JPS5855437B2 - 熱変換器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は金属水素化物の吸熱反応及び発熱反応を利用し
た熱変換器に関するものである。

従来、多くの金属又は合金（以下単に金属という）は水
素と可逆的に反応することが知られている。

即ち（ＭＨ）＋Ｑε２〔Ｍ〕＋Ｈ２↑ （式中Ｍは金属、Ｑは発熱量） なる関係があり、水素を吸蔵する過程においては発熱し
、水素を放出する過程においては吸熱することが知られ
ている。

そしてこの際金属はそれぞれ独自の水素平衡圧特性を崩
しているので、水素平衡圧特性の異なる２種の金属を組
合せることにより、冷暖房に使用できることが知られて
いる。

たとえば、金属水素化物を内蔵した２つの容器を連通さ
せて組とした冷暖房ブロックを２組設け、各容器に、加
熱装置及び冷却装置を設置しておき、各組の一方の容器
を交互に加熱冷却することにより他方の容器を交互に冷
暖房源として利用することが提案されているが、この変
装は操作が複雑であり、保守が困難であり、かつ熱効率
が悪く連続運転には不適なものであった。

本発明は上記欠点に鑑み連続運転を容易にすることがで
き操作が簡単で保守の容易な、金属水素化物を利用した
熱交換器を提供することを目的としてなされたものであ
って、その要旨は熱変換容器が中心軸から放射状に配置
された仕切板により２以上の部屋に分割されると共に各
部屋がそれぞれ前記中心軸と直交しかつ水素ガスを透過
するが金属水素化物は透過しない隔壁により二つの区室
に二分され、各部屋は中心軸の周りに回動するようにな
され、かつ各区室は熱交換器と接触し熱伝導を行う熱伝
導面を有しており、前記各部屋の一方側の区室と他方側
の区室とには異なる金属水素化物が封入されていること
を特徴とする熱変換器に存する。

本発明で使用する金属水素化物とは、水素と可逆的かつ
発熱的に反応する金属の水素化物であって、たとえばラ
ンタンニッケル水素化物 （ＬａＮｔ５ Ｈｘ）、カルシウムニッケル水素化物
（ＣａＮｉ５−Ｈｘ）、ミツシュメタルニッケル水素化
物（ＭｒＴ１Ｎｉ５−ＨＸ）、ミツシュメタルコバルト
水素化物（ＭｍＣｏ ５−Ｈｘ ）、ネオジムコバルト
水素化物（ＮｄＣｏ５−Ｈｘ ）、鉄チタン水素化物（
ＦｅＴｉ−ＦＪｘ）、バナジウムニオブ水素化物（ＶＮ
ｂ−Ｈｘ）、マグネシウムニッケル水素化物（Ｍｇ２Ｎ
ｉ −Ｈｘ ）、マグネシウム銅水素化物（Ｍｇ２Ｃ
ｕ−Ｈｘ）等のアルカリ金属、アルカリ土類金属、ラン
タノイド、アクチノイド、遷移金属等の金属の組合せの
水素化物があげられる。

そして上記金属水素化物を熱交換器で使用する際には適
宜組合せばよく、たとえばランタンニッケル水素化物−
カルシウムニッケル水素化物、ミツシュメタルニッケル
水素化物−ランタンニッケル水素化物、ミツシュメタル
コバルト水素化物−ランタンニッケル水素化物、バナジ
ウムニオブ水素化物−ミツシュメタルコバルト水素化物
、鉄チタン水素化物−ネオジムコバルト水素化物等の絹
合せがあげられる。

次に図面を参照して本発明の熱変換器を説明する。

第１図は本発明の熱交換器で冷房する装置の一例を示す
断面図であり、第２図イ及びハは第１図１−Ｉ’線及び
ｎ −ｎ’線における断面図である。

図中１は円柱状の熱交換容器である。

熱変換容器１は中心軸１０から放射状に配置された仕切
板２０．２０により半円柱状に二つの部屋が仕切られる
と共に中心軸１０と直交し、かつ水素ガスは透過するが
金属水素化物は透過しない半円状の隔壁２２．２２によ
り半円柱状の左右の区室（左、右は隔壁により二分され
る両側の区室を図面上の位置関係で示すものである。

以下同じ）に分割され、区室１２，１３，１４．１５が
形成されており、隔壁２２より右側の区室１２及び１５
には金属水素化物Ａが封入されており、隔壁２２より左
側の区室１３及び１４には金属水素化物Ａとは異なる金
属水素化物Ｂに封入されている。

中心軸１０は駆動具（図示せず）に連結されており、回
動可能になされている。

図中３は円筒状の熱交換器である。

熱交換器３はドーナツ板状の内壁３５及び板状の内壁３
６゜３６により分割され４つの半円筒状の熱交換室３１
．３２．３３及び３４が形成されており、熱交換器３の
内周面は熱変換容器１の外周面と接している。

したがって熱変換容器１の外周面が熱伝導面６となされ
ているのである。

そして中心軸１０を軸として熱変換容器１を回動するこ
とにより、区室１２及び１５は熱交換室３１及び３４に
接し、区室１３及び１４は熱交換室３２及び３３に接す
るように設定されている。

６０は太陽熱集熱器であり、熱媒体が熱交換室３１との
間を循環するように配管６４で連絡されている。

６１及び６２はブロアーであり、それぞれ熱交換室３２
及び３４と配管６５及び６７で連絡され、大気中の空気
が熱交換室３２及び３４を通過し、熱交換室３２及び３
４を通過し、熱交換室３２及び３４に設置された排出口
６６及び６８から排出されるように設定されている。

又６３は放熱器であり、熱媒体が熱交換室３３との間を
循環するように配管６９で連絡されている。

上記装置で冷房する方法を説明する。

金属水素化物Ａとしてネオジムコバルト水素化物又金属
水素化物Ｂとして鉄チタン水素化物が熱交換容器１の各
区室に封入されている。

鉄チタン水素化物及びネオジムコバルト水素化物の水素
平衡圧と温度の関係を第７図に示した 太陽熱集熱器６
０で集熱された熱媒体は８０℃に加熱され、外気温は３
０’Ｃであると仮定すると、太陽熱集熱器６０で加熱さ
れた熱媒体は、集熱器６０と熱交換室３１の間を循環さ
れる。

熱媒体の熱は区室１２に伝導されネオジムコバルト水素
化物が加熱される。

又ブロアー６１により熱交換室３２には大気が供給され
熱交換室３２は３０℃に保たれ、熱は区室１３に伝導さ
れて鉄チタン水素化物は３０℃に保たれる。

ネオジムコバルト水素化物が８０℃に保たれる（第７図
ａ）とネオジムコバルト水素化物の水素平衡圧は約１０
気圧になり、鉄チタン水素化物が３０℃に保たれる（第
７図ｂ）と鉄チタン水素化物の水素平衡圧は約５．５気
圧になる。

従ってネオジムコバルト水素化物は水素ガスを放出し鉄
チタン水素化物は水素ガスを吸収する。

即ち区室１２と１３の間ではａ→ｂの反応が進行する。

；３−）ｌ）の反応が略終了すると熱交換容器１は中心
軸１０により１８００回転され、区室１２と熱交換室３
４及び区室１３と熱交換室３３が対向するように配置さ
れる。

熱交換室３４にはブロアー６２により大気が供給され、
３０℃に保たれ、区室１２中のネオジムコバルト水素化
物は３０℃に冷却される（第７図ｄ）。

冷却されるとネオジムコバルト水素化物の水素平衡圧は
約１．２気圧になり、区室１３中の鉄チタン水素化物の
水素平衡圧より小さくなり、鉄チタン水素化物は水素ガ
スを放出し、ネオジムコバルト水素化物がこの水素ガス
を吸収する。

鉄チタン水素化物は水素ガスを放出すると吸熱しｌ）
−） Ｃに向って冷却され、たとえば５°Ｃ（ｃ）で定
常状態となりｃ−＋ｄの反応が進行する。

この際区室１３は５℃に冷却されるので対向している熱
交換室３３中の熱媒体を冷却する。

冷却された熱媒体は放熱器６３へ循環され冷房に供され
る。

モしてＣ→ｄの反応が略終了すると熱変換容器は再び１
８０°回転され区室１２中のネオジムコバルト水素化物
と区室１３中の鉄チタン水素化物はａ−＋ ｌ）の反応
を始める。

又、熱変換容器１は仕切板２０を対称面としてネオジム
コバルト水素化物が封入された区室１２゜１５と鉄チタ
ン水素化物が封入された区室１３゜１４があり、区室１
２と１３の間でａ−）ｌ）の反応が進行している間は区
室１４と１５の間ではＣ→ｄの反応が進行しており、逆
に区室１２と１３の間でＣ→ｄの反応が進行している間
は区室１４と１５の間では２−）ｌ）の反応が進行して
いる。

従って熱変換容器１が一回転する間にネオジムコバルト
水素化物と鉄チタン水素化物との反応はａ−＋ｂ→Ｃ→
ｄの一すイクル進むように設定されており、熱交換室３
３に対向する熱変換容器１の区室１３又は１４は常に冷
却されているので連続的に冷房することができる。

第３図は本発明の熱変換器で暖房する装置の一例を示す
断面図であり、第８図はランタンニッケル水素化物とミ
ツシュメタルコバルト水素化物の水素平衡圧と温度の関
係を示すグラフである。

第３図において１は第１図に示した熱変換容器と同形状
のものであり半円状隔壁２２より右側の区室１２及び１
５には金属水素化物Ｃが封入され、隔壁２２より左側の
区室１３及び１４には金属水素化物りが封入されている
。

又熱交換器３も第１図に示した熱交換器と同形状のもの
であり、太陽熱集熱器６０は熱交換室３２及び３４と連
絡されており、太陽熱集熱器６０で集熱された熱媒体が
循環するようになされている。

熱交換室３３はブロアー６１と連絡されており大気が供
給されるようになされており、熱交換室３１は放熱器６
３と連絡されている。

次に上記装置を使用して暖房する方法を説明する。

金属水素化物Ｃとしてランタンニッケル水素化物を区室
１２及び１５に封入し、金属水素化物りとしてミツシュ
メタルコバルト水素化物を区室１３及び１４に封入する
。

太陽熱集熱器６０で集熱された熱媒体の温度が４０’Ｃ
であり、外気温が１０℃であるとすると、部屋１３のミ
ツシュメタルコバルト水素化物は太陽熱集熱器６０で加
熱された熱媒体により４０℃に加熱され、水素ガスを放
出し、放出された水素ガスは区室１２のランタンニッケ
ル水素化物に吸収され、ランタンニッケル水素化物は発
熱し、ｅ−＋ｆ（第８図）の反応が進行する。

区室１２で発生した熱は熱交換室３１に伝導され、熱交
換室３１中の熱媒体が加熱される。

加熱された熱媒体は放熱器６３に循環され、暖房に供さ
れる。

又同時に区室１４ではミツシュメタルコバルト水素化物
は大気によって冷却され、区室１５ではランタンニッケ
ル水素化物は太陽熱集熱器６０で加熱された熱媒体によ
って加熱され、ランタンニッケル水素化物からミツシュ
メタルコバルト水素化物に水素ガスが移行するｇ−＋ｈ
（第８図）の反応が進行する。

そしてｅ−＋ｆ及びｇ→ｈの反応が略終了する毎に熱交
換容器１が１８００回転されると熱交換室３１は常に加
熱されることになり連続的に暖房が行われる。

第４図は本発明の熱交換器で冷房する装置の異なる例を
示す断面図であり第５図イは第４図■−■′線における
断面図であり、第５図ハは第４図■−Ｗ線における断面
図である。

図中２は円板状の熱変換容器であり、４及び５は円板状
の熱交換器である。

熱交換器４はその板面が熱変換容器２の一方の板面に接
するように設置されており、熱交換器５はその板面が熱
変換容器２の他方の板面に接するように設置されている
。

この熱交換器４゜５の接する熱変換容器２の板面がそれ
ぞれ熱伝導面７，８であり、熱交換器４及び５は固定さ
れ、熱変換容器２は駆動具（図示せず）に連結されてお
り、熱伝導面７及び８が接したまま回動するようになさ
れている。

熱変換容器２は仕切板２１により半円板状に二つの部屋
が仕切られ、かつ円板状であり、水素ガスは透過するが
金属水素化物は透過しない隔壁２３により左右の円板状
に分割され区室１６．１７．１８及び１９が形成されて
おり、隔壁２３より右側の区室１６及び１９には金属水
素化物Ｅが封入されており、隔壁２３より左側の区室１
７及び１８には金属水素化物Ｅとは異なる金属水素化物
Ｆが封入されている。

熱交換器４は内壁４３により半円板状の熱交換室４１及
び４２に分割され、熱交換器５は熱交換器４と同様の内
壁により半円板状の熱交換室５１及び５２に分割されて
いる。

従って熱変換容器２を１回転することにより区室１６及
び１９は熱交換室５１及び５２に接し、区室１７及び１
８は熱交換室４１及び４２に接するように設置されてい
る。

なお１１．．１１１及び１１２は中心軸である。

６０は太陽熱集熱器であり熱交換室５１と連絡されてお
り、太陽熱集熱器６０で集熱された熱媒体が循環される
ようになされている。

６１及び６２はブロアーであり、それぞれ熱交換室５２
及び４１と連絡されており大気が供給されるようになさ
れている。

又６３は放熱器であり、熱交換室４２と連絡されている
。

上記装置で冷房するには、たとえば金属水素化物Ｅとし
てネオジムコバルト水素化物を封入し、金属水素化物Ｆ
として鉄チタン水素化物を封入し、第１図で説明したと
同様にして操作することによりｈ房することができる。

又太陽熱集熱器６０、ブロアー６１．６２及び放熱器６
３を第３図で説明したと同様に連絡することにより暖房
に供することもできる。

本発明における熱交換容器の形状は特に限定されるもの
ではなく、たとえば円板状、円柱状、円筒状、角板状、
角柱状、球状等の形状のものがあげられ、熱伝導面は広
い方が好ましいので円板状、円柱状及び円筒状のものが
好ましく、円板状のものは第４図に示した如く板面が熱
伝導面となされ、円柱状及び円筒状のものは第１図に示
した如く円周面が熱伝導面となされるのが好ましい。

なお熱変換容器が円筒状である場合には熱変換器は円筒
状の熱交換器の外周面を熱変換容器の内周面に接触せし
めるよう設置されると共に円筒状熱交換器の内周面を熱
変換容器の外周面に接触せしめるように設置される。

又熱交換器は熱変換容器の熱伝導面に対応した熱伝導面
を有し熱変換容器の各部屋と熱交換が可能になされてい
ればよい。

熱交換器は第１図、第３図、第４図等に示した如き熱交
換室だけで形成する必要なく、たとえば大気を循環する
室は熱伝導面に直接風を吹き付けてもよく、熱伝導面に
放熱フィンを設置しておいてもよいし、太陽熱集熱器で
集熱した熱媒体を循環する室や放熱器に連絡された室は
、熱伝導面に熱媒体の配管を設置してもよいし、配管を
熱伝導面としてもよい。

又熱変換容器の区室の数は隔壁を介して左右の区室数が
共に２以上であればよいが、熱変換器の中心部から外壁
に達する放射状に配置された仕切板と隔壁により仕切ら
れ、総置室数が４の倍数であるのが好ましい。

第２図口、二及び第５図口は熱変換容器が８つの区室数
に分割された例を示す断面図である。

第２図口、二においては隔壁２２及び仕切板２０１・・
・により８つに分割され区室１２Ｌ１２１゜１３１．１
３１．１４１．１４１．１５１．１ＳＬが形成されてお
り隔壁２２より右側の区室１２１１５１には金属水素化
物Ａが封入されており、左側の区室１３１．１４１には
金属水素化物Ｂが封入されている。

又第５図口においては隔壁２３と仕切板２１１により８
つに分割され区室１６１゜１６１．１７１．１７１．１
８１ 、１８１．１９１１９１が形成されており隔壁２
３より左側の区室１７Ｌ１８１には金属水素化物Ｆが封
入されており、右側の区室１６１，１９１には金属水素
化物Ｅが封入されている。

上述の如く熱変換容器の各部屋を小さく分割し、第２図
イ、ハ第５図ハの如き４分割された熱交換器と共に熱変
換器として使用すると熱変換容器をなめらかに回転して
も冷暖房することが可能である。

又熱交換器を熱変換容器に対応するように分割してもよ
い。

第２図口、二及び第５図二は熱交換器が８つの室に分割
された例を示す断面図である。

第２図口、二においては内壁３５，３６及び３６１・・
・により８つに分割され室３１１．３１１．３２１゜３
２１．３３１．３３１．３４１．３４１が形成されてい
る。

第５図二において熱交換器４は内壁４３及び４３１によ
り４つに分割され室４１１゜４１１．４２１，４２１が
形成されており、又同様に分割されて熱交換器５も４つ
の室が形成されている。

第２図口及び二に記載された熱変換容器と熱交換器を用
いた熱変換器又は第５図口及び二に記載された熱変換容
器と熱交換器を用いた熱変換器を使用し同じ番号の室を
同じように冷却、加熱し第１図で説明したように操作を
すれば熱変換容器を９０°ずつ間歇的に２回回動して１
８０゜回転することにより２−＋ ｌ）−”＞ （−＄
ｄ （第７図）又はｅ→ｆ→ｇ→ｈ（第８図）のサイ
クルを１周することができ回転速度を遅くすることがで
きる。

又第４図に示した如き円板状の熱交換容器及び熱交換器
は第６図に示した如く熱変換容器１及び熱交換器４及び
５を複数個交互に接続してもよい。

このように接続すると熱伝導面が大きくなり効率が向上
する。

又熱変換器の回転をずらすことにより放熱器から放熱さ
れる熱量が時間的変動がなくなり常に一定となる。

上記隔壁は水素ガスは透過するが金属水素化物は透過し
ないものであって、耐熱性、断熱性、機械的強度にすぐ
れたものが好ましく、たとえば金属焼結多孔体、高分子
樹脂フィルム多孔体、不織布、ガラスマット、金属網等
の膜状物及び該膜状物の積層体などがあげられる。

又天然ゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、三酢酸セ
ルロースポリエステル、エポキシ樹脂、シリコン樹脂等
の金属水素化物の結着性を有し、水素ガスの透過性の大
きい結着材中に金属水素化物を分散せしめ、上記結着材
で金属水素化物を固定すると共に隔壁を形成してもよい
。

又仕切板及び内壁は共に水素ガスも金属水素化物も透過
しないものであって断熱性のすぐれたものが好ましく、
たとえばステンレス、アルミニウム、アルミニウム合金
等と断熱材との積層体が好ましい。

仕切板で分割される部屋間では水素ガスの移動がないよ
うに仕切られている。

上記熱媒体としては公知の任意のものが使用されてよく
、たとえば水、ポリエチレングリコール、シリコン油等
があげられる。

又冷却するためには空気をブロアーで吹込み、加熱する
ためには太陽熱集熱器で集熱しているが、冷却するため
に冷媒を循環するとか、加熱するためにボイラー温廃水
、スチーム、加熱気体等を循環してもよい。

本発明の熱変換器の構成は上述の通りであり、金属水素
化物が封入された熱変換容器が回転軸の周りに回動され
て各区室が順次熱交換器と熱交換を行い、その際に進行
する金属水素化物の吸熱反応又は発熱反応を利用して熱
交換を行い、その熱を利用して冷暖房することができる
ので容易に連続的に加熱、冷却することができ又保守も
容易である。

即ち、例えば冷暖房に供する熱を引出す熱交換器に対し
て対応する加熱冷却反応を行なう熱変換容器の区室が移
動してきて順次熱交換するから、運転が円滑になると共
に熱損失が小さくなるのである。

又金属水素化物は容器内に封入されているので水素ガス
が漏れることのないものとすることができて安全である
し、各区室の壁面に熱伝導面を設けることにより構造が
複雑にならず、熱伝導面を大きくすることができ効率の
よい熱変換器となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱変換器で冷房する装置の一例を示す
断面図であり、第２図イ及びハは第１図Ｉ −Ｉ’線及
び■−■“線における断面図であり、第２図口及び二は
第１図Ｉ−Ｉ’線及び■−■“線における異なる例を示
す断面図であり、第３図は本発明の熱変換器で暖房する
装置の一例を示す断面図であり、第４図は本発明の熱変
換器で冷暖房する装置の異なる例を示す断面図であり、
第５図イ及びハは第４図ｍ−ｍ’線及びＩＶ−ＩＶ’線
における断面図であり、第５図口及び二は第４図ｍ −
ｍ’線及びＩＶ −ＩＹ’線における異なる例を示す断
面図であり、第６図は本発明の熱変換器で冷暖房する装
置の異なる例を示す側面図であり、第７図は鉄チタン水
素化物及びネオジムコバルト水素化物の水素平衡圧と温
度の関係を示すグラフであり第８図はミツシュメタルコ
バルト水素化物及びランタンニッケル水素化物の水素平
衡圧の温度の関係を示すグラフである。 １．２・・・・・・熱変換容器、３，４．５・・・・・
・熱交換器、６，７．８・・・・・・熱伝導面、１０，
１１，１１１ 。 １１２・・・・・・中心軸、１２，１３．１４，１５゜
１６．１７．１８ ・・・仕切板、２２・ ３３．３４．４１ 室、３５ 、３６ 。 集熱器、６１，６ 器、Ａ、Ｂ、Ｃ。 、１９・・・・・・区室、２０．２１・・・２３・・・
・・・隔壁、３Ｌ３２゜ 、４２，５１．５２・・・・・・熱交換 ４３・・・・・・内壁、６０・・・・・・太陽熱２・・
・・・・ブロアー、６３・・・・・・放熱り、Ｅ、Ｆ・
・・・・・金属水素化物。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱変換器が中心軸から放射状に配置された仕切板に
   より２以上の部屋に分割されると共に各部屋がそれぞれ
   前記中心軸と直交しかつ水素ガスを透過するが金属水素
   化物は透過しない隔壁により二つの区室に二分され、各
   部室は中心軸の周りに回動するようになされ、かつ各区
   室は熱交換器と接触し熱伝導を行う熱伝導面を有してお
   り、前記各部屋の一方側の区室と他方側の区室とには異
   なる金属水素化物が封入されていることを特徴とする熱
   交換器。 ２ 熱変換容器の形状が円柱状であり、その外周面が熱
   伝導面である特許請求の範囲第１項記載の熱変換器。 ３ 熱交換器の熱伝導面が円筒状であり、熱変換容器の
   各区室の熱伝導面に対応して熱交換器が設置されている
   特許請求の範囲第１項又は第２項記載の熱交換器。 ４ 熱交換容器の形状が円筒状であり、円柱状の熱交換
   器がその外周面を前記容器の内周面に接触せしめて設置
   されかつ円筒状熱交換器がその内周面を前記容器の外周
   面に接触せしめて設置されている特許請求の範囲第１項
   記載の熱変換器。 ５ 熱変換容器の形状が円板状であり、その両板面が熱
   伝導面である特許請求の範囲第１項記載の熱変換器。 ６ 熱交換器が熱変換容器の画板面に接するように設置
   されている特許請求の範囲第５項記載の熱変換器。 ７ 熱交換器は円形の熱伝導面を有し、熱変換容器の各
   区室の熱伝導面に対応して該熱交換器が設置されている
   特許請求の範囲第１項、第５項又は第６項記載の熱変換
   器。