TW202300676A - 發熱單元、發熱裝置及熱利用系統 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種高耐久性且可穩定發熱之發熱單元、雖為小型、緊湊卻為高輸出且具有高耐久性之發熱裝置、及可高效回收該發熱裝置中產生之熱並加以有效利用之熱利用系統。於筒狀支持體之內周面形成藉由氫之吸藏與釋放而發熱之多層膜，而構成發熱單元1。又，於密閉容器21內，使複數個發熱單元1貫通分隔件22，使該等發熱單元1之軸向兩端向第1空間S1與第2空間S2開口，並設置用於加熱各發熱單元1之加熱器2，而構成發熱裝置20。進而，包含發熱裝置20、氫供給管線、氫回收管線、熱利用裝置、熱媒供給管線及熱媒回收管線而構成熱利用系統。

Description

發熱單元、發熱裝置及熱利用系統
本發明係關於一種藉由氫之吸藏與釋放而發熱之發熱單元、具備複數個該發熱單元之發熱、熱交換一體式發熱裝置、及利用該發熱裝置所產生之熱的熱利用系統。
已知氫吸藏合金屬件有於一定反應條件下反覆吸藏及釋放大量氫之特性，且該氫之吸藏與釋放時伴隨有大量反應熱。已提出利用該反應熱之熱泵系統、熱傳輸系統、冷熱(冷凍)系統等熱利用系統及氫貯存系統(例如參照專利文獻1、2)。
然，本申請人等發現，於具備使用氫吸藏合金等之發熱體的發熱裝置中，藉由以支持體及由該支持體支持之多層膜構成上述發熱體，於使該發熱體吸藏氫時與自該發熱體釋放氫時會產生熱。於是，本申請人等已於先前基於此種見解提出了熱利用系統及發熱裝置(參照專利文獻3)。
具體而言，具備發熱裝置之發熱體之支持體包含多孔質體、氫透過膜或質子介電體之至少任一者，由該支持體支持之多層膜例如係藉由交替積層第1層與第2層而構成，上述第1層包含氫吸藏金屬或氫吸藏合金，且厚度未達1000 nm，上述第2層包含與上述第1層不同之氫吸藏金屬、氫吸藏合金或陶瓷，且厚度未達1000 nm。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開昭56-100276號公報 [專利文獻2]日本專利特開昭58-022854號公報 [專利文獻3]日本專利第6749035號公報
[發明所欲解決之問題]
然而，專利文獻3提出之發熱裝置中，產生熱之發熱體未以高密度積體之狀態組入，因此發熱體無法高效發熱，尚有改善之餘地。
於是，如圖17所示，考慮於發熱體105之兩側分別配置用於將氫導入發熱體105之第1流路106、及承接透過發熱體105之氫的第2流路107，將該等發熱體105與第1流路106及第2流路107高密度積層，藉此使發熱裝置101變得小型且緊湊，實現高效發熱之高輸出。於具備此種構成之發熱裝置101中，藉由使導入第1流路106之氫透過發熱體105而使發熱體105發熱。於該情形時，透過發熱體105之氫(以下，有時稱為「透過氫」)流入第2流路107，因此第2流路107之壓力低於第1流路106之壓力。
此處，發熱體105係由包含氫吸藏金屬或氫吸藏合金之非常薄之平板構成，因此如圖18所示，該發熱體105會以向壓力較低之第2流路107側鼓出之方式呈圓弧曲面狀撓曲變形，伴隨該撓曲變形會產生較大之應力，因而多層膜可能會自該發熱體105之支持體剝落，造成發熱體105之耐久性降低、並且發熱體105無法穩定發揮發熱作用之問題。
本發明係鑒於上述問題而完成，其目的在於提供一種高耐久性且可穩定發熱之發熱單元、雖為小型、緊湊卻為高輸出且具有高耐久性之發熱裝置、及可高效回收該發熱裝置所產生之熱並加以有效利用之熱利用系統。 [解決問題之技術手段]
為了達成上述目的，本發明之發熱單元係於筒狀支持體之內周面，形成藉由氫之吸藏與釋放來發熱之多層膜而構成。
又，本發明之發熱裝置構成為：具備複數個上述發熱單元，藉由複數個分隔件，將密閉容器內沿軸向劃分為第1空間、第2空間及第3空間使複數個上述發熱單元貫通上述分隔件，使複數個上述發熱單元之軸向兩端分別向上述密閉容器內之軸向兩端之上述第1空間與上述第2空間開口，且設置用於加熱上述各發熱單元之加熱器。
進而，本發明之熱利用系統具備：上述發熱裝置；氫供給管線，其對上述發熱裝置之上述第1空間供給氫；氫回收管線，其回收自上述發熱裝置之上述第2空間排出之氫，將其送回上述氫供給管線；熱利用裝置，其利用上述發熱裝置所產生之熱；熱媒供給管線，其將自上述發熱裝置之上述第3空間排出之熱媒供給至上述熱利用裝置；及熱媒回收管線，其回收自上述熱利用裝置排出之熱媒，將其送回上述發熱裝置之上述第3空間。 [發明之效果]
本發明之發熱單元係藉由於剛性較高之筒狀支持體之內周面形成多層膜而構成，因此其即便承受外力亦不會輕易變形，形成於支持體之內周面之多層膜不會剝落。因此，發熱單元穩定發熱，並且其耐久性提高。
又，本發明之發熱裝置具備集約於密閉容器內之高耐久性的複數個發熱單元，因此小型且緊湊，並且其發熱量增加，實現了高輸出化，還提高了耐久性。又，藉由使被複數個發熱單元加熱之氫與第3空間中流動之熱媒進行熱交換而對熱媒進行加熱，因此藉由熱媒高效回收複數個發熱單元所產生之熱。即，該發熱裝置作為兼備殼管式熱交換器之發熱、熱交換一體式發熱裝置發揮功能。
進而，根據本發明之熱利用系統，兼備作為殼管式熱交換器之功能的高輸出發熱裝置所產生之熱被熱媒高效回收，因此可有效利用該熱媒回收之熱來驅動熱利用裝置。
以下，基於隨附圖式，對本發明之實施方式進行說明。
[發熱單元] 以下，基於圖1及圖2，對本發明之發熱單元之構成進行說明。
圖1係本發明之發熱單元之側剖視圖，圖2係圖1之A-A線放大剖視圖，圖示之發熱單元1係於圓筒狀(圓管狀)支持體1A之內周面形成藉由氫之吸藏及釋放來發熱之多層膜1B而構成，該支持體1A包含多孔質金屬燒結體、多孔質陶瓷燒結體或金屬。此處，於構成支持體1A之多孔質金屬燒結體或多孔質陶瓷燒結體，形成有大小允許氫透過之多個孔。而且，作為多孔質金屬燒結體或多孔質陶瓷燒結體之材質，使用不對氫與多層膜1B之發熱反應造成阻礙者。具體而言，作為多孔質金屬燒結體，例如使用Ti、SUS、Mo等，作為陶瓷燒結體，例如使用Al 2O 3、MgO、CaO等。又，作為構成支持體1A之金屬，例如使用不鏽鋼(SUS)。
再者，於本實施方式中，作為支持體1A，使用圓筒狀(圓管狀)者，亦可使用多角筒狀(角管狀)者。
然，氫包括包含該氫之同位素之氫系氣體，作為氫系氣體，使用氘氣與氫氣之任一者。氫氣包括天然存在之氫與氘之混合物、即氫之比率為99.985%、氘之比率為0.015%之混合物。再者，以下說明中，將包含氫系氣體之氣體總稱為「氫」。
此處，基於圖3對多層膜1B之構成進行說明。
＜多層膜之構成＞ 圖3係圖2之B部放大詳細圖，於本實施方式中，形成於該圖所示之支持體1A之內周面的多層膜1B具備包含氫吸藏金屬或氫吸藏合金之第1層11、及包含與該第1層11不同之氫吸藏金屬或氫吸藏合金或陶瓷之第2層12，於該等第1層11與第2層12之間形成有異種物質界面13。圖3所示之例中，於支持體1A之內周面，依序交替積層第1層11與第2層12各5層而成為共10層之膜構造，從而形成多層膜1B。再者，第1層11與第2層12為任意數量，亦可與圖3所示之例不同，於支持體1A之內周面依序交替積層複數個第2層12與第1層11而形成多層膜。又，多層膜1B分別具有至少1層以上第1層11與第2層12，且形成於第1層11與第2層12之間之異種物質界面13設置有1個以上即可。
此處，第1層11例如包含Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co及該等之合金中之任一者。此處，作為構成第1層11之合金，較佳為包含Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co中之2種以上。又，作為構成第1層11之合金，亦可為於Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co中添加有添加物者。
又，第2層12例如包含Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co及該等之合金或SiC中之任一者。此處，作為構成第2層12之合金，較佳為包含Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co中之2種以上。又，作為構成第2層12之合金，亦可為於Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co中添加有添加物者。
並且，作為第1層11與第2層12之組合，當以「第1層-第2層」之形式表示元素種類時，較佳為Pd-Ni、Ni-Cu、Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Mg、Ni-Co之組合。再者，於以陶瓷構成第2層12之情形時，較理想為Ni-SiC之組合。
此處，基於圖4對發熱單元1之發熱(產生過剩熱)之機制進行說明。
圖4係說明發熱單元中產生過剩熱之機制的模式圖，形成於發熱單元1之多層膜1B之第1層11與第2層12之間的異種物質界面13使氫原子透過。當自發熱單元1之內周面側對其供給氫時，具有面心立方構造之第1層11與第2層12、即多層膜1B吸藏氫。此處，即便停止供給氫，發熱單元1亦維持藉由多層膜1B吸藏氫之狀態。
然後，當藉由發熱單元1之未圖示之加熱器開始加熱時，如圖4所示，第1層11之金屬晶格中之氫原子透過異種物質界面13，向第2層12之金屬晶格中移動，多層膜1B所吸藏之氫被釋放，該氫於多層膜1B之內部一面跳躍一面進行量子擴散。此處，已知氫較輕，氫原子一面於某一物質A與物質B中氫所占之隙位(八面體隙位或四面體隙位)跳躍一面進行量子擴散。因此，藉由使發熱單元1以加熱器進行加熱，氫藉由量子擴散透過異種物質界面13，或者，氫藉由擴散透過異種物質界面13，藉此使發熱單元1發熱，加熱器所產生之加熱量以上之熱量之熱作為過剩熱產生。
然，較理想為構成發熱單元1之多層膜之第1層11與第2層12之厚度均未達1000 nm。若第1層11與第2層12之各厚度未達1000 nm，則第1層11與第2層12可維持不表現塊體特性之奈米構造。順帶而言，於第1層11與第2層12之各厚度為1000 nm以上之情形時，氫難以透過多層膜1B。再者，第1層11與第2層12之各厚度較理想為未達500 nm。如此，若第1層11與第2層12之各厚度未達500 nm，則該等第1層11與第2層12可維持完全不表現塊體特性之奈米構造。
＜發熱單元之製造方法＞ 此處，對發熱單元1之製造方法之一例進行說明。
準備圓筒狀(圓管狀)之支持體1A，使該支持體1A繞其軸旋轉，同時使用蒸鍍裝置，使用作第1層11及第2層12之氫吸藏金屬或氫吸藏合金成為氣相狀態，藉由該氣相狀態之氫吸藏金屬或氫吸藏合金之凝聚及吸附，於支持體1A之內周面交替成膜第1層11與第2層12，藉此製造發熱單元1。於該情形時，較佳為於真空狀態下連續成膜第1層11與第2層12，藉此，於第1層11與第2層12之間形成異種物質界面13而不會形成自然氧化膜。
作為蒸鍍裝置，使用以物理方法蒸鍍氫吸藏金屬或氫吸藏合金之物理蒸鍍裝置，作為該物理蒸鍍裝置，使用濺鍍裝置、真空蒸鍍裝置、CVD(Chemical Vapor Deposition，化學氣相沈積)裝置。又，亦可藉由電鍍法使氫吸藏金屬或氫吸藏合金於支持體1A之內周面析出從而交替成膜第1層11與第2層12。
此處，將發熱單元之多層膜之構成之變化例1、2分別示於圖5與圖6中。再者，圖5、圖6係表示變化例1、2之多層膜60B、70B之層構造之剖視圖。
＜多層膜之層構造之變化例1＞ 於以上說明之本實施方式中，如圖3所示，藉由交替積層第1層11與第2層12各5層而構成發熱單元1之多層膜1B，但於圖5所示之發熱單元60中，除具有第1層61及第2層62外，進而具有第3層63。此處，第3層63包含與第1層61及第2層62不同之氫吸藏金屬、氫吸藏合金或陶瓷，其厚度較理想為未達1000 nm。
於圖5所示之發熱單元60中，於支持體60A之內周面，依序積層有構成多層膜60B之第1層61、第2層62、第1層61、第3層63。於該發熱單元60中，形成於第1層61與第2層62之間之異種物質界面64、以及形成於第1層61與第3層63之間之異種物質界面65使氫原子透過。再者，第1層61與第2層62及第3層63亦可按第1層61、第3層63、第1層61、第2層62之順序積層於支持體60A之內周面。即，多層膜60B為於第2層62與第3層63之間設置第1層61之積層構造。再者，多層膜60B具有1層以上第3層63即可。
此處，第3層63包含Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co或該等之合金、或者SiC、CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者。作為構成第3層63之合金，較理想為包含Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co中之2種以上者。再者，作為構成第3層63之合金，亦可使用於Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co中添加有添加元素者。
尤其理想為，第3層63包含CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者。發熱單元60具有包含CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者之第3層63時，氫之吸藏量增加，透過異種物質界面64、65之氫之量增加，實現過剩熱之高輸出化。
包含CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者的第3層63較理想為厚度為10 nm以下。藉此，多層膜60B可使氫原子容易地透過。再者，包含CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者之第3層63亦可不形成為完整之膜狀而形成為島狀。再者，第1層61與第3層63較理想為於真空狀態下連續成膜。藉此，於第1層61與第3層63之間僅形成異種物質界面65而不會形成自然氧化膜。
作為第1層61與第2層62及第3層63之組合，當以「第1層-第3層-第2層」之形式表示元素之種類時，較理想為Pd-CaO-Ni、Pd-Y 2O 3-Ni、Pd-TiC-Ni、Pd-LaB 6-Ni、Ni-CaO-Cu、Ni-Y 2O 3-Cu、Ni-TiC-Cu、Ni-LaB 6-Cu、Ni-Co-Cu、Ni-CaO-Cr、Ni-Y 2O 3-Cr、Ni-TiC-Cr、Ni-LaB 6-Cr、Ni-CaO-Fe、Ni-Y 2O 3-Fe、Ni-TiC-Fe、Ni-LaB 6-Fe、Ni-Cr-Fe、Ni-CaO-Mg、Ni-Y 2O 3-Mg、Ni-TiC-Mg、Ni-LaB 6-Mg、Ni-CaO-Co、Ni-Y 2O 3-Co、Ni-TiC-Co、Ni-LaB 6-Co、Ni-CaO-SiC、Ni-Y 2O 3-SiC、Ni-TiC-SiC、Ni-LaB 6-SiC之任一者。
＜多層膜之層構造之變化例2＞ 如圖6所示，本實施方式之發熱單元70之多層膜70B除具有第1層71、第2層72及第3層73以外，進而具有第4層74。此處，第4層74包含與第1層71、第2層72及第3層73不同之氫吸藏金屬、氫吸藏合金或陶瓷，其厚度較理想為未達1000 nm。
圖6中，第1層71、第2層72、第1層71、第3層73、第1層71、第4層74依序積層於支持體70A之內周面。再者，亦可於支持體70A之內周面依序積層第1層71、第4層74、第1層71、第3層73、第1層71、第2層72。即，多層膜70B為以任一順序積層第2層72、第3層73、第4層74，並於第2層72、第3層73、第4層74各者之間設置第1層71而成的積層構造。此處，形成於第1層71與第2層72之間之異種物質界面75、形成於第1層71與第3層73之間之異種物質界面76及形成於第1層71與第4層74之間之異種物質界面77使氫原子透過。再者，多層膜70B具有1層以上第4層74即可。
然，第4層74包含Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co或該等之合金、或者SiC、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者。此處，構成第4層74之合金較理想為包含Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co中之2種以上。再者，作為構成第4層74之合金，亦可使用於Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co中添加有添加元素者。
尤其理想為，第4層74包含CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者。此處，發熱單元70具有包含CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者之第4層74時，氫之吸藏量增加，透過異種物質界面75、76、77之氫之量增加，因此實現該發熱單元70所產生之過剩熱之高輸出化。又，為了使氫原子容易透過，包含CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者之第4層74之厚度較理想為10 nm以下。
又，包含CaO、Y 2O 3、TiC、LaB 6、SrO、BaO之任一者之第4層74亦可不形成為完整之膜狀，而形成為島狀。進而，較理想為第1層71與第4層74於真空狀態下連續成膜，藉此，於第1層71與第4層74之間僅形成異種物質界面77而不會形成自然氧化膜。
作為第1層71、第2層72、第3層73及第4層74之組合，當以「第1層-第4層-第3層-第2層」之形式表示元素種類時，較理想為Ni-CaO-Cr-Fe、Ni-Y 2O 3-Cr-Fe、Ni-TiC-Cr-Fe、Ni-LaB 6-Cr-Fe之組合。再者，多層膜70B之構成、例如各層之厚度之比率、各層之數量、材料可根據加熱溫度適當任意設定。
如上所述，本實施方式之圖1所示之發熱單元1係藉由於剛性較高之圓筒狀(圓管狀)支持體1A之內周面形成多層膜1B而構成，因此即便承受外力亦不會輕易變形，形成於支持體1A之內周面之多層膜1B不會剝落。因此，發熱單元1穩定發熱，並且其耐久性得到提高。
再者，發熱單元1並不限定於包含支持體1A及多層膜1B，亦可進而具備包含氫吸藏金屬、氫吸藏合金、或質子介電體之台座。例如於支持體1A之內周面形成台座，於該台座之內周面形成多層膜1B而可構成具備台座之發熱單元。多層膜1B並不限定於僅形成於台座之內周面之情形，亦可僅形成於台座之內周面、即支持體1A與台座之間。又，多層膜1B亦可形成於台座之內周面及內周面之兩面。亦可對支持體1A交替積層複數個台座與多層膜1B。作為用作台座之氫吸藏金屬，例如使用Ni、Pd、V、Nb、Ta、Ti等。作為用作台座之氫吸藏合金，例如使用LaNi 5、CaCu 5、MgZn 2、ZrNi 2、ZrCr 2、TiFe、TiCo、Mg 2Ni、Mg 2Cu等。作為用作台座之質子介電體，例如使用BaCeO 3系(例如Ba(Ce 0.95Y 0.05)O 3-6)、SrCeO 3系(例如Sr(Ce 0.95Y 0.05)O 3-6)、CaZrO 3系(例如Ca(Zr 0.95Y 0.05)O 3-α)、SrZrO 3系(例如Sr(Zr 0.9Y 0.1)O 3-α)、βAl 2O 3、βGa 2O 3等。台座亦可包含多孔質體或氫透過膜。多孔質體具有大小允許氫系氣體通過之多個孔。多孔質體例如包含金屬、非金屬、陶瓷等材料。多孔質體較佳為包含不阻礙氫與多層膜1B之發熱反應之材料。氫透過膜包含使氫透過之材料。作為氫透過膜之材料，較佳為氫吸藏金屬或氫吸藏合金。氫透過膜亦包括具有網狀片材者。
[發熱裝置] 接下來，對本發明之發熱裝置進行說明。
＜第1實施方式＞ 圖7係本發明之第1實施方式之發熱裝置20之側剖視圖，圖8係圖7之C-C線剖視圖，圖示之發熱裝置20係兼備殼管式熱交換器之功能的發熱、熱交換一體式發熱裝置。
具體而言，發熱裝置20具備沿橫向(水平方向)設置之中空圓柱狀密閉容器(殼體)21，藉由沿縱向配置之2片分隔件(管板)22，於軸向(圖7之左右方向)上將該密閉容器21內劃分為3個空間即第1空間S1、第2空間S2及第3空間S3。即，密閉容器21內被劃分為軸向兩端之第1空間S1及第2空間S2、以及該等第1空間S1及第2空間S2之間之第3空間S3。
並且，於密閉容器21之上部，分別開設有向第1空間S1開口之氫供給口21a及向第3空間S3開口之熱媒排出口21b，於該等氫供給口21a與熱媒排出口21b，分別連接有氫供給噴嘴23及熱媒排出噴嘴24。又，於密閉容器21之下部，分別開設有向第2空間S2開口之氫排出口21c及向第3空間S3開口之熱媒供給口21d，於該等氫排出口21c及熱媒供給口21d，分別連接有氫排出噴嘴25及熱媒供給噴嘴26。此處，於氫排出噴嘴25設置有開關閥27。
再者，以上之密閉容器21、分隔件22、氫供給噴嘴23、熱媒排出噴嘴24、氫排出噴嘴25及熱媒供給噴嘴26包含高耐壓性及耐蝕性且低熱導率之不鏽鋼(SUS)等。又，於本實施方式中，將密閉容器21之內部劃分為3個空間即第1空間S1、第2空間S2及第3空間S3，但亦可將密閉容器21之內部劃分為4個以上空間。
然，於密閉容器21內，圖1所示之複數個上述發熱單元1貫通2個分隔件22，被支持為水平且相互平行，該等發熱單元1之軸向兩端分別向第1空間S1與第2空間S2開口。此處，如圖8所示，複數個發熱單元1於上下及左右方向上等間隔地整齊配置。再者，於本實施方式中，作為發熱單元1，使用支持體1A包含不鏽鋼(SUS)者。
並且，於各發熱單元1之內部中心，分別設置有作為加熱機構之加熱器2，該等加熱器2之兩端分別由作為支持構件之具有導電性的槽條(booth bar)3、4支持。並且，於一個(圖7之左方)槽條3，經由電線5而電性連接有未圖示之電源，自另一個(圖7之右方)槽條4延伸之電線6接地(earth)。再者，於本實施方式中，加熱器2包含電阻較高之鉬、鎢等加熱線。
又，於密閉容器21內之第3空間S3，藉由複數個擋板28形成有迷宮(labyrinth)狀流路29。
接下來，對以上述方式構成之發熱裝置20之作用進行說明。
首先，於將設置於氫排出噴嘴25之開關閥27打開之狀態下，驅動連接於氫排出噴嘴25之未圖示之真空泵，將密閉容器21內減壓至特定壓力，其後，關閉開關閥27。
接下來，自氫供給噴嘴23對密閉容器21內供給氫系氣體。氫系氣體自氫供給噴嘴23導入密閉容器21內之第1空間S1，自該第1空間S1通過各發熱單元1之內部流入第2空間S2，如此，氫系氣體於通過各發熱單元1之過程中，被形成於各發熱單元1之內周面之多層膜1B(參照圖1)吸藏。此時，氫分子吸附於多層膜1B之內周面。然後，吸附於多層膜1B之內周面之氫分子解離成2個氫原子，解離之氫原子侵入多層膜1B之內部，該氫原子藉由量子擴散透過異種物質界面13(參照圖3)，或者，氫原子藉由擴散透過異種物質界面13。
接下來，於將設置於氫排出噴嘴25之開關閥27打開之狀態下，驅動連接於氫排出噴嘴25的未圖示之真空泵，對密閉容器21內進行真空排氣，自未圖示之電源經由電線5及槽條3使電流流入各加熱器2，藉此，各加熱器2發熱，自內周側加熱各發熱單元1。如此，各發熱單元1之多層膜1B所吸藏之氫被釋放。此時，侵入多層膜1B之內部之氫原子回到多層膜1B之內周面再次鍵結，作為氫分子被釋放。氫原子返回多層膜1B之內周面之過程中，氫原子藉由量子擴散透過異種物質界面13(參照圖3)，或者，氫原子藉由擴散透過異種物質界面13。
各發熱單元1中，於吸藏氫之過程中，氫原子藉由量子擴散透過異種物質界面13，或者，氫原子藉由擴散透過異種物質界面13從而產生熱，又，於釋放氫之過程中，氫原子藉由量子擴散透過異種物質界面13，或者，氫原子藉由擴散透過異種物質界面13從而產生熱。對密閉容器21間歇性地供給及排出氫，藉由氫之吸藏與釋放而使發熱單元1發熱之方式稱為批次式。批次式發熱裝置20中，亦可反覆進行氫系氣體對密閉容器21內之供給、密閉容器21內之真空排氣及各發熱單元1之加熱，從而反覆進行各發熱單元1中氫之吸藏與釋放。
另一方面，對密閉容器21之第3空間S3，自熱媒供給噴嘴26供給熱媒，該熱媒在形成於第3空間S3之迷宮狀流路29中流動之過程中，被由各發熱單元1產生之熱加熱從而溫度上升。即，熱媒於各發熱單元1中流動之過程中藉由與各發熱單元1之熱交換被加熱，從而高效回收各發熱單元1所產生之熱。此時，熱媒沿形成於密閉容器21內之第3空間S3之迷宮狀流路29，上下交替改變方向地流動，因此該熱媒與各發熱單元1之熱交換效率提高。如此，於密閉容器21之第3空間S3中流動之熱媒藉由與各發熱單元1之熱交換被加熱，藉由該熱媒回收之熱用於後述熱利用系統。再者，作為熱媒，較佳為熱導率優異且化學性穩定者，例如使用氦氣及氬氣等稀有氣體、氫氣、氮氣、水蒸汽、空氣、二氧化碳、形成氫化物之氣體等。
如上所述，本實施方式之發熱裝置20具備集約於密閉容器21內的高耐久性之複數個發熱單元1，其發熱量增加，實現高輸出化，並且其耐久性提高。又，藉由複數個發熱單元1與第3空間S3中流動之熱媒之熱交換將熱媒加熱，因此複數個發熱單元1所產生之熱被熱媒高效回收。即，該發熱裝置20構成為兼備殼管式熱交換器之功能之發熱、熱交換一體式發熱裝置。
此處，基於圖9～圖13，於以下對改變發熱裝置20之規格(支持體1A(以下，稱為「管體」或「不鏽鋼管體」)之外徑與內徑)時排熱量(發熱量)等之變化進行說明。再者，圖9係表示1/管體填充比與排熱量(發熱量)之關係之圖，圖10係表示用於獲得特定管體填充比之管體根數與殼體內徑之關係之圖，圖11係表示1/管體填充比與Di(殼體內徑)/L(管體長度)比之關係之圖，圖12係表示Di/L比與殼體側流體壓力損失(熱媒之壓力損失)之關係之圖，圖13係表示1/管體填充比與擋板漏過流/交叉流比之關係之圖。
然，針對發熱裝置20之各種規格，將使不鏽鋼管體(支持體1A)之外徑與內徑如表1所示變化之情形分別設為實例(case)1、實例2、實例3，進行各種研究。具體而言，將不鏽鋼管體之外徑與內徑為27.2 mm、23.2 mm之情形設為實例1，將外徑與內徑為34 mm、30 mm之情形設為實例2，將外徑與內徑為45 mm、41 mm之情形設為實例3，於任一實例中，不鏽鋼管體之長度均設為1000 mm(固定)。
[表1]
實例 不鏽鋼管體尺寸[mm] 管體排列圖案 間距 [-]
外徑 內徑 長度
1 27.2 23.2 1000 正三角形 排列 1.25
2 34 30 1000
3 45 41 1000
又，關於管體填充比與Di/L比，將管體外徑設為do，管體根數設為Nt，殼體(密閉容器)內徑設為Di時，管體填充比係藉由下式求出之值。 管體填充比＝總管體截面面積/殼體內側截面面積 ＝Nt×do 2/Di 2(1)
於圖9中示出發熱裝置20中，各實例1、2、3中之排熱量(發熱量)(kW)相對於1/管體填充比的變化。對於各實例1、2、3，殼體側壓力損失較小且熱交換效率較高之理想區域為1/管體填充比≦1.8之範圍。再者，於計算圖9所示之排熱量(發熱量)(kW)時，將熱媒(氬氣)之流入溫度設為650℃，將發熱元件溫度(管體內溫度)設為800℃。
此處，於圖10中示出用於將藉由上述(1)式所求出之管體填充比保持為特定值的管體根數與殼體內徑之關係。圖10所示之結果表示將管體(支持體1A)之外徑do設定為固定(27.2)mm時，使管體填充比成為2.0之殼體內徑與管體根數之關係。
又，分別於圖11中示出Di/L比相對於各實例1、2、3中之1/管體填充比的變化，於圖12中示出殼體側流體壓力損失(熱媒之壓力損失)相對於Di/L比的變化。當Di/L比超過0.4時，即，當於殼體(密閉容器)21內之短區間配置複數個擋板28時，存在熱媒之壓力損失變大之傾向。因此，要將熱媒之壓力損失抑制於固定值以下，必須將Di/L比抑制於0.4以下。假設將軸流風扇用於熱媒之循環，則熱媒之壓力損失較理想為3000 Pa(305 mmHg)以下。相反地，當Di/L比為0.15以下時，熱媒之流動阻力可能會導致配管之振動，而於此種情形時，如圖7所示，藉由於密閉容器(殼體)21內之熱媒供給口21d附近配置防突入板28A，可解決該問題。
因此，考慮到圖9～圖12所示之結果，理想之範圍係圖11所示之1/管體填充比為1.8以下且Di/L比為0.4以下之範圍。
然，當1/管體填充比超過1.8時，於殼體(密閉容器)21內，熱媒會流動穿過擋板28與管體(支持體1A)之徑向間隙(將該流動稱為「擋板漏過流」或「無效流」)，而當該擋板漏過流之流量超過殼體21內迷宮狀流路29中之熱媒之有效流(以下，稱為「交叉流」)之流量之40%時，熱交換效率會顯著降低。此處，於圖13中示出各實例1、2、3中擋板漏過流/交叉流比相對於1/管體填充比之關係。
因此，為了確保高熱交換效率，並且將熱媒之壓力損失抑制於3000 Pa以下，較理想為圖13所示之1/管體填充比為1.8以下且擋板漏過流/交叉流比為0.4以下之範圍。
＜第2實施方式＞ 接下來，基於圖14，於以下對本發明之第2實施方式之發熱裝置20A進行說明。
圖14係本發明之第2實施方式之發熱裝置20A之側剖視圖，於本圖中，對與圖7所示者相同之要素標註同一符號，以下，省略對其等之重複說明。
本實施方式之發熱裝置20A之基本構成與上述第1實施方式之發熱裝置20相同，不同之處僅在於將加熱器2呈螺旋狀卷裝於各發熱單元1之外周。發熱裝置20A與發熱裝置20同樣為間歇性地相對於密閉容器21供給及排出氫之批次式發熱裝置。
本實施方式之發熱裝置20A中，藉由加熱器2自外周側加熱各發熱單元1，但其作用與上述實施方式1之發熱裝置20相同，可獲得與藉由發熱裝置20所獲得之上述效果同樣之效果。
＜第3實施方式＞ 接下來，基於圖15，於以下對本發明之第3實施方式之發熱裝置20B進行說明。
圖15係本發明之第3實施方式之發熱裝置20B之側剖視圖，本圖中，亦對與圖7所示者相同之要素標註同一符號，以下，省略對其等之重複說明。
本實施方式之發熱裝置20B與上述第1實施方式之發熱裝置20之不同之處僅在於：使用支持體1A(參照圖1)包含使氫透過之多孔質金屬燒結體或多孔質陶瓷燒結體者作為發熱單元1。
接下來，對發熱裝置20B之作用進行說明。
首先，於將設置於氫排出噴嘴25之開關閥27打開之狀態下，驅動連接於氫排出噴嘴25之未圖示之真空泵，將密閉容器21內減壓至特定壓力。接下來，自氫供給噴嘴23對密閉容器21之第1空間S1供給氫系氣體，自熱媒供給噴嘴26對密閉容器21之第3空間S3供給熱媒。於發熱裝置20B中，氫系氣體於各發熱單元1之內部流動，熱媒於各發熱單元1之外部流動，藉此，各發熱單元1之內外產生氫分壓之差，藉由該氫分壓之差，使氫透過各發熱單元1之多層膜1B(參照圖3)，藉由該氫之透過使各發熱單元1發熱。具體而言，氫分子吸附於各發熱單元1之多層膜1B之內周面，該氫分子解離成2個氫原子。然後，解離之氫原子進入(吸藏於)多層膜1B之內部，該氫原子於多層膜1B之外周面(與支持體1A相接之面)再鍵結，作為氫分子被釋放。如此，氫原子自多層膜1B之內周面向外周面移動時，該氫原子藉由量子擴散透過異種物質界面13(參照圖3)，或者，氫原子藉由擴散透過異種物質界面13，藉此使各發熱單元1發熱。藉由利用氫分壓之差使氫透過而使發熱單元1發熱之方式稱為透過式。於透過式發熱裝置20B中，氫連續透過各發熱單元1，因此可有效率地產生過剩熱。
透過各發熱單元1之高溫氫(透過氫)向第3空間S3內流出，自熱媒供給噴嘴26被供給至第3空間S3，與該第3空間S3之迷宮狀流路29中流動之熱媒之間進行熱交換，該等氫與熱媒之混合氣體自熱媒排出噴嘴24向密閉容器21外排出。又，未透過各發熱單元1之氫(非透過氫)自氫排出噴嘴25向密閉容器21外排出。
於本實施方式之發熱裝置20B中，亦與上述第1實施方式之發熱裝置20同樣地，藉由加熱器2分別自內周側加熱各發熱單元1，其作用與上述實施方式1之發熱裝置20相同，可獲得與藉由發熱裝置20獲得之上述效果同樣之效果。再者，於本實施方式中，打開開關閥27排出非透過氫，但考慮到要使氫之壓力差產生，亦存在較佳為關閉開關閥27之情形。
[熱利用系統] 接下來，基於圖16，於以下對本發明之熱利用系統進行說明。
圖16係表示本發明之熱利用系統之構成之方塊圖，圖示之熱利用系統30具備圖7所示之批次式發熱裝置20、熱利用裝置50、溫度調整部T、氫供給管線L1、氫回收管線L2、熱媒供給管線L3及熱媒回收管線L4。再者，於本實施方式中，使用批次式發熱裝置20，亦可使用批次式發熱裝置20A或透過式發熱裝置20B。
以下，對溫度調整部T、氫供給管線L1、氫回收管線L2，熱媒供給管線L3及熱媒回收管線L4分別進行說明。
(溫度調整部) 溫度調整部T調整內置於發熱裝置20之發熱單元1之溫度，將該發熱單元1維持於最適合發熱之溫度(例如50℃～1500℃)，具備穿入各發熱單元1之內部的複數個加熱器2、對該等加熱器2供給電力之電源31、檢測加熱器2之溫度之熱電偶等溫度感測器32、及基於藉由該溫度感測器32檢測之溫度控制電源31之輸出的控制部33。再者，控制部33具備CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)、ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)、RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)等記憶部等，CPU使用ROM及RAM中儲存之程式、資料等執行各種運算處理。
(氫供給管線) 氫供給管線L1經由供給配管34自氫供給噴嘴23對密閉容器21內之第1空間S1供給低溫氫，供給配管34自循環泵35之噴出側延伸，於該供給配管34之中途設置有緩衝槽36、電動式壓力調整閥(減壓閥)37及過濾器38。並且，循環泵35及壓力調整閥37電性連接於控制部33，藉由自控制部33輸出之控制信號控制該等循環泵35及壓力調整閥37之動作。再者，作為循環泵35，例如使用金屬伸縮泵。
緩衝槽36用於暫時貯存氫，吸收該氫之流量變動。又，壓力調整閥37接收來自控制部33之控制信號而調整其開度，藉此發揮調整自緩衝槽36對發熱裝置20供給之氫之壓力的功能。
又，過濾器38用於去除氫中所含之雜質。此處，透過發熱單元1之多層膜1B之氫之量(氫透過量)依存於發熱單元1之溫度、發熱單元1之內外壓力差、發熱單元1之內周面之表面狀態，於氫中含有雜質之情形時，有時雜質會附著於發熱單元1之內周面，造成該發熱單元1之表面狀態惡化。於發熱單元1之表面狀態惡化之情形時，會阻礙氫分子於該發熱單元1之多層膜1B之內周面的吸附及解離，產生氫透過量減少之不良情況。作為阻礙氫分子於發熱單元1之多層膜1B之內周面的吸附及解離者，例如想到有水(包括水蒸汽)、烴(甲烷、乙烷、甲醇、乙醇等)、C、S、Si等。
過濾器38去除作為氫及熱媒中所含之雜質的水(包括水蒸汽)、烴、C、S、Si等，藉此抑制發熱單元1中氫透過量之減少。
(氫回收管線) 氫回收管線L2用於回收自發熱裝置20之第1空間S1通過各發熱單元1而流入第2空間S2的氫，將其送回氫供給管線L1，自密閉容器21之氫排出噴嘴25延伸之回收配管39連接於循環泵35之吸入側。
(熱媒供給管線) 熱媒供給管線L3將自發熱裝置20之第3空間S3排出之熱媒供給至熱利用裝置50，自密閉容器21之熱媒排出噴嘴24延伸且連接於熱利用裝置50之入口側的供給配管40。並且，於供給配管40之中途設置有循環泵41及流量控制閥42。再者，作為循環泵41，使用金屬伸縮泵等，作為流量控制閥42，使用可變漏閥等。
(熱媒回收管線) 熱媒回收管線L4回收已將熱供給至熱利用裝置50之熱媒，將其送回發熱裝置20之第3空間S3，具備回收配管43，該回收配管43自利用發熱裝置20所產生之熱的熱利用裝置50之出口側延伸，且連接於密閉容器21之熱媒供給噴嘴26。
再者，作為熱利用裝置50，例如可例舉將熱能轉換為電能之發電裝置，除此以外，可例舉用於預熱要供給至鍋爐之燃燒用空氣、加熱藉由化學吸收法吸收CO 2之吸收液、加熱甲烷製造裝置中之包含CO 2及H 2之原料氣體等的加熱裝置、熱泵系統、熱傳輸系統、冷熱(冷凍)系統等。
(熱利用系統之作用) 接下來，對以上述方式構成之熱利用系統30之作用進行說明。
當藉由來自控制部33之控制信號驅動循環泵35時，自該循環泵35噴出之氫經過供給管線L1之供給配管34自氫供給噴嘴23被導入至發熱裝置20之第1空間S1內。再者，氫於供給配管34中流動之過程中，藉由緩衝槽36抑制其壓力變動，並且藉由壓力調整閥37將其減壓至特定值。
又，設置於發熱裝置20之複數個加熱器2藉由自電源31供給之電力發熱，自內周側將各發熱單元1加熱至特定溫度(例如50℃～1500℃)。再者，如上所述，藉由溫度調整部T將發熱單元1之溫度調整至特定溫度。具體而言，基於由溫度感測器32檢測之溫度，藉由控制部33控制電源31之輸出，藉此將各發熱單元1之溫度調整至適當值。
如上所述，於批次式發熱裝置20中，藉由使各發熱單元1進行氫之吸藏與釋放而產生過剩熱。該發熱單元1發熱之機制已於上文敍述(參照圖4)，藉由自氫供給噴嘴23對密閉容器21內供給氫系氣體，氫分子吸附於各發熱單元1之多層膜1B之內周面，該氫分子解離成2個氫原子，解離之氫原子侵入多層膜1B之內部。氫原子藉由量子擴散透過異種物質界面13(參照圖3)，或者，藉由擴散透過異種物質界面13。即，氫被吸藏於發熱單元1。然後，於打開設置於氫排出噴嘴25之開關閥27之狀態下，驅動連接於氫排出噴嘴25之未圖示之真空泵對密閉容器21內進行真空排氣，藉由各加熱器2加熱各發熱單元1，藉此，使侵入多層膜1B之內部之氫原子回到多層膜1B之內周面而再次鍵結，作為氫分子被釋放。即，自發熱單元1釋放氫。於氫原子回到多層膜1B之內周面之過程中，氫原子藉由量子擴散透過異種物質界面13(參照圖3)，或者，氫原子藉由擴散透過異種物質界面13。因此，發熱單元1藉由吸藏氫發熱，又，亦藉由釋放氫發熱。
如上所述，於發熱裝置20中，藉由吸藏與釋放而被供給至各發熱單元1之發熱之氫流入密閉容器21內之第2空間S2，自該第2空間S2經過氫回收管線L2之回收配管39被送回循環泵35之吸入側，藉由該循環泵35使其升壓至特定壓力後，將其送出至氫供給管線L1之供給配管34，以下，經過同樣之路徑進行循環，用於複數個發熱單元1之發熱及與熱媒之熱交換。
另一方面，當驅動設置於熱媒供給管線L3之供給配管40之循環泵41時，熱媒於藉由供給配管40、熱利用裝置50、回收配管43及形成於發熱裝置20之第3空間S3之迷宮狀流路29而形成的閉環中連續循環。即，經過回收配管43自熱媒供給噴嘴26導入至密閉容器21之第3空間S3之熱媒於第3空間S3之迷宮狀流路29中流動之過程中，藉由與複數個發熱單元1之熱交換被加熱，從而高效回收複數個發熱單元1所產生之熱。
如上所述，回收了複數個發熱單元1所產生之熱之熱媒自熱媒排出噴嘴24被排出至供給配管40，經過設置於供給配管40之循環泵41及流量控制閥42被供給至熱利用裝置50，將回收之熱供給至熱利用裝置50。如此，以自熱媒供給之熱作為熱源，驅動熱利用裝置50發揮發電等所需之功能。然後，用於驅動熱利用裝置50而溫度下降之熱媒自熱利用裝置50被排出至回收配管43，經過回收配管43而自熱媒供給噴嘴26被導入至發熱裝置20之第3空間S3，之後，反覆發揮同樣之作用，持續回收複數個發熱單元1所產生之熱而供給至熱利用裝置50。
又，於發熱裝置20中藉由吸藏與釋放而用於發熱單元1之發熱的氫自密閉容器21之第2空間S2被排出，經過氫回收管線L2被送回氫供給管線L1，再次被供給至密閉容器21之第1空間S1，用於發熱單元1之發熱及該發熱單元1所產生之熱與熱媒的熱交換，之後，反覆發揮同樣之作用。
根據以上述方式發揮作用之本發明之熱利用系統30，兼備作為殼管式熱交換器之功能的高輸出發熱裝置20所產生之熱被熱媒高效回收，因此獲得可有效利用該熱媒所回收之熱而驅動熱利用裝置50的效果。
再者，以上對具備圖7所示之第1實施方式之批次式發熱裝置20之熱利用系統30進行了說明，但包含第2實施方式之圖14所示之批次式發熱裝置20A或第3實施方式之圖15所示之透過式發熱裝置20B來構成本發明之熱利用系統，亦可獲得與上述同樣之效果。
毋庸置疑，本發明並不限定於應用於以上說明之實施方式，可於申請專利範圍、說明書及圖式記載之技術思想之範圍內進行變化。
1:發熱單元 1A:支持體 1B:多層膜 2:加熱器 3:槽條 4:槽條 5:電線 6:電線 11:第1層 12:第2層 13:異種物質界面 20:發熱裝置 20A:發熱裝置 20B:發熱裝置 21:密閉容器 21a:氫供給口 21b:熱媒排出口 21c:氫排出口 21d:熱媒供給口 22:分隔件 23:氫供給噴嘴 24:熱媒排出噴嘴 25:氫排出噴嘴 26:熱媒供給噴嘴 27:開關閥 28:擋板 28A:防突入板 29:流路 30:熱利用系統 31:電源 32:溫度感測器 33:控制部 34:供給配管 35:循環泵 36:緩衝槽 37:壓力調整閥 38:過濾器 39:回收配管 40:供給配管 41:循環泵 42:流量控制閥 43:回收配管 50:熱利用裝置 60:發熱單元 60A:支持體 60B:多層膜 61:第1層 62:第2層 63:第3層 64:異種物質界面 65:異種物質界面 70:發熱單元 70A:支持體 70B:多層膜 71:第1層 72:第2層 73:第3層 74:第4層 105:發熱體 106:第1流路 107:第2流路 L1:氫供給管線 L2:氫回收管線 L3:熱媒供給管線 L4:熱媒回收管線 S1:第1空間 S2:第2空間 S3:第3空間 T:溫度調整部
圖1係本發明之發熱單元之側剖視圖。 圖2係圖1之A-A線放大剖視圖。 圖3係表示本發明之發熱單元之多層膜之構成的圖2之B部放大詳細圖。 圖4係說明本發明之發熱單元之多層膜中產生過剩熱之機制的模式圖。 圖5係表示本發明之發熱單元之多層膜之變化例1之剖視圖。 圖6係表示本發明之發熱單元之多層膜之變化例2之剖視圖。 圖7係本發明之第1實施方式之發熱裝置之側剖視圖。 圖8係圖7之C-C剖視圖。 圖9係表示1/管體填充比與排熱量(發熱量)之關係之圖。 圖10係表示用於獲得特定之管體填充比之管體根數與殼體內徑之關係的圖。 圖11係表示1/管體填充比與Di(殼體內徑)/L(管體長度)比之關係的圖。 圖12係表示Di/L比與殼體側流體壓力損失之關係的圖。 圖13係表示1/管體填充比與擋板漏過流/交叉流比之關係的圖。 圖14係本發明之第2實施方式之發熱裝置之側剖視圖。 圖15係本發明之第3實施方式之發熱裝置之側剖視圖。 圖16係表示本發明之熱利用系統之構成之方塊圖。 圖17係表示具備平板狀發熱體之發熱裝置之基本構成的剖視圖。 圖18係表示圖17所示之發熱裝置之發熱體之變化的模式性剖視圖。
1:發熱單元
2:加熱器
3:槽條
4:槽條
5:電線
6:電線
20:發熱裝置
21:密閉容器
21a:氫供給口
21b:熱媒排出口
21c:氫排出口
21d:熱媒供給口
22:分隔件
23:氫供給噴嘴
24:熱媒排出噴嘴
25:氫排出噴嘴
26:熱媒供給噴嘴
27:開關閥
28:擋板
28A:防突入板
29:流路
S1:第1空間
S2:第2空間
S3:第3空間

Claims (6)

  1. 一種發熱單元，其係於筒狀支持體之內周面形成藉由氫之吸藏與釋放來發熱之多層膜而構成。
  2. 一種發熱裝置，其構成為：具備複數個如請求項1之發熱單元， 藉由複數個分隔件，將密閉容器內沿軸向劃分為第1空間、第2空間及第3空間， 使複數個上述發熱單元貫通上述分隔件，使複數個上述發熱單元之軸向兩端分別向上述密閉容器內之軸向兩端之上述第1空間與上述第2空間開口，且 設置用於加熱上述各發熱單元之加熱器。
  3. 如請求項2之發熱裝置，其中以加熱線構成上述加熱器，上述加熱線設置於上述發熱單元之內部。
  4. 如請求項2之發熱裝置，其中以加熱線構成上述加熱器，將上述加熱線卷裝於上述發熱單元之上述支持體之外周。
  5. 如請求項2至4中任一項之發熱裝置，其中於上述第3空間內，藉由複數個擋板形成有迷宮狀流路。
  6. 一種熱利用系統，其具備： 如請求項2至5中任一項之發熱裝置； 氫供給管線，其對上述發熱裝置之上述第1空間供給氫； 氫回收管線，其回收自上述發熱裝置之上述第2空間排出之氫，將其送回上述氫供給管線； 熱利用裝置，其利用上述發熱裝置中產生之熱； 熱媒供給管線，其將自上述發熱裝置之上述第3空間排出之熱媒供給至上述熱利用裝置；及 熱媒回收管線，其回收自上述熱利用裝置排出之熱媒，將其送回上述發熱裝置之上述第3空間。
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