WO2021100784A1 - 発熱装置、熱利用システムおよびフィルム状発熱体 - Google Patents
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- C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
- C01B3/001—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes characterised by the uptaking medium; Treatment thereof
- C01B3/0031—Intermetallic compounds; Metal alloys; Treatment thereof
- C01B3/0047—Intermetallic compounds; Metal alloys; Treatment thereof containing a rare earth metal; Treatment thereof
- C01B3/0063—Intermetallic compounds; Metal alloys; Treatment thereof containing a rare earth metal; Treatment thereof only containing a rare earth metal and only one other metal
- C01B3/0068—Intermetallic compounds; Metal alloys; Treatment thereof containing a rare earth metal; Treatment thereof only containing a rare earth metal and only one other metal the other metal being nickel
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F22—STEAM GENERATION
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- F22D1/00—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
- F28D1/06—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with the heat-exchange conduits forming part of, or being attached to, the tank containing the body of fluid
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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- F28D20/003—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using thermochemical reactions
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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Definitions
- Non-Patent Document 1 Since hydrogen can be generated from water, it is inexhaustible and inexpensive as a resource, and it does not generate greenhouse gases such as carbon dioxide, so it is regarded as clean energy. Further, the exothermic phenomenon using a hydrogen storage metal or the like is considered safe because there is no chain reaction unlike the fission reaction.
- the heat generated by the storage and release of hydrogen can be used as it is as heat, or it can be converted into electric power and used, so it is expected to be an effective energy source.
- the film-like heating element of the present invention has a film-like pedestal formed of a hydrogen storage metal, a hydrogen storage alloy, or a proton conductor, and a film-like multilayer film provided on the pedestal. Is formed of a first layer formed of a hydrogen storage metal or a hydrogen storage alloy and having a thickness of less than 1000 nm, and a hydrogen storage metal, a hydrogen storage alloy, or ceramics different from the first layer and having a thickness of less than 1000 nm. It has a second layer.
- the heating device 10 includes a closed container 11, a tubular body 12, a heating element 13, a flow path 14, a fluid circulation unit 15, and a control unit 16.
- a heating element 13 is provided outside the cylinder 12, and a flow path 14 is provided inside the cylinder 12, and the fluid flowing through the flow path 14 is heated by the heating element 13 to generate a high temperature. Generate a fluid.
- the closed container 11 has a main body 17 formed in a tubular shape, a fluid inflow chamber 18 provided at one end of the main body 17, and a fluid outflow chamber 19 provided at the other end of the main body 17.
- the side where the fluid inflow chamber 18 is provided with respect to the main body 17 is the lower side, and the side where the fluid outflow chamber 19 is provided with respect to the main body 17 is the upper side.
- the hollow portion 26 is connected to the gas discharge portion 28 via the gas outlet 22.
- the gas discharge portion 28 is composed of a vacuum pump, a pipe connecting the vacuum pump and the hollow portion 26, a valve for adjusting the flow rate of hydrogen-based gas and the pressure in the pipe, and the like. Perform vacuum exhaust.
- the tubular body 12 can have a cylindrical shape having a length of 10 m, a thickness (wall thickness) of 0.005 to 0.010 m, and a diameter of 0.05 m.
- the thickness is preferably appropriately designed based on the temperature and pressure of the fluid flowing through the inside of the tubular body 12 (flow path 14 described later).
- the tubular body 12 can be formed to a desired length, for example, by connecting a plurality of pipe materials in series.
- the number of cylinders 12 is not particularly limited, and may be one or more.
- 800 cylinders 12 can be installed in the closed container 11.
- a plurality of tubular bodies 12 are provided in the hollow portion 26. That is, the heat generating device 10 includes a plurality of tubular bodies 12 provided in the hollow portion 26. In FIG. 1, only one of the plurality of cylinders 12 is shown for simplification of the drawing, and the other cylinders 12 are omitted.
- the heating element 13 When the heated fluid flows into the flow path 14, the heating element 13 is heated via the tubular body 12. As a result, the heating element 13 generates excess heat, and the fluid flowing through the flow path 14 is heated via the tubular body 12. As a result, a high-temperature and high-pressure fluid is generated in the flow path 14, and the high-temperature and high-pressure fluid flows out of the flow path 14.
- the water flowing into the flow path 14 is heated by the heating element 13 that generates excess heat, and flows out from the flow path 14 as, for example, high temperature and high pressure water at 300 ° C. In some cases, a part of the water in the flow path 14 becomes water vapor.
- the circulation line 30 is provided with a cooling unit 32 for cooling the fluid and a heating unit 33 for heating the fluid. That is, the heat generating device 10 further includes a cooling unit 32 and a heating unit 33.
- a reservoir tank 36 for storing water and a pump 40 for circulating water are provided in the circulation line 30.
- each part of the circulation line 30 is provided with a pressure gauge PI, a thermometer TI, and a flow meter FI.
- the number of the pressure gauge PI, the thermometer TI, and the flow meter FI is not particularly limited, but is preferably 1 or more.
- the heating unit 33 is electrically connected to the control unit 16, and the drive is controlled by the control unit 16.
- the heating unit 33 heats water as a fluid flowing into the flow path 14.
- the control unit 16 drives the cooling unit 32 and causes the fluid cooled by the cooling unit 32 to flow into the flow path 14 to lower the temperature of the heating element 13, and drives the heating unit 33 to drive the heating unit 33.
- the temperature rise control is performed to raise the temperature of the heating element 13 by flowing the fluid heated by the above into the flow path 14.
- the control unit 16 adjusts the temperature of the fluid flowing into the flow path 14 by switching between the temperature lowering control and the temperature rising control based on the temperature of the fluid flowing through the circulation line 30.
- the heating element 13 flows out from the flow path 14 as high-temperature and high-pressure water. Since the saturation temperature of water when the pressure is 100 bar is 311 ° C., the water flowing into the flow path 14 does not become water vapor even if the temperature is raised to 300 ° C.
- the fluid circulation unit 15 further has an external fluid line 45 in addition to the circulation line 30.
- Each cylinder 12 provided in the hollow portion 26 of the closed container 11 is heated by the heat of the fluid flowing through the flow path 14 provided inside or the heat of the heating element 13 provided on the outer surface, and the temperature rises. It rises and expands thermally.
- the main body 17 of the closed container 11 is not in contact with the tubular body 12 and the heating element 13, and the temperature rise is suppressed as compared with the tubular body 12, so that the thermal expansion is smaller than that of the tubular body 12. Therefore, thermal stress is generated between the plurality of cylinders 12 and the main body 17 of the closed container 11.
- the external fluid line 45 is for preventing damage due to this thermal stress.
- the flow of the fluid in the closed container 11 will be described with reference to FIG.
- the fluid flowing through the circulation line 30 flows into the fluid inflow chamber 18 from the fluid inlet 23.
- a part of the fluid in the fluid inflow chamber 18 flows from one end of the plurality of cylinders 12 to the flow path 14.
- the fluid is heated by the heating element 13.
- the fluid heated in the flow path 14 flows from the other ends of the plurality of cylinders 12 to the fluid outflow chamber 19, and flows out from the fluid outlet 24 to the circulation line 30.
- the multilayer film 58 is provided on the surface of the pedestal 57.
- the multilayer film 58 is formed by a first layer 59 formed of a hydrogen storage metal or a hydrogen storage alloy, and a second layer 60 formed of a hydrogen storage metal, a hydrogen storage alloy or ceramics different from the first layer 59.
- a dissimilar substance interface 61 is formed between the pedestal 57, the first layer 59, and the second layer 60.
- the thickness of the first layer 59 and the thickness of the second layer 60 are preferably less than 1000 nm, respectively. When the thickness of each of the first layer 59 and the second layer 60 is 1000 nm or more, it becomes difficult for hydrogen to permeate through the multilayer film 58. Further, when the thickness of each of the first layer 59 and the second layer 60 is less than 1000 nm, it is possible to maintain a nanostructure that does not exhibit bulk characteristics.
- the thickness of each of the first layer 59 and the second layer 60 is more preferably less than 500 nm. When the thickness of each of the first layer 59 and the second layer 60 is less than 500 nm, it is possible to maintain a nanostructure that does not completely exhibit bulk characteristics.
- the multilayer film 58 has a structure in which the first layer 59 and the second layer 60 are alternately laminated in this order on the surface of the pedestal 57.
- the first layer 59 and the second layer 60 each have five layers. The number of layers of the first layer 59 and the second layer 60 may be changed as appropriate.
- the multilayer film 58 may have a structure in which the second layer 60 and the first layer 59 are alternately laminated in this order on the surface of the pedestal 57.
- the multilayer film 58 may have one or more first layer 59 and one or more second layer 60, and one or more dissimilar substance interfaces 61 may be formed.
- the heating element 13 occludes hydrogen through the pedestal 57 and the multilayer film 58 when the hydrogen-based gas is supplied to the closed container 11.
- the heating element 13 maintains a state in which hydrogen is occluded in the pedestal 57 and the multilayer film 58 even when the supply of the hydrogen-based gas to the closed container 11 is stopped.
- the heating of the heating element 13 is started by the fluid, the hydrogen occluded in the pedestal 57 and the multilayer film 58 is released, and quantum diffusion is performed while hopping the inside of the multilayer film 58. It is known that hydrogen is light and quantum diffuses while hopping the sites (octohedral and tetrahedral sites) occupied by hydrogen of a certain substance A and substance B.
- hydrogen permeates the interface 61 between different substances by quantum diffusion to generate excess heat equal to or higher than the temperature of the fluid.
- the heat generation method using the heat generating device 10 includes a hydrogen storage step of supplying hydrogen-based gas to the hollow portion 26 of the closed container 11 to store hydrogen contained in the hydrogen-based gas in the heating element 13, and a closed container. It has a hydrogen release step of releasing hydrogen stored in the heating element 13 by performing vacuum exhaust of the hollow portion 26 of 11 and heating of the heating element 13. The hydrogen storage step and the hydrogen release step may be repeated.
- the circulation line 30 of the heating device 70 includes a steam tank 72, a reservoir tank 73, a deaerator 74, a preheater 75, control valves 76a and 76b, and a pump 77a. , 77b are provided.
- the control valve 76a, the steam tank 72, the steam turbine 71, the cooling unit 32, the reservoir tank 73, the pump 77a, the deaerator 74, and the pump 77b are arranged in this order from the fluid outlet 24 of the closed container 11.
- a preheater 75, a heating unit 33, and a control valve 76b are provided.
- the deaerator 74, the preheater 75, the control valves 76a and 76b, and the pumps 77a and 77b are electrically connected to the control unit 16.
- the heating element 133 has a pedestal 57 and a multilayer film 134.
- the multilayer film 134 further has a third layer 135 in addition to the first layer 59 and the second layer 60.
- the description of the pedestal 57, the first layer 59, and the second layer 60 will be omitted.
- the third layer 135 is formed of a hydrogen storage metal, a hydrogen storage alloy, or ceramics different from those of the first layer 59 and the second layer 60.
- the thickness of the third layer 135 is preferably less than 1000 nm. In FIG.
- first layer 59-third layer 135-second layer 60 Pd-CaO-Ni, Pd-Y 2 O 3 -Ni, Pd-TiC-Ni, Pd-LaB 6 -Ni, Ni-CaO-Cu, Ni-Y 2 O 3 -Cu, Ni-TiC-Cu, Ni-LaB 6 -Cu, Ni-Co-Cu, Ni-CaO-Cr, Ni-Y 2 O 3 -Cr, Ni-TiC-Cr, Ni-LaB 6 -Cr, Ni-CaO-Fe, Ni-Y 2 O 3 -Fe, Ni -TiC-Fe, Ni-LaB 6 -Fe, Ni-Cr-Fe, Ni-CaO-Mg, Ni-Y 2 O 3 -Mg, Ni-TiC-Mg, Ni-LaB 6 -Mg,
- the first layer 59 and the fourth layer 145 are laminated in this order.
- the first layer 59, the second layer 60, the third layer 135, and the fourth layer 145 have the first layer 59, the fourth layer 145, the first layer 59, the third layer 135, and the first layer 145 on the surface of the pedestal 57.
- the first layer 59 and the second layer 60 may be laminated in this order. That is, in the multilayer film 144, the second layer 60, the third layer 135, and the fourth layer 145 are laminated in an arbitrary order, and the second layer 60, the third layer 135, and the fourth layer 145 are placed in the first layer. It has a laminated structure with one layer 59.
- the multilayer film 144 may have one or more fourth layers 145.
- the dissimilar substance interface 146 formed between the first layer 59 and the fourth layer 145 allows hydrogen atoms to permeate in the same manner as the dissimilar substance interface 61 and the dissimilar substance interface 136.
- the fourth layer 145 is formed of, for example, Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, an alloy thereof, SiC, CaO, Y 2 O 3 , TiC, or LaB 6 .
- the alloy forming the fourth layer 145 is preferably an alloy composed of two or more of Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, and Co.
- an alloy obtained by adding an additive element to Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, and Co may be used as the alloy forming the fourth layer 145.
- CO 2 contained in the exhaust gas is adsorbed on an adsorbent such as activated carbon or zeolite, and the adsorbent on which the CO 2 is adsorbed is heated to desorb CO 2 from the adsorbent.
- a fluid heated by a heating element can be used as a heat energy source for heating the absorption liquid that has absorbed CO 2.
- a fluid heated by a heating element can be used as a heat energy source for heating the adsorbent on which CO 2 is adsorbed in the physical adsorption method.
- CH 4 methane
- H 2 methane
- CH 4 is produced from the raw material gas by bringing the raw material gas containing CO 2 and H 2 into contact with the catalyst using a catalyst that promotes the reaction between CO 2 and H 2 (methanation reaction). If the temperature of the gas is low, the reaction does not proceed sufficiently. Therefore, the metanation reaction can be allowed to proceed by using the fluid heated by the heating element as the heat energy source as the heat energy source for heating the raw material gas containing CO 2 and H 2.
- ammonium iodide NH 4 I
- a fluid heated by a heating element can be used as a heat energy source for thermally decomposing ammonium iodide.
- FIG. 22 is a heating element manufacturing apparatus 150 that manufactures the heating element 13 by using a sputtering method.
- the heating element manufacturing apparatus 150 implements a DC (Direct Current) magnetron sputtering method as a sputtering method, and directly forms the heating element 13 on the outer surface of the tubular body 12.
- DC Direct Current
- the heating element manufacturing apparatus 150 carries a plurality of cylinders 12 into the loading chamber 151 and directly forms the heating element 13 on the outer surface of each cylinder 12, but loads one cylinder 12. It may be carried into the chamber 151 and the heating element 13 may be directly formed on the outer surface of the tubular body 12.
- the heating element manufacturing apparatus 150 is provided between the first gate valve 161 provided between the load chamber 151 and the preheating chamber 152, and the first gate valve 161 provided between the preheating chamber 152 and the spatter etching chamber 153.
- the first gate valve 161 opens and closes the first loading / unloading section 171 between the load chamber 151 and the preheating chamber 152.
- the second gate valve 162 opens and closes the second carry-in / out portion 172 between the preheating chamber 152 and the sputter etching chamber 153.
- the third gate valve 163 opens and closes the third carry-in / out portion 173 between the sputtering etching chamber 153 and the pedestal forming chamber 154.
- the fourth gate valve 164 opens and closes the fourth carry-in / out portion 174 between the pedestal forming chamber 154 and the first layer forming chamber 155.
- the load chamber 151 has a carry-in unit 191 for carrying in the cylinder 12, and after the cylinder 12 is carried in from the carry-in unit 191, the first vacuum generation unit is closed with the carry-in unit 191 and the first gate valve 161 closed. It is evacuated by 181. After the vacuum exhaust of the load chamber 151, the first gate valve 161 is opened, and the tubular body 12 is conveyed from the load chamber 151 to the preheating chamber 152 via the first loading / unloading section 171.
- the sputter etching chamber 153 is evacuated by the third vacuum generating unit 183 with the second gate valve 162 and the third gate valve 163 closed.
- the sputter-etching chamber 153 has a sputter-etching electrode 193, and sputter-etches the cylinder 12 with the spatter-etching electrode 193 while rotating the cylinder 12.
- the sputter etching electrode 193 is formed on the surface of the tubular body 12 by, for example, adjusting the flow rate of Ar gas so that the pressure of Ar is about 0.1 to 1 Pa and applying a high frequency (RF; Radio Frequency) of 13.56 MHz. Removes organic substances and metal oxides.
- the third gate valve 163 is opened, and the tubular body 12 is conveyed from the sputter etching chamber 153 to the pedestal forming chamber 154 via the third carry-in / out portion 173.
- the pedestal forming sputtering electrode 194 is formed on the cylinder 12 by, for example, adjusting the flow rate of Ar gas to set the Ar pressure to about 0.1 to 1 Pa and applying DC power of about 0.1 to 500 kW / m 2.
- the pedestal 57 is formed on the surface. The thickness of the pedestal 57 can be controlled by adjusting the magnitude of the DC power and the rotation speed of the cylinder 12.
- the first layer forming chamber 155 is evacuated to, for example, about 1E-5Pa by the fifth vacuum generating unit 185 with the fourth gate valve 164 and the fifth gate valve 165 closed.
- the first layer forming chamber 155 has a first layer film forming sputtering electrode 195, and forms the first layer 59 on the pedestal 57 by the first layer forming sputtering electrode 195 while rotating the tubular body 12.
- the first layer film forming sputtering electrode 195 has a target material (not shown) of a hydrogen storage metal or a hydrogen storage alloy forming the first layer 59.
- the front surface of the target material faces the pedestal 57.
- a magnet (not shown) is arranged on the back surface of the target material.
- the first layer film forming sputtering electrode 195 is a pedestal, for example, by adjusting the flow rate of Ar gas to set the Ar pressure to about 0.1 to 1 Pa and applying DC power to about 0.1 to 500 kW / m 2.
- the first layer 59 is formed on the 57.
- the thickness of the first layer 59 can be controlled by adjusting the magnitude of the DC power and the rotation speed of the cylinder 12.
- the second layer forming chamber 156 is evacuated to, for example, about 1E-5Pa by the sixth vacuum generating unit 186 with the fifth gate valve 165 and the sixth gate valve 166 closed.
- the second layer forming chamber 156 has a second layer film forming sputtering electrode 196, and forms the second layer 60 on the pedestal 57 by the second layer film forming sputtering electrode 196 while rotating the tubular body 12.
- the second layer film forming sputter electrode 196 has a target material (not shown) of a hydrogen storage metal, a hydrogen storage alloy, or a ceramic that forms the second layer 60.
- the front surface of the target material faces the pedestal 57.
- a magnet (not shown) is arranged on the back surface of the target material.
- the second layer film forming sputtering electrode 196 is a pedestal, for example, by adjusting the flow rate of Ar gas to set the Ar pressure to about 0.1 to 1 Pa and applying DC power to about 0.1 to 500 kW / m 2.
- the second layer 60 is formed on the 57.
- the second layer film forming sputtering electrode 196 is configured to apply RF.
- a multilayer film 58 (see FIG. 5) composed of the first layer 59 and the second layer 60 is formed on the surface of the pedestal 57. In this way, the heating element 13 is directly formed on the outer surface of the tubular body 12.
- the thickness of the second layer 60 can be controlled by adjusting the magnitude of the DC power and the rotation speed of the cylinder 12.
- the sixth gate valve 166 is opened, and the tubular body 12 is conveyed from the second layer forming chamber 156 to the unload chamber 157 via the sixth loading / unloading portion 176.
- the unload chamber 157 has a carry-out unit 197 for carrying out the tubular body 12, and the sixth vacuum generation part 186 is opened to the atmosphere with the carry-out part 197 and the sixth gate valve 166 closed. From the unload chamber 157 in the atmospheric pressure state, the tubular body 12 on which the heating element 13 is formed can be taken out via the carry-out portion 197.
- the heating element manufacturing apparatus 150 is provided with first to seventh vacuum generating units 181 to 187 that evacuate each processing chamber, but the vacuum generating unit may be shared by several processing chambers. Good.
- the pressure in each processing chamber can be controlled, for example, by adjusting the flow rate of Ar gas using an orifice valve.
- the rotation speed of the cylinder 12 is set based on the film thickness, etching rate or film formation rate to be etched or filmed.
- the film thickness to be etched or filmed is X (nm) and the etching rate or film formation rate is Y (nm / min)
- the heating element manufacturing device 150 can be made smaller as a whole by being configured to carry in a plurality of short tubular bodies 12 having a length of, for example, about 50 cm to 2 m.
- the heating unit 200 may be configured by connecting short cylinders 12 on which the heating element 13 is formed.
- the heating element manufacturing device 150 is not limited to the one that manufactures the heating element 13 having a structure in which the multilayer film 58 is formed on the pedestal 57.
- a heating element 133 having a structure in which a multilayer film 134 is formed on a pedestal 57, or a heating element 143 having a structure in which a multilayer film 144 is formed on a pedestal 57 may be manufactured.
- the heating element manufacturing apparatus for manufacturing the heating element 133 has a third layer film forming sputter electrode for forming the third layer 135 on the pedestal 57 in addition to the first layer forming chamber 155 and the second layer forming chamber 156.
- a layer forming chamber is further provided.
- the third layer film forming sputtering electrode has a target material of a hydrogen storage metal or a hydrogen storage alloy forming the third layer 135. Similar to the first layer film forming sputtering electrode or the second layer film forming sputtering electrode, the third layer film forming sputtering electrode has the thickness of the third layer 135 by adjusting the magnitude of the DC power and the rotation speed of the cylinder 12. Can be controlled.
- the thickness of the pedestal 57 constituting the heating elements 13, 133, 143 is not particularly limited and can be changed as appropriate.
- a film-shaped heating element (hereinafter referred to as a film-shaped heating element) can be formed by thinning the pedestal 57 to form a film and providing the multilayer films 58, 134, 144 on the film-shaped pedestal 57. ..
- the film-shaped heating element will be described in detail.
- the film-shaped heating element 213 is wound around the outer surface of the tubular body 12.
- the film-shaped heating element 213 may be spirally wound around the outer surface of the tubular body 12 with a gap.
- the film-shaped heating element 213 has a spiral shape on the outer surface of the tubular body 12 so that at least a part of the film-shaped heating elements 213 adjacent to each other in the central axis C direction of the tubular body 12 overlaps in the radial direction of the tubular body 12. You may wrap it around.
- the film-shaped heating element 213 has the same structure as the heating element 13 (see FIG. 5). That is, the film-shaped heating element 213 has a pedestal 57 and a multilayer film 58.
- the pedestal 57 and the multilayer film 58 constituting the film-shaped heating element 213 are in the form of a film.
- the thickness of the pedestal 57 is preferably in the range of 1 ⁇ m or more and 5000 ⁇ m or less, and more preferably in the range of 100 ⁇ m or more and 600 ⁇ m or less.
- the thickness of the multilayer film 58 is preferably in the range of 0.02 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less, and more preferably in the range of 2 ⁇ m or more and 6 ⁇ m or less.
- the thickness of the film-shaped heating element 213 is preferably in the range of 1.02 ⁇ m or more and 5010 ⁇ m or less, and more preferably in the range of 102 ⁇ m or more and 606 ⁇ m or less.
- the thickness of the pedestal 57, the thickness of the multilayer film 58, and the thickness of the film-shaped heating element 213 are not limited to the above values, and are appropriately designed so that a desired output can be obtained as a heating device using the film-shaped heating element 213. be able to.
- the film-shaped heating element 213 has the same structure as the heating element 13 in this example, but may have the same structure as the heating element 133 (see FIG. 19), that is, a pedestal 57 and a multilayer film 134. Further, the film-shaped heating element 213 may have the same structure as the heating element 143 (see FIG. 20), that is, one having a pedestal 57 and a multilayer film 144.
- the multilayer film 134 or the multilayer film 144 constituting the film-shaped heating element 213 is in the form of a film.
- the film-shaped heating element 213 and the tubular body 12 are joined by, for example, spot welding.
- the film-shaped heating element 213 and the tubular body 12 are joined by spot welding the film-shaped heating element 213 around the outer surface of the tubular body 12 at equal intervals in the central axis C direction of the tubular body 12.
- the spot-welded portion has a high temperature, the characteristics of the film-shaped heating element 213 are hardly deteriorated because the diameter of the spot-welded portion is about 1 mm and the time in the high temperature state is several seconds.
- the location where the film-shaped heating element 213 and the tubular body 12 are joined is not particularly limited.
- the film-shaped heating element 213 has the pedestal 57 and the multilayer film 58, it has the same action and effect as the heating element 13. That is, since the film-shaped heating element 213 uses hydrogen to generate heat, it does not generate greenhouse gases such as carbon dioxide. Further, the hydrogen used to generate heat in the film-shaped heating element 213 is inexpensive because it can be generated from water. Further, the heat generated by the film-shaped heating element 213 is considered safe because there is no chain reaction unlike the fission reaction. Therefore, the film heating element 213 can be used as an inexpensive, clean, and safe energy source. Further, the film-shaped heating element 213 is excellent in followability to a curved surface while having flexibility because the pedestal 57 and the multilayer film 58 are in the form of a film.
- FIG. 25 is a film-shaped heating element manufacturing apparatus 215 that manufactures a film-shaped heating element 213 using a sputtering method.
- the film-shaped heating element manufacturing apparatus 215 implements a DC magnetron sputtering method as a sputtering method in this example.
- the film-shaped heating element manufacturing apparatus 215 continuously conveys a long film-shaped pedestal 57 by a roller-to-roller method, and forms a multilayer film 58 on the surface of the pedestal 57.
- the sputtering gas is argon (Ar) gas in this example, but a known gas may be used.
- Ar argon
- the shape and material of the vacuum chamber 220 are not particularly limited as long as they can withstand a reduced pressure state.
- the unwinding chamber 217 includes an unwinding roller 226 around which a long film-shaped pedestal 57 is wound, a first conveying roller portion 227 that conveys the pedestal 57 unwound from the unwinding roller 226, and a first conveying roller. It has a heating unit 228 that heats the pedestal 57 conveyed by the unit 227.
- the unwinding roller 226 has a motor (not shown) and is rotated by driving the motor.
- the first transport roller unit 227 is composed of, for example, a free roller and a tension measuring roller.
- the heating unit 228 removes the water adsorbed on the surface of the pedestal 57 by heating the pedestal 57 so that the surface temperature is, for example, 200 to 350 ° C.
- the heating unit 228 is not particularly limited as long as it can heat the pedestal 57 to a desired temperature, and for example, a lamp heating method, an infrared heating method, an induction heating method, or the like can be used.
- the film forming chamber 218 forms a film forming roller 229 that conveys the pedestal 57 carried out from the unwinding chamber 217, a sputter etching electrode 230 that sputter etches the surface of the pedestal 57, and a first layer 59 on the pedestal 57. It has first-layer film-forming sputtering electrodes 231A and 231B, and second-layer film-forming sputtering electrodes 232A and 232B that form a second layer 60 on a pedestal 57.
- sputter etching electrode 230 for example, by adjusting the flow rate of Ar gas to set the Ar pressure to about 0.1 to 1 Pa and applying RF of 13.56 MHz, organic substances, metal oxides, etc. on the surface of the pedestal 57 can be obtained. To remove.
- the second layer film forming sputtering electrode 232A and the second layer film forming sputtering electrode 232B have the same configuration as each other.
- the second layer film-forming sputter electrodes 232A and 232B have a target material (not shown) of a hydrogen storage metal, a hydrogen storage alloy, or a ceramic that forms the second layer 60.
- the front surface of the target material faces the pedestal 57.
- a magnet (not shown) is arranged on the back surface of the target material.
- the second layer film forming sputtering electrodes 232A and 232B for example, by adjusting the flow rate of Ar gas to set the Ar pressure to about 0.1 to 1 Pa and applying DC power to about 0.1 to 500 kW / m 2.
- the second layer film forming sputtering electrode 232A forms the second layer 60 on the surface of the first layer 59 formed by the first layer film forming sputtering electrode 231A.
- the first layer film forming sputtering electrode 231B forms the first layer 59 on the surface of the second layer 60 formed by the second layer film forming sputtering electrode 232A.
- the second layer film forming sputtering electrode 232B forms the second layer 60 on the surface of the first layer 59 formed by the first layer film forming sputtering electrode 231B. In this way, in the film forming chamber 218, a multilayer film 58 composed of the first layer 59 and the second layer 60 is formed on the surface of the pedestal 57.
- the take-up chamber 219 has a second transport roller portion 233 that conveys the pedestal 57 carried out from the film forming chamber 218, and a take-up roller 234 that winds up the pedestal 57 conveyed by the second transport roller portion 233.
- the film-like material wound around the take-up roller 234 is the film-like heating element 213.
- the second transport roller unit 233 is composed of, for example, a free roller and a tension measuring roller.
- the take-up roller 234 has a motor (not shown) and is rotated by driving the motor. The tension based on the peripheral speed difference between the take-up roller 234 and the film forming roller 229 is measured by the tension measuring roller of the second transport roller portion 233.
- a plurality of short film heating elements 213 are prepared by cutting a long film heating element 213 to a predetermined length, and a plurality of short film heating elements 213 are placed on the outer surface of one cylinder 12 with each other. It may be provided at intervals.
- step processing for example, by turning the power ON / OFF or adjusting the input power, the time for heating, sputter etching, and film formation can be set independently. Further, the time for forming the film may be set by opening and closing the shutter that shields the target material.
- the fourth layer film forming sputtering electrode of the fourth layer 145 is formed by adjusting the magnitude of DC power and the transport speed of the pedestal 57. The thickness can be controlled.
Abstract
安価、クリーン、安全なエネルギー源を利用した新規な発熱装置および熱利用システム、安価、クリーン、安全なエネルギー源としてのフィルム状発熱体を提供する。発熱装置１０は、中空の密閉容器１１と、密閉容器１１の内面により形成される中空部２６に設けられた筒体１２と、筒体１２の外面に設けられ、中空部２６に供給される水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体１３と、筒体１２の内面により形成され、発熱体１３との間で熱交換を行う流体が流通する流路１４とを備える。発熱体１３は、水素吸蔵金属などで形成された台座と、台座に設けられた多層膜とを有する。多層膜は、水素吸蔵金属などで形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、第１層とは異なる水素吸蔵金属などにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する。
Description
本発明は、発熱装置、熱利用システムおよびフィルム状発熱体に関する。
近年、水素吸蔵金属などを用いて水素の吸蔵と放出とを行うことにより熱が発生する発熱現象が報告されている（例えば、非特許文献１参照）。水素は、水から生成できるため、資源としては無尽蔵で安価であり、かつ、二酸化炭素などの温室効果ガスを発生しないのでクリーンなエネルギーとされている。また、水素吸蔵金属などを用いた発熱現象は、核分裂反応とは異なり、連鎖反応が無いので安全とされている。水素の吸蔵と放出とにより発生する熱は、そのまま熱として利用する他、電力に変換して利用することもできるので、有効なエネルギー源として期待される。
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.
しかしながら、エネルギー源の主流は依然として火力発電や原子力発電である。したがって、環境問題やエネルギー問題の観点から、安価、クリーン、安全なエネルギー源を利用する、従来にない新規な発熱装置および熱利用システムが望まれている。
そこで、本発明は、安価、クリーン、安全なエネルギー源を利用した新規な発熱装置および熱利用システム、安価、クリーン、安全なエネルギー源としてのフィルム状発熱体を提供することを目的とする。
本発明の発熱装置は、中空の密閉容器と、前記密閉容器の内面により形成される中空部に設けられた筒体と、前記筒体の外面に設けられ、前記中空部に供給される水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体と、前記筒体の内面により形成され、前記発熱体との間で熱交換を行う流体が流通する流路とを備え、前記発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有し、前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する。
本発明の熱利用システムは、上記の発熱装置と、前記発熱体により加熱された前記流体を利用する流体利用装置とを備える。
本発明のフィルム状発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成されたフィルム状の台座と、前記台座に設けられたフィルム状の多層膜とを有し、前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する。
本発明によれば、水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体をエネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
［第１実施形態］
図１において、発熱装置１０は、密閉容器１１と、筒体１２と、発熱体１３と、流路１４と、流体循環部１５と、制御部１６とを備える。発熱装置１０は、筒体１２の外部に発熱体１３が設けられ、筒体１２の内部に流路１４が設けられており、流路１４を流通する流体を発熱体１３により加熱し、高温の流体を生成する。
図１において、発熱装置１０は、密閉容器１１と、筒体１２と、発熱体１３と、流路１４と、流体循環部１５と、制御部１６とを備える。発熱装置１０は、筒体１２の外部に発熱体１３が設けられ、筒体１２の内部に流路１４が設けられており、流路１４を流通する流体を発熱体１３により加熱し、高温の流体を生成する。
流体は、液体および気体の少なくともいずれかを含む。流体としては、熱伝導率に優れ、かつ化学的に安定したものが好ましい。気体としては、例えば、ヘリウムガス、アルゴンガス、フロンガス、水素ガス、窒素ガス、水蒸気、空気、二酸化炭素などが挙げられる。液体としては、例えば、水、溶融塩（KNO3（40％）-NaNO3（60％）など）、液体金属（Pbなど）などが挙げられる。また、流体として、気体または液体に固体粒子を分散させた混相の流体を用いてもよい。固体粒子は、金属、金属化合物、合金、セラミックスなどである。金属としては、例えば、銅、ニッケル、チタン、コバルトなどが挙げられる。金属化合物としては、例えば、上記の金属の酸化物、窒化物、ケイ化物などが挙げられる。合金としては、例えば、ステンレス、クロムモリブデン鋼などが挙げられる。セラミックスとしては、例えば、アルミナなどが挙げられる。流体の種類は発熱装置１０の用途に応じて適宜選択することができる。
本実施形態では流体として水を使用する。発熱装置１０は、流路１４を流通する水を発熱体１３により加熱し、高温高圧の水（以下、高温高圧水と称する）を生成する。
密閉容器１１は、筒体１２および発熱体１３を収容するように構成されている。密閉容器１１は、中空の筒形状とされている。密閉容器１１の形状は、この例では円筒形状であるが、楕円筒形状、角筒形状などの種々の形状とすることができる。密閉容器１１の高さは例えば１３～１５ｍとされている。密閉容器１１の直径は例えば３．１ｍとされている。密閉容器１１の寸法は特に限定されず、適宜設計することができる。
密閉容器１１は、耐熱性および耐圧性を有する材料により形成されている。密閉容器１１の材料は、使用条件（例えば温度や圧力など）に応じて適宜選択することができる。密閉容器１１の材料としては、例えば、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、耐熱性非鉄合金鋼などが用いられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、例えば、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards）に規格されるＳＵＳ３０４Ｌ、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３１０Ｓなどが挙げられる。例えば、密閉容器１１の材料としては、使用温度が３５０℃以下である場合は炭素鋼が使用され、使用温度が３５０℃を超える場合はＳＵＳ３０４Ｌが使用され、使用温度が６００～７００℃である場合はＳＵＳ３１６ＬまたはＳＵＳ３１０Ｓが使用され、使用温度が７００℃を超える場合は耐熱に応じた非鉄合金が使用される。
密閉容器１１は、筒状に形成された本体１７と、本体１７の一端に設けられた流体流入室１８と、本体１７の他端に設けられた流体流出室１９とを有する。密閉容器１１において、本体１７に対し流体流入室１８が設けられている側が下であり、本体１７に対し流体流出室１９が設けられている側が上である。
本体１７は、水素系ガスの入口であるガス入口２１と、水素系ガスの出口であるガス出口２２とを有する。本体１７の形状は、この例では円筒形状であるが、楕円筒形状、角筒形状などの種々の形状とすることができる。流体流入室１８は、流体の入口である流体入口２３を有する。流体流出室１９は、流体の出口である流体出口２４を有する。
水素系ガスとは、水素の同位体を含むガスを意味する。水素系ガスとしては、重水素ガスと軽水素ガスとの少なくともいずれかが用いられる。軽水素ガスは、天然に存在する軽水素と重水素の混合物、すなわち、軽水素の存在比が９９．９８５％であり、重水素の存在比が０．０１５％である混合物を含む。以降の説明において、軽水素と重水素とを区別しない場合には「水素」と記載する。
密閉容器１１の内部には、筒体１２および発熱体１３が配置される中空部２６が設けられている。中空部２６は、密閉容器１１の内面により形成される。具体的には、中空部２６は、本体１７の内面と後述する発熱体１３の外面により画定される筒状の空間である。
中空部２６は、ガス入口２１を介してガス供給部２７と接続している。ガス供給部２７は、図示しないが、水素系ガスを貯蔵するガスボンベ、ガスボンベと中空部２６とを接続する配管、水素系ガスの流量や配管内の圧力を調整するバルブなどから構成されており、中空部２６へ水素系ガスの供給を行う。
中空部２６は、ガス出口２２を介してガス排出部２８と接続している。ガス排出部２８は、図示しないが、真空ポンプ、真空ポンプと中空部２６とを接続する配管、水素系ガスの流量や配管内の圧力を調整するバルブなどから構成されており、中空部２６の真空排気を行う。
筒体１２は、密閉容器１１の中空部２６に設けられている。筒体１２は中空のパイプである。筒体１２の内部は、後述する制御部１６により所定の圧力に制御されている。本実施形態では、水が３００℃程度で水蒸気とならずに液体の状態を保つように圧力が制御されている。筒体１２の内部の圧力は、本実施形態では１００ｂａｒとされるが、これに限定されず適宜設計することができる。
筒体１２は、耐熱性および耐圧性を有する材料により形成される。筒体１２の材料は、使用条件（例えば温度や圧力など）に応じて適宜選択することができる。筒体１２の材料としては、密閉容器１１と同じ材料、すなわち、炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、耐熱性非鉄合金鋼などが用いられる。筒体１２の形状は、円筒形状、楕円筒形状、角筒形状などの種々の形状とすることができる。筒体１２の各種寸法は、特に限定されず、適宜設計することができる。例えば、筒体１２は、長さが１０ｍ、厚み（肉厚）が０．００５～０．０１０ｍ、直径が０．０５ｍの円筒形状とすることができる。厚みは、筒体１２の内部（後述する流路１４）を流通する流体の温度と圧力とに基づき適宜設計することが好ましい。筒体１２は、例えば複数のパイプ材を直列に接続することにより、所望の長さに形成することが可能である。筒体１２の数は、特に限定されず、１つ以上であればよい。例えば８００本の筒体１２を密閉容器１１に設置することも可能である。本実施形態では複数の筒体１２が中空部２６に設けられている。すなわち、発熱装置１０は、中空部２６に設けられた複数の筒体１２を備えるものである。なお、図１では、図面の簡略化のため複数の筒体１２のうちの１本のみを示し、他の筒体１２は省略している。
発熱体１３は、筒体１２の外面に設けられている。したがって、発熱体１３は筒形状とされている。本実施形態では、複数の筒体１２のそれぞれに対し、発熱体１３が１つずつ設けられている。すなわち、発熱装置１０は複数の発熱体１３を備えるものである。
発熱体１３は、中空部２６に配されており、中空部２６に供給される水素系ガスと接する。発熱体１３の厚み（肉厚）は、特に限定されず、発熱装置１０として所望の出力が得られるように適宜設計することができ、例えば０．００５～０．０１０ｍとされる。発熱体１３は、１つの筒体１２について、その外面の全域に１つの発熱体１３が設けられている。なお、１つの筒体１２について、その外面に複数の発熱体１３を互いに間隔をあけて設けてもよい。
発熱体１３は、水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する。発熱体１３は、中空部２６に水素系ガスが供給されることにより、水素系ガスに含まれる水素を吸蔵する。発熱体１３は、中空部２６の真空排気が行われた状態で加熱されることにより、加熱温度以上の温度に昇温し、熱（以下、過剰熱と称する）を発生する。
発熱体１３は、発熱装置１０の運転が開始された場合、後述する加熱部３３によって加熱された水（流体）により加熱され、所定の温度となることにより過剰熱を発生する。本実施形態は、発熱体１３が例えば２７０～３００℃に加熱されることにより過剰熱を発生する場合を想定したものである。過剰熱を発している状態の発熱体１３の温度は、例えば３００℃以上１５００℃以下の範囲内とされる。
流路１４は、筒体１２の内部に設けられている。流路１４は、筒体１２の内面により形成される。流路１４は、発熱体１３との間で熱交換を行う流体を流通させる。流路１４は中空部２６と非接続である。このため、流路１４と中空部２６との間で流体および水素系ガスの流通が防止されている。
加熱された流体が流路１４に流入することにより、筒体１２を介して、発熱体１３が加熱される。これにより、発熱体１３が過剰熱を発生し、筒体１２を介して、流路１４を流通する流体が加熱される。この結果、流路１４内で高温高圧の流体が生成され、この高温高圧の流体が流路１４から流出する。本実施形態の場合、流路１４に流入した水は、過剰熱を発生する発熱体１３によって加熱され、例えば３００℃の高温高圧水として流路１４から流出する。なお、流路１４内の水の一部が水蒸気となる場合もある。
流体循環部１５は、流路１４と接続して筒体１２の内部と外部との間で流体を循環させる循環ライン３０を有する。循環ライン３０は、密閉容器１１の外部において、流体流入室１８の流体入口２３と流体流出室１９の流体出口２４とを接続する。
循環ライン３０には、流体を冷却する冷却部３２と、流体を加熱する加熱部３３とが設けられている。すなわち、発熱装置１０は、冷却部３２と加熱部３３とをさらに備えるものである。
本実施形態では、冷却部３２と加熱部３３に加え、水を貯留するリザーバータンク３６と、水を循環させるポンプ４０とが循環ライン３０に設けられている。さらに、循環ライン３０の各部には、圧力計ＰＩ、温度計ＴＩ、および流量計ＦＩが設けられている。圧力計ＰＩ、温度計ＴＩ、および流量計ＦＩの数は、特に限定されないが、１以上であることが好ましい。循環ライン３０のうち、密閉容器１１の流体出口２４から流体入口２３までの間の各部において、圧力計ＰＩ、温度計ＴＩ、冷却部３２、温度計ＴＩ、リザーバータンク３６、ポンプ４０、温度計ＴＩ、加熱部３３、温度計ＴＩ、流量計ＦＩがこの順で設けられている。リザーバータンク３６には温度計ＴＩが設けられている。
冷却部３２は、制御部１６と電気的に接続しており、制御部１６によって駆動が制御される。冷却部３２は、流路１４から流出した流体としての高温高圧水を冷却する。冷却部３２では、例えば３００℃の高温高圧水が２７０℃まで冷却される。
冷却部３２は、この例ではボイラーとしての機能を有する。ボイラーとしての冷却部３２は、高温高圧水と熱媒体としてのボイラー水との間で熱交換を行い、ボイラー水から高温高圧の水蒸気（以下、過熱蒸気と称する）を生成する。この過熱蒸気を蒸気タービンに供給し、蒸気タービンと接続した発電機により発電を行うことが可能である。
加熱部３３は、制御部１６と電気的に接続しており、制御部１６により駆動が制御される。加熱部３３は、流路１４に流入させる流体としての水を加熱する。
加熱部３３は、例えば給電によって発熱する電気炉である。なお、加熱部３３は、燃料を燃焼させることによって発熱する燃料炉でもよい。発熱装置１０の運転を開始する場合、加熱部３３では、水が例えば２７０℃に加熱される。加熱部３３により加熱された流体が流路１４に流入することにより、発熱体１３が所定の温度まで昇温して過剰熱を発生する。すなわち、加熱部３３は、発熱装置１０の運転開始時において発熱体１３を所定の温度まで昇温させるスタートアップヒーターとして機能する。
加熱部３３は、本実施形態では循環ライン３０に直接設けられているが、循環ライン３０から分岐した分岐ラインに設けてもよい。加熱部３３が分岐ラインに設けられる場合は、循環ライン３０を流通する流体の一部または全部を分岐ラインに流し、加熱部３３で加熱された流体を循環ライン３０へ戻す。これにより、加熱された流体を流路１４へ流入させることができる。循環ライン３０と分岐ラインとをバルブを介して接続することにより、分岐ラインへ流す水の流量を制御することができる。
冷却部３２と加熱部３３とは、発熱装置１０の運転中においては、流路１４に流入させる流体の温度が所定の範囲内に維持されるように駆動が制御されている。例えば、発熱体１３が過剰熱を発生した場合に、流路１４に流入させる水の温度を２７０℃程度に維持する。これにより、発熱体１３の温度がほぼ一定とされ、流路１４から流出する高温高圧水の温度や流量が安定する。
制御部１６は、発熱装置１０の各部と電気的に接続しており、各部の動作を制御する。制御部１６は、例えば、演算装置（Central Processing Unit）、読み出し専用メモリ（Read Only Memory）やランダムアクセスメモリ（Random Access Memory）などの記憶部などを備えている。演算装置では、例えば、記憶部に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。
制御部１６は、冷却部３２を駆動し、冷却部３２により冷却された流体を流路１４に流入させて発熱体１３の温度を低下させる降温制御と、加熱部３３を駆動し、加熱部３３により加熱された流体を流路１４に流入させて発熱体１３の温度を上昇させる昇温制御とを行う。制御部１６は、循環ライン３０を流通する流体の温度に基づき、降温制御と昇温制御との切り替えを行うことにより、流路１４に流入させる流体の温度を調整する。
制御部１６は、温度計ＴＩの検出結果、圧力計ＰＩの検出結果、流量計ＦＩの検出結果などに基づき、発熱装置１０の各部の温度、圧力、流量などを制御する。例えば、発熱体１３が２７０～３００℃で過剰熱を発生する場合、制御部１６は、流路１４に流入する流体の温度を２７０℃、圧力を１００ｂａｒとする。流路１４に流入する流体のエンタルピーは２８３ｋｃａｌ／ｋｇであり、２８．３×１０８ｋｃａｌ／ｈである。流路１４に流入した水は、発熱体１３によって３００℃まで加熱され、高温高圧水として流路１４から流出する。なお、圧力が１００ｂａｒである場合の水の飽和温度は３１１℃であるので、流路１４に流入した水は、３００℃まで昇温しても水蒸気とはならない。
図２は、密閉容器１１の一部を破断して示す斜視図である。図２では、複数の筒体１２および発熱体１３のうち、１つの筒体１２および発熱体１３について一部を破断し、その内部を図示している。
図２に示すように、流体循環部１５は、循環ライン３０の他、外部流体ライン４５をさらに有する。密閉容器１１の中空部２６に設けられている各筒体１２は、内部に設けられた流路１４を流通する流体の熱、または外面に設けられた発熱体１３の熱により加熱され、温度が上昇して熱膨張する。一方、密閉容器１１の本体１７は、筒体１２および発熱体１３とは非接触であり、筒体１２よりも温度の上昇が抑えられているので、筒体１２よりも熱膨張が小さい。このため、複数の筒体１２と密閉容器１１の本体１７とに熱応力が発生する。外部流体ライン４５は、この熱応力による破損を防止するためのものである。
外部流体ライン４５は、密閉容器１１の外面に設けられ、循環ライン３０と接続して流体の一部が流通する。外部流体ライン４５は、密閉容器１１の外面に設けられた複数の第１配管４７と、複数の第１配管４７の一端同士を接続する第１のリング管４８と、複数の第１配管４７の他端同士を接続する第２のリング管４９と、第１のリング管４８と流体流入室１８とを接続する複数の第２配管５０と、第２のリング管４９と流体流出室１９とを接続する複数の第３配管５１とを有する。
複数の第１配管４７は、各々が密閉容器１１の上下方向（図中Ｚ方向）に延びている。第１のリング管４８は、密閉容器１１の本体１７の一端のフランジに設けられている。第２のリング管４９は、密閉容器１１の本体１７の他端のフランジに設けられている。第１のリング管４８および第２のリング管４９は、管材を本体１７の外周に沿ってリング状に形成したものであり、内部に流体が流通するように構成されている。複数の第２配管５０は、流体流入室１８の流体を第１のリング管４８へ案内する。第１のリング管４８の流体は、複数の第１配管４７を通り、第２のリング管４９へ移動する。複数の第３配管５１は、第２のリング管４９の流体を流体流出室１９へ案内する。第１配管４７、第２配管５０、および第３配管５１の数は、特に限定されず、適宜変更可能である。
図３に示すように、複数の第１配管４７は、密閉容器１１の周方向に等間隔に配置されている。各第１配管４７の断面形状は、本実施形態では半円形状であるが、これに限定されず、矩形状、半楕円形状などとすることができる。図３は、密閉容器１１の本体１７でのＸＹ平面に沿った断面図である。
中空部２６において、複数の筒体１２は互いに等間隔で千鳥状に配置されている。すなわち、互いに隣接する３つの筒体１２において、各筒体１２の中心同士を結んだ形状は正三角形（図３において点線で示している）を形成する。互いに隣接する筒体１２の中心間の距離は０．１５ｍとされている。
図４を用いて、密閉容器１１における流体の流れについて説明する。循環ライン３０を流通する流体は、流体入口２３から流体流入室１８に流入する。流体流入室１８の流体の一部は、複数の筒体１２の一端から流路１４へ流れる。流路１４では、発熱体１３により流体が加熱される。流路１４で加熱された流体は、複数の筒体１２の他端から流体流出室１９へ流れ、流体出口２４から循環ライン３０へ流出する。
流体流入室１８の流体の残りの一部は、複数の第２配管５０に流入する。複数の第２配管５０の流体は、第１のリング管４８を介して、複数の第１配管４７へ案内される。複数の第１配管４７では、発熱体１３の放射熱により流体が加熱される。複数の第１配管４７で加熱された流体は、第２のリング管４９、複数の第３配管５１を順に介して、流体流出室１９へ案内され、流路１４で加熱された流体と合流する。
上記のような外部流体ライン４５、密閉容器１１、筒体１２、発熱体１３、および流路１４により、発熱モジュール５５が構成される。本実施形態の発熱装置１０は１つの発熱モジュール５５を備えるものであるが、発熱モジュール５５の数は特に限定されず２つ以上としてもよい。
図５を用いて発熱体１３の詳細について説明する。図５に示すように、発熱体１３は、台座５７と多層膜５８とを有する。
台座５７は、筒体１２の外面に設けられる。図５では筒体１２の図示を省略している。台座５７は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはプロトン導電体により形成される。水素吸蔵金属としては、例えば、Ni、Pd、V、Nb、Ta、Tiなどが用いられる。水素吸蔵合金としては、例えば、LaNi5、CaCu5、MgZn2、ZrNi2、ZrCr2、TiFe、TiCo、Mg2Ni、Mg2Cuなどが用いられる。プロトン導電体としては、例えば、BaCeO3系（例えばBa(Ce0.95Y0.05)O3-6）、SrCeO3系（例えばSr(Ce0.95Y0.05)O3-6）、CaZrO3系（例えばCaZr0.95Y0.05O3-α）、SrZrO3系（例えばSrZr0.9Y0.1O3-α）、β Al2O3、β Ga2O3などが用いられる。
多層膜５８は、台座５７の表面に設けられる。多層膜５８は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成される第１層５９と、第１層５９とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはセラミックスにより形成される第２層６０とにより形成される。台座５７と第１層５９と第２層６０との間には異種物質界面６１が形成される。
第１層５９は、例えば、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金のうち、いずれかにより形成される。第１層５９を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第１層５９を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
第２層６０は、例えば、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiCのうち、いずれかにより形成される。第２層６０を形成する合金とは、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第２層６０を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
第１層５９と第２層６０との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層５９－第２層６０（第２層６０－第１層５９）」として表すと、Pd-Ni、Ni-Cu、Ni-Cr、Ni-Fe、Ni-Mg、Ni-Coであることが好ましい。第２層６０をセラミックスとした場合は、「第１層５９－第２層６０」が、Ni-SiCであることが好ましい。
第１層５９の厚みと第２層６０の厚みは、それぞれ１０００ｎｍ未満であることが好ましい。第１層５９と第２層６０の各厚みが１０００ｎｍ以上となると、水素が多層膜５８を透過し難くなる。また、第１層５９と第２層６０の各厚みが１０００ｎｍ未満であることにより、バルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。第１層５９と第２層６０の各厚みは、５００ｎｍ未満であることがより好ましい。第１層５９と第２層６０の各厚みが５００ｎｍ未満であることにより、完全にバルクの特性を示さないナノ構造を維持することができる。
図５では、多層膜５８は、台座５７の表面に、第１層５９と第２層６０とがこの順で交互に積層された構成を有する。第１層５９と第２層６０とは、それぞれ５層とされている。なお、第１層５９と第２層６０との各層数は適宜変更してもよい。多層膜５８は、台座５７の表面に、第２層６０と第１層５９とがこの順で交互に積層された構成を有するものでもよい。多層膜５８としては、第１層５９と第２層６０とをそれぞれ１層以上有し、異種物質界面６１が１つ以上形成されていればよい。
図６に示すように、異種物質界面６１は水素原子を透過させる。図６は、面心立法構造の水素吸蔵金属により形成される第１層５９および第２層６０に水素を吸蔵させた後、第１層５９および第２層６０を加熱したときに、第１層５９における金属格子中の水素原子が、異種物質界面６１を透過して第２層６０の金属格子中に移動する様子を示した概略図である。
発熱体１３は、密閉容器１１に水素系ガスが供給されることで、台座５７および多層膜５８により水素を吸蔵する。発熱体１３は、密閉容器１１への水素系ガスの供給が停止されても、台座５７および多層膜５８において水素を吸蔵した状態を維持する。流体により発熱体１３の加熱が開始されると、台座５７および多層膜５８に吸蔵されている水素が放出され、多層膜５８の内部をホッピングしながら量子拡散する。水素は軽く、ある物質Ａと物質Ｂの水素が占めるサイト（オクトヘドラルやテトラヘドラルサイト）をホッピングしながら量子拡散していくことが分かっている。発熱体１３は、真空状態で加熱が行われることで、異種物質界面６１を水素が量子拡散により透過して、流体の温度以上の過剰熱を発生させる。
発熱体１３の製造方法の一例を説明する。発熱体１３は、例えばスパッタリング法を用いて製造することができる。円筒形状の筒体１２の外面に台座５７を形成した後、台座５７上に第１層５９および第２層６０を交互に形成することにより発熱体１３が得られる。台座５７を形成する際は、第１層５９および第２層６０よりも厚めに形成することが好ましく、台座５７の材料としては例えばNiが用いられる。第１層５９および第２層６０は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。これにより、第１層５９および第２層６０の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面６１のみが形成される。発熱体１３の製造方法としては、スパッタリング法に限られず、蒸着法、湿式法、溶射法、電気めっき法などを用いることができる。
発熱装置１０を用いた発熱方法は、密閉容器１１の中空部２６に対し水素系ガスの供給を行うことにより、水素系ガスに含まれる水素を発熱体１３に吸蔵させる水素吸蔵工程と、密閉容器１１の中空部２６の真空排気と発熱体１３の加熱とを行うことにより、発熱体１３に吸蔵されている水素を放出させる水素放出工程とを有する。水素吸蔵工程と水素放出工程とを繰り返し行ってもよい。
以上のように、発熱装置１０は、筒体１２の外面に設けられた発熱体１３と、筒体１２の内面により形成された流路１４を流通する流体（水）との間で熱交換を行うことで、高温の流体（高温高圧水）を生成する。高温の流体としての高温高圧水は、ボイラー（冷却部３２）内で過熱蒸気を生成するために利用することができる。ボイラーで生成された過熱蒸気は、蒸気タービンに利用することができる。発熱体１３は、水素を使用して発熱するので、二酸化炭素などの温室効果ガスを発生しない。また、発熱体１３を発熱させるために使用する水素は、水から生成できるため安価である。さらに、発熱体１３の発熱は、核分裂反応とは異なり、連鎖反応が無いので安全とされている。したがって、発熱装置１０は、発熱体１３をエネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
発熱装置１０は、外部流体ライン４５が密閉容器１１の本体１７の外面に設けられていることによって、本体１７が発熱体１３の放射熱により加熱された場合でも、本体１７の熱が外部流体ライン４５を流通する流体へ伝達するので、本体１７の熱膨張が抑制される。また、発熱装置１０は、流路１４が筒体１２の内部に設けられていることによって、筒体１２が発熱体１３により加熱された場合でも、筒体１２の熱が流路１４を流通する流体へ伝達するので、筒体１２の熱膨張が抑制される。発熱装置１０は、筒体１２および本体１７が熱膨張する場合であっても、筒体１２の伸びと本体１７の伸びとが同程度となるので、熱応力による破損が防止される。
発熱装置１０は、制御部１６によって降温制御と昇温制御との切り替えを行うことにより、循環ライン３０を循環する流体の温度が一定に維持され、発熱体１３の発熱が安定する。
［第２実施形態］
上記第１実施形態では、流路１４に流入させた水を発熱体１３により加熱して高温高圧水を生成しているが、第２実施形態は、流路１４に流入させた水を発熱体１３により加熱して過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気を蒸気タービンの作動流体として利用することにより発電を行うように構成したものである。上記第１実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
上記第１実施形態では、流路１４に流入させた水を発熱体１３により加熱して高温高圧水を生成しているが、第２実施形態は、流路１４に流入させた水を発熱体１３により加熱して過熱蒸気を生成し、この過熱蒸気を蒸気タービンの作動流体として利用することにより発電を行うように構成したものである。上記第１実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
図７に示すように、発熱装置７０は、上記第１実施形態の発熱装置１０と同様に、１つの発熱モジュール５５を備えるものである。発熱装置７０は、流路１４に流体としての液体（水）が流入し、流路１４から流体としての気体（水蒸気）が流出するように構成されている。具体的には、発熱装置７０の運転が開始されると、流体としての水が加熱部３３により加熱される。加熱部３３により加熱された水が流路１４に流入することにより、筒体１２を介して、発熱体１３が加熱される。これにより、発熱体１３は過剰熱を発生する。そして、発熱体１３が過剰熱を発生することにより、筒体１２を介して、流路１４を流通する水が加熱される。この結果、流路１４内で過熱蒸気が生成され、この過熱蒸気が流路１４から流出する。なお、流路１４の水は、全部が水蒸気とならずに、一部が水のまま流路１４から流出する場合もある。図７では、流路１４から水と水蒸気とが流出し、流体流出室１９の下方に水が溜まり、流体流出室１９の上方に水蒸気が移動した状態を示している。なお、流体流出室１９には、圧力計ＰＩ、温度計ＴＩ、流体流出室１９における液面の高さを検出するレベル計ＬＩが設けられている。
本実施形態では、筒体１２の内部の圧力が９０ｂａｒに制御されている。発熱体１３が２７０～３００℃で過剰熱を発生する場合、制御部１６は、流路１４に流入する流体の温度を２７０℃、圧力を９０ｂａｒとする。流路１４に流入した水は、発熱体１３によって加熱され、例えば３０４℃の過熱蒸気として流路１４から流出する。
第２実施形態では、循環ライン３０には、冷却部３２、加熱部３３、蒸気タービン７１が設けられている。冷却部３２は、蒸気タービン７１から排出された水蒸気を冷却し、凝縮させて復水する。冷却部３２における冷却温度が低いほど、蒸気タービン７１の背圧が下がり、蒸気タービン７１と接続した発電機の発電効率が向上する。蒸気タービン７１の背圧は、例えば０．０５ｂａｒに制御されており、冷却部３２の冷却方法および熱媒体に基づき決定される。加熱部３３は、循環ライン３０から分岐した分岐ライン３０ａに設けられている。分岐ライン３０ａは、図示しないバルブを介して循環ライン３０と接続している。発熱装置７０の運転を開始する場合において、循環ライン３０を流通する水の一部または全部が分岐ライン３０ａに流れ、加熱部３３で加熱されて循環ライン３０へ戻される。これにより、加熱部３３で例えば２７０℃に加熱された水が流路１４に流入し、発熱体１３が過剰熱を発生する。
蒸気タービン７１は、流路１４から流出した過熱蒸気を作動流体として利用する流体利用装置である。蒸気タービン７１は、発電機と接続する回転軸を有し、過熱蒸気が供給されることによって回転軸を中心として回転する。発電機は、蒸気タービン７１が回転することにより発電を行う。
発熱装置７０の循環ライン３０には、冷却部３２、加熱部３３、蒸気タービン７１の他、蒸気タンク７２、リザーバータンク７３、脱気器７４、予熱器７５、コントロールバルブ７６ａ，７６ｂ、およびポンプ７７ａ，７７ｂが設けられている。図７では、循環ライン３０において、密閉容器１１の流体出口２４から順に、コントロールバルブ７６ａ、蒸気タンク７２、蒸気タービン７１、冷却部３２、リザーバータンク７３、ポンプ７７ａ、脱気器７４、ポンプ７７ｂ、予熱器７５、加熱部３３、コントロールバルブ７６ｂが設けられている。脱気器７４、予熱器７５、コントロールバルブ７６ａ，７６ｂ、およびポンプ７７ａ，７７ｂは、制御部１６と電気的に接続している。
蒸気タンク７２は、流路１４で生成された水蒸気を一時的に貯留するためのものである。蒸気タンク７２は、脱気用配管３０ｂを介して脱気器７４と接続しており、予熱用配管３０ｃを介して予熱器７５と接続している。
リザーバータンク７３は、冷却部３２で復水された水を貯留するためのものである。リザーバータンク７３には温度計ＴＩが設けられている。なお、リザーバータンク７３は、図示していないが水の供給源と接続しており、この供給源から水が供給されるように構成されている。
脱気器７４は、脱気用配管３０ｂを介して蒸気タンク７２から供給された水蒸気を用いて、流路１４に流入させる水に含まれる酸素の脱気を行う。水の脱気が行われることにより、ボイラーの腐食が防止される。脱気器７４で脱気された水は予熱器７５へ案内される。
予熱器７５は、予熱用配管３０ｃを介して蒸気タンク７２から供給された水蒸気を用いて、流路１４に流入させる水の予熱を行う。予熱器７５では水が例えば２７０℃に予熱される。予熱器７５で予熱された水は流路１４に流入する。
コントロールバルブ７６ａは、流路１４から流出する水蒸気の流量や圧力を調整する。コントロールバルブ７６ｂは、流路１４に流入させる水の流量や圧力を調整する。ポンプ７７ａは、リザーバータンク７３の水を脱気器７４へ送るためのものである。ポンプ７７ｂは、脱気器７４の水を予熱器７５へ送るためのものである。
以上のように、発熱装置７０は、筒体１２の外面に設けられた発熱体１３と、筒体１２の内面により形成された流路１４を流通する流体（水）との間で熱交換を行うことで、高温の流体（過熱蒸気）を生成する。高温の流体としての過熱蒸気は、蒸気タービン７１に利用することができる。上記のような発熱装置７０と流体利用装置としての蒸気タービン７１とにより、熱利用システム７９が構成される。したがって、発熱装置７０および熱利用システム７９は、発熱体１３をエネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
流体利用装置としては、本実施形態のように流路１４から流出する流体が水蒸気（過熱蒸気）である場合は蒸気タービン７１が適している。流体利用装置として蒸気タービン７１を用いることにより、発熱装置７０で得られる熱エネルギーを電気エネルギーとして回収することが可能となる。なお、流路１４から流出する流体が水蒸気以外の気体（例えば、空気、フロンガス、ヘリウムガスなど）である場合は、流体利用装置としてガスタービンを適用することができる。流路１４から流出する流体を別途設けられたボイラーに供給し、ボイラー内で過熱蒸気を生成させ、この過熱蒸気を蒸気タービンに供給して発電を行うことも可能である。また、流体利用装置としては、燃料と燃焼用空気とを燃焼させて熱を発生させる燃焼装置において、燃焼用空気を予熱する予熱器を適用することができる。燃焼装置としては、ボイラー、ロータリーキルン、金属の熱処理炉、金属加工用加熱炉、熱風炉、窯業用焼成炉、石油精製塔、乾留炉、乾燥炉などが挙げられる。
［第３実施形態］
上記第２実施形態の発熱装置７０は１つの発熱モジュール５５を備えるものであるが、第３実施形態は複数の発熱モジュール５５を接続したものである。この例では３つの発熱モジュール５５を接続する場合について説明するが、発熱モジュール５５の数は特に限定されず、所望の出力が得られるように増減することができる。上記各実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
上記第２実施形態の発熱装置７０は１つの発熱モジュール５５を備えるものであるが、第３実施形態は複数の発熱モジュール５５を接続したものである。この例では３つの発熱モジュール５５を接続する場合について説明するが、発熱モジュール５５の数は特に限定されず、所望の出力が得られるように増減することができる。上記各実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
図８に示すように、発熱装置８０は、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを備える。各発熱モジュール５５ａ～５５ｃの構成は、上記第１実施形態の発熱モジュール５５の構成と同じであるので説明を省略する。図８には示していないが、発熱装置８０は、制御部１６を備えており、制御部１６により各部の動作が制御される。中空部２６にはガス供給部２７とガス排出部２８とが接続している。
発熱装置８０は、分配用配管８１と集合用配管８２とをさらに備えている。分配用配管８１は、循環ライン３０と接続し、各発熱モジュール５５ａ～５５ｃに対して流体を分配する。集合用配管８２は、循環ライン３０と接続し、各発熱モジュール５５ａ～５５ｃから流出した流体を集合する。
発熱装置８０は、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃが、分配用配管８１と集合用配管８２とにより並列に接続された構成を有する。なお、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃは、並列に接続する場合に限られず、直列に接続してもよい。３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを直列に接続する場合は、分配用配管８１と集合用配管８２とを用いずに、発熱モジュール５５ａの流体出口２４と発熱モジュール５５ｂの流体入口２３とを接続し、発熱モジュール５５ｂの流体出口２４と発熱モジュール５５ｃの流体入口２３とを接続する。これにより、循環ライン３０の流体は、発熱モジュール５５ａ、発熱モジュール５５ｂ、発熱モジュール５５ｃを順に通過し、再び循環ライン３０へ戻される。
３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃは、分配用配管８１および集合用配管８２に対し、着脱自在とされている。分配用配管８１には、各発熱モジュール５５ａ～５５ｃに対応してコントロールバルブ７６ｂが設けられている。
発熱装置８０は、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを備え、各発熱モジュール５５ａ～５５ｃが分配用配管８１と集合用配管８２とにより接続されていること以外は、上記第２実施形態の発熱装置７０と同じ構成を有する。したがって、発熱装置８０により生成された過熱蒸気は、蒸気タービン７１に利用される。
以上のように、発熱装置８０は、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを備えるので高出力化が図れる。また、発熱装置８０は、各発熱モジュール５５ａ～５５ｃが着脱自在であり容易に交換できるので、メンテナンス性に優れる。
上記のような発熱装置８０と流体利用装置としての蒸気タービン７１とにより、熱利用システム８９が構成される。発熱装置８０および熱利用システム８９は、発熱体１３をエネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
発熱装置８０を用いて蒸気タービンを作動させる場合の発電効率を計算した。蒸気圧力を８０～１００ｂａｒとし、蒸気タービンから排出された水蒸気の排気圧力を０．０５ｂａｒ、排気温度を３２℃、排気湿りを１５％として、蒸気タービンの発電効率を計算した。蒸気圧力と発電効率との関係を表１に示す。
蒸気圧力が低いほど飽和温度が低下して水蒸気の発生量が増える一方で、蒸気流量比が増加するほどエンタルピーの落差が抑えられるので、結果として蒸気タービンの発電効率が向上する。例えば、蒸気圧力が８０ｂａｒの場合は蒸気温度が２９６℃となることがわかる。このため、発熱体１３が３００℃程度の加熱温度で過剰熱を発生する場合を想定すると、蒸気圧力は８０ｂａｒよりも大きいことが好ましい。蒸気圧力を９０ｂａｒとした場合は、蒸気温度が３０４℃であるので、発熱体１３が過剰熱を発生し、蒸気タービンの発電効率としては２１．１％を達成することができる。
図９は、第３実施形態の発熱装置８０と蒸気タービン７１とを含むランキンサイクルのエントロピーと圧力との関係を示すグラフである。図９において、横軸はエントロピーを示し、縦軸は圧力を示す。図１０は、第３実施形態の発熱装置８０と蒸気タービン７１とを含むランキンサイクルのエントロピーと温度との関係を示すグラフである。図１０において、横軸はエントロピーを示し、縦軸は温度を示す。図１１は、第３実施形態の発熱装置８０と蒸気タービン７１とを含むランキンサイクルのエントロピーとエンタルピーとの関係を示すグラフである。図１１において、横軸はエントロピーを示し、縦軸はエンタルピーを示す。図９～図１１において、Ａは蒸気タービン７１の入口における流体の状態を示し、Ｂは蒸気タービン７１の出口における流体の状態を示し、Ｃは冷却部３２における流体の状態を示し、Ｄはポンプ７７ａにおける流体の状態を示し、Ｅは予熱器７５の入口における流体の状態を示し、Ｆは予熱器７５の出口における流体の状態を示し、Ｇは流路１４において飽和温度となった流体の状態を示し、Ｈは流路１４から流出した流体の状態を示す。
［第４実施形態］
第４実施形態は、流体として気体を使用するように構成したものである。この例では流体として空気を使用する場合について説明するが、空気以外の気体を用いてもよい。上記各実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
第４実施形態は、流体として気体を使用するように構成したものである。この例では流体として空気を使用する場合について説明するが、空気以外の気体を用いてもよい。上記各実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
図１２に示すように、発熱装置９０は、上記第１実施形態の発熱装置１０と同様に、１つの発熱モジュール５５を備えるものである。発熱装置９０は、流路１４に流体としての気体が流入し、流路１４から流体としての気体が流出するように構成されている。具体的には、発熱装置９０の運転が開始されると、流体としての空気が加熱部３３により加熱される。加熱部３３により加熱された空気が流路１４に流入することにより、筒体１２を介して、発熱体１３が加熱される。これにより、発熱体１３は過剰熱を発生する。そして、発熱体１３が過剰熱を発生することにより、筒体１２を介して、流路１４を流通する空気が加熱される。この結果、流路１４内で高温の空気（以下、高温空気と称する）が生成され、この高温空気が流路１４から流出する。
第４実施形態は、流体として空気を使用するように構成されているので、流体として水を使用する場合よりも低圧環境で発熱体１３から過剰熱を発生させることができる。例えば、発熱体１３が５００℃程度の高温で加熱されることにより過剰熱を発生する場合を想定すると、流路１４に流入する空気の温度と圧力は、例えば、５００℃、１ｂａｒとされる。流路１４から流出する高温空気の温度と圧力は、例えば、７００℃、１ｂａｒとされる。なお、空気および高温空気の温度と圧力は上記のものに限定されるものではない。
第４実施形態では、循環ライン３０において、上記第１実施形態における冷却部３２の代わりに、冷却部９２が設けられている。なお、循環ライン３０には、上記第１実施形態と同様に、加熱部３３も設けられている。加熱部３３の説明は省略する。
冷却部９２は、制御部１６と電気的に接続しており、制御部１６によって駆動が制御される。冷却部９２は、流路１４から流出した流体としての高温空気を冷却する。冷却部９２では、例えば７００℃の高温空気が３００℃まで冷却される。
冷却部９２は、この例ではボイラーとしての機能を有する。ボイラーとしての冷却部９２は、高温空気と熱媒体としてのボイラー水との間で熱交換を行い、ボイラー水から過熱蒸気を生成する。例えば、冷却部９２では、圧力が１３０ｂａｒに維持されており、２５０℃のボイラー水と７００℃の高温空気との間で熱交換を行うことにより、５６０℃の過熱蒸気が生成される。ボイラー内で生成された過熱蒸気は、蒸気タービンに供給することが可能である。蒸気タービンが駆動することにより発電機で発電を行うことができる。
第４実施形態では、冷却部９２と加熱部３３の他、空気を貯留するためのバッファータンク９４、空気を送るための送風機９６、温度計ＴＩ、圧力計ＰＩ、流量計ＦＩなどが循環ライン３０に設けられている。
以上のように、発熱装置９０は、筒体１２の外面に設けられた発熱体１３と、筒体１２の内面により形成された流路１４を流通する流体（空気）との間で熱交換を行うことで、高温の流体（高温空気）を生成する。高温の流体としての高温空気は、ボイラー（冷却部９２）内で過熱蒸気を生成するために利用することができる。ボイラーで生成された過熱蒸気は、蒸気タービンに利用することができる。したがって、発熱装置９０は、発熱体１３をエネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
［第５実施形態］
第５実施形態は、高温空気を利用してボイラーで過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気を蒸気タービンの作動流体として利用することにより発電を行うように構成したものである。上記各実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
第５実施形態は、高温空気を利用してボイラーで過熱蒸気を発生させ、この過熱蒸気を蒸気タービンの作動流体として利用することにより発電を行うように構成したものである。上記各実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
図１３に示すように、発熱装置１００は、上記第４実施形態の発熱装置９０と同様に、１つの発熱モジュール５５を備えるものである。発熱装置１００の循環ライン３０には予熱器７５が設けられており、送風機９６により送られる空気は予熱器７５により予熱される。発熱装置１００は、循環ライン３０に予熱器７５が設けられていること以外は、上記第４実施形態の発熱装置９０と同じ構成を有する。
発熱装置１００は、熱回収ライン１０１と接続している。熱回収ライン１０１は、循環ライン３０に設けられたボイラーとしての冷却部９２と接続し、冷却部９２にボイラー水を循環させるように構成されている。
熱回収ライン１０１には、コントロールバルブ１０２、蒸気タンク１０３、蒸気タービン１０４、復水器１０５、リザーバータンク１０６、ポンプ１０７、バッファータンク１０８、脱気器１０９、ポンプ１１０、予熱器１１１が設けられている。
コントロールバルブ１０２は、ボイラーとしての冷却部９２から流出する水蒸気の流量や圧力を調整する。蒸気タンク１０３は、水蒸気を一時的に貯留するためのものである。蒸気タンク１０３には温度計ＴＩが設けられている。蒸気タンク１０３に貯留される水蒸気の温度と圧力は、例えば、５６０℃、１３０ｂａｒである。
蒸気タンク１０３は、予熱用配管１０１ａおよび予熱用配管１０１ｂを介してバッファータンク１０８と接続している。予熱用配管１０１ａは予熱器１１１と接続している。予熱用配管１０１ｂは予熱器７５と接続している。蒸気タンク１０３に貯留されている水蒸気の一部は、予熱用配管１０１ａを介して予熱器１１１へ供給され、予熱用配管１０１ｂを介して予熱器７５へ供給される。
蒸気タービン１０４は、蒸気タンク１０３に貯留された過熱蒸気を作動流体として利用する流体利用装置である。蒸気タービン１０４は、発電機と接続する回転軸を有し、過熱蒸気が供給されることによって回転軸を中心として回転する。発電機は、蒸気タービン１０４が回転することにより発電を行う。蒸気タービン１０４から排出される水蒸気は、例えば、温度が３２．９℃に降温され、圧力が０．０５ｂａｒに減圧される。この水蒸気には細かいミスト状の水滴が含まれる。
蒸気タービン１０４は、当該タービンの途中に設けられた抽気部から蒸気の一部が抽出可能に構成されている抽気タービンである。蒸気タービン１０４の抽気部は、抽気用配管１０１ｃを介して脱気器１０９と接続している。蒸気タービン１０４の抽気部から抽気された水蒸気は、抽気用配管１０１ｃを流通して脱気器１０９へ供給される。抽気用配管１０１ｃを流通する水蒸気の温度と圧力は、例えば、２５１℃、１２ｂａｒである。
復水器１０５は、蒸気タービン１０４から排出された水蒸気を冷却し、凝縮させて復水する。リザーバータンク１０６は、復水器１０５で復水されたボイラー水を貯留するためのものである。ポンプ１０７は、リザーバータンク１０６のボイラー水をバッファータンク１０８へ送るためのものである。ポンプ１０７で送られるボイラー水の温度と圧力は、例えば、３２．９℃、１ｂａｒである。
バッファータンク１０８は、ボイラー水を貯留するためのものである。バッファータンク１０８には、リザーバータンク１０６から送られてくるボイラー水と、予熱用配管１０１ａを流通する水蒸気が予熱器１１１で冷却されることにより生成されたボイラー水と、予熱用配管１０１ｂを流通する水蒸気が予熱器７５で冷却されることにより生成されたボイラー水とが供給される。バッファータンク１０８に貯留されたボイラー水は、脱気器１０９へ送られる。脱気器１０９へ送られるボイラー水の温度と圧力は、例えば、８７．５℃、２ｂａｒである。
脱気器１０９は、抽気用配管１０１ｃを介して蒸気タービン１０４の抽気部から供給された水蒸気を用いて、バッファータンク１０８から送られてきたボイラー水に含まれる酸素の脱気を行う。脱気器１０９には温度計ＴＩと圧力計ＰＩとが設けられている。ポンプ１１０は、脱気器１０９により脱気されたボイラー水を予熱器１１１へ送るためのものである。ポンプ１１０で送られるボイラー水の温度と圧力は、例えば、１２０℃、２ｂａｒである。
予熱器１１１は、予熱用配管１０１ａを流通する水蒸気と、脱気器１０９から供給されるボイラー水との間で熱交換を行うことにより、冷却部９２に供給するボイラー水の予熱を行う。予熱用配管１０１ａを流通する水蒸気は、予熱器１１１での熱交換により冷却され、凝縮してボイラー水としてバッファータンク１０８へ送られる。予熱用配管１０１ａを流通する水蒸気の温度と圧力は、例えば、５６０℃、１３０ｂａｒである。予熱器１１１を経てバッファータンク１０８へ送られるボイラー水の温度と圧力は、例えば、１２０℃、２ｂａｒである。
予熱器７５は、予熱用配管１０１ｂを流通する水蒸気と、送風機９６により送られる空気との間で熱交換を行うことにより、流路１４へ流入させる空気の予熱を行う。予熱用配管１０１ｂを流通する水蒸気は、予熱器７５での熱交換により冷却され、凝縮してボイラー水としてバッファータンク１０８へ送られる。予熱用配管１０１ｂを流通する水蒸気の温度と圧力は、例えば、５６０℃、１３０ｂａｒである。予熱器７５を経てバッファータンク１０８へ送られるボイラー水の温度と圧力は、例えば、１２０℃、２ｂａｒである。
ボイラーとしての冷却部９２では、例えば、予熱器１１１から供給される２５０℃、１３０ｂａｒのボイラー水と、流路１４から流出した７００℃の高温空気との熱交換が行われることにより、ボイラー水から５６０℃、１３０ｂａｒの過熱蒸気が生成される。
以上のように、発熱装置１００は、上記第４実施形態の発熱装置９０と同様に高温の流体（高温空気）を生成する。高温の流体としての高温空気は、ボイラー（冷却部９２）内で過熱蒸気を生成するために利用することができる。上記のような発熱装置１００と流体利用装置としての蒸気タービン１０４とにより、熱利用システム１１９が構成される。発熱装置１００および熱利用システム１１９は、発熱体１３をエネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
［第６実施形態］
上記第５実施形態の発熱装置１００は１つの発熱モジュール５５を備えるものであるが、第６実施形態は複数の発熱モジュール５５を接続したものである。この例では３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを接続する場合について説明するが、発熱モジュール５５の数は特に限定されず、所望の出力が得られるように増減することができる。上記各実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
上記第５実施形態の発熱装置１００は１つの発熱モジュール５５を備えるものであるが、第６実施形態は複数の発熱モジュール５５を接続したものである。この例では３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを接続する場合について説明するが、発熱モジュール５５の数は特に限定されず、所望の出力が得られるように増減することができる。上記各実施形態と同じ部材を用いているものについては、同符号を付して説明を省略する。
図１４に示すように、発熱装置１２０は、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを備える。図１４には示していないが、発熱装置１２０は、制御部１６を備えており、制御部１６により各部の動作が制御される。中空部２６にはガス供給部２７とガス排出部２８とが接続している。発熱装置１２０は、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃが、分配用配管８１と集合用配管８２とにより並列に接続された構成を有するものであるが、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを直列に接続することもできる。
発熱装置１２０は、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを備え、各発熱モジュール５５ａ～５５ｃが分配用配管８１と集合用配管８２とにより接続されていること以外は、上記第５実施形態の発熱装置１００と同じ構成を有する。また、発熱装置１２０は、蒸気タービン１０４などが設けられた熱回収ライン１０１と接続している。したがって、発熱装置１２０により生成された高温空気は、ボイラー（冷却部９２）内で過熱蒸気を生成するために利用される。
以上のように、発熱装置１２０は、３つの発熱モジュール５５ａ～５５ｃを備えるので高出力化が図れる。また、発熱装置１２０は、各発熱モジュール５５ａ～５５ｃが着脱自在であり、発熱モジュール５５ａ～５５ｃの交換が容易であるので、メンテナンス性に優れる。
上記のような発熱装置１２０と流体利用装置としての蒸気タービン１０４とにより、熱利用システム１２９が構成される。発熱装置８０および熱利用システム１２９は、発熱体１３をエネルギー源として利用するので、安価、クリーン、安全にエネルギーを供給することができる。
図１５は、第６実施形態のボイラー（冷却部９２）における熱交換の状態を示すグラフである。図１５は、ボイラー内の圧力を１３０ｂａｒとし、ボイラー内において、高温空気と熱媒体としてのボイラー水とが向流間接接触したときの高温空気の温度降下とボイラー水の温度上昇を示している。図１５において、縦軸はボイラー水および空気の温度を示す。横軸は、ボイラー内の各部を示しており、「SH inlet」はボイラーの過熱器（ＳＨ）の入口の部分を示し、「SH out/EVA in」は過熱器の出口と蒸発器（ＥＶＡ）の入口との間の部分を示し、「EVA out/ECO in」は蒸発器の出口と節炭器（ＥＣＯ）の入口との間の部分を示し、「ECO out」は節炭器の出口の部分を示す。「boiler air」は高温空気である。「boiler steam」はボイラー水または水蒸気である。高温空気は、７００℃でボイラーの過熱器に供給され、ボイラー水との熱交換を経て、３００℃の空気として節炭器から排出される。ボイラー水は、２５０℃でボイラーの節炭器に供給され、節炭器において１３０ｂａｒにおける飽和温度である３３１℃まで加熱され、蒸発器において水蒸気となる。この水蒸気は、過熱器によりさらに加熱され、５６０℃の過熱蒸気としてボイラーから排出される。
図１６は、第６実施形態の発熱装置１２０と蒸気タービン１０４とを含むランキンサイクルのエントロピーと圧力との関係を示すグラフである。図１６において、横軸はエントロピーを示し、縦軸は圧力を示す。図１７は、第６実施形態の発熱装置１２０と蒸気タービン１０４とを含むランキンサイクルのエントロピーと温度との関係を示すグラフである。図１７において、横軸はエントロピーを示し、縦軸は温度を示す。図１８は、第６実施形態の発熱装置１２０と蒸気タービン１０４とを含むランキンサイクルのエントロピーとエンタルピーとの関係を示すグラフである。図１８において、横軸はエントロピーを示し、縦軸はエンタルピーを示す。図１６～図１８において、Ａは蒸気タービン１０４の入口における熱媒体の状態を示し、Ｂは蒸気タービン１０４の抽気部における熱媒体の状態を示し、Ｃは蒸気タービン１０４の抽気部を出た熱媒体の状態を示し、Ｄは蒸気タービン１０４の出口における熱媒体の状態を示し、Ｅは復水器１０５における熱媒体の状態を示し、Ｆはポンプ１０７における熱媒体の状態を示し、Ｇはバッファータンク１０８の出口における熱媒体の状態を示し、Ｈは脱気器１０９の出口における熱媒体の状態を示し、Ｉは予熱器１１１における熱媒体の状態を示し、Ｊはボイラー（冷却部９２）内で熱交換が開始された熱媒体の状態を示し、Ｋはボイラー内において飽和温度となった熱媒体の状態を示し、Ｌはボイラー内の過熱器における熱媒体の状態を示す。
本発明は、上記各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。
上記各実施形態の発熱体１３は、台座５７の表面に第１層５９と第２層６０とから構成される多層膜５８が設けられた構成を有するが、発熱体の構成はこれに限定されない。以下、発熱体の別の例について説明する。
例えば、図１９に示すように、発熱体１３３は、台座５７と多層膜１３４とを有する。多層膜１３４は、第１層５９と第２層６０に加え、第３層１３５をさらに有する。台座５７、第１層５９、および第２層６０については説明を省略する。第３層１３５は、第１層５９および第２層６０とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成される。第３層１３５の厚みは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。図１９では、第１層５９と第２層６０と第３層１３５は、台座５７の表面に、第１層５９、第２層６０、第１層５９、第３層１３５の順に積層されている。なお、第１層５９と第２層６０と第３層１３５は、台座５７の表面に、第１層５９、第３層１３５、第１層５９、第２層６０の順に積層されてもよい。すなわち、多層膜１３４は、第２層６０と第３層１３５の間に第１層５９を設けた積層構造を有する。多層膜１３４は、第３層１３５を１層以上有していればよい。第１層５９と第３層１３５との間に形成される異種物質界面１３６は、異種物質界面６１と同様に、水素原子を透過させる。
第３層１３５は、例えば、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6のうちいずれかにより形成される。第３層１３５を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第３層１３５を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
特に、第３層１３５は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaO、のいずれかにより形成されることが好ましい。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第３層１３５を有する発熱体１３３は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面６１および異種物質界面１３６を透過する水素の量が増加し、過剰熱の高出力化が図れる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第３層１３５は、厚みが１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、多層膜１３４は、水素原子を容易に透過させる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第３層１３５は、完全な膜状に形成されずに、アイランド状に形成されてもよい。また、第１層５９および第３層１３５は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。これにより、第１層５９および第３層１３５の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面１３６のみが形成される。
第１層５９と第２層６０と第３層１３５との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層５９－第３層１３５－第２層６０」として表すと、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-SiCであることが好ましい。
図２０に示すように、発熱体１４３は、台座５７と多層膜１４４とを有する。多層膜１４４は、第１層５９と第２層６０と第３層１３５に加え、第４層１４５をさらに有する。第４層１４５は、第１層５９、第２層６０および第３層１３５とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成される。第４層１４５の厚みは、１０００ｎｍ未満であることが好ましい。図２０では、第１層５９と第２層６０と第３層１３５と第４層１４５は、台座５７の表面に、第１層５９、第２層６０、第１層５９、第３層１３５、第１層５９、第４層１４５の順に積層されている。なお、第１層５９と第２層６０と第３層１３５と第４層１４５は、台座５７の表面に、第１層５９、第４層１４５、第１層５９、第３層１３５、第１層５９、第２層６０の順に積層してもよい。すなわち、多層膜１４４は、第２層６０、第３層１３５、第４層１４５を任意の順に積層し、かつ、第２層６０、第３層１３５、第４層１４５のそれぞれの間に第１層５９を設けた積層構造を有する。多層膜１４４は、第４層１４５を１層以上有していればよい。第１層５９と第４層１４５との間に形成される異種物質界面１４６は、異種物質界面６１および異種物質界面１３６と同様に、水素原子を透過させる。
第４層１４５は、例えば、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6のうちいずれかにより形成される。第４層１４５を形成する合金は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coのうち２種以上からなる合金であることが好ましい。第４層１４５を形成する合金として、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Coに添加元素を添加させた合金を用いてもよい。
特に、第４層１４５は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成されることが好ましい。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第４層１４５を有する発熱体１４３は、水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面６１、異種物質界面１３６、および異種物質界面１４６を透過する水素の量が増加し、過剰熱の高出力化が図れる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第４層１４５は、厚みが１０ｎｍ以下であることが好ましい。これにより、多層膜１４４は、水素原子を容易に透過させる。CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのいずれかにより形成される第４層１４５は、完全な膜状に形成されずに、アイランド状に形成されてもよい。また、第１層５９および第４層１４５は、真空状態で連続的に形成することが好ましい。これにより、第１層５９および第４層１４５の間には、自然酸化膜が形成されずに、異種物質界面１４６のみが形成される。
第１層５９と第２層６０と第３層１３５と第４層１４５との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層５９－第４層１４５－第３層１３５－第２層６０」として表すと、Ni-CaO-Cr-Fe、Ni-Y2O3-Cr-Fe、Ni-TiC-Cr-Fe、Ni-LaB6-Cr-Feであることが好ましい。
多層膜５８、多層膜１３４、多層膜１４４などの各種の多層膜の構成、例えば、各層の厚みの比率、各層の層数、材料は、使用される温度に応じて適宜変更してもよい。
上記各実施形態では、１つの筒体１２について、その外面の全域に１つの発熱体１３が設けられているが、図２１に示すように、１つの筒体１２について、その外面に複数の発熱体１３を互いに間隔をあけて設けてもよい。各発熱体１３同士の間に隙間を有するので、筒体１２が熱膨張する場合であっても、各発熱体１３の破損が防止される。また、１つの筒体１２の外面に複数の発熱体１３３（図１９参照）を互いに間隔をあけて設けてもよい。１つの筒体１２の外面に複数の発熱体１４３（図２０参照）を互いに間隔をあけて設けてもよい。
外部流体ライン４５は、上記各実施形態では複数の第１配管４７を有しているが、１つの第１配管４７で本体１７の外面の全域を覆うように構成したものでもよい。また、１つの第１配管４７を本体１７の外面に沿って螺旋状に巻き付けるように構成してもよい。
第１のリング管４８は、流体流入室１８と接続する貫通孔を有するものでもよい。第１のリング管４８と流体流入室１８とが貫通孔により直接接続されるので、第２配管５０を省略してもよい。
第２のリング管４９は、流体流出室１９と接続する貫通孔を有するものでもよい。第２のリング管４９と流体流出室１９とが貫通孔により直接接続されるので、第３配管５１を省略してもよい。
発熱体１３、発熱体１３３、および発熱体１４３のうちのいずれかの発熱体により加熱された流体を熱エネルギー源として利用し、ボイラーなどの燃焼装置から排出される排出ガスから二酸化炭素（ＣＯ２）を分離することができる。化学吸収法または物理吸着法を行う二酸化炭素分離回収装置に対し、発熱体により加熱された流体を供給することにより、排出ガスに含まれるＣＯ２を回収することができる。化学吸収法は、排出ガスに含まれるＣＯ２をアミン化合物水溶液などの吸収液に吸収させ、ＣＯ２を吸収した吸収液を加熱することで吸収液からＣＯ２を放出させる。物理吸着法は、排出ガスに含まれるＣＯ２を活性炭やゼオライトなどの吸着材に吸着させ、ＣＯ２が吸着した吸着材を加熱することで吸着材からＣＯ２を脱離させる。化学吸収法においてＣＯ２を吸収した吸収液を加熱する熱エネルギー源として、発熱体により加熱された流体を利用することができる。また、物理吸着法においてＣＯ２が吸着した吸着材を加熱する熱エネルギー源として、発熱体により加熱された流体を利用することができる。
発熱体により加熱された流体を熱エネルギー源として利用し、二酸化炭素分離回収装置などで分離して回収されたＣＯ２と水素（Ｈ２）と反応させることによってメタン（ＣＨ４）に変換することができる。ＣＯ２とＨ２との反応（メタネーション反応）を進行させる触媒を用いて、ＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスを触媒と接触させることにより原料ガスからＣＨ４が生成されるが、原料ガスの温度が低いと十分に反応が進行しない。そこで、ＣＯ２とＨ２とを含む原料ガスを加熱する熱エネルギー源として、発熱体により加熱された流体を熱エネルギー源として利用することにより、メタネーション反応を進行させることができる。
熱エネルギーを用いて水から水素を製造するＩＳサイクルや、熱エネルギーを用いて水と窒素（Ｎ２）とからアンモニア（ＮＨ３）を製造するＩＳＮサイクルにおいて、発熱体により加熱された流体を熱エネルギー源として利用することができる。ＩＳサイクルでは、水とヨウ素（Ｉ）と硫黄（Ｓ）とを反応させてヨウ化水素（ＨＩ）を生成し、このヨウ化水素を熱分解することによって水素を生成する。ヨウ化水素を熱分解するための熱エネルギー源として、発熱体により加熱された流体を利用することができる。ＩＳＮサイクルでは、窒素とＩＳサイクルで生成されるヨウ化水素とを反応させてヨウ化アンモニウム（ＮＨ４Ｉ）を生成し、このヨウ化アンモニウムを熱分解することによってアンモニアを生成する。ヨウ化アンモニウムを熱分解するための熱エネルギー源として、発熱体により加熱された流体を利用することができる。
図２２は、スパッタリング法を用いて発熱体１３を製造する発熱体製造装置１５０である。発熱体製造装置１５０は、この例ではスパッタリング法としてＤＣ（Direct Current）マグネトロンスパッタリング法を実施し、筒体１２の外面に発熱体１３を直接形成する。
発熱体製造装置１５０は、筒体１２を搬入するロード室１５１と、筒体１２の予備加熱を行う予備加熱室１５２と、筒体１２の表面をスパッタエッチングするスパッタエッチング室１５３と、筒体１２上に台座５７を形成する台座形成室１５４と、台座５７上に第１層５９を形成する第１層形成室１５５と、台座５７上に第２層６０を形成する第２層形成室１５６と、筒体１２を搬出するアンロード室１５７とを有する。発熱体製造装置１５０は、この例では複数の筒体１２をロード室１５１に搬入し、各々の筒体１２の外面に発熱体１３を直接形成するものであるが、１つの筒体１２をロード室１５１に搬入し、この筒体１２の外面に発熱体１３を直接形成するものでもよい。
発熱体製造装置１５０は、この例では、ロード室１５１と予備加熱室１５２との間に設けられた第１ゲートバルブ１６１と、予備加熱室１５２とスパッタエッチング室１５３との間に設けられた第２ゲートバルブ１６２と、スパッタエッチング室１５３と台座形成室１５４との間に設けられた第３ゲートバルブ１６３と、台座形成室１５４と第１層形成室１５５との間に設けられた第４ゲートバルブ１６４と、第１層形成室１５５と第２層形成室１５６との間に設けられた第５ゲートバルブ１６５と、第２層形成室１５６とアンロード室１５７との間に設けられた第６ゲートバルブ１６６とを有し、ロード室１５１、予備加熱室１５２、スパッタエッチング室１５３、台座形成室１５４、第１層形成室１５５、第２層形成室１５６、およびアンロード室１５７がそれぞれ分離されている。発熱体製造装置１５０は、図示していないが、筒体１２をロード室１５１からアンロード室１５７まで搬送する搬送機構と、筒体１２を当該筒体１２の中心軸線回りに回転する回転機構とをさらに有している。
第１ゲートバルブ１６１は、ロード室１５１と予備加熱室１５２との間の第１搬入出部１７１の開閉を行う。第２ゲートバルブ１６２は、予備加熱室１５２とスパッタエッチング室１５３との間の第２搬入出部１７２の開閉を行う。第３ゲートバルブ１６３は、スパッタエッチング室１５３と台座形成室１５４との間の第３搬入出部１７３の開閉を行う。第４ゲートバルブ１６４は、台座形成室１５４と第１層形成室１５５との間の第４搬入出部１７４の開閉を行う。第５ゲートバルブ１６５は、第１層形成室１５５と第２層形成室１５６との間の第５搬入出部１７５の開閉を行う。第６ゲートバルブ１６６は、第２層形成室１５６とアンロード室１５７との間の第６搬入出部１７６の開閉を行う。
発熱体製造装置１５０は、ロード室１５１を真空排気する第１真空発生部１８１と、予備加熱室１５２を真空排気する第２真空発生部１８２と、スパッタエッチング室１５３を真空排気する第３真空発生部１８３と、台座形成室１５４を真空排気する第４真空発生部１８４と、第１層形成室１５５を真空排気する第５真空発生部１８５と、第２層形成室１５６を真空排気する第６真空発生部１８６と、アンロード室１５７を真空排気する第７真空発生部１８７とを有する。第１～第７真空発生部１８１～１８７としては、例えばドライポンプやターボ分子ポンプなどが用いられる。
ロード室１５１は、筒体１２を搬入する搬入部１９１を有し、搬入部１９１から筒体１２が搬入された後、搬入部１９１と第１ゲートバルブ１６１を閉じた状態で第１真空発生部１８１により真空排気される。ロード室１５１の真空排気後に第１ゲートバルブ１６１を開き、第１搬入出部１７１を介して、ロード室１５１から予備加熱室１５２へ筒体１２を搬送する。
予備加熱室１５２は、第１ゲートバルブ１６１と第２ゲートバルブ１６２を閉じた状態で、第２真空発生部１８２により例えば１Ｅ－３Ｐａ程度まで真空排気される。予備加熱室１５２は、加熱部１９２を有し、筒体１２を回転しながら、加熱部１９２により筒体１２の加熱を行う。加熱部１９２は、筒体１２の表面温度が例えば２００～３５０℃となるように加熱することにより、筒体１２の表面に吸着した水分を除去する。加熱部１９２は、筒体１２を所望の温度まで加熱できる方式であれば特に制限されることはなく、例えば、ランプ加熱方式、赤外線加熱方式、誘導加熱方式などを用いることができる。加熱後に第２ゲートバルブ１６２を開き、第２搬入出部１７２を介して、予備加熱室１５２からスパッタエッチング室１５３へ筒体１２を搬送する。
スパッタエッチング室１５３は、第２ゲートバルブ１６２と第３ゲートバルブ１６３を閉じた状態で、第３真空発生部１８３により真空排気される。スパッタエッチング室１５３は、スパッタエッチング電極１９３を有し、筒体１２を回転しながら、スパッタエッチング電極１９３により筒体１２のスパッタエッチングを行う。スパッタエッチング電極１９３は、例えば、Ａｒガスの流量を調整してＡｒの圧力を０．１～１Ｐａ程度とし、１３．５６ＭＨｚの高周波（ＲＦ；Radio Frequency）を印加することにより、筒体１２の表面の有機物や金属酸化物などを除去する。スパッタエッチング後に第３ゲートバルブ１６３を開き、第３搬入出部１７３を介して、スパッタエッチング室１５３から台座形成室１５４へ筒体１２を搬送する。
台座形成室１５４は、第３ゲートバルブ１６３と第４ゲートバルブ１６４を閉じた状態で、第４真空発生部１８４により真空排気される。台座形成室１５４は、台座形成スパッタ電極１９４を有し、筒体１２を回転しながら、台座形成スパッタ電極１９４により筒体１２上に台座５７を形成する。台座形成スパッタ電極１９４は、台座５７を形成する水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体のターゲット材（図示なし）を有する。ターゲット材の正面は、筒体１２と対向している。この例ではターゲット材の背面にマグネット（図示なし）が配置されている。台座形成スパッタ電極１９４は、例えば、Ａｒガスの流量を調整してＡｒの圧力を０．１～１Ｐａ程度とし、直流電力を０．１～５００ｋＷ／ｍ２程度印加することにより、筒体１２上に台座５７を形成する。台座５７の厚みは、直流電力の大きさと筒体１２の回転数を調整することにより制御できる。台座５７の形成後に第４ゲートバルブ１６４を開き、第４搬入出部１７４を介して、台座形成室１５４から第１層形成室１５５へ筒体１２を搬送する。
第１層形成室１５５は、第４ゲートバルブ１６４と第５ゲートバルブ１６５を閉じた状態で、第５真空発生部１８５により例えば１Ｅ－５Ｐａ程度まで真空排気される。第１層形成室１５５は、第１層成膜スパッタ電極１９５を有し、筒体１２を回転しながら、第１層成膜スパッタ電極１９５により台座５７上に第１層５９を形成する。第１層成膜スパッタ電極１９５は、第１層５９を形成する水素吸蔵金属または水素吸蔵合金のターゲット材（図示なし）を有する。ターゲット材の正面は、台座５７と対向している。この例ではターゲット材の背面にマグネット（図示なし）が配置されている。第１層成膜スパッタ電極１９５は、例えば、Ａｒガスの流量を調整してＡｒの圧力を０．１～１Ｐａ程度とし、直流電力を０．１～５００ｋＷ／ｍ２程度印加することにより、台座５７上に第１層５９を形成する。第１層５９の厚みは、直流電力の大きさと筒体１２の回転数を調整することにより制御できる。第１層５９の形成後に第５ゲートバルブ１６５を開き、第５搬入出部１７５を介して、第１層形成室１５５から第２層形成室１５６へ筒体１２を搬送する。
第２層形成室１５６は、第５ゲートバルブ１６５と第６ゲートバルブ１６６を閉じた状態で、第６真空発生部１８６により例えば１Ｅ－５Ｐａ程度まで真空排気される。第２層形成室１５６は、第２層成膜スパッタ電極１９６を有し、筒体１２を回転しながら、第２層成膜スパッタ電極１９６により台座５７上に第２層６０を形成する。第２層成膜スパッタ電極１９６は、第２層６０を形成する水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスのターゲット材（図示なし）を有する。ターゲット材の正面は、台座５７と対向している。この例ではターゲット材の背面にマグネット（図示なし）が配置されている。第２層成膜スパッタ電極１９６は、例えば、Ａｒガスの流量を調整してＡｒの圧力を０．１～１Ｐａ程度とし、直流電力を０．１～５００ｋＷ／ｍ２程度印加することにより、台座５７上に第２層６０を形成する。なお、第２層６０を形成するためのターゲット材としてセラミックスを用いる場合、第２層成膜スパッタ電極１９６はＲＦを印加するように構成する。第２層形成室１５６では、台座５７の表面に第１層５９と第２層６０とから構成される多層膜５８（図５参照）が形成される。このようにして筒体１２の外面に発熱体１３が直接形成される。第２層６０の厚みは、直流電力の大きさと筒体１２の回転数を調整することにより制御できる。第２層６０の形成後に第６ゲートバルブ１６６を開き、第６搬入出部１７６を介して、第２層形成室１５６からアンロード室１５７へ筒体１２を搬送する。
アンロード室１５７は、筒体１２を搬出する搬出部１９７を有し、搬出部１９７と第６ゲートバルブ１６６を閉じた状態で第６真空発生部１８６を大気開放とする。大気圧状態のアンロード室１５７から、搬出部１９７を介して、発熱体１３が形成された筒体１２を取り出すことができる。
以上のように、発熱体製造装置１５０は、ロード室１５１、予備加熱室１５２、スパッタエッチング室１５３、台座形成室１５４、第１層形成室１５５、第２層形成室１５６、およびアンロード室１５７の各処理室が、第１～第６ゲートバルブ１６１～１６６により分離されているので、台座５７、第１層５９、および第２層６０を真空状態で連続的に形成することができる。したがって、発熱体製造装置１５０は、第１層５９および第２層６０の間に自然酸化膜が形成されずに異種物質界面６１のみが形成された発熱体１３を、筒体１２の外面に直接形成することができる。
発熱体製造装置１５０は、図２２では各処理室をそれぞれ真空排気する第１～第７真空発生部１８１～１８７が設けられているが、真空発生部をいくつかの処理室で共用してもよい。真空発生部をいくつかの処理室で共用する場合、各処理室の圧力は、例えばオリフィスバルブを用いてＡｒガスの流量を調整することにより、制御できる。
筒体１２の回転数は、エッチングもしくは成膜する膜厚、エッチングレートもしくは成膜レートに基づき設定する。エッチングもしくは成膜する膜厚をＸ（ｎｍ）、エッチングレートもしくは成膜レートをＹ（ｎｍ／ｍｉｎ）とした場合、筒体１２の回転数Ｚ（ｒｐｍ）は、Ｚ＞１０×（Ｙ／Ｘ）を満たすことが望ましい。発熱体１３の膜厚均一性（厚みのばらつき）を１０％以下に抑えられるからである。例えば、Ｘ＝１０（ｎｍ）、Ｙ＝５０（ｎｍ／ｍｉｎ）の場合は、Ｚ＞５０（ｒｐｍ）となる。
図２３は、発熱体１３が形成された筒体１２同士を接続した発熱ユニット２００である。筒体１２同士は、例えば溶接により接続される。発熱ユニット２００は、発熱体１３が形成された筒体１２の数を変更することにより、出力を変更できる。発熱ユニット２００は、各発熱体１３同士の間に隙間を有するので、筒体１２が熱膨張する場合であっても、各発熱体１３の破損が防止される。
発熱体製造装置１５０は、長さが例えば５０ｃｍ～２ｍ程度の短尺の筒体１２を複数搬入するように構成することで、装置全体を小さくすることができる。発熱ユニット２００は、発熱体１３が形成された短尺の筒体１２同士を接続することにより構成してもよい。
発熱体製造装置１５０は、台座５７上に多層膜５８が形成された構成を有する発熱体１３を製造するものに限られない。発熱体製造装置としては、台座５７上に多層膜１３４が形成された構成を有する発熱体１３３、または台座５７上に多層膜１４４が形成された構成を有する発熱体１４３を製造するものでもよい。
発熱体１３３を製造する発熱体製造装置は、第１層形成室１５５と第２層形成室１５６に加え、台座５７上に第３層１３５を形成する第３層成膜スパッタ電極を有する第３層形成室をさらに備える。第３層成膜スパッタ電極は、第３層１３５を形成する水素吸蔵金属または水素吸蔵合金のターゲット材を有する。第３層成膜スパッタ電極は、第１層成膜スパッタ電極または第２層成膜スパッタ電極と同様に、直流電力の大きさと筒体１２の回転数を調整することにより第３層１３５の厚みを制御できる。
発熱体１４３を製造する発熱体製造装置は、第１層形成室１５５、第２層形成室１５６、および第３層形成室に加え、台座５７上に第４層１４５を形成する第４層成膜スパッタ電極を有する第４層形成室さらに備える。第４層成膜スパッタ電極は、第４層１４５を形成する水素吸蔵金属または水素吸蔵合金のターゲット材を有する。第４層成膜スパッタ電極は、第１層成膜スパッタ電極または第２層成膜スパッタ電極と同様に、直流電力の大きさと筒体１２の回転数を調整することにより第４層１４５の厚みを制御できる。
発熱体１３，１３３，１４３を構成する台座５７の厚みは、特に限定されず、適宜変更可能である。台座５７を薄くしてフィルム状とし、このフィルム状の台座５７に多層膜５８，１３４，１４４を設けることにより、フィルム状の発熱体（以下、フィルム状発熱体と称する）を形成することができる。以下、フィルム状発熱体について詳細に説明する。
図２４に示すように、フィルム状発熱体２１３は、筒体１２の外面に巻き付けられている。フィルム状発熱体２１３は、図２４では筒体１２の外面に隙間なく螺旋状に巻き付けられているが、筒体１２の外面に隙間をあけて螺旋状に巻き付けてもよい。また、フィルム状発熱体２１３は、筒体１２の中心軸線Ｃ方向に隣り合うフィルム状発熱体２１３同士の少なくとも一部が筒体１２の径方向に重なるように、筒体１２の外面に螺旋状に巻き付けてもよい。
フィルム状発熱体２１３は、発熱体１３（図５参照）と同じ構造を有している。すなわち、フィルム状発熱体２１３は、台座５７と多層膜５８とを有する。フィルム状発熱体２１３を構成する台座５７と多層膜５８はフィルム状である。
台座５７の厚みは、１μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内が好ましく、１００μｍ以上６００μｍ以下の範囲内がより好ましい。多層膜５８の厚みは、０．０２μｍ以上１０μｍ以下の範囲内が好ましく、２μｍ以上６μｍ以下の範囲内がより好ましい。フィルム状発熱体２１３の厚みは、１．０２μｍ以上５０１０μｍ以下の範囲内が好ましく、１０２μｍ以上６０６μｍ以下の範囲内がより好ましい。台座５７の厚み、多層膜５８の厚み、およびフィルム状発熱体２１３の厚みは、上記の数値に限定されず、フィルム状発熱体２１３を用いる発熱装置として所望の出力が得られるように適宜設計することができる。
フィルム状発熱体２１３は、この例では発熱体１３と同じ構造であるが、発熱体１３３（図１９参照）と同じ構造を有するもの、すなわち台座５７と多層膜１３４とを有するものでもよい。また、フィルム状発熱体２１３は、発熱体１４３（図２０参照）と同じ構造を有するもの、すなわち台座５７と多層膜１４４とを有するものでもよい。フィルム状発熱体２１３を構成する多層膜１３４または多層膜１４４はフィルム状である。
フィルム状発熱体２１３と筒体１２とは、例えばスポット溶接を行うことにより接合されている。例えば、フィルム状発熱体２１３を筒体１２の外面に巻き付けながら、筒体１２の中心軸線Ｃ方向に等間隔にスポット溶接することにより、フィルム状発熱体２１３と筒体１２とが接合される。スポット溶接される部分は高温となるが、スポット溶接される部分の直径が１ｍｍ程度であり、かつ高温状態の時間が数秒であるので、フィルム状発熱体２１３の特性はほぼ劣化しない。なお、フィルム状発熱体２１３と筒体１２とを接合する箇所は特に限定されない。
以上のように、フィルム状発熱体２１３は、台座５７および多層膜５８を有しているので、発熱体１３と同様の作用効果を有する。すなわち、フィルム状発熱体２１３は、水素を使用して発熱するので、二酸化炭素などの温室効果ガスを発生しない。また、フィルム状発熱体２１３を発熱させるために使用する水素は、水から生成できるため安価である。さらに、フィルム状発熱体２１３の発熱は、核分裂反応とは異なり、連鎖反応が無いので安全とされている。したがって、フィルム状発熱体２１３は、安価、クリーン、安全なエネルギー源として利用できる。さらに、フィルム状発熱体２１３は、台座５７および多層膜５８がフィルム状であることにより、柔軟性を有しつつ、曲面に対する追従性に優れる。
図２５は、スパッタリング法を用いてフィルム状発熱体２１３を製造するフィルム状発熱体製造装置２１５である。フィルム状発熱体製造装置２１５は、この例ではスパッタリング法としてＤＣマグネトロンスパッタリング法を実施する。フィルム状発熱体製造装置２１５は、ローラツーローラ方式により長尺のフィルム状である台座５７を連続的に搬送しながら、台座５７の表面に多層膜５８を形成する。
フィルム状発熱体製造装置２１５は、長尺フィルム状の台座５７を巻き出す巻出室２１７と、台座５７に多層膜５８を形成する成膜室２１８と、多層膜５８が形成された台座５７を巻き取る巻取室２１９とを有する。
フィルム状発熱体製造装置２１５は、この例では、単一の真空チャンバ２２０で構成されており、巻出室２１７と成膜室２１８とを仕切る第１の仕切り板２２１と、成膜室２１８と巻取室２１９とを仕切る第２の仕切り板２２２と、巻出室２１７と巻取室２１９とを仕切る第３の仕切り板２２３とを有する。
真空チャンバ２２０は、巻出室２１７を真空排気する第１真空発生部２２４と、成膜室２１８を真空排気する第２真空発生部２２５とを有する。第１真空発生部２２４は、巻出室２１７の圧力を例えば１Ｅ－４Ｐａ程度まで減圧する。第２真空発生部２２５は、成膜室２１８の圧力を巻出室２１７よりも低圧の例えば１Ｅ－５Ｐａ程度まで減圧する。第１真空発生部２２４と第２真空発生部２２５としては、例えばドライポンプやターボ分子ポンプなどが用いられる。真空チャンバ２２０の内部には、減圧後にスパッタリングガスが導入される。スパッタリングガスは、この例ではアルゴン（Ａｒ）ガスであるが、公知のガスを用いてもよい。Ａｒガスの流量を調整することにより、真空チャンバ２２０の内部のＡｒの圧力が調整可能である。真空チャンバ２２０の形状や材質は、減圧状態に耐え得るものであれば特に限定されない。
巻出室２１７は、長尺フィルム状の台座５７が巻回された巻出ローラ２２６と、巻出ローラ２２６から巻き出された台座５７を搬送する第１搬送ローラ部２２７と、第１搬送ローラ部２２７により搬送される台座５７を加熱する加熱部２２８とを有する。巻出ローラ２２６は、図示しないモータを有し、モータの駆動により回転する。第１搬送ローラ部２２７は、例えば、フリーローラと張力測定ローラとで構成されている。
加熱部２２８は、台座５７の表面温度が例えば２００～３５０℃となるように加熱することにより、台座５７の表面に吸着した水分を除去する。加熱部２２８は、台座５７を所望の温度まで加熱できる方式であれば特に制限されることはなく、例えば、ランプ加熱方式、赤外線加熱方式、誘導加熱方式などを用いることができる。
成膜室２１８は、巻出室２１７から搬出された台座５７を搬送する成膜ローラ２２９と、台座５７の表面をスパッタエッチングするスパッタエッチング電極２３０と、台座５７上に第１層５９を形成する第１層成膜スパッタ電極２３１Ａ，２３１Ｂと、台座５７上に第２層６０を形成する第２層成膜スパッタ電極２３２Ａ，２３２Ｂとを有する。
成膜ローラ２２９は、図示しないモータを有し、モータの駆動により回転する。成膜ローラ２２９の内部には、真空チャンバ２２０の外部で温度が調整された冷媒が循環している。このため、成膜室２１８では、台座５７が一定の温度（例えば５０～３００℃の範囲内の温度）に制御されている。成膜ローラ２２９と巻出ローラ２２６との周速度差に基づく張力は、第１搬送ローラ部２２７の張力測定ローラで測定される。張力測定ローラで測定された測定データが巻出ローラ２２６にフィードバックされ、巻出ローラ２２６の周速度が制御されている。
スパッタエッチング電極２３０、第１層成膜スパッタ電極２３１Ａ，２３１Ｂ、および第２層成膜スパッタ電極２３２Ａ，２３２Ｂは、成膜ローラ２２９により搬送される台座５７の表面と対向する位置に配置されている。スパッタエッチング電極２３０、第１層成膜スパッタ電極２３１Ａ，２３１Ｂ、および第２層成膜スパッタ電極２３２Ａ，２３２Ｂは、台座５７の表面と対向する正面側に、シールド板を有している。
スパッタエッチング電極２３０は、例えば、Ａｒガスの流量を調整してＡｒの圧力を０．１～１Ｐａ程度とし、１３．５６ＭＨｚのＲＦを印加することにより、台座５７の表面の有機物や金属酸化物などを除去する。
第１層成膜スパッタ電極２３１Ａと第１層成膜スパッタ電極２３１Ｂとは、互いに同じ構成を有している。第１層成膜スパッタ電極２３１Ａ，２３１Ｂは、第１層５９を形成する水素吸蔵金属または水素吸蔵合金のターゲット材（図示なし）を有する。ターゲット材の正面は、台座５７と対向している。この例ではターゲット材の背面にマグネット（図示なし）が配置されている。第１層成膜スパッタ電極Ａ，２３１Ｂは、例えば、Ａｒガスの流量を調整してＡｒの圧力を０．１～１Ｐａ程度とし、直流電力を０．１～５００ｋＷ／ｍ２程度印加することにより、台座５７上に第１層５９を形成する。第１層５９の厚みは、直流電力の大きさと台座５７の搬送速度を調整することにより制御できる。
第２層成膜スパッタ電極２３２Ａと第２層成膜スパッタ電極２３２Ｂとは、互いに同じ構成を有している。第２層成膜スパッタ電極２３２Ａ，２３２Ｂは、第２層６０を形成する水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスのターゲット材（図示なし）を有する。ターゲット材の正面は、台座５７と対向している。この例ではターゲット材の背面にマグネット（図示なし）が配置されている。第２層成膜スパッタ電極２３２Ａ，２３２Ｂは、例えば、Ａｒガスの流量を調整してＡｒの圧力を０．１～１Ｐａ程度とし、直流電力を０．１～５００ｋＷ／ｍ２程度印加することにより、台座５７上に第２層６０を形成する。なお、第２層６０を形成するためのターゲット材としてセラミックスを用いる場合、第２層成膜スパッタ電極２３２Ａおよび第２層成膜スパッタ電極２３２ＢはＲＦを印加するように構成する。第２層６０の厚みは、直流電力の大きさと台座５７の搬送速度を調整することにより制御できる。
図２５において、台座５７の走行方向を白抜き矢印で示している。図２５では、台座５７の走行方向の上流側から下流側へ向かって、第１層成膜スパッタ電極２３１Ａ、第２層成膜スパッタ電極２３２Ａ、第１層成膜スパッタ電極２３１Ｂ、第２層成膜スパッタ電極２３２Ｂの順に配されている。したがって、第１層成膜スパッタ電極２３１Ａは、台座５７の表面に第１層５９を形成する。第２層成膜スパッタ電極２３２Ａは、第１層成膜スパッタ電極２３１Ａにより形成された第１層５９の表面に第２層６０を形成する。第１層成膜スパッタ電極２３１Ｂは、第２層成膜スパッタ電極２３２Ａにより形成された第２層６０の表面に第１層５９を形成する。第２層成膜スパッタ電極２３２Ｂは、第１層成膜スパッタ電極２３１Ｂにより形成された第１層５９の表面に第２層６０を形成する。このようにして、成膜室２１８では、台座５７の表面に、第１層５９と第２層６０とから構成される多層膜５８が形成される。以下の説明において、第１層成膜スパッタ電極２３１Ａと第１層成膜スパッタ電極２３１Ｂとを区別しない場合は第１層成膜スパッタ電極２３１と記載し、第２層成膜スパッタ電極２３２Ａと第２層成膜スパッタ電極２３２Ｂとを区別しない場合は、第２層成膜スパッタ電極２３２と記載する。第１層成膜スパッタ電極２３１と第２層成膜スパッタ電極２３２とが１つ以上であれば、第１層５９と第２層６０とをそれぞれ１層以上有し、異種物質界面６１が１つ以上形成されている多層膜５８が得られる。第１層５９の層数、第２層６０の層数、および異種物質界面６１の数は、第１層成膜スパッタ電極２３１の数と第２層成膜スパッタ電極２３２の数を変更することにより、変更できる。
巻取室２１９は、成膜室２１８から搬出された台座５７を搬送する第２搬送ローラ部２３３と、第２搬送ローラ部２３３により搬送される台座５７を巻き取る巻取ローラ２３４とを有する。巻取ローラ２３４を巻き取られたフィルム状物がフィルム状発熱体２１３である。第２搬送ローラ部２３３は、例えば、フリーローラと張力測定ローラとで構成されている。巻取ローラ２３４は、図示しないモータを有し、モータの駆動により回転する。巻取ローラ２３４と成膜ローラ２２９との周速度差に基づく張力は、第２搬送ローラ部２３３の張力測定ローラで測定される。張力測定ローラで測定され測定データが巻取ローラ２３４にフィードバックされ、巻取ローラ２３４の周速度が制御されている。フィルム状発熱体２１３は、真空チャンバ２２０の内部を大気圧に戻し、巻取室２１９から巻取ローラ２３４を取り出すことにより得られる。
以上のように、フィルム状発熱体製造装置２１５は、長尺フィルム状の台座５７の走行方向の上流側から下流側へ向かって第１層成膜スパッタ電極２３１と第２層成膜スパッタ電極２３２とが交互に配列されていることにより、台座５７上に第１層５９および第２層６０を真空状態で連続的に形成することができる。したがって、フィルム状発熱体製造装置２１５は、第１層５９および第２層６０の間に自然酸化膜が形成されずに異種物質界面６１のみが形成された長尺のフィルム状発熱体２１３を製造することができる。長尺のフィルム状発熱体２１３は、柔軟性を有しつつ、凹凸形状などの曲面に対する追従性に優れている。また、長尺のフィルム状発熱体２１３は、所望の長さに切断して使用することができるので、より様々な用途に適用可能である。
長尺のフィルム状発熱体２１３を所定の長さに切断することにより複数の短尺のフィルム状発熱体２１３を準備し、１つの筒体１２の外面に複数の短尺のフィルム状発熱体２１３を互いに間隔をあけて設けてもよい。
フィルム状発熱体製造装置２１５は、加熱部２２８による加熱、スパッタエッチング電極２３０によるスパッタエッチング、および第１層成膜スパッタ電極２３１と第２層成膜スパッタ電極２３２による成膜を連続的に行う連続処理と、加熱部２２８による加熱、スパッタエッチング電極２３０によるスパッタエッチング、および第１層成膜スパッタ電極２３１と第２層成膜スパッタ電極２３２による成膜を区切って行うステップ処理とが実施可能である。連続処理の場合は、１つの長尺フィルム状の台座５７に対する成膜が終了するまで、加熱、スパッタエッチング、および成膜を続ける。ステップ処理の場合は、例えば、電源のＯＮ／ＯＦＦまたは入力電力の調整などを行うことにより、加熱、スパッタエッチング、および成膜を行う時間をそれぞれ独立に設定可能とする。また、ターゲット材を遮蔽するシャッターの開閉を行うことにより成膜を行う時間を設定してもよい。
フィルム状発熱体製造装置２１５は、台座５７上に多層膜５８が形成された構成を有するフィルム状発熱体２１３を製造するものに限られない。フィルム状発熱体製造装置としては、台座５７上に多層膜１３４または多層膜１４４が形成された構成を有するフィルム状発熱体を製造するものでもよい。
台座５７上に多層膜１３４が形成された構成を有するフィルム状発熱体を製造するフィルム状発熱体製造装置は、第１層成膜スパッタ電極２３１と第２層成膜スパッタ電極２３２に加え、台座５７上に第３層１３５を形成する第３層成膜スパッタ電極をさらに備える。第３層成膜スパッタ電極は、第３層１３５を形成する水素吸蔵金属または水素吸蔵合金のターゲット材を有する。第３層成膜スパッタ電極は、第１層成膜スパッタ電極２３１または第２層成膜スパッタ電極２３２と同様に、直流電力の大きさと台座５７の搬送速度を調整することにより第３層１３５の厚みを制御できる。
台座５７上に多層膜１４４が形成された構成を有するフィルム状発熱体を製造するフィルム状発熱体製造装置は、第１層成膜スパッタ電極２３１、第２層成膜スパッタ電極２３２、および第３層成膜スパッタ電極に加え、台座５７上に第４層１４５を形成する第４層成膜スパッタ電極をさらに備える。第４層成膜スパッタ電極は、第４層１４５を形成する水素吸蔵金属または水素吸蔵合金のターゲット材を有する。第４層成膜スパッタ電極は、第１層成膜スパッタ電極２３１または第２層成膜スパッタ電極２３２と同様に、直流電力の大きさと台座５７の搬送速度を調整することにより第４層１４５の厚みを制御できる。
図２６に示すフィルム状発熱体２４３は、台座５７と多層膜５８に加え、多層膜５８の表面に設けられ、多層膜５８の表面を保護するパッシベーション膜２４４をさらに有するものである。パッシベーション膜２４４は、水素を透過する材料、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮなどで構成される。パッシベーション膜２４４は、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により形成することができる。フィルム状発熱体２４３は、パッシベーション膜２４４を有することにより、多層膜５８の損傷が抑制される。パッシベーション膜２４４は、多層膜１３４または多層膜１４４の表面に設けてもよい。
１０，７０，８０，９０，１００，１２０ 発熱装置
１１ 密閉容器
１２ 筒体
１３，１３３，１４３ 発熱体
１４ 流路
１５ 流体循環部
１６ 制御部
２６ 中空部
３０ 循環ライン
３２，９２ 冷却部
３３ 加熱部
４５ 外部流体ライン
５５，５５ａ～５５ｃ 発熱モジュール
５７ 台座
５８，１３４，１４４ 多層膜
５９ 第１層
６０ 第２層
６１，１３６，１４６ 異種物質界面
７１，１０４ 蒸気タービン（流体利用装置）
７９，８９，１１９，１２９ 熱利用システム
１０１ 熱回収ライン
１３５ 第３層
１４５ 第４層
１５０ 発熱体製造装置
２１３，２４３ フィルム状発熱体
２１５ フィルム状発熱体製造装置
１１ 密閉容器
１２ 筒体
１３，１３３，１４３ 発熱体
１４ 流路
１５ 流体循環部
１６ 制御部
２６ 中空部
３０ 循環ライン
３２，９２ 冷却部
３３ 加熱部
４５ 外部流体ライン
５５，５５ａ～５５ｃ 発熱モジュール
５７ 台座
５８，１３４，１４４ 多層膜
５９ 第１層
６０ 第２層
６１，１３６，１４６ 異種物質界面
７１，１０４ 蒸気タービン（流体利用装置）
７９，８９，１１９，１２９ 熱利用システム
１０１ 熱回収ライン
１３５ 第３層
１４５ 第４層
１５０ 発熱体製造装置
２１３，２４３ フィルム状発熱体
２１５ フィルム状発熱体製造装置
Claims (12)
- 中空の密閉容器と、
前記密閉容器の内面により形成される中空部に設けられた筒体と、
前記筒体の外面に設けられ、前記中空部に供給される水素系ガスに含まれる水素の吸蔵と放出とにより熱を発生する発熱体と、
前記筒体の内面により形成され、前記発熱体との間で熱交換を行う流体が流通する流路と
を備え、
前記発熱体は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成された台座と、前記台座に設けられた多層膜とを有し、
前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有する発熱装置。 - 前記流路と接続して前記筒体の内部と外部との間で前記流体を循環させる循環ラインを有する流体循環部と、
前記循環ラインに設けられ、前記流体を冷却する冷却部と、
前記循環ラインに設けられ、前記流体を加熱する加熱部と、
前記冷却部を駆動し、冷却された前記流体により前記発熱体の温度を低下させる降温制御と、前記加熱部を駆動し、加熱された前記流体により前記発熱体の温度を上昇させる昇温制御とを行う制御部とをさらに備える請求項１に記載の発熱装置。 - 前記流体循環部は、前記密閉容器の外面に設けられ、前記循環ラインと接続して前記流体の一部が流通する外部流体ラインをさらに有する請求項２に記載の発熱装置。
- 前記第１層は、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金のうちいずれかにより形成され、
前記第２層は、Ni、Pd、Cu、Mn、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiCのうちいずれかにより形成される請求項１～３のいずれか１項に記載の発熱装置。 - 前記多層膜は、前記第１層および前記第２層に加え、前記第１層および前記第２層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第３層を有する請求項４に記載の発熱装置。
- 前記第３層は、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのうちいずれかにより形成される請求項５に記載の発熱装置。
- 前記多層膜は、前記第１層、前記第２層および前記第３層に加え、前記第１層、前記第２層および前記第３層とは異なる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第４層を有する請求項６に記載の発熱装置。
- 前記第４層は、Ni、Pd、Cu、Cr、Fe、Mg、Co、これらの合金、SiC、CaO、Y2O3、TiC、LaB6、SrO、BaOのうちいずれかにより形成される請求項７に記載の発熱装置。
- 前記台座および前記多層膜はフィルム状であり、
前記発熱体は、前記筒体の外面に巻き付けられている請求項１～８のいずれか１項に記載の発熱装置。 - 請求項１～９のいずれか１項に記載の発熱装置と、
前記発熱体により加熱された前記流体を利用する流体利用装置とを備える熱利用システム。 - 水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはプロトン導電体により形成されたフィルム状の台座と、
前記台座に設けられたフィルム状の多層膜とを有し、
前記多層膜は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金により形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第１層と、前記第１層とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスにより形成され、厚みが１０００ｎｍ未満である第２層とを有するフィルム状発熱体。 - 前記台座の厚みは、１μｍ以上５０００μｍ以下の範囲内であり、
前記多層膜の厚みは、０．０２μｍ以上１０μｍ以下の範囲内である請求項１１に記載のフィルム状発熱体。
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-
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