JPH0472142B2 - - Google Patents

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JPH0472142B2
JPH0472142B2 JP59041501A JP4150184A JPH0472142B2 JP H0472142 B2 JPH0472142 B2 JP H0472142B2 JP 59041501 A JP59041501 A JP 59041501A JP 4150184 A JP4150184 A JP 4150184A JP H0472142 B2 JPH0472142 B2 JP H0472142B2
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JP
Japan
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temperature
cycle
heat
adsorption
heat pump
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JP59041501A
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English (en)
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JPS60185073A (ja
Inventor
Isao Takeshita
Koji Gamo
Yoshio Moriwaki
Nobuyuki Yanagihara
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、作動気体を可逆的な吸脱着反応での
発熱、吸熱を利用したケミカルヒートポンプ装置
に関するものであり、優れた性能を生かして低質
の熱源を用いて暖房、給湯、或いは工業用の熱を
供給することのできるものである。
従来例の構成とその問題点 ヒートポンプ装置は圧縮式、吸収式、ケミカル
ヒートポンプの3つに大別できる。本発明に係る
ケミカルヒートポンプは、近年エネルギー有効利
用の観点から次第に関心が高まりつつある。
ケミカルヒートポンプは、物質の吸脱着反応も
しくは、相変化反応を利用したヒートポンプであ
り、作動媒体としては金属水素化物や、無機水和
物、有機物、ゼオライトなどがその材料として考
えられている。これらの作動気体としては水素、
水蒸気、アンモニアなどがある。
次に、従来のヒートポンプ装置の構成やその問
題点を金属水素化物の場合を例に説明する。
従来の一般的なヒートポンプサイクルは第1図
に示す温度・平衡圧力特性を示す。温度・平衡圧
力特性の異なる2種類の金属水素化物を用い、同
一温度で平衡圧力の低い金属水素化物(MH1
で十分に水素を吸着したものをTM度で加熱し
(Aの状態)、TL度の十分水素を脱着した同一温
度で平衡圧力の高い金属水素化物(MH2)と連
通すると、MH1の水素はMH2に移動する(Bの
状態)。この際MH2は発熱反応により熱を発生す
るが、これは大気などに捨てる。次にMH2を温
度TMで加熱し(Cの状態)、水素を脱着した
MH1と連通するとMH2から水素はMH1に移動す
る。この際発熱反応によりMH1は暖められTM
からTH度に上昇し、MH2のTM度における平衡圧
力に近い圧力に対応するMH1の平衡温度で熱を
発生する(Dの状態)。
このようにA→B→C→Dの過程を繰り返すこ
とによつて、TMの熱源温度の熱から、これより
高いTH温度の高温の熱を取得することができる。
しかし、この方法でえられる昇温幅は熱源温度
TM度と、放熱温度TL度との温度幅でほぼきまつ
てしまい、それ以上の昇温は望めなかつた。
発明の目的 本発明は、低温熱源温度と放熱温度との温度差
を有効に利用し、熱源温度より高い温度の熱出力
を得る間欠作動式第2種ヒートポンプ装置を用
い、一つのサイクルでえられる昇温幅以上の温度
に昇温した熱出力を得ることを目的とする。
発明の構成 本発明は多重効用ヒートポンプ装置は、作動気
体とその作動気体を可逆的に吸脱着できる温度・
平衡圧力特性の異なる2種類の媒体を2つの部屋
に区画した密閉容器内に各々収納し、気体の吸脱
着反応時の発熱、吸熱を利用したケミカルヒート
ポンプ装置であり、ヒートポンプサイクルが少な
くとも2組から構成され、同一温度で平衡圧力の
高い低温側吸脱着反応媒体を、熱源により加熱
し、平衡圧力の低い高温側吸脱着反応媒体に吸着
せしめることにより熱源温度より高い温度を得る
第2種ヒートポンプサイクルとして使用し、相対
的に低温で作動する前記第1のサイクルの高温側
媒体が作動気体を吸着する際の吸着反応発熱温度
を、相対的に高温で作動する前記第2のサイクル
の高温側媒体の脱着反応加熱温度および低温側媒
体の脱着反応加熱温度より高くし、第1の第2種
ヒートポンプサイクルの前記吸着反応熱を用い
て、第2の第2種ヒートポンプサイクルの高温側
媒体からの作動気体の脱着および低温側媒体から
の作動気体の脱着を共に行わしめると共に第1お
よび第2の第2種ヒートポンプサイクルの低温側
の発熱をほぼ同一温度で放熱せしめるごとくした
2段(多段)第2種ヒートポンプ装置である。
この場合、比較的高温側の第2のヒートポンプ
サイクルの低温側吸脱着媒体の温度平衡圧力特性
を、比較的低温側の第1のヒートポンプサイクル
の2種類の吸脱着媒体の温度圧力特性の中間に選
ぶことが望ましい。また各ヒートポンプサイクル
の少なくとも一つに作動気体として、水素ガスを
用い、吸脱着反応媒体に金属水素化物を形成し得
る金属又はその合金を用いることを特徴とするも
のである。
実施例の説明 本発明の多段第2種ヒートポンプ装置の一実施
例の構成図を第2図に、また、そのヒートポンプ
サイクル図を第3図に示す。なお、吸脱着できる
媒体として金属水素化物を例に取つて説明する。
第2図に示すように温度・平衡圧力特性の異な
る2種類の金属水素化物を2つの区画された密閉
容器内に各々収容したものを2組作成した。第2
図のMH1とMH2で相対的に低温側で動作する第
1のヒートポンプサイクルを形成し、MH3
MH4で相対的に高温側で動作する第2のヒート
ポンプサイクルを形成するように構成した。この
2つのヒートポンプサイクルにおいて、同一温度
での平衡圧力の低い高温発熱側は、MH1とMH3
である。
次に、上記ヒートポンプ装置の動作について説
明する。
第1のヒートポンプサイクルの高温発熱側の金
属水素化物MH1を熱源1によりTM度で加熱し、
低温発熱側の金属水素化物MH2をTL度の外気な
どで冷却し弁2を開放すると、MH1に吸着して
いた水素はMH2に移動する。この際MH1では吸
熱、MH2では発熱が起る。この発熱は放熱器3
で捨てる。
この動作によつて第3図の状態A→Bへの水素
移動が起る。この後弁2を閉じMH1への熱源1
からの加熱を停止し、MH2を熱源4(TM度)に
より加熱すると平衡圧力がPHに上昇する。ここ
で加熱を続けながら弁2を開くと水素ガスは
MH1に移る。この際MH2では吸熱が起り、MH1
ではTH度の発熱を生ずる。この場合TH>TMであ
る。
第2のヒートポンプサイクルの低温発熱側の放
熱温度を第1のそれと同じでTL度とする。2つ
のサイクルの温度圧力線図上の相対関係は、第4
図に示すごとく無数に考えられ、(イ)はMH1
MH4に同じ材料を用いて高圧側をほぼ同一にし
たものであり、(ロ)はMH2とMH4を同一の材料と
することにより低圧側はほぼ同一となる。(ハ)は
MH4の温度平衡圧特性をMH1とMH2の中間にと
つたものであり、第1のサイクルの高・低圧が共
に第2のサイクルの高低圧の間に選ばれる。
いづれにせよ第2のヒートポンプサイクルの加
熱温度TM′をTHよりやや低くとることにより、
第1のサイクルによつて生じたTH度の熱により
第2のサイクルが駆動される。
すなわち、TL度でMH4を冷却し、MH3とMH4
を連通する配管の弁2′を開きMH1で発生した熱
を熱輸送手段5によつてMH3の加熱に用いると、
MH3の水素はMH4に移動する。
このようにしてMH3からMH4に水素の移動が
起るとMH3では吸熱、MH4では発熱を生ずる。
後者は放熱器3′によつて大気に捨てる。次に弁
2′を閉じ、MH4を再び第1のヒートポンプサイ
クルによつて発生するTH度の熱源によつて加熱
すると圧力はPH′に上昇する。ここで弁2′を開
けばMH3へ水素が吸着されTH′度での発熱を生ず
る。これを熱輸送手段7により取出すことによ
り、熱源温度TMよりはるかに高い温度TH′の熱
がえられる。実際にはMH3の加熱とMH4の加熱
は時間的にずれているため、第3図に示すごとく
第1のサイクルを2組用意し、その発熱をそれぞ
れMH3,MH4の加熱に使用できるようにそれぞ
れ位相をずらして運転するのがよい。温度差
TH′−TMは一段の場合の温度差TH−TMのほぼ3
倍近い値がえられる。なお熱源1と4は同一でよ
い。
本発明の具体例として、第2図、第3図に示す
ような構成と、温度圧力サイクルを有するヒート
ポンプ装置を試作し、その評価を行なつた結果に
ついて述べる。
MH1としてTi0.35Zr0.65Mo1.2Cr0.6Cp0.2MH2とし
てTi0.6Zr0.4Mo1.4Cr0.4Cu0.2MH3としてTi0.3Zr0.7
Mo1.2Cr0.6Cp0.2MH4としてTi0.45Zr0.55Mo1.2Cr0.6
Cp0.2のTi−Mn系合金を、MH1とMH2の組み合
せは各5Kgづつ2組、MH3とMH4の組み合せは
各5Kgづつ1組を第3図のような構成の装置に充
填した。そして第1のヒートポンプサイクルにそ
れぞれ約31モルの水素ガス、第2のヒートポンプ
サイクルでは31モルの水素ガスが各サイクルで移
動するように金属水素化物として調整した。
そして熱源1,4の温度を72度、外気による放
熱温度を30度として第1段の第2種ヒートポンプ
の出力温度として114度がえられた。さらにこの
熱源により加熱された第2のヒートポンプサイク
ルの出力温度TH′として185度を得た。
また出力の熱量を入力で除した値、いわゆる成
績係数として、0.09を得た。
なお原理的にはそれぞれのサイクルの成積係数
をCOP1,COP2とし2段サイクルの成積係数を
CPO0とすれば COP0=COP1×COP2 で与えられる。また各サイクルの成積係数は0.5
を越えない。
この実験で行なつたようにMH4をMH1とMH2
の中間の圧力温度特性の材料を選ぶことが好まし
い。また各ヒートポンプサイクルの少なくとも一
つに、作動気体として水素ガスを用い、吸脱着反
応媒体に金属水素化物を形成し得る金属またはそ
の合金を用いることが良い。金属水素化物を用い
たヒートポンプサイクルは、反応の可逆性や繰返
し運転による寿命性能に優れているばかりでな
く、反応速度が非常に早くできるメリツトなども
有している。
また、本発明に関するケミカルヒートポンプ用
材料の多くは比較的高い温度での反応が可能であ
り、実施例等で示した2つのヒートポンプサイク
ルによる2段昇温にかぎらず3段、4段の昇温も
可能である。
金属水素化物を用いたヒートポンプはその使用
する材料が水素ガスと合金であり、耐熱性が極め
て高いため高温のヒートポンプに適しているが、
第2種のヒートポンプ1段では、熱源温度と外気
などへの放熱温度(ヒートシンクの温度)の差程
度の昇温が可能なだけであつた。
発明の効果 本発明により熱源温度と外気などへの放熱温度
の温度差の2.5倍から3倍近い昇温が可能となり、
同じ原理でもう1段以上何段でも重ねることが可
能である。また、第2のヒートポンプサイクルの
低温側吸脱着媒体(MH4)の平衡温度圧力特性
を第1のヒートポンプサイクルの2つの媒体の中
間の特性のものに選ぶことによつて、第1のサイ
クルの高圧および低圧を使用上もつとも無理のな
い条件に選ぶことが可能であり、第1のサイクル
の成績係数を理想的な値に近づけることが容易と
なる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の一実施例の1段の第2種ヒート
ポンプサイクル図、第2図は本発明の一実施例の
間欠作動式多段第2種ヒートポンプ装置の構成
図、第3図は第2図に示すヒートポンプ装置のヒ
ートポンプサイクル図、第4図イ〜ハは本発明の
一実施例である2段の第2種ヒートポンプサイク
ルの組み合せ方の代表例の温度−平衡圧力線図で
ある。 1,4……熱源、2,2′……水素ガス弁、3,
3′……放熱器、5,7……熱輸送手段。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 作動気体を可逆的に吸脱着できる物質で、温
    度平衡圧力特性の異なる吸脱着反応媒体を2種類
    用い、この媒体をそれぞれ容器内に収容し、作動
    気体をそれぞれの前記媒体間を移動させる際の発
    熱吸熱を利用するケミカルヒートポンプサイクル
    を少なくとも2組用意し、各々同一温度で平衡圧
    力の高い低温側吸脱着反応媒体を熱源により加熱
    し、平衡圧力の低い高温側吸脱着媒体に吸着させ
    ることにより熱源温度より高い温度を得る第2種
    ヒートポンプサイクル(第1のサイクル、第2の
    サイクル)として使用し、相対的に低温で作動す
    る前記第1のサイクルの高温側媒体が作動気体を
    吸着する際の吸着反応発熱温度を、相対的に高温
    で作動する前記第2のサイクルの高温側媒体およ
    び低温側媒体の脱着反応加熱温度より高くし、前
    記第1のサイクルの前記吸着反応熱を用いて前記
    第2のサイクルの加熱を行わせ、前記第1と第2
    のサイクルの低温側放熱温度をほぼ同じとした間
    欠作動式多段第2種ヒートポンプ装置。 2 第2のサイクルの低温側吸脱着媒体の温度平
    衡圧特性を第1のサイクルの2種類の吸脱着媒体
    の温度平衡圧特性の中間に選んだ特許請求の範囲
    第1項記載の間欠作動式多段第2種ヒートポンプ
    装置。 3 各サイクルの少なくとも1つに作動気体とし
    て水素ガスを用い、吸脱着反応媒体に金属水素化
    物を形成しうる金属またはその合金を用いた特許
    請求の範囲第1項記載の間欠作動式多段第2種ヒ
    ートポンプ装置。
JP59041501A 1984-03-05 1984-03-05 間欠作動式多段第2種ヒ−トポンプ装置 Granted JPS60185073A (ja)

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JPS60185073A JPS60185073A (ja) 1985-09-20
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS57104063A (en) * 1980-09-17 1982-06-28 Sekisui Chemical Co Ltd Metal hydrogenate heat pump
JPS6064168A (ja) * 1983-09-19 1985-04-12 工業技術院長 ヒ−トポンプシステム

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JPS60185073A (ja) 1985-09-20

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