JP2012067002A - Zeolite, adsorbent, adsorption heat pump using adsorbent and method for operating absorption heat pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、新規なゼオライトおよびこのゼオライトを用いた吸着材と、該吸着材を用いた吸着ヒートポンプ、および該吸着ヒートポンプの運転方法に関するものであり、詳しくは、温暖化による外気温の上昇に伴い、夏場の高温下においても低温の冷水を製造することができ、かつ繰り返し使用条件においても優れた性能安定性、耐久性を示す新規なゼオライト系の吸着材、ならびに、当該吸着材を使用した吸着ヒートポンプに関するものである。 The present invention relates to a novel zeolite, an adsorbent using the zeolite, an adsorption heat pump using the adsorbent, and an operation method of the adsorption heat pump. Specifically, as the outside temperature increases due to global warming, , A novel zeolite-based adsorbent that can produce low-temperature cold water even at high temperatures in summer and exhibits excellent performance stability and durability even under repeated use conditions, and adsorption using the adsorbent It relates to a heat pump.
従来、ゼオライトについては、分子ふるい、イオン交換材料、触媒、吸着材料等として、様々な性質を持つゼオライトが合成されており、工業的にも重要な物質となっている。また、その用途についても、それぞれの性質を利用して、触媒、触媒担体、廃水処理、排ガス処理、鮮度保持(エチレン吸着)、洗剤(ビルダー・クレンザー)、制菌、乾燥剤、脱臭剤、土壌改良剤等の用途が知られており、さらに他の用途への応用も検討されている。 Conventionally, zeolites having various properties have been synthesized as molecular sieves, ion exchange materials, catalysts, adsorbing materials, and the like, and have become industrially important substances. In addition, the use of each of the properties of the catalyst, catalyst carrier, wastewater treatment, exhaust gas treatment, freshness preservation (ethylene adsorption), detergent (builder cleanser), antibacterial, desiccant, deodorant, soil Applications such as improvers are known, and applications to other applications are also being studied.
一方、近年、コージェネレーションシステムにおいては、冬場の電力・熱需要に対する夏場の電力需要の偏りに対応するため、吸着材の蓄熱機能を利用し、内燃機関などから排出される低温の排熱を有効活用することが検討されている。コージェネレーションシステムを含む環境共生型熱エネルギー利用システムにおいて、吸着ヒートポンプは、補助動力を用いることなく、低質熱エネルギーを熱源として作動させ得る最も優れた排熱回収手段の一つであり、その本格導入が期待されている。 On the other hand, in recent years, cogeneration systems have effectively used low-temperature exhaust heat emitted from internal combustion engines, etc., using the heat storage function of adsorbents to cope with the summer power demand bias in winter. Utilization is under consideration. In an environmentally symbiotic thermal energy utilization system including a cogeneration system, the adsorption heat pump is one of the best exhaust heat recovery means that can operate with low-quality thermal energy as a heat source without using auxiliary power, and its full introduction Is expected.
吸着ヒートポンプは、吸着材の吸着・脱着現象に付随して起こる相変化を利用して熱の汲み上げを行うシステムであり、吸着材によって水などの吸着質を吸着・脱着する吸着器と、吸着器における吸着操作に伴って吸着質の蒸発により冷熱を生成する蒸発器と、吸着器で脱着された吸着質の蒸気を凝縮させて蒸発器に供給する凝縮器とから主に構成される。吸着ヒートポンプの作動過程においては、吸着材を加熱再生する際、エンジン等の排熱を回収する場合もある。 Adsorption heat pump is a system that pumps heat by using the phase change that accompanies the adsorption / desorption phenomenon of adsorbent. Adsorber that adsorbs / desorbs adsorbate such as water with adsorbent, and adsorber Is mainly composed of an evaporator that generates cold by evaporation of the adsorbate in accordance with the adsorption operation, and a condenser that condenses the vapor of the adsorbate desorbed by the adsorber and supplies it to the evaporator. In the operation process of the adsorption heat pump, when the adsorbent is heated and regenerated, exhaust heat from the engine or the like may be recovered.
このような吸着ヒートポンプに利用可能な熱源の温度は、排熱発生側のシステムによって大きく異なる。例えば、高温側の熱源として利用されるガスエンジンコージェネレーションや固体高分子型燃料電池の排熱温度は60℃〜80℃であり、自動車エンジンの冷却水の温度は85℃〜90℃である。一方、冷却側の熱源温度も装置の設置場所によって異なる。例えば、自動車の場合はラジエーターで得られる温度であり、ビルや住宅などでは水冷塔や河川水などの温度である。従って、吸着ヒートポンプの操作温度範囲は、一般に、ビルなどに設置する場合には低温側が25〜40℃、高温側が60〜80℃、自動車などに設置する場合には低温側が30〜40℃、高温側が85〜90℃程度である。
吸着ヒートポンプによりこれらの排熱を効率的に利用するためには、低温側熱源の温度と、高温側熱源の温度差が小さい場合でも、駆動できることが望まれている。
The temperature of the heat source that can be used for such an adsorption heat pump varies greatly depending on the system on the exhaust heat generation side. For example, the exhaust heat temperature of gas engine cogeneration or a polymer electrolyte fuel cell used as a heat source on the high temperature side is 60 ° C. to 80 ° C., and the temperature of the cooling water of the automobile engine is 85 ° C. to 90 ° C. On the other hand, the heat source temperature on the cooling side also varies depending on the installation location of the apparatus. For example, in the case of an automobile, the temperature is obtained by a radiator, and in a building or a house, the temperature is such as a water cooling tower or river water. Therefore, the operating temperature range of the adsorption heat pump is generally 25 to 40 ° C. on the low temperature side when installed in a building, 60 to 80 ° C. on the high temperature side, and 30 to 40 ° C. on the low temperature side when installed in an automobile or the like. The side is about 85-90 ° C.
In order to efficiently use the exhaust heat by the adsorption heat pump, it is desired to be able to drive even when the temperature difference between the low temperature side heat source and the high temperature side heat source is small.
吸着ヒートポンプをコージェネレーションシステム等に適用する場合、特に、吸着材の吸着特性が重要な要素である。 When the adsorption heat pump is applied to a cogeneration system or the like, the adsorption characteristic of the adsorbent is an important factor.
すなわち、上記の様な排熱を効率的に利用するための吸着材の特性としては、吸着材の周囲の低温側熱源と高温側熱源の温度差が小さく、例えば低温側の熱源の冷却能力が比較的弱く、比較的高い温度になる空冷式による場合でも、装置を充分に作動させるために、低い相対蒸気圧で吸着質を吸着する必要があり、また、装置を小型化するため、吸着材の吸脱着量が十分に大きい必要がある。そして、吸着材の再生に低温熱源を利用するため、脱着温度が低い必要がある。 That is, as a characteristic of the adsorbent for efficiently using the exhaust heat as described above, the temperature difference between the low temperature side heat source and the high temperature side heat source around the adsorbent is small, for example, the cooling capacity of the low temperature side heat source is Even in the case of an air-cooled type that is relatively weak and has a relatively high temperature, it is necessary to adsorb the adsorbate with a low relative vapor pressure in order to operate the apparatus sufficiently, and to reduce the size of the apparatus, the adsorbent It is necessary that the amount of adsorption / desorption of is sufficiently large. And since a low-temperature heat source is utilized for reproduction | regeneration of adsorption material, the desorption temperature needs to be low.
このような要求特性に対して、一般的な吸着材、例えば、Y型ゼオライトは、吸着物質を脱着させるべく相対蒸気圧を0とするために、150〜200℃あるいはそれ以上の高温にする必要があり、低温排熱には適さない。また、A型シリカゲル、13X等のゼオライトは、吸着性能が低いため、上記のシステムに適用しようとすると、吸着時に使用する冷媒を含め、吸着材が大量に必要となり、装置の大型化などの問題を惹起する。また、同様の目的で検討されているメソポーラスシリカ(FSM−16等)は、界面活性剤のミセル構造を鋳型として合成したものであり、低い相対蒸気圧では吸着しないため、実際、コージェネレーション機器や燃料電池などの冷却水から得られる低温排熱を利用し難いと言う問題がある。
With respect to such required characteristics, a general adsorbent, for example, Y-type zeolite, needs to have a high temperature of 150 to 200 ° C. or higher in order to make the
しかして、これら吸着材自体の吸着特性の改善も試みられているが、ゼオライト等の吸着材は構造が壊れ易く、しかも、工業的に製造し難いためにコストが嵩むと言う問題も指摘されている。 Attempts have also been made to improve the adsorption characteristics of these adsorbents themselves, but it has also been pointed out that adsorbents such as zeolite are fragile in structure and are difficult to manufacture industrially, resulting in increased costs. Yes.
上記の様な問題に対し、本発明者等は、先に、吸着ヒートポンプ用の吸着材として、より低い相対蒸気圧ないしはより高温で吸着質を吸着し、より高い相対蒸気圧ないしはより低温で吸着質を脱着し、しかも、吸脱着量の一層大きな吸着材として、骨格構造にアルミニウムとリンとヘテロ原子とを含むゼオライトを用いた吸着材、ならびに、当該吸着材を使用した吸着ヒートポンプを提案した(特許文献1)。斯かる吸着材は、25℃の水蒸気吸着等温線における相対蒸気圧が0.05以上且つ0.30以下の範囲で、相対蒸気圧が0.15変化したときの吸着量変化が0.18g/g以上の相対蒸気圧域を有し、また、フレームワーク密度が10.0T/1,000Å3以上で且つ16.0T/1,000Å3以下である。 For the above problems, the present inventors previously adsorbed adsorbate at a lower relative vapor pressure or higher temperature and adsorbed at a higher relative vapor pressure or lower temperature as an adsorbent for an adsorption heat pump. As an adsorbent with a large amount of adsorption and desorption, an adsorbent using zeolite containing aluminum, phosphorus and heteroatoms in the framework structure, and an adsorption heat pump using the adsorbent were proposed ( Patent Document 1). Such an adsorbent has a relative vapor pressure in a range of 0.05 to 0.30 on a water vapor adsorption isotherm at 25 ° C., and the adsorption amount change when the relative vapor pressure changes 0.15 is 0.18 g / and a relative vapor pressure range of g or more, and a framework density of 10.0 T / 1,000 to 3 or more and 16.0 T / 1,000 to 3 or less.
また、特許文献2や特許文献3には、骨格構造にアルミニウムとリンと鉄とを含むゼオライトから成る吸着材が記載され、該アルミニウムとリンと鉄以外に、「他の元素(M)が含まれていても良い」との記載があり、該他の元素として、チタンやスズも例示されているが、他の元素(M)が含まれている具体例の記載は無い。しかも、M/Feのモル比は「3以下、好ましくは1.5以下、より好ましくは0.5以下であり、M/Feがこの範囲にない場合は、本発明における吸着性能が十分あらわれない」といった記載からも明らかなように、ここでの他の元素(M)は、鉄アルミノフォスフェートの性能の向上に寄与しない、むしろ含有される必要がないものとして記載されている。また、特許文献2,3には、該他の元素(M)の中で、スズやチタンが特に性能を向上させることについても、AFI型ゼオライトに有効であることについても、何ら示唆されていない。
Patent Document 2 and
特許文献4には、骨格構造にアルミニウムとリンとガリウムとを含むゼオライトから成る吸着材が記載されているが、鉄とスズまたは鉄とチタンの組み合わせの記載は無い。
近年、コージェネレーションシステムの排熱利用においては、一層の省エネルギー化を図る観点から、より低温の排熱をより高温の環境において有効利用する技術が求められている。具体的には、高温側熱源としての排熱温度が60〜80℃であるのに対し、低温側の熱源温度は、例えば、工場や住宅などに空調用として吸着ヒートポンプを使用しようとした場合、建物の断熱効果などを考慮すると、外気温度から10℃程度高い温度となる。このようなことから、従来のゼオライトに比べて、より低温の排熱を利用することができ、かつ、吸脱着における吸着量差が大きく、より大きな吸着性能を発揮し得る新たな吸着材、すなわち、低い相対蒸気圧域で吸着質を吸脱着でき、例えば、低温側の熱源温度が35℃、高温側の熱源温度が75℃のような、低温側が比較的高い温度で高温側が比較的低く、それらの温度差が小さい条件でも吸着ヒートポンプを十分に運転させ得る吸着材が要望されている。また、生成する冷水も10℃以下、できれば8℃以下、場合によっては6℃以下の低温が求められており、その点においてもより低い相対蒸気圧で吸着可能であり、かつ低温で脱着が可能な吸着材が要望されている。 In recent years, in the use of exhaust heat of a cogeneration system, a technique for effectively using lower temperature exhaust heat in a higher temperature environment has been demanded from the viewpoint of further energy saving. Specifically, the exhaust heat temperature as the high temperature side heat source is 60 to 80 ° C., whereas the low temperature side heat source temperature is, for example, when an adsorption heat pump is used for air conditioning in a factory or a house, Considering the heat insulation effect of the building, the temperature is about 10 ° C. higher than the outside air temperature. Therefore, compared to conventional zeolite, a new adsorbent that can utilize lower-temperature exhaust heat and has a large difference in adsorption amount in adsorption / desorption, which can exhibit greater adsorption performance, The adsorbate can be adsorbed and desorbed in a low relative vapor pressure range, for example, the heat source temperature on the low temperature side is 35 ° C., the heat source temperature on the high temperature side is 75 ° C., the high temperature side is relatively high, and the high temperature side is relatively low, There is a demand for an adsorbent capable of operating the adsorption heat pump sufficiently even under such a small temperature difference. Also, the generated cold water is required to have a low temperature of 10 ° C. or lower, preferably 8 ° C. or lower, and in some cases 6 ° C. or lower. In this respect, it can be adsorbed at a lower relative vapor pressure and can be desorbed at a low temperature. New adsorbents are desired.
本発明は、このような低い相対蒸気圧域で吸着質を吸脱着することができ、低温側が空冷式あるいは水冷式に依らず、比較的高い温度で、高温側が比較的低く、それらの温度差が小さい条件でも十分に吸着ヒートポンプを運転させることができる吸着材と、この吸着材を使用した効率の良い吸着ヒートポンプを提供することを課題とする。 The present invention can adsorb and desorb the adsorbate in such a low relative vapor pressure region, and the low temperature side is not air-cooled or water-cooled, and the high temperature side is relatively low and the temperature difference between them is relatively low. It is an object of the present invention to provide an adsorbent that can sufficiently operate an adsorption heat pump even under small conditions, and an efficient adsorption heat pump that uses this adsorbent.
本発明者等は、上記の課題を解決するために鋭意検討した結果、骨格構造にアルミニウムとリンと鉄に加えて、所定の割合でスズおよび/またはチタンを有するAFI型のゼオライトは、アルミニウムとリンと鉄のみからなるゼオライトの性能が向上されたものであり、スズおよび/またはチタンは、他の多くの金属と比べてもその性能変化が大きいこと、この効果はAFI型ゼオライトに特有のものであることを知見し、本発明を完成させた。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention have found that AFI-type zeolite having tin and / or titanium in a predetermined ratio in addition to aluminum, phosphorus and iron in the skeleton structure is aluminum and The performance of zeolite consisting only of phosphorus and iron is improved, and tin and / or titanium have a large performance change compared to many other metals, and this effect is unique to AFI-type zeolite. As a result, the present invention was completed.
すなわち、本発明の第1の発明は、骨格構造にアルミニウム、リン、鉄およびM(Mはスズおよび/またはチタン)を含むAFI型のゼオライトであり、M/Feモル比が
0.25<M/Fe<1.0
であり、好ましくは
0.5<M/Fe<1.0
であることを特徴とするゼオライト、に存する。
本発明の第2の発明は、該ゼオライトを用いた吸着材、に存する。
本発明の第3の発明は、該吸着材を用いた吸着ヒートポンプ、に存する。
本発明の第4の発明は、該吸着ヒートポンプの運転方法、に存する。
That is, the first invention of the present invention is an AFI type zeolite containing aluminum, phosphorus, iron and M (M is tin and / or titanium) in the skeleton structure, and the M / Fe molar ratio is 0.25 <M. /Fe<1.0
Preferably, 0.5 <M / Fe <1.0
The zeolite is characterized by the following:
The second invention of the present invention resides in an adsorbent using the zeolite.
The third invention of the present invention resides in an adsorption heat pump using the adsorbent.
A fourth invention of the present invention resides in an operation method of the adsorption heat pump.
本発明のゼオライトは、吸着材、分離剤、触媒、触媒担体等として有用であり、種々の応用分野に用いられるが、中でもこれを用いた吸着材は、例えば、低温側の熱源温度が35℃、高温側の熱源温度が75℃以下というような、温度差が小さく、低い相対蒸気圧域で吸着質を吸脱着することができ、しかも、吸着質の吸脱着における吸着量差が大きいため、低温の熱を有効に利用することができ、効率よく吸着ヒートポンプを駆動させることができる。また、この吸着材は、吸着質の繰り返し吸脱着における耐久性が高いため、吸着ヒートポンプ等として用いる場合の実用性、信頼性が高い。 The zeolite of the present invention is useful as an adsorbent, a separating agent, a catalyst, a catalyst carrier, and the like, and is used in various fields of application. Among them, an adsorbent using the zeolite has, for example, a low-temperature heat source temperature of 35 ° C. The temperature difference of the heat source on the high temperature side is 75 ° C. or less, the adsorbate can be adsorbed / desorbed in a low relative vapor pressure region, and the adsorption amount difference in adsorbate adsorption / desorption is large. Low-temperature heat can be used effectively, and the adsorption heat pump can be driven efficiently. In addition, since this adsorbent has high durability in the repeated adsorption and desorption of adsorbate, it is highly practical and reliable when used as an adsorption heat pump.
このような本発明の吸着材を用いた吸着ヒートポンプによれば、低温の熱で効率よく駆動するため、コージェネレーションシステム等の排熱を有効に活用でき、一層の省エネルギー化を図ることができる。 According to such an adsorption heat pump using the adsorbent of the present invention, since it is driven efficiently by low-temperature heat, exhaust heat from a cogeneration system or the like can be effectively used, and further energy saving can be achieved.
以下、本発明のゼオライト、吸着材、吸着ヒートポンプ、および該吸着ヒートポンプの運転方法について詳細に説明するが、以下に記載する構成要件の説明は、本発明の実施態様の一例(代表例)であり、本発明は、これらの内容に特定されるものではない。 Hereinafter, the zeolite, the adsorbent, the adsorption heat pump, and the operation method of the adsorption heat pump of the present invention will be described in detail. However, the description of the constituent elements described below is an example (representative example) of the embodiment of the present invention. However, the present invention is not limited to these contents.
本発明の第1の発明は、骨格構造にアルミニウム(Al)、リン(P)、鉄(Fe)およびM(Mはスズおよび/またはチタン)とを含むAFI型のゼオライトであり、M/Feモル比が、
0.25<M/Fe<1.0
であり、好ましくは
0.5<M/Fe<1.0
であることを特徴とするゼオライト、であって、骨格構造に鉄(Fe)とヘテロ原子M(Mはスズおよび/またはチタン)を含むアルミノフォスフェートであるAFI構造のゼオライトであると言い換えることもできる。
A first invention of the present invention is an AFI-type zeolite containing aluminum (Al), phosphorus (P), iron (Fe), and M (M is tin and / or titanium) in a skeleton structure, and M / Fe The molar ratio is
0.25 <M / Fe <1.0
Preferably, 0.5 <M / Fe <1.0
It can be rephrased as a zeolite having an AFI structure, which is an aluminophosphate containing iron (Fe) and heteroatom M (M is tin and / or titanium) in the skeleton structure. it can.
AFI型のゼオライトとは、国際ゼオライト学会(International zeolite association(IZA))がDatabase of Zeolite Structuresで分類しているAFI構造を有するものであり、XRD(X-ray diffraction)分析により決定される。 The AFI type zeolite has an AFI structure classified by Database of Zeolite Structures by the International Zeolite Association (IZA), and is determined by XRD (X-ray diffraction) analysis.
本発明のゼオライトにおけるM/Feモル比は、
0.55≦M/Fe≦0.95
であることがより好ましく、
0.60≦M/Fe≦0.90
であることが特に好ましい。M/Feモル比が上記下限より大きいことにより、低い相対蒸気圧域での吸着量が大きくなり、上記上限より小さいことにより、脱着の温度を低くすることができ、好ましい。
M / Fe molar ratio in the zeolite of the present invention is:
0.55 ≦ M / Fe ≦ 0.95
More preferably,
0.60 ≦ M / Fe ≦ 0.90
It is particularly preferred that When the M / Fe molar ratio is larger than the lower limit, the amount of adsorption in a low relative vapor pressure region is increased, and when the M / Fe molar ratio is smaller than the upper limit, the desorption temperature can be lowered.
また、Mはスズ(Sn)、チタン(Ti)のいずれでもよいが、スズであることが吸着量および耐久性の面でチタンより優れており、より好ましい。 Further, M may be either tin (Sn) or titanium (Ti), but tin is more preferable than titanium in terms of adsorption amount and durability.
このように、ゼオライトの骨格構造にアルミニウムとリンと鉄に加えて、所定の割合でスズおよび/またはチタンを有する本発明のAFI型のゼオライトは、アルミニウムとリンと鉄のみからなるゼオライトに比べて性能に優れ、スズおよび/またはチタンによる効果は他の多くの金属と比べてもその性能変化が大きい。
該性能変化としては、特に吸着材として有効な性能であり、中でも、吸着ヒートポンプ用の吸着材として非常に有効である。すなわち、本発明のゼオライトは、特定の温度領域で吸脱着し、かつ、吸脱着における吸着質の吸着量差が大きく、更に、繰り返し吸脱着条件下での耐久性が高いゼオライトである。この耐久性としては、後述の実施例における水蒸気繰り返し吸脱着試験の条件における維持率が90%以上であるのが好ましく、特に好ましくは該維持率93%以上である。
また、この性能向上の変化は、他の一般的な骨格構造を有するゼオライトの場合においても必ずしも認められるものではなく、AFI型ゼオライト特有の効果である。
As described above, the AFI-type zeolite of the present invention having a predetermined amount of tin and / or titanium in addition to aluminum, phosphorus and iron in the framework structure of the zeolite is compared with a zeolite consisting only of aluminum, phosphorus and iron. The performance is excellent, and the effect of tin and / or titanium has a large change in performance compared to many other metals.
The performance change is particularly effective as an adsorbent, and is particularly effective as an adsorbent for an adsorption heat pump. That is, the zeolite of the present invention is a zeolite that adsorbs and desorbs in a specific temperature range, has a large difference in the amount of adsorbate adsorbed during adsorption and desorption, and has high durability under repeated adsorption and desorption conditions. The durability is preferably 90% or more, particularly preferably 93% or more, under the conditions of the water vapor repeated adsorption / desorption test in the examples described later.
Further, this change in performance improvement is not necessarily recognized even in the case of zeolites having other general framework structures, but is an effect peculiar to AFI zeolite.
また、本発明のAFI型ゼオライトの骨格構造を構成しているM、Al、PおよびFeの構成割合(モル比)は、下記式(1)〜(3)を満たす範囲であることが好ましく、特に式(1)については式(1-1)、更に式(1-2)で表されることが好ましい。 Further, the constituent ratio (molar ratio) of M, Al, P and Fe constituting the skeleton structure of the AFI-type zeolite of the present invention is preferably in a range satisfying the following formulas (1) to (3), In particular, the formula (1) is preferably represented by the formula (1-1) and further by the formula (1-2).
0.001≦x≦0.3 …(1)
(xは(Fe+M)/(M+Al+P+Fe)(モル比)を表す)
0.03≦y≦0.6 …(2)
(yはAl/(M+Al+P+Fe)(モル比)を表す)
0.03≦z≦0.6 …(3)
(zはP/(M+Al+P+Fe)(モル比)を表す))
0.003≦x≦0.2 …(1-1)
0.005≦x≦0.1 …(1-2)
0.001 ≦ x ≦ 0.3 (1)
(X represents (Fe + M) / (M + Al + P + Fe) (molar ratio))
0.03 ≦ y ≦ 0.6 (2)
(Y represents Al / (M + Al + P + Fe) (molar ratio))
0.03 ≦ z ≦ 0.6 (3)
(Z represents P / (M + Al + P + Fe) (molar ratio)))
0.003 ≦ x ≦ 0.2 (1-1)
0.005 ≦ x ≦ 0.1 (1-2)
x,y,zがそれぞれ前記の範囲内であることにより、所望の吸着特性が得られ、またゼオライトを形成することができ、耐久性も十分なものとすることができる。 When x, y, and z are within the above ranges, desired adsorption characteristics can be obtained, zeolite can be formed, and durability can be sufficient.
なお、上記の原子の各モル比は元素分析により特定することができる。通常、元素分析においては、塩酸水溶液で試料を加熱溶解した後、ICP分析を行う。 In addition, each molar ratio of said atom can be specified by elemental analysis. Usually, in elemental analysis, a sample is heated and dissolved in an aqueous hydrochloric acid solution, and then ICP analysis is performed.
本発明のゼオライトの製造方法については特に限定されるものではないが、通常、アルミニウム源、鉄源、リン源、M(スズおよび/またはチタン)源およびテンプレートを混合した後、水熱合成して製造される。
以下、その一例を説明する。
The method for producing the zeolite of the present invention is not particularly limited. Usually, an aluminum source, an iron source, a phosphorus source, an M (tin and / or titanium) source and a template are mixed and then hydrothermally synthesized. Manufactured.
An example will be described below.
先ず、アルミニウム源、鉄源、リン源、M(スズおよび/またはチタン)源、および、テンプレートを混合する。 First, an aluminum source, an iron source, a phosphorus source, an M (tin and / or titanium) source, and a template are mixed.
アルミニウム源としては、特に限定されないが、通常、擬ベーマイト、アルミニウムイソプロポキシド、アルミニウムトリエトキシド等のアルミニウムアルコキシド、水酸化アルミニウム、アルミナゾル、アルミン酸ナトリウム等が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。取扱いが容易な点および反応性が高い点で、アルミニウム源としては擬ベーマイトが好ましい。 Although it does not specifically limit as an aluminum source, Usually, aluminum alkoxides, such as pseudo boehmite, aluminum isopropoxide, aluminum triethoxide, aluminum hydroxide, alumina sol, sodium aluminate, etc. are mentioned. These may be used alone or in combination of two or more. Pseudoboehmite is preferred as the aluminum source in terms of easy handling and high reactivity.
鉄源として特に限定はされないが、通常、硫酸鉄、硝酸鉄、リン酸鉄、塩化鉄、臭化鉄等の無機酸鉄、酢酸鉄、シュウ酸鉄、クエン酸鉄等の有機酸鉄、鉄ペンタカルボニル、フェロセン等の鉄有機金属化合物などが挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。これらのうち、無機酸鉄、有機酸鉄が水に溶けやすい点で好ましく、中でも、硝酸第二鉄、硫酸第一鉄などの無機酸鉄化合物がより好ましい。場合によってはコロイド状の鉄水酸化物等を使用してもよい。 Although it is not particularly limited as an iron source, it is usually an inorganic acid iron such as iron sulfate, iron nitrate, iron phosphate, iron chloride or iron bromide, an organic acid iron such as iron acetate, iron oxalate or iron citrate, iron Examples thereof include iron organometallic compounds such as pentacarbonyl and ferrocene. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, inorganic acid irons and organic acid irons are preferable in that they are easily dissolved in water, and inorganic acid iron compounds such as ferric nitrate and ferrous sulfate are more preferable. In some cases, colloidal iron hydroxide or the like may be used.
リン源としては、通常、リン酸が用いられるが、リン酸アルミニウムを使用することもできる。リン源についても、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。 As the phosphorus source, phosphoric acid is usually used, but aluminum phosphate can also be used. Also about a phosphorus source, 1 type may be used independently and 2 or more types may be mixed and used for it.
M(スズおよび/またはチタン)源としては、Mがスズの場合は、硫酸スズ(II)、塩化スズ(II)、塩化スズ(IV)、シュウ酸スズ(II)、酸化スズ(II)、酸化スズ(IV)、ステアリン酸スズ(II)などが挙げられるが、比較的水に溶けやすく、腐食を起こしにくい点から、硫酸スズ(II)が好ましい。
Mがチタンの場合は、チタンイソプロポキシド、チタンエトキシド、チタンブトキシドなどのチタンアルコキシド、塩化チタン、硫酸チタニルなどのチタン塩などが挙げられるが、反応性、取り扱いやすさの点等からチタンアルコキシドが好ましい。
これらM源についても、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
As the source of M (tin and / or titanium), when M is tin, tin (II) sulfate, tin (II) chloride, tin chloride (IV), tin oxalate (II), tin oxide (II), Tin oxide (IV), tin stearate (II), and the like can be mentioned. Tin (II) sulfate is preferred because it is relatively easily dissolved in water and hardly corrodes.
When M is titanium, titanium alkoxides such as titanium isopropoxide, titanium ethoxide and titanium butoxide, and titanium salts such as titanium chloride and titanyl sulfate can be mentioned. From the viewpoint of reactivity and ease of handling, titanium alkoxide Is preferred.
Also about these M sources, 1 type may be used independently and 2 or more types may be mixed and used for them.
AFIのテンプレートとしては、テトラメチルアンモニウム、テトラエチルアンモニウム、テトラプロピルアンモニウム、テトラブチルアンモニウム等の4級アンモニウム塩、モルホリン、ジ−n−プロピルアミン、トリ−n−プロピルアミン、トリ−n−イソプロピルアミン、トリエチルアミン、トリエタノールアミン、ピペリジン、ピペラジン、シクロヘキシルアミン、2−メチルピリジン、N,N−ジメチルベンジルアミン、N,N−ジエチルエタノールアミン、ジシクロヘキシルアミン、N,N−ジメチルエタノールアミン、コリン、N,N’−ジメチルピペラジン、1,4−ジアザビシクロ(2,2,2)オクタン、N−メチルジエタノールアミン、N−メチルエタノールアミン、N−メチルピペリジン、3−メチルピペリジン、N−メチルシクロヘキシルアミン、3−メチルピリジン、4−メチルピリジン、キヌクリジン、N,N’−ジメチル−1,4−ジアザビシクロ−(2,2,2)オクタンイオン、ジ−n−ブチルアミン、ネオペンチルアミン、ジ−n−ペンチルアミン、イソプロピルアミン、t−ブチルアミン、エチレンジアミン、ピロリジン、2−イミダゾリドン、ジ−イソプロピル−エチルアミン、ジメチルシクロヘキシルアミン、シクロペンチルアミン、N−メチル−n−ブチルアミン、ヘキサメチレンイミン等の1級アミン、2級アミン、3級アミン、ポリアミンが挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。
中でも、トリエチルアミン、イソプロピルアミン、ジ−n−イソプロピルアミン、トリ−n−プロピルアミン、テトラエチルアンモニウムヒドロキシドが反応性の点で好ましく、工業的にはより安価なトリエチルアミンが一層好ましい。
Examples of AFI templates include quaternary ammonium salts such as tetramethylammonium, tetraethylammonium, tetrapropylammonium, tetrabutylammonium, morpholine, di-n-propylamine, tri-n-propylamine, tri-n-isopropylamine, Triethylamine, triethanolamine, piperidine, piperazine, cyclohexylamine, 2-methylpyridine, N, N-dimethylbenzylamine, N, N-diethylethanolamine, dicyclohexylamine, N, N-dimethylethanolamine, choline, N, N '-Dimethylpiperazine, 1,4-diazabicyclo (2,2,2) octane, N-methyldiethanolamine, N-methylethanolamine, N-methylpiperidine, 3-methylpiperidine, N -Methylcyclohexylamine, 3-methylpyridine, 4-methylpyridine, quinuclidine, N, N'-dimethyl-1,4-diazabicyclo- (2,2,2) octane ion, di-n-butylamine, neopentylamine, Primary grades such as di-n-pentylamine, isopropylamine, t-butylamine, ethylenediamine, pyrrolidine, 2-imidazolidone, di-isopropyl-ethylamine, dimethylcyclohexylamine, cyclopentylamine, N-methyl-n-butylamine, hexamethyleneimine Examples include amines, secondary amines, tertiary amines, and polyamines. These may be used alone or in combination of two or more.
Among these, triethylamine, isopropylamine, di-n-isopropylamine, tri-n-propylamine, and tetraethylammonium hydroxide are preferable in terms of reactivity, and industrially cheaper triethylamine is more preferable.
上記のアルミニウム源、鉄源、リン源、M源、およびテンプレートを混合して水性ゲルを調合する。混合順序は条件により異なるが、通常は、先ず、リン源、アルミニウム源を混合し、これに鉄源およびM源と、テンプレートとを混合する。鉄源とM源とは、予め混合してから、リン源およびアルミニウム源の混合物と混合しても良いが、鉄源とM源とを同時、或いは逐次的に混合しても良く、好ましくは鉄源の混合後に、M源を混合するのが好ましい。 An aqueous gel is prepared by mixing the above aluminum source, iron source, phosphorus source, M source, and template. The mixing order varies depending on conditions, but usually, a phosphorus source and an aluminum source are first mixed, and then an iron source and an M source are mixed with a template. The iron source and the M source may be mixed in advance and then mixed with the mixture of the phosphorus source and the aluminum source. However, the iron source and the M source may be mixed simultaneously or sequentially, preferably It is preferable to mix the M source after mixing the iron source.
水は、リン源とアルミニウム源との混合時に存在していることが好ましく、この混合物に更に鉄源およびM源を混合する際に水を追加して混合してもよい。また、リン源等は水溶液の形で混合に供してもよい。 Water is preferably present when the phosphorus source and the aluminum source are mixed, and water may be added to the mixture when the iron source and the M source are further mixed. The phosphorus source or the like may be used for mixing in the form of an aqueous solution.
上記の水性ゲルの組成は、通常、酸化物のモル比で表して、0.01≦FeO/P2O5≦1.5であり、更に合成のし易さの観点からは、0.02≦FeO/P2O5≦1.0が好ましく、0.05≦FeO/P2O5≦0.5がより好ましい。また、P2O5/Al2O3のモル比は、0.6以上で且つ1.7以下であり、更に合成のしやすさの観点からは、0.7以上で且つ1.6以下が好ましく、0.8以上で且つ1.5以下がより好ましい。 The composition of the above aqueous gel is usually expressed as a molar ratio of the oxide, and 0.01 ≦ FeO / P 2 O 5 ≦ 1.5. Further, from the viewpoint of ease of synthesis, 0.02 ≦ FeO / P 2 O 5 ≦ 1.0 is preferable, and 0.05 ≦ FeO / P 2 O 5 ≦ 0.5 is more preferable. The molar ratio of P 2 O 5 / Al 2 O 3 is 0.6 or more and 1.7 or less, and from the viewpoint of ease of synthesis, 0.7 or more and 1.6 or less. Is preferably 0.8 or more and 1.5 or less.
また、テンプレートの使用量はP2O5に対してモル比で0.1〜3であり、好ましくは0.5〜2、より好ましくは0.7〜1.5である。テンプレートの使用量が上記下限以上であるとテンプレート量が十分となり、上記上限以下であるとアルカリ濃度を抑えることができ、従って、上記範囲内であることにより良好な結晶化を行うことができる。 The amount of the template is 0.1 to 3 in molar ratio with respect to P 2 O 5, preferably 0.5 to 2, more preferably 0.7 to 1.5. When the amount of the template used is not less than the above lower limit, the amount of the template is sufficient, and when it is not more than the above upper limit, the alkali concentration can be suppressed, and therefore, satisfactory crystallization can be performed by being within the above range.
また、水の割合の下限は、Al2O3に対してモル比で3以上であり、合成のし易さの観点からは5以上が好ましく、10以上がより好ましい。Al2O3に対する水のモル比の上限は通常200以下で、合成のし易さおよび生産性の高さの観点からは150以下が好ましく、120以下がより好ましい。
また、水性ゲルのpHは4〜10であり、合成のし易さの観点からは4.5〜9が好ましく、5.0〜8.5がより好ましい。
The lower limit of the proportion of water is at least 3 in a molar ratio to Al 2 O 3, preferably 5 or more from the viewpoint of ease of synthesis, and more preferably 10 or more. The upper limit of the molar ratio of water to Al 2 O 3 is usually 200 or less, preferably 150 or less, and more preferably 120 or less from the viewpoint of ease of synthesis and high productivity.
Moreover, pH of aqueous gel is 4-10, 4.5-9 are preferable from a viewpoint of the ease of a synthesis | combination, and 5.0-8.5 are more preferable.
なお、各水性ゲル中には、所望により、上記以外の成分を共存させてもよい。この様な成分としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属の水酸化物や塩、アルコール等の親水性有機溶媒が挙げられる。 In addition, you may coexist components other than the above in each aqueous gel if desired. Examples of such components include hydrophilic organic solvents such as alkali metal or alkaline earth metal hydroxides and salts, and alcohols.
水熱合成は、上記の水性ゲルを耐圧容器に入れ、自己発生圧下、または、結晶化を阻害しない気体の加圧下において、攪拌または静置状態で所定温度を保持することにより行われる。水熱合成の際の温度は通常100〜300℃であり、合成のし易さの観点からは150〜250℃が好ましく、170〜220℃がより好ましい。反応時間は、3時間〜30日であり、合成のし易さの観点からは5時間〜15日が好ましく、7時間〜7日がより好ましい。 Hydrothermal synthesis is carried out by placing the above aqueous gel in a pressure-resistant container and maintaining a predetermined temperature under stirring or standing under self-generated pressure or pressurized gas that does not inhibit crystallization. The temperature at the time of hydrothermal synthesis is usually 100 to 300 ° C, and is preferably 150 to 250 ° C, more preferably 170 to 220 ° C from the viewpoint of ease of synthesis. The reaction time is 3 to 30 days, preferably 5 to 15 days, more preferably 7 to 7 days from the viewpoint of ease of synthesis.
水熱合成後は、生成物を分離し、次いで、水洗、乾燥した後、空気などを使用した焼成を施し、含有する有機物の一部または全部を除去することにより、本発明のゼオライトを得ることができる。 After hydrothermal synthesis, the product is separated, then washed with water, dried, and then subjected to calcination using air or the like to remove part or all of the organic matter contained therein, thereby obtaining the zeolite of the present invention. Can do.
本発明の第2の発明である吸着材は、基本的に上記の本発明のゼオライトから成るものであるが、その性能を損わない範囲において、他の吸着材を混合したり、必要に応じて他の成分を含んでいてもよい。またその吸着材の用途は特に限定されないが、吸着ヒートポンプに使用することが好ましい。 The adsorbing material according to the second invention of the present invention is basically composed of the above-mentioned zeolite of the present invention, but within the range not impairing its performance, other adsorbing materials may be mixed, if necessary. And may contain other components. The use of the adsorbent is not particularly limited, but it is preferably used for an adsorption heat pump.
本発明の吸着材が使用される吸着ヒートポンプとしては、吸着熱を放出しつつ前記吸着材に吸着質を吸着する吸着操作と、外部の温熱により前記吸着材から吸着質を脱着する脱着操作とを繰り返す吸着器と、吸着質の蒸発により得られた冷熱を外部へ取り出すと共に、発生した吸着質の蒸気が前記吸着器に回収される蒸発器と、前記吸着器で脱着された吸着質の蒸気を外部の冷熱により凝縮させると共に、凝縮した吸着質を前記蒸発器に供給する凝縮器とを備える本発明の吸着ヒートポンプが挙げられる。 The adsorption heat pump in which the adsorbent of the present invention is used includes an adsorption operation for adsorbing the adsorbate to the adsorbent while releasing heat of adsorption, and a desorption operation for desorbing the adsorbate from the adsorbent by external heat. The adsorber which repeats, the cold heat obtained by the evaporation of the adsorbate is taken out to the outside, the generated adsorbate vapor is recovered by the adsorber, and the adsorbate vapor desorbed by the adsorber An adsorption heat pump according to the present invention is provided that includes a condenser that is condensed by external cold heat and that supplies the condensed adsorbate to the evaporator.
吸着材を用いた吸着ヒートポンプにおいて、吸着ヒートポンプの操作蒸気圧範囲は、高温熱源温度(Thigh)、低温熱源温度(Tlow1)、低温熱源温度(Tlow2)および冷熱生成温度(Tcool)から求められる脱着側相対蒸気圧(φ1)と吸着側相対蒸気圧(φ2)によって決定される。脱着側相対蒸気圧(φ1)と吸着側相対蒸気圧(φ2)は、以下の式(a),(b)により算出され、脱着側相対蒸気圧(φ1)と吸着側相対蒸気圧(φ2)との間が操作可能な相対蒸気圧範囲である。 In the adsorption heat pump using the adsorbent, the operation vapor pressure range of the adsorption heat pump is the desorption side determined from the high temperature heat source temperature (High), the low temperature heat source temperature (Tlow1), the low temperature heat source temperature (Tlow2), and the cold heat generation temperature (Tcool). It is determined by the relative vapor pressure (φ1) and the adsorption side relative vapor pressure (φ2). The desorption side relative vapor pressure (φ1) and the adsorption side relative vapor pressure (φ2) are calculated by the following equations (a) and (b), and the desorption side relative vapor pressure (φ1) and the adsorption side relative vapor pressure (φ2) are calculated. The relative vapor pressure range that can be operated is between
脱着側相対蒸気圧(φ1)=平衡蒸気圧(Plow1)/平衡蒸気圧(Phigh)
…(a)
吸着側相対蒸気圧(φ2)=平衡蒸気圧(Pcool)/平衡蒸気圧(Plow2)
…(b)
Desorption-side relative vapor pressure (φ1) = equilibrium vapor pressure (Plow1) / equilibrium vapor pressure (High)
... (a)
Adsorption side relative vapor pressure (φ2) = equilibrium vapor pressure (Pcool) / equilibrium vapor pressure (Plow2)
... (b)
ここで、高温熱源温度(Thigh)とは、吸着材から吸着質を脱着して吸着材を再生する際に加熱する熱媒の温度を意味し、低温熱源温度(Tlow1)とは、凝縮器の吸着質の温度を意味し、低温熱源温度(Tlow2)とは、再生後の吸着材を吸着に供する際に冷却する熱媒の温度を意味し、冷熱生成温度(Tcool)とは、蒸発器の吸着質の温度すなわち生成した冷熱の温度を意味する。上記の式中、平衡蒸気圧(Plow1)、(Phigh)、(Pcool)および(Plow2)は、夫々、上記の各温度(Tlow1)、(Thigh)、(Tcool)および(Tlow2)における平衡蒸気圧を示し、これらは吸着質の平衡蒸気圧曲線を利用して、温度から求めることができる。
通常Tlow1とTlow2は同じ温度になる場合が多いので、以下まとめてTlowと記載する場合がある。
Here, the high temperature heat source temperature (High) means the temperature of the heating medium that is heated when the adsorbate is desorbed from the adsorbent to regenerate the adsorbent, and the low temperature heat source temperature (Tlow1) is the temperature of the condenser. The temperature of the adsorbate means the low temperature heat source temperature (Tlow2) means the temperature of the heat medium that cools the adsorbent after regeneration for adsorption, and the cold heat generation temperature (Tcool) means the temperature of the evaporator. It means the temperature of adsorbate, that is, the temperature of the generated cold. In the above equation, the equilibrium vapor pressures (Plow1), (Phigh), (Pcool) and (Plow2) are the equilibrium vapor pressures at the respective temperatures (Tlow1), (High), (Tcool) and (Tlow2), respectively. These can be determined from the temperature using the equilibrium vapor pressure curve of the adsorbate.
Usually, Tlow1 and Tlow2 often have the same temperature, and hence may be collectively referred to as Tlow.
本発明の吸着材は、特に吸着ヒートポンプにおいて、Tcoolが10℃よりも低く、Tlowが比較的高く、Thighが比較的低い場合に適している。この吸着ヒートポンプにおいて、吸着質が最も一般的な水である場合の、Tcoolが10℃よりも低く、Tlowが比較的高く、Thighが比較的高い操作蒸気圧範囲を例示すると、吸着側相対蒸気圧(φ2)は、冷熱生成温度(Tcool)が6℃、低温熱源温度(Tlow2)が35℃の場合で0.17となる。また、脱着側相対蒸気圧(φ1)は、低温熱源温度(Tlow1)が35℃、高温熱源温度(Thigh)が75℃の場合で0.15となる。従って、吸着ヒートポンプを作動する相対水蒸気圧範囲(脱着側相対蒸気圧(φ1)から吸着側相対蒸気圧(φ2)の範囲)は0.15〜0.17となり、吸着材としてはこの範囲で吸着量の変化の大きなもの、具体的には好ましくは0.07g/g以上、より好ましくは0.09g/g以上であることが好ましい。 The adsorbent of the present invention is particularly suitable for an adsorption heat pump when Tcool is lower than 10 ° C., Tlow is relatively high, and High is relatively low. In this adsorption heat pump, when the adsorbate is the most common water, an operation vapor pressure range in which Tcool is lower than 10 ° C., Tlow is relatively high, and High is relatively high is exemplified. (Φ2) is 0.17 when the cold heat generation temperature (Tcool) is 6 ° C. and the low temperature heat source temperature (Tlow 2) is 35 ° C. Further, the desorption side relative vapor pressure (φ1) is 0.15 when the low temperature heat source temperature (Tlow1) is 35 ° C. and the high temperature heat source temperature (High) is 75 ° C. Therefore, the relative water vapor pressure range (the range from the desorption side relative vapor pressure (φ1) to the adsorption side relative vapor pressure (φ2)) for operating the adsorption heat pump is 0.15 to 0.17. A material having a large change in amount, specifically preferably 0.07 g / g or more, more preferably 0.09 g / g or more.
本発明のゼオライトを用いた吸着材を使用した吸着ヒートポンプの運転方法は、以下のような条件で使用した場合、特に優れた性能を示す。 The operation method of the adsorption heat pump using the adsorbent using the zeolite of the present invention exhibits particularly excellent performance when used under the following conditions.
本発明においては、比較的高温の環境で吸着ヒートポンプを使用するため、吸着材の吸着温度(Tlow)は25〜45℃が好ましい。吸着温度(Tlow)の上限は、夏期の外気温度に応じて決定され、コージェネレーション装置の設置場所の条件変動などを考慮して35〜45℃程度である。吸着温度(Tlow)の下限に関しては特に限界はないが、例えば、家庭用コージェネレーション装置へ組み込まれる固体高分子型燃料電池が夏期の朝方に作動する様な場合を想定し、かつ、比較的高温の環境で使用することを想定すると、吸着温度(Tlow)の下限は、通常25〜30℃、好ましくは30℃以上である。すなわち、吸着温度(Tlow)は、一般的には25〜45℃、好ましくは30〜43℃、更に好ましくは35〜40℃である。 In the present invention, since the adsorption heat pump is used in a relatively high temperature environment, the adsorption temperature (Tlow) of the adsorbent is preferably 25 to 45 ° C. The upper limit of the adsorption temperature (Tlow) is determined according to the outdoor air temperature in summer, and is about 35 to 45 ° C. in consideration of the change in conditions of the location where the cogeneration apparatus is installed. The lower limit of the adsorption temperature (Tlow) is not particularly limited. For example, it is assumed that a polymer electrolyte fuel cell incorporated in a home cogeneration system operates in the summer morning and is relatively hot. Assuming that the adsorption temperature (Tlow) is used, the lower limit of the adsorption temperature (Tlow) is usually 25 to 30 ° C., preferably 30 ° C. or higher. That is, the adsorption temperature (Tlow) is generally 25 to 45 ° C, preferably 30 to 43 ° C, more preferably 35 to 40 ° C.
具体的には、水蒸気を吸脱着して運転する吸着ヒートポンプの場合は、水蒸気の吸着温度(Tlow)を25〜45℃としたとき、水蒸気の脱着温度(Thigh)および冷熱生成温度(Tcool)が次式(1)および(2)を満たす条件で運転する方法であり、この場合、吸着温度(Tlow)における水蒸気吸着量と脱着温度(Thigh)における水蒸気吸着量との差が0.07g/g以上、好ましくは0.09g/g以上であることが可能となる。 Specifically, in the case of an adsorption heat pump that operates by adsorbing and desorbing water vapor, when the water vapor adsorption temperature (Tlow) is 25 to 45 ° C., the water vapor desorption temperature (High) and the cold heat generation temperature (Tcool) are In this case, the difference between the water vapor adsorption amount at the adsorption temperature (Tlow) and the water vapor adsorption amount at the desorption temperature (High) is 0.07 g / g. As mentioned above, Preferably it becomes 0.09 g / g or more.
Thigh≦100℃ …(1)
0℃≦Tcool≦10℃ …(2)
(好ましくは、0℃≦Tcool≦8℃、より好ましくは0℃≦Tcool≦6℃)
一方、従来技術では、せいぜい
Tlow−25℃<Tcool<25℃
であった。すなわち、Tlow≦30℃の場合であれば、前記式(2)のような条件の運転も可能であったが、Tlow≧35℃では、そのような条件での運転は不可能であった。
High ≦ 100 ° C. (1)
0 ° C. ≦ Tcool ≦ 10 ° C. (2)
(Preferably 0 ° C. ≦ Tcool ≦ 8 ° C., more preferably 0 ° C. ≦ Tcool ≦ 6 ° C.)
On the other hand, in the conventional technology, at most, Tlow-25 ° C <Tcool <25 ° C.
Met. That is, if Tlow ≦ 30 ° C., the operation under the condition of the formula (2) is possible, but if Tlow ≧ 35 ° C., the operation under such condition is impossible.
また、吸着温度(Tlow)と脱着温度(Thigh)との温度差が大きく、脱着温度(Thigh)が100℃より大きい運転条件とすると、従来技術に対して利点がなく、しかも実用的な運転条件ではないので、本発明では、好ましくは吸脱着温度差(Thigh−Tlow)が極めて小さい(すなわち、吸着と脱着の相対蒸気圧の差が非常に小さい)条件での使用条件であることを特徴とする運転条件とする。 In addition, if the operating condition is such that the temperature difference between the adsorption temperature (Tlow) and the desorption temperature (High) is large and the desorption temperature (High) is greater than 100 ° C., there is no advantage over the prior art and practical operating conditions. Therefore, the present invention is preferably characterized in that it is used under a condition where the difference in adsorption / desorption temperature (High-Tlow) is extremely small (that is, the difference in relative vapor pressure between adsorption and desorption is very small). Operating conditions.
本発明の吸着材を使用すると、比較的高い吸着温度(Tlow)に対して極めて低い冷熱の取り出しが可能であることに特徴がある。 When the adsorbent of the present invention is used, it is characterized in that it is possible to take out extremely low heat for a relatively high adsorption temperature (Tlow).
上記の冷熱生成温度(Tcool)とは、吸着質が吸着されることにより蒸発潜熱を奪われて冷やされた際の吸着質の温度、すなわち、吸着される水の吸着前後の平均温度であり、吸着質量と吸着量の関係から一義的に決まる温度である。斯かる温度については、より低い方が生成熱としての価値は大きいが、下限は利用可能な温度の価値を基準に決定される。従って、式(2)は、水蒸気を用いた吸着ヒートポンプであるため、冷熱生成温度(Tcool)は0℃以上であることが必要である。一方、冷熱生成温度(Tcool)は10℃以下であり、好ましくは8℃以下、更に好ましくは6℃以下である。 The cold heat generation temperature (Tcool) is the temperature of the adsorbate when the adsorbate is adsorbed and cooled by being deprived of latent heat of vaporization, that is, the average temperature before and after the adsorption of water to be adsorbed, The temperature is uniquely determined from the relationship between the adsorption mass and the adsorption amount. The lower the temperature, the greater the value as generated heat, but the lower limit is determined based on the value of the available temperature. Therefore, since Formula (2) is an adsorption heat pump using water vapor, the cold heat generation temperature (Tcool) needs to be 0 ° C. or higher. On the other hand, the cold heat generation temperature (Tcool) is 10 ° C. or less, preferably 8 ° C. or less, more preferably 6 ° C. or less.
吸着材に要求される特性の1つとして、吸着量差、すなわち、吸着温度(Tlow)における水蒸気吸着量と脱着温度(Thigh)における水蒸気吸着量との差が挙げられる。吸着量差は、[1]吸着温度(Tlow)における吸着等温線と、[2]脱着温度(Thigh)における吸着等温線とを用いて、[a]冷熱生成温度(Tcool)と吸着温度(Tlow)から決定される相対湿度(吸着側相対蒸気圧)での吸着量と、[b]吸着温度(Tlow)と脱着温度(Thigh)から決定される相対湿度(脱着側相対蒸気圧)での吸着量の差を意味する。 One of the characteristics required for the adsorbent is an adsorption amount difference, that is, a difference between the water vapor adsorption amount at the adsorption temperature (Tlow) and the water vapor adsorption amount at the desorption temperature (High). The adsorption amount difference is determined by using [1] adsorption isotherm at the adsorption temperature (Tlow) and [2] adsorption isotherm at the desorption temperature (High), and [a] cold generation temperature (Tcool) and adsorption temperature (Tlow). ) Adsorption amount at relative humidity (relative vapor pressure on the adsorption side) determined from), and [b] Adsorption at relative humidity (desorption side relative vapor pressure) determined from the adsorption temperature (Tlow) and desorption temperature (High) It means the difference in quantity.
吸着量差は、具体的には次の1)〜4)に従って求められる。
1)吸着温度(Tlow)における吸着等温線および脱着温度(Thigh)における吸着等温線を測定する。
2)設定する冷熱生成温度(Tcool)と吸着温度(Tlow)とから決定される相対蒸気圧を求め、その相対蒸気圧(吸着側相対蒸気圧)における水蒸気吸着量をTlowの吸着等温線から求める。
3)同様に、脱着温度(Thigh)と吸着温度(Tlow)とから決定される相対蒸気圧を求め、その相対蒸気圧(脱着側相対蒸気圧)における水蒸気吸着量をThighの吸着等温線から求める。
4)上記の2)および3)で求められた各水蒸気吸着量の差を求める。吸着側相対蒸気圧における水蒸気吸着量は、「吸着温度(Tlow)で測定した吸着等温線」、すなわち、例えば吸着温度(Tlow)=35℃の吸着等温線から求めることができ、図7の実施例1の場合、相対蒸気圧は0.24、そのときの水蒸気吸着量は0.12g/gと読める。同様に、脱着側相対蒸気圧は、「脱着温度(Thigh)で測定した吸着等温線」、すなわち、例えば脱着温度(Thigh)=75℃の吸着等温線から求めることができ、相対蒸気圧0.15のときの水蒸気吸着量は約0.04g/gと読める。これから、両者の間の吸着量差は0.08g/gとなる。
Specifically, the adsorption amount difference is obtained according to the following 1) to 4).
1) The adsorption isotherm at the adsorption temperature (Tlow) and the adsorption isotherm at the desorption temperature (High) are measured.
2) The relative vapor pressure determined from the set cold generation temperature (Tcool) and the adsorption temperature (Tlow) is obtained, and the water vapor adsorption amount at the relative vapor pressure (adsorption side relative vapor pressure) is obtained from the Tlow adsorption isotherm. .
3) Similarly, the relative vapor pressure determined from the desorption temperature (High) and the adsorption temperature (Tlow) is obtained, and the water vapor adsorption amount at the relative vapor pressure (desorption side relative vapor pressure) is obtained from the High adsorption isotherm. .
4) The difference between the respective water vapor adsorption amounts obtained in the above 2) and 3) is obtained. The water vapor adsorption amount at the adsorption-side relative vapor pressure can be obtained from “adsorption isotherm measured by adsorption temperature (Tlow)”, that is, for example, an adsorption isotherm at an adsorption temperature (Tlow) = 35 ° C. In the case of Example 1, the relative vapor pressure is 0.24, and the water vapor adsorption amount at that time can be read as 0.12 g / g. Similarly, the desorption side relative vapor pressure can be obtained from the “adsorption isotherm measured by desorption temperature (High)”, that is, the adsorption isotherm at, for example, desorption temperature (High) = 75 ° C. The water vapor adsorption amount at 15 can be read as about 0.04 g / g. From this, the adsorption amount difference between them is 0.08 g / g.
本発明の吸着材は、35℃で測定した水蒸気吸着等温線において、相対蒸気圧0.17において、吸着量が0.10[g・H2O/g・吸着材]以上、特に0.12g/g以上であることが好ましい。吸着量が上記下限値以上であることにより、所定の能力の吸着ヒートポンプに必要とする吸着材の容積を小さくすることができ、装置の大型化を防止することができる。 The adsorbent of the present invention has an adsorption amount of 0.10 [g · H 2 O / g · adsorbent] or more, particularly 0.12 g at a relative vapor pressure of 0.17 on a water vapor adsorption isotherm measured at 35 ° C. / G or more is preferable. When the adsorption amount is equal to or more than the lower limit value, it is possible to reduce the volume of the adsorbent required for the adsorption heat pump having a predetermined capacity, and to prevent the apparatus from becoming large.
上記の吸着量差の違いは、具体的には吸着ヒートポンプにおいて以下の様に影響する。
例えば、吸着ヒートポンプを冷房装置として使用し、5.0kW(=18,000kJ)の冷房能力(木造南向き和室16畳程度の冷房能力)を得る場合を想定すると、吸着材の吸着量差が0.08g/gの場合、吸着ヒートポンプにおける吸着材の必要量は、以下の式により15.0kgとなる。ただし、水の蒸発潜熱量は約2500kJ/kgであり、吸脱着の切り替えサイクルを10分(6回/時間)とする。
More specifically, the difference in the adsorption amount affects the following in the adsorption heat pump.
For example, assuming a case where an adsorption heat pump is used as a cooling device and a cooling capacity of 5.0 kW (= 18,000 kJ) is obtained (a cooling capacity of about 16 tatami mats facing the south of a wooden building), the adsorption amount difference between adsorbents is 0. In the case of 0.08 g / g, the necessary amount of adsorbent in the adsorption heat pump is 15.0 kg according to the following equation. However, the latent heat of vaporization of water is about 2500 kJ / kg, and the adsorption / desorption switching cycle is 10 minutes (6 times / hour).
吸着材必要量=
18000kJ/(2500kJ×0.08kg/kg×6回/hr)=15.0kg
Required amount of adsorbent =
18000 kJ / (2500 kJ × 0.08 kg / kg × 6 times / hr) = 15.0 kg
吸着ヒートポンプにおいて、吸着量は多い程良いが、吸着材の重量および容積は少ない程良い。すなわち、吸着ヒートポンプにおいては、設置面積に制約を受ける場合が多いため、より小型化を図った上でより大きな性能が求められる。従って、吸着材としては、吸着量差に関して上記の要件を満足するものがよい。吸着量差が小さい場合には、吸着材の必要量が大きくなり、装置が大型化するので好ましくない。例えば、吸着材の吸着量差が0.05g/gであった場合、上記式で算出される吸着材の必要量が24kgとなる。 In an adsorption heat pump, the larger the amount of adsorption, the better, but the smaller the weight and volume of the adsorbent, the better. That is, in an adsorption heat pump, since there are many cases where the installation area is limited, greater performance is required after further downsizing. Therefore, an adsorbent that satisfies the above-described requirements regarding the difference in adsorbed amount is preferable. When the difference in adsorption amount is small, the necessary amount of adsorbent becomes large and the apparatus becomes large, which is not preferable. For example, when the adsorption amount difference of the adsorbent is 0.05 g / g, the necessary amount of the adsorbent calculated by the above formula is 24 kg.
本発明の吸着材は、上記の様な吸着特性を備えていることにより、前記の如く、低温側熱源の温度が35℃で且つ高温側熱源の温度が75℃と言う厳しい条件でも吸着ヒートポンプを運転することができ、また、上記の様に大きな吸着量差を有していることにより、吸着ヒートポンプを一層コンパクトに構成できる。 Since the adsorbent of the present invention has the above-mentioned adsorption characteristics, as described above, the adsorption heat pump can be used even under severe conditions where the temperature of the low-temperature side heat source is 35 ° C. and the temperature of the high-temperature side heat source is 75 ° C. The adsorption heat pump can be configured more compactly because it can be operated and has a large adsorption amount difference as described above.
また、本発明の吸着材は、蓄熱材でもあるから、その特性を出力の面から規定することができる。すなわち、吸着材の出力密度(単位質量当たりの出力)は、上記の吸着量差、蒸発潜熱および吸着ヒートポンプでの吸脱着サイクルによって特定できる。例えば、吸着量差が0.08g/g、水の蒸発潜熱が約2500kJ/kgであり、10分サイクルで水を吸着したとすると、吸着材の出力密度は、以下の演算の様に0.33kw/kgとなる。吸着材の出力密度は、吸着量差と同様に、より大きい方が望ましいが、吸着材の材料上の制約や吸着ヒートポンプにおける吸着サイクルの設計上の制約から、1.5kw/kg程度以下である。 Moreover, since the adsorbent of the present invention is also a heat storage material, its characteristics can be defined from the aspect of output. That is, the output density (output per unit mass) of the adsorbent can be specified by the adsorption amount difference, the latent heat of vaporization, and the adsorption / desorption cycle in the adsorption heat pump. For example, if the adsorption amount difference is 0.08 g / g, the latent heat of vaporization of water is about 2500 kJ / kg, and water is adsorbed in a 10 minute cycle, the output density of the adsorbent is 0. 33 kw / kg. The power density of the adsorbent is desirable to be larger, as is the case with the difference in adsorbed amount, but it is about 1.5 kw / kg or less due to restrictions on the adsorbent material and the design of the adsorption cycle in the adsorption heat pump. .
吸着材の出力密度:吸着量差×蒸発潜熱/サイクル時間
=0.08×2500/600=0.33kW/kg
Adsorbent power density: difference in adsorption amount x latent heat of vaporization / cycle time
= 0.08 x 2500/600 = 0.33 kW / kg
また、吸着材の出力密度については、吸着ヒートポンプを実稼動させる場合の装置の大きさを考慮して設計する必要がある。通常、吸着ヒートポンプにおいては、吸着質を吸着・脱着する吸着器(吸着器モジュール)が少なくとも2基以上設けられており、これらの切替操作により装置全体として吸着機能を連続的に発揮する。しかも、各吸着器は、例えば、特開2001−213149号公報などに記載の様に、多数のフィン等から成る熱交換部材の表面に吸着材を付着させ、且つ熱交換部材を密閉容器内に収容した構造を備えている。そして、吸着器においては、吸着材が占有する部分と、熱交換部材自体が占有する部分とが存在し、吸着材が占める容積は実質的に約50%である。 Further, the power density of the adsorbent needs to be designed in consideration of the size of the apparatus when the adsorption heat pump is actually operated. Usually, in the adsorption heat pump, at least two adsorbers (adsorber modules) for adsorbing and desorbing adsorbate are provided, and the adsorption function is continuously exhibited as a whole apparatus by these switching operations. Moreover, each adsorber has an adsorbent attached to the surface of a heat exchange member composed of a large number of fins and the like, as described in, for example, JP-A-2001-213149, and the heat exchange member is placed in a sealed container. It has a housed structure. In the adsorber, there are a portion occupied by the adsorbent and a portion occupied by the heat exchange member itself, and the volume occupied by the adsorbent is substantially about 50%.
従って、実際のスケールからすると、吸着器における吸着材の充填密度は、最大で800kg/m3、最小で500kg/m3、平均で600kg/m3であるため、吸着器に要求される単位容積あたりの出力密度は、吸着材の吸着材の出力密度を0.33kw/kgとすると、以下の式から約100kw/m3となる。吸着器の出力密度の上限と下限は、吸着材の出力密度に依存し、通常は80〜450kw/m3程度である。
Therefore, when the actual scale, packing density of the adsorbent in the adsorber is at most 800 kg / m 3,
吸着器(吸着器モジュール)の出力密度:
吸着材の出力密度×充填密度×吸着材の占める容積割合
=0.33×600×0.5=99kW/m3
Adsorber (adsorber module) power density:
Adsorbent output density x packing density x volume fraction of adsorbent
= 0.33 x 600 x 0.5 = 99 kW / m 3
次に、上記の吸着材の適用例として、本発明の吸着ヒートポンプについて図1に基づいて説明する。図1は、本発明の吸着材が好適に適用される本発明の吸着ヒートポンプの構成の一例を示すフロー図である。 Next, as an application example of the above adsorbent, the adsorption heat pump of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a flowchart showing an example of the configuration of the adsorption heat pump of the present invention to which the adsorbent of the present invention is suitably applied.
本発明の吸着ヒートポンプは、上記の吸着材を使用した吸着ヒートポンプであり、概略、図1に示す様に、内部に吸着材を充填して成り、吸着熱を放出しつつ吸着材に吸着質を吸着する吸着操作、および、外部の温熱により吸着材から吸着質を脱着する脱着操作を繰り返すと共に、吸着質の吸着操作により発生した熱を熱媒に伝達する吸着器(1)および(2)と、吸着質の蒸発により得られた冷熱を外部へ取り出すと共に、発生した吸着質の蒸気が吸着器(1)および(2)に回収される蒸発器(4)と、吸着器(1)および(2)で脱着された吸着質の蒸気を外部の冷熱により凝縮させると共に、凝縮した吸着質を蒸発器(4)に供給し且つ吸着質の凝縮により得られた温熱を外部へ放出する凝縮器(5)とを備えている。 The adsorption heat pump of the present invention is an adsorption heat pump using the above-mentioned adsorbent, and is generally filled with an adsorbent as shown in FIG. 1, and adsorbate is adsorbed on the adsorbent while releasing the adsorption heat. Adsorbers (1) and (2) for repeating the adsorption operation for adsorbing and the desorption operation for desorbing the adsorbate from the adsorbent by external warm heat and transferring the heat generated by the adsorbate adsorption operation to the heat medium; The evaporator (4) in which the cold heat obtained by the evaporation of the adsorbate is taken out and the generated adsorbate vapor is recovered in the adsorbers (1) and (2), and the adsorbers (1) and ( A condenser (2) that condenses the vapor of the adsorbate desorbed in 2) by external cold heat, supplies the condensed adsorbate to the evaporator (4), and releases the heat obtained by the condensation of the adsorbate to the outside. 5).
吸着材が充填された吸着器(1)および(2)は、各入口側および各出口側がそれぞれ吸着質配管(30)により相互に接続され、吸着質配管(30)には、制御バルブ(31)〜(34)が設けられる。なお、吸着質配管(30)内において、吸着質は、蒸気または液体と蒸気の混合物として存在する。 In the adsorbers (1) and (2) filled with the adsorbent, the inlet side and the outlet side are connected to each other by the adsorbate pipe (30), and the adsorbate pipe (30) includes a control valve (31 ) To (34) are provided. In the adsorbate pipe (30), the adsorbate exists as a vapor or a mixture of liquid and vapor.
一方の吸着器(1)には熱媒配管(11)が接続され、他方の吸着器(2)には熱媒配管(21)が接続される。熱媒配管(11)には、切替バルブ(115)および(116)が設けられ、熱媒配管(21)には、切替バルブ(215)および(216)が設けられる。そして、熱媒配管(11)および(21)は、各々、吸着器(1)および(2)内の吸着材を加熱するための加熱源となる熱媒、または、吸着材を冷却するための冷却源となる熱媒が流れる様になされている。熱媒としては、吸着器(1)および(2)内の吸着材を有効に加熱または冷却し得る限り、各種の媒体を使用できる。 A heat medium pipe (11) is connected to one adsorber (1), and a heat medium pipe (21) is connected to the other adsorber (2). The heating medium pipe (11) is provided with switching valves (115) and (116), and the heating medium pipe (21) is provided with switching valves (215) and (216). The heat medium pipes (11) and (21) are respectively a heat medium serving as a heating source for heating the adsorbent in the adsorbers (1) and (2), or for cooling the adsorbent. A heat medium as a cooling source is made to flow. As the heat medium, various media can be used as long as the adsorbent in the adsorbers (1) and (2) can be effectively heated or cooled.
吸着器(1)は、脱着操作の際、切替バルブ(115)および(116)の開閉により、入口(113)より媒体として例えば温水を導入し、出口(114)に排出する様に構成されている。また、吸着操作の際、切替バルブ(115)および(116)の開閉により、入口(111)から例えば媒体として冷却水を導入し、出口(112)に排出する様に構成されている。一方、吸着器(2)は、脱着操作の際、切替バルブ(215)および(216)の開閉により、入口(213)より例えば媒体として温水を導入し、出口(214)に排出する様に構成されている。また、吸着操作の際、切替バルブ(215)および(216)の開閉により、入口(211)より媒体として例えば冷却水を導入し、出口(212)に排出する様に構成されている。 The adsorber (1) is configured to introduce, for example, hot water as a medium from the inlet (113) and discharge it to the outlet (114) by opening and closing the switching valves (115) and (116) during the desorption operation. Yes. Further, during the adsorption operation, the switching valves (115) and (116) are opened and closed so that, for example, cooling water is introduced as a medium from the inlet (111) and discharged to the outlet (112). On the other hand, the adsorber (2) is configured to introduce hot water, for example, as a medium from the inlet (213) and discharge it to the outlet (214) by opening and closing the switching valves (215) and (216) during the desorption operation. Has been. In addition, during the adsorption operation, the switching valves (215) and (216) are opened and closed so that, for example, cooling water is introduced as a medium from the inlet (211) and discharged to the outlet (212).
なお、図示しないが、熱媒配管(11)および(21)には、温水を供給するため、温水を発生する熱源、温水を循環するポンプが接続され、また、冷却水を供給するため、外気と熱交換可能な室外機が接続される。熱源としては、後述する様に、ガスエンジン、ガスタービン等のコージェネレーション機器や燃料電池などを利用できる。 Although not shown, the heat medium pipes (11) and (21) are connected to a heat source that generates hot water and a pump that circulates the hot water in order to supply hot water. And an outdoor unit capable of heat exchange. As the heat source, as will be described later, a cogeneration device such as a gas engine or a gas turbine, a fuel cell, or the like can be used.
吸着器(1)および(2)の入口側の吸着質配管(30)には蒸発器(4)が接続され、吸着器(1)および(2)の出口側の吸着質配管(30)には凝縮器(5)が接続されている。すなわち、上記の吸着器(1)および(2)は、蒸発器(4)と凝縮器(5)の間に並列に配置されており、そして、凝縮器(5)と蒸発器(4)の間には、凝縮器(5)にて凝縮された吸着質を蒸発器(4)に戻すための戻し配管(3)が設けられている。なお、符号(41)は蒸発器(4)からの冷房出力となる冷水配管、符号(42)は冷水の出口となる冷水配管をそれぞれ示し、冷水配管(41)と冷水配管(42)の間には、室内空間(空調空間)と熱交換するための室内機(300)、および、冷水を循環するポンプ(301)が配置される。また、符号(51)は凝縮器(5)に対する冷却水の入口配管を示し、符号(52)は冷却水の出口配管を示す。 The evaporator (4) is connected to the adsorbate pipe (30) on the inlet side of the adsorbers (1) and (2), and is connected to the adsorbate pipe (30) on the outlet side of the adsorbers (1) and (2). Is connected to a condenser (5). That is, the above-mentioned adsorbers (1) and (2) are arranged in parallel between the evaporator (4) and the condenser (5), and the condenser (5) and the evaporator (4). A return pipe (3) for returning the adsorbate condensed in the condenser (5) to the evaporator (4) is provided in between. Reference numeral (41) indicates a chilled water pipe serving as a cooling output from the evaporator (4), and reference numeral (42) indicates a chilled water pipe serving as an outlet of the chilled water, and is provided between the chilled water pipe (41) and the chilled water pipe (42). Are provided with an indoor unit (300) for exchanging heat with the indoor space (air-conditioned space) and a pump (301) for circulating cold water. Moreover, the code | symbol (51) shows the inlet piping of the cooling water with respect to a condenser (5), and the code | symbol (52) shows the outlet piping of a cooling water.
次に、この上記の吸着式ヒートポンプの運転方法について説明する。第1行程では、制御バルブ(31)および(34)を閉止し、かつ、制御バルブ(32)および(33)を開放することにより、吸着器(2)において吸着工程を行い、同時に、吸着器(1)において脱着(再生)工程を行う。また、切替バルブ(115)、(116)、(215)および(216)を操作し、熱媒配管(11)には温水を流通させ、熱媒配管(21)には冷却水を流通させる。 Next, an operation method of the above adsorption heat pump will be described. In the first stroke, the adsorber (2) performs an adsorption process by closing the control valves (31) and (34) and opening the control valves (32) and (33). In (1), a desorption (regeneration) step is performed. Further, the switching valves (115), (116), (215), and (216) are operated so that warm water is circulated through the heat medium pipe (11) and cooling water is circulated through the heat medium pipe (21).
吸着器(2)の吸着工程においては、熱媒配管(21)を通し、冷却塔などの外部の熱交換器によって冷やされた冷却流体(冷却水や冷気)を導入することにより、吸着器(2)を冷却する。冷却流体の温度は、周囲の温度から決まり、例えば家庭用燃料電池への組み込みを前提とした場合には25〜45℃である。一方、制御バルブ(32)の開操作により、蒸発器(4)内の水(吸着質)は蒸発し、水蒸気となって吸着器(2)に流れ込み、吸着材に吸着される。蒸発器(4)から吸着器(2)への水蒸気移動は、蒸発温度での飽和蒸気圧と吸着材温度(水冷式、空冷式に依らず、一般的には25〜45℃、好ましくは30〜43℃、更に好ましくは35〜40℃)に対応した吸着平衡圧との差により行われ、蒸発器(4)においては、水の蒸発に伴う気化熱に応じた冷熱、すなわち、冷房出力を得ることができる。 In the adsorption process of the adsorber (2), the adsorber (21) is introduced into the adsorber (cooling water or cold air) by introducing a cooling fluid (cooling water or cold air) cooled by an external heat exchanger such as a cooling tower. Cool 2). The temperature of the cooling fluid is determined from the ambient temperature, and is, for example, 25 to 45 ° C. when it is assumed to be incorporated in a household fuel cell. On the other hand, when the control valve (32) is opened, water (adsorbate) in the evaporator (4) evaporates and flows into the adsorber (2) as water vapor and is adsorbed by the adsorbent. The water vapor movement from the evaporator (4) to the adsorber (2) is generally 25 to 45 ° C., preferably 30, regardless of the saturated vapor pressure at the evaporation temperature and the adsorbent temperature (water cooling type or air cooling type). To 43 ° C., more preferably 35 to 40 ° C.), and in the evaporator (4), the cooler according to the heat of vaporization accompanying the evaporation of water, that is, the cooling output is obtained. Obtainable.
吸着側相対蒸気圧(φ2)(蒸発器(4)で生成する冷水温度における吸着質の平衡蒸気圧を、吸着器(2)の冷却水の温度における吸着質の平衡蒸気圧で除すことにより求められる値)は、吸着器(2)の冷却水の温度と蒸発器(4)で生成する冷水温度との関係から決定されるが、通常、吸着側相対蒸気圧(φ2)は、吸着材が最大に水蒸気を吸着する相対蒸気圧よりも大きくなる様に運転するのが好ましい。その理由は次の通りである。すなわち、吸着材が最大に水蒸気を吸着する相対蒸気圧よりも吸着側相対蒸気圧(φ2)が小さい場合には、吸着材の吸着機能を有効に利用できず、運転効率が低下する。上記の吸着側相対蒸気圧(φ2)は環境温度などにより適宜に設定することができる。 Adsorption side relative vapor pressure (φ2) (by dividing the equilibrium vapor pressure of the adsorbate at the cold water temperature generated by the evaporator (4) by the equilibrium vapor pressure of the adsorbate at the cooling water temperature of the adsorber (2) The required value) is determined from the relationship between the temperature of the cooling water in the adsorber (2) and the temperature of the cold water generated in the evaporator (4). Usually, the adsorption-side relative vapor pressure (φ2) is the adsorbent. It is preferable to operate so that the pressure is higher than the relative vapor pressure for adsorbing water vapor at the maximum. The reason is as follows. That is, when the adsorption side relative vapor pressure (φ2) is smaller than the relative vapor pressure at which the adsorbent adsorbs water vapor to the maximum, the adsorption function of the adsorbent cannot be used effectively, and the operation efficiency is lowered. The adsorption side relative vapor pressure (φ2) can be appropriately set according to the environmental temperature or the like.
吸着器(1)の再生工程において、吸着器(1)は、通常は53〜100℃、好ましくは58〜85℃、更に好ましくは60〜80℃の温水により加熱される。これにより、吸着器(1)の吸着材は、前記の温度範囲に対応した平衡蒸気圧になり、凝縮器(5)の凝縮温度25〜45℃(凝縮器(5)を冷却する冷却水の温度)での飽和蒸気圧で水(吸着質)を脱着する。脱着された水は、吸着器(1)から凝縮器(5)へ水蒸気の状態で移動し、凝縮されて水となる。そして、凝縮器(5)で得られた水は、戻し配管(3)により蒸発器(4)へ循環供給される。 In the regeneration step of the adsorber (1), the adsorber (1) is usually heated with warm water of 53 to 100 ° C, preferably 58 to 85 ° C, more preferably 60 to 80 ° C. Thereby, the adsorbent of the adsorber (1) has an equilibrium vapor pressure corresponding to the above temperature range, and the condensation temperature of the condenser (5) is 25 to 45 ° C. (cooling water for cooling the condenser (5)). Desorb water (adsorbate) with saturated vapor pressure at (temperature). The desorbed water moves from the adsorber (1) to the condenser (5) in the form of water vapor, and is condensed to become water. The water obtained in the condenser (5) is circulated and supplied to the evaporator (4) through the return pipe (3).
脱着側相対蒸気圧(φ1)(凝縮器(5)の冷却水の温度における吸着質の平衡蒸気圧を、温水の温度における吸着質の平衡蒸気圧で除すことにより求められる値)は、凝縮器(5)の冷却水の温度と温水の温度との関係から決定されるが、脱着側相対蒸気圧(φ1)は、吸着材が急激に水蒸気を吸着する相対蒸気圧よりも小さくなる様に運転するのが好ましい。その理由は次の通りである。すなわち、吸着材が急激に水蒸気を吸着する相対蒸気圧よりも脱着側相対蒸気圧(φ1)が大きい場合には、吸着材の優れた吸着機能を有効に利用できない。 The desorption side relative vapor pressure (φ1) (value obtained by dividing the equilibrium vapor pressure of the adsorbate at the cooling water temperature of the condenser (5) by the equilibrium vapor pressure of the adsorbate at the temperature of the hot water) is condensed. The desorption side relative vapor pressure (φ1) is determined so as to be smaller than the relative vapor pressure at which the adsorbent adsorbs water vapor rapidly. It is preferable to drive. The reason is as follows. That is, when the desorption side relative vapor pressure (φ1) is larger than the relative vapor pressure at which the adsorbent adsorbs water vapor rapidly, the excellent adsorption function of the adsorbent cannot be effectively used.
上記の脱着側相対蒸気圧(φ1)は、環境温度などにより適宜に設定することができるが、脱着側相対蒸気圧(φ1)における吸着量が通常は0.14g/g以下、好ましくは0.10g/g以下となる様な温度条件で運転される。更に、脱着側相対蒸気圧(φ1)における吸着量と吸着側相対蒸気圧(φ2)における吸着量との差が、通常は0.07g以上、好ましくは0.09g/g以上となる様に運転する。 The desorption side relative vapor pressure (φ1) can be appropriately set depending on the environmental temperature or the like, but the adsorption amount at the desorption side relative vapor pressure (φ1) is usually 0.14 g / g or less, preferably 0.8. It is operated under a temperature condition such that it is 10 g / g or less. Further, the operation is performed so that the difference between the adsorption amount at the desorption side relative vapor pressure (φ1) and the adsorption amount at the adsorption side relative vapor pressure (φ2) is usually 0.07 g or more, preferably 0.09 g / g or more. To do.
次の第2行程では、吸着器(1)が吸着工程、吸着器(2)が再生工程となる様に、制御バルブ(31)〜(34)、ならびに、切り替えバルブ(115)、(116)、(215)および(216)を切り替えることにより、上記と同様に、蒸発器(4)から冷熱、換言すれば、冷房出力を得ることができる。すなわち、第2行程では、制御バルブ(32)および(33)を閉止し、かつ、制御バルブ(31)および(34)を開放することにより、吸着器(1)において吸着工程を行い、同時に、吸着器(2)において再生工程を行う。また、その際、切替バルブ(115)、(116)、(215)および(216)を操作し、熱媒配管(21)には温水を流通させ、熱媒配管(11)には冷却水を流通させる。 In the next second step, the control valves (31) to (34) and the switching valves (115) and (116) are used so that the adsorber (1) is an adsorption process and the adsorber (2) is a regeneration process. By switching between (215) and (216), it is possible to obtain cooling from the evaporator (4), in other words, cooling output, in the same manner as described above. That is, in the second stroke, the adsorption process is performed in the adsorber (1) by closing the control valves (32) and (33) and opening the control valves (31) and (34). A regeneration process is performed in the adsorber (2). Further, at that time, the switching valves (115), (116), (215) and (216) are operated, warm water is circulated through the heat medium pipe (21), and cooling water is supplied to the heat medium pipe (11). Circulate.
以上の様に、第1および第2行程を順次に切り替えることにより、吸着ヒートポンプを連続運転することができる。なお、図1においては、2基の吸着器(1)および(2)を備えた吸着ヒートポンプについて例示したが、本発明の吸着ヒートポンプにおいては、吸着材が吸着した吸着質の脱着を適宜行い、いずれかの吸着器が吸着質を吸着できる状態を維持できる限り、吸着器は何基設置されていてもよい。 As described above, the adsorption heat pump can be continuously operated by sequentially switching the first and second strokes. In addition, in FIG. 1, although illustrated about the adsorption heat pump provided with the two adsorbers (1) and (2), in the adsorption heat pump of the present invention, the adsorbate adsorbed by the adsorbent is appropriately desorbed, Any number of adsorbers may be installed as long as any adsorber can maintain the adsorbate adsorbate.
図1に示されるような本発明の吸着ヒートポンプの吸着器は、一般的には吸着材を充填あるいは塗布したフィンチューブ熱交換器である。 The adsorber of the adsorption heat pump of the present invention as shown in FIG. 1 is generally a finned tube heat exchanger filled or coated with an adsorbent.
本発明のゼオライトを吸着材として該熱交換器に適用する場合、例えば、無機系あるいは有機系のバインダーと共にスラリーを調合して、該フィン表面に塗布・乾燥させて固定膜を形成する(塗布型の熱交換器)。 When the zeolite of the present invention is applied to the heat exchanger as an adsorbent, for example, a slurry is prepared together with an inorganic or organic binder, and applied to the fin surface and dried to form a fixed film (coating mold). Heat exchanger).
他方、ペレット状(粒状)のゼオライト(吸着材)をフィン間に密充填する場合もあるが、吸着材がペレットの場合、小さな粒体を連続したフィン間とチューブ表面で形成される隙間に密充填し、熱交換器全体をメッシュの細かい金網で包み込む方法がしばしば行われる。この方法では迅速かつ容易に熱交換器の製造が可能である。しかし、このような系では、吸着材の粒体間および粒体と熱交換器本体の金属(フィンやチューブ)表面とが点接触となり、熱伝達が乏しいために熱交換性能としてはあまり高くならない。また、その熱効率は、ペレットの内部拡散による影響も受ける。 On the other hand, pellet-shaped (granular) zeolite (adsorbent) may be closely packed between fins, but when the adsorbent is pellets, small particles are closely packed in the gap formed between the continuous fins and the tube surface. A method of filling and wrapping the entire heat exchanger with a fine mesh net is often used. With this method, the heat exchanger can be manufactured quickly and easily. However, in such a system, the heat exchange performance is not so high due to the point contact between the particles of the adsorbent and between the particles and the metal (fin or tube) surface of the heat exchanger body, and the heat transfer is poor. . The thermal efficiency is also affected by the internal diffusion of the pellets.
それに対して塗布型の熱交換器の場合では、塗膜が熱交換器の表面に均一に塗布されている限り、大きな伝熱面積を有することになるので、上記で指摘した伝熱上の難点を解決することができるので好ましい。 On the other hand, in the case of a coating-type heat exchanger, as long as the coating film is uniformly applied to the surface of the heat exchanger, it will have a large heat transfer area, so the heat transfer difficulties pointed out above Is preferable.
該塗布型の熱交換器を製造する際に使用されるバインダーとしては、形成される塗膜に実用上必要な耐久性や接着性を満足するものであれば特に限定されず、各種の無機系または有機系バインダーを用いることができる。 The binder used in producing the coating type heat exchanger is not particularly limited as long as it satisfies the practically required durability and adhesiveness for the coating film to be formed. Alternatively, an organic binder can be used.
無機系バインダーとしては、シリカ、アルミナ、チタニア等の金属酸化物や粘土等が挙げられる。 Examples of the inorganic binder include metal oxides such as silica, alumina, and titania, and clay.
有機系バインダーとしては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ウレタン樹脂、メラミン樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボーネート樹脂、(メタ)アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、シリコーン樹脂、酢酸ビニル系樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ラテックス、セルロース、マレイミド化合物等が挙げられる。 Examples of organic binders include epoxy resins, phenol resins, polyimide resins, polyester resins, polyether sulfone resins, urethane resins, melamine resins, fluororesins, polycarbonate resins, (meth) acrylic resins, polyvinyl alcohol, silicone resins, Examples thereof include vinyl acetate resin, polyolefin resin, polystyrene resin, latex, cellulose, maleimide compound and the like.
一般には、塗膜の強度維持の観点から、バインダーとしては、硬化により凝集力を高められる熱硬化性の樹脂が好ましく、例えば、フィン等、塗布される熱交換器基材が銅やアルミニウム等の金属フィンである場合は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、またはこれらの誘導体であるのが好ましい。
なお、これらのバインダーは1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて使用しても良い。
In general, from the viewpoint of maintaining the strength of the coating film, the binder is preferably a thermosetting resin that can increase the cohesive force by curing. For example, the heat exchanger substrate to be applied such as fins is made of copper, aluminum, or the like. When it is a metal fin, it is preferably an epoxy resin, a phenol resin, a urethane resin, a silicone resin, or a derivative thereof.
In addition, these binders may be used individually by 1 type, and may be used in combination of 2 or more type.
バインダーを用いる場合、溶剤に希釈して使用しても良いが、溶剤を用いる場合には、ゼオライトの表面を露出させ、吸着阻害の少ない塗膜を得るために、水系の乳化物とするのが好ましい。 When using a binder, it may be used after diluting in a solvent, but when using a solvent, in order to expose the surface of the zeolite and obtain a coating film with little adsorption inhibition, an aqueous emulsion may be used. preferable.
バインダーの使用量は、形成される塗膜中の含有量として5〜30重量%とするのが好ましい。バインダー量が5重量%未満であると、十分な塗膜強度が得られず、30重量%より多いと、塗膜の空隙率が減少し、吸脱着速度を低下させるので好ましくない。 It is preferable that the usage-amount of a binder shall be 5 to 30 weight% as content in the coating film formed. When the amount of the binder is less than 5% by weight, sufficient coating strength cannot be obtained, and when it is more than 30% by weight, the porosity of the coating is decreased and the adsorption / desorption rate is lowered, which is not preferable.
塗膜形成には、その他の添加剤として、各種添加剤を使用することも可能である。例えば、レオロジー添加剤、界面活性剤、消泡剤、硬化剤、酸化防止剤、pH調整剤、防錆剤などを塗膜形成用のスラリーに添加することができる。 Various additives can be used as other additives for forming the coating film. For example, rheology additives, surfactants, antifoaming agents, curing agents, antioxidants, pH adjusters, rust inhibitors and the like can be added to the slurry for forming a coating film.
塗布型の場合の塗膜形成用のスラリーの塗布方法としては、公知の方法が挙げられるが、ディップ(含浸、浸漬)、ナイフコート、スプレーコート、ロールコート、スクリーン印刷、パッド印刷、オフセット印刷等の方法が挙げられる。 Examples of the application method of the slurry for forming the coating film in the case of the application type include known methods, such as dip (impregnation, immersion), knife coating, spray coating, roll coating, screen printing, pad printing, offset printing, and the like. The method is mentioned.
熱交換器の基材の型式としては、プレートフィン型のほか、シート状、板状、エロフィンチューブ型、コルゲート型等、公知の熱交換器に用いられる形状のものが制限無く使用できる。基材の材質も特に制限は無く、金属、セラミックス、グラファイト、樹脂、炭素繊維強化樹脂(CFRP)等の複合材等も使用することができる。 As the type of the base material of the heat exchanger, a plate shape, a sheet shape, a plate shape, an erofin tube type, a corrugated type, and the like used in known heat exchangers can be used without limitation. The material of the substrate is not particularly limited, and composite materials such as metal, ceramics, graphite, resin, and carbon fiber reinforced resin (CFRP) can be used.
上記の様な本発明の吸着ヒートポンプは、低温排熱を熱源として駆動させることができるため、省エネルギー化が求められるコージェネレーションシステム等の各種のシステムに適用できる。以下、本発明に係る吸着ヒートポンプの適用例として、固体高分子型燃料電池の排熱を利用した冷熱生成システム、太陽熱利用給湯器の温熱を利用した冷熱生成システム、内燃機関利用のコージェネレーションシステムの低温排熱を利用した冷熱生成システム、および、温熱生成システムについて、図2〜図5を参照して説明する。 Since the adsorption heat pump of the present invention as described above can be driven using low-temperature exhaust heat as a heat source, it can be applied to various systems such as a cogeneration system that requires energy saving. Hereinafter, as an application example of the adsorption heat pump according to the present invention, a cold generation system using exhaust heat of a polymer electrolyte fuel cell, a cold generation system using the temperature of a solar water heater, a cogeneration system using an internal combustion engine A cold heat generation system using low-temperature exhaust heat and a heat generation system will be described with reference to FIGS.
図2は、本発明に係る吸着ヒートポンプの熱源として固体高分子型燃料電池の排熱を利用した冷熱生成システムの構成図であり、図3は、太陽熱利用給湯器の温熱を利用した冷熱生成システムの構成図である。図4は、エンジンの低温排熱を利用した冷熱生成システムの構成図である。また、図5は、本発明に係る吸着ヒートポンプを使用した温熱生成システムの構成図である。なお、図2〜図5においては本発明の吸着ヒートポンプを符号(1A)で示す。 FIG. 2 is a configuration diagram of a cold heat generation system using exhaust heat of a polymer electrolyte fuel cell as a heat source of an adsorption heat pump according to the present invention, and FIG. 3 is a cold heat generation system using the heat of a solar water heater. FIG. FIG. 4 is a configuration diagram of a cold heat generation system using low-temperature exhaust heat of the engine. FIG. 5 is a configuration diagram of a thermal generation system using the adsorption heat pump according to the present invention. In addition, in FIGS. 2-5, the adsorption | suction heat pump of this invention is shown with a code | symbol (1A).
図2に示す冷熱生成システムは、家庭用電源に固体高分子型燃料電池(PEFC)(81)を組み込んだコージェネレーションシステムである。斯かるシステムは、平6−74597号公報、特開2001−213149号公報などに開示されている。PEFC(81)は、発電効率が約40%であり、廃熱を効率的に利用することで総合効率が80%程度まで向上するため、排熱の有効利用方法が各種提案されているが、80℃以下の低温排熱の利用用途が少なく、斯かる低温排熱の有効活用が望まれている。 The cold heat generation system shown in FIG. 2 is a cogeneration system in which a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) (81) is incorporated in a household power source. Such a system is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 6-74597 and 2001-213149. PEFC (81) has a power generation efficiency of about 40%, and the total efficiency is improved to about 80% by efficiently using waste heat. There are few uses for low-temperature exhaust heat of 80 ° C. or less, and effective use of such low-temperature exhaust heat is desired.
そこで、図2に示す様に、本発明においては、PEFC(81)から排出される80℃以下の熱を吸着ヒートポンプ(1A)に利用する。すなわち、本発明の吸着ヒートポンプ(1A)において、吸着器(1)および(2)は、固体高分子型燃料電池(PEFC)(81)から発生した低温排熱を外部の温熱として使用する様になされている。具体的には、PEFC(81)の排熱を熱交換器(82)によって回収し、熱交換器(82)の例えば温水を吸着器(1)および(2)に導入することにより、吸着材から水(吸着質)を脱着する際の加熱源として利用する。なお、吸着器(1)および(2)は、吸着時には吸着熱を除去する必要があるため、冷却水を流して熱交換を行うが、斯かる冷却水の供給は、車のラジエーターからの排水や水道水などの冷熱源となる冷媒を循環させる方法が一般的であり、場合によっては外部の冷たい水を使用することもできる。また、前述のような水冷式以外にも、空気で冷却する空冷式も採用可能である。 Therefore, as shown in FIG. 2, in the present invention, heat of 80 ° C. or less discharged from the PEFC (81) is used for the adsorption heat pump (1A). That is, in the adsorption heat pump (1A) of the present invention, the adsorbers (1) and (2) use the low-temperature exhaust heat generated from the polymer electrolyte fuel cell (PEFC) (81) as external heat. Has been made. Specifically, the exhaust heat of the PEFC (81) is recovered by the heat exchanger (82) and, for example, hot water from the heat exchanger (82) is introduced into the adsorbers (1) and (2), thereby adsorbing material. It is used as a heating source when water (adsorbate) is desorbed from water. Since the adsorbers (1) and (2) need to remove heat of adsorption during adsorption, cooling water is supplied to perform heat exchange. The cooling water is supplied from a car radiator. A method of circulating a refrigerant serving as a cold heat source, such as water or tap water, is generally used. In some cases, external cold water can be used. In addition to the water-cooling method described above, an air-cooling method that uses air to cool can also be employed.
吸着ヒートポンプ(1A)は、冷熱生成装置であるから、図2に示す様なシステムに組み込むことにより、排熱利用による冷熱生成が可能となる。また、従来の冷熱生成機器では、冷媒圧縮のためのコンプレッサが必要であるが、図2に示すシステムによれば、コンプレッサ等の装置や動力が必要ないため、省電力を図ることができ、しかも、熱媒として水を使用できるため、脱フロンの観点からしても環境に好ましい。 Since the adsorption heat pump (1A) is a cold heat generation device, cold heat generation by utilizing exhaust heat becomes possible by incorporating it into a system as shown in FIG. In addition, in the conventional cold heat generating device, a compressor for compressing the refrigerant is necessary. However, according to the system shown in FIG. Since water can be used as a heat medium, it is preferable for the environment even from the viewpoint of defluorocarbon.
図3に示す冷熱生成システムは、太陽熱利用給湯器の温熱を利用して冷熱を生成するシステムである。太陽熱利用給湯器システムは、特開昭63−118564号公報などに開示されている。上記の給湯器システムは、集熱器(83)を含む集熱回路と、貯湯タンク(84)を含む給湯回路とを備え、貯湯タンク(84)の湯温と補給する水温とをセンサーで検出し、貯湯タンク(84)から集熱器(83)に循環させる水量をポンプ制御することにより、貯湯タンク(84)に一定温度の温水を常に一定量蓄える様になされたものである。貯湯タンク(84)の温熱は、本来は給湯により十分に利用可能であるが、季節によっては給湯需要量が変動する。具体的には、冬期には十分利用可能であるが、夏期には熱需要の減少により温熱が余り、その結果、省エネルギー化を達成していないと言う実情がある。 The cold heat generation system shown in FIG. 3 is a system that generates cold using the heat of a solar water heater. A solar water heater system is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. Sho 63-118564. The water heater system includes a heat collecting circuit including a heat collector (83) and a hot water supply circuit including a hot water storage tank (84), and detects a hot water temperature of the hot water storage tank (84) and a water temperature to be replenished by a sensor. Then, by controlling the amount of water circulated from the hot water storage tank (84) to the heat collector (83), the hot water storage tank (84) always stores a constant amount of hot water at a constant temperature. The hot water in the hot water storage tank (84) can be adequately used by hot water supply, but the hot water supply demand varies depending on the season. Specifically, although it can be used sufficiently in the winter season, there is a fact that in the summer season, heat is surplus due to a decrease in heat demand, and as a result, energy saving has not been achieved.
そこで、図3に示す様に、本発明においては、貯湯タンク(84)に蓄えられる湯温の温熱を吸着ヒートポンプ(1A)に利用する。すなわち、本発明の吸着ヒートポンプ(1A)において、吸着器(1)および(2)は、貯湯タンク(84)に蓄えられる余剰の温熱、換言すれば、太陽熱利用給湯器から発生した低温排熱を外部の温熱として使用する様になされている。具体的には、貯湯タンク(84)に蓄えられた湯温の温熱を蛇腹管構造などの熱交換器によって回収し、熱交換器の例えば温水を吸着器(1)および(2)に導入することにより、吸着材から水(吸着質)を脱着する際の加熱源として利用する。なお、吸着器(1)および(2)における吸着熱の除去には、前述と同様に、各種の冷却水を使用でき、また、貯湯タンク(84)に新たに供給する水を冷却水として使用することもできる。 Therefore, as shown in FIG. 3, in the present invention, the hot water temperature stored in the hot water storage tank (84) is used for the adsorption heat pump (1A). That is, in the adsorption heat pump (1A) of the present invention, the adsorbers (1) and (2) are provided with excess heat stored in the hot water storage tank (84), in other words, low-temperature exhaust heat generated from the solar water heater. It is designed to be used as external heat. Specifically, the hot water temperature stored in the hot water storage tank (84) is recovered by a heat exchanger such as a bellows tube structure, and the hot water of the heat exchanger, for example, is introduced into the adsorbers (1) and (2). Thus, it is used as a heating source when water (adsorbate) is desorbed from the adsorbent. As described above, various cooling waters can be used to remove the heat of adsorption in the adsorbers (1) and (2), and the water newly supplied to the hot water storage tank (84) is used as the cooling water. You can also
本発明の吸着ヒートポンプ(1A)は、図3に示す様なシステムに組み込むことにより、余剰の熱を利用して冷熱を生成することが可能となる。すなわち、夏期に余剰の温熱を利用することにより、効率の良い冷房を行うことができる。しかも、給湯器システムの余剰の熱を利用するため、一層省エネルギー化を促進できる。更に、図3に示すシステムによれば、コンプレッサ等の装置や動力が必要ないため、省電力を図ることができ、しかも、熱媒として水を使用できるため、脱フロンの観点からしても環境に好ましい。 By incorporating the adsorption heat pump (1A) of the present invention into a system as shown in FIG. 3, it is possible to generate cold using surplus heat. That is, efficient cooling can be performed by using surplus heat in the summer. Moreover, since the surplus heat of the water heater system is used, further energy saving can be promoted. Furthermore, according to the system shown in FIG. 3, since no apparatus or power such as a compressor is required, it is possible to save power, and since water can be used as a heating medium, the environment can be reduced even from the viewpoint of removing chlorofluorocarbons. Is preferable.
図4に示す冷熱生成システムは、内燃機関を使用して発電を行い、蒸気、温水および冷水の製造を行うガスタービンコージェネレーションシステムにおいて構築される低温排熱利用システムである。ガスタービンコージェネレーションシステムは、特開2002−266656号公報などに開示されている。周知の通り、斯かるシステムは、例えば、ガスタービン(内燃機関)によって発電機を駆動することにより発電を行い、ガスタービンの燃焼排ガスの熱を排熱回収ボイラで回収して蒸気を発生させ、排熱回収ボイラから供給される蒸気を駆動熱源として吸収式冷凍機により冷水を製造し、また、排熱回収ボイラを通過した排ガスの熱を温水ボイラによって更に回収して温水を製造し、そして、温水ボイラで製造した温水を駆動熱源として吸着式冷凍機(吸着ヒートポンプ)により冷水を製造する様になされている。 The cold heat generation system shown in FIG. 4 is a low-temperature exhaust heat utilization system constructed in a gas turbine cogeneration system that generates electric power using an internal combustion engine and manufactures steam, hot water, and cold water. A gas turbine cogeneration system is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-266656. As is well known, such a system, for example, generates power by driving a generator by a gas turbine (internal combustion engine), recovers the heat of the combustion exhaust gas of the gas turbine with an exhaust heat recovery boiler, generates steam, Cold water is produced by an absorption refrigeration machine using steam supplied from an exhaust heat recovery boiler as a driving heat source, and heat of exhaust gas that has passed through the exhaust heat recovery boiler is further recovered by a hot water boiler to produce hot water, and Cold water is produced by an adsorption refrigerator (adsorption heat pump) using hot water produced by a hot water boiler as a driving heat source.
本発明においては、図4に示す様に、内燃機関利用のコージェネレーションシステムの温水ボイラ(85)で回収される温水の熱を吸着ヒートポンプ(1A)に利用する。すなわち、本発明の吸着ヒートポンプ(1A)において、吸着器(1)および(2)は、内燃機関利用のコージェネレーションシステムから発生する低温排熱を外部の温熱として使用する様になされている。具体的には、温水ボイラ(85)において蛇腹管構造などの熱交換器により温熱を回収し、熱媒としての例えば温水を熱交換器から吸着器(1)および(2)に導入することにより、吸着材から水(吸着質)を脱着する際の加熱源として利用する。なお、吸着器(1)および(2)における吸着熱の除去には、前述と同様に、各種の冷却流体を使用できる。 In this invention, as shown in FIG. 4, the heat | fever of the hot water collect | recovered with the hot water boiler (85) of the cogeneration system using an internal combustion engine is utilized for an adsorption heat pump (1A). That is, in the adsorption heat pump (1A) of the present invention, the adsorbers (1) and (2) use low-temperature exhaust heat generated from a cogeneration system using an internal combustion engine as external heat. Specifically, by collecting hot heat with a heat exchanger such as a bellows tube structure in a hot water boiler (85) and introducing, for example, hot water as a heat medium from the heat exchanger to the adsorbers (1) and (2). It is used as a heating source when desorbing water (adsorbate) from the adsorbent. In addition, various cooling fluids can be used for the removal of the heat of adsorption in the adsorbers (1) and (2) as described above.
本発明の吸着ヒートポンプ(1A)は、図4に示す様なコージェネレーションシステムに組み込むことにより、従来は利用価値の低かった温水の低温排熱を一層有効活用して冷熱を低コストで生成することができる。しかも、熱媒として水を使用できるため、環境保護の観点からも好ましい。また、吸収式冷凍機の様に臭化リチウム等の吸収液を使用することがないため、保守管理に手間が掛からず、保守費用も低減できる。更に、ガスタービンと略同時に起動できるため、負荷変動などにも迅速に対応できる。 By incorporating the adsorption heat pump (1A) of the present invention into a cogeneration system as shown in FIG. 4, the low-temperature exhaust heat of the hot water, which has conventionally been of low utility value, can be used more effectively to generate cold at low cost. Can do. And since water can be used as a heat carrier, it is preferable also from a viewpoint of environmental protection. Moreover, since an absorption liquid such as lithium bromide is not used unlike an absorption refrigerator, maintenance management is not required and maintenance costs can be reduced. Furthermore, since it can be started substantially simultaneously with the gas turbine, it can respond quickly to load fluctuations.
図5に示す温熱生成システムは、吸着材の吸着熱を利用して温熱を生成するシステムである。吸着ヒートポンプ(1A)は、前述の様に、吸着操作の際、吸着材に所定の吸着能力を発揮させるため、通常の運転時には吸着熱を冷却水などにより除去し、吸着材の温度を下げるが、前記の吸着熱を有効利用することにより、温熱生成が可能となる。 The thermal generation system shown in FIG. 5 is a system that generates thermal energy using the adsorption heat of the adsorbent. As described above, the adsorption heat pump (1A) reduces the temperature of the adsorbent by removing the heat of adsorption with cooling water or the like during normal operation so that the adsorbent exhibits a predetermined adsorption capacity during the adsorption operation. By using the heat of adsorption effectively, it is possible to generate warm heat.
以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例により何ら制限を受けるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated in more detail, this invention is not restrict | limited at all by the following Examples, unless the summary is exceeded.
[実施例1]
水90gと85重量%リン酸水溶液46gの混合物に、擬ベーマイト(水分含有量25重量%、サソール社製)24.5gをゆっくりと加えて攪拌した。これを2時間攪拌し、これに硫酸第一鉄7水和物5.6gを水37gに溶かした水溶液を加え、さらに硫酸スズ(II)4.3gを水40gに混合したものを加えて攪拌し、さらにトリエチルアミン24.2gを混合して1時間攪拌して水性ゲル(pH5)を得た。これをテフロン(登録商標)製内筒の入った1Lの誘導攪拌式ステンレスオートクレーブに仕込み、100rpmで回転させ、190℃で20時間反応させた。反応後、冷却して、濾過により沈殿物を回収し、水洗、濾過を繰り返し、100℃で乾燥した。
[Example 1]
To a mixture of 90 g of water and 46 g of 85 wt% phosphoric acid aqueous solution, 24.5 g of pseudoboehmite (
こうして得られた結晶性鉄スズアルミノフォスフェートのXRDを以下の条件で測定したところ、図6に示す通りであり、AFI型であった。
<XRDの測定方法>
X線源:Cu−Kα線(λ=1.54Å)
出力設定:40kV、30mA
測定時光学条件:発散スリット=1°
散乱スリット=1°
受光スリット=0.2mm
回折ピークの位置:2θ(回折角)
測定範囲:2θ=3−50°
When the XRD of the crystalline iron tin aluminophosphate thus obtained was measured under the following conditions, it was as shown in FIG.
<XRD measurement method>
X-ray source: Cu-Kα ray (λ = 1.54Å)
Output setting: 40 kV, 30 mA
Optical conditions during measurement: Divergent slit = 1 °
Scattering slit = 1 °
Receiving slit = 0.2mm
Diffraction peak position: 2θ (diffraction angle)
Measurement range: 2θ = 3-50 °
更に、得られた乾燥物3gを縦型の石英管に入れ、室温から1.5℃/分で昇温し、550℃で6時間の空気焼成を行った。
このものを塩酸水溶液で加熱溶解させ、ICP分析により元素分析を行った。その結果、(Fe+Sn)/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.079、Sn/Feのモル比は0.51、Al/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.44、P/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.48であった。
Furthermore, 3 g of the obtained dried product was put into a vertical quartz tube, heated from room temperature at 1.5 ° C./min, and air-fired at 550 ° C. for 6 hours.
This was heated and dissolved in an aqueous hydrochloric acid solution and subjected to elemental analysis by ICP analysis. As a result, the molar ratio of (Fe + Sn) / (Al + P + Fe + Sn) was 0.079, the molar ratio of Sn / Fe was 0.51, the molar ratio of Al / (Al + P + Fe + Sn) was 0.44, and the molar ratio of P / (Al + P + Fe + Sn). Was 0.48.
また、得られたゼオライトの35℃における水蒸気吸着等温線を吸着等温線測定装置(ベルソープ18:日本ベル社製)で測定し、結果を図7に示した。また、75℃での脱着時の水蒸気吸着等温線も磁器浮遊式天秤による吸着等温線測定装置(日本ベル社製)で測定し、結果を図7に合わせて示した。なお、測定は空気恒温槽温度50℃、吸着温度35℃、初期導入圧力3torr、飽和蒸気圧42.181torr、平衡時間500秒の条件で行った。 Further, the water vapor adsorption isotherm at 35 ° C. of the obtained zeolite was measured with an adsorption isotherm measuring apparatus (Bell Soap 18: manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.), and the results are shown in FIG. Moreover, the water vapor adsorption isotherm at the time of desorption at 75 ° C. was also measured with an adsorption isotherm measuring device (manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.) using a porcelain floating balance, and the results are shown in FIG. The measurement was performed under the conditions of an air thermostat temperature of 50 ° C., an adsorption temperature of 35 ° C., an initial introduction pressure of 3 torr, a saturated vapor pressure of 42.181 torr, and an equilibrium time of 500 seconds.
また、以下の水蒸気繰り返し吸脱着試験を行ったところ維持率は、96.1%であった。 Further, when the following water vapor repeated adsorption / desorption test was conducted, the maintenance ratio was 96.1%.
<水蒸気繰り返し吸脱着試験>
試料を90℃に保たれた真空容器内に保持し、5℃の飽和水蒸気雰囲気と80℃飽和水蒸気雰囲気にそれぞれ90秒曝す操作を繰り返す。このとき80℃の飽和水蒸気雰囲気に曝されたときに試料に吸着した水は、5℃の飽和水蒸気雰囲気で一部が脱着し、5℃に保った水だめに移動する。m回目の吸着からn回目の脱着で、5℃の水だめに移動した水の総量(Qn;m(g))と試料の乾燥重量(W(g))から一回あたりの平均吸着量(Cn;m(g/g))を以下のようにして求める。
[Cn;m]=[Qn;m]/(n−m+1)/W
吸脱着試験の維持率とは、水蒸気繰り返し吸脱着試験の1回から1000回の平均吸着量に対する1001回から2000回の平均吸着量の比を求めたものである。
<Water vapor repeated adsorption / desorption test>
The operation of holding the sample in a vacuum container maintained at 90 ° C. and exposing it to a 5 ° C. saturated water vapor atmosphere and an 80 ° C. saturated water vapor atmosphere for 90 seconds is repeated. At this time, part of the water adsorbed on the sample when exposed to a saturated water vapor atmosphere at 80 ° C. is desorbed in a saturated water vapor atmosphere at 5 ° C. and moves to a water reservoir maintained at 5 ° C. From the m-th adsorption to the n-th desorption, the average amount of adsorption per time (Qn; m (g)) and the dry weight (W (g)) of the sample transferred to the 5 ° C. water sump Cn; m (g / g)) is determined as follows.
[Cn; m] = [Qn; m] / (n−m + 1) / W
The maintenance rate of the adsorption / desorption test is a ratio of the average adsorption amount of 1001 to 2000 times to the average adsorption amount of 1 to 1000 times of the water vapor repeated adsorption / desorption test.
[実施例2]
水16.8gと85重量%リン酸水溶液9.2gの混合物に、擬ベーマイト(水分含有量25重量%、サソール社製)4.9gをゆっくりと加えて攪拌した。これを2時間攪拌し、これに硫酸第一鉄7水和物2.2gを水7.6gに溶かした水溶液を加え、さらに硫酸スズ(II)0.86gを水9.0gに混合したものを加えて攪拌し、さらにトリエチルアミン4.8gを混合して1時間攪拌し水性ゲル(pH5)を得た。これをテフロン(登録商標)製内筒の入った100ccのステンレスオートクレーブに仕込み、オートクレーブごと15rpmで回転させ、190℃で20時間反応させた。反応後、冷却して、濾過により沈殿物を回収し、水洗、濾過を繰り返し、100℃で乾燥した。
[Example 2]
To a mixture of 16.8 g of water and 9.2 g of 85% by weight phosphoric acid aqueous solution, 4.9 g of pseudoboehmite (
こうして得られた結晶性鉄スズアルミノフォスフェートのXRDを測定したところ、AFI型であった。
得られた乾燥物を実施例1と同様にして空気焼成した。
また、実施例1と同様に元素分析を行った結果、(Fe+Sn)/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.053、Sn/Feのモル比は0.86、Al/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.46、P/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.49であった。
The XRD of the crystalline iron tin aluminophosphate thus obtained was measured and found to be AFI type.
The obtained dried product was air calcined in the same manner as in Example 1.
As a result of performing the elemental analysis in the same manner as in Example 1, the molar ratio of (Fe + Sn) / (Al + P + Fe + Sn) was 0.053, the molar ratio of Sn / Fe was 0.86, and the molar ratio of Al / (Al + P + Fe + Sn) was The molar ratio of 0.46, P / (Al + P + Fe + Sn) was 0.49.
得られたゼオライトの35℃における水蒸気吸着等温線を吸着等温線測定装置(ベルソープ18:日本ベル社製)で測定し、結果を図8に示した。なお、測定は空気恒温槽温度50℃、吸着温度35℃、初期導入圧力3torr、飽和蒸気圧42.181torr、平衡時間500秒の条件で行った。 The water vapor adsorption isotherm at 35 ° C. of the obtained zeolite was measured with an adsorption isotherm measuring device (Bell Soap 18: manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.), and the results are shown in FIG. The measurement was performed under the conditions of an air thermostat temperature of 50 ° C., an adsorption temperature of 35 ° C., an initial introduction pressure of 3 torr, a saturated vapor pressure of 42.181 torr, and an equilibrium time of 500 seconds.
また、実施例1と同様に水蒸気繰り返し吸脱着試験を行ったところ、維持率は、96.9%であった。 Moreover, when the water vapor | steam repeated adsorption / desorption test was done like Example 1, the maintenance factor was 96.9%.
[実施例3]
水10gと85重量%リン酸水溶液8.6gの混合物に、擬ベーマイト(水分含有量25重量%、サソール社製)4.9gをゆっくりと加えて攪拌した。これを1時間攪拌し、次いで、硫酸第一鉄7水和物2.2gを水23.5gに溶かした水溶液を加え、更にトリエチルアミン4.8gを混合した後、1時間攪拌した。さらに、オルトチタン酸テトライソプロピル1.8gを加え、これを1時間攪拌し、水性ゲル(pH5)を得た。これをテフロン(登録商標)製内筒の入った100ccのステンレスオートクレーブに仕込み、オートクレーブごと15rpmで回転させ、190℃で20時間反応させた。反応後、冷却して、デカンテーションにより上澄みを除き、沈殿物を回収し、水洗、濾過を繰り返し、100℃で乾燥した。
[Example 3]
To a mixture of 10 g of water and 8.6 g of 85 wt% phosphoric acid aqueous solution, 4.9 g of pseudoboehmite (
得られた乾燥物3gを縦型の石英管に入れ、室温から1℃/分の昇温速度で昇温し、550℃で6時間の空気焼成を行った。
こうして得られた結晶性鉄チタンアルミノフォスフェートのXRDを測定したところ、AFI型(フレームワーク密度は17.3T/1000Å3)であった。
このものを塩酸水溶液で加熱溶解させ、ICP分析により元素分析を行った。その結果、(Fe+Ti)/(Fe+Ti+Al+P)のモル比は0.056、Ti/Feのモル比は0.30、Al/(Fe+Ti+Al+P)のモル比は0.43、P/(Fe+Ti+Al+P)のモル比は0.51であった。
3 g of the obtained dried product was put into a vertical quartz tube, heated from room temperature at a heating rate of 1 ° C./min, and air fired at 550 ° C. for 6 hours.
When the XRD of the crystalline iron titanium aluminophosphate thus obtained was measured, it was AFI type (the framework density was 17.3 T / 1000 Å 3 ).
This was heated and dissolved in an aqueous hydrochloric acid solution and subjected to elemental analysis by ICP analysis. As a result, the molar ratio of (Fe + Ti) / (Fe + Ti + Al + P) was 0.056, the molar ratio of Ti / Fe was 0.30, the molar ratio of Al / (Fe + Ti + Al + P) was 0.43, and the molar ratio of P / (Fe + Ti + Al + P). Was 0.51.
また、得られたゼオライトの35℃における水蒸気吸着等温線を吸着等温線測定装置(ベルソープ18:日本ベル製)で測定し、結果を図10に示した。なお、測定は空気高温槽温度50℃、吸着温度35℃、初期導入圧力3torr、飽和蒸気圧42.181Torr、平衡時間500秒の条件で行った。
図10より、35℃の吸着温度で6℃という低い冷水を得る場合の相対蒸気圧に相当する0.17の場合でも、水吸着量が0.13g/gと大きいことが分かる。
Moreover, the water vapor adsorption isotherm at 35 ° C. of the obtained zeolite was measured with an adsorption isotherm measuring device (Bell Soap 18: manufactured by Nippon Bell), and the results are shown in FIG. The measurement was performed under the conditions of an air high temperature bath temperature of 50 ° C., an adsorption temperature of 35 ° C., an initial introduction pressure of 3 torr, a saturated vapor pressure of 42.181 Torr, and an equilibrium time of 500 seconds.
FIG. 10 shows that the water adsorption amount is as large as 0.13 g / g even in the case of 0.17 corresponding to the relative vapor pressure when cold water as low as 6 ° C. is obtained at the adsorption temperature of 35 ° C.
また、実施例1と同様に水蒸気繰り返し吸脱着試験を行ったところ、維持率は、95.7%であった。 Moreover, when the water vapor | steam repeated adsorption / desorption test was done like Example 1, the maintenance factor was 95.7%.
[比較例1:スズを含まないAFI型ゼオライトの比較例]
実施例2において、硫酸スズ(II)を加えない他は同様に合成を行った。
こうして得られた結晶性鉄アルミノフォスフェートのXRDを測定したところ、AFI型であった。
[Comparative Example 1: Comparative example of tin-free AFI zeolite]
In Example 2, the synthesis was performed in the same manner except that tin (II) sulfate was not added.
When the XRD of the crystalline iron aluminophosphate thus obtained was measured, it was an AFI type.
得られた乾燥物を実施例1と同様にして空気焼成した。
得られたゼオライトについて35℃における水蒸気吸着等温線を吸着等温線測定装置(ベルソープ18:日本ベル社製)で測定し、結果を図7に示した。また、75℃での脱着時の水蒸気吸着等温線も実施例1と同じ方法で測定し、結果を図7に合わせて示した。なお、測定は空気恒温槽温度50℃、吸着温度35℃、初期導入圧力3torr、飽和蒸気圧42.181torr、平衡時間500秒の条件で行った。
The obtained dried product was air calcined in the same manner as in Example 1.
With respect to the obtained zeolite, a water vapor adsorption isotherm at 35 ° C. was measured with an adsorption isotherm measuring apparatus (Bell Soap 18: manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.), and the results are shown in FIG. Moreover, the water vapor adsorption isotherm at the time of desorption at 75 ° C. was also measured by the same method as in Example 1, and the results are shown in FIG. The measurement was performed under the conditions of an air thermostat temperature of 50 ° C., an adsorption temperature of 35 ° C., an initial introduction pressure of 3 torr, a saturated vapor pressure of 42.181 torr, and an equilibrium time of 500 seconds.
また、実施例1と同様に水蒸気繰り返し吸脱着試験を行ったところ、維持率は、94.6%であった。 Moreover, when the water vapor | steam repeated adsorption / desorption test was done like Example 1, the maintenance factor was 94.6%.
[比較例2:骨格構造がCHA型であるシリカスズアルミノフォスフェートの比較例]
水20gと85重量%リン酸水溶液10.1gの混合物に、擬ベーマイト(水分含有量25重量%、サソール社製)6.5gをゆっくりと加えて攪拌した。これを2時間攪拌し、これにfumedシリカ(アエロジル200、日本アエロジル社製)0.75gを水12gに分散させたものを加え、さらに硫酸スズ(II)1.1gを水10gに混合したものを加えて攪拌し、さらにトリエチルアミン5.1gとモルホリン4.4gを混合したものを加えて1時間攪拌して水性ゲルを得た。
これをテフロン(登録商標)製内筒の入った100ccのステンレスオートクレーブに仕込み、オートクレーブごと15rpmで回転させ、190℃で48時間反応させた。反応後、冷却して、濾過により沈殿物を回収し、水洗、濾過を繰り返し、100℃で乾燥した。
[Comparative Example 2: Comparative example of silica tin aluminophosphate having a skeleton structure of CHA type]
To a mixture of 20 g of water and 10.1 g of 85 wt% phosphoric acid aqueous solution, 6.5 g of pseudo boehmite (
This was charged into a 100 cc stainless steel autoclave containing a Teflon (registered trademark) inner cylinder, rotated at 15 rpm together with the autoclave, and reacted at 190 ° C. for 48 hours. After the reaction, the mixture was cooled and the precipitate was collected by filtration, washed with water and filtered repeatedly, and dried at 100 ° C.
こうして得られた結晶性シリカスズアルミノフォスフェートのXRDを測定したところ、CHA型であった。
得られた乾燥物を実施例1と同様に空気焼成した。
When the XRD of the crystalline silica tin aluminophosphate thus obtained was measured, it was a CHA type.
The obtained dried product was air calcined in the same manner as in Example 1.
また、実施例1と同様に水蒸気繰り返し吸脱着試験を行ったところ、維持率は、21.9%であった。 Moreover, when the water vapor | steam repeated adsorption / desorption test was done like Example 1, the maintenance factor was 21.9%.
なお、スズを添加しないこと以外は上記と同様にして合成して得られたCHA型のシリカアルミノフォスフェートの場合は、維持率が100%であった。
従って、スズを含有すれば、どのような構造のアルミノフォスフェートでも耐久性が高くなるということではなく、むしろ耐久性を低下させる場合があることがわかり、スズの効果はAFI型に特有なことであることが確認された。
In the case of the CHA type silica aluminophosphate obtained by synthesizing in the same manner as described above except that tin was not added, the retention rate was 100%.
Therefore, it can be seen that the inclusion of tin does not increase the durability of any structure of aluminophosphate, but rather may decrease the durability, and the effect of tin is unique to the AFI type. It was confirmed that.
[比較例3:Sn/Fe≦0.5であるAFI型ゼオライトの比較例]
水15gと85重量%リン酸水溶液9.2gの混合物に、擬ベーマイト(水分含有量25重量%、サソール社製)4.9gをゆっくりと加えて攪拌した。これを2時間攪拌し、これに硫酸第一鉄7水和物2.2gを水10gに溶かした水溶液を加え、さらに硫酸スズ(II)0.43gを水8gに混合したものを加えて攪拌し、さらにトリエチルアミン4.8gを混合して1時間攪拌して水性ゲルを得た。
これをテフロン(登録商標)製内筒の入った100ccのステンレスオートクレーブに仕込み、オートクレーブごと15rpmで回転させ、190℃で20時間反応させた。反応後、冷却して、濾過により沈殿物を回収し、水洗、濾過を繰り返し、100℃で乾燥した。
[Comparative Example 3: Comparative Example of AFI Zeolite with Sn / Fe ≦ 0.5]
To a mixture of 15 g of water and 9.2 g of 85% by weight phosphoric acid aqueous solution, 4.9 g of pseudoboehmite (
This was charged into a 100 cc stainless steel autoclave containing a Teflon (registered trademark) inner cylinder, and the whole autoclave was rotated at 15 rpm and reacted at 190 ° C. for 20 hours. After the reaction, the mixture was cooled and the precipitate was collected by filtration, washed with water and filtered repeatedly, and dried at 100 ° C.
こうして得られた結晶性鉄スズアルミノフォスフェートのXRDを測定したところ、AFI型であった。
得られた乾燥物を実施例1と同様に空気焼成した。
また、実施例1と同様に元素分析を行った結果、(Fe+Sn)/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.052、Sn/Feのモル比は0.11、Al/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.45、P/(Al+P+Fe+Sn)のモル比は0.50であった。
The XRD of the crystalline iron tin aluminophosphate thus obtained was measured and found to be AFI type.
The obtained dried product was air calcined in the same manner as in Example 1.
Further, as a result of elemental analysis as in Example 1, the molar ratio of (Fe + Sn) / (Al + P + Fe + Sn) was 0.052, the molar ratio of Sn / Fe was 0.11, and the molar ratio of Al / (Al + P + Fe + Sn) was The molar ratio of 0.45, P / (Al + P + Fe + Sn) was 0.50.
得られたゼオライトの35℃における水蒸気吸着等温線を吸着等温線測定装置(ベルソープ18:日本ベル社製)で測定し、結果を図9に示した。なお、測定は空気恒温槽温度50℃、吸着温度35℃、初期導入圧力3torr、飽和蒸気圧42.181torr、平衡時間500秒の条件で行った。 The water vapor adsorption isotherm at 35 ° C. of the obtained zeolite was measured with an adsorption isotherm measuring device (Bell Soap 18: manufactured by Nippon Bell Co., Ltd.), and the results are shown in FIG. The measurement was performed under the conditions of an air thermostat temperature of 50 ° C., an adsorption temperature of 35 ° C., an initial introduction pressure of 3 torr, a saturated vapor pressure of 42.181 torr, and an equilibrium time of 500 seconds.
図7に示す結果から、本発明の実施例1のゼオライトは、35℃における吸着等温線が相対蒸気圧0.1〜0.18の範囲で急激に水蒸気を吸着する曲線であり、特に35℃の吸着温度で6℃という低い冷水を得る場合の相対蒸気圧に相当する0.17の場合でも吸着量が0.122g/gと大きいのに対し、比較例1では0.015g/gしかないことが分かる。また、35℃での吸着時の相対蒸気圧0.17の場合の吸着量と75℃での脱着時の相対蒸気圧0.15の場合の吸着量との差についても、実施例1では0.08g/gであるのに対して、比較例1では0.01g/gと極めて小さいことがわかる。 From the results shown in FIG. 7, the zeolite of Example 1 of the present invention is a curve in which the adsorption isotherm at 35 ° C. rapidly adsorbs water vapor in the range of the relative vapor pressure of 0.1 to 0.18, particularly 35 ° C. Even in the case of 0.17 corresponding to the relative vapor pressure when obtaining cold water as low as 6 ° C. at an adsorption temperature of 0.15 g / g, the adsorption amount is as large as 0.122 g / g, whereas in Comparative Example 1, it is only 0.015 g / g. I understand that. Further, the difference between the adsorption amount in the case of the relative vapor pressure 0.17 at the time of adsorption at 35 ° C. and the adsorption amount in the case of the relative vapor pressure 0.15 at the time of desorption at 75 ° C. is 0 in Example 1. It can be seen that it is as small as 0.01 g / g in Comparative Example 1 while it is 0.08 g / g.
すなわち、本発明のゼオライトを吸着材として使用すると、比較的低温の排熱を利用した場合も、換言すれば、水蒸気の脱着温度が比較的低温でも、吸着温度(Tlow)と脱着温度(Thigh)における吸着量差が大きく、また、出力密度が大きいことが分かる。上記の様な特性を有するゼオライトは、出力密度が十分に大きく、本発明の吸着材として、最も好ましいものの一つである。 That is, when the zeolite of the present invention is used as an adsorbent, even when a relatively low temperature exhaust heat is used, in other words, even when the desorption temperature of water vapor is relatively low, the adsorption temperature (Tlow) and the desorption temperature (High). It can be seen that the adsorption amount difference is large and the output density is large. Zeolite having the above characteristics has a sufficiently large power density and is one of the most preferable adsorbents of the present invention.
また、図8,9より、実施例2に比べて、スズの含有量が少ない比較例3の場合は、特に35℃の吸着温度で6℃という低い冷水を得る場合の相対蒸気圧に相当する0.17の場合の吸着量が、実施例2では0.15g/gであるのに対し、比較例3では0.07g/gと十分ではなく、しかも目的の領域で十分な吸着量差が得られず、低温側が高温である場合の吸着材としては、十分な性能を示すことができないことが分かる。 8 and 9, the case of Comparative Example 3 in which the tin content is smaller than that of Example 2 corresponds to the relative vapor pressure particularly when cold water of 6 ° C. is obtained at an adsorption temperature of 35 ° C. The adsorption amount in the case of 0.17 is 0.15 g / g in Example 2, whereas 0.07 g / g is not sufficient in Comparative Example 3, and there is a sufficient adsorption amount difference in the target region. It cannot be obtained, and it is understood that sufficient performance cannot be exhibited as an adsorbent when the low temperature side is high temperature.
また、本発明のゼオライトは、水蒸気繰り返し吸脱着試験後の安定性(耐久性)にも優れているので、吸着ヒートポンプ等に使用した場合に長期間の使用にも耐えることができるため、実用性にも優れている。
このような効果は、スズやチタンを添加すればどのようなゼオライトでも得られる効果ではないことが比較例2の結果から明らかである。
In addition, the zeolite of the present invention is also excellent in stability (durability) after repeated water vapor adsorption / desorption tests, so that it can withstand long-term use when used in an adsorption heat pump, etc. Also excellent.
It is clear from the results of Comparative Example 2 that such an effect is not an effect obtained with any zeolite if tin or titanium is added.
[比較例4:種々のFe−Me−AFI型ゼオライトの吸着性能と耐久性比較]
実施例1と同様の方法で、ヘテロ原子が、スズのかわりに、同じモル比になるようにして、ニッケル、ケイ素、コバルト、銅、マグネシウム、ジルコニウムの成分(以上を纏めて「Me」で示す)を加えてFe−Me−AFI型アルミノフォスフェートのゼオライトを合成した。
Meそれぞれの原料は、硝酸ニッケル、fumedシリカ、硝酸コバルト、硝酸銅、硝酸マグネシウム、硝酸ジルコニルを用いた。
これらのゼオライトの35℃での吸着時の水蒸気吸着等温線を測定した。
また、実施例1と同様に水蒸気繰り返し吸脱着試験を行って、維持率を求めた。
各ゼオライトの35℃水蒸気吸着等温線における相対蒸気圧0.17での吸着量と維持率を下記表1に記載した。表1には比較例1のゼオライトと実施例1のゼオライトの値を併記した。
本比較例では、特許文献2,3に記載される種々のMeについて比較試験を行ったが、35℃相対蒸気圧0.17で吸着量が0.1g/g以上かつ維持率が90%以上のものはなかった。
[Comparative Example 4: Adsorption performance and durability comparison of various Fe-Me-AFI type zeolites]
In the same manner as in Example 1, components of nickel, silicon, cobalt, copper, magnesium and zirconium (the above are collectively referred to as “Me”) so that the hetero atoms have the same molar ratio instead of tin. ) Was added to synthesize Fe-Me-AFI type aluminophosphate zeolite.
As raw materials for each of Me, nickel nitrate, fumed silica, cobalt nitrate, copper nitrate, magnesium nitrate, and zirconyl nitrate were used.
Water vapor adsorption isotherms during adsorption of these zeolites at 35 ° C. were measured.
Moreover, the water vapor | steam repeated adsorption / desorption test was done like Example 1, and the maintenance factor was calculated | required.
Table 1 below shows the amount of adsorption and the maintenance rate of each zeolite at a relative vapor pressure of 0.17 on a 35 ° C. water vapor adsorption isotherm. Table 1 shows the values of the zeolite of Comparative Example 1 and the zeolite of Example 1.
In this comparative example, various Me described in
[実施例4,比較例5:吸着ヒートポンプ適用例]
実施例1で得られた本発明の吸着材(ゼオライト)(実施例4)、または公知の吸着材(AQSOA(登録商標)−Z01、三菱樹脂(株)製 AFI型鉄アルミノフォスフェート)(比較例5)を用い、以下の通り熱交換器を作成し、図1に示したような構成の1kW級吸着式冷凍機に用いた場合の適用実験を行った。
[Example 4, Comparative Example 5: Application example of adsorption heat pump]
Adsorbent (zeolite) of the present invention obtained in Example 1 (Example 4) or known adsorbent (AQSOA (registered trademark) -Z01, AFI type iron aluminophosphate manufactured by Mitsubishi Plastics) Using Example 5), a heat exchanger was prepared as follows, and an application experiment was performed when it was used in a 1 kW class adsorption refrigerator having the configuration shown in FIG.
なお、本発明の吸着材(ゼオライト)は、低い相対蒸気圧で吸着質を吸着する点に特徴がある。この「低い相対蒸気圧で吸着質を吸着する」とは、
(1) 吸着材及び吸着材周囲雰囲気(冷却流体)が高温で吸着可能であること、
または
(2) 冷水をより低温にした条件で吸着可能であること
を示す。
以下の表2の条件は、(1)の状態の実験例であり、表5の条件は、(2)の状態の実験例である。
The adsorbent (zeolite) of the present invention is characterized in that it adsorbs adsorbate at a low relative vapor pressure. This "adsorbs adsorbate with low relative vapor pressure"
(1) The adsorbent and the ambient atmosphere (cooling fluid) can be adsorbed at high temperatures.
Or (2) It indicates that adsorption is possible under the condition of cold water at a lower temperature.
The conditions in Table 2 below are experimental examples in the state (1), and the conditions in Table 5 are experimental examples in the state (2).
<熱交換器の作成>
吸着材1000gとイオン交換水1000gを混合し、吸着熱により生成する温度を十分に冷ました後に有機バインダーとしてjER1256(三菱化学(株)製品、商品名、ビスフェノールA型エポキシ樹脂)の水系エマルジョンを添加し、均一に混合してスラリーを調製した。
上記スラリーを用い、アルミニウム製フラットフィンに、塗布重量165gとなるように塗布および加熱乾燥した熱交換器を計4個作成した。これらを図1中の吸着器(1),(2)にそれぞれ2個ずつ設置し、吸着ヒートポンプを作成した。
<Creation of heat exchanger>
Add 1000g of adsorbent and 1000g of ion-exchanged water, and after cooling the temperature generated by adsorption heat sufficiently, add an aqueous emulsion of jER1256 (Mitsubishi Chemical Corporation product name, bisphenol A type epoxy resin) as an organic binder. And uniformly mixed to prepare a slurry.
Using the above slurry, a total of four heat exchangers were applied to aluminum flat fins that were applied and heat-dried to a coating weight of 165 g. Two of these were installed in each of the adsorbers (1) and (2) in FIG. 1 to prepare an adsorption heat pump.
<(1)の条件>
吸着の際の低温熱源として熱媒配管(11)や(21)を通して供給される冷却水の温度(入口温度)を変動させて(27℃、30℃、32℃、35℃)測定を行った。表2に主な実験条件を示す。
実験条件において、冷却水温度以外は一定値とした。温水温度はそれぞれの条件で吸着材の出力が限界に達してこれ以上には向上しえない状態になる最低温度とした。なお、温水の温度は、脱着の際の高温熱源として熱媒配管(11)や(21)を通して供給される温水の温度(入口温度)であり、冷水の温度は冷房出力となる冷水配管(41)を通り、蒸発器(4)に供給される冷水の温度(入口温度)、および冷水配管(42)を通る蒸発器(4)の冷水温度(出口温度)として、出力性能(kW)を評価し、公知の吸着材を使用した場合(比較例5)の結果(表3)と、本発明の吸着材を使用した場合(実施例4)の結果(表4)を示した。また、この結果を纏めて図11に示した。
<Conditions for (1)>
Measurement was performed by varying the temperature (inlet temperature) of the cooling water supplied through the heat medium pipe (11) or (21) as a low-temperature heat source during adsorption (27 ° C, 30 ° C, 32 ° C, 35 ° C). . Table 2 shows the main experimental conditions.
In the experimental conditions, the values other than the cooling water temperature were set to constant values. The hot water temperature was set to the lowest temperature at which the output of the adsorbent reached the limit under each condition and could not be further improved. The temperature of the hot water is the temperature of hot water (inlet temperature) supplied through the heat medium pipes (11) and (21) as a high-temperature heat source during desorption, and the temperature of the cold water is the cold water pipe (41 ), The output performance (kW) is evaluated as the temperature (inlet temperature) of the cold water supplied to the evaporator (4) and the cold water temperature (outlet temperature) of the evaporator (4) passing through the cold water pipe (42). The results (Table 3) when using a known adsorbent (Comparative Example 5) and the results (Table 4) when using the adsorbent of the present invention (Example 4) are shown. The results are collectively shown in FIG.
この結果、低温熱源である冷却水温度(吸着材温度)が低ければ、公知の吸着材(比較例5)でも本発明の吸着材(実施例4)でも冷却出力に大きな差は無いが、冷却水温度が高いほど、冷却出力が高く、その差が顕著であることが分かった。 As a result, if the cooling water temperature (adsorbent temperature), which is a low-temperature heat source, is low, there is no significant difference in cooling output between the known adsorbent (Comparative Example 5) and the adsorbent of the present invention (Example 4). It was found that the higher the water temperature, the higher the cooling output, and the difference is remarkable.
<(2)の条件>
上記(1)の条件に対して、冷却水温度(低温熱源)を32℃に固定し、冷水流量を一定にし、温水温度(高温熱源温度)は公知の吸着材(比較例5)では、吸着材の出力が限界に達してこれ以上には向上しえない状態になる最低温度とし、本発明の吸着材(実施例4)では、80%の出力となる状態となる温度とし、冷水温度を9℃または7℃として冷却出力を測定した場合の条件(表5)と、結果(比較例5=表6、実施例4=表7)を示した。
また、これらの結果を図12に示した。
<Condition (2)>
For the condition (1) above, the cooling water temperature (low temperature heat source) is fixed at 32 ° C., the flow rate of the cold water is kept constant, and the hot water temperature (high temperature heat source temperature) is adsorbed in a known adsorbent (Comparative Example 5). The minimum temperature at which the output of the material reaches the limit and cannot be improved any further, the adsorbent of the present invention (Example 4) is set to a temperature at which the output is 80%, and the cold water temperature is The conditions (Table 5) and results (Comparative Example 5 = Table 6, Example 4 = Table 7) when the cooling output was measured at 9 ° C. or 7 ° C. were shown.
These results are shown in FIG.
その結果、図12から明らかなように、吸着式冷凍機から取り出せる冷水温度が低い場合ほど(冷水入口温度が9℃の場合に比べて、7℃の場合の方が)、公知の吸着材(比較例5)に比べて本発明の吸着材(実施例4)の方が、冷却出力(kW)が相対的に高くなり、その差異が大きいことが分かる。 As a result, as is apparent from FIG. 12, the lower the chilled water temperature that can be taken out from the adsorption chiller is, the lower the chilled water temperature (when the chilled water inlet temperature is 7 ° C., 7 ° C.) It can be seen that the adsorbent of the present invention (Example 4) has a relatively high cooling output (kW) and the difference is larger than that of Comparative Example 5).
1 吸着器
11 熱媒配管
115 切替バルブ
116 切替バルブ
2 吸着器
21 熱媒配管
215 切替バルブ
216 切替バルブ
3 戻し配管
30 吸着質配管
31 制御バルブ
32 制御バルブ
33 制御バルブ
34 制御バルブ
300 室内機
301 ポンプ
4 蒸発器
41 冷水配管
42 冷水配管
5 凝縮器
51 入口配管
52 出口配管
81 固体高分子型燃料電池(PEFC)
82 熱交換器
83 集熱器
84 貯湯タンク
85 温水ボイラ
86 貯湯タンク
DESCRIPTION OF
82
Claims (9)
0.25<M/Fe<1.0
であることを特徴とするゼオライト。 AFI-type zeolite containing aluminum, phosphorus, iron and M (M is tin and / or titanium) in the skeleton structure, and the M / Fe molar ratio is 0.25 <M / Fe <1.0.
Zeolite characterized by being.
0.50<M/Fe<1.0
であることを特徴とするゼオライト。 AFI-type zeolite containing aluminum, phosphorus, iron and M (M is tin and / or titanium) in the skeleton structure, and M / Fe molar ratio is 0.50 <M / Fe <1.0.
Zeolite characterized by being.
吸着熱を放出しつつ前記吸着材に吸着質を吸着する吸着操作と、外部の温熱により前記吸着材から吸着質を脱着する脱着操作とを繰り返す吸着器と、
吸着質の蒸発により得られた冷熱を外部へ取り出すと共に、発生した吸着質の蒸気が前記吸着器に回収される蒸発器と、
前記吸着器で脱着された吸着質の蒸気を外部の冷熱により凝縮させると共に、凝縮した吸着質を前記蒸発器に供給する凝縮器と
を備えることを特徴とする吸着ヒートポンプ。 An adsorption heat pump using the adsorbent according to any one of claims 4 to 6,
An adsorber that repeats an adsorption operation for adsorbing the adsorbate to the adsorbent while releasing heat of adsorption, and a desorption operation for desorbing the adsorbate from the adsorbent by external heat,
Taking out the cold heat obtained by the evaporation of the adsorbate to the outside, an evaporator in which the generated adsorbate vapor is collected in the adsorber,
An adsorption heat pump comprising: a condenser for condensing the adsorbate vapor desorbed by the adsorber with external cold heat and supplying the condensed adsorbate to the evaporator.
Priority Applications (1)
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2020089833A (en) * | 2018-12-05 | 2020-06-11 | 栗田工業株式会社 | Gas adsorption apparatus and gas adsorption method |
-
2011
- 2011-08-25 JP JP2011183706A patent/JP2012067002A/en not_active Withdrawn
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