JP2006284051A - Adsorbing core and adsorption heat pump - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷媒の吸着・脱離を行う吸着剤を有する吸着コア、およびそれを用いた吸着式ヒートポンプに関するものである。 The present invention relates to an adsorption core having an adsorbent that adsorbs and desorbs a refrigerant, and an adsorption heat pump using the same.
近年、エネルギー有効利用の観点から排熱回収技術が注目され、100℃以下の低質で多量に発生する排熱を回収する技術の確立が求められており、これの解決技術のひとつに吸着式冷凍機がある。しかし、吸着式冷凍機は他の方式の冷凍機に比べて体格が非常に大きくなるという問題があり、その中でも吸着コア(吸着剤を充填した熱交換器)の体格が大きな割合を占めており、これの小型化が必要である。 In recent years, exhaust heat recovery technology has attracted attention from the viewpoint of effective energy use, and establishment of technology for recovering exhaust heat generated in large quantities with low quality below 100 ° C is required. There is a machine. However, the adsorption refrigerator has a problem that the physique is very large compared to other types of chillers, and among them, the physique of the adsorption core (heat exchanger filled with adsorbent) occupies a large proportion. It is necessary to downsize this.
この吸着コアを小型化するためには、(1)吸着コア単位体積あたりの吸着剤量の向上、(2)吸着速度の向上、(3)吸着剤単位体積あたりの水分吸着量向上が挙げられる。 In order to reduce the size of this adsorption core, (1) improvement of the amount of adsorbent per unit volume of adsorption core, (2) improvement of adsorption speed, and (3) improvement of the amount of moisture adsorption per unit volume of adsorbent can be mentioned. .
(1)の実現には、吸着コアの体積と水蒸気通路となる空間体積を最小限に抑えなければならない
(2)の実現には、吸着剤表面に気相冷媒がすばやくいきわたる適度な空間の存在と、吸着剤で発生した熱をすばやく除去できる吸着コアの構造でなければならない。
To realize (1), the volume of the adsorbing core and the volume of the water vapor passage must be kept to a minimum. To realize (2), there is an appropriate space on the surface of the adsorbent where gas-phase refrigerant can quickly flow. And the structure of the adsorption core must be able to quickly remove the heat generated by the adsorbent.
(3)の実現には、吸着剤特性の改良が必要である。 To realize (3), it is necessary to improve the adsorbent characteristics.
ところで、特許文献1には、小型化を目的とする吸着コアが示されている。この吸着コアは、チューブに削り起こしたフィンをたて、フィン周囲に吸着剤を付着させた構造とし、これにより吸着速度を向上させて小型化を図ろうとするものである。
しかしながら、特許文献1に示された吸着コアは、フィンピッチの微細化に限界があり、吸着速度を向上させることができない。また、フィンの板厚を薄くすることができないため、フィンピッチの微細化によって吸着剤の充填体積が低下し、結果的に吸着コアの性能が低下する。
However, the adsorption core shown in
本発明は上記点に鑑みて、吸着コアの小型化を図ることを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to reduce the size of an adsorption core.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ(131)と、チューブ(131)の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤(135)、チューブ(131)と吸着剤(135)との間の伝熱を行うフィン(133、134)とを備える吸着コアにおいて、フィン(133、134)の表面から最も離れた位置の吸着剤(135)とフィン(133、134)の表面との間の距離を吸着剤層厚さLa(単位:mm)、吸着剤(135)の熱拡散率を熱拡散率α(単位:mm2/秒)、吸着剤(135)に気相冷媒を吸着させる時間を切替時間τ(単位:秒)とし、周波数f=1/(2・τ)、角周波数ω=2・π・f、熱浸透深さδ≡(2・α/ω)1/2、エントロピー変動無次元数ωτa≡(La/δ)2、としたとき、吸着剤層厚さLaが0.6mm以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτaが5以下であることを特徴とする。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, the tube (131) through which the heat medium flows and the periphery of the tube (131) are filled to adsorb the vapor phase refrigerant evaporated and heated. In an adsorption core comprising an adsorbent (135) that desorbs the refrigerant adsorbed by the above, and fins (133, 134) that conduct heat between the tube (131) and the adsorbent (135). The distance between the adsorbent (135) farthest from the surface of (133, 134) and the surface of the fin (133, 134) is the adsorbent layer thickness La (unit: mm), adsorbent (135) Is the thermal diffusivity α (unit: mm 2 / sec), the time for adsorbing the gas-phase refrigerant on the adsorbent (135) is the switching time τ (unit: sec), and the frequency f = 1 / (2 · τ), angular frequency ω = 2 · π · f,
ところで、吸着コアを小型化するためには、吸着剤の吸着速度を向上させ、吸着と脱離の切替時間を短縮する必要がある。吸着速度を向上させるためには、熱媒体と吸着剤との間の熱交換がすばやく行われなければならない。 By the way, in order to reduce the size of the adsorption core, it is necessary to improve the adsorption rate of the adsorbent and shorten the switching time between adsorption and desorption. In order to improve the adsorption rate, heat exchange between the heat medium and the adsorbent must be performed quickly.
図6は、熱媒体と吸着剤との間の熱交換割合とエントロピー変動無次元数ωτaとの関係を示すもので、熱媒体と吸着剤との間の熱交換のし易さを表す指標として本発明者らが実験・解析等にて確認したものである。 FIG. 6 shows the relationship between the heat exchange rate between the heat medium and the adsorbent and the entropy fluctuation dimensionless number ωτa, and is an index indicating the ease of heat exchange between the heat medium and the adsorbent. The present inventors have confirmed through experiments and analysis.
この図6は、熱交換割合が0.5より高いほど等温的であり、熱交換割合が0.5より低いほど断熱的であるということを示している。つまり、吸着コアはより等温的が望ましく、エントロピー変動無次元数ωτaが低いほうがよい。 This FIG. 6 shows that the higher the heat exchange rate is, the more isothermal the temperature is, and the lower the heat exchange rate, the more adiabatic. That is, it is desirable that the adsorption core is more isothermal, and it is better that the entropy fluctuation dimensionless number ωτa is low.
そして、f=1/(2・τ)、ω=2・π・f、δ≡(2・α/ω)1/2、ωτa≡(La/δ)2、の各式から分かるように、吸着剤層厚さLaが薄いほど、吸着剤の熱拡散率αが高いほど、また、切替時間τが長いほど、熱交換割合は高くなる。 As can be seen from the equations f = 1 / (2 · τ), ω = 2 · π · f, δ≡ (2 · α / ω) 1/2 , ωτa≡ (La / δ) 2 , The smaller the adsorbent layer thickness La, the higher the thermal diffusivity α of the adsorbent, and the longer the switching time τ, the higher the heat exchange rate.
しかし、切替時間τが長くなると吸着コアの大型化につながるため、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτaを低くするためには、熱拡散率αが大きな吸着剤を用いるか、または、吸着剤層厚さLaを薄くするしかない。但し、使用する吸着剤が決まれば吸着剤の熱拡散率αも決まるため、エントロピー変動無次元数ωτaを低くするためには、吸着剤層厚さLaを薄くするしかない。 However, an increase in the switching time τ leads to an increase in the size of the adsorption core. Therefore, in order to reduce the entropy fluctuation dimensionless number ωτa while shortening the switching time τ, an adsorbent having a large thermal diffusivity α is used, or The adsorbent layer thickness La can only be reduced. However, since the thermal diffusivity α of the adsorbent is also determined when the adsorbent to be used is determined, the only way to reduce the entropy fluctuation dimensionless number ωτa is to reduce the adsorbent layer thickness La.
そこで、請求項1に記載の発明のように、吸着剤層厚さLaを0.6mm以下に設定することにより、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτaを5以下にすることができ、熱交換割合が比較的高くなる。よって、吸着速度が向上して吸着コアの小型化が可能となる。 Therefore, as in the first aspect of the invention, by setting the adsorbent layer thickness La to 0.6 mm or less, the entropy fluctuation dimensionless number ωτa can be set to 5 or less while shortening the switching time τ. And the heat exchange rate is relatively high. Therefore, the adsorption speed is improved and the adsorption core can be downsized.
請求項2に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ(131)と、チューブ(131)の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤(135)と、チューブ(131)の表面に接合されるとともに吸着剤(135)と接触して、チューブ(131)と吸着剤(135)との間の伝熱を行う1次フィン(133)と、1次フィン(133)の表面に接合されるとともに吸着剤(135)と接触して、1次フィン(133)と吸着剤(135)との間の伝熱を行う2次フィン(134)とを備えることを特徴とする吸着コア。 In the second aspect of the present invention, the tube (131) through which the heat medium flows and the circumference of the tube (131) are filled to adsorb the vapor-phase refrigerant that has evaporated, and are adsorbed by being heated. The adsorbent (135) that desorbs the refrigerant is bonded to the surface of the tube (131) and is in contact with the adsorbent (135) to transfer heat between the tube (131) and the adsorbent (135). Heat transfer between the primary fin (133) and the adsorbent (135) in contact with the adsorbent (135) while being bonded to the surface of the primary fin (133) to be performed and the primary fin (133) An adsorbing core comprising a secondary fin (134) for performing the above.
ところで、吸着コアを小型化するためには、吸着剤層厚さLaを薄くしつつ、吸着剤の充填量を向上させなければならない。しかし、フィンピッチの微細化によって吸着剤層厚さLaを薄くすると、吸着剤の充填体積が低下してしまう。 By the way, in order to reduce the size of the adsorption core, it is necessary to improve the filling amount of the adsorbent while reducing the adsorbent layer thickness La. However, if the adsorbent layer thickness La is reduced by miniaturization of the fin pitch, the adsorbent filling volume decreases.
これに対し、請求項2に記載の発明のように、1次フィンの表面に2次フィンを接合することにより、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく吸着剤層厚さLaを薄くすることができる。すなわち、吸着速度の向上と吸着剤充填量の確保が両立でき、吸着コアの小型化が可能となる。 On the other hand, the adsorbent layer thickness La is reduced by almost reducing the adsorbent filling volume by joining the secondary fin to the surface of the primary fin as in the second aspect of the invention. be able to. That is, the improvement of the adsorption speed and the securing of the adsorbent filling amount can both be achieved, and the adsorption core can be downsized.
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の吸着コアにおいて、2次フィン(134)は、カーボンナノチューブであることを特徴とする。これによると、カーボンナノチューブは熱伝導率が高いため、高い熱交換効率が得られる。 The invention according to claim 3 is characterized in that, in the adsorption core according to claim 2, the secondary fin (134) is a carbon nanotube. According to this, since the carbon nanotube has high thermal conductivity, high heat exchange efficiency can be obtained.
請求項4に記載の発明では、請求項2または3に記載の吸着コアにおいて、吸着コアの前面面積をコア前面面積Af、吸着コアにおける気相冷媒が流通する気相冷媒流路(136)の断面積を気相冷媒流路断面積Asとしたとき、As/Afが0.1以上であることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the adsorption core according to the second or third aspect, the front surface area of the adsorption core is the core front surface area Af, and the vapor phase refrigerant flow path (136) through which the vapor phase refrigerant flows in the adsorption core. When the cross-sectional area is the gas-phase refrigerant flow path cross-sectional area As, As / Af is 0.1 or more.
ところで、吸着速度の向上には気相冷媒が小さい圧損で吸着コア全体に行き渡る必要がある。そして、請求項4の発明のようにAs/Afを0.1以上にすることにより、圧損が小さくなって充分に気相冷媒を供給することができる。よって、吸着速度が向上して吸着コアの小型化が可能となる。
By the way, in order to improve the adsorption speed, it is necessary for the gas-phase refrigerant to reach the entire adsorption core with a small pressure loss. Further, by setting As / Af to be 0.1 or more as in the invention of
請求項5に記載の発明では、請求項2ないし4のいずれか1つに記載の吸着コアにおいて、フィン(133、134)の表面から最も離れた位置の吸着剤(135)とフィン(133、134)の表面との間の距離を吸着剤層厚さLa(単位:mm)、吸着剤(135)の熱拡散率を熱拡散率α(単位:mm2/秒)、吸着剤(135)が気相冷媒を吸着するのに要する時間を切替時間τ(単位:秒)とし、周波数f=1/(2・τ)、角周波数ω=2・π・f、熱浸透深さδ≡(2・α/ω)1/2、エントロピー変動無次元数ωτa≡(La/δ)2、としたとき、吸着剤層厚さLaが0.6mm以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτaが5以下であることを特徴とする。 In the invention according to claim 5, in the adsorption core according to any one of claims 2 to 4, the adsorbent (135) and the fin (133, 134) located farthest from the surface of the fin (133, 134). 134) is the adsorbent layer thickness La (unit: mm), the thermal diffusivity of the adsorbent (135) is the thermal diffusivity α (unit: mm 2 / sec), and the adsorbent (135). Is the switching time τ (unit: seconds), the frequency f = 1 / (2 · τ), the angular frequency ω = 2 · π · f, the heat penetration depth δ≡ ( 2 · α / ω) 1/2 , entropy variation dimensionless number ωτa≡ (La / δ) 2 , adsorbent layer thickness La is 0.6 mm or less, and entropy variation dimensionless number ωτa is 5 It is characterized by the following.
これによると、請求項2ないし4のいずれか1つに記載の吸着コアのように、1次フィンの表面に2次フィンが接合されたフィンを用いることにより、吸着剤層厚さLaを容易に薄くすることができ、吸着剤層厚さLaが0.6mm以下を容易に実現することができる。 According to this, the adsorbent layer thickness La can be easily achieved by using the fin in which the secondary fin is joined to the surface of the primary fin as in the adsorption core according to any one of claims 2 to 4. The adsorbent layer thickness La can be easily realized to be 0.6 mm or less.
請求項6に記載の発明では、請求項1または5に記載の吸着コアにおいて、吸着剤層厚さLaが0.3mm以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτaが1以下であることを特徴とする。
The invention according to claim 6 is characterized in that, in the adsorption core according to
これによると、請求項1または5に記載の発明よりも熱交換割合がさらに高くなるため、吸着速度がさらに向上して吸着コアの一層の小型化が可能となる。
According to this, since the heat exchange rate becomes higher than that of the invention according to
請求項7に記載の発明では、請求項6に記載の吸着コアにおいて、吸着剤層厚さLaが0.1mm以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτaが0.1以下であることを特徴とする。 The invention according to claim 7 is characterized in that, in the adsorption core according to claim 6, the adsorbent layer thickness La is 0.1 mm or less and the entropy fluctuation dimensionless number ωτa is 0.1 or less. To do.
これによると、請求項6に記載の発明よりも熱交換割合がさらに高くなるため、吸着速度がさらに向上して吸着コアの一層の小型化が可能となる。 According to this, since the heat exchange rate is further higher than that of the invention described in claim 6, the adsorption speed is further improved, and the adsorption core can be further downsized.
請求項8に記載の発明のように、請求項1ないし7のいずれか1つに記載の吸着コアは、吸着式ヒートポンプに適用することができる。 As in the eighth aspect, the adsorption core according to any one of the first to seventh aspects can be applied to an adsorption heat pump.
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、本発明に係る吸着ヒートポンプを車両用空調装置に適用したものであって、図1は本発明の一実施形態に係る吸着式ヒートポンプの全体構成図、図2は図1の第2熱交換器130の正面図、図3は図2のA部の拡大図、図4は図3のB矢視図である。
An embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the adsorption heat pump according to the present invention is applied to a vehicle air conditioner. FIG. 1 is an overall configuration diagram of an adsorption heat pump according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a front view of the
図1に示すように、吸着器100は、少なくとも2個設けられており、以下、紙面上側の吸着器100を第1吸着器100と表記し、紙面下側の吸着器100を第2吸着器100と表記し、第1、2吸着器を総称するときは、単に吸着器100と表記する。なお、吸着器100の詳細は後述する。
As shown in FIG. 1, at least two
室外熱交換器200は、吸着器100内を循環した熱媒体(本実施形態では、水にエチレングリコール系の不凍液を混合した流体)が流通し、その熱媒体と室外空気とを熱交換させる。
In the
室内熱交換器300は、吸着器100にて発生した冷凍能力により冷却された熱媒体が流通し、その熱媒体と室内に吹き出す空気(以下、この空気を空調風という)とを熱交換して空調風を冷却する。因みに、室内熱交換器300は、空調風の通路を形成する空調ケーシング(図示せず)内に配設され、この空調ケーシングの空気流れ上流側には送風機(図示せず)が設けられている。
The
なお、本実施形態では、水冷式内燃機関(図示せず)で発生した廃熱を回収した冷却水(本実施形態では、熱媒体と同じ流体)を吸着器100(正確には、後述する第2熱交換器130)内に循環させることにより吸着剤の再生を行っており、切換弁410〜440は熱媒体の循環経路を切り換えるものであり、ポンプ450、460は熱媒体を循環させるものである。
In the present embodiment, cooling water (in this embodiment, the same fluid as the heat medium) recovered from waste heat generated in a water-cooled internal combustion engine (not shown) is adsorbed by an adsorber 100 (more precisely, a later-described first. 2) the adsorbent is regenerated by circulating it in the heat exchanger 130), the switching
吸着器100は、内部が略真空に保たれた状態で冷媒(本実施形態では、水)が封入されたステンレス製のケーシング110、熱媒体とケーシング110内の冷媒との間で熱交換を行う蒸発/凝縮コアをなす第1熱交換器120、及び吸着剤を冷却又は加熱する吸着コアをなす第2熱交換器130等から構成されている。また、第1熱交換器120および第2熱交換器130は、ケーシング110内に収納されている。
The
第1熱交換器120は、熱媒体が流通する金属製の多数のチューブ、多数のチューブが接合されて熱媒体の分配または集合を行う金属製のタンク、及びチューブの外表面に接合された金属製の多数のフィン、等からなる周知の構造を有するものである。
The
図2〜図4に示すように、第2熱交換器130には、熱媒体が流通する金属製のチューブ131が多数積層されている。このチューブ131は、断面が楕円形状で、且つ熱媒体の流通方向に細長くなっている。
As shown in FIGS. 2 to 4, the
チューブ131の長手方向(熱媒体流通方向)両端には、略直方体形状の金属製のタンク132が接合されている。そして、一方のタンク132から多数のチューブ131に熱媒体が分配され、多数のチューブ131内を流通した熱媒体が他方のタンク132に集められる。
A substantially rectangular
チューブ131の表面には、多数の1次フィン133が接合されている。この1次フィン133は、薄板金属製のプレートフィンであり、チューブ131の長手方向に沿って所定のフィンピッチで配置されている。因みに、チューブ131の外径を拡大するようにチューブ131を塑性変形させて、チューブ131の表面を1次フィン133に圧接する(拡管する)ことにより、チューブ131と1次フィン133が機械的に接合されている。
A large number of
1次フィン133の表面には、1つの1次フィン133に対して多数の2次フィン134が接合されている。この2次フィン134は、細長い柱状で、1次フィン133の表面からチューブ131の長手方向に沿って延びている。この2次フィン134に適した物質としては、熱伝導率が高く、かつ自己組織化が可能なカーボンナノチューブが望ましい。
A large number of
チューブ131の長手方向に対して直交する断面のうち2次フィン134が配置されている領域では、多数の2次フィン134間に存在する空間に、吸着剤135が充填されている。この吸着剤135は、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離するものである。なお、図3では、吸着剤135が充填されている領域を明瞭にするために、その領域を便宜的に斜線で示している。同様に、図4においてチューブ131を除いた部位の斜線は、吸着剤135が充填されている領域を示している。
In a region where the
また、チューブ131の長手方向に対して直交する断面のうち2次フィン134が配置されていない領域には、換言すると、チューブ131の長手方向に対向する2次フィン134間の空間には、吸着剤135は充填されておらず、その空間は、気相冷媒が流通する気相冷媒流路136となっている。
Further, in the cross section orthogonal to the longitudinal direction of the
次に、空調装置の概略作動を説明する。 Next, a schematic operation of the air conditioner will be described.
先ず、切換弁410〜440を図1の実線に示すように作動させて、第1吸着器100の第1熱交換器120と室内熱交換器300との間、第1吸着器100の第2熱交換器130と室外器200との間、並びに第2吸着器100の第1熱交換器と室外器200との間、第2吸着器100の第2熱交換器130と内燃機関との間に熱媒体を循環させる。
First, the switching
これにより、室内熱交換器300にて室内に吹き出す空気から吸熱して温度が上昇した熱媒体が第1熱交換器120を流通する際に、第1吸着器100内の液相冷媒が、第1熱交換器120を介して熱媒体から吸熱して蒸発するとともに、その蒸発した気相冷媒が吸着剤135に吸着される。
As a result, when the heat medium that has absorbed heat from the air blown indoors in the
なお、以下、液相冷媒の蒸発及び気相冷媒の吸着が行われている吸着器100を吸着工程にある吸着器と呼ぶ。
Hereinafter, the
因みに、吸着剤135が気相冷媒を吸着するときに凝縮熱相当の吸着熱が発生するが、吸着熱により吸着剤135が加熱されると、吸着剤135の表面における相対湿度(関係湿度)が低下して吸着能力が低下するので、吸着工程にある吸着器の第2熱交換器130に室外熱交換器200にて冷却された熱媒体を循環させて吸着剤135を冷却する。
Incidentally, the adsorption heat corresponding to the heat of condensation is generated when the adsorbent 135 adsorbs the gas-phase refrigerant. When the adsorbent 135 is heated by the adsorption heat, the relative humidity (relative humidity) on the surface of the adsorbent 135 is increased. Since the adsorption capacity is lowered due to the decrease, the adsorbent 135 is cooled by circulating the heat medium cooled in the
一方、第2吸着器100の吸着剤135が加熱されるので、吸着剤135に吸着されていた冷媒が気相冷媒として吸着剤135から脱離するとともに、その脱離した気相冷媒が第1熱交換器120にて冷却されて凝縮し、冷媒が再生される。
On the other hand, since the adsorbent 135 of the
なお、以下、吸着剤135の再生及び気相冷媒の凝縮が行われている吸着器100を脱離工程にある吸着器と呼ぶ。
Hereinafter, the
つまり、この状態(以下、第1状態と呼ぶ。)では、第1吸着器100の第1熱交換器120は液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第1吸着器100の第2熱交換器130は吸着剤135を冷却する冷却器として機能し、第2吸着器100の第1熱交換器120は吸着剤135から脱離した気相冷媒を冷却する凝縮器として機能し、第2吸着器100の第2熱交換器130は吸着剤135を加熱する加熱器として機能する。
In other words, in this state (hereinafter referred to as the first state), the
そして、第1状態で所定時間が経過したときに、切換弁410〜440を図1の破線に示すように作動させて、第2吸着器100の第1熱交換器120と室内熱交換器300との間、第2吸着器100の第2熱交換器130と室外器200との間、並びに第1吸着器100の第1熱交換器と室外器200との間、第1吸着器100の第2熱交換器130と内燃機関との間に熱媒体を循環させる。
And when predetermined time passes in a 1st state, the switching valves 410-440 are operated as shown by the broken line of FIG. 1, and the
これにより、第2吸着器100が吸着工程となり、第1吸着器100が脱離工程となるので、第2吸着器100で発生した冷凍能力により空調風が冷却され、第1吸着器100にて吸着剤135の再生が行われる。
As a result, the
つまり、この状態(以下、第2状態と呼ぶ。)では、第2吸着器100の第1熱交換器120は液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第2吸着器100の第2熱交換器130は吸着剤135を冷却する冷却器として機能し、第1吸着器100の第1熱交換器120は吸着剤135から脱離した気相冷媒を冷却する凝縮器として機能し、第1吸着器100の第2熱交換器130は吸着剤135を加熱する加熱器として機能する。
That is, in this state (hereinafter referred to as the second state), the
そして、第2状態で所定時間が経過したとき、切換弁410〜440作動させて再び第1状態とする。このように、第1状態及び第2状態を所定時間毎に交互に繰り返して、空調装置を連続的に稼働させる。 And when predetermined time passes in a 2nd state, the switching valves 410-440 are operated and it is set as a 1st state again. As described above, the air conditioner is continuously operated by alternately repeating the first state and the second state every predetermined time.
ところで、吸着ヒートポンプを車両用空調装置に適用するためには、搭載性の観点から吸着器100の小型化が重要であり、具体的には、図表5(a)に示すように、第2熱交換器(吸着コア)130の体格1Lで4kWの冷房性能をつくり出すことが要求される。そして、冷媒として水を用いるとともに、図表5(c)に示す特性の吸着剤135を用いた場合に、この図表5(a)に示す要求値を達成するためには、例えば図表5(b)に示す第2熱交換器130の仕様を満足する必要がある。
By the way, in order to apply the adsorption heat pump to the vehicle air conditioner, it is important to reduce the size of the
なお、図表5(b)において、切替時間τ(単位:秒)は、吸着剤135に気相冷媒(水蒸気)を吸着させる時間である。吸着剤充填効率εaは、第2熱交換器130の体格Vcに対する吸着剤135が占める容積の割合である。吸着剤充填量Wa(単位:kg)は、第2熱交換器130に充填される吸着剤135の重量である。熱交換器表面積Ah(単位:m2)は、吸着剤135と第2熱交換器130とが接触する部分の面積である。水蒸気圧損ΔP(単位:torr)は、気相冷媒が第2熱交換器130全体に行き渡る際の圧損である。
In FIG. 5B, the switching time τ (unit: seconds) is the time for adsorbing the gas phase refrigerant (water vapor) on the adsorbent 135. The adsorbent filling efficiency εa is a ratio of the volume occupied by the adsorbent 135 to the physique Vc of the
次に、図表5(b)に示す仕様を満足して第2熱交換器(吸着コア)130の小型化を図るための、具体的検討結果について説明する。 Next, specific examination results for reducing the size of the second heat exchanger (adsorption core) 130 while satisfying the specifications shown in FIG. 5B will be described.
まず、切替時間τの短縮方法について説明する。前述したように、第2熱交換器130を小型化するためには、吸着剤135の吸着速度を向上させ、吸着と脱離の切替時間を短縮する必要がある。吸着速度を向上させるためには、熱媒体と吸着剤135との間の熱交換がすばやく行われなければならない。
First, a method for shortening the switching time τ will be described. As described above, in order to reduce the size of the
図6は、熱媒体と吸着剤135との間の熱交換割合とエントロピー変動無次元数ωτa(詳細後述)との関係を示すもので、熱媒体と吸着剤135との間の熱交換のし易さを表す指標として本発明者らが実験・解析等にて確認したものである。 FIG. 6 shows the relationship between the heat exchange rate between the heat medium and the adsorbent 135 and the entropy fluctuation dimensionless number ωτa (details will be described later). The heat exchange between the heat medium and the adsorbent 135 is shown in FIG. The present inventors have confirmed by experiment and analysis as an index indicating ease.
ここで、1次フィン133または2次フィン134の表面から最も離れた位置の吸着剤135と、1次フィン133または2次フィン134の表面との間の距離La(図4参照)を、吸着剤層厚さLa(単位:mm)とする。また、吸着剤135の熱拡散率を熱拡散率α(単位:mm2/秒)とする。さらに、周波数f=1/(2・τ)、角周波数ω=2・π・f、熱浸透深さδ≡(2・α/ω)1/2、としたとき、エントロピー変動無次元数ωτa≡(La/δ)2、である。
Here, the distance La (see FIG. 4) between the adsorbent 135 farthest from the surface of the
この図6は、熱交換割合が0.5より高いほど等温的であり、熱交換割合が0.5より低いほど断熱的であるということを示している。つまり、吸着コアとしての第2熱交換器130はより等温的が望ましく、エントロピー変動無次元数ωτaが低いほうがよい。
This FIG. 6 shows that the higher the heat exchange rate is, the more isothermal the temperature is, and the lower the heat exchange rate, the more adiabatic. That is, it is desirable that the
そして、f=1/(2・τ)、ω=2・π・f、δ≡(2・α/ω)1/2、ωτa≡(La/δ)2、の各式から分かるように、吸着剤層厚さLaが薄いほど、吸着剤135の熱拡散率αが高いほど、また、切替時間τが長いほど、熱交換割合は高くなる。 As can be seen from the equations f = 1 / (2 · τ), ω = 2 · π · f, δ≡ (2 · α / ω) 1/2 , ωτa≡ (La / δ) 2 , The smaller the adsorbent layer thickness La, the higher the thermal diffusivity α of the adsorbent 135, and the longer the switching time τ, the higher the heat exchange rate.
しかし、切替時間τが長くなると第2熱交換器130の大型化につながるため、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτaを低くするためには、熱拡散率αが大きな吸着剤135を用いるか、または、吸着剤層厚さLaを薄くするしかない。但し、使用する吸着剤135が決まれば吸着剤135の熱拡散率αも決まるため、エントロピー変動無次元数ωτaを低くするためには、結局、吸着剤層厚さLaを薄くするしかない。
However, if the switching time τ is increased, the
本実施形態では、1次フィン133から細長い2次フィン134を突出させることにより、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく、吸着剤層厚さLaを薄くすることができる。また、隣接する2次フィン134の間隔の調整等によって、吸着剤層厚さLaを任意に設定することができる。
In the present embodiment, the adsorbent layer thickness La can be reduced by causing the elongate
そこで、例えば、熱拡散率α=0.016mm2/秒の吸着剤135を用い、切替時間τの目標を20秒にした場合、吸着剤層厚さLa=30μmに設定すると、エントロピー変動無次元数ωτa=0.01となって高い熱交換割合が得られ、切替時間中に充分熱交換できることがわかる。 Therefore, for example, when using the adsorbent 135 having a thermal diffusivity α = 0.016 mm 2 / sec and setting the target of the switching time τ to 20 sec, if the adsorbent layer thickness La = 30 μm is set, the entropy fluctuation dimensionless It can be seen that the number ωτa = 0.01 provides a high heat exchange rate, and the heat can be sufficiently exchanged during the switching time.
換言すると、図6に基づいてエントロピー変動無次元数ωτaが所定値以下になるように吸着剤層厚さLaを決めることにより、熱交換割合が高くなって吸着剤135の吸着速度が向上し、切替時間τが短縮されるため、第2熱交換器130を小型にすることができる。
In other words, by determining the adsorbent layer thickness La so that the entropy fluctuation dimensionless number ωτa is equal to or less than a predetermined value based on FIG. 6, the heat exchange rate is increased and the adsorption speed of the adsorbent 135 is improved. Since the switching time τ is shortened, the
因みに、吸着剤層厚さLaを0.6mm以下に設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτaを5以下にして熱交換割合を略0.5以上にすることができ、また、吸着剤層厚さLaを0.3mmに設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτaを1以下にして熱交換割合を略0.9以上にすることができ、さらに、吸着剤層厚さLaを0.1mmに設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτaを0.1以下にして熱交換割合を略1にすることができる。 Incidentally, by setting the adsorbent layer thickness La to 0.6 mm or less, the entropy fluctuation dimensionless number ωτa can be set to 5 or less, and the heat exchange rate can be set to about 0.5 or more. By setting the thickness La to 0.3 mm, the entropy fluctuation dimensionless number ωτa can be set to 1 or less, the heat exchange rate can be set to approximately 0.9 or more, and the adsorbent layer thickness La is set to 0. By setting it to 1 mm, the entropy fluctuation dimensionless number ωτa can be made 0.1 or less, and the heat exchange rate can be made substantially 1.
次に、熱交換器表面積Ahの確保方法について説明する。第2熱交換器130を小型化するためには、吸着剤層の薄さを確保しつつ、吸着剤135の充填量を向上させなければならない。
Next, a method for securing the heat exchanger surface area Ah will be described. In order to reduce the size of the
そして、図表5(a)に示す要求値を達成するためには、吸着剤層厚さLa=30μmで吸着剤体積Va=0.0004m3を達成しなければならない。つまり、熱交換器表面積Ahは13.33m2以上必要となり、単位体積あたりの表面積にすると13000m2/m3以上となる。 In order to achieve the required values shown in FIG. 5A, the adsorbent volume Va = 0.004 m 3 must be achieved with the adsorbent layer thickness La = 30 μm. In other words, the heat exchanger surface area Ah is required 13.33M 2 or more, a 13000 m 2 / m 3 or more when the surface area per unit volume.
これは、従来からある熱交換器、例えばプレートフィン型熱交換器やコルゲートフィン熱交換器では、フィンにルーバーを設けたりあるいはディンプル等の突起を設けても表面積の増加はわずかであり、到底達成できない値である。 In conventional heat exchangers such as plate fin type heat exchangers and corrugated fin heat exchangers, even if a fin is provided with a louver or a protrusion such as a dimple, the surface area increases little and is achieved. The value is not possible.
また、表面積を増加させるためにフィンを微細化すると今度はフィンが吸着剤の充填体積の減少を引き起こし、目標値を達成することができない。 Further, if the fin is miniaturized in order to increase the surface area, the fin causes a decrease in the filling volume of the adsorbent, and the target value cannot be achieved.
さらに、フィンピッチの微細化に伴いフィンの肉厚も減少させて、フィンの体積が増加しないように(すなわち、同じ体積となるように)設計しても、フィンの薄肉化は30μm程度までが製造限界であり、それ以上の薄肉化された熱交換器の製造は困難であるため、目標値を達成することができない。 Furthermore, even if the fin thickness is reduced as the fin pitch is reduced and the fin volume is not increased (that is, the same volume), the fin thickness can be reduced to about 30 μm. Since it is a production limit and it is difficult to manufacture a heat exchanger with a thinner wall, the target value cannot be achieved.
それに対して、本実施形態のように1次フィン133から突出した細長い2次フィン134を設けた場合、1次フィン133にルーバーやディンプルを設ける場合よりも、同じ体積増加分でより大きな表面積を確保することが容易である。したがって、本実施形態では、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく熱交換器表面積Ahを増加させることができる。
On the other hand, when the elongated
次に、水蒸気圧損ΔPの低下方法について説明する。 Next, a method for reducing the water vapor pressure loss ΔP will be described.
以下、第2熱交換器130の前面面積をコア前面面積Afという。なお、コア前面面積Afは、第2熱交換器130のコア巾Xa(図2参照)とコア高さYa(図2参照)との積(Af=Xa×Ya)である。また、第2熱交換器130を気相冷媒の流通方向に見たときの、気相冷媒が流通する各気相冷媒流路136の面積の和を、気相冷媒流路断面積Asという。
Hereinafter, the front area of the
ところで、吸着速度の向上には気相冷媒が小さい圧損で第2熱交換器130全体に行き渡る必要がある。具体的には、As/Afが0.1以上であれば、充分に気相冷媒を供給することができる。
By the way, in order to improve the adsorption speed, it is necessary that the gas-phase refrigerant is spread over the entire
本実施形態では、1次フィン133の板厚Tf(図3参照)を50μm、2次フィン134の長さLf(図3参照)を100μm、対向する2次フィン134の間に設けられた気相冷媒流路136の幅Wr(図3参照)を50μm、としている。この場合、As/Afが0.167となり、水蒸気圧損ΔPを低くすることができるため、気相冷媒の供給を充分に行える。
In the present embodiment, the plate thickness Tf (see FIG. 3) of the
以上の検討結果を踏まえて設計を行うことにより、図表5(b)に示す仕様を満足する第2熱交換器130を得ることができる。
By designing based on the above examination results, it is possible to obtain the
(他の実施形態)
上記実施形態においては、1次フィン133をプレートフィンとしているが、例えば、コルゲートフィンとしてもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
131…チューブ、133…1次フィン、134…2次フィン、135…吸着剤、La…吸着剤層厚さ。 131 ... Tube, 133 ... Primary fin, 134 ... Secondary fin, 135 ... Adsorbent, La ... Adsorbent layer thickness.
Claims (8)
前記チューブ(131)の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤(135)と、
前記チューブ(131)と前記吸着剤(135)との間の伝熱を行うフィン(133、134)とを備える吸着コアにおいて、
前記フィン(133、134)の表面から最も離れた位置の前記吸着剤(135)と前記フィン(133、134)の表面との間の距離を吸着剤層厚さLa(単位:mm)、
前記吸着剤(135)の熱拡散率を熱拡散率α(単位:mm2/秒)、
前記吸着剤(135)に気相冷媒を吸着させる時間を切替時間τ(単位:秒)とし、
周波数f=1/(2・τ)、角周波数ω=2・π・f、熱浸透深さδ≡(2・α/ω)1/2、エントロピー変動無次元数ωτa≡(La/δ)2、としたとき、
前記吸着剤層厚さLaが0.6mm以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτaが5以下であることを特徴とする吸着コア。 A tube (131) through which a heat medium flows;
An adsorbent (135) filled around the tube (131) to adsorb the vapor-phase refrigerant evaporated and desorb the refrigerant adsorbed by being heated;
In an adsorption core comprising fins (133, 134) that conduct heat between the tube (131) and the adsorbent (135),
Adsorbent layer thickness La (unit: mm) is the distance between the adsorbent (135) at the position farthest from the surface of the fin (133, 134) and the surface of the fin (133, 134),
The thermal diffusivity of the adsorbent (135) is the thermal diffusivity α (unit: mm 2 / sec),
The time for adsorbing the gas-phase refrigerant on the adsorbent (135) is the switching time τ (unit: seconds),
Frequency f = 1 / (2 · τ), angular frequency ω = 2 · π · f, heat penetration depth δ≡ (2 · α / ω) 1/2 , entropy fluctuation dimensionless number ωτa≡ (La / δ) 2
The adsorbent core, wherein the adsorbent layer thickness La is 0.6 mm or less and the entropy variation dimensionless number ωτa is 5 or less.
前記チューブ(131)の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤(135)と、
前記チューブ(131)の表面に接合されるとともに前記吸着剤(135)と接触して、前記チューブ(131)と前記吸着剤(135)との間の伝熱を行う1次フィン(133)と、
前記1次フィン(133)の表面に接合されるとともに前記吸着剤(135)と接触して、前記1次フィン(133)と前記吸着剤(135)との間の伝熱を行う2次フィン(134)とを備えることを特徴とする吸着コア。 A tube (131) through which a heat medium flows;
An adsorbent (135) filled around the tube (131) to adsorb the vapor-phase refrigerant evaporated and desorb the refrigerant adsorbed by being heated;
A primary fin (133) joined to the surface of the tube (131) and in contact with the adsorbent (135) to transfer heat between the tube (131) and the adsorbent (135); ,
A secondary fin that is bonded to the surface of the primary fin (133) and contacts the adsorbent (135) to transfer heat between the primary fin (133) and the adsorbent (135). (134). An adsorption core comprising:
前記吸着剤(135)の熱拡散率を熱拡散率α(単位:mm2/秒)、
前記吸着剤(135)が気相冷媒を吸着するのに要する時間を切替時間τ(単位:秒)とし、
周波数f=1/(2・τ)、角周波数ω=2・π・f、熱浸透深さδ≡(2・α/ω)1/2、エントロピー変動無次元数ωτa≡(La/δ)2、としたとき、
前記吸着剤層厚さLaが0.6mm以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτaが5以下であることを特徴とする請求項2ないし4のいずれか1つに記載の吸着コア。 Adsorbent layer thickness La (unit: mm) is the distance between the adsorbent (135) at the position farthest from the surface of the fin (133, 134) and the surface of the fin (133, 134),
The thermal diffusivity of the adsorbent (135) is the thermal diffusivity α (unit: mm 2 / sec),
The time required for the adsorbent (135) to adsorb the gas-phase refrigerant is the switching time τ (unit: seconds),
Frequency f = 1 / (2 · τ), angular frequency ω = 2 · π · f, heat penetration depth δ≡ (2 · α / ω) 1/2 , entropy fluctuation dimensionless number ωτa≡ (La / δ) 2
The adsorption core according to any one of claims 2 to 4, wherein the adsorbent layer thickness La is 0.6 mm or less and the entropy variation dimensionless number ωτa is 5 or less.
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