JPS5855438B2 - 熱変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属水素化物の吸熱反応及び発熱反応を利用し
た熱変換器に関するものである。

従来、多くの金属又は合金（以下単に金属という）は水
素と可逆的に反応することが知られている。

即ち（式中Ｍは金属、Ｑは発熱量） なる関係があり、水素を吸蔵する過程においては発熱し
、水素を放出する過程においては吸熱することが知られ
ている。

そして、この際金属はそれぞれ独自の水素平衡圧特性の
異なる２種の金属を組合せることにより冷暖房に使用で
きることが知られている。

たとえば、金属水素化物を内蔵した２つの容器を連通さ
せて組とした冷暖房ブロックを２組設け、各容器に加熱
装置及び冷却装置を設置しておき、各組の一方の容器を
交互に加熱・冷却することにより他方の容器を交互に冷
暖房源として利用することが提案されているが、この装
置は操作が複雑であり、保守が困難であり、かつ熱交率
が悪く連続運転には不適なものであった。

本発明は上記欠点に鑑み連続運転を容易にすることがで
き、操作が簡単で保守の容易な、金属水素化物を利用し
た熱交換器を提供することを目的としてなされたもめで
あって、その要旨は熱交換容器が中心部から放射状に配
置された仕切板により２以上の部屋に分割されると共に
各部屋がそれぞれ水素ガスを透過するが金属水素化物は
透過しない隔壁により内外の区室に分割され、これらの
各部屋は中心軸の周りに回動されるようになされ、かつ
各区室は熱交換器と接触し熱伝導を行う熱伝導面を有し
ており、前記内側の区室とには異なる金属水素化物が封
入されていることを特徴とする熱変換器に存する。

本発明で使用する金属水素化物とは、水素と可逆的かつ
発熱的に反応する金属の水素化物であって、たとえば、
ランタンニッケル水素化物（ＬａＮｉ、−Ｈｘ）、カル
シウムニッケル水素化物（ＣａＮｉ５−ＨＸ）、ミツシ
ュメタルニッケル水素化物（ＭｍＣＯ５Ｈｘ）、ネオジ
ムコバルト水素化物（ＮｄＣｏ５−ＨＸ）、鉄チタン水
素化物（ＦｅＴ ｉ −Ｈｘ ） 、バナジウムニオブ
水素化物（ＶＮｂ−Ｈｘ）、マグネシウムニッケル水素
化物（Ｍｇ２ Ｎ ｉ −Ｈｘ ）、マグネシウム鋼水
素化物（Ｍｇ２ Ｃｕ −Ｈｘ ）等のアルカリ金属、
アルカリ土類金属、ランタンイド、アクチノイド、遷移
金属等の金属の組合せの水素化物があげられる。

そして上記金属水素化物を熱変換器で使用する際には適
宜組合せばよく、たとえば、ランタンニッケル水素化物
−カルシウムニッケル水素化物、ミツシュメタルニッケ
ル水素化物ランタンニッケル水素化物、ミツシュメタル
コバルト水素化物−ランタンニッケル水素化物、バナジ
ウムニオブ水素化物−ミツシュメタルコバルト水素化物
、鉄チタン水素化物−ネオジムコバルト水素化物等の組
合せがあげられる。

次に図面を参照にして本発明の熱変換器を説明する。

第１図は本発明の熱変換器で冷房する装置の一例を示す
断面図であり、第２図イ及び第３図イは第１図１−Ｐ線
及びｎ −ｍ’線における断面図である。

図中１は円板状の熱変換容器である。熱変換容器１は中
心軸１０から放射状に配置された仕切板２０により半円
板状に二つの部屋が仕切られ、かつ水素ガスは透過する
が金属水素化物は透過しない半円筒状の隔壁２２により
中心軸１０と同心円状に内外に分割され、区室１２，１
３，１４゜１５が形成されており、隔壁２２より外側の
区室１２及び１５には金属水素化物Ａが封入されており
、隔壁２２より内側の区室１３及び１４には金属水素化
物Ａとは異なる金属水素化物Ｂが封入されている。

中心軸１０は駆動具（図示せず）に連結されており、回
動可能になされている。

図中３は熱交換器である。

熱交換器３は円筒状の内壁３５及び板状Ｏ内壁３６によ
り分割され４つり熱交換室３１，３２．３３及び３４が
形成されており、熱交換室３１及び３４の断面形状は熱
変換容器１の区室１２及び１５の断面形状に対応し、熱
交換室３２及び３３０）断面形状は熱変換容器１の区室
１３及び１４に対応するように形成されている。

なお６は熱伝導面、１１は中心軸である。

そして熱変換容器１の熱伝導面６には熱交換器３が接し
ており、中心軸１０を中心にして熱変換容器１を回動す
ることにより、区室１２及び１５は熱交換室３１及び３
４に接し、区室１３及び１４は熱交換室３２及び３３に
接するように設定されている。

６０は太陽熱集熱器であり、熱媒体が熱交換室３２との
間を循環するように配管６３で連絡されている。

６１はブロアーであり、熱交換室３１及び３３と配管６
４で連絡され、大気中の空気が熱交換室３１及び３３を
通過し、熱交換室３１に設置された排出口６５から排出
されるように設置されている。

又６２は放熱器であり、熱媒体が熱交換室３４との間を
循環するように配管６６で連絡されている。

上記装置で冷房する方法を説明する。

金属水素化物Ａとしてネオジムコバルト水素化物又金属
水素化物Ｂとして鉄チタン水素化物が熱変換容器１の各
区室に封入されている。

鉄チタン水素化物及びネオジムコバルト水素化物の水素
平衡圧と温度の関係を第６図に示した、太陽熱集熱器６
０で集熱された熱媒体は８０℃で加熱され、外気温は３
０℃であると仮定すると、太陽熱集熱器６０で加熱され
た熱媒体は、集熱器６０と熱交換室３２の間を循環され
る。

熱媒体の熱は区室１３に伝導されネオジムコバルト水素
化物が加熱される。

又ブロアー６１により熱交換室３１には大気が供給され
熱交換室３１は３０℃に保たれ、熱は区室１２に伝導さ
れて鉄チタン水素化物は３０℃に保たれる。

ネオジムコバルト水素化物が８０℃に保たれる（第６図
ａ）とネオジムコバルト水素化物Ｑつ水素平衡圧は約１
０気圧になり、鉄チタン水素化物が３０℃に保たれる（
第６図ｂ）と鉄チタン水素化物の水素平衡圧は約５．５
気圧になる。

従ってネオジムコバルト水素化物は水素ガスを放出し鉄
チタン水素化物は水素ガスを吸収する。

即ち区室１３と１２の間ではａ−＋ｂの反応が進行する
。

ａ−＋ｂの反応が略終了すると熱変換容器１は中心軸１
０により１８０°回転され、区室１２と熱交換室３４及
び区室１３と熱交換室３３が対向するように配置される
。

熱交換室３３にはブロアー６１により大気が供給され３
０℃に保たれ、区室１３中のネオジムコバルト水素化物
は３０°Ｃに冷却される（第６図ｂ）。

冷却されるとネオジムコバルト水素化物の水素平衡圧は
約１．２気圧になり、区室１２中の鉄チタン水素化物の
水素平衡圧より小さくなり、鉄チタン水素化物は水素ガ
スを放出し、ネオジムコバルト水素化物がこの水素ガス
を吸収する。

鉄チタン水素化物は水素ガスを放出すると吸熱しｂ→Ｃ
に向って冷却され、たとえば５℃、Ｃで定常状態となり
Ｃ−＋ ｄの反応が進行する。

この際区室１２は５℃に冷却されるめで対向している熱
交換室３４中の熱媒体を冷却する。

冷却された熱媒体は放熱器６２へ循環され冷房に供され
る。

モしてＣ−＋ ｄの反応が略終了すると熱変換容器は再
び１８０°回転され区室１２中の鉄チタン水素化物と区
室１３中のネオジムコバルト水素化物は２１−＋ ｌ）
の反応を始める。

又、熱変換容器１は仕切板２０を対称面として鉄チタン
水素化物が封入された区室１２，１５とネオジムコバル
ト水素化物が封入された区室１３１４があり、区室１２
と１３の間でａ−＋ ｌ）の反応が進行している間は区
室１４と１５の間ではＣ→ｄの反応が進行しており逆に
区室１２と１３の間でＣ−＋ ｄの反応が進行している
間は区室１４と１５の間ではａ−＋ｂの反応が進行して
いる。

従って熱変換容器１が一回転する間にネオジムコバルト
水素化物と鉄チタン水素化物との反応はａ→ｂ→Ｃ−）
ｄの一すイクル進むように設定あれでおり、熱交換室
３４に対向する熱変換容器１の区室１２又は１５は常に
冷却されているので連続的に冷房することができる。

第４図は本発明の熱変換器で暖房する装置の一例を示す
断面図であり、第７図はランタンニッケル水素化物とミ
ツシュメタルコバルト水素化物の水素平衡圧と温度の関
係を示すグラフである。

第４図において１は第１図に示した熱変換容器と同形状
のものであり、円筒状隔壁２２より外側θつ区室１２及
び１５には金属水素化物Ｃが封入され、隔壁２２より内
側の区室１３及び１４には金属水素化物りが封入されて
いる。

又熱交換器３も第１図に示した熱交換器と同形状のもの
であり、太陽熱集熱器６０は熱交換室３１及び３３と連
絡されており、太陽熱集熱器６０で集熱された熱媒体が
循環するようになされている。

熱交換室３４はブロアー６１と連絡されており大気が供
給されるようになされており、熱交換室３２は放熱器６
２と連絡されている。

次に上記装置を使用して暖房する方法を説明する。

金属水素化物Ｃとしてミツシュメタルコバルト水素化物
を区室１２及び１５に封入し、金属水素化物りとしてラ
ンタンニッケル水素化物を区室１３及び１４に封入する
。

太陽熱集熱器６０で集熱された熱媒体の温度が４０°Ｃ
であり、外気温が１０℃であるとすると、区室１２のミ
ツシュメタルコバルト水素化物は太陽熱集熱器６０で加
熱された熱媒体により４０℃に加熱され、水素ガスを放
出し、放出された水素ガスは区室１３のランタンニッケ
ル水素化物に吸収され、ランタンニッケル水素化物は発
熱し、ｅ−＋ｆ（第７図）の反応が進行する。

区室１３で発生した熱は熱交換室３２に伝導され、熱交
換室３２中の熱媒体が加熱される。

加熱された熱媒体は放熱器６２に循環され、暖房に供さ
れる。

又同時に区室１５ではミツシュメタルコバルト水素化物
は大気によって冷却され、区室１４ではランタンニッケ
ル水素化物は太陽熱集熱器６０で加熱された熱媒体によ
って加熱され、ランタンニッケル水素化物からミツシュ
メタルコバルト水素化物に水素ガスが移行するｇ−＋ｈ
（第７図）の反応が進行する。

そしてｅ−＋ｆ及びｇ→ｈの反応が略終了する毎に熱変
換容器１が１８００回転されると熱交換室３２は常に加
熱されることになり連続的（こ暖房が行なわれる。

第８図は本発明の熱交換器で冷房する装置の異なる例を
示す断面図であり第９図イは第８図■■線における断面
図である。

図中２は円筒状の熱変換容器であり、４及び５は円筒状
及び円柱状の熱交換器である。

円柱状熱交換器５は外周面が熱変換容器２の内周面に接
するように設置されており、熱変換容器２は外周面が円
筒状熱交換器５の内周面に接するように設置されている
。

この接した面がそれぞれ熱伝導面８及び７であり、熱交
換器４及び５は固定され、熱変換容器２は連結具１０４
を介して駆動具（図示せず）に連結されており、熱伝導
面７及び８が接したまま回動するようになされている。

熱変換容器２は仕切板２１により半円筒状にニつＯ部屋
が仕切られ、熱変換容器２と略同円心状であり、水素ガ
スは透過するが金属水素化物は透過しない隔壁２３によ
り内外に分割され区室１６゜１７．１８及び１９が形成
されており、隔壁２３より外側の区室１６及び１９には
金属水素化物Ｅが封入されており、隔壁２３より内側の
区室１７及び１８には金属水素化物Ｅとは異なる金属水
素化物Ｆが封入されている。

熱交換器４は内壁４３により半円筒状の熱交換室４１及
び４２に分割され、熱交換器５は内壁５３により半円柱
状の熱交換室５１及び５２に分割されている。

従って熱変換容器２を１回転することにより区室１６及
び１９は熱交換室４１及び４２に接し、区室１７及び１
８は熱交換室５１及び５２に接するように設置されてい
る。

なお１０２は中心軸である。

６０は太陽熱集熱器であり熱交換室５１と連絡されてお
り、太陽熱集熱器６０で集熱された熱媒体で循環される
ようになされている。

６１はブ冶アーであり、熱交換室５２及び４１と連絡さ
れており大気が供給されるようになされている。

又６２は放熱器であり、熱交換室４２と連絡されている
。

上記装置で冷房するには、たとえば金属水素化物Ｅとし
て鉄チタン水素化物を封入し、金属水素化物Ｆとしてネ
オジムコバルト水素化物を封入し、第１図で説明したと
同様にして操作することにより冷房することができる。

又太陽熱集熱器６０、ブロアー６１及び放熱器６２を第
２図で説明したと同様に連絡することにより暖房に供す
ることもできる。

本発明における熱変換容器の形状は特に限定されるもめ
ではなく、たとえば円板状、円柱状、円筒状、角板状、
角柱状、球状等の形状のものがあげられ、熱伝導面は広
い方が好ましいので円板状と円筒状いも０が好ましく、
円板状のものは第１図に示した如く直向が熱伝導面とな
され、円筒状のものは第８図に示した如く円周面が熱伝
導面となされるのが好ましい。

又熱交換器は熱変換容器の熱伝導面に対応した熱伝導面
を有し熱変換容器の各部屋と熱交換が可能になされてい
ればよい。

熱交換器は第１図、第３図、第８図等に示した如き熱交
換室だけで形成する必要はなく、たとえば大気を循環す
る室は熱伝導面に直接風を吹き付けてもよく、熱伝導面
に放熱フィンを設置しておいてもよいし、太陽熱集熱器
で集熱した熱媒体を循環する室や放熱器に連絡された室
は、熱伝導面に熱媒体の配管を設置してもよいし、配管
を熱伝導面としてもよい。

又熱変換容器の区室り数は隔壁より内側の部屋数と外側
の区室数が共に２以上であればよいが、熱変換器の中心
部から外壁に達する放射状に配置された仕切板により仕
切られ、総置室数が４の倍数である０が好ましい。

第２図口及び第９図口は熱変換容器が８つの区室数に分
割された例を示す断面図である。

第２図中こおいては隔壁２２１及び仕切板２０１・・・
により８つに分割され区室１２Ｌ１２Ｌ１３１．１３Ｌ
１４１，１４Ｌ１５１，１５１が形成されており隔壁２
２より内側の区室１３１゜１４１には金属水素化物Ａが
封入されており、外側の区室１２Ｌ１５１には金属水素
化物Ｂが封入されている。

又第９図口においては隔壁２３１と仕切板２１１により
８つに分割され区室１６１゜１６Ｌ１７Ｌ１７１．１８
Ｌ１８Ｌ１９１゜１９１が形成されており隔壁２３より
内側の区室１７Ｌ１８１には金属水素化物Ｆが封入され
ており、外側の区室１６Ｌ１９１には金属水素化物Ｅが
封入されている。

上述の如く熱変換容器の各部屋を小さく分割し、第３図
イ、第９図イＯ如き４分割された熱交換器と共に熱変換
器として使用すると熱変換容器をなめらかに回転しても
冷暖房することが可能である。

なお１０Ｌ１６３は中心軸である。

又熱交換器を熱変換容器に対応するように分割してもよ
い。

第３図口及び第９図中ま熱交換器が３つの室；こ分割さ
れた例を示す断面図である。

第３図口においては内壁３６及び３６１・・・により８
つに分割され室３１１．３１１．３２１．３２１．３３
１ 。

３３１．３４Ｌ３４１が形成されている。

なお１１１は中心軸である。

第９図口においては内壁４３１・・・及び５３１・・・
により８つに分割され室４１１．４１１．４２１．４２
１．５１Ｌ５１１゜５２１．５２１が形成されている。

第２図口０熱変換容器と第３図口の熱交換器を用いた熱
変換容器又は第９図口熱変換器を使用し同じ番号の室を
同じように冷却、加熱し第１図で説明したように操作を
すれば熱変換容器を９０°ずつ間歇的に２回回動して１
８０°回転することによりａ−）ｌ）→ｃ−＋ｄ（第６
図）又はｅ−） ｆ−＋ｇ−＊１１ （第７図）めサイ
クルを１周することができ回転速度を遅くすることがで
きる。

又第１図に示した如き円板状の熱変換容器及び熱交換器
は第５図に示した如く熱変換容器１及び熱交換器３を複
数個交互に接続してもよい。

このように接続すると熱伝導面が大きくなり効率が向上
する。

又熱変換器の回転をずらすことにより放熱器から放熱さ
れる熱量が時間的変動がなくなり常に一定となる。

上記隔壁は水素ガスは透過するが金属水素化物は透過し
ないものであって、耐熱性、断熱性、機械的強度等にす
ぐれたものが好ましく、たとえば金属焼結多孔体、高分
子樹脂フィルム多孔体、不織布、ガラスマット、金属網
等の膜状物及び該膜状物の積層体などがあげられる。

又天然ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、三酢酸セ
ルロース、ポリエステル、エポキシ樹脂、シリコン樹脂
等の金属水素化物の結着性を有し、水素ガスめ透過性の
大きい結着材中に金属水素化物を分散せしめ、上記結着
材で金属水素化物を固定すると共に隔壁を形成してもよ
い。

又仕切板及び内壁は共に水素ガスも金属水素化物も透過
しないものであって断熱性のすぐれたものが好ましく、
たとえばステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金
等と断熱材との積層体が好ましい。

仕切板で分割される部屋間では水素ガスの移動がないよ
うに仕切られている。

上記熱媒体としては公知の任意のものが使用されてよく
、たとえば水、ポリエチレングリコール、シリコン油等
があげられる。

又冷却するためには空気をブロアーで吹込み、加熱する
ためには太陽熱集熱器で集熱しているが、冷却するため
に冷媒を循環するとか、加熱するためにボイラー温廃水
、スチーム、加熱器体等を循環してもよい。

本発明の熱変換器の構成は上述の通りであり、金属水素
化物が封入された熱変換容器が回動軸の周りに回動され
て各区室が順次熱交換器と熱交換を行い、その際に進行
する金属水素化物の吸熱反応又は発熱反応を利用して熱
変換を行い、その熱を利用して冷暖房することができる
りで容易に連続的に加熱、冷却することができ又保守も
容易である。

即ち、例えば冷暖房に供する熱を引出す熱交換器に対し
て、対応する加熱冷却反応を行なう熱変換容器の区室が
移動してきて順次熱交換するから、運転が円滑になると
共に熱損失が小さくなるのである。

又、金属水素化物が容器内に封入されているりで水素ガ
スが漏れることのないもめとすることができて安全であ
るし、各区室の壁面に熱伝導面を設けることにより構造
が複雑にならず、熱伝導面を大きくすることができ効率
のよい熱変換器となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱変換器で冷房する装置の一例を示す
断面図であり、第２図イ及び第３図イは第１図Ｔ−Ｉ’
線及び■−■“線における断面図であり、第２図口及び
第３図口は第１図Ｉ −Ｉ’線及び■−■“線における
異なる例を示す断面図であり、第４図は本発明の熱交換
器で暖房する装置の一例を示す断面図であり、第５図は
本発明の熱変換器で冷暖房する装置の異なる例を示す側
面図であり、第６図は鉄チタン水素化物及びネオジムコ
バルト水素化物の水素平衡圧と温度の関係を示すグラフ
であり、第７図はミツシュメタルコバルト水素化物及び
ランタンニッケル水素化物Ｏ水素平衡圧と温度の関係を
示すグラフであり、第８図は本発明の熱変換器で冷房す
る装置の異なる例を示す断面図であり、第９図イは第８
図Ｉ−Ｍ’線における断面図であり、第９図口は第８図
Ｉ−Ｉ’線における異なる例る示す断面図である。 １．２・・・・・・熱変換容器、３，４．５・・・・・
・熱交換器、６，７．８・・・・・・熱伝導面、１０，
１０１゜１０２．１０３．ＩＬｌｌｌ・・・・・・中心
軸、１２゜１３．１４，１５，１６，１７，１８．１９
・・・・・・区室、２０．２１−・・・・・・仕切板、
２２．２３・・・・・・隔壁、３１．３２，３３，３４
，４１．４２，５１ 。 ５２・・・・・・熱交換室、３５．３６，４３．５３・
・・・・・内壁、６０・・・・・・太陽熱集熱器、６１
・・・・・・ブロアー６２・・・・・・放熱器、Ａ、Ｂ
、Ｃ，Ｄ、Ｅ、Ｆ・・・・・・金属水素化物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱変換容器が中心部から放射状に配置された仕切板
   により２以上の部屋に分割されると共に各部屋がそれぞ
   れ水素ガスを透過するが金属水素化物は透過しない隔壁
   により内外の区室に分割され、これらの各部屋は中心軸
   の周りに回動されるようになされ、かつ各区室は熱交換
   器と接触し熱伝導を行う熱伝導面を有しており、前記内
   側の区室とには異なる金属水素化物が封入されているこ
   とを特徴とする熱交換器。 ２ 熱交換容器の形状が円板状であり、その底面が熱伝
   導面である特許請求の範囲第１項記載の熱変換器。 ３ 熱交換器は円形の熱伝導面を有し、熱変換容器の各
   区室の熱伝導面に対応して該熱交換器が設置されている
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の熱変換器。 ４ 熱変換容器の形状が円筒状であり、その内円周面及
   び外円周面が熱伝導面である特許請求の範囲第１項記載
   の熱変換器。 ５ 熱交換器の形状が円柱状のものと円筒状Φものとよ
   りなり円筒状熱変換容器の中空部に円柱状の熱交換器が
   その内周面に接するように設置され、熱交換容器が円筒
   状の熱交換器の中空部に、その内周面に接するように設
   置されてなる特許請求の範囲第４項記載の熱変換器。