JP3133442B2 - 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 - Google Patents

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、放熱冷却温度が高くなると、冷却時
の水素平衡圧力が高圧となり、所望の低温の冷熱が取り
出せなくなるという問題があった。

【０００５】即ち、従来は図４に示すように平衡水素圧
力の違う２種類の金属水素化物ＭＨ₃とＭＨ₂を用い、一
方の組で平衡水素圧力の低い金属水素化物ＭＨ₂から平
衡水素圧力の高い金属水素化物ＭＨ₃に水素を移動させ
ると共に（Ａ→Ｂ）、他方の組で平衡水素圧力の高い金
属水素化物ＭＨ₃から平衡水素圧力の低い金属水素化物
ＭＨ₂に水素を移動させている（Ｃ→Ｄ）。このとき、
前記一方の組では金属水素化物ＭＨ₂を１４０℃に加熱
し、金属水素化物ＭＨ₃を放熱により２０℃に冷却して
いる。また、前記他方の組では金属水素化物ＭＨ₂を２
０℃に放熱して金属水素化物ＭＨ₃から水素を移動させ
ると共に、金属水素化物ＭＨ₃の水素解離で生じる−２
０℃の冷熱を取り出している。しかし、この場合に放熱
冷却温度が上がって例えば３０℃になると、金属水素化
物ＭＨ₂を１６０℃に加熱して金属水素化物ＭＨ₂から金
属水素化物ＭＨ₃に水素を移動させても（Ｅ→Ｆ）、金
属水素化物ＭＨ₃からＭＨ₂への水素移動の際（Ｇ→
Ｈ）、ＭＨ₃の水素解離で生じる冷熱は−１０℃にしか
ならず、所望の冷凍熱が得られないという問題点があっ
た。

【０００６】そこで本発明は、上記の点に鑑み、放熱部
での放熱効率が低下して放熱冷却温度が上昇しても常に
所望の低温の冷凍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。

【０００７】

【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、３種類の金属水素化物を平衡水素圧力
が低い方から高い方に順に第１、第２、第３として、常
時は、前記第１と第２の金属水素化物を用い、前記一方
の組で前記第１から第２の金属水素化物に水素を移動さ
せると共に、前記他方の組で前記第２から第１の金属水
素化物に水素を移動させ、この間、前記一方の組の前記
第１の金属水素化物は加熱し前記第２の金属水素化物は
放熱状態にすると共に、前記他方の組の前記第１の金属
水素化物は放熱状態にして前記第２の金属水素化物より
発生する冷凍熱を取り出す一方、前記放熱部における放
熱効率が低下した場合は、前記第３の金属水素化物を追
加使用して前記一方の組で更に前記第１から第３の金属
水素化物に水素を移動させると共に、前記他方の組で更
に前記第３から第１の金属水素化物に水素を移動させ、
この間、前記他方の組の前記第２の金属水素化物より発
生する冷却熱で前記一方の組の第３の金属水素化物を冷
却し、前記他方の組で前記第３の金属水素化物より発生
する冷凍熱を取り出す第１サイクルと、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凍熱を取り出す
ことを特徴とする。

【０００８】請求項２は、平衡水素圧力が最も低い第１
の金属水素化物を収納している第１、第２、第３、第４
の金属水素化物収納容器と、平衡水素圧力が中間の第２
の金属水素化物を収納している第５、第６の金属水素化
物収納容器と、平衡水素圧力が最も高い第３の金属水素
化物を収納している第７、第８の金属水素化物収納容器
と、前記第１と第２の金属水素化物収納容器の各熱交換
器を熱媒輸送管を介してそれぞれ加熱部の第１の熱交換
器又は放熱部の第１の熱交換器に第１サイクルと第２サ
イクルとで交互に切替て接続する第１の熱媒輸送管切替
部と、少なくとも前記放熱部の放熱効率が低下したとき
には前記第３と第４の金属水素化物収納容器の各熱交換
器を熱媒輸送管を介してそれぞれ加熱部の第２の熱交換
器又は放熱部の第２の熱交換器に第１サイクルと第２サ
イクルとで交互に切替て接続する第２の熱媒輸送管切替
部と、前記第５と第６の金属水素化物収納容器の各熱交
換器を熱媒輸送管を介してそれぞれ放熱部の第３の熱交
換器又は第１の中継熱媒輸送管に第１サイクルと第２サ
イクルとで交互に切替て接続する第３の熱媒輸送管切替
部と、少なくとも前記放熱部の放熱効率が低下したとき
には前記第７と第８の金属水素化物収納容器の各熱交換
器を熱媒輸送管を介してそれぞれ第２の中継熱媒輸送管
又は冷却負荷の第１の熱交換器に第１サイクルと第２サ
イクルとで交互に切替て接続する第４の熱媒輸送管切替
部と、前記第１の中継熱媒輸送管を第２の中継熱媒輸送
管又は前記冷却負荷の第２の熱交換器に前記放熱部の放
熱効率に応じて切替て接続する中継熱媒輸送管切替部
と、前記第１と第５、前記第２と第６、前記第３と第
７、前記第４と第８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接続する各水素導管および電動バル
ブとを備えていることを特徴とする

【０００９】請求項３は、平衡水素圧力が最も低い第１
の金属水素化物を収納している第１、第２の金属水素化
物収納容器と、平衡水素圧力が中間の第２の金属水素化
物を収納している第３、第４の金属水素化物収納容器
と、平衡水素圧力が最も高い第３の金属水素化物を収納
している第５、第６の金属水素化物収納容器と、前記第
１と第２の金属水素化物収納容器の各熱交換器を熱媒輸
送管を介してそれぞれ加熱部の第１の熱交換器又は放熱
部の第１の熱交換器に第１サイクルと第２サイクルとで
交互に切替て接続する第１の熱媒輸送管切替部と、前記
第３と第４の金属水素化物収納容器の各熱交換器を熱媒
輸送管を介してそれぞれ放熱部の第２の熱交換器又は第
１の中継熱媒輸送管に第１サイクルと第２サイクルとで
交互に切替て接続する第２の熱媒輸送管切替部と、少な
くとも前記放熱部の放熱効率が低下したときには前記第
５と第６の金属水素化物収納容器の各熱交換器を熱媒輸
送管を介してそれぞれ第２の中継熱媒輸送管又は冷却負
荷の第１の熱交換器に第１サイクルと第２サイクルとで
交互に切替て接続する第３の熱媒輸送管切替部と、前記
第１の中継熱媒輸送管を第２の中継熱媒輸送管又は前記
冷却負荷の第２の熱交換器に前記放熱部の放熱効率に応
じて切替て接続する中継熱媒輸送管切替部と、前記第１
と第３と第５、前記第２と第４と第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接続する各水素導
管および電動バルブとを備えていることを特徴とする。

【００１０】請求項４は、請求項３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。

【００１１】

【作用】請求項１は、３種類の金属水素化物を平衡水素
圧力が低い方から高い方に順に第１、第２、第３とし
て、常時は、前記第１と第２の金属水素化物を用い、第
１サイクルでは、一方の組で前記第１の金属水素化物を
加熱して水素を解離させ、第２の金属水素化物を常温に
保って水素を吸蔵させる。同時に、他方の組では前記第
１の金属水素化物を常温に保って第２から第１の金属水
素化物に水素を移動させ、この第２の金属水素化物より
発生する冷凍熱を取り出す。一方、前記放熱部における
放熱効率が低下した場合は、前記第３の金属水素化物を
追加して３種類の金属水素化物を用い、一方の組で更に
前記第１から第３の金属水素化物に水素を移動させると
共に、他方の組で更に前記第３から第１の金属水素化物
に水素を移動させ、この間、前記他方の組の前記第２の
金属水素化物より発生する冷却熱で前記一方の組の第３
の金属水素化物を冷却し、前記他方の組で前記第３の金
属水素化物より発生する冷凍熱を取り出す。次に、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、放熱部における放熱効率の
如何に依らず、例えば−２０℃の低温の冷凍熱を連続し
て取り出すことができる。

【００１２】請求項２は、請求項１の方法を装置に具体
化したもので、常時は、第１の金属水素化物を収納した
４器の金属水素化物収納容器と、第２の金属水素化物を
収納した２器の金属水素化物収納容器の合計６器の金属
水素化物収納容器を用い、放熱部における放熱効率が低
下した場合は、更に第３の金属水素化物収納した２器の
金属水素化物収納容器を追加して合計８器の金属水素化
物収納容器を用いる。そして、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反応により生じる冷熱を
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、吸熱により冷凍熱を取り出す。これにより、放熱部
の放熱効率が悪くなっても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、−２０℃レベルの冷凍熱を連続的
に取り出すことが可能になる。

【００１３】請求項３は、請求項２において、第１の金
属水素化物を収納する収納容器を２器にして合計６器の
収納容器を用いてシステム構成したもので、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と同様の作用
効果が得られる。

【００１４】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。

【００１５】

【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が収納されている。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。

【００１６】加熱部１０、１０は内部に熱交換器１０
ａ、１０ｂ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１１、１１、１１は風冷また
は水冷の熱交換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃ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１２は熱交換器
１２ａ、１２ｂ、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１２ａ、１２ｂで熱
交換されて外部の熱媒輸送管９に送出される。

【００１７】金属水素化物収納容器１、２の熱交換器１
ａ、２ａと加熱部１０、放熱部１１の熱交換器１０ａ、
１１ａとはそれぞれ熱媒輸送管９を介して３方切替弁１
３ａ〜１３ｄからなる熱媒輸送管切替部１３により相互
に切替接続される。金属水素化物収納容器３、４の熱交
換器３ａ、４ａと加熱部１０、放熱部１１の熱交換器１
０ｂ、１１ｂとはそれぞれ熱媒輸送管９を介して３方切
替弁１４ａ〜１４ｄからなる熱媒輸送管切替部１４によ
り相互に切替接続される。金属水素化物収納容器５、６
の熱交換器５ａ、６ａと放熱部１１の熱交換器１１ｃ、
中継熱媒輸送管１７とはそれぞれ熱媒輸送管９を介して
３方切替弁１５ａ〜１５ｄからなる熱媒輸送管切替部１
５により相互に切替に接続される。金属水素化物収納容
器７、８の熱交換器７ａ、８ａと中継熱媒輸送管１８、
冷却負荷１２の熱交換器１２ａとはそれぞれ熱媒輸送管
９を介して３方切替弁１６ａ〜１６ｄからなる熱媒輸送
管切替部１６により相互に切替接続される。

【００１８】また、中継熱媒輸送管１７は、３方切替弁
１９ａ、１９ｂよりなる中継熱媒輸送管切替部１９を介
して中継熱媒輸送管１８又は冷却負荷１２につながる熱
媒輸送管９に接続される。即ち、放熱部１１での放熱状
態が正常の場合は、中継熱媒輸送管１７は冷却負荷１２
の熱交換器１２ｂに、放熱部１１での放熱効率が低下し
た場合は、中継熱媒輸送管１７は中継熱媒輸送管１８に
切替接続される。

【００１９】一方、金属水素化物収納容器１〜４に内設
される水素給放出管１ｂ〜４ｂと金属水素化物収納容器
５〜８に内設される水素給放出管５ｂ〜８ｂとは、それ
ぞれ水素導管２０ａ〜２０ｄおよび電動バルブ２１ａ〜
２１ｄを介して相互に接続されている。

【００２０】以上の装置構成において、前述の熱媒輸送
管切換部１３〜１６の各３方切替弁、電動バルブ２１ａ
〜２１ｄは制御部２２により適宜制御される。一方、中
継熱媒輸送管切替部１９の３方切替弁１９ａ、１９ｂは
制御部２２により切替制御しても良いし、また、手動に
て切替るようにしても良い。

【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、図２及び前述した図４を用いて本実施例の動作を説
明する。

【００２２】先ず、放熱部１１の放熱効率が正常な通常
状態においては、水素平衡圧力が１番高い金属水素化物
ＭＨ₁が収納されている収納容器７、８は使用せず、水
素平衡圧力が２番目と３番目の金属水素化物ＭＨ₂とＭ
Ｈ₃が収納されている収納容器１〜６を用いて冷凍熱を
取り出す。このため、中継熱媒輸送管切替部１９を切替
えて中継熱媒輸送管１７を熱媒輸送管９を介して冷却負
荷１２の熱交換器１２ｂに接続する。また、このとき冷
却負荷１２の熱交換器１２ａは熱媒輸送管切替部１６か
ら切り離しておく。更に、収納容器７、８と水素導管２
０ｃ、２０ｄ、電動バルブ２１ｃ、２１ｄを介して接続
する収納容器３、４も、また、加熱部１０の熱交換器１
０ｂ、放熱部１１の１１ｂも使用する必要がなく、従っ
て、電動バルブ２１ｃ、２１ｄ、熱媒輸送管切替部１
４、１６も制御する必要が無くなる。要するに、放熱効
率が正常な場合は収納容器１、２、５、６とそれに付属
する機器のみを用いて−２０℃の冷凍熱を取り出す構成
となる。

【００２３】この放熱効率が正常な場合の冷却運転の第
１サイクルでは、制御部２２により少なくとも熱媒輸送
管切換部１３、１５の各３方切替弁１３ａ〜１３ｄ、１
５ａ〜１５ｄが切替制御されて、熱交換器１ａと１０
ａ、２ａと１１ａ、５ａと１１ｃとが夫々相互に接続さ
れる。また、熱交換器６ａは中継熱媒輸送管１７、中継
熱媒輸送管切替部１９、熱媒輸送管９を介して冷却負荷
12の熱交換器１２ｂに接続される。

【００２４】次いで、加熱部１０の熱交換器１０ａ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の熱交換器１ａに供給され、収納容器１内の金
属水素化物は加熱されて水素が解離され、図４Ａ状態に
示すように収納容器１内は高温（１４０℃）高圧とな
る。一方、放熱器１１の熱交換器１１ａ、１１ｃを風冷
又は水冷にて冷却し金属水素化物収納容器２、５内の熱
交換器２ａ、５ａを常温（２０℃）に保持する。これに
より、容器２、５内に収容されている金属水素化物ＭＨ
₃、ＭＨ₂も常温に保持されて、最初収納容器２内は常温
低圧に（Ｄ）、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（Ｂ）。このとき、金属水素化物ＭＨ
₂を収納している収納容器６内は水素解離により低温
（−２０℃）となり、また、Ｄに比べて高圧（Ｃ）にな
っている。

【００２５】この状態で、電動バルブ２１ａ，２１ｂを
徐々に開放すると、加熱部１０によって加熱されること
により解離された収納容器１内の水素が水素給放出管１
ｂから水素導管２０ａ、電動バルブ２１ａを通って収納
容器５に流れ、水素給放出管５ｂより内部の金属水素化
物に発熱的に吸蔵される（Ａ→Ｂ）。このとき収納容器
５に発生した熱は放熱器１１の熱交換器１１ｃで放熱さ
れる。

【００２６】同時に収納容器６内の水素が水素給放出管
６ｂから水素導管２０ｂ、電動バルブ２１ｂを通って収
納容器２に流れ、水素給放出管２ｂより内部の金属水素
化物に発熱的に吸蔵される（Ｃ→Ｄ）。このとき、収納
容器６内の金属水素化物ＭＨ₂からの水素解離により発
生する−２０℃レベルの冷凍熱は、中継熱媒輸送管１
７、中継熱媒輸送管切替部１９、熱媒輸送管９を経て熱
交換器１２ｂから冷却負荷１２に供給される。以上が冷
却運転サイクルの第１サイクルである。

【００２７】この第１サイクルの終了と共に、電動バル
ブ２１ａ，２１ｂを閉じ、１３、ｌ５を切替て、今度は
熱交換器１ａと１１ａ、２ａと１０ａ、５ａと１２ｂ、
６ａと１１ｃとを夫々相互に接続する。すると、加熱部
１０の加熱により、収納容器２内が図４のＡ状態にな
る。また、放熱部１１での熱交換器１１ｃの放熱により
収納容器６内がＢ状態になる。また、収納容器５内がＣ
状態、収納容器１内はＤ状態になる。

【００２８】次いで、第１サイクルと同様に、電動バル
ブ２１ａ、２１ｂ徐々に開いていくと、収納容器２から
収納容器６に水素移動が生じ、また、収納容器５から収
納容器１に水素移動が生じる。このとき、収納容器５で
発生する−２０℃の冷凍熱が冷却負荷１２に供給され
る。これが第２サイクルである。

【００２９】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−２０℃の冷凍熱を収納容器５と６
から交互に発生させてこの冷凍熱を冷却負荷１２に連続
的に供給することができる。

【００３０】次に、放熱部の放熱効率が低下した場合
は、３種類の金属水素化物ＭＨ₁、ＭＨ₂、ＭＨ₃を全て
用いることになり、従って、図１の構成機器は全て使用
することになる。この場合の冷却運転の第１サイクルで
は、制御部２２により熱媒輸送管切換部１３〜１６の各
３方切替弁１３ａ〜１６ａ−１３ｄ〜１６ｄを切替制御
して、熱交換器１ａと１０ａ、２ａと１１ａ、３ａと１
０ｂ、４ａと１１ｂ、５ａと１１ｃとを夫々相互に接続
する。このとき熱交換器６ａは中継熱媒輸送管１７、１
８、中継熱媒輸送管切替部１９を介して収納容器７の熱
交換器７ａに接続し、収納容器８の熱交換器８ａは冷却
器冷却負荷１２の熱交換器１２ａに接続する。

【００３１】次いで、加熱部１０の熱交換器１０ａ、１
０ｂをボイラにより正常時より強く加熱する。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のＡ状態に示すように収
納容器１、３内は高温（１６０℃）高圧となる。一方、
放熱器１１の熱交換器１１ａ〜１１ｃを風冷又は水冷に
て冷却するが、放熱効率が悪く金属水素化物収納容器
２、４、５内の熱交換器２ａ、４ａ、５ａは常温より高
い温度（３０℃）に保持される。これにより、収納容器
２、４、５内に収容されている金属水素化物ＭＨ₃、Ｍ
Ｈ₂も高めの温度に保持されて、最初収納容器２、４内
はＢ状態に、また、収納容器５内は常温でＡに比べて低
圧のＣ状態になる。このとき、金属水素化物ＭＨ₂を収
納している収納容器６内はやや低温（−１０℃）でＢに
比べてやや高圧のＤ状態、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に比べて低圧のＥ状
態、金属水素化物ＭＨ₁を収納している収納容器８内は
低温（−２０℃）でＢに比べて高圧のＦ状態になる。

【００３２】この状態で、電動バルブ２１ａ〜２１ｄを
徐々に開放すると、加熱部１０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２０ａ、２０ｃ、電動バルブ
２１ａ、２１ｃ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
生した熱は放熱部１１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２０ｂ、電動バルブ２１ｂを通って収納容器２に供給
され（Ｄ→Ｂ）、収納容器２内の金属水素化物ＭＨ₃に
発熱的に吸蔵される。このとき発生した熱は放熱部１１
の熱交換器１１ａより放熱される。

【００３３】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１０
の熱交換器１０ｂ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に水素が流れ（Ａ→Ｅ）、水素が収納容器
７に蓄積保持され次サイクル時の負荷冷却用に準備され
る。

【００３４】また、放熱部１１により常温より高めの温
度に保持されている金属水素化物ＭＨ₃の収納容器４内
は低圧の状態にあり、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４に水素導管２
０ｄを通って水素が流れ（Ｆ→Ｂ）、収納容器８の金属
水素化物ＭＨ₁から水素が解離し、その吸熱反応によ
り、−２０℃レベルの冷凍熱が発生する。発生した冷凍
熱は熱交換器８ａから１２ａを通して冷却負荷１２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。

【００３５】この第１サイクルの終了と共に、電動バル
ブ２１ａ〜２１ｄを閉じ、３方切替弁１３ａ〜ｌ６ｄを
切替て、今度は熱交換器１ａと１２ａ、２ａと１０ａ、
３ａと１１ｂ、４ａと１０ｂ、５ａと８ａ、６ａと１１
ｃ、７ａと１２ａとを夫々相互に接続する。すると、加
熱器１０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、放熱部１１での放熱により収納容器
１、３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。

【００３６】次いで、第１サイクルと同様に、電動バル
ブ２１ａ〜２１ｄを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、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多くの水素
が収納保持されていることから、水素解離が効率良く行
われて−２０℃の冷凍熱が発生し、冷却負荷１２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、放熱部１１の放熱効率が低下した
場合も−２０℃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１２に連続的に供給する
ことができる。

【００３８】このように、放熱部１１の放熱効率が低下
して放熱冷却温度が上昇した場合は中継熱媒輸送管切替
部１９を切替え、水素平衡圧力の最も高い金属水素化物
ＭＨ₁が収納されている収納容器７、８をシステムに組
み入れて、水素平衡圧力が２番目に高い金属水素化物が
収納されている収納容器５あるいは６で生じる冷熱で収
納容器７ありは８内部を冷却する。これにより、収納容
器７あるいは８内の金属水素化物からの水素解離で生じ
る冷凍熱を冷却負荷１２に供給することにより、放熱部
１２の放熱効率が低下しても−２０℃の冷凍熱を連続し
て取り出すことができるようになる。

【００３９】本発明の第２実施例を図３と図２および図
４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と異なる主な点は、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、夫々を一体化した金属水素化物収納容器２５および
２６を設た点である。

【００４０】ここで、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は第１、第２、第３の金属水素
化物ＭＨ₃、ＭＨ₂、ＭＨ₁の順にすると共に、第１の金
属水素化物ＭＨ₃の充填量を第３と第２の金属水素化物
ＭＨ₂とＭＨ₁の合計以上としている。従って、収納容器
２５および２６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２５は水素導
管２０ａ、電動バルブ２１ａ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２６は水素導管２
０ｂ、電動バルブ２１ｂを介して収納容器６および８に
結合されている。

【００４１】以上の構成で、放熱部１１の放熱効率が正
常な通常状態においては、水素平衡圧力が１番高い金属
水素化物ＭＨ₁を収納している収納容器７、８は使用せ
ず、水素平衡圧力が２番目と３番目の金属水素化物ＭＨ
₂とＭＨ₃を収納している収納容器２５、２６、５、６を
用いて冷凍熱を取り出す。このため、中継熱媒輸送管切
替部１９を切替えて中継熱媒輸送管１７を熱媒輸送管９
を介して冷却負荷１２の熱交換器１２ｂに接続する。ま
た、このとき冷却負荷１２の熱交換器１２ａは熱媒輸送
管切替部１６から切り離しておく。更に、収納容器７、
８は使用する必要がなくなることから熱媒輸送管切替部
１６も制御する必要が無くなる。

【００４２】この放熱効率が正常な場合の冷却運転の第
１サイクルでは、制御部２２により少なくとも熱媒輸送
管切換部１３、１５の各３方切替弁１３ａ〜１３ｄ、１
５ａ〜１５ｄが切替制御されて、熱交換器２５ａと１０
ａ、２６ａと１１ａ、５ａと１１ｃ、６ａと１２ｂとが
夫々相互に接続される点は前記実施例同様である。

【００４３】従って、加熱部１０の加熱により、収納容
器２５内が図４のＡ状態になる。また、放熱器１１での
放熱により収納容器５内がＢ状態になる。また、収納容
器６内がＣ状態、収納容器２６内はＤ状態になる。

【００４４】この状態で電動バルブ２１ａ，２１ｂを開
放すると、Ａ→Ｂ、Ｃ→Ｄ、つまり収納容器２５から
５、および、収納容器６から２６への水素移動が生じ
る。このとき、収納容器６内の金属水素化物ＭＨ₂から
の水素解離により発生する−２０℃レベルの冷凍熱が中
継熱媒輸送管１７、中継熱媒輸送管切替部１９、熱媒輸
送管９を経て熱交換器１２ｂから冷却負荷１２に供給さ
れる。以上が冷却運転サイクルの第１サイクルである。

【００４５】この第１サイクルの終了と共に、電動バル
ブ２１ａ，２１ｂを閉じ、熱媒輸送管切替部１３、ｌ５
を切替て、今度は熱交換器２５ａと１１ａ、２６ａと１
０ａ、５ａと１２ｂ、６ａと１１ｃとを夫々相互に接続
する。すると、加熱部１０の加熱により、収納容器２６
内が図４のＡ状態、放熱器１１での熱交換器１１ｃの放
熱により収納容器６内がＢ状態、収納容器５内がＣ状
態、収納容器２５内はＤ状態になる。

【００４６】次いで、第１サイクルと同様に、電動バル
ブ２１ａ、２１ｂを開いていくと、収納容器２６から収
納容器６に、また、収納容器５から収納容器２５に水素
移動が生じる。このとき、収納容器５で発生する−２０
℃の冷凍熱が冷却負荷１２に供給される。これが第２サ
イクルである。

【００４７】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−２０℃の冷凍熱を収納容器５と６
から交互に発生させてこの冷凍熱を冷却負荷１２に連続
的に供給することができる。

【００４８】次に、放熱状態が低下した場合は３種類の
金属水素化物ＭＨ₁、ＭＨ₂、ＭＨ₃を全て用いることに
なり、図３の機器を全て使用する。その冷却運転の第１
サイクルでは、制御部２２により熱媒輸送管切換部１
３、１５、１６の各３方切替弁１３ａ〜１３ｄ、１５ａ
〜１５ｄ、１６ａ〜１６ｄを切替制御して、熱交換器２
５ａと１０ａ、２６ａと１１ａ、５ａと１１ｃとを夫々
相互に接続する。このとき熱交換器６ａは中継熱媒輸送
管１７、１８、中継熱媒輸送管切替部１９を介して収納
容器７の熱交換器７ａに接続し、収納容器８の熱交換器
８ａは冷却器冷却負荷１２の熱交換器１２ａに接続する
点も前述実施例同様である。

【００４９】次いで、加熱部１０の熱交換器１０ａをボ
イラにより正常時より強く加熱するば、収納容器２５内
は加熱部１０により加熱されて図２のＡ状態、収納容器
２６は放熱部１１で放熱されてＢ状態、収納容器５は放
熱部１１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。

【００５０】従って、電動バルブ２１ａ、２１ｂを開け
ば、収納容器２５から５、７に、つまり図２のＡ→Ｃ、
Ａ→Ｅの水素移動が生じる。同時に、収納容器６、８か
ら２６に、図２のＦ→Ｂ、Ｄ→Ｂの水素移動が生じ、収
納容器８から−２０℃の冷凍熱を取り出すことができ
る。つまりこのときには、放熱部１１の放熱効率の低下
により、収納容器６内で生じる冷熱は−１０℃にしかな
らないが、この冷熱で収納容器７内を冷却して収納容器
７内に水素を回収することにより、次のサイクルの収納
容器７内で生じる水素解離により−２０℃の冷凍熱を取
り出すことができる。以上が冷却運転の第１サイクルで
ある。

【００５１】この第１サイクルの終了と共に、電動バル
ブ２１を閉じ、熱媒輸送管切替器１３、１５、１６を切
替て、今度は熱交換器２５ａと１１ａ、２６ａと１０
ａ、５ａと８ａ、６ａと１１ｃ、７ａと１２ａとを夫々
相互に接続する。すると、加熱部１０の加熱により、収
納容器２６内が図２のＡ状態になる。また、放熱部１１
での放熱により収納容器２５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内はＥ状態、収納容器７は内はＦ状態になる。

【００５２】次いで、第１サイクルと同様に、電動バル
ブ２１開けば、収納容器２６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２５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、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
クルで多くの水素が収納保持されていることから、水素
解離が効率良く行われて−２０℃の冷凍熱が発生し、冷
却負荷１２に供給される。これが第２サイクルである。

【００５３】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放熱部１１の放熱冷却温度が下がら
ない場合でも、−２０℃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１２に連続的に
供給することができる。

【００５４】この実施例に依れば、放熱部１１の放熱効
率の如何に依らず常に−２０℃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。

【００５５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明に依れ
ば、放熱部の放熱効率の如何に依らず、例えば−２０℃
の常に安定した冷凍熱の連続的な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、効率
の良い冷却が可能となる。

【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】従来および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。

【符号の説明】

１、２、３、４、５、６、７、８、２５、２６ 金属水
素化物収納容器 １ａ〜８ａ、１０ａ〜１２ａ、１２ｂ 熱交換器 １ｂ〜８ｂ 水素給放出管 １３〜１６ 熱媒輸送管切替部、 １３ａ〜１６ｄ ３方切替弁 １７，１８ 中継熱媒輸送管 ２０ａ〜２０ｄ 水素導管 ９ 熱媒輸送管 １０、１１ 加熱部 １１ 放熱部 １２ 冷却負荷 １９ 中継熱媒輸送管切替部 ２２ 制御部 ２１、２１ａ〜２１ｄ 電動バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−134551（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−228862（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−219455（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−157398（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25B 17/12

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【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、 ３種類の金属水素化物を平衡水素圧力が低い方から高い
   方に順に第１、第２、第３として、常時は、前記第１と
   第２の金属水素化物を用い、前記一方の組で前記第１か
   ら第２の金属水素化物に水素を移動させると共に、前記
   他方の組で前記第２から第１の金属水素化物に水素を移
   動させ、この間、前記一方の組の前記第１の金属水素化
   物は加熱し前記第２の金属水素化物は放熱状態にすると
   共に、前記他方の組の前記第１の金属水素化物は放熱状
   態にして前記第２の金属水素化物より発生する冷凍熱を
   取り出す一方、前記放熱部における放熱効率が低下した
   場合は、前記第３の金属水素化物を追加使用して前記一
   方の組で更に前記第１から第３の金属水素化物に水素を
   移動させると共に、前記他方の組で更に前記第３から第
   １の金属水素化物に水素を移動させ、この間、前記他方
   の組の前記第２の金属水素化物より発生する冷却熱で前
   記一方の組の第３の金属水素化物を冷却し、前記他方の
   組で前記第３の金属水素化物より発生する冷凍熱を取り
   出す第１サイクルと、 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
   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
   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。
2. 【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、 平衡水素圧力が最も低い第１の金属水素化物を収納して
   いる第１、第２、第３、第４の金属水素化物収納容器
   と、 平衡水素圧力が中間の第２の金属水素化物を収納してい
   る第５、第６の金属水素化物収納容器と、 平衡水素圧力が最も高い第３の金属水素化物を収納して
   いる第７、第８の金属水素化物収納容器と、 前記第１と第２の金属水素化物収納容器の各熱交換器を
   熱媒輸送管を介してそれぞれ加熱部の第１の熱交換器又
   は放熱部の第１の熱交換器に第１サイクルと第２サイク
   ルとで交互に切替て接続する第１の熱媒輸送管切替部
   と、 少なくとも前記放熱部の放熱効率が低下したときには前
   記第３と第４の金属水素化物収納容器の各熱交換器を熱
   媒輸送管を介してそれぞれ加熱部の第２の熱交換器又は
   放熱部の第２の熱交換器に第１サイクルと第２サイクル
   とで交互に切替て接続する第２の熱媒輸送管切替部と、 前記第５と第６の金属水素化物収納容器の各熱交換器を
   熱媒輸送管を介してそれぞれ放熱部の第３の熱交換器又
   は第１の中継熱媒輸送管に第１サイクルと第２サイクル
   とで交互に切替て接続する第３の熱媒輸送管切替部と、 少なくとも前記放熱部の放熱効率が低下したときには前
   記第７と第８の金属水素化物収納容器の各熱交換器を熱
   媒輸送管を介してそれぞれ第２の中継熱媒輸送管又は冷
   却負荷の第１の熱交換器に第１サイクルと第２サイクル
   とで交互に切替て接続する第４の熱媒輸送管切替部と、 前記第１の中継熱媒輸送管を第２の中継熱媒輸送管又は
   前記冷却負荷の第２の熱交換器のいずれか一方に前記放
   熱部の放熱効率に応じて切替て接続する中継熱媒輸送管
   切替部と、 前記第１と第５、前記第２と第６、前記第３と第７、前
   記第４と第８の各金属水素化物収納容器の各水素給放出
   管をそれぞれ接続する各水素導管および電動バルブとを
   備えてい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。
3. 【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、 平衡水素圧力が最も低い第１の金属水素化物を収納して
   いる第１、第２の金属水素化物収納容器と、 平衡水素圧力が中間の第２の金属水素化物を収納してい
   る第３、第４の金属水素化物収納容器と、 平衡水素圧力が最も高い第３の金属水素化物を収納して
   いる第５、第６の金属水素化物収納容器と、 前記第１と第２の金属水素化物収納容器の各熱交換器を
   熱媒輸送管を介してそれぞれ加熱部の第１の熱交換器又
   は放熱部の第１の熱交換器に第１サイクルと第２サイク
   ルとで交互に切替て接続する第１の熱媒輸送管切替部
   と、 前記第３と第４の金属水素化物収納容器の各熱交換器を
   熱媒輸送管を介してそれぞれ放熱部の第２の熱交換器又
   は第１の中継熱媒輸送管に第１サイクルと第２サイクル
   とで交互に切替て接続する第２の熱媒輸送管切替部と、 少なくとも前記放熱部の放熱効率が低下したときには前
   記第５と第６の金属水素化物収納容器の各熱交換器を熱
   媒輸送管を介してそれぞれ第２の中継熱媒輸送管又は冷
   却負荷の第１の熱交換器に第１サイクルと第２サイクル
   とで交互に切替て接続する第３の熱媒輸送管切替部と、 前記第１の中継熱媒輸送管を第２の中継熱媒輸送管又は
   前記冷却負荷の第２の熱交換器に前記放熱部の放熱効率
   に応じて切替て接続する中継熱媒輸送管切替部と、 前記第１と第３と第５、前記第２と第４と第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接続する
   各水素導管および電動バルブとを備えていることを特徴
   とする金属水素化物を利用した熱駆動型冷熱発生装置。
4. 【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。