JP2005291528A - 吸着ヒートポンプ用熱交換器およびそれを用いた吸着ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】吸着器比出力を向上させた熱交換器を提供することにある。
【解決手段】プレートフィンチューブ型熱交換器１を、フィンピッチＰ：０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、フィン長さＬ：１５ｍｍ以上４５ｍｍ以下、フィン高さＨ：２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下にて形成し、前記プレートフィンチューブ型熱交換器のフィン４の間隙に吸着材として、相対圧域０．０５以上０．４０以下の範囲で水蒸気の吸着容量０．１５ｋｇ／ｋｇ以上を有する高性能活性炭５を充填し、前記プレートフィンチューブ型熱交換器１の前記フィン４の間隙を、前記活性炭の粒子径以下の目開きをもった網状部材６で覆ってなる、吸着ヒートポンプ用熱交換器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却、加熱されることにより吸着材に水などが吸着、脱着されることを利用した吸着ヒートポンプ用の熱交換器および、その熱交換器を用いた吸着ヒートポンプに関するものである。

吸着ヒートポンプは、発・吸熱現象を伴う吸着材の吸・脱着現象を利用する熱機器である。吸着ヒートポンプは８０℃程度以下の低温排熱を回収・高レベル変換できる唯一の熱機関であり、吸着質（作動媒体）として水、アルコール、アンモニアなど、吸着材としてシリカゲル、ゼオライト、活性炭などの無害の化学物質を用いることができ、いわゆるノンフロン型の環境調和型低温排熱利用機器として機能する。しかし、吸着器単位容積あたりの出力（比出力）が小さいため装置が大型化することが原因となり、汎用的実用化が遅れている。

この比出力の向上に向けては、吸着材における吸着質の吸着容量を増大させることが不可欠となる。このため、本願発明者は近年、プラスチックを出発原料とする低温薬品賦活法の適用により、従来吸着材の２〜３倍の水蒸気吸着容量を有する高性能活性炭の開発を進めている（特許文献１参照）。
特開２００２−２３５９６５号公報（特願２００１−３４５１５号）

ところで、上記のように吸着材の吸着容量が増大すると、それに伴い発生・吸収される吸着・脱着熱も増大してくる。吸着ヒートポンプにおいてはこれらの熱の除去・供給速度が装置全体の出力速度を決定するため、比出力の向上に向けては伝熱性能に優れた熱交換器ならびに、吸着材と熱交換器を組み合わせた吸着器が必要不可欠となる。

吸着材と熱交換器とを一体化させる提案はこれまでも僅かになされているが、従来は、大吸着容量を有するため吸・脱着に伴う発・吸熱量が大きい上記の如き高性能活性炭の利用が考慮されていない。また、従来から提案されている一体化手法では、吸着材の保持のためにバインダー（酢酸ビニルなど）を用いるのが通常であるが、バインダーを用いると熱交換器表面において水蒸気拡散流路の閉塞が起き、出力性能の低下が避けられない。

本発明は、従来の通常の吸着材の１．５倍以上の大吸着容量（水蒸気）を有し、吸・脱着に伴う発・吸熱量の大きい、特許文献１に記載の如き高性能活性炭の利用を前提とし、上記従来技術の課題を有利に解決することを目的としてなされたものであり、本発明の吸着ヒートポンプ用熱交換器は、プレートフィンチューブ型熱交換器を、フィンピッチ０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、フィン長さ１５ｍｍ以上４５ｍｍ以下、フィン高さ２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下（好ましくはフィンピッチ０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、フィン長さ２５ｍｍ以上３０ｍｍ以下、フィン高さ３５ｍｍ以上６０ｍｍ以下）にて形成し、前記プレートフィンチューブ型熱交換器のフィンの間隙に吸着材として、相対圧域０．０５以上０．４０以下の範囲で水蒸気の吸着容量０．１５ｋｇ／ｋｇ以上を有する高性能活性炭を充填し、前記プレートフィンチューブ型熱交換器の前記フィンの間隙を、前記活性炭の粒子径以下の目開きをもった網状部材で覆ってなるものである。

すなわち、本発明の吸着ヒートポンプ用熱交換器は、プレートフィンチューブ型熱交換器（フィンピッチ：０．５〜２．０ｍｍ、フィン長さ：１５〜４５ｍｍ、フィン高さ：２０〜６０ｍｍ、好ましくはフィンピッチ：０．９〜１．６ｍｍ、フィン長さ：２５〜３０ｍｍ、フィン高さ：３５〜６０ｍｍ）を基本形状とし、フィンとフィンとの間隙に、吸着ヒートポンプの操作範囲である相対圧域０．０５〜０．４０の範囲で水蒸気の吸着容量０．１５ｋｇ／ｋｇ以上を有する高性能活性炭を吸着材として充填し、さらに水蒸気の透過性を維持しつつ吸着材をフィン間隙内に保持するため、プレートフィンチューブ型熱交換器のフィン間隙を吸着材粒子径以下の目開きをもったメッシュで覆って構成している。

さらに、本発明の吸着ヒートポンプ用熱交換器を用いた本発明の吸着ヒートポンプは、前記吸着ヒートポンプ用熱交換器を必要出力に応じて複数枚積層して吸着器として用い、前記熱交換器の相互の隙間を１ｍｍ以上１０ｍｍ以下としてなるものである。

すなわち、本発明では、吸着ヒートポンプの吸着器に使用する熱交換器の数量を必要出力に応じて調整し、それらの熱交換器を積層して使用する。その際、互いの熱交換器の隙間（＝水蒸気透過流路）を１〜１０ｍｍとすることにより、吸着器容積のコンパクト化を図る構成としている。

本発明の吸着ヒートポンプ用熱交換器は、従来型のフィンチューブ型熱交換器（フィンピッチ：２．８ｍｍ、フィン長さ：１４．８ｍｍ：フィン深さ：２０ｍｍ）に従来型の吸着材であるシリカゲルを充填して構成した比較例の熱交換器を用いた場合に比べて約3倍の比出力が実証された。

さらに、本発明の吸着ヒートポンプは、上記比較例の熱交換器を用いた場合に比べて４倍以上の高出力化が図られ、吸着器容積のコンパクト化が達成可能であることが確認された。

以下、この発明の一実施例を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の吸着ヒートポンプ用熱交換器の一実施例を示す斜視図、図２は、その実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器の一部を拡大して、網状部材を省略して示す平面図である。

図中符号１で示すこの実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器は、矩形の枠体２を具えたプレートフィンチューブ型熱交換器であり、その枠体２の内側には、図示例ではフルサーキットを構成するように１２段の蛇腹状に曲げられた、熱交換媒体通路としての概略矩形断面形状のチューブ３が配置され、チューブ３の互いに隣接する各段の間には、連結板を挟んで二段に、波形のフィン４が固定されている。

この実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器１は、フィンピッチＰ：０．５〜２．０ｍｍ、フィン長さＬ：１５〜４５ｍｍ：フィン高さ（深さ）Ｈ：２０〜６０ｍｍ（好ましくはフィンピッチＰ：０．９〜１．６ｍｍ、フィン長さＬ：２５〜３０ｍｍ：フィン高さＨ：３５〜６０ｍｍ）とし、各ピッチのフィン４とフィン４との間隙に、一般的な吸着ヒートポンプの操作範囲である相対圧域０．０５〜０．４０の範囲で水蒸気の吸着容量０．１５ｋｇ／ｋｇ以上を有する高性能活性炭５が充填されている。なお、この高性能活性炭５としては、例えばポリエステル樹脂と水酸化カリウムとを混合した後加熱し、４５０〜５５０℃で保持してアルカリ賦活することで製造したものを用いることができ、これ以外でも、例えば前述した特許文献１記載の高性能活性炭等を用いることができる。

さらにこの実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器１は、水蒸気の透過性を維持しつつ吸着材としての高性能活性炭５をフィン４の間隙内に保持するため、フィン４の間隙が開口する枠体２の少なくとも図では上下面を、高性能活性炭５の粒子径以下の目開きをもった例えばステンレスメッシュ等の網状部材６で覆ったものとなっている。

また、図示しないが、この実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器１を用いた、この発明の吸着ヒートポンプの一実施例の吸着器では、必要出力に応じて熱交換器１の数量が調整され、熱交換器１が互いに、例えば図示の姿勢で上下に積層されて利用される。その際、互いの熱交換器１の隙間（＝水蒸気透過流路）は、１〜１０ｍｍとする。

本実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器１の単体の性能評価を行うため、従来のフィンチューブ型熱交換器（フィンピッチ：２．８ｍｍ、フィン長さ：１４．８ｍｍ、フィン高さ：２０ｍｍ）に従来型の吸着材であるシリカゲルを充填して構成した吸着ヒートポンプ用熱交換器を用いて実験的検討を行った。その結果、本実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器１は、従来型吸着ヒートポンプ用熱交換器を用いた場合に比べて約3倍の比出力があることが実証された。さらに、本実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器１を用いた場合、従来型フィンチューブ型熱交換器を用いた場合に比べて、吸着ヒートポンプの吸着器単位容積あたりの出力が４倍以上になるとの結果を得た。

高性能活性炭５は、ヒートポンプの作動域での水蒸気の吸着容量の増大に特化した吸着材であり、吸着ヒートポンプの作動時には、吸・脱着に伴う発・吸熱量が増大する。本実施例では、熱交換器１の発生熱の除去速度、供給熱の給熱速度を最大にするように、熱交換器１を、そのコンパクト性を維持しつつ、フィンピッチＰを従来よりも小さくし、フィン長さＬを従来よりも長くし、フィン高さＨを従来よりも高くして、活性炭５とフィン４との接触面積を増大させた構造とすることにより、速やかな除熱速度、給熱速度の確保が実現されている。また、上下面を覆う網状部材６を採用することにより、水蒸気の拡散流路の確保と吸着材の保持とを同時に達成している。そして本実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器１の上記効果により、本実施例の吸着ヒートポンプは、従来型に比べて吸着器をコンパクト化・小型化することができる。

以上、図示例に基づき説明したが、本発明は上述の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載範囲内で適宜変更し得ることはもちろんである。

かくして本発明によれば、吸着ヒートポンプ用熱交換器の速やかな除熱速度、給熱速度の確保を実現し得るとともに、吸着ヒートポンプの吸着器のコンパクト化・小型化を実現することができる。

本発明の吸着ヒートポンプ用熱交換器の一実施例を示す斜視図である。 上記実施例の吸着ヒートポンプ用熱交換器の一部を拡大して、網状部材を省略して示す平面図である。

符号の説明

１ 吸着ヒートポンプ用熱交換器
２ 枠体
３ チューブ
４ フィン
５ 高性能活性炭
６ 網状部材

Claims (3)

1. プレートフィンチューブ型熱交換器を、フィンピッチ０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、フィン長さ１５ｍｍ以上４５ｍｍ以下、フィン高さ２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下にて形成し、
   前記プレートフィンチューブ型熱交換器のフィンの間隙に吸着材として、相対圧域０．０５以上０．４０以下の範囲で水蒸気の吸着容量０．１５ｋｇ／ｋｇ以上を有する高性能活性炭を充填し、
   前記プレートフィンチューブ型熱交換器の前記フィンの間隙を、前記活性炭の粒子径以下の目開きをもった網状部材で覆ってなる、吸着ヒートポンプ用熱交換器。
2. 前記プレートフィンチューブ型熱交換器を、フィンピッチ０．９ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、フィン長さ２５ｍｍ以上３０ｍｍ以下、フィン高さ３５ｍｍ以上６０ｍｍ以下にて形成したことを特徴とする、請求項１記載の吸着ヒートポンプ用熱交換器。
3. 請求項１または２記載の吸着ヒートポンプ用熱交換器を必要出力に応じて複数枚積層して吸着器として用い、前記熱交換器の相互の隙間を１ｍｍ以上１０ｍｍ以下としてなる、吸着ヒートポンプ。

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