JP4606186B2 - 水素吸蔵合金アクチュエータの作動方法 - Google Patents

Description

本発明は、水素吸蔵合金のガス吸蔵、放出現象を利用してアクチュエータを作動させる水素吸蔵合金アクチュエータに関する。

水素吸蔵合金のガス吸蔵、放出現象を利用してアクチュエータを作動させる水素吸蔵合金アクチュエータは、一般的に水素吸蔵合金を収容する容器（ＭＨ容器）を備える。ＭＨ容器を備えたこの種のアクチュエータには、単動型と複動型とが知られている。単動型のアクチュエータは、単一の圧力室に１個のＭＨ容器を接続させる。複動型のアクチュエータは、２個の圧力室のそれぞれに１個のＭＨ容器を接続させる。

単動型のアクチュエータは、ＭＨ容器内の水素吸蔵合金を加熱し、放出させた水素を圧力室に供給して伸長作動される一方、ＭＨ容器内の水素吸蔵合金を冷却し、水素を吸蔵させて収縮作動される。これに対し、複動型のアクチュエータは、一方のＭＨ容器内の水素吸蔵合金を加熱し、放出させた水素を一方の圧力室に供給し、他方のＭＨ容器内の水素吸蔵合金を冷却し、他方の圧力室内の水素を吸蔵させて伸長作動される一方、他方のＭＨ容器内の水素吸蔵合金を加熱し、放出させた水素を他方の圧力室に供給し、一方のＭＨ容器内の水素吸蔵合金を冷却し、一方の圧力室内の水素を吸蔵させて収縮作動される。

ところが、このような従来の水素吸蔵合金アクチュエータでは、同一の水素吸蔵合金に加熱又は冷却を交互に繰り返して与えて水素吸蔵合金に水素を放出・吸蔵させるため、伸縮作動の切換え時に、加熱又は冷却されている水素吸蔵合金を直ちに冷却又は加熱に切換えることが困難であり、アクチュエータの作動切換え応答性や、その後の伸縮速度が緩慢となる問題があった。

このような問題を解消しようとしたものに、例えば特許文献１に開示される水素吸蔵合金利用アクチュエータが提案された。この水素吸蔵合金利用アクチュエータ１は、図６に示すように、水素吸蔵合金を収容し、加熱・冷却手段３を付属する少なくとも３個のＭＨ容器４，５，６をアクチュエータ７の圧力室７ａに選択的に接続可能に備えさせ、このアクチュエータ７を収縮作動させた状態で、アクチュエータ７を伸長作動させ得る量の水素を少なくとも２個のＭＨ容器４，６にそれぞれ吸蔵させ、少なくとも１個のＭＨ容器５に水素を放出させた状態が与えられるように水素量を設定し、水素を吸蔵させたＭＨ容器４，６の１個を加熱し、放出された水素をアクチュエータ７に供給して伸長作動させると共に、水素を放出させたＭＨ容器５の水素吸蔵合金を冷却し、該冷却した水素吸蔵合金に、アクチュエータ７内の水素を吸蔵させ、アクチュエータ７に収縮作動を与えるようにしている。

このような従来の水素吸蔵合金利用アクチュエータ１によれば、伸縮作動の切換え時に、加熱又は冷却されている水素吸蔵合金を直ちに冷却又は加熱に切換えて水素の放出・吸蔵を行う必要がなく、水素吸蔵合金による水素の放出・吸蔵作用に時間的遅れが生じなくなる。その結果、アクチュエータの作動切換え時の応答速度、その後の伸縮速度も比較的迅速となる。

特開平８−１００８０８号公報 特開２０００−６５０１４号公報

しかしながら、上記した従来の水素吸蔵合金利用アクチュエータは、３個のＭＨ容器４，５，６をアクチュエータ７の圧力室７ａに選択的に接続可能にすることで、水素吸蔵合金を直ちに冷却又は加熱に切換えて水素の放出・吸蔵を行う必要をなくし、アクチュエータの作動切換え時の応答速度、その後の伸縮速度の迅速化を図っているが、水素の放出・吸蔵時には冷却又は加熱が必要になって余計なエネルギー消費が強いられ、かつＭＨ容器の数が多くなり、装置コストが高くなるとともに、装置が大型となった。また、水素吸蔵合金の水素吸放出を利用して効率的かつ実用的な動力を得るものには特許文献２に開示されるようなガス吸脱着を利用した動力発生装置もあるが、この動力発生装置１０では、水素吸蔵合金を備えたガス吸放出装置１１、１２、１３、１４と、二方のガス導入・排出部１５、１６で水素の導入、排出を交互かつ互いに対称的に行う複動式ガスアクチュエータ１７と、ガス吸放出装置の一方側とガスアクチュエータ１７のガス導入・排出部の一方側とを接続する対のガス移動路１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４，２５と、ガス移動路に介在してガス吸放出装置側とガスアクチュエータ側との接続をガス移動路間において高速で切り換える接続切換器２７を有した構成であるため、水素の吸放出間隔に拘わらず複動アクチュエータを高速で動作させることができるものの、水素の放出・吸蔵時には高温熱媒供給装置２９、低温熱媒供給装置３０の駆動による冷却又は加熱が必要になって余計なエネルギー消費が強いられ、かつ装置が大がかりとなって、装置コストが高くなるとともに、装置が大型となる問題があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、水素の放出・吸蔵時に余計なエネルギー消費を必要とせず、装置を少ない部品数で小型に構成できる水素吸蔵合金アクチュエータの作動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータの作動方法は、圧力室の圧力を増減させることで作動体を可動可能としたアクチュエータと、前記圧力室に高圧配管を介して接続される高圧容器と、前記高圧配管に設けられる高圧開閉弁と、前記圧力室に低圧配管を介して接続される低圧容器と、前記低圧配管に設けられる低圧開閉弁とを具備し、前記低圧容器に水素吸蔵合金を収容し、略同一温度において該水素吸蔵合金より高圧で水素吸蔵・放出がなされる水素吸蔵合金を前記高圧容器に収容し、前記高圧容器から前記圧力室に供給して前記作動体を可動させた後の水素を前記低圧容器の水素吸蔵合金に吸蔵させることを特徴とする。

請求項３記載の水素吸蔵合金アクチュエータの作動方法は、圧力室の圧力を増減させることで作動体を可動可能としたアクチュエータと、前記圧力室に高圧配管を介して接続される高圧容器と、前記高圧配管に設けられる高圧開閉弁と、前記圧力室に低圧配管を介して接続される低圧容器と、前記低圧配管に設けられる低圧開閉弁とを具備し、前記低圧容器に水素吸蔵合金を収容し、略同一温度において該水素吸蔵合金より高圧で水素吸蔵・放出がなされる水素吸蔵合金を前記高圧容器に収容し、前記高圧容器から前記圧力室に供給して前記作動体を可動させた後の水素を前記低圧容器の水素吸蔵合金に吸蔵させることを特徴とする。

この水素吸蔵合金アクチュエータの作動方法では、高圧容器と低圧容器とにそれぞれ収容される水素吸蔵合金の水素吸放出圧力が異なることにより、作動流体としてアクチュエータを作動させた後の高圧容器からの高圧水素を、低圧容器へと吸蔵させることが可能となる。したがって、アクチュエータへの高圧水素の供給のために高圧容器を加熱したり、低圧容器への水素の吸蔵のために低圧容器を冷却したりする必要がなくなる。

本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータの作動方法によれば、低圧容器に水素吸蔵合金を収容し、略同一温度において水素吸蔵合金より高圧で水素吸蔵・放出がなされる水素吸蔵合金を高圧容器に収容し、高圧容器から圧力室に供給して作動体を可動させた後の水素を低圧容器の水素吸蔵合金に吸蔵させるので、アクチュエータへの高圧水素の供給のために高圧容器を加熱したり、低圧容器への水素の吸蔵のために低圧容器を冷却したりする必要がない。この結果、水素の放出・吸蔵時に余計なエネルギー消費を必要とせずに、実用的な動力を効率的に取り出すことができる。

以下、本発明に係る水素吸蔵合金アクチュエータの作動方法の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本実施の形態による水素吸蔵合金アクチュエータの概念を表す構成図、図２は高圧容器に収容される水素吸蔵合金の等温における圧力−水素濃度の相関を表したグラフ、図３は低圧容器に収容される水素吸蔵合金の等温における圧力−水素濃度の相関を表したグラフ、図４は図１に示した水素吸蔵合金アクチュエータの動作状態を説明するタイムチャート、図５は図１に示した水素吸蔵合金アクチュエータの変形例の構成図である。
本実施の形態による水素吸蔵合金アクチュエータ１００は、アクチュエータ３１と、高圧容器（ＭＨ_U）３３と、低圧容器（ＭＨ_D）３５と、それぞれの高圧容器３３，低圧容器３５に収容される水素吸蔵合金とを基本構成要素として備える。

アクチュエータ３１は、トランスレータ３７と昇降シリンダー３９とからなる。トランスレータ３７には圧力室４１が形成され、圧力室４１は昇降シリンダー３９のシリンダー室４３に配管４５によって接続される。シリンダー室４３には作動体であるピストン４７が摺動自在に内設され、ピストン４７はコンロッド４９を介して昇降シリンダー３９の外部へ導出され、負荷Ｗを昇降可動可能としている。トランスレータ３７の圧力室４１とシリンダー室４３とには作動流体である例えばシリコンオイル５１が充填される。したがって、トランスレータ３７の圧力室４１の圧力が上昇すれば、シリコンオイル５１がシリンダー室４３へと押し出され、それによってピストン４７が摺動されて、コンロッド４９を介して負荷Ｗが上昇作動されるようになっている。すなわち、アクチュエータ３１は、圧力室４１の圧力を増減させることで、ピストン４７を可動可能としている。

なお、アクチュエータ３１は、昇降シリンダー３９に代えて、べーローズを伸縮させるように構成されたものであってもよい。

高圧容器３３は、高圧配管５３を介してトランスレータ３７の圧力室４１に接続される。高圧配管５３には高圧開閉弁５５が介装されている。また、低圧容器３５は、低圧配管５７を介してトランスレータ３７の圧力室４１に接続されている。この低圧配管５７には低圧開閉弁５９が介装されている。なお、低圧配管５７は、圧力室４１に直接接続される他、図例のように、高圧開閉弁５５と圧力室４１との間の高圧配管５３に分岐接続されてもよい。

また、低圧容器３５には加熱ヒータ６１が付設される。加熱ヒータ６１は、図示しない装置制御部に接続され、装置制御部によって動作制御される。加熱ヒータ６１は、加熱されることによって、低圧容器３５を加熱し、収容される後述の水素吸蔵合金を加熱する。

高圧容器３３と高圧開閉弁５５との間の高圧配管５３と、低圧容器３５と低圧開閉弁５９との間の低圧配管５７とは、バイパス配管６３によって接続されている。このバイパス配管６３には再充填用開閉弁６５が設けられている。したがって、高圧開閉弁５５及び低圧開閉弁５９が閉じられ、再充填用開閉弁６５が開かれることで、高圧容器３３と低圧容器３５とは内部がバイパス配管６３を介して通じるようになっている。

水素吸蔵合金アクチュエータ１００は、水素吸蔵合金の水素吸放出を利用して動力を得る。このため、高圧容器３３及び低圧容器３５には、反応によって水素の吸収、放出を行う材料として水素吸蔵合金が収容されている。水素吸蔵合金は、加熱することによりこの合金に吸収されている水素を放出させ、冷却することにより周囲の水素をこの合金に吸収させることができる。

ここで、高圧容器３３に収容された水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出は、略同一温度において、低圧容器３５に収容された水素吸蔵合金より高圧でなされるようになっている。このような高圧容器３３に収容される水素吸蔵合金としては、例えば図２に示す水素吸蔵合金（Ｍｍ Ｎｉ_4,15Ｆｅ_0.85）が挙げられ、低圧容器３５に収容される水素吸蔵合金としては、例えば図３に示す水素吸蔵合金（Ｌａ Ｎｉ_4,7Ａｌ_0.3）が挙げられ。水素吸蔵合金（Ｍｍ Ｎｉ_4,15Ｆｅ_0.85）は、摂氏３０度における水素吸放出圧力が略０．９５ＭＰａであり、水素吸蔵合金（Ｌａ Ｎｉ４，７Ａｌ_0.3）は、摂氏３０度における水素吸放出圧力が略０．０６ＭＰａである。

次に、以上のように構成された水素吸蔵合金アクチュエータ１００の作用を説明する。
水素吸蔵合金アクチュエータ１００では、高圧容器３３の水素吸蔵合金に水素が吸蔵されている状態において、低圧開閉弁５９、再充填用開閉弁６５が閉じられ、高圧開閉弁５５が開かれると、高圧容器３３から高圧水素がトランスレータ３７の圧力室４１へ供給される。すると、シリコンオイル５１が昇降シリンダー３９のシリンダー室４３へと流れ込みピストン４７を押し上げることで、負荷Ｗが上昇される。すなわち、アクチュエータ３１が作動される。

次いで、高圧開閉弁５５が閉じられ、低圧開閉弁５９が開かれることにより、圧力室４１の水素が低圧容器３５の水素吸蔵合金へと吸蔵されて、ピストン４７が元の位置へと戻る。すなわち、高圧容器３３からの高圧水素が高圧配管５３を介して圧力室４１へ供給されることで、ピストン４７を可動させてアクチュエータ３１が作動され、作動後の水素が低圧容器３５へと吸蔵されることで、ピストン４７が元の位置へと戻り、負荷Ｗが下降されることとなる。

この高圧容器３３からの高圧水素の供給と、低圧容器３５への水素への吸蔵が繰り返されることにより、図４に示すように、負荷Ｗが一定のストロークで、所定時間（例えば３〜１０秒程度）間隔で昇降を繰り返せるようになっている。なお、負荷Ｗの昇降高さは、高圧開閉弁５５と、低圧開閉弁５９との開閉タイミングによって制御が可能となる。

このような昇降動作が繰り返し行われることによって、高圧容器３３内の圧力が規定値（例えば０．３ＭＰａ）より下がったなら、低圧容器３５を加熱・高圧化させ、低圧容器３５に吸蔵させた水素を高圧容器３３へ吸蔵させる（再充填させる）。すなわち、高圧容器３３に収容された水素吸蔵合金からの水素放出が完了すると、低圧容器３５にはその分の水素が吸蔵された状態となっている。したがって、高圧開閉弁５５び低圧開閉弁５９を閉じ、再充填用開閉弁６５を開き、加熱ヒータ６１によって低圧容器３５を加熱する。これにより、低圧容器３５の水素吸蔵合金に吸蔵された水素が高温となって放出され、その高温高圧の水素が今度は高圧容器３３の水素吸蔵合金へと吸蔵される。すなわち、これにより高圧容器の再充填が完了する。

このように、水素吸蔵合金アクチュエータ１００の作動方法では、上記した装置構成において、略同一温度において高圧で水素吸蔵・放出がなされる水素吸蔵合金を高圧容器３３に収容し、高圧容器３３から圧力室４１に供給してピストン４７を可動させた後の水素を低圧容器３５の水素吸蔵合金に吸蔵させる。そして、高圧容器３３と低圧容器３５とにそれぞれ収容される水素吸蔵合金の水素吸放出圧力が異なることにより、作動流体としてアクチュエータ３１を作動させた後の高圧容器３３からの高圧水素を、低圧容器３５へと吸蔵させる。したがって、アクチュエータ３１への高圧水素の供給のために高圧容器３３を加熱したり、低圧容器３５への水素の吸蔵のために低圧容器３５を冷却したりする必要がなくなる。

本実施の形態による水素吸蔵合金アクチュエータ１００によれば、ピストン４７を有するアクチュエータ３１と、圧力室４１に接続される高圧容器３３と、圧力室４１に接続される低圧容器３５とを具備し、高圧容器３３に収容された水素吸蔵合金の水素吸蔵・放出が、略同一温度において低圧容器３５に収容された水素吸蔵合金より高圧でなされるようにしたので、高圧容器３３からの高圧水素が高圧配管５３を介して圧力室４１へ供給されることでピストン４７を可動させてアクチュエータ３１を作動させ、作動後の水素を低圧容器３５へと吸蔵させることができる。この結果、水素の放出・吸蔵時に余計なエネルギー消費を必要とせず、装置を少ない部品数で小型に構成できる。

また、本実施の形態による水素吸蔵合金アクチュエータ１００の作動方法によれば、低圧容器３５に水素吸蔵合金を収容し、略同一温度において水素吸蔵合金より高圧で水素吸蔵・放出がなされる水素吸蔵合金を高圧容器３３に収容し、高圧容器３３から圧力室４１に供給してピストン４７を可動させた後の水素を低圧容器３５の水素吸蔵合金に吸蔵させるので、アクチュエータ３１への高圧水素の供給のために高圧容器３３を加熱したり、低圧容器３５への水素の吸蔵のために低圧容器３５を冷却したりする必要がない。この結果、水素の放出・吸蔵時に余計なエネルギー消費を必要とせずに、実用的な動力を効率的に取り出すことができる。

なお、上記の実施の形態による水素吸蔵合金アクチュエータ１００では、低圧容器３５を一つで構成したが、略同一温度で異なる水素吸放出圧力の水素吸蔵合金（ＬａＮｉ_4,45Ｃｏ_0,5Ｍｎ_0.05）を収容した中圧容器（ＭＨ_C）３５ａを増設してもよい。この場合、中圧容器３５ａは中圧開閉弁５９ａを介してトランスレータ３７に接続されるとともに、当該中圧容器３５ａと低圧容器３５並びに高圧容器３３との間には各々バイパス配管６３，６３ａを介して再充填用開閉弁６５，６５ａが夫々設けられる。
斯る構成によれば、各再充填用開閉弁６５，６５ａを各々開閉操作すること、例えば弁６５を開、弁６５ａを閉にすることでまずは中圧容器３５ａを所定圧にし、次いで弁６５を閉、弁６５ａを開にすることで中圧容器３５ａよりさらに高圧容器３３を高圧にするなど、各容器を段階的かつ多様に高圧にすることが可能となる。すなわち、実用的な動力を容易に取り出すことができる。

本実施の形態による水素吸蔵合金アクチュエータの概念を表す構成図である。 高圧容器に収容される水素吸蔵合金の等温における圧力−水素濃度の相関を表したグラフである。 低圧容器に収容される水素吸蔵合金の等温における圧力−水素濃度の相関を表したグラフである。 図１に示した水素吸蔵合金アクチュエータの動作状態を説明するタイムチャートである。 図１に示した水素吸蔵合金アクチュエータの変形例の構成図である。 従来の水素吸蔵合金利用アクチュエータの構成図である。 従来のガス吸脱着を利用した動力発生装置の構成図である。

符号の説明

３１…アクチュエータ、３３…高圧容器、３５…低圧容器、４１…圧力室、４７…ピストン（作動体）、５３…高圧配管、５５…高圧開閉弁、５７…低圧配管、５９…低圧開閉弁、６１…加熱ヒータ、６３…バイパス配管、６５…再充填用開閉弁、１００…水素吸蔵合金アクチュエータ

Claims (1)

1. 圧力室の圧力を増減させることで作動体を可動可能としたアクチュエータと、前記圧力室に高圧配管を介して接続される高圧容器と、前記高圧配管に設けられる高圧開閉弁と、
   前記圧力室に低圧配管を介して接続される低圧容器と、前記低圧配管に設けられる低圧開閉弁とを具備し、
   前記低圧容器に水素吸蔵合金を収容し、略同一温度において該水素吸蔵合金より高圧で水素吸蔵・放出がなされる水素吸蔵合金を前記高圧容器に収容し、
   前記高圧容器から前記圧力室に供給して前記作動体を可動させた後の水素を前記低圧容器の水素吸蔵合金に吸蔵させることを特徴とする水素吸蔵合金アクチュエータの作動方法。

Images