吸着コアおよび吸着式ヒートポンプ。
【課題】 吸着コアの小型化を図る。
【解決手段】 フィンの表面から最も離れた位置の吸着剤とフィンの表面との間の距離を吸着剤層厚さとしたとき、吸着コアを小型化するためには、吸着剤層厚さを薄くしつつ、吸着剤の充填量を向上させなければならない。そして、１次フィン１３３の表面に２次フィン１３４を接合することにより、吸着剤１３５の充填体積をほとんど減少させることなく吸着剤層厚さＬａを薄くすることができる。
【解決手段】 フィンの表面から最も離れた位置の吸着剤とフィンの表面との間の距離を吸着剤層厚さとしたとき、吸着コアを小型化するためには、吸着剤層厚さを薄くしつつ、吸着剤の充填量を向上させなければならない。そして、１次フィン１３３の表面に２次フィン１３４を接合することにより、吸着剤１３５の充填体積をほとんど減少させることなく吸着剤層厚さＬａを薄くすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の吸着・脱離を行う吸着剤を有する吸着コア、およびそれを用いた吸着式ヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー有効利用の観点から排熱回収技術が注目され、１００℃以下の低質で多量に発生する排熱を回収する技術の確立が求められており、これの解決技術のひとつに吸着式冷凍機がある。しかし、吸着式冷凍機は他の方式の冷凍機に比べて体格が非常に大きくなるという問題があり、その中でも吸着コア（吸着剤を充填した熱交換器）の体格が大きな割合を占めており、これの小型化が必要である。
【０００３】
この吸着コアを小型化するためには、（１）吸着コア単位体積あたりの吸着剤量の向上、（２）吸着速度の向上、（３）吸着剤単位体積あたりの水分吸着量向上が挙げられる。
【０００４】
（１）の実現には、吸着コアの体積と水蒸気通路となる空間体積を最小限に抑えなければならない
（２）の実現には、吸着剤表面に気相冷媒がすばやくいきわたる適度な空間の存在と、吸着剤で発生した熱をすばやく除去できる吸着コアの構造でなければならない。
【０００５】
（３）の実現には、吸着剤特性の改良が必要である。
【０００６】
ところで、特許文献１には、小型化を目的とする吸着コアが示されている。この吸着コアは、チューブに削り起こしたフィンをたて、フィン周囲に吸着剤を付着させた構造とし、これにより吸着速度を向上させて小型化を図ろうとするものである。
【特許文献１】特開平６−１７０２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示された吸着コアは、フィンピッチの微細化に限界があり、吸着速度を向上させることができない。また、フィンの板厚を薄くすることができないため、フィンピッチの微細化によって吸着剤の充填体積が低下し、結果的に吸着コアの性能が低下する。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、吸着コアの小型化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ（１３１）と、チューブ（１３１）の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（１３５）、チューブ（１３１）と吸着剤（１３５）との間の伝熱を行うフィン（１３３、１３４）とを備える吸着コアにおいて、フィン（１３３、１３４）の表面から最も離れた位置の吸着剤（１３５）とフィン（１３３、１３４）の表面との間の距離を吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）、吸着剤（１３５）の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）、吸着剤（１３５）に気相冷媒を吸着させる時間を切替時間τ（単位：秒）とし、周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、としたとき、吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτａが５以下であることを特徴とする。
【００１０】
ところで、吸着コアを小型化するためには、吸着剤の吸着速度を向上させ、吸着と脱離の切替時間を短縮する必要がある。吸着速度を向上させるためには、熱媒体と吸着剤との間の熱交換がすばやく行われなければならない。
【００１１】
図６は、熱媒体と吸着剤との間の熱交換割合とエントロピー変動無次元数ωτａとの関係を示すもので、熱媒体と吸着剤との間の熱交換のし易さを表す指標として本発明者らが実験・解析等にて確認したものである。
【００１２】
この図６は、熱交換割合が０．５より高いほど等温的であり、熱交換割合が０．５より低いほど断熱的であるということを示している。つまり、吸着コアはより等温的が望ましく、エントロピー変動無次元数ωτａが低いほうがよい。
【００１３】
そして、ｆ＝１／（２・τ）、ω＝２・π・ｆ、δ≡（２・α／ω）１／２、ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、の各式から分かるように、吸着剤層厚さＬａが薄いほど、吸着剤の熱拡散率αが高いほど、また、切替時間τが長いほど、熱交換割合は高くなる。
【００１４】
しかし、切替時間τが長くなると吸着コアの大型化につながるため、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτａを低くするためには、熱拡散率αが大きな吸着剤を用いるか、または、吸着剤層厚さＬａを薄くするしかない。但し、使用する吸着剤が決まれば吸着剤の熱拡散率αも決まるため、エントロピー変動無次元数ωτａを低くするためには、吸着剤層厚さＬａを薄くするしかない。
【００１５】
そこで、請求項１に記載の発明のように、吸着剤層厚さＬａを０．６ｍｍ以下に設定することにより、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτａを５以下にすることができ、熱交換割合が比較的高くなる。よって、吸着速度が向上して吸着コアの小型化が可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ（１３１）と、チューブ（１３１）の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（１３５）と、チューブ（１３１）の表面に接合されるとともに吸着剤（１３５）と接触して、チューブ（１３１）と吸着剤（１３５）との間の伝熱を行う１次フィン（１３３）と、１次フィン（１３３）の表面に接合されるとともに吸着剤（１３５）と接触して、１次フィン（１３３）と吸着剤（１３５）との間の伝熱を行う２次フィン（１３４）とを備えることを特徴とする吸着コア。
【００１７】
ところで、吸着コアを小型化するためには、吸着剤層厚さＬａを薄くしつつ、吸着剤の充填量を向上させなければならない。しかし、フィンピッチの微細化によって吸着剤層厚さＬａを薄くすると、吸着剤の充填体積が低下してしまう。
【００１８】
これに対し、請求項２に記載の発明のように、１次フィンの表面に２次フィンを接合することにより、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく吸着剤層厚さＬａを薄くすることができる。すなわち、吸着速度の向上と吸着剤充填量の確保が両立でき、吸着コアの小型化が可能となる。
【００１９】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の吸着コアにおいて、２次フィン（１３４）は、カーボンナノチューブであることを特徴とする。これによると、カーボンナノチューブは熱伝導率が高いため、高い熱交換効率が得られる。
【００２０】
請求項４に記載の発明では、請求項２または３に記載の吸着コアにおいて、吸着コアの前面面積をコア前面面積Ａｆ、吸着コアにおける気相冷媒が流通する気相冷媒流路（１３６）の断面積を気相冷媒流路断面積Ａｓとしたとき、Ａｓ／Ａｆが０．１以上であることを特徴とする。
【００２１】
ところで、吸着速度の向上には気相冷媒が小さい圧損で吸着コア全体に行き渡る必要がある。そして、請求項４の発明のようにＡｓ／Ａｆを０．１以上にすることにより、圧損が小さくなって充分に気相冷媒を供給することができる。よって、吸着速度が向上して吸着コアの小型化が可能となる。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の吸着コアにおいて、フィン（１３３、１３４）の表面から最も離れた位置の吸着剤（１３５）とフィン（１３３、１３４）の表面との間の距離を吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）、吸着剤（１３５）の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）、吸着剤（１３５）が気相冷媒を吸着するのに要する時間を切替時間τ（単位：秒）とし、周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、としたとき、吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτａが５以下であることを特徴とする。
【００２３】
これによると、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の吸着コアのように、１次フィンの表面に２次フィンが接合されたフィンを用いることにより、吸着剤層厚さＬａを容易に薄くすることができ、吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下を容易に実現することができる。
【００２４】
請求項６に記載の発明では、請求項１または５に記載の吸着コアにおいて、吸着剤層厚さＬａが０．３ｍｍ以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτａが１以下であることを特徴とする。
【００２５】
これによると、請求項１または５に記載の発明よりも熱交換割合がさらに高くなるため、吸着速度がさらに向上して吸着コアの一層の小型化が可能となる。
【００２６】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の吸着コアにおいて、吸着剤層厚さＬａが０．１ｍｍ以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτａが０．１以下であることを特徴とする。
【００２７】
これによると、請求項６に記載の発明よりも熱交換割合がさらに高くなるため、吸着速度がさらに向上して吸着コアの一層の小型化が可能となる。
【００２８】
請求項８に記載の発明のように、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の吸着コアは、吸着式ヒートポンプに適用することができる。
【００２９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、本発明に係る吸着ヒートポンプを車両用空調装置に適用したものであって、図１は本発明の一実施形態に係る吸着式ヒートポンプの全体構成図、図２は図１の第２熱交換器１３０の正面図、図３は図２のＡ部の拡大図、図４は図３のＢ矢視図である。
【００３１】
図１に示すように、吸着器１００は、少なくとも２個設けられており、以下、紙面上側の吸着器１００を第１吸着器１００と表記し、紙面下側の吸着器１００を第２吸着器１００と表記し、第１、２吸着器を総称するときは、単に吸着器１００と表記する。なお、吸着器１００の詳細は後述する。
【００３２】
室外熱交換器２００は、吸着器１００内を循環した熱媒体（本実施形態では、水にエチレングリコール系の不凍液を混合した流体）が流通し、その熱媒体と室外空気とを熱交換させる。
【００３３】
室内熱交換器３００は、吸着器１００にて発生した冷凍能力により冷却された熱媒体が流通し、その熱媒体と室内に吹き出す空気（以下、この空気を空調風という）とを熱交換して空調風を冷却する。因みに、室内熱交換器３００は、空調風の通路を形成する空調ケーシング（図示せず）内に配設され、この空調ケーシングの空気流れ上流側には送風機（図示せず）が設けられている。
【００３４】
なお、本実施形態では、水冷式内燃機関（図示せず）で発生した廃熱を回収した冷却水（本実施形態では、熱媒体と同じ流体）を吸着器１００（正確には、後述する第２熱交換器１３０）内に循環させることにより吸着剤の再生を行っており、切換弁４１０〜４４０は熱媒体の循環経路を切り換えるものであり、ポンプ４５０、４６０は熱媒体を循環させるものである。
【００３５】
吸着器１００は、内部が略真空に保たれた状態で冷媒（本実施形態では、水）が封入されたステンレス製のケーシング１１０、熱媒体とケーシング１１０内の冷媒との間で熱交換を行う蒸発／凝縮コアをなす第１熱交換器１２０、及び吸着剤を冷却又は加熱する吸着コアをなす第２熱交換器１３０等から構成されている。また、第１熱交換器１２０および第２熱交換器１３０は、ケーシング１１０内に収納されている。
【００３６】
第１熱交換器１２０は、熱媒体が流通する金属製の多数のチューブ、多数のチューブが接合されて熱媒体の分配または集合を行う金属製のタンク、及びチューブの外表面に接合された金属製の多数のフィン、等からなる周知の構造を有するものである。
【００３７】
図２〜図４に示すように、第２熱交換器１３０には、熱媒体が流通する金属製のチューブ１３１が多数積層されている。このチューブ１３１は、断面が楕円形状で、且つ熱媒体の流通方向に細長くなっている。
【００３８】
チューブ１３１の長手方向（熱媒体流通方向）両端には、略直方体形状の金属製のタンク１３２が接合されている。そして、一方のタンク１３２から多数のチューブ１３１に熱媒体が分配され、多数のチューブ１３１内を流通した熱媒体が他方のタンク１３２に集められる。
【００３９】
チューブ１３１の表面には、多数の１次フィン１３３が接合されている。この１次フィン１３３は、薄板金属製のプレートフィンであり、チューブ１３１の長手方向に沿って所定のフィンピッチで配置されている。因みに、チューブ１３１の外径を拡大するようにチューブ１３１を塑性変形させて、チューブ１３１の表面を１次フィン１３３に圧接する（拡管する）ことにより、チューブ１３１と１次フィン１３３が機械的に接合されている。
【００４０】
１次フィン１３３の表面には、１つの１次フィン１３３に対して多数の２次フィン１３４が接合されている。この２次フィン１３４は、細長い柱状で、１次フィン１３３の表面からチューブ１３１の長手方向に沿って延びている。この２次フィン１３４に適した物質としては、熱伝導率が高く、かつ自己組織化が可能なカーボンナノチューブが望ましい。
【００４１】
チューブ１３１の長手方向に対して直交する断面のうち２次フィン１３４が配置されている領域では、多数の２次フィン１３４間に存在する空間に、吸着剤１３５が充填されている。この吸着剤１３５は、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離するものである。なお、図３では、吸着剤１３５が充填されている領域を明瞭にするために、その領域を便宜的に斜線で示している。同様に、図４においてチューブ１３１を除いた部位の斜線は、吸着剤１３５が充填されている領域を示している。
【００４２】
また、チューブ１３１の長手方向に対して直交する断面のうち２次フィン１３４が配置されていない領域には、換言すると、チューブ１３１の長手方向に対向する２次フィン１３４間の空間には、吸着剤１３５は充填されておらず、その空間は、気相冷媒が流通する気相冷媒流路１３６となっている。
【００４３】
次に、空調装置の概略作動を説明する。
【００４４】
先ず、切換弁４１０〜４４０を図１の実線に示すように作動させて、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０と室内熱交換器３００との間、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０と室外器２００との間、並びに第２吸着器１００の第１熱交換器と室外器２００との間、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０と内燃機関との間に熱媒体を循環させる。
【００４５】
これにより、室内熱交換器３００にて室内に吹き出す空気から吸熱して温度が上昇した熱媒体が第１熱交換器１２０を流通する際に、第１吸着器１００内の液相冷媒が、第１熱交換器１２０を介して熱媒体から吸熱して蒸発するとともに、その蒸発した気相冷媒が吸着剤１３５に吸着される。
【００４６】
なお、以下、液相冷媒の蒸発及び気相冷媒の吸着が行われている吸着器１００を吸着工程にある吸着器と呼ぶ。
【００４７】
因みに、吸着剤１３５が気相冷媒を吸着するときに凝縮熱相当の吸着熱が発生するが、吸着熱により吸着剤１３５が加熱されると、吸着剤１３５の表面における相対湿度（関係湿度）が低下して吸着能力が低下するので、吸着工程にある吸着器の第２熱交換器１３０に室外熱交換器２００にて冷却された熱媒体を循環させて吸着剤１３５を冷却する。
【００４８】
一方、第２吸着器１００の吸着剤１３５が加熱されるので、吸着剤１３５に吸着されていた冷媒が気相冷媒として吸着剤１３５から脱離するとともに、その脱離した気相冷媒が第１熱交換器１２０にて冷却されて凝縮し、冷媒が再生される。
【００４９】
なお、以下、吸着剤１３５の再生及び気相冷媒の凝縮が行われている吸着器１００を脱離工程にある吸着器と呼ぶ。
【００５０】
つまり、この状態（以下、第１状態と呼ぶ。）では、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０は液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を冷却する冷却器として機能し、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０は吸着剤１３５から脱離した気相冷媒を冷却する凝縮器として機能し、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を加熱する加熱器として機能する。
【００５１】
そして、第１状態で所定時間が経過したときに、切換弁４１０〜４４０を図１の破線に示すように作動させて、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０と室内熱交換器３００との間、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０と室外器２００との間、並びに第１吸着器１００の第１熱交換器と室外器２００との間、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０と内燃機関との間に熱媒体を循環させる。
【００５２】
これにより、第２吸着器１００が吸着工程となり、第１吸着器１００が脱離工程となるので、第２吸着器１００で発生した冷凍能力により空調風が冷却され、第１吸着器１００にて吸着剤１３５の再生が行われる。
【００５３】
つまり、この状態（以下、第２状態と呼ぶ。）では、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０は液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を冷却する冷却器として機能し、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０は吸着剤１３５から脱離した気相冷媒を冷却する凝縮器として機能し、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を加熱する加熱器として機能する。
【００５４】
そして、第２状態で所定時間が経過したとき、切換弁４１０〜４４０作動させて再び第１状態とする。このように、第１状態及び第２状態を所定時間毎に交互に繰り返して、空調装置を連続的に稼働させる。
【００５５】
ところで、吸着ヒートポンプを車両用空調装置に適用するためには、搭載性の観点から吸着器１００の小型化が重要であり、具体的には、図表５（ａ）に示すように、第２熱交換器（吸着コア）１３０の体格１Ｌで４ｋＷの冷房性能をつくり出すことが要求される。そして、冷媒として水を用いるとともに、図表５（ｃ）に示す特性の吸着剤１３５を用いた場合に、この図表５（ａ）に示す要求値を達成するためには、例えば図表５（ｂ）に示す第２熱交換器１３０の仕様を満足する必要がある。
【００５６】
なお、図表５（ｂ）において、切替時間τ（単位：秒）は、吸着剤１３５に気相冷媒（水蒸気）を吸着させる時間である。吸着剤充填効率εａは、第２熱交換器１３０の体格Ｖｃに対する吸着剤１３５が占める容積の割合である。吸着剤充填量Ｗａ（単位：ｋｇ）は、第２熱交換器１３０に充填される吸着剤１３５の重量である。熱交換器表面積Ａｈ（単位：ｍ２）は、吸着剤１３５と第２熱交換器１３０とが接触する部分の面積である。水蒸気圧損ΔＰ（単位：ｔｏｒｒ）は、気相冷媒が第２熱交換器１３０全体に行き渡る際の圧損である。
【００５７】
次に、図表５（ｂ）に示す仕様を満足して第２熱交換器（吸着コア）１３０の小型化を図るための、具体的検討結果について説明する。
【００５８】
まず、切替時間τの短縮方法について説明する。前述したように、第２熱交換器１３０を小型化するためには、吸着剤１３５の吸着速度を向上させ、吸着と脱離の切替時間を短縮する必要がある。吸着速度を向上させるためには、熱媒体と吸着剤１３５との間の熱交換がすばやく行われなければならない。
【００５９】
図６は、熱媒体と吸着剤１３５との間の熱交換割合とエントロピー変動無次元数ωτａ（詳細後述）との関係を示すもので、熱媒体と吸着剤１３５との間の熱交換のし易さを表す指標として本発明者らが実験・解析等にて確認したものである。
【００６０】
ここで、１次フィン１３３または２次フィン１３４の表面から最も離れた位置の吸着剤１３５と、１次フィン１３３または２次フィン１３４の表面との間の距離Ｌａ（図４参照）を、吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）とする。また、吸着剤１３５の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）とする。さらに、周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、としたとき、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、である。
【００６１】
この図６は、熱交換割合が０．５より高いほど等温的であり、熱交換割合が０．５より低いほど断熱的であるということを示している。つまり、吸着コアとしての第２熱交換器１３０はより等温的が望ましく、エントロピー変動無次元数ωτａが低いほうがよい。
【００６２】
そして、ｆ＝１／（２・τ）、ω＝２・π・ｆ、δ≡（２・α／ω）１／２、ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、の各式から分かるように、吸着剤層厚さＬａが薄いほど、吸着剤１３５の熱拡散率αが高いほど、また、切替時間τが長いほど、熱交換割合は高くなる。
【００６３】
しかし、切替時間τが長くなると第２熱交換器１３０の大型化につながるため、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτａを低くするためには、熱拡散率αが大きな吸着剤１３５を用いるか、または、吸着剤層厚さＬａを薄くするしかない。但し、使用する吸着剤１３５が決まれば吸着剤１３５の熱拡散率αも決まるため、エントロピー変動無次元数ωτａを低くするためには、結局、吸着剤層厚さＬａを薄くするしかない。
【００６４】
本実施形態では、１次フィン１３３から細長い２次フィン１３４を突出させることにより、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく、吸着剤層厚さＬａを薄くすることができる。また、隣接する２次フィン１３４の間隔の調整等によって、吸着剤層厚さＬａを任意に設定することができる。
【００６５】
そこで、例えば、熱拡散率α＝０．０１６ｍｍ２／秒の吸着剤１３５を用い、切替時間τの目標を２０秒にした場合、吸着剤層厚さＬａ＝３０μｍに設定すると、エントロピー変動無次元数ωτａ＝０．０１となって高い熱交換割合が得られ、切替時間中に充分熱交換できることがわかる。
【００６６】
換言すると、図６に基づいてエントロピー変動無次元数ωτａが所定値以下になるように吸着剤層厚さＬａを決めることにより、熱交換割合が高くなって吸着剤１３５の吸着速度が向上し、切替時間τが短縮されるため、第２熱交換器１３０を小型にすることができる。
【００６７】
因みに、吸着剤層厚さＬａを０．６ｍｍ以下に設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτａを５以下にして熱交換割合を略０．５以上にすることができ、また、吸着剤層厚さＬａを０．３ｍｍに設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτａを１以下にして熱交換割合を略０．９以上にすることができ、さらに、吸着剤層厚さＬａを０．１ｍｍに設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτａを０．１以下にして熱交換割合を略１にすることができる。
【００６８】
次に、熱交換器表面積Ａｈの確保方法について説明する。第２熱交換器１３０を小型化するためには、吸着剤層の薄さを確保しつつ、吸着剤１３５の充填量を向上させなければならない。
【００６９】
そして、図表５（ａ）に示す要求値を達成するためには、吸着剤層厚さＬａ＝３０μｍで吸着剤体積Ｖａ＝０．０００４ｍ３を達成しなければならない。つまり、熱交換器表面積Ａｈは１３．３３ｍ２以上必要となり、単位体積あたりの表面積にすると１３０００ｍ２／ｍ３以上となる。
【００７０】
これは、従来からある熱交換器、例えばプレートフィン型熱交換器やコルゲートフィン熱交換器では、フィンにルーバーを設けたりあるいはディンプル等の突起を設けても表面積の増加はわずかであり、到底達成できない値である。
【００７１】
また、表面積を増加させるためにフィンを微細化すると今度はフィンが吸着剤の充填体積の減少を引き起こし、目標値を達成することができない。
【００７２】
さらに、フィンピッチの微細化に伴いフィンの肉厚も減少させて、フィンの体積が増加しないように（すなわち、同じ体積となるように）設計しても、フィンの薄肉化は３０μｍ程度までが製造限界であり、それ以上の薄肉化された熱交換器の製造は困難であるため、目標値を達成することができない。
【００７３】
それに対して、本実施形態のように１次フィン１３３から突出した細長い２次フィン１３４を設けた場合、１次フィン１３３にルーバーやディンプルを設ける場合よりも、同じ体積増加分でより大きな表面積を確保することが容易である。したがって、本実施形態では、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく熱交換器表面積Ａｈを増加させることができる。
【００７４】
次に、水蒸気圧損ΔＰの低下方法について説明する。
【００７５】
以下、第２熱交換器１３０の前面面積をコア前面面積Ａｆという。なお、コア前面面積Ａｆは、第２熱交換器１３０のコア巾Ｘａ（図２参照）とコア高さＹａ（図２参照）との積（Ａｆ＝Ｘａ×Ｙａ）である。また、第２熱交換器１３０を気相冷媒の流通方向に見たときの、気相冷媒が流通する各気相冷媒流路１３６の面積の和を、気相冷媒流路断面積Ａｓという。
【００７６】
ところで、吸着速度の向上には気相冷媒が小さい圧損で第２熱交換器１３０全体に行き渡る必要がある。具体的には、Ａｓ／Ａｆが０．１以上であれば、充分に気相冷媒を供給することができる。
【００７７】
本実施形態では、１次フィン１３３の板厚Ｔｆ（図３参照）を５０μｍ、２次フィン１３４の長さＬｆ（図３参照）を１００μｍ、対向する２次フィン１３４の間に設けられた気相冷媒流路１３６の幅Ｗｒ（図３参照）を５０μｍ、としている。この場合、Ａｓ／Ａｆが０．１６７となり、水蒸気圧損ΔＰを低くすることができるため、気相冷媒の供給を充分に行える。
【００７８】
以上の検討結果を踏まえて設計を行うことにより、図表５（ｂ）に示す仕様を満足する第２熱交換器１３０を得ることができる。
【００７９】
（他の実施形態）
上記実施形態においては、１次フィン１３３をプレートフィンとしているが、例えば、コルゲートフィンとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施形態に係る吸着式ヒートポンプの全体構成図である。
【図２】図１の第２熱交換器１３０の正面図である。
【図３】図２のＡ部の拡大図である。
【図４】図３のＢ矢視図である。
【図５】吸着ヒートポンプを車両用空調装置に適用する際の第２熱交換器（吸着コア）１３０の要求仕様等を示す図表である。
【図６】熱媒体と吸着剤１３５との間の熱交換割合とエントロピー変動無次元数ωτａとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１３１…チューブ、１３３…１次フィン、１３４…２次フィン、１３５…吸着剤、Ｌａ…吸着剤層厚さ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の吸着・脱離を行う吸着剤を有する吸着コア、およびそれを用いた吸着式ヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー有効利用の観点から排熱回収技術が注目され、１００℃以下の低質で多量に発生する排熱を回収する技術の確立が求められており、これの解決技術のひとつに吸着式冷凍機がある。しかし、吸着式冷凍機は他の方式の冷凍機に比べて体格が非常に大きくなるという問題があり、その中でも吸着コア（吸着剤を充填した熱交換器）の体格が大きな割合を占めており、これの小型化が必要である。
【０００３】
この吸着コアを小型化するためには、（１）吸着コア単位体積あたりの吸着剤量の向上、（２）吸着速度の向上、（３）吸着剤単位体積あたりの水分吸着量向上が挙げられる。
【０００４】
（１）の実現には、吸着コアの体積と水蒸気通路となる空間体積を最小限に抑えなければならない
（２）の実現には、吸着剤表面に気相冷媒がすばやくいきわたる適度な空間の存在と、吸着剤で発生した熱をすばやく除去できる吸着コアの構造でなければならない。
【０００５】
（３）の実現には、吸着剤特性の改良が必要である。
【０００６】
ところで、特許文献１には、小型化を目的とする吸着コアが示されている。この吸着コアは、チューブに削り起こしたフィンをたて、フィン周囲に吸着剤を付着させた構造とし、これにより吸着速度を向上させて小型化を図ろうとするものである。
【特許文献１】特開平６−１７０２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に示された吸着コアは、フィンピッチの微細化に限界があり、吸着速度を向上させることができない。また、フィンの板厚を薄くすることができないため、フィンピッチの微細化によって吸着剤の充填体積が低下し、結果的に吸着コアの性能が低下する。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、吸着コアの小型化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ（１３１）と、チューブ（１３１）の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（１３５）、チューブ（１３１）と吸着剤（１３５）との間の伝熱を行うフィン（１３３、１３４）とを備える吸着コアにおいて、フィン（１３３、１３４）の表面から最も離れた位置の吸着剤（１３５）とフィン（１３３、１３４）の表面との間の距離を吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）、吸着剤（１３５）の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）、吸着剤（１３５）に気相冷媒を吸着させる時間を切替時間τ（単位：秒）とし、周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、としたとき、吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτａが５以下であることを特徴とする。
【００１０】
ところで、吸着コアを小型化するためには、吸着剤の吸着速度を向上させ、吸着と脱離の切替時間を短縮する必要がある。吸着速度を向上させるためには、熱媒体と吸着剤との間の熱交換がすばやく行われなければならない。
【００１１】
図６は、熱媒体と吸着剤との間の熱交換割合とエントロピー変動無次元数ωτａとの関係を示すもので、熱媒体と吸着剤との間の熱交換のし易さを表す指標として本発明者らが実験・解析等にて確認したものである。
【００１２】
この図６は、熱交換割合が０．５より高いほど等温的であり、熱交換割合が０．５より低いほど断熱的であるということを示している。つまり、吸着コアはより等温的が望ましく、エントロピー変動無次元数ωτａが低いほうがよい。
【００１３】
そして、ｆ＝１／（２・τ）、ω＝２・π・ｆ、δ≡（２・α／ω）１／２、ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、の各式から分かるように、吸着剤層厚さＬａが薄いほど、吸着剤の熱拡散率αが高いほど、また、切替時間τが長いほど、熱交換割合は高くなる。
【００１４】
しかし、切替時間τが長くなると吸着コアの大型化につながるため、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτａを低くするためには、熱拡散率αが大きな吸着剤を用いるか、または、吸着剤層厚さＬａを薄くするしかない。但し、使用する吸着剤が決まれば吸着剤の熱拡散率αも決まるため、エントロピー変動無次元数ωτａを低くするためには、吸着剤層厚さＬａを薄くするしかない。
【００１５】
そこで、請求項１に記載の発明のように、吸着剤層厚さＬａを０．６ｍｍ以下に設定することにより、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτａを５以下にすることができ、熱交換割合が比較的高くなる。よって、吸着速度が向上して吸着コアの小型化が可能となる。
【００１６】
請求項２に記載の発明では、熱媒体が流通するチューブ（１３１）と、チューブ（１３１）の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（１３５）と、チューブ（１３１）の表面に接合されるとともに吸着剤（１３５）と接触して、チューブ（１３１）と吸着剤（１３５）との間の伝熱を行う１次フィン（１３３）と、１次フィン（１３３）の表面に接合されるとともに吸着剤（１３５）と接触して、１次フィン（１３３）と吸着剤（１３５）との間の伝熱を行う２次フィン（１３４）とを備えることを特徴とする吸着コア。
【００１７】
ところで、吸着コアを小型化するためには、吸着剤層厚さＬａを薄くしつつ、吸着剤の充填量を向上させなければならない。しかし、フィンピッチの微細化によって吸着剤層厚さＬａを薄くすると、吸着剤の充填体積が低下してしまう。
【００１８】
これに対し、請求項２に記載の発明のように、１次フィンの表面に２次フィンを接合することにより、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく吸着剤層厚さＬａを薄くすることができる。すなわち、吸着速度の向上と吸着剤充填量の確保が両立でき、吸着コアの小型化が可能となる。
【００１９】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の吸着コアにおいて、２次フィン（１３４）は、カーボンナノチューブであることを特徴とする。これによると、カーボンナノチューブは熱伝導率が高いため、高い熱交換効率が得られる。
【００２０】
請求項４に記載の発明では、請求項２または３に記載の吸着コアにおいて、吸着コアの前面面積をコア前面面積Ａｆ、吸着コアにおける気相冷媒が流通する気相冷媒流路（１３６）の断面積を気相冷媒流路断面積Ａｓとしたとき、Ａｓ／Ａｆが０．１以上であることを特徴とする。
【００２１】
ところで、吸着速度の向上には気相冷媒が小さい圧損で吸着コア全体に行き渡る必要がある。そして、請求項４の発明のようにＡｓ／Ａｆを０．１以上にすることにより、圧損が小さくなって充分に気相冷媒を供給することができる。よって、吸着速度が向上して吸着コアの小型化が可能となる。
【００２２】
請求項５に記載の発明では、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の吸着コアにおいて、フィン（１３３、１３４）の表面から最も離れた位置の吸着剤（１３５）とフィン（１３３、１３４）の表面との間の距離を吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）、吸着剤（１３５）の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）、吸着剤（１３５）が気相冷媒を吸着するのに要する時間を切替時間τ（単位：秒）とし、周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、としたとき、吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτａが５以下であることを特徴とする。
【００２３】
これによると、請求項２ないし４のいずれか１つに記載の吸着コアのように、１次フィンの表面に２次フィンが接合されたフィンを用いることにより、吸着剤層厚さＬａを容易に薄くすることができ、吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下を容易に実現することができる。
【００２４】
請求項６に記載の発明では、請求項１または５に記載の吸着コアにおいて、吸着剤層厚さＬａが０．３ｍｍ以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτａが１以下であることを特徴とする。
【００２５】
これによると、請求項１または５に記載の発明よりも熱交換割合がさらに高くなるため、吸着速度がさらに向上して吸着コアの一層の小型化が可能となる。
【００２６】
請求項７に記載の発明では、請求項６に記載の吸着コアにおいて、吸着剤層厚さＬａが０．１ｍｍ以下でかつ、エントロピー変動無次元数ωτａが０．１以下であることを特徴とする。
【００２７】
これによると、請求項６に記載の発明よりも熱交換割合がさらに高くなるため、吸着速度がさらに向上して吸着コアの一層の小型化が可能となる。
【００２８】
請求項８に記載の発明のように、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の吸着コアは、吸着式ヒートポンプに適用することができる。
【００２９】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、本発明に係る吸着ヒートポンプを車両用空調装置に適用したものであって、図１は本発明の一実施形態に係る吸着式ヒートポンプの全体構成図、図２は図１の第２熱交換器１３０の正面図、図３は図２のＡ部の拡大図、図４は図３のＢ矢視図である。
【００３１】
図１に示すように、吸着器１００は、少なくとも２個設けられており、以下、紙面上側の吸着器１００を第１吸着器１００と表記し、紙面下側の吸着器１００を第２吸着器１００と表記し、第１、２吸着器を総称するときは、単に吸着器１００と表記する。なお、吸着器１００の詳細は後述する。
【００３２】
室外熱交換器２００は、吸着器１００内を循環した熱媒体（本実施形態では、水にエチレングリコール系の不凍液を混合した流体）が流通し、その熱媒体と室外空気とを熱交換させる。
【００３３】
室内熱交換器３００は、吸着器１００にて発生した冷凍能力により冷却された熱媒体が流通し、その熱媒体と室内に吹き出す空気（以下、この空気を空調風という）とを熱交換して空調風を冷却する。因みに、室内熱交換器３００は、空調風の通路を形成する空調ケーシング（図示せず）内に配設され、この空調ケーシングの空気流れ上流側には送風機（図示せず）が設けられている。
【００３４】
なお、本実施形態では、水冷式内燃機関（図示せず）で発生した廃熱を回収した冷却水（本実施形態では、熱媒体と同じ流体）を吸着器１００（正確には、後述する第２熱交換器１３０）内に循環させることにより吸着剤の再生を行っており、切換弁４１０〜４４０は熱媒体の循環経路を切り換えるものであり、ポンプ４５０、４６０は熱媒体を循環させるものである。
【００３５】
吸着器１００は、内部が略真空に保たれた状態で冷媒（本実施形態では、水）が封入されたステンレス製のケーシング１１０、熱媒体とケーシング１１０内の冷媒との間で熱交換を行う蒸発／凝縮コアをなす第１熱交換器１２０、及び吸着剤を冷却又は加熱する吸着コアをなす第２熱交換器１３０等から構成されている。また、第１熱交換器１２０および第２熱交換器１３０は、ケーシング１１０内に収納されている。
【００３６】
第１熱交換器１２０は、熱媒体が流通する金属製の多数のチューブ、多数のチューブが接合されて熱媒体の分配または集合を行う金属製のタンク、及びチューブの外表面に接合された金属製の多数のフィン、等からなる周知の構造を有するものである。
【００３７】
図２〜図４に示すように、第２熱交換器１３０には、熱媒体が流通する金属製のチューブ１３１が多数積層されている。このチューブ１３１は、断面が楕円形状で、且つ熱媒体の流通方向に細長くなっている。
【００３８】
チューブ１３１の長手方向（熱媒体流通方向）両端には、略直方体形状の金属製のタンク１３２が接合されている。そして、一方のタンク１３２から多数のチューブ１３１に熱媒体が分配され、多数のチューブ１３１内を流通した熱媒体が他方のタンク１３２に集められる。
【００３９】
チューブ１３１の表面には、多数の１次フィン１３３が接合されている。この１次フィン１３３は、薄板金属製のプレートフィンであり、チューブ１３１の長手方向に沿って所定のフィンピッチで配置されている。因みに、チューブ１３１の外径を拡大するようにチューブ１３１を塑性変形させて、チューブ１３１の表面を１次フィン１３３に圧接する（拡管する）ことにより、チューブ１３１と１次フィン１３３が機械的に接合されている。
【００４０】
１次フィン１３３の表面には、１つの１次フィン１３３に対して多数の２次フィン１３４が接合されている。この２次フィン１３４は、細長い柱状で、１次フィン１３３の表面からチューブ１３１の長手方向に沿って延びている。この２次フィン１３４に適した物質としては、熱伝導率が高く、かつ自己組織化が可能なカーボンナノチューブが望ましい。
【００４１】
チューブ１３１の長手方向に対して直交する断面のうち２次フィン１３４が配置されている領域では、多数の２次フィン１３４間に存在する空間に、吸着剤１３５が充填されている。この吸着剤１３５は、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離するものである。なお、図３では、吸着剤１３５が充填されている領域を明瞭にするために、その領域を便宜的に斜線で示している。同様に、図４においてチューブ１３１を除いた部位の斜線は、吸着剤１３５が充填されている領域を示している。
【００４２】
また、チューブ１３１の長手方向に対して直交する断面のうち２次フィン１３４が配置されていない領域には、換言すると、チューブ１３１の長手方向に対向する２次フィン１３４間の空間には、吸着剤１３５は充填されておらず、その空間は、気相冷媒が流通する気相冷媒流路１３６となっている。
【００４３】
次に、空調装置の概略作動を説明する。
【００４４】
先ず、切換弁４１０〜４４０を図１の実線に示すように作動させて、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０と室内熱交換器３００との間、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０と室外器２００との間、並びに第２吸着器１００の第１熱交換器と室外器２００との間、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０と内燃機関との間に熱媒体を循環させる。
【００４５】
これにより、室内熱交換器３００にて室内に吹き出す空気から吸熱して温度が上昇した熱媒体が第１熱交換器１２０を流通する際に、第１吸着器１００内の液相冷媒が、第１熱交換器１２０を介して熱媒体から吸熱して蒸発するとともに、その蒸発した気相冷媒が吸着剤１３５に吸着される。
【００４６】
なお、以下、液相冷媒の蒸発及び気相冷媒の吸着が行われている吸着器１００を吸着工程にある吸着器と呼ぶ。
【００４７】
因みに、吸着剤１３５が気相冷媒を吸着するときに凝縮熱相当の吸着熱が発生するが、吸着熱により吸着剤１３５が加熱されると、吸着剤１３５の表面における相対湿度（関係湿度）が低下して吸着能力が低下するので、吸着工程にある吸着器の第２熱交換器１３０に室外熱交換器２００にて冷却された熱媒体を循環させて吸着剤１３５を冷却する。
【００４８】
一方、第２吸着器１００の吸着剤１３５が加熱されるので、吸着剤１３５に吸着されていた冷媒が気相冷媒として吸着剤１３５から脱離するとともに、その脱離した気相冷媒が第１熱交換器１２０にて冷却されて凝縮し、冷媒が再生される。
【００４９】
なお、以下、吸着剤１３５の再生及び気相冷媒の凝縮が行われている吸着器１００を脱離工程にある吸着器と呼ぶ。
【００５０】
つまり、この状態（以下、第１状態と呼ぶ。）では、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０は液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を冷却する冷却器として機能し、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０は吸着剤１３５から脱離した気相冷媒を冷却する凝縮器として機能し、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を加熱する加熱器として機能する。
【００５１】
そして、第１状態で所定時間が経過したときに、切換弁４１０〜４４０を図１の破線に示すように作動させて、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０と室内熱交換器３００との間、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０と室外器２００との間、並びに第１吸着器１００の第１熱交換器と室外器２００との間、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０と内燃機関との間に熱媒体を循環させる。
【００５２】
これにより、第２吸着器１００が吸着工程となり、第１吸着器１００が脱離工程となるので、第２吸着器１００で発生した冷凍能力により空調風が冷却され、第１吸着器１００にて吸着剤１３５の再生が行われる。
【００５３】
つまり、この状態（以下、第２状態と呼ぶ。）では、第２吸着器１００の第１熱交換器１２０は液相冷媒を蒸発させて冷凍能力を発生させる蒸発器として機能し、第２吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を冷却する冷却器として機能し、第１吸着器１００の第１熱交換器１２０は吸着剤１３５から脱離した気相冷媒を冷却する凝縮器として機能し、第１吸着器１００の第２熱交換器１３０は吸着剤１３５を加熱する加熱器として機能する。
【００５４】
そして、第２状態で所定時間が経過したとき、切換弁４１０〜４４０作動させて再び第１状態とする。このように、第１状態及び第２状態を所定時間毎に交互に繰り返して、空調装置を連続的に稼働させる。
【００５５】
ところで、吸着ヒートポンプを車両用空調装置に適用するためには、搭載性の観点から吸着器１００の小型化が重要であり、具体的には、図表５（ａ）に示すように、第２熱交換器（吸着コア）１３０の体格１Ｌで４ｋＷの冷房性能をつくり出すことが要求される。そして、冷媒として水を用いるとともに、図表５（ｃ）に示す特性の吸着剤１３５を用いた場合に、この図表５（ａ）に示す要求値を達成するためには、例えば図表５（ｂ）に示す第２熱交換器１３０の仕様を満足する必要がある。
【００５６】
なお、図表５（ｂ）において、切替時間τ（単位：秒）は、吸着剤１３５に気相冷媒（水蒸気）を吸着させる時間である。吸着剤充填効率εａは、第２熱交換器１３０の体格Ｖｃに対する吸着剤１３５が占める容積の割合である。吸着剤充填量Ｗａ（単位：ｋｇ）は、第２熱交換器１３０に充填される吸着剤１３５の重量である。熱交換器表面積Ａｈ（単位：ｍ２）は、吸着剤１３５と第２熱交換器１３０とが接触する部分の面積である。水蒸気圧損ΔＰ（単位：ｔｏｒｒ）は、気相冷媒が第２熱交換器１３０全体に行き渡る際の圧損である。
【００５７】
次に、図表５（ｂ）に示す仕様を満足して第２熱交換器（吸着コア）１３０の小型化を図るための、具体的検討結果について説明する。
【００５８】
まず、切替時間τの短縮方法について説明する。前述したように、第２熱交換器１３０を小型化するためには、吸着剤１３５の吸着速度を向上させ、吸着と脱離の切替時間を短縮する必要がある。吸着速度を向上させるためには、熱媒体と吸着剤１３５との間の熱交換がすばやく行われなければならない。
【００５９】
図６は、熱媒体と吸着剤１３５との間の熱交換割合とエントロピー変動無次元数ωτａ（詳細後述）との関係を示すもので、熱媒体と吸着剤１３５との間の熱交換のし易さを表す指標として本発明者らが実験・解析等にて確認したものである。
【００６０】
ここで、１次フィン１３３または２次フィン１３４の表面から最も離れた位置の吸着剤１３５と、１次フィン１３３または２次フィン１３４の表面との間の距離Ｌａ（図４参照）を、吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）とする。また、吸着剤１３５の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）とする。さらに、周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、としたとき、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、である。
【００６１】
この図６は、熱交換割合が０．５より高いほど等温的であり、熱交換割合が０．５より低いほど断熱的であるということを示している。つまり、吸着コアとしての第２熱交換器１３０はより等温的が望ましく、エントロピー変動無次元数ωτａが低いほうがよい。
【００６２】
そして、ｆ＝１／（２・τ）、ω＝２・π・ｆ、δ≡（２・α／ω）１／２、ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、の各式から分かるように、吸着剤層厚さＬａが薄いほど、吸着剤１３５の熱拡散率αが高いほど、また、切替時間τが長いほど、熱交換割合は高くなる。
【００６３】
しかし、切替時間τが長くなると第２熱交換器１３０の大型化につながるため、切替時間τを短くしつつエントロピー変動無次元数ωτａを低くするためには、熱拡散率αが大きな吸着剤１３５を用いるか、または、吸着剤層厚さＬａを薄くするしかない。但し、使用する吸着剤１３５が決まれば吸着剤１３５の熱拡散率αも決まるため、エントロピー変動無次元数ωτａを低くするためには、結局、吸着剤層厚さＬａを薄くするしかない。
【００６４】
本実施形態では、１次フィン１３３から細長い２次フィン１３４を突出させることにより、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく、吸着剤層厚さＬａを薄くすることができる。また、隣接する２次フィン１３４の間隔の調整等によって、吸着剤層厚さＬａを任意に設定することができる。
【００６５】
そこで、例えば、熱拡散率α＝０．０１６ｍｍ２／秒の吸着剤１３５を用い、切替時間τの目標を２０秒にした場合、吸着剤層厚さＬａ＝３０μｍに設定すると、エントロピー変動無次元数ωτａ＝０．０１となって高い熱交換割合が得られ、切替時間中に充分熱交換できることがわかる。
【００６６】
換言すると、図６に基づいてエントロピー変動無次元数ωτａが所定値以下になるように吸着剤層厚さＬａを決めることにより、熱交換割合が高くなって吸着剤１３５の吸着速度が向上し、切替時間τが短縮されるため、第２熱交換器１３０を小型にすることができる。
【００６７】
因みに、吸着剤層厚さＬａを０．６ｍｍ以下に設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτａを５以下にして熱交換割合を略０．５以上にすることができ、また、吸着剤層厚さＬａを０．３ｍｍに設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτａを１以下にして熱交換割合を略０．９以上にすることができ、さらに、吸着剤層厚さＬａを０．１ｍｍに設定することにより、エントロピー変動無次元数ωτａを０．１以下にして熱交換割合を略１にすることができる。
【００６８】
次に、熱交換器表面積Ａｈの確保方法について説明する。第２熱交換器１３０を小型化するためには、吸着剤層の薄さを確保しつつ、吸着剤１３５の充填量を向上させなければならない。
【００６９】
そして、図表５（ａ）に示す要求値を達成するためには、吸着剤層厚さＬａ＝３０μｍで吸着剤体積Ｖａ＝０．０００４ｍ３を達成しなければならない。つまり、熱交換器表面積Ａｈは１３．３３ｍ２以上必要となり、単位体積あたりの表面積にすると１３０００ｍ２／ｍ３以上となる。
【００７０】
これは、従来からある熱交換器、例えばプレートフィン型熱交換器やコルゲートフィン熱交換器では、フィンにルーバーを設けたりあるいはディンプル等の突起を設けても表面積の増加はわずかであり、到底達成できない値である。
【００７１】
また、表面積を増加させるためにフィンを微細化すると今度はフィンが吸着剤の充填体積の減少を引き起こし、目標値を達成することができない。
【００７２】
さらに、フィンピッチの微細化に伴いフィンの肉厚も減少させて、フィンの体積が増加しないように（すなわち、同じ体積となるように）設計しても、フィンの薄肉化は３０μｍ程度までが製造限界であり、それ以上の薄肉化された熱交換器の製造は困難であるため、目標値を達成することができない。
【００７３】
それに対して、本実施形態のように１次フィン１３３から突出した細長い２次フィン１３４を設けた場合、１次フィン１３３にルーバーやディンプルを設ける場合よりも、同じ体積増加分でより大きな表面積を確保することが容易である。したがって、本実施形態では、吸着剤の充填体積をほとんど減少させることなく熱交換器表面積Ａｈを増加させることができる。
【００７４】
次に、水蒸気圧損ΔＰの低下方法について説明する。
【００７５】
以下、第２熱交換器１３０の前面面積をコア前面面積Ａｆという。なお、コア前面面積Ａｆは、第２熱交換器１３０のコア巾Ｘａ（図２参照）とコア高さＹａ（図２参照）との積（Ａｆ＝Ｘａ×Ｙａ）である。また、第２熱交換器１３０を気相冷媒の流通方向に見たときの、気相冷媒が流通する各気相冷媒流路１３６の面積の和を、気相冷媒流路断面積Ａｓという。
【００７６】
ところで、吸着速度の向上には気相冷媒が小さい圧損で第２熱交換器１３０全体に行き渡る必要がある。具体的には、Ａｓ／Ａｆが０．１以上であれば、充分に気相冷媒を供給することができる。
【００７７】
本実施形態では、１次フィン１３３の板厚Ｔｆ（図３参照）を５０μｍ、２次フィン１３４の長さＬｆ（図３参照）を１００μｍ、対向する２次フィン１３４の間に設けられた気相冷媒流路１３６の幅Ｗｒ（図３参照）を５０μｍ、としている。この場合、Ａｓ／Ａｆが０．１６７となり、水蒸気圧損ΔＰを低くすることができるため、気相冷媒の供給を充分に行える。
【００７８】
以上の検討結果を踏まえて設計を行うことにより、図表５（ｂ）に示す仕様を満足する第２熱交換器１３０を得ることができる。
【００７９】
（他の実施形態）
上記実施形態においては、１次フィン１３３をプレートフィンとしているが、例えば、コルゲートフィンとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施形態に係る吸着式ヒートポンプの全体構成図である。
【図２】図１の第２熱交換器１３０の正面図である。
【図３】図２のＡ部の拡大図である。
【図４】図３のＢ矢視図である。
【図５】吸着ヒートポンプを車両用空調装置に適用する際の第２熱交換器（吸着コア）１３０の要求仕様等を示す図表である。
【図６】熱媒体と吸着剤１３５との間の熱交換割合とエントロピー変動無次元数ωτａとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１３１…チューブ、１３３…１次フィン、１３４…２次フィン、１３５…吸着剤、Ｌａ…吸着剤層厚さ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒体が流通するチューブ（１３１）と、
前記チューブ（１３１）の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（１３５）と、
前記チューブ（１３１）と前記吸着剤（１３５）との間の伝熱を行うフィン（１３３、１３４）とを備える吸着コアにおいて、
前記フィン（１３３、１３４）の表面から最も離れた位置の前記吸着剤（１３５）と前記フィン（１３３、１３４）の表面との間の距離を吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）、
前記吸着剤（１３５）の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）、
前記吸着剤（１３５）に気相冷媒を吸着させる時間を切替時間τ（単位：秒）とし、
周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、としたとき、
前記吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτａが５以下であることを特徴とする吸着コア。
【請求項２】
熱媒体が流通するチューブ（１３１）と、
前記チューブ（１３１）の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（１３５）と、
前記チューブ（１３１）の表面に接合されるとともに前記吸着剤（１３５）と接触して、前記チューブ（１３１）と前記吸着剤（１３５）との間の伝熱を行う１次フィン（１３３）と、
前記１次フィン（１３３）の表面に接合されるとともに前記吸着剤（１３５）と接触して、前記１次フィン（１３３）と前記吸着剤（１３５）との間の伝熱を行う２次フィン（１３４）とを備えることを特徴とする吸着コア。
【請求項３】
前記２次フィン（１３４）は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項２に記載の吸着コア。
【請求項４】
前記吸着コアの前面面積をコア前面面積Ａｆ、前記吸着コアにおける気相冷媒が流通する気相冷媒流路（１３６）の断面積を気相冷媒流路断面積Ａｓとしたとき、Ａｓ／Ａｆが０．１以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の吸着コア。
【請求項５】
前記フィン（１３３、１３４）の表面から最も離れた位置の前記吸着剤（１３５）と前記フィン（１３３、１３４）の表面との間の距離を吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）、
前記吸着剤（１３５）の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）、
前記吸着剤（１３５）が気相冷媒を吸着するのに要する時間を切替時間τ（単位：秒）とし、
周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、としたとき、
前記吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτａが５以下であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の吸着コア。
【請求項６】
前記吸着剤層厚さＬａが０．３ｍｍ以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτａが１以下であることを特徴とする請求項１または５に記載の吸着コア。
【請求項７】
前記吸着剤層厚さＬａが０．１ｍｍ以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτａが０．１以下であることを特徴とする請求項６に記載の吸着コア。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１つに記載の吸着コアを備え、前記吸着剤（１３５）により冷媒の吸着・脱離を行うことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
【請求項１】
熱媒体が流通するチューブ（１３１）と、
前記チューブ（１３１）の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（１３５）と、
前記チューブ（１３１）と前記吸着剤（１３５）との間の伝熱を行うフィン（１３３、１３４）とを備える吸着コアにおいて、
前記フィン（１３３、１３４）の表面から最も離れた位置の前記吸着剤（１３５）と前記フィン（１３３、１３４）の表面との間の距離を吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）、
前記吸着剤（１３５）の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）、
前記吸着剤（１３５）に気相冷媒を吸着させる時間を切替時間τ（単位：秒）とし、
周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、としたとき、
前記吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτａが５以下であることを特徴とする吸着コア。
【請求項２】
熱媒体が流通するチューブ（１３１）と、
前記チューブ（１３１）の周囲に充填されて、蒸発した気相冷媒を吸着するとともに、加熱されることにより吸着していた冷媒を脱離する吸着剤（１３５）と、
前記チューブ（１３１）の表面に接合されるとともに前記吸着剤（１３５）と接触して、前記チューブ（１３１）と前記吸着剤（１３５）との間の伝熱を行う１次フィン（１３３）と、
前記１次フィン（１３３）の表面に接合されるとともに前記吸着剤（１３５）と接触して、前記１次フィン（１３３）と前記吸着剤（１３５）との間の伝熱を行う２次フィン（１３４）とを備えることを特徴とする吸着コア。
【請求項３】
前記２次フィン（１３４）は、カーボンナノチューブであることを特徴とする請求項２に記載の吸着コア。
【請求項４】
前記吸着コアの前面面積をコア前面面積Ａｆ、前記吸着コアにおける気相冷媒が流通する気相冷媒流路（１３６）の断面積を気相冷媒流路断面積Ａｓとしたとき、Ａｓ／Ａｆが０．１以上であることを特徴とする請求項２または３に記載の吸着コア。
【請求項５】
前記フィン（１３３、１３４）の表面から最も離れた位置の前記吸着剤（１３５）と前記フィン（１３３、１３４）の表面との間の距離を吸着剤層厚さＬａ（単位：ｍｍ）、
前記吸着剤（１３５）の熱拡散率を熱拡散率α（単位：ｍｍ２／秒）、
前記吸着剤（１３５）が気相冷媒を吸着するのに要する時間を切替時間τ（単位：秒）とし、
周波数ｆ＝１／（２・τ）、角周波数ω＝２・π・ｆ、熱浸透深さδ≡（２・α／ω）１／２、エントロピー変動無次元数ωτａ≡（Ｌａ／δ）２、としたとき、
前記吸着剤層厚さＬａが０．６ｍｍ以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτａが５以下であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１つに記載の吸着コア。
【請求項６】
前記吸着剤層厚さＬａが０．３ｍｍ以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτａが１以下であることを特徴とする請求項１または５に記載の吸着コア。
【請求項７】
前記吸着剤層厚さＬａが０．１ｍｍ以下でかつ、前記エントロピー変動無次元数ωτａが０．１以下であることを特徴とする請求項６に記載の吸着コア。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１つに記載の吸着コアを備え、前記吸着剤（１３５）により冷媒の吸着・脱離を行うことを特徴とする吸着式ヒートポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２８４０５１（Ｐ２００６−２８４０５１Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０２２９０（Ｐ２００５−１０２２９０）
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月３１日（２００５．３．３１）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
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