KR20200018596A - 발열 장치 및 발열 방법 - Google Patents

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Abstract

과잉열을 발할 수 있는 발열 장치 및 발열 방법을 제안한다. 발열 장치에서는, 수소계 가스 도입로로부터 용기 내부에 수소계 가스를 도입하고, 발열체(5)에 수소를 흡장시킨 후, 히터에 의해 발열체(5)를 가열함과 함께, 진공 흡인하도록 하였다. 이에 의해, 발열 장치에서는, 제1 층(23) 및 제2 층(24) 사이의 이종 물질 계면(26)을, 수소가 양자 확산에 의해 투과함으로써, 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시킬 수 있었다. 이렇게 하여, 발열 장치는, 다층막(25)의 제1 층(23) 및 제2 층(24)에 수소를 투과시킴으로써, 과잉열을 발할 수 있다.

Description

발열 장치 및 발열 방법
본 발명은, 발열 장치 및 발열 방법에 관한 것이다.
근년, 팔라듐 합금 등의 수소 흡장 합금을 이용하여 열을 발생시키는 발열 현상에 대하여 주목이 집중되고 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조). 수소 흡장 금속이나 수소 흡장 합금 등을 이용한 발열 현상에 대하여 제어할 수 있으면, 유효한 열원으로서 이용하는 것도 가능하다. 그리고, 근년에는, 환경 문제의 관점에서, 수소 사회의 도래가 기대되고 있으며, 안전하고, 높은 에너지 밀도의 수소 에너지를 얻는 것도 요망되고 있다.
그러나, 현 상황에서는 입력 전력에 비해서 과잉열이 수％ 내지 수십％ 정도로 적은 데다, 발생하는 열량의 절댓값이 부족하다. 그 때문에, 과잉열을 발하는, 종래에 없던 새로운 발열 장치나 발열 방법에 대하여 개발이 요망되고 있다.
그래서, 본 발명은 이상의 점을 고려하여 이루어진 것으로, 과잉열을 발할 수 있는 발열 장치 및 발열 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명의 발열 장치는, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기 내부에 도입되는 용기와, 상기 용기 내부에 마련된 발열체와, 상기 발열체를 가열하는 히터를 구비하고, 상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대와, 상기 받침대의 표면에 형성된 다층막을 구비하고, 상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층과, 상기 제1 층과는 이종(異種)의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층이 적층된 구성을 갖는다.
또한, 본 발명의 발열 장치는, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기 내부에 도입되는 용기와, 상기 용기 내부에 마련되고, 발열체와 상기 발열체를 가열하는 히터를 갖는 복수의 발열 구조체를 구비하고, 상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대와, 상기 받침대의 표면에 형성된 다층막을 구비하고, 상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층과, 상기 제1 층과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층이 적층된 구성을 갖는다.
또한, 본 발명의 발열 방법은, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대의 표면에 다층막을 구비하고, 상기 다층막이, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층과, 상기 제1 층과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층이 적층된 구성을 갖는 발열체를 준비하는 준비 공정과, 상기 발열체가 용기 내부에 설치된 용기를 준비하는 준비 공정과, 발열에 기여하는 수소계 가스를 상기 용기 내부에 도입하고, 상기 발열체에 수소를 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 상기 수소를 흡장시킨 상기 발열체를 가열함으로써, 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시키는 가열 공정을 구비한다.
본 발명에 따르면, 다층막의 제1 층 및 제2 층에 수소를 투과시킴으로써, 과잉열을 발할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 의한 발열 장치의 구성을 나타내는 개략도다.
도 2는, 발열 구조체의 구성을 나타내는 분해도다.
도 3의 A는, 발열체의 단면 구성을 나타내는 단면도며, 도 3의 B는, 다층막에 있어서 발생하는 과잉열의 설명에 이용되는 개략도다.
도 4는, Ni판 단체에서의 입력 전력과 히터 온도의 관계를 나타낸 그래프다.
도 5는, 검증 시험에 사용한 실시예 1의 발열체의 단면 구성을 나타내는 단면도다.
도 6은, 검증 시험을 행했을 때의 입력 전력과 히터 온도와 수소 도입 압력의 추이를 나타낸 그래프다.
도 7의 A는, 실시예 1에 있어서의 과잉열의 추이를 나타내는 그래프이며, 도 7의 B는, 실시예 1에 있어서의 과잉열의 온도 의존성을 나타내는 그래프다.
도 8은, 도 7의 B의 일부를 추출한 그래프다.
도 9의 A는, 제3 층을 마련한 발열체의 구성을 나타내는 단면도며, 도 9의 B는, 제3 층 및 제4 층을 마련한 발열체의 구성을 나타내는 단면도다.
도 10의 A는, 실시예 2의 발열체의 단면 구성을 나타내는 단면도며, 도 10의 B는, 도 10의 A의 발열체를 사용한 측정 결과로부터 산출한 과잉열의 온도 의존성을 나타내는 그래프다.
도 11의 A는, 실시예 3의 발열체의 단면 구성을 나타내는 단면도며, 도 11의 B는, 도 11의 A의 발열체를 사용한 측정 결과로부터 산출한 과잉열의 온도 의존성을 나타내는 그래프다.
도 12의 A는, 실시예 4의 발열체의 단면 구성을 나타내는 단면도며, 도 12의 B는, 도 12의 A의 발열체를 사용한 측정 결과로부터 산출한 과잉열의 온도 의존성을 나타내는 그래프다.
도 13의 A는, 실시예 5의 발열체의 단면 구성을 나타내는 단면도며, 도 13의 B는, 도 13의 A의 발열체를 사용한 측정 결과로부터 산출한 과잉열의 온도 의존성을 나타내는 그래프다.
도 14는, 과잉열의 온도 의존성에 대하여 정리한 그래프다.
도 15는, 투과형 발열 장치의 구성을 나타내는 개략도다.
도 16의 A는, 투과형 발열체의 구성을 나타내는 개략도며, 도 16의 B는, 발열체의 수평 단면 구성을 나타내는 단면도다.
도 17은, 발열체의 단면 구성을 나타내는 단면도다.
도 18은, 전해액을 사용한 발열 장치의 구성을 나타내는 개략도다.
도 19는, 다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계를 나타내는 그래프다.
도 20은, 다층막의 적층수와 과잉열의 관계를 나타내는 그래프다.
도 21은, 다층막의 재료와 과잉열의 관계를 나타내는 그래프다.
도 22는, 발열 모듈의 구성을 나타내는 개략도다.
도 23은, 발열 모듈에 사용한 발열 구조체의 구성을 나타내는 분해도다.
도 24는, 발열 모듈을 사용한 발열 장치의 구성을 나타내는 개략도다.
도 25는, 발열 모듈을 사용한 발열 장치의 주요부의 구성을 나타내는 확대 분해도다.
도 26은, 발열 모듈을 사용한 발열 장치에 있어서의 입력 전력 저감 효과의 검증 시험의 결과를 나타내는 그래프다.
이하 도면에 기초하여 본 발명의 실시 형태를 상세히 설명한다.
(1) 본 발명의 발열 장치의 전체 구성
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 발열 장치(1)는, 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기 내부에 도입되는 용기(2)를 갖고 있으며, 히터 내장형 발열 구조체(3)가 용기 내부에 마련된 구성을 갖는다. 발열 장치(1)는, 수소계 가스가 용기 내부에 도입된 후에, 발열 구조체(3)에 있어서 발열체(5)(후술함)가 히터(도시 생략)로 가열됨으로써, 당해 발열체(5)에서 가열 온도 이상의 과잉열을 발하는 것이다. 용기 내부에 도입되는 수소계 가스로서는, 중수소 가스 및/또는 천연 수소 가스를 적용할 수 있다. 또한, 천연 수소 가스란, 경수소 가스가 99.985％ 이상 포함되어 있는 수소계 가스를 의미한다.
용기(2)는, 예를 들어 스테인리스(SUS306이나 SUS316) 등으로 형성되어 있으며, 용기 내부를 밀폐 공간으로 할 수 있다. 또한, 2a는, 코바르 유리 등의 투명 부재로 형성된 창부이며, 용기(2) 내의 밀봉 상태를 유지하면서, 용기(2) 내의 모습을 작업자가 직접 눈으로 보아 확인할 수 있도록 되어 있다. 용기(2)에는, 수소계 가스 도입로(16)가 마련되어 있으며, 당해 수소계 가스 도입로(16)로부터 조정 밸브(17a, 17b)를 통해 용기 내부에 수소계 가스가 도입된다. 그 후, 용기(2)는, 조정 밸브(17a, 17b)에 의해 수소계 가스 도입로(16)로부터의 수소계 가스의 도입이 정지되고, 용기 내부에 일정량의 수소계 가스가 저류된다. 또한, 19는 드라이 펌프이며, 필요에 따라서 배기 경로(18) 및 조정 밸브(17c)를 통해 용기(2) 내의 가스를 용기(2) 밖으로 배출하여, 진공 배기나 압력 조정 등을 행할 수 있다.
용기(2)에는, 복수의 온도 측정부(11a, 11b, 12a, 12b, 12c)가 내부의 소정 위치에 마련되어 있다. 이 실시 형태의 경우, 온도 측정부(11a, 11b)는, 용기(2)의 내벽을 따라 마련되어 있으며, 당해 내벽의 온도를 측정할 수 있다. 다른 온도 측정부(12a, 12b, 12c)는, 발열 구조체(3)에 있어서 발열체(5)를 유지하는 홀더(4)에 마련되어 있으며, 당해 홀더(4)에 있어서의 온도를 측정할 수 있다. 또한, 온도 측정부(12a, 12b, 12c)는, 각각 길이가 상이하며, 예를 들어 홀더(4)에 있어서, 발열체(5)에 가까운 하단, 발열체(5)로부터 이격된 상단, 하단 및 상단의 중간에 있는 중단의 각 부위의 온도를 측정할 수 있다.
홀더(4)에는, 발열체(5)가 배치된 영역 내부에, 열전대를 내장한 히터(후술함)를 구비하고 있다. 히터는, 외부의 가열 전원(13)에 배선(10a, 10b)을 통해 접속되어 있으며, 발열체(5)를 소정 온도로 가열함과 함께, 열전대에 의해 온도 측정을 행할 수 있다. 14는, 배선(10a, 10b)에 마련된 전류 전압계이며, 히터를 가열할 때 당해 히터에 대해서 인가하는 입력 전류·입력 전력을 측정할 수 있다. 히터에 의해 발열체(5)를 가열할 때의 가열 온도는, 발열체(5)를 구성하는 수소 흡장 금속의 종류에 따라 달라지지만, 적어도 300℃ 이상, 바람직하게는 500℃ 이상, 더욱 바람직하게는 600℃ 이상이면 바람직하다.
(2) 발열 구조체의 구성
다음으로 발열 구조체(3)에 대하여 설명한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 발열 구조체(3)는, 한 쌍의 홀더 반체(4a, 4b)로 구성된 홀더(4)를 갖고 있으며, 발열체(5)와 기판(7)과 히터(6)가 홀더 반체(4a, 4b)에 의해 집힌 구성을 갖는다. 히터(6)는, 예를 들어 판형의 세라믹 히터이며, 외곽이 4변형으로 형성되어 있다. 히터(6)에 접속된 복수의 배선(10a, 10b)(도 1에서는 2개 나타내었지만, 도 2에서는 4개 나타내고 있음)은, 홀더 반체(4a, 4b)에 형성된 홈부(도시 생략) 내에 배치되고, 홀더 반체(4a, 4b)에 의해 집힌다.
히터(6)에는, 내부에 열전대(도시 생략)가 마련되어 있으며, 당해 열전대에 의해 온도를 측정할 수 있다. 히터(6)는, 대향하는 평면에, 예를 들어 SiO2 등으로 이루어지는 기판(7)이 각각 마련되어 있으며, 또한, 이들 기판(7) 표면에 판형의 발열체(5)가 각각 마련되어 있다. 이에 의해, 발열 구조체(3)는, 히터(6)가 기판(7)을 사이에 두고 발열체(5)의 사이에 집힌 구성을 갖는다. 또한, 기판(7) 및 발열체(5)는, 히터(6)의 외곽과 동일한 외곽에 형성되어 있으며, 기판(7) 및 발열체(5)를 히터(6)에 중첩시킬 때에는, 히터(6), 기판(7) 및 발열체(5)의 외곽이 일치하여 일체화할 수 있다.
한쪽 홀더 반체(4a)는, 세라믹스에 의해 직사각형으로 형성되어 있으며, 소정 위치에 개구부(9a)가 형성되어 있다. 한쪽 홀더 반체(4a)에서는, 개구부(9a)에 발열체(5)가 배치되고, 당해 개구부(9a)의 영역으로부터 당해 발열체(5)를 노출시킨다. 다른 쪽 홀더 반체(4b)는, 한쪽 홀더 반체(4a)와 마찬가지로, 세라믹스에 의해 긴 직사각형으로 형성되어 있다. 다른 쪽 홀더 반체(4b)에는, 한쪽 홀더 반체(4a)와 겹쳐 일체화할 때, 한쪽 홀더 반체(4a)의 개구부(9a)와 겹치는 위치에 개구부(9b)가 마련되어 있다.
다른 쪽 홀더 반체(4b)에는, 한쪽 홀더 반체(4a)와 맞닿는 맞닿음면(9d)의 개구부(9b) 주연에 단차부(9c)가 마련되어 있다. 단차부(9c)에는, 발열체(5)와 기판(7)과 히터(6)가 끼워 넣어져 위치 결정된다. 이에 의해, 다른 쪽 홀더 반체(4b)에서는, 단차부(9c)에 발열체(5)가 끼워 넣어짐으로써, 개구부(9b)에 발열체(5)가 배치되고, 당해 개구부(9b)의 영역으로부터 당해 발열체(5)가 노출된다. 단차부(9c)에 끼워 넣어진 발열체(5)와 기판(7)과 히터(6)는, 홀더 반체(4a, 4b)끼리를 중첩시킬 때, 한쪽 홀더 반체(4a)에 있어서의 개구부(9a) 주연의 맞닿음면에 의해 억제되어, 당해 단차부(9c) 내에 수용되고, 홀더(4)에 내장된다.
(3) 발열체에 대하여
다음으로, 발열체(5)에 대하여 설명한다. 도 3의 A에 도시한 바와 같이, 발열체(5)는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대(22)를 갖고, 받침대(22)의 표면에 다층막(25)이 마련된 구성을 갖는다. 받침대(22)는, 표면에 다층막(25)이 성막되어 있으며, 당해 다층막(25)을 지지할 수 있다. 받침대(22)로 되는 수소 흡장 금속으로서는, Ni, Pd, V, Nb, Ta, Ti를 적용할 수 있으며, 또한, 받침대(22)로 되는 수소 흡장 합금으로서는, LaNi5, CaCu5, MgZn2, ZrNi2, ZrCr2, TiFe, TiCo, Mg2Ni, Mg2Cu를 적용할 수 있다. 프로톤 도전체로서는, 예를 들어 BaCeO3계(예를 들어 Ba(Ce0.95Y0.05)O3-6), SrCeO3계(예를 들어 Sr(Ce0.95Y0.05)O3-6), CaZrO3계(예를 들어 CaZr0.95Y0.05O3-α), SrZrO3계(예를 들어 SrZr0.9Y0.1O3-α), β Al2O3, β Ga2O3을 적용할 수 있다.
다층막(25)은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지는 제1 층(23)과, 제1 층(23)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스로 이루어지는 제2 층(24)이 교대로 적층되어 있으며, 제1 층(23)과 제2 층(24)의 사이에 이종 물질 계면을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 층(23)으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들 합금 중 어느 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제1 층(23)의 합금으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금이어도 되지만, 특히 바람직하게는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상으로 이루어지는 합금이면 바람직하다.
제2 층(24)은, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC 중 어느 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제2 층(24)의 합금으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금이어도 되지만, 특히 바람직하게는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상으로 이루어지는 합금이면 바람직하다.
특히, 제1 층(23)과 제2 층(24)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층(23)-제2 층(24)(제2 층(24)-제1 층(23))」으로 하여 표시하면, Pd-Ni, Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Fe, Ni-Mg, Ni-Co인 것이 바람직하다. 또한, 제2 층(24)을 세라믹스로 했을 때에는, 「제1 층(23)-제2 층(24)」이 Ni-SiC인 것이 바람직하다. 또한, 여기에서는, 제1 층(23) 및 제2 층(24)으로 이루어지는 다층막(25)에 대하여 설명하고, 또한, 제3 층 및 제4 층을 마련한, 기타 형태의 다층막에 대해서는 후술한다.
제1 층(23) 및 제2 층(24)은, 벌크의 특성을 나타내지 않는 나노 구조를 유지하는 것이 바람직하기 때문에, 제1 층(23) 및 제2 층(24)의 두께는 1000㎚ 미만이 바람직하다. 또한, 완전히 벌크의 특성을 나타내지 않는 나노 구조를 유지하기 위해서, 제1 층(23) 및 제2 층(24)의 두께는, 500㎚ 미만인 것이, 보다 바람직하다.
발열체(5)는, 제1 층(23) 및 제2 층(24)이 나노 사이즈(1000㎚ 미만)의 막 두께로 되고, 이들 제1 층(23) 및 제2 층(24)이 교대로 성막된 구성으로 함으로써, 도 3의 A에 도시한 바와 같이, 제1 층(23) 및 제2 층(24) 사이의 각 이종 물질 계면(26)에 수소(수소 원자)를 투과시킨다. 여기서, 도 3의 B는, 예를 들어 면심 입방 구조의 수소 흡장 금속으로 이루어지는 제1 층(23) 및 제2 층(24)에 수소를 흡장시킨 후, 제1 층(23) 및 제2 층(24)을 가열했을 때, 제1 층(23)에 있어서의 금속 격자 내의 수소가, 이종 물질 계면(26)을 투과하여 제2 층(24)의 금속 격자 내로 이동하는 모습을 나타낸 개략도다.
발열체(5)에서는, 용기 내부에 수소계 가스가 도입됨으로써, 다층막(25) 및 받침대(22)에 의해 수소(중수소 또는 경수소)를 흡장한다. 발열체(5)에서는, 용기 내부로의 수소계 가스의 도입이 정지되어도, 다층막(25) 및 받침대(22)에서 수소를 흡장한 상태를 유지할 수 있다. 발열체(5)에서는, 히터(6)에 의한 가열이 개시되면, 다층막(25) 및 받침대(22)에 흡장되어 있는 수소가 방출되고, 다층막(25) 내를 호핑하면서 양자 확산한다.
수소는 가볍고, 어떤 물질 A와 물질 B의 수소가 차지하는 사이트(옥타헤드랄이나 테트라헤드랄사이트)를 호핑하면서 양자 확산해 간다는 사실이 알려져 있다. 발열체(5)에서는, 진공 상태에서 히터(6)에 의한 가열이 행해짐으로써, 제1 층(23) 및 제2 층(24) 사이의 이종 물질 계면(26)을, 수소가 양자 확산에 의해 투과하거나, 혹은 이종 물질 계면(26)을 수소가 확산하여, 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시킬 수 있다. 제1 층(23) 및 제2 층(24) 사이에는, 제조 시에 제1 층(23) 및 제2 층(24)이 진공 상태에서 연속적으로 성막되어, 자연 산화막이 형성되지 않고 이종 물질 계면(26)만이 형성되는 것이 바람직하다.
이 실시 형태에서는, 제1 층(23) 및 제2 층(24)을 복수층 마련하고, 이들 제1 층(23) 및 제2 층(24)을 교대로 적층시켜 가서 둘 이상의 이종 물질 계면(26)을 갖도록 한 경우에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 제1 층(23) 및 제2 층(24)이 적어도 1층씩 마련되고, 이종 물질 계면(26)을 하나 이상 갖고 있으면 된다.
도 3의 A 및 도 3의 B에 도시한 발열체(5)는 이하와 같이 하여 제조할 수 있다. 우선, 판형의 받침대(22)를 준비한 후, 증착 장치를 사용하여, 제1 층(23)이나 제2 층(24)으로 되는 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 기상 상태로 하여, 응집이나 흡착에 의해 받침대(22) 위에, 제1 층(23) 및 제2 층(24)을 교대로 성막해 간다. 이에 의해 발열체(5)를 제조할 수 있다. 또한, 받침대(22)의 표면에는, 예를 들어 케미컬 에칭에 의해 요철을 형성하는 것이 바람직하다.
제1 층(23) 및 제2 층(24)을 성막하는 증착 장치로서는, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 물리적인 방법으로 증착시키는 물리 증착 장치를 적용할 수 있다. 물리 증착 장치로서는, 받침대(22) 위에, 스퍼터링에 의해 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 퇴적시켜 가는 스퍼터링 장치, 혹은 진공 증착 장치, CVD(Chemical Vapor Deposition) 장치가 바람직하다. 또한, 전기 도금법에 의해 받침대(22) 위에 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금을 석출시켜 가서, 제1 층(23) 및 제2 층(24)을 교대로 성막해 가도 된다.
(4) 검증 시험
(4-1) 비교예로 되는 Ni판
도 1에 도시한 발열 장치(1)를 제작하고, 발열체(5)에 있어서 가열 온도 이상의 과잉열이 발생하는지 여부에 대하여 검증 시험을 행하였다. 여기에서는, 우선 처음에, 발열체(5)에 있어서의 과잉열의 평가를 행하기 위해서, 발열체(5) 대신에 Ni판만을 사용하여, 히터(6)의 입력 전력과 발열 온도의 관계를 조사하였다. 구체적으로는, 도 2에 도시한 구성으로 하면서, 발열체(5) 대신에 Ni판(Ni 단체라고도 칭함)을 사용하여, 히터(6)의 양면에 각각 SiO2로 이루어지는 기판(7)을 통해 Ni판을 마련하고, 이들을 세라믹스의 홀더 반체(4a, 4b)로 집어, Ni판 구조체를 제작하였다.
히터(6)는, 사카구치덴네츠 가부시키가이샤 제조의 열전대 내장형(1000℃ 대응, 한 변이 25㎜인 정사각형) 마이크로 세라믹 히터(MS-1000R)를 사용하였다. 기판(7)은, 두께 0.3㎜이며, 히터(6)의 표면에 설치하였다. 또한, Ni판은, 기판(7)의 표면에 설치하였다. Ni판은, 히터(6)의 외곽에 맞춰서 형성되어 있으며, 종횡 25㎜, 두께 0.1㎜로 하였다.
도 1에 도시한 바와 같이, 스테인리스로 이루어지는 용기(2) 내에, 발열 구조체(3) 대신에, 상술한 Ni판 구조체를 마련하고, 수소계 가스를 용기 내부에 도입하지 않고, 밀폐 공간의 용기(2) 내에 있어서 히터(6)로 Ni판을 가열하였다. 그 때, 히터(6) 내의 열전대에 의해 온도를 측정하였다. 그리고, 도 4에 도시한 바와 같이, 다층막을 갖지 않는 단순한 Ni판을 히터(6)로 가열할 때 설정한 히터(6)의 입력 전력(W)과, 당해 입력 전력 시에 있어서의 Ni판의 온도(즉, 히터 온도(℃))의 관계를 나타낸 캘리브레이션 커브를, 최소 제곱법에 의해 제작하였다. 도 4 중, Y는 캘리브레이션 커브를 표시하는 함수를 나타내고, M0은 상수 항을 나타내고, M1은 1차 계수를 나타내고, M2는 2차 계수를 나타내며, R은 상관 계수를 나타낸다.
(4-2) Pd로 이루어지는 제1 층과 Ni로 이루어지는 제2 층으로 구성되는 다층막(실시예 1)
다음으로, 도 5에 도시한 바와 같이, Pd로 이루어지는 제1 층(27a)과, Ni로 이루어지는 제2 층(27b)을, Ni로 이루어지는 받침대(22a) 위에 교대로 적층해 가서, 다층막(25c)을 갖는 발열체(5c)를 제작하였다. 이어서, 이 발열체(5c)를 사용하여, 도 2에 도시한 바와 같은 발열 구조체(3)를 제작하였다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 용기(2) 내에, 이 발열 구조체(3)를 설치하여 과잉열의 발현 유무에 대하여 조사하였다.
발열체(5c)는, 하기와 같이 하여 제작하였다. 우선, 종횡 25㎜, 두께 0.1㎜로 구성되는 Ni의 받침대(22a)를 준비하였다. 스퍼터링 장치 내부에 받침대(22a)를 설치하고, Ar 가스와, Pd의 타깃을 사용하여 Pd의 제1 층(27a)을 성막하였다. 또한, Ni의 제2 층(27b)은, 스퍼터링 장치에 있어서, Ar 가스와, Ni의 타깃을 사용하여 성막하였다. 또한, 스퍼터링 장치는, 미라트론사 제조의 이온 소스를 사용하여 제작한 것이다.
처음에 받침대(22a) 위에 제1 층(27a)을 성막한 후, 제1 층(27a) 위에 제 2층(27b)을 성막하였다. 제1 층(27a)은 6층, 제2 층(27b)은 5층으로 하여, 제1 층(27a) 및 제2 층(27b)을 교대로 성막하였다. 제1 층(27a)은 두께 2㎚로 하고, 제2 층(27b)은 두께 20㎚로 하였다. 제1 층(27a) 및 제2 층(27b)은, 스퍼터링 장치에 있어서 진공 상태를 유지한 채 연속적으로 성막하였다. 이에 의해, 제1 층(27a) 및 제2 층(27b) 간에, 각각 자연 산화막을 형성하지 않고 이종 물질 계면을 제작하였다.
그리고, 발열체(5c)를 용기 내부에 마련한 발열 장치(1)에 있어서, 도 6에 도시한 바와 같이, 수소의 흡장과, 히터(6)에 의한 가열을 행하였다. 구체적으로는, 우선 처음에, 히터(6)에 의해 용기 내부를 가열하고, 36시간 정도 200℃ 이상에서 베이킹하여, 발열체(5c) 표면에 묻은 물 등을 날려버렸다. 이어서, 히터(6)에 의한 가열을 정지한 후, 천연 수소 가스(누마타산소사 제조 grade2 순도 99.999vol％ 이상)를 250Pa 정도로 용기 내부에 도입하고, 64시간 정도 발열체(5c)에 수소를 흡장시켰다.
다음으로, 천연 수소 가스의 용기 내부로의 도입을 정지한 후, 입력 전력 20W로 히터(6)에 의한 가열을 개시함과 함께, 진공 흡인을 개시하여, 히터(6)에 의한 가열 시의 온도를 측정(도 5 중, 「열 계측」)하였다. 또한, 온도의 계측은, 히터(6)에 내장한 열전대에 의해 행하였다. 이와 같이, 천연 수소 가스를 용기 내부로 도입하여 발열체(5c)에 수소를 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 히터(6)에 의해 발열체(5c)를 진공 상태에서 가열하는 가열 공정을 반복해서 행하였다. 그리고, 히터(6)에 내장한 열전대에 의해, 가열 공정 시에 있어서의 온도를 측정해 갔다.
히터(6)의 입력 전력은, 도 6에 도시한 바와 같이, 베이킹 시는 1W로 하고, 그 후, 수소 흡장 공정을 사이에 두고 20W, 20W, 10W, 10W, 16W, 5W, 24W, 25W, 20W로 하였다. 그리고, 각 입력 전력으로 가열을 행한 가열 공정 시에 있어서의 발열체(5c)의 온도를 측정하였다.
히터(6)의 입력 전력과, 측정한 온도를, 도 4에 도시한 블랭크 런(Ni 단체)의 캘리브레이션 커브와 비교하여, 도 4에 있어서의 입력 전력 시의 열보다도 과잉으로 발생하고 있는 열(과잉열)을 산출하였다. 구체적으로는, 우선, 발열체(5c)를 가열했을 때 히터(6)에 설정한 입력 전력을 기록하고, 이때의 발열체(5c)의 온도를, 히터(6)에 마련한 열전대에서 측정하였다(이하, 측정한 발열체의 온도를 측정 온도라고 칭함). 이어서, 도 4에 도시한 블랭크 런(Ni 단체)의 캘리브레이션 커브로부터, 측정 온도에 대응한 전력(이하, 환산 전력이라고 칭함)을 구하였다.
다음으로, 구한 환산 전력과, 발열체(5c)를 가열했을 때의 입력 전력의 차분을 산출하고, 이것을 과잉열의 전력으로 하였다. 그 결과, 도 7의 A에 도시한 바와 같은 결과를 얻었다. 또한, 도 7의 A에는, 히터(6)의 입력 전력을 5W로 하였을 때의 과잉열의 전력은 도시하지 않았다.
도 7의 A에서는, 경과 시간을 횡축에 나타내고, 과잉열의 전력을 종축에 나타내었다. 도 7의 A로부터, 다층막(25c)이 마련된 발열체(5c)에서는, Ni판일 때보다도 온도가 상승하고 있으며, 가열 온도 이상의 과잉열이 발해지고 있음이 확인되었다. 예를 들어, 히터(6)의 입력 전력을 25W로 하고, 발열체(5c)를 가열했을 때에 있어서의 과잉열의 전력은, 도 7의 A의 「EX1」이다. 히터(6)의 입력 전력을 25W로 했을 때에는, 3W 이상 4W 이하의 과잉열이 발하는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 과잉열의 온도 의존성에 대하여 조사한바, 도 7의 B 및 도 8에 도시한 바와 같은 결과가 얻어졌다. 도 7의 B 및 도 8에서는, 히터(6)에 내장된 열전대에 의해 측정한 온도(측정 온도)를 횡축에 나타내고, 과잉열의 전력을 종축에 나타내었다. 도 8은, 도 7의 B의 횡축을 바꾸고, 일부 데이터를 뺀 것이다. 도 7의 B 및 도 8로부터, 과잉열은, 온도와 정(正)의 상관이 있음이 확인되었다.
(5) 작용 및 효과
이상의 구성에 있어서, 발열 장치(1)에서는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대(22)와, 받침대(22)의 표면에 마련된 다층막(25)으로 이루어지는 발열체(5)를, 용기 내부에 마련하도록 하였다. 또한, 발열체(5)에는, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층(23)과, 제1 층(23)과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층(24)이 적층된 다층막(25)을 마련하였다.
발열 장치(1)에서는, 수소계 가스 도입로(16)로부터 용기 내부로 수소계 가스를 도입하여, 발열체(5)에 수소를 흡장시킨 후, 히터(6)에 의해 발열체(5)를 가열함과 함께, 진공화하도록 하였다. 이에 의해, 발열 장치(1)에서는, 제1 층(23) 및 제2 층(24) 사이의 이종 물질 계면(26)을, 수소가 양자 확산에 의해 투과함으로써, 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시킬 수 있었다(도 7의 A, 도 7의 B, 및 도 8). 이렇게 하여, 발열 장치(1)는, 다층막(25)의 제1 층(23) 및 제2 층(24)에 수소를 투과시킴으로써, 과잉열을 발할 수 있다.
(6) 다른 실시 형태의 다층막
상술한 실시 형태에 있어서는, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지는 제1 층(23)을 받침대(22)의 표면에 성막하고, 또한 제1 층(23)과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지는 제2 층(24)을 제1 층(23) 위에 성막한 구성으로 하였지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 제1 층(23) 및 제2 층(24)을 반대로 적층시켜도 된다. 즉, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지는 제2 층(24)을 받침대(22)의 표면에 성막하고, 제2 층(24)과는 이종의 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지는 제1 층(23)을 제2 층(24) 위에 성막한 구성으로 해도 된다.
(6-1) 제3 층을 마련한 발열체에 대하여
또한, 상술한 「(3) 발열체에 대하여」에서는, 제1 층(23) 및 제2 층(24)을 교대로 적층한 다층막(25)에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이것으로 한정되지 않고, 도 9의 A에 도시한 바와 같이, 제1 층(23) 및 제2 층(24)에다가, 이들 제1 층(23) 및 제2 층(24)과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지는 층 형상의 제3 층(24a)을 적층한 다층막으로 해도 된다. 제3 층(24a)으로서는, 제1 층(23) 및 제2 층(24)과 마찬가지로, 두께가 1000㎚ 미만으로 구성되는 것이 바람직하다.
이와 같은 제3 층(24a)을 마련한 발열체(5f)는, 받침대(22) 위에 제1 층(23), 제2 층(24), 제1 층(23), 및 제3 층(24a)의 순으로 적층하고, 제2 층(24) 및 제3 층(24a) 사이에 제1 층(23)을 개재시킨 적층 구성으로 하고, 이 4층의 적층 구성을 반복해서 마련한 구성을 갖는다. 이와 같은 구성에서도, 제1 층(23) 및 제2 층(24) 간의 이종 물질 계면이나, 제1 층(23) 및 제3 층(24a) 간의 이종 물질 계면을, 수소가 양자 확산에 의해 투과함으로써, 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 제3 층(24a)으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것이면 바람직하다. 제3 층(24a)의 합금으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금이어도 되지만, 특히 바람직하게는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상으로 이루어지는 합금이면 바람직하다. 이들 중 CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것으로 이루어지는 제3 층(24a)을 마련한 경우에는, 발열체(5f)에서의 수소의 흡장량이 증가되어, 이종 물질 계면을 투과하는 수소의 양을 증가할 수 있어, 그만큼, 높은 과잉열을 얻을 수 있다.
단, CaO, Y2O3, TiC는, 수소를 투과하기 어려운 점에서, 이들 CaO, Y2O3, TiC중 어느 것으로 이루어지는 제3 층(24a)에서는, 두께를 1000㎚ 미만, 특히 10㎚ 이하로 하여 극히 얇게 형성하는 것이 바람직하다. CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것으로 이루어지는 제3 층(24a)은, 완전한 막 형상으로 형성하지 않고, 아일랜드 형상으로 형성되어 있어도 된다. 또한, 제1 층(23) 및 제3 층(24a)도, 진공 상태를 유지한 채 연속적으로 성막하고, 제1 층(23) 및 제3 층(24a) 간에 자연 산화막을 형성하지 않고 이종 물질 계면을 제작하는 것이 바람직하다.
또한, 제3 층(24a)을 마련한 발열체(5f)로서는, 도 9의 A의 제2 층(24) 및 제3 층(24a)의 순번을 바꾸는 등, 제2 층(24) 및 제3 층(24a)을 임의의 순으로 적층하고, 또한, 제2 층(24) 및 제3 층(24a) 간에 제1 층(23)을 개재시킨 적층 구성으로 하여, 이 4층의 적층 구성을 반복해서 마련한 구성이어도 된다. 또한, 제3 층(24a)은, 발열체에 1층 이상 형성되어 있으면 된다.
특히, 제1 층(23), 제2 층(24) 및 제3 층(24a)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층-제3 층-제2 층」으로 하여 표시하면, Pd-CaO-Ni, Pd-Y2O3-Ni, Pd-TiC-Ni, Ni-CaO-Cu, Ni-Y2O3-Cu, Ni-TiC-Cu, Ni-CaO-Cr, Ni-Y2O3-Cr, Ni-TiC-Cr, Ni-CaO-Fe, Ni-Y2O3-Fe, Ni-TiC-Fe, Ni-CaO-Mg, Ni-Y2O3-Mg, Ni-TiC-Mg, Ni-CaO-Co, Ni-Y2O3-Co, Ni-TiC-Co, Ni-Cr-Fe, Ni-CaO-SiC, Ni-Y2O3-SiC, Ni-TiC-SiC이면 바람직하다.
(6-2) 제3 층 및 제4 층을 마련한 발열체에 대하여
또한, 그 밖의 다층막으로서는, 도 9의 B에 도시한 바와 같이, 제1 층(23), 제2 층(24) 및 제3 층(24a)에다가, 제1 층(23), 제2 층(24) 및 제3 층(24a)과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지는 층 형상의 제4 층(24b)이 더 적층된 구성으로 해도 된다. 제4 층(24b)은, 제1 층(23)이나 제2 층(24), 제3 층(24a)과 마찬가지로 두께가 1000㎚ 미만으로 구성되는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제4 층(24b)으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것이어도 된다. 제4 층(24b)의 합금으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금이어도 되지만, 특히 바람직하게는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상으로 이루어지는 합금이면 바람직하다.
제4 층(24b)을 마련한 발열체(5g)는, 제2 층(24), 제3 층(24a), 제4 층(24b)이 임의의 순으로 적층되고, 또한, 이들 제2 층(24), 제3 층(24a), 제4 층(24b)의 각각의 사이에 제1 층(23)이 마련된 적층 구성으로 하여, 이들 6층의 적층 구성이 반복해서 마련된 구성이 바람직하다. 즉, 도 9의 B에 도시한 바와 같은 제1 층(23), 제2 층(24), 제1 층(23), 제3 층(24a), 제1 층(23), 제4 층(24b)의 순이나, 그 밖에, 도시하지 않았지만, 제1 층(23), 제4 층(24b), 제1 층(23), 제3 층(24a), 제1 층(23), 제2 층(24)의 순 등으로 적층시킨 발열체이면 바람직하다. 또한, 제4 층(24b)은, 발열체에 1층 이상 형성되어 있으면 된다.
특히, 제1 층(23), 제2 층(24), 제3 층(24a), 및 제4 층(24b)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층-제4 층-제3 층-제2 층」으로 하여 표시하면, Ni-CaO-Cr-Fe, Ni-Y2O3-Cr-Fe, Ni-TiC-Cr-Fe이면 바람직하다.
CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것으로 이루어지는 제4 층(24b)을 마련한 경우, 발열체(5g)에서의 수소의 흡장량이 증가되고, 이종 물질 계면을 투과하는 수소의 양을 증가시킬 수 있어, 그만큼, 높은 과잉열을 얻을 수 있다. 이들 CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것으로 이루어지는 제4 층(24b)에서는, 두께를 1000㎚ 미만, 특히 10㎚ 이하로 하여 극히 얇게 형성하는 것이 바람직하다. CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것으로 이루어지는 제4 층(24b)은, 완전한 막 형상으로 형성되지 않고, 아일랜드 형상으로 형성되어 있어도 된다. 또한, 제1 층(23) 및 제4 층(24b)에서도, 진공 상태를 유지한 채 연속적으로 성막하여, 제1 층(23) 및 제4 층(24b) 간에 자연 산화막을 형성하지 않고 이종 물질 계면을 제작하는 것이 바람직하다.
(7) 다른 구성의 다층막을 사용한 검증 시험
여기에서는, 다양한 구성의 다층막을 구비한 발열체를 제작하고, 상술한 「(4) 검증 시험」과 마찬가지로, 도 1에 도시한 발열 장치(1)에 있어서 가열 온도 이상의 과잉열이 발생하는지 여부에 대하여 검증 시험을 행하였다.
(7-1) Pd로 이루어지는 제1 층이 Ni로 이루어지는 제2 층보다도 두꺼운 다층막(실시예 2)
도 10의 A에 도시한 바와 같이, Pd로 이루어지는 제1 층(27a)과, Ni로 이루어지는 제2 층(27b)을, Ni로 이루어지는 받침대(22a) 위에 교대로 적층해 가서, 다층막(25a)을 갖는 발열체(5a)를 제작하였다(이하, 실시예 2라고도 칭함). 상술한 도 5에 도시한 발열체(5c)에서는, 제1 층(27a)을 제2 층(27b)보다도 얇게 성막하였지만, 도 10의 A에 도시한 발열체(5a)에서는, 제1 층(27a)을 제2 층(27b)보다도 두껍게 성막하였다.
이어서, 이 발열체(5a)를 사용하여, 도 2에 도시한 바와 같은 발열 구조체(3)를 제작하였다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 용기(2) 내에, 이 발열 구조체(3)를 설치하여 과잉열의 발현 유무에 대하여 조사하였다. 발열체(5a)는, 하기와 같이 하여 제작하였다. 우선, 종횡 25㎜, 두께 0.1㎜로 구성되는 Ni의 받침대(22a)를 준비하여, 이것을 상술한 스퍼터링 장치 내부에 설치하였다. 스퍼터링 장치에서는, Ar 가스와, Pd의 타깃을 사용하여 Pd의 제1 층(27a)을 성막하고, Ar 가스와, Ni의 타깃을 사용하여 Ni의 제2 층(27b)을 성막하였다.
처음에 받침대(22a) 위에 제1 층(27a)을 성막한 후, 제1 층(27a) 위에 제 2층(27b)을 성막하였다. 제1 층(27a)은 6층, 제2 층(27b)은 5층으로 하고, 제1 층(27a) 및 제2 층(27b)을 교대로 성막하였다. 제1 층(27a)은 두께 20㎚로 하고, 제2 층(27b)은 두께 2㎚로 하였다. 제1 층(27a) 및 제2 층(27b)은, 스퍼터링 장치에 있어서 진공 상태를 유지한 채 연속적으로 성막하였다. 이에 의해, 제1 층(27a) 및 제2 층(27b) 간에, 각각 자연 산화막을 형성하지 않고 이종 물질 계면을 제작하였다.
발열체(5a)를 용기 내부에 마련한 발열 장치(1)에 있어서, 상술한 「(4-2) Pd로 이루어지는 제1 층과 Ni로 이루어지는 제2 층으로 구성되는 다층막(실시예 1)」과 마찬가지로, 도 6에 도시한 바와 같이, 수소의 흡장과, 히터(6)에 의한 가열을 행하였다. 그리고, 도 6에 따라서, 천연 수소 가스를 용기 내부로 도입하여 발열체(5a)에 수소를 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 히터(6)의 입력 전력을 바꿔 히터(6)에 의해 발열체(5a)를 진공 상태에서 가열하는 가열 공정을 반복해서 행하면서, 가열 공정 시에 설정한 입력 전력을 기록하고, 그때의 온도를 측정해갔다. 또한, 이 검증 시험에 있어서의 상세한 조건에 대해서는, 「(4) 검증 시험」과 동일하며, 여기서는 설명이 중복되기 때문에, 이하 그 설명은 생략한다.
도 4에 도시한 블랭크 런(Ni 단체)의 캘리브레이션 커브로부터, 발열체(5a)의 측정 온도에 대응하는 환산 전압을 구하고, 이 구한 환산 전력과, 발열체(5a)를 가열했을 때의 입력 전력의 차분을 산출하여, 이것을 과잉열의 전력(W)으로 하였다. 그 결과, 도 10의 B에 도시한 바와 같은 결과를 얻었다.
도 10의 B에 있어서의 종축을 과잉열의 전력(W)으로 표시한다. 도 10의 B로부터, Pd로 이루어지는 제1 층을 Ni로 이루어지는 제2 층보다도 두껍게 한 다층막(25a)을 마련하여도, Ni판일 때보다도 온도가 상승하고 있어, 가열 온도 이상의 과잉열이 발하고 있음이 확인되었다. 또한, 도 10의 B로부터, 과잉열은, 온도와 정의 상관이 있음이 확인되었다.
(7-2) Pd로 이루어지는 제1 층과, Ni로 이루어지는 제2 층과, CaO로 이루어지는 제3 층으로 구성되는 다층막(실시예 3)
도 11의 A에 도시한 바와 같이, Pd로 이루어지는 제1 층(27a)과, Ni로 이루어지는 제2 층(27b)과, CaO로 이루어지는 제3 층(27c)을, Ni로 이루어지는 받침대(22a) 위에 적층해 가서, 다층막(25b)을 갖는 발열체(5b)를 제작하였다. 이 발열체(5b)를 사용하여, 도 2에 도시한 바와 같은 발열 구조체(3)를 제작하였다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 용기(2) 내에, 이 발열 구조체(3)를 설치하여 과잉열의 발현 유무에 대하여 조사하였다.
발열체(5b)는, 하기와 같이 하여 제작하였다. 우선, 종횡 25㎜, 두께 0.1㎜로 구성되는 Ni의 받침대(22a)를 준비하여, 이것을 상술한 스퍼터링 장치 내부에 설치하였다. 스퍼터링 장치에서는, Ar 가스와, Pd의 타깃을 사용하여 Pd의 제1 층(27a)을 성막하고, Ar 가스와, Ni의 타깃을 사용하여 Ni의 제2 층(27b)을 성막하고, Ar 가스와, CaO의 타깃을 사용하여 CaO의 제3 층(27c)을 성막하였다.
처음에 받침대(22a) 위에 제1 층(27a)을 성막한 후, 제1 층(27a) 위에 CaO의 제3 층(27c)을 성막하고, 제3 층(27c) 위에 다시 제1 층(27a)을 성막하고, 또한, 이 제1 층(27a) 위에 Ni의 제2 층(27b)을 성막하였다. 그리고, 제2 층(27b) 위에 다시 제1 층(27a)을 성막하여, 제1 층(27a), 제3 층(27c), 제1 층(27a) 및 제2 층(27b)의 순으로 적층해 가서 다층막(25b)을 제조하였다. 제1 층(27a)은 12층, 제3 층(27c)은 6층, 제2 층(27b)은 5층으로 하였다. 제1 층(27a)은 두께 9㎚로 하고, 제2 층(27b) 및 제3 층(27c)은 두께 2㎚로 하였다.
여기서, CaO는 비금속 재료이며 수소를 투과하지 않는다. 그래서, CaO로 이루어지는 제3 층(27c)은, 두께를 2㎚로 하여 극히 얇게 형성하여, 완전한 막 형상으로 형성하지 않고, CaO가 아일랜드 형상으로 형성되도록 하였다. 제1 층(27a), 제3 층(27c) 및 제2 층(27b)은, 스퍼터링 장치에 있어서 진공 상태를 유지한 채 연속적으로 성막하였다. 이에 의해, 제1 층(27a) 및 제3 층(27c) 간, 제1 층(27a) 및 제2 층(27b) 간에, 각각 자연 산화막을 형성하지 않고 이종 물질 계면을 제작하였다.
발열체(5b)를 용기 내부에 마련한 발열 장치(1)에 있어서, 상술과 마찬가지로, 도 6에 도시한 바와 같이, 수소의 흡장과, 히터(6)에 의한 가열을 행하였다. 그리고, 도 6에 따라서, 천연 수소 가스를 용기 내부로 도입하여 발열체(5b)에 수소를 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 히터(6)의 입력 전력을 바꿔 히터(6)에 의해 발열체(5b)를 진공 상태에서 가열하는 가열 공정을 반복해서 행하면서, 가열 공정 시에 설정한 입력 전력을 기록하고, 그때의 온도를 측정해 갔다.
도 4에 도시한 블랭크 런(Ni 단체)의 캘리브레이션 커브로부터, 발열체(5b)의 측정 온도에 대응하는 환산 전압을 구하고, 이 구한 환산 전력과, 발열체(5b)를 가열했을 때의 입력 전력의 차분을 산출하고, 이것을 과잉열의 전력(W)으로 하였다. 그 결과, 도 11의 B에 도시한 바와 같은 결과를 얻었다.
도 11의 B로부터, CaO의 제3 층(27c)을 마련한 다층막(25b)에서도, Ni판일 때보다도 온도가 상승하여, 가열 온도 이상의 과잉열이 발하고 있음이 확인되었다. 또한, CaO의 제3 층(27c)을 마련한 다층막(25b)에서는, Pd 및 Ni만을 사용한 실시예 1이나 실시예 2보다도 과잉열의 전력이 높아졌음을 확인하였다. CaO의 제3 층(27c)을 마련한 다층막(25b)에서는, 수소의 흡장량이 증가하고, 이종 물질 계면을 투과하는 수소의 양이 증가하기 때문에, 과잉열의 전력이 높아진다. 또한, 도 11의 B로부터, 과잉열은, 온도와 정의 상관이 있음이 확인되었다.
(7-3) Cu로 이루어지는 제1 층과, Ni로 이루어지는 제2 층으로 구성되는 다층막(실시예 4)
도 12의 A에 도시한 바와 같이, Cu로 이루어지는 제1 층(27d)과, Ni로 이루어지는 제2 층(27b)을, Ni로 이루어지는 받침대(22a) 위에 적층해 가서, 다층막(25d)을 갖는 발열체(5d)를 제작하였다. 이 발열체(5d)를 사용하여, 도 2에 도시한 바와 같은 발열 구조체(3)를 제작하였다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 용기(2) 내에, 이 발열 구조체(3)를 설치하여 과잉열의 발현 유무에 대하여 조사하였다.
발열체(5d)는, 하기와 같이 하여 제작하였다. 우선, 종횡 25㎜, 두께 0.1㎜로 구성되는 Ni의 받침대(22a)를 준비하여, 이것을 상술한 스퍼터링 장치 내부에 설치하였다. 스퍼터링 장치에서는, Ar 가스와, Cu의 타깃을 사용하여 Cu의 제1 층(27d)을 성막하고, Ar 가스와, Ni의 타깃을 사용하여 Ni의 제2 층(27b)을 성막하였다.
처음에 받침대(22a) 위에 제1 층(27d)을 성막한 후, 제1 층(27d) 위에 제 2층(27b)을 성막하였다. 그리고, 제1 층(27d) 및 제2 층(27b)을 교대로 성막해 가서 다층막(25d)을 제조하였다. 제1 층(27d)은 5층, 제2 층(27b)은 5층으로 하였다. 제1 층(27d)은 두께 2㎚로 하고, 제2 층(27b)은 두께 14㎚로 하였다. 제1 층(27d) 및 제2 층(27b)은, 스퍼터링 장치에 있어서 진공 상태를 유지한 채 연속적으로 성막하였다. 이에 의해, 제1 층(27d) 및 제2 층(27b) 간에, 각각 자연 산화막을 형성하지 않고 이종 물질 계면을 제작하였다.
발열체(5d)를 용기 내부에 마련한 발열 장치(1)에 있어서, 상술과 마찬가지로, 도 6에 도시한 바와 같이, 수소의 흡장과, 히터(6)에 의한 가열을 행하였다. 그리고, 도 6에 따라서, 천연 수소 가스를 용기 내부로 도입하여 발열체(5d)에 수소를 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 히터(6)의 입력 전력을 바꿔 히터(6)에 의해 발열체(5d)를 진공 상태에서 가열하는 가열 공정을 반복해서 행하면서, 가열 공정 시에 설정한 입력 전력을 기록하고, 그때의 온도를 측정해 갔다. 단, 이 실시예 4에서 작성한 시료는, 실온에서는 수소를 흡장하지 않기 때문에, 수소 흡장 공정 시, 히터(6)에 의해 200 내지 300℃ 정도 가열을 행하고, 수소를 흡장시켰다.
도 4에 도시한 블랭크 런(Ni 단체)의 캘리브레이션 커브로부터, 발열체(5d)의 측정 온도에 대응하는 환산 전압을 구하고, 이 구한 환산 전력과, 발열체(5b)를 가열했을 때의 입력 전력의 차분을 산출하고, 이것을 과잉열의 전력(W)으로 하였다. 그 결과, 도 12의 B에 도시한 바와 같은 결과를 얻었다. 도 12의 B로부터, Cu의 제1 층과 Ni의 제2 층으로 구성되는 다층막(25d)에서도, Ni판일 때보다도 온도가 상승하여, 가열 온도 이상의 과잉열이 발하고 있음이 확인되었다. 또한, 도 12의 B로부터, 과잉열은, 온도와 정의 상관이 있음이 확인되었다.
또한, 도 4에 도시한 캘리브레이션 커브에는, 300℃ 이하의 데이터가 도시되어 있지 않지만, 실시예 4에서는, 도 4를 기초로 300℃ 이하의 캘리브레이션 커브를 구하고, 이것에 기초하여 과잉열의 전력(W)을 구하여, 도 12의 B에 도시한 바와 같은 결과를 얻었다.
(7-4) Ni로 이루어지는 제1 층과, Cu로 이루어지는 제2 층과, CaO로 이루어지는 제3 층으로 구성되는 다층막(실시예 5)
도 13의 A에 도시한 바와 같이, Ni로 이루어지는 제1 층(27e)과, Cu로 이루어지는 제2 층(27f)과, CaO로 이루어지는 제3 층(27c)을, Ni로 이루어지는 받침대(22a) 위에 적층해 가서, 다층막(25e)을 갖는 발열체(5e)를 제작하였다. 이 발열체(5e)를 사용하여, 도 2에 도시한 바와 같은 발열 구조체(3)를 제작하였다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 용기(2) 내에, 이 발열 구조체(3)를 설치하여 과잉열의 발현 유무에 대하여 조사하였다.
발열체(5e)는, 하기와 같이 하여 제작하였다. 우선, 종횡 25㎜, 두께 0.1㎜로 구성되는 Ni의 받침대(22a)를 준비하여, 이것을 상술한 스퍼터링 장치 내부에 설치하였다. 스퍼터링 장치에서는, Ar 가스와, Ni의 타깃을 사용하여 Ni의 제1 층(27e)을 성막하고, Ar 가스와, Cu의 타깃을 사용하여 Cu의 제2 층(27f)을 성막하고, Ar 가스와, CaO의 타깃을 사용하여 CaO의 제3 층(27c)을 성막하였다.
처음에 받침대(22a) 위에 제1 층(27e)을 성막한 후, 제1 층(27e) 위에 CaO의 제3 층(27c)을 성막하고, 제3 층(27c) 위에 다시 제1 층(27e)을 성막하여, 이 제1 층(27e) 위에 Cu의 제2 층(27f)을 더 성막하였다. 그리고, 제2 층(27f) 위에 다시 제1 층(27e)을 성막하여, 제1 층(27e), 제3 층(27c), 제1 층(27e) 및 제2 층(27f)의 순으로 적층해 가서 다층막(25e)을 제조하였다. 제1 층(27e)은 12층, 제3 층(27c)은 6층, 제2 층(27f)은 5층으로 하였다. 제1 층(27e)은 두께 7㎚로 하고, 제2 층(27f) 및 제3 층(27c)은 두께 2㎚로 하였다.
상술한 실시예 3과 마찬가지로, CaO로 이루어지는 제3 층(27c)은, 두께를 2㎚로 하여 극히 얇게 형성하고, 완전한 막 형상으로 형성하지 않고, CaO가 아일랜드 형상으로 형성되도록 하였다. 제1 층(27e), 제3 층(27c) 및 제2 층(27f)은, 스퍼터링 장치에 있어서 진공 상태를 유지한 채 연속적으로 성막하였다. 이에 의해, 제1 층(27e) 및 제3 층(27c) 간, 제1 층(27e) 및 제2 층(27f) 간에, 각각 자연 산화막을 형성하지 않고 이종 물질 계면을 제작하였다.
발열체(5e)를 용기 내부에 마련한 발열 장치(1)에 있어서, 상술과 마찬가지로, 도 6에 도시한 바와 같이, 수소의 흡장과, 히터(6)에 의한 가열을 행하였다. 그리고, 도 6에 따라서, 천연 수소 가스를 용기 내부로 도입하여 발열체(5e)에 수소를 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 히터(6)의 입력 전력을 바꿔 히터(6)에 의해 발열체(5e)를 진공 상태에서 가열하는 가열 공정을 반복해서 행하면서, 가열 공정 시에 설정한 입력 전력을 기록하고, 그때의 온도를 측정해 갔다. 단, 이 실시예 5에서는, 수소 흡장 공정 시, 히터(6)에 의해 200 내지 300℃ 정도 가열을 행하여, 수소를 흡장시켰다.
도 4에 도시한 블랭크 런(Ni 단체)의 캘리브레이션 커브로부터, 발열체(5e)의 측정 온도에 대응하는 환산 전압을 구하고, 이 구한 환산 전력과, 발열체(5e)를 가열했을 때의 입력 전력의 차분을 산출하고, 이것을 과잉열의 전력(W)으로 하였다. 그 결과, 도 13의 B에 도시한 바와 같은 결과를 얻었다.
도 13의 B로부터, 이러한 다층막(25e)에서도, Ni판일 때보다도 온도가 상승하고, 가열 온도 이상의 과잉열이 발하고 있음이 확인되었다. 또한, CaO의 제3 층(27c)을 마련한 다층막(25b)에서는, Ni 및 Cu만을 사용한 실시예 4보다도 과잉열의 전력이 높아졌음을 확인하였다. CaO의 제3 층(27c)을 마련한 다층막(25e)에서는, 수소의 흡장량이 증가하고, 이종 물질 계면을 투과하는 수소의 양이 증가하기 때문에, 과잉열의 전력이 높아진다. 또한, 도 13의 B로부터, 과잉열은 온도와 정(正)의 상관이 있음이 확인되었다.
(7-5) 실시예 1 내지 5의 비교
도 14는, 실시예 1의 과잉열을 도시한 도 8과, 실시예 2의 과잉열을 도시한 도 10의 B와, 실시예 3의 과잉열을 도시한 도 11의 B와, 실시예 4의 과잉열을 도시한 도 12의 B와, 실시예 5의 과잉열을 도시한 도 13의 B를 정리한 그래프다. 도 14에서는, 각 층의 두께를 기초로, 실시예 1을 「Ni0.9Pd0.1」, 실시예 2를 「Ni0.1Pd0.9」, 실시예 3을 「Ni0.1Pd(CaO)0.9」, 실시예 4를 「Ni0.875Cu0.125」, 실시예 5를 「Ni0.875(CaO)Cu0.125」로 표기하였다.
도 14로부터, CaO의 제3 층(27c)을 마련한 실시예 3, 5가, CaO를 포함하지 않는 다른 실시예 1, 2, 4에 비하여 과잉열이 크다는 사실을 확인할 수 있었다. 또한, 도 14로부터, 실시예 2, 4, 5의 일부에 있어서, 히터(6)에 의한 가열 온도가 낮을 때 과잉열이 발생하지 않을 때도 있기는 하지만, 히터(6)에 의한 가열 온도를 높임으로써, 과잉열이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
(8) 투과형 발열 장치에 대하여
(8-1) 투과형 발열 장치의 전체 구성
다음으로 다른 실시 형태에 있어서의 투과형 발열 장치에 대하여 이하에 설명한다. 도 15에 도시한 바와 같이, 발열 장치(31)는, 발열체(38)가 용기 내부에 마련된 용기(37)와, 이 용기(37)를 내부에 수용한 열회수 용기(32)를 구비한다. 열회수 용기(32)에는, 회수구(33a)와 도입구(33b)가 마련되어 있으며, 이들 회수구(33a)와 도입구(33b)를 연통하는 순환 경로(33)가 마련되어 있다. 순환 경로(33)는, 도시하지 않은 순환 장치에 의해, 열회수 용기(32) 내의 유체를 회수구(33a)로부터 회수하여 순환 경로(33) 내를 통과시켜 도입구(33b)로부터 다시 열회수 용기(32) 내에 도입한다. 열회수 용기(32) 내의 유체는, 예를 들어 물 등이며, 용기(37)로부터 발하는 열에 의해 가열된다.
순환 경로(33)는, 열전변환기(34)가 마련된 구성을 갖고, 열회수 용기(32) 내에서 가열된 유체의 열을, 열전변환기(34)에 의해 열전변환시킨다. 또한, 열전변환기(34)는, 순환 경로(33)의 관 외주를 따라서, 인접한 n형 반도체(36a) 및 p형 반도체(36b)가 전극(36c)으로 접속된 열전변환 소자(36)를 갖고, 열전변환 소자(36)를 둘러싸도록 냉각체(35)가 마련된 구성을 갖는다. 열전변환기(34)는, 제벡 효과를 이용하여 열전변환 소자(36)에 의해 유체의 열을 전기로 변환할 수 있다.
발열 장치(31)에는, 용기(37) 내에 복수의 발열체(38)가 마련되고, 당해 발열체(38)에 히터(39)가 마련되어 있다. 발열 장치(31)는, 용기(37) 내에 도입된 수소계 가스를, 발열체(38)(후술함) 내에 투과시키면서, 발열체(38)를 히터(도시 생략)로 가열함으로써, 당해 발열체(38)에서 가열 온도 이상의 과잉열을 발하는 것이다. 용기(37)의 용기 내부에 도입되는 수소계 가스로서는, 중수소 가스 및/또는 천연 수소 가스를 적용할 수 있다.
용기(37)는, 예를 들어 스테인리스(SUS306이나 SUS316) 등으로 형성되어 있으며, 용기 내부를 밀폐 공간으로 할 수 있다. 용기(37)에는, 회수구(37b)와 도입구(37c)가 마련되어 있으며, 이들 회수구(37b)와 도입구(37c)를 연통하는 수소계 가스 순환 경로(37a)가 마련되어 있다. 수소계 가스 순환 경로(37a)는, 순환 펌프(46)에 의해, 용기(37) 내의 수소계 가스를 회수구(37b)로부터 수소계 가스 순환 경로(37a) 내로 유도하고, 리저버 탱크(45) 및 순환 펌프(46)를 경유하여 도입구(37c)로부터 다시 용기(37) 내로 수소계 가스를 도입한다.
이 실시 형태의 경우, 용기 내부에는, 동일 구성을 갖는 세 발열체(38)가 마련되어 있다. 도 15에서는, 세 발열체(38) 중, 1개의 발열체(38)에 대하여 단면 구성을 나타내고 있다. 발열체(38)는, 바닥이 있는 통형으로 형성되어 있으며, 내부에 중공부(40)가 형성되어 있다. 발열체(38)는, 외주면에 히터(39)가 감겨 있으며, 당해 히터(39)에 의해 가열될 수 있다. 발열체(38)에는, 중공부(40)와 연통한 투과 가스 회수 경로(42)가 일단에 마련되어 있다.
투과 가스 회수 경로(42)는, 일단이 각 발열체(38)에 접속되고, 각 발열체(38)의 중공부(40)와 연통하고 있으며, 타단이 리저버 탱크(45)에 접속되어 있다. 또한, 투과 가스 회수 경로(42)에는, 진공 펌프(43) 및 승압 펌프(44)가 마련되어 있다. 이에 의해, 투과 가스 회수 경로(42)는, 진공 펌프(43)에 의해 각 발열체(38)의 중공부(40) 내의 기체를 흡인하고, 승압 펌프(44)에 의해 당해 기체를 리저버 탱크(45)로 송출한다. 이에 의해, 용기(37) 내의 수소계 가스는, 발열체(38)의 외주면을 투과해서 발열체(38) 내의 중공부(40)로까지 유도되고, 중공부(40)로부터 투과 가스 회수 경로(42)를 경유하여 리저버 탱크(45)에 회수되어, 다시 용기(37) 내로 되돌려진다.
이렇게 하여, 발열 장치(31)에서는, 수소계 가스 순환 경로(37a)에서 수소계 가스를 순환시킬 때, 발열체(38) 내의 중공부(40)에도 수소계 가스를 유도하고, 발열체(38)에서 수소를 흡장시키면서, 투과 가스 회수 경로(42)로 수소계 가스를 순환시킨다. 그리고, 발열 장치(31)에서는, 수소계 가스를 발열체(38)(후술함) 내로 투과시키면서, 발열체(38)를 히터(39)로 가열함으로써, 당해 발열체(38)에서 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시킬 수 있다.
(8-2) 투과형 발열체의 구성
도 16의 A 및 도 16의 B에 도시한 바와 같이, 발열체(38)는, 바닥이 있는 통형으로 형성되며, 또한 내주면(51a)으로 둘러싸인 중공부(40)를 내부에 갖는 받침대(51)와, 받침대(51)의 표면(51b)에 마련된 다층막(52)으로 구성되어 있다. 받침대(51)는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지고, 다공질 형상으로 형성되어 있다. 받침대(51)는, 다층막(52)을 표면에서 지지할 수 있는 기계적 강도를 가짐과 함께, 다공질 형상이기 때문에, 다층막(52)을 투과한 수소계 가스를 중공부(40)로까지 투과시킬 수 있다.
또한, 도 16의 A 및 도 16의 B에서는, 바닥이 있는 원통형의 받침대(51)로 하였지만, 바닥이 있는 사각 통형, 바닥이 있는 다각 통형 등의 받침대여도 된다. 또한, 그물눈 형상의 받침대로 해도 되지만, 다공질 형상의 받침대(51)를 사용함으로써 받침대(51) 내부에 대해서 수소를 확실하게 투과시킬 수 있어, 받침대(51)에 있어서의 수소의 흡장을 촉진할 수 있다.
다층막(52)은, 상술한 다층막(25)과 마찬가지의 구성으로 이루어진다. 예를 들어, 도 17에 도시한 바와 같이, 다층막(52)은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지는 제1 층(23)과, 제1 층(23)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지는 제2 층(24)이 교대로 적층되어 있으며, 제1 층(23)과 제2 층(24)의 사이에 이종 물질 계면(26)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 층(23)으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금 중 어느 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제2 층(24)은, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC 중 어느 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제1 층(23) 및 제2 층(24)은 두께가 1000㎚ 미만이고, 다층막(52)의 두께가 얇기 때문에, 수소계 가스가 다층막(52)을 투과할 수 있다.
제1 층(23) 및 제2 층(24)에 대해서는, 상술한 「(3) 발열체에 대하여」와 마찬가지이기 때문에, 여기서는 상세한 설명은 생략한다. 또한, 다른 실시 형태에 의한 다층막에 대해서는, 제1 층 및 제2 층에다가, 제3 층을 적층한 다층막이나, 제1 층, 제2 층 및 제3 층에다가, 제4 층을 적층한 다층막이어도 되며, 그 밖에, 상술한 「(6) 다른 실시 형태의 다층막」과 마찬가지이기 때문에, 여기서는 상세한 설명은 생략한다.
(8-3) 작용 및 효과
이상의 구성에 있어서, 발열 장치(31)에서는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지며, 또한 내부에 중공부(40)를 갖는 받침대(51)와, 이 받침대(51)의 표면(51b)에 마련된 다층막(52)으로 이루어지는 발열체(38)를, 용기 내부에 마련하도록 하였다. 발열체(38)에서는, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층(23)과, 제1 층(23)과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층(24)이 적층된 다층막(52)을 마련하였다.
발열 장치(31)에서는, 용기 내부의 수소계 가스를 발열체(38) 내에 투과시켜서 발열체(38) 내의 중공부(40)에 수소계 가스가 유도되도록 하여, 발열체(38)에 수소를 흡장시키도록 하였다. 또한, 발열 장치(31)에서는, 용기 내부의 수소계 가스를 발열체(38)에 투과시키면서, 히터(39)에 의해 발열체(38)를 가열하도록 하였다. 이에 의해, 발열 장치(31)에서는, 제1 층(23) 및 제2 층(24) 사이의 이종 물질 계면(26)을, 수소가 양자 확산에 의해 투과함으로써, 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시킬 수 있다. 이렇게 하여, 발열 장치(31)는, 다층막(52)의 제1 층(23) 및 제2 층(24)에 수소를 투과시킴으로써, 과잉열을 발할 수 있다.
(9) 전해액을 사용한 발열 장치에 대하여
도 18은, 전해액(70)을 사용한 발열 장치(61)를 나타낸다. 발열 장치(61)는, 발열에 기여하는 전해액(70)이 용기 내부에 저류된 용기(62)를 갖고 있으며, 용기(62)의 저부로서 발열체(60)가 마련된 구성을 갖는다. 발열 장치(61)에는, 전해액(70) 내에 전극(69)이 침지되어 있다. 발열 장치(61)는, 도시하지 않은 전극 제어부를 구비하고 있으며, 당해 전극 제어부에 의해, 전해액(70) 내의 전극(69)을 양극으로 하고, 발열체(60)를 음극으로 하여, 전해액(70)을 전기 분해하여, 수소를 생성할 수 있다. 전해액(70)은, 예를 들어 중수 및/또는 경수에 NaOH, CSNO3 등을 함유시킨 것이다.
여기서, 용기(62)는, 통형의 벽부(62a)와, 벽부(62a)의 하단에 마련된 지지대(62b)를 구비하고 있다. 지지대(62b)는, 예를 들어 두께가 두꺼운 통형으로 형성되어 있으며, 벽부(62a)의 내주면으로부터 돌출된 상부면에 스페이서(62c)를 갖고, 스페이서(62c)를 개재시켜 발열체(60)가 마련된 구성을 갖는다. 발열체(60)는, 벽부(62a)의 내주면의 형상에 맞춰 외곽이 형성되어 있으며, 용기(62)의 저부로서 벽부(62a)의 내주면에 마련되어 있다. 이에 의해, 전해액(70)은, 벽부(62a)를 측면으로 하고, 발열체(60)를 저면으로 하여, 이들 벽부(62a) 및 발열체(60)로 둘러싸인 영역에 저류될 수 있다.
발열체(60)는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대(63)와, 받침대(63)의 표면에 형성되고, 또한 전해액(70) 내에 침지되는 다층막(64)으로 구성되어 있다. 여기서, 발열 장치(61)에서는, 지지대(62b)의 중공 영역이 진공 상태로 되는 점에서, 받침대(63)의 이면이 진공 공간에 노출된 상태로 된다.
다층막(64)은, 상술한 다층막(25)과 마찬가지의 구성으로 이루어진다. 예를 들어, 다층막(64)은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지는 제1 층(65)과, 제1 층(65)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지는 제2 층(66)이 교대로 적층되어 있으며, 제1 층(65)과 제2 층(66)의 사이에 이종 물질 계면(67)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 제1 층(65)으로서는, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금 중 어느 것으로 이루어지는 것이 바람직하다. 제2 층(66)은, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC 중 어느 것으로 이루어지는 것이 바람직하다.
제1 층(65) 및 제2 층(66)에 대해서는, 상술한 「(3) 발열체에 대하여」와 마찬가지이기 때문에, 여기서는 상세한 설명은 생략한다. 또한, 그 밖의 실시 형태에 의한 다층막에 대해서는, 제1 층 및 제2 층에다가, 제3 층을 적층한 다층막이나, 제1 층, 제2 층 및 제3 층에다가, 제4 층을 적층한 다층막이어도 되며, 상술한 「(7) 다른 실시 형태의 다층막」과 마찬가지이기 때문에, 여기서는 상세한 설명은 생략한다.
이상의 구성에 있어서, 발열 장치(61)에서는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지며, 또한 용기(62)의 저부로서 마련하여 이면을 진공 공간에 노출시킨 받침대(63)와, 받침대(63)의 표면에 형성하고, 전해액(70) 내에 침지시킨 다층막(64)으로 이루어지는 발열체(60)를 마련하도록 하였다. 발열체(60)에서는, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층(65)과, 제1 층(65)과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층(66)이 적층된 다층막(64)을 마련하였다.
발열 장치(61)에서는, 전해액(70)에 침지시킨 전극(69)을 양극으로 하고, 발열체(60)를 음극으로 하여, 전해액(70)을 전기 분해하도록 함으로써(수소 생성 공정), 전해액(70)에 포함되는 물이 수소와 산소로 분리되고, 발생한 수소의 일부가 발열체(60)를 투과한다. 즉, 발열체(60)에서는, 전해액(70)이 있는 고밀도 수소측으로 되는 다층막(64)으로부터, 이면이 진공 공간에 있는 받침대(63)측을 향해서 수소(중수소 또는 경수소)가 투과한다. 이에 의해, 발열 장치(61)에서는, 제1 층(65) 및 제2 층(66) 사이의 이종 물질 계면(67)을, 수소가 양자 확산에 의해 투과함으로써, 과잉열을 발생시킬 수 있다. 이렇게 하여, 발열 장치(61)는, 다층막(64)의 제1 층(65) 및 제2 층(66)에 수소를 투과시킴으로써, 과잉열을 발할 수 있다.
(10) 다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계
Ni로 이루어지는 받침대 위에, Cu로 이루어지는 제1 층과 Ni로 이루어지는 제2 층을 적층하여 제조한 다층막을 사용하여, 제1 층과 제2 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계를 조사하였다. 이하, 다층막의 각 층의 두께의 비율을 Ni:Cu라고 기재한다.
도 12의 A에 도시한 실시예 4의 다층막(25d)과 Ni:Cu 이외는 동일한 조건에서 제조한 다층막을 갖는 7종의 발열체를 제작하고, 실시예 6 내지 12로 하였다. 실시예 4, 6 내지 12의 각 Ni:Cu는, 7:1, 14:1, 4.33:1, 3:1, 5:1, 8:1, 6:1, 6.5:1이다. 실시예 4, 6 내지 12는 다층막 전체의 두께를 거의 동일하게 하였다. 실시예 4, 6 내지 12의 각 다층막은, 제1 층 및 제2 층의 적층 구성이 반복해서 적층되어 있다. 실시예 4, 6 내지 12의 각 다층막의 적층 구성의 수(이하, 다층막의 적층수라고 칭함)는 5로 하였다. 실시예 4, 6 내지 12의 각 발열체를 사용하여, 도 2에 도시한 바와 같은 8종의 발열 구조체를 제작하였다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 발열 장치(1)의 용기(2) 내에 각 발열 구조체를 설치하였다.
상기 8종의 발열 구조체를 용기(2) 내부에 마련한 발열 장치(1)에 있어서, 수소 흡장 공정과 가열 공정을 반복해서 행하였다. 입력 전력은, 수소 흡장 공정을 사이에 두고 9W, 18W, 27W로 하였다. 그리고, 발열 구조체의 히터에 내장한 열전대에 의해, 각 가열 공정 시의 발열체의 온도를 측정하였다. 그 결과를 도 19에 나타낸다. 도 19는, 측정한 데이터를 소정의 방법으로 피팅한 그래프다. 도 19에서는, 히터 온도를 횡축에 나타내고, 과잉열의 전력을 종축에 나타내었다. 도 19에서는, 실시예 4를 「Ni:Cu = 7:1」, 실시예 6을 「Ni:Cu = 14:1」, 실시예 7을 「Ni:Cu = 4.33:1」, 실시예 8을 「Ni:Cu = 3:1」, 실시예 9를 「Ni:Cu = 5:1」, 실시예 10을 「Ni:Cu = 8:1」, 실시예 11을 「Ni:Cu = 6:1」, 실시예 12를 「Ni:Cu = 6.5:1」로 표기하였다.
도 19로부터, 실시예 4, 6 내지 12의 발열체의 전부에서 과잉열을 발함이 확인되었다. 히터 온도가 700℃ 이상에서 실시예 4, 6 내지 12의 발열체를 비교하면, 실시예 4가 가장 큰 과잉열을 발하는 것을 알 수 있다. 실시예 7의 발열체는, 실시예 4, 6, 8 내지 12의 발열체에 비하여, 히터 온도가 300℃ 이상 1000℃ 이하의 광범위에 걸쳐 과잉열을 발하는 것을 알 수 있다. 다층막의 Ni:Cu가 3:1 내지 8:1인 실시예 4, 7 내지 12의 경우에는, 히터 온도가 높아질수록 과잉열이 증대한다는 사실을 알 수 있다. 다층막의 Ni:Cu가 14:1인 실시예 6의 경우에는, 히터 온도가 800℃ 이상에서 과잉열이 감소한다는 사실을 알 수 있다. 이와 같이, Ni와 Cu의 비율에 대해서 과잉열이 단순하게 증가하지 않는 것은, 다층막 중의 수소의 양자 효과에 기인하는 것이라고 생각된다. 이상으로부터, 다층막의 Ni:Cu는, 3:1 이상 14:1 이하의 범위 내가 바람직하고, 3:1 이상 8:1 이하의 범위 내가 보다 바람직하다.
(11) 다층막의 적층수와 과잉열의 관계
Ni로 이루어지는 받침대 위에, Cu로 이루어지는 제1 층과 Ni로 이루어지는 제2 층을 적층하여 제조한 다층막을 사용하여, 다층막의 적층수와 과잉열의 관계를 조사하였다.
도 12의 A에 도시한 실시예 4의 다층막(25d)과 적층수 이외는 동일한 조건에서 제조한 다층막을 갖는 8종의 발열체를 제작하고, 실시예 13 내지 20으로 하였다. 실시예 4, 13 내지 20의 다층막의 적층수는, 5, 3, 7, 6, 8, 9, 12, 4, 2이다. 실시예 4의 발열체(5b)와 실시예 13 내지 20의 발열체를 사용하여, 도 2에 도시한 바와 같은 9종의 발열 구조체를 제작하였다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 발열 장치(1)의 용기(2) 내에 각 발열 구조체를 설치하였다.
상기 9종의 발열 구조체를 용기(2) 내부에 마련한 발열 장치(1)에 있어서, 상기 「(10) 다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」와 마찬가지의 방법에 의해, 가열 공정 시의 발열체의 온도를 측정하였다. 그 결과를 도 20에 나타낸다. 도 20은, 측정한 데이터를 소정의 방법으로 피팅한 그래프다. 도 20에서는, 히터 온도를 횡축에 나타내고, 과잉열의 전력을 종축에 나타내었다. 도 20에서는, 각 층의 두께를 기초로, 실시예 4를 「Ni0.875Cu0.125 5층」, 실시예 13을 「Ni0.875Cu0.125 3층」, 실시예 14를 「Ni0.875Cu0.125 7층」, 실시예 15를 「Ni0.875Cu0.125 6층」, 실시예 16을 「Ni0.875Cu0.125 8층」, 실시예 17을 「Ni0.875Cu0.125 9층」, 실시예 18을 「Ni0.875Cu0.125 12층」, 실시예 19를 「Ni0.875Cu0.125 4층」, 실시예 20을 「Ni0.875Cu0.125 2층」으로 표기하였다.
도 20으로부터, 실시예 4, 13 내지 20의 발열체의 전부에서 과잉열을 발함이 확인되었다. 히터 온도 840℃ 이상에서 실시예 4, 13 내지 20의 발열체를 비교하면, 과잉열은, 다층막의 적층수가 6인 실시예 15가 가장 크고, 적층수가 8인 실시예 16이 가장 작다는 사실을 알 수 있다. 이와 같이, 다층막의 적층수에 대해서 과잉열이 단순하게 증가되지 않는 것은, 다층막 중의 수소의 파동으로서의 거동의 파장이, 나노미터 오더이며, 다층막과 간섭하고 있기 때문이라고 생각된다. 이상으로부터, 다층막의 적층수는, 2 이상 12 이하의 범위 내가 바람직하고, 4 이상 7 이하의 범위 내가 보다 바람직하다.
(12) 다층막의 재료와 과잉열의 관계
Ni로 이루어지는 제1 층과, Cu로 이루어지는 제2 층과, 제1 층 및 제2 층과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지는 제3 층을 적층하여 제조한 다층막을 사용하여, 제3 층을 형성하는 재료의 종류와 과잉열의 관계를 조사하였다.
도 13의 A에 도시한 실시예 5의 다층막(25e)과 제3 층을 형성하는 재료의 종류이외에는 동일한 조건에서 제조한 다층막을 갖는 8종의 발열체를 제작하고, 실시예 21 내지 28로 하였다. 실시예 5, 21 내지 28의 제3 층을 형성하는 재료의 종류는, CaO, SiC, Y2O3, TiC, Co, LaB6, ZrC, TiB2, CaOZrO이다. 실시예 5의 발열체(5e)와 실시예 21 내지 28의 발열체를 사용하여, 도 2에 도시한 바와 같은 9종의 발열 구조체를 제작하였다. 그리고, 도 1에 도시한 바와 같이, 발열 장치(1)의 용기(2) 내에 각 발열 구조체를 설치하였다.
상기 9종의 발열 구조체를 용기(2) 내부에 마련한 발열 장치(1)에 있어서, 상기 「(10) 다층막의 각 층의 두께의 비율과 과잉열의 관계」와 마찬가지의 방법에 의해, 가열 공정 시의 발열체의 온도를 측정하였다. 그 결과를 도 21에 나타낸다. 도 21은, 측정한 데이터를 소정의 방법으로 피팅한 그래프다. 도 21에서는, 히터 온도를 횡축에 나타내고, 과잉열의 전력을 종축에 나타내었다. 도 21에서는, 각 층의 두께를 기초로, 실시예 5를 「Ni0.793CaO0.113Cu0.094」, 실시예 21을 「Ni0.793SiC0.113Cu0.094」, 실시예 22를 「Ni0.793Y2O30.113Cu0.094」, 실시예 23을 「Ni0.793TiC0.113Cu0.094」, 실시예 24를 「Ni0.793Co0.113Cu0.094」, 실시예 25를 「Ni0.793LaB60.113Cu0.094」, 실시예 26을 「Ni0.793ZrC0.113Cu0.094」, 실시예 27을 「Ni0.793TiB20.113Cu0.094」, 실시예 28을 「Ni0.793CaOZrO0.113Cu0.094」로 표기하였다.
도 21로부터, 실시예 5, 21 내지 28의 전부에서 과잉열을 발함이 확인되었다. 특히, 제3 층을 형성하는 재료가 CaO인 실시예 5, TiC인 실시예 23, LaB6인 실시예 25는, 다른 실시예 21, 22, 24, 26 내지 28과 비교하여, 히터 온도가 400℃ 이상 1000℃ 이하인 광범위에 걸쳐 과잉열이 거의 선형적으로 증대한다는 사실을 알 수 있다. 실시예 5, 23, 25의 제3 층을 형성하는 재료는, 다른 실시예 21, 22, 24, 26 내지 28의 재료보다도 일함수가 작다. 이러한 점에서, 제3 층을 형성하는 재료의 종류는, 일함수가 작은 것이 바람직하다는 사실을 알 수 있다. 이들 결과로부터, 다층막 내의 전자 밀도가 과잉열을 발생하는 반응에 기여하고 있을 가능성이 있다.
(13) 발열 모듈을 사용한 발열 장치에 대하여
(13-1) 발열 모듈
도 22를 이용하여, 발열 모듈(80)의 개요를 설명한다. 발열 모듈(80)은, 발열체(81)와 히터(82)를 갖는 복수의 발열 구조체(83)를 구비한다. 이 예에서는, 발열 모듈(80)은, 20개의 발열 구조체(83)를 구비한다. 발열 모듈(80)은, 4개의 발열 구조체(83)로 1개의 발열 유닛(84)을 구성한다. 즉, 발열 모듈(80)은, 5개의 발열 유닛(84)을 갖는다. 또한, 발열 모듈(80)은, 복수의 발열 구조체(83)에다가, 히터(82)에 전력을 공급하는 전원(85)과, 히터(82)의 온도를 측정하는 온도 측정부(86)와, 발열체(81)가 발하는 열을 반사하는 열반사부(87)를 구비한다.
발열 모듈(80)은, 통형의 열반사부(87)의 내부에 5개의 발열 유닛(84)이 마련되어 있으며, 열반사부(87)의 내면과 각 발열 유닛(84)의 외면이 대향한다. 발열 구조체(83)는, 판형으로 형성되어 있고, 양면에 발열체(81)가 마련되어 있다. 발열 유닛(84)은, 통형으로 형성되어 있고, 측면이 발열 구조체(83)로 구성되어 있다. 이 때문에, 복수의 발열 구조체(83)는, 한쪽 면끼리가 대향하여 배치되어 있다. 또한, 복수의 발열 구조체(83)는, 다른 쪽 면이 열반사부(87)와 대향하여 배치되어 있다. 따라서, 발열 모듈(80)은, 발열 구조체(83)의 한쪽 면에 마련된 발열체(81)끼리가 대향하고, 또한, 발열 구조체(83)의 다른 쪽 면에 마련된 발열체(81)가 열반사부(87)와 대향한다.
발열체(81)는, 다양한 구성의 다층막을 구비한 발열체, 예를 들어 상기 발열체(5a 내지 5e) 등이다. 히터(82)는, 예를 들어 세라믹 히터이며, 발열 구조체(83)의 내부에 마련되어 있다. 히터(82)는, 배선(85a)을 통해 열반사부(87)의 외부에 마련된 전원(85)과 접속하고 있다. 전원(85)은 발열 유닛(84)별로 마련되어 있다. 1개의 전원(85)은, 1개의 발열 유닛(84)에 마련되어 있는 4개의 히터(82)와 병렬로 접속된다. 배선(85a)에는, 히터(82)에 공급하는 전력을 측정하기 위한 전류 전압계(88)가 마련되어 있다. 또한, 배선(85a)은, 도 22에서는 도면의 가시성을 고려하여 지면 우방향으로 취출되어 있지만, 실제로는, 열반사부(87)의 하부 개구로부터 취출된다. 도 22에서는, 배선(85a)은, 히터(82)의 수에 맞춘 개수의 선, 즉 1개의 발열 유닛(84)에 대하여 4가닥의 선으로 나타내고 있다.
발열 모듈(80)은, 온도 측정부(86)에다가, 발열 유닛(84)의 온도를 측정하는 온도 측정부(89)를 더 구비한다. 이 예에서는, 온도 측정부(89)는, 최상단의 발열 유닛(84)의 상부에 1개, 최하단의 발열 유닛(84)의 하부에 1개, 및 발열 유닛(84)끼리의 사이에 1개씩 마련되어 있다. 온도 측정부(86)와 온도 측정부(89)는, 예를 들어 열전대이다. 또한, 온도 측정부(86)와 온도 측정부(89)는, 도 22에서는 도면의 가시성을 고려하여 지면 좌방향으로 취출되어 있지만, 실제로는, 열반사부(87)의 하부 개구로부터 취출된다. 도 22에서는, 온도 측정부(86)는, 히터(82)의 수에 맞춘 개수의 선, 즉 1개의 발열 유닛(84)에 대하여 4가닥의 선으로 나타내고 있다.
열반사부(87)는, 발열체(81)가 발하는 열을 반사하는 재료에 의해 형성된다. 열반사부(87)의 재료는, 예를 들어 몰리브덴, 알루미늄, 지르코늄, 백금 등이다. 도 22에서는, 열반사부(87)는, 4장의 반사판에 의해 사각 통형으로 형성되어 있다. 열반사부(87)는, 각 반사판이 일체로 형성된 것이어도 되고, 각 반사판이 별개의 부재로 형성된 것이어도 된다. 열반사부(87)의 형상은, 사각 통형으로 한정되지 않고, 다각 통형, 원통형, 타원통형 등 적절히 설계해도 된다.
도 23을 이용하여, 발열 구조체(83)의 구조에 대하여 상세히 설명한다. 발열 구조체(83)는, 발열체(81)와 히터(82)에다가, 발열체(81)와 히터(82)의 사이에 마련된 기판(90)과, 발열체(81)와 히터(82)와 기판(90)을 유지하는 홀더(91)를 갖는다. 도 23에서는, 발열 구조체(83)는, 히터(82)의 양면에 기판(90)과 발열체(81)와 홀더(91)가 차례로 배치된 구성을 갖고, 홀더(91)끼리가 예를 들어 나사 고정됨으로써 형성된다. 또한, 도 23에서는, 배선(85a)과 온도 측정부(86)는, 각각 2가닥의 선으로 도시되어 있다.
기판(90)은, 예를 들어 SiO2 등에 의해 판형으로 형성되어 있다. 기판(90)은, 히터(82)의 양면에 마련되어, 발열체(81)와 히터(82)의 접촉을 방지하는 스페이서이다.
홀더(91)는, 예를 들어 세라믹스 등에 의해 판형으로 형성되어 있다. 홀더(91)는, 평판(92)의 중앙에 마련된 개구부(93)와, 개구부(93)에 마련된 단차부(94)를 갖는다. 평판(92)은, 평면으로 보아 거의 사각형으로 형성되어 있으며, 개구부(93)를 사이에 두고 대향하는 단부에 절결이 마련되어 있다. 평판(92)에는 나사 구멍(96)이 마련되어 있다. 개구부(93)에는 발열체(81)가 배치된다. 개구부(93)에 배치된 발열체(81)는, 단차부(94)에 의해 위치 결정되고, 탈락이 방지된다. 이에 의해, 홀더(91)는, 발열체(81)를 개구부(93)로부터 노출시킨 상태에서 유지한다.
(13-2) 발열 모듈을 사용한 발열 장치의 전체 구성
도 24에 도시한 바와 같이, 발열 장치(101)는, 발열 모듈(80)과, 발열 모듈(80)을 수용하는 용기(102)와, 용기(102)의 내부를 진공 배기하는 진공 배기부(103)와, 용기(102)의 내부에 수소계 가스를 공급하는 가스 공급부(104)와, 과잉열의 출력 제어를 행하는 제어부(105)를 구비한다. 이하, 발열 장치(101)에 대하여 설명하지만, 이 발열 장치(101)는, 발열 모듈(80)을 사용한 발열 장치의 일례이며, 각 부재의 배치, 배선의 취출 등은 한정되지 않는다. 또한, 도 24에서는, 도면의 가시성을 고려하여, 전원(85), 배선(85a), 전류 전압계(88), 온도 측정부(86) 및 온도 측정부(89)의 도시를 간략화하였다.
용기(102)는, 예를 들어 스테인리스 등으로 형성된다. 용기(102)는, 통형의 제1 용기 본체(107)와, 제1 용기 본체(107)와 연통하는 통형의 제2 용기 본체(108)와, 제1 용기 본체(107)에 마련된 덮개부(109)와, 제2 용기 본체(108)에 마련된 저부(110)를 갖는다.
용기(102)의 외주에는 관 형상의 순환 경로(33)가 마련되어 있다. 순환 경로(33)의 내부에는, 발열 모듈(80)이 발하는 열에 의해 가열되는 유체가 유통한다. 순환 경로(33)에는, 가열된 유체의 열을 열전변환하는 열전변환기(34)가 마련되어 있다.
제1 용기 본체(107)는, 내부에 발열 모듈(80)을 수용한다. 제1 용기 본체(107)의 일단에는, 도시하지 않은 시일재를 개재하여 덮개부(109)가 마련되어 있다. 제1 용기 본체(107)의 타단은, 제2 용기 본체(108)의 일단과 접속한다. 제1 용기 본체(107)와 제2 용기 본체(108)의 접속 부분에는 도시하지 않은 시일재가 마련되어 있다. 제2 용기 본체(108)의 타단에는, 도시하지 않은 시일재를 개재하여 저부(110)가 마련된다.
제2 용기 본체(108)의 측면에는, 제1 접속부(111)와 제2 접속부(112)가 마련되어 있다. 제1 접속부(111)는, 수소계 가스 도입로(116)를 거쳐서, 용기(102)의 내부와 가스 공급부(104)를 접속한다. 수소계 가스 도입로(116)에는 조정 밸브(117a, 117b)가 마련되어 있다. 가스 공급부(104)는, 도시하지 않았지만, 예를 들어 수소계 가스를 수용하는 탱크와, 탱크에 수용된 수소계 가스를 수소계 가스 도입로(116)로 송출하는 펌프 등을 갖는다. 또한, 제1 접속부(111)는, 배기 경로(118)를 통해 용기(102)의 내부와 진공 배기부(103)와 접속한다. 배기 경로(118)에는 조정 밸브(117c)가 마련되어 있다. 진공 배기부(103)는, 예를 들어 드라이 펌프를 갖는다.
제2 접속부(112)는, 도시하지 않은 시일재를 통해 배선(85a)과 온도 측정부(86)와 온도 측정부(89)를 용기(102)의 외부로 취출하기 위한 것이다. 제2 접속부(112)로부터 취출된 배선(85a)은, 전류 전압계(88)를 통해 전원(85)과 접속한다. 제2 접속부(112)로부터 취출된 온도 측정부(86)와 온도 측정부(89)는, 제어부(105)와 전기적으로 접속한다.
제어부(105)는, 전원(85), 전류 전압계(88), 진공 배기부(103), 가스 공급부(104), 및 열전변환기(34)와 전기적으로 접속한다. 제어부(105)는, 히터(82)의 입력 전력, 수소계 가스의 공급량, 및 용기(102) 내의 압력 등을 조정함으로써, 과잉열의 출력 제어를 행한다. 예를 들어, 제어부(105)는, 5개의 전원(85)의 ON과 OFF를 선택적으로 행함으로써, 과잉열의 출력을 증감시킨다. 또한, 제어부(105)는, 온도 측정부(86) 또는 온도 측정부(89)에 의해 측정된 온도, 전류 전압계(88)에 의해 측정된 전력, 열전변환기(34)에 의해 변환된 전력 등의 측정 결과를, 과잉열의 출력을 제어로 피드백시켜도 된다.
용기(102)의 내부에는, 발열 모듈(80)을 지지하는 지지부(120)가 마련되어 있다. 지지부(120)는, 일단이 저부(110)에 고정된 지지부 본체(121)와, 지지부 본체(121)의 타단에 마련된 천장판(122)과, 지지부 본체(121)의 도중에 마련된 고정대(123)와, 고정대(123)에 고정된 지주부(124)를 갖는다. 지지부 본체(121)는, 저부(110)로부터 덮개부(109) 부근까지 연장되어 있다. 고정대(123)는, 지지부 본체(121) 중, 제1 용기 본체(107)와 제2 용기 본체(108)의 접속 부분 근방에 배치되어 있다.
도 25에 도시한 바와 같이, 발열 모듈(80)은 지주부(124)에 지지된다. 도 25는, 발열 모듈(80)에 1개의 발열 유닛(84)의 부분을 나타내고 있다. 지주부(124)는, 제1 지주(124a)와, 제2 지주(124b)와, 제3 지주(124c)에 의해 구성되어 있다. 제1 내지 제3 지주(124a 내지 124c)는, 각각 4개 마련되어 있다. 4개의 제1 지주(124a)는, 서로 등간격으로 배치되어 있다. 4개의 제2 지주(124b)는, 서로 등간격이며, 제1 지주(124a)보다도 외측에 배치되어 있다. 4개의 제3 지주(124c)는, 서로 등간격이며, 제2 지주(124b)보다도 외측에 배치되어 있다.
제1 지주(124a)에는 발열 구조체(83)가 고정된다. 예를 들어, 발열 구조체(83)의 나사 구멍(96)을 제1 지주(124a)에 마련된 나사 구멍(127)에 위치 정렬한 상태에서, 나사(126)를 사용하여, 발열 구조체(83)를 지주(124a)에 고정시킨다. 제1 지주(124a)와 발열 구조체(83)의 고정은, 누름 부재(128)를 사용하여 보강된다. 누름 부재(128)는, 제2 지주(124b)에 마련되어, 발열 구조체(83)의 탈락을 확실하게 방지한다. 제3 지주(124c)에는 열반사부(87)가 고정된다. 열반사부(87)는, 예를 들어 나사 고정에 의해 제3 지주(124c)에 고정된다.
(13-3) 작용 및 효과
이상의 구성에 있어서, 발열 장치(101)에서는, 복수의 발열 구조체(83)에 의해 구성된 발열 모듈(80)이 사용되고 있다. 이 발열 모듈(80)은, 각 발열 구조체(83)의 한쪽 면에 마련된 발열체(81)끼리가 대향하도록 배치되어 있으므로, 발열체(81)가, 히터(82)의 열과, 대향하는 다른 발열체(81)가 발하는 열에 의해 가열된다. 이 결과, 발열 장치(101)에서는, 원하는 온도를 유지하는 데 필요한 입력 전력을 저감시킬 수 있다.
또한, 발열 모듈(80)은, 각 발열 구조체(83)의 다른 쪽 면에 마련된 발열체(81)와 열반사부(87)가 대향하도록 배치되어 있으므로, 발열체(81)가, 히터(82)의 열과, 열반사부(87)에서 반사된 열에 의해 가열된다. 이 결과, 발열 장치(101)에서는, 원하는 온도를 유지하는 데 필요한 입력 전력을 보다 저감시킬 수 있다.
(13-4) 검증 시험
상기 입력 전력 저감 효과에 대하여 검증 시험을 행하였다. 검증 시험에서는, 실시예 5의 다층막(25e)을 갖는 발열체(5e)를 사용하여 발열 구조체(83)를 제작하였다. 이 발열 구조체(83)에 의해 구성된 5개의 발열 유닛(84)을 사용하여 발열 모듈(80)을 제작하고, 용기(102)에 수용하였다.
검증 시험은, 우선, 5개의 발열 유닛(84)에 대응하는 5개의 전원(85)을 모두 ON으로 하고, 온도를 측정하면서, 입력 전력을 단계적으로 높여 갔다. 전원(85)을 ON으로 하고 나서 소정 시간 경과 후에, 5개의 발열 유닛(84) 중, 3단째의 발열 유닛(84)에 대응하는 전원(85)만 ON인 채로 하고, 다른 4개의 전원(85)을 OFF로 하였다. 그리고, 5개의 전원(85)을 모두 ON으로 한 경우와, 3단째의 발열 유닛(84)에 대응하는 전원(85)만 ON으로 한 경우에, 원하는 온도를 유지하는 데 필요한 입력 전력을 비교하였다.
그 결과를 도 26에 나타낸다. 도 26은, 횡축이 경과 시간(H), 좌측의 제1 종축이 입력 전력(W), 우측의 제2 종축이 히터 온도(℃)를 나타낸다. 입력 전력(W)은, 3단째의 발열 유닛(84)의 4개의 히터(82)에 공급한 전력의 평균값이다. 히터 온도(℃)는, 3단째의 발열 유닛(84)의 4개의 히터(82)의 온도 평균값이다. 도 26에서는, 5개의 전원(85)을 모두 ON으로 한 기간을 「제1 내지 제5 히터 ON」으로 표기하고, 3단째의 발열 유닛(84)에 대응하는 전원(85)만 ON으로 한 기간을 「제3 히터만 ON」으로 표기하였다. 도 26으로부터, 히터 온도를 650℃로 유지하기 위해서는, 1개의 전원(85)만 ON으로 하고 있는 경우에는 44.1W의 입력 전력이 필요하며, 5개의 전원(85)을 모두 ON으로 하고 있는 경우에는 27.8W의 입력 전력이 필요하다는 사실을 알았다. 이러한 점에서, 5개의 전원(85)을 모두 ON으로 하고 있는 경우에는, 1개의 전원(85)만 ON으로 하고 있는 경우에 비하여, 0.63배의 입력 전력으로 동일한 온도를 유지할 수 있음이 확인되었다.
(14) 변형예
상기 각 실시 형태의 발열 장치는, 상기 다양한 구성의 다층막을 갖는 발열체를 구비하는 발열 장치의 일례이며, 이것으로 한정되지 않는다.
발열 장치(1)는, 2개의 발열체(5)를 구비하는 것으로 한정되지 않고, 1개의 발열체(5) 또는 3개 이상의 발열체(5)를 구비해도 된다. 1개의 발열체(5)를 구비하는 발열 장치(1)의 경우에는, 열반사부(87)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 열반사부(87)는, 용기(2) 내부에 마련되고, 발열체(5)와 대향하여 배치된다. 발열체(5)는, 히터(6)의 열과, 열반사부(87)에 의해 반사된 열에 의해 가열된다. 이 결과, 발열 장치(1)에서는, 원하는 온도를 유지하는 데 필요한 입력 전력이 저감된다.
발열 장치(1)에 있어서, 발열체(5)의 배치와 히터(6)의 배치는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 2개의 발열체(5)가 간극을 두고 서로 대향하여 배치되어 있으며, 히터(6)가 발열체(5)의 배열 방향을 따라서 배치되어도 된다. 즉, 발열 장치(1)는, 서로 간극을 두고 배열된 복수의 발열체(5)와, 발열체(5)의 배열 방향을 따라서 마련된 히터(6)를 구비하는 것이어도 된다. 발열체(5)의 배열 방향은, 예를 들어 발열체(5)의 표면에 대하여 직교하는 방향으로 된다. 이 예에서는, 발열체(5)가, 히터(6)의 열과, 대향하는 별도의 발열체(5)가 발하는 열에 의해 가열된다. 이 결과, 발열 장치(1)에서는, 원하는 온도를 유지하는 데 필요한 입력 전력이 저감된다. 또한, 3개 이상의 발열체(5)가 간극을 두고 서로 대향하여 배치되는 경우에도, 히터(6)를 발열체(5)의 배열 방향을 따라서 배치함으로써, 1개의 히터(6)로 3개 이상의 발열체(5)를 가열할 수 있다.
발열 장치(31)는, 열반사부(87)를 더 구비해도 된다. 열반사부(87)는, 용기(37) 내부에 마련되고, 발열체(38)와 대향하여 배치된다. 발열 장치(31)가 복수의 발열체(38)를 구비하는 경우에는, 열반사부(87)는, 발열체(38)별로 마련되어도 되고, 복수의 발열체(38)를 덮도록 용기(37)의 내면을 따라 배치되어도 된다. 발열체(38)는, 히터(39)의 열과, 열반사부(87)에 의해 반사된 열에 의해 가열된다. 이 결과, 발열 장치(31)에서는, 원하는 온도를 유지하는 데 필요한 입력 전력이 저감된다.
발열 장치(101)에 있어서, 발열 모듈(80)을 구성하는 발열 유닛(84)의 수, 발열 유닛(84)을 구성하는 발열 구조체(83)의 수는, 특별히 한정되지 않는다. 또한, 발열 유닛(84)은, 통형으로 형성되는 경우로 한정되지 않고, 예를 들어 복수의 발열 구조체(83)를 방사형으로 배치하여 형성해도 된다.
1, 31, 61, 101: 발열 장치
5, 38, 60, 81: 발열체
6, 39, 82: 히터
22, 51, 63: 받침대
23, 65: 제1 층
24, 66: 제2 층

Claims (19)

  1. 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기 내부에 도입되는 용기와,
    상기 용기 내부에 마련된 발열체와,
    상기 발열체를 가열하는 히터를 구비하고,
    상기 발열체는,
    수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대와,
    상기 받침대의 표면에 형성된 다층막을 구비하고,
    상기 다층막은,
    수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층과,
    상기 제1 층과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층이 적층된 구성을 갖는 발열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 층이, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금 중 어느 것으로 이루어지며,
    상기 제2 층이, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC 중 어느 것으로 이루어지는, 발열 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다층막은, 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 적층 구성이 반복해서 적층되어 있는, 발열 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 다층막은, 상기 제1 층 및 상기 제2 층에다가, 상기 제1 층 및 상기 제2 층과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제3 층이 적층된 구성을 갖는, 발열 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3 층은, CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것으로 이루어지는, 발열 장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 다층막은, 상기 제2 층과 상기 제3 층이 임의의 순으로 적층되며, 또한 상기 제2 층과 상기 제3 층의 사이에 상기 제1 층이 개재된 적층 구성이, 반복 적층되어 있는, 발열 장치.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 다층막은, 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 제3 층에다가, 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 제3 층과는 이종의 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제4 층이 적층된 구성을 갖는, 발열 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다층막은, 상기 제4 층이 Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC 중 어느 것으로 이루어지는, 발열 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 다층막은, 상기 제2 층, 상기 제3 층 및 상기 제4 층이 임의의 순으로 적층되며, 또한 상기 제2 층, 상기 제3 층 및 상기 제4 층의 각각의 사이에 상기 제1 층이 개재된 적층 구성이 반복 적층되어 있는, 발열 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발열체는 상기 용기 내부에 복수 마련되어 있으며, 이들 복수의 상기 발열체가 간극을 두고 서로 대향하여 배치되어 있는, 발열 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 받침대는, 다공질 형상 또는 그물눈 형상으로 이루어지며, 내주면에 둘러싸인 중공부를 내부에 갖고,
    상기 용기 내부의 상기 수소계 가스를, 상기 다층막 및 상기 받침대를 순차 투과시켜 상기 중공부 내에까지 유도하는 펌프를 구비하는, 발열 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 펌프에 의해 상기 중공부 내로 유도한 상기 수소계 가스를, 상기 용기 내부로 다시 되돌리는 투과 가스 회수 경로를 구비하는, 발열 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용기 내부에 마련되고, 상기 발열체와 대향하여 배치된 열반사부를 구비하는, 발열 장치.
  14. 발열에 기여하는 수소계 가스가 용기 내부에 도입되는 용기와,
    상기 용기 내부에 마련되고, 발열체와 상기 발열체를 가열하는 히터를 갖는 복수의 발열 구조체를 구비하고,
    상기 발열체는,
    수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대와,
    상기 받침대의 표면에 형성된 다층막을 구비하고,
    상기 다층막은,
    수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층과,
    상기 제1 층과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층이 적층된 구성을 갖는, 발열 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    복수의 상기 발열 구조체는, 한쪽 면끼리가 대향하여 배치되어 있으며,
    상기 발열체는, 상기 발열 구조체의 한쪽 면에 마련되어 있는, 발열 장치.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 용기 내부에 마련된 열반사부를 구비하고,
    복수의 상기 발열 구조체는, 한쪽 면끼리가 대향하고, 또한, 다른 쪽 면이 상기 열반사부와 대향하여 배치되어 있으며,
    상기 발열체는, 상기 발열 구조체의 다른 쪽 면에 마련되어 있는, 발열 장치.
  17. 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체로 이루어지는 받침대의 표면에 다층막을 구비하고, 상기 다층막이, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금으로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제1 층과, 상기 제1 층과는 이종의 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스로 이루어지며, 또한 두께가 1000㎚ 미만으로 이루어지는 층 형상의 제2 층이 적층된 구성을 갖는 발열체를 준비하는 준비 공정과,
    상기 발열체가 용기 내부에 설치된 용기를 준비하는 준비 공정과,
    발열에 기여하는 수소계 가스를 상기 용기 내부에 도입하고, 상기 발열체에 수소를 흡장시키는 수소 흡장 공정과,
    상기 수소를 흡장시킨 상기 발열체를 가열함으로써, 가열 온도 이상의 과잉열을 발생시키는 가열 공정을 구비하는, 발열 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 가열 공정은, 상기 수소 흡장 공정에서의 상기 용기 내부로의 상기 수소계 가스의 도입을 정지한 후에, 상기 발열체를 가열하는, 발열 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 발열체는, 상기 받침대가 다공질 형상으로 이루어지며, 내주면에 둘러싸인 중공부를 내부에 갖고,
    상기 수소 흡장 공정은, 펌프에 의해, 상기 용기 내부의 상기 수소계 가스를, 상기 발열체에 있어서의 상기 다층막 및 상기 받침대를 순차 투과시켜 상기 중공부 내에까지 유도하고,
    상기 가열 공정은, 상기 수소계 가스를 상기 발열체의 상기 중공부 내로 유도하면서, 상기 발열체를 가열하는, 발열 방법.
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