JPS62196499A - 水素吸蔵合金を使用した熱交換体 - Google Patents

水素吸蔵合金を使用した熱交換体

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JPS62196499A
JPS62196499A JP61038743A JP3874386A JPS62196499A JP S62196499 A JPS62196499 A JP S62196499A JP 61038743 A JP61038743 A JP 61038743A JP 3874386 A JP3874386 A JP 3874386A JP S62196499 A JPS62196499 A JP S62196499A
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西村　岩夫
Keizo Sakaguchi
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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］ この発明は金属水素化物を主体とする水素吸蔵合金を使
用した熱交換体、特に熱交換装置に組込むことによって
熱交換効率が高く、かつこの効率が使用によって低下す
る程度が小さい熱交換体に関する新規な技術である。
［従来の技術］ 水素をある種の金属又は合金に吸蔵させて、金属水素化
物の形で貯蔵して移送し、ざらにその応用として水素精
製、昇圧、ヒートポンプ、冷暖房システムの部材として
利用する技術が開発されている。
この場合、金属水素化物が水素の吸蔵、放出を行なうに
当って必ず発熱、吸熱を伴なうので、この性質に着目し
て熱交換装置やヒートポンプへの利用ができる。
逆に、水素の貯蔵や移送が主目的の場合もある。
熱交換装置の熱効率を高めたり、貯蔵や移送を能率的に
実施するためには、水素吸蔵合金と外部との間に迅速な
熱の授受がなければ水素の授受もきわめて緩慢になって
了う。
ところが粉状の水素吸蔵合金自体の熱伝導率が低いため
、効率的な熱の授受を１指して幾つかの手段が提案され
てきた。
その一つは水素吸蔵合金自体の改良であって、粉末表面
に熱伝導性の良い異種金属を鍍金することなどが挙げら
れる。
本願の発明の要旨ではないが、後に好ましい実施例とし
て招介する。
第二は熱交換体としての構造上に工法を加えるもので市
って、粉状の水素吸蔵合金と伝熱体との接触をできるだ
け密にすると言う考え方である。
例えば、第１９図に示すのはソーラータービンズインコ
ーポレーテツド（Ｓｏｌａｒ　ＴｕｒｂｉｎｅｓＩｎｃ
ｏｒｐｏｒａｔｅｄ、　　）が昇温用ヒートポンプに外
部フィン付き管を伝熱体とする熱交換装置である。
全体で１４本の銅製チューブ８Ａを大口径の厚さ０．０
２インチのフィン９Ａ中に配列し、０．１５インチ（３
，８ｍ）間隔のフィンの空間に金属水素化物６Ａを充填
している。
第２０図は同社の別の構成で内径１インチ（２５，４厚
）の鋼管８Ｂ内に６枚の放射状フィン９Ｂをもつ熱交換
装置を冷却用ヒートポンプのプロトタイプに用いている
。
同図で１８はフィルターである。
第１９図と第２０図の文献はメタル・ハイドライド／ケ
ミカル・ヒートポンプ・デベロップメント・プロダクト
−フレーズ１．ファイナルレポート　ＢＮＬ−５１５３
９７２頁および６７頁（出版元はブルツクヘブンナショ
ナル・ラボラトリイ） （Ｍｅｔａｌ　ＨＶｄｒｉｄｅ／Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｈ
ｅａｔＰｕｍｐＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｐｒｏｄｕｃ
ｔ、Ｐｈａｓｅ　１．Ｆｉｎａｌ　Ｒｅｐｏｒｔ。
ＢＮＬ−５１５３９，−Ｂｒｏｏｋｈｅｖｅｎ　Ｎａｔ
ｉｏｎａｌｔａｂｏｒａｔｏｒｙ。
第３の手段としては加圧成形による方法が挙げられる。
第２１図は出願人自身の先の出願に係る実施例であって
、（特願昭５９−２５４４１６号）この発明の要旨は、
水素吸蔵合金の粉末表面に異種金属を鍍金によって被覆
した俊、加圧成形して水素吸蔵合金成形体６Ｃとし、該
成形体を貫通する孔を設け、この孔に直接接触する熱交
換用パイプ８Ｃを挿通し、該パイプの端部が熱媒又は冷
媒の供給口および排出口に夫々連通ずるものである。
また関連する第二発明としては［異種金属を鍍金で被覆
した水素吸蔵合金の粉末を熱伝導性の良い多孔質材料に
充填し、この多孔質材料を圧縮成形して水素吸蔵合金成
形体とする」点が前記第一の発明に付加されるものであ
った。
以上述べたように水素吸蔵合金を使用する熱交換装置の
熱効率を高めるために、粉末の水素吸蔵合金自体の改善
の仙、粉末と伝熱面の接触面積をできるだけ増大する手
段（ソーラタービンズインコーボレーテッド（Ｓｏｌａ
ｒ　Ｔｕｒｂｉｎｅｓ　Ｉｎｃｏｒｐｏ　−ｒａｔｅｄ
）又は、ＡＩ／水素吸蔵合金粉末の圧縮成形体であるＰ
ＭＨ（Ｐｏｒｕｓ　Ｈｅｔａｌｍａｔｒｉｘ　Ｈｙｄｒ
ｉｄｅｓ）−ロン教授（イスラエル工科大学）　Ｐｒｏ
ｆ　Ｒｏｎ（Ｔｅｃｈｎｉｏｎ）で代表され、その後出
願人自身およびその他で改良されてぎた圧縮成形体の方
法が主たる手段と考えられる。
［発明が解決しようとする問題点］ 粉末のままの水素吸蔵合金は元々熱伝導率が低いから、
合金自身を改良してその値を向上させても伝熱面から熱
の伝え得る距離には限度があり、迅速に熱の授受を行な
うために多数のフィンを密集させて補っても限界がある
。
また水素吸蔵合金の浮遊散逸を阻むために、フィルグー
で外界と遮蔽するのが慣用手段であるが、見掛けの比重
が小さく粉末相互の拘束力がないから不安定な収納状態
にあると言わざるを得ない。
水素吸蔵合金は繰返し使用を続けると、収縮。
膨張の繰返し作用をう【ブ、フリーの粉末であって他か
ら何ら拘束力の働かない状態では、粉末がさらに崩壊し
て微粉化し、離脱飛散の傾向がざらに強まり、見かけ上
の熱伝導率の低下に拍車をかけ、いかにフィンを細かく
張り巡らせて伝熱面を増大した構造であっても、その熱
効率は次第に劣化する。
また粉末の加圧成形体は粉末のままに比べると著しく熱
伝導率は向上するが、伝熱体と水素吸蔵合金成形体との
密着の程度が問題点である。
たとえば圧縮成形した成形体を第２１図のように積み重
ね、その内部に数本の伝熱管（銅管）を挿通して熱交換
体を形成する場合、伝熱管の通るべき貫通孔を成形体に
設けなければならない。
この孔は成形固化後背孔してもよいし、あらかじめ成形
用金型に孔を形成するように計画しておいてもよい。
しかし何れにしても成形体と伝熱管との間には微小な間
隙が必要で、間隙がなければ管を挿通して熱交換体を組
立てることができない。
問題点の一つはこのような孔を穿孔するときゃ、孔の内
へ管を挿通するときに成形体の当該部分が崩れて粉化し
、表面がザラついて表面安定性が劣化することである。
より大きな問題点は成形体の表面と伝熱管との間に微小
な間隙があり、その程度によっては熱伝導に悪い影響を
生じる心配のあることである。
第三の問題としては成形体と伝熱管とは固着している訳
ではなく、その境界には間隙があり、場合によっては成
形体表面の荒れた不安定な部分が露出しているから、使
用中に収縮膨張をうけると、この部分が引き金となって
成形体の崩壊粉化がはじまる虞れがあることである。
成形体中にフィンを挾み込むことはさらに複雑な工程を
必要とし、場合によっては実施不可能な形状も多い。
たとえば円管の外周に同心円状にラセン状のフィンを巻
き回すような形状では、このフィンを埋める形で成形体
を囲むことは、きわめて困難なことも第４の問題点とし
て挙げるべきであろう。
本願発明は以上概説した少なくとも４つの問題点を解決
するため、熱効率が高く、しかも使用においてもその効
率が長く維持できるような新規の水素吸蔵合金を使用し
た熱交換体の提供を目的とする。
［問題点を解決するための手段］ 本願発明に係る水素吸蔵合金を使用した熱交換体は、弾
性質よりなる筒状のモールドの軸心に、モールドの内径
よりも小さい外径である管状の伝熱体を挿通し、該モー
ルドの内壁と伝熱体の外壁との間に粉状の水素吸蔵合金
を充填し、これらを耐圧容器内において、モールドの外
壁と伝熱体の内壁から均等かつ一体的に、流体を媒体と
して加圧成形することによって前記の問題点を解決した
。
ざらに管状の伝熱体の具体的な態様として、材質的には
熱の良導体であり、形状的には、１本の直管、１本の真
直なコルゲートチューブ、１本の曲管、１本の湾曲した
コルゲートチューブ、複数の直管及び／又は曲管の組合
せ、複数の真直及び／又は湾曲したコルゲートチューブ
の組合せ、および夫々の管の外周に放射状に、又は管軸
とほぼ直角に多数のフィンを突設した場合が適用できる
。
［作用］ 本願発明の作用を、実施例を示す第１図、第２図に基い
て説明する。
両図において、弾性質よりなる密封モールド１は、筒状
体２と、この上下端を閉塞して密封化するための蓋体３
．底体４とよりなっている。
まず筒状体の下端に底体４を嵌め込み、底体４の中心に
穿孔した貫通孔を通して伝熱体を筒状体内へ挿通する。
ここで筒状体と伝熱体との空隙に水素吸蔵合金６を装入
し、充満したら蓋体３の中心孔に伝熱体を通して蓋体を
筒状体に冠せる。
筒状体も蓋体、底体も共に弾性質で作られているから、
相互の弾性を利用して緊着することにより密封状態とな
る。
この状態で第１図のように耐圧容器７内に収納し、モー
ルドの外壁と伝熱体の内壁から均等、一体的に液圧又は
気圧をかける。
モールドは弾性質であるので、この流体を媒体とした圧
縮作用によって、全体が均等に圧密縮小して圧力を内部
の水素吸蔵合金に伝達する。
一方管状の伝熱体内部にも同じ圧力が均等にかかるので
、管を通して高圧が平衝して、内部に挟在する水素吸蔵
合金を押圧し、その結果、粉状の水素吸蔵合金はきわめ
て緻密にかつ均等的に成形作用を受ける。
第２、特許請求の範囲第５項に述べた実施例を示すが、
ここに述べた作用は特許請求の範囲第３項から第１３項
と至るどの場合でも同様に生じ、伝熱体の態様に適合し
た密封モールドを用意することにより、前に述べたのと
同じ作用を得ることができる。
このことは管状の伝熱体の外周にフィンが突設していて
も、いなくても変るものではなく、管状の伝熱体が単数
であっても、複数であっても変るところはなく、大事な
ことは伝熱体によくマツチした密封モールドを準備する
ことである。
［実施例］ 第１図く全体図）、第２図（密封モールド組立斜視図）
、第３図（加圧成形の作用例）は特許請求の範囲第５項
記載の実施例を示したものである。
第２図の密封モールド１は筒状体２．Ｍ体３゜底体４と
で形成され、何れも軟質の合成ゴムで作成されている。
モールドの厚さは何れも７ｍに揃えている。
まず筒状体２の底部へ底体４を嵌めこみ、底体の孔を通
して伝熱体５を内部から挿通する。
伝熱体５は、本実施例では伝熱体８とフィン９とで形成
されている。
伝熱管８の材質は銅又はアルミニウム系の金属で熱の良
導体である。
本例では管の内径１６＃、管厚０．５Ｍ、管の外周には
５ｍの間隔ごとに板厚０．５Ｍ、外径３５＃の伝熱フィ
ン９を同心円状に巻き回して、一体的に溶着したフィン
付きチューブを使用している。
密封モールドの筒状体の内径は伝熱フィンの外縁より若
干大きくとっている。
筒状体も底体も弾性質であるから相互の嵌合力によって
若干変形し、その境界で押圧し合って密着する。
さらに次のステップとして水素吸蔵合金の粉体を筒状体
２と伝熱管８の間隙に装入する。
粉体は乾態では流動性がよく容易に充填できるが、必要
あるときは筒状体に撮動又は揺動を加えてフィンとフィ
ンの間にも十分に粉体が充満するように援助する。
水素吸蔵合金は特に特定する必要はないが、本実施例で
は発明の目的をより顕著に達成するために、出願人の一
部が先に特許出願した「水素吸蔵合金材料の製造方法ｊ
　（特願昭５９−４６１６１号公報〉を実施した。
すなわちまずＭｍＮ　！　４．５ｖｎＯ，５を水素中で
水素の吸収、放出を繰り返して平均粘度１５μｍ程度の
粉末とする。
次にこの粉末を脱脂洗滌した後、還元剤を用いる自己触
媒型の湿式無電解鍍金法を採用して銅で粉末表面を被覆
する。
この場合粉末を直接鍍金液中へ浸漬して表面反応をさせ
るが、開始反応が不十分のときは、活性化処理として従
来公知のパラジウム塩を含むアクチベーター液に浸漬す
る。
還元剤を用いる自己触媒型の無電解銅鍍金はホルムアル
デヒドを還元剤とする無電解鍍金液下ＭＰ化学銅＃５０
０　（奥野製薬工業株式会社製）液中で撹拌しつつ３０
′Ｇで４０分間鍍金して約１μｍ厚さの鍍金皮膜を形成
した。
反応後粉末を水洗し低温で乾燥する。
前記の粉末を充填後蓋体３を冠せで、その弾性を利用し
て密封化を完成する。
次にこの密封モールドへ流体を媒体として加圧をする訳
であるが、流体自身が密封モールド内へ侵入して内部の
水素吸蔵合金と接触することは好ましくないので、実施
上のノウハウを知る必要がある。
本実施例では、第３図のように密封モールド全体を被包
するように薄くて可撓性の大きい軟質ゴムの筒状膜１０
を冠せ、筒状の一端を折り曲げて伝熱管８の一端から挿
し込み、真空ポンプで管の他端へ吸い出して、密封モー
ルドと筒状膜とを密着させるために再び真空ポンプで引
きながら筒状膜１０の他端と重ねて緊締した。
勿論、別の方法で、圧力の媒体である流体と、水素吸蔵
合金との直接の接触を遮断して実施をすることもできる
。
第１図は等圧プレスに内蔵された耐圧容器７の中へ支持
金具１１に載せられた密封モールド１（筒状膜１０に包
まれている）を収容した状態で、準備が終ればｉ１２を
下降し、抜は止めの閂１３をＦａ１２の横に貫通する孔
１４へ挿入する。
本例の等圧プレスは別に附属するコンプレッサー１５で
圧力空気を作り、この圧力空気で水ポンプ１６を作動し
て圧力水を作って、耐圧容器の底部に開口した送圧口１
７から容器内へ圧力を伝播Ｊ−る。
圧力媒体の水は水ポンプ１６内を通るため潤滑と防銹の
ため白濁剤（油）を添加して乳濁化させる。
加圧力はモールドの表面に対し１．５〜２Ｔ／Ｃｄ程度
の静圧により十分強固緻密な成形体を得ることができる
。
第４図から第１６図までは一体成形される水素吸蔵合金
と伝熱体５．すなわち伝熱管８と伝熱フィン９のいろい
ろな態様の組合せを示したものである。
すなわち第４図は伝熱管が１本の直管（特許請求の範囲
第２項）、第５図は伝熱管が１本の真直なデユープ（同
第３項）、第６図は１本の直管と、放射状の伝熱フィン
（同第４項）、第７図は１本の直管と、管軸にほぼ直角
の伝熱フィン（同第５項）、第８図は伝熱管が１本の曲
管（同第６項）。
第９図は１本の湾曲したコルゲートチューブ（同第７項
）、第１０図は１本の曲管と、放射状の伝熱フィン（同
第８項）、第１１図は１本の曲管と、管軸とほぼ直角の
伝熱フィン（同第９項）、第１２図と第１３図とは複数
の直管及び／又は曲管の組合せ（同第１０項にふくまれ
る二側）、第１４図は複数の真直のコルゲートチューブ
の組合せ（同第１１項の一例）、第１５図は複数の直管
と曲管の組合せと、夫々の管の外周に放射状の伝熱７４
□’）ｔｔｔ：あ。（６□１２４ｏ−カ５．□１１□・
パ６図は複数の直管の組合せと、夫々の管の外周に　　
　　　　９管軸とほぼ直角の伝熱フィンをつけたもの（
同第１３項の一例）を夫々示すものである。
なお、管軸とほぼ直角の伝熱フィンとしては第７図、第
１１図、第１６図に示すような輪切り状の態様の他、角
形のフィンや、連続してラセン状に管の外周を巻回すフ
ィンも夫々の範囲にふくまれるものとする。
［発明の効果］ 本願発明は以上の述べたように伝熱体と水素吸蔵合金粉
末とを一体的かつ均一に加圧成形したから、伝熱体と合
金成形体との間に微小の間隙もなく完全に密着してあり
、熱の授受を妨げる断熱境界が全くない。
また一体成形体を組立てて熱交換装置を形成するから、
装置組立時の成形体の粉化損傷２表面安定性の劣化がな
い。
従ってその後の使用における成形体の粉化崩壊について
も、大ぎな改善を約束する。
さらに実施例で示したように様々な形態の適用が可能で
筒状伝熱体でさえあれば殆んど形態上の実施制約を受け
ることはないと思われる。
実施例の測定によって本願発明の効果の一例を定量的に
示してみる。
測定用の検体は管厚０．５Ｍ、外径１６＃の銅管の外周
に板厚０．５１Ｍ１．外径３５簡の銅フィンを、５＃ピ
ツチで溶接したフィン付きチューブの外周をフィンが埋
没する程度の水素吸蔵合金で一体成形したものを使用し
た。
水素吸蔵合金はＬ　ａＮ　！　４．５Ａ　ｌ　ｏ、ｓの
粉末の表面を還元性無電解銅鍍金したものである。
この結果合金１００に対して銅２０の重量割合の複合材
化し、この材料を水を媒体とする等圧プレス内で、成形
体表面当りの加圧力を１．０Ｔ／Ｃ％（実施検体１）　
、　１．５　Ｔ／ｃＭ　（同２　＞　、　２．ＯＴ／ｃ
ｔｉ（同３）に夫々変えて一体的に成形した。
一方比較検体１として粉末における鍍金処理を施してい
ない水素吸蔵合金粉末を、前記実施検体と同一のフィン
付きチューブ外周に圧密充填したものを作成した。
比較検体２は前記の銅鍍金を処理した水素吸蔵合金粉末
を油圧ハンドプレスによって外径３５＃。
内径１６＃、厚さ４＃のドーナツ状中空円板を成形し、
板厚０．！１１１１１１外径３５履、内径１６履の中空
フィンと互い違いにサンドウィッチ状に挾みこんで１６
＃外径の銅パイプに挿し通し、見掛は上実施検体と同一
の構成に作成した。
＝　２０　＝ また比較検体３は前記の銅鍍金を処理した水素吸蔵合金
粉末を、油圧ハンドプレスにより外径９Ｍ、厚さ４ｍの
ペレット状に圧密成形し、銅パイプ周辺のフィンとフィ
ンの間に８ケずつ挿入した。
なお、比較検体２および３の成形加圧力は表面当り５丁
／　ｃｒｉを要した。
かくして得られた検体の一覧表を第１表に示す。
−２′。
測定は第１７図においてフィンチューブの一端より６５
℃の温水を流し、夫々の検体の水素吸蔵合金の表面温度
を、測定点Ｍに取りつけたアルメルクロメル熱電対によ
り測定して伝熱効果を確認した。
測定の結果は、第１８図に示すように経過時間が１分乃
至２分までの試験立ち上り時に顕著な差がみられ、実機
に適用した場合の迅速な熱伝達能力を示唆している。
以上述べた発明の主目的に対応する効果の他、副次的効
果としては、液圧プレスで水素吸蔵合金粉末を成形する
に際し、従来の加圧方法（一方向プレス）では表面積当
り５　Ｔ／　ｃｍを要するのに対し、本願方法では１．
５〜２．０Ｔ／７で十分足りることである。
粉末の加圧成形に等圧プレスが有利なことはよく知られ
ているが、伝熱管内部からも均等に加圧して平衡を保っ
たことが、該効果発生の主因と考えられる。
また実施例（特許請求の範囲第３．第７．第１１項）特
有の効果としては、伝熱管内を流過する熱媒又は冷媒が
、凹凸に膨縮する管壁にその流れを妨げられ、媒体自身
が混流して内部温度を均一化すると共に、管内で停滞か
つ補動して媒体と管との熱移動を十分に果すことである
。
また伝熱管外壁と水素吸蔵合金成形体との接触面は嵌着
的に凹凸状を呈し、かつ接触面積も大きいから双方の緊
着性は平滑な他の例よりもざらに増強される。
【図面の簡単な説明】 第１図は本願実施例を示す一部断面斜視図、第２図は密
封モールドと伝熱体を示す分解斜視図。 第３図はその組立状態を示す正面断面図、第４図から第
１６図までは実施例を示す一部切欠き斜視図、第１７図
は効果の測定方法を示す正面断面図。

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）弾性質よりなる筒状の密封モールドの軸心に、モ
    ールド内径よりも小さい外径である管状の伝熱体を挿通
    し、該モールドの内壁と伝熱体の外壁との間に粉状の水
    素吸蔵合金を充填し、これらを耐圧容器内において、モ
    ールドの外壁と伝熱体の内壁から、均等かつ一体的に流
    体を媒体として加圧成形してなる水素吸蔵合金を使用し
    た熱交換体。
  2. （２）管状の伝熱体が熱の良導体である１本の直管であ
    る特許請求の範囲第１項記載の水素吸蔵合金を使用した
    熱交換体。
  3. （３）管状の伝熱体が熱の良導体であり、成管時に転造
    して管径を膨縮した１本の真直なコルゲートチューブよ
    りなる特許請求の範囲第１項記載の水素吸蔵合金を使用
    した熱交換体。
  4. （４）管状の伝熱体が熱の良導体である１本の直管と、
    その外周に放射状に多数のフィンを突設した特許請求の
    範囲第１項記載の水素吸蔵合金を使用した熱交換体。
  5. （５）管状の伝熱体が熱の良導体である１本の直管と、
    その外周に管軸とほぼ直角に多数のフィンを突設した特
    許請求の範囲第１項記載の水素吸蔵合金を使用した熱交
    換体。
  6. （６）管状の伝熱体が熱の良導体である１本の曲管であ
    る特許請求の範囲第１項記載の水素吸蔵合金を使用した
    熱交換体。
  7. （７）管状の伝熱体が熱の良導体であり、成管時に転造
    して管径を膨縮し湾曲させた１本のコルゲートチューブ
    よりなる特許請求の範囲第１項記載の水素吸蔵合金を使
    用した熱交換体。
  8. （８）管状の伝熱体が熱の良導体である１本の曲管と、
    その外周に放射状に多数のフィンを突設した特許請求の
    範囲第１項記載の水素吸蔵合金を使用した熱交換体。
  9. （９）管状の伝熱体が熱の良導体である１本の曲管と、
    その外周に管軸とほぼ直角に多数のフィンを突設した特
    許請求の範囲第１項記載の水素吸蔵合金を使用した熱交
    換体。
  10. （１０）管状の伝熱体が熱の良導体である複数の直管及
    び／又は曲管の組合せである特許請求の範囲第１項記載
    の水素吸蔵合金を使用した熱交換体。
  11. （１１）管状の伝熱体が熱の良導体であり、成管時に転
    造して管径を膨縮した複数の真直及び／又は湾曲しコル
    ゲートチューブの組合せである特許請求の範囲第１項記
    載の水素吸蔵合金を使用した熱交換体。
  12. （１２）管状の伝熱体が熱の良導体である複数の直管及
    び／又は曲管の組合せと、夫々の管の外周に放射状に多
    数のフィンを突設した特許請求の範囲第１項記載の水素
    吸蔵合金を使用した熱交換体。
  13. （１３）管状の伝熱体が熱の良導体である複数の直管及
    び／又は曲管の組合せと、夫々の管の外周に管軸とほぼ
    直角に多数のフィンを突設した特許請求の範囲第１項記
    載の水素吸蔵合金を使用した熱交換体。
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