JPH0445746B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はヒートポンプに関し、更に詳しくは金
属水素化物を利用し、昇温，熱増幅，冷凍又は冷
却等を行なうヒートポンプに関する。

〈従来の技術〉 希土類，チタン，マグネシウム、その他の金属
をベースとした水素貯蔵（吸蔵）合金又はメタル
ハイドライド（Metal Hydride）と呼ばれてい
る金属水素化物が、水素化反応を起して速やかに
発熱的に水素を吸蔵し、またこの金属水素化物が
可逆的に脱水素化反応を起して吸熱的に水素を放
出することが知られている。

この化学反応式は次式によつて示される。

Ｍ＋ｎ／2H₂MH_o＋ΔH Ｍ：水素貯（吸）蔵合金 ΔH：反応熱 MH_o：金属水素化物 しかしながら一旦水素反応が起こり金属水素化
物となると、完全にもとの合金の状態に戻すこと
は非常に困難なことから次式によつて表わされる
ことがある。

MH_(n+o)MH_n＋ｎ／2H₂±ΔH 即ち、ｍは常に水素貯（吸）蔵合金と結合して
金属水素化物を形成している水素原子を表わし、
ｎは実用上、金属水素化物となつた合金から取出
し得る水素を表わしている。

本明細書においては、上述のＭ，MH_o，
MH_(n+o)，MH_nを総称して金属水素化物と称し、
単に記号Ｍで表示する。

これら金属水素化物の水素吸収過程では発熱
し、水素放出過程では吸熱することを利用して、
ケミカルヒートポンプ装置が種々提供されてい
る。

例えば特開昭59−100371号公報には、作動温度
領域において異なる水素平衡分解圧を有する金属
水素化物を充填した一対の密閉容器を水素が流通
できる連通管で接続して作動対となし、多数の作
動対を所定温度の熱媒が流通する各熱媒室に順次
循環走行させることによつて、一定のレベルの熱
出力を連続的に得ることが記載されている。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら上述のようなヒートポンプ装置に
おいては、作動対を各熱媒室に順次循環走行させ
るために、何らかの外部動力が必要となる。

そのため本発明は、外部動力なしに、あるいは
最少の外部動力で作動対を各熱媒室に順次循環さ
せることができるようなヒートポンプ方法および
ヒートポンプ装置を提供することを目的としてな
されたものである。

〈問題点を解決するための手段〉 すなわち本発明のヒートポンプ方法は作動温度
領域において水素平衡分解圧が異なる第１および
第２の金属水素化物を用い、第１の金属水素化物
を第１の密閉容器に充填し、第２の金属水素化物
を第２の密閉容器に充填し、第１の密閉容器と第
２の密閉容器とを水素が流通できる連通管により
接続して作動対を形成し、この作動対の複数を回
転軸の周方向に配設し、第１の密閉容器および第
２の密閉容器のそれぞれを回転軸の回転により各
熱交換部に循環させて、脱水素化反応により第１
の金属水素化物から水素を吸熱的に放出させ、こ
の水素を水素化反応により第２の金属水素化物に
発熱的に吸蔵させ、次に、この第２の金属水素化
物から脱水素化反応により水素を吸熱的に放出さ
せ、この水素を水素化反応により前記第１の金属
水素化物に発熱的に吸蔵させるようにしたヒート
ポンプ方法であつて、該回転軸の一側にある第１
および第２の密閉容器にて常に水素化反応が、該
回転軸の他側にある第１および第２の密閉容器に
て常に脱水素化反応がそれぞれ起るように前記各
作動対を形成する第１の密閉容器と第２の密閉容
器の位相をずらして、水素化反応をした金属水素
化物と脱水素化反応をした金属水素化物との重量
差によつて前記回転軸に回転力を生じさせること
を特徴とするものである。

また上記の方法を実施するための本発明のヒー
トポンプ装置は、第１の金属水素化物を充填した
第１の密閉容器の複数個を周方向に配設した第１
の回転体と、作動温度領域において水素平衡分解
圧が第１の金属水素化物より高温領域にある第２
の金属水素化物を充填した第２の密閉容器の複数
個を周方向に配設した第２の回転体とを略水平な
共通の回転軸で回転自在に支承し、該回転軸の一
側に該回転軸の回転に伴い第１の密閉容器が順次
通る低温熱媒室と第２の密閉容器が順次通る高温
熱媒室を配設するとともに、該回転軸の他側に該
回転軸の回転に伴い第１の密閉容器が順次通る中
温熱媒室と第２の密閉容器が順次通る中温熱媒室
を配設し、第１の密閉容器の１つとこれと該回転
軸の中心点に対して点対称にある第２の密閉容器
の１つとを水素が流通しうる連通管によつて接続
して作動対とし、低温熱媒室にある第１の密閉容
器と作動対をなす第２の密閉容器が中温熱媒室に
あり、かつ高温熱媒室にある第２の密閉容器と作
動対をなす第１の密閉容器が中温熱媒室にあるよ
うに、位相がずれた第１の密閉容器と第２の密閉
容器とによつて前記作動対が形成されていること
を特徴とするものである。

〈実施例〉 以下に基本的な実施例をあげて本発明を詳述す
る。

第１図および第２図は本発明の装置を模式的に
示すそれぞれ平面図および断面図である。

円板状の第１の回転体１ａおよび第２の回転体
１ｂが回転軸２に固着され、この回転軸は軸受３
により略水平に支承されて回転体とともに回転し
うるようになつている。各回転体１は、第３図の
側面図に示したように、放射方向に配した仕切壁
４および環状壁５，５によりその内部が４個の室
に区画され、各室はそれぞれ１個の密閉容器６を
形成している。各回転体１内に形成される密閉容
器６の数は必ずしも４個とする必要はなく、複数
個、好ましくは３個以上の任意の個数を形成する
ことができる。

なお、各密閉容器６の仕切壁４を断熱材を用い
た断熱壁とすれば各密閉容器６間の伝熱の影響を
防止でき、さらには各回転体１の内側および外側
に伝熱フインやヒートパイプ等（図示せず）を設
ければ伝熱面を大きくできるので好ましい。

第１の回転体１ａ上の第１の密閉容器６ａには
第１の金属水素化物M₁が充填され、第２の回転
体１ｂ上の第２の密閉容器６ｂには、作動温度領
域において水素平衡分解圧が第１の金属水素化物
M₁より高温領域にある第２の金属水素化物M₂が
充填される。これらの第１の密閉容器６ａの１つ
と第２の密閉容器６ｂの１つとが、水素を流通し
うる連通管７により互いに接続されて作動対が形
成されるが、この場合、連通管７で接続される第
１の密閉容器６ａと第２の密閉容器６ｂとは、第
１と第２の回転体間の回転軸の中心点に対して点
対称の位置にあるものとする。なお、第１図およ
び第２図に示す実施例では各回転体１ａ，１ｂ上
に各々４個の密閉容器６があるため作動対は４対
となり連通管７は４本必要となるが、簡略化のた
めそのうちの２本のみを図示してある。

第１および第２の密閉容器６ａ，６ｂ内に充填
された金属水素化物M₁，M₂が水素化反応と脱水
素化反応の繰返しにより細粒化されることがあ
り、その様な場合には前もつて金属水素化物の細
粒が連通管７内に流れ出ないように、密閉容器内
の連通管開口部に積層金網等のフイルタ（図示せ
ず）を取付ける。

また、第１と第２の密閉容器内および連通管内
には水素が充填される。この水素充填用のプラグ
またはバルブ付ノズル（図示せず）が密閉容器ま
たは連通管に取付けてある。

上記のように一体的に組立てられた回転体１
ａ，１ｂと回転軸２は、略鉛直に延びる外側ダク
ト８で囲繞され、さらにこの外側ダクト８の内部
は、回転軸をはさんで略鉛直に延びる隔壁９，１
０および１１，１２と、第１および第２の回転体
を仕切つて略鉛直に延びる隔壁１３，１４とによ
つて４つのダクト部に区画される。各隔壁は回転
軸２および回転体１ａ，１ｂの回転に支障がない
ように、これらに対して僅かな間隙を隔てて設け
られている。この場合、回転軸２を中空とし、回
転軸内に連通管７を通すようにすれば、回転軸と
隔壁との間隙を小さくでき各ダクト部の間のシー
ル性を向上さることができる。かくして、各ダク
ト部に高温熱媒，低温熱媒あるいは中温熱媒を流
すことによつて、回転軸２の一側に回転軸の回転
に伴い第１の密閉容器６ａが順次通る低温熱媒室
Ｂと第２の密閉容器６ｂが順次通る高温熱媒室Ｄ
が形成され、回転軸２の他側に回転軸の回転に伴
い第１の密閉容器６ａが順次通る中温熱媒室Ｃと
第２の密閉容器６ｂが順次通る中温熱媒室Ａが形
成される。

なお、各熱媒室に流す熱媒は、流体であればそ
の種類は特に限定されないが、一般的には気体が
好ましく使用できる。また各熱媒室に実質的に等
しい圧力で流体の熱媒が供給される場合には各熱
媒室間のシールを厳密にする必要はない。

さらにこの実施例では各隔壁を略鉛直としてい
るが、必ずしも鉛直としなくてもよい。また、第
１の回転体１ａ側の隔壁９と第２の回転体１ｂ側
の隔壁１１とを図示のように同一平面上に設ける
必要はなく、回転軸２に対して互いに角度を変え
て設けてもよい。要するに、回転軸２の同じ側に
回転体１ａが通る低温熱媒室Ｂと回転体１ｂが通
る高温熱媒室Ｄとが配設され、それとは反対側の
回転軸２の他側に回転体１ａが通る中温熱媒室Ｃ
と回転体１ｂが通る中温熱媒室Ａとが配設される
ように、各ダクト部を区画すればよい。

上記したごとき構成の本発明のヒートポンプ装
置の作動を以下に説明する。この装置に使用する
金属水素化物の種類と熱媒の種類・温度は、ヒー
トポンプの作動目的によつて適宜選ばれる。ヒー
トポンプ装置を中温T_Mの熱源を利用して最も高
い温度T_Hの熱供給を行なう昇温モードによつて
暖房等に利用する場合は、第４図および第５図
（第４図の２つの回転体を展開した図）に示すよ
うに、中温熱媒室Ａにある第２の密閉容器が温
度T_Mの中温熱媒により加熱されこの容器内の
金属水素化物M₂が吸熱的に水素（H₂）を放出す
るとき、低温熱媒室Ｂにある第１の密閉容器が
温度T_L（＜T_M）の低温熱媒により冷却されこの
容器内の金属水素化物M₁が上記容器からの
水素を発熱的に吸蔵するとともに、中温熱媒室Ｃ
にある第１の密閉容器が温度T_Mの中温熱媒に
より加熱されこの容器内の金属水素化物M₁が
吸熱的に水素を放出するとき、高温熱媒室Ｄにあ
る第２の密閉容器内の金属水素化物M₂が上記
容器からの水素を発熱的に吸蔵して高温度T_H
（＞T_M）で熱媒と熱交換しうるように、各熱媒室
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの熱媒および金属水素化物M₁，
M₂が定められる。

かような昇温モードの作動を第６図の左回りサ
イクル線図を参照してさらに説明する。この昇温
モードにおいては、作動温度領域における水素平
衡分解圧が金属水素化物M₁より金属水素化物M₂
の方が高温領域にあるように選ばれ、例えば
LaNi₅水素化物−LaNi_4.7Al_0.3水素化物の組合せ、
あるいはCaNi₅水素化物−LaNi₅水素化物の組合
せが使用できる。第６図の昇温サイクルは次の４
つの反応により構成される。

） 金属水素化物M₂における脱水素化反応 金属水素化物M₂が中温熱媒温度T_Mで吸熱
（Q₁）して水素を発生する。

） 金属水素化物M₁における水素化反応 金属水素化物M₁が低温熱媒温度T_Lで上記
）で発生した水素を吸蔵して発熱（Q₂）す
る。

） 金属水素化物M₁における脱水素化反応 水素を吸蔵した上記）の金属水素化物M₁
が中温熱媒温度T_Mで加熱され吸熱（Q₃）して
高圧の水素を発生する。

） 金属水素化物M₂における水素化反応 水素を放出した上記）の金属水素化物M₂
は上記）で発生した高圧の水素を吸蔵して発
熱（Q₄）し高温T_Hとなる。

生成した金属水素化物M₂を中温熱媒により
温度T_Mに冷却すれば上記）の脱水素化反応
が行なわれサイクルが完結する。

第４図および第５図の状態においては、作動対
−にて上記反応）と）が起り、同時に作
動対−では上記反応）と）が起る。そし
て回転体１ａと１ｂが180゜回転した位置において
は、作動対−で反応）と）が起り、作動
対−で反応）と）が起る。このようにし
て、温度T_Mの中温熱媒を駆動源として高温熱媒
から温度T_Hの温熱出力を連続して得ることがで
きる。

本発明のヒートポンプにおいて特に注目すべき
点は、第４図からわかるように回転軸２の一側に
設けた低温熱媒室Ｂと高温熱媒室Ｄに位置する第
１の密閉容器と第２の密閉容器において常に反応
）と）の水素化反応が行なわれ、回転軸２の
他側に設けた中温熱媒室ＡとＣに位置する第２の
密閉容器と第１の密閉容器において常に反応）
と）の脱水素化反応が行なわれる点である。上
記水素化反応及び脱水素化反応は迅速に反応が完
結するため、このようにすることによつて、回転
軸の一側に位置する金属水素化物M₁とM₂は常に
水素化されて重量が増加した状態にあり、一方、
回転軸の他側に位置する金属水素化物M₁とM₂は
常に脱水素化されて重量が減少した状態にあるこ
とになる。従つて、本発明によれば回転軸の両側
でのかような金属水素化物の重量差によつて回転
軸に回転力を生ぜしめることができるのである。
この回転力によつて、外部から駆動力を加えずに
回転体を連続して回転させることができる。ま
た、この回転力による回転速度が高過ぎる場合に
はブレーキ手段等によつて回転速度を制御するこ
ともでき、逆に回転速度が低過ぎるときあるいは
この回転力だけでは回転しないときには、外部駆
動力を加えてやればよく、この場合にも最少限の
外部動力ですむ。

上記した本発明のヒートポンプ装置は、高温
T_Hの熱供給源と大気等の低温T_Lの熱源から中間
の温度T_Mの熱出力を発生させて暖房等に利用す
る熱増幅モードや、高温T_Hの熱源と中温T_Mの放
熱源を用いて低温T_Lの冷熱出力を発生させ冷凍
や冷房に利用する冷凍（降温）モードにおいても
使用でき、これらの場合には第７図の右回りサイ
クル線図のように、前述した第６図の左回りサイ
クル線図の発熱及び吸熱並びに水素の発生及び吸
蔵が逆となり、金属水素化物M₁とM₂との間の水
素移動も逆方向となつて、次の４つの反応により
構成される。

） 金属水素化物M₁における脱水素化反応 水素を吸蔵した下記）の金属水素化物M₁
が低温熱媒温度T_Lにおいて吸熱（Q₅）しつつ
水素を発生する。

） 金属水素化物M₂における水素化反応 金属水素化物M₂が中温熱媒温度T_Mにおいて
上記）で発生した水素を吸蔵しつつ発熱
（Q⁶）する。

） 金属水素化物M₂における脱水素化反応 水素を吸蔵した上記）の金属水素化物M₂
が高温熱媒温度T_Hにおいて吸熱（Q₇）しつつ
高圧の水素を発生する。

） 金属水素化物M₁における水素化反応 水素を放出した上記）の金属水素化物M₁
が中温熱媒温度T_Mにおいて上記）で発生し
た高圧の水素を吸蔵しつつ発熱（Q₈）する。

すなわち、熱増幅モードの場合は、第８図に示
したように、高温熱媒室Ｄにある第２の密閉容器
が温度T_Hの高温熱媒により加熱されこの容器
内の金属水素化物M₂が吸熱的に水素を放出す
るとき、中温熱媒室Ｃにある第１の密閉容器内
の金属水素化物M₁が上記容器からの水素を発
熱的に吸蔵して中温T_M（＜T_H）で熱媒と熱交換
しうるとともに、低温熱媒室Ｂにある第１の密閉
容器が温度T_L（＜T_M）の低温熱媒により加熱
されつつこの容器内の金属水素化物M₁が吸熱
的に水素を放出するとき、中温熱媒室Ａにある第
２の密閉容器内の金属水素化物M₂が上記容器
からの水素を発熱的に吸蔵して中温T_Mで熱媒
と熱交換しうるように、各熱媒室の熱媒および金
属水素化物M₁，M₂が定められる。

また、冷凍モードの場合は、第９図に示したよ
うに、高温熱媒室Ｄにある第２の密閉容器が温
度T_Hの高温熱媒により加熱されこの容器内の
金属水素化物M₂が吸熱的に水素を放出するとき、
中温熱媒室Ｃにある第１の密閉容器が温度T_M
（＜T_H）の中温熱媒により冷却されこの容器内
の金属水素化物M₁が上記容器からの水素を発
熱的に吸蔵するとともに、中温熱媒室Ａにある第
２の密閉容器が温度T_Mの中温熱媒で冷却され
つつこの容器内の金属水素化物M₂が水素を発
熱的に吸蔵するとき、その水素を吸熱的に放出し
ている低温熱媒室Ｂ内の第１の密閉容器が温度
T_L（＜T_M）熱媒と熱交換しうるように、各熱媒
室の熱媒および金属水素化物M₁，M₂が定められ
る。

上述した熱増幅モードおよび冷凍モードの場合
には、第８図および第９図からわかるように、回
転軸の一側に設けた低温熱媒室Ｂと高温熱媒室Ｄ
に位置する第１の密閉容器と第２の密閉容器にお
いて常に反応）と）の脱水素化反応が行なわ
れ、回転軸の他側に設けた中温熱媒室ＡとＣに位
置する第２の密閉容器と第１の密閉容器において
常に反応）と）の水素化反応が行なわれる。
従つて、回転軸の一側で金属水素化物M₁とM₂の
重量が常に減少し、回転軸の他側で常に重量が増
加加した状態にあり、かような金属水素化物の重
量差によつて回転軸に回転力が付与されることに
なる。ただし、第８図，第９図の如き熱増幅モー
ドおよび冷凍モードの場合には、第４図，第５図
に示した昇温モードの場合と回転方向が逆とな
る。

なお、上記の説明においては、中温熱媒室Ａお
よびＣにおける中温熱媒温度をいずれもT_Mとし
て表示したが、これを異なる温度としてもよい。
また、中温熱媒温度T_Mをいずれも同じ温度とし
た場合には、熱媒室ＡとＣとの間の隔壁１４は必
要により省略することもできる。

本発明によるヒートポンプ装置の別な実施例を
第１０図と第１１図に示す。第１０図は、共通の
回転軸２に第１の回転体１ａと第２の回転体１ｂ
との組合せを複数設けた例である。また第１１図
は、同一熱媒室内に第１の回転体１ａと第２の回
転体１ｂとを各々複数個設けた例である。第１１
図の実施例においては、３個の回転体１ａの対応
する同じ位置にある３個の密閉容器と、３個の回
転体１ｂの対応する同じ位置にある３個の密閉容
器とを、共通する１本の連通管１７で接続して１
つの作動対を形成するようにしてある。また、こ
の連通管１７を中空の回転軸２内を通すことによ
り、各熱媒室のシール性を向上させている。

本発明のヒートポンプ装置は、上記した実施例
のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲
内で種々の変形が可能である。例えば回転体は必
ずしも円板状とする必要はなく、球状や多角形状
としてもよい。また複数の第１の回転体と第２の
回転体とを一体にし、例えば全体として円柱状に
形成しこれを回転軸となしてもよい。また、金属
水素化物を充填した複数個の密閉容器は、図示し
た回転体１ａ，１ｂのように一体構造にする必要
はなく、回転軸の周方向に放射状に散在させて回
転軸とともに回転しうるように配置してあればよ
い。そこで、１つの回転体上にある複数個の密閉
容器をスクリユー状になるようにひねつて回転体
周方向に配向配置させることもでき、この場合に
は各熱媒室内の熱媒を回転軸に沿つて流す様に熱
媒の出入口を配置すると該熱媒流により回転軸に
回転力をさらに付与することができる。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、回転軸の
一側にある密閉容器内の金属水素化物で常に水素
化反応が起つて重量が増加し、一方、回転軸の他
側にある密閉容器内の金属水素化物で常に脱水素
化反応が起つて重量が減少するようにしたため、
回転軸両側の金属水素化物の重量差によつて回転
軸に回転力を生じさせることができる。そのた
め、この回転力によつて、外部から駆動力を加え
ずとも、回転軸の周方向に環状に配設した複数の
密閉容器を順次回動させることができる。また、
この重量差による回転力だけでは回動しない場合
でも、最少の外部駆動力を加えてやるだけでよい
から、外部動力の節減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のヒートポンプ装置の１つの実
施例を示す平面図、第２図は第１図−線に沿
う断面図、第３図は第１図における回転体の側面
図、第４図は第１図の装置の昇温モードにおける
作動説明図、第５図は第４図の展開説明図、第６
図は昇温モードを説明する左回りサイクル線図、
第７図は熱増幅モードおよび冷凍モードを説明す
る右回りサイクル線図、第８図は第１図の熱増幅
モード作動を示す展開説明図、第９図は第１図の
装置の冷凍モード作動を示す展開説明図、第１０
図および第１１図は本発明のヒートポンプ装置の
他の実施例を示す説明図である。 １…回転体、２…回転軸、６…密閉容器、７，
１７…連通管、８…外側ダクト、９，１０，１
１，１２，１３，１４…隔壁、Ａ，Ｃ…中温熱媒
室、Ｂ…低温熱媒室、Ｄ…高温熱媒室、M₁，M₂
…金属水素化物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 作動温度領域において水素平衡分解圧が異な
   る第１および第２の金属水素化物を用い、第１の
   金属水素化物を第１の密閉容器に充填し、第２の
   金属水素化物を第２の密閉容器に充填し、第１の
   密閉容器と第２の密閉容器とを水素が流通できる
   連通管により接続して作動対を形成し、この作動
   対の複数を回転軸の周方向に配設し、第１の密閉
   容器および第２の密閉容器のそれぞれを回転軸の
   回転により各熱交換部に循環させて、脱水素化反
   応により第１の金属水素化物から水素を吸熱的に
   放出させ、この水素を水素化反応により第２の金
   属水素化物に発熱的に吸蔵させ、次に、この第２
   の金属水素化物から脱水素化反応により水素を吸
   熱的に放出させ、この水素を水素化反応により前
   記第１の金属水素化物に発熱的に吸蔵させるよう
   にしたヒートポンプ方法であつて、該回転軸の一
   側にある第１および第２の密閉容器にて常に水素
   化反応が、該回転軸の他側にある第１および第２
   の密閉容器にて常に脱水素化反応がそれぞれ起る
   ように前記各作動対を形成する第１の密閉容器と
   第２の密閉容器の位相をずらして、水素化反応を
   した金属水素化物と脱水素化反応をした金属水素
   化物との重量差によつて前記回転軸に回転力を生
   じさせることを特徴とするヒートポンプ方法。 ２ 第１の金属水素化物を充填した第１の密閉容
   器の複数個を周方向に配設した第１の回転体と、
   作動温度領域において水素平衡分解圧が第１の金
   属水素化物より高温領域にある第２の金属水素化
   物を充填した第２の密閉容器の複数個を周方向に
   配設した第２の回転体とを略水平な共通の回転軸
   で回転自在に支承し、該回転軸の一側に該回転軸
   の回転に伴い第１の密閉容器が順次通る低温熱媒
   室と第２の密閉容器が順次通る高温熱媒室を配設
   するとともに、該回転軸の他側に該回転軸の回転
   に伴い第１の密閉容器が順次通る中温熱媒室と第
   ２の密閉容器が順次通る中温熱媒室を配設し、第
   １の密閉容器の１つとこれと該回転軸の中心点に
   対して点対称にある第２の密閉容器の１つとを水
   素が流通しうる連通管によつて接続して作動対と
   し、低温熱媒室にある第１の密閉容器と作動対を
   なす第２の密閉容器が中温熱媒室にあり、かつ高
   温熱媒室にある第２の密閉容器と作動対をなす第
   １の密閉容器が中温熱媒室にあるように、位相が
   ずれた第１の密閉容器と第２の密閉容器とによつ
   て前記作動対が形成されていることを特徴とする
   ヒートポンプ装置。