JPH0220911B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は金属水素化物を用いるヒートポンプ装
置に関する。

（従来技術） ある種の金属や合金が発熱的に水素を吸蔵して
金属水素化物を形成し、また、この金属水素化物
が可逆的に吸熱的に水素を放出することが知られ
ており、近年、このような金属水素化物の特性を
利用したヒートポンプ装置が種々提案されてい
る。

このようなヒートポンプ装置の多くは、原理的
には、例えば特公昭55−35616号公報に記載され
ているように、水素平衡分解圧の異なる金属水素
化物をそれぞれ反応容器をなす一対の熱交換器に
充填すると共に、これら反応容器を水素流通管で
接続して作動対を構成し、各反応容器内の金属水
素化物を一定時間にわたつて所定の温度の熱媒に
て加熱又は冷却することにより、作動対の一方の
反応容器内の金属水素化物から吸熱的に水素を放
出させ、この水素を水素流通管を経て他方の反応
容器に導き、この反応容器内の金属水素化物に発
熱的に吸蔵させる反応を交互に行ない、このよう
にして、金属水素化物の水素の吸蔵又は放出に伴
う発熱又は吸熱反応を利用して、所定の温度の温
熱又は冷熱を出力として取り出している。

第１図は上記のようなヒートポンプ装置の作動
を示すサイクル線図の一例であつて、第１番目の
金属水素化物MH１（以下、同様にわす。）を所
定の温度の熱媒にて高温THに加熱すると共に
（点Ａ）、MH２を所定の温度の熱媒にて中温TM
に保持して（点Ｂ）、MH１とMH２の水素平衡
分解圧に差圧を生ぜしめ、MH１から吸熱的に水
素を放出させ、この水素をMH２に発熱的に吸蔵
させ、次いで、MH１を中温TMに保持すると共
に（点Ｆ）、MH２を所定の温度TLとして（点
Ｅ）、MH２とMH１との間に水素平衡分解圧の
差圧を生ぜしめ、MH２から水素を放出させ、こ
の水素をMH１に吸蔵させ、ここにMH２の吸熱
反応を利用して温度TLの冷熱出力を得るもので
ある。この後、MH１を再び高温THに加熱し、
MH２を中温TMに保持すれば、サイクルが完了
する。

尚、各反応容器内の金属水素化物を上記のよう
に交互に加熱冷却する代わりに、反応容器内に水
素を加圧供給して水素を吸蔵させ、次いで、反応
容器内を減圧して水素を放出させ、このような水
素の吸蔵放出を各反応容器に交互に行なわせて、
温熱又は冷熱出力を得ることも、例えば、特開昭
51−82942号公報に記載されているように、既に
よく知られている。

このような従来のヒートポンプ装置において
は、金属水素化物の水素の吸蔵放出に伴う反応容
器間の水素移動は、例えば、上記した特開昭51−
82942号公報に記載されているように、通常、電
磁弁により規制される。

従つて、従来の典型的な２ボンベ型のヒートポ
ンプ装置は、第２図に示すように、MH１を充填
した第１の反応容器１１とMH２を充填した第２
の反応容器１２を第１の水素流通管１３及び第２
の水素流通管１４にて接続し、各水素流通管には
開閉制御可能な制御弁１５及び１６を取り付ける
と共に、第１の水素流通管１３にはMH１から
MH２への水素移動のみを、また、第２の水素流
通管１４にはMH２からMH１への水素移動のみ
を許す逆止弁１７及び１８を取り付けて構成さ
れ、反応のサイクルに応じて上記制御弁を開閉し
て容器間での水素移動を制御している。

上記した制御弁としては、従来より小型、簡単
であり、また、安価であることから電磁弁が広く
用いられているが、しかし、よく知られているよ
うに、通常の電磁弁は、一般に管路における一方
への流体の流れを開閉制御する機能を有するにす
ぎず、従つて、逆方向への流れを遮断するには逆
止弁を付設することが必要である。従つて、上記
したような簡単な所謂２ボンベ型のヒートポンプ
装置においても、各反応容器内の金属水素化物の
反応に応じて、容器間の水素移動を規制するに
は、各水素流通管に電磁弁と逆止弁とを各１個ず
つ必要とするから、実用的な３ボンベ型又はそれ
以上の多ボンベ型ヒートポンプ装置においては、
各反応容器間の水素移動を規制するために必要な
電磁弁及び逆止弁の数が極めて多くなり、装置構
成が複雑化し、また、装置の信頼性が著しく乏し
くなるうえに、弁からの水素洩れの危険性が増
す。他方、高級な制御弁、例えば電動弁を用いれ
ば、故障や水素洩れの危険性はある程度は解消さ
れても、制御系が複雑化する共に、装置が高価と
なる。

（発明の目的） 本発明は従来のヒートポンプ装置における上記
した問題を解決するためになされたものであつ
て、装置に含まれる弁の数を少なくして、簡単な
装置構成でありながら、信頼性の高いヒートポン
プ装置を提供することを目的とする。

（発明の要旨） 本発明のヒートポンプ装置は、水素平衡分解圧
が相互に異なるｎ種（ｎ≧３）の金属水素化物を
それぞれ充填したｎ個の反応容器を、第（ｍ＋
１）番目（１≦ｍ≦ｎ）の反応容器内の金属水素
化物の水素平衡分解圧が第ｍ番目の反応容器内の
金属水素化物よりも大きくなるようにそれぞれ水
素流通管にて接続すると共に、第ｎ番目の反応容
器と第１番目の反応容器とを水素流通管にて接続
してなるヒートポンプ装置において、 (a) この各水素流通管に第ｍ番目の反応容器から
第（ｍ＋１）番目の反応容器方向にのみ水素の
流通を許す逆止弁を設けて、第（ｍ＋１）番目
の反応容器から第ｍ番目の反応容器への水素の
移動を禁止すると共に、 (b) 第ｎ番目の反応容器と第１番目の反応容器を
接続する水素流通管と、第１番目の反応容器と
第２番目の反応容器とを接続する水素流通管と
の少なくともいずれか一方に開閉制御可能な制
御弁を設け、 (c) 逐次、第ｍ番目の反応容器の金属水素化物か
ら水素を放出させ、この水素を逆止弁を経て第
（ｍ＋１）番目の反応容器に導いて、この容器
内の金属水素化物に吸蔵させ、このようにし
て、第ｎ番目の反応容器の金属水素化物から水
素を放出させ、この水素を水素流通管を経て第
１番目の反応容器に導き、この容器内の金属水
素化物に吸蔵させ、第ｎ番目の反応容器から冷
熱を得、又は第１番目の反応容器から温熱を得
るようにしたことを特徴とする。

（発明の構成） 以下に図面に基づいて本発明のヒートポンプ装
置を説明する。尚、以下において、前記したよう
に、第ｍ番目の金属水素化物はMHmで表わさ
れ、図面においてｍで表わされ、また、これに隣
接して水素流通管で接続されているMH（ｍ＋１）
は、装置の作動温度領域においてMHmよりも高
い水素平衡分解圧を有するように選ばれる。

第３図は冷熱出力を得るために好適である本発
明の３ボンベ型ヒートポンプ装置の一実施例を示
す。

MH１を充填した第１の反応容器２１と、MH
２を充填した第２の反応容器２２とは、前者から
後者方向にのみ水素移動を許す逆止弁２４を備え
た水素流通管２５にて接続され、同様に、第２の
反応容器２２とMH３を充填した第３の反応容器
２３も、前者から後者への水素移動のみを許す逆
止弁２６を備えた水素流通管２７にて接続され、
更に第３の反応容器２３と第１の反応容器２１と
は制御弁、例えば、電磁弁２８を備えた水素流通
管２９にて接続されている。

この装置の作動を第４図に示すサイクル線図に
基づいて説明する。先ず、第１の反応容器２１と
第３の反応容器２３とを接続する水素流通管２９
上に設けられた電磁弁２８を閉状態におき、第１
の反応容器２１内のMH１を所定の高温THに加
熱し（点Ａ）、第２の反応容器２２内のMH２を
所定の中温に保つと共に（点Ｂ）、MH３の水素
平衡分解圧をMH２のそれよりも高く保つため
に、例えば、第３の反応容器２３内のMH３をも
中温TMに保つことにより（点Ｄ）、MH１と
MH２との間に水素平衡分解圧に差圧が生じて、
MH１は水素を吸熱的に放出し、この水素は水素
流通管２５を逆止弁２４を経て第２の反応容器に
送入され、MH２がこの水素を発熱的に吸蔵す
る。この反応において、上記したように、MH３
は中温に保持されており、従つて、MH２よりも
水素平衡分解圧が高く保たれているので、MH２
からMH３方向への水素移動は起こらない。ま
た、電磁弁２８が閉じられているので、この間、
MH３の温度にかかわらずに、MH１からMH３
への水素移動は起こらない。このＡからＢへの水
素移動が終了した後に、MH１は中温TMに冷却
される（点Ｆ）。

このＡからＢへの水素移動の終了後、第２の反
応容器２２内のMH２を高温THに加熱し（点
Ｃ）、上記したように中温TMに保たれている
MH３（点Ｄ）との間に水素平衡分解圧の差圧を
生ぜしめると、MH２は水素を吸熱的に放出し、
この水素は水素流通管２７を逆止弁２６を経て第
３の反応容器に導かれ、この水素をMH３が吸熱
的に吸蔵する。この水素移動の間も上記電磁弁２
８は閉じられているので、MH３からMH１への
水素移動は起こらない。

このＣからＤへの水素移動反応の終了後、電磁
弁２８を開くと、前記したようにMH１は中温
TMに保たれているので（点Ｆ）、MH３とMH
１との間に水素平衡分解圧の差圧が生じて、MH
３は低温TLで水素を吸熱的に放出し（点Ｅ）、こ
の水素流通管２９を電磁弁２８を経て第１の反応
容器に導かれ、ここでMH１がこの水素を発熱的
に吸蔵する（点Ｆ）。

次いで、MH１を温度THに、MH２及びMH
３をそれぞれ温度TMに戻すことにより、サイク
ルが完了する。

従つて、上記ヒートポンプ装置は、高温THの
熱源を用いて、低温TLの冷熱を出力として得る
ものであり、例えば、冷房に利用することができ
るが、従来の２ボンベ型装置であればＡ→Ｂ→
E′→Ｆのサイクルであるのに対して、上記本発明
の装置によれば、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆのサイ
クルを行なわせるので、より低温の冷熱出力を得
ることができる。

第５図は上記の３ボンベ型に代えてｎ個のボン
ベからなる多ボンベ型ヒートポンプ装置を示し、
第ｍ番目の反応容器と第（ｍ＋１）番目の反応容
器とが前者から後者の反応容器方向への水素移動
のみを許す逆止弁３１を備えた水素流通管３２に
て接続されており、第ｎ番目の反応容器と第１番
目の反応容器とが電磁弁３３を備えた水素流通管
３４にて接続されている。

このような多ボンベ型ヒートポンプ装置の作動
も前記したところと同様であり、第６図のサイク
ル線図に示すように、水素はMH１から、これよ
りも高い水素平衡分解圧を有する次段の金属水素
化物に逐次に移動され、MH（ｎ−１）からMHn
への水素移動が行なわれた後、このMHnから
MH１に水素移動が行なわれて、サイクルが完了
し、MHnの水素吸蔵反応から冷熱出力を得るも
のである。尚、用いる金属水素化物を多段に構成
するほど、このようにより低温の冷熱出力を得る
ことができる。

第７図は温熱出力を得るための好適である本発
明の３ボンベ型ヒートポンプ装置の一実施例を示
す。MH１を充填した第１の反応容器４１と、
MH２を充填した第２の反応容器４２とが前者か
ら後者への水素移動のみを許す逆止弁４４と電磁
弁４５を備えた水素流通管４６にて接続され、同
様に第２の反応容器４２とMH３を充填した第３
の反応容器４３とが、前者から後者への水素移動
のみを許す逆止弁４７を備えた水素流通管４８に
て接続されていると共に、第３の反応容器と第１
の反応容器とが弁をもたない水素流通管４９にて
接続されている。

この装置の作動は、第８図に示すサイクル線図
に示すように、先ず、上記電磁弁４５を開状態に
おき、MH１を所定の中温TMに加熱し（点Ａ）、
MH２とMH３とを所定の低温TLに保つと（そ
れぞれ点Ｂ及び点Ｄ）、MH１とMH２との間の
水素平衡分解圧の差圧によつて、MH１は水素を
吸熱的に放出し、この水素は水素流通管４６を電
磁弁４５及び逆止弁４４を経て、第２の反応容器
４２に導かれ、MH２がこの水素を発熱的に吸蔵
する。この反応の間、上記したように、MH３も
低温TLに保たれており、従つて、MH２よりも
水素平衡分解圧が高く保たれているので、MH２
からMH３への水素移動は起こらない。また、こ
の間、MH３はMH１よりも水素平衡分解圧が高
く、且つ、水素の放出後の状態にあるので、MH
３とMH１とは弁をもたない水素流通管４９にて
接続されているが、この水素流通管を経て水素移
動が起こることはない。この反応の終了後、MH
１は高温THに加熱される。

このＡからＢへの水素移動の終了後、MH２を
中温TMに加熱し（点Ｃ）、上記したように低温
TLに保たれているMH３（点Ｄ）との間に水素
平衡分解圧に差圧を生ぜしめると、MH２は水素
を吸熱的に放出し、この水素は水素流通管４８を
逆止弁４７を経て第３の反応容器に導かれ、ここ
でこの水素をMH３が吸熱的に吸蔵する。このＣ
からＤへの水素移動の間、MH１の温度にかかわ
らず、水素流通管４４上の逆止弁４４によつて、
MH２からMH１への水素移動は阻止される。ま
た、MH１はMH３よりも高温の温度THに保た
れており、水素平衡分解圧がMH３よりも高く保
たれているので、MH３からMH１への水素移動
も起こらない。

この反応の終了後、電磁弁４５を閉じ、MH３
を中温TMに加熱し、MH３と水素放出後の温度
THのMH１との間に水素平衡分解圧に差圧を生
ぜしめると、MH３は水素を吸熱的に放出し、水
素流通管４９を経てMH１に供給されて、MH１
がこの水素を発熱的に吸蔵する。この間、MH３
からMH１への水素移動は逆止弁４７によつて禁
止され、また、電磁弁４５が閉じているので、
MH１からMH２への水素移動は起こらない。こ
の後、MH１を温度TMに戻し、MH２とMH３
を温度TLに戻せばサイクルが完了する。

従つて、上記したヒートポンプ装置によれば、
中温の熱媒を駆動熱源として、所定温度THの温
熱を出力として得ることができるが、特に、従来
の２ボンベ型ヒートポンプ装置の場合には、Ｃ→
Ｄ→Ｅ→F′のサイクルを行なうのに対して、上記
本発明の装置によれば、Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ｆ
のサイクルを行なうので、より高温の温熱出力を
得ることができる。

第９図は上記の３ボンベ型に代えてｎ個のボン
ベからなる多ボンベ型ヒートポンプ装置を示し、
第（ｍ−１）番目の反応容器と第ｍ番目の反応容
器とが前者から後者の反応容器方向への水素の流
れを許す逆止弁５１を備えた水素流通管５２にて
接続され、第ｎ番目の反応容器と第１番目の反応
容器とが、弁をもたない水素流通管５３にて接続
さていると共に、第１番目と第２番目の反応容器
とは、上記逆止弁４４に加えて電磁弁４５を備え
た水素流通管４６で接続されている。

このような多ボンベ型ヒートポンプ装置の作動
も前記したところと同様であり、第１０図のサイ
クル線図に示すように、水素はMH１から水素平
衡分解圧がより高い金属水素化物に逐次移動さ
れ、MH（ｎ−１）からMHnへの水素移動が行な
われた後、このMHnからMH１に水素移動が行
なわれて、サイクルが完了する。

（発明の効果） 以上のように、本発明のヒートポンプ装置にお
いては、所定の作動温即度領域で相互に水素平衡
分解圧の異なる金属水素化物を、その水素平衡分
解圧が順次高くなるように接続し、第１番目の反
応容器の金属水素化物から水素を放出させ、この
水素を逐次、水素平衡分解圧のより高い次段の金
属水素化物に移動させ、最終的に最終段の反応容
器から第１番目の反応容器に水素を移動させるよ
うにしたので、２ボンベ型ヒートポンプ装置に比
べて、より低温又は高温の出力を得ることがで
き、また、装置に含まれる弁数を金属水素化物の
反応の特性を利用して最小限に抑えたので、装置
構成を簡単化し、装置を低廉とし得るうえに、装
置の信頼性も格段に改善される。また、水素洩れ
の危険も大幅に減縮される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２ボンベ型ヒートポンプ装置の
作動を説明するためのサイクル線図、第２図は２
ボンベ型ヒートポンプ装置の典型例を示す装置構
成図、第３図は本発明のヒートポンプ装置の一実
施例を示す装置構成図、第４図は第３図の装置の
作動を説明するためのサイクル線図、第５図は第
３図に対応する多ボンベ型ヒートポンプ装置を示
す装置構成図、第６図はその作動を示すサイクル
線図、第７図は本発明のヒートポンプ装置の別の
一実施例を示す装置構成図、第８図は第７図の装
置の作動を説明するためのサイクル線図、第９図
は第６図に対応する多ボンベ型ヒートポンプ装置
を示す装置構成図、第１０図はその作動を示すサ
イクル線図である。 ２１，２２，２３……反応容器、２４，２６…
…逆止弁、２５，２７，２９……水素流通管、２
８……電磁弁、３１……逆止弁、３２，３４……
水素流通管、３３……電磁弁、４１，４２，４３
……反応容器、４４，４７……逆止弁、４５……
電磁弁、４８，４９……水素流通管、５１，５４
……逆止弁、５２，５３……水素流通管、５５…
…電磁弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 水素平衡分解圧が相互に異なるｎ種（ｎ≧
   ３）の金属水素化物をそれぞれ充填したｎ個の反
   応容器を、第（ｍ＋１）番目（１≦ｍ≦ｎ）の反
   応容器内の金属水素化物の水素平衡分解圧が第ｍ
   番目の反応容器内の金属水素化物よりも大きくな
   るようにそれぞれ水素流通管にて接続すると共
   に、第ｎ番目の反応容器と第１番目の反応容器と
   を水素流通管にて接続してなるヒートポンプ装置
   において、 (a) この各水素流通管に第ｍ番目の反応容器から
   第（ｍ＋１）番目の反応容器方向にのみ水素の
   流通を許す逆止弁を設けて、第（ｍ＋１）番目
   の反応容器から第ｍ番目の反応容器への水素の
   移動を禁止すると共に、 (b) 第ｎ番目の反応容器と第１番目の反応容器を
   接続する水素流通管と、第１番目の反応容器と
   第２番目の反応容器とを接続する水素流通管と
   の少なくともいずれか一方に開閉制御可能な制
   御弁を設け、 (c) 逐次、第ｍ番目の反応容器の金属水素化物か
   ら水素を放出させ、この水素を逆止弁を経て第
   （ｍ＋１）番目の反応容器に導いて、この容器
   内の金属水素化物に吸蔵させ、このようにし
   て、第ｎ番目の反応容器の金属水素化物から水
   素を放出させ、この水素を水素流通管を経て第
   １番目の反応容器に導き、この容器内の金属水
   素化物に吸蔵させ、第ｎ番目の反応容器から冷
   熱を得、又は第１番目の反応容器から温熱を得
   るようにしたことを特徴とするヒートポンプ装
   置。