JP4271284B2 - ガス吸・脱着反応を利用した熱移動システムにおける顕熱回収装置および顕熱回収方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本願発明は、ガスの吸蔵、脱着反応を利用して熱を移動させるシステムにおいて、該システムの動作により発生する顕熱を効率的に回収してシステムの効率を向上させる顕熱回収方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金やゼオライト等のガス吸・脱着反応を利用して熱の移動を行うシステムとして冷凍システム、冷房システム、暖房システム、ヒートポンプ等がある。
上記システムでは、システムの効率を向上させるために、顕熱を回収して有効に利用する方法が実用化されている。
図８は、水素吸蔵合金を用いた従来の冷凍システムを示すものであり、ガス吸・脱着槽である２つの水素吸蔵合金槽間でブラインを相互に移動（循環）させて顕熱の回収、利用を行っている。具体的には、水素吸蔵合金槽５０と水素吸蔵合金槽５１とを、互いにブラインの授受を行えるように開閉可能なブライン輸送路５２、５３で連結し、該輸送路５２の中途に顕熱回収用ポンプ５４を設ける。また上記システムでは、水素吸蔵合金槽５０と水素吸蔵合金槽５１とが水素移動路５５で連結されており、該水素移動路５５には、複数の弁の動作によって水素ガス流方向の切換が可能な水素ガス圧縮装置５６が設けられている。該システムでは、水素ガス圧縮装置５６を動作させて一方の水素吸蔵合金槽５０または５１で高温ブラインを使用しつつ水素の吸収を行うとともに、他方の水素吸蔵合金槽５１または５０で低温ブラインを使用しつつ水素の放出を行う。上記の水素の吸放出後は、各水素吸蔵合金槽５０、５１へのブラインの供給を停止した後、顕熱回収ポンプ５４を作動させて各水素吸蔵合金槽５０、５１間で相互にブラインを移動させて顕熱の回収を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した顕熱回収方法では、高温のブラインと低温のブラインとがそれぞれのガス吸・脱着槽で大量に混ざり合って中間の温度で顕熱の回収がなされるため、顕熱の回収効率は理論的にも最大で５０％であり、実際は熱損失によりさらに低い回収効率しか得られず十分な回収効率とはいえない。顕熱の回収効率はシステム全体の効率にも影響するため、より高い回収効率で顕熱を回収できる回収装置および回収方法の開発が望まれている。そこで、回収効率を上げる方法としてはバッファ用のタンクを設け、一方の槽で用いられたブラインが直ちに他方の槽に供給されないようにしてブライン同士の混合を防ぐ方法も考えられるが、高温のブラインと低温のブラインとでバッファ用タンクを共用すると熱損失が大きく高い回収効率が得られず、他方、それぞれのブライン用にタンクを用意すると大きなスペースが必要になり、装置が大型化するという問題がある。
本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ガス吸・脱着反応を利用した熱移動システムにおいて、顕熱を効率的に回収することができる顕熱回収装置および顕熱回収方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のうち、第１の発明のガス吸・脱着反応を利用した熱移動システムにおける顕熱回収方法は、ガス吸・脱着反応を利用して熱移動させるべく、高温ブラインと低温ブラインとが選択的に、かつ時期を異にして使用される２以上のガス吸・脱着槽との間に、高温ブラインを収容する高温領域と低温ブラインを収容する低温領域とが可動ラムによって区画して設けられた顕熱回収タンクを前記各ガス吸・脱着槽にそれぞれ二つ設けられたブライン出入口に前記高温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路と前記低温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路とを対峙するようにそれぞれ連結しておき、一の動作において、高温ブラインを用いた一のガス吸・脱着槽から上記高温ブラインを顕熱回収タンクの高温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの低温領域に収容されている低温のブラインを高温ブラインを取り出した上記ガス吸・脱着槽に供給して高温の顕熱の蓄熱および低温の顕熱の供給を行い、二の動作において、低温ブラインを用いた他のガス吸・脱着槽から低温のブラインを顕熱回収タンクの低温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの高温領域に収容されている高温のブラインを低温ブラインを取り出した上記他のガス吸・脱着槽に供給して低温の顕熱の蓄熱および高温の顕熱の供給を行い、上記一の動作と二の動作とを前後して繰り返し行うことを特徴とする。
【０００８】
上記システムにおけるガスの吸・脱着材料としては、代表的には水素吸蔵合金を挙げることができるが、要は、ガスの吸蔵、脱着を可逆的に行うことができる材料であればよい。例えば吸着剤としてガスの吸着、離脱を行ったり、反応によってガスの吸収、放出を行ったりするものを使用することができる。すなわち、上記ガス吸蔵にはガス吸着やガス吸収が含まれ、ガス脱着にはガス離脱やガス放出が含まれる。上記材料としては吸着、離脱を行う材料として活性炭、カーボンファイバー、ゼオライト、シリカ、アルミナ等を挙げることができ、また反応によって水素ガスの吸収、放出を行う材料として上記水素吸蔵合金を挙げることができる。該水素吸蔵合金は排熱や自然エネルギ等を利用して効率的に水素の吸放出を行うことができるという利点を有している。
ガスの吸蔵と脱着とを交互に行わせる方法としては、各種の材料に適した方法が採られるが、加熱、冷却による熱駆動や圧縮機等を用いた圧力駆動の方法が挙げられる。この場合、雰囲気圧を下げることにより材料に吸蔵されているガスを脱着でき、雰囲気圧を上げることによって材料にガスを吸蔵させることができる。
【０００９】
上記システムに利用される本願発明では、区画された高温領域と低温領域とが設けられた顕熱回収タンクを有している。この顕熱回収タンクは、一つのタンクで構成されて内部が上記領域に区画されているものが望ましい。このように領域を区画することにより高温のブラインと低温のブラインとがタンク内で混ざり合って熱を損失するのを避けることができる。
なお、顕熱回収タンク内を上記領域に区画する場合には、可動ラムで内部を区切ることによって可変容積の高温領域と低温領域とを得る。これにより一方の領域でブラインの導入または排出がなされると、これに伴って同時に他方の領域においてブラインの排出または導入が強制的になされるので、最小限のスペースを用いて顕熱の回収作業が効率的になされる。また、この場合、可動ラムを上下に移動可能なものにして回収タンク内を上下に区画し、ラム上方側を可変容積の低温領域、ラム下方側を可変容積の高温領域に割り当てるのが望ましい。これにより、ブラインが回収タンク内に導入される際に高温のブラインの場合には、早期なもの程、高温であることから、タンク内で速やかに高温領域の上方に移動し、一方、低温のブラインの場合には、早期なもの程、低温であることから、タンク内で速やかに低温領域の下方に移動して、領域内で温度差による対流が生じるのを極力さけて顕熱回収の効率を一層向上させることができる。
【００１０】
本発明では、一方のガス吸・脱着槽で使用された高温または低温のブラインが、速やかに顕熱回収タンクに導入されて顕熱が蓄熱されるとともに顕熱回収タンクに収容されていた低温または高温のブラインは一方のガス吸・脱着槽に供給されて顕熱の回収がなされる。その後、他方のガス吸・脱着槽には、顕熱回収タンクに導入された上記高温または低温のブラインが供給されて顕熱が蓄熱されるとともに顕熱回収タンクに収容されていた低温または高温のブラインは一方のガス吸・脱着槽に供給されて顕熱の回収がなされる。なお、上記において、顕熱回収タンクへの先行するブラインの導入は高温ブライン、低温ブラインのいずれであってもよい。上記の先行動作と後の動作とは連続して、または適宜の間隔をおいて繰り返し行われる。なお、動作間隔はシステムの動作上の制約がなければできるだけ短時間とするのが望ましい。
上記の行程により、高温ブラインと低温ブラインとの混合が抑えられて高い回収効率と優れた作業効率とにより顕熱が回収されることになる。また、ブラインを一時的に貯蔵する際にも少ないスペースにより装置を構成することができる。
【００１１】
【発明の実施形態】
（実施形態１）
以下に、本発明の一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
本願発明が適用される熱移動システムである冷凍システムは、水素吸蔵合金ＭＨを内部収容室に収容した、対の水素吸蔵合金槽１、２を有しており、該水素吸蔵合金槽１、２がガス吸・脱着槽を構成している。なお、この実施形態では、高温ブライン、低温ブラインともに空気を使用するものとしており、高温ブラインは３０℃、低温ブラインはー１０℃を温度の目途としている。したがって、上記水素吸蔵合金ＭＨには、上記温度を考慮してその材料が選定される。
上記水素吸蔵合金槽１、２には、内部熱交換路に連結されたブライン輸送路１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂが設けられており、該ブライン輸送路１ａ〜２ｂには、それぞれ４ポート２位置の切換弁３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの１ポートが連結されている。上記切換弁３ａ〜４ｂの他の２つのポートには、それぞれ高温ブライン供給装置５の高温ブライン流路５ａ、５ｂと低温ブライン供給装置６の低温ブライン流路６ａ、６ｂとが３ポート２位置の切換弁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂの各ポートを介して連結されている。また、切換弁３ａ〜３ｄの残りの１ポートには、後述する顕熱回収タンク１０のブライン輸送路１０ａ、１０ｂが連結されている。これにより、顕熱回収タンク１０は、ブライン輸送路を介してガス吸・脱着槽の出入口部に対峙して連結されることになる。
【００１２】
上記切換弁３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂでは、水素吸蔵合金槽１、２側のポートをを基準として、その一つの位置では高温ブライン供給装置５側の切換弁７ａ、７ｂと連通し、他の一つの位置では低温ブライン供給装置６側の切換弁８ａ、８ｂと連通し、さらに他の位置では、顕熱回収タンク１０側の輸送路１０ａ、１０ｂと連通するように弁路が切り換えられる。また、切換弁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂでは、ブライン供給装置５、６側のポートを基準として、一つの位置では水素吸蔵合金槽１側の切換弁３ａ、３ｂと連通し、他の位置では水素吸蔵合金槽２側の切換弁４ａ、４ｂと連通するように切り換えられる。
【００１３】
なお、上記高温ブライン流路５ｂの中途には、高温ブライン供給ポンプ１２、低温ブライン流路６ｂの中途には低温ブライン供給ポンプ１３が設けられており、ブライン輸送路１０ｂには、送方向切換可能なブライン回収ポンプ１５が設けられている。これらポンプによって各流路、輸送路を通してブラインが移動する。
また、水素吸蔵合金槽１、２の内部収容室同士は、水素移動路１７で連結されており、該移動路１７の中途には、水素ガス圧縮装置２０が設けられている。該水素ガス圧縮装置２０は、水素移動路１７の中途に設けた複路２１ａ、２１ｂを有しており、該複路２１ａ、２１ｂにはそれぞれ開閉弁２２ａ、２３ａおよび開閉弁２２ｂ、２３ｂが直列に設けられており、上記開閉弁２２ａ、２３ａ間の複路２１ａと開閉弁２２ｂ、２３ｂ間の複路２１ｂとの間にガス圧縮機２４が連結されており、上記開閉２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂの開閉動作により、水素移動路１７におけるガス流方向を切り換えるように構成されている。
また、顕熱回収タンク１０は、内部に上下に移動可能なラム１１が配置されており、該ラム１１によってタンク１０内が可変容積で上下に区画されている。この区画領域は、上方側が低温領域Ｌに割り当てられ、下方側が高温領域Ｈに割り当てられており、低温領域Ｌにブライン輸送路１０ａ、高温領域Ｈにブライン輸送路１０ｂが連通している。この結果、低温領域Ｌと高温領域Ｈとは、水素吸蔵合金槽１、２においてそれぞれブライン輸送路１ａと１ｂおよびブライン輸送路２ａと２ｂに対峙して連結されることになる。
【００１４】
次に、上記冷凍システムの動作について説明する。
図２に示すように、先ず、水素吸蔵合金槽１で水素の吸収を行い、水素吸蔵合金槽２で水素の放出を行う行程から説明する。
この行程の開始直前には、水素吸蔵合金槽１内の水素吸蔵合金ＭＨでは、水素を放出した状態にあり、水素吸蔵合金槽２内の水素吸蔵合金ＭＨでは、既に水素を吸収した状態にあるものとする。
先ず、切換弁３ａ、３ｂ、切換弁８ａ、８ｂでは、水素吸蔵合金槽１側のポートと高温ブライン５側のポートとが接続するように弁位置を切換え、その他のポートは閉鎖する。また、同じく、切換弁４ａ、４ｂ、切換弁７ａ、７ｂでは、水素吸蔵合金槽２側のポートと低温ブライン６側のポートとが接続するように弁位置を切換え、その他のポートは閉鎖する。これにより、高温ブライン供給ポンプ１２、低温ブライン供給ポンプ１３を作動させることにより、高温ブラインは、高温ブライン供給装置５から、高温ブライン流路５ｂ、ブライン輸送路１ｂを介して水素吸蔵合金槽１内に流入し、その後は、ブライン輸送路１ａ、高温ブライン流路５ａを介して高温ブライン供給装置５に環流する。他方、低温ブラインは、低温ブライン供給装置６から、低温ブライン流路６ｂ、ブライン輸送路２ｂを介して水素吸蔵合金槽２内に流入し、ブライン輸送路２ａ、低温ブライン流路６ａを介して低温ブライン供給装置６に環流する。
【００１５】
また、これと同時に、水素ガス圧縮装置２０では、開閉弁２２ａ、２３ｂを開き、開閉弁２３ａ、２２ｂを閉じて水素ガス圧縮機２４を作動させることにより、水素吸蔵合金槽２内に吸引圧が生じ、水素吸蔵合金槽２内の水素吸蔵合金ＭＨから水素ガスが放出される。この水素ガスは水素ガス移動路１７および複路２１ｂ、２１ａを通して水素吸蔵合金槽１内に圧送され、槽内の水素吸蔵合金ＭＨに吸収させる。
上記の水素ガスの吸蔵、放出反応により、水素吸蔵合金槽１では、発熱反応が起こり、水素吸蔵合金槽２では吸熱反応が起こり、それぞれの熱が低温ブラインおよび高温ブラインに伝達される。低温ブラインはさらに図示しない熱交換器等に送られ、冷凍庫の冷熱として取り出される。
【００１６】
上記により１サイクルが終了した後には、図３に示すように、高温ブライン供給ポンプ１２、低温ブライン供給ポンプ１３および水素ガス圧縮機２４の動作を停止させる。
次いで、切換弁４ａ、４ｂの顕熱回収タンク１０側のポートが閉じられるように位置を切換え、切換弁３ａ、３ｂでは、水素吸蔵合金槽１側と顕熱回収タンク１０側のポートとが連通し、その他のポートが閉じられるように位置を切り換える。この状態で、ブライン回収ポンプ１５を上方にブラインが圧送されるように作動させると、水素吸蔵合金槽１内に残留していた高温のブラインは、ブライン回収ポンプ１５によってブライン輸送路１ｂを通して吸引され、ブライン出流路１０ｂから顕熱回収タンク１０の下方側の高温領域Ｈに次第に導入される。この導入に伴って可動ラム１１がタンク１０内を上昇するため、低温領域Ｌの容積が次第に小さくなり、低温領域Ｌに収容されていた低温のブラインがタンク１０内から押し出され、ブライン流出路１０ａ、１ａを通して水素吸蔵合金槽１内に導入される。これにより、高温の顕熱が顕熱回収タンク１０に蓄熱されるとともに、低温の顕熱が水素吸蔵合金槽に供給される。
なお、このとき、顕熱回収タンク１０の高温領域Ｈに導入されるブラインは初期のものほど温度が高いため（低温のブラインとの混合が少ない）、高温領域Ｈに導入されるに際し、速やかに上方に移動して、後に導入されるより温度の低いブラインとの間で対流が生じるのを極力防止する。
【００１７】
次いで、図４に示すように、ブライン回収ポンプ１５を停止させた後、切換弁３ａ、３ｂの顕熱回収タンク１０側のポートが閉じられるように位置を切換え、切換弁４ａ、４ｂでは、水素吸蔵合金槽２側と顕熱回収タンク１０側のポートとが連通し、その他のポートが閉じられるように位置を切り換える。その後、ブライン回収ポンプ１５を下方にブラインが圧送されるように作動させると、顕熱回収タンク１０の高温領域Ｈに収容されていた高温のブラインが、ブライン回収ポンプ１５によってブライン輸送路１０ｂを通して吸引され、ブライン輸送路２ｂから水素吸蔵合金槽２内に次第に供給される。上記ブラインの吸引に伴って可動ラム１１はタンク１０内を下降するため、低温領域Ｌの容積が次第に大きくなり、水素吸蔵合金槽２から押し出される低温のブラインが低温領域Ｌに導入される。これにより、低温の顕熱が顕熱回収タンク１０に蓄熱されるとともに、高温の顕熱が水素吸蔵合金槽に供給される。なお、このとき、顕熱回収タンク１０の低温領域Ｌに導入されるブラインは初期のものほど温度が低いため（高温のブラインとの混合が少ない）、低温領域Ｌに導入されるに際し、速やかに下方に移動して、後に導入されるより温度の高いブラインとの間で対流が生じるのを極力防止する。上記の一連の動作により、高温のブラインと低温のブラインとの混合を抑えた状態で、高温と低温の顕熱を効率的に回収することができる。
【００１８】
また、上記とは逆に、図５に示すように、水素吸蔵合金槽１に低温ブラインを供給して水素の放出を行い、水素吸蔵合金槽２に高温のブラインを供給して水素の吸収を行った場合にも、上記と同様に顕熱を効率的に回収することができる。図６は、図５に示す動作の後、水素吸蔵合金槽２に残留した高温のブラインを顕熱回収タンク１０の高温領域Ｈに収容するとともに、顕熱回収タンク１０に収容していた低温のブラインを水素吸蔵合金槽２に供給する状態を示すものであり、図７は、顕熱回収タンク１０の高温領域Ｈに収容した高温のブラインを水素吸蔵合金槽１に供給するとともに、水素吸蔵合金槽１に残留していた低温のブラインを顕熱回収タンク１０の低温領域Ｌに収容している状態を示すものである。
【００１９】
上記の繰り返しにより、システムを継続して使用する際にも顕熱を効率的に回収することができる。上記装置を実験的に使用したものでは、顕熱を７０％以上の効率で回収することができた。
なお、この実施形態では、一対の水素吸蔵合金槽を用いて熱移動を行うシステムについて説明したが、複数のシステムにおいて、サイクルをずらして水素の吸収、放出を行って連続操業を行うものに本願発明を適用できることも勿論である。なお、このとき、顕熱回収タンクを通したブラインの授受を別のシステムにおける水素吸蔵合金槽との間で行えるようにブライン輸送路を連結することも可能であり、これにより、中断している合金槽との間でブラインの授受を行ってシステムの休止時間の短縮化または連続操業を可能にすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の顕熱回収方法によれば、ガス吸・脱着反応を利用して熱移動させるべく、高温ブラインと低温ブラインとが選択的に、かつ時期を異にして使用される２以上のガス吸・脱着槽との間に、高温ブラインを収容する高温領域と低温ブラインを収容する低温領域とが可動ラムによって区画して設けられた顕熱回収タンクを前記各ガス吸・脱着槽にそれぞれ二つ設けられたブライン出入口に前記高温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路と前記低温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路とを対峙するようにそれぞれ連結しておき、一の動作において、高温ブラインを用いた一のガス吸・脱着槽から上記高温ブラインを顕熱回収タンクの高温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの低温領域に収容されている低温のブラインを高温ブラインを取り出した上記ガス吸・脱着槽に供給して高温の顕熱の蓄熱および低温の顕熱の供給を行い、二の動作において、低温ブラインを用いた他のガス吸・脱着槽から低温のブラインを顕熱回収タンクの低温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの高温領域に収容されている高温のブラインを低温ブラインを取り出した上記他のガス吸・脱着槽に供給して低温の顕熱の蓄熱および高温の顕熱の供給を行い、上記一の動作と二の動作とを前後して繰り返し行うので、高温のブラインと低温のブラインとを効率的に回収することができ、したがってシステム全体の効率を向上させることができる。
また、顕熱回収タンクの収容部内に可動ラムを配置し、該可動ラムによって収容部内を可変容積の高温領域と低温領域とに区画しており、少ないスペースで顕熱をより効率的に回収することができる。
さらに、可動ラムを顕熱回収タンク収容部内に上下に移動可能に配置して収容部内を上下に区画し、該収容部内のラム上方側を可変容積の低温領域、ラム下方側を可変容積の高温領域に割り当てれば、ブラインの熱対流を防止して、一層効率的な顕熱回収が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示すシステム概略図である。
【図２】 同じく、水素の吸放出の一工程を示すシステム概略図である。
【図３】 同じく、高温顕熱の蓄熱および低温顕熱の供給状態を示すシステム概略図である。
【図４】 同じく、低温顕熱の蓄熱および高温顕熱の供給状態を示すシステム概略図である。
【図５】 同じく、水素の吸放出の他工程を示すシステム概略図である。
【図６】 同じく、高温顕熱の蓄熱および低温顕熱の供給状態を示すシステム概略図である。
【図７】 同じく、低温顕熱の蓄熱および高温顕熱の供給状態を示すシステム概略図である。
【図８】 従来の熱移動システムを示す概略図である。
【符号の説明】
１ 水素吸蔵合金槽
２ 水素吸蔵合金槽
５ 高温ブライン供給装置
６ 低温ブライン供給装置
１０ 顕熱回収タンク
１１ 可動ラム
１２ 高温ブライン供給ポンプ
１３ 低温ブライン供給ポンプ
１５ ブライン回収ポンプ
１７ 水素移動路
２０ 水素ガス圧縮装置
２４ 水素ガス圧縮機
３１０ 高温側水素吸蔵合金槽
３１１ 高温側水素吸蔵合金槽
３２０ 低温側水素吸蔵合金槽
３２１ 低温側水素吸蔵合金槽
３３ 水素移動路
３４ 高熱源
３５ 低熱源
３７ 冷凍庫
３８ 冷却装置
４０ 顕熱回収タンク
４１ 可動ラム
【産業上の利用分野】
本願発明は、ガスの吸蔵、脱着反応を利用して熱を移動させるシステムにおいて、該システムの動作により発生する顕熱を効率的に回収してシステムの効率を向上させる顕熱回収方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素吸蔵合金やゼオライト等のガス吸・脱着反応を利用して熱の移動を行うシステムとして冷凍システム、冷房システム、暖房システム、ヒートポンプ等がある。
上記システムでは、システムの効率を向上させるために、顕熱を回収して有効に利用する方法が実用化されている。
図８は、水素吸蔵合金を用いた従来の冷凍システムを示すものであり、ガス吸・脱着槽である２つの水素吸蔵合金槽間でブラインを相互に移動（循環）させて顕熱の回収、利用を行っている。具体的には、水素吸蔵合金槽５０と水素吸蔵合金槽５１とを、互いにブラインの授受を行えるように開閉可能なブライン輸送路５２、５３で連結し、該輸送路５２の中途に顕熱回収用ポンプ５４を設ける。また上記システムでは、水素吸蔵合金槽５０と水素吸蔵合金槽５１とが水素移動路５５で連結されており、該水素移動路５５には、複数の弁の動作によって水素ガス流方向の切換が可能な水素ガス圧縮装置５６が設けられている。該システムでは、水素ガス圧縮装置５６を動作させて一方の水素吸蔵合金槽５０または５１で高温ブラインを使用しつつ水素の吸収を行うとともに、他方の水素吸蔵合金槽５１または５０で低温ブラインを使用しつつ水素の放出を行う。上記の水素の吸放出後は、各水素吸蔵合金槽５０、５１へのブラインの供給を停止した後、顕熱回収ポンプ５４を作動させて各水素吸蔵合金槽５０、５１間で相互にブラインを移動させて顕熱の回収を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記した顕熱回収方法では、高温のブラインと低温のブラインとがそれぞれのガス吸・脱着槽で大量に混ざり合って中間の温度で顕熱の回収がなされるため、顕熱の回収効率は理論的にも最大で５０％であり、実際は熱損失によりさらに低い回収効率しか得られず十分な回収効率とはいえない。顕熱の回収効率はシステム全体の効率にも影響するため、より高い回収効率で顕熱を回収できる回収装置および回収方法の開発が望まれている。そこで、回収効率を上げる方法としてはバッファ用のタンクを設け、一方の槽で用いられたブラインが直ちに他方の槽に供給されないようにしてブライン同士の混合を防ぐ方法も考えられるが、高温のブラインと低温のブラインとでバッファ用タンクを共用すると熱損失が大きく高い回収効率が得られず、他方、それぞれのブライン用にタンクを用意すると大きなスペースが必要になり、装置が大型化するという問題がある。
本願発明は、上記事情を背景としてなされたものであり、ガス吸・脱着反応を利用した熱移動システムにおいて、顕熱を効率的に回収することができる顕熱回収装置および顕熱回収方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のうち、第１の発明のガス吸・脱着反応を利用した熱移動システムにおける顕熱回収方法は、ガス吸・脱着反応を利用して熱移動させるべく、高温ブラインと低温ブラインとが選択的に、かつ時期を異にして使用される２以上のガス吸・脱着槽との間に、高温ブラインを収容する高温領域と低温ブラインを収容する低温領域とが可動ラムによって区画して設けられた顕熱回収タンクを前記各ガス吸・脱着槽にそれぞれ二つ設けられたブライン出入口に前記高温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路と前記低温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路とを対峙するようにそれぞれ連結しておき、一の動作において、高温ブラインを用いた一のガス吸・脱着槽から上記高温ブラインを顕熱回収タンクの高温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの低温領域に収容されている低温のブラインを高温ブラインを取り出した上記ガス吸・脱着槽に供給して高温の顕熱の蓄熱および低温の顕熱の供給を行い、二の動作において、低温ブラインを用いた他のガス吸・脱着槽から低温のブラインを顕熱回収タンクの低温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの高温領域に収容されている高温のブラインを低温ブラインを取り出した上記他のガス吸・脱着槽に供給して低温の顕熱の蓄熱および高温の顕熱の供給を行い、上記一の動作と二の動作とを前後して繰り返し行うことを特徴とする。
【０００８】
上記システムにおけるガスの吸・脱着材料としては、代表的には水素吸蔵合金を挙げることができるが、要は、ガスの吸蔵、脱着を可逆的に行うことができる材料であればよい。例えば吸着剤としてガスの吸着、離脱を行ったり、反応によってガスの吸収、放出を行ったりするものを使用することができる。すなわち、上記ガス吸蔵にはガス吸着やガス吸収が含まれ、ガス脱着にはガス離脱やガス放出が含まれる。上記材料としては吸着、離脱を行う材料として活性炭、カーボンファイバー、ゼオライト、シリカ、アルミナ等を挙げることができ、また反応によって水素ガスの吸収、放出を行う材料として上記水素吸蔵合金を挙げることができる。該水素吸蔵合金は排熱や自然エネルギ等を利用して効率的に水素の吸放出を行うことができるという利点を有している。
ガスの吸蔵と脱着とを交互に行わせる方法としては、各種の材料に適した方法が採られるが、加熱、冷却による熱駆動や圧縮機等を用いた圧力駆動の方法が挙げられる。この場合、雰囲気圧を下げることにより材料に吸蔵されているガスを脱着でき、雰囲気圧を上げることによって材料にガスを吸蔵させることができる。
【０００９】
上記システムに利用される本願発明では、区画された高温領域と低温領域とが設けられた顕熱回収タンクを有している。この顕熱回収タンクは、一つのタンクで構成されて内部が上記領域に区画されているものが望ましい。このように領域を区画することにより高温のブラインと低温のブラインとがタンク内で混ざり合って熱を損失するのを避けることができる。
なお、顕熱回収タンク内を上記領域に区画する場合には、可動ラムで内部を区切ることによって可変容積の高温領域と低温領域とを得る。これにより一方の領域でブラインの導入または排出がなされると、これに伴って同時に他方の領域においてブラインの排出または導入が強制的になされるので、最小限のスペースを用いて顕熱の回収作業が効率的になされる。また、この場合、可動ラムを上下に移動可能なものにして回収タンク内を上下に区画し、ラム上方側を可変容積の低温領域、ラム下方側を可変容積の高温領域に割り当てるのが望ましい。これにより、ブラインが回収タンク内に導入される際に高温のブラインの場合には、早期なもの程、高温であることから、タンク内で速やかに高温領域の上方に移動し、一方、低温のブラインの場合には、早期なもの程、低温であることから、タンク内で速やかに低温領域の下方に移動して、領域内で温度差による対流が生じるのを極力さけて顕熱回収の効率を一層向上させることができる。
【００１０】
本発明では、一方のガス吸・脱着槽で使用された高温または低温のブラインが、速やかに顕熱回収タンクに導入されて顕熱が蓄熱されるとともに顕熱回収タンクに収容されていた低温または高温のブラインは一方のガス吸・脱着槽に供給されて顕熱の回収がなされる。その後、他方のガス吸・脱着槽には、顕熱回収タンクに導入された上記高温または低温のブラインが供給されて顕熱が蓄熱されるとともに顕熱回収タンクに収容されていた低温または高温のブラインは一方のガス吸・脱着槽に供給されて顕熱の回収がなされる。なお、上記において、顕熱回収タンクへの先行するブラインの導入は高温ブライン、低温ブラインのいずれであってもよい。上記の先行動作と後の動作とは連続して、または適宜の間隔をおいて繰り返し行われる。なお、動作間隔はシステムの動作上の制約がなければできるだけ短時間とするのが望ましい。
上記の行程により、高温ブラインと低温ブラインとの混合が抑えられて高い回収効率と優れた作業効率とにより顕熱が回収されることになる。また、ブラインを一時的に貯蔵する際にも少ないスペースにより装置を構成することができる。
【００１１】
【発明の実施形態】
（実施形態１）
以下に、本発明の一実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。
本願発明が適用される熱移動システムである冷凍システムは、水素吸蔵合金ＭＨを内部収容室に収容した、対の水素吸蔵合金槽１、２を有しており、該水素吸蔵合金槽１、２がガス吸・脱着槽を構成している。なお、この実施形態では、高温ブライン、低温ブラインともに空気を使用するものとしており、高温ブラインは３０℃、低温ブラインはー１０℃を温度の目途としている。したがって、上記水素吸蔵合金ＭＨには、上記温度を考慮してその材料が選定される。
上記水素吸蔵合金槽１、２には、内部熱交換路に連結されたブライン輸送路１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂが設けられており、該ブライン輸送路１ａ〜２ｂには、それぞれ４ポート２位置の切換弁３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂの１ポートが連結されている。上記切換弁３ａ〜４ｂの他の２つのポートには、それぞれ高温ブライン供給装置５の高温ブライン流路５ａ、５ｂと低温ブライン供給装置６の低温ブライン流路６ａ、６ｂとが３ポート２位置の切換弁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂの各ポートを介して連結されている。また、切換弁３ａ〜３ｄの残りの１ポートには、後述する顕熱回収タンク１０のブライン輸送路１０ａ、１０ｂが連結されている。これにより、顕熱回収タンク１０は、ブライン輸送路を介してガス吸・脱着槽の出入口部に対峙して連結されることになる。
【００１２】
上記切換弁３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂでは、水素吸蔵合金槽１、２側のポートをを基準として、その一つの位置では高温ブライン供給装置５側の切換弁７ａ、７ｂと連通し、他の一つの位置では低温ブライン供給装置６側の切換弁８ａ、８ｂと連通し、さらに他の位置では、顕熱回収タンク１０側の輸送路１０ａ、１０ｂと連通するように弁路が切り換えられる。また、切換弁７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂでは、ブライン供給装置５、６側のポートを基準として、一つの位置では水素吸蔵合金槽１側の切換弁３ａ、３ｂと連通し、他の位置では水素吸蔵合金槽２側の切換弁４ａ、４ｂと連通するように切り換えられる。
【００１３】
なお、上記高温ブライン流路５ｂの中途には、高温ブライン供給ポンプ１２、低温ブライン流路６ｂの中途には低温ブライン供給ポンプ１３が設けられており、ブライン輸送路１０ｂには、送方向切換可能なブライン回収ポンプ１５が設けられている。これらポンプによって各流路、輸送路を通してブラインが移動する。
また、水素吸蔵合金槽１、２の内部収容室同士は、水素移動路１７で連結されており、該移動路１７の中途には、水素ガス圧縮装置２０が設けられている。該水素ガス圧縮装置２０は、水素移動路１７の中途に設けた複路２１ａ、２１ｂを有しており、該複路２１ａ、２１ｂにはそれぞれ開閉弁２２ａ、２３ａおよび開閉弁２２ｂ、２３ｂが直列に設けられており、上記開閉弁２２ａ、２３ａ間の複路２１ａと開閉弁２２ｂ、２３ｂ間の複路２１ｂとの間にガス圧縮機２４が連結されており、上記開閉２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂの開閉動作により、水素移動路１７におけるガス流方向を切り換えるように構成されている。
また、顕熱回収タンク１０は、内部に上下に移動可能なラム１１が配置されており、該ラム１１によってタンク１０内が可変容積で上下に区画されている。この区画領域は、上方側が低温領域Ｌに割り当てられ、下方側が高温領域Ｈに割り当てられており、低温領域Ｌにブライン輸送路１０ａ、高温領域Ｈにブライン輸送路１０ｂが連通している。この結果、低温領域Ｌと高温領域Ｈとは、水素吸蔵合金槽１、２においてそれぞれブライン輸送路１ａと１ｂおよびブライン輸送路２ａと２ｂに対峙して連結されることになる。
【００１４】
次に、上記冷凍システムの動作について説明する。
図２に示すように、先ず、水素吸蔵合金槽１で水素の吸収を行い、水素吸蔵合金槽２で水素の放出を行う行程から説明する。
この行程の開始直前には、水素吸蔵合金槽１内の水素吸蔵合金ＭＨでは、水素を放出した状態にあり、水素吸蔵合金槽２内の水素吸蔵合金ＭＨでは、既に水素を吸収した状態にあるものとする。
先ず、切換弁３ａ、３ｂ、切換弁８ａ、８ｂでは、水素吸蔵合金槽１側のポートと高温ブライン５側のポートとが接続するように弁位置を切換え、その他のポートは閉鎖する。また、同じく、切換弁４ａ、４ｂ、切換弁７ａ、７ｂでは、水素吸蔵合金槽２側のポートと低温ブライン６側のポートとが接続するように弁位置を切換え、その他のポートは閉鎖する。これにより、高温ブライン供給ポンプ１２、低温ブライン供給ポンプ１３を作動させることにより、高温ブラインは、高温ブライン供給装置５から、高温ブライン流路５ｂ、ブライン輸送路１ｂを介して水素吸蔵合金槽１内に流入し、その後は、ブライン輸送路１ａ、高温ブライン流路５ａを介して高温ブライン供給装置５に環流する。他方、低温ブラインは、低温ブライン供給装置６から、低温ブライン流路６ｂ、ブライン輸送路２ｂを介して水素吸蔵合金槽２内に流入し、ブライン輸送路２ａ、低温ブライン流路６ａを介して低温ブライン供給装置６に環流する。
【００１５】
また、これと同時に、水素ガス圧縮装置２０では、開閉弁２２ａ、２３ｂを開き、開閉弁２３ａ、２２ｂを閉じて水素ガス圧縮機２４を作動させることにより、水素吸蔵合金槽２内に吸引圧が生じ、水素吸蔵合金槽２内の水素吸蔵合金ＭＨから水素ガスが放出される。この水素ガスは水素ガス移動路１７および複路２１ｂ、２１ａを通して水素吸蔵合金槽１内に圧送され、槽内の水素吸蔵合金ＭＨに吸収させる。
上記の水素ガスの吸蔵、放出反応により、水素吸蔵合金槽１では、発熱反応が起こり、水素吸蔵合金槽２では吸熱反応が起こり、それぞれの熱が低温ブラインおよび高温ブラインに伝達される。低温ブラインはさらに図示しない熱交換器等に送られ、冷凍庫の冷熱として取り出される。
【００１６】
上記により１サイクルが終了した後には、図３に示すように、高温ブライン供給ポンプ１２、低温ブライン供給ポンプ１３および水素ガス圧縮機２４の動作を停止させる。
次いで、切換弁４ａ、４ｂの顕熱回収タンク１０側のポートが閉じられるように位置を切換え、切換弁３ａ、３ｂでは、水素吸蔵合金槽１側と顕熱回収タンク１０側のポートとが連通し、その他のポートが閉じられるように位置を切り換える。この状態で、ブライン回収ポンプ１５を上方にブラインが圧送されるように作動させると、水素吸蔵合金槽１内に残留していた高温のブラインは、ブライン回収ポンプ１５によってブライン輸送路１ｂを通して吸引され、ブライン出流路１０ｂから顕熱回収タンク１０の下方側の高温領域Ｈに次第に導入される。この導入に伴って可動ラム１１がタンク１０内を上昇するため、低温領域Ｌの容積が次第に小さくなり、低温領域Ｌに収容されていた低温のブラインがタンク１０内から押し出され、ブライン流出路１０ａ、１ａを通して水素吸蔵合金槽１内に導入される。これにより、高温の顕熱が顕熱回収タンク１０に蓄熱されるとともに、低温の顕熱が水素吸蔵合金槽に供給される。
なお、このとき、顕熱回収タンク１０の高温領域Ｈに導入されるブラインは初期のものほど温度が高いため（低温のブラインとの混合が少ない）、高温領域Ｈに導入されるに際し、速やかに上方に移動して、後に導入されるより温度の低いブラインとの間で対流が生じるのを極力防止する。
【００１７】
次いで、図４に示すように、ブライン回収ポンプ１５を停止させた後、切換弁３ａ、３ｂの顕熱回収タンク１０側のポートが閉じられるように位置を切換え、切換弁４ａ、４ｂでは、水素吸蔵合金槽２側と顕熱回収タンク１０側のポートとが連通し、その他のポートが閉じられるように位置を切り換える。その後、ブライン回収ポンプ１５を下方にブラインが圧送されるように作動させると、顕熱回収タンク１０の高温領域Ｈに収容されていた高温のブラインが、ブライン回収ポンプ１５によってブライン輸送路１０ｂを通して吸引され、ブライン輸送路２ｂから水素吸蔵合金槽２内に次第に供給される。上記ブラインの吸引に伴って可動ラム１１はタンク１０内を下降するため、低温領域Ｌの容積が次第に大きくなり、水素吸蔵合金槽２から押し出される低温のブラインが低温領域Ｌに導入される。これにより、低温の顕熱が顕熱回収タンク１０に蓄熱されるとともに、高温の顕熱が水素吸蔵合金槽に供給される。なお、このとき、顕熱回収タンク１０の低温領域Ｌに導入されるブラインは初期のものほど温度が低いため（高温のブラインとの混合が少ない）、低温領域Ｌに導入されるに際し、速やかに下方に移動して、後に導入されるより温度の高いブラインとの間で対流が生じるのを極力防止する。上記の一連の動作により、高温のブラインと低温のブラインとの混合を抑えた状態で、高温と低温の顕熱を効率的に回収することができる。
【００１８】
また、上記とは逆に、図５に示すように、水素吸蔵合金槽１に低温ブラインを供給して水素の放出を行い、水素吸蔵合金槽２に高温のブラインを供給して水素の吸収を行った場合にも、上記と同様に顕熱を効率的に回収することができる。図６は、図５に示す動作の後、水素吸蔵合金槽２に残留した高温のブラインを顕熱回収タンク１０の高温領域Ｈに収容するとともに、顕熱回収タンク１０に収容していた低温のブラインを水素吸蔵合金槽２に供給する状態を示すものであり、図７は、顕熱回収タンク１０の高温領域Ｈに収容した高温のブラインを水素吸蔵合金槽１に供給するとともに、水素吸蔵合金槽１に残留していた低温のブラインを顕熱回収タンク１０の低温領域Ｌに収容している状態を示すものである。
【００１９】
上記の繰り返しにより、システムを継続して使用する際にも顕熱を効率的に回収することができる。上記装置を実験的に使用したものでは、顕熱を７０％以上の効率で回収することができた。
なお、この実施形態では、一対の水素吸蔵合金槽を用いて熱移動を行うシステムについて説明したが、複数のシステムにおいて、サイクルをずらして水素の吸収、放出を行って連続操業を行うものに本願発明を適用できることも勿論である。なお、このとき、顕熱回収タンクを通したブラインの授受を別のシステムにおける水素吸蔵合金槽との間で行えるようにブライン輸送路を連結することも可能であり、これにより、中断している合金槽との間でブラインの授受を行ってシステムの休止時間の短縮化または連続操業を可能にすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の顕熱回収方法によれば、ガス吸・脱着反応を利用して熱移動させるべく、高温ブラインと低温ブラインとが選択的に、かつ時期を異にして使用される２以上のガス吸・脱着槽との間に、高温ブラインを収容する高温領域と低温ブラインを収容する低温領域とが可動ラムによって区画して設けられた顕熱回収タンクを前記各ガス吸・脱着槽にそれぞれ二つ設けられたブライン出入口に前記高温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路と前記低温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路とを対峙するようにそれぞれ連結しておき、一の動作において、高温ブラインを用いた一のガス吸・脱着槽から上記高温ブラインを顕熱回収タンクの高温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの低温領域に収容されている低温のブラインを高温ブラインを取り出した上記ガス吸・脱着槽に供給して高温の顕熱の蓄熱および低温の顕熱の供給を行い、二の動作において、低温ブラインを用いた他のガス吸・脱着槽から低温のブラインを顕熱回収タンクの低温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの高温領域に収容されている高温のブラインを低温ブラインを取り出した上記他のガス吸・脱着槽に供給して低温の顕熱の蓄熱および高温の顕熱の供給を行い、上記一の動作と二の動作とを前後して繰り返し行うので、高温のブラインと低温のブラインとを効率的に回収することができ、したがってシステム全体の効率を向上させることができる。
また、顕熱回収タンクの収容部内に可動ラムを配置し、該可動ラムによって収容部内を可変容積の高温領域と低温領域とに区画しており、少ないスペースで顕熱をより効率的に回収することができる。
さらに、可動ラムを顕熱回収タンク収容部内に上下に移動可能に配置して収容部内を上下に区画し、該収容部内のラム上方側を可変容積の低温領域、ラム下方側を可変容積の高温領域に割り当てれば、ブラインの熱対流を防止して、一層効率的な顕熱回収が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態を示すシステム概略図である。
【図２】 同じく、水素の吸放出の一工程を示すシステム概略図である。
【図３】 同じく、高温顕熱の蓄熱および低温顕熱の供給状態を示すシステム概略図である。
【図４】 同じく、低温顕熱の蓄熱および高温顕熱の供給状態を示すシステム概略図である。
【図５】 同じく、水素の吸放出の他工程を示すシステム概略図である。
【図６】 同じく、高温顕熱の蓄熱および低温顕熱の供給状態を示すシステム概略図である。
【図７】 同じく、低温顕熱の蓄熱および高温顕熱の供給状態を示すシステム概略図である。
【図８】 従来の熱移動システムを示す概略図である。
【符号の説明】
１ 水素吸蔵合金槽
２ 水素吸蔵合金槽
５ 高温ブライン供給装置
６ 低温ブライン供給装置
１０ 顕熱回収タンク
１１ 可動ラム
１２ 高温ブライン供給ポンプ
１３ 低温ブライン供給ポンプ
１５ ブライン回収ポンプ
１７ 水素移動路
２０ 水素ガス圧縮装置
２４ 水素ガス圧縮機
３１０ 高温側水素吸蔵合金槽
３１１ 高温側水素吸蔵合金槽
３２０ 低温側水素吸蔵合金槽
３２１ 低温側水素吸蔵合金槽
３３ 水素移動路
３４ 高熱源
３５ 低熱源
３７ 冷凍庫
３８ 冷却装置
４０ 顕熱回収タンク
４１ 可動ラム
Claims (1)
- ガス吸・脱着反応を利用して熱移動させるべく、高温ブラインと低温ブラインとが選択的に、かつ時期を異にして使用される２以上のガス吸・脱着槽との間に、高温ブラインを収容する高温領域と低温ブラインを収容する低温領域とが可動ラムによって区画して設けられた顕熱回収タンクを前記各ガス吸・脱着槽にそれぞれ二つ設けられたブライン出入口に前記高温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路と前記低温領域に連結された開閉可能なブライン輸送路とを対峙するようにそれぞれ連結しておき、一の動作において、高温ブラインを用いた一のガス吸・脱着槽から上記高温ブラインを顕熱回収タンクの高温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの低温領域に収容されている低温のブラインを高温ブラインを取り出した上記ガス吸・脱着槽に供給して高温の顕熱の蓄熱および低温の顕熱の供給を行い、二の動作において、低温ブラインを用いた他のガス吸・脱着槽から低温のブラインを顕熱回収タンクの低温領域に導入するとともに、顕熱回収タンクの高温領域に収容されている高温のブラインを低温ブラインを取り出した上記他のガス吸・脱着槽に供給して低温の顕熱の蓄熱および高温の顕熱の供給を行い、上記一の動作と二の動作とを前後して繰り返し行うことを特徴とするガス吸・脱着反応を利用した熱移動システムにおける顕熱回収方法。
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