JPS62288495A

JPS62288495A - 熱交換器

Info

Publication number: JPS62288495A
Application number: JP61129716A
Authority: JP
Inventors: Akira Onishi; 晶大西; Tomoka Mizushima; 水島　朝香; Hiroyuki Takashima; 高島　啓行; Michiharu Hannoki; 播木　道春; Katsuhiko Kaburagi; 鏑木　勝彦
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd; Sumikin Osaka Plant Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Sumikin Osaka Plant Co Ltd
Priority date: 1986-06-03
Filing date: 1986-06-03
Publication date: 1987-12-15

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】３、発明の詳細な説明（産業上の利用分野）本発明は、水素吸蔵合金を用いた熱交換器に関するもの
である。

（従来の技術）水素吸蔵合金は、合金特有のある温度、圧力条件下で水
素ガス（以下「Ｈ２ガス」という）を吸蔵して発熱反応
を起こし、また、別のある温度、圧力条件下でＨ２ガス
を脱蔵して吸熱反応を起こすことが一般に知られている
。　しかして、この特性を利用することで２種類の水素
吸蔵合金を使ってヒートポンプシステムを構成すること
ができる。

すなわち、２種類の水素吸蔵合金の組合せ方によって第
３図に示すような降温サイクル（Ｄ−Ｈに１１□ガスを
移動させる時にＤで冷熱を作る）や第４図に示すような
昇温サイクル（Ｃ→ＡにＨ２ガスを移動させる時にＡで
高温を作る）を作ることができるからである。

この場合、水素吸蔵合金からの発熱あるいは吸熱エネル
ギーをすばやく回収することが水素吸蔵合金の反応を促
進させることになり、ひいては単位時間当りの発生出力
を向上させることになる。

従って、水素吸蔵合金を利用した熱交換器としては以下
に列挙する条件が要求される。

■水素ガスの通気性が良好であること。

水素吸蔵合金の反応を急激に行なわせて高熱を発生させ
ると同時に、短時間で反応させて単位時間当りの発生出
力を向上させるためには、熱交換器内におけるＨ２ガス
の通気性が良好でなければならない。

■　熱交換器の伝熱特性が良好であること。

水素吸蔵合金からの発熱や吸熱エネルギーをすばやく熱
交換流体に回収するためには、伝熱面積が広く、伝熱抵
抗が小さいことが必要である。一般に水素吸蔵合金は顆
粒状であるため、水素吸蔵合金層中に伝熱促進材を充填
して有効熱伝導率を向上させる事が必要である。

■　熱交換器の機械的強度及び耐水素脆性が良好である
こと。

水素吸蔵合金は、高圧水素と急激な反応（発熱反応）を
起こさせた場合には内部温度は部分的に高！（約５００
℃）となる場合がある。また、水素吸蔵合金は、水素を
吸蔵することによって体積膨張を起こすため、熱交換器
は熱伝導率が良いばかりでなく、高温、高圧に耐え、か
つ、耐水素脆性が良好なものでなければならない。

■　金属水素化物の粉末を飛散させないこと。

金属水素化物は、水素の吸蔵、放出を繰返すことによっ
て微粉化が起こり配管内に飛散してゆく。

このことは、水素吸蔵合金が消耗するばかりでなく、バ
ルブ、弁等に詰まったり、場合によっては相手側の合金
内に入り込み、合金劣化を起こすことにもなる。従って
、Ｈ２ガスの供給管入口部には、Ｈ２ガスは通過させる
が、合金粉は通過させないフィルター（１〜２μ程度）
を設置することが必要である。

■　熱交換器の熱容量を小さくすること。

水素吸蔵合金の単位重量当りの発熱量は一定であるため
、効率よく熱回収を行なうためには熱交換器全体の重量
（熱容ｉｔ）を小さくし、顕熱ロスを最小限にして昇温
幅を大きくし、すばやく熱媒流体に熱伝達を行なわなけ
ればならない。従って熱交換器の重量（熱容量）を小さ
くして顕熱ロスや放熱ロスを少なくしなければならない
。

ところで、従来より採用されていた熱交換器は第５図に
示すように、 ■　Ｌガスの通気性を改善するために、容器１の中央部
に連通管２を挿通せしめ、容器１の長手方向両端部より
フィルター３を介して水素吸蔵合金へＨ２ガスを移動さ
せていた。

■　熱交換器の伝熱特性向上のため、すなわち水素吸蔵
合金と容器１の外壁との熱伝導を円滑にするために水素
吸蔵合金内に伝熱促進剤として金属海綿体（例えばｒＮ
ｉセルメット（商品名）」）４を充填していた。

しかしながら、前記したような水素吸蔵合金を用いた従
来の熱交換器では、以下に示すような欠点があった。

（ア）水素吸蔵合金へのＨ２ガスの移動が容器１の両端
のみから行なわれるため、容器ｌの長手方向中央部に位
置する水素吸蔵合金がＨ２ガスと反応するのに時間を要
する。

（イ）金属海綿体４の空隙は連通孔ではないために水素
吸蔵合金の充填作業に時間を要する上、充填率が低いた
め充填層の有効熱伝導率は低下し、更に、水素吸蔵合金
の単位当りの容器重量（熱容量）が大きくなって顕熱ロ
スが大きい。

（つ）金属海綿体４と容器１の壁面との接触状態が点接
触又は線接触であるため熱伝導率が大幅に低下している
。

従来の熱交換器は以上述べたような欠点を有していた為
、水素吸蔵合金の反応速度の低下及び熱交換率の低下を
招き、結果として単位時間当りの発生出力が小さくなっ
ていた。

従来の熱交換器は第６図及び第７図に示す様に容器１の
外壁面にガス又は熱媒等の熱交換流体を流して熱回収し
ていたのであるが、前記した（ア）、（り）の欠点を改
善するための手段として特開昭６０−１０１４８９号公
？！（第８図参照）や特開昭６０−１０１４９０号公報
が開示されている。

これらは、間隔を存してフィン５を熱交換チューブ６の
外側に多段に積層すると共にこれらフィン５間に水素吸
蔵合金を充填し、前記熱交換チューブ６内に熱交換流体
を流すものである。そして、前記熱交換チューブ６及び
フィン５の周囲−側面に長手方向の全長に亘ってフィル
ター３を設置すると共に、残部側面を閉塞して熱交換器
本体７を形成している。

しかして、この熱交換器本体７を、１１□ガスの出入口
８を有する圧力容器９内に装入して熱交換器を構成した
ものである。

（発明が解決しようとする問題点）上記した構成の熱交換器は、水素吸蔵合金と熱交換流体
との熱伝導性は非常に良好となるのであるが、以下に列
挙するような問題がある。

（ア）フィルター３近傍に位置する水素吸蔵合金はすば
やく水素と反応するのであるが、内部に位置する水素吸
蔵合金迄水素が移動して反応するのに時間を要する。

（イ）水素吸蔵合金の重量と比較して圧力容器９や熱交
換チューブ６の重量（熱容量）が太き（顕熱ロスが大き
い。

（つ）熱交換器本体７の製作、水素吸蔵合金の充填が困
難であり水素吸蔵合金の充填率が低くなる。

（１）熱交換流体として液体（熱媒）を使用した場合に
は熱伝導率は非常に良好となるのであるが、熱交換流体
が気体の場合には熱交換チューブ６内面の熱伝達係数が
低くなって熱交換器全体として熱伝導性が低下する。

本発明は、このような問題点を解決できる熱交換器を提
供せんとするものである。

（問題点を解決するための手段）本発明に係る熱交換器は、容器とこの容器の中心部に設
置された連通管とで形成される環状空間内に、その内部
に水素吸蔵合金を充填してなる金属箔のハニカム状筒体
を長手方向に多段状に設けると共に、これら各ハニカム
状筒体間に所要の間隙を設けて相対する各ハニカム状筒
体の両端部にフィルター状金網を取付け、また、前記容
器内への水素ガスの出入口にはフィルターを設置し、か
つ、前記ハニカム状筒体及び連通管に多数の微細開孔を
設けて成ることを要旨とするものである。

（作　　　用）本発明は、容器とこの容器の中心部に設置された連通管
とで形成される環状空間内に、その内部に水素吸蔵合金
を充填してなる金属箔のハニカム状筒体を長手方向に多
段状に設けると共に、これら各ハニカム状筒体間に所要
の間隙を設けて相対する各ハニカム状筒体の両端部にフ
ィルター状金網を取付け、また、前記容器内への水素ガ
スの出入口にはフィルターを設置し、かつ、前記ハニカ
ム状筒体及び連通管に多数の微細開孔を設けて成る構成
である為、先ず、熱伝導度の悪い水素吸蔵合金粒子を金
属箔のハニカム状筒体内に充填することによって水素吸
蔵合金内の有効熱伝導度が向上し、容器内壁面とハニカ
ム箔が面接触するので熱抵抗は小さくなり、同時に水素
吸蔵合金の充填率も上昇する。また、各ハニカム状筒体
間に設けた間隙や連通管とハニカム状筒体に多数設けた
微細開孔によってＨ２ガスの移動性が向上する。

（実　施　例）以下、本発明を第１図及び第２図に示す一実施例に基づ
いて説明する。

第１図（イ）は本発明の一実施例を示す正面図中央縦断
面図、（ロ）はハニカム状筒体の斜視図、第２図は本発
明における実施例のヒートポンプシステムを示す概略図
である。

図面において、１１は金属箔により製造されたハニカム
状筒体であり、該筒体１１の内部には水素吸蔵合金が充
填せしめられている。また、この筒体１１の中心部には
後述する連通管１２を貫挿せしめるための貫通孔１３が
設けられ、しかも、この筒体１１を形成する金属箔には
多数の微細開孔（φ１〜２μ程度）が開設せしめられて
いる。

１４は前記筒体１１を長手方向に多段状に収納する容器
であり、その中心部には前記筒体１１と同様の多数の微
細開孔を開設した連通管１２が設置されている。

しかして、前記筒体１１は容器１４と連通管１２とで形
成された環状空間内に多段状に設置されることになるの
であるが、本発明にあっては、夫々の筒体１１間にスペ
ーサ１５を介在させると共に、これら相対する両端部に
フィルター状金網１６を設けて各筒体１１間に所要の間
隙が存在するように成さしめているのである。

１７は前記容器１４内へのＨ２ガスの出入口１８に設置
されたフィルターであり、水素吸蔵合金粉の飛散を防止
するためのものである。

次に本発明熱交換器を用いたヒートポンプシステムにつ
いて説明する。

この第２図に示すものは、第４図に示す昇温サイクル（
ヒートポンプ）システムであり、先ず水素を高圧側合金
２１に充填しておき、低圧側及び高圧側合金１９．２１
に高温廃熱を供給し水素を昇温するのである。そして、
高圧側合金２１の平衡水素圧力が上昇した後、高圧側合
金反応容器と低圧側合金反応容器との連絡弁２０を開く
のである。すると、高圧側合金２１より放出されたＨ２
ガスは、低圧側合金１９へ移動して、低圧側合金１９に
吸蔵され、発熱反応を起こすのである。

すなわち、第１図に示すように、低圧側反応容器１４に
おいて、Ｈ，ガス出入口１８より容器１４内に流入した
Ｈ２ガスは、フィルター１７から連通管１２及び多段の
ハニカム状筒体１１の間隙を介して前記筒体１１や連通
管１２に開設された微細開孔を通って筒体１１内に充填
されている水素吸蔵合金に吸麿され、発熱反応を起こす
のである。

そして、発生した熱は、筒体１１を伝わり、これと面接
触している容器１４の壁面へ伝わり、容器１４の外壁面
を流れる媒体へと熱伝達されるのである。

この様にＨ２ガスの通気性の改善によりＨｚガスと水素
吸蔵合金との反応速度が向上し、一方、容器１４内の熱
伝導性を改善した事により、Ｈ２ガスとの反応で昇温し
た水素吸蔵合金の温度をすばやく降下させ、それによっ
て水素吸蔵合金（低圧側）の平衡水素圧力は低下し、再
びＨ２ガスとの反応速度は向上し、つぎつぎと容器１４
内の水素吸蔵合金は、所定のＨ２ガス吸蔵量を吸蔵する
まですばやり１１ｔガスと発熱反応を起こして行くので
あり、その結果、反応時間は大幅に短縮される。

また、Ｈ２回収サイクルでは、高圧側合金２１に冷却流
体を流し降温する。そして、高圧側合金２１の平衡水素
圧力が低下した後連絡弁２０を開（と、Ｈ２ガスは低圧
側合金１９より高圧側合金２１へ流れて高圧側合金２１
と発熱反応し、水素吸蔵合金に吸蔵されるのである（低
圧側合金１９は吸熱反応してＨ２ガスの放出が起こる）
。この時、前記と同様に、Ｈ２２ガス気性改善及び容器
１４内の熱伝導性の改善により、反応時間（サイクルタ
イム）は大幅に短縮されるのである。

実施結果を第１表に示す。第１表より明らかな如く、本
発明の反応時間は、従来の１５分に比べて大幅に短縮さ
れ、約５分になった。また、本発明で使用している金属
箔のハニカム状筒体は従来用いていた金属海綿体の様に
内部に閉空間がなく、水素吸蔵合金充填率が向上し、水
素吸蔵合金充填作業も容易になった。その結果、水素吸
蔵合金充填率は数９０％まで向上し、容器係数（容器重
量子合金重量）も約１゜５と小さくなり、水素吸蔵合金
単位当りの容器顕熱ロスも少なくなった。すなわち、同
じ容器に水素吸蔵合金を充填した場合、従来に比べて本
発明を用いると、水素吸蔵合金充填率で約２．３倍改善
され、また、反応時間で約３倍の向上が図れた。故に単
位時間当りの水素吸蔵合金発熱量に換算すると、約６．
７倍の効率アップが可能となった。

第　　　１　　　表（容器：φ３０ＷｍＸ　１００１００Ｏ発明の効果）以上説明したように本発明は、容器とこの容器の中心部
に設置された連通管とで形成される環状空間内に、その
内部に水素吸蔵合金を充填してなる金属箔のハニカム状
筒体を長手方向に多段状に設けると共に、これら各ハニ
カム状筒体間に所要の間隙を設けて相対する各ハニカム
状筒体の両端部にフィルター状金網を取付け、また、前
記容器内への水素ガスの出入口にはフィルターを設置し
、かつ、前記ハニカム状筒体及び連通管に多数の微細開
孔を設けて成る構成である為、先ず、熱伝導度の悪い水
素吸蔵合金粒子を金属箔のハニカム状筒体内に充填する
ことによって水素吸蔵合金内の存効熱伝導度が向上し、
同時に水素吸蔵合金の充填率も上昇する。また、各ハニ
カム状筒体間に設けた間隙や連通管とハニカム状筒体に
多数設けた微細開孔によってＨ２ガスの移動性が向上す
る。従って、本発明によれば単位水素吸蔵合金当りの顕
熱ロスも少なくなると共に、水素吸蔵合金とＨ２ガスの
反応時間が短縮して単位時間当りの発生出力の向上が可
能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（イ）は本発明に係る熱交換器の正面図中央縦断
面図、（ロ）は筒体の斜視図、第２図は本発明を用いた
ヒートポンプシステムの説明図、第３図は２種類の水素
吸蔵合金を用いた降温サイクル線図（降温型ヒートポン
プ）、第４図は２種類の水素吸蔵合金を用いた昇温サイ
クル線図（昇温型ヒートポンプ）、第５図は従来の熱交
換器（金属海綿体を用いたもの）の第１図（イ）と同様
の図、第６図は廃熱源として気体を用いた場合の第５図
に示す熱交換器の概略図、第７図は、廃熱源として液体
を用いた場合の第５図に示す熱交換器の概略図、第８図
は従来の熱交換器（熱交換チューブ外側に水素吸蔵合金
を充填したもの）の第１図（イ）と同様の図である。１１は筒体、１２は連通管、１４は容器、１５はスペー
サ、１６はフィルター状金網、１７はフィルター。第３図　　　　　　　第４図第５図プ第６図第７図第８図Ｓし夛ト

Claims

【特許請求の範囲】

（１）容器とこの容器の中心部に設置された連通管とで
形成される環状空間内に、その内部に水素吸蔵合金を充
填してなる金属箔のハニカム状筒体を長手方向に多段状
に設けると共に、これら各ハニカム状筒体間に所要の間
隙を設けて相対する各ハニカム状筒体の両端部にフィル
ター状金網を取付け、また、前記容器内への水素ガスの
出入口にはフィルターを設置し、かつ、前記ハニカム状
筒体及び連通管に多数の微細開孔を設けて成ることを特
徴とする熱交換器。