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特許6073254吸着コンプレッサ・システムの操作方法およびそれに使用する吸着コンプレッサ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6073254
(24)【登録日】2017年1月13日
(45)【発行日】2017年2月1日
(54)【発明の名称】吸着コンプレッサ・システムの操作方法およびそれに使用する吸着コンプレッサ
(51)【国際特許分類】
F25B 17/08 20060101AFI20170123BHJP
【ＦＩ】
F25B17/08 B
【請求項の数】7
【全頁数】49
(21)【出願番号】特願2013-554412(P2013-554412)
(86)(22)【出願日】2012年2月22日
(65)【公表番号】特表2014-505854(P2014-505854A)
(43)【公表日】2014年3月6日
(86)【国際出願番号】NL2012050105
(87)【国際公開番号】WO2012115513
(87)【国際公開日】20120830
【審査請求日】2015年2月19日
(31)【優先権主張番号】2006277
(32)【優先日】2011年2月22日
(33)【優先権主張国】NL
(73)【特許権者】
【識別番号】513206290
【氏名又は名称】コール サステイナブル エナジー ソリューションズ ベー．フェー．
(74)【代理人】
【識別番号】100084412
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 冬紀
(74)【代理人】
【識別番号】100169018
【弁理士】
【氏名又は名称】網屋 美湖
(72)【発明者】
【氏名】ブルハー，ヨハネス ファース
(72)【発明者】
【氏名】マイヤー，ロベルト ヤン
【審査官】
伊藤 紀史
(56)【参考文献】
【文献】
特開平０６−２１３５２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第１９８６／００６８２１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第１９８８／００２０８９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特表昭５６−５０１３３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００１−３０４７１５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−３３３０２７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２０１２−５０６８１７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｆ２５Ｂ １７／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
吸着コンプレッサ・システムの操作方法であって、
前記システムは、熱源（３２）と、冷熱源（３１）と、少なくとも第１の吸着層（２６Ａ）および第２の吸着層（２６Ｃ）とを備え、前記第１の吸着層（２６Ａ）の初期温度は、前記第２の吸着層（２６Ｃ）の初期温度よりも低く、前記システムにおいて、熱が伝熱流体（ＨＴＦ）を用いて循環され、
前記方法は下記の相Ａおよび相Ｂを備え、
前記相Ａは、
−前記第２の吸着層（２６Ｃ）から、前記熱源（３２）を経由して来るＨＴＦを前記第１の吸着層（２６Ａ）に供給することにより前記第１の吸着層を加熱し、その一方で、前記第１の吸着層（２６Ａ）において熱波を維持する工程と、
−前記第１の吸着層（２６Ａ）から、前記冷熱源（３１）を経由して来るＨＴＦを前記第２の吸着層（２６Ｃ）に供給することにより前記第２の吸着層（２６Ｃ）を冷却し、その一方で、前記第２の吸着層（２６Ｃ）において、熱波を維持する工程とを備え、
前記相Ａを、前記第１の吸着層（２６Ａ）および前記第２の吸着層（２６Ｃ）の出口温度が本質的に同じになるまで維持し、
前記相Ｂは、
−前記第１の吸着層（２６Ａ）の前記ＨＴＦの流出物を前記熱源（３２）に供給し、そして前記熱源（３２）から戻して前記第１の吸着層（２６Ａ）内に供給する工程と、
−前記第２の吸着層（２６Ｃ）の前記ＨＴＦ流出物を前記冷熱源（３１）に供給し、そして前記冷熱源（３１）から前記第２の吸着層（２６Ｃ）に戻して供給する工程とを備え、
前記相Ｂは、前記第１の吸着層（２６Ａ）における温度が本質的に均一になり、そして第２の吸着層（２６Ｃ）における温度も本質的に均一になり、かつ前記第１の吸着層（２６Ａ）の相の温度よりも低くなるまで維持され、前記第１の吸着層（２６Ａ）および第２の吸着層（２６Ｃ）を通る前記ＨＴＦの流速が前記相Ａにおけるよりも高くてもよく、
前記方法は、さらに後に続く相Ｃおよび相Ｄを備え、
前記相Ｃは、
前記第２の吸着層から前記冷熱源を経由して来るＨＴＦを前記第１の吸着層（２６Ａ）に供給することにより、前記第１の吸着層（２６Ａ）を冷却する工程と、
前記第１の吸着層から前記熱源を経由して来るＨＴＦを前記第２の吸着層（２６Ｃ）に供給することにより、前記第２の吸着層（２６Ｃ）を加熱する工程とを備え、
前記相Ｄは、
−前記第１の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記冷熱源に供給し、そして前記冷熱源から戻して前記第１の吸着層に供給する工程と、
−前記第２の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記熱源に供給し、そして前記熱源から戻して前記第２の吸着層に供給する工程とを備え、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層を通る流動方向が前記相ＡおよびＣにおいて同じである方法。
前記システムは、熱源（３２）と、冷熱源（３１）と、少なくとも第１の吸着層（２６Ａ）および第２の吸着層（２６Ｃ）とを備え、前記第１の吸着層（２６Ａ）の初期温度は、前記第２の吸着層（２６Ｃ）の初期温度よりも低く、前記システムにおいて、熱が伝熱流体（ＨＴＦ）を用いて循環され、
前記方法は下記の相Ａおよび相Ｂを備え、
前記相Ａは、
−前記第２の吸着層（２６Ｃ）から、前記熱源（３２）を経由して来るＨＴＦを前記第１の吸着層（２６Ａ）に供給することにより前記第１の吸着層を加熱し、その一方で、前記第１の吸着層（２６Ａ）において熱波を維持する工程と、
−前記第１の吸着層（２６Ａ）から、前記冷熱源（３１）を経由して来るＨＴＦを前記第２の吸着層（２６Ｃ）に供給することにより前記第２の吸着層（２６Ｃ）を冷却し、その一方で、前記第２の吸着層（２６Ｃ）において、熱波を維持する工程とを備え、
前記相Ａを、前記第１の吸着層（２６Ａ）および前記第２の吸着層（２６Ｃ）の出口温度が本質的に同じになるまで維持し、
前記相Ｂは、
−前記第１の吸着層（２６Ａ）の前記ＨＴＦの流出物を前記熱源（３２）に供給し、そして前記熱源（３２）から戻して前記第１の吸着層（２６Ａ）内に供給する工程と、
−前記第２の吸着層（２６Ｃ）の前記ＨＴＦ流出物を前記冷熱源（３１）に供給し、そして前記冷熱源（３１）から前記第２の吸着層（２６Ｃ）に戻して供給する工程とを備え、
前記相Ｂは、前記第１の吸着層（２６Ａ）における温度が本質的に均一になり、そして第２の吸着層（２６Ｃ）における温度も本質的に均一になり、かつ前記第１の吸着層（２６Ａ）の相の温度よりも低くなるまで維持され、前記第１の吸着層（２６Ａ）および第２の吸着層（２６Ｃ）を通る前記ＨＴＦの流速が前記相Ａにおけるよりも高くてもよく、
前記方法は、さらに後に続く相Ｃおよび相Ｄを備え、
前記相Ｃは、
前記第２の吸着層から前記冷熱源を経由して来るＨＴＦを前記第１の吸着層（２６Ａ）に供給することにより、前記第１の吸着層（２６Ａ）を冷却する工程と、
前記第１の吸着層から前記熱源を経由して来るＨＴＦを前記第２の吸着層（２６Ｃ）に供給することにより、前記第２の吸着層（２６Ｃ）を加熱する工程とを備え、
前記相Ｄは、
−前記第１の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記冷熱源に供給し、そして前記冷熱源から戻して前記第１の吸着層に供給する工程と、
−前記第２の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記熱源に供給し、そして前記熱源から戻して前記第２の吸着層に供給する工程とを備え、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層を通る流動方向が前記相ＡおよびＣにおいて同じである方法。
【請求項2】
請求項１に記載の方法において、
前記第１の吸着層および第２の吸着層を通る流動方向が前記相Ａ、Ｂ、ＣおよびＤにおいて同じである方法。
前記第１の吸着層および第２の吸着層を通る流動方向が前記相Ａ、Ｂ、ＣおよびＤにおいて同じである方法。
【請求項3】
伝熱流体（ＨＴＦ)により熱が循環される吸着コンプレッサにおいて、
ヒーターと、
クーラーと、
少なくとも第１の吸着層（２６Ａ）および第２の吸着層（２６Ｃ）と、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層の第１の側および第２の側にそれぞれ設けられたＨＴＦ分配コネクタまたはＨＴＦヘッダーとを備え、
前記ＨＴＦ分配コネクタまたは前記ＨＴＦヘッダーには、Ｔ字コネクタ（１６，１６Ａ，１６Ｂ）または２つの別個のコネクタが設けられ、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層の前記第１の側の前記Ｔ字コネクタ（１６、１６Ａ、１６Ｂ）の各アームまたは前記２つの別個のコネクタのそれぞれが、第１の対の三方弁（５３、５６）のうちの別々の三方弁の切替側と流体接続しており、かつ
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層の前記第２の側の前記Ｔ字コネクタ（１６、１６Ａ、１６Ｂ）の各アームまたは前記２つの別個のコネクタのそれぞれは、第２の対の三方弁（５４、５５）のうちの別々の三方弁の切替側と流体接続しており、
前記第１の吸着層（２６Ａ）の初期温度は、前記第２の吸着層（２６Ｃ）の初期温度よりも低く、
前記吸着コンプレッサにおいて、下記の相Ａおよび相Ｂ、さらに後に続く相Ｃおよび相Ｄにより前記ＨＴＦを循環し、
前記相Ａは、
前記第２の吸着層から、前記ヒーターを経由して来るＨＴＦを前記第１の吸着層に供給することにより前記第１の吸着層を加熱し、その一方で、前記第１の吸着層において熱波を維持する工程と、
前記第１の吸着層から、前記クーラーを経由して来るＨＴＦを前記第２の吸着層に供給することにより前記第２の吸着層を冷却し、その一方で、前記第２の吸着層において、熱波を維持する工程とを備え、
前記相Ａを、前記第１の吸着層および前記第２の吸着層の出口温度が本質的に同じになるまで維持し、
前記相Ｂは、
前記第１の吸着層の前記ＨＴＦの流出物を前記ヒーターに供給し、そして前記ヒーターから戻して前記第１の吸着層内に供給する工程と、
前記第２の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記クーラーに供給し、そして前記クーラーから前記第２の吸着層に戻して供給する工程とを備え、
前記相Ｂは、前記第１の吸着層における温度が本質的に均一になり、そして第２の吸着層における温度も本質的に均一になり、かつ前記第１の吸着層の相の温度よりも低くなるまで維持され、前記第１の吸着層および第２の吸着層を通る前記ＨＴＦの流速が前記相Ａにおけるよりも高くてもよく、
前記相Ｃは、
前記第２の吸着層から前記クーラーを経由して来る前記ＨＴＦを前記第１の吸着層に供給することにより、前記第１の吸着層を冷却する工程と、
前記第１の吸着層から前記ヒーターを経由して来る前記ＨＴＦを前記第２の吸着層に供給することにより、前記第２の吸着層を加熱する工程とを備え、
前記相Ｄは、
前記第１の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記クーラーに供給し、そして前記クーラーから戻して前記第１の吸着層に供給する工程と、
前記第２の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記ヒーターに供給し、そして前記ヒーターから戻して前記第２の吸着層に供給する工程とを備え、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層を通る流動方向が前記相Ａおよび相Ｃにおいて同じである吸着コンプレッサ。
ヒーターと、
クーラーと、
少なくとも第１の吸着層（２６Ａ）および第２の吸着層（２６Ｃ）と、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層の第１の側および第２の側にそれぞれ設けられたＨＴＦ分配コネクタまたはＨＴＦヘッダーとを備え、
前記ＨＴＦ分配コネクタまたは前記ＨＴＦヘッダーには、Ｔ字コネクタ（１６，１６Ａ，１６Ｂ）または２つの別個のコネクタが設けられ、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層の前記第１の側の前記Ｔ字コネクタ（１６、１６Ａ、１６Ｂ）の各アームまたは前記２つの別個のコネクタのそれぞれが、第１の対の三方弁（５３、５６）のうちの別々の三方弁の切替側と流体接続しており、かつ
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層の前記第２の側の前記Ｔ字コネクタ（１６、１６Ａ、１６Ｂ）の各アームまたは前記２つの別個のコネクタのそれぞれは、第２の対の三方弁（５４、５５）のうちの別々の三方弁の切替側と流体接続しており、
前記第１の吸着層（２６Ａ）の初期温度は、前記第２の吸着層（２６Ｃ）の初期温度よりも低く、
前記吸着コンプレッサにおいて、下記の相Ａおよび相Ｂ、さらに後に続く相Ｃおよび相Ｄにより前記ＨＴＦを循環し、
前記相Ａは、
前記第２の吸着層から、前記ヒーターを経由して来るＨＴＦを前記第１の吸着層に供給することにより前記第１の吸着層を加熱し、その一方で、前記第１の吸着層において熱波を維持する工程と、
前記第１の吸着層から、前記クーラーを経由して来るＨＴＦを前記第２の吸着層に供給することにより前記第２の吸着層を冷却し、その一方で、前記第２の吸着層において、熱波を維持する工程とを備え、
前記相Ａを、前記第１の吸着層および前記第２の吸着層の出口温度が本質的に同じになるまで維持し、
前記相Ｂは、
前記第１の吸着層の前記ＨＴＦの流出物を前記ヒーターに供給し、そして前記ヒーターから戻して前記第１の吸着層内に供給する工程と、
前記第２の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記クーラーに供給し、そして前記クーラーから前記第２の吸着層に戻して供給する工程とを備え、
前記相Ｂは、前記第１の吸着層における温度が本質的に均一になり、そして第２の吸着層における温度も本質的に均一になり、かつ前記第１の吸着層の相の温度よりも低くなるまで維持され、前記第１の吸着層および第２の吸着層を通る前記ＨＴＦの流速が前記相Ａにおけるよりも高くてもよく、
前記相Ｃは、
前記第２の吸着層から前記クーラーを経由して来る前記ＨＴＦを前記第１の吸着層に供給することにより、前記第１の吸着層を冷却する工程と、
前記第１の吸着層から前記ヒーターを経由して来る前記ＨＴＦを前記第２の吸着層に供給することにより、前記第２の吸着層を加熱する工程とを備え、
前記相Ｄは、
前記第１の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記クーラーに供給し、そして前記クーラーから戻して前記第１の吸着層に供給する工程と、
前記第２の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記ヒーターに供給し、そして前記ヒーターから戻して前記第２の吸着層に供給する工程とを備え、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層を通る流動方向が前記相Ａおよび相Ｃにおいて同じである吸着コンプレッサ。
【請求項4】
請求項３に記載の吸着コンプレッサであって、
前記第１の対の三方弁（５３、５６）の内の第１の三方弁（５３）のベース側と、前記第２の対の三方弁（５４、５５）の内の第１の三方弁（５４）のベース側は、前記ヒーター（３２）と流体接続しており、
前記第１の対の三方弁（５３、５６）の内の第２の三方弁（５６）のベース側と前記第２の対の三方弁（５４、５５）の内の第２の三方弁（５５）のベース側は前記クーラー（３１）と流体接続している吸着コンプレッサ。
前記第１の対の三方弁（５３、５６）の内の第１の三方弁（５３）のベース側と、前記第２の対の三方弁（５４、５５）の内の第１の三方弁（５４）のベース側は、前記ヒーター（３２）と流体接続しており、
前記第１の対の三方弁（５３、５６）の内の第２の三方弁（５６）のベース側と前記第２の対の三方弁（５４、５５）の内の第２の三方弁（５５）のベース側は前記クーラー（３１）と流体接続している吸着コンプレッサ。
【請求項5】
請求項３または請求項４に記載の吸着コンプレッサであって、
前記第１の吸着層の前記第１の側は、前記第１の対の三方弁を介して前記ヒーターおよび前記クーラーと選択的に接続され、
前記第１の吸着層の前記第２の側は、前記第２の対の三方弁を介して前記クーラーおよび前記ヒーターと選択的に接続され、
前記第２の吸着層の前記第１の側は、前記第１の対の三方弁を介して前記クーラーおよび前記ヒーターと選択的に接続され、
前記第２の吸着層の前記第２の側は、前記第２の対の三方弁を介して前記ヒーターおよび前記クーラーと選択的に接続される吸着コンプレッサ。
前記第１の吸着層の前記第１の側は、前記第１の対の三方弁を介して前記ヒーターおよび前記クーラーと選択的に接続され、
前記第１の吸着層の前記第２の側は、前記第２の対の三方弁を介して前記クーラーおよび前記ヒーターと選択的に接続され、
前記第２の吸着層の前記第１の側は、前記第１の対の三方弁を介して前記クーラーおよび前記ヒーターと選択的に接続され、
前記第２の吸着層の前記第２の側は、前記第２の対の三方弁を介して前記ヒーターおよび前記クーラーと選択的に接続される吸着コンプレッサ。
【請求項6】
請求項１に記載の方法を実施するための吸着コンプレッサであって、
前記熱源と、前記冷熱源と、前記少なくとも第１の吸着層および第２の吸着層とを備え、
当該システムにおいて、熱が伝熱流体（ＨＴＦ）を用いて循環され、
４つの三方弁を備える吸着コンプレッサ。
前記熱源と、前記冷熱源と、前記少なくとも第１の吸着層および第２の吸着層とを備え、
当該システムにおいて、熱が伝熱流体（ＨＴＦ）を用いて循環され、
４つの三方弁を備える吸着コンプレッサ。
【請求項7】
請求項１に記載の方法を実施するための吸着コンプレッサであって、
前記熱源と、前記冷熱源と、前記少なくとも第１の吸着層および第２の吸着層とを備え、
当該システムにおいて、熱が伝熱流体（ＨＴＦ）を用いて循環され、
２つの四方弁を備える吸着コンプレッサ。
前記熱源と、前記冷熱源と、前記少なくとも第１の吸着層および第２の吸着層とを備え、
当該システムにおいて、熱が伝熱流体（ＨＴＦ）を用いて循環され、
２つの四方弁を備える吸着コンプレッサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、吸着コンプレッサおよびその操作方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、ヒート・ポンプに一体化された吸着コンプレッサであって、固体吸着材の層を通過する熱波を利用するものに関する。
【背景技術】
【0002】
かかるコンプレッサは、例えば、米国特許公報第４６１０１４８号公報明細書に記載されている。該公報明細書の内容はその全体が本明細書において参照される。この吸着コンプレッサでは、吸着材の２つの層が用いられ、これらは外郭構造内に配置され、該外郭構造を貫通して熱交換チャネルが配置されている。熱交換チャネルは、一組のポンプと、冷却作用を有する追加の熱交換器と、加熱作用を有する熱交換器とを備える熱交換流体の閉じた回路に接続されている。これらの吸着剤層の外郭構造側は、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを備えるヒート・ポンプに接続されている。これら二層は、それぞれ逆止弁によりヒート・ポンプの凝縮器側と蒸発器側との両方に接続されている。吸着ヒート・ポンプにおける熱波を検討している刊行物のさらなる例は、米国特許第４６３７２１８号公報明細書；Ｊｏｎｅｓ Ｊ．Ａ．（Ｈｅａｔ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｓｙｓｔｅｍｓ ＆ ＣＨＰ １３（１９９３）３６３−３７１）；Ｐｏｎｓ Ｍ．，Ａｐｐｌｉｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１６（１９９６）３９５−４０４）；Ｓｕｎ Ｌ．Ｍ．ｅｔ ａｌ．（Ｉｎｔ Ｊ．Ｈｅａｔ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ，４０（１９９７）２８１−２９３）；Ｚｈｅｎｇ Ｗ．ｅｔ ａｌ．（Ｈｅａｔ ａｎｄ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｆｅｒ ３１（１９９５）１−９）；Ｗａｎｇ，Ｒ．Ｚ．（Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ａｎｄ ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅｖｉｅｗｓ ５（２００１）１−３７）；およびＣｒｉｔｏｐｈ，Ｒ．Ｅ．ｅｔ ａｌ．（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２４（２００４）６６１−６７８）である。
【0003】
米国特許第４６１０１４８号公報明細書に記載されている層はゼオライトを含み、適用された冷媒または吸着蒸気は水である。吸着層に由来する水蒸気は、一組の逆止弁を通ってヒート・ポンプの凝縮器に案内される。そこでは、水蒸気は高圧凝縮器内で凝縮され、この凝縮された水は圧力解放弁を通って案内される。圧力解放弁では、凝縮された水はジュール＝トムソン効果により、温度が実質的に断熱的に降下し、それによって冷却力を提供する。低圧蒸発器内で、水は再蒸発され、一組の逆止弁を通して、冷たくて蒸気を吸着させる前述の吸着層に戻ることができる。蒸発器は、ヒート・ポンプの実際の熱冷却力を提供する。
【0004】
吸着蒸気を固体吸着材料から追い出すのは、該材料を伝熱流体と一緒に加熱することにより行う。蒸発器において、実質的に一定な冷却力を得るために２つの吸着層が選ばれる。一方の層は加熱されて吸着蒸気を追い出し、他方の層は吸着蒸気の再吸着のために冷却される。
【0005】
一連の逆止弁によりこの交互操作が可能となり、実質的にいつでも高圧蒸気が凝縮器に提供され、一方、比較的低圧の蒸気が蒸発器から撤退させられる。
【0006】
吸着材料の回分（バッチ）冷却および回分加熱に関する効率を向上するために見出されたのは、固体吸着材料の加熱と冷却を、該固体材料を通して移動する温度プロファイルを前進後退させて行うと、ヒート・ポンプ性能が実質的に向上することである。この比較的に細長い材料を通して温度プロファイルを前進後退させることは、熱波（ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｖｅ）として知られている。
【0007】
このような熱波の利用はさらなる利点を有する。すなわち、２つの吸着セルしか必要としないこと、比較的単純な流れ図でよいこと、および比較的均一な冷媒の質量流量をサイクル全体にわたって提供できることである。
【0008】
これらのシステムが用いられる理由は、駆動熱として低カロリー廃熱または太陽熱由来のものを使用することができ、使用する吸着蒸気またはガスは、オゾン層に無害の非フレオン型のものから選ぶことができるからである。
【0009】
これらのシステムの欠点は、凝縮器と、蒸発器と、２つの吸着層のサイズが比較的に大きいことである。水が冷媒として用いられているので、全システムが減圧下においてのみ動作することが可能であり、そのため、このシステムの比冷却力（ＳＣＰ）が低下する。
【0010】
ゼオライトを吸着材として用いる別のヒート・ポンプが米国特許第４６３７２１８号公報明細書に記載されている。該公報明細書の全内容が本明細書において参照される。このシステムにおいても、やはり、水が冷媒として用いられている。この刊行物には、吸着層の外郭−管構造と吸着層の１ブロック様配置が記載されている。このシステムも、やはり、サイズが比較的に大きい。これは、蒸発と凝縮のために適用された水蒸気が比較的に低圧であることによる）。
【0011】
Ｐ．Ｈｕ ｅｔ ａｌ．（Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ５０（２００９）２５５−２６１）は、環状容器内に吸着層を備え、熱交換流体が内側にある冷凍システムを記載している。
【0012】
Ａ．Ｓａｔｅｅｓｈ ｅｔ ａｌ．（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ ３５（２０１０）６９５０−６９５８）は単一ステージ金属水素化物ヒート・ポンプを記載している。このヒート・ポンプは、金属水素化物粉体が化学変化を受ける吸収プロセスに基づいている。「吸収プロセス」という用語は、一般に化学的吸収に基づくプロセスに用いられる。一方、「吸着プロセス」は物理的吸着を指す。
【0013】
Ｚ．Ｄｅｈｏｕｃｈｅ ｅｔ ａｌ．（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １８（１９９８）４５７−４８０）は多価水素化物システムのための熱波の概念を記載している。このシステムも、本発明による物理的変化ではなく、化学変化に基づいている。国際出願公開第２０１０／０４９１４７号パンフレット明細書は従来のバッチ式熱再生方法を記載している。熱波の仕様は開示も示唆もされていない。
米国特許第５５０５０５９号公報明細書はヒート・ポンプ・システムの操作方法を記載している。この方法は伝熱流体を必要としない。実際、冷媒、例えばアンモニアが吸着層の加熱と冷却の両方に使用されている。
【0014】
既知の熱波に基づく吸着ヒート・ポンプ・システムは効率の改善、特に性能係数（ＣＯＰ）と比冷却力（ＳＣＰ）に関する改善が得られるけれども、さらにＣＯＰとＳＣＰとを改善することが望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
本発明の目的は、当技術におけるヒート・ポンプおよび吸着コンプレッサの上述および／または他の課題を軽減または解決するとともに、その一方でそれらの利点を維持および／または改善することである。さらに詳しくは、本発明の目的は、完成したヒート・ポンプのサイズと吸着コンプレッサのサイズとを減少させること、より実際的な層構成を提供すること、およびよりコストのかからない操作効率のよいシステムおよび方法を提供することであってもよい。さらなる目的は、ＣＯＰとＳＣＰとが改善された、吸着コンプレッサの操作方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0016】
これらの目的および／または他の目的は、吸着コンプレッサ・システムの操作方法であって、該システムは、熱源と、冷熱源と、少なくとも第１の吸着層および第２の吸着層とを備え、前記第１の層の初期温度は、前記第２の吸着層の初期温度よりも低く、前記システムにおいて、熱が伝熱流体（ＨＴＦ）を用いて循環される方法によって達成される。この方法は、下記の相ＡおよびＢを備え、前記相Ａは、
−前記第１の吸着層に前記第２の層から、場合によって前記熱源を経由して来るＨＴＦを供給することにより加熱し、その一方で、前記第１の層において熱波を維持する工程と、−前記第１の層から、場合によって前記冷熱源を経由して来るＨＴＦを前記第２の吸着層に供給することにより、前記第２の吸着層を冷却し、その一方で、前記第２の層において、熱波を維持する工程とを備え、
前記相Ａを、前記第１の層および前記第２の層の出口温度が本質的に同じになるまで維持し、
前記相Ｂは、
−前記第１の層の前記ＨＴＦの流出物を前記熱源に供給する工程と、
−前記第２の層の前記ＨＴＦ流出物を、前記冷熱源に供給する工程とを備え、
前記相Ｂは、前記第１の層における温度が本質的に均一になり、そして第２の層における温度も本質的に均一になり、かつ前記第１の層の相の温度よりも低くなるまで維持され、前記第１および第２の層を通る前記ＨＴＦの流速が前記相Ａにおけるよりも高くてもよい方法である。
前記方法は、さらに後に続く相Ｃおよび相Ｄを備え、
前記相Ｃは、
前記第２の吸着層から前記冷熱源を経由して来るＨＴＦを前記第１の吸着層（２６Ａ）に供給することにより、前記第１の吸着層（２６Ａ）を冷却する工程と、
前記第１の吸着層から前記熱源を経由して来るＨＴＦを前記第２の吸着層（２６Ｃ）に供給することにより、前記第２の吸着層（２６Ｃ）を加熱する工程とを備え、
前記相Ｄは、
−前記第１の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記冷熱源に供給し、そして前記冷熱源から戻して前記第１の吸着層に供給する工程と、
−前記第２の吸着層の前記ＨＴＦ流出物を前記熱源に供給し、そして前記熱源から戻して前記第２の吸着層に供給する工程とを備え、
前記第１の吸着層および前記第２の吸着層を通る流動方向が前記相ＡおよびＣにおいて同じである。
【0017】
従来技術の熱波システムにおいては、単一のＨＴＦループが用いられ、該単一のループは２つの吸着層とそれらの間に配置された加熱冷却装置とを内蔵している。可逆冷熱源ポンプまたは適切な切り替え弁を持つ一方向ポンプ切替弁を用いて、これらの層を貫通する熱波を、該熱波が層の両端の一方に到達した時点で逆転させる。このようにして、完全なサイクルが２つの半サイクルに分割される。それぞれの半サイクルは伝熱流体の流動方向が逆転した後に開始する。流れを反転する切り替えの瞬間は、熱波が突破する前、すなわち熱波が層の他方の側に到達したときである。
【0018】
理論に束縛されるつもりはないが、本発明者等の考えでは、実際には、熱波は、従来技術（例えば、米国特許第４６１０１４８号公報明細書および米国特許第４６３７２１８号公報明細書）において最初に示唆されたものよりも勾配が有意に緩やかである。つまり、熱波は、セルの長さに沿ってむしろ平坦な温度プロファイルを持つので、熱波が反転するときには、セルの端部に向かって吸着される冷媒の大部分が未だ吸着または脱着されていない。このことはＳＣＰを顕著に制限する。これを改善する一つの方法は、熱波がより多くセルの端部に向かって進むことが許容されたとしても、より多くの冷媒が吸着または脱着され、より高いＳＣＰ値を達成できるようにし、それにより１つの半サイクルの間により多くの冷媒が吸着または脱着できるようにすることである。しかしながら、この場合、ＣＯＰは急速に低下するが、これは加熱冷却装置にわたり温度差が漸増するためである。このように、ＣＯＰとＳＣＰの間にはトレードオフ関係が存在する。
【0019】
本発明は、ＳＣＰを改善するとともに高ＣＯＰを維持する新しい熱波サイクルを提供する。
【0020】
本発明は、図２９Ａ−Ｄを参照して説明することができる。簡単のため、この図においては、ＨＴＦの流動方向のみが示されているが、冷媒流体の接続および流動は図示されていない。なお、冷媒流体接続は層のいずれか一方の側に、あるいは層の両側にさえ配置してもよい。両側に配置する場合、一方の側を逆止弁を介して冷媒高圧ラインに、他方の側を逆止弁を介して冷媒低圧ラインに接続することができる。
【0021】
冷媒は、原理上は、当技術においてこの目的用として知られている任意の物質を用いることができる。好ましくは、冷媒は、アンモニア、水（蒸気）、二酸化炭素、メタノール、ｎ−ブタン等から選択される。もっとも好ましいのは、アンモニア、特に吸着材料としての活性炭を組み合わせたものである。
【0022】
吸着材は、原理上この目的用として当技術において知られている任意の物質を用いることができる。好ましくは、吸着材は、活性炭、ゼオライト、金属有機構造体、ＢａＣｌ２等から選択される。
【0023】
本発明によると、全吸着脱着サイクルは４つの（２つではない）相に分割される。その内の相ＡおよびＣは熱再生相であり、相ＢおよびＤは非熱再生相である。本システムにおける吸着層は熱波作動吸着コンプレッサに適したものであることが必要である。
【0024】
相Ａにおいて、層１は熱源からの高温ＨＴＦにより加熱される。熱波操作の故に、最初は冷たいＨＴＦが層１を出る。その後このＨＴＦは冷熱源によりさらに冷却される。同時に、層２は冷熱源からの冷たいＨＴＦにより冷却される。やはり、熱波操作の故に、最初は高温のＨＴＦが層２を出る。その後、このＨＴＦは熱源によりさらに加熱される。
【0025】
ある時点において相２が開始される。これは基本的に層１と層２の２つの温度が相互に本質的に等しくなったときである。これらの出口温度は、出口温度同士の間の絶対温度差が熱源と冷熱源との間の温度差の４０％未満、好ましくは３０％未満、より好ましくは２０％未満、さらに好ましくは１０％未満、典型的には０−５％であるときに、本質的に等しいと考えられる。ＨＴＦ切り替えシステムを用いて、両層の温度が本質的に均一になるまで、層１を直接に熱源に、そして層２を直接に冷熱源に接続して、熱を生じることなく層内の熱波を終了させてもよい。
【0026】
相Ａでは、熱は両層の間に再生される。図２８に示された実施例において、再生可能な熱の最大量は（時間当たりＨＴＦ流量が一定であるという仮定の下に）面積Ｘに比例する。この最大熱量が得られるのは、第１の層および第２の層の出口温度が上述のように本質的に同じであるときである。
【0027】
相Ｂにおいて、入口温度と出口温度との間の絶対差が、熱源と冷熱源との間の温度差の３０％未満、好ましくは２０％未満、より好ましくは１０％未満、さらに好ましくは５％未満のとき、層温度は本質的に均一であると考えられる。
【0028】
図１２および２８は、相Ａおよび相Ｂの間の層１および層２の出口温度の例を示す。斜線領域Ａは、熱再生相の間にヒーターによりＨＴＦに供給されることが必要な熱に比例し、斜線領域Ｂは、非再生相の間に供給されることが必要な熱に比例する。
【0029】
相Ｂの終点において、最初は冷たかった第１の層は、今はより熱い層となる。一方、最初は熱かった第２の層は、今はより冷たい層となっている。この操作は上述のように繰り返されるが、今度は２つの層の役割が入れ替わっている。
【0030】
例えば、次に、新しい熱再生相が相Ｃにおいて開始されてもよい。操作は相Ａと同様であるが、層１および層２の役割は逆転されている。すなわち、層１は冷却、層２は加熱である。これに相Ｄが続く。相Ｄは、層１および２の役割が逆転されたもう１つの非再生相である。
【0031】
本発明のシステムにおいて、両層内の熱波の方向はすべての相について同じであってもよく、同じにするのが好ましい。あるいはまた、図３０に概念的に示すように、相ＡおよびＢの後に、相ＣおよびＤにおいてＨＴＦ流動方向および熱波の方向が逆転されてもよい。しかしながら、このようにするには、異なる、より複雑なＨＴＦ流体切替システムが必要である。
【0032】
上述の原理に基づいて多くの改変および変更を行うことが可能である。
【0033】
例えば、相同士の間の切替は、切替弁、特に三方弁を用いることにより行ってもよい。あるいはまた、図３２Ａ−Ｄに示すように、二方弁を持つ別々のラインを用いてもよい。また、四方弁を用いてもよい（図３３Ａ−Ｄ参照）。
【0034】
本発明の追加の利点の一つは、用いられるポンプはポンプの一方向にのみ動作することが必要とされるだけであり、そのために標準的な部品および工学的慣行を用いることが可能である。
【0035】
本発明の好適な一実施態様では、熱波作動型の吸着コンプレッサに好適な吸着セルが設けられている。この吸着セルは細長い固体吸着材料と、この固体吸着材料と直接伝熱接触する細長い伝熱流体チャネルとを備え、この吸着材料の特性寸法ｒは下記の関係が満たされるように選ばれる。【数1】
【0036】
ここに、λｅｆｆは有効熱伝導率、γは設計パラメータ、ＳＣＰは比冷却力であり、γ＜０．００２５Ｋ・ｍ３／ｋｇ、ＳＣＰ＞２５０Ｗ／ｋｇ、０．５＜λｅｆｆ＜２０Ｗ／ｍＫである。特性寸法ｒは、吸着セルが円形断面を持つ場合は、吸着材料の半径であってもよい。断面が非円形（例えば多角形または楕円形）の場合、ｒは相当半径、すなわち当該非円形断面と同じ表面積を持つ円の半径である。
【0037】
伝熱流体チャネルｄＨＴＦの特性寸法は、下記関係が満たされるように選ばれることができる。【数2】
【0038】
ここに、Ｂｉｏｔはビオ数、λＨＴＦは伝熱流体の有効熱伝導率、Ｎｕはヌセルト（Ｎｕｓｓｅｌｔ）数、ｄＨＴＦは伝熱チャネルの特性寸法である。ここに、０．１＜λＨＴＦ＜１０Ｗ／ｍ・Ｋ、ビオ数＞１、および４＜Ｎｕ＜６である。
【0039】
これらの特定の寸法により、効率的な操作を得ることができる。以下に、さらに詳細に説明する。
【0040】
伝熱流体チャネルの特性寸法は１ｍｍ未満にすることができる。吸着材料の特性寸法は、好ましくは１ｃｍ未満である。吸着材料は、円筒状内壁内に配置してもよい。この円筒状内壁には冷媒チャネルが設けられている。伝熱流体チャネルは、環状伝熱流体チャネルであってもよい。この環状伝熱流体チャネルは、（円筒状）内壁と（円筒状）外壁の間の吸着材料の周りに同軸上に配置される。
【0041】
本発明は、さらに、上述の吸着セルのマトリックスを備えるクラスタに関する。このクラスタにおいて、個々の吸着セルの環状の伝熱流体チャネルは、その両方の遠位端において伝熱流体ヘッダーと流体接続している。伝熱流体ヘッダーは、伝熱流体を捕集または分配することができるマニホルドであり、個々の吸着セルの中央冷媒チャネルはその一方または両方の遠位端において冷媒ヘッダーと流体接続している。冷媒ヘッダーも、また、伝熱流体を捕集または分配することができるマニホルドである。
【0042】
このクラスタの伝熱流体マニホルドと冷媒マニホルドは、細長い吸着セルの端部に配置可能な、実質的にプレート形状の分配要素内に配置することができる。
【0043】
この分配要素は、３つの積み重ねられたプレート、すなわち吸着セルの外壁に接続されかつこれを包囲する開口部を有する、第１の閉塞プレートと、吸着セルの内壁に接続されかつこれを包囲する開口部を有する、中間プレートと、第２の閉塞プレートとを備える。伝熱マニホルドは第１の閉塞プレートと中間プレートとの間に配置され、冷媒マニホルドは中間プレートと第２の閉塞プレートとの間に配置される。
【0044】
伝熱マニホルドは、第１の閉塞プレートおよび／または中間プレートに機械加工、エッチング、プレス、パンチングまたはエンボスにより設けることができる。冷媒マニホルドは、同様に、第２の閉塞プレートに機械加工、エッチング、プレス、パンチングまたはエンボスにより設けることができる。
【0045】
これらのプレートは、クラスタの各遠位端において相互に接着、溶接、半田付けまたはボルト留めすることができる。
【0046】
クラスタは平行セルを備えていてもよい。これらの平行セルにおいては、個々の吸着セルの環状伝熱流体チャネルは、分配コネクタにそれらの遠位端の両方において接続され、冷媒コネクタに一方または両方の遠位端において接続される。
【0047】
分配コネクタは、任意の形状を有していてもよく、個々のセルのそれぞれにおいて理想的には全く同じ流れを生じる。分配コネクタは、例えば、回転対称スパイダー形状のコネクタであって、それぞれの伝熱流体脚は他の伝熱流体脚と実質的に同じ形を有するものであってもよい。Ｔ字コネクタは、それぞれの分配コネクタに接続されていてもよく、または伝熱マニホルドに接続されていてもよい。あるいはまた、分配コネクタまたは伝熱マニホルドは、２つの別々のコネクタを設けられていてもよい。
【0048】
本発明は、さらに、吸着コンプレッサに関する。この吸着コンプレッサは、少なくとも２つの上述のクラスタを備える。この吸着コンプレッサにおいて、クラスタの第１の側のＴ字コネクタのアームはそれぞれ第１の対の三方弁の切替側と流体接続しており、この流体接続は、個々のＴ字コネクタの異なるアームがそれぞれ異なる三方弁の切替側と流体接続するようにしたものである。そして、クラスタの第２の側のＴ字コネクタのアームはそれぞれ第２の対の三方弁の切替側と流体接続しており、この流体接続は、個々のＴ字コネクタの異なるアームがそれぞれ異なる三方弁の切替側と流体接続するようにしたものである。
【0049】
第１の対の三方弁のベース側は、通過する伝熱流体の温度を上昇させるように構成されているヒーターまたは熱交換器と流体接続されていてもよい。第２の対の三方弁のベース側は、通過する伝熱流体を冷却するように構成されたクーラーまたは熱交換器と流体接続されていてもよい。第１の対の三方弁の内の第１の三方弁のベース側と、第２の対の三方弁の内の第１の三方弁のベース側は、熱交換器またはヒーターと流体接続されていてもよい。また、第１の対の三方弁の内の第２の三方弁のベース側と、第２の対の三方弁の内の第２の三方弁のベース側は熱交換器またはクーラーと流体接続されていてもよい。
【0050】
伝熱流体チャネルは放射状導体、例えば波板を設けられていてもよい。
【0051】
セルまたはクラスタの吸着材料および／または冷媒チャネルは、それぞれ、一組の逆止弁を介して冷媒ループと流体接触していてもよい。この冷媒ループは、凝縮器、蒸発器、膨張弁を備え、この膨張弁の構成は、冷媒がセルまたはクラスタの吸着材料を出入り可能であり、かつ冷媒が冷媒ループを通って一方向にのみ導かれることが可能になっている。
【0052】
別体のセルまたはクラスタは、弁を備えた圧力等化管により相互に接続されていてもよい。冷媒ループは、さらに、補助容器と流体接続していてもよい。この補助容器は、吸着塊と温度調節可能なヒーターとを備える。
【0053】
本発明は、また、吸着セルのクラスタを２つ備える熱波の操作に好適な吸着コンプレッサに関する。この吸着コンプレッサの各クラスタは、伝熱流体チャネルを備え、個々のクラスタの伝熱流体チャネルはマニホルドと流体接続し、マニホルドはＴ字コネクタと接続している。クラスタの第１の側のＴ字コネクタ・アームは、それぞれ、第１の対の三方弁の切替側と流体接続し、この流体接続は、個々のＴ字コネクタのそれぞれの異なるアームが異なる三方弁の切替側と流体接続するようにしたものである。そしてクラスタの第２の側のＴ字コネクタのアームは、それぞれ、第２の対の三方弁の切替側と流体接続し、この流体接続は個々のＴ字コネクタのそれぞれの異なるアームが異なる三方弁の切替側流体接続されるようにしたものである。
【0054】
第１の対の三方弁のベース側は、ヒーターまたは熱交換器と流体接続されていてもよい。このヒーターまたは熱交換器は通過する伝熱流体の温度を高くするように構成されている。第２の対の三方弁のベース側はクーラーまたは熱交換器と流体接続されていてもよい。このクーラーまたは熱交換器は通過する伝熱流体を冷却するように構成されている。
【0055】
第１の対の三方弁の内の第１の三方弁のベース側と、第２の対の三方弁の内の第１の三方弁のベース側は、熱交換器またはヒーターと流体接続されていてもよい。また、第１の対の三方弁の内の第２の三方弁のベース側と、第２の対の三方弁の内の第２の三方弁のベース側は熱交換器またはクーラーと流体接続されていてもよい。
【0056】
本発明は、さらに、吸着材料を備える吸着セルに関する。この吸着セルにおいては、吸着材料が中央冷媒チャネルを設けられた円筒状内壁内に配置され、環状伝熱流体チャネルが内壁と外壁との間の吸着材料の周りに同軸上に配置される。
【0057】
本発明は、また、上述の吸着セルのマトリックスを備えるクラスタを包含する。このクラスタにおいては、個々の吸着セルの環状の伝熱チャネルが伝熱流体マニホルドと流体接続しており、個々の吸着セルの中央冷媒チャネルが冷媒マニホルドと流体接続している。伝熱マニホルドと冷媒マニホルドは、細長い吸着セルの端部に配置された実質的にプレート形状の分配要素内に配置されていてもよい。
【0058】
このクラスタにおける分配要素は、３つの積み重ねられたプレート、すなわち吸着セルの外壁に接続されかつこれを包囲する開口部を有する、第１の閉塞プレートと、吸着セルの内壁に接続されかつこれを包囲する開口部を有する、中間プレートと、第２の閉塞プレートとを備える。伝熱マニホルドは第１の閉塞プレートと中間プレートとの間に配置され、冷媒マニホルドは中間プレートと第２の閉塞プレートとの間に配置される。伝熱マニホルドは中間プレートに機械加工またはエッチングにより設けることができ、冷媒マニホルドは中間プレートまたは第２の閉塞プレートに機械加工またはエッチングにより設けることができる。
【0059】
これらのプレートは、クラスタの各遠位端において相互に接着、溶接、半田付けまたはボルト留めすることができる。
【0060】
本発明は、また、例えば太陽ボイラーまたは廃熱スチームのような比較的に低カロリーの熱源、あるいはガス炎のような高カロリーの熱源を用いることにより冷却または加熱する方法に関する。本方法は、任意の順序で実行することができる下記工程を含む。すなわち、本方法は、ａ）上述したような吸着コンプレッサを用意する工程、
ｂ）第１のクラスタ内の吸着材料を第１のモードにおいて加熱し、この加熱は、ヒーターから層流で出る熱い伝熱流体を、クラスタの吸着セルの伝熱流体チャネルを通して、軸線方向の実質的に急峻な降下熱プロファイル、すなわち熱波が維持されかつ第１のクラスタ内の細長い吸着セルの長さに沿って徐々に押されるように、ポンプを用いて徐々に汲み出すことにより行い、ここに、吸着された冷媒は、第１のクラスタの吸着材料から比較的高い圧力において脱着され、逆止弁を通って凝縮器に向かって強制的に送られ、凝縮され、そして強制的に膨張弁を通って蒸発するように放置されて蒸発器内において冷却動作を行う工程、
ｃ）工程ｂ）の間、第１のモードにおいて第２のクラスタ内の吸着材料を冷却し、この冷却は、クーラーから層流で出る冷たい伝熱流体を、クラスタの吸着セルの伝熱流体チャネルを通して、軸線方向の実質的に急峻な上昇熱プロファイル、すなわち熱波が維持されかつ第２のクラスタ内の細長い吸着セルの長さに沿って徐々に押されるように、ポンプを用いて徐々に汲み出すことにより行い、ここに冷媒は、逆止弁を通して蒸発器に由来する比較的に低い圧力において、第２のクラスタの吸着材料により吸着される工程、
ｄ）所定の瞬間において第２のモードに切替え、第１のクラスタ内の吸着材料を冷却し、この冷却は、クーラーから層流で出る冷たい伝熱流体を、クラスタの吸着セルの伝熱流体チャネルを通して、軸線方向の実質的に急峻な上昇熱プロファイル、すなわち熱波が維持されかつ第１のクラスタ内の細長い吸着セルの長さに沿って徐々に押されるように、ポンプを用いて徐々に汲み出すことにより行い、ここに冷媒は、逆止弁を通して蒸発器に由来する比較的に低い圧力において、第１のクラスタの吸着材料により吸着される工程、
ｅ）工程ｄ）の間、第２のモードにおいて第２のクラスタの吸着材料を加熱し、この加熱は、ヒーターから層流で出る熱い伝熱流体を、クラスタの吸着セルの伝熱流体チャネルを通して、軸線方向の実質的に急峻な降下熱プロファイル、すなわち熱波が維持されかつ第２のクラスタ内の細長い吸着セルの長さに沿って徐々に押されるように、ポンプを用いて徐々に汲み出すことにより行い、ここに、吸着された冷媒は第２のクラスタの吸着材料から、比較的高い圧力において脱着され、逆止弁を通って凝縮器に向かって強制的に送られ、凝縮され、そして強制的に膨張弁を通って蒸発するように放置されて蒸発器内において冷却動作を行う工程、
ｆ）第１のモードに切替え、工程ａ）−ｆ）を繰り返す工程を含む。
【0061】
本方法において、第１のモードと第２のモードの間の切替およびその逆を一連の三方弁により行うことができる。流動方向は、モード間の各切替毎に復帰させることができる。これは、クラスタとクラスタが熱側と冷側を有し、比較的急峻な温度プロファイルが個々のクラスタを通して前後に送られ、ここにモードの切替は、毎回、クラスタ端部に、当該クラスタが実質的に完全に加熱され、かつ他のクラスタが実質的に冷却されていること、あるいはその逆を示す温度プロファイルが到達することにより始動される。
【0062】
本方法におけるクラスタ内の流動方向は、維持される。その結果、急峻な温度プロファイル、すなわち上昇下降する温度の熱波がクラスタを一方向にのみ押し通される。第１のモードと第２のモードの間、および第２のモードと第１のモードの間において、毎回、温度等化モードに切り替えることができる。この切替は、加熱されるべきクラスタをヒーターのみを有する回路内にショートカットさせ、同時に、冷却されるべきクラスタをクーラーのみを有する回路内にショートカットさせることにより行う。クラスタをショートカットさせることへの切替は、両クラスタを出る伝熱流体の温度が実質的に同じになったときに始動されるようにすることができる。
【0063】
ここに記載された方法は、下記の等式に従うサイクル時間を有していてもよい。【数3】
【0064】
ここに、ｔｃｙｃｌｅは、収着セルまたはクラスタの全サイクル時間、すなわち、吸着および脱着モードに対する全サイクル時間であり、Δｈは、冷却力を提供する冷媒ガスのエンタルピー変化［Ｊ／ｇ］、Δｘｎｅｔは、１つの吸着および脱着サイクルにおける、炭素のような吸着材料から吸着および脱着されるガスの正味の量をガスｇ／吸着材料ｇで表したものである。
【0065】
これらのヒート・ポンプの性能は、一般に２つのパラメータ、すなわち第１に性能係数（ＣＯＰ）、および第２に比冷却力（ＳＣＰ）により把握される。性能係数は、熱冷却力Ｐｃｏｏｌｉｎｇと熱入力Ｐｉｎとの比である。【数4】
【0066】
比冷却力は、熱冷却力を吸着材の質量（ｍａｄｓｏｒｂｅｒ）により除したものである。【数5】
【0067】
本発明によるヒート・ポンプにおいて、吸着材料としては、例えば固形アモルファス炭素含有材料を用いることができる。冷媒または吸着ガスとしては、ＮＨ３を用いることができる。固体吸着材料と吸着ガスのこの特定の組合せを用いて、高ＳＣＰを達成することが可能であり、比較的にコンパクトで軽いコンプレッサが得られる。
【0068】
かかるヒート・ポンプのさらなる利点は、比較的に高いＣＯＰと比較的に高い熱力学的効率、ＳＣＰとＣＯＰを低下させることなく達成される比較的に高い温度適応性、比較的に一定な冷熱生成、典型的には分単位の範囲内の迅速な始動および停止、および比較的に高くないコストである。
【0069】
本発明のさらなる態様は、吸着コンプレッサ用のセルである。この吸着コンプレッサ用のセルは、吸着材料と、該吸着材料と伝熱接触している少なくとも１つの分離した伝熱流体チャネルとを備える。伝熱チャネルの直径または高さの相対的大きさ、すなわち、伝熱流体チャネルの高さに関する特性寸法、または吸着材料の特性寸法とその材料特性はビオ数によって決定される。ここに、ビオ数は１より大きいか、または１に等しい。
【0070】
本明細書においては、ビオ数は、吸着材料の耐熱性と伝熱流体の耐熱性の比を表す。これは等式３に示す通りである。
【0071】
吸着材料の耐熱性は、形状特性および材料特性から推定することができ、伝熱流体の耐熱性は、伝熱流体チャネルの形状的側面および伝熱流体チャネルの内部の主要な流動領域についての関連するヌセルト（Ｎｕｓｓｅｌｔ）関係から推定することができる。実際には，Ｂｉｏｔの値が１より小さいほど、吸着材内ではなく、伝熱流体内に見出される半径方向の熱の差が大きくなる。これにより、最終的には、所与の特性寸法（例えば、半径）および吸着材料の熱伝導率に対して、熱波がより平坦化され（分散され）ることとなり、望ましくない。従って、ビオ数が１より大であることが効率的な操作のために必要である。吸着材料を含む細長い円筒状管の周りの同心伝熱流体ジャケットに関連するビオ関係は下記により表すことができる。【数6】
【0072】
ここに、ＲｉｎｓｉｄｅおよびＲｓｕｒｆａｃｅは、吸着材と伝熱流体チャネルの耐熱性である。吸着材料の所与の特性寸法、例えば半径（ｒ）および吸着材料の所与の有効熱伝導率（λａｄｓ）に対して、ビオ数を増加して熱波を急峻にするために、一連の設計上の事項、すなわち、特性寸法、例えば伝熱流体チャネルの直径（ｄＨＴＦ）を減少させること、または伝熱流体の有効熱伝導率（λＨＴＦ）を増加させること、を検討することができる。
【0073】
この関係におけるヌセルト（Ｎｕｓｓｅｌｔ）数は、層流に対しては、約５である。乱流の発生は、圧力降下を低く保つためには、避けるのが好ましいので、このヌセルト数は変更しないのが好ましい。
【0074】
伝熱流体が水であるときは、λＨＴＦは約０．６Ｗ／ｍＫである。吸着材料が市販のアモルファス炭素であるときは、λａｄｓは約０．８Ｗ／ｍＫである。吸着材料の特性寸法（例えば、半径）が０．５ｃｍに選ばれているときは、伝熱チャネルの直径は１ｍｍ未満、または吸着材料の特性寸法（例えば、半径）の５分の１未満であることが必要である。
【0075】
まとめると、吸着コンプレッサの効率的な操作のためには、伝熱チャネルの直径または高さと、吸着材料の特性寸法（例えば、半径）または高さとの間の寸法関係は下記に従う必要がある。【数7】
【0076】
これから分かることは、伝熱流体チャネルは小さくなければならない、ということである。他方、熱伝達流体チャネルの直径または高さは小さすぎるものを選ぶことができない。これは、伝熱流体チャネルの長さにわたる流体圧力の低下が大きくなると、効率の損失が生じるからである。層流用の環状の細長いチャネルにわたる圧力降下Δｐは下記により与えられる。【数8】
【0077】
このチャネルを通る質量流量は、セルにおいて必要とされる熱出力Ｐｉｎ,ＨＴＦ、ヒーターを出る伝熱流体の温度とヒーターに入る伝熱流体の温度との間のサイクル時間に基づく平均温度差またはクーラーの前後の温度差ΔＴによって決定される。【数9】
【0078】
必要とされる熱出力は、実際の熱冷却力ＰｃｏｏｌｉｎｇをＣＯＰにより除したものとして表すことができる。【数10】
【0079】
ここに、冷却力は実際には、比冷却力にセル内の吸着材料の質量ｍｃｅｌｌを乗じたものである。等式２参照。等式２は、密度ρａｄｓに吸着材料の体積を乗じたものとして書き直すことができる。【数11】
【0080】
等式６−８を等式５と組み合わせることにより、圧力降下を設計パラメータと当該伝熱流体の特定の性質のみで表すことができる。【数12】
【0081】
圧力降下における効率の損失が多すぎないように、伝熱流体が水である場合、圧力降下は、典型的には、約１バールより大きくすべきではない。熱油（ｔｈｅｒｍａｌ ｏｉｌ）が用いられる場合、圧力降下は数バールを超えてはならない。
【0082】
本発明のさらなる態様は、吸着コンプレッサである。この吸着コンプレッサは、少なくとも２つの、吸着材料のセルまたはセルのクラスタであって、伝熱流体チャネルにより包囲され、または伝熱流体チャネルと伝熱接続しているものを備え、該クラスタは、それぞれ、伝熱流体の入口と出口において、Ｔ字コネクタを備え、Ｔ字コネクタの枝はそれぞれ弁と流体接続している。
【0083】
セルまたはクラスタに近いＴ字コネクタのこの特定の配置により、伝熱流体導管の非常に限られた部分のみが冷たい伝熱流体と熱い伝熱流体の双方に直面する。この部分が小さいほど、熱い流体と冷たい流体の間の混合損失が生じる頻度がより少なくなり、これらの混合損失が最小限に抑えられる。
【0084】
Ｔ字コネクタの枝のそれぞれは弁と流体接続している。一方、Ｔ字コネクタの幹は当該セルまたはセルのクラスタの伝熱流体チャネルと流体接続している。好ましくは、これらの弁は三方弁である。しかしながら、代替的に、二方弁の適切な組合せを用いてもよい。ヒーターとクーラーは三方弁と流体接続していてもよい。その接続の構成は、該三方弁の設定に応じた４つの操作モードを用いて伝熱流体をポンプで汲み出すことができるようにしたものである。これら４つのモードに含まれる第１のモードでは、ヒーター、第１のセルまたはクラスタ、クーラー、第２のセルまたはクラスタを通り、再びヒーターに戻る伝熱流体の単一のループが配置されている。第２のモードは、２つの別個のショートカット回路備える。その１つのショートカット回路では、伝熱流体はヒーターから第１のセルまたはクラスタに流れ、再びヒーターに戻る。もう１つのショートカット回路では、伝熱流体はクーラーから第２のセルまたはクラスタに流れ、再びクーラーに戻る。第３のモードは、また、１つのループまたは回路を備え、今度は伝熱流体は第２のセルまたはクラスタ内のヒーターからクーラー、第１のセルまたはクラスタに流れ、そして再びヒーターに戻る。最後に、第４のモードは、再び２つの別個のループを備える。今度は、１つのループが接続するヒーターを第２のセルまたはクラスタと閉じたループにおいて接続し、さらなるループはクーラーを第１のセルまたはクラスタと接続する。
【0085】
本発明のさらなる態様は、吸着コンプレッサである。この吸着コンプレッサは、吸着材料の少なくとも２つのセルまたはセルのクラスタを備える。該セルまたはクラスタは、伝熱流体チャネルにより包囲され、かつ、この伝熱流体チャネルと伝熱接触している。これらのクラスタは、それぞれ、それらの伝熱流体入口および出口に十字コネクタを備えている。ここに、それぞれのセルまたはセルのクラスタの十字コネクタの第１の枝は、第１のまたは第２の三方弁と流体接続しており、その流体接続は、両方のセルまたはセルのクラスタの十字コネクタのそれぞれが異なる三方弁と流体接続しているように、かつ十字コネクタの残りの２つの枝がそれぞれマニホルドに流体接続しているようになされる。
【0086】
セルまたはクラスタに近い十字コネクタのこの特定の配置の故に、伝熱流体導管のごく限られた部分だけが、冷たい、熱いおよび中程度に温かい伝熱流体に直面する。この部分が小さいほど、熱い流体と冷たい流体の間の混合損失の発生が少なくなり、これらの混合損失が最低限になる。
【0087】
本発明のさらなる態様は、吸着コンプレッサを操作する方法である。この方法は、上述のような２つの吸着クラスタを備える。ここに、熱および冷たい伝熱流体はポンプで汲み出される。これは、伝熱チャネルを通ってセルまたはクラスタの長さにわたって、実質的に連続的に移動する熱波が生成されるように行われる。
【0088】
本発明のさらなる態様は、ヒート・ポンプである。このヒート・ポンプでは、冷媒ループ内にバッファ容器を有する分岐が配置される。この容器には固体吸着材料と温度コントローラとが設けられている。かかるシステムにおいて、バッファの温度を制御することにより、吸着される冷媒の量が制御できる。この制御は冷却操作に利用可能な冷媒が制御可能であるように行うことができる。冷媒の量を減少させることにより、凝縮器および蒸発器のそれぞれにおける凝縮および／または蒸発圧力を制御することができる。これらの圧力は、凝縮器および蒸発器の操作温度に関する。
【0089】
このように、例えば冷却温度を調節する洗練された方法が、ヒート・ポンプのオン−オフ・モードを回避することができるように、提供され、例えば、より正確な、一定した冷却温度が得られる。この温度を制御された吸着バッファは、上述のヒート・ポンプにおいて実際的であり得るけれども、そうであっても、既存のヒート・ポンプにも実際的に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【0090】
本発明をさらに説明するために、添付図面を参照して例示的実施形態が説明される。添付図面中、
【発明を実施するための形態】
【0091】
本明細書において用いられている表現「有効熱伝導率」は、主要な伝熱方向における熱伝導率［Ｗ／ｍＫ］であると了解されるが、限定的に解釈されるべきではない。例えば、吸着材に対しては、これは、同軸上に配置された管のデザインにおいて、半径方向の熱伝導率である。この熱伝導率は、図１８において提示されているように、伝熱プレートレットによって向上させることができる。
【0092】
伝熱流体中では、同軸管デザインと同様に、これは半径方向の熱伝導率である。波形の伝導材料が伝熱流体チャネル内に配置されているときは、主要な伝熱方向は接線方向、すなわち波板の蛇行路に実質的に垂直である。
【0093】
本明細書において用いられている表現「特性寸法」は、主要伝熱方向における吸着材料または伝熱流体チャネルの関連する高さ、幅、直径、（相当）半径または厚さ［ｍ］を指すものと了解されるが、これに限定されるものではない。例えば、同軸管デザインにおいては、吸着材料の特性寸法はその（相当）半径であり、伝熱流体チャネルの特性寸法はその幅または高さである。吸着材プレートが伝熱流体チャネルの間に挟まれている積層板デザインの場合は、特性寸法は吸着材料の高さの半分である。その理由は、伝熱は吸着材料層の両面に実質的に対称に起きるからである。その場合、このことは、特性寸法が伝熱流体チャネルの高さの半分である伝熱流体チャネルに対しても当てはまる。
【0094】
さらにまた、波形の伝導要素が適用された伝熱流体チャネルにおいて、図１５に示すように、特性寸法は、波形伝導要素の２つの連続する蛇行路の間の幅の半分である。
【0095】
本明細書において用いられている「比冷却力」という表現は、限定するつもりはないが、冷却力を吸着コンプレッサの質量によって除したもの［Ｗ／ｋｇ］を指すものと了解される。
【0096】
本明細書において用いられている量「γ」は、限定されないが、主要な伝熱方向における熱波内の吸着材料にわたる最大温度差を、吸着材料の密度で除したものを反映する設計パラメータを指すと了解される。量「γ」は下記等式１０に示される通りに定義される。
【0097】
本明細書において用いられている「三方弁のベース側」という表現は、限定されないが、三方弁の接続側を指すものと了解される。これは、弁を切り替えることにより、三方弁の第１の切替側または第２の切替側のいずれかに接続することができる。この接続は、ベース側と２つの切替側のいずれか一方との間に流体接続が得られるように行われる。本明細書および特許請求の範囲において用いられている「細長い」という表現は、限定されないが、物理的存在の性質であって、その１つの次元（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）、例えば第１の次元における測定値またはサイズが他の２つの次元における測定値またはサイズよりもはるかに大きいことを指すものと了解される。一般に、例えば、少なくとも１つの次元が他の２つの次元から少なくとも２倍離れている場合は、「細長い」と認識することができる。
【0098】
図は本発明の例示的実施形態を示すものであり、いかなる方法および形態においても本発明を限定するものではない。明細書および図を通して、同じまたは対応する参照符号は同じまたは対応する要素に用いられている。
【0099】
図１において、本発明に従う吸着セルの概念的側面断面図が示されている。この吸着セルは、その詳細が図２から明らかであるように、第１の伝熱流体コネクタ２と第２の伝熱流体コネクタ３が環状伝熱流体チャネル２ａとキャップ５により流体接続している。キャップ５は、伝熱流体接続導管を接続するための第１のコネクタ６と、円筒状壁１１上にキャップを接続するためのスカート７とを備える。円筒状壁１１は吸着セルの外郭構造と伝熱流体チャネル２ａの外郭構造となっている。環状の外郭構造１１内に、内郭構造１２が同軸上に配置されている。この内郭構造は伝熱チャネル２ａの管状内壁となっている。管状内壁１２内部に、固体吸着材料１０の層が配置されている。管状内壁１２は複数のキャップ８により保持され、その内の１つには蒸気コネクタ４が設けられている。この環状の伝熱チャネル２ａの寸法は小さく選ばれる。ここに管状の外壁と内壁の間のキャップ間隙は１ｍｍ以下である。固体吸着材料を有する内壁１２の内径は２ｃｍ未満、例えば約１．５ｃｍ未満に選ばれる。吸着材料の内部に、蒸気通過チャネルが配置されていてもよい。このチャネルは、管状外壁１１と管状内壁１２にそれぞれ同軸上となるように配置してもよい。
【0100】
内壁１２を正確に位置決めするために、環状のチャネル２ａはスペーサーを備えていてもよい。これらのスペーサーは、例えば、管状外郭構造１１内の明確に定義された圧痕（ｉｍｐｒｅｓｓｉｏｎｓ）により得られ、管状内壁を保持して位置決めするスタッドとなっている。
【0101】
図３は、本明細書に詳細に説明され図１および２に図示されている吸着セルのクラスタを示す。図３の実施形態において、８つのセルがクラスタとして配置される。ここに、伝熱流体コネクタは、１つの分配コネクタ１５に接続される。この分配コネクタ１５は対称的な脚を有するスパイダー型コネクタであってもよい。この分配コネクタはＴ字コネクタ１６に接続されている。蒸気導管４は、その一方の側において吸着セル１の円筒状内壁１２内部の吸着材料に接続され、その他方の側において蒸気導管コネクタ１７に接続されている。これにより、蒸気導管４は一組の逆止弁を介してヒート・ポンプの蒸発器または凝縮器のいずれかに接続している。
【0102】
図４は、スパイダー型分配コネクタ１３の詳細図である。
【0103】
図５は、図３に従う吸着セル・クラスタの概念的側面図である。図５において、分かるように、細長い吸着セルの細長いクラスタの両端上に伝熱コネクタが配置され、スパイダー・コネクタ１５を用いて吸着セルのそれぞれの環状伝熱チャネルをＴ字ヒーター・コネクション１６に接続する。蒸気導管は、もう一方で、本実施形態においては、細長いセル・クラスタの一方の側のみに接続される。蒸気導管は、代替的に、両端に配置されていてもよい。その理由は、蒸気が比較的熱い側または比較的冷たい側のいずれかに沿って案内されて出入りすることが好ましいからである。
【0104】
図６Ａは、２つの吸着セル・クラスタの配置を示す概念的斜視図である。第１の吸着セル・クラスタ２６ａは、伝熱Ｔ字コネクタ１６ａを用いて、伝熱入口マニホルド（またはヘッダー）２０と伝熱出口マニホルド２１とに接続されている。蒸気マニホルド１８ａおよび１８ｂは、それぞれコネクタ２３および２２を通って、蒸気マニホルド２５に接続されている。両導管２３および２２はＴ字コネクタ２４に接続され、Ｔ字コネクタ２４はこれらの導管を蒸気マニホルド２５に接続する。【0105】
図７に、第１の操作モードにおける、吸着セル・クラスタ２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよび２６ｄを通る伝熱流体循環の概念的流れ図が描かれている。本発明をよりよく説明するために、蒸気流動管は除外されている。しかしながら、吸着層２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよび２６ｄはそれぞれ蒸気導管を用いて、一組の逆止弁を通って凝縮器、圧力解放弁および蒸発器に接続されている。かかる配置は、ヒート・ポンプおよび冷凍機に見出すことができる（さらなる詳細については図９参照）。
【0106】
図７において、ヒーターまたは熱交換器３２は出口導管３４に配置され、それぞれの冷却モードの間、ヒーターまたは熱交換器３２に比較的熱い伝熱流体が供給される。この比較的熱い伝熱流体は、再加熱された吸着クラスタ２６Ａおよび２６Ｂの熱側３９Ａおよび３９Ｂに、それぞれ、由来するか、再加熱された吸着セル・クラスタ２６Ｃおよび２６Ｄの熱側３９Ｃおよび３９Ｄに、それぞれ由来する。ヒーターまたは熱交換器３２は、さらに、入口導管３６に接続される。この入口導管３６は、再加熱された伝熱流体を、吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｂの熱側３９Ａおよび３９Ｂに、または吸着セル・クラスタ２６Ｃおよび２６Ｄの熱側３９Ｃおよび３９Ｄに、それらの各加熱モードの間、案内するためのものである。
【0107】
ヒーターまたは熱交換器３２は、例えば、ガス燃焼ヒーターまたは熱交換器であって、例えば太陽熱システムに由来する通常の補助伝熱流体により供給されるものであってもよい。図７において、吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｂは冷却降温モードにあり、一方、吸着セル・クラスタ２６Ｃおよび２６Ｄは加熱昇温モードにある。ヒーターまたは熱交換器３２を出た熱い伝熱流体は三方弁２７により入口マニホルド２０ｃを通って吸着セル・クラスタ２６ｃおよび２６ｄに案内される。このモードの間、吸着材料は特定の方法で加熱される。すなわち、温度プロファイルまたはフロントがむしろ急峻であるか、このモードの開始時において熱い端部３９Ｃおよび３９Ｄに近い状態で加熱される。吸着セル・クラスタの熱い端部における熱い伝熱流体の流入の間、温度プロファイルまたはフロント（熱波ともいわわる、米国特許第４６１０１４８号公報明細書参照）は個々のセルを通って押され、それぞれ吸着セル・クラスタ２６Ｃおよび２６Ｄの冷側４０Ｃおよび４０Ｄに到達する。
【0108】
熱い伝熱流体が吸着セル・クラスタ２６Ｃおよび２６Ｄの伝熱チャネル２Ａ内に流入する間、むしろ急峻な温度プロファイルの故に、比較的冷たい伝熱流体が吸着セル・クラスタ２６Ｃおよび２６Ｄの冷側４０Ｃおよび４０Ｄを出る。比較的冷たい伝熱流体は、出口マニホルド２１Ａ、三方弁２９および出口導管３５を通ってクーラーまたは熱交換器３１に押し出される。【0109】
吸着セル・クラスタ２６Ｃおよび２６Ｄに由来する伝熱流体は、比較的に冷たいけれども、吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｃを再冷却するためにさらに冷却する必要がある。
【0110】
伝熱流体Ｔ字コネクタ１６を三方弁２７−３０と組み合わせて適用することにより、伝熱流体の冷たい部分と温かい部分を混合しても、ごく限定された熱量しか失われない。毎回、Ｔ字コネクタ１６の一方のアームとこれに接続されたマニホルドが機能するように切り替えられ、他方のアームとこれに接続された関連するマニホルドは、行き止まりの導管に接続されるため、アイドリング状態である。このように、モード１において、図７に従い、入口マニホルド２０Ａおよび２０Ｄと同様に、出口マニホルド２１Ｂおよび２１Ｃが閉じられる。このように、モード２において、図８に示されるように、入口マニホルド２０Ｃおよび２０Ｂと同様に、出口マニホルド２１Ａおよび２１Ｄが閉じられる。導管３３−３６、Ｔ字コネクタ１６と三方弁２７−３０を含むマニホルド２０Ａ−Ｄおよび２１Ａ−Ｃはすべて適切に熱絶縁されているので、熱損失は最低限に抑えられる。
【0111】
温度プロファイルまたはフロントが冷側４０Ｃおよび４０Ｄに到達すると、熱検知器（図示しない）は信号をコントローラ（図示しない）に送る。これにより、４つの三方弁２７，２８，２９および３０が切り替え可能になる。三方弁２７−３０を切り替えることにより、本システムは瞬間的に第２のモードに切り替わる。
【0112】
第２のモードにおいては、図８に示すように、吸着セル・クラスタ２６Ｃおよび２６Ｄは冷却降温モードにあり、一方、吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｂは加熱昇温モードにある。ヒーターまたは熱交換器３２を出る熱い伝熱流体は、今度は三方弁２７により案内され、入口マニホルド２０Ｄを通って吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｂに至る。このモードの間、吸着材料はモード１における吸着セル・クラスタと同様に加熱される。すなわち、すなわち、このモードの開始時において、熱い端部３９Ａおよび３９Ｂに近い、むしろ急峻な温度プロファイルまたはフロントを有する。吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｂの熱い端部において熱い伝熱流体が流入する間、温度プロファイルまたはフロント（温度波（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｖｅ）ともいわれる、米国特許第４６１０１４８号公報明細書参照）は個々のセルを通して押され、吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｂの冷側４０Ａおよび４０Ｂにそれぞれ到達する。
【0113】
吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｂの伝熱チャネル１２Ａ内に熱い伝熱流体が流入する間、むしろ急峻な温度プロファイルの故に、比較的冷たい伝熱流体が吸着セル・クラスタ２６Ａおよび２６Ｂの冷側４０Ａおよび４０Ｂを出る。温度プロファイルまたはフロントが冷側４０Ａおよび４０Ｂに到達すると、熱検知器（図示しない）が信号をコントローラ（図示しない）に送ることができ、これにより４つの三方弁２７、２８、２９および３０が切り替えられる。三方弁２７−３０を切り替えることにより、本システムは瞬間的に切り替えられて第１のモードに戻り、本サイクルが新たに開始できるようになる。
【0114】
熱交換器またはクーラー３１は、吸着層を冷却するために用いられる伝熱流体の部分を冷却降温する。吸着層２６ｃおよび２６ｄの入口における熱い伝熱流体は、クラスタ２６ｃおよび２６ｄ内の個々の吸着セルの環状壁を通して案内され、個々の吸着セル内の内壁１１内部の吸着材料を徐々に加熱昇温する。クラスタの熱側のＴ字コネクタの両アームはそれぞれ第１の対の三方弁の切替側と流体接続しており、この流体接続は、個々のＴ字コネクタのそれぞれの異なるアームが異なる三方弁の切替側と流体接続するように行われる。
【0115】
吸着材料を加熱昇温することにより、吸着された蒸気が吸着材料から徐々に解放される。個々の吸着セルの長さ方向において、熱い伝熱流体のフロントは、冷たい伝熱流体を、個々のセル内の環状伝熱チャネルを通して出口マニホルド２１ａに向けて徐々に放出する。この出口マニホルドは、伝熱流体の三方接続弁２９に、クーラー／熱交換器３１に向けて接続される。
【0116】
図９に、吸着セルまたはクラスタの管側と吸着された冷媒の流れの概念図が示されている。吸着セル２６Ａ−Ｄのクラスタの管側はマニホルド２５Ａおよび２５Ｂを経由し、一組の逆止弁４１Ａ、４１Ｂおよび４２Ａ、４２Ｂを通して凝縮器４６および蒸発器４９に接続されている。凝縮器４６は、導管４７および膨張弁４８を経由して蒸発器４９に接続されている。
【0117】
吸着セル２６Ａおよび２６Ｂのクラスタを加熱する間、冷媒ガスは比較的高圧で吸着材料から追い出され、逆止弁４１Ａおよび４１Ｂにより凝縮器４６に向けて案内される。凝縮器４６では、熱が高圧ガスから除去され、高圧ガスは凝縮して液体になる。凝縮器を出た後、液化されたガスは膨張弁４８により絞られ、膨張弁でガスの温度と圧力が顕著に降下する。低圧において、凝縮されたガスは蒸発器４９内で沸騰し始め、周囲から熱を集めてガスを再蒸発する。蒸発器４９を出るこの低圧の冷媒ガスは、逆止弁４２Ａおよび４２Ｂを通って冷却モードにある吸着材に案内され、ガスを捕集し、吸着する。【0118】
図示していないが、本システムの効率をさらに向上させるために、導管４５および５０内に向流熱交換器を一体化してもよい。このように、導管４５内の比較的に温かい冷媒が導管５０からの比較的に冷たい冷媒により冷却されてから凝縮器４６内で凝縮される。
【0119】
図７、８および９の流れ図は、実地では結合される。この結合は、結合された設備で、豊富な比較的低カロリーの熱源を用いて、実質的に一連の弁および逆止弁以外の機械的設備なしに、比較的に高度の熱冷却を実行できるようになされる。
【0120】
別の実施形態において、クラスタ２６Ａ−Ｄまたはセル１の長さに沿う温度プロファイルは、（軸方向の分散の結果）比較的に平坦化されている場合、流れを切り替えるトリガーが、冷却への切替または加熱への切替のいずれでも、非常に早く生じることがあり、吸着セルの操作が効率的でなくなる。従って、性能係数は経済的なサービスに対して低すぎることがある。伝熱流体の熱を最大限に利用するために、サイクルの熱いおよび冷たい部分の両方にショートカットを一体化してもよい。冷却すべきクラスタ２６Ａおよび２６Ｂ、または２６Ｃおよび２６Ｄは、クーラー３１に接続することができる。そして加熱すべきクラスタ２６Ｃおよび２６Ｄ、または２６Ａおよび２６Ｂは、熱交換器またはヒーター３２に接続することができる。従って、実質的に４つのモードの操作が可能である。これは２つの方法で実行することができる。すなわち、第１に、クラスタ２６Ａ−Ｄまたはセル１の外郭構造内の流動方向を維持することにより、第２に、冷却から加熱へおよびその逆に切り替えるときに流動方向を切り替えることにより実行することができる。
【0121】
図１０Ａ−Ｄにおいて、第１の代替手段が示されている。この第１の代替手段は、ショートカットを有し、クラスタ２６Ａ−Ｄの流動方向を替えない。同様の流動スキームが図１０Ｅ−１０Ｉに示されている。ここでは、個々の要素の配置が異なるだけで、流動ラインは、図１０Ａ−Ｄの場合と同じである。図１０Ａにおいて、第１モードのサイクルが示されている。このモードでは、伝熱流体はヒーター３２から三方弁５３を通ってクラスタ２６Ａにポンプで送られ、クラスタ２６Ａ内で固体吸着材料が加熱される。クラスタ２６Ａを出た伝熱流体は、熱波がクラスタ２６を通って移動する間、依然として比較的に冷たく、そして三方弁５５を通ってクーラー３１に案内される。ここで、比較的に冷たい伝熱流体が追加的に冷却される。この冷却された伝熱流体は三方弁５６を通ってクラスタ２６Ｃに案内される。クラスタ２６Ｃは冷却モードにあり、従って、その管の中の固体吸着材料にガスを吸着する。クラスタ２６Ｃを出た伝熱流体は依然として比較的に熱く、三方弁５４を通ってヒーター３２に案内される。
【0122】
従って、クラスタ２６Ａは加熱される。この場合、熱い熱波フロントは上方に移動する。そしてクラスタ２６Ｃが冷却される。この場合、冷たい熱波フロントは下方に移動する。
【0123】
比較的平坦化された（分散された）熱波が現れると、ある瞬間にサイクルが第１のショートカット・モードに切り替えられる。これは図１０Ｂに示される。切替時の最適の瞬間は、以下に図１２を参照して説明される通りである。切替の間、三方弁５４および５５は切り替えられる。その結果、ヒーター３２とクラスタ２６Ａは第１の分離されたサイクルにあり、そしてクーラー３１とクラスタ２６Ｃは第２の分離されたサイクルにある。従って、クラスタ２６Ａは依然としてさらに加熱されるが、クラスタ２６Ａを出る伝熱流体の流れは案内されて、今度はクーラー３１ではなくヒーター３２に戻る。その一方で、クラスタ２６Ｃは依然として冷却されるが、クラスタ２６Ｃを出る流れは、ヒーター３２ではなくクーラー３１に戻される。
【0124】
ある瞬間に熱波が完全に出現すると、クラスタ２６Ａをさらに加熱したり、クラスタ２６Ｃをさらに冷却したりすることは不可能である。
【0125】
その瞬間において、サイクルは逆転される。この逆転は、冷却されたクラスタ２６Ｃが再加熱され、加熱されたクラスタ２６Ａが再冷却されるように行われる。これは、図１０Ｃに示すように、第３の操作モードに切り替えることにより行うことができる。
【0126】
この図において、クラスタ２６Ａは今度は冷却され、クラスタ２６Ｃは今度は加熱される。ひとたび比較的平坦化された（分散された）熱波がクラスタ２６Ａおよび２６Ｃ内に出現すると、図１０Ｄに示すように、サイクルは第２のショートカット・モードに切り替わる。この図において、ヒーター３２とクラスタ２６Ｃは第３の閉じたサイクルを形成し、一方、クーラー３１とクラスタ２６Ａは第４の閉じたサイクルを形成する。クラスタ２６Ａおよび２６Ｃの両方において完全な熱波が出現すると、システムは再び第１の操作モードに切り替えられる。【0127】
図１０Ａ−１０Ｄにおいて、熱い熱波（ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｖｅ）と冷たい熱波（ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｖｅ）の両方がクラスタ２６Ａと２６Ｃを通って全て一方向に進行する。一方、図７および８の実施形態では、熱波はクラスタ２６Ａ−Ｄ内で前後（一方向および逆方向）に送られる。従って、図１０Ａ−Ｄにおけるクラスタ２６Ａおよび２６Ｃには、もはや熱側、冷側が存在しない。
【0128】
実際、熱波をクラスタ内で前後するように送り、その一方で、平坦化された（分散された）熱波による効率の損失を依然として回復させることも可能である。図１１Ａ−１１Ｄに、そのような操作のための概念的流れ図が示されている。これらの図において、クラスタは、それぞれの端部において、Ｔ字コネクタの代わりに十字コネクタを設けられている。
【0129】
第１のモードにおいて、図１１Ａに示されているように、クラスタ２６Ｅは加熱され、クラスタ２６Ｆは冷却される。クラスタ２６Ｅにおいて、伝熱流体は上方に流れ、一方、クラスタ２６Ｆ内で伝熱流体は下方に流れる。ひとたび熱波が出現すると、操作は第２のモードに切り替えられる。この第１のモードでは、出現する熱波は、実際にクラスタ２６Ｅの冷側４０Ｅに到達する熱いフロントと、同時に、クラスタ２６Ｆの熱い端部３９Ｆに到達する冷たいフロントである。図７および８に示される実施形態では、この瞬間にクラスタ内の流れが逆転されていると考えられる。しかしながら、熱波は、性能を得るために、より平坦化されて（分散されて）いてもよいので、第２のモードにおいて、クラスタ２６Ｅはさらに加熱され、クラスタ２６Ｆはさらに冷却される。しかしながら、流出する流れはいずれも逸らされる。このモードでは、図１１Ｂに示されるように、クラスタ２６Ｅから出る流れは、クーラー３１Ｂではなくヒーター３２Ｂに導かれる。その一方で、クラスタ２６Ｆを出る流れはヒーター３２Ｂではなく、クーラー３１Ｂに案内される。
【0130】
熱波の尾部が出現すると、クラスタ２６Ｅおよび２６Ｆの両方における流動方向が逆転される。図１１Ｃにより表されるこのモードでは、クラスタ２６Ｆが加熱され、クラスタ２６Ｅが冷却される。次いで、クラスタ２６Ｅ内の流動方向が下方に指向され、クラスタ２６Ｆ内では上方に指向される。ひとたび、第３のモードにおいて、クラスタ２６Ｅおよび２６Ｆ内に熱波が出現し始めると、システムは、図１１Ｄに示されるように、第４のモードに切り替えられる。このモードでは、クラスタ２６Ｅとクーラー３１Ｂは第１のサイクル内で連結され、クラスタ２６Ｆとヒーター３２Ｂは一つのサイクル内で連結される。
【0131】
熱波の尾部が出現すると、システムは切り替えられてその第１の操作モードに戻る。
【0132】
弁とマニホルドの構成は、熱い伝熱流体と冷たい伝熱流体が通過する必要があるのはごく一部の導管だけであるように設計されている。このように、本発明に従うシステムの実施形態内で、熱い伝熱流体と冷たい伝熱流体に直面するバルブは一つもない。従って、効率の損失を最低限にすることができる。
【0133】
第１のモードから第２のショートカット・モードに切り替える適切な瞬間の決定は、システムの全体効率またはＣＯＰの最大化によって決まる。
【0134】
確認されたモデリングから明らかなように、実際、熱波は、図１２に示されるように、むしろ平坦化されて（分散されて）いる。この図において、クラスタ２６Ａおよび２６Ｃの流出温度は、図１０Ａ−Ｄに示されるように、および上述のように、熱波がこれらのクラスタを通過する時間に関連付けて描かれている。出口温度は、理論上は、他方のクラスタを加熱または冷却するのに使用することができる伝熱流体の温度である。他方のクラスタに流入する前に、伝熱流体の温度がクーラー３１とヒータ３２内の最初のレベルに戻される。これらの温度が最初の温度から逸脱すればするほど、より高い温度差を橋渡しする必要があり、一層の努力をすることが必要とされる。理想的な状況においては、熱波は非常に急峻であり、温度の偏差は、第１のモードの間、比較的に小さく、実質的に一定である。
【0135】
図１２において、実線はクラスタ２６Ａの出口における温度を表す。クラスタ２６Ａは時間０において熱く、冷却モードにある。一方、クラスタ２６Ｃは冷たく、加熱モードにある。クラスタ２６Ａの温度はいくつかの時間間隔に分けて説明される。
【0136】
・０−１００秒 流出する流体の線形の温度降下が見られる。比較的に冷たい伝熱流体が流入するので、クラスタ２６Ａの第１の部分が急速に冷却される。顕著な吸着が吸着層のその部分に起きるため、層全体が減圧される。この圧力降下のために、吸着層の温かい部分が脱着し始める。脱着熱が必要とされ、これにより層の温度が低下する。セルは熱交換器のように作製されているので、クラスタ２６Ａを通過しこれを出る熱流体も冷却される。
【0137】
・１００−５５０秒 クラスタ２６Ａは冷たく、ガスは吸着クラスタ２６Ａの吸着材料側に流入し、吸着される。流出温度は、しばらく、一種の「プラトー（ｐｌａｔｅａｕ）」において実質的に一定であるが、ついで２５０秒において、徐々に降下する。実際、図１２における結果が示すように、熱勾配は、例えば米国特許公報第４６１０１４８号公報明細書において予想され、記載されているようには急峻ではない。
【0138】
・５５０−１２００秒 クラスタ２６Ａから流出する伝熱流体の温度は、依然として、クラスタ２６Ｃから流出する伝熱流体の温度よりも低い。
【0139】
５５０秒において、クラスタ２６Ｃから流出する伝熱流体の温度は、クラスタ２６Ａから流出する伝熱流体の温度よりも高くなる。その時点で、システムは、図１０Ｂに示されるように、第１のモードから第２のショートカット・モードに切り替えられるべきである。
【0140】
まさにこの瞬間において、クラスタ２６Ａを出る伝熱流体を加熱し、これをクラスタ２６Ｃをさらに加熱するために使用することは、効率的でない。より効率的であるのは、この伝熱流体を冷却し、これを全く同じクラスタ２６Ａにおいて再使用してこのクラスタ２６Ａをさらに冷却することである。
【0141】
すべての操作切替モードにおいて、図７−１１に示されるように、さらなる効率ゲインが得られるのは、分離されたセルまたは分離されたクラスタの吸着側の圧力が、吸着から脱着への切替とその逆の切り替との間で、等化されているときである。かかるオプションは、図９において破線で表された追加のショートカット・ライン６２Ｂを必要とする。このショートカット・ライン６２Ｂは、ショートカット弁６３Ｂを有する。
【0142】
図１、２および１０Ａ−Ｄに示されるように、同軸外郭−管デザインにおいて確認された数値シミュレーションから、ＣＯＰとＳＣＰの間の関係が得られ、図１３に示されるようなグラフとして描かれている。この図において、横軸上の結合パラメータγが縦軸上のＣＯＰに対して表示されている。結合パラメータγは次のように定義される。【数13】
【0143】
ここに、λａｄｓは、固体吸着材料の熱伝導率であり、ｒは、細長い管内の固体吸着材料の（相当）半径である。この図から推定することができるように、γの値が高いと、ＣＯＰは０．４の値になる傾向があり、この値はバッチ式加熱−冷却をするコンプレッサで熱波が存在しないものを表す。さらに推定することができるように、（相当）半径が小さいと、比較的に高いＣＯＰが達成可能である。しかしながら、ＳＣＰは低下する。
【0144】
ＣＯＰとＳＣＰは、一般に、所望の量であり、技術的仕様と商業上の理由によって決定される。ひとたびこれらが与えられ、このグラフから特定の吸着材料が選ばれると、吸着材料の（相当）半径を推定することができる。
【0145】
このプロットの結果は下記を暗示している。−γが増加するとＣＯＰが減少するのは、吸着材料に対して熱が流入流出する熱波の位置において半径方向の勾配が増大することによって引き起こされる。これらの半径方向の勾配は、熱波の急峻さを低減するものと考えられる。実際には、熱波は吸着セル１の細長い方向において不鮮明になり、出口温度が、熱いセルにおいては早期に降下し、冷たいセルにおいては早期に上昇する。
−半径方向の勾配の増大は、結合パラメータγ内の３つのパラメータ、すなわちＳＣＰ、ｒおよびλによって下記のように影響され得る。
−ＳＣＰにより比例的に、ＳＣＰはセルのパワー入力に直接関係するので、論理的に半径方向の勾配は直接パワー入力に関係する。
−吸着材料の（相当）半径の二乗に比例して、セル内の吸着材料の質量とともに入力パワーが増加し、ＳＣＰを一定に維持する必要があり、セルの質量はｒの二乗に比例する。
−吸着材料の半径方向熱伝導率の逆数に比例して、より高い伝熱輸送は熱勾配を低下させる。
【0146】
ＣＯＰは、セルが細長い限り、セルの長さには実質的に関係がない。ここに、長さを直径で除した値が少なくとも１０であるのが妥当である。実地上は、１ｍのセルが２０個でも０．５ｍのセルが４０個でも差がない。いずれの状況においても、ＳＣＰは一定である。しかしながら、セルの長さは、等式９から推定できるように、伝熱流体チャネル内における粘性圧力降下によるパワー損失に対して実質的な影響を有する。
【0147】
従って、最大ＣＯＰは、最小のＳＣＰにおいて達成される。これは既知のトレードオフである。より興味深いのは、吸着材料の熱伝導率は高くなければならないということであり、あまり知られていないことであるが、吸着材料の（相当）半径を減少させることよりもはるかに重要である。吸着材料の（相当）半径を最低限にするこの等式１０はγに対してもっとも大きな影響を及ぼす。
【0148】
しかしながら、吸着材料の（相当）半径が小さくなると、セルの数が大きくなる。セルの数は下記式により計算することができる。【数14】
【0149】
この（相当）半径および等式４を用いて、伝熱流体チャネルの最大直径を決定することができる。加えて、等式９から最大圧力降下を推定することができる。この圧力降下とビオ数は、図１４に示されるように、伝熱流体チャネルの厚さに対してプロットすることができる。
【0150】
この図において、圧力降下は右側の縦軸に目盛られており、ビオ数は左の縦軸に目盛られている。環状伝熱流体チャネルの直径は横軸に目盛られている。ラインＬ１は計算された圧力降下を表し、ラインＬ２は計算されたビオ数を示す。この図から推定することができるのは、一方で、直径が水力学的圧力降下によるパワー損失が大き過ぎることはないか否か、他方で、ビオ数が低過ぎることはないか否かである。
【0151】
この図は、アモルファス炭素を吸着材として、ＮＨ３を冷媒または吸着ガスとして、水を伝熱流体として，同心管のデザインにおいて組み合わせるために、作業ウィンドウが提供されることを示している。このウィンドウは、伝熱流体チャネルの直径を約０．１−０．４ｍｍにすることが可能である。
【0152】
熱油が伝熱流体として用いられる場合、比較的に低い熱伝導率のために、ビオ数は極端に狭い伝熱流体チャネルを要求し、受け入れられない圧力降下をもたらす。依然として作業範囲を提供するために、放射状熱導体を伝熱チャネル内に挿入してもよい。
【0153】
伝熱流体の熱伝導率は、約０．１および１０Ｗ／ｍＫの間で選ぶことができる。ここに、水銀のような使用可能な流体に対して、熱伝導率は約７−１０Ｗ／Ｋｍであり、水は約０．３−１．０Ｗ／Ｋｍである。熱油の熱伝導率は０．１−０．６Ｗ／Ｋｍであってもよい。作業可能な範囲は、０．１と１０Ｗ／Ｋｍの間であってもよい。しかしながら、圧倒的に０．１と１Ｗ／ｋｍの間である。
【0154】
サイクル時間に対しては、下記等式が得られる。【数15】
【0155】
ここに、ｔｃｙｃｌｅは収着セルまたはクラスタの全サイクル時間、すなわち、吸着−脱着モードのための全サイクル時間、Δｈは、冷却力（典型的に、アンモニアについては１．２ＭＪ／ｋｇである）を提供する冷媒ガスのエンタルピー変化［Ｊ／ｇ］である。Δｘｎｅｔは、一回の吸着−脱着サイクルにおいて炭素から吸着−脱着されるガスの正味の量を、ガスｇ／吸着材料ｇで表したものである（典型的には、０．１５アンモニアｇ／炭素ｇ）。
【0156】
図１５において、かかる放射状導体の一例が示されている。この図において、波形の薄い金属シート６１が吸着材料１０の内壁１２の周りに設けられている。
【0157】
図１６において、吸着材料１０、内壁１２および外壁１１のさらなる代替的配置が示されている。この実施形態では、吸着材料を含む一連の管が外壁１１によって覆われている。独立した隣接する管の間において外壁を溶接または半田付けしてもよい。この構成の利点は、より高い能力のクーラーまたはヒート・ポンプはかなりの量の吸着材料を必要とするが、多数のチャネルが１工程で接続・製造されると、より迅速に製造できることである。
【0158】
あるいはまた、図１７に示されるように、伝熱流体チャネルが吸着材料により事実上包囲されている、実質的な三次元構造も作製することができる。かかる三次元構造の無限形状が可能である。もっとも、この場合は、伝熱流体チャネルの直径は、クラスタ内で、細長い方向にもその断面方向にも、実質的に変化しない。その理由は、「間違った流れ（ｆａｌｓｅ ｆｌｏｗｓ）」は吸着コンプレッサの効率を急速に悪くするからである。実際、これらの配置において、伝熱流体チャネルの相対的な大きさと、吸着材料の大きさは、依然として等式４またはその幾何学的均等物に従わなければならない。
【0159】
吸着材料の半径方向の伝導率を改善するために、例えば、放射状導体を吸着材料内に挿入してもよい。例えば、伝熱性ラメラ６２Ａは吸着材料１０内において、個々の吸着ユニット６８Ｂの間に配置されてもよい。吸着ユニット６８Ｂは、典型的に円筒状、例えば、図１８Ａに示されるように、錠剤（ピル）の形状である。他の解決策としては、伝熱性炭素繊維をアモルファス炭素内に組み込むことが考えられる。これらの炭素繊維は、バッキー・チューブといった炭素ナノ繊維を含んでいてもよい。
【0160】
他の実施形態において、本発明の吸着セルまたはそのクラスタはユニット（６８Ｂ）と、伝導性ラメラ（６２Ａ）とを備える。伝導性ラメラ（６２Ａ）は、ピルにより形成され、ピルは伝熱性材料製のカップにより少なくとも部分的に包囲され、該カップは該ピルを含む。緊密に適合するカップは、好ましくは、セルの壁と同じ材料、典型的にはステンレス鋼で作製され、セルとカップの間の熱膨張により生じる不整合を最低限にしている。別体の高伝導性材料の薄いシート（例えば、アルミニウムまたはグラファイト）を、カップの底部の一方または両方の側上に追加してセル壁から吸着ピル内への良好な伝熱を確保することができる。この実施形態は、図３５に概念的に示されている。
【0161】
全体が伝導性材料、例えばアルミニウムからからなるカップ（１１１）を設けることも可能である。
【0162】
カップは、冷媒用のチャネルとなる１つまたはそれ以上の開口部（７０）を含んでいてもよい。
【0163】
適用された本発明の範囲内で利用可能である代替的吸着材料は、活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機骨格金属（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｆｒａｍｅｗｏｒｋｓ）である。代替的に利用可能である冷媒は、二酸化炭素，ヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ、例えば、Ｒ−１３４ａ冷媒）、ヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ、例えば、Ｒ−１２３冷媒）、水、メタノール、エタノール、エタン、プロパン、イソブテン、イソペンタン、プロピレン、ホルムアルデヒドおよびフッ化ビニルである。他の好適な冷媒も本発明の範囲内で利用可能である。
【0164】
図１８Ｂにおいて、個々の吸着ピル６８Ｂは、放射状ミクロチャネル６９を設けられ、吸着材料の透過性を向上させている。吸着材料の透過性が低くなる場合、これらのチャネルにより、冷媒ガスまたは蒸気の半径方向の輸送が吸着コンプレッサの効率の制限因子となることが防止される。これらのマイクロチャネルにより、冷媒チャネル７０への輸送および冷媒チャネル７０からの冷媒の輸送が支持され得る。
【0165】
吸着ピル６８Ｂの製造中は、放射状マイクロチャネル６９の形状を、吸着ピルのプレス成形型にあらかじめ存在させておいて、後で吸着ピルを機械加工する必要がないようにしてもよい。あるいはまた、これらのマイクロチャネル６９は吸着材料に機械加工またはエッチングにより設けてもよい。これらのマイクロチャネル６９は、個々のピル６８Ｂの一方または両方の対向端部に適用することができる。
【0166】
図１９において、吸着材料１０を含むバッファ容器は図９の冷媒ループに組み込まれる。このループ内の冷媒の量は、バッファ容器６３Ａの温度を調整することにより調整できる。このために、温度コントローラ６５は、弁６８Ａを制御して温度を所定の値に維持できる。ループ内部の冷媒の量を調整することにより、凝縮器４６および蒸発器４９内の圧力を替えることができ、それにより、沸騰温度および凝縮温度を変えることができる。このように、これらの温度を設定する洗練された方法を得ることができる。膨張弁４８の調整も行って、蒸発器４９と凝縮器４６の両方における相対的圧力および温度を調整できる。
【0167】
図２０−２３Ｂにおいて、代替的な吸着セル・クラスタ２６が示されている。この吸着セル・クラスタ２６において、１０ｘ１０個の平行吸着セル１のマトリックスが２つの分配要素７１および７２の間に配置される。分配要素７１および７２は一組の３つのプレート７５、７６および７７を備える。
【0168】
第１のプレート、すなわち冷媒導管プレート７５は、冷媒マニホルド７８を冷媒導管２２、２５に接続するための冷媒ガス開口部７３を備える。冷媒導管２２、２５は、例えば図９または１９に示すように、冷媒ループに導く。冷媒マニホルド７８は、冷媒導管プレート７５の材料から機械加工またはエッチングにより作製される。冷媒マニホルド７８は、１０個の冷媒副マニホルド７９と流体接続している。副マニホルド７９は、分離リブ８１により相互に分離されている。副マニホルド７９において、冷媒案内スタッドが、吸着セル１の内管１２に冷媒を案内するために配置されている。
【0169】
マニホルド７８および副マニホルド７９は、熱伝達導管プレート７６の下面により閉じられている。熱伝達導管プレート７６の上面は、伝熱流体マニホルド８２を備え、伝熱流体マニホルド８２は伝熱流体開口部７４を通って伝熱流体Ｔ字コネクタ１６に接続してもよい。マニホルド８２は、１０個の伝熱流体副コネクタ８３と流体接続している。これらの副マニホルド８３は、個々の吸着セル１の環状伝熱流体チャネル２Ａと流体接続している。
【0170】
マニホルド８２と副マニホルド８３は、閉塞プレート７７により閉じられる。閉塞プレート７７は円筒状外壁１１を閉塞プレート７７に接続するための開口部を備える。
【0171】
これらのプレート７５、７６および７７は接着、半田付けまたは溶接により相互接続することができる。個々の吸着セルの円筒状外壁１１および円筒状内壁１２は、同様に、プレート７７および７６にそれぞれ溶接、接着および／または半田付けすることができる。
【0172】
図２３Ｂの概念的切り欠き図において、３つのプレートの配置がさらに詳細に示される。この図において、個々の吸着セル１の円筒状外壁１１は、閉塞プレート７７内の開口部に接続される。各円筒状外壁１１の端部は、閉塞プレート７７の内面と実質的に同一平面である。円筒状内壁１２はさらに延在し、伝熱流体導管プレート７６の接続開口部８５Ａに接続されている。従って、流体接続が伝熱流体副マニホルド８３と環状伝熱流体チャネル２Ａとの間に得られる。
【0173】
個々の吸着セルの円筒状内壁１２の端部は、熱伝達導管プレート７６と接続されている。円筒状内壁１２の端部は、伝熱流体導管プレートの上面と実質的に同一平面にある。従って、流体接続が冷媒副マニホルド７９と吸着材料１０との間に得られる。
【0174】
図２４において、クラスタの分配要素の代替の配置が示されている。別々のプレート９１、９３、９４およびガスケット９２は、一組のボルト９０によって一緒に保持される。この配置では、閉塞プレート９１は一連の補強リブ８９と補強リング９５とが設けられている。これらのリブ８９およびリング９５により、閉塞プレート９１に対する構造的一体性が与えられ、閉塞プレート９１に冷媒ガスの圧力に耐える強度が与えられる。閉塞プレートの補強リング９５を通って、ガスケット９２のボルト穴９７、ツイン・コンジット・プレート９３のボルト穴１０３、および閉塞プレート９４のボルト穴１０４を配置することができる。
【0175】
ツイン・コンジット・プレート９３は、その上面に冷媒マニホルド１００を設けられ、その下面に伝熱流体マニホルド１０６を設けられている。これらのマニホルド１００および１０６はツイン・コンジット・プレート９３の材料から機械加工によって作製することができる。あるいはまた、この材料にエッチングにより作製してもよい。冷媒マニホルド１００には、約２０バールまでのかなり高い圧力が存在することが考えられる。冷媒をマニホルドとシステムの内部に含むように、ツイン・コンジット・プレート９３と閉塞プレート９１との間にガスケットを配置してもよい。
【0176】
図２６Ａ−Ｄに示す実施形態では、伝熱流体と冷媒の両方用に単一のマニホルドが示されているけれども、代替的に、図２２Ａ−Ｃに示す実施形態で行われるように、１つのマニホルドと別体の複数の副マニホルドを有する構成も利用可能である。
【0177】
あるいはまた、第２のガスケットをツイン・コンジット・マニホルドと閉塞プレート９４との間に適用して伝熱流体を含むようにしてもよい。
【0178】
図２７Ａおよび２７Ｂにおいて、図２４に従うクラスタの詳細切開図が示されている。この配置において、個々の吸着セルの伝熱流体チャネル２Ａは、伝熱流体マニホルド１０６と流体接続し、吸着材料１０は、冷媒ヘッダー１００と流体接続している。
【0179】
冷媒ヘッダー１００は、冷媒導管８６に接続される。この冷媒導管８６は、図９または１９に示されるように、冷媒ループと流体接続していてもよい。伝熱ヘッダー１０６は伝熱導管８７と流体接触しており、この伝熱導管８７はコネクタ８８の幹部と接続される。
【0180】
従って、クラスタ２６は、図７−９、１０Ａ−Ｉに示されるように、概念的流れ図において一体化して、クラスタ２６Ａ−Ｄに替わることができる。
【0181】
クラスタ２６は、同様に図１１Ａ−Ｄに従う流れ図において一体化することができるが、その場合は、Ｔ字コネクタ８８は十字コネクタに置き換えて適合させることが必要となる。１つのクラスタ内で同時に移動する熱波を提供するために、主要流動抵抗が伝熱チャネル２Ａ内に残存していなければならない。つまり、伝熱流体マニホルド８２、１０６の設計は、それらマニホルドの流動抵抗が１つのクラスタ内のすべてのセルのすべての伝熱流体チャネル２Ａの全流動抵抗よりも少なくとも１けた小さくなるように、行われることが必要である。
【0182】
クラスタの冷媒接続は、以下に説明するように、一面または両面において行うことができる。
【0183】
伝熱流体導管内のＴ字コネクタは、クラスタの各端部におけるマニホルド８２、１０６の２つの伝熱出口によって置き換えてもよい。
【0184】
プレート７５−７７、９１−９５は接着、溶接、半田付けおよび／またはそれらの組合せにより結合することができる。円筒状壁は他のプレート内または上に接着、焼ばめ、溶接、半田付またはねじ込みすることができる。
【0185】
吸着セル１のマトリックスは四角のマトリックスとして提示されているが、別の構成、例えばハニカム構造型の構成も同様に可能である。
【0186】
本発明は、広範囲の分野において、特に廃熱が利用可能である分野であって、エアコン、例えば自動車、特にトラック用途のエアコンから、冷凍機その他の用途にわたる分野において利用可能である。
【実施例】
【0187】
本発明の熱波操作方法と、記載された熱波操作に好適な吸着コンプレッサ層との組み合わせから得られる性能改善を実証するための実験構成が構築された。この構成は下記のシステム要素からなる。２つの吸着コンプレッサ層であって、図６Ｂに示されるように、それぞれ２つのクラスタからなり、各クラスタは８つの吸着セルからなるもの。
ヒーター、クーラーおよび４つの三方弁を有し、図１０において示されるように接続された、ＨＴＦシステムであって、図１０Ｆ−１０Ｉに従って切り替えることができるもの。
冷媒ループであって、図９に示すように、逆止弁、凝縮器、蒸発器および４つの流量制限部材を内蔵したもの。
制御システムであって、三方弁を調整し、関連する温度、圧力、流量およびパワーを測定するのに適したもの。
【0188】
この実験構成を用いて、特許請求の範囲に記載された熱波操作方法が明確に示され、そして期待されたヒート・ポンプ操作が実証され、ＣＯＰの改善と高いＳＣＰとが組み合わせて得られた。図３６は、２つの吸着層の入口（１１２、１１４）および出口（１１３、１１５）温度の典型的な測定値を時間の関数として示す。示された領域Ｘは、このサイクルにおける２つの層の間で再生される熱の量に比例する。なお、この特定の測定において、サイクルの終点において温度差が残った。これはこの実験構成におけるコンプレッサ層の熱隔離が不十分であった結果である。
【0189】
本発明は、図示され、明細書中に説明された例示的な実施形態に限定されるものではない。種々の改変は、特許請求の範囲において要点が記載されている本発明の範囲内の変形例であると考えられる。
【符号の説明】
【0190】
１ 吸着セル ６１ 波板２Ａ 環状伝熱流体チャネル ６２Ａ ラメラ
２ 伝熱流体コネクタ ６２Ｂ 等化導管
３ 伝熱流体コネクタ ６３Ａ バッファ容器
４ 蒸気コネクタ ６３Ｂ 等化弁
５ キャップ ６４ ヒーター
６ 導管コネクタ ６５ 温度コントローラ
７ スカート ６６ バッファ・コンジット
８ 内側キャップ ６７ 弁
９ 内側キャップ結合部分 ６８Ａ 制御弁
１０ 吸着材料 ６８Ｂ 吸着ピル
１１ 円筒状外壁 ６９ 放射状ミクロチャネル
１２ 円筒状内壁 ７０ 冷媒ガスチャネル
１３ 分配コネクタ ７１ 分配要素
１４ 接続開口部 ７２ 分配要素
１５ ヘッダー・コネクタ ７３ 冷媒ガス開口部
１６ 伝熱流体Ｔ字コネクタ ７４ 伝熱流体開口部
１７ 蒸気導管コネクタ ７５ 冷媒導管プレート
１８ 蒸気ヘッダー・マニホルド ７６ 熱伝達導管プレート
１９ 蒸気ヘッダー・コネクタ ７７ 閉塞プレート
２０ 伝熱流体入口ヘッダー ７８ 冷媒マニホルド
２０ａ−ｄ 伝熱流体入口マニホルド ７９ 冷媒副マニホルド
２１ａ−ｄ 伝熱流体出口マニホルド ８０ 吸着材料固定スタブ
２１ 伝熱流体出口ヘッダー ８１ 分離リブ
２２ 蒸気導管 ８２ 伝熱流体マニホルド
２３ 蒸気導管 ８３ 伝熱流体副マニホルド
２４ 蒸気マニホルドＴ字コネクタ ８４ 分離リブ
２５ 蒸気マニホルド ８５Ａ 内管接続開口部
２６ａ−ｄ 吸着セル・クラスター ８５Ｂ 分配要素
２７ 熱い伝熱流体入口三方弁 ８６ 冷媒導管
２８ 熱い伝熱流体出口三方弁 ８７ 伝熱流体導管
２９ 冷たい伝熱流体出口三方弁 ８８ Ｔ字コネクタ
３０ 冷たい伝熱流体入口三方弁 ８９ 補強リブ
３１ クーラー／熱交換器 ９０ ボルト
３２ ヒーター／熱交換器 ９１ 閉塞プレート
３３ 冷たい伝熱流体注入導管 ９２ ガスケット
３４ 熱い伝熱流体排出導管 ９３ ツイン・コンジット・プレート
３５ 冷たい伝熱流体排出導管 ９４ 閉塞プレート
３６ 熱い伝熱流体注入導管 ９５ 補強リング
３７ ポンプ ９６ ボルト穴
３８ ポンプ ９７ ボルト穴
３９Ａ−Ｆ 熱側 ９８ リブ
４０Ａ−Ｆ 冷側 ９９ 端部
４１Ａ−Ｂ 逆止弁 １００ 冷媒マニホルド
４２Ａ−Ｂ 逆止弁 １０１ スペーサ・リング
４３ 高圧ガス導管 １０２ 内側管接続開口部
４４ 高圧ガス導管 １０３ ボルト穴
４５ 高圧ガスマニホルド １０４ ボルト穴
４６ 凝縮器 １０５ 外側管接続開口部
４７ 膨張導管 １０６ 伝熱流体マニホルド
４８ 膨張弁 Ｌ１ ビオ数を表す線
４９ 蒸発器 Ｌ２ 圧力降下を表す線
５０ 低圧ガスマニホルド Ｐ１−Ｐ４ ポンプ
５１ 低圧ガス導管 １０７Ａ−Ｈ 二方弁
５２ 低圧ガス導管 １０８Ａ−Ｂ 四方弁
５３ 三方弁 １０９ 伝熱流体チャネル
５４ 三方弁 １１０Ａ−Ｂ 波板
５５ 三方弁 １１１ カップ
５６ 三方弁 １１２ ベッド１入口温度
５７ 三方弁 １１３ ベッド１出口温度
５８ 三方弁 １１４ ベッド２入口温度
５９ マニホルド １１５ ベッド２出口温度
６０ マニホルド
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図10F】
【図10G】
【図10H】
【図10I】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18A】
【図18B】
【図19】
【図20】
【図21A】
【図21B】
【図21C】
【図21D】
【図21E】
【図21F】
【図22A】
【図22B】
【図22C】
【図23A】
【図23B】
【図24】
【図25A】
【図25B】
【図25C】
【図25D】
【図26A】
【図26B】
【図26C】
【図26D】
【図27A】
【図27B】
【図28】
【図29A】
【図29B】
【図29C】
【図29D】
【図30】
【図31A】
【図31B】
【図32A】
【図32B】
【図32C】
【図32D】
【図33A】
【図33B】
【図33C】
【図33D】
【図34】
【図35】
【図36】