JPH0665943B2 - 間欠作動式多段冷却装置 - Google Patents

間欠作動式多段冷却装置

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JPH0665943B2
JPH0665943B2 JP59082202A JP8220284A JPH0665943B2 JP H0665943 B2 JPH0665943 B2 JP H0665943B2 JP 59082202 A JP59082202 A JP 59082202A JP 8220284 A JP8220284 A JP 8220284A JP H0665943 B2 JPH0665943 B2 JP H0665943B2
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功 竹下
孝治 蒲生
良夫 森脇
伸行 柳原
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、作動媒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装置に関するもので
あり、優れた性能を生かし、十分低い温度をうるための
ものである。
従来例の構成とその問題点 ヒートポンプ装置は圧縮式,吸収式,ケミカルヒートポ
ンプの3つに大別できる。本発明に係るケミカルヒート
ポンプは、近年エネルギー有効利用の観点から次第に関
心が高まりつつある。
ケミカルヒートポンプは、物質の吸脱着反応もしくは相
変化反応を利用したヒートポンプであり、作動媒体とし
ては金属水素化物や、無機水和物,有機物,ゼオライト
などがその材料として考えられている。これらの作動媒
体としては、水素,水蒸気,アンモニアなどある。
従来の一般式な間欠式冷却サイクルは第1図に示す温
度,平衡圧力特性を示す。温度平衡圧力特性の異る2種
類の金属水素化物を用い、同一温度で平衡圧力の低い金
属水素化物(MH1)で十分に水素を吸着したものをTH度
で加熱し、(Aの状態)、TA度の十分水素を脱着した同
一温度で平衡圧力の高い金属水素化物(MH2)と連通す
ると、MH1の水素はMH2に移動する(Bの状態)。この際
MH2は発熱反応により熱を発生するが、これは大気など
のヒートシンクに捨てる。次にMH1を大気などで冷却
し、MH2と連通すると、MH2の水素はMH1に移動し、MH2は
吸熱するためTC度まで温度が下る(Cの状態)。一方MH
1は発熱するのでこれはヒートシンクに捨てる(Dの状
態)。このようにA→B→C→Dの過程を繰り返すこと
によって、TH度の熱源の熱を用いてTCの温度の冷熱を発
生することができる。
このように、熱エネルギーを用いて冷却をすることがで
きる極めて有用なものであるが、ヒートシンク温度と得
られる低温との温度差をさらに大きくしたい時は第2図
に示すごとく、同じ温度での平衡圧が、先に述べたMH2
よりさらに高いMH3を用い、第2図のA′→B′→C′
→Dのサイクルを形成することにより、先述のTCより低
いTCがえられるが同時に加熱温度THはTH′に上り、高圧
もPHからPH′に上昇することになる。
従って十分な熱源温度がえられない時はこの方法は使用
できない。
そこで第3図に示すごとく、MH1,MH2という同一の材料
の組み合せで、さらにA→B→C″→D″というサイク
ルを作り、Bにおける発熱は、A→B→C→Dサイクル
と同じくTA度のヒートシンクに捨てるが、D″における
発熱は、先のA→B→C→DサイクルのCにおける吸熱
によって処理されるようにすることにより、加熱温度TH
を高めることなく前記A′→B′→C′→D′サイクル
とほぼ同等の低温がえられる方法が発明されている。こ
の方法および前記方法によってえられた低温とヒートシ
ンク温度との差は、一段の冷却サイクルの前記温度差の
2倍弱と考えられる。
発明の目的 本発明の目的は2つの冷却サイクルを組み合せ加熱温度
を1つの冷却サイクルの場合と同一にしかつ得られる低
温とヒートシンク温度との差を、1つの冷却サイクルの
前記温度差の3倍弱の値がえられる装置を与えるもので
ある。
発明の構成 本発明の多段冷却装置は作動気体とそ作動気体を可逆的
に吸脱着できる温度・平衡圧力特性の異る2種類の媒体
を2つの部屋に区画した密閉容器内に各々収納し、気体
の吸脱着反応時の発熱,吸熱を利用したケミカルヒート
ポンプ装置であり、ヒートポンプサイクルが少なくとも
2組から構成され、同一温度で平衡圧力の低い高温側吸
脱着反応媒体を、熱源により加熱し、作動媒体を平衡圧
力の高い低温側吸脱着媒体に吸着せしめ、その際に発生
する吸着熱を大気などのヒートシンクに捨て、次に前記
高温側吸脱着反応媒体を前記ヒートシンク温度に冷却
し、低温側吸脱着媒体から作動気体を再び高温側吸脱着
媒体に吸着せしめることにより、低温側吸脱着媒体温度
を前記ヒートシンク温度以下で吸熱せしめる冷却サイク
ルを形成し、さらに加熱温度をほぼ同一とした第2の冷
却サイクルの放熱温度を、前記第1のサイクルの低温の
吸熱温度の少し上に設定することにより、第2のサイク
ルの放出する熱を第1のサイクルで吸い上げ、前記大気
などのヒートシンクに捨てることにより第2のサイクル
の低温吸熱温度をより低くせしめるごとくしたものであ
る。
この場合第2の冷却サイクルの高温側吸脱着媒体の温度
平衡圧特性を、第1の冷却サイクルの2種類の吸脱着媒
体の温度平衡圧特性の中間に選ぶことが一層望ましい。
また各ヒートポンプサイクルの少なくとも1つに作動気
体として、水素ガスを用い、吸脱着反応媒体に金属水素
化物を形成し得る金属又はその合金を用いることを特徴
とするものである。
実施例の説明 本発明の多段冷却装置の一実施例を第4図に、そのサイ
クル図を第5図に示す。なお、吸脱着できる媒体として
金属水素化物を例に取って説明する。
第4図に示すように温度・平衡圧力特性の異る2種類の
金属水素化物を2つの区画された密閉容器内に各々収容
したものを2組作成した。第5図のMH1とMH2で相対的に
高温で動作する第1の冷却サイクルを形成し、MH1′とM
H2′で相対的に低温側で動作する第2冷却サイクルを構
成した。この2つの冷却サイクルにおいて、同一温度で
の平衡圧力の低い高温加熱側はMH1とMH1′である。
次に上記冷却装置の動作について説明する。第1の冷却
サイクルの高温加熱側の金属水素化物を熱源1によりTH
度で加熱し、低温発熱側の金属水素化物(MH2)をTA度
の外気などで冷却し、弁2を開放すると、MH1に吸着し
ていた水素はMH2に移動する。この際MH1では吸熱、MH2
では発熱が起る。この発熱は放熱器3で捨てる(第5図
の状態AからBへの水素移動)。この後弁2を閉じMH1
の加熱を停止し、さらにTA温度まで冷却し、弁2を再び
開くと、MH2中の水素がMH1に移動し、MH2に吸熱反応が
生ずる。
第2の冷却サイクルは熱源4で加熱するが高温加熱側温
度THは、第1のサイクルのそれと同一温度とする。2つ
のサイクルの温度圧力線図上の相対関係は第5図に示す
ごとくいろいろ考えられ、(イ)はMH1とMH1′に同じ材
料を用い、高圧側をほぼ同一にしたものであり、(ロ)
はMH2とMH1′を同一材料とし低圧側をほぼ同一としたも
のであり、(ハ)はMH1′の温度平衡圧特性をMH1とMH2
の中間にとったものであり、第1のサイクルの高低圧が
第2のサイクルの高低圧の間に選ばれる。
いづれにせよ、第2のサイクルの放熱温度を、第1のサ
イクルの吸熱温度よりやや高い目にとることにより、第
2のサイクルの放出する熱を第1のサイクルを通じて大
気などのヒートシンクに捨てることができる。この場
合、サイクルは間欠的に作動するので、第4図の一実施
例に示すごとく、第2のサイクル1つに対し第1のサイ
クルを2つ用いると都合がよい。
すなわち熱源4でMH1′をTH度に加熱し、MH1′とMH2′
を連通する配管の弁2′を開き、MH2′で発生した熱を
熱輸送手段5によって、第1のサイクルのMH2に運び、
丁度この時、吸熱中であるように動作のフェーズを合せ
ておく。次に弁2′を閉じ、MH1′を熱輸送手段5′に
よって吸熱動作中のMH1に結び、弁2′を開くと、MH2′
中の水素はMH1′に移り、MH2′で吸熱,MH1′で発熱し、
この発熱は第1の冷却サイクルによって大気中に捨てら
れ、MH2′にはTC′度の低温がえられる。これは熱交換
器を介して出力端6より取出せる。このように組み合せ
て運転することにより温度差TA−TCの3倍近い温度差TA
−TC′を得ることができる。なお、熱源1と4は同一で
よい。
本発明の具体例として第4図,第5図(ハ)に示すよう
な構成と、温度圧力サイクルを有する冷却装置を試作
し、その評価を行った結果について述べる。
MH1としてTi0.35Zr0.65Mn1.2Cr0.6Co0.2 MH2としてTi0.6Zr0.4Mn1.4Cr0.4Cu0.2 MH1′としてTi0.45Zr0.55Mn1.2Cr0.6Cu0.2 MH2′としてTi0.9Zr0.1Mn1.60.2Cr0.2 のTi−Mn系合金を、MH1とMH2の組み合せは各5Kgづつ2
組、MH1′とMH2′の組み合せも各5Kgづつ1組を第4図
のような構成の装置に充填した。そして各ヒートポンプ
サイクルで約31モルの水素ガスが移動するよう金属水素
化物として調整した。
そして熱源1,4の温度を95℃とし、第1の冷却サイクル
のヒートシンクへの放熱温度を45℃とすることにより、
約20℃の低温がえられた。
一方、第2の冷却サイクルを同じく95℃の熱源で加熱
し、前記20℃の温度で放熱させることにより、−18.5℃
がえられた。
この実験は比較的低温の熱源を、空冷などの高いヒート
シンク温度という悪い条件で低温をうる実験例である
が、熱源温度がもっと高ければ、それに合う材料を選択
することにより、非常に低い温度を得ることができる。
又、前記実験において出力を入力で除した値、いわゆる
成績係数として0.25を得た。
なお原理的にはそれぞれのサイクルの成績係数をCOP1,C
OP2とし、2段冷却サイクルの成績係数をCOPとすれば、 で与えられる。
この実験で行ったようにMH1′をMH1とMH2の中間の圧力
温度特性の材料を選ぶことが好ましい。
また、各ヒートポンプサイクルの少なくとも1つに、作
動気体として水素ガスを用い、吸脱着反応媒体に金属水
素化物を形成し得る金属、又はその合金を用いることが
良い。金属水素化物を用いたヒートポンプサイクルは、
反応の可逆性や繰返し運転による寿命性能に優れている
ばかりでなく、反応速度が非常に早くできるメリットな
ども有している。
なお、実施例で示した冷却サイクルは2段の冷却サイク
ルであるが、3段,4段と同一の原理で、加熱温度を上げ
ることなく、サイクルを重ねることにより、より低い温
度を得ることができる。
発明の効果 従来、間欠式の冷却サイクルを用いて低温を得ようとす
る場合、より低い温度を得ようとすれば加熱温度をより
高く上げる必要があり、太陽熱などを利用した場合、熱
源温度としてあまり高い温度が期待できないため、得ら
れる低温もかぎられ実用性にとぼしかった。
これに対し、2つのサイクルを組み合せる方法が発明さ
れているが、この従来の方法でえられる温度は上述の実
験と同一条件、すなわち加熱温度95℃ヒートシンク温度
45℃で約0℃である。
すなわち本発明の方法では同一周囲条件でこれよりさら
に5℃以上低い温度がえられる。
又、第2の冷却サイクルの高温側吸脱着媒体MH1′の平
衡温度圧力特性を第1の冷却サイクルの2つの媒体の中
間の特性のものに選ぶことによって、第1のサイクルの
高圧および低圧を、使用上もっとも無理のない条件に選
ぶことが可能であり、第1のサイクルの成績係数を理想
的な値に近づけることが容易となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来から知られている間欠式冷却サイクルの原
理図、第2図は単一サイクルでより低温をうるためのサ
イクルを示す図、第3図は従来の2段冷却サイクルを示
す図、第4図は本発明の一実施例の間欠作動式多段冷却
装置の構成図、第5図(イ)〜(ハ)は本発明による2
段冷却サイクルの作動の組み合せ方の代表例を示した図
である。 1,4……熱源、2,2′……弁、3……放熱器、5……熱輸
送手段、6……出力端。
フロントページの続き (72)発明者 柳原 伸行 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭57−179549(JP,A) 特開 昭58−173358(JP,A)

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】作動媒体を可逆的に吸脱着できる、温度平
    衡圧力特性の異なる2種類の吸脱着反応媒体と、その媒
    体をそれぞれ充填した加熱冷却が出来るごとく伝熱管を
    付加した密閉容器と、前記容器間を作動媒体が移動しう
    るように連通した連通管と、前記作動媒体をそれぞれの
    前記媒体間を移動せしめる際の吸脱着反応媒体の発熱吸
    熱を利用する3組のケミカルヒートポンプサイクルと、
    第1のサイクルの同一温度で平衡圧力の高い低温側吸着
    媒体を収容した容器の伝熱管と第2のサイクルの同一温
    度で平衡圧力の高い低温側吸着媒体を収容した容器の伝
    熱管とを結合して熱媒体を循環せしめる手段と、遮断す
    る弁を有し、第3のサイクルの同一温度で平衡圧力の高
    い低温側吸着媒体を収容した容器の伝熱管と、第2のサ
    イクルの同一温度で平衡圧力の低い高温側吸着反応媒体
    を収容した容器の伝熱管とを結合して熱媒体を循環せし
    める手段と、遮断する弁を有し、第2のサイクルにおい
    て作動媒体が同一温度で平衡圧力の高い低温側吸着媒体
    から同一温度で平衡圧力の低い高温側吸着反応媒体へ移
    動している時は、第3のサイクルも作動媒体が同一温度
    で平衡圧力の高い低温側吸着媒体から同一温度で平衡圧
    力の低い高温側吸着反応媒体へ移動する状態とし、前記
    第3のサイクルの同一温度で平衡圧力の高い低温側吸着
    媒体を収容した容器の伝熱管と、第2のサイクルの同一
    温度で平衡圧力の低い高温側吸着反応媒体を収容した容
    器の伝熱管とを結合して熱媒体を循環させ、第2のサイ
    クルにおいて作動媒体が同一温度で平衡圧力の低い高温
    側吸着媒体から同一温度で平衡圧力の高い低温側吸着反
    応媒体へ移動している時は、第1サイクルは同一温度で
    平衡圧力の高い低温側吸着反応媒体から同一温度で平衡
    圧力の低い高温側吸着媒体へ移動する状態とし、熱媒体
    を循環されるため前記第1のサイクルの同一温度で平衡
    圧力の高い低温側吸着媒体を収容した容器の伝熱管と第
    2のサイクルの同一温度で平衡圧力の高い低温側吸着媒
    体を収容した容器の伝熱管とを結合したことを特徴とす
    る間欠作動式多段冷却装置。
  2. 【請求項2】第2の冷却サイクルの、高温側吸脱着反応
    媒体の温度平衡圧特性を、第1の冷却サイクルの2種類
    の吸脱着反応媒体の温度平衡圧特性の中間に選んだ特許
    請求の範囲第1項記載の間欠作動式多段冷却装置。
  3. 【請求項3】各ケミカルヒートポンプサイクルの少なく
    とも1つに作動媒体として水素ガスを用い、吸脱着反応
    媒体に金属水素化物を形成しうる金属またはその合金を
    用いた特許請求の範囲第1項記載の間欠作動式多段冷却
    装置。
JP59082202A 1984-04-24 1984-04-24 間欠作動式多段冷却装置 Expired - Lifetime JPH0665943B2 (ja)

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JPS60226676A JPS60226676A (ja) 1985-11-11
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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