JP2023036462A - 発熱装置および発熱素子の冷却方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】発熱素子を速やかに冷却することができる発熱装置および発熱素子の冷却方法を提供する。
【解決手段】発熱装置１は、水素を吸蔵可能に形成され水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する発熱素子５と、発熱素子５を加熱し発熱素子５において水素の量子拡散を生じさせるヒータ６と、発熱素子５とヒータ６とを収容する容器２と、容器２の外周に設けられた循環経路３３に抜熱媒体を流通させる抜熱媒体流通部３５と、発熱素子５を冷却する不活性ガスを容器２内に供給する不活性ガス供給部４１と、発熱素子５を冷却する冷却液を容器２内に供給する冷却液供給部５１と、容器２を開放する容器開放部６１と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】発熱装置１は、水素を吸蔵可能に形成され水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する発熱素子５と、発熱素子５を加熱し発熱素子５において水素の量子拡散を生じさせるヒータ６と、発熱素子５とヒータ６とを収容する容器２と、容器２の外周に設けられた循環経路３３に抜熱媒体を流通させる抜熱媒体流通部３５と、発熱素子５を冷却する不活性ガスを容器２内に供給する不活性ガス供給部４１と、発熱素子５を冷却する冷却液を容器２内に供給する冷却液供給部５１と、容器２を開放する容器開放部６１と、を備える。
【選択図】図１
Description
本発明は、発熱装置および発熱素子の冷却方法に関する。
パラジウム合金等の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ、水素が量子拡散する過程に起きる発熱反応を利用して熱エネルギーを得ることが提案されている。特許文献１には、水素を吸蔵した発熱素子をヒータにより加熱すると共に真空引きすることにより水素を量子拡散させ、ヒータによる加熱温度以上の過剰熱を発生させることが開示されている。
特許文献１に開示される発熱装置では、定常運転時には、ヒータの作動と停止を繰り返すことにより、発熱素子における発熱反応を制御して発熱素子の温度を予め定められた範囲内で制御する。
しかしながら、発熱素子の発熱量は、様々な要因により大きくなりすぎることがある。この場合、ヒータを停止するだけでは、発熱素子における発熱反応を停止させることができず、発熱素子の温度が上昇し続けて発熱素子が溶解するおそれがある。
そこで、本発明は、発熱素子を速やかに冷却することができる発熱装置および発熱素子の冷却方法を提供することを目的とする。
本発明に係る発熱装置は、水素を吸蔵可能に形成され、前記水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する発熱素子と、前記発熱素子を加熱し前記発熱素子において前記水素の量子拡散を生じさせるヒータと、前記発熱素子と前記ヒータとを収容する容器と、前記容器の外周に設けられた循環経路に抜熱媒体を流通させる抜熱媒体流通部と、前記発熱素子を冷却する不活性ガスを前記容器内に供給する不活性ガス供給部と、前記発熱素子を冷却する冷却液を前記容器内に供給する冷却液供給部と、前記容器を開放する容器開放部と、を備える。
また、本発明は、水素を吸蔵可能に形成されヒータの熱による前記水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する発熱素子を冷却する方法であって、前記発熱素子を収容する容器の外周に設けられた循環経路に流通される抜熱媒体の流量を増加させ、前記抜熱媒体の流量を増加させた後、前記発熱素子を冷却する不活性ガスを前記容器内に供給し、前記不活性ガスを前記容器内に供給した後、前記容器を開放すると共に前記発熱素子を冷却する冷却液を前記容器内に供給する。
本発明によれば、発熱素子を速やかに冷却することができる発熱装置および発熱素子の冷却方法を提供することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。
（１）本発明の発熱装置の全体構成
図１は、本発明の発熱装置１の構成を示す概略図である。図１に示すように、発熱装置１は、発熱に寄与する水素系ガスが導入される容器２と、容器２の内部に設けられた発熱構造体３と、を有する。発熱装置１は、水素系ガスが容器２に導入された後に、発熱構造体３において発熱素子５（後述する）がヒータ６で加熱されることで、発熱素子５が加熱温度以上の過剰熱を発するものである。容器２に導入される水素系ガスとしては、重水素ガスおよび／または天然水素ガスを適用することができる。なお、天然水素ガスとは、軽水素ガスが９９．９８５％以上含まれている、水素系ガスをいう。
図１は、本発明の発熱装置１の構成を示す概略図である。図１に示すように、発熱装置１は、発熱に寄与する水素系ガスが導入される容器２と、容器２の内部に設けられた発熱構造体３と、を有する。発熱装置１は、水素系ガスが容器２に導入された後に、発熱構造体３において発熱素子５（後述する）がヒータ６で加熱されることで、発熱素子５が加熱温度以上の過剰熱を発するものである。容器２に導入される水素系ガスとしては、重水素ガスおよび／または天然水素ガスを適用することができる。なお、天然水素ガスとは、軽水素ガスが９９．９８５％以上含まれている、水素系ガスをいう。
容器２は、例えばステンレス（ＳＵＳ３０６やＳＵＳ３１６）等で形成されている。容器２は、筒状の容器本体２ａと、容器本体２ａの開口を開閉可能に容器本体２ａに設けられた蓋部２ｂと、を有している。蓋部２ｂが容器本体２ａの開口を閉じた状態では、容器２の内部を密閉空間とし得る。蓋部２ｂが容器本体２ａの開口を開いた状態では、容器２が開放される。容器本体２ａは、コバールガラス等の透明部材で形成された窓部２ｃを有しており、容器２内の密封状態を維持しつつ、容器２内の様子を作業者が直接目視確認し得るようになされている。
容器本体２ａは、水素系ガス導入路１６を介して水素系ガス供給部１５と接続されている。水素系ガス供給部１５は、図示しないが、例えば水素系ガスを収容するタンクと、タンクに収容された水素系ガスを水素系ガス導入路１６に送り出すポンプ等を有する。水素系ガス供給部１５により、水素系ガス導入路１６を通じて容器２の内部に水素系ガスが導入される。容器２の内部に一定量の水素系ガスが貯留されると、水素系ガス導入路１６に設けられた調整弁１７ａ，１７ｂが閉じられ、水素系ガス導入路１６から容器２の内部への水素系ガスの導入が停止される。
また、容器本体２ａは、排気経路１８を介して真空排気部１９と接続されている。真空排気部１９は、図示しないが、例えばドライポンプを有する。真空排気部１９の駆動により、容器２内のガスが排気経路１８を通じて容器２の外へ排出される。このように、発熱装置１では、容器２の真空排気や圧力調整等を行え得る。排気経路１８には調整弁１７ｃが設けられており、調整弁１７ｃが閉じられると、容器２からのガスの排出が停止される。
容器２には、複数の温度測定部１１ａ，１１ｂ，１２が設けられており、温度測定部１１ａ，１１ｂ，１２によって容器２内の温度を測定可能である。この実施形態の場合、温度測定部１１ａ，１１ｂは、容器本体２ａの内壁に沿って設けられており、当該内壁の温度を測定し得る。温度測定部１２は、発熱構造体３において発熱素子５を保持するホルダー４に設けられており、ホルダー４における温度を測定し得る。
ヒータ６は、例えば板状のセラミックヒータである。ヒータ６は、外部の加熱電源１３に配線１０ａ，１０ｂを介して接続されており、発熱素子５を所定温度に加熱する。ヒータ６は、熱電対を内蔵しており、熱電対により温度測定を行い得る。ヒータ６は、対向する平面に、例えばＳｉＯ２等でなる基板７がそれぞれ設けられており、さらに、これら基板７表面に板状の発熱体５がそれぞれ設けられている。これにより、発熱構造体３は、ヒータ６が基板７を介して発熱体５で挟み込まれた構成を有する。配線１０ａ，１０ｂには、電流電圧計１４が設けられており、ヒータ６に印加される入力電流・入力電力は、電流電圧計１４により測定される。ヒータ６により発熱素子５を加熱する際の加熱温度は、発熱素子５を構成する水素吸蔵金属の種類により異なってくるが、少なくとも３００℃以上、好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは６００℃以上である。
容器本体２ａの外周には循環経路３３が螺旋状に設けられている。循環経路３３には、発熱素子５が発する熱により加熱される抜熱媒体が流通する。循環経路３３は、容器本体２ａに隣接して設けられる高温側経路と、高温側経路の外側に設けられる低温側経路と、を含んでいてもよい。
循環経路３３には、加熱された抜熱媒体の熱を熱電変換する熱電変換器３４が設けられている。また、循環経路３３には、循環経路３３に抜熱媒体を流通させる抜熱媒体流通部３５が設けられている。抜熱媒体流通部３５は、図示しないが、例えば、抜熱媒体を循環経路３３に送り出すポンプを有する。循環経路３３を流通する抜熱媒体の流量は、抜熱媒体流通部３５により変更可能である。抜熱媒体としては、気体または液体を用いることができ、熱伝導率に優れかつ化学的に安定したものが好ましい。気体としては、例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、水素ガス、窒素ガス、水蒸気、空気、二酸化炭素などが用いられる。液体としては、例えば、水、溶融塩（ＫＮＯ３（４０％）－ＮａＮＯ３（６０％）など）、液体金属（Ｐｂなど）などが用いられる。また、抜熱媒体として、気体または液体に固体粒子を分散させた混相の抜熱媒体を用いてもよい。固体粒子は、金属、金属化合物、合金、セラミックスなどである。金属としては、銅、ニッケル、チタン、コバルトなどが用いられる。金属化合物としては、上記金属の酸化物、窒化物、ケイ化物などが用いられる。合金としては、ステンレス、クロムモリブデン鋼などが用いられる。セラミックスとしては、アルミナなどが用いられる。なお、循環経路３３が高温側経路と低温側経路とを含む場合、高温側経路と低温側経路とで異なる抜熱媒体を流通させてもよい。
（２）発熱素子について
次に、発熱素子５について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、発熱素子５の断面構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は、多層膜２５において生じる過剰熱の説明に供する概略図である。
次に、発熱素子５について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、発熱素子５の断面構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は、多層膜２５において生じる過剰熱の説明に供する概略図である。
図２（ａ）に示すように、発熱素子５は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはプロトン導電体からなる台座２２と、台座２２の表面に成膜された多層膜２５と、を有する。多層膜２５は、台座２２により支持されている。台座２２となる水素吸蔵金属としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉを適用でき、また、台座２２となる水素吸蔵合金としては、ＬａＮｉ５、ＣａＣｕ５、ＭｇＺｎ２、ＺｒＮｉ２、ＺｒＣｒ２、ＴｉＦｅ、ＴｉＣｏ、Ｍｇ２Ｎｉ、Ｍｇ２Ｃｕを適用できる。プロトン導電体としては、例えば、ＢａＣｅＯ３系（例えばＢａ（Ｃｅ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３－６）、ＳｒＣｅＯ３系（例えばＳｒ（Ｃｅ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３－６）、ＣａＺｒＯ３系（例えばＣａＺｒ０．９５Ｙ０．０５Ｏ３－α）、ＳｒＺｒＯ３系（例えばＳｒＺｒ０．９Ｙ０．１Ｏ３－α）、β Ａｌ２Ｏ３、β Ｇａ２Ｏ３を適用できる。
多層膜２５は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなる第１層２３と、第１層２３とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはセラミックスからなる第２層２４と、を含む。第１層２３と第２層２４は交互に積層されており、第１層２３と第２層２４との間に異種物質界面２６が形成されている。
第１層２３は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金のうち、いずれかからなることが望ましい。第１層２３の合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金でもよいが、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが特に望ましい。
第２層２４は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金、ＳｉＣのうち、いずれかからなることが望ましい。第２層２４の合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金でもよいが、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが特に望ましい。
第１層２３と第２層２４との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層２３－第２層２４」として表すと、Ｐｄ－Ｎｉ、Ｎｉ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｃｏであることが望ましい。また、第２層２４をセラミックスとしたときには、「第１層２３－第２層２４」が、Ｎｉ－ＳｉＣであることが望ましい。
第１層２３および第２層２４は、バルクの特性を示さないナノ構造を維持することが望ましいため、第１層２３および第２層２４の厚さは１０００ｎｍ未満が好ましい。さらに、完全にバルクの特性を示さないナノ構造を維持するために、第１層２３および第２層２４の厚さは、５００ｎｍ未満であることが、より望ましい。
発熱素子５は、第１層２３および第２層２４がナノサイズ（１０００ｎｍ未満）の膜厚でなり、これら第１層２３および第２層２４が交互に成膜された構成とすることで、第１層２３および第２層２４間の各異種物質界面２６を水素（水素原子）が透過可能となる。
図２（ｂ）は、第１層２３および第２層２４を面心立法構造の水素吸蔵金属とし、第１層２３における金属格子中の水素が、異種物質界面２６を透過して第２層２４の金属格子中に移動する様子を示した概略図である。
容器２（図１参照）の内部に水素系ガスが導入されると、発熱素子５の多層膜２５および台座２２に水素（重水素または軽水素）が吸蔵される。容器２の内部への水素系ガスの導入が停止されても、多層膜２５および台座２２は、水素を吸蔵した状態を維持する。ヒータ６（図１参照）による発熱素子５の加熱が開始されると、多層膜２５および台座２２に吸蔵されている水素が放出され、多層膜２５内をホッピングしながら量子拡散する。
水素は軽く、ある物質Ａと物質Ｂの水素が占めるサイト（オクトヘドラルやテトラヘドラルサイト）をホッピングしながら量子拡散していくことが分かっている。真空状態でヒータ６による発熱素子５の加熱が行われることで、第１層２３および第２層２４間の異種物質界面２６を、水素が量子拡散により透過し、或いは、異種物質界面２６を水素が拡散して、発熱素子５において加熱温度以上の過剰熱が発生する。換言すれば、発熱素子５は、水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する。
図２に示す例では、複数の第１層２３および複数の第２層２４が交互に積層され、多層膜２５が２つ以上の異種物質界面２６を有している。本発明はこれに限らず、第１層２３および第２層２４が少なくとも１層ずつ設けられ、異種物質界面２６が１つであってもよい。つまり、多層膜２５は、異種物質界面２６を１つ以上有していればよい。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示した発熱素子５は以下のようにして製造できる。先ず、板状の台座２２を用意した後、蒸着装置を用いて、第１層２３や第２層２４となる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を気相状態にして、凝集や吸着によって台座２２上に、第１層２３および第２層２４を交互に成膜していく。これにより発熱素子５を製造できる。
第１層２３および第２層２４を成膜する蒸着装置としては、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を物理的な方法で蒸着させる物理蒸着装置を適用できる。物理蒸着装置としては、台座２２上に、スパッタリングにより水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を堆積させていくスパッタリング装置、あるいは真空蒸着装置、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が好ましい。また、電気めっき法により台座２２上に水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を析出させていき、第１層２３および第２層２４を交互に成膜していってもよい。
なお、第１層２３および第２層２４間に自然酸化膜が形成されず異種物質界面２６のみが形成されるように、発熱素子５の製造時に第１層２３および第２層２４が真空状態で連続的に成膜されることが望ましい。
（３）発熱素子の冷却について
発熱装置１では、定常運転時には、ヒータ６の作動と停止を繰り返すことにより、発熱素子５における発熱反応を制御して発熱素子５の温度を予め定められた範囲内で制御する。しかしながら、発熱素子５の発熱量は、様々な要因により大きくなりすぎることがある。この場合、ヒータ６を停止するだけでは、発熱素子５における発熱反応を停止させることができず、発熱素子５の温度を下げることができない。
発熱装置１では、定常運転時には、ヒータ６の作動と停止を繰り返すことにより、発熱素子５における発熱反応を制御して発熱素子５の温度を予め定められた範囲内で制御する。しかしながら、発熱素子５の発熱量は、様々な要因により大きくなりすぎることがある。この場合、ヒータ６を停止するだけでは、発熱素子５における発熱反応を停止させることができず、発熱素子５の温度を下げることができない。
発熱装置１では、以下に示す構成により、発熱素子５を速やかに冷却することができるようになっている。以下、発熱素子５を冷却する構成について、詳述する。
図１に示すように、発熱装置１は、不活性ガス導入路４２を介して容器本体２ａに接続された不活性ガス供給部４１と、冷却液導入路５２を介して容器本体２ａに接続された冷却液供給部５１と、蓋部２ｂに連結された容器開放部６１と、を備えている。
不活性ガス供給部４１は、図示しないが、例えば発熱素子５を冷却する不活性ガスを収容するタンクと、タンクに収容された不活性ガスを不活性ガス導入路４２に送り出すポンプ等を有する。不活性ガス供給部４１により、不活性ガス導入路４２を通じて容器２の内部に不活性ガスが導入される。
容器２の内部に不活性ガスが導入されると、発熱素子５から不活性ガスへ向かう放熱経路が形成される。つまり発熱素子５の放熱経路が追加される。その結果、発熱素子５からの輻射熱放出量が増え、発熱素子５が冷却される。不活性ガスは、酸素ガスと比較してはるかに反応性に乏しいガスを指し、例えば、窒素ガス、二酸化炭素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガス、ラドンガスを指す。
冷却液供給部５１は、図示しないが、例えば発熱素子５を冷却する冷却液を収容するタンクと、タンクに収容された冷却液を冷却液導入路５２に送り出すポンプ等を有する。冷却液供給部５１により、冷却液導入路５２を通じて容器２の内部に冷却液が導入される。
容器２の内部に冷却液が導入されると、発熱素子５から冷却液へ向かう放熱経路が形成される。つまり、発熱素子５の放熱経路が追加される。その結果、発熱素子５からの輻射熱放出量が増え、発熱素子５が冷却される。冷却液は、不活性ガスと比較して熱容量が大きいため、不活性ガスよりも冷却効果が高い。したがって、発熱素子５をより速やかに冷却することができる。
冷却液は、亜鉛イオン（Ｚｎ＋）を１Ｅ－３ｍｏｌ／ｄｍ３以上含む含亜鉛溶液であることが好ましい。亜鉛には、水素の量子拡散を阻害する性質があるため、含亜鉛溶液を容器２に導入することにより、発熱素子５の表面に亜鉛イオンが吸着し、水素の量子拡散を停止することができ、発熱素子５の発熱反応を停止することができる。したがって、発熱素子５をより速やかに冷却することができる。
冷却液は、発熱素子５の冷却時に加熱されて相変化を起こし蒸気になることがある。この場合に容器２を密閉状態に保ち続けると、容器２の内圧が急上昇し、容器２が破裂するおそれがある。
容器開放部６１は、容器２の内圧の急上昇を防ぐために設けられる。容器開放部６１は、図示しないが、例えば蓋部２ｂを開閉するアクチュエータを有する。容器開放部６１により蓋部２ｂが開けられると、容器２が開放される。容器２を開放することにより、冷却液が蒸気になったとしても、容器２の内圧が急上昇するのを防ぐことができる。したがって、容器２の破損なく発熱素子５を冷却することができる。
なお、循環経路３３を流通する抜熱媒体の流量を抜熱媒体流通部３５により増加させることによっても、発熱素子５の冷却が可能である。具体的には、抜熱媒体の流量を増加させることにより容器２の外壁が冷却されるため、発熱素子５からの輻射熱放出量が増える。その結果、発熱素子５が冷却される。
このように、発熱装置１は、抜熱媒体流通部３５、不活性ガス供給部４１、冷却液供給部５１および容器開放部６１を備えている。そのため、発熱素子５における発熱量が大きくなりすぎたときにも、発熱素子５からの輻射熱放出量を増やすことができる。したがって、発熱素子５を速やかに冷却することができる。
発熱装置１は、抜熱媒体流通部３５、不活性ガス供給部４１、冷却液供給部５１および容器開放部６１を制御する制御部７０を更に備えている。制御部７０は、例えば制御プログラム等を実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＣＰＵにより実行される制御プログラムを記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、ＣＰＵの演算結果等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）と、を備えるマイクロコンピュータである。制御部７０は、１つのマイクロコンピュータによって構成されていてもよいし、複数のマイクロコンピュータによって構成されていてもよい。
制御部７０は、温度測定部１２により計測された温度に応じて、段階的に、抜熱媒体流通部３５、不活性ガス供給部４１、冷却液供給部５１および容器開放部６１を制御する。
具体的には、制御部７０は、温度測定部１２により計測された温度が予め定められた第１閾値に達したときには、抜熱媒体流通部３５により抜熱媒体の流量を増加させる。これにより、容器２が冷却され、発熱素子５からの輻射熱放出量が増える。したがって、第１閾値を超えた発熱素子５の温度の上昇を緩やかにすることができる。
制御部７０は、温度測定部１２により計測された温度が第１閾値よりも大きい第２閾値に達したときには、不活性ガス供給部４１により不活性ガスを容器２内に供給する。これにより、発熱素子５の放熱経路が追加され、発熱素子５からの輻射熱放出量がさらに増える。したがって、第２閾値を超えた発熱素子５の温度の上昇を更に緩やかにすることができる。
制御部７０は、温度測定部１２により計測された温度が第２閾値よりも大きい第３閾値に達したときには、容器開放部６１により容器２を開放すると共に冷却液供給部５１により冷却液を容器２内に供給する。冷却液は、不活性ガスよりも熱容量が大きいため、発熱素子５からの輻射熱放出量がさらに増える。したがって、発熱素子５を速やかに冷却することができる。
また、冷却液が導入される前に、抜熱媒体流通部３５および不活性ガス供給部４１により、発熱素子５の温度の上昇が緩やかにされている。そのため、冷却液による発熱素子５の冷却時に冷却液の急激な加熱を防止することができる。したがって、冷却液の蒸気化を抑制することができる。
さらに、冷却液の導入時には、容器開放部６１により容器２が開放される。したがって、冷却液の蒸気化に伴う容器２の内圧の急上昇を防ぐことができる。したがって、容器２の破損なく発熱素子５を冷却することができる。
蒸気の制御において、温度測定部１２により計測された温度が第２閾値に到達する前に下がり始めた場合、すなわち、抜熱媒体の流量を増加させるだけで発熱素子５の発熱が停止した場合には、不活性ガスの供給は不要である。同様に、温度測定部１２により計測された温度が第３閾値に到達する前に下がり始めた場合、すなわち、不活性ガスを容器２内に供給するだけで発熱素子５の発熱が停止した場合には、冷却液の供給は不要である。
なお、制御部７０は、温度測定部１２により計測された温度に応じて段階的に抜熱媒体流通部３５、不活性ガス供給部４１、冷却液供給部５１および容器開放部６１を制御する形態に限られず、時間の経過に伴って段階的に抜熱媒体流通部３５、不活性ガス供給部４１、冷却液供給部５１および容器開放部６１を制御する形態であってもよい。具体的には、抜熱媒体の流量を増加させ、所定時間経過した後、不活性ガスを容器２内に供給してもよい。同様に、不活性ガスを容器２内に供給し、所定時間経過した後、冷却液を容器２内に供給してもよい。
また、循環経路３３が高温側経路と低温側経路とを含む場合、定常運転時には、抜熱媒体流通部３５により高温側経路を流れる抜熱媒体の流量を一定とし、低温側経路を流れる抜熱媒体の流量を増減することにより、発熱素子５からの輻射熱放出量を増減させて発熱素子５の温度を予め定められた範囲内で制御することができる。
温度測定部１２により計測された温度が予め定められた第１閾値に達したときには、高温側経路を流れる抜熱媒体と低温側経路を流れる抜熱媒体との各流量を最大とする（ＳＴＥＰ１）。これにより、容器２が冷却され、発熱素子５からの輻射熱放出量が増え、発熱素子５の温度の上昇を緩やかにすることができる。
温度測定部１２により計測された温度が第１閾値よりも大きく、第２閾値よりも小さい第４閾値に達したときには、高温側経路および低温側経路を流れる抜熱媒体を、熱容量が大きく、かつ冷却効果が高い抜熱媒体（例えば水）に切り替える（ＳＴＥＰ２）。これにより、発熱素子５からの輻射熱放出量がさらに増え、第４閾値を超えた発熱素子５の温度の上昇を更に緩やかにすることができる。
温度測定部１２により計測された温度が第４閾値よりも大きい第２閾値に達したときには、上記のように、不活性ガス供給部４１により不活性ガスを容器２内に供給する（ＳＴＥＰ３）。これにより、発熱素子５からの輻射熱放出量がさらに増え、第２閾値を超えた発熱素子５の温度の上昇を更に緩やかにすることができる。
温度測定部１２により計測された温度が第２閾値よりも大きい第３閾値に達したときには、上記のように、容器開放部６１により容器２を開放すると共に冷却液供給部５１により冷却液を容器２内に供給する（ＳＴＥＰ４）。これにより、発熱素子５からの輻射熱放出量がさらに増え、発熱素子５を速やかに冷却することができる。
以上、本発明の実施形態および実施例について説明したが、本発明は上記の実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
［第１変形例］
上記実施形態では、発熱素子５が第１層２３および第２層２４を交互に積層した多層膜２５を有する例について説明したが、本発明はこれに限らず、図３に示す発熱素子５Ａであってもよい。発熱素子５Ａは、第１層２３および第２層２４に加え、これら第１層２３および第２層２４とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第３層２４ａを積層することによって形成された多層膜２５Ａを有している。第３層２４ａとしては、第１層２３および第２層２４と同様に、厚さが１０００ｎｍ未満であることが望ましい。
上記実施形態では、発熱素子５が第１層２３および第２層２４を交互に積層した多層膜２５を有する例について説明したが、本発明はこれに限らず、図３に示す発熱素子５Ａであってもよい。発熱素子５Ａは、第１層２３および第２層２４に加え、これら第１層２３および第２層２４とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第３層２４ａを積層することによって形成された多層膜２５Ａを有している。第３層２４ａとしては、第１層２３および第２層２４と同様に、厚さが１０００ｎｍ未満であることが望ましい。
このような第３層２４ａを設けた発熱素子５Ａは、台座２２上に第１層２３、第２層２４、第１層２３、および第３層２４ａの順番で積層し、第２層２４および第３層２４ａ間に第１層２３を介在させた積層構成とし、この４層の積層構成を繰り返し設けた構成を有する。このような構成でも、第１層２３および第２層２４間の異種物質界面２６や、第１層２３および第３層２４ａ間の異種物質界面を、水素が量子拡散により透過することで、加熱温度以上の過剰熱を発生させることができる。
例えば、第３層２４ａとしては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金、ＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちいずれかであることが望ましい。第３層２４ａの合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金でもよいが、特に好ましくは、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが望ましい。これらのうちＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第３層２４ａを設けた場合には、発熱素子５での水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面を透過する水素の量を増加でき、その分、高い過剰熱を得ることができる。
ただし、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯは、水素を透過し難いことから、これらＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第３層２４ａでは、厚さを１０００ｎｍ未満、特に１０ｎｍ以下として極めて薄く形成することが望ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第３層２４ａは、完全な膜状に形成せずに、アイランド状に形成されていてもよい。また、第１層２３および第３層２４ａも、真空状態を維持したまま連続的に成膜し、第１層２３および第３層２４ａ間に自然酸化膜を形成せずに異種物質界面を作製することが望ましい。
なお、第３層２４ａを設けた発熱素子５Ａとしては、図３の第２層２４および第３層２４ａの順番を換える等、第２層２４および第３層２４ａを任意の順に積層し、かつ、第２層２４および第３層２４ａ間に第１層２３を介在させた積層構成とし、この４層の積層構成を繰り返し設けた構成であってもよい。また、第３層２４ａは、発熱素子５Ａに１層以上形成されていればよい。
特に、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａの組み合わせとしては、元素の種類を「第１層２３－第３層２４ａ－第２層２４」として表すと、Ｐｄ－ＣａＯ－Ｎｉ、Ｐｄ－Ｙ２Ｏ３－Ｎｉ、Ｐｄ－ＴｉＣ－Ｎｉ、Ｐｄ－ＬａＢ６－Ｎｉ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｕ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｕ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｃｕ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｒ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｒ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｍｇ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｍｇ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｍｇ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｏ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｏ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｏ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｏ、Ｎｉ－ＣａＯ－ＳｉＣ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－ＳｉＣ、Ｎｉ－ＴｉＣ－ＳｉＣ、Ｎｉ－ＬａＢ６－ＳｉＣであることが望ましい。
［第２変形例］
図４に示す発熱素子５Ｂを用いてもよい。発熱素子５Ｂは、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａに加えて、さらに、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａとは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第４層２４ｂを積層することによって形成された多層膜２５Ｂを有している。第４層２４ｂは、第１層２３や第２層２４、第３層２４ａと同様に厚さが１０００ｎｍ未満でなることが望ましい。
図４に示す発熱素子５Ｂを用いてもよい。発熱素子５Ｂは、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａに加えて、さらに、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａとは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第４層２４ｂを積層することによって形成された多層膜２５Ｂを有している。第４層２４ｂは、第１層２３や第２層２４、第３層２４ａと同様に厚さが１０００ｎｍ未満でなることが望ましい。
例えば、第４層２４ｂとしては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＣＯ、これらの合金、ＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちいずれかであってもよい。第４層２４ｂの合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金でもよいが、特に好ましくは、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが望ましい。
第４層２４ｂを設けた発熱素子５Ｂは、第２層２４、第３層２４ａ、第４層２４ｂが任意の順に積層し、かつ、これら第２層２４、第３層２４ａ、第４層２４ｂのそれぞれの間に第１層２３が設けられた積層構成とし、これら６層の積層構成を繰り返し設けた構成が望ましい。すなわち、図４に示すような第１層２３、第２層２４、第１層２３、第３層２４ａ、第１層２３、第４層２４ｂの順や、その他、図示しないが、第１層２３、第４層２４ｂ、第１層２３、第３層２４ａ、第１層２３、第２層２４の順等に積層させた発熱素子５Ｂであることが望ましい。また、第４層２４ｂは、発熱素子５Ｂに１層以上形成されていればよい。
特に、第１層２３、第２層２４、第３層２４ａ、および第４層２４ｂの組み合わせとしては、元素の種類を「第１層２３－第４層２４ｂ－第３層２４ａ－第２層２４」として表すと、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｒ－Ｆｅであることが望ましい。
ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第４層２４ｂを設けた場合、発熱素子５Ｂでの水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面を透過する水素の量を増加でき、その分、高い過剰熱を得ることができる。これらＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第４層２４ｂでは、厚さを１０００ｎｍ未満、特に１０ｎｍ以下として極めて薄く形成することが望ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第４層２４ｂは、完全な膜状に形成せずに、アイランド状に形成されていてもよい。また、第１層２３および第４層２４ｂでも、真空状態を維持したまま連続的に成膜し、第１層２３および第４層２４ｂ間に自然酸化膜を形成せずに異種物質界面を作製することが望ましい。
１ 発熱装置
２ 容器
５，５Ａ，５Ｂ 発熱素子
６ ヒータ
１１ａ，１１ｂ，１２ 温度測定部
３３ 循環経路
３５ 抜熱媒体流通部
４１ 不活性ガス供給部
５１ 冷却液供給部
６１ 容器開放部
７０ 制御部
２ 容器
５，５Ａ，５Ｂ 発熱素子
６ ヒータ
１１ａ，１１ｂ，１２ 温度測定部
３３ 循環経路
３５ 抜熱媒体流通部
４１ 不活性ガス供給部
５１ 冷却液供給部
６１ 容器開放部
７０ 制御部
Claims (6)
- 水素を吸蔵可能に形成され、前記水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する発熱素子と、
前記発熱素子を加熱し前記発熱素子において前記水素の量子拡散を生じさせるヒータと、
前記発熱素子と前記ヒータとを収容する容器と、
前記容器の外周に設けられた循環経路に抜熱媒体を流通させる抜熱媒体流通部と、
前記発熱素子を冷却する不活性ガスを前記容器内に供給する不活性ガス供給部と、
前記発熱素子を冷却する冷却液を前記容器内に供給する冷却液供給部と、
前記容器を開放する容器開放部と、を備える、
発熱装置。 - 前記冷却液供給部は、前記冷却液として含亜鉛溶液を前記容器内に供給する、
請求項１に記載の発熱装置。 - 前記抜熱媒体流通部、前記不活性ガス供給部、前記冷却液供給部および前記容器開放部を制御する制御部を更に備え、
前記制御部は、前記抜熱媒体流通部により前記抜熱媒体の流量を増加させ、次いで、前記不活性ガス供給部により前記不活性ガスを前記容器内に供給し、その後、前記容器開放部により前記容器を開放すると共に前記冷却液供給部により前記冷却液を前記容器内に供給する、
請求項１又は２に記載の発熱装置。 - 前記容器の内部の温度を測定する温度測定部を更に備え、
前記制御部は、前記温度測定部により計測された温度が予め定められた第１閾値に達したときに、前記抜熱媒体流通部により前記抜熱媒体の流量を増加させ、前記温度測定部により計測された温度が前記第１閾値よりも大きい第２閾値に達したときに、前記不活性ガス供給部により前記不活性ガスを前記容器内に供給し、前記温度測定部により計測された温度が前記第２閾値よりも大きい第３閾値に達したときに、前記容器開放部により前記容器を開放すると共に前記冷却液供給部により前記冷却液を前記容器内に供給する、
請求項３に記載の発熱装置。 - 水素を吸蔵可能に形成されヒータの熱による前記水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する発熱素子を冷却する方法であって、
前記発熱素子を収容する容器の外周に設けられた循環経路に流通される抜熱媒体の流量を増加させ、
前記抜熱媒体の流量を増加させた後、前記発熱素子を冷却する不活性ガスを前記容器内に供給し、
前記不活性ガスを前記容器内に供給した後、前記容器を開放すると共に前記発熱素子を冷却する冷却液を前記容器内に供給する、
発熱素子の冷却方法。 - 前記冷却液として、含亜鉛溶液を用いる、
請求項５に記載の発熱素子の冷却方法。
Priority Applications (7)
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| EP22864407.6A EP4382826A1 (en) | 2021-09-02 | 2022-08-25 | Heat generation device and heat generation element cooling method |
| CN202280058790.1A CN118251575A (zh) | 2021-09-02 | 2022-08-25 | 发热装置及发热元件的冷却方法 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021143527A JP2023036462A (ja) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | 発熱装置および発熱素子の冷却方法 |
Publications (1)
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Family
ID=85412618
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021143527A Pending JP2023036462A (ja) | 2021-09-02 | 2021-09-02 | 発熱装置および発熱素子の冷却方法 |
Country Status (7)
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