JP2008537090A - ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

２個の熱交換器の間に設置された吸着性多孔質固体を通過する作動流体蒸気又はガス中に周期的な膨張及び圧縮パルスを誘発することによって２個の熱交換器の間に温度差が設けられるヒートポンプ装置。

Description

本発明は、特に空調、冷却及びヒートポンピングシステムのためのヒートポンプ装置に関する。装置は特に、成層圏オゾン層に対して悪影響を及ぼす、又は二酸化炭素に関して高い地球温暖化係数を有することが知られている流体を含有しないシステムに関する。装置は、機械的な蒸気再圧縮又は冷媒／吸収溶媒冷却又は加熱ポンピングシステムを現在用いる装置に対する直接的な代替を提供することができる。

本明細書中、「ヒートポンプ」とは、ある供給源からの熱を温度勾配に抗しながらシンクに移動させる被駆動装置をいう。冷却器とは、所期の用途のためにより低い温度が求められる特定のタイプのヒートポンプである。「ヒートポンプ」はまた、より高い温度が求められる場合に、ある供給源からの熱を温度勾配に抗しながらシンクに移動させる被駆動装置を表すために、本明細書におけるよりも限定的な意味で使用されることもある。冷却器と狭い意味でのヒートポンプとの区別は、単に所期の目的の区別であり、作動原理の区別ではない。事実、多くの空調システムは、指定の時機でユーザの必要に応じて加熱又は冷却を供給するように設計されている。

クロロフルオロカーボン（ＣＦＣ、たとえばＣＦＣ１１、ＣＦＣ１２）及びヒドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ、たとえばＨＣＦＣ２２、ＨＣＦＣ１２３）は、安定であり、毒性が低く、不燃性であり、冷却及び空調システムで使用される場合、危険性の低い作動条件を提供する。放出されると、成層圏に浸透し、紫外線の有害作用から環境を保護するオゾン層を攻撃する。１６０を超える国によって調印された国際的環境条約であるモントリオール議定書が、合意されたスケジュールに準じるＣＦＣ及びＨＣＦＣの段階的廃止を命じている。

ＣＦＣ及びＨＣＦＣは、新規な空調、冷却及びヒートポンプ装置においては、純粋な流体又はブレンドとしてのヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ、たとえばＨＦＣ１３４ａ、ＨＦＣ１２５、ＨＦＣ３２）によって取って代わられた。また、ＣＦＣ及びＨＣＦＣの段階的廃止を加速するために、既存のユニットには適切なＨＦＣブレンドがレトロフィットされた。ＨＦＣは、成層圏のオゾンを減少させないが、地球温暖化に加担することが知られている。京都議定書の規定により、各国政府は、これらの化合物の製造及び放出を制限又は停止する義務を負うことになった。すでに一部の国は、ＨＦＣの段階的廃止を今後１０年のうちに始めることを決め、非ハロゲン含有流体の開発を活発に促進している。

ＨＦＣ含有ユニットに取って代わることが期待される装置中の流体は、非常に低い又は好ましくはゼロの地球温暖化係数を有しなければならない。好ましくは、そのような流体は、人為的起源の放出による環境に対する損傷を避けることができるよう、天然に見いだされる、その性質が十分に理解されている化合物であるべきである。さらには、装置は、化石燃料発電所放出による地球温暖化に対する加担が今以上にならないことを保証するため、そのような装置が取って代わるＨＦＣ含有ユニットと少なくとも同じくらいエネルギー効率が高いべきである。好ましくは、装置は、より高いエネルギー効率を有するべきである。

本発明にしたがって、
少なくとも一つの熱交換器、
入口及び出口を収容し、熱交換器と熱的に接触する状態に配置されている多孔質吸着材のボディ、
作動流体を前記ボディに通すための手段、及び
作動流体中に周期的な圧縮及び膨張パルスを誘発して作動流体を入口から出口に流れさせてボディ中に入口と出口との間で温度勾配を生じさせるための手段
を含むヒートポンプ装置が提供される。

本発明は、一つ以上の熱交換器中に設置された吸着性多孔質固体を通過する作動流体蒸気又はガス中に周期的な膨張及び圧縮パルスを誘発することによって温度差が設けられるヒートポンプ装置を提供する。

装置は、熱が、熱交換器の第一の位置又は端部で高温で放出され、熱交換器の第二の位置又は端部でより低い温度で取り込まれるように特定に構成されることができる。

装置の使用中、作動流体は、一つの端部から高圧下で吸着性固体に入り、第二の端部からより低い圧又は吸引によって取り出される。装置はまた、伝熱流体を含むこともできる。

好ましい実施態様では、装置は、伝熱流体、伝熱流体の流れが熱交換器から熱を除去する、又は熱交換器に熱を加えるように配設された、伝熱流体を熱交換器と熱的に接触させながら通すための手段を含む。

好ましくは、伝熱流体の流れの方向は、作動流体の圧縮及び膨張パルスとともに変化する。

より好ましくは、伝熱流体の流れの方向は、作動流体の圧縮及び膨張パルスと同調して逆転する。

特に好ましい実施態様では、伝熱流体の流れの方向の逆転は前記パルスと同期化している。

作動流体の周期的な動きの周波数は、伝熱流体の周期的な動きの周波数と同じであることができる。

作動流体は、蒸気、ガス又は液体、好ましくは蒸気又はガスであることができる。周期の第一の部分で、伝熱流体は、使用時、熱交換器の低温端から高温端に向けて動かされて、熱交換器の高温端から熱を除去し、その熱を適当なヒートシンク中に捨てる。周期の第二の部分で、伝熱流体は、反対方向に熱交換器の高温端から低温端に向けて動かされて、低温端で冷却されたのち冷却容積に入る。周期的な動作を達成するために、伝熱流体を、作動流体の周期的な圧縮及び膨張、すなわちパルス動と同じ周波数で熱交換器に沿って前後に揺動させることもできる。作動流体が圧縮下で多孔質固体に導入されるとき、伝熱流体は作動流体とは反対の方向に動く。作動流体が吸引下で多孔質固体から取り出されるとき、伝熱流体は作動流体と同じ方向に動く。

作動流体中にパルスを誘発するための手段は容積式圧縮機であってもよい。

あるいはまた、作動流体中にパルスを誘発するための手段は、バルブ切り替えシステム及び圧縮機を含む。好ましくは、バルブ切り替えシステムは、吸着材のボディを作動流体の高圧タンクと低圧タンクとに交互に接続する。

場合によっては、好ましくは、装置は、作動流体蒸気又はガスが吸着材と接触する前に作動流体蒸気又はガスから圧縮熱を除去するように適合されたさらなる熱交換器を含む。

発生させる高温及び低温は、本発明の実施態様が使用される具体的な用途、特に冷却が求められるのか空調が求められるのかに依存する。これに関連して、空調は、冷房及び暖房を含むものと理解される。ユーザの要求に依存して加熱及び冷却のいずれをも提供することができる装置はリバーシブル空調装置と呼ばれることもある。

好ましくは、温度勾配は、入口における比較的高い温度及び出口における比較的低い温度を含む。

代替態様では、作動流体は、比較的強く吸着される流体と比較的弱く吸着される流体とのブレンドである。これらの流体は互いには強く相互作用しない。より弱く吸着される流体は、吸引中に、より強く吸着される流体を吸着材から掃き出し、圧縮中に、それを吸着材に運ぶように作用することができる。このような組み合わせの例は、吸着材として多孔質活性炭を用いる場合、二酸化炭素／窒素及び二酸化炭素／アルゴンである。好ましい実施態様では、ブレンドは、比較的強く吸着されるガス、特にアンモニア又は二酸化炭素と、軽いガスである水素及びヘリウムの一方又は両方との組み合わせである。軽いガスは、より重い作動流体ガス又は蒸気と比較して高い熱伝導率を有し、したがって、より重い作動流体の吸着及び脱着の間に吸着材との間の伝熱を改善する。ヘリウムと二酸化炭素との組み合わせが、不燃性であるため、特に好ましい。

本発明のさらなる実施態様では、一方が他方よりも強力に吸着するような二つ以上の作動流体のブレンドが選択される。ヒートポンプが比較的軽い負荷の下で作動する場合、弱く吸着される流体は、循環する流体中、はじめにユニットに導入されたブレンド中のその濃度よりも高い濃度にある。逆に、吸着材上に残留する混合物中の、より強く吸着される成分の濃度は、元のブレンド濃度よりも高い。ヒートポンプが重い負荷の下で作動する場合、循環流体の濃度は、より強く吸着される流体をより高い割合で含有し、循環流体の組成は、装填されたブレンドの組成に近づく。これらの性質を有するブレンドを使用することにより、ヒートポンプは、その動作を変化する負荷に適応させ、ひいてはそのエネルギー効率を最大化することができる。そのようなブレンドの例は、多孔質カーボン吸着材を用いるプロパンと二酸化炭素との組み合わせである。

１室の空調の場合、伝熱流体は一般に空気である。冷却モードでは、低温は一般に約５〜約１５℃であり、高温は一般に約３５〜約６０℃である。冷却力は一般に約３kW〜約１００kWである。加熱モードでは、部屋への出力温度は一般に約２０〜約３０℃であり、外気からの入力温度は一般に約２〜約１５℃である。加熱力は一般に約４〜約１５０kWである。一部の装置は、単に加熱を提供するように設計され、一般にヒートポンプとして表されることもあるが、これは、本明細書で使用されるよりも限定的なこの語の使用である。

多数の部屋がある大きな建物、たとえばホテル及びオフィスブロックの空調の場合、伝熱流体は、各部屋に配給することができる水であることができ、空気を冷水管に吹きかけて所要の冷却を提供する。このシステムは従来の冷却設備に似ている。システムに供給される水の温度は一般に約５〜１０℃であり、装置に戻る水は一般に約１０〜１５℃である。加熱モードでは、装置を離れる水の温度は約２５〜約４０℃であり、戻る水は一般に約１５〜約３０℃である。冷却力は一般に５０kW〜１０MWの範囲である。冷却装置はまた、プロセス工業で、たとえば蒸留設備の復水器水を冷却するために使用することもできる。

本発明の一つの実施態様では、装置は、一般に約−３０℃までの温度の冷却を提供するために使用される。この用途では、比較的低い凝固点の伝熱液を使用することが好ましい。本発明のさらなる実施態様では、ヒートポンピング過程を二つ以上の段で実施することによって装置性能が最適化される。この手法は、約−２０℃未満の温度の場合に特に有利である。復水器温度が約０℃未満であるランキンサイクルヒートポンプには二酸化炭素が良好な冷媒であるが、二酸化炭素は、３１℃の臨界温度及び７２バールの高い臨界圧を有する。この理由のため、出熱温度が約０℃を超えるヒートポンプにおける使用には魅力的ではない。

特に好ましい実施態様は、二酸化炭素が作動流体であるところの、一般に約−５５〜約−１０℃の範囲の温度から熱をポンピングし、それを、一般に約−２０〜約０℃の範囲の温度で、本発明を利用する第二段装置の低温側に捨てる従来の熱ランキンサイクル段を含む。本発明にしたがって構築されたこの第二段は、現在のＨＦＣベースの冷却設備に典型的である約１０〜約３０バールの範囲の最大圧で作動しながら約３５〜約７０℃の温度で熱を捨てる。

作動流体は、適当な多孔質固体に可逆的に吸着させ、それから脱着させることができる化学的に安定な流体から選択することができる。好ましい流体としては、二酸化炭素、空気及び窒素がある。作動流体は、−１４０℃〜４０℃、好ましくは−９０℃〜０℃、より好ましくは−９０℃〜−２０℃で沸騰するフルオロカーボン又はフルオロカーボンの混合物であることができる。ＣＦＣ、ＨＣＦＣ及びＨＦＣは、それらの使用が許されていはいるが、環境への悪影響のせいで好まれはしないような地域で許容可能である。好ましい流体は、天然に産出する流体である。可燃性が問題にならない用途では、炭化水素及び水素を使用することができる。アンモニアは、ヒト及び動物への露呈を防ぐことができる用途には許容可能である。フッ素化流体が好ましい用途の場合、ＨＦＣ、ペルフルオロヨージド及び炭素原子２〜６個を含む不飽和フッ素化化合物を、好ましくは１５０未満、より好ましくは１００未満、もっとも好ましくは１０未満のＣＯ₂に関する低い地球温暖化係数で使用することができる。好ましい化合物はフッ素化オレフィンである。より好ましいものは、トリフルオロビニル基を含有するフルオロオレフィンである。さらに好ましいものは、少なくとも一つの水素原子を含むフルオロオレフィンである。特に好ましいものは、フルオロプロペン及びそれらのブレンドである。フッ素化化合物が許容不可能である場合、特に好ましい作動流体は、低い環境衝撃と低い毒性及び不燃性を併せ持つＣＯ₂及びＮ₂である。

文献中、「多孔質固体」とは、広い範囲の性質を有する材料のために使用される。多くの固体は、金属上に見られる保護酸化膜層を含め、非常に限られた多孔性を有する。本明細書中、「多孔質固体」は、性質の特性の組み合わせを有する材料を表すために使用される。

第一に、好ましい多孔質固体の内表面積は、約１０m² g^-1よりも大きく、より好ましくは、約１００m² g^-1よりも大きく、もっとも好ましくは約１０００m² g^-1よりも大きい。

第二に、好ましい多孔質固体中のボイドスペースは、マクロ細孔、メソ細孔及びミクロ細孔の組み合わせの間で分布している。多孔質固体は、そのボイド容量の少なくとも１０％を直径約２nm未満のミクロ細孔の形態で有し、そのボイド容量の少なくとも５％を直径約５０nm未満のメソ細孔の形態で有する。

第三に、好ましい多孔質固体は、作動流体蒸気又はガスと接触するとその圧を減らすことができる。すなわち作動流体を吸着する。

第四に、吸着過程は可逆性でなければならない。たとえば、作動流体の圧力を下げるによって、又は多孔質固体の温度を上げることによって作動流体を脱着させることができなければならない。

第五に、好ましい多孔質固体は、作動流体ガスをその臨界温度よりも上で吸着することができなければならない。

広い範囲の多孔質材料を用いることができる。シリカ、たとえばフュームドシリカ、粒状シリカ又は粒状、モノリス及びフレキシブルブランケットエアロゲルを含むエアロゲルルシリカを使用することができる。天然又は人工のガラス、セラミックス又はモレキュラーシーブを使用することもできる。使用することができるカーボンは、顆粒、モノリス、布、エアロゲル及び膜を含む。本発明に適した多孔質カーボンの例がＰＣＴ／ＧＢ０１／０４２２２に記載されており、この開示内容を引用例として本明細書に取り込む。レゾルシノール−ホルムアルデヒドのフォームもしくはエアロゲル、ポリウレタン、ポリスチレン又はフォーム及びエアロゲルの形態にある他のポリマーをはじめとする種々の有機材料。適切な前駆体分子を強制的な配置で三次元結合させることによって特化された孔径が作られる固有の多孔性を有するポリマーもまた、本発明に適している。シリカ−カーボン複合材をはじめとして、一定範囲の複合材が許容可能である。

多孔質材料は、ポリマーフォームをブロー成形することにより、また、多孔質セラミックス、シリカ又は他の無機エアロゲルもしくは有機エアロゲルの製造のためのゾルゲル法により、製造することができる。有機材料、たとえばココナッツ及び石炭を熱分解したのち、たとえば蒸気で処理することによってさらに処理して活性炭を製造することもできる。ポリマーエアロゲルを熱分解してカーボンエアロゲルを製造することもできる。炭化水素を熱分解してカーボン膜を製造することもできる。モレキュラーシーブ及びカーボンブラック又はプラズマ法、たとえばCTech社によって開発されたＡＰＮＥＰ（Atmospheric Pressure Non-Equilibrium Plasma）システムにより。炭素系材料、たとえばバイオマス前駆体、たとえばココナッツ殻から誘導される活性炭は、持続可能な資源から得られ、製造に最小限のエネルギー入力しか要さず、大気二酸化炭素を炭素としてヒートポンプ装置内に効果的に封鎖するため、特に好ましい。装置の作動寿命が終わると、そのようなカーボン吸着材を取り出し、回収し、燃焼して、はじめにバイオマスが形成されたときに捕獲されたそのエネルギー含量を回収し、二酸化炭素を大気に戻すことができる。ガスはこの供給源から発生したため、燃焼はＣＯ₂中性である。好ましくは、炭素吸着材は、埋め立て地もしくは地殻構造プレートの境界にある沈み込み帯に埋められる、又は新たな設備にリサイクルされて、それにより、炭素が大気から永久的に除かれることを保証する。

無機多孔質材料は、加熱分解、たとえば酸水素炎を使用する四塩化ケイ素からのフュームドシリカの製造によって又はプラズマ法によって得ることがことができる。有機−無機前駆体を加熱分解によって処理してモレキュラーシーブを製造することもできる。天然の無機水和物、たとえばバーミキュライト及びパーライトを熱化することもできる。

本発明の一つの実施態様では、ヒートポンピング装置は、吸着管床の高温端と低温端との間でその性質が変化する吸着性多孔質固体ブレンドを含む。

本発明のさらなる実施態様では、多孔質固体は、管に沿う気流に対するその透過性が、圧縮中及び吸引中に管に沿って圧力勾配を生じさせるのに十分な低さであるように選択される。吸着材の透過性は多様な方法で制御することができる。たとえば、粒径の範囲を、管の長さ及び断面積ならびに作動流体流量にしたがって、所望の圧力勾配を得るように選択することができる。あるいはまた、多孔質固体粒子を適当な結合材とともにモノリスに圧縮して所要の圧力勾配を得ることもできる。

ガス又は蒸気作動流体は、好ましい多孔質固体、たとえばカーボン（たとえば黒鉛、活性炭、木炭、エアロゲル）、シリカ（フュームド、エアロゲル、アルキル化エアロゲル）、アルミナ、アルミノケイ酸塩（モレキュラーシーブ）及び有機ポリマー（たとえばポリスチレン、ポリウレタン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリアミン、ポリアミド、セルロース）、メタルスポンジ（たとえばＮｉ、Ｔｉ、Ｆｅ）ならびに有機ポリマー又はカーボン上に担持された金属又は金属錯体に合わせることができる。

これらすべてのガス及び利用可能な多孔質固体とのそれらの組み合わせが適切であるわけではない。ＣＦＣ及びＨＣＦＣは、発展途上国では製造され、使用され続けているが、モントリオール議定書の下でのその段階的廃止はすでに起こっている。そのような塩素化流体の継続的使用がまだ合法的である地域では、活性炭、シリカ又は有機ポリマーと組み合わせて使用することができる。ＳＯ₂及びＨＦＣは、炭素、シリカ、アルミナ又は有機ポリマー、特に「塩基性」原子、たとえばＯ及びＮ又は「酸性」Ｈ原子を有するものとともに使用することができる。ＨＦＣの段階的廃止が今のところ考慮されていない地域では、本発明におけるそれらの使用は許容可能であるが、それらの地球温暖化指数が上記の他のガスのいくつかよりもはるかに高いため、好ましくはない。ＳＯ₂はその毒性のせいで好ましくない。

炭化水素は、炭素、アルキル化シリカ又は有機ポリマー、特に炭化水素ポリマー、たとえばポリスチレンと結合させることができる。炭化水素は、ハロゲン化流体及びＳＯ₂よりも好ましいが、その顕著な易燃性危険に対して適切な予防措置を講じることができる用途、たとえば大規模な工業的用途又は残量が少ない密封されたシステム、たとえば家庭用冷蔵庫に限定される。さらなる欠点は、炭化水素の収着／脱着に伴うエンタルピー変化がより極性のガス、特にＣＯ₂、ＳＯ₂及びＮＨ₃の場合よりも小さいということである。また、一部の地域では、炭化水素は、大気中に漏れ出して陽光に暴露された場合に「光化学スモッグ」を発生させるため、嫌われている。

水素は、種々の金属合金、特にニッケルを含有するものから容易に収着され、脱着される。水素は、上記の吸着材を用いると、炭化水素よりも金属とで強く相互作用するため、炭化水素よりも好ましい。炭化水素と同様、水素は、自然に放出される炭化水素及び人造汚染物質、たとえばＨＦＣを除去するのに主要な役割を演じる大気中ヒドロキシル基と反応する。したがって、水素放出の増大は地球温暖化を間接的に増すおそれがある。

アンモニアを炭素、シリカ又は有機ポリマーとともに使用することができる。アンモニアは、その毒性及び易燃性を制御することができる用途、たとえば大規模な工業的用途又は残量が少ない密封された家庭用途に適している。

もっとも好ましい作動流体は二酸化炭素である。化石燃料から誘導される二酸化炭素が地球温暖化への単独で最大の加担要因であるが、本発明に求められる量は非常に少ないであろう。天然の供給源、たとえばバイオマス発酵から二酸化炭素を得ることにより、装置から放出されるガスは地球温暖化に加担しないであろう。二酸化炭素は毒性が低く、不燃性であり、多様な多孔質固体、たとえばカーボン、シリカ及び有機ポリマー、特に塩基性原子、たとえばＯ及び特にＮを含有するものによって容易に吸着される。ＣＯ₂を吸着する多孔質固体の能力は、流体と相互作用することができる基を含む化合物でその固体を含浸することによって高めることができる。窒素及び酸素含有物質を用いることができる。アミン、アミド、アルコール、エステル及びケトンが好ましい。より好ましいものは、好ましくは１００℃を超える沸点を有するアミン、アミド及びウレタンである。特に好ましいものは、Ｎ原子１個あたりの分子量が２００未満、好ましくは１００未満、もっとも好ましくは６０未満である物質である。特に好ましい物質はポリエチレンイミンである。

−５５℃未満の温度を伴う非常に低温の冷却の場合、二酸化炭素は、三重点が−５６．７℃であるため、実用的ではない。−５５℃未満の温度の場合、吸着材、たとえば活性炭との作動流体としてはＮ₂が好ましい。好ましい伝熱流体は、冷却エンクロージャ内の、多くの場合は空気である大気である。この設計は、−１３０℃〜−４０℃の範囲の冷却を提供し、−５５〜−２５℃の範囲の熱をより高温の段に捨てる。

本発明のさらなる実施態様では、化学反応しない限り、ガス又は蒸気の混合物を用いることができる。たとえば、プロパンのような炭化水素を二酸化炭素と混合することができる。

好ましくは、流体が可逆的に吸着し、脱着するときに発生する温度変化は、５℃よりも大きい、より好ましくは約１０℃よりも大きいべきである。

７種の重要なパラメータが温度変化に寄与することができる。
（ａ）吸着材が作用する範囲の最低圧と最高圧との間で計測される積算吸着熱（ＩＨＡ）、
（ｂ）吸着材の熱容量（ＨＣＡ）、
（ｃ）吸着材の密度（ＤＡ）、
（ｄ）吸着材の内部表面積（ＳＡＡ）
（ｅ）最大作動圧（ＭＰ）、
（ｆ）吸着／脱着の速度、及び
（ｇ）吸着材の熱伝導率。

積算吸着熱（ＩＨＡ）は、流体と多孔質固体との相互作用の関数であり、流体が固体に吸着するときその圧が低圧から高圧に上昇するときに発生する熱の合計と定義される。ＩＨＡが高ければ高いほど、流体と固体との相互作用は強くなる。ＩＨＡは、好ましくは少なくとも５０kJ/kgであり、より好ましくは１００kJ/kgを超えるべきである。もっとも好ましくは、kJ/molの単位で表されるＩＨＡは、存在する冷媒の凝縮の潜熱に匹敵しうるべきである。

ＩＨＡが高ければ高いほど、吸着材にかかる流体の圧力は低くなる。熱廃棄温度で約２バールをちょうど下回る最大作動圧が、装置中の任意の点における圧力を圧力調整が適用される圧力未満に維持するという点で有利である。これは、装置をより廉価に製造することを可能にする。高容積スループット圧縮機、たとえば遠心圧縮機の使用を必要とし、これは、たとえば公共建造物の空調に用いられる大きな水冷却器に特に適している。吸着材にかかる流体圧を２バールを有意に下回るまで下げるＩＨＡは、部品、特に圧縮機のサイズを増大させるため、経済的利点がなく、好ましくない。

約２バールを超える最大作動圧で作動する装置においては、多孔質固体によって有意に吸着されない大気の侵入を防ぐため、ＩＨＡは、好ましくは、装置の最低作動圧における吸着材の圧力が約１バール未満にならないように選択される。好ましくは、ＩＨＡは、所与の用途において、最低作動圧が１．５バール未満にならないように選択される。

本発明の特別な利点は、空調用途で一般に求められる１０℃及び４５℃の冷気及び暖気温度を発生させるために必要な実質的温度差、たとえば３５℃の温度差を吸着管の端部間で生じさせるために、流体吸着及び脱着によって誘発される５℃未満の相対的に小さな温度変化をも可能にするということである。この利点にもかかわらず、より大きな温度差は、吸着床と外部伝熱流体との間の熱交換を促進する。吸着及び脱着における変化は、好ましくは５℃よりも大きく、より好ましくは１０℃よりも大きい。ＩＨＡが高ければ高いほど、得られる温度変化は大きくなる。また、より低い吸着熱容量（ＨＣＡ）がより高い温度変化を提供する。ＨＣＡは、好ましくは２．００kJ/kgK未満であり、より好ましくは１kJ/kgK未満であり、もっとも好ましくは０．８kJ/kgK未満である。特に好ましいものは、０．７５kJ/kgK未満のＨＣＡを有する水素のための多孔質カーボン材料及び金属吸着材である。

吸着材の群は同程度のＩＨＡを有することができるが、作動流体に関するそれらの吸着能力（ＣＡ）は、単位質量あたり得られる活性部位の数に依存する。活性部位の数は、流体分子にとってアクセス可能である多孔質固体の内部表面積（ＩＳＡ）に関連する傾向があり、したがって、ＩＳＡが高ければ高いほど、所与の圧力で流体を吸収する単位質量あたり固体の能力は大きくなる。少なくとも１０００m³/gのＩＳＡがもっとも好ましい。

ある指定の流体に関して一連の吸着材のＩＨＡ、ＳＨＡ及びＩＳＡが同程度であるならば、温度変化は本質的にそれらの密度（ＤＡ）に依存しない。しかし、温度変化はまた、吸着管が製造される材料の熱容量に依存する。これらの材料の量は、先に論じた他の吸着材物性に影響しない限り、高い密度を有する多孔質固体を選択することによって最小限にすることができる。さらには、熱を吸着管から除去し、熱を吸着管に加える熱交換流体の量もまた、温度変化を決定することができる。熱交換流体の少ない残量及び高い流量が好ましい。

高い最大吸着圧は、作動流体に関する吸着材の能力を最大化する。しかし、圧力が増すにつれ、吸着材の増分能力が減少し、その間、圧力に耐えるために必要な管のゲージが増大し、その結果、質量の増大、ひいては熱交換器の熱容量の増大が生じる。後者は、吸着及び脱着で得られる温度変化の大きさを減らす。最適な最大圧は、多孔質固体の圧力／吸着性に依存する。ＣＯ₂／活性炭の組み合わせの場合、最適な作動圧は一般に約２０バールである。

吸着材の熱伝導率は重要である。特に粒子又は顆粒形態にある多孔質固体は低い熱伝導率を有し、その結果、吸着及び脱着中の伝熱が吸着床のサイクル時間を制限する。好ましい実施態様では、ヒートポンプは、幅又は直径に比較して長く、一端から他端への熱の漸増的な除去又は付加のために適合されている一つ以上の吸着管を含む。管長さ対直径の比は、好ましくは約５：１よりも大きく、より好ましくは約１０：１よりも大きく、もっとも好ましくは約２０：１よりも大きい。

吸着材の熱伝導率を改善するために、吸着材は、有利には、部分的又は完全に熱伝導材料で構成されていることができる。熱伝導材料としては、好ましくはフレーク、ファイバ又はフォームとしての黒鉛、好ましくは高熱伝導率金属、たとえば銅及びアルミニウムを含む金属メッシュ、粉末、ワイヤ又はファイバ、高い熱伝導率を有する有機ポリマー、たとえばポリアニリン及びポリピロリドン又はそれらの混合物を挙げることができる。少なくとも一つの化学的形態にあるそのようなポリマーは一般に良好な熱及び電気伝導率を有する。

本発明の好ましい実施態様では、塩基性窒素原子を含有し、多孔質固体の少なくとも一部分を構成するそのような熱伝導ポリマーが使用される。このような多孔質固体はまた、二酸化炭素の吸着に寄与することもできる。また、多孔質固体をモノリスに圧縮すると、熱伝導率が改善する。

表１は、種々の吸着材及びそれらの熱伝導率の例を示す。これは、熱伝導添加物の添加が吸着材の熱伝導率を実質的に改善することを実証する。

好ましい吸着材は、約０．５W／（m.K）よりも大きい、より好ましくは約５W／（m.K）よりも大きい、もっとも好ましくは約５０W／（m.K）よりも大きい熱伝導率を有する。

また、吸着性熱交換器の構造が、熱を多孔質固体との間で移すときの容易さに影響する。重要な要件は、温度変化が好ましい５℃の値よりも下がらないよう、熱交換器の金属部品の熱容量を増すことなく熱交換を最大化することである。

添付図面を参照しながら本発明を非限定的な例によってさらに説明する。

図１及び２は本発明の第一の実施態様を示す。

この実施態様では、伝熱流体は、図１及び２に示すように、吸着管に対して同心的な外部ダクト中を流れるように強いられる液体である。伝熱液体ダクト１が吸着管を収容している。吸着管中の作動流体の流れはバルブ１．２及び１．３によって制御される。吸着管が吸引状態になると、バルブ１．６が開き、バルブ１．７が閉じる。作動流体は、図示するように、１．６から流れ出す。同時に、伝熱流体が１．４からダクトに流れ込み、１．５から流れ出す。ユニットが圧縮状態になると、１．６が閉じ、１．７が開く。伝熱液は逆方向に流れる。すなわち、１．５から流れ込み、１．４から流れ出す。図２では、吸着材２．１収容管２．４、伝熱液２．２及び伝熱液ダクト２．３が示されている。大きめの装置の場合、図３及び４に示すように多数の吸着管を１個の液体ダクト内に収容することができ、３．１及び４．１は吸着材であり、３．２及び４．２は伝熱流体であり、３．３及び４．３は伝熱流体ダクトであり、３．４及び４．４は吸着管である。ダクトは、特定の用途に適切である円形、正方形、六角形又は他の断面を有することができる。吸着管の外面は、図５に示すように、伝熱を高めるためのフィン又は他の突起を有することができる。縦方向又はらせん形のフィンが好ましい。図５では、部品５．１及び５．４は吸着材であり、５．２及び５．５はそれぞれ縦方向フィン及びらせん形フィンであり、５．３及び５．６は吸着管である。吸着材から吸着管の内壁への伝熱は、有利には、吸着床の中で管軸に対して垂直方向に配置される、金属メッシュ又はファイバで構成された有孔金属プレート、ディスク又は他の部材を組み込むことによって促進することができる。最適な伝熱のためには、これらは、内壁と密接しているべきである。

本発明のもう一つの実施態様では、伝熱液は、図６及び７に示すように、吸着管内の管を通って流れる。部品６．１は吸着材含有管である。図６に示すように吸着材が吸引状態になるとき、バルブ６．２が開き、バルブ６．３が閉じて、脱着された作動流体が６．６から出る。伝熱流体は６．４から中央管に流れ込み、６．５から出る。吸着材が圧縮状態になると、６．２が閉じ、６．３が開く。同時に、伝熱流体が６．５から流れ込み、６．４から流れ出す。図７は、伝熱流体７．２を収容する熱管７．３を包囲する吸着材７．１を示す。吸着材と液管との間の伝熱は、管の軸に対して垂直に延びる、又は液管に沿ってらせんに配設されている伝熱フィンによって高めることができる。好ましくは、フィンは、液管の外面に密着する又は取り付けられるが、吸着管の内面とは接触しない。これは、部分切欠きで示す、７．３が伝熱フィン７．５と接触している図７に示されている。７．５は、作動流体の通過を許すために穿孔されている。吸着材は外側の管７．４の中に収容されている。伝熱流体管は断面が円形であることができる。有利には、その表面積を保持するが、容積を減らす楕円形の断面にプレスすることができる。この形状は、所与の伝熱液流量に関してより高い線速度を提供して、金属／液体伝熱係数の改善をもたらす。

本発明の一つの実施態様では、有利には、ガス流を狭窄させて吸着管に沿って圧力勾配を生じさせる。これは、単独で、又は様々な組み合わせて使用される様々な方法で達成することができる。たとえば、一つの方法は、吸着材及び液管の軸に対して垂直な有孔ディスクの形態にあり、作動流体が通過させられる小さなギャップをそのエッジと吸着管の内壁との間に提供する固体熱交換器フィンの使用を含む。第二の方法では、フィンと内壁との間のギャップはポリマーガスケットによってシールされるが、フィンは、ガス流を制限する小さな穴を穿孔されている。用いられるフィンの数、エッジとエッジとの間のギャップのサイズ及び／又は穿孔の直径及び数を変えることにより、所望の圧力勾配を達成することができる。

さらなる実施態様では、吸着管の内壁が低熱伝導率ライナを備える。これは、吸着材から吸着管の壁への熱の流れを阻止することができる。この構造には、吸着材の熱サイクリング中、収容管の熱容量が温度変化の大きさを有意には減らさないという利点がある。ライナはまた、吸着材及び伝熱液管のための容器として働くことができ、吸着管への挿入の前にそれらをアセンブリすることを可能にする。この設計のさらなる利点は、伝熱には不要である吸着管を、高い熱伝導率が好ましい場合に一般に好まれる金属である銅又はアルミニウムよりも本質的に強い軟鋼又はステンレス鋼のような材料から製造することができるということである。また、コスト及び重さは別として、選択される管壁の厚さに対して制約がなく、したがって、高圧に耐えるように選択することができる。これは、図８に示すように多数の伝熱液管が用いられる場合に特に有利である。吸着材８．１が管８．４の中に収容され、断熱材８．６によって８．４から隔離されている。８．２は、管８．３の中に収容された伝熱流体である。部分切欠きで示す伝熱フィン８．５が吸着材から伝熱流体管への伝熱を高める。ライナは、好ましくは、低熱伝導率有機ポリマーから製造されている。より好ましいものは、連続気泡有機フォーム、たとえばポリウレタンフォームである。特に好ましいものは、機械的強度を提供するために固体ポリマー管又は表面層で外部から補強された有機フォームである。本発明の一つの実施態様では、吸着床の収容管は、好ましくは黒鉛ファイバのような材料で補強されたポリエーテルエーテルケトンのようなエンジニアリングポリマーから製造されている。このタイプの強い複合材は航空宇宙産業で周知であり、軽量の構造が有利である場合に好ましい。本発明に関連して、そのような材料は、軽い重量が求められる場合、たとえば乗り物の客室空調装置で好ましい。伝熱液を運ぶ管は、好ましくは、伝熱を促進するために金属で製造されている。好ましくは、管は、銅又はアルミニウムのような高熱伝導率金属で作られている。この構成のさらなる利点は、管が内圧ではなくガスの外圧に暴露されるということである。このモードでは、鋼よりも機械的に弱い銅及びアルミニウムが許容可能である。

本発明のもう一つの実施態様では、図９及び１０に示すように、吸着管は、らせんの形態で製造され、液体ダクトを形成する２個の同心管の円環の中に収容されている。吸着材９．２が吸着管９．１の中に収容されている。この設計には、吸着床の長い有効長さをずっと短い実長さの中に収容することを可能にするという特別な利点がある。一つの実施態様では、図１０に示すように、ダクト壁が吸着管に密着する。吸着材１０．１が管１０．２の中に収容され、この管は、ダクト内壁１０．２の周囲に巻かれ、ダクト外壁１０．４によって包囲されている。伝熱液は、吸着管と内外の両ダクトとの間に形成されたらせん通路を通って流れるように強いられる。この構造は、熱交換機中の伝熱液の量を最小化し、したがって、温度変化をできるだけ大きく維持するのに役立つ。装置の近隣環境への熱利得又は熱損失を減らすため、水ダクトは、有利には、たとえばポリスチレン又はポリウレタンフォーム又はガラスファイバの層１０．５によって断熱することができる。

本発明のさらなる実施態様では、伝熱流体はガス、好ましくは空気である。これを吸着管の外面に沿って流すことができる。良好な伝熱を提供するため、管の外面には、縦方向又はらせん形のフィンが装着される。吸着材から吸着管の内壁への伝熱は、有利には、好ましくは管軸に対して垂直に設置されている金属メッシュ又はファイバの有孔金属プレート又はディスクによって促進することができる。最適な伝熱のためには、これらが内壁と密接しているべきである。これらのディスクはまた、作動流体ガス流を狭窄させて吸着管に沿って圧力勾配を生じさせるように働くことができる。たとえば、有孔金属プレートが使用される場合、プレートの数ならびに穿孔の直径及び数は、所望の圧力勾配が得られるように選択することができる。

吸着材と伝熱流体との間の良好な伝熱は最適な性能にとって明らかに望ましい。水素とともに使用することができる金属吸着材が、非金属材料、たとえばカーボン、ゼオライト及びシリカゲルよりもずっと高い熱伝導率を有するという点で特に有利である。

流体／吸着材組み合わせの選択は、多数の要因（所与の用途のための最適な性能を提供するためには、その数値を選択しなければならない）及び吸着性熱交換器の設計に依存することができる。吸着材は、上記のように管に収容することができる。吸着材は、それぞれが同時に圧縮又は吸引を受ける並列な管のセットに収容することができる。あるいはまた、吸着材は、管によって直列に接続された管のセットに収容することもできる。１本の管を通しての圧力降下は小さいかもしれないが、一連の管に通すと、接続管中でガス流に制限を加えることにより、実質的な圧力勾配を生じさせることができる。本発明のもう一つの実施態様では、吸着材は、エッジをシールされ、両端に入口及び出口を備える１対のプレートの中に収容される。伝熱流体は、プレートの外面を流れることにより、熱を除去又は付加する。この構築モードは、吸着プレート熱交換器を製造する。これらのプレート熱交換器のセットを並列にアセンブルして、伝熱流体が熱交換器の各対の間を流れるようなモジュールにすることができる。

本発明の好ましい実施態様では、装置は、作動流体、機械的動力の供給源によって駆動される容積式圧縮機及び圧縮された作動流体のパルスが通過しながら膨張することができる多孔質吸着性固体を含む。冷却は、固体の一端と接触したガスの圧力を減らすことにより、多孔質固体からの作動流体の脱着によって生じ、他方、他端における固体による作動流体の圧力誘発吸着が加熱を生じさせる。好ましい作動流体／吸着性固体の組み合わせは、吸着及び脱着の熱が圧縮熱よりも実質的に大きくなるように選択される。より好ましくは、吸着及び脱着の熱は、従来のランキンサイクルベースの装置のために現在使用されている、取って代わられるＣＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＦＣ、炭化水素及びアンモニア作動流体の蒸発潜熱に匹敵しうるべきである。

装置の一つの構造が図１１に示されている。圧縮機は、クランクシャフト１１．４に取り付けられたピストンロッド１１．３によって駆動されてシリンダ１１．２中を移動するピストン１１．１からなる。クランクシャフトは、図示しない電気モータ又は他の原動源によって駆動される。圧縮機は２個のバルブ１１．５及び１１．６を備えている。ピストンとシリンダヘッドとの間の行程容積が熱交換器１１．７中の圧力をちょうど下回ると、入口又は吸引バルブ１１．５が開く。これは、ピストンが下死点に向けて動くときに起こる。逆に、ピストンとシリンダヘッドとの間の行程容積が熱交換器１１．９中の圧力をちょうど上回ると、出口又は吐き出しバルブ１１．６が開く。これは、ピストンが上死点に向けて動くときに起こる。熱交換器１１．８は圧縮熱を大気に捨てる。吸着性多孔質固体１１．１０が作動流体と相互作用して、その圧力を、装置が設計されているレベルまで下げ、１１．７と１１．９との間に圧力差を維持することができるようにその流れに対する抵抗を提供する。装置は、設計の圧力限界を損なうことなく熱ポンピング能力を最大化するのに十分な作動流体を充填される。通常、装置は、３０bargまでの最大作動圧に耐えることができる。より低コストの装置の場合、作動圧は、好ましくは２０bargを超えない。

装置は、以下のステップによって記載されるサイクルで、往復圧縮機の吸引行程が完了したばかりであり、圧縮行程がまさに始まろうとしている状態、すなわち下死点から出発して作動する。

（ａ）ピストンがシリンダに打ち込まれると同時にガス作動流体の温度及び圧力が上昇すると、吐き出しバルブ１１．６が開き、圧縮ガスが熱交換器１１．８中に吐き出される。
（ｂ）熱交換器１１．８が圧縮の熱を空気又は水流又は他の適切なヒートシンクに捨てる。
（ｃ）次いで、冷却された圧縮ガスが高温の多孔質固体含有熱交換器１１．９に入り、そこで吸着され、吸着熱が気流に捨てられ、気流がそれによって加熱される。
（ｄ）作動流体が、圧縮機によって固体をはさんで生じた圧力勾配の影響の下、多孔質固体中を低温熱交換器１１．７に向けて移動する。
（ｅ）ピストンの方向が逆転し、それによってシリンダ中の圧力を減らして、吸引バルブ１１．５を開かせて、作動流体が低温熱交換器１１．７中の多孔質固体から脱着するようにする。脱着熱は外部空気流によって供給され、空気流がそれによって冷却される。
（ｆ）ピストンの方向が再び逆転し、ガスを圧縮し始めて、吸引バルブを閉じさせて、それによってサイクルを完了させる。

説明したモードで装置が正しく作動するためには、１１．７及び１１．９を接続する多孔質固体中の任意の点におけるガスの圧力が平均値を中心に変動して、作動流体が、圧縮機によって誘発される一連の吸着及び脱着を介して固体中を移動するようにすることが重要である。この過程は、１１．７及び１１．９におけるエンタルピー変化に大きく寄与する。また、装置の性能を最適化するために、図１１に示すように、外部気流が熱交換器に沿って揺動すべきである。これらの揺動は、吸引による吸着床からのＣＯ₂の脱着の間には空気がＣＯ₂と同じ方向に流れるように位相合わせされる。逆に、圧縮中のＣＯ₂の吸着の間には、気流はＣＯ₂流に対して向流である。

図１１に示す往復圧縮機に代えて、回転型、スライドベーン型又はダイアフラム型をはじめとする容積式圧縮機を用いることもできる。スライド面が押し退け容積中で潤滑液によって潤滑される圧縮機は、微小な油滴が吸着床を汚すことを防ぐために、圧縮機と吸着床との間に油分離器を要するであろう。したがって、オイルフリーの圧縮機、すなわち、作動流体と接触する移動面が押し退け容積中で潤滑液によって潤滑されない圧縮機が好ましい。特に好ましいものは、ダイアフラムの大きな表面積を介しての作動流体の効果的な冷却及びダイアフラムを駆動する循環油圧油の冷却によって一部のユニットで強化された圧縮機ヘッドのおかげで、等エントリピー条件よりも等温条件に近いところで作動するダイアフラム型圧縮機である。ダイアフラム圧縮機のエネルギー効率は、往復圧縮機のエネルギー効率よりも優れていることができる。ダイアフラムと圧縮機ケースとの間に優れたシールを設けることができるため、液漏れ速度はずっと低く、一方、オイルフリーの往復圧縮機は、従来の往復ユニットの油膜の優れたシール性を有しない。デューティーが低い用途、たとえば家庭用冷蔵庫及び室内空調ユニットの場合、ダイアフラム型圧縮機は、優れたガスシールと外部電気モータとの組み合わせの提供において、従来の油入気密往復及び回転ユニットに対して利点を有する。後者によって発生する熱は、簡単な冷却ファンによって放散させることができる。従来の気密システムでは、モータ冷却は部分的に油によって提供され、その油が熱をケーシング及び冷媒に伝達し、その冷媒が熱を復水器に伝達する。電気モータの内部冷却の必要を除くことにより、サイクルのエネルギー効率を改善することができる。

吸着床の高温端で圧縮ガスのパルスを印加し、低温端で膨張ガスのパルスを除去するように構成されているならば、種々の圧縮機設計を使用することができる。図１１は、高い熱伝導率、ひいてはバルクから外部ガス流への良好な伝熱を有する吸着材に特に適している、これを達成する一つの方法を図示する。特に、水素／多孔質金属吸着材の組み合わせがこの目的に適している。このような組み合わせの性能は、吸着床中に周期的な熱的絶縁破壊を含めることによって、たとえば吸着床に沿って周期的に多孔質ポリマープラグを含めることによって高めることができる。

図１２は、本発明のさらなる実施態様を図示する。所望の圧力比を達成することができる任意のタイプの圧縮機１２．３により、２個の容器、すなわち低圧の１２．１と高圧の１２．２との間に圧力差が維持される。これは、必要ならば多段化された、パルス容積式及び連続送りターボ／遠心型の両方を含む。被駆動バルブ１２．６を周期的に切り替えることにより、圧縮された作動流体ガス又は蒸気のパルスが吸着床１２．５の高温／高圧熱交換器１２．４に印加される。被駆動バルブ１２．８を周期的に切り替えることにより、膨張した作動流体のパルスが低温／低圧熱交換器１２．７から除去される。図１１の設計に対する図１２に示す設計の利点は、圧縮及び吸引パルスの独立した位相合わせならびに連続送り出し圧縮機を使用する能力を含む。熱交換器１２．９は圧縮熱を大気に捨てる。図１２に示す構造は、吸着床時間に適用される圧力／吸引パルスのサイクル時間を、システムを駆動するために使用される容積式圧縮機のサイクル時間よりも実質的に長くすることを可能にする。この設計は、多孔質金属よりも低い熱伝導率を有する吸着材を使用する場合に特に好ましい。

活性炭のような多孔質固体は、蒸気及びガスに関して優れた吸着能力を有するが、熱導体としては劣り、吸引段階中に熱を取り込み、圧縮段階中に熱を捨てることを可能にするためには長いサイクル時間、たとえば１分超を要する。このようなやり方で作動するならば、ヒートポンプが冷却に使用される場合、ヒートポンプは、その作動サイクルの半分の間だけしか冷気を供給しない。この制限は、一方の吸着床が吸引／脱着を受けているとき他方の吸着床が圧縮／吸着を受けるような１８０°位相外れで作動する二つの吸着床を含む本発明のさらなる好ましい実施態様で解消される。１対の吸着管を使用するこの実施態様が図１３ａ〜１３ｆに示されている。この装置は、部屋又は乗り物の客室のような密閉空間を空調するためのものである。密閉空間に入る空気は一般に１０〜１５℃であり、外部環境に排出される空気は一般に３５〜６０℃である。吸着材は、図１３ｂに示す２本の空気ダクト１３．１２及び１３．１３に囲い込まれた２本のフィン付き管１３．１及び１３．２の中に収容されている。ファン１３．５及び１３．９によって空気がダクトに押し込まれる。ファン１３．９は、空調されている部屋からの排気を吸引し、ファン１３．５は外気を引き込む。図１３ｃに示す可動ベーン１３．１４及び１３．１５を作動させることにより、２個のファンからの流れは１３．１２と１３．１３との間で周期的かつ同時に交代する。図１３ｃでは、ベーンは、１３．５からの外気の流れがダクト１３．１３に吹き込まれ、部屋からの排気がダクト１３．１２に通されるように示されている。点線はベーンの交代位置を示す。作動流体は、モータ１３．１６によって駆動される圧縮機１３．６によって圧縮される。設備を通過する作動流体の流れは、均圧化バルブ１３．３ならびに作動流体の流れを１３．１と１３．２との間で周期的に切り替えるように働く切り替えバルブ１３．７及び１３．８により、一方が吸引状態になると他方が圧縮状態になるように制御される。圧縮熱は、ファン１３．１１によって空気を送り込まれる熱交換機１３．１０を介して捨てられる。２セットとして配設された多数の吸着管を有するこの設計を示す図１３ｄ、１３ｅ及び１３ｆは、室内空調装置に適用された場合のその動作を示す。作動流体が圧縮機１３．６によって循環路を回るように駆動される。伝熱を高めるため、各吸着床は、気流に暴露される表面積を最大化するため、吸着材を装填された多数の並行な管からなる。サイクルの動作を、非限定的な例により、図１３ｄに示すポイントから出発して説明する。吸着床１３．１は、部屋からの排気の温度にあり、最大作動圧で吸着された、たとえば２０℃及び２０バールの作動流体を含有する。１３．２は、外部周囲空気の温度にあり、システムの最小圧で吸着された、たとえば３０℃及び１バールの作動流体を含有する。

ａ．いずれの吸着床にも気流がない状態で、圧縮機をオフにし、バルブ１３．７及び１３．８を閉じ、バルブ１３．３を開けて、作動流体を１３．１から１３．２に流れさせる。あるいはまた、作動流体を圧縮機又は別のエンジンに通して圧力を均等化するように配設することもでき、その場合、圧縮機又はエンジンから有効な仕事を得ることができる利点がある。結果として生じる断熱過程で、１３．１の温度は排気温度よりも低くなる。逆に、流体が吸着されるにつれ、１３．１の温度は外部周囲温度よりも高くなる。

ｂ．圧力が本質的に均等化すると、１３．３が閉じる。１３．７及び１３．８が開き、圧縮機１３．６がオンになって、作動流体が１３．１（脱着）から１３．２（吸着）にポンピングされる（図１３ｅ）。したがって、ファン１３．５によって駆動されて１３．１の上を流れる周囲外気が冷却され、所望の低温、たとえば１０℃で部屋に入る。逆に、等しい体積の部屋からの排気がファン１３．９によって部屋から除去され、１３．２の上を流れ、そこで、外部周囲空気の温度よりも高い温度まで加熱されたのち、大気に捨てられる。

ｃ．１３．１及び１３．２は、その長さが直径よりも実質的に大きいように設計されているため、各吸着材含有熱交換器から出る気流の温度は、１３．１がその長手全体にわたって周囲空気温度まで本質的に加熱され、１３．２が排気温度まで本質的に冷却されるまで、おおむね一定のままである。

ｄ．このポイントに達すると、装置は、初期条件に類似した条件（ａ）に達しているが、今や１３．１が低圧及び周囲温度にあり、１３．２が高圧及び排気温度にある。換言するならば、１３．１及び１３．２はそれぞれの役割を逆転している。

ｅ．サイクルは、装置がその初期条件に戻るまで、上記（ａ）〜（ｃ）で説明したように継続する。この結果を達成するために、ベーン１３．１４及び１３．１５を切り替えて、それにより、図１３ｆのダクト１３．１２及び１３．１３を通過する気流を逆転させる。同時に、バルブ１３．７及び１３．８をリセットして、圧縮機が作動流体を１３．２から１３．１に伝達することを可能にする。

装置のさらなる好ましい実施態様では、２対以上の吸着性熱交換器が使用されて、１対の熱交換器の間で圧力が均等化されるとき、圧縮機が第二の対の熱交換器の２個の部材の間で作動流体を移動し続けるようにする。この構造には、効果的な連続ヒートポンピングを提供する利点がある。

本発明のさらなる実施態様では、吸着床は循環液によって冷却され、加熱される。図１４は、この装置のための一つの可能な設計を示す。内部伝熱管を収容する吸着管が、圧縮機１４．７、均圧バルブ１４．１１、流れ切り替えバルブ１４．３及び１４．４ならびに圧縮熱を捨てる熱交換器１４．１２とともに回路の状態にある。液回路は、２個のブリッジ整流器１４．５及び１４．６に配設された８個の流体論理ダイオード、入出力流を周期的に逆転させることができる液ポンプ１４．１０ならびに２個の外部熱交換器１４．８及び１４．９を含む。この設計は、液体が吸着性熱交換器中で揺動することを許しながら液体が外部熱交換器１４．８及び１４．９を同じ方向に通過することを可能にする。伝熱液回路は図１４中の実線によって示されている。用いられるサイクルは、本質的に、図１３ｄ、１３ｅ及び１３ｆの装置に関して説明したサイクルである。作動流体は、一つの吸着床から脱着され、圧縮機１４．７の作用によって他方の吸着床に対して圧縮される。点線は作動流体回路を示す。本発明の一つの実施態様では、液体は吸着床内の一つ以上の管を通過する。あるいはまた、液体は、吸着材含有管に対して外にあるダクトを通過して流れることもできる。図１４に示す装置は、冷却されるエンクロージャ及び空気の有意部分を部屋又は建物内で再循環させる水冷却空調システムに適している。

適当な伝熱液は、初期の用途によって決まる性質の組み合わせを必要とする。空調の場合、空気が魅力的な選択肢である。液体が用いられる場合、好ましくは、ポンピングエネルギーを最小化するために低い粘度を有する。好ましくは、液体は、０．０２５Pa・s未満、好ましくは０．０１Pa・s未満、もっとも好ましくは０．００１Pa・s未満の動粘度を有するべきである。液循環システムが適切に加圧されるならば、一定範囲の沸点を有する液体を考慮することができる。好ましくは、作動の都合のため、液体は、吸着材が達する最高温度よりも高い正規沸点を有するべきである。液体は、装置内で発生する最低温度未満で凍結してはならない。好ましくは、液体は、１００℃を超える、より好ましくは１３０℃を超える、さらに好ましくは２００℃を超える引火点を有する。もっとも好ましくは、液体は不燃性であるべきである。好ましい液体としては、当該産業で二次冷媒としてすでに公知である液体がある。これらの物質は、水、ブライン、グリコール、アルコール、炭化水素油、シリコーン油及び部分的にフッ素化されたエーテル、過フッ素化されたエーテル及び塩素化された液体をはじめとするハロゲン化化合物を含む。相溶性である場合、これらの液体を混合物として使用することもできる。

−５０℃までの低い冷却温度の場合、１００℃を超える引火点及び最高温度を超える正規沸点の所望の性質を保持しながらも広い液体範囲を有する組成物が必要である。好ましい物質としては、炭素原子３個以上を含む、非環式であることもできるし環式であることもできるエステル及びエーテルがある。好ましい物質としては、グリコール又はポリオール環式カーボネート及び環式エーテルがあるが、これらに限定されない。特に好ましいものは、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート及びジメチルイソソルビドである。また、エステル、エーテル、グリコールを互い及び水とともに含むブレンドを使用することもできる。液体は、場合によっては、一つ以上の所望の組成物性質、たとえばより低い凝固点、より高い沸点、より低い粘度又はより高い引火点を改善する添加物を含有することもできる。そのような添加物は、単独で使用されるならば好ましくないが、それらが組成の５０質量％未満しか構成しない混合物として使用される場合、許容可能である。

フッ素又は塩素化物質を含有する組成物による環境に対する悪影響を避けるため、これらの化合物は、好ましくは、非常に低い蒸気圧を有するか、対流圏中の反応性種による速やかな分解を促進する反応性基、たとえば二重又は三重結合を含むべきである。

吸着材を含有し、外ダクトが伝熱流体を含有する熱交換器の図である。 図１に示す熱交換器アセンブリの断面図である。 円柱形の伝熱液ダクトの中に収容された多数の吸着管の断面図である。 六角形の伝熱液ダクトの中に収容された多数の吸着管の断面図である。 縦方向伝熱フィン及びらせん伝熱フィンを示す単一吸着管の断面図である。 内部伝熱流体管を備えた吸着管熱交換器の図である。 図６に示す熱交換器の断面図である。 多数の伝熱流体管を収容する吸着管の断面図である。 らせんに巻かれた熱吸着管を示す図である。 ダクト内に囲い込まれたらせんに巻かれた熱交換管の断面図である。 本発明の第一の装置の略図である。 本発明の第二の装置の略図である。 本発明の第三の装置の図である。 本発明の第三の装置の図である。 本発明の第三の装置の図である。 本発明の第三の装置の図である。 本発明の第三の装置の図である。 本発明の第三の装置の図である。 本発明の第三の装置の図である。 本発明の第四の装置の略図である。

Claims (49)

1. 少なくとも一つの熱交換器、
   入口及び出口を収容し、熱交換器と熱的に接触する状態に配置されている多孔質吸着材のボディ、
   作動流体をボディに通すための手段、及び
   作動流体中に周期的な圧縮及び膨張パルスを誘発して作動流体を入口から出口に流れさせてボディ中に入口と出口との間で温度勾配を生じさせるための手段
   を含むヒートポンプ装置。
2. 伝熱流体、
   伝熱流体の流れが熱交換器から熱を除去する、又は熱交換器に熱を加えるように配設された、伝熱流体を熱交換器と熱的に接触させながら通すための手段
   をさらに含む、請求項１記載の装置。
3. 伝熱流体の流れの方向が作動流体の圧縮及び膨張パルスとともに変化する、請求項２記載の装置。
4. 伝熱流体の流れの方向が作動流体の圧縮及び膨張パルスと同調して逆転する、請求項３記載の装置。
5. 伝熱流体の流れの方向の逆転が前記パルスと同期化している、請求項４記載の装置。
6. 作動流体の周期的な動きの周波数が伝熱流体の周期的な動きの周波数と同じである、請求項３〜５のいずれか１項記載の装置。
7. 作動流体中にパルスを誘発するための手段が容積式圧縮機である、請求項１〜６のいずれか１項記載の装置。
8. 作動流体中にパルスを誘発するための手段がバルブ切り替えシステム及び圧縮機を含む、請求項１〜６のいずれか１項記載の装置。
9. バルブ切り替えシステムが吸着材のボディを作動流体の高圧タンクと低圧タンクとに交互に接続する、請求項８記載の装置。
10. 作動流体が吸着材と接触する前に作動流体から圧縮熱を除去するように適合されたさらなる熱交換器を含む、請求項１〜９のいずれか１項記載の装置。
11. 温度勾配が、入口における比較的高い温度及び出口における比較的低い温度を含む、請求項１〜１０のいずれか１項記載の装置。
12. 作動流体が、蒸気又はガス又はそれらの混合物からなる群より選択される、請求項１〜１１のいずれか１項記載の装置。
13. 複数の熱交換器を含む、請求項１〜１２のいずれか１項記載の装置。
14. 作動流体が、−１４０℃〜４０℃で沸騰する単一のフルオロカーボン又はフルオロカーボンの混合物である、請求項１〜１３のいずれか１項記載の装置。
15. 作動流体が−９０℃〜０℃の沸点を有する、請求項１４記載の装置。
16. 作動流体が−９０℃〜−２０℃の沸点を有する、請求項１５記載の装置。
17. 作動流体が、メタン、エタン、プロパン、イソブタン及びブタンならびにそれらの混合物からなる群より選択される炭化水素である、請求項１〜１３のいずれか１項記載の装置。
18. 作動流体が窒素である、請求項１〜１３のいずれか１項記載の装置。
19. 作動流体が二酸化炭素である、請求項１〜１３のいずれか１項記載の装置。
20. 作動流体が水素である、請求項１〜１３のいずれか１項記載の装置。
21. 作動流体が希ガスである、請求項１〜１３のいずれか１項記載の装置。
22. 多孔質固体が、そのボイド容量の少なくとも１０％を直径２nm未満のミクロ細孔の形態で有する、請求項１〜２１のいずれか１項記載の装置。
23. 多孔質固体が、そのボイド容量の少なくとも１０％を直径５０nm未満のメソ細孔の形態で有する、請求項２２記載の装置。
24. 多孔質固体が、そのボイド容量の少なくとも２０％を直径５０nm超のマクロ細孔の形態で有する、請求項２３記載の装置。
25. 吸着性多孔質固体が炭素系材料である、請求項１〜２４のいずれか１項記載の装置。
26. 吸着性多孔質固体が木炭材料である、請求項２５記載の装置。
27. 吸着性多孔質固体が活性炭材料である、請求項２６記載の装置。
28. 吸着性多孔質固体が有機ポリマー系材料である、請求項２５記載の装置。
29. 吸着性多孔質固体が本質的に無機の材料である、請求項２５記載の装置。
30. 吸着性多孔質固体が、金属もしくはメタロイド元素の酸化物又はそれらの組み合わせである、請求項２９記載の装置。
31. 吸着性多孔質固体がゼオライトである、請求項２９記載の装置。
32. 吸着性多孔質固体がふるいである、請求項２９記載の装置。
33. 吸着性多孔質固体が、シリカ、アルミナ、二酸化チタン及びそれらの混合物からなる群より選択される、請求項２９記載の装置。
34. 吸着性多孔質固体がエアロゲルである、請求項１〜２１のいずれか１項記載の装置。
35. 吸着性多孔質固体が低揮発性溶媒で含浸されている、請求項１〜３４のいずれか１項記載の装置。
36. 吸着性多孔質固体が、熱伝導率を高めるための添加物を含む、請求項１〜３５のいずれか１項記載の装置。
37. 熱交換器の吸着エンタルピーと脱着エンタルピーとが本質的に同じである、請求項１〜３６のいずれか１項記載の装置。
38. 前記パルスが１秒〜１０分の範囲の期間を有する、請求項１〜３７のいずれか１項記載の装置。
39. 期間が１秒〜３０秒の範囲にある、請求項３６記載の装置。
40. 期間が１秒〜１０秒の範囲にある、請求項３９記載の装置。
41. 入口と出口との間に作動流体の圧力勾配がある、請求項１〜４０のいずれか１項記載の装置。
42. 作動流体が混合物である、請求項１〜４１のいずれか１項記載の装置。
43. 作動流体が、強く吸着される流体と弱く吸着される流体との混合物である、請求項４２記載の装置。
44. 作動流体が二酸化炭素と窒素との混合物である、請求項４２又は４３記載の装置。
45. 作動流体が二酸化炭素とアルゴンとの混合物である、請求項４２又は４３記載の装置。
46. 作動流体が、二酸化炭素又はアンモニアと水素、ヘリウム又はそれらの混合物との混合物である、請求項４２又は４３記載の装置。
47. 作動流体が二酸化炭素とプロパンとの混合物である、請求項４２又は４３記載の装置。
48. ２個の熱交換器の間に設置された吸着性多孔質固体を通過する作動流体蒸気又はガス中に周期的な膨張及び圧縮パルスを誘発することによって２個の熱交換器の間に温度差が設けられるヒートポンプ装置。
49. 各熱交換器と外部の単相伝熱液との間の温度差が本質的に一定である、請求項３９記載の装置。

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