JP3440250B2 - 熱交換用金属管及び吸着式ヒートポンプ - Google Patents
熱交換用金属管及び吸着式ヒートポンプInfo
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Description
換用金属管と、その熱交換用金属管を利用した吸着式ヒ
ートポンプに関する。
レベルの排熱が大量に排出されている。なかでも100
℃以下の有効熱エネルギーは総排熱の3/4以上を占め
るにも関わらず、その大半は利用されないまま廃棄され
ているのが現状である。このような低温排熱を質的レベ
ルの高い熱エネルギーに変換する技術の一つとして吸脱
着に伴う発熱・吸熱を利用する吸着式ヒートポンプが知
られている。吸着式ヒートポンプは以下に掲げる特徴を
備えているため、有用視されている。 熱源温度や排出量の低下による能力低下が小さい。 100℃以下の低温熱源でも操作が可能である。 蓄熱・冷熱効果がある。 使用する吸着材は安全性が高く、腐食性がない。 原理的には、機械的動力を必要としない。
吸着材を適宜選択し、蒸発器、凝縮器及び吸着材を有す
る吸着塔を備えたものが知られていた。この吸着材とし
ては粉末又は粒状が多用されていたため、吸着塔は吸着
材を通気性良く充填するという、いわゆる充填方式によ
り形成するのが主流であった。
11により説明する。冷却モードでは図10の吸着式ヒ
ートポンプ110を、まずバルブ117により蒸発器1
13と吸着塔111とを連結して蒸発器113より作動
流体119を蒸発させ、吸着塔111内の吸着材121
に所定の吸着量に達するまで吸着させる。このとき、作
動流体119の蒸発により蒸発器113の温度が低下
し、蒸発器113内の熱交換器を通して温度Taの水を
温度Tcoldまで低下させることができる。一方、吸着塔
111内の熱交換器は温度Taの水を流すことにより吸
着材121を冷却する。作動流体119の吸着量が所定
量に達したらバルブ117を切換え、吸着塔111と凝
縮器115を接続し、吸着塔111に熱源温度Tre gの
温水を流して昇温し、作動流体119を吸着材121か
ら脱着して凝縮器115で凝縮させる。このとき凝縮器
115には温度Taの水を流す。脱着が終了した段階で
1サイクルが完了し、再び吸着過程を行う。
ずバルブ117により蒸発器113と吸着塔111を連
結し、両方に熱源温度Tsの温水を流しながら吸着材1
21に作動流体119を吸着させる。このとき、吸着材
121の吸着熱により吸着塔111の温度が上昇し、吸
着塔111内を流れる熱源温度TsをThotまで昇温させ
ることができる。作動流体119の吸着量が所定量に達
したらバルブ117を切換え、吸着塔111と凝縮器1
15を接続し、吸着塔111に熱源温度Tregの温水を
流して昇温し、作動流体119を吸着材121から脱着
して凝縮器115で凝縮させる。このとき凝縮器115
に温度Taの水を流す。脱着が終了した段階で1サイク
ルが完了し、再び吸着過程を行う。
着式ヒートポンプでは、冷却モード及び昇温モードのい
ずれにおいても1サイクルに要する時間が長いことが問
題となっていた。この主な原因は、吸着塔における吸着
材と熱交換流体との熱交換が迅速に行われなかったこと
にあった。即ち、従来の吸着式ヒートポンプの吸着塔
は、粉末あるいは粒状の吸着材を充填することにより形
成されていたため、圧力損失が大きく、作動流体の吸着
塔内における拡散が不均一になり、吸着塔内の吸着量分
布の偏りが起こりやすかった。ところがこの吸着塔で
は、熱交換流体と距離を隔てた場所に位置する吸着材
は、熱交換流体との熱交換はほとんど行われず、近接し
た他の吸着材によって熱伝導を受けるかあるいは吸着塔
を流通する作動流体によって熱伝導を受けるのみである
ため、前述の吸着量分布の偏りが生じると吸着塔内を所
定の温度に制御するのに長時間を要した。
上になると、発熱反応の平衡は生成系よりも反応系に片
寄るため吸着材の吸着能力が減少し、結果的に吸着速度
が遅くなる。一方、脱着の際には吸着材に吸着熱相当の
熱を効率的に付与しないと、吸熱反応の平衡は反応系に
片寄り脱着速度が低下してしまう。このような理由か
ら、従来の充填方式による吸着塔を有する吸着式ヒート
ポンプでは、吸着時間と脱着時間が1サイクルに要する
時間の律速となっていた。
塔における吸着材の吸脱着が短時間で実施可能な吸着式
ヒートポンプの提供を目的とする。
決するため、第1発明の熱交換用金属管は、熱交換流体
が流通可能な中心孔と、外周面に吸着材が層状に固定さ
れた固定層とを有しており、前記吸着剤の物性は、粒径
2mm以下、細孔容積0.3ml/g以上、比表面積6
00m 2 /g以上であり、前記固定層が、前記吸着材に
バインダとなる合成樹脂を含有させたものを前記外周面
に設けて焼成してなる層であることを要旨とする。
体を吸着することにより発熱し、吸熱することにより前
記作動流体を脱着する吸着材を有する吸着塔と、前記吸
着塔に連結された蒸発器と、前記吸着塔に連結された凝
縮器とを備えた吸着式ヒートポンプにおいて、前記吸着
塔には、前記作動流体が流通可能な空間を残すようにし
て第1発明の熱交換用金属管が配置されたことを要旨と
する。
する。まず第1発明の熱交換用金属管について説明す
る。使用する金属管の種類は特に限定しないが、例え
ば、銅、ステンレス、アルミ等及びこれらを含んだ合金
などが好ましく、特に銅が好ましい。また金属管は熱交
換流体が流通可能な中心孔を有する構造であること以外
特に限定しないが、例えばフィン付管構造の場合、熱交
換効率の点から特に好ましい。
シリカゲル、活性アルミナ、活性炭、ゼオライト、モレ
キュラーシービングカーボンなどが好ましく、特にシリ
カゲル、活性炭が好ましい。また、吸着材の物性につい
ては、粒径2mm以下、細孔容積0.3ml/g以上、
比表面積600m2 /g以上とされる。
定層の厚さは、金属の外周面に接触する部分と固定層の
外周面との間に極度の温度分布を生じさせないために、
1〜6mmであることが好ましく、2〜3mmであるこ
とが特に好ましい。厚さが下限以下になると固定層を成
形する上での強度に問題があり、上限以上になると熱交
換流体との熱交換の効率の低下、固定層内での吸着量の
分布の偏りが極度に大きくなること等が危惧される。
用の合成樹脂を含有させたものを金属管外周面に塗布し
た後焼成により層を成形するという方法がとられる。な
お熱交換流体については、通常用いられるものであれば
液体、気体を問わずに使用してよいが、液体としては
水、オイルなどが好ましく、気体としては空気、窒素、
炭酸ガスなどが好ましい。
金属管の熱伝導性が高いこと、固定層が金属管の中心孔
を流れる熱交換流体と充分速い速度で熱交換できること
から、金属管の外周面に固定層として形成された吸着材
を熱交換流体により迅速に温度制御することが可能とな
る。
いて説明する。第2発明の吸着式ヒートポンプに使用さ
れる作動流体は、通常の吸着式ヒートポンプに使用可能
なものであればよく、例えば水、低級アルコール、芳香
族炭化水素、アンモニア、アセトンなどが挙げられる。
特に蒸発潜熱、蒸気圧、毒性などを考慮すると、水、エ
タノールが好ましい。
すようにして複数の第1発明の熱交換用金属管が配置さ
れているが、ここで作動流体が流通可能な空間とは、蒸
発器において気化した作動流体又は吸着材から脱着した
作動流体が、吸着塔の内部全体を均一に拡散できるのに
充分な空間を意味する。この空間の存在により、吸着塔
内での軸方向の吸着量分布の偏りが減少し、吸着材の吸
着及び脱着時間を短縮化できる。
ード又は昇温モードにおける吸着過程では、吸着塔内の
吸着材が作動流体を吸着することにより発生する吸着熱
を、第1発明の熱交換用金属管を使用することによりき
わめて迅速に吸着材から除去することができる。その結
果、吸着速度を低下させることなく所定の吸着量に速や
かに達することができる。また脱着過程では熱交換流体
から吸着熱に相当する熱量を迅速に吸着材に付与するこ
とができるため、吸着材を速やかに再生することができ
る。
る。図1に第1実施例の吸着式ヒートポンプ10を示
す。本実施例の構成は、吸着塔1、蒸発器/凝縮器3及
び連結管5からなっている。また吸着系には吸着材とし
てシリカゲルを、作動流体として水を使用し、熱交換流
体には所定温度に設定した水を使用した。
にせず、同一の機器を使用目的に応じて蒸発器、あるい
は凝縮器に使い分けることとし、この機器を蒸発器/凝
縮器3とした。この蒸発器/凝縮器3は、過剰圧力によ
り開弁する安全弁7を有する断熱密閉容器からなる。ま
た、内部に存在する作動流体としての水と熱交換を行う
ため、熱交換パイプ9が配設されている。熱交換パイプ
9は入口9a及び出口9bを有し、熱交換流体として水
を流通又は循環ポンプ等により循環させることができ、
更に入口温度を所定の温度に設定することができる。な
お、蒸発器/凝縮器3の有効蒸発面積は0.0314m
2である。
弁6を有し、内径133mm、外径165.2mmの断
熱密閉容器からなり、内部には複数の熱交換用金属管1
1(後述)が、作動流体としての水が流通可能な空間を
残すようにして配置されている。この吸着塔1は115
本の熱交換用金属管11からなり、熱交換流体の入口1
aから熱交換用金属管11の中心孔13を経て出口1b
へと水を流通させることにより図2に示す吸着材14の
温度を調節できるようになっている。この熱交換流体と
しての水は入口温度を所定の温度に設定することができ
る。ここで熱交換用金属管11について詳述する。
熱交換流体が流通可能な中心孔13と、外周面に吸着材
14が固定された固定層15とを有している。本実施例
では、内径4mm、外径6mmの銅管17を用いて、吸
着材14としてシリカゲルC(富士デヴィソン化学
(株)製、比表面積721×103m2/kg、細孔容積
0.42×10-3m3/kg)を42メッシュ(粒径3
55μm以下)まで粉砕し、酢酸ビニル系バインダを混
合して前記銅管17の外周面に接着し110℃において
6時間焼成することにより、厚さ2mm、長さ400m
mの固定層15を形成した。この固定層15の比表面積
は200×103m2/kg、細孔容積は0.12×10
-3m3/kg(いずれもB.E.T法により算出)であ
った。また、この固定層15の吸着等温線(温度30℃
で測定)を図3に示す。
凝縮器3の内部と吸着塔1の内部とを往来できるよう
に、両者を連結している。連結管5は蒸発器/凝縮器3
と吸着塔1を連結する経路の他、真空ポンプ4に通じる
経路を有するため三叉路を形成し、それぞれを独立して
密閉することを可能にする3つのバルブ5a,5b,5
cを有している。
トポンプ10を、冷却モードで使用した場合を例にと
り、以下にその作用、効果について詳述する。本実施例
の吸着式ヒートポンプ10には、熱交換用金属管11の
固定層15表面温度(図2における(A)の位置)、銅
管17の表面温度(図2における(B)の位置)、蒸発
器/凝縮器3内部の作動流体の温度、及び吸着塔1及び
蒸発器/凝縮器3を流通する熱交換流体の出入口温度
を、それぞれ経時の測定が可能となるように該当位置に
測定機器を備え付けた。 <吸着試験>本実施例の吸着式ヒートポンプ10を作動
する前に以下の前処理を行った。まず熱交換流体の入口
1aから温度80℃の水を熱交換用金属管11の中心孔
13に流通しつつバルブ5bを閉じバルブ5a,5cを
開くことにより、吸着塔1の内部を真空脱気した。次に
バルブ5aを閉じバルブ5b,5cを開くことにより蒸
発器/凝縮器3の脱気を行い、作動流体である水の不純
成分を除去し、バルブ5b,5cを閉じた。
30℃の水を、蒸発器/凝縮器3の熱交換流体として温
度10℃の水をそれぞれ1.6×10-4m3/s、1.
4×10-4m3/sの水量で流通した。熱交換用金属管
11の固定層15表面温度、銅管17の表面温度、及び
蒸発器/凝縮器3内部の作動流体の温度が所定温度に達
したことを確認後、バルブ5a,5bを開き吸着塔1内
部に作動流体として水の蒸気を導入し、吸着を開始し
た。吸着開始後の経過時間をX軸、温度の変化量をY軸
にとり、図2における(A)の位置での温度変化(○で
表示)、図2における(B)の位置での温度変化(●で
表示)、吸着塔1を流通する熱交換流体の出口での温度
変化(◇で表示)をそれぞれ図4に示した。 <脱着試験>吸着試験に続き、吸着塔1の熱交換流体と
して温度70℃の水を、蒸発器/凝縮器3の熱交換流体
として温度30℃の水を流通して脱着試験を行った。脱
着開始後の経過時間をX軸、温度の変化量をY軸にと
り、図2における(A)の位置での温度変化(○で表
示)、図2における(B)の位置での温度変化(●で表
示)、吸着塔1を流通する熱交換流体の出口での温度変
化(◇で表示)をそれぞれ図5に示した。
式ヒートポンプ10の吸着塔1を、充填式吸着塔に置換
したタイプの吸着式ヒートポンプ50(図6)を用い
て、吸着、脱着試験を行った。この吸着塔51は2重管
構造になっており、熱交換流体の入口51aから2重管
の外管51cを経て出口51bへと水を流通させること
により吸着材53の温度を調節できるようになってい
る。吸着塔51は内径54mm×長さ200mmの円柱
状で、吸着材53としてシリカゲルA(富士デヴィソン
化学(株)製)を吸着塔51の内管51dにランダム充
填した。シリカゲルAの物性は、比表面積が721×1
0-3m2/kg、細孔容積が0.43×103m3/kg
である。
験では吸着塔51を流通する水温を30℃、蒸発器/凝
縮器3を流通する水温を25℃に設定し、また脱着試験
では吸着塔51を流通する水温を60℃、蒸発器/凝縮
器3を流通する水温を30℃に設定した。なお吸着試験
は第1実施例と同様の前処理を行った後実施した。図7
及び図8に、吸着試験及び脱着試験における吸脱着開始
後の経過時間をX軸、吸着材の温度の変化量をY軸にと
り、図6における(a)の位置での温度変化を□、図6
における(b)の位置での温度変化を○、図6における
(c)の位置での温度変化を△で表示した。
の結果を表1にまとめた。
吸脱着初期の固定層表面(図2(A))において、第1
比較例では吸脱着初期に中央部軸方向に位置する吸着材
(図6(a))において、それぞれ記録した。この数値
は、吸着材が作動流体を吸脱着して温度変化が生じた
後、熱交換が効率的に行われたかどうかの指標となる。
定層表面(図2(A))と金属管表面(図2(B))と
の間に生じた温度差であり、第1比較例では中央部軸方
向に位置する吸着材(図6(a))と吸着塔熱交換流体
近傍に位置する吸着材(図6(c))との間に生じた温
度差である。最大温度分布幅はいずれも吸脱着初期にお
いて記録した。この数値は、吸着材が作動流体を吸脱着
して温度変化が生じた後熱交換が効率的に行われている
かどうか、あるいは作動流体が吸着塔内を均一に拡散し
吸着量分布に偏りが生じているかどうか、の指標とな
る。
着式ヒートポンプは第1比較例に比べて、吸着材の最大
温度変化及び吸着材の最大温度分布幅が小さくなってい
る。この結果は、吸着材が作動流体を吸脱着して温度変
化が生じた後熱交換が効率的に行われたこと、更に作動
流体が吸着塔内を均一に拡散し吸着量分布に大きな偏り
が生じていないことを示している。
て、吸着及び脱着時間が極めて短縮化され、1サイクル
を短時間で行うことができるようになった。次に第2実
施例の吸着式ヒートポンプについて説明する。第2実施
例の吸着式ヒートポンプ自体は特に図示しないが、第1
実施例の吸着式ヒートポンプ10に使用した熱交換用金
属管11に代えて、図9に図示した熱交換用金属管16
を使用した以外は、第1実施例の吸着式ヒートポンプ1
0と同様の構成である。熱交換用金属管16は、外表面
にフィン18aを装着もしくは一体形成された銅管18
を用いたこと以外は、熱交換用金属管11と同様にして
製作した。
ン18aの存在により、熱交換用金属管16の熱伝導性
がより向上し、固定層15と中心孔13を流れる熱交換
流体との熱交換効率が第1実施例に比べて一層向上し
た。このため、第2実施例の吸着式ヒートポンプでは第
1実施例の吸着式ヒートポンプ10と同様の効果を有す
ることはいうまでもないが、更に、吸着及び脱着時間が
より一層短縮化されたことに伴い、1サイクルをより一
層短時間で行うことができるようになった。
ートポンプは吸着塔に作動流体が流通可能な空間を残し
て複数の第1発明の熱交換用金属管を配置したことによ
り、1サイクルに要する時間が極めて短くなった。な
お、本発明は上記実施例になんら限定されるものではな
く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様
で実施できることはいうまでもない。例えば第1実施例
では冷却モードについて説明をしたが、昇温モードにつ
いても全く同様の構成及び作用をもって、1サイクルに
要する時間が極めて短くなるという効果を有する。
用金属管によれば、金属管の熱伝導性が高いこと、固定
層が金属管の中心孔を流れる熱交換流体と充分速い速度
で熱交換できることから、金属管の外周面に固定層とし
て形成された吸着材を熱交換流体により迅速に温度制御
することが可能となる。
作動流体が流通可能な空間を残して複数の第1発明の熱
交換用金属管を配置したことにより、吸着塔における吸
着材の吸脱着が短時間で実施可能となった。この結果冷
却モード及び昇温モードにおいて、1サイクルに要する
時間が極めて短くなった。
図である。
熱交換用金属管の縦断面図である。
熱交換用金属管の固定層の吸着等温線を示すグラフであ
る。
試験を行ったときの時間に対する温度変化を示すグラフ
である。
試験を行ったときの時間に対する温度変化を示すグラフ
である。
図である。
試験を行ったときの時間に対する温度変化を示すグラフ
である。
試験を行ったときの時間に対する温度変化を示すグラフ
である。
熱交換用金属管の縦断面図である。
明図である。
明図である。
Claims (2)
- 【請求項1】 熱交換流体が流通可能な中心孔と、外周
面に吸着材が層状に固定された固定層とを有しており、
前記吸着剤の物性は、粒径2mm以下、細孔容積0.3
ml/g以上、比表面積600m 2 /g以上であり、前
記固定層が、前記吸着材にバインダとなる合成樹脂を含
有させたものを前記外周面に設けて焼成してなる層であ
ることを特徴とする熱交換用金属管。 - 【請求項2】 作動流体を吸着することにより発熱し、
吸熱することにより前記作動流体を脱着する吸着材を有
する吸着塔と、 前記吸着塔に連結された蒸発器と、 前記吸着塔に連結された凝縮器とを備えた吸着式ヒート
ポンプにおいて、 前記吸着塔には、前記作動流体が流通可能な空間を残す
ようにして複数の請求項1記載の熱交換用金属管が配置
されたことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
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JP20917392A JP3440250B2 (ja) | 1992-08-05 | 1992-08-05 | 熱交換用金属管及び吸着式ヒートポンプ |
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