(57)【要約】【課題】  エネルギー源の乏しい宇宙空間で、燃料や電力を必要としない熱発生システム及び駆動システムを提供することを課題とする。【解決手段】  100℃以上の温度が15日間、-100℃以下の温度が15日間交互に繰り返し続く環境において、一定温度を保持することができ、かつ、電気エネルギーとして100Wを15日間持続して出力することができることを特徴とする、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプを解決手段とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
100℃以上の温度が15日間、-100℃以下の温度が15日間交互に繰り返し続く環境において、一定温度を保持することができ、かつ、電気エネルギーとして100Wを15日間持続して出力することができることを特徴とする、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプ。
【請求項２】
水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる際に発生する反応熱を熱源として利用することができ、水素吸蔵合金から水素を乖離させる際に発生する平衡圧力を駆動機構により30kg/cm2以上の駆動力として利用できることを特徴とする、請求項１記載の水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプ。
【請求項３】
総重量が800kgMH以下の軽量であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプ。
【請求項４】
水素を導入するための水素ガスボンベが接続されている水素導入部分、水素吸蔵合金、圧力変換器、ベローズアクチュエータ部分、及びリニアポテンシオメータを含んでなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプ。
【請求項５】
水素吸蔵合金がTi-V-Cr系合金である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプを含む機器の移動方法であって、前記ヒートポンプのベローズアクチュエータ部分に水素ガスボンベから急激に水素ガスを注入し、水素圧力により生じるキック力で機器全体を跳躍せしめることを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプに関するものであり、より詳しくは、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
月面探査等の宇宙関連技術分野においては、例えば、月面上での熱・エネルギーをコントロールするサバイバル技術の検討や月面上でのミッションを行う際の課題について種々の検討がなされている。
【０００３】
特に、月では公転周期の関係で、地表に太陽光線の当たる「昼」と太陽光線の当たらない「夜」が、地球の日数で15日周期で交互に訪れることから、月夜間のエネルギーの確保、月昼間の環境温度差に対応する熱制御、レゴリスによるコンタミネーションの影響対策などが、開発課題として挙げられている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
より具体的には、エネルギー確保のためには、充放電が可能な二次電池の利用が考えられるが、二次電池は一次電池に比すると単位重量当たりの供給電力量が小さいという欠点がある。また、月は大気層がほとんど存在していない真空環境であるため、月表面での昼間での温度は約130℃まで上昇し、夜間は約-170℃まで冷却されることが判明している。約300℃の環境温度差が繰り返される中で、特に月夜間の周囲温度の低下に対して、機器の温度を適正範囲内に制御可能とする技術の確保が重要であり、低温側の条件が厳しいことから昼間の効率的な放熱と夜間の断熱及び保温（加熱）を両立させることが要求されている。
【非特許文献１】疋田澄夫、外４名，第１８回宇宙エネルギーシンポジウム，文部科学省宇宙科学研究所，１９９８年，ｐ．３０−３２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明は、エネルギー源の乏しい宇宙空間で、燃料や電力を必要としない熱発生システム及び駆動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】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、エネルギー源の乏しい宇宙空間で、水素吸蔵合金（以下、MHともいう）の特性を活かした燃料や電力を必要としないヒートポンプを着想し、本発明を完成させた。
【０００７】
すなわち、本発明は、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプであって、100℃以上の温度が15日間、-100℃以下の温度が15日間交互に繰り返し続く環境において、一定温度を保持することができ、かつ、電気エネルギーとして100Wを15日間持続して出力することができることを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明は、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプであって、水素吸蔵合金に水素を吸蔵させる際に発生する反応熱を熱源として利用することができ、水素吸蔵合金から水素を乖離させる際に発生する平衡圧力を駆動機構により30kg/cm2以上の駆動力として利用できることを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明は、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプであって、総重量が800kgMH以下の軽量であることを特徴とするものである。
また、本発明は、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプであって、水素を導入するための水素ガスボンベが接続されている水素導入部分、水素吸蔵合金、圧力変換器、ベローズアクチュエータ部分、及びリニアポテンシオメータを含んでなることを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明は、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプであって、水素吸蔵合金がTi-V-Cr系合金であることを特徴とするものである。
更に、本発明は、水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプを含む機器の移動方法であって、前記ヒートポンプのベローズアクチュエータ部分に水素ガスボンベから急激に水素ガスを注入し、水素圧力により生じるキック力で機器全体を跳躍せしめることを含むことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明のヒートポンプは、駆動システム及び熱発生システムから構成されており、例えば、月面基地での使用を想定すると、太陽光によるエネルギーが得られる昼間は、水素吸蔵合金からの水素放出によって月面探査機自体の観測点までの移動のための動力等として、さらに夜間は水素吸蔵合金による発熱反応を利用した熱源として利用することができる。
【００１２】
従来、水素吸蔵合金を利用してヒートポンプ機構と駆動機構とを併存させた例はなく、とりわけ、水素吸蔵合金を利用したヒートポンプ機構と駆動機構とを併せもつヒートポンプが宇宙空間などに応用された例は皆無である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のヒートポンプは、一般産業において、燃焼炉及び自動車のエンジンなどの高温排ガスから回収される熱、原子力工業分野において高温冷却水から回収される熱、並びに、宇宙航空分野において、宇宙空間における昼夜間の温度差を利用した熱源並びに駆動力発生機器として利用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のヒートポンプの月面での利用概念図を図１に示す。
月面での昼間と夜間との寒暖差を活用して、昼は熱駆動アクチュエータとして利用し、夜間は熱源、動力源として利用する。具体的には、昼間は太陽光のフラッシングによりMHに蓄えられている水素を放出させ、その際に得られた高圧水素を月面探査機の移動や建設機械等の駆動用として利用する。夜間は、昼間に放出された高圧水素を、温度の低下したMHへ回収する。水素吸蔵時に発生する水素化反応熱を夜間の熱源や電力源として利用する。本発明のヒートポンプは燃料、動力を必要としないため、地球からの燃料等の物質補給を大幅に削減することができる。
【００１５】
本発明のヒートポンプの一態様を図２に示す。図２において、本発明のヒートポンプは、水素を導入するための水素ガスボンベが接続されている水素導入部分、水素吸蔵合金、圧力変換器、ベローズアクチュエータ部分、リニアポテンシオメータから構成されている。
【００１６】
水素導入部分は、高圧水素ガスが充填された水素ガスボンベを含み、バルブを介して、それぞれ、水素吸蔵合金とベローズアクチュエータ部分に連絡するよう接続されている。
本発明において、水素吸蔵合金は既知の合金組成を使用することができ、所望のヒートポンプ性能に基づき水素吸蔵量や水素化反応熱に依存して決定することができる。
【００１７】
月面で使用する場合、月面での合金製造を考慮して、月面鉱物中の含有元素であるチタン（Ti）を多く含む組成系であることが望ましい。また、アクチュエータによる仕事をより多くこなすために有効水素吸蔵・放出量が多いこと、熱源、動力源として使用するため水素化反応熱が大きいこと、重量を抑えるため比重が小さいこと等を考慮すると、Mg-Ni系軽量水素吸蔵合金より、合金固溶体型水素吸蔵合金であるTi-V-Cr系合金を使用するのが好ましい。
【００１８】
水素吸蔵合金は、適する圧力容器に収納され、その容器はバルブを介して、それぞれ、水素導入部分及びベローズアクチュエータ部分に連絡するよう接続されている。
本発明のヒートポンプは次のように使用することができる。
【００１９】
すなわち、はじめに高圧水素ガスを水素導入部分から水素吸蔵合金が収納された圧力容器へと導入する。このとき、水素吸蔵合金が水素ガスを吸蔵し、その際発生する反応熱を利用することができる。水素ガスの流量を調整することにより、長時間一定の熱出力を得ることができる。この工程は、例えば、月面環境において温度が低い夜間に行うことができる。
【００２０】
また、本発明の別の態様においては、効率を向上させるために、水素ガスボンベに追加の水素吸蔵合金を収納してもよい。拡散や漏洩による系内水素ガスの損失に備えるためには、水素ボンベの容積を必要量より大きくしたり、圧力を高くしたりすることが考えられるが、装置系の重量を考慮すると負担となる場合がある。したがって、例えば、本発明のヒートポンプを月面環境で使用するため月面への打ち上げの際の重量負担を考慮すると、この態様を採用して、水素ガスボンベ中の水素吸蔵合金により、ボンベに収納された水素の一部を吸蔵させておくことが好ましい。水素ガスボンベに収納する追加の水素吸蔵合金は、もとの合金と同じであっても異なっていてもよい。合金の組成が異なる場合、温度差に伴う水素平衡圧力の差による容器間の水素移動が可能となり、圧縮ポンプの負担を軽減することができる。したがって、作業温度や平衡圧力に差がある合金を使用することが好ましい。
【００２１】
上記工程に続いて、水素ガスを吸蔵させた水素吸蔵合金に熱を付与する。このとき、熱により水素が水素吸蔵合金から乖離し、その際発生する平衡圧力をアクチュエータに導くことにより、アクチュエータから駆動力を発生させることができる。この工程は、例えば、月面環境において温度が高い昼間に行うことができる。得られた駆動力は月面機器の移動や機材の作動動力源に利用することができる。
【００２２】
本発明のヒートポンプを含む機器は、ベローズアクチュエータ部分に水素ガスボンベから急激に水素ガスを注入し、水素圧力により生じるキック力で機器全体を跳躍せしめることにより、移動させることができる。このような機器の移動方法は、例えば、重力の小さい月面等の惑星環境において有効である。
【００２３】
以上のように、本発明の水素吸蔵合金を利用したヒートポンプは、水素の吸蔵による放熱作用及び水素の乖離による吸熱作用をもたらすヒートポンプ機構と、水素の乖離による平衡圧力をアクチュエータにより駆動力に変換する駆動機構とを併せもつものである。
【実施例】
【００２４】
図２に示す構成のヒートポンプを製造し、能力試験を行った。各部材の仕様を表１に示す。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
（ヒートポンプの構成）
本実施例で使用したヒートポンプ系において、ベローズの変位はリニアポテンシオメータで計測することができ、変位を電圧に変換してレコーダーを介してパソコンによりとみとることができる。また、ベローズ変位と同様に系内の水素圧力、室温、MH温度、MH容器表面温度をレコーダーを介してパソコンで読みとることができる。ベローズの作動条件は、水素圧力0.5MPaで最大変位30mmである。
【００２７】
本実施例においては、水素吸蔵合金としてTi-V-Cr系合金を使用した。この合金の諸特性を表２に示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
合金は高周波誘導溶解炉で溶解後、組織の均質化を目的として高温高真空炉で1350℃にて8時間熱処理を行った。得られた合金を2mmまで粉砕して、25℃と40℃の温度によるPCT測定（水素平衡圧−水素吸蔵量−温度の関係）を行った。水素平衡圧−水素吸蔵量−温度の関係を図３に示す。この合金は、比較的低温で高圧の平衡圧力を発生することが可能でである。図３のPCT特性図より、各温度の平衡水素圧を読みとり、P-T特性図をアレニウス・プロットによりプロットし（図４）、このP-T線の傾きから水素化物の生成熱量を求めた。
（ベローズ作動試験）
水素圧力を段階的に導入してベローズの作動試験を行った。また、30kgの重錘による負荷をかけての作動試験を行い、無負荷の場合の変位量との差を確認した。30kg負荷時のベローズ変位と水素圧力の経時変化とベローズ変化と水素圧力との関係を図５に示す。
【００３０】
図５ａより、30kg負荷の場合のベローズ変位と水素圧力の関係に良好な対応関係が観察された。また、図５ｂから、昇圧時と降圧時のベローズ変化量には、残留変位によるヒステリシスが多少存在することが確認された。無負荷の場合も同様の結果であった。
【００３１】
これらの全変位量の結果を表３に示す。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
全変位量は無負荷の場合が0〜0.475MPaの範囲で31.8mm、負荷の場合で0〜0.470MPaの範囲で32.1mmと、設計通りの変位量が得られた。
（アクチュエータ作動試験）
MH容器に粒径2mmに粉砕した水素吸蔵合金を、水素放出時に系内圧力が約0.5MPaになる合金重量150gを充填し、実際の月面環境温度である130℃及び-170℃でアクチュエータ作動試験を行った。30kg負荷時のベローズ変位と水素圧力の経時変化を図６ａに、ベローズ変位と各部温度の経時変化を図６ｂに、ベローズ変位と水素圧力との関係を図６ｃにそれぞれ示す。いずれの温度サイクルにおいても、ベローズアクチュエータの作動変位は、緩慢な加熱過程におけるMH温度上昇変化に伴って増加し、逆に冷却過程における急激なMH温度低下とともに減少した（図６ｂ）。この傾向は、どのサイクルにおいても同様の結果が得られた。また、その際のベローズアクチュエータ変位変化が、この温度スイングに対応した部ローズ内水素圧力変化に対応するものであり（図６ａ）、また昇圧時と降圧時のベローズ変位量には、ベローズ作動試験と同様に残留変位による温度サイクルにおける比較的小さいヒステリシスが存在することが分かった（図６ｃ）。これらの特性については、無負荷の場合でもほぼ同様の結果が得られた。
【００３４】
また、表４にこの温度スイングサイクル時の無負荷及び負荷時のベローズ変位と水素圧力を示す。全変位量は、無負荷及び負荷の場合ともに水素圧力0.07〜0.47MPa程度の範囲で約25mmの変位量が得られた。
【００３５】
【表４】
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【００３６】
図７に負荷時のベローズアクチュエータの変位に関与したMHの放出水素量を示す。ベローズが最高変位量約25mmを示したときの系内の全水素量は約410Nccで、そのうちMHが放出した水素量は約365Nccであり、ベローズ作動に要した全水素量の約９割はMHの放出水素が関与していることがわかった。
（アクチュエータ作動能力）
荷重30kgの負荷試験の結果から、本発明のヒートポンプによれば、少なくとも30kg/cm2の動力の発生させることができる。
（熱源、電力源、ならびに総重量）
MHの発生する熱量はアレニウス・プロットにより水素化反応熱を導入して推定した。MHの水素化反応熱40.1kJ/mol・H2より、熱エネルギーとして100W×15日間と、電気エネルギーとして100W×15日間のMHの必要量を求めた。結果を表５に示す。
【００３７】
【表５】
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【００３８】
電気エネルギーとして熱電変換素子の使用を想定した場合は、熱電変換効率が37.5%で重量800kgとなり、効率10%では重量は3,000kgも必要であった。一方、熱エネルギーとして取り出す場合は、熱利用効率を75%とすると、合金重量は400kgであった。
【００３９】
以上の実施例によれば、本発明の水素吸蔵合金を利用したアクチュエータ駆動機構を有するヒートポンプは、少なくとも30kg/cm2以上の動力源として利用可能であるとともに15日間連続して100W相当の電力使用が可能であり、装置の総重量を400kg以下におさえられることが明らかとなった。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】図１は、本発明のヒートポンプの月面での利用概念図である。
【図２】図２は、本発明のヒートポンプの一態様を示す図である。
【図３】図３は、実施例で使用したTi系水素吸蔵合金の水素平衡圧−水素吸蔵量−温度の関係を示す図である。
【図４】図４は、実施例で使用したTi系水素吸蔵合金の水素平衡圧力と温度の関係を示す図である。
【図５】図５ａは、30kg負荷時のベローズ変位と水素圧力の経時変化との関係を示す図であり、図５ｂは、30kg負荷時のベローズ変化と水素圧力との関係を示す図である。
【図６】図６ａは、30kg負荷時のベローズ変位と水素圧力の経時変化を示す図であり、図６ｂは、ベローズ変位と各部温度の経時変化を示す図であり、図６ｃは、ベローズ変位と水素圧力との関係を示す図である。
【図７】図７は、負荷時のベローズアクチュエータの変位に関与したMHの放出水素量を示す図である。
【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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