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【発明の名称】 ガス吸放出装置および該装置の運転方法
【発明者】 【氏名】河合 政征

【氏名】竹田 晴信

【氏名】野家 和雄

【氏名】河原崎 芳徳

【氏名】佐藤 幸雄
【要約】 【課題】ガス吸脱着を交互に行って吸脱着に伴う熱を熱媒で熱交換する装置において、行程切換時に熱媒が混合してエネルギロスが生じるのを防ぐ。

【解決手段】ガス吸放出装置の熱媒管路９ｂに、該熱媒管路内部に熱媒排除ガスを送り込む該熱媒排除ガス供給装置１０を接続して、行程切換時に熱媒管路内に熱媒排除ガスを強制導入して主要な熱媒管路５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂ、３６、３７、３９、４０および材料容器１、２内の熱媒流路から熱媒を排除する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ガスの吸脱着に伴って吸放熱するガス吸脱着材料を収納するとともに、該材料の吸放熱を熱媒に伝達する熱交換部を設けた材料容器と、該熱交換部に対し熱媒を供給、回収する熱媒管路とを有するガス吸放出装置において、上記熱媒管路に、該熱媒管路内に熱媒排除ガスを送り込む熱媒排除ガス供給装置が接続されていることを特徴とするガス吸放出装置【請求項２】 熱媒管路が選択的に接続されるとともに、該熱媒管路を介して前記材料容器との間で環流する熱媒を貯留する複数の熱媒タンクを有することを特徴とする請求項１記載のガス吸放出装置【請求項３】 熱媒排除ガス供給装置は、材料容器よりも上流側で熱媒管路に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載のガス吸放出装置【請求項４】 ガスの吸脱着に伴って吸放熱するガス吸脱着材料を収納した材料容器に、熱媒管路を通して熱媒を供給して材料容器内の熱を熱媒に伝達する行程を終えた後、上記熱媒管路に熱媒排除ガスを吹き込んで熱媒管路の全部または一部から熱媒を排除し、その後、熱媒管路内に他の熱媒を導入して材料容器に熱媒を供給して材料容器内の熱を該熱媒に伝達する行程に移行することを特徴とするガス吸放出装置の運転方法
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金等のガス吸脱着材を利用したガス吸放出装置および該装置の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】水素吸蔵合金等のガス吸脱着材料を利用したガス吸放出装置では、該材料におけるガスの吸脱着に起因して生ずる吸放熱を回収利用したり、ガスの吸脱着を促進するために吸放熱を取り除いたりしている。これらの熱を回収したり取り除いたりする際には、ガス吸脱着材料を容器に収容するとともに、該容器において熱媒との間で熱交換することにより熱を外部に取り出す。ところで、ガス吸脱着材料は、可逆性を有するものの、ガスの吸脱着、吸放熱は一方向的になされるので、継続してガスの吸収、放出を行ったり、吸放熱を取り出したりするためには、ガス吸脱着、吸放熱を交互に繰り返し行わせることが必要になる。この場合、吸熱、放熱を交互に容器外部に取り出すために、異なる熱媒を材料容器に供給してガス吸脱着との間で熱交換し外部に取り出す。また、容器内部等の顕熱を回収する目的で顕熱用の熱媒を容器内部に供給することもある。そこで従来は、これら複数の熱媒とガス吸脱着材料との間で選択的に熱交換を行うため、一般には、容器内およびその周辺の熱媒用配管を、これら複数種の熱媒で共通して使用するものとして、それぞれの熱媒使用時に、弁の切り換え等によって上記配管と各熱媒の供給源とを選択的に接続して所望の熱媒を容器内に導入する方法が採られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の装置及び運転方法では、吸熱、放熱またはこれに加えて顕熱回収の行程切換時に、異種の熱媒で共通して使用される配管内で、異なる熱媒、すなわち温度の異なる熱媒が混合して熱拡散が起こり、エネルギロスが生じるという問題がある。本発明は上記事情を背景としてなされたものであり、行程切換時のエネルギロスを小さくして効率の良いガス吸放出装置および該装置の運転方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、本発明のガス吸脱着を利用した吸放出装置のうち第１の発明は、ガスの吸脱着に伴って吸放熱するガス吸脱着材料を収納するとともに、該材料の吸放熱を熱媒に伝達する熱交換部を設けた材料容器と、該熱交換部に対し熱媒を供給、回収する熱媒管路とを有するガス吸放出装置において、上記熱媒管路に、該熱媒管路内に熱媒排除ガスを送り込む熱媒排除ガス供給装置が接続されていることを特徴とする。
【０００５】第２の発明のガス吸脱着を利用した吸放出装置は、第１の発明において、熱媒管路が選択的に接続されるとともに、該熱媒管路を介して前記材料容器との間で環流する熱媒を貯留する複数の熱媒タンクを有することを特徴とする。
【０００６】第３の発明のガス吸脱着を利用した吸放出装置は、第１または第２の発明において、熱媒排除ガス供給装置が、材料容器よりも上流側で熱媒管路に接続されていることを特徴とする。
【０００７】さらに本発明のガス吸放出装置の運転方法は、ガスの吸脱着に伴って吸放熱するガス吸脱着材料を収納した材料容器に、熱媒管路を通して熱媒を供給して材料容器内の熱を熱媒に伝達する行程を終えた後、上記熱媒管路に熱媒排除ガスを吹き込んで熱媒管路の全部または一部から熱媒を排除し、その後、熱媒管路内に他の熱媒を導入して材料容器に熱媒を供給して材料容器内の熱を該熱媒に伝達する行程に移行することを特徴とする。
【０００８】本願発明は、ガスの吸・脱着反応を利用して吸放熱を得る装置に利用することができ、冷暖房装置や冷凍装置、ヒートポンプ等に利用できる。また、ガスの吸・脱着を利用してガスの回収、精製、貯蔵装置やガス供給装置として利用することもできる。本発明におけるガスの吸脱着材料は、ガスの吸蔵、脱着を可逆的に行うことができ、ガス吸脱着に伴って吸発熱する性質を有するものである。例えば吸着剤としてガスの吸着、離脱を行ったり、反応によってガスの吸収、放出を行ったりするものを使用することができる。すなわち、上記ガス吸蔵にはガス吸着やガス吸収が含まれ、ガス脱着にはガス離脱やガス放出が含まれる。上記材料としては吸着、離脱を行う材料として活性炭、カーボンファイバ、ゼオライト、シリカ、アルミナ等を挙げることができ、また反応によって水素ガスの吸収、放出を行う材料として上記水素吸蔵合金を挙げることができる。該水素吸蔵合金は排熱や自然エネルギ等を利用して効率的に水素の吸放出を行うことができるという利点を有している。また、ガスの種別は、上記材料の種別に依るものであり、上記水素ガスに限定されるものではない。ガスの種別、吸脱着材料の種別は、ガス吸放出装置の用途等を勘案して選定すればよい。なお、ガスの吸蔵と脱着とを交互に行わせる方法としては、各種の材料に適した方法が採られ、加熱、冷却による熱駆動や圧縮機等を用いた圧力駆動の方法を用いることができる。
【０００９】上記したガス吸脱着材料は、通常は気密にした材料容器に収納され、該容器に対しガスの導入、排出がなされる。ガス吸脱着材料はガスと効率的に接触でき、またガスが円滑に移動できるように容器内に収納するのが望ましく、通常は、粉末状にして容器内に収納する。ただし、ガスの円滑な移動、ガスとの効率的な接触が確保されるものであれば、ガス吸脱着材料の形態は粉末に限られず特に限定されるものではない。なお、ガス吸脱着材料は、材料容器内にそのまま内蔵したり、チューブ等に収容して該チューブを容器内に配置したりして容器内に収容することができる。チューブ等にガス吸脱着材料を収容してチューブ内でガスの移送を行うものでは、材料容器に対する気密性の要求は小さいか、殆ど無視することができる。なお、本発明の装置では、従来装置と同様に、材料容器を対で用意して、対の容器で吸脱着を対称的に行いつつ、吸脱着を繰り返し行うことにより連続的なガスの吸収、放出を可能にすることができる。ただし、本発明としては材料容器の総数、対となる数は特に限定されるものではなく、任意数を選定することができ、また対にすることが必須となるものでもない。
【００１０】上記材料容器でのガスの導入、排出は、通常は気密な材料容器に配管等からなるガス管路を接続して、該管路を介してガスを移動させることにより行う。ガス管路の他部側は、直接またはガス圧縮機等を介して、対となる他の材料容器に接続したり、ガス供給装置、回収装置に接続したりして材料容器へのガスの導入および材料容器からのガスの排出を可能にする。さらに、材料容器内にも熱媒流路が確保され、ガス吸脱着によって吸発熱する吸脱着材料との間で熱交換がなされる。熱媒流路は、この熱交換が効率的になされるように、材料容器内では熱交換部を有しており、通常は、熱媒流路を構成する熱媒配管やガス吸脱着を内蔵したチューブ等に伝熱フィンを取り付けることによって熱交換部を構成する。但し、熱交換部の構造が、これに限定されないことは勿論である。なお、材料容器内の熱媒流路も熱媒管路の一部を構成するものである。熱媒管路は、その構造に拘わらず、周囲を覆われた流路を構成するものであればよい。
【００１１】熱媒管路は、上記したように材料容器内部から外部に延伸して、または材料容器内の熱媒流路に配管として材料容器外部で接続されることにより、一部が材料容器外部に位置する。この熱媒管路は、一方側が熱媒の供給源に接続され、他方側が熱媒戻し側に接続される。この接続においては、異なる熱媒を材料容器内に供給する必要があることから、異なる熱媒の供給源に選択的に接続できるようにする。選択的とは、所望の熱媒を選択して、その熱媒の供給源に択一的に接続することを意味する。また、複数の材料容器を有する場合には、各材料容器で共通する熱媒供給源に選択的に接続するようにすることもできる。これらの接続の切換は、例えば方向弁を使用することにより行うことができる。熱媒は、一方向的に供給源から材料容器を通って戻し側で回収したり、放出したりしてもよいが、供給源と戻し側とを共通にして熱媒を環流させるのが効率的に望ましい。この場合、熱媒を貯留タンクに収容して、供給、回収することができ、戻し側においても貯留タンク等に熱媒管路を選択的に接続するのが望ましい。
【００１２】上記したガス吸脱着材料と熱媒との熱交換においては、吸放熱を取り出して冷暖房や冷凍庫、ヒートパイプ等として利用したり、熱を除去したりする。熱利用部や熱の除去部では、ガス吸脱着材料から熱を取り出した熱媒との間でさらに熱交換する。この熱交換の方法、熱交換装置の構造は特に限定されるものではない。熱利用部や熱の除去部は、通常は、材料容器と熱媒戻し側との間の経路に位置させる。また、材料容器内や熱媒管路での顕熱を回収するために、熱媒供給源および戻し側として顕熱用のものを用意して、これに熱媒管路を選択的に接続するものであってもよい。
【００１３】さらに上記した熱媒管路には、ガス吸脱着材料での脱着または顕熱回収の切換時に熱媒管路の一部または全部から熱媒を排除するために、熱媒排除ガス供給装置が接続される。この熱媒排除ガス供給装置は、空気等の熱媒排除ガスを熱媒管路内に強制的に送り込んで熱媒管路内の熱媒を強制移動させるものである。熱媒排除ガスとしては、雰囲気にある空気を利用したり、貯蔵した所望のガスを利用したりする。簡便かつ安価にガスが得られるという点で空気の利用が有利である。この貯蔵ガスや周囲の空気からなる熱媒排除ガスは、ポンプ等の駆動源によって管路内に供給する。
【００１４】上記熱媒排除ガス供給装置は、熱媒管路のどの位置に接続することも可能であるが、特に熱容量の大きな材料容器内の熱媒を排除するために、材料容器よりも上流側（熱媒の流れ方向における）で熱媒管路に接続して下流方向に向けてガスを送出するのが望ましい。これは、熱媒流と同じ方向にガスを流すことにより、熱媒を円滑に移動させるとともに熱媒供給側への負担をなくすためである。なお、この際に、熱媒管路に設けられている弁の開閉操作により上流方向に向けて熱媒排除ガスが流れないようにすることができる。熱媒の移動量は、ガスの送出量に依るが、少なくとも材料容器内の熱媒を排除するようにガスを供給するのが望ましい。また、管路における熱媒の排除範囲は、熱媒排除ガス供給装置の接続位置およびガスの送出量によって定まるので、これらを適宜定めることにより、必要時に、所望の範囲で熱媒配管の一部または全部から熱媒を排除することができる。排除される熱媒は、特別な対策を採らなければ熱媒戻し側（例えば熱媒タンク）に移動するので、移動する熱媒を受けるための特別の装置類は不要である。ただし、管路から排除される熱媒を特別に別場所に移動させるように、分岐路等を設けておくことも可能である。なお、熱媒の戻し側にあるタンクが密閉構造である場合にはガス送出による圧力を抜くために圧抜き部を設けておくのが望ましい。この圧抜き部を熱媒排除ガス供給時に選択的に圧抜き可能に制御することもできる。
【００１５】本発明によれば、行程の切換時に熱媒管路に熱媒排除ガスを供給して所望の範囲で管路から熱媒を排除できるので、他の熱媒を管路に供給して熱交換する際に、温度の異なる熱媒が混合するのを避けるか、その量を著しく少なくすることができ、温度拡散を抑制してエネルギロスを極力小さくする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の一実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。本願発明が適用されるガス吸放出装置は、冷凍システムに組み入れられたものであり、水素吸蔵合金がガス吸脱着材料として使用され、該水素吸蔵合金は冷凍温度を考慮してその種別が定められる。該水素吸蔵材料（図示しない）は、材料容器に収容されており、本装置では、対の材料容器１、２を有している。材料容器１、２には、水素吸蔵合金との間で吸放出される水素を容器１、２間で移動させるための水素移動路３が連結されており、該水素移動路３の中途にはコンプレッサ装置４が介設されている。コンプレッサ装置４は、複数の開閉弁４ａ…４ａを有する弁回路とコンプレッサ機４ｂとにより構成されており、開閉弁４ａ…４ａの開閉制御により水素ガスの吸引、圧送方向を変更するように構成されている。
【００１７】材料容器１、２内には、図示しない熱交換部が設けられているとともに、熱媒管路の一部をなす熱媒流路が確保されており、該熱媒流路の両端部には材料容器１、２外部で対峙する熱媒配管５ａ、５ｂ、熱媒配管６ａ、６ｂが接続されている。熱媒配管５ａ、６ａは、材料容器１、２への熱媒流入側に当たり、他端はそれぞれ三方弁７、８のポートの一つに接続されている。三方弁７、８の他のポートの一つは熱媒配管９ａによって互いに連結され、該熱媒配管９ａに熱媒配管９ｂが連結され、熱媒配管９ｂの他端は他の三方弁９のポートの一つに連結されている。三方弁９の他のポートの一つには配管１０ａを介して熱媒排除ガス供給装置としてエアコンプレッサ１０が接続されており、三方弁９のさらに他のポートには、熱媒配管１１を介して顕熱回収熱媒ポンプ１２および顕熱回収熱媒タンク１３が接続されている。
【００１８】また、上記した三方弁７、８の他のポートは、熱媒配管１５、１６を介して四方弁１７の対称位置にあるポートにそれぞれ連結されている。熱媒配管１５が連結されたポートに隣接するポートには、熱媒配管１８が接続されており、該熱媒配管１８は、冷却用熱交換器１９の一方側を通過して冷却用熱媒ポンプ２０および冷却用熱媒タンク２１に接続されている。なお、冷却用熱交換器１９の他方側にはクーリングタワー２３および冷却水ポンプ２４が接続された冷却水管２２が通過している。また、四方弁１７の熱媒配管１６が接続されたポートに隣接するポートには熱媒配管２５が接続されており、該熱媒配管２５は冷凍庫２７を通過して冷媒ポンプ２８および冷媒タンク２９に接続されている。
【００１９】また、材料容器１、２の熱媒流路に接続された熱媒配管５ｂ、６ｂは熱媒の流出側に当たり、それぞれ三方弁３２、３３のポートの一つに接続されている。三方弁３２、３３の他のポートの一つ同士は熱媒配管３５ａによって連結され、該熱媒配管３５ａに熱媒配管３５ｂが連結され、該熱媒配管３５ｂは、前記した顕熱回収熱媒タンク１３に連結されている。また、上記した三方弁３２、３３のさらに他のポートは、熱媒配管３６、３７を介して四方弁３８の対称位置にあるポートに連結されている。また、熱媒配管３６が連結されたポートに隣接するポートには、熱媒配管３９が接続され、該熱媒配管３９は上記冷却用熱媒タンク２１に接続されている。また、四方弁３８で、熱媒配管３７が接続されたポートに隣接するポートには熱媒配管４０が接続され、該熱媒配管４０は上記冷媒タンク２９に接続されている。上記装置では、上述した各熱媒配管および材料容器内熱媒流路が熱媒管路を構成している。上記装置は、三方弁および四方弁の制御により水素の吸蔵、放出、顕熱回収を順次行う。
【００２０】以下に本発明の吸放出装置の動作および運転方法について説明する。図１は、材料容器１側で水素を吸収し、材料容器２側で水素を放出して冷凍庫２７で冷凍能力を得ている状態を示す。すなわち、三方弁７、８のポートのうち三方弁９側に連結されているポートを閉じ、その他のポートを互いに連通させ、三方弁３２、３３のポートのうち、熱媒配管３５ａが連結されたポートを閉じ、その他を互いに連通させる。また、四方弁１７では、熱媒配管１５と熱媒配管１８とが連通し、熱媒配管１６と熱媒配管２５とが連通するように操作し、四方弁３８では、熱媒配管３６と熱媒配管３９が連通し、熱媒配管３７と熱媒配管４０とが連通するように操作する。この状態でコンプレッサ装置４を作動させ、開閉弁４ａの開閉制御によって材料容器２側から水素を吸引し、材料容器１側に圧送する。これにより材料容器２側で水素を吸蔵していた水素吸蔵合金（予め水素を吸蔵させていたもの）から水素が放出され吸熱して冷熱が生じる。材料容器２の熱媒配管６ａには、選択的に接続された冷媒タンク２９から冷媒ポンプ２８によって熱媒が供給され、材料容器２内の熱交換部でこの熱媒に上記冷熱が伝達される。冷熱を受けた熱媒は熱媒配管６ｂ、３７、４０を通って冷媒タンク２９へと環流し、上記と同様に引き続き材料容器２に供給される際に冷凍庫２７を通過して冷凍庫２７内に冷熱を伝える。一方、材料容器１内では、圧送された水素が水素吸蔵合金（予め水素は吸蔵していない）に吸蔵されて次行程での水素放出の準備がなされる。その際に水素吸蔵に伴って放熱する。材料容器１の熱媒配管５ａには、選択的に接続された冷却用熱媒タンク２１から冷却用熱媒ポンプ２０によって熱媒が供給され、材料容器１内の熱交換部でこの熱媒に放熱が伝わり、水素吸蔵合金が冷却される。熱媒に伝わった熱は冷却用熱交換器１９で冷却水管２２内の熱媒に伝わり、該熱媒は冷却水ポンプ２４でクーリングタワー２３に移送されて熱が除かれる。
【００２１】上記動作による冷凍行程が一旦完了した後、図２に示す熱媒の排除行程に移行する。すなわち、三方弁７、８において、四方弁１７に連結されているポートを閉じ、その他のポートを連通させ、三方弁９において顕熱回収熱媒ポンプ側のポートを閉じ、他のポートに接続されたエアコンプレッサ１０側と熱媒配管９ｂ側とを連通させ、三方弁３２、３３では上記行程のままにする。上記の状態でエアコンプレッサ１０を作動させ、圧縮空気を配管１０ａから熱媒配管９ｂ、９ａ、さらに熱媒配管５ａ、６ａを通して材料容器１、２内の熱媒流路に圧送する。圧縮空気は、材料容器１、２を抜け、熱媒配管５ｂ、６ｂ、さらに熱媒配管３６、３７、３９、４０を通して冷却用熱媒タンク２１、冷媒タンク２９に達する。これにより、上記各熱媒配管および材料容器内流路にあった熱媒は、その種類に合った冷却用熱媒タンクタンク２１または冷媒タンク２９へと移送され、主となる熱媒管路から熱媒が排除される。
【００２２】その後、図３に示すように、三方弁７、８、３２、３３の接続ポートの設定により、材料容器１、２内の顕熱を回収する。この実施形態では、材料容器２内の冷熱を顕熱として回収した後、三方弁７、８、３２、３３のポート接続を変えて顕熱を材料容器１に供給する。この顕熱回収において、主要な熱媒管路からは熱媒が排除されているので、熱媒の混合によるエネルギロスを極力小さくすることができる。顕熱回収が終了した後は、再度、上記と同様に熱媒の排除行程に移行する。その後は、図４に示すように材料容器１、２で水素の吸蔵、放出を逆に行い、熱媒配管５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂに所定の熱媒タンクを連結して材料容器２に冷却用の熱媒、材料容器１に冷媒用の熱媒を供給して冷凍庫２７での冷凍作用を得る。このときにも予め主となる熱媒配管からは熱媒が排除されているので、熱媒の混合によるエネルギロスを極力小さくすることができる。その後は、上記と同様に熱媒排除行程に移行する。上記各行程を繰り返すことにより、効率的な冷凍を行うことができる。なお、上記実施形態では、水素の吸蔵放出、顕熱回収の行程の切り換えごとに熱媒の排除行程を設けたが、本発明としては、所望の行程切り換え時にのみ熱媒の排除を行ってもよく、顕熱回収行程を含まない装置にも当然に適用することができる。また、本発明のガス吸放出装置の運転方法は、上記実施形態の装置において適用したが、該運転方法の適用が上記装置に限定されないことは勿論であり、熱媒排除ガスの供給方法は上記装置に限定されるものではない。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明のガス吸放出装置によれば、ガス吸放出装置の熱媒管路に、該熱媒管路内部に熱媒排除ガスを送り込む該熱媒排除ガス供給装置を接続したので、ガス吸脱着行程や顕熱回収の切換時に熱媒管路から熱媒を排除し、その後、他の熱媒を熱媒管路に送り込むことによりエネルギロスの小さい効率的な運転が可能になる。
【出願人】 【識別番号】０００００４２１５
【氏名又は名称】株式会社日本製鋼所
【出願日】 平成１１年３月１７日（１９９９．３．１７）
【代理人】 【識別番号】１０００９１９２６
【弁理士】
【氏名又は名称】横井 幸喜
【公開番号】 特開２０００−２６６２９３（Ｐ２０００−２６６２９３Ａ）
【公開日】 平成１２年９月２６日（２０００．９．２６）
【出願番号】 特願平１１−７１９２７