特許 7632247 吸着器、および、吸着式多段ヒートポンプ

(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】2025-02-10

(45)【発行日】2025-02-19

(54)【発明の名称】吸着器、および、吸着式多段ヒートポンプ

(51)【国際特許分類】

   F25B 17/08 20060101AFI20250212BHJP

   F25B 37/00 20060101ALI20250212BHJP

【ＦＩ】

F25B17/08 A

F25B37/00

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021191657

(22)【出願日】2021-11-26

(65)【公開番号】P2023078508

(43)【公開日】2023-06-07

【審査請求日】2024-03-21

(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】100160691

【弁理士】

【氏名又は名称】田邊 淳也

(74)【代理人】

【識別番号】100167232

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 みな

(72)【発明者】

【氏名】山本 貴規

(72)【発明者】

【氏名】廣田 靖樹

(72)【発明者】

【氏名】山内 崇史

【審査官】笹木 俊男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０１１８２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－１５２４３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５２１９４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ １５／００ ～ １７／１２

Ｆ２５Ｂ ３５／０４

Ｆ２５Ｂ ３７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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。

【請求項2】

請求項１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。

【請求項3】

請求項１または２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。

【請求項4】

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３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。

【請求項5】

請求項４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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１６－１１８２２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】ヒートポンプの概略構成を表す説明図。

【図2】第１吸着器の構成を模式的に表す説明図。

【図3】管状モジュールの概略構成を表す斜視図。

【図4】管状モジュールの外観の概要を表す斜視図。

【図5】管状モジュールの一部を拡大して示す説明図。

【図6】吸着材層の製造方法の説明図。

【図7】吸着材層の製造方法の説明図。

【図8】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。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】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。

【図14】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。

【図15】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。

【発明を実施するための形態】

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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）：

【0013】

【化1】

【0014】

〔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）：

【0015】

【化2】

【0016】

〔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。

【0017】

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）：

【0018】

【化3】

【0019】

〔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。

【0020】

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）：

【0021】

【化4】

【0022】

［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）：

【化5】

【0023】

［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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

Ｈ＝ｗ×ｎ … （１）

【0040】

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ｗ_gap（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ｗ_gap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。

【0041】

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。

【0042】

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ｗ_gap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。

【0043】

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ｗ_gap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。

【0044】

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。

【0045】

（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。

【0046】

０．０５＜ｗ＜ ０．６ …（２）
０．５＜Ｈ＜４．０ …（３）

【0047】

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Ｗ_gapとして示している。伝熱管同士隙間Ｗ_gap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Ｗ_gap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。

【0048】

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Ｗ_gapを２ｍｍ、線材間隙間ｗ_gap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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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）。

【0052】

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。

【0053】

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Ｗ_gapを２ｍｍ、線材間隙間ｗ_gap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。

【0054】

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、Ｗ_gap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、ｗ_gap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。

【0055】

【数1】

【0056】

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。

【0057】

【数2】

【0058】

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ｗ_gap、管状モジュール３０の直径Ｄ、および伝熱管同士隙間Ｗ_gap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ｗ_gap、管状モジュール３０の直径、および伝熱管同士隙間Ｗ_gap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ｗ_gap、管状モジュール３０の直径、および伝熱管同士隙間Ｗ_gap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。

【0059】

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Ｗ_gap、線材間隙間ｗ_gap、 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。

【0060】

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。

【0061】

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。

【0062】

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。

【0063】

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。

【0064】

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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【符号の説明】

【0068】

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

【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】