JPH109709A

JPH109709A - 熱駆動型メタルハイドライド吸着式冷凍機

Info

Publication number: JPH109709A
Application number: JP8161988A
Authority: JP
Inventors: Edeippu Irudeirimu Kemal; イルディリムケマルーエディップ; Maurer Thomas; マウラートーマス; Hitoshi Sakashita; 仁司坂下
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1996-06-21
Filing date: 1996-06-21
Publication date: 1998-01-16
Also published as: DE19726286A1

Abstract

(57)【要約】【課題】メタルハイドライド式冷凍機のエネルギー効
率の向上を目的とする。【解決手段】高温側及び低温側反応器対を３対持つ熱
駆動型メタルハイドライド吸着式冷凍機を各対毎に１２
０度ずつずらした水素充填モード，冷却モード及び冷凍
出力モードの３モードで運転する。各反応器対を連通す
る配管上にはバルブをそれぞれ配置する。水素充填モー
ドでは熱源が高温側反応器を加熱し、冷却モードでは冷
却回路が高温側反応器を、水素充填及び冷却モードでも
該冷却回路が低温側反応器をそれぞれ冷却し、冷凍出力
モードでは冷媒回路が低温側反応器に冷媒を供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

【０００２】

【従来の技術】例えば、EP 0 131 869 B1 に開示される
ように、熱駆動型メタルハイドライド吸着式ヒートポン
プが公知である。メタルハイドライドは水素を吸蔵（吸
着）する際に発熱し、逆にメタルハイドライドが水素を
放出する際に吸熱する。この吸熱作用を冷凍作用として
用いている。

【０００３】４反応器を持つ冷凍機を図１３に基づいて
説明する。高温側反応器ＨＴ１，ＨＴ２と低温側反応器
ＮＴ１，ＮＴ２を配管１０１，１０２を介してそれぞれ
接続し、２組の反応器対Ｐ１（ＨＴ１＆ＮＴ１），Ｐ２
（ＨＴ２＆ＮＴ２）を作る。各反応器対Ｐ１，Ｐ２には
適量の水素が封入され、配管１０１，１０２を介してそ
れぞれ高温側反応器ＨＴ１，ＨＴ２と低温側反応器ＮＴ
１，ＮＴ２との間を行き来できるようになっている。配
管１０１，１０２の途中にはバルブＶＷ１，ＶＷ２がそ
れぞれ配設され、先の水素の行き来を遮断できる。高温
側反応器ＨＴ１，ＨＴ２内には図１５に示すファント・
ホーフ曲線で１０３に示すような特性を持つ高温メタル
ハイドライド（水素吸蔵合金）を収容し、低温側反応器
Ｌ１，Ｌ２には同じく１０４に示すような特性を持つ低
温メタルハイドライド（水素吸蔵合金）を収容する。

【０００４】熱輸送回路１１０は、熱源１１１，通路１
１２およびポンプ１１３を有している。熱源１１１とし
ては、例えば化学プラントや熱処理プロセス（高炉な
ど）といったものの他に、自動車の排気ガス熱が利用で
き、この場合冷凍機は自動車のエアコンとして用いられ
る。熱輸送回路１１０は熱源１１１の熱を高温側反応器
ＨＴ１，ＨＴ２のいずれか一方に選択的に供給する。バ
ルブＶＨ１Ｅ，ＶＨ２Ｅ，ＶＨ１Ａ，ＶＨ２Ａは図１６
のバルブ位置に基づいて、ａ位置またはｂ位置に切り替
えられる。

【０００５】バルブＶＨ１Ｅ，ＶＨ１Ａがａ位置にあれ
ば高温側反応器ＨＴ１が加熱され、バルブＶＨ２Ｅ，Ｖ
Ｈ２Ａがａ位置にあれば高温側反応器ＨＴ２が加熱され
る。熱源１１１の熱は例えば水などの伝熱媒体を介し
て、あるいは排気ガス自身として通路１１２を流れる。
熱輸送回路がループ状の閉回路であれば、ポンプ１１３
が必要となる。

【０００６】冷却回路１２０は冷却水配管１２１，ポン
プ１２２，放熱部（ラジエター）１２３を有しており、
高温側反応器ＨＴ１，ＨＴ２のいずれか一方を冷却す
る。バルブＶＨ１Ｅ，ＶＨ１Ａがｂ位置にあれば高温側
反応器ＨＴ１が冷却され、バルブＶＨ２Ｅ，ＶＨ２Ａが
ｂ位置にあれば高温側反応器ＨＴ２が冷却される。冷却
媒体としては例えば水が用いられる。冷却回路１２０
は、また、低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ２のいずれか一方
も冷却する。バルブＶＮ１Ｅ，ＶＮ１Ａがｂ位置にあれ
ば低温側反応器ＮＴ１が冷却され、バルブＶＮ２Ｅ，Ｖ
Ｎ２Ａがｂ位置にあれば低温側反応器ＮＴ２が冷却され
る。バルブＶＮ１Ｅ，ＶＮ２Ｅ，ＶＮ１Ａ，ＶＮ２Ａも
図１６のバルブ位置に基づいて、ａ位置またはｂ位置に
切り替えられる。

【０００７】冷媒回路１３０は冷媒配管１３１，ポンプ
１３２，熱交換器１３３を有している。バルブＶＮ１
Ｅ，ＶＮ１Ａがａ位置にあれば低温側反応器ＮＴ１に冷
媒が供給され、バルブＶＮ２Ｅ，ＶＮ２Ａがａ位置にあ
れば低温側反応器ＮＴ２に冷媒が供給される。送風機回
路１４０は送風機１４１と切り替え弁１４２を有してい
る。ファン１１４によって供給される空気は熱交換器１
３３で冷却され、室１４３に吹き出される。切り替え弁
１４２がａ位置にあれば、室内空気が送風機回路１４０
を循環し、ｂ位置にあれば新気が室外から供給される。

【０００８】なお、各反応器ＨＴ１，ＨＴ２，ＮＴ１，
ＮＴ２内には少なくとも２つの液密的・気密的に隔離さ
れた２室が形成され、一方にはメタルハイドライドが配
設されて水素が流入でき、他方には伝熱媒体，冷却水，
冷媒のうちのいずれかがバルブの位置に応じて適宜流れ
る。

【０００９】各反応器対Ｐ１，Ｐ２は作動モードが１８
０度ずらしてある。即ち、反応器対Ｐ１がフェーズ１：
水素充填モード（反応器ＮＴ１）および水素放出モード
（反応器ＨＴ１）と、それに続くフェーズ２：待機モー
ド（反応器ＮＴ１）および冷却モード（反応器ＨＴ１）
として冷凍出力がない状態でも、反応器対Ｐ２はフェー
ズ１，２の両方において冷凍出力モード（反応器ＮＴ
２）および水素吸着モード（反応器ＨＴ２）となってい
る。逆に反応器対Ｐ１はフェーズ３，４の両方において
冷凍出力モード（反応器ＮＴ１）および水素吸着モード
（反応器ＨＴ１）となっているが、反応器対Ｐ２がフェ
ーズ３：水素充填モード（反応器ＮＴ２）および水素放
出モード（反応器ＨＴ２）と、それに続くフェーズ４：
待機モード（反応器ＮＴ２）および冷却モード（反応器
ＨＴ２）として冷凍出力がない。従って、システム全体
としては常に冷凍出力が得られる。

【００１０】以下に、フェーズ毎の作用を説明するが、
前述のとおり反応器対Ｐ１，Ｐ２は作動モードを互いに
１８０度ずらしてあるだけなので、反応器対Ｐ１につい
てのみ説明する。

【００１１】フェーズ１は低温側反応器ＮＴ１の水素充
填モードである。高温側反応器ＨＴ１は水素放出モード
であり、バルブＶＨ１Ｅ，ＶＨ１Ａはａ位置とされ、バ
ルブＶＨ２Ｅ，ＶＨ２Ａはｂ位置とされて高温側反応器
ＨＴ１にのみ熱源からの熱が供給される。この状態は図
１３に示すとおりである。従って、高温側反応器ＨＴ１
に吸蔵されていた水素は外部から熱を与えられることで
水素を放出し、配管１０１を介して低温側反応器ＮＴ１
に水素を充填する。このとき、バルブＶＮ１Ｅ，ＶＮ１
Ａはｂ位置とされ、冷却水回路により供給される冷却水
が低温反応器ＮＴ１を流れる。図１８に示すように、高
温側反応器ＨＴ１の入口温度ＴＨ１Ｅは、例えば、摂氏
１５０度まで上昇し、その出口温度ＴＨ１Ａも摂氏１５
０度まで上昇する。低温側反応器ＮＴ１の入口温度ＴＮ
１Ｅは摂氏３５度のままであり、一方、その出口温度Ｔ
Ｎ１Ａは一時的に摂氏６０度まで上昇するが、フェーズ
１の終了までには入口温度ＴＮ１Ｅ（＝摂氏３５度）に
降下する。この作用は反応器対Ｐ２ではフェーズ３にお
いて全く同様に生じる。

【００１２】低温側反応器ＮＴ１の水素充填が終わると
フェーズ２に移行する。フェーズ２は高温側反応器ＨＴ
１の冷却モードであり、反応器対Ｐ１の配管１０１上に
配置されたバルブＶＷ１が閉じられる（図１６参照）。
バルブＶＨ１Ｅ，ＶＨ１Ａがｂ位置に切り替えられ、バ
ルブＶＨ２Ｅ，ＶＨ２Ａはｂ位置のままとされる。高温
側反応器ＨＴ１は冷却水回路により供給される冷却水に
よって冷却され、低温側反応器ＮＴ１は待機モードであ
るため何も起こらない。バルブＶＷ１が閉じられている
ので、低温側反応器ＮＴ１に充填された水素はそのまま
である。バルブＶＮ１Ｅ，ＶＮ１Ａはｂ位置のままであ
る。図１８に示すように、高温側反応器ＨＴ１の出口温
度ＴＨ１Ａは、フェーズ２の終了までには冷却水温度に
等しいその入口温度ＴＨ１Ｅまで降下する。この作用は
反応器対Ｐ２ではフェーズ４において全く同様に生じ
る。

【００１３】ついでフェーズ３およびフェーズ４は共に
冷凍出力モードである。バルブＶＷ１が開かれる。バル
ブＶＨ１Ｅ，ＶＨ１Ａがｂ位置のままである。一方、バ
ルブＶＮ１Ｅ，ＶＮ１Ａはａ位置に切り替えられる。低
温側反応器ＮＴ１について見てみると、反応器ＮＴ１内
を流れる冷媒の熱を奪って水素を放出する。冷媒にして
みれば熱を奪われるということは、すなわち冷却される
ことになり、熱交換器１３３においてファン１１４によ
って供給される空気を冷却する。低温側反応器ＮＴ１か
ら放出された水素は配管１０１を通って高温側反応器Ｈ
Ｔ１に吸着される。図１８に示すように、高温側反応器
ＨＴ１の出口温度ＴＨ１Ａは一時的に摂氏７５度まで上
昇するが、フェーズ３の終了までには、冷却水温度に等
しい高温側反応器ＨＴ１の入口温度ＴＨ１Ｅまで降下す
る。低温側反応器ＮＴ１の出口温度ＴＮ１Ａは一時的に
摂氏６度まで減少するものの、フェーズ３，４が進むに
つれて、その入口温度ＴＮ１Ｅまで上昇する。この作用
は反応器対Ｐ２ではフェーズ１，２において全く同様に
生じる。

【００１４】以上のような４反応器を持つヒートポンプ
では、次のような不具合を有している。

【００１５】第１に、フェーズ２ではバルブＶＨ１Ｅ，
ＶＨ１Ａ，ＶＨ２Ｅ，ＶＨ２Ａの全てがｂ位置にあり、
熱源の熱が全く利用されていない。排熱利用の観点から
は、システムとして常に排熱が利用される方が好まし
い。

【００１６】第２に、図１８から明らかなように、反応
器対Ｐ１が冷凍出力を生じるのはフェーズ３，４だが、
低温側反応器ＮＴ１の出口温度Ｔａを示す曲線Ｌ１から
明らかなように、フェーズ３が終わる少し前にはすでに
冷凍出力が小さくなっており、フェーズ４に至っては冷
凍出力はきわめて小さい。しかしながら、フェーズ４は
反応器対２の高温側反応器ＨＴ２を冷却するのに必須の
ものであり、システムとして考えた場合フェーズ４およ
びフェーズ２は実質的に冷凍出力の期待できない、いわ
ばシステム待機状態となる。

【００１７】そして第３に、メタルハイドライドの水素
吸着・放出速度は、その吸着・放出モードの始まり、つ
まりフェーズの始まりにおいてもっとも速く、時間の経
過と共に遅くなっていく。冷凍出力を得る際、低温側反
応器に吸着された水素を最大限に利用、すなわち最大限
に放出するには多くの時間を要する。しかし、システム
の冷凍出力は１サイクルに利用される水素エネルギーを
利用するのに要した時間で除して求められ、冷凍出力に
は最適値が存在する。システムを冷凍出力が最適となる
ように運転した場合、水素エネルギーを利用する時間
は、吸着された水素を最大限に放出する時間よりも短く
なるため、システムの持つ水素エネルギの全てが利用さ
れないことになり、その成績係数（ＣＯＰ）が悪化す
る。例えば、図１０からみて、反応器対Ｐ１が冷凍出
力を得るフェーズ３，４の時間は４２２秒であるが、こ
の４２２秒で得られるエネルギーは全エネルギーの７８
パーセントを利用しているにすぎない。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明ではメ
タルハイドライド式冷凍機のエネルギー効率の向上をそ
の技術的課題とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記した技術的課題を解
決するために講じた本発明の第１の技術的手段は、水素
充填モード，冷却モード及び冷凍出力モードからなる運
転モードと、高温側及び低温側反応器対と、該反応器対
を連通する配管上に配置されたバルブと、水素充填モー
ドにおいて高温側反応器を加熱する熱源と、冷却モード
において高温側反応器を、水素充填及び冷却モードにお
いて低温側反応器をそれぞれ冷却する冷却回路と、冷凍
出力モードにおいて低温側反応器に冷媒を供給する冷媒
回路とを備えた熱駆動型メタルハイドライド吸着式冷凍
機において、前記高温側及び低温側反応器対を３対備
え、この３対の反応器対の操作サイクルを１２０度ずつ
ずらしたことである。

【００２０】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第２の技術的手段は、上気した第１の技術的
手段に加えて、前記運転モードの冷凍出力モード末期を
予冷モードとしたことである。

【００２１】上記した技術的課題を解決するために講じ
た本発明の第３の技術的手段は、上気した第１の技術的
手段に加えて、運転モードの水素充填モード初期を予熱
モードとしたことである。

【００２２】（作用）上述した第１の技術的手段によれ
ば、水素充填モード，冷却モード及び冷凍出力モードか
らなる運転モードで運転される３対の高温側及び低温側
反応器対が１２０度ずつずらされたモードサイクルで運
転される。反応器対を連通する配管上にはバルブが配置
され、冷却モードにおいて反応器対間の水素の連通を遮
断する。水素充填モードにおいて熱源が高温側反応器を
加熱する。冷却モードにおいて高温側反応器を、水素充
填及び冷却モードにおいて低温側反応器を、冷却回路が
それぞれ冷却する。冷凍出力モードにおいて冷媒回路が
低温側反応器に冷媒を供給する。

【００２３】上述した第２の技術的手段によれば、予冷
モードにある低温側反応器が、冷凍出力モードにある低
温反応器に流れ込む冷媒を事前に冷却する。

【００２４】上述した第３の技術的手段によれば、水素
充填モードにある反応器対の高温側反応器を加熱した熱
源の熱が、続いて予熱モードにある反応器対の高温側反
応器を加熱する。

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明実施形態例の６反応器を持
つ冷凍機１０を図１に基づいて説明する。高温側反応器
ＨＴ１，ＨＴ２，ＨＴ３と低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ
２，ＮＴ３を配管１１，１２，１３を介してそれぞれ接
続し、３組の反応器対Ｐ１（ＨＴ１＆ＮＴ１），Ｐ２
（ＨＴ２＆ＮＴ２），Ｐ３（ＨＴ３＆ＮＴ３）を作る。
高温側反応器ＨＴ１，ＨＴ２，ＨＴ３内には図に示し
たファント・ホーフ曲線で１０３に示すような特性を持
つ高温メタルハイドライド（水素吸蔵合金）を収容し、
低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ２，ＮＴ３には同じく１０４
に示すような特性を持つ低温メタルハイドライド（水素
吸蔵合金）を収容する。各反応器対Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の
系にはそれぞれ適量の水素が封入され、配管１１，１
２，１３を介してそれぞれ高温側反応器ＨＴ１，ＨＴ
２，ＨＴ３と低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ２，ＮＴ３との
間を行き来できるようになっている。配管１１，１２，
１３の途中にはバルブＶＷ１，ＶＷ２，ＶＷ３がそれぞ
れ配設され、先の水素の行き来を遮断できる。

【００２６】伝熱媒体配管１４，ポンプ１５，熱源１６
からなる熱供給回路１７の働きにより、高温側反応器Ｈ
Ｔ１，ＨＴ２，ＨＴ３が適宜加熱されうる。熱源１６と
しては、例えば化学プラントや熱処理プロセス（高炉な
ど）といったものの他に、この冷凍機を自動車のエアコ
ンとして用いるなら自動車の排気ガス熱が利用できる。
即ち、この冷凍機１０は排熱の回収・利用を可能とす
る。しかし、熱源１６が必ずしも排熱源である必要はな
い。図１では、伝熱媒体配管１４がループ状となってお
り、その途中にポンプ１５が配設されているが、これは
熱源として化学プラントや熱処理プロセスの排熱を利用
する場合のものである。伝熱媒体配管１４は必ずしもル
ープ状になっている必要はなく、伝熱媒体配管１４がル
ープ状でなければポンプ１５も必ずしも配設されている
必要はない。このことは、排熱源として自動車の排気ガ
ス熱を利用する場合に明らかである。即ち、この場合、
伝熱媒体は高温排気ガスであり、伝熱媒体配管１４は排
気管である。

【００２７】熱源１６からの熱は例えば水などの伝熱媒
体を介して伝熱媒体配管１４を通り、バルブＶＨ１Ｅ，
ＶＨ２Ｅ，ＶＨ３Ｅ，ＶＨ１Ａ，ＶＨ２Ａ，ＶＨ３Ａ
（以下、「高温反応器側バルブ群」）の働きにより高温
側反応器ＨＴ１，ＨＴ２，ＨＴ３に適宜供給される。高
温反応器側バルブ群は図４のバルブ位置に基づいて、ａ
位置，ｂ位置またはｃ位置に切り替えられる。バルブＶ
Ｈ１Ｅ，ＶＨ１Ａ，（ＶＨ２Ｅ，ＶＨ２Ａ），（ＶＨ３
Ｅ，ＶＨ３Ａ）の位置がａ位置にあるとき、高温側反応
器ＨＴ１（ＨＴ２），（ＨＴ３）が加熱される。

【００２８】冷却水配管２１，ポンプ２２，放熱部（ラ
ジエター）２３からなる冷却回路２４の働きにより、高
温側反応器ＨＴ１，ＨＴ２，ＨＴ３および低温側反応器
ＮＴ１，ＮＴ２，ＮＴ３がそれぞれ冷却水によって冷却
可能とされる。高温反応器側バルブ群の働きにより、冷
却回路２４の冷却水は高温側反応器ＨＴ１，ＨＴ２，Ｈ
Ｔ３に適宜供給される。同じく、バルブＶＮ１Ｅ，ＶＮ
２Ｅ，ＶＮ３Ｅ，ＶＮ１Ａ，ＶＮ２Ａ，ＶＮ３Ａ（以
下、「低温反応器側バルブ群」）の働きにより、冷却回
路２４の冷却水は低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ２，ＮＴ３
にも適宜供給される。低温反応器側バルブ群も図４のバ
ルブ位置に基づいて、ａ位置，ｂ位置またはｃ位置に切
り替えられる。

【００２９】冷媒配管３１，ポンプ３２，熱交換器３３
から冷媒回路３４が形成される。熱交換器３３にはファ
ン３５によって供給される空気が導かれ、冷媒によって
この空気を冷却する。冷却された空気は例えば室内空調
装置などに代表される冷凍装置に用いられ室３６を冷房
する。バルブ３７がａ位置にあるとき、熱交換器３３に
は室３６内の空気が循環し、バルブ３７がｂ位置にある
とき、熱交換器３３には外気が導かれる。熱交換器３３
は、あるいは室３３などの閉空間内に直接配設してもよ
い。低温反応器側バルブ群の働きにより、冷媒回路３４
の冷媒は低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ２，ＮＴ３に適宜供
給される。

【００３０】図５に示すように、各反応器ＨＴ１，ＨＴ
２，ＨＴ３，ＮＴ１，ＮＴ２，ＮＴ３内には少なくとも
２つの液密的・気密的に隔離された室４１，４２がそれ
ぞれ形成される。各高温側反応器の室４１には図６で曲
線ＨＴ- ＭＨで示す特性を持つ高温メタルハイドライド
が収容され、水素を吸蔵する。同様に、各低温側反応器
の室４１には図６で曲線ＮＴ- ＭＨで示す特性を持つ低
温メタルハイドライドが収容され、水素を吸蔵する。室
４２は、伝熱媒体，冷却水，冷媒のいずれか１つを選択
的に受け入れる。但し、各高温側反応器の室４２には冷
媒は流れず、各低温側反応器の室４２には伝熱媒体は流
れない。室４２はバッファ空間４３，４４、パイプ４５
を備える。出口としての機能も有する入口４６，４７は
室４１に接続され、入口４８及び出口４９は室４２と接
続される。

【００３１】温度センサＴＨ１Ａ，ＴＨ２Ａ，ＴＨ３Ａ
はそれぞれ、高温側反応器ＨＴ１，ＨＴ２，ＨＴ３を流
れ出た伝熱媒体または冷却水の温度を検知し、ＴＮ１
Ａ，ＴＮ２Ａ，ＴＮ３Ａは低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ
２，ＮＴ３を流れ出た冷却水または冷媒の温度を検知す
る。同様に、温度センサＴＨ１Ｅ，ＴＨ２Ｅ，ＴＨ３Ｅ
はそれぞれ、高温側反応器ＨＴ１，ＨＴ２，ＨＴ３に流
れ込む前の伝熱媒体または冷却水の温度を検知し、ＴＮ
１Ｅ，ＴＮ２Ｅ，ＴＮ３Ｅは低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ
２，ＮＴ３に流れ込む前の冷却水または冷媒の温度を検
知する。また、温度センサＴＵは放熱器２３雰囲気の、
温度センサＴＫａｂｉｎは室３６内の温度を検知する。

【００３２】各反応器対Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は作動モード
が１２０度ずつずらしてある。即ち、図７に示すよう
に、６反応器をもつ冷凍機１０では作動フェーズが９つ
あり、反応器対Ｐ１のフェーズ１〜フェーズ９の各フェ
ーズは、それぞれ、反応器対Ｐ２ではフェーズ４〜９，
１〜３の各フェーズに相当し、反応器対Ｐ３ではフェー
ズ７〜９，１〜６の各フェーズに相当する。そして、フ
ェーズ３〜５では反応器対Ｐ１の低温側反応器ＮＴ１か
ら冷凍出力が得られ、フェーズ６〜８では反応器対Ｐ２
の低温側反応器ＮＴ２から冷凍出力が得られ、フェーズ
９，１〜２では反応器対Ｐ３の低温側反応器ＮＴ３から
冷凍出力が得られ、システム全体としては常に（全フェ
ーズにおいて）冷凍出力が得られる。

【００３３】以下に、フェーズ毎の作用を説明するが、
前述のとおり反応器対Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は作動モードを
互いに１２０度ずらしてあるだけなので、反応器対Ｐ１
についてのみ説明する。

【００３４】（１）低温側反応器の水素充填モードフェーズ７，８，９，１は低温側反応器ＮＴ１の水素充
填モードである。各フェーズにおいて全バルブは図４に
示す位置とされる。フェーズ７は、特に、高温側反応器
ＨＴ１の予熱モードであり、熱源からの熱が伝熱媒体を
介してダイレクトに高温側反応器ＨＴ１に供給されるの
ではなく、図４のバルブ位置図から明らかなように、高
温側反応器ＨＴ３を流れた伝熱媒体が高温側反応器ＨＴ
１に供給される。高温側反応器ＨＴ１について、フェー
ズ７の状態は図１〜３のいずれにも示さないが、図１に
示される高温反応器ＨＴ２がこれに相当する。

【００３５】フェーズ８，９，１において高温側反応器
ＨＴ１は水素放出モードであり、高温側反応器ＨＴ１に
熱源からダイレクトに伝熱媒体が供給される。フェーズ
８，９において、伝熱媒体は高温側反応器ＨＴ１に熱源
１６から直接流れ込む。これは高温側反応器ＨＴ１のバ
ルブＶＨ１Ｅ，ＶＨ１Ａのみがａ位置とされ、他の高温
側反応器に係わるバルブはすべてｂ位置とされているか
らである。フェーズ８，９の状態は図１〜３のいずれに
も示さないが、図２に示される高温反応器ＨＴ２がこれ
に相当する。

【００３６】フェーズ１の状態を図１に示す。高温側反
応器ＨＴ１を流れた伝熱媒体は、続いて高温側反応器Ｈ
Ｔ２にも流れ、高温側反応器ＨＴ２を予熱する。すなわ
ち、４フェーズからなる水素充填モードにおいて、最終
フェーズ（この場合フェーズ１）では、高温側反応器Ｈ
Ｔｘを流れた伝熱媒体が続いて高温側反応器ＨＴｘ+１
を流れる。ここで、ｘは反応器対の番号１〜３のうちの
いずれかであり、ｘ＝３のときのみ例外的にｘ+1＝1 と
する。

【００３７】フェーズ７，８，９，１において、高温側
反応器ＨＴ１の高温メタルハイドライドに吸蔵されてい
た水素は外部から熱を与えられることで水素を放出し、
配管１１を介して低温側反応器ＮＴ１の低温メタルハイ
ドライドに水素を充填する。このとき、低温側反応器Ｎ
Ｔ１には冷却水回路２４の作用により常に冷却水が供給
される。

【００３８】図８に示されるように、高温側反応器ＨＴ
１の出口温度ＴＨ１Ａはフェーズ７初期において摂氏約
５３度である。この出口温度ＴＨ１Ａはフェーズ９の中
間時点までに急速に摂氏１５０度まで上昇する。一方、
低温側反応器ＮＴ１の出口温度ＴＮ１Ａはフェーズ７初
期において摂氏約３４度である。この出口温度ＴＮ１Ａ
はフェーズ８の終了までに一時的に摂氏約５３度まで上
昇するものの、フェーズ１の終了までに摂氏３７．５度
まで下降する。

【００３９】以上のフェーズ７，８，９，１からなる低
温側反応器ＮＴ１の水素充填モードは、反応器対Ｐ２で
はフェーズ１，２，３，４で低温側反応器ＮＴ２の水素
充填モードと対応し、反応器対Ｐ３ではフェーズ４，
５，６，７で低温側反応器ＮＴ３の水素充填モードと対
応する。

【００４０】（２）高温側反応器の冷却モードフェーズ１を最終フェーズとする低温側反応器ＮＴ１の
水素充填モードが終わるとフェーズ２に移行する。フェ
ーズ２は高温側反応器ＨＴ１の冷却モードであり、反応
器対Ｐ１の配管１１上に配置されたバルブＶＷ１が閉じ
られる（図９参照）。図７から分かるように、フェーズ
２の開始時において高温側反応器ＨＴ１の出口側におけ
る冷却水温温度は１５０℃弱であるが、フェーズ２の終
了時にはこの冷却水温度が約１００℃まで低下してい
る。フェーズ２の状態を図２に示す。バルブＶＨ１Ｅ，
ＶＨ１Ａがｂ位置に切り替えられ、高温側反応器ＨＴ１
は冷却水回路２４の作用によって冷却され、低温側反応
器ＮＴ１は待機モードであるため何も起こらない。バル
ブＶＷ１が閉じられているので、低温側反応器ＮＴ１の
低温メタルハイドライドに充填された水素はそのままで
ある。バルブＶＮ１Ｅ，ＶＮ１Ａはｂ位置のままであ
る。

【００４１】図５から明らかなように、以上のフェーズ
２からなる高温側反応器ＨＴ１の冷却モードは、反応器
対Ｐ２ではフェーズ５で高温側反応器ＨＴ２の冷却モー
ドと対応し、反応器対Ｐ３ではフェーズ８で高温側反応
器ＨＴ３の冷却モードと対応する。そして、反応器対Ｐ
２ではフェーズ５でのみバルブＶＷ２が閉じられ、反応
器対Ｐ３ではフェーズ８でのみバルブＶＷ３が閉じられ
る。（図９参照）（３）低温側反応器の冷凍出力モードついでフェーズ３，４，５は低温側反応器ＮＴ１の冷凍
出力モードである。バルブＶＷ１が開かれる。バルブＶ
Ｈ１Ｅ，ＶＨ１Ａはｂ位置のままである。フェーズ３の
状態を図３に示す。フェーズ３において、バルブＶＮ１
Ｅはｃ位置、ＶＮ１Ａはａ位置に切り替えられる。一
方、フェーズ４，５においてはバルブＶＮ１Ｅ，ＶＮ１
Ａは共にａ位置に切り替えられる。従って、フェーズ３
では低温側反応器ＮＴ３を流れて予冷された冷媒が低温
側反応器ＮＴ１に供給され、フェーズ４，５ではポンプ
３２からダイレクトに冷媒が低温側反応器ＮＴ１に供給
さる。いずれにしても、低温側反応器ＮＴ１内を冷媒が
流れる時、反応器ＮＴ１内の低温メタルハイドライドに
充填された水素は冷媒の熱を奪って放出される。そし
て、配管１１を介して高温側反応器ＨＴ２に到達し、反
応器ＨＴ２内の高温メタルハイドライドに充填される。
一方、熱を奪われた冷媒は熱交換器３３においてファン
３５によって供給される空気を冷却する。低温側反応器
ＮＴ１について、フェーズ４，５の状態は図１〜３のい
ずれにも示さないが、図１に示される低温側反応器ＮＴ
３がこれに相当する。

【００４２】図８に示すように、高温側反応器ＨＴ１の
出口温度ＴＨ１Ａはフェーズ３開始時において摂氏１０
０度であり、フェーズ５の終了時までに摂氏５５度まで
降下する。一方、低温側反応器ＮＴ１の出口温度ＴＮ１
Ａはフェーズ３開始時において摂氏約３５度であり、フ
ェーズ３の終了時までに一時的に摂氏２２度まで降下す
る。そしてゆっくりとフェーズ５の終了までに摂氏２６
度まで上昇する。

【００４３】以上のフェーズ３，４，５からなる低温側
反応器ＮＴ１の冷凍出力モードは、反応器対Ｐ２ではフ
ェーズ６，７，８で低温側反応器ＮＴ２の冷凍出力モー
ドと対応し、反応器対Ｐ３ではフェーズ９，１，２で低
温側反応器ＮＴ３の冷凍出力モードと対応する。

【００４４】（４）低温側反応器の予冷モードそして、フェーズ６は低温側反応器ＮＴ１の予冷モード
である。但し、低温側反応器ＮＴ１が予冷されるのでは
なく、、低温側反応器ＮＴ１を流れる冷媒が予冷される
ことを意味する。バルブＶＮ１Ｅはａ位置、ＶＮ１Ａは
ｃ位置に切り替えられる。従って、フェーズ６では低温
側反応器ＮＴ１を流れて予冷された冷媒が低温側反応器
ＮＴ２に供給される。すなわち、予冷モードにおいて
は、低温側反応器ＮＴｘを流れた冷媒が続いて低温側反
応器ＮＴｘ+ １を流れる。ここで、ｘは反応器対の番号
１〜３のうちのいずれかであり、ｘ＝３のときのみ例外
的にｘ+1＝1 とする。低温側反応器ＮＴ１について、フ
ェーズ６の状態は図１〜３のいずれにも示さないが、図
３に示される低温側反応器ＮＴ３がこれに相当する。

【００４５】図８から明らかなように、高温側反応器Ｈ
Ｔ１の出口温度はフェーズ６終了時までに摂氏約５５度
から摂氏約５３度まで下降する。一方、低温側反応器ん
Ｔ１の出口温度はフェーズ６終了時までにゆっくりと摂
氏約２６度から摂氏約３４度にまで上昇する。

【００４６】以上のフェーズ６からなる低温側反応器Ｎ
Ｔ１の予冷モードは、反応器対Ｐ２ではフェーズ９で低
温側反応器ＮＴ２の予冷モードと対応し、反応器対Ｐ３
ではフェーズ３で低温側反応器ＮＴ３の予冷モードと対
応する。

【００４７】次に各フェーズの切換タイミングについて
説明する。

【００４８】まず、フェーズ１の終了基準は、低温側反
応器ＮＴ１の出口側冷却水温度ＴＮ１Ａと入口側冷却水
温度ＴＮ１Ｅの差がΔＴ１よりも小さくなったかどうか
（ＴＮ１Ａ−ＴＮ１Ｅ≦ΔＴ１）である。即ち、両者の
差が小さいほど、低温側反応器ＮＴ１において低温メタ
ルハイドライドに水素を充填するのに必要な熱が得られ
なくなってきていることが分かり、反応器対Ｐ１が次の
高温側反応器ＨＴ１の冷却モードに移るべきことを示し
ている。ΔＴ１の値は、システムの冷凍出力を最大とす
るか、あるいは成績係数ＣＯＰを最大とするかによっ
て、またさまざまな要因によって変わってくるが、例え
ばあるシステムのもとでは２Ｋと実験的に求められた。
フェーズ４，７の終了基準も、それぞれ反応器対Ｐ２，
Ｐ３において、低温側反応器ＮＴ２，ＮＴ３の出口側冷
却水温度ＴＮ２Ａ，ＴＮ３Ａと入口側冷却水温度ＴＮ２
Ｅ，ＴＮ３Ｅの差がΔＴ１よりも小さくなったかどうか
である。一般式では、ＴＮｘＡ−ＴＮｘＥ≦ΔＴ１で表
わされ、ｘは反応器対の番号（１〜３）を示す。次に
フェーズ２の終了基準は、高温側反応器ＨＴ１の出口側
冷却水温度ＴＨ１Ａが所定温度ＴＨｃよりも小さくなっ
たかどうか（ＴＨ１Ａ≦ＴＨｃ）である。ここでＴＨｃ
は次のようにして決められる。即ち、冷却水回路２４の
ポンプ２２から供給される冷却水温度が例えば３５℃で
あるとすると、低温側反応器ＮＴ１の温度はやはり３５
℃に落ち着く。このとき、図６からみて、その内部圧力
は約１３ｂａｒであり、高温側反応器ＨＴ１の内部圧力
１３ｂａｒに相当する温度は約１００℃となる。そし
て、この温度が所定温度ＴＨｃである。従って、所定温
度ＴＨｃは冷却水回路２４が供給する冷却水温度によっ
て変化する。フェーズ５，８の終了基準も、それぞれ反
応器対Ｐ２，Ｐ３において、高温側反応器ＨＴ２，ＨＴ
３の出口側冷却水温度ＴＨ２Ａ，ＴＨ３Ａが所定温度Ｔ
Ｈｃよりも小さくなったかどうかである。一般式では、
ＴＨｘＡ≦ＴＨｃで表わされ、ｘは反応器対の番号（１
〜３）を示す。

【００４９】そして、フェーズ３の終了基準は、低温側
反応器ＮＴ３の入口側冷媒温度ＴＮ３Ｅと出口側冷媒温
度ＴＮ３Ａの差がΔＴ２よりも小さくなったかどうか
（ＴＮ３Ｅ−ＴＮ３Ａ≦ΔＴ２）である。即ち、両者の
差が小さいほど、低温側反応器ＮＴ３において冷媒が冷
却されないことが分かり、低温側反応器ＮＴ３による冷
却能力が低下してきていて、反応器対Ｐ３が次の低温側
反応器ＮＴ３の水素充填モードに移るべきことを示して
いる。ΔＴ２の値は、システムの冷凍出力を最大とする
か、あるいは成績係数ＣＯＰを最大とするかによって、
またさまざまな要因によって変わってくるが、例えばあ
るシステムのもとでは２Ｋと実験的に求められた。フェ
ーズ６，９の終了基準も、それぞれ反応器対Ｐ１，Ｐ２
の低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ２がその冷媒予冷を終了さ
せることなので、低温側反応器ＮＴ１，ＮＴ２の入口側
冷媒温度ＴＮ１Ｅ，ＴＮ２Ｅと出口側冷媒温度ＴＮ１
Ａ，ＴＮ２Ａの差がΔＴ２よりも小さくなったかどうか
を監視することで判断される。一般式では、ＴＮｘＥ−
ＴＮｘＡ≦ΔＴ２で表わされ、ｘは反応器対の番号（１
〜３）を示す。

【００５０】水素エネルギの利用度合いを見てみる。図
１０に示すように、従来技術の４反応器システムの場
合、ある反応器対の低温側反応器が冷凍出力を得るフェ
ーズの時間は約４２２秒であって、この時間で得られる
エネルギーは全エネルギーの約７８パーセントであっ
た。一方、本発明実施例の６反応器システムの場合、
ある反応器対の低温側反応器が冷凍出力（＝冷凍出力モ
ード＋予冷モード）を得るフェーズの時間は約４３６秒
であって、この約４３０秒で得られるエネルギーは全エ
ネルギーの約９２パーセントにも達する。

【００５１】排熱源を自動車の排気ガスとした場合の、
排熱の利用度合いを見てみる。従来技術の４反応器シス
テムの場合、図１１に示すようにフェーズ２及びフェー
ズ４で排熱が全く利用されないので、利用効率は（利用
された排熱エネルギ／全排熱エネルギ）となって、（８
２ｋＪ＋８２ｋＪ）／（８２ｋＪ＋８２ｋＪ＋３２ｋＪ
＋３２ｋＪ＋３６ｋＪ＋３６ｋＪ）×１００≒５５％で
ある。一方、本発明実施例の６反応器システムの場合、
図１２に示すように利用効率は同様にして、（２３８ｋ
Ｊ＋１０ｋＪ）／（２３８ｋＪ＋１０ｋＪ＋１０７ｋ
Ｊ）×１００≒７０％である。すなわち、排熱利用効率
が従来のものに比べて１５％も向上している。なお、６
反応器システムの利用された排熱エネルギ（２３８ｋＪ
＋１０ｋＪ）のうち、前者の２３８ｋＪが低温側反応器
の充填モードにおいて高温側反応器によって利用・回収
されたエネルギ量であり、後者の１０ｋＪが高温側反応
器の予熱モードによって利用・回収されたエネルギ量で
ある。

【００５２】

【発明の効果】上述した請求項１記載の発明によれば、
水素充填モード，冷却モード及び冷凍出力モードからな
る運転モードで運転される３対の高温側及び低温側反応
器対が１２０度ずつずらされたモードサイクルで運転さ
れるので、システム全体として常に水素充填モードがあ
るので常に熱源の熱を利用・回収でき、かつ常に冷凍出
力モードがあるので冷凍出力を常時得られる。

【００５３】上述した請求項２記載の発明によれば、予
冷モードにある低温側反応器が、冷凍出力モードにある
低温反応器に流れ込む冷媒を事前に冷却するので、図１
０から明らかなように、水素エネルギーの利用率が高ま
る。この予冷モードは冷凍出力モード末期に位置してい
て、その冷凍出力が小さくなっており、そのままでは冷
凍出力が不十分であるが、これを冷凍出力モード初期〜
中期にある低温側反応器に流れ込む冷媒を冷却するため
に使っているので、冷凍出力をむだなく使える。

【００５４】上述した請求項３記載の発明によれば、水
素充填モードにある反応器対の高温側反応器を加熱した
熱源の熱が、続いて予熱モードにある反応器対の高温側
反応器を加熱するので、図１１，１２の比較から明らか
なように、熱源の熱利用率が高まる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る熱駆動型メタルハイドラ
イド吸着式冷凍機の水素充填モードにおけるシステム図
である。

【図２】図１の冷却モードにおけるシステム図である。

【図３】図１の冷凍出力モードにおけるシステム図であ
る。

【図４】図１〜３におけるバルブＶＮ１Ｅ〜ＶＨ３Ａの
各フェーズにおけるバルブ位置図である。

【図５】図１における各反応器の部分断面図である。

【図６】図５の反応器に収容される高温側及び低温側メ
タルハイドライドのファント・ホーフ曲線である。

【図７】図１〜３における各反応器の各フェーズにおけ
るモード状態図である。

【図８】図１〜３における各反応器の各フェーズにおけ
る各媒体温度図である。

【図９】図１〜３における各バルブの閉止タイミング図
である。

【図１０】図１〜３における各反応器のエネルギー利用
率図である。

【図１１】従来技術における各反応器の利用エネルギー
図である。

【図１２】図１〜３における各反応器の利用エネルギー
図である。

【図１３】従来技術に係る熱駆動型メタルハイドライド
吸着式冷凍機の水素充填モードにおけるシステム図であ
る。

【図１４】図１３の冷却モードにおけるシステム図であ
る。

【図１５】図１３乃至図１４の反応器に収容される高温
側及び低温側メタルハイドライドのファント・ホーフ曲
線である。

【図１６】図１４〜１５におけるバルブＶＮ１Ｅ〜ＶＨ
２Ａ，ＶＷ１，ＶＷ２の各フェーズにおけるバルブ位置
図である。

【図１７】図１４〜１５における各反応器の各フェーズ
におけるモード状態図である。

【図１８】図１４〜１５における各反応器の各フェーズ
における各媒体温度図である。

【符号の説明】

ＨＴ１，ＨＴ２，ＨＴ３・・・高温側反応器、ＮＴ１，
ＮＴ２，ＮＴ３・・・低温側反応器対、ＶＷ１，ＶＷ
２，ＶＷ３・・・バルブ、１６・・・熱源、２４・・・
冷却回路、３４・・・冷媒回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素充填モード，冷却モード及び冷凍出
力モードからなる運転モードと、高温側及び低温側反応器対と、該反応器対を連通する配管上に配置されたバルブと、水素充填モードにおいて高温側反応器を加熱する熱源
と、冷却モードにおいて高温側反応器を、水素充填及び冷却
モードにおいて低温側反応器をそれぞれ冷却する冷却回
路と、冷凍出力モードにおいて低温側反応器に冷媒を供給する
冷媒回路とを備えた熱駆動型メタルハイドライド吸着式
冷凍機において、前記高温側及び低温側反応器対を３対備え、この３対の
反応器対の操作サイクルを１２０度ずつずらしたことを
特徴とする熱駆動型メタルハイドライド吸着式冷凍機。
【請求項２】請求項１において、前記運転モードの冷
凍出力モード末期を予冷モードとしたことを特徴とする
熱駆動型メタルハイドライド吸着式冷凍機。
【請求項３】請求項１において、前記運転モードの水
素充填モード初期を予熱モードとしたことを特徴とする
熱駆動型メタルハイドライド吸着式冷凍機。