JP2014178061A - Ｍｈ冷水製造システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＭＨ冷水製造システムにおいて、貯水タンク２０内の水を冷却する際のブラインと水との熱交換の効率を高めるとともに、配管等を簡易化する。また、ＭＨ冷凍装置１０の運転及び停止を制御して冷水の温度管理を行えるようにする。
【解決手段】貯水タンク２０内に熱交換コイル１４を配設し、ＭＨ冷凍装置１０のブライン配管８と熱交換コイル１４とを接続管１４ａで接続する。ブラインを熱交換コイル１４に供給して貯水タンク２０内で直接熱交換する。貯水タンク２０内に攪拌器１５を配設する。攪拌器１５により貯水タンク２０内の水を攪拌し、均一に冷却して熱交換の効率をさらに高めるとともに、水の凍結を防止する。直接熱交換することでＭＨ冷凍装置１０の能力に対する水の温度変化の応答性を良くして、温度管理を行えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温熱源と冷温熱源の温度差により水素吸蔵合金で冷熱を発生させるＭＨ冷凍装置を用い、このＭＨ冷凍装置からの冷熱により前記冷温熱源の温度を下回る温度の冷水を製造するＭＨ冷水製造システムに関する。

従来、この種のＭＨ冷凍装置として、例えば特開２００４−１９０９８３号公報（特許文献１）に開示されたものがある。水素吸蔵合金は、気体の水素を吸収、貯蔵する性質を持った金属であり、水素を吸収するとき発熱し、放出するとき吸熱する、すなわち冷熱を発生させる性質を有している。また、加熱すると水素を放出しやすくなり、冷却すると水素を吸収しやすくなる。

図５は水素吸蔵合金を利用したＭＨ冷凍装置の原理的要部概略図、図６はその動作原理を示す図である。ＭＨ冷凍装置は、高温側と低温側でそれぞれ反応温度帯の違う２種類の水素吸蔵合金を利用する。図５に示すように、水素吸蔵合金Ｍ１の入った高温側タンク１と水素吸蔵合金Ｍ２の入った低温側タンク２とをパイプ３で連結し、水素が漏れないように閉鎖回路とする。また、低温側タンク２内には、水素吸蔵合金Ｍ２に接触する配管により、例えば冷凍庫の冷却等に用いるブライン（冷媒）が巡らされる。

冷凍サイクルの停止時には、高温側の水素吸蔵合金Ｍ１は飽和状態に近く、低温側の水素吸蔵合金Ｍ２の吸蔵量はきわめて微量である。冷凍サイクルの第一段階として、図６(A) に示すように、高温側のタンク１を高温熱源により加熱する。この加熱により高温側タンク１内の水素吸蔵合金Ｍ１から水素が放出されるとともに圧力が上昇し、パイプ３を介して低温側タンク２に水素が移動し、低温側タンク２内の水素吸蔵合金Ｍ２が水素を吸収する。このとき、本来なら低温側タンク２内の水素吸蔵合金Ｍ２が発熱するが、冷温熱源となる水により冷却しているため、発熱が抑制され、高温側タンク１内に比べて低温側タンク２内は圧力が低くなる。

第二段階として、上記圧力差により高温側タンク１内の水素が低温側タンク２内に移動した後、図６(B)に示すように、低温側タンク２の冷却を停止し、ブライン（メタノール等）との熱交換の条件を整え、高温側タンク１を冷温熱源の水で冷却する。このとき、低温側タンク２の圧力Ｐ２と高温側タンク１の圧力Ｐ１の関係は、Ｐ２＞Ｐ１となるので、低温側タンク２から高温側タンク１へ水素が移動し、低温側タンク２内の水素吸蔵合金Ｍ２は、熱交換の条件を整えられたブラインから熱を奪うため、例えば冷凍庫の冷却に用いるブラインが冷やされる。

図４は、上記のようなＭＨ冷凍装置を利用した従来のＭＨ冷水製造システムの要部概略図である。ＭＨ冷凍装置１０は、ＭＨ装置１０Ａを有し、このＭＨ装置１０Ａに、図５と同様に水素吸蔵合金Ｍ１の入った高温側タンク１と水素吸蔵合金Ｍ２の入った低温側タンク２とを備えている。そして、高温側タンク１と低温側タンク２はパイプ３で連結され、水素が漏れないように閉鎖回路としている。また、ＭＨ冷凍装置１０は、高温水を供給する高温熱源４Ｈと、冷水を供給する低温熱源４Ｃと、三方弁５ａ，５ｂ，５ｃと、第１熱交換器６と、低温熱源４Ｃの冷水を第１熱交換器６に供給する冷水配管７と、低温側タンク２内で水素吸蔵合金Ｍ２と接触して閉回路を構成してブライン（冷媒）を流すブライン配管８と、ブライン配管８内のブラインを循環させるブライン循環用ポンプ９とを備えている。

そして、このＭＨ冷水製造システムは、ＭＨ冷凍装置１０のブライン配管８に接続された第２熱交換器１１と、冷却する水を溜める貯水タンク２０と、第２熱交換器１１と貯水タンク２０との間に配管された送水回路１２と、第２熱交換器１１と貯水タンク２０との間で送水回路１２内の水を循環させる送水ポンプ１３とを備えている。

前述のように高温側タンク１内の水素吸蔵合金Ｍ１の加熱及び冷却を行うときは、三方弁５ａを切り替え制御することで、高温熱源４Ｈの高温水で加熱し、低温熱源４Ｃの冷水で冷却する。一方、低温側タンク２内の水素吸蔵合金Ｍ２の冷却は、三方弁５ｂと三方弁５ｃを切り替え制御することにより、第１熱交換器６により冷温熱源４Ｃの冷水と熱交換するブラインにより間接的に冷却する。

以上の構成により、ＭＨ冷凍装置１０の運転によりブライン配管８内を冷却されたブラインが循環し、三方弁５ｂと三方弁５ｃの切り替え制御により、第２熱交換器１１を介して水路管１２内の水が冷却される。この冷却された水は送水ポンプ１３により送水回路１２及び貯水タンク２０内を循環し、貯水タンク２０内の冷水が冷却される。

特開２００４−１９０９８３号公報

前記従来のＭＨ冷水製造システムでは以下のような問題がある。第１熱交換器６は、ＭＨ冷凍装置１０の構造上必要不可欠であるが、ブラインの冷熱を利用するために、第２熱交換器１１を用いている。このため、熱交換のロスが発生するという問題がある。また、このような熱交換器は高価であり、コスト高の要因となる。また、第２熱交換器１１を配置する場所によっては、システム配管の複雑化を招くという問題がある。

さらに、第２熱交換器１１内では送水回路１２の水がブラインの冷熱に曝される。このブラインは例えば−５℃のように氷点下となるため、ＭＨ冷凍装置１０の運転中は勿論、運転を停止した後でも、送水ポンプ１３で送水回路１２内の水を水素吸蔵合金Ｍ２の温度が０℃以上になるまで循環させる必要がある。循環させていないと、第２熱交換器１１内で水が凍結してしまうという問題がある。また、第２熱交換器１１への送水回路１２に不具合が生じた際には、第２熱交換器１１内の水が凍結して第２熱交換器１１及び送水ポンプ１３の破損を招く恐れがある。仮に破損を免れても、第２熱交換器１１は断熱構造となっているため融解に相当の時間を要することとなり、迅速な運転の復帰は困難となる。

また、貯水タンク２０内の水は第２熱交換器１１及び送水回路１２を介して間接的に冷却されるので、この水の温度変化はＭＨ冷凍装置１０による冷却能力に対して応答性が悪く、例えば、ＭＨ冷凍装置１０の運転及び停止を制御して冷水の温度管理を行うのが困難である。

本発明は、従来の問題点に鑑み、第２熱交換器を無くして冷却する水に対するブラインの冷熱の熱交換のロスを低減するとともに、システム配管等を簡略化し、コストを低減することを課題とする。さらに、貯水タンク内の冷水の温度管理を容易にすることを課題とする。

請求項１のＭＨ冷水製造システムは、ＭＨ冷凍装置にて高温熱源と冷温熱源の温度差により水素吸蔵合金で冷熱を発生させ、当該水素吸蔵合金が発生する冷熱により、前記冷温熱源の温度を下回る温度の冷水を製造するＭＨ冷水製造システムであって、冷水とする水を溜める貯水タンク内に、前記ＭＨ冷凍装置本体より送り込まれる冷却されたブラインと前記貯水タンク内の水とで直接熱交換させる熱交換器を設けるとともに、当該貯水タンク内の水を攪拌する攪拌器を設けたことを特徴とする。

請求項２のＭＨ冷水製造システムは、請求項１に記載のＭＨ冷水製造システムであって、前記攪拌器が前記貯水タンク内の攪拌した水を、当該貯水タンク内に設けた前記熱交換器に対して直接接触させることを特徴とする。

請求項１のＭＨ冷水製造システムによれば、冷水とする水を溜める貯水タンク内に熱交換器が設けられるとともに、貯水タンク内の水を攪拌する攪拌器が設けられているので、ＭＨ冷凍装置本体より送り込まれる冷却されたブラインと貯水タンク内の水とが貯水タンク内で直接熱交換されるとともに、貯水タンク内の水が攪拌器により攪拌されるので、ブラインと水との間の熱交換の効率が高くなり、熱交換のロスを低減することができる。また、ブラインを送り込む配管をＭＨ冷凍装置本体から貯水タンクに直接付設すればよいので、システム配管等を簡略化できるとともに、第２熱交換器や送水ポンプを必要とせず、コストを低減できる。さらに、ブラインと水との間の熱交換の効率が高いので、ＭＨ冷凍装置による冷却能力に対して貯水タンク内の水の温度変化の応答性が良くなり、ＭＨ冷凍装置の運転及び停止を制御して冷水の温度管理を行うことができる。

請求項２のＭＨ冷水製造システムは、請求項１の効果に加えて、攪拌器により貯水タンク内の攪拌された水が熱交換器に対して直接接触するので、さらに熱交換の効率が高くなる。

本発明の実施形態のＭＨ冷水製造システムの要部概略図である。 本発明の実施形態におけるブライン循環用ポンプの間欠制御を示す図である。 本発明の実施形態における貯水タンクの平断面図及び縦断面図である。 従来のＭＨ冷水製造システムの要部概略図である。 ＭＨ冷凍装置の原理的要部概略図である。 ＭＨ冷凍装置の動作原理を示す図である。

次に、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態のＭＨ冷水製造システムの要部概略図であり、前記従来のＭＨ冷水製造システムと同様な要素には図４と同符号を付記して詳細な説明は省略する。

実施形態のＭＨ冷水製造システムのＭＨ冷凍装置１０では、高温熱源４Ｈから供給される高温水は９５℃の湯であり、低温熱源４Ｃから供給される冷水は地下水である。貯水タンク２０内には「熱交換器」としての熱交換コイル１４が配設されている。この熱交換コイル１４は、接続管１４ａを介してブライン配管８に接続されており、熱交換コイル１４、接続管１４ａ、ブライン配管８は、低温側タンク２内で水素吸蔵合金Ｍ２と接触して閉回路を構成している。これにより、ＭＨ冷凍装置１０からブライン配管８に送り込まれるブラインは接続管１４ａを介して熱交換コイル１４に供給される。そして、ブラインと貯水タンク２０内の水とが直接熱交換される。また、貯水タンク２０内には、攪拌器１５が配設されている。

ここで、低温側タンク２の水素吸蔵合金Ｍ２に貯蔵されている水素が高温側タンク１へ移動を始めた直後は、ブラインの温度が貯水タンク２０内の水温より高い状態であるため、貯水タンク２０内の水の冷却を行うのに非効率である。そこで、水素吸蔵合金Ｍ２の温度が十分低下して、ブラインの温度が貯水タンク２０内の水温以下になるまで、ブラインの循環を停止する間欠制御を行うことにより効果的な冷熱の取得を可能としている。すなわち、図２(A) に示すように、ブラインの温度（ブライン温度）が貯水タンク２０内の水温（貯水タンク水温）より高い状態では、ブラインの循環を停止する。そして、図２(B) に示すように、ブライン温度が貯水タンク水温より低くなった状態でブラインを循環させる。なお、実施形態におけるブラインはメチルアルコール３０％のアルコール水溶液である。

図３に示すように、熱交換コイル１４は、パイプを螺旋状に成型したものであり、貯水タンク２０の内壁に接近して配設されている。そして、前記ブライン配管８から供給されるブラインは、一方の接続管１４ａを通って熱交換コイル１４内を下から上に流れ、他方の接続管１４ａを通って低温側タンク２に通じる前記ブライン配管８へと循環する。また、貯水タンク２０内には、底部に攪拌器１５が配設されている。攪拌器１５は、駆動軸１５ａにフィン１５ｂを備えており、駆動軸１５ａとフィン１５ｂが回転することにより、貯水タンク２０内の冷水を攪拌する。ブラインの循環が開始されると、貯水タンク２０内へは０℃を下回るブラインが連続的にＭＨ装置１０Ａより送り込まれる。したがって、貯水タンク２０内の水が攪拌されないと、熱交換コイル１４付近の水が凍結し冷熱の供給が非効率となる。しかし、攪拌器１５により水が攪拌されるため、凍結を防止することができる。

また、攪拌される冷水は、図３(A) に矢印Ａで示すように貯水タンク２０の底部を巡って熱交換コイル１４に直接接触される。これにより、熱交換コイル１４内のブラインと貯水タンク２０内の水との間での熱交換の効率が高まる。また、この攪拌により水の均一な冷却が可能となる。さらに、熱交換コイル１４は貯水タンク２０の内壁に接近して配設し、これにより、貯水タンク２０内での熱交換コイル１４の長さをできるだけ長くしている。したがって、熱交換コイル１４と水との接触面積を大きくすることができ、熱交換の効率をさらに高めている。

ところで、ＭＨ装置１０Ａにより発生する冷熱量は、水素吸蔵合金が水素を放出する際に発生する化学反応に依存するため、単一出力となる。したがって、ＭＨ冷水製造システムを各種産業で利用する場合、熱の収支バランスに合わせて水素吸蔵合金の量を調整する必要がある。しかし、高温側タンク及び低温側タンクは圧力容器であることと、一度活性化して水素を吸収した水素吸蔵合金は、空気に触れると発火することなどから、途中で水素吸蔵合金の量を変更することは不可能である。

そこで、貯水タンク２０内に水温センサを設置し、この水温センサから出力される水温が指定した水温となった際に、高温側タンク１と低温側タンク２の間で行われている水素の移動を停止させ、一時的にＭＨ冷凍装置１０の運転を停止する回路を付加する。例えば、一時的にＭＨ冷凍装置１０の運転を停止したときは、エネルギーの入力源である高温熱源４Ｈから供給する高温水と、低温熱源４Ｃから供給する冷水とを停止させる。さらに、高温側タンク１と低温側タンク２を連結するパイプ３にバルブ等を設けてもよい。

すなわち、実施形態のＭＨ冷水製造システムは、貯水タンク２０内に設けた熱交換コイル１４により、ブラインと水との間の熱交換の効率を高くしているので、ＭＨ冷凍装置１０による冷却能力に対して貯水タンク２０内の水の温度変化の応答性が良くなっている。したがって、ＭＨ冷凍装置の運転及び停止を制御して冷水の温度管理を行うことができる。これにより、ＭＨ冷水製造システムの運用時に、貯水タンク２０内の水温の調節が可能になり、各種産業のシステムに合わせた設計をしなくてもよく、ＭＨ冷水製造システムの汎用性が向上する。

以上のように、貯水タンク２０内に熱交換コイル１４と水を攪拌する攪拌器１５を設けているので、ブラインと貯水タンク２０内の水との間の熱交換の効率が高くなり、熱交換のロスを低減することができる。また、ブラインを送り込む配管をＭＨ冷凍装置１０本体から貯水タンク２０に直接付設すればよいので、システム配管等を簡略化できる。さらに、従来のような第２熱交換器や送水ポンプを必要とないので、コストを低減できる。さらに、ブラインと水との間の熱交換の効率が高いので、前記のように貯水タンク２０内の水の温度変化の応答性が良くなり、ＭＨ冷凍装置１０の運転及び停止を制御して冷水の温度管理を行うことができる。

なお、実施形態では、貯水タンク内に設けた熱交換器がコイル状の熱交換コイルを例にして説明したが、この貯水タンク内に設ける熱交換器としては、例えばフィンが付属する配管など、他の構造のものでもよい。

また、貯水タンク２０内の水を攪拌する攪拌器として、フィンを回転させる構造を例に説明したが、貯水タンク２０内に設けた水中ポンプで水を攪拌するようにしてもよいし、貯水タンク２０の外部に設けたポンプと配管により貯水タンク２０内の水を循環させて攪拌するようにしてもよい。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 高温側タンク
Ｍ１ 水素吸蔵合金
２ 低温側タンク
Ｍ２ 水素吸蔵合金
３ パイプ
４Ｈ 高温熱源
４Ｃ 低温熱源
５ａ 三方弁
５ｂ 三方弁
５ｃ 三方弁
６ 第１熱交換器
７ 冷水配管
８ ブライン配管
９ ブライン循環用ポンプ
１０ ＭＨ冷凍装置
１０Ａ ＭＨ装置
１１ 第２熱交換器
２０ 貯水タンク
１２ 送水回路
１３ 送水ポンプ
１４ 熱交換コイル（熱交換器）
１４ａ 接続管
１５ 攪拌器
１５ａ 駆動軸
１５ｂ フィン

Claims (2)

1. ＭＨ冷凍装置にて高温熱源と冷温熱源の温度差により水素吸蔵合金で冷熱を発生させ、当該水素吸蔵合金が発生する冷熱により、前記冷温熱源の温度を下回る温度の冷水を製造するＭＨ冷水製造システムであって、
   冷水とする水を溜める貯水タンク内に、前記ＭＨ冷凍装置本体より送り込まれる冷却されたブラインと前記貯水タンク内の水とで直接熱交換させる熱交換器を設けるとともに、当該貯水タンク内の水を攪拌する攪拌器を設けたことを特徴とするＭＨ冷水製造システム。
2. 前記攪拌器が前記貯水タンク内の攪拌した水を、当該貯水タンク内に設けた前記熱交換器に対して直接接触させることを特徴とする請求項１に記載のＭＨ冷水製造システム。

Images