JP2015105778A - 吸着コアおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱媒体管と吸着剤との間の伝熱性能を向上させつつ、熱媒体管の剛性を高くすることができる吸着コアおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】内部を熱媒体が流通する熱媒体管２１と、熱媒体によって冷却されることで熱媒体管２１外部の水蒸気を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した水蒸気を脱離する吸着剤２４とを備える吸着コアにおいて、熱媒体管２１は、銅よりも硬度の高い金属からなる芯材２１ａと、銅からなるとともに芯材２１ａの外表面を被覆する被覆層２１ｂとを有しており、熱媒体管２１ａの周辺部２２に、銅粉２３ｂおよび吸着剤２４の混合焼結体が設けられており、銅粉２３ｂと熱媒体管２１とが金属接合されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、流体の吸着・脱離を行う吸着剤を有する吸着コアおよびその製造方法に関するものである。

従来、吸着式冷凍機等に用いられる吸着コアとして、熱媒体が流れる複数の熱媒体管を有し、熱媒体管の周辺部に多孔質伝熱体である金属粉および吸着剤が設けられたものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。この吸着コアでは、金属粉が熱媒体管に金属的に接合されている。

特開２００８−１０７０７５号公報

上記特許文献１に記載のような構成の吸着コアでは、金属粉として、安価に混合焼結できるとともに、熱伝導性が高い銅粉を用いることが考えられる。この場合、熱媒体管は銅粉と金属的に接合されるため、熱媒体管を銅により構成する必要がある。

しかしながら、熱媒体管を銅製とすると、焼結時に熱媒体管を構成する銅が柔らかくなり、剛性が低くなるため、振動に弱くなるとともに、手扱いが困難になるという問題がある。これにより、吸着コアの大型化・長尺化が困難となる。

本発明は上記点に鑑みて、熱媒体管と吸着剤との間の伝熱性能を向上させつつ、熱媒体管の剛性を高くすることができる吸着コアおよびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部を熱媒体が流通する熱媒体管（２１）と、熱媒体によって冷却されることで熱媒体管（２１）外部の気相状態の流体を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した流体を脱離する吸着剤（２４）とを備える吸着コアにおいて、熱媒体管（２１）は、銅よりも硬度の高い金属からなる芯材（２１ａ）と、銅からなるとともに芯材（２１ａ）の外表面を被覆する被覆層（２１ｂ）とを有しており、熱媒体管（２１ａ）の周辺部（２２）に、銅粉（２３ｂ）および吸着剤（２４）の混合焼結体が設けられており、銅粉（２３ｂ）と熱媒体管（２１）とが金属接合されていることを特徴とする。

これによれば、熱媒体管（２１）の芯材（２１ａ）を銅よりも硬度の高い金属から構成することで、熱媒体管（２１）の剛性を向上させることができる。

また、熱媒体管（２１ａ）の周辺部（２２）に銅粉（２３ｂ）および吸着剤（２４）の混合焼結体を設けることで、熱媒体管（２１）と吸着剤（２４）との間の伝熱手段として、熱伝導性の高い銅粉（２３ｂ）が用いられるので、熱媒体管（２１）と吸着剤（２４）との間の伝熱性能を向上させることができる。

さらに、熱媒体管（２１）の芯材（２１ａ）の外表面に銅からなる被覆層（２１ｂ）を設けるとともに、銅粉（２３ｂ）と熱媒体管（２１）とを金属接合させることで、銅粉（２３ｂ）を銅からなる被覆層（２１ｂ）に金属接合させることができる。これにより、混合焼結体と熱媒体管（２１）の界面の熱抵抗を飛躍的に低減することができるため、熱媒体管（２１）と吸着剤（２４）との間の伝熱性能を確実に向上させることができる。

以上により、熱媒体管（２１）と吸着剤（２４）との間の伝熱性能を向上させつつ、熱媒体管（２１）の剛性を高くすることが可能となる。

また、請求項４に記載の発明では、内部を熱媒体が流通する熱媒体管（２１）と、熱媒体によって冷却されることで熱媒体管（２１）外部の気相状態の流体を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した流体を脱離する吸着剤（２４）とを備える吸着コアの製造方法において、銅よりも硬度の高い金属からなる芯材（２１ａ）を有する熱媒体管（２１）の外表面に、銅メッキを施すことにより銅からなる被覆層（２１ｂ）を形成するメッキ工程と、メッキ工程の後、熱媒体管（２１）の周辺部（２２）に銅粉（２３ｂ）および吸着剤（２４）を焼結する焼結工程とを含んでおり、焼結工程では、銅粉（２３ｂ）と熱媒体管（２１）とを金属接合することを特徴とする。

これによれば、銅よりも硬度の高い金属からなる芯材（２１ａ）を有する熱媒体管（２１）を用いることで、熱媒体管（２１）の剛性を向上させることができる。

また、熱媒体管（２１）の周辺部（２２）に銅粉（２３ｂ）および吸着剤（２４）を焼結する焼結工程を設けているので、熱媒体管（２１）と吸着剤（２４）との間の伝熱手段として、熱伝導性の高い銅粉（２３ｂ）を用いることができる。これにより、熱媒体管（２１）と吸着剤（２４）との間の伝熱性能を向上させることができる。

さらに、焼結工程において、銅粉（２３ｂ）と熱媒体管（２１）とを金属接合することで、銅粉（２３ｂ）を銅からなる被覆層（２１ｂ）に金属接合することができる。これにより、混合焼結体と熱媒体管（２１）の界面の熱抵抗を飛躍的に低減することができるため、熱媒体管（２１）と吸着剤（２４）との間の伝熱性能を確実に向上させることができる。

以上により、熱媒体管（２１）と吸着剤（２４）との間の伝熱性能を向上させつつ、熱媒体管（２１）の剛性を高くできる吸着コアを提供することが可能となる。

なお、本発明における「銅」とは、純銅および銅合金のいずれをも含むものである。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した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。

第１実施形態における吸着器を示す正面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 第１実施形態に係る吸着コアを示す断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 図５のＶＩ部拡大図である。 第２実施形態に係る吸着コアを示す要部拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る吸着コアを備える吸着器について、図１から図６に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の吸着器１は、その内部に含む吸着剤が気相状態の流体（本実施形態では水蒸気）を吸着する作用を用いて流体を蒸発させてその蒸発潜熱により冷凍能力を発揮することを利用した吸着式冷凍機に搭載されるものであり、車両用などの空調装置に適用することもできる。

この吸着器１は、図２および図３に示すように、筐体３内に吸着コア２を備えている。吸着コア２は、熱媒体（冷媒）が流れる熱媒体管２１を有しており、熱媒体管２１の周辺部２２に、細孔を有する多孔質伝熱体２３および吸着剤２４が設けられている。

具体的には、吸着コア２は、図４および図５に示すように、熱媒体管２１と、細孔２３ａを有する多孔質伝熱体２３と、その細孔２３ａに充填された吸着剤２４とを有している。

図６に示すように、熱媒体管２１は、材質が銅よりも硬質な金属（本実施形態では、ステンレス）からなる芯材２１ａと、銅または銅合金（本実施形態では、銅）からなるとともに芯材２１ａの外表面を被覆する被覆層２１ｂとを有している。被覆層２１ｂは、芯材２１ａの外表面に銅メッキを施すことにより形成されている。

多孔質伝熱体２３は、熱伝導性に優れる銅粉２３ｂを加熱して、溶融することなく焼結によって結合した焼結体である。銅粉２３ｂは、銅または銅合金（本実施形態では、銅）を用いており、例えばその銅粉は、粉末状、粒子状、鱗片状および繊維状のいずれか（本実施形態では、繊維状）に形成されているものであればよい。

上記焼結時においては、銅粉２３ｂ間に存在する空隙によって、いわゆる三次元網目状の気孔が焼結体に形成される。この三次元網目状の気孔が、上記細孔２３ａに相当するものである。なお、上述した「溶融することなく焼結によって結合」とは、銅粉２３ｂの表層付近を融着させることである。すなわち、焼結時において、銅粉２３ｂ間に存在する空隙（細孔）をそのまま残し、銅粉２３ｂ間の接触箇所が金属的に結合する。

細孔２３ａは、粒子径が微小な吸着剤２４を充填可能に構成された微細な孔である。銅粉２３ｂ（多孔質伝熱体２３）は、熱媒体管２１の被覆層２１ｂに焼結によって金属的に結合している。多孔質伝熱体２３は、その全体が一方向に伸長するように、複数の円筒状の熱媒体管２１の周辺部２２に形成されており、図４に示すように全体形状として円筒状である。

図６に戻り、吸着剤２４は、熱媒体によって冷却されることで熱媒体管２１外部の気相状態の流体（水蒸気）を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した流体（水蒸気）を脱離するものである。吸着剤２４は、微小な多数の粒子状に形成されており、例えば、シリカゲル、ゼオライトから構成されている。吸着剤２４は、多孔質伝熱体２３の細孔２３ａ内部に充填されている。

さらに、本実施形態では、図４および図５に示すように、熱媒体管２１の間に、被吸着媒体（以下、水蒸気）が流通する被吸着媒体通路２５が配置されている。この被吸着媒体通路２５は、上記三次元網目状の細孔２３ａとは異なり、一方向に例えばまっすぐに延びるように形成されている。具体的には、被吸着媒体通路２５は、熱媒体管２１の延伸方向、すなわち円筒状の熱媒体管２１の軸方向に延びるように形成されている。

次に、上述した構成の吸着コア２を筐体３内部に一体化成形して備えた吸着器１を、図１〜図３に基づいて説明する。

吸着器１は、吸着コア２と、金属からなる筐体３とを備えている。なお、本実施例では、筐体３は、銅または銅合金から構成されている。筐体３は、筐体本体３１、シート３２、３３、およびタンク３４、３５を有している。

筐体本体３１は、円筒状に形成されており、内部に、円筒状の吸着コア２の多孔質伝熱体２３が収容可能に形成されている。また、筐体本体３１の上端側開口部と下端側開口部は、シート３２、３３で封止可能に形成されている。筐体本体３１の上部には、吸着コア２の上記吸着剤充填層に、水蒸気を導くことが可能な被吸着媒体流入配管３６および被吸着媒体流出配管３７が設けられている。

このように筐体本体３１とシート３２、３３を封止することにより、内部を真空に保持可能である。これにより、筐体本体３１とシート３２、３３によって形成される内部密閉空間内には、被吸着媒体としての水蒸気以外には、他の気体は存在しないようになっている。

吸着時には、水蒸気は、蒸発器側から被吸着媒体流入配管３６を通して、被吸着媒体通路２５に分配される。被吸着媒体通路２５に分配された水蒸気は、吸着剤充填層の内部に浸透する。また、脱離時には、水蒸気は、吸着剤充填層から吐き出され、吐き出た水蒸気は各被吸着媒体通路２５を通して、被吸着媒体流出配管３７より凝縮器側へ導かれる。

また、シート３２、３３には、熱媒体管２１が貫通可能な貫通穴３２ａ、３３ａが形成されている。この貫通穴３２ａ、３３ａと熱媒体管２１は、ろう付け等による接合により気密に固定されている。

タンク３４、３５には、熱媒体を導くことが可能な熱媒体流入配管３８および熱媒体流出配管３９が設けられている。熱媒体は、下部タンク３４の熱媒体流入配管３８に流入し、熱媒体管２１を通して、上部タンク３５の熱媒体流出配管３９より流出する。このような下部タンク３４および上部タンク３５は、熱交換媒体を複数の熱媒体管２１へ供給分配するためのタンクである。

次に、本実施形態の吸着器１の製造方法について説明する。まず、円筒状に形成されたステンレス製の芯材２１ａの外表面に、銅メッキを施すメッキ工程を行う。これにより、芯材２１ａの外表面に銅からなる被覆層２１ｂを有する熱媒体管２１が形成される。

続いて、熱媒体管２１の周辺部２２に銅粉２３ｂおよび吸着剤２４を焼結する焼結工程を行う。具体的には、熱媒体管２１を筐体３内に保持させて固定した後、筐体３内に銅粉２３ｂおよび吸着剤２４を充填する。そして、ろう付け結合（接合）が必要となる吸着器１の構成部品をすべて組み付け、その組み付け体を加熱炉に搬入する。これにより、吸着器１を構成する部品同士のろう付け結合（接合）と、筐体３内に充填された銅粉２３ｂの焼結と、この銅粉２３ｂの焼結体と熱媒体管２１（詳細には被覆層２１ｂ）との焼結結合（接合）と、吸着剤２４の焼結体（多孔質伝熱体２３）内部への定着とが行われる。

以上説明したように、熱媒体管２１の芯材２１ａを、銅よりも硬度の高い金属であるステンレスから構成することで、熱媒体管２１の剛性を向上させることができる。

また、熱媒体管２１の周辺部２２に銅粉２３ｂおよび吸着剤２４の混合焼結体を設けることで、熱媒体管２１と吸着剤２４との間の伝熱手段として、熱伝導性の高い銅粉２３ｂが用いられるので、熱媒体管２１と吸着剤２４との間の伝熱性能を向上させることができる。

さらに、熱媒体管２１の芯材２１ａの外表面に銅からなる被覆層２１ｂを設けるとともに、銅粉２３ｂと熱媒体管２１とを金属接合させることで、銅粉２３ｂを銅からなる被覆層２１ｂに金属接合させることができる。これにより、混合焼結体（多孔質伝熱体２３）と熱媒体管２１の界面の熱抵抗を飛躍的に低減することができるため、熱媒体管２１と吸着剤２４との間の伝熱性能を確実に向上させることができる。

以上により、熱媒体管２１と吸着剤２４との間の伝熱性能を向上させつつ、熱媒体管２１の剛性を高くすることが可能となる。

ところで、熱媒体管２１を銅製とした従来の吸着コア２において、熱媒体として水道水を採用した場合、耐腐食性を考慮して、熱媒体管２１の板厚を０．６〜１ｍｍ程度とするのが一般的である。しかしながら、熱媒体管２１の板厚を厚くすると熱容量が大きくなるため、吸着式冷凍装置の冷凍サイクル全体として高い成績係数（ＣＯＰ）を発揮することができない。

これに対し、本実施形態では、熱媒体管２１の芯材２１ａを、銅よりも硬度の高い金属であるステンレスから構成しているので、熱媒体管２１の板厚を薄くし、熱容量を小さくすることができる。このため、吸着式冷凍装置の冷凍サイクル全体として成績係数（ＣＯＰ）を向上させることが可能となる。

ところで、銅は軟質の金属であるため、熱媒体管２１を銅製とした従来の吸着コア２では、熱媒体管２１内を流れる熱媒体の流速が速いとき、エロージョンおよびコロージョンが生じるおそれがある。

これに対し、本実施形態では、熱媒体管２１の芯材２１ａを、銅よりも硬度の高い金属であるステンレスから構成しているので、エロージョンおよびコロージョンの発生を抑制できる。

ところで、上述したように、多孔質伝熱体２３には、被吸着媒体である水蒸気が流通する細孔２３ａを設ける必要がある。このため、多孔質伝熱体２３は、非常に大きい空隙率を保った状態で形成されなければならない。このような空隙率の高い多孔質伝熱体２３を形成するためには、焼結工程において周囲から圧力を加えないようにする必要がある。しかしながら、熱媒体管２１が銅以外の金属から構成されている場合、焼結工程において多孔質伝熱体２３の周囲から圧力が加えられないと、多孔質伝熱体２３（銅粉２３ｂ）と熱媒体管２１との接合性が悪化するおそれがある。

これに対し、本実施形態のように、熱媒体管２１の外表面に銅からなる被覆層２１ｂを設けることで、銅からなる被覆層２１ｂと銅粉２３ｂとを良好に金属接合することができる。したがって、熱媒体管２１の芯材２１ａとして銅以外の金属が用いられていても、多孔質伝熱体２３と熱媒体管２１との接合性を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７に基づいて説明する。図７に示すように、本第２実施形態では、熱媒体管２１の被覆層２１ｂの外表面が荒らされている、すなわち被覆層２１ｂの外表面の表面粗さが粗くなっている。

具体的には、メッキ工程の後、かつ、焼結工程の前に、熱媒体管２１の被覆層２１ｂの外表面の粗さを粗くする粗化工程が行われる。熱媒体管２１の被覆層２１ｂの外表面の粗さを粗くする方法としては、例えば、ヤスリ等による研削、ショットブラスト、エッチング、被覆層２１ｂの表面に銅粉をまぶす等の方法を採用することができる。

本実施形態のように、熱媒体管２１の被覆層２１ｂの外表面が荒らされた状態とすることで、被覆層２１ｂと銅粉２３ｂ（多孔質伝熱体２３）との接触面積を増加させることができる。このため、熱媒体管２１と多孔質伝熱体２３との間の伝熱性能を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、熱媒体管２１の芯材２１ａをステンレスにより構成した例について説明したが、例えばチタン等、銅より硬質な金属であれば任意の金属により構成してもよい。

（２）上記実施形態では、熱媒体管２１および筐体３の径方向断面を円筒形状とした例について説明したが、これに限らず、熱媒体管および筐体の径方向断面を、楕円形状、矩形状等のいずれの形状としてもよい。

２１ 熱媒体管
２１ａ 芯材
２１ｂ 被覆層
２２ 周辺部
２３ｂ 銅粉
２４ 吸着剤

Claims (5)

1. 内部を熱媒体が流通する熱媒体管（２１）と、
   前記熱媒体によって冷却されることで前記熱媒体管（２１）外部の気相状態の流体を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した前記流体を脱離する吸着剤（２４）とを備える吸着コアであって、
   前記熱媒体管（２１）は、銅よりも硬度の高い金属からなる芯材（２１ａ）と、銅からなるとともに前記芯材（２１ａ）の外表面を被覆する被覆層（２１ｂ）とを有しており、
   前記熱媒体管（２１ａ）の周辺部（２２）に、銅粉（２３ｂ）および前記吸着剤（２４）の混合焼結体が設けられており、
   前記銅粉（２３ｂ）と前記熱媒体管（２１）とが金属接合されていることを特徴とする吸着コア。
2. 前記被覆層（２１ｂ）の外表面が荒らされていることを特徴とする請求項１に記載の吸着コア。
3. 前記芯材（２１ａ）は、ステンレスからなることを特徴とする請求項１または２に記載の吸着コア。
4. 内部を熱媒体が流通する熱媒体管（２１）と、
   前記熱媒体によって冷却されることで前記熱媒体管（２１）外部の気相状態の流体を吸着し、さらに、加熱されることで吸着した前記流体を脱離する吸着剤（２４）とを備える吸着コアの製造方法であって、
   銅よりも硬度の高い金属からなる芯材（２１ａ）を有する熱媒体管（２１）の外表面に、銅メッキを施すことにより銅からなる被覆層（２１ｂ）を形成するメッキ工程と、
   前記メッキ工程の後、前記熱媒体管（２１）の周辺部（２２）に銅粉（２３ｂ）および前記吸着剤（２４）を焼結する焼結工程とを含んでおり、
   前記焼結工程では、前記銅粉（２３ｂ）と前記熱媒体管（２１）とを金属接合することを特徴とする吸着コアの製造方法。
5. 前記メッキ工程の後、かつ、前記焼結工程の前に、前記被覆層（２１ｂ）の外表面の粗さを粗くする工程を含んでいることを特徴とする請求項４に記載の吸着コアの製造方法。

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