JPH0120347B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はヒートポンプ装置の運転方法に関し、
詳しくは金属水素化物を利用したヒートポンプ装
置の運転方法に関する。

ある種の金属や合金が速やかに発熱的に水素を
吸蔵して金属水素化物を形成し、また、この金属
水素化物が可逆的に吸熱的に水素を放出すること
が知られている。このような金属水素化物の平衡
分解圧Ｐは一般に温度の函数であつて、第１図に
示すように温度Ｔが高い程、平衡分解圧も大き
い。従つて、例えば、その間を水素が流通できる
ように連結した二つの熱交換器に金属水素化物を
内蔵させ、一方を高温度T_H、他方を低温度T_Lに
保つと、高温側の熱交換器内の金属水素化物は平
衡分解圧P_Hにて吸熱的に水素を放出し、一方、
低温側の熱交換器内の金属水素化物の平衡分解圧
はP_L（＜P_H）であるから、この平衡分解圧の差に
よつて上記水素は低温側の熱交換器に移動し、こ
の熱交換器内の金属水素化物が発熱的に水素を吸
蔵する。即ち、高温側の熱交換器から低温側の熱
交換器へ熱の輸送が行なわれる。

また、上記二つの熱交換器をコンプレツサーを
介して水素を流通させるように連結し、一方の熱
交換器を減圧すると共に他方の熱交換器を水素加
圧すれば、減圧側の金属水素化物は水素を吸熱的
に放出し、加圧側の金属水素化物は水素を発熱的
に吸蔵する。即ち、熱は減圧側から加圧側へ輸送
される。従つて、例えば、減圧側を低い温度T_L
の冷却負荷に接続し、加圧側を高い温度T_H（＞
T_L）に接続すると、熱は低温側から高温側へ輸
送されるので、ここにヒートポンプとして機能す
る。

しかし、上記いずれの熱輸送装置又はヒートポ
ンプ装置においても、一方の金属水素化物から水
素が放出しつくしたときに熱輸送が停止するの
で、熱輸送を継続させるためには、前者の装置に
おいては二つの熱交換器を交互に加熱冷却しなけ
ればならず、後者の装置においては二つの熱交換
器を交互に加圧減圧しなければならない。すなわ
ち、熱輸送が本質的にバツチ方式であるので、金
属水素化物の発熱又は吸熱を出力として取出す場
合、その出力は定常性がない。４個又はそれ以上
の熱交換器を用い、各熱交換器の間に位相差を有
せしめて水素の放出、吸蔵を行なわせ、各熱交換
器から順次、出力を取出せば、見かけ上、連続し
た出力を得るが、複雑な制御機構を要する。さら
に、従来の装置においては、熱交換器自体の加熱
又は冷却に金属水素化物の発熱量や吸熱量が消費
され、又は余分の熱エネルギーを必要とする等、
種々の不利益を免れない。また、一般に金属水素
化物の熱伝導率が低いため、熱交換器としてはフ
インを備えた管群を用いることが多く、この結
果、熱交換器自体の熱容量が大きく、熱輸送効率
が悪い。

本発明は従来のヒートポンプ装置における上記
した種々の問題を解決するためになされたもので
あつて、熱交換器の加熱、冷却サイクルを不必要
とし、安定した出力を連続して取出すことができ
るヒートポンプ装置の運転方法を提供することを
目的とする。

本発明による暖房装置として用いるに適するヒ
ートポンプ装置の運転方法は、密閉容器内に隔壁
にて区画形成された高圧室、中圧室及び低圧室
と、第一の金属水素化物を担持し、回転ベルト状
に高圧室と中圧室との間を走行される第一のテー
プと、平衡分解圧特性が第一の金属水素化物より
高温領域にある第二の金属水素化物を担持し、回
転ベルト状に中圧室と低圧室との間を走行される
第二のテープと、高圧室における第一のテープと
熱交換し得るように熱的に接続された中温熱媒
と、低圧室における第二のテープと熱交換し得る
ように熱的に接続された低温熱媒と、平衡分解圧
特性が第二の金属水素化物より高温領域にある第
三の金属水素化物を担持し、回転ベルト状に高圧
室と低圧室との間を走行される第三のテープと、
高圧室及び低圧室における第三のテープとそれぞ
れ熱交換し得るように熱的に接続された高温熱媒
及び中温熱媒とを有し、低圧室において第二のテ
ープに水素を吸蔵させ、中圧室において第二のテ
ープを加熱して水素を放出させると共に、第一の
テープを冷却してこの水素を吸蔵させ、高圧室に
おいて第一のテープから水素を放出させると共に
第三のテープに発熱的に吸蔵させ、低圧室におい
て第三のテープから水素を吸熱的に放出させると
共に前記第二のテープに吸蔵させて、中温熱媒か
ら高温熱媒へ熱を輸送することを特徴とするもの
であり、本発明による冷房装置として適する他の
ヒートポンプ装置の運転方法は、密閉容器内に隔
壁にて区画形成された高圧室、中圧室及び低圧室
と、第一の金属水素化物を担持し、回転ベルト状
に低圧室と中圧室との間を走行される第一のテー
プと、平衡分解圧特性が第一の金属水素化物より
低温領域にある第二の金属水素化物を担持し、回
転ベルト状に中圧室と高圧室との間を走行される
第二のテープと、低圧室における第一のテープと
熱交換し得るように熱的に接続された中温熱媒
と、高圧室における第二のテープと熱交換し得る
ように熱的に接続された高温熱媒と、平衡分解圧
特性が第二の金属水素化物より低温領域にある第
三の金属水素化物を担持し、回転ベルト状に低圧
室と高圧室との間を走行される第三のテープと、
低圧室及び高圧室における第三のテープとそれぞ
れ熱交換し得るように熱的に接続された低温熱媒
及び中温熱媒とを有し、低圧室において第一のテ
ープに水素を吸蔵させ、中圧室において第一のテ
ープを加熱して水素を放出させると共に第二のテ
ープを冷却してこの水素を吸蔵させ、高圧室にお
いて第二のテープから水素を放出させると共に第
三のテープに発熱的に吸蔵させ、低圧室において
第三のテープから水素を吸熱的に放出させると共
に前記第一のテープに吸蔵させて、低温熱媒から
中温熱媒へ熱を輸送することを特徴とするもので
ある。

以下に実施例を示す図面によつて本発明を説明
する。

第２図は本発明において暖房する際に好適に使
用されるヒートポンプ装置の基本的な一実施例を
示す。密封容器１は隔壁２にて高圧室３、中圧室
４及び低圧室５とに区画されている。高圧室に配
した中温ロール６と中圧室に配した低温ロール７
との間に第一の金属水素化物M₁Hを担持した回
転ベルト状の第一のテープが巻掛けられ、隔壁に
設けられた適宜のシール手段によつて気密を実質
的に保ちつつ、隔壁を貫通し、一定の方向に走行
駆動される。上記中温ロールは中温熱媒８に、上
記低温ロールは低温熱媒９にそれぞれ熱交換し得
るように熱的に接続されている。また、第３図に
示すように、平衡分解圧特性がM₁Hよりも高温
領域にある第二の金属水素化物M₂Hを担持した
第二のテープが、低圧室に配した低温ロール１０
と中圧室に配した中温ロール１１との間に巻掛け
られて、前記と同様に隔壁を貫通して、低圧室と
中圧室との間に接続して往復走行される。この低
温ロール１０は低温熱媒９に、中温ロール１１は
中温熱媒８に熱交換し得るように接続されてい
る。すなわち、高圧室と低圧室との間に中圧室が
設けられ、この中圧室に異なる平衡分解圧特性を
有する金属水素化物が異なる温度で支持されるよ
うに配される。

さらに、高圧室に配した高温ロール１２と低圧
室に配した中温ロール１３との間に、第３図に示
すように平衡分解圧特性がM₂Hよりも高温領域
にある第三の金属水素化物M₃Hを担持した第三
のテープが走行駆動され、この高温ロール１２は
高温熱媒１４に、中温ロール１３は中温熱媒１５
に熱交換し得るようにそれぞれ熱的に接続されて
いる。ここに、上記熱媒の温度関係はT_L＜T_M＜
T_Hである。

この装置の動作を第３図のサイクル線図に基づ
いて説明する。先ず、低圧室において、M₂Hは
温度T_Lの低温熱媒９により冷却され、点Ａの状
態で水素を吸蔵し、中圧室において中温熱媒８に
よつて温度T_Mに加熱され、点Ｂの状態で水素を
吸熱的に放出する。この水素は低温熱媒９により
温度T_Lに冷却されているM₁Hに点Ｃの状態で吸
蔵され、M₁Hは高圧室において温度T_Mに加熱さ
れ、点Ｄの状態で高圧の水素を放出する。すなわ
ち、低圧室で低い圧力で吸蔵された水素は、中圧
室において二種の金属水素化物間で授受され、高
圧室で高圧の水素として放出される。

このM₁Hから放出された水素は、高圧室にお
いて、M₁Hの平衡分解圧よりやや低い平衡分解
圧を有するように選んだ温度T_Hで点Ｅの状態で
M₃Hに吸蔵される。この際の発熱反応熱が高温
熱媒１４に出力される。水素を吸蔵したM₃Hは
低圧室において中温熱媒によつて温度T_Mに加熱
保持されつつ、点Ｆの状態で水素を吸熱的に放出
する。この水素は温度T_LのM₂Hの点Ａの状態で
吸蔵される。すなわち、この装置においては、熱
は中温熱媒から高温熱媒に輸送される。

以上のように、本発明のヒートポンプ装置の運
転方法によれば、第三の金属水素化物が回転ベル
ト状のテープに担持され、異なる温度の高圧室と
低圧室との間を連続して往復走行され、この本質
的に連続した作動によつて連続して安定な熱出力
を得ることができる。このため、従来の金属水素
化物を充填した熱交換器を用いる装置において
は、熱源を切換えて熱交換器を交互に加熱、冷却
する必要があるのと異なり、熱源又は熱媒を常時
一定の温度に保てばよいので、複雑な熱媒回路や
そのための制御装置を要せず、装置構成が著しく
簡単化される。

さらに、本発明によれば、第三のテープに高圧
の水素を供給して吸蔵させ、また、第三のテープ
から水素を放出させるために、高圧室と低圧室の
間に中圧室を介在させ、この中圧室にて平衡分解
圧特性の異なる第一及び第二の金属水素化物間で
水素の授受を行なわせるから、小さい温度差を利
用して低圧の水素を高圧化することができる。

上記の装置は、高温熱媒を室内加熱負荷とし、
中温熱媒を太陽熱、ボイラー熱、種々の廃熱源等
とし、低温熱媒を大気温や水温の冷却器とするこ
とにより、暖房装置として機能させることができ
る。

なお、上記においては、簡単のために低温熱媒
の温度をすべてT_L、中温熱媒の温度をすべてT_M
としたが、これらが異なつていても何ら差し支え
ないことは美らかであろう。

次に、本発明においては、中圧室は直列に複数
室設けられていてもよい。一般的には第４図に示
すように、高圧室３から低圧室５に向つて順に数
ｎの中圧室C₁，C₂，…，C_oが設けられた場合、
M₁HテープとM₂Hテープとの間に金属水素化物
A₁，A₂，…，A_o-1をそれぞれ担持した数（ｎ−
１）の中間テープが隣接する中圧室の間で回転ベ
ルト状に走行される。ここに、各金属水素化物
は、平衡分解圧特性がM₁H，A₁，…，A_i，…，
A_o-1，M₂Hの順に高温領域にあるように選ばれ、
高圧室から数えて第ｉ番目の中圧室C_iにおいて
は、A_iテープがより高い温度に、A_i-1テープがよ
り低い温度に保たれて、テープ間で水素の授受が
行なわれる。なお、熱媒の種類を少なくするため
には、中間室C_iにおけるA_iテープをすべて温度
T_Mの中温熱媒に、また、A_i-1テープをすべて温
度T_Lの低温熱媒に熱的に接続すればよい。この
ようにして、前記第３図におけるＡからＢ、Ｃを
経てＤに至る水素昇圧のジグザグの段数がふえ、
より高圧の水素を金属水素化物M₁Hから得るこ
とができる。

さらに、本発明においては、第三の金属水素化
物M₃Hを担持したテープが相互に並列して多段
に配設されていてもよい。一般的には第４図に示
したように、それぞれ平衡分解圧特性の異なる金
属水素化物B₁，B₂，…，B_nを担持した数ｍのテ
ープが並列に高圧室との間を連続して往復走行さ
れ、第ｉ番目のテープが低圧室において温度T_Mi
の中温を有し、高圧室において温度T_Hiの高温を
有するように熱的に制御される。ここに温度関係
は、T_Mi＜T_Mi+1、T_Hi＜T_Hi+1、かつT_Mi＜T_Hiであ
り、また、各金属水素化物の分解平衡圧特性は、
B_i+1がB_iよりも高温領域にあるように選ばれる。
簡単化と、熱エネルギーの有効利用のために、図
示した実施例では第一番目のテープを低圧室で温
度T_M1の中温熱媒に接続し、第ｍ番目のテープを
高圧室で温度T_Hnの高温熱媒に接続すると共に、
高圧室における第ｉ番目（１ｉｍ−１）のテ
ープと低圧室における第（ｉ＋１）番目（１ｉ
ｍ−１）のテープとが熱交換し得るように、テ
ープ支持ロールをヒートパイプ等で接続する等の
適宜手段により、熱的に接続されている。

この場合の動作を第５図のサイクル線図によつ
て説明する。ただし、簡単のために、中圧室は一
室とし、第三のテープはB₁とB₂テープが二段に
配列されているものとする。前記したように、
M₂Hは低圧室で温度T_Lで水素を吸蔵し、この水
素をM₁Hが高圧室で温度T_Mで放出する。この水
素はそれぞれ温度T_H1及びT_H2でB₁及びB₂により
発熱的に吸蔵される（点Ｅ及びＧ）。この際、B₁
の発熱はヒートパイプ等により、低圧室のB₂に
伝えられ、B₂の発熱は高温熱媒に与えられる。
B₁及びB₂は次いで低圧室に入り、それぞれ温度
T_M1（＝T_M）及びT_M2（＝T_H1）に加熱保持されつ
つ、水素を吸熱的に放出する（点Ｆ及びＨ）。こ
の水素は温度T_LのM₂Hに吸蔵される（点Ａ）。

この装置によれば、中圧室を介して直列に配列
されるM₁H及びM₂Hを用いることにより、小さ
い温度差を利用して高圧の水素を得ることがで
き、また、並列に配列した第三のテープからより
高温の出力を得ることができる。暖房装置として
用いる場合、高温熱媒を暖房負荷とし、中温熱媒
に太陽熱、種々の廃熱等を熱源として用い、低温
熱媒として空気冷却器等を用いればよい。

次に、本発明による冷房装置として用いるに適
するヒートポンプ装置の一実施例を第６図に示
す。前記暖房装置の場合と同様に、密封容器１は
隔壁２で区画形成された高圧室３、中圧室４及び
低圧室５を有し、低圧室に配した中温ロール１６
と中圧室に配した高温ロール１７の間に第一の金
属水素化物M₁Hを担持した回転ベルト状の第一
のテープが隔壁を貫通して連続的に往復走行され
る。上記中温ロール１６は中温熱媒１８に、高温
ロールは高温熱媒１９にそれぞれ熱交換可能に接
続される。また、第７図に示すように平衡分解圧
特性がM₁Hより低温領域にある第二の金属水素
化物M₂Hを担持した第二のテープが中圧室に配
した中温ロール２０と高圧室に配した高温ロール
２１との間で連続走行される。この中温ロール２
０は中温熱媒１８に、高温ロール２１は高温熱媒
２１にそれぞれ熱交換できるように熱的に接続さ
れる。

さらに、高圧室に配した低温ロール２２と高圧
室に配した中温ロールとの間に第三のテープが走
行される。図示した実施例では第三のテープとし
て金属水素化物D₁及びD₂をそれぞれ担持したテ
ープが並列して走行される。ここに、D₁テープ
は低圧室において温度T_L1の低温ロール２２に支
持され、高圧室において温度T_Mの中温ロール２
３に支持されており、この中温ロールは温度T_M
の中温熱媒２４に接続されている。D₁テープに
並列に、平衡分解圧特性がD₁より低温領域にあ
る金属水素化物D₂を担持したテープが低圧室に
配した低温ロール２５と高圧室に配した中温ロー
ル２６との間で連続走行され、好ましくは上記低
温ロール２２と中温ロール２６はヒートパイプ２
７等により熱交換し得るように熱的に接続されて
温度T_L1に保たれ、低温ロール２５は温度T_L2の
低温熱媒２８に接続されている。ここに、温度関
係はT_L2＜T_L1＜T_M＜T_Hである。

この装置の動作を第７図のサイクル線図に基づ
いて説明する。先ず、低圧室においてM₁Hは発
熱的に温度T_Mで水素を吸蔵し（点Ａ）、この際の
発熱反応熱は冷却器としての中温熱媒１８により
除去される。水素を吸蔵したM₁Hテープは中圧
室において温度T_Hに加熱されて水素を放出し
（点Ｂ）、この水素は温度T_MのM₂Hテープに発熱
的に吸蔵される（点Ｃ）。M₂Hは高圧室で高温熱
媒１９により温度T_Hに加熱され、高圧の水素を
放出する（点Ｄ）。

高圧室でM₂Hが放出した水素はD₁及びD₂テー
プにそれぞれ温度T_M及びT_L1で発熱的に吸蔵され
る（点Ｅ及びＦ）。水素を吸蔵したD₁及びD₂は低
圧室にて水素を吸熱的に放出する。この際の低温
ロール２２によるD₁テープの加熱は低温ロール
２６からヒートパイプ２７等により与えられ、
D₂テープは温度T_L1の低温熱源２８から熱の供給
を受けて加熱される。従つて、高温熱媒１９とし
て太陽熱、ボイラー熱、種々の廃熱等の熱源を利
用し、中温熱源１８，２４として空気冷却器等を
用いれば、冷房負荷としての低温熱媒２８から冷
熱出力を得ることができる。

また、暖房装置に適するヒートポンプ装置につ
いて説明したように、この冷房装置に適する装置
についても中圧室が複数室設けられ、又は第三の
テープが複数並列して配列されていてもよく、こ
の場合の作動は前記説明から容易に理解できよ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属水素化物の一般的な平衡分解圧特
性を示すグラフ、第２図は本発明において暖房す
る際に好適に使用されるヒートポンプ装置の一実
施例を示す概略図、第３図は第２図の装置の動作
を示すサイクル線図、第４図は別の実施例を示す
概略図、第５図は第４図の装置の作動の一例を示
すサイクル線図、第６図は本発明において冷房す
る際に好適に使用されるヒートポンプ装置を示す
概略図、第７図は第６図の装置の作動を示すサイ
クル線図である。 １……密封容器、２……隔壁、３……高圧室、
４……中圧室、５……低圧室、８……中温熱媒、
９……低温熱媒、１４……高温熱媒、１５……中
温熱媒、１８……中温熱媒、１９……高温熱媒、
２４……中温熱媒、２８……低温熱媒、M₁H…
…第一の金属水素化物、M₂H……第二の金属水
素化物、M₃H……第三の金属水素化物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 密閉容器内に隔壁にて区画形成された高圧
   室、中圧室及び低圧室と、第一の金属水素化物を
   担持し、回転ベルト状に高圧室と中圧室との間を
   走行される第一のテープと、平衡分解圧特性が第
   一の金属水素化物より高温領域にある第二の金属
   水素化物を担持し、回転ベルト状に中圧室と低圧
   室との間を走行される第二のテープと、高圧室に
   おける第一のテープと熱交換し得るように熱的に
   接続された中温熱媒と、低圧室における第二のテ
   ープと熱交換し得るように熱的に接続された低温
   熱媒と、平衡分解圧特性が第二の金属水素化物よ
   り高温領域にある第三の金属水素化物を担持し、
   回転ベルト状に高圧室と低圧室との間を走行され
   る第三のテープと、高圧室及び低圧室における第
   三のテープとそれぞれ熱交換し得るように熱的に
   接続された高温熱媒及び中温熱媒とを有し、低圧
   室において第二のテープに水素を吸蔵させ、中圧
   室において第二のテープを加熱して水素を放出さ
   せると共に第一のテープを冷却してこの水素を吸
   蔵させ、高圧室において第一のテープから水素を
   放出させると共に第三のテープに発熱的に吸蔵さ
   せ、低圧室において第三のテープから水素を吸熱
   的に放出させると共に前記第二のテープに吸蔵さ
   せて、中温熱媒から高温熱媒へ熱を輸送すること
   を特徴とするヒートポンプ装置の運転方法。 ２ 密閉容器内に隔壁にて区画形成された高圧室
   中圧室及び低圧室と、第一の金属水素化物を担持
   し、回転ベルト状に低圧室と中圧室との間を走行
   される第一のテープと、平衡分解圧特性が第一の
   金属水素化物より低温領域にある第二の金属水素
   化物を担持し、回転ベルト状に中圧室と高圧室と
   の間を走行される第二のテープと、低圧室におけ
   る第一のテープと熱交換し得るように熱的に接続
   された中温熱媒と、高圧室における第二のテープ
   と熱交換し得るように熱的に接続された高温熱媒
   と、平衡分解圧特性が第二の金属水素化物より低
   温領域にある第三の金属水素化物を担持し、回転
   ベルト状に低圧室と高圧室との間を走行される第
   三のテープと、低圧室及び高圧室における第三の
   テープとそれぞれ熱交換し得るように熱的に接続
   された低温熱媒及び中温熱媒とを有し、低圧室に
   おいて第一のテープに水素を吸蔵させ、中圧室に
   おいて第一のテープを加熱して水素を放出させる
   と共に第二のテープを冷却してこの水素を吸蔵さ
   せ、高圧室において第二のテープから水素を放出
   させると共に第三のテープに発熱的に吸蔵させ、
   低圧室において第三のテープから水素を吸熱的に
   放出させると共に前記第一のテープに吸蔵させ
   て、低温熱媒から中温熱媒へ熱を輸送することを
   特徴とするヒートポンプ装置の運転方法。