特許 7559297 吸着ベースヒートポンプ、水の脱塩方法及び吸着ベースヒートポンプを用いた冷却方法

(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】2024-09-24

(45)【発行日】2024-10-02

(54)【発明の名称】吸着ベースヒートポンプ、水の脱塩方法及び吸着ベースヒートポンプを用いた冷却方法

(51)【国際特許分類】

   F25B 17/08 20060101AFI20240925BHJP

【ＦＩ】

F25B17/08 Z

F25B17/08 A

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023001253

(22)【出願日】2023-01-06

(62)【分割の表示】P 2020570605の分割

【原出願日】2019-03-07

(65)【公開番号】P2023026674

(43)【公開日】2023-02-24

【審査請求日】2023-01-31

(31)【優先権主張番号】62/639,843

(32)【優先日】2018-03-07

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】520345195

【氏名又は名称】エネシオン インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】モンタゼリ、ハニフ

(72)【発明者】

【氏名】シン、アルシャン

(72)【発明者】

【氏名】ラシュカリ、バーマン

(72)【発明者】

【氏名】クリシュナムルティ、ヴィグネシュ

【審査官】庭月野 恭

(56)【参考文献】

【文献】特開平０２－２０３１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０３－１９９８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－１５９５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０４３８０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－０５８６４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５０８１２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００６／１３５０２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－０２１７１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／０２８８７５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許第０７２５１９５５（ＵＳ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ １７／０８

Ｆ２５Ｂ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒を液化する凝縮器と、
前記冷媒を蒸発する蒸発器と、
吸着剤を含むチャンバと、
前記チャンバと前記凝縮器とを分離する第１弁と、
前記チャンバと前記蒸発器とを分離する第２弁と、
前記チャンバ内に配置され、脱着を生じさせる加熱及び前記吸着剤の吸着による冷却が、前記チャンバ内で、異なる時間に発生する、ミキサであって、
前記吸着剤から前記冷媒を分離させる前記脱着の間、加熱流体が前記ミキサの内部を循環し、
前記蒸発器からの冷媒蒸気の前記吸着剤への吸着を支援する前記吸着の間、冷却流体が前記ミキサの内部を循環する、ミキサと、
前記ミキサと接続され、前記チャンバの外部に配置され、脱着及び吸着を促進するように前記ミキサを駆動するモータと、
を備え、
前記第１弁が開き、前記第２弁が閉じている場合に、前記チャンバは前記凝縮器と流体連通し、前記チャンバで前記吸着剤からの冷媒の分離である脱着が発生し、
前記第２弁が閉じている場合に、前記チャンバは前記蒸発器と切り離され、
前記第１弁が閉じ、前記第２弁が開いている場合に、前記チャンバは前記蒸発器と流体連通し、前記チャンバで前記吸着剤への冷媒蒸気の吸着が発生し、
前記第１弁が閉じている場合に、前記チャンバは前記凝縮器と切り離される、
吸着ベースヒートポンプ。

【請求項2】

前記チャンバは、前記脱着の間前記ミキサに入る加熱流体または前記吸着の間前記ミキサに入る冷却流体のための流体入口及び流体出口を有する、
請求項１に記載の吸着ベースヒートポンプ。

【請求項3】

前記吸着剤は粉末である、
請求項１に記載の吸着ベースヒートポンプ。

【請求項4】

前記吸着剤はナノ多孔質材料である、
請求項１に記載の吸着ベースヒートポンプ。

【請求項5】

塩水を受け取り、
請求項１に記載の前記吸着ベースヒートポンプを用いて水を蒸発させて塩を除去する、
水の脱塩方法。

【請求項6】

吸着剤を含むチャンバを提供し、
前記チャンバは、前記チャンバの外側のモータによって駆動されるミキサを含み、
前記チャンバは、冷媒を液化する凝縮器と選択的に流体連通し、
前記チャンバは、蒸発器の冷媒の蒸発を促進するように、蒸発器とも選択的に流体連通し、
前記チャンバと前記凝縮器との間に配置された第１弁を開き、前記チャンバで脱着を発生させ、
第２弁を閉じて前記蒸発器から前記チャンバを分離し、前記チャンバを前記蒸発器から切り離し、
前記ミキサの内部で加熱流体が循環している間、前記吸着剤から前記冷媒を分離させる脱着を促進するために前記吸着剤と前記冷媒とを、前記ミキサによって混合する、
ことによって、前記チャンバの脱着を交互に実行し、
前記第１弁を閉じて前記凝縮器から前記チャンバを切り離し、
前記第２弁を開き、前記チャンバを前記蒸発器と流体連通させ、前記チャンバで吸着を発生させ、
前記吸着剤への前記冷媒の吸着を促進するために前記吸着剤と前記冷媒とを、前記ミキサによって混合する、
ことによって、前記チャンバの前記冷媒の蒸発を交互に実行する、
吸着ベースヒートポンプを用いた冷却方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、吸着ベースのヒートポンプに関し、また、吸着ベースのヒートポンプを使用する脱塩方法に関する。

【背景技術】

【0002】

吸着ベースのヒートポンプ（または単に「吸着ヒートポンプ」）は、しばしば、吸着冷凍／冷却／加熱システムとして、またはその一部として使用される。典型的な吸着ヒートポンプは、主に、固体吸着剤床、蒸発器および凝縮器を含む。吸着システムは、吸着剤と吸着質（または冷媒）との間の吸引力の恩恵を受ける。使用される吸着剤・吸着質は、作用対と呼ばれる。吸着現象は物理吸着と呼ばれ、作用対間の引力はファンデルワールス型である。あるいは、化学吸着において、作用対の間で化学反応が起こる。いくつかの典型的な作用対は、活性炭・メタノール、活性炭・アンモニア、ゼオライト・水、シリカゲル・水、塩化カルシウム・アンモニアである。使用される作用対は、吸着システムの温度範囲及び効率に影響を及ぼす。さらに、複合吸着剤を使用して、熱および物質移動を増強するか、または吸着量を増加させることができる。

【0003】

吸着ヒートポンプの動作は、以下のステップで説明することができる。第１に、吸着床を加熱することは、作用対の圧力および温度を増加させる。第２に、吸着剤をさらに加熱すると、脱着が生じる。脱着した冷媒蒸気は凝縮器に運ばれ、そこで冷媒からの熱伝達が液化をもたらす。第３に、吸着床を凝縮器から切り離す。したがって、吸着剤を冷却すると、温度および圧力が低下する。第４に、蒸発器内の凝縮冷媒は、低圧・低温で蒸発を開始する。蒸発器が吸着床に接続されているので、吸着床内の固体吸着剤は、蒸発器から冷媒蒸気を引き寄せ、したがって、冷媒の圧力および温度を低下させるのに役立つ。

【0004】

上述のサイクルのための異なる設計が提案されている。これらの設計は、システムの効率と実用性を高めることを試みる。これらの異なる吸着システム設計を区別する要因は、連続運転対間欠運転、熱及び／又は物質回収方法、熱及び物質移動促進方法、低品位又はグリーン熱源の使用である。冷却システムにおいて考慮されるべき２つの重要なパラメータは、供給される熱に対する冷却能力の比であるその性能係数又はＣＯＰと、吸着剤質量に対する冷却能力の比である比冷却力又はＳＣＰとである。

【0005】

吸着装置における１つの共通の特徴は、吸着剤がユニット又は床に固定され、冷媒の流れ及び循環がサイクルを実行することである。最も初期の吸着システムは、単一の吸着剤床を使用しただけであり、したがって、それらは断続的なサイクルでのみ動作することができた。

【0006】

その後の設計は、連続的な冷却を提供し、ＣＯＰおよびＳＣＰを向上させるために２つまたは複数の床を利用した（特許文献１：Ｙｏｎｅｚａｗａら、特許文献２：Ｙｏｎｅｚａｗａら、特許文献３：Ｓａｔｏら）。これらの設計では、１つの吸着床は活性であり、他の吸着床は不活性である。吸着剤床の間で交換することによって、冷凍は、長い中断なしに運転を続けることができる。

【0007】

複数の床の使用はまた、不活性床からの熱エネルギーの回収を容易にする。熱回収を可能にし、強化する幾つかの設計が提案されている。１つの技術は、熱波（特許文献４：Ｓｈｅｌｔｏ、特許文献５：Ｔｃｈｅｒｎｅｖ）とも呼ばれる吸着床における温度勾配の生成に基づく。別の方法は、吸着剤を加熱および冷却するための冷媒の強制対流の使用を示唆する。この方法は強制対流熱波動サイクル（特許文献６：Ｃｒｉｔｏｐｈら）と呼ばれる。しかしながら、真空下でのこの方法の実施には大きな課題がある。

【0008】

別の設計は、熱回収を容易にするための一組の回転吸着床に基づく（特許文献７：Ｅｂｂｅｓｏｎ、特許文献８：Ｃｒｉｔｏｐｈ）。さらに、いくつかの設計は、複数の床を利用し、吸着剤床間の熱伝達媒体を制御することによって、脱着床内に蓄積された熱を利用し、吸着床を予熱する（特許文献９：Ｐａｕｌｕｓｓｅｎ）。同様に、熱エネルギーを回収するために、一時的な熱貯蔵媒体を使用することができる（特許文献１０：Ｓｏｍｍｅｒら）。熱伝達を容易にする複数の固定吸着床を有する様々な設計がある（特許文献１１：Ｍｉｔｔｅｌｂａｃｈ、特許文献１２：Ｇａｒｎｅｒ、特許文献１３：Ｄａｓｓｌｅｒ、Ｍｉｔｔｅｌｂａｃｈ）。

【0009】

凝縮器からもより多くの熱回収を達成することができる。別の効率的なアプローチは、吸着システムが蒸気圧縮サイクルのような別の冷凍システムと組み合わされるハイブリッドシステムを採用することである。あるいは、高温サイクルの廃熱を用いて低温サイクルを駆動する２つの異なる吸着サイクルを組み合わせた（特許文献１４：Ａｋｉｓａｗａ）。

【0010】

さらに、低品位熱又は太陽エネルギーを熱源として使用することを開示する多数の先行技術の参考文献が存在する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【文献】米国特許第４，８８１，３７６号

【文献】米国特許第５，０２４，０６４号

【文献】米国特許第５，７７５，１２６号

【文献】米国特許第４，６１０，１４８号

【文献】米国特許第４，６３７，２１８号

【文献】米国特許第５，８４５，５０７号

【文献】米国特許第５，４３１，７１６号

【文献】米国特許第６，６２９，４３２号

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１６７８４２号

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２９８８３２号

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１３８８２４号

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００３３７６０号

【文献】国際出願公開第２０１５／０１４７７２号

【文献】米国特許出願公開第２００９／００９５０１２号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

前述の問題の少なくともいくつかを克服する、改良された吸着ベースのヒートポンプが非常に望ましい。

【課題を解決するための手段】

【0013】

以下は、本発明の基本的な理解を提供するために、本発明のいくつかの態様または実施形態の簡略化された概要を提示する。この概要は、本発明の広い概観ではない。本発明の主要または重要な要素を特定したり、本発明の範囲を詳細に記載したりすることを意図するものでもない。その唯一の目的は、後に提示されるより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの実施形態を簡略化された形態で提示することである。

【0014】

一般に、本発明は、混合および対流機構によって吸着剤／乾燥剤の熱および物質移動を高めることを利用する、新しいタイプの吸着ベースのヒートポンプに関する。

【0015】

吸着ベースのヒートポンプにおける主な問題は、脱着および吸着サイクル中の吸着剤／乾燥剤への、および吸着剤／乾燥剤からの熱伝達である。伝統的に、乾燥剤は、その伝導性熱特性を増加させるために、伝導性金属の床上に噴霧される。伝熱には伝導、対流、放射の３つの形態がある。伝導のみに頼る代わりに、本発明の実施形態は、吸着剤／乾燥剤を暖める及び／又は冷却するために対流（及び放射）も利用するメカニズムを提供する。

【0016】

本発明の一態様によれば、吸着冷凍システムは、少なくとも１つの蒸発器と、少なくとも１つの脱着器と、少なくとも１つの凝縮器と、少なくとも１つの粉末（顆粒）冷却装置とを含む。ここに記載された実施形態のいくつかでは、吸着剤粉末または顆粒は、床内に固定または固定されず、蒸発器、脱着器、および冷却装置の間で輸送される。

【0017】

より具体的には、固体吸着剤は、スクリュコンベア、同等の粉末置換装置、または場合によっては重力などの輸送手段を介して輸送される。

【0018】

本発明の別の態様によれば、スクリュコンベア（または機能的に等価な機構）を使用することは、吸着剤粉末の輸送を容易にするだけでなく、吸着剤の混合を助け、したがって熱および／または物質移動を向上させる。吸着剤の熱伝達レジームを純粋な伝導から伝導、対流および放射の組み合わせに変更することは、本発明の一態様である。

【0019】

さらに、熱伝達効果は、特定の粉末または吸着剤の属性によって制限されないので、この方法は、異なる吸着剤に容易に適用され得る。混合および対流係数は、物理吸着または化学吸着の両方の場合に有効である。したがって、本発明の方法は粉末に依存しない。

【0020】

本発明の別の態様によれば、吸着剤粉末または顆粒を熱交換器全体に通過させることにより、熱伝達が向上する。熱交換器は、複数のパイプ、チューブまたは導管で構成することができ、伝熱流体は、それらを流れ、粉末がパイプの上および周囲に注入されおよび通過する。あるいは、熱交換器は、ヒートシンクが熱を外部媒体に伝達するヒートシンクに接続されたフィンおよびプレートを含むことができる。吸着産業における従来技術の熱交換器とは異なり、図１に例として示されている本発明の熱交換器では、粉末（または顆粒）は落下し、フィン、プレート、またはパイプの狭い通路を通って移動する。粉末（または顆粒）の移動は、ホットパウダーとコールドパウダーとが混合し、コールド／ホットプレートに対してその位置を変化させるように設計される。この混合および移動は、粉末の温度プロファイルを破壊し、したがって、望ましい対流効果を促進する。従って、脱着器部分又は冷却装置にバルク固体熱交換器を採用することは、システムの実用性を高めることを可能とする。

【0021】

本発明の別の態様によれば、吸着剤粉末または顆粒を回転ミキサブレードと混合することにより、熱伝達が向上する。したがって、脱着部または冷却装置に回転（または往復）ミキサを用いることにより、システムの実用性を高めることができる。

【0022】

本発明のさらに別の態様によれば、このヒートポンプの開放サイクルを水脱塩用途に使用することができる。脱塩の方法において、低濃度または高濃度の溶解ミネラルを有する水（または塩を運ぶ液体）は、蒸発器に入ることができ、そこで水が蒸発し、吸着剤に吸着する。次に、脱着器において、水は蒸発され、次いで凝縮される。この技術は、高い不純物を有する水または液体を脱塩することができる非接触（非接触）脱塩プロセスを可能にする。サイクルは、真空であろうと正圧であろうと、異なる圧力下で動作することができる。

【発明の効果】

【0023】

改良された吸着ベースのヒートポンプを提供する。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の一実施形態による、脱着器と、粉末冷却熱交換器と、蒸発器と、凝縮器とを備える吸着冷凍システムを示す。

【図2】図１の冷凍システムの異なる部分における材料、吸着剤及び冷媒の輸送を示す図である。

【図3】試験に用いた実験脱着器を示す写真である。

【図4】冷却流体が循環する互い違いの通路を有する熱交換器プレートを有する粉末（または顆粒）冷却装置を示す。

【図5A】蒸発器の等角部分透視図であり、蒸発器は、周囲にメッシュを有する吸着剤容器を有し、吸着剤を蒸気および熱交換器に曝し、冷却効果を外向きに伝達する。

【図5B】図５Ａの蒸発器の側面図である。

【図5C】蒸発器、吸着剤容器及び熱交換器の内部を示す写真である。

【図6】アルミニウム製スクリュコンベアの内側とアルミニウム製チューブの外側の両方を温水が循環する第１の場合と、アルミニウム製スクリュコンベアの内側のみ温水が循環する第２の場合とについて、脱着装置の出力温水温度及び粉末温度と時間との測定値をプロットしたグラフである。

【図7A】粉末熱交換器内の千鳥状のパイプの配置を概略的に示す図である。

【図7B】実験用粉末熱交換器を示す写真である。

【図8】別の実験用粉末熱交換器を示す写真である。

【図9】試験中の蒸発器の測定値をプロットしたグラフであり、粉末（吸着剤）温度および水温を示す。

【図10】フルシステムテストの測定値をプロットしたグラフであり、蒸発器内部の水（冷媒）と、粉末が蒸気を吸着して冷却を生成する際の蒸発器内部の循環水の温度を示す。

【図11】本発明の別の実施形態による吸着冷凍システムを示す。

【発明を実施するための形態】

【0025】

本開示の他の発明の態様は、詳細な説明および図面から明らかになるであろう。

【0026】

実施形態は、図面を参照して、単に例として記載される。

【0027】

吸着ベースのヒートポンプシステムは、冷凍、冷却または加熱の目的のための吸着プロセスを容易にする機械的システムである。図１に例として示される実施形態は、少なくとも１つの蒸発器、少なくとも１つの脱着器（吸着剤加熱装置）、少なくとも１つの吸着剤冷却（放熱）装置、および少なくとも１つの凝縮器を備える。図示された実施形態は、吸着剤を輸送し、かつ／または熱および／または物質移動を促進するために、吸着剤輸送および／または混合機構（例えば、スクリュコンベア）および／または粉末ミキサおよび／または撹拌器および／または粉末熱交換器を使用する。従って、効率的な吸着冷凍又はヒートポンプを提供することができる。図２は、図１のシステムの基礎をなす主要な機能要素を概略的に示す。図２に示すように、システムは、脱着器と、凝縮器と、冷却装置と、蒸発器と、吸着剤を蒸発器から脱着器に輸送するための輸送手段（例えばスクリュコンベア）とを含む。

【0028】

図に示す例示的な実施形態では、シリカゲル・水対が使用されている。このシステムでは、他の吸着剤・吸着質作用対を容易に使用することができる。いくつかの例は、ゼオライト・水、ＭＯＦ（金属有機構造体）・水および活性炭・メタノールである。ナノ多孔質材料は、１００ナノメートル以下の範囲の孔径を有する規則的な多孔質構造を支持する規則的な有機または無機構造を有する。ナノ多孔質材料のいくつかの例は、ゼオライト、活性炭およびＭＯＦである。ただし、作用温度はそれに応じて変化する。本発明の一実施形態を図１に示したが、他の機構、システム、または部品の配置も、吸着剤粉末または顆粒との間の熱伝達および／または物質移動を強化するために、同じまたは実質的に同様の混合および／または対流効果を提供することができることを理解されたい。図１に示す実施例では、飽和した吸着剤粉末は、２つのスクリュコンベア１０１、１０７を用いて脱着器内で輸送され、混合される。第１スクリュコンベア１０１は、例えばこの特定の機構においてほぼ水平方向に粉末を前方に駆動する。この第１のスクリュコンベア１０１は、第１のモータ、例えば、カプラ１０２を介した電気モータ１０３によって、又は任意の他の同等又は適切な駆動手段によって駆動される。モータ１０３と第１スクリュコンベア１０１との間の結合器１０２は、脱着器内部の真空圧力を維持しやすくするために、任意の適当なタイプの密閉シャフトトルク結合とすることができる。第２のスクリュコンベア１０７は、脱着装置ユニットの一部である。図１に描かれた特定の機構において、第２のスクリュコンベア１０７は、実質的に垂直、すなわち、第１のスクリュコンベア１０１と直交している。しかしながら、実施形態は、第１及び第２のスクリュコンベアのために他の向き又は幾何学的形状を利用することができる。脱着器ユニットにおいて、湿潤吸着剤粉末は、吸着剤粉末から冷媒を分離するために加熱される。加熱手順は、本明細書に記載されるような高温流体循環によって、または他の適切な加熱方法を使用することによって実行され得る。第２のスクリュコンベア１０７は、粉末を混合して輸送するだけでなく、内部の高温流体循環１０８による粉末の加熱を助ける。第２のスクリュコンベア１０７の底部では、密閉された流体循環装置（例えば、メカニカルシールを有する装置）１１３が、第２のスクリュコンベア１０７が自由に回転できるようにしながら、高温流体の入口通路および出口通路を提供する。高温流体入口は、流体を第２のスクリュコンベア１０７の頂部に輸送するパイプ、チューブ、または導管に接続される。高温流体出口は、パイプの周囲に通路を提供する。流体循環装置の密閉軸受により、流体出口はスクリュコンベアの回転を妨げない。第２のスクリュコンベア１０７は、密閉されたシャフトトルクカップリング１０９を介して、例えば別個の電気モータ１１０のような第２のモータに接続される。第１および第２のスクリュコンベアのための別個の第１および第２のモータの使用は、吸着剤の流れおよび混合の独立かつ正確な制御を可能にする。脱着器内の第２スクリュコンベア１０７のみが回転する場合、粉末を出口に搬送することなく混合を依然として提供することができる。高温流体循環部１１２を有する外側管も、吸着剤の加熱に寄与する。熱い流体は、例えば、入口流体１１４として入り、外部チューブおよび／または第２のスクリュコンベア１０７の内部を循環し、出口流体１１５として出口パイプから出る、例えば７５℃の水であり得る。実験は、図３に示す実験装置において、粉末が数分で６５℃に達することができることを示している。以下に説明するように、高温流体は、内部、外部、又は内部及び外部の両方で循環させることができるが、異なる配置は脱着器の性能に影響を及ぼす。スクリュコンベア内部を循環する高温の流体と、外部ジャケット内を循環する高温の流体とは、同じ流体であっても、異なる流体であってもよいことを追加する必要がある。例えば、いくつかの実施態様において、外部ジャケット内を循環する流体は、高温ガスであり得、スクリュコンベア内を循環する流体は、高温液体であり得る。脱着器の頂部には、水蒸気を凝縮器１４０に運ぶオリフィスがある。凝縮器では、水蒸気は液化される。凝縮器１４０内の冷却は、ファンによって吹き込まれる周囲空気を使用して、又は、凝縮器の外面に冷水又は任意の他の適当なタイプの流体循環を使用することによって行うことができる。凝縮された水は、膨張弁または毛細管を通過する水入口パイプを通って蒸発器に輸送される。脱離装置から出た高温粉末は、弁１５１を開くことによって冷却装置１５０を通って落下することができる。この実施形態に図示されているが、この弁は設計の必要な部分ではないことを理解すべきである。この弁なしで、脱着された粉末は、冷却装置に直接運ばれる。

【0029】

図４にも示されるように、冷却装置１５０は、伝導および対流を介して粉末およびバルク固体を冷却するために設計された熱交換器である。粉末は、熱交換器フィン１５３またはパイプの表面にわたって移動および混合され、熱交換器の周囲を循環する冷却流体（例えば、水）１５４に熱エネルギーを輸送する。図１に示すように、また、図５Ａおよび図５Ｂにおいても、冷却装置は粉末を貯蔵し、蒸発器の上方の弁１７１を開けることによって、冷粉末が蒸発器粉末容器１７２内に落下する。蒸発器は、粉末容器と、凝縮器からの冷媒（例えば、水）入口と、熱交換器と、粉末を収集する漏斗とを備える。粉末容器は、蒸発器内の蒸気に吸着剤粉末を曝す微細なメッシュ及び／又は孔で覆われた広い表面積を有する。粉末容器は、異なる形状を有することができる。しかしながら、粉末容器の最適な形状は、所与の体積当たり最大表面積を有するものである。この例示的な実施形態では、蒸気曝露を可能にするために、小さなギャップで分離された直方体プリズムが使用される。設計仕様および作用対に応じて、粉末容器は、熱伝導性の材料（例えば、アルミニウムまたは銅）または熱伝導性の悪い材料（例えば、プラスチック）のいずれかから作られ、その内部の粉末温度を管理することができる。漏斗は、粉末容器の下に配置され、吸着された粉末を収集する。漏斗の周囲の閉鎖領域は、液状水から粉末を分離する。従って、水面は、常に漏斗レベルより下になるように制御され、吸着剤と直接接触しない。短時間で、粉末は大量の蒸気を吸着し、したがって蒸発が水面上で継続し、熱交換器１７３から熱を吸着する。冷却効果は、冷却水（または他の搬送流体）を介してユニットの外部にもたらされることができる。冷却効果搬送流体の入口１７４および出口１７５を図１に示す。飽和により吸着が減速した後、弁１９１が開き、飽和した粉末を脱着器に放出する。ここでも、第１スクリュコンベア１０１は粉末を前方に押し出し、サイクルはこのように連続して作動することができる。

【0030】

加熱／冷却流体循環とジャケット付きトラフを持つスクリュコンベアは、サーマルスクリュプロセッサとも呼ばれることがあることを明らかにすべきである。加えて、サーマルスクリュプロセッサは、加熱／冷却流体が通過する中空フライトを有してもよい。任意選択で、スクリュコンベアは、適切なコーティング、例えばマグネシウムコーティングを有することができる。

【0031】

いくつかの実施形態では、脱着器の外壁は、集束された太陽放射からの放射熱伝達に適応するために、透明な壁で置き換えることができることに留意されたい。あるいは、マイクロ波放射のような他のタイプの電磁放射を用いて、脱着器の加熱を強化することができる。

【0032】

プロトタイプ吸着冷凍システムのモジュールの測定例：
脱着器を試験して、加熱に必要な時間を測定した。脱着器は、長さ５インチ、直径４インチのアルミニウム管から作られた（図３）。アルミニウムスクリュコンベアが容積の一部を占め、管の内部の残りの容積を４．２ｋｇの微細シリカゲル粉末で満たした。給湯器を使って７５℃前後まで温めた。スクリュコンベアは～２０ｒｐｍの速度で回転していた。まず、温水がスクリュコンベアを循環するだけの場合と、内部ループに加えて、温水がアルミニウム管の外側を循環するもう一つの場合との２ケースについて、出力水温と粉末温度を測定した。温度対時間は、図６のグラフに示されている。

【0033】

冷却モジュールについて一連の測定を行い、粉末熱交換器またはミキサの異なる構成の適合性を試験した。

【0034】

１セットの実験では、対流熱伝達を高めるために、１７６本の銅パイプ（１／４インチパイプ）を千鳥状に配置した（図７Ａに例として示すように）パイプ熱交換器を設計した。水道水（２１℃の温度）は、（図７Ｂに示すように）パイプ内および冷却装置の２つの壁の周りを循環した。５００ｇの量のシリカゲル粉末を装置の頂部の漏斗上に置き、バルブを開くことによって、粉末を落下させ、熱交換器中の互い違いのパイプを通して混合した。粉末の平均排出速度は６．２５ｇ／ｓ（８０ｓで５００ｇ排出）であった。粉末温度は、最初は８０℃であった。長さ１２インチの熱交換器を通過した後、水温は４０℃に達した。

【0035】

粉末冷却プロセスにおける周囲空気の影響を推定するために、同じ温度の粉末を同じ距離から空気中に注いだ。この場合、温度は８０℃から６６℃に低下することが観察された。

【0036】

別の実験では、（図８に示されているように）プレートの形状を有する２つのコンピュータヒートシンクが採用された。対流熱伝達を強化するために、ヒートシンクを互いに交差するように設置し、より高温で低温の粉末がフィンを通過しながら熱交換するようにした。上述の漏斗を使用して、同様の粉末流を提供した。粉末を熱交換器のプレート間の通路に通した。ヒートシンクの温度は、低温表面に接触させることによって制御した。１組の実験では、粉末温度は、１８℃の平均温度を有する５インチ長の熱交換器プレートを通過させることによって７８℃から４３℃に低下した。同様の実験を、粉末温度が７１℃から４１℃に低下し、プレートの平均温度が１６℃である真空設定で行った。

【0037】

熱伝達を高める別の方法は、粉末中でミキサヘッドを使用することである。この方法の有効性を示すために実験を行った。５００ｇの量の粉末をステンレス鋼容器に入れ、水を満たしたより大きな容器に入れた。大きな容器は、その水の入口及び出口接続部を通しての水の循環を容易にした。

【0038】

ステンレス鋼及びプラスチック塗料ミキサヘッドのような異なるミキサヘッド並びにプラスチックスクリュコンベア（螺旋形状を有する）を採用した。全てのミキサヘッドが伝熱促進に非常に有効であることを示した。

【0039】

また、蒸発器部分についても広範な実験を行った。粉末をオーブン中で脱着させ、次いで真空下で室温まで冷却した。粉末を貯蔵する容器を、蒸発器の頂部のバルブを介して蒸発器に接続した。蒸発器を水で満たし、次いで真空にした。前述のように、水のレベルは、液体とメッシュとの間に直接接触がないことを確実にするのに十分に低かった。接続されたバルブを開けることにより、粉末は吸収プロセスが開始される時の蒸発器の内側に粉末容器を充填することを開始した。水および粉末温度を記録して、蒸発および吸着プロセスを実証した。１．２ｋｇの水および６９６ｇの粉末を使用する１つの場合において、５分間で、水および粉末の温度は、それぞれ、３０℃から２４℃および２５℃から４７℃に変化した。１ｋｇの水を用いた別の試験では、４分間で、水および粉末の温度は、それぞれ１５℃から１４℃および１８℃から７５℃に変化した。図９は、この場合の温度対時間の変化を示す。

【0040】

最後に、完全なシステムで実験を行い、シリカゲルを７５℃の水で脱着し、２５℃まで冷却した後、蒸発器に搬送した。図１０は、シリカゲルが蒸気を吸着し、より多くの蒸発を誘発し、冷却を生じさせるときの、蒸発器内部の冷却水および蒸発器内部の循環水の温度を示す。

【0041】

他の実施形態は、本明細書に記載される本発明の概念を使用して、ミキサ／スクリュコンベア／撹拌器を使用して、熱および物質移動を増強する同じまたは実質的に同様の冷却吸着サイクルを実施するように考案され得る。混合および／または撹拌は、サイクルの異なる段階の間に必要とされる、吸着剤への、および吸着剤からの対流熱および物質移動を誘導する。明確にするために、いくつかの例を本明細書に記載する。別の実施例では、ミキサまたはサーマルスクリュプロセッサは、異なるチャンバ間で吸着剤粉末／顆粒を輸送しない。同一の混合システムを有する１つ以上のチャンバを使用することができる。この実施形態では、加熱および冷却流体は、それぞれ、加熱および冷却の目的で、ミキサ／撹拌器／スクリュコンベアの内側を循環している。したがって、同じチャンバは、異なる時間に脱着器および冷却装置として作用する。チャンバが脱着器として動作すると、加熱流体はミキサ／撹拌器／スクリュコンベアを通って循環し、チャンバと凝縮器を接続する弁が開いており、チャンバと蒸発器を接続する弁が閉じている。チャンバが散逸（冷却）装置として作動する場合、冷却流体はミキサ／撹拌器／スクリュコンベア（すなわち、吸着剤に作用するための機械的装置）を通って循環し、凝縮器弁と蒸発器弁の両方が閉じられる。粉末を冷却した後、蒸発器バルブを開いて、冷却された粉末に吸着プロセスを開始させる。蒸発器へのチャンバの接続部は、蒸気をチャンバに通過させながら、粉末が蒸発器に入るのを防止するメッシュを備える。この段階では、冷却流体は、吸着速度を高めるために、ミキサ／撹拌器／スクリュコンベアを通して循環を続けることができる。システムが１つのチャンバのみを含む場合、同じチャンバは、脱着装置および冷却装置と交互に動作する。システムが２つ以上のチャンバを含む場合、システムは、第１のチャンバが脱着しているときに、第２のチャンバが粉末を冷却し、任意の第３のチャンバが蒸発器に接続されるように、連続的に動作する。一実施形態では、スクリュコンベア又はオーガ又はミキサは、容器がチャンバの内部で回転する容器の内部に静止したままであり、従って、混合及び対流を誘起する。

【0042】

図１１は、本発明の別の実施形態による吸着冷凍システムを示す。図１１に示すシステムは、凝縮器２４０、蒸発器２７０、およびチャンバ２１２を含む。チャンバ２１２は、吸着剤の吸着と脱着を交互に行うだけでなく、冷却と加熱を交互に行うように設計されている。ミキサ２０７または攪拌器は、電気モータ２１０または任意の他の機械的トルク源によって駆動される。加熱または冷却流体は、入口２１４を介してチャンバに入り、出口２１５を介してチャンバから出る。

【0043】

さらに、蒸発器の脱着器および／または熱放散（冷却）装置および／または粉末バスケット部分が、輸送および熱／物質移動の両方のためにスクリュコンベア（例えば、サーマルスクリュプロセッサ）を使用する他の実施形態を使用することができる。スクリュコンベアを傾斜位置（傾斜配向）に配置して、ある部分から他の部分への粉末の輸送を容易にすることができる。さらに、散逸（冷却）装置および蒸発器粉末バスケットは、スクリュコンベアの一部がスクリュコンベアの内側および／または外側ジャケット内を循環する冷却流体を有する冷却装置として作用する１つのユニットに一体化することができ、ミキサ／スクリュコンベアが粉末を混合して吸着を強化し、外側ジャケットが粉末を蒸発器からの冷媒蒸気に部分的に（または全体的に）曝す。代替的に、第１の記載された実施形態と同様の別個の蒸発器システムを使用することができ、蒸発器は、放熱（冷却）装置と脱着器との間に配置され、粉末は、冷却部分から蒸発器内にアンロードされ、部分的または完全な吸着の後、脱着器内にアンロードされることができる。したがって、この構成は、少なくとも２つの傾斜スクリュコンベアを使用することによって実施され得る。傾斜スクリュコンベアは、４５°以下の角度で動作することができ、または他の実施形態では、スクリュコンベアのうちの１つまたは複数は、４５°よりも大きい角度で動作することができる。４５°以下の角度を有するスクリュコンベアを使用する利点は、コンベアに供給する必要がないことである。したがって、スクリュコンベアの角度が４５°より大きい配置では、水平送りコンベアの採用が必要になる場合がある。水平供給コンベアは、製品のコストを増加させるが、設計に容易に追加することができる。短い（２／３）ピッチまたは半（１／２）ピッチのようなより小さいピッチサイズを採用すること、またはスクリュコンベアとパイプとの間のクリアランスを減少させることのような、水平供給コンベアの必要性を回避するために、材料処理産業において利用可能な他の解決策がある。これらの技術は、傾斜スクリュコンベアにおける材料取り扱いの効率を同様に増加させることができ、従って、記載された設計において使用することができる。

【0044】

脱着器及び冷却（放熱）部の配管／チューブは、熱伝達を高めるために流体循環を備えた外部ジャケットを有していてもよい。この設計における凝縮器は、第１の設計と同様であり、脱着器の頂部から蒸気を収集し、周囲空気および／または冷却流体への熱伝達を介して蒸気を冷却し、液化冷媒を蒸発器に輸送する。凝縮器と蒸発器の間に膨張弁を配置して、流体の圧力を減少させるのを助けることができる。さらに、低クラッキング圧力逆止弁を凝縮器と脱着器との間に配置することができる。

【0045】

上述の設計では、脱離器と冷却部の両方が、同一の傾斜角度または異なる角度／サイズだけでなく、スクリュコンベアの同一の設計およびサイズを使用できることを明らかにすべきである。したがって、いくつかの実施形態は、異なる設計および／またはサイズのスクリュコンベアおよび／または異なる傾斜角度を使用してもよい。

【0046】

説明したように、全てのこれらの設計の共通の態様が、冷却または脱塩の目的のためにナノ多孔質材料（吸着剤粉末または顆粒）の混合および／または運搬（輸送）を利用する場合、異なる配置を採用することができる。

【0047】

任意選択で、システムは、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、コンピュータ、プログラマブルロジックなどを有するコンピュータ化された制御システムによってマイクロプロセッサ制御されてもよい。システムは、オプションとして、機械学習コードを実行するプロセッサを含むことができる。したがって、プロセッサは、１つまたは複数のセンサからのフィードバック信号に基づいてシステムの動作をどのように最適化するかを学習することができる人工知能（ＡＩ）を提供するために、アルゴリズムをコードで実行することができる。ＡＩベースの制御システムは、例えば、スクリュコンベアの回転速度、冷媒の流量、バルブの作動などの様々な作動パラメータを調整するために学習することができる。

【0048】

単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈が別途明確に示さない限り、複数の対象を含むことを理解されたい。したがって、例えば、「装置」への言及は、１つ以上のそのような装置への言及を含み、すなわち、少なくとも１つの装置があることを含み、「備える」、「有する」、「含む」及び「含む」という用語は、特に断らない限り、オープンエンドの用語（すなわち、「含むが、限定されない」を意味する）と解釈されるべきである。本明細書で記載した全ての方法は、本明細書に別段の指示がない限り、或いは明らかに文脈に矛盾しない限り、任意の好適な順序で実行され得る。例または例示的な言語（例えば、「のようである」）の使用は、単に、本発明の実施形態をより良く例示または説明することを意図しており、別段の請求がない限り、本発明の範囲を限定することを意図していない。

【0049】

いくつかの実施形態が本開示で提供されたが、開示されたシステムおよび方法は、本開示の範囲から逸脱することなく、多くの他の特定の形態で実施され得ることが理解されるべきである。本実施例は、例示的であって限定的ではないと考えられるべきであり、本発明は、本明細書に与えられる詳細に限定されるべきではない。例えば、様々な要素または構成要素は、別のシステムにおいて組み合わされ、または統合されてもよく、あるいは、特定の特徴が省略されてもよく、または実装されなくてもよい。

【0050】

さらに、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な実施形態において個別または別個として説明および図示された技法、システム、サブシステム、および方法を、他のシステム、モジュール、技法、または方法と組み合わせるか、または統合することができる。結合されるか、直接結合されるか、または互いに通信するものとして示されるか、または議論される他のアイテムは、電気的に、機械的に、または他の方法であろうと、何らかのインターフェース、装置、または中間構成要素を介して間接的に結合されるか、または通信することができる。変化、置換、および変化の他の例は、当業者によって確認可能であり、本明細書に開示される発明概念から逸脱することなく行うことができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】