JP2019138620A - Heat exchange device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、吸着式熱交換装置に関する。 The present invention relates to an adsorption heat exchange device.
従来から、熱を移動させることで対象(空間や物体)の加熱や冷却を行う熱交換装置が広く用いられている。例えば、下記特許文献1には、媒体を気化させる蒸発器と、気化した媒体を脱離および吸着する吸着剤を備える吸着器と、気化した媒体を凝縮する凝縮器と、を有する吸着式熱交換装置が開示されている。 Conventionally, a heat exchange device that heats or cools an object (space or object) by moving heat has been widely used. For example, the following Patent Document 1 discloses an adsorption heat exchange including an evaporator that vaporizes a medium, an adsorber that includes an adsorbent that desorbs and adsorbs the vaporized medium, and a condenser that condenses the vaporized medium. An apparatus is disclosed.
上記特許文献1に開示されているような従来の吸着式熱交換装置は、蒸発器や凝縮器での媒体の潜熱を冷熱や温熱として利用しているため、蒸発器や凝縮器での減圧や加熱冷却に大きなエネルギーが必要となる。また、媒体を吸着した吸着剤を再生するための加熱にもエネルギーが必要となる。その結果、成績係数COPが低下してしまう。このため、所望の冷熱や温熱を得るためにより多くの媒体が必要となる。媒体の量の増加に応じて吸着剤の量(体積)も増加してしまう。さらに、蒸発器および凝縮器が必要となるため熱交換装置が大型化してしまう。このため、従来の吸着式熱交換装置は、特に設置スペースの限られているカーエアコンのような用途に適用することは困難であった。 The conventional adsorptive heat exchange apparatus disclosed in Patent Document 1 uses the latent heat of the medium in the evaporator and the condenser as cold and hot heat. Large energy is required for heating and cooling. Energy is also required for heating to regenerate the adsorbent that has adsorbed the medium. As a result, the coefficient of performance COP decreases. For this reason, more media are required to obtain the desired cooling and heating. As the amount of the medium increases, the amount (volume) of the adsorbent also increases. Furthermore, since an evaporator and a condenser are required, the heat exchange device becomes large. For this reason, it has been difficult to apply the conventional adsorption heat exchanger to a use such as a car air conditioner in which installation space is limited.
そこで本発明は、成績係数COPを向上させて装置の小型化を図ることのできる吸着式熱交換装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an adsorption heat exchange device that can improve the coefficient of performance COP and reduce the size of the device.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。その過程で、応力を印加および解放することによって、機械的に変形して、媒体を脱離および吸着可能なナノ多孔質体を見出した。さらに、ナノ多孔質体に媒体を脱離および吸着させることによって、媒体を相変化させて潜熱を発生させることが可能であることを発見した。そして、当該ナノ多孔質体を熱交換装置の吸着剤として用いることを試みた。その結果、脱離または吸着により発生した潜熱を冷熱または温熱に直接的に利用することが可能となり、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have intensively studied to solve the above problems. In the process, a nanoporous body was found that can be mechanically deformed by applying and releasing stress to desorb and adsorb the medium. Furthermore, it has been discovered that by desorbing and adsorbing the medium on the nanoporous material, it is possible to change the phase of the medium and generate latent heat. And it tried to use the said nanoporous body as an adsorbent of a heat exchange apparatus. As a result, the latent heat generated by desorption or adsorption can be directly used for cooling or warming, and it has been found that the above problems can be solved, and the present invention has been completed.
本発明に係る熱交換装置は、弾性を有し、収縮して媒体を脱離可能で、かつ、膨張して媒体を吸着可能なナノ多孔質体、ナノ多孔質体に応力を印加して収縮させる応力付与部、およびナノ多孔質体を内部に収容するチャンバーを備える熱交換部を有する。該熱交換装置は、応力付与部の動作を制御して、熱交換部における動作モードを脱離モードと吸着モードとに切り替える制御部をさらに有する。ここで、脱離モードは、ナノ多孔質体に応力を印加して収縮させて媒体をナノ多孔質体から脱離させる動作モードである。また、脱離モードは、応力を解放してナノ多孔質体を膨張させて媒体をナノ多孔質体に吸着させる動作モードである。 The heat exchanging device according to the present invention has elasticity, is capable of shrinking and desorbing the medium, and is capable of expanding and adsorbing the medium, and is contracted by applying stress to the nanoporous body. And a heat exchanging portion including a chamber for accommodating the nanoporous material therein. The heat exchange device further includes a control unit that controls the operation of the stress applying unit and switches the operation mode in the heat exchange unit between the desorption mode and the adsorption mode. Here, the desorption mode is an operation mode in which stress is applied to the nanoporous body to cause the medium to shrink and the medium is desorbed from the nanoporous body. The desorption mode is an operation mode in which stress is released and the nanoporous body is expanded to adsorb the medium to the nanoporous body.
本発明に係る熱交換装置によれば、ナノ多孔質体に応力を印加および解放して収縮膨張させることによって、ナノ多孔質体に媒体を脱離および吸着させて相変化による潜熱を発生させることができる。これにより、媒体の脱離および吸着により発生した潜熱を冷熱または温熱に直接的に利用することができるため、蒸発器や凝縮器が不要となる。また、潜熱を得るために蒸発器や凝縮器において減圧や加熱冷却が不要となるため、熱サイクルに必要なエネルギーを小さくすることができる。これにより、成績係数COPを向上させることができるため、使用するナノ多孔質体の量を減らすことができる。このように、蒸発器や凝縮器が不要となり、ナノ多孔質体の量を減らすことができるため、熱交換装置を小型化することができる。 According to the heat exchange device of the present invention, by applying stress to the nanoporous material and releasing and contracting and expanding, the nanoporous material is desorbed and adsorbed to generate latent heat due to phase change. Can do. As a result, the latent heat generated by the desorption and adsorption of the medium can be directly used for cold or warm heat, so that an evaporator and a condenser are not necessary. In addition, since it is not necessary to reduce the pressure or heat in the evaporator or condenser in order to obtain latent heat, the energy required for the thermal cycle can be reduced. Thereby, since the coefficient of performance COP can be improved, the amount of the nanoporous material to be used can be reduced. Thus, an evaporator and a condenser become unnecessary, and since the quantity of a nanoporous body can be reduced, a heat exchange apparatus can be reduced in size.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the scope of claims, and is not limited to the following embodiments. In addition, the dimension ratio of drawing is exaggerated on account of description, and may differ from an actual ratio.
[第1実施形態]
<熱交換装置>
本発明の第1実施形態に係る熱交換装置10は、ナノ多孔質体20に応力を印加および解放することにより、機械的に変形させて、冷媒(媒体)60の脱離および吸着を行う。冷媒60の脱離時に発生する蒸発潜熱から得た冷熱を利用して対象を冷却することを特徴とする。熱交換装置10は、例えば、自動車の室内(内気)を冷却するカーエアコン(冷房)に適用することができる。
[First Embodiment]
<Heat exchange device>
The heat exchange apparatus 10 according to the first embodiment of the present invention mechanically deforms the nanoporous body 20 by applying and releasing stress to desorb and adsorb the refrigerant (medium) 60. The object is cooled by using cold heat obtained from the latent heat of evaporation generated when the refrigerant 60 is desorbed. The heat exchange device 10 can be applied to, for example, a car air conditioner (cooling) that cools the interior (inside air) of an automobile.
図1に示すように、熱交換装置10は、一対の熱交換部30A、30B(第1熱交換部30Aおよび第2熱交換部30B)、および装置全体の動作を制御する制御部40を有する。制御部40は、一対の熱交換部30A、30Bのうち一方の動作モードが脱離モードである間は他方の動作モードが吸着モードになるようにスイング運転する。これにより、脱離モードの熱交換部30A、30Bにおいて連続的に冷熱を生成することが可能となる。ここで、「脱離モード」とは、冷媒60をナノ多孔質体20から脱離させる動作モードである。また、「吸着モード」とは、冷媒60をナノ多孔質体20に吸着させる動作モードである。 As shown in FIG. 1, the heat exchange device 10 includes a pair of heat exchange units 30A and 30B (first heat exchange unit 30A and second heat exchange unit 30B), and a control unit 40 that controls the operation of the entire device. . The control unit 40 performs a swing operation so that one of the pair of heat exchange units 30A and 30B is in the desorption mode, and the other operation mode is in the adsorption mode. Accordingly, it is possible to continuously generate cold heat in the heat exchange units 30A and 30B in the desorption mode. Here, the “desorption mode” is an operation mode in which the refrigerant 60 is desorbed from the nanoporous body 20. The “adsorption mode” is an operation mode in which the refrigerant 60 is adsorbed on the nanoporous body 20.
熱交換装置10は、第1チャンバー32Aと第2チャンバー32Bとの間を冷媒60が移動可能に連通する配管50と、配管50の連通状態と遮断状態とを切り替えるバルブ51と、を有する。バルブ51を開くと配管50は連通状態となり、バルブ51を閉じると配管50は遮断状態となる。 The heat exchange device 10 includes a pipe 50 that allows the refrigerant 60 to move between the first chamber 32A and the second chamber 32B, and a valve 51 that switches between a communication state and a cutoff state of the pipe 50. When the valve 51 is opened, the pipe 50 is in a communication state, and when the valve 51 is closed, the pipe 50 is in a cutoff state.
[熱交換部30A、30B]
図1に示すように、第1熱交換部30Aは、第1ナノ多孔質体20Aと、第1応力付与部31Aと、第1チャンバー32Aと、第1空気調節部33Aと、を有する。同様に、第2熱交換部30Bは、第2ナノ多孔質体20Bと、第2応力付与部31Bと、第2チャンバー32Bと、空気調節部33Bと、を有する。
[Heat exchange units 30A, 30B]
As shown in FIG. 1, the first heat exchange unit 30A includes a first nanoporous body 20A, a first stress applying unit 31A, a first chamber 32A, and a first air conditioning unit 33A. Similarly, the second heat exchange unit 30B includes a second nanoporous body 20B, a second stress applying unit 31B, a second chamber 32B, and an air conditioning unit 33B.
第1熱交換部30Aおよび第2熱交換部30Bは、同様の構成を有する。以下の説明では、第1熱交換部30Aおよび第2熱交換部30Bを総称して「熱交換部30A、30B」と称する。同様に、第1応力付与部31Aおよび第2応力付与部31Bを総称して「応力付与部31A、31B」と称する。また、第1チャンバー32Aおよび第2チャンバー32Bを総称して「チャンバー32A、32B」と称する。また、第1空気調節部33Aおよび第2空気調節部33Bを総称して「空気調節部33A、33B」と称する。また、第1ナノ多孔質体20Aおよび第2ナノ多孔質体20Bを総称して「ナノ多孔質体20」と称する。 The first heat exchange unit 30A and the second heat exchange unit 30B have the same configuration. In the following description, the first heat exchange unit 30A and the second heat exchange unit 30B are collectively referred to as “heat exchange units 30A and 30B”. Similarly, the first stress applying portion 31A and the second stress applying portion 31B are collectively referred to as “stress applying portions 31A and 31B”. The first chamber 32A and the second chamber 32B are collectively referred to as “chambers 32A and 32B”. The first air adjustment unit 33A and the second air adjustment unit 33B are collectively referred to as “air adjustment units 33A and 33B”. In addition, the first nanoporous body 20A and the second nanoporous body 20B are collectively referred to as “nanoporous body 20”.
[ナノ多孔質体20]
ナノ多孔質体20は、弾性を有し、収縮して冷媒60を脱離可能で、かつ、膨張して冷媒60を吸着可能なナノ多孔質の材料から構成される。ナノ多孔質体20は、応力付与部31A、31Bから応力を印加されて収縮して冷媒60を脱離し、応力を解放すると自由膨張して冷媒60を吸着する。
[Nanoporous body 20]
The nanoporous body 20 is made of a nanoporous material that has elasticity, can be contracted by being able to desorb the refrigerant 60, and can be expanded to adsorb the refrigerant 60. The nanoporous body 20 is contracted by applying stress from the stress applying portions 31 </ b> A and 31 </ b> B and desorbs the refrigerant 60. When the stress is released, the nanoporous body 20 is freely expanded and adsorbs the refrigerant 60.
ここで、「弾性」とは、応力付与部31A、31Bによって外部から応力を印加して収縮させても、応力を解放することによって、可逆的に大きく変形してほぼ元の形状に回復する性質を意味する。ナノ多孔質体20の弾性限度は、冷媒60を脱離するために必要な応力印加よりも大きくなるように設計されている。ナノ多孔質体20の弾性限度は、熱交換装置10の適用対象の冷却規模等に応じて適宜設計することが好ましい。 Here, “elasticity” is a property in which even if stress is applied from the outside by the stress applying portions 31A and 31B and contracted, the stress is released to reversibly deform and revert to a substantially original shape. Means. The elastic limit of the nanoporous body 20 is designed to be larger than the stress application necessary to desorb the refrigerant 60. The elastic limit of the nanoporous body 20 is preferably designed as appropriate according to the cooling scale to which the heat exchange device 10 is applied.
また、「ナノ多孔質」とは、複数のナノレベルの細孔を有することを意味する。ナノレベルの細孔とは、好ましくは直径0.5〜100nmであり、より好ましくは直径0.7〜50nmであり、さらに好ましくは直径0.7〜6nmのミクロ孔またはメソ孔である。なお、IUPAC(国際純正及び応用化学連合)では、直径2nm以下の細孔をミクロ孔(micropore)、直径2〜50nmの細孔をメソ孔(mesopore)、直径50nm以上の細孔をマクロ孔(macropore)と定義している。 “Nanoporous” means having a plurality of nano-level pores. The nano-level pores are preferably 0.5 to 100 nm in diameter, more preferably 0.7 to 50 nm in diameter, and still more preferably micropores or mesopores in diameter 0.7 to 6 nm. In IUPAC (International Pure and Applied Chemistry Union), pores having a diameter of 2 nm or less are micropores, pores having a diameter of 2 to 50 nm are mesopores, and pores having a diameter of 50 nm or more are macropores ( macropore).
ナノ多孔質体20を収縮させるために必要な応力付与部31A、31Bの仕事量を低減する観点から、ナノ多孔質体20のヤング率は1.1GPa以下に設計することが好ましい。なお、ヤング率を1.1GPa以下に設計する理由については後述する。 From the viewpoint of reducing the work of the stress applying portions 31A and 31B necessary for shrinking the nanoporous body 20, it is preferable to design the Young's modulus of the nanoporous body 20 to 1.1 GPa or less. The reason for designing the Young's modulus to 1.1 GPa or less will be described later.
図2Aに示すように、一般的に、固体表面はファンデルワールス力によるポテンシャルエネルギーが高く、冷媒60の分子を凝縮させる作用がある。特に、本実施形態に係るナノ多孔質体20では、図2Bに示すように、ナノ多孔質体20に吸着された冷媒60は、ナノレベルの小さな細孔壁に囲まれているため、固体表面のファンデルワールス力(物理吸着力)によるポテンシャルエネルギーが著しく高い。このとき、気体の冷媒60は、ナノ多孔質体20の細孔壁に液体の密度で吸着される。すなわち、ナノ多孔質体20への吸着は気体から液体への相変化と同質の現象であり、吸着熱は凝縮潜熱にほぼ等しい。 As shown in FIG. 2A, generally, the solid surface has high potential energy due to van der Waals force, and has an action of condensing the molecules of the refrigerant 60. In particular, in the nanoporous body 20 according to the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the refrigerant 60 adsorbed on the nanoporous body 20 is surrounded by small nano-level pore walls, so that the solid surface The potential energy due to van der Waals force (physical adsorption force) is extremely high. At this time, the gaseous refrigerant 60 is adsorbed on the pore walls of the nanoporous body 20 at a liquid density. That is, the adsorption to the nanoporous body 20 is a phenomenon of the same quality as the phase change from gas to liquid, and the heat of adsorption is almost equal to the latent heat of condensation.
以下の説明では、冷媒60は、ナノ多孔質体20に吸着すると気体から液体へ相変化し、脱離すると液体から気体へ相変化するものとする。また、吸着熱は、凝縮潜熱に等しいとする。なお、ナノ多孔質体20への冷媒60の脱離および吸着による相変化は、後述する実施例において確認した。 In the following description, it is assumed that the refrigerant 60 changes phase from gas to liquid when adsorbed on the nanoporous body 20, and changes from liquid to gas when desorbed. Further, it is assumed that the heat of adsorption is equal to the latent heat of condensation. In addition, the phase change by desorption | suction and adsorption | suction of the refrigerant | coolant 60 to the nanoporous body 20 was confirmed in the Example mentioned later.
図3は、冷媒60の状態図を示す。図3中に点線で示すように、ナノ多孔質体20の細孔壁に吸着された細孔内部の液体密度の冷媒60は、飽和蒸気圧よりも低い圧力の蒸気と平衡状態となっている。すなわち、ナノ多孔質体20の細孔壁に吸着された気体は、飽和蒸気圧よりも低い圧力で液体の状態となる。 FIG. 3 shows a state diagram of the refrigerant 60. As indicated by a dotted line in FIG. 3, the refrigerant 60 having a liquid density inside the pores adsorbed on the pore walls of the nanoporous body 20 is in equilibrium with vapor having a pressure lower than the saturated vapor pressure. . That is, the gas adsorbed on the pore walls of the nanoporous body 20 is in a liquid state at a pressure lower than the saturated vapor pressure.
図4Aは、ナノ多孔質体20を収縮させて冷媒60を脱離させる様子を示す図である。図4Aに示すように、ナノ多孔質体20は、応力を印加する(仕事Wns[J])と細孔が収縮し、細孔壁に吸着していた冷媒60は脱離する。このとき、液体の密度で吸着された冷媒60は、再び気体としてナノ多孔質体20の外部に放出される。熱交換装置10は、この脱離の際の蒸発潜熱QL[J]を冷熱として利用することによって、対象を冷却することができる。 FIG. 4A is a diagram illustrating a state in which the nanoporous body 20 is contracted and the refrigerant 60 is desorbed. As shown in FIG. 4A, when stress is applied to the nanoporous body 20 (work W ns [J]), the pores contract and the refrigerant 60 adsorbed on the pore walls is desorbed. At this time, the refrigerant 60 adsorbed at the density of the liquid is released again as a gas to the outside of the nanoporous body 20. The heat exchange device 10 can cool the target by using the latent heat of vaporization Q L [J] at the time of desorption as cold heat.
図4Bは、収縮したナノ多孔質体20を自由膨張させて冷媒60を吸着させる様子を示す図である。図4Bに示すように、ナノ多孔質体20は、応力を解放すると、ナノ多孔質体20は自由膨張して細孔が元の大きさに戻り、冷媒60を再び吸着させることができる。上述したように、冷媒60は、ナノ多孔質体20の細孔壁に液体の密度で吸着される。すなわち、冷媒60は、ナノ多孔質体20へ吸着される際に、気体から液体へ相変化して、凝縮潜熱QH[J]を発生する。 FIG. 4B is a diagram illustrating a state in which the contracted nanoporous body 20 is freely expanded to adsorb the refrigerant 60. As shown in FIG. 4B, when the nanoporous body 20 releases the stress, the nanoporous body 20 freely expands, the pores return to the original size, and the refrigerant 60 can be adsorbed again. As described above, the refrigerant 60 is adsorbed on the pore walls of the nanoporous body 20 at a liquid density. That is, when the refrigerant 60 is adsorbed to the nanoporous body 20, the refrigerant 60 changes phase from gas to liquid and generates condensation latent heat Q H [J].
ナノ多孔質体20を構成する材料としては、弾性を有し、収縮して冷媒60を脱離可能で、かつ、膨張して冷媒60を吸着可能な材料であれば特に限定されない。そのような材料としては、例えば、ゼオライトテンプレートカーボン(ZTC;Zeorite Template Carbon)、グラフェンメソスポンジ(GMS;Graphene MesoSponge)等が挙げられる。ゼオライトテンプレートカーボン(以下、「ZTC」と称する。)およびグラフェンメソスポンジ(以下、「GMS」と称する。)は、いずれも単層グラフェン骨格からなり、冷媒60の脱離および吸着に必要な多孔性および弾性特性を有している。 The material constituting the nanoporous body 20 is not particularly limited as long as it is elastic, contracts to be able to desorb the refrigerant 60, and expands to adsorb the refrigerant 60. Examples of such materials include zeolite template carbon (ZTC), graphene meso sponge (GMS), and the like. Zeolite template carbon (hereinafter referred to as “ZTC”) and graphene meso sponge (hereinafter referred to as “GMS”) are both composed of a single-layer graphene skeleton, and are necessary for the desorption and adsorption of the refrigerant 60. And has elastic properties.
ZTCは、単層のグラフェンシートにより構成される。また、均一な細孔(直径約1.2nm)が三次元的に規則配列し、相互に連結しており、極めて高いBET比表面積と細孔容積を有する(最大でBET比表面積が4100m2/g、細孔容積が1.8cc/g)ことが知られている。なお、ZTCの規則構造は、X線回折装置(Rigaku,MiniFlex600,CuK)を用いて分析した。また、ZTCのBET比表面積は、液体窒素吸着(77K)(Microtrac BEL,BELSORB−max)を用いて分析した。 ZTC is composed of a single-layer graphene sheet. Further, uniform pores (diameter of about 1.2 nm) are three-dimensionally regularly arranged and connected to each other, and have extremely high BET specific surface area and pore volume (maximum BET specific surface area of 4100 m 2 / g, and the pore volume is known to be 1.8 cc / g). The ordered structure of ZTC was analyzed using an X-ray diffractometer (Rigaku, MiniFlex 600, CuK). Moreover, the BET specific surface area of ZTC was analyzed using liquid nitrogen adsorption (77K) (Microtrac BEL, BELSORB-max).
ZTCの製造方法については、Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009)等に記載されている。具体的には、まず、構造内部に空孔を有し、この空孔が網目状に連結した構造を有する多孔質材料(例えば、ゼオライト等)を鋳型として準備する。そして、この多孔質材料の表面および空孔の内部に加熱条件下で有機化合物(例えば、アセチレン、エチレン等)を導入し、加熱することによって当該有機化合物を炭化し、多孔質材料に炭素を堆積させる。ここで、有機化合物の炭化・炭素の堆積は、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により行うことができる。そして、鋳型である多孔質材料を除去する。この方法により、鋳型の三次元構造を反映した炭素材料(すなわち、ZTC)を容易に製造することができる。上記の方法により製造されたZTCは柔軟性および弾性に優れ、細孔の直径が約1.2nmから約0.7nmになるまで可逆的に弾性変形することができる。 The production method of ZTC is described in Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009) and the like. Specifically, first, a porous material (for example, zeolite or the like) having a structure in which pores are formed inside the structure and the pores are connected in a mesh shape is prepared as a template. Then, an organic compound (for example, acetylene, ethylene, etc.) is introduced into the surface of the porous material and inside the pores under heating conditions, and the organic compound is carbonized by heating to deposit carbon on the porous material. Let Here, the carbonization / carbon deposition of the organic compound can be performed by, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method. And the porous material which is a casting_mold | template is removed. By this method, a carbon material (that is, ZTC) reflecting the three-dimensional structure of the template can be easily manufactured. ZTC manufactured by the above method is excellent in flexibility and elasticity, and can be elastically deformed reversibly until the pore diameter is about 1.2 nm to about 0.7 nm.
GMSもまた、細孔壁の大部分が単層グラフェンから構成され、約6nm程度の微小な細孔を有するスポンジ状のメソ多孔体であり、ZTCと同様、活性炭に匹敵する極めて高いBET比表面積(約2000m2/g)を有している。その一方で、活性炭やカーボンブラックとは異なり腐食の原因となるグラフェンの端部をほとんど含んでいないことから、優れた耐食性(酸化耐性)も備えている。また、柔軟かつ強靭であるというグラフェンの性質に起因して、GMSは柔軟性および弾性に優れ、細孔の直径が約5.8nmから約0.7nmになるまで可逆的に弾性変形することができる。 GMS is also a sponge-like mesoporous material having a large part of the pore wall composed of single-layer graphene and having fine pores of about 6 nm, and, like ZTC, has an extremely high BET specific surface area comparable to activated carbon. (About 2000 m 2 / g). On the other hand, unlike activated carbon and carbon black, it contains almost no end of graphene that causes corrosion, and therefore has excellent corrosion resistance (oxidation resistance). In addition, due to the property of graphene that is flexible and tough, GMS is excellent in flexibility and elasticity, and can be elastically deformed reversibly until the diameter of the pore is about 5.8 nm to about 0.7 nm. it can.
GMSの製造方法については、Nishihara, H. et al., Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427.に記載されている。具体的には、まず、ナノサイズの球状基材として、アルミナ等(例えば、γ−アルミナ)からなる金属酸化物ナノ粒子を準備する。この材料は後述するCVD法による炭素被覆に対する高い触媒活性と、優れた耐焼結耐性を有している。 The production method of GMS is described in Nishihara, H. et al., Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427. Specifically, first, metal oxide nanoparticles made of alumina or the like (for example, γ-alumina) are prepared as a nano-sized spherical base material. This material has a high catalytic activity for carbon coating by the CVD method described later and an excellent sintering resistance.
続いて、有機化合物を炭素源として用いたCVD法により、上記で準備した球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面を炭素で被覆する。このCVD法を用いた炭素被覆によれば、球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の全表面に均一な炭素層を形成することが可能である。なお、この際に用いられる有機化合物としては、メタン、アセチレン、エチレン、プロピレン、ベンゼン等が挙げられるが、なかでも特に大量の炭素結晶による被覆が達成されうるという観点からは、メタンを炭素源として用いることが好ましい。なお、CVDプロセスにおいては、ガス流の流れを良くする目的で、石英砂(珪砂)などのスペーサーを球状基材(金属酸化物ナノ粒子)と混合した状態で有機化合物を導入してもよい。また、有機化合物の導入には窒素等の不活性ガスをキャリアガスとして用いてもよく、キャリアガスと炭素源(有機化合物)との混合ガスにおける炭素源の濃度は10〜30体積%程度とすることが好ましい。 Subsequently, the surface of the spherical base material (metal oxide nanoparticles) prepared above is coated with carbon by a CVD method using an organic compound as a carbon source. According to the carbon coating using this CVD method, it is possible to form a uniform carbon layer on the entire surface of the spherical base material (metal oxide nanoparticles). In addition, examples of the organic compound used in this case include methane, acetylene, ethylene, propylene, benzene, etc. Among them, from the viewpoint that coating with a large amount of carbon crystal can be achieved, methane is used as a carbon source. It is preferable to use it. In the CVD process, the organic compound may be introduced in a state where a spacer such as quartz sand (silica sand) is mixed with the spherical base material (metal oxide nanoparticles) for the purpose of improving the gas flow. Further, an inert gas such as nitrogen may be used as the carrier gas for introducing the organic compound, and the concentration of the carbon source in the mixed gas of the carrier gas and the carbon source (organic compound) is about 10 to 30% by volume. It is preferable.
CVDプロセスが進行すると試料の色は黒色に変化する一方で当該試料を内包する反応容器(例えば、石英管)は透明に維持されることから、炭素の堆積は球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面上のみに生じていることが確認できる。ここで、CVDプロセスを経ても球状基材(金属酸化物ナノ粒子)は焼結していないため、炭素被覆された球状基材の形状は炭素被覆前からほとんど変化しない。このようにして球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面に被覆された炭素層の(平均)積層数は、CVDプロセスにおいて投入した炭素源(有機化合物)の量のほか、CVDの際の処理温度および処理時間などに基づいて制御可能であり、最終的に得られるGMSにおけるグラフェン層の(平均)積層数に対応している。この(平均)積層数の値は特に制限されないが、冷媒60に対して優れた脱離/吸着特性を示すという観点から、好ましくは0.90〜3.0であり、より好ましくは0.95〜2.0であり、さらに好ましくは0.98〜1.5であり、特に好ましくは1.0〜1.1である。なお、CVDプロセスにおける処理温度および処理時間についても特に制限はないが、処理温度は好ましくは800〜1000℃であり、より好ましくは850〜950℃である。また、処理時間は好ましくは1〜10時間であり、より好ましくは2〜6時間である。 As the CVD process proceeds, the color of the sample changes to black, while the reaction vessel (eg, quartz tube) containing the sample is kept transparent, so carbon deposition is performed on a spherical substrate (metal oxide nanoparticles). This can be confirmed only on the surface. Here, since the spherical base material (metal oxide nanoparticles) is not sintered even after the CVD process, the shape of the carbon-coated spherical base material hardly changes from before the carbon coating. In this way, the (average) number of carbon layers coated on the surface of the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) is not only the amount of carbon source (organic compound) input in the CVD process, but also during the CVD. It can be controlled based on the processing temperature, processing time, etc., and corresponds to the (average) number of graphene layers in the finally obtained GMS. The value of the (average) number of layers is not particularly limited, but is preferably 0.90 to 3.0, more preferably 0.95 from the viewpoint of exhibiting excellent desorption / adsorption characteristics with respect to the refrigerant 60. It is -2.0, More preferably, it is 0.98-1.5, Most preferably, it is 1.0-1.1. In addition, although there is no restriction | limiting in particular also about the processing temperature and processing time in a CVD process, Processing temperature becomes like this. Preferably it is 800-1000 degreeC, More preferably, it is 850-950 degreeC. The treatment time is preferably 1 to 10 hours, more preferably 2 to 6 hours.
その後、鋳型として用いられた球状基材(金属酸化物ナノ粒子)を化学エッチングによって除去し、当該球状基材の表面に被覆された炭素層のみを残す。この際、化学エッチングには強酸または強塩基の水溶液を用いればよい。強酸としては、例えば、フッ酸(HF)が挙げられる(この場合には室温でのエッチングが可能である)。また、強塩基としては、例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)が挙げられる(この場合には200〜300℃程度に加熱することが好ましい)。化学エッチングによって球状基材(金属酸化物ナノ粒子)が除去されると、GMSの前駆体として、球状のメソ孔を有する炭素メソスポンジ(CMS;Carbon MesoSponge)が得られる。 Thereafter, the spherical base material (metal oxide nanoparticles) used as a template is removed by chemical etching, leaving only the carbon layer coated on the surface of the spherical base material. At this time, an aqueous solution of strong acid or strong base may be used for chemical etching. An example of the strong acid is hydrofluoric acid (HF) (in this case, etching at room temperature is possible). Moreover, as a strong base, sodium hydroxide (NaOH) is mentioned, for example (In this case, it is preferable to heat to about 200-300 degreeC). When the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) is removed by chemical etching, a carbon meso sponge (CMS; Carbon MesoSponge) having spherical mesopores is obtained as a precursor of GMS.
最後に、このようにして得られた炭素メソスポンジ(CMS)を必要に応じて水洗した後、減圧条件下において、1500〜2000℃(好ましくは1700〜1900℃)程度の温度で、30分間〜2時間程度の熱処理を施す。これにより、炭素層のグラフェンへの結晶化が進行し、GMSが得られる。ここで、炭素メソスポンジ(CMS)の有する球状のメソ孔は上述した熱処理の際の高温に対しても非常に安定であることから、このようにして得られたGMSにおいても炭素メソスポンジ(CMS)と同様のメソ孔が保持されている。GMSはこのようなメソ孔を有していることから、スポンジのように柔軟に弾性変形が可能である。このため、収縮して冷媒60を脱離可能であると共に、膨張しては冷媒60を吸着可能であり、本実施形態に係る熱交換装置10におけるナノ多孔質体20として好適に用いられうる。 Finally, the carbon meso sponge (CMS) thus obtained is washed with water as necessary, and then under reduced pressure at a temperature of about 1500 to 2000 ° C. (preferably 1700 to 1900 ° C.) for 30 minutes to Heat treatment is performed for about 2 hours. Thereby, crystallization of the carbon layer into graphene proceeds, and GMS is obtained. Here, since the spherical mesopores possessed by the carbon meso sponge (CMS) are very stable even at high temperatures during the heat treatment described above, the carbon meso sponge (CMS) is also obtained in the GMS thus obtained. ) Is retained. Since GMS has such mesopores, it can be elastically deformed flexibly like a sponge. Therefore, the refrigerant 60 can be desorbed by being contracted, and the refrigerant 60 can be adsorbed by being expanded, and can be suitably used as the nanoporous body 20 in the heat exchange device 10 according to the present embodiment.
[応力付与部31A、31B]
応力付与部31A、31Bは、図4Aに示すようにナノ多孔質体20に応力を印加して収縮させ、図4Bに示すように印加した応力を解放してナノ多孔質体20を自由膨張させる。これにより、応力付与部31A、31Bは、ナノ多孔質体20の細孔径を外部からの応力で制御することができる。
[Stressing portions 31A and 31B]
The stress applying portions 31A and 31B apply stress to the nanoporous body 20 to contract as shown in FIG. 4A, and release the applied stress to freely expand the nanoporous body 20 as shown in FIG. 4B. . Thereby, the stress imparting portions 31A and 31B can control the pore diameter of the nanoporous body 20 with external stress.
応力付与部31A、31Bは、ナノ多孔質体20に対して接近離反する方向に往復運動してナノ多孔質体20に応力を印加および解放することができる限りにおいてその構成は特に限定されない。応力付与部31A、31Bとしては、例えば、モーターの回転運動を利用した機械式プレス機や油圧等の流体圧を利用した液圧式プレス機などを使用することができる。 The configuration of the stress applying portions 31 </ b> A and 31 </ b> B is not particularly limited as long as the stress applying portions 31 </ b> A and 31 </ b> B can reciprocate in the direction approaching and separating from the nanoporous body 20 to apply and release stress to the nanoporous body 20. As the stress applying portions 31A and 31B, for example, a mechanical press machine using a rotational motion of a motor, a hydraulic press machine using a fluid pressure such as hydraulic pressure, or the like can be used.
[チャンバー32A、32B]
チャンバー32A、32Bは、内部にナノ多孔質体20を収容する空間を有する容器である。チャンバー32A、32Bの内部は、真空または真空に近い低圧に保たれている。このため、冷媒60は比較的低い温度において液体から気体へ相変化することができる(図3を参照)。
[Chamber 32A, 32B]
The chambers 32A and 32B are containers having a space for accommodating the nanoporous body 20 therein. The insides of the chambers 32A and 32B are kept at a vacuum or a low pressure close to a vacuum. For this reason, the refrigerant 60 can change phase from liquid to gas at a relatively low temperature (see FIG. 3).
[空気調節部33A、33B]
空気調節部33A、33Bは、チャンバー32A、32B内を低温の空気と熱伝導させた冷却状態と、高温の空気と熱伝導させた排熱状態とを切り替える。本実施形態の熱交換装置10は、対象を冷却するための装置であるため、低温の空気は、冷却する対象の雰囲気に相当する。空気調節部33A、33Bは、冷却状態にして対象を冷却するために必要な冷熱を熱交換部30A、30Bから取り出す。また、空気調節部33A、33Bは、排熱状態にして熱交換部30A、30Bから発生した熱を排熱する。
[Air conditioning units 33A and 33B]
The air adjusting units 33A and 33B switch between a cooling state in which the inside of the chambers 32A and 32B is thermally conducted with low-temperature air and an exhaust heat state in which heat is conducted with high-temperature air. Since the heat exchange device 10 of the present embodiment is a device for cooling an object, low-temperature air corresponds to the atmosphere of the object to be cooled. The air conditioning units 33A and 33B take out the cold heat necessary for cooling the target in the cooling state from the heat exchange units 30A and 30B. Further, the air conditioning units 33A and 33B are exhausted to exhaust heat generated from the heat exchange units 30A and 30B.
熱交換装置10を自動車のカーエアコン(冷房)に適用する場合は、例えば、低温の空気を車室内空気(内気)とし、高温の空気を車室外空気(外気)とすることができる。冷房を使用する夏季は、外気温度が内気温度よりも高く、例えば、外気温度は約303K、内気温度は約298Kとなる。以下の説明では、低温の空気を車室内の「内気」、高温の空気を車室外の「外気」として説明する。 When the heat exchange device 10 is applied to a car air conditioner (cooling) of an automobile, for example, low-temperature air can be used as vehicle interior air (inside air), and high-temperature air can be used as vehicle interior air (outside air). In the summer season when cooling is used, the outside air temperature is higher than the inside air temperature. For example, the outside air temperature is about 303K and the inside air temperature is about 298K. In the following description, low-temperature air is described as “inside air” in the vehicle interior, and high-temperature air is described as “outside air” outside the vehicle interior.
[制御部40]
制御部40は、例えば、図示しないCPU(中央演算装置)、RAM(Random Access Memory)、およびコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の制御を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の制御が実現される。
[Control unit 40]
The control unit 40 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit) (not shown), a RAM (Random Access Memory), a computer-readable recording medium, and the like. A series of processes for realizing the control described later is recorded in a recording medium or the like in the form of a program, and the CPU reads the program into a RAM or the like and executes information processing / calculation processing. The control described later is realized.
制御部40は、応力付与部31A、31Bおよび空気調節部33A、33Bの動作を制御する。制御部40は、熱交換部30A、30Bにおける動作モードを、冷媒60をナノ多孔質体20から脱離させる脱離モードと、冷媒60をナノ多孔質体20に吸着させる吸着モードとに切り替える。 The control unit 40 controls the operations of the stress applying units 31A and 31B and the air adjusting units 33A and 33B. The control unit 40 switches the operation mode in the heat exchange units 30 </ b> A and 30 </ b> B between a desorption mode in which the refrigerant 60 is desorbed from the nanoporous body 20 and an adsorption mode in which the refrigerant 60 is adsorbed on the nanoporous body 20.
[冷媒60]
本実施形態では冷媒60として水を用いる。一般的な蒸気圧縮式の熱交換装置では、フロロカーボン系のHFC−134aが冷媒として広く用いられている。一般的な作用圧力は0.34〜1.2MPa、温度範囲は277〜323Kであり、高圧での運転が必要となるが、室温付近での運転が可能であり、その成績係数COPは、5〜7程度である。一方で、水は、HFC−134aに対して、約16倍の蒸発潜熱を有するため、理論的には得られる冷熱は16倍になる。また、HFC−134a等のフロロカーボン系冷媒において、オゾン層破壊の問題は改善されてきているが、依然として地球温暖化係数は大きい。これに対して、水に代表される自然冷媒は、地球環境に悪影響を及ぼさない。
[Refrigerant 60]
In the present embodiment, water is used as the refrigerant 60. In general vapor compression heat exchange devices, fluorocarbon-based HFC-134a is widely used as a refrigerant. A general working pressure is 0.34 to 1.2 MPa and a temperature range is 277 to 323 K, and an operation at a high pressure is required, but an operation near room temperature is possible, and a coefficient of performance COP is 5 It is about ~ 7. On the other hand, since water has about 16 times the latent heat of vaporization compared to HFC-134a, the theoretically obtained cold heat is 16 times. Further, in the fluorocarbon refrigerants such as HFC-134a, the problem of ozone layer destruction has been improved, but the global warming potential is still large. On the other hand, natural refrigerants represented by water do not adversely affect the global environment.
以上の理由から、冷媒60として水を用いることによって成績係数COPを向上できると共に地球環境にやさしい熱交換装置10を提供することができる。 For the above reasons, the coefficient of performance COP can be improved by using water as the refrigerant 60, and the heat exchange device 10 that is friendly to the global environment can be provided.
なお、本発明に適用できる冷媒60は、水に限定されず、例えば、後述する実施例2のようにエタノールを用いることもできる。 In addition, the refrigerant | coolant 60 applicable to this invention is not limited to water, For example, ethanol can also be used like Example 2 mentioned later.
<熱交換装置10の熱サイクル>
次に、図5を参照して、熱交換装置10による熱サイクルについて説明する。図5は、熱交換装置10の熱サイクルのT−S線図を示す。なお、本発明では、冷媒60を次の4種類に分けて考える。第1の種類は恒久的にナノ多孔質体20に吸着した状態で留まる分であり、これを冷媒61とする。第2の種類は、ナノ多孔質体20への応力印加や自由膨張により脱離および吸着するもののうち、内気の冷却に関与しない分であり、これを冷媒62とする。第3の種類は、ナノ多孔質体20への応力印加や自由膨張により脱離および吸着するもののうち、内気の冷却に関与する分であり、これを冷媒63とする。第4の種類は、ナノ多孔質体20に吸着せずに恒久的に気相として存在する分であり、これを冷媒64とする。なお、図5で考慮しているのは、冷媒63のみである。
<Thermal cycle of the heat exchange device 10>
Next, with reference to FIG. 5, the thermal cycle by the heat exchange apparatus 10 is demonstrated. FIG. 5 shows a TS diagram of the heat cycle of the heat exchange device 10. In the present invention, the refrigerant 60 is divided into the following four types. The first type is the amount that remains permanently adsorbed on the nanoporous body 20, and this is the refrigerant 61. The second type is a part that does not participate in cooling of the inside air among those that are desorbed and adsorbed by applying stress to the nanoporous body 20 and free expansion, and this is the refrigerant 62. The third type is a part related to cooling of the inside air among those desorbed and adsorbed by stress application to the nanoporous body 20 and free expansion, and this is used as the refrigerant 63. The fourth type is a portion that is permanently adsorbed as a gas phase without being adsorbed on the nanoporous body 20, and is referred to as a refrigerant 64. Note that only the refrigerant 63 is considered in FIG.
熱交換装置10の熱サイクルは、逆カルノーサイクルである。逆カルノーサイクルは、状態1→状態2→状態3→状態4の順に冷媒63の状態を変化させる。図5中の状態1から状態2のプロセスは加熱、状態2から状態3のプロセスは等圧等温の吸着、状態3から状態4のプロセスは冷却、状態4から状態1のプロセスは等圧等温の脱離の各行程を示す。ここで、冷媒63は、状態1では低温T1の飽和蒸気であり、状態2では高温T2の過熱蒸気であり、状態3では高温T3の液体であり、状態4では低温T4の液体である。ここで、温度T1とT4は等しくTLであり、温度T2とT3は等しくTHである。 The heat cycle of the heat exchange device 10 is a reverse Carnot cycle. In the reverse Carnot cycle, the state of the refrigerant 63 is changed in the order of state 1 → state 2 → state 3 → state 4. The process from state 1 to state 2 in FIG. 5 is heated, the process from state 2 to state 3 is isothermal isotherm, the process from state 3 to state 4 is cooled, the process from state 4 to state 1 is isothermal and isothermal Each step of desorption is shown. Here, the refrigerant 63 is a saturated steam at a low temperature T 1 in the state 1, a superheated steam at a high temperature T 2 in the state 2, a liquid at a high temperature T 3 in the state 3, and a liquid at a low temperature T 4 in the state 4. It is. Here, temperatures T 1 and T 4 are equal T L, temperature T 2 and T 3 are equally T H.
状態1から状態2では、冷媒63は、低温TLの飽和蒸気から加熱されて高温THの過熱蒸気になる。このとき、冷媒63は、気体のまま相変化せずに温度が上昇する。同時に、冷媒61およびナノ多孔質体20の温度をTLからTHに上昇させるために顕熱Qsh1−2[J]が吸熱される。なお、冷媒63は気体であり、その顕熱は液体である冷媒61の顕熱に比べて小さいため無視できる。熱交換装置10の熱サイクルでは、「顕熱」は、冷媒61の温度変化に必要な熱量のみでなく、ナノ多孔質体20の温度変化に必要な熱量も含むものとする。 In state 2 from state 1, the refrigerant 63 will superheated steam of hot T H is heated from saturated vapor of low temperature T L. At this time, the temperature of the refrigerant 63 rises without changing its phase as a gas. At the same time, the sensible heat Q sh1-2 [J] it is absorbed to increase the temperature of the refrigerant 61 and nanoporous body 20 from T L to T H. The refrigerant 63 is a gas, and its sensible heat is small compared to the sensible heat of the refrigerant 61, which is a liquid, and can be ignored. In the heat cycle of the heat exchange device 10, “sensible heat” includes not only the amount of heat necessary for the temperature change of the refrigerant 61 but also the amount of heat necessary for the temperature change of the nanoporous body 20.
状態2から状態3では、収縮していたナノ多孔質体20が自由膨張することによって、冷媒63はナノ多孔質体20の細孔内に吸着する(図4Bを参照)。吸着により、冷媒63は、気体(水蒸気)から液体(水)へと相変化する。相変化に伴って凝縮潜熱QH[J]が排熱される。 In the state 2 to the state 3, the contracted nanoporous body 20 freely expands, and thereby the refrigerant 63 is adsorbed in the pores of the nanoporous body 20 (see FIG. 4B). Due to the adsorption, the refrigerant 63 changes phase from gas (water vapor) to liquid (water). Condensation latent heat Q H [J] is exhausted with the phase change.
状態3から状態4では、冷媒63は、高温THの液体から冷却されて低温TLの液体になる。このとき、冷媒61および63は、液体のまま相変化せずに温度が低下する。冷媒61、63およびナノ多孔質体20の温度をTHからTLに低下させるために、顕熱Qsh[J]が排熱される。なお、状態3および状態4では、冷媒63は、細孔内に吸着した状態である。また、状態3から状態4に至る間、気体である冷媒62が温度低下に伴いナノ多孔質体20Aに吸着されるため、系の気相圧力は一旦低下するが、ナノ多孔質体20を収縮させ冷媒62を脱離させることで系の気相圧力を元に戻し状態4に至らしめるものとする。 In state 4 from state 3, the refrigerant 63, becomes liquid cold T L is cooled from a liquid of a high temperature T H. At this time, the temperature of the refrigerants 61 and 63 decreases without changing the phase as it is in the liquid state. The temperature of the refrigerant 61, 63 and nanoporous body 20 in order to lower the T H to T L, the sensible heat Q sh [J] is waste heat. In states 3 and 4, the refrigerant 63 is adsorbed in the pores. In addition, during the transition from the state 3 to the state 4, the gas refrigerant 62 is adsorbed to the nanoporous body 20 </ b> A as the temperature decreases, so the gas phase pressure of the system once decreases, but the nanoporous body 20 contracts. It is assumed that the vapor phase pressure of the system is returned to the original state 4 by desorbing the refrigerant 62 and reaching the state 4.
状態4から状態1では、ナノ多孔質体20を収縮させて冷媒63を脱離する(図4Aを参照)。状態3から状態4に至る間にナノ多孔質体20を収縮させるために必要な外部からの仕事と、状態4から状態1に至る間にナノ多孔質体20を収縮させるために必要な外部からの仕事との和をWns[J]とする。また、脱離により冷媒63は、液体(水)から気体(水蒸気)へと相変化する。相変化に伴って蒸発潜熱QL[J]が吸熱される。熱交換装置10は、蒸発潜熱QL[J]を冷熱として利用することにより対象を冷却することができる。 In the state 4 to the state 1, the nanoporous body 20 is contracted and the refrigerant 63 is desorbed (see FIG. 4A). Work from the outside necessary for contracting the nanoporous body 20 from state 3 to state 4 and from the outside necessary for contracting the nanoporous body 20 from state 4 to state 1 W ns [J]. In addition, the refrigerant 63 undergoes a phase change from liquid (water) to gas (water vapor) by desorption. As the phase changes, the latent heat of vaporization Q L [J] is absorbed. The heat exchange device 10 can cool the target by using the latent heat of vaporization Q L [J] as cold heat.
<熱交換装置10の制御方法>
次に、図6A〜図6Hを参照して、本実施形態の熱交換装置10の制御方法について説明する。なお、以下の説明において、状態1〜4は、図5に示す状態1〜4のことを意味する。また、応力付与部31A、31Bおよび空気調節部33A、33Bの動作は、制御部40が制御する。
<Control Method of Heat Exchanger 10>
Next, with reference to FIG. 6A-FIG. 6H, the control method of the heat exchange apparatus 10 of this embodiment is demonstrated. In the following description, states 1 to 4 mean states 1 to 4 shown in FIG. Further, the control unit 40 controls the operations of the stress applying units 31A and 31B and the air adjusting units 33A and 33B.
図6A〜図6Hに示すように、本実施形態の熱交換装置10は、一対の熱交換部30A、30Bのうち一方の熱交換部の動作モードが脱離モードである間は他方の熱交換部の動作モードが吸着モードになるようにスイング運転する。 As shown in FIGS. 6A to 6H, the heat exchange device 10 of the present embodiment is configured such that the heat exchange of the other heat exchange unit 30 </ b> A, 30 </ b> B is performed while the operation mode of one heat exchange unit is the desorption mode. Swing operation is performed so that the operation mode of the section becomes the adsorption mode.
図6A〜図6H中の「内気」は、空気調節部33A、33Bによってチャンバー32A、32B内を冷却対象である低温の空気(車室内空気)と熱伝導させた状態を示す。また、図6A〜図6H中の「外気」は、空気調節部33A、33Bによってチャンバー32A、32B内を高温の空気(車室外空気)と熱伝導させた状態を示す。なお、空気調節部33A、33Bの図示は省略する。 The “inside air” in FIGS. 6A to 6H indicates a state in which the insides of the chambers 32A and 32B are thermally conducted with the low-temperature air (vehicle interior air) to be cooled by the air adjusting units 33A and 33B. In addition, “outside air” in FIGS. 6A to 6H indicates a state in which the insides of the chambers 32A and 32B are thermally conducted with high-temperature air (vehicle compartment outside air) by the air adjusting units 33A and 33B. In addition, illustration of air control part 33A, 33B is abbreviate | omitted.
[第1熱交換部30A:脱離モード、第2熱交換部30B:吸着モード]
図6A〜図6Cは、第1熱交換部30Aが脱離モード、第2熱交換部30Bが吸着モードの状態の熱交換装置10を示す。
[First heat exchange unit 30A: desorption mode, second heat exchange unit 30B: adsorption mode]
6A to 6C show the heat exchange device 10 in a state where the first heat exchange unit 30A is in the desorption mode and the second heat exchange unit 30B is in the adsorption mode.
(脱離モード/吸着モードの開始)
図6Aは、第1熱交換部30Aの脱離モードおよび第2熱交換部30Bの吸着モードの開始時の状態を示す。この時、第1チャンバー32A内の冷媒63は、状態3と状態4との間、第2チャンバー32B内の冷媒63は、状態1と状態2との間のそれぞれ途中段階にある。第1チャンバー32A内の第1ナノ多孔質体20Aは、第1応力付与部31Aからの応力印加がなく自由膨張した状態である。第2チャンバー32B内の第2ナノ多孔質体20Bは、第2応力付与部31Bからの応力印加によって収縮した状態である。なお、バルブ51は閉じた状態である。
(Start of desorption mode / adsorption mode)
FIG. 6A shows a state at the start of the desorption mode of the first heat exchange unit 30A and the adsorption mode of the second heat exchange unit 30B. At this time, the refrigerant 63 in the first chamber 32A is in an intermediate stage between the state 3 and the state 4, and the refrigerant 63 in the second chamber 32B is in an intermediate stage between the state 1 and the state 2, respectively. The first nanoporous body 20A in the first chamber 32A is in a state of free expansion without application of stress from the first stress applying part 31A. The second nanoporous body 20B in the second chamber 32B is in a contracted state due to the application of stress from the second stress applying part 31B. The valve 51 is in a closed state.
第1チャンバー32A内の冷媒62および63は、温度T4にて第1ナノ多孔質体20Aに吸着が完了した状態である。この時、第1チャンバー32Aの気相圧力は状態3および状態4より低い状態にある。第2チャンバー32B内の冷媒62および63は、温度T2にて第2ナノ多孔質体20Bから脱離が完了した状態である。この時、第2チャンバー32Bの気相圧力は状態2および状態3より高い状態にある。なお、吸着が完了した第1チャンバー32A内においても、冷媒64は吸着されずに気体の状態で残る。同様に、脱離が完了した第2チャンバー32B内においても、冷媒61は脱離されずに液体の状態で恒久的にナノ多孔質体20の内部に吸着された状態で残る。この恒久的にナノ多孔質体20に残る冷媒61は、顕熱変化のみを後述する成績係数COPの計算に考慮する。 Refrigerant 62 and 63 in the first chamber 32A is a state adsorbed on the first nano-porous body 20A is completed at a temperature T 4. At this time, the gas phase pressure in the first chamber 32A is lower than the state 3 and the state 4. Refrigerant 62 and 63 in the second chamber 32B is a state of detachment from second nanoporous body 20B is completed at a temperature T 2. At this time, the gas phase pressure in the second chamber 32B is higher than the state 2 and the state 3. Even in the first chamber 32A where the adsorption has been completed, the refrigerant 64 remains in a gaseous state without being adsorbed. Similarly, in the second chamber 32B where the desorption is completed, the refrigerant 61 is not desorbed and remains in a state of being permanently adsorbed inside the nanoporous body 20 in a liquid state. For the refrigerant 61 that remains permanently in the nanoporous body 20, only the sensible heat change is considered in the calculation of the coefficient of performance COP, which will be described later.
第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内を冷却対象である内気と熱伝導させた状態である。第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内を外気と熱伝導させた状態である。 In the first heat exchanging unit 30A, the inside of the first chamber 32A is in thermal conduction with the inside air that is the object of cooling. In the second heat exchange unit 30B, the inside of the second chamber 32B is in thermal conduction with the outside air.
第1チャンバー32A内の温度T4は、第2チャンバー32B内の温度T2よりも低い。また、第1チャンバー32Aの内圧は、第2チャンバー32Bの内圧よりも低い。このため、バルブ51は閉じた状態とする。 Temperature T 4 in the first chamber 32A is lower than the temperature T 2 in the second chamber 32B. Further, the internal pressure of the first chamber 32A is lower than the internal pressure of the second chamber 32B. For this reason, the valve 51 is in a closed state.
第1熱交換部30Aは、脱離モードを開始すると、第1応力付与部31Aによって第1ナノ多孔質体20Aに圧縮応力を印加して第1ナノ多孔質体20Aを収縮させる。これにより、第1ナノ多孔質体20Aの細孔が収縮して、冷媒62を脱離する。 When the first heat exchange unit 30A starts the desorption mode, the first stress applying unit 31A applies compressive stress to the first nanoporous body 20A to contract the first nanoporous body 20A. As a result, the pores of the first nanoporous body 20A contract and the refrigerant 62 is desorbed.
熱交換装置10では、第1熱交換部30Aと第2熱交換部30Bとが交互に脱離モードとなるが、COP計算に関係するのは、いずれかの熱交換部が脱離モードにおいて冷媒62および63を脱離するために必要な仕事Wns[J]である。 In the heat exchange device 10, the first heat exchange unit 30 </ b> A and the second heat exchange unit 30 </ b> B are alternately in the desorption mode. The COP calculation is related to the fact that any one of the heat exchange units is in the desorption mode. This is the work W ns [J] required to desorb 62 and 63.
冷媒60は、脱離によって第1チャンバー32A内の圧力を増加させ、系を状態4に至らしめる。冷媒62の相変化に伴って蒸発潜熱QL3−4[J]が発生する。後述において説明するが、この蒸発潜熱QL3−4[J]は、図6Hに示す冷媒62の凝縮潜熱QH3−4[J]の分を相殺するために使われるため冷熱として利用されない。 The refrigerant 60 increases the pressure in the first chamber 32A by desorption and brings the system to the state 4. Along with the phase change of the refrigerant 62, latent heat of vaporization Q L3-4 [J] is generated. As will be described later, this latent heat of vaporization Q L3-4 [J] is not used as cold because it is used to offset the amount of latent heat of condensation Q H3-4 [J] of the refrigerant 62 shown in FIG. 6H.
一方で、第2熱交換部30Bは、吸着モードを開始すると、第2応力付与部31Bから第1ナノ多孔質体20Aに印加した応力を解放する。これにより、第2ナノ多孔質体20Bが自由膨張して細孔が元の形状に復元すると同時に、蒸気として存在している冷媒62を吸着する。すると第2チャンバー32B内の圧力は減少し、系は状態2に至る。相変化に伴って凝縮潜熱QH1−2[J]が発生する。凝縮潜熱QH1−2[J]は、空気調節部33Bによって外気へ排熱される。 On the other hand, when the second heat exchange unit 30B starts the adsorption mode, the second heat exchange unit 30B releases the stress applied to the first nanoporous body 20A from the second stress applying unit 31B. Thereby, the second nanoporous body 20B freely expands and the pores are restored to the original shape, and at the same time, the refrigerant 62 existing as vapor is adsorbed. Then, the pressure in the second chamber 32B decreases and the system reaches the state 2. Condensation latent heat Q H1-2 [J] is generated along with the phase change. The condensation latent heat Q H1-2 [J] is exhausted to the outside air by the air adjusting unit 33B.
上記プロセス中は、第1チャンバー32Aの内圧(蒸気圧)が上昇する一方で、第2チャンバー32Bの内圧(蒸気圧)は低下する。上記プロセス開始時は、第1チャンバー32Aの内圧が第2チャンバー32Bの内圧よりも低いため、第1チャンバー32Aの内圧は、第2チャンバー32Bの内圧に近づく。 During the above process, the internal pressure (vapor pressure) of the first chamber 32A increases while the internal pressure (vapor pressure) of the second chamber 32B decreases. At the start of the process, since the internal pressure of the first chamber 32A is lower than the internal pressure of the second chamber 32B, the internal pressure of the first chamber 32A approaches the internal pressure of the second chamber 32B.
(バルブ51を開く)
図6Bに示すように、第1チャンバー32Aの内圧と第2チャンバー32Bの内圧が等しくなったとき、バルブ51を開く。この時、第1チャンバー32A内の冷媒63は状態4、第2チャンバー32B内の冷媒63は状態2にある。バルブ51を開いた以降は、第1チャンバー32Aにおいて脱離した状態1の飽和蒸気は、配管50を介して第2チャンバー32Bへと移動して温度T2の過熱蒸気へと変化する。このように、飽和蒸気の冷媒63が第1チャンバー32Aから第2チャンバー32Bへ連続的に供給される。状態2から状態3へのエンタルピー変化(H3−H2)は、第2チャンバー32Bから外気へ排熱する熱量QH[J]に相当する。
(Open valve 51)
As shown in FIG. 6B, when the internal pressure of the first chamber 32A and the internal pressure of the second chamber 32B become equal, the valve 51 is opened. At this time, the refrigerant 63 in the first chamber 32A is in the state 4, and the refrigerant 63 in the second chamber 32B is in the state 2. After opening the valve 51, desorbed saturated vapor state 1 in the first chamber 32A is moved to the second chamber 32B through the pipe 50 changes to superheated steam temperature T 2. In this manner, the saturated vapor refrigerant 63 is continuously supplied from the first chamber 32A to the second chamber 32B. The enthalpy change (H 3 −H 2 ) from state 2 to state 3 corresponds to the amount of heat Q H [J] exhausted from the second chamber 32B to the outside air.
第1熱交換部30Aでは、冷媒63の脱離によって蒸発潜熱QL[J]が発生する。バルブ51を開いた後の蒸発潜熱QL[J]は、内気を冷却するための冷熱として利用される。 In the first heat exchange unit 30 </ b> A, the latent heat of vaporization Q L [J] is generated by the desorption of the refrigerant 63. The latent heat of vaporization Q L [J] after opening the valve 51 is used as cold heat for cooling the inside air.
(脱離モード/吸着モードの終了;バルブ51を閉じる)
図6Cは、第2ナノ多孔質体20Bがこれ以上自由膨張しない限界に達した状態を示す。この状態で第2熱交換部30Bの吸着モードを終了する。吸着モードの終了と同時に、第1熱交換部30Aは、第1ナノ多孔質体20Aへの応力印加を停止して脱離モードを終了する。脱離モード/吸着モードを終了したら、バルブ51を閉じる。
(End of desorption mode / adsorption mode; valve 51 is closed)
FIG. 6C shows a state where the second nanoporous body 20B has reached a limit where it can no longer freely expand. In this state, the adsorption mode of the second heat exchange unit 30B is terminated. Simultaneously with the end of the adsorption mode, the first heat exchange unit 30A stops applying stress to the first nanoporous body 20A and ends the desorption mode. When the desorption mode / adsorption mode ends, the valve 51 is closed.
脱離モードおよび吸着モードを終了した段階で、第1チャンバー32A内の冷媒63は、状態1であり、第2チャンバー32B内の冷媒63は、状態3である。第1チャンバー32A内の温度TLは、第2チャンバー32B内の温度THよりも低い状態のままである。また、バルブ51を閉じた直後は、第1チャンバー32Aの内圧と第2チャンバー32Bの内圧は等しい。この時、第1チャンバー32A内で冷媒62の一部は、ナノ多孔質体20Aに吸着されている。また、第2チャンバー32B内で冷媒62の一部は、気相として存在している。 At the stage where the desorption mode and the adsorption mode are finished, the refrigerant 63 in the first chamber 32A is in the state 1, and the refrigerant 63 in the second chamber 32B is in the state 3. Temperature T L in the first chamber 32A remains lower than the temperature T H in the second chamber 32B. Immediately after closing the valve 51, the internal pressure of the first chamber 32A and the internal pressure of the second chamber 32B are equal. At this time, a part of the refrigerant 62 in the first chamber 32A is adsorbed on the nanoporous body 20A. A part of the refrigerant 62 exists in the second chamber 32B as a gas phase.
[動作モードの切り替え]
図6Dは、熱交換部30Aの動作モードを切り替える状態を示す図である。第1熱交換部30Aを吸着モードに切り替え、第2熱交換部30Bを脱離モードに切り替える。
[Switch operation mode]
FIG. 6D is a diagram illustrating a state in which the operation mode of the heat exchange unit 30A is switched. The first heat exchange unit 30A is switched to the adsorption mode, and the second heat exchange unit 30B is switched to the desorption mode.
第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内を内気と熱伝導した状態から、外気と熱伝導した状態に切り替える。第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内を外気と熱伝導した状態から内気と熱伝導した状態に切り替える。外気は内気よりも高温のため、第1チャンバー32A内の温度がTLからTHに上昇し、第2チャンバー32B内の温度がTHからTLに低下する。 In the first heat exchanging unit 30A, the first chamber 32A is switched from a state in which heat is conducted with the inside air to a state in which heat is conducted with the outside air. In the 2nd heat exchange part 30B, the inside of the 2nd chamber 32B is switched from the state thermally conducted with outside air to the state thermally conducted with inside air. Since the outside air than shy of hot, the temperature in the first chamber 32A is increased from T L to T H, the temperature in the second chamber 32B is reduced to T L from T H.
第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内の温度がTLからTHに上昇したことによって、冷媒61および第1ナノ多孔質体20Aの温度をTLからTHに上昇させるために顕熱Qsh1−2[J]が吸熱される。顕熱Qsh1−2[J]は、外気から吸熱するため、後述する成績係数COPの計算では無視できる。また、冷媒63が状態1(低温気体)から状態2(高温気体)に変化するため顕熱が発生するが、これも外気から吸熱するため、無視できる。 In the first heat exchange unit 30A, by the temperature in the first chamber 32A is increased from T L to T H, in order to increase the T H the temperature of the refrigerant 61 and the first nano-porous body 20A from T L Sensible heat Q sh1-2 [J] is absorbed . Since the sensible heat Q sh1-2 [J] absorbs heat from the outside air, it can be ignored in the calculation of the coefficient of performance COP described later. Further, although the sensible heat is generated because the refrigerant 63 changes from the state 1 (low temperature gas) to the state 2 (high temperature gas), this also absorbs heat from the outside air and can be ignored.
また、ナノ多孔質体20の物理吸着量は高温になるほど小さい。従って、第1熱交換部30Aでは、温度TLで脱離平衡に達していた状態から温度THに加熱されると冷媒62の脱離が進行する。冷媒62の脱離により蒸発潜熱QL1−2[J]が発生する。蒸発潜熱QL1−2[J]は、外気から吸熱するため、後述する成績係数COPの計算では無視できる。なお、脱離に伴い、第1チャンバー32A内の圧力は状態1および状態2の圧力よりも高くなっている。 Further, the physical adsorption amount of the nanoporous body 20 is smaller as the temperature becomes higher. Accordingly, the first heat exchange unit 30A, when heated from a state that was reached desorption equilibrium at the temperature T L to the temperature T H desorption of the refrigerant 62 progresses. Evaporation latent heat Q L1-2 [J] is generated by the desorption of the refrigerant 62. Since the latent heat of vaporization Q L1-2 [J] absorbs heat from the outside air, it can be ignored in the calculation of the coefficient of performance COP described later. Note that the pressure in the first chamber 32A is higher than the pressure in the state 1 and the state 2 with the desorption.
第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内の温度がTHからTLに低下したことによって、冷媒61、63が状態3(高温液体)から状態4(低温液体)に変化する。このため、第2熱交換部30Bでは、冷媒61、63および第2ナノ多孔質体20Bの温度をT3からT4に低下させるために顕熱Qsh[J]が内気に排熱される。その結果、顕熱Qsh[J]が冷却対象である内気の温度を上昇させてしまうため、熱エネルギーの損失が生じる。従って、成績係数COPの計算では、冷熱として得られる蒸発潜熱QL[J]から顕熱Qsh[J]を差し引く必要がある。 In the second heat exchange unit 30B, the temperature in the second chamber 32B is by drops to T L from T H, the refrigerant 61 and 63 changes from state 3 (hot liquids) to state 4 (cryogenic liquid). Therefore, in the second heat exchange unit 30B, the sensible heat Q sh [J] is shy waste heat to reduce the temperature of the refrigerant 61, 63 and the second nano-porous material 20B from T 3 to T 4. As a result, the sensible heat Q sh [J] increases the temperature of the inside air that is the object of cooling, resulting in a loss of thermal energy. Therefore, in the calculation of the coefficient of performance COP, it is necessary to subtract the sensible heat Q sh [J] from the latent heat of vaporization Q L [J] obtained as cold heat.
また、ナノ多孔質体20の物理吸着量は低温であるほど大きい。従って、第2熱交換部30Bでは、温度THで吸着平衡に達していた状態から温度TLに冷却されると冷媒62の吸着が進行する。冷媒62の吸着により凝縮潜熱QH3−4[J]が発生する。この凝縮潜熱QH3−4[J]は、冷却対象である内気の温度を上昇させてしまう。しかしながら、後述する図6Eに示す蒸発潜熱QL3−4[J]と相殺することができるため、後述する成績係数COPの計算では無視できる。 Further, the physical adsorption amount of the nanoporous body 20 is larger as the temperature is lower. Therefore, in the second heat exchange unit 30B, when cooled from the state at the temperature T H has reached the adsorption equilibrium temperature T L adsorption of the refrigerant 62 progresses. Condensation latent heat Q H3-4 [J] is generated by the adsorption of the refrigerant 62. This condensation latent heat Q H3-4 [J] increases the temperature of the inside air that is the object of cooling. However, since it can cancel out with the latent heat of vaporization Q L3-4 [J] shown in FIG. 6E described later, it can be ignored in the calculation of the coefficient of performance COP described later.
なお、ナノ多孔質体20の物理吸着量と温度との関係(図13を参照)については後述の実施例において詳細に説明する。 The relationship between the amount of physical adsorption of the nanoporous body 20 and the temperature (see FIG. 13) will be described in detail in the examples described later.
第1熱交換部30Aでは脱離が起こり、第2熱交換部30Bでは吸着が起こるため、第1チャンバー32Aの内圧が第2チャンバー32Bの内圧よりも低くなる。このとき、バルブ51は閉じた状態のため、チャンバー32A、32B間の内圧の差によって冷媒60が低温の第2チャンバー32Bから高温の第1チャンバー32Aへ逆流することを防止できる。以上の理由から、熱交換部30A、30Bの動作モードを切り替える際(図6Dを参照)には、バルブ51を閉じた状態にしておくことが好ましい。 Since desorption occurs in the first heat exchange unit 30A and adsorption occurs in the second heat exchange unit 30B, the internal pressure of the first chamber 32A is lower than the internal pressure of the second chamber 32B. At this time, since the valve 51 is closed, the refrigerant 60 can be prevented from flowing back from the low temperature second chamber 32B to the high temperature first chamber 32A due to the difference in internal pressure between the chambers 32A and 32B. For the above reasons, it is preferable to keep the valve 51 closed when switching the operation mode of the heat exchange units 30A and 30B (see FIG. 6D).
[第1熱交換部30A:吸着モード、第2熱交換部30B:脱離モード]
図6E〜図6Gは、第1熱交換部30Aが脱離モード、第2熱交換部30Bが吸着モードの状態を示す。図6E〜図6Gは、図6A〜図6Cの第1熱交換部30Aの動作モードと第2熱交換部30Bの動作モードを入れ替えた図である。2つの熱交換部30A、30Bの脱離モードの動作と吸着モードの動作はそれぞれ同じであるため、前述した説明と重複する事項については前述の記載を参照して説明を省略する。
[First heat exchange unit 30A: adsorption mode, second heat exchange unit 30B: desorption mode]
6E to 6G show a state in which the first heat exchange unit 30A is in the desorption mode and the second heat exchange unit 30B is in the adsorption mode. 6E to 6G are diagrams in which the operation mode of the first heat exchange unit 30A and the operation mode of the second heat exchange unit 30B in FIGS. 6A to 6C are switched. Since the operation of the desorption mode and the operation of the adsorption mode of the two heat exchange units 30A and 30B are the same, the description overlapping with the above description will be omitted with reference to the above description.
(脱離モード/吸着モードの開始)
図6Eは、図6Aの熱交換部30A、30Bの動作モードを入れ替えた図である。図6Eは、第1熱交換部30Aの吸着モードおよび第2熱交換部30Bの脱離モードの開始時の状態を示す。第1チャンバー32A内の温度THは、第2チャンバー32B内の温度TLよりも高い。
(Start of desorption mode / adsorption mode)
FIG. 6E is a diagram in which the operation modes of the heat exchange units 30A and 30B in FIG. 6A are switched. FIG. 6E shows a state at the start of the adsorption mode of the first heat exchange unit 30A and the desorption mode of the second heat exchange unit 30B. Temperature T H in the first chamber 32A is higher than the temperature T L in the second chamber 32B.
吸着モードの第1熱交換部30Aでは、前述した図6Aの第2熱交換部30Bの動作と同様に、ナノ多孔質体20を自由膨張させて冷媒62をナノ多孔質体20に吸着させる。吸着によって外気に排熱する凝縮潜熱QH1−2[J]が発生する。 In the first heat exchange unit 30A in the adsorption mode, the nanoporous body 20 is freely expanded and the refrigerant 62 is adsorbed to the nanoporous body 20 in the same manner as the operation of the second heat exchange unit 30B in FIG. 6A described above. Condensation latent heat Q H1-2 [J] is generated that is exhausted to the outside air by adsorption.
脱離モードの第2熱交換部30Bでは、前述した図6Aの第1熱交換部30Aの動作と同様に、第2応力付与部31Bによってナノ多孔質体20を収縮させて冷媒62を脱離させる。脱離によって内気から吸熱する蒸発潜熱QL3−4[J]が発生する。 In the second heat exchange unit 30B in the desorption mode, the nanoporous body 20 is contracted by the second stress applying unit 31B to desorb the refrigerant 62 in the same manner as the operation of the first heat exchange unit 30A in FIG. 6A described above. Let The latent heat of vaporization Q L3-4 [J] that absorbs heat from the inside air is generated by the desorption.
上記プロセス中は、第1チャンバー32Aの内圧(水蒸気圧)が低下する一方で、第2チャンバー32Bの内圧(水蒸気圧)は上昇する。上記プロセス開始時は、第1チャンバー32Aの内圧が第2チャンバー32Bの内圧よりも高いため、第1チャンバー32Aの内圧は、第2チャンバー32Bの内圧に近づく。 During the above process, the internal pressure (water vapor pressure) of the first chamber 32A decreases while the internal pressure (water vapor pressure) of the second chamber 32B increases. At the start of the process, since the internal pressure of the first chamber 32A is higher than the internal pressure of the second chamber 32B, the internal pressure of the first chamber 32A approaches the internal pressure of the second chamber 32B.
(バルブ51を開く)
図6Fは、図6Bの熱交換部30A、30Bの動作モードを入れ替えた図である。図6Fに示すように、第1チャンバー32Aの内圧と第2チャンバー32Bの内圧が等しくなったとき、バルブ51を開く。この時、第1チャンバー32A内の冷媒63は状態2、第2チャンバー32B内の冷媒63は状態4にある。
(Open valve 51)
FIG. 6F is a diagram in which the operation modes of the heat exchange units 30A and 30B in FIG. 6B are switched. As shown in FIG. 6F, when the internal pressure of the first chamber 32A becomes equal to the internal pressure of the second chamber 32B, the valve 51 is opened. At this time, the refrigerant 63 in the first chamber 32A is in the state 2, and the refrigerant 63 in the second chamber 32B is in the state 4.
ここで、バルブ51を閉じて(図6Cを参照)からバルブ51を開く(図6Fを参照)までに、第2熱交換部30Bで吸着した冷媒62の量と脱離した冷媒62の量は等しい。これは、バルブ51を閉じるときとバルブ51を開くときに、第1チャンバー32Aの内圧と第2チャンバー32Bの内圧が等いためである。従って、図6Eに示す第2熱交換部30Bの脱離によって内気から吸熱した蒸発潜熱QL3−4[J]は、図6Dに示す第2熱交換部30Bの吸着によって内気に排熱した凝縮潜熱QH3−4[J]に等しい。このため、凝縮潜熱QH3−4[J]によって内気の温度を上昇させた分は、蒸発潜熱QL3−4[J]で相殺することができる。このため、内気の冷却は、バルブ51を開いた後の蒸発潜熱QL[J]によって行われる。 From the time when the valve 51 is closed (see FIG. 6C) to the time when the valve 51 is opened (see FIG. 6F), the amount of the refrigerant 62 adsorbed and desorbed by the second heat exchange unit 30B is equal. This is because when the valve 51 is closed and when the valve 51 is opened, the internal pressure of the first chamber 32A is equal to the internal pressure of the second chamber 32B. Therefore, the latent heat of vaporization Q L3-4 [J] that has absorbed heat from the inside air due to the desorption of the second heat exchange unit 30B shown in FIG. It is equal to latent heat Q H3-4 [J]. For this reason, the part which raised the temperature of internal air by condensation latent heat QH3-4 [J] can be canceled by evaporation latent heat QL3-4 [J]. For this reason, the inside air is cooled by the latent heat of vaporization Q L [J] after the valve 51 is opened.
冷却に寄与しない蒸発潜熱QL3−4[J]を生成するための仕事をW1[J]とし、冷却に寄与する蒸発潜熱QL[J]を生成するための仕事をW2[J]とすると、仕事Wns[J]は、次の式で表すことができる。 The work for generating the latent heat of evaporation Q L3-4 [J] that does not contribute to cooling is W 1 [J], and the work for generating the latent heat of evaporation Q L [J] that contributes to cooling is W 2 [J]. Then, the work W ns [J] can be expressed by the following formula.
ここで、仕事W1[J]は、対象を冷却するためのエネルギーではないが、凝縮潜熱QH3−4[J]の分を相殺するために必要なエネルギーである。このため、成績係数COPの計算に考慮する必要がある。従って、後述する成績係数COPの計算では、仕事Wns[J]を用いる。 Here, the work W 1 [J] is not energy for cooling the target, but is energy necessary for offsetting the condensation latent heat Q H3-4 [J]. For this reason, it is necessary to consider the calculation of the coefficient of performance COP. Accordingly, the work W ns [J] is used in the calculation of the coefficient of performance COP described later.
前述した図6Bの動作と同様に、第2チャンバー32Bにおいて脱離した状態1の飽和蒸気は、配管50を介して第1チャンバー32Aへと移動して状態2の過熱蒸気へと変化する。これにより、冷媒60が第2チャンバー32Bから第1チャンバー32Aへ連続的に供給される。 Similar to the operation of FIG. 6B described above, the saturated steam in the state 1 desorbed in the second chamber 32B moves to the first chamber 32A via the pipe 50 and changes to the superheated steam in the state 2. Thereby, the refrigerant 60 is continuously supplied from the second chamber 32B to the first chamber 32A.
(脱離モード/吸着モードの終了;バルブ51を閉じる)
図6Gは、図6Cの熱交換部30A、30Bの動作モードを入れ替えた図である。第1熱交換部30Aの吸着モードおよび第2熱交換部30Bの脱離モードを終了したら、バルブ51を閉じる。このとき、第1チャンバー32A内の温度THは、第2チャンバー32B内の温度TLよりも高い状態のままである。
(End of desorption mode / adsorption mode; valve 51 is closed)
FIG. 6G is a diagram in which the operation modes of the heat exchange units 30A and 30B in FIG. 6C are switched. When the adsorption mode of the first heat exchange unit 30A and the desorption mode of the second heat exchange unit 30B are finished, the valve 51 is closed. At this time, the temperature T H in the first chamber 32A remains in a state higher than the temperature T L in the second chamber 32B.
[動作モードの切り替え]
図6Hは、熱交換部30Aの動作モードを切り替える状態を示す図である。第1熱交換部30Aを脱離モードに切り替え、第2熱交換部30Bを吸着モードに切り替える。
[Switch operation mode]
FIG. 6H is a diagram illustrating a state in which the operation mode of the heat exchange unit 30A is switched. The first heat exchange unit 30A is switched to the desorption mode, and the second heat exchange unit 30B is switched to the adsorption mode.
第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内を外気と熱伝導した状態から内気と熱伝導した状態に切り替える。第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内を内気と熱伝導した状態から、外気と熱伝導した状態に切り替える。これにより、第1熱交換部30Aの温度はT3からT4に変化し、第2熱交換部30Bの温度はT1からT2に変化する。動作モードの切り替えによって図6Aに示す状態となる。 In the first heat exchanging unit 30A, the inside of the first chamber 32A is switched from a state thermally conducted with the outside air to a state thermally conducted with the inside air. In the second heat exchanging unit 30B, the second chamber 32B is switched from a state in which heat is conducted with the inside air to a state in which heat is conducted with the outside air. Accordingly, the temperature of the first heat exchange unit 30A is changed from T 3 to T 4, the temperature of the second heat exchange unit 30B is changed from T 1 to T 2. The state shown in FIG. 6A is obtained by switching the operation mode.
以上説明したように、熱交換装置10の制御では、図6A〜図6Hに示す動作を繰り返すことによって、一対の熱交換部30A、30Bの動作モードを交互にスイング運転する。これにより、脱離モードの熱交換部30A、30Bにおいて連続的に蒸発潜熱QL[J]による冷熱を生成することが可能となる。 As described above, in the control of the heat exchange device 10, the operation modes of the pair of heat exchange units 30A and 30B are alternately swung by repeating the operations shown in FIGS. 6A to 6H. Accordingly, it is possible to continuously generate cold heat due to the latent heat of vaporization Q L [J] in the heat exchange units 30A and 30B in the desorption mode.
図7は、対比例に係る一般的な吸着式熱交換装置の構成を示す。なお、図7中の状態1〜4は、図5の状態1〜4に対応する。 FIG. 7 shows a configuration of a general adsorption heat exchange apparatus according to the proportionality. Note that states 1 to 4 in FIG. 7 correspond to states 1 to 4 in FIG. 5.
図7に示すように、対比例に係る熱交換装置は、減圧下で冷媒を加熱して気化させる蒸発器、気化した冷媒を脱離および吸着する吸着剤を備える吸着器、および気化した冷媒を凝縮する凝縮器を有する。対比例に係る熱交換装置では、蒸発器での蒸発潜熱QL[J]を冷却に利用している。吸着剤への冷媒の脱離/吸着の際には、冷媒は相変化せずに気体(水蒸気)のままであるため潜熱は生じない。脱離/吸着は、冷媒の輸送に利用されている。対比例に係る熱交換装置では、蒸発器での蒸発潜熱を冷却に利用しているため、蒸発器での減圧や加熱に大きなエネルギーが必要となる。また、媒体を吸着した吸着剤を再生するための加熱にもエネルギーが必要となる。その結果、成績係数COPが低下してしまう。 As shown in FIG. 7, the heat exchange device according to the proportional structure includes an evaporator that heats and vaporizes the refrigerant under reduced pressure, an adsorber that includes an adsorbent that desorbs and adsorbs the vaporized refrigerant, and the vaporized refrigerant. Has a condenser to condense. In the proportional heat exchange device, the latent heat of vaporization Q L [J] in the evaporator is used for cooling. At the time of desorption / adsorption of the refrigerant to the adsorbent, the refrigerant does not change phase and remains a gas (water vapor), so no latent heat is generated. Desorption / adsorption is used to transport refrigerant. In the heat exchange device according to the comparative example, since the latent heat of evaporation in the evaporator is used for cooling, large energy is required for decompression and heating in the evaporator. Energy is also required for heating to regenerate the adsorbent that has adsorbed the medium. As a result, the coefficient of performance COP decreases.
これに対して、本実施形態に係る熱交換装置10は、ナノ多孔質体20に応力を印加することで冷媒63を相変化させて蒸発潜熱(脱離熱)QL[J]を冷熱として利用する。また、冷媒63をナノ多孔質体20から脱離させる際に、吸着剤を再生するための加熱や、蒸発器による減圧や加熱が不要となるため、脱離に必要なエネルギーを小さくすることができる。これにより、成績係数COPを向上させることができるため、使用するナノ多孔質体20の量を減らすことができる。蒸発器や凝縮器が不要となり、ナノ多孔質体20の量を減らすことができるため、熱交換装置10を小型化することができる。 On the other hand, the heat exchange device 10 according to the present embodiment changes the phase of the refrigerant 63 by applying stress to the nanoporous body 20 and uses the latent heat of vaporization (desorption heat) Q L [J] as cold heat. Use. In addition, when the refrigerant 63 is desorbed from the nanoporous body 20, heating for regenerating the adsorbent, depressurization or heating with an evaporator is not required, and thus energy required for desorption can be reduced. it can. Thereby, since the coefficient of performance COP can be improved, the quantity of the nanoporous body 20 to be used can be reduced. Since an evaporator and a condenser become unnecessary and the quantity of the nanoporous body 20 can be reduced, the heat exchange apparatus 10 can be reduced in size.
<成績係数COPの計算方法>
次に、本実施形態に係る熱交換装置10の成績係数COPの計算方法について説明する。
<Calculation method of coefficient of performance COP>
Next, a method for calculating the coefficient of performance COP of the heat exchange device 10 according to the present embodiment will be described.
本実施形態に係る熱交換装置10は、外部からの仕事Wns[J]によってナノ多孔質体20から冷媒63を脱離させて、得られた蒸発潜熱QL[J]を冷熱として利用する。上述したように、図5に示す熱サイクルの状態3から状態4では、顕熱Qsh[J]による熱エネルギーの損失が生じる。従って、成績係数COPの計算では、蒸発潜熱QL[J]から顕熱Qsh[J]を差し引く必要がある。加えて、ナノ多孔質体20は完全な弾性体ではないため、ナノ多孔質体20の内部摩擦Qf[J]で損失する分も差し引く必要がある。このため、熱交換装置10の成績係数COPは次の式で与えられる。 The heat exchange device 10 according to the present embodiment uses the evaporative latent heat Q L [J] as cold heat by desorbing the refrigerant 63 from the nanoporous body 20 by work W ns [J] from the outside. . As described above, in the state 3 to the state 4 of the heat cycle shown in FIG. 5, a loss of heat energy due to the sensible heat Q sh [J] occurs. Therefore, in the calculation of the coefficient of performance COP, it is necessary to subtract the sensible heat Q sh [J] from the latent heat of vaporization Q L [J]. In addition, since the nanoporous body 20 is not a perfect elastic body, it is necessary to subtract the loss due to the internal friction Q f [J] of the nanoporous body 20. For this reason, the coefficient of performance COP of the heat exchange device 10 is given by the following equation.
状態3→4のプロセスは全体としては等圧変化である。従って、顕熱Qshは、液体状態の冷媒60の比熱cre[Jkg-1K-1]とナノ多孔質体20の比熱cns[Jkg-1K-1]を用いて次の式で表すことができる。 The process of state 3 → 4 is an isobaric change as a whole. Therefore, the sensible heat Q sh is expressed by the following equation using the specific heat c re [Jkg −1 K −1 ] of the liquid state refrigerant 60 and the specific heat c ns [Jkg −1 K −1 ] of the nanoporous body 20. Can be represented.
ここで、wns[kg]は、ナノ多孔質体20の重量、wre−ads[kg]は、温度THにおいてナノ多孔質体20に吸着された冷媒60の量である。これは、冷媒61と冷媒63の和となる。また、温度THは、吸着モードのチャンバー32A、32B内の温度に相当し、温度TLは、脱離モードのチャンバー32A、32B内の温度に相当する。なお、吸着モードのチャンバー32A、32B内において、冷媒60の蒸気は量が少なく、その顕熱の影響はQshに比べて極めて小さいため、無視することができる。 Here, w ns [kg] is the weight of the nano-porous material 20, w re-ads [kg ] is the amount of the refrigerant 60 that is adsorbed on the nanoporous material 20 at the temperature T H. This is the sum of the refrigerant 61 and the refrigerant 63. Further, the temperature T H, the chamber 32A of the suction mode, corresponds to a temperature within 32B, the temperature T L is a chamber 32A of the desorption mode, corresponding to a temperature within 32B. In the adsorption mode chambers 32A and 32B, the amount of the vapor of the refrigerant 60 is small, and the influence of the sensible heat is extremely small compared to Qsh, and can be ignored.
状態4において、冷媒63は、液体状態でナノ多孔質体20に吸着している。ナノ多孔質体20に対して、機械的な応力を印加して仕事W2[J]を入力すると、吸着された冷媒63は、飽和蒸気に相変化する(状態1)。状態4→1のプロセスは等圧変化である。従って、蒸発潜熱QL[J]は、次の式で表すことができる。 In the state 4, the refrigerant 63 is adsorbed on the nanoporous body 20 in a liquid state. When a mechanical stress is applied to the nanoporous body 20 and a work W 2 [J] is input, the adsorbed refrigerant 63 changes to saturated vapor (state 1). The process in state 4 → 1 is an isobaric change. Therefore, the latent heat of vaporization Q L [J] can be expressed by the following equation.
ここで、wre[kg]は、応力印加によってナノ多孔質体20から脱離する冷媒60の量、ΔvapHは、冷媒60が液体から気体に相変化する時のエンタルピー変化である。ただし、wre[kg]は、第1チャンバー32Aと第2チャンバー32Bとを接続する配管50のバルブ51を開いた後に脱離した冷媒63の量とする。これは前述したように、バルブ51を開く前の脱離によって発生した蒸発潜熱QL3−4[J]は、凝縮潜熱QH3−4[J]の分を相殺するために使われるため冷熱として利用されないからである。 Here, w re [kg] is the amount of the refrigerant 60 desorbed from the nanoporous body 20 by applying stress, and Δ vap H is an enthalpy change when the refrigerant 60 undergoes a phase change from a liquid to a gas. However, w re [kg] is the amount of the refrigerant 63 desorbed after the valve 51 of the pipe 50 connecting the first chamber 32A and the second chamber 32B is opened. As described above, this is because the latent heat of vaporization Q L3-4 [J] generated by desorption before opening the valve 51 is used to cancel out the amount of latent heat of condensation Q H3-4 [J]. It is because it is not used.
本発明の逆カルノーサイクルにおける成績係数COPは、次の式で表すことができる。 The coefficient of performance COP in the reverse Carnot cycle of the present invention can be expressed by the following equation.
式(5)において、Wns[J]は、ナノ多孔質体20のヤング率E[Pa]に依存する。ここで、ヤング率E[Pa]の定義は次の通りである。 In Formula (5), W ns [J] depends on the Young's modulus E [Pa] of the nanoporous body 20. Here, the definition of Young's modulus E [Pa] is as follows.
ここで、応力σf[Pa]は、ナノ多孔質体20の単位面積あたりに作用する圧力(面圧)である。ひずみεdは、ナノ多孔質体20から冷媒60を脱離させる際に、最も圧縮した状態のナノ多孔質体20の最大ひずみである。応力σf[Pa]の定義は次の通りである。 Here, the stress σ f [Pa] is a pressure (surface pressure) acting per unit area of the nanoporous body 20. The strain ε d is the maximum strain of the nanoporous body 20 in the most compressed state when the refrigerant 60 is desorbed from the nanoporous body 20. The definition of the stress σ f [Pa] is as follows.
ここで、F[N]は、ナノ多孔質体20に作用する圧力である。S[m2]は、ナノ多孔質体20の断面積である。ひずみεdの定義は次の通りである。 Here, F [N] is a pressure acting on the nanoporous body 20. S [m 2 ] is a cross-sectional area of the nanoporous body 20. The definition of the strain ε d is as follows.
ここで、x[m]は、ナノ多孔質体20の変形量である。L0[m]は、ナノ多孔質体20の初期状態の長さである。 Here, x [m] is the deformation amount of the nanoporous body 20. L 0 [m] is the length of the nanoporous body 20 in the initial state.
冷媒60を含んだ状態のヤング率E[Pa]が変化しないと仮定すると、Wnsは、次の式で表すことができる。 Assuming that the Young's modulus E [Pa] including the refrigerant 60 does not change, W ns can be expressed by the following equation.
ここで、V0[m3]は、ナノ多孔質体20の初期の体積である。従って、次の式のように変形できる。 Here, V 0 [m 3 ] is an initial volume of the nanoporous body 20. Therefore, it can be transformed as the following equation.
式(10)が、本発明の成績係数COPの計算式になる。式(10)において、wre、wre−ads、V0は、それぞれナノ多孔質体20の重量wnsで表現することが可能である。状態3において、wre−adsは、wnsを用いて次の式で表すことができる。 Equation (10) is a formula for calculating the coefficient of performance COP of the present invention. In Expression (10), w re , w re-ads , and V 0 can be expressed by the weight w ns of the nanoporous body 20, respectively. In state 3, w re-ads can be expressed by the following equation using w ns .
ここで、ρre[kgm-3]は、冷媒(液体)60の密度、Vns[m3kg-1]は、ナノ多孔質体20の細孔容積、φnsは、冷媒60が充填されている細孔容積のVnsに対する比である。すなわち、φnsVnsは、冷媒60が充填されている細孔の容積、もしくは細孔内に充填されている冷媒60の容積に相当する。ρreφnsVnsは、温度THにおける吸着等温線から直接、決めることができる。 Here, ρ re [kgm −3 ] is the density of the refrigerant (liquid) 60, V ns [m 3 kg −1 ] is the pore volume of the nanoporous body 20, and φ ns is filled with the refrigerant 60. The ratio of the pore volume to V ns . That is, φ ns V ns corresponds to the volume of the pores filled with the refrigerant 60 or the volume of the refrigerant 60 filled in the pores. ρ re φ ns V ns can be determined directly from the adsorption isotherm at temperature T H.
V0は、ナノ多孔質体20の見かけ密度ρns−ap[kgm-3]とナノ多孔質体20の重量wns[kg]を用いて次の式のように表すことができる。 V 0 can be expressed by the following equation using the apparent density ρ ns-ap [kgm −3 ] of the nanoporous body 20 and the weight w ns [kg] of the nanoporous body 20.
温度THのある任意の動作圧力P[kPa]において、応力無印加状態のナノ多孔質体20は、wnon−TH[kg]の冷媒60を吸着する。これは、図5の状態3に相当する。 In any operating pressure P [kPa] with temperature T H, nanoporous body 20 of the stress the absence of an applied adsorbs refrigerant 60 w non-TH [kg]. This corresponds to the state 3 in FIG.
次に、熱交換部30Aの温度をT3からT4へ、熱交換部30Bの温度をT1からT2をに切り替える。このとき、チャンバー32A、32B間のバルブ51は閉じた状態とし、チャンバー32Bから32Aへの冷媒60の蒸気の移動を防止する。熱交換部30Aの温度がT3からT4に低下すると、気相であった冷媒62がナノ多孔質体20に吸着し、凝縮潜熱QH3−4が発生すると共に気相の圧力が減少する。続いてナノ多孔質体20に応力を印加して仕事W1[J]を入力し、冷媒62を脱離させる。すると、蒸発潜熱QL3−4が発生すると共に気相の圧力が増加し、状態4となる。この時、ナノ多孔質体20に吸着している冷媒60の量はwnon−T3[kg]である。 Then, the temperature of the heat exchange portion 30A from T 3 to T 4, switch the temperature of the heat exchange portion 30B from T 1 to a T 2. At this time, the valve 51 between the chambers 32A and 32B is closed to prevent the movement of the vapor of the refrigerant 60 from the chamber 32B to 32A. When temperature of the heat exchange portion 30A is reduced from T 3 to T 4, refrigerant 62 were vapor is adsorbed to the nano-porous material 20, the pressure of the gas phase decreases with latent heat of condensation Q H3-4 occurs . Subsequently, stress is applied to the nanoporous body 20 to input work W 1 [J], and the refrigerant 62 is desorbed. Then, latent heat of vaporization Q L3-4 is generated and the pressure in the gas phase is increased to be in state 4. At this time, the amount of the refrigerant 60 adsorbed on the nanoporous body 20 is w non-T3 [kg].
次に、ナノ多孔質体20に応力を印加して圧縮し、冷媒63を脱離する。これは、図5の状態4から状態1に相当する。温度T4(=T1)において最大圧縮後のナノ多孔質体20中には、wpress−T1[kg]の冷媒60が残留して吸着されている(状態1)。従って、脱離モードにおける冷媒60の脱離量w4−1[kg]は、次の式で表すことができる。 Next, stress is applied to the nanoporous body 20 to compress it, and the refrigerant 63 is desorbed. This corresponds to the state 1 from the state 4 in FIG. In the nanoporous body 20 after maximum compression at the temperature T 4 (= T 1 ), the refrigerant 60 of w press−T1 [kg] remains and is adsorbed (state 1). Accordingly, the desorption amount w 4-1 [kg] of the refrigerant 60 in the desorption mode can be expressed by the following equation.
次に、熱交換部30Aの温度をT1からT2(=T3)へ、熱交換部30Bの温度をT3からT4(=T1)へ切り替える。この時、チャンバー32A、32B間のバルブ51は閉じた状態とし、チャンバー32Aから32Bへの冷媒60の蒸気の移動を防止する。熱交換部30Aの温度がT1からT2に上昇すると、ナノ多孔質体20に吸着されていた冷媒62が脱離し、蒸発潜熱が発生すると共に気相の圧力が増加する。続いてナノ多孔質体20を自由膨張させ、冷媒62を吸着させる。すると、凝縮潜熱が発生すると共に気相の圧力が減少し、状態2となる。この時、ナノ多孔質体20はwpress−T1の量の冷媒60を吸着している。従って、吸着モードにおける冷媒60の吸着量w2−3[kg]は、次の式で与えられる。 Next, the temperature of the heat exchange unit 30A is switched from T 1 to T 2 (= T 3 ), and the temperature of the heat exchange unit 30B is switched from T 3 to T 4 (= T 1 ). At this time, the valve 51 between the chambers 32A and 32B is closed to prevent the vapor of the refrigerant 60 from moving from the chambers 32A to 32B. When the temperature of the heat exchange portion 30A is increased from T 1 to T 2, the refrigerant 62 which has been adsorbed to the nano-porous material 20 is eliminated, the pressure of the vapor phase increases with the latent heat of vaporization occurs. Subsequently, the nanoporous body 20 is freely expanded and the refrigerant 62 is adsorbed. As a result, latent heat of condensation is generated and the pressure in the gas phase is reduced, resulting in state 2. At this time, the nanoporous body 20 has adsorbed the refrigerant 60 in the amount of w press-T1 . Therefore, the adsorption amount w 2-3 [kg] of the refrigerant 60 in the adsorption mode is given by the following equation.
wnon−TH、wpress−TL、wpress−THは、TL、THにおける非圧縮時、および圧縮時の図13に示した吸着等温線から得ることができる。ここで、ナノ多孔質体20への冷媒の吸着量がTL、THにおいて変化がなく、単純に細孔容積によって決定されると仮定すると、wre−ads=wnon−TL=wnon−TH、wpress=wpress−TL=wpress−THとなるので、wre=w4−1=w2−3として式(15)に示すように単純化して計算が可能となる。この仮定の下で、以下に示すようなCOPとEの関係を導き出すことが可能である。なお、本システムの動作圧力P[kPa]は、高い成績係数COPを達成するように、任意の値を選択することができる。 w non-TH, w press- TL, w press-TH is, T L, uncompressed at T H, and can be obtained from the adsorption isotherm shown in Figure 13 during compression. Here, assuming that the amount of refrigerant adsorbed on the nanoporous body 20 does not change in T L and T H and is simply determined by the pore volume, w re-ads = w non-TL = w non -TH, since the w press = w press-TL = w press-TH, it is possible to calculate a simplified as shown in equation (15) as w re = w 4-1 = w 2-3 . Under this assumption, it is possible to derive the relationship between COP and E as shown below. Note that the operating pressure P [kPa] of the present system can be selected to an arbitrary value so as to achieve a high coefficient of performance COP.
脱離モードにおいて、ナノ多孔質体20を圧縮し、εdのひずみとなっている時に、ナノ多孔質体20の細孔容積は、VnsからVcom[m3kg-1]に変化する。一方で、細孔壁によって占められている体積(1/ρns)は変化しない。ここで、ρns[kgm-3]は、ナノ多孔質体20の真密度、すなわち固体部分の密度を意味している。従って、Vcomは、次の式となる。 In the desorption mode, when the nanoporous body 20 is compressed and has a strain of ε d , the pore volume of the nanoporous body 20 changes from V ns to V com [m 3 kg −1 ]. . On the other hand, the volume occupied by the pore walls (1 / ρ ns ) does not change. Here, ρ ns [kgm −3 ] means the true density of the nanoporous body 20, that is, the density of the solid portion. Therefore, Vcom is as follows.
w4−1とw2−3は等しいので、wreは、次の式のように近似することができる。 Since w 4-1 and w 2-3 are equal, w re can be approximated as in the following equation.
ところで、ナノ多孔質体20の見かけ密度ρns−ap[kgm-3]とρns、Vnsの間には以下の関係がある。 By the way, there is the following relationship between the apparent density ρ ns-ap [kgm −3 ] of the nanoporous body 20 and ρ ns , V ns .
従って、式(17)は、次の式となる。 Therefore, Expression (17) becomes the following expression.
式(10)、(11)、(12)と式(19)から、本システムのCOPは、ナノ多孔質体の重量(wns)に依存しないことが分かる。 From equations (10), (11), (12) and equation (19), it can be seen that the COP of this system does not depend on the weight (w ns ) of the nanoporous material.
以上説明した本実施形態に係る熱交換装置10の作用効果を説明する。 The effect of the heat exchange apparatus 10 which concerns on this embodiment demonstrated above is demonstrated.
本実施形態に係る熱交換装置10は、弾性を有し、収縮して冷媒(媒体)60を脱離可能で、かつ、膨張して媒体を吸着可能なナノ多孔質体20と、ナノ多孔質体20に応力を印加して収縮させる応力付与部31A、31Bと、ナノ多孔質体20を内部に収容するチャンバー32A、32Bと、を備える熱交換部30A、30Bを有する。該熱交換装置10は、応力付与部31A、31Bの動作を制御して、熱交換部における動作モードを、ナノ多孔質体20に応力を印加して収縮させて媒体をナノ多孔質体20から脱離させる脱離モードと、応力を解放してナノ多孔質体20を膨張させて冷媒60をナノ多孔質体20に吸着させる吸着モードとに切り替える制御部40をさらに有する。 The heat exchanging device 10 according to the present embodiment has elasticity, can be contracted to desorb the refrigerant (medium) 60, and can expand and adsorb the medium, and the nanoporous body 20 and nanoporous It has heat exchanging parts 30A and 30B including stress applying parts 31A and 31B that apply stress to the body 20 to contract and chambers 32A and 32B that house the nanoporous body 20 therein. The heat exchanging device 10 controls the operation of the stress applying portions 31A and 31B to cause the operation mode in the heat exchanging portion to contract by applying stress to the nanoporous body 20 to remove the medium from the nanoporous body 20. It further has a control unit 40 that switches between a desorption mode for desorption and an adsorption mode for releasing the stress and expanding the nanoporous body 20 to adsorb the refrigerant 60 to the nanoporous body 20.
上記熱交換装置10によれば、ナノ多孔質体20に応力を印加および解放して収縮膨張させることによって、ナノ多孔質体20に冷媒60を脱離および吸着させて相変化による潜熱を発生させることができる。これにより、冷媒60の脱離または吸着により発生した潜熱を冷熱または温熱に直接的に利用することができるため、蒸発器や凝縮器が不要となる。また、潜熱を得るために蒸発器や凝縮器において減圧や加熱冷却が不要となるため、熱サイクルに必要なエネルギーを小さくすることができる。これにより、成績係数COPを向上させることができるため、使用するナノ多孔質体20の量を減らすことができる。このように、蒸発器や凝縮器が不要となり、ナノ多孔質体20の量を減らすことができるため、熱交換装置10を小型化することができる。熱交換装置10は、小型化できるため、特に、設置スペースの限られているカーエアコンに好適に適用することができる。 According to the heat exchanging device 10, stress is applied to and released from the nanoporous body 20 to contract and expand, thereby causing the nanoporous body 20 to desorb and adsorb the refrigerant 60 to generate latent heat due to phase change. be able to. Thereby, since the latent heat generated by the desorption or adsorption of the refrigerant 60 can be directly used for cold or warm heat, an evaporator or a condenser is not necessary. In addition, since it is not necessary to reduce the pressure or heat in the evaporator or condenser in order to obtain latent heat, the energy required for the thermal cycle can be reduced. Thereby, since the coefficient of performance COP can be improved, the quantity of the nanoporous body 20 to be used can be reduced. Thus, an evaporator and a condenser become unnecessary, and since the quantity of the nanoporous body 20 can be reduced, the heat exchange apparatus 10 can be reduced in size. Since the heat exchanging device 10 can be reduced in size, it can be suitably applied particularly to a car air conditioner having a limited installation space.
また、本実施形態に係る熱交換装置10は、一対の熱交換部30A、30Bと、一対の熱交換部30A、30Bの一対のチャンバー32A、32B間を冷媒60が移動可能に連通する配管50と、をさらに有する。制御部40は、各々の熱交換部30A、30Bにおける動作モードを、吸着モードと脱離モードとに交互に切り替える。これにより、一対の熱交換部30A、30Bの間で吸着モードと脱離モードとを交互に切り替えることによって、連続的に蒸発潜熱が生成される。これにより、効率的に冷熱を得ることができる。 In addition, the heat exchange device 10 according to the present embodiment includes a pipe 50 that allows the refrigerant 60 to move between the pair of heat exchange units 30A and 30B and the pair of chambers 32A and 32B of the pair of heat exchange units 30A and 30B. And. The control unit 40 switches the operation mode in each of the heat exchange units 30A and 30B alternately between the adsorption mode and the desorption mode. Thereby, the latent heat of vaporization is continuously generated by alternately switching the adsorption mode and the desorption mode between the pair of heat exchange units 30A and 30B. Thereby, cold heat can be obtained efficiently.
また、本実施形態に係るナノ多孔質体20のヤング率Eは、1GPa以下である。ナノ多孔質構造体を収縮させて冷媒60を脱離させるのに必要な応力を低減することによって仕事Wns[J]が小さくなるため、成績係数COPを大きくすることができる。 Moreover, the Young's modulus E of the nanoporous body 20 according to the present embodiment is 1 GPa or less. Since the work W ns [J] is reduced by reducing the stress necessary to desorb the refrigerant 60 by shrinking the nanoporous structure, the coefficient of performance COP can be increased.
また、本実施形態に係る冷媒(媒体)60は、水である。蒸発潜熱が高い水を冷媒60に利用することによって、成績係数COPをより大きくすることができる。 Moreover, the refrigerant | coolant (medium) 60 which concerns on this embodiment is water. The coefficient of performance COP can be further increased by using water having a high latent heat of vaporization as the refrigerant 60.
また、本実施形態に係るナノ多孔質体20を形成する多孔質材料のBET比表面積が、800〜4200m2/gの範囲である。表面積の大きいナノ多孔質体20を使用することによって冷媒60の吸着量を増加させることができる。これにより、ナノ多孔質体20の使用量を減らすことができる。 Moreover, the BET specific surface area of the porous material which forms the nanoporous body 20 which concerns on this embodiment is the range of 800-4200 m < 2 > / g. By using the nanoporous body 20 having a large surface area, the adsorption amount of the refrigerant 60 can be increased. Thereby, the usage-amount of the nanoporous body 20 can be reduced.
また、本実施形態に係るナノ多孔質体20は、ゼオライトテンプレートカーボン(ZTC)またはグラフェンメソスポンジ(GMS)によって形成される。これにより、ナノ多孔質体20に応力を印加および解放して収縮膨張させることによって、ナノ多孔質体20に冷媒60を確実に脱離および吸着させて相変化による潜熱を発生させることができる。 Further, the nanoporous body 20 according to the present embodiment is formed of zeolite template carbon (ZTC) or graphene meso sponge (GMS). Thus, by applying and releasing stress to the nanoporous body 20 to cause contraction and expansion, the nanoporous body 20 can be surely desorbed and adsorbed to generate latent heat due to phase change.
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.
[実施例1]
(ZTCの調製)
本実施例に係るZTCは、Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009)を参考に合成を行った。ゼオライトX(Union Showa, 13X)を電気炉に設置し、窒素気流中873Kまで昇温させた。873Kに到達したら、窒素を20vol%アセチレン80vol%窒素に切り替え4時間化学気相蒸着(CVD)を行い、ゼオライトX細孔の中にカーボンを析出させた。その後、窒素のみのフローに切り替え、温度を1123Kまで上げ、3時間保持した。試料を室温まで冷却した後、ゼオライトXは、フッ酸(47wt%,Wako pure chemical industries)で取り除き、ZTCを得た。
[Example 1]
(Preparation of ZTC)
ZTC according to this example was synthesized with reference to Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009). Zeolite X (Union Showa, 13X) was placed in an electric furnace and heated to 873 K in a nitrogen stream. When it reached 873 K, nitrogen was switched to 20 vol% acetylene 80 vol% nitrogen, and chemical vapor deposition (CVD) was performed for 4 hours to deposit carbon in the zeolite X pores. Thereafter, the flow was switched to a nitrogen-only flow, and the temperature was increased to 1123K and held for 3 hours. After cooling the sample to room temperature, zeolite X was removed with hydrofluoric acid (47 wt%, Wako pure chemical industries) to obtain ZTC.
<ZTCの体積弾性率および弾性特性>
実施例1で調製したZTCの体積弾性率の測定および弾性特性を確認する実験を行った。比較例としては、活性炭(Shirasagi-P, Japan EnviroChemicals, Ltd.)を用いた。
<Volume modulus and elastic properties of ZTC>
An experiment was conducted to measure the volume modulus of elasticity of the ZTC prepared in Example 1 and confirm the elastic properties. As a comparative example, activated carbon (Shirasagi-P, Japan EnviroChemicals, Ltd.) was used.
(体積弾性率の測定)
実施例1と比較例に対して、水銀等方圧試験を行って応力−体積ひずみ曲線を測定した。得られた応力−体積ひずみ曲線から体積弾性率を算出した。水銀等方圧試験は、等方圧プレス下で、水銀ポロシメーター(Micromerit−ics Instrument Corporation, Autopore IV 9510)を用いた水銀圧入法により圧縮応力と細孔の体積との関係を測定する試験である。具体的には、予め真空処理した実施例1と比較例の試料を密閉チャンバーにセットし、真空下でチャンバーに水銀を導入した。応力(等方圧)P[MPa]において水銀が試料全体に行き渡った時の体積VHg[m3]を測定した。応力P[MPa]と細孔の体積ひずみVHg/V0との関係を図8に示す。
(Measurement of bulk modulus)
Example 1 and the comparative example were subjected to an isostatic mercury test to measure a stress-volume strain curve. The bulk modulus was calculated from the obtained stress-volume strain curve. The mercury isotropic pressure test is a test for measuring the relationship between compressive stress and pore volume by an mercury intrusion method using a mercury porosimeter (Micromerit-ics Instrument Corporation, Autopore IV 9510) under an isotropic pressure press. . Specifically, the samples of Example 1 and Comparative Example that were previously vacuum-treated were set in a sealed chamber, and mercury was introduced into the chamber under vacuum. The volume V Hg [m 3 ] when mercury spreads over the entire sample at a stress (isotropic pressure) P [MPa] was measured. FIG. 8 shows the relationship between the stress P [MPa] and the volumetric strain V Hg / V 0 of the pores.
図8に示すように、応力が20MPa以下においては、VHgは、水銀が粒子間隙に浸透するため急激に低下する。試料の体積弾性率K[MPa]は、応力が50〜150MPaのときの応力−体積ひずみ曲線の直線近似から計算した。直線近似式は、次の式で表すことができる。 As shown in FIG. 8, when the stress is 20 MPa or less, V Hg rapidly decreases because mercury penetrates the particle gap. The bulk modulus K [MPa] of the sample was calculated from a linear approximation of a stress-volume strain curve when the stress was 50 to 150 MPa. The linear approximation formula can be expressed by the following formula.
ここで、V0[m3]は、初期の細孔の体積である。 Here, V 0 [m 3 ] is an initial pore volume.
50MPa以上で起こる現象を機械的圧縮による細孔の変形と仮定し、上記直線近似式から体積弾性率を計算した。実施例1のZTCの体積弾性率は、0.70GPaであった。比較例の活性炭の体積弾性率は、1.7GPaであった。なお、活性炭の場合は大きな細孔を有するため、過小評価している可能性がある。 The phenomenon occurring at 50 MPa or more was assumed to be deformation of the pores due to mechanical compression, and the volume modulus was calculated from the above linear approximation formula. The volume modulus of elasticity of ZTC of Example 1 was 0.70 GPa. The volume modulus of the activated carbon of the comparative example was 1.7 GPa. In addition, since activated carbon has large pores, it may be underestimated.
なお、ZTCを等方均質弾性体と仮定すると、体積弾性率K[MPa]とヤング率E[Pa]との関係は、次の式で表すことができる。 Assuming that ZTC is an isotropic homogeneous elastic body, the relationship between the bulk modulus K [MPa] and the Young's modulus E [Pa] can be expressed by the following equation.
(弾性特性)
実施例1で調製したZTCの単粒子および比較例に係る活性炭の単粒子を試料として用いた。試料に圧縮応力を印加し、その後解放した際の形状の変化を観察した結果を図9に示す。具体的には、試料をアルミ基板上に設置し、SEM装置内のタングステンプローブで圧縮を行い、in situで単粒子の変形の観察を行った。続いて、プローブを粒子から離し、単粒子が復元する様子を観察した。
(Elastic properties)
The ZTC single particles prepared in Example 1 and the activated carbon single particles according to the comparative example were used as samples. FIG. 9 shows a result of observing a change in shape when a compressive stress is applied to the sample and then released. Specifically, the sample was placed on an aluminum substrate, compressed with a tungsten probe in the SEM apparatus, and single particle deformation was observed in situ. Subsequently, the probe was separated from the particles, and the state where the single particles were restored was observed.
ZTCの粒子と活性炭の粒子の形状は、SEM(Hitachi,S−4800)で観察した。単粒子への応力印加による粒子変形のin situ観察には、SEM(AD Science,PS4−2MM2LC−TH)を用いた。タングステンプローブ(GGB Industries,PT−14−6705−B)の先端は、Ga−focusedイオンビーム装置(FEI,Helios NanoLab 600i)を用いて、予め垂直にカットし平面出しを行ったものを使用した。 The shapes of the ZTC particles and the activated carbon particles were observed with SEM (Hitachi, S-4800). SEM (AD Science, PS4-2MM2LC-TH) was used for in situ observation of particle deformation by applying stress to single particles. The tip of a tungsten probe (GGB Industries, PT-14-6705-B) was cut in advance and flattened in advance using a Ga-focused ion beam device (FEI, Helios NanoLab 600i).
図9に示すように、ZTCは、圧縮応力の印加(約30%圧縮)および解放によって可逆的に形状が変形することが確認できた。一方、活性炭では、同様の圧縮で簡単に破壊され、可逆的な形状変化を示さなかった。 As shown in FIG. 9, it was confirmed that the shape of ZTC was reversibly deformed by applying compressive stress (about 30% compression) and releasing. On the other hand, activated carbon was easily broken by the same compression and did not show a reversible shape change.
<応力印加時の水の脱離および吸着測定>
実施例1で調製したZTCに応力を印加した際の水の脱離および吸着を確認する実験を行った。図10は、密閉したチャンバー内で試料に応力を印加または解放した際の水の脱離量および吸着量を測定するためのプレスチャンバー装置である。プレスチャンバー装置のチャンバーには直線導入機が接続してあり、試料に密閉チャンバー内で応力を印加できるように構成している。
<Measurement of water desorption and adsorption during stress application>
An experiment was conducted to confirm the desorption and adsorption of water when a stress was applied to the ZTC prepared in Example 1. FIG. 10 shows a press chamber apparatus for measuring the amount of desorption and adsorption of water when stress is applied to or released from a sample in a sealed chamber. A linear introduction machine is connected to the chamber of the press chamber apparatus so that stress can be applied to the sample within the sealed chamber.
まず、実施例1で調製したZTC粒子を、テフロン(登録商標)バインダー5wt%と混合し、シート状の試料を形成した。試料は423Kで真空乾燥し、プレスチャンバー装置のin situ測定用のチャンバー内にセットした。チャンバーを自動ガス吸着装置(BEL Japan,BELSORB−max)に締結し、チャンバーの内圧をモニタリングできるようにした。測定に十分な量の試料を確保するため、シート状の試料をステンレスの金属板で挟み積層する形でチャンバー内にセットした。in situ測定に先立って、積層した試料を数回プレスし、試料の弾性変形を安定化させた。 First, the ZTC particles prepared in Example 1 were mixed with 5% by weight of a Teflon (registered trademark) binder to form a sheet-like sample. The sample was vacuum-dried at 423K and set in a chamber for in situ measurement of a press chamber apparatus. The chamber was fastened to an automatic gas adsorption device (BEL Japan, BELSORB-max) so that the internal pressure of the chamber could be monitored. In order to secure a sufficient amount of sample for measurement, the sheet-like sample was set in the chamber in such a manner that it was sandwiched and laminated between stainless steel metal plates. Prior to the in situ measurement, the laminated sample was pressed several times to stabilize the elastic deformation of the sample.
直線導入機のトルクと積層した試料に印加される応力との関係は、次に述べる別の実験により予め確認を行った。トルクセンサーが付属するラチェット(Kyoto Tool Co.,GEK085−W36)を直線導入機に装着し、直線導入機を回すトルクを測定できるようにした。直線導入機の先端部分が試験機(Shimadzu,AG−50kNXplus)のロードセルに接触するように固定した状態で、ラチェットを回し、ハンドルを回すトルクとロードセルに印加される応力との関係を調べた。上記関係を利用することで、積層した試料に印加される応力は、直線導入機のトルクで制御した。 The relationship between the torque of the linear introduction machine and the stress applied to the laminated sample was confirmed in advance by another experiment described below. A ratchet (Kyoto Tool Co., GEK085-W36) with a torque sensor attached thereto was attached to the linear introduction machine so that the torque for turning the linear introduction machine could be measured. The ratchet was turned in a state where the tip portion of the straight-line introduction machine was fixed so as to contact the load cell of the test machine (Shimadzu, AG-50kNXplus), and the relationship between the torque applied to the handle and the stress applied to the load cell was examined. By using the above relationship, the stress applied to the stacked samples was controlled by the torque of the linear introduction machine.
実施例1のZTCと比較例の活性炭に対して、298Kにおける応力印加状態と応力無印加状態の水の脱離/吸着等温線の測定結果を図11に示す。ここで、実施例1のZTCに印加する応力は、83MPaとし、比較例の活性炭に印加する応力は、120MPaとした。 FIG. 11 shows the measurement results of the desorption / adsorption isotherm of water in the stressed state and the stressless state at 298 K for ZTC of Example 1 and the activated carbon of the comparative example. Here, the stress applied to the ZTC of Example 1 was 83 MPa, and the stress applied to the activated carbon of the comparative example was 120 MPa.
図11の結果から、相対圧P/P0=0.94(P:水蒸気圧、P0:飽和水蒸気圧)において、実施例1の83MPaの応力印加状態では、応力無印加状態に比べて水の吸着量が約31%低減することが確認された。これは、ZTCの変形によって細孔容積が31%低減したためと考えられる。ZTCの細孔は、1.4nm間隔で周期的に並んだグラフェンの間隙に存在する。ZTCが変形する際、細孔径が減少するが、グラフェンの厚さは不変である。このため、細孔が31%縮んだ場合、ZTC全体では23%のひずみであると見積ることができる。一方、比較例の活性炭に関しては、120MPaの応力印加状態においても、応力無印加状態と比較して吸着量に変化は見られなかった。この結果は、活性炭が柔軟性を持たないためである。 From the results shown in FIG. 11, at a relative pressure P / P 0 = 0.94 (P: water vapor pressure, P 0 : saturated water vapor pressure), the 83 MPa stress application state of Example 1 is more water than the no stress application state. It was confirmed that the amount of adsorbed was reduced by about 31%. This is presumably because the pore volume was reduced by 31% due to the deformation of ZTC. ZTC pores exist in the gaps of graphene arranged periodically at intervals of 1.4 nm. When ZTC is deformed, the pore diameter decreases, but the graphene thickness remains unchanged. For this reason, when the pores shrink by 31%, it can be estimated that the entire ZTC has a strain of 23%. On the other hand, regarding the activated carbon of the comparative example, even in the stress applied state of 120 MPa, no change was observed in the amount of adsorption compared to the state in which no stress was applied. This result is because activated carbon does not have flexibility.
<水の脱離/吸着および相変化の確認>
次に、実施例1のZTCに応力を印加/解放することによって、水の脱離/吸着および水(液体)/水蒸気の相変化が起こることを確認する実験を行った。まず、水蒸気(相対圧P/P0=0.69)を応力無印加状態の実施例1のZTCを配置した298Kのチャンバー内に導入した。圧力減少が無くなり平衡に到達した後、80MPaまでの応力をZTCに印加し水蒸気を脱離させ、チャンバー内の圧力をモニターした。10分後、応力を解放し、ZTCを自由膨張させて10分間放置した。応力印加/解放サイクルは、4回実施した。応力印加および解放を繰り返したときのチャンバー内の水蒸気圧の変化を測定した結果を図12に示す。応力印加による死容積の減少は、0.13cm3であり、全容積(59cm3)の0.2%に過ぎないことを確認した。これは、相対圧P/P0の上昇分にしてわずか0.0014である。従って、図12で観察された相対圧P/P0の上昇(約0.09)は、機械的プレスによる強制的な吸着水の脱離によって生成した水蒸気によるものと考えられる。
<Confirmation of water desorption / adsorption and phase change>
Next, an experiment was conducted to confirm that desorption / adsorption of water and phase change of water (liquid) / water vapor occurred by applying / releasing stress to the ZTC of Example 1. First, water vapor (relative pressure P / P 0 = 0.69) was introduced into a 298K chamber in which the ZTC of Example 1 in a state in which no stress was applied was disposed. After the pressure decrease disappeared and equilibrium was reached, stress up to 80 MPa was applied to the ZTC to desorb water vapor, and the pressure in the chamber was monitored. After 10 minutes, the stress was released and the ZTC was allowed to expand freely and left for 10 minutes. The stress application / release cycle was performed four times. FIG. 12 shows the result of measuring the change in water vapor pressure in the chamber when applying and releasing stress repeatedly. The decrease in dead volume due to stress application was 0.13 cm 3 , confirming that it was only 0.2% of the total volume (59 cm 3 ). This is only 0.0014 in the increase in the relative pressure P / P 0. Therefore, the increase (about 0.09) in the relative pressure P / P 0 observed in FIG. 12 is considered to be due to water vapor generated by forced desorption of adsorbed water by a mechanical press.
続いて、機械的な応力によって、吸着した水を水蒸気に相変化させる試験を実施した。予め、チャンバーに水蒸気を導入し、相対圧P/P0=0.69において、ZTCに水蒸気を吸着させた。続いて応力をZTCのシートに83MPa印加したところ、チャンバーの水蒸気圧は、0.79まで上昇した(図12中の(i))。なお、この圧縮によって生ずる死容積の減少は、無視できるほど小さいことは予め確認できている。 Subsequently, a test was conducted in which the adsorbed water was changed into water vapor by mechanical stress. In advance, water vapor was introduced into the chamber, and water vapor was adsorbed on the ZTC at a relative pressure P / P 0 = 0.69. Subsequently, when 83 MPa was applied to the ZTC sheet, the water vapor pressure in the chamber rose to 0.79 ((i) in FIG. 12). It has been confirmed in advance that the decrease in dead volume caused by this compression is negligibly small.
続けて、応力を解放すると、水蒸気圧は減少したが(図12中の(ii))、このことはZTCが自由膨張して元の形状に戻ると共に、空孔が回復し、水蒸気が再度吸着されることを示している。 Subsequently, when the stress was released, the water vapor pressure decreased ((ii) in FIG. 12). This means that the ZTC freely expanded and returned to its original shape, and the vacancies recovered and the water vapor was adsorbed again. It is shown that.
また、応力印加/解放により可逆的に水を脱離/吸着できることも明らかとなった(図12中の(iii))。この結果から、応力印加/解放による水/水蒸気の相転移が可逆的であり、ZTCが本発明に係るナノ多孔質体20として適用できることが確認できた。 It was also revealed that water can be reversibly desorbed / adsorbed by applying / releasing stress ((iii) in FIG. 12). From this result, it was confirmed that the water / water vapor phase transition due to stress application / release was reversible, and ZTC could be applied as the nanoporous material 20 according to the present invention.
<ZTCの物理吸着量と温度との関係>
図13は、実施例1のZTCについて、298K(TL)、303K(TH)で測定を実施した2つの水吸着等温線と、これら2つの温度においてZTCを83MPaで圧縮した際の吸着等温線の予想を示した図である。図13のポイントIは、298Kで測定した応力無印加状態のZTCの水吸着等温線である。図13のポイントIVは、303Kで測定した応力無印加状態のZTCの水吸着等温線である。
<Relationship between physical adsorption amount of ZTC and temperature>
FIG. 13 shows two water adsorption isotherms measured at 298 K (T L ) and 303 K (T H ) for the ZTC of Example 1, and the adsorption isotherm when ZTC is compressed at 83 MPa at these two temperatures. It is the figure which showed the prediction of the line. Point I in FIG. 13 is a water adsorption isotherm of ZTC in a stress-free state measured at 298K. Point IV in FIG. 13 is a water adsorption isotherm of ZTC in a stress-free state measured at 303K.
ポイントIIとポイントIIIは、ポイントIとポイントIVの水吸着等温線の実測値を69%に補正して、83MPaの応力印加状態での水吸着等温線を再現した値である。図13のポイントIIは、298Kで83MPaの応力印加状態のZTCの水吸着等温線である。図13のポイントIIIは、303Kで83MPaの応力印加状態のZTCの水吸着等温線である。なお、水蒸気圧2.9kPaにおいて、ZTCの83MPaの応力印加状態の吸着量が応力無印加状態の吸着量の69%に減少することは、図11に示す応力印加時の水の脱離/吸着等温線の測定結果から確認した。 Points II and III are values obtained by correcting the actual measurement value of the water adsorption isotherm at point I and point IV to 69%, and reproducing the water adsorption isotherm in a stress application state of 83 MPa. Point II in FIG. 13 is a water adsorption isotherm of ZTC in a stress application state of 298 K and 83 MPa. Point III in FIG. 13 is a water adsorption isotherm of ZTC in a stress application state of 83 MPa at 303K. In addition, at a water vapor pressure of 2.9 kPa, the amount of adsorption of the ZTC at 83 MPa in the stress-applied state decreases to 69% of the amount of adsorption in the non-stressed state. It confirmed from the measurement result of the isotherm.
<成績係数COPの算出>
図13の水吸着等温線と、上述に示した成績係数COPの計算式(式(10))、式(11)、式(12)、式(13)、式(17)および式(19)を用いて、ZTCをナノ多孔質体20として熱交換装置10を運転する場合の成績係数COPの値を計算した。
<Calculation of coefficient of performance COP>
The water adsorption isotherm of FIG. 13 and the calculation formulas of the coefficient of performance COP shown above (Formula (10)), Formula (11), Formula (12), Formula (13), Formula (17), and Formula (19) Was used to calculate the coefficient of performance COP when operating the heat exchange device 10 with the ZTC as the nanoporous body 20.
運転条件は、TH=303K、TL=298K、P=2.9kPaとした。また、ZTCには83MPaの応力を印加するものとする。 The operating conditions were T H = 303K, T L = 298K, and P = 2.9 kPa. In addition, a stress of 83 MPa is applied to ZTC.
図14は、ZTC/PTFEシートを用いて得られた応力ひずみ曲線の測定結果である。このデータを用いて、2.9kPaの水蒸気圧におけるCOPを式(10)をベースとして計算できる。 FIG. 14 is a measurement result of a stress strain curve obtained using a ZTC / PTFE sheet. Using this data, the COP at a water vapor pressure of 2.9 kPa can be calculated based on equation (10).
この式において、それぞれΔvapH=2453kJkg-1、cre=4.184kJkg-1K-1とした。高温側と低温側の温度差(TH−TL)は、5Kである。cnsはグラファイトの値を用いて0.72kJkg-1K-1とした。式(12)から、V0=wns/ρns−ap=0.001976wnsである。さらに、図11のin situ測定の際に別途測定した応力−ひずみ曲線より、ZTCシートのヤング率は0.38GPaと求められる。したがって、83MPaを印加した際のひずみεdは0.23となる。wre−adsは、wnsで表すことができ、ポイントIに示す温度TH=303Kにおける応力無印加状態のナノ多孔質体20の吸着量(51.1mmolg-1=0.92kgkg-1)wnsから、wre−ads=0.92wnsとなる。 In this equation, Δ vap H = 2453 kJkg −1 and c re = 4.184 kJkg −1 K −1 , respectively. The temperature difference (T H −T L ) between the high temperature side and the low temperature side is 5K. c ns was set to 0.72 kJkg −1 K −1 using the value of graphite. From the equation (12), a V 0 = w ns / ρ ns -ap = 0.001976w ns. Furthermore, the Young's modulus of the ZTC sheet is determined to be 0.38 GPa from the stress-strain curve separately measured during the in situ measurement in FIG. Therefore, the strain ε d when 83 MPa is applied is 0.23. w re-ads can be represented by w ns , and the amount of adsorption of the nanoporous material 20 in the state where stress is not applied at the temperature T H = 303 K shown in the point I (51.1 mmolg −1 = 0.92 kgkg −1 ) from w ns, the w re-ads = 0.92w ns.
式(15)に示したように、wreは、wre−adsとwpress−TLとの差である。wpress−TLは、図13のポイントIIに示す温度TL=298Kにおける圧縮したZTCシートの吸着量(42.8mmolg-1=0.77kgkg-1)wnsから、0.77wnsと表すことができる。従って、wre=0.92wns−0.77wns=0.15wnsとなる。 As shown in Expression (15), w re is a difference between w re-ads and w press-TL . w press-TL, the adsorption amount of ZTC sheet obtained by compressing at a temperature T L = 298K shown in point II in FIG. 13 (42.8mmolg -1 = 0.77kgkg -1) from w ns, be expressed as 0.77 W ns Can do. Therefore, the w re = 0.92w ns -0.77w ns = 0.15w ns.
図14のハッチング部分の面積から、ZTCの内部摩擦によるエネルギー損失φf[J]は計算することができ、0.34となる。エネルギー損出は熱となり、冷却すべき部屋の温度を上げることになるので、損失分は差し引くことになる。TH=303K、TL=298K、P=2.9kPaにおけるCOPは、上記に示した数値を式(10)に代入して求めることができるが、17.2と算出される。 From the area of the hatched portion in FIG. 14, the energy loss φ f [J] due to the internal friction of ZTC can be calculated and is 0.34. Since energy loss becomes heat and raises the temperature of the room to be cooled, the loss is deducted. The COP at T H = 303K, T L = 298K, and P = 2.9 kPa can be obtained by substituting the numerical values shown above into Equation (10), and is calculated as 17.2.
続いて、成績係数COPとひずみεdの近似関係を計算する。式(10)において、ΔvapH=2453kJkg-1、cre=4.184kJkg-1K-1、T3−T4=20Kであると仮定する。cnsの値は、グラファイトの値として、0.72kJkg-1K-1と仮定できる。従って、式(10)は、次の式で表すことができる。 Then, to calculate the approximate relationship between the strain ε d and the coefficient of performance COP. In the equation (10), it is assumed that Δ vap H = 2453 kJkg −1 , c re = 4.184 kJkg −1 K −1 , T 3 −T 4 = 20K. The value of c ns can be assumed to be 0.72 kJkg −1 K −1 as the value of graphite. Therefore, Formula (10) can be expressed by the following formula.
式(11)、式(12)、および式(19)を代入すると、次の式となる。 Substituting Equation (11), Equation (12), and Equation (19) gives the following equation.
式(21)において、ρre、φns、Vnsは、温度T3における吸着等温線(図13のポイントIVを参照)より決定することが可能である。ρreは1000kgm-3であり、ρns−apは一般的な細孔材料においては大きくても約1000kgm-3である。Vnsは、大きくても0.003m3kg-1程度である。φnsは1と仮定する。以上から、成績係数COPは、ヤング率Eとひずみεdを用いて、式(24)で近似することができる。 In equation (21), ρ re , φ ns , and V ns can be determined from an adsorption isotherm (see point IV in FIG. 13) at temperature T 3 . ρ re is 1000 kgm −3 , and ρ ns-ap is about 1000 kgm −3 at most in a general pore material. V ns is at most about 0.003 m 3 kg −1 . Assume that φ ns is 1. From the above, the coefficient of performance COP, using the strain epsilon d and Young's modulus E, can be approximated by the formula (24).
図15は、式(24)で得られた熱交換装置10の成績係数COPとナノ多孔質体20のひずみ量εdに依存するヤング率Eとの近似曲線を示した図である。近似曲線は、上述した式(24)を用いて計算した。ひずみεdが小さくなればなるほど、成績係数COPは大きくなるが、一方で、ひずみεdが小さくなるほど、ナノ多孔質体20の体積を増加させることになる。その結果、熱交換装置10を大型化してしまうことになる。従って、ひずみεdは、0.2以下であることが好ましい。図15に示すように、ひずみεdが0.2以下の条件で成績係数COPを10以上とするには、ナノ多孔質体20のヤング率Eは、1.1GPa以下にする必要がある。以上の理由から、ナノ多孔質体20のヤング率Eは、1.1GPa以下に設計することが好ましい。 FIG. 15 is a diagram showing an approximate curve between the coefficient of performance COP of the heat exchange device 10 obtained by the equation (24) and the Young's modulus E depending on the strain amount ε d of the nanoporous body 20. The approximate curve was calculated using the equation (24) described above. The smaller the strain ε d is, the larger the coefficient of performance COP is. On the other hand, the smaller the strain ε d is, the more the volume of the nanoporous body 20 is increased. As a result, the heat exchange device 10 is increased in size. Therefore, the strain ε d is preferably 0.2 or less. As shown in FIG. 15, the strain epsilon d is the coefficient of performance COP 10 or more 0.2 or less condition, the Young's modulus E of the nanoporous material 20 must be less than or equal to 1.1 GPa. For the above reasons, the Young's modulus E of the nanoporous body 20 is preferably designed to be 1.1 GPa or less.
[実施例2]
実施例2には、熱交換装置10にナノ多孔質体20としてGMSを用い、冷媒60としてエタノールを用いた例を示す。
[Example 2]
Example 2 shows an example in which GMS is used as the nanoporous body 20 and ethanol is used as the refrigerant 60 in the heat exchange device 10.
(GMSの調製)
GMSは、単層グラフェン骨格を有し、大きな空孔率および弾性を有する。GMSの合成法は、Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427.を引用した。
(Preparation of GMS)
GMS has a single-layer graphene skeleton and has a large porosity and elasticity. For the synthesis method of GMS, Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427.
アルミナナノ粒子(Taimei Chemicals,TM300)を電気炉に設置し、窒素気流中1173Kまで昇温させた。1173Kに到達したら、窒素ガスを20vol%メタン、80vol%窒素に切り替え、2hのCVDによりアルミナナノ粒子の表面に炭素を析出させた。その後、窒素のみのフローに切り替え、室温まで冷却した。得られたカーボン被覆アルミナナノ粒子をフッ酸(47wt%,Wako pure chemical industries)に浸漬し、アルミナナノ粒子を取り除いた。得られたメソポーラスカーボンは、アルゴン気流中(10Pa)2073Kで焼成し、GMSを得た。 Alumina nanoparticles (Taimei Chemicals, TM300) were placed in an electric furnace and heated to 1173K in a nitrogen stream. When reaching 1173K, the nitrogen gas was switched to 20 vol% methane and 80 vol% nitrogen, and carbon was deposited on the surface of the alumina nanoparticles by CVD for 2 h. Then, it switched to the flow only of nitrogen and cooled to room temperature. The obtained carbon-coated alumina nanoparticles were immersed in hydrofluoric acid (47 wt%, Wako pure chemical industries) to remove the alumina nanoparticles. The obtained mesoporous carbon was baked at 2073 K in an argon stream (10 Pa) to obtain GMS.
GMSは、主に単層グラフェンからなり、大きな弾性を持ち合わせている。GMSの応力無印加時と90MPaの応力印加時(298K)におけるエタノールの脱離/吸着曲線を図16に示す。P/P0=0.92における吸着量は、応力印加に伴い、58%まで低減した。GMSの真密度を一般的な炭素材料の値2.0g/cm3と仮定すると、全細孔容積は2.79cm3/gである。これらの値を用いると、GMS全体としての変形量は36%と算出される。 GMS is mainly composed of single-layer graphene and has great elasticity. FIG. 16 shows ethanol desorption / adsorption curves when no GMS stress was applied and when 90 MPa stress was applied (298 K). The amount of adsorption at P / P 0 = 0.92 was reduced to 58% with the application of stress. Assuming that the true density of GMS is 2.0 g / cm 3 for a typical carbon material, the total pore volume is 2.79 cm 3 / g. Using these values, the deformation amount as a whole GMS is calculated as 36%.
図17は、GMSにおいてエタノールの脱離/吸着等温線(298K)を測定した際、脱離測定の途中でGMSに応力を印加した結果である。吸着が完了し、図17中のA点に示される脱離点が観測されるが、A点の測定が完了した直後にGMSに90MPaを印加すると、次の測定点はB点となった。すなわち、A点からB点に相対圧は上昇した。この結果から、実施例2の熱交換装置10においても、応力印加時に相変化(液体→気体)が起こっていることを確認した。以上の結果は、GMSも本発明に係るナノ多孔質体20として適用できることを示している。 FIG. 17 shows the result of applying stress to GMS during the desorption measurement when measuring the ethanol desorption / adsorption isotherm (298K) in GMS. The adsorption is completed and a desorption point indicated by point A in FIG. 17 is observed. When 90 MPa is applied to GMS immediately after the measurement of point A is completed, the next measurement point becomes point B. That is, the relative pressure increased from point A to point B. From this result, also in the heat exchange apparatus 10 of Example 2, it confirmed that the phase change (liquid-> gas) had occurred at the time of stress application. The above results show that GMS can also be applied as the nanoporous body 20 according to the present invention.
[第2実施形態]
図18は、第2実施形態に係る熱交換装置100の構成を示す概略断面図である。熱交換装置100の応力付与部200は、吸着モードの一方の熱交換部のナノ多孔質体の膨張による反発応力を、脱離モードの他方の熱交換部のナノ多孔質体を収縮させるための応力に変換する応力変換部230を有する点で前述した第1実施形態と異なる。なお、応力付与部200以外の構成は前述した第1実施形態と同様のため、同一の符号を付してその説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the heat exchange device 100 according to the second embodiment. The stress applying unit 200 of the heat exchange device 100 is used to contract the repulsive stress caused by the expansion of the nanoporous body in one heat exchange unit in the adsorption mode and the nanoporous body in the other heat exchange unit in the desorption mode. It differs from 1st Embodiment mentioned above by the point which has the stress conversion part 230 converted into stress. Since the configuration other than the stress applying unit 200 is the same as that of the first embodiment described above, the same reference numerals are given and description thereof is omitted.
第1実施形態に係る熱交換装置10では、2つのチャンバー32A、32Bに対して2つの応力付与部31A、31Bがそれぞれ装着され、2つの応力付与部31A、31Bをそれぞれ独立に制御して2つのナノ多孔質体20A、20Bに応力を印加および解放していた。第2実施形態に係る熱交換装置100では、2つのチャンバー32A、32Bに対して1つの応力付与部200が装着され、1つの応力付与部200を制御して2つのナノ多孔質体20A、20Bに応力を印加および解放する。 In the heat exchange device 10 according to the first embodiment, two stress applying portions 31A and 31B are respectively attached to the two chambers 32A and 32B, and the two stress applying portions 31A and 31B are independently controlled to be 2 Stress was applied to and released from the two nanoporous bodies 20A and 20B. In the heat exchange device 100 according to the second embodiment, one stress applying unit 200 is attached to the two chambers 32A and 32B, and the two nanoporous bodies 20A and 20B are controlled by controlling the one stress applying unit 200. Stress and release.
熱交換装置100は、一対の熱交換部30A、30Bのうち一方の動作モードが脱離モードである間は他方の動作モードが吸着モードになるようにスイング運転する。したがって、熱交換装置100は、一方のチャンバー32A、32B内のナノ多孔質体20A、20Bに応力を印加して圧縮する際に、他方のチャンバー32A、32B内のナノ多孔質体20A、20Bから応力を解放して自由膨張させる。 The heat exchange device 100 performs a swing operation so that the other operation mode is the adsorption mode while one operation mode of the pair of heat exchange units 30A and 30B is the desorption mode. Therefore, when the heat exchange apparatus 100 compresses the nanoporous bodies 20A and 20B in one chamber 32A and 32B by applying stress to the nanoporous bodies 20A and 20B in the other chambers 32A and 32B, Release the stress and let it expand freely.
第1チャンバー32Aおよび第2チャンバー32Bは、中心面Cに対して対称に配置されている。以下、応力付与部200の構成について詳細に説明する。 The first chamber 32A and the second chamber 32B are arranged symmetrically with respect to the center plane C. Hereinafter, the configuration of the stress applying unit 200 will be described in detail.
応力付与部200は、円筒状のシリンダー210と、シリンダー210内を移動可能な2つのピストン220A、220Bと、2つのピストン220A、220Bの間を連結する応力変換部230と、プレス部240A、240Bとを有する。プレス部240A、240Bは、2つのピストン220A、220Bのそれぞれに固定され、ナノ多孔質体20A、20Bに応力を印加および解放する。 The stress applying unit 200 includes a cylindrical cylinder 210, two pistons 220A and 220B movable within the cylinder 210, a stress converting unit 230 connecting the two pistons 220A and 220B, and press units 240A and 240B. And have. The press parts 240A and 240B are fixed to the two pistons 220A and 220B, respectively, and apply and release stress to the nanoporous bodies 20A and 20B.
応力変換部230は、固定軸O1周りを回転する第1リンク部材231と、ピストン220Aに連結される第2リンク部材232と、ピストン220Bに連結される第3リンク部材233と、を有する。応力変換部230は、第1リンク部材231、第2リンク部材232および第3リンク部材233を連結する連結部234をさらに有する。固定軸O1は、中心面C上に配置されている。連結部234は、固定軸O1周りを回動自在な可動軸O2を有する。 The stress conversion unit 230 includes a first link member 231 that rotates around the fixed axis O1, a second link member 232 that is coupled to the piston 220A, and a third link member 233 that is coupled to the piston 220B. The stress conversion unit 230 further includes a connecting portion 234 that connects the first link member 231, the second link member 232, and the third link member 233. The fixed axis O1 is disposed on the center plane C. The connecting portion 234 has a movable shaft O2 that is rotatable around the fixed shaft O1.
第1リンク部材231の一端は、固定軸O1周りを回転可能に固定軸O1に固定される。第1リンク部材231の他端は、可動軸O2周りを回転可能に連結部234に連結される。 One end of the first link member 231 is fixed to the fixed shaft O1 so as to be rotatable around the fixed shaft O1. The other end of the first link member 231 is connected to the connecting portion 234 so as to be rotatable around the movable axis O2.
第2リンク部材232の一端は、ピストン220Aに固定された第1軸O3周りを回転可能にピストン220Aに連結される。第2リンク部材232の他端は、可動軸O2周りを回転可能に連結部234に連結される。同様に、第3リンク部材233の一端は、ピストン220Bに固定された第2軸O4周りを回転可能にピストン220Bに連結される。第3リンク部材233の他端は、可動軸O2周りを回転可能に連結部234に連結される。 One end of the second link member 232 is coupled to the piston 220A so as to be rotatable around a first axis O3 fixed to the piston 220A. The other end of the second link member 232 is connected to the connecting portion 234 so as to be rotatable around the movable axis O2. Similarly, one end of the third link member 233 is coupled to the piston 220B so as to be rotatable around a second axis O4 fixed to the piston 220B. The other end of the third link member 233 is connected to the connecting portion 234 so as to be rotatable around the movable axis O2.
図19A〜図19Dは、第2実施形態に係る熱交換装置100の動作を説明するための概略断面図である。なお、応力付与部200の動作は、制御部40が制御する。 19A to 19D are schematic cross-sectional views for explaining the operation of the heat exchange device 100 according to the second embodiment. The operation of the stress applying unit 200 is controlled by the control unit 40.
図19Aは、第1実施形態の図6A、図6G、図6Hに対応する状態を示す図である。図19Bは、第1実施形態の図6Bに対応する状態を示す図である。図19Cは、第1実施形態の図6C、図6D、図6Eに対応する状態を示す図である。図19Dは、第1実施形態の図6Fに対応する状態を示す図である。各状態に対応する熱交換部30A、30Bの動作モードについては前述した第1実施形態と同様のため説明を省略する。 FIG. 19A is a diagram illustrating a state corresponding to FIGS. 6A, 6G, and 6H according to the first embodiment. FIG. 19B is a diagram illustrating a state corresponding to FIG. 6B of the first embodiment. FIG. 19C is a diagram illustrating a state corresponding to FIGS. 6C, 6D, and 6E of the first embodiment. FIG. 19D is a diagram illustrating a state corresponding to FIG. 6F of the first embodiment. The operation modes of the heat exchange units 30A and 30B corresponding to the respective states are the same as those in the first embodiment described above, and thus the description thereof is omitted.
図19Aでは、第1チャンバー32A内の第1ナノ多孔質体20Aは、応力付与部200からの応力印加がなく自由膨張した状態である。第2チャンバー32B内の第2ナノ多孔質体20Bは、応力付与部200からの応力印加によって収縮した状態である。第1軸O3から中心面Cまでの距離L1は、第2軸O4から中心面Cまでの距離L2よりも短くなる。 In FIG. 19A, the first nanoporous body 20A in the first chamber 32A is in a state of free expansion without application of stress from the stress applying unit 200. The second nanoporous body 20 </ b> B in the second chamber 32 </ b> B is in a contracted state due to the application of stress from the stress applying unit 200. The distance L1 from the first axis O3 to the center plane C is shorter than the distance L2 from the second axis O4 to the center plane C.
図19Aの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りに回転させると、連結部234は、第1チャンバー32A側へ移動する。連結部234の移動に伴って、第2リンク部材232および第3リンク部材233が第1チャンバー32A側へ移動する。これにより、2つのピストン220A、220Bは、第1チャンバー32A側へ移動する。 When the first link member 231 is rotated counterclockwise around the fixed axis O1 from the state of FIG. 19A, the connecting portion 234 moves to the first chamber 32A side. As the connecting portion 234 moves, the second link member 232 and the third link member 233 move to the first chamber 32A side. As a result, the two pistons 220A and 220B move to the first chamber 32A side.
ピストン220Bの移動に伴って、第2チャンバー32B内の第2ナノ多孔質体20Bからは応力が徐々に解放される。これにより、第2ナノ多孔質体20Bが自由膨張する。第2ナノ多孔質体20Bの自由膨張による反発応力は、プレス部240B、ピストン220Bおよび第3リンク部材233を介して第2リンク部材232に伝達される。第2リンク部材232は、当該反発応力を第1チャンバー32A内の第1ナノ多孔質体20Aを圧縮させるための応力として利用する。すなわち、応力変換部230は、第2ナノ多孔質体20Bの自由膨張による反発応力を第1ナノ多孔質体20Aを圧縮させるための機械的エネルギーWrns[J]に変換する。 As the piston 220B moves, the stress is gradually released from the second nanoporous body 20B in the second chamber 32B. Thereby, the second nanoporous body 20B is freely expanded. The repulsive stress due to free expansion of the second nanoporous body 20B is transmitted to the second link member 232 via the press part 240B, the piston 220B, and the third link member 233. The second link member 232 uses the repulsive stress as a stress for compressing the first nanoporous body 20A in the first chamber 32A. That is, the stress conversion unit 230 converts the repulsive stress caused by the free expansion of the second nanoporous body 20B into mechanical energy W rns [J] for compressing the first nanoporous body 20A.
図19Aの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りに90度回転させさせると図19Bの状態となる。図19Bでは、可動軸O2は、中心面C上に配置されている。この状態で、第1軸O3から中心面Cまでの距離L1は、第2軸O4から中心面Cまでの距離L2に等しくなる。 When the first link member 231 is rotated 90 degrees counterclockwise about the fixed axis O1 from the state of FIG. 19A, the state of FIG. 19B is obtained. In FIG. 19B, the movable axis O2 is disposed on the center plane C. In this state, the distance L1 from the first axis O3 to the center plane C is equal to the distance L2 from the second axis O4 to the center plane C.
図19Bの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りにさらに90度回転させると、連結部234は、第1チャンバー32A側へさらに移動して図19Cの状態となる。第1軸O3から中心面Cまでの距離L1は、第2軸O4から中心面Cまでの距離L2よりも長くなる。これにより、第1チャンバー32A内の第1ナノ多孔質体20Aは、最も圧縮した状態となり、第2チャンバー32B内の第2ナノ多孔質体20Bは、応力から解放された状態となる。 When the first link member 231 is further rotated 90 degrees counterclockwise around the fixed axis O1 from the state of FIG. 19B, the connecting portion 234 is further moved to the first chamber 32A side to be in the state of FIG. 19C. A distance L1 from the first axis O3 to the center plane C is longer than a distance L2 from the second axis O4 to the center plane C. Thereby, the first nanoporous body 20A in the first chamber 32A is in the most compressed state, and the second nanoporous body 20B in the second chamber 32B is released from the stress.
図19Cの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りにさらに回転させると、連結部234は、第2チャンバー32B側へ移動する。図19A、図19Bのときと同様に、応力変換部230は、第1ナノ多孔質体20Aの自由膨張による反発応力を第2ナノ多孔質体20Bを圧縮させるための機械的エネルギーWrns[J]に変換する。 When the first link member 231 is further rotated counterclockwise around the fixed axis O1 from the state of FIG. 19C, the connecting portion 234 moves to the second chamber 32B side. As in the case of FIGS. 19A and 19B, the stress conversion unit 230 is configured to generate mechanical energy W rns [J ].
図19Cの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りに90度回転させると図19Dの状態となる。図19Dでは、可動軸O2は、中心面C上に配置されている。この状態で、第1軸O3から中心面Cまでの距離L1は、第2軸O4から中心面Cまでの距離L2に等しくなる。 When the first link member 231 is rotated 90 degrees counterclockwise around the fixed axis O1 from the state of FIG. 19C, the state of FIG. 19D is obtained. In FIG. 19D, the movable axis O2 is disposed on the center plane C. In this state, the distance L1 from the first axis O3 to the center plane C is equal to the distance L2 from the second axis O4 to the center plane C.
以上のように、熱交換装置100の制御では、図19A〜図19Dに示す動作を繰り返すことによって、一対の熱交換部30A、30Bの動作モードを交互にスイング運転する。これにより、脱離モードの熱交換部30A、30Bにおいて連続的に蒸発潜熱QL[J]による冷熱を生成することが可能となる。また、応力変換部230は、ナノ多孔質体20A、20Bの自由膨張による反発応力を熱交換装置100を作動するための機械的エネルギーWrns[J]に変換して回収することができる。 As described above, in the control of the heat exchange device 100, the operation shown in FIGS. 19A to 19D is repeated, and the operation modes of the pair of heat exchange units 30A and 30B are alternately swung. Accordingly, it is possible to continuously generate cold heat due to the latent heat of vaporization Q L [J] in the heat exchange units 30A and 30B in the desorption mode. Further, the stress conversion unit 230 can recover the repulsive stress due to the free expansion of the nanoporous bodies 20A and 20B by converting the repulsive stress into mechanical energy W rns [J] for operating the heat exchange device 100.
COP算出式のベースは式(5)に示した通りであるが、図19A〜図19Dに示すように、応力変換部230がナノ多孔質体20A、20Bの応力解放時の自由膨張による反発応力を回収可能な機械的エネルギーWrns[J]として回収できる場合は、分母になる加えるエネルギーから差し引くことができるため、式(25)で示すことができる。 The base of the COP calculation formula is as shown in Formula (5), but as shown in FIGS. 19A to 19D, the stress conversion unit 230 has a repulsive stress due to free expansion at the time of stress release of the nanoporous bodies 20A and 20B. Can be recovered as the recoverable mechanical energy W rns [J], it can be subtracted from the energy to be added as the denominator, and therefore can be expressed by the equation (25).
図20に示すように、ナノ多孔質体20A、20Bの解放時の自由膨張による反発応力に伴う回収可能な機械的エネルギーWrns[J]は、ナノ多孔質体の応力−ひずみ曲線のヒステリシスから得ることができる。また、失われるエネルギーは内部摩擦Qf[J]で失われる分を差し引くことにより得られる。なお、図20は、図14と同じ条件で測定したナノ多孔質体の応力−ひずみ曲線を表す図である。 As shown in FIG. 20, the recoverable mechanical energy W rns [J] accompanying the repulsive stress due to free expansion at the time of release of the nanoporous bodies 20A and 20B is obtained from the hysteresis of the stress-strain curve of the nanoporous body. Can be obtained. Further, the lost energy can be obtained by subtracting the amount lost by the internal friction Q f [J]. In addition, FIG. 20 is a figure showing the stress-strain curve of the nanoporous body measured on the same conditions as FIG.
式(28)を式(25)に代入すると、次のようになる。 Substituting equation (28) into equation (25) yields:
式(3)〜(9)に代入していくと、反発応力を回収するシステムのCOP算出式は式(30)に示す形となる。 Substituting into the equations (3) to (9), the COP calculation formula of the system for recovering the repulsive stress becomes the form shown in the equation (30).
この式において、実施例1と同一の条件、それぞれΔvapH=2453kJkg-1、cre=4.184kJkg-1K-1、高温側と低温側の温度差(TH−TL)=5K、cns=0.72kJkg-1K-1とし、図11のin situ測定の際に別途測定した応力−ひずみ曲線(図14、図20)より、ZTCシートのヤング率は、0.38GPa、と求められる。したがって、83MPaを印加した際のひずみεdは0.23、ポイントIに示す温度TH=303Kにおける応力無印加状態のナノ多孔質体20の吸着量(51.1mmolg-1=0.92kgkg-1)wnsから、wre−ads=0.92wns、ポイントIIに示す温度TL=298Kにおける圧縮したZTCシートの吸着量(42.8mmolg-1=0.77kgkg-1)wnsから、0.77wnsとなるので、wre=0.92wns−0.77wns=0.15wns、図14のハッチング部分の面積から、ZTCの内部摩擦によるエネルギー損失φf[J]は計算することができ、0.34をそれぞれ代入すると、図13の条件であるTH=303K、TL=298K、P=2.9kPaにおける反発応力を回収するシステムにおけるCOPを算出できるが、そのCOPは実施例1の17.2から50.6に改善される。 In this equation, the same conditions as in Example 1, Δ vap H = 2453 kJkg −1 , c re = 4.184 kJkg −1 K −1 , temperature difference between the high temperature side and the low temperature side (T H −T L ) = 5K , C ns = 0.72 kJkg −1 K −1, and the Young's modulus of the ZTC sheet is 0.38 GPa from the stress-strain curves (FIGS. 14 and 20) separately measured during the in situ measurement of FIG. Is required. Therefore, the strain ε d when 83 MPa is applied is 0.23, and the adsorption amount of the nanoporous body 20 in the stress-free state at the temperature T H = 303 K indicated by the point I (51.1 mmolg −1 = 0.92 kgkg − from 1) w ns, from w re-ads = 0.92w ns, adsorption of ZTC sheet obtained by compressing at a temperature T L = 298K shown in point II (42.8mmolg -1 = 0.77kgkg -1) w ns, since the 0.77w ns, w re = 0.92w ns -0.77w ns = 0.15w ns, from the area of the hatched portion in FIG. 14, [J] energy loss phi f due to internal friction ZTC calculates it can, substituting 0.34, respectively, put T H = 303 K is a condition of FIG. 13, T L = 298K, the P = 2.9kPa Can calculate the COP in a system for recovering repulsive stress, its COP is improved to 17.2 from 50.6 in Example 1.
以上説明したように、本実施形態に係る熱交換装置100の応力付与部200は、吸着モードの一方の熱交換部30A、30Bのナノ多孔質体20A、20Bの膨張による反発応力を、脱離モードの他方の熱交換部30A、30Bのナノ多孔質体20A、20Bを収縮させるための応力に変換する応力変換部230をさらに有する。応力変換部230は、一方のナノ多孔質体20A、20Bの自由膨張による反発応力を他方のナノ多孔質体20A、20Bを圧縮させるための機械的エネルギーWrns[J]に変換する。その結果、ナノ多孔質体20A、20Bの自由膨張の反発応力を効率良く回収できるようになる。 As described above, the stress applying unit 200 of the heat exchange device 100 according to the present embodiment desorbs the repulsive stress caused by the expansion of the nanoporous bodies 20A and 20B of the one heat exchange unit 30A and 30B in the adsorption mode. It further has a stress conversion unit 230 that converts the nanoporous bodies 20A and 20B of the other heat exchange units 30A and 30B of the mode into stress for contraction. The stress conversion unit 230 converts the repulsive stress caused by the free expansion of one nanoporous body 20A, 20B into mechanical energy W rns [J] for compressing the other nanoporous body 20A, 20B. As a result, the rebound stress of free expansion of the nanoporous bodies 20A and 20B can be efficiently recovered.
[第2実施形態の変形例]
応力変換部を備える熱交換装置の構成は図18に示す形態に限定されず適宜変更可能である。例えば、図18に示す形態では、応力変換部およびチャンバー32A、32Bを水平に締結した例を示したが、図21に示すようにV型に締結したシステムでも同様な効果が得られる。
[Modification of Second Embodiment]
The configuration of the heat exchange device including the stress conversion unit is not limited to the form shown in FIG. 18 and can be changed as appropriate. For example, in the embodiment shown in FIG. 18, an example is shown in which the stress conversion section and the chambers 32A and 32B are fastened horizontally, but a similar effect can be obtained even in a system fastened to a V shape as shown in FIG.
また、図18、図21では、2つのチャンバーを組み合わせた例を示しているが、3つのチャンバー、あるいは必要に応じて4つ以上のチャンバーを組み合わせても同様な効果が得られる。 Moreover, although the example which combined two chambers is shown in FIG. 18, FIG. 21, the same effect is acquired even if it combines three chambers or four or more chambers as needed.
以上、本発明の実施形態に係る熱交換装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されない。本発明は特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。 As mentioned above, although the heat exchange apparatus which concerns on embodiment of this invention was demonstrated, this invention is not limited to embodiment mentioned above. The present invention can be modified in various ways based on the configurations described in the claims, and these are also within the scope of the present invention.
例えば、本発明の熱交換装置を、脱離時の蒸発潜熱から得た冷熱を利用して対象を冷却する冷却装置(冷凍機)に適用した場合を例に挙げて説明したが、吸着時の凝縮潜熱から得た温熱を利用して対象を加熱する加熱装置(ヒートポンプ)に適用してもよい。 For example, the case where the heat exchange device of the present invention is applied to a cooling device (refrigerator) that cools an object using cold heat obtained from the latent heat of vaporization during desorption has been described as an example. You may apply to the heating apparatus (heat pump) which heats object using the heat obtained from condensation latent heat.
また、一対(2つ)の熱交換部を有するバッチ式の熱交換装置として説明したが、これに限定されず、1つの熱交換部によって構成してもよいし、3つ以上の熱交換部によって構成してもよい。 Moreover, although demonstrated as a batch-type heat exchange apparatus which has a pair (two) heat exchange part, it is not limited to this, You may comprise by one heat exchange part, and three or more heat exchange parts You may comprise by.
10、100 熱交換装置、
20 ナノ多孔質体、
20A 第1ナノ多孔質体、
20B 第2ナノ多孔質体、
30A 第1熱交換部(熱交換部)、
31A 第1応力付与部(応力付与部)、
32A 第1チャンバー(チャンバー)、
30B 第2熱交換部(熱交換部)、
31B 第2応力付与部(応力付与部)、
32B 第2チャンバー(チャンバー)、
33A 第1空気調節部、
33B 第2空気調節部、
40 制御部、
50 配管、
51 バルブ、
60 冷媒(媒体)、
200 応力付与部、
210 シリンダー、
220A、220B ピストン、
230 応力変換部、
231 第1リンク部材、
232 第2リンク部材、
233 第3リンク部材、
234 連結部、
240A、240B プレス部。
10, 100 heat exchange device,
20 Nanoporous material,
20A first nanoporous body,
20B second nanoporous body,
30A 1st heat exchange part (heat exchange part),
31A 1st stress application part (stress application part),
32A first chamber (chamber),
30B 2nd heat exchange part (heat exchange part),
31B 2nd stress provision part (stress provision part),
32B Second chamber (chamber),
33A 1st air conditioning part,
33B 2nd air conditioning part,
40 control unit,
50 piping,
51 valves,
60 refrigerant (medium),
200 stress applying part,
210 cylinders,
220A, 220B piston,
230 stress converter,
231 first link member,
232 second link member,
233 third link member,
234 connecting part,
240A, 240B Press part.
Claims (7)
前記ナノ多孔質体に応力を印加して収縮させる応力付与部と、
前記ナノ多孔質体を内部に収容するチャンバーと、
を備える熱交換部と、
前記応力付与部の動作を制御して、前記熱交換部における動作モードを、前記ナノ多孔質体に応力を印加して収縮させて前記媒体を前記ナノ多孔質体から脱離させる脱離モードと、応力を解放して前記ナノ多孔質体を膨張させて前記媒体を前記ナノ多孔質体に吸着させる吸着モードとに切り替える制御部と、
を有する、熱交換装置。 A nanoporous body having elasticity, capable of shrinking and desorbing the medium, and capable of expanding and adsorbing the medium;
A stress applying portion for applying stress to the nanoporous body to cause contraction;
A chamber containing the nanoporous body therein;
A heat exchange section comprising:
An operation mode in the heat exchange unit by controlling the operation of the stress applying unit, and a desorption mode in which the medium is desorbed from the nanoporous body by applying stress to the nanoporous body to contract A controller that switches to an adsorption mode that releases the stress and expands the nanoporous body to adsorb the medium to the nanoporous body;
A heat exchange device.
一対の前記熱交換部の前記チャンバー間を前記媒体が移動可能に連通する配管と、
をさらに有し、
前記制御部は、各々の前記熱交換部における動作モードを、前記吸着モードと前記脱離モードとに交互に切り替える、請求項1に記載の熱交換装置。 A pair of said heat exchange parts;
A pipe through which the medium is movably communicated between the chambers of the pair of heat exchange units;
Further comprising
The heat exchange device according to claim 1, wherein the control unit switches an operation mode in each of the heat exchange units alternately between the adsorption mode and the desorption mode.
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