(57)【要約】      （修正有）【課題】廃熱の利用効率が高い吸着式ヒートポンプ及び熱交換器の製造方法を提供する。【解決手段】吸着式ヒートポンプは、蒸発器と、蒸発器で発生した蒸気が流入する吸着器とを有する。吸着器内には熱交換器１４が配置されており、その熱交換器１４には、熱媒体が通流する熱媒体管２３と、熱媒体管２３の周囲に配置され、袋状の金属メッシュ又は袋状の孔空き金属部材とその金属メッシュ又は孔空き金属部材に装入されて冷媒の蒸気を吸着可能な吸着剤を備えた複数の吸着剤ブロック２４とが設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、
前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気が流入する吸着器と、
前記吸着器内に配置された熱交換器とを有し、
前記熱交換器には、
熱媒体が通流する熱媒体管と、
前記熱媒体管の周囲に配置され、袋状の金属メッシュ又は袋状の孔空き金属部材に装入されて前記冷媒の蒸気を吸着可能な吸着剤を備えた複数の吸着剤ブロックとが設けられている
ことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
【請求項２】
前記吸着剤が、粒状の活性炭と、カーボンナノチューブ又はグラフェンとの混合物であることを特徴とする請求項１に記載の吸着式ヒートポンプ。
【請求項３】
前記吸着剤ブロックが板状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の吸着式ヒートポンプ。
【請求項４】
吸着剤を袋状の金属メッシュ又は袋状の孔空き金属部材に装入して板状の吸着剤ブロックを形成する工程と、
前記吸着剤ブロックを熱媒体管の周囲に配置する工程と
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【請求項５】
前記吸着剤が、粒状の活性炭と、カーボンナノチューブ又はグラフェンとの混合物であることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着式ヒートポンプ及び熱交換器の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、利用価値がなく捨てていた廃熱を回収して利用する技術が注目を集めている。
【０００３】
そのような技術の一つに吸着式ヒートポンプ（Adsorption Heat Pump:ＡＨＰ）がある。吸着式ヒートポンプは、吸着剤が冷媒を吸着するときに生じる潜熱の移動、及び冷媒が吸着剤から離脱するときに生じる潜熱の移動を利用することで、１００℃以下の低質な熱エネルギーを冷熱に変換する装置である。冷媒には例えば水又はメタノールが使用され、吸着剤には例えばシリカゲル又は活性炭が使用される。
【０００４】
吸着式ヒートポンプを使用すれば、例えば計算機の稼働にともなって発生する熱を回収し、室内の空調や電子機器の冷却に使用可能な冷却水を供給することができる。
【０００５】
近年、種々の機械から排出される廃熱の利用が要望されており、それにともなって吸着式ヒートポンプの廃熱利用効率のより一層の向上が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２４０２５６号公報
【特許文献２】特開２００６−２８４０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
廃熱の利用効率が高い吸着式ヒートポンプ及び熱交換器の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
開示の技術の一観点によれば、冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気が流入する吸着器と、前記吸着器内に配置された熱交換器とを有し、前記熱交換器には、熱媒体が通流する熱媒体管と、前記熱媒体管の周囲に配置され、袋状の金属メッシュ又は袋状の孔空き金属部材に装入されて前記冷媒の蒸気を吸着可能な吸着剤を備えた複数の吸着剤ブロックとが設けられている吸着式ヒートポンプが提供される。
【０００９】
開示の技術の他の一観点によれば、吸着剤を袋状の金属メッシュ又は袋状の孔空き金属部材に装入して板状の吸着剤ブロックを形成する工程と、前記吸着剤ブロックを熱媒体管の周囲に配置する工程とを有する熱交換器の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
上記一観点に係る吸着式ヒートポンプ及び熱交換器の製造方法によれば、従来に比べて廃熱の利用効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、実施形態に係る吸着式ヒートポンプの一例を示す模式図である。
【図２】図２は、熱交換器を示す平面図である。
【図３】図３は、吸着剤ブロックを示す斜視図である。
【図４】図４は、吸着剤ブロック内の吸着剤（粒状の活性炭及びカーボンナノチューブ）を示す模式図である。
【図５】図５は、熱交換器の製造方法を示す模式図（その１）である。
【図６】図６は、熱交換器の製造方法を示す模式図（その２）である。
【図７】図７は、熱交換器の製造方法を示す模式図（その３）である。
【図８】図８は、熱交換器の製造方法を示す模式図（その４）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、実施形態に係る吸着式ヒートポンプの一例を示す模式図である。
【００１４】
吸着式ヒートポンプ１０は、蒸発器１１と、蒸発器１１の上方に配置された凝縮器１２と、蒸発器１１と凝縮器１２との間に並列に配置された吸着器１３ａ，１３ｂとを有する。吸着式ヒートポンプ１０内の空間は、例えば１／１００気圧程度に減圧されている。
【００１５】
蒸発器１１には、冷却水が通る冷却配管１１ａと、冷媒を貯留するためのバット１１ｂとが設けられている。冷媒には水又はメタノール等が使用されるが、ここでは冷媒として水を使用するものとする。
【００１６】
吸着器１３ａ，１３ｂ内には、それぞれ吸着剤（デシカント）１５を備えた熱交換器１４が配置されている。熱交換器１４の詳細は、後述する。
【００１７】
吸着器１３ａと蒸発器１１とは開閉バルブ１６ａを介して連結されており、吸着器１３ｂと蒸発器１１とは開閉バルブ１６ｂを介して連結されている。
【００１８】
凝縮器１２には熱交換器１２ａが配置されている。この熱交換器１２ａには、例えば散水式冷却装置（図示せず）から冷却水が供給される。
【００１９】
凝縮器１２と吸着器１３ａとの間には開閉バルブ１７ａが配置されており、凝縮器１２と吸着器１３ｂとの間には開閉バルブ１７ｂが配置されている。
【００２０】
開閉バルブ１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂとして、例えば制御部（図示せず）から出力される電気信号により開閉する電磁弁を使用してもよく、気圧差により自動的に開閉する差圧駆動式バルブを採用してもよい。ここでは、開閉バルブ１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂとして、電磁弁を使用するものとする。
【００２１】
凝縮器１２と蒸発器１１とは、配管１８により連結されている。後述するように、凝縮器１２内で凝縮して液体となった冷媒は、配管１８を通って蒸発器１１内に移動する。
【００２２】
以下、上述の吸着式ヒートポンプ１０の動作について説明する。
【００２３】
ここでは、初期状態において、蒸発器１１と吸着器１３ａとの間の開閉バルブ１６ａ及び吸着器１３ｂと凝縮器１２との間の開閉バルブ１７ｂがいずれも開状態であるとする。また、蒸発器１１と吸着器１３ｂとの間の開閉バルブ１６ｂ及び吸着器１３ａと凝縮器１２との間の開閉バルブ１７ａがいずれも閉状態であるとする。更に、凝縮器１２の熱交換器１２ａには、散水式冷却装置から冷却水が供給され、吸着器１３ｂの熱交換器１４には電子機器で発生した熱により温められた温水が供給されるものとする。
【００２４】
吸着器１３ａでは、吸着剤１５が雰囲気中の水分を吸着するのにともなって吸着器１３ａ内の圧力が低下する。吸着器１３ａと蒸発器１１との間の開閉バルブ１６ａが開状態であるので、蒸発器１１内の圧力も低下し、それにともなってバット１１ｂに貯留された水が蒸発して、冷却配管１１ａから潜熱を奪う。これにより、冷却配管１１ａ内を通る水の温度が下がり、冷却配管１１ａから低温の冷却水が排出される。この冷却水は、例えば室内の空調や電子機器の冷却に使用される。
【００２５】
蒸発器１１で発生した水蒸気は、開閉バルブ１６ａを介して吸着器１３ａ内に進入し、吸着剤１５に吸着される。
【００２６】
なお、吸着剤１５が水分を吸着するときに熱が発生する。このため、吸着工程を実施中の吸着器（吸着器１３ａ又は吸着器１３ｂ）の熱交換器１４に冷却水を通流して、吸着剤１５を冷却することが好ましい。例えば、凝縮器１２に供給される冷却水の一部が吸着工程を実施中の吸着器の熱交換器１４に流れるようにしたり、吸着器１３ａ，１３ｂ用に散水式冷却装置を別途設置したりすればよい。
【００２７】
一方の吸着器１３ａで吸着剤１５に水分を吸着する吸着工程を実施している間、他方の吸着器１３ｂでは吸着剤１５を再生（乾燥）する再生工程を実施する。すなわち、吸着器１３ｂでは、吸着剤１５に吸着されていた水分が熱交換器１４内を通る温水（熱媒体）により加熱されて水蒸気になり、吸着剤１５から離脱する。吸着器１３ｂで発生した水蒸気は、開状態の開閉バルブ１７ｂを通って凝縮器１２内に進入する。
【００２８】
吸着器１３ｂから凝縮器１２内に進入した水蒸気は、熱交換器１２ａ内を通る冷却水により冷却されて凝縮し液体となる。この液体は、配管１８を介して蒸発器１１に移動し、バット１１ｂ内に貯留される。
【００２９】
吸着器１３ａ内の吸着剤１５がある程度水分を吸着すると、吸着剤１５の吸着効率が低下する。そこで、制御部は、一定の時間が経過すると、温水の供給先を吸着器１３ｂから吸着器１３ａに切り替えるとともに、開閉バルブ１６ａ，１７ｂを閉状態、開閉バルブ１６ｂ，１７ａを開状態にする。これにより、吸着器１３ｂ内の吸着剤１５で水分の吸着が開始され、吸着器１３ａ内の吸着剤１５では水分が蒸発して吸着剤１５が再生される。
【００３０】
このように一定の時間毎に温水の供給先を吸着器１３ａと吸着器１３ｂとの間で切り替えることにより、吸着式ヒートポンプ１０が連続的に稼動し、冷却配管１１ａから低温の冷却水が連続的に供給される。
【００３１】
ところで、上述した吸着式ヒートポンプ１０では、吸着器１３ａ，１３ｂの性能が吸着式ヒートポンプ１０の性能に大きく関係する。
【００３２】
吸着器１３ａ，１３ｂの性能を測る目安として、冷媒を吸着する際又は冷媒が離脱する際の反応速度があげられる。その反応速度は、吸着剤の種類や量だけでなく、冷媒の吸着時に生じる吸着熱を除去する速度や、冷媒の蒸気が吸着剤１５全体にいきわたる拡散速度にも関係する。
【００３３】
吸着剤１５として活性炭を用いる場合、繊維状の活性炭や粒状の活性炭が利用可能である。しかし、繊維状の活性炭は、繊維間の接触が弱いため、粒状の活性炭に比べて熱伝導性が悪くなりやすいという難点がある。このため、繊維状の活性炭よりも、粒状の活性炭のほうが、吸着器１３ａ，１３ｂの性能向上に有効である。
【００３４】
一方、活性炭を吸着器１３ａ，１３ｂ内に配置する方法として、例えば熱交換器１４のフィンの表面にバインダを用いて活性炭を付着させる方法がある。しかし、この方法では、バインダにより活性炭の細孔が塞がれるため、吸着性能が阻害される。
【００３５】
そこで、活性炭を、熱交換器１４のフィン間にそのまま充填することが考えられる。この場合、適度な粒径の活性炭を使用することにより、良好な熱伝導性を確保しつつ、蒸気が拡散するための隙間を確保することができる。
【００３６】
しかし、単位重量当たりの吸着量を大きくするために賦活度の高い活性炭を用いると、粒径が小さくなるために粒子間の空隙も狭くなり、充填された活性炭の奥まで蒸気が拡散し難くなる。また、賦活度の高い活性炭は細孔が多く空隙率も大きくなるため、熱伝導は悪くなる。
【００３７】
図２は、吸着器１３ａ，１３ｂ内に配置された熱交換器１４を示す平面図である。
【００３８】
この図２に示すように、熱交換器１４は、インレット側マニホールド２１と、アウトレット側マニホールド２２と、インレット側マニホールド２１とアウトレット側マニホールド２２との間に並列に接続された複数本（図２では５本）の熱媒体管２３とを有する。
【００３９】
熱媒体管２３の間には、一般的な熱交換器のフィンの替りに、図３に例示するような吸着剤を詰めた多数の薄板状の吸着剤ブロック２４が、相互に一定の間隔をおいて配置されている。
【００４０】
これらの吸着剤ブロック２４は、袋状に加工された金属メッシュと、金属メッシュ内に装入された吸着剤とにより形成されている。また、吸着剤として、粒状の活性炭にカーボンナノチューブ又はグラフェンを混合したものが使用されている。金属メッシュ内に装入された吸着剤が、図１の吸着剤１５に対応している。
【００４１】
吸着剤ブロック２４内に粒状の活性炭のみを装入した場合は、活性炭が吸着剤ブロック２４内で移動して熱伝導性にむらができたり、活性炭がメッシュの隙間から外に出てしまうことが考えられる。しかし、粒状の活性炭に適量のカーボンナノチューブ又はグラフェンを混合することにより、活性炭の移動を抑制し、安定した性能を維持することができる。
【００４２】
カーボンナノチューブやグラフェンは、ファンデルワールス力によって強く凝集する性質がある。そのため、図４に模式的に示すように、カーボンナノチューブ（又はグラフェン）２５と粒状の活性炭２６とを混合すると、バインダを用いることなく活性炭２６の移動を抑制することができ、活性炭２６の粒子間に適度の空隙が確保される。
【００４３】
また、カーボンナノチューブやグラフェンはその長さ方向又は面方向に熱を伝えやすいという性質もある。このため、図４に模式的に示すように、カーボンナノチューブ（又はグラフェン）２５と粒状の活性炭２６とを混合すると、活性炭２６間、及び活性炭２６と金属メッシュ２７との間の熱伝導性を良好な状態に保つことができる。
【００４４】
図５〜図８は、熱交換器１４の製造方法を工程順に示す模式図である。
【００４５】
まず、図５に示すように、容器３１内にカーボンナノチューブ又はグラファイトを入れ、酸又は分散剤を添加して撹拌する。これにより、カーボンナノチューブ又はグラフェンが液中に分散した状態となる。この液中に活性炭粒子を混合して、分散液３２とする。
【００４６】
例えば、容器３１中に、０．１ｇのカーボンナノチューブと、５ｍＬ（ミリリットル）の硫酸と１ｍＬの硝酸とを混合した混酸を入れる。そして、そのカーボンナノチューブを含む混酸液に超音波振動を与えて、カーボンナノチューブを液中に分散させる。
【００４７】
次に、このカーボンナノチューブが分散した混酸液中に、例えば平均粒径が３００μｍの球状の活性炭を１ｇ加える。その後、更に水１００ｍＬを加えて希釈し、撹拌する。このようにして分散液３２を得る。
【００４８】
次に、図６に示すように、袋状に加工した金属メッシュ３３を用意する。ここでは、サイズが４ｃｍ（縦）×４ｃｍ（横）のアルミニウムメッシュを２枚重ね合わせ、３方の端部を閉じることで袋状とした。金属メッシュ３３の１インチ当たりの網目の数（メッシュ数）は、例えば２００である。
【００４９】
この金属メッシュ３３に分散液３２を流し込んで濾過し、メッシュ３３内に活性炭とカーボンナノチューブとの混合物を析出させる。その後、金属メッシュ３３の口を閉じる。
【００５０】
次に、金属メッシュ３３を蒸留水に３０分間浸漬して洗浄した後、図７のようにプレス加工により脱水と成形とを行い、更に加熱乾燥する。これにより、図３に例示するような、厚さが１ｍｍ〜２ｍｍ程度の薄板状の吸着剤ブロック２４を得る。
【００５１】
なお、本実施形態では袋状の金属メッシュ３３を使用しているが、多数の微細な孔が設けられた袋状の金属部材（金属薄板）に活性炭とカーボンナノチューブ又はグラフェンとの混合物を装入して吸着剤ブロック２４としてもよい。
【００５２】
次いで、図８に示すように、上述の如く作製した吸着剤ブロック２４を、熱媒体管２３の間に配置する。この場合、熱媒体管２３と吸着剤ブロック２４とを密着させて、良好な熱導電性を確保することが重要である。熱媒体管２３と吸着剤ブロック２４との間に熱導電性が良好な部材を配置し、その部材を介して熱媒体管２３と吸着剤ブロック２４とを熱的に接続してもよい。
【００５３】
このようにして、図２に示す熱交換器１４が完成する。その後、熱交換器１４を吸着器１３ａ，１３ｂ内に配置する。このようにして、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０が完成する。
【００５４】
本実施形態おいては、カーボンナノチューブ又はグラフェンを混合した粒状の活性炭を薄板状の吸着剤ブロック２４内に装入し、その吸着剤ブロック２４を熱交換器１４の熱媒体管２３間に配置している。これにより、活性炭が吸着剤ブロック２４内で移動して熱導電性にむらがでることや、活性炭が吸着剤ブロック２４から外に出てしまうことを回避できる。また、吸着ブロック２４間に適度な空隙が確保されるため、活性炭をそのまま充填した場合よりも冷媒蒸気が奥まで速やかに拡散する。
【００５５】
更に、活性炭間、又は活性炭と金属メッシュ３３との間に介在するカーボンナノチューブ又はグラフェンにより、活性炭間又は活性炭と金属メッシュとの間の熱伝動性が良好な状態に維持される。
【００５６】
これらの効果により、吸着器１３ａ，１３ｂの性能が従来に比べて著しく向上する。その結果、本実施形態に係る吸着式ヒートポンプ１０は、廃熱の利用効率が従来に比べてより一層向上する。
【００５７】
更に、本実施形態によれば、吸着剤を吸着剤ブロック２４内に装入してユニット化しているので、熱交換器のフィン間に吸着剤を充填する必要がなく、吸着式ヒートポンプの製造が容易になるという利点もある。
【００５８】
（産業上の利用可能性）
上述したように、実施形態に係る吸着式ヒートポンプは、廃熱の利用効率が高い。このため、小型化しても十分な性能を有する。これにより、自動車やコンピュータなどの低温廃熱を発生する機械に広く搭載することができる。その結果、それらの機械の省エネルギー化が達成され、環境負荷が低減されるという効果が期待できる。
【００５９】
以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００６０】
（付記１）冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、
前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気が流入する吸着器と、
前記吸着器内に配置された熱交換器とを有し、
前記熱交換器には、
熱媒体が通流する熱媒体管と、
前記熱媒体管の周囲に配置され、袋状の金属メッシュ又は袋状の孔空き金属部材に装入されて前記冷媒の蒸気を吸着可能な吸着剤を備えた複数の吸着剤ブロックとが設けられている
ことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
【００６１】
（付記２）前記吸着剤が、粒状の活性炭と、カーボンナノチューブ又はグラフェンとの混合物であることを特徴とする付記１に記載の吸着式ヒートポンプ。
【００６２】
（付記３）前記吸着剤ブロックが板状に形成されていることを特徴とする付記１又は２に記載の吸着式ヒートポンプ。
【００６３】
（付記４）更に、前記吸着器から離脱した前記冷媒の蒸気を凝縮する凝縮器を有することを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の吸着式ヒートポンプ。
【００６４】
（付記５）吸着剤を袋状の金属メッシュ又は袋状の孔空き金属部材に装入して板状の吸着剤ブロックを形成する工程と、
前記吸着剤ブロックを熱媒体管の周囲に配置する工程と
を有することを特徴とする熱交換器の製造方法。
【００６５】
（付記６）前記吸着剤が、粒状の活性炭と、カーボンナノチューブ又はグラフェンとの混合物であることを特徴とする付記５に記載の熱交換器の製造方法。
【００６６】
（付記７）前記カーボンナノチューブ又はグラフェンと前記粒状の活性炭とは、酸又は分散剤を添加した液中で混合することを特徴とする付記６に記載の熱交換器の製造方法。
【符号の説明】
【００６７】
１０…吸着式ヒートポンプ、１１…蒸発器、１１ａ…冷却水配管、１１ｂ…バット、１２…凝縮器、１３ａ，１３ｂ…吸着器、１４…熱交換器、１５…吸着剤、１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ…開閉バルブ、１８…配管、２１…インレット側マニホールド、２２…アウトレット側マニホールド、２３…熱媒体管、２４…吸着剤ブロック、２５…カーボンナノチューブ、２６…粒状の活性炭、３１…容器、３２…分散液、３３…金属メッシュ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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