JP2016161150A - Adsorption heat pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、吸着ヒートポンプに関するものであり、詳しくは、吸着材による吸着質の吸脱着機能を利用して熱移動を行う吸着ヒートポンプであって、冷熱出力を一層向上し得る吸着ヒートポンプに関するものである。 The present invention relates to an adsorption heat pump, and more particularly, to an adsorption heat pump that performs heat transfer using an adsorption / desorption function of adsorbate by an adsorbent, and can further improve the cold output. .
周知の通り、吸着ヒートポンプは、吸着材による吸着質の吸脱着機能を利用して熱移動を行うシステムであり、概略、図3及び図4に示すように、吸着材を保持してなる吸着素子1によって水などの吸着質を吸脱着する一対の吸脱着部(吸着塔)1A,1Bと、これら吸脱着部での吸着操作に伴って吸着質の蒸発により冷熱を得る蒸発部(蒸発器)2と、吸脱着部1A,1Bで脱着された吸着質の蒸気を凝縮させて蒸発部2に供給する凝縮部(凝縮器)3とから主に構成され、吸脱着部1A,1Bでの脱着操作において、内燃機関などから排出される低温排熱を利用することにより、蒸発部2において、空調用などに使用される冷熱を得ることができる(特許文献1参照)。 As is well known, the adsorption heat pump is a system that performs heat transfer using the adsorption / desorption function of the adsorbate by the adsorbent, and schematically shows an adsorption element that holds the adsorbent as shown in FIGS. 3 and 4. A pair of adsorption / desorption units (adsorption towers) 1A and 1B that adsorb and desorb an adsorbate such as water by 1 and an evaporation unit (evaporator) that obtains cold heat by evaporating the adsorbate in accordance with the adsorption operation in these adsorption / desorption units 2 and a condensing unit (condenser) 3 for condensing the adsorbate vapor desorbed by the adsorption / desorption units 1A and 1B and supplying the vapor to the evaporation unit 2 and desorbing at the adsorption / desorption units 1A and 1B In operation, by using low-temperature exhaust heat discharged from an internal combustion engine or the like, the evaporator 2 can obtain cold heat used for air conditioning or the like (see Patent Document 1).
上記のような吸着ヒートポンプでは、装置構成を簡素化し且つ小型化するため、吸脱着部1A,1Bで吸着操作において使用する冷却水、および、吸着質の蒸気を凝縮させる凝縮部3おいて使用する冷却水を順次に循環させている。すなわち、図3に示すように、吸脱着部1Aにて吸着操作を行う場合は、冷却設備4Aで生成した冷却水を流路81によって吸脱着部1Aの吸着素子1に供給することにより、吸着熱を除去しながら吸着材による吸着を促進させ、次いで、流路82を通じてその冷却水を凝縮部3に供給することにより、脱着工程にある他方の吸脱着部1Bから凝縮部3に導入された吸着質蒸気を凝縮液化し、そして、凝縮部3で冷却に使用された冷却水を流路83によって冷却設備4Aに戻すようにしている。
In the adsorption heat pump as described above, in order to simplify and reduce the size of the apparatus, it is used in the cooling unit used in the adsorption operation in the adsorption / desorption units 1A and 1B and the condensing unit 3 for condensing the adsorbate vapor. Cooling water is circulated sequentially. That is, as shown in FIG. 3, when the adsorption operation is performed in the adsorption / desorption unit 1A, the cooling water generated in the
また、図4に示すように、吸脱着部1Bにて吸着操作を行う場合は、切替弁で流路構成を切り替えることにより、冷却設備4Aで生成した冷却水を流路84によって吸脱着部1Bの吸着素子1に供給して吸着を促進させ、次いで、流路85を通じてその冷却水を凝縮部3に供給して吸着質蒸気を凝縮液化し、そして、凝縮部3で冷却に使用された冷却水を流路83によって冷却設備4Aに戻す。なお、吸着素子1において脱着操作を行う場合は、排熱と熱交換を行う熱源4Bから吸脱着部1Bに対して流路61,62を介して温水を循環させ、また、吸脱着部1Aに対して流路63,64を介して温水を循環させる。蒸発部2で得られた冷熱は、流路71,72を通じて冷熱利用機器9に例えば水を循環させることによって取り出すことができる。図中、符号21,22は、吸脱着部1A,1Bと蒸発部2とを仕切るダンパーを示し、符号31,32は、吸脱着部1A,1Bと凝縮部3とを仕切るダンパーを示し、また、符号P1〜P3は、流体移送用のポンプを示す。
In addition, as shown in FIG. 4, when the adsorption operation is performed in the adsorption / desorption unit 1 </ b> B, the cooling water generated in the cooling facility 4 </ b> A is exchanged by the
一方、上記のような吸着ヒートポンプの吸脱着部に使用される吸着材としては、従前のペレット状のシリカゲルに代えて、近年、吸着量が大きく且つ比較的小さな温度差で吸着質の吸脱着可能なゼオライト系の吸着材が種々検討されており、中でも、吸着質蒸気を容易に吸着し且つ低温域で容易に脱着し得るゼオライトとして、骨格構造に少なくともAlとPを含むアルミノフォスフェート類(ALPO系ゼオライト)の利用も提案されている。また、吸脱着部において吸着材を保持する吸着素子についても、吸着材の保持量が大きく、かつ、吸着に必要な冷熱および脱着に必要な温熱を伝え易いプレートフィン型やコルゲートフィン型の素子も種々提案されている(特許文献2,3参照)。 On the other hand, as an adsorbent used in the adsorption / desorption part of the adsorption heat pump as described above, in recent years, the adsorbate can be adsorbed / desorbed with a large adsorption amount and a relatively small temperature difference instead of the conventional pellet-like silica gel. Various zeolite-based adsorbents have been studied. Among these, aluminophosphates (ALPO) containing at least Al and P in the skeleton structure as zeolite that can easily adsorb adsorbate vapor and easily desorb at low temperatures. The use of zeolite) has also been proposed. In addition, as for the adsorption element that holds the adsorbent in the adsorption / desorption part, there are also plate fin type and corrugated fin type elements that have a large adsorbent holding amount and can easily convey the cold heat necessary for adsorption and the heat necessary for desorption. Various proposals have been made (see Patent Documents 2 and 3).
ところで、アルミノフォスフェート類のようなゼオライトは、それ自体、吸着時と脱着時の吸着量の差が大きく、吸着ヒートポンプの小型化と冷熱出力の向上が期待されているが、実際、吸着材の持つ吸脱着特性を十分に引き出せていない現状にある。すなわち、ゼオライト系吸着材は、吸着操作を行う吸脱着部において、水蒸気を吸着したときに発生する吸着熱が、シリカゲル等の従前の吸着材に比べて大きいため、凝縮部において熱交換用コイルに流れる冷却水の温度が高くなる。そのため、凝縮部内の吸着質を十分に凝縮できず、それにより、脱着操作を行う吸脱着部(吸着素子)の吸着材は、脱着不十分の状態で次の吸着サイクルに移行し、その結果、吸着ヒートポンプの冷熱出力を十分に発揮し難くなっている。 By the way, zeolites such as aluminophosphates themselves have a large difference in the amount of adsorption during adsorption and desorption, which is expected to reduce the size of the adsorption heat pump and improve the cold output. It is in the present situation that the adsorption / desorption characteristics possessed cannot be fully exploited. That is, since the adsorption heat generated when adsorbing and desorbing the zeolite adsorbing water vapor is larger than that of a conventional adsorbent such as silica gel, the zeolite-based adsorbent is used as a heat exchange coil in the condensing section. The temperature of the flowing cooling water increases. Therefore, the adsorbate in the condensing part cannot be sufficiently condensed, so that the adsorbent of the adsorption / desorption part (adsorption element) that performs the desorption operation moves to the next adsorption cycle in a state of insufficient desorption, and as a result, It is difficult to fully exhibit the cold heat output of the adsorption heat pump.
本発明は、上記の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸着時と脱着時の吸着量差が大きなゼオライト系吸着材を使用した吸着ヒートポンプであって、脱着操作において吸着質としての水蒸気を十分に脱着でき、吸脱着特性を十分に発揮させて冷熱出力を一層高めることができる吸着ヒートポンプを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is an adsorption heat pump using a zeolite-based adsorbent having a large difference in adsorption amount between adsorption and desorption, and as an adsorbate in the desorption operation. It is an object of the present invention to provide an adsorption heat pump capable of sufficiently desorbing water vapor and sufficiently exhibiting adsorption / desorption characteristics to further increase the cold output.
上記の課題を解決するため、本発明においては、冷却設備で生成されたより低温の冷却水を最初に凝縮部へ供給した後、吸着操作を行う吸脱着部の吸着素子に順次に供給することにより、凝縮部での吸着質の凝縮効率を向上させ、これにより、脱着操作を行う吸脱着部の吸着素子における脱着機能を高めると共に、吸脱着部の吸着素子に保持させる吸着材として、比較的高温度でも優れた吸着性能を発揮する特定のアルミノフォスフェートを選択することにより、吸着素子における吸着時と脱着時の吸着量差を一層大きくするようにした。換言すれば、脱着操作において、吸着材の吸着質を全て脱着した状態で運転できるようにした。 In order to solve the above problems, in the present invention, the cooling water generated at the cooling facility is first supplied to the condensing unit, and then sequentially supplied to the adsorption elements of the adsorption / desorption unit that performs the adsorption operation. , Improving the condensation efficiency of the adsorbate in the condensing part, thereby improving the desorption function in the adsorption element of the adsorption / desorption part that performs desorption operation, and relatively high as an adsorbent to be held in the adsorption element of the adsorption / desorption part By selecting a specific aluminophosphate that exhibits excellent adsorption performance even at temperatures, the difference in the amount of adsorption between the adsorption element and the desorption was further increased. In other words, in the desorption operation, the operation can be performed in a state where the adsorbate of the adsorbent is completely desorbed.
すなわち、本発明の要旨は、吸着材による吸着質の吸脱着機能を利用して熱移動を行う吸着ヒートポンプであって、吸着材を保持してなる吸着素子が各配置された少なくとも一対の吸脱着部と、これら吸脱着部での吸着操作に伴って吸着質の蒸発により冷熱を得る蒸発部と、各吸脱着部で脱着された吸着質の蒸気を凝縮液化して蒸発部に還流する凝縮部とを備え、一方の吸脱着部にて吸着操作を行い、他方の吸脱着部にて脱着操作を行う際、冷却設備で生成された冷却水が凝縮部、一方の吸脱着部に順次に供給されて冷却設備に返流され、かつ、熱源で生成された温水が他方の吸脱着部に循環するように流路構成され、一方の吸脱着部にて脱着操作を行い、他方の吸脱着部にて吸着操作を行う際、冷却設備で生成された冷却水が凝縮部、他方の吸脱着部に順次に供給されて冷却設備に返流され、かつ、熱源で生成された温水が一方の吸脱着部に循環するように流路構成されており、しかも、各吸着素子に保持された吸着材が、40℃の水蒸気吸着等温線における相対蒸気圧0.05での吸着量が0.1g/g以下であり、かつ、相対蒸気圧0.05以上、0.10以下の範囲で相対蒸気圧が0.05変化したときに水の吸着量変化が0.15g/g以上の相対蒸気圧域を有するゼオライトであることを特徴とする吸着ヒートポンプに存する。 That is, the gist of the present invention is an adsorption heat pump that performs heat transfer using the adsorption / desorption function of the adsorbate by the adsorbent, and includes at least a pair of adsorption / desorption each having an adsorption element that holds the adsorbent. , An evaporating unit that obtains cold heat by evaporating the adsorbate in accordance with the adsorption operation in these adsorbing and desorbing units, and a condensing unit that condensates and liquefies the adsorbate vapor desorbed in each adsorbing and desorbing unit When the adsorption operation is performed at one of the adsorption / desorption sections and the desorption operation is performed at the other adsorption / desorption section, the cooling water generated by the cooling equipment is sequentially supplied to the condensation section and one of the adsorption / desorption sections. The flow path is configured so that the hot water generated by the heat source is circulated to the other adsorption / desorption part, and the desorption operation is performed at one of the adsorption / desorption parts. When the adsorption operation is performed at the cooling water, the cooling water generated by the cooling equipment is condensed on the other side. The flow path is configured so that the hot water generated in the heat source is circulated to one of the adsorption / desorption parts, and is supplied to each adsorption element. The adsorbent has an adsorption amount at a relative vapor pressure of 0.05 on a water vapor adsorption isotherm at 40 ° C. of 0.1 g / g or less and a relative vapor pressure of 0.05 or more and 0.10 or less. The adsorption heat pump is characterized by being a zeolite having a relative vapor pressure region in which the change in the amount of adsorption of water when the relative vapor pressure changes by 0.05 is 0.15 g / g or more.
本発明の吸着ヒートポンプによれば、冷却設備で生成された冷却水を初めに凝縮部に供給した後、吸着操作を行う吸脱着部の吸着素子に順次に供給することにより、凝縮部の温度をより低い温度に維持するため、脱着操作を行う吸脱着部の吸着素子において、吸着質の脱着を一層促進させて完全に脱着した状態とすることができ、しかも、比較的高い温度でも優れた吸着機能を発揮する特定のゼオライトを使用しているため、吸着時と脱着時の吸着量差を更に大きくすることができ、その結果、蒸発部における吸着質の蒸発量を増大させ、冷熱出力を一層増大させることができる。 According to the adsorption heat pump of the present invention, the cooling water generated in the cooling facility is first supplied to the condensing unit, and then sequentially supplied to the adsorbing elements of the adsorption / desorption unit that performs the adsorption operation, thereby adjusting the temperature of the condensing unit. In order to maintain a lower temperature, the adsorption element of the adsorption / desorption part that performs the desorption operation can further promote the desorption of the adsorbate to be in a completely desorbed state, and excellent adsorption even at a relatively high temperature Since a specific zeolite that exhibits its function is used, the difference in adsorption amount during adsorption and desorption can be further increased. As a result, the amount of adsorbate evaporated in the evaporation section is increased, further increasing the cooling output. Can be increased.
本発明に係る吸着ヒートポンプの実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は、その趣旨を越えない限り、以下の実施形態に限定されるものではない。 An embodiment of an adsorption heat pump according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment, unless the meaning is exceeded.
先ず、本発明において吸着材として使用されるゼオライトについて説明する。本発明で使用されるゼオライトは、40℃の水蒸気吸着等温線における相対蒸気圧0.05での吸着量が0.1g/g以下であり、かつ、相対蒸気圧0.05以上、0.10以下の範囲で相対蒸気圧が0.05変化したときに水の吸着量変化が0.15g/g以上の相対蒸気圧域を有するゼオライトであれば、特に限定されないが、このようなゼオライトは、たとえば、骨格構造のアルミニウム、リン、およびケイ素のモル比が下記式(I)、(II)及び(III)で示されるようなゼオライトである。
0.001≦x≦0.3 ・・・(I)
(式中、xは骨格構造のケイ素とアルミニウムとリンの合計に対するケイ素のモル比を示す。)
0.3≦y≦0.6 ・・・(II)
(式中、yは骨格構造のケイ素とアルミニウムとリンの合計に対するアルミニウムのモル比を示す。)
0.3≦z≦0.6 ・・・(III)
(式中、zは骨格構造のケイ素とアルミニウムとリンの合計に対するリンのモル比を示す。)
しかも、結晶構造を反映したパラメータであるフレームワーク密度が、国際ゼオライト学会(International Zeolite Association、以下「IZA」と称す)が「ATLAS OF ZEOLITE FRAME ORK TYPES Fifth Revised Edition 2001」において示す数値で好ましくは10.0T/1000Å3以上であって、通常16.0T/1000Å3以下、好ましくは15.0T/1000Å3以下であるものが好ましく、さらに、ゼオライトの構造は、XRDにより決定するが、IZAが定めるコードで示すと、AEI、AFR、AFS、AFT、AFX、AFY、AHT、CHA、DFO、ERI、FAU、GIS、LEV、LTA、VFIであり、AEI、AFX、GIS、CHA、VFI、AFS、LTA、FAU、AFYが好ましく、中でもCHA構造を有するゼオライトが最も好ましい。
First, the zeolite used as the adsorbent in the present invention will be described. The zeolite used in the present invention has an adsorption amount at a relative vapor pressure of 0.05 on a water vapor adsorption isotherm at 40 ° C. of 0.1 g / g or less, and a relative vapor pressure of 0.05 or more and 0.10. The zeolite is not particularly limited as long as it is a zeolite having a relative vapor pressure range of 0.15 g / g or more when the relative vapor pressure changes by 0.05 in the following range, For example, a zeolite having a molar ratio of aluminum, phosphorus, and silicon having a skeleton structure represented by the following formulas (I), (II), and (III).
0.001 ≦ x ≦ 0.3 (I)
(In the formula, x represents the molar ratio of silicon to the total of silicon, aluminum and phosphorus in the skeleton structure.)
0.3 ≦ y ≦ 0.6 (II)
(In the formula, y represents the molar ratio of aluminum to the total of silicon, aluminum and phosphorus in the skeleton structure.)
0.3 ≦ z ≦ 0.6 (III)
(In the formula, z represents the molar ratio of phosphorus to the total of silicon, aluminum, and phosphorus in the skeleton structure.)
In addition, the framework density, which is a parameter reflecting the crystal structure, is expressed by the International Zeolite Association (hereinafter referred to as “IZA”) in “ATLAS OF ZEOLITE FRAME ORK TYPE FISTH Revised Edition 2001”, preferably 10 a is .0T / 1000Å 3 or more, usually 16.0T / 1000Å 3 or less, preferably preferably not more 15.0T / 1000Å 3 or less, further, the structure of the zeolite is determined by XRD, stipulated by IZA In terms of code, AEI, AFR, AFS, AFT, AFX, AFY, AHT, CHA, DFO, ERI, FAU, GIS, LEV, LTA, VFI, AEI, AF , GIS, CHA, VFI, AFS, LTA, FAU, AFY are preferred, and most preferred zeolites having inter alia CHA structure.
好ましいゼオライトであるCHA型シリコアルミノフォスフェートゼオライトとしては、具体的には「SAPO−34」と称されるゼオライトや、AQSOA Z02(三菱樹脂(株)製;登録商標)等が挙げられる。このようなゼオライトの製造法としては、アルミニウム源、ケイ素源、リン源およびテンプレートを混合した後、水熱合成し、次いでテンプレートを除去する公知の水熱合成方法によって製造できる。以下は、製造方法の一例である。なお、SAPO−34の合成方法は、例えば、米国特許第4440871号公報等に記載されている。 Specific examples of the CHA-type silicoaluminophosphate zeolite that is a preferred zeolite include zeolite called “SAPO-34”, AQSOA Z02 (manufactured by Mitsubishi Plastics, Inc .; registered trademark), and the like. Such a zeolite can be produced by a known hydrothermal synthesis method in which an aluminum source, a silicon source, a phosphorus source and a template are mixed, hydrothermally synthesized, and then the template is removed. The following is an example of a manufacturing method. The synthesis method of SAPO-34 is described in, for example, US Pat. No. 4,440,871.
先ず、アルミニウム源、ケイ素源、リン源およびテンプレートを混合する。
<アルミニウム源>
アルミニウム源としては、特に限定されず、通常、擬ベーマイト、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムトリエトキシド等のアルミニウムアルコキシド、水酸化アルミニウム、アルミナゾル、アルミン酸ナトリウムなどが挙げられ、擬ベーマイトが好ましい。
<ケイ素源>
ケイ素源としては、特に限定されず、通常、fumedシリカ、シリカゾル、コロイダルシリカ、水ガラス、ケイ酸エチル、ケイ酸メチルなどが挙げられ、fumedシリカが好ましい。
<リン源>
リン源としては、通常はリン酸が使用されるが、リン酸アルミニウムを用いてもよい。
<テンプレート>
テンプレートは所望のゼオライトの骨格構造を決定する重要な因子であり、所望の骨格構造のゼオライトを製造するために公知のテンプレートを選択して使用すればよい。例えば、本発明において好ましく用いられるCHA型ゼオライトを製造する場合、テンプレートは、テトラエチルアンモニウムイオンを含む化合物(例えば、水酸化テトラエチルアンモニウム)を用いる方法、或いは(1)ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物、(2)シクロアルキルアミン、および、(3)アルキルアミン、の3つの群のうち、2つ以上の群から各群につき1種以上の化合物を選択して用いる方法が挙げられるが、後者の方法が好ましい。以下はこのようなテンプレートを2種以上用いる場合の例について説明する。
First, an aluminum source, a silicon source, a phosphorus source and a template are mixed.
<Aluminum source>
The aluminum source is not particularly limited and usually includes aluminum alkoxides such as pseudo boehmite, aluminum isopropoxide, aluminum triethoxide, aluminum hydroxide, alumina sol, sodium aluminate and the like, and pseudo boehmite is preferred.
<Silicon source>
The silicon source is not particularly limited, and usually includes fumed silica, silica sol, colloidal silica, water glass, ethyl silicate, methyl silicate, and the like, and fumed silica is preferable.
<Phosphorus source>
As the phosphorus source, phosphoric acid is usually used, but aluminum phosphate may be used.
<Template>
The template is an important factor that determines the framework structure of the desired zeolite, and a known template may be selected and used to produce a zeolite having the desired framework structure. For example, when producing a CHA type zeolite preferably used in the present invention, the template is a method using a compound containing tetraethylammonium ions (for example, tetraethylammonium hydroxide), or (1) an alicyclic containing nitrogen as a hetero atom. Among the three groups of the heterocyclic compound, (2) cycloalkylamine, and (3) alkylamine, a method of selecting and using one or more compounds for each group from two or more groups can be mentioned. The latter method is preferred. Hereinafter, an example in which two or more types of such templates are used will be described.
(1)ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物:
ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物の複素環は通常5〜7員環であって、好ましくは6員環である。複素環に含まれるヘテロ原子の個数は通常3個以下、好ましくは2個以下である。ヘテロ原子の種類は窒素以外は特に限定されないが、窒素に加えて酸素を含むものが好ましい。ヘテロ原子の位置は特に限定されないが、ヘテロ原子が相互に隣り合わないものが好ましい。また、分子量で通常、250以下、好ましくは200以下、更に好ましくは150以下である。上記のようなヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物として、モルホリン、N−メチルモルホリン、ピペリジン、ピペラジン、N,N‘−ジメチルピペラジン、1,4−ジアザビシクロ(2,2,2)オクタン、N−メチルピペリジン、3−メチルピペリジン、キヌクリジン、ピロリジン、N−メチルピロリドン、ヘキサメチレンイミンなどが挙げられ、モルホリン、ヘキサメチレンイミン、ピペリジンが好ましく、モルホリンが特に好ましい。
(1) Alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a hetero atom:
The heterocyclic ring of the alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a hetero atom is usually a 5- to 7-membered ring, and preferably a 6-membered ring. The number of heteroatoms contained in the heterocycle is usually 3 or less, preferably 2 or less. The type of heteroatom is not particularly limited except nitrogen, but preferably includes oxygen in addition to nitrogen. The positions of the heteroatoms are not particularly limited, but those where the heteroatoms are not adjacent to each other are preferable. The molecular weight is usually 250 or less, preferably 200 or less, more preferably 150 or less. Examples of the alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a hetero atom as described above include morpholine, N-methylmorpholine, piperidine, piperazine, N, N′-dimethylpiperazine, 1,4-diazabicyclo (2,2,2) octane. , N-methylpiperidine, 3-methylpiperidine, quinuclidine, pyrrolidine, N-methylpyrrolidone, hexamethyleneimine and the like, morpholine, hexamethyleneimine and piperidine are preferable, and morpholine is particularly preferable.
(2)シクロアルキルアミン:
シクロアルキルアミンのシクロアルキル基の個数はアミン1分子に2以下であって、好ましくは1である。また、シクロアルキル基の炭素数は通常5〜7で、好ましくは6である。シクロアルキルのシクロ環の数は特に限定されないが、通常1が好ましい。また、シクロアルキル基がアミン化合物の窒素原子と結合しているのが好ましい。また、分子量で通常、250以下、好ましくは200以下、更に好ましくは150以下である。上記のようなシクロアルキルアミンとしては、シクロヘキシルアミン、ジシクロヘキシルアミン、N−メチルシクロヘキシルアミン、N,N−ジメチルシクロヘキシルアミン等が挙げられ、シクロヘキシルアミンが好ましい。
(2) Cycloalkylamine:
The number of cycloalkyl groups of the cycloalkylamine is 2 or less, preferably 1 per amine molecule. Moreover, carbon number of a cycloalkyl group is 5-7 normally, Preferably it is 6. The number of cycloalkyl cyclo rings is not particularly limited, but is usually preferably 1. Moreover, it is preferable that the cycloalkyl group has couple | bonded with the nitrogen atom of the amine compound. The molecular weight is usually 250 or less, preferably 200 or less, more preferably 150 or less. Examples of the cycloalkylamine include cyclohexylamine, dicyclohexylamine, N-methylcyclohexylamine, N, N-dimethylcyclohexylamine, and cyclohexylamine is preferable.
(3)アルキルアミン:
アルキルアミンのアルキル基は鎖式アルキル基であって、アミン1分子に何個入っていてもよいが、3個が特に好ましい。アルキル基の炭素数は4以下が好ましく、1分子中の全アルキル基の炭素数の合計が10以下がより好ましい。また、分子量で通常、250以下、好ましくは200以下、更に好ましくは150以下である。上記のようなアルキルアミンとしては、ジ−n−プロピルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリ−イソプロピルアミン、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、N,N−ジエチルエタノールアミン、N,N−ジメチルエタノールアミン、N−メチルジエタノールアミン、N−メチルエタノールアミン、ジ−n−ブチルアミン、ネオペンチルアミン、ジ−n−ペンチルアミン、イソプロピルアミン、t−ブチルアミン、エチレンジアミン、ジ−イソプロピル−エチルアミン、N−メチル−n−ブチルアミン等があげられ、ジ−n−プロピルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリ−イソプロピルアミン、トリエチルアミン、ジ−n−ブチルアミン、イソプロピルアミン、t−ブチルアミン、エチレンジアミン、ジ−イソプロピル−エチルアミン、N−メチル−n−ブチルアミンが好ましく、トリエチルアミンが特に好ましい。
(3) Alkylamine:
The alkyl group of the alkylamine is a chain alkyl group, and any number may be contained in one amine molecule, but three is particularly preferable. The number of carbon atoms of the alkyl group is preferably 4 or less, and the total number of carbon atoms of all alkyl groups in one molecule is more preferably 10 or less. The molecular weight is usually 250 or less, preferably 200 or less, more preferably 150 or less. Examples of the alkylamine as described above include di-n-propylamine, tri-n-propylamine, tri-isopropylamine, triethylamine, triethanolamine, N, N-diethylethanolamine, N, N-dimethylethanolamine, N-methyldiethanolamine, N-methylethanolamine, di-n-butylamine, neopentylamine, di-n-pentylamine, isopropylamine, t-butylamine, ethylenediamine, di-isopropyl-ethylamine, N-methyl-n-butylamine Di-n-propylamine, tri-n-propylamine, tri-isopropylamine, triethylamine, di-n-butylamine, isopropylamine, t-butylamine, ethylenediamine, di-isopropyl-ethyl Triethanolamine, N- methyl -n- butylamine are preferred, triethylamine being particularly preferred.
(1)〜(3)のテンプレートの好ましい組み合わせ:
好ましい組み合わせとしては、モルホリン、トリエチルアミンおよびシクロヘキシルアミンから2種以上、中でもモルホリン、トリエチルアミンを含む場合がより好ましい。これらのテンプレート各群の混合比率は、条件に応じて選択する必要がある。2種のテンプレートを混合させるときは、通常、混合させる2種のテンプレートのモル比が1:20から20:1、好ましくは1:10から10:1、更に好ましくは1:5から5:1である。3種のテンプレートを混合させるときは、通常、3種目のテンプレートのモル比は、上記のモル比で混合された2種のテンプレートに対して1:20から20:1、好ましくは1:10から10:1、更に好ましくは1:5から5:1である。その他のテンプレートが入っていてもよいが、その他のテンプレートはテンプレート全体に対してモル比で通常20%以下であり、10%以下が好ましい。
Preferred combinations of templates (1) to (3):
As a preferable combination, two or more kinds from morpholine, triethylamine and cyclohexylamine, more preferably morpholine and triethylamine are included. The mixing ratio of each group of these templates needs to be selected according to conditions. When mixing two templates, the molar ratio of the two templates to be mixed is usually 1:20 to 20: 1, preferably 1:10 to 10: 1, more preferably 1: 5 to 5: 1. It is. When mixing three templates, the molar ratio of the third template is usually from 1:20 to 20: 1, preferably from 1:10 to the two templates mixed in the above molar ratio. 10: 1, more preferably 1: 5 to 5: 1. Although other templates may be contained, the other templates are usually 20% or less in molar ratio with respect to the whole template, and preferably 10% or less.
水熱合成によるゼオライトの合成:
上述のケイ素源、アルミニウム源、リン源、テンプレートおよび水を混合して水性ゲルを調合する。混合順序は制限がなく、用いる条件により適宜選択すればよいが、通常は、まず水にリン源、アルミニウム源を混合し、これにケイ素源、テンプレートを混合する。水性ゲルの組成は、ケイ素源、アルミニウム源およびリン源を酸化物のモル比で表すと、SiO2/Al2O3の値は、通常、0より大きく、0.5以下であり、好ましくは0.4以下、更に好ましくは0.3以下である。またP2O5/Al2O3の比は通常0.6以上、好ましくは0.7以上、更に好ましくは0.8以上であり、通常1.3以下、好ましくは1.2以下、更に好ましくは1.1以下である。
Synthesis of zeolite by hydrothermal synthesis:
An aqueous gel is prepared by mixing the silicon source, aluminum source, phosphorus source, template and water described above. The mixing order is not limited and may be appropriately selected depending on the conditions to be used. Usually, however, a phosphorus source and an aluminum source are first mixed with water, and then a silicon source and a template are mixed therewith. As for the composition of the aqueous gel, when the silicon source, the aluminum source and the phosphorus source are expressed by the molar ratio of the oxide, the value of SiO 2 / Al 2 O 3 is usually larger than 0 and not larger than 0.5, preferably 0.4 or less, more preferably 0.3 or less. The ratio of P 2 O 5 / Al 2 O 3 is usually 0.6 or more, preferably 0.7 or more, more preferably 0.8 or more, usually 1.3 or less, preferably 1.2 or less, Preferably it is 1.1 or less.
水熱合成によって得られるゼオライトの組成は水性ゲルの組成と相関があり、所望の組成のゼオライトを得るためには水性ゲルの組成を適宜設定すればよい。テンプレートの総量は、Al2O3に対するテンプレートのモル比で、通常0.2以上、好ましくは0.5以上、更に好ましくは1以上であって、通常4以下、好ましくは3以下、更に好ましくは2.5以下である。また、2種以上のテンプレートの混合比は条件に応じて適宜選ぶ必要があるが、例えば、モルホリンとトリエチルアミンを用いる場合、モルホリン/トリエチルアミンのモル比が0.05から20、好ましくは0.1から10、更に好ましくは0.2から9である。前記2つ以上の群から各群につき1種以上選択されたテンプレートを混合する順番は特に限定されず、テンプレートを調製した後その他の物質と混合してもよいし、各テンプレートをそれぞれ他の物質と混合してもよい。 The composition of the zeolite obtained by hydrothermal synthesis has a correlation with the composition of the aqueous gel, and the composition of the aqueous gel may be appropriately set in order to obtain a zeolite having a desired composition. The total amount of the template is a molar ratio of the template to Al 2 O 3 and is usually 0.2 or more, preferably 0.5 or more, more preferably 1 or more, and usually 4 or less, preferably 3 or less, more preferably 2.5 or less. In addition, the mixing ratio of two or more templates needs to be appropriately selected according to the conditions. For example, when morpholine and triethylamine are used, the molar ratio of morpholine / triethylamine is 0.05 to 20, preferably 0.1. 10, more preferably 0.2 to 9. The order of mixing one or more templates selected from each of the two or more groups is not particularly limited, and after preparing the template, it may be mixed with other substances, and each template may be mixed with other substances. And may be mixed.
また水の割合は、Al2O3に対して、モル比で通常3以上、好ましくは5以上、更に好ましくは10以上であって、通常200以下、好ましくは150以下、更に好ましくは120以下である。水性ゲルのpHは通常5以上好ましくは6以上、更に好ましくは6.5以上であって、通常10以下、好ましくは9以下、更に好ましくは8.5以下である。なお、水性ゲル中には、所望により、上記以外の成分を共存させてもよい。このような成分としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水酸化物や塩、アルコール等の親水性有機溶媒があげられる。共存させる割合は、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水酸化物や塩の場合は、Al2O3に対してモル比で通常0.2以下、好ましくは0.1以下であり、アルコール等の親水性有機溶媒の場合は、水に対してモル比で通常0.5以下、好ましくは0.3以下である。 The ratio of water is usually 3 or more, preferably 5 or more, more preferably 10 or more, and usually 200 or less, preferably 150 or less, more preferably 120 or less, in molar ratio with respect to Al 2 O 3 . is there. The pH of the aqueous gel is usually 5 or more, preferably 6 or more, more preferably 6.5 or more, and is usually 10 or less, preferably 9 or less, more preferably 8.5 or less. In addition, you may coexist components other than the above in aqueous gel if desired. Examples of such components include hydrophilic organic solvents such as hydroxides and salts of alkali metals and alkaline earth metals, and alcohols. The proportion of coexistence is usually 0.2 or less, preferably 0.1 or less in terms of molar ratio with respect to Al 2 O 3 in the case of hydroxides or salts of alkali metals or alkaline earth metals. In the case of a hydrophilic organic solvent, the molar ratio with respect to water is usually 0.5 or less, preferably 0.3 or less.
水性ゲルを耐圧容器に入れ、自己発生圧下、または結晶化を阻害しない気体加圧下で、攪拌または静置状態で所定温度を保持する事により水熱合成する。水熱合成の反応温度は、通常100℃以上、好ましくは120℃以上、更に好ましくは150℃以上であって、通常300℃以下、好ましくは250℃以下、更に好ましくは220℃以下である。反応時間は通常2時間以上、好ましくは3時間以上、更に好ましくは5時間以上であって、通常30日以下、好ましくは10日以下、更に好ましくは4日以下である。反応温度は反応中一定でもよいし、段階的に変化させてもよい。 The aqueous gel is placed in a pressure vessel, and hydrothermal synthesis is performed by maintaining a predetermined temperature under stirring or standing under self-generated pressure or gas pressure that does not inhibit crystallization. The reaction temperature of hydrothermal synthesis is usually 100 ° C. or higher, preferably 120 ° C. or higher, more preferably 150 ° C. or higher, and usually 300 ° C. or lower, preferably 250 ° C. or lower, more preferably 220 ° C. or lower. The reaction time is usually 2 hours or more, preferably 3 hours or more, more preferably 5 hours or more, and is usually 30 days or less, preferably 10 days or less, more preferably 4 days or less. The reaction temperature may be constant during the reaction or may be changed stepwise.
水熱合成後、生成物を分離するが、生成物の分離方法は特に限定されない。通常、濾過またはデカンテーション等により分離し、水洗、室温から150℃以下の温度で乾燥して生成物であるテンプレートを含有したゼオライトを得ることができる。そして、テンプレートを含有したゼオライトからテンプレートを除去するが、その方法は特に限定されない。通常、空気または酸素含有の不活性ガス、あるいは不活性ガスの雰囲気下に400℃から700℃の温度で焼成したり、エタノール水溶液、HCl含有エーテル等の溶剤により抽出したりする等の方法により、含有する有機物を除去することができる。 The product is separated after the hydrothermal synthesis, but the method for separating the product is not particularly limited. Usually, it is separated by filtration, decantation, etc., washed with water, and dried at a temperature of room temperature to 150 ° C. or lower to obtain a zeolite containing the product template. And although a template is removed from the zeolite containing a template, the method is not specifically limited. Usually, it is baked at a temperature of 400 ° C. to 700 ° C. in an atmosphere of air or oxygen-containing inert gas or inert gas, or extracted with a solvent such as an aqueous ethanol solution or HCl-containing ether. The organic substance contained can be removed.
上記の製造方法により、骨格構造のアルミニウム、リン、およびケイ素のモル比が下記の存在割合のゼオライトを合成できる。ゼオライトのアルミニウム、リン及びケイ素の原子の存在割合は下記式(I)、(II)及び(III)で示される。
0.001≦x≦0.3 ・・・(I)
(式中、xは骨格構造のケイ素とアルミニウムとリンの合計に対するケイ素のモル比を示す。)
0.3≦y≦0.6 ・・・(II)
(式中、yは骨格構造のケイ素とアルミニウムとリンの合計に対するアルミニウムのモル比を示す。)
0.3≦z≦0.6 ・・・(III)
(式中、zは骨格構造のケイ素とアルミニウムとリンの合計に対するリンのモル比を示す。)
By the above production method, a zeolite having the following abundance ratios of aluminum, phosphorus, and silicon having a skeleton structure can be synthesized. The abundance ratio of aluminum, phosphorus and silicon atoms in the zeolite is represented by the following formulas (I), (II) and (III).
0.001 ≦ x ≦ 0.3 (I)
(In the formula, x represents the molar ratio of silicon to the total of silicon, aluminum and phosphorus in the skeleton structure.)
0.3 ≦ y ≦ 0.6 (II)
(In the formula, y represents the molar ratio of aluminum to the total of silicon, aluminum and phosphorus in the skeleton structure.)
0.3 ≦ z ≦ 0.6 (III)
(In the formula, z represents the molar ratio of phosphorus to the total of silicon, aluminum, and phosphorus in the skeleton structure.)
上記の製造方法によれば、骨格構造のアルミニウム、リン、およびケイ素の合計に対するケイ素のモル比を30%以下で制御でき、これまでアミン類のテンプレートでは難しかったケイ素のモル比が9%以下、好ましくは8.7%以下、更に好ましくは8.5%以下のゼオライトも合成可能である。 According to the above production method, the molar ratio of silicon to the total of aluminum, phosphorus, and silicon in the skeleton structure can be controlled at 30% or less, and the molar ratio of silicon, which has been difficult until now with amine templates, is 9% or less, It is also possible to synthesize zeolite of preferably 8.7% or less, more preferably 8.5% or less.
すなわち、上記の製造方法によれば、ケイ素の存在割合が、下記式(IV)、中でも下記式(V)、更には下記式(VI)で表されるゼオライトを製造でき、これらは吸着材として特に好適である。
0.001≦x≦0.09 ・・・(IV)
0.005≦x≦0.087 ・・・(V)
0.01≦x≦0.085 ・・・(VI)
(なお、式中、xは上記と同義である。)
That is, according to the above production method, a zeolite having a silicon presence ratio represented by the following formula (IV), particularly the following formula (V), and further represented by the following formula (VI) can be produced. Particularly preferred.
0.001 ≦ x ≦ 0.09 (IV)
0.005 ≦ x ≦ 0.087 (V)
0.01 ≦ x ≦ 0.085 (VI)
(In the formula, x is as defined above.)
テンプレートとして本発明に示したようにアミンを組み合わせて用い、出発ゲル中のSi量を上記のように制御することにより、所望のSi含有量のSAPOが合成可能である。なお、上記の原子割合は元素分析により決定するが、元素分析は試料を塩酸水溶液で加熱溶解させ、ICP分析により求める。 SAPO having a desired Si content can be synthesized by using a combination of amines as shown in the present invention as a template and controlling the Si content in the starting gel as described above. The atomic ratio is determined by elemental analysis. Elemental analysis is obtained by heating and dissolving a sample with an aqueous hydrochloric acid solution and then analyzing by ICP analysis.
テンプレートを2種以上用いる方法の場合、Si含有量が少ないSAPOが合成できる理由は明らかではないが、以下のようなことが推察される。例えば、CHA型構造のSAPOを合成する場合、ヘテロ原子として窒素を含む脂環式複素環化合物、例えばモルホリンは上記に示したように、Si含有量の多いものであれば比較的容易に合成が可能であるが、Si含有量の少ないものを合成しようとすると、デンス成分やアモルファス成分が多くできてしまう。また、アルキルアミン、例えばトリエチルアミンは上記に示したように、CHA構造のSAPOも限られた条件では合成可能であるが、通常、種々の構造のSAPOが混在しやすい。しかし逆に言えば、デンス成分やアモルファス成分では無く、結晶構造のものにはなりやすい。また、シクロアルキルアミン、例えばシクロヘキシルアミンは、Si含有量が多い場合はCHA構造のSAPOができやすく、少ない場合はある条件ではERI構造のSAPOができ、デンス成分となることは少ない。すなわち、それぞれのテンプレートはCHA型構造を導くための特徴、SAPOの結晶化を促進させる特徴などが、それぞれ限られた条件の中で有している。これらの特徴を組み合わせることにより、相乗効果を発揮させ、単独では実現できなかった効果があらわれたと考えられる。 In the case of a method using two or more types of templates, the reason why SAPO with a low Si content can be synthesized is not clear, but the following is presumed. For example, when synthesizing a SAPA having a CHA type structure, an alicyclic heterocyclic compound containing nitrogen as a heteroatom, for example, morpholine, as described above, can be synthesized relatively easily if it has a high Si content. Although it is possible, if it tries to synthesize | combine a thing with little Si content, a dense component and an amorphous component will be able to be increased. In addition, as shown above, alkylamines such as triethylamine can be synthesized under limited conditions, but usually SAPOs having various structures are likely to be mixed. However, conversely, it is not a dense component or an amorphous component, and tends to have a crystalline structure. In addition, cycloalkylamine, for example, cyclohexylamine, can easily form SAPA having a CHA structure when the Si content is high, and can easily form SAPO having an ERI structure under a certain condition and rarely becomes a dense component. That is, each template has a characteristic for deriving a CHA type structure, a characteristic for promoting crystallization of SAPO, and the like under limited conditions. By combining these features, it is considered that a synergistic effect was exhibited, and an effect that could not be realized alone was exhibited.
上記の構造を有するゼオライトは、水蒸気吸着材として用いる場合にはシリカ、アルミナ、チタニア等の金属酸化物や粘土等のバインダー成分や、熱伝導性の高い成分と共に使用することができる。このとき、ゼオライトの含有量が吸着材全体の60重量%以上であって、70%以上が好ましく、80%以上がより好ましい。また、上記の製造方法により、Si含有量をコントロールすることができ、それにより、種々の条件での吸脱着特性を有するゼオライトの製造も可能となる。 When used as a water vapor adsorbent, the zeolite having the above structure can be used together with a metal oxide such as silica, alumina and titania, a binder component such as clay, and a component having high thermal conductivity. At this time, the zeolite content is 60% by weight or more of the entire adsorbent, preferably 70% or more, and more preferably 80% or more. Further, the Si content can be controlled by the above-described production method, thereby making it possible to produce zeolite having adsorption / desorption characteristics under various conditions.
上記の通り、本発明で使用するゼオライトは、40℃の水蒸気吸着等温線では、相対蒸気圧0.05での吸着量が0.1g/g以下であり、かつ相対蒸気圧0.05以上、0.25以下の範囲で相対蒸気圧が0.15変化したときに水の吸着量変化が0.15g/g以上の相対蒸気圧域を有するものである(図5参照)。また、更に、55℃の水蒸気吸着等温線において相対蒸気圧0.03での吸着量が0.1g/g以下であり、かつ相対蒸気圧0.03以上、0.20以下の範囲で相対蒸気圧が0.15変化したときに水の吸着量変化が0.15g/g以上の相対蒸気圧域を有するものが好ましい。 As described above, the zeolite used in the present invention has a water vapor adsorption isotherm of 40 ° C., the adsorption amount at a relative vapor pressure of 0.05 is 0.1 g / g or less, and the relative vapor pressure is 0.05 or more. When the relative vapor pressure changes by 0.15 within a range of 0.25 or less, the change in the amount of adsorption of water has a relative vapor pressure range of 0.15 g / g or more (see FIG. 5). Further, in the water vapor adsorption isotherm at 55 ° C., the amount of adsorption at a relative vapor pressure of 0.03 is 0.1 g / g or less, and the relative vapor pressure is within a range of 0.03 to 0.20. What has the relative vapor pressure range whose water adsorption amount change is 0.15 g / g or more when a pressure changes 0.15 is preferable.
この特性を有するゼオライトは100℃以下で吸着質を脱着させることができるため、吸・脱着特性の優れた水蒸気吸着材として用いることができる。このような特性を持つと、低温から高温まで、低湿度から高湿度までの広い条件で吸着が可能であり、しかも比較的低温で脱着ができることを示し、ヒートポンプの吸着材として好適である。なお、上記のようなゼオライトについては、例えば特許第4212287号公報や特許第5485505号公報に開示されている。 Since zeolite having this property can desorb the adsorbate at 100 ° C. or lower, it can be used as a water vapor adsorbent having excellent adsorption / desorption properties. Such characteristics indicate that adsorption is possible under a wide range of conditions from low temperature to high temperature, from low humidity to high humidity, and that desorption can be performed at a relatively low temperature, which is suitable as an adsorbent for a heat pump. The zeolite as described above is disclosed in, for example, Japanese Patent No. 412287 and Japanese Patent No. 5485505.
次に、本発明の吸着ヒートポンプについて説明する。本発明の吸着ヒートポンプは、吸着材による水、アルコール類などの吸着質の吸脱着機能を利用して熱移動を行う吸着ヒートポンプであり、図1及び図2に示すように、例えば気密構造の筐体の内部を複数部分に区画することにより、吸脱着部1A、1B、蒸発部2及び凝縮部3が構成されている。すなわち、本発明の吸着ヒートポンプは、吸着材を保持してなる吸着素子1によって吸着質を吸脱着する少なくとも一対の吸脱着部1A,1Bと、これら吸脱着部1A,1Bでの吸着操作に伴って吸着質の蒸発により冷熱を得る蒸発部2と、各吸脱着部1A,1Bで脱着された吸着質の蒸気を凝縮液化して蒸発部2に還流する凝縮部3とを備えている。 Next, the adsorption heat pump of the present invention will be described. The adsorption heat pump of the present invention is an adsorption heat pump that performs heat transfer using the adsorption / desorption function of adsorbates such as water and alcohols by an adsorbent, and as shown in FIGS. 1 and 2, for example, an airtight housing. By separating the inside of the body into a plurality of parts, the adsorption / desorption parts 1A, 1B, the evaporation part 2 and the condensation part 3 are configured. That is, the adsorption heat pump of the present invention is accompanied by at least a pair of adsorption / desorption parts 1A and 1B for adsorbing and desorbing adsorbate by the adsorption element 1 holding an adsorbent, and an adsorption operation at these adsorption / desorption parts 1A and 1B. The evaporation unit 2 that obtains cold heat by evaporation of the adsorbate and the condensing unit 3 that condensates and vaporizes the adsorbate vapor desorbed by the adsorption / desorption units 1A and 1B and returns to the evaporation unit 2 are provided.
一対の吸脱着部1A,1Bは、複数組配置されていてもよく、各吸脱着部1A,1Bには、各々、吸着素子1が収容されている。吸着素子1は、熱交換器の構造を備え且つ表面に吸着材を塗布し或いは隙間に吸着材を充填して構成された素子であり、斯かる吸着素子1としては、熱交換効率の観点から、例えばフィンチューブ型熱交換器の構造を備えた素子が好適である。フィンチューブ型の吸着素子1は、平行かつ並列に配列された多数の平板状のアルミフィンに対して、熱媒体である冷却水や温水が流れる銅管からなる管路をジグザグに貫通させて構成され、アルミフィン表面に上記のゼオライト系吸着材(三菱樹脂製の「AQSOA Z02」(登録商標)をエポキシ系バインダーによって固着させたものである。なお、バインダーはここではエポキシ系のものを使用したが、無機系、有機系のいずれでもよく、好ましくは有機系であるが、エポキシ系に限定されない。 A plurality of pairs of the adsorption / desorption portions 1A and 1B may be arranged, and the adsorption element 1 is accommodated in each of the adsorption / desorption portions 1A and 1B. The adsorption element 1 is an element having a heat exchanger structure and is configured by applying an adsorbent on the surface or filling the gap with an adsorbent, and as such an adsorbent element 1, from the viewpoint of heat exchange efficiency For example, an element having a fin tube type heat exchanger structure is suitable. The finned tube-type adsorbing element 1 is configured by penetrating through a pipe line made of a copper pipe through which cooling water or hot water as a heat medium flows with respect to a large number of flat aluminum fins arranged in parallel and in parallel. The above-mentioned zeolite-based adsorbent (“AQSOA Z02” (registered trademark) manufactured by Mitsubishi Plastics) is fixed to the surface of the aluminum fin with an epoxy-based binder. Here, an epoxy-based binder was used. However, it may be either inorganic or organic, preferably organic, but is not limited to epoxy.
蒸発部2は、熱交換用コイル(管路)を収容して構成され、斯かる熱交換用コイルの出口には、空調装置の熱交換器などの吸着ヒートポンプに対する負荷としての冷熱利用機器9へ冷水を供給する流路71が接続され、熱交換用コイルの入口には、冷熱利用機器9から当該熱交換用コイルへ冷水を戻す流路72が接続されている。符号P3は、冷水移送用のポンプを示す。すなわち、蒸発部2は、凝縮部3で凝縮液化された吸着質が流れ込むようになされており(図示省略)、蒸発部2においては、熱交換用コイルに付着した吸着質の気化熱で低温の冷水を生成するようになされている。
The evaporating unit 2 is configured to accommodate a heat exchange coil (pipe), and the outlet of the heat exchange coil is connected to a
凝縮部3は、熱交換用コイル(管路)を収容して構成され、斯かる熱交換用コイルの入口には、冷却塔などの冷却設備4Aから冷却水を供給する流路51が接続されている。符号P1は、冷却水移送用のポンプを示す。また、図1に示すように、凝縮部3の熱交換用コイルの出口には、吸脱着部1Aにおいて吸着操作を行う際に、凝縮部3で利用された冷却水を吸脱着部1Aの吸着素子1に供給する流路52が接続されており、斯かる流路52の先端側は、切替弁を介して前記の吸着素子1の管路の一端に接続されている。更に、吸脱着部1Aの吸着素子1の管路の他端には、当該吸着素子で利用された冷却水を冷却設備4Aへ戻す流路53が切替弁を介して接続されている。
The condensing unit 3 is configured to accommodate a heat exchange coil (pipe), and a flow path 51 for supplying cooling water from a
一方、図2に示すように、凝縮部3の熱交換用コイルの出口側には、吸脱着部1Bにおいて吸着操作を行う際に、凝縮部3で利用された冷却水を吸脱着部1Bの吸着素子1に供給する流路54が上記の流路52から分岐して設けられており、斯かる流路54の先端側は、切替弁を介して前記の吸着素子1の管路の一端に接続されている。更に、吸脱着部1Bの吸着素子1の管路の他端には、当該吸着素子で利用された冷却水を冷却設備4Aへ戻す流路55が切替弁を介して接続されている。すなわち、図1、図2に示すように、吸着ヒートポンプにおいては、切替弁の操作により、冷却設備4Aで生成された冷却水が吸脱着部1A又は1Bの何れかの吸着素子1に循環するようになされている。
On the other hand, as shown in FIG. 2, at the outlet side of the heat exchange coil of the condensing unit 3, when the adsorption operation is performed in the adsorption / desorption unit 1 </ b> B, the cooling water used in the condensation unit 3 is extracted from the adsorption / desorption unit 1 </ b> B. A
また、吸脱着部1A,1Bには、これら吸脱着部の吸着素子1で脱着操作を行う際に、温水を供給するようになされている。具体的には、図1に示すように、吸脱着部1Bの吸着素子1の他端には、熱源4Bで生成された温水を供給する流路61が切替弁を介して接続されており、吸脱着部1Bの吸着素子1の一端には、当該吸着素子で利用された温水を熱源4Bへ戻す流路62が切替弁を介して接続されている。符号P2は、温水移送用のポンプを示す。
Further, hot water is supplied to the adsorption / desorption portions 1A and 1B when performing the desorption operation with the adsorption element 1 of these adsorption / desorption portions. Specifically, as shown in FIG. 1, a
更に、図2に示すように、吸脱着部1Aにおいて脱着操作を行う際に、熱源4Bで生成された温水を吸脱着部1Aの吸着素子1に供給する流路63が上記の流路61から分岐して設けられており、斯かる流路63先端側は、切替弁を介して前記の吸着素子1の管路の他端に接続されている。そして、吸脱着部1Aの吸着素子1の一端には、当該吸着素子で利用された温水を熱源4Bへ戻す流路64が切替弁を介して接続されている。すなわち、図1、図2に示すように、吸着ヒートポンプにおいては、切替弁の操作により、熱源4Bで生成された温水が吸脱着部1A又は1Bの何れかの吸着素子1に循環するようになされている。なお、熱源4Bとしては、ガスエンジン、ガスタービン等のコジェネレーション機器や燃料電池、各種生産工程からの排熱、太陽熱などの再生可能エネルギー等を利用できる。
Further, as shown in FIG. 2, when performing the desorption operation in the adsorption / desorption part 1A, a
上記の吸脱着部1A,1Bと蒸発部2、および、吸脱着部1A,1Bと凝縮部3は、各々、ダンパー又は仕切弁を介して吸着質の蒸気が流れるように構成されている。具体的には、吸脱着部1Aと蒸発部2の隔壁にはダンパー21が配置され、吸脱着部1Bと蒸発部2の隔壁にはダンパー22が配置されており、また、吸脱着部1Aと凝縮部3の隔壁にはダンパー31が配置され、吸脱着部1Bと凝縮部3の隔壁にはダンパー32が配置されている。
The adsorption / desorption units 1A and 1B and the evaporation unit 2 and the adsorption / desorption units 1A and 1B and the condensation unit 3 are configured such that adsorbate vapor flows through a damper or a gate valve. Specifically, a
すなわち、吸着ヒートポンプにおいては、図1に示すように、吸脱着部1Aにおいて吸着操作を行い、吸脱着部1Bにおいて脱着操作を行う際、ダンパー21が開放され且つダンパー22が閉じられることにより、蒸発部2で生成された吸着質の蒸気が吸脱着部1Aに導入され、同時に、ダンパー32が開放され且つダンパー31が閉じられることにより、吸脱着部1Bで脱着された吸着質の蒸気が凝縮部3に導入されるようになされている。また、図2に示すように、吸脱着部1Bにおいて吸着操作を行い、吸脱着部1Aにおいて脱着操作を行う際は、ダンパー22が開放され且つダンパー21が閉じられることにより、蒸発部2で生成された吸着質の蒸気が吸脱着部1Bに導入され、同時に、ダンパー31が開放され且つダンパー32が閉じられることにより、吸脱着部1Aで脱着された吸着質の蒸気が凝縮部3に導入されるようになされている。
That is, in the adsorption heat pump, as shown in FIG. 1, when the adsorption operation is performed in the adsorption / desorption portion 1A and the desorption operation is performed in the adsorption / desorption portion 1B, the
続いて、上記の吸着ヒートポンプの運転方法について説明する。吸着ヒートポンプでは、吸脱着部1Aにおいて吸着質の吸着操作と脱着操作を交互に繰り返し、同時に、吸脱着部1Bにおいて吸着質の脱着操作と吸着操作を交互に繰り返すことにより、蒸発部2において冷熱を連続的に生成する。 Then, the operation method of said adsorption heat pump is demonstrated. In the adsorption heat pump, the adsorption and desorption operations of the adsorbate are alternately repeated in the adsorption / desorption unit 1A, and at the same time, the adsorption / desorption operation and adsorption operation of the adsorbate are alternately repeated in the adsorption / desorption unit 1B. Generate continuously.
先ず、吸脱着部1Aにおいて吸着操作を行い、吸脱着部1Bにおいて脱着操作を行う場合には、図1に示すように、ダンパー21、ダンパー32を開放し、ダンパー22、ダンパー31を閉じる。そして、冷却設備4Aから凝縮部3へ流路51を通じて例えば25〜45℃の冷却水を供給し、凝縮部3の熱交換コイルを流れた冷却水を更に流路52を介して吸脱着部1Aの吸着素子1に供給する。吸脱着部1Aにおける吸着操作では、蒸発部2の吸着質が蒸発し、蒸気となって吸脱着部1Aに流れ込み、吸着材に吸着される。蒸発部2から吸脱着部1Aへの蒸気の移動は、蒸発温度での飽和蒸気圧と吸着材温度(一般的には25〜45℃、好ましくは30〜43℃、更に好ましくは35〜40℃)に対応した吸着平衡圧との差により行われ、蒸発部2においては、吸着質の蒸発に伴う気化熱に応じた冷熱、すなわち、冷房出力を得ることが出来る。
First, when the adsorption operation is performed in the adsorption / desorption portion 1A and the desorption operation is performed in the adsorption / desorption portion 1B, the
吸着側相対蒸気圧(φ2)(蒸発部2で生成する冷水温度における吸着質の平衡蒸気圧を、吸脱着部1Aの冷却水の温度における吸着質の平衡蒸気圧で除すことにより求められる値)は、吸脱着部1Aの冷却水の温度と蒸発部2で生成する冷水温度との関係から決定され、通常、吸着側相対蒸気圧(φ2)は、吸着材が最大に吸着質蒸気を吸着する相対蒸気圧よりも大きくなる様に運転するのが好ましい。その理由は次の通りである。すなわち、吸着材が最大に吸着質蒸気を吸着する相対蒸気圧よりも吸着側相対蒸気圧(φ2)が小さい場合には、吸着材の吸着機能を有効に利用できず、運転効率が低下する。上記の吸着側相対蒸気圧(φ2)は環境温度などにより適宜に設定することが出来る。 Adsorption side relative vapor pressure (φ2) (value obtained by dividing the equilibrium vapor pressure of the adsorbate at the chilled water temperature generated in the evaporation section 2 by the equilibrium vapor pressure of the adsorbate at the cooling water temperature of the adsorption / desorption section 1A. ) Is determined from the relationship between the temperature of the cooling water in the adsorption / desorption part 1A and the temperature of the cold water generated in the evaporation part 2, and normally the adsorption side relative vapor pressure (φ2) is the maximum adsorbent adsorbs the adsorbate vapor. It is preferable to operate so as to be larger than the relative vapor pressure. The reason is as follows. That is, when the adsorption side relative vapor pressure (φ2) is smaller than the relative vapor pressure at which the adsorbent adsorbs the adsorbate vapor to the maximum, the adsorption function of the adsorbent cannot be used effectively, and the operation efficiency is lowered. The adsorption side relative vapor pressure (φ2) can be appropriately set depending on the environmental temperature or the like.
一方、吸脱着部1Bにおける脱着操作では、熱源4Bから流路61を通じて吸脱着部1Bの吸着素子1へ通常は53〜100℃、好ましくは58〜85℃、更に好ましくは60〜80℃、より一層好ましくは60〜75℃の温水を供給する。これにより、吸脱着部1Bの吸着素子1の吸着材は、前記の温度範囲に対応した平衡蒸気圧になり、凝縮部3の凝縮温度25〜45℃(凝縮部3を冷却する冷却水の温度)での飽和蒸気圧で吸着質を脱着する。脱着された吸着質は、吸脱着部1Bの吸着素子1から凝縮部3へ蒸気の状態で移動し、凝縮されて液体となる。そして、凝縮部3で得られた凝縮液は、蒸発部2へ循環供給される。
On the other hand, in the desorption operation in the adsorption / desorption portion 1B, the
脱着側相対蒸気圧(φ1)(凝縮部3の冷却水の温度における吸着質の平衡蒸気圧を、温水の温度における吸着質の平衡蒸気圧で除すことにより求められる値)は、凝縮部3の冷却水の温度と温水の温度との関係から決定されるが、脱着側相対蒸気圧(φ1)は、吸着材が急激に吸着質蒸気を吸着する相対蒸気圧よりも小さくなる様に運転するのが好ましい。その理由は次の通りである。すなわち、吸着材が急激に吸着質蒸気を吸着する相対蒸気圧よりも脱着側相対蒸気圧(φ1)が大きい場合には、吸着材の吸着機能を有効に利用できない。 The desorption side relative vapor pressure (φ1) (a value obtained by dividing the equilibrium vapor pressure of the adsorbate at the temperature of the cooling water of the condensing unit 3 by the equilibrium vapor pressure of the adsorbate at the temperature of the hot water) The desorption side relative vapor pressure (φ1) is operated so as to be smaller than the relative vapor pressure at which the adsorbent adsorbs the adsorbate vapor suddenly. Is preferred. The reason is as follows. That is, when the desorption side relative vapor pressure (φ1) is larger than the relative vapor pressure at which the adsorbent rapidly adsorbs the adsorbate vapor, the adsorption function of the adsorbent cannot be effectively used.
上記の脱着側相対蒸気圧(φ1)は、環境温度などにより適宜に設定することが出来るが、脱着側相対蒸気圧(φ1)における吸着量が通常は0.14以下、好ましくは0.10以下となる様な温度条件で運転される。更に、脱着側相対蒸気圧(φ1)における吸着質の吸着量と吸着側相対蒸気圧(φ2)における吸着質の吸着量との差が、通常は0.12g/g以上、好ましくは0.135g/g、より一層好ましくは0.15g/g以上となる様に運転する。 The desorption side relative vapor pressure (φ1) can be appropriately set depending on the environmental temperature or the like, but the adsorption amount at the desorption side relative vapor pressure (φ1) is usually 0.14 or less, preferably 0.10 or less. It is operated under such temperature conditions. Further, the difference between the adsorbate adsorption amount at the desorption side relative vapor pressure (φ1) and the adsorbate adsorption amount at the adsorption side relative vapor pressure (φ2) is usually 0.12 g / g or more, preferably 0.135 g. / G, and more preferably 0.15 g / g or more.
続いて、吸脱着部1Aにおいて脱着操作を行い、吸脱着部1Bにおいて吸着操作を行う場合には、図2に示すように、ダンパー22、ダンパー31を開放し、ダンパー21、ダンパー32を閉じる。そして、冷却設備4Aから凝縮部3へ流路51を通じて上記と同様の冷却水を供給し、凝縮部3の熱交換コイルを流れた冷却水を更に流路54を介して吸脱着部1Bの吸着素子1に供給する。また、熱源4Bから流路63を通じて吸脱着部1Aの吸着素子1へ蒸気と同様の温水を供給する。これにより、蒸発部2において冷熱、換言すれば、冷房出力を得ることができる。すなわち、吸脱着部1Aにおいて吸着質の吸着操作と脱着操作を交互に繰り返し、同時に、吸脱着部1Bにおいて吸着質の脱着操作と吸着操作を交互に繰り返すことにより、吸着ヒートポンプを連続運転することができる。
Subsequently, when the desorption operation is performed in the adsorption / desorption portion 1A and the adsorption operation is performed in the adsorption / desorption portion 1B, the
上記のように、本発明の吸着ヒートポンプにおいては、一方の吸脱着部1Aにて吸着操作を行い、他方の吸脱着部1Bにて脱着操作を行う際、冷却設備4Aで生成された冷却水が凝縮部3、一方の吸脱着部1Aの吸着素子1に順次に供給されて冷却設備4Aに返流され、かつ、熱源4Bで生成された温水が他方の吸脱着部1Bの吸着素子1に循環するように流路構成され、また、一方の吸脱着部1Aにて脱着操作を行い、他方の吸脱着部1Bにて吸着操作を行う際、冷却設備4Aで生成された冷却水が凝縮部3、他方の吸脱着部1Bの吸着素子1に順次に供給されて冷却設備4Aに返流され、かつ、熱源4Bで生成された温水が一方の吸脱着部1Aの吸着素子1に循環するように流路構成されている。しかも、各吸着素子1の吸着材として、特定の吸脱着特性を有するゼオライトを使用している。
As described above, in the adsorption heat pump of the present invention, when the adsorption operation is performed in one adsorption / desorption part 1A and the desorption operation is performed in the other adsorption / desorption part 1B, the cooling water generated in the
すなわち、本発明の吸着ヒートポンプにおいては、冷却設備4Aで生成された冷却水を初めに凝縮部3に供給した後、吸着操作を行う吸脱着部1A(1B)の吸着素子1に順次に供給することにより、凝縮部3の温度をより低い温度に維持するため、脱着操作を行う吸脱着部1B(1A)の吸着素子1において、略飽和状態まで吸着された吸着質の脱着を一層促進させて完全に脱着した状態とすることができ、しかも、比較的高い温度でも優れた吸着機能を発揮する特定のゼオライトを使用しているため、吸着時と脱着時の吸着量差を更に大きくすることができ、その結果、蒸発部2における吸着質の蒸発量を増大させ、冷熱出力を一層増大させることができる。
That is, in the adsorption heat pump of the present invention, the cooling water generated by the
また、本発明の吸着ヒートポンプにおいては、従来機の約半分の吸着材量で同等の冷熱出力を得られることから、装置の大幅な小型化に寄与できる。更に、これまでは吸着ヒートポンプ単体での最高冷熱出力が350キロワット程度までであったところ、本発明の吸着ヒートポンプでは、同等の装置規模で1.5倍以上に出力を向上させることができる。これにより、これまで需要冷熱規模とマッチせず導入が遅れていた大規模化学プラント等で使われることがより現実的になる。しかも、本発明の吸着ヒートポンプを使用し、そのようなプラントで発生した余剰の温排水を吸着材の再生(脱着)に利用することにより、プラント全体のエネルギー効率の向上にも寄与することができる。また、本発明の吸着ヒートポンプは、冷却水温度が40℃程度でも十分稼働するため、冷却水温度が上がる夏場や、熱帯・亜熱帯地域においても使用できる。 Further, in the adsorption heat pump of the present invention, since the same cold output can be obtained with about half the amount of adsorbent as compared with the conventional machine, it can contribute to a significant downsizing of the apparatus. Furthermore, until now, the maximum cold output of the adsorption heat pump alone has been up to about 350 kilowatts, but the adsorption heat pump of the present invention can improve the output by 1.5 times or more with an equivalent apparatus scale. This makes it more practical to use in large-scale chemical plants and the like that have not been matched with the demanded cold energy scale and have been delayed until now. Moreover, by using the adsorption heat pump of the present invention and using the excess hot wastewater generated in such a plant for regeneration (desorption) of the adsorbent, it is possible to contribute to the improvement of the energy efficiency of the entire plant. . Moreover, since the adsorption heat pump of the present invention operates sufficiently even when the cooling water temperature is about 40 ° C., it can be used in the summer when the cooling water temperature rises, and in tropical and subtropical regions.
実施例1,比較例1:
図1及び図2に示す構造の吸着ヒートポンプを構成し、吸着質として水を用いて冷熱出力を確認した。吸着素子1としては、アルミフィンと銅管(管路)からなるフィンチューブ型熱交換器の素子であって、アルミフィン表面には、ゼオライト系吸着材として、三菱樹脂製;商品名「AQSOA Z02」(登録商標)をエポキシ系バインダーを用いて固着させた。
Example 1, Comparative Example 1:
The adsorption heat pump having the structure shown in FIGS. 1 and 2 was constructed, and the cold output was confirmed using water as the adsorbate. The adsorbing element 1 is an element of a fin tube type heat exchanger composed of aluminum fins and copper pipes (pipe lines). The surface of the aluminum fins is made of Mitsubishi resin as a zeolite adsorbent; the trade name “AQSOA Z02 (Registered trademark) was fixed using an epoxy binder.
冷却設備4Aとして、空冷式冷却塔を使用し、斯かる冷却塔で製造される冷却水を凝縮部3、吸着操作を行う吸脱着部1A(1B)へ順次に循環させた。その際の冷却水温度は、凝縮部3の熱交換コイルに導入される直前の温度で30℃であり、その流量は、約4L/分であった。一方、脱着操作を行う吸脱着部1B(1A)の吸着素子1には、熱源4Bから温水を循環させた。その際の温水温度は、吸着素子1の管路入口の直前の温度で75℃であり、その流量は、約2L/分であった。また、蒸発部2には、空調設備で冷却用途に使用した冷水を導入した。冷水温度は、蒸発部2の熱交換コイル(蒸発コイル)に入る直前の温度で10〜11℃であり、その流量は、約2L/分であった。
An air-cooling type cooling tower was used as the
上記の温度条件にて運転を行った場合の吸着ヒートポンプのデータを表1に示す(実施例1)。一方、従来方式として、冷却設備4Aから供給される冷却水の流路構成を変更し、先に吸着操作を行う吸脱着部1A(1B)へ導入し、次いで凝縮部3に流通させるように変更した。冷却水、温水、冷水の条件は、実施例1と同様であった。その結果、表1に示すような運転データが得られた(比較例1)。従来方式の吸着ヒートポンプと本発明の吸着ヒートポンプとで冷熱出力を比較すると、従来方式では232ワットであったのに対して、本発明では330ワットの出力が得られ、144%の出力向上が確認された。
Table 1 shows data of the adsorption heat pump when the operation is performed under the above temperature conditions (Example 1). On the other hand, as a conventional method, the flow path configuration of the cooling water supplied from the
実施例2:
脱着操作を行う吸脱着部1B(1A)への温水の導入流量を4L/分(実施例1の2倍)とし、凝縮部3及び吸着操作を行う吸脱着部1A(1B)へ冷却水の導入流量を5L/分(実施例1の1.3倍)とした点を除き、実施例1と同様の運転条件で冷熱出力を確認したところ、表1に示すような運転データが得られた(実施例2)。冷熱出力は440ワットであり、従来方式に比べて190%の出力向上が確認された。
Example 2:
The introduction flow rate of hot water to the adsorption / desorption part 1B (1A) performing the desorption operation is 4 L / min (twice that of Example 1), and the cooling water is supplied to the condensation part 3 and the adsorption / desorption part 1A (1B) performing the adsorption operation. Except for the point that the introduction flow rate was 5 L / min (1.3 times that of Example 1), the cooling output was confirmed under the same operating conditions as in Example 1, and the operation data as shown in Table 1 was obtained. (Example 2). The cold output was 440 watts, confirming a 190% improvement in output over the conventional method.
因に、吸着材として、シリカゲル、その他のゼオライトを使用した場合は、冷却水の流路構成を変更しても冷熱出力に殆ど変化が見られなかった。換言すれば、吸着素子1に特定のゼオライト系吸着材を使用し、冷却水を凝縮部3、吸着操作を行う吸脱着部1A(1B)へ順次に循環させる流路構成とした場合に格段の効果が得られることが確認できた。 By the way, when silica gel or other zeolite was used as the adsorbent, there was almost no change in the cooling output even when the flow path configuration of the cooling water was changed. In other words, when a specific zeolite-based adsorbent is used for the adsorbing element 1 and the cooling water is sequentially circulated to the condensing unit 3 and the adsorbing / desorbing unit 1A (1B) for performing the adsorbing operation, it is remarkably great. It was confirmed that the effect was obtained.
1 :吸着素子
1A:吸脱着部
1B:吸脱着部
2 :蒸発部
21:ダンパー
22:ダンパー
3 :凝縮部
31:ダンパー
32:ダンパー
4A:冷却設備
4B:熱源
9 :冷熱利用機器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Adsorption element 1A: Adsorption / desorption part 1B: Adsorption / desorption part 2: Evaporation part 21: Damper 22: Damper 3: Condensing part 31: Damper 32:
Claims (5)
0.001≦x≦0.09 ・・・(I)
(式中、xは骨格構造のアルミニウム、リン、およびケイ素の合計に対するケイ素のモル比を示す。)
0.3≦y≦0.6 ・・・(II)
(式中、yは骨格構造のアルミニウム、リン、およびケイ素の合計に対するアルミニウムのモル比を示す。)
0.3≦z≦0.6 ・・・(III)
(式中、zは骨格構造のアルミニウム、リン、およびケイ素の合計に対するリンのモル比を示す。) The zeolite is a zeolite in which the abundance ratio of silicon, aluminum, and phosphorus atoms is represented by the following formulas (I), (II), and (III), and is CHA in a zeolite structure defined by IZA. Adsorption heat pump described in 1.
0.001 ≦ x ≦ 0.09 (I)
(In the formula, x represents the molar ratio of silicon to the total of aluminum, phosphorus and silicon in the skeleton structure.)
0.3 ≦ y ≦ 0.6 (II)
(In the formula, y represents the molar ratio of aluminum to the total of aluminum, phosphorus and silicon in the skeleton structure.)
0.3 ≦ z ≦ 0.6 (III)
(In the formula, z represents the molar ratio of phosphorus to the total of aluminum, phosphorus and silicon in the skeleton structure.)
0.005≦x≦0.087 ・・・(IV)
(式中、xは骨格構造のアルミニウム、リン、およびケイ素の合計に対するケイ素のモル比を示す。)
The adsorption heat pump according to any one of claims 1 to 4, wherein the zeolite is a zeolite having a silicon ratio represented by the following formula (IV).
0.005 ≦ x ≦ 0.087 (IV)
(In the formula, x represents the molar ratio of silicon to the total of aluminum, phosphorus and silicon in the skeleton structure.)
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