JPS6321492A - 熱交換器 - 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、水素吸蔵合金を用いた熱交換器に関するもの
である。

（従来の技術） 水素吸蔵合金は、合金特有のある温度、圧力条件下で水
素ガス（以下「Ｈ２ガス」という）を吸蔵して発熱反応
を起こし、また、別のある温度、圧力条件下でＨ２ガス
を脱蔵して吸熱反応を起こすことが一般に知られている
。　　しかして、この特性を利用することで２種類の水
素吸蔵合金を使ってヒートポンプシステムを構成するこ
とができる。

すなわち、２種類の水素吸蔵合金の組合せ方によって第
４図に示すような降温サイクル（Ｄ−ＢにＨ２ガスを移
動させる時にＤで冷熱を作る）や第５図に示すような昇
温サイクル（Ｃ−ＡにＨ２ガスを移動させる時にＡで高
温を作る）を作ることができるからである。

この場合、水素吸蔵合金からの発熱あるいは吸熱エネル
ギーをすばやく回収することが水素吸蔵合金の反応を促
進させることになり、ひいては単位時間当りの発生出力
を向上させることになる。

従って、水素吸蔵合金を利用した熱交換器とじては以下
に列挙する条件が要求される。

■　水素ガスの通気性が良好であること。

水素吸蔵合金の反応を急激に行なわせて高熱を発生させ
ると同時に、短時間で反応させて単位時間当りの発生出
力を向上させるためには、熱交換器内におけるＨ２ガス
の通気性が良好でなければならない。

■　熱交換器の伝熱特性が良好であること。

水素吸蔵合金からの発熱や吸熱エネルギーをすばやく熱
交換流体に回収するためには、伝熱面積が広く、伝熱抵
抗が小さいことが必要である。−般に水素吸蔵合金は顆
粒状であるため、水素吸蔵合金層中に伝熱促進材を充填
して有効熱伝導率を向上させる事が必要である。

■　熱交換器の機械的強度及び耐水素脆性が良好である
こと。

水素吸蔵合金は、高圧水素と急激な反応（発熱反応）を
起こさせた場合には内部温度は部分的に高温（約５００
℃）となる場合が声る。また、水素吸蔵合金は、水素を
吸蔵することによって体積膨張を起こすため、熱交換器
は熱伝導率が良いばかりでなく、高温、高圧に耐え、か
つ、耐水素脆性が良好なものでなければならない。

■　金属水素化物の粉末を飛散させないこと。

金属水素化物は、水素の吸蔵、放出を繰返すことによっ
て微粉化が起こり配管内に飛散してゆく。

このことは、水素吸蔵合金が消耗するばかりでなく、バ
ルブ、弁等に詰まったり、場合によっては相手側の合金
内に入り込み、合金劣化を起こすことにもなる。従って
、Ｈ２ガスの供給管入口部には、Ｈ２ガスは通過させる
が、合金粉は通過させないフィルター（１〜２μ程度）
を設置することが必要である。

■　熱交換器の熱容量を小さくすること。

水素吸蔵合金の単位重量当りの発熱量は一定であるため
、効率よく熱回収を行なうためには熱交換器全体の重量
（熱容量）を小さくし、顕熱ロスを最小限にして昇温幅
を太き（し、すばやく熱媒流体に熱伝達を行なわなけれ
ばならない。従って熱交換器の重量（熱容量）を小さく
して顕熱ロスや放熱ロスを少なくしなければならない。

ところで、従来より採用されていた熱交換器は第６図に
示すように、 ■　Ｈ２ガスの通気性を改善し容器内の全水素吸蔵合金
が短時間でＨ２ガスと反応できるようにするために、容
器１の中央部に連通管２を挿通せしめ、容器１の長手方
向両端部よりフィルター３を介して水素吸蔵合金へＨ２
ガスを移動させていた。

■　熱交換器の伝熱特性向上のため、すなわち水素吸蔵
合金と容器ｌの外壁との熱伝導を円滑にするために水素
吸蔵合金内に伝熱促進剤として金属海綿体（例えばｒＮ
ｉセルメット（商品名）」）４を充填していた。

しかしながら、前記したような水素吸蔵合金を用いた従
来の熱交ｔ０８３では、以下に示すような欠点があった
。

（ア）水素吸蔵合金へのＨ２ガスの移動が容器１０両端
のみから行なわれるため、容器１の長手方向中央部に位
置する水素吸蔵合金がＨ２ガスと反応するのに時間を要
する。

（イ）金属海綿体４の空隙は連通孔ではないために水素
吸蔵合金の充填作業に時間を要する上、充填率が低いた
め充填層の有効熱伝導率は低下し、更に、水素吸蔵合金
の単位当りの容器重量（熱容量）が大きくなって顕熱ロ
スが大きい。

（つ）金属海綿体４と容器１の壁面との接触状態が点接
触又は線接触であるため熱伝導率が大幅に低下している
。

従来の熱交換器は以上述べたような欠点を有していた為
、水素吸蔵合金の反応速度の低下及び熱交換率の低下を
招き、結果として単位時間当りの発生出力が小さくなっ
ていた。

従来の熱交換器は第７図及び第８図に示す様に容器１の
外壁面にガス又は熱媒〔比重１５／＝１℃０．８９０、
粘度４０℃（ｃＳｔ）２７、流動点（’Ｃ）　−２０（
−）　、膨張係数６．７Ｘ１０−’の性状を有する油〕
等の熱交換流体を流して熱回収していたのであるが、前
記した（ア）、（つ）の欠点を改善するための手段とし
て特開昭６０−１０１４８９号公報（第９図参照）や特
開昭６０−１０１４９０号公ｔａ　カ開示されている。

これらは、間隔を存してフィン５を熱交換チューブ６の
外側に多段に積層すると共にこれらフィン５間に水素吸
蔵合金を充填し、前記熱交換チューブ６内に熱交換流体
を流すものである。そして、前記熱交換チューブ６及び
フィン５の周囲−側面に長手方向の全長に亘ってフィル
ター３を設置すると共に、残部側面を閉塞して熱交換器
本体７を形成している。

しかして、この熱交換器本体７を、Ｈ２ガスの出入口８
を有する圧力容器９内に装入して熱交換器を構成したも
のである。

（発明が解決しようとする問題点） 上記した構成の熱交換器は、水素吸蔵合金と熱交換流体
との熱伝導性は非常に良好となるのであるが、以下に列
挙するような問題がある。

（ア）フィルター３近傍に位置する水素吸蔵合金はすば
や（水素と反応するのであるが、内部に位置する水素吸
蔵合金迄水素が移動して反応するのに時間を要する。

（イ）水素吸蔵合金の重量と比較して圧力容器９や熱交
換チューブ６の重量（熱容量）が大きく顕熱ロスが大き
い。

（つ）熱交換器本体７の製作、水素吸蔵合金の充填が困
難であり水素吸蔵合金の充填率が低くなる。

本発明は、このような問題点を解決できる熱交換器を提
供せんとするものである。

（問題点を解決するための手段） 本発明に係る熱交換器は、多重管構成して成る容器の中
心部に長手方向に貫通する熱媒流通用空間を形成すると
共に、この容器内の各環状空間を交互に水素吸蔵合金層
および熱媒通路と成さしめ、また、この水素吸蔵合金層
はその内部に水素吸蔵合金を充填してなる金属箔のハニ
カム状筒体で形成すると共に、このハニカム状筒体内に
充填されている水素吸蔵合金の中心部には水素ガス流通
用空間を長手方向に貫通形成せしめ、更に、前記容器内
への水素ガスの出入口にはフィルターを設置し、かつ、
前記ハニカム状筒体及び各空間に多数の微細開孔を設け
て成ることを要旨とするものである。

（作　　　用） 本発明は、多重管構成して成る容器の中心部に長手方向
に貫通する熱媒流通用空間を形成すると共に、この容器
内の各環状空間を交互に水素吸蔵合金層および熱媒通路
と成さしめ、また、この水素吸蔵合金層はその内部に水
素吸蔵合金を充填してなる金属箔のハニカム状筒体で形
成すると共に、このハニカム状筒体内に充填さ耗ている
水素吸蔵合金の中心部には水素ガス流通用空間を長手方
向に貫通形成せしめ、更に、前記容器内への水素ガスの
出入口にはフィルターを設置し、かつ、前記ハニカム状
筒体及び各水素ガス流通用空間に多数の微細開孔を設け
て成る構成である為、先ず、熱伝導度の悪い水素吸蔵合
金粒子を金属箔のハニカム状筒体内に充填することによ
って水素吸蔵合金内の有効熱伝導度が向上し、同時に水
素吸蔵合金の充填率も上昇する。また、夫々の水素ガス
流通用空間やハニカム状筒体に多数設けた微細開孔によ
ってＯＸガスの移動性が向上する。

（実　施　例） 以下、本発明を第１図〜第３図に示す一実施例に基づい
て説明する。

第１図（イ）は本発明の第１実施例を示す正面図中央縦
断面図、（ロ）は（イ）のローロ断面図、（ハ）はハニ
カム状筒体の斜視図、第２図（イ）は本発明の第２実施
例を示す第１図（イ）と同様の正面図中央縦断面図、（
ロ）は（イ）のローロ断面図、第３図は本発明における
実施例のヒートポンプシステムを示す概略図である。

図面において、１１は多重管構成された容器であり、そ
の中心部には、熱媒通路１２が形成されている。

前記容器１１内の各環状空間は交互に水素吸蔵合金層お
よび熱媒通路１４と成さしめられており、このうちの水
素吸蔵合金層はその内部に水素吸蔵合金を充填した金属
箔により製造されたハニカム状筒体１３で形成されてい
る。この筒体１３を形成する金属箔には多数の微細開孔
が開設されている。また、この筒体１３内に充填されて
いる水素吸蔵合金の中心部には多数の微細開孔が開設さ
れた複数個のＨｔガスの流通用達通管１５が長手方向に
貫通形成されている。

１６は前記容器１１内へのＩｈガスの出入口１７に設置
されたフィルターであり、水素吸蔵合金粉の飛散を防止
するためのものである。なお、図中１２゛　と１８は熱
媒の出入口を示す。

次に本発明熱交換器を用いたヒートポンプシステムにつ
いて説明する。

この第３図に示すものは、第５図に示す昇温サイクル（
ヒートポンプ）システムであり、先ず水素を高圧側合金
２１に充填しておき、低圧側及び高圧側合金１９．２１
に高温廃熱を供給し水素を昇温するのである。そして、
高圧側合金２１の平衡水素圧力が上昇した後、高圧側合
金反応容器と低圧側合金反応容器との連絡弁２ｏを開く
のである。すると、高圧側合金２１より放出されたＨ２
ガスは、低圧側合金１９へ移動して、低圧側合金１９に
吸蔵され、発熱反応を起こすのである。

すなわち、第１図及び第２図に示すように、低圧側反応
容器１工において、Ｈ２ガス出入口１７より容器１１内
に流入したＨ２ガスは、フィルター１６からＨ２ガスの
流通用空間１５を介して前記筒体１３に開設された微細
開孔を通って容器１１の長手方向全域に亘って筒体１３
内に充填されている水素吸蔵合金にすばやく吸蔵され、
発熱反応を起こすのである。

そして、発生した熱は、筒体１３を伝わり、容器１１の
内外部を流れる熱媒体へと熱伝達されるのである。

この時、内部に閉空間を持たない、水素吸蔵合金の充填
率の良い金属製のハニカム状筒体１３を用いる事で、水
素吸蔵合金層内の有効熱伝導度は向上し、また、熱媒体
通路壁面との接触状態が面接触となり、更に、多重管構
造とする事で、水素吸蔵合金層から熱媒体通路までの距
層も近づいた結果、反応容器統括熱伝達係数は大幅に向
上した。

そして水素吸蔵合金層内に８２ガス流通空間を設け、筒
体１３の壁面には多数の微細開孔を開け、Ｈ２ガスの通
気性を完全し、すべての水素吸蔵合金がすばや＜ＯＸガ
スと反応可能となった。

この様にＨ２ガスの通気性の改善によりＨ２ガスと水素
吸蔵合金との反応速度が向上し、一方、容器１１内の熱
伝導性を改善した事により、Ｈ２ガスとの反応で昇温し
た水素吸蔵合金の温度をすばやく降下さ廿るべ（熱媒体
に熱伝達させ、それによって水素吸蔵合金（低圧側）の
平衡水素圧力は低下し、再びＨ２ガスとの反応速度は向
上し、つぎつぎと容器１１内の水素吸蔵合金は、所定の
Ｈ２ガス吸蔵量を吸蔵するまですばや＜ＯＸガスと発熱
反応を起こして行くのであり、その結果、反応時間は大
幅に短縮される。

また、Ｈ１回収サイクルでは、高圧側合金２１に冷却流
体を流しこれを降温する。そして、高圧側合金２１の平
衡水素圧力が低圧側合金１９の平衡水素圧力より低下し
た後連絡弁２０を開くと、Ｈ２ガスは低圧側合金１９よ
り高圧側合金２１へ流れて高圧側合金２１と発熱反応し
、水素吸蔵合金に吸蔵されるのである（低圧側合金１９
は吸熱反応してＨ２ガスの放出が起こる）。この時、前
記と同様に、Ｈ２２ガス気性改善及び容器１１内の熱伝
導性の改善により、反応時間（サイクルタイム）は大幅
に短縮されるのである。

本発明の実施結果を第１表に示す。第１表より明らかな
如く、本発明の反応時間は、従来の１５分に比べて大幅
に短縮され、約７．５分間で熱回収が行なえるようにな
った。また、本発明で使用している金属箔のハニカム状
筒体は従来用いていた金属海綿体の様に内部に閉空間が
なく、水素吸蔵合金充填率が向上し、水素吸蔵合金充填
作業も容易になった。その結果、容器係数（容器重量子
合金重量）も約０．６と小さくなり、水素吸蔵合金単位
当りの容器顕熱ロスも少なくなった。すなわち、同じ容
器に水素吸蔵合金を充填した場合、従来に比べて本発明
を用いると、水素吸蔵合金充填率や反応時間の向上が図
れ単位時間当りの水素吸蔵合金発熱量に換算すると、約
２倍の効率アンプが可能となった。

第　　　１　　　表 （発明の効果） 以上説明したように本発明は、多重管構成して成る容器
の中心部に長手方向に貫通する熱媒流通用空間を形成す
ると共に、この容器内の各環状空間を交互に水素吸蔵合
金層および熱媒通路と成さしめ、また、この水素吸蔵合
金層はその内部に水素吸蔵合金を充填してなる金属箔の
ハニカム状筒体で形成すると共に１、このハニカム状筒
体内に充填されている水素吸蔵合金の中心部には水素ガ
ス流通用空間を長手方向に貫通形成せしめ、更に、前記
容器内への水素ガスの出入口にはフィルターを設置し、
かつ、前記ハニカム状筒体及び各空間に多数の微細開孔
を設けて成る構成である為、先ず、熱伝導度の悪い水素
吸蔵合金粒子を金属箔のハニカム状筒体内に充填するこ
とによって水素吸蔵合金内の有効熱伝導度が向上し、同
時に水素吸蔵合金の充填率も上昇する。また、夫々の空
間やハニカム状筒体に多数設けた微細開孔によってＨ２
ガスの移動性が向上する。従って、本発明によれば単位
水素吸蔵合金当りの顕熱ロスも少なくなると共に、水素
吸蔵合金とＨ２ガスの反応時間が短縮して単位時間当り
の発生出力の向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は本発明に係る熱交換器の第１実施例を示
す正面図中央縦断面図、（ロ）は（イ）のローロ断面図
、（ハ）は筒体の斜視図、第２図（イ）は同じ第２実施
例の正面図中央縦断面図、（ロ）は（イ）のローロ断面
図、第３図は本発明を用いたヒートポンプシステムの説
明図、第４図は２種類の水素吸蔵合金を用いた降温サイ
クル線図（降温型ヒートポンプ）、第５図は２種類の水
素吸蔵合金を用いた昇温サイクル線図（昇温型ヒートポ
ンプ）、第６図は従来の熱交換器（金属海綿体を用いた
もの）の第１図（イ）と同様の図、第７図は廃熱源とし
て気体を用いた場合の第６図に示す熱交換器の概略図、
第８図は、廃熱源として液体を用いた場合の第６図に示
す熱交換器の概略図、第９図は従来の熱交換器（熱交換
チューブ外側に水素吸蔵合金を充填したもの）の第１図
（イ）と同様の図である。 １１は容器、１２は熱媒通路、１３は筒体、１４は熱媒
通路、１５は空間、１６はフィルター。 第４図　　　　　　第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）多重管構成して成る容器の中心部に長手方向に貫
   通する熱媒流通用空間を形成すると共に、この容器内の
   各環状空間を交互に水素吸蔵合金層および熱媒通路と成
   さしめ、また、この水素吸蔵合金層はその内部に水素吸
   蔵合金を充填してなる金属箔のハニカム状筒体で形成す
   ると共に、このハニカム状筒体内に充填されている水素
   吸蔵合金の中心部には水素ガス流通用空間を長手方向に
   貫通形成せしめ、更に、前記容器内への水素ガスの出入
   口にはフィルターを設置しかつ、前記ハニカム状筒体及
   び各空間に多数の微細開孔を設けて成ることを特徴とす
   る熱交換器。