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,
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
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.
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
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
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
[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。
[
As shown in FIG. 1, the first
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
[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
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
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
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
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
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
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QL[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
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QH[J]を発生する。
FIG. 4B is a diagram showing how the contracted
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
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4100m2/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-
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2000m2/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
[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。
[
The stress-applying
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
[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)。
[
The
[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。
[
The
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
[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
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
[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
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
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
<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
Next, with reference to FIG. 5, the heat cycle by the
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T1の飽和蒸気であり、状態2では高温T2の過熱蒸気であり、状態3では高温T3の液体であり、状態4では低温T4の液体である。ここで、温度T1とT4は等しくTLであり、温度T2とT3は等しくTHである。
The thermal cycle of the
状態1から状態2では、冷媒63は、低温TLの飽和蒸気から加熱されて高温TH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TLからTH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
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QH[J]が排熱される。
From
状態3から状態4では、冷媒63は、高温THの液体から冷却されて低温TL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THからTL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
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QL[J]が吸熱される。熱交換装置10は、蒸発潜熱QL[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
<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
Next, a control method for the
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
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
[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
6A to 6C show the
(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
第1チャンバー32A内の冷媒62および63は、温度T4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T2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
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
第1チャンバー32A内の温度T4は、第2チャンバー32B内の温度T2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
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
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
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。
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
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
(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T2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(H3-H2)は、第2チャンバー32Bから外気へ排熱する熱量QH[J]に相当する。
(open valve 51)
As shown in FIG. 6B, the
第1熱交換部30Aでは、冷媒63の脱離によって蒸発潜熱QL[J]が発生する。バルブ51を開いた後の蒸発潜熱QL[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
(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
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TLは、第2チャンバー32B内の温度TH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
[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
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TLからTHに上昇し、第2チャンバー32B内の温度がTHからTLに低下する。
In the first
第1熱交換部30Aでは、第1チャンバー32A内の温度がTLからTH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TLからTH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
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TLで脱離平衡に達していた状態から温度TH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
第2熱交換部30Bでは、第2チャンバー32B内の温度がTHからTL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T3からT4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QL[J]から顕熱Qsh[J]を差し引く必要がある。
In the second
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THで吸着平衡に達していた状態から温度TL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
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
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
[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
6E to 6G show the state in which the first
(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THは、第2チャンバー32B内の温度TLよりも高い。
(Start of desorption mode/adsorption mode)
FIG. 6E is a diagram in which the operation modes of the
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
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
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
(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
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QL[J]によって行われる。
Here, the amount of
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W1[J]とし、冷却に寄与する蒸発潜熱QL[J]を生成するための仕事をW2[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.
ここで、仕事W1[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
(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THは、第2チャンバー32B内の温度TL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
[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
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T3からT4に変化し、第2熱交換部30Bの温度はT1からT2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
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QL[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
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.
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QL[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)QL[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
<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
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QL[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QL[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Qf[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
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-1K-1]とナノ多孔質体20の比熱cns[Jkg-1K-1]を用いて次の式で表すことができる。
The
ここで、wns[kg]は、ナノ多孔質体20の重量、wre-ads[kg]は、温度TH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THは、吸着モードのチャンバー32A、32B内の温度に相当し、温度TL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
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W2[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QL[J]は、次の式で表すことができる。
In
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
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.
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
ここで、応力σf[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εd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σf[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
ここで、F[N]は、ナノ多孔質体20に作用する圧力である。S[m2]は、ナノ多孔質体20の断面積である。ひずみεdの定義は次の通りである。
Here, F[N] is the pressure acting on the
ここで、x[m]は、ナノ多孔質体20の変形量である。L0[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
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.
ここで、V0[m3]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
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、V0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
ここで、ρre[kgm-3]は、冷媒(液体)60の密度、Vns[m3kg-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、φnsVns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。ρreφnsVnsは、温度TH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
V0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
温度TH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
次に、熱交換部30Aの温度をT3からT4へ、熱交換部30Bの温度をT1からT2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T3からT4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W1[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
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T4(=T1)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
次に、熱交換部30Aの温度をT1からT2(=T3)へ、熱交換部30Bの温度をT3からT4(=T1)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T1からT2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
wnon-TH、wpress-TL、wpress-THは、TL、TH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TL、TH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
脱離モードにおいて、ナノ多孔質体20を圧縮し、εd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[m3kg-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
w4-1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.
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
従って、式(17)は、次の式となる。 Therefore, the formula (17) becomes the following formula.
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
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
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
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
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
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、800~4200m2/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
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
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-
<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[m3]を測定した。応力P[MPa]と細孔の体積ひずみVHg/V0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.
ここで、V0[m3]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.
(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/P0=0.94(P:水蒸気圧、P0: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/P0=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、0.13cm3であり、全容積(59cm3)の0.2%に過ぎないことを確認した。これは、相対圧P/P0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/P0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/P0=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
<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(TL)、303K(TH)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
運転条件は、TH=303K、TL=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-1K-1とした。高温側と低温側の温度差(TH-TL)は、5Kである。cnsはグラファイトの値を用いて0.72kJkg-1K-1とした。式(12)から、V0=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εd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TH=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 ns /ρ ns-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
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TL=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φf[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。TH=303K、TL=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εdの近似関係を計算する。式(10)において、ΔvapH=2453kJkg-1、cre=4.184kJkg-1K-1、T3-T4=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-1K-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.
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.
式(21)において、ρre、φns、Vnsは、温度T3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0.003m3kg-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εd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 .
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εd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εd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εd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εd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εd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
[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
(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/P0=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/cm3と仮定すると、全細孔容積は2.79cm3/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
[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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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QL[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
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).
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Qf[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
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:
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).
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-1K-1、高温側と低温側の温度差(TH-TL)=5K、cns=0.72kJkg-1K-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εdは0.23、ポイントIに示す温度TH=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TL=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φf[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TH=303K、TL=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
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
[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
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)
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.
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