JP3133440B2

JP3133440B2 - 金属水素化物を利用した熱駆動型冷熱発生方法及び装置

Info

Publication number: JP3133440B2
Application number: JP03349842A
Authority: JP
Inventors: 直樹広; 正人大隅
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 2001-02-05
Anticipated expiration: 2016-02-05
Also published as: JPH05157398A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は金属水素化物を利用して
冷熱を取り出す熱駆動型冷熱発生方法および装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ある種の金属や合金が発熱的に水素を吸
蔵して金属水素化物を形成し、また、この金属水素化物
が可逆的に水素を放出することが知られている。なお、
金属水素化物は脱水素化すると金属になるが、この明細
書では、この場合も含めて金属水素化物という。

【０００３】近年、この金属水素化物の特性を利用して
冷熱や温熱を得るためのシステムが、例えば特公昭６３
−４１１１号に提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た従来の方式では、例えば−５０℃レベル位の低温の冷
熱を取り出そうとすると、冷凍時の水素平衡圧力が低圧
になり、合金の水素化反応が迅速に行われなくなり、冷
熱を発生しなくなるという問題点があった。また、例え
ば、冷却温度を−２０℃から−５０℃まで自由に調節し
てその範囲内で任意の低温を効率よく取り出すことが困
難であった。

【０００５】そこで本発明は、上記の点に鑑み、常に所
望の低温冷熱を効率良く発生させることのできる金属水
素化物を利用した熱駆動型冷熱発生方法および装置を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、請求項１は、前記金属水素化物として平衡水素圧力
が低い方から高い方に順に第１、第２、第３の３種類の
金属水素化物を用い、前記第１サイクルでは前記一方の
組で前記第１の金属水素化物を前記放熱部により放熱し
た状態で、前回の第２サイクルで吸蔵した水素を前記第
２、第３の金属水素化物より解離して前記第１の金属水
素化物に吸蔵させ、このとき前記第２の金属水素化物よ
り発生する冷却熱で前記他方の組の前記第３の金属水素
化物を冷却すると共に、前記第３の金属水素化物より発
生する冷凍熱を取り出す一方、前記他方の組で前記第１
の金属水素化物を前記加熱部により加熱し、前記第２の
金属水素化物を前記放熱部により放熱し、前記第３の金
属水素化物を前記一方の組の前記第２の金属水素化物よ
り発生する冷却熱で冷却することにより前記第１の金属
水素化物より解離した水素を前記第２、第３の金属水素
化物に吸蔵させる動作を行わせ、前記第２サイクルでは
前記一方の組みと他方の組みの動作を入れ替えて動作さ
せることにより連続して冷凍熱を取り出すことを特徴と
する。

【０００７】請求項２は、金属水素化物として平衡水素
圧力が低い方から高い方に順に第１、第２、第３の３種
類の金属水素化物を用いると共に、金属水素化物収納容
器として第１から第８までの８個の金属水素化物収納容
器を用い、前記第１から第４までの金属水素化物収納容
器には前記第１の金属水素化物を、前記第５、第６の金
属水素化物収納容器には前記第２の金属水素化物を、前
記第７、第８の金属水素化物収納容器には前記第３の金
属水素化物をそれぞれ充填し、前記第１と前記第５、前
記第２と前記第６、前記第３と前記第７、前記第４と前
記第５の各金属水素化物収納容器の各水素給放出管を、
それぞれ水素導管と電動バルブを介して接続する一方、
前記第１と前記第３、前記第２と前記第４の各金属水素
化物収納容器の各熱交換器をそれぞれ熱媒輸送管と３方
切替弁を介して第１、第２の加熱部または第１、第２の
放熱部の各熱交換器に第１サイクルと第２サイクルとで
交互に切替て接続すると共に、前記第５の金属水素化物
収納容器の熱交換器は第３の放熱部の熱交換器又は第８
の金属水素化物収納容器の熱交換器に、第６の金属水素
化物収納容器の熱交換器は第７の金属水素化物収納容器
の熱交換器または前記第３の放熱部の熱交換器に、前記
第７の金属水素化物収納容器の熱交換器は前記第６の金
属水素化物収納容器の熱交換器または冷却負荷の熱交換
器に、前記第８の金属水素化物収納容器の熱交換器は前
記冷却負荷の熱交換器または前記第５の金属水素化物収
納容器の熱交換器にそれぞれ熱媒輸送管と３方切替弁を
介して第１サイクルと第２サイクルとで交互に切替て接
続することを特徴とする。

【０００８】請求項３は、金属水素化物として平衡水素
圧力が低い方から高い方に順に第１、第２、第３の３種
類の金属水素化物を用いると共に、金属水素化物収納容
器として第１から第６までの６個の金属水素化物収納容
器を用い、前記第１、第２の金属水素化物収納容器には
前記第１の金属水素化物を、前記第３、第４の金属水素
化物収納容器には前記第２の金属水素化物を、前記第
５、第６の金属水素化物収納容器には前記第３の金属水
素化物をそれぞれ充填し、前記第１と前記第３および前
記第５、前記第２と前記第４および前記第６の各金属水
素化物収納容器の各水素給放出管を、それぞれ水素導管
と電動バルブを介して相互に接続する一方、前記第１と
前記第２の各金属水素化物収納容器の各熱交換器をそれ
ぞれ熱媒輸送管と３方切替弁を介して加熱部または放熱
部の各熱交換器に第１サイクルと第２サイクルとで交互
に切替て接続すると共に、前記第３の金属水素化物収納
容器の熱交換器は前記放熱部の他の熱交換器または第６
の水素化物収納容器の熱交換器に、第４の金属水素化物
収納容器の熱交換器は第５の金属水素化物収納容器の熱
交換器または前記放熱部の他の熱交換器に、前記第５の
金属水素化物収納容器の熱交換器は前記第４の金属水素
化物収納容器の熱交換器または冷却負荷の熱交換器に、
前記第６の金属水素化物収納容器の熱交換器は前記冷却
負荷の熱交換器または前記第３の金属水素化物収納容器
の熱交換器にそれぞれ熱媒輸送管と３方切替弁を介して
第１サイクルと第２サイクルとで交互に切替て接続する
ことを特徴とする。

【０００９】請求項４は、請求項２記載において、前記
各金属水素化物収納容器に充填する金属水素化物の充填
量を第１、第２、第３の金属水素化物の順にすると共
に、第１の金属水素化物の充填量を第３と第２の金属水
素化物の合計以上としたことを特徴とする。

【００１０】請求項５は、請求項２記載において、前記
冷却負荷に別の熱交換器を設けると共に、前記第５又は
第６の金属水素化物収納容器の熱交換器と前記第７又は
第８の金属水素化物収納容器の熱交換器とを相互に接続
する熱媒輸送管に弁開度が調節可能な制御弁を設け、こ
の制御弁を介して前記熱媒輸送管に前記冷却負荷の別の
熱交換器を接続したことを特徴とする。

【００１１】請求項６は、請求項３記載において、前記
冷却負荷に別の熱交換器を設けると共に、前記第３又は
第４の金属水素化物収納容器の熱交換器と前記第５又は
第６の金属水素化物収納容器の熱交換器とを相互に接続
する熱媒輸送管に弁開度が調節可能な制御弁を設け、こ
の制御弁を介して前記熱媒輸送管に前記冷却負荷の別の
熱交換器を接続したことを特徴とする。

【００１２】

【作用】請求項１は、第１サイクルでは、一方の組で第
１の金属水素化物を加熱し、それによって解離した水素
を第２の金属水素化物および第３の金属水素化物に吸蔵
させる。同時に、他方の組で第２の金属水素化物および
第３の金属水素化物から第１の金属水素化物に水素を移
動させる。このとき、前記他方の組の第２の金属水素化
物からの水素解離で発生する冷熱を利用して前記一方の
組の第３の金属水素化物水素吸蔵のための冷却をする共
に、前記他方の組の第３の金属水素化物からの水素解離
で発生する冷凍熱を取り出す。第２サイクルでは、前記
一方の組みの動作と前記他方の組の動作とを全く逆にす
る。この第１サイクルと第２サイクルとを交互に繰り返
すことにより、冷凍熱発生時の動作水素圧力を従来より
も高めることができ、金属水素化物の水素化反応が迅速
に行われ、−５０℃レベルのごく低温の冷熱を連続的に
取り出すことが可能になる。

【００１３】請求項２は、請求項１の方法を装置に具体
化したもので、第１の金属水素化物を収納した金属水素
化物収納容器を４器と、第２および第３の金属水素化物
を収納した金属水素化物収納容器を２器づつ４器、合計
８器の金属水素化物収納容器を用意する。平衡水素圧力
が１番低い第１の金属水素化物を加熱し、それによって
発生した水素を第２の金属水素化物に吸蔵させ、次の過
程で第１の金属水素化物を冷却して圧力を下げ、これに
より第２の金属水素化物から第１の金属水素化物に水素
を移動させる。この時水素放出による吸熱により冷熱を
第２の金属水素化物から取り出し、この冷熱により平衡
水素圧力の１番高い第３の金属水素化物を冷却する。同
時に別途用意した第１の金属水素化物を加熱し、それに
よって発生した水素を第３の金属水素化物に吸蔵させ
る。次にこの別途用意した第１の金属水素化物を冷却し
て圧力を下げ、第３の金属水素化物より水素を放出さ
せ、吸熱により冷凍を取り出す。これにより、冷凍熱発
生時の動作水素圧力を従来よりも高めることができ、金
属水素化物の水素化反応が迅速に行われ、−５０℃レベ
ルのごく低温の冷熱を連続的に取り出すことが可能にな
る。

【００１４】請求項３は、平衡水素圧力が違う３種の金
属水素化物を用いる点は請求項２と同じであるが、ここ
では、金属水素化物収納容器をそれぞれ２器ずつ計６器
設け、平衡水素圧力が１番低い第１の金属水素化物の一
方を加熱し、それによって発生した水素を第２の金属水
素化物の一方に吸蔵させる。ここで、他方の第１の金属
水素化物は冷却し圧力を下げておき、これにより他方の
第２の金属水素化物から第１の金属水素化物に水素を移
動させ、この時の水素放出による吸熱により冷熱を取り
出す。この冷熱により、平衡水素圧力の１番高い第３の
金属水素化物の一方を冷却し、第１の金属水素化物の一
方より発生した水素を第３の金属水素化物に吸蔵させ
る、また他方の第１の金属水素化物は冷却され圧力を下
げているため、予め水素が吸蔵されている他方の第３の
金属水素化物より水素を放出させ、吸熱反応により冷凍
熱を取り出すことができる。この一方と他方を交互に切
り替え運転することで冷凍熱を連続して発生させる。こ
れにより、請求項２に比べて機器の部品点数が減少して
システム構成および運転制御が簡単になるにも拘らず、
請求項２と同様に冷凍熱発生時の動作水素圧力を従来よ
りも高めることができ、金属水素化物の水素化反応が迅
速に行われ、−５０℃レベルのごく低温の冷熱を連続的
に取り出すことが可能になる。

【００１５】請求項４は、請求項３において金属水素化
物の充填量を第１、第２、第３の順にし、第１の金属水
素化物の量を第３と第２の合計以上とする。これによ
り、各金属水素化物収納容器内の金属水素化物を過不足
なく有効利用することができ、効率の良いシステム構成
となる。

【００１６】請求項５又は請求項６は、請求項２又は請
求項３において、第２の金属水素化物より得た冷熱の一
部をその量を調節しながら冷凍負荷に送りこむことによ
り、第３の金属水素化物より得られる冷熱温度との温度
差を利用してその中間温度に冷却負荷を温度制御する。
これにより、例えば−２０℃〜−５０℃の間の幅広い温
度調節が可能となる。

【００１７】

【実施例】図１は本発明の熱駆動型冷熱発生装置の第１
実施例を示すブロック図であり、金属水素化物収納容器
１〜４には、このシステムの作動温度範囲において水素
平衡圧力が１番低いＬａＮｉ₅系の金属水素化物ＭＨ₃が
収納されている。金属水素化物収納容器５、６には、こ
のシステムの作動温度範囲において水素平衡圧力が２番
目に高いＭｍ（ミッシュメタル）Ｎｉ₅系の金属水素化
物ＭＨ₂が収納されている。金属水素化物収納容器７、
８には、水素平衡圧力が１番高いＭｍＮｉ₅系の金属水
素化物ＭＨ₁を収納されている。これらの容器１〜８と
しては、金属水素化物ＭＨと熱交換するための熱交換器
１ａ〜８ａが内設され外部の熱媒輸送管９と気密に接続
される一方、フィルタの付いた水素給放出管１ｂ〜８ｂ
が挿着され外部の水素導管に気密に接続される公知の金
属水素化物収納容器が使用される。なお、この明細書で
は温度の高低によらず熱を移送する媒体を全て熱媒と称
する。

【００１８】加熱部１０、１１は内部に熱交換器１０
ａ、１１ａを備えたボイラ等で構成され、オイルや加圧
水等からなる熱媒が加熱されて外部の熱媒輸送管９に送
出される。同様に、放熱部１２、１３、１４は風冷また
は水冷の熱交換器１２ａ、１３ａ、１４ａを備えて構成
され、水やアルコール等の熱媒が冷却されて外部の熱媒
輸送管９に送出される。また、冷却負荷１５は熱交換器
１５ａ、ファン等を備えた冷凍庫等で構成され、アルコ
ール等の熱媒が熱交換器１５ａで熱交換されて外部の熱
媒輸送管９に送出される。

【００１９】これらの金属水素化物収納容器１〜８の熱
交換器１ａ〜８ａと、加熱部１０、１１、放熱部１２、
１３、１４、および、冷却負荷１５の熱交換器１０ａ〜
１５ａとは、３方切替弁１６ａ〜１６ｐからなる熱媒輸
送管切換部１６を介して相互に接続される。即ち、冷却
運転の第１サイクルでは、金属水素化物収納容器１、３
の熱交換器１ａ、３ａと加熱部１０、１１の熱交換器１
０ａ、１１ａとが、また、金属水素化物収納容器２、
４、５の熱交換器２ａ、４ａ、５ａと放熱部１２、１
３、１４の熱交換器１２ａ、１３ａ、１４ａとが、ま
た、金属水素化物収納容器６の熱交換器６ａと金属水素
化物収納容器７の熱交換器７ａとが、また、金属水素化
物収納容器８の熱交換器８ａと冷却負荷１５の熱交換器
１５ａとがそれぞれ３方切替弁を介して相互に接続され
る。一方、冷却運転の第２サイクルでは、金属水素化物
収納容器２、４の熱交換器２ａ、４ａと加熱部１０、１
１の熱交換器１０ａ、１１ａとが、また、金属水素化物
収納容器１、３、６の熱交換器１ａ、３ａ、６ａと放熱
部１２、１３、１４の熱交換器１２ａ、１３ａ、１４ａ
とが、また、金属水素化物収納容器５の熱交換器５ａと
金属水素化物収納容器８の熱交換器８ａとが、また、金
属水素化物収納容器７の熱交換器７ａと冷却負荷１５の
熱交換器１５ａとがそれぞれ３方切替弁を介して相互に
接続される。

【００２０】また、金属水素化物収納容器１〜４の水素
給放出管１ｂ〜４ｂと金属水素化物収納容器５〜８の水
素給放出管５ｂ〜８ｂとが、それぞれ水素導管１７ａ〜
１７ｄおよび電動バルブ１８ａ〜１８ｄを介して相互に
接続されている。以上の装置構成において、前述の熱媒
輸送管切換部１６の各３方切替弁１６ａ〜ｌ６ｐ、電動
バルブ１８ａ〜１８ｄは制御部１９により制御される。

【００２１】図２に本発明の実施例で使用される３種の
金属水素化物の温度と圧力の特性図の一例を示す。図１
及び図２を用いて本実施例の動作を説明する。先ず、冷
却運転の第１サイクルでは、制御部１９により３方切替
弁１６ａ〜１６ｐを切替制御して、熱交換器１ａと１０
ａ、２ａと１２ａ、３ａと１１ａ、４ａと１３ａ、５ａ
と１４ａ、６ａと７ａ、８ａと１５ａとを夫々相互に接
続する。次いで、加熱部１０、１１の熱交換器１０ａ、
１１ａをボイラにより加熱する。これにより、加熱され
た熱媒が収納容器１、３の熱交換器１ａ、３ａに供給さ
れ、収納容器１、３内の金属水素化物は加熱されて水素
が解離され、図２（Ａ）状態に示すように容器１、３内
は高温（１４０℃）高圧となる。一方、放熱器１２〜１
４の熱交換器１２ａ〜１４ａを風冷又は水冷にて冷却し
金属水素化物収納容器２、４、５内の熱交換器２ａ、４
ａ、５ａを常温（２０℃）に保持する。これにより、容
器２、４、５内に収容されている金属水素化物ＭＨ₃、
ＭＨ₂も常温に保持されて、最初収納容器２、４内は常
温低圧に（Ｂ）、また、収納容器５内は常温でＡに比べ
て低圧の状態になる（Ｃ）。このとき、金属水素化物Ｍ
Ｈ₂を収納している収納容器６内はやや低温（−２０
℃）でＢに比べてやや高圧（Ｄ）、金属水素化物ＭＨ₁
を収納している収納容器７内はやや低温でＡに比べて低
圧（Ｅ）、金属水素化物ＭＨ₁を収納している収納容器
８内は低温（−５０℃）でＢに比べて高圧（Ｆ）にな
る。

【００２２】この状態で、電動バルブ１８ａ〜１８ｄを
徐々に開放すると、加熱部１０、１１によって加熱され
ることにより解離された収納容器１、３内の水素が水素
給放出管１ｂ、３ｂから水素導管１７ａ、１７ｃ、電動
バルブ１８ａ、１８ｃを通って収納容器５、７に流れ、
水素給放出管５ｂ、７ｂより内部の金属水素化物に発熱
的に吸蔵される（Ａ→Ｃ，Ａ→Ｅ）。このとき収納容器
５に発生した熱は放熱器１４にて放熱される。一方、収
納容器７に発生した熱は収納容器６に供給される。これ
により収納容器６内の金属水素化物ＭＨ₂からの水素解
離は促進され、解離された水素は水素給放出管６ｂから
水素導管１７ｂ、電動バルブ１８ｂを通って収納容器２
に供給される（Ｄ→Ｂ）。この水素は、収納容器２内の
金属水素化物ＭＨ₃に発熱的に吸蔵される。また、この
とき発生した熱は放熱器１２にて放熱される。

【００２３】このとき、収納容器６内の金属水素化物Ｍ
Ｈ₂からの水素解離により発生する冷熱は収納容器７内
を冷却し、低圧化する。一方、収納容器３は加熱器１１
により加熱されて高温となり、水素の解離を促進して高
圧となる。これによって収納容器３から収納容器７に水
素が効率良く流れ（Ａ→Ｅ）、大量の水素が収納容器７
に収納保持され次サイクル時の負荷冷却用に準備され
る。

【００２４】また、放熱器１３により常温に保持されて
いる金属水素化物ＭＨ₃の収納容器４内は常温低圧の状
態にあり、また、水素が吸蔵されている金属水素化物Ｍ
Ｈ₁の収納容器８内は高圧の状態になっている。このた
め、収納容器８から収納容器４に水素導管１８ｄを通っ
て水素が流れ（Ｆ→Ｂ）、収納容器８の金属水素化物Ｍ
Ｈ₁から水素が解離し、その吸熱反応により、−５０℃
レベルの冷凍熱が発生する。発しした冷熱は熱交換器８
ａから１５ａを通して冷却負荷１５に供給される。ま
た、この時発生した水素は、収納容器４の金属水素化物
ＭＨ₃に発熱的に吸蔵される。以上が冷却運転サイクル
の第１サイクルである。

【００２５】この第１サイクルの終了と共に、電動バル
ブ１８ａ〜１８ｄを閉じ、３方切替弁１６ａ〜ｌ６ｐを
切替て、今度は熱交換器１ａと１２ａ、２ａと１０ａ、
３ａと１３ａ、４ａと１１ａ、５ａと８ａ、６ａと１４
ａ、７ａと１５ａとを夫々相互に接続する。すると、加
熱器１０、１１の加熱により、収納容器２、４内が図２
のＡ状態になる。また、放熱器１２〜１４での放熱によ
り収納容器１、３内がＢ状態に、収納容器６内がＣ状態
になる。更に、収納容器５内はＤ状態、収納容器８内は
Ｅ状態、収納容器７内はＦ状態になる。

【００２６】次いで、第１サイクルと同様に、電動バル
ブ１８ａ〜１８ｄ徐々に開いていくと、収納容器２、４
から収納容器６、８に水素移動が生じ、また、収納容器
５、７から収納容器１、３に水素移動が生じる。このと
き、収納容器８は収納容器５で発生する冷熱で冷却され
ることにより、より多くの水素が効率良く収納容器８に
回収される。一方、収納容器７には前回のサイクルで大
量の水素が収納保持されていることから、大量の水素解
離が効率良く行われて−５０℃の冷凍熱が発生し、冷却
負荷１５に供給される。これが第２サイクルである。

【００２７】上述した第１サイクルと第２サイクルを交
互に運転することで−５０℃の冷凍熱を収納容器７と８
から交互に発生させてこの冷凍熱を冷却負荷１５に連続
的に供給することができる。なお、この第１実施例にお
いては、加熱部１０、１１および放熱部１２〜１４をそ
れぞれ別体構成としたが、これらは勿論一体構成として
も良いことは言うまでもない。

【００２８】本発明の第２実施例を図３と図２を参照し
て説明する。図３はこの実施例の装置構成図で、図中図
１と同一符号は同一又は相当部分を示す。図の構成で図
１と異なる点は、部品点数を削減し、システム構成を簡
略化し、運転制御を簡単化するため、図１の加熱部１
０、１１、放熱部１２、１３、１４、金属水素化物収納
容器１、３および２、４に代えて、夫々を一体化した加
熱部２２、放熱部２３、金属水素化物収納容器２０およ
び２１を設た点である。収納容器２０および２１は各収
納容器５〜８の２倍以上の金属水素化物を収納できる容
量を有し、収納容器２０は水素導管１７ａ、電動バルブ
１８ａを介して収納容器５および７に結合されている。
また、収納容器２１は水素導管１７ｂ、電動バルブ１８
ｂを介して収納容器６および８に結合されている。

【００２９】以上の構成で、冷却運転の第１サイクル時
には、収納容器２０の熱交換器２０ａと加熱部２２の熱
交換器２２ａ、また収納容器２１の熱交換器２１ａと放
熱部２３の熱交換器２３ａ、収納容器５の熱交換器５ａ
と放熱部２３の熱交換器２３ｂが接続される。更に、熱
交換器６ａと７ａ、熱交換器８ａと１５ａが接続される
点は前記実施例同様である。

【００３０】これにより、収納容器２０内は加熱部２２
により加熱されて図２のＡ状態、収納容器２１は放熱部
２３で放熱されてＢ状態、収納容器５も加熱部２３で放
熱されてＣ状態、収納容器６は水素が解離してＤ状態、
収納容器７は収納容器６で冷却されてＥ状態、収納容器
８は水素が解離することによりＦ状態になる。

【００３１】即ち、加熱部２２のボイラにより熱交換器
２２ａを加熱し、加熱された熱媒を収納容器２０の熱交
換器２０ａに熱交換的に送り込む。これにより、収納容
器２０内の金属水素化物は加熱され、第２図（Ａ）状態
に示すように収納容器２０内で水素は高温高圧となり解
離し、解離した水素は収納容器５の金属水素化物に発熱
的に吸蔵される（Ｂ状態）。

【００３２】一方、放熱部２３により常温に保持されて
いる金属水素化物ＭＨ₃の収納容器２１内は常温低圧の
状態にあり、また、水素が吸蔵されている金属水素化物
ＭＨ₂の収納容器６内は常温で高圧の状態になってい
る。このため、収納容器６から収納容器２１に水素導管
１７ｂを通って水素が流れ（Ｃ→Ｄ）、収納容器６の金
属水素化物ＭＨ₂から水素が解離し、吸熱反応により冷
熱を発生する。この水素は、収納容器２１の金属水素化
物ＭＨ₃に発熱的に吸蔵される。

【００３３】さらに、収納容器６の冷熱によって、収納
容器７を冷却させ収納容器７内を低圧化する。また、収
納容器２０内の金属水素化物は加熱されており、第２図
（Ａ）状態に示すように、収納容器２０内で水素は高温
高圧となり解離し、これにより、収納容器７の金属水素
化物に発熱的に吸蔵される。（Ｅ状態）

【００３４】放熱器２３により常温に保持されている金
属水素化物ＭＨ₃の収納容器２１内は常温低圧の状態に
あり、また、水素が吸蔵されている金属水素化物ＭＨ₁
の収納容器８内は高圧の状態になっている。このため、
収納容器８から収納容器２１に水素導管１７ｂを通って
水素が流れ（Ｆ→Ｂ）、収納容器８の金属水素化物ＭＨ
₁から水素が吸熱的に発生し、−５０℃レベルの冷凍を
発生し、冷却負荷１５に供給される。一方、発生した水
素は収納容器２１の金属水素化物ＭＨ₃に発熱的に吸蔵
される。以上が冷却運転の第１サイクルである。

【００３５】この第１サイクルの終了と共に、電動バル
ブ１８を閉じ、３方切替弁１６を切替て、今度は熱交換
器２０ａと２３ａ、２１ａと２２ａ、５ａと８ａ、６ａ
と２３ｂ、７ａと１５ａとを夫々相互に接続する。する
と、加熱部２２の加熱により、収納容器２１内が図２の
Ａ状態になる。また、放熱器２３での放熱により収納容
器２０内がＢ状態に、放熱器６内がＣ状態になる。更
に、収納容器５は内はＤ状態、収納容器８は内はＥ状
態、収納容器７は内はＦ状態になる。

【００３６】次いで、第１サイクルと同様に、電動バル
ブ１８徐々に開いていくと、収納容器２１から収納容器
６、８に水素移動が生じ、収納容器５、７から収納容器
２０に水素移動が生じる。このとき、収納容器８は収納
容器５で発生する冷熱で冷却されることにより、より多
くの水素が効率良く収納容器８に回収される。一方、収
納容器７には前回のサイクルで大量の水素が収納保持さ
れていることから、大量の水素解離が効率良く行われて
−５０℃の冷凍熱が発生し、冷却負荷１５に供給され
る。これが第２サイクルである。

【００３７】上述した第１サイクルと第２サイクルを交
互に運転することで−５０℃の冷凍熱を収納容器７と８
から交互に発生させてこの冷凍熱を冷却負荷１５に連続
的に供給することができる。

【００３８】この実施例に依れば、−５０℃の冷凍熱の
連続的な取り出しが可能になると共に、先の第１実施例
に比べて部品点数が減少することから、システム構成並
びに運転制御が簡略される利点が得られる。

【００３９】ところで、冷却負荷１５の種類や使用時の
状況に依っては、冷凍熱を例えば−５０℃から約−２０
℃まで変化させたい場合が有る。その場合、熱交換器１
５ｂの熱交換効率を変化させることは容易ではない。ま
た、熱交換器１５ｂから得られる冷凍熱を外部に捨てれ
ば外部の環境に悪影響を及ぼすことになる。

【００４０】図４は、このような場合を考慮してなされ
た本発明の第３実施例を示す装置構成図である。図中、
図３と同一符号は同一又は相当部分を示す。図４の構成
で図３と異なる点は、収納容器５又は６の熱交換器５ａ
又は６ａと収納容器７又は８の熱交換器７ａ又は８ａと
を接続する熱媒輸送管９に熱媒流通開度が連続的に調節
可能な制御弁２４ａ、２４ｂを設けると共に、冷却負荷
１５にも新たに熱交換器１５ｂを設置して、この熱交換
器１５ｂを熱媒輸送管２５にて制御弁２４ａ、２４ｂに
接続するようにした点である。また、冷却負荷１５には
冷却温度を検出する温度センサー１５ｃを設け、検出信
号を制御部１９に出力するようにしている。一方、制御
部１９内には冷却負荷温度を設定する設定器を設け、そ
の温度設定器で設定した温度と温度センサー１５ｃから
の負荷温度とを比較し、その偏差にＰＩＤ演算を施し、
その結果を弁開閉操作信号として制御弁２４に出力し、
弁開度を調節するようにしている。

【００４１】以上の構成で、冷却運転の第１サイクル時
には、収納容器２０の熱交換器２０ａと加熱部２２の熱
交換器２２ａ、また収納容器２１の熱交換器２１ａと放
熱部２３の熱交換器２３ａ、収納容器５の熱交換器５ａ
と放熱部２３の熱交換器２３ｂ、熱交換器６ａと７ａ、
熱交換器８ａと１５ａが接続される点は前記実施例同様
である。

【００４２】これにより、収納容器２０内は加熱部２２
により加熱されて図２のＡ状態、収納容器２１は放熱部
２３で放熱されてＢ状態、収納容器５も放熱部２３で放
熱されてＣ状態、収納容器６は水素が解離してＤ状態、
収納容器７は収納容器６で冷却されてＥ状態、収納容器
８は水素が解離することによりＦ状態になる。

【００４３】従って、前記第２実施例同様に、冷却運転
の第１サイクル時には、収納容器２０から収納容器５お
よび７に水素移動が行われると共に、収納容器６および
８から収納容器２１への水素移動が行われる。この収納
容器８から収納容器２１への水素移動即ち収納容器８内
の金属水素化物からの水素解離により−５０℃の冷凍熱
が発生し、これが冷却負荷１５に供給される。また、こ
のとき行われる収納容器２０から７への水素移動即ち収
納容器７内の金属水素化物への水素吸蔵は、次サイクル
における準備である。

【００４４】この第１サイクルの終了により、電動バル
ブ１８を閉じ、３方切替弁１６を切替て、今度は熱交換
器２０ａと２３ａ、２１ａと２２ａ、５ａと８ａ、６ａ
と２３ｂ、７ａと１５ａとを夫々相互に接続する。する
と、加熱部２２の加熱により、収納容器２１内が図２の
Ａ状態になる。また、放熱部２３での放熱により収納容
器２０内がＢ状態に、収納容器６内がＣ状態になる。更
に、収納容器５は内はＤ状態、収納容器８は内はＥ状
態、収納容器７は内はＦ状態になる。

【００４５】次いで、第１サイクルと同様に、電動バル
ブ１８徐々に開いていくと、収納容器２１から収納容器
６、８に水素移動が生じ、収納容器５、７から収納容器
２０に水素移動が生じる。このとき、収納容器７には前
回のサイクルで大量の水素が収納保持されていることか
ら、大量の水素解離が効率良く行われて−５０℃の冷凍
熱が発生し、冷却負荷１５に供給される。これが第２サ
イクルである。以上の第１サイクルと第２サイクルを交
互に運転することで例えば−５０℃の冷凍熱を冷却負荷
１５に連続的に供給する点は前記第２実施例同様であ
る。

【００４６】この実施例で、冷却負荷１５の冷却温度を
調節する場合は、制御弁２５ａ、２５ｂの開度を制御し
て熱媒輸送管９から冷却負荷１５の熱交換器１５ｂに供
給する熱媒の流量を調節する。

【００４７】これにより、冷却負荷１５はその熱交換器
１５ａと熱交換器１５ｂに供給される夫々の冷熱の温度
が異なることからその温度間の温度に冷却される。例え
ば、熱交換器１５ａに−５０℃熱媒が供給され、熱交換
器１５ｂに−２０℃の熱媒が供給された場合に、−５０
〜−２０℃間の温度に冷却される。その温度は熱交換器
１５ｂに流す量に応じて決まり、熱交換器１５ｂに流す
熱媒の量を多くすれば、−２０℃に近い温度となり、ま
た、熱交換器１５ｂに流す量を減らせば、−５０℃に近
い温度に冷却される。

【００４８】このときの冷却負荷１５の冷却温度は、以
下のようにして制御部１９により応答性良く制御され
る。即ち、制御部１９では、設定温度と冷却負荷温度と
の偏差にＰＩＤ演算を施し、その演算出力で偏差が０に
なる方向に制御弁２４を開閉操作することにより、設定
値の急激な変更、外乱当が生じても制御弁２４を所定開
度に調節して冷却負荷１５の温度を設定温度通りに迅速
かつ高精度に制御することができる。

【００４９】なお、上記第３実施例では前記図３に示し
た第２実施例に制御弁２４と熱交換器１５ｂを追加した
例について示したが、前記図１に示した第１実施例の収
納容器５又は６の熱交換器５ａ又は６ａと収納容器７又
は８の熱交換器７ａ又は８ａとを接続する熱媒輸送管９
に熱媒流通開度が連続的に調節可能な制御弁２４を追加
すると共に、冷却負荷１５に新たに熱交換器１５ｂを追
加設置して、この熱交換器１５ｂを熱媒輸送管にて制御
弁２４ａ、２４ｂに接続する構成としても上記第３実施
例同様の作用効果が得られる。

【００５０】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明に依れ
ば、冷凍熱発生時の動作水素圧力が従来方式に比較して
高くなるため、金属水素化物の水素化反応が迅速に行わ
れるようになり、たとえば−５０℃レベルのかなり低い
温度の取り出しが可能になる。また、簡単なシステム構
成並びに運転制御で、冷却温度が調節可能にして、効率
の良い冷凍冷却が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示す熱駆動型冷熱発生装
置のシステム構成図。

【図２】本発明の冷却システムの動作を説明するための
金属水素化物の水素圧力−温度平衡特性図。

【図３】本発明の第２実施例を示す熱駆動型冷熱発生装
置のシステム構成図。

【図４】本発明の第３実施例を示す熱駆動型冷熱発生装
置のシステム構成図。

【符号の説明】

１、２、３、４、５、６、７、８金属水素化物収納容
器１ａ〜８ａ、１０ａ〜１５ａ、１５ｂ熱交換器１ｂ〜８ｂ水素給放出管１６熱媒輸送管切替部１６ａ〜１６ｎ３方切替弁１７ａ〜１７ｄ水素導管９、２５熱媒輸送管１０、１１加熱部１２〜１４放熱部１５冷却負荷１９制御部１４水素導管１８、１８ａ〜１８ｄ電動バルブ２４、２４ａ、２４ｂ制御弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 17/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】容器内部に、金属水素化物と共に、外部
の水素導管と気密に接続する水素給放出管と、外部の熱
媒輸送管と気密に接続する熱交換器とがそれぞれ封入さ
れてなる複数個の金属水素化物収納容器の前記各水素給
放出管を前記水素導管により適宜接続する一方、前記各
熱交換器を加熱部あるいは放熱部の熱交換器に適宜接続
して２組に分け、一方の組で水素放出による冷熱の取り
出しを行っている間に他方の組で水素を回収して蓄える
第１サイクルと、前記他方の組で蓄えた水素を放出する
ことにより冷熱を取り出す間に前記一方の組で水素を回
収して蓄える第２サイクルとを交互に繰り返すことによ
り、連続して冷熱を取り出す金属水素化物を利用した熱
駆動型冷熱発生方法において、前記金属水素化物として平衡水素圧力が低い方から高い
方に順に第１、第２、第３の３種類の金属水素化物を用
い、前記第１サイクルでは前記一方の組で前記第１の金
属水素化物を前記放熱部により放熱した状態で、前回の
第２サイクルで吸蔵した水素を前記第２、第３の金属水
素化物より解離して前記第１の金属水素化物に吸蔵さ
せ、このとき前記第２の金属水素化物より発生する冷却
熱で前記他方の組の前記第３の金属水素化物を冷却する
と共に、前記第３の金属水素化物より発生する冷凍熱を
取り出す一方、前記他方の組で前記第１の金属水素化物
を前記加熱部により加熱し、前記第２の金属水素化物を
前記放熱部により放熱し、前記第３の金属水素化物を前
記一方の組の前記第２の金属水素化物より発生する冷却
熱で冷却することにより前記第１の金属水素化物より解
離した水素を前記第２、第３の金属水素化物に吸蔵させ
る動作を行わせ、前記第２サイクルでは前記一方の組と
他方の組の動作を入れ替えて動作させることにより連続
して冷凍熱を取り出すことを特徴とする金属水素化物を
利用した熱駆動型冷熱発生方法。
【請求項２】容器内部に、金属水素化物と共に、外部
の水素導管と気密に接続する水素給放出管と、外部の熱
媒輸送管と気密に接続する熱交換器とがそれぞれ封入さ
れてなる複数個の金属水素化物収納容器の前記各水素給
放出管を前記水素導管により適宜接続する一方、前記各
熱交換器を加熱部あるいは放熱部の熱交換器に適宜接続
して２組に分け、一方の組で水素放出による冷熱の取り
出しを行っている間に他方の組で水素を回収して蓄える
第１サイクルと、前記他方の組で蓄えた水素を放出する
ことにより冷熱を取り出す間に前記一方の組で水素を回
収して蓄える第２サイクルとを交互に繰り返すことによ
り、連続して冷熱を取り出す金属水素化物を利用した熱
駆動型冷熱発生装置において、前記金属水素化物として平衡水素圧力が低い方から高い
方に順に第１、第２、第３の３種類の金属水素化物を用
いると共に、前記金属水素化物収納容器として第１から
第８までの８個の金属水素化物収納容器を用い、前記第
１から第４までの金属水素化物収納容器には前記第１の
金属水素化物を、前記第５、第６の金属水素化物収納容
器には前記第２の金属水素化物を、前記第７、第８の金
属水素化物収納容器には前記第３の金属水素化物をそれ
ぞれ充填し、前記第１と前記第５、前記第２と前記第
６、前記第３と前記第７、前記第４と前記第５の各金属
水素化物収納容器の各水素給放出管を、それぞれ水素導
管と電動バルブを介して接続する一方、前記第１と前記
第３、前記第２と前記第４の各金属水素化物収納容器の
各熱交換器をそれぞれ熱媒輸送管と３方切替弁を介して
第１、第２の加熱部または第１、第２の放熱部の各熱交
換器に第１サイクルと第２サイクルとで交互に切替て接
続すると共に、前記第５の金属水素化物収納容器の熱交
換器は第３の放熱部の熱交換器又は第８の金属水素化物
収納容器の熱交換器に、第６の金属水素化物収納容器の
熱交換器は第７の金属水素化物収納容器の熱交換器また
は前記第３の放熱部の熱交換器に、前記第７の金属水素
化物収納容器の熱交換器は前記第６の金属水素化物収納
容器の熱交換器または冷却負荷の熱交換器に、前記第８
の金属水素化物収納容器の熱交換器は前記冷却負荷の熱
交換器または前記第５の金属水素化物収納容器の熱交換
器にそれぞれ熱媒輸送管と３方切替弁を介して第１サイ
クルと第２サイクルとで交互に切替て接続することを特
徴とする金属水素化物を利用した熱駆動型冷熱発生装
置。
【請求項３】容器内部に、金属水素化物と共に、外部
の水素導管と気密に接続する水素給放出管と、外部の熱
媒輸送管と気密に接続する熱交換器とがそれぞれ封入さ
れてなる複数個の金属水素化物収納容器の前記各水素給
放出管を前記水素導管により適宜接続する一方、前記各
熱交換器を加熱部あるいは放熱部の熱交換器に適宜接続
して２組に分け、一方の組で水素放出による冷熱の取り
出しを行っている間に他方の組で水素を回収して蓄える
第１サイクルと、前記他方の組で蓄えた水素を放出する
ことにより冷熱を取り出す間に前記一方の組で水素を回
収して蓄える第２サイクルとを交互に繰り返すことによ
り、連続して冷熱を取り出す金属水素化物を利用した熱
駆動型冷熱発生装置において、前記金属水素化物として平衡水素圧力が低い方から高い
方に順に第１、第２、第３の３種類の金属水素化物を用
いると共に、前記金属水素化物収納容器として第１から
第６までの６個の金属水素化物収納容器を用い、前記第
１、第２の金属水素化物収納容器には前記第１の金属水
素化物を、前記第３、第４の金属水素化物収納容器には
前記第２の金属水素化物を、前記第５、第６の金属水素
化物収納容器には前記第３の金属水素化物をそれぞれ充
填し、前記第１と前記第３および前記第５、前記第２と
前記第４および前記第６の各金属水素化物収納容器の各
水素給放出管を、それぞれ水素導管と電動バルブを介し
て相互に接続する一方、前記第１と前記第２の各金属水
素化物収納容器の各熱交換器をそれぞれ熱媒輸送管と３
方切替弁を介して加熱部または放熱部の各熱交換器に第
１サイクルと第２サイクルとで交互に切替て接続すると
共に、前記第３の金属水素化物収納容器の熱交換器は前
記放熱部の他の熱交換器または第６の水素化物収納容器
の熱交換器に、第４の金属水素化物収納容器の熱交換器
は第５の金属水素化物収納容器の熱交換器または前記放
熱部の他の熱交換器に、前記第５の金属水素化物収納容
器の熱交換器は前記第４の金属水素化物収納容器の熱交
換器または冷却負荷の熱交換器に、前記第６の金属水素
化物収納容器の熱交換器は前記冷却負荷の熱交換器また
は前記第３の金属水素化物収納容器の熱交換器にそれぞ
れ熱媒輸送管と３方切替弁を介して第１サイクルと第２
サイクルとで交互に切替て接続することを特徴とする金
属水素化物を利用した熱駆動型冷熱発生装置。
【請求項４】前記各金属水素化物収納容器に充填する
金属水素化物の充填量を第１、第２、第３の金属水素化
物の順にすると共に、第１の金属水素化物の充填量を第
３と第２の金属水素化物の合計以上としたことを特徴と
する請求項３記載の金属水素化物を利用した熱駆動型冷
熱発生装置。
【請求項５】前記冷却負荷に別の熱交換器を設けると
共に、前記第５又は第６の金属水素化物収納容器の熱交
換器と前記第７又は第８の金属水素化物収納容器の熱交
換器とを相互に接続する熱媒輸送管に弁開度が調節可能
な制御弁を設け、この制御弁を介して前記熱媒輸送管に
前記冷却負荷の別の熱交換器を接続したことを特徴とす
る請求項２記載の金属水素化物を利用した熱駆動型冷熱
発生装置。
【請求項６】前記冷却負荷に別の熱交換器を設けると
共に、前記第３又は第４の金属水素化物収納容器の熱交
換器と前記第５又は第６の金属水素化物収納容器の熱交
換器とを相互に接続する熱媒輸送管に弁開度が調節可能
な制御弁を設け、この制御弁を介して前記熱媒輸送管に
前記冷却負荷の別の熱交換器を接続したことを特徴とす
る請求項３記載の金属水素化物を利用した熱駆動型冷熱
発生装置。