JP5418401B2 - 吸着剤ブロックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着剤ブロックの製造方法に関する。

近年、地球温暖化防止やエネルギー資源の保全など、環境負荷低減のための技術開発の重要性が急速に増大している。
その中で、従来は利用価値がなく捨てていた廃熱を回収及び再利用する技術が注目を集めている。その一つが、吸着式ヒートポンプである。
吸着式ヒートポンプは、吸着質（例えば水、メタノール等）が吸着剤（例えばシリカゲル、活性炭等）に対して吸脱着する際に生じる潜熱の移動を利用することで、例えば１００℃以下の低質な熱エネルギーを利用可能な冷熱に変換する技術である。脱着時に必要な温熱は、吸着剤によっては例えば６０℃程度の比較的低い温度でも良い。このため、種々の低温廃熱からエネルギーを回収できる技術として、多くの研究がなされてきた。

しかし、吸着式ヒートポンプは、効率を高めることが難しい。また、装置が大型化してしまう。このため、これまで実用化は限られた用途にとどまっていた。

特開平５−１０３９７９号公報 特開平１０−１６５７４５号公報 特表平９−５０４０８５号公報

ところで、上述の吸着式ヒートポンプは、吸着剤が吸着質を吸脱着することで、低温廃熱（温熱）から冷熱を生成するシステムであり、その主要部品である吸着器は、熱交換器に吸着剤を充填することによって構成される。
吸着剤としては、吸着量及び吸着速度が大きいという点で、活性炭繊維が優れている。
しかしながら、活性炭繊維は、その形態から嵩密度が低く、熱交換器に少量しか充填することができない。

なお、バインダや例えば５００℃以上の高温加熱処理を用いて活性炭繊維を高密度に充填することも考えられるが、活性炭繊維の吸着性能が低下してしまう。
そこで、活性炭繊維の吸着性能を低下させずに、活性炭繊維を高密度で充填できるようにしたい。

このため、本吸着剤ブロックの製造方法は、複数の活性炭繊維を金属シートで筒状に被覆し、複数の活性炭繊維を被覆した筒状の金属シートが、四方から圧力を加えられ、径が小さくされながら、一方向へ引き延ばされるように、筒状の前記金属シートを圧延し、切断して、複数の活性炭繊維と、複数の活性炭繊維の外周を被覆した筒状の金属シートとを備える吸着剤ブロックを製造することを要件とする。

したがって、本吸着剤ブロックの製造方法によれば、活性炭繊維の吸着性能を低下させずに、活性炭繊維を高密度で充填できるという利点がある。

（Ａ）、（Ｂ）は、本実施形態にかかる吸着剤ブロックの製造方法及び吸着剤ブロックの構成を説明するための模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は、本実施形態の具体例にかかる吸着剤ブロックの製造方法及び吸着剤ブロックの構成を示す模式図である。 本実施形態にかかる吸着器の製造方法及び吸着器の構成を説明するための模式図である。 本実施形態にかかる吸着式ヒートポンプの構成を示す模式図である。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる吸着剤ブロック及びその製造方法、吸着器、吸着式ヒートポンプについて、図１〜図４を参照しながら説明する。
本実施形態にかかる吸着式ヒートポンプは、吸着剤が吸着質を吸脱着することで、熱源からの低温廃熱等の温熱から冷熱を生成する吸着式ヒートポンプである。
本吸着式ヒートポンプでは、以下のようにして温熱から冷熱を生成する。

まず、減圧した容器の中に、吸着剤と、吸着剤に対して吸脱着可能な液体の吸着質とが封入されている。そして、気体の吸着質が吸着剤に吸着して雰囲気中の吸着質の蒸気圧が減少すると、液体の吸着質が蒸発（気化）する。この蒸発の際に吸着質は熱を奪うため、そこから冷熱を取り出すことができる。これを吸着過程という。
一方、吸着質を吸着した吸着剤を、温熱を用いて加熱すれば、気体の吸着質が吸着剤から脱着する。そして、脱着した気体の吸着質を、例えば冷却水などを用いて冷やせば、凝縮して、液体の吸着質に戻る。これを脱着過程という。

このような吸着過程と脱着過程とを繰り返して、温熱から冷熱を生成する。
このため、本吸着式ヒートポンプは、図４に示すように、液体の吸着質を蒸発させて気体の吸着質にする蒸発器１と、気体の吸着質を凝縮させて液体の吸着質にする凝縮器２と、吸着質を吸脱着しうる吸着剤３を有する２つの吸着器４、５とを備える。
そして、蒸発器１と凝縮器２とは、第１流路６によって接続されている。また、蒸発器１及び凝縮器２の一方の側（図４中、左側）に一の吸着器４が接続されている。つまり、蒸発器１の一方の側と一の吸着器４とは、第２流路７によって接続されており、凝縮器２の一方の側と一の吸着器４とは、第３流路８によって接続されている。さらに、蒸発器１及び凝縮器２の他方の側（図４中、右側）に他の吸着器５が接続されている。つまり、凝縮器２の他方の側と他の吸着器５とは、第４流路９によって接続されており、蒸発器１の他方の側と他の吸着器５とは、第５流路１０によって接続されている。また、第２流路７、第３流路８、第４流路９及び第５流路１０には、それぞれ、流路の開閉を行なうバルブ１１〜１４が設けられている。なお、蒸発器１、凝縮器２、吸着器４、５及び各流路６〜１０は、内部に密閉された空間を有し、吸着式ヒートポンプの使用時には、この空間は通常減圧された状態になっている。

ここでは、蒸発器１は、液体の吸着質を気体の吸着質に相変化させるものであり、冷熱を取り出すための熱交換器を含み、熱搬送用媒体として、液体の吸着質が蒸発する際に生じた冷熱を外部へ搬送しうる流体を流す管状部材１５を備える。この蒸発器１では、吸着過程で一方の吸着器（図４では吸着器４）で気体の吸着質が吸着され、流路（図４では第２流路７）を介して、蒸発器１から一方の吸着器へ気体の吸着質が流出することによって、液体の吸着質が蒸発する。そして、液体の吸着質が蒸発する際に生じた冷熱は、管状部材１５の内部を流れる熱搬送用媒体としての流体によって外部へ搬送され、例えば冷却に用いられる。

凝縮器２は、気体の吸着質を冷却して液体の吸着質に相変化させる熱交換器であり、熱搬送用媒体として、吸着質の凝縮点よりも低い温度の流体（ここでは冷却水）を流す管状部材１６を備える。この凝縮器２は、脱着過程で一方の吸着器（図４では吸着器５）から流路（図４では第４流路９）を介して流入する気体の吸着質を冷却して液体の吸着質に相変化させる。そして、液体の吸着質は、第１流路６を介して、凝縮器２から蒸発器１へ送られる。

吸着器４、５は、それぞれ、内部に流体を流すことができる管状部材１７を備え、管状部材１７の周囲に吸着剤３が充填された熱交換器である。ここでは、吸着剤３として、吸着量及び吸着速度が大きい糸状の活性炭繊維を用いる。また、吸着質は、水である。なお、吸着質として、メタノール、エタノールなどのアルコールを用いても良い。
ここで、吸着剤３は、特定の温度以上では吸着質の脱着が支配的に起こり、それよりも低い温度では吸着が支配的に起こる。

このため、管状部材１７に流す流体の温度によって、吸着剤３の温度が制御され、これにより、吸着質の脱着又は吸着が制御されるようになっている。
つまり、吸着器４、５に備えられる吸着剤３に吸着質を吸着させる吸着過程では、管状部材１７に、吸着質の吸着が支配的になる温度に制御しうる熱搬送媒体としての流体を流す。ここでは、冷却水を熱搬送媒体として流し、吸着剤３を冷却することによって、吸着剤３に吸着質を吸着させる。

一方、吸着器４、５に備えられる吸着剤３から吸着質を脱着させる脱着過程では、管状部材１７に吸着質の脱着が支配的になる温度に制御しうる熱搬送媒体としての流体を流す。ここでは、吸着剤３から吸着質を脱着させるのに必要な温度は約６０℃程度である。このため、約１００℃以下の比較的低温の廃熱などを温熱として利用する。つまり、廃熱などから回収した温熱を熱搬送媒体としての流体によって搬送し、吸着剤３を加熱することによって、吸着剤３から吸着質を脱着させる。

このように構成される吸着式ヒートポンプでは、バルブ１１〜１４の開閉状態を切り替えることで、吸着過程と脱着過程とを繰り返して、温熱から冷熱を連続的に生成することができる。
例えば、図４に示すように、バルブ１１、１３を開いた状態とし、バルブ１２、１４を閉じた状態とした場合には、一方の吸着器４（図４中、左側）は蒸発器１に接続され、他方の吸着器５（図４中、右側）は凝縮器２に接続される。この場合、一方の吸着器４には、冷却水を流して、吸着剤３を冷却し、他方の吸着器５には、廃熱などから回収した温熱を流体によって搬送して、吸着剤３を加熱する。これにより、一方の吸着器４に備えられる吸着剤３に吸着質が吸着し、他方の吸着器５に備えられる吸着剤３から吸着質が脱着する。つまり、蒸発器１に接続された一方の吸着器４は、吸着過程となり、凝縮器２に接続された他方の吸着器５は、脱着過程となる。

一方、バルブ１２、１４を開いた状態とし、バルブ１１、１３を閉じた状態とした場合には、他方の吸着器５（図４中、右側）は蒸発器１に接続され、一方の吸着器４（図４中、左側）は凝縮器２に接続される。この場合、他方の吸着器５には、冷却水を流して、吸着剤３を冷却し、一方の吸着器４には、廃熱などから回収した温熱を流体によって搬送して、吸着剤３を加熱する。これにより、他方の吸着器５に備えられる吸着剤３に吸着質が吸着し、一方の吸着器４に備えられる吸着剤３から吸着質が脱着する。つまり、蒸発器１に接続された他方の吸着器５は、吸着過程となり、凝縮器２に接続された一方の吸着器４は、脱着過程となる。

このようにして、バルブ１１〜１４の開閉状態を切り替えることで、吸着過程と脱着過程とを繰り返して、温熱から冷熱を連続的に生成することができる。
なお、ここでは、一方の吸着器４の吸着過程と他方の吸着器５の脱着過程とが同時に行なわれ、一方の吸着器４の脱着過程と他方の吸着器５の吸着過程とが同時に行なわれ、これらが繰り返し行なわれるようにしているが、これに限られるものではない。例えば、一方の吸着器４の吸着過程と他方の吸着器５の吸着過程とが同時に行なわれ、一方の吸着器４の脱着過程と他方の吸着器５の脱着過程とが同時に行なわれ、これらが繰り返し行なわれるようにしても良い。つまり、吸着過程と脱着過程とを段階的に行なうようにしても良い。この場合、吸着過程では、バルブ１１、１４を開いた状態とし、バルブ１２、１３を閉じた状態とし、両方の吸着器４、５に冷却水を流して、吸着剤３を冷却すれば良い。一方、脱着過程では、バルブ１２、１３を開いた状態とし、バルブ１１、１４を閉じた状態とし、両方の吸着器４、５に廃熱などから回収した温熱を流体によって搬送して、吸着剤３を加熱すれば良い。

ところで、上述のように、吸着剤３として活性炭繊維を用いる場合、活性炭繊維は、その形態から嵩密度が低く、吸着器に少量しか充填することができない。
そこで、本実施形態では、図１、図３に示すように、まず吸着剤としての活性炭繊維３を筒状の金属シート１８で被覆して吸着剤ブロック１９を作製し、この吸着剤ブロック１９を吸着器４、５に備えられる管状部材１７に接するように設けることによって、吸着器４、５に吸着剤としての活性炭繊維３を充填するようにしている。

この場合、吸着器４、５は、吸着剤ブロック１９を含むものとなる。また、吸着式ヒートポンプは、吸着剤ブロック１９を含むものとなる。なお、本吸着剤ブロック１９は、上述の吸着式ヒートポンプに用いられるため、吸着式ヒートポンプ用吸着剤ブロックともいう。具体的には、本吸着剤ブロック１９は、上述の吸着式ヒートポンプに備えられる吸着器４、５に用いられる。つまり、吸着式ヒートポンプに備えられる吸着器４、５を構成する熱交換器に吸着剤としての活性炭繊維３を充填するために用いられる。このため、吸着器用吸着剤ブロックともいう。

本実施形態にかかる吸着剤ブロック１９は、図１（Ｂ）に示すように、一方向に向きが揃っている複数の活性炭繊維（吸着剤）３と、複数の活性炭繊維３の外周を被覆し、一方向を軸方向とする筒状の金属シート１８とを備える。
ここでは、活性炭繊維３は、吸着質に対する親和性を付与する処理が施されている。本実施形態では、吸着質は水であるため、活性炭繊維３は、親水化処理が施されている。なお、吸着質として、メタノール、エタノールなどのアルコールを用いる場合には、活性炭繊維３は、アルコールに対する親和性を付与する処理が施されたものとなる。

次に、本吸着剤ブロック１９の製造方法について、図１、図２を参照しながら説明する。
まず、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複数の活性炭繊維３を金属シート１８で筒状に被覆する。これを被覆工程という。
次に、図１（Ａ）、（Ｂ）、図２（Ｃ）に示すように、複数の活性炭繊維３を被覆した筒状の金属シート１８を一方向に圧延し、切断する。これを圧延・切断工程という。これにより、一方向に向きが揃っている複数の活性炭繊維３と、複数の活性炭繊維３の外周を被覆し、一方向を軸方向とする筒状の金属シート１８とを備える吸着剤ブロック１９が製造される。

具体的には、まず、活性炭繊維３に、吸着質に対する親和性を付与する処理を施す。本実施形態では、吸着質は水であるため、活性炭繊維３に親水化処理を施す。なお、吸着質として、メタノール、エタノールなどのアルコールを用いる場合には、活性炭繊維３に、アルコールに対する親和性を付与する処理を施す。
次に、吸着質に対する親和性を付与された活性炭繊維３に、吸着質と同一の液体を含ませる。本実施形態では、親水化処理を施した活性炭繊維３のかたまり（チョップ状ないしトウ状のもの）に水を含ませる。これにより、活性炭繊維間を水で満たして空気を追い出す。

このように、複数の活性炭繊維３を金属シート１８で筒状に被覆する前に、活性炭繊維３に、吸着質に対する親和性を付与する処理を施し、親和性を付与された活性炭繊維３に吸着質と同一の液体を含ませる。本実施形態では、金属シート１８で筒状に被覆する前に、活性炭繊維３に親水化処理を施し、親水化処理を施した活性炭繊維３に水を含ませる。
次に、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複数の活性炭繊維３を金属シート１８で筒状に被覆する。本実施形態では、水を含ませて空気を追い出した活性炭繊維３のかたまりを、塑性変形する金属シート１８、好ましくは延性及び熱伝導性の高い金属シート１８で円筒状に巻いて周囲（外周）を覆う。なお、金属シート１８としては、例えば銅やアルミなどからなり、薄い膜状のものを用いれば良い。なお、円筒状に巻かれた金属シート１８の継ぎ目は、例えば、融着、半田付け、接着剤等でつなぎ合わせる。

そして、図２（Ｃ）、図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、複数の活性炭繊維３を被覆した筒状の金属シート１８を一方向に圧延（冷間圧延）し、切断する。
本実施形態では、活性炭繊維３のかたまりを包み込んだ筒状の金属シート１８を、側面をガイド２０で押さえながら、ロール２１で圧延する。ここでは、活性炭繊維３のかたまりを包み込んだ筒状の金属シート１８を、ロール２１とガイド２０とによって形成された空間から一方向へ引き抜くことによって圧延する。このような一方向への圧延によって、筒状の金属シート１８は、四方から圧力を加えられて、径が小さくされながら、引き延ばされ、これと同時に、活性炭繊維３間の水が追い出され、複数の活性炭繊維３は、伸張方向に揃えられ、押し固められることになる。各活性炭繊維３は円柱状なので、一方向に向きを揃えて押し固めてやれば、充填密度を高めることができる。

本実施形態では、上述のように、活性炭繊維３に親水化処理を施し、これに水を含ませておくため、個々の活性炭繊維３は内部で保持され、活性炭繊維３間を適度な割合の水で満たすことができる。このため、例えば有機系の媒質やバインダを用いることなく、水のみで活性炭繊維３間の摩擦と流動性を制御することができる。
その後、柱状に引き延ばされた成形体を所望の長さに切断する。

これにより、一方向に向きが揃っている複数の活性炭繊維３（活性炭繊維３の束）の外周が、一方向を軸方向とする筒状の金属シート１８によって被覆された吸着剤ブロック１９が製造される。このように、複数の活性炭繊維３を被覆した筒状の金属シート１８を、加熱することなく、圧延成形し、個片に切断することで、吸着剤ブロック１９が製造される。

このようにして吸着剤ブロック１９を製造した後、図３に示すように、吸着器４、５に備えられる管状部材１７の周囲に複数の吸着剤ブロック１９を充填する。これにより、複数の吸着剤ブロック１９を備える吸着器４、５が製造される。
上述のようにして吸着剤ブロック１９を製造することで、バインダや高温加熱処理を用いることなく、複数の活性炭繊維３の向きが一方向に揃い、高密度化されることになる。このような吸着剤ブロック１９を用いることで、活性炭繊維３の吸着性能を低下させずに、活性炭繊維３が高密度に充填された吸着器４、５を実現することができる。

また、上述のようにして吸着剤ブロック１９を製造することで、複数の活性炭繊維３の向きを一方向に揃えることができ、この結果、活性炭繊維３同士は、点ではなく線で接触することになり、接触面積が大きくなり、熱伝導性が高まる。また、複数の活性炭繊維３の外周は金属シート１８で被覆されており、各吸着剤ブロック１９の金属シート１８は、互いに接し、さらに管状部材１７にも接するように、吸着剤ブロック１９を配列・充填するため、金属シート１８が伝熱フィンの役割を果たし、熱伝導性が高まる。これにより、吸着器４、５の吸脱着時の熱交換効率を高めることができる。また、複数の活性炭繊維３の向きが一方向に揃うことによって、各活性炭繊維３の間に軸方向に貫通した空隙が確保されるため、吸着質が各活性炭繊維３の間を通過しやすくなる。この結果、吸着式ヒートポンプの効率を向上させることができ、十分な出力が得られ、高性能化を実現することができる。

さらに、上述のように、活性炭繊維３を金属シート１８で被覆してブロック化することで、吸着器４、５内への吸着剤３の充填を容易に行えることになる。つまり、吸着剤３をブロック化することで、吸着器４、５の製造が容易となる。
したがって、本実施形態にかかる吸着剤ブロック及びその製造方法、吸着器、吸着式ヒートポンプによれば、活性炭繊維３の吸着性能を低下させずに、活性炭繊維３を高密度で充填できるという利点がある。

また、吸着式ヒートポンプを、小型化、高効率化することができるため、例えば自動車やコンピュータなど、低温廃熱を発生する中・小型機械類に広く搭載することが可能となる。この結果、廃熱利用による省エネルギー、環境負荷の低減といった効果を期待することができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。

例えば、吸着式ヒートポンプの構成は、上述の実施形態のものに限られるものではなく、少なくとも、一方向に向きが揃っている複数の活性炭繊維と、複数の活性炭繊維の外周を被覆し、一方向を軸方向とする筒状の金属シートとを備える吸着剤ブロックを含むものであれば良い。
また、例えば、吸着器の構成は、上述の実施形態のものに限られるものではなく、少なくとも、一方向に向きが揃っている複数の活性炭繊維と、複数の活性炭繊維の外周を被覆し、一方向を軸方向とする筒状の金属シートとを備える吸着剤ブロックを含むものであれば良い。

また、例えば、吸着剤ブロックの製造方法は、上述の実施形態のものに限られるものではなく、他の方法によって、一方向に向きが揃っている複数の活性炭繊維と、複数の活性炭繊維の外周を被覆し、一方向を軸方向とする筒状の金属シートとを備える吸着剤ブロックを製造しても良い。

１ 蒸発器
２ 凝縮器
３ 活性炭繊維（吸着剤）
４、５ 吸着器
６ 第１流路
７ 第２流路
８ 第３流路
９ 第４流路
１０ 第５流路
１１〜１４ バルブ
１５〜１７ 管状部材
１８ 金属シート
１９ 吸着剤ブロック
２０ ガイド
２１ ロール

Claims (2)

1. 複数の活性炭繊維を金属シートで筒状に被覆し、
   前記複数の活性炭繊維を被覆した筒状の前記金属シートが、四方から圧力を加えられ、径が小さくされながら、一方向へ引き延ばされるように、筒状の前記金属シートを圧延し、切断して、前記複数の活性炭繊維と、前記複数の活性炭繊維の外周を被覆した筒状の前記金属シートとを備える吸着剤ブロックを製造することを特徴とする吸着剤ブロックの製造方法。
2. 前記複数の活性炭繊維を前記金属シートで被覆する前に、
   前記活性炭繊維に、吸着質に対する親和性を付与する処理を施し、
   前記吸着質に対する親和性を付与された前記活性炭繊維に前記吸着質と同一の液体を含ませることを特徴とする、請求項１に記載の吸着剤ブロックの製造方法。

Images