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JP7242011B2 - heat exchanger - Google Patents
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Description

本発明は、吸着式熱交換装置に関する。 The present invention relates to an adsorption heat exchange device.

従来から、熱を移動させることで対象(空間や物体)の加熱や冷却を行う熱交換装置が広く用いられている。例えば、下記特許文献1には、媒体を気化させる蒸発器と、気化した媒体を脱離および吸着する吸着剤を備える吸着器と、気化した媒体を凝縮する凝縮器と、を有する吸着式熱交換装置が開示されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a heat exchange device has been widely used for heating or cooling an object (a space or an object) by transferring heat. For example, Patent Document 1 below discloses an adsorption type heat exchange having an evaporator that vaporizes a medium, an adsorber that includes an adsorbent that desorbs and adsorbs the vaporized medium, and a condenser that condenses the vaporized medium. An apparatus is disclosed.

特開2015-183930号公報JP 2015-183930 A

上記特許文献1に開示されているような従来の吸着式熱交換装置は、蒸発器や凝縮器での媒体の潜熱を冷熱や温熱として利用しているため、蒸発器や凝縮器での減圧や加熱冷却に大きなエネルギーが必要となる。また、媒体を吸着した吸着剤を再生するための加熱にもエネルギーが必要となる。その結果、成績係数COPが低下してしまう。このため、所望の冷熱や温熱を得るためにより多くの媒体が必要となる。媒体の量の増加に応じて吸着剤の量(体積)も増加してしまう。さらに、蒸発器および凝縮器が必要となるため熱交換装置が大型化してしまう。このため、従来の吸着式熱交換装置は、特に設置スペースの限られているカーエアコンのような用途に適用することは困難であった。 The conventional adsorption heat exchange device as disclosed in the above Patent Document 1 uses the latent heat of the medium in the evaporator or condenser as cold heat or heat. A large amount of energy is required for heating and cooling. Energy is also required for heating to regenerate the adsorbent that has adsorbed the medium. As a result, the coefficient of performance COP is lowered. For this reason, a larger amount of medium is required to obtain desired cooling and heating. As the amount of medium increases, the amount (volume) of adsorbent also increases. Furthermore, the need for an evaporator and a condenser results in an increase in the size of the heat exchange device. For this reason, it has been difficult to apply the conventional adsorption-type heat exchange device to applications such as car air conditioners, in which the installation space is particularly limited.

そこで本発明は、成績係数COPを向上させて装置の小型化を図ることのできる吸着式熱交換装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an adsorption type heat exchange apparatus that can improve the coefficient of performance COP and reduce the size of the apparatus.

本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。その過程で、応力を印加および解放することによって、機械的に変形して、媒体を脱離および吸着可能なナノ多孔質体を見出した。さらに、ナノ多孔質体に媒体を脱離および吸着させることによって、媒体を相変化させて潜熱を発生させることが可能であることを発見した。そして、当該ナノ多孔質体を熱交換装置の吸着剤として用いることを試みた。その結果、脱離または吸着により発生した潜熱を冷熱または温熱に直接的に利用することが可能となり、上記課題が解決されうることを見出し、本発明を完成させるに至った。 The present inventors have made intensive studies to solve the above problems. In the process, we discovered a nanoporous body that can be mechanically deformed to desorb and adsorb media by applying and releasing stress. Furthermore, the inventors discovered that it is possible to generate latent heat by desorbing and adsorbing the medium on the nanoporous material, thereby changing the phase of the medium. Then, an attempt was made to use the nanoporous body as an adsorbent for a heat exchange device. As a result, the inventors have found that the latent heat generated by desorption or adsorption can be directly used for cooling or heating, and that the above problems can be solved, leading to the completion of the present invention.

本発明に係る熱交換装置は、弾性を有し、収縮して媒体を脱離可能で、かつ、膨張して媒体を吸着可能なナノ多孔質体、ナノ多孔質体に応力を印加して収縮させる応力付与部、およびナノ多孔質体を内部に収容するチャンバーを備える熱交換部を有する。該熱交換装置は、応力付与部の動作を制御して、熱交換部における動作モードを脱離モードと吸着モードとに切り替える制御部をさらに有する。ここで、脱離モードは、ナノ多孔質体に応力を印加して収縮させて媒体をナノ多孔質体から脱離させる動作モードである。また、脱離モードは、応力を解放してナノ多孔質体を膨張させて媒体をナノ多孔質体に吸着させる動作モードである。 The heat exchange device according to the present invention includes a nanoporous body having elasticity, capable of desorbing a medium by contraction, and capable of absorbing a medium by expansion, and shrinking by applying stress to the nanoporous body. and a heat exchanging portion comprising a chamber containing a nanoporous body therein. The heat exchange device further includes a control unit for controlling the operation of the stress applying unit to switch the operation mode in the heat exchange unit between the desorption mode and the adsorption mode. Here, the detachment mode is an operation mode in which stress is applied to the nanoporous body to shrink it and detach the medium from the nanoporous body. The desorption mode is an operation mode in which stress is released to expand the nanoporous body and adsorb the medium to the nanoporous body.

本発明に係る熱交換装置によれば、ナノ多孔質体に応力を印加および解放して収縮膨張させることによって、ナノ多孔質体に媒体を脱離および吸着させて相変化による潜熱を発生させることができる。これにより、媒体の脱離および吸着により発生した潜熱を冷熱または温熱に直接的に利用することができるため、蒸発器や凝縮器が不要となる。また、潜熱を得るために蒸発器や凝縮器において減圧や加熱冷却が不要となるため、熱サイクルに必要なエネルギーを小さくすることができる。これにより、成績係数COPを向上させることができるため、使用するナノ多孔質体の量を減らすことができる。このように、蒸発器や凝縮器が不要となり、ナノ多孔質体の量を減らすことができるため、熱交換装置を小型化することができる。 According to the heat exchange device of the present invention, stress is applied and released to the nanoporous body to contract and expand, thereby causing the nanoporous body to desorb and adsorb the medium, thereby generating latent heat due to phase change. can be done. As a result, the latent heat generated by the desorption and adsorption of the medium can be directly used for cooling or heating, thus eliminating the need for an evaporator or condenser. In addition, since the evaporator and condenser do not require depressurization or heating/cooling in order to obtain latent heat, the energy required for the thermal cycle can be reduced. As a result, the coefficient of performance COP can be improved, and the amount of nanoporous material used can be reduced. In this way, an evaporator and a condenser are not required, and the amount of nanoporous material can be reduced, so that the size of the heat exchange device can be reduced.

第1実施形態に係る熱交換装置の構成を示す概略断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 固体表面の吸着作用の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the adsorption action of a solid surface. 本実施形態に係るナノ多孔質体の吸着作用の原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of the adsorption action of the nanoporous body which concerns on this embodiment. 冷媒の状態図である。FIG. 4 is a state diagram of refrigerant; ナノ多孔質体を収縮させて冷媒を脱離させる様子を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing how the nanoporous body is contracted to desorb the refrigerant. ナノ多孔質体を自由膨張させて冷媒を吸着させる様子を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing how a nanoporous body is allowed to expand freely to adsorb a refrigerant. 第1実施形態に係る熱交換装置の熱サイクルのT-S線図を示す。FIG. 4 shows a TS diagram of the heat cycle of the heat exchange device according to the first embodiment; 第1実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating operation|movement of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating operation|movement of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating operation|movement of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating operation|movement of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating operation|movement of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating operation|movement of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating operation|movement of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 第1実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。It is a schematic sectional view for demonstrating operation|movement of the heat-exchange apparatus which concerns on 1st Embodiment. 対比例に係る熱交換装置の構成を示す概略図である。It is a schematic diagram showing the configuration of a heat exchange device according to the contrast. 実施例1と比較例で調製した試料の応力-体積ひずみ曲線を表す図である。FIG. 2 is a diagram showing stress-volume strain curves of samples prepared in Example 1 and Comparative Example. 実施例1と比較例で調製した試料に応力を印加および解放した様子を示す写真である。1 is a photograph showing how stress is applied and released to samples prepared in Example 1 and Comparative Example. 応力の印加/解放によるナノ多孔質体の水の脱離/吸着を確認するためのプレスチャンバー装置を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing a press chamber apparatus for confirming water desorption/adsorption of nanoporous materials by applying/releasing stress. 実施例1と比較例で調製した試料の応力印加時と応力無印加時の水の脱離/吸着等温線を表す図である。FIG. 2 is a diagram showing desorption/adsorption isotherms of water with stress applied and without stress applied for samples prepared in Example 1 and Comparative Example. 実施例1の試料に応力印加/解放を繰り返したときの水蒸気圧の変化を測定した結果を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the results of measurement of changes in water vapor pressure when stress application/releasing is repeated on the sample of Example 1. FIG. 実施例1の試料の水吸着等温線を表す図である。1 is a diagram showing a water adsorption isotherm of a sample of Example 1. FIG. ナノ多孔質体の応力-ひずみ曲線を表す図である。FIG. 10 is a diagram representing a stress-strain curve of a nanoporous material; 本発明の実施形態に係る熱交換装置の成績係数COPとヤング率Eとの関係を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the coefficient of performance COP and Young's modulus E of the heat exchanger according to the embodiment of the present invention; 実施例2で調製した試料の応力印加時と応力無印加時のエタノールの脱離/吸着等温線を表す図である。FIG. 10 is a diagram showing ethanol desorption/adsorption isotherms of the sample prepared in Example 2 with stress applied and without stress applied. 図16に示す実施例2で調製した試料のエタノールの脱離量/吸着量を測定する際に、脱離測定の途中で試料に応力を印加した場合のエタノールの脱離/吸着等温線を表す図である。FIG. 16 shows a desorption/adsorption isotherm of ethanol when stress is applied to the sample during the desorption measurement when measuring the desorption/adsorption amount of ethanol of the sample prepared in Example 2 shown in FIG. It is a diagram. 第2実施形態に係る熱交換装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the heat-exchange apparatus which concerns on 2nd Embodiment. 第2実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the heat exchange device according to the second embodiment; 第2実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the heat exchange device according to the second embodiment; 第2実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the heat exchange device according to the second embodiment; 第2実施形態に係る熱交換装置の動作を説明するための概略断面図である。FIG. 7 is a schematic cross-sectional view for explaining the operation of the heat exchange device according to the second embodiment; ナノ多孔質体の応力-ひずみ曲線を表す図である。FIG. 10 is a diagram representing a stress-strain curve of a nanoporous material; 第2実施形態の変形例に係る熱交換装置の構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the heat-exchange apparatus which concerns on the modification of 2nd Embodiment.

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明するが、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲の記載に基づいて定められるべきであり、以下の形態のみに制限されない。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the technical scope of the present invention should be determined based on the description of the claims and is not limited only to the following embodiments. Note that the dimensional ratios in the drawings are exaggerated for convenience of explanation, and may differ from the actual ratios.

[第1実施形態]
<熱交換装置>
本発明の第1実施形態に係る熱交換装置10は、ナノ多孔質体20に応力を印加および解放することにより、機械的に変形させて、冷媒(媒体)60の脱離および吸着を行う。冷媒60の脱離時に発生する蒸発潜熱から得た冷熱を利用して対象を冷却することを特徴とする。熱交換装置10は、例えば、自動車の室内(内気)を冷却するカーエアコン(冷房)に適用することができる。
[First embodiment]
<Heat exchange device>
The heat exchange device 10 according to the first embodiment of the present invention desorbs and adsorbs the refrigerant (medium) 60 by mechanically deforming the nanoporous body 20 by applying and releasing stress. It is characterized in that cold heat obtained from latent heat of vaporization generated when the coolant 60 is desorbed is used to cool the object. The heat exchange device 10 can be applied, for example, to a car air conditioner (cooling) that cools the interior (inside air) of a car.

図1に示すように、熱交換装置10は、一対の熱交換部30A、30B(第1熱交換部30Aおよび第2熱交換部30B)、および装置全体の動作を制御する制御部40を有する。制御部40は、一対の熱交換部30A、30Bのうち一方の動作モードが脱離モードである間は他方の動作モードが吸着モードになるようにスイング運転する。これにより、脱離モードの熱交換部30A、30Bにおいて連続的に冷熱を生成することが可能となる。ここで、「脱離モード」とは、冷媒60をナノ多孔質体20から脱離させる動作モードである。また、「吸着モード」とは、冷媒60をナノ多孔質体20に吸着させる動作モードである。 As shown in FIG. 1, the heat exchange device 10 has a pair of heat exchange sections 30A and 30B (a first heat exchange section 30A and a second heat exchange section 30B), and a control section 40 that controls the operation of the entire device. . The control unit 40 performs swing operation so that while one of the pair of heat exchange units 30A and 30B is in the desorption mode, the other is in the adsorption mode. Thereby, cold heat can be continuously generated in the heat exchange units 30A and 30B in the desorption mode. Here, the “desorption mode” is an operation mode in which the coolant 60 is desorbed from the nanoporous body 20 . Also, the “adsorption mode” is an operation mode in which the refrigerant 60 is adsorbed on the nanoporous body 20 .

熱交換装置10は、第1チャンバー32Aと第2チャンバー32Bとの間を冷媒60が移動可能に連通する配管50と、配管50の連通状態と遮断状態とを切り替えるバルブ51と、を有する。バルブ51を開くと配管50は連通状態となり、バルブ51を閉じると配管50は遮断状態となる。 The heat exchange device 10 has a pipe 50 that allows the refrigerant 60 to move between the first chamber 32A and the second chamber 32B, and a valve 51 that switches the pipe 50 between a communication state and a cutoff state. When the valve 51 is opened, the pipe 50 is in a communicating state, and when the valve 51 is closed, the pipe 50 is in a blocked state.

[熱交換部30A、30B]
図1に示すように、第1熱交換部30Aは、第1ナノ多孔質体20Aと、第1応力付与部31Aと、第1チャンバー32Aと、第1空気調節部33Aと、を有する。同様に、第2熱交換部30Bは、第2ナノ多孔質体20Bと、第2応力付与部31Bと、第2チャンバー32Bと、空気調節部33Bと、を有する。
[Heat exchange parts 30A and 30B]
As shown in FIG. 1, the first heat exchange section 30A has a first nanoporous body 20A, a first stress applying section 31A, a first chamber 32A, and a first air conditioning section 33A. Similarly, the second heat exchange section 30B has a second nanoporous body 20B, a second stress applying section 31B, a second chamber 32B, and an air conditioning section 33B.

第1熱交換部30Aおよび第2熱交換部30Bは、同様の構成を有する。以下の説明では、第1熱交換部30Aおよび第2熱交換部30Bを総称して「熱交換部30A、30B」と称する。同様に、第1応力付与部31Aおよび第2応力付与部31Bを総称して「応力付与部31A、31B」と称する。また、第1チャンバー32Aおよび第2チャンバー32Bを総称して「チャンバー32A、32B」と称する。また、第1空気調節部33Aおよび第2空気調節部33Bを総称して「空気調節部33A、33B」と称する。また、第1ナノ多孔質体20Aおよび第2ナノ多孔質体20Bを総称して「ナノ多孔質体20」と称する。 The first heat exchange section 30A and the second heat exchange section 30B have the same configuration. In the following description, the first heat exchange section 30A and the second heat exchange section 30B are collectively referred to as "heat exchange sections 30A and 30B." Similarly, the first stress applying section 31A and the second stress applying section 31B are collectively referred to as "stress applying sections 31A and 31B". Also, the first chamber 32A and the second chamber 32B are collectively referred to as "chambers 32A, 32B". Also, the first air conditioning section 33A and the second air conditioning section 33B are collectively referred to as "air conditioning sections 33A and 33B". Also, the first nanoporous body 20A and the second nanoporous body 20B are collectively referred to as "nanoporous body 20".

[ナノ多孔質体20]
ナノ多孔質体20は、弾性を有し、収縮して冷媒60を脱離可能で、かつ、膨張して冷媒60を吸着可能なナノ多孔質の材料から構成される。ナノ多孔質体20は、応力付与部31A、31Bから応力を印加されて収縮して冷媒60を脱離し、応力を解放すると自由膨張して冷媒60を吸着する。
[Nanoporous body 20]
The nanoporous body 20 is made of a nanoporous material that has elasticity, can desorb the refrigerant 60 by contraction, and can adsorb the refrigerant 60 by expansion. The nanoporous body 20 is stressed by the stress-applying portions 31A and 31B, shrinks, releases the coolant 60, and expands freely to adsorb the coolant 60 when the stress is released.

ここで、「弾性」とは、応力付与部31A、31Bによって外部から応力を印加して収縮させても、応力を解放することによって、可逆的に大きく変形してほぼ元の形状に回復する性質を意味する。ナノ多孔質体20の弾性限度は、冷媒60を脱離するために必要な応力印加よりも大きくなるように設計されている。ナノ多孔質体20の弾性限度は、熱交換装置10の適用対象の冷却規模等に応じて適宜設計することが好ましい。 Here, “elasticity” means the property of reversibly deforming greatly and recovering to almost the original shape by releasing the stress even if the stress applying portions 31A and 31B apply stress from the outside to shrink it. means The elastic limit of nanoporous body 20 is designed to be greater than the stress application required to desorb coolant 60 . It is preferable that the elastic limit of the nanoporous body 20 is appropriately designed according to the cooling scale of the object to which the heat exchange device 10 is applied.

また、「ナノ多孔質」とは、複数のナノレベルの細孔を有することを意味する。ナノレベルの細孔とは、好ましくは直径0.5~100nmであり、より好ましくは直径0.7~50nmであり、さらに好ましくは直径0.7~6nmのミクロ孔またはメソ孔である。なお、IUPAC(国際純正及び応用化学連合)では、直径2nm以下の細孔をミクロ孔(micropore)、直径2~50nmの細孔をメソ孔(mesopore)、直径50nm以上の細孔をマクロ孔(macropore)と定義している。 In addition, "nanoporous" means having a plurality of nano-level pores. Nano-level pores are preferably micropores or mesopores with diameters of preferably 0.5 to 100 nm, more preferably 0.7 to 50 nm, and even more preferably 0.7 to 6 nm. In IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), pores with a diameter of 2 nm or less are micropores, pores with a diameter of 2 to 50 nm are mesopores, and pores with a diameter of 50 nm or more are macropores ( macropore).

ナノ多孔質体20を収縮させるために必要な応力付与部31A、31Bの仕事量を低減する観点から、ナノ多孔質体20のヤング率は1.1GPa以下に設計することが好ましい。なお、ヤング率を1.1GPa以下に設計する理由については後述する。 From the viewpoint of reducing the workload of the stress applying parts 31A and 31B required for shrinking the nanoporous body 20, the Young's modulus of the nanoporous body 20 is preferably designed to be 1.1 GPa or less. The reason why the Young's modulus is designed to be 1.1 GPa or less will be described later.

図2Aに示すように、一般的に、固体表面はファンデルワールス力によるポテンシャルエネルギーが高く、冷媒60の分子を凝縮させる作用がある。特に、本実施形態に係るナノ多孔質体20では、図2Bに示すように、ナノ多孔質体20に吸着された冷媒60は、ナノレベルの小さな細孔壁に囲まれているため、固体表面のファンデルワールス力(物理吸着力)によるポテンシャルエネルギーが著しく高い。このとき、気体の冷媒60は、ナノ多孔質体20の細孔壁に液体の密度で吸着される。すなわち、ナノ多孔質体20への吸着は気体から液体への相変化と同質の現象であり、吸着熱は凝縮潜熱にほぼ等しい。 As shown in FIG. 2A, a solid surface generally has high potential energy due to van der Waals force, and has the effect of condensing the molecules of the coolant 60 . In particular, in the nanoporous body 20 according to the present embodiment, as shown in FIG. 2B, the refrigerant 60 adsorbed to the nanoporous body 20 is surrounded by small nano-level pore walls, so that the solid surface The potential energy due to van der Waals force (physical adsorption force) is remarkably high. At this time, the gaseous refrigerant 60 is adsorbed on the pore walls of the nanoporous body 20 at the liquid density. That is, the adsorption to the nanoporous body 20 is a phenomenon similar to the phase change from gas to liquid, and the heat of adsorption is almost equal to the latent heat of condensation.

以下の説明では、冷媒60は、ナノ多孔質体20に吸着すると気体から液体へ相変化し、脱離すると液体から気体へ相変化するものとする。また、吸着熱は、凝縮潜熱に等しいとする。なお、ナノ多孔質体20への冷媒60の脱離および吸着による相変化は、後述する実施例において確認した。 In the following description, the refrigerant 60 undergoes a phase change from gas to liquid when adsorbed on the nanoporous body 20, and undergoes a phase change from liquid to gas when desorbed. Also, the heat of adsorption is assumed to be equal to the latent heat of condensation. The phase change due to the desorption and adsorption of the refrigerant 60 to the nanoporous body 20 was confirmed in Examples described later.

図3は、冷媒60の状態図を示す。図3中に点線で示すように、ナノ多孔質体20の細孔壁に吸着された細孔内部の液体密度の冷媒60は、飽和蒸気圧よりも低い圧力の蒸気と平衡状態となっている。すなわち、ナノ多孔質体20の細孔壁に吸着された気体は、飽和蒸気圧よりも低い圧力で液体の状態となる。 FIG. 3 shows a state diagram of refrigerant 60 . As indicated by the dotted line in FIG. 3, the liquid-density coolant 60 inside the pores adsorbed on the pore walls of the nanoporous body 20 is in equilibrium with the vapor at a pressure lower than the saturated vapor pressure. . That is, the gas adsorbed on the pore walls of the nanoporous body 20 becomes liquid at a pressure lower than the saturated vapor pressure.

図4Aは、ナノ多孔質体20を収縮させて冷媒60を脱離させる様子を示す図である。図4Aに示すように、ナノ多孔質体20は、応力を印加する(仕事Wns[J])と細孔が収縮し、細孔壁に吸着していた冷媒60は脱離する。このとき、液体の密度で吸着された冷媒60は、再び気体としてナノ多孔質体20の外部に放出される。熱交換装置10は、この脱離の際の蒸発潜熱Q[J]を冷熱として利用することによって、対象を冷却することができる。 FIG. 4A is a diagram showing how the nanoporous body 20 is contracted to desorb the refrigerant 60. FIG. As shown in FIG. 4A, when stress is applied (work W ns [J]) to the nanoporous body 20, the pores contract and the refrigerant 60 adsorbed on the pore walls is desorbed. At this time, the refrigerant 60 adsorbed by the liquid density is released to the outside of the nanoporous body 20 again as a gas. The heat exchange device 10 can cool the object by using the latent heat of vaporization Q L [J] during this desorption as cold heat.

図4Bは、収縮したナノ多孔質体20を自由膨張させて冷媒60を吸着させる様子を示す図である。図4Bに示すように、ナノ多孔質体20は、応力を解放すると、ナノ多孔質体20は自由膨張して細孔が元の大きさに戻り、冷媒60を再び吸着させることができる。上述したように、冷媒60は、ナノ多孔質体20の細孔壁に液体の密度で吸着される。すなわち、冷媒60は、ナノ多孔質体20へ吸着される際に、気体から液体へ相変化して、凝縮潜熱Q[J]を発生する。 FIG. 4B is a diagram showing how the contracted nanoporous body 20 is allowed to expand freely to adsorb the coolant 60 . As shown in FIG. 4B, when the nanoporous body 20 is released from the stress, the nanoporous body 20 expands freely, the pores return to their original size, and the refrigerant 60 can be adsorbed again. As described above, the coolant 60 is adsorbed on the pore walls of the nanoporous body 20 at liquid density. That is, the refrigerant 60 undergoes a phase change from gas to liquid when adsorbed by the nanoporous body 20, and generates latent heat of condensation QH [J].

ナノ多孔質体20を構成する材料としては、弾性を有し、収縮して冷媒60を脱離可能で、かつ、膨張して冷媒60を吸着可能な材料であれば特に限定されない。そのような材料としては、例えば、ゼオライトテンプレートカーボン(ZTC;Zeorite Template Carbon)、グラフェンメソスポンジ(GMS;Graphene MesoSponge)等が挙げられる。ゼオライトテンプレートカーボン(以下、「ZTC」と称する。)およびグラフェンメソスポンジ(以下、「GMS」と称する。)は、いずれも単層グラフェン骨格からなり、冷媒60の脱離および吸着に必要な多孔性および弾性特性を有している。 The material constituting the nanoporous body 20 is not particularly limited as long as it is elastic, capable of desorbing the refrigerant 60 by shrinking, and capable of adsorbing the refrigerant 60 by expanding. Examples of such materials include zeolite template carbon (ZTC), graphene meso sponge (GMS), and the like. Zeolite template carbon (hereinafter referred to as “ZTC”) and graphene meso-sponge (hereinafter referred to as “GMS”) are both composed of a single-layer graphene skeleton and have porosity necessary for desorption and adsorption of the refrigerant 60. and elastic properties.

ZTCは、単層のグラフェンシートにより構成される。また、均一な細孔(直径約1.2nm)が三次元的に規則配列し、相互に連結しており、極めて高いBET比表面積と細孔容積を有する(最大でBET比表面積が4100m/g、細孔容積が1.8cc/g)ことが知られている。なお、ZTCの規則構造は、X線回折装置(Rigaku,MiniFlex600,CuK)を用いて分析した。また、ZTCのBET比表面積は、液体窒素吸着(77K)(Microtrac BEL,BELSORB-max)を用いて分析した。 A ZTC is composed of a single-layer graphene sheet. In addition, uniform pores (diameter about 1.2 nm) are arranged three-dimensionally and interconnected, and have extremely high BET specific surface area and pore volume (maximum BET specific surface area is 4100 m 2 / g, pore volume of 1.8 cc/g). The ordered structure of ZTC was analyzed using an X-ray diffractometer (Rigaku, MiniFlex600, CuK). In addition, the BET specific surface area of ZTC was analyzed using liquid nitrogen adsorption (77K) (Microtrac BEL, BELSORB-max).

ZTCの製造方法については、Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009)等に記載されている。具体的には、まず、構造内部に空孔を有し、この空孔が網目状に連結した構造を有する多孔質材料(例えば、ゼオライト等)を鋳型として準備する。そして、この多孔質材料の表面および空孔の内部に加熱条件下で有機化合物(例えば、アセチレン、エチレン等)を導入し、加熱することによって当該有機化合物を炭化し、多孔質材料に炭素を堆積させる。ここで、有機化合物の炭化・炭素の堆積は、例えば化学気相成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)法により行うことができる。そして、鋳型である多孔質材料を除去する。この方法により、鋳型の三次元構造を反映した炭素材料(すなわち、ZTC)を容易に製造することができる。上記の方法により製造されたZTCは柔軟性および弾性に優れ、細孔の直径が約1.2nmから約0.7nmになるまで可逆的に弾性変形することができる。 A method for producing ZTC is described in Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009) and the like. Specifically, first, a porous material (for example, zeolite, etc.) having a structure in which the pores are interconnected in a mesh-like manner is prepared as a template. Then, an organic compound (e.g., acetylene, ethylene, etc.) is introduced into the surface of the porous material and inside the pores under heating conditions, and the organic compound is carbonized by heating to deposit carbon on the porous material. Let Here, the carbonization of the organic compound and the deposition of carbon can be performed by, for example, a chemical vapor deposition (CVD) method. Then, the porous material that is the template is removed. By this method, a carbon material (that is, ZTC) reflecting the three-dimensional structure of the template can be easily produced. The ZTC produced by the above method has excellent flexibility and elasticity, and can be reversibly elastically deformed from about 1.2 nm to about 0.7 nm in pore diameter.

GMSもまた、細孔壁の大部分が単層グラフェンから構成され、約6nm程度の微小な細孔を有するスポンジ状のメソ多孔体であり、ZTCと同様、活性炭に匹敵する極めて高いBET比表面積(約2000m/g)を有している。その一方で、活性炭やカーボンブラックとは異なり腐食の原因となるグラフェンの端部をほとんど含んでいないことから、優れた耐食性(酸化耐性)も備えている。また、柔軟かつ強靭であるというグラフェンの性質に起因して、GMSは柔軟性および弾性に優れ、細孔の直径が約5.8nmから約0.7nmになるまで可逆的に弾性変形することができる。 GMS is also a sponge-like mesoporous material with pore walls mostly composed of single-layer graphene and having fine pores of about 6 nm. (about 2000 m 2 /g). On the other hand, unlike activated carbon and carbon black, it also has excellent corrosion resistance (oxidation resistance) because it contains almost no edges of graphene that cause corrosion. In addition, due to the flexible and tough properties of graphene, GMS has excellent flexibility and elasticity, and can undergo reversible elastic deformation from a pore diameter of about 5.8 nm to about 0.7 nm. can.

GMSの製造方法については、Nishihara, H. et al., Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427.に記載されている。具体的には、まず、ナノサイズの球状基材として、アルミナ等(例えば、γ-アルミナ)からなる金属酸化物ナノ粒子を準備する。この材料は後述するCVD法による炭素被覆に対する高い触媒活性と、優れた耐焼結耐性を有している。 A method for producing GMS is described in Nishihara, H. et al., Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427. Specifically, first, metal oxide nanoparticles made of alumina or the like (eg, γ-alumina) are prepared as nano-sized spherical substrates. This material has high catalytic activity for carbon coating by the CVD method, which will be described later, and excellent resistance to sintering.

続いて、有機化合物を炭素源として用いたCVD法により、上記で準備した球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面を炭素で被覆する。このCVD法を用いた炭素被覆によれば、球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の全表面に均一な炭素層を形成することが可能である。なお、この際に用いられる有機化合物としては、メタン、アセチレン、エチレン、プロピレン、ベンゼン等が挙げられるが、なかでも特に大量の炭素結晶による被覆が達成されうるという観点からは、メタンを炭素源として用いることが好ましい。なお、CVDプロセスにおいては、ガス流の流れを良くする目的で、石英砂(珪砂)などのスペーサーを球状基材(金属酸化物ナノ粒子)と混合した状態で有機化合物を導入してもよい。また、有機化合物の導入には窒素等の不活性ガスをキャリアガスとして用いてもよく、キャリアガスと炭素源(有機化合物)との混合ガスにおける炭素源の濃度は10~30体積%程度とすることが好ましい。 Subsequently, the surface of the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) prepared above is coated with carbon by a CVD method using an organic compound as a carbon source. According to carbon coating using this CVD method, it is possible to form a uniform carbon layer on the entire surface of the spherical substrate (metal oxide nanoparticles). Examples of organic compounds used in this case include methane, acetylene, ethylene, propylene, and benzene. Among them, methane is preferred as a carbon source from the viewpoint that a large amount of carbon crystal coating can be achieved. It is preferable to use In the CVD process, the organic compound may be introduced in a state in which a spacer such as quartz sand (silica sand) is mixed with the spherical base material (metal oxide nanoparticles) for the purpose of improving the gas flow. Also, an inert gas such as nitrogen may be used as a carrier gas for introducing the organic compound, and the concentration of the carbon source in the mixed gas of the carrier gas and the carbon source (organic compound) is about 10 to 30% by volume. is preferred.

CVDプロセスが進行すると試料の色は黒色に変化する一方で当該試料を内包する反応容器(例えば、石英管)は透明に維持されることから、炭素の堆積は球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面上のみに生じていることが確認できる。ここで、CVDプロセスを経ても球状基材(金属酸化物ナノ粒子)は焼結していないため、炭素被覆された球状基材の形状は炭素被覆前からほとんど変化しない。このようにして球状基材(金属酸化物ナノ粒子)の表面に被覆された炭素層の(平均)積層数は、CVDプロセスにおいて投入した炭素源(有機化合物)の量のほか、CVDの際の処理温度および処理時間などに基づいて制御可能であり、最終的に得られるGMSにおけるグラフェン層の(平均)積層数に対応している。この(平均)積層数の値は特に制限されないが、冷媒60に対して優れた脱離/吸着特性を示すという観点から、好ましくは0.90~3.0であり、より好ましくは0.95~2.0であり、さらに好ましくは0.98~1.5であり、特に好ましくは1.0~1.1である。なお、CVDプロセスにおける処理温度および処理時間についても特に制限はないが、処理温度は好ましくは800~1000℃であり、より好ましくは850~950℃である。また、処理時間は好ましくは1~10時間であり、より好ましくは2~6時間である。 As the CVD process progresses, the color of the sample changes to black, while the reaction vessel (e.g., quartz tube) containing the sample remains transparent. ) can be confirmed to occur only on the surface. Here, since the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) is not sintered even after the CVD process, the shape of the carbon-coated spherical substrate hardly changes from before the carbon coating. The (average) stacking number of the carbon layers coated on the surface of the spherical base material (metal oxide nanoparticles) in this way depends on the amount of the carbon source (organic compound) input in the CVD process, as well as the amount of the CVD process. It can be controlled based on the treatment temperature, treatment time, etc., and corresponds to the (average) number of stacked graphene layers in the finally obtained GMS. The value of this (average) lamination number is not particularly limited, but from the viewpoint of exhibiting excellent desorption/adsorption characteristics with respect to the refrigerant 60, it is preferably 0.90 to 3.0, more preferably 0.95. to 2.0, more preferably 0.98 to 1.5, and particularly preferably 1.0 to 1.1. The processing temperature and processing time in the CVD process are not particularly limited, but the processing temperature is preferably 800 to 1000.degree. C., more preferably 850 to 950.degree. Also, the treatment time is preferably 1 to 10 hours, more preferably 2 to 6 hours.

その後、鋳型として用いられた球状基材(金属酸化物ナノ粒子)を化学エッチングによって除去し、当該球状基材の表面に被覆された炭素層のみを残す。この際、化学エッチングには強酸または強塩基の水溶液を用いればよい。強酸としては、例えば、フッ酸(HF)が挙げられる(この場合には室温でのエッチングが可能である)。また、強塩基としては、例えば、水酸化ナトリウム(NaOH)が挙げられる(この場合には200~300℃程度に加熱することが好ましい)。化学エッチングによって球状基材(金属酸化物ナノ粒子)が除去されると、GMSの前駆体として、球状のメソ孔を有する炭素メソスポンジ(CMS;Carbon MesoSponge)が得られる。 After that, the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) used as the template is removed by chemical etching, leaving only the carbon layer coated on the surface of the spherical substrate. At this time, an aqueous solution of strong acid or strong base may be used for chemical etching. Examples of strong acids include hydrofluoric acid (HF) (in this case, etching at room temperature is possible). Also, examples of strong bases include sodium hydroxide (NaOH) (in this case, heating to about 200 to 300° C. is preferred). When the spherical substrate (metal oxide nanoparticles) is removed by chemical etching, Carbon MesoSponges (CMS) with spherical mesopores are obtained as precursors of GMS.

最後に、このようにして得られた炭素メソスポンジ(CMS)を必要に応じて水洗した後、減圧条件下において、1500~2000℃(好ましくは1700~1900℃)程度の温度で、30分間~2時間程度の熱処理を施す。これにより、炭素層のグラフェンへの結晶化が進行し、GMSが得られる。ここで、炭素メソスポンジ(CMS)の有する球状のメソ孔は上述した熱処理の際の高温に対しても非常に安定であることから、このようにして得られたGMSにおいても炭素メソスポンジ(CMS)と同様のメソ孔が保持されている。GMSはこのようなメソ孔を有していることから、スポンジのように柔軟に弾性変形が可能である。このため、収縮して冷媒60を脱離可能であると共に、膨張しては冷媒60を吸着可能であり、本実施形態に係る熱交換装置10におけるナノ多孔質体20として好適に用いられうる。 Finally, after washing the carbon meso-sponge (CMS) thus obtained with water as necessary, it is heated at a temperature of about 1500 to 2000° C. (preferably 1700 to 1900° C.) for 30 minutes or more under reduced pressure conditions. Heat treatment is performed for about 2 hours. Thereby, crystallization of the carbon layer into graphene proceeds to obtain GMS. Here, since the spherical mesopores of the carbon meso-sponge (CMS) are extremely stable even at high temperatures during the heat treatment described above, the carbon meso-sponge (CMS ) retains the same mesopores. Since GMS has such mesopores, it can be flexibly elastically deformed like a sponge. Therefore, it can shrink to desorb the refrigerant 60 and expand to adsorb the refrigerant 60, and can be suitably used as the nanoporous body 20 in the heat exchange device 10 according to the present embodiment.

[応力付与部31A、31B]
応力付与部31A、31Bは、図4Aに示すようにナノ多孔質体20に応力を印加して収縮させ、図4Bに示すように印加した応力を解放してナノ多孔質体20を自由膨張させる。これにより、応力付与部31A、31Bは、ナノ多孔質体20の細孔径を外部からの応力で制御することができる。
[Stress applying parts 31A and 31B]
The stress-applying parts 31A and 31B apply stress to the nanoporous body 20 to contract it as shown in FIG. 4A, and release the applied stress to allow the nanoporous body 20 to expand freely as shown in FIG. 4B. . Thereby, the stress-applying parts 31A and 31B can control the pore diameter of the nanoporous body 20 by external stress.

応力付与部31A、31Bは、ナノ多孔質体20に対して接近離反する方向に往復運動してナノ多孔質体20に応力を印加および解放することができる限りにおいてその構成は特に限定されない。応力付与部31A、31Bとしては、例えば、モーターの回転運動を利用した機械式プレス機や油圧等の流体圧を利用した液圧式プレス機などを使用することができる。 The configuration of the stress-applying parts 31A and 31B is not particularly limited as long as they can reciprocate toward and away from the nanoporous body 20 to apply and release stress to the nanoporous body 20 . As the stress applying units 31A and 31B, for example, a mechanical press using rotational motion of a motor, a hydraulic press using fluid pressure such as oil pressure, or the like can be used.

[チャンバー32A、32B]
チャンバー32A、32Bは、内部にナノ多孔質体20を収容する空間を有する容器である。チャンバー32A、32Bの内部は、真空または真空に近い低圧に保たれている。このため、冷媒60は比較的低い温度において液体から気体へ相変化することができる(図3を参照)。
[Chambers 32A, 32B]
The chambers 32A and 32B are containers having a space for accommodating the nanoporous body 20 inside. The interiors of the chambers 32A and 32B are maintained at a vacuum or a low pressure close to vacuum. Therefore, the refrigerant 60 can undergo a phase change from liquid to gas at relatively low temperatures (see FIG. 3).

[空気調節部33A、33B]
空気調節部33A、33Bは、チャンバー32A、32B内を低温の空気と熱伝導させた冷却状態と、高温の空気と熱伝導させた排熱状態とを切り替える。本実施形態の熱交換装置10は、対象を冷却するための装置であるため、低温の空気は、冷却する対象の雰囲気に相当する。空気調節部33A、33Bは、冷却状態にして対象を冷却するために必要な冷熱を熱交換部30A、30Bから取り出す。また、空気調節部33A、33Bは、排熱状態にして熱交換部30A、30Bから発生した熱を排熱する。
[Air control units 33A and 33B]
The air control units 33A and 33B switch between a cooling state in which heat is conducted with low-temperature air in the chambers 32A and 32B and an exhaust heat state in which heat is conducted with high-temperature air. Since the heat exchange device 10 of this embodiment is a device for cooling an object, low-temperature air corresponds to the atmosphere of the object to be cooled. The air conditioning units 33A and 33B take out the cold heat required to cool the target from the heat exchange units 30A and 30B. In addition, the air conditioning units 33A and 33B are placed in an exhaust heat state to exhaust the heat generated from the heat exchange units 30A and 30B.

熱交換装置10を自動車のカーエアコン(冷房)に適用する場合は、例えば、低温の空気を車室内空気(内気)とし、高温の空気を車室外空気(外気)とすることができる。冷房を使用する夏季は、外気温度が内気温度よりも高く、例えば、外気温度は約303K、内気温度は約298Kとなる。以下の説明では、低温の空気を車室内の「内気」、高温の空気を車室外の「外気」として説明する。 When the heat exchange device 10 is applied to a car air conditioner (cooling) of an automobile, for example, the low-temperature air can be used as the vehicle interior air (inside air), and the high-temperature air can be used as the vehicle exterior air (outside air). In the summer when air conditioning is used, the outside temperature is higher than the inside temperature, for example, the outside temperature is about 303K and the inside temperature is about 298K. In the following description, low-temperature air will be referred to as "inside air" inside the vehicle compartment, and high-temperature air will be referred to as "outside air" outside the vehicle compartment.

[制御部40]
制御部40は、例えば、図示しないCPU(中央演算装置)、RAM(Random Access Memory)、およびコンピュータ読み取り可能な記録媒体等から構成されている。後述の制御を実現するための一連の処理の過程は、プログラムの形式で記録媒体等に記録されており、このプログラムをCPUがRAM等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、後述の制御が実現される。
[Control unit 40]
The control unit 40 includes, for example, a CPU (Central Processing Unit), a RAM (Random Access Memory), and a computer-readable recording medium (not shown). A series of processes for realizing the control described later is recorded in a recording medium or the like in the form of a program. , the control described later is realized.

制御部40は、応力付与部31A、31Bおよび空気調節部33A、33Bの動作を制御する。制御部40は、熱交換部30A、30Bにおける動作モードを、冷媒60をナノ多孔質体20から脱離させる脱離モードと、冷媒60をナノ多孔質体20に吸着させる吸着モードとに切り替える。 The control unit 40 controls the operations of the stress applying units 31A and 31B and the air conditioning units 33A and 33B. The control unit 40 switches the operation mode of the heat exchange units 30</b>A and 30</b>B between a desorption mode in which the refrigerant 60 is desorbed from the nanoporous body 20 and an adsorption mode in which the nanoporous body 20 adsorbs the refrigerant 60 .

[冷媒60]
本実施形態では冷媒60として水を用いる。一般的な蒸気圧縮式の熱交換装置では、フロロカーボン系のHFC-134aが冷媒として広く用いられている。一般的な作用圧力は0.34~1.2MPa、温度範囲は277~323Kであり、高圧での運転が必要となるが、室温付近での運転が可能であり、その成績係数COPは、5~7程度である。一方で、水は、HFC-134aに対して、約16倍の蒸発潜熱を有するため、理論的には得られる冷熱は16倍になる。また、HFC-134a等のフロロカーボン系冷媒において、オゾン層破壊の問題は改善されてきているが、依然として地球温暖化係数は大きい。これに対して、水に代表される自然冷媒は、地球環境に悪影響を及ぼさない。
[Refrigerant 60]
Water is used as the coolant 60 in this embodiment. Fluorocarbon-based HFC-134a is widely used as a refrigerant in general vapor compression type heat exchangers. The general operating pressure is 0.34 to 1.2 MPa and the temperature range is 277 to 323 K. Although operation at high pressure is required, it is possible to operate near room temperature, and its coefficient of performance COP is 5. ~7. On the other hand, since water has a latent heat of vaporization about 16 times that of HFC-134a, theoretically, the cold heat obtained is 16 times that of HFC-134a. Fluorocarbon refrigerants such as HFC-134a have improved the problem of ozone depletion, but still have a large global warming potential. On the other hand, natural refrigerants represented by water do not adversely affect the global environment.

以上の理由から、冷媒60として水を用いることによって成績係数COPを向上できると共に地球環境にやさしい熱交換装置10を提供することができる。 For the above reasons, by using water as the refrigerant 60, it is possible to improve the coefficient of performance COP and provide the heat exchange device 10 that is friendly to the global environment.

なお、本発明に適用できる冷媒60は、水に限定されず、例えば、後述する実施例2のようにエタノールを用いることもできる。 Note that the coolant 60 applicable to the present invention is not limited to water, and ethanol may be used, for example, as in Example 2 described later.

<熱交換装置10の熱サイクル>
次に、図5を参照して、熱交換装置10による熱サイクルについて説明する。図5は、熱交換装置10の熱サイクルのT-S線図を示す。なお、本発明では、冷媒60を次の4種類に分けて考える。第1の種類は恒久的にナノ多孔質体20に吸着した状態で留まる分であり、これを冷媒61とする。第2の種類は、ナノ多孔質体20への応力印加や自由膨張により脱離および吸着するもののうち、内気の冷却に関与しない分であり、これを冷媒62とする。第3の種類は、ナノ多孔質体20への応力印加や自由膨張により脱離および吸着するもののうち、内気の冷却に関与する分であり、これを冷媒63とする。第4の種類は、ナノ多孔質体20に吸着せずに恒久的に気相として存在する分であり、これを冷媒64とする。なお、図5で考慮しているのは、冷媒63のみである。
<Heat cycle of heat exchange device 10>
Next, with reference to FIG. 5, the heat cycle by the heat exchange device 10 will be described. FIG. 5 shows a TS diagram of the thermal cycle of the heat exchange device 10. As shown in FIG. In the present invention, the refrigerant 60 is classified into the following four types. The first type is the part that stays permanently adsorbed on the nanoporous body 20 , and this is referred to as the refrigerant 61 . The second type is the refrigerant 62 , which is desorbed and adsorbed by applying stress to the nanoporous body 20 and by free expansion and not involved in cooling the internal air. The third type is the refrigerant 63 that is involved in the cooling of the inside air among those that are desorbed and adsorbed by stress application and free expansion to the nanoporous body 20 . The fourth type is a portion that permanently exists as a gaseous phase without being adsorbed on the nanoporous body 20 , and is referred to as a refrigerant 64 . It should be noted that only the coolant 63 is considered in FIG.

熱交換装置10の熱サイクルは、逆カルノーサイクルである。逆カルノーサイクルは、状態1→状態2→状態3→状態4の順に冷媒63の状態を変化させる。図5中の状態1から状態2のプロセスは加熱、状態2から状態3のプロセスは等圧等温の吸着、状態3から状態4のプロセスは冷却、状態4から状態1のプロセスは等圧等温の脱離の各行程を示す。ここで、冷媒63は、状態1では低温Tの飽和蒸気であり、状態2では高温Tの過熱蒸気であり、状態3では高温Tの液体であり、状態4では低温Tの液体である。ここで、温度TとTは等しくTであり、温度TとTは等しくTである。 The thermal cycle of the heat exchange device 10 is a reverse Carnot cycle. The reverse Carnot cycle changes the state of the refrigerant 63 in the order of state 1→state 2→state 3→state 4. FIG. In FIG. 5, the process from state 1 to state 2 is heating, the process from state 2 to state 3 is isobaric isothermal adsorption, the process from state 3 to state 4 is cooling, and the process from state 4 to state 1 is isobaric isothermal. Each step of desorption is shown. Here, the refrigerant 63 is a saturated vapor with a low temperature T1 in state 1, a superheated vapor with a high temperature T2 in state 2, a liquid with a high temperature T3 in state 3, and a liquid with a low temperature T4 in state 4 . is. Here, temperatures T1 and T4 are equally T L and temperatures T2 and T3 are equally T H.

状態1から状態2では、冷媒63は、低温Tの飽和蒸気から加熱されて高温Tの過熱蒸気になる。このとき、冷媒63は、気体のまま相変化せずに温度が上昇する。同時に、冷媒61およびナノ多孔質体20の温度をTからTに上昇させるために顕熱Qsh1-2[J]が吸熱される。なお、冷媒63は気体であり、その顕熱は液体である冷媒61の顕熱に比べて小さいため無視できる。熱交換装置10の熱サイクルでは、「顕熱」は、冷媒61の温度変化に必要な熱量のみでなく、ナノ多孔質体20の温度変化に必要な熱量も含むものとする。 From state 1 to state 2, the refrigerant 63 is heated from saturated vapor of low temperature T L to superheated vapor of high temperature T H . At this time, the temperature of the refrigerant 63 rises without undergoing a phase change while remaining gaseous. At the same time, sensible heat Q sh1-2 [J] is absorbed to raise the temperature of the coolant 61 and the nanoporous body 20 from T L to T H . Note that the refrigerant 63 is gas, and its sensible heat is smaller than that of the liquid refrigerant 61, so it can be ignored. In the heat cycle of the heat exchange device 10 , “sensible heat” includes not only the amount of heat required to change the temperature of the refrigerant 61 but also the amount of heat required to change the temperature of the nanoporous body 20 .

状態2から状態3では、収縮していたナノ多孔質体20が自由膨張することによって、冷媒63はナノ多孔質体20の細孔内に吸着する(図4Bを参照)。吸着により、冷媒63は、気体(水蒸気)から液体(水)へと相変化する。相変化に伴って凝縮潜熱Q[J]が排熱される。 From State 2 to State 3, the contracted nanoporous body 20 expands freely, and the coolant 63 is adsorbed in the pores of the nanoporous body 20 (see FIG. 4B). Due to the adsorption, the refrigerant 63 undergoes a phase change from gas (steam) to liquid (water). Condensation latent heat Q H [J] is exhausted with the phase change.

状態3から状態4では、冷媒63は、高温Tの液体から冷却されて低温Tの液体になる。このとき、冷媒61および63は、液体のまま相変化せずに温度が低下する。冷媒61、63およびナノ多孔質体20の温度をTからTに低下させるために、顕熱Qsh[J]が排熱される。なお、状態3および状態4では、冷媒63は、細孔内に吸着した状態である。また、状態3から状態4に至る間、気体である冷媒62が温度低下に伴いナノ多孔質体20Aに吸着されるため、系の気相圧力は一旦低下するが、ナノ多孔質体20を収縮させ冷媒62を脱離させることで系の気相圧力を元に戻し状態4に至らしめるものとする。 From state 3 to state 4, the refrigerant 63 is cooled from a hot T H liquid to a cold T L liquid. At this time, the temperature of the refrigerants 61 and 63 decreases without undergoing a phase change while remaining liquid. The sensible heat Q sh [J] is exhausted to lower the temperature of the refrigerants 61, 63 and the nanoporous body 20 from T H to T L . In states 3 and 4, the refrigerant 63 is in a state of being adsorbed within the pores. In addition, between state 3 and state 4, the refrigerant 62, which is a gas, is adsorbed by the nanoporous body 20A as the temperature drops, so the gas phase pressure of the system drops once, but the nanoporous body 20 contracts. The gas phase pressure of the system is returned to the original state by desorbing the refrigerant 62 .

状態4から状態1では、ナノ多孔質体20を収縮させて冷媒63を脱離する(図4Aを参照)。状態3から状態4に至る間にナノ多孔質体20を収縮させるために必要な外部からの仕事と、状態4から状態1に至る間にナノ多孔質体20を収縮させるために必要な外部からの仕事との和をWns[J]とする。また、脱離により冷媒63は、液体(水)から気体(水蒸気)へと相変化する。相変化に伴って蒸発潜熱Q[J]が吸熱される。熱交換装置10は、蒸発潜熱Q[J]を冷熱として利用することにより対象を冷却することができる。 From State 4 to State 1, the nanoporous body 20 is contracted to desorb the coolant 63 (see FIG. 4A). The external work required to shrink the nanoporous body 20 from state 3 to state 4 and the external work required to shrink the nanoporous body 20 from state 4 to state 1 Let W ns [J] be the sum of the work of Further, the desorption causes the refrigerant 63 to undergo a phase change from liquid (water) to gas (water vapor). The latent heat of vaporization Q L [J] is absorbed with the phase change. The heat exchange device 10 can cool the object by using the latent heat of vaporization Q L [J] as cold heat.

<熱交換装置10の制御方法>
次に、図6A~図6Hを参照して、本実施形態の熱交換装置10の制御方法について説明する。なお、以下の説明において、状態1~4は、図5に示す状態1~4のことを意味する。また、応力付与部31A、31Bおよび空気調節部33A、33Bの動作は、制御部40が制御する。
<Method for controlling heat exchange device 10>
Next, a control method for the heat exchange device 10 of this embodiment will be described with reference to FIGS. 6A to 6H. In the following description, states 1 to 4 mean states 1 to 4 shown in FIG. The control unit 40 controls the operations of the stress applying units 31A and 31B and the air conditioning units 33A and 33B.

図6A~図6Hに示すように、本実施形態の熱交換装置10は、一対の熱交換部30A、30Bのうち一方の熱交換部の動作モードが脱離モードである間は他方の熱交換部の動作モードが吸着モードになるようにスイング運転する。 As shown in FIGS. 6A to 6H, in the heat exchange device 10 of the present embodiment, while the operation mode of one of the pair of heat exchange units 30A and 30B is in the desorption mode, the other heat exchange unit is in the desorption mode. Swing operation is performed so that the operation mode of the part becomes the adsorption mode.

図6A~図6H中の「内気」は、空気調節部33A、33Bによってチャンバー32A、32B内を冷却対象である低温の空気(車室内空気)と熱伝導させた状態を示す。また、図6A~図6H中の「外気」は、空気調節部33A、33Bによってチャンバー32A、32B内を高温の空気(車室外空気)と熱伝導させた状態を示す。なお、空気調節部33A、33Bの図示は省略する。 "Internal air" in FIGS. 6A to 6H indicates a state in which heat is conducted between the interiors of the chambers 32A and 32B and the low-temperature air (vehicle interior air) to be cooled by the air conditioning units 33A and 33B. "Outside air" in FIGS. 6A to 6H indicates a state in which heat is conducted between the chambers 32A and 32B with high-temperature air (vehicle outside air) by the air control units 33A and 33B. Illustration of the air conditioning units 33A and 33B is omitted.

[第1熱交換部30A:脱離モード、第2熱交換部30B:吸着モード]
図6A~図6Cは、第1熱交換部30Aが脱離モード、第2熱交換部30Bが吸着モードの状態の熱交換装置10を示す。
[First heat exchange part 30A: desorption mode, second heat exchange part 30B: adsorption mode]
6A to 6C show the heat exchange device 10 with the first heat exchange section 30A in the desorption mode and the second heat exchange section 30B in the adsorption mode.

(脱離モード/吸着モードの開始)
図6Aは、第1熱交換部30Aの脱離モードおよび第2熱交換部30Bの吸着モードの開始時の状態を示す。この時、第1チャンバー32A内の冷媒63は、状態3と状態4との間、第2チャンバー32B内の冷媒63は、状態1と状態2との間のそれぞれ途中段階にある。第1チャンバー32A内の第1ナノ多孔質体20Aは、第1応力付与部31Aからの応力印加がなく自由膨張した状態である。第2チャンバー32B内の第2ナノ多孔質体20Bは、第2応力付与部31Bからの応力印加によって収縮した状態である。なお、バルブ51は閉じた状態である。
(Start of desorption mode/adsorption mode)
FIG. 6A shows the state at the start of the desorption mode of the first heat exchange section 30A and the adsorption mode of the second heat exchange section 30B. At this time, the refrigerant 63 in the first chamber 32A is between states 3 and 4, and the refrigerant 63 in the second chamber 32B is in the middle between states 1 and 2, respectively. The first nanoporous body 20A in the first chamber 32A is in a state of free expansion without application of stress from the first stress applying section 31A. The second nanoporous body 20B in the second chamber 32B is in a contracted state due to the application of stress from the second stress applying section 31B. Note that the valve 51 is in a closed state.

第1チャンバー32A内の冷媒62および63は、温度Tにて第1ナノ多孔質体20Aに吸着が完了した状態である。この時、第1チャンバー32Aの気相圧力は状態3および状態4より低い状態にある。第2チャンバー32B内の冷媒62および63は、温度Tにて第2ナノ多孔質体20Bから脱離が完了した状態である。この時、第2チャンバー32Bの気相圧力は状態2および状態3より高い状態にある。なお、吸着が完了した第1チャンバー32A内においても、冷媒64は吸着されずに気体の状態で残る。同様に、脱離が完了した第2チャンバー32B内においても、冷媒61は脱離されずに液体の状態で恒久的にナノ多孔質体20の内部に吸着された状態で残る。この恒久的にナノ多孔質体20に残る冷媒61は、顕熱変化のみを後述する成績係数COPの計算に考慮する。 The refrigerants 62 and 63 in the first chamber 32A are in a state of being completely adsorbed by the first nanoporous body 20A at a temperature T4 . At this time, the gas phase pressure in the first chamber 32A is lower than states 3 and 4. The refrigerants 62 and 63 in the second chamber 32B are in a state of having completely desorbed from the second nanoporous body 20B at temperature T2 . At this time, the gas phase pressure of the second chamber 32B is higher than the states 2 and 3. Even in the first chamber 32A where adsorption is completed, the refrigerant 64 remains in a gaseous state without being adsorbed. Similarly, even in the second chamber 32B where the desorption is completed, the refrigerant 61 remains in a state of being permanently adsorbed inside the nanoporous body 20 in a liquid state without being desorbed. As for the refrigerant 61 permanently remaining in the nanoporous body 20, only the sensible heat change is considered in the calculation of the coefficient of performance COP described later.

第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内を冷却対象である内気と熱伝導させた状態である。第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内を外気と熱伝導させた状態である。 In the first heat exchange section 30A, heat is conducted between the inside of the first chamber 32A and the internal air to be cooled. In the second heat exchange section 30B, heat is conducted between the inside of the second chamber 32B and the outside air.

第1チャンバー32A内の温度Tは、第2チャンバー32B内の温度Tよりも低い。また、第1チャンバー32Aの内圧は、第2チャンバー32Bの内圧よりも低い。このため、バルブ51は閉じた状態とする。 The temperature T4 within the first chamber 32A is lower than the temperature T2 within the second chamber 32B. Also, the internal pressure of the first chamber 32A is lower than the internal pressure of the second chamber 32B. Therefore, the valve 51 is closed.

第1熱交換部30Aは、脱離モードを開始すると、第1応力付与部31Aによって第1ナノ多孔質体20Aに圧縮応力を印加して第1ナノ多孔質体20Aを収縮させる。これにより、第1ナノ多孔質体20Aの細孔が収縮して、冷媒62を脱離する。 When the first heat exchanging part 30A starts the desorption mode, the first stress applying part 31A applies compressive stress to the first nanoporous body 20A to shrink the first nanoporous body 20A. As a result, the pores of the first nanoporous body 20A are shrunk and the coolant 62 is desorbed.

熱交換装置10では、第1熱交換部30Aと第2熱交換部30Bとが交互に脱離モードとなるが、COP計算に関係するのは、いずれかの熱交換部が脱離モードにおいて冷媒62および63を脱離するために必要な仕事Wns[J]である。 In the heat exchange device 10, the first heat exchange section 30A and the second heat exchange section 30B are alternately in the desorption mode. is the work W ns [J] required to desorb 62 and 63;

冷媒60は、脱離によって第1チャンバー32A内の圧力を増加させ、系を状態4に至らしめる。冷媒62の相変化に伴って蒸発潜熱QL3-4[J]が発生する。後述において説明するが、この蒸発潜熱QL3-4[J]は、図6Hに示す冷媒62の凝縮潜熱QH3-4[J]の分を相殺するために使われるため冷熱として利用されない。 Refrigerant 60 increases the pressure in first chamber 32A by desorption, bringing the system to state 4. As the refrigerant 62 changes phase, latent heat of vaporization Q L3-4 [J] is generated. As will be described later, this latent heat of vaporization Q L3-4 [J] is used to offset the latent heat of condensation Q H3-4 [J] of refrigerant 62 shown in FIG. 6H, and is not used as cold heat.

一方で、第2熱交換部30Bは、吸着モードを開始すると、第2応力付与部31Bから第1ナノ多孔質体20Aに印加した応力を解放する。これにより、第2ナノ多孔質体20Bが自由膨張して細孔が元の形状に復元すると同時に、蒸気として存在している冷媒62を吸着する。すると第2チャンバー32B内の圧力は減少し、系は状態2に至る。相変化に伴って凝縮潜熱QH1-2[J]が発生する。凝縮潜熱QH1-2[J]は、空気調節部33Bによって外気へ排熱される。 On the other hand, when the adsorption mode is started, the second heat exchange section 30B releases the stress applied from the second stress applying section 31B to the first nanoporous body 20A. As a result, the second nanoporous body 20B expands freely to restore the original shape of the pores, and at the same time adsorbs the refrigerant 62 present as vapor. The pressure in the second chamber 32B then decreases and the system reaches state 2. Condensation latent heat Q H1-2 [J] is generated with the phase change. The latent heat of condensation Q H1-2 [J] is exhausted to the outside air by the air control section 33B.

上記プロセス中は、第1チャンバー32Aの内圧(蒸気圧)が上昇する一方で、第2チャンバー32Bの内圧(蒸気圧)は低下する。上記プロセス開始時は、第1チャンバー32Aの内圧が第2チャンバー32Bの内圧よりも低いため、第1チャンバー32Aの内圧は、第2チャンバー32Bの内圧に近づく。 During the above process, the internal pressure (vapor pressure) of the first chamber 32A increases, while the internal pressure (vapor pressure) of the second chamber 32B decreases. At the start of the process, the internal pressure of the first chamber 32A is lower than the internal pressure of the second chamber 32B, so the internal pressure of the first chamber 32A approaches the internal pressure of the second chamber 32B.

(バルブ51を開く)
図6Bに示すように、第1チャンバー32Aの内圧と第2チャンバー32Bの内圧が等しくなったとき、バルブ51を開く。この時、第1チャンバー32A内の冷媒63は状態4、第2チャンバー32B内の冷媒63は状態2にある。バルブ51を開いた以降は、第1チャンバー32Aにおいて脱離した状態1の飽和蒸気は、配管50を介して第2チャンバー32Bへと移動して温度Tの過熱蒸気へと変化する。このように、飽和蒸気の冷媒63が第1チャンバー32Aから第2チャンバー32Bへ連続的に供給される。状態2から状態3へのエンタルピー変化(H-H)は、第2チャンバー32Bから外気へ排熱する熱量Q[J]に相当する。
(open valve 51)
As shown in FIG. 6B, the valve 51 is opened when the internal pressure of the first chamber 32A and the internal pressure of the second chamber 32B become equal. At this time, the coolant 63 in the first chamber 32A is in state 4, and the coolant 63 in the second chamber 32B is in state 2. After the valve 51 is opened, the desorbed saturated steam in state 1 in the first chamber 32A moves to the second chamber 32B via the pipe 50 and changes to superheated steam at temperature T2 . In this manner, the saturated vapor refrigerant 63 is continuously supplied from the first chamber 32A to the second chamber 32B. The enthalpy change (H 3 −H 2 ) from state 2 to state 3 corresponds to the amount of heat Q H [J] exhausted from the second chamber 32B to the outside air.

第1熱交換部30Aでは、冷媒63の脱離によって蒸発潜熱Q[J]が発生する。バルブ51を開いた後の蒸発潜熱Q[J]は、内気を冷却するための冷熱として利用される。 In the first heat exchange portion 30A, latent heat of vaporization Q L [J] is generated by desorption of the refrigerant 63 . The latent heat of vaporization Q L [J] after opening the valve 51 is utilized as cold heat for cooling the inside air.

(脱離モード/吸着モードの終了;バルブ51を閉じる)
図6Cは、第2ナノ多孔質体20Bがこれ以上自由膨張しない限界に達した状態を示す。この状態で第2熱交換部30Bの吸着モードを終了する。吸着モードの終了と同時に、第1熱交換部30Aは、第1ナノ多孔質体20Aへの応力印加を停止して脱離モードを終了する。脱離モード/吸着モードを終了したら、バルブ51を閉じる。
(End of desorption mode/adsorption mode; close valve 51)
FIG. 6C shows a state where the second nanoporous body 20B has reached a limit where it can no longer expand freely. In this state, the adsorption mode of the second heat exchange section 30B ends. Simultaneously with the end of the adsorption mode, the first heat exchange section 30A stops applying stress to the first nanoporous body 20A and ends the desorption mode. After finishing the desorption/adsorption mode, the valve 51 is closed.

脱離モードおよび吸着モードを終了した段階で、第1チャンバー32A内の冷媒63は、状態1であり、第2チャンバー32B内の冷媒63は、状態3である。第1チャンバー32A内の温度Tは、第2チャンバー32B内の温度Tよりも低い状態のままである。また、バルブ51を閉じた直後は、第1チャンバー32Aの内圧と第2チャンバー32Bの内圧は等しい。この時、第1チャンバー32A内で冷媒62の一部は、ナノ多孔質体20Aに吸着されている。また、第2チャンバー32B内で冷媒62の一部は、気相として存在している。 At the stage when the desorption mode and the adsorption mode are finished, the refrigerant 63 in the first chamber 32A is in state 1 and the refrigerant 63 in the second chamber 32B is in state 3. The temperature T L in the first chamber 32A remains lower than the temperature T H in the second chamber 32B. Also, immediately after the valve 51 is closed, the internal pressure of the first chamber 32A and the internal pressure of the second chamber 32B are equal. At this time, part of the coolant 62 is adsorbed on the nanoporous body 20A within the first chamber 32A. Also, part of the refrigerant 62 exists in the gas phase within the second chamber 32B.

[動作モードの切り替え]
図6Dは、熱交換部30Aの動作モードを切り替える状態を示す図である。第1熱交換部30Aを吸着モードに切り替え、第2熱交換部30Bを脱離モードに切り替える。
[Switch operation mode]
FIG. 6D is a diagram showing a state in which the operation mode of the heat exchange section 30A is switched. The first heat exchange section 30A is switched to adsorption mode, and the second heat exchange section 30B is switched to desorption mode.

第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内を内気と熱伝導した状態から、外気と熱伝導した状態に切り替える。第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内を外気と熱伝導した状態から内気と熱伝導した状態に切り替える。外気は内気よりも高温のため、第1チャンバー32A内の温度がTからTに上昇し、第2チャンバー32B内の温度がTからTに低下する。 In the first heat exchange section 30A, the state in which heat is conducted in the first chamber 32A with the inside air is switched to the state in which heat is conducted with the outside air. In the second heat exchange section 30B, the inside of the second chamber 32B is switched from a state in which heat is conducted with the outside air to a state in which heat is conducted with the inside air. Since the temperature of the outside air is higher than that of the inside air, the temperature inside the first chamber 32A rises from T L to T H , and the temperature inside the second chamber 32B drops from T H to T L.

第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内の温度がTからTに上昇したことによって、冷媒61および第1ナノ多孔質体20Aの温度をTからTに上昇させるために顕熱Qsh1-2[J]が吸熱される。顕熱Qsh1-2[J]は、外気から吸熱するため、後述する成績係数COPの計算では無視できる。また、冷媒63が状態1(低温気体)から状態2(高温気体)に変化するため顕熱が発生するが、これも外気から吸熱するため、無視できる。 In the first heat exchange section 30A, as the temperature in the first chamber 32A rises from TL to TH , the temperature of the refrigerant 61 and the first nanoporous body 20A rises from TL to TH . Sensible heat Q sh1-2 [J] is absorbed. Since the sensible heat Q sh1-2 [J] is absorbed from outside air, it can be ignored in the calculation of the coefficient of performance COP, which will be described later. Also, since the refrigerant 63 changes from state 1 (low temperature gas) to state 2 (high temperature gas), sensible heat is generated.

また、ナノ多孔質体20の物理吸着量は高温になるほど小さい。従って、第1熱交換部30Aでは、温度Tで脱離平衡に達していた状態から温度Tに加熱されると冷媒62の脱離が進行する。冷媒62の脱離により蒸発潜熱QL1-2[J]が発生する。蒸発潜熱QL1-2[J]は、外気から吸熱するため、後述する成績係数COPの計算では無視できる。なお、脱離に伴い、第1チャンバー32A内の圧力は状態1および状態2の圧力よりも高くなっている。 Also, the physical adsorption amount of the nanoporous body 20 becomes smaller as the temperature becomes higher. Therefore, in the first heat exchanging section 30A, desorption of the refrigerant 62 progresses when the state in which the desorption equilibrium is reached at the temperature T L is heated to the temperature T H. Desorption of the refrigerant 62 generates latent heat of vaporization Q L1-2 [J]. Since the latent heat of vaporization Q L1-2 [J] absorbs heat from the outside air, it can be ignored in the calculation of the coefficient of performance COP, which will be described later. Note that the pressure in the first chamber 32A becomes higher than the pressures in the states 1 and 2 due to the desorption.

第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内の温度がTからTに低下したことによって、冷媒61、63が状態3(高温液体)から状態4(低温液体)に変化する。このため、第2熱交換部30Bでは、冷媒61、63および第2ナノ多孔質体20Bの温度をTからTに低下させるために顕熱Qsh[J]が内気に排熱される。その結果、顕熱Qsh[J]が冷却対象である内気の温度を上昇させてしまうため、熱エネルギーの損失が生じる。従って、成績係数COPの計算では、冷熱として得られる蒸発潜熱Q[J]から顕熱Qsh[J]を差し引く必要がある。 In the second heat exchange section 30B, the refrigerants 61 and 63 change from state 3 (high temperature liquid) to state 4 (low temperature liquid) as the temperature in the second chamber 32B drops from TH to TL . Therefore, in the second heat exchange section 30B, sensible heat Q sh [J] is exhausted to the inside air in order to lower the temperatures of the refrigerants 61 and 63 and the second nanoporous body 20B from T3 to T4 . As a result, the sensible heat Q sh [J] raises the temperature of the inside air to be cooled, resulting in a loss of thermal energy. Therefore, in calculating the coefficient of performance COP, it is necessary to subtract the sensible heat Q sh [J] from the latent heat of vaporization Q L [J] obtained as cold heat.

また、ナノ多孔質体20の物理吸着量は低温であるほど大きい。従って、第2熱交換部30Bでは、温度Tで吸着平衡に達していた状態から温度Tに冷却されると冷媒62の吸着が進行する。冷媒62の吸着により凝縮潜熱QH3-4[J]が発生する。この凝縮潜熱QH3-4[J]は、冷却対象である内気の温度を上昇させてしまう。しかしながら、後述する図6Eに示す蒸発潜熱QL3-4[J]と相殺することができるため、後述する成績係数COPの計算では無視できる。 In addition, the physical adsorption amount of the nanoporous body 20 increases as the temperature decreases. Therefore, in the second heat exchanging section 30B, adsorption of the refrigerant 62 progresses when the state where the adsorption equilibrium has been reached at the temperature T H is cooled to the temperature T L . Adsorption of the refrigerant 62 generates latent heat of condensation Q H3-4 [J]. This latent heat of condensation Q H3-4 [J] raises the temperature of the inside air to be cooled. However, since it can be canceled with the latent heat of vaporization Q L3-4 [J] shown in FIG. 6E described later, it can be ignored in the calculation of the coefficient of performance COP described later.

なお、ナノ多孔質体20の物理吸着量と温度との関係(図13を参照)については後述の実施例において詳細に説明する。 The relationship between the amount of physical adsorption of the nanoporous body 20 and the temperature (see FIG. 13) will be described in detail in Examples described later.

第1熱交換部30Aでは脱離が起こり、第2熱交換部30Bでは吸着が起こるため、第1チャンバー32Aの内圧が第2チャンバー32Bの内圧よりも低くなる。このとき、バルブ51は閉じた状態のため、チャンバー32A、32B間の内圧の差によって冷媒60が低温の第2チャンバー32Bから高温の第1チャンバー32Aへ逆流することを防止できる。以上の理由から、熱交換部30A、30Bの動作モードを切り替える際(図6Dを参照)には、バルブ51を閉じた状態にしておくことが好ましい。 Since desorption occurs in the first heat exchange section 30A and adsorption occurs in the second heat exchange section 30B, the internal pressure of the first chamber 32A becomes lower than the internal pressure of the second chamber 32B. At this time, since the valve 51 is in a closed state, it is possible to prevent the refrigerant 60 from flowing back from the low-temperature second chamber 32B to the high-temperature first chamber 32A due to the internal pressure difference between the chambers 32A and 32B. For the above reasons, it is preferable to keep the valve 51 closed when switching the operation modes of the heat exchange units 30A and 30B (see FIG. 6D).

[第1熱交換部30A:吸着モード、第2熱交換部30B:脱離モード]
図6E~図6Gは、第1熱交換部30Aが脱離モード、第2熱交換部30Bが吸着モードの状態を示す。図6E~図6Gは、図6A~図6Cの第1熱交換部30Aの動作モードと第2熱交換部30Bの動作モードを入れ替えた図である。2つの熱交換部30A、30Bの脱離モードの動作と吸着モードの動作はそれぞれ同じであるため、前述した説明と重複する事項については前述の記載を参照して説明を省略する。
[First heat exchange part 30A: adsorption mode, second heat exchange part 30B: desorption mode]
6E to 6G show the state in which the first heat exchange section 30A is in the desorption mode and the second heat exchange section 30B is in the adsorption mode. 6E to 6G are diagrams in which the operation mode of the first heat exchange section 30A and the operation mode of the second heat exchange section 30B in FIGS. 6A to 6C are interchanged. Since the operation in the desorption mode and the operation in the adsorption mode of the two heat exchange units 30A and 30B are the same, descriptions of matters overlapping with the above description will be omitted by referring to the above description.

(脱離モード/吸着モードの開始)
図6Eは、図6Aの熱交換部30A、30Bの動作モードを入れ替えた図である。図6Eは、第1熱交換部30Aの吸着モードおよび第2熱交換部30Bの脱離モードの開始時の状態を示す。第1チャンバー32A内の温度Tは、第2チャンバー32B内の温度Tよりも高い。
(Start of desorption mode/adsorption mode)
FIG. 6E is a diagram in which the operation modes of the heat exchange units 30A and 30B in FIG. 6A are switched. FIG. 6E shows the state at the start of the adsorption mode of the first heat exchange section 30A and the desorption mode of the second heat exchange section 30B. The temperature T H within the first chamber 32A is higher than the temperature T L within the second chamber 32B.

吸着モードの第1熱交換部30Aでは、前述した図6Aの第2熱交換部30Bの動作と同様に、ナノ多孔質体20を自由膨張させて冷媒62をナノ多孔質体20に吸着させる。吸着によって外気に排熱する凝縮潜熱QH1-2[J]が発生する。 In the first heat exchange section 30A in the adsorption mode, the nanoporous body 20 is allowed to expand freely and the refrigerant 62 is adsorbed on the nanoporous body 20, similar to the operation of the second heat exchange section 30B in FIG. 6A. Condensation latent heat Q H1-2 [J] is generated by the adsorption, which exhausts heat to the outside air.

脱離モードの第2熱交換部30Bでは、前述した図6Aの第1熱交換部30Aの動作と同様に、第2応力付与部31Bによってナノ多孔質体20を収縮させて冷媒62を脱離させる。脱離によって内気から吸熱する蒸発潜熱QL3-4[J]が発生する。 In the second heat exchange section 30B in the desorption mode, the nanoporous body 20 is contracted by the second stress applying section 31B to desorb the refrigerant 62, similarly to the operation of the first heat exchange section 30A in FIG. 6A described above. Let The desorption generates latent heat of vaporization Q L3-4 [J] that absorbs heat from the inside air.

上記プロセス中は、第1チャンバー32Aの内圧(水蒸気圧)が低下する一方で、第2チャンバー32Bの内圧(水蒸気圧)は上昇する。上記プロセス開始時は、第1チャンバー32Aの内圧が第2チャンバー32Bの内圧よりも高いため、第1チャンバー32Aの内圧は、第2チャンバー32Bの内圧に近づく。 During the above process, the internal pressure (water vapor pressure) of the first chamber 32A decreases, while the internal pressure (water vapor pressure) of the second chamber 32B increases. At the start of the process, the internal pressure of the first chamber 32A is higher than the internal pressure of the second chamber 32B, so the internal pressure of the first chamber 32A approaches the internal pressure of the second chamber 32B.

(バルブ51を開く)
図6Fは、図6Bの熱交換部30A、30Bの動作モードを入れ替えた図である。図6Fに示すように、第1チャンバー32Aの内圧と第2チャンバー32Bの内圧が等しくなったとき、バルブ51を開く。この時、第1チャンバー32A内の冷媒63は状態2、第2チャンバー32B内の冷媒63は状態4にある。
(open valve 51)
FIG. 6F is a diagram in which the operation modes of the heat exchange units 30A and 30B in FIG. 6B are switched. As shown in FIG. 6F, the valve 51 is opened when the internal pressure of the first chamber 32A and the internal pressure of the second chamber 32B become equal. At this time, the coolant 63 in the first chamber 32A is in state 2, and the coolant 63 in the second chamber 32B is in state 4.

ここで、バルブ51を閉じて(図6Cを参照)からバルブ51を開く(図6Fを参照)までに、第2熱交換部30Bで吸着した冷媒62の量と脱離した冷媒62の量は等しい。これは、バルブ51を閉じるときとバルブ51を開くときに、第1チャンバー32Aの内圧と第2チャンバー32Bの内圧が等いためである。従って、図6Eに示す第2熱交換部30Bの脱離によって内気から吸熱した蒸発潜熱QL3-4[J]は、図6Dに示す第2熱交換部30Bの吸着によって内気に排熱した凝縮潜熱QH3-4[J]に等しい。このため、凝縮潜熱QH3-4[J]によって内気の温度を上昇させた分は、蒸発潜熱QL3-4[J]で相殺することができる。このため、内気の冷却は、バルブ51を開いた後の蒸発潜熱Q[J]によって行われる。 Here, the amount of refrigerant 62 adsorbed in the second heat exchange section 30B and the amount of refrigerant 62 desorbed from closing the valve 51 (see FIG. 6C) to opening the valve 51 (see FIG. 6F) are equal. This is because the internal pressure of the first chamber 32A and the internal pressure of the second chamber 32B are the same when the valve 51 is closed and when the valve 51 is opened. Therefore, the latent heat of vaporization Q L3-4 [J] absorbed from the inside air by the desorption of the second heat exchange unit 30B shown in FIG. Equal to the latent heat Q H3-4 [J]. Therefore, the latent heat of condensation Q H3-4 [J] that raises the temperature of the inside air can be offset by the latent heat of vaporization Q L3-4 [J]. Therefore, the inside air is cooled by the latent heat of vaporization Q L [J] after the valve 51 is opened.

冷却に寄与しない蒸発潜熱QL3-4[J]を生成するための仕事をW[J]とし、冷却に寄与する蒸発潜熱Q[J]を生成するための仕事をW[J]とすると、仕事Wns[J]は、次の式で表すことができる。 Let W 1 [J] be the work to generate the latent heat of vaporization Q L3-4 [J] that does not contribute to cooling, and W 2 [J] be the work to generate the latent heat of vaporization Q L [J] that contributes to cooling. Then, the work W ns [J] can be expressed by the following formula.

Figure 0007242011000001
Figure 0007242011000001

ここで、仕事W[J]は、対象を冷却するためのエネルギーではないが、凝縮潜熱QH3-4[J]の分を相殺するために必要なエネルギーである。このため、成績係数COPの計算に考慮する必要がある。従って、後述する成績係数COPの計算では、仕事Wns[J]を用いる。 Here, the work W 1 [J] is not the energy for cooling the object, but the energy required to offset the latent heat of condensation Q H3-4 [J]. Therefore, it is necessary to consider it in the calculation of the coefficient of performance COP. Therefore, the work W ns [J] is used in the calculation of the coefficient of performance COP, which will be described later.

前述した図6Bの動作と同様に、第2チャンバー32Bにおいて脱離した状態1の飽和蒸気は、配管50を介して第1チャンバー32Aへと移動して状態2の過熱蒸気へと変化する。これにより、冷媒60が第2チャンバー32Bから第1チャンバー32Aへ連続的に供給される。 Similar to the operation of FIG. 6B described above, the desorbed State 1 saturated steam in the second chamber 32B moves to the first chamber 32A via the pipe 50 and changes to State 2 superheated steam. Thereby, the coolant 60 is continuously supplied from the second chamber 32B to the first chamber 32A.

(脱離モード/吸着モードの終了;バルブ51を閉じる)
図6Gは、図6Cの熱交換部30A、30Bの動作モードを入れ替えた図である。第1熱交換部30Aの吸着モードおよび第2熱交換部30Bの脱離モードを終了したら、バルブ51を閉じる。このとき、第1チャンバー32A内の温度Tは、第2チャンバー32B内の温度Tよりも高い状態のままである。
(End of desorption mode/adsorption mode; close valve 51)
FIG. 6G is a diagram in which the operation modes of the heat exchange units 30A and 30B in FIG. 6C are switched. After completing the adsorption mode of the first heat exchange section 30A and the desorption mode of the second heat exchange section 30B, the valve 51 is closed. At this time, the temperature T H within the first chamber 32A remains higher than the temperature T L within the second chamber 32B.

[動作モードの切り替え]
図6Hは、熱交換部30Aの動作モードを切り替える状態を示す図である。第1熱交換部30Aを脱離モードに切り替え、第2熱交換部30Bを吸着モードに切り替える。
[Switch operation mode]
FIG. 6H is a diagram showing a state of switching the operation mode of the heat exchange section 30A. The first heat exchange section 30A is switched to the desorption mode, and the second heat exchange section 30B is switched to the adsorption mode.

第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内を外気と熱伝導した状態から内気と熱伝導した状態に切り替える。第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内を内気と熱伝導した状態から、外気と熱伝導した状態に切り替える。これにより、第1熱交換部30Aの温度はTからTに変化し、第2熱交換部30Bの温度はTからTに変化する。動作モードの切り替えによって図6Aに示す状態となる。 In the first heat exchange section 30A, the inside of the first chamber 32A is switched from a state in which heat is conducted with the outside air to a state in which heat is conducted with the inside air. In the second heat exchange section 30B, the state in which the inside of the second chamber 32B is heat-conducted with the inside air is switched to the state in which heat is conducted with the outside air. As a result, the temperature of the first heat exchange section 30A changes from T3 to T4 , and the temperature of the second heat exchange section 30B changes from T1 to T2 . The state shown in FIG. 6A is obtained by switching the operation mode.

以上説明したように、熱交換装置10の制御では、図6A~図6Hに示す動作を繰り返すことによって、一対の熱交換部30A、30Bの動作モードを交互にスイング運転する。これにより、脱離モードの熱交換部30A、30Bにおいて連続的に蒸発潜熱Q[J]による冷熱を生成することが可能となる。 As described above, in the control of the heat exchange device 10, the operation modes of the pair of heat exchange units 30A and 30B are alternately swing operated by repeating the operations shown in FIGS. 6A to 6H. As a result, cold heat can be continuously generated by the latent heat of vaporization Q L [J] in the heat exchange units 30A and 30B in the desorption mode.

図7は、対比例に係る一般的な吸着式熱交換装置の構成を示す。なお、図7中の状態1~4は、図5の状態1~4に対応する。 FIG. 7 shows the configuration of a general adsorption heat exchange apparatus relating to contrast. States 1 to 4 in FIG. 7 correspond to states 1 to 4 in FIG.

図7に示すように、対比例に係る熱交換装置は、減圧下で冷媒を加熱して気化させる蒸発器、気化した冷媒を脱離および吸着する吸着剤を備える吸着器、および気化した冷媒を凝縮する凝縮器を有する。対比例に係る熱交換装置では、蒸発器での蒸発潜熱Q[J]を冷却に利用している。吸着剤への冷媒の脱離/吸着の際には、冷媒は相変化せずに気体(水蒸気)のままであるため潜熱は生じない。脱離/吸着は、冷媒の輸送に利用されている。対比例に係る熱交換装置では、蒸発器での蒸発潜熱を冷却に利用しているため、蒸発器での減圧や加熱に大きなエネルギーが必要となる。また、媒体を吸着した吸着剤を再生するための加熱にもエネルギーが必要となる。その結果、成績係数COPが低下してしまう。 As shown in FIG. 7, the comparative heat exchange device includes an evaporator that heats and vaporizes the refrigerant under reduced pressure, an adsorber that desorbs and adsorbs the vaporized refrigerant, and an adsorber that desorbs and adsorbs the vaporized refrigerant. It has a condenser that condenses. In the heat exchange device according to the contrast, the latent heat of vaporization Q L [J] in the evaporator is used for cooling. When the refrigerant is desorbed/adsorbed by the adsorbent, no latent heat is generated because the refrigerant remains gaseous (water vapor) without undergoing a phase change. Desorption/adsorption has been used to transport refrigerants. Since the heat exchange device according to the contrast utilizes the latent heat of vaporization in the evaporator for cooling, a large amount of energy is required for decompression and heating in the evaporator. Energy is also required for heating to regenerate the adsorbent that has adsorbed the medium. As a result, the coefficient of performance COP is lowered.

これに対して、本実施形態に係る熱交換装置10は、ナノ多孔質体20に応力を印加することで冷媒63を相変化させて蒸発潜熱(脱離熱)Q[J]を冷熱として利用する。また、冷媒63をナノ多孔質体20から脱離させる際に、吸着剤を再生するための加熱や、蒸発器による減圧や加熱が不要となるため、脱離に必要なエネルギーを小さくすることができる。これにより、成績係数COPを向上させることができるため、使用するナノ多孔質体20の量を減らすことができる。蒸発器や凝縮器が不要となり、ナノ多孔質体20の量を減らすことができるため、熱交換装置10を小型化することができる。 On the other hand, the heat exchange device 10 according to the present embodiment applies a stress to the nanoporous body 20 to change the phase of the refrigerant 63 to convert the latent heat of vaporization (desorption heat) Q L [J] into cold heat. use. In addition, when the refrigerant 63 is desorbed from the nanoporous body 20, heating for regenerating the adsorbent and decompression and heating by an evaporator are unnecessary, so the energy required for desorption can be reduced. can. As a result, the coefficient of performance COP can be improved, so the amount of the nanoporous body 20 to be used can be reduced. Since an evaporator and a condenser are not required and the amount of the nanoporous body 20 can be reduced, the size of the heat exchange device 10 can be reduced.

<成績係数COPの計算方法>
次に、本実施形態に係る熱交換装置10の成績係数COPの計算方法について説明する。
<How to calculate the coefficient of performance COP>
Next, a method of calculating the coefficient of performance COP of the heat exchange device 10 according to this embodiment will be described.

本実施形態に係る熱交換装置10は、外部からの仕事Wns[J]によってナノ多孔質体20から冷媒63を脱離させて、得られた蒸発潜熱Q[J]を冷熱として利用する。上述したように、図5に示す熱サイクルの状態3から状態4では、顕熱Qsh[J]による熱エネルギーの損失が生じる。従って、成績係数COPの計算では、蒸発潜熱Q[J]から顕熱Qsh[J]を差し引く必要がある。加えて、ナノ多孔質体20は完全な弾性体ではないため、ナノ多孔質体20の内部摩擦Q[J]で損失する分も差し引く必要がある。このため、熱交換装置10の成績係数COPは次の式で与えられる。 The heat exchange device 10 according to the present embodiment desorbs the refrigerant 63 from the nanoporous body 20 by work W ns [J] from the outside, and uses the obtained latent heat of vaporization Q L [J] as cold heat. . As described above, in states 3 to 4 of the thermal cycle shown in FIG. 5, thermal energy loss occurs due to sensible heat Q sh [J]. Therefore, in calculating the coefficient of performance COP, it is necessary to subtract the sensible heat Q sh [J] from the latent heat of vaporization Q L [J]. In addition, since the nanoporous body 20 is not a perfect elastic body, it is necessary to subtract the loss due to the internal friction Q f [J] of the nanoporous body 20 . Therefore, the coefficient of performance COP of the heat exchange device 10 is given by the following equation.

Figure 0007242011000002
Figure 0007242011000002

状態3→4のプロセスは全体としては等圧変化である。従って、顕熱Qshは、液体状態の冷媒60の比熱cre[Jkg-1-1]とナノ多孔質体20の比熱cns[Jkg-1-1]を用いて次の式で表すことができる。 The state 3→4 process is overall isobaric. Therefore, the sensible heat Q sh is obtained by the following formula using the specific heat c re [Jkg -1 K -1 ] of the liquid refrigerant 60 and the specific heat c ns [Jkg -1 K -1 ] of the nanoporous body 20 can be represented.

Figure 0007242011000003
Figure 0007242011000003

ここで、wns[kg]は、ナノ多孔質体20の重量、wre-ads[kg]は、温度Tにおいてナノ多孔質体20に吸着された冷媒60の量である。これは、冷媒61と冷媒63の和となる。また、温度Tは、吸着モードのチャンバー32A、32B内の温度に相当し、温度Tは、脱離モードのチャンバー32A、32B内の温度に相当する。なお、吸着モードのチャンバー32A、32B内において、冷媒60の蒸気は量が少なく、その顕熱の影響はQshに比べて極めて小さいため、無視することができる。 Here, w ns [kg] is the weight of the nanoporous body 20, and w re-ads [kg] is the amount of refrigerant 60 adsorbed to the nanoporous body 20 at temperature T H . This is the sum of refrigerant 61 and refrigerant 63 . The temperature T H corresponds to the temperature inside the chambers 32A and 32B in the adsorption mode, and the temperature T L corresponds to the temperature inside the chambers 32A and 32B in the desorption mode. In the adsorption mode chambers 32A and 32B, the amount of vapor of the refrigerant 60 is small, and the effect of the sensible heat is extremely small compared to Qsh and can be ignored.

状態4において、冷媒63は、液体状態でナノ多孔質体20に吸着している。ナノ多孔質体20に対して、機械的な応力を印加して仕事W[J]を入力すると、吸着された冷媒63は、飽和蒸気に相変化する(状態1)。状態4→1のプロセスは等圧変化である。従って、蒸発潜熱Q[J]は、次の式で表すことができる。 In State 4, the coolant 63 is adsorbed on the nanoporous body 20 in a liquid state. When mechanical stress is applied to the nanoporous body 20 to input work W 2 [J], the adsorbed refrigerant 63 undergoes a phase change to saturated vapor (state 1). The process of state 4→1 is isobaric. Therefore, the latent heat of vaporization Q L [J] can be expressed by the following equation.

Figure 0007242011000004
Figure 0007242011000004

ここで、wre[kg]は、応力印加によってナノ多孔質体20から脱離する冷媒60の量、ΔvapHは、冷媒60が液体から気体に相変化する時のエンタルピー変化である。ただし、wre[kg]は、第1チャンバー32Aと第2チャンバー32Bとを接続する配管50のバルブ51を開いた後に脱離した冷媒63の量とする。これは前述したように、バルブ51を開く前の脱離によって発生した蒸発潜熱QL3-4[J]は、凝縮潜熱QH3-4[J]の分を相殺するために使われるため冷熱として利用されないからである。 Here, w re [kg] is the amount of the refrigerant 60 detached from the nanoporous body 20 by stress application, and Δ vap H is the enthalpy change when the refrigerant 60 undergoes a phase change from liquid to gas. However, w re [kg] is the amount of the refrigerant 63 desorbed after opening the valve 51 of the pipe 50 connecting the first chamber 32A and the second chamber 32B. As described above, the latent heat of vaporization Q L3-4 [J] generated by the desorption before the valve 51 is opened is used to offset the latent heat of condensation Q H3-4 [J], so cold heat because it is not used.

本発明の逆カルノーサイクルにおける成績係数COPは、次の式で表すことができる。 The coefficient of performance COP in the reverse Carnot cycle of the present invention can be expressed by the following formula.

Figure 0007242011000005
Figure 0007242011000005

式(5)において、Wns[J]は、ナノ多孔質体20のヤング率E[Pa]に依存する。ここで、ヤング率E[Pa]の定義は次の通りである。 In Equation (5), W ns [J] depends on the Young's modulus E [Pa] of the nanoporous body 20 . Here, the definition of Young's modulus E [Pa] is as follows.

Figure 0007242011000006
Figure 0007242011000006

ここで、応力σ[Pa]は、ナノ多孔質体20の単位面積あたりに作用する圧力(面圧)である。ひずみεは、ナノ多孔質体20から冷媒60を脱離させる際に、最も圧縮した状態のナノ多孔質体20の最大ひずみである。応力σ[Pa]の定義は次の通りである。 Here, the stress σ f [Pa] is the pressure (surface pressure) acting per unit area of the nanoporous body 20 . The strain ε d is the maximum strain of the nanoporous body 20 in the most compressed state when the coolant 60 is desorbed from the nanoporous body 20 . The definition of the stress σ f [Pa] is as follows.

Figure 0007242011000007
Figure 0007242011000007

ここで、F[N]は、ナノ多孔質体20に作用する圧力である。S[m]は、ナノ多孔質体20の断面積である。ひずみεの定義は次の通りである。 Here, F[N] is the pressure acting on the nanoporous body 20 . S [m 2 ] is the cross-sectional area of the nanoporous body 20 . The definition of the strain ε d is as follows.

Figure 0007242011000008
Figure 0007242011000008

ここで、x[m]は、ナノ多孔質体20の変形量である。L[m]は、ナノ多孔質体20の初期状態の長さである。 Here, x [m] is the amount of deformation of the nanoporous body 20 . L 0 [m] is the length of the nanoporous body 20 in its initial state.

冷媒60を含んだ状態のヤング率E[Pa]が変化しないと仮定すると、Wnsは、次の式で表すことができる。 Assuming that the Young's modulus E [Pa] in the state containing the refrigerant 60 does not change, W ns can be expressed by the following equation.

Figure 0007242011000009
Figure 0007242011000009

ここで、V[m]は、ナノ多孔質体20の初期の体積である。従って、次の式のように変形できる。 Here, V 0 [m 3 ] is the initial volume of the nanoporous body 20 . Therefore, it can be transformed into the following formula.

Figure 0007242011000010
Figure 0007242011000010

式(10)が、本発明の成績係数COPの計算式になる。式(10)において、wre、wre-ads、Vは、それぞれナノ多孔質体20の重量wnsで表現することが可能である。状態3において、wre-adsは、wnsを用いて次の式で表すことができる。 Equation (10) is the formula for calculating the coefficient of performance COP of the present invention. In formula (10), w re , w re-ads , and V 0 can each be represented by the weight w ns of the nanoporous body 20 . In state 3, w re-ads can be expressed using w ns as follows.

Figure 0007242011000011
Figure 0007242011000011

ここで、ρre[kgm-3]は、冷媒(液体)60の密度、Vns[mkg-1]は、ナノ多孔質体20の細孔容積、φnsは、冷媒60が充填されている細孔容積のVnsに対する比である。すなわち、φnsnsは、冷媒60が充填されている細孔の容積、もしくは細孔内に充填されている冷媒60の容積に相当する。ρreφnsnsは、温度Tにおける吸着等温線から直接、決めることができる。 Here, ρ re [kgm -3 ] is the density of the refrigerant (liquid) 60, V ns [m 3 kg -1 ] is the pore volume of the nanoporous body 20, and φ ns is the filled volume of the refrigerant 60. is the ratio of pore volume to Vns . That is, φ ns V ns corresponds to the volume of the pores filled with the coolant 60 or the volume of the coolant 60 filled in the pores. ρ re φ ns V ns can be determined directly from the adsorption isotherm at temperature T H .

は、ナノ多孔質体20の見かけ密度ρns-ap[kgm-3]とナノ多孔質体20の重量wns[kg]を用いて次の式のように表すことができる。 V 0 can be expressed by the following formula using the apparent density ρ ns-ap [kgm −3 ] of the nanoporous body 20 and the weight w ns [kg] of the nanoporous body 20 .

Figure 0007242011000012
Figure 0007242011000012

温度Tのある任意の動作圧力P[kPa]において、応力無印加状態のナノ多孔質体20は、wnon-TH[kg]の冷媒60を吸着する。これは、図5の状態3に相当する。 At an arbitrary operating pressure P [kPa] with a temperature T H , the nanoporous body 20 in the non-stressed state adsorbs w non-TH [kg] of refrigerant 60 . This corresponds to state 3 in FIG.

次に、熱交換部30Aの温度をTからTへ、熱交換部30Bの温度をTからTをに切り替える。このとき、チャンバー32A、32B間のバルブ51は閉じた状態とし、チャンバー32Bから32Aへの冷媒60の蒸気の移動を防止する。熱交換部30Aの温度がTからTに低下すると、気相であった冷媒62がナノ多孔質体20に吸着し、凝縮潜熱QH3-4が発生すると共に気相の圧力が減少する。続いてナノ多孔質体20に応力を印加して仕事W[J]を入力し、冷媒62を脱離させる。すると、蒸発潜熱QL3-4が発生すると共に気相の圧力が増加し、状態4となる。この時、ナノ多孔質体20に吸着している冷媒60の量はwnon-T3[kg]である。 Next, the temperature of the heat exchange section 30A is switched from T3 to T4 , and the temperature of the heat exchange section 30B is switched from T1 to T2 . At this time, the valve 51 between the chambers 32A and 32B is closed to prevent the vapor of the refrigerant 60 from moving from the chambers 32B to 32A. When the temperature of the heat exchange section 30A decreases from T3 to T4 , the gas phase refrigerant 62 is adsorbed on the nanoporous body 20, generating latent heat of condensation QH3-4 and reducing the pressure of the gas phase. . Subsequently, stress is applied to the nanoporous body 20 to input work W 1 [J] and desorb the coolant 62 . Then, latent heat of vaporization QL3-4 is generated and the pressure of the gas phase increases, resulting in state 4. At this time, the amount of refrigerant 60 adsorbed on nanoporous body 20 is w non-T3 [kg].

次に、ナノ多孔質体20に応力を印加して圧縮し、冷媒63を脱離する。これは、図5の状態4から状態1に相当する。温度T(=T)において最大圧縮後のナノ多孔質体20中には、wpress-T1[kg]の冷媒60が残留して吸着されている(状態1)。従って、脱離モードにおける冷媒60の脱離量w4-1[kg]は、次の式で表すことができる。 Next, stress is applied to the nanoporous body 20 to compress it, and the refrigerant 63 is desorbed. This corresponds to states 4 to 1 in FIG. In the nanoporous body 20 after maximum compression at temperature T 4 (=T 1 ), refrigerant 60 of w press−T1 [kg] remains and is adsorbed (state 1). Therefore, the desorption amount w 4-1 [kg] of refrigerant 60 in the desorption mode can be expressed by the following equation.

Figure 0007242011000013
Figure 0007242011000013

次に、熱交換部30Aの温度をTからT(=T)へ、熱交換部30Bの温度をTからT(=T)へ切り替える。この時、チャンバー32A、32B間のバルブ51は閉じた状態とし、チャンバー32Aから32Bへの冷媒60の蒸気の移動を防止する。熱交換部30Aの温度がTからTに上昇すると、ナノ多孔質体20に吸着されていた冷媒62が脱離し、蒸発潜熱が発生すると共に気相の圧力が増加する。続いてナノ多孔質体20を自由膨張させ、冷媒62を吸着させる。すると、凝縮潜熱が発生すると共に気相の圧力が減少し、状態2となる。この時、ナノ多孔質体20はwpress-T1の量の冷媒60を吸着している。従って、吸着モードにおける冷媒60の吸着量w2-3[kg]は、次の式で与えられる。 Next, the temperature of the heat exchange section 30A is switched from T1 to T2 (= T3 ), and the temperature of the heat exchange section 30B is switched from T3 to T4 (= T1 ). At this time, the valve 51 between the chambers 32A and 32B is closed to prevent the vapor of the refrigerant 60 from moving from the chambers 32A to 32B. When the temperature of the heat exchange portion 30A rises from T1 to T2 , the refrigerant 62 adsorbed to the nanoporous body 20 is desorbed, generating latent heat of vaporization and increasing the pressure of the gas phase. Subsequently, the nanoporous body 20 is allowed to expand freely to adsorb the coolant 62 . As a result, the latent heat of condensation is generated and the pressure of the gas phase decreases, resulting in state 2. At this time, the nanoporous body 20 adsorbs the refrigerant 60 in the amount of w press-T1 . Therefore, the adsorption amount w 2-3 [kg] of the refrigerant 60 in the adsorption mode is given by the following equation.

Figure 0007242011000014
Figure 0007242011000014

non-TH、wpress-TL、press-THは、T、Tにおける非圧縮時、および圧縮時の図13に示した吸着等温線から得ることができる。ここで、ナノ多孔質体20への冷媒の吸着量がT、Tにおいて変化がなく、単純に細孔容積によって決定されると仮定すると、wre-ads=wnon-TL=wnon-TH、wpress=wpress-TL=wpress-THとなるので、wre=w4-1=w2-3として式(15)に示すように単純化して計算が可能となる。この仮定の下で、以下に示すようなCOPとEの関係を導き出すことが可能である。なお、本システムの動作圧力P[kPa]は、高い成績係数COPを達成するように、任意の値を選択することができる。 w non-TH , w press-TL, w press-TH can be obtained from the adsorption isotherms shown in FIG. 13 at T L , T H uncompressed and under compression. Here, assuming that the adsorption amount of the refrigerant to the nanoporous body 20 does not change in T L and T H and is simply determined by the pore volume, w re-ads =w non-TL =w non −TH , w press =w press−TL =w press−TH , so that w re =w 4-1 =w 2-3 and simplified calculation as shown in equation (15) is possible. Under this assumption, it is possible to derive the relationship between COP and E as shown below. It should be noted that the operating pressure P [kPa] of this system can be selected to any value so as to achieve a high coefficient of performance COP.

Figure 0007242011000015
Figure 0007242011000015

脱離モードにおいて、ナノ多孔質体20を圧縮し、εのひずみとなっている時に、ナノ多孔質体20の細孔容積は、VnsからVcom[mkg-1]に変化する。一方で、細孔壁によって占められている体積(1/ρns)は変化しない。ここで、ρns[kgm-3]は、ナノ多孔質体20の真密度、すなわち固体部分の密度を意味している。従って、Vcomは、次の式となる。 In the desorption mode, the pore volume of the nanoporous material 20 changes from V ns to V com [m 3 kg -1 ] when the nanoporous material 20 is compressed and subjected to a strain of εd . . On the other hand, the volume occupied by the pore walls (1/ρ ns ) does not change. Here, ρ ns [kgm −3 ] means the true density of the nanoporous body 20, that is, the density of the solid portion. Therefore, V com becomes the following formula.

Figure 0007242011000016
Figure 0007242011000016

4-1とw2-3は等しいので、wreは、次の式のように近似することができる。 Since w 4-1 and w 2-3 are equal, w re can be approximated as follows.

Figure 0007242011000017
Figure 0007242011000017

ところで、ナノ多孔質体20の見かけ密度ρns-ap[kgm-3]とρns、Vnsの間には以下の関係がある。 By the way, the following relationship exists between the apparent density ρ ns-ap [kgm -3 ] of the nanoporous body 20 and ρ ns and V ns .

Figure 0007242011000018
Figure 0007242011000018

従って、式(17)は、次の式となる。 Therefore, the formula (17) becomes the following formula.

Figure 0007242011000019
Figure 0007242011000019

式(10)、(11)、(12)と式(19)から、本システムのCOPは、ナノ多孔質体の重量(wns)に依存しないことが分かる。 From equations (10), (11), (12) and (19), it can be seen that the COP of the present system does not depend on the weight (w ns ) of the nanoporous mass.

以上説明した本実施形態に係る熱交換装置10の作用効果を説明する。 The effects of the heat exchange device 10 according to the present embodiment described above will be described.

本実施形態に係る熱交換装置10は、弾性を有し、収縮して冷媒(媒体)60を脱離可能で、かつ、膨張して媒体を吸着可能なナノ多孔質体20と、ナノ多孔質体20に応力を印加して収縮させる応力付与部31A、31Bと、ナノ多孔質体20を内部に収容するチャンバー32A、32Bと、を備える熱交換部30A、30Bを有する。該熱交換装置10は、応力付与部31A、31Bの動作を制御して、熱交換部における動作モードを、ナノ多孔質体20に応力を印加して収縮させて媒体をナノ多孔質体20から脱離させる脱離モードと、応力を解放してナノ多孔質体20を膨張させて冷媒60をナノ多孔質体20に吸着させる吸着モードとに切り替える制御部40をさらに有する。 The heat exchange device 10 according to the present embodiment includes a nanoporous body 20 that has elasticity, can contract to desorb a refrigerant (medium) 60, and can expand to adsorb a medium, and a nanoporous body 20 It has heat exchange parts 30A and 30B including stress application parts 31A and 31B that apply stress to the body 20 to contract it, and chambers 32A and 32B that accommodate the nanoporous body 20 therein. The heat exchange device 10 controls the operation of the stress applying units 31A and 31B, and changes the operation mode of the heat exchange unit by applying stress to the nanoporous body 20 to shrink the medium from the nanoporous body 20. It further has a control unit 40 for switching between a desorption mode for desorption and an adsorption mode for releasing the stress to expand the nanoporous body 20 to adsorb the refrigerant 60 to the nanoporous body 20 .

上記熱交換装置10によれば、ナノ多孔質体20に応力を印加および解放して収縮膨張させることによって、ナノ多孔質体20に冷媒60を脱離および吸着させて相変化による潜熱を発生させることができる。これにより、冷媒60の脱離または吸着により発生した潜熱を冷熱または温熱に直接的に利用することができるため、蒸発器や凝縮器が不要となる。また、潜熱を得るために蒸発器や凝縮器において減圧や加熱冷却が不要となるため、熱サイクルに必要なエネルギーを小さくすることができる。これにより、成績係数COPを向上させることができるため、使用するナノ多孔質体20の量を減らすことができる。このように、蒸発器や凝縮器が不要となり、ナノ多孔質体20の量を減らすことができるため、熱交換装置10を小型化することができる。熱交換装置10は、小型化できるため、特に、設置スペースの限られているカーエアコンに好適に適用することができる。 According to the heat exchange device 10, stress is applied and released to the nanoporous body 20 to contract and expand, thereby causing the nanoporous body 20 to desorb and adsorb the refrigerant 60, thereby generating latent heat due to a phase change. be able to. As a result, the latent heat generated by the desorption or adsorption of the refrigerant 60 can be directly used for cooling or heating, thus eliminating the need for an evaporator or condenser. In addition, since the evaporator and condenser do not require depressurization or heating/cooling in order to obtain latent heat, the energy required for the thermal cycle can be reduced. As a result, the coefficient of performance COP can be improved, so the amount of the nanoporous body 20 to be used can be reduced. In this way, an evaporator and a condenser are not required, and the amount of the nanoporous body 20 can be reduced, so that the heat exchange device 10 can be miniaturized. Since the heat exchange device 10 can be miniaturized, it can be suitably applied particularly to car air conditioners with limited installation space.

また、本実施形態に係る熱交換装置10は、一対の熱交換部30A、30Bと、一対の熱交換部30A、30Bの一対のチャンバー32A、32B間を冷媒60が移動可能に連通する配管50と、をさらに有する。制御部40は、各々の熱交換部30A、30Bにおける動作モードを、吸着モードと脱離モードとに交互に切り替える。これにより、一対の熱交換部30A、30Bの間で吸着モードと脱離モードとを交互に切り替えることによって、連続的に蒸発潜熱が生成される。これにより、効率的に冷熱を得ることができる。 Further, the heat exchange device 10 according to the present embodiment includes a pair of heat exchange units 30A and 30B and a pair of chambers 32A and 32B of the pair of heat exchange units 30A and 30B. and further comprising: The control unit 40 alternately switches the operation mode of each of the heat exchange units 30A and 30B between the adsorption mode and the desorption mode. Thus, latent heat of vaporization is continuously generated by alternately switching between the adsorption mode and the desorption mode between the pair of heat exchange sections 30A and 30B. Thereby, cold heat can be obtained efficiently.

また、本実施形態に係るナノ多孔質体20のヤング率Eは、1GPa以下である。ナノ多孔質構造体を収縮させて冷媒60を脱離させるのに必要な応力を低減することによって仕事Wns[J]が小さくなるため、成績係数COPを大きくすることができる。 Moreover, the Young's modulus E of the nanoporous body 20 according to this embodiment is 1 GPa or less. Reducing the stress required to shrink the nanoporous structure and desorb the coolant 60 reduces the work W ns [J] and thus increases the coefficient of performance COP.

また、本実施形態に係る冷媒(媒体)60は、水である。蒸発潜熱が高い水を冷媒60に利用することによって、成績係数COPをより大きくすることができる。 Further, the coolant (medium) 60 according to this embodiment is water. By using water, which has a high latent heat of vaporization, as the refrigerant 60, the coefficient of performance COP can be increased.

また、本実施形態に係るナノ多孔質体20を形成する多孔質材料のBET比表面積が、800~4200m/gの範囲である。表面積の大きいナノ多孔質体20を使用することによって冷媒60の吸着量を増加させることができる。これにより、ナノ多孔質体20の使用量を減らすことができる。 Also, the BET specific surface area of the porous material forming the nanoporous body 20 according to this embodiment is in the range of 800 to 4200 m 2 /g. The adsorption amount of the refrigerant 60 can be increased by using the nanoporous body 20 having a large surface area. Thereby, the usage amount of the nanoporous body 20 can be reduced.

また、本実施形態に係るナノ多孔質体20は、ゼオライトテンプレートカーボン(ZTC)またはグラフェンメソスポンジ(GMS)によって形成される。これにより、ナノ多孔質体20に応力を印加および解放して収縮膨張させることによって、ナノ多孔質体20に冷媒60を確実に脱離および吸着させて相変化による潜熱を発生させることができる。 Also, the nanoporous body 20 according to the present embodiment is formed of zeolite template carbon (ZTC) or graphene meso sponge (GMS). As a result, by applying and releasing stress to the nanoporous body 20 to contract and expand, the nanoporous body 20 can reliably desorb and adsorb the coolant 60 to generate latent heat due to phase change.

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲が以下の実施例のみに制限されるわけではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples. However, the technical scope of the present invention is not limited only to the following examples.

[実施例1]
(ZTCの調製)
本実施例に係るZTCは、Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009)を参考に合成を行った。ゼオライトX(Union Showa, 13X)を電気炉に設置し、窒素気流中873Kまで昇温させた。873Kに到達したら、窒素を20vol%アセチレン80vol%窒素に切り替え4時間化学気相蒸着(CVD)を行い、ゼオライトX細孔の中にカーボンを析出させた。その後、窒素のみのフローに切り替え、温度を1123Kまで上げ、3時間保持した。試料を室温まで冷却した後、ゼオライトXは、フッ酸(47wt%,Wako pure chemical industries)で取り除き、ZTCを得た。
[Example 1]
(Preparation of ZTC)
ZTC according to this example was synthesized with reference to Nishihara, H. et al., Chemistry-European Journal 15, 5355 (2009). Zeolite X (Union Showa, 13X) was placed in an electric furnace and heated to 873K in a stream of nitrogen. When the temperature reached 873 K, nitrogen was switched to 20 vol% acetylene and 80 vol% nitrogen, and chemical vapor deposition (CVD) was performed for 4 hours to deposit carbon in the zeolite X pores. Then the flow was switched to nitrogen only and the temperature was raised to 1123 K and held for 3 hours. After cooling the sample to room temperature, zeolite X was removed with hydrofluoric acid (47 wt%, Wako pure chemical industries) to obtain ZTC.

<ZTCの体積弾性率および弾性特性>
実施例1で調製したZTCの体積弾性率の測定および弾性特性を確認する実験を行った。比較例としては、活性炭(Shirasagi-P, Japan EnviroChemicals, Ltd.)を用いた。
<Bulk modulus and elastic properties of ZTC>
An experiment was conducted to measure the bulk modulus of the ZTC prepared in Example 1 and confirm its elastic properties. As a comparative example, activated carbon (Shirasagi-P, Japan EnviroChemicals, Ltd.) was used.

(体積弾性率の測定)
実施例1と比較例に対して、水銀等方圧試験を行って応力-体積ひずみ曲線を測定した。得られた応力-体積ひずみ曲線から体積弾性率を算出した。水銀等方圧試験は、等方圧プレス下で、水銀ポロシメーター(Micromerit-ics Instrument Corporation, Autopore IV 9510)を用いた水銀圧入法により圧縮応力と細孔の体積との関係を測定する試験である。具体的には、予め真空処理した実施例1と比較例の試料を密閉チャンバーにセットし、真空下でチャンバーに水銀を導入した。応力(等方圧)P[MPa]において水銀が試料全体に行き渡った時の体積VHg[m]を測定した。応力P[MPa]と細孔の体積ひずみVHg/Vとの関係を図8に示す。
(Measurement of bulk modulus)
For Example 1 and Comparative Example, a mercury isostatic test was performed to measure the stress-volume strain curve. The bulk modulus was calculated from the obtained stress-volume strain curve. The mercury isostatic test is a test to measure the relationship between compressive stress and pore volume by mercury intrusion method using a mercury porosimeter (Micromerit-ics Instrument Corporation, Autopore IV 9510) under an isostatic press. . Specifically, the samples of Example 1 and Comparative Example, which had been vacuum-treated in advance, were set in a sealed chamber, and mercury was introduced into the chamber under vacuum. The volume V Hg [m 3 ] when mercury spreads over the entire sample under stress (isotropic pressure) P [MPa] was measured. FIG. 8 shows the relationship between the stress P [MPa] and the pore volume strain V Hg /V 0 .

図8に示すように、応力が20MPa以下においては、VHgは、水銀が粒子間隙に浸透するため急激に低下する。試料の体積弾性率K[MPa]は、応力が50~150MPaのときの応力-体積ひずみ曲線の直線近似から計算した。直線近似式は、次の式で表すことができる。 As shown in FIG. 8, at a stress of 20 MPa or less, VHg drops sharply due to penetration of mercury into the intergranular spaces. The bulk elastic modulus K [MPa] of the sample was calculated from the linear approximation of the stress-volume strain curve when the stress was 50 to 150 MPa. A linear approximation formula can be expressed by the following formula.

Figure 0007242011000020
Figure 0007242011000020

ここで、V[m]は、初期の細孔の体積である。 where V 0 [m 3 ] is the initial pore volume.

50MPa以上で起こる現象を機械的圧縮による細孔の変形と仮定し、上記直線近似式から体積弾性率を計算した。実施例1のZTCの体積弾性率は、0.70GPaであった。比較例の活性炭の体積弾性率は、1.7GPaであった。なお、活性炭の場合は大きな細孔を有するため、過小評価している可能性がある。 Assuming that the phenomenon occurring at 50 MPa or higher is deformation of pores due to mechanical compression, the bulk modulus was calculated from the above linear approximation formula. The bulk modulus of ZTC of Example 1 was 0.70 GPa. The bulk modulus of the activated carbon of the comparative example was 1.7 GPa. In the case of activated carbon, it may be underestimated because it has large pores.

なお、ZTCを等方均質弾性体と仮定すると、体積弾性率K[MPa]とヤング率E[Pa]との関係は、次の式で表すことができる。 Assuming that ZTC is an isotropic homogeneous elastic body, the relationship between bulk modulus K [MPa] and Young's modulus E [Pa] can be expressed by the following equation.

Figure 0007242011000021
Figure 0007242011000021

(弾性特性)
実施例1で調製したZTCの単粒子および比較例に係る活性炭の単粒子を試料として用いた。試料に圧縮応力を印加し、その後解放した際の形状の変化を観察した結果を図9に示す。具体的には、試料をアルミ基板上に設置し、SEM装置内のタングステンプローブで圧縮を行い、in situで単粒子の変形の観察を行った。続いて、プローブを粒子から離し、単粒子が復元する様子を観察した。
(elastic properties)
The ZTC single particles prepared in Example 1 and the activated carbon single particles according to the comparative example were used as samples. FIG. 9 shows the results of observing the change in shape when compressive stress was applied to the sample and then released. Specifically, the sample was placed on an aluminum substrate, compressed with a tungsten probe in the SEM apparatus, and the deformation of single particles was observed in situ. Subsequently, the probe was separated from the particle, and the restoration of the single particle was observed.

ZTCの粒子と活性炭の粒子の形状は、SEM(Hitachi,S-4800)で観察した。単粒子への応力印加による粒子変形のin situ観察には、SEM(AD Science,PS4-2MM2LC-TH)を用いた。タングステンプローブ(GGB Industries,PT-14-6705-B)の先端は、Ga-focusedイオンビーム装置(FEI,Helios NanoLab 600i)を用いて、予め垂直にカットし平面出しを行ったものを使用した。 The shapes of ZTC particles and activated carbon particles were observed by SEM (Hitachi, S-4800). SEM (AD Science, PS4-2MM2LC-TH) was used for in situ observation of particle deformation due to stress application to single particles. The tip of the tungsten probe (GGB Industries, PT-14-6705-B) was previously cut vertically and flattened using a Ga-focused ion beam apparatus (FEI, Helios NanoLab 600i).

図9に示すように、ZTCは、圧縮応力の印加(約30%圧縮)および解放によって可逆的に形状が変形することが確認できた。一方、活性炭では、同様の圧縮で簡単に破壊され、可逆的な形状変化を示さなかった。 As shown in FIG. 9, it was confirmed that the ZTC was reversibly deformed by application of compressive stress (compressed by about 30%) and release. On the other hand, activated carbon was easily destroyed by similar compression and did not show reversible shape change.

<応力印加時の水の脱離および吸着測定>
実施例1で調製したZTCに応力を印加した際の水の脱離および吸着を確認する実験を行った。図10は、密閉したチャンバー内で試料に応力を印加または解放した際の水の脱離量および吸着量を測定するためのプレスチャンバー装置である。プレスチャンバー装置のチャンバーには直線導入機が接続してあり、試料に密閉チャンバー内で応力を印加できるように構成している。
<Measurement of desorption and adsorption of water under stress application>
An experiment was conducted to confirm the desorption and adsorption of water when stress was applied to the ZTC prepared in Example 1. FIG. 10 shows a press chamber apparatus for measuring the amount of desorption and adsorption of water when stress is applied or released to a sample in a closed chamber. A linear introduction device is connected to the chamber of the press chamber device, and is configured so that stress can be applied to the sample within the closed chamber.

まず、実施例1で調製したZTC粒子を、テフロン(登録商標)バインダー5wt%と混合し、シート状の試料を形成した。試料は423Kで真空乾燥し、プレスチャンバー装置のin situ測定用のチャンバー内にセットした。チャンバーを自動ガス吸着装置(BEL Japan,BELSORB-max)に締結し、チャンバーの内圧をモニタリングできるようにした。測定に十分な量の試料を確保するため、シート状の試料をステンレスの金属板で挟み積層する形でチャンバー内にセットした。in situ測定に先立って、積層した試料を数回プレスし、試料の弾性変形を安定化させた。 First, the ZTC particles prepared in Example 1 were mixed with 5 wt % of Teflon (registered trademark) binder to form a sheet-like sample. The sample was vacuum dried at 423K and set in the chamber for in situ measurement of the press chamber apparatus. The chamber was fastened to an automatic gas adsorption apparatus (BEL Japan, BELSORB-max) so that the internal pressure of the chamber could be monitored. In order to secure a sufficient amount of sample for measurement, a sheet-like sample was sandwiched between stainless metal plates and set in the chamber in a laminated manner. Prior to in situ measurements, the laminated sample was pressed several times to stabilize the elastic deformation of the sample.

直線導入機のトルクと積層した試料に印加される応力との関係は、次に述べる別の実験により予め確認を行った。トルクセンサーが付属するラチェット(Kyoto Tool Co.,GEK085-W36)を直線導入機に装着し、直線導入機を回すトルクを測定できるようにした。直線導入機の先端部分が試験機(Shimadzu,AG-50kNXplus)のロードセルに接触するように固定した状態で、ラチェットを回し、ハンドルを回すトルクとロードセルに印加される応力との関係を調べた。上記関係を利用することで、積層した試料に印加される応力は、直線導入機のトルクで制御した。 The relationship between the torque of the linear introducer and the stress applied to the stacked samples was previously confirmed by another experiment described below. A ratchet (Kyoto Tool Co., GEK085-W36) attached with a torque sensor was attached to the linear feeder so that the torque for rotating the linear feeder could be measured. With the tip of the linear introducer fixed so as to be in contact with the load cell of the testing machine (Shimadzu, AG-50kNXplus), the ratchet was turned to examine the relationship between the torque of turning the handle and the stress applied to the load cell. Using the above relationship, the stress applied to the laminated sample was controlled by the torque of the linear introducer.

実施例1のZTCと比較例の活性炭に対して、298Kにおける応力印加状態と応力無印加状態の水の脱離/吸着等温線の測定結果を図11に示す。ここで、実施例1のZTCに印加する応力は、83MPaとし、比較例の活性炭に印加する応力は、120MPaとした。 FIG. 11 shows the measurement results of the desorption/adsorption isotherms of water at 298 K under applied stress and unstressed conditions for the ZTC of Example 1 and the activated carbon of Comparative Example. Here, the stress applied to the ZTC of Example 1 was set at 83 MPa, and the stress applied to the activated carbon of the comparative example was set at 120 MPa.

図11の結果から、相対圧P/P=0.94(P:水蒸気圧、P:飽和水蒸気圧)において、実施例1の83MPaの応力印加状態では、応力無印加状態に比べて水の吸着量が約31%低減することが確認された。これは、ZTCの変形によって細孔容積が31%低減したためと考えられる。ZTCの細孔は、1.4nm間隔で周期的に並んだグラフェンの間隙に存在する。ZTCが変形する際、細孔径が減少するが、グラフェンの厚さは不変である。このため、細孔が31%縮んだ場合、ZTC全体では23%のひずみであると見積ることができる。一方、比較例の活性炭に関しては、120MPaの応力印加状態においても、応力無印加状態と比較して吸着量に変化は見られなかった。この結果は、活性炭が柔軟性を持たないためである。 From the results of FIG. 11, at a relative pressure of P/P 0 =0.94 (P: water vapor pressure, P 0 : saturated water vapor pressure), in the stress applied state of 83 MPa in Example 1, water It was confirmed that the adsorption amount of was reduced by about 31%. This is believed to be due to the 31% reduction in pore volume due to the deformation of ZTC. The pores of ZTC exist in the gaps of graphene periodically arranged at intervals of 1.4 nm. When ZTC deforms, the pore size decreases, but the graphene thickness remains unchanged. Therefore, if the pores shrink by 31%, it can be estimated that the overall ZTC is strained by 23%. On the other hand, with respect to the activated carbon of the comparative example, no change was observed in the adsorption amount even in the stress-applied state of 120 MPa compared to the stress-unapplied state. This result is due to the lack of flexibility of activated carbon.

<水の脱離/吸着および相変化の確認>
次に、実施例1のZTCに応力を印加/解放することによって、水の脱離/吸着および水(液体)/水蒸気の相変化が起こることを確認する実験を行った。まず、水蒸気(相対圧P/P=0.69)を応力無印加状態の実施例1のZTCを配置した298Kのチャンバー内に導入した。圧力減少が無くなり平衡に到達した後、80MPaまでの応力をZTCに印加し水蒸気を脱離させ、チャンバー内の圧力をモニターした。10分後、応力を解放し、ZTCを自由膨張させて10分間放置した。応力印加/解放サイクルは、4回実施した。応力印加および解放を繰り返したときのチャンバー内の水蒸気圧の変化を測定した結果を図12に示す。応力印加による死容積の減少は、0.13cmであり、全容積(59cm)の0.2%に過ぎないことを確認した。これは、相対圧P/Pの上昇分にしてわずか0.0014である。従って、図12で観察された相対圧P/Pの上昇(約0.09)は、機械的プレスによる強制的な吸着水の脱離によって生成した水蒸気によるものと考えられる。
<Confirmation of Desorption/Adsorption of Water and Phase Change>
Next, experiments were conducted to confirm that desorption/adsorption of water and phase change of water (liquid)/water vapor occur by applying/releasing stress to the ZTC of Example 1. First, water vapor (relative pressure P/P 0 =0.69) was introduced into the chamber at 298 K in which the ZTC of Example 1 was placed under no stress. After the pressure was no longer reduced and equilibrium was reached, a stress of up to 80 MPa was applied to the ZTC to desorb water vapor, and the pressure in the chamber was monitored. After 10 minutes, the stress was released and the ZTC was allowed to expand freely for 10 minutes. Four stress application/release cycles were performed. FIG. 12 shows the results of measurement of changes in water vapor pressure in the chamber when stress application and release were repeated. The dead volume reduction due to stress application was found to be 0.13 cm 3 , only 0.2% of the total volume (59 cm 3 ). This is only a 0.0014 increase in relative pressure P/ P0 . Therefore, the increase in relative pressure P/P 0 observed in FIG. 12 (approximately 0.09) is believed to be due to water vapor generated by forced desorption of adsorbed water by mechanical pressing.

続いて、機械的な応力によって、吸着した水を水蒸気に相変化させる試験を実施した。予め、チャンバーに水蒸気を導入し、相対圧P/P=0.69において、ZTCに水蒸気を吸着させた。続いて応力をZTCのシートに83MPa印加したところ、チャンバーの水蒸気圧は、0.79まで上昇した(図12中の(i))。なお、この圧縮によって生ずる死容積の減少は、無視できるほど小さいことは予め確認できている。 Subsequently, a test was conducted in which the adsorbed water undergoes a phase change to water vapor due to mechanical stress. Water vapor was introduced into the chamber in advance, and the water vapor was adsorbed on the ZTC at a relative pressure of P/P 0 =0.69. Subsequently, when a stress of 83 MPa was applied to the ZTC sheet, the water vapor pressure in the chamber increased to 0.79 ((i) in FIG. 12). It has already been confirmed that the reduction in dead volume caused by this compression is so small that it can be ignored.

続けて、応力を解放すると、水蒸気圧は減少したが(図12中の(ii))、このことはZTCが自由膨張して元の形状に戻ると共に、空孔が回復し、水蒸気が再度吸着されることを示している。 Subsequently, when the stress was released, the water vapor pressure decreased ((ii) in FIG. 12), but this meant that the ZTC was free to expand back to its original shape, the vacancies were restored, and water vapor was adsorbed again. It indicates that

また、応力印加/解放により可逆的に水を脱離/吸着できることも明らかとなった(図12中の(iii))。この結果から、応力印加/解放による水/水蒸気の相転移が可逆的であり、ZTCが本発明に係るナノ多孔質体20として適用できることが確認できた。 It was also revealed that water can be reversibly desorbed/adsorbed by applying/releasing stress ((iii) in FIG. 12). From this result, it was confirmed that the phase transition of water/water vapor due to stress application/release is reversible, and that ZTC can be applied as the nanoporous body 20 according to the present invention.

<ZTCの物理吸着量と温度との関係>
図13は、実施例1のZTCについて、298K(T)、303K(T)で測定を実施した2つの水吸着等温線と、これら2つの温度においてZTCを83MPaで圧縮した際の吸着等温線の予想を示した図である。図13のポイントIは、298Kで測定した応力無印加状態のZTCの水吸着等温線である。図13のポイントIVは、303Kで測定した応力無印加状態のZTCの水吸着等温線である。
<Relationship between physical adsorption amount of ZTC and temperature>
FIG. 13 shows two water adsorption isotherms measured at 298 K (T L ) and 303 K (T H ) for the ZTC of Example 1, and the adsorption isotherm when ZTC is compressed at 83 MPa at these two temperatures. FIG. 11 shows a line projection; Point I in FIG. 13 is the water adsorption isotherm of unstressed ZTC measured at 298K. Point IV in FIG. 13 is the water adsorption isotherm of unstressed ZTC measured at 303K.

ポイントIIとポイントIIIは、ポイントIとポイントIVの水吸着等温線の実測値を69%に補正して、83MPaの応力印加状態での水吸着等温線を再現した値である。図13のポイントIIは、298Kで83MPaの応力印加状態のZTCの水吸着等温線である。図13のポイントIIIは、303Kで83MPaの応力印加状態のZTCの水吸着等温線である。なお、水蒸気圧2.9kPaにおいて、ZTCの83MPaの応力印加状態の吸着量が応力無印加状態の吸着量の69%に減少することは、図11に示す応力印加時の水の脱離/吸着等温線の測定結果から確認した。 Point II and point III are values obtained by correcting the measured values of the water adsorption isotherms of points I and IV to 69% to reproduce the water adsorption isotherm under a stress of 83 MPa. Point II in FIG. 13 is the water adsorption isotherm of ZTC under stress of 83 MPa at 298K. Point III in FIG. 13 is the water adsorption isotherm of ZTC under stress of 83 MPa at 303K. It should be noted that, at a water vapor pressure of 2.9 kPa, the fact that the adsorption amount of ZTC in the stress-applied state of 83 MPa is reduced to 69% of the adsorption amount in the stress-free state indicates that the desorption/adsorption of water under stress application shown in FIG. This was confirmed from the isotherm measurement results.

<成績係数COPの算出>
図13の水吸着等温線と、上述に示した成績係数COPの計算式(式(10))、式(11)、式(12)、式(13)、式(17)および式(19)を用いて、ZTCをナノ多孔質体20として熱交換装置10を運転する場合の成績係数COPの値を計算した。
<Calculation of coefficient of performance COP>
The water adsorption isotherm in FIG. 13 and the calculation formula for the coefficient of performance COP shown above (formula (10)), formula (11), formula (12), formula (13), formula (17) and formula (19) was used to calculate the value of the coefficient of performance COP when the heat exchanger 10 is operated with the ZTC as the nanoporous body 20 .

運転条件は、T=303K、T=298K、P=2.9kPaとした。また、ZTCには83MPaの応力を印加するものとする。 The operating conditions were T H =303 K, T L =298 K, and P=2.9 kPa. Also, it is assumed that a stress of 83 MPa is applied to the ZTC.

図14は、ZTC/PTFEシートを用いて得られた応力ひずみ曲線の測定結果である。このデータを用いて、2.9kPaの水蒸気圧におけるCOPを式(10)をベースとして計算できる。 FIG. 14 shows the measurement results of the stress-strain curve obtained using the ZTC/PTFE sheet. Using this data, the COP at water vapor pressure of 2.9 kPa can be calculated based on equation (10).

この式において、それぞれΔvapH=2453kJkg-1、cre=4.184kJkg-1-1とした。高温側と低温側の温度差(T-T)は、5Kである。cnsはグラファイトの値を用いて0.72kJkg-1-1とした。式(12)から、V=wns/ρns-ap=0.001976wnsである。さらに、図11のin situ測定の際に別途測定した応力-ひずみ曲線より、ZTCシートのヤング率は0.38GPaと求められる。したがって、83MPaを印加した際のひずみεは0.23となる。wre-adsは、wnsで表すことができ、ポイントIに示す温度T=303Kにおける応力無印加状態のナノ多孔質体20の吸着量(51.1mmolg-1=0.92kgkg-1)wnsから、wre-ads=0.92wnsとなる。 In this equation, Δ vap H = 2453 kJkg -1 and c re = 4.184 kJkg -1 K -1 respectively. The temperature difference between the hot side and the cold side (T H −T L ) is 5K. c ns was set to 0.72 kJkg -1 K -1 using the value of graphite. From equation (12), V 0 =w nsns-ap =0.001976w ns . Furthermore, the Young's modulus of the ZTC sheet is determined to be 0.38 GPa from the stress-strain curve separately measured during the in situ measurement of FIG. Therefore, the strain εd when 83 MPa is applied is 0.23. w re-ads can be represented by w ns , and is the adsorption amount of the nanoporous body 20 in the stress-free state at temperature T H =303 K shown in point I (51.1 mmolg −1 =0.92 kgkg −1 ). From w ns , w re-ads =0.92w ns .

式(15)に示したように、wreは、wre-adsとwpress-TLとの差である。wpress-TLは、図13のポイントIIに示す温度T=298Kにおける圧縮したZTCシートの吸着量(42.8mmolg-1=0.77kgkg-1)wnsから、0.77wnsと表すことができる。従って、wre=0.92wns-0.77wns=0.15wnsとなる。 As shown in equation (15), w re is the difference between w re-ads and w press-TL . w press-TL is expressed as 0.77w ns from the adsorption amount of the compressed ZTC sheet (42.8mmolg −1 =0.77kgkg −1 )w ns at temperature T L =298K shown in point II of FIG. can be done. Therefore, w re =0.92w ns -0.77w ns =0.15w ns .

図14のハッチング部分の面積から、ZTCの内部摩擦によるエネルギー損失φ[J]は計算することができ、0.34となる。エネルギー損出は熱となり、冷却すべき部屋の温度を上げることになるので、損失分は差し引くことになる。T=303K、T=298K、P=2.9kPaにおけるCOPは、上記に示した数値を式(10)に代入して求めることができるが、17.2と算出される。 From the area of the hatched portion in FIG. 14, the energy loss φ f [J] due to internal friction of the ZTC can be calculated to be 0.34. Since the energy loss becomes heat and raises the temperature of the room to be cooled, the loss is subtracted. The COP at T H =303 K, T L =298 K, and P=2.9 kPa can be obtained by substituting the numerical values shown above into equation (10), and is calculated to be 17.2.

続いて、成績係数COPとひずみεの近似関係を計算する。式(10)において、ΔvapH=2453kJkg-1、cre=4.184kJkg-1-1、T-T=20Kであると仮定する。cnsの値は、グラファイトの値として、0.72kJkg-1-1と仮定できる。従って、式(10)は、次の式で表すことができる。 Subsequently, the approximate relationship between the coefficient of performance COP and the strain εd is calculated. In equation (10), assume that Δ vap H=2453 kJkg −1 , c re =4.184 kJkg −1 K −1 , T 3 −T 4 =20K. The value of c ns can be assumed to be 0.72 kJkg −1 K −1 for graphite. Therefore, equation (10) can be expressed by the following equation.

Figure 0007242011000022
Figure 0007242011000022

式(11)、式(12)、および式(19)を代入すると、次の式となる。 Substituting equations (11), (12), and (19) yields the following equations.

Figure 0007242011000023
Figure 0007242011000023

式(21)において、ρre、φns、Vnsは、温度Tにおける吸着等温線(図13のポイントIVを参照)より決定することが可能である。ρreは1000kgm-3であり、ρns-apは一般的な細孔材料においては大きくても約1000kgm-3である。Vnsは、大きくても0.003mkg-1程度である。φnsは1と仮定する。以上から、成績係数COPは、ヤング率Eとひずみεを用いて、式(24)で近似することができる。 In equation (21), ρ re , φ ns and V ns can be determined from the adsorption isotherm at temperature T 3 (see point IV in FIG. 13). ρ re is 1000 kgm −3 and ρ ns-ap is at most about 1000 kgm −3 for typical microporous materials. V ns is about 0.003 m 3 kg −1 at most. Assume that φ ns is 1. From the above, the coefficient of performance COP can be approximated by Equation (24) using Young's modulus E and strain εd .

Figure 0007242011000024
Figure 0007242011000024

図15は、式(24)で得られた熱交換装置10の成績係数COPとナノ多孔質体20のひずみ量εに依存するヤング率Eとの近似曲線を示した図である。近似曲線は、上述した式(24)を用いて計算した。ひずみεが小さくなればなるほど、成績係数COPは大きくなるが、一方で、ひずみεが小さくなるほど、ナノ多孔質体20の体積を増加させることになる。その結果、熱交換装置10を大型化してしまうことになる。従って、ひずみεは、0.2以下であることが好ましい。図15に示すように、ひずみεが0.2以下の条件で成績係数COPを10以上とするには、ナノ多孔質体20のヤング率Eは、1.1GPa以下にする必要がある。以上の理由から、ナノ多孔質体20のヤング率Eは、1.1GPa以下に設計することが好ましい。 FIG. 15 is a diagram showing an approximation curve between the coefficient of performance COP of the heat exchange device 10 obtained by Equation (24) and the Young's modulus E depending on the strain amount ε d of the nanoporous body 20 . The fitted curve was calculated using equation (24) above. As the strain ε d becomes smaller, the coefficient of performance COP becomes larger . As a result, the size of the heat exchange device 10 is increased. Therefore, the strain ε d is preferably 0.2 or less. As shown in FIG. 15, the Young's modulus E of the nanoporous body 20 must be 1.1 GPa or less in order to make the coefficient of performance COP 10 or more under the condition that the strain ε d is 0.2 or less. For the above reasons, the Young's modulus E of the nanoporous body 20 is preferably designed to be 1.1 GPa or less.

[実施例2]
実施例2には、熱交換装置10にナノ多孔質体20としてGMSを用い、冷媒60としてエタノールを用いた例を示す。
[Example 2]
Example 2 shows an example in which GMS is used as the nanoporous body 20 in the heat exchange device 10 and ethanol is used as the refrigerant 60 .

(GMSの調製)
GMSは、単層グラフェン骨格を有し、大きな空孔率および弾性を有する。GMSの合成法は、Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427.を引用した。
(Preparation of GMS)
GMS has a monolayer graphene framework and has large porosity and elasticity. For the GMS synthesis method, Advanced Functional Materials, Vol. 26, 2016, 6418-6427.

アルミナナノ粒子(Taimei Chemicals,TM300)を電気炉に設置し、窒素気流中1173Kまで昇温させた。1173Kに到達したら、窒素ガスを20vol%メタン、80vol%窒素に切り替え、2hのCVDによりアルミナナノ粒子の表面に炭素を析出させた。その後、窒素のみのフローに切り替え、室温まで冷却した。得られたカーボン被覆アルミナナノ粒子をフッ酸(47wt%,Wako pure chemical industries)に浸漬し、アルミナナノ粒子を取り除いた。得られたメソポーラスカーボンは、アルゴン気流中(10Pa)2073Kで焼成し、GMSを得た。 Alumina nanoparticles (Taimei Chemicals, TM300) were placed in an electric furnace and heated to 1173 K in a nitrogen stream. When the temperature reached 1173 K, the nitrogen gas was switched to 20 vol% methane and 80 vol% nitrogen, and carbon was deposited on the surfaces of the alumina nanoparticles by CVD for 2 hours. After that, the flow was switched to nitrogen only and cooled to room temperature. The obtained carbon-coated alumina nanoparticles were immersed in hydrofluoric acid (47 wt %, Wako pure chemical industries) to remove the alumina nanoparticles. The obtained mesoporous carbon was sintered at 2073K in an argon stream (10 Pa) to obtain GMS.

GMSは、主に単層グラフェンからなり、大きな弾性を持ち合わせている。GMSの応力無印加時と90MPaの応力印加時(298K)におけるエタノールの脱離/吸着曲線を図16に示す。P/P=0.92における吸着量は、応力印加に伴い、58%まで低減した。GMSの真密度を一般的な炭素材料の値2.0g/cmと仮定すると、全細孔容積は2.79cm/gである。これらの値を用いると、GMS全体としての変形量は36%と算出される。 GMS consists mainly of monolayer graphene and has great elasticity. FIG. 16 shows the ethanol desorption/adsorption curves of GMS under no stress and under stress of 90 MPa (298 K). The adsorption amount at P/P 0 =0.92 decreased to 58% with the application of stress. Assuming that the true density of GMS is 2.0 g/cm 3 for common carbon materials, the total pore volume is 2.79 cm 3 /g. Using these values, the deformation of the GMS as a whole is calculated to be 36%.

図17は、GMSにおいてエタノールの脱離/吸着等温線(298K)を測定した際、脱離測定の途中でGMSに応力を印加した結果である。吸着が完了し、図17中のA点に示される脱離点が観測されるが、A点の測定が完了した直後にGMSに90MPaを印加すると、次の測定点はB点となった。すなわち、A点からB点に相対圧は上昇した。この結果から、実施例2の熱交換装置10においても、応力印加時に相変化(液体→気体)が起こっていることを確認した。以上の結果は、GMSも本発明に係るナノ多孔質体20として適用できることを示している。 FIG. 17 shows the results of applying stress to the GMS during the measurement of the desorption/adsorption isotherm (298 K) of ethanol in the GMS. After the adsorption was completed, the desorption point shown at point A in FIG. 17 was observed, but when 90 MPa was applied to the GMS immediately after the measurement at point A was completed, point B was the next measurement point. That is, the relative pressure increased from point A to point B. From this result, it was confirmed that the heat exchange device 10 of Example 2 also undergoes a phase change (liquid to gas) when stress is applied. The above results show that GMS can also be applied as the nanoporous body 20 according to the present invention.

[第2実施形態]
図18は、第2実施形態に係る熱交換装置100の構成を示す概略断面図である。熱交換装置100の応力付与部200は、吸着モードの一方の熱交換部のナノ多孔質体の膨張による反発応力を、脱離モードの他方の熱交換部のナノ多孔質体を収縮させるための応力に変換する応力変換部230を有する点で前述した第1実施形態と異なる。なお、応力付与部200以外の構成は前述した第1実施形態と同様のため、同一の符号を付してその説明を省略する。
[Second embodiment]
FIG. 18 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the heat exchange device 100 according to the second embodiment. The stress-applying unit 200 of the heat exchange device 100 applies the repulsive stress due to the expansion of the nanoporous body of one heat exchange part in the adsorption mode to contract the nanoporous body of the other heat exchange part in the desorption mode. It is different from the first embodiment described above in that it has a stress converter 230 that converts stress. Since the configuration other than the stress applying section 200 is the same as that of the first embodiment described above, the same reference numerals are attached and the description thereof is omitted.

第1実施形態に係る熱交換装置10では、2つのチャンバー32A、32Bに対して2つの応力付与部31A、31Bがそれぞれ装着され、2つの応力付与部31A、31Bをそれぞれ独立に制御して2つのナノ多孔質体20A、20Bに応力を印加および解放していた。第2実施形態に係る熱交換装置100では、2つのチャンバー32A、32Bに対して1つの応力付与部200が装着され、1つの応力付与部200を制御して2つのナノ多孔質体20A、20Bに応力を印加および解放する。 In the heat exchange device 10 according to the first embodiment, the two stress applying units 31A and 31B are attached to the two chambers 32A and 32B, respectively, and the two stress applying units 31A and 31B are controlled independently. A stress was applied and released to two nanoporous bodies 20A and 20B. In the heat exchange device 100 according to the second embodiment, one stress applying section 200 is attached to the two chambers 32A and 32B, and the one stress applying section 200 is controlled to produce two nanoporous bodies 20A and 20B. Apply and release stress on

熱交換装置100は、一対の熱交換部30A、30Bのうち一方の動作モードが脱離モードである間は他方の動作モードが吸着モードになるようにスイング運転する。したがって、熱交換装置100は、一方のチャンバー32A、32B内のナノ多孔質体20A、20Bに応力を印加して圧縮する際に、他方のチャンバー32A、32B内のナノ多孔質体20A、20Bから応力を解放して自由膨張させる。 The heat exchange device 100 performs swing operation such that while one of the pair of heat exchange units 30A and 30B is in the desorption mode, the other is in the adsorption mode. Therefore, when the heat exchange device 100 applies stress to the nanoporous bodies 20A, 20B in one chamber 32A, 32B to compress them, the nanoporous bodies 20A, 20B in the other chamber 32A, 32B Release stress to allow free expansion.

第1チャンバー32Aおよび第2チャンバー32Bは、中心面Cに対して対称に配置されている。以下、応力付与部200の構成について詳細に説明する。 The first chamber 32A and the second chamber 32B are arranged symmetrically with respect to the center plane C. As shown in FIG. The configuration of the stress applying unit 200 will be described in detail below.

応力付与部200は、円筒状のシリンダー210と、シリンダー210内を移動可能な2つのピストン220A、220Bと、2つのピストン220A、220Bの間を連結する応力変換部230と、プレス部240A、240Bとを有する。プレス部240A、240Bは、2つのピストン220A、220Bのそれぞれに固定され、ナノ多孔質体20A、20Bに応力を印加および解放する。 The stress applying section 200 includes a cylindrical cylinder 210, two pistons 220A and 220B movable in the cylinder 210, a stress conversion section 230 connecting the two pistons 220A and 220B, and press sections 240A and 240B. and The press portions 240A, 240B are fixed to each of the two pistons 220A, 220B to apply and release stress to the nanoporous bodies 20A, 20B.

応力変換部230は、固定軸O1周りを回転する第1リンク部材231と、ピストン220Aに連結される第2リンク部材232と、ピストン220Bに連結される第3リンク部材233と、を有する。応力変換部230は、第1リンク部材231、第2リンク部材232および第3リンク部材233を連結する連結部234をさらに有する。固定軸O1は、中心面C上に配置されている。連結部234は、固定軸O1周りを回動自在な可動軸O2を有する。 The stress converter 230 has a first link member 231 rotating around the fixed axis O1, a second link member 232 connected to the piston 220A, and a third link member 233 connected to the piston 220B. The stress conversion portion 230 further has a connecting portion 234 that connects the first link member 231 , the second link member 232 and the third link member 233 . The fixed axis O1 is arranged on the central plane C. As shown in FIG. The connecting portion 234 has a movable axis O2 rotatable around the fixed axis O1.

第1リンク部材231の一端は、固定軸O1周りを回転可能に固定軸O1に固定される。第1リンク部材231の他端は、可動軸O2周りを回転可能に連結部234に連結される。 One end of the first link member 231 is fixed to the fixed axis O1 so as to be rotatable around the fixed axis O1. The other end of the first link member 231 is connected to the connecting portion 234 so as to be rotatable around the movable axis O2.

第2リンク部材232の一端は、ピストン220Aに固定された第1軸O3周りを回転可能にピストン220Aに連結される。第2リンク部材232の他端は、可動軸O2周りを回転可能に連結部234に連結される。同様に、第3リンク部材233の一端は、ピストン220Bに固定された第2軸O4周りを回転可能にピストン220Bに連結される。第3リンク部材233の他端は、可動軸O2周りを回転可能に連結部234に連結される。 One end of the second link member 232 is connected to the piston 220A so as to be rotatable around the first axis O3 fixed to the piston 220A. The other end of the second link member 232 is connected to the connecting portion 234 so as to be rotatable around the movable axis O2. Similarly, one end of the third link member 233 is connected to the piston 220B so as to be rotatable around the second axis O4 fixed to the piston 220B. The other end of the third link member 233 is connected to the connecting portion 234 so as to be rotatable around the movable axis O2.

図19A~図19Dは、第2実施形態に係る熱交換装置100の動作を説明するための概略断面図である。なお、応力付与部200の動作は、制御部40が制御する。 19A to 19D are schematic cross-sectional views for explaining the operation of the heat exchange device 100 according to the second embodiment. Note that the operation of the stress applying unit 200 is controlled by the control unit 40 .

図19Aは、第1実施形態の図6A、図6G、図6Hに対応する状態を示す図である。図19Bは、第1実施形態の図6Bに対応する状態を示す図である。図19Cは、第1実施形態の図6C、図6D、図6Eに対応する状態を示す図である。図19Dは、第1実施形態の図6Fに対応する状態を示す図である。各状態に対応する熱交換部30A、30Bの動作モードについては前述した第1実施形態と同様のため説明を省略する。 FIG. 19A is a diagram showing a state corresponding to FIGS. 6A, 6G, and 6H of the first embodiment. FIG. 19B is a diagram showing a state corresponding to FIG. 6B of the first embodiment. FIG. 19C is a diagram showing a state corresponding to FIGS. 6C, 6D, and 6E of the first embodiment. FIG. 19D is a diagram showing a state corresponding to FIG. 6F of the first embodiment. Since the operation modes of the heat exchange units 30A and 30B corresponding to each state are the same as those of the first embodiment, description thereof is omitted.

図19Aでは、第1チャンバー32A内の第1ナノ多孔質体20Aは、応力付与部200からの応力印加がなく自由膨張した状態である。第2チャンバー32B内の第2ナノ多孔質体20Bは、応力付与部200からの応力印加によって収縮した状態である。第1軸O3から中心面Cまでの距離L1は、第2軸O4から中心面Cまでの距離L2よりも短くなる。 In FIG. 19A, the first nanoporous body 20A in the first chamber 32A is in a state of free expansion without application of stress from the stress applying section 200. In FIG. The second nanoporous body 20B in the second chamber 32B is in a contracted state due to the application of stress from the stress applying section 200. As shown in FIG. The distance L1 from the first axis O3 to the central plane C is shorter than the distance L2 from the second axis O4 to the central plane C.

図19Aの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りに回転させると、連結部234は、第1チャンバー32A側へ移動する。連結部234の移動に伴って、第2リンク部材232および第3リンク部材233が第1チャンバー32A側へ移動する。これにより、2つのピストン220A、220Bは、第1チャンバー32A側へ移動する。 When the first link member 231 is rotated counterclockwise about the fixed axis O1 from the state of FIG. 19A, the connecting portion 234 moves toward the first chamber 32A. As the connecting portion 234 moves, the second link member 232 and the third link member 233 move toward the first chamber 32A. As a result, the two pistons 220A, 220B move toward the first chamber 32A.

ピストン220Bの移動に伴って、第2チャンバー32B内の第2ナノ多孔質体20Bからは応力が徐々に解放される。これにより、第2ナノ多孔質体20Bが自由膨張する。第2ナノ多孔質体20Bの自由膨張による反発応力は、プレス部240B、ピストン220Bおよび第3リンク部材233を介して第2リンク部材232に伝達される。第2リンク部材232は、当該反発応力を第1チャンバー32A内の第1ナノ多孔質体20Aを圧縮させるための応力として利用する。すなわち、応力変換部230は、第2ナノ多孔質体20Bの自由膨張による反発応力を第1ナノ多孔質体20Aを圧縮させるための機械的エネルギーWrns[J]に変換する。 As the piston 220B moves, stress is gradually released from the second nanoporous body 20B in the second chamber 32B. As a result, the second nanoporous body 20B expands freely. The repulsive stress due to the free expansion of the second nanoporous body 20B is transmitted to the second link member 232 via the press portion 240B, the piston 220B and the third link member 233. The second link member 232 uses the repulsive stress as stress for compressing the first nanoporous body 20A in the first chamber 32A. That is, the stress converter 230 converts repulsive stress due to free expansion of the second nanoporous body 20B into mechanical energy W rns [J] for compressing the first nanoporous body 20A.

図19Aの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りに90度回転させさせると図19Bの状態となる。図19Bでは、可動軸O2は、中心面C上に配置されている。この状態で、第1軸O3から中心面Cまでの距離L1は、第2軸O4から中心面Cまでの距離L2に等しくなる。 When the first link member 231 is rotated 90 degrees counterclockwise about the fixed axis O1 from the state shown in FIG. 19A, the state shown in FIG. 19B is obtained. 19B, the movable axis O2 is arranged on the central plane C. In FIG. In this state, the distance L1 from the first axis O3 to the central plane C is equal to the distance L2 from the second axis O4 to the central plane C.

図19Bの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りにさらに90度回転させると、連結部234は、第1チャンバー32A側へさらに移動して図19Cの状態となる。第1軸O3から中心面Cまでの距離L1は、第2軸O4から中心面Cまでの距離L2よりも長くなる。これにより、第1チャンバー32A内の第1ナノ多孔質体20Aは、最も圧縮した状態となり、第2チャンバー32B内の第2ナノ多孔質体20Bは、応力から解放された状態となる。 When the first link member 231 is further rotated 90 degrees counterclockwise about the fixed axis O1 from the state of FIG. 19B, the connecting portion 234 moves further toward the first chamber 32A and enters the state of FIG. 19C. The distance L1 from the first axis O3 to the central plane C is longer than the distance L2 from the second axis O4 to the central plane C. As a result, the first nanoporous body 20A in the first chamber 32A is in the most compressed state, and the second nanoporous body 20B in the second chamber 32B is in a stress-relieved state.

図19Cの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りにさらに回転させると、連結部234は、第2チャンバー32B側へ移動する。図19A、図19Bのときと同様に、応力変換部230は、第1ナノ多孔質体20Aの自由膨張による反発応力を第2ナノ多孔質体20Bを圧縮させるための機械的エネルギーWrns[J]に変換する。 When the first link member 231 is further rotated counterclockwise about the fixed axis O1 from the state of FIG. 19C, the connecting portion 234 moves toward the second chamber 32B. 19A and 19B, the stress converter 230 converts the repulsive stress due to the free expansion of the first nanoporous body 20A to the mechanical energy W rns [J ].

図19Cの状態から第1リンク部材231を固定軸O1を中心に左周りに90度回転させると図19Dの状態となる。図19Dでは、可動軸O2は、中心面C上に配置されている。この状態で、第1軸O3から中心面Cまでの距離L1は、第2軸O4から中心面Cまでの距離L2に等しくなる。 When the first link member 231 is rotated 90 degrees counterclockwise about the fixed axis O1 from the state shown in FIG. 19C, the state shown in FIG. 19D is obtained. 19D, the movable axis O2 is located on the central plane C. In FIG. In this state, the distance L1 from the first axis O3 to the central plane C is equal to the distance L2 from the second axis O4 to the central plane C.

以上のように、熱交換装置100の制御では、図19A~図19Dに示す動作を繰り返すことによって、一対の熱交換部30A、30Bの動作モードを交互にスイング運転する。これにより、脱離モードの熱交換部30A、30Bにおいて連続的に蒸発潜熱Q[J]による冷熱を生成することが可能となる。また、応力変換部230は、ナノ多孔質体20A、20Bの自由膨張による反発応力を熱交換装置100を作動するための機械的エネルギーWrns[J]に変換して回収することができる。 As described above, in the control of the heat exchange device 100, the operation modes of the pair of heat exchange units 30A and 30B are alternately swing operated by repeating the operations shown in FIGS. 19A to 19D. As a result, cold heat can be continuously generated by the latent heat of vaporization Q L [J] in the heat exchange units 30A and 30B in the desorption mode. In addition, the stress converter 230 can convert repulsive stress due to free expansion of the nanoporous bodies 20A and 20B into mechanical energy W rns [J] for operating the heat exchange device 100 and recover it.

COP算出式のベースは式(5)に示した通りであるが、図19A~図19Dに示すように、応力変換部230がナノ多孔質体20A、20Bの応力解放時の自由膨張による反発応力を回収可能な機械的エネルギーWrns[J]として回収できる場合は、分母になる加えるエネルギーから差し引くことができるため、式(25)で示すことができる。 The base of the COP calculation formula is as shown in formula (5), but as shown in FIGS. can be recovered as recoverable mechanical energy W rns [J], it can be subtracted from the applied energy, which is the denominator, and can be represented by Equation (25).

Figure 0007242011000025
Figure 0007242011000025

図20に示すように、ナノ多孔質体20A、20Bの解放時の自由膨張による反発応力に伴う回収可能な機械的エネルギーWrns[J]は、ナノ多孔質体の応力-ひずみ曲線のヒステリシスから得ることができる。また、失われるエネルギーは内部摩擦Q[J]で失われる分を差し引くことにより得られる。なお、図20は、図14と同じ条件で測定したナノ多孔質体の応力-ひずみ曲線を表す図である。 As shown in FIG. 20, the recoverable mechanical energy W rns [J] associated with the repulsive stress due to the free expansion of the nanoporous bodies 20A and 20B when released is obtained from the hysteresis of the stress-strain curve of the nanoporous bodies. Obtainable. Also, the lost energy can be obtained by subtracting the amount lost due to the internal friction Q f [J]. FIG. 20 shows the stress-strain curve of the nanoporous material measured under the same conditions as in FIG.

Figure 0007242011000026
Figure 0007242011000026

Figure 0007242011000027
Figure 0007242011000027

Figure 0007242011000028
Figure 0007242011000028

式(28)を式(25)に代入すると、次のようになる。 Substituting equation (28) into equation (25) yields:

Figure 0007242011000029
Figure 0007242011000029

式(3)~(9)に代入していくと、反発応力を回収するシステムのCOP算出式は式(30)に示す形となる。 By substituting into the formulas (3) to (9), the formula for calculating the COP of the system for recovering the repulsive stress becomes the formula shown in the formula (30).

Figure 0007242011000030
Figure 0007242011000030

この式において、実施例1と同一の条件、それぞれΔvapH=2453kJkg-1、cre=4.184kJkg-1-1、高温側と低温側の温度差(T-T)=5K、cns=0.72kJkg-1-1とし、図11のin situ測定の際に別途測定した応力-ひずみ曲線(図14、図20)より、ZTCシートのヤング率は、0.38GPa、と求められる。したがって、83MPaを印加した際のひずみεは0.23、ポイントIに示す温度T=303Kにおける応力無印加状態のナノ多孔質体20の吸着量(51.1mmolg-1=0.92kgkg-1)wnsから、wre-ads=0.92wns、ポイントIIに示す温度T=298Kにおける圧縮したZTCシートの吸着量(42.8mmolg-1=0.77kgkg-1)wnsから、0.77wnsとなるので、wre=0.92wns-0.77wns=0.15wns、図14のハッチング部分の面積から、ZTCの内部摩擦によるエネルギー損失φ[J]は計算することができ、0.34をそれぞれ代入すると、図13の条件であるT=303K、T=298K、P=2.9kPaにおける反発応力を回収するシステムにおけるCOPを算出できるが、そのCOPは実施例1の17.2から50.6に改善される。 In this equation, the same conditions as in Example 1, respectively Δ vap H = 2453 kJkg -1 , c re = 4.184 kJkg -1 K -1 , temperature difference between high temperature side and low temperature side (T H - T L ) = 5K , c ns = 0.72 kJkg -1 K -1 , and the stress-strain curves (FIGS. 14 and 20) separately measured during the in situ measurement of FIG. is asked. Therefore, the strain ε d when 83 MPa is applied is 0.23, and the adsorption amount of the nanoporous body 20 in the stress-free state at the temperature T H = 303 K shown in point I (51.1 mmol g -1 = 0.92 kg kg - 1 ) From w ns , w re-ads =0.92 w ns , the adsorption amount of the compressed ZTC sheet at temperature T L =298 K shown in point II (42.8 mmol g −1 =0.77 kg kg −1 )w ns , from Since it is 0.77w ns , w re =0.92w ns -0.77w ns =0.15w ns From the hatched area in FIG. 14, the energy loss φ f [J] due to internal friction of ZTC is calculated. Substituting 0.34 for each, we can calculate the COP in a system that recovers the repulsive stress under the conditions of FIG. It is improved from 17.2 of Example 1 to 50.6.

以上説明したように、本実施形態に係る熱交換装置100の応力付与部200は、吸着モードの一方の熱交換部30A、30Bのナノ多孔質体20A、20Bの膨張による反発応力を、脱離モードの他方の熱交換部30A、30Bのナノ多孔質体20A、20Bを収縮させるための応力に変換する応力変換部230をさらに有する。応力変換部230は、一方のナノ多孔質体20A、20Bの自由膨張による反発応力を他方のナノ多孔質体20A、20Bを圧縮させるための機械的エネルギーWrns[J]に変換する。その結果、ナノ多孔質体20A、20Bの自由膨張の反発応力を効率良く回収できるようになる。 As described above, the stress applying section 200 of the heat exchange device 100 according to the present embodiment desorbs the repulsive stress due to the expansion of the nanoporous bodies 20A and 20B of the heat exchange sections 30A and 30B on one side in the adsorption mode. It further has a stress converting portion 230 that converts the stress for contracting the nanoporous bodies 20A, 20B of the heat exchanging portions 30A, 30B of the other mode. The stress converter 230 converts repulsive stress due to free expansion of one nanoporous bodies 20A and 20B into mechanical energy W rns [J] for compressing the other nanoporous bodies 20A and 20B. As a result, the repulsive stress of the free expansion of the nanoporous bodies 20A and 20B can be recovered efficiently.

[第2実施形態の変形例]
応力変換部を備える熱交換装置の構成は図18に示す形態に限定されず適宜変更可能である。例えば、図18に示す形態では、応力変換部およびチャンバー32A、32Bを水平に締結した例を示したが、図21に示すようにV型に締結したシステムでも同様な効果が得られる。
[Modification of Second Embodiment]
The configuration of the heat exchange device including the stress conversion section is not limited to the form shown in FIG. 18, and can be changed as appropriate. For example, in the form shown in FIG. 18, an example in which the stress conversion section and the chambers 32A and 32B are horizontally fastened is shown, but a system in which they are fastened in a V-shape as shown in FIG. 21 has the same effect.

また、図18、図21では、2つのチャンバーを組み合わせた例を示しているが、3つのチャンバー、あるいは必要に応じて4つ以上のチャンバーを組み合わせても同様な効果が得られる。 18 and 21 show an example in which two chambers are combined, similar effects can be obtained by combining three chambers or, if necessary, four or more chambers.

以上、本発明の実施形態に係る熱交換装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されない。本発明は特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。 Although the heat exchange device according to the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment. Various modifications of the present invention are possible based on the configuration described in the claims, and these are also within the scope of the present invention.

例えば、本発明の熱交換装置を、脱離時の蒸発潜熱から得た冷熱を利用して対象を冷却する冷却装置(冷凍機)に適用した場合を例に挙げて説明したが、吸着時の凝縮潜熱から得た温熱を利用して対象を加熱する加熱装置(ヒートポンプ)に適用してもよい。 For example, the case where the heat exchange device of the present invention is applied to a cooling device (chiller) that cools an object by utilizing the cold heat obtained from the latent heat of vaporization at the time of desorption has been described as an example. It may be applied to a heating device (heat pump) that heats an object using heat obtained from latent heat of condensation.

また、一対(2つ)の熱交換部を有するバッチ式の熱交換装置として説明したが、これに限定されず、1つの熱交換部によって構成してもよいし、3つ以上の熱交換部によって構成してもよい。 In addition, although the batch-type heat exchange device having a pair (two) heat exchange units has been described, it is not limited to this, and may be configured with one heat exchange unit, or with three or more heat exchange units. may be configured by

10、100 熱交換装置、
20 ナノ多孔質体、
20A 第1ナノ多孔質体、
20B 第2ナノ多孔質体、
30A 第1熱交換部(熱交換部)、
31A 第1応力付与部(応力付与部)、
32A 第1チャンバー(チャンバー)、
30B 第2熱交換部(熱交換部)、
31B 第2応力付与部(応力付与部)、
32B 第2チャンバー(チャンバー)、
33A 第1空気調節部、
33B 第2空気調節部、
40 制御部、
50 配管、
51 バルブ、
60 冷媒(媒体)、
200 応力付与部、
210 シリンダー、
220A、220B ピストン、
230 応力変換部、
231 第1リンク部材、
232 第2リンク部材、
233 第3リンク部材、
234 連結部、
240A、240B プレス部。
10, 100 heat exchange device,
20 nanoporous body,
20A first nanoporous body,
20B second nanoporous body,
30A first heat exchange section (heat exchange section),
31A first stress applying portion (stress applying portion),
32A first chamber (chamber),
30B second heat exchange section (heat exchange section),
31B second stress applying portion (stress applying portion),
32B second chamber (chamber),
33A first air conditioning unit,
33B second air conditioning unit,
40 control unit,
50 piping,
51 valve,
60 refrigerant (medium),
200 stress applying section,
210 cylinders,
220A, 220B pistons,
230 stress converter,
231 first link member,
232 second link member,
233 third link member,
234 connector,
240A, 240B Press section.

Claims (7)

弾性を有し、収縮して媒体を脱離可能で、かつ、膨張して前記媒体を吸着可能な複数のナノレベルの細孔を有する、ナノ多孔質体と、
前記ナノ多孔質体に応力を印加して前記細孔を収縮させる応力付与部と、
前記ナノ多孔質体を内部に収容するチャンバーと、
を備える熱交換部と、
前記応力付与部の動作を制御して、前記熱交換部における動作モードを、前記ナノ多孔質体に応力を印加して前記細孔を収縮させて前記媒体を前記細孔から脱離させる脱離モードと、応力を解放して前記細孔を膨張させて前記媒体を前記細孔に吸着させる吸着モードとに切り替える制御部と、
を有する、熱交換装置。
a nanoporous body having elasticity, capable of desorbing a medium by contraction, and having a plurality of nano-level pores capable of adsorbing the medium by expansion;
a stress-applying unit that applies stress to the nanoporous body to shrink the pores ;
a chamber containing the nanoporous body;
a heat exchange section comprising
By controlling the operation of the stress-applying part, the operation mode in the heat exchange part is set to detach the medium from the pores by applying stress to the nanoporous body to shrink the pores . a control unit for switching between a mode and an adsorption mode in which stress is released to expand the pores to adsorb the medium to the pores ;
A heat exchange device.
一対の前記熱交換部と、
一対の前記熱交換部の前記チャンバー間を前記媒体が移動可能に連通する配管と、
をさらに有し、
前記制御部は、各々の前記熱交換部における動作モードを、前記吸着モードと前記脱離モードとに交互に切り替える、請求項1に記載の熱交換装置。
a pair of heat exchange parts;
a pipe that communicates between the chambers of the pair of heat exchange units so that the medium can move;
further having
2. The heat exchange device according to claim 1, wherein the control section alternately switches the operation mode of each of the heat exchange sections between the adsorption mode and the desorption mode.
前記応力付与部は、前記吸着モードの一方の前記熱交換部の前記ナノ多孔質体の膨張による反発応力を、前記脱離モードの他方の前記熱交換部の前記ナノ多孔質体を収縮させるための応力に変換する応力変換部をさらに有する、請求項2に記載の熱交換装置。 The stress-applying unit causes the repulsive stress due to the expansion of the nanoporous body of the one heat exchange part in the adsorption mode to contract the nanoporous body of the other heat exchange part in the desorption mode. 3. The heat exchange device according to claim 2, further comprising a stress converter that converts the stress of . 前記ナノ多孔質体のヤング率は、1.1GPa以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の熱交換装置。 The heat exchange device according to any one of claims 1 to 3, wherein the nanoporous body has a Young's modulus of 1.1 GPa or less. 前記媒体は、水である、請求項1~4のいずれか1項に記載の熱交換装置。 The heat exchange device according to any one of claims 1 to 4, wherein the medium is water. 前記ナノ多孔質体を形成する多孔質材料のBET比表面積が、800~4100m/gの範囲である、請求項1~5のいずれか1項に記載の熱交換装置。 The heat exchange device according to any one of claims 1 to 5, wherein the BET specific surface area of the porous material forming the nanoporous body is in the range of 800 to 4100 m 2 /g. 前記ナノ多孔質体は、ゼオライトテンプレートカーボン(ZTC)またはグラフェンメソスポンジ(GMS)によって形成される、請求項1~6のいずれか1項に記載の熱交換装置。 The heat exchange device according to any one of claims 1 to 6, wherein the nanoporous body is formed by zeolite templated carbon (ZTC) or graphene mesosponges (GMS).
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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