JP2005127683A - 蒸気吸脱着機能を有する伝熱材料を用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着冷凍機など吸着材熱交換器における伝熱性能の向上と小型化。
【解決手段】 アルミニウムなどの金属表面に直径が数Åから数百Å以下の細孔から構成される細孔膜を作製して得られる伝熱性能に富んだ多孔質体一体型伝熱面を採用する吸着熱交換器である。膜作製時に細孔直径を制御することにより，吸着平衡特性を容易に制御できる利点を活かし，吸着容量の増大と吸脱着速度の向上を図る構成にした。また，多孔質体一体型伝熱面の表面にある細孔内にシリカゲルなどの吸着材を担持すること，さらにその表面にシリカゲルなどの従来の吸着材を充てん又は塗布などして吸着容量の増大を図った伝熱面を用いる熱交換器である。
【選択図】図５

Description

本発明は吸着冷凍機の吸着材熱交換器やデシカント除湿器および加湿器の吸脱着速度の向上や小型化の技術に関する。

吸着冷凍機の主要構成機器として吸着材熱交換器がある。吸着材熱交換器は，伝熱面上に吸着材としてシリカゲルやゼオライトなど多孔質材料が充てんされている。（例えば，非特許文献１参照。）。

吸着材熱交換器は吸着冷凍機の吸着過程において蒸発器から流入する冷媒蒸気を吸着材が吸着するときに発生する吸着発熱を，伝熱面を介して，外部に放出する機能を有する。

また，脱着過程において外部熱流体により伝熱面を介して吸着材を加熱し，吸着していた冷媒を放出させる。

デシカント除湿器および加湿器の主要構成機器としてデシカントロータがある。デシカントロータは，金属箔やセラミック紙などに吸着材を塗布したハニカム円筒状のロータに構成した熱交換器である。（例えば，特許文献１参照。）。

この熱交換器は，デシカントロータの吸着過程において，ロータに流入する空気から水蒸気を吸着して乾燥空気を供給する。吸着時には発熱が生じ，乾燥された空気中に放熱される。

一方，再生過程において，ロータは流入する加熱空気と接触して空気中に水蒸気を放出し，加湿された空気を供給する。吸着と再生の過程を繰り返してロータは除湿あるいは加湿の機能を提供する。

これらの熱交換器の吸着材表面において，冷媒蒸気や水蒸気の吸脱着現象が生じており，熱と物質の移動がともなう。

これまでに熱と物質の移動を促進するために，拡大伝熱面への吸着材の充てん（特許文献２参照。），吸着材の吸着容量の増大化や細孔径の制御による平衡吸着特性の制御（非特許文献２参照。）が行われている。

しかしながら，伝熱面と吸着材の間の接触熱抵抗が大きいために熱の移動が抑制されたり，吸着容量は大きいものの吸着材の膨潤などの形状変形が生じたり，細孔径の制御が容易でないことが問題点である。

ビショット・バラン・シャハ（Ｂｉｄｙｕｔ Ｂａｒａｎ Ｓａｈａ），外２名，「コンピュータ・シミュレーション・オブ・ア・シリカゲル・ウォーター・アドソープション・リフリージレーション・サイクル−ザ・インフルエンス・オブ・オペレーティング・コンディションズ・オン・クーリング・アウトプット・アンド・シーオーピー（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｓｉｌｉｃａ Ｇｅｌ−Ｗａｔｅｒ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｃｙｃｌｅ−Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｏｕｔｐｕｔ ａｎｄ ＣＯＰ）」，アメリカン・ソサイアティ・オブ・ヒーティング・リフリージレイティング・アンド・エアーコンディショニング・エンジニアーズ・トランスアクション（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｈｅａｔｉｎｇ，Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｎｇ ａｎｄ Ａｉｒ−Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ Ｔｒａｎｓｔｉｏｎ），（米国），アメリカ暖房冷凍空調学会，１９９５年，第１０１号，ｐ．３４８−３５５

特開２０００−２２９２１６号公報

特開平１０−２８６４６０号公報

遠藤明，外５名，「溶媒揮発法によるメソポーラスシリカの形成と水蒸気吸着特性」，平成１４年度日本冷凍空調学会学術講演会講演論文集，（日本），日本冷凍空調学会，２００２年，ｐ．５７７−５８０

吸着冷凍機やデシカント除加湿器の出力向上と小型化などの高性能化を図るためには吸脱着現象が生じている吸着材における熱と物質の移動を促進することが重要である。

本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたもので，細孔径の制御が容易でかつ熱と物質移動の促進に有効な伝熱性能に富んだ伝熱面上に作製した吸着材を用いた熱交換器の提供を目的としている。

請求項１記載の発明では，図１に示すように，アルミニウムなどの金属１１の少なくとも一方の表面上に，直径が数Åから数百Å以下の細孔１２から構成される細孔膜１３を公知の陽極酸化法などによって作製することにより膜内は金属と接する伝熱性能に富んだ多孔質体の伝熱面ができる。

吸着冷凍機など外部流体と間接的に熱交換を行う場合には，図２に示すように，図１の伝熱面２１の裏面を外部流体２２が流れる構造にして熱交換を行う。

また，デシカントロータとして熱交換を行う場合には，図３に示すように，図１の多孔膜３１を両面に作製した伝熱面３２を公知のロータ製法により波型のコルゲートシート３３と平板シート３４を渦巻状に巻きつけた円筒状ハニカム構造にして，流路３５を通過する空気などの流体との熱交換及び水蒸気などの吸脱着を行う。

図２又は図３のような構造によって多孔質体と流体との熱交換が促進され，吸脱着速度が向上することにより，熱交換器を小型にできる。また，被膜作製時に細孔直径を制御することにより，吸着平衡特性を容易に制御でき，吸着容量の増大と吸脱着速度の向上を得ることができる。

請求項２記載の発明では，図４に示すように，請求項１の伝熱面表面４１にある細孔内４２にシリカゲルなどの多孔質材料４３を公知の担持方法を参考にして担持させることにより，吸着容量が増大する。その結果，吸脱着速度が向上するとともに熱交換器を小型にできる。

請求項３記載の発明では，図５に示すように，請求項２の伝熱面５１の表面にシリカゲルなどの従来の多孔質材料５２を充てん又は塗布などすることにより，吸着容量が増大する。その結果，吸脱着速度が向上するとともに熱交換器を小型にできる。

本発明の作用効果を以下に列挙する。

（１）
伝熱性能に富んだ金属体の表面に水蒸気の吸脱着を生じる直径数百Å以下の細孔を有することにより，吸着した水蒸気の発熱を素早く除去できる。また，脱着させるための加熱が素早くできるので，吸脱着速度を向上させることができる。

（２）
吸脱着速度の向上により吸着熱交換器の小型化が期待でき，省エネルギーの要請に応えることができる。

（３）
脱着再生する際の加熱温度レベルに応じて適切に制御された平衡吸着特性を示す材料を用いた吸着熱交換器を提供できる。

（４）
伝熱面上の細孔内に吸着材を担持させることにより伝熱面と吸着材との接触熱抵抗が低下するので，吸着材と伝熱面間の伝熱性能を向上できる。

（５）
吸着材が担持されたり伝熱面上に充てん又は塗布されたりする分，さらに吸着容量が増大するので，熱交換器の小型化が期待できる。

本発明の熱交換器に使用する伝熱面の性能について説明する。

平均細孔直径が２０ｎｍに調整した請求項１に記載の熱交換器に使用する伝熱面を用いて吸着速度を測定した。その結果に基づいて本伝熱面を有する吸着熱交換器が吸着冷凍機に使用される場合の冷熱出力量を見積もった。

再生温度が８０℃，冷却水温度が３２℃，蒸発温度が２０℃の条件において，吸着熱交換器に充てんした吸着材単位質量あたりの冷熱出力量は２８５Ｗである。一方，従来の単段型吸着冷凍機の運転結果から見積もられる吸着熱交換器に充てんした吸着材単位質量あたりの冷熱出力量は２５０Ｗである。したがって約１０％の出力向上が見積もられる。

このように本発明の熱交換器は，吸着冷凍機や除湿及び加湿器など吸脱着をともなう熱交換器に用いると，吸脱着速度が従来の熱交換器よりも大きいため，熱交換器の小型化に寄与する。

図６における吸着熱交換器の熱交換部６１は，冷媒蒸気（例えば，水蒸気）などの吸着質６３を流入出し，熱交換流体６５（例えば，温排水や冷却水）を流入出する直交型熱交換器である。

直交型熱交換器６１の冷媒蒸気側に面した伝熱面６２は，多孔質面あるいはその表面の細孔内にシリカゲルなどの吸着材を担持した面あるいはさらにその面に吸着材を塗布した面から構成される。冷媒蒸気などの吸着質６３は流路を通って面６２に吸脱着する。

一方，伝熱面６２の反対面６４は，熱交換流体６５と接して熱交換を行う。

なお，吸脱着側と熱交換流体側の流れの関係は直交型のほかに，並行型でも対向型であってもよい。

このほかにも本熱交換器で使用する伝熱面を金属箔にて作製し，円筒状コルゲートに成型してデシカントロータとして，除湿および加湿操作の速度向上に寄与する熱交換器として用いてもよい。

多孔質体と一体となった伝熱面を示す図 外部流体との熱交換を行っている本熱交換器の伝熱素子断面を示す図 ハニカム構造に成型された本熱交換器の伝熱素子断面を示す図 細孔内に吸着材が担持された本熱交換器の伝熱素子断面を示す図 従来の吸着材が図４の伝熱面上に充てん又は塗布などされた本熱交換器の伝熱素子断面を示す図 吸着材熱交換器内の熱交換部を示す図

符号の説明

１１ アルミニウムなどの金属
１２ 直径が数Åから数百Å以下の細孔
１３ 細孔膜
２１ 多孔質体と一体となった伝熱面（以下，多孔質一体型伝熱素子と記す。）
２２ 熱交換流体
３１ 多孔質一体型伝熱素子
３２ 多孔質体を両面に作製した伝熱素子
３３ 波型のコルゲートシートに成型した多孔質一体型伝熱素子
３４ 平板シートに成型した多孔質一体型伝熱素子
３５ 冷媒蒸気や湿分の流路
４１ 多孔質一体型伝熱素子
４２ 細孔内
４３ 細孔内に担持されたシリカゲルなどの吸着材料
５１ 吸着材を担持した多孔質一体型伝熱素子
５２ シリカゲルなどの従来の多孔質材料
６１ 吸着材一体型伝熱素子で構成される直交型熱交換器
６２ 吸着材一体型伝熱素子の面
６３ 冷媒蒸気
６４ 熱交換流体と接する伝熱面
６５ 熱交換流体

Claims (3)

1. 陽極酸化法などによって作製された数Åから数百Å以下の直径の細孔を表面に少なくとも一つ以上有した伝熱面上に吸着冷凍機の冷媒蒸気や気体中の水蒸気が吸脱着することを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１の熱交換器に使用される伝熱面上の細孔内にシリカゲルなどの多孔質吸着材を担持させて吸着冷凍機の冷媒蒸気や気体中の水蒸気が吸脱着することを特徴とする熱交換器。
3. 請求項２の熱交換器に使用する伝熱面上にシリカゲルなどの多孔質吸着材を充てんして吸着冷凍機の冷媒蒸気や気体中の水蒸気が吸脱着することを特徴とする熱交換器。

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