JPH0347439B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は一般に圧縮機に関し、さらに詳細に
は、コンパクトな水素圧縮機および圧縮機内に設
けられた電気ヒータと圧縮機の周りを循環する冷
却剤との間に形成される温度勾配により作動出来
る圧縮機を有する系に関する。

過去数年において、伝統的な化学的用途は別と
して水素に対する理解が増大しつつある。水素は
現在ガス圧縮機、太陽熱貯蔵、加熱および冷凍、
ユテイリテイピーク荷重分担（utility peak
load sharing）、電気エネルギー貯蔵、および内
燃機関の燃料に関して重要なものとして考慮され
ている。

従来、当業界は、高速度操作および潤滑の困難
のゆえにノイズを出しやすく消耗の早い機械圧縮
機にたよつている。非機械的水素圧縮機を考案す
る試みがなされている。たとえば、米国特許第
4200144、4188795および3704600号参照。さらに
本発明者は米国特許願第377553号（1982年５月12
日付）に記載の圧縮機の共同発明者である。他の
水素圧縮機設計はG.A.Klein and J.A.Jones，
“Molecular Absorption Cryogenic Cooler for
Liquid Hydrogen Propulsion Systems”，１−
６頁、AIAA／ASME第３版Joint
Thermophysics Fluids，Plasma and Heat
Transfer Conference，６月７−11，1982，St.
Louis，MO（American Institute of
Aeronautics and Astronautics，NY，NY）お
よびD.H.W.Casters and W.R.David、“Use of
Vanadium Dihydride for Production of High
−Pressure Hydrogen Gas”、667−674頁、
Met.Hydrogen Syst.Proceedings，Miami，
International Symposium、1982、に見い出すこ
とが出来る。

特に、本発明者は、水素ガスを比較的小さい経
済的規模で圧縮し、しかも許容し得る圧力
（500psig〔3.4SMPa〕）および供給速度（1800ml／
分）を与えるという問題に直面した。

したがつて、電気ヒータによる加熱および水
（普通の水道水でよい）による冷却を交互に行つ
た場合、低い流速で高い水素圧を経済的に与える
水素化物を用いる水素圧縮機および圧縮機系が提
供される。

第１図を参照するに、水素圧縮機または反応器
１０が示される。圧縮機１０は、水素化物容器１
４を空間的に取り巻く冷却ジヤケツト１２を有し
ている。ジヤケツト１２と容器１４との間に形成
された環状空間１６は冷却流体通路になる。ジヤ
ケツト１２に固定された導管１８および２０は、
反応器１０への冷却流体の出入口となる。

電気カートリツジヒータ２２は、プラグ２４を
貫通し容器１４に入りそこに結合されている。ア
ルミニウムホームマトリツクス２８に懸濁された
水素化可能（hydridable）物質２６は、容器１４
のヒータ２２のまわりに充填されている。軸方向
スプリングフイルター３０が容器１４内に設けら
れ、水素化物２６が水素を制御する際、水素化物
により発生するかなりの膨張力を吸収する働きを
する。スプリングフイルター３０がないと、膨張
する水素化物２６は圧縮機１０に多大の亀裂を起
して損傷する。

プラグ３４を介して密封的に取り付けられた水
素流入／流出ライン３２は、容器１４の内部に連
通している。

第２図は、２つの圧縮機１０をプツシユ／プル
式に連結した水素圧縮機系３６の概略図である。
議論しやすいように、１つの反応器を「１０Ａ」
とし、他の反応器を「１０Ｂ」とする。関連部材
には「Ａ」または「Ｂ」を付加する。

冷却剤流入ライン３８は、冷却流体、好ましく
は普通の脱イオン水道水をライン３８Ａおよび３
８Ｂを経て圧縮機１０Ａおよび１０Ｂに送る。

ソレノイド弁４０Ａおよび４０Ｂは、圧縮機１
０Ａおよび１０Ｂの冷却ジヤケツト１２に供給さ
れる冷却剤の量を調節する。冷却剤出口ライン４
２は、ライン４２Ａおよび４２Ｂを介して、一方
向弁（one−way valve）４４Ａおよび４４Ｂを
通して圧縮機１０Ａおよび１０Ｂから冷却剤を引
き出す。ライン４２の圧力が所定の値を越えたら
安全弁４６が開く。

水素は、低圧供給装置４８から系３６に供給さ
れる。装置４８はタンク、電解槽等であることが
出来る。弁５０は、ライン５２，５２Ａおよび５
２Ｂを介して系に導入される水素量を規制する。
一方向弁５４Ａおよび５４Ｂは各々ライン５２Ａ
および５２Ｂ内に設けられる。他の系列の弁５６
Ａおよび５６Ｂは圧縮機１０Ａおよび１０Ｂに流
出入する水素量を制御する。一方向弁５８Ａおよ
び５８Ｂは、圧縮機１０Ａおよび１０Ｂから水素
流を流出ライン６０Ａおよび６０Ｂを介して流出
ライン６０に流す。弁６２は、高圧貯蔵装置６４
に入る水素流を制御する。安全弁６６は流出ライ
ン６０内の圧力を監視する。過圧スイツチ６８
は、圧力出力が所定値以上になつた場合系３６を
切るように設計されている。

ヒータおよびソレノイドのスイツチを入れたり
切つたりする制御装置が第２図に概略的に示され
ている。電源７０はリピートタイマー７２に電力
を供給する。リピートタイマー７２はデイレイタ
イマー７４Ａおよび７４Ｂに連結される。各デイ
レイタイマー７４Ａおよび７４Ｂは、その各々の
ソレノイド４０Ａおよび４０Ｂおよびヒータ２２
Ａおよび２２Ｂに電気的に連結されている。

第３図は、系３６を賦勢および減勢するタイミ
ングシーケンスを示す。波形タイミング回路によ
り、ライン５２を介して入口水素供給流をかなり
一定にしておくことが出来る。系３６のプツシユ
−プル性は、反応器１０Ａおよび１０Ｂが電解槽
４８により供給されつゝある水素を圧縮している
際に必要である。圧力振動および停止により水素
流速が一定しない場合、電解槽４８はライン５２
における続いて起る背圧上昇により閉鎖される。
電解槽４８の繰り返えし運転開始および停止によ
り、電解槽は望ましくないほど摩耗および破壊を
受ける。したがつて、各反応器に対して小さい同
時冷却サイクルオーバーラツプを用いることによ
り系３６は、水素ガスの反応器へおよび反応器か
らの連続した中断のない流れがもたらされ、その
結果機械圧縮機に普通伴う流入ガス蓄積器の必要
がなくなる。

第３図の横軸は時間を表わし、縦軸はヒータ２
２Ａおよび２２Ｂおよびソレノイド４０Ａおよび
４０Ｂのオン−オフ状態を示す。各ヒータ２２Ａ
および２２Ｂおよびソレノイド４０Ａおよび４０
Ｂは、互い違い繰り返えし方式で連続的にスイツ
チの切換えが行われる。

議論を容易にするため、電力をまず系３６に加
えた場合（時間０）、リピートタイマー７２はデ
イレイタイマー７４Ａをまず賦勢するものと仮定
する。これは単なる通常のことであり、限定例で
はない。したがつて、第３図（および第２図）に
よれば、ヒータ２２Ａおよびソレノイド４０Ｂは
動力が増加される。圧縮機１０Ａにおける加熱に
より、水素は所定の値（500psig〔3.45Mpa〕）に
圧縮され、弁５８Ａを経てライン６０を介して貯
蔵装置６４に流れる。同時に、冷却水がソレノイ
ド弁４０Ｂを流れ、圧縮機１０Ｂの水素化物床２
８を冷却する。圧縮機１０Ｂの圧力が所定値
（60psig〔0.41Mpa〕）以下に低下したら、一方向
弁５４Ｂは開き、供給源４８からの水素は水素化
物に吸収される。

プリセツト時間間隔（例では３つの時間単位が
示される）後、デイレイタイマー７４Ａはヒータ
２２Ａを切り（減勢し）、ソレノイド４０Ａに入
力（賦勢）する。これにより、丁度加熱された水
素化物床２８が冷却され、水素を吸収し始め、一
方、圧縮機１０Ｂの水素化物床２８は依然として
水素を吸収しつゝある。プリセツト時間後、リピ
ートタイマー７２にスイツチが入り、ソレノイド
４０Ｂは閉じて、反応器１０Ｂの水素化物床２８
の加熱が始まる。反応器１０Ｂの水素化物床２８
にいまや貯蔵された水素は、加熱により所定の値
（500psig〔3.45MPa〕）に圧縮され、弁５８Ｂを通
過して高圧貯蔵タンク６４に入る。これと同時
に、水素は弁５４Ａを通過し、冷却されつゝある
反応器１０Ａの水素化物床２８に入る。デイレイ
タイマー７４Ｂによるプレセツト時間の遅れ後、
反応器１０Ｂの水素化物床２８の加熱が停止し、
ソレノイド４０Ｂは開き、その結果反応器１０Ｂ
の水素化物床２８は冷却され水素吸収が再び開始
される。この点で、タイマーサイクルはそれ自身
繰り返えされ、加熱および冷却サイクルが新しく
始まる。

水素化物粉末を含有するために使用されるアル
ミニウムメツシユ２８は、水素化可能物質２６か
らつくられた粉末床の伝熱を非常に増大させ、し
たがつて、圧縮機１０の効率を増大させ、水素化
合金の必要量を減少させる。アルミニウムメツシ
ユ２８は装置に有害効果を及ぼすことが知られて
いる水素化物膨張の悪影響を効果的に制御するこ
とも判明している。

軸方向スプリングフイルター３０は、水素ガス
を圧縮機１０の全体長さを容易に横断させ、した
がつて、水素化物のほとんどすべてと混合され
る。これもまた伝熱特性を増大させ、水素化物膨
張の問題を低減する。

圧縮機１０Ａおよび１０Ｂは水平から約15゜傾
けるのが好ましい。水素化物がヒータ２２を介し
て熱くなるにつれて、212゜F（100℃）以上の温度
になり、その結果冷却ジヤケツト１２の水が蒸発
する。蒸気は、傾斜角のため圧縮機１０の１つの
コーナまで上昇し、同時に残りの水は弁４４Ａお
よび４４Ｂを介して変位される。弁４４Ａおよび
４４Ｂは冷却剤が反応器１０に流れ戻らないよう
にする。圧縮機１０の傾斜は操作の全効率を増大
させる。

タイマー７２，７４Ａおよび７４Ｂは、機械
的、電気機械的またはソリツドステート装置であ
ることが出来る。

ここには本発明の特定の実施態様を記載した。
特許請求の範囲により包含される発明として変化
を加えることが出来かつ本発明のある特徴は他の
特徴の対応する使用なしに有利に使用出来ること
は、当業者は理解するであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の断面図、第２図は本発明の
概略図、第３図は本発明のタイミング図である。 １０…反応器、１２…冷却ジヤケツト、１４…
水素化物容器、１６…環状空間、１８，２０…導
管、２２…ヒータ、２４…プラグ、２６…水素化
可能物質、３０…スプリングフイルター、３４…
プラグ、３６…水素圧縮系、４０Ａ，４０Ｂ…ソ
レノイド弁、４４Ａ，４４Ｂ…一方向弁、４８…
電解槽、５４Ａ，５４Ｂ…一方向弁、５６Ａ，５
６Ｂ…弁、６２…弁、６８…スイツチ、７０…電
源、７２…リピートタイマー、７４Ａ，７４Ｂ…
デイレイタイマー。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 容器を取り巻く冷却ジヤケツト、容器内に設
   けられた水素化可能物質、容器内に設けられた圧
   縮機を加熱する装置、容器内に設けられた水素化
   物質の膨張を吸収する装置、水素の容器への流出
   入を行う流入／流出ライン、および冷却剤のジヤ
   ケツトへの流出入を行う導管装置を備えているこ
   とを特徴とする、水素圧縮機。 ２ 水素化可能物質がアルミニウムホームマトリ
   ツクスに懸濁される、特許請求の範囲第１項に記
   載の圧縮機。 ３ スプリングフイルターが容器内に設けられ
   る、特許請求の範囲第１項に記載の圧縮機。 ４ 複数の水素反応器、反応器への冷却剤源、反
   応器からの冷却剤排出装置、各反応器の冷却剤流
   れ方向の上流に設けられた冷却剤弁、各反応器を
   加熱するためのヒータ、複数の第二タイミング装
   置に整合された第一タイミング装置、各冷却剤弁
   およびヒータに整合された第二タイミング装置を
   そなえ、第一および第二タイミング装置は弁およ
   びヒータを連続的に賦勢、減勢し、水素源から水
   素を反応器へ供給し、かつ反応器からの排出装置
   へ圧縮水素を連続的に供給するようにプログラミ
   ングされることを特徴とする、水素の圧縮系。 ５ 第一冷却剤弁および第一ヒータが第一反応器
   に連結しており、第二弁および第二ヒータが第二
   反応器に連結しており、第一および第二タイミン
   グ装置タイマーが、 １） 第一ヒータおよび第二弁を賦勢する、 ２） 所定の時間後、第一弁を賦勢する、 ３） 所定の時間後、第二ヒータを賦勢し、第二
   弁を減勢する、 ４） 所定の時間後、第二ヒータを減勢し、第二
   弁を賦勢する、 ５） 所定の時間後、第一ヒータを賦勢し、第一
   弁を減勢する、 ６） 工程２〜５を繰り返えす、 ようにプログラミングされている特許請求の範囲
   第４項に記載の系。 ６ 反応器が水平から約15゜傾けられる、特許請
   求の範囲第４項に記載の系。 ７ 複数の一方向弁が水素源と反応器の間に設け
   られ、水素が水素源に逆流しないようにされる、
   特許請求の範囲第４項に記載の系。 ８ 複数の一方向弁が水素排出装置と反応器の間
   に設けられ、水素が反応器に逆流しないようにさ
   れる特許請求の範囲第４項に記載の系。 ９ 水素反応器が、容器を取り巻く冷却ジヤケツ
   ト、容器内に設けられた水素化可能物質、容器内
   に設けられたヒータ、容器内に設けられた水素化
   可能物質の膨張を吸収する装置、水素を容器へ流
   出入させ、かつ水素源および排出装置に連結され
   た流入／流出ライン、および冷却剤をジヤケツト
   に流出入させかつ冷却剤源および排出装置に連結
   された導管装置、を備えている、特許請求の範囲
   第４項に記載の系。 １０ 水素化可能物質がアルミニウムマトリツク
   スに懸濁される、特許請求の範囲第４項に記載の
   系。 １１ スプリングフイルターが容器内に設けられ
   る、特許請求の範囲第４項に記載の系。