JPH0573984B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、作動気体の可逆的な吸脱着反応での
発熱、吸熱を理想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熱駆
動の冷暖房、給湯装置として広く利用できる。

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。これらの作動媒体としては、水素、水蒸
気、アンモニアなどがある。これまでに知られて
いるケミカルヒートポンプ装置は省エネルギー
性、無騒音、無振動など多くの特徴を期待されつ
つも、現在の圧縮機や吸収式のような実用化レベ
ルに達していない。

この理由としては、成績係数（COP）を含め
たヒートポンプ装置としての性能が比較的低いこ
とや、使用条件の困難性、経済性などが主なもの
である。具体的には、熱交換器が、媒体充填容器
に比較して、重量的、体積的、熱容量的に占める
割合が大きすぎることや、熱交換の際に熱媒体を
循環するポンプ動力を必要とするため余分なエネ
ルギーを費やすことや、熱交換ループの切換え用
の配管系統を付加する必要があることなどであ
る。したがつて、性能の向上や、低価格化などを
図ることがケミカルヒートポンプ装置として重要
な課題である。

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を高温熱源
を入力してTH温度まで昇温する（Ａの状態）こ
の場合温度に応じてMH１は昇圧され、他方の平
衡圧力の高い金属水素化物MH２に圧力差を利用
して水素を移動できる。この時のMH２の得られ
る温度はTMである。（Ｂの状態）。次にMH１を
温度TMに保持し、MH２と連通すれば、MH２
の水素はMH１に移動する。この際MH２は吸熱
反応により常温以下に温度が低下して（TL）、一
方MH１では発熱する（Ｃ→Ｄ）の状態。このよ
うにＡ→Ｂ→Ｃ→Ｄの過程を繰り返す事によつ
て、Ａの高温熱源THの入力で状態ＢとＤで反応
の発熱によるTM温度の温熱を得る熱量取得型の
ヒートポンプサイクルや、状態Ｃで反応の吸熱に
よるTL温度の冷熱を得る冷熱発生型のヒートポ
ンプサイクルを形成することが可能である。この
第１図に示すようなヒートポンプサイクルでは、
暖房時、COPが1.0以上で出力が入力より大きく
省エネルギー機器とし注目されるところである
が、冷房時のCOPは0.4〜0.5程度では比較的性能
はよくない。またこのヒートポンプサイクルにお
いては、入力熱源温度（TH）を質の高い比較的
高温、例えば200〜300℃とした場合に、逆に
COPは低下するという問題を有している。これ
では、良質の高温熱源の有効利用には寄与できな
い。このような単純サイクルの低いCOPを改善
するために、特開昭54−99095公報に示されてい
るような発明がある。第２図はそのヒートポンプ
サイクル図であるが、図のように温度・圧力特性
の異なる種類の金属水素化物を用いた多段式であ
り、状態Ａでの入力熱源で、状態Ｂ、Ｄ、Ｆから
温熱を出力することや状態Ｃ、Ｅで冷熱を出力す
ることができる。この場合、冷房時のCOPは0.8
〜1.0程度まで向上させることが期待できる。こ
れは入力熱源温度（TH）を高くすることによつ
て可能となるサイクルで、高い入力熱源温度を有
効に利用した方法である。しかし、この多段式ヒ
ートポンプサイクルは、水素の吸脱着反応をスム
ーズに進行させるために第１図の単純サイクルに
比較すれば、サイクルに使用する圧力範囲をかな
り広げる必要がある。この事によつて、高い圧力
領域を選べば、容器の耐圧が重要となり、高価と
なるばかりでなく、熱容量の増大によつてCOP
を低下させる原因となり、逆に低い圧力領域を選
べば、比容積が増大し水素の移動における圧力損
失が大きく、サイクル全体の反応速度が著しく低
下するという問題を有していた。

この点に関してさらに、多重効用型のヒートポ
ンプサイクル（特願昭58−125044）が提案され、
原理的に解決されているが、その際、相対的に高
温側で作動するヒートポンプサイクルの高温加熱
側吸脱着媒体の吸着反応熱を、相対的に低温で作
動するヒートポンプサイクルの高温加熱側吸脱着
媒体に移送する必要が生ずる。

従来、この目的には熱媒体の通路を両媒体の容
器に設け、ポンプにより強制的に熱媒体を循環せ
しめる方法がとられており、余分な電力の消費、
ポンプ、配管などからの熱損失の増加・吸脱着媒
体容器の熱容量の増加、ひいては系全体の成績係
数の低下をきたすなどの問題点があつた。

発明の目的 本発明は高温熱源を有効に利用し、一つのサイ
クルの反応によつて得られる発熱で他のサイクル
を駆動する２重（多重）用のサイクルにおいて、
熱交換容器の小形化、熱交換ポンプ動力の軽減、
熱交換配管系統の簡易化などを行なうことによ
り、サイクルをより効率的に省エネルギー的に運
転できる構造にして、円滑にサイクルを駆動で
き、COP（成績係数）の高いものとすることを目
的とする。

発明の構成 本発明の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、高温加熱側吸脱着反応
媒体がより低い平衡圧力特性を有する（相対的に
高温側で動作する）ヒートポンプサイクルの同一
温度で平衡圧力の低い高温加熱側吸脱着反応媒体
の吸着反応発熱温度を高温加熱側吸脱着反応媒体
がより高い平衡圧力特性を有する（相対的に低温
側で動作する）ヒートポンプサイクルの同一温度
で平衡圧力の低い高温加熱側吸脱着反応媒体の脱
着反応加熱温度より高くし、（相対的に高温側で
動作する）ヒートポンプサイクルの前記吸着反応
熱を用いて（相対的に低温側で動作する）ヒート
ポンプサイクルの加熱を行なう装置において、相
対的に高温側で動作するヒートポンプサイクルの
高温加熱側吸脱着反応媒体（以下MH１と称す）
を充填した容器（以下容器Ｖ１と称す）と、相対
的に低温側で動作する媒体（以下MH３と称す）
を充填した容器（以下容器Ｖ３と称す）との間に
熱交換可能な連結管路として、重力自然循環型ヒ
ートパイプを設けて、第１の熱交換ループを形成
せしめ、相対的に高温側で動作するヒートポンプ
サイクルの前記吸着反応熱を用いて、相対的に低
温側で動作するヒートポンプサイクルの加熱を行
なうと共に、容器Ｖ３と温熱冷熱出力装置との間
に、熱交換可能な、連結管路として、重力自然循
環ヒートパイプを設けて、第２の熱交換ループを
形成し、相対的に、低温側で動作するヒートポン
プサイクルの高温加熱側吸脱着媒体の吸着反応に
よる発熱を、圧熱出力装置に取り出すようにし、
さらに前記第１、第２の熱交換ループは容器Ｖ３
内において上記ヒートパイプの管路を兼用するよ
うにしたことを特徴とするものである。そして上
記各々のヒートポンプサイクルは、間欠動作を行
なわせる際上記第１、第２の熱交換ループを、バ
ルブ操作により、切換え可能とすること。さらに
各ヒートポンプサイクルの作動気体を可逆的に吸
脱着できる媒体の同一温度で平衡圧力の高い低温
吸熱側吸脱着反応媒体に、同一物質もしくはほぼ
同一の温度平衡圧力特性を有する物質を使用する
こと。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 本発明の多重効用ヒートポンプ装置の一実施例
の構成図を第３図に、またそのヒートポンプサイ
クル図を第４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とつて説明する。第３
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
に各々収納したものを２組作成した。第３図の
MH１とMH２で相対的に高温側で動作する第１
のヒートポンプサイクルを形成し、MH３とMH
４で相対的に低温側で動作する第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加熱側はMH１とMH３であ
る。そしてMH１を充填した容器Ｖ１と、MH３
を充填した容器Ｖ３との間に重力自然循環型ヒー
トパイプを設けて、第１の熱交換ループを形成せ
しめ、容器Ｖ３と温熱冷熱出力装置との間に重力
自然循環型ヒートパイプを設けて、第２の熱交換
ループを形成せしめ、さらに容器Ｖ３内の熱交換
路を第１と第２の熱交換ループが兼用するように
構成した。

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加熱側
の金属水素化物MH１を比較的温度の高い廃熱源
１を使つて加熱する。するとMH１は加熱されて
第４図のＡ点まで昇圧される。この時水素ガスバ
ルブ２を開けると、MH１とMH２の圧力差によ
つて水素はMH２に移動し、MH２では反応に伴
なう温熱を発生する。（第４図の状態Ａ→Ｂへの
水素移動）この後、MH１への廃熱源１からの加
熱を停止することにより、MH１は徐々に温度が
低下し、MH２より平衡圧力が下がるため、逆
に、MH２よりMH１への圧力差による水素移動
が可能となる。（第４図の状態Ｂ，Ｃ→Ｄへの水
素移動）この時、MH２では水素放出に伴なう冷
熱を、またMH１では水素吸蔵に伴なう温熱をそ
れぞれ発生する。

このMH１とMH２を用いた動作だけなら、従
来の一般的なヒートポンプと変わりはない。本発
明は、このMH１で発生する温熱を単に熱出力と
して使用（従来の暖房時）するとか、又は放熱
（従来の冷房時）するのでなく、別に構成した第
２のヒートポンプサイクルのMH３の加熱用熱源
とするのに、重力自然循環型ヒートパイプを用い
て熱交換を行ない、かつMH３の吸着反応熱の温
熱出力装置への取り出しも容器Ｖ３内の熱交換路
を兼用し、重力自然循環型ヒートパイプを用いて
熱交換ループを形成せしめるところに特徴があ
る。熱交換ループに重力自然循環型ヒートパイプ
を用いることによつて、第２のヒートポンプサイ
クルは、A′→B′→C′→D′の順に水素を非常に円
滑に、第１のヒートポンプサイクル同様に移動す
ることができる。上記各々のヒートポンプサイク
ルは間欠作動を行なわせる際、上記熱交換ループ
をバルブ操作のみで切換え可能にした。

第１のヒートポンプサイクルにおいてMH２か
らMH１への水素移動を行なう際にはバルブ５，
５′を開き、バルブ６，６′を閉じておき、MH１
での温熱を上記ヒートパイプの第１の熱交換ルー
プによつて、MH３の加熱を行ない、MH１の吸
着発熱が終了するとバルブ５，５′を閉じて第１
の熱交換ループ内の熱媒流体をループ内の容器Ｖ
３内の熱交換路以外の位置に貯溜しておき、第２
のヒートポンプサイクルにおいて、MH４より
MH３への水素移動の際にはバルブ６，６′を開
き、５，５′は閉じたままで、MH３で発生する
温熱を、上記ヒートパイプの第２の熱交換ループ
によつて、温熱出力装置に取り出し、MH３の吸
着発熱が終了するとバルブ６，６′を閉じて、第
２の熱交換ループ内の熱媒流体をループ内の容器
Ｖ３内の熱交換路以外の位置に貯溜しておく。第
１の熱交換ループに使用する熱媒流体と第２の熱
交換ループに使用する熱媒流体は、運転操作温度
によつて同一種類でも、異なつてもよい。

本発明の具体例として、第３図、第４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、Ti_0.3Zr_0.7Mr_1.2
Cr_0.6Co_0.2、MH３としてTi_0.6Zr_0.4Mr_1.2Cr_0.6
Cn_0.2、MH２とMH４としてTi_0.9Zr_0.1Mr_1.4Cr_0.4
V_0.2のTi−Mn系合金を約10Kgずつ、第３図のよ
うな構成の装置に充填した。そして第１、第２の
ヒートポンプサイクルのそれぞれに約63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MH１を約200℃に
加熱し、ヒートポンプとしての性能を検討した。
その結果、COP値は、1.56（暖房）と1.01（冷房）
と非常に良好な値であり、その運転もスムーズに
繰返し行なうことができた。ちなみに従来の熱交
換方法を用いたヒートポンプの性能は1.36（暖房）
と0.91（冷房）であつた。したがつて上記のヒー
トポンプ装置は多重効用を採用しているため従来
からの問題点であつたCOPを大きくする必要も
ない。なお、各ヒートポンプサイクルの同一温
度・平衡圧力を有する物質を使用することが好ま
しい。それは、反応によつて得られる発熱又は吸
熱の温度レベルをほぼ同一にすることによつて利
用側での温度レベルを一定に出来ると共に、２つ
のサイクルの高低圧をほぼ同一にし得る。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
非常に速くできるメリツトなども有している。さ
らに、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（２重効用）に限らず、さらに高温の熱源を利
用して、３重、４重の多重効用型も可能であり、
高温廃熱などのエネルギー有効利用にも役立つも
のである。また、容器内に充填する媒体は、特に
金属水素化の場合は同一種の材料であつても異な
る材料の混合物であつてもよい。

発明の効果 二重効用（多重効用）ヒートポンプ装置は、一
段目の廃熱で二枚目が駆動されるため、原理的に
高い成績係数が期待されるが、熱搬送の方法には
種々の問題があつた。しかし本発明によれば従
来のヒートポンプサイクルでは、熱交換ループを
駆動するのにポンプ動力を必要としたのでエネル
ギー的に不利であり、騒音も生じていたが、本発
明においては、ポンプ動力が不要なので省エネル
ギー的で、かつ無騒音となう。間欠作動の際、
熱媒流体の切換えはバルブ操作のみであるので、
運転操作が非常に簡単になる。２つの熱交換ル
ープの主な流路を兼用した構造となつているの
で、従来の構造に比較して、容器が小さくて済
み、したがつて容器の熱容量が小さくなる。本
発明の熱交換ループは、わずかの温度差で、大量
の熱量を運ぶことができるので、第１のサイクル
の放熱温度と第２のサイクルの加熱温度の差を小
に設計することができ、それだけ第１のサイクル
の加熱温度を低く設計することができる。

その結果、サイクルの成績係数が高く、省エネ
ルギー性が高い。又本発明の熱搬送ループは、構
造が簡単であり故障する所がなく、安価であるな
ど多くの利点を持つている。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来からよく知られた一重効用ヒー
トポンプサイクル図、第２図は改良された従来例
の多段式のヒートポンプサイクル図、第３図は本
発明の一実施例の多重効用ヒートポンプサイクル
図、第４図は第３図に示すヒートポンプ装置のヒ
ートポンプサイクル図である。 １……廃熱源、２，２′……水素ガスバルブ、
３……第１の熱交換ループ、４……第２の熱交換
ループ、５，５′……第１の熱交換ループ操作バ
ルブ、６，６′……第２の熱交換ループ操作バル
ブ、７……温熱、冷熱の出力装置、MH１〜MH
４……金属水素化物。

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を充填
   して温度・平衡圧特性の異なる容器を形成し、前
   記容器間に作動媒体を移動可能に充填したケミカ
   ルヒートポンプを少なくとも２組用意し、相対的
   に高温側で動作する第１のヒートポンプサイクル
   の同一温度で平衡圧力の低い高温加熱側吸脱着反
   応媒体の吸着反応発熱温度を相対的に低温側で動
   作する第２のヒートポンプサイクルの同一温度で
   平衡圧力の低い高温加熱側吸脱着反応媒体の脱着
   反応加熱温度より高くし、第１のヒートポンプサ
   イクルの前記吸着反応熱を用いて第２のヒートポ
   ンプサイクルの加熱を行ない、第１のヒートポン
   プサイクルの高温加熱側吸脱着反応媒体（以下
   MH１と称す）を充填した容器と（以下容器Ｖ１
   と称す）、相対的に低温側で動作する媒体（以下
   MH３と称す）を充填した容器（以下容器Ｖ３と
   称す）との間に熱交換可能な連絡管路として、重
   力自然循環型ヒートパイプを設けて、第１の熱交
   換ループを形成せしめ、第１のヒートポンプサイ
   クルの前記吸着反応熱を用いて、第２のヒートポ
   ンプサイクルの加熱を行なうと共に、容器Ｖ３と
   温熱出力装置との間に、熱交換可能に、連結管路
   として重力自然循環型ヒートパイプを設けて、第
   ２の熱交換ループを形成し、第２のヒートポンプ
   サイクルの高温加熱側吸脱着媒体の吸着反応によ
   る発熱を温熱出力装置に取り出すようにし、さら
   に前記第１、第２の熱交換ループは、容器Ｖ３内
   において、前記ヒートパイプの管路を兼用するよ
   うにしたことを特徴とする多重効用ヒートポンプ
   装置。 ２ 第１、第２のヒートポンプサイクルは、間欠
   動作を行なわせしめる際、第１、第２の熱交換ル
   ープを、バルブ操作により、切換え可能にしたこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の多重
   効用ヒートポンプ装置。 ３ 各ヒートポンプサイクルにおける同一温度で
   平衡圧力の高い低温吸熱側吸脱着反応媒体として
   ほぼ同一の温度・平衡圧力特性を有する物質を使
   用する特許請求の範囲第１項記載の多重効用ヒー
   トポンプ装置。 ４ 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
   金を用いる特許請求の範囲第１項記載の多重効用
   ヒートポンプ装置。