特開 2024-89325 熱交換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024089325

(43)【公開日】2024-07-03

(54)【発明の名称】熱交換装置

(51)【国際特許分類】

   F25B 37/00 20060101AFI20240626BHJP

   F25B 17/08 20060101ALI20240626BHJP

   F28D 20/00 20060101ALI20240626BHJP

   F28F 23/00 20060101ALI20240626BHJP

   B01J 20/20 20060101ALI20240626BHJP

   C09K 5/10 20060101ALI20240626BHJP

【ＦＩ】

F25B37/00

F25B17/08 Z

F28D20/00 Z

F28F23/00 Z

B01J20/20 B

C09K5/10 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022204614

(22)【出願日】2022-12-21

(71)【出願人】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(71)【出願人】

【識別番号】507308902

【氏名又は名称】ルノー エス．ア．エス．

【氏名又は名称原語表記】ＲＥＮＡＵＬＴ Ｓ．Ａ．Ｓ．

【住所又は居所原語表記】１２２－１２２ ｂｉｓ， ａｖｅｎｕｅ ｄｕ Ｇｅｎｅｒａｌ Ｌｅｃｌｅｒｃ， ９２１００ Ｂｏｕｌｏｇｎｅ－Ｂｉｌｌａｎｃｏｕｒｔ， Ｆｒａｎｃｅ

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】ＩＢＣ一番町弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】市川 靖

(72)【発明者】

【氏名】曽根 和樹

(72)【発明者】

【氏名】青梅 亜美

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 仁

(72)【発明者】

【氏名】内村 允宣

(72)【発明者】

【氏名】西原 洋知

(72)【発明者】

【氏名】金丸 和也

【テーマコード（参考）】

3L093

4G066

【Ｆターム（参考）】

3L093NN03

3L093RR01

4G066AA04B

4G066BA05

4G066BA13

4G066BA20

4G066BA22

4G066BA36

4G066BA38

4G066CA56

4G066DA01

4G066EA20

(57)【要約】

【課題】小型化およびエネルギーの消費効率の向上が可能であり、吸発熱量および吸発熱出力が高く、媒体を繰り返し吸着および脱離させた場合であっても熱交換性能の低下が生じにくい熱交換装置を提供する。
【解決手段】収縮して流体冷媒を脱離可能であり、かつ、膨張して前記流体冷媒を吸着可能であるナノ多孔質材料を含むナノ多孔質体と、前記ナノ多孔質体の表面に隣接して配置され、前記流体冷媒を透過可能であり、前記ナノ多孔質材料を透過させない第１の多孔質部と、前記第１の多孔質部に隣接し、かつ、気相に露出するように配置され、前記流体冷媒に対する接触角（２５℃）が前記第１の多孔質部よりも小さい、および／または細孔径が前記第１の多孔質部よりも大きい、第２の多孔質部とを有し、弾性を有する吸発熱部と、前記吸発熱部に応力を印加する動作と、前記応力を解放する動作とを行うプレス機構と、前記吸発熱部を収容する収容部とを有する、熱交換装置である。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

収縮して流体冷媒を脱離可能であり、かつ、膨張して前記流体冷媒を吸着可能であるナノ多孔質材料を含むナノ多孔質体と、
前記ナノ多孔質体の表面に隣接して配置され、前記流体冷媒を透過可能であり、前記ナノ多孔質材料を透過させない第１の多孔質部と、
前記第１の多孔質部に隣接し、かつ、気相に露出するように配置され、前記流体冷媒に対する接触角（２５℃）が前記第１の多孔質部よりも小さい、および／または細孔径が前記第１の多孔質部よりも大きい、第２の多孔質部と、
を有し、弾性を有する吸発熱部と、
前記吸発熱部に応力を印加する動作と、前記応力を解放する動作とを行うプレス機構と、
前記吸発熱部を収容する収容部と、
を有する、熱交換装置。

【請求項2】

前記収容部の内部において前記吸発熱部に接触して熱的に接続される接触部と、前記収容部から外部に延出する延出部と、を有する熱伝導部をさらに有する、請求項１に記載の熱交換装置。

【請求項3】

前記第２の多孔質部の少なくとも一部が、前記熱伝導部に熱的に接続されている、請求項２に記載の熱交換装置。

【請求項4】

前記第２の多孔質部の少なくとも一部が、複数の前記第１の多孔質部の間に介在している、請求項１または２に記載の熱交換装置。

【請求項5】

前記第２の多孔質部の気相に露出した表面の少なくとも一部が凹凸形状を有している、請求項１または２に記載の熱交換装置。

【請求項6】

前記第２の多孔質部が中空構造を有し、前記中空構造の内部表面が気相に露出し、かつ、前記内部表面の少なくとも一部が凹凸形状を有している、請求項１または２に記載の熱交換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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、媒体としての水を気化させる高熱源と、気化させた水分を凝縮する低熱源とを与えるヒートポンプと、水分を集めるデシカント（乾燥材）とを用いた吸着式ヒートポンプ（デシカント空調器）が開示されている。このような吸着式ヒートポンプでは、一般に、デシカントに用いる吸着材としてシリカゲル、ゼオライトなどの多孔質体が採用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０－１９７０１１号公報

【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、従来の吸着式ヒートポンプ（デシカント空調器）では、多孔質体中における流体冷媒の移動速度が小さい。このため、冷媒分子が蒸発する（すなわち、吸熱する）際に、冷媒分子の蒸発速度が小さく、単位時間内に十分な吸熱量を得ることが難しい。冷媒分子の蒸発を促すために、多孔質体の温度を上昇させる方法が考えられるが、この方法では入熱用のヒータが必要となるため装置の大型化を招く。また、ヒータを稼働させるためのエネルギーが必要となるため、エネルギーの消費効率が低下する。

【0005】

また、特に設置スペースの限られているカーエアコンなどに適用するために、吸発熱量および吸発熱出力がより高い熱交換装置が求められている。さらに、流体冷媒を繰り返し吸着および脱離させた場合であっても熱交換性能の低下が生じにくい熱交換装置が求められている。

【0006】

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、小型化およびエネルギーの消費効率の向上が可能であり、吸発熱量および吸発熱出力が高く、流体冷媒を繰り返し吸着および脱離させた場合であっても熱交換性能の低下が生じにくい熱交換装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

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、流体冷媒を脱離および吸着可能なナノ多孔質材料を含むナノ多孔質体を熱交換装置の吸着剤として用い、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した。この際、上記ナノ多孔質体を、流体冷媒を透過させるがナノ多孔質材料の粒子を透過させない第１の多孔質部で覆い、かつ、当該流体冷媒に対する接触角（２５℃）が当該第１の多孔質部よりも小さい、および／または細孔径が当該第１の多孔質部よりも大きい第２の多孔質部を当該第１の多孔質部に隣接し、かつ、気相に露出するように配置した構造体を吸発熱部として用いることで、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。

【0008】

すなわち、本発明の一形態は、収縮して流体冷媒を脱離可能であり、かつ、膨張して前記流体冷媒を吸着可能であるナノ多孔質材料を含むナノ多孔質体と、前記ナノ多孔質体の表面に隣接して配置され、前記流体冷媒を透過可能であり、前記ナノ多孔質材料を透過させない第１の多孔質部と、前記第１の多孔質部に隣接し、かつ、気相に露出するように配置され、前記流体冷媒に対する接触角（２５℃）が前記第１の多孔質部よりも小さい、および／または細孔径が前記第１の多孔質部よりも大きい、第２の多孔質部とを有し、弾性を有する吸発熱部と、前記吸発熱部に応力を印加する動作と、前記応力を解放する動作とを行うプレス機構と、前記吸発熱部を収容する収容部とを有する、熱交換装置である。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、小型化およびエネルギーの消費効率の向上が可能であり、吸発熱量および吸発熱出力が高く、流体冷媒を繰り返し吸着および脱離させた場合であっても熱交換性能の低下が生じにくい熱交換装置が得られうる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の一実施形態に係る空調装置の構成例を立体的に示す模式図である。

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係るユニット本体の構成例を立体的に示す模式図である。

【図3】図３は、吸発熱部１１の構成を示す図である。図３（Ａ）は、図１および図２に示す吸発熱部１１を上部からＺ軸方向に見た平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す吸発熱部１１をＢ－Ｂ’線を通るＹ－Ｚ平面で切断した断面図である。

【図4】図４は、吸発熱部１１の構成の変形例を示す断面図である。

【図5】図５は、本発明の一実施形態に係る空調装置において、空気の流れと延出部とを示す平面図である。

【図6】図６は、図５に示す延出部をＶＩ－ＶＩ’線を通るＹ－Ｚ平面で切断した断面図である。

【図7】図７は、ＧＭＳ粉末にメタノールを吸着させた後、プレス機を用いてプレス処理を施す前後におけるプレス装置の様子を、サーモカメラを用いて撮影した結果を示す写真である。

【図8】図８は、参考例２および比較参考例３の吸発熱部サンプルについて吸熱性能を測定した結果を示す、銅板の経時的な温度変化を表すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の一形態は、収縮して流体冷媒を脱離可能であり、かつ、膨張して前記流体冷媒を吸着可能であるナノ多孔質材料を含むナノ多孔質体と、前記ナノ多孔質体の表面に隣接して配置され、前記流体冷媒を透過可能であり、前記ナノ多孔質材料を透過させない第１の多孔質部と、前記第１の多孔質部に隣接し、かつ、気相に露出するように配置され、前記流体冷媒に対する接触角（２５℃）が前記第１の多孔質部よりも小さい、および／または細孔径が前記第１の多孔質部よりも大きい、第２の多孔質部とを有し、弾性を有する吸発熱部と、前記吸発熱部に応力を印加する動作と、前記応力を解放する動作とを行うプレス機構と、前記吸発熱部を収容する収容部とを有する、熱交換装置である。

【0012】

従来の吸着式ヒートポンプ（デシカント空調器）では、多孔質体中における流体冷媒の移動速度が小さい。このため、冷媒分子が蒸発する（すなわち、吸熱する）際に、冷媒分子の蒸発速度が小さく、単位時間内に十分な吸熱量を得ることが難しい。冷媒分子の蒸発を促すために、多孔質体の温度を上昇させる方法が考えられるが、この方法では入熱用のヒータが必要となるため装置の大型化を招く。また、ヒータを稼働させるためのエネルギーが必要となるため、エネルギーの消費効率が低下する。

【0013】

これに対し、本形態に係る熱交換装置では、応力を印加および解放することによって細孔径を変化させ、ゲスト分子として取り込まれる流体冷媒を可逆的に気液相転移させることができるナノ多孔質材料を含むナノ多孔質体を吸着剤に用いる。これにより、流体冷媒の相変化によって吸熱または発熱するナノ多孔質体を熱源として、収容部外に存在する物質（例えば、空気）と熱交換することができる。この熱交換装置では、ヒータによる入熱ではなく、応力付与部によるプレスが入力エネルギーとなる。このため、前記熱交換装置は、エネルギーの消費効率（ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させることができる。また、上記熱交換装置は、入熱用のヒータは不要であるため、小型化が可能である。

【0014】

また、本形態に係る熱交換装置は、ナノ多孔質体の表面に隣接して、流体冷媒を透過可能であり、ナノ多孔質材料を透過させない第１の多孔質部が配置されている点に特徴がある。このような第１の多孔質部を配置することにより、機械的に応力を印加した際にナノ多孔質体が型崩れを起こしたり、不純物が混入したりすることを防ぐことができる。そのため、ナノ多孔質体に荷重を均一に印加できるため吸発熱量が向上しうる。また、ナノ多孔質体の型崩れによる吸脱着量の低下が生じにくいため、吸発熱量が維持されうる。さらに、上記多孔質部の細孔径が制御されていることで流体冷媒の吸脱着量が改善される。すなわち、多孔質部の細孔径が流体冷媒の分子径に対して小さすぎると、流体冷媒の拡散が阻害されて流体冷媒が十分に吸脱着しない。そのため、良好な熱交換性能が得られない。一方で、多孔質部の細孔径がナノ多孔質体を構成するナノ多孔質材料の二次粒子径に対して大きすぎると、ナノ多孔質材料が多孔質部を透過して多孔質部の外に漏れ出してしまい、媒体の吸脱着量が低下してしまう。これに対し、多孔質部の細孔径を、流体冷媒を透過可能であり、ナノ多孔質材料を透過させないように制御することにより、ナノ多孔質材料が多孔質部の外部に漏れ出すことを抑制することができる。また、それと同時に、流体冷媒を選択的に透過させ、流体冷媒の拡散を妨げない構造とすることができる。このような構造とすることにより、流体冷媒の拡散を阻害しないため吸脱着量が向上しうる。また、ナノ多孔質材料が多孔質部を透過して多孔質部の外に漏れ出すことによる吸脱着量の低下が生じにくい。その結果、吸発熱量が向上しうる。また、応力の印加および解放を繰り返しても吸発熱量の低下がより生じにくい。

【0015】

さらに、本発明者らは、上記の構成を有する熱交換装置の検討を進める中で、ナノ多孔質材料に吸着した流体冷媒は、応力の印加に伴って蒸気（気体）の状態で脱離し、効率的な冷却の達成に寄与するものと予想していた。しかしながら、実際に実験を行ってみたところ、驚くべきことに、脱離する流体冷媒の少なくとも一部が液体の状態でナノ多孔質材料から漏出してくる場合があることが判明した。このように漏出した液体状態の流体冷媒を効率的に蒸発させることができれば熱交換装置の冷却効率を効果的に向上させることができる。そこで、本発明者らは、上述した第１の多孔質部から液体状態で漏出した流体冷媒を効率的に蒸発させるための構成として、第２の多孔質部を当該第１の多孔質部に隣接し、かつ、気相に露出するように配置することを試みた。そして、当該第２の多孔質部の接触角を第１の多孔質部の接触角よりも小さくするか、または第２の多孔質部の細孔径を第１の多孔質部の細孔径よりも大きくすることで、第１の多孔質部から液体状態で漏出した流体冷媒を効率的に蒸発させることを可能とし、冷却効率の著しい向上を実現したのである。

【0016】

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。

【0017】

図１は、本発明の一実施形態に係る空調装置２００の構成例を立体的に示す模式図である。図１に示す空調装置２００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。

【0018】

図１に示すように、空調装置２００は、熱交換ユニット１００（本発明の一形態に係る「熱交換装置」の一例）と、空気が流れる空気導通路１５０と、を備える。空気導通路１５０は、ダクトと言い換えてもよい。熱交換ユニット１００は、ユニット本体１と、ユニット本体１を厚さ方向（例えば、Ｚ軸方向）の両側から挟むプレス機構３と、を備える。プレス機構３は、第１挟持体３１と第２挟持体３２との間に１つ以上のユニット本体１を挟み込んで固定している。例えば、プレス機構３は、複数のユニット本体１を固定した状態を維持しつつ、軸部３３が軸方向に移動することによって、複数のユニット本体１の吸発熱部１１（例えば、図２参照）に応力を加えたり、加えた応力を解放したりする。

【0019】

図２は、本実施形態に係るユニット本体１の構成例を立体的に示す模式図である。図２に示すように、ユニット本体１は、弾性を有する吸発熱部１１と、吸発熱部１１と直接または間接的に接触して吸発熱部１１の熱を伝導する熱伝導部１２と、吸発熱部１１および熱伝導部１２を収容する収容部１３と、を有する。本実施形態において、ユニット本体１は、熱伝導部１２を複数有する。複数の熱伝導部１２が、吸発熱部１１を厚さ方向（例えば、Ｚ軸方向）の両側から挟んでいる。２つの熱伝導部１２は、１つの吸発熱部１１をＺ軸方向の両側から挟んでいる。本実施形態において、熱伝導部１２は、収容部１３の内部において第１の多孔質部（詳細は後述する）に接触して熱的に接続される接触部１２１と、収容部１３から外部に延出する延出部１２２とを有している。なお、図１および図２では、３つ以上の熱伝導部１２が１つの収容部１３内に収容されて、１つのユニット本体１を構成していてもよい。例えば、全ての熱伝導部１２が１つの収容部１３内に配置されて、１つのユニット本体１を構成していてもよい。

【0020】

図１および図２に示す構成とすることにより、複数のユニット本体１の各々において、延出部１２２と、収容部１３の外側に存在する物質（例えば、空気）との間の熱交換が行われる。

【0021】

図３は、吸発熱部１１の構成を示す図である。図３（Ａ）は、図１および図２に示す吸発熱部１１を上部からＺ軸方向に見た平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す吸発熱部１１をＢ－Ｂ’線を通るＹ－Ｚ平面で切断した断面図である。図３に示すように、吸発熱部１１において、ナノ多孔質体１１ａは、板状の形状に成形されており、さらにその周囲を第１の多孔質部１１ｂで包囲されている。また、本実施形態では、このようなナノ多孔質体１１ａおよび第１の多孔質部１１ｂからなる包装体が３つ積層されており、その外周を覆うように第２の多孔質部１１ｃが配置されている。本実施形態において、ナノ多孔質体１１ａは弾性を有しているため、吸発熱部１１もまた、弾性を有している。なお、「弾性」とは、外部から応力が印加されて収縮しても、応力が解放されることによって、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。吸発熱部１１の弾性限度は、流体冷媒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。吸発熱部１１の弾性限度は、空調装置２００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。以下、熱交換ユニット１００の主要な構成要素について、説明する。

【0022】

（ナノ多孔質体）
ナノ多孔質体１１ａは、収縮して流体冷媒を脱離可能であり、かつ、膨張して前記流体冷媒を吸着可能であるナノ多孔質の材料（ナノ多孔質材料）を含む構造体である。ナノ多孔質体は、例えば、複数の粒子と、複数の粒子同士を結合するバインダとを含み、複数の粒子の各々がナノ多孔質材料である（すなわち、複数のナノレベルの細孔を有する）構造体であってもよい。また、ナノ多孔質体は、バインダを含まず、ナノ多孔質材料のみから構成される構造体であってもよい。

【0023】

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。

【0024】

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、流体冷媒の分子を凝縮させる作用がある。ナノ多孔質体に吸着された媒体は、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、気体状態の流体冷媒は、ナノ多孔質体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。このように、流体冷媒は、ナノ多孔質体に吸着すると気体から液体へ相変化する。これに対し、流体冷媒は脱離すると液体から気体へ相変化すると本発明者らは予想していたが、実際には一部が液体状態で脱離し、他の一部は気体状態で脱離することが判明したのである。ナノ多孔質体の細孔壁に吸着された細孔内部の液体密度の媒体は、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。

【0025】

ナノ多孔質体を構成するナノ多孔質材料としては、収縮して流体冷媒を脱離可能で、かつ、膨張して流体冷媒を吸着可能な材料であれば特に限定されず、弾性を有する材料であることが好ましい。

【0026】

ナノ多孔質材料は、炭素を主成分とすることが好ましい。ここで、「炭素を主成分とする」とは、炭素のみからなる、実質的に炭素からなる、の双方を含む概念であり、炭素以外の元素が含まれていてもよい。「実質的に炭素からなる」とは、全体の９０質量％以上、好ましくは全体の９５質量％以上、全体の９８質量％以上、または全体の９９質量％以上（上限：１００質量％）が炭素から構成されることを意味する。そのような材料としては、単層グラフェン骨格を含み、媒体の脱離および吸着に必要な多孔性および弾性特性を有する炭素材料が挙げられる。具体的には、例えば、ゼオライトテンプレートカーボン（ＺＴＣ；Ｚｅｏｒｉｔｅ Ｔｅｍｐｌａｔｅｄ Ｃａｒｂｏｎ）、グラフェンメソスポンジ（ＧＭＳ；Ｇｒａｐｈｅｎｅ ＭｅｓｏＳｐｏｎｇｅ）、炭素メソスポンジ（ＣＭＳ；Ｃａｒｂｏｎ 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。）、グラフェンメソスポンジ（以下、「ＧＭＳ」と称する。）、および炭素メソスポンジ（以下、「ＣＭＳ」と称する）は、いずれも単層グラフェン骨格からなり、流体冷媒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。

【0027】

ＺＴＣは、単層のグラフェンシートにより構成される。また、均一な細孔（直径約１．２ｎｍ）が三次元的に規則配列し、相互に連結しており、極めて高いＢＥＴ比表面積と細孔容積を有する（最大でＢＥＴ比表面積が４１００ｍ^２／ｇ、細孔容積が１．８ｃｃ／ｇ）ことが知られている。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。

【0028】

ＧＭＳは、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、活性炭に匹敵する極めて高いＢＥＴ比表面積（約２０００ｍ^２／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。ＣＭＳは、上記ＧＭＳの前駆体として得ることができ、上記ＧＭＳと同様に球状のメソ孔を有する。

【0029】

ナノ多孔質材料のＢＥＴ比表面積は、特に制限されないが、例えば、８００～４２００ｍ^２／ｇの範囲である。これにより、媒体の吸着量を増加させることができる。

【0030】

前記ナノ多孔質材料は粉末状でありうる。前記ナノ多孔質材料の粉末の大きさは、多孔質部を透過しない大きさであれば特に限定されないが、例えば、平均二次粒子径が０．５～１０００μｍであり、好ましくは５～５００μｍであり、さらに好ましくは１０～１００μｍである。ナノ多孔質材料の平均二次粒子径の値としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの観察手段を用い、数～数十視野中に観察される粒子の粒子径の平均値として算出される値を採用するものとする。また、「粒子径」とは、観察される粒子の輪郭線上の任意の２点間の距離のうち、最大の距離を意味するものとする。

【0031】

ナノ多孔質体がバインダを含む場合、バインダとしては、特に限定されないが、例えば、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）（水素原子が他のハロゲン元素にて置換された化合物を含む）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリブテン、ポリエーテルニトリル、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド、ポリアミド、エチレン－酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、スチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、エチレン－プロピレン－ジエン共重合体、スチレン－ブタジエン－スチレンブロック共重合体およびその水素添加物、スチレン－イソプレン－スチレンブロック共重合体およびその水素添加物などの熱可塑性高分子、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン－パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、エチレン－クロロトリフルオロエチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）等のフッ素樹脂、ビニリデンフルオライド－ヘキサフルオロプロピレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＨＦＰ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－ヘキサフルオロプロピレン－テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＨＦＰ－ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－ペンタフルオロプロピレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＰＦＰ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－ペンタフルオロプロピレン－テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＰＦＰ－ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－パーフルオロメチルビニルエーテル－テトラフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＰＦＭＶＥ－ＴＦＥ系フッ素ゴム）、ビニリデンフルオライド－クロロトリフルオロエチレン系フッ素ゴム（ＶＤＦ－ＣＴＦＥ系フッ素ゴム）等のビニリデンフルオライド系フッ素ゴム、エポキシ樹脂等が挙げられる。中でも、ポリイミド、スチレン－ブタジエンゴム、カルボキシメチルセルロース、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリロニトリル、ポリアミドであることがより好ましい。２種類以上のバインダを組み合わせて用いてもよい。特に、バインダとして、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）とスチレン－ブタジエンゴム（ＳＢＲ）とを組み合わせて用いることが好ましい。この際、ＣＭＣとＳＢＲとの混合比は特に制限されないが、例えば、ＳＢＲに対するＣＭＣの質量比（ＣＭＣ／ＳＢＲ）が、固形分換算で、０．５～２であることが好ましく、１．１～１．６であることがより好ましい。

【0032】

バインダを用いてナノ多孔質材料を結合させてナノ多孔質体を構成する場合、ナノ多孔質体におけるバインダの含有量は、特に制限されないが、ナノ多孔質体の総質量に対して、固形分換算で、５～３０質量％であることが好ましい。バインダの含有量が５質量％以上であれば、ナノ多孔質体の保持力が高まるため、より耐久性の高いナノ多孔質体が得られうる。一方、バインダの含有量が３０質量％以下であれば、バインダがナノ多孔質材料内に入り込んで吸着質の吸着量が低下することを抑制することができる。さらにバインダの質量比が１５～２５質量％であると、より耐久性が向上すると共に吸着量の低下を抑制できるため好ましい。２種類以上のバインダを組み合わせて用いる場合はその合計量が上記範囲であることが好ましい。

【0033】

本発明の一実施形態において、ナノ多孔質体は、バインダを含まないことが好ましい。具体的には、バインダの含有量は、ナノ多孔質体の総質量に対して、固形分換算で、例えば１質量％以下であり、好ましくは０．５質量％以下である。バインダを用いないことで、応力をかけたときにバインダが変形して変位を吸収することがないため、ナノ多孔質材料に荷重を均一にかけることができる。また、バインダが変形してナノ多孔質体の細孔を潰してしまうことを防止することができる。その結果、流体冷媒の拡散が阻害されず、脱着が促進されるため、吸熱出力および吸熱量が増加しうる。さらに、バインダを含まないことでナノ多孔質体の質量あたりの吸熱量が増加しうる。また、同様の理由で、ナノ多孔質体は、ナノ多孔質材料のみから構成されることが好ましい。具体的には、ナノ多孔質材料の含有量は、ナノ多孔質体の総質量に対して、固形分換算で、例えば９８質量％以上であり、好ましくは９９質量％以上であり、より好ましくは９９．５質量％以上である。本発明の好ましい実施形態において、ナノ多孔質体は、バインダを含まず、ナノ多孔質材料のみから構成される。

【0034】

（第１の多孔質部）
第１の多孔質部１１ｂは、流体冷媒を透過可能であり、ナノ多孔質材料を透過させない細孔を有し、ナノ多孔質体１１ａの表面に隣接して配置される。好ましくは、ナノ多孔質体１１ａの表面の少なくとも一部に接するように配置される。例えば、第１の多孔質部１１ｂは、プレス機構３とナノ多孔質体１１ａとの間、ナノ多孔質体１１ａを挟んでプレス機構３の反対側、および、ナノ多孔質体１１ａの側面のうち、１か所以上に配置されている。好ましくは、第１の多孔質部１１ｂは、プレス機構３とナノ多孔質体１１ａとの間に配置される。より好ましくは、第１の多孔質部は、プレス機構３とナノ多孔質体１１ａとの間およびナノ多孔質体１１ａを挟んでプレス機構３の反対側に配置される。特に好ましくは、第１の多孔質部１１ｂは、ナノ多孔質体１１ａの全体を覆うように配置されている。これにより、本発明の効果がより顕著に得られうる。

【0035】

第１の多孔質部１１ｂの細孔径は、流体冷媒を透過させ、かつ、ナノ多孔質体１１ａを構成するナノ多孔質材料を透過させない大きさであればよいが、ナノ多孔質材料の平均二次粒子径よりも小さく、流体冷媒のサイズよりも大きいことが好ましい。

【0036】

また、第１の多孔質部１１ｂは、弾性を有し、かつ、ナノ多孔質体１１ａよりも硬いことが好ましい。これにより、プレス機構３は、第１の多孔質部１１ｂを介して、ナノ多孔質体１１ａに応力を付与することが可能である。

【0037】

第１の多孔質部１１ｂは、ナノ多孔質体１１ａの表面に隣接して配置されることによりナノ多孔質体１１ａを支えることができることから、ナノ多孔質体１１ａの型崩れを抑制することができる。これにより、応力を印加したときにナノ多孔質体１１ａに荷重を均一にかけることができる。そのため、流体冷媒の拡散が阻害されず、脱離が促進されるため好ましい。また、ナノ多孔質体１１ａの変形によりナノ多孔質体１１ａの細孔が潰されることを回避できるため、吸熱出力および吸熱量が増加しうる。

【0038】

前記第１の多孔質部１１ｂの細孔径は、下記式（１）で表される接触半径ａ（ｍｍ）に対して、２ａ（ｍｍ）以下であることが好ましい。

【0039】

【数1】

【0040】

上記式（１）中、Ｐは、応力（Ｎ）であり、ν_１およびν_２は、それぞれナノ多孔質材料および第１の多孔質部のポアソン比であり、Ｅ_１およびＥ_２は、それぞれナノ多孔質材料および第１の多孔質部の縦弾性係数（ＭＰａ）であり、Ｒ_１およびＲ_２は、それぞれナノ多孔質材料および第１の多孔質部の曲率半径（ｍｍ）である。

【0041】

上記式（１）（ヘルツの公式）は、プレス荷重がナノ多孔質材料にかかったときのナノ多孔質材料の接触半径を表し、荷重に対してナノ多孔質材料がどのくらい変形するかを表す。第１の多孔質部の細孔径が２ａ（ｍｍ）以下であれば、ナノ多孔質材料に応力をかけたときにナノ多孔質材料と第１の多孔質部の表面の開口部以外の部分とが接触する領域が十分に大きくなる。ナノ多孔質体に応力をかけると、この接触する領域に荷重がかかるため、当該構成であるとナノ多孔質体により均一に荷重をかけることができ、流体冷媒の脱離がより促進されうる。そのため、流体冷媒の応答性がより向上し、吸熱出力および吸熱量がより増加しうる。

【0042】

また、第１の多孔質部の細孔径は、ナノ多孔質材料の平均二次粒子径の６５％以下であることが好ましい。ナノ多孔質材料に荷重がかかった場合、ナノ多孔質材料が変形しうる。第１の多孔質部の細孔径がナノ多孔質材料の平均二次粒子径の６５％以下であれば、前記細孔径はナノ多孔質材料に応力をかけたときの第１の多孔質部との接触面の直径以下の大きさになりうる。そのため、ナノ多孔質材料と第１の多孔質部の表面の開口部以外の部分とが接触する領域が十分に大きくなる。ナノ多孔質体に応力をかけると、この接触する領域に荷重がかかるため、当該構成であるとナノ多孔質体により均一に荷重をかけることができ、流体冷媒の脱離がより促進されうる。その結果、吸熱出力および吸熱量がより向上しうる。この観点から、第１の多孔質部の細孔径は１３０μｍ以下であることが好ましい。

【0043】

第１の多孔質部の細孔径の下限値は、流体冷媒を透過させることができるものであれば特に制限されない。第１の多孔質部の細孔径は、流体冷媒の気体分子の平均自由工程をλとすると、０．１λ以上であることが好ましい。例えば媒体がメタノール（分子径０．３８ｎｍ）であると、メタノール供給時の圧力（２５℃でのメタノールの飽和蒸気圧である１６９３７Ｐａ）での平均自由工程λは０．３７８μｍと算出される。流体冷媒がエタノールであると、λは０．８１μｍと算出される。したがって、第１の多孔質部の細孔径は、好ましくは０．０４μｍ以上であり、より好ましくは０．０５μｍ以上であり、さらに好ましくは０．０６μｍ以上である。上記範囲であると、細孔内のガス拡散がクヌーセン拡散および分子拡散の両者が寄与する領域であることから、流体冷媒の分子の吸脱着とこれに伴う気液相転移がより効果的に進行しうる。特に流体冷媒がエタノールである場合、上記範囲であると、本発明の効果がより一層顕著に得られうる。同様に、第１の多孔質部の細孔径が１０λ以下であると、細孔内のガス拡散がクヌーセン拡散および分子拡散の両者が寄与する領域であることから、流体冷媒の分子の吸脱着とこれに伴う気液相転移がより効果的に進行しうる。この観点から、第１の多孔質部の細孔径は、例えば、８μｍ以下であり、好ましくは５μｍ以下であり、さらに好ましくは３μｍ以下である。流体冷媒がエタノールである場合、第１の多孔質部の細孔径は、好ましくは３μｍ以下である。

【0044】

本発明の好ましい実施形態によれば、第１の多孔質部の細孔径は、例えば２０μｍ以下であり、好ましくは１０μｍ以下であり、より好ましくは８μｍ以下であり、さらに好ましくは５μｍ以下であり、さらにより好ましくは３μｍ以下であり、さらにより好ましくは１μｍ以下であり、さらにより好ましくは０．５μｍ以下であり、さらにより好ましくは０．２μｍ以下である。また、第１の多孔質部の細孔径は、好ましくは０．０４μｍ以上であり、より好ましくは０．０５μｍ以上であり、さらに好ましくは０．０６μｍ以上である。なお、本明細書において、第１の多孔質部および後述する第２の多孔質部の細孔径は、細孔の内接円の短軸直径をいう。これらの多孔質部の細孔径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などの観察手段を用いて測定することができる。多孔質部が大きさや形状の異なる細孔を有する場合は、その算術平均値として算出される値を採用するものとする。

【0045】

第１の多孔質部は、特に制限されないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリエステル等の樹脂で構成されていることが好ましい。このような樹脂であれば低温にて熱融着が可能であり、製造工程の簡易化を図ることができる。そのため、コストを削減することができ、製造工程を高効率化できる。なかでも、ポリプロピレンは融点が約１６０℃であり、熱融着に適するため、上記の効果がより顕著に得られうるため好ましい。

【0046】

第１の多孔質部は、特に制限されないが、フィルムの形状であることが好ましい。第１の多孔質部の厚さは特に制限されないが、例えば、５～１００μｍであり、好ましくは１０～５０μｍである。第１の多孔質部の空孔率も特に制限されないが、例えば、３０～７０％であり、好ましくは４０～６０％である。なお、第１の多孔質部としては、市販の多孔質フィルムであって所定の細孔径を有するものを用いてもよい。

【0047】

（第２の多孔質部）
第２の多孔質部１１ｃは、第１の多孔質部１１ｂに隣接し、かつ、気相に露出するように配置される。好ましくは、第１の多孔質部１１ｂの少なくとも一部に接するように配置される。例えば、第２の多孔質部１１ｃは、プレス機構３と第１の多孔質部１１ｂとの間、および、第１の多孔質部１１ｂの側面のうち、１か所以上に配置されている。好ましくは、第２の多孔質部１１ｃは、第１の多孔質部１１ｂの外周の全体を覆うように配置されている。これにより、本発明の効果がより顕著に得られうる。

【0048】

第２の多孔質部１１ｃは、「（１）流体冷媒に対する接触角（２５℃）が第１の多孔質部１１ｂよりも小さい」、「（２）細孔径が第１の多孔質部１１ｂよりも大きい」または「（１）および（２）の双方である」のいずれかの特徴を有している。

【0049】

また、第２の多孔質部１１ｃもまた、弾性を有し、かつ、ナノ多孔質体１１ａよりも硬いことが好ましい。これにより、プレス機構３は、第２の多孔質部１１ｃを介して、ナノ多孔質体１１ａに応力を付与することが可能である。

【0050】

本形態における第２の多孔質部１１ｃについて、「（１）流体冷媒に対する接触角（２５℃）が第１の多孔質部１１ｂよりも小さい」場合、第２の多孔質部１１ｃの方が第１の多孔質部１１ｂよりも流体冷媒に対する濡れ性に優れる。このため、応力の印加に伴ってナノ多孔質体１１ａから液体状態で漏出した流体冷媒の第１の多孔質部１１ｂから第２の多孔質部１１ｃへの移動が促進される。そして、第２の多孔質部１１ｃが存在することで、これが存在しない場合と比較して流体冷媒が蒸発可能な面積が大幅に拡大されている。よって、第２の多孔質部１１ｃへと移動した流体冷媒は効率的に気化することができ、結果として効率的な冷却が達成される。

【0051】

ここで、図１において、プレス機構３が収容部１３を介して吸発熱部１１に応力を加えると、吸発熱部１１を構成しているナノ多孔質体１１ａの細孔は収縮し、ナノ多孔質体１１ａの細孔壁に吸着していた流体冷媒は細孔壁から脱離する。このとき、液体の密度で吸着された流体冷媒は、一部は液体として、他の一部は気体としてナノ多孔質体の外部に放出される。熱交換ユニット１００は、この脱離の際の蒸発潜熱を冷熱として利用することによって、対象（例えば、空気）を冷却することができる。また、上述したように、液体状態で脱離した流体冷媒は、第１の多孔質体１１ｂおよび第２の多孔質体１１ｃを経て効率的に気化し、その際の蒸発潜熱によってさらに対象（例えば、空気）を冷却することができる。

【0052】

ここで、第２の多孔質部１１ｃの流体冷媒に対する接触角（２５℃）の値は、第１の多孔質部１１ｂの接触角の値よりも５°以上、好ましくは１０°以上、より好ましくは１５°以上、いっそう好ましくは２０°以上小さいことが好ましい。また、第２の多孔質部１１ｃの流体冷媒に対する接触角（２５℃）の値は、熱交換装置において用いられる流体冷媒の種類によって異なるため一義的には規定できないが、例えば流体冷媒の一例としてメタノールに対する接触角の値は、好ましくは２０～８０°であり、より好ましくは３０～８０°であり、さらに好ましくは３５～７５°であり、特に好ましくは４０～７０°である。なお、第１の多孔質部１１ｂの流体冷媒に対する接触角（２５℃）の値についても特に制限はないが、メタノールに対する接触角の値は、好ましくは４０～９５°であり、より好ましくは５０～９５°であり、さらに好ましくは５５～９０℃であり、特に好ましくは６０～８５°である。なお、接触角は平均値（多孔質部１１の孔に充填されている液体の占有率（飽和度）を一定とした上で接触角を複数回測定した際の平均値）である。

【0053】

また、本形態における第２の多孔質部１１ｃについて、「（２）細孔径が第１の多孔質部１１ｂよりも大きい」場合、応力の印加に伴ってナノ多孔質体１１ａから液体状態で漏出した流体冷媒は、細孔径がより小さい第１の多孔質部１１ｂから、細孔径がより大きい第２の多孔質部１１ｃへの移動が促進される。そして、第２の多孔質部１１ｃが存在することで、これが存在しない場合と比較して流体冷媒が蒸発可能な面積が大幅に拡大されている。よって、第２の多孔質部１１ｃへと移動した流体冷媒は効率的に気化することができ、結果として効率的な冷却が達成される。

【0054】

ここで、図１において、プレス機構３が収容部１３を介して吸発熱部１１に応力を加えると、漏出した流体冷媒の第１の多孔質部１１ｂから第２の多孔質部１１ｃへの移動が促進され、上記（１）と同様のメカニズムにより、効率的な冷却が実現されうる。

【0055】

ここで、第２の多孔質部１１ｃの細孔径の値は、第１の多孔質部１１ｂの細孔径の値と比較して、１．１倍以上、好ましくは１０倍以上、さらに好ましくは１００倍以上、いっそう好ましくは１０００倍以上であることが好ましい。また、第２の多孔質部１１ｃの細孔径の値は、好ましくは０．０１μｍ以上であり、より好ましくは０．１μｍ以上であり、さらに好ましくは１μｍ以上である。一方、第２の多孔質部の細孔径は、例えば５０００μｍ以下であり、好ましくは３０００μｍ以下であり、より好ましくは１０００μｍ以下である。

【0056】

第２の多孔質部もまた、特に制限されないが、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ポリエステル等の樹脂で構成されていることが好ましい。このような樹脂であれば低温にて熱融着が可能であり、製造工程の簡易化を図ることができる。そのため、コストを削減することができ、製造工程を高効率化できる。なかでも、ポリプロピレンは融点が約１６０℃であり、熱融着に適するため、上記の効果がより顕著に得られうるため好ましい。また、第２の多孔質部は、特に制限されないが、網、織布、スポンジなどの形状であることが好ましい。また、流体冷媒に対する接触角を小さくする目的でプラズマ処理等の表面処理が施された材料であってもよい。第２の多孔質部の厚さ（図３（Ｂ）における横幅）は特に制限されないが、例えば、５～１００ｍｍであり、好ましくは１０～５ｍｍである。第２の多孔質部の空孔率も特に制限されないが、第１の多孔質部の空孔率よりも大きいことが好ましく、例えば、４０～９５％であり、好ましくは５０～９０％である。なお、第２の多孔質部についても、市販の樹脂スポンジが用いられうる。

【0057】

第２の多孔質部１１ｃの少なくとも一部は、図４に示すように、複数の第１の多孔質部１１ｂの間に介在していることが好ましい。このような構成とすることで、第１の多孔質部１１ｂと第２の多孔質部１１ｃとの接触面積が増大する。その結果、液体状態で漏出した流体冷媒の蒸発がよりいっそう促進され、冷却効率もいっそう向上しうるという利点がある。

【0058】

また、第２の多孔質部１１ｃの気相に露出した表面の少なくとも一部は凹凸形状を有していることが好ましい。このような構成とすることで、第２の多孔質部１１ｃと気相との接触面積が増大する。その結果、液体状態で漏出した流体冷媒の蒸発がよりいっそう促進され、冷却効率もいっそう向上しうるという利点がある。なお、第２の多孔質部の表面が「凹凸形状を有する」とは、第２の多孔質部の表面に細孔径よりも大きいサイズを有する凹部および凸部が存在することを意味する。この際、第２の多孔質部１１ｃが中空構造を有し、当該中空構造の内部表面が気相に露出し、かつ、当該内部表面の少なくとも一部が凹凸形状を有していることがさらに好ましい。このような構成を有する第２の多孔質部の例としては、スリットや内部空洞を有する中空糸から構成された網や織布、スポンジなどが挙げられる。

【0059】

（熱伝導部）
本形態に係る熱交換装置は、吸発熱部１１に加えて、図１および図２に示すように、銅やアルミニウムなどの熱伝導体からなる熱伝導部１２をさらに有することが好ましい。熱伝導部１２の好ましい一実施形態は、例えば、図１および図２に示すように、収容部１３の内部において吸発熱部１１に接触して熱的に接続される接触部１２１と、収容部１３から外部に延出する延出部１２２とを有する形態である。熱伝導部１２は、収容部１３の内部において、第１の多孔質部１１ｂおよび第２の多孔質部１１ｃのうち、第１の多孔質部１１ｂの少なくとも一部が当該熱伝導部に熱的に接続されていてもよいし、第２の多孔質部１１ｃの少なくとも一部が当該熱伝導部に熱的に接続されていてもよい。ただし、より効率的な伝熱を達成するという観点からは、第２の多孔質部１１ｃの少なくとも一部が当該熱伝導部に熱的に接続されていることが好ましい。このような熱伝導部１２の存在により、流体冷媒が脱離して蒸発する際には、吸発熱部１１の温度の低下に伴って、吸発熱部１１（例えば、第１の多孔質部１１ｂおよび／または第２の多孔質部１１ｃ）と接触している熱伝導部１２の温度が低下する。これにより、熱伝導部１２の延出部１２２は、収容部１３外に存在する空気等と対流または放射により熱交換して、空気を冷やすことができる。

【0060】

熱伝導部の形状は特に制限されず、銅やアルミニウムなどの金属箔であってもよく、メッシュ状であってもよい。上記金属箔の膜厚も特に制限されないが、例えば、１～１０００μｍである。

【0061】

なお、それぞれの吸発熱部１１が、ナノ多孔質体１１ａをそれぞれ第１の多孔質部１１ｂで包装した包装体を複数備える場合、当該包装体を応力印加方向に複数積層することで図３（ｂ）に示すような積層構造体とすることができる。このようにすることで、ナノ多孔質体１１ａへ流体冷媒を輸送しやすくなるので、熱交換性能をさらに高めることが可能である。積層数としては、特に制限されないが、例えば、２～４００である。第１の多孔質部１１ｂを上記のような樹脂で構成し、熱融着によりナノ多孔質体１１ａを包含することにより、前記積層構造体を容易に作製することができる。

【0062】

さらに、上記の積層構造体の配置例として、上記積層構造体の積層方向をＺ方向として、複数の上記積層構造体をＸ方向およびＹ方向にそれぞれ並んで配置させて用いることもできる。Ｘ軸方向およびＹ軸方向において、上記積層構造体は互いに接していてもよいし、離れていてもよい。このようにすることで、ナノ多孔質体へ流体冷媒をより輸送し易くなるので、熱交換性能をさらに高めることができる。

【0063】

（流体冷媒）
流体冷媒としては、例えば、水またはアルコールが挙げられる。アルコールの一例として、メタノールまたはエタノールが挙げられる。流体とは、液体または気体、もしくは液体と気体とが混合したものを意味する。なかでも、流体冷媒としてメタノールを用いることが好ましい。メタノールは、炭素との相互作用が強く、炭素からなるナノ多孔質体に吸着しやすい。また、応力付与の前後での吸着量の差（脱着量）が、特に低温時に大きい。そのため、特にナノ多孔質材料に炭素材料を用いた場合に、応力印加時の脱着量が大きくなり、冷熱量がより増加しうる。

【0064】

（プレス機構）
プレス機構３は、吸発熱部１１に応力を印加する動作と、前記応力を解放する動作とを行う。これにより、プレス機構３は、吸発熱部１１に含まれるナノ多孔質体１１ａの細孔径を外部からの応力で制御することができる。ナノ多孔質体１１ａは、応力が印加または解放されることによって細孔径が変化し、細孔に取り込まれる流体冷媒を可逆的に気液相転移させる。

【0065】

プレス機構３は、ナノ多孔質体１１ａ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１１ａ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。プレス機構３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。プレス機構３は、ナノ多孔質体１１ａに対して、例えば、１０～１００ＭＰａの応力を印加しうる。

【0066】

（収容部）
収容部１３は、内部に吸発熱部１１および必要に応じて熱伝導部１２を収容する空間を有する容器である。収容部１３の内部は、例えば真空または真空に近い低圧に保たれている。このため、流体冷媒は、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。

【0067】

収容部１３は、熱伝導性に優れた材料で構成されていることが好ましく、例えばアルミニウム（Ａｌ）または銅（Ｃｕ）等の金属で構成されていることが好ましい。これにより、熱交換ユニット１００は、収容部１３を介して、対象（例えば、空気）と効率よく熱交換することができる。

【0068】

（制御部）
熱交換ユニット１００は、図示しない制御部をさらに有していてもよい。この制御部は、例えば、プレス機構３の動作を制御する。制御部は、例えば、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）および記録媒体等から構成されている。記録媒体に記録されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行する。これにより、制御部は、プレス機構３の動作の制御を実現する。

【0069】

図５は、本実施形態に係る空調装置２００において、空気１５２の流れと延出部１２２とを示す平面図である。図６は、図５に示す延出部１２２をＶＩ－ＶＩ’線を通るＹ－Ｚ平面で切断した断面図である。図５および図６に示す矢印は、空気１５２の流れ（すなわち、気流）を示している。図５に示すように、空調装置２００は送風装置１５１を備える。送風装置１５１は、空気導通路１５０に接続されており、空気導通路１５０内に空気１５２を送り込む。図５および図６に示すように、延出部１２２は、例えば板状である。

【0070】

延出部１２２は、板の側面１２２ｃが空気１５２の流動方向に対向し、かつ板の主面１２２ａが空気１５２の流動方向と平行またはほぼ平行となるように配置されている。つまり、延出部１２２は、空気１５２の流動方向に沿って配置されている。なお、空気１５２の流動方向とは、空気１５２が流れる方向であり、図５および図６ではＹ軸の矢印方向である。

【0071】

Ｚ軸方向で隣り合う一方の延出部１２２と他方の延出部１２２との間には、隙間Ｇが設けられている。空気１５２は、延出部１２２間の隙間Ｇを流れる。また、この際に、空気１５２は、隙間Ｇに面している延出部１２２の主面１２２ａ等と対流または放射により熱交換する。空気１５２の流動方向に沿って延出部１２２が配置されているため、空調装置２００は、通気抵抗を抑えつつ、延出部１２２と空気１５２との間で効率的に熱交換することができ、冷風を高効率に得ることができる。

【0072】

以上説明したように、本実施形態に係る空調装置２００は、熱交換ユニット１００と、熱交換ユニット１００によって熱交換される空気１５２が流動する空気導通路１５０と、空気１５２を空気導通路１５０内で流動させる送風装置１５１と、を備える。これによれば、熱交換ユニット１００は、吸発熱材料の相変化によって吸熱または発熱する吸発熱部１１を熱源として、収容部１３外に存在する物質（例えば、空気）と熱交換することができる。熱交換ユニット１００では、ヒータによる入熱ではなく、プレス機構３によるプレス荷重が入力エネルギーとなる。このため、空調装置２００は、エネルギーの消費効率（ＣＯＰ：Ｃｏｅｆｆｉｃｉｎｔ Ｏｆ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を向上させることができる。また、空調装置２００は、入熱用のヒータは不要であるため、小型化が可能である。

【0073】

なお、以下の実施形態も本発明の範囲に含まれる：請求項２の特徴を有する請求項１に記載の熱交換装置；請求項３の特徴を有する請求項２に記載の熱交換装置；請求項４の特徴を有する請求項１～３のいずれかに記載の熱交換装置；請求項５の特徴を有する請求項１～４のいずれかに記載の熱交換装置；請求項６の特徴を有する請求項５に記載の熱交換装置。

【実施例0074】

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。

【0075】

（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。

【0076】

アルミナナノ粒子（Ｓａｓｏｌ，ＳＢａ２００）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、２時間の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。

【0077】

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。特開２０１９－１３８６２０号公報に記載される手法に準じて、ＧＭＳは、応力印加により可逆的に形状が変形することを確認した。また、特開２０１９－１３８６２０号公報に記載される手法に準じて、ＧＭＳの応力無印加時（３０３Ｋ）と８０ＭＰａの応力印加時（２８８Ｋ、２９３Ｋ、２９８Ｋ、３０３Ｋ）におけるメタノールの脱離／吸着曲線を測定し、ＧＭＳに応力を印加／解放することによってメタノールの脱離／吸着および液体／気体の相変化が可逆的に起こることを確認した。

【0078】

また、得られたＧＭＳの粉末を用いて、ＧＭＳの平均二次粒子径を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて測定したところ、２０μｍであった。

【0079】

［参考例１］
ＧＭＳ粉末を樹脂メッシュ性のパックに入れ、メタノールを吸着させた後、プレス機を用いてプレス処理を施した。このプレス処理の前後におけるプレス装置の様子を、サーモカメラを用いて撮影した結果を図７に示す。図７に示すように、プレス処理後には、液体状態のメタノールがパックから流れ出ていることがわかる。このことから、ＧＭＳ等のナノ多孔質材料は、本発明の一形態に係る熱交換装置における吸着剤として好適であり、第１の多孔質部に加えて第２の多孔質部をさらに配置することで冷却効率を向上させうることが示唆される。

【0080】

［参考例２］
（包装体試料の作製）
第１の多孔質部として、ポリプロピレン（ＰＰ）製のフィルム（細孔径０．０６４μｍ、空孔率５５％、厚さ２５μｍ、メタノールに対する接触角（２５℃）４０°、セルガード社製）を準備した。このポリプロピレンフィルムを折り曲げ、二辺をヒートシーラーで熱溶着して袋状にし、空いた一辺から上記のＧＭＳ粉末１３ｍｇを入れた。その後、空いた一辺を熱溶着して、ナノ多孔質体の周囲に第１の多孔質部が配置されたパック（包装体試料）（１４ｍｍ×１４ｍｍ×０．５ｍｍ）を作製した。

【0081】

（第２の多孔質部の配置）
上記で作製した包装体試料を５枚積層して積層構造体を得た。一方、第２の多孔質部として、ポリプロピレン（ＰＰ）製のスポンジ（細孔０．５μｍ、空孔率７５％、メタノールに対する接触角（２５℃）２０°）を準備した。このスポンジを切り出し、上記で作製した積層構造体の積層方向に垂直な２つの面を除く外周面に１ｃｍの幅で配置し、テープで固定した。このようにして、本参考例の吸発熱部サンプルを作製した。

【0082】

［比較参考例３］
第１の多孔質部として、ポリプロピレン（ＰＰ）製の濾布（通気性７ｃｍ／ｓ、厚さ０．３２ｍｍ、中尾フィルター株式会社製）を準備した。このポリプロピレン製濾布を２枚重ねて、三辺をヒートシーラーで熱溶着して袋状にし、空いた一辺から上記のＧＭＳ粉末２０ｍｇを入れた。その後、空いた一辺を熱溶着して、熱溶着部の外側を切除し、包装体試料（１４ｍｍ×１４ｍｍ×１．１ｍｍ）を得た。

【0083】

一方、第２の多孔質部としては上記参考例２と同様の手順で本比較参考例の吸発熱部サンプルを作製した。

【0084】

［吸熱性能の評価］
上記の参考例２および比較参考例３で得られた吸発熱部サンプルについて、吸熱性能の評価を行った。

【0085】

はじめに、各サンプルをメタノールに１時間浸漬した。その後、試料表面のメタノールを除去し、実験装置のステージ上にサンプルを載置し、上面に熱伝導部としての銅（Ｃｕ）板を載せて、治具を用いてセットした。そして、銅板の上部からピストンを用いて８０ＭＰａでプレスした。その際の銅板の温度変化を、温度計を用いて測定した。結果を図８に示す。図８は、参考例２および比較参考例３の吸発熱部サンプルについて吸熱性能を測定した結果を示す、銅板の経時的な温度変化を表すグラフである。図８に示すように、所定の構成を備えた第２の多孔質部を有する参考例２のサンプルでは、このような第２の多孔質部を有さない比較参考例３に比べて吸熱時の温度変化（銅板の温度低下）が大きくなっていることが確認された。

【符号の説明】

【0086】

１ ユニット本体、
３ プレス機構、
１１ 吸発熱部、
１１ａ ナノ多孔質体、
１１ｂ 第１の多孔質部、
１１ｃ 第２の多孔質部、
１２ 熱伝導部、
１３ 収容部、
３１ 第１挟持体、
３２ 第２挟持体、
３３ 軸部、
１００ 熱交換ユニット、
１２１ 接触部、
１２２ 延出部、
１２２ａ 主面、
１２２ｃ 側面、
１５０ 空気導通路、
１５１ 送風装置、
１５２ 空気、
２００ 空調装置、
Ｇ 隙間。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】