イオン吸着装置により駆動される吸収式熱発生装置
【課題】電気二重層電極を用いる吸収式空調装置とそれに用いるイオン吸着装置が提供される。
【解決手段】この電気二重層電極を用いる吸収式空調装置は、熱スイング方式又は圧力スイング方式により吸収液の再生を行う従来の吸収式空調装置あるいは吸収式熱発生装置に比べて、エネルギー効率が高く、構造が簡単である。複数の電気二重層電極がイオンの吸着とイオンの放出とを交互に行う。このイオンの吸着及び放出により発生するイオン含有液の沸点変化を利用して冷熱が発生される。
【解決手段】この電気二重層電極を用いる吸収式空調装置は、熱スイング方式又は圧力スイング方式により吸収液の再生を行う従来の吸収式空調装置あるいは吸収式熱発生装置に比べて、エネルギー効率が高く、構造が簡単である。複数の電気二重層電極がイオンの吸着とイオンの放出とを交互に行う。このイオンの吸着及び放出により発生するイオン含有液の沸点変化を利用して冷熱が発生される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン含有液体、特に電解液中のイオンを移動させるイオン吸着装置により駆動される吸収式熱発生装置に関する。熱発生装置が発生する熱は冷熱を含む。
【背景技術】
【０００２】
本出願人の出願になる特許文献１は、イオン吸着装置により駆動される吸収式熱発生装置を開示している。しかしながら、その構成は複雑であり、かつ、駆動回路の損失が大きいという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８２６０６
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、イオン吸着装置により駆動される熱発生装置の構成の簡素化をその第１の目的としている。本発明は、イオン吸着装置により駆動される熱発生装置の電力消費の低減をその第２の目的としている。
【０００５】
上記文献に記載されるイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置は、低イオン濃度の電解液を収容するとともに外部から熱を吸収して蒸気を発生する蒸発部と、高イオン濃度の電解液を収容するとともに蒸発部が発生する蒸気を吸収して熱を外部へ発生する凝縮部と、凝縮部のイオン濃度を蒸発部のイオン濃度より増大させるイオン吸着装置とを備える。イオン吸着装置は、電解液内に配置された複数の電気二重層電極と、周期的に変化する電圧を複数の電気二重層電極に印加する駆動回路とを備える。
【０００６】
運転により蒸発部の液量の減少及び凝縮部のイオン濃度低下を招く吸収式熱発生装置たとえば吸収式クーラーは、運転により凝縮部と蒸発部との間の蒸気圧差が減少する。イオン吸着装置は、ＥＤＬＣとして一般に知られている複数の電気二重層電極によるイオン吸着とイオン放出とを交互に繰り替えすことにより、凝縮部と蒸発部との間のイオン濃度差（蒸気圧差）を維持する。
【０００７】
第１発明のイオン吸着装置は、それぞれ電気二重層電極のペア及び電解液を収容するとともに、互いに隣接しつつ列状に配置される複数のセルを有する。Ｎ（Ｎは整数）番目のセル及びＮ＋１番目のセルは熱絶縁され、かつ、相互の蒸気流通が可能とされる。Ｎ＋１番目のセル及びＮ＋２番目のセルは良好な熱伝達性能を有して相互の蒸気流通が不能とされる。列の両端に配置された２つのセルは、凝縮部と蒸発部とを交互に構成する。駆動回路は、奇数番目のセル内の電気二重層電極対に印加される第１電圧が大きく、偶数番目のセル内の電気二重層電極対に印加される第２電圧が小さい第１運転モードと、第１電圧が小さく、第２電圧が大きい第２運転モードとを交互に繰り返すことを特徴としている。
【０００８】
すなわち、このイオン吸着装置を有する吸収式熱発生装置は、電気二重層電極（いわゆるＥＤＬＣ）のイオン吸着及びイオン放出動作を利用することにより、電解液のイオン濃度を変更する。イオン濃度の変更により、電解液の沸点を変化させることができる。従来の熱スイングタイプ又は圧力スイングタイプの吸収式熱発生装置と比べて、本発明のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置は、簡素な構造をもつにもかかわらず、エネルギー損失の低減と、大きな熱落差を実現する。
【０００９】
好適な態様において、列の両端に配置された２つのセルの一つは、第１の外部流体通路を流れる外部流体と熱交換する。列の両端に配置された２つのセルの他の一つは、第２の外部流体通路を流れる外部流体と熱交換する。第１、第２外部流体通路に流れる外部流体は、第１運転モード及び第２運転モードの切換と同期して流路切換装置により切り替えられる。これにより、装置の構成を一層簡素とすることができる。
【００１０】
好適態様によれば、奇数番目のセル内の各電気二重層電極対は、直列に接続されて第１キャパシタを構成する。偶数番目のセル内の各電気二重層電極対は、直列に接続されて第２キャパシタを構成する。駆動回路は、第１キャパシタに第１電圧とほぼ逆相の第１電圧を印加し、第２キャパシタに第２電圧を印加する。これにより、抵抗損失を低減することができる。
【００１１】
好適態様によれば、駆動回路は、直流電源と第１キャパシタとの間に配置されるとともに、直流電源の電圧を降圧して第１キャパシタに印加する第１のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータと、直流電源と第２キャパシタとの間に配置されるとともに、直流電源の電圧を降圧して第２キャパシタに印加する第２のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータとを有する。第１のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータは、第１キャパシタの放電時に第１キャパシタの電圧を昇圧することにより、第１キャパシタの蓄電電力を電源に回生する。第２のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータは、第２キャパシタの放電時に第２キャパシタの電圧を昇圧することにより、第２キャパシタの蓄電電力を電源に回生する。これにより、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）への突入電流を低減することができるとともに、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の蓄電エネルギーを良好に回収することができる。
【００１２】
第２発明のイオン吸着装置の駆動回路は、電解液が流れる方向へ順番に配列された３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗに３相交流電圧の各相電圧を個別に印加することにより、電解液中の正イオン及び負イオンの両方を電解液が流れる方向と逆方向へ輸送することを特徴としている。これにより、上記特許文献１に記載された４相駆動に比べて、少ない消費電力で高いイオン輸送効率を実現することができる。
【００１３】
好適な態様において、駆動回路は、３相降圧トランスと、この３相降圧トランスを通じて３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗに三相電圧の各相電圧を印加する三相インバータとを有する。これにより、三相インバータの抵抗損失及びスイッチング損失を低減することができる。
好適な態様において、駆動回路は、商用３相交流電圧を降圧する３相降圧トランスを有する。これにより、大電流を出力する駆動回路を簡素に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１のイオン吸着装置をもつ吸収式空調装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示されるイオン吸着装置を示す模式断面図である。
【図３】図１に示される駆動回路を示す回路図である。
【図４】実施例２のイオン吸着装置をもつ吸収式空調装置を示すブロック図である。
【図５】図４の空調装置の変形態様を示すブロック図である。
【図６】図４に示されるイオン吸着装置を駆動する駆動回路を示すブロック回路図である。
【図７】図４に示されるイオン吸着装置の模式断面図である。
【図８】図７に示されるイオン吸着装置の動作を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
実施例１が図１を参照して説明される。図１は、実施例１のイオン吸着装置をもつ空調装置を示すブロック図である。この空調装置は、イオン吸着装置１、ダンパー２１−２４、複数のダクト２５−３０、駆動回路１１、コントローラ１２、内部ファン及び外部ファンを有する。室内空気流（Ｒ．Ａ）を形成する内部ファン、及び外気流（Ｒ．Ａ）を形成する外部ファンは図１に示されていない。外気流（Ｆ．Ａ）は、入口ダクト２７、中央ダクト２６（又は２５）及び出口ダクト２８を通じて流れている。内気流（Ｒ．Ａ）は、入口ダクト２９、中央ダクト２５（又は２５）及び出口ダクト３０を流れる。
【００１６】
入口ダクト２７の後端部に設けられたダンパー２１は、外気流（Ｆ．Ａ）のために中央ダクト２５、２６のどちらか一つを選択する。ダンパー２２は、中央ダクト２５、２６のどちらか一つから出口ダクトダクト２８へ外気流（Ｆ．Ａ）を流す。入口ダクト２９の後端部に設けられたダンパー２３は、内気流（Ｒ．Ａ）のために中央ダクト２５、２６のどちらか一つを選択する。ダンパー２４は、中央ダクト２５、２６のどちらか一つから出口ダクトダクト３０へ内気流（Ｒ．Ａ）を流す。中央ダクト２５の空気流は、イオン吸着装置１の一表面３に接触している。中央ダクト２６の空気流は、イオン吸着装置１の他表面４と接触している。すなわち、イオン吸着装置１は、イオン吸着装置１の両端面は中央のダクト２５、２６の空気流と熱交換する。
【００１７】
例示された実線位置にダンパー２１−２４がある時、外気流はイオン吸着装置１の表面４と接触する。例示された実線位置にダンパー２１−２４がある時、内気流はイオン吸着装置１の表面３と接触する。例示された破線位置にダンパー２１−２４がある時、外気流はイオン吸着装置１の表面３と接触する。例示された破線位置にダンパー２１−２４がある時、内気流はイオン吸着装置１の表面４と接触する。
【００１８】
イオン吸着装置１が、図２を参照して説明される。イオン吸着装置１は、適切に配置されたセル５１−５６を有する。セル５１と５２は蒸気ダクト６１で接続されている。セル５３と５４は蒸気ダクト６２で接続されている。セル５５と５６は蒸気ダクト６３で接続されている。セル５１の一側面はひれ３０をもつ熱交換面３からなる。セル５６の一側面はひれ４０をもつ熱交換面４からなる。セル５２の一側面はセル５３の一側面と接触している。セル５４の一側面はセル５５の一側面と接触している。セル５１、５２の他側面は、絶縁体７１を挟んで互いに隣接している。セル５３、５４の他側面は、絶縁体７２を挟んで互いに隣接している。セル５５、５６の他側面は、絶縁体７３を挟んで互いに隣接している。
【００１９】
絶縁体７１−７３は、断熱と電気絶縁において優れた性能を有する。すべてのセル５１−５６はそれぞれ、一対の電極８１−８２と電解液Ｌとを収容している。電解液Ｌ内にて互いに所定ギャップを挟んで対面する一対の電極８１−８２は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を構成してる。たとえば、電解液ＬがＫＯＨ水溶液又はＬｉＢｒ水溶液又はアンモニア水溶液を好適に採用することができる。しかし、それに限定されない。多孔性カーボン材料が電極として好適である。駆動回路１１は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣｓ）１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃの２つの電極８１、８２の間に第１電圧Ｖ１を印加する。駆動回路１１は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣｓ）１４Ａ、１４Ｂと１４Ｃの２つの電極８１、８２の間に、第２電圧Ｖ２を印加する。コントローラ１２は駆動回路１１を制御する。
【００２０】
図１に示されるイオン吸着装置１の動作が以下に説明される。
まず、第１駆動モードが説明される。駆動回路１１は、直列接続されたＥＤＬＣ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃの各々に、予め定められた値の第１電圧Ｖ１を印加する。駆動回路１１は、直列接続されたＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃに０Ｖの第２電圧Ｖ２を印加する。その結果、セル５１、５３及び５５内の電解液Ｌのイオンは、ＥＤＬＣｓ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに吸着される。ＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃに吸着されたイオンは、セル５２、５４及び５６の電解液Ｌに移動する。セル５１、５３及び５５内の電解液Ｌの沸点が減少する。セル５２、５４及び５６内の電解液Ｌの沸点が、増加する。セル５１、５３及び５５から蒸発した水蒸気が、セル５２、５４及び５６内へ流入する。セル５１、５３及び５５が冷却され、セル５２、５４及び５６が加熱される。セル５２の熱はセル５３へ伝達される。セル５４の熱はセル５５へ伝達される。その結果、低温のセル５１が更に冷却され、高温のセル５６が更に加熱される。したがって、内気流（Ｒ．Ａ）はセル５１の表面３により十分に冷却され、セル５６の表面４は外気流（Ｆ．Ａ）により十分に冷却される。
【００２１】
次に、第２駆動モードが説明される。ダンパー２１−２４は点線で示される位置をもつ。駆動回路１１は、直列接続されたＥＤＬＣ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに０Ｖの第１電圧Ｖ１を印加する。駆動回路１１は、ＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃの各々に、予め定められた価値（たとえば１．２−２Ｖ）で、第２の電圧Ｖ２を印加する。その結果、セル５２、５４及び５６内の電解液Ｌに含まれるイオンは、ＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃに吸着される。ＥＤＬＣｓ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに吸着されたイオンは、セル５１、５３及び５５内の電解液Ｌに移動する。セル５２、５４及び５６内の電解液Ｌの沸点が減少し、セル５１、５３及び５５内の電解液Ｌの沸点が増加する。セル５２、５４及び５６から蒸発した水蒸気がセル５１、５３及び５５内へ流入する。セル５２、５４及び５６が冷却され、セル５１、５３及び５５が加熱される。セル５３の熱はセル５２に伝達される。セル５５の熱はセル５４に伝達される。その結果、低温のセル５６が更に冷却され、高温のセル５１が更に加熱される。したがって、内気流はセル５６の表面４により十分に冷却され、セル５１の表面３は外気流により十分に冷却される。
【００２２】
駆動回路１１が、図３を参照して説明される。駆動回路１１は、互いに並列接続された一対のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータ９１−９２からなる。降圧型ＤＣＤＣコンバータ９１は、一対のトランジスタＴ１、Ｔ２とリアクトルＬ１とからなる。互いに直列接続された上アームトランジスタＴ１及び下アームトランジスタＴ２の両端は、外部直流電源の高電位端ＶＨ及び低電位端ＶＬに別々に接続されている。上アームトランジスタＴ１及び下アームトランジスタＴ２の接続点は、リアクトルＬ１及び負荷キャパシタ１３を通じて外部直流電源の低電位端子ＶＬに接続されている。負荷キャパシタ１３は、互いに直列接続されたＥＤＬＣｓ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃにより構成されている。
【００２３】
降圧型ＤＣＤＣコンバータ９２は、一対のトランジスタＴ３、Ｔ４とリアクトルＬ２とからなる。互いに直列接続された上アームトランジスタＴ３及び下アームトランジスタＴ４の両端は、外部直流電源の高電位端ＶＨ及び低電位端ＶＬに別々に接続されている。上アームトランジスタＴ３及び下アームトランジスタＴ４の接続点は、リアクトルＬ２及び負荷キャパシタ１４を通じて外部直流電源の低電位端子ＶＬに接続されている。負荷キャパシタ１４は、互いに直列接続されたＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃにより構成されている。
【００２４】
この駆動回路１１の動作が以下に説明される。上記説明された第１運転モードにおいて、降圧動作を行う第１のＤＣＤＣコンバータ９１は、互いに直列接続された複数の電気二重層コンデンサからなる負荷キャパシタ１３に所定の第１電圧Ｖ１を印加する。チョッパ型ＤＣＤＣコンバータの降圧動作自体は良く知られている。上アームトランジスタＴ１がオンされ、下アームトランジスタＴ２がオフされる時、電流がリアクトルＬ１を通じて負荷キャパシタ１３に供給される。上アームトランジスタＴ１がオフされ、下アームトランジスタＴ２がオンされる時、リアクトルＬ１の残留磁気エネルギーは、電流を下アームトランジスタＴ２を通じて負荷キャパシタ１３に供給する。検出した第１電圧Ｖ１の値を所定範囲内に維持するために、上アームトランジスタＴ１のＰＷＭデユーティ比が調整される。
【００２５】
この第１運転モードにおいて、第２のＤＣＤＣコンバータ９２の下アームトランジスタＴ４は常時オンされ、上アームトランジスタＴ３は常時オフされる。これにより、下アームトランジスタＴ４により短絡された負荷キャパシタ１４の電圧は０Ｖとなる。リアクトルＬ２は負荷キャパシタ１３の短絡に伴う大きな短絡電流の発生を防止することができる。
【００２６】
上記説明された第２運転モードにおいて、降圧動作を行う第２のＤＣＤＣコンバータ９２は、互いに直列接続された複数の電気二重層コンデンサからなる負荷キャパシタ１４に所定の第２電圧Ｖ１を印加する。この動作は、第１運転モードにおける第１のＤＣＤＣコンバータ９１の降圧動作と同じである。
更に、この第２運転モードにおいて、第１のＤＣＤＣコンバータ９１は、負荷キャパシタ１３に蓄電された静電エネルギーを外部直流電源に戻す逆昇圧動作を行う。
【００２７】
すなわち、下アームトランジスタＴ２がオンされ、上アームトランジスタＴ１がオフされる時、電流が負荷キャパシタ１３からリアクトルＬ１を通じて下アームトランジスタＴ２に供給される。下アームトランジスタＴ２がオフされ、上アームトランジスタＴ１がオンされる時、リアクトルＬ１の残留磁気エネルギーは、負荷キャパシタ１３からリアクトルＬ１及び上アームトランジスタＴ１を通じて外部直流電源に流れる電流を発生する。負荷キャパシタ１３の端子電圧Ｖ１はこの回生電流により徐々に低下する。コントローラ１２は、端子電圧Ｖ１の低下速度又は負荷キャパシタ１３の電流値に応じて、下アームトランジスタＴ２のデユーティ比を制御する。下アームトランジスタＴ４のデユーティ比は徐々に増加し、最終的に１００％となる。第１ＤＣＤＣコンバータ９１の発電期間は第２ＤＣＤＣコンバータ９２の電流消費期間の初期と重なって実施される。第２ＤＣＤＣコンバータ９２の発電期間は第１ＤＣＤＣコンバータ９１の電流消費期間の初期と重なって実施される。したがって、各ＤＣＤＣコンバータ９１、９２の消費電流が大きい電流消費期間の初期において、外部直流電源の出力電流を低減することが可能となる。
【００２８】
以下、上記した第１運転モードと第２運転モードが所定のインタバルで交互に実施される。第１運転モードにおいて、負荷キャパシタ１４の静電エネルギーもＤＣＤＣコンバータ９２により外部直流電源に回生される。上記実施例では、内気流を冷却する上記冷房動作の変わりに、内気流を加熱し、外気流を冷却するヒートポンプ動作も可能である。内気流及び外気流はその他の媒体に変更されることができる。ＥＤＬＣの充電電圧は電気分解電圧以下とされることが好適である。
【実施例２】
【００２９】
実施例２が図４を参照して説明される。図４は、吸収式空調装置を示すブロック図である。この空調装置は、イオン吸着装置７０、吸収セル７１、蒸発セル７２、蒸気流量制御用の弁７３、液体流量調整弁７４〜７５、８５〜８６、ポンプ７６、放熱熱交換器７７をもつ。配管７８は吸収セル７１と弁７４とを接続する。配管７９は蒸発セル７２と弁７５とを接続する。配管８０はポンプ７６とイオン吸着装置７０の流入口とを連通する。配管８１は弁８５と吸収セル７１とを連通する。配管８２は弁８６と蒸発セル７２とを連通する。熱交換器８３は吸収セル７１を放熱する。熱交換器８４は蒸発セル７２に熱を与える。
【００３０】
高いイオン濃度をもつ電界液が吸収セル７１に収容されている。低いイオン濃度をもつ電界液が蒸発セル７２に収容されている。電解液として、水酸化カリウム水溶液又は水酸化アンモニウム水溶液又は臭化リチウム水溶液を採用することが好適である。
ポンプ８０は、吸収セル７１弁７４を通じて流れ込む高濃度液体をイオン吸着装置７０に送る。ポンプ８０は、蒸発セル７２から弁７５を通じて流れ込む低濃度液体をイオン吸着装置７０に送る。イオン吸着装置７０から出た液体は、弁８５を通じて吸収セル７１に戻る。イオン吸着装置７０から出た液体は、弁８６を通じて蒸発セル７２に戻る。
【００３１】
弁７３を開くと、沸点差により蒸発セル７２から吸収セル７１に水蒸気が流れる。蒸発セル７２の液体が加熱されるので、熱交換器８３は外部流体により冷却される。吸収セル７１の液体が冷却されるので、熱交換器８４は外部流体から熱を吸収する。
溶媒である水が吸収セル７１に蓄積する。したがって、水は吸収セル７１から蒸発セル７２へ戻されねばならない。この水移送動作が以下に説明される。まず、弁７４、８６が開かれ、弁７５、８５が閉じられる。ポンプ７６が運転される。イオン吸着装置７０は、液体流に含まれるイオンを上流側へ送る。その結果、イオン吸着装置７０から出た低濃度液が熱交換器７７により冷却された後、蒸発セル７２に送られる。
【００３２】
次に、弁８６が閉じられ、弁８５が開かれる。イオン吸着装置７０の各電気二重層電極は短絡される。これにより、イオン吸着装置７０内のイオンは、吸収セル７１から弁７４、ポンプ７６、イオン吸着装置７０、弁７５を通じて吸収セル７１に戻る。これにより、吸収セル７１のイオン濃度が増大する。
次に、蒸発セル７２から吸収セル７１へのイオン移送動作が説明される。イオン吸着装置７０から供給される液体は低濃度のイオン濃度をもつので、蒸発セル７２のイオン濃度は徐々に増加する。このため、定期的に蒸発セル７２から吸収セル７１へイオンが送られる。
【００３３】
まず、弁７４、８５が閉じられ、弁７５、８６が開かれる。ポンプ７６が運転される。イオン吸着装置７０は、液体流に含まれるイオンを上流側へ送る。これにより、イオン濃度が減少した低濃度液体は、熱交換器７７により冷却された後、蒸発セル７２に戻る。
次に、弁７５、８６か閉じられ、弁７４、８５が開かれる。ポンプ７６が運転される。イオン吸着装置７０の各電気二重層電極は短絡される。これにより、イオン吸着装置７０内のイオンは、吸収セル７１から弁７４、ポンプ７６、イオン吸着装置７０、弁７５を通じて吸収セル７１に戻る。これにより、吸収セル７１のイオン濃度が増大する。
【００３４】
（変形態様）
変形態様が図５を参照して説明される。この変形態様の特徴は、図４に示される実施例２の液体輸送システムを２つ有する点である。図５の吸収式空調装置は、ポンプ７６Ａ、７６Ｂと、イオン吸着装置７０Ａ、７０Ｂと、弁８５Ａ、８５Ｂ、８６Ａ、８６Ｂとを有している。
【００３５】
吸収セル７１から蒸発セル７２への低濃度電解液の輸送動作が以下に説明される。まず、弁８６Ａが開かれ、弁８５Ａが閉じられる。ポンプ７６Ａが運転される。イオン吸着装置７０Ａ内の電気二重層電極は、流入した高濃度液のイオンを吸着する。その結果、低濃度液がイオン吸着装置７０Ａから弁８６Ａを通じて蒸発セル７２に送られる。
次に、弁８５Ａが開かれ、弁８６Ａが閉じられる。イオン吸着装置７０Ａ内の各電気二重層電極を短絡して、各電気二重層電極に蓄積されたイオンがイオン吸着装置７０Ａ内の電解液に放出される。濃度が増大した電解液は弁８５Ａを通じて吸収セル７１に戻る。弁８５Ａ、８６Ａを閉じ、ポンプ７６Ａを停止することにより、この動作は終了する。
【００３６】
蒸発セル７２から吸収セル７１への高濃度電解液の輸送動作が以下に説明される。まず、弁８６Ｂが開かれ、弁８５Ｂが閉じられる。ポンプ７６Ｂが運転される。蒸発セル７２からイオン吸着装置７０Ｂに流入した低濃度液のイオンはイオン吸着装置７０Ｂ内の電気二重層電極に吸着される。低濃度となった低濃度液はイオン吸着装置７０Ｂから弁８６Ｂを通じて蒸発セル７２に戻される。
次に、弁８５Ｂが開かれ、弁８６Ｂが閉じられる。イオン吸着装置７０Ｂ内の各電気二重層電極を短絡して、各電気二重層電極に蓄積されたイオンがイオン吸着装置７０Ｂ内の電解液に放出される。濃度が増大した電解液は弁８５Ｂを通じて吸収セル７１に戻る。弁８５Ｂ、８６Ｂを閉じ、ポンプ７６Ｂを停止することにより、この動作は終了する。
【００３７】
実施例２で説明されたイオン吸着装置７０が図６を参照して説明される。このイオン吸着装置７０は、正負のイオンを一方向へ移動させるイオンポンプとしての機能をもつ。駆動回路１１は、３相トランス１３を通じてイオン吸着装置７０に３相交流電圧を印加している。駆動回路１１は、３相インバータにより構成されている。降圧トランスである３相トランス１３は１０倍以上の降圧比率をもつ。
イオン吸着装置７０は、ブロック状のケース７００と、このケース７００内に収容された８枚の電極アセンブリ７１−７８からなる（図７参照）。ケース７００は、電気絶縁材料により作製されることが好ましい。ケース７００の上流側の端壁に入口部８０が形成されている。ケース７００の下流側の端壁に出口部８０Ａが形成されている。イオン含有液体は入口部８０からケース７００内に流れ込む。ケース７００内のイオン含有液体は出口部８０Ａからに流れ出す。
【００３８】
各電極アセンブリ７１−７８は互いに平行に配列されている。隣接する２枚の電極アセンブリは、狭い幅をもつ流体チャンネル７９を横断して対面している。電極アセンブリ７１−７８は、高い電気抵抗値をもつ樹脂製の平板からなる。電極アセンブリ７１及び７８はケース７００の内面に固定されている。電極アセンブリ７２−７７は、電極アセンブリ７１と電極アセンブリ７８との間に順番に配置されている。電極アセンブリ７１−７８は、イオン含有液体の流れと直角に配置されている。
電極アセンブリ７１−７８の平坦面にはそれぞれ、３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗが流れ方向へ順番に配置されている。電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ、活性炭に覆われた銅板からなる。小さいギャップが、互いに隣接する２つの電気二重層電極の間に確保されている。
【００３９】
電極アセンブリ７１−７２の模式拡大図が図８に示される。電極アセンブリ７の電極Ｗは、流体チャンネル７９を横断して電極アセンブリ７２の電極Ｖ、Ｕの両方に対面している。電極アセンブリ７の電極Ｖは、流体チャンネル７９を横断して電極アセンブリ７２の電極Ｕ、Ｗの両方に対面している。電極アセンブリ７の電極Ｕは、流体チャンネル７９を横断して電極アセンブリ７２の電極Ｗ、Ｖの両方に対面している。
このイオン吸着装置７０の動作が図８を参照して説明される。図８は、互いに異なる８つの電圧印加状態を示す８つの状態Ａ−Ｆを図示する。このイオン吸着装置７０のイオン輸送動作が図７を参照して説明される。降圧トランス１１１は電極Ｕに相電圧Ｖｕを印加する。降圧トランス１１１は電極Ｖに相電圧Ｖｖを印加する。
降圧トランス１１１は電極Ｗに相電圧Ｖｗを印加する。３つの相電圧の間の位相差は電気角１２０度である。３つの相電圧の１周期は６つの期間に分割される。それぞれ電気角６０度をもつ６つの期間は、状態Ａ−Ｆに個別に相当する。
【００４０】
状態Ａは、相電圧Ｖｕが０から正値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｗは正値から０に変化する。イオン含有液体中のイオンは、各電極Ｕ、Ｖ及びＷに吸着される。状態Ｂは、相電圧Ｖｗが０から負値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｖは負値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。状態Ｃは、相電圧Ｖｖが０から正値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｕは正値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。
【００４１】
状態Ｄは、相電圧Ｖｕが０から負値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｗは負値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。状態Ｅは、相電圧Ｖｗが０から正値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｖは正値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。状態Ｆは、相電圧Ｖｖが０から負値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｕは負値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。その後、状態Ａに戻る。
【００４２】
図８の状態Ａ−Ｆからわかるように、各電極に吸着されたイオンは、順番に流れ方向と平行に移動する。イオン移動方向をイオン含有液体が流れる方向と逆とすることにより、吸収セル７１から蒸発セル７２にイオン濃度が低い溶媒を移動させることができる。
（変形態様）
降圧トランス１１１に商業用の３相交流電圧を印加する時、三相インバータからなる駆動回路１１の省略が可能となる。更に、上記説明された電気二重層電極列を用いたイオン輸送ポンプは、吸収式空調装置の他に、他の種々の用途で利用されることもできる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン含有液体、特に電解液中のイオンを移動させるイオン吸着装置により駆動される吸収式熱発生装置に関する。熱発生装置が発生する熱は冷熱を含む。
【背景技術】
【０００２】
本出願人の出願になる特許文献１は、イオン吸着装置により駆動される吸収式熱発生装置を開示している。しかしながら、その構成は複雑であり、かつ、駆動回路の損失が大きいという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−８２６０６
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、イオン吸着装置により駆動される熱発生装置の構成の簡素化をその第１の目的としている。本発明は、イオン吸着装置により駆動される熱発生装置の電力消費の低減をその第２の目的としている。
【０００５】
上記文献に記載されるイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置は、低イオン濃度の電解液を収容するとともに外部から熱を吸収して蒸気を発生する蒸発部と、高イオン濃度の電解液を収容するとともに蒸発部が発生する蒸気を吸収して熱を外部へ発生する凝縮部と、凝縮部のイオン濃度を蒸発部のイオン濃度より増大させるイオン吸着装置とを備える。イオン吸着装置は、電解液内に配置された複数の電気二重層電極と、周期的に変化する電圧を複数の電気二重層電極に印加する駆動回路とを備える。
【０００６】
運転により蒸発部の液量の減少及び凝縮部のイオン濃度低下を招く吸収式熱発生装置たとえば吸収式クーラーは、運転により凝縮部と蒸発部との間の蒸気圧差が減少する。イオン吸着装置は、ＥＤＬＣとして一般に知られている複数の電気二重層電極によるイオン吸着とイオン放出とを交互に繰り替えすことにより、凝縮部と蒸発部との間のイオン濃度差（蒸気圧差）を維持する。
【０００７】
第１発明のイオン吸着装置は、それぞれ電気二重層電極のペア及び電解液を収容するとともに、互いに隣接しつつ列状に配置される複数のセルを有する。Ｎ（Ｎは整数）番目のセル及びＮ＋１番目のセルは熱絶縁され、かつ、相互の蒸気流通が可能とされる。Ｎ＋１番目のセル及びＮ＋２番目のセルは良好な熱伝達性能を有して相互の蒸気流通が不能とされる。列の両端に配置された２つのセルは、凝縮部と蒸発部とを交互に構成する。駆動回路は、奇数番目のセル内の電気二重層電極対に印加される第１電圧が大きく、偶数番目のセル内の電気二重層電極対に印加される第２電圧が小さい第１運転モードと、第１電圧が小さく、第２電圧が大きい第２運転モードとを交互に繰り返すことを特徴としている。
【０００８】
すなわち、このイオン吸着装置を有する吸収式熱発生装置は、電気二重層電極（いわゆるＥＤＬＣ）のイオン吸着及びイオン放出動作を利用することにより、電解液のイオン濃度を変更する。イオン濃度の変更により、電解液の沸点を変化させることができる。従来の熱スイングタイプ又は圧力スイングタイプの吸収式熱発生装置と比べて、本発明のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置は、簡素な構造をもつにもかかわらず、エネルギー損失の低減と、大きな熱落差を実現する。
【０００９】
好適な態様において、列の両端に配置された２つのセルの一つは、第１の外部流体通路を流れる外部流体と熱交換する。列の両端に配置された２つのセルの他の一つは、第２の外部流体通路を流れる外部流体と熱交換する。第１、第２外部流体通路に流れる外部流体は、第１運転モード及び第２運転モードの切換と同期して流路切換装置により切り替えられる。これにより、装置の構成を一層簡素とすることができる。
【００１０】
好適態様によれば、奇数番目のセル内の各電気二重層電極対は、直列に接続されて第１キャパシタを構成する。偶数番目のセル内の各電気二重層電極対は、直列に接続されて第２キャパシタを構成する。駆動回路は、第１キャパシタに第１電圧とほぼ逆相の第１電圧を印加し、第２キャパシタに第２電圧を印加する。これにより、抵抗損失を低減することができる。
【００１１】
好適態様によれば、駆動回路は、直流電源と第１キャパシタとの間に配置されるとともに、直流電源の電圧を降圧して第１キャパシタに印加する第１のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータと、直流電源と第２キャパシタとの間に配置されるとともに、直流電源の電圧を降圧して第２キャパシタに印加する第２のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータとを有する。第１のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータは、第１キャパシタの放電時に第１キャパシタの電圧を昇圧することにより、第１キャパシタの蓄電電力を電源に回生する。第２のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータは、第２キャパシタの放電時に第２キャパシタの電圧を昇圧することにより、第２キャパシタの蓄電電力を電源に回生する。これにより、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）への突入電流を低減することができるとともに、電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ）の蓄電エネルギーを良好に回収することができる。
【００１２】
第２発明のイオン吸着装置の駆動回路は、電解液が流れる方向へ順番に配列された３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗに３相交流電圧の各相電圧を個別に印加することにより、電解液中の正イオン及び負イオンの両方を電解液が流れる方向と逆方向へ輸送することを特徴としている。これにより、上記特許文献１に記載された４相駆動に比べて、少ない消費電力で高いイオン輸送効率を実現することができる。
【００１３】
好適な態様において、駆動回路は、３相降圧トランスと、この３相降圧トランスを通じて３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗに三相電圧の各相電圧を印加する三相インバータとを有する。これにより、三相インバータの抵抗損失及びスイッチング損失を低減することができる。
好適な態様において、駆動回路は、商用３相交流電圧を降圧する３相降圧トランスを有する。これにより、大電流を出力する駆動回路を簡素に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１のイオン吸着装置をもつ吸収式空調装置を示すブロック図である。
【図２】図１に示されるイオン吸着装置を示す模式断面図である。
【図３】図１に示される駆動回路を示す回路図である。
【図４】実施例２のイオン吸着装置をもつ吸収式空調装置を示すブロック図である。
【図５】図４の空調装置の変形態様を示すブロック図である。
【図６】図４に示されるイオン吸着装置を駆動する駆動回路を示すブロック回路図である。
【図７】図４に示されるイオン吸着装置の模式断面図である。
【図８】図７に示されるイオン吸着装置の動作を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
実施例１が図１を参照して説明される。図１は、実施例１のイオン吸着装置をもつ空調装置を示すブロック図である。この空調装置は、イオン吸着装置１、ダンパー２１−２４、複数のダクト２５−３０、駆動回路１１、コントローラ１２、内部ファン及び外部ファンを有する。室内空気流（Ｒ．Ａ）を形成する内部ファン、及び外気流（Ｒ．Ａ）を形成する外部ファンは図１に示されていない。外気流（Ｆ．Ａ）は、入口ダクト２７、中央ダクト２６（又は２５）及び出口ダクト２８を通じて流れている。内気流（Ｒ．Ａ）は、入口ダクト２９、中央ダクト２５（又は２５）及び出口ダクト３０を流れる。
【００１６】
入口ダクト２７の後端部に設けられたダンパー２１は、外気流（Ｆ．Ａ）のために中央ダクト２５、２６のどちらか一つを選択する。ダンパー２２は、中央ダクト２５、２６のどちらか一つから出口ダクトダクト２８へ外気流（Ｆ．Ａ）を流す。入口ダクト２９の後端部に設けられたダンパー２３は、内気流（Ｒ．Ａ）のために中央ダクト２５、２６のどちらか一つを選択する。ダンパー２４は、中央ダクト２５、２６のどちらか一つから出口ダクトダクト３０へ内気流（Ｒ．Ａ）を流す。中央ダクト２５の空気流は、イオン吸着装置１の一表面３に接触している。中央ダクト２６の空気流は、イオン吸着装置１の他表面４と接触している。すなわち、イオン吸着装置１は、イオン吸着装置１の両端面は中央のダクト２５、２６の空気流と熱交換する。
【００１７】
例示された実線位置にダンパー２１−２４がある時、外気流はイオン吸着装置１の表面４と接触する。例示された実線位置にダンパー２１−２４がある時、内気流はイオン吸着装置１の表面３と接触する。例示された破線位置にダンパー２１−２４がある時、外気流はイオン吸着装置１の表面３と接触する。例示された破線位置にダンパー２１−２４がある時、内気流はイオン吸着装置１の表面４と接触する。
【００１８】
イオン吸着装置１が、図２を参照して説明される。イオン吸着装置１は、適切に配置されたセル５１−５６を有する。セル５１と５２は蒸気ダクト６１で接続されている。セル５３と５４は蒸気ダクト６２で接続されている。セル５５と５６は蒸気ダクト６３で接続されている。セル５１の一側面はひれ３０をもつ熱交換面３からなる。セル５６の一側面はひれ４０をもつ熱交換面４からなる。セル５２の一側面はセル５３の一側面と接触している。セル５４の一側面はセル５５の一側面と接触している。セル５１、５２の他側面は、絶縁体７１を挟んで互いに隣接している。セル５３、５４の他側面は、絶縁体７２を挟んで互いに隣接している。セル５５、５６の他側面は、絶縁体７３を挟んで互いに隣接している。
【００１９】
絶縁体７１−７３は、断熱と電気絶縁において優れた性能を有する。すべてのセル５１−５６はそれぞれ、一対の電極８１−８２と電解液Ｌとを収容している。電解液Ｌ内にて互いに所定ギャップを挟んで対面する一対の電極８１−８２は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）を構成してる。たとえば、電解液ＬがＫＯＨ水溶液又はＬｉＢｒ水溶液又はアンモニア水溶液を好適に採用することができる。しかし、それに限定されない。多孔性カーボン材料が電極として好適である。駆動回路１１は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣｓ）１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃの２つの電極８１、８２の間に第１電圧Ｖ１を印加する。駆動回路１１は、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣｓ）１４Ａ、１４Ｂと１４Ｃの２つの電極８１、８２の間に、第２電圧Ｖ２を印加する。コントローラ１２は駆動回路１１を制御する。
【００２０】
図１に示されるイオン吸着装置１の動作が以下に説明される。
まず、第１駆動モードが説明される。駆動回路１１は、直列接続されたＥＤＬＣ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃの各々に、予め定められた値の第１電圧Ｖ１を印加する。駆動回路１１は、直列接続されたＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃに０Ｖの第２電圧Ｖ２を印加する。その結果、セル５１、５３及び５５内の電解液Ｌのイオンは、ＥＤＬＣｓ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに吸着される。ＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃに吸着されたイオンは、セル５２、５４及び５６の電解液Ｌに移動する。セル５１、５３及び５５内の電解液Ｌの沸点が減少する。セル５２、５４及び５６内の電解液Ｌの沸点が、増加する。セル５１、５３及び５５から蒸発した水蒸気が、セル５２、５４及び５６内へ流入する。セル５１、５３及び５５が冷却され、セル５２、５４及び５６が加熱される。セル５２の熱はセル５３へ伝達される。セル５４の熱はセル５５へ伝達される。その結果、低温のセル５１が更に冷却され、高温のセル５６が更に加熱される。したがって、内気流（Ｒ．Ａ）はセル５１の表面３により十分に冷却され、セル５６の表面４は外気流（Ｆ．Ａ）により十分に冷却される。
【００２１】
次に、第２駆動モードが説明される。ダンパー２１−２４は点線で示される位置をもつ。駆動回路１１は、直列接続されたＥＤＬＣ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに０Ｖの第１電圧Ｖ１を印加する。駆動回路１１は、ＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃの各々に、予め定められた価値（たとえば１．２−２Ｖ）で、第２の電圧Ｖ２を印加する。その結果、セル５２、５４及び５６内の電解液Ｌに含まれるイオンは、ＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃに吸着される。ＥＤＬＣｓ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃに吸着されたイオンは、セル５１、５３及び５５内の電解液Ｌに移動する。セル５２、５４及び５６内の電解液Ｌの沸点が減少し、セル５１、５３及び５５内の電解液Ｌの沸点が増加する。セル５２、５４及び５６から蒸発した水蒸気がセル５１、５３及び５５内へ流入する。セル５２、５４及び５６が冷却され、セル５１、５３及び５５が加熱される。セル５３の熱はセル５２に伝達される。セル５５の熱はセル５４に伝達される。その結果、低温のセル５６が更に冷却され、高温のセル５１が更に加熱される。したがって、内気流はセル５６の表面４により十分に冷却され、セル５１の表面３は外気流により十分に冷却される。
【００２２】
駆動回路１１が、図３を参照して説明される。駆動回路１１は、互いに並列接続された一対のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータ９１−９２からなる。降圧型ＤＣＤＣコンバータ９１は、一対のトランジスタＴ１、Ｔ２とリアクトルＬ１とからなる。互いに直列接続された上アームトランジスタＴ１及び下アームトランジスタＴ２の両端は、外部直流電源の高電位端ＶＨ及び低電位端ＶＬに別々に接続されている。上アームトランジスタＴ１及び下アームトランジスタＴ２の接続点は、リアクトルＬ１及び負荷キャパシタ１３を通じて外部直流電源の低電位端子ＶＬに接続されている。負荷キャパシタ１３は、互いに直列接続されたＥＤＬＣｓ１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃにより構成されている。
【００２３】
降圧型ＤＣＤＣコンバータ９２は、一対のトランジスタＴ３、Ｔ４とリアクトルＬ２とからなる。互いに直列接続された上アームトランジスタＴ３及び下アームトランジスタＴ４の両端は、外部直流電源の高電位端ＶＨ及び低電位端ＶＬに別々に接続されている。上アームトランジスタＴ３及び下アームトランジスタＴ４の接続点は、リアクトルＬ２及び負荷キャパシタ１４を通じて外部直流電源の低電位端子ＶＬに接続されている。負荷キャパシタ１４は、互いに直列接続されたＥＤＬＣｓ１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃにより構成されている。
【００２４】
この駆動回路１１の動作が以下に説明される。上記説明された第１運転モードにおいて、降圧動作を行う第１のＤＣＤＣコンバータ９１は、互いに直列接続された複数の電気二重層コンデンサからなる負荷キャパシタ１３に所定の第１電圧Ｖ１を印加する。チョッパ型ＤＣＤＣコンバータの降圧動作自体は良く知られている。上アームトランジスタＴ１がオンされ、下アームトランジスタＴ２がオフされる時、電流がリアクトルＬ１を通じて負荷キャパシタ１３に供給される。上アームトランジスタＴ１がオフされ、下アームトランジスタＴ２がオンされる時、リアクトルＬ１の残留磁気エネルギーは、電流を下アームトランジスタＴ２を通じて負荷キャパシタ１３に供給する。検出した第１電圧Ｖ１の値を所定範囲内に維持するために、上アームトランジスタＴ１のＰＷＭデユーティ比が調整される。
【００２５】
この第１運転モードにおいて、第２のＤＣＤＣコンバータ９２の下アームトランジスタＴ４は常時オンされ、上アームトランジスタＴ３は常時オフされる。これにより、下アームトランジスタＴ４により短絡された負荷キャパシタ１４の電圧は０Ｖとなる。リアクトルＬ２は負荷キャパシタ１３の短絡に伴う大きな短絡電流の発生を防止することができる。
【００２６】
上記説明された第２運転モードにおいて、降圧動作を行う第２のＤＣＤＣコンバータ９２は、互いに直列接続された複数の電気二重層コンデンサからなる負荷キャパシタ１４に所定の第２電圧Ｖ１を印加する。この動作は、第１運転モードにおける第１のＤＣＤＣコンバータ９１の降圧動作と同じである。
更に、この第２運転モードにおいて、第１のＤＣＤＣコンバータ９１は、負荷キャパシタ１３に蓄電された静電エネルギーを外部直流電源に戻す逆昇圧動作を行う。
【００２７】
すなわち、下アームトランジスタＴ２がオンされ、上アームトランジスタＴ１がオフされる時、電流が負荷キャパシタ１３からリアクトルＬ１を通じて下アームトランジスタＴ２に供給される。下アームトランジスタＴ２がオフされ、上アームトランジスタＴ１がオンされる時、リアクトルＬ１の残留磁気エネルギーは、負荷キャパシタ１３からリアクトルＬ１及び上アームトランジスタＴ１を通じて外部直流電源に流れる電流を発生する。負荷キャパシタ１３の端子電圧Ｖ１はこの回生電流により徐々に低下する。コントローラ１２は、端子電圧Ｖ１の低下速度又は負荷キャパシタ１３の電流値に応じて、下アームトランジスタＴ２のデユーティ比を制御する。下アームトランジスタＴ４のデユーティ比は徐々に増加し、最終的に１００％となる。第１ＤＣＤＣコンバータ９１の発電期間は第２ＤＣＤＣコンバータ９２の電流消費期間の初期と重なって実施される。第２ＤＣＤＣコンバータ９２の発電期間は第１ＤＣＤＣコンバータ９１の電流消費期間の初期と重なって実施される。したがって、各ＤＣＤＣコンバータ９１、９２の消費電流が大きい電流消費期間の初期において、外部直流電源の出力電流を低減することが可能となる。
【００２８】
以下、上記した第１運転モードと第２運転モードが所定のインタバルで交互に実施される。第１運転モードにおいて、負荷キャパシタ１４の静電エネルギーもＤＣＤＣコンバータ９２により外部直流電源に回生される。上記実施例では、内気流を冷却する上記冷房動作の変わりに、内気流を加熱し、外気流を冷却するヒートポンプ動作も可能である。内気流及び外気流はその他の媒体に変更されることができる。ＥＤＬＣの充電電圧は電気分解電圧以下とされることが好適である。
【実施例２】
【００２９】
実施例２が図４を参照して説明される。図４は、吸収式空調装置を示すブロック図である。この空調装置は、イオン吸着装置７０、吸収セル７１、蒸発セル７２、蒸気流量制御用の弁７３、液体流量調整弁７４〜７５、８５〜８６、ポンプ７６、放熱熱交換器７７をもつ。配管７８は吸収セル７１と弁７４とを接続する。配管７９は蒸発セル７２と弁７５とを接続する。配管８０はポンプ７６とイオン吸着装置７０の流入口とを連通する。配管８１は弁８５と吸収セル７１とを連通する。配管８２は弁８６と蒸発セル７２とを連通する。熱交換器８３は吸収セル７１を放熱する。熱交換器８４は蒸発セル７２に熱を与える。
【００３０】
高いイオン濃度をもつ電界液が吸収セル７１に収容されている。低いイオン濃度をもつ電界液が蒸発セル７２に収容されている。電解液として、水酸化カリウム水溶液又は水酸化アンモニウム水溶液又は臭化リチウム水溶液を採用することが好適である。
ポンプ８０は、吸収セル７１弁７４を通じて流れ込む高濃度液体をイオン吸着装置７０に送る。ポンプ８０は、蒸発セル７２から弁７５を通じて流れ込む低濃度液体をイオン吸着装置７０に送る。イオン吸着装置７０から出た液体は、弁８５を通じて吸収セル７１に戻る。イオン吸着装置７０から出た液体は、弁８６を通じて蒸発セル７２に戻る。
【００３１】
弁７３を開くと、沸点差により蒸発セル７２から吸収セル７１に水蒸気が流れる。蒸発セル７２の液体が加熱されるので、熱交換器８３は外部流体により冷却される。吸収セル７１の液体が冷却されるので、熱交換器８４は外部流体から熱を吸収する。
溶媒である水が吸収セル７１に蓄積する。したがって、水は吸収セル７１から蒸発セル７２へ戻されねばならない。この水移送動作が以下に説明される。まず、弁７４、８６が開かれ、弁７５、８５が閉じられる。ポンプ７６が運転される。イオン吸着装置７０は、液体流に含まれるイオンを上流側へ送る。その結果、イオン吸着装置７０から出た低濃度液が熱交換器７７により冷却された後、蒸発セル７２に送られる。
【００３２】
次に、弁８６が閉じられ、弁８５が開かれる。イオン吸着装置７０の各電気二重層電極は短絡される。これにより、イオン吸着装置７０内のイオンは、吸収セル７１から弁７４、ポンプ７６、イオン吸着装置７０、弁７５を通じて吸収セル７１に戻る。これにより、吸収セル７１のイオン濃度が増大する。
次に、蒸発セル７２から吸収セル７１へのイオン移送動作が説明される。イオン吸着装置７０から供給される液体は低濃度のイオン濃度をもつので、蒸発セル７２のイオン濃度は徐々に増加する。このため、定期的に蒸発セル７２から吸収セル７１へイオンが送られる。
【００３３】
まず、弁７４、８５が閉じられ、弁７５、８６が開かれる。ポンプ７６が運転される。イオン吸着装置７０は、液体流に含まれるイオンを上流側へ送る。これにより、イオン濃度が減少した低濃度液体は、熱交換器７７により冷却された後、蒸発セル７２に戻る。
次に、弁７５、８６か閉じられ、弁７４、８５が開かれる。ポンプ７６が運転される。イオン吸着装置７０の各電気二重層電極は短絡される。これにより、イオン吸着装置７０内のイオンは、吸収セル７１から弁７４、ポンプ７６、イオン吸着装置７０、弁７５を通じて吸収セル７１に戻る。これにより、吸収セル７１のイオン濃度が増大する。
【００３４】
（変形態様）
変形態様が図５を参照して説明される。この変形態様の特徴は、図４に示される実施例２の液体輸送システムを２つ有する点である。図５の吸収式空調装置は、ポンプ７６Ａ、７６Ｂと、イオン吸着装置７０Ａ、７０Ｂと、弁８５Ａ、８５Ｂ、８６Ａ、８６Ｂとを有している。
【００３５】
吸収セル７１から蒸発セル７２への低濃度電解液の輸送動作が以下に説明される。まず、弁８６Ａが開かれ、弁８５Ａが閉じられる。ポンプ７６Ａが運転される。イオン吸着装置７０Ａ内の電気二重層電極は、流入した高濃度液のイオンを吸着する。その結果、低濃度液がイオン吸着装置７０Ａから弁８６Ａを通じて蒸発セル７２に送られる。
次に、弁８５Ａが開かれ、弁８６Ａが閉じられる。イオン吸着装置７０Ａ内の各電気二重層電極を短絡して、各電気二重層電極に蓄積されたイオンがイオン吸着装置７０Ａ内の電解液に放出される。濃度が増大した電解液は弁８５Ａを通じて吸収セル７１に戻る。弁８５Ａ、８６Ａを閉じ、ポンプ７６Ａを停止することにより、この動作は終了する。
【００３６】
蒸発セル７２から吸収セル７１への高濃度電解液の輸送動作が以下に説明される。まず、弁８６Ｂが開かれ、弁８５Ｂが閉じられる。ポンプ７６Ｂが運転される。蒸発セル７２からイオン吸着装置７０Ｂに流入した低濃度液のイオンはイオン吸着装置７０Ｂ内の電気二重層電極に吸着される。低濃度となった低濃度液はイオン吸着装置７０Ｂから弁８６Ｂを通じて蒸発セル７２に戻される。
次に、弁８５Ｂが開かれ、弁８６Ｂが閉じられる。イオン吸着装置７０Ｂ内の各電気二重層電極を短絡して、各電気二重層電極に蓄積されたイオンがイオン吸着装置７０Ｂ内の電解液に放出される。濃度が増大した電解液は弁８５Ｂを通じて吸収セル７１に戻る。弁８５Ｂ、８６Ｂを閉じ、ポンプ７６Ｂを停止することにより、この動作は終了する。
【００３７】
実施例２で説明されたイオン吸着装置７０が図６を参照して説明される。このイオン吸着装置７０は、正負のイオンを一方向へ移動させるイオンポンプとしての機能をもつ。駆動回路１１は、３相トランス１３を通じてイオン吸着装置７０に３相交流電圧を印加している。駆動回路１１は、３相インバータにより構成されている。降圧トランスである３相トランス１３は１０倍以上の降圧比率をもつ。
イオン吸着装置７０は、ブロック状のケース７００と、このケース７００内に収容された８枚の電極アセンブリ７１−７８からなる（図７参照）。ケース７００は、電気絶縁材料により作製されることが好ましい。ケース７００の上流側の端壁に入口部８０が形成されている。ケース７００の下流側の端壁に出口部８０Ａが形成されている。イオン含有液体は入口部８０からケース７００内に流れ込む。ケース７００内のイオン含有液体は出口部８０Ａからに流れ出す。
【００３８】
各電極アセンブリ７１−７８は互いに平行に配列されている。隣接する２枚の電極アセンブリは、狭い幅をもつ流体チャンネル７９を横断して対面している。電極アセンブリ７１−７８は、高い電気抵抗値をもつ樹脂製の平板からなる。電極アセンブリ７１及び７８はケース７００の内面に固定されている。電極アセンブリ７２−７７は、電極アセンブリ７１と電極アセンブリ７８との間に順番に配置されている。電極アセンブリ７１−７８は、イオン含有液体の流れと直角に配置されている。
電極アセンブリ７１−７８の平坦面にはそれぞれ、３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗが流れ方向へ順番に配置されている。電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ、活性炭に覆われた銅板からなる。小さいギャップが、互いに隣接する２つの電気二重層電極の間に確保されている。
【００３９】
電極アセンブリ７１−７２の模式拡大図が図８に示される。電極アセンブリ７の電極Ｗは、流体チャンネル７９を横断して電極アセンブリ７２の電極Ｖ、Ｕの両方に対面している。電極アセンブリ７の電極Ｖは、流体チャンネル７９を横断して電極アセンブリ７２の電極Ｕ、Ｗの両方に対面している。電極アセンブリ７の電極Ｕは、流体チャンネル７９を横断して電極アセンブリ７２の電極Ｗ、Ｖの両方に対面している。
このイオン吸着装置７０の動作が図８を参照して説明される。図８は、互いに異なる８つの電圧印加状態を示す８つの状態Ａ−Ｆを図示する。このイオン吸着装置７０のイオン輸送動作が図７を参照して説明される。降圧トランス１１１は電極Ｕに相電圧Ｖｕを印加する。降圧トランス１１１は電極Ｖに相電圧Ｖｖを印加する。
降圧トランス１１１は電極Ｗに相電圧Ｖｗを印加する。３つの相電圧の間の位相差は電気角１２０度である。３つの相電圧の１周期は６つの期間に分割される。それぞれ電気角６０度をもつ６つの期間は、状態Ａ−Ｆに個別に相当する。
【００４０】
状態Ａは、相電圧Ｖｕが０から正値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｗは正値から０に変化する。イオン含有液体中のイオンは、各電極Ｕ、Ｖ及びＷに吸着される。状態Ｂは、相電圧Ｖｗが０から負値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｖは負値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。状態Ｃは、相電圧Ｖｖが０から正値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｕは正値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。
【００４１】
状態Ｄは、相電圧Ｖｕが０から負値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｗは負値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。状態Ｅは、相電圧Ｖｗが０から正値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｖは正値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。状態Ｆは、相電圧Ｖｖが０から負値に変化する６０度期間である。相電圧Ｖｕは負値から０に変化する。この電極電位の変化により、矢印で示されるイオン移動が生じる。その後、状態Ａに戻る。
【００４２】
図８の状態Ａ−Ｆからわかるように、各電極に吸着されたイオンは、順番に流れ方向と平行に移動する。イオン移動方向をイオン含有液体が流れる方向と逆とすることにより、吸収セル７１から蒸発セル７２にイオン濃度が低い溶媒を移動させることができる。
（変形態様）
降圧トランス１１１に商業用の３相交流電圧を印加する時、三相インバータからなる駆動回路１１の省略が可能となる。更に、上記説明された電気二重層電極列を用いたイオン輸送ポンプは、吸収式空調装置の他に、他の種々の用途で利用されることもできる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低イオン濃度の電解液を収容するとともに外部から熱を吸収して蒸気を発生する蒸発部と、高イオン濃度の電解液を収容するとともに蒸発部が発生する蒸気を吸収して熱を外部へ発生する凝縮部と、凝縮部のイオン濃度を蒸発部のイオン濃度より増大させるイオン吸着装置とを備え、
イオン吸着装置は、電解液内に配置された複数の電気二重層電極と、周期的に変化する電圧を複数の電気二重層電極に印加する駆動回路とを備えるイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置において、
イオン吸着装置は、それぞれ電気二重層電極のペア及び電解液を収容するとともに、互いに隣接しつつ列状に配置される複数のセルを有し、
Ｎ（Ｎは整数）番目のセル及びＮ＋１番目のセルは熱絶縁され、かつ、相互の蒸気流通が可能とされ、
Ｎ＋１番目のセル及びＮ＋２番目のセルは良好な熱伝達性能を有して相互の蒸気流通が不能とされ、
列の両端に配置された２つのセルは、凝縮部と蒸発部とを交互に構成し、
駆動回路は、奇数番目のセル内の電気二重層電極対に印加される第１電圧が大きく、偶数番目のセル内の電気二重層電極対に印加される第２電圧が小さい第１運転モードと、第１電圧が小さく、第２電圧が大きい第２運転モードとを交互に繰り返すことを特徴とするイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項２】
列の両端に配置された２つのセルの一つは、第１の外部流体通路を流れる外部流体と熱交換し、
列の両端に配置された２つのセルの他の一つは、第２の外部流体通路を流れる外部流体と熱交換し、
第１、第２外部流体通路に流れる外部流体は、第１運転モード及び第２運転モードの切換と同期して流路切換装置により切り替えられる請求項１記載のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項３】
奇数番目のセル内の各電気二重層電極対は、直列に接続されて第１キャパシタを構成し、
偶数番目のセル内の各電気二重層電極対は、直列に接続されて第２キャパシタを構成し、
駆動回路は、第１キャパシタに第１電圧を印加し、第２キャパシタに第１電圧とほぼ逆相の第２電圧を印加する請求項１記載のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項４】
駆動回路は、直流電源と第１キャパシタとの間に配置されるとともに、直流電源の電圧を降圧して第１キャパシタに印加する第１のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータと、
直流電源と第２キャパシタとの間に配置されるとともに、直流電源の電圧を降圧して第２キャパシタに印加する第２のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータと、
を有し、
第１のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータは、第１キャパシタの放電時に第１キャパシタの電圧を昇圧することにより、第１キャパシタの蓄電電力を電源に回生し、
第２のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータは、第２キャパシタの放電時に第２キャパシタの電圧を昇圧することにより、第２キャパシタの蓄電電力を電源に回生する請求項３記載のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項５】
低イオン濃度の電解液を収容するとともに外部から熱を吸収して蒸気を発生する蒸発部と、高イオン濃度の電解液を収容するとともに蒸発部が発生する蒸気を吸収して熱を外部へ発生する凝縮部と、凝縮部のイオン濃度を蒸発部のイオン濃度より増大させるイオン吸着装置とを備え、
イオン吸着装置は、電解液内に配置された複数の電気二重層電極と、周期的に変化する電圧を複数の電気二重層電極に印加する駆動回路とを備えるイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置において、
駆動回路は、電解液が流れる方向へ順番に配列された３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗに３相交流電圧の各相電圧を個別に印加することにより、電解液中の正イオン及び負イオンの両方を電解液が流れる方向と逆方向へ輸送することを特徴とするイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項６】
駆動回路は、３相降圧トランスと、この３相降圧トランスを通じて３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗに三相電圧の各相電圧を印加する３相インバータとを有する請求項５記載のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項７】
駆動回路は、商用３相交流電圧を降圧する３相降圧トランスを有するイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項１】
低イオン濃度の電解液を収容するとともに外部から熱を吸収して蒸気を発生する蒸発部と、高イオン濃度の電解液を収容するとともに蒸発部が発生する蒸気を吸収して熱を外部へ発生する凝縮部と、凝縮部のイオン濃度を蒸発部のイオン濃度より増大させるイオン吸着装置とを備え、
イオン吸着装置は、電解液内に配置された複数の電気二重層電極と、周期的に変化する電圧を複数の電気二重層電極に印加する駆動回路とを備えるイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置において、
イオン吸着装置は、それぞれ電気二重層電極のペア及び電解液を収容するとともに、互いに隣接しつつ列状に配置される複数のセルを有し、
Ｎ（Ｎは整数）番目のセル及びＮ＋１番目のセルは熱絶縁され、かつ、相互の蒸気流通が可能とされ、
Ｎ＋１番目のセル及びＮ＋２番目のセルは良好な熱伝達性能を有して相互の蒸気流通が不能とされ、
列の両端に配置された２つのセルは、凝縮部と蒸発部とを交互に構成し、
駆動回路は、奇数番目のセル内の電気二重層電極対に印加される第１電圧が大きく、偶数番目のセル内の電気二重層電極対に印加される第２電圧が小さい第１運転モードと、第１電圧が小さく、第２電圧が大きい第２運転モードとを交互に繰り返すことを特徴とするイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項２】
列の両端に配置された２つのセルの一つは、第１の外部流体通路を流れる外部流体と熱交換し、
列の両端に配置された２つのセルの他の一つは、第２の外部流体通路を流れる外部流体と熱交換し、
第１、第２外部流体通路に流れる外部流体は、第１運転モード及び第２運転モードの切換と同期して流路切換装置により切り替えられる請求項１記載のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項３】
奇数番目のセル内の各電気二重層電極対は、直列に接続されて第１キャパシタを構成し、
偶数番目のセル内の各電気二重層電極対は、直列に接続されて第２キャパシタを構成し、
駆動回路は、第１キャパシタに第１電圧を印加し、第２キャパシタに第１電圧とほぼ逆相の第２電圧を印加する請求項１記載のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項４】
駆動回路は、直流電源と第１キャパシタとの間に配置されるとともに、直流電源の電圧を降圧して第１キャパシタに印加する第１のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータと、
直流電源と第２キャパシタとの間に配置されるとともに、直流電源の電圧を降圧して第２キャパシタに印加する第２のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータと、
を有し、
第１のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータは、第１キャパシタの放電時に第１キャパシタの電圧を昇圧することにより、第１キャパシタの蓄電電力を電源に回生し、
第２のチョッパ型ＤＣＤＣコンバータは、第２キャパシタの放電時に第２キャパシタの電圧を昇圧することにより、第２キャパシタの蓄電電力を電源に回生する請求項３記載のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項５】
低イオン濃度の電解液を収容するとともに外部から熱を吸収して蒸気を発生する蒸発部と、高イオン濃度の電解液を収容するとともに蒸発部が発生する蒸気を吸収して熱を外部へ発生する凝縮部と、凝縮部のイオン濃度を蒸発部のイオン濃度より増大させるイオン吸着装置とを備え、
イオン吸着装置は、電解液内に配置された複数の電気二重層電極と、周期的に変化する電圧を複数の電気二重層電極に印加する駆動回路とを備えるイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置において、
駆動回路は、電解液が流れる方向へ順番に配列された３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗに３相交流電圧の各相電圧を個別に印加することにより、電解液中の正イオン及び負イオンの両方を電解液が流れる方向と逆方向へ輸送することを特徴とするイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項６】
駆動回路は、３相降圧トランスと、この３相降圧トランスを通じて３種類の電気二重層電極Ｕ、Ｖ、Ｗに三相電圧の各相電圧を印加する３相インバータとを有する請求項５記載のイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【請求項７】
駆動回路は、商用３相交流電圧を降圧する３相降圧トランスを有するイオン吸着装置駆動型吸収式熱発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２２４５２４（Ｐ２０１１−２２４５２４Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０７６８１（Ｐ２０１０−１０７６８１）
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【出願人】（５０７３４８６７６）有限会社 スリ−アイ (35)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【出願人】（５０７３４８６７６）有限会社 スリ−アイ (35)
【Ｆターム（参考）】
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