(57)【要約】【要約名】  本発明は、固体から液体への熱交換をおこなう種々の装置および方法に関する。いくつかの実施形態は、気体吸収反応が生じている圧力容器から熱を取り除くことに関係する。さらに他の実施形態は、水素が金属水素化物に吸収されている圧力容器に関係する。  本発明は、気体吸収反応が生じている圧力容器から熱を取り除くことができ、水素が金属水素化物に吸収されている圧力容器について高圧での十分な冷却を得ることができる。
2012516984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒体と物質との間の熱交換のための装置であって、
熱交換媒体を受け取るための第１のポート、該媒体を戻すための第２のポート、および前記第１のポートと前記第２のポートとの間の流路を有し、内部を画定する圧力容器と、
前記内部内にあり、各々が前記流路と流体連通する複数の熱交換器モジュールとを具備し、
前記熱交換器モジュールの各々は、
第１の通路と第２の通路とを有し、前記第１の通路と前記第２の通路の各々が通って伸びる中心部分を有するハブであり、前記通路の各々がテーパ状の内壁を有し、前記中心部分から外側に伸びる複数の羽根を有し、前記物質が前記羽根の外部と熱連通の状態にある前記ハブと、
テーパ状外部を各々が有する一対のスリーブであり、各々が前記通路のうちの異なる１つに受け取られているスリーブと、を具備し、
前記流路は前記スリーブを通って伸びることを特徴とする、装置。
【請求項２】
請求項まと１に記載の装置であって、
前記スリーブの各々が、前記スリーブを前記通路に挿入する過程で変形して、前記通路の各々にしっかり嵌合するように、適合および構成されることを特徴とする、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
前記通路の各々が、前記スリーブを前記通路に挿入する過程で変形して、前記スリーブの各々にしっかり嵌合するように、適合および構成されることを特徴とする、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、
前記モジュールは、さらに、一対の締め具を具備し、前記締め具の各々は、前記ハブまたは前記スリーブの一方と連結し、前記ハブまたは前記スリーブの他方と当接しており、前記締め具の各々は、前記テーパ状の外部に対して前記テーパ状の内壁部を締める前記ハブに応じて前記スリーブに力を加えることを特徴とする、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であって、
第２の複数のスリーブを介して前記第１のポートから伸びる管を、さらに具備し、前記流路が前記管を通ることを特徴とする、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であって、
前記圧力容器内の前記物質の動きを最小化するために前記内部に置かれる封じ込め容器を、さらに具備し、前記熱交換器モジュールが前記封じ込め容器内に置かれていることを特徴とする、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置であって、
前記圧力容器の壁を挟んで圧力差が約１００バールとなるように、前記圧力容器が気体によって加圧されることを特徴とする、装置。
【請求項８】
圧縮気体を保持するための装置であって、
熱交換媒体を受け取るための第１のポート、該媒体を戻すための第２のポート、および前記第１のポートと前記第２のポートとの間の流路を有し、内部を画定する圧力容器であり、前記内部への気体の流れまたは前記内部からの気体の流れのための第３のポートを有する前記圧力容器と、
前記内部内にあり、各々が前記流路と流体連通する複数のモジュールとを具備し、
前記モジュールの各々は、
中央部分から外側に延びる複数の熱交換用の羽根を有するとともに、第１のポートと流体連通している第１の通路と、第２のポートと流体連通している第２の通路とを有するハブと、
実質的に前記羽根を包む形状に作られた気体吸収固形物とを有することを特徴とする、装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であって、
前記物質は、前記モジュールが冷却された場合に、前記物質が前記気体を吸収し、前記モジュールが加熱された場合に、前記物質は前記気体を脱着することを特徴とする、装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の装置であって、
前記物質および前記吸着された気体が金属水素化物であることを特徴とする、装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の装置であって、
形状は、実質的に前記羽根に一致することを特徴とする、装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の装置であって、
前記モジュールの各々は、前記圧力容器内の前記物質の移動を最小限にするための前記物質をとりかこむ封じ込め容器を、さらに含むことを特徴とする、装置。
【請求項１３】
冷却剤で熱交換をおこなう装置であって、
最外壁部、外面と内面とを有する少なくとも１つのハブ、および前記ハブから前記最外壁部に伸びる複数の羽根を有し、前記ハブの外面と前記複数の羽根が、押出可能なパターンに配置されており、前記ハブの内面が角度でテーパ状になっている熱交換体と、
外面および内面を有し、前記外面が前記ハブの前記角度と概略同じ角度でテーパ状になっているスリーブと、
前記スリーブの内面内に受け取られ、前記冷却剤の流路を提供する概略円筒状の管とを具備することを特徴とする、装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の装置であって、
前記熱交換体は、第１の熱交換体であり、
最外壁部、外面と内面とを有する少なくとも１つのハブ、および前記ハブから前記最外壁部に伸びる複数の羽根を有し、前記ハブの外面と前記複数の羽根が、押出可能なパターンに配置されており、前記ハブの内面が角度でテーパ状になっている第２の熱交換体を、さらに具備し、
前記スリーブが２つの端部を有しており、前記外面が２つの方向にテーパ状となっており、前記外面が前記２つの端部の中間の位置で最大となり、前記中間の位置から前記外面が各々の端部に向かう方向でテーパ状となっていることを特徴とする、装置。
【請求項１５】
請求項１３に記載の装置であって、
前記熱交換体が、第１の熱交換体であり、
最外壁部、外面と内面とを有する少なくとも１つのハブ、および前記ハブから前記最外壁部に伸びる複数の羽根を有し、前記ハブの外面と前記複数の羽根が、押出可能なパターンに配置されており、前記ハブの内面が角度でテーパ状になっている第２の熱交換体と、
圧縮変形可能なプレートとを具備し、
前記第１の熱交換体と前記第２の熱交換体とが、前記スリーブ上に直列に配置されており、前記プレートが前記第１の熱交換体と前記第２の熱交換体との間に位置していることを特徴とする、装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の装置であって、
前記プレートが前記第１の熱交換体と前記第２の熱交換体との間で弾力的に圧縮されていることを特徴とする、装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載の装置であって、
前記プレートは、摺動係合している第１のリングと第２のリングとの組立品であり、さらに、前記第１のリングと前記第２のリングとを離間させるように付勢する少なくとも１本のスプリングを有することを特徴とする、装置。
【請求項１８】
請求項１３に記載の装置であって、さらに、
前記スリーブの一端で、かつ前記一端と前記熱交換体の一面との間で、前記スリーブに連結した圧縮変形可能なプレートを具備することを特徴とする、装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置であって、
前記スリーブの一端は、リッジを有し、前記スリーブと前記プレートとの連結が前記リッジに対する前記プレートの当接によってなされることを特徴とする、装置。
【請求項２０】
請求項１３に記載の装置であって、
前記熱交換体は長手方向を有し、前記スリーブの長手方向は、前記熱交換体の長手方向と略等しいことを特徴とする、装置。
【請求項２１】
請求項１３に記載の装置であって、
前記ハブの内部表面の断面形状が、前記スリーブの外面の断面形状に相補的であることを特徴とする、装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載の装置であって、
前記ハブの内部表面が円錐形であり、かつ前記スリーブの外面が円錐形であることを特徴とする、装置。
【請求項２３】
請求項１３に記載の装置であって、
記複数の羽根によって、前記複数の羽根の間に略三角形のポケットが複数画定されることを特徴とする、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の様々な実施形態は、熱交換器、詳しくは、粉体の冷却および加熱、特に金属水素化物を加熱および冷却するための熱交換器に関する。
(関連出願の相互参照)
本出願は、『金属水素化物貯蔵システム用のモジュール式熱交換器（MODULAR HEAT EXCHANGER
FOR METAL HYDRIDE HYDROGEN STORAGE）』と題され、２００９年２月４日に出願された米国仮特許出願第６１／１４９，９１１号、『金属水素化物貯蔵タンク用のモジュール式羽根付き熱交換器（MODULAR FINNED HEAT EXCHANGER FOR METAL HYDRIDE TANK）』と題され、２００９年４月３日に出願された米国仮特許出願第６１／１６６，４５１号、および『金属水素化物貯蔵システム用の羽根付き熱交換器（FINNED HEAT EXCHANGERS FOR METAL HYDRIDE SYSTEMS）』と題され、２００９年６月５日に出願された米国仮特許出願第６１／１８４，５８５号の優先権の利益を主張する。なお、これらの仮特許出願のすべてを参照によって本明細書中に援用する。
【背景技術】
【０００２】
限られた化石燃料資源に対する依存性が絶え間なく増大し、それによって汚染が生ずることから、より安全なエネルギーの未来を求めて、よりいっそうクリーンな燃料源が緊急に必要とされている。１つの代替燃料源は水素である。化石燃料（燃焼によってエネルギーを生産するとともに汚染副産物を生ずる）と異なり、水素は、副産物として単に水を形成する酸素との化学反応によって、消費される。したがって、水素は、次世代の自動車のためのクリーンな動力源としての非常に大きな可能性を持っている。
【０００３】
自動車は、燃料補給する前に長距離走行するために、所定最小質量の水素を要求する。計算によれば、約３００マイルにわたって自動車を走行させるには、７ｋｇの水素が使用される。雰囲気温度および湿度での水素の密度は、０．０８３ｇ／Ｌであり、一方７００バールの圧力での水素の密度は３９．６ｇ／Ｌである。７００バールという制限は、高強度かつ軽量の炭素繊維複合材タンクに関する圧力定格によって、設定されている。さらに研究するためには、複合繊維を強化するとともに、気体水素に対する不透過性を確実なものにすることによって、この制限を高めることが必要である。上記の密度の値は、７００バールでの７ｋｇの気体水素が約２２０リットルを占めるであろうことを、意味している。そのような容積は、自動車に積載して貯蔵するには大きすぎる。容積を許容レベルにまで減少させるために、水素を、極低温で、液体の状態で貯蔵することが可能である。２０．３Ｋでの液体水素の密度は７０．８ｇ／Ｌであり、７００バールでの圧縮水素の密度のおおよそ２倍である。したがって、極低温貯蔵は、７ｋｇの液体水素を貯蔵するために約１００リットルを要するだろう。液体水素貯蔵には、液化プロセスにともなう高いエネルギー消費と、そのような低温で液体窒素を断熱することの困難さにもとづく連続的な蒸発損という、２つの問題点がある。
【０００４】
高圧気体貯蔵および極低温液体貯蔵の別の有望かつ実行可能な代替手段は、金属水素化物の使用である。多くの金属（Ｍ）および合金を水素と可逆的に反応させて、金属水素化物を形成することが可能である。
【０００５】
Ｍ＋０．５ｘＨｘ  ←→  ＭＨｘ＋熱
【０００６】
上記反応の水素化（順方向）プロセスは、水素を吸収して熱を放出する。一方、脱水素化（逆方向）反応は、水素を放出するために、入熱を必要とする。水素化プロセスは、充填ステーション（filling station）で車に水素を充填している過程で生ずるプロセスである。脱水素化プロセスは、電力生産のために燃料電池中で使用されるように、金属水素化物に貯蔵された水素が脱吸収されるプロセスである。水素化（充電）および脱水素化（放電）プロセス両方の割合は、温度に対する依存性が高く、すなわちそれらは動力学的に駆動される水素化プロセスには、好ましくはプロセスが進行するための反応によって生ずる熱を素早く取り除くことが含まれる。もしこの熱が効率的に取り除かれなければ、反応が遅延し得るレベルまで温度が上昇する可能性がある。この温度限界は、金属水素化物が異なると異なるものであり、自動車の研究で現在調べられている金属水素化物に関については、約８０℃である。脱水素化プロセスでは、化学熱力学によって決まる温度に、金属水素化物を熱することが必要とされる。脱水素化プロセスは、加熱なしでは起こらない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
車では、フィリング・ステーションで金属を水素で帯電させている間に、熱が生ずる。燃料補給についての２０１５年の目標は、５分未満である。そのような早い燃料補給速度を達成するために、迅速な水素化プロセスに関連した高率の熱生成を効率的に取り除くことが有用である。燃料補給速度（すなわち、より短い燃料補給時間）をさらに高めることよって、熱が発生する割合もよりいっそう高まることから、熱の除去は、よりいっそう困難なものとなる。燃料電池用途のための金属水素化物からのその後の水素の放出は、特定の温度に加熱することで、達成される。
【０００８】
金属水素化物の容積密度（金属水素化物の単位容積あたりの水素によって占められる容積）は、液体窒素の容積密度に匹敵する。しかし、金属水素化物の主な問題点は、重量密度（金属水素化物の単位質量あたり貯蔵された水素の質量）が低いことである。したがって、水素化プロセスによって熱が生ずることから該熱を迅速かつ効率的に取り除くために、占有する容積が少なく、かつ金属水素化物に対して利用可能な貯蔵空間と同程度の空間を提供する熱交換器が求められている。熱交換器は、さらに高い温度での金属水素化物の熱膨張を考慮する必要がある。
【０００９】
金属水素化物の操作圧は、温度と直接関連する。所定の温度で、操作圧は、水素化プロセスが生ずる平衡圧よりも高くなければならない。平衡圧は、金属水素化物の温度および熱力学的特性に依存する。操作圧を高めることは、水素化プロセスが止まる温度限界を高める。前述した温度８０℃に対応する平衡圧を超えるには、４００〜５００バールの範囲内の金属水素化物操作圧を必要とする。したがって、そのような高圧に耐えられるように、熱交換器を設計しなければならない。
【００１０】
金属水素化物は、粉末形状で入手可能であり、あるいは任意の所望の形状のあるいは任意の所望形状のペレットに形成することが可能である。したがって、水素車の熱交換器は、水素化プロセスおよび脱水素化プロセスを高効率に維持する温度レベルに保つために、高圧での十分な冷却を得ることができる金属水素化物用の貯蔵装置である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の様々な実施形態は、除熱、特に粉体から液体へ熱を移動させるための装置および方法に関する。
【００１２】
本発明の１つの態様は、媒体と物質との間で熱交換するための装置に関する。いくつかの実施形態は、圧力容器およびその内部内の複数の熱交換器モジュールを有する。これらのモジュールの各々は、テーパ状の内壁部を有する第１および第２の通路を有するハブを備える。このハブから複数の羽根が外側に延びる。さらに他の実施形態は、各々がテーパ状の外部を有し、かつ上記通路の異なる１つに受け取られる一対のスリーブを具備する。
【００１３】
本発明の別の態様は、圧縮気体を保持するための装置に関する。いくつかの実施形態は、熱交換媒体を受け取るための第１のポートと、該媒体を戻すための第２のポートとを有する圧力容器を具備する。圧力容器は、内部内の複数のモジュールを備えた該内部を画定する。各モジュールは、中央部分から外側に延びる複数の熱交換用の羽根を有するハブを具備する。このハブは、第１のポートと流体連通している第１の通路と、第２のポートと流体連通している第２の通路とを具備する。気体吸収固形物は実質的に羽根を囲む。
【００１４】
本発明のさらに別の態様は、冷却剤によって熱を交換するための装置に関する。いくつかの実施形態は、最外壁部、少なくとも１つのハブ、およびハブから最外壁部に延びる複数の羽根を含む熱交換体を具備する。複数の羽根は、押出可能なパターンに配列されている。ハブの内面は、ある角度でテーパ状になっている。更に別の実施形態は、ハブの角度とほぼ同じ角度でテーパ状になった外側を有するスリーブと、該スリーブの内面に受け取られる管とを具備する。
【００１５】
この要約の部に記載された種々の装置および方法を、この出願の他の部分と同様に、多くの異なるコンビネーションおよびサブコンビネーションとして、表現することができる、ということが理解されよう。すべてのそのような有用、新規、かつ進歩性のあるコンビネーションおよびサブコンビネーションは、本明細書中で検討され、これらのコンビネーションの各々の明示表現は過度で不必要であることが認識される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、固体から液体への熱交換をおこなう種々の装置であって、気体吸収反応が生じている圧力容器から熱を取り除くことができ、水素が金属水素化物に吸収されている圧力容器について高圧での十分な冷却を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明の一実施形態にもとづく気体貯蔵システムの模式的断面図である。
【図２】図２は、水素化反応に関係する時間ベースのパラメータを示すグラフである。
【図３】図３は、一次元伝熱モデルの模式図である。
【図４ａ】図４ａは、水素化物材料の異なるポケット内の水素化反応の反応進行を時間ベースで示すグラフである。
【図４ｂ】図４ｂは、水素化物材料の異なるポケット内に水素化反応のための熱生成を時間ベースで示すグラフである。
【図４ｃ】図４ｃは、水素化物材料の異なるポケット内の金属水素化物の温度を時間ベースで示すグラフである。
【図４ｄ】図４ｄは、冷却剤対流係数および接触抵抗の関数として、容器が９０パーセント充填されたと推測される時間を示すグラフである。
【図５】図５は、金属水素化物ポケットの関数として、容器が９０パーセント充填されたと推測される時間を示すグラフである。
【図６】図６は、本発明の一実施形態による組立モジュール熱交換器の模式的斜視図である。
【図７】図７は図６の装置の部分切断図である。
【図８】図８は、図６の組立品に由来する単一の熱交換器を模式的に説明する部分断面斜視図である。
【図９】図９は、本発明の別の実施形態にもとづく熱交換器モジュールを示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の別の実施形態による熱交換器モジュールを示す断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の別の実施形態にもとづく圧力容器の熱交換部を説明するための立体斜視図である。
【図１２】図１２は、内部の詳細を示すために羽根板のうちのいくつかを取り除いた図１１の図である。
【図１３】図１３ａは、図１２の装置の羽根板を示す平面図である。図１３ｂは、図１３ａの装置を示す斜視図である。
【図１４】図１４は、図１１の装置から、テーパ状かつ変形可能なスリーブを示す立体斜視図である。
【図１５】図１５は、本発明の別の実施形態にもとづく熱交換組立品を示す写真斜視図である。
【図１６】図１６ａ、ｂ、およびｃは、各々が本発明の異なる実施形態にもとづく羽根板の片側断面平面図である。
【図１７】図１７ａ、ｂ、ｃ、およびｄは、各々が本発明の異なる実施形態にもとづく羽根板の片側断面平面図である。
【図１８】図１８ａ、ｂ、ｃ、およびｄは、各々が本発明の異なる実施形態にもとづく羽根板の片側断面平面図である。
【図１９】図１９ａ、ｂ、ｃ、およびｄは、各々が本発明の異なる実施形態にもとづく羽根板の片側断面平面図である。
【図２０】図２０ａ、ｂ、ｃ、およびｄは、各々が本発明の異なる実施形態にもとづく羽根板の片側断面平面図である。
【図２１】図２１は、本発明の別の実施形態にもとづく圧力容器を示す斜視切断部分透視立体図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。
【実施例】
【００１９】
本発明の原理の理解を促進する目的で、ここで図面に示す実施形態について述べ、具体的な表現を使用して同じことを表すことにする。それでもなお、それによって本発明の範囲を限定することは意図されるものではなく、本発明に関連する分野の当業者が通常思いつくような図示した装置における改変およびさらなる変更、ならびに図面に示した本発明の原理のさらなる応用が考えられることは、理解されよう。本発明の少なくとも１つの実施形態を説明し、かつ示す。また、この出願は、本発明の他の実施形態を示すもの、および／または説明するものであると考えられる。特に明記しない限り、「本発明」についてのいかなる言及も、すべての実施形態に含まれるべき装置、プロセス、または組成物を含む単一の実施形態なしで、複数の発明からなる一ファミリーの一実施形態に対する言及であると、理解される。
【００２０】
構成要素の番号（ＮＸＸ．ＸＸ）のＮ系列の接頭辞の使用は、その語に図示および説明されることを除いて、接頭辞を付けていない構成要素（ＸＸ．ＸＸ）と同一の構成要素に言及するものである。例えば、構成要素１０２０．１は、図示および説明される構成要素１０２０．１の異なる特徴を除いて、構成要素２０．１と同じであるさらに、共通の構成要素および関連する構成要素の共通する特徴を、異なる図中において同じように図示し、および／または異なる図中において同一の符号を用いて図示する。そのため、同一である１０２０．１および２０．１の特徴を説明する必要はない。なぜなら、共通する特徴は、当業者によって明白であるからである。種々の特定量（空間的な大きさ、温度、圧力、回数、力、抵抗性、流れ、電圧、濃度、波長、度数、その他）を本明細書中で述べてもよいが、そのような特定の量はあくまでも例としてのみ示される。例示によってのみ説明される物体の特定の構成に関する議論は、その構成の他の種類の適用可能性を制限するものではなく、また引用された構成と無関係な他の構成の適用可能性を制限するものでもない。
【００２１】
本発明の様々な実施形態は、気体貯蔵システムに関係する。一実施形態では、システムは、圧力容器内に、気体を吸収する多量の固形物質を含む。圧力容器は、さらに、気体が脱着または吸収されることによる固形物への熱の移動または該固形物からの熱の移動のための１つ以上の熱交換器を有する。
【００２２】
本発明のさらに他の実施形態は、熱交換器の構成に関する。いくつかの実施形態では、これらの熱交換器は、固形物への熱の移動または該固形物からの熱の移動、さらには液体冷却剤への熱の移動をおこなうように、構成されている。しかし、本発明の他の実施形態は、任意の物理的状態（気体、液体、または固体）にある物質への熱の移動または該物質からの熱の移動、さらには流体媒体（気体または液体）への熱の移動をおこなうことを意図している。
【００２３】
本発明のさらに別の実施形態では、熱交換器を構築する方法および装置に関する。一実施形態では、少なくとも１本の中央冷却通路と、該通路から外側に向けて放射状になった複数の羽根とを有する概略円筒状の熱交換器がある。いくつかの実施形態では、羽根は最も外側の輪をハブに相互連結させる。ハブは、冷却剤を流動させるための少なくとも１つの通路を具備する。加熱または冷却されている物質をハブと外側のリングとの間に置かれる。好ましくは、熱交換器の本体を、物質（例えばアルミニウム）から押出し得るように、羽根のパターンが配置される。
【００２４】
本発明のさらに別の実施形態は、複数の熱伝導羽根から冷却剤への、低接触抵抗を持つ熱交換器に関する。いくつかの実施形態では、このことは、羽根が共通のハブへ熱を移動させるように該羽根を配置することによって、達成される。冷却剤管はハブを貫通する。いくつかの実施形態では、ハブは、円錐状の内径を画定し、該冷却管は相補的形状の円錐形の外径を画定する。ハブおよび羽根は、ハブの内径（Ｉ．Ｄ．）と管の外径（Ｏ．Ｄ．）との間で強固に嵌合するまで、冷却管の長手方向に沿って摺動可能である。ハブは、締結装置によって強固に嵌合された構成に維持される。締結装置は、ハブまたは管の１つに連結し、他のハブまたは管を押圧する（または反対方向に引っ張る）。
【００２５】
さらに他の実施形態では、冷却剤管は一般に円筒状の外径を有しており、スリーブの相補的形状の円錐形の内径に受け取られる。一実施形態では、スリーブは外径を有しており、該外形は類似のテーパを有するハブ内に嵌合するように、適合かつ構成されている。
【００２６】
さらに他の実施形態では、スリーブには該スリーブの圧縮フープ剛性が減少する１つ以上の領域がある。一例として、剛性が減少した局所的な領域は、スリーブの長手方向の少なくとも一部分沿って延びる縦方向に配置されたスロットである。管がスリーブ内に置かれ、かつこの組立品がテーパ状のハブ内に置かれると、剛性が減少した領域は、ハブ内へのスリーブの変形を可能にするスリーブの外面に対して十分に干渉する状態になるまで、スリーブの長手方向に沿って、ハブを滑らせることができる。このような変形によって、スリーブとハブとがぴったりと嵌合することでスリーブとハブとの間の接触抵抗が低くなり、さらにはスリーブと管の外径との間も接触抵抗も低くなる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、スリーブの外面が円錐状になっている。しかしながら、本発明はそれに限定されるものではなく、スリーブの断面形状（外面に関して）が、正方形、三角形、楕円、または任意の他の形状である他の実施形態が考えられる。一例として、スリーブの外面が三角形状の断面で水平な実施形態では、３辺の各々はテーパを含むと考えられ、スリーブの外径は３つの片を有するピラミッド形状に似ると考えられる。概略正方形の断面形状を有するこれらの実施形態では、テーパ状のスリーブの外径は、４つの片を持つピラミッド形状に似ると考えられる。
【００２８】
本発明のさらに他の実施形態では、テーパ状スリーブの使用を考えるが、該スリーブは局所的に剛性が低下した領域を持たない。そのような実施形態では、スリーブの外面および（または）ハブの内面を、テーパ状スリーブの長手方向に沿って羽根が摺動するにつれて変形する高伝熱性の軟質材料で覆うことができる。一例として、この材料としてインジウム含む材料からなる箔または層が考えられる。
【００２９】
本発明の種々の実施形態は、金属（例えば、金属粉体）に気体が吸収される圧力容器から熱を取り除く装置および方法に関する。ある実施形態では、吸収された気体は水素であり、固形物質は金属水素化物粉体である。しかしながら、他の実施形態はそのように限定されるものではなく、一般に、気体吸収プロセスの冷却および加熱に関するものであり、いくつかの実施形態においては、圧力容器内に吸収反応を封じ込めることを考慮している。
【００３０】
金属水素化物に水素を吸収させることに関しては、吸収反応の過程で発せられる熱の存在がある。水素が水素化物材料に吸収される速度を増加させるために、さらには圧力容器アセンブリの許容かつ安全な温度を保つために、そのような熱を取り除くことが望ましい。いくつかの用途では、気体水素は、車両（例えば燃料電池によって動力が供給される自動車）の推進力に後で用いられる。
【００３１】
そのような用途では、商業的に許容される時間内にタンクが実質的に満たされるように、圧力容器と充填方法とを構成することが望ましい。一実施形態では、許容時間は約３００秒ではあるが、この充填時間が本発明の任意の実施形態を限定するものではないことが理解され、さらにまた、他の実施形態では、特定用途用の許容充填時間を達成するために装置および方法の構成が考えられるということも理解される。いくつかの用途では、熱交換器は、特定の充填時間を達成しないがその代り、特定の熱流束を達成するように構成される。一例として、いくつかの軍事的用途では、本発明の種々の実施形態は、所望の充填時間を達成するだけでなく、所望のレベルでの熱発生、特に熱が別の装置または方法で用いられる用途のためのものを達成することにも、用いられる。例えば、水素化反応の過程で発せられる熱を用いて、任意のカルノーサイクルエンジンの動力を供給することができ、あるいは水素化反応の過程で発せられる熱を、熱を加えることが求められる任意の用途に用いることができる。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態の一態様では、３００秒未満で水素の実質的充填が行える熱交換器に関する。二次元分析モデルの種々のバージョンを分析し、候補となる構成をそれらのバージョンから選択し、さらに該候補バージョンを構築かつ試験した。
【００３３】
種々の熱交換器構成のコンピュータモデリングは、以下のパラメータのいくつかを用いた。すなわち、（１）圧力容器の内径を約４インチとすること；（２）冷却剤を提供するための管の外径を、約３／８インチ、およびへ気圧は約１／１６インチとすること；（３）圧力容器の初期温度を、約２０℃とすること；（４）金属水素化物から熱交換器への伝熱性表面までの接触抵抗を、約１／１００平方ｍｍメータ・ケルビン温度／ワットとすること；（５）冷却剤注入口から冷却剤出口までの圧力差を約７バールとした流量を、約２０リットル／分として、冷却剤媒体をＤｅｘｃｏｏｌ（登録商標）とすること；（６）圧力容器を、６秒内で１バールから５００バールまで加圧するプロファイルで、水素を用いて加圧し、その後、一定の最大圧力に保つこと；（７）圧力容器には約６ｋｇの水素を含むこと；および（８）圧力容器の長さを約１メートル未満とすること、とした。
【００３４】
モデリングおよびその後の試験のために選択された金属水素化物は、チタン、クロム、およびマンガンを取り込む水素化物である。特に、化学式Ｔｉ（１．１）ＣｒＭｎの組成物を用いた。しかし、本発明の種々の実施形態はそのように限定されるものではなく、説明およびクレームされる装置および方法は、気体が吸収される任意のタイプの固形物質を用いて適用可能であり、特に任意のタイプの金属水素化物に対して適用可能である。
【００３５】
反応動力学の種々のパラメータを以下の表１に示す。
【表１】
2012516984.tif 000003
【００３６】
これらのモデリングパラメータは、一例としてのみ与えられるものである。任意のモデリング実験にあるように、前述のパラメータの１つ以上を、一定の範囲にわたって変えた。さらに、これらのパラメータが、クレームされた装置または方法を必ずしも説明するものではないことは理解される。
【００３７】
あるコンピュータモデリングは、Ｍａｔｌａｂ（登録商標）で作られた一次元モデルによっておこなわれた。このモデルによって、金属水素化物材料用許容ポケット幅の評価が容易になり、さらに、種々のパラメータ、例えば金属水素化物（ＭＨ）特性、加圧プロファイル、接触抵抗、冷却剤温度、流漏、およびその他の熱交換器の性能に対する影響（製造の容易さ、取り扱い性、重量、容量、およびコスト）、さらには充填時間に対する影響を理解することが容易になる。一次元モデル（図３を参照）の使用によって、異なる二次元熱交換器設計モデルをＦｌｕｅｎｔ（登録商標）で作られ、その性能を種々のパラメータを変えることで、分析した。また、それらの性能の分析は、様々なパラメータを変えることによって、おこなった。
【００３８】
図２は、圧力容器の充填に関係する２つのパラメータ、すなわち発熱量と反応（反応進行）の完了率とを時間に基づいて表示したグラフである。最も左側にある縦軸を参照すると、約２０秒で発熱の実質的なスパイクがあり、その後低下して、約１００秒のところで、ほぼ一定の低い値になることがわかる。この初期の期間中、反応速度は、最初に高い速度でほぼ直線となり、続いて約６０秒のところで、減少した第２の直線的速度となる。このプロットは、操作の最初の数分間で行われる充填操作によって、実質的に生じた熱が存在することを示している。
【００３９】
一次元モデリングから、ポケット用の最大許容幅が存在し、水素化物の密度、比熱、および伝熱性等の種々の量；水素化物のボイド特性；  圧力容器の圧力履歴；  材料と反応とに関連したエンタルピーおよびエントロピー；  およびその他を考慮に入れていることがわかった。いくつかのシステムでは、既に説明したような圧力容器および３００秒以下の充填時間について、金属水素化物のポケットは冷却羽根から２０ミリメートル未満、このましくは冷却羽根から１５ミリメートル未満であるということがわかった。充填時間を短くするのに接触抵抗が有用であることがさらにわかった。低下した接触抵抗（水素化物から羽根、さらにはハブから冷却剤管として）によって、充填時間が短くなる。充填時間のさらなる減少は、冷却剤流量を高めることによって得ることができる。
【００４０】
分析結果のいくつかを図５に示す。０．９の充填速度を達成する３００〜４００秒内の充填時間に関して、金属水素化物ポケットの幅を２０ないし１４ミリメートルの範囲とすることがわかる。図４では、底曲線はＴｉ−Ｃｒ−Ｍｎに関する分析結果であり、最上線（符号が付された漸近線）は、異なる金属水素化物材料用である。
【００４１】
本発明の種々の実施形態は、金属水素化物のポケットの最小限の大きさに関係する設計理念を取り込む。ポケットの構成は、ポケットを囲む冷却羽根または他の冷却構造によって、確立される。商業的に許容される時間で水素によって合理的に満たされた圧力容器を達成するために、ポケットの中心から最も近い冷却羽根または冷却管までの最小距離が存在することを発見した。羽根の長手方向（羽根の最も長い寸法）を他の熱転送羽根またはハブもしくは外側リングと相互に連結させ、いずれの羽根もいずれかの方向または対向する２つの方向に熱を移動させることができない「デッド端部」を有するものがないようにすることが好ましい。そのような羽根パターンの一例を図４ｃに示す。この図では、個々の羽根６０の各々が、最も外側のリング６８、結節点の交差部分６６、またはハブ５０と相互に連結している。
【００４２】
さらに、二次元モデルによる分析をおこなった。これらの分析結果の一部を図４ａ、４ｂ、および４ｃのグラフに示す。図４ｃに最も良く見られるように、水素化反応の間の温度は、羽根板の３つのポケット内（図４ｃの挿入図を参照せよ）での時間の関数として示されている。図４ｃは、時間の関数として、これらの３つのポケット内の予測温度を示すとともに、水素化物に関して計算された平均温度も示す。図４ａは、時間の関数として、３つのポケット内の反応速度（それとともに平均値）を示す。この図では、中心通路からより離れたこれらのポケット（例えば、ポケット３）は、時間の関数として、水素化反応の進行を低下させることが示されている。図４ｂに示すように、これらの最も離れたポケットもまた、冷却通路により近いポケット（例えば、ポケット１）よりも、時間が遅い発生熱負荷を有する。
【００４３】
図４ｄは、９／１０という反応進行係数を達成するのに必要な時間に対する接触抵抗および対流係数の効果を、さらに示す。最上線は、対流係数が２０００Ｗ／ｍ２で流量が約１．５リットル／分である場合に、９０％充填を約７７０秒以内に達成できることを示している。底線は、対流係数が１０，０００Ｗ／ｍ２Ｋで流量が約９リットル／分の場合に、９０％充填を約３５０秒以内に達成できることを示している。接触抵抗と対流係数の両方は、熱交換器の性能に影響を及ぼすことがわかる。そして、一般に、いくつかの実施形態では、対流係数は熱交換器設計に対して、接触抵抗よりもはっきりとした効果がある。しかしながら、接触抵抗の高い値については、所望の充填時間を達成するために対流係数を相応して増加しなければならない。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、ハブと冷却管との間の接触抵抗を減少させるために、特徴、例えばスロットが形成されたテーパ状のスリーブを含む。
【００４４】
図１は、本発明の一実施形態にもとづく気体容器組立品２０の外観図である。容器２０は、気体吸収材料２２に概略囲まれる複数の熱交換器モジュール２１を有する。一実施形態では、いくつかの実施形態の材料２２は、水素貯蔵用の任意のタイプの金属水素化物組成物である。しかしながら、本発明の他の実施形態は、水素以外の気体を貯蔵するための金属水素化物以外の気体吸収材料を意図する。さらに、本発明の様々な実施形態は、粉体を含む固体形態にある材料２２の使用を意図する。
【００４５】
一実施形態では、多量の気体２４（例えば水素）が材料２２内に貯えられる。材料への気体の吸収または脱着のプロセスは、冷却（吸収に対して）または加熱（脱着に対して）のいずれかによって早められる。したがって、「本発明の種々の実施形態」は、任意の流体媒体（液体または気体）が意図されるとはいえ、「熱交換媒体（例えば、Ｄｅｘｃｏｏｌ（登録商標））の使用が意図される。いくつかの実施形態では、容器２０は、例として、不活性高導電性粉体２８．１または高導電性メッシュもしくは格子細工等の内部熱導電性を増強する材料２８を、さらに有する。
【００４６】
より高い圧力を用いることで、容器２０内に貯蔵することができる気体量を増やすことができる。したがって、いくつかの実施形態では、その容器組立品２０には、好ましくは、外壁３０．１を横切って圧力差を生ずるように、円筒状または球状等の形状に形作られた圧力容器３０が含まれる。いくつかの実施形態では、圧力容器は圧力容器の外壁を横切る約１００本の棒を有する。まだ他の実施形態では、圧力容器は、外壁を横切る５００本の棒の圧力差を有している。材料の種類、構成、およびそのような高い圧力差に対応するために用いられなければならない材料の厚さを理由として、本発明の種々の実施形態では、圧力容器内の熱交換器モジュール２１が該熱交換器モジュールの任意の部分を横切る実質的な圧力差を持たないことを意図している。図１を参照すると、一実施形態では、圧力容器３０は、第１の端部３０．２および第２の端部３０．３を有する概略円筒状のものであり、該端部内でのストレスの分布を改善するために、該端部を半球体状（不図示）とすることが可能である。
【００４７】
図６および図７は、多孔性材料内での気体貯蔵（例えば金属水素化物内での水素貯蔵）用の複数の熱交換器モジュール２１を模式的に示す図である。熱交換器は、Ｕ字型管７０を介してポンピングされる液体２６によって冷却される一連の同一のモジュール４０を有する。図８は、単一のモジュールを示すもので、該モジュールは、（ｉ）ルーズな状態にある任意の水素化物の集積容積を提供する金属ケース（不図示）内の金属水素化物小球２２．３または金属水素化物粉体と、（ｉｉ）中心金属ハブ５０と、（ｉｉｉ）一対の熱スリーブ８２と、（ｉｖ）ナット等の一対の締め具９０とを有する。
【００４８】
冷却管７０（図７で最もはっきりと示され、図８では明確さのために省略）は、スリーブ８２の中心を軸方向に貫通する。スリーブの内径は、冷却剤管の外径よりわずかに大きい。スリーブの外部８４はテーパ状であり、該スリーブがハブ内を摺動するにつれてコンプライアンスを提供するスロット８４．１を特色とする。締めると、ナットによって、冷却管７０と金属ハブ５２．１との両方に、スリーブがしっかりと係合され、冷却管とハブとの間の接触熱抵抗を縮小させる機能を果たす。
【００４９】
羽根６０は、放射状に外側へ伸びることで、金属水素化物ペレット２２．３または粉体とハブ金属との接触面積を大きくする。金属水素化物ペレットは２つの材料間の接触抵抗を最小限にするためにハブと羽根の外部の形に適合するように形成されてもよい。あるいは、外側の形状を画定し、かつ熱交換器４０を概ね囲む金属ケースには、金属水素化物粉体が充填されてもよい。図１は、複数のモジュール４０を囲むケース４１を模式的に示す図であり、該ケース４１は圧力容器３０の内部に位置している。いくつかの実施形態では、ケース４１は、それを横切る圧力差が相対的にほとんど有していないので、薄い材料から構築することができる。
【００５０】
金属水素化物ペレットまたはケースの外部をギヤー形状にすることの１つの目的は、金属羽根の表面から短い距離で金属水素化物を保つことである。このような短い距離は、高伝熱性のハブおよび羽根ならびに伝導スリーブとともに、金属水素化物と冷却管を流れる液体との間の全体的な耐熱性を減少させる上で、役立つ。伝熱有効性を、ペレットまたは粉体に高伝熱性粉体または金属メッシュを混合して金属水素化物の全体的な伝熱性を高めることによって、さらに高めてもよい。圧力容器の内径に応じて、複数のＵ字管を用いてもよい。
【００５１】
図８は、熱交換器の構成をさらに例証する断面図を示す。組み立ての開始は、管の屈曲端３２．３に向けてストッパ７５を留めることによって、おこなわれる。その後、栓に触れるまで、モジュールを左側から冷却管に沿って摺動させる。次に、モジュールのナットを締め、該モジュールを冷却管のまわりの適所にしっかりと保持する。ナットを締めることで、スリーブ８２に張力がかかった状態になる。スリーブ８２のテーパ状外面８４は、この張力によって、中央の通路５２．１の内径とよりいっそう密接に接触する。ここで、第２のモジュールは、第１のモジュールに触れるまで、冷却管に沿って摺動する。第２のモジュールのナットを同じ方法で締める。このプロセスは、モジュールの残りを積み重ねることにより繰り返される。
【００５２】
図９および図１０は、熱交換器とそのコンポーネントの様々な追加の断面図を示す。図９は、図８に示されるモジュール４０に類似の熱交換器モジュール１４０を表す模式的断面図を示す。２つのモジュールにおける１つの違いは、単一の冷却管１７０のための単一の中心通路がハブ１５０を貫いてモジュール１４０に設けられていることである。さらに、スロット付きスリーブ１８２は、ハブ１５０内へ放射状に外側に伸びる複数の羽根１８６を有している。これらの羽根１８６は、好ましくは、中間に形成される軟化部分１８４の局所的領域によって、離間している。羽根１８６は、ハブ１５０とスリーブ１８２との間の伝熱のために、ハブ１５０とスリーブ１８２との間の実行表面積を拡大させるのに役立つ。図１０は、金属水素化物１２２が羽根１６０の周囲にあるように羽根２６０を囲む金属水素化物２２２がギヤー形状に形成または圧縮されていない点を除いて、モジュール１４０に類似の熱交換器モジュール２４０を表す模式的断面図を示す。
【００５３】
本明細書中に示し、かつ説明する種々の実施形態は、種々の特徴の１つ以上を有することができる。いくつかの実施形態は、欠損したモジュールを交換し易くするモジュール設計を含む。さらに他の実施形態では、Ｕ字形の１本以上の脚部上に複数のモジュールを備えたＵ字型の管を有する。一実施形態におけるＵ字管は、モジュール内に整列した第１の組のハブ通路内の冷却剤を担持し、Ｕ字通路で流動方向を変え、さらに、同じハブの整列した冷却通路の他の冷却通路内を反対方向に流れる。いくつかの構成では、Ｕ字管は、図１で最も良く見られるような圧力容器内に含まれている。まだ他の実施形態では、２つの冷却剤ポートが圧力容器の各端部にあるように、Ｕ字戻り通路を除去することができる。そのような実施形態では、両方の冷却通路はモジュールを通って、同じ方角に冷却剤の流れを提供するために、用いることができる。さらに、別の熱交換器に１つの圧力容器から流れる冷却剤を提供することが可能である。
【００５４】
さらなる実施形態は、金属水素化物ペレットと共に用いる適合性を有する。他の実施形態は、ルーズな状態にある任意の粉体を含有するためのケースの助けを借りて、金属水素化物と共に用いる順応性を有する。いくつかの実施形態では、羽根表面から金属水素化物までの距離を小さくするために、例えば金属水素化物を焼結させることによって、形作ることが含まれる。これらの実施形態では、金属水素化物は、ハブの羽根構造の周囲に、特に伝熱性結着剤とともに、圧力を使用することで、形成することができる。さらに他の実施形態では、高伝熱性粉体または金属メッシュをペレットまたは粉体に混合することで、金属水素化物の全体的な伝熱性を高めることが含まれる。
【００５５】
さらに他の実施形態では、金属水素化物とハブとの間の熱的接触を高めるために、羽根構造を持つ高伝熱性ハブを用いることが含まれる。図８、９、および１０に示されるように、羽根はハブから放射状に外側へ伸びる単純な線形の形とすることができる。しかしながら、本発明の他の実施形態は、そのように限定されることなく、ハブと熱的接触状態にある任意の形状または数の羽根を意図する。好ましくは、ハブと羽根の断面形状は、ハブと羽根の押出または製作の押出または一体成型プロセスが適用可能なものである。
【００５６】
さらなる実施形態では、金属製の熱スリーブを用いることで、スリーブと冷却管および金属ハブとの間の接触抵抗を減少させることが含まれる。好ましくは、接触抵抗を減少させるために、スリーブが変形可能である。いくつかの実施形態では、長手方向スロットはスリーブの長手方向の一部分に沿って切欠されている。さらにまた他の実施形態では、可鍛材料がハブとスリーブの外面との間に置かれ、接触抵抗を小さくする。
【００５７】
いくつかの実施形態では、冷却管に沿ったモジュールが容易に所望の配置を取るように、ストッパを用いることが含まれる。さらに他の実施形態では、Ｕ字管を用いるので、熱膨張および収縮を調整する熱交換器の能力が含まれる。
【００５８】
図１１ないし図１４は、本発明の別の実施形態にもとづく熱交換器組立品３２１を立体的に表現したものである。組立品３２１は、熱交換器モジュール３４０の整列かつ積層された組立品を有する。各々のモジュール３４０は、複数の羽根３６０によって相互接続された１つ以上のハブ３５０と外側接続リング３６８とから構成されるプレート３４９を有する。各々のプレートは、好ましくは、熱を流動媒体へ移すための中心通路３５２．１および３５２．２を含む。
【００５９】
単一の冷却剤Ｕ字管３７０は、熱交換器の長手方向沿って端から端まで延びる。各々が長手方向に沿って端から端まで延びる１２０°の３つのスロットを有するテーパ状コレクト３８２を、冷却管にマウントする。このコレクトは、中心が最大径を有する一方で両端部の直径が小さくなるように、中心部から両端に延びる対向するテーパを有する。単一の方向に連続的なテーパを有することと比較して、この両方向性テーパによってコレクトの厚さを減少させることが促進される。各々熱交換プレート３４９は、その位置に依存するもので、コレクトのテーパを補完するテーパを有する。いくつかの実施形態では、各々のプレート３４９は、スリーブ３８２の長手方向に沿って、その特定のプレート３４９の位置にとって適切なテーパであるハブ３５０内に、中心経路３５２を有する。このことによって、冷却剤管とコレクトとが良好に接触するとともに、コレクトと熱交換プレートとが良好に接触する。その後、プレートを積層し、カバープレート３４１．２によって両端を密閉する。コレクトの各々の端部上のねじ山は、コレクトのナットを締めることで、軸方向に沿ってプレートが互いに対して、かつ放射状にコレクトに対して、圧縮するために提供されるものである。その後、薄い金属スリーブ３４１が組立品上を摺動することで、ルーズな状態にある任意の水素化物材料がさらに周囲から閉ざされて漏れないようにする。
【００６０】
図１３ａおよび図１３ｂを参照すると、好ましくは、スタック３２１内の個々のプレート３４９は、複数の羽根３６０と１つ以上のハブ３５０とからなる、押出可能な１つのパターンを有する。好ましくは、各プレート３４９は、アルミニウム等の材料から押出される。しかし、本発明の種々の実施形態では、許容可能な伝熱性を備えた任意の材料の使用が意図される。さらに、スタック３２１は、好ましくは、円筒状のアセンブリを形成するように配列された複数の押出されたプレート３５０．１を含むものではあるが、本発明野田の実施形態では、モジュール３４０等の熱交換器モジュールを含む。このモジュール３４０は、複数の羽根３６０．１と少なくとも１つのハブ３５０とを有する単一の押出円筒形状を含む。
【００６１】
図１２を参照すると、熱交換器モジュール３４０のスタック３２１は、一対のテーパ状スリーブ３８２を好ましくは有しており、該スリーブ３８２の各々はハブ３５０によって画定された中心通路３５２を介して伸びている。一実施形態では、各プレート３５０．１は、入口通路３５２．１と出口通路３５２．２とを有しており、各々が各々のハブ３５０内に画定されている。
【００６２】
モジュールスタック３２１は、各テーパ状スリーブ３８２によって伸びる管組立品３７０をさらに有しており、各々のテーパ状スリーブの内径と密着している。一実施形態では、管組立品３７０は、Ｕ字形接続部を一端に有することで、入口流路と出口流路とが連結される。しかし、本発明の他の実施形態では、単一の直流冷却通路、さらには複数の直流冷却通路も意図している。
【００６３】
モジュールスタック３２１は、複数のモジュール３４０の円筒状の組立品の各々の端部に各々が位置する一対のカバープレート３４１．２を有する。いくつかの実施形態では、これらのカバープレートは、気体水素が脱着の過程で拡散するポケットを提供する。他の実施形態では、これらのカバープレートは、溝を有しており、該溝には、Ｏリングが挿入され、それによって密閉状態が得られることで、粉体状の水素化物がスタック３２１から物理的に移動するのを最小限にする。好ましくは、スタック３２１を完全に圧力容器内に入れることで、冷却羽根３６０の端部を相互に連結させる周方向リング３６８の両側の圧力差はほとんどあるいはまったくないようにする。
【００６４】
図１２および１３を参照して、熱交換器組立品３４０は、それぞれ好ましくはプレート３５０．１、および各ポケット３４６内に多量の金属水素化物材料を含んでいる。簡素化するために、金属水素化物材料は図１２または図１３では図示されていない。一実施形態では、スタックをなすプレート３５０．１が互いに密着することがないように置かれた後に、ポケット３４６または各々のプレート３５０．１を、ルーズな状態になる水素化物で充填する。しかし、本発明はそのように限定されるものではなく、任意の方法によって水素化物材料をポケット３４６内に配置することを意図している。
【００６５】
図１３ａを参照すると、プレート３５０．１は、羽根からポケットの中心までの最長距離が約２０ミリメートルを超えないように、またいくつかの実施形態では１５ミリメートルを超えないように、適合かつ構成された羽根からなるパターン３６０．１を有する。この間隔を達成するために、パターン３６０．１は一対の結節点３６６を有し、該結節点は、各々、第１の羽根３６２および第２の羽根３６４を相互に連結させる。図１３ａは、２つの結節点３６６を示しており、これらの結節点３６６は、中央通路３５２．１と中央通路３５２．２との中心線を通って延びる水平中心線に対して対称に配置（羽根パターン３６０．１に沿って）されている。各結節点３６６は、第２の羽根３６４と一対の第１の羽根３６２とを相互に連結させる。ここで用いられるように、第１の冷却羽根はハブ３５０に密着している。第２の羽根は、ハブに密着していないが、その代わりに、他の第２の羽根または第１の羽根と接続している。羽根パターン３６０．１を、一対の結節点３６６と一対の第２の羽根３６４とを含むように、見ることができる。
【００６６】
図１４を参照すると、本発明の一実施形態によるテーパ状スリーブ３８２が示されている。テーパ状スリーブ３８２は、双方向テーパ３８４を有し、該双方向テーパ３８４は、スリーブの端部間に外径が最大となるところがあり、両端部３８９に向けて最大外径から最小外径までテーパ状になっている。図１４に示すように、テーパ状スリーブ３８２は、中央部分に最大外径を有している。しかし、本発明はそのように限定されるものではなく、最大外径がスリーブ３８２の長手方向に沿ういずれかの場所にある双方向テーパを意図している。さらに、他の実施形態は、最大外径がねじ切端部３８９に隣接し、スリーブの他端部にある最小外径にまで及んでいるテーパ状スリープを意図する。さらに、理解されることは、ナット等の雌ねじ切型コネクタとの連結にねじ切端部３８９を用いることができるが、本発明はそれに限定されるものではなく、他の仕組みを用いて、スリーブ３８２の長手方向に沿って置かれた複数のプレート３４９からなるスタックを圧縮することである。
【００６７】
スリーブ３８２の双方向テーパは、このスリーブが有する所定のテーパの最大外径を、単方向テーパを持つ他のスリーブよりも、小さくすることが可能である。一方向テーパ状スリーブの最大外径は、テーパ量が同じ場合、図１４に示される双方向テーパ状スリーブの中心における最大外径よりも約２倍になると考えられる。
【００６８】
スリーブ３８２は、該スリーブの長手方向に沿って配置された複数のスロット３８４．１を有する。これらのスロットによって、スリーブの断面特性である圧縮剛性が局所的に弱まる部分が得られる。したがって、プレート３５０．１がスリーブの一端から中央部分に向けて該スリーブ上に積層されるので、ねじ切端部３８９に締め具を締め付けることで、プレートのハブがスリーブのテーパ状外径を圧縮するように、組み立てられたプレートスタックを圧縮された状態にする。スリーブ３８２の外径に対するプレートハブ３５０の内径による圧縮は、スリーブＩ．Ｄ．がスリーブＯ．Ｄ．に密接するようになり、かつ接触熱抵抗の減少が達成されるように、スロットに沿ったスリーブの局所的変形をもたらす。
【００６９】
熱交換器３２０の充填手順は以下のとおりである。既に活性化されている金属水素化物は、空気および湿気と反応する。したがって、充填プロセスは箱の中でアルゴンの不活性雰囲気下で、実行される。熱交換器プレートを、６ないし８枚の一群として、垂直に積み重ねる。頑丈な基部にプレートを固定した後に、金属水素化物粉体をポケットの中に注ぎ、次に、所望量の粉体が充填されるまで、金型（ポケットの形状）を用いて圧縮する熱交換器のプレートがすべて充填されるまで、このプロセスが継続される。
【００７０】
活性化されていない金属水素化物粉体を、熱交換器に充填することができ、次に粉体を活性化することができる。さらに、熱交換用の羽根の形状に金属水素化物粉体を焼結させることが可能であり、それによって２つの間の接触が増加する。好ましくは、熱交換器の各々の端部に濾紙を置くことで、気体水素を流している間、金属水酸化物を封じ込める。小さな多孔性円板もまた、好ましくは、熱交換器の各端部に置かれる。このことは、気体水素用の拡散プレートとして作用し、気体水素を入口ポートから熱交換器の全てのポケットへの拡散を容易にする。
【００７１】
図１５は、本発明の別の実施形態にもとづくモジュールスタック４２１の写真である。モジュール４２１は、スタックの中心に概略置かれた圧縮可能な中間プレート４３６を有する点を除いて、モジュール３２１と類似している。プレート４４９が一対のテーパ状スリーブ４８２（図１５中、不図示）に置かれるとともに、プレートは、一対のねじ切ナット４９０（図１５中、不図示）によって、ねじ切スリーブの外径に対して、さらにおこなう。ナットを締めることで、テーパ状スリーブの外面に沿ってプレート４４９が摺動し、そして軸方向の動きによって、中間プレート４３６の圧縮が生ずる。
【００７２】
中間プレート４３６は、複数のプレート４４９からなる組み立てられたスタック内の圧縮を保つ一方で、軸方向での熱膨張および収縮を可能にする。好ましくは、中間プレート４３６は、プラスチックまたはエラストマー材料等の弾力のある材料から作られる。しかしながら、本発明はそのように限定されるものではなく、アルミニウムまたは他の金属製でありながら、軸方向での動きを可能にするように配向された１つ以上のスプリング機構を有する中間プレートを意図する。一実施形態として、本発明の別の実施形態にもとづいてプレート化された中間体は、１つのリングが別のリングによって誘導され、周面のまわりに位置した波形スプリングまたは複数のコイルスプリングを有する一対のリングが考えられる。一例として、この中間プレート組立品の１つのリングは、軸方向に配置された誘導ピンによって、または他のリングの延長誘導面に沿って乗る内径を有する１枚のプレートを有することによって、他のプレート上で誘導される場合がある。複数のリングから構成されるこのバネ仕掛けの組立品は、同様に、組み立てられたスタックを圧縮された状態に保つ一方で、軸方向の熱膨張または圧縮をおこなう手段を提供する。
【００７３】
図１５では、機械加工された熱交換器プレートのすべてを積み重ねてボルトで締めることで、熱交換器を形成する。ある一実施形態では、コレットの各々の側面に２０枚、合計で４０枚のプレートがある。中心には、テフロン（登録商標）製のプレート４３６がある。柔軟で、容易に圧縮可能なテフロン（登録商標）は組み立てられたスタックが膨張して接触することから、熱交換器プレートのテーパとコレットとの間の不一致を減少させる機能を果たし、良好な熱的接触を提供する。
【００７４】
図１６〜２０は、本発明の種々の実施形態による熱交換用の羽根の網目構造の種々の設計を示す。羽根（リブ）の位置および厚さは、特に気体水素の充填時間を短縮（例えば３００秒）するために、異なる金属水素化物粉体の特性に応じて修飾することができる。設計のいくつかの特徴として、羽根がプレートと冷却剤管とから生じていることが含まれる。このことによって、高い伝熱率の達成、さらには機械強度の増加が容易になる。いくつかの実施形態では、冷媒剤を基準とした位置に応じて、ポケットの寸法が変動する。冷却剤管により近いポケットは、冷却剤管から離れているものよりも、概して大きい。このことは、寸法がより大きい熱交換器を設計する場合に、有用である。さらに他の実施形態では、すべての羽根が冷却剤管および外側縁部を相互に連結させることが含まれる。外側縁部は、熱交換器内に粉体を含ませる際に役立つとともに、付加的な伝熱ルートとしての機能を果たす。
【００７５】
図１６、１７、１８、１９、および２０は、本発明の異なる実施形態によって様々な片側断面パターンの羽根を示す。一般に、これらの形状の各々は、それらが２つの次元の形状であるという点で、押出成形可能である。それらの各々は、２つの中心通路Ｘ５２．１またはＸ５２．２の一方の１つから放射する複数の第１の羽根Ｘ６２を示している。さらに、あるパターンＸ６０．１は少なくとも１つの第２の羽根Ｘ６４を含んでおり、該第２の羽根Ｘ６４は、第１の羽根が接触する中心通路とは接触しない。さらに、第２の羽根は、結節点Ｘ６６によって第１の羽根または別の第２の羽根に連結する。図１６ｃは、パターン５６０．１ｃを示すもので、該パターン５６０．１ｃは外側リング４１（例えば、図１６ａに示す封じ込めリング５４１ａ）を含まない。図１６ｂは、いずれの羽根５６０ｂよりも実質的に薄い封じ込めリング５４１ｂを示す。さらに、図１６ｂでは、第１の羽根５６２ｂ”を２枚有することが示されており、この羽根は隣接する縁部５６２ｂ’の厚さの約１／２である。
【００７６】
図１７ａの羽根パターン６６０．１ａには、第２の羽根６６４ａが４枚有ることがわかる。この第２の羽根６６４ａは、封じ込めリング６４１の一方の側面上の点から、リング６４１ａの他方の側面上の鏡像点に伸び、２枚の第１の羽根６６２ａＰと４枚の第２の羽根６６２ａとの連結点である結節点６６６ａが含まれる。さらに、羽根パターン６６０．１の全てにおいて、それによって画定されるポケット６４６が実質的に三角形の形状であることがわかる。
【００７７】
図１８ｂおよび１８ｄには、第２の羽根７６４ｂおよび７６４ｄが各々含まれており、それらは対応する中心通路７５２ｂおよび７５２ｄと実質的に同心である。図１８、１９、および２０に示す羽根パターンの各々は、共線状の第２の羽根（各々、７６４、８６４、および９６４）の少なくとも１つの配置を、さらに含んでおり、これら第２の羽根は左から右へ伸びるとともに、対応する中心経路の中心点を結ぶ線と実質的に平行である。図１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ、２０ｂ、２０ｃ、および２０ｄは、さらに、第２の羽根からなる上記した共線状の配置に対して実質的に平行である第２の羽根Ｘ６４の第２の実質的に共線条の配置を、含む。
【００７８】
図２１は、本発明の別の実施形態にもとづく熱交換器１０２０の概念図を示す。既に議論した考えをより大きな寸法に拡張することで、より多くの金属水素化物粉体および冷却剤管に対応する。この設計では、多数の冷却剤管が単一の中心冷却剤ラインから分かれる。このことは、多数の入口ポートおよび出口ポートの複雑さおよびコストを最小限にする。管が多数あることにより、より多くの金属水素化物を、単一の圧力容器内での水素化の過程で冷却することができる。このことによって、圧力容器の数を減らすことが可能であろう。
【００７９】
図２１は、本発明の別の実施形態による気体容器組立品１０２０を示す斜視図である。組立品１０２０は、冷却剤入口１０３２．１を有する。この冷却剤入口１０３２．１は、概略直線状の流動流路３２の出口１０３２．２と連通している。いくつかの実施形態では、単一の中心入口１０３２．１は、押出集められてされたモジュール１０４０．１のハブを介して伸びる複数の多重冷却剤管１０７０に分岐する。これらは、多重管は、組立品１０２０の他端にあるマニホルド内に集められ、出口１０３２．２から流れ出る。さらに、本発明の別の実施形態では、冷却剤が入口に入った後、かつ出口から出て行く前に、軸方向に１回以上行ったり来たりするように、多数の「Ｕ字」接続によって配置されている内部冷却剤を考える。
【００８０】
本発明は図面および上記記載により例示および説明されたが、そのことは、例示するだけのものと考えられ、文字によって制限されるものではなく、好ましい実施形態のみが示され、かつ説明されており、本発明の精神の範囲内となる全ての変更および修飾は、保護されることが望まれるものであることを、了解事項とする。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明の水素が金属水素化合物に脱吸収されるプロセスを実施する装置は、水素にかぎらず、化合物に脱吸収される際に熱の放出、入熱が必要な他の気体にも応用することができる。
【符号の説明】
【００８２】
２０  気体容器組立品
２１  熱交換機モジュール
２２  気体吸収材料
２４  気体
３０  圧力容器
４１  封じ込め容器
７０  冷却剤Ｕ字管
【図１】
2012516984.tif 000004
【図２】
2012516984.tif 000005
【図３】
2012516984.tif 000006
【図４ａ】
2012516984.tif 000007
【図４ｂ】
2012516984.tif 000008
【図４ｃ】
2012516984.tif 000009
【図４ｄ】
2012516984.tif 000010
【図５】
2012516984.tif 000011
【図６】
2012516984.tif 000012
【図７】
2012516984.tif 000013
【図８】
2012516984.tif 000014
【図９】
2012516984.tif 000015
【図１０】
2012516984.tif 000016
【図１１】
2012516984.tif 000017
【図１２】
2012516984.tif 000018
【図１３】
2012516984.tif 000019
【図１４】
2012516984.tif 000020
【図１５】
2012516984.tif 000021
【図１６】
2012516984.tif 000022
【図１７】
2012516984.tif 000023
【図１８】
2012516984.tif 000024
【図１９】
2012516984.tif 000025
【図２０】
2012516984.tif 000026
【図２１】
2012516984.tif 000027
【国際調査報告】
2012516984.tif 000028
2012516984.tif 000029
2012516984.tif 000030