JPS6186542A - 間欠作動式ヒートポンプ装置の運転方法 - 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、作動気体の可逆的な吸脱着反応での発熱、吸
熱を利用したケミカルヒートポンプの原理による間欠作
動式ヒートポンプ装置に関するものであり、優れた性能
を生かして熱駆動の冷暖房。

給湯装置として広く利用できる。

従来例の構成とその問題点 まづ始めにこのような間欠作動式のヒートポンプ装置の
性能をあられす成結係数、すなわち、出力エネルギーを
入力エネルギーで際した値を左右する要因について説明
する。

説明をわかり易くするだめ吸着材に金属水素化物。

作動媒体を水素とした時の例について説明する。

令弟１の容器に１つの金属水素化物を形成しうる合金粉
末を充し、第２の容器に前者に比べ、同一温度で平衡圧
の高い金属水素化物を形成する合金粉末を充し、１づ前
者を十分水素化したとする。

次に両容器を管で連結すると水素は第２の容器に移動し
うるが、第２の容器の合金の水素化物の方が平衡圧が高
いので、第１の容器内の水素ガス圧を第２の圧力以上に
するためには、第１の容器を加熱する必要がある。この
除温２の容器は常温に保つものとする。又水素ガスを脱
着させるだめには脱着熱が必要でこの熱を供給する必要
がある。

その熱をＱａｌとし、容器とその内容物を所定の温度に
まで暖めるに必要な熱量をＱｓｌとすれば入力力はＱａ
１＋Ｑｓ１になる。Ｑｓｌは容器とその内容物との熱容
量の和（Ｃ）と、昇温幅ΔＴ１の積である。

このように加熱をすると、第１の容器から第２の容器に
水素が移動し、第２の容器の合金は、はソ全部が金属水
素化物となり、第１の容器の内容物は殆んどもとの合金
の状態になる。

次に第１の容器を常温にもどし、第１と第２容器を再び
連通ずると、第２の容器の水素は解離し第１の容器の合
金は水素化されてゆくが、この際、第２の容器では吸熱
反応が生じ、容器およびそのこの値は、反応によって生
ずる全吸熱Ｑａ２から、容器および内容物を、常温から
低温吸熱が持続する温度まで下げるのに必要な熱量Ｑｓ
２を差し引いた値Ｑａ２−Ｑｓ２になる。なおＱｓ２は
第２の容器とその内容物の熱容量Ｃ２と温度下げ幅バ、
の積である。

以上の考察から成績係数（ＣＯＰ）は で与えられる。

このことから明らかなことはＣ８１，Ｑｓ２をに小さく
するかということがＣＯＰを大きくする要因であるとい
うことである。

以上の考察から容器の熱容量Ｃ１，Ｃ２を小さくするこ
とは重要であるが、ΔＴ１．ΔＴ２を小さくすることも
有効である。

第１図は間欠作動式ヒートポンプ装置の基本的な構成を
模式的に表わした図であり、容器１，２に吸着媒体３，
４が充たされており、配管５によって連結されており、
この間に弁６が存在する。

それぞれの容器には熱交換器７，８が設けである。

まづ熱交換器７を介して容器１の中の吸着媒体３を加熱
し、作動媒体を放出せしめると作動媒体は配管５を通っ
て容器２に至り、吸着媒体４に吸着される。この時発熱
するので熱交換器８を介して冷却するっこの際吸着媒体
４は冷却水温よシ高い温度となり、熱交換器８より温出
力をうる。

この時の吸着媒体４の温度をＴＭとする。次に熱交換器
７を介して吸着媒体３を冷却し、弁６を開くと、作動媒
体は、吸着媒体４から同３に移りその際吸着媒体４で吸
熱が起り、先づ自らの温度がＴＬまで下り、さらに熱交
換器８から温度ＴＬの冷出力を得る。こ＼でＴＭ　　Ｔ
Ｌが前記ΔＴ１であるＯ 冷暖給湯に使えるシステムを考えると、Ｔｍ＝５０　’
ＣＴＬ　＝　５℃位必要でありバー４５℃位となる。

発明の目的 本発明の目的は、吸着媒体およびその収容容器とそれに
付随する部分の温度を上下させることにより消費される
吸熱ないしは発熱反応熱（顕熱損）を、できるだけ少く
することにより、システムの成成績係数を向上させるこ
とにある。

発明の構成 しめることにより、冷、温出力を得るヒートポンプ装置
を２組用い、交互に逆位相で運転し、時間的に交互に反
転する前記作動媒体の流れの間に前記弁を閉塞し、作動
媒体の流れない時間を設け、この時間帯を２つに分け、
前半は■　自らの発熱、反応により温度が上昇している
、かつ次のフェーズで自らの吸熱反応で冷出力を発生す
る吸着媒体を冷却用熱媒体で冷却した後、■　これと対
をなす外部熱源により加熱されていた吸着媒体と熱交換
させ、■　さらに前記吸着媒体と逆位相で作動する対の
発熱反応により昇温しでいた吸着媒体と熱交換させ、後
半は■　前半３の吸着器体と対をなす吸熱反応により冷
却していた吸着媒体で冷却水をそれ以下の温度に冷却し
、■　前半における１番目の吸着媒体を冷却し、■　前
半における２番目の吸着媒体と熱交換させる。

実施例の説明 本発明を一実施例に従って詳しく説明する。

第２図に示すごとく容器１１，１２．配管１５゜弁１６
よりなる第１のシステムと、容器２１，２２゜配管２５
．弁２６よりなる第２のシステムを用意し、同一温度で
平衡圧力の低い金属水素化物を１３゜２３とし、同じく
平衡圧力の高い金属水素化物を１４．２４とし、それぞ
れ容器１１，２１．および１２．２２に充填し、作動媒
体として水素を導入する。それぞれの容器には熱交換器
、１７．１８゜２７．２８が設けである。

今熱交換器１７により金属水素化物１３を加熱すると水
素は配管１５を経て金属水素化物１４に吸着され発熱す
るのでこれを熱交換器１８に冷却水を流して冷却すると
水素はさらに金属水素化物１４に移動しやがて平衡に達
し反応は停止する。この過程をフェーズ１と名付ける。

次に熱交換器１７に冷却水を流し、金属水素化物１３を
冷却すると金属水素化物１４の水素は脱着し金属水素化
物１３に吸着する。この際前者において吸熱し後者にお
いて発熱するだめ熱交換器１８を流れる水は冷却されて
冷水を得、熱交換器１７を流れる水は加熱されて温水を
得る。この過程をフェーズ２と名付ける。

通常このようなシステムを第２図に示すごとく２組用い
、第１のシステムがフェーズ１の状態にある時、第２の
システムはフェーズ２の状態にあるごとくすることによ
り、常にいづれかの７ステムで冷水かえられるので、連
続的に冷水がえることができる。

本発明においては、この２つのフェーズの間に弁１６．
２６を閉じだ状態を設け、その時の冷却水の流し方を工
夫することにより、高い成績係数をえようとするもので
ある。

すなわち第３図に示すごとく、第１のシステムがフェー
ズ１．第２の７ステムかフェーズ２の状態にある状態を
あらためてフェーズＡと名付け、逆に第１のシステムが
フェーズ２．第２のシステムがフェーズ２の状態にある
時をフェーズＣと名付る０弁の横に示した矢印は水素ガ
スの流れる方向を示す。７エーズＡとフェーズＣの間に
弁１６゜２６の閉じた状態フェーズＢを設ける。

さらにこのフェーズＢを前半Ｂ１．後半Ｂ２に分ける。

１づＢ１のフェーズにおいては、冷却水は第２図の番号
に従えば熱交換器１８から同１７を経て同２７に至り、
温水として取り出され、このフェーズで金属水素化物１
４をできるだけ冷却水温近くまで冷却する０又この水は
１７で温水の出力温度より高温に加熱されていた金属水
素化物１３と熱交換して温水の出力温度以上に暖められ
る０最後にフェーズＣにおいて外部熱源により加熱され
る金属水素化物２３を、７エーズＡにおける、それ自身
の温度すなわち温水出力、ｆＡ度以上に暖められた前記
冷却水と熱交換し、加熱される。

次に８２の７エーズにおいては、冷却水は熱交換器２８
から同１８を経て同１７に至り、温水として取出される
。

次にフェーズＣとフェーズＡとの間にフェーズＤを設け
、これを前半Ｄ１．後半Ｄ２とするとまづフェーズＤ１
においては、冷却水は熱交換器２８から同２７を経て同
１７に至り、Ｂ２のフェーズにおいては、同１８から同
２８を経て同２７に至る０ 第３図は、このＡ、Ｂ　　、Ｂ　　Ｃ，Ｄｌ、Ｄ２各７
ニーズの冷却水の流れを示す図である０このような６つ
のフェーズを順次繰返し運転する０各部の番号は第２図
と対応させであるＯ弁１６゜２６に添えた矢印は水素ガ
スの流れ方向を示し、矢印の無い弁は閉塞状態を示すＯ
熱交換器１７゜１８．２７．２８の端部矢印の記号Ｃは
冷水出力Ｗは温水出力を示し、丸を付した端部の記号Ｈ
は加熱源を示す。

Ａ、Ｃのフェーズの時間とＢ１．Ｂ２．Ｄｌ、Ｂ２のフ
ェーズの時間は実験的に定められるが通常前者に比べ後
者は短くて十分であるＯ 第４図は本発明の一実施例の一具体的弁および配管構成
で、冷却水素に１４個の弁３０から弁４３を用い、加熱
系は別の熱交換器４６．．４７を金属水素化物１３．２
３と熱交換しうるようにし、この系にも弁４４．４５を
設けた。各フェーズにおける水素の弁を含む各弁の開閉
を第５図に示す。

第５図において横軸はフェーズ、番号は第５図に示した
弁の番号、太線は弁開を示す。

フェーズＢ１の直前の状態では第３図の容器２２内の金
属水素化物２４は吸熱反応により、この熱交換器２８に
供給されている水温（これは通常他の熱交換器に供給さ
れている冷却水温（Ｔｃ）とはゾ同一と考えてよい）よ
り低い温度ＴＬに達していると考えられる。一方容器１
２内の金属水素化物１４は発熱反応により、冷却水温よ
り高いＴＭ度に達している○又容器１１内の金属水素化
物１３はＴＭよりさらに温度の高い加熱源により加熱さ
れＴＨ度の状態にある。

成績係数を向上するだめには、フェーズＣにおいて吸熱
反応により低温ＴＬを実現する現在ＴＭの温度にある金
属水素化物１４を、この物質が吸熱反応を開始する１で
にできるだけ低温にすることが重要であり、一方向じぐ
フェーズＣにおいてＴＨ度まで加熱される現在ＴＭの温
度にある金属水素化物２３を、できるたけより高い温度
にすることができることが望ましい。

こ＼で本発明に従ってフェーズＢ１に入ったとする。

冷却水はまづ熱交換器１８に入って、金属水素化物１４
を冷却するから前記１４は冷却水温近くまで冷却される
。一方熱交換器１８を出た水は幾分加熱され、次に熱交
換器１７に入り、ＴＨ度に加熱されていた金属水素化物
１３と熱交換し、Ｔ。

度より高い温度に昇温される。さらにこの温水は熱交換
器２７に入シ金属水素化物２３と熱交換するが、前記２
３はＴＭ度であるため、前記温水により加熱され、ＴＭ
度より高い温度に加熱される○到達温度としてはＴＨ十
ＴＭの半分までの昇温か可能である。

フェーズＢ１の間、金属水素化物２４は断熱された状態
にある。

次にフェーズＢ２に入ったとする。

冷却水はまづ熱交換器２８に入って、ＴＬ度に冷却され
ていた金属水素化物２４と熱交換することにより、冷却
水は供給水＠（Ｔｃ）より冷却されて熱交換器１８に入
り金属水素化物１４と熱交換する。前記１４はフェーズ
Ｂ１においては＼°水温に１で冷却されているから、金
属水素化物２４により冷却された水と熱交換することに
より、さらに低温に冷却される。到達温度としてはＴＬ
＋Ｔｃの半分位１でか可能である。

熱交換器１８を出た冷却水は熱交換器１７に入り、金属
水素化物１３．！：熱交換するか、これはフェーズＢ１
において熱交換によ＃）ＴＨより低い温度にはなってい
るが、まだＴＨ＋　ＴＭの半分位の温度は保っているの
で、熱交換器１７を出る冷却水温はＴＭ位になる。

発明の効果 以上のことからフェーズＣにおいて金属水素化物１４は
、自らの吸熱反応により、降温しなければならない温度
幅は従来のフェーズＡからＣに直接移る方法に比べて長
１ないし％となり、冷出力の顕熱損Ｑ５２はは”／４な
いし！イとなる。又入力側についていうならば、フェー
ズＣにおいて金属水素化物２３が加熱昇温されなければ
ならない温度幅ははソ％となり、入力の顕熱損Ｑｓ１は
はソ局となる。

その結果成績係数は従来の方法における成績係数による
が、１．５倍ないし２倍は向上する。

このように本方式は吸着媒体を用いた間欠作動式ヒート
ポンプ装置の成績係数をいちソるしく向上させることが
可能である。

又本発明による冷却水路の組み合せによりフェーズＢ１
．Ｂ２における冷却水の出口水温はＴＭ度より高いので
、これは温水出力として給湯などに用いることができる
利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は間欠作動式ヒートポンプ装置の原理図、第２図
は金属水素化物ヒートポンプ装置の基本構成図、第３図
は本発明の一実施例の動作説明図、的 第４図は第３図における具体７弁および配管構成図、第
６図は第４図の弁の各フェーズにおける開閉状態を示す
図である。 １１．１２，２１．２２・・印・容器、１３，２３゜１
４　、２４・・・・・金属水素化物、１６．２６・・・
弁、１７．１８，２７．２８・・　熱交換器。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　赦　男　ほか１名第１
図 第２図 ＣＤ／　　　　　　　Ｄ２ 第４図 Ｈ 第５図 −Ａ　　　　Ｓｔ　　Ｂ２　　　Ｃ−ＤｔＤ；ｚ７エー
ズ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 温度平衡圧力特性の異なる２種類の吸着媒体をそれぞれ
   収容する容器と、これらを連結する作動媒体通路および
   前記容器を加熱又は冷却する熱媒体通路よりなり、前記
   作動媒体通路に開閉弁を設けた装置を２組用い、交互に
   逆位相で運転し、時間的に交互に反転する前記作動媒体
   の流れの間に、前記弁を閉塞し前記作動媒体の流れない
   時間を設け、この時間帯をさらに２つに分け、前半およ
   び後半の前記冷却用熱媒体の流れを以下の順序とするこ
   とを特徴とする間欠作動式ヒートポンプ装置。 前半・・・・・・（１）次のフェーズで冷出力発生媒体
   となる現時点で昇温されている吸着媒体、（２）前記吸
   着媒体と対をなす被加熱吸着媒体、（３）前記吸着媒体
   と逆位相で作動する対の、発熱反応により昇温していた
   吸着媒体。 後半・・・・・・（１）前半３の吸着媒体と対をなす、
   吸熱反応により冷却していた吸着媒体、（２）前半にお
   ける１番目の吸着媒体、（３）前半における２番目の吸
   着媒体。