JPS5849493Y2 - 蓄熱装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 この考案は、蓄熱装置に関する。

従来、太陽熱や廃熱を利用する蓄熱装置としては顕熱型
媒体、たとえば水に蓄熱させる顕熱型の蓄熱装置があり
、この蓄熱装置は、一般家庭の風呂用として用いられ、
またソーラーハウス等においても実験住宅等でその給湯
、暖房、冷房が試みられているが、蓄熱媒体の保温が問
題となっている。

このような欠点を有しない蓄熱装置として金属水素化物
を利用する蓄熱装置が提案（たとえば、小野修一部、
化学（７） 領域Ｖｏｌ ３１． Ｎｏ、 １． Ｐ
、 ３９〜Ｐ、 ４７．１９７７年、参照）されており
、この蓄熱装置では水素化と脱水素化反応を可逆的に行
い得る金属もしくは合金またはその水素化物の下記の式
によって示される反応により蓄熱およびエネルギーの取
り出しを行う： ＭＨｚ Ｍ＋ＩＩ工（吸熱反応：蓄熱過程）Ｍ＋Ｔ
ＩＸ ＭＨＸ （発熱反応：放熱過程）しかしなが
らこのような金属水素化物を利用した蓄熱装置は未だ実
現されたものはなく、アイデアの状態に止まり、実質的
かつ具体的な検討例はないに等しい。

蓄熱装置としては、蓄熱時に、蓄熱槽に充填した金属水
素化物を脱水素化して発生する水素ガスを蓄熱槽以外の
水素ボンベなどの水素ガス貯蔵槽で水素ガスのままで保
存し、放熱時には、水素ガス貯蔵槽から蓄熱槽へ水素ガ
スを供給して水素化反応を起こさせて発生した熱を放熱
利用する装置も考えられるが、この場合水素ガス貯蔵槽
としては大容量のものを必要とするとともに内部圧力が
極めて高いなどの問題がある。

この考案は、これらの事情に鑑みなされたものであり、
熱により高温側で水素化・脱水素化する金属もしくは合
金またはその水素化物を充填し、熱エネルギー源からの
高温の熱エネルギーを受けて金属水素化物を高温側で脱
水素化するための熱交換器と、金属もしくは合金又は水
素化物を高温側で水素化して高温の熱エネルギーを熱負
荷部へ供給するための熱交換器とをそれぞれ備えた蓄熱
槽１と、熱により低温側で水素化・脱水素化する金属も
しくは合金またはその水素化物を充填し、金属水素化物
を低温側で脱水素化させるための熱エネルギーを受ける
熱交換器を備えた蓄熱槽２と、両蓄熱槽を開閉弁を介し
て連結する水素流通路と、それぞれの槽と開閉弁との間
の水素流通路内に備えた水素ガス圧力を検知する一対の
圧力センサーと、これらの圧力センサーによって検出さ
れる水素ガス圧力が設定圧以上になると開閉弁を開き、
設定圧未満では開閉弁を閉じるよう構成されてなる開閉
弁制御部とを備えたことを特徴とする蓄熱装置を提供す
るものである。

すなわちこの考案は蓄熱槽１で発生する水素ガスを貯蔵
する水素ガス貯蔵槽として低温側で水素化・脱水素化す
る特定の金属水素化物を充填したもう一つの蓄熱槽２を
用いているので水素ガス貯蔵槽としての蓄熱槽２内の圧
力を低下させるとともにその容積を小さくすることがで
きる。

さらにこの考案は、両蓄熱槽を連結する水素ガス流通路
に、水素ガス圧力が設定圧力に達すると開閉する開閉弁
を設けているので、その水素流通路を移動する水素ガス
の圧力を所望の高圧にできるので、蓄熱槽１からの高温
の熱エネルギーが取り出せ有効な熱エネルギーの利用が
可能になる。

以下図を用いてこの考案の基本構成例を説明する。

第１図において蓄熱装置Ａは、主として蓄熱槽１と、蓄
熱槽２と、これらの間に両槽間を水素ガスの移動できる
流通路３と、それぞれの槽から発生される水素ガスの圧
力を検知する一対の圧力センサー４，５と、その作動に
よって制御して流通路を開閉させる電磁開閉弁６と、熱
エネルギーを槽外部より蓄熱槽１へ供給できる熱交換器
７と、蓄熱槽２の金属水素化物を分解（脱水素化）させ
るに必要な熱量を供給する熱交換器９と、水素化による
反応熱を槽外部へ取り出し得る熱交換器８とより構成さ
れている。

蓄熱槽１には、高温側で水素化・脱水素化する金属もし
くは合金（便宜的にＭｌと表す）またはその水素化物（
Ｍ、Ｈと表わす）が充填されており、蓄熱槽２には低温
側で水素化・脱水素化反応する金属もしくは合金（便宜
的にＭ２と表す）またはその水素化物（便宜的にＭ２Ｒ
と表す）が充填されている。

なお、この考案の基本構成例において圧力センサーとは
、圧力変化を電気量の変化に変換せしめる感圧素子はも
ちろん、圧力変化を力学的変化に変換せしめるものも含
まれる。

蓄熱装置Ａの動作を説明すれば以下の通りである。

蓄熱過程においてはまず太陽熱や廃熱などから集熱され
た熱媒体から熱交換器７により蓄熱槽１へ放熱させて槽
内の金属水素化物Ｍ、Ｈを分解（脱水素化反応であり、
吸熱反応である）シ、金属もしくは合金と水素ガスにす
る。

ここで発生した水素ガスのガス圧を圧力センサー４によ
り検知し、設定圧（たとえばＭ２Ｒの解離平衡曲線のプ
ラトー圧力ＰＥ詳しくは後述する）に達すると、差動増
幅器１０および電源回路１２を介して電磁開閉弁６が開
かれ、流通路３が通じ、水素ガスは蓄熱槽２に移動し、
蓄熱槽２では設定水素ガス圧の下で水素化反応が進む。

放熱過程（槽外部へのエネルギーの取り出し過程）にお
いては、蓄熱槽２に設けられた熱交換器９により熱せら
れ、金属水素化物Ｍ２Ｈは分解されて水素ガスを発生し
、この水素ガスのガス圧を圧力センサー５で検知し、設
定圧（たとえば上記のＰＥ）に達すると、差動増幅器１
１および電源回路１２を介して電磁弁６は開かれ水素ガ
スは蓄熱槽１に移動し、蓄熱槽１では設定圧以上の水素
ガス圧の下で水素化反応が進み、発熱反応が起り蓄熱槽
１は発熱をする。

この熱は熱交換器８中の冷水を加温し、その結果この加
温水を用いて冷暖房が可能となる。

なお、この考案に係る装置では設定圧力未満の圧力では
電磁開閉弁は閉じるようになっている。

次にこの考案の基本構成例における開閉弁の開閉の設定
圧については、上記したようにＭ２Ｒすなわち低温側で
脱水素化する金属水素化物の解離平衡曲線（第２図参照
）におけるプラトー圧力が好ましい。

金属水素化物解離平衡曲線をＦｅＴｉ合金を例に取って
図示すれば第２図の通りである。

縦軸は水素ガス圧力（ｋｇ／ｃｍ２）、横軸はその水素
ガス圧下において平衡状態に達した時の金属水素化物の
水素原子とＦｅとＴｉ原子の合計との原子比である。

第２図の曲線は２５℃における平衡曲線である。

この図よりわかることは水素ガス圧力８ ｋｇ／Ｃｍ２
以上ではＨ／Ｆｅ＋Ｔｉは広い範囲の値を示す。

すなわち広い範囲で水素化物を形成する。

そこでこの図に示されるようなＨ／Ｆｅ＋Ｔｉの変化に
もかかわらず一定の平衡圧（図では８ ｋｇ／ｃｎｎ２
）を示す部分のその平衡圧のことをプラトー圧力と呼ぶ
。

一方８ｋｇ／ｃｍ２未満ではＨ／Ｆｅ＋Ｔｉ”−０〜０
．１程度と水素化の範囲および値も小さく結果的にはこ
の間での水素化は水素化物形成上あまり意味がない。

また、プラトー圧力８ ｋｇ／Ｃｍ２以上では数分でそ
の水素ガス圧力に対応した水素化物が得られるのに対し
、プラトー圧力８ ｋｇ／ｃｍ２未満での水素化は水素
化量が小さいと同時にその反応時間は、８ｋｇ／ｃｍ２
以上の場合の数倍〜数十倍の時間を要し、水素化物形成
上有利とはならない。

以上のことから理解されるように、金属水素化物の解離
平衡曲線の平衡圧近傍で水素ガスの圧力を規制すること
は、水素化サイクルを有効に作動させる上で重要なこと
である。

なお蓄熱槽１に充填する金属水素化物（ＭｌＨ）として
は蓄熱槽２に充填する金属水素化物（Ｍ２Ｒ）の解離平
衡曲線のプラトー圧力と同じかまたはそれ以上の圧力で
水素化反応の反応熱の大きいものが選ばれる。

このような異種の金属水素化物（ＭｌＨとＭ２Ｒ）の組
み合わせとしてはたとえば以下のような例が挙げられる
。

注） ＭｌＨＭ、Ｅ 例Ｉ Ｌａ）ｉｉ５Ｈ６ＦｅＴｉＨ。

例２ Ｍｇ！Ｎ１ｐ４Ｆｅ’ｒｉＨ。

例８ Ｍｇ！Ｎｉｎ４ＬａＮｉ５Ｈ＠注） Ｍ、Ｈ：高温側で脱水素化し得る金属水素化物Ｍ、）１
：低温側で脱水素化し得る金属水素化物この考案の基
本構成例においては、蓄熱槽２をいわゆる水素貯蔵槽と
して用いているが、このようにすることにより、通常の
水素ボンベを水素貯蔵槽として用いるよりも、貯蔵圧力
が低く（水素ボンベではその貯蔵圧力が１５０気圧にも
なるのに対し、金属水素化物の形にすれば１０気圧前後
）、従って安全性が高く、保存輸送が容易であり、また
水素化物の種類にもよるが貯蔵槽の容積が小さい（たと
えばＬａＮｉ５を用いる場合は通常の水素ボンベの約半
分の容積）等の種々の優れた効果がもたらされる。

以下更に具体的な実施例を挙げてこの考案を説明する。

実施例 １ 第１図の蓄熱装置Ａにおいて蓄熱槽１にはＬａＮｉ５Ｈ
６で表わされる化合物を、蓄熱槽２にはＦｅＴｉで表わ
される合金を用いた。

その使用量はＬａＮｉ５として５００ ｇ、 ＦｅＴｉ
として１０００ ｇであった。

なお、電磁開閉弁６の開作動の設定圧力（レベル圧力）
、をＦｅＴｉの水素化物の解離平衡曲線のプラトー圧力
８．０ ｋｇ／ｃｍ２に設定した。

（ｉ）蓄熱過程 集熱された８０℃の温水を蓄熱槽１内の熱交換器７を通
すとＬａＮｉ５Ｈ６が分解して水素が発生〔蓄熱槽１側
のパイプ内のガス圧は電磁弁６を閉じている場合は２０
ｋｇ／ｃｍ２ゲージＨ２圧にもなる〕し、圧が高くなり
、設定圧８．０ｋｇ／ｃｍ２以上になると、圧力センサ
ー４によって自ら電磁開閉弁６が開き、つまり圧力セン
サー４によって得られた圧力検知信号が差動増幅器１０
を通って設定圧と比較され、その比較信号（ト）が電源
回路１２を作動させて電磁開閉弁６を開放し、蓄熱槽２
へ水素ガスが移動し、ＦｅＴｉの水素化が起った。

これにより蓄熱槽１内の金属水素化物は脱水素化によす
ＬａＮｉ５になった。

（１１）放熱過程 次に、蓄熱槽２内の熱交換器９に５０℃の温水を通して
加温すると、蓄熱槽２側のパイプ内のガス圧が設定圧力
である８ｋｇ／ｃｍ２ゲージＨ２圧になったとき、前記
圧力センサー４の場合と同様に、圧力センサー５による
流通管３内圧力検知信号にもとづいて電磁開閉弁６が開
き、蓄熱槽１へ水素ガスが移動し、ＬａＮｉ５が水素ガ
スと反応しＬａＮ１Ｈ，が生成すると同時に大きな熱量
が得られ、熱交換器８を通じて温水が作られた。

なお、水素圧が設定圧である８ｋｇ／ｃｍ２ゲージＨ２
圧未満になると、電磁開閉弁６は閉じ、２つの蓄熱槽系
は完全に遮断された状態となる。

以上のように設定圧力に連動する電磁開閉弁６の設置は
２つの蓄熱槽を別離する場合、重要な役割りを果たす。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの考案基本構成例の説明図であり、第２図は
ＦｅＴｉ合金の水素化物の解離平衡曲線を表わすグラフ
である。 Ａ・・・・・・蓄熱装置、１，２・・・・・・蓄熱槽、
３・・・・・・水素ガス流通管、４，５・・・・・・圧
力センサー、６・・・・・・電磁開閉弁、７．８．９・
・・・・・熱交換器、１０．１１・・・・・・差動増幅
器、１２・・・・・・電磁開閉弁用電源回路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. １．熱により高温側で水素化・脱水素化する金属もしく
   は合金またはその水素化物を充填し、熱エネルギー源か
   らの高温の熱エネルギーを受けて金属水素化物を高温側
   で脱水素化するための熱交換器と、金属もしくは合金又
   は水素化物を高温側で水素化して高温の熱エネルギーを
   熱負荷部へ供給するための熱交換器とをそれぞれ備えた
   蓄熱槽１と、熱により低温側で水素化・脱水素化する金
   属もしくは合金またはその水素化物を充填し、金属水素
   化物を低温側で脱水素化させるための熱エネルギーを受
   ける熱交換器を備えた蓄熱槽２と、両蓄熱槽を開閉弁を
   介して連結する水素流通路と、それぞ・れの槽と開閉弁
   との間の水素流通路内に備えた水素ガス圧力を検知する
   一対の圧力センサーと、これらの圧力センサーによって
   検出される水素ガス圧力が設定圧以上になると開閉弁を
   開き、設定圧未満では開閉弁を閉じるよう構成されてな
   る開閉弁制御部とを備えたことを特徴とする蓄熱装置。 ２、設定圧が低温側で水素化・脱水素化する金属もしく
   は合金またはその水素化物の解離曲線のプラトー圧力で
   ある実用新案登録請求の範囲第１項記載の蓄熱装置。