| 【発明の名称】 |
ヒートポンプ及びその運転方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】水落 洋行
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| 【要約】 |
【課題】少ない数のバルブで、圧縮機又はポンプに投入するエネルギーに対して取得熱量を増大させ、熱効率を向上させるヒートポンプ及びその制御方法を提供する。
【解決手段】第１の金属水素化物ＭＨHが充填された第１の容器と、第２の金属水素化物ＭＨLが充填された第２の容器と、第１及び第２の容器に設けられた熱交換器とからなるヒートポンプにおいて、第１と第２の容器を連結し、それぞれ２つずつのバルブＶ１〜Ｖ４を有する第１と第２の通路Ｌ１、Ｌ２が設けられ、それぞれの通路の２つのバルブ間同士を短絡する短絡路Ｓが設けられ、短絡路Ｓ中には、圧縮機又はポンプＰが設けられている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 第１の金属水素化物が充填された第１の容器と、第２の金属水素化物が充填された第２の容器と、第１及び第２の容器に設けられた熱交換器とからなるヒートポンプにおいて、第１と第２の容器を連結し、それぞれ２つずつのバルブを有する第１と第２の通路が設けられ、それぞれの通路の２つのバルブ間同士を短絡する短絡路が設けられ、短絡路中には、圧縮機又はポンプが設けられていることを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】 上記短絡路に並列に、逆流防止手段を有するバイパス通路が設けられていることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ。
【請求項３】 上記ヒートポンプを稼働する際に、一方の容器から他方の容器への水素ガスの移動が、圧縮機又はポンプの駆動方向に対して順方向になるとともに、短絡路を介して第１と第２の容器が連通するように、第１と第２の通路のそれぞれ１つずつのバルブを開き、次いで、一方の容器と他方の容器内の圧力が略等しくなったときに、圧縮機又はポンプを駆動させ、他方の容器中の水素が略飽和状態に達したときに、上記２つのバルブを閉にして、残りの２つのバルブを開とさせる制御装置が設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載のヒートポンプ。
【請求項４】 請求項１乃至３記載のヒートポンプを用い、２つの容器に金属水素化物を充填し、一方の容器から他方の容器に水素ガスを移動させるときには、一方の容器の水素圧力が、他方の容器の水素圧力よりも高い間は、圧縮機又はポンプの駆動を停止し、上記バイパス通路を介して両容器間の圧力差によって水素ガスを移動させ、他方の容器の水素圧力が、一方の容器の水素圧力と略等しくなった後は、圧縮機又はポンプを駆動させることにより、水素ガスの移動を行わせ、一方の容器内の水素ガスが所定の飽和度に達すると、水素の流れを反転させ同様の操作を繰り返すことを特徴とするヒートポンプの運転方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、金属水素化物を用いたヒートポンプ及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、使用環境温度及び圧力により水素を可逆的に吸放出する金属水素化物を用いた冷暖熱供給装置は知られている。この金属水素化物から水素を放出する過程は吸熱過程であり、逆に水素を吸蔵する過程は発熱過程である。
【０００３】以上の原理を用いたものは、冷暖房装置や給湯装置などに用いられ、例えば、異なる量の金属水素化物を内蔵させた２つの熱交換型金属容器間に圧縮機又はポンプを設け、この圧縮機又はポンプによって水素ガスの流れを繰り返し反転させ、水素が放出過程にある金属容器を介して冷房し、また水素が吸蔵過程にある金属容器を介して冷房する冷暖房装置が提案されている（特公昭５８−１９９５４号公報）。
【０００４】しかし、上記の冷暖房装置は、常に圧縮機又はポンプを作動させているので、圧縮機又はポンプで消費されるエネルギーが大きく、従って、圧縮機又はポンプに投入するエネルギーに対して取得熱量が少なく、熱効率が良くないという欠点があった。
【０００５】そこで、二つの熱交換型金属容器間に差圧がある状態では圧縮機又はポンプの作動を停止させ、差圧によって水素ガスの移動を行わせる方法が提案されている（特公平６─２３６２９号公報）。このようにして圧縮機又はポンプに投入するエネルギーに対して取得熱量を増大させ、熱効率を向上させるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の方法によると、図４にみられるとおり、１組の容器の間水素の通路を開閉するバルブ（４１〜４８）が８個配置され、各過程毎にバルブの開閉を行っている。
【０００７】本発明は、上記の課題を解決し、少ない数のバルブで、圧縮機又はポンプに投入するエネルギーに対して取得熱量を増大させ、熱効率を向上させるヒートポンプ及びその運転方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１記載のヒートポンプ（以下、「本発明１」という）は、第１の金属水素化物が充填された第１の容器と、第２の金属水素化物が充填された第２の容器と、第１及び第２の容器に設けられた熱交換器とからなるヒートポンプにおいて、第１と第２の容器を連結し、それぞれ２つずつのバルブを有する第１と第２の通路が設けられ、それぞれの通路の２つのバルブ間同士を短絡する短絡路が設けられ、短絡路中には、圧縮機又はポンプが設けられているものである。
【０００９】請求項２記載のヒートポンプ（以下、「本発明２」という）は、本発明１のヒートポンプにおいて、上記短絡路に並列に、逆流防止手段を有するバイパス通路が設けられているものである。
【００１０】請求項３記載のヒートポンプ（以下、「本発明３」という）は、本発明１又は２のヒートポンプの稼働の際に、一方の容器から他方の容器への水素ガスの移動が、圧縮機又はポンプの駆動方向に対して順方向になるとともに、短絡路を介して第１と第２の容器が連通するように、第１と第２の通路のそれぞれ１つずつのバルブを開き、次いで、一方の容器と他方の容器内の圧力が略等しくなったときに、圧縮機又はポンプを駆動させ、他方の容器中の水素が略飽和状態に達したときに、上記２つのバルブを閉にして、残りの２つのバルブを開とさせる制御装置が設けられているものである。
【００１１】請求項４記載のヒートポンプの運転方法（以下、「本発明４」という）は、本発明１乃至３記載のヒートポンプを用い、２つの容器に金属水素化物を充填し、一方の容器から他方の容器に水素ガスを移動させるときには、一方の容器の水素圧力が、他方の容器の水素圧力よりも高い間は、圧縮機又はポンプの駆動を停止し、上記バイパス通路を介して両容器間の圧力差によって水素ガスを移動させ、他方の容器の水素圧力が、一方の容器の水素圧力と略等しくなった後は、圧縮機又はポンプを駆動させることにより、水素ガスの移動を行わせ、一方の容器内の水素ガスが所定の飽和度に達すると、水素の流れを反転させ同様の操作を繰り返すものである。以下、本発明１〜４に共通する事項については、「本発明」という。
【００１２】本発明に使用される金属水素化物としては、水素を可逆的に吸放出可能な合金であれば特に限定されず、ＬａＮｉ5Ｈx、Ｍｍ（ミッシュメタル）Ｎｉ5Ｈx、及び、Ｎｉの一部をＡｌ、Ｃｏ等の他の金属で置換した希土類−ニッケル系合金；ＦｅＴｉＨxで代表される鉄−チタン系合金；ＭｇＮｉ2Ｈx等のマグネシウム−ニッケル系合金等が使用される。なお、上記Ｘの値はそれぞれは、金属水素化物の種類に応じた、独立した値であり、また、圧力、温度の変数である。
【００１３】また、第１の金属水素化物と、第２の金属水素化物の組み合わせは、上記した金属水素化物から適宜選定されてもよいし、合金を構成する成分の一部を、それぞれ異なる量の別の成分で置換されたものであってもよい。また、第１の金属水素化物と、第２の金属水素化物は、水素放出時と水素吸蔵時の水素平衡圧力が異なれば同一のものを選定しても構わない。上記第１及び第２の成分の組み合わせとしては、例えば、ＬａＮｉ5Ｈx とＭｍＮｉ5Ｈx、ＭｍＮｉ5-YＡｌYＨxとＭｍＮｉ5-ZＡｌZＨx（ここでＺ＞Ｙ）などの組み合わせが挙げられる。
【００１４】本発明２〜４において使用される逆流防止手段としては、たとえば、逆止弁などが挙げられる。
【００１５】本発明３において使用される制御装置としては、たとえば、第１及び第２の容器内の圧力を直接測定しつつ、双方の圧力が略等しくなった時点、及び水素ガスがどちらかの金属水素化物に対して飽和濃度に達した時点で、バルブへの開閉信号を送る装置であってもよいし、予め測定された第１及び第２の金属水素化物の圧力─温度─水素濃度特性と反応速度から、第１の容器と第２の容器内の圧力が略等しくなるまでの時間逆止弁、及び水素ガスがどちらかの金属水素化物に対して飽和濃度に達するまでの時間を求めておき、その時間をタイマーで設定して、設定した時間に応じてバルブの開閉を制御するようにしてもよい。
【００１６】なお、本発明３及び４において、一方の容器と他方の容器とは、水素ガスを吸収する方の容器を一方の容器、放出する方の容器を他方の容器とし、ある過程において一方の容器が第１の容器、他方の容器が第２の容器であった場合、次の過程においては水素ガスの移動方向が逆転し、一方の容器が第２の容器、他方の容器が第１の容器となる。
【００１７】（作用）本発明１のヒートポンプは、第１の金属水素化物が充填された第１の容器と、第２の金属水素化物が充填された第２の容器と、第１及び第２の容器に設けられた熱交換器とからなるヒートポンプにおいて、第１と第２の容器を連結し、それぞれ２つずつのバルブを有する第１と第２の通路が設けられ、それぞれの通路の２つのバルブ間同士を短絡する短絡路が設けられ、短絡路中には、圧縮機又はポンプが設けられているものであるものであるから、二つの容器間に差圧がある場合に、少ない数（４つ）のバルブで圧縮機又はポンプの作動を停止させるとともに、差圧によって水素ガスの移動を行わせることができる。
【００１８】本発明２のヒートポンプは、上記短絡路に並列に、逆流防止手段を有するバイパス通路が設けられているものであるから、圧縮機又はポンプにより、圧縮機又はポンプバイパス通路との間で水素ガスが循環することがない。
【００１９】本発明３のヒートポンプ（以下、「本発明３」という）は、本発明１又は２のヒートポンプの稼働の際に、一方の容器から他方の容器への水素ガスの移動が、圧縮機又はポンプの駆動方向に対して順方向になるとともに、短絡路を介して第１と第２の容器が連通するように、第１と第２の通路のそれぞれ１つずつのバルブを開き、次いで、一方の容器と他方の容器内の圧力が略等しくなったときに、圧縮機又はポンプを駆動させ、他方の容器中の水素が略飽和状態に達したときに、上記２つのバルブを閉にして、残りの２つのバルブを開とさせる制御装置が設けられているものであるから、手動でバルブの開閉を行う必要がない。
【００２０】本発明４のヒートポンプの運転方法（以下、「本発明４」という）は、本発明１又は２記載のヒートポンプを用い、２つの容器に金属水素化物を充填し、一方の容器から他方の容器に水素ガスを移動させるときには、一方の容器の水素圧力が、他方の容器の水素圧力よりも高い間は、圧縮機又はポンプの駆動を停止し、上記バイパス通路を介して両容器間の圧力差によって水素ガスを移動させ、他方の容器の水素圧力が、一方の容器の水素圧力と略等しくなった後は、圧縮機又はポンプを駆動させることにより、水素ガスの移動を行わせ、一方の容器内の水素ガスが所定の飽和度に達すると、水素の流れを反転させ同様の操作を繰り返すものであるから、水素ガスを送るべき方向に差圧がある場合においては、その差圧で水素ガスが移動し、この間は圧縮機又はポンプを駆動させる必要がないので、少ない数のバルブで、圧縮機又はポンプに投入するエネルギーに対して取得熱量を増大させ、熱効率を向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照してさらに詳しく説明する。図１は本発明のヒートポンプの運転過程を説明するサイクル線図である。図１において、ＭＨHは第１の金属水素化物、ＭＨLは第２の金属水素化物のプラトー領域の圧力−温度線図であり、実線は水素ガスを吸収する際の圧力−温度線図、破線は水素ガスを放出する際の圧力−温度線図を示す。また、Ｐは圧縮機またはポンプである。
【００２２】図１に示すように先ず、第１の金属水素化物ＭＨH（以下「ＭＨH」と略す）が充填された第１の容器を中温熱媒に接続し、第２の金属水素化物ＭＨL（以下「ＭＨL」と略す）を低温熱媒に接続し、ＭＨLからＭＨHに対して、圧縮機またはポンプでもって、ＭＨLから吸熱的に水素ガスを放出せしめ（Ａ）、この水素ガスをＭＨHに発熱的に吸蔵させる（Ｂ）。次に、弁を閉じ、ＭＨHを低温冷媒に接続し（Ｃ）、ＭＨLを中温熱媒に接続する（Ｄ）。この場合ＭＨHの平衡分解圧はＭＨLの平衡分解圧よりも低いので、圧縮機またはポンプを駆動し、強制的にＭＨHから吸熱的に水素ガスを放出させ、この水素ガスＭＨLに発熱的に吸蔵させる。次に、再びＭＨHを中温熱媒に、ＭＨLを低温熱媒にそれぞれ接続することにより、サイクルが完了する。
【００２３】上記のサイクルにおいて、中温冷媒に空気を用い、空気冷却器を形成すれば、点Ａ及び点Ｃに低温冷媒に冷熱が与えられ、低温冷媒に空気を用い、空気加熱器を形成すれば点Ｂ及び点Ｄにおいて中温熱媒に温熱が与えられ、１サイクルの間に２回の冷熱又は温熱出力を得ることができる。
【００２４】このサイクルにおいて点Ｂから点Ｃを経由して点Ｄに至るプロセス、及び、点Ｄから点Ａを経由して点Ｂに至るに工程に本発明が利用可能である。また、点Ｃから点Ｄに至る工程は、ＭＨHの再生工程（Ｒ）である。
【００２５】図２は本発明１及び２のヒートポンプの構成を説明する説明図である。図示しない熱交換器が設けられたＭＨHが充填された第１の容器と、作動温度領域においてＭＨHよりも高い平衡分解圧を有するＭＨLが充填された第２の容器と、第１及び第２の容器に設けられた熱交換器（図示せず）とからなるヒートポンプであり、第１と第２の容器を連結し、バルブＶ１、Ｖ２を有する第１の通路Ｌ１と、バルブＶ３、Ｖ４を有する第２の通路Ｌ２が設けられている。
【００２６】そして、第１の通路Ｌ１の２つのバルブＶ１、Ｖ２間と、第２の通路Ｌ２バルブＶ１、Ｖ２間と、２つの通路Ｌ２の２つのバルブＶ３、Ｖ４間同士を短絡する短絡路Ｓが設けられ、短絡路Ｓ中には、圧縮機又はポンプＰが設けられている。
【００２７】この場合、ＭＨLからＭＨHへの水素ガスの移動はその差圧によってなされ、差圧が解消した時点で、圧縮機又はポンプ（Ｐ）が稼働する。また逆にＭＨHからＭＨLへ水素を移動する場合、ＭＨHの方がＭＨLより低い平衡分解圧であるが、ＭＨLからＭＨHへ水素ガスを移動するときに、圧縮機又はポンプ（Ｐ）でＭＨHを加圧するので、水素ガスの移動方向を反転させた直後は、ＭＨHの方がＭＨLよりも高圧になっており、水素ガスは、最初その差圧によって移動する。その後、差圧が解消した時点で、圧縮機又はポンプ（Ｐ）が稼働し、加圧しながら水素ガスをＭＨHからＭＨLへ移動する。
【００２８】また、圧縮機又はポンプ（Ｐ）を有する短絡路と並列に、逆流防止弁（ＣＶ）を有するバイパス通路が設けられている。
【００２９】ここで、金属水素化物ＭＨL、ＭＨHが充填された第１と第２の容器には、水素ガス圧力を検知する圧力センサ（図示せず）がそれぞれにもうけられている。また、圧力センサからの信号から第１と第２の容器との差圧を算出するとともに、差圧に応じてバルブＶ１〜Ｖ４の開閉、及び、圧縮機又はポンプ（Ｐ）の稼働を制御する制御装置（図示せず）が設けられている。ここで、本発明の実施の形体で述べられているバルブの開閉や圧縮機又はポンプの稼働は、全てこの制御装置で行っている。
【００３０】図３は本発明のヒートポンプにおける水素ガスの移動を説明する説明図であり、（ａ）はＭＨLからＭＨHへの水素ガスの移動、（ｂ）はＭＨHからＭＨLへの水素ガスの移動を示す。図３（ａ）に示すようにＭＨLからＭＨHへ水素ガスを移動させる際には、バルブＶ２とＶ３は閉じられ、バルブＶ１とＶ４が開かれ、圧縮機又はポンプ（Ｐ）の稼働方向に沿った水素ガス通路が形成され、ＭＨLからＭＨH間へ差圧があるときには、圧縮機又はポンプ（Ｐ）は稼働せず、差圧が殆ど解消した時点で圧縮機又はポンプ（Ｐ）が稼働する。
【００３１】また、図３（ｂ）に示すようにＭＨHからＭＨLへ水素ガスを移動させる際には、バルブＶ１とＶ４は閉じられ、バルブＶ２とＶ３が開かれ、圧縮機又はポンプ（Ｐ）の稼働方向に沿った水素ガス通路が形成され、圧縮機又はポンプ（Ｐ）は常に稼働する。
【００３２】
【発明の効果】本発明１のヒートポンプは、上述の如き構成とされているので、二つの容器間に差圧がある場合に、少ない数（４つ）のバルブで圧縮機又はポンプの作動を停止させるとともに、差圧によって水素ガスの移動を行わせることができる。
【００３３】本発明２のヒートポンプは、上述の如き構成とされているので、圧縮機又はポンプバイパス通路との間で水素ガスが循環することがない。
【００３４】本発明３のヒートポンプは、上述の如き構成とされているので、上記効果に加え、本発明１又は２のヒートポンプを簡単に少ない数（４つ）のバルブの開閉制御で駆動することができる。
【００３５】本発明４のヒートポンプの運転方法は、上述の如き構成とされているので、水素ガスを送るべき方向に差圧がある場合においては、その差圧で水素ガスが移動し、この間は圧縮機又はポンプを駆動させる必要がないので、少ない数のバルブで、圧縮機又はポンプに投入するエネルギーに対して取得熱量を増大させ、熱効率を向上させることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００２１７４
【氏名又は名称】積水化学工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月２０日（１９９８．１０．２０） |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１２１１９７（Ｐ２０００−１２１１９７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２９８０８７ |
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