JP4717777B2

JP4717777B2 - 気液接触用充填要素、気液接触用充填材および気液接触用充填要素の製造方法

Info

Publication number: JP4717777B2
Application number: JP2006290064A
Authority: JP
Inventors: 正司石田; 輝彦稲葉; 正明篠原; 淳大嶋
Original assignee: Sanki Engineering Co Ltd; Kubota Corp; Kubota Air Conditioner Ltd
Current assignee: Sanki Engineering Co Ltd; Kubota Corp; Kubota Air Conditioner Ltd
Priority date: 2006-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2026-10-25
Also published as: JP2008104948A

Description

本発明は、水溶性のガス吸収、水の冷却や熱交換、蒸留などのガスと水の接触装置内において用いられる気液接触用充填要素、気液接触用充填材および気液接触用充填要素の製造方法に関する。

従来、水溶性のガス吸収、水の冷却や熱交換、蒸留などのガスと水の接触装置内において用いられる気液接触用充填要素、気液接触用充填材としては、複雑な形状で樹脂製や金属製の均一な個片が用いられている（例えば、特許文献１〜５参照）。
その製法としては、金型による樹脂の射出成型による製造、金属片の折り曲げまたは切断、金属片のしわよせなどがある。
特表平６−５０３７５５号公報特開２００３−１７００４１号公報特開平１１−９０２１８号公報特開平６−７１１６６号公報特開２００６−１５２５１号公報

しかし、従来の気液接触用充填要素、気液接触用充填材では、複雑な形状と空隙により充填材の詰め具合により偏った水の通り道（みずみち）が発生し、気液接触効率が低下する。
また、効率アップのために充填材の表面積を上げたことにより、下記のような不具合があった。

（１）複雑な形状となり、樹脂の場合、高価な金型が必要となる。
（２）複雑な形状となり、金属の場合、切断・折り曲げなどにより加工費が増大する。
（３）輸送時に空隙が多くなり体積が増大する（輸送費増）。
本発明は、斯かる従来の問題点を解決するために為されたもので、その目的は、気液接触効率を向上させ、水溶性ガスの水への吸着率や水−空気などの熱交換率の高い安価な気液接触用充填要素、気液接触用充填材および気液接触用充填要素の製造方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、水と気体との接触装置内に用いられ、水の熱を効率よく気体に伝達する気液接触用充填要素であって、アルミニウム合金である金属材料を切削加工して作製された、内部空隙を形成するらせん状や円筒形を形成しない形状不均一な流れ形切りくず形状を為し、表面に微細な亀裂を有することを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１記載の気液接触用充填要素において、前記気液接触用充填要素は、厚さ０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、長さ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、および幅１ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の気液接触用充填要素の集合物であることを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３の何れか１項記載の気液接触用充填要素の製造方法において、切込み（削り厚さ）０．３ｍｍ以下、送り（刃の移動速度）２．０ｍｍ／ｒｅｖ．でアルミニウム合金である金属材料を切削刃で切削することを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項４記載の気液接触用充填要素の製造方法において、円筒状の地金を円盤ノコで切削することを特徴とする。

本発明に係る気液接触用充填要素およびその製造方法は、例えば、円筒状の地金を円盤ノコで切削することによって容易に大量に生産することができる。
本発明に係る気液接触用充填要素は、切削加工時に微細な亀裂が端部に入るので、これにより表面積が増大し、気液接触効率を向上させることができる。
本発明に係る気液接触用充填材は、内部空隙を形成するらせん状や円筒形を形成しない形状が不均一なため水の通り道（みずみち）が不規則に発生し、気液の接触機会も増大し、気液接触効率を向上させることができる。

本発明に係る気液接触用充填材は、大きな個片と小さな個片とが混ざり合っているので、集約すると隙間に小さな個片が入り込み、コンパクトにまとまることができる。

以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る気液接触用充填要素１０を示す。
本実施形態に係る気液接触用充填要素１０は、金属材料を切削加工して作製された流れ形切りくず形状を為している。本発明において、流れ形切りくずとは、例えば、「機械工学便覧」（発行所社団法人日本機械学会、１９９１年９月３０日発行）の「第５章切削加工５・切削加工の基礎」（Ｂ２−１１９）で記載されている「なめらかで一様な断面を持つ流れ形（flow type)」および「図２８５切りくず形態の大別」（Ｂ２−１１９）で示されている「（ａ）流れ形」をいう。本実施形態に係る気液接触用充填材は、本実施形態に係る気液接触用充填要素１０の集合物である。

本実施形態に係る気液接触用充填要素１０は、金属材料を切削加工して作製された流れ形切りくず形状を為し、厚さＨ＝０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、長さＬ＝１０ｍｍ〜１００ｍｍおよび幅Ｗ＝１ｍｍ〜２ｍｍで表面に微細な亀裂１１を有する。微細な亀裂１１は、切削加工による応力で端部に生じる。
本実施形態に係る気液接触用充填要素１０は、例えば、次のようにして作製される。

例えば、「機械加工現場診断シリーズ１旋削加工」（西嶢祐著、日刊工業新聞社発行）の「図５・２チップで鋼を切削するときの切りくずの変形状況、切りくずの厚さは送り（ｍｍ／ｒｅｖ）の３倍」で示されるように、金属材料片をチップ（切削刃）または円盤ノコにて切削する。
ここで、切削条件は、例えば、クロムモリブデン鋼ＳＣＭ４３５の場合、切込み（削り厚さ）０．３ｍｍ以下、送り（刃の移動速度）２．０ｍｍ／ｒｅｖ．、切削速度１５０ｍ／ｍｉｎ、チップＴＮＭＧ１６０４０８とした。この条件は、「機械加工現場診断シリーズ１旋削加工」（西嶢祐著、日刊工業新聞社発行）の「図５・８各条件での切りくずの状態」に準拠して決めた。

また、金属材料としては、アルミニウム、鉄、銅などがある。軽量で切削が容易な材料として、アルミニウム合金（ＪＩＳ６０６３）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）がある。これらの材料組成（最大保有成分％）を表１に示す。

また、本実施形態に係る気液接触用充填要素１０を作製する金属材料として、アルミニウム合金（ＪＩＳ６０６３）、クロムモリブデン鋼（ＳＣＭ４３５）は、下記の理由から望ましい。
気体と液体を接触させ、温度を回収する湿式熱交換の場合、気体、液体の温度移動をスムーズにまた、空気中の水溶性ガスを水に吸着させるための装置における充填材においても、気体の水への溶け込みやすさは一般に温度が低いほど大きくなるので、噴霧した水を低温に冷却して噴霧する場合、この熱を効率よく気体に伝達できる高熱伝導率の充填材は有用である。材料別熱伝導率を表２に示す。

図２は、本実施形態に係る気液接触用充填要素１０の作製工程を示す。
この作製工程では、金属材料を切削加工する際に、切りくずの形態としては、なめらかで一様な断面を持つ流れ形である。
そして、切りくずの長さＬ＝１０ｍｍ〜１００ｍｍ、厚さＨ＝０．１ｍｍ〜０．３ｍｍおよび幅Ｗ＝１ｍｍ〜２ｍｍとする理由は、下記の通りである。

（１）気液接触用充填要素１０にプレスをかけて圧縮し、シート状のコンパクトな形にして輸送し、気液接触用充填材として使用する際にほぐして使えば輸送費を低減できる。あまり厚すぎると圧縮してもコンパクトにならず、薄いとほぐす際、切れてしまう。
（２）切削加工の条件（切込み、送り）からあまり長いものはできない（１００ｍｍ程度がＭＡＸ）。

（３）幅Ｗ＝１ｍｍ〜２ｍｍ、厚さＨ＝０．１ｍｍ〜０．３ｍｍにすると、ほぐす際、しわができ、絡まりあい、複雑な水の通り道（みずみち）を誘発できる。空隙のあるらせん状や円筒形などは好ましくない。このような金属材料から作られた気液接触用充填要素がらせんや円筒形状をしていると、その内部空隙には外から他の気液接触用充填要素が入り込むことが困難であり、その結果、水の通り道（みずみち）の途中に大きな空間が存在することとなり、その空間により水の流下を単調な下向きな流れにしか形作れず、水を気液接触用充填要素に絡めて保持しづらいこととなるからである。

（４）幅Ｗ＝１ｍｍ〜２ｍｍ、厚さＨ＝０．１ｍｍ〜０．３ｍｍにすると、端部の応力による亀裂１１が発生しやすく、材料体積による表面積の割合が大きくなる。
（５）気液接触装置に設置する際、ほぐした状態で、上から降り積もらせる要領で、敷かれた網の上に乗せる（５００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍで、６ｋｇ、４８ｋｇ／ｍ³の密度が好ましい）。装填は自在で、その作業性から１片は薄く、短尺のものが良い。

次に、本実施形態に係る気液接触用充填要素１０で構成した気液接触用充填材を用いた水噴霧除去装置実験機を説明する。
図３、図４は、水噴霧除去装置実験機２０を示す。
表３に水噴霧除去装置実験機の仕様を示す。

水噴霧除去装置実験機２０は、５００ｍｍ×５００ｍｍ×１５００ｍｍの４つの槽２１，２２，２３，２４を仕切板２５，２６，２７を介して連結し、各槽２１，２２，２３，２４には、上部に噴霧角度１１０°に設定されたノズル２８，２９，３０，３１を配置し、その下部に充填槽３２，３３，３４，３５を配置し、その下部に水槽３６を配置している。

槽２１は、ホルムアルデヒドを含んだ空気を取り込む取込口３７が配置され、そこに濃度測定点１が設定される。
槽２４は、処理後の空気を排気する排気口３８が配置され、ミストエリミネータ３９、加熱コイル４０が配置され、加熱コイル４０の上方にはケミカルフィルタ４１、排気ファン４２を備えた排気装置４３が配置される。加熱コイル４０の下流側では、空気に顕熱のみ与えられ、湿潤ではない所定の温度の空気になるように制御される。加熱コイル４０の上方に濃度測定点２が設定される。

充填槽３２，３３，３４，３５には、それぞれ５００ｍｍ×５００ｍｍ×５００ｍｍの充填槽２１に下部に網が敷いてある上に降り積もらせるように６ｋｇの気液接触用充填要素１０を密度４８ｋｇ／ｍ³で充填することによって構成された、＃１〜＃４の気液接触用充填材が配置されている。そして、通水テストを行い、複雑な水の通り道（みずみち）を確認した。

水槽３６に落下した水は、循環ポンプ４５，４６，４７でノズル２８，２９，３０に供給されている。＃４の槽のノズル３１だけは、補給水が供給される。
仕切板２５は、槽２１の上部から充填槽３２を通して水槽３６との間に隙間ができるように配置され、仕切板２６は、槽２２の上部との間に隙間ができるように配置され、仕切板２７は、槽２４の上部から充填槽３５を通して水槽３６との間に隙間ができるように配置されている。これによって、槽２１から導入された空気は、仕切板２５，２６，２７によって蛇行する。

次に、水噴霧除去装置実験機２０の動作を説明する。
ノズル２８，２９，３０，３１を駆動して、水を噴霧し、＃１〜＃４の気液接触用充填材内に滴下し、流下してきた水を水槽３６内に溜める。水槽３６にはドレンパイプ４８が設けられており、一定の水位が確保されている。水槽３６の水を循環ポンプ４５，４６，４７にて再度ノズル２８，２９，３０へ水を圧送する。空気へ溶け込んだ分（加湿分）と水滴として風に乗っていた分を＃４の気液接触用充填材内にノズル３１から補給水として導入する。

次に、実験方法について説明する。
図４に示すように、定量ポンプ４９を用いて一定速度でホルマリン溶液（３５％水溶液）をホットプレート５０上に滴下し、その空気をフード５１、ダクト５２を介して取込口３７から吸引し装置へ導入する。この速度を変えることによりホルマリンガスの濃度を制御する。

装置には４槽それぞれに２０Ｌ／ｍｉｎの水をノズル２８，２９，３０，３１にて噴射する。
濃度測定点１を１０分おきに計測し、濃度が安定していることを確認する。ここで、定量ポンプ４９の滴下速度で濃度測定点１の濃度を定める。
同時に濃度測定点１および２にて濃度を測定する。

（測定点１濃度−測定点２濃度）÷測定点１濃度にて除去率を求める。
１０分おきに４回測定しその平均値を除去率とした。
なお、濃度測定点１，２は、静圧（圧損）、風量、温度、湿度を測定する。
また、濃度測定点２では、湿度９０％以上では濃度を測定できないため、加熱コイル４０で加熱する（Δｔ＝２℃）。

さらに、ケミカルフィルタ４１では、排気からのホルマリンを除去する。
なお、本実施形態に係る気液接触用充填要素１０で構成した気液接触用充填材の代わりに月島環境エンジニアリング株式会社の樹脂成型（テラレットＳ−Ｏ）を用い、充填材の評価を行った
結果を表４に示す。

本実施形態に係る気液接触用充填要素１０で構成した気液接触用充填材を用いた場合のホルムアルデヒド除去率は９４％であった。これに対し、月島環境エンジニアリング株式会社の樹脂成型（テラレットＳ−Ｏ）を用いた場合のホルムアルデヒド除去率は７０％であった。
これは、本実施形態に係る気液接触用充填要素１０の形状が不均一なため、水の通り道（みずみち）が不規則に発生し、気液の接触機会が増大し、気液接触効率が向上したことによるものと思われる。これに対し、月島環境エンジニアリング株式会社の樹脂成型（テラレットＳ−Ｏ）では、複雑な形状と空隙により充填材の詰め具合により偏った水の通り道（みずみち）が発生し、気液の接触機会が低下し、気液接触効率が低下したことによるものと思われる。

本実施形態に係る気液接触用充填要素１０を用いた気液接触用充填材では、下記の利点が得られた。
Ａ．形状不均一の効果
（１）形状が不均一なため水の通り道（みずみち）が不規則に発生し、気液の接触機会も増大し、気液接触効率を向上させることができる。

（２）大きな個片と小さな個片とが混ざり合っているので、集約すると隙間に小さな個片が入り込み、コンパクトにまとまることができる。
Ｂ．表面亀裂の効果
切削加工時に微細な亀裂が端部に入るので、これにより表面積が増大し、気液接触効率を向上させることができる。

Ｃ．製造方法の簡略化
円筒状の金属材料を円盤ノコで切断するだけで製造可能であるため、製造費が安価である。
これに対し、月島環境エンジニアリング株式会社の樹脂成型（テラレットＳ−Ｏ）を用いた気液接触用充填材では、下記の不具合があった。

Ａ．均一形の個片集合による不具合
（１）複雑な形状と空隙により充填材の詰め具合により偏った水の通り道（みずみち）が発生し、気液接触効率が低下した。
Ｂ．効率アップのために充填材の表面積を上げたことによる不具合
（１）複雑な形状となり、樹脂の場合、高価な金型が必要となる。

（２）複雑な形状となり、金属の場合、切断・折り曲げなどにより加工費が増大する。
（３）輸送時に空隙が多くなり体積が増大する（輸送費増）。
なお、本実施形態では、水溶性ガスとしてホルムアルデヒドについて説明したが、アンモニア、亜硫酸ガスなどでも同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態では、水噴霧除去装置の充填材について説明したが、水と空気の接触による熱交換器（湿式熱交換器）の充填材としても適用することができる。

また、本実施形態では、本発明に係る気液接触用充填要素およびその製法として、円筒状の地金を円板ノコで切削する場合について説明したが、これに限らず、円筒状の地金を回転してバイト状の刃で切削しても、平面上の地金をその平面に平行して移動して刃で切削しても良く、その材料の回転（平行移動）速度によっては、表面に微細な亀裂を有しながら、本実施形態で作製された厚さ０．１ｍｍ〜０．３ｍｍおよび幅１ｍｍ〜２ｍｍの気液接触用充填要素１０とは異なる気液接触用充填要素を得ることが可能である。その場合は、水の通り道（みずみち）の途中に大きな空間が存在しないものであれば、本発明に係る気液接触用充填要素として採用可能である。また、本発明に係る気液接触用充填要素およびその製法として、長さに関しては、切りくず形状の気液接触用充填要素を経済的に作製するため、その切削用の刃をたたいてピッチングなどを発生させないように、刃近傍に曲面を設けて所定の長さに気液接触用充填要素を折ることもあるが、その刃近傍に設ける曲面の曲率によって異なる長さに調整も可能である。その場合も、水の通り道（みずみち）の途中に大きな空間が存在しないものであれば、本発明に係る気液接触用充填要素として採用可能である。

本実施形態に係る気液接触用充填要素を示す斜視図である。本実施形態に係る気液接触用充填要素を製作工程を示す説明図である。本実施形態に係る気液接触用充填要素を用いた水噴霧除去装置実験機を示す説明図である。図３の側面図である。

符号の説明

１０気液接触用充填要素
１１亀裂

Claims

水と気体との接触装置内に用いられ、水の熱を効率よく気体に伝達する気液接触用充填要素であって、
アルミニウム合金である金属材料を切削加工して作製された、内部空隙を形成するらせん状や円筒形を形成しない形状不均一な流れ形切りくず形状を為し、表面に微細な亀裂を有する
ことを特徴とする気液接触用充填要素。
請求項１記載の気液接触用充填要素において、前記気液接触用充填要素は、厚さ０．１ｍｍ〜０．３ｍｍ、長さ１０ｍｍ〜１００ｍｍ、および幅１ｍｍ〜２ｍｍであることを特徴とする気液接触用充填要素。
請求項１または請求項２に記載の気液接触用充填要素の集合物であることを特徴とする気液接触用充填材。
請求項１ないし請求項３の何れか１項記載の気液接触用充填要素の製造方法において、切込み（削り厚さ）０．３ｍｍ以下、送り（刃の移動速度）２．０ｍｍ／ｒｅｖ．でアルミニウム合金である金属材料を切削刃で切削することを特徴とする気液接触用充填要素の製造方法。
請求項４記載の気液接触用充填要素の製造方法において、円筒状の地金を円盤ノコで切削することを特徴とする気液接触用充填要素の製造方法。