JP2002005539A

JP2002005539A - ヒートポンプ装置

Info

Publication number: JP2002005539A
Application number: JP2000188019A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Osumi; 泰章大角; Toshiyuki Tsuboi; 利行坪井; Fumiaki Kataoka; 文昭片岡
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2000-06-22
Filing date: 2000-06-22
Publication date: 2002-01-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高効率で、発熱又は吸熱のみが可能で、軽量に
構成可能なヒートポンプ装置を提供すること。【解決手段】炭素系水素吸蔵材料１０２を収容した容
器１０１と、水素吸蔵合金１０４を収容した容器１０３
は、導管１０５、１０５及びバルブ１０６を介して連結
されており、炭素系水素吸蔵材料１０２と水素吸蔵合金
１０４の一方で水素の放出を行うと共に他方で水素の吸
蔵を行うことにより、水素吸蔵合金１０４を発熱又は吸
熱させる。このとき、炭素系水素吸蔵材料１０２では、
発熱や吸熱が殆ど生じないため、発熱又は吸熱の一方の
みが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金を用
いて発熱、吸熱を行うヒートポンプ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、空調装置や冷凍機等の熱交換
システムとして、水素吸蔵合金の発熱、吸熱を利用した
ヒートポンプ装置が研究され、開発されている。水素吸
蔵合金を利用したヒートポンプ装置は、ＬｉＢｒを冷媒
とする水の吸収剤を用いた吸収式冷凍機のように水の凝
固点である２７３度Ｋ以下および沸点である３７３度Ｋ
以上での利用が困難である等の問題が無く又、アンモニ
アを冷媒とする水の吸収剤を用いた吸収式ヒートポンプ
装置のようにアンモニアが腐食性を有し作動圧が高く
（最大で１５ｋｇ／ｃｍ^２）又有毒ガスである等の問題
が無いため注目されている。

【０００３】図６は、前記従来のヒートポンプ装置の概
略構成図である。図６において従来のヒートポンプ装置
は、水素吸蔵合金６０２が収容された容器６０１と、水
素吸蔵合金６０４が収容された容器６０３とを、水素ガ
スが通過する導管６０５、水素ガスを通過させ又は阻止
するように制御するためのバルブ６０６、水素ガスが通
過する導管６０５を介して連結した構成となっている。
尚、水素吸蔵合金６０２と水素吸蔵合金６０４は、平衡
水素解離圧が相互に相異する水素吸蔵合金である。

【０００４】昇温サイクルでは、低温の熱で水素吸蔵合
金６０４を加熱すると、水素吸蔵合金６０４は吸熱反応
を起こして水素を放出する。前記水素は導管６０５、開
状態のバルブ６０６及び導管６０５を介して、水素吸蔵
合金６０２に吸蔵される。このとき、水素吸蔵合金６０
２は発熱反応により高温の熱を放出する。即ち、水素吸
蔵合金６０４から水素吸蔵合金６０２への水素吸蔵によ
って、低温の熱を高温の熱として取り出すことができ
る。

【０００５】一方、冷房サイクルでは、水素吸蔵合金６
０２を加熱すると、水素吸蔵合金６０２は吸熱反応を起
こして水素を放出する。前記水素は、導管６０５、開状
態のバルブ６０６及び導管６０５を介して、水素吸蔵合
金６０４に吸収されて反応熱が発生するが、この熱は外
部に放出される。水素吸蔵合金６０２の加熱を止めて外
気温まで冷却すると、両水素吸蔵合金６０２、６０４が
外気温と同一の温度となるため、水素が水素吸蔵合金６
０４から水素吸蔵合金６０２へと逆方向に放出される。
このとき、水素吸蔵合金６０４は吸熱反応により水素を
放出するため冷熱が得られる。以上のようにして高熱や
冷熱を得ることができるため、ヒートポンプ装置を利用
して空調機や冷凍機等を実現することが可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前記従来のヒートポン
プ装置においては、２種類の水素吸蔵合金を組み合わせ
て使用しているため、発熱と吸熱のいずれの場合にも水
素吸蔵合金の加熱が必要であり又、２種類の水素吸蔵合
金と水素との反応によって必ず大きい熱量を伴った発熱
と吸熱が同時に進行することになり、発熱のみ、あるい
は吸熱のみを必要とする場合には、効率が悪いという問
題があった。例えば、水素の吸蔵・放出の反応熱が等し
い２種類の水素吸蔵合金を使用した場合、昇温サイクル
の効率は、暖房出力／熱源入力＝１／２となり、極めて
効率が悪いという問題があった。また、冷熱が必要な場
合にも、放出される発熱量が多くなる等の問題があっ
た。さらに、水素吸蔵合金は重量が大きいため、車両等
に利用する上で大きな制約が生じ又、持ち運び等に不便
であるという問題があった。

【０００７】ところで、水素吸蔵合金における水素吸蔵
は化学結合（共有結合や金属性結合）によって行われる
が、カーボンナノチューブ等の炭素系水素吸蔵材料にお
いては、水素吸蔵は物理吸着（ファン・デル・ワールス
の相互作用による一時的な捕捉）によって行われるた
め、水素吸蔵時における発熱量や水素放出時の吸熱量が
少ない。

【０００８】本発明は、前記問題点に鑑みると共に炭素
系水素吸蔵材料の前述したような性質に着目して成され
たもので、高効率で、発熱又は吸熱のみが可能で、軽量
に構成可能なヒートポンプ装置を提供することを課題と
している。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、水素が
通過する通路を介して連結された第１、第２の容器と、
前記第１の容器内に収容された炭素系水素吸蔵材料と、
前記第２の容器内に収容された水素吸蔵合金とを備え、
前記通路を介して、前記炭素系水素吸蔵材料と前記水素
吸蔵合金の一方で水素の放出を行うと共に他方で水素の
吸蔵を行うことにより、前記水素吸蔵合金を発熱又は吸
熱させるようにしたことを特徴とするヒートポンプ装置
が提供される。通路を介して、炭素系水素吸蔵材料と水
素吸蔵合金の一方で水素の放出を行うと共に他方で水素
の吸蔵を行うことにより、前記水素吸蔵合金を発熱又は
吸熱させる。

【００１０】また、本発明によれば、第１の炭素系水素
吸蔵材料を収容した第１の容器と第１の水素吸蔵合金を
収容した第２の容器とを、水素が通過する第１の通路を
介して連結し、前記第１の通路を介して、前記第１の炭
素系水素吸蔵材料と前記第１の水素吸蔵合金の一方で水
素の放出を行うと共に他方で水素の吸蔵を行うことによ
り前記第１の水素吸蔵合金を発熱又は吸熱させる第１の
ヒートポンプと、前記第１のヒートポンプに並設され、
第２の炭素系水素吸蔵材料を収容した第３の容器と第２
の水素吸蔵合金を収容した第４の容器とを、水素が通過
する第２の通路を介して連結し、前記第２の通路を介し
て、前記第２の炭素系水素吸蔵材料と前記第２の水素吸
蔵合金の一方で水素の放出を行うと共に他方で水素の吸
蔵を行うことにより前記第２の水素吸蔵合金を発熱又は
吸熱させる第２のヒートポンプとを備え、前記第１の水
素吸蔵合金と前記第２の水素吸蔵合金の発熱と吸熱を、
交互に逆に行うようにしたことを特徴とするヒートポン
プ装置が提供される。第１のヒートポンプにおける第１
の水素吸蔵合金の発熱及び吸熱と、第２のヒートポンプ
における第２の水素吸蔵合金の発熱及び吸熱とを、交互
に逆に行うようにする。

【００１１】また、本発明によれば、炭素系水素吸蔵材
料を収容した第１の容器と、水素吸蔵合金を収容した複
数の第２の容器とを備え、前記複数の第２の容器は、各
々、水素が通過する異なる通路及びバルブを介して前記
第１の容器に連結されて成り、バルブが開かれた通路に
連結された前記第２の容器に収容された水素吸蔵合金と
前記炭素系水素吸蔵材料の一方で水素の放出を行うと共
に他方で水素の吸蔵を行うことにより、該水素吸蔵合金
を発熱又は吸熱させるようにしたことを特徴とするヒー
トポンプ装置が提供される。バルブが開かれた通路に連
結された第２の容器内の水素吸蔵合金と炭素系水素吸蔵
材料の一方で水素の放出を行うと共に他方で水素の吸蔵
を行うことにより、該水素吸蔵合金を発熱又は吸熱させ
る。

【００１２】尚、前記水素吸蔵合金として、例えば、ラ
ンタン−ニッケル系多元合金、ミッシュメタル−ニッケ
ル系多元合金、チタン−鉄系多元合金、チタン−マンガ
ン系多元合金、チタン−クロム系多元合金、ジルコニウ
ム−鉄系多元合金、バナジウム系多元合金又はマグネシ
ウム−ニッケル系多元合金を使用してもよい。また、前
記炭素系水素吸蔵材料として、例えば、黒鉛層間化合
物、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノファ
イバ、フラーレン、カーボンナノホーン又はナノパーテ
ィクルを使用してもよい。また、前記炭素系水素吸蔵材
料を収容した容器及び前記水素吸蔵合金を収容した容器
のうち、少なくとも一つは、前記通路に対して着脱自在
に形成されたカートリッジによって構成してもよい。ま
た、前記通路には、水素の通過量を制御するためのバル
ブを設けるようにしても良い。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る
ヒートポンプ装置の概略図である。図１において、ヒー
トポンプ装置は、炭素系水素吸蔵材料１０２が収容され
た容器１０１と、水素吸蔵合金１０４が収容された容器
１０３とを、水素ガスが通過する通路としての導管１０
５、水素ガスの通過量を制御するためのバルブ１０６お
よび水素ガスが通過する通路としての導管１０５を介し
て連結した構成となっている。容器１０１は導管１０５
に対して着脱自在に連結されており又、容器１０３も導
管１０５に対して着脱自在に連結されている。容器１０
１及び容器１０３は、各導管１０５から離脱した状態で
は、外部との通気が遮蔽されて密閉構造となるカートリ
ッジで構成されており、炭素系水素吸蔵材料１０２を収
容した状態の容器１０１及び水素吸蔵合金１０４を収容
した状態の容器１０３の少なくとも一方を、容易に移動
あるいは交換することが可能なように構成されている。

【００１４】２種類の水素吸蔵合金を用いた従来のヒー
トポンプ装置においては、一般に、平衡水素圧の低い低
圧水素吸蔵合金と平衡水素圧の高い高圧水素吸蔵合金と
を組み合わせて用いるが、本実施の形態においては、低
圧水素吸蔵合金（水素吸蔵合金１０４）としてＬａＮｉ
_５を使用し、高圧水素吸蔵合金の代わりに炭素系水素吸
蔵材料１０２を使用している。炭素系水素吸蔵材料１０
２として、例えば、黒鉛層間化合物、活性炭、カーボン
ナノチューブ、カーボンナノファイバ、フラーレン、カ
ーボンナノホーン又はナノパーティクルが使用できる。
炭素系水素吸蔵材料にいおては、水素吸蔵は物理吸着
（ファン・デル・ワールスの相互作用による一時的な捕
捉）によって行われるため水素吸蔵時の発熱量や水素放
出時の吸熱量が少なく又、吸着した水素分子は、吸着エ
ネルギに等しいエネルギを与えることにより炭素系水素
吸蔵材料から容易に離脱するという性質を有している。

【００１５】図４に、炭素系水素吸蔵材料と水素吸蔵合
金の性質を比較して示すように、炭素系水素吸蔵材料に
おいて、水素吸着・水素放出に必要な熱量は４〜２０ｋ
Ｊ／ｍｏｌで、水素吸蔵合金（２０〜１００ｋＪ／ｍｏ
ｌ）よりも低い。特に、カーボンナノチューブは、水素
吸着に必要な熱が１９．６ｋＪ／ｍｏｌであり、黒鉛
（４ｋＪ／ｍｏｌ）や活性炭（４〜１２ｋＪ／ｍｏｌ）
に比べて水素の安定度が大きく、常温付近でかなりの量
の水素（５〜１０ｗｔ％）が安定に吸着される。

【００１６】また、図５に、炭素系材料と金属材料の密
度を比較して示すように、炭素系水素吸蔵材料の密度
は、水素吸蔵合金に比べて小さく、軽量化することが可
能である。特に、カーボンナノチューブは、軽いのみな
らず、中空であるため、単位質量及び単位体積当たり多
量の水素を貯蔵することが可能である。例えば、本願出
願人が出願した特願平１１−２１０４２１号に記載した
方法（アーク放電法により吸蔵補助材料として白金族金
属、白金族の酸化物または白金族の合金を触媒としてカ
ーボンナノチューブを製造する方法）によって製造した
カーボンナノチューブは、室温において１５ｗｔ％の水
素を圧力１２ＭＰａ下で貯蔵できる性能を有している。

【００１７】また、水素吸蔵合金１０４としては、Ｌａ
Ｎｉ_５のみならず、例えば、ランタン−ニッケル系多元
合金、ミッシュメタル−ニッケル系多元合金、チタン−
鉄系多元合金、チタン−マンガン系多元合金、チタン−
クロム系多元合金、ジルコニウム−鉄系多元合金、バナ
ジウム系多元合金又はマグネシウム−ニッケル系多元合
金が使用できる。

【００１８】上記のように構成されたヒートポンプ装置
の動作を以下に説明する。先ず、水素吸蔵合金１０４を
熱源として機能させる例を説明する。尚、アルミ合金製
の容器１０３内に水素吸蔵合金１０４として１ｋｇのＬ
ａＮｉ_５を収容し、容器１０１内には炭素系水素吸蔵材
料１０２として約５０ｇのカーボンナノチューブを収容
し、初期状態として、炭素系水素吸蔵材料１０２には所
定圧力（例えば、室温で３ＭＰａ）で水素を吸蔵させて
おくものとする。この状態で、バルブ１０６を開くと、
圧力により、炭素系水素吸蔵材料１０２から水素が放出
されて、導管１０５、バルブ１０６及び導管１０５を介
して、水素吸蔵合金１０４に水素が供給される。これに
より、発熱源として機能する水素吸蔵合金１０４は、水
素を吸蔵して約３００ｋＪ／ｋｇの熱を発する。このと
き、炭素系水素吸蔵材料１０２は水素を放出するにも拘
わらず、殆ど冷熱を発しない。

【００１９】再生には、水素吸蔵合金１０２（水素吸蔵
合金が水素を吸蔵した状態にあるため水素吸蔵合金水素
化物となっている。即ち、本例では、ＬａＮｉ_５が水素
を吸蔵した状態にあるため、ＬａＮｉ_５の水素化物とな
っている）を１００度Ｃで加熱することによって水素を
放出させる。水素吸蔵合金１０２から放出された水素
は、導管１０５、バルブ１０６及び導管１０５を介して
炭素系水素吸蔵材料１０２に吸蔵される。このとき、炭
素系水素吸蔵材料１０２は水素を吸蔵するにも拘わら
ず、殆ど発熱しない。したがって、仮に、炭素系水素吸
蔵材料１０２の冷却が必要とされる場合でも、室内のフ
ァンによる冷却で足りる。その後、バルブ１０６を閉じ
ることによって、初期状態に戻る。以後、上記動作を繰
り返すことにより、水素吸蔵合金１０４を熱源として利
用することが可能になる。

【００２０】以上述べたように、本第１の実施の形態で
は、水素ガスが通過する通路（導管１０５、１０５、バ
ルブ１０６）を介して連結された第１、第２の容器１０
１、１０３と、第１の容器１０１内に収容された炭素系
水素吸蔵材料１０２と、第２の容器１０４内に収容され
た水素吸蔵合金とを備えると共に、炭素系水素吸蔵材料
１０２と水素吸蔵合金１０４の少なくとも一方に水素を
吸蔵して成り、前記通路を介して、炭素系水素吸蔵材料
１０２と水素吸蔵合金１０４の一方で水素の放出を行う
と共に他方で水素の吸蔵を行うことにより、前記水素吸
蔵合金を発熱又は吸熱させるようにしたことを特徴とし
ている。このように、物理吸着を行う炭素系水素吸蔵材
料１０２を使用しているので、水素吸蔵時における発熱
量や水素放出時の吸熱量が水素吸蔵合金に比べて極めて
少ない。したがって、例えば、昇温サイクルの熱効率を
０．５〜１．０と高効率化することが可能になると共
に、発熱又は吸熱のみが可能になる。また。ヒートポン
プ装置を軽量化することが可能になる。

【００２１】次に、本発明の第２の実施の形態について
説明する。本第２の実施の形態の全体構成は図１と同じ
であるため、図１を参照しながら説明する。先ず、水素
吸蔵合金１０４を熱源として機能させる例（発熱サイク
ル）を説明する。尚、容器１０３内に水素吸蔵合金１０
４として約１ｋｇのＬａＮｉ_５を収容し、容器１０１内
には炭素系水素吸蔵材料１０２として約５０ｇのカーボ
ンナノチューブを収容し、初期状態として、炭素系水素
吸蔵材料１０２には１ＭＰａで水素を吸蔵させておくも
のとする。この状態で、バルブ１０６を開くと、炭素系
水素吸蔵材料１０２から水素が放出されて、導管１０
５、バルブ１０６及び導管１０５を介して、水素吸蔵合
金１０４に水素が供給される。これにより、発熱源とし
て機能する水素吸蔵合金１０４は水素を吸蔵して発熱
（例えば、約３００ｋＪ／ｋｇの熱）を行う。バルブ１
０６を開く量を調整することによって発熱量を変化させ
ることも可能である。このとき、炭素系水素吸蔵材料１
０２は水素を放出するにも拘わらず、殆ど冷熱を発しな
い。

【００２２】次に、水素吸蔵合金１０４を冷熱源として
機能させる例（吸熱サイクル）を説明する。先ず、容器
１０３内に水素を吸蔵させた水素吸蔵合金１０４（水素
吸蔵合金が水素を吸蔵して水素吸蔵合金水素化物になっ
た状態にある。）を収容し、容器１０１内には真空排気
した炭素系水素吸蔵材料１０２を収容する。この状態
で、圧縮機（図示せず）を用いて、強制的に水素吸蔵合
金１０４から水素を離脱させ、導管１０５、バルブ１０
６及び導管１０５を介して、水素を炭素系水素吸蔵材料
１０２に吸蔵させる。これにより、水素吸蔵合金１０４
は吸熱動作を行い、冷熱（例えば、−３００ｋＪ／ｋ
ｇ）が得られる。このとき、炭素系水素吸蔵材料１０２
は水素を吸蔵するにも拘わらず、殆ど発熱を行わない。

【００２３】以上述べたように、本第２の実施の形態で
は、水素ガスが通過する通路（導管１０５、１０５、バ
ルブ１０６）を介して連結された第１、第２の容器１０
１、１０３と、第１の容器１０１内に収容された炭素系
水素吸蔵材料１０２と、第２の容器１０４内に収容され
た水素吸蔵合金とを備えると共に、炭素系水素吸蔵材料
１０２と水素吸蔵合金１０４の少なくとも一方に水素を
吸蔵して成り、前記通路を介して、圧力変化により、炭
素系水素吸蔵材料１０２と水素吸蔵合金１０４の一方で
水素の放出を行うと共に他方で水素の吸蔵を行うことに
より、前記水素吸蔵合金を発熱又は吸熱させるようにし
たことを特徴としている。したがって、高効率で、発熱
又は吸熱のみが可能で、軽量に構成可能なヒートポンプ
装置を提供することが可能になる。また、発熱又は吸熱
の連続運転が可能になる。

【００２４】図２は、本発明の第３の実施の形態に係る
ヒートポンプ装置の概略図で、発熱又は吸熱を連続的に
行わせるようにした例である。本第３の実施の形態で
は、ヒートポンプ装置は、近接して併設された１対のヒ
ートポンプ２００Ａ、２００Ｂを備えている。各ヒート
ポンプ２００Ａ、２００Ｂの構成は前記第２の実施の形
態のものと同様の構成である。

【００２５】即ち、第１のヒートポンプ２００Ａは、炭
素系水素吸蔵材料２０２が収容された容器２０１と、水
素吸蔵合金２０４が収容された容器２０３とを、水素ガ
スが通過する通路としての導管２０５、水素ガスを通過
させ又は阻止するように制御するためのバルブ２０６お
よび水素ガスが通過する通路としての導管２０５を介し
て連結した構成となっている。また、容器２０１はカー
トリッジによって構成され、導管１０５に対して着脱自
在に連結されており又、容器２０３もカートリッジによ
って構成され、導管１０５に対して着脱自在に連結され
ている。容器２０１及び容器２０３は、各導管１０５か
ら取り外した状態では、外部との通気が遮蔽されるよう
な密閉構造となっており、炭素系水素吸蔵材料２０２を
収容した状態の容器２０１及び水素吸蔵合金２０４を収
容した状態の容器２０３の少なくとも一方を、容易に移
動あるいは交換することが可能なように構成されてい
る。

【００２６】また、第２のヒートポンプ２００Ｂは、炭
素系水素吸蔵材料２０８が収容された容器２０７と、水
素吸蔵合金２１０が収容された容器２０９とを、水素ガ
スが通過する通路としての導管２１１、水素ガスを通過
させ又は阻止するように制御するためのバルブ２１２お
よび水素ガスが通過する通路としての導管２１１を介し
て連結した構成となっている。また、容器２０７はカー
トリッジによって構成され、導管２１１に対して着脱自
在に連結されており又、容器２０９もカートリッジによ
って構成され、導管２１１に対して着脱自在に連結され
ている。容器２０７及び容器２０９は、各導管２１１か
ら取り外した状態では、外部との通気が遮蔽されるよう
な密閉構造となっており、炭素系水素吸蔵材料２０８を
収容した状態の容器２０７及び水素吸蔵合金２１０を収
容した状態の容器２０９の少なくとも一方を、容易に移
動あるいは交換することが可能なように構成されてい
る。

【００２７】以上のように構成されたヒートポンプ装置
において、初期状態として、炭素系水素吸蔵材料２０２
には所定圧力（例えば、１ＭＰａ）で水素が吸蔵されて
おり、水素吸蔵合金２０４には水素が吸蔵されていない
状態にある（このとき、バルブ２０６は閉状態にあ
る。）。また、容器２０９内に収容された水素吸蔵合金
２１０には水素が吸蔵されており（水素吸蔵合金が水素
を吸蔵して水素吸蔵合金水素化物になった状態にあ
る。）、容器２０７内に収容された炭素系水素吸蔵材料
２０８は真空排気された状態にある。第１のサイクルで
は、この状態から、ヒートポンプ２００Ａに発熱サイク
ルの動作を行わせる（水素吸蔵合金２０４を発熱させ
る。）と共に、同時に、ヒートポンプ２００Ｂに吸熱サ
イクルの動作を行わせる（水素吸蔵合金２１０を吸熱さ
せる。）。即ち、前記初期状態から、バルブ２０６を開
くと、炭素系水素吸蔵材料２０２から水素が放出され
て、導管２０５、バルブ２０６及び導管２０５を介し
て、水素吸蔵合金２０４に水素が供給される。これによ
り、水素吸蔵合金２０４は水素を吸蔵して発熱を行う。
バルブ２０６を開く量を調整することによって発熱量を
変化させることも可能である。このとき、炭素系水素吸
蔵材料２０２は水素を放出するにも拘わらず、殆ど冷熱
を発しない。

【００２８】一方、同時に、圧縮機（図示せず）を用い
て、強制的に水素吸蔵合金２１０から水素を離脱させ、
導管２１１、バルブ２１２及び導管２１１を介して、水
素を炭素系水素吸蔵材料２０８に吸蔵させ、その後、バ
ルブ２１２を閉じる。これにより、水素吸蔵合金２１０
は吸熱動作を行い、冷熱が得られる。このとき、炭素系
水素吸蔵材料２０８は水素を吸蔵するにも拘わらず、殆
ど発熱を行わない。

【００２９】次の第２のサイクルでは、この状態から、
ヒートポンプ２００Ａに吸熱サイクルの動作を行わせる
と共に、同時に、ヒートポンプ２００Ｂに発熱サイクル
の動作を行わせる。即ち、圧縮機（図示せず）を用い
て、強制的に水素吸蔵合金２０４から水素を離脱させ、
導管２０５、バルブ２０６及び導管２０５を介して、水
素を炭素系水素吸蔵材料２０２に吸蔵させる。これによ
り、水素吸蔵合金２０４は吸熱動作を行い、冷熱が得ら
れる。このとき、炭素系水素吸蔵材料２０２は水素を吸
蔵するにも拘わらず、殆ど発熱を行わない。

【００３０】同時に、バルブ２１２を開くと、炭素系水
素吸蔵材料２０８から水素が放出されて、導管２１１、
バルブ２１２及び導管２１１を介して、水素吸蔵合金２
１０に水素が供給される。これにより、水素吸蔵合金２
１０は水素を吸蔵して発熱を行う。バルブ２１２を開く
量を調整することによって発熱量を変化させることも可
能である。このとき、炭素系水素吸蔵材料２０８は水素
を放出するにも拘わらず、殆ど冷熱を発しない。以上の
ようにして、ヒートポンプ２００ＡとヒートポンプＢ
を、交互に逆に、発熱サイクルと吸熱サイクルを行なう
ように制御する。

【００３１】高熱が必要な場合には、ヒートポンプ２０
０Ａ、２００Ｂが各々発熱サイクルの時、水素吸蔵合金
２０４、２１０の発熱を取り出せばよい。また、冷熱が
必要な場合には、ヒートポンプ２００Ａ、２００Ｂが各
々吸熱サイクルの時、水素吸蔵合金２０４、２１０から
冷熱を取り出せばよい。これにより、高熱あるいは冷熱
を連続して安定に得ることが可能になる。尚、ヒートポ
ンプ２００Ａ、２００Ｂが吸熱サイクルの時、炭素系水
素吸蔵材料２０２、２０８に水素を吸蔵させた後、一旦
バルブ２０６、２１２を閉じるようにしたが、発熱サイ
クルや吸熱サイクルの時間を同一にすることにより、バ
ルブ２０６、２１２の閉じずに、連続運転するようにし
てもよい。

【００３２】以上述べたように、本第３の実施の形態で
は、第１の炭素系水素吸蔵材料２０２を収容した第１の
容器２０１と第１の水素吸蔵合金２０４を収容した第２
の容器２０３とを、水素ガスが通過する第１の通路（導
管２０５、２０５、バルブ２０６）を介して連結すると
共に、第１の炭素系水素吸蔵材料２０２と第１の水素吸
蔵合金２０４の少なくとも一方に水素を吸蔵して成り、
前記第１の通路を介して、圧力変化により、第１の炭素
系水素吸蔵材料２０２と第１の水素吸蔵合金２０４の一
方で水素の放出を行うと共に他方で水素の吸蔵を行うこ
とにより第１の水素吸蔵合金２０４を発熱又は吸熱させ
る第１のヒートポンプ２００Ａと、第１のヒートポンプ
２００Ａの近傍に並設され、第２の炭素系水素吸蔵材料
２０８を収容した第３の容器２０７と第２の水素吸蔵合
金２１０を収容した第４の容器２０９とを、水素が通過
する第２の通路（導管２１１、２１１、バルブ２１２）
を介して連結すると共に第２の炭素系水素吸蔵材料２０
８と第２の水素吸蔵合金２１０の少なくとも一方に水素
を吸蔵して成り、前記第２の通路を介して、圧力変化に
より、第２の炭素系水素吸蔵材料２０８と第２の水素吸
蔵合金２１０の一方で水素の放出を行うと共に他方で水
素の吸蔵を行うことにより第２の水素吸蔵合金２１０を
発熱又は吸熱させる第２のヒートポンプ２００Ｂとを備
え、第１の水素吸蔵合金２０４と第２の水素吸蔵合金２
１０の発熱と吸熱を、交互に逆に行うようにしたことを
特徴としている。したがって、高効率で、発熱又は吸熱
のみが可能で、軽量に構成可能なヒートポンプ装置を提
供することが可能になる。また、発熱又は吸熱の連続運
転が可能になる。

【００３３】図３は、本発明の第４の実施の形態に係る
ヒートポンプ装置の概略図である。本第４の実施の形態
では、炭素系水素吸蔵材料を収容した容器に、水素吸蔵
合金を収容した複数の容器を、各々、導管及びバルブを
介して接続した構成となっている。即ち、図３におい
て、ヒートポンプ装置は、炭素系水素吸蔵材料３０４が
収容された容器３０３に対して、第１の水素吸蔵合金３
０２が収容された第１の容器３０１を、水素ガスが通過
する通路としての第１の導管３０７、水素ガスを通過さ
せ又は阻止するように制御するための第１のバルブ３０
８および水素ガスが通過する通路としての第１の導管３
０７を介して連結すると共に、第２の水素吸蔵合金３０
６が収容された第２の容器３０５を、水素ガスが通過す
る通路としての第２の導管３０９、水素ガスを通過させ
又は阻止するように制御するための第２のバルブ３１０
および水素ガスが通過する通路としての第２の導管３０
９を介して連結した構成となっている。容器３０３はカ
ートリッジによって構成され、導管３０７、３０９に対
して着脱自在に連結され、容器３０１はカートリッジに
よって構成され、導管３０７に対して着脱自在に連結さ
れており又、容器３０５もカートリッジによって構成さ
れ、導管３０９に対して着脱自在に連結されている。容
器３０１、容器３０３及び容器３０５は、各々、導管３
０７、３０９から取り外した状態では、外部との通気が
遮蔽されるような密閉構造となっており、炭素系水素吸
蔵材料３０４を収容した状態の容器３０３及び水素吸蔵
合金３０２、３０６を収容した状態の容器３０１、３０
５のうちの少なくとも１つは、容易に移動あるいは交換
することが可能なように構成されている。

【００３４】上記のように構成されたヒートポンプ装置
の動作を以下に説明する。初期状態として、炭素系水素
吸蔵材料３０４には所定圧力（例えば、室温で３ＭＰ
ａ）で水素が吸蔵されており、水素吸蔵合金３０２、３
０６には水素が吸蔵されていないものとする。この状態
で、水素吸蔵合金３０２を熱源として使用する場合（発
熱サイクル）には、バルブ３０８を開くことにより、炭
素系水素吸蔵材料３０４から水素が放出されて、導管３
０７、バルブ３０８及び導管３０７を介して、水素吸蔵
合金３０２に水素が供給される。これにより、水素吸蔵
合金３０２は、水素を吸蔵して熱を発する。このとき、
炭素系水素吸蔵材料３０４は水素を放出するにも拘わら
ず、殆ど冷熱を発しない。

【００３５】水素吸蔵合金３０６を熱源として使用する
場合（発熱サイクル）には、バルブ３１０を開くことに
より、炭素系水素吸蔵材料３０４から水素が放出され
て、導管３０９、バルブ３１０及び導管３０９を介し
て、水素吸蔵合金３０６に水素が供給される。これによ
り、水素吸蔵合金３０６は、水素を吸蔵して熱を発す
る。このときも、炭素系水素吸蔵材料３０４は水素を放
出するにも拘わらず、殆ど冷熱を発しない。

【００３６】一方、水素吸蔵合金３０２を冷熱源として
使用する場合（吸熱サイクル）には、水素吸蔵合金３０
２に水素を吸蔵させた状態（水素吸蔵合金水素化物の状
態）で、圧縮機（図示せず）を用いて、強制的に水素吸
蔵合金３０２から水素を離脱させ、導管３０７、バルブ
３０８及び導管３０７を介して、水素を炭素系水素吸蔵
材料３０４に吸蔵させる。これにより、水素吸蔵合金３
０２は吸熱動作を行い、冷熱が得られる。このとき、炭
素系水素吸蔵材料３０４は水素を吸蔵するにも拘わら
ず、殆ど発熱を行わない。

【００３７】また、水素吸蔵合金３０６を冷熱源として
使用する場合（吸熱サイクル）には、水素吸蔵合金３０
６に水素を吸蔵させた状態（水素吸蔵合金水素化物の状
態）で、圧縮機（図示せず）を用いて、強制的に水素吸
蔵合金３０６から水素を離脱させ、導管３０９、バルブ
３１０及び導管３０９を介して、水素を炭素系水素吸蔵
材料３０４に吸蔵させる。これにより、水素吸蔵合金３
０６は吸熱動作を行い、冷熱が得られる。このとき、炭
素系水素吸蔵材料３０４は水素を吸蔵するにも拘わら
ず、殆ど発熱を行わない。

【００３８】本第４の実施の形態によれば、炭素系水素
吸蔵材料３０４を収容した第１の容器３０３と、水素吸
蔵合金３０２、３０６を収容した複数の第２の容器３０
１、３０５とを備え、前記複数の第２の容器３０１、３
０５は、各々、水素ガスが通過する異なる通路（導管３
０７、３０７、３０９、３０９及びバルブ３０８、３１
０）を介して第１の容器３０３に連結されると共に、炭
素系水素吸蔵材料３０４及び複数の水素吸蔵合金３０
２、３０６のうちの少なくとも一つに水素を吸蔵させて
成り、圧力変化により、バルブが開かれた通路に連結さ
れた第２の容器に収容された水素吸蔵合金と炭素系水素
吸蔵材料３０４の一方で水素の放出を行うと共に他方で
水素の吸蔵を行うことにより、該水素吸蔵合金を発熱又
は吸熱させるようにしたことを特徴としている。

【００３９】したがって、高効率で、発熱又は吸熱のみ
が可能で、軽量に構成可能なヒートポンプ装置を提供す
ることが可能になる。また、複数の水素吸蔵合金３０
２、３０６を収容した状態の複数の容器３０１、３０５
を異なる場所に配設することにより各場所毎に暖房や冷
房を行うことが可能になる。例えば、一住宅内の異なる
部屋に配設することにより、各部屋毎に暖房や冷房を行
うことが可能になる。また、バルブ３０８、３１０の開
閉タイミングを時間的にずらすことにより、水素吸蔵合
金３０２、３０６の発熱サイクルや冷熱サイクルを、各
々、異なる時間に独自に行うことが可能になる。

【００４０】尚、前記各実施の形態において、各導管に
配設したバルブにより、単に水素の通過の許可・阻止を
行うことによって水素の通過量を制御するようにしても
よいが、水素の通過量が連続的に変化するように制御し
てもよい。これにより、発熱、冷熱の発生量を制御する
ことが可能になる。

【００４１】

【発明の効果】本発明に係るヒートポンプ装置によれ
ば、効率が良く、発熱又は吸熱のみが可能で、軽量化を
図ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１、第２の実施の形態に係るヒート
ポンプ装置の概略図である。

【図２】本発明の第３の実施の形態に係るヒートポンプ
装置の概略図である。

【図３】本発明の第４の実施の形態に係るヒートポンプ
装置の概略図である。

【図４】本発明の実施の形態に使用する炭素系水素吸蔵
材料と水素吸蔵合金の性質を比較した図である。

【図５】本発明の実施の形態に使用する炭素系水素吸蔵
材料と水素吸蔵合金の性質を比較した図である。

【図６】従来のヒートポンプ装置の概略図である。

【符号の説明】

１０１、１０３、２０１、２０３、２０７、２０９、３
０１、３０５・・・容器１０２、２０２、２０８、３０４・・・炭素系水素吸蔵
材料１０４、２０４、２１０、３０２、３０６・・・水素吸
蔵合金１０５、２０５、２１１、３０７、３０９・・・通路を
構成する導管１０６、２０６、２１２、３０８、３１０・・・通路を
構成するバルブ

フロントページの続き (72)発明者片岡文昭千葉県茂原市大芝629 双葉電子工業株式会社内Ｆターム(参考） 3L093 NN05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素が通過する通路を介して連結された
第１、第２の容器と、前記第１の容器内に収容された炭
素系水素吸蔵材料と、前記第２の容器内に収容された水
素吸蔵合金とを備え、前記通路を介して、前記炭素系水
素吸蔵材料と前記水素吸蔵合金の一方で水素の放出を行
うと共に他方で水素の吸蔵を行うことにより、前記水素
吸蔵合金を発熱又は吸熱させるようにしたことを特徴と
するヒートポンプ装置。
【請求項２】第１の炭素系水素吸蔵材料を収容した第
１の容器と第１の水素吸蔵合金を収容した第２の容器と
を、水素が通過する第１の通路を介して連結し、前記第
１の通路を介して、前記第１の炭素系水素吸蔵材料と前
記第１の水素吸蔵合金の一方で水素の放出を行うと共に
他方で水素の吸蔵を行うことにより前記第１の水素吸蔵
合金を発熱又は吸熱させる第１のヒートポンプと、前記第１のヒートポンプに並設され、第２の炭素系水素
吸蔵材料を収容した第３の容器と第２の水素吸蔵合金を
収容した第４の容器とを、水素が通過する第２の通路を
介して連結し、前記第２の通路を介して、前記第２の炭
素系水素吸蔵材料と前記第２の水素吸蔵合金の一方で水
素の放出を行うと共に他方で水素の吸蔵を行うことによ
り前記第２の水素吸蔵合金を発熱又は吸熱させる第２の
ヒートポンプとを備え、前記第１の水素吸蔵合金と前記第２の水素吸蔵合金の発
熱と吸熱を、交互に逆に行うようにしたことを特徴とす
るヒートポンプ装置。
【請求項３】炭素系水素吸蔵材料を収容した第１の容
器と、水素吸蔵合金を収容した複数の第２の容器とを備
え、前記複数の第２の容器は、各々、水素が通過する異
なる通路及びバルブを介して前記第１の容器に連結され
て成り、バルブが開かれた通路に連結された前記第２の
容器に収容された水素吸蔵合金と前記炭素系水素吸蔵材
料の一方で水素の放出を行うと共に他方で水素の吸蔵を
行うことにより、該水素吸蔵合金を発熱又は吸熱させる
ようにしたことを特徴とするヒートポンプ装置。
【請求項４】前記水素吸蔵合金は、ランタン−ニッケ
ル系多元合金、ミッシュメタル−ニッケル系多元合金、
チタン−鉄系多元合金、チタン−マンガン系多元合金、
チタン−クロム系多元合金、ジルコニウム−鉄系多元合
金、バナジウム系多元合金又はマグネシウム−ニッケル
系多元合金であることを特徴とする請求項１乃至３のい
ずれか一に記載のヒートポンプ装置。
【請求項５】前記炭素系水素吸蔵材料は、黒鉛層間化
合物、活性炭、カーボンナノチューブ、カーボンナノフ
ァイバ、フラーレン、カーボンナノホーン又はナノパー
ティクルであることを特徴とする請求項１乃至４のいず
れか一に記載のヒートポンプ装置。
【請求項６】前記炭素系水素吸蔵材料を収容した容器
及び前記水素吸蔵合金を収容した容器のうち、少なくと
も一つは、前記通路に対して着脱自在に形成されたカー
トリッジによって構成されていることを特徴とする請求
項１乃至５のいずれか一に記載のヒートポンプ装置。
【請求項７】前記通路には、水素の通過量を制御する
ためのバルブが設けられていることを特徴とする請求項
１、２、４乃至６のいずれか一に記載のヒートポンプ装
置。