JPH0610568B2

JPH0610568B2 - ヒ−トポンプ装置

Info

Publication number: JPH0610568B2
Application number: JP29391985A
Authority: JP
Inventors: 純石浜
Original assignee: Niigata Engineering Co Ltd
Current assignee: Niigata Engineering Co Ltd
Priority date: 1985-12-27
Filing date: 1985-12-27
Publication date: 1994-02-09
Anticipated expiration: 2009-02-09
Also published as: JPS62155479A

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＋ΔＨＭ：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１５図
に示すように一般に温度Ｔの関数であって、温度が高い
程水素平衡分解圧も高くなる性質を有する。かような性
質を利用して、比較的低温度にて低圧の水素を金属水素
化物に吸蔵させたのち、高温にてこの金属水素化物から
水素を放出させることによって高圧の水素を得るように
した水素圧縮装置が考えられている。

また、かような金属水素化物に高温にて高圧水素を発熱
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もでき、この性
質を利用したケミカルヒートポンプも考えられている。

さらに、上記のごとき金属水素化物を利用した水素圧縮
装置とヒートポンプ装置とを組合せた装置が特開昭57-8
0154号公報に記載されている。この装置は、水素平衡分
解圧特性の異なる金属水素化物をそれぞれ担持した少な
くとも３個のテープを回転ベルト状にして、圧力の異な
る水素ガスが充満する低圧室と中圧室の間、中圧室と高
圧室の間および高圧室と低圧室の間をそれぞれ走行させ
るとともに、高温熱媒室、中温熱媒室または低温熱媒室
と前記テープとを熱交換しうるように熱的に接続した構
造を有している。そしてこのテープが低圧室、中圧室ま
たは高圧室にあるときそれぞれ適切な温度の上記熱媒室
によってテープが加熱あるいは冷却され、その際、テー
プに担持された金属水素化物が水素の吸蔵あるいは放出
を行なう。これによって低圧水素の高圧水素への圧縮動
作および得られた高圧水素の発熱的吸蔵と低圧水素の吸
熱的放出によるヒートポンプ動作がなされることにな
り、低圧水素はさらに圧縮動作へ循環させることができ
る。

〈発明が解決しようとする問題点〉しかしながら上記した従来の装置においては、金属水素
化物をテープに担持させることが難しいだけでなく、圧
力的に遮断する必要のある低圧室−中圧室の間、中圧室
−高圧室の間、さらには高圧室−低圧室の間に、金属水
素化物を担持したテープを走行させ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。

そこでこの発明は、上記した従来の装置と同じ原理によ
って金属水素化物を利用して水素の圧縮動作とヒートポ
ンプ動作を行なえる装置であって、しかも上述したごと
き圧力遮断のシール性の問題を解消することができる構
造を備えた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
容器が温度の異なる第１熱媒室および第２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第１熱
媒室および第２熱媒室と、該回転体の近傍に設けた水素
流入口および水素流出口と、各密閉容器と該水素流入口
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つの密閉容器が第１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入口のみと連通し、この
密閉容器が第２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金属水素化物
ユニットの少なくとも３個を使用する。

そしてこの発明の第１の発明においては、第１ユニット
の第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞれ低温熱媒室お
よび中温熱媒室とし、第２ユニットの第１熱媒室および
第２熱媒室をそれぞれ低温熱媒室および中温熱媒室と
し、第３ユニットの第１熱媒室および第２熱媒室をそれ
ぞれ高温熱媒室および中温熱媒室とし、第２ユニットの
水素流出口を第１ユニットの水素流入口と接続し、第１
ユニットの水素流出口を第３ユニットの水素流入口と接
続し、第３ユニットの水素流出口を第２ユニットの水素
流入口と接続する。また、第１ユニットの金属水素化物
Ｍ_１と第２ユニットの金属水素化物Ｍ_２と第３ユニット
金属水素化物Ｍ_３の水素平衡分解圧特性はＭ_１より
Ｍ_２、Ｍ_２よりＭ_３が高温領域にあるように選定する。
これによって第２ユニットの低温熱媒室にて金属水素化
物Ｍ_２に吸蔵させた水素を中温熱媒室にて中圧水素とし
て放出させ、この中圧水素を第１ユニットの低温熱媒室
にて金属水素化物Ｍ_１に吸蔵させたのち中温熱媒室にて
高圧水素として放出させ、この高圧水素を第３ユニット
の高温熱媒室にて金属水素化物Ｍ_３に発熱的に吸蔵させ
たのち中温熱媒室にて吸熱的に放出させて第３ユニット
の中温熱媒室から高温熱媒室へ熱輸送せしめ、第３ユニ
ットにて放出させた水素を第２ユニットの金属水素化物
Ｍ_２に吸蔵させることができる。

さらにこの発明の第２の発明においては、上記したと同
じ構成の金属水素化物ユニットの少なくとも３個を用
い、第１ユニットの第１熱媒室および第２熱媒室をそれ
ぞれ中温熱媒室および高温熱媒室とし、第２ユニットの
第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞれ中温熱媒室およ
び高温熱媒室とし、第３ユニットの第１熱媒室および第
２熱媒室をそれぞれ中温熱媒室および低温熱媒室する。
さらに、第１ユニットの水素流出口を第２ユニットの水
素流入口と接続し、第２ユニットの水素流出口を第３ユ
ニットの水素流入口と接続し、第３ユニットの水素流出
口を第１ユニットの水素流入口と接続する。また、第１
ユニットの金属水素化物Ｍ_１と第２ユニットの金属水素
化物Ｍ_２と第３ユニット金属水素化物Ｍ_３の水素平衡分
解圧特性はＭ_１よりＭ_２、Ｍ_２よりＭ_３が低温領域にあ
るように選定する。これによって第１ユニットの中温熱
媒室にて金属水素化物Ｍ_１に吸蔵させた水素を高温熱媒
室にて中圧水素として放出させ、この中圧水素を第２ユ
ニットの中温熱媒室にて金属水素化物Ｍ_２に吸蔵させた
のち高温熱媒室にて高圧水素として放出させ、この高圧
水素を第３ユニットの中温熱媒室にて金属水素化物Ｍ_３
に発熱的に吸蔵させたのち低温熱媒室にて吸熱的に放出
させて第３ユニットの低温熱媒室から中温熱媒室へ熱輸
送せしめ、第３ユニットにて放出させた水素を第１ユニ
ットの金属水素化物Ｍ_１に吸蔵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を構成する金属水
素化物ユニットの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１ａ，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個でも金属水素化物ユニットとして機能させる
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、所定の温度で水素化反応あるいは
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は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個の空洞２７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２３は部材２
９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、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温度の異なる熱媒
を流すことによって、回転軸２の一側、例えば上側に第
１熱媒室１４が形成され、回転軸２の他側、例えば下側
に第２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が第１熱媒室１４および第２
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。

上述したように、回転体の各密閉容器６と水素流入口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４図乃至第６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、この仕切部材４０と回転軸周壁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４２
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６図に示したように、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４図乃
至第６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。

この発明に用いる金属水素化物ユニットは、上記した実
施例のみに限定されるものではなく、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
のまわりに第１熱媒室と第２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，１ｂ，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
とともに回転しうるように配置してあればよい。

この発明のヒートポンプ装置は上記のごとき構造の金属
水素化物ユニットの少なくとも３個を組合せて構成され
る。第７図はこの発明のヒートポンプ装置を暖房装置等
の昇温モードとして用いるのに適した基本的装置構成を
示すものであって、第１ユニットＵ_１と第２ユニットＵ
_２は水素圧縮機として機能し、第３ユニットＵ_３はヒー
トポンプとして機能する。

第１ユニットＵ_１においては、回転体Ｄ_１の各密閉容器
内に金属水素化物Ｍ_１が充填され、この回転体Ｄ_１は温
度Ｔ_Ｌの第１熱媒室（低温熱媒室）と温度Ｔ_Ｍの第２熱
媒室（中温熱媒室）との間を回転する。第２ユニットＵ
_２においては、回転体Ｄ_２の各密閉容器内に水素平衡分
解圧特性がＭ_１よりも高温領域にある金属水素化物Ｍ_２
が充填され、この回転体Ｄ_２は温度Ｔ_Ｌの第１熱媒室
（低温熱媒室）と温度Ｔ_Ｍの第２熱媒室（中温熱媒室）
との間を回転する。第３ユニットＵ_３においては、回転
体Ｄ_３の各密閉容器内に水素平衡分解圧特性がＭ_２より
も高温領域にある金属水素化物Ｍ_３が充填され、この回
転体Ｄ_３は温度Ｔ_Ｈの第１熱媒室（高温熱媒室）と温度
Ｔ_Ｍの第２熱媒室（中温熱媒室）との間を回転する。さ
らに第２ユニットＵ_２の水素流出口を第１ユニットＵ_１
の水素流入口へ、第１ユニットＵ_１の水素流出口を第３
ユニットＵ_３の水素流入口へ、また第３ユニットＵ_３の
水素流出口を第２ユニットＵ_２の水素流入口へそれぞれ
配管により接続する。この場合の各熱媒室に流す熱媒温
度はT_L ＜T_M ＜T_H となるようにするが、各ユニットのT
_M は必ずしも同一温度としなくてもよい。

上記したごとき構成のこの発明の装置の動作を第８図に
示した左回りサイクル線図を参照して説明する。いま第
２ユニットU₂ の温度T_L の低温熱媒室にある回転体D₂
の密閉容器は水素導管７、合体水素導管８および空洞２
７を介して水素流入口９と連通している（第３図参
照）。このとき流入してくる低圧水素が冷却されつつ金
属水素化物M₂ に吸蔵される（第８図Ａ点）。水素を吸
蔵した金属水素化物M₂ が回転体D₂ とともに回転して中
温熱媒室にくると、金属水素化物M₂ は温度T_M に加熱さ
れ、この温度における比較的高い平衡分解圧で水素を吸
熱的に放出し（Ｂ点）、この回転位置において連通する
第２ユニットU₂ の水素流出口から中圧水素として取出
される。この中圧水素は、第１ユニットU₁ の水素流入
口から低温熱媒室で温度T_L に冷却されている回転体D₁
の密閉容器内に流入し、ここで金属水素化物M₁ に吸蔵
される（Ｃ点）。この金属水素化物M₁ が回転体D₁ とと
もに中温熱媒室に回転すると、金属水素化物M₁ は温度T
_M に加熱されて、この温度における比較的高い平衡分解
圧で水素を吸熱的に放出し（Ｄ点）、この回転位置にお
いて連通する第１ユニットU₁ の水素流出口から高圧水
素として取出される。このようにして第２ユニットU₂
へ流入した低圧水素は第１ユニットU₁ から高圧水素と
して連続的に取出すことができ、従って第２ユニットU₂
および第１ユニットU₁ は水素圧縮機として機能する。

第１ユニットU₁ から放出された高圧水素は第３ユニッ
トU₃ に送られ、回転体D₃ の密閉容器内においてM₁ の
平衡分解圧よりやや低い平衡分解圧を有するような高温
熱媒室の温度T_H で金属水素化物M₃ に発熱的に吸蔵され
る（Ｅ点）。このときの発熱反応熱が高温熱媒室に出力
される。水素を吸蔵した金属水素化物M₃ が回転体D₃ と
ともに回転して中温熱媒室T_M にくると、密閉容器は水
素導管，合体水素導管および空洞を介して水素流出口と
連通して低圧水素雰囲気となり、M₃ は中温熱媒室によ
って温度T_M に加熱されつつ水素を吸熱的に放出する。
この水素は次いで第２ユニットU₂ へ循環され低温熱媒
室の温度T_L で金属水素化物M₂ に吸蔵される（Ａ点に戻
る）。かくして第３ユニットU₃ は中温熱媒室から高温
熱媒室へ熱輸送するヒートポンプとして機能する。

上記のようなこの発明の装置の動作説明からわかるよう
に、この発明においては圧力の異なる空間に金属水素化
物を走行移動させる装置構造ではないため、各回転体D₁
〜D₃ 内の密閉容器内で各金属水素化物M₁ 〜M₃ に対し
て適切な圧力を確実に保持することができる。

この発明の装置においては、第７図の水素圧縮機として
機能する第１ユニットU₁ と第２ユニットU₂ を第９図に
示したように直列に多段に配設してもよい。この場合、
高圧水素流出側から低圧水素流入側へ向けて順にｎ段の
回転体Ｄ_Ａ１，Ｄ_Ａ２，…，Ｄ_Ａｎを有する金属水素化
物ユニットが配列され、各回転体にはそれぞれ金属水素
化物Ｍ_Ａ１，Ｍ_Ａ２，…，Ｍ_Ａｎが充填される。すなわ
ち回転体Ｄ_Ａｉの各密閉容器には金属水素化物Ｍ_Ａｉが
充填される。このとき各金属水素化物は、水素平衡分解
圧特性がＭ_Ａ１，Ｍ_Ａ２…Ｍ_{Ａ（ｉ−１）}，Ｍ_Ａｉ，Ｍ
_{Ａ（ｉ＋１）}…Ｍ_Ａｎの順に高温領域にあるように選定
する。また、各回転体の密閉容器が水素導管，合体水素
導管および空洞を介して水素流入口と連通したときこの
密閉容器が低温T_L の熱媒室にあり、水素流出口と連通
したとき中温T_M の熱媒室にあるように各ユニットの第
１熱媒室と第２熱媒室を定める。なおこの場合、各ユニ
ットの温度T_M およびT_L は同じ温度でなくてもよい。こ
のようにすれば、第８図のサイクル線図におけるＡ→Ｂ
→Ｃ→Ｄに至る水素昇圧のジグザグの段数が増え、より
高圧の水素を金属水素化物Ｍ_Ａ１から放出させることが
できる。

さらにこの発明の装置においては、第７図のヒートポン
プとして機能する第３ユニットU₃ を第９図に示したよ
うに並列に多段に配設してもよい。この場合、低圧水素
流出側から高圧水素流入側へ向けて順にｍ段の回転体Ｄ
_Ｂ１，Ｄ_Ｂ２，…Ｄ_Ｂｍを有する金属水素化物ユニット
が並列に配列されるとともに、各回転体にはそれぞれ金
属水素化物Ｍ_Ｂ１，Ｍ_Ｂ２，…Ｍ_Ｂｍが充填され、ユニ
ット単位で同種の金属水素化物が充填される。また、低
圧水素流出側から第ｉ番目のユニットにある回転体Ｄ
_Ｂｉの密閉容器が水素導管，合体水素導管および空洞を
介して水素流出口に連通したとき、この密閉容器が中温
Ｔ_Ｍｉの熱媒室で熱交換し、高圧水素流入口と連通した
とき高温Ｔ_Ｈｉの熱媒室で熱交換するように各ユニット
の第１熱媒室と第２熱媒室を定める。このときの温度関
係は、Ｔ_Ｍｉ＜Ｔ_{Ｍ（ｉ＋１）}，Ｔ_Ｈｉ＜Ｔ
_{Ｈ（ｉ＋１）}、かつＴ_Ｍｉ＜Ｔ_Ｈｉ、およびＤ_Ａ１のT_M
＜Ｔ_Ｈ１、かつＤ_ＡｎのT_L ＜Ｔ_Ｍ１であるとともに、
各金属水素化物の水素平衡分解圧特性はＭ_{Ｂ（ｉ＋１）}
がＭ_Ｂｉよりも高温領域にあり、Ｍ_Ｂ１はＭ_Ａ１より高
温領域にあるように選ばれる。

なお第９図の実施例においては、単純化と、熱エネルギ
ー有効利用のために、ヒートポンプ機能側の第１番目の
回転体Ｄ_Ｂ１を低圧水素流出側で中温熱媒室と温度Ｔ
_Ｍ１で熱交換し、第ｍ番目の回転体Ｄ_Ｂｍを高圧水素流
入側で高温熱媒室と温度Ｔ_Ｈｍで熱交換するとともに、
高圧水素流入側における第ｉ番目（１≦ｉ≦ｍ−１）の
回転体Ｄ_Ｂｉと低圧水素流出側における第（ｉ＋１）番
目（１≦ｉ≦ｍ−１）の回転体Ｄ_{Ｂ（ｉ＋１）}とが熱交
換しうるように熱媒室を共有接続し、かつこの熱媒室内
に封入され撹拌等の適宜手段によって流動している熱媒
室を介して熱的に接続されている。

上述したように金属水素化物ユニットを多段配列した場
合のこの発明の装置の動作を説明する。ただし説明を簡
略化するために第１０図に示したように、水素圧縮機と
して機能するユニットを第７図と同様とし、ヒートポン
プとして機能するユニットを回転体Ｄ_Ｂ１とＤ_Ｂ２が二
段に配列されて、中温熱媒室を１種類の温度T_M とす
る。第１１図は第１０図の装置の左回りサイクル線図で
あり、回転体D₂ の金属水素化物M₂ は低圧水素を温度T_L
で吸蔵し（Ａ点）、回転体D₁ の金属水素化物Ｍ１が温
度T_M で高圧水素を放出する（Ｄ点）。この高圧水素は
それぞれ回転体Ｄ_Ｂ１およびＤ_Ｂ２において温度Ｔ_Ｈ１
およびＴ_Ｈ２で水素流入口と連通する密閉容器の金属水
素化物Ｍ_Ｂ１およびＭ_Ｂ２により発熱的に吸蔵される
（Ｅ点およびＧ点）。この際、回転体Ｄ_Ｂ１のＭ_Ｂ１の
発熱は、同じ熱媒室にある回転体Ｄ_Ｂ２のＭ_Ｂ２に伝え
られ、一方回転体Ｄ_Ｂ２のＭ_Ｂ２の上記発熱は温度Ｔ
_Ｈ２の高温熱媒室に与えられる。これら金属水素化物Ｍ
_Ｂ１，Ｍ_Ｂ２が上記の位置から回転して隣室の熱媒室に
入ると、それぞれ温度Ｔ_Ｍ１（＝T_M ）およびＴ
_Ｍ２（＝Ｔ_Ｈ１）に加熱保持されつつ水素を吸熱的に放
出する（Ｆ点およびＨ点）。

このように第１０図の装置によれば、直列に配列された
金属水素化物M₁ ，M₂ を用いることにより、比較的小さ
い温度差を利用して高圧の水素を得ることができ、さら
には並列に配列した第３ユニットから高温の出力を得る
ことができる。

第７図，第９図および第１０図に示した暖房装置のごと
き昇温モードにおいては、高温熱媒室を暖房負荷とし、
中温熱媒室に廃熱や太陽熱等を熱源として用い、低温熱
媒室として空気等を使用することができる。

第１２図はこの発明のヒートポンプ装置を冷房装置等の
冷凍（降温）モードとして用いるのに適した構成の実施
例を示すものであって、第７図の昇温モードの場合と同
様に水素圧縮機として機能するユニットＵ_４およびＵ_５
とヒートポンプとして機能するユニットＵ_６とからなっ
ている。

ユニットＵ_４においては、回転体Ｄ_４の各密閉容器内に
金属水素化物Ｍ_４が充填され、この回転体Ｄ_４は温度Ｔ
_Ｍの第１熱媒室（中温熱媒室）と温度Ｔ_Ｈの第２熱媒室
（高温熱媒室）との間を回転する。ユニットＵ_５におい
ては、回転体Ｄ_５の各密閉容器内に水素平衡分解圧特性
がＭ_４よりも低温領域にある金属水素化物Ｍ_５が充填さ
れ、この回転体Ｄ_５は温度Ｔ_Ｍの第１熱媒室（中温熱媒
室）と温度Ｔ_Ｈの第２熱媒室（高温熱媒室）との間を回
転する。さらにユニットＵ_６においては、水素平衡分解
圧特性がＭ_５よりも低温領域にある金属水素化物を充填
した密閉容器からなる回転体が低温熱媒室と中温熱媒室
との間を回転する。図示した実施例では、ユニットＵ_６
には金属水素化物M_D1およびM_D2をそれぞれ充填した密閉
容器からなる２個の回転体D_D1およびD_D2が並列に配設さ
れている。回転体D_D1は温度T_L1の低温熱媒室と、また温
度Ｔ_Ｍの中温熱媒室とそれぞれ熱交換しうるようになっ
ている。水素平衡分解圧がM_D1よりも低温領域にある金
属水素化物M_D2を充填した密閉容器からなる回転体D_D2は
回転体D_D1と並列されて、低温熱媒室と中温熱媒室との
間を回転するが、好ましくは回転体D_D2の中温熱媒室に
ある密閉容器と回転体D_D1の低温熱媒室にある密閉容器
とが熱交換しうるように熱媒室を共有接続し、かつこの
熱媒室内に封入され撹拌等の適宜手段によって流動して
いる熱媒によって熱的に接続されて温度T_L1に保たれ、
回転体D_D2の低温熱媒室にある密閉容器は温度T_L2で低温
熱媒室と熱交換される。さらに、ユニットＵ_４の水素流
出口をユニットＵ_５の水素流入口へ、ユニットＵ_５の水
素流出口をユニットＵ_６の回転体D_D1およびD_D2の各水素
流入口へ、回転体D_D1およびD_D2の各水素流出口をユニッ
トＵ_４の水素流入口へそれぞれ配管により接続する。こ
の場合の各熱媒室に流す熱媒温度はT_L2＜T_L1＜Ｔ_Ｍ＜Ｔ
_Ｈとなるようにする。

第１２図に示した実施例の装置の動作を第１３図の右回
りサイクル線図を参照して説明する。先ずユニットＵ_４
の回転体Ｄ_４の水素流入口から流入してくる水素は中温
熱媒室にある金属水素化物Ｍ_４に発熱的に温度Ｔ_Ｍで吸
蔵される（Ａ点）。このときの発熱反応熱は冷媒として
の中温熱媒により除去される。水素を吸蔵したＭ_４は回
転体Ｄ_４とともに回転して高温熱媒室にくると、Ｍ_４は
温度Ｔ_Ｈに加熱されて水素を放出し（Ｂ点）、回転体Ｄ
_４の水素流出口から中圧水素として取出される。この中
圧水素はユニットＵ_５の回転体Ｄ_５の水素流入口から流
入し、中温熱媒室にある密閉容器内の金属水素化物Ｍ_５
に温度Ｔ_Ｍで発熱的に吸蔵される（Ｃ点）。このＭ_５が
回転体Ｄ_５とともに高温熱媒室に回転するとＭ_５は温度
Ｔ_Ｈに加熱されて、この温度における比較的高い平衡分
解圧で水素を吸熱的に放出し（Ｄ点）、回転体Ｄ_５の水
素流出口から高圧水素として取出される。

ユニットＵ_５からの高圧水素は、ユニットＵ_６の回転体
D_D1および回転体D_D2のそれぞれ中温熱媒室側にある密閉
容器へ送られ、回転体D_D1の金属水素化物M_D1は温度Ｔ_Ｍ
で、また回転体D_D2の金属水素化物M_D2は温度T_L1でそれ
ぞれ発熱的に水素を吸蔵する（Ｅ点およびＦ点）。水素
を吸蔵した金属水素化物M_D1とM_D2が回転体とともに回転
して各密閉容器がそれぞれ水素流出口と連通して低圧水
素雰囲気になると、M_D1は温度T_L1で、M_D2は温度T_L2でそ
れぞれ水素を吸熱的に放出する（Ｇ点およびＨ点）。こ
のとき、M_D1の加熱は、回転体D_D2の高圧水素流入側（中
温熱媒室）のM_D2が水素を吸蔵するときの発熱反応熱に
より与えられ、M_D2は温度T_L2の低温熱媒室から熱の供給
を受けて加熱される。M_D1とM_D2から放出された水素はユ
ニットＵ_４の回転体Ｄ_４の水素流入口へ送られて温度Ｔ
_Ｍで金属水素化物Ｍ_４に吸蔵される（Ａ点に戻る）。

かくして、例えば高温熱媒室としてボイラー熱，各種廃
熱，太陽熱等による熱媒室を利用し、中温熱媒室として
空気を用いれば、冷房や冷凍負荷として低温熱媒室から
冷熱出力を得ることができる。なお、上記の降温モード
の装置は高温Ｔ_Ｈなる熱供給源と大気等の低温Ｔ_Ｌか
ら、中間の温度Ｔ_Ｍの熱出力を得て暖房等に利用する熱
増幅モードの装置としても利用できる。

また、上記の降温モードの装置においても、第９図に示
した昇温モードの装置と同様に、ユニットＵ_４，Ｕ_５の
回転体を複数個直列に多段配列することができ、さらに
ユニットＵ_６の回転体も複数個並列に多段配列できるこ
とは勿論である。

以上の説明はこの発明の実施例について述べたものであ
って、この発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく種々の変形が可能である。例えば第９図，第１０図
および第１２図の装置におけるヒートポンプ機能のユニ
ットは、各回転体が熱交換しうるように熱媒室を共有接
続するようにしたが、熱媒室は共有せずに独立させて各
熱媒室間をヒートパイプ等の手段により熱的に接続する
ようにしてもよい。

また第７図，第９図，第１０図および第１２図の装置に
おける水素圧縮機として作用する複数のユニットは、こ
れらを単に平面的に配列した例を示したが、これらのユ
ニットを熱媒の流れ方向に沿って積み重ねることもで
き、さらには各回転体の回転軸を共通の１本とし水素流
入口と流出口を熱媒室内に配置するようにしてもよい。
積み重ね配列とした場合には、細長い熱媒室を２つ設け
ればよいため装置全体のコンパクト化が図れる。

さらに、各ユニットの回転体はヒートポンプサイクルが
一致するように同期回転するのが好ましいが、各ユニッ
ト間の水素配管の間に水素バッファタンクを設置すれ
ば、各回転体のサイクル工程が多少相互にずれても差し
支えなく、特に各金属水素化物の特性によって反応速度
が異なる場合に都合がよい。また各回転体の大きさ、す
なわち密閉容器の大きさを変化させれば、金属水素化物
の種類による水素の吸蔵量または放出量の差を吸収する
ことができる。

前述したように、各ユニットの回転体の回転は、回転軸
を外部駆動源（図示せず）で回転させることによって行
なうことができる。しかしながら一般に、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
なるため、この重量差を利用して回転体に回転力を付与
することも可能である。すなわち第１４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
ある密閉容器内で金属水素化物の水素放出反応が起るよ
うに、第１熱媒室１４と第２熱媒室１５の位置および水
素流入口と水素流出口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。

〈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、圧力の異なる空間に金属水素化物を走行移動させる
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、各金属水素化物に対
して適切な圧力を確実に保持することができ、圧力遮断
のシール性の問題を解消できるものである。

また、金属水素化物を単に密閉容器内に充填すればよい
から、金属水素化物をテープ等に担持させる場合のよう
な技術的困難性がなく、金属水素化物の水素吸蔵および
放出特性を効果的に発現させることができる。

【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を構成する金属水
素化物ユニット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
における水素流入口および水素流出口の断面図；；第４
図は金属水素化物ユニットのさらに別な実施例を示す説
明図；第５図は第４図のＡ−Ａ断面図；第６図は第４図
のＢ−Ｂ断面図；第７図は昇温モードとして用いるのに
適したこの発明のヒートポンプ装置の実施例を示す説明
図；第８図は第７図の装置の動作を示すサイクル線図；
第９図および第１０図は昇温モードとして用いるのに適
した多段ヒートポンプ装置の実施例を示す説明図；第１
１図は第１０図の装置の動作を示すサイクル線図；第１
２図は降温モードとして用いるのに適したこの発明のヒ
ートポンプ装置の実施例を示す説明図；第１３図は第１
２図の装置の動作を示すサイクル線図；第１４図は回転
体に重量差による回転力を付与させる場合の密閉容器と
熱媒室との関係を示す説明図；および第１５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…回転体、２…回転軸、６…密閉容器、７…水素導
管、８…合体水素導管、９…水素流入口、１０…水素流
出口、１２…外側ダクト、１３…仕切壁、１４…第１熱
媒室、１５…第２熱媒室、Ｄ_１，Ｄ_２〜Ｄ_ｍ…回転体、
Ｍ_１，Ｍ_２〜Ｍ…金属水素化物、Ｕ_１，Ｕ_２〜Ｕ_６…金
属水素化物ユニット。

Claims

【特許請求の範囲】

【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温度の異なる第１熱媒
室および第２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第１熱媒室および第２熱媒室と、該
回転体の近傍に設けた水素流入口および水素流出口と、
各密閉容器と該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つの密閉容器が第１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
入口のみと連通し、この密閉容器が第２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
ようにした金属水素化物ユニットの少なくとも３個を用
い、第１ユニットの第１熱媒室および第２熱媒室をそれ
ぞれ低温熱媒室および中温熱媒室とし、第２ユニットの
第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞれ低温熱媒室およ
び中温熱媒室とし、第３ユニットの第１熱媒室および第
２熱媒室をそれぞれ高温熱媒室および中温熱媒室とし、
第２ユニットの水素流出口を第１ユニットの水素流入口
と接続し、第１ユニットの水素流出口を第３ユニットの
水素流入口と接続し、第３ユニットの水素流出口を第２
ユニットの水素流入口と接続し、第１ユニットの金属水
素化物Ｍ_１と第２ユニットの金属水素化物Ｍ_２と第３ユ
ニット金属水素化物Ｍ_３の水素平衡分解圧特性はＭ_１よ
りＭ_２、Ｍ_２よりＭ_３が高温領域にあるように選定し、
これによって第２ユニットの低温熱媒室にて金属水素化
物Ｍ_２に吸蔵させた水素を中温熱媒室にて中圧水素とし
て放出させ、この中圧水素を第１ユニットの低温熱媒室
にて金属水素化物Ｍ_１に吸蔵させたのち中温熱媒室にて
高圧水素として放出させ、この高圧水素を第３ユニット
の高温熱媒室にて金属水素化物Ｍ_３に発熱的に吸蔵させ
たのち中温熱媒室にて吸熱的に放出させて第３ユニット
の中温熱媒室から高温熱媒室へ熱輸送せしめ、第３ユニ
ットにて放出させた水素を第２ユニットの金属水素化物
Ｍ_２に吸蔵させるようにしたことを特徴とするヒートポ
ンプ装置。
【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。
【請求項３】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温度の異なる第１熱媒
室および第２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第１熱媒室および第２熱媒室と、該
回転体の近傍に設けた水素流入口および水素流出口と、
各密閉容器と該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つの密閉容器が第１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
入口のみと連通し、この密閉容器が第２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
ようにした金属水素化物ユニットの少なくとも３個を用
い、第１ユニットの第１熱媒室および第２熱媒室をそれ
ぞれ中温熱媒室および高温熱媒室とし、第２ユニットの
第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞれ中温熱媒室およ
び高温熱媒室とし、第３ユニットの第１熱媒室および第
２熱媒室をそれぞれ中温熱媒室および低温熱媒室とし、
第１ユニットの水素流出口を第２ユニットの水素流入口
と接続し、第２ユニットの水素流出口を第３ユニットの
水素流入口と接続し、第３ユニットの水素流出口を第１
ユニットの水素流入口と接続し、第１ユニットの金属水
素化物Ｍ_１と第２ユニットの金属水素化物Ｍ_２と第３ユ
ニット金属水素化物Ｍ_３の水素平衡分解圧特性はＭ_１よ
りＭ_２、Ｍ_２よりＭ_３が低温領域にあるように選定し、
これによって第１ユニットの中温熱媒室にて金属水素化
物Ｍ_１に吸蔵させた水素を高温熱媒室にて中圧水素とし
て放出させ、この中圧水素を第２ユニットの中温熱媒室
にて金属水素化物Ｍ_２に吸蔵させたのち高温熱媒室にて
高圧水素として放出させ、この高圧水素を第３ユニット
の中温熱媒室にて金属水素化物Ｍ_３に発熱的に吸蔵させ
たのち低温熱媒室にて吸熱的に放出させて第３ユニット
の低温熱媒室から中温熱媒室へ熱輸送せしめ、第３ユニ
ットにて放出させた水素を第１ユニットの金属水素化物
Ｍ_１に吸蔵させるようにしたこと特徴とするヒートポン
プ装置。
【請求項４】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３項記
載の装置。