JP2023114385A - 発熱装置および熱利用システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱効率の低下を抑制する発熱装置及び熱利用システムを提供する。【解決手段】発熱装置は、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜により構成される板状部材が巻回されて構成される巻回発熱体（３１）と、巻回発熱体の巻回軸方向の端部を固定する渦巻状の溝（溝３２２及び溝３３２）を備える固定部（上固定部３２及び下固定部３３）と、を備える。熱利用システムは、発熱装置と、発熱装置により加熱された熱媒体を熱源として利用する熱利用装置と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、発熱装置および熱利用システムに関する。

水素吸蔵合金は、一定の反応条件の下で多量の水素を繰り返し吸蔵及び放出する特性を有しており、この水素の吸蔵と放出時に多くの反応熱を伴うことが知られている。このような水素吸蔵合金を発熱部として利用した発熱装置の種々の態様が提案されている（特許文献１）。

国際公開第２０２０／１２２０９７号

特許文献１においては、発熱装置に用いられる発熱部の一態様として、板状に構成される発熱体を疎巻で巻回した巻回発熱体が開示されている。このような態様においては、巻回発熱体と筐体との接触や、隣接する巻回面同士の接触により、接触した箇所が癒着して有効発熱面積が減少し発熱量が低下したり、熱が逃げて発熱自体が停止してしまうおそれがある。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、発熱効率の低下を抑制する発熱装置及び熱利用システムを提供することを目的とする。

本願発明の一態様の発熱装置は、水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜により構成される板状部材が巻回されて構成される巻回発熱体と、巻回発熱体の巻回軸方向の端部を固定する渦巻状の溝を備える固定部と、を備える。

本願発明の一態様の熱利用システムは、上記の発熱装置と、発熱装置により加熱された熱媒体を熱源として利用する熱利用装置と、を備える。

本願発明の一態様の発熱装置によれば、巻回発熱体の巻回軸方向の端部が、固定部に設けられた溝に収容される。一般に巻回して構成される板状部材は変形しやすいが、端部が溝に収容されることで、巻回発熱体と筐体との接触や、隣接する巻回面同士の接触が防止され、発熱効率の低下を抑制することができる。

各実施形態に共通の、第１層と第２層とを有する発熱体の構造を示す断面図である。 過剰熱の発生を説明するための説明図である。 図３は、第１実施形態における熱利用システムの概略図である。 図４は、図３に示した熱利用システムが有する発熱モジュールの分解斜視図である。 図５は、図４に示した発熱モジュールが備える発熱構造体の分解斜視図である。 図６は、図５に示した発熱構造体の固定部の平面図である。 図７は、図４に示した発熱モジュールの断面図である。 図８は、他の例における発熱構造体の固定部の平面図である。 図９は、第２実施形態における熱利用システムが有する発熱モジュールの分解斜視図である。 図１０は、図９に示した発熱モジュールが備える発熱構造体の分解斜視図である。 図１１は、図９に示した発熱モジュールの断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１を用いて本実施形態の発熱装置に用いられる発熱体１の詳細な構造について説明する。まず、図１及び図２を用いて、本願の各実施形態において共通する発熱体の構成及び発熱メカニズムについて説明する。

図１に示すように、発熱体１は、台座１０１と多層膜１０２とを有する。台座１０１は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはプロトン導電体により形成される。水素吸蔵金属としては、例えば、Ni、Pd、V、Nb、Ta、Tiなどが用いられる。水素吸蔵合金としては、例えば、LaNi₅、CaCu₅、MgZn₂、ZrNi₂、ZrCr₂、TiFe、TiCo、Mg₂Ni、Mg₂Cuなどが用いられる。プロトン導電体としては、例えば、BaCeO₃系（例えばBa(Ce_0.95Y_0.05)O_3-6）、SrCeO₃系（例えばSr(Ce_0.95Y_0.05)O_3-6）、CaZrO₃系（例えばCaZr_0.95Y_0.05O_3-α）、SrZrO₃系（例えばSrZr_0.9Y_0.1O_3-α）、β Al₂O₃、β Ga₂O₃などが用いられる。

多層膜１０２は、台座１０１に設けられる。図１では台座１０１の表面にのみ多層膜１０２が設けられているが、多層膜１０２は台座１０１の両面に設けてもよい。本実施形態において、発熱構造体は、台座１０１の両面に多層膜１０２が設けられた発熱体１を有する。

多層膜１０２は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成される第１層１０３と、第１層１０３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により形成される第２層１０４とにより形成される。台座１０１と第１層１０３と第２層１０４との間には、後述する異種物質界面１０５が形成される。図１では、多層膜１０２は、台座１０１の表面に、第１層１０３と第２層１０４がこの順で交互に積層されている。第１層１０３と第２層１０４とは、それぞれ５層とされている。なお、第１層１０３と第２層１０４の各層の層数は適宜変更してもよい。多層膜１０２は、台座１０１の表面に、第２層１０４と第１層１０３がこの順で交互に積層されたものでもよい。多層膜１０２は、第１層１０３と第２層１０４をそれぞれ１層以上有し、異種物質界面１０５が１以上形成されていればよい。

第１層１０３は、例えば、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金のうち、いずれかにより形成される。第１層１０３を形成する合金は、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好ましい。第１層１０３を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。

第２層１０４は、例えば、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiCのうち、いずれかにより形成される。第２層１０４を形成する合金とは、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好ましい。第２層１０４を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。

第１層１０３と第２層１０４との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層１０３－第２層１０４（第２層１０４－第１層１０３）」として表すと、Pd-Ni、Ni-Cu、Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Mg、Ni-Coであることが好ましい。第２層１０４をセラミックスとした場合は、「第１層１０３－第２層１０４」が、Ni-SiCであることが好ましい。

図２に示すように、異種物質界面１０５は水素原子を透過させる。図２は、面心立法構造の水素吸蔵金属により形成される第１層１０３および第２層１０４に水素を吸蔵させた後、第１層１０３および第２層１０４を加熱したときに、第１層１０３における金属格子中の水素原子が、異種物質界面１０５を透過して第２層１０４の金属格子中に移動する様子を示した概略図である。

第１層１０３の厚みと第２層１０４の厚みは、それぞれ１０００ｎｍ未満であることが好ましい。第１層１０３と第２層１０４の各厚みが１０００ｎｍ以上となると、水素が多層膜１０２を透過し難くなる。また、第１層１０３と第２層１０４の各厚みが１０００ｎｍ未満であることにより、バルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。第１層１０３と第２層１０４の各厚みは、５００ｎｍ未満であることがより好ましい。第１層１０３と第２層１０４の各厚みが５００ｎｍ未満であることにより、完全にバルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。

発熱体１の製造方法の一例を説明する。発熱体１は、板状の台座１０１を準備し、蒸着装置を用いて、第１層１０３や第２層１０４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１０１上に、第１層１０３および第２層１０４を交互に成膜することにより製造される。第１層１０３および第２層１０４を真空状態で連続的に成膜することが好ましい。これにより、第１層１０３および第２層１０４の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面１０５のみが形成される。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が用いられる。物理蒸着装置としては、スパッタリング装置、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１０１上に水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を析出させ、第１層１０３および第２層１０４を交互に成膜してもよい。

なお、図１及び２において、台座１０１に設けられる多層膜１０２は、第１層１０３及び第２層１０４により構成されたが、これに限らない。多層膜１０２は、第３層をさらに有してもよい。第３層は、第１層１０３および第２層１０４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により形成される。なお、多層膜１０２において、第３層が１層以上含まれていればよい。

さらに、台座１０１に設けられた多層膜１０２は、第１層１０３と第２層１０４と第３層に加え、第４層をさらに有してもよい。第４層は、第１層１０３、第２層１０４および第３層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により形成される。なお、多層膜１０２において、第３層と同様に第４層が１層以上含まれていればよい。

（第１実施形態）
次に、第１実施形態の熱利用システムについて、図３～７を用いて説明する。図３には、図１、２に示された発熱体１を利用した熱利用システム１０が示されている。熱利用システム１０では、発熱装置１１に発熱体１が利用されている。発熱装置１１は、発熱体１を備える発熱モジュール１２が、密閉容器１３に収容されて構成される。密閉容器１３に水素系ガスが供給されることで、台座１０１および多層膜１０２により水素を吸蔵する。発熱体１は、密閉容器１３への水素系ガスの供給が停止されても、台座１０１および多層膜１０２で水素を吸蔵した状態を維持する。

発熱体１では、発熱モジュール１２内に設けられるヒータ（図３に示されない）により加熱が開始されると、台座１０１および多層膜１０２に吸蔵されている水素が放出され、多層膜１０２の内部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。発熱体１は、真空状態でヒータにより加熱が行われることで、異種物質界面１０５を水素が量子拡散により透過して、ヒータの加熱温度以上の過剰熱を発生させる。発熱体１が水素系ガスに含まれる水素を吸蔵し、ヒータにより加熱されることで、ヒータの加熱温度以上の熱（以下、過剰熱と称する）を発生する。

熱利用システム１０は、発熱装置１１を熱源として、発熱装置１１と熱媒体配管を介して接続される熱利用装置（図示なし）を作動させる。上述のように、発熱モジュール１２は密閉容器１３に収容された状態で、格納容器１４内に格納される。格納容器１４は、熱媒体の流入口１４ａ及び流出口１４ｂを備える。熱利用装置から流入口１４ａを介して格納容器１４に熱媒体が流入すると、格納容器１４内において熱媒体が発熱装置１１により加熱される。加熱された熱媒体は、流出口１４ｂから再び熱利用装置へと供給される。このようにして、熱利用装置が加熱された熱媒体を受け取り、加熱された熱媒体を用いてタービン等を動作させる。発熱モジュール１２の過剰熱によって、熱媒体を例えば５０℃以上１５００℃以下の範囲内の温度とする。

密閉容器１３は、中空の容器であり、内部に発熱モジュール１２を収容する。密閉容器１３は、例えばステンレスなどで形成される。密閉容器１３は、後述する供給用配管１５ｂと接続する供給口１３ａと、後述する排気用配管１６ｂと接続する排気口１３ｂと、を有する。密閉容器１３は、例えば、筒状に形成された容器本体（図示なし）と、容器本体の上端に設けられた上蓋（図示なし）と、容器本体の下端に設けられた下蓋（図示なし）とにより形成されている。例えば、供給口１３ａは下蓋に形成され、排気口１３ｂは上蓋に形成されている。容器本体と上蓋と下蓋との内面により、密閉容器１３の内部に空間が形成される。密閉容器１３には、供給用配管１５ｂと供給口１３ａを介して後述する水素系ガスが供給される。

熱利用システム１０は、さらに、ガス供給部１５、ガス排気部１６、ヒータ電源１７、および、制御部１８を備える。制御部１８が、ガス供給部１５、ガス排気部１６、及び、ヒータ電源１７を制御することで、発熱装置１１が駆動される。

ガス供給部１５は、密閉容器１３の内部に水素系ガスを供給する。ガス供給部１５は、ガスボンベ１５ａと、供給用配管１５ｂと、供給用バルブ１５ｃとを有する。ガスボンベ１５ａは、水素系ガスを高圧で貯蔵する容器である。供給用配管１５ｂは、ガスボンベ１５ａと密閉容器１３とを接続する。供給用配管１５ｂは、ガスボンベ１５ａに貯蔵された水素系ガスを密閉容器１３へ流通させる。供給用バルブ１５ｃは、供給用配管１５ｂに設けられる。供給用バルブ１５ｃは、供給用配管１５ｂを流通する水素系ガスの流量を調整する。供給用バルブ１５ｃは、制御部１８と電気的に接続している。水素系ガスは、水素の同位体を含むガスである。水素系ガスとしては、重水素ガスと軽水素ガスとの少なくともいずれかが用いられる。軽水素ガスは、天然に存在する軽水素と重水素の混合物、すなわち、軽水素の存在比が９９．９８５％であり、重水素の存在比が０．０１５％である混合物を含む。以降の説明において、軽水素と重水素とを区別しない場合には「水素」と記載する。

ガス排気部１６は、密閉容器１３の内部を真空排気する。ガス排気部１６は、真空ポンプ１６ａと、排気用配管１６ｂと、排気用バルブ１６ｃとを有する。真空ポンプ１６ａは、例えば、ターボ分子ポンプとドライポンプとにより形成される。排気用配管１６ｂは、真空ポンプ１６ａと密閉容器１３とを接続する。排気用配管１６ｂは、密閉容器１３の内部のガスを真空ポンプ１６ａへ流通させる。排気用バルブ１６ｃは、排気用配管１６ｂに設けられる。排気用バルブ１６ｃは、排気用配管１６ｂを流通するガスの流量を調整する。真空ポンプ１６ａと排気用バルブ１６ｃは、制御部１８と電気的に接続している。ガス排気部１６の排気速度は、例えばターボ分子ポンプの回転数を調整することで制御可能とされている。

ヒータ電源１７は発熱モジュール１２内のヒータ（図３に示されない）と電気的に接続しており、ヒータへの出力電力を制御してヒータを駆動する。この例では、図４に示されるように、ヒータは、円筒状に形成された電気炉であり、ヒータの外周に発熱体１が配置される。ヒータの加熱温度は、例えば、３００℃以上であることが好ましく、５００℃以上であることがより好ましく、６００℃以上であることがさらに好ましい。

発熱体１には温度センサ（図示されない）が設けられている。温度センサは、発熱体１の複数の箇所に設けられてもよい。温度センサは、制御部１８と電気的に接続しており、検出した温度に対応する信号を制御部１８に出力する。

制御部１８は、熱利用システム１０の各部の動作を制御する。制御部１８は、例えば、演算装置（Central Processing Unit）、読み出し専用メモリ（Read Only Memory）やランダムアクセスメモリ（Random Access Memory）などの記憶部などを主に備えている。演算装置では、例えば、記憶部に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。

制御部１８は、供給用バルブ１５ｃ、真空ポンプ１６ａ、排気用バルブ１６ｃ、ヒータ電源１７、並びに、発熱体１及びヒータに取り付けられる温度センサと電気的に接続している。制御部１８は、例えば、温度センサにより検出される発熱体１の温度に基づいて、ヒータ電源１７の出力電力、水素系ガスの供給量、密閉容器１３の圧力などを調整することにより、過剰熱の出力の制御を行う。

発熱装置１１は、密閉容器１３の内部への水素系ガスの供給を行うことにより水素系ガスに含まれる水素を発熱体１に吸蔵させる。また、発熱装置１１は、密閉容器１３の内部の真空排気と発熱体１の加熱とを行うことにより発熱体１に吸蔵されている水素を放出させる。このように、発熱装置１１は、発熱体１において水素の吸蔵と放出とを行うことにより、過剰熱を発生する。すなわち、発熱装置１１を用いた発熱方法は、密閉容器１３の内部への水素系ガスの供給を行うことにより水素系ガスに含まれる水素を発熱体１に吸蔵させる水素吸蔵工程と、密閉容器１３の内部の真空排気と発熱体１の加熱とを行うことにより発熱体１に吸蔵されている水素を放出させる水素放出工程とを有する。実際には、水素吸蔵工程と水素放出工程とが繰り返し行われる。なお、水素吸蔵工程では、密閉容器１３の内部への水素系ガスの供給を行う前に、発熱体１の加熱を行うことにより、発熱体１に付着している水などを除去してもよい。水素放出工程では、例えば密閉容器１３の内部への水素系ガスの供給を停止した後、真空排気と加熱とが行われる。

図４は、発熱モジュール１２の分解斜視図である。図５は、発熱モジュール１２の一部である発熱構造体２１の分解斜視図である。以下では、図中の上下左右方向を用いて説明するが、発熱モジュール１２の配置は下記の説明に用いられた方向に限定されるものではなく任意の方向に配置可能である。

発熱モジュール１２は、発熱構造体２１、ヒータ２２、支柱２３、上蓋２４、及び、下蓋２５を備える。発熱構造体２１は発熱体１を備えた中空構造であり、中空部に円柱状のヒータ２２が挿入される。発熱構造体２１の端面は、上蓋２４及び下蓋２５により閉じられ、上蓋２４と下蓋２５とは支柱２３で繋がれる。

発熱モジュール１２を構成する支柱２３、上蓋２４、及び、下蓋２５は多孔質体により構成され、これにより、発熱モジュール１２が収容される密閉容器１３内において、発熱モジュール１２（支柱２３、上蓋２４、及び、下蓋２５）の外部に存在する水素系ガスが発熱モジュール１２内に配置される発熱構造体２１に到達可能となる。なお、支柱２３、上蓋２４、及び、下蓋２５は、多孔質体により構成されることに替えてまたは加えて、水素系ガスが通り抜け可能な孔を有してもよい。このようにして、発熱モジュール１２が構成される。

図５に示されるように、発熱構造体２１は、巻回発熱体３１、上固定部３２、下固定部３３、及び、ガイド３４を備える。巻回発熱体３１は、板状部材である発熱体１が巻回されて構成されたものである。巻回発熱体３１は、その巻回軸方向の途中付近に配置されたガイド３４に保持された状態で、巻回軸方向（上下方向）の端部が上固定部３２と下固定部３３により固定される。

詳細には、巻回発熱体３１は、板状の発熱体１が巻回されて（この図においては３周）構成されている。上固定部３２は、中心に開口を備える円盤状の部材であって、下側の端面に渦巻状の溝３２２を備える。下固定部３３は、中心に開口を備える円盤状の部材であって、上側の端面に渦巻状の溝３３２を備える。上固定部３２及び下固定部３３（固定部）は対をなして構成される。ガイド３４は、中心に開口を備える円盤状の部材であって、軸方向に貫通する渦巻状の貫通溝３４２を備える。

図６は、上固定部３２の溝３２２を備える側の平面図である。図６に示される上固定部３２の溝３２２は、その溝幅が巻回発熱体３１の厚さよりもわずかに大きい。渦巻方向に沿った溝長は、巻回発熱体３１の巻回長よりも長く、最外周において上固定部３２の外周に向かって延伸し、外周面を貫通するように構成される。

下固定部３３の溝３３２、及び、ガイド３４の貫通溝３４２の形状は、図６に示された上固定部３２の溝３２２と同様の渦巻構造をしている。このような構成のために、発熱構造体２１が組み立てられた状態においては、上固定部３２の溝３２２には巻回発熱体３１の上側端部が収容され、下固定部３３の溝３３２には巻回発熱体３１の下側端部が収容される。そして、巻回発熱体３１の軸方向の途中部分が、ガイド３４の貫通溝３４２によって固定される。溝３２２、３３２、及び貫通溝３４２の溝長が、巻回発熱体３１の巻回長よりも長いので、巻回発熱体３１の加熱時における熱膨張による伸び分のゆがみの発生を抑制できる。また、溝３２２、３３２、及び貫通溝３４２の溝幅及び溝長を略同じとすることで、巻回発熱体３１のたわみなどによるヒータ２２との接触や、巻回発熱体３１の隣接する巻回面同士の接触を防ぐことができる。

上固定部３２、下固定部３３、及び、ガイド３４は、非金属材料、例えば、セラミックスにより形成される。これにより、発熱体１が発熱した際に、溝３２２、３３２、及び貫通溝３４２において癒着するのを抑制することができる。

再び図４を参照すれば、上固定部３２の上面には、２つの固定穴３２１が設けられており、上蓋２４の下面に設けられる固定ピン２４１と篏合する。さらに、下固定部３３の下面には、２つの固定穴（図４に示されない）が設けられており、下蓋２５の上面に設けられる固定ピン２５１と篏合する。

支柱２３は、周方向の対向する位置に対をなして構成される軸方向に延存する板状部材であって、湾曲する断面を備える支柱本体２３１を有する。支柱本体２３１の湾曲する内面は、組み立て時において、発熱構造体２１の上固定部３２、下固定部３３、及び、ガイド３４の外周に沿うように接触する。さらに、支柱本体２３１には、軸方向の途中における同じ位置に内周側に突出する突出部２３２を備える。突出部２３２には、軸方向に沿って上方に向かって延在する固定ピン２３３が設けられている。

支柱２３の固定ピン２３３は、ガイド３４の下面に設けられる固定穴と篏合する。さらに、支柱２３は、両端部が上蓋２４の側面の一部に設けられる溝２４２、及び、下蓋２５の側面の一部に設けられる溝２５２と篏合するように構成される。溝２４２、２５２は、上蓋２４、下蓋２５において、外周の一部が軸方向の一部において削られて構成されている。支柱２３は軸方向において発熱構造体２１よりも軸方向に長く、発熱構造体２１の端面に対して突出する端部が溝２４２、２５２と篏合する。

このように、発熱構造体２１の上側端面が上蓋２４により閉じられる際に、上固定部３２の固定穴３２１が上蓋２４の固定ピン２４１と篏合する。発熱構造体２１の下側端面が下蓋２５により閉じられる際に、下固定部３３の固定穴が下蓋２５の固定ピン２５１と篏合する。このような構成のため、発熱構造体２１は、支柱２３、上蓋２４、及び、下蓋２５に対して固定される。さらに、支柱２３の固定ピン２３３によりガイド３４の位置が固定され、ガイド３４の回転が抑制される。

なお、支柱２３は、この例においては２つ設けられているが、３つ以上設けられてもよい。また、ガイド３４は、この例においては１つ設けられているが、２つ以上設けられてもよい。ガイド３４が複数設けられる場合には、支柱２３はガイド３４の数に応じた突出部２３２及び固定ピン２３３を備えてもよい。

ここでは、上蓋２４及び下蓋２５に支柱２３と篏合する溝２４２、２５２が設けられる例について説明したがこれに限らない。上蓋２４及び下蓋２５に溝２４２、２５２が設けられず、軸方向の長さが支柱２３と発熱構造体２１とで略同じであってもよい。この場合には、発熱構造体２１及び支柱２３の上部端面が上蓋２４により閉じられる際に、上固定部３２の固定穴３２１が上蓋２４の固定ピン２４１と篏合し、発熱構造体２１及び支柱２３の下部端面が下蓋２５により閉じられる際に、下固定部３３の固定穴が下蓋２５の固定ピン２５１と篏合する。そして、支柱２３は圧着や接着などにより上蓋２４及び下蓋２５に固定される。このようにして、発熱構造体２１は、支柱２３、上蓋２４、及び、下蓋２５に対して固定される。

対をなす固定部（上固定部３２及び下固定部３３）は、巻回発熱体３１の外側に設けられる支柱２３を用いて固定される。なお、支柱２３は、突出部２３２及び固定ピン２３３が設けられるならば湾曲した断面を有する板状部材に限らず、角柱状や円柱状の部材であってもよい。このような支柱２３を用いることによって、発熱構造体２１において巻回発熱体３１の少なくとも一部が露出することになるため、発熱モジュール１２の発熱時における外部への熱伝導効率の低下を防ぐことができる。

図７は、発熱モジュール１２の軸を含む平面における断面図である。この図では、上蓋２４の固定ピン２４１、下蓋２５の固定ピン２５１及び支柱２３の固定ピン２３３を通る断面が示されている。

円盤状の部材である上蓋２４においては、上面側に設けられる小径の開口２４３と、下面側に設けられる大径の開口２４４とが相互に連通して設けられる。ヒータ２２は、大径の開口２４４の内部に収容され、２つの開口２４３、２４４により形成される段部において係止される。上述のように、上蓋２４は、下面側の外周部に支柱２３と篏合する溝２４２を備える。また、上蓋２４の下面には固定ピン２４１が設けられており、固定ピン２４１は上固定部３２に設けられる固定穴３２１と篏合する。

同様に、円盤状の部材である下蓋２５においては、下面側に設けられる小径の開口２５３と、上面側に設けられる大径の開口２５４とが相互に連通して設けられる。ヒータ２２は、大径の開口２５４の内部に収容され、２つの開口２５３、２５４により形成される段部において係止される。上述のように、下蓋２５は、上面側の外周部に支柱２３と篏合する溝２５２を備える。また、下蓋２５の上面には固定ピン２５１が設けられており、固定ピン２５１は下固定部３３に設けられる固定穴３３１と篏合する。ヒータ２２は、上蓋２４の開口２４３、２４４、及び、下蓋２５の開口２５３、２５４の少なくとも一方を通る配線を介して、ヒータ電源１７（図３に示される）と接続される。

図中においては、支柱２３の突出部２３２の箇所が拡大されて示されている。突出部２３２に設けられる固定ピン２３３が、ガイド３４の下面に設けられる固定穴３４１に篏合する。

巻回発熱体３１は、巻回軸方向において、上側の一方の端部が上固定部３２の溝３２２により固定され、下側の他方の端部が下固定部３３の溝３３２により固定される。すなわち、対をなす固定部（上固定部３２及び下固定部３３）が備える溝（溝３２２及び溝３３２）は、巻回発熱体３１の軸方向の両端部を固定する。さらに、巻回発熱体３１は、巻回軸方向の途中において、ガイド３４の貫通溝３４２により固定されている。

このような構成であるため、発熱構造体２１が組み立てられた状態において、巻回発熱体３１は、上固定部３２の溝３２２及び下固定部３３の溝３３２により固定され、さらにガイド３４の貫通溝３４２により固定される。これにより、巻回発熱体３１のヒータ２２との接触や、巻回発熱体３１の巻回により隣接して対向する発熱体１同士の接触を防ぐことができる。

上述の実施形態において、上固定部３２の溝３２２、下固定部３３の溝３３２、及び、ガイド３４の貫通溝３４２は、図６に示されるように、溝の長手方向において、最外周において上固定部３２の外周に向かって延伸し、外周面を貫通するように構成されたが、これに限らない。図８に示されるように、外周面を貫通せず、溝間隔が一定の渦巻状に構成されてもよい

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の熱利用システムについて、図９～１１を用いて説明する。図９は、第２実施形態における熱利用システムが有する発熱モジュールの分解斜視図であって、第１実施形態の図４に相当する。図１０は、図９に示した発熱モジュールが備える発熱構造体の分解斜視図であって、第１実施形態の図５に相当する。図１１は、図９に示した発熱モジュールの断面図であって、第１実施形態の図７に相当する。

図９に示されるように、第２実施形態においては、第１実施形態と比較すると支柱２３が削除され、上蓋２４及び下蓋２５において支柱２３の両端部と篏合する溝２４２、２５２が削除されている。上蓋２４は大径の円盤部材とその上面に設けられる小径の円盤部材とを有する。下蓋２５は大径の円盤部材とその下面に設けられる小径の円盤部材とを有する。

さらに、図１０に示されるように、発熱構造体２１の上固定部３２は、下面において渦巻状の溝３２２の内側に環状溝４１を備える。同様に、ガイド３４は、上面において渦巻状の貫通溝３４２の内側に環状溝４２を備える。なお、環状溝４２は、軸方向においてガイド３４を貫通していない。そして、上固定部３２とガイド３４との間には、例えば熱伝導率に優れたセラミック等で構成された柱状部材（この例では中空円柱状）である上支持筐体４３が設けられている。上支持筐体４３は、上端部が上固定部３２の下面に設けられる環状溝４１と篏合し、下端部がガイド３４の上面に設けられる環状溝４２と篏合する。

同様に、発熱構造体２１の下固定部３３は、上面において渦巻状の溝３３２の内側に環状溝４４を備える。同様に、ガイド３４は、下面において貫通溝３４２の内側に環状溝（図１０において不図示）を備える。なお、ガイド３４の下面に設けられる環状溝は、上面に設けられる環状溝４２と同様に、軸方向においてガイド３４を貫通していない。そして、下固定部３３とガイド３４との間には、例えば熱伝導率に優れたセラミック等で構成された柱状部材（この例では中空円柱状）である下支持筐体４５が設けられている。下支持筐体４５は、下端部が下固定部３３の環状溝４４と篏合し、上端部がガイド３４の下面に設けられる環状溝と篏合する。

さらに図１１を参照すれば、ガイド３４の下面に設けられ、図１０において示されていなかった環状溝４６が示されている。上述のように、上支持筐体４３は、上端部が上固定部３２の環状溝４１と篏合し、下端部がガイド３４の上面に設けられる環状溝４２と篏合する。下支持筐体４５は、下端部が下固定部３３の環状溝４４と篏合し、上端部がガイド３４の下面に設けられる環状溝４６と篏合する。対をなす固定部（上固定部３２及び下固定部３３）は、巻回発熱体３１の内側に設けられる柱状部材（上支持筐体４３及び下支持筐体４５）を用いて固定される。

さらに、上述のように、上蓋２４は大径の円盤部材とその円盤部材の上面に設けられる小径の円盤部材とを有する。下蓋２５は大径の円盤部材とその円盤部材の下面に設けられる小径の円盤部材とを有する。そして、図１１に示されるように、上蓋２４は、２つの円盤部材を貫通する軸方向に等径の開口４７を備える。下蓋２５は２つの円盤部材を貫通する軸方向に等径の開口４８を備える。

開口４７、４８の内径はヒータ２２の外径と略等しく、ヒータ２２は、上蓋２４の開口４７及び下蓋２５の開口４８に挿入される。上蓋２４の上側の小径の円盤部材は、その側面に開口４７まで到達する貫通孔４９を有する。貫通孔４９は側面側の大径部と中心側の小径部とが連通して構成され、両者の間に段部が構成されている。ネジ５０のヘッドが段部にて係止された状態で大径部に収容される。さらに、貫通孔４９の小径部には内面に螺合溝が設けられ、ネジ５０の螺合部がこの螺合溝と螺合する。下蓋２５の下側の小径の円盤部材は、上蓋２４の上側の小径の円盤部材と同様の構成をしている。すなわち、下蓋２５の小径の円盤部材に開口４８まで到達する貫通孔５１を有し、貫通孔５１の大径部にネジ５２のヘッドが収容され、貫通孔５１の小径部に設けられた螺合溝においてネジ５２の螺合部と螺合する。これらのネジ５０、５２により、ヒータ２２を上蓋２４及び下蓋２５に対して固定することができる。

このように、第２実施形態においては、上支持筐体４３及び下支持筐体４５が、巻回発熱体３１とヒータ２２との間に設けられることにより、巻回発熱体３１とヒータ２２との接触を防ぐことができる。上支持筐体４３及び下支持筐体４５により、上固定部３２、下固定部３３、及び、ガイド３４の位置を固定することができる。熱伝導率に優れた上支持筐体４３及び下支持筐体４５により、ヒータ２２の熱を均一化して巻回発熱体３１へ伝えることができる。さらに、発熱構造体２１において巻回発熱体３１が露出することになるため、第１実施形態と同様に、発熱モジュール１２の発熱時における外部への熱伝導効率の低下を防ぐことができる。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１ 発熱体
１０ 熱利用システム
１１ 発熱装置
１２ 発熱モジュール
２１ 発熱構造体
２２ ヒータ
３１ 巻回発熱体
３２ 上固定部
３３ 下固定部
３４ ガイド
３２２、３３２ 溝
３４２ 貫通溝
４１、４２、４４、４６ 環状溝
４３ 上支持筐体
４５ 下支持筐体

Claims (11)

1. 水素の吸蔵と放出によって発熱する多層膜により構成される板状部材が巻回されて構成される巻回発熱体と、
   前記巻回発熱体の巻回軸方向の端部を固定する渦巻状の溝を備える固定部と、を備える発熱装置。
2. 請求項１に記載の発熱装置であって、
   前記巻回発熱体は、その少なくとも一部が露出するように配置される、発熱装置。
3. 請求項１または２に記載の発熱装置であって、
   前記固定部は対をなして構成され、対をなす前記固定部が備える前記溝は、前記巻回発熱体の軸方向の両端部を固定する、発熱装置。
4. 請求項３に記載の発熱装置であって、
   対をなす前記固定部は、前記巻回発熱体の外側に設けられる支柱を用いて固定される、発熱装置。
5. 請求項３に記載の発熱装置であって、
   対をなす前記固定部は、前記巻回発熱体の内側に設けられる柱状部材を用いて固定される、発熱装置。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の発熱装置であって、
   前記溝の溝長は、前記巻回発熱体の巻回長よりも長い、発熱装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の発熱装置であって、
   前記巻回発熱体の軸方向の途中に配置され、前記巻回発熱体を保持する渦巻状の貫通溝を備えるガイドを、さらに備える、発熱装置。
8. 請求項７に記載の発熱装置であって、
   前記貫通溝の溝は、前記固定部の溝と大きさが略等しい、発熱装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の発熱装置であって、
   前記固定部は、非金属材料によって構成される、発熱装置。
10. 請求項９に記載の発熱装置であって、
    前記固定部は、セラミックスにより形成される、発熱装置。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の発熱装置と、前記発熱装置により加熱された熱媒体を熱源として利用する熱利用装置と、を備える熱利用システム。
    
    
    

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