JP2019203611A - 吸着器及び吸着器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】吸着速度を向上させ吸着性能を高めることができる吸着器を提供する。【解決手段】吸着器(2)は、内部に被吸着媒体が封入された密閉容器(10)と、被吸着媒体を吸着及び脱離するための吸着層(24)が伝熱板に密接して形成されてなる吸着部(22)と、密閉容器(10)の外部から供給される熱交換媒体と熱交換することで被吸着媒体を蒸発及び凝縮させる蒸発凝縮部(32)と、を備えている。吸着層(24)は、吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように伝熱促進材及び吸着材が混合されており、伝熱板に直交する方向に複数の微細孔が設けられている。【選択図】図1
Description
本開示は、被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着器及びその製造方法に関する。
略真空に保たれた密閉容器の内部に、被吸着媒体を吸着および脱離する吸着材が充填された吸着部と、外部から供給される熱媒体と被吸着媒体との間で熱交換を行い被吸着媒体を蒸発または凝縮させる蒸発凝縮部とが設けられた吸着器が知られている。この種の吸着器では、密閉容器内で液相の被吸着媒体を蒸発凝縮部で蒸発させて、その蒸発潜熱により冷凍能力を得るとともに、蒸発した気相の被吸着媒体を吸着部で吸着剤にて吸着することにより蒸発を促進して持続的に冷凍能力を発揮させるようにしている。下記特許文献1では、吸着材成形体に孔を設け、水蒸気の通路とすることが開示されている。
特許文献1に記載されているように、吸着材を含む吸着層に孔を設けると、吸着材が減少してしまうことになる。吸着層に孔を設けると、水蒸気の流通が促進され、吸着層の奥まで効率的に水蒸気を導入することができるが、吸着材の減少分を補うことができず吸着器としての性能が低下する。
本開示は、吸着速度を向上させ吸着性能を高めることができる吸着器及びその製造方法を提供することを目的とする。
本開示は、被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着器であって、内部に被吸着媒体が封入された密閉容器(10)と、密閉容器の内部に設けられ、被吸着媒体を吸着及び脱離するための吸着層(24,24A,24B,24C,24D)が伝熱板に密接して形成されてなる吸着部(22)と、密閉容器の内部に設けられ、密閉容器の外部から供給される熱交換媒体と熱交換することで被吸着媒体を蒸発及び凝縮させる蒸発凝縮部(32)と、を備えている。吸着層は、吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように伝熱促進材及び吸着材が混合されており、伝熱板に直交する方向に複数の微細孔(242,242A,242B,242C,242D)が設けられている。
本開示は、被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着器の製造方法であって、吸着器は、内部に被吸着媒体が封入された密閉容器、前記密閉容器の内部に設けられ、前記密閉容器の外部から供給される熱交換媒体と伝熱板を介して熱交換することで被吸着媒体を蒸発及び凝縮させる蒸発凝縮部、及び前記伝熱板に設けられ、被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着層を有するものである。吸着器の製造方法は、吸着層を構成する金属粉及び吸着材を混合する混合工程と、混合した金属粉及び吸着材を加圧圧縮すると共に、伝熱板に直交する方向に複数の微細孔を形成して吸着層形成体を得る圧縮成形工程と、吸着層形成体を焼結し、吸着層と成す焼結工程と、を備える。
吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように形成されているので、吸着材と共に伝熱促進材の充填真密度も高まり、熱伝導率を高めることができる。充填真密度が高まることで、吸着層内部の水蒸気抵抗が高まり吸着速度が低下するところ、伝熱板に直交する方向に複数の微細孔が設けられていることで、水蒸気抵抗を抑制し吸着速度を高めることができる。尚、本発明の充填真密度とは、吸着層から微細孔が占める体積を除いた体積に対する吸着材の密度である。
尚、「課題を解決するための手段」及び「特許請求の範囲」に記載した括弧内の符号は、後述する「発明を実施するための形態」との対応関係を示すものであって、「課題を解決するための手段」及び「特許請求の範囲」が、後述する「発明を実施するための形態」に限定されることを示すものではない。
本開示によれば、吸着速度を向上させ吸着性能を高めることができる吸着器及びその製造方法を提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら本実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
最初に本実施形態の吸着器が用いられる一態様について説明する。本実施形態の吸着器は、一例として吸着式冷凍機に用いられる。吸着式冷凍機に用いられる場合、吸着器は一対設けられる。一方の吸着器で吸着作用が行われているときに他方の吸着器で脱離作用が行われる。
一対の吸着器には、車両走行用のエンジン又は車両用空調装置から熱交換媒体が循環するようになっている。熱交換媒体の循環経路には、熱交換媒体を循環させるポンプが設けられている。エンジンは水冷式内燃機関であり、エンジン冷却用の熱交換媒体として、水にエチレングリコール系の不凍液を混合したエンジン冷却水を用いている。
車両用空調装置は、車室内に吹き出す空気の通路を構成する空調ケースを備えている。空調ケースの空気流れ上流側には、空調ケース内に空気を流通させる送風機が設けられている。空調ケースにおける送風機の空気流れ下流側には、空調ケース内を流通する空気を冷却する室内熱交換器が設けられている。室内熱交換器は、空調用の熱交換媒体を介して吸着器から冷凍能力を得ている。なお、本実施形態では、空調用の熱交換媒体として水にエチレングリコール系の不凍液を混合したエンジン冷却水と同一の液体を用いている。
吸着式冷凍機には、一対の吸着器から流出する熱交換媒体と室外空気とを熱交換し、熱交換媒体を冷却する室外熱交換器が設けられている。室外熱交換器にて冷却された熱交換媒体は、一対の吸着器に流入する。
吸着式冷凍機には、一対の吸着器に循環する熱交換媒体の循環経路を切り替える2つの切替弁が設けられている。これらの切替弁、熱交換媒体を循環させるポンプ、及び送風機は、電子制御装置によりその作動が制御されている。
続いて、図1を参照しながら吸着器2について説明する。図1に示されるように、吸着器2は、密閉容器10と、吸着部22と、蒸発凝縮部32と、を備えている。吸着部22及び蒸発凝縮部32は、密閉容器10内に設けられている。
密閉容器10は気密構造となっており、内部が略真空状態に保たれている。密閉容器10の内部空間11には被吸着媒体(冷媒)が封入されている。本実施形態では、被吸着媒体として水を用いている。
本実施形態の吸着部22及び蒸発凝縮部32は、熱交換媒体が流通する流通路23,33と、熱交換媒体と被吸着媒体との熱交換を促進する吸着層24,34と、が設けられている。吸着部22と蒸発凝縮部32とは、ほぼ同一の構成を備えているので、吸着部22に設けられている吸着層24について説明する。
図1に示されるように、流通路23は、伝熱板231で画定された流路232内を熱交換媒体が流れるように構成されている。
吸着層24は、伝熱板231上に密接して設けられている。吸着層24は、稠密部241に微細孔242が設けられて形成されている。微細孔242は、伝熱板231に直交する方向に設けられている。微細孔242は、稠密部241の表面から伝熱板231に至るように、吸着層24を貫通して形成されている。稠密部241は、吸着層24から微細孔242を除いた残部である。稠密部241には、伝熱促進材及び吸着材が混合されている。
吸着層24は、吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように、伝熱促進材及び吸着材が混合された焼結体として構成されている。本実施形態の充填真密度とは、吸着層24の総体積から微細孔242が占める体積を除いた体積に対する吸着材の密度である。換言すれば、充填真密度は、稠密部241の全体積に対する吸着材の密度である。
図3に示されるように、従来の吸着層24Xには微細孔が設けられておらず、伝熱促進材及び吸着材が混合された本体部241Xのみによって構成されている。吸着層は水蒸気が焼結体内を物質移動し、吸着材はその水蒸気を吸着する際に発熱する。吸着を促進させる為に、熱を除去させなければならない。吸着速度を向上させるための支配要因は以下の3つである.
1.吸着材表面への水蒸気の物質移動
2.吸着材内部への水蒸気の内部拡散
3.水分吸着により発生する吸着熱の熱輸送媒体への熱移動
1.吸着材表面への水蒸気の物質移動
2.吸着材内部への水蒸気の内部拡散
3.水分吸着により発生する吸着熱の熱輸送媒体への熱移動
上記支配要因の内、「2.吸着材内部への水蒸気の内部拡散」は無視できるレベルで小さいものなので、「1.吸着材表面への水蒸気の物質移動」及び「3.水分吸着により発生する吸着熱の熱輸送媒体への熱移動」が律速となる。
図4に示されるように、吸着層24の稠密部241は、吸着材241a及び伝熱促進材241bを含んでいる。吸着材241aに水蒸気が行き渡るようにするため、水蒸気抵抗を減らすことが好ましい。吸着材241aが水蒸気を吸着して発した熱は、伝熱促進材241bによって流通路23に伝熱される。
図5(A)は、稠密部241の焼結体密度を横軸とし、熱伝導率を縦軸にとって表した図である。図5(B)は、稠密部241の焼結体密度を横軸とし、水蒸気抵抗を縦軸にとって表した図である。水蒸気抵抗は、稠密部241のみの水蒸気抵抗であって、微細孔242の効果は考慮していない。図5(C)は、稠密部241の焼結体密度を横軸とし、吸着速度を縦軸にとって表した図である。吸着速度は、稠密部241のみが存在した場合の吸着速度であって、微細孔242の効果は考慮していない。
吸着層24の小型高性能化を図るためには、焼結体である吸着層24を高密度化することが必要であるが、図5(A)、図5(B)、及び図5(C)に示されるように、熱伝導率は向上する一方で水蒸気抵抗は増加し、吸着速度が低下する。従って、小型高性能化を図るためには、吸着層24を形成する焼結体の高密度化と水蒸気抵抗の低減を両立する構造が理想構造といえる。この理想構造を実現するため、本実施形態では、吸着層24を、稠密部241と複数の微細孔242とによって構成している。
図6に示されるように、稠密部241は伝熱部材と吸着材が一体となっており、吸着材充填真密度ρが高密度となるように構成されている。更に、伝熱板231に対し直交する方向に複数の微細孔242を形成し、微細水蒸気通路と成している。この微細孔242の効果により、吸着材が被吸着媒体を吸着する速度が飛躍的に向上している。
例えば、被吸着媒体が水の場合、同一条件時、図3に示されるような均一な吸着層では、高密度にすると伝熱性能が向上する分、吸着層内を浸透する水蒸気抵抗が増大し、吸着速度が低下する。吸着速度としては、0.8mg/cc/sec.程度が限界であった。
吸着材充填真密度ρを変化させた場合の、壁膜厚δと吸着速度との関係を図7に示す。壁膜厚δは、隣接する微細孔242間の平均距離である。壁膜厚δの測定方法は公知の方法が用いられる。一例としては、稠密部241に対して微細孔242が一様に分散配置されているものとし、微細孔242の直径の平均値(一例としては、300μm)及び微細孔242の個数から微細孔242の占有面積を算出する。吸着層24の全体面積から微細孔242の専有面積を差し引いて、微細孔242の個数で除することで壁膜厚δを算出することができる。
図7に示される例では、吸着材充填真密度ρが、0.38g/ccの場合に中着速度の向上が見られ、0.62g/cc、0.72g/ccと吸着材充填真密度ρが上昇するに従って吸着速度が向上している。
図7の横軸の壁膜厚δには、水蒸気抵抗の影響から吸着材充填真密度ρと微細孔242の投影断面積率とに応じた最適な壁膜厚が存在する。微細孔242の投影断面積率は、図8に示されるように微細孔242を見通す方向から見た場合に、(稠密部241の外周面積−微細孔242の総面積)/(稠密部241の外周面積)として算出される。
また、図7の縦軸の吸着速度は、吸着層外形体格あたりの被吸着媒体の吸着速度であり、重量当たりの吸着速度φに変換すると相関関係がある。この相関関係を、下式(f01)及び下式(f02)で表すと、図9に示されるようなグラフが得られる。
微細孔242の配置は、図8に示されるような格子配置の例に限られない。図10に示されるように、微細孔242Aを千鳥配置とした吸着層24Aを形成してもよい。
微細孔242の形状は、図8に示されるような四角形の例に限られない。図11に示されるように、微細孔242Bを円形とした吸着層24Bを形成してもよい。微細孔242Bのような円形微細孔を、図10に例示した千鳥配置としてもよい。
図12に示されるように、微細孔242Cを三角形とした吸着層24Cを形成してもよい。微細孔242Cのような三角形微細孔を、図10に例示した千鳥配置としてもよい。
図13に示されるように、微細孔242Dを六角形とした吸着層24Dを形成してもよい。微細孔242Dのような六角形微細孔を、図10に例示した千鳥配置としてもよい。
本実施形態の吸着器2は、被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着器であって、内部に被吸着媒体が封入された密閉容器10と、密閉容器10の内部に設けられ、被吸着媒体を吸着及び脱離するための吸着層24,24A,24B,24C,24Dが伝熱板231に密接して形成されてなる吸着部22と、密閉容器10の内部に設けられ、密閉容器10の外部から供給される熱交換媒体と熱交換することで被吸着媒体を蒸発及び凝縮させる蒸発凝縮部32と、を備えている。吸着層24,24A,24B,24C,24Dは、吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように、伝熱促進材及び吸着材が混合されており、伝熱板231に直交する方向に複数の微細孔242,242A,242B,242C,242Dが設けられている。
吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように形成されているので、吸着材と共に伝熱促進材の充填真密度も高まり、熱伝導率を高めることができる。充填真密度が高まることで、吸着層24,24A,24B,24C,24D内部の水蒸気抵抗が高まり吸着速度が低下するところ、伝熱板231に直交する方向に複数の微細孔242,242A,242B,242C,242Dが設けられていることで、水蒸気抵抗を抑制し吸着速度を高めることができる。尚、本発明の充填真密度とは、吸着層24,24A,24B,24C,24Dから微細孔242,242A,242B,242C,242Dが占める体積を除いた体積に対する吸着材の密度である。
また本実施形態の吸着器2では、伝熱促進材は金属材であり、吸着層24,24A,24B,24C,24Dは金属材及び吸着材が混合された状態の焼結体として形成されている。伝熱促進材として金属材を用いているので、熱伝導率をより高めることができる。
また本実施形態の吸着器2では、吸着層24,24A,24B,24C,24Dにおいて隣接する微細孔242,242A,242B,242C,242Dの間の平均壁膜厚が、50μm以上1500μm以下であることが好ましい。平均壁膜厚をこのように調整することで、吸着速度を高めることができる。
また本実施形態の吸着器2では、吸着層24,24A,24B,24C,24Dにおいて隣接する微細孔242,242A,242B,242C,242Dの間の平均壁膜厚が、
100μm以上1000μm以下であることが好ましい。平均壁膜厚をこのように調整することで、吸着速度をより高めることができる。
100μm以上1000μm以下であることが好ましい。平均壁膜厚をこのように調整することで、吸着速度をより高めることができる。
また本実施形態の吸着器2では、吸着材の充填真密度をρ、微細孔間の平均壁膜厚をδとした場合に式(f01)で求められるXが、0.1<X<1.9を満たすことが好ましい。このように調整することで、吸着速度を高めることができる。
また本実施形態の吸着器2では、式(f01)で求められるXが、0.2<X<1.5を満たすことが好ましい。このように調整することで、吸着速度をより高めることができる。
また本実施形態の吸着器2では、微細孔242,242A,242B,242C,242Dが延びる方向に直交する断面の形状が、円形、三角形、四角形、及び六角形のいずれかであることが好ましい。
また本実施形態の吸着器2では、微細孔242,242A,242B,242C,242Dは、格子配置又は千鳥配置であることが好ましい。
図14に示されるように、本実施形態の吸着器2の製造方法は、混合工程(ステップS101)と、圧縮成形工程(ステップS102)と、焼結工程(ステップS103)と、を備えている。本実施形態の製造方法は、被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着器の製造方法であって、吸着器2は、内部に被吸着媒体が封入された密閉容器10、密閉容器10の内部に設けられ、密閉容器10の外部から供給される熱交換媒体と伝熱板231を介して熱交換することで被吸着媒体を蒸発及び凝縮させる蒸発凝縮部32、及び伝熱板231に設けられ、被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着層24,24A,24B,24C,24Dを有するものである。吸着層24,24A,24B,24C,24Dは伝熱板231に直交する方向に複数の微細孔242,242A,242B,242C,242Dを有している。混合工程(ステップS101)は、吸着層24,24A,24B,24C,24Dを構成する金属粉及び吸着材を混合する工程である。圧縮成形工程(ステップS102)は、混合した金属粉及び吸着材を加圧圧縮すると共に、伝熱板231に直交する方向に複数の微細孔を形成して吸着層形成体を得る工程である。焼結工程(ステップS103)は、吸着層形成体を焼結し、吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように吸着層24,24A,24B,24C,24Dを形成する工程である。
混合工程(ステップS101)において、金属粉及び吸着材をスラリーペースト状に混練することが好ましい。
圧縮成形工程(ステップS102)において、スラリーペースト状に混練した金属粉及び吸着材を加圧圧縮し、複数の微細孔242,242A,242B,242C,242Dを形成して吸着層形成体を得ることが好ましい。
圧縮成形工程(ステップS102)において、スラリーペースト状に混練した金属粉及び吸着材を加圧圧縮し、複数の微細孔242,242A,242B,242C,242Dを形成して吸着層形成体を得ることが好ましい。
尚、焼結体で形成される吸着層24,24A,24B,24C,24Dを高密度にする方法として、加圧圧縮後に焼結する製法や焼結金属粉と吸着材に例えば溶剤やバインダーなどと混錬したスラリーペースト状にした後焼結する製法が考えられる。
以上、具体例を参照しつつ本実施形態について説明した。しかし、本開示はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本開示の特徴を備えている限り、本開示の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。
2:吸着器
10:密閉容器
22:吸着部
32:蒸発凝縮部
10:密閉容器
22:吸着部
32:蒸発凝縮部
Claims (11)
- 被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着器であって、
内部に被吸着媒体が封入された密閉容器(10)と、
前記密閉容器の内部に設けられ、被吸着媒体を吸着及び脱離するための吸着層(24,24A,24B,24C,24D)が伝熱板に密接して形成されてなる吸着部(22)と、
前記密閉容器の内部に設けられ、前記密閉容器の外部から供給される熱交換媒体と熱交換することで被吸着媒体を蒸発及び凝縮させる蒸発凝縮部(32)と、を備え、
前記吸着層は、吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように伝熱促進材及び吸着材が混合されており、前記伝熱板に直交する方向に複数の微細孔(242,242A,242B,242C,242D)が設けられている、吸着器。 - 請求項1に記載の吸着器であって、
前記伝熱促進材は金属材であり、
前記吸着層は前記金属材及び前記吸着材が混合された状態の焼結体として形成されている、吸着器。 - 請求項2に記載の吸着器であって、
前記吸着層において隣接する前記微細孔の間の平均壁膜厚が、50μm以上1500μm以下である、吸着器。 - 請求項3に記載の吸着器であって、
前記吸着層において隣接する前記微細孔間の平均壁膜厚が、100μm以上1000μm以下である、吸着器。 - 請求項5に記載の吸着器であって、
前記式(f01)で求められるXが、0.2<X<1.5を満たす、吸着器。 - 請求項2に記載の吸着器であって、
前記微細孔が延びる方向に直交する断面の形状が、円形、三角形、四角形、及び六角形のいずれかである、吸着器。 - 請求項2に記載の吸着器であって、
前記微細孔は、格子配置又は千鳥配置である、吸着器。 - 被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着器の製造方法であって、
前記吸着器は、内部に被吸着媒体が封入された密閉容器、前記密閉容器の内部に設けられ、前記密閉容器の外部から供給される熱交換媒体と伝熱板を介して熱交換することで被吸着媒体を蒸発及び凝縮させる蒸発凝縮部、及び前記伝熱板に設けられ、被吸着媒体を吸着及び脱離する吸着層を有するものであり、前記吸着層は前記伝熱板に直交する方向に複数の微細孔を有しており、
前記吸着層を構成する金属粉及び吸着材を混合する混合工程と、
混合した金属粉及び吸着材を加圧圧縮すると共に、前記伝熱板に直交する方向に複数の微細孔を形成して吸着層形成体を得る圧縮成形工程と、
前記吸着層形成体を焼結し、吸着材の充填真密度が0.38g/cc以上の高密度になるように前記吸着層を形成する焼結工程と、を備える、吸着器の製造方法。 - 請求項9に記載の吸着器の製造方法であって、
前記混合工程において、前記金属粉及び前記吸着材をスラリーペースト状に混練する、吸着器の製造方法。 - 請求項10に記載の吸着器の製造方法であって、
前記圧縮成形工程において、スラリーペースト状に混練した前記金属粉及び前記吸着材を加圧圧縮し、前記複数の微細孔を形成して前記吸着層形成体を得る、吸着器の製造方法。
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- 2019-05-13 WO PCT/JP2019/018951 patent/WO2019225383A1/ja active Application Filing
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