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JP2021196129A - Adsorption type heat pump system and cold heat generation method - Google Patents

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JP2021196129A JP2020104038A JP2020104038A JP2021196129A JP 2021196129 A JP2021196129 A JP 2021196129A JP 2020104038 A JP2020104038 A JP 2020104038A JP 2020104038 A JP2020104038 A JP 2020104038A JP 2021196129 A JP2021196129 A JP 2021196129A
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Abstract

To provide an adsorption type heat pump system and a cold generation method that can perform high-efficiency cold generation utilizing sunlight.SOLUTION: There are provided: an adsorption type heat pump system 100 comprising an evaporator 20 which generates cold heat as an adsorbent vaporizes, a first adsorbing unit 30 which includes a first absorbing material adsorbing the adsorbate vaporizing at the evaporator, a second adsorbing unit 40 which includes a second adsorbing material adsorbing adsorbate desorbed from the first adsorbing material, and a sunlight collector 10 which includes temperature rise auxiliary means for at least one of a heat collection plate absorbing sunlight to rise in temperature, a light collector collecting the sunlight on a heat collection plate, and a heat insulation material insulating radiant heat from the heat collection plate, and can raise the temperature of the heat collection plate to 160°C or higher; and a cold heat generation method using the same.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本開示は、吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法に関する。 The present disclosure relates to an adsorption heat pump system and a cold heat generation method.

シリカゲル、ゼオライト等の吸着材と、水、アンモニア等の吸着質との吸脱着現象を繰り返して熱エネルギーに変換することでエアコン、冷蔵、冷凍などに利用する吸着式ヒートポンプが知られている。
例えば、非特許文献1では、ゼオライト系の吸着材を用いて水蒸気の吸脱着を行い、ソーラーコレクターで60〜75℃程度に加熱した温水を利用して吸着材の脱着を行う吸着式冷凍機が開示されている。
Adsorption-type heat pumps used for air conditioners, refrigeration, freezing, etc. are known by repeating the adsorption / desorption phenomenon between an adsorbent such as silica gel and zeolite and an adsorbent such as water and ammonia to convert it into heat energy.
For example, in Non-Patent Document 1, an adsorption type refrigerator that absorbs and desorbs water vapor using a zeolite-based adsorbent and desorbs the adsorbent using warm water heated to about 60 to 75 ° C. by a solar collector. It has been disclosed.

また、特許文献1では、蒸発器、第一吸着器、第二吸着器を備え、第一吸着器で吸着質を吸着して蒸発器で冷熱を生成し、第一吸着器で吸着した吸着質を第二吸着器で吸着して第一吸着器で冷熱を生成する吸着式ヒートポンプが開示されている。 Further, in Patent Document 1, an evaporator, a first adsorbent, and a second adsorber are provided, and the adsorbent is adsorbed by the first adsorbent, cold heat is generated by the evaporator, and the adsorbent is adsorbed by the first adsorbent. A adsorption type heat pump is disclosed in which the adsorbed heat is adsorbed by a second adsorber and cold heat is generated by the first adsorber.

特許第6065882号Patent No. 6065882

日本機械学会誌 2010. 1 Vol. 113 No.1094Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers 2010. 1 Vol. 113 No.1094

非特許文献1に開示されている吸着式冷凍機は、蒸発器からの水蒸気を吸着材で吸着した後、温水によって脱着した水蒸気を凝縮して液体(水)とし、凝縮された水を再度蒸発器に戻す、いわば単段吸着式ヒートポンプである。
一方、特許文献1に開示されているような複数の吸着器を用いて複数回(多段階)の吸脱着を行う多段吸着式ヒートポンプであれば、単段吸着式ヒートポンプよりも効率化を図ることができる。
The adsorption type freezer disclosed in Non-Patent Document 1 adsorbs water vapor from an evaporator with an adsorbent, then condenses the water vapor desorbed by warm water into a liquid (water), and evaporates the condensed water again. It is a so-called single-stage adsorption type heat pump that returns to the container.
On the other hand, a multi-stage adsorption heat pump that performs suction and desorption multiple times (multi-step) using a plurality of adsorbers as disclosed in Patent Document 1 should be more efficient than a single-stage adsorption heat pump. Can be done.

しかし、多段式ヒートポンプでは、後段の吸着器は前段の吸着器よりも吸着質に対する吸着力が高い吸着材を用いる必要があり、再生(脱着)にはより高温の熱源が必要である。例えば、非特許文献1に開示されているようなソーラーコレクターで60〜75℃に加熱した温水では後段の吸着材から吸着質を脱着させることが困難である。
また、例えば吸着材を電気等で加熱して脱着させることは、そもそも吸着式ヒートポンプが持つ省エネルギーの利点を妨げることになる。
However, in the multi-stage heat pump, the adsorbent in the subsequent stage needs to use an adsorbent having a higher adsorbing power for the adsorbent than the adsorber in the previous stage, and a higher temperature heat source is required for regeneration (desorption). For example, it is difficult to desorb the adsorbent from the adsorbent in the subsequent stage with warm water heated to 60 to 75 ° C. with a solar collector as disclosed in Non-Patent Document 1.
Further, for example, heating the adsorbent with electricity or the like to desorb it hinders the energy saving advantage of the adsorption heat pump in the first place.

本開示は、太陽光を利用して高効率に冷熱生成を行うことができる吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法を提供することを課題とする。 It is an object of the present disclosure to provide an adsorption type heat pump system and a cold heat generation method capable of performing cold heat generation with high efficiency by using sunlight.

<1> 吸着質が蒸発して冷熱を生成する蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記吸着質を吸着する第一吸着材を含む第一吸着器と、
前記第一吸着材から脱着した前記吸着質を吸着する第二吸着材を含む第二吸着器と、
前記第二吸着器を加熱する加熱源であって、太陽光を吸収して昇温する集熱板と、前記太陽光を前記集熱板に集光する集光器及び前記集熱板からの放射熱を断熱する断熱材の少なくとも一方の昇温補助手段とを含み、前記太陽光により前記集熱板を160℃以上に昇温可能な太陽光集熱器と、
を備える、吸着式ヒートポンプシステム。
<2> 前記第二吸着器の吸着容量が前記第一吸着器の吸着容量よりも大きい<1>に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
<3> 前記第一吸着器をバイパスして前記蒸発器と前記第二吸着器とを接続するバイパス配管を備え、前記蒸発器が、前記第二吸着材から脱着した前記吸着質が前記バイパス配管を通じて前記蒸発器に導入された前記吸着質を凝縮する凝縮器を兼ねる、<1>又は<2>に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
<4> 前記蒸発器の熱交換を行う熱交換器、前記第一吸着材の熱交換を行う熱交換器、及び前記第二吸着材の熱交換を行う熱交換器からなる群より選ばれる少なくとも1つの熱交換器を備える<1>〜<3>のいずれか1つに記載の吸着式ヒートポンプシステム。
<5> 前記太陽光集熱器が、熱交換器、熱交換流体、液送ポンプ及びヒートパイプからなる群より選ばれる少なくとも1つの伝熱手段を介して前記第二吸着材を加熱する<1>〜<4>のいずれか1つに記載の吸着式ヒートポンプシステム。
<6> 前記集熱板と前記第二吸着材とが、前記断熱材を含む同一の断熱構造内に配置されている<1>〜<4>のいずれか1つに記載の吸着式ヒートポンプシステム。
<7> 前記太陽光集熱器が、前記断熱材として、前記集熱板に前記太陽光を選択的に透過する選択透過材料を含み、かつ、前記集熱板として、前記選択透過材料を透過した前記太陽光を選択的に吸収する選択吸収材料を含む、二重光学断熱構造を有する<1>〜<6>のいずれか1つに記載の吸着式ヒートポンプシステム。
<8> 前記選択透過材料は、波長0.3μm〜2.5μmの太陽光領域における平均透過率が80%以上、かつ、熱伝導率が0.5W/m/K以下であり、
前記選択吸収材料は、前記太陽光領域における平均吸収率が80%以上であり、波長2.5μm超〜20μmの放射光領域において前記選択透過材料の透過率が20%以上となる波長帯における平均放射率が60%以下である<7>に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
<9> 前記第一吸着材がメソポーラスシリカ、Al−MOF及びZr−MOFからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記第二吸着材がゼオライトである<1>〜<8>のいずれか1つに記載の吸着式ヒートポンプシステム。
<10> <1>〜<9>のいずれか1つに記載の吸着式ヒートポンプシステムを用い、
前記第一吸着材で前記吸着質を吸着することにより前記蒸発器で前記吸着質を蒸発させて冷熱を生成させる工程と、
前記第二吸着材で前記吸着質を吸着することにより前記第一吸着材から前記吸着質を脱着させて冷熱を生成させる工程と、
を交互に複数回繰り返した後、
前記太陽光集熱器で前記第二吸着材を加熱して前記吸着質を脱着させることにより前記第二吸着材を再生させる工程を含む、冷熱生成方法。
<11> 前記吸着式ヒートポンプシステムが<3>に記載の前記バイパス配管を備え、前記第二吸着材を再生させる工程の前に、前記蒸発器から前記バイパス配管を通じて前記第二吸着器に導入された前記吸着質を前記第二吸着材で吸着する工程を含む<10>に記載の冷熱生成方法。
<1> An evaporator in which the adsorbent evaporates to generate cold heat, and
A first adsorbent containing a first adsorbent that adsorbs the adsorbent evaporated by the evaporator,
A second adsorbent containing a second adsorbent that adsorbs the adsorbent desorbed from the first adsorbent,
A heat collecting plate that is a heating source for heating the second adsorbent and absorbs sunlight to raise the temperature, a concentrator that collects the sunlight on the heat collecting plate, and a heat collecting plate. A solar collector that includes at least one heating assisting means of a heat insulating material that insulates radiant heat and can raise the temperature of the heat collecting plate to 160 ° C. or higher by the sunlight.
Equipped with an adsorption heat pump system.
<2> The adsorption type heat pump system according to <1>, wherein the adsorption capacity of the second adsorber is larger than the adsorption capacity of the first adsorber.
<3> A bypass pipe for bypassing the first adsorbent and connecting the evaporator and the second adsorbent is provided, and the adsorbent desorbed from the second adsorbent is the bypass pipe. The adsorption type heat pump system according to <1> or <2>, which also serves as a condenser that condenses the adsorbent introduced into the evaporator through the above.
<4> At least selected from the group consisting of a heat exchanger that exchanges heat of the evaporator, a heat exchanger that exchanges heat of the first adsorbent, and a heat exchanger that exchanges heat of the second adsorbent. The adsorption heat pump system according to any one of <1> to <3>, comprising one heat exchanger.
<5> The solar collector heats the second adsorbent via at least one heat transfer means selected from the group consisting of a heat exchanger, a heat exchange fluid, a liquid transfer pump, and a heat pipe. <1 > To the adsorption type heat pump system according to any one of <4>.
<6> The adsorption type heat pump system according to any one of <1> to <4>, wherein the heat collecting plate and the second adsorbent are arranged in the same heat insulating structure including the heat insulating material. ..
<7> The solar collector contains, as the heat insulating material, a selective transmission material that selectively transmits the sunlight to the heat collecting plate, and transmits the selective transmission material as the heat collecting plate. The adsorption type heat pump system according to any one of <1> to <6> having a double optical heat insulating structure, which comprises a selective absorption material that selectively absorbs the above-mentioned sunlight.
<8> The selective transmittance material has an average transmittance of 80% or more and a thermal conductivity of 0.5 W / m / K or less in the sunlight region having a wavelength of 0.3 μm to 2.5 μm.
The selective absorption material has an average absorption rate of 80% or more in the sunlight region, and an average in a wavelength band in which the transmittance of the selective transmittance material is 20% or more in a synchrotron radiation region having a wavelength of more than 2.5 μm to 20 μm. The adsorption type heat pump system according to <7>, which has an emissivity of 60% or less.
<9> Any of <1> to <8>, wherein the first adsorbent is at least one selected from the group consisting of mesoporous silica, Al-MOF, and Zr-MOF, and the second adsorbent is zeolite. One of the adsorption heat pump systems.
<10> Using the adsorption heat pump system according to any one of <1> to <9>,
A step of adsorbing the adsorbent with the first adsorbent to evaporate the adsorbent with the evaporator to generate cold heat.
A step of desorbing the adsorbent from the first adsorbent by adsorbing the adsorbent with the second adsorbent to generate cold heat.
After repeating alternately multiple times,
A cold heat generation method comprising a step of regenerating the second adsorbent by heating the second adsorbent with the solar collector to desorb the adsorbent.
<11> The adsorption type heat pump system includes the bypass pipe according to <3>, and is introduced from the evaporator to the second adsorber through the bypass pipe before the step of regenerating the second adsorbent. The cold heat generation method according to <10>, which comprises a step of adsorbing the adsorbent with the second adsorbent.

本開示によれば、太陽光を利用して高効率に冷熱生成を行うことができる吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法が提供される。 According to the present disclosure, there is provided an adsorption type heat pump system and a cold heat generation method capable of performing cold heat generation with high efficiency by using sunlight.

本開示の第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the adsorption type heat pump system of 1st Embodiment of this disclosure. 第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける太陽光集熱器の構成の一例を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows an example of the structure of the solar collector in the adsorption type heat pump system of 1st Embodiment. 本開示の吸着式ヒートポンプシステムにおける太陽光集熱器に使用することができる選択透過材料と選択吸収材料の光学特性の関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship of the optical property of the selective transmission material and the selective absorption material which can be used for the solar collector in the adsorption type heat pump system of this disclosure. 真空容器内に選択透過材料と選択吸収材料を重ねた2重光学断熱構造とした集熱器を用いて太陽光による昇温実験を行った結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of having performed the temperature rise experiment by sunlight using the heat collector which had the double optical insulation structure which superposed the selective transmission material and the selective absorption material in a vacuum vessel. 真空容器内に選択透過材料と選択吸収材料を重ねた2重光学断熱構造とした集熱器を用いて太陽光による昇温実験を行った装置構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which showed the apparatus structure which performed the temperature rise experiment by sunlight using the heat collector which had the double optical insulation structure which superposed the selective transmission material and the selective absorption material in a vacuum vessel. ソーラーシミュレーションにおいて昇温手段の構成を変えた場合の最高到達温度を示すグラフである。It is a graph which shows the maximum reached temperature when the composition of a temperature raising means is changed in a solar simulation. 本開示の第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the adsorption type heat pump system of the 2nd Embodiment of this disclosure. 第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける集熱・第二吸着器(太陽光集熱器の一例)の構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the heat collector, the second adsorbent (an example of a solar collector) in the adsorption type heat pump system of 2nd Embodiment. 図7に示す集熱・第二吸着器を太陽光の入射側から見た主要部の位置関係を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the positional relationship of the main part of the heat collector / second adsorber shown in FIG. 7 as seen from the incident side of sunlight. 本開示の第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの蓄熱モードにおける水蒸気及び熱交換流体の流れを示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the flow of the water vapor and the heat exchange fluid in the heat storage mode of the adsorption type heat pump system of the 2nd Embodiment of this disclosure. 本開示の第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの1段目出力モードにおける水蒸気及び熱交換流体の流れを示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the flow of the water vapor and the heat exchange fluid in the 1st stage output mode of the adsorption type heat pump system of the 2nd Embodiment of this disclosure. 本開示の第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの2段目出力モードにおける水蒸気及び熱交換流体の流れを示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the flow of the water vapor and the heat exchange fluid in the 2nd stage output mode of the adsorption type heat pump system of the 2nd Embodiment of this disclosure. 蒸発器及び吸着器の各温度変化のシミュレーションに用いた単段吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the single-stage adsorption type heat pump system used for the simulation of each temperature change of an evaporator and an adsorber. 図10に示す構成の単段吸着式ヒートポンプシステムによりシミュレーションした蒸発器及び吸着器の各温度変化を示す図である。It is a figure which shows each temperature change of the evaporator and the adsorbent simulated by the single-stage adsorption type heat pump system of the configuration shown in FIG. 蒸発器及び吸着器の各温度変化のシミュレーションに用いた多段吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the multi-stage adsorption type heat pump system used for the simulation of each temperature change of an evaporator and an adsorber. 図12に示す構成の多段吸着式ヒートポンプシステムを用いたシミュレーションにおける水蒸気の流れを示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the flow of water vapor in the simulation using the multi-stage adsorption type heat pump system of the structure shown in FIG. 図12に示す構成の単段吸着式ヒートポンプシステムによりシミュレーションした蒸発器及び吸着器の各温度変化を示す図である。It is a figure which shows each temperature change of the evaporator and the adsorbent simulated by the single-stage adsorption type heat pump system of the configuration shown in FIG. 単段吸着式ヒートポンプシステムのシミュレーション結果と多段吸着式ヒートポンプシステムのシミュレーション結果に基づく冷房出力を比較したグラフである。It is a graph which compared the cooling output based on the simulation result of a single-stage suction type heat pump system and the simulation result of a multi-stage suction type heat pump system.

以下、本開示に係る吸着式ヒートポンプシステム及び冷熱生成方法の実施形態について図面を参照しながら説明する。
本開示に係る吸着式ヒートポンプシステムは、吸着質が蒸発して冷熱を生成する蒸発器と、蒸発器で蒸発した吸着質を吸着する第一吸着材を含む第一吸着器と、第一吸着材から脱着した吸着質を吸着する第二吸着材を含む第二吸着器とを備える。さらに、本開示に係る吸着式ヒートポンプシステムは、第二吸着器を加熱する加熱源として、太陽光を吸収して昇温する集熱板と、太陽光を集熱板に集光する集光器及び集熱板からの放射熱を断熱する断熱材の少なくとも一方の昇温補助手段とを含み、太陽光により集熱板を160℃以上に昇温可能な太陽光集熱器を備える。
このような構成を有する本開示に係る吸着式ヒートポンプシステムでは、第一吸着材で吸着質を吸着することにより蒸発器で吸着質が蒸発して冷熱を生成し、第二吸着材で吸着質を吸着することにより第一吸着材から吸着質が脱着して冷熱を生成し、太陽光集熱器で第二吸着材を加熱して吸着質を脱着させることにより第二吸着材が再生する。
Hereinafter, embodiments of the adsorption heat pump system and the cold heat generation method according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.
The adsorption type heat pump system according to the present disclosure includes an evaporator in which the adsorbent evaporates to generate cold heat, a first adsorbent containing a first adsorbent that adsorbs the adsorbent evaporated by the evaporator, and a first adsorbent. It is provided with a second adsorber containing a second adsorbent that adsorbs the adsorbent desorbed from the adsorbent. Further, in the adsorption type heat pump system according to the present disclosure, as a heating source for heating the second adsorber, a heat collecting plate that absorbs sunlight to raise the temperature and a condenser that collects sunlight on the heat collecting plate. And at least one of the heat insulating materials for insulating the heat radiated from the heat collecting plate, the heat collecting plate is provided with a solar collector capable of raising the temperature of the heat collecting plate to 160 ° C. or higher by sunlight.
In the adsorption type heat pump system according to the present disclosure having such a configuration, the adsorbent is adsorbed by the first adsorbent, the adsorbent evaporates by the evaporator to generate cold heat, and the adsorbent is produced by the second adsorbent. By adsorbing, the adsorbent is desorbed from the first adsorbent to generate cold heat, and the second adsorbent is regenerated by heating the second adsorbent with a solar collector to desorb the adsorbent.

[第一実施形態]
図1は、本開示の第一実施形態のヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。第一実施形態の吸着式ヒートポンプシステムは、集熱器10、蒸発器と凝縮器を兼ねた蒸発・凝縮器20、第一吸着器30、第二吸着器40を備えている。また、集熱器10、蒸発・凝縮器20、第一吸着器30、第二吸着器40にはそれぞれ熱交換流体によって外部と熱交換を行うための熱交換器12,22,32,42が設けられている。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a heat pump system according to the first embodiment of the present disclosure. The adsorption type heat pump system of the first embodiment includes a heat collector 10, an evaporator / condenser 20 that also serves as an evaporator and a condenser, a first adsorber 30, and a second adsorber 40. Further, the heat collector 10, the evaporator / condenser 20, the first adsorber 30, and the second adsorber 40 have heat exchangers 12, 22, 32, and 42 for exchanging heat with the outside by the heat exchange fluid, respectively. It is provided.

(蒸発・凝縮器)
蒸発・凝縮器20は、蒸発器としての機能と、凝縮器としての機能とを併せ持っている。蒸発・凝縮器20に収容されている液体状の吸着質は、蒸発・凝縮器20の内部における気体の圧力が低下(減圧)した場合や、液体(液体状の吸着質)の温度が上昇(加熱)した場合に吸着質が蒸発し、その際に冷熱が生成される。また、外部から蒸発・凝縮器20に導入された気体状の吸着質が熱エネルギーを奪われることで吸着質が凝縮される。なお、吸着質としては、水、アンモニア、アルコールなど公知の吸着質を用いることができる。
蒸発・凝縮器20は接続配管50Bで第一吸着器30と接続されている。接続配管50Bに設けられている開閉弁60Bの開弁により、蒸発・凝縮器20と第一吸着器30との間で吸着質が移動可能となっている。
また、蒸発・凝縮器20には、熱交換流体により熱交換を行うための熱交換器22が設けられている。蒸発・凝縮器20で生成した冷熱は、熱交換器22に連結する接続管24A,24Bを流れる熱交換流体を介して外部に伝達することが可能である。また、蒸発・凝縮器20に導入された気体状の吸着質を、熱交換器22で冷却して凝縮させることも可能である。
(Evaporation / condenser)
The evaporator / condenser 20 has both a function as an evaporator and a function as a condenser. As for the liquid adsorbent contained in the evaporative / condenser 20, the temperature of the liquid (liquid adsorbent) rises (when the pressure of the gas inside the evaporative / condenser 20 decreases (decompressed)). When heated), the adsorbate evaporates, and cold heat is generated at that time. Further, the gaseous adsorbent introduced into the evaporator / condenser 20 from the outside is deprived of heat energy, so that the adsorbent is condensed. As the adsorbent, known adsorbents such as water, ammonia and alcohol can be used.
The evaporator / condenser 20 is connected to the first adsorber 30 by a connection pipe 50B. By opening the on-off valve 60B provided in the connecting pipe 50B, the adsorbent can move between the evaporator / condenser 20 and the first adsorbent 30.
Further, the evaporation / condenser 20 is provided with a heat exchanger 22 for performing heat exchange by the heat exchange fluid. The cold heat generated by the evaporator / condenser 20 can be transferred to the outside via the heat exchange fluid flowing through the connecting pipes 24A and 24B connected to the heat exchanger 22. It is also possible to cool the gaseous adsorbent introduced into the evaporator / condenser 20 with the heat exchanger 22 and condense it.

(第一吸着器)
第一吸着器30は、吸着質を吸脱着することが可能な第一吸着材を含んでいる。第一吸着材としては、例えば、メソポーラスシリカ、Al−MOF及びZr−MOFなどを用いることができる。Zr−MOFとしては、例えばMOF−801が挙げられる。
第一吸着器30は、接続配管50Cを介して第二吸着器40と接続されている。接続配管50Cに設けられている開閉弁60Cの開弁により、第一吸着器30と第二吸着器40との間で吸着質が移動可能となっている。
また、第一吸着器30には、熱交換流体により熱交換を行うための熱交換器32が設けられている。第一吸着器30で生成した熱は、熱交換器32に連結する接続管34A,34Bを流れる熱交換流体を介して外部に伝達することが可能である。
(First adsorber)
The first adsorber 30 contains a first adsorbent capable of adsorbing and desorbing adsorbents. As the first adsorbent, for example, mesoporous silica, Al-MOF, Zr-MOF and the like can be used. Examples of the Zr-MOF include MOF-801.
The first adsorber 30 is connected to the second adsorber 40 via the connection pipe 50C. By opening the on-off valve 60C provided in the connecting pipe 50C, the adsorbent can move between the first adsorber 30 and the second adsorber 40.
Further, the first adsorber 30 is provided with a heat exchanger 32 for performing heat exchange by the heat exchange fluid. The heat generated by the first adsorber 30 can be transferred to the outside via the heat exchange fluid flowing through the connecting pipes 34A and 34B connected to the heat exchanger 32.

(第二吸着器)
第二吸着器40は、吸着質を吸脱着することができる第二吸着材を含んでいる。第二吸着器40の第二吸着材は、接続配管50Cを通じて第一吸着器30から移動する吸着質を吸着することで第一吸着材から吸着質の脱着を促し、第一吸着器30の第一吸着材よりも高い再生温度の熱で吸着質が脱着する材料が選択される。第二吸着材は、160℃以上で加熱されることで吸着質が脱着される吸着材が好ましい。第二吸着材としては、例えば、Y型ゼオライトなどのゼオライトを好適に用いることができる。
第二吸着器40は、第一吸着器30をバイパスするバイパス配管50Aで蒸発・凝縮器20と接続されている。バイパス配管50Aに設けられているバイパス開閉弁60Aの開弁により、第二吸着器40と蒸発・凝縮器20との間で吸着質が移動可能となっている。このような第二吸着器40と蒸発・凝縮器20とを接続するバイパス配管50Aを設けて、第二吸着器40で脱着された吸着質を蒸発・凝縮器20に移動させることで、第二吸着器(第二吸着材)の再生を簡易に行うことができる。また、蒸発・凝縮器20の吸着質をバイパス配管50Aを通じて第二吸着器40に移動させて第二吸着材で吸着させることもできる。
また、第二吸着器40には、熱交換流体により熱交換を行うための熱交換器42が設けられている。第二吸着器40で生成した熱は、熱交換器42に連結する接続管44A,44Bを流れる熱交換流体を介して外部に伝達することが可能である。
(Second adsorber)
The second adsorber 40 contains a second adsorbent capable of adsorbing and desorbing the adsorbent. The second adsorbent of the second adsorber 40 promotes the desorption of the adsorbent from the first adsorbent by adsorbing the adsorbent moving from the first adsorber 30 through the connecting pipe 50C, and the first adsorber 30 is the first. (1) A material whose adsorbent is desorbed by heat at a regeneration temperature higher than that of the adsorbent is selected. The second adsorbent is preferably an adsorbent from which the adsorbent is desorbed by heating at 160 ° C. or higher. As the second adsorbent, for example, zeolite such as Y-type zeolite can be preferably used.
The second adsorber 40 is connected to the evaporator / condenser 20 by a bypass pipe 50A that bypasses the first adsorber 30. By opening the bypass on-off valve 60A provided in the bypass pipe 50A, the adsorbent can move between the second adsorber 40 and the evaporator / condenser 20. By providing a bypass pipe 50A connecting the second adsorber 40 and the evaporator / condenser 20 and moving the adsorbent desorbed by the second adsorber 40 to the evaporator / condenser 20, the second is performed. The adsorber (second adsorbent) can be easily regenerated. Further, the adsorbent of the evaporator / condenser 20 can be moved to the second adsorber 40 through the bypass pipe 50A and adsorbed by the second adsorbent.
Further, the second adsorber 40 is provided with a heat exchanger 42 for performing heat exchange by the heat exchange fluid. The heat generated by the second adsorber 40 can be transferred to the outside via the heat exchange fluid flowing through the connecting pipes 44A and 44B connected to the heat exchanger 42.

第一吸着器30の第一吸着材と第二吸着器40の第二吸着材の組み合わせは、第一吸着器で吸着質を脱着した後の第一平衡圧力に対し、脱着された吸着質を第二吸着器40で吸着した後の第二平衡圧力が第一平衡圧力以下となる組み合わせであることが好ましい。このような組み合わせにより、第一吸着器30で脱着された吸着質を第二吸着器40で吸着させる動作を確実に行わせることが可能となる。 The combination of the first adsorbent of the first adsorber 30 and the second adsorbent of the second adsorber 40 makes the desorbed adsorbent with respect to the first equilibrium pressure after the adsorbent is desorbed by the first adsorber. It is preferable that the combination is such that the second equilibrium pressure after adsorbing by the second adsorber 40 is equal to or lower than the first equilibrium pressure. With such a combination, it is possible to reliably perform the operation of adsorbing the adsorbent desorbed by the first adsorber 30 by the second adsorber 40.

また、第二吸着器40の吸着容量が第一吸着器30の吸着容量よりも大きいことが好ましい。第二吸着器40の吸着容量が第一吸着器30の吸着容量よりも大きいことで、第一吸着器30の吸着質を確実に第二吸着器40で吸着することが可能である。
なお、本開示における第一吸着材及び第二吸着材による吸着及び脱着の反応機構は限定されず、例えば、吸着質の飽和蒸気圧以下の圧力で吸着質と反応することで、系の圧力を飽和蒸気圧以下に下げることが可能であればよい。ここでいう反応には、物理吸着、化学吸着、吸収、化学反応等が含まれる。
Further, it is preferable that the adsorption capacity of the second adsorber 40 is larger than the adsorption capacity of the first adsorber 30. Since the adsorption capacity of the second adsorber 40 is larger than the adsorption capacity of the first adsorber 30, the adsorbent of the first adsorber 30 can be reliably adsorbed by the second adsorber 40.
The reaction mechanism of adsorption and desorption by the first adsorbent and the second adsorbent in the present disclosure is not limited, and for example, the pressure of the system is increased by reacting with the adsorbent at a pressure equal to or lower than the saturated vapor pressure of the adsorbent. It suffices if it can be lowered to the saturated vapor pressure or less. The reaction referred to here includes physical adsorption, chemical adsorption, absorption, chemical reaction and the like.

(太陽光集熱器)
太陽光集熱器10(本開示において、単に「集熱器」と記す場合がある。)は、第二吸着器40の第二吸着材を加熱して再生(脱着)させるための加熱源である。集熱器10には、熱交換流体により熱交換を行うための熱交換器12が設けられている。集熱器10の熱交換器12は、第二吸着器40の熱交換器42と接続管14A,14Bによって接続されている。接続管14Aに設けられた開閉弁70Dの開弁により、熱交換器12,42を流れる熱交換流体を介して集熱器10の熱を第二吸着器40に伝達することが可能である。熱交換器12,42を流れる熱交換流体としては公知の熱媒体を用いることができる。通常は沸点が低いオイル、例えばダウサム(Dowtherm:登録商標)A(ビフェニルとジフェニルエーテルとの3:7混合物)などを用いることができる。
(Sunlight collector)
The solar collector 10 (sometimes referred to simply as "heat collector" in the present disclosure) is a heating source for heating and regenerating (desorbing) the second adsorbent of the second adsorber 40. be. The heat collector 10 is provided with a heat exchanger 12 for performing heat exchange by the heat exchange fluid. The heat exchanger 12 of the heat collector 10 is connected to the heat exchanger 42 of the second adsorber 40 by the connecting pipes 14A and 14B. By opening the on-off valve 70D provided in the connecting pipe 14A, it is possible to transfer the heat of the heat collector 10 to the second adsorber 40 via the heat exchange fluid flowing through the heat exchangers 12 and 42. A known heat medium can be used as the heat exchange fluid flowing through the heat exchangers 12 and 42. Oils usually having a low boiling point, such as Dowtherm (registered trademark) A (3: 7 mixture of biphenyl and diphenyl ether), can be used.

図2は、本実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける太陽光集熱器10の一例を示す概略図である。図2に示す太陽光集熱器10Aは、太陽光が透過する窓56、太陽光を選択的に透過する選択透過材料58、集光板として太陽光を選択的に吸収する選択吸収材料48、断熱材92などを備えている。
本開示において「太陽光を選択的に透過する」とは、波長0.3μm〜2.5μmの太陽光領域における平均透過率が80%以上であることが好ましく、「太陽光を選択的に吸収する」とは、波長0.3μm〜2.5μmの太陽光領域における平均吸収率が80%以上であることが好ましい。
FIG. 2 is a schematic view showing an example of the solar collector 10 in the adsorption type heat pump system of the present embodiment. The solar collector 10A shown in FIG. 2 includes a window 56 through which sunlight passes, a selective transmission material 58 that selectively transmits sunlight, a selective absorption material 48 that selectively absorbs sunlight as a light collecting plate, and heat insulation. It is equipped with material 92 and the like.
In the present disclosure, "selectively transmit sunlight" means that the average transmittance in the solar region having a wavelength of 0.3 μm to 2.5 μm is preferably 80% or more, and “selectively absorbs sunlight”. It is preferable that the average transmittance in the sunlight region having a wavelength of 0.3 μm to 2.5 μm is 80% or more.

選択透過材料58は、波長0.3μm〜2.5μmの太陽光領域における平均透過率が80%以上であり、かつ、選択吸収材料から放出される熱に対する断熱性が高いことが好ましい。選択透過材料58は、具体的には、波長0.3μm〜2.5μmの太陽光領域における平均透過率が80%以上、かつ、熱伝導率が0.5W/m/K以下であることが好ましい。選択透過材料58として、光透過性及び断熱性の観点から、例えば、シリカエアロゲル、PMSQエアロゲルなどのエアロゲル、ポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)などの透明樹脂を好適に用いることができる。 It is preferable that the selective transmittance material 58 has an average transmittance of 80% or more in the sunlight region having a wavelength of 0.3 μm to 2.5 μm, and has high heat insulating properties against heat emitted from the selective absorbent material. Specifically, the selective transmittance material 58 has an average transmittance of 80% or more and a thermal conductivity of 0.5 W / m / K or less in the sunlight region having a wavelength of 0.3 μm to 2.5 μm. preferable. As the selective transmission material 58, for example, an airgel such as silica airgel or PMSQ airgel, or a transparent resin such as polymethyl methacrylate resin (PMMA) can be preferably used from the viewpoint of light transmission and heat insulating properties.

選択吸収材料48は、太陽光をできるだけ吸収して熱エネルギーに変換する観点から、波長0.3μm〜2.5μmの太陽光領域における平均吸収率が80%以上である材料が好ましい。例えば、TiNOX(登録商標)などの多層膜で波長選択性を発現する材料、ブラックNi、ブラックCr、ブックCuなどの単一材料又は複合材料の物性によって波長選択性を発現する材料、表面の微細構造によって波長選択性を発現する材料が挙げられる。 The selective absorption material 48 is preferably a material having an average absorption rate of 80% or more in the sunlight region having a wavelength of 0.3 μm to 2.5 μm from the viewpoint of absorbing sunlight as much as possible and converting it into heat energy. For example, a material that exhibits wavelength selectivity in a multilayer film such as TiNOX (registered trademark), a material that exhibits wavelength selectivity by the physical properties of a single material or composite material such as black Ni, black Cr, and book Cu, and surface fineness. Examples thereof include materials that exhibit wavelength selectivity depending on the structure.

また、集熱器10における断熱性を高めるため、選択吸収材料48は、太陽光の吸収率が高いだけでなく、選択透過材料58が透過し易い波長帯の放射率が低いことが好ましい。具体的には、選択吸収材料48は、波長0.3μm〜2.5μmの太陽光領域における平均吸収率が80%以上であり、波長2.5μm超〜20μmの放射光領域において選択透過材料58の透過率が20%以上となる波長帯が存在する場合に、この波長帯における平均放射率が60%以下であることが好ましい。選択吸収材料48として、太陽光吸収率が高く、赤外光放射率が低い観点から、特にTiNOX(登録商標)を好適に用いることができる。 Further, in order to improve the heat insulating property of the heat collector 10, it is preferable that the selective absorption material 48 not only has a high absorption rate of sunlight but also has a low emissivity in a wavelength band through which the selective transmission material 58 is easily transmitted. Specifically, the selective absorption material 48 has an average absorption rate of 80% or more in the sunlight region having a wavelength of 0.3 μm to 2.5 μm, and the selective transmittance material 58 in a radiation region having a wavelength of more than 2.5 μm to 20 μm. When there is a wavelength band in which the transmittance of the light is 20% or more, it is preferable that the average radiation rate in this wavelength band is 60% or less. As the selective absorption material 48, TiNOX (registered trademark) can be particularly preferably used from the viewpoint of high solar absorption rate and low infrared emissivity.

選択吸収材料48の背面側(太陽光を受光する側とは反対側)には、伝熱部94及び断熱材92が配置されている。
断熱材92よりも伝熱部94の方が熱伝導率が高ければよい、断熱材92としては、石英繊維フィルタ、エアロゲルなどが挙げられる。伝熱部94としては、ヒートパイプ、金属などが挙げられる。
A heat transfer portion 94 and a heat insulating material 92 are arranged on the back surface side of the selective absorption material 48 (the side opposite to the side that receives sunlight).
The heat transfer portion 94 may have a higher thermal conductivity than the heat insulating material 92. Examples of the heat insulating material 92 include a quartz fiber filter and airgel. Examples of the heat transfer unit 94 include heat pipes and metals.

選択透過材料58、選択吸収材料48、伝熱部94、断熱材92は、窓56とステンレス製の筐体90の内部に収容されている。また、選択透過材料58、選択吸収材料48、伝熱部94、断熱材92の周囲には、真空環境を構築するための真空断熱部98が設けられている。
太陽光集熱器10Aの背面側(受光面とは反対側)には熱交換器12が設けられている。太陽光集熱器10Aの伝熱部94の熱交換流体接触部96が、熱交換器12の内部にて熱交換流体と接触するように構成されている。
The selective transmission material 58, the selective absorption material 48, the heat transfer portion 94, and the heat insulating material 92 are housed inside the window 56 and the stainless steel housing 90. Further, a vacuum heat insulating portion 98 for constructing a vacuum environment is provided around the selective transmission material 58, the selective absorption material 48, the heat transfer portion 94, and the heat insulating material 92.
A heat exchanger 12 is provided on the back surface side (the side opposite to the light receiving surface) of the solar collector 10A. The heat exchange fluid contact portion 96 of the heat transfer portion 94 of the solar collector 10A is configured to come into contact with the heat exchange fluid inside the heat exchanger 12.

窓56及び選択透過材料58を透過した太陽光は、選択吸収材料48に吸収され、熱エネルギーに変換されて昇温する。選択透過材料58としてシリカエアロゲルを用いれば、太陽光が透過するとともに、昇温した選択吸収材料48からの放射熱が効果的に遮断され、受光面側には放熱されにくい。上記のような光学特性を有する選択透過材料58と選択吸収材料48の組み合わせにより、いわば2重光学断熱構造が構築される。 The sunlight transmitted through the window 56 and the selective transmission material 58 is absorbed by the selective absorption material 48 and converted into heat energy to raise the temperature. When silica airgel is used as the selective transmission material 58, sunlight is transmitted, radiant heat from the heated selective absorption material 48 is effectively blocked, and it is difficult to dissipate heat to the light receiving surface side. A so-called double optical heat insulating structure is constructed by the combination of the selective transmission material 58 and the selective absorption material 48 having the above optical characteristics.

伝熱部94の背面側には断熱材92が配置されており、外周は真空断熱となっている。このような断熱構造により、選択吸収材料48は、太陽光のみで160℃以上に昇温することが可能である。選択吸収材料48で生成された熱は、伝熱部94に効率的に伝熱され、さらに熱交換流体接触部96を介して熱交換器12内の熱交換流体を介して外部、すなわち、第二吸着器40に伝熱される。
なお、集熱器10から第二吸着器40への伝熱手段は限定されず、熱交換器、熱交換流体、液送ポンプ及びヒートパイプなどから選択することができる。
A heat insulating material 92 is arranged on the back surface side of the heat transfer portion 94, and the outer periphery thereof is vacuum heat insulating. With such a heat insulating structure, the selective absorption material 48 can be heated to 160 ° C. or higher only by sunlight. The heat generated by the selective absorption material 48 is efficiently transferred to the heat transfer section 94, and further externally via the heat exchange fluid in the heat exchanger 12 via the heat exchange fluid contact section 96, that is, the first. (2) Heat is transferred to the adsorber 40.
The heat transfer means from the heat collector 10 to the second adsorber 40 is not limited, and can be selected from a heat exchanger, a heat exchange fluid, a liquid feed pump, a heat pipe, and the like.

図3は、選択透過材料と選択吸収材料の光学特性の関係の一例を示す図である。太陽光透過率が0.9、赤外光透過率が0.1である選択透過材料58と、太陽光吸収率が0.9、赤外光放射率が0.1である選択吸収材料48とを組み合わせた2重光学断熱構造とした場合、太陽光1sunのうち、0.9sunが選択透過材料を透過し、選択吸収材料によって0.81sunが熱に変換される。さらに、選択吸収材料では赤外光が0.1black放射されるが、選択透過材料で赤外線透過が妨げられ、外部環境への放射ロスは0.01blackに留まることになる。これにより放射ロスを1/100程度に抑制することができる。また、このような2重光学断熱と真空断熱を組み合わせることで極めて効率的に昇温させることができる。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the relationship between the optical properties of the selective transmission material and the selective absorption material. Selective transmittance material 58 having a solar transmittance of 0.9 and an infrared light transmittance of 0.1, and selective absorption material 48 having a solar absorption rate of 0.9 and an infrared light emission rate of 0.1. In the case of a double optical heat insulating structure in which the above is combined, 0.9 sun of 1 sun of sunlight is transmitted through the selective transmittance material, and 0.81 sun is converted into heat by the selective absorption material. Further, the selective absorption material emits 0.1 black of infrared light, but the selective transmission material hinders the transmission of infrared light, and the radiation loss to the external environment remains at 0.01 black. As a result, the radiation loss can be suppressed to about 1/100. Further, by combining such double optical heat insulation and vacuum heat insulation, the temperature can be raised extremely efficiently.

図4Aは、真空容器内に選択透過材料(シリカエアロゲル)と選択吸収材料(TiNOX)を重ねた2重光学断熱構造とした集熱器を用いて太陽光による昇温実験を行った結果を示すグラフである。なお、実験に用いた集熱器は図4Bに示す概略構成を有しており、選択吸収材料(TiNOX)の受光面側には選択透過材料(シリカエアロゲル)が配置され、背面側には断熱材として選択透過材料(シリカエアロゲル)とガラス繊維フィルタが配置されている。このような構成の集熱器では、太陽光を集光することなく、選択吸収材料付近では275℃まで昇温することが確認された(図4A)。 FIG. 4A shows the results of a temperature rise experiment using sunlight using a heat collector having a double optical insulation structure in which a selective transmission material (silica airgel) and a selective absorption material (TiNOX) are layered in a vacuum vessel. It is a graph. The heat collector used in the experiment has the schematic configuration shown in FIG. 4B, and the selective transmission material (silica airgel) is arranged on the light receiving surface side of the selective absorption material (TiNOX) and heat insulating on the back surface side. A selective transmission material (silica airgel) and a glass fiber filter are arranged as materials. It was confirmed that the heat collector having such a configuration raises the temperature to 275 ° C. in the vicinity of the selective absorption material without condensing sunlight (FIG. 4A).

図5は、昇温手段の構成を下記のように変えてソーラーシミュレータによる昇温実験を行った場合の最高到達温度を示すグラフである。
構成番号1:黒色材料+選択透過材料
構成番号2:選択吸収材料+選択透過材料
構成番号3:選択吸収材料+真空断熱
構成番号4:選択吸収材料+選択透過材料+真空断熱
ここで構成番号1における黒色材料はアルミ板を黒色の顔料塗料で塗装したものである。
いずれの手段でも160℃以上に昇温することができ、2重光学断熱(構成番号2)だけでも230℃程度まで昇温し、2重光学断熱によって効率的に高温に昇温させることができることが分かる。
FIG. 5 is a graph showing the maximum temperature reached when a temperature rise experiment is performed by a solar simulator by changing the configuration of the temperature rise means as follows.
Configuration number 1: Black material + Selective permeation material Configuration number 2: Selective absorption material + Selective transmission material Configuration number 3: Selective absorption material + Vacuum insulation Configuration number 4: Selective absorption material + Selective transmission material + Vacuum insulation Here, configuration number 1 The black material in the above is an aluminum plate painted with a black pigment paint.
The temperature can be raised to 160 ° C. or higher by any means, and the temperature can be raised to about 230 ° C. by the double optical heat insulation (configuration number 2) alone, and the temperature can be efficiently raised to a high temperature by the double optical heat insulation. I understand.

次に、図1に示す吸着式ヒートポンプシステム100を用いて冷熱を生成する方法について説明する。以下において、「開弁」と明記した開閉弁以外の開閉弁は、閉弁されている。 Next, a method of generating cold heat using the adsorption type heat pump system 100 shown in FIG. 1 will be described. In the following, on-off valves other than the on-off valve specified as "open valve" are closed.

(蒸発・凝縮器における冷熱の生成)
蒸発・凝縮器20に液状の吸着質を収容した状態で開閉弁60Bを開弁することで、蒸発・凝縮器20で蒸発した吸着質が接続配管50Bを通じて第一吸着器30に移動して第一吸着器30で吸着される。第一吸着器30における吸着により、蒸発・凝縮器20は減圧される。減圧された蒸発・凝縮器20では吸着質が蒸発し、蒸発潜熱によって冷熱を生成する。開閉弁70Aを開弁し、熱交換器22に接続管24Aから室温の熱交換流体を供給して熱交換した後、接続管24Bから排出することで、蒸発・凝縮器20で生成した冷熱を外部に取り出すことができる。
一方、第一吸着器30で吸着熱として生成した温熱は、熱交換器32に室温の熱交換流体を供給して熱交換することで外部に取り出される。外部に取り出された温熱は、暖房などに利用してもよい。
なお、熱交換器22における熱交換流体の供給及び排出は、例えば、接続管24A,24Bを介してポンプ(不図示)で強制的に循環させ、ポンプ(不図示)を駆動することで開閉弁70Aを開く構成とすることができる。熱交換器32,42における熱交換流体の供給及び排出、並びに、開閉弁70B,70Cの開弁も同様の構成とすることができる。
(Evaporation / generation of cold heat in the condenser)
By opening the on-off valve 60B with the liquid adsorbent contained in the evaporator / condenser 20, the adsorbate evaporated in the evaporator / condenser 20 moves to the first adsorbent 30 through the connection pipe 50B. It is adsorbed by one adsorber 30. Due to the adsorption in the first adsorber 30, the evaporation / condenser 20 is depressurized. In the decompressed evaporation / condenser 20, the adsorbent evaporates, and cold heat is generated by the latent heat of vaporization. The on-off valve 70A is opened, the heat exchange fluid at room temperature is supplied to the heat exchanger 22 from the connection pipe 24A to exchange heat, and then the heat is discharged from the connection pipe 24B to dissipate the cold heat generated by the evaporation / condenser 20. It can be taken out.
On the other hand, the heat generated as heat of adsorption by the first adsorber 30 is taken out to the outside by supplying a heat exchange fluid at room temperature to the heat exchanger 32 and exchanging heat. The heat taken out to the outside may be used for heating or the like.
The supply and discharge of the heat exchange fluid in the heat exchanger 22 is forcibly circulated by a pump (not shown) via the connection pipes 24A and 24B, and the on-off valve is driven by driving the pump (not shown). It can be configured to open 70A. The supply and discharge of the heat exchange fluid in the heat exchangers 32 and 42, and the opening of the on-off valves 70B and 70C can be configured in the same manner.

(第一吸着器における冷熱の生成)
第一吸着器30で吸着が飽和状態となった場合、開閉弁60Bを閉じ、開閉弁60Cを開弁して第一吸着材の再生(脱着)を行う。
第二吸着器40の第二吸着材は、第一吸着器30の第一吸着材よりも吸着質に対する吸着力が高く、第二吸着材の吸着能力により、第一吸着器30の第一吸着材に吸着されていた吸着質が脱着し、接続配管50Cを通じて第二吸着器40に移動して第二吸着器40の第二吸着材に吸着される。これにより、第一吸着器30は減圧される。そして、第一吸着器30では脱着による冷熱が生成し、第一吸着材が再生される。開閉弁70Bを開弁し、熱交換器32に室温の熱交換流体を供給して熱交換を行うことで、第一吸着器30から冷熱を取り出すことができる。
一方、第二吸着器40で吸着熱として生成した温熱は、熱交換器42に室温の熱交換流体を供給して熱交換を行うことで外部に取り出される。
(Cold heat generation in the first adsorber)
When the adsorption becomes saturated in the first adsorber 30, the on-off valve 60B is closed and the on-off valve 60C is opened to regenerate (detach) the first adsorbent.
The second adsorbent of the second adsorber 40 has a higher adsorption force for the adsorbent than the first adsorbent of the first adsorber 30, and the first adsorber of the first adsorber 30 due to the adsorption capacity of the second adsorbent. The adsorbent adsorbed on the material is desorbed, moves to the second adsorber 40 through the connection pipe 50C, and is adsorbed on the second adsorbent of the second adsorber 40. As a result, the pressure of the first adsorber 30 is reduced. Then, in the first adsorber 30, cold heat is generated by desorption, and the first adsorbent is regenerated. By opening the on-off valve 70B and supplying a heat exchange fluid at room temperature to the heat exchanger 32 to perform heat exchange, cold heat can be taken out from the first adsorber 30.
On the other hand, the heat generated as heat of adsorption by the second adsorber 40 is taken out to the outside by supplying a heat exchange fluid at room temperature to the heat exchanger 42 and performing heat exchange.

(第二吸着器による蒸発・凝縮器からの吸着質の吸着)
なお、「蒸発・凝縮器における冷熱の生成」と「第一吸着器における冷熱の生成」を交互に繰り返し行うと、徐々に蒸発速度及び吸着速度が低下し、冷熱及び温熱の発生も低下する。そのため、「蒸発・凝縮器における冷熱の生成」と「第一吸着器における冷熱の生成」を交互に繰り返し行った後、第二吸着器40の再生を行うが、第一吸着器30における冷熱の生成後、第二吸着器40の第二吸着材が限界吸着量まで達していない場合がある。そこで、第二吸着器の再生の前に蒸発器の吸着質を第二吸着材で吸着させてもよい。第一吸着器30における冷熱の生成後、開閉弁60Cを閉じ、バイパス開閉弁60Aを開弁することで、蒸発・凝縮器20内の吸着質(気体)がバイパス配管50Aを通じて第二吸着器40に導入され、第二吸着材に吸着されるとともに蒸発・凝縮器20内の減圧によって吸着質(液体)の蒸発が促されて冷熱が生成する。
このように第二吸着器40から第一吸着器30を経由することなく、第二吸着材の吸着能力によって蒸発・凝縮器20内の吸着質を蒸発させて吸着した後、第二吸着器の再生を行ってもよい。
(Evaporation by the second adsorber / adsorption of adsorbent from the condenser)
When "generation of cold heat in the evaporation / condenser" and "generation of cold heat in the first adsorber" are alternately repeated, the evaporation rate and the adsorption rate gradually decrease, and the generation of cold heat and hot heat also decreases. Therefore, after alternately repeating "generation of cold heat in the evaporation / condenser" and "generation of cold heat in the first adsorber", the second adsorber 40 is regenerated, but the cold heat in the first adsorber 30 is regenerated. After generation, the second adsorbent of the second adsorber 40 may not reach the limit adsorption amount. Therefore, the adsorbent of the evaporator may be adsorbed by the second adsorbent before the regeneration of the second adsorbent. After the cold heat is generated in the first adsorber 30, the on-off valve 60C is closed and the bypass on-off valve 60A is opened, so that the adsorbent (gas) in the evaporation / condenser 20 is passed through the bypass pipe 50A to the second adsorber 40. It is introduced into the second adsorbent and is adsorbed by the second adsorbent, and the decompression in the evaporative condenser 20 promotes the evaporation of the adsorbent (liquid) to generate cold heat.
In this way, the adsorbent in the evaporator / condenser 20 is evaporated and adsorbed by the adsorption capacity of the second adsorbent without passing from the second adsorber 40 to the first adsorber 30, and then the second adsorber is used. Reproduction may be performed.

(第二吸着器の再生)
第二吸着器40で吸着が飽和状態となった場合又は吸着力が大きく低下した場合、開閉弁60Cを閉じ、開閉弁70D,60Aを開弁して第二吸着材の再生(脱着)を行うとともに、吸着質の凝縮を行う。
集熱器10では、太陽光の吸収により集熱板(選択吸収材料48)が160℃以上の高温に昇温し、熱交換器12内の熱交換流体も同様に加熱される。集熱器10により高温に加熱された熱交換器12の熱交換流体を、接続管14A,14Bを通じて第二吸着器40の熱交換器42に循環させることで第二吸着器40の第二吸着材が高温に加熱されて吸着質が脱着する。これにより、第二吸着器40の第二吸着材が再生される。
(Regeneration of the second adsorber)
When the adsorption becomes saturated in the second adsorber 40 or the suction force is significantly reduced, the on-off valve 60C is closed and the on-off valves 70D and 60A are opened to regenerate (detach) the second adsorbent. At the same time, the adsorbent is condensed.
In the heat collector 10, the heat collecting plate (selective absorbing material 48) is heated to a high temperature of 160 ° C. or higher by absorbing sunlight, and the heat exchange fluid in the heat exchanger 12 is similarly heated. The heat exchange fluid of the heat exchanger 12 heated to a high temperature by the heat collector 10 is circulated through the connecting tubes 14A and 14B to the heat exchanger 42 of the second aspirator 40 to perform the second adsorption of the second aspirator 40. The material is heated to a high temperature and the adsorbent is desorbed. As a result, the second adsorbent of the second adsorber 40 is regenerated.

第二吸着材から脱着した吸着質は、バイパス配管50Aを経て蒸発・凝縮器20に移動する。第二吸着器40から蒸発・凝縮器20に移動した吸着質は、熱交換器22に室温の熱交換流体を供給して熱交換を行うことで冷却され、凝縮して液状となる。 The adsorbent desorbed from the second adsorbent moves to the evaporator / condenser 20 via the bypass pipe 50A. The adsorbent that has moved from the second adsorber 40 to the evaporative / condenser 20 is cooled by supplying a heat exchange fluid at room temperature to the heat exchanger 22 and performing heat exchange, and is condensed into a liquid.

第二吸着器の再生(脱着)を終了する場合は、例えば、配管14A,14Bが、ループヒートパイプのように自動で熱交換流体が循環する方式であれば、開閉弁70Dを閉じ、開閉弁70Cを開弁して、熱交換器42に室温の熱交換流体を供給して熱交換を行う。これにより、集熱器10用の熱交換器12から第二吸着器40用の熱交換器42に供給された高温の熱交換流体の温熱が外部に取り出される。
また、配管14A,14Bにポンプ(不図示)等で強制的に熱交換流体を循環させている場合は、ポンプ等をオフにして熱交換流体の循環を停止することで第二吸着器40の再生(脱着)を終了してもよい。
また、シャッター(不図示)等で集熱器10への太陽光の照射を遮断することで第二吸着器40の再生(脱着)を終了してもよい。
When the regeneration (detachment) of the second adsorbent is completed, for example, if the pipes 14A and 14B are of a method in which the heat exchange fluid automatically circulates like a loop heat pipe, the on-off valve 70D is closed and the on-off valve is closed. The valve of 70C is opened, and heat exchange fluid at room temperature is supplied to the heat exchanger 42 to perform heat exchange. As a result, the heat of the high-temperature heat exchange fluid supplied from the heat exchanger 12 for the heat collector 10 to the heat exchanger 42 for the second adsorber 40 is taken out to the outside.
When the heat exchange fluid is forcibly circulated in the pipes 14A and 14B by a pump (not shown) or the like, the second adsorber 40 is stopped by turning off the pump or the like to stop the circulation of the heat exchange fluid. Playback (detachment) may be terminated.
Further, the regeneration (detachment) of the second adsorber 40 may be completed by blocking the irradiation of the heat collector 10 with sunlight by a shutter (not shown) or the like.

第一吸着器30よりも第二吸着器40の吸着容量を大きくしておき、上記の「蒸発・凝縮器における冷熱の生成」と「第一吸着器における冷熱の生成」を交互に繰り返し行い、第一吸着器における冷熱の生成後、必要に応じて、蒸発・凝縮器20内の吸着質を第一吸着器30を経由せずに第二吸着器40で吸着することで、連続して冷熱を外部に取り出して、エアコン、冷蔵庫、冷凍機などに利用することができる。
第二吸着器40における吸着が飽和して吸着ができなくなった場合、又は、吸着量が大きく低下した場合に、「第二吸着器の再生」を行う。
The adsorption capacity of the second adsorber 40 is made larger than that of the first adsorber 30, and the above-mentioned "generation of cold heat in the evaporation / condenser" and "generation of cold heat in the first adsorber" are alternately repeated. After the cold heat is generated in the first adsorber, the adsorbent in the evaporator / condenser 20 is continuously adsorbed by the second adsorber 40 without passing through the first adsorber 30, so that the cold heat is continuously generated. Can be taken out and used for air conditioners, refrigerators, freezers, etc.
When the adsorption in the second adsorber 40 is saturated and the adsorption cannot be performed, or when the amount of adsorption is significantly reduced, "regeneration of the second adsorber" is performed.

[第二実施形態]
次に、本開示の第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムについて説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同じ構成要素、部材等については同じ符号を付して説明を省略する。
図6は、本開示の第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。図6に示す吸着式ヒートポンプシステム200は、第一実施形態と同様、蒸発器と凝縮器を兼ねた蒸発・凝縮器20、第一吸着器30を備えている。また、吸着式ヒートポンプシステム200は、集熱器と第二吸着器とが一体となった集熱・第二吸着器50を備えている。蒸発・凝縮器20、第一吸着器30、集熱・第二吸着器50には、それぞれ熱媒体流体により熱交換を行うための熱交換器22,32,52が設けられている。
[Second Embodiment]
Next, the adsorption type heat pump system of the second embodiment of the present disclosure will be described. In the second embodiment, the same components, members, and the like as in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
FIG. 6 is a schematic view showing the configuration of the adsorption type heat pump system according to the second embodiment of the present disclosure. Similar to the first embodiment, the adsorption type heat pump system 200 shown in FIG. 6 includes an evaporator / condenser 20 and a first adsorber 30 which also serve as an evaporator and a condenser. Further, the adsorption type heat pump system 200 includes a heat collector / second adsorber 50 in which a heat collector and a second adsorber are integrated. The evaporation / condenser 20, the first adsorber 30, and the heat collector / second adsorbent 50 are provided with heat exchangers 22, 32, and 52 for heat exchange by the heat medium fluid, respectively.

図7は、第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムにおける集熱・第二吸着器50(太陽光集熱器の一例)の構成を示す概略図である。図8は、図7に示す集熱・第二吸着器50を太陽光の入射側から見た主要部の位置関係を示す概略図である。
集熱・第二吸着器50は、太陽光を受光する側から、ミラー、レンズ等の集光器61、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等で形成された抑え板66、透明窓56、選択透過材料としてシリカエアロゲル58A、選択吸収材料48、ハニカム構造の第二吸着材46、熱交換器42、断熱材としてシリカエアロゲル58Bが配置され、周囲にも断熱材としてシリカエアロゲル58C,58Dが配置されている。
選択透過材料としてのシリカエアロゲル58Aは断熱材も兼ねており、シリカエアロゲル58A,58B,58C,58Dによって断熱容器(断熱構造)69が構成されている。断熱容器69の側壁を構成するシリカエアロゲル58C,58Dには、水蒸気などの吸着質を通すための孔64、熱交換器52の配管54A,54Bを通すための孔68C,68Dが形成されている。このような断熱容器69内に、選択吸収材料48、第二吸着材46、熱交換器42が収容されている。
FIG. 7 is a schematic view showing the configuration of the heat collector / second adsorbent 50 (an example of a solar collector) in the adsorption type heat pump system of the second embodiment. FIG. 8 is a schematic view showing the positional relationship of the main portion of the heat collector / second adsorber 50 shown in FIG. 7 as viewed from the incident side of sunlight.
The heat collector / second adsorber 50 includes a light collector 61 such as a mirror and a lens, a holding plate 66 formed of PEEK (polyether ether ketone), a transparent window 56, and selective transmission from the side that receives sunlight. Silica airgel 58A, selective absorption material 48, honeycomb structure second adsorbent 46, heat exchanger 42, silica airgel 58B as heat insulating material are arranged as materials, and silica airgel 58C, 58D are also arranged as heat insulating materials around them. There is.
The silica airgel 58A as the selective permeation material also serves as a heat insulating material, and the silica airgel 58A, 58B, 58C, 58D constitutes a heat insulating container (heat insulating structure) 69. The silica airgels 58C and 58D constituting the side wall of the heat insulating container 69 are formed with holes 64 for passing adsorbents such as water vapor and holes 68C and 68D for passing the pipes 54A and 54B of the heat exchanger 52. .. The selective absorption material 48, the second adsorbent 46, and the heat exchanger 42 are housed in such a heat insulating container 69.

さらに、断熱容器69は、窓56とPEEK等で形成された容器62によって構成された真空容器71内に収容されている。窓56は抑え板66と容器62の上縁との間に配置され、ボルト54によって抑え板66が容器62の上縁に固定されている。また、窓56と容器62の上縁との間にOリング51が介在して封止されている。断熱容器69と真空容器71との間には、接続配管50C,50Aを通じて吸着質が供給又は排除される空間73が設けられている。空間73は、真空ポンプ(不図示)によって減圧される。 Further, the heat insulating container 69 is housed in a vacuum container 71 composed of a window 56 and a container 62 formed of PEEK or the like. The window 56 is arranged between the holding plate 66 and the upper edge of the container 62, and the holding plate 66 is fixed to the upper edge of the container 62 by bolts 54. Further, an O-ring 51 is interposed between the window 56 and the upper edge of the container 62 to seal the container 62. A space 73 is provided between the heat insulating container 69 and the vacuum container 71 to supply or remove the adsorbent through the connecting pipes 50C and 50A. The space 73 is depressurized by a vacuum pump (not shown).

このように、集熱器と第二吸着器を一体化することで真空容器や断熱構造を共通化でき、部品点数を減らして構造の簡易化が実現できる。
また、図1に示した第一実施形態では、集熱器10から熱交換器12,42と熱輸送媒体(熱交換流体)を用いて第二吸着器40に熱を輸送することになるが、この場合、配管14A,14B等から空気や他の部品に熱が伝わり熱ロスが生じる。
一方、第二実施形態のように集熱器と第二吸着器を一体化することにより、集熱器と第二吸着器との間の熱輸送機構を設ける必要がなくなる。そのため、熱ロスの要因が減り、その分、効率向上が見込まれる。
In this way, by integrating the heat collector and the second adsorber, the vacuum container and the heat insulating structure can be shared, the number of parts can be reduced, and the structure can be simplified.
Further, in the first embodiment shown in FIG. 1, heat is transferred from the heat collector 10 to the second adsorber 40 by using the heat exchangers 12 and 42 and the heat transport medium (heat exchange fluid). In this case, heat is transferred from the pipes 14A, 14B, etc. to air and other parts, causing heat loss.
On the other hand, by integrating the heat collector and the second adsorber as in the second embodiment, it is not necessary to provide a heat transport mechanism between the heat collector and the second adsorber. Therefore, the cause of heat loss is reduced, and the efficiency is expected to be improved accordingly.

図7に示す吸着式ヒートポンプシステム200は、集光器61、二重光学断熱容器69、及び真空断熱によって選択吸収材料48を160℃以上、200℃以上、又は300℃以上の高温に効率的に昇温させることができる。また、吸着質の導入及び排出が可能な断熱容器69内で、選択吸収材料48、第二吸着材46及び熱交換器42が重なった状態で配置されているため、断熱容器69内に導入された吸着質の吸脱着、第二吸着材46の熱交換も効率的に行うことができる。なお、第二吸着材46と熱交換器42の位置は逆でもよい。 The adsorption heat pump system 200 shown in FIG. 7 efficiently heats the selective absorption material 48 to a high temperature of 160 ° C. or higher, 200 ° C. or higher, or 300 ° C. or higher by using a condenser 61, a double optical insulation container 69, and vacuum insulation. The temperature can be raised. Further, since the selective absorbent material 48, the second adsorbent 46 and the heat exchanger 42 are arranged in an overlapping state in the heat insulating container 69 capable of introducing and discharging the adsorbent, they are introduced into the heat insulating container 69. It is also possible to efficiently absorb and desorb the adsorbent and exchange heat with the second adsorbent 46. The positions of the second adsorbent 46 and the heat exchanger 42 may be reversed.

次に、図6に示す吸着式ヒートポンプシステム200を用いて冷熱を生成する方法について説明する。
図9A〜図9Cは、吸着質として水Wを用い、第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムの各運転モードにおける水蒸気及び熱交換流体の流れを示す概略図である。なお、図9A〜図9Cでは、場面に応じて閉弁した状態の開閉弁を図示し、開弁した状態の開閉弁は図示を省略している。また、図中の温度は一例である。
Next, a method of generating cold heat using the adsorption type heat pump system 200 shown in FIG. 6 will be described.
9A-9C are schematic views showing the flow of water vapor and heat exchange fluid in each operation mode of the adsorption type heat pump system of the second embodiment using water W as an adsorbent. In FIGS. 9A to 9C, the on-off valve in the closed state is shown according to the situation, and the on-off valve in the opened state is not shown. The temperature in the figure is an example.

Aモード:蓄熱モード
集熱・第二吸着器50に太陽光が照射されて選択吸収材料が160℃以上に昇温し、第二吸着材から水蒸気が脱着する。図9Aに示すように、バイパス開閉弁60Aを開弁することで、水蒸気はバイパス配管50Aを通じて蒸発・凝縮器20に移動する。蒸発・凝縮器20に移動した水蒸気は、熱交換器22に供給される室温の熱交換流体によって冷却されることで、凝縮して液体(水)として収容される。
A mode: Heat storage mode The heat collector / second adsorber 50 is irradiated with sunlight, the temperature of the selective absorption material rises to 160 ° C. or higher, and water vapor is desorbed from the second adsorbent. As shown in FIG. 9A, by opening the bypass on-off valve 60A, water vapor moves to the evaporator / condenser 20 through the bypass pipe 50A. The water vapor transferred to the evaporator / condenser 20 is cooled by the heat exchange fluid at room temperature supplied to the heat exchanger 22, and is condensed and contained as a liquid (water).

Bモード:1段目出力モード
図9Bに示すように、バイパス開閉弁60Aを閉弁し、開閉弁60Bを開弁することで、蒸発・凝縮器20に存在する水蒸気が第一吸着器30に移動して吸着される。第一吸着器30で水蒸気が吸着されることで蒸発・凝縮器20は内部の減圧により水の蒸発が促進され、冷熱が生成する。蒸発・凝縮器20で生成した冷熱は、熱交換器22を流れる熱交換流体を介して外部に取り出される。
B mode: 1st stage output mode As shown in FIG. 9B, by closing the bypass on-off valve 60A and opening the on-off valve 60B, the water vapor existing in the evaporator / condenser 20 is transferred to the first adsorber 30. It moves and is adsorbed. When water vapor is adsorbed by the first adsorber 30, the evaporation of water is promoted by the internal decompression of the evaporator / condenser 20, and cold heat is generated. The cold heat generated by the evaporator / condenser 20 is taken out to the outside via the heat exchange fluid flowing through the heat exchanger 22.

Cモード:2段目出力モード
図9Cに示すように、開閉弁60Bを閉弁し、開閉弁60Cを開弁する。第一吸着器30から水蒸気が脱着し、集熱・第二吸着器50に移動して第二吸着材に吸着される。これにより、第一吸着器30では脱着による冷熱が生成する。集熱・第二吸着器50で生成した冷熱は、熱交換器52を流れる熱交換流体を介して外部に取り出される。
C mode: Second stage output mode As shown in FIG. 9C, the on-off valve 60B is closed and the on-off valve 60C is opened. Water vapor is desorbed from the first adsorber 30, moves to the heat collector / second adsorber 50, and is adsorbed on the second adsorbent. As a result, the first adsorber 30 generates cold heat due to desorption. The cold heat generated by the heat collector / second adsorber 50 is taken out to the outside via the heat exchange fluid flowing through the heat exchanger 52.

上記のような各モードを、例えば、太陽が出ている日中はAモードとし、夜間は第二吸着材で吸着できなくなるまでB→C→B→C・・・を繰り返す。このような運転モードとすることで、蒸発・凝縮器20と第一吸着器30から交互に冷熱を外部に取り出し、外部機器に連続的に冷水又は冷気を供給することができる。
また、第二実施形態においても、BモードとCモードを繰り返し、最後のCモードとした後、蒸発・凝縮器20内の吸着質を第一吸着器30を経由することなくバイパス配管50Aを通じて集熱・第二吸着器50に移動、吸着させて蒸発・凝縮器20で冷熱を生成し、その後、Aモードとして第二吸着材の再生を行ってもよい。
Each of the above modes is set to, for example, A mode during the day when the sun is shining, and B → C → B → C ... Is repeated at night until the second adsorbent cannot adsorb. By setting such an operation mode, cold heat can be alternately taken out from the evaporator / condenser 20 and the first adsorber 30 to continuously supply cold water or cold air to the external device.
Further, also in the second embodiment, the B mode and the C mode are repeated to make the final C mode, and then the adsorbent in the evaporator / condenser 20 is collected through the bypass pipe 50A without passing through the first adsorber 30. The second adsorbent may be regenerated in the A mode after being moved to the heat / second adsorber 50 and adsorbed to generate cold heat in the evaporation / condenser 20.

<単段吸着式ヒートポンプシステムと多段吸着式ヒートポンプシステムとの比較>
第一吸着器30の第一吸着材としてAl−MOF、第二吸着器40の吸着材としてゼオライト13Xをそれぞれ用い、単段吸着式ヒートポンプシステムと多段吸着式ヒートポンプシステムの冷熱生成能力を比較するため、シミュレーションを行った。
<Comparison between single-stage adsorption heat pump system and multi-stage adsorption heat pump system>
To compare the cold heat generation capacity of the single-stage adsorption heat pump system and the multi-stage adsorption heat pump system, using Al-MOF as the first adsorbent of the first adsorber 30 and zeolite 13X as the adsorbent of the second adsorber 40, respectively. , Simulation was performed.

(単段吸着式ヒートポンプシステムによるシミュレーション)
図10は、蒸発器及び吸着器の各温度変化のシミュレーションに用いた単段吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。集熱器と吸着器を兼ねた構成において吸着材と熱交換器との間の熱抵抗として接触熱抵抗模擬層を配置し、蒸発・凝縮器の水蒸気が吸着材に吸着される条件でシミュレーションを行った。図11は単段吸着式ヒートポンプシステムでシミュレーションを行った蒸発器及び吸着器の各温度変化を示す図である。運転開始当初、蒸発器では冷熱を、吸着器では温熱をそれぞれ生成して温度差が大きかったが、時間ともに温度差が小さくなり、蒸発器の温度と吸着器の温度はほぼ同レベルとなった。最初は、吸着材が空なので、大きな吸着速度、蒸発速度が発生し、それに伴う温度上昇、温度低下が発生している。徐々に吸着材が平衡吸着量に近づいてくるため、吸着速度と蒸発速度が低下し、熱交換器は常に常温の熱交換流体が流れて一定温度に保たれている前提であるため、最終的には、温熱、冷熱の発生がなくなり、どちらも熱交換器の温度に達すると考えられる。
(Simulation by single-stage adsorption heat pump system)
FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a single-stage adsorption heat pump system used for simulating each temperature change of the evaporator and the adsorber. In a configuration that doubles as a heat collector and an adsorber, a contact thermal resistance simulation layer is placed as the thermal resistance between the adsorbent and the heat exchanger, and simulation is performed under the condition that the water vapor of the evaporator / condenser is adsorbed by the adsorbent. gone. FIG. 11 is a diagram showing each temperature change of the evaporator and the adsorber simulated by the single-stage adsorption type heat pump system. At the beginning of operation, the evaporator generated cold heat and the adsorber generated hot heat, and the temperature difference was large, but the temperature difference became smaller with time, and the temperature of the evaporator and the temperature of the adsorber became almost the same level. .. At first, since the adsorbent is empty, a large adsorption rate and evaporation rate occur, and the temperature rises and decreases with it. As the adsorbent gradually approaches the equilibrium adsorption amount, the adsorption rate and evaporation rate decrease, and the heat exchanger is based on the premise that the heat exchange fluid at room temperature always flows and is maintained at a constant temperature. It is considered that the heat and cold heat are not generated and both reach the temperature of the heat exchanger.

(多段吸着式ヒートポンプシステムによるシミュレーション)
図12は、蒸発器及び吸着器の各温度変化のシミュレーションに用いた多段吸着式ヒートポンプシステムの構成を示す概略図である。蒸発・凝縮器、第一吸着器、集熱・第二吸着器を備えた構成とし、第一吸着器、集熱・第二吸着器とも、吸着材と熱交換器との間の熱抵抗として接触熱抵抗模擬層を配置した構成とした。第一吸着器の第一吸着材としてAl−MOFを、第二吸着器の第二吸着材としてゼオライト13Xを用いた。図13は、図12に示す構成の多段吸着式ヒートポンプシステムを用いたシミュレーションにおける水蒸気の流れを示す概略図である。図13に示すように、水(吸着質)が、蒸発・凝縮器から第一吸着器へ移動して第一吸着材に吸着されるモードと、第一吸着器から集熱・第二吸着器に移動して第二吸着材に吸着されるモードを交互に繰り返す条件でシミュレーションを行った。
図14は、図12に示す構成の多段吸着式ヒートポンプシステムによりシミュレーションした蒸発器及び吸着器の各温度変化を示す図である。1はBモードにおける蒸発・凝縮器の温度、2はBモードにおける第一吸着器の温度である。3はCモードにおける第一吸着器の温度、4はCモードにおける第二吸着器の温度を示している。図14に示すように、BモードとCモードを交互に繰り返すことで高効率で冷熱を取り出すことができることが分かる。
(Simulation by multi-stage adsorption heat pump system)
FIG. 12 is a schematic diagram showing the configuration of a multi-stage adsorption heat pump system used for simulating each temperature change of the evaporator and the adsorber. The configuration is equipped with an evaporator / condenser, a first adsorber, and a heat collector / second adsorber, and both the first adsorber and the heat collector / second adsorber serve as thermal resistance between the adsorbent and the heat exchanger. The contact heat resistance simulated layer was arranged. Al-MOF was used as the first adsorbent of the first adsorber, and zeolite 13X was used as the second adsorbent of the second adsorber. FIG. 13 is a schematic diagram showing the flow of water vapor in a simulation using the multi-stage adsorption heat pump system having the configuration shown in FIG. As shown in FIG. 13, the mode in which water (adsorbent) moves from the evaporative / condenser to the first adsorbent and is adsorbed on the first adsorbent, and the heat collector / second adsorber from the first adsorber. The simulation was performed under the condition that the mode of moving to and being adsorbed by the second adsorbent was repeated alternately.
FIG. 14 is a diagram showing temperature changes of the evaporator and the adsorber simulated by the multi-stage adsorption heat pump system having the configuration shown in FIG. 1 is the temperature of the evaporator / condenser in the B mode, and 2 is the temperature of the first adsorber in the B mode. 3 indicates the temperature of the first adsorber in the C mode, and 4 indicates the temperature of the second adsorber in the C mode. As shown in FIG. 14, it can be seen that cold heat can be taken out with high efficiency by alternately repeating the B mode and the C mode.

図15は、各シミュレーション結果に基づいて算出した冷房出力を比較したグラフである。多段吸着式ヒートポンプシステムの冷房能力は、単段吸着式ヒートポンプシステムの冷房能力の2倍を超えており、高効率であることが分かる。 FIG. 15 is a graph comparing the cooling outputs calculated based on the results of each simulation. The cooling capacity of the multi-stage adsorption heat pump system is more than twice the cooling capacity of the single-stage adsorption heat pump system, and it can be seen that the efficiency is high.

以上、第一実施形態及び第二実施形態の吸着式ヒートポンプシステムについて説明したが、本開示に係る吸着式ヒートポンプシステムはこれらの実施形態に限定されない。
例えば、第一実施形態及び第二実施形態では、蒸発器と凝縮器を兼ねた蒸発・凝縮器とバイパス配管を備えた構成となっているが、バイパス配管を備えず、蒸発器と凝縮器を別々に設けてもよい。例えば、第二吸着器と蒸発器との間に凝縮器を配置し、第二吸着器から脱着した吸着質を凝縮器に移動させて熱交換器で冷却して凝縮した後、蒸発器に移動させてもよい。
Although the adsorption type heat pump system of the first embodiment and the second embodiment has been described above, the adsorption type heat pump system according to the present disclosure is not limited to these embodiments.
For example, in the first embodiment and the second embodiment, the configuration is provided with an evaporator / condenser that also serves as an evaporator and a condenser and a bypass pipe, but the bypass pipe is not provided and the evaporator and the condenser are provided. It may be provided separately. For example, a condenser is placed between the second adsorbent and the evaporator, and the adsorbent desorbed from the second adsorber is moved to the condenser, cooled by the heat exchanger, condensed, and then moved to the evaporator. You may let it.

また、第二吸着器の再生時に第二吸着器の吸着質を第一吸着器に吸着させてもよい。
また、太陽光集熱器は、図2又は図7に示したような選択透過材料と選択吸収材料を組み合わせたものに限定されず、例えば、集熱板として黒色材料を用い、真空断熱と組み合わせて160℃以上に昇温可能な集熱器としてもよい。
Further, the adsorbent of the second adsorbent may be adsorbed on the first adsorber when the second adsorber is regenerated.
Further, the solar collector is not limited to a combination of the selective transmission material and the selective absorption material as shown in FIG. 2 or FIG. 7, for example, a black material is used as the heat collector plate and combined with vacuum insulation. It may be a heat collector capable of raising the temperature to 160 ° C. or higher.

また、第一吸着器が複数備えられ、蒸発器及び第二吸着器との接続方向に対し並列に配置された構成としてもよい。このように並列配置された複数の第一吸着器により、異なる処理を行うことが可能である。たとえば、特定の第一吸着器では蒸発器の吸着質を吸着し、他の第一吸着器では脱着させて第二吸着器で吸着してもよい。 Further, a plurality of first adsorbers may be provided and arranged in parallel with respect to the connection direction with the evaporator and the second adsorber. Different processes can be performed by the plurality of first adsorbers arranged in parallel in this way. For example, a specific first adsorber may adsorb the adsorbent of the evaporator, and another first adsorber may desorb and adsorb the adsorbent of the second adsorber.

10,10A 太陽光集熱器
12,22,32,42,52 熱交換器
20 蒸発・凝縮器
30 第一吸着器
40 第二吸着器
46 第二吸着材
48 選択吸収材料(集熱板の一例)
50 集熱・第二吸着器
50A バイパス配管
56 窓
58 選択透過材料
58A,58B,58C,58D シリカエアロゲル
60A バイパス開閉弁
60B 開閉弁
60C 開閉弁
61 集光器
62 容器
64 孔
66 抑え板
68C,68D 孔
69 断熱容器
70A 開閉弁
70B 開閉弁
70C 開閉弁
70D 開閉弁
71 真空容器
73 空間
90 筐体
92 断熱材
94 伝熱部
96 熱交換流体接触部
100 吸着式ヒートポンプシステム
200 吸着式ヒートポンプシステム
W 水(吸着質の一例)
10,10A Solar collector 12, 22, 32, 42, 52 Heat exchanger 20 Evaporator 30 First adsorber 40 Second adsorber 46 Second adsorbent 48 Selective absorption material (example of heat collector plate) )
50 Heat collector / second adsorber 50A Bypass piping 56 Window 58 Selective transmission material 58A, 58B, 58C, 58D Silica airgel 60A Bypass on-off valve 60B On-off valve 60C On-off valve 61 Condenser 62 Container 64 Hole 66 Suppressor plate 68C, 68D Hole 69 Insulation container 70A On-off valve 70B On-off valve 70C On-off valve 70D On-off valve 71 Vacuum container 73 Space 90 Housing 92 Insulation material 94 Heat transfer part 96 Heat exchange fluid contact part 100 Suction type heat pump system 200 Suction type heat pump system W Water ( Example of adsorbent)

Claims (11)

吸着質が蒸発して冷熱を生成する蒸発器と、
前記蒸発器で蒸発した前記吸着質を吸着する第一吸着材を含む第一吸着器と、
前記第一吸着材から脱着した前記吸着質を吸着する第二吸着材を含む第二吸着器と、
前記第二吸着器を加熱する加熱源であって、太陽光を吸収して昇温する集熱板と、前記太陽光を前記集熱板に集光する集光器及び前記集熱板からの放射熱を断熱する断熱材の少なくとも一方の昇温補助手段とを含み、前記太陽光により前記集熱板を160℃以上に昇温可能な太陽光集熱器と、
を備える、吸着式ヒートポンプシステム。
An evaporator in which the adsorbent evaporates to generate cold heat,
A first adsorbent containing a first adsorbent that adsorbs the adsorbent evaporated by the evaporator,
A second adsorbent containing a second adsorbent that adsorbs the adsorbent desorbed from the first adsorbent,
A heat collecting plate that is a heating source for heating the second adsorbent and absorbs sunlight to raise the temperature, a concentrator that collects the sunlight on the heat collecting plate, and a heat collecting plate. A solar collector that includes at least one heating assisting means of a heat insulating material that insulates radiant heat and can raise the temperature of the heat collecting plate to 160 ° C. or higher by the sunlight.
Equipped with an adsorption heat pump system.
前記第二吸着器の吸着容量が前記第一吸着器の吸着容量よりも大きい請求項1に記載の吸着式ヒートポンプシステム。 The adsorption type heat pump system according to claim 1, wherein the adsorption capacity of the second adsorber is larger than the adsorption capacity of the first adsorber. 前記第一吸着器をバイパスして前記蒸発器と前記第二吸着器とを接続するバイパス配管を備え、前記蒸発器が、前記第二吸着材から脱着した前記吸着質が前記バイパス配管を通じて前記蒸発器に導入された前記吸着質を凝縮する凝縮器を兼ねる、請求項1又は請求項2に記載の吸着式ヒートポンプシステム。 A bypass pipe for bypassing the first adsorbent and connecting the evaporator and the second adsorbent is provided, and the adsorbent desorbed from the second adsorbent is evaporated through the bypass pipe. The adsorption type heat pump system according to claim 1 or 2, which also serves as a condenser that condenses the adsorbent introduced into the vessel. 前記蒸発器の熱交換を行う熱交換器、前記第一吸着材の熱交換を行う熱交換器、及び前記第二吸着材の熱交換を行う熱交換器からなる群より選ばれる少なくとも1つの熱交換器を備える請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。 At least one heat selected from the group consisting of a heat exchanger for exchanging heat of the evaporator, a heat exchanger for exchanging heat of the first adsorbent, and a heat exchanger for exchanging heat of the second adsorbent. The suction heat pump system according to any one of claims 1 to 3, further comprising a exchanger. 前記太陽光集熱器が、熱交換器、熱交換流体、液送ポンプ及びヒートパイプからなる群より選ばれる少なくとも1つの伝熱手段を介して前記第二吸着材を加熱する請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。 Claims 1 to claim that the solar collector heats the second adsorbent via at least one heat transfer means selected from the group consisting of a heat exchanger, a heat exchange fluid, a liquid feed pump and a heat pipe. Item 4. The adsorption heat pump system according to any one of Item 4. 前記集熱板と前記第二吸着材とが、前記断熱材を含む同一の断熱構造内に配置されている請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。 The adsorption type heat pump system according to any one of claims 1 to 5, wherein the heat collecting plate and the second adsorbent are arranged in the same heat insulating structure including the heat insulating material. 前記太陽光集熱器が、前記断熱材として、前記集熱板に前記太陽光を選択的に透過する選択透過材料を含み、かつ、前記集熱板として、前記選択透過材料を透過した前記太陽光を選択的に吸収する選択吸収材料を含む、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。 The solar collector contains, as the heat insulating material, a selective transmissive material that selectively transmits the sunlight through the heat collector plate, and as the heat collector plate, the sun that has permeated the selective transmissive material. The adsorption heat pump system according to any one of claims 1 to 6, comprising a selective absorption material that selectively absorbs light. 前記選択透過材料は、波長0.3μm〜2.5μmの太陽光領域における平均透過率が80%以上、かつ、熱伝導率が0.5W/m/K以下であり、
前記選択吸収材料は、前記太陽光領域における平均吸収率が80%以上であり、波長2.5μm超〜20μmの放射光領域において前記選択透過材料の透過率が20%以上となる波長帯における平均放射率が60%以下である請求項7に記載の吸着式ヒートポンプシステム。
The selective transmittance material has an average transmittance of 80% or more and a thermal conductivity of 0.5 W / m / K or less in the sunlight region having a wavelength of 0.3 μm to 2.5 μm.
The selective absorption material has an average absorption rate of 80% or more in the sunlight region, and an average in a wavelength band in which the transmittance of the selective transmittance material is 20% or more in a synchrotron radiation region having a wavelength of more than 2.5 μm to 20 μm. The adsorption heat pump system according to claim 7, wherein the emissivity is 60% or less.
前記第一吸着材がメソポーラスシリカ、Al−MOF及びZr−MOFからなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記第二吸着材がゼオライトである請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の吸着式ヒートポンプシステム。 The first adsorbent is at least one selected from the group consisting of mesoporous silica, Al-MOF and Zr-MOF, and the second adsorbent is zeolite according to any one of claims 1 to 8. The adsorption heat pump system described. 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の吸着式ヒートポンプシステムを用い、
前記第一吸着材で前記吸着質を吸着することにより前記蒸発器で前記吸着質を蒸発させて冷熱を生成させる工程と、
前記第二吸着材で前記吸着質を吸着することにより前記第一吸着材から前記吸着質を脱着させて冷熱を生成させる工程と、
を交互に複数回繰り返した後、
前記太陽光集熱器で前記第二吸着材を加熱して前記吸着質を脱着させることにより前記第二吸着材を再生させる工程を含む、冷熱生成方法。
The adsorption heat pump system according to any one of claims 1 to 9 is used.
A step of adsorbing the adsorbent with the first adsorbent to evaporate the adsorbent with the evaporator to generate cold heat.
A step of desorbing the adsorbent from the first adsorbent by adsorbing the adsorbent with the second adsorbent to generate cold heat.
After repeating alternately multiple times,
A cold heat generation method comprising a step of regenerating the second adsorbent by heating the second adsorbent with the solar collector to desorb the adsorbent.
前記吸着式ヒートポンプシステムが請求項3に記載の前記バイパス配管を備え、前記第二吸着材を再生させる工程の前に、前記蒸発器から前記バイパス配管を通じて前記第二吸着器に導入された前記吸着質を前記第二吸着材で吸着する工程を含む請求項10に記載の冷熱生成方法。 The adsorption type heat pump system includes the bypass pipe according to claim 3, and the adsorption introduced into the second adsorber from the evaporator through the bypass pipe before the step of regenerating the second adsorbent. The cold heat generation method according to claim 10, further comprising a step of adsorbing the quality with the second adsorbent.
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