JP4663044B2

JP4663044B2 - ガス吸脱着反応材用伝熱促進材および伝熱性に優れたガス吸脱着反応材

Info

Publication number: JP4663044B2
Application number: JP08489599A
Authority: JP
Inventors: 幸雄佐藤; 芳徳河原崎; 晴信竹田
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000281302A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスの吸脱着反応によって吸放熱するガス吸脱着反応材料の伝熱性を改善する伝熱促進材および該伝熱促進材によって伝熱性を改善したガス吸脱着反応材料に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金等のガス吸脱着反応材では、ガスの吸脱着に伴って発生する吸放熱を利用して各種の熱移動システムに利用されており、例えばヒートポンプ、暖房等の発熱システム、冷房、冷凍等の冷熱発生システム等に利用されている。また、その他に、熱の授受によってガスの吸脱着を行わせることによってガスの輸送、ガスの分離、貯蔵等を行う目的にも利用されている。
これらのシステムでは、吸着材を冷却・加熱することによってガスを吸・脱着させたり、ガスの圧力操作によって吸着材にガスを吸・脱着させたりして吸着材で発・吸熱反応を起こさせている。
このため、ガス吸脱着反応材を用いた上記の各種用途では、効率的な運用がなされるためにはガスの吸脱着および熱の伝達が速やかになされることが必要である。ガス吸脱着反応材では、ガスの吸脱着速度や吸脱着量が材料特性として重要な要素となるため、熱伝導性を考慮した材料選定を行うことは事実上困難である。
また、ガスの吸脱着性を高めるために図２に示すように粒状また粉状とした吸脱着反応材１がよく使われている。しかし、このような形態では、熱の伝導は、微小径のエレメント間の接触熱伝達のため伝熱効率が悪く、ガスの吸脱着反応が速やかになされないという問題がある。ガスの吸脱着はバッチプロセスであるので、ガスの吸脱着が遅いと１サイクルに要する時間が長くなり、時間当たりの処理効率が低くなって結局はシステムの効率を低下させるという問題がある。また、伝熱効率が悪いと必要な処理能力（時間当たり）を得るために大量のガス吸着反応材を要するという問題も生じてくる。
そこで従来は、粒状または粉状のガス吸脱着反応材に伝熱性の良い銅を被膜したり、図３に示すように、ガス吸脱着反応材１に伝熱性のよい粒状や粉状の伝熱材３（銅等）を混合したりして上記課題を解決する方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、吸脱着反応材に被膜を施す方法では、製造工程が増加する上に処理に手間がかかり、その結果製造コストが増大するという問題がある。また、ガスの透過性が妨げられ、吸脱着の反応を遅らせる問題もある。
また、粒又は粉状の伝熱材を混合する方法では、伝熱性のよい材料の混合によって伝熱性は増すものの、伝熱材との熱伝達が従来と同様に微小径のエレメント間の接触熱伝達のため伝熱促進効果が十分でない。このため十分な伝熱効率を得ようとすると大量の金属粒や金属粉を伝熱材として混合する必要があり、その結果、材料費が増したり、嵩の増大によって吸脱着反応材を収容する容器が大型化してスペース効率が悪くなったり、容器費用が増大したりするという問題がある。また加熱・冷却される質量が明らかに多くなるので熱容量が増してエネルギロスが増えるという問題も発生する。
したがって、従来のいずれの改善方法もシステム全体の効率という点からは有効な方法とはいえないものであった。
【０００４】
本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、ガス吸脱着反応材の熱伝導を嵩の増大を招くことなく確実に向上させてガス吸脱着反応材を用いたシステムの効率を向上させることができるガス吸脱着反応材用伝熱促進材および伝熱性に優れたガス吸脱着反応材を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のガス吸脱着反応材用伝熱促進材は、ガス吸脱着反応材と混合して使用される伝熱促進材であって、該伝熱促進材は直径または幅が１〜１０００μｍの範囲内にあり、かつアスペクト比が５以上の針状又は薄片状形状を有するカーボンからなり、該伝熱促進材の混合比率が質量比で０．５〜１０％であることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の伝熱性に優れたガス吸脱着反応材の発明は、本発明の前記伝熱促進材を混合してなることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の伝熱促進材には、ガス吸脱着反応材料よりも高い熱伝導率をもつカーボンが使用される。
また、伝熱促進材は針状又は薄片状形状である必要がある。針状又は薄片状形状とは、細長い形状であって、針状、棒状または片状の形状であればよい。
具体的には、直径または幅が１μ〜１０００μｍの範囲内にあり、アスペクト比（長さ／径（幅）比）が５以上であることが必要である。このように針状又は薄片状の形状とすることにより、一つの伝熱促進材が多くのガス吸脱着反応材に接触でき、少量で効果的に伝熱性を向上させることができる。また、細い又は薄い形状によってガス吸脱着反応材間の隙間に容易に入り込むので全体容積をあまり増やさずに伝熱促進材を混合することができ、すぐれた充填効率を発揮する。
【０００８】
なお、伝熱促進材の直径または幅が１μｍ未満で小さすぎると伝熱性の向上効果が十分に得られないので下限を１μｍとするのが望ましい。一方、これが１０００μｍを越えると、ガス吸脱着反応材との接触効率が悪くなり、また、ガス吸脱着反応材間に隙間を形成して嵩を増大させるので、１０００μｍを上限とするのが望ましい。なお、同様の理由で長さの下限を１００μｍ、上限を１００００μｍとするのが望ましい。
なお、上記伝熱促進材は、上記直径、幅、長さにおいてばらつきを有するものであっても良く、平均として上記範囲を満たしていればよい。ただし、伝熱促進材全部が実質的に上記範囲内に収まっているのが望ましい。
【０００９】
上記伝熱促進材は、混合ミキサー等の一般の装置により製造することができる。ただし、本発明としては特に製造方法が限定されるものではなく、適宜の方法で製造したものであればよい。
この伝熱促進材は、以下に詳述するガス吸脱着反応材に混合して使用される。
【００１０】
ガス吸脱着反応材としては、代表的には水素吸蔵合金を挙げることができるが、要は、ガスの吸蔵、脱着を可逆的に行い、その結果として吸放熱する材料であればよく、これに限定されるものではない。例えば吸着剤としてガスの吸着、離脱を行ったり、反応によってガスの吸収、放出を行ったりするものを使用することができる。すなわち、上記ガス吸蔵にはガス吸着やガス吸収が含まれ、ガス脱着にはガス離脱やガス放出が含まれる。上記材料としては吸着、離脱を行う材料として活性炭、カーボンファイバ、ゼオライト、活性アルミナ等を挙げることができ、また反応によって水素ガスの吸収、放出を行う材料として上記水素吸蔵合金を挙げることができる。該水素吸蔵合金は排熱や自然エネルギ等を利用して効率的に水素の吸放出を行うことができるという利点を有している。
【００１１】
このガス吸脱着反応材は、通常は、粒状または粉末状に形成される。このガス吸脱着反応材の製造方法も特に限定されるものではなく、常法により製造することができる。得られる粒状または粉末状のガス吸脱着反応材の大きさも特に限定されるものではないが、１〜１０００００μｍの大きさを例示することができる。
このガス吸脱着反応材は、上記した伝熱促進材と混合される。この際の伝熱促進材の混合量は、効率的に伝熱特性を向上させるという点から、質量比で０．５〜１０％とする。このときの比率は、ガス吸脱着反応材と伝熱促進材また所望により混合される副材料（通気性材や結合助剤等）全体に対する比率として現される。
ここで、混合比率が０．５％未満であると、伝熱性の向上効果が十分でなく、一方、１０％を越えると、嵩の増大や熱容量の増大の問題が生じるため、上記範囲を望ましい混合比とする。なお、同様の理由で下限を１％とするのが望ましい。
なお、混合に際してはミキサー等により伝熱促進材をできるだけ均等に混合、分散させるのが望ましいが、伝熱促進材が破砕や裁断されて針状又は薄片状形状が損なわれる混合方法は避ける必要がある。
混合したものはそのまま容器等に充填して使用してもよく、また、圧縮成形や焼結によって成形体にして使用することもできる。
上記により得られる混合体は高い充填効率で伝熱促進材が混合されており、嵩の増大や熱容量の増大は極力小さなものとなっている。
【００１２】
上記により得られた、伝熱促進材が混合されたガス吸脱着反応材は、前述したように種々の用途に使用することができ、暖房、冷房、冷凍等のエネルギ変換システムやガスの貯蔵、輸送、分離、精製等のシステムに使用することもできる。
上記システムでは、ガスの吸蔵と脱着とを交互に行わせる方法としてそれぞれのガス吸脱着反応材に適した方法が採られるが、通常は加熱、冷却による熱駆動や圧縮機等を用いた圧力駆動の方法が用いられる。これらの駆動によって生じるガスの吸脱着では、外部とガス吸脱着反応材との間で授受される熱が伝熱促進材によって効果的かつ速やかに移動するので、サイクルタイムが短くなってシステム全体の効率を向上させることができ、また、従来と同等の処理能力（時間当たり）を得ようとする場合には、ガス吸脱着反応材の使用量を大幅に削減することもでき、設置スペース等を小さくすることができる。
これらの作用を従来材と比較したものを以下の表に示す。
【００１３】
【表１】

【００１４】
【実施例】
以下に、本発明の一実施形態を説明する。
ガス吸脱着反応材として、粒径７５μｍの粒状水素吸蔵合金（組成：Ｔｉ、Ｚｒ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｕ）１を用意し、伝熱促進材２として、実質的に直径１０μｍ、長さ６ｍｍ（アスペクト比６００）のカーボンファイバを用意した。これらの材料を図１に示すように、カーボンファイバの混合比率が質量比で５％になるように混合した。また、比較のため伝熱促進材として、粒径４５〜１５０μｍ（平均粒径７５μｍ）のＭｇ粒を上記と同じ粒状水素吸蔵合金に質量比で５％で混合したものを用意し、さらに、粒状水素吸蔵合金のみからなる比較材を別途用意した。
これらの供試材をそれぞれ同量宛、密閉容器内に収容して水素を吸放出させ、その際の供試材の熱伝導率を測定した。このときの水素圧と熱伝導性との関係を図４に示した。なお、熱伝導性については、伝熱促進材を混合していない供試材において、水素圧０．０１ＭＰａのときに測定された熱伝導率を１として相対評価し図示した。
図から明らかなように、発明材はその他の比較材に対し、熱伝導性において優れた特性を有していることが明らかになっている。
【００１５】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、直径または幅が１〜１０００μｍの範囲内にあり、かつアスペクト比が５以上の針状又は薄片状形状を有するカーボンからなる伝熱促進材を混合比率０．５〜１０％でガス吸脱着反応材に混合するので、高い充填効率で伝熱促進材を混合でき、効率的に熱伝導性を向上させることができる。その結果、ガス吸脱着におけるサイクルタイムの短縮ができ、このガス吸脱着反応材を用いたシステムの効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における材料の分散状態を示す図である。
【図２】伝熱材を混合していない従来の材料の分散状態を示す図である。
【図３】粒状伝熱材を混合した従来の材料の分散状態を示す図である。
【図４】実施例における各供試材の熱伝導性を比較したグラフである。
【符号の説明】
１ガス吸脱着反応材
２針状伝熱促進材
３粒状伝熱材

Claims

ガス吸脱着反応材と混合して使用される伝熱促進材であって、該伝熱促進材は直径または幅が１〜１０００μｍの範囲内にあり、かつアスペクト比が５以上の針状又は薄片状形状を有するカーボンからなり、該伝熱促進材の混合比率が質量比で０．５〜１０％であることを特徴とするガス吸脱着反応材用伝熱促進材。
請求項１記載のガス吸脱着反応材用伝熱促進材を混合してなることを特徴とする伝熱性に優れたガス吸脱着反応材。