Generating method of cooling for building air conditioning due to the thermal chemical methods

本発明は、熱化学的方法によるビル空調用冷却の発生方法に関する。

可逆的な２つの熱化学的プロセスを使用する熱化学的ダイポール（以下、単にダイポールとも称する）からなるシステムは、それ自体、冷却発生手段として知られるものである。 熱化学的ダイポールは、リアクターＢＴと、リアクターＨＴと、リアクターＢＴとＨＴとの間のガス交換手段とから構成され、前記２つのリアクターはダイポール内の圧力が所定圧力である場合にリアクターＢＴの平衡温度がリアクターＨＴの平衡温度以下となるように選択した可逆的熱化学的プロセスの座（seat）である。 リアクターＨＴ内の可逆的熱化学プロセスは、溶剤Ｓと、ガスＧとを使用するものであって、以下の式（１）、即ち、

リアクターＢＴ内の可逆的熱化学プロセスは、同じガスＧを使用するものであって、ガスＧの気液相変化または、溶剤Ｓとは異なる溶剤Ｓ ¹によるガスＧの可逆的吸着または、溶剤Ｓ ¹及びガスＧの可逆的化学反応であり得る。 装置の冷却発生段階はリアクターＨＴでの合成段階に相当する。

温度Ｔｃの熱源と、温度Ｔｏのヒートシンクとを使用して、ダイポール（リアクターＢＴ、ＨＴ）内で温度Ｔｆの冷却を発生させる場合、リアクターＢＴ及びリアクターＨＴ内での各熱化学的プロセスは以下のようなものとなる。
ａ）ダイポールによる冷却発生段階中、リアクターＨＴ内で温度Ｔｏに近い且つ温度Ｔｏ以上の温度下にガスが発熱下に消費され、それによりダイポール内に、リアクターＢＴ内の平衡温度を、温度Ｔｆに近い且つそれ以下である温度とするような圧力が発生する。

ｂ）ダイポールでの再生段階中、温度Ｔｃの熱を付加するとリアクターＨＴ内でガスが吸熱下に遊離され、それによりダイポール内に、リアクターＢＴ内で発熱下にガスが消費される温度を、温度Ｔｏに近く且つそれ以上の温度とするような圧力が発生する。 リアクターＢＴ内での熱化学的プロセスは一般にガスＧの気液相変化であり、リアクターＢＴは蒸発器/凝縮器ユニット（ＥＣ）である。

ビル空調用に熱化学的装置を使用するのは、そうした装置に関連する各装置類が静音且つ無振動性のものである限り魅力的である。 これらの装置は一般に、温帯域では事実上その温度が恒久的に１５℃である下層土をヒートシンクとして使用する。 空調は主に非常に暑い時期に必要であるので、そうした時期に特に豊富な太陽エネルギーを使用することもできる。 しかし、安価な平形収熱器の収熱温度は一般に７０℃を越えることがなく、もっとずっと高い温度を得るには高度なテクノロジーや、真空集熱器あるいはパラボラまたは円筒パラボラ形集熱器のような特別に高価な太陽集熱器を用いる他ない。 しかも、太陽エネルギーは一年を通して、また一日の間にもその大きさが変化する。

約７０℃である温度Ｔｃの熱源と、約１５℃である温度Ｔｏのヒートシンクとから冷却を発生させる熱化学的プロセスが知られており、そうしたプロセスでは、例えば、ダイポールのリアクターＢＴ内で、アンモニア（NH ₃ ）と、メチルアミン（NH ₂ CH ₃ ）または水（H ₂ O）の気液相変化が使用され得る。 リアクターでの反応に関しては、CaCl ₂ 、BaCl ₂ 、PbBr ₂ 、PbCl ₂ 、LiCl、SnCl ₂ 、ZnSO ₄またはNH ₄ Br、によるNH ₃の、またはCaCl ₂によるNH ₂ CH ₃の可逆性の化学的収着反応；または、ゼオライトまたはシリカゲルによる水の吸着反応；または、活性炭内でのメタノール（MeOH）またはアンモニアの吸着反応；または、アンモニア溶液（NH ₃ 、H ₂ O）内でのNH ₃の、またはLiBrの食塩溶液によるH ₂ Oの吸収反応、を挙げることができる。

太陽エネルギーに関連する、温度Ｔｃの熱源と、約１５℃の温度のヒートシンクとの間で動作する複数の熱化学的ダイポールから成るビル空調用の装置であって、特にはアンモニア、メタルアミン或いは水のような作動ガスを用いる既知の熱化学的プロセスを使用する装置を提供することである。

本発明によれば、最高温度が約７０℃である間欠的な熱源と、約１５℃の温度のヒートシンクとを用いるビル空調用の装置及び熱化学的方法が提供される。

本発明の装置は、蒸発器−凝縮器ユニットＥＣ（以下、単にＥＣとも称する）と、リアクターＲ（以下、単にＲとも称する）にして、ＥＣとの間にガスＧを循環させるための手段と、ガス流れ妨害手段とを連結したリアクターＲとを夫々含む３つ或いは４つの熱化学的なダイポールを含んでおり、以下の特徴点を有している。
ａ）リアクターが、ガスと、液体または固体との間の可逆性プロセスの座（seat）であり、蒸発器−凝縮器がガスの気液相変化の座（seat）である点。
ｂ）各リアクターＲが、各リアクターＲ間で熱交換するための手段と、熱交換を制御するための手段とを備える点。
ｃ）各ダイポールでの熱化学的プロセスが同一または相違し得る点。
ｄ）装置が、最高温度Ｔｈが約７０℃である可変温度Ｔｃの熱源と、温度Ｔｏが約１５℃であるヒートシンクとを含む点。

各ダイポールのＥＣが作動ガスＧの気液相変化の座であるそうした装置において、所定のダイポールに関するＲの温度はＥＣの温度よりも本来高温である。
各ダイポールでの熱化学的プロセスの平衡曲線は、各リアクターの外部への熱損失を制限するために類似することが好ましい。 ２つの熱化学的プロセスの２つの平衡曲線は、所定の平衡圧力下の各平衡温度が１５℃以上は相違しない場合に類似すると考えられる。 全てのダイポールで同じ熱化学的プロセスを選択するのが特に有益である。
本発明の装置の各ダイポールは、Ｄａ（蒸発器−凝縮器ユニットＥＣａと、リアクターＲａとよりなる）、Ｄｂ（ＥＣｂと、Ｒｂとよりなる）、Ｄｃ（ＥＣｃと、Ｒｃとよりなる）、そして随意的にはＤｄ（ＥＣｄと、Ｒｄとよりなる）により下記の如く表示される。

順次する相Ｍ１、Ｈ１、Ｈ２、Ｍ２、Ｂを含む１日２４時間のサイクルの間、太陽集熱器は、サイクルの前記各相に従い変化する温度Ｔｃにおいて入手し得る熱を付加する。 全インソレーションの、相Ｈ１及びＨ２において付加される熱は約７０℃の温度Ｔｈに近く、相Ｍ２に先行する相Ｍ１、または、全インソレーションに続く相Ｍ２の間に発生する熱は温度Ｔｈと温度Ｔｏとの間の中間温度Ｔｍであるが、それでも尚、熱源として有用である。 夜間、或いは太陽光の無い間（相Ｂ）に付加される熱の温度は環境温度Ｔｏに近い温度Ｔｂであり、従って熱源としては温度は低過ぎる。

本発明の方法によれば、順次する相Ｍ１、Ｈ１、Ｈ２、Ｍ２、Ｂを夫々含む２４時間の各サイクルにより冷却が発生され、相Ｈ１及びＨ２の間は約７０℃または７０℃以上の温度Ｔｈであり、相Ｍ１及びＭ２の間は中間温度Ｔｎであり、相Ｂの間は環境温度に近い温度Ｔｂである熱源を使用し、熱源が、特に相Ｍ１及びＭ２の間に過低温になる時、本発明の装置を運転してこの熱源、即ち外部熱源の温度よりも高温の内部熱源を発生することを含んでいる。

詳しく説明すると、本発明の冷却発生方法は、以下の状況下での本発明の装置の運転を含んでいる。
ａ）ダイポールのリアクターＲに、太陽集熱器から供給される熱量を送ることにより各ダイポールを再生すること、
ｂ）装置に熱を導入すること、
前記ａ）の熱量が、
i）熱源から高温の熱が供給され（相Ｈ１、Ｈ２）、２つのダイポールのリアクターＲが高温Ｔｈの熱を同時に受けることが可能である場合、再生前のダイポールのリアクターＲに直接付加するか、または、
ii）熱が中間温度Ｔｍ下に供給される場合（相Ｍ１、Ｍ２）に、再生のダイポールの蒸発器−凝縮器ユニットＥＣに熱を供給し、ＥＣ内の相当するリアクターＲ内に、Ｔｍ以上で且つＴｈに近い温度の熱量を放出する発熱性の合成相を生じさせ、放出される熱量を再生前のダイポールのリアクターＲに移行させることで間接付加するかの何れかにおいて付加され、
前記ｂ）の熱の導入が、
i）相Ｈ１、Ｈ２の間に、一方のダイポールが冷却を発生する状態下に２つのダイポールが（直接または間接的に）同時に再生され、
ii）相Ｍ１及びＭ２の間、一方または両方のダイポールが間接的に再生され、何れか一方のダイポールが随意的に冷却を発生し、
iii)随意的には、相Ｂの間に一方のダイポールが冷却を発生する、
如く実施される。

所定のダイポールは、再生段階中に入手し得る熱量と、１サイクルの冷却発生段階中に必要とされる冷却量とに従い、１サイクルの最後に完全または部分的に再生される。
第１実施例では本発明の方法は、３つのダイポールＤａ、Ｄｂ、Ｄｃからなる装置を使用して開始される。 各ダイポールでの熱化学的プロセスは、最高温度Ｔｈの熱を入手し得る相Ｈ１及びＨ２の間と、中間温度Ｔｍの熱を入手し得る相Ｍ２の間とにおいて冷却を発生するように同一化され、装置は相Ｍ１の間に再生され、相Ｂにおいて停止する。

図１には、各相の有効時における装置の温度及び圧力条件の変化のClapeyronダイヤグラム図が示される。 曲線２は各リアクターにおける熱化学平衡に相当し、曲線１は各蒸発器−凝縮器ユニットＥＣの熱化学平衡に相当する。 記号ａ、ｂ、ｃは変化に関わるダイポールを表示している。
相Ｂの終了時点で、蒸発器−凝縮器ユニットＥＣが各ダイポールのリアクターから離隔され、この時点で各ダイポールは以下の状況下にある。
Ｄａ：再生前、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：部分的に再生。

相Ｍ１の開始時点でＥＣａ及びＲａと、ＥＣｃ及びＲｃとの間のガス連結部が開放され、温度Ｔｍの熱がダイポールＤｃのＥＣｃに付加される（点Ｄ１）。 これによりガスＧが蒸発してリアクターＲｃに移行し、リアクターＲｃ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ２）、生じた熱がリアクターＲａに移行し、そこでガスＧを釈放させる（点Ｄ２）。 リアクターＲａ内で釈放されたガスはＥＣａに移行し、そこで熱を釈放させつつ凝縮する（点Ｓ１）。 相Ｍ１終了時点での各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：部分再生、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：再生前。
相Ｈ１の開始時点でＥＣｂとＲｂとの間のガス連結部が開放される。 相Ｈ１の間、ダイポールＤｂとＤｃとは、温度Ｔｈの熱がリアクターＲｂ及びＲｃ内に直接付加されることで再生される（点Ｄ２）。 リアクターＲｂ及びＲｃ内で釈放されたガスが夫々ＥＣｂ及びＥＣｃに移行され、そこで凝縮する（点Ｓ１）。 同時に、熱が中程度〜低温となるまで除去されることで、ダイポールＤａのＥＣａ内に冷却が発生する。 相Ｈ１の終了時点での各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：再生前、
Ｄｂ：部分再生、
Ｄｃ：全再生。

相Ｈ２の間、ダイポールＤｂの再生を継続し且つダイポールＤａの再生を開始させるために、温度Ｔｈの熱がリアクターＲａ及びＲｂに付加される（点Ｄ２）。 同時に、ＥＣｂ内に冷却が自然発生する（点Ｄ１）。 相Ｈ２の終了時点での各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：部分再生、
Ｄｂ：全再生、
Ｄｃ：再生前。

相Ｍ２の間、温度Ｔｍの熱がＥＣａに付加され（点Ｄ１）、この熱によりＲａ内に発熱性の合成相が生じ、生じた熱がＲｃに移行してダイポールＤｃを再生し、同時にＥＣｂ内に冷却が自然発生する。 相Ｍ２の終了時点での各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：再生前、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：部分再生。
相Ｍ２の終了時点で蒸発器−凝縮器ユニットと、同じダイポールのリアクターとの間の連結部が閉鎖され、この設定状況が相Ｂの間及び次のサイクルの相Ｍ１が開始されるまで維持される。

本発明の方法の第２実施例は、２４時間サイクルの全ての相において冷却を発生させるべく、同一の３つのダイポールＤａ、Ｄｂ、Ｄｃを含む装置において開始される。
図２には、各相の有効時における装置の温度及び圧力条件の変化がClapeyronダイヤグラム図で示されている。 曲線２は各リアクターでの熱化学平衡に相当し、曲線１は各蒸発器−凝縮器ユニットＥＣでの熱化学的平衡に相当する。 記号ａ、ｂ、ｃは変化に関わるダイポールを表示している。

相Ｂの終了時点で、蒸発器−凝縮器ユニットＥＣが各ダイポールのリアクターから離隔され、各ダイポールは以下の状況下にある。
Ｄａ：部分放出、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：部分放出。
相Ｍ１の開始時点で温度Ｔｍの熱がＥＣｃに付加され（点Ｄ１/ｃ）、リアクターＲｃ内で発熱性の合成相が生じ、生じた熱がリアクターＲｂに移行されて（点Ｄ２/ｂ）ダイポールＤｂが再生され、同時に、ＥＣａで冷却が自然発生する。 相Ｍ１の終了時点での各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：部分放出、
Ｄｂ：部分再生、
Ｄｃ：再生前。

相Ｈ１の間、ダイポールＤｂ及びＤｃは、リアクターＲｂ及びＲｃ内に温度Ｔｈの熱が直接付加されることで（点Ｄ２/ｂ及びＤ２/ｃ）再生され、同時に、ＥＣａでの冷却発生が継続される（点Ｄ１/ａ）。 相Ｈ１の終了時点での各ダイポールの状況は下記の如くである。
Ｄａ：再生前、
Ｄｂ：全再生、
Ｄｃ：部分再生。
相Ｈ２の間、Ｄｃの再生を継続し且つＤａの再生を開始させるために、温度Ｔｈの熱がリアクターＲａ及びＲｃに付加される（点Ｄ２/ａ及びＤ２/ｃ）。 同時に、ＥＣｂで冷却が自然発生される（点Ｄ１/ｂ）。 相Ｈ２の終了時点での各ダイポールの状況は下記の如くである。
Ｄａ：部分再生、
Ｄｂ：部分放出、
Ｄｃ：全再生。

相Ｍ２の間、温度Ｔｍの熱がＥＣｃに付加され（点Ｄ１/ｃ）、リアクターＲｃ内で発熱性の合成相が生じ（点Ｓ２/ｃ）、生じたこの熱がＲａに移行され、かくしてダイポールＤａの再生が開始される。 同時に、ＥＣｂで冷却が自然に発生する（点Ｅ２/ｂ）。 相Ｍ２の終了時点での各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：全再生、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：部分放出。
相Ｍ２の終了時に、ＥＣｂとＲｂとの間の、またＥＣｃとＲｃとの間のガス連結部が閉鎖される。 相Ｂの間、ダイポールＤａのガス連結部が維持され、ＥＣａでは冷却が生じる（点Ｄ１/ａ）。 相Ｍ２の終了時点での各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：部分放出、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：部分放出。
相Ｂの間、本発明の装置はダイポールＤａによる冷却発生を継続する。

本発明の方法はその第３実施例において、相Ｈ１、Ｈ２、Ｍ２、Ｂの間に冷却を発生するための４つのダイポールＤａ、Ｄｂ、Ｄｃ、Ｄｄを含み、相Ｍ１の間に再生される装置において開始される。 ダイポールＤａとＤｂとが、またダイポールＤｃとＤｄとが夫々熱的にカップリングされる。
図３には、各相の有効時における装置の温度及び圧力条件の変化がClapeyronダイヤグラム図で表されている。 曲線１は各蒸発器−凝縮器ユニットＥＣでの熱化学平衡に相当し、曲線２はリアクターＲａ及びリアクターＲｃにおける熱化学平衡に相当し、曲線ＣはリアクターＲｂ及びリアクターＲｄの熱化学平衡に相当する。 記号ａ、ｂ、ｃ、ｄは変化に関連するダイポールを表示している。

ダイポールＤａ及びＤｃのリアクターＲａ及Ｒｃは同じ熱化学的プロセスの座（seat）であり、ダイポールＤｂ及びＤｄのリアクターＲｂ及びＲｄは、同じプロセスではあるがダイポールＤａ及びＤｃで生じるプロセスとは異なるプロセスの座である。 更には、全ての化学プロセスでは同じ作動ガスＧを使用し、従って全ての蒸発器−凝縮器ユニットＥＣは同じガスＧの気液相変化の座である。 かくして、４つのダイポール内の一般に同一の所定圧力下における各リアクター内の平衡温度は以下の如くである。
t(ECa)=t(ECb)=t(ECc)=t(ECd)<t(Ra)=ｔ(Rc)<t(Rb)=t(Rd)

相Ｂの終了時に各ダイポールの蒸発器−凝縮器ユニットＥＣとリアクターＲとの間のガス連結部が閉鎖され、各ダイポールは以下の状況となる。
Ｄａ：再生、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：再生、
Ｄｄ：再生前。
相Ｍ１の間、ＥＣａ及びＲａと、ＥＣｂ及びＲｂの間のガス連結部が開放され、ダイポールＤａのＥＣａに温度Ｔｍの熱が付加され（点Ｅ１/ａ）、それによりＲａ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ２/ａ）、生じた熱がＲｂに移行されて（点Ｄ３/ｂ）ダイポールＤｂを再生する。 相Ｍ１の終了時における各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：再生前、
Ｄｂ：再生、
Ｄｃ：再生、
Ｄｄ：再生前。

相Ｈ１の開始時にＥＣａ及びＲａと、ＥＣｄ及びＲｄとの間のガス連結具が開放される。 相Ｈ１の間、ダイポールＤｃのＥＣｃに温度Ｔｍの熱が付加され（点Ｄ１/ｃ）、Ｒｃ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ２/ｃ）、生じた熱がＲｄに移行されて（点Ｄ３/Ｄ）ダイポールＤｄが再生される。 同時に、ＥＣｂにおいて冷却が自然発生し（点Ｅ１/ｂ）、それによりＲｂ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ３/ｂ）、生じた熱がＲａに移行されて（点Ｄ２/ａ）ダイポールＤａが再生される。 相Ｈ１の終了時における各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：再生、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：再生前、
Ｄｄ：再生。

相Ｈ２の間、ダイポールＤａのＥＣａに温度Ｔｍの熱が付加され（点Ｅ１/ａ）、それによりＲａ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ２/ａ）、生じた熱がＲｂに移行されて（点Ｄ３/ｂ）ダイポールＤｂが再生される。 同時に、ＥＣｄにおいて冷却が自然発生され（点Ｅ１/ｄ）、それによりＲｄ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ３/ｄ）、生じた熱がＲｃに移行されて（点Ｄ２/ｃ）ダイポールＤｃが再生される。 相Ｈ２の終了時点における各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：再生前、
Ｄｂ：再生、
Ｄｃ：再生、
Ｄｄ：再生前。

相Ｍ２の間、ダイポールＤｃのＥＣｃに温度Ｔｍの熱が付加され（点Ｅ１/ｃ）、それによりＲｃ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ２/ｃ）、生じた熱がＲｄに移行されて（点Ｄ３/ｄ）ダイポールＤｄが再生される。 同時に、ＥＣｂにおいて冷却が自然発生され（点Ｅ１/ｂ）、それによりＲｂ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ３/ｂ）、生じた熱がＲａに移行されて（点Ｄ２/ａ）ダイポールＤａが再生される。 相Ｍ２の終了時点における各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：再生、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：再生前、
Ｄｄ：再生。
相Ｍ２終了時にＥＣａ及びＲａと、ＥＣｂ及びＲｂとの間のガス連結部が閉鎖される。 相Ｂの間、Ｒｄにおいて冷却が自然発生され（点Ｅ１/ｄ）、それによりＲｄ内に発熱性の合成相が生じ（点Ｓ３/ｄ）、生じた熱がＲｃに移行されて（点Ｄ２/ｃ）ダイポールＤｃが再生される。 相Ｂの終了時点における各ダイポールの状況は以下の如くである。
Ｄａ：再生、
Ｄｂ：再生前、
Ｄｃ：再生、
Ｄｄ：再生前。

本発明を以下の例により例示する。
例１：
例１は方法発明の第２実施例の実施を表すものであり、３つのダイポールの夫々における蒸発器−凝縮器ユニットＥＣがＮＨ ₃の気液相変化の座であり、各ダイポールのリアクターがＮＨ ₃とＢａＣＬ ₂との間の可逆性の化学反応の座である。
図４には相Ｍ１及びＭ２に関する例１のClapeyronダイヤグラム図が示される。 この段階中、５０℃以下の熱源が使用され、温度が０℃に近い冷却が創出され得る。

例２：
例２は方法発明の第３実施例を表すものであり、４つのダイポールの夫々における蒸発器−凝縮器ユニットＥＣがＮＨ ₃の気液相変化の座であり、ダイポールＤａ及びＤｃの各リアクターがＮＨ ₃とＢａＣＬ ₂との間の可逆性の化学反応の座であり、ダイポールＤｂ及びＤｄの各リアクターがＮＨ ₃とＺｎＳＯ ₄との間の可逆性の化学反応の座である。
図５には相Ｈ１、Ｈ２及びＭ２に関する本例２のClapeyronダイヤグラム図が示される。 この段階中、７０℃以下の熱源が使用され、温度が０℃に近い冷却が創出され得る。

各相の有効時における装置の温度及び圧力条件の変化のClapeyronダイヤグラム図である。

各相の有効時における装置の温度及び圧力条件の変化のClapeyronダイヤグラム図である。

各相の有効時における装置の温度及び圧力条件の変化のClapeyronダイヤグラム図である。

相Ｍ１及びＭ２に関する例１のClapeyronダイヤグラム図である。

相Ｈ１、Ｈ２及びＭ２に関する例２のClapeyronダイヤグラム図である。