JP6249765B2 - 吸着式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、吸着式熱交換器に関する。

特許文献１には、有機高分子系の吸着材を用いて湿度コントロールを行う吸着式熱交換モジュールが開示されている。

特開２００６−２００８５０号公報

特許文献１に示す吸着式熱交換モジュールは、複数の伝熱管が間隔を開けて互いに平行に配置された吸着式熱交換器を有している。
この吸着式熱交換器では、高分子系の吸着材が塗布されたフィンが伝熱管に取り付けられており、伝熱管と伝熱管の間の間隙には、伝熱管の長手方向に沿って複数のフィンが配置されている。
フィンに塗布された高分子系の吸着材の各々は、伝熱管内を通流する熱交換媒体により加熱／冷却されるようになっており、吸着式熱交換器では、吸着材の加熱／冷却により、水などの吸着質を、吸着材に対して脱離／吸着させるようになっている。

ここで、吸着材の量を増やして、吸着式熱交換モジュールの吸着性能を向上させようとした場合、フィンに対する高分子系の吸着材の塗布量を増やすことが考えられる。
しかし、高分子系の吸着材の塗布量を増やしても、高分子系の吸着材は熱伝導性が低く、伝熱管の熱が伝わりにくいので、高分子系の吸着材を適切に加熱／冷却することができないために、吸着質の吸着材に対する脱離／吸着を、適切に行うことが難しかった。

よって、高分子系の吸着材を作用する吸着式熱交換において、吸着材量を増やしても、吸着質の吸着材に対する脱離／吸着を、適切に行えるようにすることが求められている。

本発明は、伝熱管の加熱／冷却により吸着材を加熱／冷却して、前記吸着材への吸着質の脱離／吸着を行うように構成した吸着式熱交換器において、
前記伝熱管を、間隙を空けて複数設けると共に、
前記間隙に、高分子系の吸着材と、当該高分子系の吸着材よりも熱伝導性の高い繊維状の伝熱促進部材との混合材を充填し、
前記間隙に充填された混合材における前記繊維状の伝熱促進部材の密度を、前記伝熱管の近傍ほど高くした構成の吸着式熱交換器とした。

本発明によれば、高分子系の吸着材に、当該高分子系の吸着材よりも熱伝導性の高い繊維状の伝熱促進部材が混ぜられているので、伝熱管の熱を、伝熱促進部材を介して高分子系の吸着材の全体に伝えることができる。
よって、吸着材の量を増やしても、伝熱管を加熱／冷却した際に、高分子系の吸着材の全体を加熱／冷却できるので、吸着材への吸着質の脱離／吸着を適切に制御できるようになる。

実施の形態にかかる吸着式熱交換器を説明する図である。 実施の形態にかかる吸着材を説明する図である。 実施の形態にかかる吸着材を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を、車両用エアコンを作動させる際に使用する圧縮機に適用した場合を例に挙げて説明する。
図１は、実施の形態にかかる吸着式熱交換器１００を適用した圧縮機１を説明する図である。なお、図１では、圧縮機１の形状を、説明の便宜上、模式的に示している。

圧縮機１は、吸着式熱交換器１００の吸着材が、水分などの吸着質を吸着する力（吸着力）を利用して、吸着式熱交換器１００を収容した容器１０内の圧力を変化させる装置であり、例えば車両用の空調装置に採用されている。

この圧縮機１では、円筒形状の容器１０の一端側に、図示しないエバポレータ（蒸発器）に接続された供給管１２が接続されており、他端側に、図示しないコンデンサ（凝縮器）に接続される排出管１４が接続されている。

圧縮機１では、エバポレータ側から供給管１２を介して供給された流体が、容器１０内を通過したのち、排出管１４を介してコンデンサ側に供給されるようになっている。
そして、流体が容器１０内を通過する際に、容器１０内に配置された吸着式熱交換器１００で、流体に含まれる吸着質の吸着、または吸着式熱交換器１００の吸着材に吸着されている吸着質の放出を行うことで、容器１０内の圧力が減圧、または加圧されるようになっている。

以下、吸着式熱交換器１００の具体的な構成を説明する。
図２は、実施の形態にかかる吸着式熱交換器１００を説明する図であり、（ａ）は、吸着式熱交換器１００の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面の拡大図である。図３は、図２の（ａ）における領域Ｐの拡大図である。
なお、図２および図３では、吸着式熱交換器１００および混合材２００を、説明の便宜上、模式的に示している。

吸着式熱交換器１００は、分岐用タンク１２０と合流用タンク１４０との間で互いに並列に配置した伝熱管１３０と伝熱管１３０の間隙Ｌ１に、高分子系の吸着材２１０と繊維状の伝熱促進部材２２０の混合材２００を充填した基本構成を有している。

吸着式熱交換器１００では、熱交換媒体Ｂ（温水または冷水）が供給される供給管１１０と、複数の伝熱管１３０の一端とが、分岐用タンク１２０を介して接続されており、供給管１１０を介して供給された熱交換媒体Ｂが、分岐用タンク１２０で分岐されて、各伝熱管１３０に供給されるようになっている。
さらに、複数の伝熱管１３０の一端と、排出管１５０とが、合流用タンク１４０を介して接続されており、各伝熱管１３０を通流した熱交換媒体Ｂが、合流用タンク１４０を通って、排出管１５０から排出されるようになっている。

伝熱管１３０は、熱伝導率の高いアルミニウムまたは銅で形成された筒状の部材であり、内部を流れる熱交換媒体Ｂの高温／低温の熱を、隣接する伝熱管１３０との間隙Ｌ１に充填された混合材２００に伝達するために複数設けられている。

吸着式熱交換器１００は、複数の伝熱管１３０を容器１０の長手方向に対してほぼ直交させた向きで容器１０内に配置されており、複数の伝熱管１３０は、容器１０内を通過する流体の移動方向を横切る向きで配置されている（図１参照）。

この吸着式熱交換器１００では、伝熱管１３０内を通流させた高温／低温の熱交換媒体Ｂにより伝熱管１３０を加熱／冷却することで、伝熱管１３０と伝熱管１３０との間隙Ｌ１に充填された混合材２００が加熱／冷却されて、混合材２００に含まれる吸着材２１０が、容器１０内を通過する流体に含まれる吸着質の吸着、または吸着式熱交換器１００の吸着材２１０に吸着されている吸着質の流体への放出を行うようになっている。

ここで、例えば、圧縮機１の容器１０内を通過する流体が水分（吸着質）を含む気体である場合には、混合材２００（吸着材２１０）を冷却すると、気体中の水分が吸着材２１０に吸着されて、容器１０内の圧力が低下し、混合材２００（吸着材２１０）を加熱すると、吸着材２１０に吸着されていた水分が放出されて、容器１０内の圧力が上昇することになる。

以下、混合材２００について説明する。
図２の（ｂ）および図３に示すように、混合材２００は、各々の伝熱管１３０と伝熱管１３０の間隙Ｌ１を含む想像線Ｓで示す範囲に設けられている。

実施の形態では、粒子状の吸着材２１０に、繊維状の伝熱促進部材２２０を混合したものを混合材２００として採用している。

吸着材２１０は、高分子系の吸着材（収着剤）であり、水との親和性の高い官能基を有する高分子系の材料を粒子状にしたものや、表面に多くの微細孔が形成された多孔質構造の球状の架橋高分子材料などを採用している。
このようなものとして、例えば、三菱化学製のダイヤイオン（登録商標）やセパビーズ（登録商標）が挙げられる。

ここで、高分子材料から成る吸着材２１０は熱伝導率が低いので、伝熱管１３０から伝熱された熱が、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２１０まで伝わり難くなっている。
特に、実施の形態では、粒子状の吸着材２１０を採用しており、粒子状の吸着材２１０は、隣接する他の粒子状の吸着材２１０との接触面積が小さいので、伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１に充填した混合材２００を、粒子状の吸着材２１０のみにすると、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状の吸着材２１０への熱の伝わりがさらに悪くなる。

そのため、実施の形態では、吸着材２１０に、伝熱材としての役割を果たす繊維状の伝熱促進部材２２０を混ぜており、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２１０であっても、伝熱促進部材２２０を介して、熱を伝えることができるようにしている。

伝熱促進部材２２０は、吸着材２１０よりも高い熱伝導率の材料で形成されており、実施の形態では、銅（銅合金を含む）やアルミニウム（アルミニウム合金を含む）などの非鉄系の金属材料や、鉄系の金属材料（鉄）から、伝熱促進部材２２０を構成している。

なお、伝熱促進部材２２０を構成する材料は、伝熱管１３０を構成する材料との電位差が小さいものであることが好ましい。
圧縮機１の容器１０内を通流する流体が水である場合には、伝熱促進部材２２０を構成する材料と、伝熱管１３０を構成する材料との電位差が大きいと、一方の材料が腐食する虞れがあるからである。

伝熱促進部材２２０は、上記の金属材料を繊維状にしたものであり、実施の形態では、平均長さが伝熱管１３０と伝熱管１３０の間隙Ｌ１の１／２以上であるものを、伝熱促進部材２２０として採用している。

図３に示すように、実施の形態において伝熱促進部材２２０は、伝熱管１３０の近傍領域（第１領域Ｑ１）での密度のほうが、隣接する伝熱管１３０と伝熱管１３０の中間領域（第２領域Ｑ２）での密度よりも高くなるように設けられており、伝熱管１３０に近づくにつれて、伝熱促進部材２２０の密度が高くなっている。これは、伝熱材としての役割を果たす伝熱促進部材２２０と伝熱管１３０との接触機会を増やすためである。

ここで、伝熱促進部材２２０は、長手方向における一端側が、伝熱管１３０の表面と接触し、他端側が、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の領域（第２領域Ｑ２）内に位置するように設けられていることが好ましい。
そして、伝熱促進部材２２０は、伝熱管１３０の径方向に延びるように配置されており、伝熱管１３０周りの周方向で、放射状に配置されることが好ましい。

このように伝熱促進部材２２０を設けると、伝熱促進部材２２０が、伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１に充填された混合材２００内の略全域に行き渡るので、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２１０であっても、伝熱促進部材２２０と接触している限り、伝熱管１３０の高温／低温の熱を伝達できるようになる。

つまり、伝熱管１３０が加熱／冷却されると、伝熱管１３０の表面と接触している伝熱促進部材２２０が始めに加熱／冷却されたのち、この加熱／冷却された伝熱促進部材２２０に接触している吸着材２１０が全長に亘って加熱／冷却されるので、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２１０であっても、伝熱促進部材２２０に接触している限り、伝熱促進部材２２０を介して伝達された熱により加熱／冷却されることになる。
よって、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２１０を、応答性良く加熱／冷却することができるので、吸着材２１０への吸着質の脱離／吸着を適切に制御できることになる。

前記したように、伝熱促進部材２２０は、隣接する伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１の１／２以上の長さのものが用いられている。
そのため、伝熱促進部材２２０が、複雑に屈曲した状態で間隙Ｌ１内に配置された場合であっても、伝熱促進部材２２０の他端側が、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の中間領域（第２領域Ｑ２）まで到達できるようになっている。これにより、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２１０に、伝熱管１３０の高温／低温の熱を確実に伝達できるようになっている。

また、伝熱促進部材２２０の長さを、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の間隙Ｌ１の１／２以上の長さにすることで、隣接する伝熱管１３０、１３０のうちの一方から延びる伝熱促進部材２２０と、他方から延びる伝熱促進部材２２０とが、伝熱管１３０、１３０の間の中間領域（第２領域Ｑ２）で絡み合うように設けられるようになっている。
そのため、伝熱材（熱媒体）としての役目を果たす伝熱促進部材２２０により、伝熱管１３０、１３０の間の中間領域（第２領域Ｑ２）の略全域に亘って、伝熱管１３０の高温／低温の熱を伝達できるようになる。

なお、伝熱促進部材２２０を、隣接する伝熱管１３０、１３０の両方に接触するように設けるようにしても良い。このようにすると、１本の伝熱促進部材２２０に対して、ふたつ伝熱管１３０、１３０から熱が伝わるようになるので、伝熱管１３０、１３０を加熱／冷却した際に、伝熱促進部材２２０をより迅速に加熱／冷却できるようになることが期待されるからである。

次に、吸着材２１０と伝熱促進部材２２０の混合および間隙Ｌ１への充填方法の一例について説明する。

初めに、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の間隙Ｌ１に、伝熱促進部材２２０を充填する。
ここで、伝熱管１３０、１３０の間での伝熱促進部材２２０の保持は、（ａ）伝熱促進部材２２０を伝熱管１３０の外周に絡めるように設ける、（ｂ）伝熱管１３０の外周に塗布した接着剤に接着させる、などの伝熱管１３０、１３０の間に伝熱促進部材２２０を保持させることのできる任意の方法にて行うことができる。

（ｂ）の方法にて、伝熱促進部材２２０を伝熱管１３０に保持させる場合には、伝熱管１３０の外周の全周に亘って接着剤を塗布するのではなく、伝熱促進部材２２０の端部のみを接着するように設けることが好ましい。
この場合には、端部側が伝熱管１３０に保持された繊維状の伝熱促進部材２２０の端部側を、伝熱管１３０の外周のうち接着剤が塗布されていない領域に巻き付けるようにして設けることで、伝熱管１３０を加熱／冷却した際の熱を、伝熱管１３０の外周に巻き付けた部分から伝熱促進部材２２０に伝えることができるので、接着剤が熱伝導性の低い材料で構成されている場合であっても、伝熱促進部材２２０の加熱／冷却が阻害されないようにすることが可能だからである。

続いて、伝熱促進部材２２０が配置された伝熱管１３０、１３０の間の間隙Ｌ１に、粒子状の吸着材２１０を充填する。
この際に、伝熱促進部材２２０の上に吸着材２１０を散布したのち、いわゆるタッピングによる振動を加えて、絡み合った伝熱促進部材２２０の間に吸着材２１０が入り込むようにすることが好ましい。

なお、吸着材２１０の脱落を防止するために、気体透過性の材料から成るシートであって、吸着材２１０の粒子径よりも小さい開口を有するものを、吸着式熱交換器１００で並列に配置された伝熱管１３０を囲むように設けて、このシートの内側に、吸着材２１０と伝熱促進部材２２０との混合材である混合材２００を収容して、混合材２００と、伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１と、伝熱管１３０の周囲に配置するようにしても良い。

このようにして、吸着材２１０と伝熱促進部材２２０との混合材である混合材２００を、伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填すると、伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１と、伝熱管１３０の周囲に混合材２００が配置された吸着式熱交換器１００を得ることができる。

さらに、吸着材２１０と伝熱促進部材２２０の混合材に、吸着材２１０の吸着性能が大きく損なわれない程度の圧力をかけることで、混合材２００を所定の形状を保持できる程度で成型し、成型した混合材を伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填するようにしても良い。

以上の通り、実施の形態では、
伝熱管１３０の加熱／冷却により混合材２００を加熱／冷却して、混合材２００への水分（吸着質）の脱離／吸着を行うように構成した吸着式熱交換器において、伝熱管１３０を、間隙Ｌ１を空けて複数設けると共に、間隙Ｌ１に、粒子状の吸着材２１０（高分子系の吸着材）と、吸着材２１０よりも熱伝導性の高い繊維状の伝熱促進部材２２０を混ぜた混合材を充填する構成とした。

吸着材２１０は、熱伝導性が低いので、伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填した混合材２００を粒子形状の吸着材２１０のみにすると、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２１０への熱の伝わりが悪くなる。そうすると、伝熱管１３０を加熱／冷却した際に、吸着材２１０を応答性よく加熱／冷却することが難しくなるので、吸着材２１０への水分（吸着質）の脱離／吸着の制御が難しくなる。
上記のような構成にすると、混合材２００には、吸着材２１０の他に、吸着材２１０よりも熱伝導性の高い繊維状の伝熱促進部材２２０が混ぜられているので、この伝熱促進部材２２０が伝熱材の役割を果たすことで、伝熱管１３０の熱を、伝熱促進部材２２０を介して高分子系の吸着材２１０の全体に確実に伝えることができる。

繊維状の伝熱促進部材２２０は、少なくとも長手方向の一端側が伝熱管１３０に接触して設けられている構成とした。

このような構成にすると、繊維状の伝熱促進部材２２０は、伝熱管１３０の熱を長手方向の他端側まで伝達できるので、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２１０であっても、伝熱促進部材２２０に接触している限り熱を伝えることができるので、伝熱管１３０を加熱／冷却した際に、伝熱管１３０から離れた位置にある混合材２００を応答性良く加熱／冷却して、混合材２００に含まれる吸着材２１０への水分（吸着質）の脱離／吸着を適切に制御できるようになる。

前記した実施の形態では、伝熱促進部材２２０は、銅やアルミ二ウムなどの非鉄金属や鉄などの金属である場合を例示したが、吸着材２１０よりも熱伝導率が高い材料や、熱伝導率が高く、さらに吸着材としても機能する材料であれば、これらの非鉄金属や金属の代わりに採用することが可能である。
このような材料として、例えば、鉄などの金属繊維、銅やアルミニウムなどの非鉄金属繊維、炭素繊維、活性炭繊維、またはこれらの混合材料も好適に使用可能である。
また、グラファイト、シリカゲル、活性アルミナ、活性ボーキサイト、合成シリカゲルなどを繊維形状とした材料や、またはこれらの材料を組み合わせた繊維材料も好適に使用可能である。

このように構成することによっても、前記した実施の形態の場合と同様の効果が奏されることになる。

さらに、前記した実施の形態では、高分子系の吸着材が粒子状である場合を例に挙げて説明をしたが、繊維状に形成した高分子系の吸着材を用いるようにしても良い。
このようにすると、混合材２００を、繊維状の高分子系の吸着材と繊維状の伝達促進部材とを絡めて構成すると、混合材２００に特定の形状を持たせることが可能となるので、伝熱管１３０、１３０の間隙への混合材の充填を容易に行えるようになることが期待される。

なお、前記した実施の形態では、伝熱促進部材２２０が高分子吸着材２１０よりも高い熱伝導率の金属材料である場合を例に挙げて説明をしたが、伝熱促進部材２２０は、伝熱管１３０との電位差が小さい金属材料から構成することが好ましい。
このように構成すると、圧縮機１の容器１０内を通流する流体が水である場合には、伝熱促進部材２２０を構成する材料と、伝熱管１３０を構成する材料との電位差が小さいので、電位差に起因する腐食を防止することができる。

なお、前記した粒子状の高分子系の吸着材と繊維状の伝達促進部材との混合材を、熱導電性の高い繊維を編み込んで形成した袋に収容し、混合材を収容した袋を、伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１に充填するようにしても良い。
このように得することによっても、伝熱管１３０、１３０の間隙への混合材の充填を容易に行えるようになることが期待されると共に、伝熱管１３０、１３０の熱を、袋の内部に収容された混合材に迅速に伝えることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれる。

１ 圧縮機
１００ 吸着式熱交換器
１１０ 供給管
１２０ 分岐用タンク
１３０ 伝熱管
１４０ 合流用タンク
１５０ 排出管
２００ 混合材
２１０ 吸着材（高分子系の吸着材）
２２０ 伝熱促進部材
Ｂ 熱交換媒体
Ｌ１ 間隙

Claims (6)

1. 伝熱管の加熱／冷却により吸着材を加熱／冷却して、前記吸着材への吸着質の脱離／吸着を行うように構成した吸着式熱交換器において、
   前記伝熱管を、間隙を空けて複数設けると共に、
   前記間隙に、高分子系の吸着材と、当該高分子系の吸着材よりも熱伝導性の高い繊維状の伝熱促進部材との混合材を充填し、
   前記間隙に充填された混合材における前記繊維状の伝熱促進部材の密度を、前記伝熱管の近傍ほど高くしたことを特徴とする吸着式熱交換器。
2. 伝熱管の加熱／冷却により吸着材を加熱／冷却して、前記吸着材への吸着質の脱離／吸着を行うように構成した吸着式熱交換器において、
   前記伝熱管を、間隙を空けて複数設けると共に、
   前記間隙に、高分子系の吸着材と、当該高分子系の吸着材よりも熱伝導性の高い繊維状の伝熱促進部材との混合材を充填し、
   前記繊維状の伝熱促進部材は、平均長さが、前記伝熱管の間隙の１／２以上であることを特徴とする吸着式熱交換器。
3. 前記繊維状の伝熱促進部材は、少なくとも長手方向の一端側が伝熱部材に接触して設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の吸着式熱交換器。
4. 前記高分子系の吸着材は、粒子状または繊維状の吸着材であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の吸着式熱交換器。
5. 前記伝熱促進部材は、金属繊維と、非鉄金属繊維と、炭素繊維と、活性炭繊維とのうちの少なくともひとつであることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の吸着式熱交換器。
6. 前記伝熱促進部材は、前記伝熱管との電位差が小さい金属材料から構成した金属繊維であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか一項に記載の吸着式熱交換器。

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