JP7239352B2 - 熱交換型反応器、および、吸着式ヒートポンプ - Google Patents
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Description
また、吸着材成形体に、平均一次粒子径が比較的大きな吸着材粒子を用いるため、吸着材粒子の粒子径を小さくする工程が不要となる。これにより、熱交換型反応器の製造コストを低減することができる。
この構成によれば、第2流路を流れる作動流体は、軸心方向が前記第2流路を流通する前記作動流体の流通方向と交差する向きに配置されている穴に流れ込むことで、第2流路での作動流体の流通方向とは異なる方向に作動流体が拡散しやすくなる。これにより、作動流体は、吸着材成形体内に十分に拡散するため、熱変換効率をさらに向上しつつ単位体積当たりの出力をさらに向上することができる。
熱交換型反応器において、作動流体が流れ込む吸着材成形体の凹形状は、内径が小さくなるほど吸着材の充填密度が増大するため、顕熱と冷熱出力との比を向上することができる。しかしながら、例えば、金型を用いて一つの板材に対して凹形状を形成する場合、当該凹形状に対応する金型が小さくなるため、金型の強度の関係上、所望の凹形状が形成できないおそれがある。上記形態の熱交換型反応器の構成によれば、複数の柱状部を配置することによって作動流体が流れ込む凹形状が形成されるため、金型の強度に影響されることなく凹形状の内径を小さくすることができる。これにより、吸着材成形体を、作動流体の拡散の度合いと吸着材成形体の単位体積当たりの吸着材の充填密度とのバランスが取れた構成とすることができるため、熱変換効率をさらに向上しつつ単位体積当たりの出力をさらに向上することができる。また、凹形状の内径が比較的小さい吸着材成形体を簡便に作ることができるため、熱変換効率の向上と単位体積当たりの出力の向上とを両立しつつ、熱交換型反応器の製造コストをさらに低減することができる。
この構成によれば、熱交換流体との間で熱交換する伝熱面と交差する向きの熱伝導性が向上するため、熱的な熱変換効率をさらに向上することができる。
図1は、本実施形態の吸着式ヒートポンプ1の概略構成を示した模式図である。図2は、本実施形態の熱交換型反応器30の模式図である。図3は、本実施形態の吸着材成形体36の模式図である。図4は、本実施形態の吸着材成形体36の表面の模式図である。図5は、図2のA-A線断面図である。
筐体31は、図2に示すように、直方体状の部材であって、吸着材成形体36と熱媒体M1との間の熱交換が可能なように、熱伝導性が高い材料から形成されている。具体的には、筐体31は、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金などの金属から形成されている。また、筐体31は、熱媒体M1や熱交換型反応器30と吸脱着する作動流体の特性に合わせて、耐腐食性などを有する材料から形成されていてもよい。
また、穴37は、断面径yが、300μmとなるように形成されている。穴37の断面径は、50μm以上300μm以下がより好ましく、50μm以上100μm以下がさらに好ましい。これにより、吸着材成形体36の単位体積当たりの吸着材の充填密度を大きくしつつ、水蒸気の拡散性、ひいては、吸脱着反応の速度を優れたものとすることが可能である。
吸着材としては、多孔体であるシリカゲルの粒子が用いられており、平均一次粒子径が30μmから200μmまでの粒状物が、吸着材成形体36に含まれている。本実施形態では、シリカゲル粒子は、物理吸着による水蒸気の固定化と脱離の反応性とをより向上させる観点から、細孔径が10nm以下の孔を有することが望ましく、細孔径の下限は、製造適性などの観点から、0.5nmが望ましい。また、BET法による比表面積は、100m2/g以上1500m2/g以下(より好ましくは、300m2/g以上1000m2/g以下)であることが望ましい。
吸着材成形体36に含有される吸着材は、一般的に熱伝導率が低いため、吸着材を含む吸着材成形体36では、吸脱着反応に伴って吸着材の温度が変化し、平衡関係が変化するため、その後の吸脱着反応が阻害される場合がある。この点に関して、繊維状の熱伝導性材料を、その軸心方向が吸着材成形体36の取り付け面36e、36fと交差するように吸着材成形体36中に含有させることで、吸着材成形体36の内部と熱媒体M1との間の熱交換が効率良く行なわれる。これにより、水蒸気の吸着時には、吸着材成形体36から熱媒体M1への放熱が効率良く行われ、水蒸気の脱離時には、吸着材成形体36の熱媒体M1からの吸熱が効率よく供給され、吸着材成形体36における水蒸気の吸脱着反応の反応速度が向上する。
熱媒体M1を加熱する場合、流通配管20を介して蒸発凝縮器10において生成した水蒸気を熱交換型反応器30の反応室33に送る。反応室33では、供給された水蒸気が吸着材成形体36内に拡散し、吸着材に吸着される。この吸着材での水蒸気の吸着によって発生する熱が、吸着材成形体36と熱媒体流路32を流れる熱媒体M1との温度差によって熱媒体M1に伝わり、熱媒体M1が加熱される。
一方、熱媒体M1の熱を蓄える場合、熱媒体流路32を流れる熱媒体M1の熱が、熱媒体流路32を流れる熱媒体M1と吸着材成形体36との温度差によって吸着材成形体36に伝わる。このとき、吸着材成形体36の吸着材では、熱媒体M1から伝わった熱によって、吸着されていた水蒸気が脱離する。脱離した水蒸気は、水蒸気となって反応室33から流通配管20を通って蒸発凝縮器10に送られる。蒸発凝縮器10では、水蒸気を凝縮し、水として貯留する。
最初に、吸着材成形体36の性能は、以下の3つの項目によって評価される。
(A)吸着材粒子の吸着反応速度
吸着材粒子の吸着反応速度は、吸着材粒子の粒子径や吸着剤内部の細孔構造によって決定され、例えば、式(1)に示す1次元非定常拡散式(拡散モデル)によって演算することが可能である。
複数の穴37を有する吸着材成形体36内での水蒸気の拡散速度は、式(3)に示すハニカム層内のマクロな隙間の水蒸気の輸送現象に関する式を用いて演算することが可能である。
式(5)と式(6)とから明らかなように、分子拡散係数は、吸着材粒子の粒子径が大きくなるほど大きくなる動水半径に比例する。すなわち、吸着材粒子の粒子径が大きくなると、分子拡散係数は、大きくなる。
このように、分子拡散係数と粘性拡散係数とのいずれも、同じ充填密度であれば、吸着材粒子の粒子径が大きくなるほど大きくなることがわかる。すなわち、吸着材粒子の粒子径が大きくなるほど拡散係数が大きくなる。
吸着材成形体36の熱伝導性は、式(9)によって演算することが可能である。
吸着材成形体36における吸着速度を高めるには、吸着材成形体36の熱伝導率を高める必要がある。式(9)から明らかなように、空隙率を小さくしたり、吸着材成形体36における吸着材の充填密度を高めたり、吸着材成形体36の比熱Cpを高めたりすることによって、吸着材成形体36の熱伝導率は高くなる。本実施形態では、熱伝導性材料によって熱伝導率を高めている。
本実施形態では、これらのことを踏まえ、吸着材粒子の平均一次粒子径を大きくすることによって反応速度が低下する代わりに拡散係数を大幅に増大させ、水蒸気の拡散現象も含めた吸着材成形体36全体での反応速度を増大させている。
最初に、熱交換型反応器30の冷熱生成量Q1(kJ)を式(10)によって求める。
また、吸着材成形体36の壁厚bが1200μmの場合、吸着材粒子の粒子径dが、例えば、50μmより小さくなると、吸着材成形体36の反応速度Rtが小さくなる傾向がある。一方、吸着材粒子の粒子径dが30μmから100μmまでの間では、吸着材成形体36の壁厚bが600μmや900μmの場合、反応速度Rtは比較的大きい。
本実施形態の熱交換型反応器30によれば、吸着材成形体36に、平均一次粒子径が30μmから200μmまでの吸着材粒子を用いるとともに、隣り合う穴37の最短の間隔を、500μm以上1000μm以下と、比較的大きくする。これにより、吸着材成形体36における単位体積当たりの吸着材の充填密度を増大することができるため、熱交換型反応器における顕熱と冷熱出力との比を向上することができる。したがって、熱変換効率の向上と単位体積当たりの出力の向上とを両立することができる。
図14は、第2実施形態の熱交換型反応器40の概略構成を示した説明図である。第2実施形態の熱交換型反応器40は、第1実施形態の熱交換型反応器30(図5)と比較すると、吸着材成形体の構成が異なる。
吸着材成形体46は、シリカゲル粒子を用いて成形されたものであり、図14のように、柱状に形成されている複数のシリカゲル柱46aから構成されている。シリカゲル柱46aは、シリカゲル粒子と、バインダーと、繊維状の熱伝導性材料と、を含有している。
本実施形態の熱交換型反応器40によれば、複数のシリカゲル柱46aを配置することによって水蒸気が流れ込む凹み47が形成されるため、金型の強度に影響されることなく凹み47の大きさを小さくすることができる。これにより、吸着材成形体36を、水蒸気の拡散の度合いと吸着材成形体36の単位体積当たりの吸着材の充填密度とのバランスが取れた構成とすることができるため、熱変換効率をさらに向上しつつ単位体積当たりの出力をさらに向上することができる。
本発明は上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上述の実施形態では、吸着材成形体は、軸心方向が、吸着材成形体の取り付け面と交差する向きに配置されている熱伝導性材料を含有するとした。しかしながら、熱伝導性材料が、吸着材成形体において配置される向きはこれに限定されない。
ただし、熱交換の効率をより向上させ、吸脱着反応の反応速度をより向上させる観点から、熱伝導性材料は、軸心方向が反応室33において水蒸気が流通する方向に対して45°以上となるように配置されていることが望ましい。この場合、例えば、繊維状の熱伝導性材料の軸心方向が水蒸気の流通方向に対してランダムな方向となっている場合など、軸心方向が水蒸気の流れる方向に対して45°未満となるように配置されている熱伝導性材料が含まれていてもよい。ここで、熱伝導性材料の軸心方向が水蒸気の流れる方向に対して45°以上であるとは、軸心方向と水蒸気の流れる方向とのなす角度のうち、最小の角度が45°以上であることを意味する。
また、吸着材成形体は、熱伝導性材料を含有していなくてもよい。
第2実施形態では、シリカゲル柱46aは、軸心方向に垂直な断面が円形状に形成されているとした。しかしながら、シリカゲル柱46aの断面形状は、これに限定されない。正方形であってもよいし、多角形であってもよい。
熱交換型反応器において、反応室33と熱媒体流路32との配設数に特に限定はなく、熱交換型反応器の熱量に対する容量や、吸着材成形体の伝熱面の面積などを考慮して適宜設定することができる。
上述の実施形態では、吸着材として、シリカゲルを用いるとした。しかしながら、吸着材の種類は、これに限定されない。シリカゲルのほか、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、粘土鉱物等が挙げられる。粘土鉱物としては、非架橋の粘土鉱物であっても、架橋された粘土鉱物(架橋粘土鉱物)であってもよい。粘土鉱物の例として、セピオライト、スメクタイト系粘土(サポナイト、モンホリロナイト、ヘクトライト、等)、4-珪素雲母、雲母、バーミキュライトなどが挙げられ、中でもセピオライトが望ましい。
10…蒸発凝縮器
20…流通配管
21…バルブ
30、40…熱交換型反応器
31…筐体
32…熱媒体流路
32a、32b、33a…マニホールド
33…反応室
33b…天面
33c…底面
34a、34b…熱媒体配管
36、46…吸着材成形体
36a、36b…シリカゲル板
36c、36d、46b…流路形成面
36e、36f…取り付け面
37…穴
46a…シリカゲル柱
47…凹み
Claims (3)
- 吸着材が作動流体を吸着することで熱交換流体に熱を放出し、前記吸着材が作動流体を脱離することで熱交換流体の熱を吸収する熱交換型反応器であって、
前記熱交換流体が流通する第1流路と、
前記作動流体が流通する第2流路と、
前記第2流路内に配置される吸着材成形体であって、複数の吸着材と、複数の前記吸着材を互いに結合して前記吸着材成形体の形状とするためのバインダーと、を含んでおり、前記作動流体が流れ込む複数の凹形状を有する吸着材成形体と、を備え、
前記吸着材成形体は、前記吸着材を含有する複数の柱状部を有しており、
複数の前記柱状部は、軸心方向が前記第2流路を流通する前記作動流体の流通方向と交差する向きに配置され、
前記吸着材成形体に含有されている前記吸着材は、平均一次粒子径が30μmから200μmまでの吸着材粒子であって、
前記凹形状は、複数の前記柱状部の間に配置されており、
前記凹形状間の間隔は、前記柱状部の軸心方向に垂直な断面の外径であって、500μm以上1000μm以下である、
熱交換型反応器。 - 請求項1に記載の熱交換型反応器であって、
前記吸着材成形体は、前記第1流路を流通する前記熱交換流体との間で熱交換する伝熱面を有し、
前記吸着材成形体は、軸心方向が前記伝熱面と交差する向きに配置されている繊維状の熱伝導性材料を含有する、
熱交換型反応器。 - 請求項1または請求項2に記載の熱交換型反応器を備える吸着式ヒートポンプ。
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