KR20220103990A - 발열 장치, 열 이용 시스템 및 필름상 발열체 - Google Patents

발열 장치, 열 이용 시스템 및 필름상 발열체 Download PDF

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야스히로 이와무라
다케히코 이토
지로타 가사기
히데키 요시노
쇼타로 히라노
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가부시키가이샤 클린 플래닛
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Abstract

저렴하고, 클린하고, 안전한 에너지원을 이용한 신규의 발열 장치 및 열 이용 시스템, 저렴하고, 클린하고, 안전한 에너지원으로서의 필름상 발열체를 제공한다. 발열 장치(10)는, 중공의 밀폐 용기(11)와, 밀폐 용기(11)의 내면에 의해 형성되는 중공부(26)에 마련된 통체(12)와, 통체(12)의 외면에 마련되고, 중공부(26)에 공급되는 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생하는 발열체(13)와, 통체(12)의 내면에 의해 형성되고, 발열체(13)와의 사이에서 열교환을 행하는 유체가 유통하는 유로(14)를 구비한다. 발열체(13)는, 수소 흡장 금속 등으로 형성된 받침대와, 받침대에 마련된 다층막을 갖는다. 다층막은, 수소 흡장 금속 등으로 형성되고, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속 등에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는다.

Description

발열 장치, 열 이용 시스템 및 필름상 발열체
본 발명은, 발열 장치, 열 이용 시스템 및 필름상 발열체에 관한 것이다.
근년, 수소 흡장 금속 등을 사용하여 수소의 흡장과 방출을 행함으로써 열이 발생하는 발열 현상이 보고되어 있다(예를 들어, 비특허문헌 1 참조). 수소는, 물로부터 생성할 수 있기 때문에, 자원으로서는 무진장하고 저렴하며, 또한, 이산화탄소 등의 온실 가스를 발생시키지 않으므로 클린한 에너지로 되어 있다. 또한, 수소 흡장 금속 등을 사용한 발열 현상은, 핵분열 반응과는 달리, 연쇄 반응이 없으므로 안전하게 되어 있다. 수소의 흡장과 방출에 의해 발생하는 열은, 그대로 열로서 이용하는 것 외에 전력으로 변환하여 이용할 수도 있으므로, 유효한 에너지원으로서 기대된다.
A. Kitamura, A. Takahashi, K. Takahashi, R. Seto, T. Hatano, Y. Iwamura, T. Itoh, J. Kasagi, M. Nakamura, M. Uchimura, H. Takahashi, S. Sumitomo, T. Hioki, T. Motohiro, Y. Furuyama, M. Kishida, H. Matsune, "Excess heat evolution from nanocomposite samples under exposure to hydrogen isotope gases", International Journal of Hydrogen Energy 43(2018) 16187-16200.
그러나, 에너지원의 주류는 여전히 화력 발전이나 원자력 발전이다. 따라서, 환경 문제나 에너지 문제의 관점에서, 저렴하고, 클린하고, 안전한 에너지원을 이용하는, 종래에 없는 신규의 발열 장치 및 열 이용 시스템이 요망되고 있다.
그래서, 본 발명은 저렴하고, 클린하고, 안전한 에너지원을 이용한 신규의 발열 장치 및 열 이용 시스템, 저렴하고, 클린하고, 안전한 에너지원으로서의 필름상 발열체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 발열 장치는, 중공의 밀폐 용기와, 상기 밀폐 용기의 내면에 의해 형성되는 중공부에 마련된 통체와, 상기 통체의 외면에 마련되고, 상기 중공부에 공급되는 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체와, 상기 통체의 내면에 의해 형성되고, 상기 발열체와의 사이에서 열교환을 행하는 유체가 유통하는 유로를 구비하고, 상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 상기 받침대에 마련된 다층막을 갖고, 상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는다.
본 발명의 열 이용 시스템은, 상기 발열 장치와, 상기 발열체에 의해 가열된 상기 유체를 이용하는 유체 이용 장치를 구비한다.
본 발명의 필름상 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 필름상의 받침대와, 상기 받침대에 마련된 필름상의 다층막을 갖고, 상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는다.
본 발명에 따르면, 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시키는 발열체를 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 발열 장치의 개략도이다.
도 2는 밀폐 용기의 일부를 파단하여 나타내는 사시도이다.
도 3은 밀폐 용기의 단면도이다.
도 4는 밀폐 용기에 있어서의 유체의 흐름을 설명하기 위한 설명도이다.
도 5는 제1 층과 제2 층을 갖는 발열체의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 6은 과잉열의 발생을 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 제2 실시 형태의 발열 장치의 개략도이다.
도 8은 제3 실시 형태의 발열 장치의 개략도이다.
도 9는 제3 실시 형태의 발열 장치와 증기 터빈을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 압력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 제3 실시 형태의 발열 장치와 증기 터빈을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 제3 실시 형태의 발열 장치와 증기 터빈을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 엔탈피의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 12는 제4 실시 형태의 발열 장치의 개략도이다.
도 13은 제5 실시 형태의 발열 장치의 개략도이다.
도 14는 제6 실시 형태의 발열 장치의 개략도이다.
도 15는 제6 실시 형태의 보일러에 있어서의 열교환의 상태를 나타내는 그래프이다.
도 16은 제6 실시 형태의 발열 장치와 증기 터빈을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 압력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 제6 실시 형태의 발열 장치와 증기 터빈을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 온도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 제6 실시 형태의 발열 장치와 증기 터빈을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 엔탈피의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 19는 제1 층과 제2 층과 제3 층을 갖는 발열체의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 20은 제1 층과 제2 층과 제3 층과 제4 층을 갖는 발열체의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 21은 복수의 발열체가 마련된 통체의 사시도이다.
도 22는 발열체를 제조하는 발열체 제조 장치의 개략도이다.
도 23은 발열체가 형성된 통체끼리를 접속한 발열 유닛의 사시도이다.
도 24는 필름상 발열체의 사시도이다.
도 25는 필름상 발열체를 제조하는 필름상 발열체 제조 장치의 개략도이다.
도 26은 패시베이션막을 갖는 필름상 발열체의 구조를 나타내는 단면도이다.
[제1 실시 형태]
도 1에 있어서, 발열 장치(10)는, 밀폐 용기(11)와, 통체(12)와, 발열체(13)와, 유로(14)와, 유체 순환부(15)와, 제어부(16)를 구비한다. 발열 장치(10)는, 통체(12)의 외부에 발열체(13)가 마련되고, 통체(12)의 내부에 유로(14)가 마련되어 있으며, 유로(14)를 유통하는 유체를 발열체(13)에 의해 가열하여, 고온의 유체를 생성한다.
유체는, 액체 및 기체 중 적어도 어느 것을 포함한다. 유체로서는, 열전도율이 우수하고, 화학적으로 안정된 것이 바람직하다. 기체로서는, 예를 들어 헬륨 가스, 아르곤 가스, 프레온 가스, 수소 가스, 질소 가스, 수증기, 공기, 이산화탄소 등을 들 수 있다. 액체로서는, 예를 들어 물, 용융염(KNO3(40％)-NaNO3(60％) 등), 액체 금속(Pb 등) 등을 들 수 있다. 또한, 유체로서, 기체 또는 액체에 고체 입자를 분산시킨 혼상의 유체를 사용해도 된다. 고체 입자는, 금속, 금속 화합물, 합금, 세라믹스 등이다. 금속으로서는, 예를 들어 구리, 니켈, 티타늄, 코발트 등을 들 수 있다. 금속 화합물로서는, 예를 들어 상기 금속의 산화물, 질화물, 규화물 등을 들 수 있다. 합금으로서는, 예를 들어 스테인리스, 크롬몰리브덴강 등을 들 수 있다. 세라믹스로서는, 예를 들어 알루미나 등을 들 수 있다. 유체의 종류는 발열 장치(10)의 용도에 따라서 적절히 선택할 수 있다.
본 실시 형태에서는 유체로서 물을 사용한다. 발열 장치(10)는, 유로(14)를 유통하는 물을 발열체(13)에 의해 가열하여, 고온 고압의 물(이하, 고온 고압수라고 칭함)을 생성한다.
밀폐 용기(11)는, 통체(12) 및 발열체(13)를 수용하도록 구성되어 있다. 밀폐 용기(11)는, 중공의 통 형상으로 되어 있다. 밀폐 용기(11)의 형상은, 이 예에서는 원통 형상이지만, 타원통 형상, 각통 형상 등의 다양한 형상으로 할 수 있다. 밀폐 용기(11)의 높이는 예를 들어 13 내지 15m로 되어 있다. 밀폐 용기(11)의 직경은 예를 들어 3.1m로 되어 있다. 밀폐 용기(11)의 치수는 특별히 한정되지 않고, 적절히 설계할 수 있다.
밀폐 용기(11)는, 내열성 및 내압성을 갖는 재료에 의해 형성되어 있다. 밀폐 용기(11)의 재료는, 사용 조건(예를 들어 온도나 압력 등)에 따라서 적절히 선택할 수 있다. 밀폐 용기(11)의 재료로서는, 예를 들어 탄소강, 오스테나이트계 스테인리스강, 내열성 비철 합금강 등이 사용된다. 오스테나이트계 스테인리스강으로서는, 예를 들어 JIS(Japanese Industrial Standards)로 규격되는 SUS304L, SUS316L, SUS310S 등을 들 수 있다. 예를 들어, 밀폐 용기(11)의 재료로서는, 사용 온도가 350℃ 이하인 경우에는 탄소강이 사용되고, 사용 온도가 350℃를 초과하는 경우에는 SUS304L이 사용되고, 사용 온도가 600 내지 700℃인 경우에는 SUS316L 또는 SUS310S가 사용되고, 사용 온도가 700℃를 초과하는 경우에는 내열에 따른 비철 합금이 사용된다.
밀폐 용기(11)는, 통형으로 형성된 본체(17)와, 본체(17)의 일단에 마련된 유체 유입실(18)과, 본체(17)의 타단에 마련된 유체 유출실(19)을 갖는다. 밀폐 용기(11)에 있어서, 본체(17)에 대하여 유체 유입실(18)이 마련되어 있는 측이 하측이며, 본체(17)에 대하여 유체 유출실(19)이 마련되어 있는 측이 상측이다.
본체(17)는, 수소계 가스의 입구인 가스 입구(21)와, 수소계 가스의 출구인 가스 출구(22)를 갖는다. 본체(17)의 형상은, 이 예에서는 원통 형상이지만, 타원통 형상, 각통 형상 등의 다양한 형상으로 할 수 있다. 유체 유입실(18)은, 유체의 입구인 유체 입구(23)를 갖는다. 유체 유출실(19)은, 유체의 출구인 유체 출구(24)를 갖는다.
수소계 가스란, 수소의 동위체를 포함하는 가스를 의미한다. 수소계 가스로서는, 중수소 가스와 경수소 가스 중 적어도 어느 것이 사용된다. 경수소 가스는, 천연에 존재하는 경수소와 중수소의 혼합물, 즉, 경수소의 존재비가 99.985％이며, 중수소의 존재비가 0.015％인 혼합물을 포함한다. 이후의 설명에 있어서, 경수소와 중수소를 구별하지 않는 경우에는 「수소」라고 기재한다.
밀폐 용기(11)의 내부에는, 통체(12) 및 발열체(13)가 배치되는 중공부(26)가 마련되어 있다. 중공부(26)는, 밀폐 용기(11)의 내면에 의해 형성된다. 구체적으로는, 중공부(26)는, 본체(17)의 내면과 후술하는 발열체(13)의 외면에 의해 획정되는 통형의 공간이다.
중공부(26)는, 가스 입구(21)를 통해 가스 공급부(27)와 접속하고 있다. 가스 공급부(27)는, 도시하지 않았지만, 수소계 가스를 저장하는 가스 봄베, 가스 봄베와 중공부(26)를 접속하는 배관, 수소계 가스의 유량이나 배관 내의 압력을 조정하는 밸브 등으로 구성되어 있으며, 중공부(26)에 수소계 가스의 공급을 행한다.
중공부(26)는, 가스 출구(22)를 통해 가스 배출부(28)와 접속하고 있다. 가스 배출부(28)는, 도시하지 않았지만, 진공 펌프, 진공 펌프와 중공부(26)를 접속하는 배관, 수소계 가스의 유량이나 배관 내의 압력을 조정하는 밸브 등으로 구성되어 있으며, 중공부(26)의 진공 배기를 행한다.
통체(12)는, 밀폐 용기(11)의 중공부(26)에 마련되어 있다. 통체(12)는 중공의 파이프이다. 통체(12)의 내부는, 후술하는 제어부(16)에 의해 소정의 압력으로 제어되어 있다. 본 실시 형태에서는, 물이 300℃ 정도에서 수증기로 되지 않고 액체의 상태를 유지하도록 압력이 제어되어 있다. 통체(12)의 내부의 압력은, 본 실시 형태에서는 100bar로 되지만, 이것에 한정되지 않고 적절히 설계할 수 있다.
통체(12)는, 내열성 및 내압성을 갖는 재료에 의해 형성된다. 통체(12)의 재료는, 사용 조건(예를 들어 온도나 압력 등)에 따라서 적절히 선택할 수 있다. 통체(12)의 재료로서는, 밀폐 용기(11)와 동일한 재료, 즉, 탄소강, 오스테나이트계 스테인리스강, 내열성 비철 합금강 등이 사용된다. 통체(12)의 형상은, 원통 형상, 타원통 형상, 각통 형상 등의 다양한 형상으로 할 수 있다. 통체(12)의 각종 치수는, 특별히 한정되지 않고 적절히 설계할 수 있다. 예를 들어, 통체(12)는, 길이가 10m, 두께(육후)가 0.005 내지 0.010m, 직경이 0.05m인 원통 형상으로 할 수 있다. 두께는, 통체(12)의 내부(후술하는 유로(14))를 유통하는 유체의 온도와 압력에 기초하여 적절히 설계하는 것이 바람직하다. 통체(12)는, 예를 들어 복수의 파이프 재를 직렬로 접속함으로써, 원하는 길이로 형성하는 것이 가능하다. 통체(12)의 수는, 특별히 한정되지 않고 1개 이상이면 된다. 예를 들어 800개의 통체(12)를 밀폐 용기(11)에 설치하는 것도 가능하다. 본 실시 형태에서는 복수의 통체(12)가 중공부(26)에 마련되어 있다. 즉, 발열 장치(10)는, 중공부(26)에 마련된 복수의 통체(12)를 구비하는 것이다. 또한, 도 1에서는, 도면의 간략화를 위해서 복수의 통체(12) 중 1개만을 나타내고, 다른 통체(12)는 생략하였다.
발열체(13)는, 통체(12)의 외면에 마련되어 있다. 따라서, 발열체(13)는 통 형상으로 되어 있다. 본 실시 형태에서는, 복수의 통체(12)의 각각에 대하여, 발열체(13)가 1개씩 마련되어 있다. 즉, 발열 장치(10)는 복수의 발열체(13)를 구비하는 것이다.
발열체(13)는, 중공부(26)에 배치되어 있으며, 중공부(26)에 공급되는 수소계 가스와 접한다. 발열체(13)의 두께(육후)는, 특별히 한정되지 않고, 발열 장치(10)로서 원하는 출력이 얻어지도록 적절히 설계할 수 있으며, 예를 들어 0.005 내지 0.010m로 된다. 발열체(13)는, 1개의 통체(12)에 대하여, 그 외면의 전역에 1개의 발열체(13)가 마련되어 있다. 또한, 1개의 통체(12)에 대하여, 그 외면에 복수의 발열체(13)를 서로 간격을 두고 마련해도 된다.
발열체(13)는, 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생시킨다. 발열체(13)는, 중공부(26)에 수소계 가스가 공급됨으로써, 수소계 가스에 포함되는 수소를 흡장한다. 발열체(13)는, 중공부(26)의 진공 배기가 행해진 상태에서 가열됨으로써, 가열 온도 이상의 온도로 승온하여, 열(이하, 과잉열이라고 칭함)을 발생시킨다.
발열체(13)는, 발열 장치(10)의 운전이 개시된 경우, 후술하는 가열부(33)에 의해 가열된 물(유체)에 의해 가열되고, 소정의 온도가 됨으로써 과잉열을 발생시킨다. 본 실시 형태는, 발열체(13)가 예를 들어 270 내지 300℃로 가열됨으로써 과잉열을 발생시키는 경우를 상정한 것이다. 과잉열을 발생시키고 있는 상태의 발열체(13)의 온도는, 예를 들어 300℃ 이상 1500℃ 이하의 범위 내로 된다.
유로(14)는, 통체(12)의 내부에 마련되어 있다. 유로(14)는, 통체(12)의 내면에 의해 형성된다. 유로(14)는, 발열체(13)와의 사이에서 열교환을 행하는 유체를 유통시킨다. 유로(14)는 중공부(26)와 비접속이다. 이 때문에, 유로(14)와 중공부(26)의 사이에서 유체 및 수소계 가스의 유통이 방지되어 있다.
가열된 유체가 유로(14)에 유입됨으로써, 통체(12)를 통해 발열체(13)가 가열된다. 이에 의해, 발열체(13)가 과잉열을 발생시켜, 통체(12)를 통해 유로(14)를 유통하는 유체가 가열된다. 이 결과, 유로(14) 내에서 고온 고압의 유체가 생성되고, 이 고온 고압의 유체가 유로(14)로부터 유출된다. 본 실시 형태의 경우, 유로(14)에 유입된 물은, 과잉열을 발생시키는 발열체(13)에 의해 가열되고, 예를 들어 300℃의 고온 고압수로서 유로(14)로부터 유출된다. 또한, 유로(14) 내의 물의 일부가 수증기가 되는 경우도 있다.
유체 순환부(15)는, 유로(14)와 접속하여 통체(12)의 내부와 외부의 사이에서 유체를 순환시키는 순환 라인(30)을 갖는다. 순환 라인(30)은, 밀폐 용기(11)의 외부에 있어서, 유체 유입실(18)의 유체 입구(23)와 유체 유출실(19)의 유체 출구(24)를 접속한다.
순환 라인(30)에는, 유체를 냉각시키는 냉각부(32)와, 유체를 가열하는 가열부(33)가 마련되어 있다. 즉, 발열 장치(10)는, 냉각부(32)와 가열부(33)를 더 구비하는 것이다.
본 실시 형태에서는, 냉각부(32)와 가열부(33)에 추가로, 물을 저류하는 리저버 탱크(36)와, 물을 순환시키는 펌프(40)가 순환 라인(30)에 마련되어 있다. 또한, 순환 라인(30)의 각 부에는, 압력계 PI, 온도계 TI, 및 유량계 FI가 마련되어 있다. 압력계 PI, 온도계 TI, 및 유량계 FI의 수는, 특별히 한정되지 않지만, 1 이상인 것이 바람직하다. 순환 라인(30) 중, 밀폐 용기(11)의 유체 출구(24)로부터 유체 입구(23)까지의 사이의 각 부에 있어서, 압력계 PI, 온도계 TI, 냉각부(32), 온도계 TI, 리저버 탱크(36), 펌프(40), 온도계 TI, 가열부(33), 온도계 TI, 유량계 FI가 이 순서로 마련되어 있다. 리저버 탱크(36)에는 온도계 TI가 마련되어 있다.
냉각부(32)는, 제어부(16)와 전기적으로 접속하고 있으며, 제어부(16)에 의해 구동이 제어된다. 냉각부(32)는, 유로(14)로부터 유출된 유체로서의 고온 고압수를 냉각한다. 냉각부(32)에서는, 예를 들어 300℃의 고온 고압수가 270℃까지 냉각된다.
냉각부(32)는, 이 예에서는 보일러로서의 기능을 갖는다. 보일러로서의 냉각부(32)는, 고온 고압수와 열 매체로서의 보일러수의 사이에서 열교환을 행하고, 보일러수로 고온 고압의 수증기(이하, 과열 증기라고 칭함)를 생성한다. 이 과열 증기를 증기 터빈에 공급하고, 증기 터빈과 접속한 발전기에 의해 발전을 행하는 것이 가능하다.
가열부(33)는, 제어부(16)와 전기적으로 접속하고 있으며, 제어부(16)에 의해 구동이 제어된다. 가열부(33)는, 유로(14)에 유입시키는 유체로서의 물을 가열한다.
가열부(33)는, 예를 들어 급전에 의해 발열하는 전기로이다. 또한, 가열부(33)는, 연료를 연소시킴으로써 발열하는 연료로여도 된다. 발열 장치(10)의 운전을 개시하는 경우, 가열부(33)에서는, 물이 예를 들어 270℃로 가열된다. 가열부(33)에 의해 가열된 유체가 유로(14)에 유입됨으로써, 발열체(13)가 소정의 온도까지 승온하여 과잉열을 발생시킨다. 즉, 가열부(33)는, 발열 장치(10)의 운전 개시 시에 있어서 발열체(13)를 소정의 온도까지 승온시키는 스타트 업 히터로서 기능한다.
가열부(33)는, 본 실시 형태에서는 순환 라인(30)에 직접 마련되어 있지만, 순환 라인(30)으로부터 분기한 분기 라인에 마련해도 된다. 가열부(33)가 분기 라인에 마련되는 경우에는, 순환 라인(30)을 유통하는 유체의 일부 또는 전부를 분기 라인으로 흘리고, 가열부(33)에서 가열된 유체를 순환 라인(30)으로 복귀시킨다. 이에 의해, 가열된 유체를 유로(14)에 유입시킬 수 있다. 순환 라인(30)과 분기 라인을 밸브를 통해 접속함으로써, 분기 라인으로 흘리는 물의 유량을 제어할 수 있다.
냉각부(32)와 가열부(33)는, 발열 장치(10)의 운전 중에 있어서는, 유로(14)에 유입시키는 유체의 온도가 소정의 범위 내로 유지되도록 구동이 제어되어 있다. 예를 들어, 발열체(13)가 과잉열을 발생시킨 경우에, 유로(14)에 유입시키는 물의 온도를 270℃ 정도로 유지한다. 이에 의해, 발열체(13)의 온도가 거의 일정하게 되어, 유로(14)로부터 유출되는 고온 고압수의 온도나 유량이 안정된다.
제어부(16)는, 발열 장치(10)의 각 부와 전기적으로 접속하고 있으며, 각 부의 동작을 제어한다. 제어부(16)는, 예를 들어 연산 장치(Central Processing Unit), 읽기 전용 메모리(Read Only Memory)나 랜덤 액세스 메모리(Random Access Memory) 등의 기억부 등을 구비하고 있다. 연산 장치에서는, 예를 들어 기억부에 저장된 프로그램이나 데이터 등을 사용하여 각종 연산 처리를 실행한다.
제어부(16)는, 냉각부(32)를 구동시켜, 냉각부(32)에 의해 냉각된 유체를 유로(14)에 유입시켜 발열체(13)의 온도를 저하시키는 강온 제어와, 가열부(33)를 구동시켜, 가열부(33)에 의해 가열된 유체를 유로(14)에 유입시켜 발열체(13)의 온도를 상승시키는 승온 제어를 행한다. 제어부(16)는, 순환 라인(30)을 유통하는 유체의 온도에 기초하여, 강온 제어와 승온 제어의 전환을 행함으로써, 유로(14)에 유입시키는 유체의 온도를 조정한다.
제어부(16)는, 온도계 TI의 검출 결과, 압력계 PI의 검출 결과, 유량계 FI의 검출 결과 등에 기초하여, 발열 장치(10)의 각 부의 온도, 압력, 유량 등을 제어한다. 예를 들어, 발열체(13)가 270 내지 300℃에서 과잉열을 발생시키는 경우, 제어부(16)는, 유로(14)에 유입되는 유체의 온도를 270℃, 압력을 100bar로 한다. 유로(14)에 유입되는 유체의 엔탈피는 283kcal/㎏이며, 28.3×108kcal/h이다. 유로(14)에 유입된 물은, 발열체(13)에 의해 300℃까지 가열되고, 고온 고압수로서 유로(14)로부터 유출된다. 또한, 압력이 100bar인 경우의 물의 포화 온도는 311℃이므로, 유로(14)에 유입된 물은, 300℃까지 승온해도 수증기로는 되지 않는다.
도 2는, 밀폐 용기(11)의 일부를 파단하여 나타내는 사시도이다. 도 2에서는, 복수의 통체(12) 및 발열체(13) 중, 1개의 통체(12) 및 발열체(13)에 대하여 일부를 파단하고, 그 내부를 도시하고 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 유체 순환부(15)는, 순환 라인(30) 외에, 외부 유체 라인(45)을 더 갖는다. 밀폐 용기(11)의 중공부(26)에 마련되어 있는 각 통체(12)는, 내부에 마련된 유로(14)를 유통하는 유체의 열 또는 외면에 마련된 발열체(13)의 열에 의해 가열되고, 온도가 상승하여 열팽창한다. 한편, 밀폐 용기(11)의 본체(17)는, 통체(12) 및 발열체(13)와는 비접촉이며, 통체(12)보다도 온도의 상승이 억제되고 있으므로, 통체(12)보다도 열팽창이 작다. 이 때문에, 복수의 통체(12)와 밀폐 용기(11)의 본체(17)에 열응력이 발생한다. 외부 유체 라인(45)은, 이 열응력에 의한 파손을 방지하기 위한 것이다.
외부 유체 라인(45)은, 밀폐 용기(11)의 외면에 마련되고, 순환 라인(30)과 접속하여 유체의 일부가 유통한다. 외부 유체 라인(45)은, 밀폐 용기(11)의 외면에 마련된 복수의 제1 배관(47)과, 복수의 제1 배관(47)의 일단끼리를 접속하는 제1 링 관(48)과, 복수의 제1 배관(47)의 타단끼리를 접속하는 제2 링 관(49)과, 제1 링 관(48)과 유체 유입실(18)을 접속하는 복수의 제2 배관(50)과, 제2 링 관(49)과 유체 유출실(19)을 접속하는 복수의 제3 배관(51)을 갖는다.
복수의 제1 배관(47)은, 각각이 밀폐 용기(11)의 상하 방향(도면 중 Z 방향)으로 연장되어 있다. 제1 링 관(48)은, 밀폐 용기(11)의 본체(17)의 일단의 플랜지에 마련되어 있다. 제2 링 관(49)은, 밀폐 용기(11)의 본체(17)의 타단의 플랜지에 마련되어 있다. 제1 링 관(48) 및 제2 링 관(49)은, 관재를 본체(17)의 외주를 따라서 링형으로 형성한 것이며, 내부에 유체가 유통하도록 구성되어 있다. 복수의 제2 배관(50)은, 유체 유입실(18)의 유체를 제1 링 관(48)으로 안내한다. 제1 링 관(48)의 유체는, 복수의 제1 배관(47)을 통해 제2 링 관(49)으로 이동한다. 복수의 제3 배관(51)은, 제2 링 관(49)의 유체를 유체 유출실(19)로 안내한다. 제1 배관(47), 제2 배관(50) 및 제3 배관(51)의 수는, 특별히 한정되지 않고, 적절히 변경 가능하다.
도 3에 도시한 바와 같이, 복수의 제1 배관(47)은, 밀폐 용기(11)의 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 각 제1 배관(47)의 단면 형상은, 본 실시 형태에서는 반원 형상이지만, 이것에 한정되지 않고, 직사각 형상, 반타원 형상 등으로 할 수 있다. 도 3은, 밀폐 용기(11)의 본체(17)에서의 XY 평면을 따른 단면도이다.
중공부(26)에 있어서, 복수의 통체(12)는 서로 등간격으로 지그재그형으로 배치되어 있다. 즉, 서로 인접하는 3개의 통체(12)에 있어서, 각 통체(12)의 중심끼리를 연결한 형상은 정삼각형(도 3에 있어서 점선으로 나타내고 있음)을 형성한다. 서로 인접하는 통체(12)의 중심간의 거리는 0.15m로 되어 있다.
도 4를 이용하여, 밀폐 용기(11)에 있어서의 유체의 흐름에 대하여 설명한다. 순환 라인(30)을 유통하는 유체는, 유체 입구(23)로부터 유체 유입실(18)로 유입된다. 유체 유입실(18)의 유체의 일부는, 복수의 통체(12)의 일단으로부터 유로(14)로 흐른다. 유로(14)에서는, 발열체(13)에 의해 유체가 가열된다. 유로(14)에서 가열된 유체는, 복수의 통체(12)의 타단으로부터 유체 유출실(19)로 흐르고, 유체 출구(24)로부터 순환 라인(30)으로 유출된다.
유체 유입실(18)의 유체의 나머지 일부는, 복수의 제2 배관(50)에 유입된다. 복수의 제2 배관(50)의 유체는, 제1 링 관(48)을 통해 복수의 제1 배관(47)으로 안내된다. 복수의 제1 배관(47)에서는, 발열체(13)의 방사열에 의해 유체가 가열된다. 복수의 제1 배관(47)에서 가열된 유체는, 제2 링 관(49), 복수의 제3 배관(51)을 순서대로 통하여 유체 유출실(19)로 안내되고, 유로(14)에서 가열된 유체와 합류한다.
상기와 같은 외부 유체 라인(45), 밀폐 용기(11), 통체(12), 발열체(13) 및 유로(14)에 의해, 발열 모듈(55)이 구성된다. 본 실시 형태의 발열 장치(10)는 1개의 발열 모듈(55)을 구비하는 것이지만, 발열 모듈(55)의 수는 특별히 한정되지 않고 2개 이상으로 해도 된다.
도 5를 이용하여 발열체(13)의 상세에 대하여 설명한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 발열체(13)는, 받침대(57)와 다층막(58)을 갖는다.
받침대(57)는, 통체(12)의 외면에 마련된다. 도 5에서는 통체(12)의 도시를 생략하였다. 받침대(57)는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된다. 수소 흡장 금속으로서는, 예를 들어 Ni, Pd, V, Nb, Ta, Ti 등이 사용된다. 수소 흡장 합금으로서는, 예를 들어 LaNi5, CaCu5, MgZn2, ZrNi2, ZrCr2, TiFe, TiCo, Mg2Ni, Mg2Cu 등이 사용된다. 프로톤 도전체로서는, 예를 들어BaCeO3계(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 Ga2O3 등이 사용된다.
다층막(58)은, 받침대(57)의 표면에 마련된다. 다층막(58)은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되는 제1 층(59)과, 제1 층(59)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스에 의해 형성되는 제2 층(60)에 의해 형성된다. 받침대(57)와 제1 층(59)과 제2 층(60)의 사이에는 이종 물질 계면(61)이 형성된다.
제1 층(59)은, 예를 들어 Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금 중 어느 것에 의해 형성된다. 제1 층(59)을 형성하는 합금은, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상으로 이루어지는 합금인 것이 바람직하다. 제1 층(59)을 형성하는 합금으로서, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금을 사용해도 된다.
제2 층(60)은, 예를 들어 Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC 중 어느 것에 의해 형성된다. 제2 층(60)을 형성하는 합금이란, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상으로 이루어지는 합금인 것이 바람직하다. 제2 층(60)을 형성하는 합금으로서, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금을 사용해도 된다.
제1 층(59)과 제2 층(60)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층(59)-제2 층(60)(제2 층(60)-제1 층(59))」으로 하여 표시하면, Pd-Ni, Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Fe, Ni-Mg, Ni-Co인 것이 바람직하다. 제2 층(60)을 세라믹스로 한 경우에는, 「제1 층(59)-제2 층(60)」이, Ni-SiC인 것이 바람직하다.
제1 층(59)의 두께와 제2 층(60)의 두께는, 각각 1000㎚ 미만인 것이 바람직하다. 제1 층(59)과 제2 층(60)의 각 두께가 1000㎚ 이상이 되면, 수소가 다층막(58)을 투과하기 어려워진다. 또한, 제1 층(59)과 제2 층(60)의 각 두께가 1000㎚ 미만임으로써, 벌크의 특성을 나타내지 않는 나노 구조를 유지할 수 있다. 제1 층(59)과 제2 층(60)의 각 두께는, 500㎚ 미만인 것이 보다 바람직하다. 제1 층(59)과 제2 층(60)의 각 두께가 500㎚ 미만임으로써, 완전히 벌크의 특성을 나타내지 않는 나노 구조를 유지할 수 있다.
도 5에서는, 다층막(58)은, 받침대(57)의 표면에, 제1 층(59)과 제2 층(60)이 이 순서로 교호로 적층된 구성을 갖는다. 제1 층(59)과 제2 층(60)은, 각각 5층으로 되어 있다. 또한, 제1 층(59)과 제2 층(60)의 각 층수는 적절히 변경해도 된다. 다층막(58)은, 받침대(57)의 표면에, 제2 층(60)과 제1 층(59)이 이 순서로 교호로 적층된 구성을 갖는 것이어도 된다. 다층막(58)으로서는, 제1 층(59)과 제2 층(60)을 각각 1층 이상 갖고, 이종 물질 계면(61)이 1개 이상 형성되어 있으면 된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 이종 물질 계면(61)은 수소 원자를 투과시킨다. 도 6은, 면심 입방 구조의 수소 흡장 금속에 의해 형성되는 제1 층(59) 및 제2 층(60)에 수소를 흡장시킨 후, 제1 층(59) 및 제2 층(60)을 가열했을 때, 제1 층(59)에 있어서의 금속 격자 내의 수소 원자가, 이종 물질 계면(61)을 투과하여 제2 층(60)의 금속 격자 내로 이동하는 모습을 나타낸 개략도이다.
발열체(13)는, 밀폐 용기(11)에 수소계 가스가 공급됨으로써, 받침대(57) 및 다층막(58)에 의해 수소를 흡장한다. 발열체(13)는, 밀폐 용기(11)로의 수소계 가스의 공급이 정지되어도, 받침대(57) 및 다층막(58)에 있어서 수소를 흡장한 상태를 유지한다. 유체에 의해 발열체(13)의 가열이 개시되면, 받침대(57) 및 다층막(58)에 흡장되어 있는 수소가 방출되고, 다층막(58)의 내부를 호핑하면서 양자 확산한다. 수소는 가벼워, 어떤 물질 A와 물질 B의 수소가 차지하는 사이트(옥타헤드랄이나 테트라헤드랄사이트)를 호핑하면서 양자 확산해 가는 것을 알 수 있다. 발열체(13)는, 진공 상태에서 가열이 행해짐으로써, 이종 물질 계면(61)을 수소가 양자 확산에 의해 투과하여, 유체의 온도 이상의 과잉열을 발생시킨다.
발열체(13)의 제조 방법의 일례를 설명한다. 발열체(13)는, 예를 들어 스퍼터링법을 이용하여 제조할 수 있다. 원통 형상의 통체(12)의 외면에 받침대(57)를 형성한 후, 받침대(57) 위에 제1 층(59) 및 제2 층(60)을 교호로 형성함으로써 발열체(13)가 얻어진다. 받침대(57)를 형성할 때는, 제1 층(59) 및 제2 층(60)보다도 두껍게 형성하는 것이 바람직하고, 받침대(57)의 재료로서는 예를 들어 Ni가 사용된다. 제1 층(59) 및 제2 층(60)은, 진공 상태에서 연속적으로 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 층(59) 및 제2 층(60)의 사이에는, 자연 산화막이 형성되지 않고, 이종 물질 계면(61)만이 형성된다. 발열체(13)의 제조 방법으로서는, 스퍼터링법에 한정되지 않고, 증착법, 습식법, 용사법, 전기 도금법 등을 이용할 수 있다.
발열 장치(10)를 사용한 발열 방법은, 밀폐 용기(11)의 중공부(26)에 대하여 수소계 가스의 공급을 행함으로써, 수소계 가스에 포함되는 수소를 발열체(13)에 흡장시키는 수소 흡장 공정과, 밀폐 용기(11)의 중공부(26)의 진공 배기와 발열체(13)의 가열을 행함으로써, 발열체(13)에 흡장되어 있는 수소를 방출시키는 수소 방출 공정을 갖는다. 수소 흡장 공정과 수소 방출 공정을 반복해서 행해도 된다.
이상과 같이, 발열 장치(10)는, 통체(12)의 외면에 마련된 발열체(13)와, 통체(12)의 내면에 의해 형성된 유로(14)를 유통하는 유체(물)와의 사이에서 열교환을 행함으로써, 고온의 유체(고온 고압수)를 생성한다. 고온의 유체로서의 고온 고압수는, 보일러(냉각부(32)) 내에서 과열 증기를 생성하기 위해서 이용할 수 있다. 보일러에서 생성된 과열 증기는, 증기 터빈에 이용할 수 있다. 발열체(13)는, 수소를 사용하여 발열시키므로, 이산화탄소 등의 온실 가스를 발생하지 않는다. 또한, 발열체(13)를 발열시키기 위해서 사용하는 수소는, 물로부터 생성할 수 있기 때문에 저렴하다. 또한, 발열체(13)의 발열은, 핵분열 반응과는 달리, 연쇄 반응이 없으므로 안전하게 되어 있다. 따라서, 발열 장치(10)는, 발열체(13)를 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
발열 장치(10)는, 외부 유체 라인(45)이 밀폐 용기(11)의 본체(17)의 외면에 마련되어 있음으로써, 본체(17)가 발열체(13)의 방사열에 의해 가열된 경우라도, 본체(17)의 열이 외부 유체 라인(45)을 유통하는 유체에 전달되므로, 본체(17)의 열팽창이 억제된다. 또한, 발열 장치(10)는, 유로(14)가 통체(12)의 내부에 마련되어 있음으로써, 통체(12)가 발열체(13)에 의해 가열된 경우라도, 통체(12)의 열이 유로(14)를 유통하는 유체에 전달되므로, 통체(12)의 열팽창이 억제된다. 발열 장치(10)는, 통체(12) 및 본체(17)가 열팽창하는 경우라도, 통체(12)의 늘어남과 본체(17)의 늘어남이 동일 정도가 되므로, 열응력에 의한 파손이 방지된다.
발열 장치(10)는, 제어부(16)에 의해 강온 제어와 승온 제어의 전환을 행함으로써, 순환 라인(30)을 순환하는 유체의 온도가 일정하게 유지되어, 발열체(13)의 발열이 안정된다.
[제2 실시 형태]
상기 제1 실시 형태에서는, 유로(14)에 유입시킨 물을 발열체(13)에 의해 가열하여 고온 고압수를 생성하고 있지만, 제2 실시 형태는, 유로(14)에 유입시킨 물을 발열체(13)에 의해 가열하여 과열 증기를 생성하고, 이 과열 증기를 증기 터빈의 작동 유체로서 이용함으로써 발전을 행하도록 구성한 것이다. 상기 제1 실시 형태와 동일한 부재를 사용하고 있는 것에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 발열 장치(70)는, 상기 제1 실시 형태의 발열 장치(10)와 마찬가지로, 1개의 발열 모듈(55)을 구비하는 것이다. 발열 장치(70)는, 유로(14)에 유체로서의 액체(물)가 유입되고, 유로(14)로부터 유체로서의 기체(수증기)가 유출되도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 발열 장치(70)의 운전이 개시되면, 유체로서의 물이 가열부(33)에 의해 가열된다. 가열부(33)에 의해 가열된 물이 유로(14)에 유입됨으로써, 통체(12)를 통해 발열체(13)가 가열된다. 이에 의해, 발열체(13)는 과잉열을 발생시킨다. 그리고, 발열체(13)가 과잉열을 발생시킴으로써, 통체(12)를 통해 유로(14)를 유통하는 물이 가열된다. 이 결과, 유로(14) 내에서 과열 증기가 생성되고, 이 과열 증기가 유로(14)로부터 유출된다. 또한, 유로(14)의 물은, 전부가 수증기로 되지 않고, 일부가 물인 채로 유로(14)로부터 유출되는 경우도 있다. 도 7에서는, 유로(14)로부터 물과 수증기가 유출되고, 유체 유출실(19)의 하방에 물이 고여서, 유체 유출실(19)의 상방으로 수증기가 이동한 상태를 나타내고 있다. 또한, 유체 유출실(19)에는, 압력계 PI, 온도계 TI, 유체 유출실(19)에 있어서의 액면의 높이를 검출하는 레벨계 LI가 마련되어 있다.
본 실시 형태에서는, 통체(12)의 내부의 압력이 90bar로 제어되어 있다. 발열체(13)가 270 내지 300℃에서 과잉열을 발생시키는 경우, 제어부(16)는, 유로(14)에 유입되는 유체의 온도를 270℃, 압력을 90bar로 한다. 유로(14)에 유입된 물은, 발열체(13)에 의해 가열되고, 예를 들어 304℃의 과열 증기로서 유로(14)로부터 유출된다.
제2 실시 형태에서는, 순환 라인(30)에는, 냉각부(32), 가열부(33), 증기 터빈(71)이 마련되어 있다. 냉각부(32)는, 증기 터빈(71)으로부터 배출된 수증기를 냉각하고, 응축시켜서 복수한다. 냉각부(32)에 있어서의 냉각 온도가 낮을수록, 증기 터빈(71)의 배압이 낮아지고, 증기 터빈(71)과 접속한 발전기의 발전 효율이 향상된다. 증기 터빈(71)의 배압은, 예를 들어 0.05bar로 제어되어 있으며, 냉각부(32)의 냉각 방법 및 열 매체에 기초하여 결정된다. 가열부(33)는, 순환 라인(30)으로부터 분기한 분기 라인(30a)에 마련되어 있다. 분기 라인(30a)은, 도시하지 않은 밸브를 통해 순환 라인(30)과 접속하고 있다. 발열 장치(70)의 운전을 개시하는 경우에 있어서, 순환 라인(30)을 유통하는 물의 일부 또는 전부가 분기 라인(30a)으로 흐르고, 가열부(33)에서 가열되어 순환 라인(30)으로 복귀된다. 이에 의해, 가열부(33)에서 예를 들어 270℃로 가열된 물이 유로(14)에 유입되고, 발열체(13)가 과잉열을 발생시킨다.
증기 터빈(71)은, 유로(14)로부터 유출된 과열 증기를 작동 유체로서 이용하는 유체 이용 장치이다. 증기 터빈(71)은, 발전기와 접속하는 회전축을 갖고, 과열 증기가 공급됨으로써 회전축을 중심으로 하여 회전한다. 발전기는, 증기 터빈(71)이 회전함으로써 발전을 행한다.
발열 장치(70)의 순환 라인(30)에는, 냉각부(32), 가열부(33), 증기 터빈(71) 외에, 증기 탱크(72), 리저버 탱크(73), 탈기기(74), 예열기(75), 컨트롤 밸브(76a, 76b) 및 펌프(77a, 77b)가 마련되어 있다. 도 7에서는, 순환 라인(30)에 있어서, 밀폐 용기(11)의 유체 출구(24)로부터 순서대로, 컨트롤 밸브(76a), 증기 탱크(72), 증기 터빈(71), 냉각부(32), 리저버 탱크(73), 펌프(77a), 탈기기(74), 펌프(77b), 예열기(75), 가열부(33), 컨트롤 밸브(76b)가 마련되어 있다. 탈기기(74), 예열기(75), 컨트롤 밸브(76a, 76b) 및 펌프(77a, 77b)는, 제어부(16)와 전기적으로 접속되어 있다.
증기 탱크(72)는, 유로(14)에서 생성된 수증기를 일시적으로 저류하기 위한 것이다. 증기 탱크(72)는, 탈기용 배관(30b)을 통해 탈기기(74)와 접속하고 있으며, 예열용 배관(30c)을 통해 예열기(75)와 접속하고 있다.
리저버 탱크(73)는, 냉각부(32)에서 복수된 물을 저류하기 위한 것이다. 리저버 탱크(73)에는 온도계 TI가 마련되어 있다. 또한, 리저버 탱크(73)는, 도시하지 않았지만 물의 공급원과 접속하고 있으며, 이 공급원으로부터 물이 공급되도록 구성되어 있다.
탈기기(74)는, 탈기용 배관(30b)을 통해 증기 탱크(72)로부터 공급된 수증기를 사용하여, 유로(14)에 유입시키는 물에 포함되는 산소의 탈기를 행한다. 물의 탈기가 행해짐으로써, 보일러의 부식이 방지된다. 탈기기(74)에서 탈기된 물은 예열기(75)로 안내된다.
예열기(75)는, 예열용 배관(30c)을 통해 증기 탱크(72)로부터 공급된 수증기를 사용하여, 유로(14)에 유입시키는 물의 예열을 행한다. 예열기(75)에서는 물이 예를 들어 270℃로 예열된다. 예열기(75)에서 예열된 물은 유로(14)에 유입된다.
컨트롤 밸브(76a)는, 유로(14)로부터 유출되는 수증기의 유량이나 압력을 조정한다. 컨트롤 밸브(76b)는, 유로(14)에 유입시키는 물의 유량이나 압력을 조정한다. 펌프(77a)는, 리저버 탱크(73)의 물을 탈기기(74)로 보내기 위한 것이다. 펌프(77b)는, 탈기기(74)의 물을 예열기(75)로 보내기 위한 것이다.
이상과 같이, 발열 장치(70)는, 통체(12)의 외면에 마련된 발열체(13)와, 통체(12)의 내면에 의해 형성된 유로(14)를 유통하는 유체(물)와의 사이에서 열교환을 행함으로써, 고온의 유체(과열 증기)를 생성한다. 고온의 유체로서의 과열 증기는, 증기 터빈(71)에 이용할 수 있다. 상기와 같은 발열 장치(70)와 유체 이용 장치로서의 증기 터빈(71)에 의해, 열 이용 시스템(79)이 구성된다. 따라서, 발열 장치(70) 및 열 이용 시스템(79)은, 발열체(13)를 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
유체 이용 장치로서는, 본 실시 형태와 같이 유로(14)로부터 유출되는 유체가 수증기(과열 증기)인 경우에는 증기 터빈(71)이 적합하다. 유체 이용 장치로 서 증기 터빈(71)을 사용함으로써, 발열 장치(70)에서 얻어지는 열 에너지를 전기 에너지로서 회수하는 것이 가능해진다. 또한, 유로(14)로부터 유출되는 유체가 수증기 이외의 기체(예를 들어, 공기, 프레온 가스, 헬륨 가스 등)인 경우에는, 유체 이용 장치로서 가스 터빈을 적용할 수 있다. 유로(14)로부터 유출되는 유체를 별도 마련된 보일러에 공급하고, 보일러 내에서 과열 증기를 생성시켜서, 이 과열 증기를 증기 터빈에 공급하여 발전을 행하는 것도 가능하다. 또한, 유체 이용 장치로서는, 연료와 연소용 공기를 연소시켜 열을 발생시키는 연소 장치에 있어서, 연소용 공기를 예열하는 예열기를 적용할 수 있다. 연소 장치로서는, 보일러, 로터리 킬른, 금속의 열처리로, 금속 가공용 가열로, 열풍로, 요업용 소성로, 석유 정제탑, 건류로, 건조로 등을 들 수 있다.
[제3 실시 형태]
상기 제2 실시 형태의 발열 장치(70)는 1개의 발열 모듈(55)을 구비하는 것이지만, 제3 실시 형태는 복수의 발열 모듈(55)을 접속한 것이다. 이 예에서는 3개의 발열 모듈(55)을 접속하는 경우에 대하여 설명하지만, 발열 모듈(55)의 수는 특별히 한정되지 않고 원하는 출력이 얻어지도록 증감할 수 있다. 상기 각 실시 형태와 동일한 부재를 사용하고 있는 것에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 8에 도시한 바와 같이, 발열 장치(80)는, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 구비한다. 각 발열 모듈(55a 내지 55c)의 구성은, 상기 제1 실시 형태의 발열 모듈(55)의 구성과 동일하므로 설명을 생략한다. 도 8에 도시되어 있지는 않지만, 발열 장치(80)는, 제어부(16)를 구비하고 있고, 제어부(16)에 의해 각 부의 동작이 제어된다. 중공부(26)에는 가스 공급부(27)와 가스 배출부(28)가 접속되어 있다.
발열 장치(80)는, 분배용 배관(81)과 집합용 배관(82)을 더 구비하고 있다. 분배용 배관(81)은, 순환 라인(30)과 접속하고, 각 발열 모듈(55a 내지 55c)에 대하여 유체를 분배한다. 집합용 배관(82)은, 순환 라인(30)과 접속하고, 각 발열 모듈(55a 내지 55c)로부터 유출된 유체를 집합한다.
발열 장치(80)는, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)이, 분배용 배관(81)과 집합용 배관(82)에 의해 병렬로 접속된 구성을 갖는다. 또한, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)은, 병렬로 접속하는 경우에 한정되지 않고, 직렬로 접속해도 된다. 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 직렬로 접속하는 경우에는, 분배용 배관(81)과 집합용 배관(82)을 사용하지 않고, 발열 모듈(55a)의 유체 출구(24)와 발열 모듈(55b)의 유체 입구(23)를 접속하고, 발열 모듈(55b)의 유체 출구(24)와 발열 모듈(55c)의 유체 입구(23)를 접속한다. 이에 의해, 순환 라인(30)의 유체는, 발열 모듈(55a), 발열 모듈(55b), 발열 모듈(55c)을 순서대로 통과하고, 다시 순환 라인(30)으로 복귀된다.
3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)은, 분배용 배관(81) 및 집합용 배관(82)에 대하여, 착탈 가능하게 되어 있다. 분배용 배관(81)에는, 각 발열 모듈(55a 내지 55c)에 대응하여 컨트롤 밸브(76b)가 마련되어 있다.
발열 장치(80)는, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 구비하고, 각 발열 모듈(55a 내지 55c)이 분배용 배관(81)과 집합용 배관(82)에 의해 접속되어 있는 것 이외에는, 상기 제2 실시 형태의 발열 장치(70)와 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 발열 장치(80)에 의해 생성된 과열 증기는, 증기 터빈(71)에 이용된다.
이상과 같이, 발열 장치(80)는, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 구비하므로 고출력화가 도모된다. 또한, 발열 장치(80)는, 각 발열 모듈(55a 내지 55c)이 착탈 가능하며 용이하게 교환할 수 있으므로, 메인터넌스성이 우수하다.
상기와 같은 발열 장치(80)와 유체 이용 장치로서의 증기 터빈(71)에 의해, 열 이용 시스템(89)이 구성된다. 발열 장치(80) 및 열 이용 시스템(89)은, 발열체(13)를 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
발열 장치(80)를 사용하여 증기 터빈을 작동시키는 경우의 발전 효율을 계산하였다. 증기 압력을 80 내지 100bar로 하고, 증기 터빈으로부터 배출된 수증기의 배기 압력을 0.05bar, 배기 온도를 32℃, 배기 습도를 15％로 하여, 증기 터빈의 발전 효율을 계산하였다. 증기 압력과 발전 효율의 관계를 표 1에 나타낸다.
Figure pct00001
증기 압력이 낮을수록 포화 온도가 저하되어 수증기의 발생량이 늘어나는 한편, 증기 유량비가 증가할수록 엔탈피의 낙차가 억제되므로, 결과적으로 증기 터빈의 발전 효율이 향상된다. 예를 들어, 증기 압력이 80bar인 경우에는 증기 온도가 296℃가 되는 것을 알 수 있다. 이 때문에, 발열체(13)가 300℃ 정도의 가열 온도에서 과잉열을 발생시키는 경우를 상정하면, 증기 압력은 80bar보다도 큰 것이 바람직하다. 증기 압력을 90bar로 한 경우에는, 증기 온도가 304℃이므로, 발열체(13)가 과잉열을 발생시키고, 증기 터빈의 발전 효율로서는 21.1％를 달성할 수 있다.
도 9는, 제3 실시 형태의 발열 장치(80)와 증기 터빈(71)을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 압력의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 9에 있어서, 횡축은 엔트로피를 나타내고, 종축은 압력을 나타낸다. 도 10은, 제3 실시 형태의 발열 장치(80)와 증기 터빈(71)을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 10에 있어서, 횡축은 엔트로피를 나타내고, 종축은 온도를 나타낸다. 도 11은, 제3 실시 형태의 발열 장치(80)와 증기 터빈(71)을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 엔탈피의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 11에 있어서, 횡축은 엔트로피를 나타내고, 종축은 엔탈피를 나타낸다. 도 9 내지 도 11에 있어서, A는 증기 터빈(71)의 입구에 있어서의 유체의 상태를 나타내고, B는 증기 터빈(71)의 출구에 있어서의 유체의 상태를 나타내고, C는 냉각부(32)에 있어서의 유체의 상태를 나타내고, D는 펌프(77a)에 있어서의 유체의 상태를 나타내고, E는 예열기(75)의 입구에 있어서의 유체의 상태를 나타내고, F는 예열기(75)의 출구에 있어서의 유체의 상태를 나타내고, G는 유로(14)에 있어서 포화 온도가 된 유체의 상태를 나타내며, H는 유로(14)로부터 유출된 유체의 상태를 나타낸다.
[제4 실시 형태]
제4 실시 형태는, 유체로서 기체를 사용하도록 구성한 것이다. 이 예에서는 유체로서 공기를 사용하는 경우에 대하여 설명하지만, 공기 이외의 기체를 사용해도 된다. 상기 각 실시 형태와 동일한 부재를 사용하고 있는 것에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 12에 도시한 바와 같이, 발열 장치(90)는, 상기 제1 실시 형태의 발열 장치(10)와 마찬가지로, 1개의 발열 모듈(55)을 구비하는 것이다. 발열 장치(90)는, 유로(14)에 유체로서의 기체가 유입되고, 유로(14)로부터 유체로서의 기체가 유출되도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 발열 장치(90)의 운전이 개시되면, 유체로서의 공기가 가열부(33)에 의해 가열된다. 가열부(33)에 의해 가열된 공기가 유로(14)에 유입됨으로써, 통체(12)를 통해 발열체(13)가 가열된다. 이에 의해, 발열체(13)는 과잉열을 발생시킨다. 그리고, 발열체(13)가 과잉열을 발생시킴으로써, 통체(12)를 통해 유로(14)를 유통하는 공기가 가열된다. 이 결과, 유로(14) 내에서 고온의 공기(이하, 고온 공기라고 칭함)가 생성되고, 이 고온 공기가 유로(14)로부터 유출된다.
제4 실시 형태는, 유체로서 공기를 사용하도록 구성되어 있으므로, 유체로서 물을 사용하는 경우보다도 저압 환경에서 발열체(13)로부터 과잉열을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 발열체(13)가 500℃ 정도의 고온에서 가열됨으로써 과잉열을 발생시키는 경우를 상정하면, 유로(14)에 유입되는 공기의 온도와 압력은, 예를 들어 500℃, 1bar가 된다. 유로(14)로부터 유출되는 고온 공기의 온도와 압력은, 예를 들어 700℃, 1bar가 된다. 또한, 공기 및 고온 공기의 온도와 압력은 상기한 것에 한정되는 것은 아니다.
제4 실시 형태에서는, 순환 라인(30)에 있어서, 상기 제1 실시 형태에 있어서의 냉각부(32) 대신에 냉각부(92)가 마련되어 있다. 또한, 순환 라인(30)에는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 가열부(33)도 마련되어 있다. 가열부(33)의 설명은 생략한다.
냉각부(92)는, 제어부(16)와 전기적으로 접속하고 있으며, 제어부(16)에 의해 구동이 제어된다. 냉각부(92)는, 유로(14)로부터 유출된 유체로서의 고온 공기를 냉각한다. 냉각부(92)에서는, 예를 들어 700℃의 고온 공기가 300℃까지 냉각된다.
냉각부(92)는, 이 예에서는 보일러로서의 기능을 갖는다. 보일러로서의 냉각부(92)는, 고온 공기와 열 매체로서의 보일러수의 사이에서 열교환을 행하고, 보일러수로부터 과열 증기를 생성한다. 예를 들어, 냉각부(92)에서는, 압력이 130bar로 유지되고 있으며, 250℃의 보일러수와 700℃의 고온 공기의 사이에서 열교환을 행함으로써, 560℃의 과열 증기가 생성된다. 보일러 내에서 생성된 과열 증기는, 증기 터빈에 공급하는 것이 가능하다. 증기 터빈이 구동함으로써 발전기로 발전을 행할 수 있다.
제4 실시 형태에서는, 냉각부(92)와 가열부(33) 외에, 공기를 저류하기 위한 버퍼 탱크(94), 공기를 보내기 위한 송풍기(96), 온도계 TI, 압력계 PI, 유량계 FI 등이 순환 라인(30)에 마련되어 있다.
이상과 같이, 발열 장치(90)는, 통체(12)의 외면에 마련된 발열체(13)와, 통체(12)의 내면에 의해 형성된 유로(14)를 유통하는 유체(공기)의 사이에서 열교환을 행함으로써, 고온의 유체(고온 공기)를 생성한다. 고온의 유체로서의 고온 공기는, 보일러(냉각부(92)) 내에서 과열 증기를 생성하기 위해서 이용할 수 있다. 보일러에서 생성된 과열 증기는, 증기 터빈에 이용할 수 있다. 따라서, 발열 장치(90)는, 발열체(13)를 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
[제5 실시 형태]
제5 실시 형태는, 고온 공기를 이용하여 보일러로 과열 증기를 발생시키고, 이 과열 증기를 증기 터빈의 작동 유체로서 이용함으로써 발전을 행하도록 구성한 것이다. 상기 각 실시 형태와 동일한 부재를 사용하고 있는 것에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 13에 도시한 바와 같이, 발열 장치(100)는, 상기 제4 실시 형태의 발열 장치(90)와 마찬가지로, 1개의 발열 모듈(55)을 구비하는 것이다. 발열 장치(100)의 순환 라인(30)에는 예열기(75)가 마련되어 있으며, 송풍기(96)에 의해 보내지는 공기는 예열기(75)에 의해 예열된다. 발열 장치(100)는, 순환 라인(30)에 예열기(75)가 마련되어 있는 것 이외에는, 상기 제4 실시 형태의 발열 장치(90)와 동일한 구성을 갖는다.
발열 장치(100)는, 열회수 라인(101)과 접속하고 있다. 열회수 라인(101)은, 순환 라인(30)에 마련된 보일러로서의 냉각부(92)와 접속하고, 냉각부(92)에 보일러수를 순환시키도록 구성되어 있다.
열회수 라인(101)에는, 컨트롤 밸브(102), 증기 탱크(103), 증기 터빈(104), 복수기(105), 리저버 탱크(106), 펌프(107), 버퍼 탱크(108), 탈기기(109), 펌프(110), 예열기(111)가 마련되어 있다.
컨트롤 밸브(102)는, 보일러로서의 냉각부(92)로부터 유출되는 수증기의 유량이나 압력을 조정한다. 증기 탱크(103)는, 수증기를 일시적으로 저류하기 위한 것이다. 증기 탱크(103)에는 온도계 TI가 마련되어 있다. 증기 탱크(103)에 저류되는 수증기의 온도와 압력은, 예를 들어 560℃, 130bar이다.
증기 탱크(103)는, 예열용 배관(101a) 및 예열용 배관(101b)을 통해 버퍼 탱크(108)와 접속하고 있다. 예열용 배관(101a)은 예열기(111)와 접속하고 있다. 예열용 배관(101b)은 예열기(75)와 접속하고 있다. 증기 탱크(103)에 저류되어 있는 수증기의 일부는, 예열용 배관(101a)을 통해 예열기(111)에 공급되고, 예열용 배관(101b)을 통해 예열기(75)에 공급된다.
증기 터빈(104)은, 증기 탱크(103)에 저류된 과열 증기를 작동 유체로서 이용하는 유체 이용 장치이다. 증기 터빈(104)은, 발전기와 접속하는 회전축을 갖고, 과열 증기가 공급됨으로써 회전축을 중심으로 하여 회전한다. 발전기는, 증기 터빈(104)이 회전함으로써 발전을 행한다. 증기 터빈(104)으로부터 배출되는 수증기는, 예를 들어 온도가 32.9℃로 강온되고, 압력이 0.05bar로 감압된다. 이 수증기에는 미세한 미스트상의 수적이 포함된다.
증기 터빈(104)은, 당해 터빈의 도중에 마련된 추기부로부터 증기의 일부가 추출 가능하게 구성되어 있는 추기 터빈이다. 증기 터빈(104)의 추기부는, 추기용 배관(101c)을 통해 탈기기(109)와 접속하고 있다. 증기 터빈(104)의 추기부로부터 추기된 수증기는, 추기용 배관(101c)을 유통하여 탈기기(109)에 공급된다. 추기용 배관(101c)을 유통하는 수증기의 온도와 압력은, 예를 들어 251℃, 12bar이다.
복수기(105)는, 증기 터빈(104)으로부터 배출된 수증기를 냉각하고, 응축시켜서 복수한다. 리저버 탱크(106)는, 복수기(105)에서 복수된 보일러수를 저류하기 위한 것이다. 펌프(107)는, 리저버 탱크(106)의 보일러수를 버퍼 탱크(108)로 보내기 위한 것이다. 펌프(107)에 의해 보내지는 보일러수의 온도와 압력은, 예를 들어 32.9℃, 1bar이다.
버퍼 탱크(108)는, 보일러수를 저류하기 위한 것이다. 버퍼 탱크(108)에는, 리저버 탱크(106)로부터 보내져 오는 보일러수와, 예열용 배관(101a)을 유통하는 수증기가 예열기(111)에서 냉각됨으로써 생성된 보일러수와, 예열용 배관(101b)을 유통하는 수증기가 예열기(75)에서 냉각됨으로써 생성된 보일러수가 공급된다. 버퍼 탱크(108)에 저류된 보일러수는, 탈기기(109)로 보내진다. 탈기기(109)로 보내지는 보일러수의 온도와 압력은, 예를 들어 87.5℃, 2bar이다.
탈기기(109)는, 추기용 배관(101c)을 통해 증기 터빈(104)의 추기부로부터 공급된 수증기를 사용하여, 버퍼 탱크(108)로부터 보내져 온 보일러수에 포함되는 산소의 탈기를 행한다. 탈기기(109)에는 온도계 TI와 압력계 PI가 마련되어 있다. 펌프(110)는, 탈기기(109)에 의해 탈기된 보일러수를 예열기(111)로 보내기 위한 것이다. 펌프(110)에 의해 보내지는 보일러수의 온도와 압력은, 예를 들어 120℃, 2bar이다.
예열기(111)는, 예열용 배관(101a)을 유통하는 수증기와, 탈기기(109)로부터 공급되는 보일러수의 사이에서 열교환을 행함으로써, 냉각부(92)에 공급하는 보일러수의 예열을 행한다. 예열용 배관(101a)을 유통하는 수증기는, 예열기(111)에서의 열교환에 의해 냉각되고, 응축되어 보일러수로서 버퍼 탱크(108)로 보내진다. 예열용 배관(101a)을 유통하는 수증기의 온도와 압력은, 예를 들어 560℃, 130bar이다. 예열기(111)를 거쳐서 버퍼 탱크(108)로 보내지는 보일러수의 온도와 압력은, 예를 들어 120℃, 2bar이다.
예열기(75)는, 예열용 배관(101b)을 유통하는 수증기와, 송풍기(96)에 의해 보내지는 공기의 사이에서 열교환을 행함으로써, 유로(14)에 유입시키는 공기의 예열을 행한다. 예열용 배관(101b)을 유통하는 수증기는, 예열기(75)에서의 열교환에 의해 냉각되고, 응축되어 보일러수로서 버퍼 탱크(108)로 보내진다. 예열용 배관(101b)을 유통하는 수증기의 온도와 압력은, 예를 들어 560℃, 130bar이다. 예열기(75)를 거쳐서 버퍼 탱크(108)로 보내지는 보일러수의 온도와 압력은, 예를 들어 120℃, 2bar이다.
보일러로서의 냉각부(92)에서는, 예를 들어 예열기(111)로부터 공급되는 250℃, 130bar의 보일러수와, 유로(14)로부터 유출된 700℃의 고온 공기의 열교환이 행해짐으로써, 보일러수로부터 560℃, 130bar의 과열 증기가 생성된다.
이상과 같이, 발열 장치(100)는, 상기 제4 실시 형태의 발열 장치(90)와 마찬가지로 고온의 유체(고온 공기)를 생성한다. 고온의 유체로서의 고온 공기는, 보일러(냉각부(92)) 내에서 과열 증기를 생성하기 위해서 이용할 수 있다. 상기와 같은 발열 장치(100)와 유체 이용 장치로서의 증기 터빈(104)에 의해, 열 이용 시스템(119)이 구성된다. 발열 장치(100) 및 열 이용 시스템(119)은, 발열체(13)를 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
[제6 실시 형태]
상기 제5 실시 형태의 발열 장치(100)는 1개의 발열 모듈(55)을 구비하는 것이지만, 제6 실시 형태는 복수의 발열 모듈(55)을 접속한 것이다. 이 예에서는 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 접속하는 경우에 대하여 설명하지만, 발열 모듈(55)의 수는 특별히 한정되지 않고, 원하는 출력이 얻어지도록 증감할 수 있다. 상기 각 실시 형태와 동일한 부재를 사용하고 있는 것에 대해서는, 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.
도 14에 도시한 바와 같이, 발열 장치(120)는, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 구비한다. 도 14에는 도시되어 있지 않지만, 발열 장치(120)는, 제어부(16)를 구비하고 있고, 제어부(16)에 의해 각 부의 동작이 제어된다. 중공부(26)에는 가스 공급부(27)와 가스 배출부(28)가 접속하고 있다. 발열 장치(120)는, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)이, 분배용 배관(81)과 집합용 배관(82)에 의해 병렬로 접속된 구성을 갖는 것이지만, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 직렬로 접속할 수도 있다.
발열 장치(120)는, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 구비하고, 각 발열 모듈(55a 내지 55c)이 분배용 배관(81)과 집합용 배관(82)에 의해 접속되어 있는 것 이외에는, 상기 제5 실시 형태의 발열 장치(100)와 동일한 구성을 갖는다. 또한, 발열 장치(120)는, 증기 터빈(104) 등이 마련된 열회수 라인(101)과 접속하고 있다. 따라서, 발열 장치(120)에 의해 생성된 고온 공기는, 보일러(냉각부(92)) 내에서 과열 증기를 생성하기 위해서 이용된다.
이상과 같이, 발열 장치(120)는, 3개의 발열 모듈(55a 내지 55c)을 구비하므로 고출력화가 도모된다. 또한, 발열 장치(120)는, 각 발열 모듈(55a 내지 55c)이 착탈 가능하며, 발열 모듈(55a 내지 55c)의 교환이 용이하므로, 메인터넌스성이 우수하다.
상기와 같은 발열 장치(120)와 유체 이용 장치로서의 증기 터빈(104)에 의해, 열 이용 시스템(129)이 구성된다. 발열 장치(80) 및 열 이용 시스템(129)은, 발열체(13)를 에너지원으로서 이용하므로, 저렴하고, 클린하고, 안전하게 에너지를 공급할 수 있다.
도 15는, 제6 실시 형태의 보일러(냉각부(92))에 있어서의 열교환의 상태를 나타내는 그래프이다. 도 15는, 보일러 내의 압력을 130bar로 하고, 보일러 내에 있어서, 고온 공기와 열 매체로서의 보일러수가 향류 간접 접촉했을 때의 고온 공기의 온도 강하와 보일러수의 온도 상승을 나타내고 있다. 도 15에 있어서, 종축은 보일러수 및 공기의 온도를 나타낸다. 횡축은, 보일러 내의 각 부를 나타내고 있으며, 「SH inlet」는 보일러의 과열기(SH)의 입구의 부분을 나타내고, 「SH out/EVA in」은 과열기의 출구와 증발기(EVA)의 입구 사이의 부분을 나타내고, 「EVA out/ECO in」은 증발기의 출구와 절탄기(ECO)의 입구 사이의 부분을 나타내고, 「ECO out」는 절탄기의 출구의 부분을 나타낸다. 「boiler air」는 고온 공기이다. 「boiler steam」은 보일러수 또는 수증기이다. 고온 공기는, 700℃에서 보일러의 과열기에 공급되고, 보일러수의 열교환을 거쳐서, 300℃의 공기로서 절탄기로부터 배출된다. 보일러수는, 250℃에서 보일러의 절탄기에 공급되고, 절탄기에 있어서 130bar에 있어서의 포화 온도인 331℃까지 가열되고, 증발기에 있어서 수증기가 된다. 이 수증기는, 과열기에 의해 더욱 가열되고, 560℃의 과열 증기로서 보일러로부터 배출된다.
도 16은, 제6 실시 형태의 발열 장치(120)와 증기 터빈(104)을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 압력의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 16에 있어서, 횡축은 엔트로피를 나타내고, 종축은 압력을 나타낸다. 도 17은, 제6 실시 형태의 발열 장치(120)와 증기 터빈(104)을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 17에 있어서, 횡축은 엔트로피를 나타내고, 종축은 온도를 나타낸다. 도 18은, 제6 실시 형태의 발열 장치(120)와 증기 터빈(104)을 포함하는 랭킨 사이클의 엔트로피와 엔탈피의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 18에 있어서, 횡축은 엔트로피를 나타내고, 종축은 엔탈피를 나타낸다. 도 16 내지 도 18에 있어서, A는 증기 터빈(104)의 입구에 있어서의 열 매체의 상태를 나타내고, B는 증기 터빈(104)의 추기부에 있어서의 열 매체의 상태를 나타내고, C는 증기 터빈(104)의 추기부를 나온 열 매체의 상태를 나타내고, D는 증기 터빈(104)의 출구에 있어서의 열 매체의 상태를 나타내고, E는 복수기(105)에 있어서의 열 매체의 상태를 나타내고, F는 펌프(107)에 있어서의 열 매체의 상태를 나타내고, G는 버퍼 탱크(108)의 출구에 있어서의 열 매체의 상태를 나타내고, H는 탈기구(109)의 출구에 있어서의 열 매체의 상태를 나타내고, I는 예열기(111)에 있어서의 열 매체의 상태를 나타내고, J는 보일러(냉각부(92)) 내에서 열 교환이 개시된 열 매체의 상태를 나타내고, K는 보일러 내에 있어서 포화 온도가 된 열 매체의 상태를 나타내며, L은 보일러 내의 과열기에 있어서의 열 매체의 상태를 나타낸다.
본 발명은, 상기 각 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 적절히 변경이 가능하다.
상기 각 실시 형태의 발열체(13)는, 받침대(57)의 표면에 제1 층(59)과 제2 층(60)으로 구성되는 다층막(58)이 마련된 구성을 갖지만, 발열체의 구성은 이것에 한정되지는 않는다. 이하, 발열체의 다른 예에 대하여 설명한다.
예를 들어, 도 19에 도시한 바와 같이, 발열체(133)는, 받침대(57)와 다층막(134)을 갖는다. 다층막(134)은, 제1 층(59)과 제2 층(60)에 추가로, 제3 층(135)을 더 갖는다. 받침대(57), 제1 층(59) 및 제2 층(60)에 대해서는 설명을 생략한다. 제3 층(135)은, 제1 층(59) 및 제2 층(60)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스에 의해 형성된다. 제3 층(135)의 두께는 1000㎚ 미만인 것이 바람직하다. 도 19에서는, 제1 층(59)과 제2 층(60)과 제3 층(135)은, 받침대(57)의 표면에, 제1 층(59), 제2 층(60), 제1 층(59), 제3 층(135)의 순으로 적층되어 있다. 또한, 제1 층(59)과 제2 층(60)과 제3 층(135)은, 받침대(57)의 표면에, 제1 층(59), 제3 층(135), 제1 층(59), 제2 층(60)의 순으로 적층되어도 된다. 즉, 다층막(134)은, 제2 층(60)과 제3 층(135)의 사이에 제1 층(59)을 마련한 적층 구조를 갖는다. 다층막(134)은, 제3 층(135)을 1층 이상 갖고 있으면 된다. 제1 층(59)과 제3 층(135)의 사이에 형성되는 이종 물질 계면(136)은, 이종 물질 계면(61)과 마찬가지로, 수소 원자를 투과시킨다.
제3 층(135)은, 예를 들어 Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC, LaB6 중 어느 것에 의해 형성된다. 제3 층(135)을 형성하는 합금은, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상으로 이루어지는 합금인 것이 바람직하다. 제3 층(135)을 형성하는 합금으로서, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금을 사용해도 된다.
특히, 제3 층(135)은, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 것이 바람직하다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 제3 층(135)을 갖는 발열체(133)는, 수소의 흡장량이 증가하고, 이종 물질 계면(61) 및 이종 물질 계면(136)을 투과하는 수소의 양이 증가하여, 과잉열의 고출력화가 도모된다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 제3 층(135)은, 두께가 10㎚ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 다층막(134)은, 수소 원자를 용이하게 투과시킨다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 제3 층(135)은, 완전한 막 형상으로 형성되지 않고, 아일랜드 형상으로 형성되어도 된다. 또한, 제1 층(59) 및 제3 층(135)은, 진공 상태에서 연속적으로 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 층(59) 및 제3 층(135)의 사이에는, 자연 산화막이 형성되지 않고, 이종 물질 계면(136)만이 형성된다.
제1 층(59)과 제2 층(60)과 제3 층(135)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층(59)-제3 층(135)-제2 층(60)」으로 하여 표시하면, Pd-CaO-Ni, Pd-Y2O3-Ni, Pd-TiC-Ni, Pd-LaB6-Ni, Ni-CaO-Cu, Ni-Y2O3-Cu, Ni-TiC-Cu, Ni-LaB6-Cu, Ni-Co-Cu, Ni-CaO-Cr, Ni-Y2O3-Cr, Ni-TiC-Cr, Ni-LaB6-Cr, Ni-CaO-Fe, Ni-Y2O3-Fe, Ni-TiC-Fe, Ni-LaB6-Fe, Ni-Cr-Fe, Ni-CaO-Mg, Ni-Y2O3-Mg, Ni-TiC-Mg, Ni-LaB6-Mg, Ni-CaO-Co, Ni-Y2O3-Co, Ni-TiC-Co, Ni-LaB6-Co, Ni-CaO-SiC, Ni-Y2O3-SiC, Ni-TiC-SiC, Ni-LaB6-SiC인 것이 바람직하다.
도 20에 도시한 바와 같이, 발열체(143)는, 받침대(57)와 다층막(144)을 갖는다. 다층막(144)은, 제1 층(59)과 제2 층(60)과 제3 층(135)에 추가로, 제4 층(145)을 더 갖는다. 제4 층(145)은, 제1 층(59), 제2 층(60) 및 제3 층(135)과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스에 의해 형성된다. 제4 층(145)의 두께는 1000㎚ 미만인 것이 바람직하다. 도 20에서는, 제1 층(59)과 제2 층(60)과 제3 층(135)과 제4 층(145)은, 받침대(57)의 표면에, 제1 층(59), 제2 층(60), 제1 층(59), 제3 층(135), 제1 층(59), 제4 층(145)의 순으로 적층되어 있다. 또한, 제1 층(59)과 제2 층(60)과 제3 층(135)과 제4 층(145)은, 받침대(57)의 표면에, 제1 층(59), 제4 층(145), 제1 층(59), 제3 층(135), 제1 층(59), 제2 층(60)의 순으로 적층해도 된다. 즉, 다층막(144)은, 제2 층(60), 제3 층(135), 제4 층(145)을 임의의 순서로 적층하며, 또한, 제2 층(60), 제3 층(135), 제4 층(145)의 각각의 사이에 제1 층(59)을 마련한 적층 구조를 갖는다. 다층막(144)은, 제4 층(145)을 1층 이상 갖고 있으면 된다. 제1 층(59)과 제4 층(145)의 사이에 형성되는 이종 물질 계면(146)은, 이종 물질 계면(61) 및 이종 물질 계면(136)과 마찬가지로, 수소 원자를 투과시킨다.
제4 층(145)은, 예를 들어 Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC, LaB6 중 어느 것에 의해 형성된다. 제4 층(145)을 형성하는 합금은, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co 중 2종 이상으로 이루어지는 합금인 것이 바람직하다. 제4 층(145)을 형성하는 합금으로서, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co에 첨가 원소를 첨가시킨 합금을 사용해도 된다.
특히, 제4 층(145)은, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 것이 바람직하다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 제4 층(145)을 갖는 발열체(143)는, 수소의 흡장량이 증가하고, 이종 물질 계면(61), 이종 물질 계면(136) 및 이종 물질 계면(146)을 투과하는 수소의 양이 증가하여, 과잉열의 고출력화가 도모된다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 제4 층(145)은, 두께가 10㎚ 이하인 것이 바람직하다. 이에 의해, 다층막(144)은, 수소 원자를 용이하게 투과시킨다. CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 제4 층(145)은, 완전한 막 형상으로 형성되지 않고, 아일랜드 형상으로 형성되어도 된다. 또한, 제1 층(59) 및 제4 층(145)은, 진공 상태에서 연속적으로 형성하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 제1 층(59) 및 제4 층(145)의 사이에는, 자연 산화막이 형성되지 않고, 이종 물질 계면(146)만이 형성된다.
제1 층(59)과 제2 층(60)과 제3 층(135)과 제4 층(145)의 조합으로서는, 원소의 종류를 「제1 층(59)-제4 층(145)-제3 층(135)-제2 층(60)」으로 하여 표시하면, Ni-CaO-Cr-Fe, Ni-Y2O3-Cr-Fe, Ni-TiC-Cr-Fe, Ni-LaB6-Cr-Fe인 것이 바람직하다.
다층막(58), 다층막(134), 다층막(144) 등의 각종의 다층막의 구성, 예를 들어 각 층의 두께의 비율, 각 층의 층수, 재료는, 사용되는 온도에 따라서 적절히 변경해도 된다.
상기 각 실시 형태에서는, 1개의 통체(12)에 대하여, 그 외면의 전역에 1개의 발열체(13)가 마련되어 있지만, 도 21에 도시한 바와 같이, 1개의 통체(12)에 대하여, 그 외면에 복수의 발열체(13)를 서로 간격을 두고 마련해도 된다. 각 발열체(13)끼리의 사이에 간극을 가지므로, 통체(12)가 열팽창하는 경우라도, 각 발열체(13)의 파손이 방지된다. 또한, 1개의 통체(12)의 외면에 복수의 발열체(133)(도 19 참조)를 서로 간격을 두고 마련해도 된다. 1개의 통체(12)의 외면에 복수의 발열체(143)(도 20 참조)를 서로 간격을 두고 마련해도 된다.
외부 유체 라인(45)은, 상기 각 실시 형태에서는 복수의 제1 배관(47)을 갖고 있지만, 1개의 제1 배관(47)에서 본체(17)의 외면의 전역을 덮도록 구성된 것이어도 된다. 또한, 1개의 제1 배관(47)을 본체(17)의 외면을 따라 나선 형상으로 권취하도록 구성해도 된다.
제1 링 관(48)은, 유체 유입실(18)과 접속하는 관통 구멍을 갖는 것이어도 된다. 제1 링 관(48)과 유체 유입실(18)이 관통 구멍에 의해 직접 접속되므로, 제2 배관(50)을 생략해도 된다.
제2 링 관(49)은, 유체 유출실(19)과 접속하는 관통 구멍을 갖는 것이어도 된다. 제2 링 관(49)과 유체 유출실(19)이 관통 구멍에 의해 직접 접속되므로, 제3 배관(51)을 생략해도 된다.
발열체(13), 발열체(133), 및 발열체(143) 중 어느 발열체에 의해 가열된 유체를 열 에너지원으로서 이용하고, 보일러 등의 연소 장치로부터 배출되는 배출 가스로부터 이산화탄소(CO2)를 분리할 수 있다. 화학 흡수법 또는 물리 흡착법을 행하는 이산화탄소 분리 회수 장치에 대하여, 발열체에 의해 가열된 유체를 공급함으로써, 배출 가스에 포함되는 CO2를 회수할 수 있다. 화학 흡수법은, 배출 가스에 포함되는 CO2를 아민 화합물 수용액 등의 흡수액에 흡수시키고, CO2를 흡수한 흡수액을 가열함으로써 흡수액으로부터 CO2를 방출시킨다. 물리 흡착법은, 배출 가스에 포함되는 CO2를 활성탄이나 제올라이트 등의 흡착재에 흡착시키고, CO2가 흡착된 흡착재를 가열함으로써 흡착재로부터 CO2를 탈리시킨다. 화학 흡수법에 있어서 CO2를 흡수한 흡수액을 가열하는 열 에너지원으로서, 발열체에 의해 가열된 유체를 이용할 수 있다. 또한, 물리 흡착법에 있어서 CO2가 흡착한 흡착재를 가열하는 열 에너지원으로서, 발열체에 의해 가열된 유체를 이용할 수 있다.
발열체에 의해 가열된 유체를 열 에너지원으로서 이용하고, 이산화탄소 분리 회수 장치 등으로 분리하여 회수된 CO2와 수소(H2)와 반응시킴으로써 메탄(CH4)으로 변환할 수 있다. CO2와 H2의 반응(메타네이션 반응)을 진행시키는 촉매를 사용하여, CO2와 H2를 포함하는 원료 가스를 촉매와 접촉시킴으로써 원료 가스로부터 CH4가 생성되지만, 원료 가스의 온도가 낮으면 반응이 충분히 진행되지 않는다. 그래서, CO2와 H2를 포함하는 원료 가스를 가열하는 열 에너지원으로서, 발열체에 의해 가열된 유체를 열 에너지원으로서 이용함으로써, 메타네이션 반응을 진행시킬 수 있다.
열 에너지를 사용하여 물로부터 수소를 제조하는 IS 사이클이나, 열 에너지를 사용하여 물과 질소(N2)로부터 암모니아(NH3)를 제조하는 ISN 사이클에 있어서, 발열체에 의해 가열된 유체를 열 에너지원으로서 이용할 수 있다. IS 사이클에서는, 물과 요오드(I)와 황(S)을 반응시켜 요오드화 수소(HI)를 생성하고, 이 요오드화 수소를 열 분해함으로써 수소를 생성한다. 요오드화 수소를 열 분해하기 위한 열 에너지원으로서, 발열체에 의해 가열된 유체를 이용할 수 있다. ISN 사이클에서는, 질소와 IS 사이클에서 생성되는 요오드화 수소를 반응시켜 요오드화 암모늄(NH4I)을 생성하고, 이 요오드화 암모늄을 열 분해함으로써 암모니아를 생성한다. 요오드화 암모늄을 열 분해하기 위한 열 에너지원으로서, 발열체에 의해 가열된 유체를 이용할 수 있다.
도 22는, 스퍼터링법을 이용하여 발열체(13)를 제조하는 발열체 제조 장치(150)이다. 발열체 제조 장치(150)는, 이 예에서는 스퍼터링법으로서 DC(Direct Current) 마그네트론 스퍼터링법을 실시하고, 통체(12)의 외면에 발열체(13)를 직접 형성한다.
발열체 제조 장치(150)는, 통체(12)를 반입하는 로드실(151)과, 통체(12)의 예비 가열을 행하는 예비 가열실(152)과, 통체(12)의 표면을 스퍼터 에칭하는 스퍼터 에칭실(153)과, 통체(12) 위에 받침대(57)를 형성하는 받침대 형성실(154)과, 받침대(57) 위에 제1 층(59)을 형성하는 제1 층 형성실(155)과, 받침대(57) 위에 제2 층(60)을 형성하는 제2 층 형성실(156)과, 통체(12)를 반출하는 언로드실(157)을 갖는다. 발열체 제조 장치(150)는, 이 예에서는 복수의 통체(12)를 로드실(151)에 반입하고, 각각의 통체(12)의 외면에 발열체(13)를 직접 형성하는 것이지만, 1개의 통체(12)를 로드실(151)에 반입하고, 이 통체(12)의 외면에 발열체(13)를 직접 형성하는 것이어도 된다.
발열체 제조 장치(150)는, 이 예에서는, 로드실(151)과 예비 가열실(152)의 사이에 마련된 제1 게이트 밸브(161)와, 예비 가열실(152)과 스퍼터 에칭실(153)의 사이에 마련된 제2 게이트 밸브(162)와, 스퍼터 에칭실(153)과 받침대 형성실(154)의 사이에 마련된 제3 게이트 밸브(163)와, 받침대 형성실(154)과 제1 층 형성실(155)의 사이에 마련된 제4 게이트 밸브(164)와, 제1 층 형성실(155)과 제2 층 형성실(156)의 사이에 마련된 제5 게이트 밸브(165)와, 제2 층 형성실(156)과 언로드실(157)의 사이에 마련된 제6 게이트 밸브(166)를 갖고, 로드실(151), 예비 가열실(152), 스퍼터 에칭실(153), 받침대 형성실(154), 제1 층 형성실(155), 제2 층 형성실(156) 및 언로드실(157)이 각각 분리되어 있다. 발열체 제조 장치(150)는, 도시하지 않았지만, 통체(12)를 로드실(151)로부터 언로드실(157)까지 반송하는 반송 기구와, 통체(12)를 당해 통체(12)의 중심 축선 주위로 회전시키는 회전 기구를 더 가지고 있다.
제1 게이트 밸브(161)는, 로드실(151)과 예비 가열실(152) 사이의 제1 반입출부(171)의 개폐를 행한다. 제2 게이트 밸브(162)는, 예비 가열실(152)과 스퍼터 에칭실(153) 사이의 제2 반입출부(172)의 개폐를 행한다. 제3 게이트 밸브(163)는, 스퍼터 에칭실(153)과 받침대 형성실(154) 사이의 제3 반입출부(173)의 개폐를 행한다. 제4 게이트 밸브(164)는, 받침대 형성실(154)과 제1 층 형성실(155) 사이의 제4 반입출부(174)의 개폐를 행한다. 제5 게이트 밸브(165)는, 제1 층 형성실(155)과 제2 층 형성실(156) 사이의 제5 반입출부(175)의 개폐를 행한다. 제6 게이트 밸브(166)는, 제2 층 형성실(156)과 언로드실(157) 사이의 제6 반입출부(176)의 개폐를 행한다.
발열체 제조 장치(150)는, 로드실(151)을 진공 배기하는 제1 진공 발생부(181)와, 예비 가열실(152)을 진공 배기하는 제2 진공 발생부(182)와, 스퍼터 에칭실(153)을 진공 배기하는 제3 진공 발생부(183)와, 받침대 형성실(154)을 진공 배기하는 제4 진공 발생부(184)와, 제1 층 형성실(155)을 진공 배기하는 제5 진공 발생부(185)와, 제2 층 형성실(156)을 진공 배기하는 제6 진공 발생부(186)와, 언로드실(157)을 진공 배기하는 제7 진공 발생부(187)를 갖는다. 제1 내지 제7 진공 발생부(181 내지 187)로서는, 예를 들어 드라이 펌프나 터보 분자 펌프 등이 사용된다.
로드실(151)은, 통체(12)를 반입하는 반입부(191)를 갖고, 반입부(191)로부터 통체(12)가 반입된 후, 반입부(191)와 제1 게이트 밸브(161)를 폐쇄한 상태에서 제1 진공 발생부(181)에 의해 진공 배기된다. 로드실(151)의 진공 배기 후에 제1 게이트 밸브(161)를 개방하고, 제1 반입출부(171)를 통해 로드실(151)로부터 예비 가열실(152)로 통체(12)를 반송한다.
예비 가열실(152)은, 제1 게이트 밸브(161)와 제2 게이트 밸브(162)를 폐쇄한 상태에서, 제2 진공 발생부(182)에 의해 예를 들어 1E-3Pa 정도까지 진공 배기된다. 예비 가열실(152)은, 가열부(192)를 갖고, 통체(12)를 회전시키면서, 가열부(192)에 의해 통체(12)의 가열을 행한다. 가열부(192)는, 통체(12)의 표면 온도가 예를 들어 200 내지 350℃가 되도록 가열함으로써, 통체(12)의 표면에 흡착된 수분을 제거한다. 가열부(192)는, 통체(12)를 원하는 온도까지 가열할 수 있는 방식이면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 램프 가열 방식, 적외선 가열 방식, 유도 가열 방식 등을 이용할 수 있다. 가열 후에 제2 게이트 밸브(162)를 개방하고, 제2 반입출부(172)를 통해 예비 가열실(152)로부터 스퍼터 에칭실(153)로 통체(12)를 반송한다.
스퍼터 에칭실(153)은, 제2 게이트 밸브(162)와 제3 게이트 밸브(163)를 폐쇄한 상태에서, 제3 진공 발생부(183)에 의해 진공 배기된다. 스퍼터 에칭실(153)은, 스퍼터 에칭 전극(193)을 갖고, 통체(12)를 회전시키면서, 스퍼터 에칭 전극(193)에 의해 통체(12)의 스퍼터 에칭을 행한다. 스퍼터 에칭 전극(193)은, 예를 들어 Ar 가스의 유량을 조정하여 Ar의 압력을 0.1 내지 1Pa 정도로 하고, 13.56㎒의 고주파(RF; Radio Frequency)를 인가함으로써, 통체(12)의 표면의 유기물이나 금속 산화물 등을 제거한다. 스퍼터 에칭 후에 제3 게이트 밸브(163)를 개방하고, 제3 반입출부(173)를 통해 스퍼터 에칭실(153)로부터 받침대 형성실(154)로 통체(12)를 반송한다.
받침대 형성실(154)은, 제3 게이트 밸브(163)와 제4 게이트 밸브(164)를 폐쇄한 상태에서, 제4 진공 발생부(184)에 의해 진공 배기된다. 받침대 형성실(154)은, 받침대 형성 스퍼터 전극(194)을 갖고, 통체(12)를 회전시키면서, 받침대 형성 스퍼터 전극(194)에 의해 통체(12) 위에 받침대(57)를 형성한다. 받침대 형성 스퍼터 전극(194)은, 받침대(57)를 형성하는 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체의 타깃재(도시생략)를 갖는다. 타깃재의 정면은, 통체(12)와 대향하고 있다. 이 예에서는 타깃재의 배면에 마그네트(도시생략)가 배치되어 있다. 받침대 형성 스퍼터 전극(194)은, 예를 들어 Ar 가스의 유량을 조정하여 Ar의 압력을 0.1 내지 1Pa 정도로 하고, 직류 전력을 0.1 내지 500㎾/㎡ 정도 인가함으로써, 통체(12) 위에 받침대(57)를 형성한다. 받침대(57)의 두께는, 직류 전력의 크기와 통체(12)의 회전수를 조정함으로써 제어할 수 있다. 받침대(57)의 형성 후에 제4 게이트 밸브(164)를 개방하고, 제4 반입출부(174)를 통해 받침대 형성실(154)로부터 제1 층 형성실(155)로 통체(12)를 반송한다.
제1 층 형성실(155)은, 제4 게이트 밸브(164)와 제5 게이트 밸브(165)를 폐쇄한 상태에서, 제5 진공 발생부(185)에 의해 예를 들어 1E-5Pa 정도까지 진공 배기된다. 제1 층 형성실(155)은, 제1 층 성막 스퍼터 전극(195)을 갖고, 통체(12)를 회전시키면서, 제1 층 성막 스퍼터 전극(195)에 의해 받침대(57) 위에 제1 층(59)을 형성한다. 제1 층 성막 스퍼터 전극(195)은, 제1 층(59)을 형성하는 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금의 타깃재(도시생략)를 갖는다. 타깃재의 정면은, 받침대(57)와 대향하고 있다. 이 예에서는 타깃재의 배면에 마그네트(도시생략)가 배치되어 있다. 제1 층 성막 스퍼터 전극(195)은, 예를 들어 Ar 가스의 유량을 조정하여 Ar의 압력을 0.1 내지 1Pa 정도로 하고, 직류 전력을 0.1 내지 500㎾/㎡ 정도 인가함으로써, 받침대(57) 위에 제1 층(59)을 형성한다. 제1 층(59)의 두께는, 직류 전력의 크기와 통체(12)의 회전수를 조정함으로써 제어할 수 있다. 제1 층(59)의 형성 후에 제5 게이트 밸브(165)를 개방하고, 제5 반입출부(175)를 통해 제1 층 형성실(155)로부터 제2 층 형성실(156)로 통체(12)를 반송한다.
제2 층 형성실(156)은, 제5 게이트 밸브(165)와 제6 게이트 밸브(166)를 폐쇄한 상태에서, 제6 진공 발생부(186)에 의해 예를 들어 1E-5Pa 정도까지 진공 배기된다. 제2 층 형성실(156)은, 제2 층 성막 스퍼터 전극(196)을 갖고, 통체(12)를 회전시키면서, 제2 층 성막 스퍼터 전극(196)에 의해 받침대(57) 위에 제2 층(60)을 형성한다. 제2 층 성막 스퍼터 전극(196)은, 제2 층(60)을 형성하는 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스의 타깃재(도시생략)를 갖는다. 타깃재의 정면은, 받침대(57)와 대향하고 있다. 이 예에서는 타깃재의 배면에 마그네트(도시생략)가 배치되어 있다. 제2 층 성막 스퍼터 전극(196)은, 예를 들어 Ar 가스의 유량을 조정하여 Ar의 압력을 0.1 내지 1Pa 정도로 하고, 직류 전력을 0.1 내지 500㎾/㎡ 정도 인가함으로써, 받침대(57) 위에 제2 층(60)을 형성한다. 또한, 제2 층(60)을 형성하기 위한 타깃재로서 세라믹스를 사용하는 경우, 제2 층 성막 스퍼터 전극(196)은 RF를 인가하도록 구성한다. 제2 층 형성실(156)에서는, 받침대(57)의 표면에 제1 층(59)과 제2 층(60)으로 구성되는 다층막(58)(도 5 참조)이 형성된다. 이와 같이 하여 통체(12)의 외면에 발열체(13)가 직접 형성된다. 제2 층(60)의 두께는, 직류 전력의 크기와 통체(12)의 회전수를 조정함으로써 제어할 수 있다. 제2 층(60)의 형성 후에 제6 게이트 밸브(166)를 개방하고, 제6 반입출부(176)를 통해 제2 층 형성실(156)로부터 언로드실(157)로 통체(12)를 반송한다.
언로드실(157)은, 통체(12)를 반출하는 반출부(197)를 갖고, 반출부(197)와 제6 게이트 밸브(166)를 폐쇄한 상태에서 제6 진공 발생부(186)를 대기 개방으로 한다. 대기압 상태의 언로드실(157)로부터, 반출부(197)를 통해 발열체(13)가 형성된 통체(12)를 취출할 수 있다.
이상과 같이, 발열체 제조 장치(150)는, 로드실(151), 예비 가열실(152), 스퍼터 에칭실(153), 받침대 형성실(154), 제1 층 형성실(155), 제2 층 형성실(156) 및 언로드실(157)의 각 처리실이, 제1 내지 제6 게이트 밸브(161 내지 166)에 의해 분리되어 있으므로, 받침대(57), 제1 층(59) 및 제2 층(60)을 진공 상태에서 연속적으로 형성할 수 있다. 따라서, 발열체 제조 장치(150)는, 제1 층(59) 및 제2 층(60)의 사이에 자연 산화막이 형성되지 않고 이종 물질 계면(61)만이 형성된 발열체(13)를, 통체(12)의 외면에 직접 형성할 수 있다.
발열체 제조 장치(150)는, 도 22에서는 각 처리실을 각각 진공 배기하는 제1 내지 제7 진공 발생부(181 내지 187)가 마련되어 있지만, 진공 발생부를 몇몇 처리실에서 공용해도 된다. 진공 발생부를 몇몇 처리실에서 공유하는 경우, 각 처리실의 압력은, 예를 들어 오리피스 밸브를 사용하여 Ar 가스의 유량을 조정함으로써, 제어할 수 있다.
통체(12)의 회전수는, 에칭 혹은 성막하는 막 두께, 에칭 레이트 혹은 성막 레이트에 기초하여 설정한다. 에칭 혹은 성막하는 막 두께를 X(㎚), 에칭 레이트 혹은 성막 레이트를 Y(㎚/min)로 한 경우, 통체(12)의 회전수 Z(rpm)는, Z>10× (Y/X)를 충족하는 것이 바람직하다. 발열체(13)의 막 두께 균일성(두께의 변동)을 10％ 이하로 억제할 수 있기 때문이다. 예를 들어, X=10(㎚), Y=50(㎚/min)의 경우에는, Z>50(rpm)이 된다.
도 23은, 발열체(13)가 형성된 통체(12)끼리를 접속한 발열 유닛(200)이다. 통체(12)끼리는, 예를 들어 용접에 의해 접속된다. 발열 유닛(200)은, 발열체(13)가 형성된 통체(12)의 수를 변경함으로써, 출력을 변경할 수 있다. 발열 유닛(200)은, 각 발열체(13)끼리의 사이에 간극을 가지므로, 통체(12)가 열팽창하는 경우라도, 각 발열체(13)의 파손이 방지된다.
발열체 제조 장치(150)는, 길이가 예를 들어 50㎝ 내지 2m 정도인 짧은 통체(12)를 복수 반입하도록 구성함으로써, 장치 전체를 작게 할 수 있다. 발열 유닛(200)은, 발열체(13)가 형성된 짧은 통체(12)끼리를 접속함으로써 구성해도 된다.
발열체 제조 장치(150)는, 받침대(57) 위에 다층막(58)이 형성된 구성을 갖는 발열체(13)를 제조하는 것에 한정되지는 않는다. 발열체 제조 장치로서는, 받침대(57) 위에 다층막(134)이 형성된 구성을 갖는 발열체(133) 또는 받침대(57) 위에 다층막(144)이 형성된 구성을 갖는 발열체(143)를 제조하는 것이어도 된다.
발열체(133)를 제조하는 발열체 제조 장치는, 제1 층 형성실(155)과 제2 층 형성실(156)에 추가로, 받침대(57) 위에 제 3층(135)을 형성하는 제3 층 성막 스퍼터 전극을 갖는 제3 층 형성실을 더 구비한다. 제3 층 성막 스퍼터 전극은, 제3 층(135)을 형성하는 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금의 타깃재를 갖는다. 제3 층 성막 스퍼터 전극은, 제1 층 성막 스퍼터 전극 또는 제2 층 성막 스퍼터 전극과 마찬가지로, 직류 전력의 크기와 통체(12)의 회전수를 조정함으로써 제3 층(135)의 두께를 제어할 수 있다.
발열체(143)를 제조하는 발열체 제조 장치는, 제1 층 형성실(155), 제2 층 형성실(156) 및 제3 층 형성실에 추가로, 받침대(57) 위에 제 4층(145)을 형성하는 제4 층 성막 스퍼터 전극을 갖는 제4 층 형성실을 더 구비한다. 제4 층 성막 스퍼터 전극은, 제4 층(145)을 형성하는 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금의 타깃재를 갖는다. 제4 층 성막 스퍼터 전극은, 제1 층 성막 스퍼터 전극 또는 제2 층 성막 스퍼터 전극과 마찬가지로, 직류 전력의 크기와 통체(12)의 회전수를 조정함으로써 제4 층(145)의 두께를 제어할 수 있다.
발열체(13, 133, 143)를 구성하는 받침대(57)의 두께는, 특별히 한정되지 않고 적절히 변경 가능하다. 받침대(57)를 얇게 하여 필름상으로 하고, 이 필름상의 받침대(57)에 다층막(58, 134, 144)을 마련함으로써, 필름상의 발열체(이하, 필름상 발열체라고 칭함)를 형성할 수 있다. 이하, 필름상 발열체에 대하여 상세히 설명한다.
도 24에 도시한 바와 같이, 필름상 발열체(213)는, 통체(12)의 외면에 권취되어 있다. 필름상 발열체(213)는, 도 24에서는 통체(12)의 외면에 간극 없이 나선 형상으로 권취되어 있지만, 통체(12)의 외면에 간극을 두고 나선 형상으로 권취해도 된다. 또한, 필름상 발열체(213)는, 통체(12)의 중심 축선 C 방향으로 인접하는 필름상 발열체(213)끼리의 적어도 일부가 통체(12)의 직경 방향으로 겹치도록, 통체(12)의 외면에 나선 형상으로 권취해도 된다.
필름상 발열체(213)는, 발열체(13)(도 5 참조)와 동일한 구조를 갖고 있다. 즉, 필름상 발열체(213)는, 받침대(57)와 다층막(58)을 갖는다. 필름상 발열체(213)를 구성하는 받침대(57)와 다층막(58)은 필름상이다.
받침대(57)의 두께는 1㎛ 이상 5000㎛ 이하의 범위 내가 바람직하고, 100㎛ 이상 600㎛ 이하의 범위 내가 보다 바람직하다. 다층막(58)의 두께는 0.02㎛ 이상 10㎛ 이하의 범위 내가 바람직하고, 2㎛ 이상 6㎛ 이하의 범위 내가 보다 바람직하다. 필름상 발열체(213)의 두께는 1.02㎛ 이상 5010㎛ 이하의 범위 내가 바람직하고, 102㎛ 이상 606㎛ 이하의 범위 내가 보다 바람직하다. 받침대(57)의 두께, 다층막(58)의 두께 및 필름상 발열체(213)의 두께는, 상기 수치에 한정되지 않고, 필름상 발열체(213)를 사용하는 발열 장치로서 원하는 출력이 얻어지도록 적절히 설계할 수 있다.
필름상 발열체(213)는, 이 예에서는 발열체(13)와 동일한 구조이지만, 발열체(133)(도 19 참조)와 동일한 구조를 갖는 것, 즉 받침대(57)와 다층막(134)을 갖는 것이어도 된다. 또한, 필름상 발열체(213)는, 발열체(143)(도 20 참조)와 동일한 구조를 갖는 것, 즉 받침대(57)와 다층막(144)을 갖는 것이어도 된다. 필름상 발열체(213)를 구성하는 다층막(134) 또는 다층막(144)은 필름상이다.
필름상 발열체(213)와 통체(12)는, 예를 들어 스폿 용접을 행함으로써 접합되어 있다. 예를 들어, 필름상 발열체(213)를 통체(12)의 외면에 권취하면서, 통체(12)의 중심 축선 C 방향으로 등간격으로 스폿 용접함으로써, 필름상 발열체(213)와 통체(12)가 접합된다. 스폿 용접되는 부분은 고온이 되지만, 스폿 용접되는 부분의 직경이 1㎜ 정도이며, 또한 고온 상태의 시간이 수 초이므로, 필름상 발열체(213)의 특성은 거의 열화되지 않는다. 또한, 필름상 발열체(213)와 통체(12)를 접합하는 개소는 특별히 한정되지는 않는다.
이상과 같이, 필름상 발열체(213)는, 받침대(57) 및 다층막(58)을 갖고 있으므로, 발열체(13)와 마찬가지의 작용 효과를 갖는다. 즉, 필름상 발열체(213)는, 수소를 사용하여 발열하므로, 이산화탄소 등의 온실 가스를 발생시키지 않는다. 또한, 필름상 발열체(213)를 발열시키기 위해서 사용하는 수소는, 물로부터 생성할 수 있기 때문에 저렴하다. 또한, 필름상 발열체(213)의 발열은, 핵분열 반응과는 달리, 연쇄 반응이 없으므로 안전하게 되어 있다. 따라서, 필름상 발열체(213)는, 저렴하고, 클린하고, 안전한 에너지원으로서 이용할 수 있다. 또한, 필름상 발열체(213)는, 받침대(57) 및 다층막(58)이 필름상임으로써, 유연성을 가지면서, 곡면에 대한 추종성이 우수하다.
도 25는, 스퍼터링법을 이용하여 필름상 발열체(213)를 제조하는 필름상 발열체 제조 장치(215)이다. 필름상 발열체 제조 장치(215)는, 이 예에서는 스퍼터링법으로서 DC 마그네트론 스퍼터링법을 실시한다. 필름상 발열체 제조 장치(215)는, 롤러 투 롤러 방식에 의해 긴 필름상인 받침대(57)를 연속적으로 반송하면서, 받침대(57)의 표면에 다층막(58)을 형성한다.
필름상 발열체 제조 장치(215)는, 긴 필름상의 받침대(57)를 권출하는 권출실(217)과, 받침대(57)에 다층막(58)을 형성하는 성막실(218)과, 다층막(58)이 형성된 받침대(57)를 권취하는 권취실(219)을 갖는다.
필름상 발열체 제조 장치(215)는, 이 예에서는, 단일의 진공 챔버(220)로 구성되어 있으며, 권출실(217)과 성막실(218)을 칸막이하는 제1 칸막이판(221)과, 성막실(218)과 권취실(219)을 칸막이하는 제2 칸막이판(222)과, 권출실(217)과 권취실(219)을 칸막이하는 제3 칸막이판(223)을 갖는다.
진공 챔버(220)는, 권출실(217)을 진공 배기하는 제1 진공 발생부(224)와, 성막실(218)을 진공 배기하는 제2 진공 발생부(225)를 갖는다. 제1 진공 발생부(224)는, 권출실(217)의 압력을 예를 들어 1E-4Pa 정도까지 감압한다. 제2 진공 발생부(225)는, 성막실(218)의 압력을 권출실(217)보다도 저압인 예를 들어 1E-5Pa 정도까지 감압한다. 제1 진공 발생부(224)와 제2 진공 발생부(225)로서는, 예를 들어 드라이 펌프나 터보 분자 펌프 등이 사용된다. 진공 챔버(220)의 내부에는, 감압 후에 스퍼터링 가스가 도입된다. 스퍼터링 가스는, 이 예에서는 아르곤(Ar) 가스이지만, 공지된 가스를 사용해도 된다. Ar 가스의 유량을 조정함으로써, 진공 챔버(220)의 내부의 Ar의 압력이 조정 가능하다. 진공 챔버(220)의 형상이나 재질은, 감압 상태에 견딜 수 있는 것이면 특별히 한정되지는 않는다.
권출실(217)은, 긴 필름상의 받침대(57)가 권회된 권출 롤러(226)와, 권출 롤러(226)로부터 권출된 받침대(57)를 반송하는 제1 반송 롤러부(227)와, 제1 반송 롤러부(227)에 의해 반송되는 받침대(57)를 가열하는 가열부(228)를 갖는다. 권출 롤러(226)는, 도시하지 않은 모터를 갖고, 모터의 구동에 의해 회전한다. 제1 반송 롤러부(227)는, 예를 들어 프리 롤러와 장력 측정 롤러로 구성되어 있다.
가열부(228)는, 받침대(57)의 표면 온도가 예를 들어 200 내지 350℃가 되도록 가열함으로써, 받침대(57)의 표면에 흡착된 수분을 제거한다. 가열부(228)는, 받침대(57)를 원하는 온도까지 가열할 수 있는 방식이면 특별히 제한되지 않고, 예를 들어, 램프 가열 방식, 적외선 가열 방식, 유도 가열 방식 등을 이용할 수 있다.
성막실(218)은, 권출실(217)로부터 반출된 받침대(57)를 반송하는 성막 롤러(229)와, 받침대(57)의 표면을 스퍼터 에칭하는 스퍼터 에칭 전극(230)과, 받침대(57) 위에 제1 층(59)을 형성하는 제1 층 성막 스퍼터 전극(231A, 231B)과, 받침대(57) 위에 제2 층(60)을 형성하는 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A, 232B)을 갖는다.
성막 롤러(229)는, 도시하지 않은 모터를 갖고, 모터의 구동에 의해 회전한다. 성막 롤러(229)의 내부에는, 진공 챔버(220)의 외부에서 온도가 조정된 냉매가 순환되고 있다. 이 때문에, 성막실(218)에서는, 받침대(57)가 일정한 온도(예를 들어 50 내지 300℃의 범위 내의 온도)로 제어되고 있다. 성막 롤러(229)와 권출 롤러(226)의 주속도 차에 기초하는 장력은, 제1 반송 롤러부(227)의 장력 측정 롤러로 측정된다. 장력 측정 롤러로 측정된 측정 데이터가 권출 롤러(226)에 피드백되어, 권출 롤러(226)의 주속도가 제어되고 있다.
스퍼터 에칭 전극(230), 제1 층 성막 스퍼터 전극(231A, 231B) 및 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A, 232B)은, 성막 롤러(229)에 의해 반송되는 받침대(57)의 표면과 대향하는 위치에 배치되어 있다. 스퍼터 에칭 전극(230), 제1 층 성막 스퍼터 전극(231A, 231B) 및 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A, 232B)은, 받침대(57)의 표면과 대향하는 정면측에, 실드판을 갖고 있다.
스퍼터 에칭 전극(230)은, 예를 들어 Ar 가스의 유량을 조정하여 Ar의 압력을 0.1 내지 1Pa 정도로 하고, 13.56㎒의 RF를 인가함으로써, 받침대(57)의 표면의 유기물이나 금속 산화물 등을 제거한다.
제1 층 성막 스퍼터 전극(231A)과 제1 층 성막 스퍼터 전극(231B)은, 서로 동일한 구성을 갖고 있다. 제1 층 성막 스퍼터 전극(231A, 231B)은, 제1 층(59)을 형성하는 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금의 타깃재(도시생략)를 갖는다. 타깃재의 정면은, 받침대(57)와 대향하고 있다. 이 예에서는 타깃재의 배면에 마그네트(도시생략)가 배치되어 있다. 제1 층 성막 스퍼터 전극(A, 231B)은, 예를 들어 Ar 가스의 유량을 조정하여 Ar의 압력을 0.1 내지 1Pa 정도로 하고, 직류 전력을 0.1 내지 500㎾/㎡ 정도 인가함으로써, 받침대(57) 위에 제1 층(59)을 형성한다. 제1 층(59)의 두께는, 직류 전력의 크기와 받침대(57)의 반송 속도를 조정함으로써 제어할 수 있다.
제2 층 성막 스퍼터 전극(232A)과 제2 층 성막 스퍼터 전극(232B)은, 서로 동일한 구성을 갖고 있다. 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A, 232B)은, 제2 층(60)을 형성하는 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스의 타깃재(도시생략)를 갖는다. 타깃재의 정면은, 받침대(57)와 대향하고 있다. 이 예에서는 타깃재의 배면에 마그네트(도시생략)가 배치되어 있다. 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A, 232B)은, 예를 들어 Ar 가스의 유량을 조정하여 Ar의 압력을 0.1 내지 1Pa 정도로 하고, 직류 전력을 0.1 내지 500㎾/㎡ 정도 인가함으로써, 받침대(57) 위에 제2 층(60)을 형성한다. 또한, 제2 층(60)을 형성하기 위한 타깃재로서 세라믹스를 사용하는 경우, 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A) 및 제2 층 성막 스퍼터 전극(232B)은 RF를 인가하도록 구성한다. 제2 층(60)의 두께는, 직류 전력의 크기와 받침대(57)의 반송 속도를 조정함으로써 제어할 수 있다.
도 25에 있어서, 받침대(57)의 주행 방향을 외곽선 화살표로 나타내고 있다. 도 25에서는, 받침대(57)의 주행 방향의 상류측으로부터 하류측을 향하여, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231A), 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A), 제1 층 성막 스퍼터 전극(231B), 제2 층 성막 스퍼터 전극(232B)의 순으로 배치되어 있다. 따라서, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231A)은, 받침대(57)의 표면에 제1 층(59)을 형성한다. 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A)은, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231A)에 의해 형성된 제1 층(59)의 표면에 제2 층(60)을 형성한다. 제1 층 성막 스퍼터 전극(231B)은, 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A)에 의해 형성된 제2 층(60)의 표면에 제1 층(59)을 형성한다. 제2 층 성막 스퍼터 전극(232B)은, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231B)에 의해 형성된 제1 층(59)의 표면에 제2 층(60)을 형성한다. 이와 같이 하여, 성막실(218)에서는, 받침대(57)의 표면에, 제1 층(59)과 제2 층(60)으로 구성되는 다층막(58)이 형성된다. 이하의 설명에 있어서, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231A)과 제1 층 성막 스퍼터 전극(231B)을 구별하지 않는 경우에는 제1 층 성막 스퍼터 전극(231)이라 기재하고, 제2 층 성막 스퍼터 전극(232A)과 제2 층 성막 스퍼터 전극(232B)을 구별하지 않는 경우에는, 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)이라 기재한다. 제1 층 성막 스퍼터 전극(231)과 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)이 1개 이상이면, 제1 층(59)과 제2 층(60)을 각각 1층 이상 갖고, 이종 물질 계면(61)이 1개 이상 형성되어 있는 다층막(58)이 얻어진다. 제1 층(59)의 층수, 제2 층(60)의 층수 및 이종 물질 계면(61)의 수는, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231)의 수와 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)의 수를 변경함으로써, 변경 가능하다.
권취실(219)은, 성막실(218)로부터 반출된 받침대(57)를 반송하는 제2 반송 롤러부(233)와, 제2 반송 롤러부(233)에 의해 반송되는 받침대(57)를 권취하는 권취 롤러(234)를 갖는다. 권취 롤러(234)에 권취된 필름상물이 필름상 발열체(213)이다. 제2 반송 롤러부(233)는, 예를 들어 프리 롤러와 장력 측정 롤러로 구성되어 있다. 권취 롤러(234)는, 도시하지 않은 모터를 갖고, 모터의 구동에 의해 회전한다. 권취 롤러(234)와 성막 롤러(229)의 주속도 차에 기초하는 장력은, 제2 반송 롤러부(233)의 장력 측정 롤러로 측정된다. 장력 측정 롤러로 측정되고 측정 데이터가 권취 롤러(234)에 피드백되어, 권취 롤러(234)의 주속도가 제어되고 있다. 필름상 발열체(213)는, 진공 챔버(220)의 내부를 대기압으로 되돌리고, 권취실(219)로부터 권취 롤러(234)를 취출함으로써 얻어진다.
이상과 같이, 필름상 발열체 제조 장치(215)는, 긴 필름상의 받침대(57)의 주행 방향의 상류측으로부터 하류측을 향하여 제1 층 성막 스퍼터 전극(231)과 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)이 교호로 배열되어 있음으로써, 받침대(57) 위에 제1 층(59) 및 제2 층(60)을 진공 상태에서 연속적으로 형성할 수 있다. 따라서, 필름상 발열체 제조 장치(215)는, 제1 층(59) 및 제2 층(60)의 사이에 자연 산화막이 형성되지 않고 이종 물질 계면(61)만이 형성된 긴 필름상 발열체(213)를 제조할 수 있다. 긴 필름상 발열체(213)는, 유연성을 가지면서, 요철 형상 등의 곡면에 대한 추종성이 우수하다. 또한, 긴 필름상 발열체(213)는, 원하는 길이로 절단하여 사용할 수 있으므로, 보다 다양한 용도에 적용 가능하다.
긴 필름상 발열체(213)를 소정의 길이로 절단함으로써 복수의 짧은 필름상 발열체(213)를 준비하고, 1개의 통체(12)의 외면에 복수의 짧은 필름상 발열체(213)를 서로 간격을 두고 마련해도 된다.
필름상 발열체 제조 장치(215)는, 가열부(228)에 의한 가열, 스퍼터 에칭 전극(230)에 의한 스퍼터 에칭 및 제1 층 성막 스퍼터 전극(231)과 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)에 의한 성막을 연속적으로 행하는 연속 처리와, 가열부(228)에 의한 가열, 스퍼터 에칭 전극(230)에 의한 스퍼터 에칭 및 제1 층 성막 스퍼터 전극(231)과 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)에 의한 성막을 구획하여 행하는 스텝 처리가 실시 가능하다. 연속 처리의 경우에는, 1개의 긴 필름상의 받침대(57)에 대한 성막이 종료될 때까지, 가열, 스퍼터 에칭 및 성막을 계속한다. 스텝 처리의 경우에는, 예를 들어 전원의 ON/OFF 또는 입력 전력의 조정 등을 행함으로써, 가열, 스퍼터 에칭 및 성막을 행하는 시간을 각각 독립적으로 설정 가능하게 한다. 또한, 타깃재를 차폐하는 셔터의 개폐를 행함으로써 성막을 행하는 시간을 설정해도 된다.
필름상 발열체 제조 장치(215)는, 받침대(57) 위에 다층막(58)이 형성된 구성을 갖는 필름상 발열체(213)를 제조하는 것에 한정되지는 않는다. 필름상 발열체 제조 장치로서는, 받침대(57) 위에 다층막(134) 또는 다층막(144)이 형성된 구성을 갖는 필름상 발열체를 제조하는 것이어도 된다.
받침대(57) 위에 다층막(134)이 형성된 구성을 갖는 필름상 발열체를 제조하는 필름상 발열체 제조 장치는, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231)과 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)에 추가로, 받침대(57) 위에 제 3층(135)을 형성하는 제3 층 성막 스퍼터 전극을 더 구비한다. 제3 층 성막 스퍼터 전극은, 제3 층(135)을 형성하는 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금의 타깃재를 갖는다. 제3 층 성막 스퍼터 전극은, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231) 또는 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)과 마찬가지로, 직류 전력의 크기와 받침대(57)의 반송 속도를 조정함으로써 제3 층(135)의 두께를 제어할 수 있다.
받침대(57) 위에 다층막(144)이 형성된 구성을 갖는 필름상 발열체를 제조하는 필름상 발열체 제조 장치는, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231), 제2 층 성막 스퍼터 전극(232) 및 제3 층 성막 스퍼터 전극에 추가로, 받침대(57) 위에 제4 층(145)을 형성하는 제4 층 성막 스퍼터 전극을 더 구비한다. 제4 층 성막 스퍼터 전극은, 제4 층(145)을 형성하는 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금의 타깃재를 갖는다. 제4 층 성막 스퍼터 전극은, 제1 층 성막 스퍼터 전극(231) 또는 제2 층 성막 스퍼터 전극(232)과 마찬가지로, 직류 전력의 크기와 받침대(57)의 반송 속도를 조정함으로써 제4 층(145)의 두께를 제어할 수 있다.
도 26에 도시한 필름상 발열체(243)는, 받침대(57)와 다층막(58)에 추가로, 다층막(58)의 표면에 마련되며, 다층막(58)의 표면을 보호하는 패시베이션막(244)을 더 갖는 것이다. 패시베이션막(244)은, 수소를 투과하는 재료, 예를 들어 SiO2, SiN 등으로 구성된다. 패시베이션막(244)은, 예를 들어 CVD(Chemical Vapor Deposition)법에 의해 형성할 수 있다. 필름상 발열체(243)는, 패시베이션막(244)을 가짐으로써, 다층막(58)의 손상이 억제된다. 패시베이션막(244)은, 다층막(134) 또는 다층막(144)의 표면에 마련해도 된다.
10, 70, 80, 90, 100, 120: 발열 장치
11: 밀폐 용기
12: 통체
13, 133, 143: 발열체
14: 유로
15: 유체 순환부
16: 제어부
26: 중공부
30: 순환 라인
32, 92: 냉각부
33: 가열부
45: 외부 유체 라인
55, 55a 내지 55c: 발열 모듈
57: 받침대
58, 134, 144: 다층막
59: 제1 층
60: 제2 층
61, 136, 146: 이종 물질 계면
71, 104: 증기 터빈(유체 이용 장치)
79, 89, 119, 129: 열 이용 시스템
101: 열회수 라인
135: 제3 층
145: 제4 층
150: 발열체 제조 장치
213, 243: 필름상 발열체
215: 필름상 발열체 제조 장치

Claims (12)

  1. 중공의 밀폐 용기와,
    상기 밀폐 용기의 내면에 의해 형성되는 중공부에 마련된 통체와,
    상기 통체의 외면에 마련되고, 상기 중공부에 공급되는 수소계 가스에 포함되는 수소의 흡장과 방출에 의해 열을 발생하는 발열체와,
    상기 통체의 내면에 의해 형성되고, 상기 발열체와의 사이에서 열교환을 행하는 유체가 유통하는 유로
    를 구비하고,
    상기 발열체는, 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 받침대와, 상기 받침대에 마련된 다층막을 갖고,
    상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는 발열 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로와 접속하여 상기 통체의 내부와 외부의 사이에서 상기 유체를 순환시키는 순환 라인을 갖는 유체 순환부와,
    상기 순환 라인에 마련되고, 상기 유체를 냉각시키는 냉각부와,
    상기 순환 라인에 마련되고, 상기 유체를 가열하는 가열부와,
    상기 냉각부를 구동하여, 냉각된 상기 유체에 의해 상기 발열체의 온도를 저하시키는 강온 제어와, 상기 가열부를 구동하여, 가열된 상기 유체에 의해 상기 발열체의 온도를 상승시키는 승온 제어를 행하는 제어부를 더 구비하는 발열 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 유체 순환부는, 상기 밀폐 용기의 외면에 마련되고, 상기 순환 라인과 접속하여 상기 유체의 일부가 유통하는 외부 유체 라인을 더 갖는 발열 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 층은, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금 중 어느 것에 의해 형성되고,
    상기 제2 층은, Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC 중 어느 것에 의해 형성되는 발열 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다층막은, 상기 제1 층 및 상기 제2 층에 추가로, 상기 제1 층 및 상기 제2 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금 또는 세라믹스에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제3 층을 갖는 발열 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제3 층은, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 발열 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 다층막은, 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 제3 층에 추가로, 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 제3 층과는 다른 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제4 층을 갖는 발열 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제4 층은, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, 이들의 합금, SiC, CaO, Y2O3, TiC, LaB6, SrO, BaO 중 어느 것에 의해 형성되는 발열 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 받침대 및 상기 다층막은 필름상이며,
    상기 발열체는, 상기 통체의 외면에 권취되어 있는 발열 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 발열 장치와,
    상기 발열체에 의해 가열된 상기 유체를 이용하는 유체 이용 장치를 구비하는 열 이용 시스템.
  11. 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 프로톤 도전체에 의해 형성된 필름상의 받침대와,
    상기 받침대에 마련된 필름상의 다층막을 갖고,
    상기 다층막은, 수소 흡장 금속 또는 수소 흡장 합금에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제1 층과, 상기 제1 층과는 다른 수소 흡장 금속, 수소 흡장 합금, 또는 세라믹스에 의해 형성되며, 두께가 1000㎚ 미만인 제2 층을 갖는 필름상 발열체.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 받침대의 두께는 1㎛ 이상 5000㎛ 이하의 범위 내이고,
    상기 다층막의 두께는 0.02㎛ 이상 10㎛ 이하의 범위 내인 필름상 발열체.
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