JPS63113265A - 金属水素化物を利用したヒ−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〉 本発明は金属水素化物を利用して昇温および冷却を行う
高効率のピートポンプ装置に関する。

〈従来技術とその問題点〉 金属水素化物を利用したビートポンプは、金属水素化物
が水素放出に際して吸熱し、水素吸収に際して発熱する
性質を利用して運転されるケミカルヒートポンプである
。そして、その運転形態は以下に述べる昇温運転および
冷却運転に大別できる。

冷却運転とは高温熱源（温度ＴＨ）と常温（温度Ｔ２）
の冷却水とを利用して低温（温度ＴＬ）を得ることに代
表されるものであり、以下にその運転例を模式的に表わ
す（この時、ＴＨ＞ＴＭ　＞ＴＬとする）。なお、一般
に金属水素化物は合金であることが多いので以下金属水
素化物を単に“合金”と呼称する。第４図に示すような
水素解離圧温度特性をもつ低温用合金（以下へ合金と呼
ぶ）および高温用合金（以下Ｂ合金と呼ぶ）を水素と共
に、第５図に示すようにそれぞれ別の密閉容器に封入し
、水素流通管で結び、密閉容器対とする。

該密閉容器対（理想的な初期状態として、Ｂ合金に水素
が吸収され、Ａ合金は脱水素された状態にある）のＢ合
金が高温熱源（温度Ｔ、、、解離水素圧Ｐ１）に接しく
第４図ａ点）、該密閉容器対のへ合金が中温熱源（温度
ＴＭ、解離水素圧Ｐ２）に接していると（第４図す点）
、該Ｂ合金の解離水素圧Ｐ１が該Ａ合金の解離水素圧Ｐ
２より高いため、Ｂ合金から解離した水素は水素流通管
を通ってへ合金に充填吸蔵される。この過程（第４図、
点ａ→点ｂ）を準備段階と呼ぶ。

次に、充分に準備できた状態の前記密閉容器対（理想的
にはへ合金にすべての水素が吸収され、Ｂ合金は脱水素
された状態を初期状態とする）のＢ合金を中温熱源（温
度ＴＭ、解離水素圧Ｐ４）に接触させ、（第４図ｄ点）
へ合金を低温熱［（温度ＴＬ、解離水素圧Ｐ３）に接触
させる（第４図Ｃ点）、この時、Ｂ合金が冷却され、ｐ
４＞ｐ３であるため、Ｂ合金においては水素の吸収によ
り放熱し、同時にへ合金においては水素を解離し、吸熱
し、低温熱源の冷却が行われる。

この過程（点Ｃ→点ｄ）を動作段階と呼ぶ。

このように密閉容器対の機能段階には準備段階と動作段
階がある。

従って、Ａ合金およびＢ合金は再び準備段階の初期状態
に戻る。このように、ある特定の密閉容器対内の合金対
がはじめの状態に戻るまでをもって、運転の１サイクル
と呼ぶ。冷却運転では、第４図に示すように点ａ→点ｂ
り点Ｃ→点ｄ→点ａの右回りサイクルとなる。このサイ
クルを繰り返すことにより、高温熱源を駆動熱源として
低温熱源温度で冷熱出力を得ることができる。

前記密閉容器対を２対用意し、お互いに半サイクルずつ
ずらして、すなわち、互いの密閉容器対の合金間の水素
の移動が終了した後、内密閉容器対の合金の機能段階を
交換することにより、運転が継続される。このように冷
却運転を行えば、連続しであるレベルの冷熱出力を得る
ことができる。

さらに、同じ装置を中温熱源（温度ＴＭ）を駆動熱源と
し、低温熱源（温度Ｔｔ、）を利用して、高温熱源（温
度Ｔ□）温度で温熱出力を得ることができるが（ＴＨ＞
ＴＭ＞ＴＬ）、これを昇温運転と呼ぶ。この場合は第６
図に示すように、点ｅ→点ｆを準備段階とし、点ｇ→点
りを動作段階とした点ｅ→点ｆ→点ｇ→点ｈ→点ｅとな
る左回りのサイクルとなる。

このサイクルを繰り返して昇温運転を行うことにより、
連続しであるレベルの温熱出力を得ることができる。

金属水素化物を利用したビートポンプ装置の具備すべき
望ましい機能要件は （１）出力が連続して一定であること、（２）ヒートポ
ンプに投入された熱エネルギのより多くが昇温あるいは
冷却の出力として取出されること（ここで、人力熱量に
対する出力熱量の比を“成績係数”と呼ぶ）、 （３）交換熱量は、放出、吸収されて合金対内を移動す
る水素の量に比例するので、合金に含有される水素ので
きるだけ多くが運転に際して合金対内を移動し、結果的
に単位合金量当りの出力が大きいこと（ここで、理論的
に移動可能な水素量（＝合金に蓄え得る最大水素量）に
対する実際に運転時に移動した水素量の比を“水素利用
率”と呼ぶ）、 である。

特開昭５９−１００３７１号公報に開示された装置にお
いては上記機能要件の（１）の出力を連続して一定にす
るため、合金対の切替時に一時的に出力が中断される欠
点、あるいは出力が周期的に変化する欠点を合金対を複
数化し、順次移送をずらして運転することにより改善し
ている。しかしながら、各合金対はそれぞれ−様な温度
の熱媒体中に保持されており、効率的には、冒頭に説明
したバッチ式の基本運転システムを多数、サイクルの位
相をずらして並べた時と同様の効果を示すにすぎず、上
記（２）の成績係数や上記（３）の水素利用率の向上は
ない。

また、特開昭５７−１０４０６３号公報に開示された装
置において、例えば冷却運転では、動作段階の初期にお
いて（第５図参照）、直前の準備段階終了時にＡ合金及
び合金容器が温度ＴＭとなっているために、Ａ合金から
の水素放出により発生する冷熱が合金及び合金容器を冷
却することに使用され、ＴＬの冷水の冷却に用いられて
いない（これを顕熱損失と呼ぶ）ことに着目して、準備
段階、冷却段階が終了するごとに相互にＡ合金容器間、
Ｂ合金容器間で熱交換を行い、顕熱損失を低減し単位入
力熱量あたりの出力を向上させている。しかしながらこ
の場合においてもバッチ運転であり、向流熱交換できな
いことから顕然損失による成績係数の低下分は最大５０
％しか回復され得ないうえ、上記（１）の連続一定出力
は得られず間欠的である。

さらに、上記（３）の水素利用率に関しては、基本運転
例と同様、上記２つの従来例のいずれにおいても考慮さ
れていない。すなわち、従来の運転方法においては、合
金の解離水素圧は温度のみの関数であり、合金中の水素
含有量によらないことを前提に装置系が構築されている
。しかしながら、実際には合金中の水素の含有量が多い
程、解離水素圧は高く、合金対の低圧側での水素の吸蔵
による解離水素圧の上昇、および高圧側での水素放出に
伴なう解離水素圧の低下が起こり、駆動圧力差が減少し
、各反応段階後期には、いまだ移動可能な残留水素があ
るにもかかわらず反応速度が低下し、ついには水素の移
動が終了するので、有効水素移動量、水素利用率、ひい
ては水素利用率に比例するところの単位合金重量あたり
の出力が低下している。

〈発明の目的〉 本発明の目的は、金属水素化物を利用したヒートポンプ
装置において、上記従来技術の問題点を解消し、 ■基本的には間欠的である出力を連続化し、■現在、合
金及び合金容器の顕熱損失によって低下している成績係
数を、複数容器間で連続向流熱交換することにより向上
させ、■高価で重い合金の使用量を増大させる原因とな
っている低水素移動率を金属水素化物の解離水素圧が、
高温の時はど高く、また合金中の水素含有量が多い時程
高いことに着目して、複数容器間の熱媒流路の構造の改
良により改善し、 昇温および冷却を行う高効率のヒートポンプ装置を提供
することにある。

〈発明の構成〉 本発明者らは、金属水素化物を利用したヒートポンプ装
置の高効率化について、鋭意研究を重ねた結果、以下の
知見を得た。

（１）運転の連続化のため、複数の金属水素化物容器対
を連続的に配置する。

（２）複数の容器対にわたって熱交換する二対の熱媒対
配管を設置し、これを相対的に容器対に対して循環的に
移動可能な構造とする。この際容器対が固定式で、熱媒
対配管が移動可能であってもかまわないし、配管が固定
されており、容器対が相対的に移動可能な構造であって
も構わない。

（３）熱媒配管内の熱媒流方向は熱媒配管系の容器対に
対する相対的移動方向と同一として、合金対内での水素
移動反応末期における駆動水素圧の低下を、温度変化に
より金属水素化物の解離水素圧が大きく変化することを
利用して補い、水素利用率を向上する。

具体的には（第４図および第５図参照）冷却運転時準備
段階の末期ではＢ合金からへ合金への水素の移動により
、へ合金中水素量の増加、Ｂ合金中水素置の減少が起こ
り、へ合金の解離水素圧の上昇、Ｂ合金の解離水素圧の
低下が起きるので、Ｂ合金からへ合金への水素の移動の
駆動力である水素圧力差が小さくなり、未だＢ合金中に
水素が残留しているにもかかわらず、ついには反応及び
水素の移動が停止する。そこで反応末期には、吸熱反応
のおきている合金容器と熱交換して温度低下していない
高温熱源をＢ合金に、また発熱反応により温度上昇のな
い、いわば新鮮な冷却水をＡ合金に供給して、温度の上
下に伴なって合金の水素解離圧が上下することを利用し
て駆動圧力の減少を補うことが有効である。

一方準備段階の初期にあってはＢ合金中に水素が多く、
Ａ合金中に水素が少ないので、Ｂ合金の水素解離圧は充
分高く、へ合金の水素解離圧は低いためＢ合金からＡ合
金への水素の移動は容易である。従って比較的低質化し
た熱媒対（低温化した高温熱源と温度上昇した中温冷却
熱源）を用いても構わない。ところが従来の金属水素化
物を利用したヒートポンプは両者を区別しないばかりか
、準備段階初期に利用され、低質化した熱媒体が後期に
未だ滞留しているようなことさえある。

動作段階においても事情はまったく同様である。

以上の理由から本発明者らは、順次反応終了率の異なる
合金容器対を連続的に並べ、水素移動の駆動源となる熱
媒すなわち熱媒体は、準備段階、動作段階とも水素移動
反応終了側から反応初期側に向けて熱交換することによ
り、反応終了側に常に高質な熱媒体を供給し、水素移動
量、水素利用率を増大させることができ、これは昇温運
転時においてもまったく同様であることから、本発明に
至ったものである。

さらに、本発明者らはＴ）Ｉ→ＴＴ４およびＴＭ→Ｔ、
に移り変わるａ数のＢ合金同志の向流熱交換およびＴＭ
＋ＴＬ、ＴＬ→ＴＭに移り変わる複数のへ合金同志の連
続向流熱交換機構を設置し、引き続く準備あるいは動作
の運転段階で水素の移動によって生じる吸熱または発熱
に無駄のない温度にあらかじめ合金および容器を調整し
、成績係数を向上させることができることから、本発明
に至ったものである。

すなわち、本発明によれば、異なる解離水素圧特性を有
する第１および第２の金属水素化物がそれぞれ充填され
かつ水素流通管で接続連通された密閉容器対が複数配列
された密閉容器対群と、前記密閉容器対群を取り巻いて
設けられかつ各温度段階に複数に分別されて前記密閉容
器対群を準備段階と動作段階との機能段階に分ける第１
熱交換器群と、前記第１熱交換器群の前記各温度段階内
において前記密閉容器対群との間に生ずる温度差を連続
的に変化させ前記密閉容器対群に順次水素の移動に伴な
う機能段階の移動を生ぜしめる手段とを有してなること
を特徴とする金属水素化物を利用したヒートポンプ装置
が提供される。

また、異なる解離水素圧特性を有する第１および第２の
金属水素化物がそれぞれ充填されかつ水素流通管で接続
連通された密閉容器対が複数配列された密閉容器対群と
、前記密閉容器対群を取り巻いて設けられかつ各温度段
階に複数に分割されて前記密閉容器対群を第２熱交換器
群を介して準備段階と動作段階との機能段階に分ける第
１熱交換器群と、前記第１熱交換器群の前記各温度段階
内において前記密閉容器対群との間に生じる温度差を連
続的に変化させ前記密閉容器対群に順次水素の移動に伴
なう機能段階の移動な生ぜしめる手段とを有してなるこ
とを特徴とする金属水素化物を利用したヒートポンプ装
置が提供される。

本発明において、前記第１熱交換器群は前記水素移動に
よる前記機能段階の移動方向と向流あるいは並流方向に
熱媒体の流動方向が規制されるように配管されているの
がよい。

また、府記各温度段階が前記水素移動による前記機能段
階の移動方向と向流あるいは並流方向に移動可能である
よう構成しているのがよい。

さらに、前記密閉容器対群は前記水素移動による前記機
能段階の移動方向と向流あるいは並流方向に移動可能で
あるよう構成しているのがよい。

以下に、本発明に係る金属水素化物を利用したヒートポ
ンプ装置について好適な実施態様を掲げ、添付の図面を
参照しつつさらに詳細に説明する。

第１ａ図および第１ｂ図は本発明の金属水素化物を利用
したヒートポンプ装置１の概念図（第１実施態様）を示
したものである。

ヒートポンプ装置１は８対の密閉容器１０からなる密閉
容器対群と高温熱源１４、中温熱源１５．１６および低
温熱源１７とそれぞれの熱媒流路１８〜２１よりなる第
１熱交換器群から構成されている。

ビートポンプ装置１は、冷却運転の際には、温度Ｔ□の
高温熱源１４は駆動熱源となり、温度ＴＭの中温熱源１
５．１６は冷却器となり、低温熱源では温度ＴＬの冷却
出力を得ることができる。これに対し昇温運転の場合は
、温度Ｔ、の中温熱源１５．１６が駆動熱源となり、温
度Ｔ、の低温熱源が冷却器となり、高温熱源では温度Ｔ
。

の高温出力を得ることができる。ここで中温熱源１５．
１６は同一の熱源であってもよいし、別々の熱源であっ
てもよい。また、ここでは中温熱源１５．１６の温度は
同じ温度Ｔ２であるが、ＴＨより低く、ＴＬより高けれ
ば異なっていてもよい。

８対の密閉容器対１０は低温用合金容器１１と高温用合
金容器１２とが同じ向きになるように互いに隣接して配
設される。密閉容器対１０は水素゛と共に低温用の第１
の金属水素化物を封入した低温用合金容器１１と水素と
共に高温用の第２の金属水素化物すなわち、高温用合金
（Ｂ合金）を封入した高温用合金容器１２とを水素流通
管１３で連通ずるように構成したものである。低温用合
金（へ合金）および高温用合金（Ｂ合金）としては、第
４図または第６図に示すように作動温度領域において異
なる水素解離圧−温度特性を有する水素貯蔵金属が用い
られる。合金容器は水素と反応することなく金属水素化
物を水素と共に封入でき、耐圧性、気密性があり熱伝導
率の高いものならどのような材質および形状のものでも
よく、例えばステンレス製容器などを用いることができ
る。水素流通管は水素の透過性が有り、金属水素化物粉
末を通さない性質のものであれば何でもよいが、例えば
、ステンレスバイブに金属焼結フィルターを組み込んで
用いるのが好ましい。

高温熱媒流路１８は、高温熱源１４および高温用合金容
器１２と熱交換する高温熱媒体を流動させる通路であっ
て、図示しないが電磁弁などの切換バルブによって、順
次右側の密閉容器対に切換えられて８つの高温用合金容
器１２のうちの常に４つと熱交換できるように、構成さ
れている（第１ａ図および第１ｂ図参照）。

中温熱媒流路１９は中温熱源１５および高温用合金容器
１２と熱交換する熱媒体を流動させる通路であって、高
温熱媒流路１８が切り換わると同時に、切換バルブによ
って順次右側の密閉容器対に切り換えられて、８つの高
温用合金容器１２のうちの前記高温熱媒体と熱交換を行
っていない４つと熱交換できるように構成されている。

また、中温熱媒流路２０は中温熱源１６および低温用合
金容器１１と熱交換する熱媒体を流す流路であって、前
記高温熱媒体と熱交換を行っている高温用合金容器１２
と対をなす常に４つの低温用合金容器１１と熱交換でき
、高温、熱媒流路１８が順次右側の密閉容器対１０に切
り換わると同時に、右側の低温用合金容器１１に切換え
バルブが切換えられるよう構成されている。

さらに、低温熱媒流路２１は低温熱源１７および低温用
合金容器１１と熱交換する低温熱媒体を流す通路であっ
て、８つの低温用合金容器１１のうち、中温熱媒体と熱
交換していない残りの４つと熱交換できるように、他の
熱媒流路が切り換わると同時に順次右側の密閉容器対１
０に切換えられるように構成されている。

第１ａ図および第１ｂ図に示すように、常時４つの密閉
容器対１０が準備段階または動作段階にあるが、それぞ
れの合金容器と熱交換する熱媒体の流れる方向はいずれ
の段階においても該合金容器側では左から右側に流れる
ように構成される。しかし、準備段階または動作段階が
それぞれ他の機能段階に切り換わる方向と熱媒体の流れ
る方向とが一致するように構成されていれば、これに限
定されることはなく、方向を逆にして右側から左側に移
動していくように構成してもよい。

熱媒体としては、熱エネルギをうまく熱源と密閉容器対
との間に伝達できるものであれば何でもよいが、例えば
水、各種の油、水蒸気等が使用できる。

第１ａ図および第１ｂ図において示す例では密閉容器対
を８対を並列させて用い、準備段階および動作段階にあ
る密閉容器対をそれぞれ４対ずつとしたけれども、密閉
容器対の数は８対に限定されるわけではないし、準備段
階および動作段階の密閉容器対の数も必ずしも同数であ
る必要はなく、うまく作動させることのできる構成であ
れば該密閉容器対の全体の数もまた並べ方もまた、準備
段階と動作段階の比率もどのようなものであってもよい
。

次に、本発明に係るヒートポンプ装置の別の実施態様（
第２実施態様）を第２ａ図に示す。以下に本実施態様を
詳細に説明する。

ヒートポンプ装置２は１６対の回転可能な密閉容器対３
０と高温熱媒流路３４、中温熱媒流路３５．３６、低温
熱媒流路３７とから構成される。

第２ａ図および第２ｂ図に示すように低温用合金容器３
１および高温用合金容器３２は、２本の環状の円管から
なり、それぞれ内側の環状の円管および外側の環状円管
を隔壁により１６対に分離したものであり、密閉容器対
３０はそれぞれ対応する低温用合金容器３１と高温用合
金容器３２とを水素流通管１４で連通接続し、二重トー
ラス構造をなす。この２本の対をなす環状円管は同じ回
転速度で左回りすなわち参照番号４７で示す方向に回転
するように配置される。勿論低温用合金容器３１にはＡ
合金が、かつ高温用合金容器３２にはＢ合金が水素と共
に封入される。

高温熱媒流路３４は外側の円管にある右半分の８つの高
温用合金容器３２を包むように設けられる。中温熱媒流
路３５は内側の円管の右半分の８つの低温用合金容器３
１を包むように設けられている。高温熱媒流路３４内の
温度ＴＨの高温熱媒体および低温熱媒流路３５内の温度
ＴＭの中温熱媒体はそれぞれ上から下に右回りで流れる
ように構成される。

これに対し中温熱媒流路３６は外側の円管の左半分の残
りの８つの高温用合金容器３２を包むように設けられ、
低温熱媒流路３７は内側の円管の左半分の残りの８つの
低温用合金容器３１を包むように設けられる。中温熱媒
流路３６内の温度ＴＭの中温熱媒体および低温熱媒流路
３７内の温度ＴＬの低温熱媒体はそれぞれ上から下に左
回りで流れるように構成される。

さらに、第３図に本発明の別の実施態様（第３実施態様
）を示す。この場合、前記第２実施態様と同一の参照符
号は同一の構成要素を示し、従ってその詳細な説明は省
略する。

ヒートポンプ装置３は２４対の密閉容器対３０を有して
いる。

高温熱媒流路３４と中温熱媒流路３５および中温熱媒流
路３６と低温熱媒流路３７はそれぞれ７つの密閉容器対
３０を覆うように設けられる。そして、外側の環状円管
に覆設された高温熱媒流路３４と中温熱媒流路３６およ
び内側の環状円管に覆設された中温熱媒流路３５と低温
熱媒流路３７はそれぞれ対象な位置に設けられる。

さらに、残りの５対ずつの密閉容器対３０を覆うように
第２の熱交換器群が設けられるが、上下５対ずつの密閉
容器対３０の内側にある低温用合金容器３２には低温用
合金向流連続熱交換器５１および５２が設けられ、熱媒
体が循環するようにパイプ５３ａおよび５３ｂで接続連
通され、バイブ５３ｂに循環ポンプ５４が設置されてい
る。

また、同様に上下５対ずつの外側にある高温用合金容器
３１には高温用合金向流連続熱交換器５５および５６が
設けられ、熱媒体が循環するようにバイブ５７ａとパイ
プ５７ｂおよびパイプ５７ｃとバイブ５７ｄとがそれぞ
れ接続され、図示しないポンプにより駆動されている。

高温熱媒体、中温熱媒体、低温熱媒体、第２熱交換器熱
媒体はそれぞれその流路３４，３５゜３６．３７および
熱交換器５１，５２．５５および５６を密閉容器対３０
の回転方向４７と逆の方向（向流）になるように流れる
よう構成される。

前記実施態様２および３において、高温用合金容器３２
と低温用合金容器３１を構成する管状の円環の配置は同
心に限るものではなく、円環な上下に配置する同軸であ
ってもよく、循環構造を持つものであれば、どのような
構造であってもよい。また、配置される密閉容器対の数
は効率よく熱交換できれば、いくつであってもよい。ま
た、熱交換器を設置する場合、覆設される容器対の数は
いくつであってもよい。

以上、本発明について、好適実施態様を挙げて詳細に説
明したが、本発明はこの実施態様に限定されるものでは
なく、本発明の要旨を逸説しない範囲において、種々の
改良並びに設計変更が可能なことは勿論である。　　　
゛ 〈発明の具体的作用〉 本発明に係る金属水素化物を利用したヒートポンプ装置
は基本的には以上のように構成されるものであり、次に
その作用について説明する。

第１ａ図および第１ｂ図に示す本発明の第１実施態様に
おける昇温運転の例を説明する。

温度ＴＭの中温熱源１５によって加熱された熱媒体が、
中温熱媒流路１９に供給されて高温用合金容器１２の右
半分の４つは左から右向きに順次熱交換され、同時に水
素流通管１３で結ばれて低温用合金容器１１の右半分の
４つは温度Ｔしの低温熱源１７により冷却された熱媒体
が、低温熱媒流路２１に供給されて左から右向きに順次
熱交、換されている。

第６図に示すように、温度ＴＭとなった高温用合金容器
１２内のＢ合金の水素解離圧Ｐ３は温度ＴＬとなった低
温用合金容器１１内のへ合金の水素解離圧Ｐ４よりも高
いため、高温用合金容器１２内において該Ｂ合金は吸熱
的に水素を放出し、矢印２６で示す方向に水素流通管１
３を通つて、低温用合金容器１１に供給された水素は発
熱的にＡ合金に吸蔵される。すなわちこの４対は点ｅ→
点ｆで示す準備段階に相当する。

また、左半分の４つの低温用合金容器１１が温度ＴＭの
中温熱源１６によって加熱された熱媒体が中温熱媒流路
２０に供給されて左から右向きに順次熱交換されると、
温度ＴＭでのＡ合金の水素解離圧Ｐ、が温度Ｔ）ｌでの
Ｂ合金の水素解離圧Ｐ２より高いため、へ合金に吸蔵さ
れていた水素が吸熱的に放出ぎわ、水素流通管１３を通
フて同じく左半分の４つの高温用合金容器１２内のＢ合
金に発熱的に吸収され、高温熱媒流路１８内の熱媒体を
加熱し、温度Ｔ□の高温熱源１４に熱を供給する。すな
わち、この左半分の４対の密閉容器対は点ｇ→点りで示
す動作段階に相、当する。

以上全体としては、ＴＭの熱媒体が冷却され、ＴＬの熱
媒体に熱が放出される代償として、Ｔ。

の熱媒体が昇温されている。それぞれの合金中に含まれ
る水素の量は有限であり、やがて反応の進行は停止する
ので、第１ｂ図に示すように熱媒流路を一つ右に順送り
に切り換えることにより連続的に昇温運転は続けられる
。ここでそれぞれの熱媒流路内における熱媒流方向と熱
媒流路の切り換えられる方向とが同じであるので、この
切り換え操作によって新たに準備段階に加えられた合金
対（密閉容器対１０ａ）および新たに加熱動作に加えら
れた合金対（密閉容器対１０ｅ）が熱媒流路の最下流に
位置することになる。金属水素化物中の水素含有量が多
い程、水素解離圧も高いので、新たに準備段階に加えら
れた合金対（１０ａ）が他の合金と熱交換して低質化し
た熱媒体を用いても、大量に水素の吸蔵されたＢ合金か
ら水素の不足しているＡ合金へ容易に水素放出し、へ合
金への水素充填という目的を達成し得る。また、新たに
動作段階に加えられた合金対（１０ｅ）についても同様
である。

一方、引き続き加熱動作あるいは準備段階にある合金対
においては、継続的な水素の移動によって、放出側の水
素解離圧が低下し、吸蔵側の水素解離圧が上昇し、その
差である駆動圧が減少して行く。この差がなくなったと
ころで水素の移動が停止するので、放出側にはなるべく
高温の、吸蔵側にはなるべく低温の熱媒体を供給するこ
とが必要となる。すなわち、従来から継続的に同じ段階
にある合金対には高質の熱媒体を与えるような流路操作
を行うことにより、熱効率を上げることができる。

なお、第４図に示すような適当な合金極あるいは作動温
度を選ぶことにより、本構造の装置をそのまま冷却運転
に用いることができる。

次に、第２ａ図および第２ｂ図に示す金属水素化物を利
用したヒートポンプ装置２（第２実ＩＭ態様）による冷
却運転の例を挙げる。

右外側にある８つの高温用合金容器３２内のＢ合金は高
温熱媒流路３４内の温度ＴＩｌの高温熱媒体で上から下
向きに順次加熱され、同時に、水素流通管３３で結ばれ
た右内側にある８つの低温用合金容器３１内のＡ合金は
中温熱媒流路３５内の温度ＴＭの中温熱媒体で上から下
向きに順次冷却されている。

この時、第４図に示すように、第２ｂ図の密閉容器３０
ａ内において、高温用合金容器３２内の温度Ｔｌｌに加
熱された前記Ｂ合金の水素解離圧ｐ、は低温用合金容器
３１内の前記へ合金の水素解離圧Ｐ２よりも高いので、
前記Ｂ合金は吸熱的に水素を放出し、放出された水素は
、矢印４５で示す方向に水素流通管３３を通って温度Ｔ
Ｍに冷却された前記Ａ合金に発熱的に吸蔵される。すな
わち、この右側の８対の密閉容器対３０は準備段階に相
当する。

一方、左外側にある８つの高温用合金容器３２内のＢ合
金は下から上向きに中温熱媒流路３６内の温度ＴＭの熱
媒により順次冷却され、該Ｂ合金の水素解離圧Ｐ４は左
内側にある８つの低温用合金容器３１内のＡ合金の水素
解離圧Ｐ３より低いため、該Ｂ合金が発熱的に水素を吸
蔵する。

このため、第２ｂ図に示す密閉容器対３０ｂの高温用合
金容器３２内の水素が不足し、水素圧が下がるため、低
温用合金容器３１内のへ合金は吸熱的に水素を放出し、
矢印４６で示す方向に水素流通管３３を通して水素を供
給する。こうして、低温用合金容器３１に覆設された低
温熱媒流路３７内の温度ＴＬの低温熱媒体が得られる。

すなわち、この左側の８対の密閉容器対３０は冷却動作
段階に相当する。

以上全体としては、ＴＨの熱媒体が冷却されＴＭの冷却
水に熱が放出される代償にＴＬの熱媒体が冷却されてい
る。各合金中に含まれる水素の量は有限であり、やがて
反応の進行は停止するのでその前に各合金層を１つずつ
ずらす。

すなわち密閉容器対群を左向きに２２．５°回転するこ
とによって、冷却運転は連続的に続けられる。この際容
器を左向きに回転する。すなわち熱媒流路配管系を容器
に対して相対的に右向きに回転させることにより、熱媒
流路配、管の相対的移動方向と熱媒流方向とが同方向に
することができる。ここで、容器の移動は断続的であっ
ても、連続的であフてもよい。

なお、第６図に示すような適当な合金層あるいは作動温
度を選ぶことにより、本構造の装置をそのまま昇温運転
に用いることができる。

〈実施例〉 以下に、本発明を実施例につき具体的に説明する。

（実施例１） 第１ａ図および７Ｆ１１ｂ図に示す第１実施悪様のビー
トポンプ装置において、１対あたり低温用合金（へ合金
）として、ＬａＮｉ４．、Ａｎ、３１５０ｇおよび高温
用合金（Ｂ合金）として、ＴｉＣｏｏ、　５Ｆｅｅ、ｓ
　Ｚｒ□、ｏ５　１７５　ｇをＳＯ５３１６製の密閉容
器対のそれぞれの容器に水素と共に封入した。

高温熱源温度ＴＭを１２５℃、中温熱源温度ＴＭを９０
℃および低温熱源温度ＴＬを２５℃として、熱媒流路の
切り換えを１サイクル８分で昇温運転した。この時のへ
合金の水素利用率は９３％であった。

（比較例１） 従来の、流路を制御せず合金対内の水素の移動状況を考
慮に入れないで運転する連続式ビートポンプとの比較の
ために、実施例１と同じ装置を用い、同様の条件で、熱
媒体総流量を一定とし、各合金層に並列に熱媒体を交換
して昇温運転した。

この時のへ合金の水素利用率は８４％であフだ。

（実施例２） 第２ａ図に示す第２実施態様のヒートポンプ装置におい
て、Ａ合金としてＬａＮｉ５を各１８０ｇ、Ｂ合金とし
てＬａＮｉ、、　５Ａｊ２　ｏ、　ｓを各２００ｇ、水
素と共に各密閉容器対のそれぞれの容器に封入した。高
温熱媒温度Ｔ□を１８０℃、中温熱媒温度ＴＭを５０℃
、および低温熱媒温度ＴＬを５℃として、容器対の回転
数を　０．１ｒｐｍの一定速度で左向きに回転させて冷
却運転を行った。この時のへ合金の水素利用率は９２％
であった。

（比較例２） 従来の運転例として、実施例２と同じ装置を用い、同様
の条件で流路を制御せずに各層に熱媒を分流して冷却運
転を行った。この時のＡ合金の水素利用率は８７％であ
った。

（実施例３） 第３図に示す第３実施態様のヒートポンプ装置において
、へ合金として、ＬａＮｉ５を各４５０　ｇ。

Ｂ合金としてＬａＮｉ、、５Ａｊ！　ｏ、５を各５００
ｇ、水素と共に各密閉容器対のそれぞれの容器に封入し
た。高温熱媒温度Ｔｌｌを１８０℃、中温熱媒温度ＴＭ
を５０℃、および低温熱媒温度ＴＬを５℃として、容器
対をＯ，１２５ｒｐｍの一定速度で左向きに回転させて
冷却運転を行った。この時の交換熱量は１２００　ｋｃ
ａｌ／ｈであった。

（比較例３） 従来の運転例として、実施例３と同じ装置を用い、同様
の条件で、向流熱交換器を作動させずに、冷却運転を行
った。この時の交換熱量は１０００　ｋｃａｌ／ｈであ
った。

以上の結果を第１表、第２表に示す。

第１表から明らかなように、昇温運転、冷却運転のいず
れにおいても、実施例のほうが比較例に比べて低温用Ａ
合金の水素利用率は９％および５％向上した。

また第２表から明らかなように、向流熱交換器を作動さ
せることにより、実施例のほうが比較例に比べて交換熱
量が２００　ｋｃａｌ／ｈ増加しており、成績係数が２
０％向上した。

第　　　１　　　表 第　　　２　　　表 〈発明の効果〉 本発明によれば、熱媒流路をなす熱媒対配管内の実質的
な熱媒流方向が異なる金属水素化物をそれぞれ封入した
密閉容器対に対する前記熱媒対配管系の移動方向と同方
向であるため、前記金属水素化物の水素利用率を向上さ
せることができ、従って、高価で重い前記金属水素化物
の使用量を減少させることができる。

すなわち、単位金属水素化物量当りの出力を増大させる
ことができる。

また、本発明によれば、いずれの熱媒体とも熱交換して
いない複数の密閉容器対間のそれぞれの前記全屈水素化
物同志で連続向流熱交換するため、前記金属水素化物お
よび前記密閉容器対の顕熱損失を減少させ、成績係数を
向上させ、システムの熱効率を向上させることができる
。

従って、本発明によれば、従来、フロン等による熱回収
の効率が低いためにあまり利用されていなかった低温（
２００℃以下）の排熱からも効率よく熱回収でき、排熱
の有効利用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明の第１実施態様を示す線図的断面図で
あり、第１ｂ図は第１ａ図と別の位相にある第１実施悪
様を示す線図的断面図である。 第２ａ図は本発明の第２実施態様を示す線図的上面図で
あり、第２ｂ図のｎ−ｎ線切断面図である。 第３図は本発明の第３実施態様を示す線図的上面図であ
る。 第４図は本発明の金属水素化物を利用したヒートポンプ
装置の冷却運転サイクルを示す水素解離圧−温度特性の
線図である。 第５図は第４図に示す冷却運転サイクルの作動原理の説
明図である。 第６図は本発明の金属水素化物を利用したヒートポンプ
装置の昇温運転サイクルを示す水素解離圧−温度特性の
線図である。 符号の説明 １，２．３−・・金属水素化物を利用したヒートポンプ
装置、 １０．１０ａ、１０ｅ、３０，３０ａ、３０ｂ−密閉容
器対、 １１．３１−・・低温用合金（へ合金）容器、１２．３
２・・・高温用合金（Ｂ合金）容器、１３．３３−・・
水素流通管、 １４−・・高温熱源、 １５．１６−・・中温熱源、 １７・・・低温熱源、 １８．３４−・・高温熱媒流路、 １９．２０，３５．３６−・・中温熱媒流路、２１．３
７−−低温熱媒流路、 ２５．２６，４５．４６−−水素の流動方向、２７・・
・機能段階の移動方向、 ４７−・・容器の回転方向、 ５１．５２−・・低温用合金向流熱交換器、５３ａ、５
３ｂ、５７ａ、５７ｂ、５７ｃ。 ５７　ｄ−・・パイプ、 ５４−・循環ポンプ、 ５５．５６−・・高温用合金向流熱交換器Ｑ−−− Ｆｆ（３，３ ＦＩＧ、４ Ｆ　＋（３，５

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）異なる解離水素圧特性を有する第１および第２の
   金属水素化物がそれぞれ充填されかつ水素流通管で接続
   連通された密閉容器対が複数配列された密閉容器対群と
   、前記密閉容器対群を取り巻いて設けられかつ各温度段
   階に複数に分割されて前記密閉容器対群を準備段階と動
   作段階との機能段階に分ける第１熱交換器群と、前記第
   １熱交換器群の前記各温度段階内において前記密閉容器
   対群との間に生ずる温度差を連続的に変化させ前記密閉
   容器対群に順次水素の移動に伴なう機能段階の移動を生
   ぜしめる手段とを有してなることを特徴とする金属水素
   化物を利用したヒートポンプ装置。
2. （２）前記第１熱交換器群は前記水素移動による前記機
   能段階の移動方向と向流あるいは並流方向に熱媒体の流
   動方向が規制されるように配管されてなる特許請求の範
   囲第１項に記載の金属水素化物を利用したヒートポンプ
   装置。
3. （３）前記各温度段階が前記水素移動による前記機能段
   階の移動方向と向流あるいは並流方向に移動可能である
   よう構成してなる特許請求の範囲第１項または第２項に
   記載の金属水素化物を利用したヒートポンプ装置。
4. （４）前記密閉容器対群は前記水素移動による前記機能
   段階の移動方向と向流あるいは並流方向に移動可能であ
   るよう構成してなる特許請求の範囲第１項または第２項
   に記載の金属水素化物を利用したヒートポンプ装置。
5. （５）異なる解離水素圧特性を有する第１および第２の
   金属水素化物がそれぞれ充填されかつ水素流通管で接続
   連通された密閉容器対が複数配列された密閉容器対群と
   、前記密閉容器対群を取り巻いて設けられかつ各温度段
   階に複数に分割されて前記密閉容器対群を第２熱交換器
   群を介して準備段階と動作段階との機能段階に分ける第
   １熱交換器群と、前記第１熱交換器群の前記各温度段階
   内において前記密閉容器対群との間に生じる温度差を連
   続的に変化させ前記密閉容器対群に順次水素の移動に伴
   なう機能段階の移動を生ぜしめる手段とを有してなるこ
   とを特徴とする金属水素化物を利用したヒートポンプ装
   置。
6. （６）前記第１熱交換器群は前記水素移動による前記機
   能段階の移動方向と向流あるいは並流方向に熱媒体の流
   動方向が規制されるように配管されてなる特許請求の範
   囲第５項に記載の金属水素化物を利用したヒートポンプ
   装置。
7. （７）前記各温度段階が前記水素移動による前記機能段
   階の移動方向と向流あるいは並流方向に移動可能である
   よう構成してなる特許請求の範囲第５項または第６項に
   記載の金属水素化物を利用したヒートポンプ装置。
8. （８）前記密閉容器対群は前記水素移動による前記機能
   段階の移動方向と向流あるいは並流方向に移動可能であ
   るよう構成してなる特許請求の範囲第５項または第６項
   に記載の金属水素化物を利用したヒートポンプ装置。