Experimental set up for activated-carbon adsorption heat pump/thermal storage system

活性炭とエタノールを利用した吸着式ヒートポンプ・蓄熱システム実験装置

We perform experiment of adsorption heat pump/thermal storage systems with activated carbon-ethanol pair. The commercialized adsorption chillers use water as a refrigerant and hydrophilic materials, such as silica gel and zeolite, as adsorbents. We focused on activated carbons as an adsorbent for heat pump applications because it has a large specific surface area, it adsorbs various type of refrigerant such as alcohols, hydrofluorocarbons etc., and it can be produced from a variety of orignal materials. Activated carbons can adsorb even water at a large capacity under humid conditions.

吸着材が水やアルコール等の蒸気を吸着する作用を上手く利用すると，エアコンや冷蔵庫のコンプレッサと同じ役割を担うことができます．吸着現象を使ったエアコン/冷蔵庫は，電気ではなく，80℃程度のお湯を駆動力として冷房ができる装置であり，このような装置を吸着冷凍機と呼びます．また，同じ原理を用いて蓄熱もできます．当研究室では，活性炭とエタノールを利用した吸着式ヒートポンプ・蓄熱システムの実験を実施しています．実用化されている吸着冷凍機の冷媒は水であり，吸着材にはシリカゲルやゼオライトなど，水と相性の良い物質が使われています．私たちの研究室では，活性炭が大きな比表面積を持つこと，また，様々な原料からタイプの違う活性炭を製造できることから，活性炭に着目しました．活性炭は，アルコールやフロンなど，様々な種類の作動媒体を吸着できる材料です．高湿度環境下では，水も良く吸着します．

Adsorption heat exchagner with activated carbon

活性炭吸着熱交換器

We study on performance improvement of an adsorption heat exchanger using activated carbons. Activated carbons have a large surface area and a large micro pore volume, which asures a large adsorption uptake. On the other hand, a large porocity results in low effective thmal conductivity. In addition, high performance activated carbons are in microscale particles, which also causes several technical issues on heat transfer as well as on production of heat exchangers. Therefore, we also study a composite adsorbent to enhance the heat transfer of activated carbons.

活性炭を使った吸着熱交換器の性能向上に関する研究にも取り組んでいます．活性炭は，比表面積が大きく，細孔の容量も大きいため吸着材として優れていますが，一方，内部に大きな空孔を持つということは，熱を伝えるためには不利です．さらに，比表面積の大きい活性炭は数十から百マイクロメートルの微粒子状なので，熱交換器として成形する技術や，粒子同士の伝熱性など技術課題が多く存在します．これらを改善するために，活性炭の圧縮成形などによる伝熱性向上について研究しています．

Newly developed activated carbon for heat pump applications

球状フェノール樹脂を原料とした吸着式ヒートポンプ用活性炭

We attempted to produce a functional activated carbon for adsorption cooling systems in a collaborative project with Prof. Seong-Ho Yoon and Prof. Jin Miyawaki, Institute for Materials Chemistry and Engineering, Kyushu University. Our concept was to incrase effective adsorption based on operating temperature conditions of adsorption heat pumps. We modified the adsorptin isotherm of activated carbons by changing the micropore width. It was sucessful that the effective adsorption for a cooling condition was enhanced by adjusting the mircropore width.

九州大学 先導物質化学研究所 尹・宮脇研究室と共同で，吸着式ヒートポンプ用活性炭の開発にも取り組みました．一般的な活性炭による脱臭・浄化などの用途では，活性炭の吸着能力がなくなってきたら，活性炭自体を交換します．活性炭をヒートポンプとして利用する場合には，活性炭を加熱して吸着能力を蘇らせます．この過程が脱着です．吸着式ヒートポンプでは，吸着と脱着を数分のオーダーで切り替えますが，このとき，活性炭が持つ最大の吸着容量よりもかなり小さい吸着量の範囲で吸着と脱着を繰り返しているのです．吸着時と脱着時の吸着量の差は有効吸着量と呼ばれ，有効吸着量に等しい量の作動媒体がサイクルを循環して仕事をします．吸着量は活性炭の温度と作動媒体の圧力で決まるので，ヒートポンプが動作する温度帯によって有効吸着量が異なります．私達の研究では，吸着式冷凍サイクルとして動作する温度帯に特化し，その温度帯に対応する有効吸着量を拡大するように活性炭の調整を試みました．活性炭の細孔幅を制御することで吸着特性（吸着等温線）を変化させ，従来よりも有効吸着量の大きい活性炭の調整に成功しています．

Miyazaki, T., Miyawaki, J., Ohba, T., Yoon, S.H., Saha, B.B., Koyama, S., Study toward high-performance thermally driven air-conditioning systems, AIP Conference Proceedings 1788, 020002 (2017); doi: http://dx.doi.org/10.1063/1.4968250