特許 6069955 熱交換型反応器及び吸着式ヒートポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6069955

(24)【登録日】2017年1月13日

(45)【発行日】2017年2月1日

(54)【発明の名称】熱交換型反応器及び吸着式ヒートポンプ

(51)【国際特許分類】

   F25B 37/00 20060101AFI20170123BHJP

【ＦＩ】

   F25B37/00

【請求項の数】9

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-186428(P2012-186428)

(22)【出願日】2012年8月27日

(65)【公開番号】特開2014-44000(P2014-44000A)

(43)【公開日】2014年3月13日

【審査請求日】2015年4月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(72)【発明者】

【氏名】廣田 靖樹

(72)【発明者】

【氏名】志満津 孝

(72)【発明者】

【氏名】山内 崇史

【審査官】 横溝 顕範

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／１０８２８８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１０／１１６８９１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平０５−０７１８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８１３０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００８／００５１２７９（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２５Ｂ ３７／００

Ｆ２５Ｂ １７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸着材成形体を収容可能な反応室、及び、熱媒体が流通する熱媒体流路が交互に配置されている筐体と、
前記反応室に収容され、前記熱媒体との間で熱交換する伝熱面を有し、吸着質が吸着されるときに放熱し吸着質が脱着するときに蓄熱する吸着材、及び、軸心の方向が前記伝熱面に対して交差する繊維状の熱伝導性材料を含有する吸着材成形体と、
を備え、
前記繊維状の熱伝導性材料は、軸心の方向が前記伝熱面に対して４５°以上であり、前記吸着材成形体に含有される繊維状の熱伝導性材料のうちの８０個数％以上は、軸心の方向が前記伝熱面に対して７０°以上である熱交換型反応器。

【請求項2】

前記熱伝導性材料は、アスペクト比が１０以上である請求項１に記載の熱交換型反応器。

【請求項3】

前記吸着材成形体が、前記反応室の壁面と接触する平板状の吸着材成形体であり、
前記伝熱面が、前記壁面との接触面である請求項１又は請求項２に記載の熱交換型反応器。

【請求項4】

前記熱伝導性材料が、無機材料である請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱交換型反応器。

【請求項5】

前記熱伝導性材料が、炭素繊維である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の熱交換型反応器。

【請求項6】

前記吸着材が、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、及び粘土鉱物からなる群から選択される少なくとも１種である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の熱交換型反応器。

【請求項7】

前記熱伝導性材料は、軸心の方向の熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上である請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の熱交換型反応器。

【請求項8】

前記吸着材成形体中における前記熱伝導性材料の量が、前記吸着材成形体の全量に対し、１体積％〜３０体積％である請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の熱交換型反応器。

【請求項9】

請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の熱交換型反応器を備えた吸着式ヒートポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換型反応器及び吸着式ヒートポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

吸着式ヒートポンプ等の熱輸送システムでは、吸着材を含み、この吸着材に対する吸着質（水、アンモニア等）の吸脱着反応を利用する熱交換型反応器が用いられている。
このような熱交換型反応器では、吸脱着反応に伴う吸着熱及び脱着熱により吸着材の温度が変化し、これにより平衡関係が変化してその後の吸脱着反応が阻害され、その結果、吸脱着反応の反応速度が低下する場合がある。この吸脱着反応の反応速度を向上させる手段としては、吸着材を含有する吸着材層の熱伝導性を向上させる手段が有効であることが知られている。このような手段の一つとして、吸着材を含有する吸着材層に、更に、伝熱促進材として、金属フィンや炭素繊維等の熱伝導性材料を含有させる手段が知られている（例えば、非特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】伝熱 Journal of the Heat Transfer Society of Japan Vol.45,No.192、社団法人日本伝熱学会、２００６年７月、p.20-51

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、伝熱促進材として金属フィンを用いる方法では、反応速度を向上させようとすると金属フィンの表面積を増大させる必要があり、これにより、吸着材の密度が低下するという問題がある。
また、伝熱促進材として、単に、炭素繊維等の繊維状の熱伝導性材料を用いるのみでは、吸脱着反応の反応速度向上の効果が充分に得られない場合がある。
本発明は上記に鑑みなされたものであり、吸着材成形体と熱媒体との間の熱交換の効率に優れ、吸着材成形体における吸脱着反応の反応速度が向上された熱交換型反応器及び吸着式ヒートポンプを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

前記課題を解決するための具体的手段は以下のとおりである。
即ち、第１の発明である熱交換型反応器は、吸着材成形体を収容可能な反応室、及び、熱媒体が流通する熱媒体流路が交互に配置されている筐体と、前記反応室に収容され、前記熱媒体との間で熱交換する伝熱面を有し、吸着質が吸着されるときに放熱し吸着質が脱着するときに蓄熱する吸着材、及び、軸心の方向が前記伝熱面に対して交差する繊維状の熱伝導性材料を含有する吸着材成形体と、を備える。
第１の発明では、繊維状の熱伝導性材料は、軸心の方向が前記伝熱面に対して４５°以上であり、吸着材成形体に含有される繊維状の熱伝導性材料のうちの８０個数％以上は、軸心の方向が前記伝熱面に対して７０°以上である。

【0006】

第１の発明では、粉末状の吸着材と比較して吸着材の密度が高い吸着材成形体が用いられ、この吸着材成形体と熱媒体との間で、該吸着材成形体の伝熱面を介して熱交換が行なわれる。詳細には、吸着材への吸着質の吸着反応に伴い吸着材成形体から熱媒体へ熱が放熱され、かつ、吸着材からの吸着質の脱着（脱離）反応に伴い熱媒体から供給された熱が吸着材成形体に蓄熱される。ここで、吸着材成形体を含む反応室と熱媒体流路とが交互に配置されていることにより、前記熱交換の効率が向上する。
更に、吸着材成形体中に、軸心の方向（即ち、繊維状の熱伝導性材料の長さ方向）が伝熱面に対して交差する繊維状の熱伝導性材料が含まれていることにより、吸着材成形体の内部と熱媒体との間の熱交換の効率が向上する。この熱交換により、吸着時には吸着材成形体の内部から熱媒体に向けて吸着熱が効率よく放出され、かつ、脱着時には熱媒体から吸着材成形体の内部に向けて脱着熱が効率よく供給されるので、吸着熱及び脱着熱により吸脱着反応が阻害される問題が軽減される。
更に、吸着材成形体中に、繊維状の熱伝導性材料ではなく金属フィンを用いた場合と比較して、吸着材の密度を高く維持することができる。
以上により、第１の発明によれば、吸着材成形体における吸脱着反応の反応速度を向上させることができる。

【0007】

これに対し、吸着材と繊維状の熱伝導性材料とを含有する吸着材成形体を用いた場合であっても、繊維状の熱伝導性材料の軸心の方向と伝熱面とが交差しない場合（即ち、軸心の方向と伝熱面とが平行である場合）には、吸着材成形体の内部と熱媒体との間の熱交換の効率が向上し難いため、反応速度向上の効果が不充分となる。

【0008】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、前記繊維状の熱伝導性材料は、軸心の方向が前記伝熱面に対して４５°以上であることが好ましい。これにより、吸着材成形体の内部と熱媒体との間の熱交換の効率がより向上し、前記反応速度がより向上する。

【0009】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、前記吸着材成形体に含有される繊維状の熱伝導性材料のうちの８０個数％以上は、軸心の方向が、前記伝熱面に対して７０°以上であることが好ましい。
ここで、「吸着材成形体に含有される繊維状の熱伝導性材料のうちの８０個数％以上は、軸心の方向が、前記伝熱面に対して７０°以上である」とは、吸着材成形体に含まれる大部分（８０個数％以上）の繊維状の熱伝導性材料の軸心の方向が、前記伝熱面に対して略垂直（７０°以上）となるようにある程度揃っていることを意味している。
これにより、熱媒体と吸着材成形体の内部との熱交換の効率がより向上するので、吸脱着反応の反応速度がより向上する。
更に、熱伝導性材料の軸心の方向がランダムである場合と比較して、吸着材成形体を作製する際のスプリングバックを抑制できるので、吸着材成形体中における吸着材の密度をより向上させることができる。ここで、スプリングバックとは、吸着材成形体を成形する際、加圧により一旦減少した吸着材成形体の体積が、圧を開放したときに戻る現象をいう。

【0010】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、前記熱伝導性材料は、アスペクト比が１０以上であることが好ましい。これにより、熱媒体と吸着材成形体の内部との熱交換の効率をより向上させることができ、吸脱着反応の反応速度をより向上させることができる。

【0011】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、前記吸着材成形体が前記反応室の壁面と接触する平板状の吸着材成形体であり、前記伝熱面が前記壁面との接触面であることが好ましい。これにより、吸着材成形体と熱媒体との間での熱交換をより効率よく行なうことができるので、吸脱着反応の反応速度がより向上する。

【0012】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、前記熱伝導性材料が、無機材料であることが好ましい。これにより、熱媒体と吸着材成形体の内部との熱交換の効率をより向上させることができ、吸脱着反応の反応速度をより向上させることができる。

【0013】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、前記熱伝導性材料が、炭素繊維であることが好ましい。これにより、熱媒体と吸着材成形体の内部との熱交換の効率をより向上させることができ、吸脱着反応の反応速度をより向上させることができる。

【0014】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、前記吸着材が、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、及び粘土鉱物からなる群から選択される少なくとも１種であることが好ましい。

【0015】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、軸心の方向の熱伝導率が２Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。これにより、熱媒体と吸着材成形体の内部との熱交換の効率をより向上させることができ、吸脱着反応の反応速度をより向上させることができる。

【0016】

第１の発明に係る熱交換型反応器では、前記吸着材成形体中における前記熱伝導性材料の量が、前記吸着材成形体の全量に対し、１体積％〜３０体積％であることが好ましい。
前記熱伝導性材料の量が１体積％以上であることにより、熱伝導性材料による伝熱の効果をより向上させることができる。
前記熱伝導性材料の量が３０体積％以下であることにより、吸脱着反応に関与する吸着材の密度がより高く維持される。
前記含有量は、より好ましくは１体積％〜２０体積％であり、特に好ましくは５体積％〜２０体積％である。

【0017】

次に、第２の発明である吸着式ヒートポンプは、第１の発明である熱交換型反応器を備える。
第２の発明である吸着式ヒートポンプは、吸着材成形体における吸着質の吸脱着反応の反応速度が高い熱交換型反応器（第１の発明）を備えており、前記反応速度が低下した場合における熱のロスが抑制されるので、熱の利用効率に優れる。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、吸着材成形体と熱媒体との間の熱交換の効率に優れ、吸着材に対する吸着質の吸脱着反応の反応速度が向上された熱交換型反応器及び吸着式ヒートポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係る吸着式ヒートポンプを模式的に示した図である。

【図2】本発明の実施形態に係る熱交換型反応器を模式的に示した図である

【図3】実施例１における吸着材成形体ａの断面光学顕微鏡像である。

【図4】実施例２における吸着材成形体ｂの断面光学顕微鏡像である。

【図5】実施例３における吸着材成形体ｃの断面光学顕微鏡像である。

【図6】実施例１〜３及び比較例１における、ＮＨ_３脱着反応の反応時間と脱着率との関係を示すグラフである。

【図7】実施例１〜３及び比較例１における、吸着材成形体の厚さ方向の熱伝導率を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施形態に係る熱交換型反応器及び吸着式ヒートポンプについて、図面を参照しながら説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されることはない。

【0021】

図１は、本発明の実施形態に係る熱交換型反応器を備えた吸着式ヒートポンプを模式的に示した図である。
図１に示すように、吸着式ヒートポンプ１００は、本発明の実施形態に係る熱交換型反応器である熱交換型反応器２０と、蒸発凝縮器４０と、熱交換型反応器２０と蒸発凝縮器４０とを接続する配管１０と、を備えて構成されている。
これにより、蒸発凝縮器４０から熱交換型反応器２０に供給されたアンモニアガス（ＮＨ_３）を熱交換型反応器２０中の吸着材成形体に吸着させたり、熱交換型反応器２０中の吸着材成形体から脱着（脱離）したアンモニアガス（ＮＨ_３）を蒸発凝縮器４０に回収できるようになっている。吸着式ヒートポンプ１００は、この熱交換型反応器２０−蒸発凝縮器４０間の圧力差に応じ、両者の間でアンモニアガス（ＮＨ_３）が行き来することによって作動する。吸着式ヒートポンプの作動原理の詳細については、例えば、「伝熱 Journal of the Heat Transfer Society of Japan Vol.45,No.192」（社団法人日本伝熱学会、２００６年７月）の第２０ページ〜第２１ページを参照することができる。
なお、この実施形態は、吸着質としてＮＨ_３を用いた実施形態であるが、ＮＨ_３に代えて、水、低級アルコール（例えば、炭素数１〜６のアルコール）等のその他の吸着質を用いてもよい。

【0022】

図２は、図１における熱交換型反応器２０を模式的に示した図である。
図２に示すように、熱交換型反応器２０は、筐体２２と、筐体２２に設けられた複数の熱媒体流路２６と、筐体２２に設けられた複数の反応室２４と、各反応室２４内に収納された積層体３０と、を有して構成されている。
筐体２２内では、反応室２４と熱媒体流路２６とが交互に配置されている。反応室２４と熱媒体流路２６とは隔壁を隔てて互いに分離されている。これらの構成により、外部から供給され外部に排出される熱媒体Ｍ１と反応室２４内の吸着材成形体との間で効率よく熱交換を行えるようになっている。この実施形態では、反応室２４、熱媒体流路２６は、それぞれ扁平矩形状の開口端を有する角柱状空間とされている。この実施形態では、熱交換型反応器２０は、反応室２４の開口方向（ＮＨ_３の流れ方向）と熱媒体流路２６の開口方向（熱媒体の流れ方向）とが側面視で直交する、直行流型の熱交換型反応器として構成されている。

【0023】

熱交換型反応器２０において、反応室２４や熱媒体流路２６の個数には特に限定はなく、熱交換型反応器２０に対し入出力する熱量や、吸着材成形体の伝熱面の面積を考慮して適宜設定される。
また、筐体２２の材質としては、金属（例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、等）等の、熱伝導性が高く、かつ、吸着質（ＮＨ_３等）に対して耐食性を有する材質が好適である。

【0024】

図２に示すように、積層体３０は、２枚の吸着材成形体（吸着材成形体３２Ａ及び吸着材成形体３２Ｂ；以下、これらをまとめて「吸着材成形体３２Ａ及び３２Ｂ」ともいう）と、吸着材成形体３２Ａ及び３２Ｂに挟持された支持体３４と、から構成されている。図２では、積層体３０の構成を見やすくするために、吸着材成形体３２Ａと、支持体３４と、吸着材成形体３２Ｂと、を分離して図示している。
但し、積層体の構成としては、このような吸着材成形体／支持体／吸着材成形体の３層構成を少なくとも有する構成であればよく、３層構成以外にも、例えば、吸着材成形体と支持体とが交互に配置され、かつ、最外層が吸着材成形体であるその他の構成（例えば、吸着材成形体／支持体／吸着材成形体／支持体／吸着材成形体の５層構成、等）であってもよい。
また、反応室２４には、積層体に代えて、吸着材成形体が単体として収納されていてもよい。該反応室２４に吸着材成形体が単体として収納される場合、吸着質の流路が設けられた吸着材成形体を用いることなどにより、反応室２４内に、配管１０との間で吸着質を流通できる流路が確保されていることが好ましい。

【0025】

吸着材成形体３２Ａ及び３２Ｂは、それぞれ、熱媒体Ｍ１との間で熱交換する伝熱面を有し、ＮＨ_３（吸着質）が吸着されるときに放熱しＮＨ_３（吸着質）が脱着するときに蓄熱する吸着材、及び、軸心の方向が前記伝熱面に対して交差する繊維状の熱伝導性材料を含有する。
この実施形態では、吸着材成形体３２Ａが平板状の成形体であり、吸着材成形体３２Ａの一方の主面が伝熱面Ｓとなっており、この伝熱面Ｓと反応室２４の内壁とが接している（吸着材成形体３２Ｂの構成についても同様である）。

【0026】

以下、本発明における吸着材成形体（例えば吸着材成形体３２Ａ及び３２Ｂ）について更に説明する。

【0027】

−吸着材−
前記吸着材成形体は、吸着材を少なくとも１種含有する。
前記吸着材としては吸着質を吸脱着できる材料であれば特に限定はない。前記吸着材としては多孔体が好ましい。
前記多孔体としては、吸脱着反応の反応性をより向上させる観点からは、１０ｎｍ以下の細孔を持つ多孔体が好ましい。
前記細孔のサイズの下限としては、製造適性等の観点から、０．２ｎｍが好ましく、３ｎｍがより好ましい。
前記多孔体としては、吸脱着反応の反応性をより向上させる観点より、平均１次粒子径５０μｍ以下の１次粒子が凝集して得られた１次粒子凝集体である多孔体が好ましい。
前記平均１次粒子径の下限としては、製造適性等の観点から、１．０μｍが好ましい。

【0028】

前記吸着材の具体例としては、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物等が挙げられる。
前記活性炭としては、ＢＥＴ法による比表面積が８００ｍ^２／ｇ以上４０００ｍ^２／ｇ以下（より好ましくは、１０００ｍ^２／ｇ以上２０００ｍ^２／ｇ以下）である活性炭が好ましい。
前記メソポーラスシリカとしては、ＢＥＴ法による比表面積が５００ｍ^２／ｇ以上１５００ｍ^２／ｇ以下（より好ましくは、７００ｍ^２／ｇ以上１３００ｍ^２／ｇ以下）であるメソポーラスシリカが好ましい。
前記ゼオライトとしては、ＢＥＴ法による比表面積が５０ｍ^２／ｇ以上１０００ｍ^２／ｇ以下（より好ましくは、１００ｍ^２／ｇ以上１０００ｍ^２／ｇ以下）であるゼオライトが好ましい。
前記シリカゲルとしては、ＢＥＴ法による比表面積が１００ｍ^２／ｇ以上１５００ｍ^２／ｇ以下（より好ましくは、３００ｍ^２／ｇ以上１０００ｍ^２／ｇ以下）であるシリカゲルが好ましい。
前記粘土鉱物としては、非架橋の粘土鉱物であっても、架橋された粘土鉱物（架橋粘土鉱物）であってもよい。前記粘土鉱物としては、セピオライト、スメクタイト系粘土（サポナイト、モンホリロナイト、ヘクトライト、等）、４−珪素雲母、雲母、バーミキュライト等が挙げられる。中でも、セピオライトが好ましい。

【0029】

吸着材成形体は、前記吸着材（好ましくは前記多孔体）を一種単独で含んでいてもよいし二種以上を含んでいてもよい。
本実施形態においては、作動温度等の作動条件に合わせて、吸着材（好ましくは前記多孔体）の種類を適宜選定することができる。

【0030】

前記吸着材成形体中における吸着材の充填密度は、０．１０ｇ／ｍＬ〜０．８０ｇ／ｍＬが好ましい。充填密度が０．１０ｇ／ｍＬ以上であると、吸脱着反応に関与する吸着質の量をより多くすることができる。充填密度が０．８０ｇ／ｍＬ以下であると、吸着材成形体中における吸着質の移動抵抗をより低減できる。

【0031】

前記吸着材成形体中における吸着材の含有量は、吸脱着反応の反応性向上の観点より、前記吸着材成形体の全量に対し、５０体積％以上であることが好ましく、６０体積％以上であることがより好ましく、７０体積％以上であることが特に好ましい。

【0032】

−繊維状の熱伝導性材料−
前記吸着材成形体は、軸心の方向が吸着材成形体の伝熱面に対して交差する繊維状の熱伝導性材料を少なくとも１種含有する。

【0033】

前記吸着材成形体に含有される吸着材は、一般的に熱伝導率が低いため（一般的な吸着材の熱伝導率は、例えば０．０５Ｗ／（ｍ・Ｋ）〜０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）である）、吸着材を含む吸着材成形体では、吸脱着反応に伴う吸着熱及び脱着熱により吸着材の温度が変化し、これにより平衡関係が変化してその後の吸脱着反応が阻害される場合がある。
この点に関し、本発明では、前記吸着材成形体に、軸心の方向が吸着材成形体の伝熱面に対して交差する繊維状の熱伝導性材料を更に含有させることにより、この繊維状の熱伝導性材料を通じ、吸着材成形体の内部と熱媒体（例えば熱媒体Ｍ１）との間での熱交換が効率よく行なわれる。この熱交換により、吸着時には吸着材成形体の内部から熱媒体に向けて吸着熱が効率よく放出され、かつ、脱着時には熱媒体から吸着材成形体の内部に向けて脱着熱が効率よく供給される。従って、本発明によれば、吸着熱及び脱着熱により吸脱着反応が阻害される問題が軽減され、吸着材成形体における吸着質の吸脱着反応の反応速度が向上する。

【0034】

前記繊維状の熱伝導性材料のアスペクト比（繊維長／繊維径）としては、上記効果をより効果的に奏する観点より、１０以上が好ましく、１５以上がより好ましい。
また、前記アスペクト比は、吸着材の充填密度をより高く維持する観点からは、５００以下が好ましく、３００以下がより好ましく、１００以下が特に好ましい。

【0035】

前記繊維状の熱伝導性材料の繊維長には特に制限はないが、１０μｍ〜１０００μｍが好ましく、１０μｍ〜５００μｍがより好ましく、１００μｍ〜３００μｍが特に好ましい。
前記繊維状の熱伝導性材料の繊維径には特に制限はないが、０．０１μｍ〜１００μｍが好ましく、０．１μｍ〜１００μｍがより好ましく、１μｍ〜５０μｍが特に好ましい。

【0036】

前記繊維状の熱伝導性材料としては、上記効果をより効果的に奏する観点より、無機材料が好ましく、金属繊維及び炭素繊維（カーボンファイバー（Carbon Fiber）；以下、「ＣＦ」ともいう）からなる群から選択される少なくとも１種がより好ましい。
金属繊維及び炭素繊維について、好ましいアスペクト比及び好ましい繊維長は、それぞれ上述した範囲である。
前記金属繊維としては、アルミニウム繊維、銅繊維、等が挙げられる。
前記繊維状の熱伝導性材料としては、炭素繊維が特に好ましい。

【0037】

前記炭素繊維の中でも、特に好ましくは、アスペクト比が１０〜５００で、繊維長が１０μｍ〜５００μｍ（より好ましくは１００μｍ〜３００μｍ）の炭素繊維である。

【0038】

前記繊維状の熱伝導性材料の軸心の方向の熱伝導率は、前記吸着材の熱伝導率よりも高ければ特に制限はないが、例えば、１．０Ｗ（ｍ・Ｋ）以上とすることができ、２．０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましい。

【0039】

前記吸着材成形体中において、前記熱伝導性材料の軸心の方向は、吸着材成形体の伝熱面に対して交差していること以外には特に限定はなく、複数の熱伝導性材料の軸心の方向が、前記伝熱面に対してランダムな方向となっていてもよい。
但し、前記熱交換の効率をより向上させ、吸脱着反応の反応速度をより向上させる観点からは、前記吸着材成形体の好ましい形態は、前記繊維状の熱伝導性材料として、軸心の方向が前記伝熱面に対して４５°以上である繊維状の熱伝導性材料を少なくとも含む形態である。この形態の吸着材成形体には、軸心の方向が前記伝熱面に対して４５°未満である繊維状の熱伝導性材料が含まれていてもよい（例えば、繊維状の熱伝導性材料の軸心の方向が伝熱面に対してランダムな方向となっている場合等）。
ここで、繊維状の熱伝導性材料の軸心の方向が伝熱面に対して４５°以上であるとは、
軸心の方向と伝熱面とのなす角のうち、最小の角度が４５°以上であることを意味する（下記の「７０°以上」や「８０°以上」の意味についても同様である）。

【0040】

本発明において、前記熱交換の効率をより向上させ、吸脱着反応の反応速度をより向上させる観点からみた特に好ましい形態は、前記吸着材成形体に含有される大部分の繊維状の熱伝導性材料の軸心の方向が、前記伝熱面に対して略垂直となるように、ある程度揃っている形態である。
具体的には、前記吸着材成形体に含有される繊維状の熱伝導性材料のうちの８０個数％以上（好ましくは９０個数％以上、より好ましくは９５個数％以上）は、軸心の方向が、前記伝熱面に対して７０°以上（より好ましくは８０°以上）となっている形態が特に好ましい。
更に、この形態では、熱伝導性材料の軸心の方向がランダムである場合と比較して、吸着材成形体を作製する際のスプリングバックを抑制できるので、吸着材成形体中における吸着材の密度をより向上させることができ、前記反応速度を更に向上させることができる。
なお、軸心の方向と伝熱面とのなす角は、理想的には９０°（垂直）であるが、必ずしも正確に９０°（垂直）である必要はない。

【0041】

前記吸着材成形体中における前記熱伝導性材料の量は、前記吸着材成形体の全量に対し、１体積％〜３０体積％が好ましく、１体積％〜２０体積％がより好ましく、５体積％〜２０体積％が特に好ましい。
前記含有量が１体積％以上であると、前記熱伝導性材料による効果がより効果的に奏される。
前記含有量が３０体積％以下であると、吸脱着反応に関与する吸着質の量をより多くすることができる。

【0042】

−その他の成分−
前記吸着材成形体は、上記以外のその他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、例えば、バインダー、造孔材、等が挙げられる。
前記バインダーとしては、水溶性バインダーの少なくとも１種であることが好ましい。
前記水溶性バインダーとしては、ポリビニルアルコール、トリメチルセルロース、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）等が挙げられる。中でも、トリメチルセルロースが好ましい。
前記バインダーの含有量は、前記吸着材成形体の全量に対し、１〜５体積％であることが好ましく、１〜２体積％であることがより好ましい。

【0043】

−吸着材成形体の作製方法−
また、前記吸着材成形体を作製（成形）する方法については特に制限はなく、前記吸着材及び前記熱伝導性材料を含む混合物（例えばスラリー）を、加圧成形、押し出し成形等の公知の成形手段により成形する方法が挙げられる。
前記成形の圧力としては、例えば、２０ＭＰａ〜１００ＭＰａが挙げられ、２０ＭＰａ〜４０ＭＰａが好ましい。

【0044】

前記吸着材成形体に含有される繊維状の熱伝導性材料のうちの８０個数％以上の軸心の方向が前記伝熱面に対して７０°以上である吸着材成形体を作製する方法としては、例えば、以下に示す第１の方法及び第２の方法が挙げられる。
以下に示す第１の方法及び第２の方法は、押し出し成形による前記吸着材成形体の成形では、繊維状の熱伝導性材料の軸心の方向が押し出し方向と略平行な方向に揃い易いという性質を利用した方法である。
ここで、「熱伝導性材料の軸心の方向が押し出し方向と略平行」とは、軸心の方向と押し出し方向とのなす角が３０°以下（好ましくは２０°以下）であることを指す。
第１の方法は、まず、押し出し成形により、熱伝導性材料の軸心の方向が押し出し成形時の押し出し方向と略平行な方向に揃っている柱状の成形体を作製し、次いで、得られた柱状の成形体を押し出し成形時の押し出し方向に対して垂直な複数の平面で切断することにより、平板状の成形体として吸着材成形体を得る方法である。
第２の方法は、まず、押し出し成形により、熱伝導性材料の軸心の方向が押し出し成形時の押し出し方向と略平行な方向に揃っている平板状の成形体を複数作製し、得られた複数の平板状の成形体を重ね合わせて接着して柱状の成形体を得、得られた柱状の成形体を押し出し成形時の押し出し方向に対して垂直な複数の平面で切断することにより、平板状の成形体として吸着材成形体を得る方法である。

【0045】

次に、図２に示すように、積層体３０は、支持体３４を含んでいる。
この支持体３４は、該支持体３４の面に沿った方向（図２中の白抜き矢印の方向）にＮＨ_３（吸着質）を流通させるための部材である。このような支持体３４として、例えば、多孔体プレートを用いることができる。
この支持体３４により、２枚の吸着材成形体間にＮＨ_３の流路を確保できるので、配管１０から供給されたＮＨ_３を、吸着材成形体３２Ａ及び３２Ｂの広い範囲に供給できる。更に、吸着材成形体３２Ａ及び３２Ｂの広い範囲に吸着したＮＨ_３を、支持体３４を介して配管１０に向けて放出できる。

【0046】

また、図１に示すように、吸着式ヒートポンプ１００において、熱交換型反応器２０と配管１０とは、熱交換型反応器２０中の複数の反応室２４と配管１０とを気密状態で連通するヘッダ部材２８（例えば、マニホールド等）を介して接続されている。これにより、複数の反応室２４と配管１０との間で気密状態でアンモニアを流通できるようになっている。
なお、図１では、熱交換型反応器２０の構成を見やすくするために、前記ヘッダ部材２８、下記ヘッダ部材２９Ａ、下記ヘッダ部材２９Ｂ、下記熱媒体配管２７Ａ、及び下記熱媒体配管２７Ｂを、二点鎖線で表している。

【0047】

また、図１に示すように、熱交換型反応器２０は、ヘッダ部材２９Ａ（例えば、マニホールド等）を介して熱媒体配管２７Ａに接続されるとともに、ヘッダ部材２９Ｂ（例えば、マニホールド等）を介して熱媒体配管２７Ｂに接続されている。熱交換型反応器２０内の複数の熱媒体流路２６は、該ヘッダ部材２９Ａにより気密状態で熱媒体配管２７Ａに連通されるとともに、該ヘッダ部材２９Ｂにより気密状態で熱媒体配管２７Ｂに連通されている。これにより、熱媒体配管２７Ａ及び熱媒体配管２７Ｂを通じ、熱交換型反応器２０内の熱媒体流路２６と吸着式ヒートポンプ１００の外部（熱利用対象）との間で熱媒体Ｍ１を流通できるようになっている。
熱媒体Ｍ１としては、エタノール等のアルコール、水、油類、これらの混合物等、熱媒体として通常用いられる流体を用いることができる。

【0048】

また、図１に示すように、吸着式ヒートポンプ１００における配管１０にはバルブＶ１（弁）が設けられており、バルブＶ１の開閉により、熱交換型反応器２０側と蒸発凝縮器４０側とのアンモニア圧の差を調節できるようになっている。これにより、熱交換型反応器２０側のアンモニア圧と蒸発凝縮器４０側のアンモニア圧との差をより効果的に保持できる。即ち、バルブＶ１を閉じた状態を維持することによりアンモニア圧の差を長時間保持することができ、その後バルブＶ１を開くことにより一方から他方にアンモニアを輸送できる。

【0049】

本実施形態において、蒸発凝縮器４０の構成には特に制限はなく、公知の蒸発凝縮器の構成とすることができる。また、本実施形態では、蒸発凝縮器４０に代えて、蒸発器及び凝縮器を用いてもよい。

【0050】

また、吸着式ヒートポンプ１００には、装置内を排気するための排気手段、装置内のアンモニア圧を測定するための圧力測定手段等が接続されていてもよい。
また、本実施形態に係る熱交換型反応器は、吸着式ヒートポンプに限らず、その他の熱輸送システムにも用いることができる。その他の熱輸送システムの例としては、少なくとも、本発明の熱交換型反応器と、化学蓄熱材を含む熱交換型反応器と、が配管で接続された構成の熱輸送システムを挙げることができる。

【実施例】

【0051】

以下、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下に示す実施例によって限定されるものではない。なお、以下において、「ｗｔ％」は質量％を示し、「ｖｏｌ％」は体積％を示す。
以下の実施例のうち、実施例２、３は、それぞれ参考例２、３と読み替える。

【0052】

〔実施例１〕
≪ＮＨ_３脱着速度の測定≫
＜吸着材成形体ａの作製＞
まず、吸着材としての粉末状の活性炭（平均一次粒子径５μｍ、ＢＥＴ法による比表面積２０００ｍ^２／ｇ）６０質量部と、繊維状の熱伝導性材料としてのカーボンファイバー（ＣＦ）（ミルド品（日本グラファイトファイバー（株）製ＸＮ−１００）；繊維長２００μｍ、繊維径１０μｍ、アスペクト比２０）４０質量部と、トリメチルセルロース５質量部と、水１００質量部と、を混合しスラリーを得た。
得られたスラリーを、２０ｍｍ×３ｍｍの開口部を有する金型を用いて押し出し成形（押し出し圧力４０ＭＰａ）し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ３ｍｍのサイズの平板状の成形体を７枚作製した。
次に、７枚の平板状の成形体を、厚さ方向に重なるように接着剤（カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ））によって接着し、柱状の成形体を得た。
得られた柱状の成形体を、押し出し成形における押し出し方向に対して垂直な複数の平面で切断し、厚さ３ｍｍの平板状の成形体を得た。得られた平板状の成形体の一辺を削ってサイズを調整し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ３ｍｍのサイズの吸着材成形体ａを得た。吸着材成形体ａにおいて、２０ｍｍ×２０ｍｍの面を伝熱面とした。
吸着材成形体ａにおいて、活性炭の充填密度は０．３２ｇ／ｍＬであり、吸着材成形体ａ全体に対するＣＦの比率は１０体積％である。

【0053】

得られた吸着材成形体ａを厚さ方向に切断し、得られた断面を光学顕微鏡（倍率３０００倍）によって観察した。
図３は、吸着材成形体ａの断面光学顕微鏡像である。
図３中には、伝熱面Ｓと、ＣＦの軸心のおよその方向（両側矢印）と、を示した。
図３に示すように、吸着材成形体ａに含まれる大部分のＣＦは、軸心の方向が伝熱面Ｓに対して略垂直となる方向に揃っていた。詳細には、吸着材成形体ａに含有されるＣＦのうちの９５個数％以上は、軸心の方向が、前記伝熱面に対して７０°以上であった。

【0054】

＜熱交換型反応器の作製＞
吸着材成形体ａを用い、図２に示した熱交換型反応器２０と同様の構成の熱交換型反応器を作製した。詳細を以下に示す。
まず、反応室２４を２室有する筐体２２（材質：ＳＵＳ３０４）を準備した。
次に、上記吸着材成形体ａ（２枚）によって支持体３４を挟んだ構造の積層体３０を作製し、得られた積層体３０を各反応室２４内に収納した。支持体３４としては、２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのステンレス製多孔体シートを用いた。

【0055】

＜ＮＨ_３脱着速度の測定＞
上記熱交換型反応器を用い、図１に示す吸着式ヒートポンプ１００において、蒸発凝縮器４０をＮＨ_３チャンバーに置き換えた構成の実験機を準備した。この実験機では、ＮＨ_３チャンバーにＮＨ_３ガスボンベを接続し、実験機内（ＮＨ_３チャンバー、熱交換型反応器の反応室、及び配管の中；以下同じ。）にＮＨ_３を供給できるようにした。更に、ＮＨ_３チャンバーに真空ポンプ及び圧力計を接続し、ＮＨ_３チャンバー内のＮＨ_３圧を調整したり、実験機内を排気できるようにした。
この実験機では、熱交換型反応器の容積を６．０ｍＬとし、ＮＨ_３チャンバー容積を２．２Ｌとした。

【0056】

ＮＨ_３脱着速度の測定は以下のようにして行なった。
まず、準備段階として、バルブＶ１を開いた状態で、熱交換型反応器２０の熱媒体流路２６に、液温６℃、流量６０ｍＬ／ｍｉｎの水（熱媒体Ｍ１）を流通させるとともに実験機内にＮＨ_３を供給し、反応室２４内の吸着材成形体ａに対しＮＨ_３を吸着させた。この操作を吸着平衡に達するまで行なった。その後、バルブＶ１を閉じ、ＮＨ_３チャンバー内のＮＨ_３圧を２ａｔｍに減圧した。
次に、上記液温及び液量の水（熱媒体Ｍ１）の流通を維持したままバルブＶ１を開き、反応室２４内の吸着材成形体ａから脱着（脱離）したＮＨ_３を、ＮＨ_３チャンバーに輸送した。
このＮＨ_３の輸送によるＮＨ_３チャンバー内の圧力上昇を観測することにより、ＮＨ_３の脱着反応の反応速度（反応時間と脱着率との関係）を求めた。ここでは、バルブＶ１を開いた時からの経過時間を反応時間とした。
測定結果を図６に示す。
図６及び図７では、本実施例１の測定結果について、便宜上、「ＣＦ略垂直」と併記する。

【0057】

≪吸着材成形体の熱伝導率の測定≫
吸着材成形体ａの作製と同様の方法により、φ２０ｍｍ×厚さ２ｍｍ、φ２０ｍｍ×厚さ３ｍｍ、φ２０ｍｍ×厚さ４ｍｍの３種類の熱伝導率測定用サンプル（吸着材成形体）を作製した（いずれのサンプルにおいても、φ２０ｍｍの面が伝熱面である）。
各サンプルについて、定常法により、厚さ方向（伝熱面に対して垂直な方向）の熱伝導率をそれぞれ測定し、各サンプルにおける測定結果の平均値を本実施例１における厚さ方向の熱伝導率とした。
測定結果を図７に示す。

【0058】

〔実施例２〕
≪ＮＨ_３脱着速度の測定≫
実施例１で用いたスラリーを、２０ｍｍ×３ｍｍの開口部を有する金型を用いて押し出し成形（押し出し圧力４０ＭＰａ）し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ３ｍｍのサイズの吸着材成形体ｂを作製した。
吸着材成形体ｂにおいて、活性炭の充填密度は０．３２ｇ／ｍＬであり、吸着材成形体ｂ全体に対するＣＦの比率は１０体積％である。
得られた吸着材成形体ｂについて、実施例１における吸着材成形体ａと同様にして、光学顕微鏡観察を行なった。
図４は、吸着材成形体ｂの断面光学顕微鏡像である。
図４中には、伝熱面Ｓと、ＣＦの軸心のおよその方向（両側矢印）と、を示した。
図４に示すように、吸着材成形体ｂでは、軸心の方向が伝熱面Ｓと交差するＣＦが含まれてはいるものの、いずれのＣＦにおいても、軸心の方向と伝熱面Ｓとのなす角が３０°以下となっていた。

【0059】

次に、実施例１における吸着材成形体ａを、上記吸着材成形体ｂに変更したこと以外は実施例１と同様にしてＮＨ_３脱着速度の測定を行なった。
測定結果を図６に示す。
図６及び図７では、本実施例２の測定結果について、便宜上、「ＣＦ略水平」と併記する。

【0060】

≪吸着材成形体の熱伝導率の測定≫
吸着材成形体ｂの作製と同様の方法により、φ２０ｍｍ×厚さ２ｍｍ、φ２０ｍｍ×厚さ３ｍｍ、φ２０ｍｍ×厚さ４ｍｍの３種類の熱伝導率測定用サンプル（吸着材成形体）を作製した（いずれのサンプルにおいても、φ２０ｍｍの面が伝熱面である）。
各サンプルを用い、実施例１と同様にして厚さ方向の熱伝導率を測定した。
測定結果を図７に示す。

【0061】

〔実施例３〕
≪ＮＨ_３脱着速度の測定≫
実施例１で用いたスラリーを加圧成形（成形圧力４０ＭＰａ）し、２０ｍｍ×２０ｍｍ×厚さ３ｍｍのサイズの吸着材成形体ｃを作製した。
吸着材成形体ｃにおいて、活性炭の充填密度は０．３２ｇ／ｍＬであり、吸着材成形体ｃ全体に対するＣＦの比率は１０体積％である。
得られた吸着材成形体ｃについて、実施例１における吸着材成形体ａと同様にして、光学顕微鏡観察を行なった。
図５は、吸着材成形体ｃの断面光学顕微鏡像である。
図５に示すように、吸着材成形体ｃでは、ＣＦの軸心の方向がランダムな方向となっていた。吸着材成形体ｃには、軸心の方向が伝熱面に対し４５°以上であるＣＦも含まれていた。

【0062】

次に、実施例１における吸着材成形体ａを、上記吸着材成形体ｃに変更したこと以外は実施例１と同様にしてＮＨ_３脱着速度の測定を行なった。
測定結果を図６に示す。
図６及び図７では、本実施例３の測定結果について、便宜上、「ＣＦランダム」と併記する。

【0063】

≪吸着材成形体の熱伝導率の測定≫
吸着材成形体ｃの作製と同様の加圧成形により、φ２０ｍｍ×厚さ２ｍｍ、φ２０ｍｍ×厚さ３ｍｍ、φ２０ｍｍ×厚さ４ｍｍの３種類の熱伝導率測定用サンプル（吸着材成形体）を作製した（いずれのサンプルにおいても、φ２０ｍｍの面が伝熱面である）。
各サンプル（ＣＦ１０ｖｏｌ％；活性炭の充填密度０．３２ｇ／ｍＬ）を用い、実施例１と同様にして厚さ方向の熱伝導率を測定した。
更に、スラリーに含まれる活性炭及びＣＦの量を、活性炭４０質量部及びＣＦ６０質量部に変更し、上記と同様の熱伝導率の測定を行なった（ＣＦ１５ｖｏｌ％；活性炭の充填密度０．２６ｇ／ｍＬ）。
更に、スラリーに含まれる活性炭及びＣＦの量を、活性炭３０質量部及びＣＦ７０質量部に変更し、上記と同様の熱伝導率の測定を行なった（ＣＦ１８ｖｏｌ％；活性炭の充填密度０．１９ｇ／ｍＬ）。
測定結果を図７に示す。

【0064】

〔比較例１〕
実施例２において、吸着材成形体ｂを作製するスラリーに、ＣＦを含有させず、活性炭の量を１００質量部に変更したこと以外は実施例２と同様の測定を行なった。
比較例１の吸着材成形体における活性炭の充填密度は０．５２ｇ／ｍＬである。
測定結果を図６及び図７に示す。
図６及び図７では、本比較例１の測定結果について、便宜上、「ＣＦなし」と併記する。

【0065】

図６は、実施例１〜３及び比較例１における、ＮＨ_３の脱着反応の反応時間とＮＨ_３の脱着率との関係を示すグラフである。
横軸の時間（ｓｅｃ）は、ＮＨ_３の脱着反応の反応時間であり、具体的には、バルブを開いた時からの経過時間（秒）である。
縦軸の脱着率（−）は、実施例１における反応時間３００ｓｅｃでのＮＨ_３の脱着量を１．０とし、実施例１における反応時間０ｓｅｃでのＮＨ_３の脱着量を０．０としたときの相対値である。ここで、ＮＨ_３の脱着量は、ＮＨ_３チャンバー内の圧力増加に基づいて求めた。

【0066】

図６に示すように、伝熱面に対して軸心の方向が交差するＣＦを含む吸着材成形体を用いた、実施例１（ＣＦ略垂直）、実施例２（ＣＦ略水平）、及び実施例３（ＣＦランダム）では、ＣＦを含まない吸着材成形体を用いた比較例１（ＣＦなし）に対し、ＮＨ_３の脱着速度が向上していた。
実施例１〜３の中でも、軸心の方向が伝熱面に対して４５°以上であるＣＦを含む吸着材成形体を用いた実施例１及び３では、ＮＨ_３の脱着速度が大きいことが確認された。
更に、実施例１及び３のうち、吸着材成形体に含有されるＣＦのうちの９５個数％以上の軸心の方向が伝熱面に対して７０°以上である実施例１では、ＮＨ_３の脱着速度が極めて大きいことが確認された。

【0067】

図７は、実施例１〜３及び比較例１における、吸着材成形体中の活性炭充填密度と、吸着材成形体の厚さ方向の熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））と、の関係を示すグラフである。
図７に示す熱伝導率は、図６に示したＮＨ_３の脱着速度とよく対応しており、実施例１〜３（中でも実施例１及び３、特に実施例１）における熱伝導率が高かった。これにより、厚さ方向（伝熱面に対し垂直な方向）の熱伝導率が向上するにつれ、ＮＨ_３のアンモニア脱着速度が向上することが確認された。
特に、実施例１では、活性炭の高い充填密度（０．３２ｇ／ｍＬ）を維持した状態で、厚さ方向（伝熱面に対し垂直な方向）について大きな熱伝導度が得られることが確認された。このことが、実施例１においてＮＨ_３の脱着速度を顕著に向上させている理由であると考えられる。

【0068】

上記実施例では、ＮＨ_３の脱着反応の反応速度（脱着速度）を評価したが、ＮＨ_３の吸着反応の反応速度（吸着速度）についても上記実施例と同様の結果が得られることはいうまでもない。

【符号の説明】

【0069】

１０ 配管
２０ 熱交換型反応器
２２ 筐体
２４ 反応室
２６ 熱媒体流路
３０ 積層体
３２Ａ、３２Ｂ 吸着材成形体
３４ 支持体
４０ 蒸発凝縮器
１００ 吸着式ヒートポンプ
Ｍ１ 熱媒体
Ｓ 伝熱面

【図1】

【図6】

【図7】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】