JP2000510566A - 固体吸収剤ボイラ・アブソーバ装置、これを製作する方法、およびその装置を用いた冷凍装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 少なくとも一つの接続ポート（３）と、圧力密封容器（２）の内部にセットした活性固体（１）とを備えた容器を含むユニットを製作する方法。容器（２）は活性固体の予備成形した本体上に直接形成され、１８Ｗ／ｍ．Ｋ．以上の熱伝導率を有する材料で製作される。その結果得られるユニットは衣服用ポータブル型空気調和装置を製作する上で特に便利てある。

Description

【発明の詳細な説明】固体吸収剤ボイラ・アブソーバ装置、これを製作する方法、およびその装置を用 いた冷凍装置 本発明は低温を作り出すために使用することができる固体活性物質を入れたユニ ットを製造する方法、このようにして得られたユニット、ならびに少なくとも一 つのこのようなユニットを備える冷凍装置に関する。 金属塩のような固体活性物質とアンモニアのようなガスとの反応に基づき、あ るいは、予め吸着させ、更に／または活性炭素、活性炭素繊維、ゼオライト、膨 張黒鉛等のような固体物質に吸収させた二酸化炭素またはアンモニアのようなガ スの脱着に基づき低温を作り出す多くの公知のシステムが存在する。 これらシステムの実用的な例では、固体活性物質は一般にシステムの他の構成 要素にコンジットによって接続された金属容器または金属槽に多少とも詰め込ん だ状態でセットされる。作動時、活性物質に生じたマイナス・カロリーは第一に 容器に、次いで、そこから容器に取り付けた金属フィンのような熱交換要素によ って冷却しようとする液体（例えば空気）に伝達される。容器の内面と容器に内 蔵される活性物質との間における通常の物理的な接触の結果、活性物質から容器 に向かうマイナス・カロリーの移動は不完全に行われるため、この種の構造は熱 的に比較的非効率である。従って、改善された性能で低温の発生に用いることが できる固体活性物質を含むユニットが必要とされる。 本発明は特にこうした改良ユニットを製造する方法を提供することを目的とす る。 本発明は先に容器を形成し、次いで、それに活性物質を充填するのではなく、 活性物質の周囲に直接容器を形成するという構想に基づく。 より詳細には、本発明は少なくとも一つの接続オリフィスを備え、活性物質の 予備成形した本体上に直接形成された、１８Ｗ／ｍ．Ｋ．より大きな熱伝導率を 有する材料製の耐圧容器と、その容器に内蔵される固体活性物質とを含むユニッ トを製造する方法に関する。 容器は封入成形のような各種の技法によって製作できるが、フィラメント巻き 技法に従って形成することが好ましい。 フィラメント巻き技法は広く公知であり、ＮＡＳＡによって２０年以上も前に 開発された。この技法はダイバー用圧縮空気シリンダのような各種の製品または チューブの製作に一般的に採用される。この技法はマンドレルを形成する巻き型 の周囲に硬化可能なＢ状態にある樹脂、例えばポリエステル樹脂、エポキシ樹脂 、ポリアミド樹脂、シリコン樹脂、またはフェノール樹脂など適切な結合剤を通 常、予備含浸させた、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、セラミック繊維ま たは金属繊維で製作した連続フィラメント又バンドを巻くこと、ならびに次いで 巻きが完了したならば必要な製品を形成すべく樹脂を硬化させることにある。あ るいは、フィラメントはそれをマンドレルに巻き付ける直前に硬化可能な樹脂を 塗布することができ、あるいはフィラメントは「何も塗布せずに」巻いただけで よく、これで得られた製品に加圧下で結合剤樹脂を含浸させればよく、樹脂は最 後に硬化すればよい。もう一つの代替方式は製品の硬化に熱と圧力の印加を必要 とする熱可塑性樹脂を採用することにある。巻き付けは円周タイプ、極タイプま たは螺旋タイプでよく、あるいはこれらタイプの二つまたはそれ以上を複合させ てもよい。 フィラメント巻きに関係する非常に多くの製品と特許は公開された文献に出て おり、フィラメント巻きを実施する各種の機械と材料は市販されている。従って 、この技法を本明細書に非常に詳しく解説する必要はないと思われる。 しかし、本発明の目的には、良好な熱伝導率、即ち鉄鋼の熱伝導率にほぼ相当 する値である１８Ｗ／ｍ．Ｋ．を有する複合材料を形成するフィラメント／結合 剤対を選択することが適切である。 この目標を達成するには、例えば炭素または金属フィラメント、好ましくは炭 素と、金属粒子またはフレーク、例えばアルミニウムのまたは炭素の粒子または フレーク、あるいは黒鉛を添加した硬化可能な結合剤樹脂を用いることができる 。しかし、純炭素結合剤の使用が好ましい。 先に示したように、本発明の独創的、特別な特徴の一つは固体活性物質の予備 形成した本体の周りに直接容器を形成することにある。貯蔵容器がフィラメント 巻きの好ましい技法によって製作される場合、その予備成形した本体はフィラメ ントの巻き付け時にフィラメントを受けるマンドレルの役割を果たす。 予備成形した本体は低温を発生させるシステムに用いる何らかの反応性または 吸着性固体物質で構成することができる。吸着性固体物質の例には膨張黒鉛、活 性炭素、活性化した炭素繊維、ゼオライト等がある。反応性固体物質の例には、 塩化バリウム、塩化マグネシウム、塩化ニッケル、塩化カルシウム、金属の炭酸 塩、硫酸塩と硝酸塩、酸化物等があり、単独または複合で、あるいは再圧縮また は再圧縮しない膨張黒鉛のような活性化物質と共に取り上げられる。 これらの活性物質はアンモニア、アミン、メタノール、エタノール、二酸化炭 素、二酸化イオウ、三酸化イオウ等のようなガスまたは蒸気を吸着したり、それ らに反応することができる。 活性物質と、低温を発生させるシステムの例はとりわけＦＲ−Ａ−２ ６２６ ４９６、ＦＲ−Ａ−２ ６４２ ５０９、ＥＰ−Ａ１−０ １２９ ４７３と ＷＯ−Ａ−９１／１５２９２に見出すことができる。 活性物質の本体は巻きプロセスに耐えるに十分な凝集力を極めて明白に備えて いなければならない。この目的のために各種結合剤を用いることができるが、Ｅ Ｐ−Ａ−０ １２９ ４７３に解説されているように、再圧縮した膨張黒鉛は優 れた結合剤を形成し、活性物質／ガス反応を一層促進させることが確認されてい る。 物質が形成する本体上でのフィラメント巻きは通常、若干の張力が印加された フィラメントを用いて行われるため、最終的に得られる容器は著しい圧力を本体 に作用させ、それによって容器の内面とその内部に収容した物質との間に優れた 物理的及び熱的な接触を確保する。 本発明は、本発明の方法によって得られるユニット、特に、容器が、良好な熱 伝導体であるフィラメントの巻線からなる、好ましくは１８Ｗ／ｍ．Ｋ．以上の 熱伝導率を有する複合材料を形成するように、フィラメントに対する基質を形成 する熱伝導性結合剤によって各種ターンまたはコイルが一体に結合される炭素繊 維の巻線からなるユニットに関する。 本発明のユニットは任意選択で付加的な構成要素を含むことがある。こうして 、 冷却しようとする流体との熱交換を改善するため、ユニットは容器の外面上で、 良好な熱伝導体である材料で製作したフィンのような表面積の大きな熱交換部材 と、任意選択で、その部材を取り囲む絶縁周面閉鎖容器とを装備することができ 、冷却しようとする流体を通す一本またはそれ以上のチャンネルをその部材と閉 鎖容器は貯蔵容器の壁部との間に形成する。部材、例えばフィンは一休的なユニ ット／部材複合体を最終的に得るため、結合剤の硬化前にフィラメント巻線の上 に位置決めすることによって容器に取り付けができる。 必要に応じ、絶縁周面閉鎖容器はフィラメント巻き技法によって形成してもよ く、あるいは単独に製作し、次いで熱交換部材の周りに装着してもよい。 ユニットには活性物質の内部に埋め込み、大量の活性物質内でのガスの循環を 促進させることを目的とする多孔質または穿孔加工した拡散手段を備えることも できる。 最後に、低温発生段階の後にユニットを再生させるようにした電気抵抗ヒータ のような加熱手段をユニットに設けてもよい。 しかし、外部加熱手段によって、例えばユニットの周りに高温流体（ガス状ま たは液体）の流れを通すことによってユニットは再生できることに注目すべきで ある。 複合材料製の容器を含む本発明のユニットは容器がステンレス・スチール製の 同様なユニットよりも遥かに軽く、容器に関する限り重量の軽減は約４分の１程 度である。 付属図面に基づきなされる以下の説明で本発明が正しく理解されるだろう。 図面中、 第１ａ図は本発明による第一ユニットの軸部分における構成図である。 第１ｂ図はこの第一ユニットの第１ａ図の線１ｂ−１ｂに沿った断面における 構成図である。 第２図は本発明による第二ユニットの軸部分における構成図である。 第３図は、装置のケーシングの１／２分割シェル（外殻）の一方を取り外した 、本発明によるユニットを利用した冷凍装置の平面構成図である。 第４図は本装置の部分断面における構成図である。 第１ａ図と第１ｂ図に本発明によるユニットの第一実施形態を示す。このユニ ットには活性物質１の本体またはブロックと、硬化可能な炭素結合剤を予備含浸 させた炭素繊維をこの本体の周りに巻き付け、次いで架橋結合によって結合剤を 硬化させることによって形成される容器２とが含まれる。容器２の壁厚は、使用 時に印加され、環境により数十バールに達する可能性のある圧力を容器が保持す るために十分でなければならない。容器は、ユニットをコンジット５を介して冷 凍装置の他の構成要素に接続するためのカップリング４をネジ込むようにタップ 加工したオリフィス３を含む。図の容器はその壁厚内に任意選択の電気抵抗ヒー タ６を組み込んでいる。穿孔加工した管状の拡散装置７は、接続オリフィスから 活性物質の最も遠距離部に向けてのガスの搬送を促すため活性物質１の内部に埋 め込むのが好ましい。ユニットには炭素製で、容器の外面に垂直に固定された長 いフィン８と、絶縁材料、例えばプラスチック製で、フィンの周囲にセットした 円筒ケーシング９も含まれ、ケーシングの外面、即ち囲い構造９とフィン８は冷 却しようとする流体を通すことを目的としたチャンネル１０を形成する。活性物 質１は低温発生のための使用に適していることが公知な活性物質の内の何れか一 つにすることができる。 任意の抵抗ヒータ６が、容器の壁に埋め込まれている代わりに、活性物質の本 体内部に軸方向にセットされたロッド・ヒータ６’の形態をしていることを除け ば第１図に記載するものに似たユニットが第２図に図示されている。 第３図と第４図はオーバーオールまたはジャケットのような、「空気調和をす る」ため、「高温」環境中で着装される衣服に接続するようにしたポータブル空 調装置を示す。 この装置は本発明による二つのユニット、即ち「低温」ユニット１１と「高温 」ユニット１２とを含む。低温ユニットは例えば膨張黒鉛と、ユニット１の容器 内に加圧維持されるＢａＣｌ₂・８ＮＨ₃を形成するため予めアンモニアに反応さ せた塩化バリウムとの混合物が充填されている。この生成物は圧力が解除される とＢａＣｌ₂と（ガス状）ＮＨ₃に吸熱的に分解できる。 ユニット１１の内部に作用するものよりは低い圧力にある高温ユニット１２は 、これら二つのユニットが相互に接続されるとき、ユニット１１を源とする放出 ア ンモニアと発熱的に反応ができる膨張黒鉛と塩化マグネシウムの混合物が充填さ れる。 ユニット１１と１２は第２図のユニットに類似する構造を有するが、しかし、 反応によってＭｎＣｌ₂がＮＨ₃を吸収する容量はＢａＣｌ₂の容量よりも小さい ため、ユニット１２はユニット１１のものよりも大きなサイズである。 ユニット１１はコンジット１３とこのコンジットに取り付けたバルブ１４とに よってユニット１２に連通させることができる。非復帰バルブ１７を設備したコ ンジット１６はバルブ１４のバイパスとして取り付けられる。 ユニット１１と１２はプラスチックで製作したケーシング１８の内部、例えば 二つの取り外し自在部分に取り付ける。このケーシングは、空気調和をした衣服 （図には不記載）を源とする比較的暖かな再循環空気の入口１９を備えている。 この再循環させた空気は第一に乾燥剤（例えばシリカゲル）を充填したチューブ ２０を通り、第一ファン２１を通過し、ユニット１１の熱交換チャンネル１０に 搬送され、出口２２から空気調和した衣服に再噴射される前にそこで冷却される 。ケーシングは周囲空気の入口２３も含む。２３から入る周囲空気は第二ファン ２４によって引き入れられ、ユニットを冷却する目的でユニット１２の熱交換チ ャンネル１０を通り、次いで２５から大気中に向かう。ケーシングは任意選択で はあるが、周囲空気のための第二入口２６と第三ファン２８をも含み、その前に ＮＢＣ（核−細胞学的−化学）カートリッジ２７がくることもある。２６から入 る空気はファン２８によって引き入れられ、再循環させた空気の流れと混合され 、衣服の内部で生じる空気調和されている空気の損失を補正する。空気調和され ている空気は通常大気圧に対し過圧状態に維持される。 装置には通常は閉じていて、端部の一方がコンジット３０によってコンジット １３に接続され、別端が大気に開放しているパージ・バルブ２９も含まれる。最 後に、装置には各種ファンへの電源供給に使用するバッテリ３１が含まれ、バッ テリとファンとの間の電気的接続部は解説がわかりやすいように図には記載され てない。 低温を発生させるため、生成品ＣａＣｌ₂・ＮＨ₃が加圧装填されていると仮定 したユニット１１はバルブ１４を開放することによって、更にこのバルブをアン モニアの流量と、次いで、ユニット１１による低温発生の範囲とを設定するよう に調節することによってユニット１２に接続される。 放出されたアンモニアはユニット１２内部の塩化マグネシウムと発熱反応し、 その結果、入口２３から流入する周囲空気の流れでユニット１２を冷却する必要 が生じる。 ユニット１１が使い果たされると、抵抗ヒータ６’を電流源に接続することに よって抵抗ヒータがユニット１２を加熱してユニット１１を再生させることがで きる。バルブ１４と１５を予め閉じておき、低温発生サイクル時に塩化マグネシ ウムと化合したアンモニアは塩化マグネシウムから解離し、ユニット１１の方向 にコンジット１３に流入し、次いで、バルブ１７を介しコンジット１６に流入し 、そこではアンモニアが塩化バリウムと化合する。そこでユニット１１は再使用 できる状態になる。 パージ・バルブ２９はシステムの維持に使用され、更にユニットの排出が必要 なとき、これに使用する。 本発明の装置はコンパクトに実現されることになり、背嚢内に容易に含めるこ とができる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成９年６月１３日（１９９７．６．１３） 【補正内容】 補正請求の範囲 １．少なくとも一つの接続オリフィスと耐圧容器内に収容した低温の発生に有用 な活性固体物質とを備えた前記容器を含むユニットを製造する方法であって、前 記容器が活性物質の予備成形した本体上に直接形成され、前記容器が１８Ｗ／ｍ ．Ｋ．以上の熱伝導率を有する材料で製作されることを特徴とする方法。 ２．容器がフィラメント巻きによって形成されることを特徴とする請求項１に記 載の方法。 ３．炭素フィラメントが巻かれることを特徴とする請求項２に記載の方法。 ４．カーボン・フィラメントのターンまたはコイルが基質を形成する炭素結合剤 で一体に結合されることを特徴とする請求項３に記載の方法。 ５．低温の発生に使用できる固体活性物質の本体と、その本体を収容し、カップ リング手段を備えた耐圧容器とを含むユニットであって、前記容器が１８Ｗ／ｍ ．Ｋ．以上の熱伝導率を有する複合材料を形成すべくフィラメントの基質を形成 する熱伝導性結合剤によって一体に結合される各種のターンまたはコイルおよび 前記本体上に直接製作されるフィラメント巻きを含むことを特徴とするユニット 。 ６．フィラメント巻きが炭素で構成されることを特徴とする請求項５に記載のユ ニット。 ７．結合剤が炭素で作成されることを特徴とする請求項５または６に記載のユニ ット。 ８．ユニットが容器の外面上にある熱交換部材を付加的に含むことを特徴とした 請求項５、６または７に記載のユニット。 ９．前記部材がフィンであることを特徴とする請求項８に記載のユニット。 １０．熱絶縁周面ケーシングを熱交換部材の周りに設けていることを特徴とする 請求項８または９に記載のユニット。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも一つの接続オリフィスと耐圧容器内に収容した活性固体物質とを 備えた前記容器を含むユニットを製造する方法であって、前記容器が活性物質の 予備成形した本体上に直接形成され、前記容器が１８Ｗ／ｍ．Ｋ．以上の熱伝導 率を有する材料で製作されることを特徴とする方法。 ２．容器がフィラメント巻きによって形成されることを特徴とする請求項１に記 載の方法。 ３．炭素フィラメントが巻かれることを特徴とする請求項２に記載の方法。 ４．カーボン・フィラメントのターンまたはコイルが基質を形成する炭素結合剤 で一体に結合されることを特徴とする請求項３に記載の方法。 ５．低温の発生に使用できる多量の固体活性物質と、２結合手段を備え、該多量 を収容した耐圧容器とを含むユニットであって、前記容器が１８Ｗ／ｍ．Ｋ．以 上の熱伝導率を有する複合材料を形成すべくフィラメントのマトリックスを形成 する熱伝導性結合剤によって各種のターンまたはコイルが一体に結合されるフィ ラメント巻きで製作されることを特徴とするユニット。 ６．フィラメント巻きが炭素で構成されることを特徴とする請求項５に記載のユ ニット。 ７．結合剤が炭素で作成されることを特徴とする請求項５または６に記載のユニ ット。 ８．ユニットが容器の外面上にある熱交換部材を付加的に含むことを特徴とし、 請求項５、６または７に記載のユニット。 ９．前記部材がフィンであることを特徴とする請求項８に記載のユニット。 １０．熱絶縁周面ケーシングを熱交換部材の周りに設けていることを特徴とする 請求項８または９に記載のユニット。 １１．ユニットが付加的に電気抵抗ヒータを含むことを特徴とする請求項５ない し１０の何れか一項に記載のユニット。 １２．ユニットが固体活性物質の内部に埋め込まれた多孔質または穿孔加工した 拡散手段を付加的に含むことを特徴とする請求項５ないし１１の何れか一項に記 載のユニット。 １３．低温を発生する装置が請求項５ないし１２の内の何れか一項に記載された 少なくとも一つのユニットを含むことを特徴とする装置。