JP4951737B2 - Autonomous hydrogen storage alloy actuator - Google Patents
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Description
本発明は、水素貯蔵合金が加熱により水素を放出し、また冷却により吸蔵することによる圧力変化を利用してエネルギー密度の低い熱エネルギーを有効に利用するアクチュエータの改良に関する。 The present invention relates to an improvement in an actuator that effectively uses thermal energy having a low energy density by utilizing a pressure change caused by a hydrogen storage alloy releasing hydrogen by heating and storing by cooling.
水素吸蔵合金は、水素と反応して金属水素化物となる合金で、水素ガス中でガス圧力を上げるか温度を下げると水素を吸蔵して発熱し、ガス圧を下げるか温度を上げると水素を放出して吸熱する性質がある。このように、水素吸蔵合金は、水素化、脱水素化の反応が実用的な条件下で好ましい反応速度で進行する優れた可逆性を有する合金で、Mg−Ni系、La−Ni系、Ti−Mn系、レアメタルの混合体であるミッシュメタルやランタンを多く含むランタンリッチ、ミッシュメタルを利用した合金もある。 A hydrogen storage alloy is an alloy that reacts with hydrogen to form a metal hydride. When the gas pressure is increased or the temperature is decreased in hydrogen gas, it absorbs hydrogen and generates heat, and when the gas pressure is decreased or the temperature is increased, hydrogen is absorbed. It has the property of releasing and absorbing heat. As described above, the hydrogen storage alloy is an alloy having excellent reversibility in which the hydrogenation and dehydrogenation reactions proceed at a preferable reaction rate under practical conditions. Mg—Ni, La—Ni, Ti -Mn-based and rare metal-mixed misch metal and lanthanum-rich alloys containing a large amount of lanthanum and alloys using misch metal are also available.
このような水素吸蔵合金の水素の吸蔵、放出を積極的に利用してアクチュエータを構成することが提案されている。
すなわち、特許文献1に見られるようにシリンダーに移動可能に装填されたピストンの両面にそれぞれ水素吸蔵合金モジュールを連通させ、交互に加熱、冷却して水素の放出、吸蔵を行わせることにより、ピストンを往復動させるように構成されている。
水素の放出、吸蔵を行わせるためには、低密度の熱エネルギーで十分であるものの、熱エネルギーの供給源を温水に頼る場合は、ボイラーで水を沸かして給水ポンプで供給する必要があり、また冷水に頼る場合は、熱源が不要となるものの、給水ポンプによる供給が必要となり、いずれにしても供給圧を得るための別の駆動エネルギーが必要となり自然エネルギーを利用する観点から十分満足できるものではない。
熱源に関しては自然エネルギーから熱を得るフリージスター(ペルティエ素子の改良版)など各方式は検討されているが、作られた熱を如何にして水素吸蔵合金モジュールに与えて水素吸蔵合金アクチュエータを駆動するか、また、それを冷却するための手法は未だ解決されていない。
That is, as shown in
In order to release and occlude hydrogen, low-density thermal energy is sufficient, but when relying on hot water as the source of thermal energy, it is necessary to boil water with a boiler and supply it with a feed pump. In addition, when relying on cold water, a heat source is not required, but supply by a water supply pump is required, and in any case, another drive energy is required to obtain supply pressure, which is sufficiently satisfactory from the viewpoint of using natural energy is not.
As for the heat source, various methods such as freezing (an improved version of Peltier element) that obtains heat from natural energy have been studied, but how the generated heat is applied to the hydrogen storage alloy module to drive the hydrogen storage alloy actuator. Moreover, the method for cooling it has not been solved yet.
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであってその目的とするところは、他のエネルギーに頼ることなく、自身が発生した機械的エネルギ−により、水素吸蔵合金モジュールの加熱領域と冷却領域とに交互に移動させる、もしくは加熱または冷却用の流体を水素吸蔵合金モジュールに供給することができる自律駆動型水素吸蔵合金アクチュエータを提供することである。 The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to reduce the heating region and cooling of the hydrogen storage alloy module by mechanical energy generated by itself without relying on other energy. It is an object of the present invention to provide an autonomously driven hydrogen storage alloy actuator capable of alternately moving to a region or supplying a fluid for heating or cooling to a hydrogen storage alloy module.
このような問題を解決するために請求項1の発明は、水素吸蔵合金を収容した複数の水素吸蔵合金モジュールと、前記水素吸蔵合金モジュールから水素の供給、または水素の吸蔵を受けてストローク運動を出力する往復動機関と、前記ストローク運動により前記水素吸蔵合金モジュールを高温領域と低温領域とに交互に移動させる間歇駆動機構とを備えるように構成されている。
また請求項2の発明は、水素吸蔵合金を収容した複数の水素吸蔵合金モジュールと、前記水素吸蔵合金モジュールの前記水素貯蔵合金に熱伝達可能に配置された流路手段と、前記水素吸蔵合金モジュールから水素の供給、または水素の吸蔵を受けてストローク運動を出力する往復動機関と、前記ストローク運動に基づいて前記流路手段に高温流体と低温流体を交互に供給する汲み上げ機構とを備えるように構成されている。
In order to solve such a problem, the invention of
Further, the invention of
請求項1の発明によれば、往復動機関で発生した機械的エネルギの一部を利用して水素吸蔵合金モジュールを、低温領域と高温領域とに交互に移動させることができ、また請求項2の発明によれば、水素吸蔵合金モジュールを収容したタンクに往復動機関で発生した機械的エネルギの一部を利用して汲み上げ機構により高温流体、及び低温流体を交互に供給できるため、水素吸蔵合金モジュールの加熱、冷却のために他のエネルギが不要とすることができる。
According to the invention of
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図1は、本発明の水素吸蔵合金アクチュエータの基本概念を示す図であって、2つの水素吸蔵合金モジュール1、2は、それぞれ高温領域Hと低温領域Cとに配置され、ロッド3、4を介して間歇駆動機構5に接続されるとともに往復動機関6に連通されている。なお、図中符号7は往復動機関6のストローク軸を、また符合8は外部出力軸をそれぞれ示す。
Therefore, details of the present invention will be described below based on the illustrated embodiment.
FIG. 1 is a diagram showing a basic concept of a hydrogen storage alloy actuator according to the present invention. Two hydrogen
このような構造により、一方の水素吸蔵合金モジュール1が高温領域Hに、また他方の水素吸蔵合金モジュール2が低温領域Cに位置している状態では、水素吸蔵合金モジュール1から往復動機関に水素が放出され、また水素吸蔵合金モジュール2が往復動機関6から水素を吸引(吸収)する。
With such a structure, when one hydrogen
これにより、往復機関6は水素貯蔵合金1、2からの作動流体の作用を受け、ストローク軸7が矢印Aの方向に移動し、また出力軸8から回転出力を引き出すことが可能となる。所定時間が経過すると間歇駆動機構5が作動して、一方の水素吸蔵合金モジュール1が低温領域Cに、また他方の水素吸蔵合金モジュール2が高温領域Hに移動する。これにより、往復動機関6はそのストローク軸7を矢印Bの方向に移動させる。低温領域Cに位置する水素吸蔵合金モジュール1’は、水素を吸引し、また高温領域に位置する水素吸蔵合金モジュール2’は水素を放出する。
そして、ストローク軸7が所定量変位した時点で後述する間歇駆動機構5のロッド3、4が作動して水素吸蔵合金モジュール1’、2’をそれぞれ高温領域H、低温領域Cに移動させる。
Thus, a reciprocating
Then, when the
以下、高温領域、及び低温領域が所定の温度に維持されている限り、上述の工程を繰り返して回転エネルギ−を発生する。すなわち、水素吸蔵合金の駆動力で水素吸蔵合金モジュールを温熱源から冷熱源に、または冷熱源から温熱源に移動させて自律的に駆動することができる。 Hereinafter, as long as the high temperature region and the low temperature region are maintained at a predetermined temperature, the above process is repeated to generate rotational energy. That is, the hydrogen storage alloy module can be driven autonomously by moving the hydrogen storage alloy module from the heat source to the cold source or from the cold source to the heat source with the driving force of the hydrogen storage alloy.
なお、上述の実施例においては、アクチュエータを1ユニットとして構成しているが、図2に示したように必要とする出力に応じて複数、この実施例では3つのユニットを共通の出力軸8’に接続することもできる。
In the above-described embodiment, the actuator is configured as one unit. However, as shown in FIG. 2, a plurality of, or three units in this embodiment, a
高温熱源溜まり(高温水槽)と低温熱源溜まり(低温水槽)を用意すれば、水素吸蔵合金アクチュエータが駆動できる。
したがって、たとえば熱源を温泉水とする場合には高温水容器へに温泉水を直接供給すれば良く、またフリージスターやヒートパイプなどの熱伝導手段を用いる場合は、直接あるいは間接的に高温水容器を加熱すればよい。
If a high temperature heat source reservoir (high temperature water tank) and a low temperature heat source reservoir (low temperature water tank) are prepared, the hydrogen storage alloy actuator can be driven.
Therefore, for example, when the heat source is hot spring water, it is sufficient to supply hot spring water directly to the high-temperature water container, and when using heat conduction means such as a friegister or heat pipe, the high-temperature water container is directly or indirectly used. May be heated.
温水ソーラーパネルにより得られた温水についても同様に、単に高温水容器に温水を導けば良く、工場などからの廃熱があるのであれば、廃熱パイプを当該高温水容器に通すことで高温領域を作ることができる。このとき、適当な位置に設置した水容器を用いることになるので、熱量の設定や保温(あるいは保冷)の対策も容易である。 Similarly, for hot water obtained by a hot water solar panel, it is only necessary to guide the hot water to a high-temperature water container. If there is waste heat from a factory or the like, the waste heat pipe is passed through the high-temperature water container to provide a high-temperature region. Can be made. At this time, since a water container installed at an appropriate position is used, it is easy to set the amount of heat and to keep warm (or cool).
次に、本発明の要部となる水素吸蔵合金モジュールを高温領域と低温領域とに周期的に交互に移動させる前述の間歇駆動機構5、及び往復動機関6と出力軸8との関係について、図3、図4、及び図5に基づいて説明する。なお、図5はクラッチ14を省略して示すものである。
図3は、間歇駆動機構の一実施例を示すものであって、往復動機関6のストローク軸7には、ストローク長以上の長さのラックギア10が接続されている。このラックギア10は、紙面に対して垂直な方向に移動可能で、出力軸8に一方向クラッチ11を介して設けられた平歯車12に噛み合っている。
これらの機構により、ストローク軸7の往復動を出力軸8の回転運動に変換する機構が構成されている。
Next, regarding the relationship between the
FIG. 3 shows an embodiment of the intermittent drive mechanism, and a
These mechanisms constitute a mechanism for converting the reciprocating motion of the
平歯車12は、歯車13にかみ合い、クラッチ14を介して平歯車15に回転を伝達可能となっている。
The
また、出力軸8には平歯車16が固定されていて、歯車17、18、及び19により順次減速されて、歯車19に設けられたカム20を回動させるようになっている。カム20と対向する位置には、クラッチ14のドッグ21が突出していて、カム20が所定位置に回動した時点でドッグ21に当接して歯車13とともにクラッチ14を噛み合い方向(図中右方向)に移動させる。
すなわち、往復動機関6が1ストローク、つまり上死点から下死点まで移動したとき、歯車19が1回転するように、歯車16〜19の減速比が設定されている。
Further, a
That is, the reduction ratios of the
クラッチ14が噛み合った状態では、歯車15に設けられたピン22が歯車10、13を介して出力軸8により回動する。また歯車15には歯車23を介してピン24が設けられた歯車25が噛み合っており、さらに歯車26を介してピン27が設けられた歯車28が噛み合っている。この歯車28には、歯車29を介してピン30が設けられた歯車31が噛み合っている。
In a state where the
このような構成により、カム20が一回転してその凸部20aがドッグ21を押圧すると、出力軸8の回転が歯車13、クラッチ14を介して歯車15、25、さらには歯車26を介して歯車28,31に伝達され、ピン22、24、27、30が揺動する。ピン22、24には、ロッド3が、またピン27、30にはロッド4が係合している。
With such a configuration, when the
ドッグ21に押されてクラッチ14が係合すると(図4)、一方の水素吸蔵合金モジュール1は、図6の(I)乃至(III)に示したように高温領域Hから水平運動を伴いながら引き上げられ、ついで低温領域Cに降下する。
When the
また他方の水素吸蔵合金モジュール2は、図7の(I)乃至(III)に示したように、低温領域Cから水平運動を伴いながら引き上げられ、ついで高温領域HCに降下する。
The other hydrogen
以下、このような運動を往復動機関のストロークに同期して実行する。したがって、高温領域、及び低温領域の温度がそれぞれ所定の温度に維持されている限り、アクチュエータは、これらの熱源だけで作動することが可能となる。なお、上述の実施例では往復動機関6の1ストロークにより水素合金モジュール1、2を異なる領域に移動させているが、歯車などによる伝達機構の減速比を適宜変更することにより、1ストローク以上をかけて水素合金モジュール1、2を異なる領域に移動できることは明らかである。
Hereinafter, such a motion is executed in synchronization with the stroke of the reciprocating engine. Therefore, as long as the temperatures of the high temperature region and the low temperature region are maintained at predetermined temperatures, the actuator can be operated only by these heat sources. In the above-described embodiment, the
なお、上述の実施例においては、往復動機関のストローク量に合わせて水素吸蔵合金モジュールを移動させるための間歇駆動機構を歯車により構成しているが、ゼネバカムやレバー機構からなる周知の間歇駆動機構を使用しても同様の作用を奏する。 In the above-described embodiment, the intermittent drive mechanism for moving the hydrogen storage alloy module in accordance with the stroke amount of the reciprocating engine is constituted by a gear. However, a known intermittent drive mechanism comprising a Geneva cam or a lever mechanism is used. Even if is used, the same effect is obtained.
ところで、水素吸蔵合金モジュールと往復動機関とは耐圧ホース等の高圧流路構成手段により接続する必要が、水素吸蔵合金モジュールを上下方向、及び水平方向に移動可能とするためには、高圧流路構成手段に可撓性を持たせる必要があり、高圧流路構成手段の構造が複雑化するという問題がある。 By the way, it is necessary to connect the hydrogen storage alloy module and the reciprocating engine by a high pressure flow path constituting means such as a pressure hose. In order to move the hydrogen storage alloy module vertically and horizontally, the high pressure flow path There is a problem that it is necessary to make the constituent means flexible, and the structure of the high-pressure flow path constituent means becomes complicated.
図8は、このような問題を解決した実施例を示すものであって、図中符号10は、往復動機関6に接続された前述のラックギア10で、これには往復動を回転運動に変換する歯車40、41が噛み合っていて軸42、43を回転駆動させるようになっている。
FIG. 8 shows an embodiment in which such a problem is solved. In FIG. 8,
軸42、43の一端にはピン44、45を備えた回転部材46、47が、他端にも図示しないピンを備えた回転部材48、49が設けられ、これらのピン44、45には回転を往復動に変換するカムフォロアー50〜53が接続されている。これらカムフォロアー50〜53にはロッド、またはロープなどの連結部材54〜57により水槽62、63に位置するバケット58〜61が吊り下げられている。
Rotating
また、それぞれの軸42、43により駆動されるバケット58とバケット60、及びバケット59とバケット61は、180度の位相差で上下動するように回転部材46〜49のピンの位置が設定されている。
Further, the positions of the pins of the
これらバケット58〜61の底部には、水素吸蔵合金モジュールの外周を包囲するタンク62、63の上部に接続する流路64〜67が他端が開口している。なお、バケット58〜61に接続される流路は、バケット58〜61の移動に追従できるようにフレキシブルな材料で構成されている。
また、タンク80、81の底部には水槽62、63への帰還路を構成する流路68〜71が接続されている。
At the bottoms of these
In addition,
なお、図中符号72、73、72’、73’は、それぞれタンク80、81に内蔵されている水素吸蔵合金モジュールと往復動機関とを接続する流路を示す。
この実施例によれば、回転部材46〜49の回転速度を、往復動機関6の1ストロークの間に少なくとも1回転させることにより、水槽62と水槽63の流体がバケット58、61より汲み上げられてタンク80とタンク81のそれぞれにサイフォン現象で流れ込み、タンク80、81に収容されていた流体が水槽63、62に戻る。
According to this embodiment, the rotation speed of the
回転部材46〜49が1/2回転すると、今度は逆に水槽62と水槽63の流体がバケット59、60より汲み上げられてタンク81とタンク80のそれぞれにサイフォン現象で流れ込み、タンク80、81に収容されていた流体が水槽62、63に戻る。
When the
このように往復動機関6のストロークにより温水、及び冷水を吸蔵する水槽62、63の水を水素吸蔵合金モジュールを収容したタンク80、81に交互に供給できるため、タンク80、81に収容されている水素吸蔵合金モジュールから水素の放出と、吸収を交互に行なわて、往復動機関6を自立的に作動させることができる。
Thus, the water in the
この実施例によれば、高温、低温の流体を収容した水槽62、63の流体をバケット58〜61、回転部材46〜49、カムフォロア51〜53などで構成された汲み上げ機構により、水素吸蔵合金モジュールを収容したタンク80、81に独立した流路により交互に供給するため、低温水と高温水が交じり合うことが無く、効率の向上が期待できる。
According to this embodiment, the hydrogen occlusion alloy module is provided by the pumping mechanism constituted by the
上述の実施例では往復動機関6の1ストロークによりタンク81、82の液体を交換するようにしているが、歯車などによる伝達機構の減速比を適宜変更することにより、1ストローク以上をかけてタンク81、82の液体を交換できることは明らかである。
In the above-described embodiment, the liquid in the tanks 81 and 82 is exchanged by one stroke of the
さらに、上述の実施例においては水素貯蔵合金モジュールの周囲に、流体を交換可能に収容するタンク80、81を設けて流路手段を構成しているが、水素貯蔵合金モジュール内にパイプを水素貯蔵合金に接触するように蛇行させて収容して流路手段を構成すると、パイプを介して水素貯蔵合金を加熱、冷却することができる。 Further, in the above-described embodiment, the tanks 80 and 81 for storing the fluid in a replaceable manner are provided around the hydrogen storage alloy module to constitute the flow path means, but the pipe is stored in the hydrogen storage alloy module. If the flow path means is constituted by meandering and accommodating so as to contact the alloy, the hydrogen storage alloy can be heated and cooled via the pipe.
1、2 水素吸蔵合金モジュール、 H 高温領域、 C 低温領域、 3、4 ロッド、 5 間歇駆動機構、 6 往復動機関、 7 ストローク軸、 8 外部出力軸、 10 ラックギア、 11 クラッチ、 21 ドッグ、 22、24、27、30 ピン、 50〜61 カムフォロアー、 54〜57 連結部材、 62、63 水槽、 58〜61 バケット、 80、81 水素吸蔵合金モジュールを収容したタンク 1, 2 Hydrogen storage alloy module, H high temperature region, C low temperature region, 3, 4 rod, 5 intermittent drive mechanism, 6 reciprocating engine, 7 stroke shaft, 8 external output shaft, 10 rack gear, 11 clutch, 21 dog, 22 , 24, 27, 30 pin, 50-61 cam follower, 54-57 connecting member, 62, 63 water tank, 58-61 bucket, 80, 81 Tank containing hydrogen storage alloy module
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