JPS638394B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はヒートポンプ装置の駆動方法に関し、
詳しくは、熱媒温度の変動にかかわらずに、金属
水素化物を用いるヒートポンプ装置を高い成績係
数、高い出力で作動させることができるヒートポ
ンプ装置の駆動方法に関する。 ある種の金属や合金が発熱的に水素を吸蔵して
金属水素化物を形成し、また、この金属水素化物
を可逆的に吸熱的に水素を放出することが知られ
ており、近年、これらの金属水素化物の特性を利
用したヒートポンプ装置が種々提案されている。 従来、提案されているヒートポンプ装置の多く
は、水素の平衡分解圧の異なる金属水素化物をそ
れぞれ熱交換器をなす一対の密閉容器に充填する
と共に、これら密閉容器を水素流通管にて接続し
て作動対を構成し、各密閉容器を一定時間にわた
つて一定の温度の熱媒にて加熱又は冷却すること
により、作動対の一方の密閉容器内の金属水素化
物から吸熱的に水素を放出させ、この水素を水素
流通管を経て他方の密閉容器に導き、この密閉容
器内の金属水素化物に発熱的に吸蔵させる反応を
交互に行なつて、金属水素化物の発熱又は吸熱に
基づく温熱は冷熱を出力として取り出している。 即ち、従来のヒートポンプ装置においては、一
定温度の熱媒にて金属水素化物を所定の温度に加
熱又は冷却することにより、作動対をなす密閉容
器内の金属水素化物に所定の水素平衡分解圧差を
生ぜしめ、かくして、予め定めた反応時間内に所
要量の水素を放出又は吸蔵させている。 従つて、このような駆動方法によれば、熱媒の
温度が変動して、作動対をなす密閉容器内の金属
水素化物の水素平衡分解圧差が予め設定した差圧
よりも大きくなれば、金属水素化物が所要量の水
素を放出又は吸蔵するに要する時間は予め設定し
た時間よりも短くてすみ、余分の時間には金属水
素化物は何ら反応しないから、出力を得ることが
できない。他方、上記水素平衡分解圧差が設定値
よりも小さくなれば、反応は予め設定された時間
内に完了せず、金属水素化物の放出吸蔵反応が不
十分なままに次の工程に移行するために、装置の
出力、成績係数共に低下する。特に、熱源熱媒と
して太陽熱や工場排熱を用いる場合には、これら
の熱源の温度変動が著しい。 本発明は上記した問題を解決するためになされ
たものであつて、熱媒熱源の温度が変動しても高
成績係数、高出力にてヒートポンプ装置を駆動す
る方法を提供することを目的とする。 本発明は、金属水素化物を熱媒にて加熱又は冷
却して、第１の金属水素化物から吸熱的に水素を
放出させ、この水素を作動温度領域において水素
平衡分解圧が第１の金属水素化物よりも高い第２
の金属水素化物に発熱的に吸蔵させる第１の反応
と、次いで、第２の金属水素化物から水素を吸熱
的に放出させ、この水素を第１の金属水素化物に
発熱的に吸蔵させる第２の反応とを行なわせるヒ
ートポンプ装置の駆動方法において、第１及び／
又は第２の反応を行なわせるための時間を、その
反応における第１と第２の金属水素化物の温度差
に基づく水素平衡分解圧差に応じて、予め定めた
所要量の水素の放出吸蔵反応を行なわせるに足る
最短の時間に設定することを特徴とする。 以下に図面に基づいて本発明のヒートポンプ装
置の駆動方法を説明する。 第１図は金属水素化物を用いるヒートポンプ装
置の一例を示す概念図であつて、熱交換器を兼ね
る第１の密閉容器１には第１の金属水素化物（以
下、MH１と称する。）が充填され、このMH１
を加熱又は冷却するための熱媒を流通させるため
の熱媒管２及び３が相互に切換え可能に容器に接
続されている。同様に、熱交換器を兼ねる第２の
密閉容器４には第２の金属水素化物（以下、MH
２と称する。）が充填されていると共に、この容
器にも相互に切換え可能に熱媒管５及び６が接続
されている。MH２は作動温度領域でMH１より
もその水素平衡分解圧が高いように選ばれる。ま
た、第１と第２の密閉容器は水素流通管７にて接
続されており、必要に応じてこの水素流通管には
水素の流通を制御するための弁８が設けられる。 第２図は上記のヒートポンプ装置の作動を説明
するためのサイクル線図の一例を示し、横軸は絶
対温度Ｔの逆数、縦軸は金属水素化物の水素平衡
分解圧Ｐの対数を示す。例えば、この右回りサイ
クルによつて冷熱出力を得る場合について説明す
ると、第１の密閉容器内のMH１を高温熱媒にて
温度Taに加熱し、MH２を中温熱媒にて温度Tb
に保つて、MH１の水素平衡分解圧がMH２のそ
れよりも高くすることにより、MH１から吸熱的
に水素を放出させ（点Ａ）、この水素を水素流通
管を経て第２の密閉容器に導き、MH２に発熱的
に吸蔵させる（点Ｂ）。以下、MH１からMH２
に水素が移動するこの反応を第１の反応という
が、右回りサイクルでは高圧側反応として行なわ
れる。 次いで、各密閉容器の熱媒管を切り換えて、第
１の密閉容器内のMH１を中温熱媒にて温度Tc
に冷却し、第２の密閉容器内のMH２を低温熱媒
にて温度Tdに冷却し、MH２の水素平衡分解圧
をMH１のそれよりも高くすることにより、MH
２から吸熱的に水素を放出させ（点Ｄ）、この水
素をMH１に発熱的に吸蔵させる（点Ｃ）。ここ
に、温度Tdの低温熱媒から冷熱を出力として得
ることができる。以下、MH２からMH１への水
素移動を伴う反応を第２の反応というが、右回り
サイクルではこの反応は低圧側反応として行なわ
れる。 この後、再びMH１を温度Taに、MH２を温
度Tbに戻すことにより１サイクルが完了する。 上記のサイクルにおいて、第１及び第２のいず
れの反応も、MH１とMH２との間の水素平衡分
解圧差が大きいほど速やかに進行する。従つて、
本発明の方法は、 (a) 高圧側反応のための時間を温度TaとTbとの
温度差に基づくMH１とMH２との間の水素平
衡分解圧の差圧に応じて、予め定めた所要量の
水素の放出吸蔵が行なわれるに足る最短の時間
に設定する、 (b) 低圧側反応のための時間を温度TcとTdとの
温度差に基づくMH１とMH２との間の水素平
衡分解圧の差圧に応じて、予め定めた所要量の
水素の放出吸蔵が行なわれるに足る最短の時間
に設定する、 の少なくとも一方を採用することにより、高圧側
反応及び／又は低圧側反応の時間を制御するので
ある。 尚、上記の各温度としては、熱媒の温度のほ
か、密閉容器の壁面の温度、密閉容器内の金属水
素化物の温度、熱媒管の管壁の温度等を用いるこ
とができ、これら温度を適宜手段によつて検出
し、反応に関与する金属水素化物の温度差に基づ
いてその金属水素化物の水素平衡分解圧の差圧を
求め、この差圧からMH１とMH２の間の水素の
放出吸蔵に要する反応時間の最短値を反応時間と
して設定して、ヒートポンプ装置を駆動するので
ある。 第３図はヒートポンプ装置を作動させるための
左回りサイクルを示し、前記右回りサイクルにお
ける第１の反応が低圧側での反応として、また、
第２の反応が高圧側での反応として行なわれる以
外は右回りサイクルと同じであり、例えば、中温
Tb及びTcの熱媒を熱源として温度Taの高温出
力を得ることができる。 従つて、本発明の方法によれば、このサイクル
においても、高圧側反応及び低圧側反応の少なく
とも一方において、前記と同様に、温度差に基づ
くMH１とMH２との間の水素平衡分解圧の差圧
に応じて、反応時間を予め定めた所要量の水素の
放出吸蔵が行なわれるに足る最短の時間に設定す
るのである。即ち、第２図及び第３図において、
第１の反応によつて制御する場合は、第１と第２
の金属水素化物の温度差が大きいほど反応時間を
短くし、第２の反応によつて制御する場合は、第
１と第２の金属水素化物の温度差が小さいほど反
応時間を短くするように設定する。 尚、第１図に示したように一対の作動対を用い
る所謂２ボンベ型ヒートポンプ装置においては、
高圧側反応及び低圧側反応の両方の反応時間を上
記のようにして設定するのが好ましいが、作動対
を２対用いる４ボンベ型装置では、一方の作動対
に対して他方の作動対を半サイクル遅れで作動さ
せるので、高圧側又は低圧側反応の一方のみで上
記制御をすることもある。 以下に本発明の方法を数値により具体的に説明
する。 第４図は前記右回りサイクルにおいて、MH１
としてLaNi₄，₈₅，Al₀，₁₅を、MH２として
LaNi₅，₆を用いた場合の低圧側反応において、金
属水素化物が理論量の80％の水素を放出吸蔵する
（△Ｈ／Ｍ＝0.8）に要する反応時間と、金属水素
化物の温度TcとTdとの温度差（△Ｔ）との関係
を示し、例えば、温度差が５℃のときは反応時間
は約３分であり、温度差が20℃のときは反応時間
は約14分である。 そこで、４ボンベ型ヒートポンプ装置を用い、
各作動対をなす各密閉容器に上記金属水素化物を
それぞれ16Kg充填し、中温熱媒温度を30℃に保
ち、第１表に示すように、MH１とMH２との間
の温度差に基づく水素平衡分解圧の差圧に応じて
反応時間を設定して、低温熱媒を30℃から８℃ま
で第２図による右回りサイクルによつて冷却し
た。結果の一例を第２表に示す。併せて、反応時
間を７分又は９分に固定して装置を駆動した場合
の結果も第２表に示す。

【表】

【表】 本発明の方法によれば、反応に関与する金属水
素化物の温度差に応じて反応時間を最短とするよ
うに選ぶので、装置の成績係数及び出力が共に改
善されることが明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は金属水素化物を用いるヒートポンプ装
置の一例を示す概念図、第２図及び第３図はヒー
トポンプ装置の作動を説明するためのサイクル線
図、第４図は金属水素化物の温度差と低圧側反応
における反応時間との関係を示すグラフである。 １……第１の密閉容器、２，３……熱媒管、４
……第２の密閉容器、５，６……熱媒管、７……
水素流通管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 金属水素化物を熱媒にて加熱又は冷却して、
   第１の金属水素化物から吸熱的に水素を放出さ
   せ、この水素を作動温度領域において水素平衡分
   解圧が第１の金属水素化物よりも高い第２の金属
   水素化物に発熱的に吸蔵させる第１の反応と、次
   いで、第２の金属水素化物から水素を吸熱的に放
   出させ、この水素を第１の金属水素化物に発熱的
   に吸蔵させる第２の反応とを行なわせるヒートポ
   ンプ装置の駆動方法において、第１及び／又は第
   ２の反応を行なわせるための時間を、その反応に
   おける第１と第２の金属水素化物の温度差に基づ
   く水素平衡分解圧差に応じて、予め定めた所要量
   の水素の放出吸蔵反応を行なわせるに足る最短の
   時間に設定することを特徴とするヒートポンプ装
   置の駆動方法。