JP2004317047A - 水素吸蔵合金充填容器とこれを用いた間欠作動式ヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】内部に充填した水素吸蔵合金から発生する熱エネルギを熱損失を少なくして容器の外側に伝達でき且つ製造容易な水素吸蔵合金充填容器、およびこれを用いた間欠作動式ヒートポンプを提供する。
【解決手段】断面が偏平形で且つ複数の平行な仕切壁６により複数の中空部８を並列に内設する容器本体４と、係る容器本体４の各中空部８に充填した粉末からなる水素吸蔵合金ＭＨと、上記容器本体４における各中空部８の軸方向に沿った両端を閉塞する端板１２，１４と、上記複数の仕切壁６の一端寄りを切除した連絡流路７と、を含む、水素吸蔵合金充填容器１。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵合金充填容器およびこれを用いた間欠作動式ヒートポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、冷蔵庫や冷凍庫などにおいて、フロンガスおよびコンプレッサを用いず地球環境に優しく且つ騒音をなくすため、水素吸蔵合金を用いた間欠作動式ヒートポンプを適用することが試みられている。係る間欠作動式ヒートポンプは、水素平衡圧が異なる２種類の水素吸蔵合金における水素放出時の吸熱反応と水素吸蔵時の放熱反応とを利用したものである（例えば、特許文献１参照）。
このため、２組の水素吸蔵合金の粉末を個別に充填した耐圧性である一対の水素吸蔵合金充填容器が使用される。係る水素吸蔵合金充填容器は、耐圧性を高めるべく厚肉にすると、内部に充填した水素吸蔵合金から発生する熱エネルギが当該容器の外側に伝達されにくくなるため、熱損失が大きくなる。
【０００３】
係る熱伝達性を改善するため、円筒形の容器本体と水素ガス出入管との間に複数の隔壁を配置した熱交換器も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、係る熱交換器において、容器本体と水素ガス出入管との間に、別体で複数の隔壁を摩擦力で嵌合したり、あるいは接着により配置しても、係る隔壁にて区画される小室に充填した金属水素化粉末と容器本体の外側との伝熱性が阻害され、且つ多くの製造工数およびコストを要する、という問題があった。
【０００４】
【特許文献１】
特開平３−１９１２６７号公報 （第１〜６頁、第３図）
【特許文献２】
特開平８−１７８４６３号公報 （第１〜５頁、図２，図５）
【０００５】
上記伝熱性を向上させるため、図５（Ａ），（Ｂ）に示すような水素吸蔵合金充填容器４０も提案されている。係る容器４０は、図示のように、アルミニウム合金からなる角形管４２と、その中空部４５に挿入したアルミ箔からなるハニカムコア４６と、角形管４２の両端に溶接Ｗ付けした端板４３，４４とを備えている。図５（Ａ）で右側の端板４４には、水素ガス流路４８を有する管４７が接続され、係る端板４４寄りの中空部４５には、上記ハニカムコア４６は位置していない。上記ハニカムコア４６の内部に図示しない水素吸蔵合金が充填される。
【０００６】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、ハニカムコア４６を挿入する前記水素吸蔵合金充填容器４０にても、多数のコア（４６）内に充填した水素吸蔵合金から発生する熱エネルギを当該容器４０の外側に十分伝達できず、且つ製造工程が煩雑になる問題があった。
本発明は、以上に説明した従来の技術における問題点を解決し、内部に充填した水素吸蔵合金から発生する熱エネルギを熱損失を少なくして容器の外側に伝達でき且つ製造容易な水素吸蔵合金充填容器、およびこれを用いた間欠作動式ヒートポンプを提供する、ことを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、表面積が大きく且つ内部が複数の中空部に分割された容器本体を用いる、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の水素吸蔵合金充填容器（請求項１）は、断面が偏平形で且つ複数の平行な仕切壁により複数の中空部を並列に内設する容器本体と、係る容器本体の各中空部に充填した粉末からなる水素吸蔵合金と、上記容器本体における上記中空部の軸方向の両端を閉塞する端板と、を含む、ことを特徴とする。
【０００８】
これによれば、容器本体の断面が偏平な長方形、楕円形、または細長い小判形などを呈するため、その表面積が従来の円筒形の容器本体に比べて大きくなると共に、複数の平行な仕切壁によって区画された複数の中空部に水素吸蔵合金が充填されているので、係る合金から発生する熱エネルギを熱損失を少なくして容器の外側に効率良く伝達することができる。従って、後述する間欠作動式ヒートポンプの性能を高めることに寄与することが可能となる。
【０００９】
尚、上記容器本体には、次述するアルミニウム合金の押出形材が最適であるが、これに限らず、アルミニウム合金や銅合金などからなる複数の角形パイプを平行にして溶着した平板状の形態も含まれる。また、上記水素吸蔵合金には、Ｚｒ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ系、Ｌａ−Ｎｉ系、あるいはＺｎ−Ｍｎ系合金などからなり、平均粒径が数１０μｍの粉末が用いられる。更に、上記水素吸蔵合金充填容器は、後述する間欠作動式ヒートポンプに用いるほか、例えば燃料電池などに対する水素供給手段として活用することもできる。
【００１０】
また、本発明には、前記容器本体は、アルミニウム合金の押出形材からなると共に、前記複数の中空部における少なくとも何れかの内壁にその軸方向に沿って単数または複数の凸条および凹溝の少なくとも一方が形成されている、水素吸蔵合金充填容器（請求項２）も含まれる。
これによれば、容器本体における外壁部と複数の仕切壁とが予め一体に形成されているため、製造時の工数が低減され且つ安価にできる。しかも、仕切壁を含む複数の中空部の内壁に一体に設けた凸条や凹溝により、各中空部に充填した水素吸蔵合金から発生する熱エネルギの熱伝達性を、一層高めることができる。
【００１１】
更に、本発明には、前記容器本体は、その外側面に前記中空部の軸方向に沿った複数の凸条および複数の凹溝の少なくとも一方が形成されている、水素吸蔵合金充填容器（請求項３）も含まれる。
これによれば、容器本体の中空部に充填した水素吸蔵合金から発生する熱エネルギを、上記外側面の凸条や凹溝を介して、熱損失を少なくして周囲に効率良く伝達することができる。特に、前記中空部の内壁と外側面との双方に凸条や凹溝を併設した形態では、更に伝熱性を向上させることができる。
【００１２】
加えて、本発明には、前記容器本体は、前記複数の仕切り壁の少なくとも一端寄りを切除または穿孔した連絡流路を内設すると共に、係る連絡流路に隣接する一端側の前記端板に、当該連絡流路と連通する連通パイプが連通可能に連結されている、水素吸蔵合金充填容器（請求項４）も含まれる。
これによれば、仕切壁により区画された複数の中空部に個別に充填した水素吸蔵合金から発生する水素（ガス）を、上記連絡流路を介して集束し且つ上記パイプから外部に放出することができる。あるいは、係る水素を上記連通パイプおよび連絡流路を介して、各中空部ごとに充填した水素吸蔵合金に分流させて、水素吸蔵を行うことができる。尚、容器本体が前記押出形材である形態では、複数の仕切壁の端部を切削工具で切除するか、あるいは仕切壁の端部寄りを孔明け加工で穿孔することにより、上記連絡流路を形成できる。
【００１３】
一方、本発明の間欠作動式ヒートポンプ（請求項５）は、少なくとも一対の前記水素吸蔵合金充填容器と、係る一対の水素吸蔵合金充填容器の各中空部間を連通し且つ中間に開閉弁を配置した連通パイプと、とを含む、ことを特徴とする。
これによれば、一対の水素吸蔵合金充填容器の一方における各中空部に充填した水素吸蔵合金から水素を発生させ且つこれに伴う吸熱反応で当該容器の外側を冷却すると共に、上記発生した水素を連通パイプおよび開閉弁を介して、他方の容器の各中空部に充填した水素吸蔵合金に吸蔵させ且つこれに伴う放熱反応により、当該容器の外側を加熱（昇温化）することができる。
【００１４】
しかも、一対の水素吸蔵合金充填容器は、それらの容器本体が前述した複数の仕切壁や、凸条および凹溝の何れかまたは双方を有するため、上記水素吸蔵合金から発生する熱エネルギ（吸熱による低温および放熱による昇温）を、損失を少なくして当該容器の外側に迅速且つ効率良く伝達することができる。
尚、水素吸蔵合金充填容器は、その中空部の容積や水素吸蔵合金の種類に応じて、１個対２個の合計３個や、２個対２個の合計２対などにすると共に、これらの間に連通パイプおよび開閉弁を介在させることも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１（Ａ）は、本発明の間欠作動式ヒートポンプ１の概略を示す。
係るヒートポンプ１は、図１（Ａ）に示すように、一対の水素吸蔵合金充填容器２ａ，２ｂと、係る一対の容器２ａ，２ｂの各中空部（８）間を連通し且つ中間に開閉弁Ｖを配置した連通パイプ１８と、を備えている。
水素吸蔵合金充填容器２ａ（同容器２ｂも共通）は、図１（Ｂ）および図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、アルミニウム合金（例えば、ＪＩＳ：Ａ６０６３−Ｔ５）の押出形材からなり且つ断面が偏平な小判形で両側にアール部５を有する容器本体４と、係る容器本体４の両端に溶接Ｗ付けされた端板１２，１４と、を備える。
容器本体４は、内部に複数の仕切壁６を一体に有し、これにより区画された複数の中空部８を並列に内設している。また、端板１２，１４も上記と同様のアルミニウム合金からなる板材であり、且つ上記容器本体４の各中空部８の軸方向における両端に溶着される。因みに、容器本体４における各部の厚みは、０．５〜１．２ｍｍである。
【００１６】
図１（Ｂ）および図２（Ｂ）に示すように、端板１４寄りにおける複数の仕切壁６を予め切削加工で切除して、複数の中空部８を連通する連絡流路７が形成されている。係る連絡流路７に隣接し且つこれを閉塞する端板１４の透孔１４ａの真上には、前記連通パイプ１８に接続される管継手１５のフランジ１６が溶着される。係る管継手１５と連絡流路７との間には、図１（Ｂ）に示すように、水素ガスのみを通過させ且つ次述する合金粉末の流動を阻止するフィルタｆが配置される。
複数の中空部８には、図１（Ｂ）に示すように、粉末の水素吸蔵合金ＭＨが予め充填されている。係る水素吸蔵合金ＭＨは、平均粒径が約２０μｍのＺｒ−Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ系、Ｌａ−Ｎｉ系、あるいはＺｎ−Ｍｎ系合金などからなり、各中空部８を含む容器２ａ（２ｂ）の内部容積に対し、約８０〜９０％の充填率となるよう充填されている。
【００１７】
以上のような水素吸蔵合金充填容器２ａ（２ｂ）は、その容器本体４が断面が偏平な細長い小判形を呈すると共に、係る容器本体４と一体で複数の平行な仕切壁６により区画された複数の中空部８に水素吸蔵合金ＭＨが充填されている。従って、係る合金ＭＨから発生する熱エネルギを、熱損失を少なくして当該容器２ａ（２ｂ）の外側に効率良く伝達することができる。しかも、容器２ａ（２ｂ）は、アルミニウム合金の押出形材からなる容器本体４における複数の仕切壁６の一端寄りを切除して連絡流路７を形成し、且つその両端を端板１２，１４で溶着するのみで製造できるため、少ない工数で且つ安価にして製造することができる。尚、連絡流路７は、複数の仕切壁６の端板１２寄りの端部にも形成しても良い。
【００１８】
次に、水素吸蔵合金充填容器２ａ，２ｂを用いた間欠作動式ヒートポンプ１の作用について説明する。図１（Ａ）において、一方の水素吸蔵合金充填容器２ａを吸熱（冷却）系とし、他方の水素吸蔵合金充填容器２ｂを放熱（昇温）系とする。
また、上記容器２ａ中の前記合金ＭＨの水素放出平衡圧は、上記容器２ｂ中の前記合金ＭＨの水素放出平衡圧よりも高く設定されている。
更に、上記容器２ａにおける複数の中空部８には、粉末からなる例えばＬａ−Ｎｉ系の水素吸蔵合金ＭＨが充填され、且つこれは予め水素吸蔵状態にされている。一方、上記容器２ｂの各中空部８には、粉末からなる例えばＺｎ−Ｍｎ系の水素吸蔵合金ＭＨが充填され、且つこれは予め水素放出状態にされている。
【００１９】
図１（Ａ）において、上記容器２ａを冷却すべき比較的高温の雰囲気中に配置すると、係る雰囲気の熱エネルギは容器本体４の仕切壁６を経て上記水素吸蔵合金ＭＨに伝達される。係る吸熱反応によって当該水素吸蔵合金ＭＨは、予め吸蔵していた水素（ガス）を放出すると共に、容器本体４を介して当該容器２ａの外側の雰囲気などを冷却する。ここで、連通パイプ１８の中間の開閉弁Ｖを開放すると、放出された水素は、他方の水素吸蔵合金充填容器２ｂ側に送給される。
【００２０】
図１（Ａ）において、連通パイプ１８を介して上記容器２ｂに送給された水素は、各中空部８内の水素吸蔵合金ＭＨに吸蔵される。この際、係る合金ＭＨが放熱反応を生じるため、これに伴う熱エネルギは、複数の仕切壁６を介して当該容器２ｂの容器本体４からその外側の雰囲気などを加熱（昇温）することができる。
係る冷却および加熱状態が生じている間において、一方の水素吸蔵合金充填容器２ａ内の水素吸蔵合金ＭＨは、水素放出状態になると共に、他方の水素吸蔵合金充填容器２ｂ内の水素吸蔵合金ＭＨは、水素吸蔵状態になる。上述した水素の送給量が低下した状態で、連通パイプ１８途中の開閉弁Ｖを閉鎖する。
【００２１】
そして、一方の容器２ａを冷却すべき雰囲気に配置し、且つ他方の容器２ｂを加熱すべき雰囲気に配置すると共に、開閉弁Ｖを開放することで、上述した放熱反応および吸熱反応を生じさせて、上記と逆の加熱作用および冷却作用を成さしめることができる。しかも、係る加熱・冷却作用は、上記容器２ａ，２ｂの各容器本体４における複数の仕切壁６を介して行われるため、水素吸蔵合金ＭＨから生じる熱エネルギを少ない熱損失で、それらの外側の雰囲気などに伝達することができる。従って、以上のような間欠作動式ヒートポンプ１によれば、一対の水素吸蔵合金充填容器２ａ，２ｂに充填した水素吸蔵合金ＭＨを、交互に水素吸蔵状態での吸熱反応および水素放出状態での放熱反応により、上記容器２ａ，２ｂの外側の雰囲気などを効率良く迅速に冷却し且つ加熱することが可能となる。
【００２２】
図３（Ａ）は、異なる形態の水素吸蔵合金充填容器２ｃ（２ｄ）の断面を示す。係る容器２ｃ（２ｄ）は、前記と同様のアルミニウム合金の押出形材からなる容器本体４と、その両端を閉塞する前記端板１２，１４などを備えている。係る容器本体４は、図３（Ａ）に示すように、内部に複数の仕切壁６を一体に有し、これらにより区画された複数の中空部８を並列に内設すると共に、仕切壁６を含む各中空部８における四面の内壁の中央に、その軸方向に沿った凸条９を、３個または４個対称で且つ一体に突設したものである。これにより、各中空部８に充填される前記水素吸蔵合金ＭＨから生じる熱エネルギを、更に少ない熱損失で外側に伝達することが可能となる。
【００２３】
図３（Ｂ）は、更に異なる形態の水素吸蔵合金充填容器２ｅ（２ｆ）の断面を示す。係る容器２ｅ（２ｆ）も、前記同様のアルミニウム合金の押出形材からなる容器本体４と、その両端を閉塞する前記端板１２，１４などを備える。係る容器本体４は、図３（Ｂ）に示すように、内部に位置する複数の仕切壁６、複数の中空部８、および係る中空部８の四面の内壁に突設した複数の凸条９を有すると共に、外側の平坦面に等間隔で複数の凸条１０を中空部８の軸方向に沿って突設したものである。従って、各中空部８に充填される前記水素吸蔵合金ＭＨから生じる熱エネルギを、熱損失を一層低減して当該容器２ｅ（２ｆ）の外側に伝達可能となる。
【００２４】
図４（Ａ）は、別個の形態である水素吸蔵合金充填容器２０の断面を示す。係る容器２０は、前記同様のアルミニウム合金の押出形材からなる容器本体２１と、その両端を閉塞する前記端板１２，１４などを備えている。
容器本体２１は、図４（Ａ）に示すように、断面が偏平なほぼ長方形で且つ各コーナーに面取り２２を有すると共に、内部に複数の仕切壁２５を一体に有し、これらにより区画された複数の中空部２８を並列に内設している。上記仕切壁２５の端板１４寄りには、前記連絡流路７が形成される。
【００２５】
係る容器本体２１の外側面である平坦面と短辺とには、複数の凹溝２３が開口し、それらの裏面に当たる各中空部２８には、断面コ字形の凸条２４，２６が形成されている。また、各仕切壁２５の中央には、一方の中空部２８に突出する凸条２６と、他方の中空部２８に開口する凹溝２７とが一体に形成されている。上記凹溝２３，２７および凸条２４，２６は、中空部２８の軸方向に沿っている。
以上のような容器本体２１を含む水素吸蔵合金充填容器２０によれば、比較的少ない素材で形成でき、各中空部２８に充填される前記水素吸蔵合金ＭＨから生じる熱エネルギを、効率良く当該容器２０の外側に伝達することが可能となる。
【００２６】
図４（Ｂ）は、別異の形態である水素吸蔵合金充填容器３０の断面を示す。係る容器３０も、前記同様のアルミニウム合金の押出形材からなる容器本体３１と、その両端を閉塞する前記端板１２，１４などを備えている。
図４（Ｂ）に示すように、容器本体３１も、断面が偏平なほぼ長方形で且つ各コーナーに面取り３２を有すると共に、内部に複数の仕切壁３５を一体に有し、これらにより区画された複数の中空部３８を並列に内設している。上記仕切壁３５の端板１４寄りには、前記連絡流路７が形成される。
【００２７】
係る容器本体３１の外側面である平坦面と短辺とには、断面が台形である複数の凹溝３３が開口し、それらの裏面に当たる各中空部３８には、相似形断面の凸条３４が形成されている。また、各仕切壁３５の中央には、一方の中空部３８に突出する断面が台形の凸条３６と、他方の中空部２８に開口する相似形断面の凹溝３７とが一体に形成されている。上記凹溝３３，３７および凸条３４，３６は、各中空部３８の軸方向に沿っている。
以上の容器本体３１を含む水素吸蔵合金充填容器３０によっても、比較的少ない素材で形成でき、各中空部３８に充填される前記水素吸蔵合金ＭＨから生じる熱エネルギを、効率良く当該容器３０の外側に伝達することが可能となる。
【００２８】
本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、本発明の水素吸蔵合金充填容器の容器本体は、断面が偏平な楕円形、円弧形、ほぼＬ字形など使用部位に応じて任意の偏平形状にできる。
また、前記容器本体４などには、既存の熱交換器に用いられる熱交換チューブを流用しても良い。
更に、間欠作動式ヒートポンプ１の開閉弁Ｖを電磁弁とし、前記容器２ａ，２ｂの外側に配置した温度センサなどに応じて開閉操作するよう制御しても良い。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の水素吸蔵合金充填容器（請求項１）によれば、容器本体が断面が偏平形状のため、その表面積が大きくなり、且つ複数の平行な仕切壁により区画された複数の中空部に水素吸蔵合金が充填されているので、係る合金から発生する熱エネルギを熱損失を少なくして当該容器の外側に効率良く伝達できる。
また、請求項２，３の水素吸蔵合金充填容器によれば、容器本体が前記押出形材で形成されているため、製造時の工数が低減され且つ安価にできると共に、仕切壁を含む複数の中空部の内壁や外側面に設けた凸条や凹溝により、各中空部に充填した水素吸蔵合金から発生する熱エネルギの熱伝達性を一層高められる。
【００３０】
更に、請求項４の水素吸蔵合金充填容器によれば、仕切壁で区画された複数の中空部に充填した水素吸蔵合金から発生する水素を、前記連絡流路を介して集束し且つ外部に放出したり、係る水素を前記パイプおよび連絡流路を介して、各中空部の水素吸蔵合金に分流させて、これに水素吸蔵することができる。
一方、本発明の間欠作動式ヒートポンプ（請求項５）によれば、一対の水素吸蔵合金充填容器の一方に充填した水素吸蔵合金から水素を発生させ且つこれに伴う吸熱反応で当該容器の外側を効率良く冷却し、発生した水素を連通パイプおよび開閉弁を介して、他方の水素吸蔵合金充填容器に充填した水素吸蔵合金に吸蔵させ且つこれに伴う放熱反応で当該容器の外側を効率良く加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の間欠作動式ヒートポンプを示す概略図、（Ｂ）はこれに用いる水素吸蔵合金充填容器の断面図。
【図２】（Ａ）は図１（Ｂ）中のＸ−Ｘ線に沿った矢視における容器本体の断面図、（Ｂ）は上記水素吸蔵合金充填容器の分解斜視図。
【図３】（Ａ），（Ｂ）は異なる形態の水素吸蔵合金充填容器を示す断面図。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は別個の形態である水素吸蔵合金充填容器を示す断面図。
【図５】（Ａ）は従来の水素吸蔵合金充填容器を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）中のＢ−Ｂ線に沿った矢視における断面図。
【符号の説明】
１……………………………………間欠作動式ヒートポンプ
２ａ〜２ｆ，２０，３０……………水素吸蔵合金充填容器
４，２１，３１……………………容器本体
６，２５，３５……………………仕切壁
７……………………………………連絡流路
８，２８，３８……………………中空部
９，１０，２４，２６，３４，３６…凸条
１２，１４…………………………端板
１８…………………………………連通パイプ
２３，２７，３３，３７……………凹溝
ＭＨ…………………………………水素吸蔵合金
Ｖ……………………………………開閉弁

Claims (5)

1. 断面が偏平形で且つ複数の平行な仕切壁により複数の中空部を並列に内設する容器本体と、
   上記容器本体の各中空部に充填した粉末からなる水素吸蔵合金と、
   上記容器本体における上記中空部の軸方向の両端を閉塞する端板と、
   を含む、ことを特徴とする水素吸蔵合金充填容器。
2. 前記容器本体は、アルミニウム合金の押出形材からなると共に、前記複数の中空部における少なくとも何れかの内壁にその軸方向に沿って単数または複数の凸条および凹溝の少なくとも一方が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の水素吸蔵合金充填容器。
3. 前記容器本体は、その外側面に前記中空部の軸方向に沿った複数の凸条および複数の凹溝の少なくとも一方が形成されている、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の水素吸蔵合金充填容器。
4. 前記容器本体は、前記複数の仕切り壁の少なくとも一端寄りを切除または穿孔した連絡流路を内設すると共に、係る連絡流路に隣接する一端側の前記端板に、係る連絡流路と連通する連通パイプが連結されている、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の水素吸蔵合金充填容器。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかからなる少なくとも一対の前記水素吸蔵合金充填容器と、
   上記一対の水素吸蔵合金充填容器の各中空部間を連通し且つ中間に開閉弁を配置した連通パイプと、とを含む、ことを特徴とする間欠作動式ヒートポンプ。

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