JPS5819956B2 - 金属水素化合物を用いた冷房装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属水素化合物の吸熱量に着目して、この吸熱
作用を利用した冷房装置に関し、熱源として、太陽熱や
各種廃熱を用い、しかもポンプを用いず無騒音の冷房装
置を提案するものである。

すなわち、２組からなっている金属容器に内蔵している
水素平衡圧力の異なる２種類の金属水素化合物において
、一方何（加熱用金属容器）の金属水素化合物囚を、太
陽熱寸たは廃熱等で加熱して金属容器内を放出Ｈ２ガス
で加圧せしめると同時に、電磁バルブを開放させ、他方
側の金属水素化合物ＣＢ）にＮ２ ガスを吸蔵させる。

Ｎ２ ガスの放出→吸蔵か完了すると、金属水素化合物
囚の加熱を停止し、自然冷却または強制冷却等で、逆に
金属水素化合物囚にＮ２ガスを吸蔵させ金属容器内を減
圧して、金属水素化合物（Ｂ）からＮ２ ガスを放出さ
せる。

減圧によって、金属水素化合物からＮ２ガスが放出する
反応は吸熱作用であるために、この時の吸熱量を冷房に
利用する。

すなわち一方の金属水素化合物囚を交互に加熱、冷却し
、他方の金属水素化合物ＣＢ）で、Ｎ２ ガスを減圧放
出させ、その吸熱作用を冷房機能に利用する新しい冷房
装置である。

昔から多くの金属は水素を吸蔵し、水素化合物を作るこ
とが知られている。

この場合、金属の単位重量当り、より多くの水素を吸蔵
し、使用環境温度で可逆的に、その水素を放出する。

捷だ金属水素化合物よシ水素を放出する過程は吸熱過程
であることも知られている。

ここでＭは金属、Ｑｌ −発生熱量 この金属水素化合物を一般化学式で示すと、ＡＢ５Ｉ（
Ｘとなり、Ａは希土類（レアース）として知られている
ランタニド（Ｌａ）であり、Ｂはニッケル（Ｎｉ）やコ
バルト（ｃｏ）、Ｈは水素、ゆは広い範囲で変化する変
数である。

その一例としてＬ ａ Ｎ ｉ ５ ＨＸの特性につ
いて説明する。

第１図に湿度をパラメーターとするＬ ａ Ｎ ｉ ５
−瓜の水素成分と平衡圧力の関係を示す。

与えられた温度である圧力（均衡圧）のもとで、ＬａＮ
１５−ＨＸはお互いが均衡している。

こうした均衡状態にある構造は第１図に示す気圧で、広
い範囲に変化する。

Ｘ軸の広い範囲で均衡圧は事実上一定値を持つ。

こうしたＬａＮ１５−ＨＸ金属水素化合物に均衡圧より
少し高い水素圧力をかけると、水素は水素分の多い水素
化合物ができるまで吸蔵される。

また、水素が放出できるようになると（温度を下げるか
、圧力を下げる）、圧力は急激に平坦圧力まで下がって
、との一定圧で、水素は枯渇する。

水素が放出されると、水素分を多く含んだ金属水素化合
物は水素分のない金属化合物に変わる。

もし、多水素金属水素化合物が無水素金属化合物に完全
に変わったとき、圧力は平坦電圧以下になる。

この平坦電圧の値は温度に依存し、高温の時、水素圧は
低温の時より高くなる。

湿度と圧力の関係を第２図に示す。

以上のように金属水素化合物はある平衡状態から温度を
上昇させるか、平衡圧力を下げることにより水素放出過
程となる。

逆の場合は水素吸蔵過程となる。

この水素放出過程は前述のように、吸熱反応である。

この吸熱量は、金属水素化合物の種類によって異なり、
例えばＬａＮ１５−ＨＸｓ ５ｍＣｏ５−ＨＸは７．２
Ｋｃａｌ。

／ｍｏｌ Ｎ２ ｓ Ｆ ｅ Ｔ １−ＨＸでは５．
５ Ｋｍ／ｍｏ Ｉ Ｎ２の吸熱量がある。

第２図のような金属水素化合物の温度−平衡圧力線より
最適な材料を２種類選択して冷房装置に使用する。

例えば、Ａ材料とＢ材料を組合わせる。

Ａ材料は加熱用に使用し、Ｂ材料は冷房用に使用する。

Ｔ１は金属水素化合物［Ｆ］）の水素放出時の冷却可能
温度である。

すなわち、２５００ Ｋｃ１１１／ ｈ ｒの冷房能力
に必要な金属水素化合物の最低温度は約７〜８°Ｃを保
持する必要がある。

Ｔ２は金属水素化合物（至）の水素吸蔵温度である。

Ｔ３は金属水素化物囚の加圧時の加熱温度を示す。

この時金属水素化合物■、（Ｂ）の平衡圧力はＰ１＝１
０ａｔｍ４Ｐ２−＝２．３ａｔｍであることを示してい
る。

金属容器内の一方側の金属水素化合物の温度によって、
金属容器内の圧力を水素放出、吸蔵過程に適するように
調節することができる。

本発明では、Ｌ ａ Ｎ ｉ ５−ＨＸ ｓ ＭｍＣ０
５−ＨＸ （Ｍｍ ：メッシュメタル） 、 ＳｍＣ
０５−ＨＸ 。

ＶＮｂ−Ｈ，の他に、Ｆ ｅ Ｔ １−ＨＸ ＃ ＶＨ
Ｘ ｔＮｂＨｚ 、 ＰｄＨＸ、 Ｍｇ２Ｃｕ −ＨＸ
ｅＭｇ２ Ｎ Ｉ ＨＸ ｔ Ｍｇ Ｈｚ 、Ｌ
ａ Ｃ０５ＨＸのようなアルカリ金属、アルカリ土類金
属、ランタニド等の希土類元素やアクチニド元素族、遷
移金属等の水素平衡圧力の異なる２種類の金属水素化合
物の組合わせによる金属水素化合物が冷房機の冷却源に
利用できる。

本発明の新しい冷房装置を第３図、第４図、第５図に示
す。

また第６図に冷房装置の配置図を示し、第７図に冷房能
力特性を示す。

以下本発明の実施例を示す。

第３図の冷房装置は次のような構成要素からなっている
。

金属水素化合物（Ａ）２を内蔵した加熱用金属容器１と
金属水素化合物（Ｂ）４を内蔵した冷房用金属容器３を
電磁パルプ７を介してＮ２ ガスパイプ１１で連結しで
ある。

また、金属容器１には、冷却用熱交換器５と太陽熱加熱
器（集熱器）１３が取付けである。

他方の金属容器３には、冷却用熱交換器６と冷房用ファ
ン１５で空冷する空冷熱交換器１４か取付けである。

金属水素化合物の発熱量を吸収して、温水貯蔵器１０に
貯蔵するために、三方自動電磁バルブ８，９と熱交換器
５，６が液配管で連結されている。

金属容器１，３は熱交換器兼用型とし、吸熱作用放熱作
用を効率よく行なわせる構造とした。

まず、金属水素化合物（Ａ）２としてＶＮｂＨＸを、寸
だ金属水素化合物（Ｂ）４として、ＬａＮｉ５−ＨＸ
ｓ Ｆ”ｅＴ ｉ −ＨＸ 、 ５ｍＣｏ５−ＨＸを用
いた。

金属水素化合物は公知の製造法に従って、試料を製造し
、実験に供した。

金属水素化合物の量は、水素吸蔵能と吸熱量より算出し
た。

その一例として、冷房用に用いるＬａＮ１５−）Ｌ工の
場合を計算する。

一般のルームエアコンの標準冷房能力は約２５００Ｋｃ
ａｌ／ ｈ ｒである。

ＬａＮｘ５ ＨＸの吸熱量はΔＱ ＝ ７．２ Ｋｍ／
ｍ ｏ ｌ Ｎ２であるからこれは３６００Ｋｍ／Ｋ
ｇＨ，２に相当する。

Ｌ ａ Ｎ １５ ＨＸの水素ガス含有量は１．５ｗ
ｔ係であるからＬ ａ Ｎ ｉ ５−ＨＸの１ｋｇ当り
の吸熱量はＱ＝Ｉ Ｅｌ／１ｋｇｘｌ／２Ｘ７．２Ｋｍ
＝５４Ｋｃａｌ／ｋｇとなる。

いま冷房能力を２５００ＫｃａＩ／ｈｒとしているから
、必要なＬ ａ Ｎ ｉ５ ＨＸの；量は４６ｋｇ／
ｈｒとなる。

１回の動作時間によって金属水素化合物の量か決定され
る。

今回は昼間の３時間／日を冷房するために必要な量とし
て、４６ｋｇＸ３ｈｒ＝１３８に９を用いた。

捷だ太陽熱で加熱する側の金属水素化物はＶＮｂ−取を
用いた。

ＶＮｂ−Ｈ，は２．１ ｗ ｔ％の水素を吸蔵する。

したかって、ＬａＮｔ５ ＨＸが十分に冷房作用を発
揮するように必要量より多く使用した。

すなわち、２５００ Ｋａｉｉ／ ｈ ｒの冷房に必要
なＮ２ ガスの量は約０．９４ｋｇに相当する。

したがって、１時間当りのＶＮｂ−取の必要量は約４５
ｋｇ（９４０／２．１×１００字４５ｋｇ）となる。

いま３時間の冷房するに必要な量として約１４０ｋｇを
使用した。

金属水素化合物の内容積の大きさは約７０／で、冷房用
ファンの風量を約５ｍ３／ｍｉ以下で、出口温度約１５
℃の冷風を得ることができた。

（ただし入口温度２７℃の場合）冷房は３時間間けって
行なった。

またＦ ｅ Ｔ １−ＨＸの時は冷房能力２５００Ｋｃ
ａｌ／ ｈ ｒに対して５５ｋｇを必要とし、３時間冷
房に１６５ｋｇを使用した。

この場合もＬａＮｉ５−取と同様に、冷房用ファンの風
量約５ｍ３／ｉ以下で、出口温度約１５℃の冷風を得る
ことができた。

（ただし入口温度２７℃の場合）次に第４図に示す実施
例では、使用した金属水素化合物は第３図の実施例で使
用したものと同一のものであり、第３図の実施例と異な
る所は、第３図に示すものか太陽熱を直接集熱して加熱
するのに対し、第４図に示すものは、循環用ポンプ１６
と媒体循環パイプ１７を用いて間接的に金属水素化合物
（Ａ）２を加熱するものである。

太陽熱で、循環する媒体を加熱し、その加熱された媒体
で、金属水素化合物（Ａ）２を加熱した。

媒体には水を使用した。

冷房の時は媒体の循環を停止して、金属水素化合物（Ａ
）２の湿度を下げて、金属容器３内の圧力を下げること
により、冷房作用を行なわせた。

これは第３図に示す実施例と全く同様の原理である。

次に第５図に示す実施例では、使用した金属水素化合物
は第３図の実施例で使用したものと同一のものであり、
第３図の実施例と異なる所は、第３図に示すものが太陽
熱を直接集熱して加熱するのに対し第５図に示すものは
、廃熱タンク１３と循環ポンプ１６と媒体循環パイプ１
７を用いて間接的に金属水素化合物（Ａ）２を加熱する
ものである。

そして熱源として、廃熱を利用して、循環する媒体を加
熱し、その加熱された媒体で、金属水素化合物（Ａ）２
を加熱した。

冷房の時は、媒体の循環を停止して、金属水素化合物（
Ａ）２の温度を下げて、金属容器３内の圧力を下げるこ
とにより、冷房作用を行なわせた。

これも第３図の実施例と全く同様な原理である。

第３図、第４図、第５図に示す実施例では共にＮ２ ガ
スの吸蔵反応はいずれも発熱反応であるために、この時
は、自然冷却以外は水冷方式で行なった。

また第３図に示す実施例は第６図ａに示す太陽熱直接型
冷房装置のような配置図で行なった。

金属水素化合物（Ａ）２を内蔵した加熱用金属容器１の
上部に太陽熱加熱器１３を設け、太陽熱で直接金属水素
化合物（Ａ）２を加熱するように、屋外に設けた。

一方、金属水素化合物（Ｂ）４を内蔵した冷房用金属容
器３を屋内に設け、電磁バルブ７を介して連結し、冷房
用ファン１５で室内に冷風を供給するように、冷房装置
を配置した。

また第４図に示す実施例は第６図すに示す太陽熱間接型
冷房装置のような配置図で行なった。

金属水素化合物（Ａ）２を内蔵する加熱用金属容器１を
床下に設け、太陽熱で屋根兼用の太陽熱加熱器１３を加
熱し、循環ポンプ１６で循環する媒体をこの熱源で加熱
し、その熱源で、金属水素化合物（Ａ）２を加熱する構
造である。

一方金属水素化合物ａ３）４を内蔵する冷房用金属容器
３を屋内に設け、電磁バルブ７を介して連結し、冷房用
ファン１５で室内に冷風を供給するように冷房装置を配
置した。

次にこの冷房システムの動作を説明する。

金属容器内部の空気はまずＮ２ ガスで置換後Ｈ２ガス
で置換し、完全密閉型とした。

次に太陽熱で加熱器（集熱器）を加熱し、金属容器１内
の金属水素化合物（Ａ）２を加熱すると、金属容器１内
の圧力が上昇し、金属水素化合物（Ａ）２より水素が放
出しはじめ、同時に金属容器３内も同様に加圧されるの
で、金属水素化合物（Ｂ）４は水素を吸蔵し始める。

この過程は第２図の■過程に相当する。

すなわち、金属水素化合物囚ではｄ−＋ａ−＋ｂ、金属
水素化合物ＣＢ）ではｄ′→ａ′→ｂ／の過程となる。

次に太陽熱の集熱器への照射をさまたげるように遮蔽板
を設け、集熱器の湿度を下げ、金属水素化合物■の湿度
を約５０℃まで低下させ、金属容器１内の圧力を減少さ
せることにより、金属水素化合物（Ｂ）より水素ガスを
放出させ、他方の金属水素化合物（イ）に吸蔵させる。

この時金属水素化合物（Ｂ）は約７〜８°Ｃまで低下す
る。

一方、金属水素化物囚は発熱するので、反応をスムーズ
に進行させるために、約５０°Ｃ以上に湿度が上昇する
時は、約５０℃まで水冷却を行なう。

この過程は第２図の■過程に相当する。

すなわち、金属水素化合物ＣＢ）ではｂ′→Ｃ′→ｄ′
の過程で吸熱反応であり、７〜８℃まで低下するので、
この吸熱量を冷房に利用できる。

冷房機能がなくなると、また太陽熱で、金属水素化合物
■を加熱して、金属水素化合物ＣＢ）に水素を吸蔵させ
ておく。

水素ガスは逆流しないように電磁バルブ７を閉じておき
、必要な時に電磁バルブを開いて、Ｈ２ガスを放出させ
冷房を行なわせる。

なお、電磁バルブ７はこれに限るものではなく他の自動
弁であってもよい。

夜間には、太陽熱を使用することはできないので、金属
容器１内を加圧することができない。

しかし、昼間に太陽熱で金属水素化合物ＣＢ）に水素を
吸蔵させておくと、夜間になっても、冷房することがで
きる。

また廃熱を使用できる時は、昼夜の別なく、熱源となる
廃熱があれば、いつでも冷房することができる。

熱源として、電気ヒーター、ガス等を使っても当然冷房
できる。

金属水素化合物（Ｂ）に水素ガスを吸蔵させる間は、冷
房はできない。

したがってこの冷房装置は１セツトでは連続的には使用
できない。

必要な冷房時間だけ、水素を吸蔵させ、貯蔵しておかね
ばならない。

冷房が完了すると、自動的に冷房側の金属水素化合物（
Ｂ）に水素を貯蔵させることができる。

実際の冷却装置の内部温度と圧力は次の通りである。

Ｐｌ ＝１０ａｔｍ Ｐ２ ＝２．３ａｔｍ Ｔ２
＝約５０°ＣＴに７〜８°ＣＴ３−９５°Ｃ最高温度
も９５°Ｃ１圧力も１０ａｔｍ以下と非常に低い温度と
圧力で冷房ができる。

なお、太陽熱で加熱する過程（ａ−＋ｂ）、冷房する過
程（ｃ ／→ｄ’）がキーポイントである。

また金属水素化合物（５）の温度を素早く、低くする事
は熱容量的に困難である。

したがって、この時の冷却温度は比較的高い状態で、金
属水素化合物Ｂから水素ガスを放出させることか理想的
である。

このことを考慮に入れると、湿度Ｔ２は約５０℃以上が
適当である。

まだ空冷よりは水冷の方が効果か太きい。

また第７図に示すように、この冷房装置の冷房能力は内
蔵する金属水素化合物の量によって決まり、その量が多
い程、冷房能力は大きくなる。

また各種の金属水素化合物の組合せにより、種々の冷房
装置ができる。

Ｍｇ系金属水素化合物は、比較的軽量の冷房装置ができ
るが、最高圧力が高過ぎる。

ＭｍＮｔ５ ＨＸのような金属水素化合物は、低温（
−２０℃）におけるＨ２解離圧力が数ａｔｍと他の物と
比較して高いので、非常に低い低温領域まで冷却が可能
となる。

なお、水素平衡圧力の異なる２種類の金属水素化物とい
うのは混合物であってもよく、要は容器間において水素
平衡圧力の異なる材料か入っておればよい。

以上のように本発明は水素平衡圧力の異なる２種類の金
属化合物を各々内蔵する２個の金属容器を用いているの
で、両容器間で水素ガスの吸蔵放出を行わせる場合に圧
縮ポンプや加熱源のような水素ガス移動の為の強制手段
の負荷か軽減される。

すなわち、水素平衡圧力が同一の金属水素化合物の場合
は初期動作時に両容器を結ぶ管を連通させても、そのま
までは水素の移動は起らず、圧縮ポンプで圧力差かつく
るか、あるいは廃熱を用いて圧力差をつくる必要があり
、その為に時間も必要である。

しかしながら本発明のように水素平衡圧力の異なる２種
類の金属を用いますと起動時に両容器を連通させるだけ
で水素ガスの移動が始まり、起動時の動力は不要であり
、また起動時の待ち時間も少なくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＬ ａ Ｎ ｉ５ ＨＸの水素成分と平衡圧
力の関係図、第２図は金属水素化合物の温度（１／Ｔ）
と圧力（ｌｏｇ Ｈ２）の関係図、第３図、第４図、第
５図、第６図ａ、ｂはそれぞれ本発明の実施例を示す冷
房装置の構成図、第７図は冷房・能力特性図である。 １．３・・・金属容器、２・・・金属水素化合物（Ａ）
４・・・金属水素化合物ＣＢ）、７・・・電磁バルブ（
自動弁）、１３・・・加熱器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 水素平衡圧力の異なる２種類の金属水素化合物をそ
   れぞれ内蔵する２個の金属容器と、前記金属容器に設け
   た熱交換器と、前記金属容器を自動弁を介して連結する
   手段とを具備し、前記金属容器から太陽熱あるいは各種
   廃熱を用いて水素ガスを放出させ、水素平衡圧力の高い
   金属水素化合物側で冷房機能を発揮させる金属水素化合
   物を用いた冷房装置。