(57)【要約】【課題】ＭＨ冷水製造システムを利用して、冷水から高温水までの範囲の温度の温度制御水を製造する。【解決手段】貯水タンク２０内に冷却用熱交換コイル１４と、加温用熱交換コイル１６とを配設する。ＭＨ冷凍装置１０のブライン管８と冷却用熱交換コイル１４とを冷却用接続管１４ａで接続する。高温熱源４Ｈと加温用熱交換コイル１６とを加温用接続管１６ａで接続する。貯水タンク２０内に攪拌器１５を配設する。ＭＨ装置１０Ａからブラインを冷却用熱交換コイル１４に供給して貯水タンク２０内で直接熱交換して冷却可能とする。高温熱源４Ｈから熱湯を加温用熱交換コイル１６に供給して貯水タンク２０内で直接熱交換して加温可能とする。攪拌器１５により貯水タンク２０内の水を攪拌し、均一に冷却、加温を可能とし、熱交換の効率をさらに高める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＨ冷凍装置にて高温熱源と冷温熱源の温度差により水素吸蔵合金で冷熱を発生させ、当該水素吸蔵合金が発生する冷熱と、前記高温熱源の高温水の熱とにより冷水から高温水までの範囲の温度の水を製造するＭＨ冷温水製造制御システムであって、
冷水または温水とする水を溜める貯水タンク内に、前記ＭＨ冷凍装置本体より送り込まれる冷却されたブラインと前記貯水タンク内の水とで直接熱交換させる冷却用熱交換器と、前記高温熱源の高温水と前記貯水タンク内の水とで直接熱交換させる加温用熱交換器とを設けるとともに、前記貯水タンク内の水を攪拌する攪拌器を設けたことを特徴とするＭＨ冷温水製造制御システム。
【請求項２】
前記貯水タンク内で、前記冷却用熱交換器の内側に前記加温用熱交換器を配置したことを特徴とする請求項１に記載のＭＨ冷温水製造制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温熱源と冷温熱源の温度差により水素吸蔵合金で冷熱を発生させるＭＨ冷凍装置を用い、このＭＨ冷凍装置からの冷熱により前記冷温熱源の温度を下回る温度の冷水を製造し、また、高温熱源の高温水により水を加温して、温度制御された温度制御水を製造するＭＨ冷温水製造制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＨ冷凍装置として、例えば特開２００４−１９０９８３号公報（特許文献１）に開示されたものがある。水素吸蔵合金は、気体の水素を吸収、貯蔵する性質を持った金属であり、水素を吸収するとき発熱し、放出するとき吸熱する、すなわち冷熱を発生させる性質を有している。また、加熱すると水素を放出しやすくなり、冷却すると水素を吸収しやすくなる。
【０００３】
図６は水素吸蔵合金を利用したＭＨ冷凍装置の原理的要部概略図、図７はその動作原理を示す図である。ＭＨ冷凍装置は、高温側と低温側でそれぞれ反応温度帯の違う２種類の水素吸蔵合金を利用する。図６に示すように、水素吸蔵合金Ｍ１の入った高温側タンク１と水素吸蔵合金Ｍ２の入った低温側タンク２とをパイプ３で連結し、水素が漏れないように閉鎖回路とする。また、低温側タンク２内には、水素吸蔵合金Ｍ２に接触する配管により、例えば冷凍庫の冷却等に用いるブライン（冷媒）が巡らされる。
【０００４】
冷凍サイクルの停止時には、高温側の水素吸蔵合金Ｍ１は飽和状態に近く、低温側の水素吸蔵合金Ｍ２の吸蔵量はきわめて微量である。冷凍サイクルの第一段階として、図７(A) に示すように、高温側のタンク１を高温熱源により加熱する。この加熱により高温側タンク１内の水素吸蔵合金Ｍ１から水素が放出されるとともに圧力が上昇し、パイプ３を介して低温側タンク２に水素が移動し、低温側タンク２内の水素吸蔵合金Ｍ２が水素を吸収する。このとき、本来なら低温側タンク２内の水素吸蔵合金Ｍ２が発熱するが、冷温熱源となる水により冷却しているため、発熱が抑制され、高温側タンク１内に比べて低温側タンク２内は圧力が低くなる。
【０００５】
第二段階として、上記圧力差により高温側タンク１内の水素が低温側タンク２内に移動した後、図７(B)に示すように、低温側タンク２の冷却を停止し、ブライン（メタノール等）との熱交換の条件を整え、高温側タンク１を冷温熱源の水で冷却する。このとき、低温側タンク２の圧力Ｐ２と高温側タンク１の圧力Ｐ１の関係は、Ｐ２＞Ｐ１となるので、低温側タンク２から高温側タンク１へ水素が移動し、低温側タンク２内の水素吸蔵合金Ｍ２は、熱交換の条件を整えられたブラインから熱を奪うため、例えば冷凍庫の冷却に用いるブラインが冷やされる。
【０００６】
図５は、上記のようなＭＨ冷凍装置を利用した従来のＭＨ冷水製造システムの要部概略図である。ＭＨ冷凍装置１０は、ＭＨ装置１０Ａを有し、このＭＨ装置１０Ａに、図６と同様に水素吸蔵合金Ｍ１の入った高温側タンク１と水素吸蔵合金Ｍ２の入った低温側タンク２とを備えている。そして、高温側タンク１と低温側タンク２はパイプ３で連結され、水素が漏れないように閉鎖回路としている。また、ＭＨ冷凍装置１０は、高温水を供給する高温熱源４Ｈと、冷水を供給する低温熱源４Ｃと、三方弁５ａ，５ｂ，５ｃと、第１熱交換器６と、低温熱源４Ｃの冷水を第１熱交換器６に供給する冷水配管７と、低温側タンク２内で水素吸蔵合金Ｍ２と接触して閉回路を構成してブライン（冷媒）を流すブライン配管８と、ブライン配管８内のブラインを循環させるブライン循環用ポンプ９とを備えている。
【０００７】
そして、このＭＨ冷水製造システムは、ＭＨ冷凍装置１０のブライン配管８に接続された第２熱交換器１１と、冷却する水を溜める貯水タンク２０と、第２熱交換器１１と貯水タンク２０との間に配管された送水回路１２と、第２熱交換器１１と貯水タンク２０との間で送水回路１２内の水を循環させる送水ポンプ１３とを備えている。
【０００８】
前述のように高温側タンク１内の水素吸蔵合金Ｍ１の加熱及び冷却を行うときは、三方弁５ａを切り替え制御することで、高温熱源４Ｈの高温水で加熱し、低温熱源４Ｃの冷水で冷却する。一方、低温側タンク２内の水素吸蔵合金Ｍ２の冷却は、三方弁５ｂと三方弁５ｃを切り替え制御することにより、第１熱交換器６により冷温熱源４Ｃの冷水と熱交換するブラインにより間接的に冷却する。
【０００９】
以上の構成により、ＭＨ冷凍装置１０の運転によりブライン配管８内を冷却されたブラインが循環し、三方弁５ｂと三方弁５ｃの切り替え制御により、第２熱交換器１１を介して水路管１２内の水が冷却される。この冷却された水は送水ポンプ１３により送水回路１２及び貯水タンク２０内を循環し、貯水タンク２０内の冷水が冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１９０９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前記従来のＭＨ冷水製造システムは、貯水タンク２０内の水を冷却する冷却専用のシステムとなっているため、例えば各種の事業に向けたシステムとして汎用性に乏しいという問題がある。また、ブラインの冷熱を利用するために第２熱交換器１１を用いているので、熱交換のロスが発生するという問題があり、さらに、このような熱交換器は高価であり、コスト高の要因となる。
【００１２】
なお、第２熱交換器１１内では送水回路１２の水がブラインの冷熱に曝される。このブラインは例えば−５℃のように氷点下となるため、ＭＨ冷凍装置１０の運転中は勿論、運転を停止した後でも、送水ポンプ１３で送水回路１２内の水を水素吸蔵合金Ｍ２の温度が０℃以上になるまで循環させる必要がある。循環させていないと、第２熱交換器１１内で水が凍結してしまうという問題がある。また、第２熱交換器１１への送水回路１２に不具合が生じた際には、第２熱交換器１１内の水が凍結して第２熱交換器１１及び送水ポンプ１３の破損を招く恐れがある。仮に破損を免れても、第２熱交換器１１は断熱構造となっているため融解に相当の時間を要することとなり、迅速な運転の復帰は困難となる。
【００１３】
また、貯水タンク２０内の水は第２熱交換器１１及び送水回路１２を介して間接的に冷却されるので、この水の温度変化はＭＨ冷凍装置１０による冷却能力に対して応答性が悪く、例えば、ＭＨ冷凍装置１０の運転及び停止を制御して冷水の温度管理を行うのが困難である。
【００１４】
本発明は、従来の問題点に鑑み、ＭＨ冷水製造システムを改良し、第２熱交換器を無くして冷却する水に対するブラインの冷熱の熱交換のロスを低減するとともにコストを低減し、さらに冷却水のみならず、冷水から高温水までの範囲で水の温度調節が可能で汎用性の高いＭＨ冷温水製造制御システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１のＭＨ冷温水製造制御システムは、ＭＨ冷凍装置にて高温熱源と冷温熱源の温度差により水素吸蔵合金で冷熱を発生させ、当該水素吸蔵合金が発生する冷熱と、前記高温熱源の高温水の熱とにより冷水から高温水までの範囲の温度の水を製造するＭＨ冷温水製造制御システムであって、冷水または温水とする水を溜める貯水タンク内に、前記ＭＨ冷凍装置本体より送り込まれる冷却されたブラインと前記貯水タンク内の水とで直接熱交換させる冷却用熱交換器と、前記高温熱源の高温水と前記貯水タンク内の水とで直接熱交換させる加温用熱交換器とを設けるとともに、前記貯水タンク内の水を攪拌する攪拌器を設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２のＭＨ冷温水製造制御システムは、請求項１に記載のＭＨ冷温水製造制御システムであって、前記貯水タンク内で、前記冷却用熱交換器の内側に前記加温用熱交換器を配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１のＭＨ冷温水製造制御システムによれば、冷水または温水とする水を溜める貯水タンク内に冷却用熱交換器と加温用熱交換器が設けられるとともに、この貯水タンク内の水を攪拌する攪拌器が設けられているので、ＭＨ冷凍装置本体より送り込まれる冷却されたブラインと貯水タンク内の水とが貯水タンク内で直接熱交換されるとともに、貯水タンク内の水が攪拌器により攪拌される。また、高温熱源より送り込まれる高温水と貯水タンク内の水とが貯水タンク内で直接熱交換されるとともに、貯水タンク内の水が攪拌器により攪拌される。したがって、ブラインと水との間の熱交換の効率、高温水と水との間の熱交換の効率がそれぞれ高くなり、熱交換のロスを低減することができる。また、第２熱交換器や送水ポンプを必要とせず、コストを低減できる。さらに、ブライン及び高温水と水との間の熱交換の効率が高いので、ＭＨ冷凍装置による冷却能力に対して貯水タンク内の水の温度変化の応答性が良くなり、ＭＨ冷凍装置の運転及び停止を制御して冷水の温度管理を行うことができる。したがって、冷水から高温水までの温度に制御された冷水または温水を得ることができ、汎用性が向上する。なお、ＭＨ冷凍装置に高温水を供給するために従来のＭＨ冷水製造システムでも備えている高温熱源を利用しているので、別途の熱源を用意する必要もない。
【００１８】
請求項２のＭＨ冷温水製造制御システムによれば、請求項１の効果に加えて、冷却用熱交換器の内側に加温用熱交換器が配置されているので、貯水タンク内の水に対して、高温水との温度差より温度差が小さいブラインを流す冷却用熱交換器の長さを長くできるので、高温水との熱交換と、ブラインとの熱交換とのバランスが良好になり、システム全体として温度管理がし易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態のＭＨ冷温水製造制御システムの要部概略図である。
【図２】本発明の実施形態のＭＨ冷温水製造制御システムにおけるブライン、熱湯及び地下水を流す回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態における貯水タンクの平断面図及び縦断面図である。
【図４】本発明の実施形態における制御の一例を示す概略図である。
【図５】従来のＭＨ冷水製造システムの要部概略図である。
【図６】ＭＨ冷凍装置の原理的要部概略図である。
【図７】ＭＨ冷凍装置の動作原理を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
次に、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態のＭＨ冷温水製造制御システムの要部概略図であり、前記従来のＭＨ冷水製造システムと同様な要素には図５と同符号を付記して詳細な説明は省略する。
【００２１】
実施形態のＭＨ冷温水製造制御システムのＭＨ冷凍装置１０では、高温熱源４Ｈから供給される高温水は９５℃の熱湯であり、低温熱源４Ｃから供給される冷水は地下水である。貯水タンク２０内には「冷却用熱交換器」としての冷却用熱交換コイル１４が配設されている。この冷却用熱交換コイル１４は、冷却用接続管１４ａを介してブライン配管８に接続されており、冷却用熱交換コイル１４、冷却用接続管１４ａ、ブライン配管８は、低温側タンク２内で水素吸蔵合金Ｍ２と接触して閉回路を構成している。これにより、ＭＨ冷凍装置１０からブライン管８に送り込まれるブラインは冷却用接続管１４ａを介して冷却用熱交換コイル１４に供給される。そして、ブラインと貯水タンク２０内の水とが直接熱交換される。また、貯水タンク２０内には、攪拌器１５が配設されている。さらに、貯水タンク２０内には「加温用熱交換器」としての加温用熱交換コイル１６が配設されている。この加温用熱交換コイル１６は、加温用接続管１６ａを介して高温熱源４Ｈに接続されている。高温熱源４Ｈから送り込まれる熱湯（高温水）は加温用接続管１６ａを介して加温用熱交換コイル１６に供給される。そして、熱湯と貯水タンク２０内の水とが直接熱交換される。
【００２２】
図２は実施形態のＭＨ冷温水製造制御システムにおけるブライン、熱湯及び地下水を流す回路を示すブロック図であり、ブラインが流れるブライン回路は太線の破線、熱湯（高温水）が流れる熱湯回路は太線の実線、地下水（冷水）が流れる地下水回路は白抜きの線でそれぞれ示している。また、矢印は流れの方向を示す。
【００２３】
なお、低温側タンク２の水素吸蔵合金Ｍ２に貯蔵されている水素が高温側タンク１へ移動を始めた直後は、ブラインの温度が貯水タンク２０内の水温より高い状態であるため、貯水タンク２０内の水の冷却を行うのに非効率である。そこで、水素吸蔵合金Ｍ２の温度が十分低下して、ブラインの温度が貯水タンク２０内の水温以下になるまで、ブラインの循環を停止する間欠制御を行うことにより効果的な冷熱の取得を可能としている。すなわち、ブラインの温度（ブライン温度）が貯水タンク２０内の水温（貯水タンク水温）より高い状態では、ブラインの循環を停止する。そして、ブライン温度が貯水タンク水温より低くなった状態でブラインを循環させる。なお、実施形態におけるブラインはメチルアルコール３０％のアルコール水溶液である。
【００２４】
図３に示すように、冷却用熱交換コイル１４は、パイプを螺旋状に成型したものであり、貯水タンク２０の内壁に接近して配設されている。そして、前記ブライン配管８から供給されるブラインは、一方の冷却用接続管１４ａを通って冷却用熱交換コイル１４内を下から上に流れ、他方の冷却用接続管１４ａを通って低温側タンク２に通じる前記ブライン配管８へと循環する。また、加温用熱交換コイル１６は、パイプを螺旋状に成型したものであり、冷却用熱交換コイル１４の内側に接近して配設されている。そして、前記高温熱源４Ｈから供給される熱湯は、一方の加温用接続管１６ａを通って加温用熱交換コイル１６内を下から上に流れ、他方の加温用接続管１６ａを通って高温熱源４Ｈへと循環する。
【００２５】
また、貯水タンク２０内には、底部に攪拌器１５が配設されている。攪拌器１５は、駆動軸１５ａにフィン１５ｂを備えており、駆動軸１５ａとフィン１５ｂが回転することにより、貯水タンク２０内の水を攪拌する。ブラインの循環が開始されると、貯水タンク２０内へは０℃を下回るブラインが連続的にＭＨ装置１０Ａより送り込まれる。したがって、貯水タンク２０内の水が攪拌されないと、冷却用熱交換コイル１４付近の水が凍結し冷熱の供給が非効率となる。しかし、攪拌器１５により水が攪拌されるため、凍結を防止することができる。また、加温用熱交換コイル１６へ９５℃の熱湯を循環させるときも、攪拌器１５により水が攪拌される。
【００２６】
また、攪拌される水は、図３(A) に矢印Ａで示すように貯水タンク２０の底部を巡って冷却用熱交換コイル１４及び加温用熱交換コイル１６に直接接触して乱流となる。これにより、冷却用熱交換コイル１４内のブラインと貯水タンク２０内の水との間での熱交換の効率が高まる。同様に、加温用熱交換コイル１６内の熱湯と貯水タンク２０内の水との間での熱交換の効率が高まる。また、この攪拌により水の均一な冷却及び加温が可能となる。さらに、冷却用熱交換コイル１４は貯水タンク２０の内壁に接近して配設し、これにより、貯水タンク２０内での冷却用熱交換コイル１４の長さをできるだけ長くしている。したがって、冷却用熱交換コイル１４と水との接触面積を大きくすることができ、熱交換の効率をさらに高めている。
【００２７】
ところで、ＭＨ装置１０Ａにより発生する冷熱量は、水素吸蔵合金が水素を放出する際に発生する化学反応に依存するため、単一出力となる。したがって、従来のＭＨ冷水製造システムを各種産業で利用する場合、熱の収支バランスに合わせて水素吸蔵合金の量を調整する必要がある。しかし、高温側タンク及び低温側タンクは圧力容器であることと、一度活性化して水素を吸収した水素吸蔵合金は、空気に触れると発火することなどから、途中で水素吸蔵合金の量を変更することは不可能である。
【００２８】
そこで、貯水タンク２０内に水温センサを設置し、この水温センサから出力される水温が指定した水温となった際に、高温側タンク１と低温側タンク２の間で行われている水素の移動を停止させ、一時的にＭＨ冷凍装置１０の運転を停止する回路を付加する。例えば、一時的にＭＨ冷凍装置１０の運転を停止したときは、エネルギーの入力源である高温熱源４Ｈから供給する高温水と、低温熱源４Ｃから供給する冷水とを停止させる。さらに、高温側タンク１と低温側タンク２を連結するパイプ３にバルブ等を設けてもよい。
【００２９】
すなわち、実施形態のＭＨ冷温水製造制御システムは、貯水タンク２０内に設けた冷却用熱交換コイル１４により、ブラインと水との間の熱交換の効率を高くしているので、ＭＨ冷凍装置１０による冷却能力に対して貯水タンク２０内の水の温度変化の応答性が良くなっている。また、貯水タンク２０内に設けた加温用熱交換コイル１６により、熱湯と水との間の熱交換の効率も高くしているので、高温熱源４Ｈから供給する熱湯の量に対して貯水タンク２０内の水の温度変化の応答性が良くなっている。したがって、ＭＨ冷凍装置の運転及び停止を制御して冷水の温度管理を行うことができる。例えば０℃〜９５℃の範囲で温度調節が可能となる。
【００３０】
図４は実施形態における制御の一例を示す概略図である。加温時と冷却時の運転は、ＭＨ冷温水製造制御システムの図示しない制御盤に設置された切り替えスイッチにより制御パターンを切り替えるようにする。すなわち、図示しないコンピュータ、駆動回路、バルブ等で構成された切り替え手段を設け、水温センサで検出される水温を判断し、ブライン回路、熱湯回路、地下水回路のそれぞれにおいて導通と遮断を制御する。図４に示す「×」印及び破線は回路を遮断した状態を示している。
【００３１】
図４(A) に示すように、冷却運転を行うときは、加温用熱交換コイル１６に接続される加温用接続管１６ａにおける熱湯回路を遮断する。また、加温運転を行うときは、水温設定機能、送水ポンプ、高温熱源４Ｈによる加温動作及び異常アラーム以外は作動不能とし、図４(B) に示すように、バルブの操作により高温熱源４ＨからがＭＨ装置１０Ａへの熱湯回路を遮断し、高温熱源４Ｈの熱湯がＭＨ装置１０Ａに流入することを防止する。これにより、加温運転に起因する高温側タンク１内の水素吸蔵合金Ｍ１からの水素の放出によるタンク内圧力の上昇を防止することができる。また、加温運転を行うときは、図４(B) に示すように、バルブの操作により、第１熱交換器６への地下水回路と、第１熱交換器６とＭＨ装置１０Ａとの間のブライン回路と、ＭＨ装置１０Ａと冷却用熱交コイル１６との間のブライン回路とを、それぞれ遮断する。
【００３２】
なお、加温運転時において、貯水タンク２０内の水温が指定水温となったとき、又は許容温度帯を超えて水温が上昇若しくは降下した場合、一時的に高温熱源４Ｈの熱湯による加温の運転を停止させる。これにより、過剰な加温を防止するとともにエネルギーの過剰投入も防止できる。
【００３３】
このように、ＭＨ冷温水製造制御システムの運用時に、貯水タンク２０内の水温の調節が可能になり、各種産業のシステムに合わせた設計をしなくてもよく、ＭＨ冷水製造システムの汎用性が向上する。さらに。温度条件の設定が自由になるので、各種事業に向けた汎用性が向上する。
【００３４】
以上のように、貯水タンク２０内に、冷却用熱交換コイル１４と、加温用熱交換コイル１６と、水を攪拌する攪拌器１５とを設けているので、ブラインと貯水タンク２０内の水との間の熱交換の効率が高くなり、また、熱湯と貯水タンク２０内の水との間の熱交換の効率が高くなり、熱交換のロスを低減することができる。なお、ブラインを送り込む配管をＭＨ冷凍装置１０本体から貯水タンク２０に直接付設すればよいので、システム配管等を簡略化できる。さらに、従来のような第２熱交換器や送水ポンプを必要としないので、コストを低減できる。さらに、ブラインと水、熱湯と水との間の熱交換の効率が高いので、前記のように貯水タンク２０内の水の温度変化の応答性が良くなり前記のように、冷水または温水の温度管理を行うことができる。
【００３５】
なお、実施形態では、貯水タンク内に設けた冷却用熱交換器及び加温用熱交換器がコイル状の場合を例にして説明したが、この貯水タンク内に設ける冷却用熱交換器及び加温用熱交換器としては、例えばフィンが付属する配管など、他の構造のものでもよい。
【００３６】
また、貯水タンク２０内の水を攪拌する攪拌器として、フィンを回転させる構造を例に説明したが、貯水タンク２０内に設けた水中ポンプで水を攪拌するようにしてもよいし、貯水タンク２０の外部に設けたポンプと配管により貯水タンク２０内の水を循環させて攪拌するようにしてもよい。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１      高温側タンク
Ｍ１    水素吸蔵合金
２      低温側タンク
Ｍ２    水素吸蔵合金
３      パイプ
４Ｈ    高温熱源
４Ｃ    低温熱源
５ａ    三方弁
５ｂ    三方弁
５ｃ    三方弁
６      第１熱交換器
７      冷水配管
８      ブライン配管
９      ブライン循環用ポンプ
１０    ＭＨ冷凍装置
１０Ａ  ＭＨ装置
１１    第２熱交換器
２０    貯水タンク
１２    送水回路
１３    送水ポンプ
１４    冷却用熱交換コイル（冷却用熱交換器）
１４ａ  冷却用接続管
１５    攪拌器
１５ａ  駆動軸
１５ｂ  フィン
１６    加温用熱交換コイル（加温用熱交換器）
１６ａ  加温用接続管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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