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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023054704
(43)【公開日】2023-04-14
(54)【発明の名称】発熱装置
(51)【国際特許分類】
F24V 30/00 20180101AFI20230407BHJP
H05B 3/02 20060101ALI20230407BHJP
【ＦＩ】
F24V30/00 302
H05B3/02 Z
【審査請求】有
【請求項の数】3
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021163715
(22)【出願日】2021-10-04
(71)【出願人】
【識別番号】512261078
【氏名又は名称】株式会社クリーンプラネット
(74)【代理人】
【識別番号】110002675
【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 了紀
(72)【発明者】
【氏名】岩村 康弘
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 岳彦
(72)【発明者】
【氏名】吉野 英樹
【テーマコード（参考）】
3K092
【Ｆターム（参考）】
3K092PP20
(57)【要約】
【課題】ヒータ投入電力に対する発熱素子の発熱量の比を向上させることができる発熱装置を提供する。
【解決手段】発熱装置は、互いに間隔を空けて設けられる一対のヒータ６と、水素を吸蔵可能に形成され、一対のヒータ６の熱による水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する複数の発熱素子５と、を備え、複数の発熱素子５は、互いに間隔を空けて一対のヒータ６の間に配置されている。
【選択図】図３
【解決手段】発熱装置は、互いに間隔を空けて設けられる一対のヒータ６と、水素を吸蔵可能に形成され、一対のヒータ６の熱による水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する複数の発熱素子５と、を備え、複数の発熱素子５は、互いに間隔を空けて一対のヒータ６の間に配置されている。
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに間隔を空けて設けられる一対のヒータと、
水素を吸蔵可能に形成され、前記一対のヒータの熱による前記水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する複数の発熱素子と、を備え、
複数の前記発熱素子は、互いに間隔を空けて前記一対のヒータの間に配置されている、
発熱装置。
水素を吸蔵可能に形成され、前記一対のヒータの熱による前記水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する複数の発熱素子と、を備え、
複数の前記発熱素子は、互いに間隔を空けて前記一対のヒータの間に配置されている、
発熱装置。
【請求項2】
隣り合う前記発熱素子の間におけるガスを真空排気する真空排気部を更に備え、
隣り合う前記発熱素子には、次式を満たす間隔ｈが設けられている、
請求項１に記載の発熱装置。
｛Ｃ／（３０．９Ｋｓ）×（ｂ／ａ）｝（１／２）≦ｈ［ｍｍ］≦１．２
ただし、Ｃ：隣り合う前記発熱素子の間隙における真空コンダクタンス
Ｋｓ：補正係数
ａ：流路断面の長辺に沿う方向における前記発熱素子の寸法
ｂ：真空排気方向における前記発熱素子の寸法
隣り合う前記発熱素子には、次式を満たす間隔ｈが設けられている、
請求項１に記載の発熱装置。
｛Ｃ／（３０．９Ｋｓ）×（ｂ／ａ）｝（１／２）≦ｈ［ｍｍ］≦１．２
ただし、Ｃ：隣り合う前記発熱素子の間隙における真空コンダクタンス
Ｋｓ：補正係数
ａ：流路断面の長辺に沿う方向における前記発熱素子の寸法
ｂ：真空排気方向における前記発熱素子の寸法
【請求項3】
隣り合う前記発熱素子の間に設けられ、隣り合う前記発熱素子の線膨張係数よりも大きい線膨張係数を有するスペーサを更に備える、
請求項１又は２に記載の発熱装置。
請求項１又は２に記載の発熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、発熱装置に関する。
【背景技術】
【0002】
パラジウム合金等の水素吸蔵合金に水素を吸蔵させ、水素が量子拡散する過程に起きる発熱反応を利用して熱エネルギーを得ることが提案されている。特許文献１には、水素を吸蔵した発熱素子をヒータにより加熱すると共に真空引きすることにより水素を量子拡散させ、ヒータによる加熱温度以上の過剰熱を発生させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１９－１６８２２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に開示されるように発熱素子をヒータにより加熱して過剰熱を発生させる装置においては、ヒータ投入電力に対する発熱素子の発熱量の比（ＣＯＰ）を向上させることが求められている。
【0005】
発熱素子をヒータにより加熱する方式として、複数のヒータと複数の発熱素子とを交互に並べて配置し、各発熱素子を両側からヒータにより加熱するいわゆるヒータ／発熱素子交互配列方式がある。ヒータ／発熱素子交互配列方式では、発熱素子の数をｎとしたときには、ヒータの数はｎ＋１となり、発熱素子の数に対するヒータの数の比Ｒｎは、
Ｒｎ＝（ｎ＋１）／ｎ
となる。発熱素子の数であるｎを大きくすると、Ｒｎは、１となる。すなわち、発熱素子１つに対してヒータが１つ必ず必要になる。そのため、ヒータ／発熱素子交互配列方式では、ヒータ投入電力に対する発熱素子の発熱量の比（ＣＯＰ）の向上を図ることは難しい。
Ｒｎ＝（ｎ＋１）／ｎ
となる。発熱素子の数であるｎを大きくすると、Ｒｎは、１となる。すなわち、発熱素子１つに対してヒータが１つ必ず必要になる。そのため、ヒータ／発熱素子交互配列方式では、ヒータ投入電力に対する発熱素子の発熱量の比（ＣＯＰ）の向上を図ることは難しい。
【0006】
そこで、本発明は、ヒータ投入電力に対する発熱素子の発熱量の比を向上させることができる発熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る発熱装置は、互いに間隔を空けて設けられる一対のヒータと、水素を吸蔵可能に形成され、前記一対のヒータの熱による前記水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する複数の発熱素子と、を備え、複数の前記発熱素子は、互いに間隔を空けて前記一対のヒータの間に配置されている。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、ヒータ投入電力に対する発熱素子の発熱量の比を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明による発熱装置の構成を示す概略図である。
【図2】（ａ）は、発熱素子の断面構成を示す断面図であり、（ｂ）は、多層膜において生じる過剰熱の説明に供する概略図である。
【図4】隣り合う発熱素子を示す概略図である。
【図5】隣り合う発熱素子の間隔と放射熱損失係数との関係を示すグラフである。
【図6】第１層と第２層と第３層とを有する第１変形例の発熱素子を説明するための説明図である。
【図7】第１層と第２層と第３層と第４層とを有する第２変形例の発熱素子を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。
【0011】
（１）本発明の発熱装置の全体構成
図１は、本発明の発熱装置１の構成を示す概略図である。図１に示すように、発熱装置１は、発熱に寄与する水素系ガスが導入される容器２と、容器２の内部に設けられた発熱構造体３と、を有する。発熱装置１は、水素系ガスが容器２に導入された後に、発熱構造体３において発熱素子５（後述する）がヒータ６で加熱されることで、発熱素子５が加熱温度以上の過剰熱を発するものである。容器２に導入される水素系ガスとしては、重水素ガスおよび／または天然水素ガスを適用することができる。なお、天然水素ガスとは、軽水素ガスが９９．９８５％以上含まれている、水素系ガスをいう。
図１は、本発明の発熱装置１の構成を示す概略図である。図１に示すように、発熱装置１は、発熱に寄与する水素系ガスが導入される容器２と、容器２の内部に設けられた発熱構造体３と、を有する。発熱装置１は、水素系ガスが容器２に導入された後に、発熱構造体３において発熱素子５（後述する）がヒータ６で加熱されることで、発熱素子５が加熱温度以上の過剰熱を発するものである。容器２に導入される水素系ガスとしては、重水素ガスおよび／または天然水素ガスを適用することができる。なお、天然水素ガスとは、軽水素ガスが９９．９８５％以上含まれている、水素系ガスをいう。
【0012】
容器２は、例えばステンレス（ＳＵＳ３０６やＳＵＳ３１６）等で形成されており、容器２の内部を密閉空間とし得る。容器２は、コバールガラス等の透明部材で形成された窓部２ａを有しており、容器２内の密封状態を維持しつつ、容器２内の様子を作業者が直接目視確認し得るようになされている。なお、ＳＵＳ３０６及びＳＵＳ３１６は、日本工業規格（ＪＩＳ）により規定されているステンレス鋼である。
【0013】
容器２には、水素系ガス導入路１６が接続されており、水素系ガス導入路１６を通じて容器２の内部に水素系ガスが導入される。容器２の内部に一定量の水素系ガスが貯留されると、水素系ガス導入路１６に設けられた調整弁１７ａ，１７ｂが閉じられ、水素系ガス導入路１６から容器２の内部への水素系ガスの導入が停止される。
【0014】
容器２は、排気経路１８を介して真空排気部１９と接続されている。真空排気部１９は、例えばドライポンプを有する。排気経路１８を通じて容器２内のガスを容器２の外へ排出することにより、真空排気や圧力調整等を行い得る。排気経路１８には調整弁１７ｃが設けられており、調整弁１７ｃが閉じられると、容器２からのガスの排出が停止される。
【0015】
容器２には、複数の温度測定部１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられている。この実施形態の場合、温度測定部１１ａ，１１ｂは、容器２の内壁に沿って設けられており、当該内壁の温度を測定し得る。温度測定部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、発熱構造体３において発熱素子５を保持するホルダー４に設けられており、ホルダー４における温度を測定し得る。温度測定部１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、それぞれ長さが異なっており、例えば、ホルダー４において、発熱素子５に近い下段、発熱素子５から離れた上段、下段および上段の中間にある中段の各部位の温度を測定し得る。
【0016】
ヒータ６は、例えば板状のセラミックヒータである。ヒータ６は、外部の加熱電源１３に配線１０ａ，１０ｂを介して接続されており、発熱素子５を所定温度に加熱する。ヒータ６は、熱電対を内蔵しており、熱電対により温度測定を行い得る。配線１０ａ，１０ｂには、電流電圧計１４が設けられており、ヒータ６に印加される入力電流・入力電力は、電流電圧計１４により測定される。ヒータ６により発熱素子５を加熱する際の加熱温度は、発熱素子５を構成する水素吸蔵金属の種類により異なってくるが、少なくとも３００℃以上、好ましくは５００℃以上、さらに好ましくは６００℃以上である。
【0017】
（２）発熱素子について
次に、発熱素子５について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、発熱素子５の断面構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は、多層膜２５において生じる過剰熱の説明に供する概略図である。
次に、発熱素子５について、図２を参照して説明する。図２（ａ）は、発熱素子５の断面構成を示す断面図であり、図２（ｂ）は、多層膜２５において生じる過剰熱の説明に供する概略図である。
【0018】
図２（ａ）に示すように、発熱素子５は、水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはプロトン導電体からなる台座２２と、台座２２の表面に成膜された多層膜２５と、を有する。多層膜２５は、台座２２により支持されている。台座２２となる水素吸蔵金属としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｔｉを適用でき、また、台座２２となる水素吸蔵合金としては、ＬａＮｉ５、ＣａＣｕ５、ＭｇＺｎ２、ＺｒＮｉ２、ＺｒＣｒ２、ＴｉＦｅ、ＴｉＣｏ、Ｍｇ２Ｎｉ、Ｍｇ２Ｃｕを適用できる。プロトン導電体としては、例えば、ＢａＣｅＯ３系（例えばＢａ（Ｃｅ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３－６）、ＳｒＣｅＯ３系（例えばＳｒ（Ｃｅ０．９５Ｙ０．０５）Ｏ３－６）、ＣａＺｒＯ３系（例えばＣａＺｒ０．９５Ｙ０．０５Ｏ３－α）、ＳｒＺｒＯ３系（例えばＳｒＺｒ０．９Ｙ０．１Ｏ３－α）、β Ａｌ２Ｏ３、β Ｇａ２Ｏ３を適用できる。
【0019】
多層膜２５は、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金からなる第１層２３と、第１層２３とは異なる水素吸蔵金属、水素吸蔵合金またはセラミックスからなる第２層２４と、を含む。第１層２３と第２層２４は交互に積層されており、第１層２３と第２層２４との間に異種物質界面２６が形成されている。
【0020】
第１層２３は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金のうち、いずれかからなることが望ましい。第１層２３の合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金でもよいが、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが特に望ましい。
【0021】
第２層２４は、例えば、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金、ＳｉＣのうち、いずれかからなることが望ましい。第２層２４の合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金でもよいが、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが特に望ましい。
【0022】
第１層２３と第２層２４との組み合わせとしては、元素の種類を「第１層２３－第２層２４」として表すと、Ｐｄ－Ｎｉ、Ｎｉ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｃｏであることが望ましい。また、第２層２４をセラミックスとしたときには、「第１層２３－第２層２４」が、Ｎｉ－ＳｉＣであることが望ましい。
【0023】
第１層２３および第２層２４は、バルクの特性を示さないナノ構造を維持することが望ましいため、第１層２３および第２層２４の厚さは１０００ｎｍ未満が好ましい。さらに、完全にバルクの特性を示さないナノ構造を維持するために、第１層２３および第２層２４の厚さは、５００ｎｍ未満であることが、より望ましい。
【0024】
発熱素子５は、第１層２３および第２層２４がナノサイズ（１０００ｎｍ未満）の膜厚でなり、これら第１層２３および第２層２４が交互に成膜された構成とすることで、第１層２３および第２層２４間の各異種物質界面２６を水素（水素原子）が透過可能となる。
【0025】
図２（ｂ）は、第１層２３及び第２層２４を面心立法構造の水素吸蔵金属とし、第１層２３における金属格子中の水素が、異種物質界面２６を透過して第２層２４の金属格子中に移動する様子を示した概略図である。
【0026】
容器２（図１参照）の内部に水素系ガスが導入されると、発熱素子５の多層膜２５および台座２２に水素（重水素または軽水素）が吸蔵される。容器２の内部への水素系ガスの導入が停止されても、多層膜２５および台座２２は、水素を吸蔵した状態を維持する。ヒータ６（図１参照）による発熱素子５の加熱が開始されると、多層膜２５および台座２２に吸蔵されている水素が放出され、多層膜２５内をホッピングしながら量子拡散する。
【0027】
水素は軽く、ある物質Ａと物質Ｂの水素が占めるサイト（オクトヘドラルやテトラヘドラルサイト）をホッピングしながら量子拡散していくことが分かっている。真空状態でヒータ６による発熱素子５の加熱が行われることで、第１層２３および第２層２４間の異種物質界面２６を、水素が量子拡散により透過し、或いは、異種物質界面２６を水素が拡散して、発熱素子５において加熱温度以上の過剰熱が発生する。換言すれば、発熱素子５は、水素の量子拡散において生じる発熱反応を利用して発熱する。
【0028】
図２に示す例では、複数の第１層２３および複数の第２層２４が交互に積層され、多層膜２５が２つ以上の異種物質界面２６を有している。本発明はこれに限らず、第１層２３および第２層２４が少なくとも１層ずつ設けられ、異種物質界面２６が１つであってもよい。つまり、多層膜２５は、異種物質界面２６を１つ以上有していればよい。
【0029】
図２（ａ）および図２（ｂ）に示した発熱素子５は以下のようにして製造できる。先ず、板状の台座２２を用意した後、蒸着装置を用いて、第１層２３や第２層２４となる水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を気相状態にして、凝集や吸着によって台座２２上に、第１層２３および第２層２４を交互に成膜していく。これにより発熱素子５を製造できる。
【0030】
第１層２３および第２層２４を成膜する蒸着装置としては、水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を物理的な方法で蒸着させる物理蒸着装置を適用できる。物理蒸着装置としては、台座２２上に、スパッタリングにより水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を堆積させていくスパッタリング装置、あるいは真空蒸着装置、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）装置が好ましい。また、電気めっき法により台座２２上に水素吸蔵金属または水素吸蔵合金を析出させていき、第１層２３および第２層２４を交互に成膜していってもよい。
【0031】
なお、第１層２３および第２層２４間に自然酸化膜が形成されず異種物質界面２６のみが形成されるように、発熱素子５の製造時に第１層２３および第２層２４が真空状態で連続的に成膜されることが望ましい。
【0032】
（３）発熱構造体について
図３は、発熱構造体３の拡大断面図である。図３において、ホルダー４の図示を省略している。図３に示すように、ヒータ６は、互いに間隔を空けて一対設けられており、一対のヒータ６の間に複数の発熱素子５が設けられている。図１及び図３に示す例では、発熱構造体３は、５つの発熱素子５を有しているが、発熱素子５は、２つ以上であればよい。隣り合う発熱素子５の間にはスペーサ７が設けられている。
図３は、発熱構造体３の拡大断面図である。図３において、ホルダー４の図示を省略している。図３に示すように、ヒータ６は、互いに間隔を空けて一対設けられており、一対のヒータ６の間に複数の発熱素子５が設けられている。図１及び図３に示す例では、発熱構造体３は、５つの発熱素子５を有しているが、発熱素子５は、２つ以上であればよい。隣り合う発熱素子５の間にはスペーサ７が設けられている。
【0033】
ここで、ヒータ６の加熱効率を考える指標の１つとして、発熱素子５の数とヒータ６の数の比Ｒｎを用いることがある。発熱素子５の数をｎとしヒータ６の数をｍとすると、発熱素子５の数に対するヒータ６の数の比Ｒｎは、
Ｒｎ＝ｍ／ｎ
となる。
Ｒｎ＝ｍ／ｎ
となる。
【0034】
従来のように、複数のヒータ６と複数の発熱素子５とを交互に並べて配置し、各発熱素子５を両側からヒータ６により加熱するいわゆるヒータ／発熱素子交互配列方式では、ヒータ６の数ｍはｎ＋１となり、発熱素子５の数に対するヒータ６の数の比Ｒｎは、
Ｒｎ＝（ｎ＋１）／ｎ
となる。発熱素子５の数ｎを大きくすると、比Ｒｎは、極めて「１」に近くなる。すなわち、１つの発熱素子５に対してヒータ６が１つ必ず必要になる。そのため、ヒータ／発熱素子交互配列方式では、ヒータ６への投入電力に対する発熱素子５の発熱量の比（ＣＯＰ）の向上を図ることは難しい。
Ｒｎ＝（ｎ＋１）／ｎ
となる。発熱素子５の数ｎを大きくすると、比Ｒｎは、極めて「１」に近くなる。すなわち、１つの発熱素子５に対してヒータ６が１つ必ず必要になる。そのため、ヒータ／発熱素子交互配列方式では、ヒータ６への投入電力に対する発熱素子５の発熱量の比（ＣＯＰ）の向上を図ることは難しい。
【0035】
本実施形態では、一対のヒータ６の間に複数の発熱素子５が設けられるため、ヒータ６の数ｍは、「２」であり、発熱素子５の数に対するヒータ６の数の比Ｒｎは、
Ｒｎ＝２／ｎ
となる。発熱素子５の数ｎを大きくすると、比Ｒｎは、極めて「０」に近くなる。すなわち、ヒータ６への投入電力を発熱素子５の発熱量に対して極めて小さくすることができ、ヒータ６への投入電力に対する発熱素子５の発熱量の比（ＣＯＰ）の向上を期待することができる。
Ｒｎ＝２／ｎ
となる。発熱素子５の数ｎを大きくすると、比Ｒｎは、極めて「０」に近くなる。すなわち、ヒータ６への投入電力を発熱素子５の発熱量に対して極めて小さくすることができ、ヒータ６への投入電力に対する発熱素子５の発熱量の比（ＣＯＰ）の向上を期待することができる。
【0036】
本実施形態において、隣り合う発熱素子５の間隔ｈが狭すぎると、真空排気部１９を用いても隣り合う発熱素子５の間からガスが排気されず、水素系ガス導入路１６を通じて容器２の内部に導入された水素系ガスが隣り合う発熱素子５の間へ行き渡らなくなる。その結果、発熱素子５が十分な量の水素を吸蔵できなくなり、期待したＣＯＰ増大効果を得られないおそれがある。また、隣り合う発熱素子５の間隔ｈが広すぎると、発熱素子５の発熱面から周囲へ放射される熱量が増大する。その結果、放射熱損失が増大し、期待したＣＯＰ増大効果を得られないおそれがある。そこで、ＣＯＰ増大効果を期待できる間隔ｈを求める。
【0037】
まず、隣り合う発熱素子５の間隙をスリットと考え、真空コンダクタンスから、間隔ｈの下限値を求める。ここでは、隣り合う発熱素子５により、流路断面（真空排気方向に直交する切断面をいう）が長方形に形成されるものとする。この場合、隣り合う発熱素子５の間隔ｈは、図４に示すように、長方形の流路断面の短辺寸法に相当する。流路断面の長辺に沿う方向における発熱素子５の寸法を「ａ」とし、真空排気方向における発熱素子５の寸法を「ｂ」とすると、２０℃の空気のときの真空コンダクタンスＣは、補正係数Ｋｓを用いて
Ｃ＝３０．９Ｋｓ（ａｈ２／ｂ）［ｃｍ３／ｓ］・・・（式１）
として表される。
Ｃ＝３０．９Ｋｓ（ａｈ２／ｂ）［ｃｍ３／ｓ］・・・（式１）
として表される。
【0038】
式１を変形すると、
ｈ＝｛Ｃ／（３０．９Ｋｓ）×（ｂ／ａ）｝（１／２）・・・（式２）
となり、式２により算出される数値が間隔ｈの下限値となる。なお、式２において、補正係数Ｋｓは、「１」として扱うことができる。
ｈ＝｛Ｃ／（３０．９Ｋｓ）×（ｂ／ａ）｝（１／２）・・・（式２）
となり、式２により算出される数値が間隔ｈの下限値となる。なお、式２において、補正係数Ｋｓは、「１」として扱うことができる。
【0039】
隣り合う発熱素子５の間隙における真空コンダクタンスＣは、真空排気部の定格真空排気流量Ｑと、真空排気時における隣り合う発熱素子５の間の圧力と発熱素子５の周囲の圧力との差Δｐと、を用いて、
Ｃ＝Ｑ／Δｐ［ｃｍ３／ｓ］・・・（式３）
として表される。
Ｃ＝Ｑ／Δｐ［ｃｍ３／ｓ］・・・（式３）
として表される。
【0040】
例えば、発熱素子５の寸法ａ，ｂをそれぞれ２．５ｃｍ、２．５ｃｍとし、真空排気部の定格真空排気流量Ｑを２．７９Ｅ－２ｃｍ３・Ｐａ／ｓとし、隣り合う発熱素子５の間の圧力を０．１Ｐａとし、真空排気時における発熱素子５の周囲の圧力を１Ｅ－５Ｐａとすると、式２から求められる間隔ｈは０．０９５ｃｍ、すなわち０．９５ｍｍとなる。したがって、間隔ｈの下限値は０．９５ｍｍとなる。
【0041】
次に、隣り合う発熱素子５を有限幅の平行平板と考え、隣り合う発熱素子５の間隔ｈと放射熱損失係数Ｈｃとの関係から、間隔ｈの上限値を求める。隣り合う発熱素子５の放射熱損失係数Ｈｃは、発熱素子５の寸法ａ，ｂをそれぞれ２．５ｃｍ、２．５ｃｍとしたときに最大となることがわかっており、このとき、隣り合う発熱素子５の間隔ｈと放射熱損失係数Ｈｃとの間には、図５に示すグラフの関係がある。図５に示すグラフにおいて、横軸は、隣り合う発熱素子５の間隔ｈであり、縦軸（対数軸）は、放射熱損失係数Ｈｃである。放射熱損失係数Ｈｃは、０．１以下が好適であるとわかっているため、図５から、隣り合う発熱素子５の間の間隔ｈの上限値は、１．２ｍｍとなる。
【0042】
そこで、本実施形態では、隣り合う発熱素子５の間隔ｈを、次式を満たす値とする。
｛Ｃ／（３０．９Ｋｓ）×（ｂ／ａ）｝（１／２）≦ｈ［ｍｍ］≦１．２・・（式４）
そのため、隣り合う発熱素子５の間における真空排気が妨げられず水素が供給され、複数の発熱素子５が十分な量の水素を吸蔵することが可能となる。また、発熱素子５の発熱面からの放射熱損失を抑えることが可能となる。したがって、ヒータ６への投入電力に対する発熱素子５の発熱量の比をより向上させることができる。
｛Ｃ／（３０．９Ｋｓ）×（ｂ／ａ）｝（１／２）≦ｈ［ｍｍ］≦１．２・・（式４）
そのため、隣り合う発熱素子５の間における真空排気が妨げられず水素が供給され、複数の発熱素子５が十分な量の水素を吸蔵することが可能となる。また、発熱素子５の発熱面からの放射熱損失を抑えることが可能となる。したがって、ヒータ６への投入電力に対する発熱素子５の発熱量の比をより向上させることができる。
【0043】
隣り合う発熱素子５の間には、発熱素子５の線膨張係数以下の線膨張係数を有するスペーサ７が設けられる。そのため、スペーサ７の線膨張係数が発熱素子５の線膨張係数よりも大きい場合と比較して、発熱素子５とスペーサ７との間の接触面での熱応力は小さくなる。したがって、接触面での発熱素子５の破損を防止することができる。
【0044】
スペーサ７となる材料としては、例えば、発熱素子５がＮｉ（線膨張係数は約１２．８Ｅ－６／℃）からなる場合には、Ｎｉ、ＳＵＳ４３０（線膨張係数は約１０．４Ｅ－６／℃）、ＳＵＳ４１０（線膨張係数は約９．９Ｅ－６／℃）、ＳＵＳ６３０（線膨張係数は約１０．８Ｅ－６／℃）、アルミナ（線膨張係数は約７．０Ｅ－６／℃）、炭化ケイ素（線膨張係数は約４．０Ｅ－６／℃）、窒化ケイ素（線膨張係数は約３．０Ｅ－６／℃）、ジルコニア（線膨張係数は約１０．０Ｅ－６／℃）、窒化アルミニウム（線膨張係数は約５．０Ｅ－６／℃）を適用することができる。なお、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４１０及びＳＵＳ６３０は、日本工業規格（ＪＩＳ）により規定されているステンレス鋼である。
【0045】
アルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニア及び窒化アルミニウム等のセラミックスは、Ｎｉ等の金属、並びにＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４１０及びＳＵＳ６３０等の合金と比較して線膨張係数が小さいため、熱応力の観点からは好ましいが、金属及び合金と比較して脆く、隣り合う発熱素子５の間に配置する際に破損するおそれがある。このような理由から、スペーサ７は、金属又は合金からなることが好ましい。
【0046】
以上、本発明の実施形態及び実施例について説明したが、本発明は上記の実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【0047】
［第１変形例］
上記実施形態では、発熱素子５が第１層２３および第２層２４を交互に積層した多層膜２５を有する例について説明したが、本発明はこれに限らず、図６に示す発熱素子５Ａであってもよい。発熱素子５Ａは、第１層２３および第２層２４に加え、これら第１層２３および第２層２４とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第３層２４ａを積層することによって形成された多層膜２５Ａを有している。第３層２４ａとしては、第１層２３および第２層２４と同様に、厚さが１０００ｎｍ未満であることが望ましい。
上記実施形態では、発熱素子５が第１層２３および第２層２４を交互に積層した多層膜２５を有する例について説明したが、本発明はこれに限らず、図６に示す発熱素子５Ａであってもよい。発熱素子５Ａは、第１層２３および第２層２４に加え、これら第１層２３および第２層２４とは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第３層２４ａを積層することによって形成された多層膜２５Ａを有している。第３層２４ａとしては、第１層２３および第２層２４と同様に、厚さが１０００ｎｍ未満であることが望ましい。
【0048】
このような第３層２４ａを設けた発熱素子５Ａは、台座２２上に第１層２３、第２層２４、第１層２３、および第３層２４ａの順番で積層し、第２層２４および第３層２４ａ間に第１層２３を介在させた積層構成とし、この４層の積層構成を繰り返し設けた構成を有する。このような構成でも、第１層２３および第２層２４間の異種物質界面や、第１層２３および第３層２４ａ間の異種物質界面を、水素が量子拡散により透過することで、加熱温度以上の過剰熱を発生させることができる。
【0049】
例えば、第３層２４ａとしては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏ、これらの合金、ＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちいずれかであることが望ましい。第３層２４ａの合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金でもよいが、特に好ましくは、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが望ましい。これらのうちＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第３層２４ａを設けた場合には、発熱素子５での水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面を透過する水素の量を増加でき、その分、高い過剰熱を得ることができる。
【0050】
ただし、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯは、水素を透過し難いことから、これらＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第３層２４ａでは、厚さを１０００ｎｍ未満、特に１０ｎｍ以下として極めて薄く形成することが望ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第３層２４ａは、完全な膜状に形成せずに、アイランド状に形成されていても良い。また、第１層２３および第３層２４ａも、真空状態を維持したまま連続的に成膜し、第１層２３および第３層２４ａ間に自然酸化膜を形成せずに異種物質界面を作製することが望ましい。
【0051】
なお、第３層２４ａを設けた発熱素子５Ａとしては、図６の第２層２４および第３層２４ａの順番を換える等、第２層２４および第３層２４ａを任意の順に積層し、かつ、第２層２４および第３層２４ａ間に第１層２３を介在させた積層構成とし、この４層の積層構成を繰り返し設けた構成であってもよい。また、第３層２４ａは、発熱素子５Ａに１層以上形成されていればよい。
【0052】
特に、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａの組み合わせとしては、元素の種類を「第１層２３－第３層２４ａ－第２層２４」として表すと、Ｐｄ－ＣａＯ－Ｎｉ、Ｐｄ－Ｙ２Ｏ３－Ｎｉ、Ｐｄ－ＴｉＣ－Ｎｉ、Ｐｄ－ＬａＢ６－Ｎｉ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｕ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｕ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｕ、Ｎｉ－Ｃｏ－Ｃｕ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｒ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｒ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｒ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｍｇ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｍｇ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｍｇ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｍｇ、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｏ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｏ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｏ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｏ、Ｎｉ－ＣａＯ－ＳｉＣ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－ＳｉＣ、Ｎｉ－ＴｉＣ－ＳｉＣ、Ｎｉ－ＬａＢ６－ＳｉＣであることが望ましい。
【0053】
［第２変形例］
図７に示す発熱素子５Ｂを用いてもよい。発熱素子５Ｂは、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａに加えて、さらに、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａとは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第４層２４ｂを積層することによって形成された多層膜２５Ｂを有している。第４層２４ｂは、第１層２３や第２層２４、第３層２４ａと同様に厚さが１０００ｎｍ未満でなることが望ましい。
図７に示す発熱素子５Ｂを用いてもよい。発熱素子５Ｂは、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａに加えて、さらに、第１層２３、第２層２４および第３層２４ａとは異種の水素吸蔵金属、水素吸蔵合金、またはセラミックスからなる第４層２４ｂを積層することによって形成された多層膜２５Ｂを有している。第４層２４ｂは、第１層２３や第２層２４、第３層２４ａと同様に厚さが１０００ｎｍ未満でなることが望ましい。
【0054】
例えば、第４層２４ｂとしては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、ＣＯ、これらの合金、ＳｉＣ、ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのうちいずれかであってもよい。第４層２４ｂの合金としては、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏに添加元素を添加させた合金でもよいが、特に好ましくは、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｇ、Ｃｏのうち２種以上からなる合金であることが望ましい。
【0055】
第４層２４ｂを設けた発熱素子５Ｂは、第２層２４、第３層２４ａ、第４層２４ｂが任意の順に積層し、かつ、これら第２層２４、第３層２４ａ、第４層２４ｂのそれぞれの間に第１層２３が設けられた積層構成とし、これら６層の積層構成を繰り返し設けた構成が望ましい。すなわち、図７に示すような第１層２３、第２層２４、第１層２３、第３層２４ａ、第１層２３、第４層２４ｂの順や、その他、図示しないが、第１層２３、第４層２４ｂ、第１層２３、第３層２４ａ、第１層２３、第２層２４の順等に積層させた発熱素子５Ｂであることが望ましい。また、第４層２４ｂは、発熱素子５Ｂに１層以上形成されていればよい。
【0056】
特に、第１層２３、第２層２４、第３層２４ａ、および第４層２４ｂの組み合わせとしては、元素の種類を「第１層２３－第４層２４ｂ－第３層２４ａ－第２層２４」として表すと、Ｎｉ－ＣａＯ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－Ｙ２Ｏ３－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＴｉＣ－Ｃｒ－Ｆｅ、Ｎｉ－ＬａＢ６－Ｃｒ－Ｆｅであることが望ましい。
【0057】
ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第４層２４ｂを設けた場合、発熱素子５Ｂでの水素の吸蔵量が増加し、異種物質界面を透過する水素の量を増加でき、その分、高い過剰熱を得ることができる。これらＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第４層２４ｂでは、厚さを１０００ｎｍ未満、特に１０ｎｍ以下として極めて薄く形成することが望ましい。ＣａＯ、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＣ、ＬａＢ６、ＳｒＯ、ＢａＯのいずれかからなる第４層２４ｂは、完全な膜状に形成せずに、アイランド状に形成されていても良い。また、第１層２３および第４層２４ｂでも、真空状態を維持したまま連続的に成膜し、第１層２３および第４層２４ｂ間に自然酸化膜を形成せずに異種物質界面を作製することが望ましい。
【符号の説明】
【0058】
１ 発熱装置
５，５ａ，５ｂ 発熱素子
６ ヒータ
７ スペーサ
５，５ａ，５ｂ 発熱素子
６ ヒータ
７ スペーサ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【手続補正書】
【提出日】2023-01-17
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項3】
隣り合う前記発熱素子の間に設けられ、隣り合う前記発熱素子の線膨張係数以下の線膨張係数を有するスペーサを更に備える、
請求項１又は２に記載の発熱装置。
請求項１又は２に記載の発熱装置。