JP5556889B2 - 吸着式ヒートポンプ - Google Patents

Description

本発明は、吸着式ヒートポンプに関する。

近年、高度情報化社会の到来にともなって計算機で多量のデータが取り扱われるようになり、多数の計算機を同一室内に設置して一括管理することが多くなっている。例えばデータセンターでは、計算機室内に多数のラック（サーバーラック）を設置し、それぞれのラックに複数の計算機（サーバ）を収納している。そして、それらの計算機にジョブを有機的に配分し、大量のジョブを効率的に処理している。

ところで、データセンターでは計算機の稼働にともなって大量の熱（廃熱）が発生する。従来、これらの熱は大気中に放出されていたが、省エネルギー及び環境負荷低減の観点から、これらの熱を回収して再利用することが提案されている。そこで、比較的低温の熱を回収して再利用するための装置として、吸着式ヒートポンプが注目されている。

吸着式ヒートポンプは、例えば、蒸発器と、２つの吸着剤熱交換器と、凝縮器とを有し、水又はメタノール等の冷媒が気化するときに周囲の熱を奪うことを利用して蒸発器内の配管を通る水の温度を下げている。このとき気化した冷媒は、吸着剤熱交換器内に配置された吸着剤に吸着される。

一方の吸着剤熱交換器が冷媒の吸着に用いられている間、他方の吸着剤熱交換器では吸着剤の再生（乾燥）を行う。再生側の吸着剤熱交換器では、熱交換器内に廃熱により温度が上昇した温水を通して吸着剤を加熱し、冷媒を蒸発させている。吸着剤から離脱した冷媒の蒸気は凝縮器において冷却されて液体に戻り、蒸発器に移送される。

吸着式ヒートポンプでは、冷媒を吸着する吸着剤熱交換器と、吸着剤を再生する吸着剤熱交換器とを一定の時間毎に切り換えている。

特開２０００−３５２５６号公報 特開２００３−１１４０６７号公報

より一層の省エネルギー及び環境負荷低減を進めるためには、吸着式ヒートポンプの熱効率のより一層の向上が望まれる。

以上から、従来に比べて熱効率がより一層向上した吸着式ヒートポンプを提供することを目的とする。

一観点によれば、冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器で蒸発した蒸気を吸着する吸着部材と熱媒体が通る伝熱配管とが配置された吸着剤熱交換機とを有し、前記吸着剤熱交換器は、前記伝熱配管内を通る熱媒体の温度に応じて前記吸着部材を押圧し圧縮する押圧機構を有する吸着式ヒートポンプが提供される。

上記一観点に係る吸着式ヒートポンプは、伝熱配管内を通る熱媒体の温度に応じて吸着部材を押圧し圧縮する押圧機構を有する。これにより、再生時には吸着部材に吸着時よりも大きな押圧力を加えることができ、吸着部材内の隙間が小さくなって熱伝導速度が速くなる。その結果、吸着時の吸着効率を維持したまま、再生時の熱伝導速度を速くすることができ、従来に比べて熱効率をより一層向上させることができる。

図１は、第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの模式図である。 図２（ａ）は第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの吸着剤熱交換器内の構造を表した平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中に破線で囲んだ部分の拡大図である。 図３（ａ），（ｂ）は、伝熱配管内に流れる熱媒体の温度によるバイメタルの変形を示す模式図である。 図４は、テスト用熱交換器に温度が６５℃の温水を通流させ、吸着剤シートの温度が６０℃になる時間を調べた結果を示す図である。 図５は、第２の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの吸着剤熱交換器内の構造を表す平面図である。 図６（ａ），（ｂ）は、第３の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの吸着剤熱交換器内の構造を表す平面図である。 図７は、第３の実施形態に係る吸着式ヒートポンプのカム駆動機構を表す模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

吸着式ヒートポンプの熱効率を向上させるためには、冷媒の蒸気を吸着剤に吸着させるとき（吸着時）の吸着速度を上昇させることと、吸着剤を乾燥させるとき（再生時）に温水の熱を全ての吸着剤に迅速に伝達することが重要である。冷媒の吸着速度を上昇させるためには、吸着剤間の隙間を冷媒の蒸気が通流しやすくすることが重要であり、吸着剤間の隙間が大きいほうが好ましい。一方、温水の熱を全ての吸着剤に迅速に伝達するためには、吸着剤間の熱伝導速度を上昇させることが重要であり、吸着剤間の隙間が小さいほうが好ましい。

つまり、吸着剤の充填を密にすると再生時の吸着剤間の熱伝導速度は上昇するが、冷媒吸着時の吸着速度は低下する。逆に、吸着剤の充填を疎にすると冷媒吸着時の吸着速度は上昇するが、再生時の吸着剤間の熱伝導速度は低下する。このため、従来の吸着式ヒートポンプでは、冷媒吸着時の吸着速度と再生時の吸着剤間の熱伝導速度とをいずれも上昇させることは難しい。

（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの模式図である。また、図２（ａ）は同じくその吸着式ヒートポンプの吸着剤熱交換器内の構造を表した平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中に破線で囲んだ部分の拡大図である。

図１のように、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０は、蒸発器１１と、凝縮器１２と、吸着剤熱交換器１３，１４とを有している。蒸発器１１と吸着剤熱交換器１３，１４とはそれぞれバルブ１５ａ，１５ｂを介して接続されており、凝縮器１２と吸着剤熱交換器１３，１４とはそれぞれバルブ１６ａ，１６ｂを介して接続されている。なお、吸着式ヒートポンプ１０内の空間は、真空装置（図示せず）により減圧されている。

蒸発器１１内には、冷却配管２１と、冷却配管２１に液状の冷媒をスプレーするスプレーノズル（図示せず）とが設けられている。冷却配管２１には、冷却対象装置（例えばサーバ等）を冷却する冷却水が通流する。

凝縮器１２内には、冷却配管２２が設けられている。冷却配管２２には図示しない給水装置から冷却水が供給され、後述するように気体状の冷媒を凝縮して液体にする。凝縮器１２と蒸発器１１とは配管２５により接続されており、凝縮器１２で液体となった冷媒は配管２５を通って蒸発器１１に移送され、スプレーノズルからスプレーされる。

吸着剤熱交換器１３，１４内には、それぞれ伝熱配管２３と吸着部材２４とが配置されている。伝熱配管２３は、図２（ａ）のように、熱媒体（冷却水又は温水）が流入する入口側マニホールド３１と、熱媒体が流出する出口側マニホールド３２と、それらのマニホールド３１，３２間に並列接続された複数の分岐管３３とを有する。

各分岐管３３間には、分岐管３３に対し垂直に配置されて分岐管３３間を連絡する第１の伝熱板３４と、分岐管３３に対し平行に配置されて各伝熱板３４間を連絡する第２の伝熱板３５とが配置されている。これらの伝熱板３４，３５により、分岐管３３間が複数の矩形状の空間に分割されている。伝熱板３４，３５は、例えば熱伝導性が良好な銅等の金属又はカーボンプレート等により形成されている。このため、伝熱板３４，３５の温度は、分岐管３３内を通る熱媒体の温度とほぼ等しくなる。

伝熱板３４，３５により分割された各矩形状の空間内には、図２（ｂ）のように、冷媒を吸着する吸着部材２４と、バイメタル（熱感応部材）３７と、押圧板３６とが配置されている。バイメタル３７は熱膨張率が異なる２種類の金属板を貼り合わせた構造を有し、例えば鉄（Ｆｅ）及びニッケル（Ｎｉ）を主成分とする合金により形成されている。熱膨張率は、例えば合金中に添加する元素（例えば、Ｍｎ、Ｃｒ及びＣｕ等）とその添加量とにより調整される。

バイメタル３７は“Ｊ”字状に形成されており、その一方の端部側の直線状の部分が伝熱板３５に固定され、他方の端部側（以下、先端側ともいう）の湾曲した部分が押圧板３６に接触するように配置されている。また、吸着部材２４は、押圧板３６と分岐管３３との間に配置されている。

バイメタル３７は、所定の温度よりも高くなると先端側の湾曲した部分の曲率半径が大きくなり、押圧板３６を分岐管３３に向けて押圧する。これにより、吸着部材２４が押圧板３６と分岐管３３とに挟まれて圧縮される。

なお、本実施形態では、繊維状の活性炭（吸着剤）をシート状（布状）に加工して吸着剤シート２４ａとし、複数の吸着剤シート２４ａを重ね合わせたものを吸着部材２４として使用する。吸着部材２４はシート状に加工した活性炭に限定するものではないが、吸着部材２４には押圧板３６を介して印加される応力に応じて弾力的に変形することが要求される。

以下、上述した吸着式ヒートポンプ１０の動作について説明する。ここでは、初期状態において、図１に示すように蒸発器１１と吸着剤熱交換器１３との間のバルブ１５ａ、及び吸着剤熱交換器１４と凝縮器１２との間のバルブ１６ｂが、いずれも開状態であるとする。また、蒸発器１１と吸着剤熱交換器１４との間のバルブ１５ｂ、及び吸着剤熱交換器１３と凝縮器１２との間のバルブ１６ａが、いずれも閉状態であるとする。

更に、ここでは、冷媒として水を使用するものとする。更にまた、吸着式ヒートポンプ１０内の空間は、真空装置（図示せず）により例えば０．６ｋＰａ〜６．０ｋＰａ程度に減圧されているものとする。更にまた、バイメタル３７は、温度が４０℃を超えると先端側の湾曲した部分の曲率半径が大きくなり、押圧板３６を介して吸着部材２４に圧力を印加するものとする。

蒸発器１１の冷却配管２１には、冷却対象装置（例えばサーバ等）から冷却に使用された冷却水が供給される。ここでは、蒸発器１１に供給される冷却水の温度は２０℃〜２５℃程度であるとする。

冷却配管２１にスプレーノズルから水をスプレーすると、蒸発器１１内が減圧されているため、スプレーされた水が冷却配管２１の周面又はその近傍で容易に蒸発（気化）して、冷却配管２１から潜熱を奪う。これにより、冷却配管２１内を通流する冷却水の温度が下がり、冷却配管２１から低温（例えば１８℃程度）の冷却水が排出される。この冷却水は冷却対象装置に戻り、冷却対象装置の冷却に使用される。

蒸発器１１で発生した水蒸気（気体状の冷媒）は、開状態のバルブ１５ａを介して吸着剤熱交換器１３内に進入し、吸着剤熱交換器１３内の吸着部材２４に吸着される。水蒸気が吸着部材２４に吸着されると水（液体）に変化して、気化熱に相当する分の熱が発生する。この熱は伝熱配管２３内を通る冷却水（熱媒体）に伝達され、その結果冷却配管２３内を通る冷却水の温度が上昇する。ここでは、冷却配管２３には冷却水として常温（例えば２５℃）の水が供給されるものとする。

この場合、伝熱配管２３（分岐管３３）内を流れる冷却水の温度が２５℃程度と低いため、図３（ａ）に模式的に示すように、バイメタル３７の先端側の曲率半径が小さくなる。そのため、押圧板３６に対する押圧力が小さくなり、吸着部材２４の弾力性により吸着シート２４ａ間の隙間が広がる。これにより、冷媒の蒸気が吸着剤シート２４ａ間の隙間に比較的容易に進入し、吸着剤シート２４ａに冷媒の蒸気が吸着される速度（吸着速度）が速くなる。

一方の吸着剤熱交換器１３で蒸発器１１から発生する気体状の冷媒を吸着する吸着工程を実施している間、他方の吸着剤熱交換器１４では吸着部材２４を再生（乾燥）する再生工程を実施する。すなわち、吸着剤熱交換器１４の伝熱配管２３には、熱媒体として廃熱により温度が上昇した温水（例えば７０℃程度の温水）が供給される。この温水により吸着部材２４が加熱され、吸着部材２４に吸着されていた水分が気体（水蒸気）となって吸着部材２４から離脱する。

この場合、伝熱配管２３（分岐管３３）内を流れる温水の温度が７０℃程度と高いため、図３（ｂ）に模式的に示すようにバイメタル３７の先端側の曲率半径が大きくなる。そのため、押圧板３６に対する押圧力が大きくなり、吸着部材２４は押圧板３６と分岐管３３とに挟まれて圧縮される。これにより、吸着剤シート２４ａ同士の接触が密になり、吸着剤シート２４ａ間の熱伝導速度が速くなって、各吸着剤シート２４ａからの冷媒（水）の蒸発が促進される。再生側の吸着剤熱交換器１４で発生した蒸気は、バルブ１６ｂを介して凝縮器１２内に進入する。

凝縮器１２内の冷却配管２２には例えば常温の冷却水が供給される。この冷却水として、吸着剤熱交換器１３の伝熱配管２３ａから排出される冷却水を使用してもよい。凝縮器１２に進入した水蒸気は、冷却配管２２の周面又はその近傍で凝縮して水（液体）となる。そして、この水は配管２５を介して蒸発器１１に移送され、スプレーノズルから冷却配管２１にスプレーされる。

バルブ１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂは、例えばタイマー（図示せず）から一定時間毎に出力される信号に応じて開閉状態が反転する。これと同時に、吸着剤熱交換器１３の伝熱配管２３には吸着剤熱交換器１４に供給されていた温水が供給され、吸着剤熱交換器１４の伝熱配管２３には吸着剤熱交換器１３に供給されていた冷却水が供給される。このようにして、吸着式熱交換器１３，１４は、一定の時間毎に吸着工程と再生工程とを交互に実施する。

上述したように、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０では、バイメタル３７の形状が温度により変化することを利用して吸着部材２４（吸着剤シート２４ａ）に印加される圧力を変化させている。これにより、冷媒吸着時には吸着剤シート２４ａ間の隙間が大きくなって吸着剤シート２４ａ間に冷媒の蒸気が通流しやすくなる。また、再生時には吸着剤シート２４ａ間の隙間が小さくなって、伝熱配管２３（分岐管３３）を通る温水の熱が各吸着剤シート２４ａに素早く伝達されるようになる。

このように、本実施形態によれば、冷媒吸着時の吸着速度と再生時の吸着剤シート２４ａ間の熱伝導速度との両方を上昇させることができる。その結果、単位時間当たりの処理量（冷却配管２１内を通る冷却水の冷却量）が多くなり、従来に比べて吸着式ヒートポンプの熱効率をより一層向上させることができる。

なお、上述の実施形態ではバイメタル３７により吸着剤シート２４ａに印加される圧力を変化させている。しかし、バイメタル３７に替えて、温度により形状が変化する形状記憶合金（例えば大同特殊鋼株式会社製KIOKALLOY（登録商標））又は形状記憶樹脂からなる部材を使用しても、同様の効果を得ることができる。

また、上述の実施形態では吸着剤として活性炭を使用しているが、吸着剤としてシリカゲルやゼオライトなどを使用してもよい。但し、活性炭は比較的低い温度範囲で水分の吸着と乾燥とが可能であるため、廃熱の温度が低くても使用できるという利点がある。

（実験例）
テスト用熱交換器１として、図２（ａ），（ｂ）に表した構造を有する熱交換器を作製した。但し、バイメタル３７として、湾曲係数（変形率）が１４×１０^-6／℃、力係数が４７５０ｋｇ／ｍｍ²、長さが１５ｍｍの平板型バイメタルを“Ｊ”字状に加工したものを使用した。また、押圧板３６として、厚さが０．５ｍｍ、純度が９９．９９％の銅板を使用した。

更に、吸着剤シート２４ａとして、クラレケミカル株式会社のクラクティブ（登録商標）を使用した。そして、幅が２０ｍｍ、長さが６０ｍｍの吸着剤シート２４ａを５枚重ねて吸着部材２４とし、伝熱板３５の両側にそれぞれ吸着部材２４を配置した。なお、分岐管３３間の間隔は１２ｍｍである。

一方、テスト用熱交換器２として、バイメタル３７の替わりにバイメタル３７と同一形状の銅板を配置したことを除けばテスト用熱交換器１と同様の構造の熱交換器を作製した。

これらのテスト用熱交換器１，２に温度が６５℃の温水を通流させ、吸着剤シート２４ａの温度が６０℃になる時間を調べた。その結果を図４に示す。

図４からわかるように、テスト用熱交換器１（バイメタルあり）では吸着剤シート２４ａの温度が６０℃になるまでに３分３０秒程度かかるのに対し、テスト用熱交換器２（バイメタルなし）では４分２０秒程度かかった。これにより、バイメタル３７を使用したテスト用熱交換器１のほうが、バイメタルを使用していないテスト用熱交換器２によりも熱伝導速度が速くなることが確認できた。

なお、テスト用熱交換器１に温水を通流したときには、バイメタル３７が変形して伝熱板３５と押圧板３６との隙間が広がることが観測された。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの吸着剤熱交換器内の構造を表す平面図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、バイメタル３７に替えて熱膨張部材４１を使用したことにあり、その他の構造は基本的に第１の実施形態と同じである。そのため、図５において図２（ｂ）と同一物には同一符号を付して、重複する部分の説明は省略する。

本実施形態に係る吸着式ヒートポンプでは、図５に示すように、伝熱板３５と押圧板３６との間に熱膨張係数が大きい樹脂、例えばポリエステル、ポリエチレン又はポリ塩化ビニル等からなる熱膨張部材４１を配置している。分岐管３３に温度が２５℃程度の冷却水が供給されているときには、熱膨張部材４１から押圧板３６への圧力印加が殆どない。

しかし、分岐管３３に温度が７０℃程度の温水が供給されると、熱膨張部材４１が熱膨張して押圧板３６を押圧し、吸着部材２４が押圧板３６と分岐管３３との間に挟まれて圧縮される。本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態においては、熱膨張部材が樹脂により形成されているため、腐食が発生しないという利点がある。

（第３の実施形態）
図６（ａ），（ｂ）は、第３の実施形態に係る吸着式ヒートポンプの吸着剤熱交換器内の構造を表す平面図、図７はカム駆動機構を表す模式図である。なお、本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、バイメタル３７に替えてカム５７とカム駆動機構とを設けたことにあり、その他の構造は基本的に第１の実施形態と同じである。そのため、図６（ａ），（ｂ）において図２（ｂ）と同一物には同一符号を付して、重複する部分の説明を省略する。

本実施形態においては、図６（ａ），（ｂ）のように、分岐管３３間に、それぞれ２組の吸着部材２４と、２枚の押圧板３６と、楕円形のカム５７とが配置されている。吸着部材２４は、第１の実施形態と同様に、複数の吸着剤シート２４ａ（シート状に加工した活性炭繊維）を重ねて形成されている。また、押圧板３６は、吸着部材２４を挟んで分岐管３３の反対側に配置されている。そして、カム５７は、２枚の押圧板３６の間に配置されている。

図７のように、カム５７の中心軸５６には、モータ５２の回転軸５３の回転がギア５４，５５を介して伝達される。モータ５２は制御部５１からの信号により駆動される。

この制御部５１は、伝熱配管２３の温度を温度センサ５８により測定し、その測定結果から伝熱配管２３内を通る熱媒体が冷却水か温水かを判定してモータ５２を駆動する。

例えば、伝熱配管２３の温度が４０℃以下の場合、制御部５１は、伝熱配管２３内を通る熱媒体が冷却水であると判定し、モータ５２を駆動して図６（ａ）のようにカム５７の長軸を分岐管３３と平行に配置する。これにより、押圧板３６による吸着部材２４への押圧力が小さくなり、吸着剤シート２４ａ間の隙間が大きくなって、吸着剤シート２４ａに冷媒が吸着しやすくなる。

また、伝熱配管２３の温度が４０℃を超えた場合、制御部５１は、伝熱配管２３内を通る熱媒体が温水であると判定し、モータ５２を駆動して図６（ｂ）のようにカム５７の長軸を分岐管３３に対し垂直に配置する。これにより、押圧板３６による吸着部材２４への押圧力が大きくなり、吸着剤シート２４ａ同士の接触が密になる。その結果、吸着剤シート２４ａ間の熱伝導速度が向上する。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、バイメタルを用いた場合に比べて押圧板３６をより大きな圧力で押圧できるという利点もある。

なお、本実施形態では制御部５１によりモータ５２を駆動して押圧板３６に対する押圧力を変化させているが、他の方法により押圧板３６を押圧するようにしてもよい。例えば押圧板３６間にエアーにより伸縮する伸縮部材を配置し、その伸縮部材に供給するエアーの圧力を制御部５１で制御するようにしても、同様の効果を得ることができる。

Claims (6)

1. 冷媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器で蒸発した蒸気を吸着する吸着部材と熱媒体が通る伝熱配管とが配置された吸着剤熱交換機とを有し、
   前記吸着剤熱交換器は、
   前記伝熱配管内を通る熱媒体の温度に応じて前記吸着部材を押圧し圧縮する押圧機構を有することを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
2. 前記伝熱配管は、
   熱媒体が流入する入口側マニホールドと、
   前記熱媒体が流出する出口側マニホールドと、
   前記入口側マニホールドと前記出口側マニホールドとの間に接続された複数の分岐管とを有し、
   前記押圧機構は、
   前記伝熱配管の温度に応じて形状が変化する熱感応部材と、
   一方の面が前記熱感応部材に接し、他方の面が前記吸着部材に接する移動可能な押圧板とを有し、
   前記吸着部材は前記分岐管と前記押圧板との間に配置され、
   前記押圧機構では、前記熱感応部材の形状の変化により前記押圧板に対する押圧力を大きくして前記押圧板を前記分岐管に向けて移動させ、前記押圧板の移動により前記押圧板と前記分岐管とに挟まれた前記吸着部材を圧縮することを特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプ。
3. 前記熱感応部材が、バイメタル、又は形状記憶合金若しくは形状記憶樹脂により形成された部材であることを特徴とする請求項２に記載の吸着式ヒートポンプ。
4. 前記吸着部材が、複数の吸着剤シートを重ねて形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸着式ヒートポンプ。
5. 前記吸着剤シートが、繊維状の活性炭をシート状に加工したものを含んで形成されていることを特徴とする請求項４に記載の吸着式ヒートポンプ。
6. 前記伝熱配管が、
   前記分岐管に対し垂直に配置されて前記分岐管間を接続する第１の伝熱板と、
   前記分岐管に対し平行に配置されて前記第１の伝熱板間を接続する第２の伝熱板とを有し、
   前記押圧機構は前記第２の伝熱板と前記吸着部材との間に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の吸着式ヒートポンプ。

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