JPH0610567B2 - ヒ−トポンプ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、金属水素化物を利用したヒートポンプ装置
に関するものである。

〈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って示される。

Ｍ＋ｎ／２Ｈ_２ＭＨ_ｎ＋ΔＨ Ｍ：水素貯（吸）蔵合金 ΔＨ：反応熱 ＭＨ_ｎ：金属水素化物 しかしながら一旦水素化反応が起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
ことから次式によって表わされることがある。

ＭＨ_(m+n)ＭＨ_ｍ＋ｎ／２Ｈ_２±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
っ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_ｎ，ＭＨ_(m+n)，
ＭＨ_ｍを総称して金属水素化物と称し、単に記号Ｍで表
示する。

これらの金属水素化物の水素平衡分解圧Ｐは、第１３図
に示すように一般に温度Ｔの関数であって、高温にて金
属水素化物に高圧水素を発熱的に吸蔵させ、低温の低圧
水素雰囲気下でこの金属水素化物から吸熱的に水素を放
出させることができ、かような性質を利用したケミカル
ヒートポンプ装置が種々提案されている。

例えば特開昭57-92690号公報には、密閉した１つのシリ
ンダ内の一端から他端へスクリューによって金属水素化
物を移送し、移送方向に沿って設けた高温熱交換部と低
温熱交換部を順次通過させるようにした装置が提案され
ている。この装置によれば、高温熱交換部を通る際にこ
の部分に外部から供給された高圧の水素を金属水素化物
に発熱的に吸蔵させたのち、水素を吸蔵したこの金属水
素化物を同じシリンダ内の低温熱交換部へスクリューで
移送し、減圧水素雰囲気としたこの低温熱交換部で金属
水素化物から水素を吸熱的に放出させることができ、こ
れによってヒートポンプとして機能する。

〈発明が解決しようとする問題点〉 この種の装置では、各熱交換部は各々所定の圧力を保つ
ため圧力的に遮断する必要がある。しかしながら、上記
の如き従来の装置においては、スクリュー手段によって
固体の金属水素化物を移送させつつ各熱交換部を圧力的
に遮断しなければならないから、圧力遮断のシール性に
問題があるとともに、スクリュー等の機械的トラブルを
生じ易いという欠点がある。

そこでこの発明は、上述のごとき欠点を解消し、各熱交
換部を圧力的に確実に遮断でき、しかも機械的トラブル
も生じにくい、金属水素化物利用の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〉 すなわちこの発明のヒートポンプ装置は、金属水素化物
を充填した密閉容器の複数個を回転軸に対して放射方向
に配設してなる回転体と、該回転体の回転に伴い各密閉
容器が低温熱媒室および高温熱媒室を交互に順次通過す
るように該回転体の周囲に配設した低温熱媒室および高
温熱媒室と、該回転体の近傍に設けた高圧水素流入口お
よび水素流出口と、各密閉容器と該高圧水素流入口また
は水素流出口と接続する水素導管とからなり、該各水素
導管と高圧水素流入口または水素流出口との前記接続
は、１つの密閉容器が高温熱媒室にあるときこの密閉容
器から延びる水素導管が高圧水素流入口のみと連通し、
この密閉容器が低温熱媒室にあるときこの密閉容器から
延びる水素導管が水素流出口のみと連通するように、各
水素導管が回転体の回転に伴って高圧水素流入口および
水素流出口と順次連通または遮断されるようにしたこと
を特徴とするものである。

上記したごときこの発明の装置によれば、回転体の回転
に伴い密閉容器内の金属水素化物が高温熱媒室から低温
熱媒室へ、あるいは低温熱媒室から高温熱媒室へと回転
移動する際に、高温熱媒室にある金属水素化物は高圧水
素流入口から水素導管を介して密閉容器に加圧供給され
る高圧水素を発熱的に吸蔵し、この金属水素化物が低温
熱媒室にきたときに水素流出口と水素導管を介して連通
してなる低圧水素雰囲気下の密閉容器内で吸熱的に水素
を放出する。

このとき、高温熱媒室にある密閉容器内にて金属水素化
物が冷却されつつ高圧水素を吸蔵し、低温熱媒室にある
低圧水素雰囲気下の密閉容器内にて金属水素化物が吸熱
的に水素を放出するモードの場合に、低温熱媒室に冷却
負荷を接続すれば冷房装置として機能させることができ
る。また、低温熱媒室にある密閉容器内にて金属水素化
物が加熱されつつ水素を放出し、高温熱媒室にある密閉
容器内にて金属水素化物が発熱的に水素を吸蔵するモー
ドの場合には、高温熱媒に加熱負荷を接続すれば暖房装
置として機能させることができる。

〈実施例〉 以下に図面に示す実施例を参照してこの発明を詳述す
る。

第１図はこの発明のヒートポンプ装置の１つの実施例を
模式的に示す説明図であり、円板状の３個の回転体１
ａ，１ｂ，１ｃが回転軸２に固着され、この回転軸は軸
受３により支承されて、回転軸２の回転とともに回転体
も回転しうるようになっている。この実施例では３個の
回転体を用いているが、回転体１個でもヒートポンプ装
置として機能させることができる。

各回転体１は、第２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すること
ができて好ましい。さらには、各密閉容器の内側および
外側に伝熱フィン等の伝熱面を大きくする手段や、ヒー
トパイプ等の熱伝達手段を設けるといった従来の回転熱
交換器の技術をこの発明にも利用することができる。

各回転体上の密閉容器６内にはいずれも金属水素化物Ｍ
が充填されている。また、各密閉容器６の各々からは水
素導管７が引出され、各回転体１ａ，１ｂ，１ｃの放射
方向同位置にある密閉容器同士の３本の水素導管は１本
にまとめられて合体水素導管８となり、回転軸の一端へ
延びている。第１図においては合体水素導管として２本
しか図示されていないが、各回転体には４個の密閉容器
６が設けられているから、合計４本の合体水素導管が回
転軸の一端へ延びている。なお、密閉容器６内に充填さ
れた金属水素化物Ｍは、合体水素導管８を介して連通す
る密閉容器６同士においては同種の金属水素化物Ｍであ
ることが好ましいが、後述する高温熱媒室１４で水素反
応を起し低温熱媒室１５で脱水素化反応を起すものであ
れば、同種のものでなくともよい。また金属水素化物Ｍ
は、水素化反応と脱水素化反応の繰返しにより細粒化さ
れることがある。そのような場合には、金属水素化物の
細粒が水素導管７に流れ込まないように、密閉容器６内
の水素導管開口部に積層金網等のフィルタ（図示せず）
を取付けてもよい。また、合体水素導管８の回転軸の外
周面に沿って延設することもできるが、図示のように回
転軸２を中空とし、この内部に合体水素導管を通すこと
もできる。

回転軸２の一端部には、回転軸２の回転に伴って水素導
管７および合体水素導管８を介して各々の密閉容器６と
個別に連通又は遮断する高圧水素流入口９および水素流
出口１０が設けられている。

すなわち、第３図(A)および(B)に示したように、中空回
転軸２の先端は端板２０で閉止され、この先端近傍にて
回転軸中空部はフランジ２１により取付けられた管板２
２により仕切られ、管板２２にて各合体水素導管８が開
口している。端板２０と管板２２との間の回転軸周壁２
３の周囲には、所定個所に高圧水素流入口９および水素
流出口１０が開口する環状部材２４を固定するととも
に、端板２０と管板２２との間の回転軸２中空部には中
実の中心軸２５を配設する。この中心軸２５と回転軸周
壁２３との間に構成される環状空間には、中心軸２５か
ら放射方向に配設された４個の仕切部材２６によって、
各回転体１の４個の密閉容器６に対応する４個の空洞２
７が形成され、各密閉容器からの合体水素導管８が管板
２２の開口部にて各空洞２７と連通している。また回転
軸周壁２３には各空洞２７に連通する開孔２８が形成さ
れている。なお、参照番号２９は環状部材２４を構成し
ている一部材で、各合体水素導管８が空洞２７及び開孔
２８を介して高圧水素流入口９および水素流出口１０の
各出入口と連通する時間及びタイミングを調整するもの
である。かくして、回転軸２の回転に伴ってその周壁２
３は部材２９の内周面を摺動回転し、各合体水素導管８
は空洞２７及び開孔２８を介して高圧水素流入口９との
連通、遮断；および水素流出口１０との連通，遮断のサ
イクルを繰返すことになる。

なお、参照番号24aは、回転軸周壁２３と環状部材２４
との摺動縁部に設けたシール材を表わす。

上記のように一体的に組み立てられた回転体１ａ，１
ｂ，１ｃと回転軸２は、第１図に示したように外側ダク
ト１２で囲繞され、さらにこの外側ダクトの内部は回転
軸２を挟んで延びる仕切壁１３によって２つのダクト部
に区画される。

仕切壁１３は回転軸２および回転体１ａ，１ｂ，１ｃの
回転に支承がないように、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、図示したように回転
軸２を中空とし、回転軸内に水素導管７および合体水素
導管８を通すようにすれば、回転軸２と仕切壁１３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あるいは
低温熱媒を流すことによって、回転軸２の一側、例えば
上側に高温熱媒室１４が形成され、回転軸２の他側、例
えば下側に低温熱媒室１５が形成される。かような構成
によって、外部駆動源（図示せず）による回転軸２の回
転に伴い、各回転体の密閉容器６が高温熱媒室１４およ
び低温熱媒室１５を交互に順次通過できるようにされて
いる。

なお、各熱媒室１４，１５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。

高圧水素流入口９へ供給される水素は圧縮機３０および
高圧水素タンク３１から供給され、一方水素流出口１０
から流出する低圧水素は圧縮機３０により加圧されて循
環される。なお第１図に示したように、水素流出口１０
からの低圧水素の流出は吸引機３２により積極的に吸引
して行ない、この水素を低圧水素タンク３３に溜めるよ
うにしてもよい。

上記したごとき構成のこの発明のヒートポンプ装置の作
動を以下に説明する。第４図は、第１図のように配置さ
れた回転体の１つを取出した説明図であり、第１図と同
じ部材には同じ参照番号を付すことにより説明を省略す
る。第４図は冷房装置に適用される冷凍（降温）モード
を示しており、前述したように、回転軸２の回転に伴い
回転体１の各密閉容器は位置（高温熱媒室１４内）→
位置（高温熱媒室１４と低温熱媒室１５との間）→
位置（低温熱媒室１５内）→位置（低温熱媒室１５と
高温熱媒室１４との間）と図中矢印の方向へ回動する。

いま、密閉容器６の１つが位置にある場合を考える
と、この位置にある密閉容器から延びる水素導管７およ
び合体水素導管８は、空洞２７を介して高圧水素流入口
９と連通している（第３図参照）。したがって高圧水素
ガスは高圧水素流入口９から導入され、空洞２７、合体
水素導管８、水素導管７を経て高温熱媒室１４内にある
位置の密閉容器６へ供給される。ここで密閉容器６内
の金属水素化物は温度Ｔ_Ｈに冷却されつつ（発熱しつ
つ）高圧水素ガスを吸蔵する。

次いで、この密閉容器が回動して、高温熱媒室１４と低
温熱媒室１５の間すなわち位置にくると、この密閉容
器から延びる水素導管７と合体水素導管８は、高圧水素
流入口９と水素流出口１０のいずれとも連通せずに遮断
された状態を保ち、密閉容器内の金属水素化物の温度は
下降してくる。

さらにこの密閉容器６が回動して低温熱媒室１５内すな
わち位置にくると、この密閉容器から延びる水素導管
７と合体水素導管８は空洞２７と開孔（第３図）を介し
て水素流出口１０と連通し、さらには必要に応じて吸引
機３２（第１図）により吸引することによって、この密
閉容器内は低圧水素雰囲気となり、金属水素化物は温度
Ｔ_Ｌの熱媒から吸熱しつつ水素を放出する。吸熱された
のちの熱媒に冷却負荷が接続される。一方、放出された
水素は水素流出口１０から流出し、圧縮機３０（第１
図）へ循環される。

この密閉容器６がさらに回動して位置にあるときは、
この密閉容器から延びる水素導管７と合体水素導管８
は、高圧水素流入口９および水素流出口１０のいずれと
も連通せずに、遮断された状態を保ち、水素放出後の金
属水素化物は次第に昇温しながら位置へと移動してい
く。

上述のようにして各回転体の４個の密閉容器は→→
→→と回転する間に、高温での高圧水素の発熱的
吸蔵→低温での水素を吸熱的放出というサイクルを繰返
し行なうことによって、低温熱媒に冷熱を連続して与え
ることができ、冷凍モードのヒートポンプとして機能す
る。

一方、この装置を昇温モードで運転する場合には、低温
熱媒室１５にある密閉容器から水素を除去し、かつ高温
熱媒室１４にある密閉容器に高圧水素を供給すれば、金
属水素化物は低温熱媒室１５で加熱されつつ（吸熱しつ
つ）水素を放出し、高温熱媒室１４で発熱的に水素を吸
蔵する。従って高温熱媒に加熱負荷を接続することによ
って、昇温モードのヒートポンプとして機能させること
ができる。

ところで、水素化反応をして水素を吸蔵した金属水素化
物は、脱水素化反応をして水素を放出した金属水素化物
よりも、若干重量が重くなるが、この重量差を利用して
回転体１に回転力を付与することも可能である。すなわ
ち第５図に示したように、位置にある回転体１の密閉
容器６内で金属水素化物の水素吸蔵反応が起り、これと
180゜ずれた位置にある密閉容器６内で金属水素化物
の水素放出反応が起るように、高温熱媒室１４と低温熱
媒室１５の位置および高圧水素流入口９と水素流出口１
０の位置を定めることによって、位置の水素化金属水
素化物重量と位置の脱水素化金属水素化物重量との間
に重量差を生ぜしめ、この重量差によって図中矢印で示
すような回転力を回転体に常時付与することができる。
これによって、回転軸の外部駆動源を無くすことがで
き、あるいは回転軸を回転させるための外部動力を少な
くすることができる。

上述したように、回転体の各密閉容器６と高圧水素流入
口９および水素流出口１０とは、水素導管７および合体
水素導管８を介して連通、遮断されるが、これらの水素
導管７，８は必ずしも回転軸２と別体のチューブ状とす
る必要はなく、例えば第６図乃至第８図に示したように
中空の回転軸２内を長手方向に延びる十字型の仕切部材
４０によって区分し、こ仕切部材４０を回転軸周壁２３
とによって形成される４本の流路４１を水素導管として
利用することもできる。この場合、各流路４１は導管４
２によって各密閉容器６と連通させる。この実施例にお
いても、回転軸２の一端部に第８図に示したように、高
圧水素流入口９および水素流出口１０を第３図の実施例
と実質的に同様にして配設することができる。なお、第
６図乃至第８図において、第３図と同じ部材にはそれら
と同じ参照番号を付すことにより説明を省略する。

この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。例えば回転軸２から放射方向に多数の
仕切壁１３を延設せしめて、回転軸のまわりに高温熱媒
室と低温熱媒室を対として複数組設けるようにしてもよ
い。また、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。さらに、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，１
ｂ，１ｃ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もに回転しうるよ
うに配置してあればよい。

さらに、例えば第９図に示したように、金属水素化物を
充填した円筒状の密閉容器６０の複数個を互いに平行に
なるように環状に並列させてチェーンまたはベルト等の
無端回転送行部材６１上に配列し、密閉容器６０の下半
部が嵌合する切欠き６３を有する複数の回転歯車６４
（第１図の実施例の回転軸に相当する）間に該無端回転
送行部材６１を架設することによって、回転体６２を形
成することができる。そして、高温熱媒室６５と低温熱
媒室６６とを交互になるように無端回転送行部材６１の
送行方向にそれぞれ配設することによって、第１図の実
施例の装置と同様に機能させることができる。

なお、この実施例においては高圧水素流入口９又は水素
流出口１０に接続する水素導管７は、一部可撓性材料を
使用し、第３図の空洞２７に接続させることができる。
あるいはまた該空洞が無端回転送行部材６１と平行して
移動するように、第１０図乃至第１２図に示したよう
に、所定間隔で高圧水素流入口９および水素流出口１０
が繰返し開口しかつ無端回転送行部材６１の送行形状と
略同形の筒状環状部材６７を無端回転送行部材６１の側
面に配設するとともに、この筒状環状部材６７の内部空
間に第３図の空洞２７に対応する空洞６９を有する複数
のチャンバ６８を摺動可能に配設し、各密閉容器６０か
らの水素導管７を各チャンバ６８と連通させることによ
って、各チャンバ６８を無端回転送行部材６１上の各密
閉容器６０と平行して移動させるようにすることもでき
る。このチャンバ６８には空洞６９に連通する開口７０
が形成されており、無端回転送行部材６１の送行に伴っ
て各水素導管７は空洞６９と開口７０を介して高圧水素
流入口９との連通、遮断；および水素流出口１０との連
通、遮断のサイクルを繰返す。

なお、第１０図乃至第１２図の参照番号７１は、筒状環
状部材６７を構成する一部材で、高圧水素流入口９およ
び水素流出口１０の各出入口と各水素導管７とが空洞６
９及び開孔７０を介して連通する時間及びタイミングを
調整するものである。参照番号７２は、隣り合うチャン
バ６８の開口７０を有する面同士を連結する可撓性材料
からなるシール板であり、筒状環状部材６７の部材７１
に当接摺動して高圧水素流入口９および水素流出口１０
において出入する水素同士が短絡するのを防止する働き
をする。参照番号７３は、隣り合うチャンバ６８の底面
同士を連結する可撓性の連結部材であり、これによって
複数のチャンバ６８を一繋ぎとして筒状環状部材６７内
を送行させることができる。また参照番号７４は、筒状
環状部材６７側面の長手方向に穿設したスリットであ
り、これによって各水素導管７がチャンバ６８と連通し
た状態で移動することができる。

〈発明の効果〉 以上説明したようにこの発明のヒートポンプ装置によれ
ば、高温熱交換部と低温熱交換部との間の圧力的に遮断
すべき個所に固体の金属水素化物自体を移送させること
なく、金属水素化物を充填した密閉容器を回転軸の回り
に回動させるようにしたため、両熱交換部間に確実な圧
力遮断のシール性をもたらすことができるとともに、金
属水素化物の移送手段としてスクリュー等を用いないか
ら移送手段の機械的トラブルも生じにくいという利点が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のヒートポンプ装置の実施例を示す説
明図；第２図は第１図における回転体の側面図；第３図
(A)および(B)は第１図における高圧水素流入口および水
素流出口の断面図；第４図はこの発明の装置の動作（冷
凍モード）を示す説明図；第５図はこの発明の装置の別
な実施例の動作を示す説明図、第６図はこの発明の装置
のさらに別な実施例を示す説明図；第７図は第６図のＡ
−Ａ断面図；第８図は第６図のＢ−Ｂ断面図；第９図は
この発明の装置のさらに別な実施例を示す説明図；第１
０図は第９図の装置と組合せる水素出入口の断面図；第
１１図は第１０図のＣ−Ｃ断面図；第１２図は第１０図
のＤ−Ｄ断面図；および第１３図は一般的な金属水素化
物の水素平衡分解圧特性を示すグラフである。 １，６２……回転体、２……回転軸、６，６０……密閉
容器、７……水素導管、８……合体水素導管、９……高
圧水素流入口、１０……水素流出口、１２……外側ダク
ト、１３……仕切壁、１４，６５……高温熱媒室、１
５，６６……低温熱媒室、６４……回転歯車。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属水素化物を充填した密閉容器の複数個
   を回転軸に対して放射方向に配設してなる回転体と、該
   回転体の回転に伴い各密閉容器が低温熱媒室および高温
   熱媒室を交互に順次通過するように該回転体の周囲に配
   設した低温熱媒室および高温熱媒室と、該回転体の近傍
   に設けた高圧水素流入口および水素流出口と、各密閉容
   器と該高圧水素流入口または水素流出口と接続する水素
   導管とからなり、該各水素導管と高圧水素流入口または
   水素流出口との前記接続は、１つの密閉容器が高温熱媒
   室にあるときこの密閉容器から延びる水素導管が高圧水
   素流入口のみと連通し、この密閉容器が低温熱媒室にあ
   るときこの密閉容器から延びる水素導管が水素流出口の
   みと連通するように、各水素導管が回転体の回転に伴っ
   て高圧水素流入口および水素流出口と順次連通または遮
   断されるようにしたことを特徴とするヒートポンプ装
   置。
2. 【請求項２】前記回転軸を中空とし、各密閉容器からの
   水素導管を該回転軸内部を通して該回転軸の一端へ延設
   し、該回転軸の一端に設けた高圧水素流入口または水素
   流出口と接続したことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載の装置。