JP2017508121A - ハイブリッド吸着装置熱交換デバイスおよび製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハイブリッド吸着熱交換デバイスを実現するものであり、これは熱伝達流体を搬送するための少なくとも１つのチューブ状またはマイクロチャネル構造を備え、前記構造の外面は少なくとも２つの位置で延長部を備え、前記延長部は１つまたは複数の吸着体材料を提供するためにそれらの間に床を形成し、吸着体材料のコーティングが前記延長部の少なくとも一部に施される。

Description

本発明は、熱交換器システムなどの、ハイブリッド吸着装置熱交換器デバイスに関する。本発明のシステムは、吸着質が一時的にまたは定期的に貯蔵され、放出される必要がある環境において有用である。詳細には、本発明は、吸着冷却、ヒートポンプ、および脱塩アプリケーションのための吸着体ベース熱交換器システムに関する。本発明は、そのようなハイブリッド吸着熱交換デバイスの製造のための方法、およびそのような熱交換デバイスのアプリケーションをも提供する。

環境汚染および一次エネルギー消費問題に対する懸念から、環境に優しい省エネ技術がすぐに開発されることが求められている。それらのうちでとりわけ、熱駆動吸着システム（ｔｈｅｒｍａｌｌｙ ｐｏｗｅｒｅｄ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）は、１つの鍵となる技術と考えられ、それは、そうでなければ大気中に放出されることになる低温廃熱源をこれらのシステムが回収し再利用することができるからである。

冷却または冷凍目的に使用される既存の機械式または電動式の蒸気圧縮ベースシステムを置き換えることが必要であることが認識されている。そのようなシステムは、典型的には、ハイドロフルオロカーボンなどのガスを使用している。環境に及ぼす有害効果を考慮してそのような材料の使用を置き換えることが必要であることが現在認識されている。

従来の蒸気圧縮ベースシステムを置き換えるために使用されるメカニズムの１つは、質量伝達さらには熱伝達を確実にするために吸着床を利用する熱交換器を使用することである。

吸着体材料は、その特性に従って、物理的吸着体、化学的吸着体、および複合吸着体に分類さる。物理的吸着体は、異なる細孔サイズを有する材料である。このカテゴリに典型的なものは、メソ細孔、珪酸塩、ゼオライト、メタロアルミノホスフェート、多孔質炭素、および金属有機骨格構造体である。メソ細孔珪酸塩は、水和したＳｉＯ_４の小粒に接続されたコロイド状シリカの剛性のある連続的ネットからなる合成非晶質シリカゲルなどの材料を含む。多孔質炭素は、酸化剤で炭化物をガス化することによって得られる活性炭を含む。ゼオライトは、結晶性微小孔アルミナシリケート材を含み、ＨＺＳＭ−５、ＺＳＭ５、ゼロライトＨＹなどのいくつかの範囲を含む。ゼオライトまたはゼオライトペースの材料の利点は、その使用の多様性、および使用目的に応じた修正の受けやすさにある。金属有機骨格構造体は、微小孔性であり、高空隙率、均一な細孔サイズを有し、適切に定められた吸着部位および広い表面積を有する新世代の材料である。これらの骨格構造体は、典型的には、金属中心を接続する有機リンカーからなる。

化学吸着体は、化学吸着で使用される物質を含む。これらは、塩化カルシウム、塩化バリウム、塩化ストロンチウムなどの金属塩化物、塩、および水素化リチウム、水素化カルシウム、共有結合性を有する高重合水素化物などの金属水素化物、ならびに非金属分子水素化物および金属酸化物を含む。

複合吸着体は、塩化金属と活性炭繊維、膨張黒鉛、シリカゲル、またはゼオライトの組合せなどの化学的吸着体と物理的吸着体との組合せを含む。復号吸着体は、膨れ、伝導不良、またはアグロメレーションなどの、化学吸着体の影響を受けることなく物理的吸着体の性能を増強させるという利点を備える。

従来技術
いくつかの異なる熱交換メカニズムが、技術分野において、従来の蒸気圧縮ベース冷凍システムの代替として想定されている。これらのうちのいくつかについて、参照のため以下で論じられている。

２床吸着体ベース冷却システムは、分離された熱交換器からなる。本質的に、このメカニズムは、４つの主要部分、すなわち、動作モードに応じて吸着装置または脱着装置として機能する２つの反応器、蒸発器、および凝縮器からなる。反応器は、吸着または脱着過程において吸着質を吸着または脱着するために吸着体材料が詰められている。媒体の流れは、冷媒弁を使用して調節される。

２床吸着冷却システムの一代替形態は、統合吸着メカニズムを使用するシステムである。これは、通常、２つのユニットを備え、各ユニットは、吸着床、蒸発器、および凝縮器を備える。このデバイスにおける熱交換サイクルは２つのモード−−吸着／蒸着モードとして知られている蒸着トリガー吸着と、脱着／凝縮モードとして知られている脱着結果凝縮−−からなる。制御弁は、各ユニットへの二次流体の流れを制御するために設けられる。

別の代替的メカニズムは、３床吸着システムを伴う。これは、凝縮器および蒸発器に加えて３つの反応器からなる。３床熱交換システムは、連続蒸着を可能にする。このメカニズムは、４つの動作モード−−予熱、脱着、予冷、および吸着−−を有する。

低温熱源を利用するために使用される多段システムも、利用可能である。これらのシステムは、２床吸着冷却システムには適していない温度で動作する。

上で論じられているように、吸着冷却システムは、温度が典型的に１００℃未満である低グレード廃熱または太陽熱エネルギーを効果的に利用することができ、有効冷却エネルギーを発生し得る。熱駆動吸着冷却サイクルは、サイクルを駆動するために電力を必要とせず、また天然冷却剤、またはＨＦＣベース冷却剤の代替物質を利用するので環境に優しい。さらに、このシステムは、必要とする保守レベルが低く、可動部品が無用でもある。しかしながら、低温熱駆動吸着冷却システムの主な欠点は、従来の蒸気圧縮サイクルと反対に比冷却容量および性能係数に関して性能が低く、設置面積が比較的大きいことである。

吸着熱交換器は、典型的には、熱エネルギーを供給し放出するために使用され、潜熱を結合し放出するために吸着質媒体の相変化を使用する収着体材料と熱接触している熱交換器構造を備える。熱は、蒸気作動媒体の凝縮を通じて放出される。逆に、熱交換器構造を介して供給される熱エネルギーは、吸着質の再生蒸発に使用することができる。

固形物は、ほとんどの場合、吸着質の相変化を実行するために使用され、これらはいわゆる収着体または吸着体材料である。そのような収着体材料の特性は、表面積と体積との高い比を持つ開放孔構造である。これらの材料中の内部空洞は、分子の大きさの寸法を有する。収着体材料の効果は、その微孔構造中の異質原子および異質分子の吸着に基づき、したがって気相から結合状態に移る。吸着熱交換器において使用される収着体材料の例は、ベントナイト、シリカゲル、またはゼオライトなどの粘土である。水は、通常、高い凝縮熱を有し、また使いやすくもあるのでこれらの収着体材料の作動媒体として使用される。

吸着ベース熱交換システムは、多孔質固体吸着体による吸着質蒸気の吸着および脱着によって駆動される。機械式圧縮機によって駆動される従来の蒸気圧縮冷却システムとは対照的に、吸着サイクルを駆動するために電気エネルギーは不要である。この基本サイクルは、吸着相と脱着相とを伴う。吸着相において、冷媒蒸気は、吸着体物質によって吸着され、その結果、放熱される。脱着相では、吸着体に熱が加えられ、これが冷媒の脱着を引き起こす。これらの過程で伝達される熱は、吸着体と熱伝達流体（たとえば、水もしくはメタノールまたは水グリコール混合物）または外部環境との間で熱交換器によって伝達される。吸着および脱着過程は、蒸発器／凝縮器内の冷媒の蒸着および凝縮と連動して発生する。気体冷媒の吸着は、蒸気圧力を下げ、蒸発器中の液体冷媒の蒸着を促す。この蒸着の際に、冷却されるべき環境から熱が取り出され、その結果、冷凍が行われる。熱交換器を介して熱を吸着体に供給することによって、吸着された冷媒は、気相中に放出され、それにより、次の吸着サイクルのために吸着体材料を再生する。その結果得られるガス状吸着質は、凝縮器に移動し、そこで、環境への熱遮断が発生する。従来の蒸気圧縮冷却の場合と同様に、液体冷媒は、制御デバイス（たとえば、膨張弁）に通されて蒸発器に戻され、次いで、サイクルが繰り返され得る。

吸着熱交換器が、たとえば、熱媒体の液体流をそれに通すことによって外部から熱エネルギーを供給されるときに、外部から流れ込む熱は、それの中に置かれている吸着された作動媒体を放出するために多孔質収着体材料に効果的に伝達される必要がある。反対の場合に、熱エネルギーの放出は、吸着熱交換器から外へのエネルギー流の方向を意味し、多孔質収着体材料上の作動媒体の凝縮の結果として放出される熱エネルギーは、吸着熱交換器から外部に運ばれる必要がある。知られている多孔質収質剤材料は、不利な熱伝導率を示すので、吸着熱交換器は、通常、高い熱伝導率を有する熱交換器構造と、作動媒体を結合し、放出するために使用される多孔質収質剤材料との組合せとして生産される。熱交換器構造は、もっぱら、銅、アルミニウム、またはステンレススチールなどの金属材料、ならびにセラミック材料、炭素材料、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）材料、およびいくつかのプラスチック材料などの高い熱伝導率を有する他の材料からなる。

熱交換器は、通常、収質剤材料と直接接触することのない熱搬送媒体による直接的な流れを可能にするための空洞を備える。熱交換器構造は、収質剤材料と熱的に接触する。最も単純な場合には、これは、バルク材料の形態で生じ、収質剤材料は大部分粉末の形態で、またはペレットの形態で結合剤の混合によって存在する。

熱駆動吸着冷却装置は、これまで空間冷却アプリケーションのために提案されてきている。これらの冷却装置は、吸着床を蒸発器および凝縮器に別々に接続する冷媒弁のオン／オフ動作を除き、実質的に可動部分を有しない。したがって、これらのシステムは、高い信頼性を有し、保守をほとんど必要としない。吸着冷却装置は、固体多孔質吸着体の中への冷媒の吸着および固体多孔質吸着体からの冷媒の脱着が、バルクプロセスではなく主に表面プロセスであるため、小型化させることも可能である。

上でわかるように、いくつかの方法が、熱交換メカニズムに対する技術分野において前提とされている。いくつかの技術文献について、以下で説明する。

米国特許第８，０５３，０３２号では、熱交換器基材の生産のための方法について説明しており、ここにおいて、ゼオライト層は、直接結晶化によって基材表面上に堆積／生成される。しかしながら、この特許には何のハイブリッド化技術に向けた参照も教示もない。

米国特許第８，５９０，１５３号では、接着剤層／コーティングが熱交換器構造上に形成される吸着熱交換器を開示しており、熱交換器はそれの接着を確実にするために収着体材料中に浸漬される。コーティングの方法は、本質的に、浸漬のプロセスによって、その後収着体材料でコーティングされる仕上げられた製造済みの熱交換器の使用を含む。理解されるように、この方法は、コーティングの厚さ凸凹、凸凹したコーティングをもたらすいくつかの部分における多孔質固体材料の凝集、およびそれによってそれ自体悪影響を及ぼす性能の制限を有し得る。

米国特許公開第２０１０／０１３６３２６号では、金属担体基材とケイ酸塩層とからなる層複合体がソルボサーマル合成を通じて得られるケイ酸塩層で基材表面をコーティングすることによって得られる方法を開示している。熱交換メカニズムをハイブリッド化するいかなる試み、または吸着体の体積または熱交換器の設置面積に関して妥協することなく熱交換器の動的性能を改善する試みもこの公開において開示はない。

米国特許公開第２０１１／０１８３８３６号では、熱交換器用のアルミニウム含有基材を公開している。リン酸アルミニウムゼオライトのミクロ細孔層が、基材に、就中、他の層に施される。この公開は、ここでもまた、基材上にコーティングを形成する層の数を増やすことを中心に取り上げており、少なくとも１つの層はＡＬＰＯ_４であり、ハイブリッド化技法を通じて熱交換器の動的性能を高める試みに向けたいかなる情報または指針ももたらさない。

米国特許公開第２０１２／０２１６５６３号では、熱交換器を開示し、蒸気を通すために熱交換器のチューブ状部分と接触する多硬質材料が提供されている。材料は、繊維性材料である。しかしながら、ここでもまた、これが性能動力学を改善するのに有用であるかどうか、または追加のハイブリッド化技法が使用できるかどうかについての開示または指針はない。

米国特許公開第２０１３／００１４５３８号では、吸着冷却装置用のサブアセンブリを開示している。サブアセンブリは、スタック状に配置構成された複数のプレートを備える吸着構成要素を具備する。スタックの中のプレートの隣接するペアの冷媒側は、冷媒通路を画成し、吸着体材料は、これらの通路内に設けられる。しながら、その中に、この配置構成が性能動力学の何らかの改善に寄与するか、または何らかの改善をもたらすかどうかに関する開示も指針もない。

日本特許公開第２０１１−２４０２５６号では、複数の活性炭繊維を備える吸着体ブロックを開示している。これらの繊維は、すべて同じ方向に向き付けられる。軸方向となるように、活性繊維の外周を覆う円筒形金属シートが設けられる。これは、円筒形金属シートで繊維を覆い、次いで、一方向に転がしてシートを切断することによって得られる。しながら、その中に、この配置構成が性能動力学の何らかの改善に寄与するか、または何らかの改善をもたらすかどうかに関する開示も指針もない。

日本特許公開第２００５−２９１５２８号では、吸着装置容量を高めた熱交換器を開示している。熱交換器は、特定のフィンピッチ、フィン長、およびフィン高さを持つプレートフィンチューブ型熱交換器を含む。活性炭は、充填剤吸着体として使用され、活性炭は、比蒸気吸着容量（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｓｔｅａｍ ａｄｓｏｒｂｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ）を有する。こうして形成された床は、吸着体材料の漏れを防ぐように網状材料によって覆われる。しながら、その中に、この配置構成が性能動力学のいかなる改善に寄与するか、またはいかなる改善をもたらすかどうかに関する開示も指針もない。ここでもまた、本開示において注目しているのは、フィン寸法を修正するステップと、吸着体の能力を増大するように吸着体材料特性を調整するステップとである。

米国特許第８，０５３，０３２号 米国特許第８，５９０，１５３号 米国特許公開第２０１０／０１３６３２６号 米国特許公開第２０１１／０１８３８３６号 米国特許公開第２０１２／０２１６５６３号 米国特許公開第２０１３／００１４５３８号 日本特許公開第２０１１−２４０２５６号 日本特許公開第２００５−２９１５２８号

本発明は、熱伝達流体を搬送するために少なくとも１つのチューブ状またはマイクロチャネル構造を備えるハイブリッド吸着熱交換デバイスを実現するものであり、前記構造の外面は少なくとも２つの位置で延長部を備え、前記延長部は１つまたは複数の吸着体材料を提供するためにそれらの間に床を形成し、吸着体材料のコーティングが前記延長部の少なくとも一部に施される。

一実施形態では、延長部は、チューブ状構造の全長に沿って縦方向に延在するか、またはチューブ状構造の周上に延在するものとしてよく、各延長部の高さはその全長に沿って実質的に均一なままである。

別の実施形態では、チューブ状構造および延長部が一体であるか、または別々の接続手段を通じて互いに接続され得る。

望ましい場合に、チューブ状構造および延長部は、同じ材料から作られ、金属製、セラミックベース、ポリマー、またはカーボンベースの材料である熱伝導性材料から作られ得る。

本発明の別の実施形態では、各延長部は、床に充填する吸着体と同じであるか、または異なる吸着体でコーティングされる。

さらに別の実施形態では、前記床に設けられる吸着体材料は、ゼオライト、メソ多孔質ケイ酸塩、不溶性金属ケイ酸塩、Ａ型シリカゲル、ＲＤ型シリカゲル、Ｓ２型シリカゲル、活性炭素繊維、粒状活性炭、活性アルミナ、高度多孔質活性炭、リンカーと結合されたＺｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４、ＭＩＬ−１０１Ｃｒ、ＭＯＦ（金属有機骨格構造体）、ＣＯＦ（共有結合有機骨格構造体）、ＦＡＭ（機能性吸着体材料）、および同様のものからなる群から、単独で、またはこれらの任意の組合せで、選択される。

本発明のさらに別の実施形態では、吸着材料は３から１００オングストロームの範囲内の細孔径を有する吸着体顆粒、またはそれらの上にコーティングされるかもしくは堆積された吸着体または任意の所定のパターンで配設されたそれらの組合せを有する平面状もしくは波形のシートを備える。

本発明のさらに別の実施形態では、平面状もしくは波形のシートは、アルミニウム、銅、黒鉛／膨張黒鉛、無機もしくは有機繊維基材、またはこれらの組合せからなる群から選択された熱伝導性材料から作られ、任意選択で、穿孔されたシートであってもよい。

本発明の別の実施形態では、延長部は、その外面上で、吸着体材料でコーティングする前に波形にされており、コーティングは、ゼオライト、メソ多孔質ケイ酸塩、不溶性金属ケイ酸塩、Ａ型シリカゲル、ＲＤ型シリカゲル、Ｓ２型シリカゲル、活性炭素繊維、粒状活性炭、活性アルミナ、高度多孔質活性炭、リンカーと結合されたＺｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４、ＭＩＬ−１０１Ｃｒ、ＭＯＦ（金属有機骨格構造体）、ＣＯＦ（共有結合有機骨格構造体）、ＦＡＭ（機能性吸着体材料）、および同様のものからなる群から、単独で、またはこれらの組合せで、選択される。

本発明のさらに別の実施形態では、熱伝達流体は、水、低級アルコール、油、および同様のものからなる群から選択される。

本発明の別の実施形態では、吸着体材料は、塩化カルシウム、臭化リチウム、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸カルシウム、塩化マンガン、および同様のものなどの無機金属塩からなる群から選択される１つまたは複数のドーパントを備える。

本発明の別の実施形態では、炭素繊維、黒鉛繊維、および同様のものからなる群から選択される１つまたは複数の添加剤も、熱伝導率を高めるために添加される。

望ましい場合に、ポリマーメッシュが、吸着床に被されて設けられ、ポリマーはアニリンである。

本発明は、ハイブリッド吸着熱交換デバイスの製造のための方法も提供し、前記方法は
− 熱伝導性材料の少なくとも一部を吸着体材料でコーティングするステップと、
− 少なくとも部分的にコーティングされた熱伝導性材料を熱伝達流体を搬送するためのチューブ状構造に変換し、その上に２つまたはそれ以上の延長部を設けるステップであって、前記延長部は前記コーティングされたチューブ状構造と一体であるか、または少なくとも部分的に吸着体コーティングされた熱伝導性材料を含み、前記延長部はそれらの間に吸着床を形成する、ステップと、
− 前記吸着床に１つまたは複数の吸着体材料提供するステップとを含む。

本発明は、添付図面を参照しつつ、就中以下でより詳しく説明される。

吸着装置および脱着装置熱交換器内で使用される典型的なフィン付き型ブロック吸着装置を表す図である。 図１において「Ａ」とマークされているセクションの分解断面図である。 その等角図である。 熱交換器内で使用される典型的な螺旋フィン付き型チューブ吸着装置を表す図である。 図２において「Ａ」とマークされているセクションの分解断面図である。 その等角図である。 吸着床が顆粒状吸着体を充填され／詰め込まれている従来技術のフィン付きブロック吸着装置を表す図である。 従来技術のコーティングされたフィン付きブロック吸着装置を表す図である。 吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が顆粒を含む第２の吸着体材料を充填され、好適なメッシュで覆われる吸着床を表す図である。 吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が乾燥剤コーティング基材を含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。 吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が波形にされた乾燥剤コーティング基材ブロックを含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。 吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が波形にされたもしくは平面状の乾燥剤コーティング基材ブロックおよび乾燥剤コーティング基材ブロックの間にちりばめられている吸着体顆粒のいずれかを含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。 吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が波形にされたもしくは平面状の乾燥剤コーティング基材ブロックおよび乾燥剤コーティング基材ブロックの間にちりばめられている吸着体顆粒のいずれかを含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。 吸着装置熱交換チューブのフィンがその表面積を増やすように整形され、第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が吸着体顆粒を含む第２の吸着体材料を充填され、好適なメッシュで覆われる吸着床を表す図である。 二次流体からの／二次流体への熱伝達において、温度勾配を発生させる４つの熱伝達抵抗を表す図である。 吸着体でコーティングされ、穿孔がそれらの上に所定のまたは所望のパターンで設けられる基材材料を表す図である。 水に関する本明細書において出願人が所有するシリカゲルＳ２およびコーティングされたシリカゲルＳ２／水吸着体／冷媒ペアの吸着等温線を示す図である。 ３０℃から７０℃の範囲内の温度におけるシリカゲルＳ２／水のペアに対する吸着取り込みデータを示す図である。 ５ｋＰａから１５ｋＰａの範囲内の圧力におけるシリカゲルＳ２／水のペアに対する吸着取り込みデータを示す図である。 出願人が所有するＳ２型シリカゲルおよび市販されているＦｕｊｉ ＲＤ型シリカゲルに対する水の吸着等温線を表す比較図である。 ３０°の吸着温度におけるシリカゲルＳ２／水のペアの吸着取り込みおよび圧力の時間的プロファイルを示す図である。 ５０°の吸着温度におけるシリカゲルＳ２／水のペアの吸着取り込みおよび圧力の時間的プロファイルを示す図である。 ７０℃の吸着温度におけるシリカゲルＳ２／水のペアの吸着取り込みおよび圧力の時間的プロファイルを示す図である。 吸着体熱交換器の１リットル当たりの冷却のワット数に関する、両方とも従来技術の吸着装置に対する、比容量、および本発明の異なるハイブリッド吸着熱交換器による潜在的比容量を比較する図である。 従来のパッキング方法、高度な吸着体コーティング方法、および吸着体コーティングハイブリッド熱交換器を使用する吸着冷却装置の冷却容量およびＣＯＰを示す図である。 ３５０Ｗ／ｍ^２Ｋの総熱伝達係数に対する吸着冷却装置の主要構成要素の温度分布を示す図である。 ペレット、吸着体コーティングおよびハイブリッド熱交換器に対する吸着冷却装置の性能比較を示す図である。

当技術分野において必要であると認識されているのは、サイクル全体的性能（ｃｙｃｌｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を改善するために熱交換器において使用される吸着床の性能を高めることが必要であるという点である。他にも決定要因があるがとりわけ、吸着床の性能の効率を決定するキーパラメータは、熱および質量伝達の側面である。質量伝達は、吸着容量と吸着取り込み率の両方に影響を及ぼす。熱伝達は、脱着および吸着熱の両方の送達および抽出に対してそれぞれ重要である。吸着床の性能にも影響を及ぼす他のパラメータは、吸着体空隙率および細孔サイズ、粒径、および吸着体対金属質量比を含む。

熱伝達は、吸着床内の複数のレベルの抵抗に曝される。これらは、金属の二次流体対流熱伝達によって誘発される抵抗、熱交換器の壁を通る伝導性熱伝達抵抗、金属の吸着体接触熱伝達、および吸着体材料を通る伝導性熱伝達抵抗を含む。これらのうち、金属の吸着体接触界面によって引き起こされる熱伝達抵抗は、熱交換器の効率に影響を及ぼすことに中心的な役割を果たし、吸着体と熱交換器の金属との間の物理的接触の性質およびレベルに依存する。たとえば、単純な顆粒充填吸着床システム（ｇｒａｎｕｌａｒ ｐａｃｋｅｄ ａｄｓｏｒｂｅｎｔ ｂｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）では、質量伝達性能が非常に高いとしても、熱伝達性能のレベルは、吸着体顆粒と熱交換器の金属表面との間の高い接触熱抵抗により、一般的に低い。

吸着体顆粒を金属添加物と混合して熱伝導率を高めること、床熱交換器金属を吸着体でコーティングすること、すべての接触熱抵抗を排除するために全面的な顆粒の使用を回避すること、吸着体顆粒をポリアニリンネットで覆い、金属発泡体の上への吸着体堆積、および圧密化床方法によって、吸着床において使用される吸着体材料の熱伝達性能を高めることが可能である。

全体的な熱伝導率を高めることにより熱伝達性能を高めるための技法の１つは、アルミニウム、銅、または黒鉛／膨張黒鉛などの金属粒子をゼオライト材料の吸着体顆粒に添加することである。熱伝導率が著しく増大し、この方法も容易に従えることが報告されているが、それらの制限は、質量伝達性能の低下およびさらに材料制限であるように見える。後者は、そのような吸着床が使用されるアプリケーションの範囲を制限するので重大な制限である。

粒状床アプローチの代替として当技術分野で論じられている別の技法は、それらの使用を全く回避し、その代わりに熱交換器の金属を吸着体でコーティングすることである。これは、一般的に、有機薬剤を使用して金属表面をきれいにするステップ、有機結合剤で吸着体のスラリーを形成するステップ、および次いで、きれいにした金属表面上への塗布、その後の、残留結合剤を除去するための加熱を伴う。当技術分野では、いくつかの異なるコーティング技法が論じられ、開示されている。この方法の一利点は、吸着体および金属の熱接触抵抗を著しく回避することである。この方法は、粒状床アプローチの代替として考えられている。

当技術分野で論じられている別の方法は、粒状床の上のポリアニリンネットなどのポリマーネットの形成である。これは、吸着体顆粒の表面上のアニリンのその場重合において酸化剤を使用してその場で実行され得る。この方法で注目される欠点は、熱伝達抵抗は低減されるが、質量伝達性能は悪影響を受けるという点である。

他の試みは、金属発泡体の上への吸着体の堆積を含む。この方法の一例は、ゼオライトおよび銅金属発泡体の堆積を含む。この方法は、本質的に、熱交換器の金属部分をエポキシ樹脂、発泡剤、および金属粉をコーティングするステップを含む。吸着体材料は、コロイドシード溶液（ｃｏｌｌｏｉｄａｌ ｓｅｅｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を使用して堆積される。たとえば、ゼオライトの場合、これは、シーディングと、その後の、熱水合成、洗浄、および乾燥を伴う。この方法は、熱伝達特性を著しく改善するが、その結果、金属質量の増大を引き起こすことが報告されている。

圧密化床アプローチは、いくつかの異なるステップに依拠する。たとえば、圧縮された吸着体顆粒および粘土、膨張黒鉛、成形顆粒、および吸着体顆粒で含浸された結合剤および金属発泡体の添加がある。この方法は、結果として、熱伝達性能の著しい増大を引き起こすことが報告されている。しかしながら、この方法は、すべての吸着体材料の場合において効率的であると限らず、また床の透過性およびクラッキングの制限を有する。

これからわかるように、当技術分野において提案されているアプローチは、さまざまな解決方法を粒状床アプローチの代替とみなしている。当技術分野において一般的に受け入れられている考え方は、粒状床アプローチが熱伝達性能に悪影響を及ぼすというものであり、唯一の解決方法は、この方法に対する代替を求めることである。

本明細書において出願人は、ハイブリッドアプローチが粒状床アプローチの著しい利点である質量伝達性能だけでなく、高められた熱伝達性能をももたらすと断定した。本発明の方法は、熱交換器の金属部分（またはその一部）に対してコーティングを採用することだけでなく、そのような金属部分の間に設けられる追加の吸着体材料の存在を確実にすることをも伴う熱交換器性能を高める総合的アプローチを伴う。試験調査において、そのようなハイブリッド吸着体ベースの熱交換器は、熱伝達特性および質量伝達特性の両方に関して著しい性能の増大をもたらすことが観察された。

本発明の目的は、投入冷却電力を変換することに関してコンパクトで効率的であり、手頃なハイブリッド吸着熱交換器を実現することである。

発明の本質は、熱交換器フィンのコーティングならびにフィンとフィンとの間の緩い多孔質吸着体材料の使用の両方を含むハイブリッド化技法による熱伝達増進を伴う。水／アンモニア／エタノール／メタノール／他のさまざまな冷媒などの冷媒は、通常は単一の吸着体の良好な熱伝達特性を有する吸着床内に詰め込まれている多孔質吸着体から発熱して吸着され、吸熱して脱着される。吸着床において、主たる熱抵抗は、吸着装置のフィンおよび吸着体材料のコーティングを通じて完全に排除され得る吸着体材料に由来する。比出力は、コーティングされたフィンとフィンとの間に緩い吸着体粒子を詰め込むことで増強される。本発明は、コーティングされた吸着体ならびに乾燥剤がその場で生成されるか、もしくは予含浸されるガラス繊維などの緩い吸着体粒子または代替手段の詰め込みとを組み合わせたものであるか、または顆粒およびガラス繊維などの異なる手段の組合せである。

図１は、吸着装置および脱着装置熱交換器内で使用される典型的なフィン付き型ブロック吸着装置を表す図である。

図２は、熱交換器内で使用される典型的なフィン付き型チューブ吸着装置を表す図である。

図３（ａ）は、吸着床が顆粒状吸着体を充填され／詰め込まれている従来技術のフィン付きブロック吸着装置を表す図である。図３（ａ）から明らかなように、二次流体は、吸着装置熱交換チューブ内を貫流し、熱交換チューブの外面上にフィンが設けられている。フィンとフィンとの間に介在する空間は、吸着体顆粒を詰め込まれている。チューブそれ自体は、熱伝達を促進する銅などの金属から作られ得る。顆粒パッキングは、最終的に、金属製メッシュで覆われる。フィンは、典型的にはアルミニウムから作られる。

図３（ｂ）は、従来技術のフィン付きブロック吸着装置を表す図である。二次流体は、吸着装置熱交換チューブ内を貫流し、熱交換チューブの外面上にフィンが設けられている。フィンとフィンとの間に介在する空間は、空である。チューブそれ自体は、熱伝達を促進する銅などの金属から作られ得る。顆粒パッキングは、最終的に、金属製メッシュで覆われる。フィンは、典型的には、アルミニウムから作られ、当技術分野で開示されている技法を使用して吸着体材料でコーティングされる。コーティング手順は、本明細書である程度詳しく議論されており、フィン上の吸着体の均一な堆積を確実にするために樹脂および結合剤を使用することを伴う。

図４（ａ）は、吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が顆粒を含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。第１および第２の吸着体は、同じであるか、または異なり得る。次いで、粒状床は、金属製メッシュで覆われる。コーディングは、熱交換チューブの外面上で均一であるものとしてよい。代替的形態では、フィンのみがコーティングされ、２つのフィンの間の熱交換器チューブの表面は、未コーティングのままである。

図４（ｂ）は、吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が乾燥剤コーティング紙を含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。乾燥剤コーティング基材は、乾燥剤がガラス繊維にコーティングされるか、または含浸されている基材であるか、または乾燥剤がその場で生成される基材であってよい。第１および第２の吸着体は、同じであるか、または異なり得る。コーディングは、熱交換チューブの外面上で均一であるものとしてよい。代替的形態では、フィンのみがコーティングされ、２つのフィンの間の熱交換器チューブの表面は、未コーティングのままである。

図４（ｃ）は、吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が波形にされた乾燥剤コーティング基材ブロックを含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。乾燥剤コーティング基材は、乾燥剤がガラス繊維にコーティングされるか、または含浸されている基材であるか、または乾燥剤がその場で生成される基材であってよい。第１および第２の吸着体は、同じであるか、または異なり得る。コーディングは、熱交換チューブの外面上で均一であるものとしてよい。代替的形態では、フィンのみがコーティングされ、２つのフィンの間の熱交換器チューブの表面は、未コーティングのままである。

図４（ｄ）および図４（ｅ）は、吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が波形にされたもしくは平面状の乾燥剤コーティング基材ブロックおよび乾燥剤コーティング基材ブロックの間にちりばめられている吸着体顆粒のいずれかを含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。図４（ｄ）において、基材ブロックは、チューブの軸に垂直に設けられるが、図４（ｅ）では、基材ブロックは、チューブの軸に平行に設けられ。乾燥剤コーティング基材は、乾燥剤がガラス繊維に事前コーティングされ／含浸されている基材であるか、または乾燥剤がその場で生成される基材であってよい。第１および第２の吸着体は、同じであるか、または異なり得る。コーディングは、熱交換チューブの外面上で均一であるものとしてよい。代替的形態では、フィンのみがコーティングされ、２つのフィンの間の熱交換器チューブの表面は、未コーティングのままである。図４（ｂ）から図４（ｅ）の場合の基材ブロックも穿孔して、質量および熱伝達の両方を高めることができる。

図４（ｆ）は、吸着装置熱交換チューブのフィンが第１の吸着体材料でコーティングされ、フィンとフィンとの間に介在する空間が吸着体顆粒を含む第２の吸着体材料を充填される吸着床を表す図である。フィンは、この実施形態では波形になっており、また望ましい場合には、熱および質量伝達を高めるために任意の所望のパターンで穿孔させることもできる。第１および第２の吸着体は、同じであるか、または異なり得る。コーディングは、熱交換チューブの外面上で均一であるものとしてよい。代替的形態では、フィンのみがコーティングされ、２つのフィンの間の熱交換器チューブの表面は、未コーティングのままである。

図５は、コーティングされたフィン内の熱伝達領域を表す図であり、詳しく説明される。

図６は、吸着体でコーティングされ、それらの上に所定のまたは所望のパターンで穿孔が設けられる基材材料を表す図である。この基材材料は、熱交換器のために、外部延長部（フィン）に変換され、吸着体材料はそれによって形成された床内に充填され得る。

本発明は、本質的に、フィンが吸着体材料でコーティングされるだけでなく、フィンとフィンとの間に介在する空間に追加の吸着体材料が設けられるように吸着床をハイブリッド化することである。第２の充填剤吸着体材料は、コーティング中に用意される吸着体材料と同じであるか、または異なっていてもよい。たとえば、充填剤吸着体材料は、ゼオライト材料、活性炭、活性アルミナ、またはシリカゲルなどの利用可能な顆粒の形態をとり得る。代替的に、充填剤材料は、コーティング、浸漬、含浸によるか、またはその場の形成もしくは他の方法によるかのいずれかでその上に設けられる吸着体材料を有するガラス、セラミック、活性炭、黒鉛、有機もしくは無機物質の繊維もしくはシートを備えることができる。

本発明のハイブリッド熱交換器は、異なる吸着体形態を組み合わせる自由度をもたらす。試験により、このハイブリッド熱交換器が質量伝達および熱伝達性能の両方に関して著しい増進をもたらすことが立証されている。

発明のアプローチは、未コーティングのフィン付き空間内に設けられた顆粒吸着体に関して当技術分野の最新状況を評価することを含んでいた。当技術分野では、そのようなシステムの効率（比容量）が吸着体熱交換器の１リットル当たり約１００ワットであることが知られている。この点を鑑みて、このアプローチは
ａ．吸着体熱交換器体積の１リットル当たりのワット出力を増加させ、それにより、全体的体積、設置面積、および費用を削減すること、
ｂ．吸着体熱交換器の出力当たりのワット数をさらに増加させるために吸着および脱着動力学を改善し、それにより吸着冷却装置の設置面積、体積、および費用をさらに低減することであった。本発明は、両方とも同時に達成する。

吸着体熱交換デバイスの性能を高め、最適化するために、複数の変数が利用された。これらは、以下を含む。
１． 基材：本発明のハイブリッド吸着体熱交換器は、それに接着された吸着体を有する熱交換器の１つの部分に依存する。本発明は、吸着体を基材に確実に接着するために採用される接着方法に応じて基材選択に関して自由度をもたらす。基材は、アルミニウム箔、銅箔、有機金属繊維シート、無機繊維シート炭素強化プラスチックなどとすることができる。フィンのタイプは、フラット／平面、波形、ルーバー付き、正弦波、さざ波、ピラミッド、またはピンタイプを含む。
２． 基材厚さ：基材厚さは、基材が吸着体に対して行う支持のタイプ、および全体的な熱交換器設計の一部として熱伝導率に応じて、典型的には、０．５ｍｍ〜２．０ｍｍ、より典型的には０．１ｍｍから１．０ｍｍの範囲内となる。
３． 基材形状：基材の選択に応じて、基材は、フラットであるか、波形であるか、方形正弦波の形状、または異なる形状、たとえば、三角形などであってよい。
４． 吸着体：基材に接着されるべき吸着体材料は、典型的には、シリカゲル、分子篩、複合体、または活性炭であり、また広い表面積を有し、熱伝達流体耐性を有する開発中の吸着体も含み得る。たとえば、冷媒として水が使用される場合、吸着体は水耐性を有しているべきである。吸着冷却装置において、エタノール、メタノールおよびアンモニア、ならびにＨＦＣベースの冷媒などの他の冷媒が使用される場合、吸着体は、冷媒に対して化学的に不活性であるべきである。これらの吸着体のうちのいくつかはすでに存在しているが、他のものは開発中である。典型的には、これらは、ＭＯＦ、リン酸アルミニウム、ＣＯＦ、ＦＡＭ、およびＦＭＭ、複合体などのファミリからのものである。増大された表面積およびかさ密度は、補完的要因なので、一般的に好まれる吸着体は、吸着体の境界の動作容量の下で両方の有効容量に依存し得るが、全体的吸着、およびしたがって、吸着体熱交換器当たりのｋＷ単位の比性能が最大化されるように、より高いバルク密度のものになる。さらに、吸着および脱着に関する吸着体の動力学、および与えられた吸着体の「動力学」を高めるための手段も、吸着体熱交換器の１リットル当たりのワット数に関する総容量を最大化する重要な役割を果たす。

有効容量を増大させる、これらの吸着体は、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、臭化リチウム、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸カルシウム、塩化マンガンなどの無機金属塩などのドープ剤をさらに添加され得る。

吸着体内から基材への熱流の熱伝導率、さらには全体の動力学を改善するために、黒鉛、膨張黒鉛、銅粉末などのような高伝導性材料を少量添加することが使用され得る。

いくつかの場合において、熱伝導性材料のドープおよび添加の両方の組合せがあり得る。
５． 吸着体を基材に接着する一般的な方法は以下のとおりである。吸着体を基材に接着する知られている方法が、以下に列挙されているように、いくつかあるが、本発明は既存の技術または方法に制限されない。
ａ． 乾燥剤を基材、特に不浸透性基材に接着する一方法は、非マスキング結合剤または接着剤を使用することである。接着剤の結合剤は、無機、有機、さらにはその両方の組合せであり得る。
ｂ． 基材、特に多孔質基材、吸着体は、好適な非マスキング結合剤／ループの助けを借りて再び含浸され得る。接着剤の結合剤は、無機、有機、さらにはその両方の組合せであり得る。含浸は、浸漬被覆方法も含み得る。
ｃ． さらに別の方法では、基材、特に多孔質基材、吸着体は、接着剤の結合剤を使用することなくその場で合成され得る。
ｄ． さらに別の方法では、基材、典型的にはアルミ箔から始めて、吸着体は、基材材料を要素の１つとして利用して吸着体結晶を成長させ、基材の表面上でその場で合成され得る。

吸着床内の熱伝達は、水などの二次流体を使用して再生および吸着によって管理される。二次流体へのおよび二次流体からの熱伝達に対して、図５に示されているように４つの熱伝達抵抗がある。これらの抵抗は以下のとおりである。
Ｒ．１ 二次流体と金属壁との間の対流熱伝達抵抗。
Ｒ．２ 熱交換器の壁を通る熱伝達抵抗。
Ｒ．３ 金属と吸着体との間の接触熱伝達抵抗。
Ｒ．４ 乾燥剤塊を通る伝導性熱伝達抵抗。

これからわかるように、熱交換デバイス設計は、熱伝達抵抗に影響を及ぼす可能性がある。

上記において、Ｒ３は、支配的であり、最も重要である。これまで、吸着体を熱交換器の金属表面、典型的には延長されたフィン、典型的にはアルミニウム上にコーティングする努力および試みがなされてきた。そうする際に、乾燥剤塊（Ｒ４）を通る伝導性熱伝達抵抗は、さらなる吸着体が延長された熱交換器表面の間に置かれないので、無視され排除されてきた。Ｒ３の低減を通してメリットが得られるが、乾燥剤の量／質量が施されたコーティングにおいて制限され、それにより吸着体対金属質量比を低減するので、吸着容量およびしたがって質量伝達の著しいトレードオフおよび損失がある。

本発明は、Ｒ３を低減するだけでなく金属／フィンの乾燥剤コーティング延長表面を組み合わせることによって最適に近い吸着体対金属質量比を維持することを目的としているが、制限されたＲ４に遭遇するとしてもコーティングされたフィン空間内の顆粒材料の使用とともに動力学をかなり改善し、したがって熱交換器のフィン表面内に詰め込まれた吸着体顆粒材料ともに従来の吸着体熱交換器を使用して吸着体熱交換器の１リットル当たりのワット数に関して３５／４０％を超える全体的な性能増大をもたらす。以下で説明されているように、空隙を埋める他の方法もある。

吸着体は、有機、さらには別に無機の結合剤のクラスからの非マスキング結合剤を使用して、また吸着体に対する微細孔清浄剤を使用して、シリカゲル顆粒／粉末をアルミニウム箔に施すことによって基材に接着される。ゼオライトも、シリカゲルの代わりに使用できる。

延長部上のコーティングは、米国特許第８，０５３，０３２（基材上のゼオライト層の直接結晶化）、米国特許公開第２０１０／０１３６３２６号（基材表面をソルボサーマル合成を通じて得られたケイ酸塩層でコーティングする）、米国特許公開第２０１１／０１８３８３６号（アルミニウム含有基材をリン酸アルミニウムゼオライトの微小孔層でコーティングする）において開示されているようなすでに知られている任意の方法、または基材およびフィンをコーティングするための当技術分野で知られている任意の他の方法によって達成され得る。

吸着体を基材または基材タイプに接着する方法に関係なく、吸着体の量は、あまり多くの吸着体が外側層から熱交換器への熱伝達を阻害しないように最適な量でなければならない。典型的には、吸着体の量は、１０ＧＳＭから５００ＧＳＭまで変わり得るが、より具体的には、吸着体、吸着体を基材に接着する方法、吸着体のかさ密度、およびもしあれば結合剤／接着剤の使用に応じて１５０から３００ＧＳＭの範囲内にある。

ハイブリッド吸着体熱交換器において、熱交換器の表面は、上で説明されている手段および方法によって吸着体が接着されているが、それには限定されず、本発明では、吸着体は、延長されたフィン熱交換器表面の空隙内に充填される。そのような吸着体を配置するタイプおよび方法の選択は以下のとおりであるものとしてよい。
１． 好適なメッシュサイズの平面の自然に顆粒状の吸着体、たとえば、シリカゲル
２． 粉末形態であるが、好適なメッシュの顆粒に作られた吸着体。
３． 吸着体は基材に、シートとして、または板ガラスとして、または他の任意の形状、たとえば、波形、正方形／矩形、三角形などの形状で、ドープあり、もしくはなしで、膨張黒鉛、グラフェンなどのような熱伝導性添加物あり、もしくはなしで接着する。

ハイブリッド熱交換器の本発明では、顆粒状シリカゲルを使用して広範な試験がなされている。吸着冷却装置のアプリケーションにおいて、吸着体および冷媒の多くの稼働しているペアの選択があるが、最も典型的に、また一般に使用されている、もしくは採用されているものは、シリカゲル−水のペアである。製造会社の下にあるほとんどの吸着冷却装置、また世界中のこの分野でなされている研究において、一般的に好まれる際立ったシリカゲルは、日本のＦｕｊｉ Ｓｙｌｓｉａ Ｃｏ． Ｌｔｄ．から市販されているような高密度顆粒またはビーズ状シリカゲルであり、これまでもそうであった。この材料は、典型的には、材料がビーズ状であるか、顆粒状であるかに応じて、６００〜８００ｍ^２／ｇの範囲内の表面積および７００〜９００ｇ／リットルのかさ密度を有し、顆粒状であれば、メッシュ側にある。

本発明は、また、Ｆｕｊｉ ＲＤタイプのシリカゲルを使用して従来の吸着体熱交換器で新しいハイブリッド吸着体熱交換器をベンチマークする。Ｆｕｊｉ ＲＤタイプシリカゲルは、その特性と動力学とにより、商業生産と研究の両方において、世界的に、シリカゲル−水のペアをベースとする吸着冷却装置に対する一般的に好まれる吸着体となっている。出願人は、本明細書において、Ｓ２というラベルが付けられた専有シリカゲルも開発しており、これは広範な試験を通して、シリカゲル−水ベースの吸着冷却装置に対する吸着体として際立った潜在性能を示している。その性能および動力学の例は、図７〜図１１に示されている。

吸着体／冷媒ペアの吸着容量は、吸着体の多孔性特性（細孔サイズ、細孔容積、および細孔径）およびペアの等温特性に依存する。さまざまなゼオライト、シリカゲル、活性炭、活性アルミナ、ＭＯＦ（金属有機骨格構造体）、ＣＯＦ（共有結合有機骨格構造体）、およびＦＡＭ（機能性吸着体材料）の多孔性特性が提示されており、これらは窒素吸着等温線から決定される。温度７７．４Ｋの液体窒素でのさまざまな吸着体に関する標準的な窒素ガス吸着／脱着測定が実行される。各吸着体の表面積は、窒素吸着データのＢｒｕｎａｕｅｒ、Ｅｍｍｅｔｔ、およびＴｅｌｌｅｒ（ＢＥＴ）プロットによって決定される。Ｔａｂｌｅ １（表１）は、シリカゲル（ＡおよびＲＤタイプ）、タイプＦＸ−４００およびＡ２０の活性炭繊維、顆粒状活性炭、タイプＭａｘｓｏｒｂ ＩＩＩの活性炭粉末、および２つの異なるＭＯＦの表面積、細孔容積、および見かけ密度を示している。Ｔａｂｌｅ １（表１）からわかるように、Ｍａｘｓｏｒｂ ＩＩＩおよびＭＩＬ−１０１ＣｒのＢＥＴ表面積は、それぞれ３１４０および４１００ｍ^２／ｇと大きい。しかしながら、Ｍａｘｓｏｒｂ ＩＩＩおよびＭＩＬ−１０１Ｃｒを市販の吸着冷却装置において吸着体として利用することは、もっぱら、１ｋｇ当たり３００米ドル以上というコストのせいで妨げられてきた。その一方で、シリカゲルは、市販の吸着冷却装置において使用されてきており、シリカゲル試料のコストは、１ｋｇ当たり１０〜１５米ドル程度である。

次に図７以降を参照すると、グラフ表現は、発明の増大された吸着体容量を表示している。

図７は、３０℃の吸着温度および０．７から３．８ｋＰａの圧力範囲に対する親シリカゲルＳ２／水とコーティングされたＳ２／水吸着体／冷媒のペアの吸着等温線を示している。前記吸着等温線に対して、吸着体試料温度は一定に保たれるが、蒸発器温度は相対圧力が０．９を超えるまで段階的に高くなる。図７から、シリカゲルＳ２／水のペアの吸着容量は、３０℃の吸着温度および約３．６ｋＰａの圧力で０．３４ｋｇｋｇ^−１と高いことがわかる。コーティングされたシリカゲルＳ２／水のペアの吸着容量は、親Ｓ２／水のペアのと類似している。親Ｓ２／水のペアとコーティングされたＳ２／水のペアの両方について、吸着容量は、調査された全範囲において圧力の増大に対して直線的に増大することに気付くことができる。

図８および図９は、それぞれ、温度３０〜７０℃および最大５ｋＰａおよび１５ｋＰａまでの圧力に対してシリカゲルＳ２／水のペアの吸着取り込みデータを示している。前者の圧力範囲は、吸着冷却アプリケーションに適しており、吸着脱塩アプリケーションに対しては相対的に高い圧力が要求される。図８および図９から観察できるように、吸着取り込み値は、測定されたすべての吸着温度に対して圧力の増大と比例して増大し、これは親シリカゲルＳ２／水のペアが、吸着冷却および脱塩アプリケーションの両方に適していることを意味する。

図１０は、３０から７０℃の間の温度および最大５ｋＰａまでの圧力に対するシリカゲルＳ２／水のペアおよびシリカゲルＲＤ／水のペアの吸着等温線を示しており、これはシリカゲル／水ベースの吸着冷却装置の動作範囲である。図１０から、シリカゲルＳ２／水およびシリカゲルＲＤ／水のペアの吸着等温線データは、比較可能であり、吸着体のコストおよび入手状況においていずれかが吸着体を選択することができることは明らかである。

図１１（ａ）、図１１（Ｂ）、および図１１（ｃ）は、それぞれ、３０、５０、および７０℃の吸着温度におけるシリカゲルＳ２／水のペアの吸着取り込みおよび圧力の時間的プロファイルを示す。図１１（ａ）〜図１１（ｃ）から、調査されたペアの吸着動力学は、吸着プロセスの早期の段階では比較的速いことがわかる。さらに、全取り込みの８０％超が、最初の５分以内に生じ、それにより、シリカゲルＳ２／水のペアは、吸着冷却アプリケーションに適しているように思われる。

本発明による吸着熱交換器の生産の出発点は、最初に、別々に生産される熱交換器構造である。これは、高い熱伝導率を有する材料から知られている方法に従って生産される。この目的に適しているのは、銅、アルミニウム、炭素、強化プラスチック、または特殊鋼から作られたものなどの金属システムであることが判明している。セラミック材料または複合材料システムも可能である。

好適な熱交換器構造では、吸着熱交換器の外側領域と接続している熱搬送媒体に対する循環システムを実現する。それに加えて、熱交換器構造を加熱するために電熱線または他の熱源が埋め込まれ得る。収着体材料システムに向けて可能な最大の表面を生み出すために、ラメラ状または蜂の巣状構造が好ましい。スポンジまたは発泡体の形態であってもよい。次に、最初に別々に生産されるこの熱交換器構造に基づき、収着体材料による内側のコーティングが、以下のように実施される。

第１の方法ステップでは、これ以降内壁と称されるものとする、収着体材料に面する熱交換器の壁に接着剤層が塗布される。接着剤は、最初に固体層を形成するこの目的のために使用される。前記接着剤層を実現するために、浸漬、フラッディング、または噴霧などの異なる方法を使用することが可能である。接着剤コーティングの方法ステップは、最適な層厚さを設定するようにさらに繰り返され得る。この点に関して、焼き戻しによって、またはたとえば、溶媒で濃縮もしくは蒸着させることによって、塗布された接着剤の粘度を設定することが特に有利である。代替的に、固体粉末状態の接着剤を熱交換器の壁に塗布することも可能である。そのような粉末コーティングは、平面状熱交換器構造において特に有用である。

熱交換器は、壁の近くにある熱交換器の領域内の熱交換器構造を加熱することによって次いで活性化される粉末接着剤で最初にさらに充填されるものとしてよく、したがって、壁の近くの領域内に結合があり、壁から離れた領域から非接着粉末接着剤材料をその後取り除くことが、振る、吹く、または洗い流すことによって可能である。接着剤の選択または選択された塗布方法に関係なく、壁の近くの領域内の接着剤層は、少なくとも、収着体材料が熱交換器内に導入されるその後の方法ステップにおいて執着体材料の接着剤の機能的に損なう混合がないような安定した方式で接着しなければならない。

コーティングステップが完了し、金属部分のコーティングが乾燥した後、介在する空間は、従来の顆粒吸着体材料、または吸着体材料を含浸されたガラス繊維シートを充填され得る（または出願人が所有する技術を使用して吸着体がその場で形成される）。当技術分野における開示に反して、このハイブリッド熱交換器の熱伝達性能は、これまで当技術分野において知られているものよりも著しく高い。

調査により、本発明のハイブリッド熱交換器デバイスの熱伝達性能が、粒状床または分離しているコーティングされたフィンシステムのいずれかを使用する、２つの現在利用可能な従来技術のシステムのいずれかのものよりも著しく高いことがわかっている。

吸着熱ポンプの主要な難題は、吸着体材料と、吸着プロセスのための熱伝達媒体すなわち冷却媒体および脱着プロセスのための熱媒体との間の熱伝達が悪いことである。従来の吸着体熱交換器または吸着体材料を詰め込む従来の方式は、熱交換器のフィン付きチューブの周りに吸着体を詰め込むことである。この方法は、製造が簡単であり、吸着体を熱交換器のフィンに取り付ける、またはコーティングする技術に制限があるため、広く使用されている。

吸着体材料を熱交換器の延長された表面上に効果的にコーティングすることで、吸着サイクルの吸着装置の熱および質量伝達メカニズムが大幅に改善され得る。コーティングされた吸着装置熱交換器の２つの著しく際立った特徴もしくは利点は、（１）有効熱伝達を介した吸着動力学の改善および（２）熱質量の低減である。前者の特徴の主な寄与はサイクルタイムの短縮であり、一方、熱質量がより小さいということは、性能または性能係数（ＣＯＰ）がより良好であるということである。これら２つの特徴は、吸着サイクルを両方ともエネルギー的に、設置面積毎に相乗的に改善し、より重要なことに、資本コストを下げる。

図１３は、従来のパッキング方法、高度な吸着体コーティング方法、および吸着体コーティングハイブリッド熱交換器を使用する吸着冷却装置の冷却容量およびＣＯＰを示す図である。蒸発器および凝縮器は両方の場合について同じままであることに留意されたい。吸着体コーティングおよび吸着体コーティングハイブリッドタイプは、著しい性能改善をもたらすことが観察される。

高度な吸着体コーティングおよび吸着体コーティングハイブリッド熱交換器の全体的な熱伝達係数は、吸着装置／脱着装置構成に応じて約３５０から３５０Ｗ／ｍ^２Ｋである。図１４は、３５０Ｗ／ｍ^２Ｋの総熱伝達係数に対する吸着冷却装置の主要構成要素の温度分布を示す図である。図１４からわかるように、４つの熱交換器はすべて、効率よく動作し、冷却装置は、改善された熱伝達およびより小さい熱質量である結果得られるより高速な吸着動力学により効果的な冷却を行う。

図１５は、ペレット、吸着体コーティングおよびハイブリッド熱交換器に対する吸着冷却装置の性能比較を示す図である。比冷却力（ＳＣＰ）、性能係数（ＣＯＰ）、および容積効率に関して性能比較がなされている。図１５からわかるように、コーティングおよびハイブリッドタイプ熱交換器に対するＳＣＰおよびＣＯＰ値は比較可能である。しかしながら、動力学がより高速で、熱質量が小さいのでコーティングおよびハイブリッドタイプ熱交換器の場合に、ＳＣＰは、約８％増大し、ＣＯＰは１００％を超えて増加する。その一方で、結果としてより大きい冷却力をもたらす同じ容積中の吸着体の質量が大きくなるので、ハイブリッド熱交換器の容積効率は、ペレットタイプ熱交換器よりも約３５％高く、吸着体コーティング熱交換器よりも約１８％高く、それにより吸着システムの設置面積および資本コストの低減に著しく寄与する。

実施された調査結果から観察された本発明の別の利点は、本発明のハイブリッド熱交換器デバイスの比容量が従来技術の吸着装置よりも著しくよいという点である。図１２は、吸着体熱交換器の１リットル当たりの冷却のワット数に関する、両方とも従来技術の吸着装置に対する、比容量、および本発明の異なるハイブリッド熱交換器による潜在的比容量を比較する図である。

Claims (43)

1. ハイブリッド吸着熱交換デバイスであって、
   熱伝達流体を搬送するための少なくとも１つのチューブ状またはマイクロチャネル構造を備え、
   前記構造の外面は少なくとも２つの位置で延長部を備え、
   前記延長部は１つまたは複数の吸着体材料を提供するためにそれらの間に床を形成し、
   吸着体材料のコーティングが前記延長部の少なくとも一部に施される、ハイブリッド吸着熱交換デバイス。
2. 前記延長部は、前記チューブ状またはマイクロチャネル構造の全長に沿って縦方向に延在する請求項１に記載のデバイス。
3. 前記延長部は、前記チューブ状またはマイクロチャネル構造の周上に延在する請求項１に記載のデバイス。
4. 各延長部の高さは、その全長に沿って均一なままである請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記チューブ状またはマイクロチャネル構造および前記延長部は、一体である請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記延長部は、外部コネクタによって前記チューブ状またはマイクロチャネル構造に接続される請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記チューブ状またはマイクロチャネル構造および前記延長部は、同じ材料から作られる請求項６に記載のデバイス。
8. 前記チューブ状またはマイクロチャネル構造および／または前記延長部は、金属材料、セラミック系材料、ポリマー材料、または炭素系材料から選択された熱伝導性材料を備える請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 各延長部は、前記床に充填する前記吸着体と同じであるか、または異なる吸着体でコーティングされる請求項１に記載のデバイス。
10. 前記床に設けられる前記吸着体材料は、ゼオライト、メソ多孔質ケイ酸塩、不溶性金属ケイ酸塩、Ａ型シリカゲル、ＲＤ型シリカゲル、Ｓ２型シリカゲル、活性炭素繊維、粒状活性炭、活性アルミナ、高度多孔質活性炭、リンカーと結合されたＺｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４、ＭＩＬ−１０１Ｃｒ、金属有機骨格構造体、共有結合有機骨格構造体、機能性吸着体材料、および同様のものからなる群から、単独で、またはこれらの組合せで、選択される請求項９に記載のデバイス。
11. 前記吸着体材料は、３から１００オングストロームの範囲内の細孔径を有する吸着体顆粒を含む請求項１０に記載のデバイス。
12. 前記吸着体材料は波形のシートを含み、その上に吸着体がコーティングまたは堆積される請求項１０に記載のデバイス。
13. 前記波形のシートは、アルミニウム、銅、黒鉛／膨張黒鉛、無機もしくは有機繊維基材、またはこれらの任意の組合せからなる群から選択された熱伝導性材料から作られる請求項１２に記載のデバイス。
14. 前記波形のシートは、穿孔されたシートを含む請求項１２または１３に記載のデバイス。
15. 前記吸着体材料は、吸着体顆粒と吸着体コーティングまたは堆積シートとの組合せからなる請求項１０から１４のいずれか一項に記載のデバイス。
16. 前記延長部は、その外面上で、吸着体材料でコーティングする前に波形にされている請求項１から１５のいずれか一項に記載のデバイス。
17. 前記延長部は、ゼオライト、メソ多孔質ケイ酸塩、不溶性金属ケイ酸塩、Ａ型シリカゲル、ＲＤ型シリカゲル、Ｓ２型シリカゲル、活性炭素繊維、粒状活性炭、活性アルミナ、高度多孔質活性炭、リンカーと結合されたＺｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４、ＭＩＬ−１０１Ｃｒ、金属有機骨格構造体、共有結合有機骨格構造体、機能性吸着体材料、および同様のものからなる群から、単独で、またはこれらの任意の組合せで、選択された吸着体材料でコーティングされる請求項１に記載のデバイス。
18. 前記熱伝達流体は、水、低級アルコール、および油、ならびに同様のものからなる群から選択される請求項１から１７のいずれか一項に記載のデバイス。
19. 前記吸着体材料は、ゼオライト、メソ多孔質ケイ酸塩、不溶性金属ケイ酸塩、Ａ型シリカゲル、ＲＤ型シリカゲル、Ｓ２型シリカゲル、活性炭素繊維、粒状活性炭、活性アルミナ、高度多孔質活性炭、リンカーと結合されたＺｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４、ＭＩＬ−１０１Ｃｒ、金属有機骨格構造体、共有結合有機骨格構造体、機能性吸着体材料、および同様のものからなる群から、単独で、またはこれらの組合せで、選択された１つまたは複数の充填剤を備える請求項１から１８のいずれか一項に記載のデバイス。
20. 前記充填剤は、ドープされた充填剤であり、前記ドープ剤は、塩化カルシウム、臭化リチウム、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸カルシウム、塩化マンガン、および同様のものなどの無機金属塩からなる群から選択される請求項１９に記載のデバイス。
21. 熱伝導率を高めるために、前記床内の前記吸着体材料に加えて、銅、アルミニウム、黒鉛／膨張黒鉛、および同様のものからなる群から選択された１つまたは複数の添加剤が添加される請求項１から２０のいずれか一項に記載のデバイス。
22. ポリマーメッシュは、前記吸着床を覆って設けられる請求項１から２１のいずれか一項に記載のデバイス。
23. 前記ポリマーメッシュは、ポリアニリンメッシュである請求項２２に記載のデバイス。
24. ハイブリッド吸着熱交換デバイスの製造のための方法であって、
    熱伝導性材料の少なくとも一部を吸着体でコーティングするステップと、
    前記少なくとも部分的にコーティングされた熱伝導性材料を熱伝達流体を搬送するためのチューブ状構造に変換し、その上に２つまたはそれ以上の延長部を設けるステップであって、前記延長部は前記コーティングされたチューブ状構造と一体であるか、または少なくとも部分的に吸着体コーティングされた熱伝導性材料を含み、前記延長部はそれらの間に吸着床を形成する、ステップと、
    前記吸着床に１つまたは複数の吸着体材料を設けるステップとを含む方法。
25. 各延長部は、前記床に充填する前記吸着体と同じであるか、または異なる吸着体でコーティングされる請求項２４に記載の方法。
26. 前記床に設けられる前記吸着体材料は、ゼオライト、メソ多孔質ケイ酸塩、不溶性金属ケイ酸塩、Ａ型シリカゲル、ＲＤ型シリカゲル、Ｓ２型シリカゲル、活性炭素繊維、粒状活性炭、活性アルミナ、高度多孔質活性炭、リンカーと結合されたＺｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４、ＭＩＬ−１０１Ｃｒ、金属有機骨格構造体、共有結合有機骨格構造体、機能性吸着体材料、および同様のものからなる群から、単独で、またはこれらの任意の組合せで、選択される請求項２５に記載の方法。
27. 前記吸着体材料は、３から１００オングストロームの範囲内の細孔径を有する吸着体顆粒を含む請求項２６に記載の方法。
28. 前記吸着体材料は波形のシートを含み、その上に吸着体がコーティングまたは堆積される請求項２６に記載の方法。
29. 前記波形のシートは、アルミニウム、銅、黒鉛／膨張黒鉛、無機もしくは有機繊維基材、またはこれらの任意の組合せからなる群から選択された熱伝導性材料から作られる請求項２８に記載の方法。
30. 前記波形のシートは、穿孔されたシートを含む請求項２８および２９のいずれか一項に記載の方法。
31. 前記吸着体材料は、吸着体顆粒と吸着体コーティングまたは堆積シートとの組合せからなる請求項２６から２９のいずれか一項に記載の方法。
32. 前記延長部は、その外面上で、吸着体でコーティングする前に波形にされている請求項２４から３１のいずれか一項に記載の方法。
33. 前記延長部は、ゼオライト、メソ多孔質ケイ酸塩、不溶性金属ケイ酸塩、Ａ型シリカゲル、ＲＤ型シリカゲル、Ｓ２型シリカゲル、活性炭素繊維、粒状活性炭、活性アルミナ、高度多孔質活性炭、リンカーと結合されたＺｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４、ＭＩＬ−１０１Ｃｒ、金属有機骨格構造体、共有結合有機骨格構造体、機能性吸着体材料、および同様のものからなる群から、単独で、またはこれらの任意の組合せで、選択された吸着体材料でコーティングされる請求項２４に記載の方法。
34. 前記熱伝達流体は、水、低級アルコール、および油、ならびに同様のものからなる群から選択される請求項２４から３３のいずれか一項に記載の方法。
35. 前記吸着体材料は、ゼオライト、メソ多孔質ケイ酸塩、不溶性金属ケイ酸塩、Ａ型シリカゲル、ＲＤ型シリカゲル、Ｓ２型シリカゲル、活性炭素繊維、粒状活性炭、活性アルミナ、高度多孔質活性炭、リンカーと結合されたＺｒ_６Ｏ_４（ＯＨ）_４、ＭＩＬ−１０１Ｃｒ、金属有機骨格構造体、共有結合有機骨格構造体、機能性吸着体材料、および同様のものからなる群から、単独で、またはこれらの任意の組合せで、選択された１つまたは複数の充填剤を備える請求項２４から３４のいずれか一項に記載の方法。
36. 前記充填剤は、ドープされた充填剤であり、前記ドープ剤は、塩化カルシウム、臭化リチウム、塩化マグネシウム、硫酸マグネシウム、硝酸カルシウム、塩化マンガン、および同様のものなどの無機金属塩からなる群から選択される請求項３５に記載の方法。
37. 熱伝導率を高めるために、前記床内の前記吸着体材料に加えて、銅、アルミニウム、黒鉛／膨張黒鉛からなる群から選択された１つまたは複数の添加剤も添加される請求項２４から３６のいずれか一項に記載の方法。
38. ポリマーメッシュは、前記吸着床の上に設けられる請求項２４から３７のいずれか一項に記載の方法。
39. 前記ポリマーメッシュは、ポリアニリンメッシュである請求項３８に記載の方法。
40. 前記吸着床は、乾燥剤コーティング基材を備え、前記乾燥剤は、前記基材上にその場でコーティングされるか、または含浸されるか、または生成される請求項２４に記載の方法。
41. 前記乾燥剤は、非マスキング結合剤または接着剤またはこれらの組合せを通じて前記基材に取り付けられる請求項２４に記載の方法。
42. 水などの吸着質の定期的または一時的保管およびその後の放出を必要とする環境内で使用するための請求項１から２４のいずれか一項に記載のデバイス。
43. 吸着冷凍機、チルドビーム、自動車用空調ユニット、屋内一体型空調ユニット、屋内段違い空調ユニット、および同様のものの請求項４２に記載のデバイス。