JPS62155479A - 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】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、金属水素化物を利用したヒートポンプ装置
に関するものである。

〈従来の技術〉 希土類、チタン、マグネシウム、その他の金属をベース
とした水素貯蔵（吸蔵）合金又はメタルハイドライド（
Ｍｅｔａｌ　　Ｈｙｄｒｉｄｅ）と呼ばれている金属水
素化物が、水素化反応を起して速やかに発熱的に水素を
吸蔵し、またこの金属水素化物が可逆的に脱水素化反応
を起して吸熱的に水素を放出することが知られている。

この化学反応式は次式によって示される。

Ｍ十ｎ／２Ｈ２＃ＭＨ，＋ＡＨ Ｍ　：水素計（吸）蔵合金 ＡＨ：反応熱 ＭＨｏ：金属水素化物 しかしながら−量水素化反応が起り金属水素化物となる
と、完全にもとの合金の状態に戻すことは非常に困難な
ことから次式によって表わされることがおる。

Ｍ　Ｈ（ｍ＋ｎ）　；＝！　Ｍ　ＨＩＩｌ＋　ｎ　／　
２　Ｈ２±、ＪＨ即ち、ｍは常に水素計（吸）蔵合金と
結合して金属水素化物を形成している水素原子を表わし
、ｎは実用上、金属水素化物となった合金から取出し得
る水素を表わしている。

本明細書においては、上述のＭ、ＭＨ，。

ＭＨ、ＭＨＩＩｌを総称して金属水素化物と（ｍ＋ｎ） 称し、単に記号Ｍで表示する。

これらの金属水素化物の水素平衡分解圧Ｐは、第１５図
に示すように一般に温度下の関数であって、温度が高い
程水素平衡分解圧も高くなる性質を有する。かような性
質を利用して、比較的低温度にて低圧の水素を金属水素
化物に吸蔵させたのち、高温にてこの金属水素化物から
水素を放出させることによって高圧の水素を得るように
した水素圧縮装置が考えられている。

また、かような金属水素化物に高温にて高圧水素を発熱
的に吸蔵させ、低温の低圧水素雰囲気下でこの金属水素
化物から吸熱的に水素を放出させることもでき、この性
質を利用したケミカルヒートポンプも考えられている。

さらに、上記のごとき金属水素化物を利用した水素圧縮
装置とヒートポンプ装置とを組合せた装置が特開昭５７
−８０１５４％公報に記載されている。この装置は、水
素平衡分解圧特性の異なる金属水素化物をそれぞれ担持
した少なくとも３個のテープを回転ベルト状にして、圧
力の異なる水素ガスが充満する低圧室と中圧室の間、中
圧室と高圧室の間および高圧室と低圧室の間をそれぞれ
走行させるとともに、高温熱媒室、中温熱媒室または低
温熱媒室と前記テープとを熱交換しうるように熱的に接
続した構造を有している。そしてこのテープが低圧室、
中圧室または高圧室におるときそれぞれ適切な温度の上
記熱媒室によってテープが加熱あるいは冷却され、その
際、テープに担持された金属水素化物が水素の吸蔵ある
いは放出を行なう。これによって低圧水素の高圧水素へ
の圧縮動作および得られた高圧水素の発熱的吸蔵と低圧
水素の吸熱的放出によるヒートポンプ動作がなされるこ
とになり、低圧水素はざらに圧縮動作へ循環させること
ができる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら上記した従来の装置においては、金属水素
化物をテープに担持させることが難しいだけでなく、圧
力的に遮断する必要のある低圧室−中圧室の間、中圧室
−高圧室の間、さらには高圧室−低圧室の間に、金属水
素化物を担持したテープを走行させなければならないか
ら、圧力遮断のシール性に問題がある。

そこでこの発明は、上記した従来の装置と同じ原理によ
って金属水素化物を利用して水素の圧縮動作とじ−ｉ〜
ミルポンプを行なえる装置であって、しかも上述したご
とき圧力遮断のシール性の問題を解消することができる
構造を備えたヒートポンプ装置を提供することを目的と
してなされたものである。

〈問題点を解決するための手段〉 すなわちこの発明のヒートポンプ装置は、金属水素化物
を充填した密閉容器の複数個を回転軸に対して放射方向
に配設してなる回転体と、該回転体の回転に伴い各密閉
容器が温度の異なる第１熱媒室および第２熱ｔｓ至を交
互に順次通過するように該回転体の周囲に配設した第１
熱媒室および第２熱媒室と、該回転体の近傍に設けた水
素流入口および水素流出口と、各密閉容器と該水素流入
口または水素流出口と接続する水素導管とからなり、該
各水素導管と水素流入口または水素流出口との前記接続
は、１つの密閉容器が第１熱ｔｓｖにあるときこの密閉
容器から延びる水素導管が水素流入口のみと連通し、こ
の密閉容器が第２熱ｒＲ，￥にあるときこの密閉容器か
ら延びる水素導管が水素流出口のみと連通するように、
各水素導管が回転体の回転に伴って水素流入口および水
素流出口と順次連通または遮断されるようにしだ全屈水
素化物ユニットの少なくとも３個を使用する。

そしてこの発明の第１の発明においては、第１ユニツト
の第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞれ低温熱媒室お
よび中温熱媒室とし、第２ユニツトの第１熱媒室および
第２熱媒室をそれぞれ低温熱媒室および中温熱媒室とし
、第３ユニツトの第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞ
れ高温熱媒室および中温熱ｔＲ苗とし、第２ユニツトの
水素流出口を第１ユニツトの水素流入口と接続し、第１
ユニツトの水素流出口を第３ユニツトの水系流入口と接
続し、第３ユニツトの水素流出口を第２ユニツトの水素
流入口と接続ット金属水素化物Ｍ３の水素平衡分解圧特
性はＭｌよりＭ２、Ｍ２よりＭ３が高温領域にあるよう
に選定する。これによって第２ユニツトの低温熱媒室に
て金属水素化物Ｍ２に吸蔵させた水素を中温熱媒室にて
中圧水素として放出させ、この中圧水素を第１ユニツト
の低温熱媒室にて金属水素化物Ｍ１に吸蔵させたのち中
温熱媒室にて高圧水素として放出させ、この高圧水素を
第３ユニットの高温熱媒室にて金属水素化物Ｍ３に発熱
的に吸蔵させたのち中温熱媒室にて吸熱的に放出させて
第３ユニツトの中温熱媒室から高温熱媒室へ熱輸送せし
め、第３ユニツトにて放出させた水素を第２ユニツトの
金属水素化物Ｍ２に吸蔵させることができる。

ざらにこの発明の第２の発明においては、上記したと同
じ構成の金属水素化物ユニットの少なくとも３個を用い
、第１ユニツトの第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞ
れ中温熱媒室および高温熱媒室とし、第２ユニツトの第
１熱媒室および第２熱媒室をそれぞれ中温熱媒室および
高温熱媒室とし、第３ユニツトの第１熱媒室および第２
熱媒室をそれぞれ中温熱媒室および低温熱媒室する。ざ
らに、第１ユニツトの水素流出口を第２ユニツトの水素
流入口と接続し、第２ユニツトの水素流出口を第３ユニ
ツトの水素流入口と接続し、第３ユニツトの水素流出口
を第１ユニツトの水素流入口と接続する。また、第１ユ
ニツトの金属水素化物Ｍ１と第２ユニットの金属水素化
物Ｍ２と第３ユニット金属水素化物Ｍ３の水素平衡分解
圧特性はＭｌよりＭ２、Ｍ２よりＭ３が低温領域にある
ように選定する。

これによって第１ユニツトの中温熱媒室にて金属水素化
物Ｍ１に吸蔵させた水素を高温熱媒室にて中圧水素とし
て放出させ、この中圧水素を第２ユニツトの中温熱媒室
にて金属水素化物Ｍ２に吸蔵させたのち高温熱媒室にて
高圧水素として放出させ、この高圧水素を第３ユニツト
の中温熱媒室にて金属水素化物Ｍ３に発熱的に吸蔵させ
たのち低温熱媒室にて吸熱的に放出させて第３ユニツト
の低温熱媒室から中温熱媒室へ熱輸送せしめ、第３ユニ
ツトにて放出させた水素を第１ユニツトの金属水素化物
Ｍ１に吸蔵させることができる。

〈実施例〉 以下に図面に示す実施例を参照してこの発明を詳述する
。

第１図はこの発明のヒートポンプ装置を構成する金属水
素化物ユニットの１つの実施例を模式的に示す説明図で
あり、円板状の３個の回転体１ａ、１ｂ、ＩＣが回転軸
２に固着され、この回転軸は軸受３により支承されて、
回転Ｎ１２の回転とともに回転体も回転しうるようにな
っている。この実施例では３個の回転体を用いているが
、回転体１個でも金属水素化物ユニットとして機能させ
ることができる。

各回転体１は、第２図の側面図に示したように、放射方
向に配した仕切壁４および環状壁５゜５によりその内部
が４個に区画され、冬空はそれぞれ１個の密閉容器６を
形成している。各回転体１内に形成される密閉容器６の
数は必ずしも４個とする必要はなく、複数個、好ましく
は３ｇ以上の任意の個数を形成することができる。

なお、各密閉容器６の仕切壁４を断熱材を用いた断熱壁
とすれば、各密閉容器６間の伝熱の影響を防止すること
ができて好ましい。さらには、各密閉容器の内側および
外側に伝熱フィン等の伝熱面を大きくする手段や、ヒー
トパイプ、等の熱伝達手段を設けるといった従来の回転
熱交換器の技術をこの発明にも利用することができる。

各回転体上の密閉容器６内にはいずれも金属水素化物Ｍ
が充填されている。また、各密閉容器６の各々からは水
素導管７が引出され、各回転体１ａ、１ｂ、１ｃの放射
方向同位置にある密閉容器同士の３本の水素導管は１本
にまとめられて合体水素導管８となり、回転軸の一端へ
延びている。第１図においては合体水素導管として２本
しか図示されていないが、各回転体には４個の密閉容器
６が設けられているから、合計４本の合体水素導管が回
転軸の一端へ延びている。なお、密閉容器６内に充填さ
れた金属水素化物Ｍは、合体水素導管８を介して連通ず
る密閉容器６同士においては同種の金属水素化物Ｍであ
ることが好ましいが、所定の温度で水素化反応あるいは
脱水素化反応を起すものであれば、同種のものでなくと
もよい。また金属水素化物Ｍは、水素化反応と脱水素化
反応の繰返しにより細粒化されることがある。そのよう
な場合には、金属水素化物の細粒が水素導管７に流れ込
まないように、密閉容器６内の水素導管開口部に積層金
網等のフィルタ（図示せず）を取付けてもよい。また、
合体水素導管８は回転軸の外周面に沿って延設すること
もできるが、図示のように回転軸２を中空とし、この内
部に合体水素導管を通すこともできる。

回転軸２の一端部には、回転軸２の回転に伴って水素導
管７および合体水素導管８を介して各々の密閉容器６と
個別に連通又は遮断する水素流入口９および水素流出口
１０が設けられている。

すなわち、第３図（Ａ）およびＣＢ）に示したように、
中空回転軸２の先端は端板２０で閉止され、この先端近
傍にて回転軸中空部はフランジ２１により取付けられた
管板２２により仕切られ、管板２２にて各合体水素導管
８が開口している。端板２０と管板２２との間の回転軸
周壁２３の周囲には、所定個所に水素流入口９および水
素流出口１０が開口する環状部材２４を固定するととも
に、端板２０と管板２２との間の回転軸２中空部には中
実の中心軸２５を配設する。この中心軸２５と回転軸周
壁２３との間に構成される環状空間には、中心軸２５か
ら放射方向に配設された４個の仕切部材２６によって、
各回転体１の４個の密閉容器６に対応する４個の空洞２
７が形成され、各密閉容器からの合体水素導管８が管板
２２の開口部にて各空洞２７と連通している。また回転
軸周壁２３には各空洞２７に連通する開孔２８が形成さ
れている。

なお、参照番号２９は環状部材２４を構成している一部
材で、各合体水素導管８が空洞２７及び開孔２８を介し
て水素流入口９および水素流出口１０の各出入口と連通
する時間及びタイミングを調整するものでおる。かくし
て、回転軸２の回転に伴ってその周壁２３は部材２９の
内周面を摺動回転し、各合体水素導管８は空洞２７及び
開孔２８を介して水素流入口９との連通、遮断；および
水素流出口１０との連通、遮断のサイクルを繰返すこと
になる。

なお、参照番号２４ａは、回転軸周壁２３と環状部材２
４との摺動縁部に設けたシール材を表わす。

上記のように一体的に組み立てられた回転体ｌａ、１ｂ
、１Ｃ，と回転軸２は、第１図に示したように外側ダク
ト１２で囲繞され、さらにこの外側ダクトの内部は回転
軸２を挟んで延びる仕切壁１３によって２つのダクト部
に区画される。

仕切壁１３は回転軸２および回転体１ａ。

１ｂ、１ｃの回転に支障がないように、これらに対して
僅かな間隙を隔てて設けられている。

この場合、図示したように回転軸２を中空とし、回転軸
内に水素導管７および合体水素導管８を通すようにすれ
ば、回転軸２と仕切壁１３との間隙を小さくでき各ダク
ト部の間のシール性を向上さることができる。かくして
各ダクト部に温度の異なる熱媒を流すことによって、回
転軸２の一側、例えば上側に第１熱媒室１４が形成され
、回転軸２の他側、例えば下側に第２熱媒室１５が形成
される。かような構成によって、外部駆動源（図示せず
）による回転軸２の回転に伴い、各回転体の密閉容器６
が第１熱媒室１４および第２熱媒室１５を交互に順次通
過できるようにされている。

なお、各熱媒室１４，１５に流す熱媒は、流体であれば
その種類は特に限定されないが、一般的には気体が好ま
しく使用できる。また各熱媒室に実質的に等しい圧力で
流体の熱媒が供給される場合には各熱媒室間のシールを
厳密にする必要はない。

上述したように、回転体の各密閉容器６と水素流入口９
および水素流出口１０とは、水素導管７および合体水素
導管８を介して連通、遮断されるが、これらの水素導管
７，８は必ずしも回転軸２と別体のチューブ状とする必
要はなく、例えば第４図乃至第６図に示したように中空
の回転軸２内を長手方向に延びる十字型の仕切部材４０
によって区分し、この仕切部材４０と回転軸周壁２３と
によって形成される４本の流路４１を水素導管として利
用することもできる。

この場合、各流路４１は導管４２によって各密閉容器６
と連通させる。この実施例においても、回転軸２の一端
部に第６図に示したように、水素流入口９および水素流
出口１０を第３図の実施例と実質的に同様にして配設す
ることができる。なお、第４図乃至第６図において、第
３図と同じ部材にはそれらと同じ参照番号を付すことに
より説明を省略する。

この発明に用いる金属水素化物ユニットは、上記した実
施例のみに限定されるものではなく、例えば回転軸２か
ら放射方向に多数の仕切壁１３を延設せしめて、回転軸
のまわりに第１熱ｔＲ室と第２熱媒室を対として複数ｇ
１設けるようにしてもよい。また、回転体は必ずしも円
板状とする必要はなく、球状や多角形状としてもよい。

ざらに、金属水素化物を充填した複数個の密閉容器は、
図示した回転体１ａ、ｌｂ、　１Ｃのように一体溝造に
する必要はなく、回転軸の周方向に放射状に散在させて
回転軸とともに回転じつるように配置してあればよい。

この発明のヒートポンプ装置は上記のごとき構造の金属
水素化物ユニットの少なくとも３個を組合せて構成され
る。第７図はこの発明のと−トボンプ装置を暖房装置等
の昇温モードとして用いるのに適した基本的装置構成を
示すものであって、第１ユニツトＵ１と第２ユニツトＵ
２は水素圧縮機として職能し、第３ユニツトＵ３はヒー
トポンプとして機能する。

第１ユニツトＵ１においては、回転体Ｄ１の各密閉容器
内に金属水素化物Ｍ１が充填され、この回転体Ｄ　は温
度Ｔ、の第１熱媒室（低温熱媒室）と温度Ｔ、の第２熱
ａ！至（中温熱媒室）との間を回転する。第２ユニツト
Ｕ２においては、回転体Ｄ２の各密閉容器内に水素平衡
分解圧特性がＭｌよりも高温領域におる金属水素化物Ｍ
２が充填され、この回転体Ｄ２は温度Ｔ。

の第１熱媒室（低温熱媒室）と温度ＴＨの第２熱媒室（
中温熱媒室）との間を回転する。第３ユニツトＵ　にお
いては、回転体Ｄ３の各密閉容器内に水素平衡分解圧特
性がＭ２よりも高温領域にある金属水素化物Ｍ３が充填
され、この回転体Ｄ３は温度ＴＨの第１熱媒室（高温熱
媒室）と温度Ｔ、の第２熱媒室（中温熱媒室）との間を
回転する。さらに第２ユニツトＵ２の水素流出口を第１
ユニツトＵ１の水素流入口へ、第１ユニツトＵ１の水素
流出口を第３ユニツトＵ３の水素流入口へ、また第３ユ
ニツトＵ３の水素流出口を第２ユニツトＵ２の水素流入
口へそれぞれ配管により接続する。この場合の各熱ｔＲ
至に流す熱媒温度は下、くＴＨくＴＨとなるようにする
が、各ユニットのＴＨは必ずしも同一温度としなくても
よい。

上記したごとき溝成のこの発明の装置の動作を第８図に
示した左回りサイクル線図を参照して説明する。いま第
２ユニツトＵ２の温度Ｔ［の低温熱媒室にある回転体Ｄ
２の密閉容器は水素導管７、合体水素導管８および空洞
２７を介して水素流入口９と連通している（第３図参照
）。このとき流入してくる低圧水素が冷却されつつ金属
水素化物Ｍ２に吸蔵される（第８図Ａ点）。水素を吸蔵
した金属水素化物Ｍ２が回転体Ｄ２とともに回転して中
温熱媒室にくると、金属水素化物Ｍ２は温度ＴＭに加熱
され、この温度における比較的高い平衡分解圧で水素を
吸熱的に放出しく８点）、この回転位置において連通す
る第２ユニツトＵ２の水素流出口から中圧水素として取
出される。この中圧水素は、第１ユニツトＵ１の水素流
入口から低温熱媒室で温度Ｔ　に冷却されている回転体
Ｄ１の密閉容器り 内に流入し、ここで金属水素化物Ｍ１に吸蔵される（０
点）。この金属水素化物Ｍ１が回転体Ｄ１とともに中温
熱媒室に回転すると、金属水素化物Ｍ　は温度Ｔ。に加
熱されて、この温度における比較的高い平衡分解圧で水
素を吸熱的に放出しくＤ点）、この回転位置において連
通ずる第１ユニツトＵ１の水素流出口から高圧水素とし
て取出される。このようにして第２ユニツトＵ２へ流入
した低圧水素は第１ユニツトＵ１から高圧水素として連
続的に取出すことができ、従って第２ユニツトＵ２およ
び第１ユニットＵ１は水素圧縮機として機能する。

第１ユニツトＵ１から放出された高圧水素は第３ユニツ
トＵ３に送られ、回転体Ｄ３の密閉容器内においてＭｌ
の平衡分解圧よりやや低い平衡分解圧を有するような高
温熱媒室の温度下　で金属水素化物Ｍ３に発熱的に吸蔵
される（Ｅ点）。このときの発熱反応熱が高温熱媒室に
出力される。水素を吸蔵した金属水素化物Ｍ３が回転体
Ｄ３とともに回転して中温熱媒室Ｔ１．ｌにくると、密
閉容器は水素導管１合体水素導管および空洞を介して水
素流出口と連通して低圧水素雰囲気となり、Ｍ３は中温
熱媒室によって温度Ｔ、１に加熱されつつ水素を吸熱的
に放出する。この水素は次いで第２ユニツトＵ２へ循環
され低温熱媒室の温度下、で金属水素化物Ｍ２に吸蔵さ
れる（Ａ点に戻る）。かくして第３ユニツトＵ３は中温
熱媒室から高温熱媒室へ熱輸送するヒートポンプとして
機能する。

上記のようなこの発明の装置の動作説明かられかるよう
に、この発明においては圧力の異なる空間に金属水素化
物を走行移動させる装＠構造ではないため、各回転体Ｄ
１〜Ｄ３内の密閉容器内で各金属水素化物Ｍ１〜Ｍ３に
対して適切な圧力を確実に保持することができる。

この発明の装置においては、第７図の水素圧縮機として
機能する第１ユニツトＵ１と第２ユニツトＵ２を第９図
に示したように直列に多段に配設してもよい。この場合
、高圧水素流出側から低圧水素流入側へ向けて順にｎ段
の回転体水素化物ＭＡ１．ＭＡ２．・・・２ＭＡｎが充
填される。

すなわち回転体ＤＡｉの各密閉容器には金属水素化物Ｍ
Ａｉが充填される。このとき各金属水素化物は、水素平
衡分解圧特性がＭＡｌ−ＭＡ２・・・ＭＡ（ｉ−１）・
ＭＡｉ・ＭＡ（ｉ＋１）””’Ａｎ′）順１高温領域に
あるように選定する。また、各回転体の密閉容器が水素
導管２合体水素導管および空洞を介して水素流入口と連
通したときこの密閉容器が低温ＴＬの熱媒室にあり、水
素流出口と連通したとき中温Ｔ８の熱媒室にあるように
各ユニットの第１熱媒室と第２熱媒室を定める。なおこ
の場合、各ユニットの温度Ｔ）ｌおよびＴＬは同じ温度
でなくてもよい。このようにすれば、第８図のサイクル
線図におけるＡ−＋Ｂ→Ｃ−＋Ｄに至る水素昇圧のジグ
ザグの段数が増え、より高圧の水素を金属水素化物ＭＡ
１から放出させることができる。

ざらにこの発明の装置においては、第７図のヒートポン
プとして機能する第３ユニツ］〜Ｕ。

を第９図に示したように並列に多段に配設してもよい。

この場合、低圧水素流出側から高圧水素流入側へ向けて
順にｍ段の回転体ＤＢ１＝　ＤＢ２゜・・・ＤＢｍを有
する金属水素化物ユニットが並列に配列されるとともに
、各回転体にはそれぞれ金属水素化物ＭＢ１２ＭＢ２．
・・・ＭＢｍが充填され、ユニット単位で同種の金属水
素化物が充填される。

また、低圧水素流出側から第ｉ番目のユニットにおる回
転体ＤＢｉの密閉容器が水素導管２合体水素導管および
空洞を介して水素流出口に連通したとき、この密閉容器
が中温ＴＨの熱媒室で熱交換し、高圧水素流入口と連通
したとき高温Ｔ１の熱媒室で熱交換するように各ユニッ
トの第１熱媒室と第２熱媒室を定める。このときの温度
関係は・’）ｆｉ　＜’Ｍ（ｉ＋１）・ＴＨ＜ＴＨ（ｉ
＋１）・かつＴ、ｉ＜ＴＨ、およびＤＡＩのＴＨ＜ＴＨ
、かつ隅。のＴしくＴＭｌであるとともに、各金属水素
化物の水素平衡分解圧特性はＭＢ（ｉ＋１）がＭＢ１よ
りも高温領域に必り、ＭＢ１はＭＡｌより高温領域にあ
るように選ばれる。

なお第９図の実施例においては、単純化と、熱エネルギ
ー有効利用のために、ヒートポンプ機能側の第１番目の
回転体ＤＢ１を低圧水素流出側で中温熱媒室と温度Ｔ）
１１で熱交換し、第ｍ番目の回転体ＤＢＩＩｌを高圧水
素流入側で高温熱媒室と温度ＴＨＩｌｌで熱交換すると
ともに、高圧水素流入側における第ｉ番目（１≦ｉ≦ｍ
−１）の回転体Ｄ８１と低圧水素流出側における第＜　
＋　＋１＞番目（１≦ｉ≦ｍ−１）の回転体ＤＢ（ｉ＋
１）とが熱交換しうるように熱ｔｓ空を共有接続し、か
っこの熱媒室内に封入され攪拌等の適宜手段によって流
動している熱媒室を介して熱的に接続されている。

上述したように金属水素化物ユニットを多段配列した場
合のこの発明の装置の動作を説明する。ただし説明を簡
略化するために第１０図に示したように、水素圧縮機と
して機能するユニットを第７図と同様とし、ヒートポン
プとして機能するユニットを回転体ＤＢＩとＤＢ２が二
段に配列されて、中温熱媒室を１種類の温度ＴＨとする
。第１１図は第１０図の装置の左回りサイクル線図でお
り、回転体Ｄ２の金属水素化物Ｍ２は低圧水素を温度Ｔ
［て吸蔵しくＡ点）、回転体Ｄ１の金属水素化物Ｍ１が
温度ＴＨで高圧水素を放出する（Ｄ点）。この高圧水素
はそれぞれ回転体ＤＢＩおよびＤＢ２において温度ＴＨ
１およびＴＨ２で水素流入口と連通ずる密閉容器の金属
水素化物ＭＢＩおよびＭＢ２により発熱的に吸蔵される
（Ｅ点およびＧ点）。この際、回転体ＤＢＩのＭＢＩの
発熱は、同じ熱媒室にある回転体ＤＢ２のＭＢ２に伝え
られ、−六回転体ＤＢ２のＭＢ２の上記発熱は温度ＴＨ
２の高温熱媒室に与えられる。これら金属水素化物Ｍａ
ｉ２ＭＢ２が上記の位置から回転して隣空の熱媒室に入
ると、それぞれ温度ＴＤｉ　（＝Ｔ）ｌ　）　ａよびＴ
Ｈ２（−ＴＨｌ）に加熱保持されつつ水素を吸熱的に放
出する（Ｆ点およびＨ点）。

このように第１０図の装置によれば、直列に配列された
金属水素化物Ｍ１．Ｍ２を用いることにより、比較的小
ざい温度差を利用して高圧の水素を得ることができ、ざ
らには並列に配列した第３ユニツトから高温の出力を１
ｑることができる。

第７図、第９図および第１０図に示した暖房装置のごと
き昇温モードにおいては、高温熱媒室を暖房負荷とし、
中温熱媒室に廃熱や太陽熱等を熱源として用い、低温熱
媒室として空気等を使用することができる。

第１２図はこの発明のヒートポンプ装置を冷房装置等の
冷凍（降温）モードとして用いるのに適した構成の実施
例を示すものであって、第７図の昇温モードの場合と同
様に水素圧縮機として機能するユニットＵ４およびＵ５
とヒートポンプとして機能するユニットＵ６とからなっ
ている。

ユニットＵ４においては、回転体Ｄ４の各密閉容器内に
金属水素化物Ｍ４が充填され、この回転体Ｄ４は温度Ｔ
８の第１熱媒苗（中温熱媒室）と温度ＴＨの第２熱媒室
（高温熱媒室）との間を回転する。ユニットＵ５におい
ては、回転体Ｄ５の各密閉容器内に水素平衡分解圧特性
がＭ４よりも低温領域にある金属水素化物Ｍ５が充填さ
れ、この回転体Ｄ５は温度Ｔ、の第１熱媒室（中温熱媒
室）と温度ＴＨの第２熱媒室（高温熱媒室）との間を回
転する。ざらにユニッ１−Ｕ６においては、水素平衡分
解圧特性がＭ５よりも低温領域にある金属水素化物を充
填した密閉容器からなる回転体が低温熱媒室と中温熱媒
室との間を回転する。図示した実施例では、ユニットＵ
６には金属水素化物ＭＤＩおよび”Ｄ２をそれぞれ充填
した密閉容器からなる２個の回転体ＤＤ１およびＤＤ２
が並列に配設されている。回転体ＤＤＩは温度ＴＬ１の
低温熱媒室と、また温度Ｔ０の中温熱媒室とそれぞれ熱
交換しうるようになっている。水素平衡分解圧がＭＤＩ
よりも低温領域にある金属水素化物ＭＤ２を充填した密
閉容器からなる回転体ＤＤ２は回転体ＣＤＩと並列され
て、低温熱媒室と中温熱媒室との間を回転するが、好ま
しくは回転体ＤＤ２の中温熱媒室におる密閉容器と回転
体ＤＤ１の低温熱媒室におる密閉容器とが熱交換しうる
ように熱媒室を共有接続し、かつこの熱媒室内に封入さ
れ攪拌等の適宜手段によって流動している熱媒によって
熱的に接続されて温度ＴＬＩに保たれ、回転体ＤＤ２の
低温熱媒室にある密閉容器は温度”Ｌ２で低温熱媒室と
熱交換される。さらに、ユニットＵ４の水素流出口をユ
ニットＵ５の水素流入口へ、ユニットＵ５の水素流出口
をユニットＵ６の回転体ＤＤＩおよびＤＤ２の各水素流
入口へ、回転体ＤＤＩおよびＤＤ２の各水素流出口をユ
ニットＵ４の水素流入口へそれぞれ配管により接続する
。この場合の各熱媒室に流す熱媒温度はＴＬ２くＴ［１
くＴＨくＴＨとなるようにする。

第１２図に示した実施例の装置の動作を第１３図の右回
りサイクル線図を参照して説明する。先ずユニットＵ４
の回転体Ｄ４の水素流入口から流入してくる水素は中温
熱媒室にある金属水素化物Ｍ４に発熱的に温度ＴＨで吸
蔵される（Ａ点）。このときの発熱反応熱は冷媒として
の中温熱媒により除去される。水素を吸蔵したＭ４は回
転体Ｄ４とともに回転して高温熱媒室にくると、Ｍ４は
温度Ｔ１に加熱されて水素を放出しくＢ点）、回転体Ｄ
４の水素流出口から中圧水素として取出される。この中
圧水素はユニットＵ５の回転体Ｄ５の水素流入口から流
入し、中温熱媒室にある密閉容器内の金属水素化物Ｍ　
に温度ＴＨで発熱的に吸蔵される（Ｃ点）。このＭ　が
回転体Ｄ５とともに高温熱媒苗に回転するとＭ５は温度
ＴＨに加熱されて、この温度における比較的高い平衡分
解圧で水素を吸熱的に放出しくＤ点）、回転体Ｄ５の水
素流出口から高圧水素として取出される。

ユニットＵ５からの高圧水素は、ユニットＵ６の回転体
り。１および回転体Ｄ［）２のそれぞれ中温熱媒室側に
おる密閉容器へ送られ、回転体ＣＤＩの金属水素化物Ｍ
。１は温度ＴＨで、また回転体り。２の金属水素化物Ｍ
［）２は温度ＴＬ１でそれぞれ発熱的に水素を吸蔵する
（Ｅ点およびＦ点）。水素を吸蔵した金属水素化物Ｍｌ
）１とＭ［）２が回転体とともに回転して各密閉容器が
それぞれ水素流出口と連通して低圧水素雰囲気となると
、Ｍｏｌは温度ＴＬＩで、Ｍｎ２は温度ＴＬ２でそれぞ
れ水素を吸熱的に放出する（Ｇ点およびＨ点）。

このとき、ＭＤＩの加熱は、回転体ＤＤ２の高圧水素流
入側（中温熱媒室）のＭｎ２が水素を吸蔵するときの発
熱反応熱により与えられ、Ｍｎ２は温度Ｔ、２の低温熱
媒室から熱の供給を受けて加熱される。ＭＤＩとＭｎ２
から放出された水素はユニットＵ４の回転体Ｄ４の水素
流入口へ送られて温度ＴＨで金属水素化物Ｍ４に吸蔵さ
れる（Ａ点に戻る）。

かくして、例えば高温熱媒室としてボイラー熱、各種廃
熱、太陽熱等による熱媒室を利用し、中温熱媒室として
空気を用いれば、冷房や冷凍負荷として低温熱媒室から
冷熱出力を得ることができる。なお、上記の降温モード
の装置は高温ＴＨなる熱供給源と大気等の低温Ｔ１から
、中間の温度Ｔ９の熱出力を得て暖房等に利用する熱増
幅モードの装置としても利用できる。

また、上記の降温モードの装置においても、第９図に示
した昇温モードの装置と同様に、ユニットＵ４．Ｕ５の
回転体を複数個直列に多段配列することができ、ざらに
ユニットＵ６の回転体も複数個並列に多段配列できるこ
とは勿論である。

以上の説明はこの発明の実施例について述べたものであ
って、この発明はこれらの実施例に限定されるものでは
なく種々の変形が可能である。例えば第９図、第１０図
および第１２図の装置におけるピー１〜ポンフ機能のユ
ニットは、各回転体が熱交換しうるように熱媒室を共有
接続するようにしたが、熱媒室は共有せずに独立させて
各熱媒室間をヒートパイプ等の手段により熱的に接続す
るようにしてもよい。

また第７図、第９図、第１０図および第１２図の装置に
おける水素圧縮機として作用する複数のユニットは、こ
れらを単に平面的に配列した例を示したが、これらのユ
ニットを熱媒の流れ方向に沿って積み重ねることもでき
、ざらには各回転体の回転軸を共通の１本とし水素流入
口と流出口を熱媒室内に配置するようにしてもよい。積
み重ね配列とした場合には、細長い熱媒室を２つ設けれ
ばよいため装置全体のコンパクト化が図れる。

ざらに、各ユニットの回転体はヒートポンプサイクルが
一致するように同期回転するのが好ましいが、各ユニッ
ト間の水素配管の間に水素バッファタンクを設置すれば
、各回転体のサイクル工程が多少相互にずれても差し支
えなく、特に各金属水素化物の特性によって反応速度が
異なる場合に都合がよい。また各回転体の大きざ、すな
わち密閉容器の大きさを変化させれば、金属水素化物の
種類による水素の吸蔵量または放出量の差を吸収するこ
とができる。

前述したように、各ユニットの回転体の回転は、回転軸
を外部駆動源（図示せず）で回転させることによって行
なうことができる。しかしながら一般に、水素化反応を
して水素を吸蔵した金属水素化物は、脱水素化反応をし
て水素を放出した金属水素化物よりも、若干重量が重く
なるため、この重量差を利用して回転体に回転力を付与
することも可能で必る。すなわち第１４図に示したよう
に、■位置にある回転体１の密閉容器６内で金属水素化
物の水素吸蔵反応が起り、これと１８０°ずれた■位置
にある密閉容器内で金属水素化物の水素放出反応が起る
ように、第１熱媒室１４と第２熱媒室１５の位置および
水素流入口と水素流出口の位置を定めることによって、
■位置の水素化金属水素化物重量と■位置の脱水素化金
属水素化物＠量との間に重量差を生ぜしめ、この重量差
によって図中矢印で示すような回転力を回転体に常時付
与することができる。これによって、回転軸の外部駆動
源を無くすことができ、あるいは回転軸を回転させるだ
めの外部動力を少なくすることができる。

〈発明の効果〉 以上説明したようにこの発明のヒートポンプ装置によれ
ば、圧力の異なる空間に金属水素化物を走行移動させる
ことなく、金属水素化物を充填した密閉容器を回転軸の
回りに回動させるようにしたため、各金属水素化物に対
して適切な圧力を確実に保持することができ、圧力遮断
のシール性の問題を解消できるもので必る。

また、金属水素化物を単に密閉容器内に充填すればよい
から、金属水素化物をテープ等に担持させる場合のよう
な技術的困難性がなく、金属水素化物の水素吸蔵および
放出特性を効果的に発現させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のヒートポンプ装置を、構成する金属
水素化物ユニットの実施例を示す説明図；第２図は第１
図における回転体の側面図；第３図（八）および（８）
は第１図における水素流入口および水素流出口の断面図
：：第４図は金属水素化物ユニットのざらに別な実施例
を示す説明図：第５図は第４図のＡ−Ａ断面図：第６図
は第４図のＢ−８断面図；第７図は昇温モードとして用
いるのに適したこの発明のビー１〜ポンプ装置の実施例
を示す説明図：第８図は第７図の装置の動作を示すサイ
クル線図：第９図および第１０図は昇温モードとして用
いるのに適した多段ヒートポンプ装置の実施例を示す説
明図；第１１図は第１０図の装置の動作を示すサイクル
線図：第１２図は降温モードとして用いるのに適したこ
の発明のピー１〜ポンプ装置の実施例を示す説明図；第
１３図は第１２図の装置の動作を示すシイクル線図；第
１４図は回転体に重但差による回転力を付与ざゼる場合
の密閉容器と熱媒室との関係を示す説明図；および第１
５図は一般的な金属水素化物の水素平衡分解圧特性を示
すグラフである。 １・・・回転体、２・・・回転軸、６・・・密閉容器、
７・・・水素導管、８・・・合体水素導管、９・・・水
素流入口、１Ｑ・・・水素流出口、１２・・・外側ダク
ト、１３・・・仕切壁、１４・・・第１熱媒室、１５・
・・第２熱媒室、Ｄｌ、Ｄ２〜ＤＩｌｌ・・・回転体、
Ｍｌ。 Ｍ２〜Ｍ・・・金属水素化物、Ｕｌ、Ｕ２〜Ｕ６・・・
金属水素化物ユニット。 笥　１　図 第１５図 １／Ｔ 第２ズ 笛３’ｆｆ（Ａ）　　　　　　　　答３図（Ｂ）第４図 第６１！ｒ 第７図 第８図 １／Ｔ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. １．　金属水素化物を充填した密閉容器の複数個を回転
   軸に対して放射方向に配設してなる回転体と、該回転体
   の回転に伴い各密閉容器が温度の異なる第１熱媒室およ
   び第２熱媒室を交互に順次通過するように該回転体の周
   囲に配設した第１熱媒室および第２熱媒室と、該回転体
   の近傍に設けた水素流入口および水素流出口と、各密閉
   容器と該水素流入口または水素流出口と接続する水素導
   管とからなり、該各水素導管と水素流入口または水素流
   出口との前記接続は、１つの密閉容器が第１熱媒室にあ
   るときこの密閉容器から延びる水素導管が水素流入口の
   みと連通し、この密閉容器が第２熱媒室にあるときこの
   密閉容器から延びる水素導管が水素流出口のみと連通す
   るように、各水素導管が回転体の回転に伴って水素流入
   口および水素流出口と順次連通または遮断されるように
   した金属水素化物ユニットの少なくとも３個を用い、第
   １ユニットの第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞれ低
   温熱媒室および中温熱媒室とし、第２ユニットの第１熱
   媒室および第２熱媒室をそれぞれ低温熱媒室および中温
   熱媒室とし、第３ユニットの第１熱媒室および第２熱媒
   室をそれぞれ高温熱媒室および中温熱媒室とし、第２ユ
   ニットの水素流出口を第１ユニットの水素流入口と接続
   し、第１ユニットの水素流出口を第３ユニットの水素流
   入口と接続し、第３ユニットの水素流出口を第２ユニッ
   トの水素流入口と接続し、第１ユニットの金属水素化物
   Ｍ＿１と第２ユニットの金属水素化物Ｍ＿２と第３ユニ
   ット金属水素化物Ｍ＿３の水素平衡分解圧特性はＭ＿１
   よりＭ＿２、Ｍ＿２よりＭ＿３が高温領域にあるように
   選定し、これによって第２ユニットの低温熱媒室にて金
   属水素化物Ｍ＿２に吸蔵させた水素を中温熱媒室にて中
   圧水素として放出させ、この中圧水素を第１ユニットの
   低温熱媒室にて金属水素化物Ｍ＿１に吸蔵させたのち中
   温熱媒室にて高圧水素として放出させ、この高圧水素を
   第３ユニットの高温熱媒室にて金属水素化物Ｍ＿３に発
   熱的に吸蔵させたのち中温熱媒室にて吸熱的に放出させ
   て第３ユニツトの中温熱媒室から高温熱媒室へ熱輸送せ
   しめ、第３ユニツトにて放出させた水素を第２ユニット
   の金属水素化物Ｍ＿２に吸蔵させるようにしたことを特
   徴とするヒートポンプ装置。
2. ２．前記回転軸を中空とし、各密閉容器からの水素導管
   を該回転軸内部を通して該回転軸の一端へ延設し、該回
   転軸の一端に設けた水素流入口または水素流出口と接続
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の装置
   。
3. ３．金属水素化物を充填した密閉容器の複数個を回転軸
   に対して放射方向に配設してなる回転体と、該回転体の
   回転に伴い各密閉容器が温度の異なる第１熱媒室および
   第２熱媒室を交互に順次通過するように該回転体の周囲
   に配設した第１熱媒室および第２熱媒室と、該回転体の
   近傍に設けた水素流入口および水素流出口と、各密閉容
   器と該水素流入口または水素流出口と接続する水素導管
   とからなり、該各水素導管と水素流入口または水素流出
   口との前記接続は、１つの密閉容器が第１熱媒室にある
   ときこの密閉容器から延びる水素導管が水素流入口のみ
   と連通し、この密閉容器が第２熱媒室にあるときこの密
   閉容器から延びる水素導管が水素流出口のみと連通する
   ように、各水素導管が回転体の回転に伴つて水素流入口
   および水素流出口と順次連通または遮断されるようにし
   た金属水素化物ユニットの少なくとも３個を用い、第１
   ユニットの第１熱媒室および第２熱媒室をそれぞれ中温
   熱媒室および高温熱媒室とし、第２ユニットの第１熱媒
   室および第２熱媒室をそれぞれ中温熱媒室および高温熱
   媒室とし、第３ユニットの第１熱媒室および第２熱媒室
   をそれぞれ中温熱媒室および低温熱媒室とし、第１ユニ
   ットの水素流出口を第２ユニツトの水素流入口と接続し
   、第２ユニットの水素流出口を第３ユニットの水素流入
   口と接続し、第３ユニットの水素流出口を第１ユニツト
   の水素流入口と接続し、第１ユニットの金属水素化物Ｍ
   ＿１と第２ユニットの金属水素化物Ｍ＿２と第３ユニッ
   ト金属水素化物Ｍ＿３の水素平衡分解圧特性はＭ＿１よ
   りＭ＿２、Ｍ＿２よりＭ＿３が低温領域にあるように選
   定し、これによつて第１ユニットの中温熱媒室にて金属
   水素化物Ｍ＿１に吸蔵させた水素を高温熱媒室にて中圧
   水素として放出させ、この中圧水素を第２ユニットの中
   温熱媒室にて金属水素化物Ｍ＿２に吸蔵させたのち高温
   熱媒室にて高圧水素として放出させ、この高圧水素を第
   ３ユニットの中温熱媒室にて金属水素化物Ｍ＿３に発熱
   的に吸蔵させたのち低温熱媒室にて吸熱的に放出させて
   第３ユニットの低温熱媒室から中温熱媒室へ熱輸送せし
   め、第３ユニットにて放出させた水素を第１ユニツトの
   金属水素化物Ｍ＿１に吸蔵させるようにしたことを特徴
   とするヒートポンプ装置。
4. ４．前記回転軸を中空とし、各密閉容器からの水素導管
   を該回転軸内部を通して該回転軸の一端へ延設し、該回
   転軸の一端に設けた水素流入口または水素流出口と接続
   したことを特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置
   。