JPH0658644A - 熱交換用金属管及び吸着式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 吸着塔における吸着材の吸脱着が短時間で実
施可能な吸着式ヒートポンプの提供。 【構成】 熱交換用金属管１１は、熱交換流体が流通可
能な中心孔１３と、外周面に吸着材１４が固定された固
定層１５とを有している。固定層１５は吸着材１４とし
てシリカゲルを４２メッシュまで粉砕し、酢酸ビニル系
バインダを混合して銅管１７の外周面に接着し１１０℃
で６時間焼成することにより成形した。吸着式ヒートポ
ンプの吸着塔に、作動流体としての水が流通可能な空間
を残すようにして複数の熱交換用金属管１１を配置する
ことにより、吸着材が吸脱着して温度変化が生じた後熱
交換が効率的に行われ、更に作動流体が吸着塔内を均一
に拡散し吸着量分布に大きな偏りを生じないという効果
があった。これにより、従来の吸着式ヒートポンプに比
べ、１サイクルに要する時間が短縮化された。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱交換効率の優れた熱交
換用金属管と、その熱交換用金属管を利用した吸着式ヒ
ートポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種工業プロセスから様々な温度
レベルの排熱が大量に排出されている。なかでも１００
℃以下の有効熱エネルギーは総排熱の３／４以上を占め
るにも関わらず、その大半は利用されないまま廃棄され
ているのが現状である。このような低温排熱を質的レベ
ルの高い熱エネルギーに変換する技術の一つとして吸脱
着に伴う発熱・吸熱を利用する吸着式ヒートポンプが知
られている。吸着式ヒートポンプは以下に掲げる特徴を
備えているため、有用視されている。 熱源温度や排出量の低下による能力低下が小さい。 １００℃以下の低温熱源でも操作が可能である。 蓄熱・冷熱効果がある。 使用する吸着材は安全性が高く、腐食性がない。 原理的には、機械的動力を必要としない。

【０００３】従来の吸着式ヒートポンプは、作動流体と
吸着材を適宜選択し、蒸発器、凝縮器及び吸着材を有す
る吸着塔を備えたものが知られていた。この吸着材とし
ては粉末又は粒状が多用されていたため、吸着塔は吸着
材を通気性良く充填するという、いわゆる充填方式によ
り形成するのが主流であった。

【０００４】吸着式ヒートポンプの原理を図１０及び図
１１により説明する。冷却モードでは図１０の吸着式ヒ
ートポンプ１１０を、まずバルブ１１７により蒸発器１
１３と吸着塔１１１とを連結して蒸発器１１３より作動
流体１１９を蒸発させ、吸着塔１１１内の吸着材１２１
に所定の吸着量に達するまで吸着させる。このとき、作
動流体１１９の蒸発により蒸発器１１３の温度が低下
し、蒸発器１１３内の熱交換器を通して温度Ｔ_aの水を
温度Ｔ_coldまで低下させることができる。一方、吸着塔
１１１内の熱交換器は温度Ｔ_aの水を流すことにより吸
着材１２１を冷却する。作動流体１１９の吸着量が所定
量に達したらバルブ１１７を切換え、吸着塔１１１と凝
縮器１１５を接続し、吸着塔１１１に熱源温度Ｔ_{re g}の
温水を流して昇温し、作動流体１１９を吸着材１２１か
ら脱着して凝縮器１１５で凝縮させる。このとき凝縮器
１１５には温度Ｔ_aの水を流す。脱着が終了した段階で
１サイクルが完了し、再び吸着過程を行う。

【０００５】昇温モードでは図１１に示したように、ま
ずバルブ１１７により蒸発器１１３と吸着塔１１１を連
結し、両方に熱源温度Ｔ_sの温水を流しながら吸着材１
２１に作動流体１１９を吸着させる。このとき、吸着材
１２１の吸着熱により吸着塔１１１の温度が上昇し、吸
着塔１１１内を流れる熱源温度Ｔ_sをＴ_hotまで昇温させ
ることができる。作動流体１１９の吸着量が所定量に達
したらバルブ１１７を切換え、吸着塔１１１と凝縮器１
１５を接続し、吸着塔１１１に熱源温度Ｔ_regの温水を
流して昇温し、作動流体１１９を吸着材１２１から脱着
して凝縮器１１５で凝縮させる。このとき凝縮器１１５
に温度Ｔ_aの水を流す。脱着が終了した段階で１サイク
ルが完了し、再び吸着過程を行う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の吸
着式ヒートポンプでは、冷却モード及び昇温モードのい
ずれにおいても１サイクルに要する時間が長いことが問
題となっていた。この主な原因は、吸着塔における吸着
材と熱交換流体との熱交換が迅速に行われなかったこと
にあった。即ち、従来の吸着式ヒートポンプの吸着塔
は、粉末あるいは粒状の吸着材を充填することにより形
成されていたため、圧力損失が大きく、作動流体の吸着
塔内における拡散が不均一になり、吸着塔内の吸着量分
布の偏りが起こりやすかった。ところがこの吸着塔で
は、熱交換流体と距離を隔てた場所に位置する吸着材
は、熱交換流体との熱交換はほとんど行われず、近接し
た他の吸着材によって熱伝導を受けるかあるいは吸着塔
を流通する作動流体によって熱伝導を受けるのみである
ため、前述の吸着量分布の偏りが生じると吸着塔内を所
定の温度に制御するのに長時間を要した。

【０００７】吸着の際に吸着材の温度が設定した温度以
上になると、発熱反応の平衡は生成系よりも反応系に片
寄るため吸着材の吸着能力が減少し、結果的に吸着速度
が遅くなる。一方、脱着の際には吸着材に吸着熱相当の
熱を効率的に付与しないと、吸熱反応の平衡は反応系に
片寄り脱着速度が低下してしまう。このような理由か
ら、従来の充填方式による吸着塔を有する吸着式ヒート
ポンプでは、吸着時間と脱着時間が１サイクルに要する
時間の律速となっていた。

【０００８】以上の課題を解消するため本発明は、吸着
塔における吸着材の吸脱着が短時間で実施可能な吸着式
ヒートポンプの提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段及び作用】上記の課題を解
決するため、第１発明の熱交換用金属管は、熱交換流体
が流通可能な中心孔と、外周面に吸着材が層状に固定さ
れた固定層とを有することを要旨とする。

【００１０】第２発明の吸着式ヒートポンプは、作動流
体を吸着することにより発熱し、吸熱することにより前
記作動流体を脱着する吸着材を有する吸着塔と、前記吸
着塔に連結された蒸発器と、前記吸着塔に連結された凝
縮器とを備えた吸着式ヒートポンプにおいて、前記吸着
塔には、前記作動流体が流通可能な空間を残すようにし
て第１発明の熱交換用金属管が配置されたことを要旨と
する。

【００１１】以下、本発明の構成及び作用について詳述
する。まず第１発明の熱交換用金属管について説明す
る。使用する金属管の種類は特に限定しないが、例え
ば、銅、ステンレス、アルミ等及びこれらを含んだ合金
などが好ましく、特に銅が好ましい。また金属管は熱交
換流体が流通可能な中心孔を有する構造であること以外
特に限定しないが、例えばフィン付管構造の場合、熱交
換効率の点から特に好ましい。

【００１２】吸着材としては特に限定しないが、例えば
シリカゲル、活性アルミナ、活性炭、ゼオライト、モレ
キュラーシービングカーボンなどが好ましく、特にシリ
カゲル、活性炭が好ましい。また、吸着材の物性につい
ては、粒径２ｍｍ以下、細孔容積０．３ｍｌ／ｇ以上、
比表面積６００ｍ² ／ｇ以上であることが好ましい。

【００１３】吸着材を金属管外周面に固定したときの固
定層の厚さは、金属の外周面に接触する部分と固定層の
外周面との間に極度の温度分布を生じさせないために、
１〜６ｍｍであることが好ましく、２〜３ｍｍであるこ
とが特に好ましい。厚さが下限以下になると固定層を成
形する上での強度に問題があり、上限以上になると熱交
換流体との熱交換の効率の低下、固定層内での吸着量の
分布の偏りが極度に大きくなること等が危惧される。

【００１４】固定層の成形方法は特に限定しないが、吸
着材に接着用の合成樹脂を含有させたものを金属管外周
面に塗布した後焼成により層を成形する方法などが一般
的である。なお熱交換流体については、通常用いられる
ものであれば液体、気体を問わずに使用してよいが、液
体としては水、オイルなどが好ましく、気体としては空
気、窒素、炭酸ガスなどが好ましい。

【００１５】第１発明の熱交換用金属管を使用すれば、
金属管の熱伝導性が高いこと、固定層が金属管の中心孔
を流れる熱交換流体と充分速い速度で熱交換できること
から、金属管の外周面に固定層として形成された吸着材
を熱交換流体により迅速に温度制御することが可能とな
る。

【００１６】続いて第２発明の吸着式ヒートポンプにつ
いて説明する。第２発明の吸着式ヒートポンプに使用さ
れる作動流体は、通常の吸着式ヒートポンプに使用可能
なものであればよく、例えば水、低級アルコール、芳香
族炭化水素、アンモニア、アセトンなどが挙げられる。
特に蒸発潜熱、蒸気圧、毒性などを考慮すると、水、エ
タノールが好ましい。

【００１７】吸着塔は、作動流体が流通可能な空間を残
すようにして複数の第１発明の熱交換用金属管が配置さ
れているが、ここで作動流体が流通可能な空間とは、蒸
発器において気化した作動流体又は吸着材から脱着した
作動流体が、吸着塔の内部全体を均一に拡散できるのに
充分な空間を意味する。この空間の存在により、吸着塔
内での軸方向の吸着量分布の偏りが減少し、吸着材の吸
着及び脱着時間を短縮化できる。

【００１８】第２発明の吸着式ヒートポンプは、冷却モ
ード又は昇温モードにおける吸着過程では、吸着塔内の
吸着材が作動流体を吸着することにより発生する吸着熱
を、第１発明の熱交換用金属管を使用することによりき
わめて迅速に吸着材から除去することができる。その結
果、吸着速度を低下させることなく所定の吸着量に速や
かに達することができる。また脱着過程では熱交換流体
から吸着熱に相当する熱量を迅速に吸着材に付与するこ
とができるため、吸着材を速やかに再生することができ
る。

【００１９】

【実施例】本発明の好適な実施例について以下に説明す
る。図１に第１実施例の吸着式ヒートポンプ１０を示
す。本実施例の構成は、吸着塔１、蒸発器／凝縮器３及
び連結管５からなっている。また吸着系には吸着材とし
てシリカゲルを、作動流体として水を使用し、熱交換流
体には所定温度に設定した水を使用した。

【００２０】本実施例では蒸発器と凝縮器を別々の構成
にせず、同一の機器を使用目的に応じて蒸発器、あるい
は凝縮器に使い分けることとし、この機器を蒸発器／凝
縮器３とした。この蒸発器／凝縮器３は、過剰圧力によ
り開弁する安全弁７を有する断熱密閉容器からなる。ま
た、内部に存在する作動流体としての水と熱交換を行う
ため、熱交換パイプ９が配設されている。熱交換パイプ
９は入口９ａ及び出口９ｂを有し、熱交換流体として水
を流通又は循環ポンプ等により循環させることができ、
更に入口温度を所定の温度に設定することができる。な
お、蒸発器／凝縮器３の有効蒸発面積は０．０３１４ｍ
²である。

【００２１】吸着塔１は、過剰圧力により開弁する安全
弁６を有し、内径１３３ｍｍ、外径１６５．２ｍｍの断
熱密閉容器からなり、内部には複数の熱交換用金属管１
１（後述）が、作動流体としての水が流通可能な空間を
残すようにして配置されている。この吸着塔１は１１５
本の熱交換用金属管１１からなり、熱交換流体の入口１
ａから熱交換用金属管１１の中心孔１３を経て出口１ｂ
へと水を流通させることにより図２に示す吸着材１４の
温度を調節できるようになっている。この熱交換流体と
しての水は入口温度を所定の温度に設定することができ
る。ここで熱交換用金属管１１について詳述する。

【００２２】熱交換用金属管１１は図２に示すように、
熱交換流体が流通可能な中心孔１３と、外周面に吸着材
１４が固定された固定層１５とを有している。本実施例
では、内径４ｍｍ、外径６ｍｍの銅管１７を用いて、吸
着材１４としてシリカゲルＣ（富士デヴィソン化学
（株）製、比表面積７２１×１０³ｍ²／ｋｇ、細孔容積
０．４２×１０^-3ｍ³／ｋｇ）を４２メッシュ（粒径３
５５μｍ以下）まで粉砕し、酢酸ビニル系バインダを混
合して前記銅管１７の外周面に接着し１１０℃において
６時間焼成することにより、厚さ２ｍｍ、長さ４００ｍ
ｍの固定層１５を形成した。この固定層１５の比表面積
は２００×１０³ｍ²／ｋｇ、細孔容積は０．１２×１０
^-3ｍ³／ｋｇ（いずれもＢ．Ｅ．Ｔ法により算出）であ
った。また、この固定層１５の吸着等温線（温度３０℃
で測定）を図３に示す。

【００２３】連結管５は、作動流体である水が蒸発器／
凝縮器３の内部と吸着塔１の内部とを往来できるよう
に、両者を連結している。連結管５は蒸発器／凝縮器３
と吸着塔１を連結する経路の他、真空ポンプ４に通じる
経路を有するため三叉路を形成し、それぞれを独立して
密閉することを可能にする３つのバルブ５ａ，５ｂ，５
ｃを有している。

【００２４】以上の構成からなる本実施例の吸着式ヒー
トポンプ１０を、冷却モードで使用した場合を例にと
り、以下にその作用、効果について詳述する。本実施例
の吸着式ヒートポンプ１０には、熱交換用金属管１１の
固定層１５表面温度（図２における（Ａ）の位置）、銅
管１７の表面温度（図２における（Ｂ）の位置）、蒸発
器／凝縮器３内部の作動流体の温度、及び吸着塔１及び
蒸発器／凝縮器３を流通する熱交換流体の出入口温度
を、それぞれ経時の測定が可能となるように該当位置に
測定機器を備え付けた。 ＜吸着試験＞本実施例の吸着式ヒートポンプ１０を作動
する前に以下の前処理を行った。まず熱交換流体の入口
１ａから温度８０℃の水を熱交換用金属管１１の中心孔
１３に流通しつつバルブ５ｂを閉じバルブ５ａ，５ｃを
開くことにより、吸着塔１の内部を真空脱気した。次に
バルブ５ａを閉じバルブ５ｂ，５ｃを開くことにより蒸
発器／凝縮器３の脱気を行い、作動流体である水の不純
成分を除去し、バルブ５ｂ，５ｃを閉じた。

【００２５】次いで、吸着塔１の熱交換流体として温度
３０℃の水を、蒸発器／凝縮器３の熱交換流体として温
度１０℃の水をそれぞれ１．６×１０^-4ｍ³／ｓ、１．
４×１０^-4ｍ³／ｓの水量で流通した。熱交換用金属管
１１の固定層１５表面温度、銅管１７の表面温度、及び
蒸発器／凝縮器３内部の作動流体の温度が所定温度に達
したことを確認後、バルブ５ａ，５ｂを開き吸着塔１内
部に作動流体として水の蒸気を導入し、吸着を開始し
た。吸着開始後の経過時間をＸ軸、温度の変化量をＹ軸
にとり、図２における（Ａ）の位置での温度変化（○で
表示）、図２における（Ｂ）の位置での温度変化（●で
表示）、吸着塔１を流通する熱交換流体の出口での温度
変化（◇で表示）をそれぞれ図４に示した。 ＜脱着試験＞吸着試験に続き、吸着塔１の熱交換流体と
して温度７０℃の水を、蒸発器／凝縮器３の熱交換流体
として温度３０℃の水を流通して脱着試験を行った。脱
着開始後の経過時間をＸ軸、温度の変化量をＹ軸にと
り、図２における（Ａ）の位置での温度変化（○で表
示）、図２における（Ｂ）の位置での温度変化（●で表
示）、吸着塔１を流通する熱交換流体の出口での温度変
化（◇で表示）をそれぞれ図５に示した。

【００２６】次に、第１比較例として第１実施例の吸着
式ヒートポンプ１０の吸着塔１を、充填式吸着塔に置換
したタイプの吸着式ヒートポンプ５０（図６）を用い
て、吸着、脱着試験を行った。この吸着塔５１は２重管
構造になっており、熱交換流体の入口５１ａから２重管
の外管５１ｃを経て出口５１ｂへと水を流通させること
により吸着材５３の温度を調節できるようになってい
る。吸着塔５１は内径５４ｍｍ×長さ２００ｍｍの円柱
状で、吸着材５３としてシリカゲルＡ（富士デヴィソン
化学（株）製）を吸着塔５１の内管５１ｄにランダム充
填した。シリカゲルＡの物性は、比表面積が７２１×１
０^-3ｍ²／ｋｇ、細孔容積が０．４３×１０³ｍ³／ｋｇ
である。

【００２７】この吸着式ヒートポンプ５０による吸着試
験では吸着塔５１を流通する水温を３０℃、蒸発器／凝
縮器３を流通する水温を２５℃に設定し、また脱着試験
では吸着塔５１を流通する水温を６０℃、蒸発器／凝縮
器３を流通する水温を３０℃に設定した。なお吸着試験
は第１実施例と同様の前処理を行った後実施した。図７
及び図８に、吸着試験及び脱着試験における吸脱着開始
後の経過時間をＸ軸、吸着材の温度の変化量をＹ軸にと
り、図６における（ａ）の位置での温度変化を□、図６
における（ｂ）の位置での温度変化を○、図６における
（ｃ）の位置での温度変化を△で表示した。

【００２８】第１実施例と比較例との吸着及び脱着試験
の結果を表１にまとめた。

【００２９】

【表１】

【００３０】吸着材の最大温度変化は、第１実施例では
吸脱着初期の固定層表面（図２（Ａ））において、第１
比較例では吸脱着初期に中央部軸方向に位置する吸着材
（図６（ａ））において、それぞれ記録した。この数値
は、吸着材が作動流体を吸脱着して温度変化が生じた
後、熱交換が効率的に行われたかどうかの指標となる。

【００３１】吸着材の温度分布幅は、第１実施例では固
定層表面（図２（Ａ））と金属管表面（図２（Ｂ））と
の間に生じた温度差であり、第１比較例では中央部軸方
向に位置する吸着材（図６（ａ））と吸着塔熱交換流体
近傍に位置する吸着材（図６（ｃ））との間に生じた温
度差である。最大温度分布幅はいずれも吸脱着初期にお
いて記録した。この数値は、吸着材が作動流体を吸脱着
して温度変化が生じた後熱交換が効率的に行われている
かどうか、あるいは作動流体が吸着塔内を均一に拡散し
吸着量分布に偏りが生じているかどうか、の指標とな
る。

【００３２】表１から明らかなように、第１実施例の吸
着式ヒートポンプは第１比較例に比べて、吸着材の最大
温度変化及び吸着材の最大温度分布幅が小さくなってい
る。この結果は、吸着材が作動流体を吸脱着して温度変
化が生じた後熱交換が効率的に行われたこと、更に作動
流体が吸着塔内を均一に拡散し吸着量分布に大きな偏り
が生じていないことを示している。

【００３３】また、第１実施例では第１比較例に比べ
て、吸着及び脱着時間が極めて短縮化され、１サイクル
を短時間で行うことができるようになった。次に第２実
施例の吸着式ヒートポンプについて説明する。第２実施
例の吸着式ヒートポンプ自体は特に図示しないが、第１
実施例の吸着式ヒートポンプ１０に使用した熱交換用金
属管１１に代えて、図９に図示した熱交換用金属管１６
を使用した以外は、第１実施例の吸着式ヒートポンプ１
０と同様の構成である。熱交換用金属管１６は、外表面
にフィン１８ａを装着もしくは一体形成された銅管１８
を用いたこと以外は、熱交換用金属管１１と同様にして
製作した。

【００３４】第２実施例の吸着式ヒートポンプではフィ
ン１８ａの存在により、熱交換用金属管１６の熱伝導性
がより向上し、固定層１５と中心孔１３を流れる熱交換
流体との熱交換効率が第１実施例に比べて一層向上し
た。このため、第２実施例の吸着式ヒートポンプでは第
１実施例の吸着式ヒートポンプ１０と同様の効果を有す
ることはいうまでもないが、更に、吸着及び脱着時間が
より一層短縮化されたことに伴い、１サイクルをより一
層短時間で行うことができるようになった。

【００３５】以上詳述したように、第２発明の吸着式ヒ
ートポンプは吸着塔に作動流体が流通可能な空間を残し
て複数の第１発明の熱交換用金属管を配置したことによ
り、１サイクルに要する時間が極めて短くなった。な
お、本発明は上記実施例になんら限定されるものではな
く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様
で実施できることはいうまでもない。例えば第１実施例
では冷却モードについて説明をしたが、昇温モードにつ
いても全く同様の構成及び作用をもって、１サイクルに
要する時間が極めて短くなるという効果を有する。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、第１発明の熱交換
用金属管によれば、金属管の熱伝導性が高いこと、固定
層が金属管の中心孔を流れる熱交換流体と充分速い速度
で熱交換できることから、金属管の外周面に固定層とし
て形成された吸着材を熱交換流体により迅速に温度制御
することが可能となる。

【００３７】第２発明の吸着式ヒートポンプは吸着塔に
作動流体が流通可能な空間を残して複数の第１発明の熱
交換用金属管を配置したことにより、吸着塔における吸
着材の吸脱着が短時間で実施可能となった。この結果冷
却モード及び昇温モードにおいて、１サイクルに要する
時間が極めて短くなった。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１実施例の吸着式ヒートポンプを示す説明
図である。

【図２】 第１実施例の吸着式ヒートポンプに使用した
熱交換用金属管の縦断面図である。

【図３】 第１実施例に吸着式ヒートポンプに使用した
熱交換用金属管の固定層の吸着等温線を示すグラフであ
る。

【図４】 第１実施例の吸着式ヒートポンプにより吸着
試験を行ったときの時間に対する温度変化を示すグラフ
である。

【図５】 第１実施例の吸着式ヒートポンプにより脱着
試験を行ったときの時間に対する温度変化を示すグラフ
である。

【図６】 第１比較例の吸着式ヒートポンプを示す説明
図である。

【図７】 第１比較例の吸着式ヒートポンプにより吸着
試験を行ったときの時間に対する温度変化を示すグラフ
である。

【図８】 第１比較例の吸着式ヒートポンプにより脱着
試験を行ったときの時間に対する温度変化を示すグラフ
である。

【図９】 第２実施例の吸着式ヒートポンプに使用した
熱交換用金属管の縦断面図である。

【図１０】 吸着式ヒートポンプの冷却モードを示す説
明図である。

【図１１】 吸着式ヒートポンプの昇温モードを示す説
明図である。

【符号の説明】

１・・・吸着塔、 ３・・・蒸発器／凝縮器、 ５・・・連結管、 １０・・・吸着式ヒートポンプ、 １１，１６・・・熱交換用金属管、 １３・・・中心孔、 １４・・・吸着材、 １５・・・固定層、 １７，１８・・・銅管、 １８ａ・・・フィン

フロントページの続き (72)発明者 伊藤 睦弘 宮崎県日向市大字日知屋字木原16303−３ 富士デヴィソン化学株式会社テクニカル センター内 (72)発明者 小林 邦廣 長野県長野市三輪８丁目６番31号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換流体が流通可能な中心孔と、外周
   面に吸着材が層状に固定された固定層とを有することを
   特徴とする熱交換用金属管。
2. 【請求項２】 作動流体を吸着することにより発熱し、
   吸熱することにより前記作動流体を脱着する吸着材を有
   する吸着塔と、 前記吸着塔に連結された蒸発器と、 前記吸着塔に連結された凝縮器とを備えた吸着式ヒート
   ポンプにおいて、 前記吸着塔には、前記作動流体が流通可能な空間を残す
   ようにして複数の請求項１記載の熱交換用金属管が配置
   されたことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。