JP3534559B2 - 水素吸蔵式冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金の水
素の吸蔵と放出とを繰り返して行わせ、水素の放出時に
生じる吸熱作用を利用して冷熱を得る水素吸蔵式冷却装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】水素吸蔵合金を用いた従来の水素吸蔵式
冷却装置を、図８を用いて説明する。水素吸蔵合金を用
いたヒートポンプサイクルＪ1 は、水素吸蔵合金Ｊ2 の
加熱、放熱および冷熱出力を得るためにシェル＆チュー
ブタイプの熱交換器を用いていた。この従来技術で示す
ヒートポンプサイクルＪ1 は、４つのシェル＆チューブ
タイプの熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 を用いたもので、各熱交換
器Ｊ3 〜Ｊ6 は水素吸蔵合金Ｊ2 と熱媒体とが熱交換可
能に設けられている。第１、第２熱交換器Ｊ3 、Ｊ4 の
水素吸蔵合金Ｊ2 は水素通路を介して連通し、第３、第
４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 の水素吸蔵合金Ｊ2 も水素通路を
介して連通して設けられている。

【０００３】作動は、第１熱交換器Ｊ3 に加熱用の熱媒
体を供給するとともに、第２熱交換器Ｊ4 に放熱用の熱
媒体を供給する。すると、第１熱交換器Ｊ3 の水素が放
出されて第２熱交換器Ｊ4 に吸蔵される。つまり、水素
駆動が行われる。次に、第１熱交換器Ｊ3 に供給してい
た加熱用の熱媒体を、放熱用の熱媒体に切り換えて供給
するとともに、第２熱交換器Ｊ4 に供給していた放熱用
の熱媒体を、冷熱出力用の熱媒体に切り換えて供給す
る。すると、第１熱交換器Ｊ3 が水素を吸蔵し、第２熱
交換器Ｊ4 が水素を放出する。この第２熱交換器Ｊ4 が
水素を放出する時、冷熱出力用の熱媒体が冷却される。
つまり、冷熱出力が得られる。そして、上記のサイクル
を繰り返す。

【０００４】一方、第２熱交換器Ｊ4 から冷熱出力を得
ている時は、第３熱交換器Ｊ5 に加熱用の熱媒体を供給
するとともに、第４熱交換器Ｊ6 に放熱用の熱媒体を供
給する。すると、第３熱交換器Ｊ5 の水素が放出されて
第４熱交換器Ｊ6 に吸蔵される。つまり、第１、第２熱
交換器Ｊ3 、Ｊ4 で冷熱出力を得ている時は、第３、第
４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 で水素駆動が行われる。次に、第
３熱交換器Ｊ5 に供給していた加熱用の熱媒体を、放熱
用の熱媒体に切り換えて供給するとともに、第４熱交換
器Ｊ6 に供給していた放熱用の熱媒体を、冷熱出力用の
熱媒体に切り換えて供給する。すると、第３熱交換器Ｊ
5 が水素を吸蔵し、第４熱交換器Ｊ6 が水素を放出す
る。この第４熱交換器Ｊ6 が水素を放出する時、冷熱出
力用の熱媒体が冷却される。つまり、第１、第２熱交換
器Ｊ3 、Ｊ4 で水素駆動が行われている時は、第３、第
４熱交換器Ｊ5 、Ｊ6 で冷熱出力が得られる。そして、
上記のサイクルを繰り返す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】各熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6
に、加熱用の熱媒体と放熱用の熱媒体、あるいは放熱用
の熱媒体と冷熱出力用の熱媒体を切り換えて供給するた
め、従来のヒートポンプサイクルＪ1 では多数の切替バ
ルブＪ7 〜Ｊ14が必要になる。このように、多数の切替
バルブＪ7 〜Ｊ14を用いると、故障確率が上昇し、耐久
性の向上の妨げとなる。また、各切替バルブＪ7 〜Ｊ14
は比較的高頻度で切り替わるため、作動音が目立つ不具
合もあった。

【０００６】また、水素吸蔵合金Ｊ2 と熱媒体との熱交
換を行う熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 は、水素吸蔵合金Ｊ2 に水
素を付与するために、一旦真空引きされた後、水素が高
圧下で供給されるため、低圧と高圧の両方に耐えられる
ように、シェル＆チューブタイプが用いられている。し
かし、シェル＆チューブタイプの熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6
は、体格が大きいため、水素吸蔵合金の熱交換に関与し
ない部分の熱授受によるヒートロスが大きいとともに、
水素移動時の圧力損失が大きく、結果的に冷却効率が低
くなってしまう不具合があった。

【０００７】さらに、シェル＆チューブタイプの熱交換
器は、体格が大きく、上記の従来技術で示したように、
連続的に冷熱出力を得るためには、ヒートポンプサイク
ルＪ1 は最低４個の熱交換器Ｊ3 〜Ｊ6 を必要とするた
め、ヒートポンプサイクルＪ1 が大型化し、結果的に水
素吸蔵式冷却装置が大型化する不具合があった。

【０００８】

【発明の目的】本発明は、上記の事情に鑑みてなされた
もので、第１の目的は、水素吸蔵合金と熱交換を行う熱
媒体の切り替えを行う切替バルブが不要な長期の信頼性
の高い水素吸蔵式冷却装置の提供にあり、第２の目的
は、水素移動時の圧力損失が小さく、またヒートロスが
小さい、熱授受の効率の優れた水素吸蔵式冷却装置の提
供にあり、第３の目的は小型化が可能な水素吸蔵式冷却
装置の提供にある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の水素吸蔵式冷却
装置は、上記の目的を達成するために、次の技術的手段
を採用した。 （請求項１の手段）水素吸蔵式冷却装置は、水素吸蔵合
金の水素の放出時の吸熱を利用したものであって、水素
吸蔵合金が封入された第１室、この第１室内と水素通路
を介して連通し、水素吸蔵合金が封入された第２室を備
えた複数のセルと、前記第１室と接触可能に設けられた
加熱用の熱媒体が配された加熱域を備えるとともに、前
記第２室と接触可能に設けられた放熱用の熱媒体が配さ
れた第１放熱域を備える水素駆動部と、前記第１室と接
触可能に設けられた放熱用の熱媒体が配された第２放熱
域を備えるとともに、前記第２室と接触可能に設けられ
た冷熱出力用の熱媒体が配された冷熱出力域を備える冷
熱出力部と、前記複数のセルを前記水素駆動部および前
記冷熱出力部に繰り返し移動させるセル移動手段と、を
備え、前記加熱用の熱媒体、前記放熱用の熱媒体、前記
冷熱出力用の熱媒体の少なくとも１種以上の熱媒体は、
前記第１室あるいは前記第２室の少なくとも一方に、噴
射あるいは滴下されることを特徴とする。

【００１０】（請求項２の手段）請求項１の水素吸蔵式
冷却装置において、前記第１室および前記第２室は、そ
れぞれ偏平状を呈し、一方の面が凸状に湾曲するととも
に、一方の面に対向する他方の面が凹状に湾曲して設け
られたことを特徴とする。

【００１１】（請求項３の手段）請求項１または請求項
２の水素吸蔵式冷却装置において、前記第１室および前
記第２室がそれぞれ放射状を呈するように前記複数のセ
ルを配置し、前記セル移動手段が前記複数のセルを放射
状に回転駆動し、前記加熱域と前記第２放熱域は、前記
第１室の群を覆う第１容器内で区画され、前記第１放熱
域と前記冷熱出力域は、前記第２室の群を覆う第２容器
内で区画されたことを特徴とする。

【００１２】（請求項４の手段）請求項１ないし請求項
３のいずれかの水素吸蔵式冷却装置において、前記複数
のセルは、前記第２室が２つに分割して設けられるとと
もに、前記第１室から分割された一方の第２室に水素の
移動を行い、この一方の第２室から他方の第２室へ水素
を移動させて１段目の冷熱出力を得るとともに、前記他
方の第２室から前記第１室へ水素を移動させて２段目の
冷熱出力を得るように設けられたことを特徴とする。

【００１３】

【発明の作用】セル移動手段によって、複数のセルが水
素駆動部と冷熱出力部とに繰り返し移動される。セルが
水素駆動部に移動した際、第１室が加熱域において加熱
用の熱媒体に接触し、第２室が第１放熱域において放熱
用の熱媒体に接触すると、第１室内の水素吸蔵合金が加
熱されるとともに、第２室内の水素吸蔵合金が放熱され
る。すると、第１室内の水素吸蔵合金から水素が放出さ
れて、第２室内の水素吸蔵合金が水素を吸蔵する。つま
り、１つのセル内において水素駆動が行われる。

【００１４】セルが冷熱出力部に移動した際、第１室が
第２放熱域において放熱用の熱媒体に接触し、第２室が
冷熱出力域において冷熱出力用の熱媒体に接触すると、
第１室内の水素吸蔵合金が放熱させられる。すると、第
１室内の圧力が下がって第１室内の水素吸蔵合金が水素
を吸蔵し、第２室内の水素吸蔵合金が水素を放出する。
この第２室の水素吸蔵合金が水素を放出する時、冷熱出
力用の熱媒体が冷却される。つまり、１つのセル内にお
いて冷熱出力が得られる。そして、複数のセルが上記の
サイクルを繰り返すことによって、冷熱出力域から冷却
された冷熱出力用の熱媒体を連続的に得ることができ
る。

【００１５】なお、加熱用の熱媒体、放熱用の熱媒体、
冷熱出力用の熱媒体の少なくとも１種以上の熱媒体が、
第１室あるいは第２室の少なくとも一方に、噴射あるい
は滴下され、第１室あるいは第２室の少なくとも一方の
表面を伝って落下する（熱媒体が表面を伝わる第１室あ
るいは第２室の表面が親水性であれば、第１室あるいは
第２室の表面を膜状に伝わって落下する）ことで、加熱
用の熱媒体、放熱用の熱媒体、冷熱出力用の熱媒体の少
なくとも１種以上の熱媒体と、第１室あるいは第２室の
少なくとも一方との熱交換が行われる。

【００１６】

【発明の効果】上記の作用で示したように、本発明の水
素吸蔵式冷却装置は、水素吸蔵合金を収納するチューブ
に接触する熱媒体の種類を切り換えて水素吸蔵合金と熱
交換を行うのではなく、セル移動手段がセルを移動する
ことで水素吸蔵合金を収納する第１室および第２室自体
が移動して熱媒体の種類を変更しているので、従来技術
のように、熱媒体の種類の切り替えを行う切替バルブが
不要となる。また、第１室と第２室とは水素通路によっ
て連通しているのみであり、水素通路の開閉バルブも不
要である。このように、本発明の水素吸蔵式冷却装置
は、ヒートポンプサイクルにおいて切替バルブが不要で
あるため、従来に比較して故障確率が小さく、結果的に
長期の信頼性を高めることができる。

【００１７】本発明の水素吸蔵式冷却装置は、水素吸蔵
合金を内蔵する第１室と第２室とを水素通路で連通した
セルを複数用いているため、シェル＆チューブタイプの
熱交換器に比較して水素移動時の圧力損失を小さく抑え
ることができるとともに、熱交換に関与しない部分の熱
授受が少なくヒートロスが低減するため、冷却効率を向
上できる。

【００１８】本発明の水素吸蔵式冷却装置は、従来のよ
うなシェル＆チューブタイプの熱交換器を用いず、水素
吸蔵合金を内蔵する複数のセルを用いているため、シェ
ル＆チューブタイプの熱交換器を複数用いるものに比較
してヒートポンプサイクルの体格を小型化することがで
き、結果的に水素吸蔵式冷却装置を大変小型化できる。

【００１９】本発明の水素吸蔵式冷却装置は、作用で示
したように、加熱用の熱媒体、放熱用の熱媒体、冷熱出
力用の熱媒体の少なくとも１種以上の熱媒体が、第１室
あるいは第２室の少なくとも一方に噴射あるいは滴下さ
れて熱交換が行われる。このように、熱媒体を噴射ある
いは滴下によって第１室あるいは第２室に与えることに
よって、その熱媒体との熱交換効率を向上させることが
でき、結果的に水素吸蔵式冷却装置の冷却効率を向上で
きる。

【００２０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を、実
施例および変形例に基づき説明する。 〔第１実施例の構成〕第１実施例は、本発明の水素吸蔵
式冷却装置を室内空調用の冷房装置に適用したもので、
この第１実施例を図１ないし図６を用いて説明する。

【００２１】（冷房装置１の概略説明）本実施例の冷房
装置１の概略構成を、図２を用いて説明する。この実施
例では、水素吸蔵合金を用いたヒートポンプサイクル２
の一例として２段式サイクルを用いた。なお、２段式サ
イクルとは、本発明の第２室を分割し、第１室から分割
された一方の第２室に水素の移動を行い、一方の第２室
から他方の第２室へ水素を移動させて１段目の冷熱出力
を得、他方の第２室から第１室へ水素を移動させて２段
目の冷熱出力を得るもので、詳細は後述する。

【００２２】本実施例の適用される冷房装置１は、大別
して、水素吸蔵合金を用いたヒートポンプサイクル２
と、水素吸蔵合金を加熱する加熱水（加熱用の熱媒体に
相当する、本実施例では水）を作り出す燃焼装置３と、
水素吸蔵合金を放熱させる放熱水（放熱用の熱媒体に相
当する、本実施例では水）を冷却する放熱水冷却手段４
と、水素吸蔵合金の水素放出作用によって生じた吸熱に
よって冷却された冷熱出力水（冷熱出力用の熱媒体に相
当する、本実施例では水）で室内を空調する室内空調機
５と、搭載された各電気機能部品を制御する制御装置６
とから構成される。

【００２３】なお、ヒートポンプサイクル２、燃焼装置
３、放熱水冷却手段４および制御装置６は、室外機７と
して室外に設置されるもので、室内には室内空調機５が
配置される。また、本実施例に示す冷房装置１は、１つ
の室外機７に対して、複数の室内空調機５が接続可能な
所謂マルチエアコンである。

【００２４】（ヒートポンプサイクル２の説明）本実施
例のヒートポンプサイクル２は、上述のように２段式サ
イクルを用いたもので、図１に示すように、水素吸蔵合
金が封入された上段室Ｓ1 （第１室に相当する）、この
上段室Ｓ1 内に水素通路Ｓ4 を介して連通し、水素吸蔵
合金が封入された中段室Ｓ2 （第２室に相当する）、上
段室Ｓ1 内および中段室Ｓ2 内に水素通路Ｓ4 を介して
連通し、水素吸蔵合金が封入された下段室Ｓ3 （第２室
に相当する）を備えたセルＳを複数用いる。なお、この
実施例では、１２〜１８個のセルＳを用いた。

【００２５】水素吸蔵合金は、水素平衡圧力が異なる３
種を用いたもので、上段室Ｓ1 内には同一平衡水素圧で
水素平衡温度が最も高い高温度水素吸蔵合金（以下、高
温合金ＨＭ）の粉末を封入し、中段室Ｓ2 内には中温度
水素吸蔵合金（以下、中温合金ＭＭ）の粉末を封入し、
下段室Ｓ3 内には同一平衡水素圧で水素平衡温度が最も
低い低温度水素吸蔵合金（以下、低温合金ＬＭ）の粉末
を封入したものである。図６のＰＴ冷凍サイクル線図を
用いて説明すると、相対的に高温側に合金特性を有する
水素吸蔵合金が高温合金ＨＭ、低温側に合金特性を有す
る水素吸蔵合金が低温合金ＬＭ、中間が中温合金ＭＭで
ある。

【００２６】１つのセルＳは、ステンレスあるいは銅な
ど、水素透過の無い金属を用いて、水素吸蔵合金を包む
最中状に絞り成形したもので、真空ろう付けや溶接等の
接合方法によりセル容器（上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、
Ｓ3 および水素通路Ｓ4 を形成する容器）を成形し、内
部に粉末状の水素吸蔵合金を充填し、真空引きを行った
のち、活性化処理を施し、水素を高圧充填して溶接によ
り密封したものである。

【００２７】１つのセルＳの外形は、図３に示されるも
ので、上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 はそれぞれ板状
（偏平な容器状の一例）を呈し、各室の一辺が、内部に
水素通路Ｓ4 が形成された棒状の連結部Ｓ5 によって連
結された形状を呈する。また、上、中、下段室Ｓ1 、Ｓ
2 、Ｓ3 のそれぞれは、一方の面が凸状に湾曲して設け
られるとともに、対向する他方の面が凹状に湾曲して設
けられている。このように、各室は、凹凸状の面を対向
して設けたことにより、真空引き時の低圧下、および水
素充填時の高圧下において、対向する面に引っ張り応力
と圧縮応力がかかり、各室の変形が小さく抑えられ、結
果的に耐圧性に優れる。なお、凹凸の方向の一例とし
て、図３では、側方から見て板状の室が湾曲するように
設けた例を示したが、軸方向から見て板状の室が湾曲す
るように設けたり、ドーム型など側方および軸方向の両
方から見て板状の室が湾曲するように設けても良い。

【００２８】複数のセルＳは、図４に示すように、上、
中、下段室Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 が、それぞれ放射状を呈す
るように配置されるもので、この実施例では回転軸８の
周囲に複数のセルＳの各連結部Ｓ5 が束ねて固定され、
複数の上段室Ｓ1 の群（第１室の群に相当する）、複数
の中段室Ｓ2 の群（第２室の群に相当する）、複数の下
段室Ｓ3 の群（第２室の群に相当する）が、それぞれ放
射状に配置されたものである。なお、回転軸８の周囲に
固定された複数のセルＳは、図示しないセル移動手段に
よって回転駆動されるもので、このセル移動手段は、ゆ
っくりと連続的に複数のセルＳを回転させるものである
（例えば、１時間に２０周ほど）。

【００２９】一方、２段式サイクルのヒートポンプサイ
クル２は、図１に示すように、上段室Ｓ1 内の水素を強
制的に下段室Ｓ3 内に移動させる水素駆動部αと、下段
室Ｓ3 内に移動した水素を中段室Ｓ2 に移動させる第１
冷熱出力部βと、中段室Ｓ2内に移動した水素を上段室
Ｓ1 に移動させる第２冷熱出力部γとを備える。水素駆
動部αは、上段室Ｓ1 と接触する加熱水（例えば８０℃
ほど）が供給される加熱域α1 、中段室Ｓ2 と接触する
昇圧水（例えば５６℃ほど）が供給される中段昇圧域α
2 、下段室Ｓ3 と接触する放熱水（例えば２８℃ほど）
が供給される下段放熱域α3 （第１放熱域に相当する）
を備える。

【００３０】第１冷熱出力部βは、上段室Ｓ1 と接触す
る昇圧水（例えば５８℃ほど）が供給される上段昇圧域
β1 、中段室Ｓ2 と接触する放熱水（例えば２８℃ほ
ど）が供給される中段放熱域β2 、下段室Ｓ3 と接触し
た冷熱出力水（例えば１３℃ほど）が出力される下段冷
熱出力域β3 を備える。第２冷熱出力部γは、上段室Ｓ
1 と接触する放熱水（例えば２８℃ほど）が供給される
上段放熱域γ1 （第２放熱域に相当する）、中段室Ｓ2
と接触する冷熱出力水（例えば１３℃ほど）が出力され
る中段冷熱出力域γ2 （冷熱出力域に相当する）を備え
る。なお、第２冷熱出力部γにおいて下段室Ｓ3 と接触
する熱媒体の温度は不問であり、その部分を不問域γ3
とする。

【００３１】つまり、図示しないセル移動手段により、
上段室Ｓ1 の群は加熱域α1 →上段昇圧域β1 →上段放
熱域γ1 を循環するものであり、中段室Ｓ2 の群は中段
昇圧域α2 →中段放熱域β2 →中段冷熱出力域γ2 を循
環するものであり、下段室Ｓ3 の群は下段放熱域α3 →
下段冷熱出力域β3 →不問域γ3 を循環するものであ
る。

【００３２】上段室Ｓ1 の群は、上段容器Ｋ1 （第１容
器に相当する）に覆われ、内部が加熱域α1 、上段昇圧
域β1 、上段放熱域γ1 に区画されている。また、中段
室Ｓ2 の群は、中段容器Ｋ2 に覆われ、内部が中段昇圧
域α2 、中段放熱域β2 、中段冷熱出力域γ2 に区画さ
れている。さらに、下段室Ｓ3 の群は、下段容器Ｋ3に
覆われ、内部が下段放熱域α3 、下段冷熱出力域β3 、
不問域γ3 に区画されている。なお、中段容器Ｋ2 およ
び下段容器Ｋ3 が第２容器に相当する。上段容器Ｋ1 、
中段容器Ｋ2 、下段容器Ｋ3 は、連続的に繋がって設け
られた容器Ｋ（例えば、樹脂製の容器）で、この容器Ｋ
は、図５に示すように、軸方向に分割可能に設けられて
いる。

【００３３】（ヒートポンプサイクル２における上記以
外の構成部品の説明）図２に示す符号９は、上段昇圧域
β1 と中段昇圧域α2 とに昇圧水を循環させる昇圧水循
環路で、途中に設けられた昇圧水循環ポンプＰ1 ’によ
って昇圧水が循環する。なお、昇圧水は、加熱域α1 で
温度上昇した上段室Ｓ1 から流入した加熱水の一部、お
よび上段容器Ｋ1 からの伝熱により温度上昇した水を用
いたもので、ヒートポンプサイクル２の作動中、上段昇
圧域β1 の昇圧水の温度は例えば５８℃程で、中段昇圧
域α2 の昇圧水の温度は例えば５６℃程になる。

【００３４】（燃焼装置３の説明）本実施例の燃焼装置
３は、燃料であるガスを燃焼して熱を発生させ、発生し
た熱によって加熱水を加熱するガス燃焼装置を用いたも
ので、ガスの燃焼を行うガスバーナ１０、このガスバー
ナ１０へガスの供給を行うガス量調節弁２１およびガス
開閉弁２２を備えたガス供給回路１１、ガスバーナ１０
へ燃焼用の空気を供給する燃焼ファン１２、ガスの燃焼
熱と加熱水とを熱交換する熱交換器１３等から構成され
る。そして、ガスバーナ１０のガス燃焼で得られた熱
で、加熱水を例えば８０℃程に加熱し、加熱された加熱
水を加熱水循環ポンプＰ1 を備えた加熱水循環路１４を
介して加熱域α1 に供給するものである。なお、本実施
例の加熱水循環ポンプＰ1 は、昇圧水循環ポンプＰ1 ’
を駆動する兼用のモータによって駆動されるタンデムポ
ンプである。このため、燃焼装置３から加熱水がヒート
ポンプサイクル２に供給される際は、昇圧水も循環作動
するように設けられている。

【００３５】（室内空調機５の説明）室内空調機５は、
上述のように室内に配置されるもので、内部に室内熱交
換器１５、この室内熱交換器１５に供給される冷熱出力
水と室内空気とを強制的に熱交換し、熱交換後の空気を
室内に吹き出させるための室内ファン１６を備える。室
内熱交換器１５には、下段冷熱出力域β3 および中段冷
熱出力域γ2 から供給される冷熱出力水を循環させる冷
熱出力水循環路１７が接続され、この冷熱出力水循環路
１７の途中（室外機７内）には、冷熱出力水を循環させ
る冷熱出力水ポンプＰ2 が設けられている。

【００３６】（放熱水冷却手段４の説明）放熱水冷却手
段４は、蒸発型の冷却塔であり、この放熱水冷却手段４
によって冷却された放熱水は、放熱水循環ポンプＰ3 を
備えた放熱水循環路１８によって下段放熱域α3 、中段
放熱域β2 、上段放熱域γ1 に供給される。放熱水冷却
手段４は、下段放熱域α3 、中段放熱域β2 、上段放熱
域γ1 を通過した放熱水を、上方から下方へ流し、流れ
ている間に外気と熱交換して放熱するとともに、流れて
いる間に一部蒸発させて、蒸発時に流れている放熱水か
ら気化熱を奪い、流れている放熱水を冷却するものであ
る。また、この放熱水冷却手段４は、図示しない放熱フ
ァンを備え、この放熱ファンの生じる空気流によって放
熱水の蒸発および冷却を促進するように設けられてい
る。なお、この実施例では、放熱水冷却手段４の一例と
して蒸発型の冷却塔を例に示したが、密閉型の空冷式を
用いても良い。

【００３７】各熱媒体（加熱水、昇圧水、放熱水、冷熱
出力水）を各室（上段室Ｓ1 、中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3
）に接触させる手段として、熱媒体をポンプで圧縮し
て多数のノズルＮから噴射させて、各室に熱媒体が触れ
るように設けた。このことを図１を参照して具体的に説
明する。

【００３８】加熱水の噴射について説明する。上段容器
Ｋ1 の加熱域α1 の部分に多数のノズルＮを設け、加熱
水循環ポンプＰ1 で圧送された加熱水を、加熱域α１を
移動する上段室Ｓ1 に向けて吹き付けるように設けた。
上段室Ｓ1 に吹き付けられた加熱水は、上段室Ｓ1 の表
面を膜状に伝わって上段室Ｓ1 を８０℃ほどに加熱した
後に滴下し、加熱域α1 内に溜められ、排出口Ｈより加
熱水循環路１４に戻される。

【００３９】昇圧水の噴射について説明する。中段容器
Ｋ2 の中段昇圧域α2 の部分と、上段容器Ｋ1 の上段昇
圧域β1 の部分とに多数のノズルＮを設け、昇圧水循環
ポンプＰ1 ’で圧送された昇圧水を、中段昇圧域α2 を
移動する中段室Ｓ2 と、上段昇圧域β1 を移動する上段
室Ｓ1 とに向けて吹き付けるように設けた。中段室Ｓ2
に吹き付けられた昇圧水は、中段室Ｓ2 の表面を膜状に
伝わって中段室Ｓ2 を５６℃ほどに加熱した後に滴下
し、中段昇圧域α2 内に溜められ、排出口Ｈより昇圧水
循環路９に戻される。上段室Ｓ1 に吹き付けられた昇圧
水は、上段室Ｓ1 の表面を膜状に伝わって上段室Ｓ1 を
５８℃ほどに冷却した後に滴下し、上段昇圧域β1 内に
溜められ、排出口Ｈより昇圧水循環路９に戻される。

【００４０】放熱水の噴射について説明する。下段容器
Ｋ3 の下段放熱域α3 の部分と、中段容器Ｋ2 の中段放
熱域β2 の部分と、上段容器Ｋ1 の上段放熱域γ1 の部
分とに多数のノズルＮを設け、放熱水循環ポンプＰ3 で
圧送された放熱水を、下段放熱域α3 を移動する下段室
Ｓ3 と、中段放熱域β2 を移動する中段室Ｓ2 と、上段
放熱域γ1 を移動する上段室Ｓ1 とに向けて吹き付ける
ように設けた。下段室Ｓ3 に吹き付けられた放熱水は、
下段室Ｓ3 の表面を膜状に伝わって下段室Ｓ3 を２８℃
ほどに放熱させた後に滴下し、下段放熱域α3 内に溜め
られ、排出口Ｈより放熱水循環路１８に戻される。中段
室Ｓ2 に吹き付けられた放熱水は、中段室Ｓ2 の表面を
膜状に伝わって中段室Ｓ2 を２８℃ほどに放熱させた後
に滴下し、中段放熱域β2 内に溜められ、排出口Ｈより
放熱水循環路１８に戻される。上段室Ｓ1 に吹き付けら
れた放熱水は、上段室Ｓ1 の表面を膜状に伝わって上段
室Ｓ1 を２８℃ほどに放熱させた後に滴下し、上段放熱
域γ1 内に溜められ、排出口Ｈより放熱水循環路１８に
戻される。

【００４１】冷熱出力水の噴射について説明する。下段
容器Ｋ3 の下段冷熱出力域β3 の部分と、中段容器Ｋ2
の中段冷熱出力域γ2 の部分とに多数のノズルＮを設
け、冷熱出力水ポンプＰ2 で圧送された冷熱出力水を、
下段冷熱出力域β3 を移動する下段室Ｓ3 と、中段冷熱
出力域γ2 を移動する中段室Ｓ2 とに向けて吹き付ける
ように設けた。下段室Ｓ3 に吹き付けられた冷熱出力水
は、下段室Ｓ3 の表面を膜状に伝わる際に内部の低温合
金ＬＭの吸熱作用によって１３℃ほどに冷却された後に
滴下し、下段冷熱出力域β3 内に溜められ、排出口Ｈよ
り冷熱出力水循環路１７に供給される。中段室Ｓ2 に吹
き付けられた冷熱出力水は、中段室Ｓ2 の表面を膜状に
伝わる際に内部の中温合金ＭＭの吸熱作用によって１３
℃ほどに冷却された後に滴下し、中段冷熱出力域γ2 内
に溜められ、排出口Ｈより冷熱出力水循環路１７に供給
される。

【００４２】ここで、上記に示す加熱水循環路１４、冷
熱出力水循環路１７および放熱水循環路１８は、それぞ
れシスターンＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 を備えており、シスター
ンＴ1 、Ｔ2 、Ｔ3 内の水位が所定水位以下に低下する
と、それぞれに設けられた給水バルブＴ4 、Ｔ5 、Ｔ6
が開き、給水管１９から供給される水道水をシスターン
Ｔ1 、Ｔ2 、Ｔ3 内に補充するように設けられている。
また、ヒートポンプサイクル２の下部にはドレンパンＰ
が配置され、ヒートポンプサイクル２に発生したドレン
水を排水管２０から排水するように設けられている。な
お、放熱水冷却手段４で溢れた水も排水管２０から排水
するように設けられている。

【００４３】この実施例では、熱媒体（加熱水、昇圧
水、放熱水あるいは冷熱出力水）を室（上段室Ｓ1 、中
段室Ｓ2 あるいは下段室Ｓ3 ）に接触させる手段とし
て、熱媒体を室に噴射させた例を示したが、熱媒体を室
に滴下して与えても良い。また、熱交換の要求能力に応
じて、噴射と滴下を組み合わせて用いても良い。

【００４４】（制御装置６の説明）制御装置６は、室内
空調機５に設けられたコントローラ（図示しない）から
の操作指示や、複数設けられた各センサの入力信号に応
じて、上述の加熱水循環ポンプＰ1 （昇圧水循環ポンプ
Ｐ1 ’）、冷熱出力水ポンプＰ2 、放熱水循環ポンプＰ
3 、給水バルブＴ4 、Ｔ5 、Ｔ6 、放熱水冷却手段４の
放熱ファンなどの電気機能部品、および燃焼装置３の電
気機能部品（燃焼ファン１２、ガス量調節弁２１、ガス
開閉弁２２、図示しない点火装置等）を制御するととも
に、室内空調機５に室内ファン１６の作動指示を与える
ものである。

【００４５】（冷房運転の作動説明）上記の冷房装置１
による冷房運転の作動を、図６のＰＴ冷凍サイクル線図
を参照して説明する。冷房運転が室内空調機５のコント
ローラによって指示されると、制御装置６によって、燃
焼装置３、セル移動手段、放熱ファンおよび加熱水循環
ポンプＰ1 （昇圧水循環ポンプＰ1 ’）、冷熱出力水ポ
ンプＰ2 、放熱水循環ポンプＰ3 が作動するとともに、
冷房が指示された室内空調機５の室内ファン１６をONす
る。

【００４６】セル移動手段によって、複数のセルＳがゆ
っくりと連続的に回転移動する。これによって、複数の
セルＳが、水素駆動部α→第１冷熱出力部β→第２冷熱
出力部γの順で移動する。つまり、各上段室Ｓ1 が加熱
域α1 →上段昇圧域β1 →上段放熱域γ1 の順で移動
し、各中段室Ｓ2 が中段昇圧域α2 →中段放熱域β2 →
中段冷熱出力域γ2の順で移動し、各下段室Ｓ3 が下段
放熱域α3 →下段冷熱出力域β3 →不問域γ3 の順で移
動する。

【００４７】水素駆動部αを移動するセルＳは、図１の
（α）に示すように、上段室Ｓ1 が加熱域α1 で加熱水
（約８０℃）に触れ、中段室Ｓ2 が中段昇圧域α2 で昇
圧水（約５６℃）に触れ、下段室Ｓ3 が下段放熱域α3
の放熱水（約２８℃）に触れる。この結果、上段室Ｓ1
内が８０℃：１．０ＭＰａ、中段室Ｓ2 内が５６℃：
１．０ＭＰａ、下段室Ｓ3 内が２８℃：０．９ＭＰａと
なる。この時、上段室Ｓ1 が８０℃に加熱（図６の）
され、下段室Ｓ3 が２８℃に冷却（図６の）されるこ
とにより、上段室Ｓ1 の高温合金ＨＭが水素を放出し、
下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭが水素を吸蔵する。なお、中
段室Ｓ2 は昇圧水によって中温合金ＭＭが水素を吸蔵し
ない圧力となる温度に加熱されるため、中段室Ｓ2 の中
温合金ＭＭは水素の吸蔵は行わない。そして、水素駆動
部αを通過したセルＳは、その後第１冷熱出力部βへ移
動する。

【００４８】第１冷熱出力部βを移動するセルＳは、図
１の（β）に示すように、上段室Ｓ1 が上段昇圧域β1
で昇圧水（約５８℃）に触れ、中段室Ｓ2 が中段放熱域
β2で放熱水（約２８℃）に触れ、下段室Ｓ3 が下段冷
熱出力域β3 の冷熱出力水に触れる。この結果、上段室
Ｓ1 内が５８℃：０．５ＭＰａ、中段室Ｓ2 内が２８
℃：０．４ＭＰａ、下段室Ｓ3 内が１３℃：０．５ＭＰ
ａとなる。この時、中段室Ｓ2 が２８℃に冷却されて内
圧が低下するため、下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭが水素を
放出し（図６の）、中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素
を吸蔵する（図６の）。下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭが
水素を放出する際、吸熱作用が発生し、下段室Ｓ3 に触
れる冷熱出力水から熱を奪う。この結果、下段冷熱出力
域β3 内の冷熱出力水の温度が低下する（例えば、１３
℃）。なお、上段室Ｓ1 は昇圧水によって高温合金ＨＭ
が水素を吸蔵しない圧力となる温度に保たれるため、上
段室Ｓ1 の高温合金ＨＭは水素の吸蔵は行わない。そし
て、第１冷熱出力部βを通過したセルＳは、その後第２
冷熱出力部γへ移動する。

【００４９】第２冷熱出力部γを移動するセルＳは、図
１の（γ）に示すように、上段室Ｓ1 が上段放熱域γ1
で放熱水（約２８℃）に触れ、中段室Ｓ2 が中段冷熱出
力域γ2 の冷熱出力水に触れ、下段室Ｓ3 が不問域γ3
の熱媒体（水）に触れる。この結果、上段室Ｓ1 内が２
８℃：０．１ＭＰａ、中段室Ｓ2 内が１３℃：０．２Ｍ
Ｐａ、下段室Ｓ3 内は不問状態となる。この時、上段室
Ｓ1 が２８℃に冷却されて内圧が低下するため、中段室
Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を放出し（図６の）、上段
室Ｓ1 の高温合金ＨＭが水素を吸蔵する（図６の）。
中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素を放出する際、吸熱作
用が発生し、中段室Ｓ2 に触れる冷熱出力水から熱を奪
う。この結果、中段冷熱出力域γ2 内の冷熱出力水の温
度が低下する（例えば、１３℃）。なお、下段室Ｓ3 の
温度は無関係で、下段室Ｓ3 の低温合金ＬＭは水素の吸
蔵は行わない。そして、第２冷熱出力部γを通過したセ
ルＳは、その後水素駆動部αへ移動する。

【００５０】なお、ヒートポンプサイクル２の下段冷熱
出力域β3 および中段冷熱出力域γ2 で熱を奪われた低
温の冷熱出力水は、冷熱出力水循環路１７を介して室内
空調機５の室内熱交換器１５に供給されて、室内に吹き
出される空気と熱交換されて室内を冷房する。

【００５１】〔実施例の効果〕上記の作動で示したよう
に、本実施例の冷房装置１は、水素駆動部αで中段室Ｓ
2 を昇圧して、中段室Ｓ2 の中温合金ＭＭが水素の吸蔵
を行わないようにしている。同様に、第１冷熱出力部β
で上段室Ｓ1 を昇圧して、上段室Ｓ1 の高温合金ＨＭが
水素の吸蔵を行わないようにしている。この結果、上段
室Ｓ1 、中段室Ｓ2 および下段室Ｓ3 は水素通路Ｓ4 に
よって連通しているのみで、水素通路Ｓ4 に開閉バルブ
を用いることなく、１つのセルＳ内で２段式サイクルを
構成できる。

【００５２】また、従来技術のように水素吸蔵合金を収
納するチューブに接触する熱媒体の種類を切り換えて水
素吸蔵合金と熱交換を行うのではなく、セル移動手段が
複数のセルＳを移動することで水素吸蔵合金を収納する
上段室Ｓ1 、中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3 自体が移動して熱
媒体の種類（加熱水、放熱水、昇圧水、冷熱出力水）を
変更しているので、ヒートポンプサイクル２において熱
媒体の種類を切り替える切替バルブが不要となる。この
ように、本実施例の冷房装置１は、ヒートポンプサイク
ル２において熱媒体を頻繁に切り替える切替バルブや、
水素通路Ｓ4 を開閉する開閉バルブが不要であるため、
従来に比較して故障確率が小さく、結果的に長期の信頼
性を高めることができる。

【００５３】本発明を適用した冷房装置１は、水素吸蔵
合金を内蔵する上段室Ｓ1 、中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3 を
水素通路Ｓ4 で連通したセルＳを複数用いているため、
シェル＆チューブタイプの熱交換器に比較して水素移動
時の圧力損失が小さく抑えられるとともに、熱交換に関
与しない部分の熱授受が少なくヒートロスが低減するた
め、結果的にヒートポンプサイクル２の冷却効率を向上
することができ、冷房効率が向上する。

【００５４】本発明を適用した冷房装置１は、複数のセ
ルＳを、水素駆動部α→第１冷熱出力部β→第２冷熱出
力部γの順に回転移動することで冷熱出力を得るため、
シェル＆チューブタイプの熱交換器に比較してヒートポ
ンプサイクル２の体格を小型化することができ、結果的
に冷房装置１の室外機７を小型化できる。

【００５５】本発明を適用した冷房装置１は、加熱水、
昇圧水、放熱水、冷熱出力水を、それぞれ上段室Ｓ1 、
中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3 に吹き付けている。このため、
各熱媒体（加熱水、昇圧水、放熱水、冷熱出力水）と、
各室（上段室Ｓ1 、中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3 ）との熱交
換効率が向上し、結果的にヒートポンプサイクル２の冷
却効率が向上して、冷房効率を高めることができる。ま
た、各熱媒体（加熱水、昇圧水、放熱水、冷熱出力水）
が、他の領域に拡散する不具合が防げる。つまり、例え
ば冷熱出力水に放熱水が混入して冷熱出力水の温度が上
昇する不具合等が防がれる。

【００５６】〔第２実施例〕次に、本発明の水素吸蔵式
冷却装置を冷暖房装置に適用した第２実施例を示す。な
お、図７は本発明を適用した冷暖房装置の概略構成図で
ある。本実施例の冷暖房装置３０は、上記第１実施例で
示した冷房運転の実施に加え、暖房運転時に、燃焼装置
３で加熱された加熱水を室内空調機５の室内熱交換器１
５に導いて室内暖房を行うもので、第１実施例で示した
加熱水循環路１４と冷熱出力水循環路１７とを接続し、
その接続部分に流路切替用の３つの切替バルブＶ1 、Ｖ
2 、Ｖ3 （冷房と暖房の切替バルブ）を設けたものであ
る。なお、室内空調機５の他に、床暖房マットや浴室乾
燥機などを接続し、加熱水の供給によって、床暖房や浴
室乾燥などを行うように設けても良い。

【００５７】〔変形例〕上記の第１、第２実施例では、
説明を容易化するために、図面の上下に応じて上段室Ｓ
1 、中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3 とした例を示したが、セル
Ｓの回転方向を横に向けたり、反転させるなど、他の向
きに配置しても良い。また、上段室Ｓ1、中段室Ｓ2 、
下段室Ｓ3 の配置を入れ換えても良い。さらに、セルＳ
の移動方向を逆にしても良い。このような場合は、勿
論、各室に接触する各熱媒体の配置位置もヒートポンプ
サイクルが成り立つように入れ換える。

【００５８】上記の実施例では、第１室を２つに分割し
（中段室Ｓ2 、下段室Ｓ3 ）、１サイクル内で２回冷熱
出力を得る２段式サイクルに本発明を適用した例に示し
たが、１サイクル内で１回冷熱出力を得る１段式サイク
ルや、第１室を３つ以上分割して１サイクル内で３回以
上冷熱出力を得る３段式以上のサイクルに本発明を適用
しても良い。

【００５９】上記の実施例では、昇圧用の熱媒体とし
て、加熱域α1 で温度上昇した上段室Ｓ1 を冷却して温
度上昇した熱媒体（実施例中では昇圧水）を用いた例を
示したが、加熱手段（例えば、燃焼装置による昇温、電
気ヒータによる昇温、排熱による昇温など）によって昇
温した熱媒体を用いても良い。

【００６０】上記の実施例では、１つの室外機７に複数
の室内空調機５が接続可能なマルチエアコンを示した
が、１つの室外機７に１つの室内空調機５が接続される
エアコンに本発明を適用しても良い。上記の実施例で
は、ヒートポンプサイクル２によって得られた冷熱出力
用の熱媒体（実施例中では冷熱水）で室内を冷房する例
を示したが、冷熱出力用の熱媒体で冷蔵運転や冷凍運転
に用いるなど、本発明を他の冷却装置として用いても良
い。

【００６１】上記の実施例では、１つのヒートポンプユ
ニット（１つの容器Ｋ内に複数のセルＳを収納したユニ
ット）を用いた例を示したが、複数のヒートポンプユニ
ットを搭載して冷却能力を増大させ、ビル用空調システ
ムなど大きな冷却能力が要求される冷却装置に用いても
良い。

【００６２】上記の実施例では、加熱用の熱媒体（実施
例中では加熱水）を加熱する加熱手段として、ガスを燃
焼するガス燃焼装置を用いたが、石油を燃焼する石油燃
焼装置など、他の燃焼装置を用いても良いし、内燃機関
の排熱によって加熱用の熱媒体を加熱する加熱手段、ボ
イラーによる蒸気、電気ヒータを用いた加熱手段など、
他の加熱手段を用いても良い。なお、内燃機関の排熱を
利用する際は、車両用に用いることもできる。

【００６３】上記の実施例では、各熱媒体の一例とし
て、水道水を用いたが、不凍液やオイルなど他の液体に
よる熱媒体や、空気など気体による熱媒体を用いても良
い。上記の実施例では、複数のセルＳをセル移動手段に
よって連続的に回転させた例を示したが、セルＳを間欠
的に回転移動させたり、上下や左右等の直線移動や、蛇
行移動等を伴うように移動させても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒートポンプサイクルの作動説明図である（第
１実施例）。

【図２】冷房装置の概略構成図である（第１実施例）。

【図３】セルの斜視図である（第１実施例）。

【図４】複数のセルの配置状態を示す斜視図である（第
１実施例）。

【図５】容器の斜視図である（第１実施例）。

【図６】ＰＴ冷凍サイクル線図である（第１実施例）。

【図７】冷暖房装置の概略構成図である（第２実施
例）。

【図８】冷房装置の概略構成図である（従来例）。

【符号の説明】

ＨＭ 高温合金（水素吸蔵合金） ＭＭ 中温合金（水素吸蔵合金） ＬＭ 低温合金（水素吸蔵合金） Ｓ セル Ｓ1 上段室（第１室） Ｓ2 中段室（第２室） Ｓ3 下段室（第２室） Ｓ4 水素通路 α 水素駆動部 α1 加熱域 α3 下段放熱域（第１放熱域） γ 第２冷熱出力部（冷熱出力部） γ1 上段放熱域（第２放熱域） γ2 中段冷熱出力域（冷熱出力域） Ｋ1 上段容器（第１容器） Ｋ2 中段容器（第２容器） Ｋ3 下段容器（第２容器）

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素吸蔵合金の水素の放出時の吸熱を利用
   した水素吸蔵式冷却装置において、 水素吸蔵合金が封入された第１室、この第１室内と水素
   通路を介して連通し、水素吸蔵合金が封入された第２室
   を備えた複数のセルと、 前記第１室と接触可能に設けられた加熱用の熱媒体が配
   された加熱域を備えるとともに、前記第２室と接触可能
   に設けられた放熱用の熱媒体が配された第１放熱域を備
   える水素駆動部と、 前記第１室と接触可能に設けられた放熱用の熱媒体が配
   された第２放熱域を備えるとともに、前記第２室と接触
   可能に設けられた冷熱出力用の熱媒体が配された冷熱出
   力域を備える冷熱出力部と、 前記複数のセルを前記水素駆動部および前記冷熱出力部
   に繰り返し移動させるセル移動手段と、を備え、 前記加熱用の熱媒体、前記放熱用の熱媒体、前記冷熱出
   力用の熱媒体の少なくとも１種以上の熱媒体は、前記第
   １室あるいは前記第２室の少なくとも一方に、噴射ある
   いは滴下されることを特徴とする水素吸蔵式冷却装置。
2. 【請求項２】請求項１の水素吸蔵式冷却装置において、 前記第１室および前記第２室は、それぞれ偏平状を呈す
   るとともに、一方の面が凸状に湾曲し、一方の面に対向
   する他方の面が凹状に湾曲して設けられたことを特徴と
   する水素吸蔵式冷却装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２の水素吸蔵式冷却
   装置において、 前記第１室および前記第２室がそれぞれ放射状を呈する
   ように前記複数のセルを配置し、 前記セル移動手段が前記複数のセルを放射状に回転駆動
   し、 前記加熱域と前記第２放熱域は、前記第１室の群を覆う
   第１容器内で区画され、 前記第１放熱域と前記冷熱出力域は、前記第２室の群を
   覆う第２容器内で区画されたことを特徴とする水素吸蔵
   式冷却装置。
4. 【請求項４】請求項１ないし請求項３のいずれかの水素
   吸蔵式冷却装置において、 前記複数のセルは、前記第２室が２つに分割して設けら
   れ、 前記第１室から分割された一方の第２室に水素の移動を
   行い、この一方の第２室から他方の第２室へ水素を移動
   させて１段目の冷熱出力を得るとともに、前記他方の第
   ２室から前記第１室へ水素を移動させて２段目の冷熱出
   力を得るように設けられたことを特徴とする水素吸蔵式
   冷却装置。