(57)【要約】  本発明は、熱交換器または温度制御吸着器表面にコーティングを適用するためのプロセスを提供する。このコーティングは、ゼオライト、有機溶媒、バインダーを構成する有機シロキサン樹脂、および可塑剤を含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機シロキサンおよびゼオライトの層で基材表面をコーティングする方法であって、
有機シロキサン、ゼオライト、有機溶媒、および可塑剤を含むスラリーを調製すること、連続的に前記スラリーを攪拌すること、前記スラリーを所望される粘度レベルに維持すること；前記スラリーを前記表面に適用して、前記有機シロキサンおよび前記ゼオライトの層を形成し、残ったスラリーを除去し、前記コーティングを焼成し、ならびに前記層が所望される厚さを有するまで、前記スラリーの前記適用、残ったスラリーの前記除去、および前記層の前記焼成を繰り返すこと、を含む、方法。
【請求項２】
前記基材が、ポリマー複合体、アルミニウム、銅、チタン、真鍮、ステンレス鋼、ニッケル、およびグラファイト繊維複合体材料から成る群より選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記コーティングされた表面が、１００℃から１３０℃の温度で、２０から４０分間加熱される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記コーティングの前記焼成が、周囲温度から、４５０℃から６００℃のピーク温度まで昇温される温度で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記層が、０．１から１ｍｍの間の厚さである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
焼成が、前記ピーク温度にて、３０から９０分間維持されるものである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記コーティングの前記焼成が前記ピーク温度で維持された後、前記コーティングが、制御された冷却工程にて冷却される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
基材、ならびに酸化有機シロキサンおよびゼオライトを含む前記基材表面上の層を有する、熱交換器または温度制御吸着器。
【請求項９】
吸着剤ホイール、マフラー、または収着冷却装置の構成部品から成る群より選択される構造に製造される、請求項８に記載の熱交換器または温度制御吸着器。
【請求項１０】
プロセス流の脱水のための方法であって、プロセス流を、１つ以上の吸着流路であって、前記１つ以上の吸着流路の表面上に層を有する、１つ以上の吸着流路に通すことを含み、前記層は、酸化有機シロキサンおよびゼオライトを含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
国内先願の優先権の主張
本出願は、２０１０年６月２５日出願の米国特許出願第６１／３５８，４４８号および２０１１年６月１４日出願の米国特許出願第１３／１６０，１８１号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、改善されたコーティング、ならびにこれらのコーティングを吸着式熱交換器および温度制御吸着器へ適用する方法に関する。詳細には、本発明は、先行技術の吸着剤充填層と比較して、非常に高い運転効率、大きい熱交換容量、および効果的な機能を得ることが可能となる薄膜吸着剤コーティングを提供する方法を提供する。
【背景技術】
【０００３】
活性炭、活性白土、シリカゲル、活性アルミナ、および結晶モレキュラーシーブなどの一般的に知られる材料を含む、吸着および触媒に有用である様々な固体吸着剤が存在する。これらの吸着剤の中で、シリコアルミノホスフェート、アルミノホスフェート、およびアルミノシリケートゼオライトなどの結晶モレキュラーシーブが、その均一な細孔サイズのために特に有用である。
【０００４】
多くの場合において、固体吸着剤は、ペレット、ビーズ、またはその他の粒子として微粒子の形態で含有されるのではなく、コーティングとして基材上に堆積されることが望ましい。固体吸着剤コーティングが用いられてきたことにはいくつかの理由があり、例えば、表面積対重量比を改良することによる固体吸着剤の触媒もしくは吸着特性の改善、圧力低下の低減、物質移動速度の向上、必要とされる固体吸着剤量の削減、下地となる基材材料の有害な環境からの保護、特定の強度もしくは形態の達成、およびコーティングした基材表面全体にわたっての特定の吸着もしくは触媒機能の発揮などである。
【０００５】
固体吸着剤コーティングに対して様々なエンドユーザーが存在することは驚くに当たらない。さらに、コーティングを適用するための方法は様々であり、それはある程度、特定の最終用途に依存している。吸着式熱交換器の使用は、ＵＳ２００８／００２３１８１Ａ１に開示された。この発明では、水性スラリーで適用されるコーティング材料としてゼオライトおよびその他の吸着剤と共にセラミックバインダーを用いることを教示したＵＳ５，１２０，６９４に従って、金属基材が吸着性材料コーティングによってコーティングされる。これらの先行技術の熱交換器は、高品質の吸着剤層を有するが、これらの材料は、リニアメーターあたり１９７から２７６フィン（リニアインチあたり５から７フィン）を超えるフィン密度を得ることが不可能であるという固有限界を有する。フィン密度の増加は、物質移動の増加を提供するのに望ましい。
【０００６】
ＵＳ６，５７６，１９９には、有機シロキサン樹脂を含有するウォッシュコートを有する触媒コンバーター上に金属触媒が配置された航空機用環境制御システムの製造が開示されている。これは、吸着および効果的な熱移動が基材上に提供された吸着剤層に起因するものである本発明と比較して、触媒活性を向上させるために提供される非常に薄い層である。
【０００７】
先行技術のセラミック構造が確かに良好な物質移動を促進するのに対して、ここで教示される技術では、有機シロキサン樹脂の硬化および焼成後に残される無機成分（ＳｉＯ２）によって形成されるフレームワーク構造に起因して、より優れた物質移動が付与される。発明者らは、さらに、非常により大型の吸着式熱交換器にコーティングを施す必要性およびその能力について予測し、先行技術で教示される手段による浸漬コーティングを行うことができない大型の熱交換器にこのコーティングを適用することができる方法を教示するものである。
【発明の概要】
【０００８】
吸着式熱交換器または温度制御吸着器は、吸着剤が、吸着剤のビーズ、ペレット、または顆粒の「充填層」として含有されるのではなく、熱交換器表面上にコーティングとして吸着剤が適用される場合、吸着器および熱交換器の両方として、非常により高い運転効率、より大きい熱交換容量、およびより効果的な機能を達成することができる。
【０００９】
本発明のプロセスは、吸着式熱交換器および温度制御吸着器のコーティングのためのプロセスを提供し、ここで、このプロセスは、以下の工程を含む：（１）スラリーの調製；（２）スラリー粘度のモニタリングおよび調節；（３）金属表面の前処理：（４）スラリーの適用；（５）過剰の非接着スラリーの除去（エアーナイフ）；（６）重量の確認；（７）適用されたコーティングの有機成分の焼成；ならびに（８）コーティングが目標の厚さとなるまでの工程（４）から（７）の繰り返し。特に、本発明は、吸着剤−基材複合体を提供し、ここで、固体吸着剤が、アルミニウム基材に結合されている。このような複合体は、ペレット状またはビーズ状とされた吸着剤粒子と比較して、改善された吸着特性、ならびに非常に優れた物理および熱サイクル特性を持つコーティングを有することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明は、ポリマー複合体、アルミニウム、アルミニウムセラミック、銅、チタン、真鍮、ステンレス鋼、およびグラファイト繊維複合体材料などの基材の表面を、固体吸着剤層でコーティングする方法を提供し、その方法は、固体吸着剤およびバインダーを懸濁液体中に含むスラリーをその表面と接触させてスラリーコーティングされた表面を形成する工程、ならびにその上にコーティングを形成するのに十分な液体を除去する工程を含む。好ましい態様では、コーティングされた表面はさらに、その硬化を引き起こすのに十分な温度まで、および十分な時間にわたって加熱され、ここで、その温度は、少なくとも２００℃、好ましくは４００℃から６５０℃の間であり、加熱時間は、少なくとも０．２５時間、好ましくは１時間である。他の好ましい態様は、固体吸着剤として、結晶モレキュラーシーブ、より好ましくはゼオライト、最も好ましくはゼオライトＡ、ゼオライトＸ、ゼオライトＹ、菱沸石、およびこれらの混合物を用いることを含む。
【００１１】
本発明の特に好ましい態様は、アルミニウム基材の表面を、モレキュラーシーブの層でコーティングする方法を提供し、その方法は、６０から９５重量％のモレキュラーシーブと５から４０重量％のバインダーを含有する固体材料を有し、この固体材料がスラリーの総重量の１０から４０重量％、好ましくは３０重量％を成し、残りが懸濁液体を含むスラリーを、この表面と接触させて、スラリーコーティングされた表面を形成する工程、ならびにスラリーコーティングされた表面を５５０℃から６５０℃の温度に１時間加熱して、その上にコーティングを形成し、その硬化を引き起こすのに十分な液体を除去する工程を含む。
【００１２】
本発明の方法によって作製された層状の吸着剤−基材複合体は、ペレット状またはビーズ状とされた吸着剤粒子と比較して、改善された吸着特性を有することができる。スラリー製剤は、重要な活性成分としてのゼオライト；スラリーを形成するための有機溶媒；バインダーを構成する有機シロキサン樹脂；および可塑剤を含有する必要がある。目標とするコーティング層の厚さは、０．１から１ｍｍ、より好ましくは０．３から０．５ｍｍの範囲である。この目標を達成するためには、複数パスのコーティングが必要であることが予想される。スラリー固形分の調節により、スラリーの粘度が変化するだけでなく、連続する各々のスラリー適用で追加される厚さも変化する。固形分および粘度を調節する手段は公知である。ゼオライトは、コーティングを施した吸着式熱交換器で所望される吸着分離が行われるように選択され、それは、Ａ型、Ｘ型、およびＹ型のゼオライト、菱沸石、モルデン沸石、ＵＺＭ‐５、シリカライト、ならびにその他の高次シリカ構造を含む公知のほとんどいかなるゼオライト構造からも選択することができる。有機溶媒は、その溶媒和能、および狭い間隔で配置された熱交換器表面（例：高フィン密度値）のコーティングを可能とするための低表面張力に基づいて選択される必要がある。有機シロキサン樹脂は、容易に適用され、続いて本質的に純粋であるＳｉＯ２を残すことが可能であるように選択される。
【００１３】
スラリー製剤の１つの例は、以下の組成を有する：６７グラムのゼオライト（ここではＤＤＺ−７０）；有機溶媒として、１００グラムのトルエン；７０グラムの有機シロキサン樹脂（ここではＧＥのＳＲＰ−５００）、および可塑剤として作用する６０滴のオクタン酸亜鉛。スラリーは、固形分の沈澱を防ぐために、連続的に攪拌される必要がある。スラリーの適用は、部品をスラリー浴中に浸漬するか、または任意の熱交換器をスラリーで満たすか、または類似の方法によって行ってよい。スラリーを除去または排出した後に、接着したスラリー層、およびある程度の非接着スラリーが残される。エアナイフにより、熱交換器表面に接着していない分のスラリーが除去される。
【００１４】
焼成工程は、極めて重要であり、周囲温度から焼成温度（４５０℃から６００℃、より好ましくは５５０℃から６００℃）までの昇温を含む。昇温速度を制御して、コーティングのクラックを防止する必要がある。最高温度での保持は少なくとも３０分、より好ましくは１時間であり、これに続いて制御された冷却工程が行われる。焼成の過程では、エアーフローを十分に行って、コーティングに含有される有機種の完全な燃焼を促進する必要がある。コーティング中に残された炭素は、ウォッシュコート層の容量および物質移動特性に悪影響を及ぼす。
【００１５】
以下の詳細の記述は、現時点で意図される本発明の実施モードの１つである。この記述は、限定する意味で理解されるべきではなく、本発明の範囲が添付の請求項によって最も良く定められることから、それは単に本発明の全般的な原理を説明する目的で成されるものである。
【００１６】
一般的に述べると、本発明は、吸着式ヒートポンプおよび吸着用途のための吸着式熱交換器を提供する。このような交換器の実施形態は、それ自体、一般的な意味での熱交換を促進することを意図するものではなく、むしろそれらは、熱交換流体と複数の吸着剤層として適用された吸着剤コーティングとの間の顕熱の輸送を向上させることを意図するものであって、このような交換器は従って、水などの作用流体の吸着および脱着が効率的であり、ならびにそれを用いるための方法である。本発明の実施形態は、自動車、発電、および航空機産業などの産業において有益に用いられ得る。本発明の実施形態は、吸着式冷凍システム、吸着式空調システム、および環境制御システムを含む用途において有用であり得る。本発明の実施形態は、作用流体の吸着または脱着を促進するために吸着剤全体を効率的に加熱または冷却することが所望される、いかなる熱輸送用途においても有用であり得る。そのような吸着式熱交換器は、自動車空調システムのための熱輸送を含むがこれに限定されない用途に使用され得る。
【００１７】
１つの実施形態では、本発明は、交互に重ねられた吸着層および熱移動層を有する吸着式熱交換器を提供する。この吸着式熱交換器は、交互に重ねられた波形シートおよびセパレータープレートを含んでよい。波形シートは、吸着流路を１つの方向に、熱移動流路を別の方向（吸着流路に対して９０度）に提供する交互の形で配向されていてよい。吸着流路を定める表面は、吸着性材料でコーティングされていてよい。先行技術の管−層設計（tube-lamellas design）と異なり、本発明は、プレート−波形シート−プレート設計を含み得る。ある実施形態では、プレート−波形シート−プレート設計により、一次表面積の増加、およびより効率的な熱および物質移動が可能となる。
【００１８】
吸着紙ラミネート（adsorptive paper laminates）を含む先行技術とは異なり、本発明の吸着性材料は、ろう付けされた熱交換器アセンブリに対して直接適用することができ、生産時間が短縮される。加えて、本発明の吸着性材料コーティングは、コーティング厚さを低減することができ、それに付随して熱および物質の両方の移動を向上させることができる。
【００１９】
さらに、熱移動流体流路が管を含む先行技術とは異なり、本発明の熱移動流体流路は、２つのセパレータープレートの間に広がって、これらと接触している波形シートを含んでよい。この波形シートは、熱移動流体の流れと平行に配置される複数のフィンを形成することができる。これらのフィンは、熱移動流体の流れに悪影響を与えることなく、吸着層への熱移動を増加することができる。
【００２０】
本発明の実施形態は、収着冷却システムと熱的に接続されるように設計された吸着式熱交換器を含んでよい。この収着冷却システムは、吸着式熱交換器、凝縮器、および蒸発器を含んでよい。吸着式熱交換器は、熱移動流体ループおよび吸着ループと運転可能に接続されていてよい。
【００２１】
この収着冷却システムの運転中、熱移動流体ループを通って流れる熱移動流体流からの熱は、吸着性材料コーティングと熱交換し、吸着ループを通って流れる吸着質（例：冷却剤）の流れを引き起こす。吸着性材料コーティングが加熱されるに従って、凝縮器へと向かって動く吸着質の流れが引き起こされる。吸着質の流れは、吸着式熱交換器内の吸着性材料コーティングから脱着され、吸着質蒸気が凝縮器へと流される。凝縮器では、吸着質蒸気の冷却および凝縮を行うことができる。吸着質の凝縮物は、次に、蒸発器へと移動することができ、そこで、吸着質の凝縮物は、吸着質の凝縮物を再蒸発させるように調整されるプロセス流または空間と熱交換することができる。
【００２２】
吸着性材料コーティングのさらなる加熱が、それ以上吸着性材料コーティングからの吸着質の脱着を起こさない時点にて、吸着式熱交換器を切り離し、吸着条件に戻すことができる。吸着性材料コーティングにて吸着条件が確立されると、蒸発器からの吸着質の蒸気を吸着式熱交換器へ再導入して、サイクルを完了させることができる。一般的に、典型的なサイクルには、２つ以上の吸着式熱交換器を用いてよく、ここで、１つの吸着式熱交換器が、脱着ストロークの間に加熱され、２つ目の吸着式熱交換器が、吸着ストロークの間に冷却される。吸着および脱着の全サイクルを完了させるための時間は、「サイクル時間」として知られる。
【００２３】
吸着ゾーンのフィン密度（フィン／メートル）は、用途によって様々であってよく、吸着性材料コーティング４６の厚さおよび吸着流路の所望される体積を含む因子に依存し得る。吸着ゾーンのフィン密度は、吸着流線に対して直角、セパレータープレートに対して平行である方向に測定された吸着層幅の１メートルあたりのフィン数として定義することができる。ある用途では、吸着ゾーンのフィン密度は、２７６から１１０２フィン／メートル（７から２８フィン／インチ）であってよい。
【００２４】
吸着ゾーン接触部分は、セパレータープレートとほぼ平行に、これらと接触して配置されてよい。吸着ゾーン接触部分は、セパレータープレートの吸着ゾーンに面する側とろう付けされてよい。吸着ゾーン接触部分は、吸着性材料コーティングの少なくとも一部分に対する支持部を提供してよい。言い換えると、吸着ゾーン接触部分の一方の側が、セパレータープレートとろう付けされ、他方の側が、吸着性材料コーティングでコーティングされてよい。ある用途では、吸着ゾーン接触部分は、０．８９から３．８１ｍｍ（０．０３５から０．１５インチ）の間の吸着接触部分幅を有してよい。吸着接触幅は、独立パラメータではない。吸着ゾーンフィン密度および吸着フィン厚さが指定されると、吸着接触幅の値は決定される。吸着接触部分幅は、様々であってよく、所望される吸着ゾーンフィン密度に依存し得る。吸着接触部分幅は、吸着ゾーンフィン密度に反比例し得る。
【００２５】
本発明は、吸着剤−基材複合体、およびアルミニウム基材を固体吸着剤の層、好ましくはモレキュラーシーブ、より好ましくはゼオライトでコーティングすることによってこの複合体を作製するための方法を提供する。本発明の他の態様は、この吸着剤コーティングを利用するためのプロセスに関する。
【００２６】
本発明で用いられる基材は、固体吸着剤層の構造的支持部を提供し、ならびに固体吸着剤およびバインダーのための適切な結合媒体も提供する。基材は、例えば、アルミニウム金属、アルミナイズ鋼、アルミナイズセラミック、およびその他の類似の材料であってよい。基材は、板、箔、管、ワイヤ、プレート、球、棒、鎖、メッシュ、または粒子を含むがこれらに限定されない様々な形態であってよい。本発明を実施する目的で、アルミニウム基材に、化学処理または溶媒による洗浄を行う必要はないが、基材に、汚れまたは油脂分など、結合に悪影響を及ぼしかねない異物が大量に存在することは比較的避けるべきである。
【００２７】
コーティングプロセスの過程でその物理的な完全性を維持することができるものであれば、合成または天然の実質的にいかなる固体吸着剤も、本発明に従う使用に適する。具体的な固体吸着剤の選択は、その有効細孔径および意図される特定の最終用途などの因子に依存する。「有効細孔径」の用語は、本技術分野において慣用のものであり、本明細書では、多くの場合細孔が不規則な形状、すなわち非円形であるために測定することが困難であることの多い実際の寸法ではなく、その細孔に進入することができる分子のサイズという意味においての細孔サイズを機能的に定めるために用いられる。参照により本明細書に組み込まれるZEOLITE MOLECULAR SIEVES, John Wiley and Sons, New York, 1974のページ６３３から６４１にて、D.W. Breckは、有効細孔径に関する考察を提供している。
【００２８】
活性炭素、活性白土、シリカゲル、活性アルミナ、および結晶モレキュラーシーブを含むがこれらに限定されない本発明に従う使用に適する様々な固体吸着剤が存在するが、その細孔サイズ、すなわち有効細孔径が均一であることから、吸着および触媒にはモレキュラーシーブが好ましい。このようなモレキュラーシーブとしては、例えば、参照により本明細書に組み込まれるＵＳ４，４４０，８７１、ＵＳ４，３１０，４４０、およびＵＳ４，５６７，０２７に開示される様々な形態のシリコアルミノホスフェートおよびアルミノホスフェート、ならびにゼオライトモレキュラーシーブが挙げられる。
【００２９】
用いることができる典型的な公知のゼオライトとしては、ゼオライトＤとも称される菱沸石、斜プチロル沸石、エリオン沸石、ゼオライトＸおよびゼオライトＹとも称されるフォージャス沸石、フェリエ沸石、モルデン沸石、ゼオライトＡ、およびゼオライトＰが挙げられる。上記で識別されたゼオライト、ならびにその他のものの詳細な記述は、参照により本明細書に組み込まれるD.W. Breck, ZEOLITE MOLECULAR SIEVES, John Wiley and Sons, New York, 1974に見出すことができる。本発明に従う使用に適するその他のゼオライトは、シリカ含有量の高いもの、すなわちシリカの対アルミナ比が１０超、典型的には１００超であるものである。そのような高シリカゼオライトの１つはシリカライトであり、それは、本明細書で用いられるこの用語が、ＵＳ４．０６１，７２４に開示されるシリカ多形、さらにはＵＳ４，１０４，２９４に開示されるＦ−シリカライトの両方を含むためであり、これらの文献は参照により本明細書に組み込まれる。
【００３０】
菱沸石の鉱物（従来から、アカディアライト（Acadialite）、ヘイデナイト（Haydenite）、ファコライト（Phacolite）、およびグロッタライト（Glottalite）としても称される）は、中でもアイルランド、ノバスコシア州、および米国コロラド州で見られる、広く存在するゼオライトであり、典型的にはＣａ２［（ＡｌＯ２）４（ＳｉＯ２）８］１３Ｈ２Ｏを単位格子に含む。これが、本使用に好ましい菱沸石型のゼオライトである。合成形態の菱沸石型構造も公知であり、特にはゼオライトＤであり、その合成および構造は、ＧＢ８６８，８４６Ａに詳細に記載されている。
【００３１】
フォージャス沸石型の結晶ゼオライトは、主として公知の合成ゼオライトＸおよびゼオライトＹに代表される。現時点にて、フォージャス沸石鉱物の有効な鉱床の存在は知られていない。ゼオライトＸは、ＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比の最大が３であり、従って、酸攻撃による構造の分解に対する耐性はそれほど強くない。ゼオライトＹおよびその多様な修飾形態は、３超から数百までのＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比を有し得る。好ましくは、４から２０のＳｉＯ２／Ａｌ２Ｏ３モル比を有するゼオライトＹが本使用に用いられる。
【００３２】
本発明の目的のためには、コーティングに適切な物理的特性を確実に持たせるために、固体吸着剤がバインダーと共に凝集体を形成していることが必要である。本発明によると、基材の固体吸着剤によるコーティングは、基材の表面を、後述するように表面を加熱した後に、固体吸着剤およびバインダーを含むスラリーと接触させることによって行われる。固体吸着剤およびバインダー材料の両方を含むスラリーに用いられる固体粒子は、本発明において機能的に適切であるいかなるサイズであってもよい。しかし、固体吸着剤およびバインダーは、小粒子として存在することが望ましく、好ましくは、１から５００ミクロン、より好ましくは１から５０ミクロンの粒子サイズを有する。
【００３３】
必要に応じて、固体粒子には、所望される粒子サイズを得る目的で、磨砕、粉砕、ミリングなどを例とする機械的サイズ低下処理を施してよい。しかし、固体粒子は、機械的サイズ低下処理によって得られる類似の組成の固体粒子と比較して、より平滑であることが好ましく、および、より球形状であることもより好ましい。そのような粒子の平滑性および球形状は、コーティングの均一性を向上させる傾向にあり、また、所望される場合は、スラリー中の固体充填率を増加させることも可能とし得る。そのような平滑性および球形状を得るために有用である１つの特定の処理工程は、粒子製造プロセスの一部としてスプレードライを用いて固体粒子または固体粒子の前駆体を形成することである。そのようなスプレードライを用いることのさらなる利点は、そのような工程の条件を、生成物である固体粒子が所望される粒子サイズまたはサイズ範囲となるように制御可能であることである。そのような固体粒子製造におけるスプレードライの使用は、従来から行われており、周知であり、従って、本明細書にて詳細に考察する必要はない。所望される場合、スラリーを形成する前に、固体吸着剤およびバインダーを凝集体形成し、サイズ低下処理を施してよいことは理解されたい。
【００３４】
固体吸着剤およびバインダーは、別々の粒子または凝集粒子としてであるかに関わらず、スラリー中にて様々な比率で混合してよいが、一般的には、コーティング表面に十分な強度を与えるのにちょうど必要である量のバインダーのみを用いることが望ましい。吸着剤部分は、スラリー中の固体、すなわち吸着剤およびバインダーの総重量の６０から９５重量％を成すこと、および残りの５から４０重量％がバインダーを含むことが好ましい。吸着剤およびバインダーに加えて、スラリーは、粒子の懸濁を補助するために、またはスラリーの粘度を変えるために、分散剤または界面活性剤を含有してよい。適切な界面活性剤としては、例えば、アライドコロイド（Allied Colloids），サフォーク，バージニア州、から入手可能なポリマーカルボン酸の塩であるＤｉｓｐｅｘ、モンサント（Monsanto），セントルイス，ミズーリ州、より入手可能なピロリン酸四ナトリウムであるＴＳＰＰが挙げられる。界面活性剤または分散剤が用いられる場合、その濃度は、スラリーの固形分の０．５から５．０重量％の範囲であることが好ましい。
【００３５】
固体吸着剤およびバインダーは、ドライスラリー、すなわち流動床に懸濁させることができるが、本発明によると、スラリーが懸濁液体を含有することが望ましいことは理解することができる。懸濁液体は、例えばそれ自体により、またはアルミニウム基材と、またはスラリー中のその他の成分と、化学反応を起こす可能性の低いものであるべきである。より好ましくは、懸濁液体は、実質的に非反応性であり、固体吸着剤の内部細孔に干渉せず、有機シロキサンバインダーと混和性を有するべきである。トルエンなどの有機溶媒が、本発明に従って用いられる好ましい懸濁液体である。懸濁液体の比率は、スラリーの粘度、従ってコーティングの厚さを調節するために様々であってよい。所望されるコーティング厚さを得るために適切である比率の決定は、実験的に行うことができ、任意のスラリーから得られる厚さを測定し、次に、固体比率を上昇させて、すなわち高粘度とすることでより厚いコーティングが得られ、または固体比率を低下させて、すなわち低粘度とすることでより薄いコーティングが得られる。コーティングの厚さを測定する１つの方法は、面密度範囲、すなわち単位面積あたりの固体吸着剤重量を算出し、次に、それを固体吸着剤の密度で除することである。一般的には、固体材料が、スラリーの総重量の１０から４０重量％、好ましくは３０重量％を成し、残りが、好ましくは、懸濁液体および任意の界面活性剤または分散剤から本質的に成ることが好ましい。
【００３６】
次に、好ましくは、表面をスラリー中に浸漬させることによって、またはスラリーを表面にスプレーすることによって、表面がスラリーによりコーティングされ、スラリーでコーティングされた表面が形成される。最初の接触の後、コーティング厚さを増加させることが所望される場合、追加の接触工程が実施されてよい。そのような追加の接触が実施される場合、基材を再加熱する必要はない。
【００３７】
スラリーでコーティングされた表面は、次に、単純に乾燥させるか、またはそうでなければ、例えば高温で加熱することによって処理して、コーティングの形成のために十分な液体の除去を行ってよく、好ましい方法は、加熱工程をさらに含み、ここで、吸着剤でコーティングされた表面は、１００℃から１３０℃の温度まで昇温され、次にその温度にて２０から４０分間維持される。続いて、温度は４００℃から６００℃まで昇温され、その温度で３０から９０分間維持されて、コーティングが焼成される。この焼成加熱工程の後、コーティングは、制御冷却工程にて冷却される。この加熱工程が実施される場合、乾燥を例とする別の液体除去工程が実施される必要はなく、それは、追加の加熱工程の過程で、スラリーでコーティングされた表面から十分な液体が除去されて、その上にコーティングが形成されること、ならびにその硬化が引き起こされることが可能となるからである。コーティングされた表面の硬化を引き起こすのに要する時間は、少なくとも１５分が望ましく、好ましくは１時間である。焼成の結果、コーティング内の有機種の完全な酸化がもたらされる。
【００３８】
得られた吸着剤−基材複合体は、下地となるアルミニウム基材層、およびアルミニウム基材の表面と結合し、本質的に吸着剤および残った（最初のではなく）バインダーから成る外側層を含む。このようなコーティングは、高い表面積を有し、ならびに吸着剤上に吸着された成分の拡散経路が最小限であり、従って、ペレット状またはビーズ状の形態の吸着剤と比較して、優れた吸着率を有する。さらに、この吸着剤コーティングは、非常に優れた物理的耐久性を有し、チッピングおよび剥がれに対して耐性を持つ。さらに、吸着剤とアルミニウム基材との間で熱膨張特性が異なるにも関わらず、本発明の吸着剤コーティングは、有利には、熱サイクルを繰り返して受けた後であっても、その物理的完全性を維持する。
【００３９】
本発明の別の態様は、吸着剤基材複合体を用いるためのプロセスに関する。本発明の方法で作製された吸着剤コーティングされたアルミニウム基材は、特に、少なくとも１つの分子種を、少なくとも１つの他の分子種を含むその混合物から、選択的吸着の手段によって分離するためのプロセスにおいて、多くの用途を有することは理解することができる。吸着剤コーティングされた基材は、熱交換器または温度制御吸着器として用いることができ、そのすべての内容が参照により本明細書に組み込まれるＵＳ６，９７３，９６３に記載の吸着剤ホイール（adsorbent wheel）へと作製することができる。このような吸着剤ホイールは、そのすべての内容が参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，３２６，２７７号に記載のようなブレーキエア乾燥に用いることができる。熱交換器または温度制御吸着器のためのいくつかの有用な用途としては、各々、そのすべての内容が参照により本明細書に組み込まれるＵＳ２０１０／０１３２５４８Ａ１、ＵＳ２０１０／０１３２２５４Ａ１、ＵＳ２０１０／０１３７６５７Ａ１、ＵＳ２０１０／０１５０８１２Ａ１、および、ＵＳ７，７９５，４７９に記載のエタノールの脱水を含む液体の脱水が挙げられる。本発明の熱交換器は、そのすべての内容が参照により本明細書に組み込まれるＵＳ６，９７３，９６３に記載のような、収着冷却および加熱用途に用いることができる。
【００４０】
例えば、参照により本明細書に組み込まれる上記で特定したＵＳ４，６１０，７００は、マフラーと合わせて用いて排気ガスからの水の吸着および腐食の防止を行う吸着剤組成物に関する。この特許は、その第５欄、１０〜１８行から引用されるスリップコーティング法を含む、吸着剤組成物をマフラー内に含有させるための様々な方法を開示しているが、本発明の方法の具体的な開示または提案はない。本発明の吸着剤組成物は、それに付随する非常に優れた性能、物理、および熱サイクル特性のために、この種の用途には特に良好に適している。
【００４１】
ＵＳ４，６１０，７００に開示されるように、マフラーに用いるための適切な吸着組成物は、菱沸石結晶構造を有する結晶ゼオライトとフォージャス沸石結晶構造を有する結晶ゼオライトとの組み合わせを含む。このゼオライトの組み合わせは、マフラーに用いられる場合、マフラーの腐食量を低減するという予想外の相乗効果を示す。
【００４２】
菱沸石型およびフォージャス沸石型のゼオライトの組み合わせによるマフラー腐食抑制の相乗効果は、この２つのすべての比率での組み合わせで証明されたが、無水重量ベースにて一方のゼオライト型が他方のゼオライト型の１／３から３倍の量で存在する場合に、より著しく示され、従ってそれが好ましい。本明細書で用いられる場合、ゼオライト成分の無水重量は、真空中３００℃にて３時間焼成された後のゼオライトの重量として恣意的に定義される。より好ましくは、菱沸石型およびフォージャス沸石型ゼオライトの組み合わせは、マフラーの内部キャビティ内に挿入される全吸着剤含有質量の少なくとも７０重量％を構成する。質量の残りの３０重量％は、白土、アルミナ、またはシリカなどのいくつかの公知のゼオライトバインダー材料のいずれを含んでいてもよい。
【００４３】
本ゼオライト材料が存在し得る種々のカチオン形態の中で、フォージャス沸石型ゼオライトでは、ＡｌＯ４フレームワーク四面体の少なくとも５０パーセントがナトリウムカチオンを伴うこと、および菱沸石型ゼオライトのＡｌＯ４四面体の少なくとも５０パーセントがナトリウムカチオンまたはカルシウムカチオンまたはこれらの２つのカチオン種の組み合わせを伴うことが好ましい。
【００４４】
本使用のために用いられる両ゼオライト型が同一の吸着剤集合体中にて組み合わされることが好ましいが、所望される結果が得られる数多くの異なる構成が可能であることは、通常の技能を有する当業者にとっても明らかである。
【００４５】
上述のゼオライトを含む吸着剤コーティングを、内部アルミニウムまたはアルミナイズ鋼マフラーパーツとして使用することは、他の吸着剤保持法と比較していくつかの改善点を示す。吸着剤集合体をマフラー内に保持するために、バッグまたは容器を必要としない。上述のように、吸着剤の均一な薄層は、ビーズ状またはペレット状の吸着剤と比較して、優れた吸着率、すなわち水の取り込み率を有することができる。マフラーパーツへの吸着剤のこの適用は、各特定のマフラーを、その任意のサイズおよび意図される作用に応じて最も効果的な量の吸着剤で処理することができるように、制御することが可能である。さらに、吸着剤集合体を正しい位置に固定するための、溶接または締結の作業を必要としない。
【００４６】
吸着剤−基材複合体の別の有益な使用は、複層窓におけるアルミニウムスペーサーの内部表面に適用される乾燥剤としてのものである。複層窓は、通常、水および溶剤を吸着して視認性および美観を損なう可能性のある窓の結露を防止するために、内部空間に吸着剤を含有する。固体吸着剤は、おおよそ長方形またはＴ字型であり、水分もしくは溶剤ガスもしくはこれらの混合物を含有する封入された空気が吸着剤と接触することができるように穿孔または非完全に密封されている、アルミニウム管内に保持されていることが一般的である。本発明によると、複層窓での使用に適する吸着剤は、アルミニウム窓スペーサーの内部表面に適用される。この適用は、成形されたスペーサー上に行うか、または所望に応じて、成形プロセス前のそのアルミニウム条片もしくはパーツ上に行ってよい。
【００４７】
複層窓は、多くの場合、ゼオライト３Ａ、４Ａ、１３Ｘ、およびシリカゲル、ならびにこれらの混合物を含む公知の吸着剤のいくつかの種類を含有する。これらの吸着剤は、ＵＯＰ ＬＬＣ，デスプレーンズ，イリノイ州、から入手される。単独または他の吸着剤と組み合わせて、本発明に従う使用に好ましい１つの吸着剤は、ゼオライト３Ａであり、これは、３オングストローム単位の有効細孔径を有し、水蒸気を強力かつ容易に吸着するが、酸素または窒素を大量に吸着することはない。ＵＳ２，９６４，８０３およびＵＳ４，１４１，１８６は、複層窓における乾燥剤の使用全般に関する。
【００４８】
本発明に従って作製される吸着剤コーティングに対して、その他の種々の用途の存在が見出される。例えば、冷却、冷凍、および除湿の分野において、乾燥剤が用いられ、多くの場合、吸着および再生ゾーンの内部および外部にて回転する乾燥剤ホイールに接着される。本発明によると、吸着剤は、アルミニウム箔を例とするアルミニウム基材へ適用してよく、これは次に、乾燥剤ホイールのフレームワークに取り付けることができる。
【国際調査報告】
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