JP3734950B2 - 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て、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】
従来の水素吸蔵合金を利用した熱利用システムを、図１２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】
水素吸蔵合金が封入される容器（上記の従来技術ではチューブ）の表面を熱媒体が流れて、容器を介して熱媒体と水素吸蔵合金との熱交換が行われるが、容器の熱媒体と触れる部分は平滑であったため、熱媒体と水素吸蔵合金との熱交換効率が悪かった。
【０００６】
【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、容器に触れる熱媒体と容器内の水素吸蔵合金との熱交換効率を向上させることのできる水素吸蔵合金を利用した熱利用システムの提供にある。
【０００７】
【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、
内部に水素吸蔵合金を封入した容器の熱媒体と接触する部分には、凹凸が設けられ、
前記凹凸は、前記容器に接合される凹凸形成部材によって形成され、
前記凹凸形成部材は、パンチングメタルであることを特徴とする。
【００１１】
（請求項２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、
内部に水素吸蔵合金を封入した容器の熱媒体と接触する部分には、凹凸が設けられ、
前記容器は、偏平な容器形状に設けられ、前記容器を構成する一方の面は凹凸を混成した状態で設けられ、前記一方の面に対向する他方の面は前記一方の面の凹凸形状に沿う凹凸に設けられたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の作用および効果】
（請求項１の作用および効果）
熱媒体と接触する部分に凹凸が設けられたことにより、容器の表面を流れる熱媒体に乱流が生じる、あるいは容器の表面積が増大する。この結果、熱媒体と容器との接触する機会が増大する、あるいは接触面積が増大することにより、熱伝達量が増えるため、容器の表面を流れる熱媒体と容器内の水素吸蔵合金との熱交換効率が向上する。
また、容器の表面に凹凸形成部材を接合して容器の表面に凹凸を設けているため、生産性に優れる。
さらに、凹凸形成部材としてパンチングメタルを用いたことにより、表面に凹凸を備える容器を安価に製造できる。
【００１６】
（請求項２の作用および効果）
熱媒体と接触する部分に凹凸が設けられたことにより、容器の表面を流れる熱媒体に乱流が生じる、あるいは容器の表面積が増大する。この結果、熱媒体と容器との接触する機会が増大する、あるいは接触面積が増大することにより、熱伝達量が増えるため、容器の表面を流れる熱媒体と容器内の水素吸蔵合金との熱交換効率が向上する。
一方、容器は、内部の水素吸蔵合金と、外部の熱媒体とを仕切る容器であるため、熱の伝達性を向上させるべく、可能な限り容器板厚を薄くする要求がある。しかし、セルの製造時における水素吸蔵合金の活性化のための真空引きや、水素の高圧充填、およびセル使用時における加熱による高圧化のため、容器には高圧および低圧に対する耐圧要求があり、耐圧確保のために容器板厚を薄くできない不具合があった。
【００１７】
そこで、容器を偏平に設けるとともに、一方の面を凸状に設け、対向する他方の面を凹状に設ける技術を考えてみた場合、真空引き時の低圧下、および水素充填時や使用時の高圧下において、対向する面に引っ張り応力と圧縮応力がかかって応力が打消合い、各容器の変形が小さく抑えられ、結果的に耐圧性が向上し、容器板厚を薄くできることを見出した。
この技術をさらに発展させ、一方の面の凸の曲率および他方の面の凹の曲率を小さくして耐圧性を向上させ、容器板厚をさらに薄くしようとした場合、容器の凸方向の高さ寸法が大きくなってしまう。すると、容器への水素吸蔵合金の装填が困難になり、水素吸蔵合金の装填量が限定されてしまう。
【００１８】
そこでさらに、偏平な容器の一方の面に凹凸を混成させ、その一方の面に対向する他方の面に、一方の面の凹凸形状に沿う凹凸形状を設けた。この結果、凹凸の曲率が小さくでき、耐圧性が向上し、容器板厚を薄くできる。また、１つの容器に凹凸が混成した状態であるため、凹凸方向の寸法を小さくできる。この結果、水素吸蔵合金の装填量が規制されずに済む。
つまり、容器を凹凸に設けたことにより容器の表面積が増えて容器の表面を流れる熱媒体と容器内の水素吸蔵合金との熱交換効率が向上するとともに、水素吸蔵合金の装填量が規制されずに容器の容器板厚が薄くでき、この結果からも水素吸蔵合金と熱媒体との熱交換効率が向上する。
【００１９】
【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８を用いて説明する。
【００２０】
（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５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。
【００２１】
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させる放熱水（放熱用の熱媒体に相当する、本実施例では水）を放熱によって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。
【００２２】
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。
【００２３】
（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６に示すように、水素吸蔵合金が封入された上段容器Ｓ1 、この上段容器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容器Ｓ2 、中段容器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容器Ｓ3 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。
【００２４】
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、上段容器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、中段容器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、下段容器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８のＰＴ冷凍サイクル線図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。
【００２５】
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容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 を偏平容器の最中状に成形し、これらを水素通路Ｓ4 が形成された棒状の連結部Ｓ5 によって結合した後に、容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の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。
【００２６】
各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は、上述のように偏平形状に設けられるとともに、図３に示すように、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の対向面間に亘って多数の耐圧柱ａを配設し、対向面と耐圧柱ａとが接合されている。
本実施例に示す耐圧柱ａは、耐引張応力、耐圧縮応力に優れた金属製（例えば銅、アルミニウム、ステンレス等）のオフセットフィンＦ（あるいはコルゲートフィン）によって構成される。各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の内壁とオフセットフィンＦとの接合は、ろう付け等の接合技術で接合されたもので、本実施例では容器を形成する際に、一体ろう付けされたものである。なお、本実施例では、熱伝導性向上のために、耐圧柱ａを熱伝導性に優れた金属である銅によって形成している。また、また、本実施例では、オフセットフィンＦ（あるいはコルゲートフィン）を２層積層固着したものを用いているが、１層あるいは３層以上であっても良い。
【００２７】
各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の対向面を多数の耐圧柱ａを介して接合したことにより、各容器の内部に封入された水素吸蔵合金に水素を付与するための真空引きや水素の高圧充填を行っても、多数の耐圧柱ａが対向面の距離を一定に保つため、容器の変形が抑えられる。また、耐圧柱ａにオフセットフィンＦを用いることにより、水素吸蔵合金と耐圧柱ａとの接触面積を大きくでき、熱媒体と水素吸蔵合金との熱交換面積が拡大化する。
このように、耐圧柱ａは、容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の変形防止と、熱交換面積の拡大化の効果を兼用している。
【００２８】
また、偏平形状を呈する各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は、回転軸８の周囲に巻き付けられた状態に設けられている。このため、各容器の一方の面が凸状に湾曲するとともに、対向する他方の面が凹状に湾曲している。このように、各容器の対向面を同方向に湾曲して設けることにより、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、各容器の対向面に引っ張り応力と圧縮応力がかかり、この結果からも各容器の変形が小さく抑えられる。
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）。
【００２９】
各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の表面には凹凸が設けられ、表面に沿って流れる熱媒体を乱流にするように設けられている。この凹凸は、容器の表面に接合される凹凸形成部材によって形成されるもので、本実施例の凹凸形成部材は、図１および図２に示すパンチングメタルＰＭを用いている。このパンチングメタルＰＭは、熱伝導性の高い銅板（例えば、板厚０．３ｍｍ）に多数の長穴ＰＭ1 （例えば、幅２ｍｍ、長さ２５ｍｍ）を開けたもので、ろう付けによってパンチングメタルＰＭの全面が容器の表面に接合される。パンチングメタルＰＭの長穴ＰＭ1 部分が凹部になり、長穴ＰＭ1 以外の部分が凸部になる。長穴ＰＭ1 の長手方向は、熱媒体の流れ方向に対して直角方向にのびて設けられている。
なお、容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の材料として熱伝導性にあまり優れないステンレス板を使用した場合は、使用するステンレス板としてより薄板を用い、その表面に熱伝導性の高い銅等のパンチングメタルＰＭをろう付けによって接合して容器自体の熱伝導性を向上させて熱交換ロスを低減させると良い。
【００３０】
各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は、図３および図４に示すようにデバイダー９によって覆われている。このデバイダー９は、熱媒体を各容器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、熱媒体の流速を速くして熱交換量を増大させることで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に移動する境界において容器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。
このデバイダー９は、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 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、熱媒体を容器に沿って流す熱媒体通路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、熱媒体の流速を速くするために、浅く設けられている。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へ熱媒体の供給を行うとともに、熱媒体通路９ａを通過した熱媒体を排出する給排口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へ供給する供給口であり、中心側の給排口９ｂが熱媒体通路９ａを通過した熱媒体を外部へ排出する排出口である。
【００３１】
２段式サイクルのヒートポンプサイクル２は、図６に示すように、上段容器Ｓ1 内の水素を強制的に下段容器Ｓ3 内に移動させる水素駆動部αと、下段容器Ｓ3 内に移動した水素を中段容器Ｓ2 に移動させる第１冷熱出力部βと、中段容器Ｓ2 内に移動した水素を上段容器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。
【００３２】
水素駆動部αは、上段容器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 、中段容器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 、下段容器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、上段容器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 、中段容器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 、下段容器Ｓ3 と接触する冷熱出力水（例えば１３℃ほど）が供給される下段冷熱出力域β3 を備える。
第２冷熱出力部γは、上段容器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 、中段容器Ｓ2 と接触する冷熱出力水（例えば１３℃ほど）が供給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において下段容器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。
【００３３】
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、上段容器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、中段容器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、下段容器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。
【００３４】
上段容器Ｓ1 の群は、上段水槽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、中段容器Ｓ2 の群は、中段水槽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、下段容器Ｓ3 の群は、下段水槽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。
【００３５】
上段水槽Ｋ1 、中段水槽Ｋ2 、下段水槽Ｋ3 は、連続的に繋がって設けられた水槽Ｋ（例えば、樹脂製の容器）で、この水槽Ｋには、図７に示すように、上、中、下段水槽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、上段水槽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、中段水槽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、下段水槽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。
【００３６】
上、中、下段水槽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の外端の給排口９ｂに導く凹部Ｍ1 が設けられるとともに、中心側の給排口９ｂから排出される熱媒体を収集させる凹部Ｍ2 が設けられており、この凹部Ｍ1 、Ｍ2 の配置および長さにより略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が決定される。
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水槽Ｋの内壁に接触、あるいは接近して回転し、凹部Ｍ1 、Ｍ2 が設けられていない水槽Ｋの内壁が水素駆動部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。
なお、この実施例では、図６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、逆に中心側から外側へ流しても良い。
【００３７】
（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５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容器Ｓ1 、上段水槽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。
【００３８】
（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。
【００３９】
（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。
【００４０】
（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。
【００４１】
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。
【００４２】
（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。
【００４３】
（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８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。
【００４４】
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、各上段容器Ｓ1 が加熱域α1 →上段昇圧域β1 →上段放熱域γ1 の順で移動し、各中段容器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、各下段容器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。
【００４５】
水素駆動部αへ進入したセルＳは、上段容器Ｓ1 が加熱水に触れ、中段容器Ｓ2 が昇圧水に触れ、下段容器Ｓ3 が放熱水に触れる。
上段容器Ｓ1 が加熱水（８０℃）に触れることにより、上段容器Ｓ1 の内圧が上昇し、高温合金ＨＭが水素を放出する。
中段容器Ｓ2 が昇圧水（５６℃）に触れることにより、中段容器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。
下段容器Ｓ3 が放熱水（２８℃）に触れることにより、下段容器Ｓ3 の内圧が下がり、低温合金ＬＭが水素を吸蔵する。
【００４６】
このように、上段容器Ｓ1 が加熱域α1 で加熱水に触れ、中段容器Ｓ2 が中段昇圧域α2 で昇圧水に触れ、下段容器Ｓ3 が下段放熱域α3 の放熱水に触れることにより、上段容器Ｓ1 内が８０℃：１．０ＭＰａ、中段容器Ｓ2 内が５６℃：１．０ＭＰａ、下段容器Ｓ3 内が２８℃：０．９ＭＰａとなり、上段容器Ｓ1 の高温合金ＨＭが水素を放出し（図８の▲１▼）、下段容器Ｓ3 の低温合金ＬＭが水素を吸蔵する（図８の▲２▼）。なお、中段容器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。
【００４７】
第１冷熱出力部βへ進入したセルＳは、上段容器Ｓ1 が昇圧水に触れ、中段容器Ｓ2 が放熱水に触れ、下段容器Ｓ3 が冷熱出力水に触れる。
上段容器Ｓ1 が昇圧水（５８℃）に触れることにより、上段容器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。
中段容器Ｓ2 が放熱水（２８℃）に触れることにより、中段容器Ｓ2 の内圧が下がり、中温合金ＭＭが水素を吸蔵し、下段容器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、下段容器Ｓ3 内で吸熱が生じ、下段容器Ｓ3 に触れる冷熱出力水が例えば入水時１３℃のものが７℃まで冷やされる。なお、低温合金ＬＭは、冷熱出力水が１３℃くらいでは、下段容器Ｓ3 の内圧が中段容器Ｓ2 の内圧より高くなるように設けられている。
【００４８】
このように、上段容器Ｓ1 が上段昇圧域β1 で昇圧水に触れ、中段容器Ｓ2 が中段放熱域β2 で放熱水に触れ、下段容器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、上段容器Ｓ1 内が５８℃：０．５ＭＰａ、中段容器Ｓ2 内が２８℃：０．４ＭＰａ、下段容器Ｓ3 内が１３℃：０．５ＭＰａとなり、下段容器Ｓ3 の低温合金ＬＭが水素を放出し（図８の▲３▼）、中段容器Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を吸蔵する（図８の▲４▼）。下段容器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容器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、上段容器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。
【００４９】
第２冷熱出力部γへ進入したセルＳは、上段容器Ｓ1 が放熱水に触れ、中段容器Ｓ2 が冷熱出力水に触れ、下段容器Ｓ3 が不問水に触れる。
上段容器Ｓ1 が放熱水（２８℃）に触れることにより、上段容器Ｓ1 の内圧が下がり、高温合金ＨＭが水素を吸蔵し、中段容器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、中段容器Ｓ2 内で吸熱が生じ、中段容器Ｓ2 に触れる冷熱出力水が例えば１３℃のものが７℃まで冷やされる。なお、中温合金ＭＭは、冷熱出力水が１３℃くらいでは、中段容器Ｓ2 の内圧が上段容器Ｓ1 の内圧より高くなるように設けられている。
【００５０】
このように、上段容器Ｓ1 が上段放熱域γ1 で放熱水に触れることにより、上段容器Ｓ1 内が２８℃：０．１ＭＰａ、中段容器Ｓ2 内が１３℃：０．２ＭＰａ、下段容器Ｓ3 内は不問状態となり、中段容器Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を放出し（図８の▲５▼）、上段容器Ｓ1 の高温合金ＨＭが水素を吸蔵する（図８の▲６▼）。中段容器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容器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、下段容器Ｓ3 の温度は無関係で、下段容器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。
【００５１】
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。
【００５２】
〔実施例の効果〕
各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の表面には、パンチングメタルＰＭを接合して設けた多数の凹凸によって、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の表面を流れる熱媒体に乱流が生じる。この結果、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の表面に向かう熱媒体の流れが形成されて、熱媒体と容器との接触する機会が増え、熱媒体と容器との熱伝達量が増えることによって、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 内の合金ＬＭ、ＭＭ、ＨＭとの熱交換効率が向上する。また、パンチングメタルＰＭによる凹凸によって、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の表面積が増え、容器の表面と熱媒体との接触面積が増えて熱媒体と容器との熱伝達量が増えることによって、熱交換効率が向上する。
各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 にパンチングメタルＰＭを接合することで、容器の表面に凹凸を設けているため、容器自体を加工して凹凸を形成するより、容易かつ安価に製造できるため、容器の生産性に優れる。
【００５３】
〔第２実施例〕
図９および図１０は第２実施例を示すもので、図９はセルＳの斜視図、図１０はセルＳの断面図である。
上記の実施例では、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の表面に凹凸を設ける手段として、凹凸形成部材（パンチングメタルＰＭ）を容器の表面に接合して設けた例を示したが、この第２実施例では容器自体に凹凸を設けたものである。具体的に本実施例では、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は偏平な容器形状に設けられるとともに、容器を構成する一方の面に凹凸を混成した状態で設け、一方の面に対向する他方の面を一方の面の凹凸形状に沿う凹凸に設けたものである。なお、容器の内部には、内部対向面間に接合される多数の耐圧柱（図示しない、コルゲートフィンやオフセットフィン等によってなる）が設けられ、容器の変形を防いでいる。
【００５４】
さらに、本実施例のセルＳを具体的に説明する。
容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 および連結部Ｓ5 は、図１０の（ｂ）に示すように、合金ＨＭ、ＭＭ、ＬＭをそれぞれ独立して装填する３つの装填室を備えた合金装填部材Ｓａと、水素通路Ｓ4 を形成する通路部材Ｓｂとを、各合金装填部材Ｓａ内に水素吸蔵合金を装填した状態で組付け、真空ろう付けや溶接等の接合方法により一体化して形成したもので、一部に設けられた開口部（図示しない）から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を溶接等により密封したものである。なお、合金装填部材Ｓａおよび通路部材Ｓｂは、ステンレスや銅など、水素透過の無い金属板を用いてプレス加工によって製造したものである。
【００５５】
１つのセルＳの外形は、図９に示されるもので、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 はそれぞれ偏平容器形状を呈し、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の一辺が、内部に水素通路Ｓ4 を形成する連結部Ｓ5 によって連結され、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 および連結部Ｓ5 は連続した凹凸形状に設けられている。この凹凸は湾曲した曲面によって構成されるもので、１つの容器を構成する一方の面が凹凸が混成した状態に設けられ、一方の面に対向する他方の面が、一方の面の凹凸形状に平行的に沿う凹凸に設けられたものである。
この凹凸を言い換えて説明すると、１つの容器において、１つ以上の凸部と、１つ以上の凹部とが存在する凹凸混成なものである。具体的な凹凸形状は、図１０の（ａ）に示すように、軸方向（容器の連結方向）のみに設けられたもので、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 において、１つの凸部と２つの凹部とが存在する丸みを帯びた逆Ｗ字形に設けられている。
【００５６】
このような凹凸を各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 や連結部Ｓ5 に設けると、セルＳの製造時における真空引き時の低圧下や水素充填時、および使用時の高圧下において、対向する面に引っ張り応力と圧縮応力がかかって応力が打消合い、セルＳの変形が小さく抑えられ、結果的に耐圧性が向上するため、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の合金装填部材Ｓａの容器板厚を薄くでき、容器板厚による熱伝導性を向上できる。
また、各容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 に凹凸を設けたことにより、容器の表面積が増えて、容器と熱媒体との接触面積が増えて、熱伝達量が増大し、容器の表面を流れる熱媒体と容器内の水素吸蔵合金との熱交換効率が向上する。
【００５７】
容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の凹凸形状は、湾曲した曲面で構成されるため、局部的な応力集中が緩和され、耐圧性が向上し、この技術によっても容器板厚を薄くできる。
複数のセルＳは、回転軸８の周りに放射状に集積配置されるが、凹凸ピッチが小さいため、凹凸の曲率を小さくしても凹凸方向（集積方向）の寸法を小さくでき、放射状に配置したセルＳ同士の干渉が抑えられる。この結果、セルＳ同士の干渉によりセルＳの数を減らす必要がない。
【００５８】
なお、この第２実施例では、容器の凹凸の一例として、１つの容器において１つの凸部と２つの凹部を設けた例を示すが、１つの凹部と２つの凸部を設けたり、凹凸のピッチを他のピッチに設けたり、凹凸方向の寸法を他の寸法に設けても良い。
この第２実施例では、容器の凹凸の一例として、セルＳの軸方向（例えば、ｘ軸方向とする）に凹凸を設けた例を示したが、水素通路Ｓ4 に対して直交方向（例えば、ｙ軸方向とする）に凹凸を設けても良い。つまり、セルＳの軸方向から見て容器が凹凸湾曲するように設けても良い。また、ｘ軸、ｙ軸の両軸に凹凸を設けても良い。また、連結部Ｓ5 も湾曲させた例を示したが、直線的に設けても良い。
この第２実施例では、凹凸形状を湾曲する曲面に設けた例を示したが、ジグザグなど、直線的に凹凸形状が変化するものであっても良い。
第３実施例として、ゴルフ球のディンプルのような小さな凹凸を多数設けるなどして、容器の表面積を増大させるように設けても良い。
【００５９】
〔変形例〕
上記の実施例では、各容器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１１に示すように、各容器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、容器Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 と、隣接する他の容器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、水槽Ｋ内の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速くなり、水素吸蔵合金と熱交換する熱媒体の熱交換量が増えて、ヒートポンプサイクル２の効率を高めることができる。
【００６０】
上記の第１、第２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、説明を容易化するために、図面の上下に応じて上段容器Ｓ1 、中段容器Ｓ2 、下段容器Ｓ3 とした例を示したが、上下の配置を変更したり横に配置するなどしても良い。このような場合は、勿論、各容器に供給する各熱媒体もヒートポンプサイクルが成り立つように入れ替える。
【００６１】
上記の実施例では、複数のセルＳを水槽Ｋ内で回転させることで各容器に触れる熱媒体の種類を切り替える例を示したが、複数のセルＳを固定し、熱媒体の種類を切り替えて各容器に触れさせるように設けても良い。つまり、例えば、複数のセルＳを固定し、回転によって複数の熱媒体を切り替えて出力する回転式の分配器と、分配された複数の熱媒体を再び収集して熱媒体源へ戻す収集器とによって、デバイダー９の内側の熱媒体通路９ａに熱媒体の種類を切り替えて供給しても良い。
【００６２】
上記の実施例では、冷房運転のみを行う例を示したが、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に導いて温風吹出による室内暖房を行うように設けても良い。また、室内空調機５の他に、床暖房マット、浴室乾燥機などに加熱水を供給可能に設け、床暖房や浴室乾燥を行うように設けても良い。
【００６３】
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容器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容器を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。
【００６４】
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。
上記の実施例では、１つのヒートポンプユニット（１つの水槽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。
【００６５】
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。
【００６６】
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、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】容器の側面図である（第１実施例）。
【図２】セルの部分斜視図である（第１実施例）。
【図３】デバイダーが設けられたセルの断面図である（第１実施例）。
【図４】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５】冷房装置の概略構成図である（第１実施例）。
【図６】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７】ヒートポンプユニットの斜視図である（第１実施例）。
【図８】ＰＴ冷凍サイクル線図である（第１実施例）。
【図９】セルの斜視図である（第２実施例）。
【図１０】セルの断面図である（第２実施例）。
【図１１】複数のセルが回転軸の周囲に装着された状態を示す断面図である（変形例）。
【図１２】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 上段容器
Ｓ2 中段容器
Ｓ3 下段容器
ＰＭ パンチングメタル（凹凸形成部材）

Claims (2)

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、
   内部に水素吸蔵合金を封入した容器の熱媒体と接触する部分には、凹凸が設けられ、
   前記凹凸は、前記容器に接合される凹凸形成部材によって形成され、
   前記凹凸形成部材は、パンチングメタルである
   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。
2. 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、
   内部に水素吸蔵合金を封入した容器の熱媒体と接触する部分には、凹凸が設けられ、
   前記容器は、偏平な容器形状に設けられ、前記容器を構成する一方の面は凹凸を混成した状態で設けられ、前記一方の面に対向する他方の面は前記一方の面の凹凸形状に沿う凹凸に設けられた
   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。

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