特許 7452495 吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法

(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】

(24)【登録日】2024-03-11

(45)【発行日】2024-03-19

(54)【発明の名称】吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 17/08 20060101AFI20240312BHJP

【ＦＩ】

F25B17/08 E

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021090478

(22)【出願日】2021-05-28

(65)【公開番号】P2022182754

(43)【公開日】2022-12-08

【審査請求日】2022-11-08

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】廣田 靖樹

(72)【発明者】

【氏名】釘本 恒

【審査官】庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０１１８２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０１４３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１７６４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１８３９３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２１７０７（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】

吸着質を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記吸着質を吸着する第一吸着器と、
前記第一吸着器から吸着された前記吸着質を吸着する２以上の第二吸着器と、
前記２以上の第二吸着器同士を連結するとともに途中に回収弁が設けられる回収路と、
前記吸着質を吸着した第二吸着器から前記吸着質を吸着する凝縮器と、
前記第一吸着器と前記凝縮器との間に介在する前記２以上の第二吸着器と、
を有する吸着式ヒートポンプシステム。

【請求項2】

前記２以上の第二吸着器の一方における前記第一吸着器からの前記吸着質の吸着と、前記凝縮器における前記２以上の第二吸着器の他方からの前記吸着質の吸着とが同時に行われ、
前記一方の第二吸着器における前記吸着質の吸着が完了する直前に、前記一方の第二吸着器は、前記他方の第二吸着器から、前記回収弁を開放させた前記回収路を介して前記吸着質を吸着する、請求項１に記載の吸着式ヒートポンプシステム。

【請求項3】

吸着質を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記吸着質を吸着する第一吸着器と、
前記第一吸着器から吸着された前記吸着質を吸着する２以上の第二吸着器と、
前記２以上の第二吸着器同士を連結するとともに途中に回収弁が設けられる回収路と、
前記吸着質を吸着した第二吸着器から前記吸着質を吸着する凝縮器と、
前記第一吸着器と前記凝縮器との間に介在する前記２以上の第二吸着器と、
を用いて、
前記第一吸着器による前記吸着質の吸着によって前記蒸発器で冷熱を生成させ、
前記第二吸着器による前記吸着質の吸着によって前記第一吸着器で冷熱を生成させる、
冷熱生成方法。

【請求項4】

前記２以上の第二吸着器の一方における前記第一吸着器からの前記吸着質の吸着と、前記凝縮器における前記２以上の第二吸着器の他方からの前記吸着質の吸着とが同時に行われ、
前記一方の第二吸着器における前記吸着質の吸着が完了する直前に、前記一方の第二吸着器は、前記他方の第二吸着器から、前記回収弁を開放させた前記回収路を介して前記吸着質を吸着する、請求項３に記載の冷熱生成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

吸着式ヒートポンプとして、特許文献１には、蒸発器、吸着器および蓄熱反応器を備え、蓄熱反応器は熱を蓄熱するとともに、熱媒の蒸発潜熱以上の熱を吸着器に対し放熱し、再生温度以上の熱を作用させることで吸着器を再生する構成が記載されている。

【0003】

また、特許文献２には、吸着質を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器の前記吸着質を吸着し前記蒸発器で冷熱を生成させる第一吸着器と、前記第一吸着器に吸着された前記吸着質を吸着し前記第一吸着器で冷熱を生成させる第二吸着器と、を有する、二重効用型の吸着式ヒートポンプシステムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１４－４０９５９号公報

【文献】特開２０１６－０１１８２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献２に開示されているような二重効用型の吸着式ヒートポンプシステムでは、蓄熱器に用いられる吸着剤の動作点において、二重効用で働く蓄熱量と、単段効用でしか働かない蓄熱量とが存在する。

【0006】

本開示は、二重効用型の吸着式ヒートポンプシステムにおいて、二重効用で働く蓄熱量を増やすことで、より効率のよい冷熱生成を実現することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の第一の実施態様の吸着式ヒートポンプシステムは、吸着質を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から前記吸着質を吸着する第一吸着器と、前記第一吸着器から吸着された前記吸着質を吸着する２以上の第二吸着器と、前記２以上の第二吸着器同士を連結するとともに途中に回収弁が設けられる回収路と、前記蓄熱した第二吸着器から前記吸着質を吸着する凝縮器と、を有する。

【0008】

この吸着式ヒートポンプシステムでは、第一吸着器で、蒸発器の吸着質を吸着する。このとき、蒸発器では吸着質が蒸発することで、冷熱が生成される。

【0009】

第二吸着器は、第一吸着器に吸着された吸着質を吸着する。すなわち、第一吸着器が減圧される。第一吸着器では吸着質が蒸発し、第一吸着器の吸着剤の一部が再生される。そして、第一吸着器では冷熱が生成されるとともに、蒸発した吸着質が第二吸着器で吸着される。

【0010】

すなわち、この吸着式ヒートポンプシステムでは、第一吸着器の再生時に吸着質が脱着する際の脱着エネルギーを用いて、冷熱を生成できる。したがって、この脱着エネルギーを冷熱生成に使用しない構成と比較して、効率的な冷熱生成が可能である。

【0011】

凝縮器は、第二吸着器に吸着された吸着質を吸着することで、第二吸着器の吸着剤を再生させる。

【0012】

そして、２以上の第二吸着器同士は回収路により連結されているため、第二吸着器相互間の吸着質の移動が可能となる。たとえば、一方の第二吸着器の再生の際に、第一吸着器からの吸着質を吸着している他方の第二吸着器へ、回収弁を開放させた回収路を介して、吸着質を吸着させることも可能となる。これにより、より完全な第二吸着器の再生を可能として、第二吸着器の吸着剤の動作点において、二重効用で働く蓄熱量を増加させて、より効率的な冷熱生成が可能となる。

【0013】

本開示の第二の実施態様の吸着式ヒートポンプシステムは、第一の実施態様の構成に加え、前記２以上の第二吸着器の一方における前記第一吸着器からの前記吸着質の吸着と、前記凝縮器における前記２以上の第二吸着器の他方からの前記吸着質の吸着とが同時に行われ、前記一方の第二吸着器における前記吸着質の吸着が完了する直前に、前記一方の第二吸着器は、前記他方の第二吸着器から、前記回収弁を開放させた前記回収路を介して前記吸着質を吸着することが望ましい。

【0014】

第二吸着器の一方における第一吸着器からの吸着質の吸着と、凝縮器における２以上の第二吸着器の他方からの吸着質の吸着とが同時に行われることで、常にいずれかの第二吸着器が吸着質の吸着を実行していることになる。これにより、一方の第二吸着器の再生の間も、他方の第二吸着器では第一吸着器からの吸着質の吸着が行われているため、間断のない冷熱生成が可能となる。

【0015】

さらに、一方の第二吸着器における吸着質の吸着が完了する直前に、一方の第二吸着器は、他方の第二吸着器から、回収弁を開放させた回収路を介して前記吸着質を吸着することで、他方の第二吸着器からの吸着質の脱着をより完全に行うことが可能となる。

【0016】

本開示の第三の実施態様の冷熱生成方法は、吸着質を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から前記吸着質を吸着する第一吸着器と、前記第一吸着器から吸着された前記吸着質を吸着する２以上の第二吸着器と、前記２以上の第二吸着器同士を連結するとともに途中に回収弁が設けられる回収路と、前記吸着質を吸着した第二吸着器から前記吸着質を吸着する凝縮器と、を用いて、前記第一吸着器による前記吸着質の吸着によって前記蒸発器で冷熱を生成させ、前記第二吸着器による前記吸着質の吸着によって前記第一吸着器で冷熱を生成させる。

【0017】

この冷熱生成方法における蒸発器、第一吸着器、第二吸着器、凝縮器、回収路及び回収弁の意義については前記第１の実施態様と同様である。

【0018】

そして、２以上の第二吸着器同士は回収路により連結されているため、第二吸着器相互間の吸着質の移動が可能となる。たとえば、一方の第二吸着器の再生の際に、第一吸着器からの吸着質を吸着している他方の第二吸着器へ、回収弁を開放させた回収路を介して、吸着質を吸着させることも可能となる。これにより、より完全な第二吸着器の再生を可能として、第二吸着器の吸着剤の動作点において、二重効用で働く蓄熱量を増加させて、より効率的な冷熱生成が可能となる。

【0019】

本開示の第四の実施態様の冷熱生成方法は、第三の実施態様の構成に加え、前記２以上の第二吸着器の一方における前記第一吸着器からの前記吸着質の吸着と、前記凝縮器における前記２以上の第二吸着器の他方からの前記吸着質の吸着とが同時に行われ、前記一方の第二吸着器における前記吸着質の吸着が完了する直前に、前記一方の第二吸着器は、前記他方の第二吸着器から、前記回収弁を開放させた前記回収路を介して前記吸着質を吸着する。

【0020】

第二吸着器の一方における第一吸着器からの吸着質の吸着と、凝縮器における２以上の第二吸着器の他方からの吸着質の吸着とが同時に行われることで、常にいずれかの第二吸着器が吸着質の吸着を実行していることになる。これにより、一方の第二吸着器の再生の間も、他方の第二吸着器では第一吸着器からの吸着質の吸着が行われているため、間断のない冷熱生成が可能となる。

【0021】

さらに、一方の第二吸着器における吸着質の吸着が完了する直前に、一方の第二吸着器は、他方の第二吸着器から、回収弁を開放させた回収路を介して前記吸着質を吸着することで、他方の第二吸着器からの吸着質の脱着をより完全に行うことが可能となる。

【発明の効果】

【0022】

本開示の実施態様は上記のように構成されているので、二重効用型の吸着式ヒートポンプシステムにおいて、二重効用で働く蓄熱量を増やすことで、より効率のよい冷熱生成を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本開示の実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。

【図2】図１の構成において、蒸発器での冷熱生成状態及び他方の第二吸着器の再生状態を示す概略図である。

【図3】図１の構成において、第一吸着器での冷熱生成状態及び他方の第二吸着器の再生状態を示す概略図である。

【図4】図１の構成において、一方の第二吸着器による他方の第二吸着器からの吸着質の吸着状態を示す概略図である。

【図5】図１の構成において、蒸発器での冷熱生成状態及び一方の第二吸着器の再生状態を示す概略図である。

【図6】図１の構成において、第一吸着器での冷熱生成状態及び一方の第二吸着器の再生状態を示す概略図である。

【図7】図１の構成において、他方の第二吸着器による一方の第二吸着器からの吸着質の吸着状態を示す概略図である。

【図8】本開示の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムにおける動作を示すｐ－Ｔ線図である。

【図9】本開示の実施形態の吸着式ヒートポンプシステムと、従来型の吸着式ヒートポンプシステムとの冷熱生成出力を比較したグラフである。

【図10】従来型の吸着式ヒートポンプシステムに対する、本開示の実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの冷熱生成出力の向上率を示すグラフである。

【図11】従来型の吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。

【図12】図１１の構成において、蒸発器／凝縮器での冷熱生成状態を示す概略図である。

【図13】図１１の構成において、第一吸着器での冷熱生成状態を示す概略図である。

【図14】図１１の構成において、第二吸着器による蒸発器／凝縮器からの吸着質の吸着状態を示す概略図である。

【図15】図１１の構成において、第二吸着器の再生状態を示す概略図である。

【図16】従来型の実施形態に係る吸着式ヒートポンプシステムにおける動作を示すｐ－Ｔ線図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施形態について図面を適宜参照して説明する。なお、個々の図面において共通する符号は、個々の図面の説明において言及されていない場合であっても同一の対象を指し示すものである。また、図面の見やすさを考慮して、説明で言及されない対象の符号は省略している場合がある。

【0025】

（１）実施形態の概略構成
図１には、実施形態の吸着式ヒートポンプシステム（以下では「ヒートポンプ」と略記する）１０の概略構成が示されている。

【0026】

ヒートポンプ１０は、蒸発器１４Ａと、第一吸着器２０と、２つの第二吸着器２２Ａ、２２Ｂと、回収路４０と、凝縮器１４Ｂと、を有する。

【0027】

蒸発器１４Ａは、吸着質を蒸発させる。すなわち、蒸発器１４Ａの内部に吸着されている液体の吸着質にエネルギー（温熱）が作用すると、この吸着質が蒸発され、その際に冷熱が生成される。

【0028】

第一吸着器２０は、蒸発器１４Ａから吸着質を吸着する。また、２つの第二吸着器２２Ａ、２２Ｂはそれぞれ第一吸着器２０が吸着した吸着質を吸着する。第一吸着器２０及び第二吸着器２２Ａ、２２Ｂには、それぞれ、異なる種類の吸着剤が収容されている。第二吸着器２２Ａ、２２Ｂの吸着剤は、第一吸着器２０の吸着剤よりも高い再生温度の熱で吸着質を脱着させる材料が選択される。第二吸着器２２Ａ、２２Ｂが第一吸着器２０から吸着質を吸着する際、第一吸着器２０の内部に吸着されている吸着質にエネルギー（温熱）が作用すると、この吸着質が蒸発され、その際に冷熱が生成される。

【0029】

本実施形態では、第一吸着器２０の吸着剤は、たとえばＡＬ－ＭＯＦ（ＣＡＵ－１０）であり、第二吸着器２２Ａ、２２Ｂの吸着剤は、たとえば、ゼオライト１３Ｘである。また、吸着質としては、たとえば、水あるいはアンモニアを用いることができる。水及びアンモニアは、ヒートポンプ１０において求められる条件（温度及び圧力）で吸着剤に対し吸着及び脱着し、しかも安価に調達できる。

【0030】

回収路４０は、２つの第二吸着器２２Ａ、２２Ｂ同士を連結する。

【0031】

凝縮器１４Ｂは、第二吸着器２２Ａ、２２Ｂが吸着した吸着質を吸着し、それにより第二吸着器２２Ａ、２２Ｂを再生させる。凝縮器１４Ｂの内部では、外部から流入した気体の吸着質からエネルギーを奪い、吸着質が凝縮される。

【0032】

蒸発器１４Ａと第一吸着器２０とは、接続配管１６Ａにより接続される。第一吸着器２０と第二吸着器２２Ａとは、接続配管１６Ｂ１により接続される。また、第一吸着器２０と第二吸着器２２Ｂとは、接続配管１６Ｂ２により接続される。第二吸着器２２Ａと凝縮器１４Ｂとは、接続配管１６Ｃ１により接続される。また、第二吸着器２２Ｂと凝縮器１４Ｂとは、接続配管１６Ｃ２により接続される。換言すると、第一吸着器２０と凝縮器の間には、第二吸着器２２Ａと第二吸着器２２Ｂとが並列に接続されている。第二吸着器２２Ａと第二吸着器２２Ｂとの間は、回収路４０により接続される。さらに、凝縮器１４Ｂと蒸発器１４Ａとは、接続配管１６Ｄにより接続される。

【0033】

接続配管１６Ａには、開閉弁１８Ａが設けられる。開閉弁１８Ａが開放されると、蒸発器１４Ａから第一吸着器２０への吸着質の移動が可能となる。接続配管１６Ｂ１には、開閉弁１８Ｂ１が設けられる。開閉弁１８Ｂ１が開放されると、第一吸着器２０から第二吸着器２２Ａへの吸着質の移動が可能となる。接続配管１６Ｂ２には、開閉弁１８Ｂ２が設けられる。開閉弁１８Ｂ２が開放されると、第一吸着器２０から第二吸着器２２Ｂへの吸着質の移動が可能となる。接続配管１６Ｃ１には、開閉弁１８Ｃ１が設けられる。開閉弁１８Ｃ１が開放されると、第二吸着器２２Ａから凝縮器１４Ｂへの吸着質の移動が可能となる。接続配管１６Ｃ２には、開閉弁１８Ｃ２が設けられる。開閉弁１８Ｃ２が開放されると、第二吸着器２２Ｂから凝縮器１４Ｂへの吸着質の移動が可能となる。接続配管１６Ｄには、開閉弁１８Ｄが設けられる。開閉弁１８Ｄが開放されると、凝縮器１４Ｂから蒸発器１４Ａへの吸着質の移動が可能となる。

【0034】

回収路４０の途中には、回収弁４２が設けられる。回収弁４２が開放されると、第二吸着器２２Ａから第二吸着器２２Ｂへの吸着質の移動、また、第二吸着器２２Ｂから第二吸着器２２Ａへの吸着質の移動が可能となる。

【0035】

蒸発器１４Ａには、熱源として低温熱源２８Ｌを接続する接続管３０Ａが設けられる。接続管３０Ａには、開閉弁３２Ｌが設けられる。開閉弁３２Ｌが開放されると、低温熱源２８Ｌから熱交換媒体が蒸発器１４Ａに流れ、熱交換されて低温熱源２８Ｌに戻る。なお、以後の説明でも言及される各熱源から発する接続管は熱交換媒体の往路と復路とで構成されるが、図面中では一本の破線で表現される。また、各段階において実際に熱交換媒体が流れている接続管は太い実線で表現される。

【0036】

第一吸着器２０には、２つの熱源（低温熱源２８Ｌ及び中温熱源２８Ｍ）を接続する接続管３０Ｂが設けられる。接続管３０Ｂは熱源側において、それぞれの熱源に対応して三方弁２０Ａを介して分岐しており、分岐した先には、低温熱源２８Ｌ側に開閉弁３４Ｌが、中温熱源２８Ｍ側に開閉弁３４Ｍがそれぞれ設けられる。開閉弁３４Ｌが開放されると、低温熱源２８Ｌから熱交換媒体が第一吸着器２０に流れ、第一吸着器２０で熱交換されて低温熱源２８Ｌに戻る。開閉弁３４Ｍが開放されると、中温熱源２８Ｍから熱交換媒体が第一吸着器２０に流れ、第一吸着器２０で熱交換されて中温熱源２８Ｍに戻る。

【0037】

第二吸着器２２Ａには、２つの熱源（中温熱源２８Ｍ及び高温熱源２８Ｈ）を接続する接続管３０Ｃ１が設けられる。接続管３０Ｃ１は熱源側において、それぞれの熱源に対応して三方弁２２Ａ１を介して分岐しており、分岐した先には、中温熱源２８Ｍ側に開閉弁３６Ｍ１が、高温熱源２８Ｈ側に開閉弁３６Ｈ１がそれぞれ設けられる。開閉弁３６Ｍ１が開放されると、中温熱源２８Ｍから熱交換媒体が第二吸着器２２Ａに流れ、第二吸着器２２Ａで熱交換されて中温熱源２８Ｍに戻る。開閉弁３６Ｈ１が開放されると、高温熱源２８Ｈから熱交換媒体が第二吸着器２２Ａに流れ、第二吸着器２２Ａで熱交換されて高温熱源２８Ｈに戻る。

【0038】

第二吸着器２２Ｂには、２つの熱源（中温熱源２８Ｍ及び高温熱源２８Ｈ）を接続する接続管３０Ｃ２が設けられる。接続管３０Ｃ２は熱源側において、それぞれの熱源に対応して三方弁２２Ｂ１を介して分岐しており、分岐した先には、中温熱源２８Ｍ側に開閉弁３６Ｍ２が、高温熱源２８Ｈ側に開閉弁３６Ｈ２がそれぞれ設けられる。開閉弁３６Ｍ２が開放されると、中温熱源２８Ｍから熱交換媒体が第二吸着器２２Ｂに流れ、第二吸着器２２Ｂで熱交換されて中温熱源２８Ｍに戻る。開閉弁３６Ｈ２が開放されると、高温熱源２８Ｈから熱交換媒体が第二吸着器２２Ｂに流れ、第二吸着器２２Ｂで熱交換されて高温熱源２８Ｈに戻る。

【0039】

凝縮器１４Ｂには、熱源として中温熱源２８Ｍを接続する接続管３０Ｄが設けられる。接続管３０Ｄには、開閉弁３２Ｍが設けられる。開閉弁３２Ｍが開放されると、中温熱源２８Ｍから熱交換媒体が凝縮器１４Ｂに流れ、熱交換されて中温熱源２８Ｍに戻る。

【0040】

低温熱源２８Ｌ、中温熱源２８Ｍ及び高温熱源２８Ｈの具体例は特に限定されないが、中温熱源２８Ｍは低温熱源２８Ｌよりも高温であり、高温熱源２８Ｈは中温熱源２８Ｍよりも高温である。

【0041】

（２）対比例の概略構成及び冷熱生成方法
本実施形態のヒートポンプ１０を用いて冷熱を生成する方法を説明する前に、対比例のヒートポンプの概略構成及びそれによる冷熱生成方法を説明する。なお、対比例の構成に付されている符号は、対応する実施形態の構成の符号に「’」を付して表している。

【0042】

図１１には、対比例の吸着式ヒートポンプシステム（以下では「ヒートポンプ」と略記する）１０’が示されている。

【0043】

ヒートポンプ１０’は、蒸発器／凝縮器１４’、第一吸着器２０’、第二吸着器２２’を有する。本実施形態の蒸発器／凝縮器１４’は、蒸発器としての機能と、凝縮器としての機能とを併せ持っている。すなわち、内部の液体の吸着質にエネルギー（温熱）が作用すると、この吸着質が蒸発され、その際に冷熱が生成される。また、外部から流入した気体の吸着質からエネルギーを奪うと、吸着質が凝縮される。

【0044】

第一吸着器２０’及び第二吸着器２２’で用いられている吸着剤については前記実施形態と同様である。

【0045】

蒸発器／凝縮器１４’、第一吸着器２０’及び第二吸着器２２’は、この順で、接続配管１６Ａ’、１６Ｂ’により直列状に接続される。

【0046】

接続配管１６Ａ’には、開閉弁１８Ａ’が設けられる。開閉弁１８Ａ’が開放されると、蒸発器／凝縮器１４’から第一吸着器２０’への吸着質の移動が可能となる。接続配管１６Ｂ’には、開閉弁１８Ｂ’が設けられる。開閉弁１８Ｂ’が開放されると、第一吸着器２０’から第二吸着器２２’への吸着器の移動が可能となる。

【0047】

蒸発器／凝縮器１４’と第二吸着器２２’とは、第一吸着器２０’をバイパスするバイパス配管２４’により接続される。バイパス配管２４’には、バイパス弁２６’が設けられる。バイパス弁２６’が開放されると、第二吸着器２２’から第一吸着器２０’を経由することなく、蒸発器／凝縮器１４’への直接的な吸着質の移動、及び、蒸発器／凝縮器１４’から第一吸着器２０’を経由することなく、第二吸着器２２’への直接的な吸着質の移動が可能となる。

【0048】

蒸発器／凝縮器１４’には、２つの熱源（低温熱源２８Ｌ’及び中温熱源２８Ｍ’）を接続する接続管３０Ａ’が設けられる。接続管３０Ａ’は熱源側において、それぞれの熱源に対応して三方弁１４Ｃを介して分岐しており、分岐した先には、低温熱源２８Ｌ’側に開閉弁３２Ｌ’が、中温熱源２８Ｍ’側に開閉弁３２Ｍ’が設けられる。開閉弁３２Ｌ’、３２Ｍ’が開放されると、それぞれ低温熱源２８Ｌ’及び中温熱源２８Ｍ’から熱交換媒体が蒸発器／凝縮器１４に流れ、蒸発器／凝縮器１４で熱交換されてそれぞれ元の熱源に戻る。

【0049】

第一吸着器２０’には、２つの熱源（低温熱源２８Ｌ’及び中温熱源２８Ｍ’）を接続する接続管３０Ｂ’が設けられる。接続管３０Ｂ’は熱源側において、それぞれの熱源に対応して三方弁２０Ａ’を介して分岐しており、分岐した先には、低温熱源２８Ｌ’側に開閉弁３４Ｌ’が、中温熱源２８Ｍ’側に開閉弁３４Ｍ’がそれぞれ設けられる。開閉弁３４Ｌ’、３４Ｍ’が開放されると、それぞれ低温熱源２８Ｌ’及び中温熱源２８Ｍ’から熱交換媒体が第一吸着器２０’に流れ、第一吸着器２０’で熱交換されてそれぞれ元の熱源に戻る。

【0050】

第二吸着器２２’には、２つの熱源（中温熱源２８Ｍ’及び高温熱源２８Ｈ’）を接続する接続管３０Ｃ’が設けられる。接続管３０Ｃ’は熱源側において、それぞれの熱源に対応して三方弁２２Ａ’を介して分岐しており、分岐した先には、中温熱源２８Ｍ’側に開閉弁３６Ｍ’が、高温熱源２８Ｈ’側に開閉弁３６Ｈ’がそれぞれ設けられる。開閉弁３６Ｍ’、開閉弁３６Ｈ’が開放されると、それぞれ中温熱源２８Ｍ’及び高温熱源２８Ｈ’から熱交換媒体が第二吸着器２２’に流れ、第二吸着器２２’で熱交換されてそれぞれ元の熱源に戻る。

【0051】

次に、対比例のヒートポンプ１０’による冷熱生成方法について、図１２～図１５の概略図及び図１６のｐ－Ｔ線図を用いて説明する。ここで、図１６の縦軸は圧力（ｋＰａ）を示し、その自然対数をプロットしている。横軸は温度（Ｋ）を示し、その逆数の負数をプロットしている。また、図中の太い実線は第一吸着器２０’における圧力及び温度の挙動を示し、細い実線は第二吸着器２２’における圧力及び温度の挙動を示す。さらに、図１２～図１５において黒塗りで表す開閉弁は閉鎖されている状態を、また、白抜きで表す開閉弁は開放されている状態を示す。また、矢印は吸着質の移動方向を示し、両頭矢印は熱交換媒体が流通している状態を示す。なお、以下の例では低温熱源２８Ｌ’の温度は２８８Ｋ（１５℃）、中温熱源２８Ｍ’の温度は３０３Ｋ（３０℃）、及び高温熱源２８Ｈ’の温度は４５３Ｋ（１８０℃）としているが、中温熱源２８Ｍ’の温度が低温熱源２８Ｌ’の温度より高く、また、高温熱源２８Ｈ’の温度が中温熱源２８Ｍ’の温度より高ければそれぞれの具体的な温度は限定されない。また、圧力の数値もあくまで例示であり、具体的な数値には限定されない。

【0052】

まず、図１２の状態の直前には、前サイクルで第一吸着器２０’から冷熱が生成されており（図１３参照）、圧力及び温度ともに最低の状態となっている。図１６のａ点がこの状態を示す。

【0053】

ここで、図１２に示すように、接続管３０Ａの三方弁１４Ｃ’を低温熱源２８Ｌ’側に切り替えつつ、開閉弁３２Ｌ’を開放して、蒸発器／凝縮器１４’に低温熱源２８Ｌ’から熱交換媒体を流通させる。また、接続管３０Ｂの三方弁２０Ａ’を中温熱源２８Ｍ’側に切り替えつつ、開閉弁３４Ｍ’を開放して、第一吸着器２０’に中温熱源２８Ｍ’から熱交換媒体を流通させる。そして、接続配管１６Ａの開閉弁１８Ａ’を開放する。

【0054】

これにより、蒸発器／凝縮器１４’で吸着質が蒸発し、この吸着質が第一吸着器２０’で吸着される。このとき、蒸発器／凝縮器１４’で蒸発熱が奪われることで冷熱が生成されるとともに、第一吸着器２０’内の圧力及び温度は図１６のａ点からｂ点を経てｃ点まで上昇する。

【0055】

次いで、開閉弁３２Ｌ’、３４Ｍ’、１８Ａ’を閉鎖してから、図１３に示すように、接続管３０Ｂの三方弁２０Ａ’を低温熱源２８Ｌ’側に切り替えつつ、開閉弁３４Ｌ’を開放して、第一吸着器２０’に低温熱源２８Ｌ’から熱交換媒体を流通させる。また、接続管３０Ｃの三方弁２２Ａ’を中温熱源２８Ｍ’側に切り替えつつ、開閉弁３６Ｍ’を開放して、第二吸着器２２’に中温熱源２８Ｍ’から熱交換媒体を流通させる。そして、接続配管１６Ｂ’の開閉弁１８Ｂ’を開放する。

【0056】

これにより、第一吸着器２０’で吸着質が蒸発し、この吸着質が第二吸着器２２’で吸着される。このとき、第一吸着器２０’で蒸発熱が奪われることで冷熱が生成されることで、第一吸着器２０’内の圧力及び温度は図１６のｃ点からｄ点を経てａ点まで下降する。一方、開閉弁１８Ｂ’が開放した瞬間は第二吸着器２２’内の圧力は図１６のα点の最低点にあり、このときの第一吸着器２０’内の圧力ｂ点との圧力差により、第二吸着器２２’が第一吸着器２０’から吸着質を吸着し、圧力も上昇する。

【0057】

そして、図１２の状態と図１３との状態を何度か繰り返して、第二吸着器２２’内の圧力が、第一吸着器２０’の最低圧力である図１６のａ点と等しい圧力の図１６のβ点まで達した時点で、もう第二吸着器２２’は第一吸着器２０’から吸着質を吸着することができなくなっている。

【0058】

この段階で、開閉弁３６Ｍ’を開放させたまま、開閉弁３４Ｌ’、１８Ｂ’を閉鎖してから、図１４に示すように、接続管３０Ａの三方弁１４Ｃ’を低温熱源２８Ｌ’側に切り替えつつ、開閉弁３２Ｌ’を開放して、蒸発器／凝縮器１４’に低温熱源２８Ｌ’から熱交換媒体を流通させる。そして、バイパス配管２４’のバイパス弁２６’を開放すると、蒸発器／凝縮器１４’で吸着質が蒸発し、この吸着質がバイパス配管２４’を介して第二吸着器２２’で吸着される。このとき、蒸発器／凝縮器１４’で蒸発熱が奪われることで冷熱が生成されるとともに、第二吸着器２２’内の圧力及び温度は図１６のβ点からγ点まで上昇し、吸着剤が飽和状態となる。

【0059】

この状態で、開閉弁３２Ｌ’、３６Ｍ’及びバイパス弁２６’を閉鎖し、図１５に示すように、接続管３０Ａの三方弁１４Ｃ’を中温熱源２８Ｍ’側に切り替えつつ、開閉弁３２Ｍ’を開放し、蒸発器／凝縮器１４’に中温熱源２８Ｍ’から熱交換媒体を移動可能とする。また、接続管３０Ｃの三方弁２２Ａ’を高温熱源２８Ｈ’側に切り替えつつ、開閉弁３６Ｈ’を開放して、第二吸着器２２’に高温熱源２８Ｈ’から熱交換媒体を移動可能とする。そして、バイパス配管２４’のバイパス弁２６’を再び開放する。これにより、高温熱源２８Ｈ’の熱を受けて第二吸着器２２’の吸着質が脱着され、第二吸着器２２’が再生される。すなわち、第二吸着器２２’の内部では、図１６のγ点からδ点を経て最高圧力に達し、ここからε点まで温度を上昇させる間に、吸着されていた吸着質は、蒸発器／凝縮器１４’に移動して凝縮される。

【0060】

そして、第二吸着器２２’の内部がε点の最高圧力かつ最高温度に達した時点で全てのバルブを閉じると、第二吸着器２２’は温度を低下させつつ、ゼロ近くのα点まで圧力が低下する。この段階で、第二吸着器２２’の吸着剤が再生し、再び第一吸着器２０’からの吸着質の吸着が可能となる。

【0061】

ここで、図１６のα点からβ点までは、同量の吸着質が、蒸発器／凝縮器１４’と第一吸着器２０’とで２回脱着することで冷熱生成が２回生ずる。これが、いわゆる二重効用モードである。一方、β点からγ点までは蒸発器／凝縮器１４’のみで冷熱が生成される。これが、いわゆる単段効用モードである。たとえば、吸着質が水である場合、１ｇの水が蒸発器／凝縮器１４’で蒸発することで２．５ｋＪの冷熱が生成される。また、ＡＬ－ＭＯＦを吸着質として有する第一吸着器２０’で１ｇの水が蒸発すると３ｋＪの冷熱が発生する。すなわち、１ｇの水によって生ずる冷熱は、単段効用モードでは２．５ｋＪであるのに対し、二重効用モードでは５．５ｋＪと、単段効用モードの２．２倍の冷熱が得られる。

【0062】

（３）実施形態の冷熱生成方法
実施形態の冷熱生成方法について、図２～図７の概略図及び図８のｐ－Ｔ線図を用いて説明する。なお、ｐ－Ｔ線図の縦軸及び横軸については（２）と同様である。また、概略図における図示法についても（２）と同様である。なお、以下の例では低温熱源２８Ｌの温度は２８８Ｋ（１５℃）、中温熱源２８Ｍの温度は３０３Ｋ（３０℃）、及び高温熱源２８Ｈの温度は４５３Ｋ（１８０℃）としているが、中温熱源２８Ｍの温度が低温熱源２８Ｌの温度より高く、また、高温熱源２８Ｈの温度が中温熱源２８Ｍの温度より高ければそれぞれの具体的な温度は限定されない。また、圧力の数値もあくまで例示であり、具体的な数値には限定されない。

【0063】

まず、図２の状態の直前には、前サイクルで第一吸着器２０から冷熱が生成されており（図３参照）、圧力及び温度ともに最低の状態となっている。図８のａ点がこの状態を示す。

【0064】

ここで、図２に示すように、接続管３０Ａの開閉弁３２Ｌを開放して、蒸発器１４Ａに低温熱源２８Ｌから熱交換媒体を流通させる。また、接続管３０Ｂの三方弁２０Ａを中温熱源２８Ｍ側に切り替えつつ、開閉弁３４Ｍを開放して、第一吸着器２０に中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を流通させる。そして、接続配管１６Ａの開閉弁１８Ａを開放する。

【0065】

これにより、蒸発器１４Ａで吸着質が蒸発し、この吸着質が第一吸着器２０で吸着される。このとき、蒸発器１４Ａで蒸発熱が奪われることで冷熱が生成されるとともに、第一吸着器２０内の圧力及び温度は図８のａ点からｂ点を経てｃ点まで上昇する。

【0066】

一方、第二吸着器２２Ｂは、前回のサイクルで吸着剤が飽和状態となっている（図７参照）。この第二吸着器２２Ｂの再生のために、図２に示すように、接続管３０Ｄの開閉弁３２Ｍを開放し、凝縮器１４Ｂに中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を移動可能とする。また、接続管３０Ｃ２の三方弁２２Ｂ１を高温熱源２８Ｈ側に切り替えつつ、開閉弁３６Ｈ２を開放して、第二吸着器２２Ｂに高温熱源２８Ｈから熱交換媒体を移動可能とする。そして、接続配管１６Ｃ２の開閉弁１８Ｃ２を開放する。これにより、高温熱源２８Ｈの熱を受けて第二吸着器２２Ｂの吸着質が脱着され、第二吸着器２２Ｂの再生が開始される。第二吸着器２２Ｂの内部に吸着されていた吸着質は、凝縮器１４Ｂに移動して凝縮される。

【0067】

次いで、開閉弁３２Ｌ、３４Ｍ、１８Ａを閉鎖してから、図３に示すように、接続管３０Ｂの三方弁２０Ａを低温熱源２８Ｌ側に切り替えつつ、開閉弁３４Ｌを開放して、第一吸着器２０に低温熱源２８Ｌから熱交換媒体を流通させる。また、接続管３０Ｃ１の三方弁２２Ａ１を中温熱源２８Ｍ側に切り替えつつ、開閉弁３６Ｍ１を開放して、第二吸着器２２Ａに中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を流通させる。そして、接続配管１６Ｂ１の開閉弁１８Ｂ１を開放する。

【0068】

これにより、第一吸着器２０で吸着質が蒸発し、この吸着質が一方の第二吸着器２２Ａで吸着される。このとき、第一吸着器２０で蒸発熱が奪われることで冷熱が生成されることで、第一吸着器２０内の圧力及び温度は図８のｃ点からｄ点を経てａ点まで下降する。一方、開閉弁１８Ｂ１が開放した瞬間は第二吸着器２２Ａ内の圧力は図８のα’点の最低点にあり、このときの第一吸着器２０内の圧力ｂ点との圧力差により、第二吸着器２２Ａが第一吸着器２０から吸着質を吸着し、圧力も上昇する。

【0069】

一方、他方の第二吸着器２２Ｂの再生は、図２の状態から引き続いている。

【0070】

そして、図２の状態と図３の状態とを何度か繰り返して、第二吸着器２２Ａ内の圧力が、第一吸着器２０の最低圧力である図８のａ点と等しい圧力の図８のβ点まで達した時点で、もう第二吸着器２２Ａは第一吸着器２０から吸着質を吸着することができなくなっている。

【0071】

この段階で、開閉弁３６Ｍ１を開放させたまま、開閉弁３４Ｌ、１８Ｂ１、１８Ｃ２を閉鎖してから、図４に示すように、回収路４０の回収弁４２を開放すると、高温熱源２８Ｈによる再生中の第二吸着器２２Ｂからさらに吸着質が蒸発し、この吸着質が回収路４０を介して、吸着質の吸着が完了する直前の第二吸着器２２Ａで吸着される。このとき、第二吸着器２２Ａ内の圧力及び温度は図８のβ点からγ点まで上昇し、吸着剤が飽和状態となる。

【0072】

一方、第二吸着器２２Ｂの吸着剤は再生し、再び第一吸着器２０からの吸着質の吸着が可能となる。

【0073】

飽和状態となった第二吸着器２２Ａの再生のために、図５に示すように、接続管３０Ｄの開閉弁３２Ｍを開放し、凝縮器１４Ｂに中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を移動可能とする。また、接続管３０Ｃ１の三方弁２２Ａ１を高温熱源２８Ｈ側に切り替えつつ、開閉弁３６Ｈ１を開放して、第二吸着器２２Ａに高温熱源２８Ｈから熱交換媒体を移動可能とする。そして、接続配管１６Ｃ１の開閉弁１８Ｃ１を開放する。これにより、高温熱源２８Ｈの熱を受けて第二吸着器２２Ａの吸着質が脱着され、第二吸着器２２Ａの再生が開始される。第二吸着器２２Ａの内部では、図８のγ点からδ点を経て最高圧力に達し、ここからε点に向かって温度が上昇していく。この間に、第二吸着器２２Ａの内部に吸着されていた吸着質は、凝縮器１４Ｂに移動して凝縮されていく。

【0074】

一方、図５に示すように、接続管３０Ａの開閉弁３２Ｌを開放して、蒸発器１４Ａに低温熱源２８Ｌから熱交換媒体を流通させる。また、接続管３０Ｂの三方弁２０Ａを中温熱源２８Ｍ側に切り替えつつ、開閉弁３４Ｍを開放して、第一吸着器２０に中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を流通させる。そして、接続配管１６Ａの開閉弁１８Ａを開放することで、蒸発器１４Ａで吸着質が蒸発し、この吸着質が第一吸着器２０で吸着される。このとき、蒸発器１４Ａで蒸発熱が奪われることで冷熱が生成される。

【0075】

次いで、開閉弁３２Ｌ、３４Ｍ、１８Ａを閉鎖してから、図６に示すように、接続管３０Ｂの三方弁２０Ａを低温熱源２８Ｌ側に切り替えつつ、開閉弁３４Ｌを開放して、第一吸着器２０に低温熱源２８Ｌから熱交換媒体を流通させる。また、接続管３０Ｃ２の三方弁２２Ｂ１を中温熱源２８Ｍ側に切り替えつつ、開閉弁３６Ｍ２を開放して、第二吸着器２２Ｂに中温熱源２８Ｍから熱交換媒体を流通させる。そして、接続配管１６Ｂ２の開閉弁１８Ｂ２を開放することで、第一吸着器２０で吸着質が蒸発し、この吸着質が第二吸着器２２Ｂで吸着される。このとき、第一吸着器２０で蒸発熱が奪われることで冷熱が生成される。

【0076】

一方、第二吸着器２２Ａの再生は、図５の状態から引き続いている。この間も、第二吸着器２２Ａの内部では図８のε点に向かう温度上昇は続行している。

【0077】

そして、図５の状態と図６の状態とを何度か繰り返して、第二吸着器２２Ｂが第一吸着器２０から吸着質を吸着することができなくなった段階と同時に、第二吸着器２２Ａの内部はε点の最高圧力かつ最高温度に達する。

【0078】

この段階で、開閉弁３６Ｍ２を開放させたまま、開閉弁３４Ｌ、１８Ｂ２、１８Ｃ１を閉鎖してから、図７に示すように、回収路４０の回収弁４２を開放すると、高温熱源２８Ｈによる再生中の第二吸着器２２Ａからさらに吸着質が蒸発し、この吸着質が回収路４０を介して、吸着質の吸着が完了する直前の第二吸着器２２Ｂで吸着され、吸着剤が飽和状態となる。このとき、第二吸着器２２Ａ内では、最高温度のまま圧力が図８のε点からε’点まで下降する。

【0079】

そして、第二吸着器２２Ａの内部がε’点に達した時点で全てのバルブを閉じると、第二吸着器２２’は温度を低下させつつ、ゼロ近くのα’点まで圧力が低下する。この段階で、第二吸着器２２Ａの吸着剤が再生し、再び第一吸着器２０からの吸着質の吸着が可能となる。

【0080】

ここで、第二吸着器２２Ａにおけるε’点からα’点までの圧力及び温度の低下を表す直線は、前記（２）の対比例におけるε点からα点までの圧力及び温度の低下を表す直線（図１６参照）を、ε点とε’点との圧力差を保ったまま下方へ移動させたものとなっている。

【0081】

したがって、二重効用モードで運転できる蓄熱量が、対比例では図１６のα点からβ点までの間であるのに対し、実施形態では図８のα’点からβ点までの間に拡大することとなっている。すなわち、実施形態では対比例よりも図８のα’点からα点までの区間の分、二重効用モードで運転できる蓄熱量が増えることになる。

【0082】

一方、対比例ではβ点からγ点までの間は単段効用モードで冷熱が生成されるのに対し、実施形態でのβ点からγ点までの間は冷熱は生成されない。しかし、先述したように、二重効用モードでは単段効用モードの２．２倍の冷熱が得られるため、実施形態では、単段効用モードの冷熱が得られなくとも、α’点からα点までの区間で二重効用モードでの冷熱生成が得られるため、差し引きで得られる冷熱は増加する。

【0083】

なお、第二吸着器２２Ｂの内部においても図８に示すような圧力及び温度の変化が生じている。

【0084】

図９は、実施形態のヒートポンプ１０において、高温熱源２８Ｈによる第二吸着器２２Ａ、２２Ｂの再生温度と冷熱生成量との関係（線α）と、対比例のヒートポンプ１０’において、高温熱源２８Ｈ’による第二吸着器２２’の再生温度と冷熱生成量との関係（線β）を示すグラフである。なお、縦軸の冷熱生成量は、吸着質（具体的には水）１ｇから生成される冷熱（ｋＪ）を表す。このグラフから、再生温度にかかわらず、実施形態は対比例に対し一定の冷熱生成量が上積みできていることが分かる。

【0085】

図１０は、実施形態の対比例に対する冷熱生成量の向上率と、再生温度との関係を示すグラフである。なお、縦軸の向上率は、同じ再生温度における、実施形態の冷熱生成量（線α）を、対比例の冷熱生成量（線β）で除した値を表す。このグラフから、実施形態のヒートポンプ１０は、再生温度が低いほど、冷熱生成量の向上率が高いことが分かる。

【0086】

（４）その他
なお、本開示の吸着式ヒートポンプシステムにおいては、第二吸着器の数は上記実施形態のような２つには限られず、３以上の第二吸着器が設けられていてもよい。３以上の第二吸着器が設けられる場合、１の第二吸着器には他の全ての第二吸着器との間に回収路が設けられていてもよいし、他の一部の第二吸着器との間にのみ回収路が設けられていてもよい。

【符号の説明】

【0087】

１０ ヒートポンプシステム（ヒートポンプ）
１４Ａ 蒸発器
１４Ｂ 凝縮器
１６Ａ、１６Ｂ１、１６Ｂ２、１６Ｃ１、１６Ｃ２、１６Ｄ 接続配管
１８Ａ、１８Ｂ１、１８Ｂ２、１８Ｃ１、１８Ｃ２、１８Ｄ 開閉弁
２０ 第一吸着器
２０Ａ 三方弁
２２Ａ、２２Ｂ 第二吸着器
２２Ａ１、２２Ｂ１ 三方弁
２８Ｌ 低温熱源
２８Ｍ 中温熱源
２８Ｈ 高温熱源
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ１、３０Ｃ２、３０Ｄ 接続管
３２Ｌ、３４Ｌ、３４Ｍ、３６Ｍ１、３６Ｍ２、３６Ｈ１、３６Ｈ２ 開閉弁
４０ 回収路
４２ 回収弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】