JPS638392B2 - - Google Patents

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JPS638392B2
JPS638392B2 JP6880784A JP6880784A JPS638392B2 JP S638392 B2 JPS638392 B2 JP S638392B2 JP 6880784 A JP6880784 A JP 6880784A JP 6880784 A JP6880784 A JP 6880784A JP S638392 B2 JPS638392 B2 JP S638392B2
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JP
Japan
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temperature
heat pump
adsorption
cycle
heat
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Expired
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JP6880784A
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English (en)
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JPS60211272A (ja
Inventor
Isao Takeshita
Koji Gamo
Yoshio Moriwaki
Nobuyuki Yanagihara
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Priority to EP84107926A priority patent/EP0131869B1/en
Priority to DE8484107926T priority patent/DE3474338D1/de
Priority to US06/629,072 priority patent/US4623018A/en
Publication of JPS60211272A publication Critical patent/JPS60211272A/ja
Publication of JPS638392B2 publication Critical patent/JPS638392B2/ja
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  • Sorption Type Refrigeration Machines (AREA)

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りつゝある。
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種の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
(MH1)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(MH2
と連通すると、MH1の水素はMH2に移動する
(Bの状態)。この際MH2は発熱反応により熱を
発生するが、これは大気などに捨てる。
次にMH2を温度TMで加熱し(Cの状態)、水
素を脱着したMH1と連通するとMH2から水素は
MH1に移動する。この際発熱反応によりMH1
暖められTM度からTH度に上昇し、MH2のTM
度における平衡圧力に近い圧力に対するMH1
平衡温度で熱を発生する(Dの状態)。
このようにA→B→C→Dの過程を繰り返すこ
とによつて、TMの熱源温度の熱から、これより
高いTH温度の高温の熱を取得することができ
る。
このように第2種のヒートポンプサイクルは熱
源温度より高い温度の熱が取出せる極めて有用な
ものであるが、この昇温幅をさらに高めたい時に
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MH1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
ダツシユ(′)を付けて第2のサイクルを表わし
たとすればMH1′MH2′よりなるサイクルの
TM′度のポイントを、第1のサイクルのTH度よ
りやや低めに選ぶことにより第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のサイクルの同じくTL度と
は同一にとることができる。このようにして
MH1′からえられる高温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の積であらわされる。すなわ
ち1段目、2段目のサイクルのCOPをそれぞれ
COP1,COP2、全体のCOPをCOP0とすれば COP0=COP1×COP2 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か、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。従つて低圧を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 低温熱源を有効に利用し、一つのサイクルの反
応によつて得られる発熱で他のサイクルが駆動で
き、高温がえられる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にするこ
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
ポンプ装置であり、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り加熱し、
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り高い温度を得る第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り高くし、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(多段)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、ほゞ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、ほゞ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つて説明する。
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
容器内に各々収容したものを2組作成した。第3
図のMH1とMH2で相対的に低温側で動作する第
1のヒートポンプサイクルを形成し、MH1′と
MH2′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MH1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(MH1)を熱源1によりTM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、
MH1に吸着していた水素はMH2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MH1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
MH1に移る。この際MH2では吸熱が起り、MH1
ではTH度の発熱を生ずる。この場合TH>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、MH1′とMH2′を連通する配管の
弁2′を開き、MH1で発生した熱を、熱輸送手段
5によつてMH1′の加熱に用いると、MH1′の水
素はMH2′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
MH1′の平衡温度TM′(A′点の温度)はTHより低
くしなければならい。
このようにしてMH1′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′によつて大気に捨てる。
次に弁2′を閉じ、熱源6(TM度)により
MH2′を加熱すると圧力はPHに上昇する。ここ
で弁2′を開けばMH1′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
温度TH′の熱がえられる。TH′−TMは一段の場
合の温度差TH−TMの2倍近い値がえられる。
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
ポンプ装置を試作し、その評価を行なつた結果に
ついて述べる。MH1として Ti0.35Zr0.65Mn1.2Cr0.6Co0.2,MH2,MH2′とし
て Ti0.6Zr0.4Mn0.4Cr0.4Cu0.2,MH1′として Ti0.33Zr0.67Mn1.4Cr0.4Cu0.2 のTi−Mn系合金を約10Kg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30度、として第1段の第2種ヒート
ポンプの出力温度として114度がえられた。さら
にこの熱源により加熱された第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を得た。
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PH,PLは同一となつている。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く
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金属又はその
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ツトなども有し
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種ヒートポンプ装置の成
績係数は次式で与えられる。
COP0=1/1/COP1+1/COP2−1 こゝにCOP1,COP2はそれぞれ第1および第2
のヒートポンプサイクル、COP0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。
COP0=1/1/COP1+1/COP2+1/COP3−2 1つの第2種ヒートポンプサイクルの成績係数
は最高0.5で、実際には0.4,0.3といつた値とな
る。従つて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0.25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ほゞ同一であるが、
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。
こ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種ヒ
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
一実施例の2段第2種ヒートポンプ装置の構成
図、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。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 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
    の高い低温側吸脱着反応媒体を熱源により加熱
    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
    加熱温度より高くし、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ほゞ同一とした間欠作動式多
    段第2種ヒートポンプ装置。 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
    力を、それぞれ、ほぼ同一になるようにした特許
    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。 3 各ヒートポンプサイクルの低温側吸脱着反応
    媒体に、ほ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 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
    に金属水素化物を形成しうる金属又はその合金を
    用い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。
JP6880784A 1983-07-08 1984-04-05 間欠作動式多段第2種ヒ−トポンプ装置 Granted JPS60211272A (ja)

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JP6880784A JPS60211272A (ja) 1984-04-05 1984-04-05 間欠作動式多段第2種ヒ−トポンプ装置
EP84107926A EP0131869B1 (en) 1983-07-08 1984-07-06 Thermal system based on thermally coupled intermittent absorption heat pump cycles
DE8484107926T DE3474338D1 (en) 1983-07-08 1984-07-06 Thermal system based on thermally coupled intermittent absorption heat pump cycles
US06/629,072 US4623018A (en) 1983-07-08 1984-07-09 Thermal system based on thermally coupled intermittent absorption heat pump cycles

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JPS60211272A JPS60211272A (ja) 1985-10-23
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH067030B2 (ja) * 1985-12-03 1994-01-26 東京高圧株式会社 正逆相互駆動式加熱冷蔵方法および装置

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JPS60211272A (ja) 1985-10-23

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