JPH11118286A

JPH11118286A - 水素吸蔵合金を利用した熱利用システム

Info

Publication number: JPH11118286A
Application number: JP9281651A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Maruhashi; 勤丸橋
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 1997-10-15
Filing date: 1997-10-15
Publication date: 1999-04-30
Anticipated expiration: 2017-10-15
Also published as: JP3644661B2

Abstract

(57)【要約】【課題】水素吸蔵合金を用いた冷却装置では、複数の
熱交換器に供給される熱媒体の種類の切り替えに多数の
切替バルブを切り替えていたため、頻繁に切り替わる多
数の切替バルブによる騒音が大きい。また、切替バルブ
の切替時における熱媒体の圧力変化によるショックが生
じる。【解決手段】上、中、下段熱交換器Ｎ1 、Ｎ2 、Ｎ3
に加熱水、昇温水、放熱水、冷熱出力水、不問水を切り
替えて分配器１０は、５つの入力ポートおよび縦方向に
３つづつで３列の出力ポートを備える固定筒１２と、５
種類の熱媒体を常に受ける５つの外周溝および縦方向に
３種の熱媒体を出力する５つの傾斜溝を備える回転弁１
３とを備え、回転弁１３が固定筒１２内を回転すること
で上、中、下段熱交換器Ｎ1 、Ｎ2 、Ｎ3 に熱媒体が切
り替えられて供給されるため切替騒音がない。また、回
転弁１３の回転で熱媒体が切り替えられるため、瞬時に
切り替わらず切替時における熱媒体の圧力変化が小さ
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金の水
素の吸蔵と放出とを繰り返して行わせて、水素の放出時
に生じる吸熱作用を利用して冷熱を得る、あるいは水素
の吸蔵時に生じる放熱作用を利用して温熱を得る水素吸
蔵合金を利用した熱利用システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】水素吸蔵合金を用いた従来の水素吸蔵合
金を利用した熱利用システムを、図１２を用いて説明す
る。水素吸蔵合金を用いたヒートポンプサイクルＪ1
は、水素吸蔵合金Ｊ2 の加熱、放熱および冷熱出力を得
るためにシェル＆チューブタイプの熱交換器を用いてい
た。この従来技術で示すヒートポンプサイクルＪ1 は、
４つのシェル＆チューブタイプの熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 を
用いたもので、各熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 は水素吸蔵合金Ｊ
2 と熱媒体とが熱交換可能に設けられている。第１、第
２熱交換器Ｊ3 、Ｊ4 の水素吸蔵合金Ｊ2 は水素通路を
介して連通し、第３、第４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 の水素吸
蔵合金Ｊ2 も水素通路を介して連通して設けられてい
る。

【０００３】作動は、第１熱交換器Ｊ3 に加熱用の熱媒
体を供給するとともに、第２熱交換器Ｊ4 に放熱用の熱
媒体を供給する。すると、第１熱交換器Ｊ3 の水素が放
出されて第２熱交換器Ｊ4 に吸蔵される。つまり、水素
駆動が行われる。次に、第１熱交換器Ｊ3 に供給してい
た加熱用の熱媒体を、放熱用の熱媒体に切り替えて供給
するとともに、第２熱交換器Ｊ4 に供給していた放熱用
の熱媒体を、冷熱出力用の熱媒体に切り替えて供給す
る。すると、第１熱交換器Ｊ3 が水素を吸蔵し、第２熱
交換器Ｊ4 が水素を放出する。この第２熱交換器Ｊ4 が
水素を放出する時、冷熱出力用の熱媒体が冷却される。
つまり、冷熱出力が得られる。そして、上記のサイクル
を繰り返す。

【０００４】一方、第２熱交換器Ｊ4 から冷熱出力を得
ている時は、第３熱交換器Ｊ5 に加熱用の熱媒体を供給
するとともに、第４熱交換器Ｊ6 に放熱用の熱媒体を供
給する。すると、第３熱交換器Ｊ5 の水素が放出されて
第４熱交換器Ｊ6 に吸蔵される。つまり、第１、第２熱
交換器Ｊ3 、Ｊ4 で冷熱出力を得ている時は、第３、第
４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 で水素駆動が行われる。次に、第
３熱交換器Ｊ5 に供給していた加熱用の熱媒体を、放熱
用の熱媒体に切り替えて供給するとともに、第４熱交換
器Ｊ6 に供給していた放熱用の熱媒体を、冷熱出力用の
熱媒体に切り替えて供給する。すると、第３熱交換器Ｊ
5 が水素を吸蔵し、第４熱交換器Ｊ6 が水素を放出す
る。この第４熱交換器Ｊ6 が水素を放出する時、冷熱出
力用の熱媒体が冷却される。つまり、第１、第２熱交換
器Ｊ3 、Ｊ4 で水素駆動が行われている時は、第３、第
４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 で冷熱出力が得られる。そして、
上記のサイクルを繰り返す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来のヒートポンプサ
イクルＪ1 では、各熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 に、加熱用の熱
媒体と放熱用の熱媒体、あるいは放熱用の熱媒体と冷熱
出力用の熱媒体を切り替えて供給するために、多数の切
替バルブＪ7 〜Ｊ14が必要になる。この多数の切替バル
ブＪ7 〜Ｊ14は、電磁弁であり、作動中比較的高頻度で
切り替わるため、作動音が目立ち作動騒音となってしま
う。また、切替バルブＪ9〜Ｊ16は、電磁弁であるた
め、切替時における熱媒体の圧力変化によるショックが
大きく、特に家庭用等の小型のヒートポンプサイクルＪ
1 には不向きであった。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、その目的は熱媒体の切替時に生じる切替音の発
生を抑えるとともに、切替時における熱媒体の圧力変化
の小さい水素吸蔵合金を利用した熱利用システムの提供
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の水素吸蔵合金を
利用した熱利用システムは、上記の目的を達成するため
に、次の技術的手段を採用した。（請求項１の手段）水素吸蔵合金を利用した熱利用シス
テムは、水素吸蔵合金と熱媒体の熱交換を行う複数の熱
交換器と、温度の異なる熱媒体を前記複数の熱交換器に
切り替えて供給する熱媒体切替供給手段と、を備え、熱
媒体と熱交換して水素吸蔵合金の水素の吸蔵と放出とを
行わせ、水素の放出時に生じる吸熱作用や水素の吸蔵時
に生じる放熱作用を利用して冷熱や温熱を得る水素吸蔵
合金を利用した熱利用システムにおいて、熱媒体切替供
給手段は、複数の熱媒体の供給を受ける複数の入力ポー
トおよび複数の出力ポートを備える固定筒と、この固定
筒の内部で回転し、前記複数の入水ポートから供給され
たそれぞれの熱媒体を独立して受ける複数の環状外周
溝、およびこの外周溝と内部で連通して設けられ、前記
複数の出力ポートに同時に複数の熱媒体を供給する複数
の傾斜溝を備える回転弁と、この回転弁を前記固定筒の
内部で回転させる駆動装置と、を備えることを特徴とす
る。

【０００８】（請求項２の手段）請求項１の水素吸蔵合
金を利用した熱利用システムにおいて、前記複数の熱交
換器は、水素吸蔵合金が封入された複数の室を水素通路
で連通したセルを複数用いてなり、前記熱媒体切替供給
手段は、前記複数のセルの各室と熱交換する熱媒体の供
給状態を、前記複数のセル毎においてそれぞれが異なっ
た室に水素移動するように切り替えることを特徴とす
る。

【０００９】

【発明の作用および効果】熱媒体切替供給手段は、固定
筒の内部で回転弁を回転させることで、複数の出力ポー
トと一致する複数の傾斜溝が変化し、結果的に複数の熱
媒体が複数の熱交換器へ切り替えて供給されるものであ
るため、従来の多数の切替バルブの作動音のような切替
騒音の発生がない。また、回転弁の回転によって複数の
熱媒体が切り替えられ、切り替えが瞬時に行われるもの
ではないため、切替時における熱媒体の圧力変化による
ショックが従来の切替バルブに比較して小さくできる。
このように、圧力変化によるショックが従来に比較して
小さいため、家庭用等の小型のヒートポンプサイクルに
用いても耐久性を向上できる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を、実
施例および変形例に基づき説明する。〔実施例の構成〕実施例は、本発明の水素吸蔵合金を利
用した熱利用システムを室内空調用の冷房装置に適用し
たもので、この実施例を図１ないし図８を用いて説明す
る。

【００１１】（冷房装置１の概略説明）本実施例の冷房
装置１の概略構成を、図１を用いて説明する。本実施例
の適用される冷房装置１は、大別して、水素吸蔵合金を
用いたヒートポンプサイクル２と、水素吸蔵合金を加熱
する加熱水（加熱用の熱媒体に相当する、本実施例では
水）を作り出す燃焼装置３と、水素吸蔵合金を冷却する
放熱水（放熱用の熱媒体に相当する、本実施例では水）
を放熱によって冷却する放熱水冷却手段４と、水素吸蔵
合金の水素放出作用によって生じた吸熱によって冷却さ
れた冷熱出力水（冷熱出力用の熱媒体に相当する、本実
施例では水）で室内を空調する室内空調機５と、搭載さ
れた各電気機能部品を制御する制御装置６とから構成さ
れる。

【００１２】なお、ヒートポンプサイクル２、燃焼装置
３、放熱水冷却手段４および制御装置６は、室外機７と
して室外に設置されるもので、室内には室内空調機５が
配置される。また、本実施例に示す冷房装置１は、１つ
の室外機７に対して、複数の室内空調機５が接続可能な
所謂マルチエアコンである。

【００１３】（ヒートポンプサイクル２の説明）本実施
例のヒートポンプサイクル２は、１サイクルで２度の冷
熱出力を得る２段式サイクルを用いたもので、図２に示
すように、上段熱交換器Ｎ1 、中段熱交換器Ｎ2 、下段
熱交換器Ｎ3 を１モジュールとしたポンプユニットが３
つ用いられている。１つのモジュールは、水素吸蔵合金
が封入された上段室Ｓ1 、この上段室Ｓ1内に水素通路
Ｓ4 を介して連通し、水素吸蔵合金が封入された中段室
Ｓ2 、中段室Ｓ2 内に水素通路Ｓ4 を介して連通し、水
素吸蔵合金が封入された下段室Ｓ3を備えたセルＳを備
える。また、上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 は、それ
ぞれハウジング９によって覆われて、上、中、下段熱交
換器Ｎ1 、Ｎ2 、Ｎ3 を構成している。

【００１４】水素吸蔵合金は、水素平衡圧力が異なる３
種を用いたもので、上段室Ｓ1 内には同一平衡水素圧で
水素平衡温度が最も高い高温度水素吸蔵合金（以下、高
温合金ＨＭ）の粉末を封入し、中段室Ｓ2 内には中温度
水素吸蔵合金（以下、中温合金ＭＭ）の粉末を封入し、
下段室Ｓ3 内には同一平衡水素圧で水素平衡温度が最も
低い低温度水素吸蔵合金（以下、低温合金ＬＭ）の粉末
を封入したものである。このことを図７のＰＴ冷凍サイ
クルを用いて説明すると、水素吸蔵合金の特性が、相対
的に高温側（図示左側）にあるのが高温合金ＨＭ、低温
側にあるのが低温合金ＬＭ、両者の中間にあるのが中温
合金ＭＭである。

【００１５】１つのセルＳは、図３ないし図５に示され
るもので、ステンレスあるいは銅など、水素透過の無い
金属を用いて偏平な上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 を
最中状に形成し、上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 の一
辺側を水素通路Ｓ4 が内部に形成された棒状の連結部Ｓ
5 で連結した形状を呈する。そして、各室の内部に粉末
状の水素吸蔵合金を充填し、真空引きを行ったのち、活
性化処理を施し、水素を高圧充填して開口部に金属蓋を
して溶接により密封したものである。なお、各室の偏平
方向の対向面は、図５に示すように、内部に挿入された
フィン８を介して接合されており、真空引き時の低圧
下、および水素充填時の高圧下においてもフィン８によ
る接合によって各室の変形が小さく抑えられている。

【００１６】ハウジング９は、上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ
2 、Ｓ3 を覆う略箱形状のものである。本実施例のハウ
ジング９は、図５に示すように２重構造を採用してお
り、各室を覆う樹脂製のデバイダー９ａと、このデバイ
ダー９ａを覆う樹脂製のケース９ｂとからなり、デバイ
ダー９ａとケース９ｂの間には断熱材９ｃが配置されて
いる。デバイダー９ａは、各室内の水素吸蔵合金と熱媒
体とを効率的に熱交換させるもので、各室とデバイダー
９ａとの間には熱媒体が流れる複数の熱媒体通路９ｄが
形成されている。また、ハウジング９の両端には熱媒体
通路９ｄへの熱媒体の給排を行う給排口９ｅが設けられ
ている。

【００１７】２段式サイクルのヒートポンプサイクル２
は、後述する熱媒体切替供給手段による熱媒体の切替供
給によって、図２に示すように、上段室Ｓ1 内の水素を
強制的に下段室Ｓ3 内に移動させる水素駆動αと、下段
室Ｓ3 内に移動した水素を中段室Ｓ2 に移動させる第１
冷熱出力βと、中段室Ｓ2 内に移動した水素を上段室Ｓ
1 に移動させる第２冷熱出力γとに切り替わる。

【００１８】水素駆動αでは、上段熱交換器Ｎ1 に加熱
水（例えば８０℃ほど）が供給され、中段熱交換器Ｎ2
に昇圧水（例えば５６℃ほど）が供給され、下段熱交換
器Ｎ3 に放熱水（例えば２８℃ほど）が供給される。第
１冷熱出力βでは、上段熱交換器Ｎ1 に昇圧水（例えば
５８℃ほど）が供給され、中段熱交換器Ｎ2 に放熱水
（例えば２８℃ほど）が供給され、下段熱交換器Ｎ3 に
冷熱出力水（例えば１３℃ほど）が供給される。第２冷
熱出力γでは、上段熱交換器Ｎ1 に放熱水（例えば２８
℃ほど）が供給され、中段熱交換器Ｎ2 に冷熱出力水
（例えば１３℃ほど）が供給される。なお、下段熱交換
器Ｎ3 への熱媒体の温度は不問であり、この実施例では
単に循環する不問水を下段熱交換器Ｎ3 へ供給するが、
第２冷熱出力γでは下段熱交換器Ｎ3 へ何も供給しない
ように設けても良い。

【００１９】つまり、後述する分配器１０と収集器１１
とからなる熱媒体の切替手段により、上段熱交換器Ｎ1
には加熱水→昇圧水→放熱水が順次切替供給されるもの
であり、中段熱交換器Ｎ2 には、昇圧水→放熱水→冷熱
出力水が順次切替供給されるものであり、下段熱交換器
Ｎ3 には、放熱水→冷熱出力水→不問水が順次切替供給
されるものである。

【００２０】熱媒体の切替手段は、図１、図６に示すよ
うに、複数の熱媒体源から供給された熱媒体を分配して
複数の熱交換器へ供給する分配器１０（熱媒体切替供給
手段に相当する）と、複数の熱交換器を通過した複数の
熱媒体を収集して再び複数の熱媒体源へ戻す収集器１１
とからなる。なお、この分配器１０と収集器１１は、入
力方向と出力方向が逆になるだけで、他は同一構成のも
のであり、分配器１０を例に説明する。分配器１０は、
筒形状を呈した固定筒１２と、この固定筒１２の内部を
回転する回転弁１３と、この回転弁１３を回転駆動する
モータ等からなる駆動装置（図示しない）とからなる。
なお、この駆動装置は、回転弁１３を１２０°づつ段階
的に回転させるものである（例えば、３分間毎に１２０
°づつの回転）。

【００２１】固定筒１２の上半部には、加熱水、昇圧
水、放熱水、冷熱出力水、不問水の供給を受ける５つの
入力ポート１２ａが設けられている。この５つの入力ポ
ート１２ａは水平方向に一致しないように上下方向（軸
方向）にずらして設けられている。また、固定筒１２の
下半部には、１２０°間隔で、且つ縦方向に３つづつの
合計９つの出力ポート１２ｂが設けられている。各縦列
の内の上段の出力ポート１２ｂはそれぞれ同じ高さに設
けられ、中段の出力ポート１２ｂもそれぞれ同じ高さに
設けられ、下段の出力ポート１２ｂもそれぞれ同じ高さ
に設けられている。そして縦方向に３つづつ並ぶ３列の
出力ポート１２ｂは、回転弁１３の回転によって分配さ
れる加熱水−昇圧水−放熱水、昇圧水−放熱水−冷熱出
力水、放熱水−冷熱出力水−不問水の３組の熱媒体を、
３つのセルＳに向けて出力するものである。

【００２２】回転弁１３は、５つの入力ポート１２ａに
合致して、５つの入力ポート１２ａから入力される５種
類の熱媒体を受ける５つの環状の外周溝１３ａを備え
る。また、回転弁１３は、１２０°間隔で縦方向に３組
の熱媒体（加熱水−昇圧水−放熱水、昇圧水−放熱水−
冷熱出力水、放熱水−冷熱出力水−不問水）を同時に出
力するための５つの傾斜溝１３ｂを備える。なお、各入
力ポート１２ａの上下および各傾斜溝１３ｂの周囲には
図示しないシール用のパッキングが設けられている。外
周溝１３ａと傾斜溝１３ｂとは回転弁１３の内部で連通
している。具体的には、回転弁１３の内部には上下方向
に伸びる５本の内部連通路が設けられており、５つの外
周溝１３ａ内には対応する内部連通路に熱媒体を導く連
通穴がそれぞれ設けられている。また、傾斜溝１３ｂ内
にも対応する内部連通路から熱媒体を導く連通穴がそれ
ぞれ設けられており、各入力ポート１２ａから各外周溝
１３ａに供給された熱媒体が、各外周溝１３ａ内の連通
穴→各内部連通路→各傾斜溝１３ｂ内の連通穴を通って
各傾斜溝１３ｂに導かれ、合致する出力ポート１２ｂを
介して熱交換器に供給されるように設けられている。

【００２３】このように設けられた分配器１０は、次の
ように作動する。まず、固定筒１２に対して回転弁１３
が０°の位置の場合を説明する。一番上の入力ポート１
２ａに供給された加熱水は、一番上の外周溝１３ａ→そ
の外周溝１３ａ内の連通穴→内部連通路→傾斜溝１３ｂ
内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介して、その傾斜溝１３ｂ
に合致する固定筒１２の０°位置にある上段の出力ポー
ト１２ｂから出力される。上から２番目の入力ポート１
２ａに供給された昇圧水は、上から２番目の外周溝１３
ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連通路→傾斜溝
１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介して、その傾斜溝
１３ｂに合致する２つの出力ポート１２ｂ、すなわち固
定筒１２の０°位置にある中段の出力ポート１２ｂと、
固定筒１２の１２０°位置にある上段の出力ポート１２
ｂとから出力される。上から３番目の入力ポート１２ａ
に供給された放熱水は、上から３番目の外周溝１３ａ→
その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連通路→傾斜溝１３
ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介して、その傾斜溝１３
ｂに合致する３つの出力ポート１２ｂ、すなわち固定筒
１２の０°位置にある下段の出力ポート１２ｂと、固定
筒１２の１２０°位置にある中段の出力ポート１２ｂ
と、固定筒１２の２４０°位置にある上段の出力ポート
１２ｂとから出力される。上から４番目の入力ポート１
２ａに供給された冷熱出力水は、上から４番目の外周溝
１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連通路→傾
斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介して、その傾
斜溝１３ｂに合致する２つの出力ポート１２ｂ、すなわ
ち固定筒１２の１２０°位置にある下段の出力ポート１
２ｂと、固定筒１２の２４０°位置にある中段の出力ポ
ート１２ｂとから出力される。上から５番目の入力ポー
ト１２ａに供給された不問水は、上から５番目の外周溝
１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連通路→傾
斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介して、その傾
斜溝１３ｂに合致する固定筒１２の２４０°位置にある
下段の出力ポート１２ｂから出力される。

【００２４】次に、固定筒１２に対して回転弁１３が１
２０°の位置へ移動した場合を説明する。一番上の入力
ポート１２ａに供給された加熱水は、一番上の外周溝１
３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連通路→傾斜
溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介して、その傾斜
溝１３ｂに合致する固定筒１２の１２０°位置にある上
段の出力ポート１２ｂから出力される。上から２番目の
入力ポート１２ａに供給された昇圧水は、上から２番目
の外周溝１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連
通路→傾斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介し
て、その傾斜溝１３ｂに合致する２つの出力ポート１２
ｂ、すなわち固定筒１２の１２０°位置にある中段の出
力ポート１２ｂと、固定筒１２の２４０°位置にある上
段の出力ポート１２ｂとから出力される。上から３番目
の入力ポート１２ａに供給された放熱水は、上から３番
目の外周溝１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部
連通路→傾斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介し
て、その傾斜溝１３ｂに合致する３つの出力ポート１２
ｂ、すなわち固定筒１２の１２０°位置にある下段の出
力ポート１２ｂと、固定筒１２の２４０°位置にある中
段の出力ポート１２ｂと、固定筒１２の０°位置にある
上段の出力ポート１２ｂとから出力される。上から４番
目の入力ポート１２ａに供給された冷熱出力水は、上か
ら４番目の外周溝１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴
→内部連通路→傾斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂ
を介して、その傾斜溝１３ｂに合致する２つの出力ポー
ト１２ｂ、すなわち固定筒１２の２４０°位置にある下
段の出力ポート１２ｂと、固定筒１２の０°位置にある
中段の出力ポート１２ｂとから出力される。上から５番
目の入力ポート１２ａに供給された不問水は、上から５
番目の外周溝１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内
部連通路→傾斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介
して、その傾斜溝１３ｂに合致する固定筒１２の０°位
置にある下段の出力ポート１２ｂから出力される。

【００２５】さらに、固定筒１２に対して回転弁１３が
２４０°の位置へ移動した場合を説明する。一番上の入
力ポート１２ａに供給された加熱水は、一番上の外周溝
１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連通路→傾
斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介して、その傾
斜溝１３ｂに合致する固定筒１２の２４０°位置にある
上段の出力ポート１２ｂから出力される。上から２番目
の入力ポート１２ａに供給された昇圧水は、上から２番
目の外周溝１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部
連通路→傾斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介し
て、その傾斜溝１３ｂに合致する２つの出力ポート１２
ｂ、すなわち固定筒１２の２４０°位置にある中段の出
力ポート１２ｂと、固定筒１２の０°位置にある上段の
出力ポート１２ｂとから出力される。上から３番目の入
力ポート１２ａに供給された放熱水は、上から３番目の
外周溝１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連通
路→傾斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介して、
その傾斜溝１３ｂに合致する３つの出力ポート１２ｂ、
すなわち固定筒１２の２４０°位置にある下段の出力ポ
ート１２ｂと、固定筒１２の０°位置にある中段の出力
ポート１２ｂと、固定筒１２の１２０°位置にある上段
の出力ポート１２ｂとから出力される。上から４番目の
入力ポート１２ａに供給された冷熱出力水は、上から４
番目の外周溝１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内
部連通路→傾斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介
して、その傾斜溝１３ｂに合致する２つの出力ポート１
２ｂ、すなわち固定筒１２の０°位置にある下段の出力
ポート１２ｂと、固定筒１２の１２０°位置にある中段
の出力ポート１２ｂとから出力される。上から５番目の
入力ポート１２ａに供給された不問水は、上から５番目
の外周溝１３ａ→その外周溝１３ａ内の連通穴→内部連
通路→傾斜溝１３ｂ内の連通穴→傾斜溝１３ｂを介し
て、その傾斜溝１３ｂに合致する固定筒１２の１２０°
位置にある下段の出力ポート１２ｂから出力される。

【００２６】このように、固定筒１２内で回転弁１３が
１２０°づつ回転することにより、分配器１０と収集器
１１が、複数のセルＳの各室と熱交換する熱媒体の供給
状態を、複数のセル毎においてそれぞれが異なった室に
水素移動するように切り替える。つまり、固定筒１２に
対して回転弁１３が０°の位置の時、図８の上段に示す
ように、３つのセルＳの内、１列目（図示左側）のセル
Ｓが水素駆動αになり、２列目（図示中央）のセルＳが
第１冷熱出力βになり、３列目（図示右側）のセルＳが
第２冷熱出力γになる。固定筒１２に対して回転弁１３
が１２０°の位置の時は、図８の中段に示すように、３
つのセルＳの内、１列目のセルＳが第１冷熱出力βにな
り、２列目のセルＳが第２冷熱出力γになり、３列目の
セルＳが水素駆動αになる。固定筒１２に対して回転弁
１３が２４０°の位置の時は、図８の下段に示すよう
に、３つのセルＳの内、１列目のセルＳが第２冷熱出力
γになり、２列目のセルＳが水素駆動αになり、３列目
のセルＳが第１冷熱出力βになる。さらに、回転弁１３
が１２０°づつ回転することにより、上記が繰り返され
る。

【００２７】（ヒートポンプサイクル２における上記以
外の構成部品の説明）図１に示す符号１４は、水素駆動
αの中段熱交換器Ｎ2 および第１冷熱出力βの上段熱交
換器Ｎ1 へ供給される昇圧水を循環する昇圧水循環路
で、途中に設けられた昇圧水循環ポンプＰ1 ’によって
昇圧水が循環する。なお、昇圧水は、水素駆動αで温度
上昇した上段室Ｓ1 からの伝熱により温度上昇した水で
ある。また、図１に示す符号１５は、第２冷熱出力γの
下段熱交換器Ｎ3 へ供給される不問水を循環する不問水
循環路で、途中に設けられた不問水循環ポンプＰ1 ”に
よって不問水が循環する。

【００２８】（燃焼装置３の説明）本実施例の燃焼装置
３は、燃料であるガスを燃焼して熱を発生させ、発生し
た熱によって加熱水を加熱するガス燃焼装置を用いたも
ので、ガスの燃焼を行うガスバーナ１６、このガスバー
ナ１６へガスの供給を行うガス量調節弁１７およびガス
開閉弁１８を備えたガス供給回路１９、ガスバーナ１６
へ燃焼用の空気を供給する燃焼ファン２０、ガスの燃焼
熱と加熱水とを熱交換する熱交換器２１等から構成され
る。そして、ガスバーナ１６のガス燃焼で得られた熱
で、加熱水を例えば８０℃程に加熱し、加熱された加熱
水を加熱水循環ポンプＰ1 を備えた加熱水循環路２２を
介して水素駆動αの上段熱交換器Ｎ1 に供給するもので
ある。なお、本実施例の加熱水循環ポンプＰ1 は、昇圧
水循環ポンプＰ1 ’および不問水循環ポンプＰ1 ”を駆
動する共通のモータによって駆動されるトリプルポンプ
である。このため、燃焼装置３から加熱水がヒートポン
プサイクル２に供給される際は、昇圧水と不問水も循環
作動するように設けられている。

【００２９】（室内空調機５の説明）室内空調機５は、
上述のように室内に配置されるもので、内部に室内熱交
換器２３、この室内熱交換器２３に供給される冷熱出力
水と室内空気とを強制的に熱交換し、熱交換後の空気を
室内に吹き出させるための室内ファン２４を備える。室
内熱交換器２３には、第１冷熱出力βの下段熱交換器Ｎ
3 、第２冷熱出力γの中段熱交換器Ｎ2 から供給される
冷熱出力水を循環させる冷熱出力水循環路２５が接続さ
れ、この冷熱出力水循環路２５の途中（室外機７内）に
は、冷熱出力水を循環させる冷熱出力水ポンプＰ2 が設
けられている。

【００３０】（放熱水冷却手段４の説明）放熱水冷却手
段４は、開放型の水冷式冷却塔であり、この放熱水冷却
手段４によって冷却された放熱水は、放熱水循環ポンプ
Ｐ3 を備えた放熱水循環路２６、および熱媒体切替供給
手段によって水素駆動αの下段熱交換器Ｎ3 、第１冷熱
出力βの中段熱交換器Ｎ2 、第２冷熱出力γの上段熱交
換器Ｎ1 に供給される。また、放熱水冷却手段４は、水
素駆動αの下段熱交換器Ｎ3 、第１冷熱出力βの中段熱
交換器Ｎ2 、第２冷熱出力γの上段熱交換器Ｎ1 を通過
した放熱水を、上方から下方へ流し、流れている間に外
気と熱交換して放熱するとともに、流れている間に一部
蒸発させて、蒸発時に流れている放熱水から気化熱を奪
い、流れている放熱水を冷却するものである。また、こ
の放熱水冷却手段４は、図示しない放熱ファンを備え、
この放熱ファンの生じる空気流によって放熱水の蒸発お
よび冷却を促進するように設けられている。なお、この
実施例では、放熱水冷却手段４として開放型の水冷式冷
却塔を示したが、放熱水（放熱用の熱媒体）が空気に触
れずに熱交換する密閉型の水冷式または空冷式冷却手段
を用いても良い。

【００３１】ここで、上記に示す昇圧水循環路１４、不
問水循環路１５、加熱水循環路２２、冷熱出力水循環路
２５および放熱水循環路２６は、それぞれシスターンＴ
1 〜Ｔ5 を備えており、シスターンＴ1 〜Ｔ5 内の水位
が所定水位以下に低下すると、それぞれに設けられた給
水バルブＴ6 〜Ｔ10が開き、給水管２７から供給される
水道水をシスターンＴ1 〜Ｔ5 内に補充するように設け
られている。また、ヒートポンプサイクル２の下部には
ドレンパンＰが配置され、ヒートポンプサイクル２に発
生したドレン水を排水管２８から排水するように設けら
れている。なお、放熱水冷却手段４で溢れた水も排水管
２８から排水するように設けられている。

【００３２】（制御装置６の説明）制御装置６は、室内
空調機５に設けられたコントローラ（図示しない）から
の操作指示や、複数設けられた各センサの入力信号に応
じて、上述の加熱水循環ポンプＰ1 （昇圧水循環ポンプ
Ｐ1 ’、不問水循環ポンプＰ1 ”）、冷熱出力水ポンプ
Ｐ2 、放熱水循環ポンプＰ3 、給水バルブＴ6 〜Ｔ10、
放熱水冷却手段４の放熱ファンなどの電気機能部品、お
よび燃焼装置３の電気機能部品（燃焼ファン２０、ガス
量調節弁１７、ガス開閉弁１８、図示しない点火装置
等）を制御するとともに、室内空調機５に室内ファン２
４の作動指示を与えるものである。

【００３３】（冷房運転の作動説明）上記の冷房装置１
による冷房運転の作動を、図７のＰＴ冷凍サイクル線図
を参照して説明する。冷房運転が室内空調機５のコント
ローラによって指示されると、制御装置６によって、燃
焼装置３、分配器１０および収集器１１の駆動装置、放
熱ファンおよび加熱水循環ポンプＰ1 （昇圧水循環ポン
プＰ1 ’、不問水循環ポンプＰ1 ”）、冷熱出力水ポン
プＰ2 、放熱水循環ポンプＰ3 が作動するとともに、冷
房が指示された室内空調機５の室内ファン２４をONす
る。

【００３４】駆動装置によって、分配器１０および収集
器１１が同期して１２０°づつ回転移動する。これによ
って、３つのセルＳが、水素駆動α→第１冷熱出力β→
第２冷熱出力γの順で移動する。水素駆動αのセルＳで
は、上段室Ｓ1 が加熱水に触れ、中段室Ｓ2 が昇圧水に
触れ、下段室Ｓ3 が放熱水に触れる。上段室Ｓ1 が加熱
水（８０℃）に触れることにより、上段室Ｓ1 の内圧が
上昇し、高温合金ＨＭが水素を放出する。中段室Ｓ2 が
昇圧水（５６℃）に触れることにより、中段室Ｓ2 の内
圧が中温合金ＭＭが水素を吸蔵しない圧力まで上昇す
る。下段室Ｓ3 が放熱水（２８℃）に触れることによ
り、下段室Ｓ3 の内圧が下がり、低温合金ＬＭが水素を
吸蔵する。

【００３５】このように、上段室Ｓ1 が加熱水に触れ、
中段室Ｓ2 が昇圧水に触れ、下段室Ｓ3 が放熱水に触れ
ることにより、上段室Ｓ1 内が８０℃；１．０ＭＰａ、
中段室Ｓ2 内が５６℃；１．０ＭＰａ、下段室Ｓ3 内が
２８℃；０．９ＭＰａとなり、上段室Ｓ1 の高温合金Ｈ
Ｍが水素を放出し（図７の）、下段室Ｓ3 の低温合金
ＬＭが水素を吸蔵する（図７の）。なお、中段室Ｓ2
は昇圧水によって加熱されて内圧が高く、中温合金ＭＭ
は水素の吸蔵は行わない。そして、水素駆動αが行われ
たセルＳは、その後第１冷熱出力βへ移行する。

【００３６】第１冷熱出力βのセルＳでは、上段室Ｓ1
が昇圧水に触れ、中段室Ｓ2 が放熱水に触れ、下段室Ｓ
3 が冷熱出力水に触れる。上段室Ｓ1 が昇圧水（５８
℃）に触れることにより、上段室Ｓ1 の内圧が高温合金
ＨＭが水素を吸蔵しない圧力まで上昇する。中段室Ｓ2
が放熱水（２８℃）に触れることにより、中段室Ｓ2 の
内圧が下がり、中温合金ＭＭが水素を吸蔵し、下段室Ｓ
3 の低温合金ＬＭが水素を放出する。低温合金ＬＭが水
素を放出するため、下段室Ｓ3 内で吸熱が生じ、下段室
Ｓ3に触れる冷熱出力水が例えば１３℃に冷やされる。

【００３７】このように、上段室Ｓ1 が昇圧水に触れ、
中段室Ｓ2 が放熱水に触れ、下段室Ｓ3 が冷熱出力水に
触れることにより、上段室Ｓ1 内が５８℃；０．５ＭＰ
ａ、中段室Ｓ2 内が２８℃；０．４ＭＰａ、下段室Ｓ3
内が１３℃；０．５ＭＰａとなり、下段室Ｓ3 の低温合
金ＬＭが水素を放出し（図７の）、中段室Ｓ2 の中温
合金ＭＭが水素を吸蔵する（図７の）。下段室Ｓ3 の
低温合金ＬＭが水素を放出する際、吸熱作用により下段
室Ｓ3 に触れる冷熱出力水から熱を奪い冷熱出力水の温
度を低下させる。なお、上段室Ｓ1 は、昇圧水によって
加熱されて内圧が高く、高温合金ＨＭは水素の吸蔵は行
わない。そして、第１冷熱出力βが行われたセルＳは、
その後第２冷熱出力γへ移行する。

【００３８】第２冷熱出力γのセルＳでは、上段室Ｓ1
が放熱水に触れ、中段室Ｓ2 が冷熱出力水に触れ、下段
室Ｓ3 が不問水に触れる。上段室Ｓ1 が放熱水（２８
℃）に触れることにより、上段室Ｓ1 の内圧が下がり、
高温合金ＨＭが水素を吸蔵し、中段室Ｓ2 の中温合金Ｍ
Ｍが水素を放出する。中温合金ＭＭが水素を放出するた
め、中段室Ｓ2 内で吸熱が生じ、中段室Ｓ2に触れる冷
熱出力水が例えば１３℃に冷やされる。

【００３９】このように、上段室Ｓ1 が放熱水に触れる
ことにより、上段室Ｓ1 内が２８℃；０．１ＭＰａ、中
段室Ｓ2 内が１３℃；０．２ＭＰａ、下段室Ｓ3 内は不
問状態となり、中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を放出
し（図７の）、上段室Ｓ1の高温合金ＨＭが水素を吸
蔵する（図７の）。中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素
を放出する際、吸熱作用により中段室Ｓ2 に触れる冷熱
出力水から熱を奪い冷熱出力水の温度を低下させる。な
お、下段室Ｓ3 の温度は無関係で、下段室Ｓ3の低温合
金ＬＭは水素の吸蔵は行わない。そして、第２冷熱出力
γが行われたセルＳは、その後水素駆動αへ移行する。

【００４０】なお、ヒートポンプサイクル２の第１冷熱
出力βおよび第２冷熱出力γで熱を奪われた低温の冷熱
出力水は、冷熱出力水循環路２５を介して室内空調機５
の室内熱交換器２３に供給されて、室内に吹き出される
空気と熱交換されて室内を冷房する。

【００４１】〔実施例の効果〕分配器１０および収集器
１１は、固定筒１２の内部で回転弁１３を回転させるこ
とで、縦方向に３つづつ別れた９つの出力ポート１２ｂ
と一致する傾斜溝１３ｂが変化し、結果的に上、中、下
段熱交換器Ｎ1 、Ｎ2 、Ｎ3 へそれぞれ適した熱媒体を
切り替えて供給することができる。このため、従来の多
数の切替バルブの作動音のような切替騒音の発生がな
く、室外機７の作動音を低く抑えることができる。ま
た、回転弁１３の回転によって複数の熱媒体が切り替え
られ、切り替えは瞬時に行われないため、切替時におけ
る熱媒体の圧力変化によるショックを小さく抑えること
ができる。このように、圧力変化によるショックを抑え
ることができるため、本実施例で示した小型のヒートポ
ンプサイクルの耐久性を高めることができる。

【００４２】上、中、下段熱交換器Ｎ1 、Ｎ2 、Ｎ3 よ
りなる１つのモジュールは、１サイクル（水素駆動α、
第１冷熱出力β、第２冷熱出力γ）において２度の冷熱
出力を得ることができる。そして、この実施例では、３
つのモジュールを用いることにより、連続的に安定した
冷熱出力を得ることができる。この１つのモジュール
は、薄型や小型化が可能であり、複数用いる場合は配置
の自由度が大きい。このため、従来のシェル＆チューブ
タイプの熱交換器を用いたヒートポンプサイクルに比較
して、設置の自由度が大変大きい。つまり、この実施例
に示すように、３つのモジュールをブロック状に積層配
置してコンパクト化したり、あるいは複数のモジュール
を平らに並べて設置して、壁付けや壁埋込、あるいは床
埋込可能にしても良い。また、上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ
2 、Ｓ3 を偏平形状に設けたため、高、中、低温合金Ｈ
Ｍ、ＭＭ、ＬＭと熱交換しない熱媒体の割合が減り、ヒ
ートロスが小さくなるため、ヒートポンプサイクル２の
冷却効率が向上する。

【００４３】〔変形例〕上記の実施例では、固定筒１２
および回転弁１３がそれぞれ一体化の例を示したが、図
９に示すように、分割された固定筒１２を金具３１で接
合したり、分割された回転弁１３をトルクロッド３２を
介して接合しても良い。図中の符号３３は複数の外周溝
１３ａのシール用のＯリングである。なお、傾斜溝１３
ｂの周囲にも図示しないシール用のパッキングが設けら
れている。このように固定筒１２および回転弁１３を組
み立てて構成することにより、加工性が良い。また、高
温の熱媒体と低温の熱媒体とを分けることにより、高温
の熱媒体と低温の熱媒体が固定筒１２および回転弁１３
で熱交換することによるヒートロスを減らすことができ
る。なお、図１０に示すように、不問水の循環を廃止し
ても良い。図１１は図１０に示す分配器１０を用いて１
つのモジュールに熱媒体を切り替えて供給する例を示す
斜視図である。

【００４４】上記の実施例では、分配器１０（熱媒体切
替供給手段）と同構成の収集器１１を採用した例を示し
たが、各熱交換器を通過した熱媒体を再利用しない場合
は収集器１１を簡略化しても良い。つまり、例えば加熱
用熱媒体の熱源として排熱等を利用して熱交換器加熱後
に排出する場合は、複数の熱交換器に分配された加熱用
熱媒体を１つに収集する必要がないため、収集器１１を
簡略化できる。

【００４５】上記の実施例では、冷房運転のみ行う例を
示したが、燃焼装置３で加熱された加熱水を室内空調機
５の室内熱交換器２３に導いて温風吹出による室内暖房
を行うように設けても良い。また、室内空調機５の他
に、床暖房マット、浴室乾燥機などに加熱水を供給可能
に設け、床暖房や浴室暖房などを行うように設けても良
い。

【００４６】上記の実施例では、１つの室外機７に複数
の室内空調機５が接続可能なマルチエアコンを示した
が、１つの室外機７に１つの室内空調機５が接続される
エアコンに本発明を適用しても良い。上記の実施例で
は、ヒートポンプサイクル２によって得られた冷熱出力
用の熱媒体（実施例中では冷熱出力水）で室内を冷房す
る例を示したが、冷熱出力用の熱媒体で冷蔵運転や冷凍
運転に用いるなど、本発明を他の冷却装置として用いて
も良い。

【００４７】上記の実施例では、説明を容易化するため
に、図面の上下に上段熱交換器Ｎ1、中段熱交換器Ｎ2
、下段熱交換器Ｎ3 とした例を示したが、配置方向を
変えても良い。

【００４８】上記の実施例では、昇圧用の熱媒体とし
て、加熱水によって温度上昇した上段熱交換器Ｎ1 の熱
を受けて昇温した熱媒体（実施例中では昇圧水）を用い
た例を示したが、加熱手段（例えば、燃焼装置による昇
温、電気ヒータによる昇温、排熱を利用した昇温など）
によって昇温した熱媒体を用いても良い。上記の実施例
では、ヒートポンプサイクル２の一例として、２段式サ
イクルを用いた例を示したが、１段式サイクルに用いて
も良いし、３段式以上のサイクルとして用いても良い。

【００４９】上記の実施例では、３つのモジュールを組
み合わせたヒートポンプサイクル２を例に示したが、モ
ジュールの数を減らしたり、逆に数を増大させて冷却能
力を増大させ、ビル用空調システムなど大きな冷却能力
が要求される冷却装置に用いても良い。つまり、モジュ
ールの数によって、冷却能力を容易に可変することがで
きる。

【００５０】上記の実施例では、加熱用の熱媒体（実施
例中では加熱水）を加熱する加熱手段として、ガスを燃
焼するガス燃焼装置を用いたが、石油を燃焼する石油燃
焼装置など、他の燃焼装置を用いても良いし、内燃機関
の排熱によって加熱用の熱媒体を加熱する加熱手段、ボ
イラーによる蒸気、電気ヒータを用いた加熱手段など、
他の加熱手段を用いても良い。なお、内燃機関の排熱を
利用する際は、車両用に用いることもできる。

【００５１】上記の実施例では、各熱媒体の一例とし
て、水道水を用いたが、不凍液やオイルなど他の液体の
熱媒体を用いても良いし、空気など気体の熱媒体を用い
ても良い。上記の実施例では、回転式の熱媒体切替供給
手段を例に示したが、例えば従来技術で示したように、
複数の電磁弁を切り替えて熱媒体を切り替えるように設
けても良い。上記の実施例では、水素吸蔵合金の水素の
放出時に生じる吸熱作用を利用して冷熱を得る例を示し
たが、水素吸蔵合金の水素の吸蔵時に生じる放熱作用を
利用して温熱を得る加熱装置（例えば暖房装置など）に
本発明を適用しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷房装置の概略構成図である（実施例）。

【図２】ヒートポンプサイクルの作動説明図である（実
施例）。

【図３】セルの斜視図である（実施例）。

【図４】ハウジングに覆われた室の側面図である（実施
例）。

【図５】図４のＩ−Ｉ線に沿う断面図である（実施
例）。

【図６】分配器および収集器の斜視図である（実施
例）。

【図７】ＰＴ冷凍サイクル線図である（実施例）。

【図８】作動説明図である（実施例）。

【図９】分配器の分解斜視図である（変形例）。

【図１０】分配器の斜視図である（変形例）。

【図１１】図１０の分配器の使用例を示す斜視図である
（変形例）。

【図１２】冷房装置の概略構成図である（従来例）。

【符号の説明】

ＨＭ高温合金（水素吸蔵合金）ＭＭ中温合金（水素吸蔵合金）ＬＭ低温合金（水素吸蔵合金）ＳセルＳ1 上段室Ｓ2 中段室Ｓ3 下段室Ｓ4 水素通路Ｎ1 上段熱交換器Ｎ2 中段熱交換器Ｎ3 下段熱交換器１０分配器（熱媒体切替供給手段）１２固定筒１２ａ入力ポート１２ｂ出力ポート１３回転弁１３ａ外周溝１３ｂ傾斜溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素吸蔵合金と熱媒体の熱交換を行う複数
の熱交換器と、温度の異なる熱媒体を前記複数の熱交換器に切り替えて
供給する熱媒体切替供給手段と、を備え、熱媒体と熱交換して水素吸蔵合金の水素の吸蔵と放出と
を行わせ、水素の放出時に生じる吸熱作用や水素の吸蔵
時に生じる放熱作用を利用して冷熱や温熱を得る水素吸
蔵合金を利用した熱利用システムにおいて、熱媒体切替供給手段は、複数の熱媒体の供給を受ける複数の入力ポートおよび複
数の出力ポートを備える固定筒と、この固定筒の内部で回転し、前記複数の入水ポートから
供給されたそれぞれの熱媒体を独立して受ける複数の環
状外周溝、およびこの外周溝と内部で連通して設けら
れ、前記複数の出力ポートに同時に複数の熱媒体を供給
する複数の傾斜溝を備える回転弁と、この回転弁を前記固定筒の内部で回転させる駆動装置
と、を備えることを特徴とする水素吸蔵合金を利用した
熱利用システム。
【請求項２】請求項１の水素吸蔵合金を利用した熱利用
システムにおいて、前記複数の熱交換器は、水素吸蔵合金が封入された複数
の室を水素通路で連通したセルを複数用いてなり、前記熱媒体切替供給手段は、前記複数のセルの各室と熱
交換する熱媒体の供給状態を、前記複数のセル毎におい
てそれぞれが異なった室に水素移動するように切り替え
ることを特徴とする水素吸蔵合金を利用した熱利用シス
テム。