(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
従来より、吸着式ヒートポンプを利用した熱サイクルシステムが種々の分野で利用されており、冷暖房装置や給湯器などに応用されている。
【0003】
これまでに提案されている吸着式ヒートポンプは、一対の吸着器、凝縮器及び蒸発器を備えたものが一般的であり(例えば、特許文献1参照)、COP(Coefficient Of Performance)を高める増熱モードを利用した例として、吸着式ヒートポンプ式給湯機が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。この方式では、通常3方向バルブを用いた流路の切り替えによって作動モードの切り替えや給湯操作が行なわれる。具体的には、吸着器の一方で流体を吸着し他方で脱離(すなわち吸着器の再生)させる動作と、前記一方の吸着器から流体を脱離し前記他方に吸着させる動作と、を切り替えて交互に行なう。
【0004】
このほか、上記と同様に動作する水系吸着式ヒートポンプなども知られている(例えば、非特許文献2参照)。
【0005】
非特許文献2に記載の水系吸着式ヒートポンプは、減圧場で蒸発器を駆動する代表的な応用例である。多くの場合、沸騰を起こすことが困難であることから、流下液膜式蒸発器が用いられることが多い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
上記の水系吸着式ヒートポンプでは、一般に蒸発器内の相変化媒体飽和圧力が0.9kPa以下(飽和温度5°C以下)となり、沸騰開始過熱度が20K以上となる(大気圧環境下では4〜10K)。従って、熱媒温度25℃程度を境に沸騰が起こらなくなる。
【0009】
流下液膜式蒸発器の場合、相変化媒体を伝熱面に噴きかけるためのポンプが必要であることと、全体の体格が大きくなることとが問題となる。
【0010】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、相変化媒体の減圧環境下であっても、流体の気化を促進することができる蒸発器を提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、以下の知見に基づいて達成されたものである。すなわち、蒸発器において、減圧場では、大気圧場と比べ、沸騰開始過熱度が大きくなる。そのため、熱媒温度の低下に伴い、相変化媒体の相変化様式は壁面の沸騰から、気液界面からの蒸発へと遷移するため、伝熱効率が急激に低下する。そこで、沸騰促進用熱媒流路に沸騰開始過熱度を満たす温度の熱媒を流すことで、気泡を生成し、その気泡により、冷熱生成用熱媒流路の伝熱面上での気液界面面積を増大させ、伝熱効率を向上させることが可能となるとの知見である。
【0012】
前記目的を達成するために、本発明の蒸発器は、流体を気化するための相変化媒体流路と、前記相変化媒体流路の下流側での気化熱により冷却される冷熱生成用熱媒を流通させる冷熱生成用熱媒流路と、前記相変化媒体流路の上流側を加熱するための熱媒を流通させる沸騰促進用熱媒流路とを備え、前記沸騰促進用熱媒流路の上流が、前記流体の沸騰開始過熱度を上回る温度の熱源と接続されている。
【0013】
本発明では、前記蒸発器は、前記相変化媒体流路及び前記冷熱生成用熱媒流路を有する第1蒸発器と、前記相変化媒体流路及び前記沸騰促進用熱媒流路を有する第2蒸発器とであり、前記第1蒸発器の前記相変化媒体流路と前記第2蒸発器の前記相変化媒体流路とが直列に接続されているようにすることができる。
【0014】
本発明では、前記冷熱生成用熱媒流路と、前記沸騰促進用熱媒流路とが空間的に分離されるようにすることができる。
【0015】
本発明では、前記冷熱生成用熱媒流路と前記沸騰促進用熱媒流路との間の熱移動量が、前記冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、50%以下である。また、本発明では、前記冷熱生成用熱媒流路と前記沸騰促進用熱媒流路との間の熱移動量が、前記冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、10%以下である。
【0016】
本発明において、前記相変化媒体流路の下流は、配管を介して、物理吸着材又は化学蓄熱材を収納した反応器と接続されており、前記物理吸着材又は前記化学蓄熱材の減圧作用により、前記相変化媒体流路の減圧環境が形成されるようにすることができる。
【0017】
上記の流体を、水とすることができる。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、相変化媒体の減圧環境下であっても、流体の気化を促進することができる蒸発器が提供される。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、図面を参照して、本発明の蒸発器を、ケミカルヒートポンプに適用した実施形態について具体的に説明する。但し、本発明においては、以下に示す実施形態に制限されるものではない。
【0021】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に係るケミカルヒートポンプを
図1〜
図5を参照して説明する。本実施形態では、吸着器の物理吸着材としてシリカゲルを、蓄熱反応器の化学蓄熱材として酸化カルシウム(CaO)を用い、吸着器や蓄熱反応器に供給される流体として水蒸気(水)を用いたケミカルヒートポンプ(以下、単に「ヒートポンプ」ともいう。)を一例に詳細に説明する。
【0022】
本実施形態のヒートポンプ100は、
図1に示すように、蒸発器10と、物理吸着材を有する吸着器20と、化学蓄熱材を有し、吸着器を蒸気加熱する加熱器の機能を担う蓄熱反応器30と、吸着器20から排出された流体(水蒸気)を凝縮する凝縮器40と、を備えている。
【0023】
蒸発器10は、水を気化し、気化して生成された流体である水蒸気を供給可能に吸着器20及び蓄熱反応器30とそれぞれ接続されている。具体的には、蒸発器10には、流通調節弁であるバルブV4を有する流通配管12の一端と、流通調節弁であるバルブV5を有する流通配管14の一端と、がそれぞれ接続されており、蒸発器10は、流通配管12を介して吸着器20と連通されると共に、流通配管14を介して蓄熱反応器30と連通されている。
【0024】
蒸発器10は、蓄熱反応器30の反応室に配された化学蓄熱材における水の吸着量が飽和量に達していない場合や、後述するように吸着器20に設けられた流体保持部の吸着材における水蒸気の吸着量が減少した場合に、蒸発器10中の水の気化が進行して、水蒸気として流通配管12、14に供給される構造を有する。また、水を外部からの熱で加熱し、水蒸気として流通配管12、14に排出する。
【0025】
具体的には、
図2、3に示すように、蒸発器10には、複数の相変化媒体流路32、複数の冷熱生成用熱媒流路34、及び複数の沸騰促進用熱媒流路36が設けられている。相変化媒体流路32と、冷熱生成用熱媒流路34及び沸騰促進用熱媒流路36とは、蒸発器10の筐体内に交互に配置され、隣り合う相変化媒体流路32と冷熱生成用熱媒流路34、及び隣り合う相変化媒体流路32と沸騰促進用熱媒流路36が互いに熱的に接続されている。この実施形態では、蒸発器10は、相変化媒体流路32の開口方向(水蒸気の流れ方向)と、冷熱生成用熱媒流路34及び沸騰促進用熱媒流路36の開口方向(熱媒体の流れ方向)とが側面視で直交するように構成されている。
【0026】
本発明における蒸発器は、蒸発器10の例のように、相変化媒体流路32を2つ以上有し、冷熱生成用熱媒流路34及び沸騰促進用熱媒流路36が少なくとも相変化媒体流路32間に配置された構成であることが好ましく、2つ以上の相変化媒体流路32と2つ以上の冷熱生成用熱媒流路34及び沸騰促進用熱媒流路36とを有し、相変化媒体流路32と冷熱生成用熱媒流路34及び沸騰促進用熱媒流路36とが交互に配置された構成であることがより好ましい。
【0027】
冷熱生成用熱媒流路34は、相変化媒体流路32の下流側に配置され、相変化媒体流路32の下流側での気化熱により冷却される冷熱生成用熱媒を流通させる。
【0028】
沸騰促進用熱媒流路36は、相変化媒体流路32の上流側に配置され、相変化媒体流路32の上流側を加熱するための熱媒を流通させる。また、沸騰促進用熱媒流路36の上流側に接続された流通配管50が、相変化媒体流路32を流通する相変化媒体(水)の沸騰開始過熱度を上回る温度の熱源と接続されている。
【0029】
また、沸騰促進用熱媒流路36と流通配管50とは、蒸発器10中の複数の沸騰促進用熱媒流路36と流通配管50とを気密状態で連通するマニホールド60を介して接続されている。
【0030】
また、沸騰促進用熱媒流路36の下流側に接続された流通配管52から、熱媒が排出される。沸騰促進用熱媒流路36と流通配管52とは、蒸発器10中の複数の沸騰促進用熱媒流路36と流通配管52とを気密状態で連通するマニホールド62を介して接続されている。
【0031】
また、冷熱生成用熱媒流路34の上流側に接続された流通配管54から、冷熱生成用熱媒が流入する。冷熱生成用熱媒流路34と流通配管54とは、蒸発器10中の複数の冷熱生成用熱媒流路34と流通配管54とを気密状態で連通するマニホールド64を介して接続されている。
【0032】
また、冷熱生成用熱媒流路34の下流側に接続された流通配管56から、冷熱生成用熱媒が排出される。冷熱生成用熱媒流路34と流通配管56とは、蒸発器10中の複数の冷熱生成用熱媒流路34と流通配管56とを気密状態で連通するマニホールド66を介して接続されている。
【0033】
また、上記
図3に示すように、蒸発器10では、冷熱生成用熱媒流路34と、沸騰促進用熱媒流路36とが一体となって形成されており、かつ、冷熱生成用熱媒流路34と、沸騰促進用熱媒流路36とが空間的に分離されるように構成されている。また、冷熱生成用熱媒流路34と沸騰促進用熱媒流路36との間の熱移動量が、冷熱生成用熱媒による冷熱出力に対し、50%以下、好ましくは、10%以下となるように構成されている。
【0034】
次に、蒸発器10で行われる相変化媒体の気化の例について
図4を用いて説明する。
【0035】
まず、流通配管44から供給された相変化媒体(水)が、相変化媒体流路32に流入し、相変化媒体流路32内の上流側を流通する際に、沸騰促進用熱媒流路36の伝熱面との間の熱交換により、相変化媒体が沸騰し、気泡が生成される。そして、液体である相変化媒体と気泡とが混合された状態で、相変化媒体流路32内の下流側を流通する際に、気液界面の面積が拡大されているため、蒸発が促進され、相変化媒体が気化し、このときの気化熱が、冷熱生成用熱媒流路34の伝熱面との間で熱交換されて、冷熱生成用熱媒が冷却される。
【0036】
図5は、相変化媒体流路32内の減圧環境における、相変化媒体である水の沸騰開始過熱度と、伝熱面の面積当たりの出力との関係を示すグラフである。例えば、上記
図5に示すように、相変化媒体流路32内の飽和圧力が、1.8kPa(飽和温度15℃)である場合には、熱媒流入温度が25℃であると、沸騰が始まらない。そこで、熱媒流入温度が40℃である沸騰促進用熱媒流路36の伝熱面との間の熱交換によって、沸騰させることにより、熱媒流入温度が25℃である冷熱生成用熱媒流路34の伝熱面においても、蒸発が促進される。
【0037】
このように、従来、沸騰が起こらない減圧環境下で、伝熱面の一部の温度を制御することで沸騰を促進させ、伝熱効率を向上させることを可能とする。
【0038】
蒸発器10は、上記のように相変化媒体の気化により気化熱を奪うため、蒸発器10の冷熱生成用熱媒流路34では、水蒸気の気化熱に相当する冷熱が生成される。したがって、冷熱需要の例であるエアコン室外機などの冷熱機器を例えば熱交換管を介して熱的に接続することで、冷熱の有効利用が可能である。
【0039】
吸着器20は、蒸発器10から水蒸気が供給され、水蒸気を吸着して保持し、吸着された水蒸気を脱離して放出する第1の流体保持室と、蓄熱反応器30から水蒸気が供給され、水蒸気を凝縮して保持し、凝縮された水蒸気を再び水蒸気として脱離し放出する第2の流体保持部を備えている。
【0040】
蓄熱反応器30は、蒸発器10から水蒸気が供給され、水蒸気が水和反応により固定化されるときに反応熱を放出し、水蒸気が脱離するときに蓄熱する化学蓄熱材を有する蓄熱反応部である反応室と、凝縮器40から水が供給され、水を反応室からの熱で気化する流体気化部である気化室と、を備えている。反応室及び気化室の各々は、蓄熱反応器30の筐体内に交互に配置され、隣り合う室が互いに熱的に接続されている。
【0041】
凝縮器40は、吸着器20からの水蒸気の供給が可能に接続されており、吸着器20から供給された水蒸気を凝縮する。具体的には、凝縮器40には、流通調節弁であるバルブV3を有する流通配管28の一端と、流通調節弁であるバルブV1を有する流通配管29の一端と、がそれぞれ接続されている。凝縮器40は、流通配管28を介して吸着器20第1の流体保持室と連通されると共に、流通配管29を介して吸着器20の第2の流体保持室と連通されており、第1の流体保持室及び第2の流体保持室からそれぞれ流通配管を通じて排出された水蒸気が凝縮器一箇所に回収されるようになっている。
【0042】
また、凝縮器40には、ポンプP1を有する流通配管42の一端が接続されており、凝縮器は、流通配管42によって蓄熱反応器30の気化室と連通されている。凝縮器40で水蒸気が凝縮されて液化した水は、ポンプP1を駆動させることにより、流通配管42を通じて蓄熱反応器30の気化室に送られ、気化室で水蒸気が生成される。ここで生成された水蒸気は、吸着器20を水蒸気加熱するために用いられる。
【0043】
更に、凝縮器40には、ポンプP2を有する流通配管44の一端が接続されており、流通配管44によって凝縮器40と蒸発器10とが連通されている。凝縮器40で凝縮された水は、ポンプP2を駆動させることで流通配管44を通じて蒸発器10にも供給される。蒸発器に供給された水は、水蒸気として蓄熱反応器30の反応室に送られ、送られた水蒸気は化学蓄熱材に吸着され、気化室の水の気化を促進する熱の生成に用いられる。
【0044】
制御装置90は、ケミカルヒートポンプの全制御を担う制御手段であり、バルブV1〜V5、ポンプP1〜P2、及び外部熱源などと電気的に接続されており、バルブやポンプ、熱源、熱交換を制御して熱利用をコントロールできるように構成されている。
【0045】
次に、本実施形態のケミカルヒートポンプ100における、吸着器20の流体保持室に交互に水蒸気を供給して増熱サイクルを継続し熱エネルギーを回収する動作について説明する。
【0046】
まず、吸着器20の物理吸着材による水蒸気の吸着を開始する。このとき、水蒸気の吸着により吸着熱が発生し、熱交換が可能な第2の流体保持室が加熱される。また、吸着器20の物理吸着材の減圧作用により、相変化媒体流路32の減圧環境が形成されるが、上述したように、減圧環境下においても、相変化媒体流路32における水の蒸発が促進され、水蒸気が供給されるため、第2の流体保持室の加熱が行われる。
【0047】
また、第1の流体保持室からの吸着熱を熱交換して加熱された第2の流体保持室では、水が気化して水蒸気として脱離し、流通配管29を通じて凝縮器40に水蒸気が送られる。
【0048】
次に、吸着器20の物理吸着材に吸着した水を脱離させて物理吸着材を再生するため、蓄熱反応器30から加熱された水蒸気を供給する。このとき、蒸発器10で生成された水蒸気が、流通配管14を通じて蓄熱反応器30の反応室に送られる。送られた水蒸気は、化学蓄熱材との間で水和反応して反応熱を生じる。また、蓄熱反応器30の化学蓄熱材の減圧作用により、相変化媒体流路32の減圧環境が形成されるが、上述したように、減圧環境下においても、相変化媒体流路32における水の蒸発が促進され、水蒸気が供給されるため、反応室における化学蓄熱材の水和反応が行われる。反応熱が気化室との間で熱交換されることにより、気化室内の水が熱で気化し、高温蒸気を生成する。この高温蒸気が、流通配管38を通じて吸着器20の第2の流体保持室に送られると、蒸気熱が熱交換されて第1の流体保持室の吸着材が熱せられると共に、蒸気は第2の流体保持室で凝縮して液状に相変化することで保持され、さらに凝縮熱を放出する。また、第1の流体保持室の物理吸着材に吸着されていた水は、水蒸気として脱離し、脱離した水蒸気は、流通配管28を通じて凝縮器40に送られる。
【0049】
以上説明したように、本発明のケミカルヒートポンプの第1実施形態によれば、吸着器及び蓄熱反応器の減圧作用による、相変化媒体の減圧環境下であっても、沸騰を促進し、気泡発生により気液界面の面積を拡大することにより、伝熱効率を向上させることができ、相変化媒体の気化を促進することができる。
【0050】
(第2実施形態)
本発明のケミカルヒートポンプの第2実施形態について
図6を参照して説明する。本実施形態は、2つの蒸発器が直列に接続されたシステム構成となっている。
【0051】
なお、ケミカルヒートポンプの第2実施形態において、上記の第1実施形態と同様の構成要素となる部分については、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【0052】
本実施形態のヒートポンプでは、
図6に示すように、相変化媒体流路32及び冷熱生成用熱媒流路34を有する第1蒸発器10Aと、相変化媒体流路32及び沸騰促進用熱媒流路36を有する第2蒸発器10Aとを備えている。第1蒸発器10Aの相変化媒体流路32が上流側となるように、第1蒸発器10Aの相変化媒体流路32と第2蒸発器10Bの相変化媒体流路32とが直列に接続されている。
【0053】
液体である相変化媒体が、第2蒸発器10Bの相変化媒体流路32に流入し、第2蒸発器10Bの相変化媒体流路32内を流通する際に、気泡が生成され、液体である相変化媒体と気泡とが混合された状態となって、第1蒸発器10Aの相変化媒体流路32に流入する。そして、第1蒸発器10Aの相変化媒体流路32内を流通する際に、気液界面の面積が拡大されているため、蒸発が促進され、気化された相変化媒体が、第1蒸発器10Aから外部へ供給される。
【0054】
ケミカルヒートポンプの第2実施形態の他の構成は、第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【0055】
なお、上記の実施形態では、本発明に係る蒸発器を、ケミカルヒートポンプに適用した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ケミカルヒートポンプ以外に本発明に係る蒸発器を適用してもよい。