JPS60211272A - 間欠作動式多段第２種ヒ−トポンプ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は作動気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、低質の熱源を用いて暖房、給
湯あるいは工業用の熱を供給することのできるものであ
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
心が高まシつ＼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。これらの作動気
体としては水素、水蒸気、アンモニアなどがある。

次に、従来のヒートポンプ装置の構成やその問題点を金
属水素化物の場合を例に説明する。

従来の一般的な第２種めヒートポンプサイクルは第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
異なる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（■１）で十分に水素を吸着した
ものをＴＭ度で加熱し、（Ａの状態）、ＴＬ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（
ＭＢ２）と連通ずると、ＭＨｌの水素はＭＢ２に移動す
る（Ｂの状態）０この際ＭＨ２は発熱反応によシ熱を発
生するが、これは大気などに捨てる。

次にＭＢ２を温度ＴＭで加熱しくＣの状態）、水素を脱
着したＭＨｌと連通するとＭＢ２から水素はＭＨｌに移
動する。この際発熱反応によｌ）ＭＨｌは暖められＴＭ
度からＴＨ度に上昇し、ＭＢ２のＴＭ度における平衡圧
力に近い圧力に対応するＭＨｌの平衡温度で熱を発生す
る（Ｄの状態）０このようにＡ、Ｂ−、Ｃ−、Ｄの過程
を繰シ返すことによって、ＴＭの熱源温度の熱、から、
これより高いＴＨ＠度の高温の熱を取得することができ
ムとのように第２種のヒートポンプサイクルは熱源温度
よシ高い温度の熱が取出せる極めて有用なものであるが
、この昇温幅をさら枚高めたい時には、これを２段に、
あるいは３段４段と多段に重ねることが考えられる。

すなわちＭＨｌで発生するＴＨ度の熱を用いて他の同様
なサイクル、例えば前記サイクルにすべてダッ込（′）
を付けて第２のサイクルを表わしたとすればＭＨ１／と
ＭＨ２’よりなるサイクルのＴＨ／度のポイントを、第
１のサイクルのＴＨ度よシやや低めに選ぶことによシ第
１のサイクルのＴＨ度での発生熱を第２のサイクルの駆
動に使用することができる。この際第２のサイクルの低
温放熱温度ＴＬ’と第１のサイクルの同じ＜ＴＬ度とは
同一にとることができる。このようにしてＭＨ１’から
えられる高＠ＴＨ’は　ＴＭ　／とＴＬ’の温度幅が大
きいため、ＴＨ’とＴＭ’の温度幅が大きく、これと第
１のサイクルのＴＨとＴＭの温度幅とを加えてＴＨ／と
熱源温度ＴＭとの温度幅は極めて大きいものになる。

第２図はこのような２つのサイクルの組み合せを示すサ
イクル図である。この場合の１つの欠点は２段目のサイ
クルの高低圧差が大きくなることである。このことは作
図的に自明のことである。

又前記２段サイクルの成績係数（ＣＯＰ）　は、各サイ
クルのＣＯＰの積であられされる。すなわち１段目、２
段目のサイクルのＣｏＰをそれぞれＣ０Ｐ１．Ｃ０Ｐ２
　、　全体ｔＤ　ＣＯＰ　ヲＣ０ＰＯトｔｔＬばＣ０Ｐ
ｏ＝Ｃ０Ｐ１ＸＣＯＰ２ で与えられ、昇温幅は１段の場合の３倍近い値がえられ
る。

ちなみに一段のサイクルの高低圧比は、昇温幅によるが
４倍位にはなり、第１図および第２図の縦軸は圧力の対
数であるから、２段にすると４２＝＝１６倍位の圧力比
となる。従って低圧を１気圧にすると高圧は１６気圧と
極めて高く、装置の設計がむつかしくなり、性能も低下
する。

発明の目的 低温熱源を有効忙利用し、一つｐサイクルの反応によっ
て得られる発熱で他のサイクルが駆動でき、高温かえら
れる２段（多段）第２種ヒートポンプサイクルを形成し
、かつサイクルの最高圧力および最低圧力を通常の１段
の第２種ヒートポンプサイクルのそれと大きく変らない
ようＫすることにより、容器の耐圧上の問題および低圧
側反応速度の低下の問題を解決する。

発明の構成 本発明の多段第２種ヒートポンプ装置は、作動気体とそ
の作動気体を可逆的に吸脱着できる温度平衡圧力特性の
異なる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シ、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
圧力の高い低温側吸脱着反応媒体を熱源によシ加熱し、
平衡圧力の低い高温側吸脱着反応媒体に吸着せしめるこ
とにより熱源温度よシ高い温度を得る第２種ヒートポン
プサイクルとして使用し、相対的に低温で作動する前記
第１のサイクルの高温側媒体が作動気体を吸着する際の
吸着反応発熱温度を、相対的に高温で作動する前記第２
のサイクルの高温側媒体の脱着反応加熱温度よシ高くし
、第１の第２種ヒートポンプサイクルの前記吸着反応熱
を用いて、第２の第２種ヒートポンプサイクルの高温側
媒体からの作動気体の脱着を行わしめると共に、第１お
よび第２の第２種ヒートポンプサイクルの低温側の発熱
をほぼ同一温度で放熱せしめるごとくした２段（多数）
第２種ヒートポンプ装置である。

さらに望ましくはこの２つのサイクルの組み合せにおい
て両サイクルの各吸脱着圧力（高圧および低圧）を、は
ｙ同一となるごとく構成し、さらに望ましくは両サイク
ルの低温側吸脱着媒体に同一物質など、はソ同一の温度
平衡圧力特性を有する物質を使用する。

またこのサイクルには金属水素化物を生ずる金属と、水
素の組み合せが容易に実現される。

実施例の説明 本発明の多段第２種ヒートポンプ装置の一実施例の構成
図を第３図に、また、そのヒートポンプサイクル図を第
４図に示す。なお、吸脱着できる媒体として金属水素化
物を例にとって説明する。

第３図に示すように温度・平衡圧力特性の異なる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り収
容したものを２組作成した。第３図のＭｈｌ　とＭＨ２
で相対的に低＠側で動作する第１のヒートポンプサイク
ルを形Ｍ、し、ｋＨ１’とｂｔＨ２’で相対的に高温で
動作する第２のヒートポンプサイクルを形成するように
構成した。この２つのヒートポンプサイクルにおいて、
同一温度での平衡圧力の低い高温発熱側は１ｚｉＨ１と
ＭＨ１’である。

次に上記ヒートポンプ装置の動作について説明する。第
１のヒートポンプサイクルの高温発熱側の金属水素化物
（ＭＨｌ）　を熱源１によｐＴＭ度で加熱し、低温発熱
側の金属水素化物（ＭＨ２）をＴＬ度の外気などで冷却
し弁２を開放すると、ＭＨｌに吸着していた水素はＭＨ
２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４図の状態Ａ−，Ｂ
への水素移動）、この後、弁２を閉じＭＨｌへの熱源１
からの加熱を停止し、ＭＨ２を熱源４（ＴＭ）度により
加熱すると平衡圧力がｐＨに上昇する。ここで加熱を続
けながら弁２を開くと水素ガスはＭＨＩ　に移る。この
際ＭＨ２では吸熱が起り、ＭＨｌではＴＨ度の発熱を生
ずる。この場合Ｔ　ｆ（）　ＴＭである。

今ＭＨ２’にはＭＨ２と同じ材料を用いＴＬ度でＭＨ２
’を冷却し、ＭＨＩ　’とＭＨ２’を連通ずる配管の弁
２′を開き、ＭＨｌで発生した熱を、熱輸送手段５によ
ってＭＨＩ’の加熱に用いると、Ｍ）ｉ１’の水素はｂ
ｌＨ２’に移動する。この反応が起るためには勿論ＴＬ
とＭＨ２’できまる平衡圧力ＰＬを示すＭＨＩ’の平衡
温度ＴＭ’（Ａ’点の温度）はＴＨよシ低くしなければ
ならい。

このようにしてＭ　ＨＩ　’からＭＨ２’に水素の移動
が起るとＭＨ１’では吸熱、ＭＨ２’では発熱を生ずる
。後者は放熱器３′によって大気に捨てる。

次に弁２′を閉じ、熱源ｅ（ＴＭ度）によシＭＨ２’を
加熱すると圧力ＦｉＰＨに上昇する。ここで弁２′を開
けばＭＨＩ’へ水素が吸着されＴＨ’度での発熱を生ず
る。これを熱輸送手段７により取出すことにより、熱源
温度ＴＭよりはるかに高い＠度Ｔｈ′の熱がえられる。

ＴＨ／−ＴＭは一段の場合の温度差ＴＨ−ＴＭの２倍近
い値かえられる。

本発明の具体例として、第３図、第４図に示すような構
成と、温度圧力サイクルを有するヒートポング装置を試
作し、その評価を行なった結果について述べる。ＭＨＩ
として Ｔｌ　ｏ　、ｓ、Ｚ　ｒ　ｏ　、　ａ６Ｍｎ１．２　Ｃ
ｒ　ｏ　、ｅ、Ｃｏｏ　、　２　＋ＭＨ２，ＭＨ２’と
して Ｔ　ｌ　ｏ　、ｅ　Ｚ　ｒ　ｏ　、４Ｍｎ１．４Ｃｒ　
ｏ　、４　Ｃｕｏ　、　２　。

ＭＨＩ’として ＴｉＯ，３３ＺｒＯ，６７”１．４ＣｒＯ，４ＣｕＯ，
２の１°ｉ−Ｍｎ系合金を約１０＃ずつ、第３図のよう
な構成の装置に充填した。そして、第１．第２のヒート
ポンプサイクルのそれぞれに約６３モルの水素ガスが、
各サイクルで移動するように金属水素化物として調整し
た。

そして熱源１，４．６の温度を７２度、外気による放熱
温度をＣｏ度、として第１段の第２種ヒートボ／プの出
力温度として１１４度かえられた。

さらにこの熱源によシ加熱された第２のヒートポンプサ
イクルの出力温度ＴＨ’として１５０度を得た。

又出力の熱量を入力で除した値、いわゆる成績係数とし
て、０．２３　を得だ。

なお本実施例では、ＭＨ２，ＭＨ２’は同一物質を使用
したため、外気放熱温度ＴＬ、熱源加熱温度ＴＭを同一
にすると、それぞれのサイクルの高低圧ＰＲ，ＰＬは同
一となっている。これは勿論材料が変れば２つのサイク
ルの圧力は異るが、圧力は高すぎると耐圧の点で、低す
ぎると、圧力損失の点で不利となるため、最適な圧力範
囲があるため、材料を変えて圧力域を変える意味はな（
ＭＨ２とＭＨ２’に同一の材料を使うのが好ましい。

また、各ヒートポンプサイクルの少なくとも一つに、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全綱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。

本発明に関するケミカルヒートポンプ用材料の多くは比
較的高い温度での反応が可能であり、実施例等で示した
２つのヒートポンプサイクルによる２段昇温にかぎらず
３段、４段の昇温も可能である。

発明の効果 本発明による２段第２種ヒートポンフ装置）成績係数は
次式で与えられる。

こ＼にＣ０Ｐ１．Ｃ０Ｐ２はそれぞれ第１および第２の
ヒートポンプサイクル、ｃｏｐｏは組み合せた２段第２
種ヒートポンプ装置の成績係数である。

これを３段にすると次のごとくである。

１つの第２種ヒートポンプサイクルの成績係数は最高０
．６で、実際には０，４．０．３　といった値となる。

従って２段の場合の成績係数は例えば各段それぞれ０．
４とすると０．２６であり、３段の場合、それぞれの成
績係数を、０．４とすると全体で０．１８　。

０．３とすると０．１２５　である。

これを従来例に引用したサイクルの場合と比較すると、
各段０．４の時０．１６　、０．３の時０．０９となる
。昇温幅は前例の３段は、１段の場合の約３倍弱あり、
従来例に引用した方法とはソ同一であるが、成績係数は
本発明による方法の方がよい。

さらに本発明の最大の特徴は高低圧比の問題であり、従
来の方法は一段の第２種ヒートポンプサイクルに比して
、２段にすると圧力比は２乗されるが本方法によれば、
２つの金属水素化物の間の水素の移動に必要な圧力損失
を無視すれば、段数を幾段に増加しても圧力比は変らな
い。

とのこ、とは容器の耐圧上の問題および、低圧側反応速
度の低下の問題に対し極めて有効な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来から知られている一段の第２独ヒートポン
プサイクル図、第２図は従来例の２段第２種ヒートポン
プサイクル図、第３図は本発明ので実施例の２段第２種
ヒートポンプ装置の構成は第４図は第３図に示すヒート
ポンプ装置のヒートポンプサイクル図である。 １．４．６・・・・・・熱源、２，２′・・・・・・水
素ガス弁、３．３′・・・・・・放熱器、５，７・・・
・・・熱輸送手段。 代理人の氏名　弁理士　中　尾　敏　男　ほか１名第１
図 第２図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）作動気体を可逆的に吸脱着できる物質で、温度平
   衡圧力特性の異なる吸脱着反応媒体を２種類用い、この
   媒体をそれぞれ容器内に収容し、作動気体をそれぞれの
   前記媒体間を移動せしめる際の発熱吸熱を利用するケミ
   カルヒートポンプサイクルを少なくとも２組用意し、同
   一温度で平衡圧力ることにより熱源温度より高い温度を
   得る２つの第２種ヒートポンプサイクル（第１．第２の
   サイクル）として使用し、相対的に低温で作動する第１
   のサイクルの高温側媒体が作動気体を吸着する際の吸着
   反応発熱温度を、相対的に高温で作動する第２のサイク
   ルの高温側媒体の脱着反応加熱温度よシ高くし、前記第
   １のサイクルの前記吸着反応熱を用いて、前記第２のサ
   イクルの高温側媒体の脱着を行わしめ、第１と第２のサ
   イクルの低温側放熱温度をはソ同一とした間欠作動式多
   段第２種ヒートポンプ装置。
2. （２）各ヒートポンプサイクルの高温側反応媒体の吸着
   時の圧力および低温側反応媒体の吸着時の圧装量。
3. （３）各ヒートポンプサイクルの低温側吸脱着反応媒体
   に、はぼ同一の温度平衡圧力特性を有する物質を使用す
   る特許請求の範囲第１項記載の間欠作動式多段第２種ヒ
   ートポンプ装置。
4. （４）各ヒートポンプサイクルの少くとも一つに、作動
   気体として水素ガスを用い、吸脱着反応媒体−トポンプ
   装置。