JP6355355B2 - 吸着式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、吸着式熱交換器に関する。

特許文献１には、吸着材を用いて空気の湿度調節を行う調湿装置が開示されている。

特開２００５−１１１４２５号公報

特許文献１に示す調湿装置は、並列に配置された複数の伝熱管が、間隔を開けて配置された複数枚のフィンを貫通して設けられた構成の吸着式熱交換器を有している。
この吸着式熱交換器では、伝熱管内を通流する熱交換媒体により、伝熱管とフィンの表面に担持された吸着材（ゼオライト粒子）を加熱／冷却することで、水などの吸着質を、吸着材に対して脱離／吸着させるようになっている。

ここで、吸着材の量を増やして、調湿装置の吸着性能を向上させようとした場合、フィンの表面積は限られているので、フィンの枚数を増やすことで吸着材の量を増やすことが考えられるが、フィンの枚数を増やした場合には、熱交換器が大型化してしまう。

そのため、熱交換器を大型化させることなく吸着材の量を増やせるようにすることが求められている。

本発明は、伝熱管の加熱／冷却により吸着材を加熱／冷却して、前記吸着材への吸着質の脱離／吸着を行うように構成した吸着式熱交換器において、
前記伝熱管を、間隙を空けて複数設けると共に、前記間隙に前記吸着材を充填させ、
前記吸着材を、粒子状の吸着材と、繊維状の吸着材との混合材とし、
前記間隙に充填された混合材における前記繊維状の吸着材の密度を、前記伝熱管の近傍ほど高くした構成の吸着式熱交換器とした。

本発明によれば、吸着材が、伝熱管と伝熱管との間隙に直接充填されているので、フィンを設ける場合よりも吸着材の量を増やすことができる。
よって、フィンを増やすことなく吸着材の量を増やすことができるので、熱交換器を大型化させることなく吸着材の量を増やして、調湿装置の吸着性能を向上させることができる。

実施の形態にかかる圧縮機を説明する図である。 実施の形態にかかる吸着式熱交換器を説明する図である。 実施の形態にかかる吸着材を説明する図である。 他の実施の形態に係る吸着材および収容部材を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を、車両用エアコンを作動させる際に使用する圧縮機に適用した場合を例に挙げて説明する。
図１は、実施の形態にかかる吸着式熱交換器１００を採用した圧縮機１を説明する図である。なお、図１では、圧縮機１の形状を、説明の便宜上、模式的に示している。

圧縮機１は、吸着式熱交換器１００の吸着材が、空気中の水分（吸着質）を吸着する力（吸着力）を利用して、吸着式熱交換器１００を収容した容器１０内の圧力を変化させる装置であり、例えば車両用の空調装置に採用されている。

この圧縮機１では、円筒形状の容器１０の一端側に、図示しないエバポレータ（蒸発器）に接続された供給管１２が接続されており、他端側に、図示しないコンデンサ（凝縮器）に接続された排出管１４が接続されている。
圧縮機１では、エバポレータ側から供給管１２を介して供給された流体が、容器１０内を通過したのち、排出管１４を介してコンデンサ側に供給されるようになっている。
そして、流体が容器１０内を通過する際に、容器１０内に配置された吸着式熱交換器１００で、流体に含まれる吸着質の吸着、または吸着式熱交換器１００の吸着材に吸着されている吸着質の放出を行うことで、容器１０内の圧力が減圧、または加圧されるようになっている。

以下、吸着式熱交換器１００の具体的な構成を説明する。
図２は、実施の形態にかかる吸着式熱交換器１００を説明する図であり、（ａ）は、吸着式熱交換器１００の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面の拡大図である。図３は、図２の（ａ）における領域Ｐの拡大図である。
なお、図２および図３では、吸着式熱交換器１００および吸着材２００の形状を、説明の便宜上、模式的に示している。

吸着式熱交換器１００は、分岐用タンク１２０と合流用タンク１４０との間で互いに並列に配置した伝熱管１３０と伝熱管１３０の間隙Ｌ１に、吸着材２００を充填した基本構成を有している。

吸着式熱交換器１００では、熱交換媒体Ｂ（温水または冷水）が供給される供給管１１０と、複数の伝熱管１３０の一端とが、分岐用タンク１２０を介して接続されており、供給管１１０を介して供給された熱交換媒体Ｂが、分岐用タンク１２０で分岐されて、各伝熱管１３０に供給されるようになっている。
さらに、複数の伝熱管１３０の一端と、排出管１５０とが、合流用タンク１４０を介して接続されており、各伝熱管１３０を通流した熱交換媒体Ｂが、合流用タンク１４０を通って、排出管１５０から排出されるようになっている。

伝熱管１３０は、熱伝導率の高いアルミニウムまたは銅で形成された筒状の部材であり、内部を流れる熱交換媒体Ｂの高温／低温の熱を、隣接する伝熱管１３０との間隙Ｌ１に充填された吸着材２００に伝達するために複数設けられている。

吸着式熱交換器１００は、複数の伝熱管１３０を容器１０の長手方向に対してほぼ直交させた向きで容器１０内に配置されており、複数の伝熱管１３０は、容器１０内を通過する流体の移動方向を横切る向きで配置されている（図１参照）。

この吸着式熱交換器１００では、伝熱管１３０内を通流する高温／低温の熱交換媒体Ｂにより伝熱管１３０を加熱／冷却することで、伝熱管１３０と伝熱管１３０との間隙Ｌ１に充填された吸着材２００が加熱／冷却されて、容器１０内を通過する流体に含まれる吸着質の吸着、または吸着式熱交換器１００の吸着材２００に吸着されている吸着質の流体への放出を行うようになっている。

ここで、例えば、圧縮機１の容器１０内を通過する流体が水分（吸着質）を含む気体である場合には、吸着材２００を冷却すると、気体中の水分が吸着材２００に吸着されて、容器１０内の圧力が低下し、吸着材２００を加熱すると、吸着材２００に吸着されていた水分が放出されて、容器１０内の圧力が上昇することになる。

以下、吸着材２００について説明する。
図２の（ｂ）および図３に示すように、吸着材２００は、各々の伝熱管１３０と伝熱管１３０の間隙Ｌ１を含む想像線Ｓで示す範囲に設けられている。

実施の形態では、粒子状吸着材２１０と、繊維状吸着材２２０とを混合した混合材を、吸着材２００として採用している。

粒子状吸着材２１０は、表面に多くの微細孔が形成された活性炭の粒子である。
実施の形態では、比表面積が、１０００〜３２００ｍ²／ｇの範囲であり、熱伝導率は、０．１〜１．２Ｗ／ｍ・Ｋの範囲である粒子状の活性炭を、粒子状吸着材２１０として採用している。

繊維状吸着材２２０は、活性炭からなる繊維状の吸着材であり、実施の形態では、平均粒径が約２〜５０μｍで、平均長さが伝熱管１３０と伝熱管１３０の間隙Ｌ１の１／２以上の長さであるものを繊維状吸着材２２０として採用している。
なお、繊維状吸着材２２０の熱伝導率は、粒子状吸着材２１０とほぼ同じである。

ここで、粒子状吸着材２１０は、隣接する他の粒子状吸着材２１０との接触面積が小さいので、伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１に充填した吸着材２００を粒子状吸着材２１０のみにすると、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０への熱の伝わりが悪くなる。
実施の形態では、粒子状吸着材２１０に、伝熱材としての役割を果たす繊維状吸着材２２０を混ぜて吸着材２００としており、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０であっても、繊維状吸着材２２０を介して、熱を伝えることができるようにしている。
これにより、伝熱管１３０を加熱／冷却した際に、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２００であっても応答性良く加熱／冷却できるので、粒子状吸着材２１０を含む吸着材２００への吸着質の脱離／吸着を適切に制御できるようにしている。

図３に示すように、繊維状吸着材２２０は、伝熱管１３０の近傍領域（第１領域Ｑ１）での密度のほうが、隣接する伝熱管１３０と伝熱管１３０の中間領域（第２領域Ｑ２）での密度よりも高くなるように設けられており、伝熱管１３０に近づくにつれて、繊維状吸着材２２０の密度が高くなっている。これは、伝熱材としての役割を果たす繊維状吸着材２２０と伝熱管１３０との接触機会を増やすためである。

ここで、繊維状吸着材２２０は、長手方向における一端側が、伝熱管１３０の表面と接触し、他端側が、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の領域（第２領域Ｑ２）内に位置するように設けられていることが好ましい。
そして、繊維状吸着材２２０は、伝熱管１３０の径方向に延びるように配置されており、伝熱管１３０周りの周方向で、放射状に配置されることが好ましい。

このように繊維状吸着材２２０を設けると、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０に、伝熱管１３０の高温／低温の熱を確実に伝達できるようになるからである。つまり、伝熱管１３０が加熱／冷却されると、伝熱管１３０の表面と接触している繊維状吸着材２２０が始めに加熱／冷却されたのち、この加熱／冷却された繊維状吸着材２２０に接触している粒子状吸着材２１０が加熱／冷却されるので、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０であっても、繊維状吸着材２２０に接触している限り、繊維状吸着材２２０を介して熱が伝達されて加熱／冷却されることになる。よって、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０であっても、応答性良く加熱／冷却できることになる。

前記したように、繊維状吸着材２２０は、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の間隙Ｌ１の１／２以上の長さのものが用いられているので、繊維状吸着材２２０が、複雑に屈曲した状態で間隙Ｌ１内に配置された場合であっても、繊維状吸着材２２０の他端側が、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の中間領域（第２領域Ｑ２）まで到達できるようになっている。そのため、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０に、伝熱管１３０の高温／低温の熱をより確実に伝達できるようになっている。

また、繊維状吸着材２２０の長さを、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の間隙Ｌ１の１／２以上の長さにすることで、隣接する伝熱管１３０、１３０のうちの一方から延びる繊維状吸着材２２０と、他方から延びる繊維状吸着材２２０とが、伝熱管１３０、１３０の間の中間領域（第２領域Ｑ２）で絡み合うように設けられるようになっている。
そのため、伝熱材としての役目を果たす繊維状吸着材２２０により、伝熱管１３０、１３０の間の中間領域（第２領域Ｑ２）の略全域に亘って、伝熱管１３０の高温／低温の熱を伝達できるようになる。

次に、粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０の混合および間隙Ｌ１への充填方法の一例について説明する。

初めに、隣接する伝熱管１３０、１３０の間の間隙Ｌ１に、繊維状吸着材２２０を充填する。
ここで、伝熱管１３０、１３０の間での繊維状吸着材２２０の保持は、（ａ）繊維状吸着材２２０を伝熱管１３０の外周に絡めるように設ける、（ｂ）伝熱管１３０の外周に塗布した接着剤に接着させる、などの伝熱管１３０、１３０の間に繊維状吸着材２２０を保持させることのできる任意の方法にて行うことができる。

続いて、繊維状吸着材２２０が配置された伝熱管１３０、１３０の間の間隙Ｌ１に、粒子状吸着材２１０を充填する。
ここで、粒子状吸着材２１０は、比表面積が大きいので、繊維状吸着材２２０の上に粒子状吸着材２１０を単純に散布しただけでは、伝熱管１３０、１３０の間の間隙Ｌ１に、十分な量の粒子状吸着材２１０を充填することはできない。
よって、繊維状吸着材２２０の上に粒子状吸着材２１０を散布したのち、いわゆるタッピングにより振動を加えて、絡み合った繊維状吸着材２２０の間に粒子状吸着材２１０が入り込むようにすることが好ましい。

さらに、比表面積の大きい粒子状吸着材２１０は、かさ密度も大きいので、タッピングを行って、粒子状吸着材２１０に振動を加えることで、粒子状吸着材２１０の粒子と粒子の隙間が詰まって、より多くの粒子状吸着材２１０を繊維状吸着材２２０の間に密に充填することが可能となる。

なお、粒子状吸着材２１０の脱落を防止するために、気体透過性の材料から成るシートであって、粒子状吸着材２１０の粒子径よりも小さい開口を有するものを、吸着式熱交換器１００で並列に配置された伝熱管１３０を囲むように設けて、このシートの内側に、粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０との混合材である吸着材２００を収容して、吸着材２００を、伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１と、伝熱管１３０の周囲に配置するようにしても良い。

このようにして、粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０との混合材である吸着材２００を、伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填すると、伝熱管１３０、１３０の間隙Ｌ１と、伝熱管１３０の周囲に吸着材２００が配置された吸着式熱交換器１００を得ることができる。

さらに、粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０の混合材に、粒子状吸着材２１０の比表面積が大きく損なわれない程度の圧力をかけることで、混合材を所定の形状に成型し、成型した混合材を伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填するようにしても良い。

以上の通り、実施の形態では、
伝熱管１３０の加熱／冷却により吸着材２００を加熱／冷却して、吸着材２００への水分（吸着質）の脱離／吸着を行うように構成した吸着式熱交換器において、伝熱管１３０を、間隙Ｌ１を空けて複数設けると共に、間隙Ｌ１に吸着材２００を充填させた構成とした。

このように構成すると、吸着材２００が、伝熱管１３０と伝熱管１３０との間の間隙Ｌ１に直接充填されているので、フィンを設ける場合よりも吸着材２００の量を増やすことができる。
よって、フィンを増やすことなく吸着材２００の量を増やすことができるので、吸着式熱交換器１００を大型化させることなく吸着材２００の量を増やすことができる。

さらに、吸着材２００を、粒子状吸着材２１０（粒子状の吸着材）と、繊維状吸着材２２０（繊維状の吸着材）との混合材にする構成とした。

粒子状吸着材２１０は、隣接する他の粒子状吸着材２１０との接触面積が小さいので、伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填した吸着材２００を粒子状吸着材２１０のみにすると、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０への熱の伝わりが悪くなる。そうすると、伝熱管１３０を加熱／冷却した際に、吸着材２００を応答性良く加熱／冷却することが難しくなるので、吸着材２００への水分（吸着質）の脱離／吸着の制御が難しくなる。
上記のように構成すると、繊維状吸着材２２０が伝熱材の役割も果たすことで、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０に熱を伝えることができる。よって、伝熱管１３０を加熱／冷却した際に、伝熱管１３０から離れた位置にある吸着材２００であっても応答性良く加熱／冷却できるので、吸着材２００への水分（吸着質）の脱離／吸着を適切に制御できるようになる。

間隙Ｌ１に充填された混合材における繊維状吸着材２２０の密度を、伝熱管１３０の第１領域Ｑ１（伝熱管１３０の近傍）ほど高くした構成とした。

このように構成すると、伝熱管１３０（伝熱材）としての役割も果たす繊維状吸着材２２０と伝熱管１３０との接触機会が増えるので、伝熱管１３０の熱を、伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０により確実に伝えることができる。

繊維状吸着材２２０は、少なくとも活性炭繊維を含む構成とした。

このような構成にすると、活性炭繊維が熱媒体（伝熱管）としての役目を果たすので、伝熱管１３０の熱を伝熱管１３０から離れた位置にある粒子状吸着材２１０に確実に伝達できる。また、活性炭繊維は、高分子系材料やゼオライトと比べて熱伝導率が高いので、伝熱管１３０からの熱を吸着材２００の隅々まで応答性良く伝達することができる。

粒子状吸着材２１０は、少なくとも活性炭を含む炭素系材料で構成されている構成とした。

このような構成にすると、活性炭は高分子系の吸着材や鉱物系のゼオライトと比べて熱伝導率が高いので、伝熱管１３０からの熱を吸着材２００の隅々まで素早く伝達することができる。
よって、吸着材２００への水分（吸着質）の脱離／吸着をより確実に行うことができる。

以下、伝熱管１３０、１３０の間に充填される吸着材２００の充填方法の変形例を説明する。
図４は、伝熱管１３０、１３０の間に充填される吸着材２００の充填方法の変形例を説明する図である。図４の（ａ）は、繊維状吸着材２２０で形成した収容部材２４０の斜視図であり、（ｂ）は、収容部材２４０を伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填した状態を示す図であり、（ｃ）は、（ｂ）における領域Ｒを拡大して示す図である。
なお、図４では、吸着材２００、収容部材２４０、吸着式熱交換器１００の形状を、説明の便宜上、模式的に示している。また、前記した実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

伝熱管１３０、１３０の間に充填される吸着材２００の充填方法の変形例では、粒子状吸着材２１０および繊維状吸着材２２０を混合した吸着材２００は、繊維状吸着材２２０で形成した収容部材２４０内に収容された状態で、伝熱管１３０と伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填されている。

変形例にかかる充填方法で用いる収容部材２４０は、繊維状の活性炭を織り込んで作製した袋状の部材であり、その内部には、吸着材２００である粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０とが、混合された状態で収容されている。
この収容部材２４０は、有底袋状の収容部２４２内に吸着材２００を充填したのち、収容部２４２の開口２４６を紐などで封止することで、袋状に形成されるようになっている。

ここで、収容部材２４０では、繊維状吸着材２２０の長手方向の一端が、収容部２４２の内壁面２４２Ａに編み込みなどの手段で固定され、他端が、内壁面２４２Ａから収容部２４２の内側に向かって延びるように配置されていることが好ましい。
このように構成すると、伝熱管１３０から収容部材２４０の収容部２４２に伝わった熱を、収容部２４２に一端が固定された繊維状吸着材２２０に伝えることができるので、収容部２４２内に充填された粒子状吸着材２１０のうち、収容部２４２の内壁面２４２Ａから離れた位置にある粒子状吸着材２１０に、繊維状吸着材２２０を介して、より確実に熱を伝えることができるようになるからである。

ここで、吸着材２００を収容した収容部材２４０を、伝熱管１３０、１３０の間に充填する方法の一例を説明する。

始めに、図４の（ｂ）に示すように、吸着材２００（粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０との混合材）を収容した収容部材２４０を複数作成したのち、収容部材２４０を、吸着式熱交換器１００の伝熱管１３０と伝熱管１３０との間隙Ｌ１に、隙間無く順番に充填する。

ここで、収容部材２４０は、吸着材２００が収容された状態で任意の形状に変形可能となっている。そのため、収容部材２４０を隣接する伝熱管１３０、１３０の間に充填する際には、収容部材２４０を伝熱管１３０の外周に沿う形状に変形させつつ、伝熱管１３０、１３０の間に押し込むことで、収容部材２４０を伝熱管１３０の外周に接触させた状態で設けることができるようになっている。
これにより、伝熱管１３０の熱を、収容部材２４０に確実に伝えることができるようになっている。

このように、変形例では、粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０との混合材を、繊維状の吸着材で形成した収容部材２４０内に収容した状態で、伝熱管１３０、１３０の間に充填する構成とした。

このようにすると、伝熱管１３０と伝熱管１３０の間隙Ｌ１に粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０を簡単に充填することができるので、吸着式熱交換器１００の組み立てが容易になる。
また、吸着材２００を収容部材２４０に収容することで、伝熱管１３０から収容部材２４０に伝わった熱を、収容部材２４０内の粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０の全体に伝えることができる。
よって、伝熱管１３０を加熱／冷却した際に、吸着材２００を確実に加熱／冷却できるので、吸着材２００への水（吸着質）の脱離／吸着を適切に制御できるようになる。

また、収容部材２４０は、繊維状吸着材２２０を編み込んで形成されているため、伝熱管１３０との接触面である収容部材２４０の表面の繊維密度は、収容部材２４０内の密度よりも高くなっている。
このため、収容部材２４０を伝熱管１３０の間隙Ｌ１に充填すると、収容部材２４０の表面は伝熱管１３０と密に接触するので、伝熱管１３０の熱を収容部材２４０内の粒子状吸着材２１０および繊維状吸着材２２０に確実に伝達することができる。

なお、図４の（ｃ）に示すように、伝熱管１３０の径方向外側に突出する突起１３２を伝熱管１３０の長手方向に沿って複数設けて、収容部材２４０を充填する際の位置決めができるようにしても良い。
このようにすると、収容部材２４０を伝熱管１３０の間隙Ｌ１の所定の位置に容易に充填できる。

上記したように、粒子状吸着材２１０と繊維状吸着材２２０の混合材は、繊維状吸着材２２０で形成した収容部材２４０内に収容された状態で、間隙Ｌ１に充填される構成とした。

なお、上記した変形例では、収容部材２４０を、繊維状の活性炭を織り込んで作製した場合を例示したが、活性炭からなる繊維状の材料を不織布のように絡み合わせることで、収容部材２４０を形成するようにしても良い。
このようにすることによっても、上記した場合と同様の効果が奏されることになる。

前記した実施の形態では、吸着材２００（粒子状吸着材２１０および繊維状吸着材２２０の混合材）が、活性炭である場合を例示したが、活性炭と同等の熱伝導性と吸着性能を発揮できる材料であれば、活性炭の代わりに採用することが可能である。
このような材料として、例えば、炭、グラファイト、シリカゲル、活性アルミナ、活性ボーキサイト、合成シリカゲルなどの合成吸着材（高分子系吸着剤）、そして高分子系の吸着材料などやこれらの吸着材を組み合わせた材料も好適に使用可能である。

このように構成することによっても、前記した実施の形態の場合と同様の効果が奏されることになる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれる。

１ 圧縮機
１００ 吸着式熱交換器
１１０ 供給管
１２０ 分岐用タンク
１３０ 伝熱管
１３２ 突起
１４０ 合流用タンク
１５０ 排出管
２００ 吸着材
２１０ 粒子状吸着材
２２０ 繊維状吸着材
２４０ 収容部材
Ｂ 熱交換媒体
Ｌ１ 間隙

Claims (5)

1. 伝熱管の加熱／冷却により吸着材を加熱／冷却して、前記吸着材への吸着質の脱離／吸着を行うように構成した吸着式熱交換器において、
   前記伝熱管を、間隙を空けて複数設けると共に、前記間隙に前記吸着材を充填させ、
   前記吸着材を、粒子状の吸着材と、繊維状の吸着材との混合材とし、
   前記間隙に充填された混合材における前記繊維状の吸着材の密度を、前記伝熱管の近傍ほど高くしたことを特徴とする吸着式熱交換器。
2. 前記繊維状の吸着材は、平均長さが、前記伝熱管の間隙の１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載の吸着式熱交換器。
3. 前記粒子状の吸着材と前記繊維状の吸着材の混合材は、前記繊維状の吸着材で形成した収容部材内に収容された状態で、前記間隙に充填されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の吸着式熱交換器。
4. 前記繊維状の吸着材は、少なくとも活性炭繊維を含むことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の吸着式熱交換器。
5. 前記粒子状の吸着材は、少なくとも活性炭を含む炭素系材料で構成されていることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の吸着式熱交換器。
   
   
   

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