JP6365016B2 - ヒートポンプ及び冷熱生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ及び冷熱生成方法に関する。

特許文献１には、水素吸蔵合金を用いたヒートポンプが開示されている。非特許文献１に示された技術では、水素吸蔵合金が水素を放出する際の吸熱反応で冷熱が生成される。

２０１１年 水素＆エネルギー国際シンポジウム「ＧＡＳ−ＳＯＬＩＤ ＲＥＡＣＴＩＯＮＳ ＦＯＲ ＨＥＡＴ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ」

しかしながら、非特許文献１では、水素吸蔵合金が水素を吸蔵する際の反応熱は、大気に放出されており、顕熱ロスが大きい。本発明は上記事実を考慮し、顕熱ロスの少ない冷熱生成が可能なヒートポンプ及び冷熱生成方法を得ることを課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係るヒートポンプは、熱媒を蒸発させる蒸発器と、前記熱媒を凝縮させる凝縮器と、水素を貯留する水素タンクと、前記水素を消費する水素消費部と、前記水素タンク及び前記水素消費部と接続され、前記水素を吸蔵する水素吸蔵合金が収納された水素吸蔵部と、前記蒸発器及び前記凝縮器と接続され、前記熱媒を吸着する吸着材が収納され、前記水素吸蔵部と隔離されつつ前記水素吸蔵部との間で熱交換可能とされた吸着部と、前記蒸発器及び前記凝縮器と接続され、前記水素吸蔵部及び前記吸着部との間で熱交換可能とされた伝熱部と、を備えている。

請求項１に係るヒートポンプでは、蒸発器の熱媒が蒸発することにより、冷熱が生成される。このとき、蒸発器と吸着部とが連通されると、吸着部に収納されている吸着材に熱媒が吸着され、蒸発が進んで冷熱生成することができる。水素吸蔵合金は、水素吸蔵部が水素タンクと連通されることにより、水素タンクから送られる水素を吸蔵する。このときの吸蔵熱により吸着部が加熱され、吸着材は吸着した熱媒を脱離し再生する。また、水素吸蔵部と水素消費部とを連通させることにより、吸蔵された水素が水素吸蔵合金から放出され、水素消費部へ送られる。このときの吸熱反応により、水素吸蔵部の温度が低下する。

請求項１に係るヒートポンプによれば、水素吸蔵部からの吸蔵熱を利用して吸着部を加熱し、吸着材を再生するので、吸着材を再生する際の熱源を外部に必要とせず、顕熱ロスを少なくすることができる。

請求項１に係るヒートポンプは、前記蒸発器及び前記凝縮器と接続され、前記水素吸蔵部及び前記吸着部との間で熱交換可能とされた伝熱部、をさらに備えている。

請求項１に係るヒートポンプによれば、吸着材に吸着される熱媒と同じ熱媒を伝熱用に用いることができる。

請求項２に係るヒートポンプは、前記水素タンクと前記水素消費部とが接続されていること、を特徴とする。

請求項２に係るヒートポンプによれば、水素吸蔵部から水素が放出されていない時でも、水素消費部は水素タンクから直接水素の供給を受けることができる。

請求項３に係るヒートポンプは、互いに熱交換が行われる前記水素吸蔵部と前記吸着部のセットを含んで構成される反応器を複数有し、前記複数の反応器は並列的に前記水素タンク、前記水素消費部、前記蒸発器、及び前記凝縮器と接続されている。

請求項３に係るヒートポンプは、並列的に接続された反応器を複数有している。したがって、反応器ごとに冷熱生成のタイミングをずらして運転することにより、冷熱生成を連続して行うことができる。

請求項４に係る冷熱生成方法は、蒸発器から熱媒を蒸発させると共に該熱媒を吸着材に吸着させて冷熱を生成し、前記吸着による吸着熱により伝熱部の熱媒を加熱して蒸気として前記伝熱部と連通された凝縮器へ送出する吸着冷熱生成処理と、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ、該水素を吸蔵する際の吸蔵熱によって前記吸着材に吸着された熱媒を脱離させて前記吸着材を再生する吸着材再生処理と、前記蒸発器から熱媒を蒸発させ前記蒸発器と連通された前記伝熱部へ送出すると共に前記水素吸蔵合金に吸蔵された水素を放出させて冷熱を生成する、水素放出冷熱生成処理と、を有する。

請求項４に係る冷熱生成方法では、水素吸蔵合金からの水素放出を利用する水素放出冷熱生成処理と、吸着材による熱媒の吸着を利用する吸着冷熱生成処理とが順次行われて冷熱が生成される。また、吸着材再生処理では、水素を吸蔵する際の吸蔵熱によって吸着材に吸着された熱媒を脱離させて吸着材を再生する。したがって、水素放出冷熱生成処理と吸着冷熱生成処理を組み合わせて冷熱生成を行うことができると共に、吸蔵熱を吸着材の再生に用いるので、顕熱ロスを小さくすることができる。

請求項５に係る冷熱生成方法は、前記吸着材再生処理後、前記水素放出冷熱生成処理前に、前記水素吸蔵合金を冷却する冷却処理が実施される。

水素吸蔵合金は、吸着材再生処理時には、水素を吸蔵して吸蔵熱を生成しており、高温状態である。水素放出冷熱処理前に冷却することにより、水素放出冷熱生成処理において、蒸発器へ高温の熱が伝達されることがなく、水素放出による冷熱生成を効率的に行うことができる。

本発明は上記構成としたので、顕熱ロスの少ない冷熱生成が可能である。

本発明の実施形態のヒートポンプの構成を示す概略図である。 ヒートポンプの制御部とバルブの接続を示すブロック図である。 本発明の実施形態のヒートポンプの反応器と他の部分の接続関係を示す概略図である。 吸着材の吸着特性の一例を示す吸着等温線のグラフである。 水素吸蔵合金の吸蔵特性を示すグラフである。 ヒートポンプの運転処理のフローチャートである。 吸着材再生処理のフローチャートである。 水素吸蔵合金冷却処理のフローチャートである。 水素放出冷熱生成処理のフローチャートである。 吸着冷熱生成処理のフローチャートである。 吸着材再生処理時の配管接続関係を説明する図である。 水素吸蔵合金冷却処理時の配管接続関係を説明する図である。 水素放出冷熱生成処理時の配管接続関係を説明する図である。 吸着冷熱生成処理時の配管接続関係を説明する図である。 本実施形態の変形例に係るヒートポンプの構成を示す概略図である。

図１には、本発明の実施形態に係るヒートポンプ１０が示されている。ヒートポンプ１０は、蒸発器１２、高圧タンク１３、燃料電池１４、凝縮器１６、及び、反応器３０を備えている。ヒートポンプ１０は、さらに制御部１８（図２参照）を備えている。制御部１８はＣＰＵ、メモリ、バルブを切り替えるドライバ等を含んで構成されている。制御部１８は、予め記録されたプログラムに基づいて後述するバルブを切り替えることで、ヒートポンプ１０を作動させる。

高圧タンク１３には、高圧の水素が貯留されている。水素消費部としての燃料電池１４は、自動車などの移動体に搭載されており、水素を消費する。高圧タンク１３は、配管２０を介して燃料電池１４と接続されている。配管２０には、バルブ２０Ａが設けられている。図２に示されるように、バルブ２０Ａは、制御部１８と接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。

蒸発器１２は、内部に熱媒である流体を有し、熱媒を蒸発させ、その際の気化熱により外部からエネルギー（熱量）を吸収する動作（冷熱生成）を行うことが可能である。本実施形態では、熱媒として水を用いる。

蒸発器１２内には、配管ＰＡが配設されており、配管ＰＡは冷熱機器４０に接続されている。配管ＰＡ内は熱交換用の流体（本実施形態では水）で満たされており、不図示のポンプによって配管ＰＡ内を熱交換流体が循環することにより、蒸発器１２で生成した冷熱が冷熱機器４０に供給される。

凝縮器１６は、送られてくる熱媒（気相状態）を凝縮させ、凝縮熱を外部に放出する動作（温熱生成）を行う。凝縮器１６内には、配管ＰＢが配設されており、配管ＰＢは温熱機器４２に接続されている。配管ＰＢ内は熱交換用の流体（本実施形態では水）で満たされており、不図示のポンプによって配管ＰＢ内を熱交換流体が循環することにより、凝縮器１６内を所定の温度に維持し、凝縮器１６へ送られた蒸気を凝縮させる。

図３に示すように、反応器３０は、伝熱流路部３２、水素吸蔵部３４、及び、吸着部３６を備えている。伝熱流路部３２、水素吸蔵部３４、及び、吸着部３６は、各々が隔壁３７によって区画されると共に、各々の間での熱交換が可能となっている。

吸着部３６には、吸着材３６Ａが収納されている。吸着材３６Ａは、気相の熱媒、例えば水蒸気を吸着／脱離するものである。吸着材３６Ａとして、例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト等を用いることができる。吸着材３６Ａは、後述する吸着冷熱生成処理時には、蒸発器１２からの熱媒を吸着し、吸着材再生処理時には吸着した熱媒を脱離する。

図４には、相対圧φ（吸着材の圧力と飽和蒸気圧の比）と吸着材３６Ａの吸着量ｑとの関係（吸着特性）の一例を示すグラフ（吸着等温線）が示されている。吸着材３６Ａによる吸着量は、相対圧φによって変化するので、この相対圧φを変化させることにより、吸着材３６Ａによる熱媒の吸着、及び吸着材からの熱媒の脱離を行うことができる。一般的に、吸着材３６Ａは、相対圧が高いほど熱媒の吸着量が多くなり、相対圧が低くなると熱媒の吸着量が少なくなる。図４の特性を有する吸着材では、相対圧φ２で熱媒を吸着させ、相対圧φ１で再生するとすれば、Δｑの吸着量差を得ることができる。

水素吸蔵部３４には、水素吸蔵合金３４Ａが収納されている。図５には、水素吸蔵合金の圧力温度線図の一例が示されている。水素吸蔵合金３４Ａは、低温高圧で水素を放出し、高温低圧で水素を吸蔵する。水素吸蔵合金としては、燃料電池１４への水素供給圧、吸着材３６Ａの再生に必要な温度を考慮して、適切な特性を有するものが選択される。具体的には、例えば、１０気圧で６０℃〜８０℃程度の平衡温度を有するものを選択することができる。

水素吸蔵合金３４Ａとしては、２元系合金、３元系合金などを挙げることができ、ＴｉＣｒＶ系合金、ＴｉＣｒＭｎ系合金、ＬａＮｉ系合金、ＴｉＦｅ系合金、ＴｉＶＭｏ合金、ＴｉＣｒＶＮｉ合金、ＴｉＣｒＭｏＶ系合金などを使用することができる。水素吸蔵合金の形態は、粉状、粒状、ペレット状などのいずれの形状、サイズであってもよい。

吸着部３６と水素吸蔵部３４とは吸着部３６が２つの水素吸蔵部３４に挟み込まれるようにして隣接配置され、１組の反応セット３８が構成されている。伝熱流路部３２は、熱媒を貯留可能とされており、水素吸蔵部３４及び吸着部３６との間で熱交換できるようになっている。伝熱流路部３２は、各々の反応セット３８の水素吸蔵部３４の外側に配置されており、隣り合う反応セット３８間では、１つの伝熱流路部３２が共有されている。

高圧タンク１３は、配管２２を介して、各々の水素吸蔵部３４と接続されている。配管２２には、バルブ２２Ａが設けられている。図２に示されるように、バルブ２２Ａは、制御部１８と接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。

燃料電池１４は、配管２３を介して、各々の水素吸蔵部３４と接続されている。配管２３には、バルブ２３Ａが設けられている。図２に示されるように、バルブ２３Ａは、制御部１８と接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。

蒸発器１２は、配管２４を介して伝熱流路部３２と接続され、配管２５を介して吸着部３６と接続されている。配管２４にはバルブ２４Ａが設けられ、配管２５にはバルブ２５Ａが設けられている。図２に示されるように、バルブ２４Ａ、２５Ａは、制御部１８と接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。

凝縮器１６は、配管２６を介して伝熱流路部３２と接続され、配管２７を介して吸着部３６と接続されている。配管２６にはバルブ２６Ａが設けられ、配管２７にはバルブ２７Ａが設けられている。図２に示されるように、バルブ２６Ａ、２７Ａは、制御部１８と接続されており、制御部１８によって開閉が制御されている。

次に、本実施形態のヒートポンプ１０の運転処理について説明する。ここでのヒートポンプの運転処理は、燃料電池１４により水素利用が行われているタイミングで実行されているものとする。燃料電池１４により水素利用が行われている時には、通常、バルブ２０Ａは開放されており、高圧タンク１３から燃料電池１４へ水素が供給されている。

ヒートポンプ１０の運転処理は、制御部１８によって実行される。ユーザーから制御部１８へ処理開始指示が入力されると、図６に示すヒートポンプ運転処理が実行される。

まず、ステップＳ１０において、吸着材再生処理が行われる。吸着材再生処理では、図７に示されるように、ステップＳ１２でバルブ２５Ａ、２６Ａの閉鎖が指示され、ステップＳ１４でバルブ２２Ａ、２７Ａの開放が指示される。これにより、図１１Ａに示されるように、高圧タンク１３と反応器３０の水素吸蔵部３４とが連通して、高圧タンク１３から水素吸蔵部３４へ水素が供給される。また、凝縮器１６と反応器３０の吸着部３６とが連通する。水素吸蔵部３４の水素吸蔵合金３４Ａは水素を吸蔵し、その反応により吸蔵熱が生成される。この吸蔵熱により吸着部３６の吸着材３６Ａが加熱され、吸着材３６Ａは、熱媒である蒸気を放出して再生される。吸着部３６から放出された蒸気は、凝縮器１６で凝縮される。このときの凝縮熱が、配管ＰＢを流通する熱媒により温熱機器４２に伝えられる。

ステップ１８で、所定時間Ｔ１が経過したかどうかを判断する。ここでの所定時間Ｔ１は、必要とされる水素吸蔵合金３４Ａでの水素吸蔵量、必要とされる吸着材３６Ａの再生程度を考慮して設定される。所定時間Ｔ１が経過すると、ステップＳ２０に進む。

次に、ステップＳ２０において、水素吸蔵合金冷却処理が行われる。水素吸蔵合金冷却処理では、図８に示されるように、ステップＳ２２でバルブ２２Ａ、２７Ａの閉鎖が指示され、ステップＳ２４でバルブ２６Ａの開放が指示される。これにより、図１１Ｂに示されるように、伝熱流路部３２と凝縮器１６が連通され、吸蔵熱で高温となっている水素吸蔵部３４と伝熱流路部３２との間で熱交換が行われ、伝熱流路部３２の水（液相）が蒸発して、凝縮器１６へ送られる。伝熱流路部３２から送出された蒸気は、凝縮器１６で凝縮される。このときの凝縮熱が、配管ＰＢを流通する熱媒により温熱機器４２に伝えられる。

ステップ２８で、所定時間Ｔ２が経過したかどうかを判断する。ここでの所定時間Ｔ２は、水素吸蔵合金３４Ａが凝縮器１６における常温になるまでの時間を考慮して設定される。所定時間Ｔ２が経過すると、ステップＳ３０に進む。

次に、ステップＳ３０において、水素放出冷熱生成処理が行われる。水素放出冷熱生成処理では、図９に示されるように、ステップＳ３２でバルブ２０Ａ、２６Ａの閉鎖が指示され、ステップＳ３４でバルブ２３Ａ、２４Ａの開放が指示される。これにより、図１１Ｃに示されるように、水素吸蔵部３４と燃料電池１４が連通され、水素吸蔵合金３４Ａから放出された水素が燃料電池１４へ送出され、燃料電池１４で水素が消費される。一方、配管２０を介した高圧タンク１３から燃料電池１４への水素供給は休止される。水素放出により、水素吸蔵部３４は熱が奪われる。一方、伝熱流路部３２は蒸発器１２と連通される。蒸発器１２の熱媒は蒸発して伝熱流路部３２へ蒸気が送られ、凝縮される。これにより、蒸発器１２では冷熱が生成され、当該冷熱は、配管ＰＡを介して冷熱機器４０へ送られる。

ステップ３８で、所定時間Ｔ３が経過したかどうかを判断する。ここでの所定時間Ｔ３は、必要とされる水素吸蔵合金３４Ａの水素放出量を考慮して設定される。所定時間Ｔ３が経過すると、ステップＳ４０に進む。

次に、ステップＳ４０において、吸着冷熱生成処理が行われる。吸着冷熱生成処理では、図１０に示されるように、ステップＳ４２でバルブ２３Ａ、２４Ａの閉鎖が指示され、ステップＳ４４でバルブ２０Ａ、２５Ａ、２６Ａの開放が指示される。これにより、図１１Ｄに示されるように、配管２０を介した高圧タンク１３から燃料電池１４への水素供給が再開される。また、蒸発器１２と吸着部３６が連通され、伝熱流路部３２と凝縮器１６が連通される。蒸発器１２の熱媒は蒸発して吸着部３６へ送出され、吸着材３６Ａにより吸着される。蒸発器１２では冷熱が生成され、当該冷熱は、配管ＰＡを介して冷熱機器４０へ送られる。吸着部３６では吸着熱が生成され、当該吸着熱により伝熱流路部３２の熱媒が加熱されて蒸気となり、当該蒸気は凝縮器１６へ送出される。吸着部３６から送出された蒸気は、凝縮器１６で凝縮される。このときの凝縮熱が、配管ＰＢを流通する熱媒により温熱機器４２に伝えられる。

ステップ４８で、所定時間Ｔ４が経過したかどうかを判断する。ここでの所定時間Ｔ４は、必要とされる吸着材３６Ａでの熱媒吸着量を考慮して設定される。所定時間Ｔ４が経過すると、ステップＳ５０に進む。

次に、ステップＳ５０で、運転処理の終了指示があるかどうかを判断する。終了指示がない場合には、ステップＳ１０へ戻り、上記の処理を繰り返す。終了指示があった場合には、ヒートポンプ１０の運転処理を終了する。

以上のように、ヒートポンプ１０を運転することにより、水素放出冷熱生成処理と吸着冷熱生成処理を組み合わせて冷熱生成を行うことができる。また、吸着材再生処理、水素放出冷熱生成処理では、温熱生成を行うことができる。

本実施形態のヒートポンプ１０では、水素吸蔵合金３４Ａによる水素吸蔵の際の吸蔵熱を用いて、吸着材３６Ａを再生するので、吸着材３６Ａを再生する際の熱源を外部に必要とせず、顕熱ロスを少なくすることができる。

また、本実施形態では、吸着材再生処理後、水素放出冷熱生成処理前に、水素吸蔵合金を冷却する水素吸蔵合金冷却処理が実施されている。したがって、水素放出冷熱生成処理において、水素吸蔵部３４からの熱により蒸発器１２が影響を受けることが抑制され、冷熱生成を効率的に行うことができる。

また、本実施形態のヒートポンプ１０では、吸着部３６だけでなく、伝熱流路部３２も蒸発器１２及び凝縮器１６と接続され、吸着材３６Ａに吸着、脱離される熱媒と同一の熱媒が、伝熱用にも用いられているので、装置の簡素化を図ることができる。

また、本実施形態のヒートポンプ１０では、高圧タンク１３と燃料電池１４とが接続されているので、水素吸蔵部３４から水素が放出されていない時でも、バルブ２０Ａを開放することにより、燃料電池１４は高圧タンク１３から直接水素の供給を受けることができる。

なお、本実施形態では、反応器３０を１つ用いて冷熱、温熱生成を行ったが、複数の反応器を並列的に接続してもよい。例えば、２つの反応器を用いる場合には、図１３に示すように、反応器３０に加えて反応器５０を、配管５２、５３、５４、５５、５６、５７を介して、高圧タンク１３、燃料電池１４、蒸発器１２、及び凝縮器１６と各々接続する。また、各配管には、バルブ５２Ａ、５３Ａ、５４Ａ、５５Ａ、５６Ａ、５７Ａを各々設け、制御部１８と接続する。これにより、２つの反応器において冷熱生成、温熱生成の処理タイミングをずらして、連続した冷熱生成、温熱生成を行うことができる。

また、本実施形態では、燃料電池１４により水素利用が行われているタイミングで実行されるヒートポンプ処理について説明したが、燃料電池１４により水素利用が行われていない場合にも、本発明のヒートポンプ１０を用いることができる。この場合には、水素利用が行われないタイミングでは、ステップＳ４０の吸着冷熱生成処理で冷熱生成を行い、水素が利用されるタイミングで、ステップＳ１０の吸着材再生処理、ステップＳ３０の水素放出冷熱処理を行う。

また、本実施形態では、水素消費部として燃料電池を用いたが、水素消費部として他のもの、例えば、水素燃料エンジンや等を用いることもできる。

１０ ヒートポンプ
１２ 蒸発器
１３ 高圧タンク
１４ 燃料電池（水素消費部）
１６ 凝縮器
３２ 伝熱流路部（伝熱部）
３４Ａ 水素吸蔵合金
３４ 水素吸蔵部
３６Ａ 吸着材
３６ 吸着部
５０ 反応器

Claims (5)

1. 熱媒を蒸発させる蒸発器と、
   前記熱媒を凝縮させる凝縮器と、
   水素を貯留する水素タンクと、
   前記水素を消費する水素消費部と、
   前記水素タンク及び前記水素消費部と接続され、前記水素を吸蔵する水素吸蔵合金が収納された水素吸蔵部と、
   前記蒸発器及び前記凝縮器と接続され、前記熱媒を吸着する吸着材が収納され、前記水素吸蔵部と隔離されつつ前記水素吸蔵部との間で熱交換可能とされた吸着部と、
   前記蒸発器及び前記凝縮器と接続され、前記水素吸蔵部及び前記吸着部との間で熱交換可能とされた伝熱部と、
   を備えたヒートポンプ。
2. 前記水素タンクと前記水素消費部とが接続されていること、を特徴とする請求項１または請求項１に記載のヒートポンプ。
3. 互いに熱交換が行われる前記水素吸蔵部と前記吸着部のセットを含んで構成される反応器を複数有し、前記複数の反応器は並列的に前記水素タンク、前記水素消費部、前記蒸発器、及び前記凝縮器と接続されている、請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ。
4. 蒸発器から熱媒を蒸発させると共に該熱媒を吸着材に吸着させて冷熱を生成し、前記吸着による吸着熱により伝熱部の熱媒を加熱して蒸気として前記伝熱部と連通された凝縮器へ送出する吸着冷熱生成処理と、
   水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ、該水素を吸蔵する際の吸蔵熱によって前記吸着材に吸着された熱媒を脱離させて前記吸着材を再生する吸着材再生処理と、
   前記蒸発器から熱媒を蒸発させ前記蒸発器と連通された前記伝熱部へ送出すると共に前記水素吸蔵合金に吸蔵された水素を放出させて冷熱を生成する、水素放出冷熱生成処理と、
   を有する、冷熱生成方法。
5. 前記吸着材再生処理後、前記水素放出冷熱生成処理前に、前記水素吸蔵合金を冷却する冷却処理が実施される、請求項４に記載の冷熱生成方法。

Images