JPH08159599A - 水素吸蔵合金反応熱回収用熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 性質の違う熱媒体を使うことにより、熱交換
器の熱利用範囲を広げ、熱交換器本体またはシステム全
体の熱効率を上げる。 【構成】 中心部には、高温用熱媒体用の空間２ａがあ
り、熱媒流入口４ａから熱媒体が流入し、熱媒流出口６
ａから流出する。その外側は水素吸蔵合金１２の充填さ
れた金属容器となっており高圧水素出入口３ａ及び低圧
用水素出入口３ｂがつながっている。さらに外側には低
温用熱媒体用の空間２ｂがあり、熱媒流入口４ｂから熱
媒体が流入し、熱媒流出口６ｂから流出する。そして一
番外側は断熱材５で覆われている。 【効果】 ２種の熱媒流路を設けたことにより、異種の
熱媒体の混入により熱媒体が汚染されるのを防ぐととも
に、熱交換器の利用範囲を広げ、熱交換器本体またはシ
ステム全体の熱効率を上げることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は水素吸蔵合金の水素化反
応熱を回収する熱交換器に関し、特に熱−水素圧変換機
能を利用した熱回収利用システムにおいて用いられる熱
交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、水素吸蔵合金の可逆的に水素を吸
蔵・放出する性質とその際に発生する水素化反応熱を利
用したヒートポンプや冷凍システムの研究開発が進めら
れていた（特開昭６１−８６５４２号公報、特開昭６１
−１１９９５５号公報等）。

【０００３】近年、地球環境問題からフロンの生産及び
使用が制限され、今世紀中には全廃されることになって
いる。このため、いろいろなタイプのノンフロン型ヒー
トポンプの研究開発が盛んになり、そのなかでも水素吸
蔵合金を媒体としたヒートポンプ、すなわち水素吸蔵合
金利用熱回収利用システムは特に注目されている。

【０００４】水素吸蔵合金利用熱回収利用システムにお
いて使われる熱交換器は、一般に広く使われている顕熱
回収型熱交換器と違い、水素吸蔵合金の反応熱を利用す
るため熱交換器には、例えば 特公平５−５５７８９号
公報に書かれているように、水素吸蔵合金を内蔵した容
器、その容器につながる水素ガスの出入口及び熱媒の出
入口の三つが必要である。

【０００５】図５は、従来の熱交換器の構造を示す図で
ある。金属製容器１５の中に水素吸蔵合金１が充填され
ており、管１４から水素ガスが出入りする。金属製容器
１５と同心の管１６によって二重管が構成され、熱媒流
入口１７から熱媒が流入し、流出口１８から流出するこ
とにより、水素吸蔵合金の水素化熱を回収または供給す
ることができる。さらに管１６は内壁２１と共に二重壁
構造を形成しその管の空間部２０は１０パスカル以下に
真空排気されると共に、断熱製充填物２２を充填してあ
る。このため金属製容器及びこれに付随する部分の熱容
量は小さくなるという効果を生じ、内壁２１が空間１９
を流れる熱媒体の圧力と真空の負圧による力で押しつぶ
されるのを防いでいる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】水素吸蔵合金を熱応用
する場合、水素化反応熱を利用しているため、熱回収ま
たは熱利用した場合に、必ず再生過程が必要となる。

【０００７】前述の熱交換器及びその熱交換器を利用し
た熱回収利用システムには、使用できる熱媒体が１種に
限られるため、熱交換器の利用範囲がその熱媒体に規制
されるという問題があった。つまり、熱回収または熱利
用時の温度と再生時の温度差を、広く取れないというこ
とである。

【０００８】これは逆に言うと、熱回収または熱利用時
の温度と再生時の温度に合うように熱媒体を選定しなけ
ればならなくなり、その熱媒の融点または凝固点の近く
で使用したり、粘性・蒸気圧が必ずしも最適でない条件
の下で使用しなくてはならなくなり、最終的に熱効率が
悪くなるということである。

【０００９】例えば、熱媒体としては一般的なものに水
があるが、その水を１００℃以上で利用する場合には、
加圧した状態か、蒸気の状態で使わなくてはならないた
め、熱媒流路を耐圧性にしなければならなくなり、熱交
換容器自体の熱容量の増加をもたらし、熱効率が悪くな
るということがある。

【００１０】また、工場排水から熱を回収し、それを河
川水などで再生する場合等では、河川水に工場排水が混
入することは避けなければならないため、一度、顕熱回
収型の熱交換器で熱回収して熱媒変換する必要があっ
た。このため、システム全体の熱効率は悪くなってい
た。

【００１１】本発明の目的は、上記の課題を解決し、熱
交換器の熱利用範囲を広げ、熱交換器本体またはシステ
ム全体の熱効率を上げることである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、第１の
手段として水素吸蔵合金を利用した熱交換器において、
少なくとも２種の熱媒流路を設け、かつ熱媒流路に流す
熱媒体には各々性質の違う熱媒体を使用することを特徴
とする。

【００１３】第２の本発明は、プレート状の水素吸蔵合
金を内蔵した容器の上下に、２種の熱媒流路を設け、熱
媒流路に流す熱媒体には各々、性質の違う熱媒体を使用
しているユニットを２層以上の積層式にするものであ
る。

【００１４】第３の発明は、少なくとも３種の熱媒流路
を設け、これの熱媒流路は各々性質または用途の違う装
置と接続するものである。

【００１５】

【作用】第１の発明において少なくとも２種の熱媒流路
を設けているため、熱回収または利用時の熱媒体と再生
時の熱媒体を独立に選定することができ、その温度で最
適な熱媒体を使用することにより、熱交換器の利用範囲
が広くなり、熱効率が上がる。さらに、それぞれの熱媒
体が混ざり合わないため、工場排水や河川水を直接、熱
交換器の熱媒として使用できる。そのため熱回収システ
ム全体としての熱効率が上がる。

【００１６】第２の発明としてプレート状の水素吸蔵合
金を内蔵した容器を使用しているため、同じ形の容器を
容易に積み重ねることができる。このため、積層型構造
に適している。

【００１７】第３の発明において、少なくとも３種の熱
媒流路を設けているため、それぞれに別種の熱媒体を使
用できる。したがって、これらの熱媒流路をそれぞれの
利用装置と接続し、その利用装置に適した熱媒体を使用
できる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に述べ
る。なお、各図において共通する素子には共通の符号を
付している図１は本発明の一実施例の熱交換器を示す概
念図である。さらに本発明の熱交換器を使用した熱回収
利用システムの概念図を図２に示す。

【００１９】まず図１にしたがって説明する。本実施例
においては、三重管方式となっているがプレート式、イ
ンナーフィン式等他の方式でもかまわない。積層式であ
る場合の実施例を後で述べる。

【００２０】本発明の熱交換器の中心部には、高温用熱
媒体用の空間２ａがあり、熱媒流入口４ａから熱媒体が
流入し、熱媒流出口６ａから流出する。その外側は水素
吸蔵合金１２の充填された金属容器となっており高圧水
素出入口３ａ及び低圧用水素出入口３ｂがつながってい
る。さらに外側には低温用熱媒体用の空間２ｂがあり、
熱媒流入口４ｂから熱媒体が流入し、熱媒流出口６ｂか
ら流出する。そして一番外側は断熱材５で覆われてい
る。空間２ａ及び２ｂを流れる熱媒体の種類は高温用、
低温用が逆になってもかまわないが、通常は室温に近い
方を外側の空間２ｂを流れるようにした方が断熱の点か
ら有利である。

【００２１】次に図２にしたがって説明する。熱交換器
１３には二つの水素貯蔵器１２ａ，ｂがバルブ１１ａ，
ｂを介してつながれており、それぞれ高圧用水素貯蔵器
１２ａと低圧用水素貯蔵器１２ｂである。さらに、熱交
換器１３には、内部に流路遮断機構とガス導入機構を合
わせ持つ三方バルブ１０ａ，ｂと熱媒循環用のポンプ７
ａ，ｂと熱交換器８ａ，ｂを備えた熱媒循環路１０１
ａ，ｂが高温用と低温用の二つつながれている。ポンプ
７ａ，ｂは当然熱媒体の吸引作用を持っている。熱交換
器８ａ，ｂは一般に使われている顕熱回収型の熱交換器
である。このようなシステムにすると水素吸蔵合金及び
熱媒体の種類と運転方法を変えることにより様々な温度
に対し、熱回収や熱利用に応用できる。

【００２２】実施例の応用例のひとつとして、本システ
ムを熱回収に応用する場合を説明する。本実施例におい
て、熱回収温度は約１５０℃であり、この温度での熱媒
体としてはシリコンオイルを使用する。再生温度は約８
０℃である。この温度での熱媒体としては水を使用す
る。水素吸蔵合金に関してはＴｉ_0.5Ｚｒ_0.5Ｍｎ_1.7Ｖ_0
.1Ｃｒ_0.2を使用する。この水素吸蔵合金は１５０℃で
の水素放出圧力が約１１気圧であり、８０℃での水素吸
蔵圧力が約２気圧である。

【００２３】次に熱回収方法について述べる。最初の状
態では、全てのバルブが閉められ、ポンプも止まってい
る。水素吸蔵合金は水素が吸蔵されている状態である。
まず、高温用熱媒流路１０１ａを作動させる。つまり高
温用三方バルブ１０ａを経路側に開き、ポンプ７ａを動
かす。高温用熱交換器８ａにより１５０℃の熱を回収
し、シリコンオイルにより熱交換器１３内の水素吸蔵合
金１２を熱する。水素吸蔵合金が１５０℃になれば高圧
水素バルブ１１ａを開け約１１気圧に昇圧された水素を
高圧水素貯蔵器１２ａに納める。

【００２４】水素吸蔵合金１２から水素が放出される
と、次に再生過程にはいる。ここで低温用熱媒流路１０
１ｂを作動させるわけだが、すぐに作動させるとする
と、図２に示すように空間２ａには１５０℃のシリコン
オイルが入ったままで再生過程にはいると、この１５０
℃のシリコンオイルも８０℃まで下げなくてはならない
という問題があった。さらに、再生過程から熱回収過程
に入るときは８０℃の水を１５０℃に上げなくてはいけ
なくなり、水が沸騰してしまうという問題があった。

【００２５】この問題がさほど支障がない場合はこのま
までよいが、本実施例においては、三方バルブ１０ａを
大気側にあけポンプ７ａにより空間２ａにあるシリコン
オイルを熱媒貯蔵タンク９ａに排出する。なお、ポンプ
７ａを真空ポンプにすれば、三方バルブ１０ａは通常の
開閉バルブでもよく、空間２ａのシリコンオイルは真空
置換されるが、シリコンオイルの場合は粘性が大きく適
当でない。もちろん、他の熱媒の場合は真空置換の方が
優れている場合もある。

【００２６】空間２ａのシリコンオイルが空気により排
出されると、再生過程にはいる。三方バルブ１０ｂを経
路側に開きポンプ７ｂを作動させ、水を循環させる。熱
交換器１３の１５０℃の顕熱により暖められた水は、低
温用熱交換器８ｂにより放熱する。水素吸蔵合金が８０
℃になれば低圧水素バルブ１１ｂを開け約２気圧の水素
を低圧水素貯蔵器１２ｂから導入し、水素吸蔵合金１を
水素化する。水素化する際の反応熱は、水により回収し
低温用熱交換器から排出される。

【００２７】水素化が充分進み水素吸蔵合金１の再生が
終わると、高温用の時と同じく、水を空気により排出
し、最初の熱回収過程に戻る。

【００２８】熱回収過程及び再生過程の最初の段階にお
いて熱交換器１３内に溜まっていた空気は、熱媒貯蔵タ
ンク９において大気に排出される。

【００２９】なお、本実施例においては空気により熱媒
体を置換したが、シリコンオイルが酸化するなどの問題
のある時はアルゴン等の不活性ガスを使用する。

【００３０】また、使用しない時、熱交換器内の熱媒体
を取り除くことができるため、熱使用範囲を越えた熱媒
体が凝固したり、沸騰したりすることがなく、第１の発
明と同じく、熱交換器の利用範囲を広げ、熱交換器本体
または熱交換器を応用したシステム全体の熱効率を上げ
ることができる。

【００３１】次に、第２の実施例として本発明の熱交換
器を冷凍システムに応用する場合を説明する。これは、
システムの構成は第１の実施例と同じだが、第１の実施
例では熱回収用であった吸熱作用を本実施例では冷熱出
力として積極的に使用する。

【００３２】冷熱利用温度は約−２０℃であり、この温
度での熱媒体としてはメタノールを使用する。再生温度
は約２５℃である。この温度での熱媒体としては水を使
用する。水素吸蔵合金に関してはＬａ_0.8Ｙ_0.2Ｎｉ_4.5
Ｍｎ_0.5を使用する。この水素吸蔵合金は−２０℃での
水素放出圧力が約１気圧であり、２５℃での水素吸蔵圧
力が約１１気圧である。

【００３３】したがって、第１の実施例の場合とは逆に
低圧用水素貯蔵器１２ｂに水素を放出することにより冷
熱を発生させ、高圧用水素貯蔵器１２ａから水素を導入
し、水素吸蔵合金に吸蔵させることにより、水素吸蔵合
金を再生させる。

【００３４】本実施例においても、２種の熱媒流路を設
けているため、メタノールと水が混じり合うことはな
い。更に第１の実施例の時と同様に三方バルブ１０ａ，
ｂとポンプ７ａ，ｂによって一時的にメタノール及び水
を取り除いているため、メタノールが蒸発したり水が凍
ったりする事はなく効果的に熱交換器１３が使える。

【００３５】なお、再生用熱媒体である水は必ずしも循
環させる必要が無く、市水や河川水を使用することも可
能である。この場合も、市水や河川水がメタノールで汚
染されることもないため、実施は容易である。

【００３６】以上述べた二つの実施例の水素吸蔵合金反
応熱回収用熱交換器においては、熱媒体がそれぞれ沸点
または凝固点が違う熱媒体であり、ある一つの熱媒体の
利用範囲が他の熱媒体の沸点以上または凝固点以下であ
る時に、特に有効である。例えば、熱媒体の少なくとも
１種の熱利用範囲は１００℃以上であり、更に他の少な
くとも１種の熱媒体の利用範囲は９０℃以下で、沸点が
１００℃の熱媒体、水を使用する場合や、熱媒体の少な
くとも１種の熱利用範囲は４℃以上であり凝固点が０℃
の熱媒体、水を使用するのに対し、他の少なくとも１種
の熱媒体の熱利用範囲は０℃以下である場合等である。

【００３７】次に、第３の実施例として、工場等の排熱
等ででも利用価値の少ない低温を回収する場合を説明す
る。熱回収温度は約８０℃であり、この温度での熱媒体
としては工場排水を直接使用する。再生温度は約２５℃
である。この温度での熱媒体としては河川水を直接使用
する。水素吸蔵合金に関してはＴｉ_0.65Ｚｒ_0.35Ｍｎ
_1.8Ｖ_0.1Ｆｅ_0.1を使用する。この水素吸蔵合金は８０
℃での水素放出圧力が約１１気圧であり、２５℃での水
素吸蔵圧力が約２気圧である。

【００３８】本実施例においては、工場排水及び河川水
を直接使っているため、熱交換器８は使わず、それぞれ
直接、工場排水源及び河川水くみ取り源から三方バルブ
１０ａ，１０ｂを介して本発明の熱交換器１３に導入
し、ポンプ７ａ，７ｂで工場排水処理施設または河川水
排水施設にそれぞれ送られる。

【００３９】回収方法および再生方法は第１の実施例で
述べたとおりである。本実施例においては、熱媒体のそ
れぞれの主成分は水のため、熱回収時に河川水が熱交換
器内に溜まっていても沸騰することはないが、やはり、
熱容量が大きくなり熱効率が悪くなるため、一時的に取
り除くことが望ましい。

【００４０】なお、本実施例の水素吸蔵合金反応熱回収
用熱交換器においては熱媒体がそれぞれ溶存している物
質の種類または量の違う熱媒体である時に、特に、有効
である。

【００４１】第４の実施例として熱交換器の構造が積層
式である場合を説明する。図３に本実施例の熱交換器の
構造を示す。この図に示すとおりプレート状の水素吸蔵
合金１の上下にプレート状の熱媒流路となる空間２ａお
よび２ｂがあり、それぞれ別の熱媒体が流れる。その回
りは断熱材５で覆われている。これらの構成を１ユニッ
トとして何層にも積層されている。それぞれのユニット
には熱媒流入口４ａ，４ｂおよび流出口６ａ，６ｂそし
て水素出入口３がマニフォールドにより分配されつなが
っている。

【００４２】本実施例では、熱交換器本体の形が直方体
となり、スペース効率がよい上に、熱交換器本体を包
む、断熱剤も少なくて済む。この熱交換器では、ユニッ
トだけ見ると、その時々では１種の熱媒体のみで熱交換
を行っているため、他の熱媒流路の表面は熱交換にはま
ったく役だっていないので、熱交換面積が小さくなり熱
効率が悪くなる。しかし、本実施例の熱交換器では前述
のように積層式としているので、熱交換面積は大きくな
り、そのため熱効率は良い。

【００４３】第５の実施例として熱媒流路が３種類ある
熱交換器を図４をもとに説明する。第１の熱媒体の熱利
用範囲を１００℃以上とし、この温度での熱媒体として
はシリコンオイルを使用する。第２の熱媒体の熱利用範
囲を９０℃以下、かつ４℃以上とし、この温度での熱媒
体としては水を使用する。最後の熱媒体の熱利用範囲を
０℃以上とし、この温度での熱媒体としてはアルコール
を使用する。

【００４４】熱交換器１３には二つの水素貯蔵器１２
ａ，ｂがバルブ１１ａ，１１ｂを介してつながれてお
り、それぞれ高圧用水素貯蔵器１２ａと低圧用水素貯蔵
器１２ｂである。さらに、熱交換器１３には、内部に流
路遮断機構とガス導入機構を合わせ持つ三方バルブ１０
ａ，１０ｂ，１０ｃと熱媒循環用のポンプ７ａ，７ｂ，
７ｃを備えた熱媒循環路１０１がシリコンオイル用と水
用とアルコール用の三つつながれている。

【００４５】この熱交換器１３おいて、シリコンオイル
は１５０℃以上で主に使用し、シリコンオイル熱媒循環
路１０１ａは蒸気発生器３０に接続されている。そして
水熱媒循環路１０１ｂは給湯装置３１に接続されてい
る。最後にアルコール熱媒循環路１０１ｃ冷凍装置３２
に接続されている。

【００４６】一つの利用機器、例えば蒸気発生器３０が
稼働状態の時は他の二つの利用機器、給湯装置３１、冷
凍装置３２は休止状態であり、熱交換器１３内にはただ
１種の熱媒体、シリコンオイルしか、存在しない。他の
熱媒体、水とアルコールは三方バルブ１０ｂ，１０ｃと
ポンプ７ｂ，７ｃで熱媒貯蔵タンク９ｂ，９ｃに排出さ
れている。

【００４７】従来のただ１種類のみの熱媒体を使用する
水素吸蔵合金反応熱回収用熱交換器ではせいぜい２種類
の利用機器に接続するだけであったのが、本実施例にお
いては、３種類の熱媒体を使用しているため、それぞれ
の使用温度に適した利用機器が接続でき、多機能な熱利
用システムが構築できる。本実施例は、熱媒体がそれぞ
れ沸点または凝固点が違い、ある一つの熱媒体の利用範
囲が他の熱媒体の沸点以上または凝固点以下である時
に、特に有効である。例えば、熱媒体の少なくとも１種
の熱媒体の熱利用範囲は１００℃以上であり、更に他の
少なくとも１種の熱利用範囲は０℃以下である場合に、
更に他の少なくとも１種の熱媒体の熱利用範囲は９０℃
以下かつ４℃以上として、沸点が１００℃で凝固点が０
℃の水を熱媒体として使用する場合である。

【００４８】なお、以上述べたとおり、本実施例の熱交
換器によれば熱利用範囲が広いため、熱交換器を使用す
る応用システムも多彩なものとなる。また、温度差の広
い三つの点が取れるため、多重効用型ヒートポンプ用熱
交換器としても有効である。

【００４９】また、このような構成とすることで、熱交
換器の利用範囲が広がり、かつ連続的となる。したがっ
て、どのようなシステムでも組み立てるのが可能にな
り、例えばブレッドボード機用熱交換器として、新たに
開発した水素吸蔵合金の熱特性の評価などに有効であ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上のように、本発明は、水素吸蔵合金
を利用した熱交換器において、すくなくとも２種の熱媒
流路を設けたことにより、異種の熱媒体の混入により熱
媒体が汚染されるのを防ぐとともに、熱交換器の利用範
囲を広げ、熱交換器本体または熱交換器を応用したシス
テム全体の熱効率を上げることができる。

【００５１】また、第２の発明は、積層式になっている
ためスペース効率が特によく、実用上特に有利である。
さらに、第３の発明は少なくとも３種の装置につながっ
ているため、給湯装置と蒸気発生器と冷凍機等の多用な
システムが構築できる。このため、利用形態に応じた多
機能熱供給システムが利用できるようになる。すなわ
ち、たの圧縮式ヒートポンプ等にコスト等で負ける場合
にも多機能という面から、採用され易い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の熱交換器の構造図

【図２】本発明の第１の実施例の熱交換器を使用した熱
回収利用システムの概念図

【図３】本発明の第４の実施例の熱交換器の構造図

【図４】本発明の第５の実施例の熱交換器を使用した熱
回収利用システムの概念図

【図５】従来例の熱交換器の構造図

【符号の説明】

１ 水素吸蔵合金 ２ａ 空間 ３ａ，ｂ 水素出入口 ４ａ 熱媒流入口 ５ 断熱材 ６ａ 熱媒流出口 ７ａ ポンプ １０ａ 三方バルブ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素吸蔵合金を内蔵しかつ水素の出入口を
   備えた容器と、少なくとも２種の熱媒流路を具備し、前
   記熱媒流路は共通の経路を持たない独立した流路であ
   り、前記熱媒流路に流す熱媒体には性質の違う熱媒体を
   使用することを特徴とする水素吸蔵合金反応熱回収用熱
   交換器。
2. 【請求項２】熱交換器内部の熱媒流路に存在する熱媒体
   を一時的に取り除くために、前記熱媒流路内において熱
   交換器入口より手前に流路遮断機構を備え、前記流路遮
   断機構と同所または前記流路遮断機構と前記熱交換器入
   口の間にガス導入機構かまたは熱交換器出口より後に熱
   媒吸引機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の水
   素吸蔵合金反応熱回収用熱交換器。
3. 【請求項３】プレート状の水素吸蔵合金を内蔵し、かつ
   水素の出入口を備えた容プレ−ト状容器の上下に２種の
   熱媒流路を具備し、前記熱媒流路は共通の経路を持たな
   い独立した流路であり、前記熱媒流路に流す熱媒体には
   性質の違う熱媒体を使用しているユニットを断熱材を介
   して２層以上の積層式にしたことを特徴とする水素吸蔵
   合金反応熱回収用熱交換器。
4. 【請求項４】水素吸蔵合金を内蔵し、かつ水素の出入口
   を備えた容器と少なくとも３種の熱媒流路を具備し、前
   記熱媒流路は性質または用途の違う装置と接続している
   ことを特徴とする水素吸蔵合金反応熱回収用熱交換器。