(57)【要約】【課題】ガスで直接加熱する水素吸放出装置において、一部の水素吸蔵合金での水素放出の遅延を防止して装置の効率化を図る。【解決手段】ガス導入部４とガス排出部５を有し、ガスが移動するガス移動空間１ａと、ガス移動空間１ａに配置された水素吸蔵合金容器２と、該水素吸蔵合金容器と連通する水素移動部２ｂ、２ｃを備え、ガス移動空間１ａに、ガス導入部４に一端が連結され、他端側がガス移動空間に沿って伸張する内部ガスダクト１０を配置する。内部ダクト１０の側壁には、ガス吹き出し口１１を形成する。【効果】内部ダクトを通してガス移動空間に均等な熱量を有するガスを分散させることができ、水素吸蔵合金容器、すなわち水素吸蔵合金を均等に加熱して水素の放出動作をバラツキなく行って水素吸放出装置としての効率を向上できる。【選択図】　　　　図１
2004132604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス導入部とガス排出部とを有し、前記ガス導入部から導入された熱媒用のガスを移動させて前記ガス排出部からガスを排出するガス移動空間と、該ガス移動空間に配置された熱交換部とを備え、前記ガス移動空間には、前記ガス導入部に一端が連結され、他端側がガス移動空間に沿って伸張する内部ダクトが配置されているとともに、該内部ダクトの側壁には、該ダクトの外部に開口するガス吹き出し口が形成されていることを特徴とするガス加熱式熱交換器。
【請求項２】
前記内部ダクトは、ガス導入部に導入されるガスの一部または全部が流入するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のガス加熱式熱交換器。
【請求項３】
ガス導入部とガス排出部とを有し、前記ガス導入部から導入された高温ガスを移動させて前記排出部から排出するガス移動空間と、該ガス移動空間に配置された水素吸蔵合金容器と、該水素吸蔵合金容器と連通する水素移動部とを備え、前記ガス移動空間には、前記ガス導入部に一端が連結され、他端側がガス移動空間に沿って伸張する内部ガスダクトが配置されているとともに、該内部ダクトの側壁には、該ダクトの外部に開口するガス吹き出し口が形成されていることを特徴とするガス加熱式水素吸放出装置。
【請求項４】
前記水素吸蔵合金容器を冷却する冷却媒を前記ガス移動空間に導入する冷却媒導入部と、該移動空間から冷却媒を排出する冷却媒排出部とを有しており、前記ガス移動空間に高温ガスと冷却媒とをそれぞれの導入部を通して交互に供給する熱媒切換供給手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載のガス加熱式水素吸放出装置。
【請求項５】
前記冷却媒導入部は散水部であり、冷却媒排出部は排水部であることを特徴とする請求項４記載のガス加熱式水素吸放出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスの直接加熱によって熱交換を行うガス加熱式熱交換器に関するものであり、好適には水素吸蔵合金を収容し、マイクロガスタービン等の排ガス等により水素の吸放出を可能とした水素吸放出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロガスタービン発電装置などで発生する排ガスのエネルギを熱交換によって回収し有効に利用する方法が研究されている。その一つとして、高温の排ガスを直接加熱の駆動源として、冷媒との組合せで水素吸蔵合金で水素を吸放出させることによって、水素の貯蔵や水素精製、冷房、冷凍、熱移動等を可能にした装置が本願出願人によって開発されている。
【０００３】
従来の排ガス直接加熱方式の水素吸放出装置の構成例を図５に示す。図５において１は装置本体、２は内部に水素吸蔵合金を充填した管の管束であり、熱交換部として機能する。管束２では管２ａ…２ａが互いに隙間を有するように多数並設され、隙間を管の長手方向と交差する方向に沿って排ガスが通過するよう装置本体１内に固定されている。３は熱交換部を加熱するためのマイクロガスタービン等の加熱源である。装置本体１と加熱源３は、入口ダクト４により連結されており、この中を加熱源より発生した熱媒が通過し装置本体１内へと導かれる。５は熱交換部と熱交換した熱媒が排出される出口ダクトである。
【０００４】
上記装置の加熱の工程について図６に基づいて説明する。加熱源３より発生した高温の排ガスは、入口ダクト４を通って水素吸放出装置本体１内に導入される。装置本体１内に導入された高温排ガスは、管２ａの長手方向と交差する方向に沿って管束２間を通過し、出口ダクト５に向かう。その際に、入口ダクト４側の管２ａから順次、熱交換を行い管２ａが加熱される。加熱された管２ａを通じて水素吸蔵合金は加熱され、該合金内の水素を放出する。その後、管２ａと熱交換を行った排ガスは出口ダクト５を通じて水素吸放出装置本体１外へと放出される。
【０００５】
この水素吸放出装置の使用例としては、収容した水素吸蔵合金を高温側水素吸蔵合金とし、低温側水素吸蔵合金を収容した水素吸放出装置を別に用意する。そして高温側水素吸蔵合金を加熱することによって放出される水素を低温側の水素吸蔵合金に吸蔵される。その後、高温側の水素吸蔵合金を、装置本体１内に冷却水を導入するなどして冷却して水素吸引力を生じさせると低温側水素吸蔵合金から水素が放出され高温側水素吸蔵合金に吸蔵される。その際に低温側水素吸蔵合金では冷熱が発生するので、これを冷房用の熱源として利用することができる。この方法では排ガスを利用して冷房出力を得ることができるのでエネルギ利用の効率化を図ることができる。したがって、マイクロガスタービン等の廃熱を利用して上記装置で空調等を行うことができれば、全体としてのエネルギ効率は飛躍的に向上することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の水素吸放出装置では、高温の排ガスが装置本体の管束を管長手方向と交差する方向に通過しつつ熱交換を行う際に、入口ダクト側の熱交換部では、ガスが高い熱量を保持しているため良好な熱交換が行われるものの、相対的に出口ダクト側の熱交換部では、ガスが保持する熱量が徐々に低下して熱交換効率が大幅に低下し、加熱効果が小さくなる。そのため、水素吸放出装置の位置により熱交換部、すなわち合金容器と水素吸蔵合金の加熱状態が不均一になり、出口ダクト側の水素吸蔵合金の水素の放出が大きく遅延する。水素吸放出装置では、装置全体の水素吸蔵合金から水素が放出されることによって機能を発揮するものであることから、加熱が均一に行われていない場合、出口ダクト側の合金容器が十分加熱されるまで長い時間が必要とされる。一方、その間、入口ダクト側の水素吸蔵合金は十分に加熱された結果、水素吸蔵合金から水素が放出された後も加熱され続けることとなり、装置全体として見た場合、効率が低下するという欠点がある。
【０００７】
本発明は、上記のような従来装置の課題を解決されるためになされたもので、高温ガスを用いる際に、内部での均等な熱交換を可能にして、装置の効率を向上させることができるガス加熱式熱交換器およびガス加熱式水素吸放出装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明のガス加熱式熱交換器のうち請求項１記載の発明は、ガス導入部とガス排出部とを有し、前記ガス導入部から導入された熱媒用のガスを移動させて前記ガス排出部からガスを排出するガス移動空間と、該ガス移動空間に配置された熱交換部とを備え、前記ガス移動空間には、前記ガス導入部に一端が連結され、他端側がガス移動空間に沿って伸張する内部ダクトが配置されているとともに、該内部ダクトの側壁には、該ダクトの外部に開口するガス吹き出し口が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載のガス加熱式熱交換器は、請求項１記載の発明において、前記内部ダクトは、ガス導入部に導入されるガスの一部または全部が流入するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載のガス加熱式水素吸放出装置は、ガス導入部とガス排出部とを有し、前記ガス導入部から導入された高温ガスを移動させて前記排出部から排出するガス移動空間と、該ガス移動空間に配置された水素吸蔵合金容器と、該水素吸蔵合金容器と連通する水素移動部とを備え、前記ガス移動空間には、前記ガス導入部に一端が連結され、他端側がガス移動空間に沿って伸張する内部ガスダクトが配置されているとともに、該内部ダクトの側壁には、該ダクトの外部に開口するガス吹き出し口が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載のガス加熱式水素吸放出装置は、請求項３記載の発明において、前記水素吸蔵合金容器を冷却する冷却媒を前記ガス移動空間に導入する冷却媒導入部と、該移動空間から冷却媒を排出する冷却媒排出部とを有しており、前記ガス移動空間に高温ガスと冷却媒とをそれぞれの導入部を通して交互に供給する熱媒切換供給手段を備えていることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載のガス加熱式水素吸放出装置は、請求項４記載の発明において、前記冷却媒導入部は散水部であり、冷却媒排出部は排水部であることを特徴とする。
【００１３】
すなわち、本発明の熱交換器または水素吸放出容器によれば、内部ダクトを設けることで、ガス導入部から内部に導入されたガスが内部ダクト内を移動し、保持する熱量の減少を伴うことなしに、ガス移動空間内を導くことができる。したがって、熱交換器内部または水素吸放出装置内部の位置にかかわらず、均等な熱量を保持したままでガス吹き出し口からガスが吹き出され、ガス移動空間内で分散して、熱交換部および水素吸蔵合金容器を均等に加熱することができる。水素吸放出装置では、容器内の水素吸蔵合金を均一に加熱することができ、一部の水素吸蔵合金の水素放出の遅延をなくし、装置の効率低下を解消することが可能となる。
【００１４】
なお、本発明の熱交換器は、請求項３〜５に記載するように、好適には水素吸放出装置に利用することができる。ただし、本発明の熱交換器としては、利用対象が水素吸放出装置に限定されないことは当然である。
また、本発明で導入される熱媒用のガスは、その発生源や温度も特定のものに限定されるものではなく、必要とされる熱交換温度に従ってガスの発生源、温度を選定すればよい。その一つとしてはマイクロガスタービンの燃焼排ガスを挙げることができる。該熱交換器では、水素吸放出装置のように、ガスに加えて別の他の熱媒を導入するものであってもよい。
【００１５】
本発明では、ガス導入部とガス排出部とをそれぞれ備え、これらガス導入部とガス排出部間でガスを移動させて熱交換を行う。ガス導入部とガス排出部とは、それぞれガス移動空間を挟んで両端部に位置するものであってもよく、また、同一端部側に位置するものであってもよく、互いの位置関係が特定されるものではない。この場合、ガス移動空間はガスが導入部から排出部に向けて還流するように形成されるものであればよい。したがって、内部ダクトも直線状に伸張するものに限定されるものではなく、要は、導入部からガス移動空間に沿って直線状、曲線状、環状等に伸張するものであればよい。したがって、内部ダクトは、ガスの主となる流れ方向に沿って配置されることになり、多くの場合はガス排出部に向けて伸張するように構成される。ただし、本発明としてはこれに限定されるものではない。
【００１６】
また、内部ダクトはガス移動空間にただ一つ配置するものでもよく、また、複数を配置するものであってもよい。上記内部ダクトの側壁には、該ダクトの外部のガス移動空間に開口するガス吹き出し口が設けられている。このガス吹き出し口は、通常は、少なくともダクトの伸張方向に間隔を置いて複数が設けられる。また、伸張方向と交差する方向においても、間隔をおいて複数のガス吹き出し口を設けることができる。これらの間隔は、例えば等間隔とすることができる。また、内部ダクトを複数配置する場合には、上記吹き出し口を設ける位置を内部ダクトによって異なるようにして、ガス移動空間への、より均等なガス拡散を図ることができる。
【００１７】
内部ダクトは、一端側をガス導入部に連結することによって、ガス導入部から導入されるガスの一部が流入するようにしてもよく、またガスの全部が流入するようにしてもよい。また、内部ダクトの他端側は、ガス移動空間内で閉じておいてもよく、また、開口しておいてもよい。さらには、内部ダクトの一端側に連結するなどしてもよい。要は、内部ダクトに流入したガスがガス移動空間に均等に拡散するように構成されていればよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の水素吸放出装置の一実施形態を図１〜３に基づいて説明する。
なお、従来装置と同様の構成については、同一の符号を付している。
容器形状の水素吸放出装置本体１は、内部がガス移動空間１ａとなっており、さらにガス導入部としての入口ダクト４と、ガス排出部としての出口ダクト５とが上下端にそれぞれ設けられており、入口ダクト４には、外部の加熱源３に接続されている。加熱源３からは、先に説明したように、マイクロガスタービン等から発生する廃熱ガスが高温ガスとして供給される。出口ダクト５は図示しない適宜の排ガス処理部等に接続したり、大気開放したりする。
【００１９】
水素吸放出装置本体１内には、内部に水素吸蔵合金（図示しない）を充填した管２ａが、熱交換部として束になって横方向に沿って配置されている。これらの管２ａは、互いに隙間を有して管束２を構成しており、管束２に供給される高温ガスは、管２ａ間の隙間を通って主流として上方から下方へと流れる。
管束２は、一端がヘッダ２ｂに接続されており、ヘッダ２ｂはさらに水素移動管２ｃを通して外部に接続されている。上記ヘッダ２ｂと水素移動管２ｃとによって水素移動部が構成されている。
【００２０】
また、上記水素吸放出装置本体１内には、薄型容器形状の内部ダクト１０が、管２ａの長手方向および上下方向に沿って配置されており、内部ダクト１０の上端開口部は、入口ダクト４に接続されて、入口ダクト４に導入されるガスの全量が内部ダクト１０の内部ガス移動空間１０ａに流入するように構成されている。なお、内部ダクト１０の下端側は最下端の管２ａの下方側に位置しており、内部ダクト１０の下端部は封止されている。また、内部ダクト１０の管長手方向に沿った両側壁には、上下方向および管長手方向に沿った所定の間隔で、長穴形状のガス吹き出し口１１が複数形成されている。ガス吹き出し口１１の形状、位置および数量は、ガス移動空間１ａに高温ガスを均等に分散できるように適宜調節することができる。上記により本発明のガス加熱式の水素吸放出装置が構成されている。
【００２１】
次に、上記水素吸放出装置の動作について説明する。
加熱源３より発生した高温ガスは、入口ダクト４に移送され、該入口ダクト４を通って内部ダクト１０の内部ガス移動空間１０ａに移動する。これにより、入口ダクト４に導入された高温ガスがそのまま管２ａに接触して熱量が低下するのを回避している。内部ガス移動空間１０ａに流入したガスは、熱量を保持したままで管長手方向及び管長手方向と交差する方向に均等に分散し、内部ダクト１０に設けられたガス吹き出し口１１を通して同等の熱量を有するガスが装置本体１内のガス移動空間１ａに放出される。その結果、装置本体１の内部にて管長手方向及び管長手方向と交差する方向に均一に放出された高温ガスは、管２ａ同士の隙間を通って管２ａと接触し、管２ａ…２ａと熱交換を行うことで管束２を均等に加熱し、加熱された管束２を通じて水素吸蔵合金を加熱する。加熱された水素吸蔵合金は、吸蔵している水素を放出する。放出された水素は、管２ａ…２ａから、ヘッダ２ｂ、水素移動管２ｃを通して外部へと移動し適宜利用される。管束２との熱交換を行ったガスは、ガス移動空間１ａ内で上方から下方へと移動するガス主流に従って出口ダクト５へと移動し、該出口ダクト５を通して装置本体１外へと排出される。
【００２２】
上記水素吸放出装置では、管束２が均等に加熱され、その結果、一部の水素吸蔵合金での水素放出の遅延が防止され、バラツキなく水素吸蔵合金からの水素放出がなされる。これにより装置の効率が大幅に向上する。
【００２３】
なお、上記実施形態では、水素吸放出装置として、加熱により水素を放出する行程について説明したが、装置本体内への冷却水等の導入によって水素吸蔵合金を冷却し、水素吸蔵合金に水素吸引力を発生させて外部から水素を吸収する行程を含むものであってもよい。なお、冷却水等は、上記内部ダクトを通して装置本体内に供給してもよく、また、他の方法、例えば散水装置等を通して供給するものであってもよい。
図４は、冷却媒導入部としての散水部２０を備えたものであり、２１は冷却媒排出部である排水部、２２は、入口ダクト４に設けたダンパ、２３は、散水装置２０に接続された給水管２１に設けたバルブであり、上記ダンパ２２とバルブ２３とにより熱媒切換供給手段が構成されている。水素吸蔵合金を加熱する行程では、上記ダンパ２２を開け、バルブ２３を閉じて入口ダクト４に高温ガスを導入する。これにより上記実施形態で説明した加熱行程により、水素吸蔵合金が加熱され、水素が放出される。一方、水素吸蔵合金を冷却する行程では、ダンパ２２を閉じ、バルブ２３を開けて散水部２０に給水する。冷却水は散水部２０から散水され、管束２、すなわち水素吸蔵合金を冷却し、排水部２１から排水される。冷却された水素吸蔵合金では吸引力が生じ、水素を吸蔵している外部の水素吸蔵合金等から水素を吸引し、水素移動管２ｃ、ヘッダ２ｂを通して水素を吸収する。この行程を交互に繰り返すことで水素の吸放出を行うことができる。
【００２４】
なお、上記各実施形態では、水素吸放出装置について説明したが、本発明の熱交換器としては、この用途に限定されないことは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガス加熱式熱交換器によれば、ガス導入部とガス排出部とを有し、前記ガス導入部から導入された熱媒用のガスを移動させて前記ガス排出部からガスを排出するガス移動空間と、該ガス移動空間に配置された熱交換部とを備え、前記ガス移動空間には、前記ガス導入部に一端が連結され、他端側がガス移動空間に沿って伸張する内部ダクトが配置されているとともに、該内部ダクトの側壁には、該ダクトの外部に開口するガス吹き出し口が形成されているので、内部ダクトを通して装置本体内のガス移動空間に均等な熱量を有するガスを分散させることができ、熱交換部を均等に加熱することができる。
【００２６】
また、上記熱交換器を水素吸放出装置として用いれば、熱交換部である水素吸蔵合金容器、すなわち水素吸蔵合金を均等に加熱して水素の放出動作をバラツキなく行って水素吸放出装置としての効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水素吸放出装置の一実施形態を示す一部断面正面図および側面図である。
【図２】同じく内部ダクトの拡大斜視図である。
【図３】同じく加熱行程を示す一部断面正面図および側面図である。
【図４】同じく散水装置を備える水素吸放出装置を示す一部断面正面図および側面図である。
【図５】従来の水素吸放出装置を示す一部断面正面図および側面図である。
【図６】同じく加熱行程を示す一部断面正面図および側面図である。
【符号の説明】
１　　水素吸放出装置本体
１ａ　ガス移動空間
２　　管束
２ａ　管
２ｂ　ヘッダ
２ｃ　水素移動管
３　　加熱源
４　　入口ダクト
５　　出口ダクト
１０　　内部ダクト
１０ａ　内部ガス移動空間
１１　　ガス吹き出し口
２０　　散水部
２０ａ　給水管
２１　　排水部
２２　　ダンパ
２３　　バルブ
【図１】
2004132604.tif 000003
【図２】
2004132604.tif 000004
【図３】
2004132604.tif 000005
【図４】
2004132604.tif 000006
【図５】
2004132604.tif 000007
【図６】
2004132604.tif 000008