap、管状モジュール30の直径、および伝熱管同士隙間Wgapが変化しても、線径wおよび厚みHにおける、出力VCPを確保するための好適な数値範囲は変更されないと考えられる。 Here, q is the cold output of the network structure unit cell 52 as described above, and is rate-determined by diffusion in the thickness direction of the adsorbent layer 34 and heat transfer in the thickness direction, so it is a function of the wire diameter w of the linear member 35 and the thickness H of the adsorbent layer 34, which are parameters related to the structure of the adsorbent layer 34, and is shown as q(w, H) in formula (5). In formula (5), F is a function that summarizes the other terms. In formula (5), the value of the function F, which changes depending on the gap w gap between the wires, the diameter D of the tubular module 30, and the gap W gap between the heat transfer tubes, can also be considered as a coefficient of VCP. Therefore, even if the gap w gap between the wires, the diameter of the tubular module 30, and the gap W gap between the heat transfer tubes change, the map of the output VCP relative to the wire diameter w and the thickness H of the adsorbent layer 34 changes in peak height (shifts in the height direction of the contour map), but it is considered that the overall tendency of the VCP to change does not change. In other words, even if the wire gap w gap , the diameter of the tubular module 30, and the gap W gap between the heat transfer tubes change, it is believed that the suitable numerical ranges for the wire diameter w and thickness H to ensure the output VCP will not change.

図15は、一例として、図8に係る条件のうちの線状部材35の線径wを0.5mmに変更して得られる、線径wおよび吸着材層34の厚みHに対する出力VCPの等高線図を示す説明図である。式(5)、図8、および図15に示すように、伝熱管同士隙間Wgap、線材間隙間wgap、 管状モジュール30の直径Dが変更されても、より高い出力VCPを得るためには、線状部材35の線径wは、0.05mmよりも大きければよく、0.1よりも大きいことがより望ましい。また、線径wは、0.6mm未満とすればよく、0.5mm未満とすることがより望ましく、0.4mm未満とすることがさらに望ましい。同様に、吸着材層34の厚みHは、0.5mmよりも大きければよく、0.8mmよりも大きいことがより望ましい。また、厚みHは、4.0mm未満とすればよく、3.0mm未満とすることがより望ましい。 FIG. 15 is an explanatory diagram showing a contour map of the output VCP with respect to the wire diameter w and the thickness H of the adsorbent layer 34, obtained by changing the wire diameter w of the wire member 35 to 0.5 mm among the conditions according to FIG. 8, as an example. As shown in formula (5), FIG. 8, and FIG. 15, even if the gap W gap between the heat transfer tubes, the gap w gap between the wires, and the diameter D of the tubular module 30 are changed, in order to obtain a higher output VCP, the wire diameter w of the wire member 35 may be larger than 0.05 mm, and more preferably larger than 0.1. Moreover, the wire diameter w may be less than 0.6 mm, and more preferably less than 0.5 mm, and even more preferably less than 0.4 mm. Similarly, the thickness H of the adsorbent layer 34 may be larger than 0.5 mm, and more preferably greater than 0.8 mm. Moreover, the thickness H may be less than 4.0 mm, and more preferably less than 3.0 mm.

以上のように構成された本実施形態の第1吸着器20によれば、吸着材を含んで線状に形成された線状部材35が一定方向に配列されている線材層36が、伝熱管32の外壁上に複数積層されており、積層方向に隣接する線材層36の間では、線状部材35が配列される角度が異なって、互いに交差している吸着材層34を備えている。このように、吸着材層34全体が網目状に形成されているため、吸着材層34が備える第1吸着材内における吸着質の拡散距離を短くして吸着質の拡散速度を高めることができると共に、吸着材層34における第1吸着材の利用効率を高めることができる。また、第1吸着器20において、筒状に形成される伝熱管32の外壁上に、周方向に沿って吸着材層34を配置しているため、伝熱管32から吸着材層34への伝熱効率を高めることができる。そのため、吸着式多段ヒートポンプの第1段目の吸着器として第1吸着器20を用いたときに、第1吸着器20において吸着質の脱着を行わせる際に、冷熱生成の効率を高めることができる。 According to the first adsorber 20 of the present embodiment configured as described above, a plurality of wire layers 36 in which linear members 35 formed in a linear shape containing an adsorbent are arranged in a certain direction are stacked on the outer wall of the heat transfer tube 32, and the wire layers 36 adjacent to each other in the stacking direction have different angles at which the linear members 35 are arranged, and the adsorbent layers 34 are crossed. In this way, since the entire adsorbent layer 34 is formed in a mesh shape, the diffusion distance of the adsorbate in the first adsorbent included in the adsorbent layer 34 can be shortened to increase the diffusion speed of the adsorbate, and the utilization efficiency of the first adsorbent in the adsorbent layer 34 can be increased. In addition, since the adsorbent layer 34 is arranged in the circumferential direction on the outer wall of the cylindrically formed heat transfer tube 32 in the first adsorber 20, the heat transfer efficiency from the heat transfer tube 32 to the adsorbent layer 34 can be increased. Therefore, when the first adsorber 20 is used as the first-stage adsorber of an adsorption-type multistage heat pump, the efficiency of cold generation can be increased when the first adsorber 20 is caused to desorb the adsorbate.

さらに、本実施形態によれば、線状部材35の線径wおよび吸着材層34の厚みHを、式(2)および式(3)を満たす値とすることにより、出力VCPをより大きくして、吸脱着工程において第1吸着器20における冷熱生成の効率を高めることができる。すなわち、線状部材35の線径wおよび吸着材層34の厚みHを、式(2)および式(3)を満たす値とすることにより、第1吸着材における吸着質の蒸気の拡散速度と、第1吸着材における伝熱とを確保して、第1吸着材における脱着の効率を高めることができる。 Furthermore, according to this embodiment, by setting the wire diameter w of the linear member 35 and the thickness H of the adsorbent layer 34 to values that satisfy formulas (2) and (3), the output VCP can be increased and the efficiency of cold heat generation in the first adsorber 20 can be improved in the adsorption/desorption process. In other words, by setting the wire diameter w of the linear member 35 and the thickness H of the adsorbent layer 34 to values that satisfy formulas (2) and (3), the diffusion rate of the adsorbate vapor in the first adsorbent and the heat transfer in the first adsorbent can be ensured, and the efficiency of desorption in the first adsorbent can be improved.

上記のような第1吸着器20は、多段ヒートポンプであるヒートポンプ10において、蒸発器12に接続して設けられる第1段目の吸着器とすることで、特に、冷熱生成の効率を高める効果を顕著に得ることができる。多段ヒートポンプの第1段目の吸着器において、例えばヒートポンプ全体のエネルギ効率を高めるために、比較的低温の熱源を用いて吸着質の脱着を行う場合には、吸着材層34における伝熱の程度が、脱着の律速となり得る。また、第1吸着器20と第2吸着器22とを連通させる吸脱着工程における相対圧が0.2~0.4以下程度のように比較的小さい値となる場合には、吸着材層34における吸着質の蒸気の拡散速度が、脱着の律速となり得る。本実施形態の第1吸着器20は、線状部材35の線径wおよび吸着材層34の厚みHを既述した数値範囲にすることにより、第1吸着材における吸着質の蒸気の拡散速度と、第1吸着材における伝熱との両方を、より十分に確保可能となるため、第1段目の吸着器として用いたときに、ヒートポンプ10全体での冷熱生成の効率をさらに高めることができる。 The first adsorbent 20 as described above can be used as the first-stage adsorbent connected to the evaporator 12 in the heat pump 10, which is a multi-stage heat pump, and can be particularly effective in increasing the efficiency of cold generation. In the first-stage adsorbent of a multi-stage heat pump, for example, when a relatively low-temperature heat source is used to desorb the adsorbate in order to increase the energy efficiency of the entire heat pump, the degree of heat transfer in the adsorbent layer 34 can be the rate-limiting factor for desorption. In addition, when the relative pressure in the adsorption/desorption process that connects the first adsorbent 20 and the second adsorbent 22 is a relatively small value, such as 0.2 to 0.4 or less, the diffusion rate of the adsorbate vapor in the adsorbent layer 34 can be the rate-limiting factor for desorption. In the first adsorption device 20 of this embodiment, by setting the wire diameter w of the linear member 35 and the thickness H of the adsorption layer 34 within the numerical ranges described above, it is possible to more fully ensure both the diffusion rate of the adsorbate vapor in the first adsorption material and the heat transfer in the first adsorption material, and therefore, when used as a first-stage adsorption device, the efficiency of cold generation in the entire heat pump 10 can be further improved.

特に、Al-MOFのように、比較的低温の熱源を利用して脱着を行うことが可能となる吸着材は、第1段目の吸着器で用いる吸着材として望ましいが、脱着時に用いる熱源の温度が低いと、吸着材層における吸着質の蒸気の拡散速度が抑えられて、冷熱生成の効率が抑えられる可能性がある。本実施形態の第1吸着器20であれば、線状部材35の線径wおよび吸着材層34の厚みHを規定することにより、吸着質の蒸気の拡散速度が高められるため、Al-MOFのように比較的低温の熱源を利用可能な吸着材を用いて、低温熱源を利用して脱着工程を行う際に、冷熱生成の効率を高めることができる。 In particular, adsorbents that can be desorbed using a relatively low-temperature heat source, such as Al-MOF, are desirable as adsorbents for use in the first-stage adsorber; however, if the temperature of the heat source used during desorption is low, the diffusion rate of the adsorbate vapor in the adsorbent layer may be suppressed, and the efficiency of cold generation may be reduced. In the first adsorber 20 of this embodiment, the diffusion rate of the adsorbate vapor is increased by specifying the wire diameter w of the wire member 35 and the thickness H of the adsorbent layer 34, so that the efficiency of cold generation can be increased when using an adsorbent that can use a relatively low-temperature heat source, such as Al-MOF, to perform the desorption process using a low-temperature heat source.

D.他の実施形態:
上記した実施形態では、第1吸着器20の吸着材層34を構成する線状部材35は、矩形の横断面形状を有することとしたが、異なる形状としてもよい。例えば、円形状、楕円形状、多角形状など、異なる形状の横断面を有することとしてもよい。
D. Other embodiments:
In the embodiment described above, the linear members 35 constituting the adsorbent layer 34 of the first adsorption device 20 have a rectangular cross-sectional shape, but may have a different shape. For example, the linear members 35 may have a cross-sectional shape of a circle, an ellipse, a polygon, or the like.

上記した実施形態では、第1吸着器20は、多管式熱交換型吸着器としており、3本の管状モジュール30からなる伝熱管単位セル50を構成単位として、3本以上の管状モジュール30を有することとしたが、異なる構成としてもよい。第1吸着器20が備える管状モジュール30の数は、3以外の複数であってもよく、1本であってもよい。 In the above embodiment, the first adsorber 20 is a multi-tube heat exchange type adsorber, and has three or more tubular modules 30, with a heat transfer tube unit cell 50 consisting of three tubular modules 30 as a constituent unit, but a different configuration may be used. The number of tubular modules 30 provided in the first adsorber 20 may be a number other than three, or may be one.

上記した実施形態では、ヒートポンプ10は、蒸発器12と凝縮器18との間において並列に接続される2つの吸着部である第1吸着部14および第2吸着部16を備えることとしたが、異なる構成としてもよい。吸着部の数は、3以上の複数であってもよく、1つであってもよい。ヒートポンプが備える吸着部における第1段目の吸着器において、実施形態で説明した第1吸着器20の構成が適用されるならば、実施形態と同様の効果が得られる。 In the above-described embodiment, the heat pump 10 is provided with two adsorption units, the first adsorption unit 14 and the second adsorption unit 16, which are connected in parallel between the evaporator 12 and the condenser 18, but a different configuration may be used. The number of adsorption units may be three or more, or may be one. If the configuration of the first adsorption unit 20 described in the embodiment is applied to the first-stage adsorption unit in the adsorption unit provided in the heat pump, the same effect as in the embodiment can be obtained.

本開示は、上述の実施形態等に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present disclosure is not limited to the above-mentioned embodiments, and can be realized in various configurations without departing from the spirit of the present disclosure. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each form described in the Summary of the Invention column can be replaced or combined as appropriate to solve some or all of the above-mentioned problems or to achieve some or all of the above-mentioned effects. Furthermore, if a technical feature is not described as essential in this specification, it can be deleted as appropriate.

10…ヒートポンプ
12…蒸発器
12a…貯留容器
12b…熱媒流路
14…第1吸着部
16…第2吸着部
18…凝縮器
20…第1吸着器
20a…反応容器
20b…熱媒流路
21,23,24,25…配管
21a,23a,24a,25a…開閉弁
22…第2吸着器
22a…反応容器
22b…熱媒流路
30…管状モジュール
32…伝熱管
32a,32b…端部
34…吸着材層
35…線状部材
35pr…線状部材中間体
36…線材層
40…ノズル
50…伝熱管単位セル
52…網目構造単位セル
REFERENCE SIGNS LIST 10... heat pump 12... evaporator 12a... storage vessel 12b... heat medium flow path 14... first adsorption section 16... second adsorption section 18... condenser 20... first adsorption device 20a... reaction vessel 20b... heat medium flow path 21, 23, 24, 25... piping 21a, 23a, 24a, 25a... on-off valve 22... second adsorption device 22a... reaction vessel 22b... heat medium flow path 30... tubular module 32... heat transfer tube 32a, 32b... end 34... adsorbent layer 35... wire member 35pr... wire member intermediate 36... wire layer 40... nozzle 50... heat transfer tube unit cell 52... mesh structure unit cell

Claims (5)

蒸発器に対して複数の吸着器が直列に接続された吸着式多段ヒートポンプにおいて、前記蒸発器に接続して設けられる第1段目の吸着器であって、
筒状に形成されて、内部に熱媒体が流れる伝熱管と、
吸着質を吸着および脱着する吸着材を含んで線状に形成された線状部材が一定方向に配列されている層である線材層が、前記伝熱管の外壁上に複数積層されており、積層方向に隣接する前記線材層の間では、前記線状部材が配列される角度が異なって、互いに交差している吸着材層と、
を備え
前記吸着材は、アルミニウムを含む金属有機構造体(Al-MOF)であり、
前記線状部材の線径wは、0.05mmよりも大きく、0.6mm未満であり、
前記吸着材層の厚みHは、0.5mmよりも大きく、4.0mm未満である
吸着器。
In an adsorption-type multistage heat pump in which a plurality of adsorbers are connected in series to an evaporator, a first-stage adsorber is connected to the evaporator,
a heat transfer tube formed in a cylindrical shape and having a heat medium flowing therethrough;
an adsorbent layer in which a plurality of wire layers are laminated on an outer wall of the heat transfer tube, the wire layers being layers in which linear members containing an adsorbent that adsorbs and desorbs an adsorbate are arranged in a fixed direction, the wire layers being arranged at different angles between adjacent wire layers in the lamination direction, and the wire layers intersect with each other;
Equipped with
The adsorbent is an aluminum-containing metal-organic framework (Al-MOF),
The wire diameter w of the linear member is greater than 0.05 mm and less than 0.6 mm;
The thickness H of the adsorbent layer is greater than 0.5 mm and less than 4.0 mm.
Suction device.
請求項に記載の吸着器であって、
前記線状部材の線径wは、0.1mmよりも大きく、0.4mm未満である
吸着器。
The adsorber according to claim 1 ,
The suction unit, wherein a wire diameter w of the linear member is greater than 0.1 mm and less than 0.4 mm.
請求項またはに記載の吸着器であって、
前記吸着材層の厚みHは、0.8mmよりも大きく、3.0mm未満である
吸着器。
The adsorber according to claim 1 or 2 ,
The thickness H of the adsorbent layer is greater than 0.8 mm and less than 3.0 mm.
蒸発器に対して複数の吸着器が直列に接続された吸着式多段ヒートポンプであって、
前記蒸発器に接続して設けられる第1段目の吸着器として、請求項1からまでのいずれか一項に記載の吸着器を備える
吸着式多段ヒートポンプ。
An adsorption-type multi-stage heat pump in which a plurality of adsorbers are connected in series to an evaporator,
An adsorption-type multistage heat pump comprising the adsorber according to claim 1 as a first stage adsorber connected to the evaporator.
請求項に記載の吸着式多段ヒートポンプであって、
前記第1段目の吸着器において吸着質を脱着させる際の温度が、10~15℃である
吸着式多段ヒートポンプ。
The adsorption type multi-stage heat pump according to claim 4 ,
The temperature during desorption of the adsorbate in the first stage adsorber is 10 to 15°C.
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