JPH0429949B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、作動気体の可逆的な吸脱着反応での
発熱、吸熱を利用したケミカルヒートポンプの原
理による間欠作動式ヒートポンプ装置に関するも
のであり、優れた性能を生かして熱駆動の冷暖
房、給湯装置として広く利用できる。

従来例の構成とその問題点 まづ始めにこのような間欠作動式のヒートポン
プ装置の性能をあらわす成績係数、すなわち、出
力エネルギーを入力エネルギーで除した値を左右
する要因について説明する。

説明をわかり易くするため吸着材に金属水素化
物、作動媒体を水素とした時の例について説明す
る。

今第１の容器に１つの金属水素化物を形成しう
る合金粉末を充し、第２の容器に前者に比べ、同
一温度で平衡圧の高い金属水素化物を形成する合
金粉末を充し、まづ前者を十分水素化したとす
る。

次に両容器を管で連結すると水素は第２の容器
に移動しうるが、第２の容器の合金の水素化物の
方が平衡圧が高いので、第１の容器内の水素ガス
圧を第２の圧力以上にするためには、第１の容器
を加熱する必要がある。この際第２の容器は常温
に保つものとする。又水素ガスを脱着させるため
には脱着熱が必要でこの熱を供給する必要があ
る。その熱をQ_a1とし、容器とその内容物を所定
の温度にまで暖めるに必要な熱量をQ_s1とすれば
入力力はQ_a1＋Q_s1になる。Q_s1は容器とその内容
物との熱容量の和（C₁）と、昇温幅ΔT₁の積で
ある。

このように加熱をすると、第１の容器から第２
の容器に水素が移動し、第２の容器の合金は、
ほゞ全部が金属水素化物となり、第１の容器の内
容物は殆んどもとの合金の状態になる。

次に第１の容器を常温にもどし、第１と第２容
器を再び連通すると、第２の容器の水素は解離し
第１の容器の合金は水素化されてゆくが、この
際、第２の容器では吸熱反応が生じ、容器および
その内容物の温度が下り、第１の容器の温度で定
る平衡圧に対応する第２の容器内の金属水素化物
の平衡温度で吸熱が継続する。この吸熱能力であ
るがこの値は、反応によつて生ずる全吸熱Q_a2か
ら、容器および内容物を、常温から低温吸熱が持
続する温度まで下げるのに必要な熱量Q_s2を差し
引いた値Q_a2−Q_s2になる。なおQ_s2は第２の容器
とその内容物の熱容量C₂と温度下げ幅ΔT₂の積
である。

以上の考察から成績係数（COP）は COP＝Q_a2−Q_s2／Q_a1＋Q_s1 で与えられる。

このことから明らかなことはQ_s1，Q_s2をいかに
小さくするかということがCOPを大きくする要
因であるということである。

以上の考察から容器の熱容量C₁，C₂を小さく
することは重要であるが、ΔT₁，ΔT₂を小さくす
ることも有効である。

第１図は間欠作動式ヒートポンプ装置の基本的
な構成を模式的に表わした図であり、容器１，２
に吸着媒体３，４が充たされており、配管５によ
つて連結されており、この間に弁６が存在する。
それぞれの容器には熱交換器７，８が設けてあ
る。

まづ熱交換器７を介して容器１の中の吸着媒体
３を加熱し、作動媒体を放出せしめると作動媒体
は配管５を通つて容器２に至り、吸着媒体４に吸
着される。この時発熱するので熱交換器８を介し
て冷却する。この際吸着媒体４は冷却水温より高
い温度となり、熱交換器８より温出力をうる。

この時の吸着媒体４の温度をT_Mとする。次に
熱交換器７を介して吸着媒体３を冷却し、弁６を
開くと、作動媒体は、吸着媒体４から同３に移り
その際吸着媒体４で吸熱が起り、先づ自らの温度
がT_Lまで下り、さらに熱交換器８から温度T_Lの
冷出力を得る。こゝでT_M−T_Lが前記ΔT₁である。

冷暖給湯に使えるシステムを考えると、T_M＝
50℃T_L＝５℃位必要でありΔT＝45℃位となる。

発明の目的 本発明の目的は、吸着媒体およびその収容容器
とそれに付随する部分の温度を上下させることに
より消費される吸熱ないしは発熱反応熱（顕熱
損）を、できるだけ少くすることにより、システ
ムの成成績係数を向上させることにある。

発明の構成 ２種類の吸着作動媒体を収容する容器を中間に
弁を有する配管で結び、作動媒体を交互に吸脱着
せしめる事により、冷、温出力を得るヒートポン
プ装置を２組用い交互に逆位相で運転し、時間的
に交互に反転する前記作動媒体の流れの間に前記
弁を閉塞し、作動媒体の流れない時間を設け、こ
の時間帯を２つに分け、前半は(1)自らの発熱反応
により温度が上昇している、かつ次のフエーズで
自らの吸熱反応で冷出力を発生する吸着媒体１を
冷却用熱媒体で冷却した後、(2)これと対をなす外
部熱源により加熱されていた吸着媒体２と熱交換
させ、(3)さらに前記吸着媒体と逆位相で作動する
対の発熱反応により昇温していた吸熱媒体４と熱
交換させる。後半は(1)前半の工程３の吸熱媒体４
と対をなす吸熱反応により冷却していた吸熱媒体
３で冷却水をそれ以下の温度に冷却し、(2)前半に
おける吸着媒体１を冷却し、(3)前半における吸着
媒体２と熱交換させる。

実施例の説明 本発明を一実施例に従つて詳しく説明する。

第２図に示すごとく第二容器１１、第一容器１
２、配管１５、弁１６よりなる第１のシステム
と、第四容器２１、第三容器２２、配管２５、弁
２６よりなる第２のシステムを用意し、同一温度
で平衡圧力の低い金属水素化物を１３，２３と
し、同じく平衡圧力の高い金属水素化物を１４，
２４とし、それぞれ第二容器１１、第四容器２
１、および第一容器１２、第三容器２２に充填
し、作動媒体として水素を導入する。それぞれの
容器には熱交換器、１７，１８，２７，２８が設
けてある。

今熱交換器１７により金属水素化物１３を加熱
すると水素は配管１５を経て金属水素化物１４に
吸着され発熱するのでこれを熱交換器１８に冷却
水を流して冷却すると水素はさらに金属水素化物
１４に移動しやがて平衡に達し反応は停止する。
この過程をフエーズ１と名付ける。次に熱交換器
１７に冷却水を流し、金属水素化物１３を冷却す
ると金属水素化物１４の水素は脱着し金属水素化
物１３に吸着する。この際前者において吸熱し後
者において発熱するため熱交換器１８を流れる水
は冷却されて冷水を得、熱交換器１７を流れる水
は加熱されて温水を得る。この過程をフエーズ２
と名付ける。

通常このようなシステムを第２図に示すごとく
２組用い、第１のシステムがフエーズ１の状態に
ある時、第２のシステムはフエーズ２の状態にあ
るごとくすることにより、常にいづれかのシステ
ムで冷水がえられるので、連続的に冷水がえるこ
とができる。

本発明においては、この２つのフエーズの間に
弁１６，２６を閉じた状態を設け、その時の冷却
水の流し方を工夫することにより、高い成績係数
をえようとするものである。

すなわち第３図に示すごとく、第１のシステム
がフエーズ１、第２のシステムがフエーズ２の状
態にある状態をあらためてフエーズＡと名付け、
逆に第１のシステムがフエーズ２、第２のシステ
ムがフエーズ２の状態にある時をフエーズＣと名
付る。弁の横に示した矢印は水素ガスの流れる方
向を示す。フエーズＡとフエーズＣの間に弁１
６，２６の閉じた状態フエーズＢを設ける。

さらにこのフエーズＢを前半B₁、後半B₂に分
ける。まづB₁のフエーズにおいては、冷却水は
第２図の番号に従えば熱交換器１８から同１７を
経て同２７に至り、温水として取り出され、この
フエーズで金属水素化物１４をできるだけ冷却水
温近くまで冷却する。又この水は１７で温水の出
力温度より高温に加熱されていた金属水素化物１
３と熱交換して温水の出力温度以上に暖められ
る。最後にフエーズＣにおいて外部熱源により加
熱される金属水素化物２３を、フエーズＡにおけ
る、それ自身の温度すなわち温水出力温度以上に
暖められた前記冷却水と熱交換し、加熱される。

次にB₂のフエーズにおいては、冷却水は熱交
換器２８から同１８を経て同１７に至り、温水と
して取出される。

次にフエーズＣとフエーズＡとの間にフエーズ
Ｄを設け、これを前半D₁、後半D₂とするとまづ
フエーズD₁においては、冷却水は熱交換器２８
から同２７を経て同１７に至り、D₂のフエーズ
においては、同１８から同２８を経て同２７に至
る。

第３図は、このＡ，B₁，B₂，Ｃ，D₁，D₂各フ
エーズの冷却水の流れを示す図である。このよう
な６つのフエーズを順次繰返し運転する。

各部の番号は第２図と対応させてある。弁１
６，２６に添えた矢印は水素ガスの流れ方向を示
し、矢印の無い弁は閉塞状態を示す。熱交換器１
７，１８，２７，２８の端部矢印の記号Ｃは冷水
出力Ｗは温水出力を示し、丸を付した端部の記号
Ｈは加熱源を示す。

Ａ，Ｃのフエーズの時間とB₁，B₂，D₁，D₂の
フエーズの時間は実験的に定められるが通常前者
に比べ後者は短くて十分である。

第４図は本発明の一実施例の一具体的弁および
配管構成で、冷却水素に14個の弁３０から弁４３
を用い、加熱系は別の熱交換器４６，４７を金属
水素化物１３，２３と熱交換しうるようにし、こ
の系にも弁４４，４５を設けた。各フエーズにお
ける水素の弁を含む各弁の開閉を第５図に示す。

第５図において横軸はフエーズ、番号は第５図
に示した弁の番号、太線は弁開を示す。

フエーズB₁の直前の状態では第３図の第三容
器２２内の金属水素化物２４は吸熱反応により、
この熱交換器２８に供給されている水温（これは
通常他の熱交換器に供給されている冷却水温
（T_C）とほゞ同一と考えてよい）より低い温度T_L
に達していると考えられる。一方第一容器１２内
の金属水素化物１４は発熱反応により、冷却水温
より高いT_M度に達している。又第二容器１１内
の金属水素化物１３はT_Mよりさらに温度の高い
加熱源により加熱されT_H度の状態にある。

成績係数を向上するためには、フエーズＣにお
いて吸熱反応により低温T_Lを実現する現在T_Mの
温度にある金属水素化物１４を、この物質が吸熱
反応を開始するまでにできるだけ低温にすること
が重要であり、一方同じくフエーズＣにおいて
T_H度まで加熱される現在T_Mの温度にある金属水
素化物２３を、できるだけより高い温度にするこ
とができることが望ましい。

こゝで本発明に従つてフエーズB₁に入つたと
する。

冷却水はまづ熱交換器１８に入つて、金属水素
化物１４を冷却するから前記１４は冷却水温近く
まで冷却される。一方熱交換器１８を出た水は幾
分加熱され、次に熱交換器１７に入り、T_H度に
加熱されていた金属水素化物１３と熱交換し、
T_M度より高い温度に昇温される。さらにこの温
水は熱交換器２７に入り金属水素化物２３と熱交
換するが、前記２３はT_M度であるため、前記温
水により加熱され、T_M度より高い温度に加熱さ
れる。到達温度としてはT_H＋T_Mの半分までの昇
温が可能である。

フエーズB₁の間、金属水素化物２４は断熱さ
れた状態にある。

次にフエーズB₂に入つたとする。

冷却水はまづ熱交換器２８に入つて、T_L度に
冷却されていた金属水素化物２４と熱交換するこ
とにより、冷却水は供給水温（T_C）より冷却さ
れて熱交換器１８に入り金属水素化物１４と熱交
換する。前記１４はフエーズB₁においてほゞ水
温にまで冷却されているから、金属水素化物２４
により冷却された水と熱交換することにより、さ
らに低温に冷却される。到達温度としてはT_L＋
T_Cの半分位までが可能である。

熱交換器１８を出た冷却水は熱交換器１７に入
り、金属水素化物１３と熱交換するが、これはフ
エーズB₁において熱交換によりT_Hより低い温度
にはなつているが、まだT_H＋T_Mの半分位の温度
は保つているので、熱交換器１７を出る冷却水温
はT_M位になる。

発明の効果 以上のことからフエーズＣにおいて金属水素化
物１４は、自らの吸熱反応により、降温しなけれ
ばならない温度幅は従来のフエーズＡからＣに直
接移る方法に比べて1/3ないし1/4となり、冷出力
の顕熱損Q_s2はほゞ1/3ないし1/4となる。又入力
側についていうならば、フエーズＣにおいて金属
水素化物２３が加熱昇温されなければならない温
度幅はほゞ1/2となり、入力の顕熱損Q_s1はほゞ1/
２となる。

その結果成績係数は従来の方法における成績係
数によるが、1.5倍ないし２倍は向上する。

このように本方式は吸着媒体を用いた間間欠作
動式ヒートポンプ装置の成績係数をいちゞるしく
向上させることが可能である。

又本発明による冷却水路の組み合せによりフエ
ーズB₁，B₂における冷却水の出口水温はT_M度よ
り高いので、これは温水出力として給湯などに用
いることができる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は間欠作動式ヒートポンプ装置の原理
図、第２図は金属水素化物ヒートポンプ装置の基
本構成図、第３図は本発明の一実施例の動作説明
図、第４図は第３図における具体的弁および配管
構成図、第５図は第４図の弁の各フエーズにおけ
る開閉状態を示す図である。 １１……第二容器、１２……第一容器、２１…
…第四容器、２２……第三容器、１３，２３，１
４，２４……金属水素化物、１６，２６……弁、
１７，１８，２７，２８……熱交換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 作動媒体を可逆的に吸脱着できる物質で、温
   度平衡圧力の異なる２種類の吸着媒体をそれぞれ
   収容する容器と、これらを連結する作動媒体通路
   および前記容器を加熱又は冷却する熱媒体通路よ
   りなり、前記作動媒体通路に開閉弁を設けた間欠
   作動式ヒートポンプを２組用い、この２組を交互
   に逆位相で運転するヒートポンプ装置において、
   一対のヒートポンプの、同一温度で平衡圧の高い
   方の吸着媒体を収容する第一容器を設け、これと
   対をなす同一温度で平衡圧の低い方の吸着媒体を
   収容する第二容器を設け、前記ヒートポンプと逆
   位相で作動する他の対の同一温度で平衡圧の高い
   方の吸着媒体を収容する第三容器を設け、同一温
   度で平衡圧の低い方の吸着媒体を収容する第四容
   器を設け、第一容器において前記作動媒体の流れ
   がほぼ停止する平衡状態から、加熱と冷却を反転
   して前記作動媒体の流れを逆転させる迄の間に、
   前記作動媒体の開閉弁をいずれも閉塞し、前記作
   動媒体の流れのない時間を設け、この時間帯をさ
   らに２つに分け、前半および後半の前記加熱冷却
   用熱媒体の流れを前半は第一容器、第二容器、第
   四容器の順序とし、後半は第三容器、第一容器、
   第二容器の順序で前記熱媒体を流しその後作動媒
   体の開閉弁を開き、第四容器を加熱し第一容器、
   第二容器の対と第三容器、第四容器の対の作用を
   逆転し、この反応がほぼ終了したところで、作動
   媒体の開閉弁を閉じ、今度は前半第三容器、第四
   容器、第二容器、後半第一容器、第三容器、第四
   容器の順序で前記熱媒体を流すことを特徴とする
   間欠作動式ヒートポンプ装置の運転方法。