(57)【要約】自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、第一作動流体が流れる第一流体回路と、圧縮性流体である第二作動流体が流れる第二流体回路と、前記第二作動流体が放熱するとともに、前記第一作動流体が受熱する第一熱交換器と、前記第一作動流体が放熱するとともに、前記第二作動流体が受熱する第二熱交換器と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の上流側であって前記第二熱交換器の下流側に配置された圧縮機と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された膨張機と、前記第一流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された被処理ユニットと、を備えている。
2013115073.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一作動流体が流れる第一流体回路と、
圧縮性流体である第二作動流体が流れる第二流体回路と、
前記第二作動流体が放熱するとともに、前記第一作動流体が受熱する第一熱交換器と、
前記第一作動流体が放熱するとともに、前記第二作動流体が受熱する第二熱交換器と、
前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の上流側であって前記第二熱交換器の下流側に配置された圧縮機と、
前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された膨張機と、
前記第一流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された被処理ユニットと、を備えている、
自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項２】
前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられる、
請求項１に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項３】
前記膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とが接続されている、
請求項２に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項４】
前記第一流体回路の入口に配置された輸送ポンプと、
前記第一流体回路の出口に配置された減圧弁と、をさらに備えている、請求項１に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項５】
圧縮性流体である作動流体が流入する被処理ユニットと、
前記被処理ユニットを出た作動流体が放熱するとともに、前記被処理ユニットに入る前の作動流体が受熱する、熱交換器と、
前記被処理ユニットと前記熱交換器との間に配置された圧縮機と、を備えている、
自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項６】
前記熱交換器において放熱した前記作動流体を膨張させる膨張機をさらに備えている、請求項５に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項７】
前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられる、
請求項６に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項８】
前記作動流体が空気であり、
前記被処理ユニットを出た前記空気は、前記圧縮機を通過後に、前記熱交換器において放熱する、請求項７に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項９】
前記作動流体が水または水蒸気であり、
前記熱交換器において受熱した前記水または空気は、前記圧縮機を通過後に、前記被処理ユニットに流入する、請求項５に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項１０】
前記熱交換器において放熱した前記作動流体を減圧する減圧弁をさらに有している、請求項９に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項１１】
前記被処理ユニットが、滅菌処理を行うユニットである、請求項１０に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項１２】
前記被処理ユニットが、コンクリート養生を行うユニットである、請求項１０に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項１３】
外部から取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機の下流に配置された被処理ユニットと、
前記空気を膨張させて、前記被処理ユニットに向けて送出する膨張機と、
前記圧縮機を出た後であって前記膨張機に流入する前の前記空気が放熱するとともに、前記被処理ユニットを出た前記空気が受熱する、熱交換器と、備えた、
自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項１４】
前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられる、
請求項１３に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項１５】
圧縮性流体である作動流体を被処理ユニットに流入する工程と、
前記被処理ユニットにおいて前記作動流体を利用する工程と、
前記被処理ユニットから排出された前記作動流体を圧縮する工程と、
前記圧縮された前記作動流体が放熱するとともに、前記被処理ユニットに流入する前の前記作動流体が受熱する熱交換を行う工程と、を有する、
自己熱再生を利用した省エネルギー方法。
【請求項１６】
放熱した前記作動流体を膨張する工程を更に備え、前記膨張工程で生じる動力を、前記圧縮工程における動力に利用する、
請求項１５に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動流体の有する自己熱を利用した省エネルギー装置および省エネルギー方法に関し、詳しくは、廃棄される熱を抑えて、系全体のエクセルギー率を向上した省エネルギー装置および省エネルギー方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
空調機（暖房機）は、ガスを燃焼して外気を加熱し、高温の空気を室内に供給する。高温の空気は、室内を暖めた後、大気に放出される。また、空調機（冷房機）は、冷媒によって空気を冷却し、低温の空気が室内に供給される。低温の空気は、室内を冷やした後、大気に放出される（例えば、特許文献１参照）。また、従来の省エネルギー装置としてヒートポンプが知られている。【０００３】
以下、従来のヒートポンプ、乾燥機、暖房機、冷房機、滅菌装置について説明する（例えば、特許文献２〜４参照）。【０００４】
（１．従来のヒートポンプ）
図１Ｂに示すヒートポンプ１１０は、第一流体回路１１０Ａと、冷媒が流れる第二流体回路１１０Ｂとを備える。第一流体回路１１０Ａは、第一熱交換器１１２と、被処理ユニット１１３とを備えている。第二流体回路１１０Ｂは、冷媒が循環する閉じた流体回路であり、圧縮機１１５と、熱交換器１１２と、膨張機１１６と、第二熱交換器１１７とを備え、これらが順に配管で接続されている。【０００５】
ヒートポンプ１１０は、外気の熱を第二熱交換器１１７に集めて、外気と冷媒とを熱交換する。熱を得た冷媒は、圧縮機１１５で圧縮され、さらに高温高圧となる。高温高圧になった冷媒と、作動流体の導入口１１１から取り込まれた空気とを第一熱交換器１１２で熱交換して、冷媒から熱を得た空気が、室内１１３に放出される。一方、空気を加熱した冷媒は、膨張機１１６で低温低圧となり、再び熱第二交換器１１７に戻る。【０００６】
ヒートポンプ１１０は、外気の温度が低い場合、冷媒との温度差が小さく、省エネルギー効果が低い。また、室内に導入した高温の空気は、室内を温めた後、そのまま廃棄されるので、その熱エネルギーは十分に利用されない。【０００７】
（２．従来の乾燥機）
図２Ｃに示す従来の乾燥機１２０は、送風ファン１２１により外気を取り込み、電気ヒーター１２２により外気に熱を与え、または、燃料を燃焼させて燃料の持つ化学エネルギーを熱に変え、その熱により取り込んだ外気を温める。そして、温められた外気が槽１２３に取り入れられ、熱風により洗濯物等の対象物が乾燥される。槽１２３で対象物を乾燥した空気は、送風ファン１２４によって、槽外に放出される。放出される空気の持つ熱エネルギーは、廃棄されるので、エネルギーの損失が大きく、エクセルギー率は低い。【０００８】
（３．従来の空調機）
図３Ｂに示す従来の暖房機１３０において、室内機１３０Ａから出た冷媒（２０℃）が、膨張弁１３６により減圧されて、低温低圧の冷媒（−１０℃）となり、室外熱交換器１３４に入る。室外熱交換器１３４に入った低温低圧の冷媒（−１０℃）は、室外ファン１３３によって取り込まれた外気（７℃）と熱交換して、外気温と略同温の冷媒（７℃）となる。この冷媒（７℃）は、圧縮機１３５で圧縮され、高温高圧の冷媒（４０℃）となる。高温高圧の冷媒（４０℃）は、室内熱交換器１３２に入り、室内ファン１３１により取り込まれた室内の空気（２０℃）と熱交換して、温められた空気を室内に送る。室内の空気に熱を奪われ、室内の空気と略同温となった冷媒（２０℃）は、膨張弁１３６に入る。このようにして、冷媒が、室内機１３０Ａと室外機１３０Ｂとの間を循環する。【０００９】
従来の暖房機１３０によれば、温められた空気が、そのまま室外に排出されるので、この空気の持つ熱エネルギーは、室外に廃棄される。【００１０】
（４．従来の滅菌装置）
図４Ｂに示す従来の滅菌装置１４０は、水をボイラー１４１により加熱して水蒸気を発生させ、被処理ユニット１４２において、水蒸気により滅菌処理を行う。被処理ユニット１４２を出た水蒸気は冷却器１４３により水に戻され排出される。【００１１】
従来の滅菌装置１４０は、ボイラー１４１において化石燃料を燃焼させている。燃焼排ガスはボイラー１４１から外部に排気され、燃焼排ガスの有する熱の多くは無駄になっている。さらに被処理ユニット１４２で、加えた熱は冷却器１４３で捨てられるので、エネルギーの無駄となる。【００１２】
（５．従来の冷房機）
冷房機についても、暖房機と同様の課題を有している。すなわち、室内の熱交換器で冷やされた空気（１５℃）は、室内に取り入れた空気（３０℃）から熱を奪った後、そのまま室外に排出されてしまうので、この空気の持つ熱エネルギーは、室外に廃棄される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−３００３６５号公報
【特許文献２】特開２００８−３０９４６４号公報
【特許文献３】特開２００８−１８８０４５号公報
【特許文献４】特開２００４−０２８３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来のヒートポンプ、乾燥機、暖房機、冷房機、滅菌装置において、空気や水等の作動流体は、その熱エネルギーが十分有効に利用されないまま廃棄されており、作動流体の持つ熱エネルギーが有効に利用されていない。【００１５】
ところで、化学反応を利用して電力を取り出す場合、燃料が本来有するエネルギーをΔＨとすれば、ΔＧを電気として取り出すことができ、ＴΔＳを熱として取り出すことができる。ΔＧは、仕事として取り出すことができるエネルギーであり、有効なエネルギーとしてエクセルギーと呼ばれている。そして、有効なエネルギーを取り出す能力として、ΔＧ／ΔＨは、エクセルギー率と呼ばれている。エクセルギー率は、熱が発生した時点で低下する。【００１６】
本発明の目的は、上記課題を解決するためになされたものであり、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨを向上させることにある。具体的には、無駄に廃棄される熱エネルギーを極力少なくする装置および方法を提供することを解決課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記の課題を解決するため、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、第一作動流体が流れる第一流体回路と、圧縮性流体である第二作動流体が流れる第二流体回路と、前記第二作動流体が放熱するとともに、前記第一作動流体が受熱する第一熱交換器と、前記第一作動流体が放熱するとともに、前記第二作動流体が受熱する第二熱交換器と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の上流側であって前記第二熱交換器の下流側に配置された圧縮機と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された膨張機と、前記第一流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された被処理ユニットと、を備えている。【００１８】
この構成によれば、被処理ユニットを出た第一作動流体の熱は、そのまま廃棄されない。すなわち、この第一作動流体は、第二熱交換器において、第二作動流体を加熱する。また、圧縮機を出た高温高圧の第二作動流体は、第一熱交換器において、第一作動流体を加熱する。このように、第一作動流体と第二作動流体とが、自己熱のやりとりを行う。すなわち、これら作動流体が互いに熱源となり、互いを加熱することとなる。よって、熱源を別途追加することなく、また、従来廃棄されていた作動流体の自己熱を利用することで、従来よりも更なる省エネルギーを実現できる。【００１９】
また、圧縮・膨張される第二作動流体は、圧縮性流体である。一方、第一作動流体は、圧縮性流体でもよく、非圧縮性流体であってもよい。これにより、非圧縮性流体を作動流体とする装置であっても、圧縮性流体である別の作動流体（第二作動流体）を併用することで、これら作動流体の自己熱を利用しての省エネルギーを実現できる。なお、圧縮性流体とは、例えば、気体、気液混合流体、相変化する流体をいう。【００２０】
ここで、圧縮は、断熱圧縮であることが望ましく、膨張は、断熱膨張であることが望ましい。ここにいう断熱圧縮または断熱膨張は、急激に気体を圧縮または膨張させることにより行われる。したがって、実際には、断熱圧縮・断熱膨張の過程において、外部との熱の出入りを完全に遮断することは困難であり、断熱圧縮・断熱膨張には、外部との熱の出入りが生じるものも含む。【００２１】
本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置では、前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられることが好ましい。また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置では、前記膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とが接続されていることが好ましい。この構成によれば、膨張機の動力を回収して、圧縮機の駆動に利用することができる。このため、更なる省エネルギーを実現できる。また、不足する動力を補うために、圧縮機を駆動する電動機を備えていてもよい。【００２２】
本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記第一流体回路の入口に配置された輸送ポンプと、前記第一流体回路の出口に配置された減圧弁と、をさらに備えていることが好ましい。この構成において、第一流体回路を流れる作動流体は液体であり、輸送ポンプは作動流体を減圧弁に向けて排出する。減圧弁は作動流体の流量を調節すると共に、被処理室の圧力を調節する。【００２３】
本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、圧縮性流体である作動流体が流入する被処理ユニットと、前記被処理ユニットを出た作動流体が放熱するとともに、前記被処理ユニットに入る前の作動流体が受熱する、熱交換器と、前記被処理ユニットと前記熱交換器との間に配置された圧縮機と、を備えていることが好ましい。【００２４】
この構成によれば、被処理ユニットを出た作動流体は、圧縮機で断熱圧縮されて昇温昇圧して、被処理ユニットに入る前の作動流体と熱交換する。これにより、作動流体の自己熱が再生利用できるので、別途熱源を追加する必要がない。【００２５】
上記構成の本発明によれば、圧縮により昇温した作動流体が熱源となり、作動流体同士が熱交換されることで、作動流体の自己熱を有効に利用して省エネルギーを実現できる。【００２６】
本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記熱交換器において放熱した前記作動流体を膨張させる膨張機をさらに備えていることが好ましい。また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられることが好ましい。圧縮機の回転軸と、膨張機の回転軸とが接続されていてもよい。この構成によれば、作動流体の熱エネルギーを、膨張機により仕事として回収できる。【００２７】
前記作動流体が空気であり、前記被処理ユニットを出た前記空気は、前記圧縮機を通過後に、前記熱交換器において放熱することが好ましい。【００２８】
この構成によれば、被処理ユニットで使用された後の高温の空気が、そのまま廃棄されることなく、外部から取り込まれた空気と熱交換して、外部から取り込まれた空気の加熱に利用できる。すなわち、従来廃棄されていた使用後の空気の持つ熱エネルギーが、再生利用され、省エネルギーを実現できる。また、作動流体に空気を利用するので、別途特殊な気体を用意する必要がない。【００２９】
本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記作動流体が水または水蒸気であり、前記熱交換器において受熱した前記水または空気は、前記圧縮機を通過後に、前記被処理ユニットに流入することが好ましい。【００３０】
従来の水蒸気を利用した装置では、水をボイラーで化石燃料を燃焼した燃焼熱により水蒸気に変換して、その水蒸気を被処理ユニットに入力していた。そして、被処理ユニットで使われた水蒸気は、冷却器により水に再変換され、廃棄されていた。つまり、ボイラーで水を水蒸気にする際に使われた熱エネルギーの多くが、利用されずに廃棄されていた。【００３１】
一方、上記の本発明の構成によれば、熱交換器において、被処理ユニットで使用された水蒸気が、熱源となって、被処理ユニットに入力前の水を加熱して、水を水蒸気に変換させる。そして、水から変換された水蒸気は、被処理ユニットに入力される前に、圧縮機で断熱圧縮されて、更に昇温される。一方、熱源となった被処理ユニットで使用された水蒸気は、熱交換後にバルブで減圧され、水として廃棄される。これにより、被処理ユニットで使用された水蒸気の持つ熱エネルギーが、有効に利用される。また、加熱に用いるボイラーなども必要としないので、従来よりも省エネルギーとなる。【００３２】
本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記熱交換器において放熱した前記作動流体を減圧する減圧弁をさらに有していることが好ましい。【００３３】
また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記被処理ユニットが、滅菌処理を行うユニットであってもよい。【００３４】
また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記被処理ユニットが、コンクリート養生を行うユニットであってもよい。【００３５】
本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、外部から取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機の下流に配置された被処理ユニットと、前記空気を膨張させて、前記被処理ユニットに向けて送出する膨張機と、前記圧縮機を出た後であって前記膨張機に流入する前の前記空気が放熱するとともに、前記被処理ユニットを出た前記空気が受熱する、熱交換器と、備えていることが好ましい。また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられることが好ましい。【００３６】
本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー方法は、圧縮性流体である作動流体を被処理ユニットに流入する工程と、前記被処理ユニットにおいて前記作動流体を利用する工程と、前記被処理ユニットから排出された前記作動流体を圧縮する工程と、前記圧縮された前記作動流体が放熱するとともに、前記被処理ユニットに流入する前の前記作動流体が受熱する熱交換を行う工程と、を有する。また、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー方法は、放熱した前記作動流体を膨張する工程を更に備え、前記膨張工程で生じる動力を、前記圧縮工程における動力に利用する。【００３７】
この構成によれば、放熱工程または燃焼工程の一部または全部を、可逆的なエネルギー変換工程に代えることで、加熱または燃焼に伴うエクセルギー率の低い熱エネルギーの損失を抑えることができる。これにより、ＴΔＳを減少させ、ΔＧを増加させ、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨを従来よりも向上させる。ここで、可逆的なエネルギー変換工程とは、例えば、気体の圧縮・膨張などの仕事として取り出し可能なエネルギーに変更する工程をいう。
【発明の効果】
【００３８】
以上のように、本発明によれば、エネルギー損失を抑えて、エクセルギー率ΔＧ／ΔＨが向上した省エネルギー装置および省エネルギー方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】本発明の実施形態１の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。
【図１Ｂ】実施形態１の従来技術である。
【図２Ａ】本発明の実施形態２の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。
【図２Ｂ】図２Ａと別の実施形態の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。
【図２Ｃ】実施形態２の従来技術である。
【図３Ａ】本発明の実施形態３の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。
【図３Ｂ】実施形態３の従来技術である。
【図４Ａ】本発明の実施形態４の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。
【図４Ｂ】実施形態４の従来技術である。
【図５】本発明の実施形態５の省エネルギー装置の概略構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき説明するが、本発明は下記実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
＜実施形態１＞
図１Ａに示す実施形態１は、本発明の一実施形態に係る省エネルギー装置に関するものである。省エネルギー装置１０は、非圧縮性の流体である第一作動流体と圧縮性の流体である第二作動流体とを用い、第二作動流体を圧縮・減圧することにより省エネルギーを実現する。
【００４２】
図１Ａに示す省エネルギー装置１０は、第一作動流体が流動する第一流体回路１０Ａと、第二作動流体が流動する第二流体回路１０Ｂとを備える。第一流体回路１０Ａは、第一作動流体の導入口１１ａと排出口１１ｂの間に、ポンプ１６と、第一熱交換器１２（第一流路１２Ａ）と、被処理ユニット１３と、第二熱交換器１４（第四流路１４Ａ）と、バルブ１５とを備え、これらが順に配管で接続されている。なお、第一流路１２Ａの出口と第四流路１４Ａの入口とが、第一配管１９Ａａで接続されていて、第一配管１９Ａａの途中に被処理ユニット１３が接続されている。第二流体回路１０Ｂは、第二作動流体が循環する閉じた流体回路であり、圧縮機１７と、第一熱交換器１２（第二流路１２Ｂ）と、タービン１８と、第二熱交換器１４（第三流路１４Ｂ）とを備え、これらが順に配管で接続されている。なお、第二流路１２Ｂの出口と第三流路１４Ｂの入口とが第三配管１９Ｂｂで接続されていて、第三配管１９Ｂｂの途中にタービン１８が配置されている。また、第三流路１４Ｂの出口と第二流路１２Ｂの入口とが第二配管１９Ｂａで接続されていて、配管１９Ｂａの途中に圧縮機１７が配置されている。
【００４３】
なお、本実施形態の熱交換器１２および熱交換器１４において、それぞれ、第一流路１２Ａおよび第三流路１４Ｂが受熱側となり、第二流路１２Ｂおよび第四流路１４Ａが放熱側となる。
【００４４】
これにより、第一作動流体は、導入口１１ａ、ポンプ１６、第一熱交換器１２の第一流路１２Ａ、被処理ユニッ１３、第二熱交換器１４の第四流路１４Ａ、バルブ１５、排出口１１ｂ、の順に流動する。一方、第二作動流体は、圧縮機１７、第一熱交換器１２の第二流路１２Ｂ、タービン１８、第二熱交換器１４の第三流路１４Ｂ、の順に流動して再び圧縮機１７に戻る。なお、圧縮機１７の回転軸とタービン１８の回転軸は連結されていて、タービン１８で発生する動力で、圧縮機１７を駆動することができる。また、タービン１８に発電機（図示せず）を接続して、この発電機からの電力で圧縮機１７を駆動してもよい。なお、本実施形態の第一作動流体は液体であり、第二作動流体は気体または気液混合流体または相変化する流体である。
【００４５】
省エネルギー装置１０の動作を、第一流体回路１０Ａと第二流体回路１０Ｂに分けて説明する。第一流体回路１０Ａにおいて、ポンプ１６により導入口１１ａからが取り込まれた第一作動流体は、第一熱交換器１２の第一流路１２Ａに流入する。熱交換器１２において、圧縮機１７で断熱圧縮されて高温となった第二作動流体は、第二流路１２Ｂに流入して、第一流路１２Ａの第一作動流体を加熱する。次に、第一熱交換器１２の第一流路１２Ａを出た第一作動流体は、被処理ユニット１３に流入する。被処理ユニット１３を出た第一作動流体は、第二熱交換器１４の第四流路１４Ａに流入する。第二熱交換器１４において、第四流路１４Ａに流入した第一作動流体が熱源となり、第三流路１４Ｂを流れる第二作動流体を加熱する。そして、熱交換器１４の第四流路１４Ａを出た第一作動流体は、バルブ１５を介して排出口１１ｂから排出される。
【００４６】
一方、第二流体回路１０Ｂにおいて、圧縮機１７で断熱圧縮されて高温高圧となった第二作動流体は、第一熱交換器１２の第二流路１２Ｂに流入する。第一熱交換器１２において、第二作動流体が熱源となり、被処理ユニット１３に流入前の第一作動流体を加熱する。第一熱交換器１２で第一作動流体に熱を奪われ低温となった第二作動流体は、タービン１８で断熱膨張して、さらに低温の流体となり、第二熱交換器１４の第三流路１４Ｂに流入する。第三流路１４Ｂに流入した第二作動流体は、第四流路１４Ａに流入した第一作動流体により加熱される。加熱された第二作動流体は、再度圧縮機１７で断熱圧縮される。以上のようにして、第二作動流体が第二流体回路Ｂを循環する。
【００４７】
このように、第一作動流体および第二作動流体の有する自己熱を利用して、第一作動流体と第二作動流体とが熱交換することにより、省エネルギーが実現される。なお、導入口１１ａでの第一作動流体と排出口１１ｂでの第一作動流体の温度差は小さいほど好ましい。具体的には排出口１１ｂでの第一作動流体の温度は、導入口１１ａでのそれよりも５℃〜１０℃程度高温であることが好ましく、温度差が５℃以下であればより好ましい。また、本実施形態の省エネルギー装置１０は、ヒートポンプのように外気等の熱源を必要としない。作動流体が非圧縮性流体である場合には作動流体に圧力変化を加えてもほとんど温度変化しないため自己熱再生技術の適用が困難であるが、圧縮性流体を第二作動流体として用いることで、第一作動流体および第二作動流体の自己熱を有効に利用することができる。
【００４８】
＜実施形態２＞
（実施形態２の省エネルギー装置）
図２Ａに示す本実施形態２の省エネルギー装置２０において、熱交換器２２は、作動流体が流れる第一流路２２Ａおよび第二流路２２Ｂを有し、第一流路２２Ａの出口と第二流路２２Ｂの入口とが配管２７で連結されている。詳しくは、第一流路２２Ａの出口と圧縮機２４とが第一配管２７Ａで接続され、圧縮機２４と第二流路２２Ｂの入口とが第二配管２７Ｂで接続され、第二配管２７Ｂの途中に被処理ユニット２３が配置されている。また、熱交換器２２の第一流路２２Ａの入口と導入口２１とが接続され、熱交換器２２の第二流路２２Ｂの出口と排出口２６とがタービン２５を介して接続されている。なお、本実施形態の熱交換器２２において、第一流路２２Ａが受熱側となり、第二流路２２Ｂが放熱側となる。
【００４９】
省エネルギー装置２０において、作動流体が、導入口２１、熱交換器２２の第一流路２２Ａ、圧縮機２４、被処理ユニット２３、熱交換器２２の第二流路２２Ｂ、タービン２５、排出口２６、の順に流動する。熱交換器２２を出た作動流体は、圧縮機２４で断熱圧縮され、昇温昇圧された後、被処理ユニット２３に流入する。被処理ユニット２３を出た作動流体は、熱交換器２２において、導入口２１から流入する作動流体を加熱する。なお、圧縮機２４の回転軸とタービン２５の回転軸は連結されていて、タービン２５で発生する動力で、圧縮機２４を駆動することができる。また、タービン２５に発電機（図示せず）を接続して、この発電機からの電力で圧縮機２４を駆動してもよい。
【００５０】
このように、作動流体の有する自己熱を交換することで、省エネルギーを実現できる。なお、導入口２１での空気と排出口２６での空気の温度差は小さいほど好ましく、具体的には排出口２６での空気の温度は導入口２１での空気の温度よりも５℃〜１０℃程度高温であることが好ましく、温度差が５℃以下であればより好ましい。また、本実施形態の省エネルギー装置２０は、作動流体の有する自己熱を熱交換するので、ヒートポンプのように外気等の熱源を別途必要としない。
【００５１】
（実施形態２の別の省エネルギー装置）
実施形態２に係る省エネルギー装置を乾燥機に適用した実施形態を図２Ｂに示す。
【００５２】
省エネルギー装置３０において、熱交換器３２は、作動流体が流れる第一流路３２Ａおよび第二流路３２Ｂを有し、第一流路３２Ａの出口と第二流路３２Ｂの入口とが配管３８で接続されていて、配管３８の途中に槽３３と圧縮機３４とが、順次配置されている。また、熱交換器３２の第一流路３２Ａの入口と導入口３１とが送風ファン３７を介して接続され、熱交換器３２の第二流路３２Ｂの出口と排出口３６とがタービン３５、送風ファン３７を介して接続されている。なお、作動流体は空気である。本実施形態の熱交換器３２において、第一流路３２Ａが受熱側となり、第二流路３２Ｂが放熱側となる。
【００５３】
圧縮機３４の回転軸とタービン３５の回転軸とは連結されていて、タービン３５で発生する動力を圧縮機３４の駆動に用いる。また、タービン３５で駆動される発電機（図示せず）から発生する電力を圧縮機３４を駆動する電動機に供給してもよい。
【００５４】
省エネルギー装置３０の動作について説明する。送風ファン３７により導入口３１から取り込まれた外気は、熱交換器３２の第一流路３２Ａに流入する。第二流路３２Ｂの空気から熱を得た第一流路３２Ａの空気は、槽１３に放出されて対象物を乾燥する。槽３３を出た空気は、圧縮機３４で断熱圧縮されて高温となり、第二流路３２Ｂに流入して、第一流路３２Ａの空気を加熱する。第二流路３２Ｂを出た空気は、タービン３５で断熱膨張され、送風ファン３７により排出口３６から廃棄される。タービン３５の動力は、圧縮機を駆動する動力となる。
【００５５】
このようにして、槽３３を出た作動流体の有する自己熱を熱交換させることで、従来よりも省エネルギーを実現できる。なお、導入口３１での空気と排出口３６での空気の温度差は小さいほど好ましい。具体的には排出口３６での空気の温度が導入口３１の空気の温度よりも５℃〜１０℃程度高温であることが好ましく、温度差が５℃以下であればより好ましい。
【００５６】
また、上記のように省エネルギー装置３０は空気を作動流体とした乾燥機に適用するため、別途特殊な気体などを必要とせず、乾燥に使用後の空気を、流入空気の加熱に用いるので、省エネルギーが実現できる。
【００５７】
エクセルギー損失が発生するのは圧縮機３４と膨張タービン３５の差（正味の必要仕事）のみとなる。したがって、省エネルギー装置３０は、従来の乾燥機１２０（図２Ｃ参照）に比べて、大幅な省エネルギーとなる。
【００５８】
＜実施形態３＞
図３Ａに示す実施形態３は、本発明の一実施形態に係る省エネルギー装置を暖房機に適用したものである。
【００５９】
図３Ａに示す本実施形態の省エネルギー装置４０において、熱交換器４２は、作動流体が流れる第一流路４２Ａおよび第二流路４２Ｂを有する。第一導入口４１は、外気を取り込むための入口である。第二導入口４８は、室４３の空気を取り込むための入口である。また、圧縮機４４の回転軸とタービン４５の回転軸とが接続されていることが好ましい。なお、作動流体は空気である。本実施形態の熱交換器４２において、第一流路４２Ａが受熱側となり、第二流路４２Ｂが放熱側となる。
【００６０】
省エネルギー装置４０は、第一導入口４１、熱交換器４２の第一流路４２Ａ、室４３（被処理ユニット）、圧縮機４４、熱交換器４２の第二流路４２Ｂ、タービン４５が、順次配管によって接続されて構成されている。
【００６１】
次に、省エネルギー装置４０の動作を説明する。なお、説明をわかりやすくするために、作動流体である空気の温度の一例を記載する。第一導入口４１から外気（１０℃）が取り込まれ、その外気が熱交換器４２の第一流路４２Ａに流入する。この外気は、熱交換器４２において、第二流路１２Ｂを流れる高温の空気により加熱される。第二流路４２Ｂの空気（３５℃）から熱を得た第一流路４２Ａの空気（３０℃）は、送風口４７から室４３（１５℃）に放出されて、室４３内部の空気が温められる（２５℃）。そして、第二導入口４８より取り込まれた室４３の空気（２５℃）は、圧縮機４４で断熱圧縮されて高温高圧の空気（３５℃）となる。この高温高圧の空気は、熱交換器４２の第二流路４２Ｂに流入して、第一流路４２Ａの空気（１０℃）を加熱する。第二流路４２Ｂの空気は熱交換により温度が低下する（１５℃）。第二流路４２Ｂを出た空気は、タービン４５で断熱膨張され、低温低圧となり（５℃）、排出口４６から排出される。
【００６２】
このように、実施形態３の省エネルギー装置４０は、室４３を出た作動流体の自己熱を利用して、作動流体同士で熱交換することで、従来の暖房機よりも省エネルギーを実現できる。
【００６３】
なお、熱を循環するために仕事が必要であり、この仕事は圧縮機４４の動力として系に加えられる。その動力の一部は、タービン４５が発生する動力で回収される。
【００６４】
すなわち、エクセルギー損失が起こるのは圧縮機４４と膨張タービン４５の差（正味の必要仕事）のみとなる。したがって、省エネルギー装置４０は、従来の暖房機１３０に比べて、大幅な省エネルギーとなる。
【００６５】
＜実施形態４＞
図４Ａに示す実施形態４は、省エネルギー装置を滅菌装置に適用したものである。なお、滅菌装置は、主に医療や生物学実験の分野において用いられ、対象物を水蒸気により滅菌処理する装置である。
【００６６】
図４Ａに示す省エネルギー装置５０において、熱交換器５２は、作動流体が流れる第一流路５２Ａおよび第二流路５２Ｂを有する。また、第一流路５２Ａの出口と圧縮機５３とが第一配管５７Ａで接続されている。また、圧縮機５３と第二流路５２Ｂの入口とが第二配管５７Ｂで連結されていて、第二配管５７Ｂの途中に被処理ユニット５４が配置されている。また、熱交換器５２の第一流路５２Ａの入口と導入口５１とが接続され、熱交換器５２の第二流路５２Ｂの出口と排出口５６とがバルブ５５を介して接続されている。作動流体は、導入口５１、熱交換器５２の第一流路５２Ａ、圧縮機５３、被処理ユニット５４、熱交換器５２の第二流路５２Ｂ、バルブ５５、排出口５６、の順に流動する。本実施形態の熱交換器５２において、第一流路５２Ａが受熱側となり、第二流路５２Ｂが放熱側となる。
【００６７】
次に、省エネルギー装置５０の動作を作動流体の流れに沿って説明する。なお、説明をわかりやすくするために、作動流体の温度、圧力の一例を記載する。図示しないポンプにより、水（２５℃、１ａｔｍ）が導入口５１から取り込まれ、熱交換器５２の第一流路５２Ａに流入する。熱交換器５２において、第二流路５２Ｂを流れる作動流体により、第一流路５２Ａの作動流体が加熱される。第二流路５２Ｂの作動流体から熱を得た第一流路５２Ａの水は、水蒸気（３６０℃、１ａｔｍ）となる。第一流路５２Ａから出た水蒸気（３６０℃、１ａｔｍ）は、圧縮機５３に流入して、圧縮機５３で断熱圧縮されて、さらに高温高圧の水蒸気（４００℃、１．３ａｔｍ）となり、被処理ユニット５４に流入して、対象物を滅菌処理する。そして、被処理ユニット５４で使用された水蒸気は、熱交換器５２の第二流路５２Ｂに流入して、第一流路５２Ａの水に熱を与える。第二流路５２Ｂの水蒸気は熱を奪われて、水または水と水蒸気の気液混合流体となる。その後、第二流路５２Ｂを出た水または水と水蒸気の気液混合流体は、バルブ５５で減圧された後、排出口５６から排出される。
【００６８】
ここで、本実施形態の省エネルギー装置５０におけるエネルギー消費量と、従来の滅菌装置１４０（図４Ｂ参照）におけるエネルギー消費量とを比較する。
【００６９】
まず、従来の滅菌装置１４０において、ボイラー１４１を用いて常温、常圧（２５℃、１ａｔｍ）の水１ｋｇを４００℃まで加熱するために必要なエネルギーは、ある温度における水および蒸気のエンタルピー差から次のように計算できる。
・４００℃のエンタルピー
（３３３３．８−３２３０．４）／５０＊２３＋３２３０．４＝３２７８ｋＪ／ｋｇ
・２９８℃のエンタルピー
（１１２．６−７０．８）／１０＊８＋７０．８＝１０４．２ｋＪ／ｋｇ
・必要エネルギー量（エンタルピー差）
３２７８−１０４＝３１７４ｋＪ／ｋｇ
【００７０】
水の量を１４．５ｍｏｌ（２６１ｇ）と仮定すると、ボイラーで必要となるエネルギー量は下記となる。
・３１７４Ｊ／ｇ＊２６１ｇ＝８２８ｋＪ／ｇ
・（８２８ｋＪ／ｇ）／（１８ｇ／ｍｏｌ）＝４６ｋＪ／ｍｏｌ
【００７１】
一方、省エネルギー装置５０におけるプロセスでのエネルギー消費量を上記の式にあてはめて計算すると、エネルギー消費量は、１．４ｋＪ／ｍｏｌとなる。上記のように、従来の滅菌装置１４０におけるプロセスでのエネルギー消費量が４６ｋＪ／ｍｏｌであるため、省エネルギー装置６０を用いることで、大幅な省エネルギーを実現できることがわかる。
【００７２】
＜実施形態５＞
図５に示す実施形態５は、本発明の一実施形態に係る省エネルギー装置を冷房機に適用したものである。
【００７３】
図５に示す本実施形態の省エネルギー装置６０において、熱交換器６２は、作動流体が流れる第一流路６２Ａおよび第二流路６２Ｂを有する。第一導入口６１は、外気を取り込むための入口である。第二導入口６８は、室８３の空気を取り込むための入口である。また、圧縮機６４の回転軸とタービン６５の回転軸とは接続されている。なお、作動流体は空気である。本実施形態の熱交換器６２において、第一流路６２Ａが受熱側となり、第二流路６２Ｂが放熱側となる。
【００７４】
省エネルギー装置６０は、第一導入口６１、圧縮機６４、熱交換器６２の第ニ流路６２Ｂ、タービン６５、室６３（被処理ユニット）、熱交換器６２の第一流路６２Ａ、排出口６６、の順に配管によって接続され構成されている。
【００７５】
次に、省エネルギー装置６０の動作を説明する。なお、説明をわかりやすくするために、空気の温度の一例を記載する。第一導入口６１から取り込まれた外気（３０℃）は、圧縮機６４で断熱圧縮されて高温高圧の空気（４０℃）となる。高温高圧となった空気（４０℃）が熱交換器６２の第二流路６２Ｂに流入する。第二流路６２Ｂに流入した高温高圧の空気（４０℃）は、第一流路６２Ａを流れる低温の空気（２５℃）と熱交換して、冷却される。第一流路６２Ａの空気（２５℃）に熱を奪われた第二流路６２Ｂの空気（３０℃）は、タービン６５で断熱膨張して、更に低温の空気（１０℃）となり、送風口６７から室６３（３５℃）に放出され、室６３の空気が冷やされる（２５℃）。そして、第二導入口６８より取り込まれた室６３の空気（２５℃）は、熱交換器６２の第一流路６２Ａに流入して、第二流路６２Ｂの空気（４０℃）を冷却して、外気に近い温度（３５℃）となって、排出口６６から排出される。
【００７６】
このように、実施形態５の省エネルギー装置６０は、室６３を出た作動流体の有する自己熱を熱交換で利用することで、従来の冷房機よりも省エネルギーが実現できる。また、省エネルギー装置６０は、フロンなどの冷媒を必要とせず、環境性能に優れる。
【００７７】
なお本実施形態は、熱を循環するために仕事が必要であり、この仕事は圧縮機６４の動力として系に加えられる。この動力は、タービン６５で発生する動力により回収される。
【００７８】
すなわち、エクセルギー損失が起こるのは圧縮機６４と膨張タービン６５の差（正味の必要仕事）のみとなる。したがって、省エネルギー装置６０は、従来の冷房機１５０に比べて、大幅な省エネルギーとなる。
【００７９】
以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１０  省エネルギー装置
１０Ａ  第一流体回路
１０Ｂ  第二流体回路
１１ａ  導入口
１１ｂ  排出口
１２  第一熱交換器
１２Ａ  第一流路
１２Ｂ  第二流路
１３  被処理ユニット
１４  第二熱交換器
１４Ａ  第四流路
１４Ｂ  第三流路
１５  バルブ（第一減圧部）
１６  ポンプ
１７  圧縮機
１８  タービン（第二減圧部）
２０  省エネルギー装置
２１  導入口
２２  熱交換器
２２Ａ  第一流路
２２Ｂ  第二流路
２３  被処理ユニット
２４  圧縮機
２５  タービン
２６  排出口
３０  省エネルギー装置
３１  導入口
３２  熱交換器
３２Ａ  第一流路
３２Ｂ  第二流路
３３  槽（被処理ユニット）
３４  圧縮機
３５  タービン
３６  排出口
３７  送風ファン
４０  省エネルギー装置
４１  第一導入口
４２  熱交換器
４２Ａ  第一流路
４２Ｂ  第二流路
４３  室（被処理ユニット）
４４  圧縮機
４５  タービン
４６  排出口
４７  送風口
４８  第二導入口
５０  省エネルギー装置
５１  導入口
５２  熱交換器
５２Ａ  第一流路
５２Ｂ  第二流路
５３  圧縮機
５４  被処理ユニット
５５  バルブ（減圧弁）
５６  排出口
６０  省エネルギー装置
６１  第一導入口
６２  熱交換器
６２Ａ  第一流路
６２Ｂ  第二流路
６３  室（被処理ユニット）
６４  圧縮機
６５  タービン
６６  排出口
６７  送風口
６８  第二導入口
【図１Ａ】
2013115073.tif 000003
【図１Ｂ】
2013115073.tif 000004
【図２Ａ】
2013115073.tif 000005
【図２Ｂ】
2013115073.tif 000006
【図２Ｃ】
2013115073.tif 000007
【図３Ａ】
2013115073.tif 000008
【図３Ｂ】
2013115073.tif 000009
【図４Ａ】
2013115073.tif 000010
【図４Ｂ】
2013115073.tif 000011
【図５】
2013115073.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月24日(2013.7.24)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一作動流体が流れる第一流体回路と、
気体である第二作動流体が流れる第二流体回路と、
前記第二作動流体が放熱するとともに、前記第一作動流体が受熱する第一熱交換器と、
前記第一作動流体が放熱するとともに、前記第二作動流体が受熱する第二熱交換器と、
前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の上流側であって前記第二熱交換器の下流側に配置された圧縮機と、
前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された膨張機と、
前記第一流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された被処理ユニットと、を備えている、
自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項２】
前記膨張機から発生する動力が、前記圧縮機を駆動する動力に用いられる、請求項１に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項３】
前記膨張機の回転軸と前記圧縮機の回転軸とが接続されている、請求項２に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【請求項４】
前記第一流体回路の入口に配置された輸送ポンプと、
前記第一流体回路の出口に配置された減圧弁と、をさらに備えている、請求項１に記載の自己熱再生を利用した省エネルギー装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
上記の課題を解決するため、本発明に係る自己熱再生を利用した省エネルギー装置は、第一作動流体が流れる第一流体回路と、気体である第二作動流体が流れる第二流体回路と、前記第二作動流体が放熱するとともに、前記第一作動流体が受熱する第一熱交換器と、前記第一作動流体が放熱するとともに、前記第二作動流体が受熱する第二熱交換器と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の上流側であって前記第二熱交換器の下流側に配置された圧縮機と、前記第二流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された膨張機と、前記第一流体回路における、前記第一熱交換器の下流側であって前記第二熱交換器の上流側に配置された被処理ユニットと、を備えている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、圧縮・膨張される第二作動流体は、気体である。一方、第一作動流体は、圧縮性流体でもよく、非圧縮性流体であってもよい。これにより、非圧縮性流体を作動流体とする装置であっても、気体である別の作動流体（第二作動流体）を併用することで、これら作動流体の自己熱を利用しての省エネルギーを実現できる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３２
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2013115073.tif 000013
2013115073.tif 000014
2013115073.tif 000015
2013115073.tif 000016
2013115073.tif 000017
2013115073.tif 000018
2013115073.tif 000019