(57)【要約】【課題】  水素吸蔵合金粉体等の，特定ガスを反応吸収して発熱を生じる粉体を用いる発熱・吸熱方法において、連続的にかつ効率よく発熱・吸熱を生じさせる方法を提供する。【解決手段】  高圧条件下で特定ガスを反応吸収して発熱を生じ、一方、低圧条件下で該反応吸収したガスを放出して吸熱を生じる粉体を用いる発熱方法において、（ｉ）該粉体と該ガスとを高圧条件に保持して該ガスを該粉体に反応吸収させて発熱を生じさせる発熱工程、（ii）該発熱工程で得られた該ガスを反応吸収した粉体と該ガスからなる高温高圧の流動性材料を熱回収工程へ移動させる移動工程、（iii）該高温高圧の流動性材料から該熱を回収する熱回収工程、（iv）該熱回収後の流動性材料を低温低圧の吸熱工程へ移動させる移動工程、（ｖ）該吸熱工程へ移動した該流動性材料を低温低圧条件に保持して該粉体に反応吸収した該ガスを該粉体から放出させる吸熱工程、（vi）該吸熱工程で得られた該ガスを放出した粉体と該ガスを該発熱工程へ循環させる循環工程、からなることを特徴とする連続発熱・吸熱方法。【選択図】      なし 【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧条件下で特定ガスを反応吸収して発熱を生じ、一方、低圧条件下で該反応吸収したガスを放出して吸熱を生じる粉体を用いる発熱・吸熱方法において、
（ｉ）該粉体と該ガスとを高圧条件に保持して該ガスを該粉体に反応吸収させて発熱を生じさせる発熱工程、
（ii）該発熱工程で得られた該ガスを反応吸収した粉体と該ガスからなる高温高圧の流動性材料を熱回収工程へ移動させる移動工程、
（iii）該高温高圧の流動性材料から該熱を回収する熱回収工程、
（iv）該熱回収後の流動性材料を低温低圧の吸熱工程へ移動させる移動工程、
（ｖ）該吸熱工程へ移動した該流動性材料を低温低圧条件に保持して該粉体に反応吸収した該ガスを該粉体から放出させる吸熱工程、
（vi）該吸熱工程で得られた該ガスを放出した粉体と該ガスを該発熱工程へ循環させる循環工程、
からなることを特徴とする連続発熱・吸熱方法。
【請求項２】
該粉体が水素吸蔵合金からなり、該ガスが水素ガスであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体を用いた連続発熱・吸熱方法、さらに詳しくは、高圧条件下で特定ガスを反応吸収して発熱を生じ、一方、低圧条件下で該反応吸収したガスを放出して吸熱を生じる粉体を用いる連続発熱・吸熱方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素吸蔵合金は、水素を反応吸収する際に、周囲に熱を放出する。一方、水素を反応吸収した合金は、水素を放出する際には周囲から熱を吸収する。この特性を利用した加熱装置や熱交換システム（例えば、ヒートポンプ等）が多数考案されている。しかしながら、活性化した水素吸蔵合金は微粉末状であり、きわめて熱伝導率が悪いものである。従って、粉末状の水素吸蔵合金に水素を吸わせたり、放出させたりすると、局所的な温度上昇、あるいは低下のみがおこり、熱を有効に取り出すことが困難である。これを解決するため、従来の技術では、熱伝導特性のよい薄いフィンを多数水素吸蔵合金の間に入れたり、水素吸蔵合金を多数の細いパイプの中に収納して、熱伝達を良くして、熱の有効利用を図る方法が考案されている。
【０００３】
熱伝導特性の良い薄いフィンを多数水素吸蔵合金の間に入れたり、水素吸蔵合金を多数の細いパイプの中に収納することにより、伝熱特性は改善されるが、フィンやパイプ自体の温度変化による顕熱損失が増大し、熱の有効利用の妨げとなる。特に、同一の場所で、吸蔵合金に水素の吸蔵と放出を行わせる方法では、温度変化にともなう顕熱損失の増大を避けることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、水素吸蔵合金粉体等の，特定ガスを反応吸収して発熱を生じる粉体を用いる発熱・吸熱方法において、連続的にかつ効率よく発熱・吸熱を生じさせる方法を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、以下に示す連続発熱・吸熱方法が提供される。
【０００６】
（１）高圧条件下で特定ガスを反応吸収して発熱を生じ、一方、低圧条件下で該反応吸収したガスを放出して吸熱を生じる粉体を用いる発熱方法において、
（ｉ）該粉体と該ガスとを高圧条件に保持して該ガスを該粉体に反応吸収させて発熱を生じさせる発熱工程、
（ii）該発熱工程で得られた該ガスを反応吸収した粉体と該ガスからなる高温高圧の流動性材料を熱回収工程へ移動させる移動工程、
（iii）該高温高圧の流動性材料から該熱を回収する熱回収工程、
（iv）該熱回収後の流動性材料を低温低圧の吸熱工程へ移動させる移動工程、
（ｖ）該吸熱工程へ移動した該流動性材料を低温低圧条件に保持して該粉体に反応吸収した該ガスを該粉体から放出させる吸熱工程、
（vi）該吸熱工程で得られた該ガスを放出した粉体と該ガスを該発熱工程へ循環させる循環工程、
からなることを特徴とする連続発熱・吸熱方法。
（２）該粉体が水素吸蔵合金からなり、該ガスが水素ガスであることを特徴とする前記（１）に記載の方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、冷熱を利用して高温の熱を連続的にかつ効率よく発生させることができる。
本発明の方法は、加熱方法や熱交換方法として利用させる他、熱を低温側から高温側に移動させるヒートポンプ法等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】
【０００８】
本発明においては、高圧条件下で特定ガスを反応吸収して発熱を生じ、一方、低圧条件下で該反応吸収したガスを放出して吸熱を生じる粉体（以下、単に粉体とも言う）を用いる。このような粉体の代表的なものとしては、水素吸蔵合金をあげることができる。
本発明で用いる粉体において、その平均粒径は１〜１０００μｍ程度、好ましくは１０〜５０μｍ程度である。
【０００９】
本発明の方法は、（ｉ）粉体による発熱工程、（ii）粉体の移動工程、（iii）熱回収工程、（iv）粉体の移動工程、（ｖ）粉体による吸熱工程及び（vi）粉体及びガスの該発熱工程への循環工程を包含する。
以下、各工程について詳述する。
【００１０】
（ｉ）粉体による発熱工程
この工程は高圧条件下で粉体とガスとを接触させて、該ガスを粉体に反応吸収させる工程である。この工程における粉体とガスとの反応は、発熱反応であり、両者の反応により発熱を生じる。
【００１１】
この工程において用いるガス量は、粉体に反応吸収させる理論ガス量よりも過剰のガス量であり、通常、重量比で該理論ガス量の５〜５０倍程度、好ましくは２０〜４０倍程度である。このような過剰ガス量と粉体との混合物は、該粉体に該ガスを反応吸収させた後でも、未反応のガスが存在する。そして、この粉体とガスとの混合物は、流動性（移動性）に富むもので、パイプ輸送の容易なものである。
【００１２】
この工程における圧力条件及び発熱量は、その粉体と使用するガスとの関係により決まる。
例えば、粉体として水素吸蔵合金粉体を用いる場合、水素圧力は１気圧程度以上、１０気圧程度以下である。その発熱量は、通常、吸蔵される水素１モル分量（２ｇ）当り数〜１５キロカロリーである。
【００１３】
この発熱工程で用いる装置は、粉体が気体とともに流動する方式の気固接触装置であればよく、従来公知の各種のものが用いられる。このような装置としては、例えば、ガスと粉体との混合物が流通する流通方式の攪拌容器や、内部に攪拌機を有する又は有しないパイプ等が挙げられる。
【００１４】
この発熱工程においては、該粉体とガスとの反応に際しての発熱により、高められた温度（高温）を有する粉体とガスとの混合物（以下、単に流動性材料とも言う）が得られる。この流動性材料においては、該粉体の円滑な輸送を考慮して該ガスの割合は、該粉体に対する重量比で、５〜５０倍程度、好ましくは２０〜４０倍程度にするのがよい。
【００１５】
（ii）流動性材料の移動工程
この工程は、前記発熱工程で得られたガスを反応吸収した粉体と、未反応ガスとの混合物からなる高温高圧の流動性材料を、熱回収工程へ移動（輸送）させる工程である。この流動性材料の移動には、通常、パイプが使用される。
【００１６】
（iii）熱回収工程
この工程は、流動性材料が保有する熱量を回収する工程である。この場合の熱回収方法としては、該流動性材料と水や油等の熱媒体との間で間接的又は直接的に熱交換させる方法や、該流動性材料が流通する伝熱パイプにより、被加熱物を加熱する方法等が挙げられる。
この熱回収工程により、低められた温度を有する流動性材料が得られる。この場合、その圧力は、発熱工程における圧力よりも１〜２気圧程度低い圧力であり、詳しくは当該粉体の種類と動作温度で決まる、固有の平衡圧力から決定される。
【００１７】
（iv）移動工程
この工程は、前記熱回収工程で得られた温度及び圧力が低められた流動性材料を吸熱工程へ移動させる工程である。流動性材料の移動には、通常、パイプが用いられる。
【００１８】
（ｖ）吸熱工程
この工程は、ガスを反応吸収した粉体とガスとの混合物からなる低温低圧の流動性材料を、低圧低温条件下に保持して、該反応吸収したガスを該粉体から放出させる工程である。この工程は吸熱反応であり、該ガスの放出により、該粉体は吸熱を生じる。
この工程における圧力条件及び吸熱量は、その粉体とガスとの関係により決まる。
例えば、粉体として水素吸蔵合金粉体を用いる場合、その圧力は発熱工程の圧力より０、５〜２気圧程度低い。その吸熱量は、通常、放出される水素１モル分子量（２ｇ）当たり数〜１５キロカロリーである。
【００１９】
この吸熱工程で用いる装置は、該粉体に温度の低い熱を供給する必要があるため、該流動性材料と低温媒体との間を熱交換させる装置であればよい。このような装置としては、例えば、該流動性材料に低温媒体を流通させた伝熱パイプを接触させる構造の装置や、該流動性材料が流通する伝熱パイプに、低温媒体を接触させる構造の装置等が挙げられる。
【００２０】
本発明で好ましく用いられる装置は、内部に低温媒体体（水や油等）を流通させた伝熱コイルを配設した容器である。この容器に対して粉体とガスとの混合物からなる高圧の流動性材料を供給する場合、該流動性材料は、該容器内を低圧条件に保持するために、流量制限器（流量調節器）や減圧バルブを介して供給するのがよい。
【００２１】
この吸熱工程では、低温及び低圧の粉体とガスとの混合物が得られるが、この場合の温度及び圧力は、その粉体とガスの種類によって決まる。例えば、水素吸蔵合金粉体の場合
においても、合金の元素配合とその割合などの特性により大きく異り、目的に合わせた種々の温度と圧力が選択できる。
【００２２】
（vi）循環工程
この工程は、前記吸熱工程で得られた低温低圧の粉体とガスを、前記発熱工程へ循環させる工程である。この場合、粉体とガスとは、混合状態で循環しえる他、粉体をガスから分離し、別々に循環することができ、さらに、低められた濃度の粉体を含むガスと高められた濃度の粉体を含むガスを作り、これらを別々に循環することもできる。発熱工程は、高圧に保持された工程であることから、該粉体及びガスは、昇圧された状態で該発熱工程に供給される。
【００２３】
本発明の方法においては、粉体はガスとともに移動することから、その粉体の移動、加圧及び減圧は、円滑に行うことができる。
【００２４】
本発明は、低温伝熱媒体からの熱を吸収し、高温の熱を放出することから、ヒートポンプ法として利用することができる。
本発明は、粉体を適当に選ぶことにより、各種温度の熱を発生させることができる。
【実施例】
【００２５】
次に、本発明の１つの実施例について、図面を参照にして詳述する。
図１は、本発明の方法を実施する場合のフローシートの１例を示す。
図１において、１は粉体噴射混合攪拌槽、２は圧縮吸蔵槽、３は高圧輸送パイプ、４は高温部熱交換器、７は流量制限器、８は膨張放出槽、１０は低温部熱交換器、１１は低圧輸送パイプ、１２は圧縮機、１３は粉体搬送管を示す。５、９は伝熱パイプを示す。
【００２６】
図１において、低圧低温の水素ガスとの粉体（水素吸蔵合金）の混合体は、低圧輸送パイプ１１を通して圧縮機１２に送り込まれる。圧縮機１２から連結管１５を通って出た高圧の混合体には、低圧輸送パイプ１１とは別系統の粉体搬送で運ばれた粉体が、粉体噴射器を介して追加される。混合体は、混合攪拌槽１の中でできるだけ均一に攪拌される。ついで、混合体は圧縮吸蔵槽２へと導かれる。圧縮機１２、混合攪拌槽１、圧縮吸蔵槽２を通過する間に、水素吸蔵合金の粉体は高圧水素を吸蔵して発熱し、高温度に達してその熱を水素ガスに供給する。圧縮吸蔵槽と高圧輸送パイプを通過する間に、水素を吸蔵した粉体の熱の大部分は水素ガスに供給され、高温高圧の水素ガスが得られる。
【００２７】
高温部熱交換器４では、主にこの高温の水素と、入口ａから流入し出口ｂから流出する熱媒体との間で熱交換が行われ、高温の熱媒体が熱の利用システムへと供給される。熱交換により低温度になった混合体は、高温部を高圧に保つために挿入されている流量制限器７を通って、低圧の膨張放出槽８に導かれる。膨張放出槽８は低圧のため、ここでは粉体に吸蔵されていた水素ガスが放出される。この水素の放出により圧力が上昇しないよう、膨張放出槽８の体積と圧縮機１２の能力を適切に選択する。また、水素の放出は吸熱反応であるので、低温部熱交換器１０により、必要な熱を入口ａから流入し出口ｂから流失する熱媒体通して供給する。この熱媒体により冷熱を取り出すことができる。低温部熱交換器１０により適切な温度（常温）になった低温低圧の水素ガスと水素を放出した粉体の混合体は低圧輸送パイプ１１を通して圧縮機１２へと導かれる。膨張放出槽８の内部を攪拌しない場合には、粉体の一部は膨張放出槽８の底部に蓄積することが予想されるので、低圧輸送パイプとは別系統の粉体専用の粉体搬送管１３を通して、粉体噴射器に導かれ、ここから混合攪拌槽１に導入される。
【００２８】
このように、本発明では、粉体と水素ガスの両者とも閉じたサイクルの中を回るだけなので、原理的には運転による粉体の損失はない。
使用する粉体による圧縮機の損傷あるいは損耗が避けられない場合には、フィルターなどを用いることにより、低圧輸送パイプ１１と圧縮機１２には、水素ガスのみを通過させ、粉体を全て粉体搬送管１３で運ぶことも可能である。
【００２９】
図１に示したフローシートに従って発熱を生じさせる方法において、水素貯蔵合金として、組成［Ｔｉ０．５Ｚｒ０．５（Ｍｎ０．８Ｆｅ０．２）１．７］の合金を用いる場合、その合金には、圧力：１０気圧の条件で水素を反応吸蔵させることができ、この際、吸蔵される水素１モル分子量（２ｇ）当り１６．６ｋｃａｌの熱量を発熱させることができる。そして、伝熱パイプ５の出口ｂから、温度１００〜１２０℃の温水を容易に得ることができる。
【００３０】
本発明により粉体として水素貯蔵合金の粉体を用い、ガスとして水素ガスを用いる発熱方法は、以下に示すような特徴を有し、熱の有効利用という観点から、きわめて優れた独創的なものである。
（１）反応速度の速い水素吸蔵合金を用いたシステムで、ヒートポンプ機能を備えている。
（２）伝熱媒体と反応媒体とが同じ、伝熱性の良い水素ガスを用いているのでシステムが簡便になる。
（３）発熱、および吸熱を行う水素吸蔵合金を粉体としているため、体積に対する表面積の比率が大きく、水素ガスへの熱伝達が迅速かつ効率的に行える。
（４）上記の特徴により、熱は主に水素ガスに貯えられる。
（５）従って、熱交換器との熱交換は、主に気体である水素ガスにより行われるので、簡単な構造の熱交換器で効率的な熱交換が可能になる。
（６）多数の伝熱フィンを用いる必要が無いので、単純なシステムの構成が可能であり、さらに顕熱損失の増大を避けることが可能になる。
（７）水素合金の粉体を水素ガスを用いて粉体輸送する過程で加圧と減圧を行うため、発熱領域と吸熱領域を、別々の一定の場所とすることが可能となる。このため、連続運転が可能であり、温度の上げ下げによる顕熱損失をなくすことができる。
（８）利用する熱は、高温加熱用でも、冷却用冷熱でも可能である。
（９）適切な各種の水素吸蔵合金材料の組み合わせを選択することにより、多段のシステムが可能であり、広い温度範囲をカバーできる熱交換システムを得ることができる。
（１０）水素ガスおよび水素吸蔵合金材料は、燃焼させたり変質させたりすることなく、反応は可逆的な操作過程のみによってなされているので、原理的にはガスや材料の損失がない。
（１１）環境からの熱を十分に利用できるシステムであるので、高い熱効率をもつシステムの構成が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明を実施する場合のフローシートの１例を示す。
【符号の説明】
【００３２】
１  粉体噴射混合攪拌槽
２  圧縮吸蔵槽
３  高圧輸送パイプ
４  高温部熱交換器
５  伝熱パイプ
７  流量制限器
８  膨張放出槽
９  伝熱パイプ
１０  低音部熱交換器
１１  低圧輸送パイプ
１２  圧縮機
１３  粉体搬送管
【図１】
2005090759.tif 000002