JP3694575B2 - 水素吸蔵合金を利用した熱利用システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵合金の水素の吸蔵と放出とを繰り返して行わせ、水素の放出時に生じる吸熱作用を利用して冷熱を得る、あるいは水素の吸蔵時に生じる放熱作用を利用して温熱を得る水素吸蔵合金を利用した熱利用システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金を用いた従来の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムを、図９を用いて説明する。水素吸蔵合金を用いたヒートポンプサイクルＪ1 は、水素吸蔵合金Ｊ2 の加熱、放熱および冷熱出力を得るためにシェル＆チューブタイプの熱交換器を用いていた。
この従来技術で示すヒートポンプサイクルＪ1 は、４つのシェル＆チューブタイプの熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 を用いたもので、各熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 は水素吸蔵合金Ｊ2 と熱媒体とが熱交換可能に設けられている。第１、第２熱交換器Ｊ3 、Ｊ4 の水素吸蔵合金Ｊ2 は水素通路を介して連通し、第３、第４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 の水素吸蔵合金Ｊ2 も水素通路を介して連通して設けられている。
【０００３】
作動は、第１熱交換器Ｊ3 に加熱用の熱媒体を供給するとともに、第２熱交換器Ｊ4 に放熱用の熱媒体を供給する。すると、第１熱交換器Ｊ3 の水素が放出されて第２熱交換器Ｊ4 に吸蔵される。つまり、水素駆動が行われる。
次に、第１熱交換器Ｊ3 に供給していた加熱用の熱媒体を、放熱用の熱媒体に切り替えて供給するとともに、第２熱交換器Ｊ4 に供給していた放熱用の熱媒体を、冷熱出力用の熱媒体に切り替えて供給する。すると、第１熱交換器Ｊ3 が水素を吸蔵し、第２熱交換器Ｊ4 が水素を放出する。この第２熱交換器Ｊ4 が水素を放出する時、冷熱出力用の熱媒体が冷却される。つまり、冷熱出力が得られる。
そして、上記のサイクルを繰り返す。
【０００４】
一方、第２熱交換器Ｊ4 から冷熱出力を得ている時は、第３熱交換器Ｊ5 に加熱用の熱媒体を供給するとともに、第４熱交換器Ｊ6 に放熱用の熱媒体を供給する。すると、第３熱交換器Ｊ5 の水素が放出されて第４熱交換器Ｊ6 に吸蔵される。つまり、第１、第２熱交換器Ｊ3 、Ｊ4 で冷熱出力を得ている時は、第３、第４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 で水素駆動が行われる。
次に、第３熱交換器Ｊ5 に供給していた加熱用の熱媒体を、放熱用の熱媒体に切り替えて供給するとともに、第４熱交換器Ｊ6 に供給していた放熱用の熱媒体を、冷熱出力用の熱媒体に切り替えて供給する。すると、第３熱交換器Ｊ5 が水素を吸蔵し、第４熱交換器Ｊ6 が水素を放出する。この第４熱交換器Ｊ6 が水素を放出する時、冷熱出力用の熱媒体が冷却される。つまり、第１、第２熱交換器Ｊ3 、Ｊ4 で水素駆動が行われている時は、第３、第４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 で冷熱出力が得られる。
そして、上記のサイクルを繰り返す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
水素吸蔵合金Ｊ2 と熱媒体との熱交換を行う熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 は、シェル＆チューブタイプが用いられていたため体格が大きく、連続的に冷熱出力を得るためには、最低４個の熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 を必要とするため、ヒートポンプサイクルＪ1 が大型になってしまう不具合があった。
【０００６】
また、従来のヒートポンプサイクルＪ1 では、各熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 に、加熱用の熱媒体と放熱用の熱媒体、あるいは放熱用の熱媒体と冷熱出力用の熱媒体を切り替えて供給するため、多数の切替バルブＪ7 〜Ｊ14が必要になる。このように、多数の切替バルブＪ7 〜Ｊ14を用いると、故障確率が上昇し、耐久性の向上の妨げとなる。また、各切替バルブＪ7 〜Ｊ14は比較的高頻度で切り替わるため、作動音が目立つ不具合もあった。
【０００７】
【発明の目的】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、水素吸蔵合金と熱交換を行う熱媒体の切り替えを行う切替バルブが不要で、且つヒートポンプサイクルの小型化および高効率化が可能な水素吸蔵合金を利用した熱利用システムの提供にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムは、上記の目的を達成するために、次の技術的手段を採用した。
（請求項１の手段）
水素吸蔵合金を利用した熱利用システムは、水素吸蔵合金の水素の放出時の吸熱、または水素の吸蔵時の放熱を利用したものであって、
水素吸蔵合金が封入された偏平な第１室、この第１室内と水素通路を介して連通し、水素吸蔵合金が封入された偏平な第２室を備えたセルを複数用い、
この複数のセルを回転軸の周囲に配置して前記複数のセルを回転移動することにより、前記第１室に触れる熱媒体と、前記第２室に触れる熱媒体とを変更して、前記第１室から前記第２室、あるいは前記第２室から前記第１室へ水素を移動するように設け、
各第１室は各第２室に対して回転軸の軸方向に配置され、前記水素通路は回転軸の軸方向に隔てられた前記第１室内と前記第２室内とを連通するものであり、
前記第１室および前記第２室は前記セルの回転中心から外方向へ伸びるに従って放射方向に対して離反して配置されたことを特徴とする。
【０００９】
（請求項２の手段）
請求項１の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムにおいて、
前記第１室および前記第２室は、隣接する他の第１、第２室との間に熱媒体が通過可能な略同幅の隙間を備え、前記複数のセルの回転中心に配置される回転軸の周りに巻き付けられた渦巻き状に配置されるとともに、
前記隙間に熱媒体が流れるように設けられたことを特徴とする。
【００１０】
（請求項３の手段）
請求項１または請求項２の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムにおいて、前記第２室は水素通路を介して複数に分割して設けられ、
前記セルの回転によって、各第２室の触れる熱媒体を変更し、分割された第２室から他の第２室へ水素を移動させるとともに、分割された第２室から前記第１室へ水素を移動させ、前記セルの１回転中において複数の第２室から複数の冷熱出力を得ることを特徴とする。
【００１１】
【発明の作用および効果】
（請求項１の作用および効果）
セル移動手段によって、複数のセルを回転駆動し、各セルの第１室と第２室にそれぞれ別の熱媒体を触れさせて水素を移動させる。
具体的一例を示すと、第１室を加熱用の熱媒体に接触させると、第１室が加熱を受けて水素吸蔵合金が水素を放出する。この時、第２室を放熱用の熱媒体に接触させると、第２室内の水素吸蔵合金が水素を吸蔵する。つまり、第１室内の水素吸蔵合金から第２室の水素吸蔵合金へ水素が移動する。
次に、第１室を放熱用の熱媒体に接触させると、第１室が放熱による温度低下を受けて水素吸蔵合金が水素を吸蔵する。この時、第２室を冷熱出力用の熱媒体に接触させた状態で、第２室内の水素吸蔵合金から水素を放出させる。すると、冷熱出力用の熱媒体が冷却され、冷熱出力が得られる。
【００１２】
本発明の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムは、水素吸蔵合金に接触する熱媒体の種類を切り替えて水素吸蔵合金と熱交換を行うのではなく、セルを回転移動することで水素吸蔵合金自体が移動して接触する熱媒体の種類を変更しているので、従来技術のように、熱媒体の種類を切り替える切替バルブが不要となる。このように、切替バルブが不要になるため、熱媒体切り替えのための作動騒音を低減できるとともに、故障確率を低減でき、長期の信頼性を高めることができる。
【００１３】
偏平な第１、第２室を備える複数のセルを回転移動させて第１、第２室に触れる熱媒体を切り替える構成を採用するため、従来に比較してヒートポンプサイクルの体格を小型化できる。
また、偏平に設けられた第１、第２室がセルの回転中心から外方向へ伸びるに従って放射方向に対して離反して配置されるため、第１、第２室と熱媒体との接触面積が大きくなるとともに、第１、第２室が放射状配置されるタイプに比較して隙間が少なく、同体積内における水素吸蔵合金の分布密度が高まる。
このため、セルの回転径寸法を小さくでき、ヒートポンプサイクルの体格を大変小型化できる。あるいは、第１、第２室と熱媒体との接触面積の増大および水素吸蔵合金の分布密度の高まりによって、ヒートポンプサイクルにおける熱交換効率を向上できる。
【００１４】
（請求項２の作用および効果）
第１、第２室が回転軸の周りに巻き付けられた状態で配置されるため、セルの回転範囲内における隙間が大変小さくなり、水素吸蔵合金の分布密度が大変高まり、結果的にヒートポンプサイクルの熱交換効率を向上できる。
また、隙間に熱媒体が流れるように設けられ、その熱媒体が通過する隙間が略同幅に設けられているため、第１、第２室に沿って流れる熱媒体の流れが整流されて流速が速くなる。熱媒体の流速が速くなることにより、熱媒体と水素吸蔵合金との熱交換量が増大し、ヒートポンプサイクルの熱交換効率を高めることができる。
【００１５】
（請求項３の作用および効果）
第２室を複数に分割して設け、セルの１回転中において複数の第２室から複数の冷熱出力を得るように設けたため、ヒートポンプサイクルの冷却効率を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、実施例および変形例に基づき説明する。
〔第１実施例の構成〕
第１実施例は、本発明の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムを室内空調用の冷房装置に適用したもので、この第１実施例を図１ないし図６を用いて説明する。
【００１７】
（冷房装置１の概略説明）
本実施例の冷房装置１の概略構成を、図２を用いて説明する。この実施例では、水素吸蔵合金を用いたヒートポンプサイクル２の一例として２段式サイクルを用いた。なお、２段式サイクルとは、本発明の第２室を分割し、第１室から分割された一方の第２室に水素の移動を行い、一方の第２室から他方の第２室へ水素を移動させて１段目の冷熱出力を得、他方の第２室から第１室へ水素を移動させて２段目の冷熱出力を得るもので、詳細は後述する。
【００１８】
本実施例の適用される冷房装置１は、大別して、水素吸蔵合金を用いたヒートポンプサイクル２と、水素吸蔵合金を加熱する加熱水（加熱用の熱媒体に相当する、本実施例では水）を作り出す燃焼装置３と、水素吸蔵合金を冷却する放熱水（放熱用の熱媒体に相当する、本実施例では水）を冷却する放熱水冷却手段４と、水素吸蔵合金の水素放出作用によって生じた吸熱によって冷却された冷熱出力水（冷熱出力用の熱媒体に相当する、本実施例では水）で室内を空調する室内空調機５と、搭載された各電気機能部品を制御する制御装置６とから構成される。
【００１９】
なお、ヒートポンプサイクル２、燃焼装置３、放熱水冷却手段４および制御装置６は、室外機７として室外に設置されるもので、室内には室内空調機５が配置される。また、本実施例に示す冷房装置１は、１つの室外機７に対して、複数の室内空調機５が接続可能な所謂マルチエアコンである。
【００２０】
（ヒートポンプサイクル２の説明）
本実施例のヒートポンプサイクル２は、上述のように２段式サイクルを用いたもので、図１に示すように、水素吸蔵合金が封入された上段室Ｓ1 （第１室に相当する）、この上段室Ｓ1 内に水素通路Ｓ4 を介して連通し、水素吸蔵合金が封入された中段室Ｓ2 （第２室に相当する）、中段室Ｓ2 内に水素通路Ｓ4 を介して連通し、水素吸蔵合金が封入された下段室Ｓ3 （第２室に相当する）を備えたセルＳを複数用いる。なお、この実施例では、１２〜１８個のセルＳを用いた。
【００２１】
水素吸蔵合金は、水素平衡圧力が異なる３種を用いたもので、上段室Ｓ1 内には同一平衡水素圧で水素平衡温度が最も高い高温度水素吸蔵合金（以下、高温合金ＨＭ）の粉末を封入し、中段室Ｓ2 内には中温度水素吸蔵合金（以下、中温合金ＭＭ）の粉末を封入し、下段室Ｓ3 内には同一平衡水素圧で水素平衡温度が最も低い低温度水素吸蔵合金（以下、低温合金ＬＭ）の粉末を封入したものである。
このことを図６のＰＴ冷凍サイクルを用いて説明すると、水素吸蔵合金の特性が、相対的に高温側（図示左側）にあるのが高温合金ＨＭ、低温側にあるのが低温合金ＬＭ、両者の中間にあるのが中温合金ＭＭである。
【００２２】
１つのセルＳは、ステンレスあるいは銅など、水素透過の無い金属を用いて、真空ろう付けや溶接等の接合方法によりセル容器（上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 および水素通路Ｓ4 を形成する容器）を最中状に成形し、内部に粉末状の水素吸蔵合金を充填し、真空引きを行ったのち、活性化処理を施し、水素を高圧充填して開口部に金属蓋をして溶接により密封したものである。
１つのセルＳの外形は、図３および図４に示されるように、それぞれ偏平容器状の上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の一辺側が、内部に水素通路Ｓ4 が形成された棒状の連結部Ｓ5 によって連結された形状を呈する。
【００２３】
各上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は、偏平形状であるに加えて円弧状に設けられているため、一方の面が凸状に湾曲して設けられるとともに、対向する他方の面が凹状に湾曲して設けられている。また、各上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の内部には、多数の耐圧柱（図示しない、例えばコルゲートフィン、オフセットフィン等）が接合された状態で設けられている。
このように設けられることにより、真空引き時の低圧下、および水素充填時の高圧下において、各室の対向する面に引っ張り応力と圧縮応力がかかるとともに、対向する面の距離を多数の耐圧柱が一定に保つため、各室の変形が小さく抑えられ、結果的に偏平な室を実現している。
【００２４】
複数のセルＳは、略円柱形状を呈する回転軸８の周囲に複数のセルＳの各連結部Ｓ5 が固定されている。この回転軸８は、図示しないセル移動手段によって回転駆動されるもので、このセル移動手段は例えばモータで、ゆっくりと連続的に複数のセルＳを回転させるものである（例えば、１時間に２０周ほど）。
回転軸８に固定された偏平形状の各上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は、回転軸８から外方向へ伸びるに従い放射線に対して離反して配置される（図５参照）。
具体的には、各上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は、隣接する他の上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 との間に略同幅の隙間を備え、回転軸８の周りに円弧状に巻き付けられた渦巻き状に配置されている。この隙間は、熱媒体が通過可能なもので、この実施例では、熱媒体が隙間を流れるように設けられている。
【００２５】
この実施例では、上記隙間を流れる熱媒体を効率的に各上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 に接触させるために、各室の周囲にデバイダー９を設けている。このデバイダー９は、熱媒体を各室に沿って流すことによって熱媒体の放熱ロスを減少させるとともに、熱媒体の流れを整流させて流速を速くして熱交換量を増大して熱交換効率をアップさせるもので、さらにセルＳが後述する水素駆動部α→第１冷熱出力部β→第２冷熱出力部γを循環する境界において室の対向面が異なった熱媒体に触れる不具合を回避して熱交換効率をアップさせるものである。
【００２６】
このデバイダー９は、各室を覆うもので、断熱性に優れた樹脂材料等によって設けられている。このデバイダー９の内面には、熱媒体を室に沿って流す複数の熱媒体通路９ａが形成されている。この熱媒体通路９ａは、略溝状に設けられたもので、熱媒体の流れを整流させて流速を速くするために、流れ方向に沿って一定の深さと幅に設けられている。また、デバイダー９の外端と中心側上部には、熱媒体通路９ａへの熱媒体の給排が行われる給排口９ｂが設けられている。なお、この実施例では、外端の給排口９ｂが熱媒体を熱媒体通路９ａに導く供給口であり、中心側の給排口９ｂが熱媒体通路９ａを通過した熱媒体を排出する排出口である。
【００２７】
２段式サイクルのヒートポンプサイクル２は、図１に示すように、上段室Ｓ1 内の水素を強制的に下段室Ｓ3 内に移動させる水素駆動部αと、下段室Ｓ3 内に移動した水素を中段室Ｓ2 に移動させる第１冷熱出力部βと、中段室Ｓ2 内に移動した水素を上段室Ｓ1 に移動させる第２冷熱出力部γとを備える。
なお、水素駆動部α、第１冷熱出力部β、第２冷熱出力部γは、略１２０°間隔に設けられたもので、後述する凹部Ｍ1 、Ｍ2 の配置によって区画されている。
【００２８】
水素駆動部αは、上段室Ｓ1 と接触する加熱水（例えば８０℃ほど）が供給される加熱域α1 、中段室Ｓ2 と接触する昇圧水（例えば５６℃ほど）が供給される中段昇圧域α2 、下段室Ｓ3 と接触する放熱水（例えば２８℃ほど）が供給される下段放熱域α3 を備える。
第１冷熱出力部βは、上段室Ｓ1 と接触する昇圧水（例えば５８℃ほど）が供給される上段昇圧域β1 、中段室Ｓ2 と接触する放熱水（例えば２８℃ほど）が供給される中段放熱域β2 、下段室Ｓ3 と接触した冷熱出力水（例えば１３℃ほど）が出力される下段冷熱出力域β3 を備える。
第２冷熱出力部γは、上段室Ｓ1 と接触する放熱水（例えば２８℃ほど）が供給される上段放熱域γ1 、中段室Ｓ2 と接触する冷熱出力水（例えば１３℃ほど）が出力される中段冷熱出力域γ2 を備える。なお、第２冷熱出力部γにおいて下段室Ｓ3 と接触する熱媒体の温度は不問であり、その部分を不問域γ3 とする。
【００２９】
そして、図示しないセル移動手段により回転軸８が回転することにより、上段室Ｓ1 の群が加熱域α1 →上段昇圧域β1 →上段放熱域γ1 を循環するものであり、中段室Ｓ2 の群が中段昇圧域α2 →中段放熱域β2 →中段冷熱出力域γ2 を循環するものであり、下段室Ｓ3 の群が下段放熱域α3 →下段冷熱出力域β3 →不問域γ3 を循環するものである。
【００３０】
上段室Ｓ1 の群は、上段容器Ｋ1 に覆われ、内部に加熱域α1 、上段昇圧域β1 、上段放熱域γ1 が設けられている。また、中段室Ｓ2 の群は、中段容器Ｋ2 に覆われ、内部に中段昇圧域α2 、中段放熱域β2 、中段冷熱出力域γ2 が設けられている。さらに、下段室Ｓ3 の群は、下段容器Ｋ3 に覆われ、内部に下段放熱域α3 、下段冷熱出力域β3 、不問域γ3 が設けられている。
【００３１】
上段容器Ｋ1 、中段容器Ｋ2 、下段容器Ｋ3 は、連続的に繋がって設けられた容器Ｋ（例えば、樹脂製の容器）で、この容器Ｋには、図５に示すように、上、中、下段容器Ｋ1 、Ｋ2 、Ｋ3 内に熱媒体を給排する１６本の熱媒体配管１０が接続されている。具体的には、上段容器Ｋ1 には加熱域α1 、上段昇圧域β1 、上段放熱域γ1 のための６本の熱媒体配管１０が接続され、中段容器Ｋ2 には中段昇圧域α2 、中段放熱域β2 、中段冷熱出力域γ2 のための６本の熱媒体配管１０が接続され、下段容器Ｋ3 には下段放熱域α3 、下段冷熱出力域β3 のための４本の熱媒体配管１０が接続されている。
【００３２】
上、中、下段容器Ｋ1 、Ｋ2 、Ｋ3 には、熱媒体配管１０によって供給される熱媒体を水素駆動部α、第１冷熱出力部β、第２冷熱出力部γの上、中、下各域内のデバイダー９の給排口９ｂ（外端）に導く凹部Ｍ1 、そして、給排口９ｂ（中心側）から排出される熱媒体を集合させる凹部Ｍ2 が設けられており、熱媒体配管１０によって給排される熱媒体が所定の範囲内（略１２０°間隔の水素駆動部α、第１冷熱出力部β、第２冷熱出力部γ）においてデバイダー９内に直接給排されるように設けられている。
なお、各デバイダー９に設けられた給排口９ｂは、凹部Ｍ1 、Ｍ2 が設けられていない容器Ｋの内壁に接触、あるいは接近して回転し、上記内壁は水素駆動部α、第１冷熱出力部β、第２冷熱出力部γの仕切りとなっている。
また、この実施例では、図１に示すように熱媒体を、外側の給排口９ｂ→熱媒体通路９ａ→中心側の給排口９ｂに流す例を示すが、逆に内側から外側へ流しても良い。
【００３３】
（ヒートポンプサイクル２における上記以外の構成部品の説明）
図２に示す符号１１は、上段昇圧域β1 と中段昇圧域α2 とに昇圧水を循環させる昇圧水循環路で、途中に設けられた昇圧水循環ポンプＰ1 ’によって昇圧水が循環する。なお、昇圧水は、加熱域α1 で温度上昇した上段室Ｓ1 、上段容器Ｋ1 からの伝熱により温度上昇した水を用いたもので、ヒートポンプサイクル２の作動中、上段昇圧域β1 の昇圧水の温度は例えば５８℃程で、中段昇圧域α2 の昇圧水の温度は例えば５６℃程になる。
【００３４】
（燃焼装置３の説明）
本実施例の燃焼装置３は、燃料であるガスを燃焼して熱を発生させ、発生した熱によって加熱水を加熱するガス燃焼装置を用いたもので、ガスの燃焼を行うガスバーナ１２、このガスバーナ１２へガスの供給を行うガス量調節弁１３およびガス開閉弁１４を備えたガス供給回路１５、ガスバーナ１２へ燃焼用の空気を供給する燃焼ファン１６、ガスの燃焼熱と加熱水とを熱交換する熱交換器１７等から構成される。
そして、ガスバーナ１２のガス燃焼で得られた熱で、加熱水を例えば８０℃程に加熱し、加熱された加熱水を加熱水循環ポンプＰ1 を備えた加熱水循環路１８を介して加熱域α1 に供給するものである。
なお、本実施例の加熱水循環ポンプＰ1 は、昇圧水循環ポンプＰ1 ’を駆動する兼用のモータによって駆動されるタンデムポンプである。このため、燃焼装置３から加熱水がヒートポンプサイクル２に供給される際は、昇圧水も循環作動するように設けられている。
【００３５】
（室内空調機５の説明）
室内空調機５は、上述のように室内に配置されるもので、内部に室内熱交換器１９、この室内熱交換器１９に供給される冷熱出力水と室内空気とを強制的に熱交換し、熱交換後の空気を室内に吹き出させるための室内ファン２０を備える。室内熱交換器１９には、下段冷熱出力域β3 および中段冷熱出力域γ2 から供給される冷熱出力水を循環させる冷熱出力水循環路２１が接続され、この冷熱出力水循環路２１の途中（室外機７内）には、冷熱出力水を循環させる冷熱出力水ポンプＰ2 が設けられている。
【００３６】
（放熱水冷却手段４の説明）
放熱水冷却手段４は、水冷開放型の冷却塔であり、この放熱水冷却手段４によって冷却された放熱水は、放熱水循環ポンプＰ3 を備えた放熱水循環路２２によって下段放熱域α3 、中段放熱域β2 、上段放熱域γ1 に供給される。
放熱水冷却手段４は、下段放熱域α3 、中段放熱域β2 、上段放熱域γ1 を通過した放熱水を、上方から下方へ流し、流れている間に外気と熱交換して放熱するとともに、流れている間に一部蒸発させて、蒸発時に流れている放熱水から気化熱を奪い、流れている放熱水を冷却するものである。また、この放熱水冷却手段４は、図示しない放熱ファンを備え、この放熱ファンの生じる空気流によって放熱水の蒸発および冷却を促進するように設けられている。
なお、この実施例では、放熱水冷却手段４として水冷開放型の冷却塔を示したが、放熱水（放熱用の熱媒体）が空気に触れずに熱交換する水冷密閉型あるいは空冷密閉型の冷却手段を用いても良い。
【００３７】
ここで、上記に示す加熱水循環路１８、冷熱出力水循環路２１および放熱水循環路２２は、それぞれシスターンＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 を備えており、シスターンＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 内の水位が所定水位以下に低下すると、それぞれに設けられた給水バルブＴ4 、Ｔ5 、Ｔ6 が開き、給水管２３から供給される水道水をシスターンＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 内に補充するように設けられている。
また、ヒートポンプサイクル２の下部にはドレンパンＰが配置され、ヒートポンプサイクル２に発生したドレン水を排水管２４から排水するように設けられている。なお、放熱水冷却手段４で溢れた水も排水管２４から排水するように設けられている。
【００３８】
（制御装置６の説明）
制御装置６は、室内空調機５に設けられたコントローラ（図示しない）からの操作指示や、複数設けられた各センサの入力信号に応じて、上述の加熱水循環ポンプＰ1 （昇圧水循環ポンプＰ1 ’）、冷熱出力水ポンプＰ2 、放熱水循環ポンプＰ3 、給水バルブＴ4 、Ｔ5 、Ｔ6 、放熱水冷却手段４の放熱ファンなどの電気機能部品、および燃焼装置３の電気機能部品（燃焼ファン１６、ガス量調節弁１３、ガス開閉弁１４、図示しない点火装置等）を制御するとともに、室内空調機５に室内ファン２０の作動指示を与えるものである。
【００３９】
（冷房運転の作動説明）
上記の冷房装置１による冷房運転の作動を、図６のＰＴ冷凍サイクル線図を参照して説明する。
冷房運転が室内空調機５のコントローラによって指示されると、制御装置６によって、燃焼装置３、セル移動手段、放熱ファンおよび加熱水循環ポンプＰ1 （昇圧水循環ポンプＰ1 ’）、冷熱出力水ポンプＰ2 、放熱水循環ポンプＰ3 が作動するとともに、冷房が指示された室内空調機５の室内ファン２０をONする。
【００４０】
セル移動手段によって、複数のセルＳがゆっくりと連続的に回転移動する。これによって、複数のセルＳが、水素駆動部α→第１冷熱出力部β→第２冷熱出力部γの順で移動する。
つまり、各上段室Ｓ1 が加熱域α1 →上段昇圧域β1 →上段放熱域γ1 の順で移動し、各中段室Ｓ2 が中段昇圧域α2 →中段放熱域β2 →中段冷熱出力域γ2 の順で移動し、各下段室Ｓ3 が下段放熱域α3 →下段冷熱出力域β3 →不問域γ3 の順で移動する。
【００４１】
水素駆動部αへ進入したセルＳは、上段室Ｓ1 が加熱水に触れ、中段室Ｓ2 が昇圧水に触れ、下段室Ｓ3 が放熱水に触れる。
上段室Ｓ1 が加熱水（８０℃）に触れることにより、上段室Ｓ1 の内圧が上昇し、高温合金ＨＭが水素を放出する。
中段室Ｓ2 が昇圧水（５６℃）に触れることにより、中段室Ｓ2 の内圧が中温合金ＭＭが水素を吸蔵しない圧力まで上昇する。
下段室Ｓ3 が放熱水（２８℃）に触れることにより、下段室Ｓ3 の内圧が下がり、低温合金ＬＭが水素を吸蔵する。
【００４２】
このように、上段室Ｓ1 が加熱域α1 で加熱水に触れ、中段室Ｓ2 が中段昇圧域α2 で昇圧水に触れ、下段室Ｓ3 が下段放熱域α3 の放熱水に触れることにより、上段室Ｓ1 内が８０℃；１．０ＭＰａ、中段室Ｓ2 内が５６℃；１．０ＭＰａ、下段室Ｓ3 内が２８℃；０．９ＭＰａとなり、上段室Ｓ1 の高温合金ＨＭが水素を放出し（図６の▲１▼）、下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭが水素を吸蔵する（図６の▲２▼）。なお、中段室Ｓ2 は昇圧水によって加熱されて内圧が高く、中温合金ＭＭは水素の吸蔵は行わない。
そして、水素駆動部αを通過したセルＳは、その後第１冷熱出力部βへ移動する。
【００４３】
第１冷熱出力部βへ進入したセルＳは、上段室Ｓ1 が昇圧水に触れ、中段室Ｓ2 が放熱水に触れ、下段室Ｓ3 が冷熱出力水に触れる。
上段室Ｓ1 が昇圧水（５８℃）に触れることにより、上段室Ｓ1 の内圧が高温合金ＨＭが水素を吸蔵しない圧力まで上昇する。
中段室Ｓ2 が放熱水（２８℃）に触れることにより、中段室Ｓ2 の内圧が下がり、中温合金ＭＭが水素を吸蔵し、下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭが水素を放出する。
低温合金ＬＭが水素を放出するため、下段室Ｓ3 内で吸熱が生じ、下段室Ｓ3 に触れる冷熱出力水が例えば１３℃に冷やされる。なお、低温合金ＬＭは、冷熱出力水が１３℃くらいでは、下段室Ｓ3 の内圧が中段室Ｓ2 の内圧より高くなるように設けられている。
【００４４】
このように、上段室Ｓ1 が上段昇圧域β1 で昇圧水に触れ、中段室Ｓ2 が中段放熱域β2 で放熱水に触れ、下段室Ｓ3 が下段冷熱出力域β3 の冷熱出力水に触れることにより、上段室Ｓ1 内が５８℃；０．５ＭＰａ、中段室Ｓ2 内が２８℃；０．４ＭＰａ、下段室Ｓ3 内が１３℃；０．５ＭＰａとなり、下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭが水素を放出し（図６の▲３▼）、中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を吸蔵する（図６の▲４▼）。下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭが水素を放出する際、吸熱作用により下段室Ｓ3 に触れる冷熱出力水から熱を奪い冷熱出力水の温度を低下させる。なお、上段室Ｓ1 は、昇圧水によって加熱されて内圧が高く、高温合金ＨＭは水素の吸蔵は行わない。
そして、第１冷熱出力部βを通過したセルＳは、その後第２冷熱出力部γへ移動する。
【００４５】
第２冷熱出力部γへ進入したセルＳは、上段室Ｓ1 が放熱水に触れ、中段室Ｓ2 が冷熱出力水に触れ、下段室Ｓ3 が不問水に触れる。
上段室Ｓ1 が放熱水（２８℃）に触れることにより、上段室Ｓ1 の内圧が下がり、高温合金ＨＭが水素を吸蔵し、中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を放出する。
中温合金ＭＭが水素を放出するため、中段室Ｓ2 内で吸熱が生じ、中段室Ｓ2 に触れる冷熱出力水が例えば１３℃に冷やされる。なお、中温合金ＭＭは、冷熱出力水が１３℃くらいでは、中段室Ｓ2 の内圧が上段室Ｓ1 の内圧より高くなるように設けられている。
【００４６】
このように、上段室Ｓ1 が上段放熱域γ1 で放熱水に触れることにより、上段室Ｓ1 内が２８℃；０．１ＭＰａ、中段室Ｓ2 内が１３℃；０．２ＭＰａ、下段室Ｓ3 内は不問状態となり、中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を放出し（図６の▲５▼）、上段室Ｓ1 の高温合金ＨＭが水素を吸蔵する（図６の▲６▼）。中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を放出する際、吸熱作用により中段室Ｓ2 に触れる冷熱出力水から熱を奪い冷熱出力水の温度を低下させる。なお、下段室Ｓ3 の温度は無関係で、下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭは水素の吸蔵は行わない。
そして、第２冷熱出力部γを通過したセルＳは、その後水素駆動部αへ移動する。
【００４７】
なお、ヒートポンプサイクル２の下段冷熱出力域β3 および中段冷熱出力域γ2 で熱を奪われた低温の冷熱出力水は、冷熱出力水循環路２１を介して室内空調機５の室内熱交換器１９に供給されて、室内に吹き出される空気と熱交換されて室内を冷房する。
【００４８】
〔実施例の効果〕
本発明を適用した冷房装置１のヒートポンプサイクル２は、従来のようなシェル＆チューブタイプの熱交換器を複数用いるのではなく、偏平な複数の室を備えるセルＳを複数集合し、１つの容器Ｋ内で回転させるものであるため、シェル＆チューブタイプの熱交換器を複数用いた従来のヒートポンプサイクルに比較して、本実施例のヒートポンプサイクル２の体格を大変小型化することができ、結果的に冷房装置１の室外機７を小型化できる。
【００４９】
本実施例の冷房装置１は、従来技術のように水素吸蔵合金に接触する熱媒体の種類を切り替えて水素吸蔵合金と熱交換を行うのではなく、セル移動手段が複数のセルＳを移動することで水素吸蔵合金自体が移動して熱媒体の種類（加熱水、放熱水、昇圧水、冷熱出力水）を変更しているので、ヒートポンプサイクル２において熱媒体の種類を切り替える切替バルブが不要になる。
このように、本実施例の冷房装置１は、ヒートポンプサイクル２において熱媒体を頻繁に切り替える切替バルブが不要であるため、従来に比較して作動音が減少するとともに、故障確率が減少し、結果的に長期の信頼性が向上する。
【００５０】
特に本発明では、各上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 を回転中心から外方向へ伸びるに従って放射方向に対して離反して配置し、具体的な態様として回転軸８の周囲に渦巻き状に巻き付けてセルＳ間の隙間を略同幅に設けているため、容器Ｋ内における無駄なスペースがない。このため、各室と熱媒体との接触面積が大きく、容器Ｋ内における高、中、低温合金ＨＭ、ＭＭ、ＬＭの分布密度が大変高まる。
この結果、セルＳの回転径寸法（容器Ｋの外径寸法）を小さくでき、ヒートポンプサイクル２の体格を大変小型化できる。あるいは、ヒートポンプサイクル２の効率が大きく向上し、冷房装置１の冷却能力を高くできる。
【００５１】
また、各上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 に沿って流れる熱媒体の流れが、デバイダー９によって整流されて速くなるため、熱媒体の熱交換ロスが減り、ヒートポンプサイクル２の冷却効率を高めることができる。
さらに、セルＳが水素駆動部α→第１冷熱出力部β→第２冷熱出力部γを循環する境界において室の対向面が異なった熱媒体に触れる不具合が回避され、熱交換効率の低減を防ぐことができる。
【００５２】
〔第２実施例〕
次に、本発明の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムを冷暖房装置に適用した第２実施例を示す。なお、図７は本発明を適用した冷暖房装置の概略構成図である。
本実施例の冷暖房装置３０は、上記の実施例で示した冷房運転の実施に加え、暖房運転時に、燃焼装置３で加熱された加熱水を室内空調機５の室内熱交換器１９に導いて室内暖房を行うもので、第１実施例で示した加熱水循環路１８と冷熱出力水循環路２１とを接続し、その接続部分に流路切替用の３つの切替バルブＶ1 、Ｖ2 、Ｖ3 （冷房と暖房の切替バルブ）を設けたものである。
なお、室内空調機５の他に、床暖房マット、浴室乾燥機などに接続し、加熱水の供給によって床暖房、浴室暖房などを行うように設けても良い。
【００５３】
〔変形例〕
上記の実施例では、各室の周囲にデバイダー９を設けた例を示したが、デバイダー９を用いなくても良い。
具体的な一例を示すと、図８に示すように、各上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 を回転軸８の周りに巻き付けられた状態で配置するとともに、上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 と、隣接する他の上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 との間に略同幅の隙間を設け、その隙間に熱媒体が流されるように設けても良い。このようにデバイダー９を廃止しても、容器Ｋ内における水素吸蔵合金の分布密度が高まる効果を有するとともに、隙間が略同幅であるため、その隙間を流れる熱媒体の流れが整流されて流速が速くなり、熱媒体と水素吸蔵合金との熱交換量が増えてヒートポンプサイクル２の熱交換効率を高めることができる。
【００５４】
上記の実施例では、説明を容易化するために、図面の上下に応じて上段室Ｓ1 、中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3 とした例を示したが、セルＳの回転方向を横に向けたり、反転させるなど、他の向きに配置しても良い。また、上段室Ｓ1 、中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3 の配置を入れ換えても良い。さらに、セルＳの移動方向を逆にしても良い。このような場合は、勿論、各室に接触する各熱媒体の配置位置もヒートポンプサイクルが成り立つように入れ換える。
【００５５】
上記の実施例では、昇圧用の熱媒体として、加熱域α1 で温度上昇した上段室Ｓ1 を冷却して温度上昇した熱媒体（実施例中では昇圧水）を用いた例を示したが、加熱手段（例えば、燃焼装置による昇温、電気ヒータによる昇温、排熱を利用した昇温など）によって昇温した熱媒体を用いても良い。
上記の実施例では、ヒートポンプサイクル２の一例として、２段式サイクルを用いた例を示したが、１段式サイクルに用いても良いし、第２室を３つ以上分割して３段式以上のサイクルとして用いても良い。
【００５６】
上記の実施例では、１つの室外機７に複数の室内空調機５が接続可能なマルチエアコンを示したが、１つの室外機７に１つの室内空調機５が接続されるエアコンに本発明を適用しても良い。
上記の実施例では、ヒートポンプサイクル２によって得られた冷熱出力用の熱媒体（実施例中では冷熱水）で室内を冷房する例を示したが、冷熱出力用の熱媒体で冷蔵運転や冷凍運転に用いるなど、本発明を他の冷却装置として用いても良い。
【００５７】
上記の実施例では、１つのヒートポンプユニット（１つの容器Ｋ内に複数のセルＳを収納したユニット）を用いた例を示したが、複数のヒートポンプユニットを搭載して冷却能力を増大させ、ビル用空調システムなど大きな冷却能力が要求される冷却装置に用いても良い。
【００５８】
上記の実施例では、加熱用の熱媒体（実施例中では加熱水）を加熱する加熱手段として、ガスを燃焼するガス燃焼装置を用いたが、石油を燃焼する石油燃焼装置など、他の燃焼装置を用いても良いし、内燃機関の排熱によって加熱用の熱媒体を加熱する加熱手段、ボイラーによる蒸気、電気ヒータを用いた加熱手段など、他の加熱手段を用いても良い。なお、内燃機関の排熱を利用する際は、車両用に用いることもできる。
【００５９】
上記の実施例では、各熱媒体の一例として、水道水を用いたが、不凍液やオイルなど他の液体の熱媒体を用いても良いし、空気など気体の熱媒体を用いても良い。
上記の実施例では、複数のセルＳをセル移動手段によって連続的に回転させた例を示したが、セルＳを間欠的に回転移動させても良い。
上記の実施例では、水素吸蔵合金が水素を放出する際の吸熱作用により冷熱出力を得る冷却装置を例に示したが、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際の放熱作用により温熱出力を得る加熱装置（例えば暖房装置など）に本発明を適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヒートポンプサイクルの作動説明図である（第１実施例）。
【図２】冷房装置の概略構成図である（第１実施例）。
【図３】デバイダーが設けられたセルの斜視図である（第１実施例）。
【図４】セルの部分斜視図である（第１実施例）。
【図５】デバイダーに覆われたセルの斜視図である（第１実施例）。
【図６】ＰＴ冷凍サイクル線図である（第１実施例）。
【図７】冷暖房装置の概略構成図である（第２実施例）。
【図８】セルを軸方向から見た図である（変形例）。
【図９】冷房装置の概略構成図である（従来例）。
【符号の説明】
ＨＭ 高温合金（水素吸蔵合金）
ＭＭ 中温合金（水素吸蔵合金）
ＬＭ 低温合金（水素吸蔵合金）
Ｓ セル
Ｓ1 上段室（第１室）
Ｓ2 中段室（第２室）
Ｓ3 下段室（第２室）
Ｓ4 水素通路
８ 回転軸

Claims (3)

1. 水素吸蔵合金の水素の放出時の吸熱、または水素の吸蔵時の放熱を利用した水素吸蔵合金を利用した熱利用システムであって、
   水素吸蔵合金が封入された偏平な第１室、この第１室内と水素通路を介して連通し、水素吸蔵合金が封入された偏平な第２室を備えたセルを複数用い、
   この複数のセルを回転軸の周囲に配置して前記複数のセルを回転移動することにより、前記第１室に触れる熱媒体と、前記第２室に触れる熱媒体とを変更して、前記第１室から前記第２室、あるいは前記第２室から前記第１室へ水素を移動するように設け、
   各第１室は各第２室に対して回転軸の軸方向に配置され、前記水素通路は回転軸の軸方向に隔てられた前記第１室内と前記第２室内とを連通するものであり、
   前記第１室および前記第２室は前記セルの回転中心から外方向へ伸びるに従って放射方向に対して離反して配置された
   ことを特徴とする水素吸蔵合金を利用した熱利用システム。
2. 請求項１の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムにおいて、
   前記第１室および前記第２室は、隣接する他の第１、第２室との間に熱媒体が通過可能な略同幅の隙間を備え、前記複数のセルの回転中心に配置される回転軸の周りに巻き付けられた渦巻き状に配置されるとともに、
   前記隙間に熱媒体が流されるように設けられた
   ことを特徴とする水素吸蔵合金を利用した熱利用システム。
3. 請求項１または請求項２の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムにおいて、
   前記第２室は水素通路を介して複数に分割して設けられ、
   前記セルの回転によって、各第２室の触れる熱媒体を変更し、分割された第２室から他の第２室へ水素を移動させるとともに、分割された第２室から前記第１室へ水素を移動させ、前記セルの１回転中において複数の第２室から複数の冷熱出力を得る
   ことを特徴とする水素吸蔵合金を利用した熱利用システム。

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