水素吸蔵合金の反応容器
【課題】 圧力容器内に水素吸蔵合金を収納した反応容器において、熱交換器の水素吸蔵合金に対する熱交換効率の向上を図る。
【解決手段】反応容器の圧力容器内に配設した熱交換器の周りを水素吸蔵合金と共に断熱性ケースで囲み、断熱性ケースを点状又は線状に接触する支持部材で圧力容器の内面に保持する。あるいは圧力容器２１内に多数の小孔２５ａを形成した収納ケース２５を内装し、この収納ケース２５内に水素吸蔵合金Ｍの粉末と共に熱交換器２２を収納せしめ、圧力容器２１と収納ケース２５との間を通気性の有る断熱材２７で充填する。収納ケース２５に形成する小孔２５ａの孔径は、水素ガスの流通は可能であるが内部に収納した水素吸蔵合金Ｍの粉末は通過できない程度に設定する。圧力容器と熱交換器との間の断熱性ケース又は断熱材２７により水素吸蔵合金に対する外気温度の影響を遮断できる。
【解決手段】反応容器の圧力容器内に配設した熱交換器の周りを水素吸蔵合金と共に断熱性ケースで囲み、断熱性ケースを点状又は線状に接触する支持部材で圧力容器の内面に保持する。あるいは圧力容器２１内に多数の小孔２５ａを形成した収納ケース２５を内装し、この収納ケース２５内に水素吸蔵合金Ｍの粉末と共に熱交換器２２を収納せしめ、圧力容器２１と収納ケース２５との間を通気性の有る断熱材２７で充填する。収納ケース２５に形成する小孔２５ａの孔径は、水素ガスの流通は可能であるが内部に収納した水素吸蔵合金Ｍの粉末は通過できない程度に設定する。圧力容器と熱交換器との間の断熱性ケース又は断熱材２７により水素吸蔵合金に対する外気温度の影響を遮断できる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金による熱交換システムを構築する際に用いられる水素吸蔵合金の反応容器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素吸蔵合金は、水素の蓄蔵手段として、またヒートポンプや冷凍システム等の熱利用システムにおけるエネルギー源としての利用が提案されている。特に、環境保護の観点から、冷凍システムにおけるフロンの代替物としての利用が検討されている。水素吸蔵合金は、約１０００倍の体積の水素を吸収・放出することができ、この水素を吸収・放出する過程で、熱エネルギーを放出・吸収する。すなわち、水素を吸収する際に発熱反応を起こし、水素を放出する際に吸熱反応を起こす。また、水素の放出・吸収反応は、水素分圧を変化させることで進行させることができ、しかも反応が可逆的であるから反復使用が可能であるという特性を持つ。従って、水素吸蔵合金を耐圧容器から成る反応容器に収納し、この反応容器に対し水素を加圧供給することで熱エネルギーを供給する熱源とすることができ、反対に、反応容器に対し負圧を付与して水素を放出させることにより熱エネルギーを吸収する冷却源とすることができる。
【０００３】図４に、水素吸蔵合金が水素を放出するときの吸熱反応を冷却出力として利用する冷凍システムの基本構成を例示する。このシステムは、粉末状の水素吸蔵合金を収納する２個の反応容器１，２を、水素の相互流通が可能なように接続し、一方を水素駆動用の反応容器１、他方を冷却用反応容器２とする。水素駆動用反応容器１には、熱源との間で熱媒が循環流動するように、また冷却水が循環流動するように配管接続する。他方、冷却用反応容器２には、冷凍庫との間で冷媒が循環流動するように、また冷却水が循環流動するように配管接続する。なお実際の冷凍システムでは、熱媒、冷媒，及び冷却水を流動させるためのポンプ、並びに、流路を切り換えるためのバルブ等が必要であるが、ここでは図示を省略してある。
【０００４】冷却工程を実行するには、まず図４（Ａ）に示すとおり、水素駆動用反応容器１の水素吸蔵合金を水素解離状態（Ｍ）とし、冷却用反応容器２の水素吸蔵合金を水素吸収状態（Ｍ−Ｈ）とする。この状態において、同図（Ｂ）のように、水素駆動用反応容器１に冷却水を循環させると、温度低下により容器内圧力が降下する。二つの反応容器１，２は水素の相互流通が可能なように接続されているので、水素の圧力差により、冷却用反応容器２の水素吸蔵合金Ｍ−Ｈから水素が放出され、水素駆動用反応容器１へ移動する。このとき、冷却用反応容器２において吸熱反応が生じ、冷媒が冷却される。従って、冷媒を冷凍庫との間で循環流動させることにより冷凍庫を冷却することができる。他方、水素駆動用反応容器１では、水素吸蔵合金が水素を吸収するため発熱反応を生ずるが、この熱を冷却水を循環させて除去するため、上記水素吸蔵反応が進行する。
【０００５】冷却用反応容器２から水素駆動用反応容器１への水素の移動は、水素吸蔵合金が平衡に達するまで継続する。図５（Ａ）の如く、水素吸蔵合金に対する水素の放出・吸蔵反応が平衡に達したならば、冷却能力が発揮されなくなる。そこで、水素吸蔵合金の再生工程を行う。同図（Ｂ）のように、水素駆動用反応容器１に熱源から熱媒を循環流動させて加熱することにより、水素吸蔵合金から水素を放出させ冷却用反応容器２へ移動させる。これと同時に、冷却用反応容器２を冷却水を循環させて冷却することにより、水素が冷却用反応容器２の水素吸蔵合金に吸収され、やがて平衡に達して、図４の（Ａ）に示す状態に回復する。
【０００６】なお、実際の冷凍システムでは、接続した反応容器の対を２組以上用意し、一方の対が再生工程に入るときには、他方の対が冷却工程を実行するように設定して、冷凍庫に対する冷却出力の変動が少なくなるよう構成される。具体的には、図６に示す如く、水素を相互流通可能に接続した反応容器１，２の対を２組用意し、水素駆動用側には熱源と冷却水とをそれぞれ切替可能に配管接続し、冷却側には冷凍庫と冷却水とをそれぞれ切替可能に配管接続する。そして同図の（Ａ）に示す状態と同図（Ｂ）に示す状態とを交互に切り換えて、一方の反応容器１，２の対が冷凍庫の冷却工程にあるときは、他方の対が再生工程を行うように設定することにより、冷凍庫の冷却を安定して実行できるよう構成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】水素吸蔵合金を利用して前述の如き熱交換システムを構築するのに用いる水素吸蔵合金の反応容器１は、従来、図７及び図８に示すように、ステンレス鋼等で製作され水素吸蔵合金が充填される圧力容器３の内部に、水素吸蔵合金Ｍに対して熱の供与・奪取を行う熱交換器４を設けると共に、この圧力容器３に水素流通管８が取り付けた構成を有している。上記熱交換器４は、熱媒，冷媒，冷却水等の熱交換媒体を循環流通させるための流通管５と、この流通管５の表面に水素吸蔵合金の粉末との熱交換効率を高めるために形成した多数の円盤状の熱交換フィン６とから成る。また図示の例では、流通管５が二度折り返された状態で圧力容器３内に収納される構成とされており、従って、当該反応容器１を途中で切断すると、図８に示す如く流通管５の断面が３つ現れる。
【０００８】前記反応容器１にあっては、前記流通管５に熱交換媒体を流通させ、水素吸蔵合金Ｍとの間で熱交換を行うに際し、圧力容器３の内面付近に存在する水素吸蔵合金は、圧力容器３を介して外気との間で熱交換を起こすため、熱交換器４における熱交換効率が悪くなるという問題がある。すなわち、水素吸蔵合金を加熱する場合は、外気への放熱により昇温が阻害され、冷却する場合には、外気から熱を与えられるために、降温が妨げられる。そこで、図８に示すように、圧力容器３の外表面を断熱材７で被覆することが行われるが、その効果は十分ではなかった。また、圧力容器３自体が熱容量を持つので、これもまた、水素吸蔵合金Ｍの熱交換効率を低下させる一因となっている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、水素吸蔵合金に対する熱交換効率を向上させることを目的として創案されたものであって、その特徴とするところは、圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、前記圧力容器と前記熱交換器との間に断熱材を配置したことにある。圧力容器の内面と熱交換器との間に断熱材を配したことにより、熱交換器により水素吸蔵合金に対し熱の供与・奪取を行うに際し、圧力容器及び外気から熱的影響を受けにくくなるので、熱交換効率を向上させることができる。
【００１０】請求項２は、本発明に係る水素吸蔵合金の反応容器のより具体的な形態を提示するものであって、その特徴とするところは、圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、前記熱交換器の周囲を水素吸蔵合金と共に断熱性のケースで囲み、該断熱性ケースを前記圧力容器の内面に点状又は線状に接触する支持部材で保持したことにある。
【００１１】請求項３は、本発明に係る水素吸蔵合金の反応容器の異なる具体的形態を示すものであって、その特徴とするところは、圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、水素吸蔵合金と共に前記熱交換器をケース内に収納し、当該ケースに水素吸蔵合金が通過ができない程度の小孔を形成し、当該ケースと前記圧力容器との間に通気性の有る断熱材を配置したことにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】〔第１の実施形態〕図１及び図２に、本発明に係る水素吸蔵合金の反応容器１０の第１の実施形態を示す。同図に示す反応容器１０は、水素吸蔵合金を収納する例えばステンレス鋼板製の圧力容器１１内に、熱交換媒体を流通させる媒体流通管１３の回りに多数の熱交換フィン１４を形成して成る熱交換器１２が配設され、圧力容器１１の外面はセラミックウール等の断熱材１７で被覆されている。当該反応容器１０の特徴は、上記熱交換器１２の周りを、水素吸蔵合金と共に断熱性のケース１５で囲ったこと、及び、この断熱性ケース１５を、圧力容器１１の内面に対し点状又は線状に接触する支持部材１６で保持する構成としたことにある。また本実施形態では、水素流通管１８を上記断熱性ケース１５の内部と連通するように取り付けて、断熱性ケース１５内の水素吸蔵合金が水素の吸収・放出に関与するように構成した。
【００１３】前記断熱性ケース１５の形状は特に制限されるものではなく、図示する円筒状のほか、多角筒状等とすることも可能である。材質については、断熱性に優れることは勿論、加熱・冷却が反復されることによる頻繁な温度変化に対し耐久性を有すること、水素に対する耐腐食性が有り且つ反応性を持たないこと等の条件を満たすことが要求され、例えばアルミナやカルシアなどのセラミックスが適しており、これを多孔質とすれば断熱性をさらに向上させることができる。このような部材として、炉心管を上記断熱性ケース１５に流用することが考えられる。また断熱性ケース１５は、圧力容器１１又は断熱性ケース１５の少なくとも一方と点状又は線状に接触する保持部材１６により、圧力容器１１の内面から適宜間隔を置いて保持される。かかる保持構造は、断熱性ケース１５と圧力容器１１との間の熱伝導を極力少なくすることを目的とするものである。それ故、保持部材１６もまた、断熱性ケース１５と同様の断熱性を有する材質で形成することが望ましい。
【００１４】図２の断面図に示すように、圧力容器１１内に充填される水素吸蔵合金は、断熱性ケース１５の内部（Ｍ1 ）と外部（Ｍ2 ）とに区画される。内側の水素吸蔵合金Ｍ1 は、熱交換器１２による加熱・冷却及び水素の放出・吸収による吸熱・放熱反応に関与し、熱交換機能を発揮する主要部となっている。これに対し、断熱性ケース１５の外側に充填されている水素吸蔵合金Ｍ2 は、内側の熱交換反応に関与する水素吸蔵合金Ｍ1 とは断熱性ケースによって熱の流通が遮断され、従って、補助的な断熱材として機能する。なお、外側の水素吸蔵合金Ｍ2 は、水素を吸蔵した比較的安定な水素化物の状態で充填するのが望ましい。
【００１５】前述した本発明に係る反応容器１０の製作手順は、おおよそ次の通りである。まず、圧力容器１１を分割可能に形成し、一方の分割部内に、熱交換器１２を組み込んだ断熱性ケース１５を装着する。あるいは断熱性ケース１５を装着してから、その内部へ熱交換器１２を組み込んでもよい。次いで、残りの分割部を合体して圧力容器１１を構成する。引き続き、圧力容器１１内へ水素吸蔵合金を注入して充填することにより、目的とする反応容器１０が製作される。なお、分割構成した圧力容器１１を合体する手段としては、溶接によるほか、分割部それぞれの接合箇所にフランジ部を設け、このフランジ部どうしをボルト・ナットを用いて締結する方法を採用することも可能である。
【００１６】〔第２の実施形態〕図３は、本発明の異なる実施形態に係る反応容器２０を示すものである。この反応容器２０は、耐圧性の圧力容器２１内に多数の小孔２５ａを形成した収納ケース２５を内装し、この収納ケース２５内に水素吸蔵合金Ｍの粉末と共に熱交換器２２を収納せしめ、圧力容器２１と収納ケース２５との間を通気性の有る断熱材２７で充填したものである。圧力容器２１は、例えば厚さ数ｍｍのステンレス鋼板で製作され、途中にバルブ２９を取り付けた水素流通管２８、及び、圧力容器２１内部の圧力を検知するための圧力計３０と連通させる連通管３１が接続されている。熱交換器２２は、熱媒又は冷媒の流通管２３の周囲に多数の円盤状の熱交換フィン２４を取り付けて成る。圧力容器２１と収納ケース２５との間に充填される断熱材は、水素の流通が可能な程度の通気性を持つもの、例えばセラミックウール，グラスウール等で出来ている。
【００１７】収納ケース２５は、ある程度の強度と形状安定性を備え、頻繁な温度変化に対する耐久性が有り、しかも軽量であることが望まれる。但し、耐圧性は特に要求されない。このような条件を満たすものとして、例えば厚さが１ｍｍ以下のステンレス鋼板で形成することが考えられる。収納ケース２５の形状は、円柱状とするほか、正多角柱状なども考えられる。収納ケース２５には、内部へ水素吸蔵合金Ｍの粉末を充填するための導入管２６を取り付けておくことが望ましい。収納ケース２５に形成する小孔２５ａの孔径は、水素ガスの流通は可能であるが、内部に収納した水素吸蔵合金Ｍの粉末は通過できない程度の大きさに設定され、約１０〜１００μｍ程度とされる。小孔２５ａの形成態様は、収納ケース２５の全体に均一であってもよく、部分的に形成密度を変えてもよく、さらには一部だけに形成することも可能である。収納ケース２５における小孔２５ａの形成密度を部分的に高くする場合、あるいは収納ケース２５の一部分だけに例えば数十個の小孔２５ａをひとまとめに形成する場合、少なくとも水素流通管２８及び圧力計３０の連通管３１の近傍において小孔２５ａの形成密度を高くし又は小孔２５ａを部分的に形成することが望ましい。
【００１８】かかる構成の反応容器２０は、収納ケース２５内に水素吸蔵合金Ｍを収納したから、水素ガスの反応領域が収納ケース２５内に限定され、依って、反応効率を高めることができる。水素流通管２８から供給される水素は、通気性を有する断熱材２７及び収納ケース２５の小孔２５ａを通じて収納ケース２５内に充填した水素吸蔵合金Ｍに接触し、また水素吸蔵合金Ｍから放出される水素は、収納ケース２５の小孔２５ａ及び断熱材２７を通過して水素流通管２８から排出される。断熱材２７は、圧力容器２１と収納ケース２５との間の熱の流通を遮断して、水素吸蔵合金Ｍの発熱時にあっては、収納ケース２５から圧力容器２１を通じて外部へ熱が散逸するのを防止し、水素吸蔵合金Ｍの吸熱時には外気からの熱で収納ケース２５が温められるのを阻止する。なお、断熱材をセラミックウール等とすることにより、万一、収納ケース２５内から水素吸蔵合金Ｍの粉末が漏出したときに、この粉末が水素流通管２８や圧力計３０の連通管３１に入り込むのを阻止するフィルターとしての機能を果たす。従って、水素流通管２８や連通管３１にフィルターを設けるのを省略することが可能である。さらに本実施形態の反応容器２０は、収納ケース２５の厚みを薄くしているので、軽量化，小型化を図ることができ、外観デザインを簡素化することができる。
【００１９】
【発明の効果】本発明は、水素吸蔵合金の反応容器において、圧力容器と熱交換器との間に断熱材を設けたものであるから、熱交換器及びその周囲の水素吸蔵合金と圧力容器との間の熱の流通が遮断される。従って、反応に関与する水素吸蔵合金を熱交換器で加熱・冷却するに際し、圧力容器を通して外気温度が影響するのを防止できるので、熱交換効率が向上する。
【００２０】本発明の請求項２に係る反応容器によれば、熱交換器を断熱性ケースで囲み、圧力容器と断熱性ケースとの間の空隙部を水素吸蔵合金で充填したことにより、該水素吸蔵合金が断熱材として機能するから、所定の断熱性能を発揮させるのに必要な断熱性ケースの厚みを薄くすることができる。従って、材料コストを低く抑えられるから、安価な反応容器を提供することが可能となる。従来、圧力容器自体に断熱性能を持たせるために二重壁構造とすることが提案されているが、かかる構造の反応容器を製作するのは非常に高価であった。さらに本発明は、断熱性ケースを圧力容器内に保持するための手段として、圧力容器の内面に点状又は線状に接触する支持部材を採用したので、反応容器の組立時に圧力容器を溶接するに際し、圧力容器から支持部材を通じて断熱性ケースへ伝わる熱をごく僅かにでき、断熱性ケースに熱的損傷を与えるのを防止することができる。
【００２１】本発明の請求項３に係る反応容器は、小孔を設けた収納ケース内に熱交換器と水素吸蔵合金とを収納し、収納ケースと圧力容器との間に通気性を持つ断熱材を配置するという構成を採用した。従って収納ケースに耐圧性を持たせる必要がないから、収納ケースを軽量化・小型化することができ、その結果、反応容器の軽量化・コンパクト化・コストダウンを図ることができる。また、デザイン性も改善される。さらに、水素吸蔵合金の反応領域が収納ケース内に限定されるので、反応効率が向上するという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に関するものであって、水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す側面断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に関するものであって、水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す正面断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に関するものであって、水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す側面断面図である。
【図４】水素吸蔵合金を用いた従来の冷凍システムの基本構成を示す概略図であって、冷却工程を示す図面である。
【図５】水素吸蔵合金を用いた従来の冷凍システムの基本構成を示す概略図であって、再生工程を示す図面である。
【図６】従来の冷凍システムの一例を示す概略構成図である。
【図７】従来の水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す側面断面図である。
【図８】従来の水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１０…反応容器 １１…圧力容器 １２…熱交換器 １３…媒体流通管 １４…熱交換フィン １５…断熱性ケース １６…支持部材 １７…断熱材 １８…水素流通管 ２０…反応容器 ２１…圧力容器 ２２…熱交換器 ２３…流通管
２４…熱交換フィン ２５…断熱性ケース ２５ａ…小孔 ２６…導入管 ２７…断熱材 ２８…水素流通管 ２９…バルブ ３０…圧力計 ３１…連通管
Ｍ，Ｍ1 ，Ｍ2 …水素吸蔵合金
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素吸蔵合金による熱交換システムを構築する際に用いられる水素吸蔵合金の反応容器の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素吸蔵合金は、水素の蓄蔵手段として、またヒートポンプや冷凍システム等の熱利用システムにおけるエネルギー源としての利用が提案されている。特に、環境保護の観点から、冷凍システムにおけるフロンの代替物としての利用が検討されている。水素吸蔵合金は、約１０００倍の体積の水素を吸収・放出することができ、この水素を吸収・放出する過程で、熱エネルギーを放出・吸収する。すなわち、水素を吸収する際に発熱反応を起こし、水素を放出する際に吸熱反応を起こす。また、水素の放出・吸収反応は、水素分圧を変化させることで進行させることができ、しかも反応が可逆的であるから反復使用が可能であるという特性を持つ。従って、水素吸蔵合金を耐圧容器から成る反応容器に収納し、この反応容器に対し水素を加圧供給することで熱エネルギーを供給する熱源とすることができ、反対に、反応容器に対し負圧を付与して水素を放出させることにより熱エネルギーを吸収する冷却源とすることができる。
【０００３】図４に、水素吸蔵合金が水素を放出するときの吸熱反応を冷却出力として利用する冷凍システムの基本構成を例示する。このシステムは、粉末状の水素吸蔵合金を収納する２個の反応容器１，２を、水素の相互流通が可能なように接続し、一方を水素駆動用の反応容器１、他方を冷却用反応容器２とする。水素駆動用反応容器１には、熱源との間で熱媒が循環流動するように、また冷却水が循環流動するように配管接続する。他方、冷却用反応容器２には、冷凍庫との間で冷媒が循環流動するように、また冷却水が循環流動するように配管接続する。なお実際の冷凍システムでは、熱媒、冷媒，及び冷却水を流動させるためのポンプ、並びに、流路を切り換えるためのバルブ等が必要であるが、ここでは図示を省略してある。
【０００４】冷却工程を実行するには、まず図４（Ａ）に示すとおり、水素駆動用反応容器１の水素吸蔵合金を水素解離状態（Ｍ）とし、冷却用反応容器２の水素吸蔵合金を水素吸収状態（Ｍ−Ｈ）とする。この状態において、同図（Ｂ）のように、水素駆動用反応容器１に冷却水を循環させると、温度低下により容器内圧力が降下する。二つの反応容器１，２は水素の相互流通が可能なように接続されているので、水素の圧力差により、冷却用反応容器２の水素吸蔵合金Ｍ−Ｈから水素が放出され、水素駆動用反応容器１へ移動する。このとき、冷却用反応容器２において吸熱反応が生じ、冷媒が冷却される。従って、冷媒を冷凍庫との間で循環流動させることにより冷凍庫を冷却することができる。他方、水素駆動用反応容器１では、水素吸蔵合金が水素を吸収するため発熱反応を生ずるが、この熱を冷却水を循環させて除去するため、上記水素吸蔵反応が進行する。
【０００５】冷却用反応容器２から水素駆動用反応容器１への水素の移動は、水素吸蔵合金が平衡に達するまで継続する。図５（Ａ）の如く、水素吸蔵合金に対する水素の放出・吸蔵反応が平衡に達したならば、冷却能力が発揮されなくなる。そこで、水素吸蔵合金の再生工程を行う。同図（Ｂ）のように、水素駆動用反応容器１に熱源から熱媒を循環流動させて加熱することにより、水素吸蔵合金から水素を放出させ冷却用反応容器２へ移動させる。これと同時に、冷却用反応容器２を冷却水を循環させて冷却することにより、水素が冷却用反応容器２の水素吸蔵合金に吸収され、やがて平衡に達して、図４の（Ａ）に示す状態に回復する。
【０００６】なお、実際の冷凍システムでは、接続した反応容器の対を２組以上用意し、一方の対が再生工程に入るときには、他方の対が冷却工程を実行するように設定して、冷凍庫に対する冷却出力の変動が少なくなるよう構成される。具体的には、図６に示す如く、水素を相互流通可能に接続した反応容器１，２の対を２組用意し、水素駆動用側には熱源と冷却水とをそれぞれ切替可能に配管接続し、冷却側には冷凍庫と冷却水とをそれぞれ切替可能に配管接続する。そして同図の（Ａ）に示す状態と同図（Ｂ）に示す状態とを交互に切り換えて、一方の反応容器１，２の対が冷凍庫の冷却工程にあるときは、他方の対が再生工程を行うように設定することにより、冷凍庫の冷却を安定して実行できるよう構成される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】水素吸蔵合金を利用して前述の如き熱交換システムを構築するのに用いる水素吸蔵合金の反応容器１は、従来、図７及び図８に示すように、ステンレス鋼等で製作され水素吸蔵合金が充填される圧力容器３の内部に、水素吸蔵合金Ｍに対して熱の供与・奪取を行う熱交換器４を設けると共に、この圧力容器３に水素流通管８が取り付けた構成を有している。上記熱交換器４は、熱媒，冷媒，冷却水等の熱交換媒体を循環流通させるための流通管５と、この流通管５の表面に水素吸蔵合金の粉末との熱交換効率を高めるために形成した多数の円盤状の熱交換フィン６とから成る。また図示の例では、流通管５が二度折り返された状態で圧力容器３内に収納される構成とされており、従って、当該反応容器１を途中で切断すると、図８に示す如く流通管５の断面が３つ現れる。
【０００８】前記反応容器１にあっては、前記流通管５に熱交換媒体を流通させ、水素吸蔵合金Ｍとの間で熱交換を行うに際し、圧力容器３の内面付近に存在する水素吸蔵合金は、圧力容器３を介して外気との間で熱交換を起こすため、熱交換器４における熱交換効率が悪くなるという問題がある。すなわち、水素吸蔵合金を加熱する場合は、外気への放熱により昇温が阻害され、冷却する場合には、外気から熱を与えられるために、降温が妨げられる。そこで、図８に示すように、圧力容器３の外表面を断熱材７で被覆することが行われるが、その効果は十分ではなかった。また、圧力容器３自体が熱容量を持つので、これもまた、水素吸蔵合金Ｍの熱交換効率を低下させる一因となっている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、水素吸蔵合金に対する熱交換効率を向上させることを目的として創案されたものであって、その特徴とするところは、圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、前記圧力容器と前記熱交換器との間に断熱材を配置したことにある。圧力容器の内面と熱交換器との間に断熱材を配したことにより、熱交換器により水素吸蔵合金に対し熱の供与・奪取を行うに際し、圧力容器及び外気から熱的影響を受けにくくなるので、熱交換効率を向上させることができる。
【００１０】請求項２は、本発明に係る水素吸蔵合金の反応容器のより具体的な形態を提示するものであって、その特徴とするところは、圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、前記熱交換器の周囲を水素吸蔵合金と共に断熱性のケースで囲み、該断熱性ケースを前記圧力容器の内面に点状又は線状に接触する支持部材で保持したことにある。
【００１１】請求項３は、本発明に係る水素吸蔵合金の反応容器の異なる具体的形態を示すものであって、その特徴とするところは、圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、水素吸蔵合金と共に前記熱交換器をケース内に収納し、当該ケースに水素吸蔵合金が通過ができない程度の小孔を形成し、当該ケースと前記圧力容器との間に通気性の有る断熱材を配置したことにある。
【００１２】
【発明の実施の形態】〔第１の実施形態〕図１及び図２に、本発明に係る水素吸蔵合金の反応容器１０の第１の実施形態を示す。同図に示す反応容器１０は、水素吸蔵合金を収納する例えばステンレス鋼板製の圧力容器１１内に、熱交換媒体を流通させる媒体流通管１３の回りに多数の熱交換フィン１４を形成して成る熱交換器１２が配設され、圧力容器１１の外面はセラミックウール等の断熱材１７で被覆されている。当該反応容器１０の特徴は、上記熱交換器１２の周りを、水素吸蔵合金と共に断熱性のケース１５で囲ったこと、及び、この断熱性ケース１５を、圧力容器１１の内面に対し点状又は線状に接触する支持部材１６で保持する構成としたことにある。また本実施形態では、水素流通管１８を上記断熱性ケース１５の内部と連通するように取り付けて、断熱性ケース１５内の水素吸蔵合金が水素の吸収・放出に関与するように構成した。
【００１３】前記断熱性ケース１５の形状は特に制限されるものではなく、図示する円筒状のほか、多角筒状等とすることも可能である。材質については、断熱性に優れることは勿論、加熱・冷却が反復されることによる頻繁な温度変化に対し耐久性を有すること、水素に対する耐腐食性が有り且つ反応性を持たないこと等の条件を満たすことが要求され、例えばアルミナやカルシアなどのセラミックスが適しており、これを多孔質とすれば断熱性をさらに向上させることができる。このような部材として、炉心管を上記断熱性ケース１５に流用することが考えられる。また断熱性ケース１５は、圧力容器１１又は断熱性ケース１５の少なくとも一方と点状又は線状に接触する保持部材１６により、圧力容器１１の内面から適宜間隔を置いて保持される。かかる保持構造は、断熱性ケース１５と圧力容器１１との間の熱伝導を極力少なくすることを目的とするものである。それ故、保持部材１６もまた、断熱性ケース１５と同様の断熱性を有する材質で形成することが望ましい。
【００１４】図２の断面図に示すように、圧力容器１１内に充填される水素吸蔵合金は、断熱性ケース１５の内部（Ｍ1 ）と外部（Ｍ2 ）とに区画される。内側の水素吸蔵合金Ｍ1 は、熱交換器１２による加熱・冷却及び水素の放出・吸収による吸熱・放熱反応に関与し、熱交換機能を発揮する主要部となっている。これに対し、断熱性ケース１５の外側に充填されている水素吸蔵合金Ｍ2 は、内側の熱交換反応に関与する水素吸蔵合金Ｍ1 とは断熱性ケースによって熱の流通が遮断され、従って、補助的な断熱材として機能する。なお、外側の水素吸蔵合金Ｍ2 は、水素を吸蔵した比較的安定な水素化物の状態で充填するのが望ましい。
【００１５】前述した本発明に係る反応容器１０の製作手順は、おおよそ次の通りである。まず、圧力容器１１を分割可能に形成し、一方の分割部内に、熱交換器１２を組み込んだ断熱性ケース１５を装着する。あるいは断熱性ケース１５を装着してから、その内部へ熱交換器１２を組み込んでもよい。次いで、残りの分割部を合体して圧力容器１１を構成する。引き続き、圧力容器１１内へ水素吸蔵合金を注入して充填することにより、目的とする反応容器１０が製作される。なお、分割構成した圧力容器１１を合体する手段としては、溶接によるほか、分割部それぞれの接合箇所にフランジ部を設け、このフランジ部どうしをボルト・ナットを用いて締結する方法を採用することも可能である。
【００１６】〔第２の実施形態〕図３は、本発明の異なる実施形態に係る反応容器２０を示すものである。この反応容器２０は、耐圧性の圧力容器２１内に多数の小孔２５ａを形成した収納ケース２５を内装し、この収納ケース２５内に水素吸蔵合金Ｍの粉末と共に熱交換器２２を収納せしめ、圧力容器２１と収納ケース２５との間を通気性の有る断熱材２７で充填したものである。圧力容器２１は、例えば厚さ数ｍｍのステンレス鋼板で製作され、途中にバルブ２９を取り付けた水素流通管２８、及び、圧力容器２１内部の圧力を検知するための圧力計３０と連通させる連通管３１が接続されている。熱交換器２２は、熱媒又は冷媒の流通管２３の周囲に多数の円盤状の熱交換フィン２４を取り付けて成る。圧力容器２１と収納ケース２５との間に充填される断熱材は、水素の流通が可能な程度の通気性を持つもの、例えばセラミックウール，グラスウール等で出来ている。
【００１７】収納ケース２５は、ある程度の強度と形状安定性を備え、頻繁な温度変化に対する耐久性が有り、しかも軽量であることが望まれる。但し、耐圧性は特に要求されない。このような条件を満たすものとして、例えば厚さが１ｍｍ以下のステンレス鋼板で形成することが考えられる。収納ケース２５の形状は、円柱状とするほか、正多角柱状なども考えられる。収納ケース２５には、内部へ水素吸蔵合金Ｍの粉末を充填するための導入管２６を取り付けておくことが望ましい。収納ケース２５に形成する小孔２５ａの孔径は、水素ガスの流通は可能であるが、内部に収納した水素吸蔵合金Ｍの粉末は通過できない程度の大きさに設定され、約１０〜１００μｍ程度とされる。小孔２５ａの形成態様は、収納ケース２５の全体に均一であってもよく、部分的に形成密度を変えてもよく、さらには一部だけに形成することも可能である。収納ケース２５における小孔２５ａの形成密度を部分的に高くする場合、あるいは収納ケース２５の一部分だけに例えば数十個の小孔２５ａをひとまとめに形成する場合、少なくとも水素流通管２８及び圧力計３０の連通管３１の近傍において小孔２５ａの形成密度を高くし又は小孔２５ａを部分的に形成することが望ましい。
【００１８】かかる構成の反応容器２０は、収納ケース２５内に水素吸蔵合金Ｍを収納したから、水素ガスの反応領域が収納ケース２５内に限定され、依って、反応効率を高めることができる。水素流通管２８から供給される水素は、通気性を有する断熱材２７及び収納ケース２５の小孔２５ａを通じて収納ケース２５内に充填した水素吸蔵合金Ｍに接触し、また水素吸蔵合金Ｍから放出される水素は、収納ケース２５の小孔２５ａ及び断熱材２７を通過して水素流通管２８から排出される。断熱材２７は、圧力容器２１と収納ケース２５との間の熱の流通を遮断して、水素吸蔵合金Ｍの発熱時にあっては、収納ケース２５から圧力容器２１を通じて外部へ熱が散逸するのを防止し、水素吸蔵合金Ｍの吸熱時には外気からの熱で収納ケース２５が温められるのを阻止する。なお、断熱材をセラミックウール等とすることにより、万一、収納ケース２５内から水素吸蔵合金Ｍの粉末が漏出したときに、この粉末が水素流通管２８や圧力計３０の連通管３１に入り込むのを阻止するフィルターとしての機能を果たす。従って、水素流通管２８や連通管３１にフィルターを設けるのを省略することが可能である。さらに本実施形態の反応容器２０は、収納ケース２５の厚みを薄くしているので、軽量化，小型化を図ることができ、外観デザインを簡素化することができる。
【００１９】
【発明の効果】本発明は、水素吸蔵合金の反応容器において、圧力容器と熱交換器との間に断熱材を設けたものであるから、熱交換器及びその周囲の水素吸蔵合金と圧力容器との間の熱の流通が遮断される。従って、反応に関与する水素吸蔵合金を熱交換器で加熱・冷却するに際し、圧力容器を通して外気温度が影響するのを防止できるので、熱交換効率が向上する。
【００２０】本発明の請求項２に係る反応容器によれば、熱交換器を断熱性ケースで囲み、圧力容器と断熱性ケースとの間の空隙部を水素吸蔵合金で充填したことにより、該水素吸蔵合金が断熱材として機能するから、所定の断熱性能を発揮させるのに必要な断熱性ケースの厚みを薄くすることができる。従って、材料コストを低く抑えられるから、安価な反応容器を提供することが可能となる。従来、圧力容器自体に断熱性能を持たせるために二重壁構造とすることが提案されているが、かかる構造の反応容器を製作するのは非常に高価であった。さらに本発明は、断熱性ケースを圧力容器内に保持するための手段として、圧力容器の内面に点状又は線状に接触する支持部材を採用したので、反応容器の組立時に圧力容器を溶接するに際し、圧力容器から支持部材を通じて断熱性ケースへ伝わる熱をごく僅かにでき、断熱性ケースに熱的損傷を与えるのを防止することができる。
【００２１】本発明の請求項３に係る反応容器は、小孔を設けた収納ケース内に熱交換器と水素吸蔵合金とを収納し、収納ケースと圧力容器との間に通気性を持つ断熱材を配置するという構成を採用した。従って収納ケースに耐圧性を持たせる必要がないから、収納ケースを軽量化・小型化することができ、その結果、反応容器の軽量化・コンパクト化・コストダウンを図ることができる。また、デザイン性も改善される。さらに、水素吸蔵合金の反応領域が収納ケース内に限定されるので、反応効率が向上するという効果も得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に関するものであって、水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す側面断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に関するものであって、水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す正面断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に関するものであって、水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す側面断面図である。
【図４】水素吸蔵合金を用いた従来の冷凍システムの基本構成を示す概略図であって、冷却工程を示す図面である。
【図５】水素吸蔵合金を用いた従来の冷凍システムの基本構成を示す概略図であって、再生工程を示す図面である。
【図６】従来の冷凍システムの一例を示す概略構成図である。
【図７】従来の水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す側面断面図である。
【図８】従来の水素吸蔵吸蔵合金の反応容器の概略構成を示す正面断面図である。
【符号の説明】
１０…反応容器 １１…圧力容器 １２…熱交換器 １３…媒体流通管 １４…熱交換フィン １５…断熱性ケース １６…支持部材 １７…断熱材 １８…水素流通管 ２０…反応容器 ２１…圧力容器 ２２…熱交換器 ２３…流通管
２４…熱交換フィン ２５…断熱性ケース ２５ａ…小孔 ２６…導入管 ２７…断熱材 ２８…水素流通管 ２９…バルブ ３０…圧力計 ３１…連通管
Ｍ，Ｍ1 ，Ｍ2 …水素吸蔵合金
【特許請求の範囲】
【請求項１】 圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、前記圧力容器と前記熱交換器との間に断熱材を配置したことを特徴とする水素吸蔵合金の反応容器。
【請求項２】 圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、前記熱交換器の周囲を水素吸蔵合金と共に断熱性のケースで囲み、該断熱性ケースを前記圧力容器の内面に点状又は線状に接触する支持部材で保持したことを特徴とする水素吸蔵合金の反応容器。
【請求項３】 圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、水素吸蔵合金と共に前記熱交換器をケース内に収納し、当該ケースに水素吸蔵合金が通過ができない程度の小孔を形成し、当該ケースと前記圧力容器との間に通気性の有る断熱材を配置したことを特徴とする水素吸蔵合金の反応容器。
【請求項１】 圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、前記圧力容器と前記熱交換器との間に断熱材を配置したことを特徴とする水素吸蔵合金の反応容器。
【請求項２】 圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、前記熱交換器の周囲を水素吸蔵合金と共に断熱性のケースで囲み、該断熱性ケースを前記圧力容器の内面に点状又は線状に接触する支持部材で保持したことを特徴とする水素吸蔵合金の反応容器。
【請求項３】 圧力容器の内部に、熱交換器が収納されると共に、水素吸蔵合金が充填された反応容器において、水素吸蔵合金と共に前記熱交換器をケース内に収納し、当該ケースに水素吸蔵合金が通過ができない程度の小孔を形成し、当該ケースと前記圧力容器との間に通気性の有る断熱材を配置したことを特徴とする水素吸蔵合金の反応容器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図６】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図６】
【図８】
【公開番号】特開２０００−２４９４２５（Ｐ２０００−２４９４２５Ａ）
【公開日】平成１２年９月１４日（２０００．９．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−１７６８２９
【出願日】平成１１年６月２３日（１９９９．６．２３）
【出願人】（０００１９４８９３）ホシザキ電機株式会社 (989)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年９月１４日（２０００．９．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年６月２３日（１９９９．６．２３）
【出願人】（０００１９４８９３）ホシザキ電機株式会社 (989)
【Ｆターム（参考）】
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