JPS60140068A - ヒ−トポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は金属水素化物を用いるヒートポンプ装置に関す
る。

（従来技術） ある種の金属や合金が発熱的に水素を吸蔵して金属水素
化物を形成し、また、この金属水素化物が可逆的に吸熱
的に水素を放出することが知られており、近年、このよ
うな金属水素化物の特性を利用したヒートポンプ装置が
種々提案されている。

このようなヒートポンプ装置の多くは、原理的には、例
えば特公昭５５−３５６１６号公報に記載されているよ
うに、水素平衡分解圧の異なる金属水素化物をそれぞれ
反応容器をなす一対の熱交換器に充填すると共に、これ
ら反応容器を水素流通管で接続して作動対を構成し、各
反応容器内の金属水素化物を一定時間にわたって所定の
温度の熱媒にて加熱又は冷却することにより、作動対の
一方の反応容器内の金属水素化物から吸熱的に水素を放
出させ、この水素を水素流通管を経て他方の反応容器に
導き、この反応容器内の金属水素化物に発熱的に吸蔵さ
せる反応を交互に行ない、このようにして、金属水素化
物の水素の吸蔵又は放出に伴う発熱又は吸熱反応を利用
して、所定の温度の温熱又は冷熱を出力として取り出し
ている。

第１図は上記のようなヒートポンプ装置の作動を示すサ
イクル線図の一例であって、第１番目の金属水素化物Ｍ
ＨＩ（以下、同様に表わす。）を所定の温度の熱媒にて
高温ＴＨに加熱すると共に（点Ａ）、ＭＨ２を所定の温
度の熱媒にて中温ＴＭに保持して（点Ｂ）、ＭＨＩとＭ
Ｈ２の水素平衡分解圧に差圧を生ぜしめ、ＭＨＩから吸
熱的に水素を放出させ、この水素をＭＨ２に発熱的に吸
蔵させ、次いで、ＭＨＩを中温ＴＭに保持すると共に（
点Ｆ）　、ＭＨ２を所定の温度ＴＬとして（点Ｅ）、Ｍ
Ｈ２とＭＨＩとの間に水素平衡分解圧の差圧を生ぜしめ
、Ｍ口２から水素を放出させ、この水素をＭＨＩに吸蔵
させ、ここにＭＨ２の吸熱反応を利用して温度ＴＬの冷
熱出力を得るものである。この後、ＭＨＩを再び高１Ｔ
Ｈに加熱し、ＭＨ２を中温ＴＭに保持すれば、サイクル
が完了する。

尚、各反応容器内の金属水素化物を上記のように交互に
加熱冷却する代わりに、反応容器内に水素を加圧供給し
て水素を吸蔵させ、次いで、反応容器内を減圧して水素
を放出させ、このような水素の吸蔵放出を各反応容器に
交互に行なわせて、温熱又は冷熱出力を得ることも、例
えば、特開昭５１−８２９４２号公報に記載されている
ように、既によく知られている。

このような従来のヒートポンプ装置においては、金属水
素化物の水素の吸蔵放出に伴う反応容器間の水素移動は
、例えば、上記した特開昭５１−８２９４２号公報に記
載されているように、通常、電磁弁により規制される。

従って、従来の典型的な２ボンベ型のヒートポンプ装置
は、第２図に示すように、ＭＨＩを充填した第１の反応
容器１１とＭＨ２を充填した第２の反応容器１２を第１
の水素流通管１３及び第２の水素流通管１４にて接続し
、各水素流通管には開閉制御可能な制御弁１５及び１６
を取り付けると共に、第１の水素流通管１３にはＭＨＩ
からＭＨ２への水素移動のみを、また、第２の水素流通
管１４にはＭＨ２からＭＨＩへの水素移動のみを許す逆
止弁１７及び１８を取り付けて構成され、反応のサイク
ルに応じて上記制御弁を開閉して容器間での水素移動を
制御している。

上記した制御弁としては、従来より小型、簡単であり、
また、安価であることから電磁弁が広く用いられている
が、しかし、よく知られているように、通常の電磁弁は
、一般に管路における一方への流体の流れを開閉制御す
る機能を有するにすぎず、従って、逆方向への流れを遮
断するには逆止弁を付設することが必要である。従って
、上記したような簡単な所謂２ポンベ型のヒートポンプ
装置においても、各反応容器内の金属水素化物の反応に
応じて、容器間の水素移動を規制するには、各水素流通
管に電磁弁と逆止弁とを各１個ずつ必要とするから、実
用的な３ポンベ型又はそれ以上の多ボンベ型ヒートポン
プ装置においては、各反応容器間の水素移動を規制する
ために必要な電磁弁及び逆止弁の数が極めて多くなり、
装置構成が複雑化し、また、装置の信頼性が著しく乏し
くなるうえに、弁からの水素洩れの危険、性が増す。他
方、高級な制御弁、例えば電動弁を用いれば、故障や水
素洩れの危険性はある程度は解消されても、制御系が複
雑化すると共に、装置が高価となる。

（発明の目的） 本発明は従来のヒートポンプ装置における上記した問題
を解決するためになされたものであって、装置に含まれ
る弁の数を少なくして、簡単な装置構成でありながら、
信軌性の高いヒートポンプ装置を提供することを目的と
する。

（発明の要旨） 本発明のヒートポンプ装置は、水素平衡分解圧が相互に
異なるｎ種（ｎ≧３）の金属水素化物をそれぞれ充填し
たｎ個の反応容器を、第（ｍ＋ｌ）番目（１≦ｍ≦ｎ）
の反応容器内の金属水素化物の水素平衡分解圧が第ｍ番
目の反応容器内の金属水素化物よりも大きくなるように
それぞれ水素流通管にて接続すると共に、第ｎ番目の反
応容器と第１番目の反応容器とを水素流通管にて接続し
てなるヒートポンプ装置において、 （ａｌ　この各水素流通管に第ｍ番目の反応容器から第
（ｍ＋１）番目の反応容器方向にのみ水素の流通を許す
逆止弁を設けて、第（ｍ＋１）番目の反応容器から第ｍ
番目の反応容器への水素の移動を禁止すると共に、 （ｂｌ　第ｎ番目の反応容器と第１番目の反応容器を接
続する水素流通管と、第１番目の反応容器と第２番目の
反応容器とを接続する水素流通管との少なくともいずれ
か一方に開閉制御可能な制御弁を設け、 （Ｃ１逐次、第ｍ番目の反応容器の金属水素化物から水
素を放出させ、この水素を逆止弁を経て第（ｍ＋１）番
目の反応容器に導いて、この容器内の金属水素化物に吸
蔵させ、このようにして、第ｎ番目の反応容器の金属水
素化物から水素を放出させ、この水素を水素流通管を経
て第１番目の反応容器に導き、この容器内の金属水素化
物に吸蔵させ、第ｎ番目の反応容器から冷熱を得、又は
第１番目の反応容器から温熱を得るようにしたことを特
徴とする。

（発明の構成） 以下に図面に基づいて本発明のヒートポンプ装置を説明
する。尚、以下において、前記したように、第ｍ番目の
金属水素化物はＭＨｍで表わされ、図面においては工で
表わされ、また、これに隣接して水素流通管で接続され
ているＭＨ（ｍ＋１）は、装置の作動温度領域において
ＭＨｍよりも高い水素平衡分解圧を有するように選ばれ
る。

第３図は冷熱出力を得るために好適である本発明の３ボ
ンベ型ヒートポンプ装置の一実施例を示す。

ＭＨＩを充填した第１の反応容器２１と、ＭＨ２を充填
した第２の反応容器２２とは、前者から後者方向にのみ
水素移動を許す逆止弁２４を備えた水素流通管２５にて
接続され、同様に、第２の反応容器２２とＭＨ３を充填
した第３の反応容器２３も、前者から後者への水素移動
のみを許す逆止弁２６を備えた水素流通管２７にて接続
され、更に第３の反応容器２３と第１の反応容器２１と
は制御弁、例えば、電磁弁２８を備えた水素流通管２９
にて接続されている。

この装置の作動を第４図に示すサイクル線図に基づいて
説明する。先ず、第１の反応容器２１と第３の反応容器
２３とを接続する水素流通管２９上に設けられた電磁弁
２８を閉状態におき、第１の反応容器２１内のＭＨＩを
所定の高温ＴＨに加熱しく点Ａ）、第２の反応容器２２
内のＭＨ２を所定の中温に保つと共に（点Ｂ）　、ＭＨ
３の水素平衡分解圧をＭＨ２のそれよりも高く保つため
に、例えば、第３の反応容器２３内のＭＨ３をも中温Ｔ
Ｍに保つことにより（点Ｄ）、ＭＨＩとＭＨ２との間に
水素平衡分解圧に差圧が生じて、ＭＨＩは水素を吸熱的
に放出し、この水素は水素流通管２５を逆止弁２４を経
て第２の反応容器に送入され、ＭＨ２がこの水素を発熱
的に吸蔵する。この反応において、上記したように、Ｍ
Ｈ３は中温に保持されており、従って、ＭＨ２よりも水
素平衡分解圧が高く保たれているので、ＭＨ２からＭＨ
３方向への水素移動は起こらない。また、電磁弁２８が
閉じられているので、この間、ＭＨ３の温度にかかわら
ずに、ＭＨＩからＭＨ３への水素移動は起こらない。こ
のＡからＢへの水素移動が終了した後に、ＭＨＩは中温
ＴＭに冷却される（点０ Ｆ）。

このＡからＢへの水素移動の終了後、第２の反応容器２
２内のＭＨ２を高温ＴＨに加熱しく点Ｃ）、上記したよ
うに中温ＴＭに保たれているＭＨ３（点Ｄ）との間に水
素平衡分解圧の差圧を生せしめると、ＭＨ２は水素を吸
熱的に放出し、この水素は水素流通管２７を逆止弁２Ｇ
を経て第３の反応容器に導かれ、この水素をＭＨ３が吸
熱的に吸蔵する。この水素移動の間も上記電磁弁２８は
閉じられているので、ＭＨ３からＭＨＩへの水素移動は
起こらない。

このＣからＤへの水素移動反応の終了後、電磁弁２８を
開くと、前記したようにＭＨＩは中温ＴＭに保たれてい
るので（点Ｆ）　、ＭＨ３とＭＨＩとの間に水素平衡分
解圧の差圧が生じて、ＭＨ３は低温ＴＬで水素を吸熱的
に放出しく点Ｅ）、この水素流通管２９を電磁弁２８を
経て第１の反応容器に導かれ、ここでＭＨＩがこの水素
を発熱的に吸蔵する（点Ｆ）。

次いで、ＭＨＩを温度ＴＨに、ＭＨ２及びＭＨＩ１ ３をそれぞれ温度ＴＭに戻すことにより、サイクルが完
了する。

従って、上記ヒートポンプ装置は、高温ＴＨの熱源を用
いて、低温ＴＬの冷熱を出力として得るものであり、例
えば、冷房に利用することができるが、従来の２ボンベ
型装置であればＡ　−Ｂ　−Ｅ’−Ｆのサイクルである
のに対して、上記本発明の装置によれば、Ａ−Ｂ−＋Ｃ
−＋Ｄ→Ｅ−＋Ｆのサイクルを行なわせるので、より低
温の冷熱出力を得ることができる。

第５図は上記の３ボンベ型に代えてｎ個のボンベからな
る多ボンベ型ヒートポンプ装置を示し、第ｍ番目の反応
容器と第（ｍ＋１）番目の反応容器とが前者から後者の
反応容器方向への水素移動のみを許す逆止弁３１を備え
た水素流通管３２にて接続されており、第ｎ番目の反応
容器と第１番目の反応容器とが電磁弁３３を備えた水素
流通管３４にて接続されている。

このような多ボンベ型ヒートポンプ装置の作動も前記し
たところと同様であり、第６図のサイク２ ル線図に示すように、水素はＭＨＩから、これよりも高
い水素平衡分解圧を有する次段の金属水素化物に逐次に
移動され、ＭＨ（ｎ−１）からＭＨｎへの水素移動が行
なわれた後、このＭ　ＨｎからＭＨＩに水素移動が行な
われて、サイクルが完了し、ＭＨｎの水素吸蔵反応から
冷熱出力を得るものである。尚、用いる金属水素化物を
多段に構成するほど、このようにより低温の冷熱出力を
得ることができる。

第７図は温熱出力を得るために好適である本発明の３ボ
ンベ型ヒートポンプ装置の一実施例を示す。ＭＨＩを充
填した第１の反応容器４１と、ＭＨ２を充填した第２の
反応容器４２とが前者から後者への水素移動のみを許す
逆止弁４４と電磁弁４５を備えた水素流通管４６にて接
続され、同様に第２の反応容器４２とＭＨ３を充填した
第３の反応容器４３とが、前者から後者への水素移動の
みを許す逆止弁４７を備えた水素流通管４８にて接続さ
れていると共に、第３の反応容器と第１の反応容器とが
弁をもたない水素流通管４９にて接３ 続されている。

この装置の作動は、第８図に示すザイクル線図に示すよ
うに、先ず、上記電磁弁４５を開状態におき、ＭＨＩを
所定の中温ＴＭに加熱しく点Ａ）、ＭＨ２とＭＨ３とを
所定の低温ＴＬに保っとくそれぞれ点Ｂ及び点Ｄ）、Ｍ
ＨＩとＭＨ２との間の水素平衡分解圧の差圧によって、
ＭＨＩは水素を吸熱的に放出し、この水素は水素流通管
４６を電磁弁４５及び逆止弁４４を経て、第２の反応容
器４２に導かれ、ＭＨ２がこの水素を発熱的に吸蔵する
。この反応の間、上記したように、ＭＨ３も低温ＴＬに
保たれており、従って、ＭＨ２よりも水素平衡分解圧が
高く保たれているので、ＭＨ２からＭＨ３への水素移動
は起こらない。また、この間、ＭＨ３はＭＨＩよりも水
素平衡分解圧が高く、且つ、水素の放出後の状態にある
ので、ＭＨ３とＭＨＩとは弁をもたない水素流通管４９
にて接続されているが、この水素流通管を経て水素移動
が起こることはない。この反応の終了後、ＭＨＩは高温
ＴＨに加熱される。

４ この人からＢへの水素移動の終了後、ＭＨ２を中温ＴＭ
に加熱しく点Ｃ）、上記したように低温Ｔ　Ｌに保たれ
ているＭＨ３（点Ｄ）との間に水素平衡分解圧に差圧を
生ぜしめると、ＭＨ２は水素を吸熱的に放出し、この水
素は水素流通管４８を逆止弁４７を経て第３の反応容器
に導かれ、ここでこの水素をＭＨ３が吸熱的に吸蔵する
。このＣからＤへの水素移動の間、ＭＨＩの温度にかか
わらず、水素流通管４４上の逆止弁４４によって、ＭＨ
２からＭＨＩへの水素移動は阻止される。また、ＭＨＩ
はＭＨ３よりも高温の温度Ｔ）（に保たれており、水素
平衡分解圧がＭＨ３よりも高く保たれているので、ＭＨ
３からＭＨＩへの水素移動も起こらない。

この反応の終了後、電磁弁４５を閉じ、ＭＨ３を中温Ｔ
Ｍに加熱し、ＭＨ３と水素放出後の温度Ｔ　ＨのＭＨＩ
との間に水素平衡分解圧に差圧を生せしめると、ＭＨ３
は水素を吸熱的に放出し、水素流通管４９を経てＭＨＩ
に供給されて、ＭＨＩがこの水素を発熱的に吸蔵する。

この間、ＭＨ３５ からＭＨＩへの水素移動は逆止弁４７によって禁止され
、また、電磁弁４５が閉じているので、ＭＨＩからＭＨ
２への水素移動は起こらない。この後、ＭＨＩを温度Ｔ
Ｍに戻し、ＭＨ２とＭＨ３とを温度ＴＬに戻せばサイク
ルが完了する。

従って、上記したヒートポンプ装置によれば、中温の熱
媒を駆動熱源として、所定温度ＴＨの温熱を出力として
得ることができるが、特に、従来の２ボンベ型ヒートポ
ンプ装置の場合には、Ｃ→Ｄ−＋Ｅ’→Ｆのサイクルを
行なうのに対して、上記本発明の装置によれば、Ａ→Ｂ
→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆのサイクルを行なうので、より高温の
温熱出力を得ることができる。

第９図は上記の３ボンベ型に代えてｎ個のボンベからな
る多ボンベ型ヒートポンプ装置を示し、第（ｍ−１）番
目の反応容器と第ｍ番目の反応容器とが前者から後者の
反応容器方向への水素の流れを許す逆止弁５１を備えた
水素流通管５２にて接続され、第ｎ番目の反応容器と第
１番目の反応容器とが、弁をもたない水素流通管５３に
て接続６ さていると共に、第１番目と第２番目の反応容器とは、
上記逆止弁４４に加えて電磁弁４５を備えた水素流通管
４６で接続されている。

このような多ボンベ型ヒートポンプ装置の作動も前記し
たところと同様であり、第１０図のサイクル線図に示す
ように、水素はＭＨＩから水素平衡分解圧がより高い金
属水素化物に逐次移動され、ＭＨ（ｎ−１）からＭｌ（
ｎへの水素移動が行なわれた後、このＭ　ＨｎからＭＨ
Ｉに水素移動が行なわれて、サイクルが完了する。

（発明の効果） 以上のように、本発明のヒートポンプ装置においては、
所定の作動温度領域で相互に水素平衡分解圧の異なる金
属水素化物を、その水素平衡分解圧が順次高くなるよう
に接続し、第１番目の反応容器の金属水素化物から水素
を放出させ、この水素を逐次、水素平衡分解圧のより高
い次段の金属水素化物に最終的に最終段の反応容器から
第１番目の反応容器に水素を移動させるようにしたので
、２ボンベ型ヒートポンプ装置に比べて、より低温７ 又は高温の出力を得ることができ、また、装置に含まれ
る弁数を金属水素化物の反応の特性を利用して最小限に
抑えたので、装置構成を簡単化し、装置を低度とし得る
うえに、装置の信頼性も格段に改善される。また、水素
洩れの危険も大幅に減縮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２ボンベ型ヒートポンプ装置の作動を説
明するためのサイクル線図、第２図は２ボンベ型ヒート
ポンプ装置の典型例を示す装置構成図、第３図は本発明
のヒートポンプ装置の一実施例を示す装置構成図、第４
図は第３図の装置の作動を説明するだめのサイクル線図
、第５図は第３図に対応する多ボンベ型型ヒートポンプ
装置を示す装置構成図、第６図はその作動を示すサイク
ル線図、第７図は本発明のヒートポンプ装置の別の一実
施例を示す装置構成図、第８図は第７図の装置の作動を
説明するためのサイクル線図、第９図は第６図に対応す
る多ボンベ型ヒートポンプ装置を示す装置構成図、第１
０図はその作動を示す８ サイクル線図である。 ２１．２２．２３・・・反応容器、２４．２６・・・逆
止弁、２５．２７．２９・・・水素流通管、２８・・・
電磁弁、３１・・・逆止弁、３２．３４・・・水素流通
管、３３・・・電磁弁、４１．４２．４３・・・反応容
器、４４．４７・・・逆止弁、４５・・・電磁弁、４８
．４９・・・水素流通管、５１．５４・・・逆止弁、５
２．５３・・・水素流通管、５５・・・電磁弁。 特許出願人　積水化学工業株式会社 代表者藤沼基利 ９ 第１図 ＨＴＭＴＬ １／Ｔ 第２図 ボア ｄη

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）水素平衡分解圧が相互に異なるｎ種（ｎ≧３）の
   金属水素化物をそれぞれ充填したｎ個の反応容器を、第
   （ｍ＋１）番目（１≦ｍ≦ｎ）の反応容器内の金属水素
   化物の水素平衡分解圧が第ｍ番目の反応容器内の金属水
   素化物よりも大きくなるようにそれぞれ水素流通管にて
   接続すると共に、第ｎ番目の反応容器と第１番目の反応
   容器とを水素流通管にて接続してなるヒートポンプ装置
   において、 （ａ）　この各水素流通管に第ｍ番目の反応容器から第
   （ｍ＋１）番目の反応容器方向にのみ水素の流通を許す
   逆止弁を設けて、第（ｍ＋１）番目の反応容器から第ｍ
   番目の反応容器への水素の移動を禁止すると共に、 ［ｂ）　第ｎ番目の反応容器と第１番目の反応容器を接
   続する水素流通管と、第１番目の反応容器と第２番目の
   反応容器とを接続する水素流通管との少なくともいずれ
   か一方に開閉制御可能な制御弁を設け、 （Ｃ１逐次、第ｍ番目の反応容器の金属水素化物から水
   素を放出させ、この水素を逆止弁を経て第（ｍ＋１）番
   目の反応容器に導いて、この容器内の金属水素化物に吸
   蔵させ、このようにして、第ｎ番目の反応容器の金属水
   素化物から水素を放出させ、この水素を水素流通管を経
   て第１番目の反応容器に導き、この容器内の金属水素化
   物に吸蔵させ、第ｎ番目の反応容器から冷熱を得、又は
   第１番目の反応容器から温熱を得るようにしたことを特
   徴とするヒートポンプ装置。