JP2017172831A - 吸着器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱歪を低減し、製品寿命を確保することができる吸着器を提供する。
【解決手段】吸着器１は、熱媒体が内部を流通する熱媒体管１０と、熱媒体管１０が貫通する板状に構成されていると共に、熱媒体管１０の両端に接合された一対のヘッダプレート２０、３０と、を備えている。そして、各ヘッダプレート２０、３０は、各熱媒体管１０が貫通可能な複数の貫通孔２１、３１と、貫通孔２１の縁が穴フランジ加工（バーリング加工）されたバーリング部と、を有している。バーリング部は、熱媒体管１０が当該熱媒体管１０の長手方向に伸びたときに、熱媒体管１０の長手方向に変形しやすくなっている。このため、バーリング部によって長手方向における熱媒体管１０の変形を吸収することができ、ひいては吸着器１の各接合部分に発生する熱歪を緩和することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の吸着・脱離を行う吸着材を備えた吸着器に関する。

従来より、円筒状のシェルと、直径が互いに異なっている複数の円筒状のスクリーンと、を備えた吸着器が、例えば特許文献１で提案されている。具体的に、各スクリーンはシェルの内部に同心配置されていると共に、シェルに固定されている。また、各スクリーンの間には環状空間が構成されている。そして、各環状空間は、吸着材によって満たされている。

特開２０００−２１８１２４号公報

ここで、上記従来の技術では、吸着器における加熱と冷却との温度差が比較的小さく、加熱と冷却との切替時間も比較的長いという形態で利用される。このため、加熱と冷却との切替サイクルの回数が少ないため、吸着器の構成部品の膨張及び収縮は非常に小さく、シェルとスクリーンとの固定部分に掛かる熱歪は問題にならなかった。

しかしながら、近年、吸着器の小型化及び高性能化を図るため、加熱と冷却との切り替えサイクルが短くなっている。このため、吸着器を構成する各部品が膨張と収縮とを短いサイクルで繰り返すことになる。したがって、吸着器を構成する各部品の接合部分に熱歪が発生してしまうという問題がある。この熱歪により、吸着器の製品寿命が低下してしまう。

本発明は上記点に鑑み、熱歪を低減し、製品寿命を確保することができる吸着器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、熱媒体が内部を流通する熱媒体管（１０）を備えている。また、熱媒体管が貫通する板状に構成されていると共に、熱媒体管の両端に接合された一対のヘッダプレート（２０、３０）を備えている。

さらに、 熱媒体によって冷却されることで熱媒体管外部の気相状態の冷媒を吸着する一方、加熱されることで吸着した冷媒を脱離する吸着材と、熱媒体管と吸着材との間で熱の授受を行う伝熱部材と、を有し、熱媒体管の周囲に配置された吸着層（４０）を備えている。ヘッダプレートが接合されると共に、内部に熱媒体管及び吸着層を収容した中空筒状の筐体（５０）を備えている。

そして、熱媒体管、ヘッダプレート、及び筐体のいずれかに、熱媒体管の長手方向における当該熱媒体管の変形を吸収する変形吸収部（１２、２０、２２、３０、２３、５１ｄ）が設けられている。

これによると、加熱と冷却との温度差によって長手方向に伸縮しやすい熱媒体管の変形が変形吸収部によって吸収される。このため、熱媒体管の伸縮に伴って熱媒体管とヘッダプレートとの接合部分やヘッダプレートと筐体との接合部分に発生する熱歪を低減することができる。したがって、吸着器の製品寿命を確保することができる。

なお、この欄及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。

本発明の第１実施形態に係る吸着器の断面図である。 貫通孔に設けられたバーリング部を示した断面図である。 （ａ）はバーリング部が設けられていない水準１を示した図であり、（ｂ）はバーリング部が設けられた水準２を示した図である。 図３に示された水準１、２について熱歪の強度解析の結果を示した図である。 本発明の第２実施形態に係る吸着器の一部断面図である。 第２実施形態に係る水準３、４について熱歪の強度解析の結果を示した図である。 本発明の第３実施形態に係る熱媒体管の一部断面図である。 第３実施形態に係る水準５、６について熱歪の強度解析の結果を示した図である。 本発明の第４実施形態に係る吸着器の一部断面図である。 第４実施形態に係る水準７、８について熱歪の強度解析の結果を示した図である。 本発明の第５実施形態に係る吸着器の一部断面図である。 第５実施形態に係る水準９、１０について熱歪の強度解析の結果を示した図である。

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）
以下、本発明の第１実施形態について図を参照して説明する。本実施形態に係る吸着器は、例えば吸着式冷凍機に適用される。

図１に示されるように、吸着器１は、熱媒体管１０、一対のヘッダプレート２０、３０、吸着層４０、及び筐体５０を備えて構成されている。

熱媒体管１０は、熱媒体が内部を流通する管である。熱媒体管１０は、吸着器１に複数備えられている。

ヘッダプレート２０、３０は、熱媒体管１０が貫通する板状に構成されていると共に、熱媒体管１０の両端に固定されたものである。このため、各ヘッダプレート２０、３０は、各熱媒体管１０が貫通可能な複数の貫通孔２１、３１を有している。

また、図２に示されるように、ヘッダプレート２０は、バーリング部２２を有している。バーリング部２２は、貫通孔２１の縁が穴フランジ加工（バーリング加工）された縁立て部である。バーリング部２２は、熱媒体管１０の延設方向に縁立てされている。これは、熱媒体管１０が、当該熱媒体管１０の長手方向に伸びたときに、熱媒体管１０の応力を吸収しやすくするためである。

なお、図２では、１本の熱媒体管１０の一方の端部に対応した貫通孔２１のバーリング部２２が示されているが、バーリング部２２は全ての貫通孔２１、３１に設けられている。

図１に示された吸着層４０は、図示しない吸着材及び伝熱部材を有している。吸着材は、被吸着媒体である冷媒を吸着・脱着するものである。被吸着媒体は、例えば水やアルコールである。具体的には、吸着材は、熱媒体によって冷却されることで熱媒体管１０外部の気相状態の冷媒を吸着する一方、加熱されることで吸着した冷媒を脱離する。吸着材は、例えばシリカゲルやゼオライト、活性炭等である。

伝熱部材は、熱媒体管１０と吸着材との間で熱の授受を行うものであり、ステンレスやアルミニウム、銅等の熱伝導性に優れる金属材料によって板状に構成されている。伝熱部材は、いわゆるフィンである。伝熱部材は、熱媒体管１０の外表面に所定のピッチで等間隔に金属接合されている。伝熱部材の配置方向は、熱媒体管１０に流れる熱媒体の流れ方向と平行になっている。吸着材は、隣り合う伝熱部材の間に充填されている。

そして、吸着層４０は、各熱媒体管１０の周囲に配置されていると共に、熱媒体管１０に接触した状態で熱媒体管１０と一体化されている。

筐体５０は、本体部５１、上流側タンク５２、及び下流側タンク５３を有している。本体部５１は、中空筒状の部品であり、上流側タンク５２及び下流側タンク５３は有底筒状の部品である。筐体５０は、例えば円筒状、楕円筒状、矩形筒状等に構成されている。

そして、本体部５１の一方の開口端部に一方のヘッダプレート２０が接合されていると共に、本体部５１の他方の開口端部に他方のヘッダプレート３０が接合されている。これにより、本体部５１は、内部に熱媒体管１０及び吸着層４０を収容している。

本体部５１の内部空間は真空になっている。つまり、一対のヘッダプレート２０、３０は、筐体５０の中空部分を封止する役割も果たしている。

本体部５１は、流入パイプ５１ａ及び流出パイプ５１ｂを有している。流入パイプ５１ａは、本体部５１の一部に接続されていると共に、吸着式冷凍機を循環する冷媒を筐体５０の内部空間に導入するためのパイプである。流出パイプ５１ｂは、本体部５１のうち流入パイプ５１ａとは反対側の位置に接続されていると共に、冷媒を吸着式冷凍機の流路に戻すためのパイプである。

上流側タンク５２は、一方のヘッダプレート２０に接合されている。これにより、上流側タンク５２は、吸着式冷凍機を循環する循環水が流入する空間部を構成している。また、下流側タンク５３は、他方のヘッダプレート３０に接合されている。これにより、下流側タンク５３は、熱媒体管１０を通過した循環水が流入する空間部を構成する部品である。下流側タンク５３に流入した冷媒は再び吸着式冷凍機の流路に戻る。

以上が、本実施形態に係る吸着器１の全体構成である。熱媒体管１０、ヘッダプレート２０、３０、及び筐体５０は、熱伝導性に優れたステンレスや銅、アルミニウム等の金属材料によって構成されている。また、熱媒体管１０、ヘッダプレート２０、３０、及び筐体５０は、互いに接触する部分がろう付けやはんだ付け、溶接等によって金属接合されている。

上記の構成の吸着器は吸着式冷凍機の一部として動作する。例えば被吸着媒体である水蒸気が流入パイプ５１ａを介して筐体５０の本体部５１に導入される。そして、低温熱媒体である冷水が上流側タンク５２を介して熱媒体管１０を流通する場合、吸着層４０の吸着材は蒸気冷媒を吸着する。一方、高温熱媒体である温水が熱媒体管１０を流通する場合、吸着層４０の吸着材は冷媒を脱離する。このように、吸着器１は、冷水が流れる際の吸着工程と、温水が流れる際の脱離工程と、を繰り返す。

次に、各ヘッダプレート２０、３０に設けられたバーリング部２２の作用効果について説明する。まず、冷水から切り替わって温水が熱媒体管１０に流れる際、熱媒体管１０は冷水と温水との温度差によって熱膨張し、長手方向に伸びる。これにより、熱媒体管１０とヘッダプレート２０、３０との接合部分や、ヘッダプレート２０、３０と筐体５０との接合部分に熱媒体管１０の伸びに起因した熱歪（応力）が発生する。各接合部分は互いの動きを拘束する部位であるので、高い応力が発生する。

しかしながら、熱媒体管１０はバーリング部２２を介して各ヘッダプレート２０、３０に接合されているので、バーリング部２２が熱媒体管１０の長手方向に変形しやすくなっている。すなわち、バーリング部２２が長手方向における熱媒体管１０、各ヘッダプレート２０、３０、及び筐体５０の変形を吸収する。これにより、吸着器１の各接合部分、特に熱媒体管１０とヘッダプレート２０、３０との接合部分に発生する熱歪が緩和される。

発明者らは、図３（ａ）に示された水準１と、図３（ｂ）に示された水準２と、の熱歪の強度解析を実施した。水準１は各ヘッダプレート２０、３０にバーリング部２２が設けられていない構成であり、水準２は各ヘッダプレート２０、３０にバーリング部２２が設けられた構成である。

図４の解析結果に示されるように、バーリング部２２が設けられた水準２は、水準１に対して熱歪（応力）が半減することがわかった。これは、熱媒体管１０の伸縮をバーリング部２２によって吸収することができたからである。

このように、各ヘッダプレート２０、３０にバーリング部２２を設けているので、熱媒体管１０の伸縮に伴って熱媒体管１０、各ヘッダプレート２０、３０、及び筐体５０の各接合部分に発生する熱歪を低減することができる。

ここで、各接合部分に発生する熱歪に対する吸着器１の製品寿命を確保するためには、吸着器１を構成する各部品の板厚を大きくして製品強度を向上させることも可能である。しかし、重量が上がり、冷水と温水との切替時に必要な熱容量が増加するため、成績係数（ＣＯＰ）が低下する。なお、成績係数とは、冷凍機の場合、入力熱量に対する出力の冷凍能力を意味する。

一方、本実施形態では、バーリング部２２によって各接合部分に発生する熱歪が緩和される。したがって、熱容量を増加させることなく、すなわち吸着器１を構成する各部品の板厚を大きくすることなく、吸着器１の製品寿命を確保することができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、バーリング部２２が特許請求の範囲の「変形吸収部」に対応する。

（第２実施形態）
本実施形態では、第１実施形態と異なる部分について説明する。図５に示されるように、各熱媒体管１０のうち最も筐体５０の本体部５１側の熱媒体管１０と本体部５１の内壁面５１ｃとの最短距離が、各熱媒体管１０のピッチ以上の距離になるように、各熱媒体管１０が各ヘッダプレート２０、３０に接合されている。つまり、複数の熱媒体管１０の熱媒体管群１１が本体部５１の内壁面５１ｃから離されている。

発明者らは、第１実施形態と同様に、上記の距離関係を満たさない構成の水準３と、上記の距離関係を満たす構成の水準４と、の熱歪の強度解析を実施した。そして、図６の解析結果に示されるように、上記の距離関係を満たす水準４は、水準３に対して熱歪が約３分の１も減少した。

これは、各ヘッダプレート２０、３０のうち熱媒体管群１１と本体部５１の内壁面５１ｃとの間のリング状の部分が熱媒体管１０の伸縮に追従して変形するからである。したがって、各ヘッダプレート２０、３０と各熱媒体管１０との接合部分に掛かる熱歪を緩和させることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、各ヘッダプレート２０、３０のうち熱媒体管群１１と本体部５１の内壁面５１ｃとの間のリング状の部分が特許請求の範囲の「変形吸収部」に対応する。また、図５では、各ヘッダプレート２０、３０にバーリング部２２が設けられた構成が示されているが、バーリング部２２は設けられていなくても良い。

（第３実施形態）
本実施形態では、第１、第２実施形態と異なる部分について説明する。図７に示されるように、熱媒体管１０は、当該熱媒体管１０の一部が長手方向に伸縮可能な蛇腹形状に形成された蛇腹部１２を有している。

蛇腹部１２は、熱媒体管１０のうちの一対のヘッダプレート２０、３０の間に設けられている。蛇腹部１２は、１本の熱媒体管１０において１カ所だけ設けられていても良いし、複数カ所設けられていても良い。

発明者らは、上記各実施形態と同様に、熱媒体管１０が蛇腹部１２を有していない構成の水準５と、熱媒体管１０が蛇腹部１２を有する構成の水準６と、の熱歪の強度解析を実施した。そして、図８の解析結果に示されるように、蛇腹部１２が設けられた構成の水準６は、水準５に対して熱歪が約３分の１も減少した。

これは、熱媒体管１０の伸縮が蛇腹部１２によって吸収されるからである。このため、熱媒体管１０の伸縮が各ヘッダプレート２０、３０に伝わりにくくなる。したがって、各接合部分に掛かる熱歪を緩和させることができる。

なお、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、蛇腹部１２が特許請求の範囲の「変形吸収部」に対応する。また、各ヘッダプレート２０、３０にバーリング部２２が設けられていても良い。

（第４実施形態）
本実施形態では、第１〜第３実施形態と異なる部分について説明する。図９に示されるように、筐体５０の本体部５１は、当該本体部５１一部が熱媒体管１０の長手方向に伸縮可能な蛇腹形状に形成された蛇腹部５１ｄを有している。

発明者らは、上記各実施形態と同様に、本体部５１が蛇腹部５１ｄを有していない構成の水準７と、本体部５１が蛇腹部５１ｄを有する構成の水準８と、の熱歪の強度解析を実施した。そして、図１０の解析結果に示されるように、蛇腹部５１ｄが設けられた構成の水準８は、水準７に対して熱歪が約３分の１も減少した。

これは、熱媒体管１０の伸縮に伴う熱歪が各ヘッダプレート２０、３０を介して本体部５１に伝わると共に、蛇腹部５１ｄの変形によって吸収されるからである。したがって、各接合部分に掛かる熱歪を緩和させることができる。

上記では、蛇腹部５１ｄは本体部５１に設けられていたが、上流側タンク５２または下流側タンク５３に設けられていても良いし、本体部５１、上流側タンク５２、及び下流側タンク５３の全てに設けられていても良い。

なお、図９では、各ヘッダプレート２０、３０にバーリング部２２が設けられた構成が示されているが、バーリング部２２は設けられていなくても良い。また、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、蛇腹部５１ｄが特許請求の範囲の「変形吸収部」に対応する。

（第５実施形態）
本実施形態では、第１〜第４実施形態と異なる部分について説明する。図１１に示されるように、ヘッダプレート２０は、バネ部２３を有している。バネ部２３は、ヘッダプレート２０のうち複数の熱媒体管１０を囲む位置に輪状に設けられている。また、バネ部２３は、当該輪状の径方向に波形状に形成されていることにより熱媒体管１０の長手方向に伸縮可能になっている。

なお、バネ部２３は、各ヘッダプレート２０、３０のうち複数の熱媒体管１０の１つを囲む位置に輪状に設けられていても良い。また、バネ部２３はヘッダプレート２０だけでなくヘッダプレート３０に設けられていても良いし、各ヘッダプレート２０、３０の両方に設けられていても良い。

発明者らは、上記各実施形態と同様に、各ヘッダプレート２０、３０がバネ部２３を有していない構成の水準９と、各ヘッダプレート２０、３０がバネ部２３を有する構成の水準１０と、の熱歪の強度解析を実施した。そして、図１２の解析結果に示されるように、バネ部２３が設けられた構成の水準１０は、水準９に対して熱歪が減少した。

これは、熱媒体管１０の伸縮に伴う熱歪が各ヘッダプレート２０、３０のうちバネ部２３によって囲まれた部分に伝わると共に、バネ部２３の変形によって吸収される。したがって、各接合部分に掛かる熱歪を緩和させることができる。

ここで、バネ部２３は波形状に限られない。各ヘッダプレート２０、３０のうちバネ部２３で囲まれた部分とバネ部２３の外側の部分とが、バネ部２３を介して熱媒体管１０の長手方向に相対的に移動可能になるように、バネ部２３が構成されていれば良い。

なお、図１１では、各ヘッダプレート２０、３０にバーリング部２２が設けられた構成が示されているが、バーリング部２２は設けられていなくても良い。また、本実施形態の記載と特許請求の範囲の記載との対応関係については、バネ部２３が特許請求の範囲の「変形吸収部」に対応する。

（他の実施形態）
上記各実施形態で示された吸着器１の構成は一例であり、上記で示した構成に限定されることなく、本発明を実現できる他の構成とすることもできる。例えば、上記各実施形態で示された内容を適宜組み合わせても良い。

１０ 熱媒体管
１２、５１ｄ 蛇腹部
２０、３０ ヘッダプレート
２２ バーリング部
２３ バネ部
４０ 吸着層
５０ 筐体

Claims (4)

1. 熱媒体が内部を流通する熱媒体管（１０）と、
   前記熱媒体管が貫通する板状に構成されていると共に、前記熱媒体管の両端に接合された一対のヘッダプレート（２０、３０）と、
   前記熱媒体によって冷却されることで前記熱媒体管外部の気相状態の冷媒を吸着する一方、加熱されることで吸着した前記冷媒を脱離する吸着材と、前記熱媒体管と前記吸着材との間で熱の授受を行う伝熱部材と、を有し、前記熱媒体管の周囲に配置された吸着層（４０）と、
   前記ヘッダプレートが接合されると共に、内部に前記熱媒体管及び前記吸着層を収容した中空筒状の筐体（５０）と、
   を備え、
   前記熱媒体管、前記ヘッダプレート、及び前記筐体のいずれかに、前記熱媒体管の長手方向における当該熱媒体管の変形を吸収する変形吸収部（１２、２０、２２、３０、２３、５１ｄ）が設けられている吸着器。
2. 前記変形吸収部は、前記熱媒体管に設けられていると共に、前記熱媒体管の一部が前記長手方向に伸縮可能な蛇腹形状に形成されている請求項１に記載の吸着器。
3. 前記変形吸収部は、前記筐体に設けられていると共に、前記筐体の一部が前記長手方向に伸縮可能な蛇腹形状に形成されている請求項１または２に記載の吸着器。
4. 前記熱媒体管は、複数備えられており、
   前記変形吸収部は、前記ヘッダプレートのうち前記複数の熱媒体管の１つもしくは複数を囲む位置に輪状に設けられており、さらに、当該輪状の径方向に波形状に形成されていることにより前記長手方向に伸縮可能になっている請求項１ないし３のいずれか１つに記載の吸着器。

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