JPS60228862A - ヒ−トポンプシステム - 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】 産業上の利用分野 本発明は金属水素化物を利用するヒートポンプシステム
に関する。

従来技術 最近のエネルギー事情にも見られるように１石油エネル
ギーが枯渇しつつある一方、それに代る原子力エネルギ
ーとても未だ充分に機能していない現状において、゛こ
れまで無為に放置されて来たエネルギー、例えば工場廃
熱や太陽熱等の有効利用は産業界における大きな課題で
あると同時に。

社会全体の要望にもなっている。

これらの熱エネルギーがこれまで有効利用できなかった
主な理由は温度レベルが低く、一般の熱負荷を稼動させ
るには不充分であったことによる。

この問題を解決するために、最近は、利用する熱エネル
ギーの温度レベルを高める各種のヒートポンプシステム
が提案されている。中でも金属水素化物を利用するヒー
トポンプシステムは補機動力を殆ど必要としない優れた
ものである。

その従来システムを第１図を参照して説明する。

平衡水素圧力の低い金属水素化物Ａと平衡水素圧力の高
い金属水素化物Ｂとを組み合せ、金属水素化物Ａを廃熱
等の１００℃以下の温度Ｔ２で加熱する一方、金属水素
化物Ｂを冷却水等の２０℃付近の温度Ｔ１で冷却し、金
属水素化物Ａが放出する水素を金属水素化物Ｂに吸収さ
せる。次に、この金属水素化物Ｂを廃熱等により温度Ｔ
２に加熱し、金属水素化物Ｂが放出する水素を金属水素
化物Ａに吸収させる。このとき発生するより高温Ｔ３の
熱を取り出し利用する。その後、金属水素化物Ａは再び
廃熱等により温度Ｔ２に加熱する一方、金属水素化物Ｂ
を温度Ｔ１に冷却し、所定の平衡水素圧力を保つことに
より、再び金属水素化物Ａから金属水素化物Ｂへ水素を
移動させる。このように、ａ−＋ｂ−＋ｃ→ｄ　−）　
ａのサイクルを繰り返すことにより、廃熱等の温度Ｔ２
からより高い温度Ｔ３の熱を取り出すことが可能となる
。

しかし実際には、金属水素化物の平衡水素圧力は、水素
吸収時と水素解離時とで異なる（ヒステリシスが存在す
る）ことから、上記従来方法によると、第２図に示すよ
うに金属水素化物Ｂから金属水素化物Ａへの水素移動は
Ｃ′点からｄ′点への移動となり、実際に発生する熱は
温度Ｔ３より低い温度Ｔ３’　となり、取り出し得る熱
の温度Ｔｓ’　と供給する熱源温度Ｔ２との差があまり
大きく取れない問題があった。

目的 本発明は温度レベルの低い熱源を用いてより高い温度レ
ベルの熱エネルギーを連続して効率良く取り出すことの
できるヒートポンプシステムを提供することを目的とす
る。

構成 このため、本発明は平衡水素圧力がそれぞれ異なる３種
類の金属水素化物をそれぞれ充填した３個の金属水素化
物容器を２組設け、各組内は平衡水素圧力の低いものか
ら高いものへ、組相互間は平衡水素圧力の最も高いもの
から最も低いものへと水素移動路を設けて、合計６個の
金属水素化物容器を循環接続すると共に、前記６個の金
属水素化物容器の１個置きに水素を吸蔵させておき、そ
れらの金属水素化物容器に熱交換器を介して熱を加える
ことにより、順次−斉に４ＩＩ環移動させる一方、平衡
水素圧力が最も高い金属水素化物容器から最も低い金属
水素化物容器へ２個所で水素を移動させるときに発生す
る熱を交互に連続して取り出すようにしたことを特徴と
している。

実施例 以下、本発明の詳細な説明するが、最初にその基本構成
を第３図〜第５図を用いて説明しておく。

尚、金属水素化物は熱を加えて脱水素化すれば金属にな
るがこの場合も含めて、この明細書中では金属水素化物
と言う。

第３図は平衡水素圧力がそれぞれ異なる３種類の金属水
素化物Ａ、Ｂ、Ｃの温度と平衡水素圧力との関係図を示
したものである。先ず、金属水素化物Ａを廃熱等により
温度Ｔ２に加熱する一方、金属水素化物Ｂを冷却水等に
より温度Ｔ１に冷却する（Ｔ２＞ＴＩ）。各々の金属水
素化物の温度をこの状態に保ったまま、図のａ点とｂ点
の平衡水素圧力差を利用して、水素ガスを金属水素化物
ＡからＢへ移動させる。水素ガスの移動が終わると、次
に金属水素化物Ｂを廃熱等により温度Ｔ２に加熱する一
方、金属水素化物Ｃを冷却水等により温度Ｔ＋に冷却す
る。各々の金属水素化物の温度をこの状態に保ったまま
、図の０点とｄ点の平衡水素圧力差を利用して、水素ガ
スを金属水素化物ＢからＣへ移動させる。

水素ガスの移動が終わると１次に金属水素化物Ｃを廃熱
等により温度Ｔ２に加熱し、図のｅ点から水素ガスを金
属水素化物＾に移動させる。このとき、金属水素化物Ａ
が水素を吸収する際に発生する反応熱により、温度Ｔ３
（ｆ点）の熱を回収して利用する。以後、再び金属水素
化物Ａを温度Ｔ２にし、金属水素化物Ｂを温度Ｔ＋にし
て、前記と同様の操作を繰り返す。

このような操作を繰り返すことにより、供給する熱源温
度Ｔ２よりはるかに高い温度Ｔ３の熱を取り出しするこ
とが可能となる。尚、このときの金属水素化物としては
以下のような組み合せが一例として挙げられる。

金属水素化物Ａ＝ＣａＮｉｓ水素化物 金属水素化物Ｂ”Ｃａｏ、５Ｌａｏ、５Ｎｉｓ水素化物
金属水素化物Ｃ＝Ｃａｏ、３Ｌａｏ、ｙＮｉ５水素化物
以上は、本実施例の基本構成を概念的に説明したもので
あるが１次にその詳細を第４図および第５図を参照して
説明する。第４図は本実施例のヒートポンプシステムの
基本構成図、第５図は第４図で用いる金属水素化物の温
度と平衡水素圧力の関係図を示したものである。

第４図において、１，２．３はそれぞれ平衡水素圧力の
異なる金属水素化物Ａ、Ｂ、Ｃが充填されている金属水
素化物容器である。これらの金属水素化物容器１，２．
３には付属して金属水素化物Ａ、Ｂ、Ｃと熱媒との熱交
換を行なうための熱交換器４，５．６が一体あるいは別
体的に設けられる。７は各金属水素化物容器１，２．３
を結ぶ水素輸送管であり、金属水素化物容器］、２．３
で順次発生する水素は水素開閉弁８，９゜１０の開閉状
態に応じて各金属水素化物容器１，２．３への移送方向
が制御される。１１は熱源、１２は熱負荷であり、これ
らと各熱交換器４，５．６の間は熱媒管１３により連結
されており、熱媒の移動は各熱媒管１３に設けられる熱
媒開閉弁１４，１５．ｉ６．１７の開閉状態によって制
御される。また、熱交換器５，６には、冷却水管１８も
取り付けられており、冷却水開閉弁１９．２０と熱媒開
閉管１６．１７の開閉状態の切換制御により、熱媒又は
冷却水が供給されるように構成されている。

以上の構成で、金属水素化物容器ｌから２への水素移動
操作を工程■、金属水素化物容器２から３への水素移動
操作を工程■、金属水素化物容器３から１への水素移動
および熱の取り出し操作を工程■として、上記システム
の作動を以下に説明する。

工程ｌ 今、水素は全て金属水素化物容器１内に吸蔵されている
ものとして、この水素を金属水素化物容器２へ移動する
ため、先ず、熱媒開閉弁１４を開き、熱源１１によって
加熱された熱媒を熱媒管１３を通して、熱交換器４に送
って、金属水素化物容器１中の金属水素化物Ａを加熱す
る。次に、水素開閉弁８を開き、金属水素化物容器１内
の金属水素化物Ａが脱水素化して発生した水素ガスを水
素輸送管７を通して、金属水素化物容器２に導入し、金
属水素化物Ｂと反応させて水素化する。このとき、冷却
水開閉弁１９を開き、冷却水管１８を通して冷却水を熱
交換器５に通し、水素化により発生する熱を除去する。

この操作を金属水素化物Ａの脱水素化がほぼ終わるまで
行なう。

この過程での水素ガスの移動は、第５図に示すように、
温度６０℃の廃熱と２０’Ｃの冷却水を用いて行なわれ
、水素ガスはａ点から５点に移動する。

工程■ 金属水素化物Ａの脱水素化がほぼ終わり、上記の工程ｌ
が終了すると、今迄開いていた水素開閉弁８．熱媒開閉
弁１４．冷却水開閉弁１９を閉じ、代りに熱媒開閉弁１
６を開き、熱源１１によって加熱された熱媒を熱交換器
５に送って、金属水素化物容器２中の金属水素化物Ｂを
加熱する。次に、水素開閉弁９を開き、金属水素化物容
器２内の金属水素化物Ｂが脱水素化して発生した水素ガ
スを水素輸送管７を通して金属水素化物容器３に導入し
、金属水素化物Ｃと反応させて水素化する。このとき、
冷却水開閉弁２０を開き、冷却水管１８を通して冷却水
を熱交換器６に通し、水素化により発生する熱を除去す
る。この操作を金属水素化物Ｂの脱水素化がほぼ終わる
まで行なう。

この過程での水素移動も、先の工程■の場合と同様、第
５図に示すように、６０℃の廃熱と２０℃の冷却水を用
いて行なわれ、水素ガスはＣ点からｄ点へ移動する。

工程■ 金属水素化物Ｂの脱水素化がほぼ終わり、上記工程■が
終了すると、今迄開いていた水素開閉弁９、熱媒開閉弁
１６．冷却水開閉弁２０を閉じ、代りに熱媒開閉弁１４
．１７を開き、熱源１１によって加熱された熱媒を熱交
換器４，６に送って、金属水素化物容器１，３中の金属
水素化物Ａ、Ｃを加熱する。次に。

水素開閉弁１０を開き、金属水素化物容器３内の金属水
素化物Ｃが脱水素化して発生した水素ガスを水素輸送管
７を通して金属水素化物容器１に導入して金属水素化物
Ａと反応させて水素化する。このとき、熱媒開閉弁１４
を閉じると共に熱媒開閉弁１５を開き、金属水素化物Ａ
の水素化により発生する熱を熱交換器４に取り出し、加
熱、昇温された熱媒を熱負荷１２に送って利用する。

この過程での水素ガスの移動は、第５図に示すように、
６０℃の廃熱を利用して行なわれ、水素ガスのｅ点から
ｆ点の移動によって約１００℃の熱が得られる。

金属水素化物Ｃの脱水素化がほぼ終わり、上記工程■が
終了したとき、水素開閉弁１０．熱媒開閉弁１５．１７
を閉じ、熱媒開閉弁１４．冷却水開閉弁１９を開くこと
により、再び工程Ｉの操作を行なう。このような操作を
繰り返し行なうことにより、６０℃の廃熱から約１００
°Ｃの熱を得ることができるようになる。因みに、金属
水素化物Ａ、Ｂの２種類では得られる温度は約７５℃で
、廃熱からの昇温幅は１５℃程度であるが、上記説明の
ように３種類の金属水素化物を組み合せることにより、
廃熱を約４０℃昇温することが可能で、吸収冷凍機等の
比較的高い温度レベルを必要とする熱負荷の稼動が可能
となる。

ところで、上記基本構成だけでは、水素ガスを第５図の
ａ点からｂ点、あるいは、０点からｄ点に移動させてい
る間は熱負荷１２への熱の取り出しができない。本発明
はかかる問題点を解消するため、上記基本構成を２組用
いることにより、熱負荷への熱の取り出しを連続的に行
なうことを可能にしたものである。

以下、そのための実施例を第６図に示すと共に、その動
作を次頁の運転モード表を参照して説明する。（以下余
白） 第６図において、３１〜３６は金属水素化物容器で、金
属水素化物容器３１と３４には金属水素化物Ａ、金属水
素化物容器３２と３５には金属水素化物Ｂ、金属水素化
物容器３３と３６には金属水素化物Ｃがそれぞれ充填さ
れている。３７〜４２は熱交換器である。４３は各金属
水素化物容器をつなぐ水素輸送管であり、４４〜４９は
水素開閉弁である。５０は熱源、５１は熱負荷であり、
５２はこれらと各熱交換器３７〜４２間を接、続する熱
媒管である。５３〜６０はその熱媒管５２に設けられる
熱媒開閉弁である。６１は冷却水管、６２〜６５は冷却
水開閉弁である。６６〜７４は温度センサ、８０．８１
は熱回収用の熱媒管、９０はバイパス熱媒開閉弁、１０
０は制御装置である。尚、図では煩雑さを避けるため１
部分的に省略しているが、各温度センサ６６〜７４から
温度の検知信号は鎖線で示す信号線を介して制御装置１
００に伝達される。また、このヒートポンプシステムの
制御シーケンスを進めるため制御装置１００より出力さ
れる弁開閉信号もｌＡ線で示す信号線を介して適宜のタ
イミングで各開閉弁４４〜４９．５３〜６０．６２〜６
５．９０に伝達され、弁の開閉が行なわれる。

以上の構成で、今、水素は金属水素化物容器３１゜３３
．３５に吸蔵されているものとする。

超象薩 起動時には、運転モード表に示す如く、制御装Ｍ１００
は弁開信号を鎖線で示す信号線を介してバイパス熱媒開
閉弁９０に伝え、その弁９０を開く。同時に熱源５０に
設けられる熱媒輸送ポンプ（図示省略）を駆動し、熱媒
を循環させ、その温度を温度センサ７４を介して監視す
る。その結果、熱源の温度が６０℃以上となれば、次の
弁開閉（１）のステップに移動する。

弁開閉（１） このステップでは、制御装置１００はバイパス熱媒開閉
弁９０を閉じ、熱源開閉弁５３，５５，５６．５７を開
き、熱媒管５２に６０℃の熱媒を流し、熱交換器３７゜
３９．４０．４１を介して金属水素化物容器３１，３３
，３４．３５内の金属水素化物を昇温する。これと同時
に、制御装置１００は冷却水開閉弁６２．６５を開き、
冷却水管６１に冷却水を流し、熱交換器３８．４２を介
して金属水素化物容器３２．３６内の金属水素化物を冷
却する。

弁開閉（ＩＩ） 次に、制御装置１００は温度センサ６６．６ｇ、６９，
７０゜７２．７３からの温度信号により温度を監視し、
十分に昇温、冷却が行なわれたことを確認したとき、水
素開閉信号を水素開閉弁４４，４６．４８に加え、それ
らの弁を開き水素を移動させる。このとき、金属水素化
物容器３３内に充填された同一温度では最も高い平衡水
素圧力を持つ金属水素化物Ｃから放出された水素が水素
配管４３を経て金属水素化物容器３４内に導入する。金
属水素化物容器３４内では同一温度で、最も低い平衡水
素圧力を持つ他の組の金属水素化物Ａと導入された水素
によって水素化反応が起り、水素化反応熱が発生する。

弁開閉（ＩＩＩ） この反応熱を熱交換器４０を介して回収するため、制御
装置１１００は温度センサ７０を介して熱交換器４０の
出口熱媒の温度を監視し、熱負荷５１に見合う温度レベ
ル例えば１００°Ｃまで昇温したときに、熱媒開閉弁５
６を閉じ、熱媒開閉弁６０を開き熱媒管８１から熱負荷
５１に熱を供給する。

弁１■配けυ− この熱媒の温度を温度センサ７１を介して監視し、熱負
荷５１に見合う温度レベルの熱が回収できなくなったと
判断したとき、制御装置１００は熱媒開閉弁６０を閉じ
、５６を開ける。また、水素開閉弁４４゜４６．４Ｂ、
熱媒開閉弁５５．５７、冷却水開閉弁６２．６５を閉じ
、熱媒開閉弁５４　、５Ｂ、冷却水開閉弁６３，６４を
開き、それぞれの容器内の金属水素化物を十分昇温。

冷却する。

弁開閉（Ｖ） その昇温、冷却状態を温度センサ６６．６ｇ、６９，７
０゜７２．７３で確認後、制御装置１００は水素開閉弁
４５，４１゜４９を開き、水素を移動させる。このとき
金属水素化物容器３６内の同一温度での平衡水素圧力が
最も高い金属水素化物Ｃから放出された水素を同一温度
での地組の平衡水素圧力が最も低い金属水素化物Ａが充
填された金属水素化物容器３１内に導入する。これによ
り、今度は容器３１内で水素化反応熱が発生する。

夫」Ｉ旧■ひ この反応熱を監視し、１００℃に達したことを確認する
と制御装Ｍ１００は熱媒開閉弁５３を閉じ５９を開いて
、熱負荷５１に今度は熱媒管８０を介して熱を供給する
。

災量皿（Ｖｌｌ） この熱負荷５１に供給する熱媒め温度を温度センサ６７
により監視し、熱負荷の温度レベルに見合う熱を取り出
せなくなったとき、熱媒開閉弁５９を閉じ５３を開く。

また、水素開閉弁４５，４７．４９を閉じ、前述同様の
動作を繰り返す。

このように、金属水素化物容器３１〜３６の１つ置きに
吸蔵された水素を一斉に移動させる操作を繰り返すこと
により、容器３１あるいは３４から熱負荷５１に充分高
い温度レベルの熱を交互に連続して供給することができ
るようになる。

終了時 終了時には、制御装置１００は熱負荷５１への熱媒開閉
弁５９または６０を閉じ、５３または５６を開き、水素
移動を十分に行なったのち、水素開閉弁の全てを閉じる
。次いで、バイパス熱媒開閉弁９０を開いたのち、他の
全ての熱媒開閉弁を閉じ、熱媒輸送ポンプを停止する。

更に、その後バイパス熱媒開閉弁９０を閉じて運転を終
了する。

効果 以上のように本発明によれば、温度レベルが低く利用価
値の少ない熱源からその温度レベルを高くして熱負荷の
稼動に適した熱エネルギーを効率良く且つ連続的に取り
出すことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来のヒートポンプシステムの作
動を説明するための金属水素化物の温度と平衡水素圧力
との関係図、第３図は本発明の基本構成となるヒートポ
ンプシステムの作動原理を示す金属水素化物の温度と平
衡水素圧力との関係図、第４図は第３図に基づく基本的
なヒートポンプシステムの構成図、第５図は第４図の作
動を示す金属水素化物の温度と平衡水素圧力との関係図
、第６１！！１は本発明のヒートポンプシステムの一実
施例を示す構成図である。 ３１〜３６・・・金属水素化物容器、３７〜４２・・・
熱交換器、４３・・・水素輸送管、４４〜４９・・・水
素開閉弁、５０・・・熱源、５１・・・熱負荷、５２・
・・熱媒管、５３〜６０・・・熱媒開閉弁、６１・・・
冷却水管、６２〜６５・・・冷却水開閉弁。 第１図 第２図 」４膚、ｉ壇ζ′ｔム１ｒノー Ａく　紮　ＩＥノ”Ｊ　（Ｐ）　− 第５図 湿層〔ｏＣ〕 ７０００／１　（０７（−７）　−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平衡水素圧力がそれぞれ異なる３種類の金属水素化物を
   それぞれ充填した３個の金属水素化物容器を２組設け、
   各組内は平衡水素圧力の低いものから高いものへ、粗相
   瓦間は平衡水素圧力の最も高いものから最も低いものｌ
   ＼と水素移動路を設けて、合計６個の金属水素化物容器
   を循環接続すると共に、前記６個の金属水素化物容器の
   １個置きに水素を吸蔵させておき、それらの金属水素化
   物容器に熱交換器を介して熱を加えることにより、順次
   −斉に循環移動させる一方、平衡水素圧力が最も高い金
   属水素化物容器から最も低い金属水素化物容器へ２個所
   で水素を移動させるときに発生する熱を、交互に連続し
   て取り出すことを特徴とするヒートポンプシステム。