JP6331548B2 - 吸着式ヒートポンプ - Google Patents
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Description
本発明は、吸着式ヒートポンプに関する。
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。
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換えによって作動モードの切り換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、を切り換えて交互に行なう。
このほか、上記と同様に動作する吸着式冷凍機なども知られている（例えば、非特許文献２参照）。
近年では、地球環境の保全が注目されており、省エネルギー化の動きが活発化してきたことを考慮すれば、吸着式ヒートポンプを利用した装置に対しても更なる熱効率の向上が求められている。
「第２４回技術開発・調査事業成果発表会 ［Ｐ５.１.２］吸着式ヒートポンプを用いた高効率灯油燃焼機器の開発」、[online]、平成２２年６月、一般財団法人石油エネルギー技術センター、[平成２４年１１月２２日検索]、インターネット＜URL:http://www.pecj.or.jp/japanese/report/2010report/24data/p512.pdf＞
「ユニオン産業の吸着式冷凍機 吸着式冷凍機の原理」、[online]、ユニオン産業株式会社、[平成２４年１１月２２日検索]、インターネット＜URL: http://www.union-reitouki.com/chiller/principle.html＞
これまでに提案されている一般的な吸着式ヒートポンプにおいて増熱サイクルを行なう場合、増熱されたエネルギーは、凝縮熱（Ｑ１）と吸着熱（Ｑ２）と吸着器の顕熱（Ｑ３）の総和で定義することができるが、Ｑ３で表される吸着器での顕熱は回収されずに廃棄されるに至っているのが実情である。ところが、吸着器が複数設けられているシステム等では、顕熱分の熱量は無視できず、システム全体の熱損失が大きくなる一因となっている。
しかしながら、システム内で発生する熱エネルギーの全て（＝Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３）を回収しようとすると、吸着質の吸着と脱離を切り換える際に吸着器に発生する顕熱損失を減らすための仕組みも必要になり、システム全体が複雑化する。例えば複数のバルブと流路が備えられているシステムにおいては、吸脱着の切り換えにあわせて流路の切り換えが必要になり、そのためにバルブの制御も複雑なものとなる。
一方、燃焼により熱エネルギーを得る化石燃料を用いたシステムは、熱エネルギー損失（顕熱ロス）が著しく大きいためにＣＯＰ値は一般的に低い値となるのに対して、ヒートポンプでは比較的高いＣＯＰが得られることが期待されている。しかしながら、熱媒を使用して吸脱着プロセスを経て熱利用するシステムでは、熱媒として高温流体（例えば８０℃）と低温流体（例えば３０℃）とを切り換える場合に、吸着器内に残存している熱媒が互いに混ざり合うために、必然的に熱媒の顕熱分のロスが生じてしまう。このような熱損失を防ぐことは、システム構成上容易なことではない。
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、バルブ数を減らして、かつ、熱エネルギー損失（顕熱ロス）が小さく、増熱効果の高い吸着式ヒートポンプ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。
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、吸着式ヒートポンプにおいて、熱エネルギーの増熱効果を高めるには、熱交換用の流体（いわゆる熱媒）による顕熱ロスが無視できないため、熱媒による顕熱の授受を、アンモニアや水蒸気等の蒸発潜熱の大きい物質を利用した潜熱による授受に代えると、熱媒及びその流路の切り換えが不要になり、温度の異なる熱媒が混合することで生じる顕熱の無駄も減らすことができるとの知見である。
前記目的を達成するために、第１の発明の吸着式ヒートポンプは、貯蔵部から供給された流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から前記流体が供給され、前記流体を保持し保持された流体を脱離する第１の流体保持部、及び前記貯蔵部から前記流体が供給され、前記流体を保持し保持された流体を脱離する第２の流体保持部を熱的に接続された状態で備え、前記第１の流体保持部が、供給された前記流体を保持するときに反応熱を放出する吸着材を有する吸着器と、前記蒸発器から前記流体が供給され、前記流体が固定化されるときに前記流体の蒸発潜熱以上の反応熱を放出し、前記流体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、及び前記流体が供給され、前記流体を気化する流体気化部を熱的に接続された状態で備え、気化した前記流体を前記吸着器に供給することで前記吸着材を加熱する蓄熱反応器と、前記吸着器の前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部と流体の流通が可能なように連通され、前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部から排出された前記流体を凝縮し、凝縮された前記流体を前記貯蔵部に供給する凝縮器と、前記蒸発器からの流体の供給先を、前記吸着器及び前記蓄熱反応器の何れか一方から他方に切り換えるための供給先切換用３方バルブと、前記貯蔵部から前記蒸発器へ前記流体を供給するためのポンプと、前記貯蔵部から前記蒸発器への前記流体の供給を停止するためのバルブと、前記貯蔵部から前記蒸発器への前記流体の供給量及び供給停止を制御するように前記ポンプ及び前記バルブを制御し、前記蒸発器からの流体の供給先を切り換えるように前記供給先切換用３方バルブを制御する制御部と、を備えて構成されている。
また、第２の発明の吸着式ヒートポンプは、貯蔵部から供給された流体を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器から前記流体が供給され、前記流体を保持し保持された流体を脱離する第１の流体保持部、及び前記貯蔵部から前記流体が供給され、前記流体を保持し保持された流体を脱離する第２の流体保持部を熱的に接続された状態で備え、前記第１の流体保持部が、供給された前記流体を保持するときに反応熱を放出する吸着材を有する吸着器と、前記蒸発器から前記流体が供給され、前記流体が固定化されるときに前記流体の蒸発潜熱以上の反応熱を放出し、前記流体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、及び前記流体が供給され、前記流体を気化する流体気化部を熱的に接続された状態で備え、気化した前記流体を前記吸着器に供給することで少なくとも前記吸着材を加熱する蓄熱反応器と、前記吸着器の前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部と流体の流通が可能なように連通され、前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部から排出された前記流体を凝縮し、凝縮された前記流体を前記貯蔵部に供給する凝縮器と、前記凝縮器と連通される先を、前記吸着器の前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部の何れか一方から他方に切り換えるための連通先切換用３方バルブと、前記凝縮器と連通される先を切り換えるように前記連通先切換用３方バルブを制御する制御部と、を備えて構成されている。
第１の発明及び第２の発明においては、潜熱加熱（例えば水蒸気加熱）と潜熱冷却を用いることにより、熱交換用の流体（いわゆる熱媒）の使用量を最小限にし、吸着器における吸着質である作動流体（例えばアンモニアや水等）の吸着又は脱離時に吸着器で生じやすい顕熱損失を減らすと共に、利用された熱エネルギーを一箇所（凝縮器）に集めて回収する。これにより、顕熱ロスを防ぎ、ＣＯＰを効果的に向上させることができる。
第１の発明及び第２の発明では、吸着器に蒸発器又は蓄熱反応器から流体を供給し、供給された流体の保持と脱離を繰り返すことで、熱エネルギーの利用を行なう。具体的には、蒸発器又は蓄熱反応器から供給される蒸発潜熱を生じる流体を一時的に保持し、保持された流体を脱離させることによって、熱エネルギーの利用を図る吸着式ヒートポンプにおいて、吸着器が、流体が供給され、流体を保持し且つ保持された流体を脱離する第１の流体保持部と、流体が供給され、流体を保持し且つ保持された流体を脱離する第２の流体保持部と、を熱的に接続した状態で有していることで、第１の流体保持部と第２の流体保持部との間で熱交換を行ない、例えば以下のようにして、２つの流体保持部間で利用した熱を凝縮器にて回収する。すなわち、蓄熱反応器で加熱されて気化した流体（加熱された流体）が第２の流体保持部に送られると、流体は第２の流体保持部で例えば凝縮して液状に相変化することで保持されるとともに、熱（例えば凝縮熱等）を放出する。流体の熱と凝縮熱とによって、第１の流体保持部は加熱され、第１の流体保持部で保持されていた流体は脱離して、脱離した流体は凝縮器に送られる。このとき、第２の流体保持部では、流体が増え、第１の流体保持部に保持された流体は徐々に減少する。このようにして第１の流体保持部に保持された流体が減ると、続いて蒸発器から気体の流体が供給される。気体の流体が第１の流体保持部に送られると、流体は第１の流体保持部において保持（例えば吸着材に吸着されて保持）されるとともに、熱（例えば吸着熱等）を放出する。放出された熱（例えば吸着熱等）によって、第２の流体保持部は加熱され、第２の流体保持部に保持されていた流体は脱離し、脱離した流体は凝縮器に送られる。このとき、第１の流体保持部では、流体の保持量（例えば吸着材における吸着量）が増え、第２の流体保持部の液体の流体は気化し、流体の保持量は徐々に減少する。
第１の発明及び第２の発明では、吸着器への流体の供給を蓄熱反応器により行なう。蓄熱反応器は、化学蓄熱材の反応熱による流体の気化機能と、加熱された気体の流体を送って吸着器を加熱する加熱器としての供給機能とを担う。具体的には、上記のように蓄熱反応器で気化した流体が第２の流体保持部に送られる場合、蒸発器から蓄熱反応器の蓄熱反応部に流体が供給され、蓄熱反応部の化学蓄熱材で例えば下記の反応（1）,（2）,（3）によって流体が固定化されるとき（下記の可逆反応（1）〜（3）において右方向に進む反応時）に生じた反応熱が、蓄熱反応器の流体気化部に熱交換され、流体気化部内の流体を気化し、気体状の流体が吸着器の第２の流体保持部に送られる。このとき、凝縮器において凝縮された流体は蒸発器に供給され、凝縮された流体は蓄熱反応器に供給されるように構成されている。なお、蓄熱反応部の化学蓄熱材に固定化された流体量が所定の閾値に達したときには、化学蓄熱材は例えば外部より加熱されることで再生される。
ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ ⇔ Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ１［kJ］ …(1)
ＣａＣｌ２・２ＮＨ３＋ ６ＮＨ３ ⇔ ＣａＣｌ２・８ＮＨ３＋ Ｑ２［kJ］ …(2)
ＭｇＣｌ２・２ＮＨ３＋ ４ＮＨ３ ⇔ ＭｇＣｌ２・６ＮＨ３＋ Ｑ３［kJ］ …(3)
ＣａＣｌ２・２ＮＨ３＋ ６ＮＨ３ ⇔ ＣａＣｌ２・８ＮＨ３＋ Ｑ２［kJ］ …(2)
ＭｇＣｌ２・２ＮＨ３＋ ４ＮＨ３ ⇔ ＭｇＣｌ２・６ＮＨ３＋ Ｑ３［kJ］ …(3)
上記のように吸着器での流体の保持、脱離が繰り返されることで、凝縮器において、利用された熱エネルギーの回収が継続的に行われる。
また、吸着器では、第１の流体保持部が、供給された流体を保持するときに反応熱を放出する吸着材を有している。これにより、第１の流体保持部では、吸着材による流体の吸着による保持が行なわれることで、吸着熱が得られる。
また、第１の発明では、制御部は、貯蔵部から蒸発器への前記流体の供給量及び供給停止を制御するようにポンプ及びバルブを制御し、蒸発器からの流体の供給先を切り換えるように供給先切換用３方バルブを制御する。これにより、蒸発器からの流体の供給先を切り換えるバルブの数を減らすことができる。
また、第２の発明では、制御部は、前記凝縮器と連通される先を切り換えるように前記連通先切換用３方バルブを制御する。これにより、凝縮器と連通される先を切り換えるバルブの数を減らすことができる。
上記の第２の発明に係る吸着ヒートポンプは、前記蒸発器からの流体の供給先を、前記吸着器及び前記蓄熱反応器の何れか一方から他方に切り換えるための供給先切換用３方バルブと、前記貯蔵部から前記蒸発器へ前記流体を供給するためのポンプと、前記貯蔵部から前記蒸発器への前記流体の供給を停止するためのバルブとを更に含み、前記制御部は、前記凝縮器と連通される先を切り換えるように前記連通先切換用３方バルブを制御し、前記貯蔵部から前記蒸発器への前記流体の供給量及び供給停止を制御するように前記ポンプ及び前記バルブを制御し、前記蒸発器からの流体の供給先を切り換えるように前記供給先切換用３方バルブを制御するようにすることができる。これにより、蒸発器からの流体の供給先を切り換えるバルブの数を減らすことができる。
上記の供給先切換用３方バルブは、切り換えた前記蒸発器からの流体の供給先とは異なる側への流体の供給量が、予め定められた許容漏れ量以内となるように構成された遮断機構を備えるようにすることができる。これにより、供給先切換用３方バルブの耐久性が向上する。
上記の連通先切換用３方バルブは、切り換えた前記凝縮器への流体の供給元とは異なる側からの流体の供給量が、予め定められた許容漏れ量以内となるように構成された遮断機構を備えるようにすることができる。これにより、連通先切換用３方バルブの耐久性が向上する。
第１の発明及び第２の発明の吸着式ヒートポンプは、前記貯蔵部から前記反応器へ前記流体を供給するための第２ポンプと、前記貯蔵部から前記反応器への前記流体の供給を停止するための第２バルブとを更に含み、前記制御部は、前記反応器から前記吸着器への気化した前記流体の供給量及び供給停止を制御するように前記第２ポンプ及び前記第２バルブを制御するようにすることができる。これにより、蓄熱反応器の流体気化部と吸着器の第２の流体保持部とを接続する流通配管のバルブを省略することができ、バルブの数を更に減らすことができる。
上記の連通先切換用３方バルブ及び供給先切換用３方バルブを備える吸着ヒートポンプは、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第１の流体保持部に切り換え、かつ、前記蒸発器からの流体の供給先を前記蓄熱反応器に切り換えるように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動し、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第２の流体保持部に切り換え、かつ、前記蒸発器からの流体の供給先を前記吸着器に切り換えるように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動する駆動部を更に含み、前記制御部は、前記凝縮器と連通される先及び前記蒸発器からの流体の供給先を切り換えるように前記駆動部を制御するようにすることができる。これにより、連通先切換用３方バルブ及び供給先切換用３方バルブを駆動する駆動部の数を減らすことができる。
また、上記の連通先切換用３方バルブ及び供給先切換用３方バルブを、前記凝縮器と連通される先及び前記蒸発器からの流体の供給先を切り換えるための回転式切換バルブで構成することができる。これにより、更にバルブの数を減らすことができる。
また、上記の供給先切換用３方バルブは、前記蒸発器からの流体の供給先を、前記吸着器及び前記蓄熱反応器の何れか一方、又は前記吸着器及び前記蓄熱反応器の両方に切り換えることが可能であって、前記制御部は、前記吸着式ヒートポンプを始動するとき又は再開するときに、前記吸着器及び前記蓄熱反応器に対して前記蒸発器からの流体を供給するように前記供給先切換用３方バルブを制御するようにすることができる。これにより、吸着式ヒートポンプを始動するとき又は再開するときに、冷熱出力を一時的に増大することができ、始動応答時間を短くすることができる。
上記の連通先切換用３方バルブ及び供給先切換用３方バルブを駆動する駆動部を含む発明において、供給先切換用３方バルブは、前記蒸発器からの流体の供給先を、前記吸着器及び前記蓄熱反応器の何れか一方、又は前記吸着器及び前記蓄熱反応器の両方に切り換えることが可能であって、前記駆動部は、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第２の流体保持部に切り換え、かつ、前記吸着器及び前記蓄熱反応器に対して前記蒸発器からの流体を供給するように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動し、かつ、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第１の流体保持部に切り換え、かつ、前記蒸発器からの流体の供給先を前記蓄熱反応器に切り換えるように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動し、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第２の流体保持部に切り換え、かつ、前記蒸発器からの流体の供給先を前記吸着器に切り換えるように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動する駆動部を更に含み、前記制御部は、前記吸着式ヒートポンプを始動するとき又は再開するときに、前記吸着器及び前記蓄熱反応器に対して前記蒸発器からの流体を供給するように前記駆動部を制御するようにすることができる。これにより、吸着式ヒートポンプを始動するとき又は再開するときに、冷熱出力を一時的に増大することができ、始動応答時間を短くすることができる。
上記の吸着式ヒートポンプにおいて、流体保持部で保持又は脱離（好ましくは吸着又は脱離）される第１の流体及び第２の流体の少なくとも一方は、アンモニア又は水であることが好ましい。アンモニアや水蒸気は、蒸発潜熱が大きい物質であるため、流体保持部で保持又は脱離させたときに発生する熱量が大きく、保持又は脱離させる一回の過程で大きい熱量の回収が可能になる。
吸着式ヒートポンプの吸着器に配される吸着材は、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、及び粘土鉱物からなる群から選択されることが好ましい。特に物理吸着材である活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、及び粘土鉱物は、物質（例えばアンモニアや水蒸気）の脱離あるいは脱離した物質の再吸着を行なう場合に、物質１ｍｏｌの脱離あるいは吸着に要する熱量が化学吸着材に比べて小さく、少ない熱量で物質の授受を行なうことができる。
本発明の吸着式ヒートポンプの蓄熱反応器は、化学蓄熱材の少なくとも一種として、金属酸化物及び金属塩化物から選択される化合物を用いて構成された態様が好ましく、アルカリ金属の水酸化物及び塩化物、アルカリ土類金属の水酸化物及び塩化物、並びに遷移金属の水酸化物及び塩化物からなる群から選択される化合物を有している態様がより好ましい。
金属酸化物及び金属塩化物は、高い蓄熱密度（ｋＪ／ｋｇ）が得られる点で好適であり、熱の有効利用に適している。アルカリ金属の水酸化物及び塩化物、アルカリ土類金属の水酸化物及び塩化物、及び遷移金属の水酸化物及び塩化物は、温熱及び冷熱の生成効率をより高める点で有用である。
なお、蓄熱密度は、水やアンモニア等の熱媒の脱離により水酸化物又は金属塩化物１ｋｇあたりに蓄熱される熱量（ｋＪ）を示す。
本発明においては、流体として水を用い、水の授受により蓄熱、放熱を行なう場合、化学蓄熱材としては、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、及び酸化バリウム（ＢａＯ）から選択されるものが好ましい。
本発明においては、流体としてアンモニアを用い、アンモニアの授受により蓄熱、放熱を行なう場合、化学蓄熱材としては、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ２）、塩化バリウム（ＢａＣｌ２）、塩化マンガン（ＭｎＣｌ２）、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２）、及び塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）から選択されるものが好ましい。
本発明によれば、バルブ数を減らし、かつ、熱エネルギー損失（顕熱ロス）が小さく、増熱効果の高い吸着式ヒートポンプが提供される。
以下、図面を参照して、本発明の吸着式ヒートポンプの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。
（第１実施形態）
本発明の吸着式ヒートポンプの第１実施形態を、図１〜図１０を参照して説明する。本実施形態では、吸着器の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２つの流体（熱媒及び作動流体）として水蒸気（水）を用いた吸着式ヒートポンプ（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。
本発明の吸着式ヒートポンプの第１実施形態を、図１〜図１０を参照して説明する。本実施形態では、吸着器の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２つの流体（熱媒及び作動流体）として水蒸気（水）を用いた吸着式ヒートポンプ（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。
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、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、凝縮器４０から供給された水を貯蔵する水タンク４１と、を備えている。
水蒸気とは、気体の状態になっている水、及びこれが空気中で凝結して細かい水滴となったものを包含する意味である。
本実施形態のヒートポンプ１００は、下記の２つの特徴を有している。
（１）吸着器等と熱交換するための熱媒と吸着器や蓄熱反応器に吸着等する吸着質等である作動流体とが同一の流体（水蒸気）である。
（２）吸着器に対する加熱、冷却に凝縮熱伝達、蒸発熱伝達を利用する。
（２）吸着器に対する加熱、冷却に凝縮熱伝達、蒸発熱伝達を利用する。
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、３方蒸気バルブＳＶ１に一端が接続された流通配管１１の他端が接続されており、蒸発器１０は、流通配管１１及び３方蒸気バルブＳＶ１に一端が接続された流通配管１２を介して吸着器２０と連通されると共に、流通配管１１及び３方蒸気バルブＳＶ１に一端が接続された流通配管１４を介して蓄熱反応器３０と連通されている。
蒸発器１０は、蓄熱反応器３０の蓄熱反応部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に設けられた流体保持室２２の吸着材における水蒸気の吸着量が減少した場合に、蒸発器中の水の気化が進行して、水蒸気として流通配管１１、１２に供給される構造を有するものが好ましい。また、水を外部からの熱で加熱し、水蒸気として流通配管１１に排出することができる機能を有していることが好適である。
蒸発器１０は、上記のように水の気化により気化熱を奪うため、蒸発器１０では、吸着器２０に供給する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６０を例えば熱交換管６１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。
上記の熱交換管は、無端の配管とこの配管内を流通する熱交換用流体とで構成されている。配管に取り付けられた図示しない循環用ポンプによって、配管中を熱交換用流体（例えば水又は水と水溶性溶剤との混合溶媒）が循環して流通することで、冷熱を冷熱機器５０に供給することができる。
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の流体保持部である流体保持室２２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の流体保持部である流体保持室２４と、を備えている。
吸着器２０には、複数の流体保持室２２及び流体保持室２４が設けられており、流体保持室２２及び流体保持室２４の各々は、図２に示すように、吸着器２０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。つまり、流体保持室２２で放熱又は吸熱が発生して温度変化が起きると、流体保持室２２は流体保持室２４との間で熱交換して、流体保持室２４は加熱又は冷却されるようになっている。
流体保持室２２には、流通配管１２の他端が接続されており、蒸発器１０から水蒸気が供給される。この流体保持室２２には、図２に示すように、各室の天面及び底面に板状の吸着材２６が配設されており、供給された水蒸気を吸着して保持できるようになっている。
吸着材２６は、シリカゲル（物理吸着材）を用いて板状に成形したものであり、図３のように、シリカゲル板２６Ａ、２６Ｂとで構成されている。シリカゲル板２６Ａ、２６Ｂの流体保持室２４と向き合う面Ｓ、すなわち各室の天面、底面と接する面は、伝熱面であり、この面を通じて互いに隣り合う室と熱交換することができる。
例えば、流体保持室２４で水蒸気が凝縮して凝縮熱が発生すると、シリカゲル板２６Ａ、２６Ｂの伝熱面Ｓで熱交換され、シリカゲル板２６Ａ、２６Ｂ（吸着材）が加熱されると、シリカゲルに吸着されている水蒸気が脱離し、加熱時に供された熱量分の水蒸気を凝縮器４０に供給することができる。
吸着材が用いられることにより、水蒸気の吸着（固定化）及び脱離に要する熱量を小さく抑えることができ、低エネルギーでも水蒸気の着脱が容易に行われる。本実施形態では、流体として水蒸気を用いているが、水蒸気のほか、アンモニア等の蒸発潜熱の大きい物質は好適に用いることができる。例えばアンモニアを用いた場合では、アンモニア１ｍｏｌの吸着及び脱離に要する熱量は、２０〜３０ｋＪ／ｍｏｌに抑えることができる。なお、対比値として、化学蓄熱材（例えばＭｇＣｌ２、ＣａＣｌ２等）をもちいたときの熱量は４０〜６０ｋＪ／ｍｏｌである。
吸着材としては、本実施形態で用いたシリカゲルのように、多孔体を用いることができる。多孔体としては、吸着（好ましくは物理吸着）による水蒸気等の流体の固定化及び脱離の反応性をより向上させる観点から、細孔径が１０ｎｍ以下の孔を有する多孔体が好ましい。細孔径の下限は、製造適性等の観点から、０．５ｎｍが好ましい。多孔体としては、前記同様の観点から、平均１次粒子径が５０μｍ以下の１次粒子が凝集して得られた１次粒子凝集体である多孔体が好ましい。平均１次粒子径の下限は、製造適性等の観点から１μｍが好ましい。
吸着材の例としては、本実施形態で用いられているシリカゲルのほか、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、粘土鉱物等が挙げられる。前記粘土鉱物としては、非架橋の粘土鉱物であっても、架橋された粘土鉱物（架橋粘土鉱物）であってもよい。粘土鉱物の例として、セピオライト、スメクタイト系粘土（サポナイト、モンホリロナイト、ヘクトライト、等）、４−珪素雲母、雲母、バーミキュライト等が挙げられ、中でもセピオライトが好ましい。
前記シリカゲルとしては、ＢＥＴ法による比表面積が１００ｍ２／ｇ以上１５００ｍ２／ｇ以下（より好ましくは、３００ｍ２／ｇ以上１０００ｍ２／ｇ以下）であるシリカゲルが好ましい。
前記活性炭としては、ＢＥＴ法による比表面積が８００ｍ２／ｇ以上４０００ｍ２／ｇ以下（より好ましくは、１０００ｍ２／ｇ以上２０００ｍ２／ｇ以下）である活性炭が好ましい。
前記メソポーラスシリカとしては、ＢＥＴ法による比表面積が５００ｍ２／ｇ以上１５００ｍ２／ｇ以下（より好ましくは、７００ｍ２／ｇ以上１３００ｍ２／ｇ以下）であるメソポーラスシリカが好ましい。
前記ゼオライトとしては、ＢＥＴ法による比表面積が５０ｍ２／ｇ以上１０００ｍ２／ｇ以下（より好ましくは、１００ｍ２／ｇ以上１０００ｍ２／ｇ以下）であるゼオライトが好ましい。
本発明においては、流体の圧力や温度に合わせて、吸着材（好ましくは多孔体）の種類を適宜選定することができる。吸着による流体（本実施形態では水）の固定化及び脱離の反応性をより向上させる観点からは、シリカゲルを少なくとも含む態様が好ましい。また、吸着によるアンモニアの固定化及び脱離の反応性をより向上させる観点からは、活性炭を少なくとも含む態様が好ましい。
吸着材（好ましくは物理吸着材）を用いた流体の授受により吸発熱する構成の場合、吸着材の全量中に占める吸着材の含有比率は、流体の固定化及び脱離の反応性をより高く維持する観点から、８０体積％以上が好ましく、９０体積％以上がより好ましい。
吸着材を成形体にして利用する場合、吸着材と共にバインダーを含有してもよい。バインダーを含有することで、成形体の形状がより維持され易くなるので、吸着による熱媒の固定化及び脱離の反応性がより向上する。バインダーとしては、水溶性バインダーが好ましい。水溶性バインダーとしては、ポリビニルアルコール、トリメチルセルロース等が挙げられる。
また、吸着材及びバインダーに加え、必要に応じて、他の成分を含有していてもよい。他の成分の例として、カーボンファイバーや金属繊維等の熱伝導性無機材料等が挙げられる。
吸着材及びバインダーを用いて成形する場合、バインダーの含有比率は、成形体の形状をより効果的に維持する観点から、５体積％以上が好ましく、１０体積％以上がより好ましい。成形方法については、特に限定はなく、例えば、吸着材（及び必要に応じバインダー等の他の成分）を加圧成形、押し出し成形等の公知の成形手段により成形する方法が挙げられる。成形時の圧力は、例えば２０〜１００ＭＰａとすることができ、２０〜４０ＭＰａが好ましい。
流体保持室２４には、流通配管３８の一端が接続されており、後述する蓄熱反応器３０から水蒸気と共に熱が供給される。熱が供給されると、流体保持室２２との間で熱交換され、流体保持室２４では水蒸気は凝縮し水が生成される。このときの凝縮熱も、流体保持室２２との間で熱交換される。これにより、流体保持室２２では、吸着材が加熱され、吸着材に吸着されている水蒸気が脱離する。
流体保持室２４の、流体保持室２２との間で熱交換が行なえる天面及び底面には、グルーブやウィック（溝）が設けられている。グルーブ構造やウィック構造を有する面は、凹状の溝が施されており、この溝部において液体（本実施形態では水）をその表面張力により保持し、液膜を形成することができる。これより、熱交換が行なわれる面に水を均一的に存在させて、熱交換する面内の気化分布を均一化することができる。
グルーブ（groove）構造とは、溝や窪み状の凹みが形成された構造を指し、熱交換器の内壁に形成されたものである。また、ウィック構造とは、網細現象を持つメッシュ状等に形成された構造を指し、やはり内壁に形成されたものである。これらの溝部は、壁面に対してプレス、切削等をすることにより形成されたものである。
本実施形態では、流体保持室２４に溝構造を施すのみで吸着材を設けない構成としたが、流体保持室２４の流体保持室２２と向き合う天面や底面に多孔層を配設した構造にしてもよい。
多孔層としては、上記の多孔体を用いるほか、多孔構造を形成し得る材料を用いることによって、多孔構造が設けられていればよい。多孔構造を形成し得る材料としては、シリカゲル、ゼオライト、シリカ、活性炭、及び粘土鉱物などを使用することができる。多孔層として、吸着材を配してもよく、流体保持室２２で使用可能な吸着材と同様のものを使用できる。シリカゲル、ゼオライト、シリカ、活性炭、及び粘土鉱物の詳細については既述の通りである。
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３２と、水タンク４１から水が供給され、水を反応室３２からの熱で気化する流体気化部である気化室３４と、を備えている。
蓄熱反応器３０には、複数の反応室３２及び気化室３４が設けられており、反応室３２及び気化室３４の各々は、図４に示すように、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。つまり、反応室３２で放熱又は吸熱が発生して温度変化が起きると、反応室３２は気化室３４との間で熱交換して、気化室３４は加熱又は冷却されるようになっている。
反応室３２には、流通配管１４の他端が接続されており、蒸発器１０から水蒸気が供給される。この反応室３２には、図４に示すように、各室の天面及び底面に板状の蓄熱材３６が配設されており、供給された水蒸気が蓄熱材と反応して保持されるようになっている。
板状の蓄熱材３６は、化学蓄熱材である酸化カルシウム（ＣａＯ）の粉末をプレスすることで、板状に成形されたものである。この蓄熱材３６は、上記の吸着材２６と同様に、図３に示されるように、ＣａＯ板状体（化学蓄熱材構造体）３６Ａと３６Ｂとで構成されている。ＣａＯ板状体３６Ａ、３６Ｂの反応室３２と向き合う面Ｓ、すなわち各室の天面、底面と接する面は、伝熱面であり、この面を通じて互いに隣り合う室と熱交換することができる。
化学蓄熱材の１つである酸化カルシウムは、下記の反応を起こして反応熱を生じる。化学蓄熱材は、化学反応を利用して熱の吸収、放出を行なうことのできる物質である。例えばＣａＯによる熱の吸収、放出は、水和により放熱（発熱）し、脱水を伴なって蓄熱（吸熱）する構成となる。すなわち、ＣａＯは、以下に示す反応により蓄熱、放熱を可逆的に繰り返することができる。
ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ ⇔ Ｃａ（ＯＨ）２ ・・・(a)
また、これに蓄熱量、発熱量Ｑを併せて示すと、以下のようになる。
ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ ・・・(b)
Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ → ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ ・・・(c)
Ｃａ（ＯＨ）２ ＋ Ｑ → ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ ・・・(c)
例えば、気化室３４で水蒸気が凝縮して凝縮熱が発生すると、蓄熱材３６のＣａＯ板状体３６Ａ、３６Ｂの伝熱面Ｓで熱交換され、ＣａＯ板状体３６Ａ、３６Ｂが加熱されると、上記式（c）の反応が進行して脱水し、加熱時に供された熱量分の水蒸気を吸着器２０に供給することができる。
化学蓄熱材が用いられることにより、水蒸気の固定化及び脱離に要する熱量を小さく抑えることができ、低エネルギーでも水蒸気の着脱が容易に行なえる。
化学蓄熱材の例としては、本実施形態で用いられているＣａＯのほか、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）などのアルカリ土類金属の無機酸化物や、酸化リチウムなどのアルカリ金属の無機酸化物、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、等の無機酸化物などが挙げられる。金属酸化物は、一種単独で用いるほか、二種以上を併用してもよい。
本実施形態では、流体として水（水蒸気）を用いているが、水のほか、アンモニア等の蒸発潜熱の大きい物質を好適に用いることができる。流体としてアンモニアを用いる場合には、化学蓄熱材として、上記と異なる金属塩化物が好適に用いられる。金属塩化物を用いると、蓄熱密度をより高めることができる。
金属塩化物は、アンモニアの吸着時に発熱反応を生じる化合物が適用可能である。金属塩化物では、アンモニアが蓄熱材に固定化（吸着）されるときに放熱し、アンモニアが蓄熱材から脱離するときに蓄熱する。例えば塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）の場合、下記の可逆反応において、右方向に進む反応時に放熱し、左方向に進む反応時に蓄熱することができる。
ＭｇＣｌ２・２ＮＨ３＋ ４ＮＨ３ ⇔ ＭｇＣｌ２・６ＮＨ３＋ Ｑ１［kJ］
金属塩化物としては、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、及び遷移金属の塩化物などが好適であり、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）、塩化ストロンチウム（ＳｒＣｌ２）、塩化バリウム（ＢａＣｌ２）、塩化マンガン（ＭｎＣｌ２）、塩化コバルト（ＣｏＣｌ２）、及び塩化ニッケル（ＮｉＣｌ２）が好適に挙げられる。金属塩化物は、一種単独で用いるほか、二種以上を併用してもよい。
金属塩化物の種類は、アンモニア圧や温度に合わせて適宜選定することができる。したがって、熱利用の対象に合わせ、アンモニア圧や温度を選定できる幅が広がる。
上記の中では、水を流体とする系では、水和反応に伴なって放熱し、脱水反応に伴なって吸熱する水和反応性蓄熱材が好ましく、特に酸化カルシウム（ＣａＯ）好ましい。
また、アンモニアを流体とする系では、氷点下での運転が可能である。この場合、アンモニアの吸着温度が低い場合は、ＢａＣｌ２、ＣａＣｌ２、ＳｒＣｌ２を選択することができ、アンモニアの吸着温度が比較的高い場合は、ＭｇＣｌ２、ＭｎＣｌ２、ＣｏＣｌ２、ＮｉＣｌ２を選択することができる。
化学蓄熱材は、ＣａＯ等の例えば粒状物をプレス成形して得られた成形体として設けることができる。成形方法については、特に限定はなく、例えば、化学蓄熱材及び必要に応じてバインダー等の他の成分を含む蓄熱材（又は蓄熱材を含むスラリー）を、加圧成形、押出成形等の公知の成形方法を適用することができる。成形時の圧力は、例えば２０〜１００ＭＰａとすることができ、２０〜４０ＭＰａが好ましい。
気化室３４には、吸着器の流体保持室２４と繋がる流通配管３８の他端と、流通配管４２の一端とが接続されている。気化室３４では、室内に凝縮水が存在するときはこの凝縮水が反応室３２との間で熱交換し、また後述の凝縮器４０から水が供給されたときは供給された水が反応室３２との間で熱交換することで、水蒸気が生成される。
気化室３４の、反応室３２との間で熱交換が行なえる天面及び底面には、グルーブやウィック（溝）が設けられている。グルーブ構造やウィック構造を有する面は、凹状の溝が施されており、この溝部において液体（本実施形態では水）をその表面張力により保持し、液膜を形成することができる。これより、熱交換が行なわれる面に水を均一的に存在させて、熱交換する面内の気化分布を均一化することができる。
グルーブ（groove）構造及びウィック構造については、既述の通りである。
本実施形態では、気化室３４に溝構造を施すのみで吸着材を設けない構成としたが、気化室３４の反応室３２と向き合う天面や底面に多孔層を配設した構造にしてもよい。多孔層としては、上記の多孔体を用いるほか、多孔構造を形成し得る材料を用いることによって、多孔構造が設けられていればよい。多孔構造を形成し得る材料の詳細については、既述の通りである。
蓄熱反応器３０には、外部から化学蓄熱材を加熱することができる加熱器を更に備えていることが好ましい。蒸発器１０から供給された水蒸気で水和反応が進行し難くなったときは、加熱器により加熱して例えば脱水反応（水の脱離）を進めることで化学蓄熱材を再生することができる。再生時に生じた水蒸気は、流通配管１１、１４を通じて蒸発器１０に戻し、再利用に供することができる。
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、バルブＳＶ０１を有する流通配管２８の一端と、バルブＳＶ０２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の流体保持室２２と連通されると共に、流通配管２９を介して吸着器２０の流体保持室２４と連通されており、流体保持室２２、２４からそれぞれ流通配管２８、２９を通じて排出された水蒸気が凝縮器４０一箇所に回収されるようになっている。
また、凝縮器４０には、バルブＶ３を有する流通配管４３の一端が接続されており、凝縮器４０は、流通配管４３によって水タンク４１と連通されている。水タンク４１は、バルブＶ１及びポンプＰ１を有する流通配管４２の一端が接続されており、水タンク４１は、流通配管４２によって蓄熱反応器３０の気化室３４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、水タンク４１に貯蔵され、水タンク４１に貯蔵された水は、バルブＶ１を開状態にし、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３４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。
更に、水タンク４１には、バルブＶ２及びポンプ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によって水タンク４１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、水タンク４１に貯蔵され、水タンク４１に貯蔵された水は、バルブＶ２を開状態にし、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１０に供給された水は、水蒸気として蓄熱反応器の反応室３２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。
蒸発器１０は、蒸発流路内部における液保水量が少なくなるように構成されており、保水液の顕熱変化量による温度応答遅れを低減でき、保水量変化による蒸発量不安定性を抑制可能であることから、供給水量に対する発生蒸気量の応答性が良好で、安定した蒸気量を液供給のみで制御可能となる（図５参照）。また、蒸気バルブ方式と比較して小型・安価な水バルブにより水供給の開始／停止をすることで（図６参照）、蒸気バルブなしで蒸気の生成／停止制御が可能となる。
また、連続的な温熱／冷熱生成では、蓄熱反応器または吸着器と蒸発器の連続切換制御が必要となる。そこで、本実施形態では、蒸発器１０と蓄熱反応器３０／吸着器２０との間に３方蒸気バルブＳＶ１を設置し、３方蒸気バルブＳＶ１を切換駆動させることにより、蒸発器１０で発生した蒸気を蓄熱反応器３０／吸着器２０へ連続切換供給でき、１台の蒸気バルブで連続的な温熱／冷熱が生成可能となる。
３方蒸気バルブＳＶ１の側面図を、図７（Ａ）に示し、上面図を図７（Ｂ）に示す。３方蒸気バルブＳＶ１は、駆動部６６を備え、駆動部６６により、３方蒸気バルブＳＶ１内のバルブ部６２を駆動し、バルブ部６２に設けられた１つの貫通孔によって、流通配管１１が、流通配管１２、１４の何れか一方と接続されるように切り換えられ、バルブ部６２に設けられたシール部６４によって、流通配管１１が、流通配管１２、１４の何れか他方と遮断されるように切り換えられる（図７（Ｃ）、（Ｄ）参照）。
次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプの動作例について、図８〜図９を参照して説明する。図８は、吸着器再生モードで熱利用する際の流通形態を示す図であり、図９は、吸着器吸着モードで熱利用する際の流通形態を示す図である。
蒸発器１０では、水タンク４１から水が供給されて蒸発が進行し、水蒸気を生成する。このとき、例えば１５℃程度の冷熱生成が可能であり、冷熱需要の例であるエアコン室外機などの冷熱機器６０を例えば熱交換管６１を介して熱的に接続することで、冷熱の有効利用が可能になる。
続いて、図８に示すように、蒸発器１０で生成された水蒸気は、３方蒸気バルブＳＶ１及び流通配管１１、１４を通じて蓄熱反応器３０の反応室３２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。このとき、例えば１００℃超の温熱生成が可能である。この反応熱が気化室３４との間で熱交換されることにより、気化室３４内の水が熱で気化し、例えば１００℃の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の流体保持室２４に送られると、蒸気熱が熱交換されて流体保持室２２の吸着材２６が熱せられると共に、蒸気は流体保持室２４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。このとき、例えば約９０℃程度の温熱生成が可能である。そのため、流体保持室２２の吸着材２６は、放出された凝縮熱の熱交換によっても加熱されることになる。これにより、流体保持室２２の吸着材２６に吸着されていた水は、例えば４０℃の水蒸気として脱離する。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、例えば４０℃の温熱が生成される。
このとき、流体保持室２４では、凝縮により生成された水が増え、流体保持室２２では、吸着材２６に吸着されている水蒸気は徐々に減少する。
上記のようにして流体保持室２２に吸着された水蒸気の量が減るに伴ない、吸着材２６は水蒸気を吸着しやすい状態になる。そのため、水タンク４１から蒸発器１０に供給された水は容易に気化し、生成した水蒸気は、図９に示すように吸着器２０の流体保持室２２に供給される。このとき、流通配管１４、２８、３８は３方蒸気バルブＳＶ１、バルブＳＶ０１、ＳＶ０３により閉じられている。
蒸発器１０からの水蒸気が、図９のように３方蒸気バルブＳＶ１及び流通配管１１、１２を通じて流体保持室２２に送られると、水蒸気は流体保持室２２の吸着材に吸着されて保持されると共に、吸着熱を放出する。このとき、例えば４０℃の温熱生成が可能である。放出された吸着熱は、流体保持室２４との間で熱交換されることによって、流体保持室２４を加熱し、凝縮により流体保持室２４に溜まった水を気化し、水蒸気として脱離する。このとき脱離した水蒸気は、流通配管２９を通じて凝縮器４０に送られる。
このとき、流体保持室２２では、吸着材２６における水蒸気の吸着量が増え、流体保持室２４では、溜まった水が気化して徐々に減少する。
以上のように、図８に示す吸着器再生モードと図９に示す吸着器吸着モードを、蓄熱反応器３０での蓄熱エネルギーがゼロになるまで繰り返すことによって、凝縮器４０において、継続的に利用された熱エネルギーを回収することができる。これにより、冷熱と温熱との連続生成が可能になる。
そして、蓄熱反応器３０の化学蓄熱材の水和反応が進行しなくなった場合、流通配管１４のみをバルブにより開通し、図示しない外部熱源によって化学蓄熱材を加熱（例えば４００℃）する。これにより、化学蓄熱材において脱水反応が進行し、水蒸気が生成される。生成された水蒸気は、流通配管１４を通じて蒸発器１０に戻される。このとき、蒸発器１０を凝縮器として利用し、送られた水蒸気を凝縮して蓄える。このとき、凝縮熱として例えば４０℃の温熱生成が可能である。
制御装置９０は、吸着式ヒートポンプの全制御を担う制御手段であり、３方蒸気バルブＳＶ１、バルブＳＶ０１〜ＳＶ０３、バルブＶ１〜Ｖ３、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、３方蒸気バルブ、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。
次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプを制御する流通制御手段である制御装置９０による制御ルーチンのうち、吸着器２０の２つ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増熱サイクル制御ルーチンを中心に図１０を参照して説明する。
本実施形態の吸着式ヒートポンプの起動スイッチのオンにより制御装置９０の電源がオンされると、システムが起動され、増熱サイクル制御ルーチンが実行される。なお、システムの起動は、自動で行なう以外に手動で行なうようにしてもよい。
本ルーチンが実行されると、まず、ステップ１００において、流通配管４２、４３、４４に取り付けられたバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を開き、次のステップ１１０において、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を開始させる。
そして、流体保持室２２の吸着材２６における吸着質（水蒸気）の吸着量を判断するため、ステップ１２０において、吸着量を計測する。そして、次のステップ１３０において、吸着量が所定の閾値Ｐ未満であるか否かが判定される。
ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ未満であると判定されたときには、蒸発器１０からの水蒸気を吸着材２６が継続的に吸着できる状態にあるため、ステップ１４０に移行する（吸着器吸着モード）。ステップ１４０において、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、吸着器２０に接続されている流通配管１２と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１を切り換えて、吸着材２６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、熱交換が可能な流体保持室２４が加熱される。また、流通配管２８に取り付けられたバルブＳＶ０１は、閉塞されている。流体保持室２２からの吸着熱を熱交換して加熱された流体保持室２４では、水が気化して水蒸気として脱離する。そのため、次のステップ１６０において、流通配管２９に設けられているバルブＳＶ０２を開き、流通配管２９を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。このとき、流通配管３８に取り付けられたバルブＳＶ０３は、閉塞されている。そして、ステップ１７０において、バルブＶ１を閉塞すると共に、ポンプＰ１の稼動を停止する。
次のステップ１８０において、ステップ１４０へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ１に満たない状況にあるか否かが判定され、未だ時間Ｑ１が経過していないと判定されたときは、吸着器２０の吸着材が水蒸気を吸着できる状態にあるため、ステップ１４０、１６０、１７０を継続する。一方、時間Ｑ１が経過したと判定されたときには、吸着器再生モードに切り換えるため、ステップ２００に移行する。
ステップ２００において、吸着材２６の水蒸気を脱離させるため、バルブＳＶ０３を開いて、蓄熱反応器３０から加熱された水蒸気を供給する。加熱された水蒸気が、流通配管３８を通じて吸着器２０の流体保持室２４に送られると、水蒸気は流体保持室２４で凝縮し、水に相変化することで保持されるとともに、凝縮熱を放出する。このとき、流体保持室２４に供給された水蒸気の熱が流体保持室２２との間で熱交換され、さらに放出された凝縮熱も流体保持室２２との間で熱交換されることにより、流体保持室２２の吸着材２６は加熱される。このようにして、流体保持室２２の吸着材２６に吸着された水蒸気は、再び脱離する。そのため、次のステップ２２０において、流通配管２８に取り付けられたバルブＳＶ０１を開き、流通配管２８を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。このとき、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１は切り換えられている。
次のステップ２４０において、ステップ２００へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ２に満たない状況であるか否かが判定され、未だ時間Ｑ２が経過していないと判定されたときは、吸着器２０の吸着材に吸着した水をさらに脱離させて吸着材を再生するため、ステップ２００、２２０を継続する。一方、時間Ｑ２が経過したと判定されたときには、次のステップ３００に移行して、まずシステムの停止要求の有無を判定する。
また、ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ以上に達していると判定されたときには、はじめにステップ２００に移行する（吸着器再生モード）。その後、上記同様にステップ２２０、２４０を経た後、上記したようにステップ１４０に移行し、吸着器吸着モードに切り換えられる。
ステップ３００において、システム停止の要求がされていないと判定されたときには、増熱サイクルを継続するにあたり、蓄熱反応器３０の化学蓄熱材での反応熱を確保するため、ステップ３２０で「吸着器吸着モード＋吸着器再生モード」を１サイクルとしてカウントされたサイクル数が、所定数Ｎに達しているか否かが判定される。一方、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときには、システムを停止するため、ステップ３６０において、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を閉塞すると共に、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を停止し、本ルーチンを終了する。
次のステップ３２０において、サイクル数が所定数Ｎに達していないと判定されたときは、化学蓄熱材への水和反応が継続的に進行し得る状態（反応熱が得られる状態）にあるため、そのままステップ１４０に戻って、上記と同様のステップを繰り返す。一方、ステップ３２０でサイクル数が所定数Ｎに達したと判定されたときは、化学蓄熱材の水和反応が進行せず反応熱が得られない状態にあるため、ステップ３４０で、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１を切り換え、外部熱源により蓄熱反応器に熱を付与し、化学蓄熱材を再生する。このとき、化学蓄熱材の脱水反応が進行し、脱水生成した水蒸気は、流通配管１４を通じて蒸発器１０に戻され、凝縮される。また、サイクル数はリセットされる。
その後、再びステップ３００において、システムの停止要求の有無が判定される。ステップ３００でシステム停止の要求がされていないと判定されたときは、再びステップ３２０でサイクル数が判定され、上記と同様のステップが繰り返される。なお、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときは、上記のように、ステップ３６０を経て、本ルーチンを終了する。
第１実施形態では、化学蓄熱材にＣａＯを使用したが、他の化学蓄熱材を用いても同様の効果が奏される。また、流体として水蒸気を用いた例を説明したが、水蒸気に限らず、水蒸気以外のアンモニア等の蒸発潜熱の比較的大きい流体を用いた場合にも同様の効果が奏される。アンモニアを用いる場合は、化学蓄熱材として塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ２）等の金属塩化物が好適である。
以上説明したように、第１実施形態に係る吸着式ヒートポンプによれば、蒸発器からの蒸気供給量及び停止を、ポンプＰ２及びバルブＶ２の制御によって行い、蒸発器からの蒸気供給先の切り換えを、３方蒸気バルブＳＶ１の制御によって行うことにより、バルブの個数を低減し、低コスト化、システム簡素化、小型化を図ることができる。
また、本実施形態のように、化学蓄熱システムで温熱を貯蔵して、吸着式ヒートポンプにより冷熱を増熱するシステムは、熱をくみあげる側（蒸発器）における反応熱（蒸発潜熱）と、熱を供給する側における反応熱との差を補う有効なシステムである。一方で、蒸発器からの供給蒸気、凝縮器への蒸気流入、蒸気熱輸送バスを含めて蒸気バルブを複数使用すると同時に、冷熱生成では低温・低圧作動となるため、圧力損失を低減するためバルブ径を大きくする必要がある。そこで、本実施の形態では、蒸発器からの蒸気供給先の切り換えを、３方蒸気バルブＳＶ１の制御によって行うことにより、蒸気バルブの個数を低減し、システム簡素化及び小型化を図ることができる。
（第２実施形態）
本発明の吸着式ヒートポンプの第２実施形態について図１１〜図１３を参照して説明する。本実施形態は、蒸発器からの蒸気供給先をバルブＳＶ０４、ＳＶ０５を切り換え、凝縮器への供給切換を、３方蒸気バルブＳＶ２により行うシステム構成となっている。
本発明の吸着式ヒートポンプの第２実施形態について図１１〜図１３を参照して説明する。本実施形態は、蒸発器からの蒸気供給先をバルブＳＶ０４、ＳＶ０５を切り換え、凝縮器への供給切換を、３方蒸気バルブＳＶ２により行うシステム構成となっている。
なお、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態の吸着式ヒートポンプ２００は、図１１に示すように、第１実施形態と同様に、蒸発器１０と、吸着器２０と、蓄熱反応器３０と、凝縮器４０と、水タンク４１と、を備えている。
蒸発器１０には、バルブＳＶ０４を有する流通配管１２の一端と、バルブＳＶ０５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。
凝縮器４０には、３方蒸気バルブＳＶ２に一端が接続された流通配管３１の他端が接続されており、凝縮器４０は、流通配管３１及び３方蒸気バルブＳＶ２に一端が接続された流通配管２９を介して吸着器２０の流体保持室２４と連通されると共に、流通配管３１及び３方蒸気バルブＳＶ２に一端が接続された流通配管２８を介して吸着器２０の流体保持室２２と連通されている。流体保持室２２、２４からそれぞれ流通配管２８、２９を通じて排出された水蒸気が凝縮器４０一箇所に回収されるようになっている。
増熱システム停止時において、熱バッテリ作動では、流体保持室２２からの脱離蒸気が凝縮器４０へ流入し、吸着器作動では、流体保持室２４からの蒸気が凝縮器４０へ流入すると、吸着量と輸送蒸気量との熱量バランスが崩れることにより、システム再開後で再生不可能／吸着温度制御性の悪化が発生する。そのため、凝縮器４０に流入する蒸気を遮断する必要がある。本実施の形態では、蓄熱反応器作動／吸着器作動が停止すると同時に輸送蒸気の凝縮／吸着発熱も停止し、図１２に示すように、吸着器２０は、凝縮器４０の温度まで冷却されて自動的に凝縮器４０への流入蒸気が停止する。
また、連続的な温熱／冷熱生成では、吸着器２０の流体保持室２２または流体保持室２４と凝縮器４０との連続切換制御が必要となる。そこで、本実施の形態では、凝縮器４０と吸着器２０の流体保持室２２、２４との間に３方蒸気バルブＳＶ２を設置し、３方蒸気バルブＳＶ２を切換駆動させることにより、吸着器２０の流体保持室２２、２４で発生した蒸気を凝縮器４０へ連続切換供給でき、１台の蒸気バルブで連続的な温熱／冷熱が生成可能となる。
制御装置９０は、３方蒸気バルブＳＶ２、バルブＶ１〜Ｖ３、ＳＶ０３〜ＳＶ０５、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。
次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプを制御する制御装置９０による制御ルーチンのうち、吸着器２０の２つ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増熱サイクル制御ルーチンを中心に図１３を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
本ルーチンが実行されると、まず、ステップ１００において、流通配管４２、４３、４４に取り付けられたバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を開き、次のステップ１１０において、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を開始させる。
そして、ステップ１２０において、吸着量を計測する。そして、次のステップ１３０において、吸着量が所定の閾値Ｐ未満であるか否かが判定される。
ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ未満であると判定されたときには、蒸発器１０からの水蒸気を吸着材２６が継続的に吸着できる状態にあるため、ステップ４００に移行する（吸着器吸着モード）。ステップ４００において、流通配管１２に取り付けられたバルブＳＶ０４を開いて、吸着材２６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、熱交換が可能な流体保持室２４が加熱される。流体保持室２２からの吸着熱を熱交換して加熱された流体保持室２４では、水が気化して水蒸気として脱離する。そのため、次のステップ４２０において、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２４に接続されている流通配管２９と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ２を切り換え、流通配管２９、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。このとき、流通配管３８に取り付けられたバルブＳＶ０３及び流通配管１４に取り付けられたバルブＳＶ０５は、閉塞されている。そして、ステップ１７０において、バルブＶ１を閉塞すると共に、ポンプＰ１の稼動を停止する。
次のステップ１８０において、ステップ４００へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ１に満たない状況にあるか否かが判定され、未だ時間Ｑ１が経過していないと判定されたときは、ステップ４００、４２０、１７０を継続する。一方、時間Ｑ１が経過したと判定されたときには、吸着器再生モードに切り換えるため、ステップ４４０に移行する。
ステップ４４０において、吸着材２６の水蒸気を脱離させるため、バルブＳＶ０３、ＳＶ０５を開いて、蓄熱反応器３０から加熱された水蒸気を供給する。加熱された水蒸気が、流通配管３８を通じて吸着器２０の流体保持室２４に送られると、水蒸気は流体保持室２４で凝縮し、水に相変化することで保持されるとともに、凝縮熱を放出する。このとき、流体保持室２４に供給された水蒸気の熱が流体保持室２２との間で熱交換され、さらに放出された凝縮熱も流体保持室２２との間で熱交換されることにより、流体保持室２２の吸着材２６は加熱される。このようにして、流体保持室２２の吸着材２６に吸着された水蒸気は、再び脱離する。そのため、次のステップ４６０において、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２２に接続されている流通配管２８と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ２を切り換え、流通配管２８、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。このとき、流通配管１２に取り付けられたバルブＳＶ０４は、閉塞されている。
次のステップ２４０において、ステップ４４０へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ２に満たない状況であるか否かが判定され、未だ時間Ｑ２が経過していないと判定されたときは、ステップ４４０、４６０を継続する。一方、時間Ｑ２が経過したと判定されたときには、次のステップ３００に移行して、まずシステムの停止要求の有無を判定する。
また、ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ以上に達していると判定されたときには、はじめにステップ４４０に移行する（吸着器再生モード）。その後、上記同様にステップ４６０、２４０を経た後、上記したようにステップ４００に移行し、吸着器吸着モードに切り換えられる。
ステップ３００において、システム停止の要求がされていないと判定されたときには、ステップ３２０で「吸着器吸着モード＋吸着器再生モード」を１サイクルとしてカウントされたサイクル数が、所定数Ｎに達しているか否かが判定される。一方、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときには、システムを停止するため、ステップ３６０において、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を閉塞すると共に、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を停止し、本ルーチンを終了する。
次のステップ３２０において、サイクル数が所定数Ｎに達していないと判定されたときは、そのままステップ４００に戻って、上記と同様のステップを繰り返す。一方、ステップ３２０でサイクル数が所定数Ｎに達したと判定されたときは、化学蓄熱材の水和反応が進行せず反応熱が得られない状態にあるため、ステップ４８０で、流通配管１４に取り付けられているバルブＳＶ０５を開き、外部熱源により蓄熱反応器３０に熱を付与し、化学蓄熱材を再生する。このとき、化学蓄熱材の脱水反応が進行し、脱水生成した水蒸気は、流通配管１４を通じて蒸発器１０に戻され、凝縮される。また、サイクル数はリセットされる。
その後、再びステップ３００において、システムの停止要求の有無が判定される。ステップ３００でシステム停止の要求がされていないと判定されたときは、再びステップ３２０でサイクル数が判定され、上記と同様のステップが繰り返される。なお、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときは、上記のように、ステップ３６０を経て、本ルーチンを終了する。
以上説明したように、第２実施形態に係る吸着式ヒートポンプによれば、吸着器の流体保持室２２、２４から凝縮器への供給元の切り換えを、３方蒸気バルブＳＶ２によって行うと共に、蒸気発生側の温度と凝縮温度とが等しくなることによって凝縮器を自動停止させることにより、バルブの個数を低減し、低コスト化、システム簡素化、小型化を図ることができる。
（第３実施形態）
本発明の吸着式ヒートポンプの第３実施形態について図１４〜図１５を参照して説明する。本実施形態は、蒸発器からの蒸気供給先を３方蒸気バルブＳＶ１により切り換え、凝縮器への供給切換を、３方蒸気バルブＳＶ２により行うシステム構成となっている。
本発明の吸着式ヒートポンプの第３実施形態について図１４〜図１５を参照して説明する。本実施形態は、蒸発器からの蒸気供給先を３方蒸気バルブＳＶ１により切り換え、凝縮器への供給切換を、３方蒸気バルブＳＶ２により行うシステム構成となっている。
なお、上記の第１実施形態〜第２実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態の吸着式ヒートポンプ３００は、図１４に示すように、第１実施形態と同様に、蒸発器１０と、吸着器２０と、蓄熱反応器３０と、凝縮器４０と、水タンク４１と、を備えている。
蒸発器１０には、第１実施形態と同様に、３方蒸気バルブＳＶ１に一端が接続された流通配管１１の他端が接続されており、蒸発器１０は、流通配管１１及び３方蒸気バルブＳＶ１に一端が接続された流通配管１２を介して吸着器２０と連通されると共に、流通配管１１及び３方蒸気バルブＳＶ１に一端が接続された流通配管１４を介して蓄熱反応器３０と連通されている。
凝縮器４０には、第２実施形態と同様に、３方蒸気バルブＳＶ２に一端が接続された流通配管３１の他端が接続されており、凝縮器４０は、流通配管３１及び３方蒸気バルブＳＶ２に一端が接続された流通配管２９を介して吸着器２０の流体保持室２４と連通されると共に、流通配管３１及び３方蒸気バルブＳＶ２に一端が接続された流通配管２８を介して吸着器２０の流体保持室２２と連通されている。
制御装置９０は、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２、バルブＶ１〜Ｖ３、ＳＶ０３、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、３方蒸気バルブやバルブ、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。
次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプ３００を制御する制御装置９０による制御ルーチンのうち、吸着器２０の２つ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増熱サイクル制御ルーチンを中心に図１５を参照して説明する。なお、第１の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
本ルーチンが実行されると、まず、ステップ１００において、流通配管４２、４３、４４に取り付けられたバルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を開き、次のステップ１１０において、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を開始させる。
そして、ステップ１２０において、吸着量を計測する。そして、次のステップ１３０において、吸着量が所定の閾値Ｐ未満であるか否かが判定される。
ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ未満であると判定されたときには、蒸発器１０からの水蒸気を吸着材２６が継続的に吸着できる状態にあるため、ステップ５００に移行する（吸着器吸着モード）。ステップ５００において、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、吸着器２０に接続されている流通配管１２と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１を切り換えて、吸着材２６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、熱交換が可能な流体保持室２４が加熱される。流体保持室２２からの吸着熱を熱交換して加熱された流体保持室２４では、水が気化して水蒸気として脱離する。そのため、そのため、次のステップ５２０において、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２４に接続されている流通配管２９と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ２を切り換え、流通配管２９、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。このとき、流通配管３８に取り付けられたバルブＳＶ０３は、閉塞されている。そして、ステップ１７０において、バルブＶ１を閉塞すると共に、ポンプＰ１の稼動を停止する。
次のステップ１８０において、ステップ５００へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ１に満たない状況にあるか否かが判定され、未だ時間Ｑ１が経過していないと判定されたときは、ステップ５００、５２０、１７０を継続する。一方、時間Ｑ１が経過したと判定されたときには、吸着器再生モードに切り換えるため、ステップ５４０に移行する。
ステップ５４０において、吸着材２６の水蒸気を脱離させるため、バルブＳＶ０３を開いて、蓄熱反応器３０から加熱された水蒸気を供給する。加熱された水蒸気が、流通配管３８を通じて吸着器２０の流体保持室２４に送られると、水蒸気は流体保持室２４で凝縮し、水に相変化することで保持されるとともに、凝縮熱を放出する。このとき、流体保持室２４に供給された水蒸気の熱が流体保持室２２との間で熱交換され、さらに放出された凝縮熱も流体保持室２２との間で熱交換されることにより、流体保持室２２の吸着材２６は加熱される。このようにして、流体保持室２２の吸着材２６に吸着された水蒸気は、再び脱離する。そのため、次のステップ５６０において、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２２に接続されている流通配管２８と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ２を切り換え、流通配管２８、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。このとき、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１は切り換えられている。
次のステップ２４０において、ステップ５４０へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ２に満たない状況であるか否かが判定され、未だ時間Ｑ２が経過していないと判定されたときは、ステップ５４０、５６０を継続する。一方、時間Ｑ２が経過したと判定されたときには、次のステップ３００に移行して、まずシステムの停止要求の有無を判定する。
また、ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ以上に達していると判定されたときには、はじめにステップ５４０に移行する（吸着器再生モード）。その後、上記同様にステップ５６０、２４０を経た後、上記したようにステップ４００に移行し、吸着器吸着モードに切り換えられる。
ステップ３００において、システム停止の要求がされていないと判定されたときには、ステップ３２０で「吸着器吸着モード＋吸着器再生モード」を１サイクルとしてカウントされたサイクル数が、所定数Ｎに達しているか否かが判定される。一方、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときには、システムを停止するため、ステップ３６０において、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を閉塞すると共に、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を停止し、本ルーチンを終了する。
次のステップ３２０において、サイクル数が所定数Ｎに達していないと判定されたときは、そのままステップ４００に戻って、上記と同様のステップを繰り返す。一方、ステップ３２０でサイクル数が所定数Ｎに達したと判定されたときは、化学蓄熱材の水和反応が進行せず反応熱が得られない状態にあるため、ステップ５８０で、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１を切り換え、外部熱源により蓄熱反応器に熱を付与し、化学蓄熱材を再生する。このとき、化学蓄熱材の脱水反応が進行し、脱水生成した水蒸気は、流通配管１４を通じて蒸発器１０に戻され、凝縮される。また、サイクル数はリセットされる。
その後、再びステップ３００において、システムの停止要求の有無が判定される。ステップ３００でシステム停止の要求がされていないと判定されたときは、再びステップ３２０でサイクル数が判定され、上記と同様のステップが繰り返される。なお、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときは、上記のように、ステップ３６０を経て、本ルーチンを終了する。
以上説明したように、第３実施形態に係る吸着式ヒートポンプによれば、蒸発器からの蒸気供給先の切り換えを、３方蒸気バルブＳＶ１によって行うと共に、吸着器の流体保持室２２、２４から凝縮器への供給元の切り換えを、３方蒸気バルブＳＶ２によって行うことにより、バルブの個数を低減し、低コスト化、システム簡素化、小型化を図ることができる。
また、蒸発量を液供給（ポンプＰ２及びバルブＶ２）で制御し、凝縮量を流路保水量（ポンプＰ１及びバルブＶ１、Ｖ３）で制御し、２台の３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２で蒸発器１０からの蒸気生成と凝縮器４０への蒸気供給を切換制御することで、蒸気バルブの個数を低減し、小型・安価な水バルブによる蒸気量制御が可能となり、連続的な温熱／冷熱生成が可能となる。
（第４実施形態）
本発明の吸着式ヒートポンプの第４実施形態について図１６〜図１８を参照して説明する。本実施形態は、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２が、閉流路における隙間流量を、許容漏れ以内とするゲート遮断機構を備えているシステム構成となっている。
本発明の吸着式ヒートポンプの第４実施形態について図１６〜図１８を参照して説明する。本実施形態は、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２が、閉流路における隙間流量を、許容漏れ以内とするゲート遮断機構を備えているシステム構成となっている。
なお、吸着式ヒートポンプの第４実施形態は、上記の第３実施形態と同様の構成要素であるため、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態の３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の側方断面図を図１６に示す。３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２内のバルブ部６２に設けられたシール部６４は、ゲート遮断機構の一例であり、隙間を形成するように設けられている。ここで、図１７に示すように、シール部６４の隙間ｃ［ｍ］は、シール部６４の外径ａ［ｍ］、内径ｂ［ｍ］に基づいて、以下の式に従って設計されている。
ただし、隙間流量Ｑ［ｍ3／ｓ］は、作動状態、配管圧力損失により設定されたバルブ前後圧力差に対して、許容漏れ量（例えば、出力の１％）以内である予め定められた値である（図１８参照）。ΔＰは、バルブ前後圧力差であり、当該シール部６４が、蒸発器１０と接続された流通配管１１と、蓄熱反応器３０の反応室３２と接続された流通配管１４とを遮断するためのシール部６４である場合には、以下の式に従って求められる。
ΔＰ＝（Ｐｅ−ΔＰｅ）−（Ｐｓ＋ΔＰｓ）
ただし、Ｐｅは、蒸発器流路の圧力であり、ΔＰｅは、流通配管１１の圧力であり、Ｐｓは、蓄熱反応器３０の反応室３２の圧力であり、ΔＰｓは、流通配管１４の圧力である。
また、当該シール部６４が、蒸発器１０と接続された流通配管１１と、吸着器２０の流体保持室２２と接続された流通配管１２とを遮断するためのシール部６４である場合には、バルブ前後圧力差ΔＰは、以下の式に従って求められる。
ΔＰ＝（Ｐｅ−ΔＰｅ）−（Ｐｄ＋ΔＰａ）
ただし、Ｐｄは、吸着器２０の流体保持室２２の圧力であり、ΔＰａは、流通配管１２の圧力である。
また、当該シール部６４が、吸着器２０の流体保持室２２と接続された流通配管２８と、凝縮器４０と接続された流通配管３１と、を遮断するためのシール部６４である場合には、バルブ前後圧力差ΔＰは、以下の式に従って求められる。
ΔＰ＝（Ｐｄ−ΔＰｄ）−（Ｐｃ＋ΔＰｃ）
ただし、Ｐｄは、吸着器２０の流体保持室２２の圧力であり、ΔＰｄは、流通配管２８の圧力であり、Ｐｃは、凝縮器４０の圧力であり、ΔＰｃは、流通配管３１の圧力である。
また、当該シール部６４が、吸着器２０の流体保持室２４と接続された流通配管２９と、凝縮器４０と接続された流通配管３１と、を遮断するためのシール部６４である場合には、バルブ前後圧力差ΔＰは、以下の式に従って求められる。
ΔＰ＝（Ｐｔ−ΔＰｔ）−（Ｐｃ＋ΔＰｃ）
ただし、Ｐｔは、吸着器２０の流体保持室２４の圧力であり、ΔＰｔは、流通配管２９の圧力である。
なお、第４実施形態の吸着式ヒートポンプの他の構成及び作用については、第３実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上説明したように、第４実施形態の吸着式ヒートポンプによれば、システムの作動状態（蓄熱反応器作動／吸着器作動）、接続配管の圧力損失により設定されたバルブ前後の圧力差に対し、蒸気流通を遮断するシール部における隙間を流れる隙間流量が許容漏れ量以下となるように３方蒸気バルブを設計することで、一方のガスを流通すると同時に他方のガス流通のリークレートを緩和することができ、バルブの簡素化、耐久性確保、コスト低減を図ることができる。
（第５実施形態）
本発明の吸着式ヒートポンプの第５実施形態について図１９〜図２２を参照して説明する。本実施形態は、流通配管３８にバルブを設けずに、バルブＶ１、ポンプＰ１の制御により、蓄熱反応器３０と吸着器２０との間の輸送蒸気量及び輸送停止を制御するシステム構成となっている。
本発明の吸着式ヒートポンプの第５実施形態について図１９〜図２２を参照して説明する。本実施形態は、流通配管３８にバルブを設けずに、バルブＶ１、ポンプＰ１の制御により、蓄熱反応器３０と吸着器２０との間の輸送蒸気量及び輸送停止を制御するシステム構成となっている。
なお、上記の第１実施形態〜第３実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施形態の吸着式ヒートポンプ５００は、図１９に示すように、第１実施形態と同様に、蒸発器１０と、吸着器２０と、蓄熱反応器３０と、凝縮器４０と、水タンク４１と、を備えており、蓄熱反応器３０の気化室３４と吸着器２０の流体保持室２４との間が、流通配管３８によって連通されている。
蒸気熱輸送式の増熱システムでは、蓄熱反応器３０で生成した温熱を気化室３４で除熱し、吸着器２０の流体保持室２４に輸送・凝縮させることにより脱離熱を供給する。一方で、吸着器２０の脱離反応完了後では、気化室３４で凝縮させた水を蒸発させることにより、吸着反応により発生した熱を除熱するため、吸着反応時における蓄熱反応器３０からの供給蒸気を遮断する必要がある。そこで、本実施の形態では、蓄熱反応器３０の気化室３４内部における液保水量が少ない流路構成とすることで、保水液の顕熱変化量による温度応答遅れを低減でき（図２０参照）、保水量変化による蒸発量不安定性を抑制でき、供給水量に対する発生蒸気量の応答性が良好で、安定した蒸気量を液供給のみで制御可能となる。また、蒸気バルブ方式と比較して小型・安価なバルブＶ１により、水供給の開始／停止をすることで（図２１参照）、流通配管３８に蒸気バルブを設けることなく、蒸気の生成／停止制御が可能となる。
制御装置９０は、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２、バルブＶ１〜Ｖ３、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、３方蒸気バルブやバルブ、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。
次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプを制御する制御装置９０による制御ルーチンのうち、増熱サイクル制御ルーチンを中心に図２２を参照して説明する。なお、第３の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
本ルーチンが実行されると、まず、ステップ６００において、流通配管４３、４４に取り付けられたバルブＶ２、Ｖ３を開く。このとき、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１は、閉塞されている。次のステップ６１０において、ポンプＰ２の稼動を開始させる。
そして、ステップ１２０において、吸着量を計測する。そして、次のステップ１３０において、吸着量が所定の閾値Ｐ未満であるか否かが判定される。
ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ未満であると判定されたときには、蒸発器１０からの水蒸気を吸着材２６が継続的に吸着できる状態にあるため、ステップ５００に移行する（吸着器吸着モード）。ステップ５００において、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、吸着器２０に接続されている流通配管１２と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１を切り換えて、吸着材２６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、熱交換が可能な流体保持室２４が加熱される。流体保持室２２からの吸着熱を熱交換して加熱された流体保持室２４では、水が気化して水蒸気として脱離する。そのため、次のステップ６２０において、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２４に接続されている流通配管２９と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ２を切り換え、流通配管２９、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。そして、ステップ６３０において、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を閉塞し、ポンプＰ１の稼動を停止する。
次のステップ１８０において、ステップ５００へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ１に満たない状況にあるか否かが判定され、未だ時間Ｑ１が経過していないと判定されたときは、ステップ５００、６２０、６３０を継続する。一方、時間Ｑ１が経過したと判定されたときには、吸着器再生モードに切り換えるため、ステップ６４０に移行する。
ステップ６４０において、吸着材２６の水蒸気を脱離させるため、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を開き、ポンプＰ１の稼動を開始させて、蓄熱反応器３０から加熱された水蒸気を供給する。加熱された水蒸気が、流通配管３８を通じて吸着器２０の流体保持室２４に送られると、水蒸気は流体保持室２４で凝縮し、水に相変化することで保持されるとともに、凝縮熱を放出する。次のステップ５６０において、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２２に接続されている流通配管２８と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ２を切り換え、流通配管２８、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。このとき、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１は切り換えられている。
次のステップ２４０において、ステップ５４０へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ２に満たない状況であるか否かが判定され、未だ時間Ｑ２が経過していないと判定されたときは、ステップ６４０、５６０を継続する。一方、時間Ｑ２が経過したと判定されたときには、次のステップ３００に移行して、まずシステムの停止要求の有無を判定する。
また、ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ以上に達していると判定されたときには、はじめにステップ６４０に移行する（吸着器再生モード）。その後、上記同様にステップ５６０、２４０を経た後、上記したようにステップ５００に移行し、吸着器吸着モードに切り換えられる。
ステップ３００において、システム停止の要求がされていないと判定されたときには、ステップ３２０で「吸着器吸着モード＋吸着器再生モード」を１サイクルとしてカウントされたサイクル数が、所定数Ｎに達しているか否かが判定される。一方、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときには、システムを停止するため、ステップ３６０において、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を閉塞すると共に、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を停止し、本ルーチンを終了する。
次のステップ３２０において、サイクル数が所定数Ｎに達していないと判定されたときは、そのままステップ５００に戻って、上記と同様のステップを繰り返す。一方、ステップ３２０でサイクル数が所定数Ｎに達したと判定されたときは、化学蓄熱材の水和反応が進行せず反応熱が得られない状態にあるため、ステップ６６０で、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１を切り換え、外部熱源により蓄熱反応器３０に熱を付与し、化学蓄熱材を再生する。このとき、化学蓄熱材の脱水反応が進行し、脱水生成した水蒸気は、流通配管１４を通じて蒸発器１０に戻され、凝縮される。また、サイクル数はリセットされる。
次のステップ６８０では、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を閉塞し、ポンプＰ１の稼動を停止させる。
その後、再びステップ３００において、システムの停止要求の有無が判定される。ステップ３００でシステム停止の要求がされていないと判定されたときは、再びステップ３２０でサイクル数が判定され、上記と同様のステップが繰り返される。なお、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときは、上記のように、ステップ３６０を経て、本ルーチンを終了する。
以上説明したように、第５実施形態に係る吸着式ヒートポンプによれば、流通配管３８にバルブを設けずに、バルブＶ１、ポンプＰ１の制御により、蓄熱反応器３０と吸着器２０との間の輸送蒸気量及び輸送停止を制御することにより、蒸気バルブの個数を更に低減し、低コスト化、システム簡素・小型化を図ることができる。
（第６実施形態）
本発明の吸着式ヒートポンプの第６実施形態について図２３〜図２４を参照して説明する。本実施形態は、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の駆動部を共通のものとしたシステム構成となっている。
本発明の吸着式ヒートポンプの第６実施形態について図２３〜図２４を参照して説明する。本実施形態は、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の駆動部を共通のものとしたシステム構成となっている。
なお、吸着式ヒートポンプの第６実施形態は、上記の第５実施形態と同様の構成要素であるため、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
本実施の形態では、図２３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、蒸発器１０で生成した蒸気を蓄熱反応器３０及び吸着器２０へ切り換え供給が可能な３方蒸気バルブと、吸着器２０の流体保持室２２、２４で生成した蒸気を凝縮器４０へ切り換え供給が可能な３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２との駆動部６６０を共有化し、蒸発器１０と蓄熱反応器３０が接続されていると同時に吸着器２０の流体保持室２２と凝縮器４０とが接続し（図２３（Ａ）の位置Ａ）、一方で、蒸発器１０と吸着器２０が接続されていると同時に吸着器２０の流体保持室２４が接続される（図２３（Ｂ）の位置Ｂ）。
なお、図２３（Ｃ）に示すように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２との駆動部を、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２側に設置し、コンパクト化を図ってもよい。
制御装置９０は、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の共有化した駆動部６６０、バルブＶ１〜Ｖ３、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。
次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプを制御する制御装置９０による制御ルーチンのうち、増熱サイクル制御ルーチンを中心に図２４を参照して説明する。なお、第５の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
本ルーチンが実行されると、まず、ステップ６００において、流通配管４３、４４に取り付けられたバルブＶ２、Ｖ３を開く。このとき、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１は、閉塞されている。次のステップ６１０において、ポンプＰ２の稼動を開始させる。
そして、ステップ１２０において、吸着量を計測する。そして、次のステップ１３０において、吸着量が所定の閾値Ｐ未満であるか否かが判定される。
ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ未満であると判定されたときには、蒸発器１０からの水蒸気を吸着材２６が継続的に吸着できる状態にあるため、ステップ５００に移行する（吸着器吸着モード）。ステップ７００において、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、吸着器２０に接続されている流通配管１２と連通させ、かつ、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２４に接続されている流通配管２９と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ｂに切り換えて、吸着材２６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、熱交換が可能な流体保持室２４が加熱される。流体保持室２２からの吸着熱を熱交換して加熱された流体保持室２４では、水が気化して水蒸気として脱離する。また、流通配管２９、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。そして、ステップ６３０において、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を閉塞し、ポンプＰ１の稼動を停止する。
次のステップ１８０において、ステップ７００へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ１に満たない状況にあるか否かが判定され、未だ時間Ｑ１が経過していないと判定されたときは、ステップ７００、６３０を継続する。一方、時間Ｑ１が経過したと判定されたときには、吸着器再生モードに切り換えるため、ステップ６４０に移行する。
ステップ６４０において、吸着材２６の水蒸気を脱離させるため、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を開き、ポンプＰ１の稼動を開始させて、蓄熱反応器３０から加熱された水蒸気を供給する。加熱された水蒸気が、流通配管３８を通じて吸着器２０の流体保持室２４に送られると、水蒸気は流体保持室２４で凝縮し、水に相変化することで保持されるとともに、凝縮熱を放出する。次のステップ７２０において、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２２に接続されている流通配管２８と連通させ、かつ、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ａに切り換え、流通配管２８、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。
次のステップ２４０において、ステップ５４０へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ２に満たない状況であるか否かが判定され、未だ時間Ｑ２が経過していないと判定されたときは、ステップ６４０、７２０を継続する。一方、時間Ｑ２が経過したと判定されたときには、次のステップ３００に移行して、まずシステムの停止要求の有無を判定する。
また、ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ以上に達していると判定されたときには、はじめにステップ６４０に移行する（吸着器再生モード）。その後、上記同様にステップ７２０を経た後、上記したようにステップ５００に移行し、吸着器吸着モードに切り換えられる。
ステップ３００において、システム停止の要求がされていないと判定されたときには、ステップ３２０で「吸着器吸着モード＋吸着器再生モード」を１サイクルとしてカウントされたサイクル数が、所定数Ｎに達しているか否かが判定される。一方、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときには、システムを停止するため、ステップ３６０において、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を閉塞すると共に、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を停止し、本ルーチンを終了する。
次のステップ３２０において、サイクル数が所定数Ｎに達していないと判定されたときは、そのままステップ５００に戻って、上記と同様のステップを繰り返す。一方、ステップ３２０でサイクル数が所定数Ｎに達したと判定されたときは、化学蓄熱材の水和反応が進行せず反応熱が得られない状態にあるため、ステップ７４０で、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ａに切り換え、外部熱源により蓄熱反応器に熱を付与し、化学蓄熱材を再生する。このとき、化学蓄熱材の脱水反応が進行し、脱水生成した水蒸気は、流通配管１４を通じて蒸発器１０に戻され、凝縮される。また、サイクル数はリセットされる。
次のステップ６８０では、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を閉塞し、ポンプＰ１の稼動を停止させる。
その後、再びステップ３００において、システムの停止要求の有無が判定される。ステップ３００でシステム停止の要求がされていないと判定されたときは、再びステップ３２０でサイクル数が判定され、上記と同様のステップが繰り返される。なお、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときは、上記のように、ステップ３６０を経て、本ルーチンを終了する。
以上説明したように、第６実施形態に係る吸着式ヒートポンプによれば、１つの駆動部で２つの３方蒸気バルブの切換制御が可能となるため、システム要素の削減、コスト低減を図ることができる。
（第７実施形態）
本発明の吸着式ヒートポンプの第７実施形態について図２５〜図２７を参照して説明する。本実施形態は、２つの３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を、１つの回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２で実現したシステム構成となっている。
本発明の吸着式ヒートポンプの第７実施形態について図２５〜図２７を参照して説明する。本実施形態は、２つの３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を、１つの回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２で実現したシステム構成となっている。
吸着式ヒートポンプの第７実施形態は、図２５に示す回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２を備えている。図２５は、回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２の側面図である。回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２は、回転駆動させるための駆動部７６０、駆動軸７６２、２つの流通配管を接続するためのマニホールド７６４、回転部７６６、及び固定配管部７６８を備えている。
図２６（Ａ）に、回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２の上面図を示す。回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２が回転することにより、位置Ａと位置Ｂとに切り換える。図２６（Ｂ）に、回転部７６６の下面図を示す。２つのマニホールド７６４によって、２つの流通配管を接続するように構成されている。図２６（Ｃ）に、固定配管部７６８の上面図を示す。固定配管部７６８は、流通配管１１、１２、１４、２８、２９、３１の各々と接続するための穴及びシール部７７０を備えている。
蒸発器１０には、回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２に一端が接続された流通配管１１の他端が接続されており、蒸発器１０は、流通配管１１及び回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２に一端が接続された流通配管１２を介して吸着器２０と連通されると共に、流通配管１１及び回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２に一端が接続された流通配管１４を介して蓄熱反応器３０と連通されている。
凝縮器４０には、第２実施形態と同様に、回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２に一端が接続された流通配管３１の他端が接続されており、凝縮器４０は、流通配管３１及び回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２に一端が接続された流通配管２９を介して吸着器２０の流体保持室２４と連通されると共に、流通配管３１及び回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２に一端が接続された流通配管２８を介して吸着器２０の流体保持室２２と連通されている。
図２７（Ａ）に示すように、回転式切り換え蒸気バルブＳＶ１２が回転することにより、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２２に接続されている流通配管２８と連通させ、かつ、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ａに切り換える。
また、図２７（Ｂ）に示すように、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、吸着器２０に接続されている流通配管１２と連通させ、かつ、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２４に接続されている流通配管２９と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ｂに切り換える。
なお、吸着式ヒートポンプの第７実施形態の他の構成及び作用は、上記の第６実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上説明したように、第７実施形態に係る吸着式ヒートポンプによれば、１つの回転式切り換え蒸気バルブで、２つの３方蒸気バルブを実現するため、更に蒸気バルブの個数を低減することができる。
（第８実施形態）
本発明の吸着式ヒートポンプの第８実施形態について図２８〜図２９を参照して説明する。本実施形態は、システム始動時及び停止後再開時に、蓄熱反応器及び吸着器の双方に蒸発器から蒸気を供給するシステム構成となっている。
本発明の吸着式ヒートポンプの第８実施形態について図２８〜図２９を参照して説明する。本実施形態は、システム始動時及び停止後再開時に、蓄熱反応器及び吸着器の双方に蒸発器から蒸気を供給するシステム構成となっている。
なお、吸着式ヒートポンプの第８実施形態は、上記の第５実施形態と同様の構成要素であるため、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
システム始動モード、長期停止後再開モードでは、蒸発器温度が常温（夏場３５°Ｃ）となり作動温度（１０〜１５°Ｃ）まで冷却するための顕熱量が必要となる。一方で、吸着器あるいは蓄熱反応器のみの作動における冷熱生成では出力に限界があるため常温から作動温度に冷却するまでに長い時間を要する問題がある。そこで、本実施の形態では、システム始動時、及び再開時において、蒸発器１０と蓄熱反応器３０／吸着器２０を接続する３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２のバルブ位置制御を行うことにより、蓄熱反応器３０と吸着器２０の両方に蒸気が供給可能となるよう制御し、蒸発器顕熱量のアシストを行う。これにより、蒸発器温度が常温スタートであっても冷熱出力を一時的に（常温から作動温度に到達するまでの期間）高めることで、始動応答時間を大幅に短縮することが可能となる。
システム始動、停止後再開モードで吸着器２０を作動させるためには、システム停止後に吸着器２０を脱離させておく必要がある。そこで、本実施の形態では、蓄熱反応器３０の顕熱を利用し停止直後で温熱を生成し、蒸気熱輸送により吸着器２０を脱離させる。
また、低下した反応器温度は、始動、再開モードにおける蓄熱反応器３０の水和反応熱により自己回復すると同時に、始動、再開モード直後の蓄熱反応器３０を作動温度とすることで吸着器２０の脱離反応に必要な蒸気熱輸送の再開が可能となる。
また、本実施の形態では、上記の第６の実施の形態と同様に、２つの３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の駆動部を共有化する。このとき、蒸発器１０から蓄熱反応器３０／吸着器２０の両方に蒸気供給が可能となるように制御すると、吸着器の流体保持室２４や凝縮器４０から、３方蒸気バルブＳＶ２を介して流体保持室２２に蒸気が流入し、吸着器２０の吸着反応による冷熱出力が低下してしまう。
そこで、本実施の形態では、図２８（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の位置を制御することにより、蓄熱反応器３０／吸着器２０への蒸気供給割合を制御すると同時に、流体保持室２２から凝縮器４０への蒸気流入を遮断し、吸着器２０の流体保持室２４から凝縮器４０へ蒸気を流入させることで（図２８（Ｂ）の位置Ｃ参照）、吸着器２０の流体保持室２４で発生する蒸気を流体保持室２２へ流入させることなく、蓄熱反応器３０と吸着器２０の両方に蒸気が供給可能となるように制御し、システム始動、再開モードにおける蒸発器顕熱量のアシストを行う。
これにより、１つの駆動部で２つの３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の切換制御が可能となると同時に、蒸発器温度が常温スタートであっても冷熱出力を一時的に（常温から作動温度に到達するまでの期間）高めるごとで、始動応答時間を大幅に短縮することが可能となる。
制御装置９０は、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の共有化した駆動部６６０、バルブＶ１〜Ｖ３、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。
次に、本実施形態の吸着式ヒートポンプを制御する制御装置９０による制御ルーチンのうち、増熱サイクル制御ルーチンを中心に図２９を参照して説明する。なお、第６の実施の形態と同様の処理については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
システム始動時及び停止後再開時に、本ルーチンが実行開始されると、まず、ステップ６００において、流通配管４３、４４に取り付けられたバルブＶ２、Ｖ３を開く。このとき、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１は、閉塞されている。次のステップ６１０において、ポンプＰ２の稼動を開始させる。
そして、ステップ８００において、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、吸着器２０に接続されている流通配管１２及び蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させ、かつ、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２４に接続されている流通配管２９と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ｃに切り換えて、吸着材２６による水蒸気の吸着を開始すると共に、外部熱源により蓄熱反応器３０に熱を付与する。
次のステップ８１０において、ステップ８００へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ３に満たない状況にあるか否かが判定され、未だ時間Ｑ３が経過していないと判定されたときは、ステップ８００を継続する。一方、時間Ｑ３が経過したと判定されたときには、吸着器吸着モード又は吸着器再生モードに切り換えるため、ステップ１２０に移行する。
そして、ステップ１２０において、吸着量を計測する。そして、次のステップ１３０において、吸着量が所定の閾値Ｐ未満であるか否かが判定される。
ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ未満であると判定されたときには、ステップ５００に移行する（吸着器吸着モード）。ステップ７００において、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、吸着器２０に接続されている流通配管１２と連通させ、かつ、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２４に接続されている流通配管２９と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ｂに切り換えて、吸着材２６による水蒸気の吸着を開始する。そして、ステップ６３０において、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を閉塞し、ポンプＰ１の稼動を停止する。
次のステップ１８０において、ステップ７００へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ１に満たない状況にあるか否かが判定され、未だ時間Ｑ１が経過していないと判定されたときは、ステップ７００、６３０を継続する。一方、時間Ｑ１が経過したと判定されたときには、吸着器再生モードに切り換えるため、ステップ６４０に移行する。
ステップ６４０において、吸着材２６の水蒸気を脱離させるため、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を開き、ポンプＰ１の稼動を開始させて、蓄熱反応器３０から加熱された水蒸気を供給する。次のステップ７２０において、凝縮器４０に接続されている流通配管３１を、流体保持室２２に接続されている流通配管２８と連通させ、かつ、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ａに切り換え、流通配管２８、３１を通じて凝縮器４０に水蒸気が送られる。
次のステップ２４０において、ステップ５４０へ移行後の経過時間が所定時間（タイマ）Ｑ２に満たない状況であるか否かが判定され、未だ時間Ｑ２が経過していないと判定されたときは、ステップ６４０、７２０を継続する。一方、時間Ｑ２が経過したと判定されたときには、次のステップ３００に移行して、まずシステムの停止要求の有無を判定する。
また、ステップ１３０において、水蒸気の吸着量が閾値Ｐ以上に達していると判定されたときには、はじめにステップ６４０に移行する（吸着器再生モード）。その後、上記同様にステップ７２０を経た後、上記したようにステップ５００に移行し、吸着器吸着モードに切り換えられる。
ステップ３００において、システム停止の要求がされていないと判定されたときには、ステップ３２０で「吸着器吸着モード＋吸着器再生モード」を１サイクルとしてカウントされたサイクル数が、所定数Ｎに達しているか否かが判定される。一方、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときには、システムを停止するため、ステップ３６０において、バルブＶ１、Ｖ２、Ｖ３を閉塞すると共に、ポンプＰ１、Ｐ２の稼動を停止し、本ルーチンを終了する。
次のステップ３２０において、サイクル数が所定数Ｎに達していないと判定されたときは、そのままステップ５００に戻って、上記と同様のステップを繰り返す。一方、ステップ３２０でサイクル数が所定数Ｎに達したと判定されたときは、化学蓄熱材の水和反応が進行せず反応熱が得られない状態にあるため、ステップ７４０で、蒸発器１０に接続されている流通配管１１を、蓄熱反応器３０に接続されている流通配管１４と連通させるように、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２を位置Ａに切り換え、外部熱源により蓄熱反応器に熱を付与し、化学蓄熱材を再生する。また、サイクル数はリセットされる。
次のステップ６８０では、流通配管４２に取り付けられたバルブＶ１を閉塞し、ポンプＰ１の稼動を停止させる。
その後、再びステップ３００において、システムの停止要求の有無が判定される。ステップ３００でシステム停止の要求がされていないと判定されたときは、再びステップ３２０でサイクル数が判定され、上記と同様のステップが繰り返される。なお、ステップ３００において、システム停止の要求がされていると判定されたときは、上記のように、ステップ３６０を経て、本ルーチンを終了する。
以上説明したように、第８実施形態に係る吸着式ヒートポンプによれば、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の位置を制御し、蓄熱反応器／吸着器への蒸気供給割合を制御し、３方蒸気バルブＳＶ１により、蒸発器１０から吸着器２０の流体保持室２２及び蓄熱反応器３０の反応室３２の両方に蒸気を供給し、３方蒸気バルブＳＶ２により、吸着器２０の流体保持室２４のみから凝縮器４０へ蒸気が流入するように制御することにより、吸着器２０の流体保持室２２、２４間の短絡を防ぎ、冷熱出力を一時的に増大することができる。
なお、上記第８実施形態では、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の駆動部を共有化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、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の各々が駆動部を備えている構成において、上記第８実施形態で説明した、３方蒸気バルブＳＶ１、ＳＶ２の位置制御により、冷熱出力を一時的に増大する技術を適用してもよい。
上記した実施形態では、流体として水を用いた例を説明したが、水に限らず、水以外のアンモニア等の蒸発潜熱の比較的大きい流体を用いた場合にも同様の効果が奏される。
また、上記した実施形態では、吸着材としてシリカゲルを用いた場合を示して説明したが、シリカゲルに限らず、既述のシリカゲル以外の吸着材を用いることで同様の効果を奏することができる。
１０ 蒸発器
１１、１２、１４ 流通配管
２０ 吸着器
２２、２４ 流体保持室
２８、２９、３１、３８、４２、４３、４４ 流通配管
３０ 蓄熱反応器
３２ 反応室
３４ 気化室
４０ 凝縮器
４１ 水タンク
６６、６６０、７６０ 駆動部
６２ バルブ部
６４ シール部
９０ 制御装置
１００、２００、３００、５００ 吸着式ヒートポンプ
Ｐ１、Ｐ２ ポンプ
ＳＶ０１〜ＳＶ０５ バルブ
ＳＶ１、ＳＶ２ ３方蒸気バルブ
ＳＶ１２ 回転式切り換え蒸気バルブ
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ バルブ
１１、１２、１４ 流通配管
２０ 吸着器
２２、２４ 流体保持室
２８、２９、３１、３８、４２、４３、４４ 流通配管
３０ 蓄熱反応器
３２ 反応室
３４ 気化室
４０ 凝縮器
４１ 水タンク
６６、６６０、７６０ 駆動部
６２ バルブ部
６４ シール部
９０ 制御装置
１００、２００、３００、５００ 吸着式ヒートポンプ
Ｐ１、Ｐ２ ポンプ
ＳＶ０１〜ＳＶ０５ バルブ
ＳＶ１、ＳＶ２ ３方蒸気バルブ
ＳＶ１２ 回転式切り換え蒸気バルブ
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３ バルブ
Claims (15)
- 貯蔵部から供給された流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記流体が供給され、前記流体を保持し保持された流体を脱離する第１の流体保持部、及び前記貯蔵部から前記流体が供給され、前記流体を保持し保持された流体を脱離する第２の流体保持部を熱的に接続された状態で備え、前記第１の流体保持部が、供給された前記流体を保持するときに反応熱を放出する吸着材を有する吸着器と、
前記蒸発器から前記流体が供給され、前記流体が固定化されるときに前記流体の蒸発潜熱以上の反応熱を放出し、前記流体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、及び前記貯蔵部から前記流体が供給され、前記流体を気化する流体気化部を熱的に接続された状態で備え、気化した前記流体を前記吸着器の前記第２の流体保持部に供給することで前記吸着材を加熱する蓄熱反応器と、
前記吸着器の前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部と流体の流通が可能なように連通され、前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部から排出された前記流体を凝縮し、凝縮された前記流体を前記貯蔵部に供給する凝縮器と、
前記蒸発器からの流体の供給先を、前記吸着器及び前記蓄熱反応器の何れか一方から他方に切り換えるための供給先切換用３方バルブと、
前記貯蔵部から前記蒸発器へ前記流体を供給するためのポンプと、
前記貯蔵部から前記蒸発器への前記流体の供給を停止するためのバルブと、
前記貯蔵部から前記蒸発器への前記流体の供給量及び供給停止を制御するように前記ポンプ及び前記バルブを制御し、前記蒸発器からの流体の供給先を切り換えるように前記供給先切換用３方バルブを制御する制御部と、
を備えた吸着式ヒートポンプ。 - 貯蔵部から供給された流体を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から前記流体が供給され、前記流体を保持し保持された流体を脱離する第１の流体保持部、及び前記貯蔵部から前記流体が供給され、前記流体を保持し保持された流体を脱離する第２の流体保持部を熱的に接続された状態で備え、前記第１の流体保持部が、供給された前記流体を保持するときに反応熱を放出する吸着材を有する吸着器と、
前記蒸発器から前記流体が供給され、前記流体が固定化されるときに前記流体の蒸発潜熱以上の反応熱を放出し、前記流体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、及び前記貯蔵部から前記流体が供給され、前記流体を気化する流体気化部を熱的に接続された状態で備え、気化した前記流体を前記吸着器の前記第２の流体保持部に供給することで少なくとも前記吸着材を加熱する蓄熱反応器と、
前記吸着器の前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部と流体の流通が可能なように連通され、前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部から排出された前記流体を凝縮し、凝縮された前記流体を前記貯蔵部に供給する凝縮器と、
前記凝縮器と連通される先を、前記吸着器の前記第１の流体保持部及び前記第２の流体保持部の何れか一方から他方に切り換えるための連通先切換用３方バルブと、
前記凝縮器と連通される先を切り換えるように前記連通先切換用３方バルブを制御する制御部と、
を備えた吸着式ヒートポンプ。 - 前記蒸発器からの流体の供給先を、前記吸着器及び前記蓄熱反応器の何れか一方から他方に切り換えるための供給先切換用３方バルブと、
前記貯蔵部から前記蒸発器へ前記流体を供給するためのポンプと、
前記貯蔵部から前記蒸発器への前記流体の供給を停止するためのバルブとを更に含み、
前記制御部は、前記凝縮器と連通される先を切り換えるように前記連通先切換用３方バルブを制御し、前記貯蔵部から前記蒸発器への前記流体の供給量及び供給停止を制御するように前記ポンプ及び前記バルブを制御し、前記蒸発器からの流体の供給先を切り換えるように前記供給先切換用３方バルブを制御する請求項２記載の吸着式ヒートポンプ。 - 前記供給先切換用３方バルブは、切り換えた前記蒸発器からの流体の供給先とは異なる側への流体の供給量が、予め定められた許容漏れ量以内となるように構成された遮断機構を備えた請求項１又は３記載の吸着式ヒートポンプ。
- 前記連通先切換用３方バルブは、切り換えた前記凝縮器への流体の供給元とは異なる側からの流体の供給量が、予め定められた許容漏れ量以内となるように構成された遮断機構を備えた請求項２又は３記載の吸着式ヒートポンプ。
- 前記貯蔵部から前記蓄熱反応器へ前記流体を供給するための第２ポンプと、
前記貯蔵部から前記蓄熱反応器への前記流体の供給を停止するための第２バルブとを更に含み、
前記制御部は、前記蓄熱反応器から前記吸着器の前記第２の流体保持部への気化した前記流体の供給量及び供給停止を制御するように前記第２ポンプ及び前記第２バルブを制御する請求項１〜請求項５の何れか１項記載の吸着式ヒートポンプ。 - 前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第１の流体保持部に切り換え、かつ、前記蒸発器からの流体の供給先を前記蓄熱反応器に切り換えるように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動し、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第２の流体保持部に切り換え、かつ、前記蒸発器からの流体の供給先を前記吸着器に切り換えるように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動する駆動部を更に含み、
前記制御部は、前記凝縮器と連通される先及び前記蒸発器からの流体の供給先を切り換えるように前記駆動部を制御する請求項３記載の吸着式ヒートポンプ。 - 前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを、前記凝縮器と連通される先及び前記蒸発器からの流体の供給先を切り換えるための回転式切換バルブで構成した請求項７記載の吸着式ヒートポンプ。
- 前記供給先切換用３方バルブは、前記蒸発器からの流体の供給先を、前記吸着器及び前記蓄熱反応器の何れか一方、又は前記吸着器及び前記蓄熱反応器の両方に切り換えることが可能であって、
前記制御部は、前記吸着式ヒートポンプを始動するとき又は再開するときに、前記吸着器及び前記蓄熱反応器に対して前記蒸発器からの流体を供給するように前記供給先切換用３方バルブを制御する請求項１、３、又は４記載の吸着式ヒートポンプ。 - 前記供給先切換用３方バルブは、前記蒸発器からの流体の供給先を、前記吸着器及び前記蓄熱反応器の何れか一方、又は前記吸着器及び前記蓄熱反応器の両方に切り換えることが可能であって、
前記駆動部は、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第２の流体保持部に切り換え、かつ、前記吸着器及び前記蓄熱反応器に対して前記蒸発器からの流体を供給するように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動し、かつ、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第１の流体保持部に切り換え、かつ、前記蒸発器からの流体の供給先を前記蓄熱反応器に切り換えるように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動し、前記凝縮器と連通される先を前記吸着器の前記第２の流体保持部に切り換え、かつ、前記蒸発器からの流体の供給先を前記吸着器に切り換えるように前記連通先切換用３方バルブ及び前記供給先切換用３方バルブを駆動する駆動部を更に含み、
前記制御部は、前記吸着式ヒートポンプを始動するとき又は再開するときに、前記吸着器及び前記蓄熱反応器に対して前記蒸発器からの流体を供給するように前記駆動部を制御する請求項７記載の吸着式ヒートポンプ。 - 前記流体は、水である請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプ。
- 前記吸着材が、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、及び粘土鉱物からなる群から選択される少なくとも一種を含む請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプ。
- 前記蓄熱反応器は、前記化学蓄熱材として、金属酸化物及び金属塩化物から選択される少なくとも一種を含む請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプ。
- 前記化学蓄熱材が、アルカリ金属の酸化物及び塩化物、アルカリ土類金属の酸化物及び塩化物、並びに遷移金属の酸化物及び塩化物からなる群から選択される請求項１３に記載の吸着式ヒートポンプ。
- 前記流体が水であり、水を固定化する前記化学蓄熱材が、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、及び酸化バリウムから選択される請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプ。
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