(57)【要約】【課題】高い冷却効率を得るためには圧縮機を大型化せざるを得ないという過大があった。また、環状の配管構成のヒートポンプでは、水中の溶存気体を排出するのが困難であるという課題があった。【解決手段】ヒートポンプ１の空気の通路１０に、空気取込口１１、膨張機１２、蒸発容器１３、圧縮機１４、及び空気排出口１５が順次設けられている。空気取込口１１と空気排出口１５が大気開放されており、空気取込口１１から取り込まれた空気が膨張器１２によって断熱膨張され、蒸発容器１３に導入されて気泡となる。この気泡中に水が蒸発することによって水が冷却される。また、空気が断熱膨張された際に発生した仕事が伝達機構１６を介して圧縮機１４に駆動力として伝達される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気取込手段、膨張機、蒸発容器、圧縮機、及び空気排出手段とを順次連ねてなる空気の通路を有したヒートポンプにおいて、
前記空気取込手段及び前記空気排出手段が大気開放されているとともに、前記膨張機と前記圧縮機とが、連結手段によって動力を伝達可能に連結されていることを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
前記膨張機にタービンが設けられており、前記タービンから得られた動力が前記連結手段によって前記圧縮機に伝達されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
【請求項３】
前記蒸発容器が蓄熱機能を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、ヒートポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のヒートポンプでは、蒸発容器内の水の上方にある気体空間を減圧に維持しながら蒸発容器内の水に外部の気体を導入することによって、蒸発容器内の水を冷却する装置が報告されている（例えば、特許文献１参照）。
このヒートポンプでは、蒸発容器内の水の上方にある気体空間が減圧に維持されているため、蒸発容器の内部と外部との差圧によって外部の気体が通気管から連続的に導入される。導入された気体は蒸発容器内の水中に気泡として次々に形成されて浮上し、浮上中の気体内に水が蒸発するとともに蒸発容器内の水の潜熱が奪われて水が冷却される。
【０００３】
また、従来のヒートポンプでは、膨張機、蒸発容器、圧縮機、及び凝縮器を順次環状に接続された冷媒回路を有し、蒸発容器の上方の気体空間を減圧に維持することによって蒸発容器内の水を冷却する装置が報告されている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特公昭５７−６１１４８号公報
【特許文献２】
特開２００２−１９５６７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、夏場などで外部の気温が高いときは、導入される気体の温度が高くなるので、十分な冷却を行うことが困難になる場合がある。そのため、ヒートポンプに用いられる圧縮機は、圧縮比（＝吐出圧（大気圧）／吸込圧）が大きく高真空を得ることができるものが要求されている。特に、製氷機などの高い冷却力が要求される装置では、圧縮機を大型化せざるを得ないという課題がある。
【０００６】
また、水を冷媒とした環状の配管構成によるヒートポンプの場合、水中に含まれる溶存気体が外部に排出できずに蓄積してしまうという課題があった。
【０００７】
そこで本発明は、前記課題に鑑み、圧縮機の小型化を図ると共に、冷媒の中に溶存気体が蓄積しない配管構成を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、空気取込手段、膨張機、蒸発容器、圧縮機、及び空気排出手段とを順次連ねてなる空気の通路を有したヒートポンプにおいて、前記空気取込手段及び前記空気排出手段が大気開放されているとともに、前記膨張機と前記圧縮機とが、連結手段によって動力を伝達可能に連結されていることを特徴とするヒートポンプとしている。
【０００９】
これによって、膨張機から得られた動力を圧縮機の駆動力に利用することができるので、圧縮機が小型であっても高い効率を得ることができ、ひいては圧縮機を小型化することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記膨張機にタービンが設けられており、前記タービンから得られた動力が前記連結手段によって前記圧縮機に伝達されることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプとしている。
【００１１】
これによって、空気取込手段から導入される空気を効率よく動力に変換することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、前記蒸発容器が蓄熱機能を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプとしている。
【００１３】
これによって、蒸発容器が保温容器を兼ねるため、保温用の容器を別途設ける必要がなく、配管構成を簡素化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ１を示したものである。
ヒートポンプ１は、上流側から順次、空気取込口１１、膨張機１２、冷水タンク１３、圧縮機１４、及び空気排出口１５が接続された通気管１０によって構成されている。
なお、本明細書で述べる上流及び下流とは、通気管１０を流れる空気の向きを示している。
【００１５】
通気管１０の下流端には空気取込口１１が設けられており、膨張機１２は、空気取込口１１から取り込んだ空気を膨張させる。
また、膨張機１２には、取り込んだ空気を断熱膨張させたときに発生する仕事を取り出す手段が設けられている。この手段は特に限定されないが、仕事を効率よく仕事を取り出すためにはタービンを有する膨張機が好ましい。
【００１６】
冷水タンク１３は蒸発容器として用いられ、その上端部に給水管２１が接続されている。冷水タンク１３の内部は、給水管２１から供給された水によって満杯にならない程度に満たされている。後述するように、冷水タンク１３の下側部の水は冷水になっており、この冷水が、冷水タンクの下端部から延びる通水管２２を伝って冷房や飲料水などに供される。なお、この冷水タンク１３は保温性が良い材料で構成されており、冷水の冷熱が外部へ逃げにくくなっている。
また、冷水タンク１３は、その下側部に通気管１０の上流側が接続され、冷水タンク１３の上側部には通気管１０の下流側が接続されている。
【００１７】
圧縮機１４は、圧縮機１４より上流側の空気を吸引すると共に、吸引した空気を下流側である空気排出口１５側へ排気する。この圧縮機１４の種類は特に限定されないが、真空ポンプが好ましい。
【００１８】
膨張機１２と圧縮機１４は、伝達機構１６によって接続されている。
具体的には、伝達機構１６は、滑車１６ａ、滑車１６ｂ、及びベルト１６ｃから構成されており、滑車１６ａは、圧縮機１４に用いられる駆動モータの軸１４ａに設けられている。また、滑車１６ｂは、膨張機１２の軸に設けられている。これらの滑車１６ａ、滑車１６ｂ同士がベルト１６ｃによって動力が伝達可能に連結されている。
【００１９】
上記のように構成されたヒートポンプ１の動作について説明する。
圧縮機１４を駆動すると、その吸引作用によって、冷水タンク１３内の水面より上方にある気体空間が減圧に維持される。
また、膨張機１２の駆動によって、空気取込口１１から取り込まれた空気は断熱膨張され、未飽和状態となる。このとき、空気の断熱膨張によって仕事が発生するが、これについては後述する。
そして、膨張減圧後の未飽和の空気は、通気管１０を通じて冷水タンク１３の下部に注入される。
【００２０】
注入された未飽和の空気は、冷水タンク１３内の水中を気泡となって上昇する。この上昇中の気泡の内部は未飽和状態となっているので、気泡の近傍の水がこの気泡内に蒸気として蒸発する。このとき、水の蒸発に伴って水の潜熱が奪われるので、冷水タンク１３内の水が冷却される。なお、冷水タンク１３内の水面などの自由液面からも水が蒸発するので、冷水タンク１３内の水の冷却が促進される。
【００２１】
冷水タンク１３内の水中を通過した空気は、蒸発した蒸気と共に、圧縮機１４の吸引作用によって圧縮機１４に吸い込まれる。そのあと、圧縮機に吸い込まれた空気及び蒸気は、圧縮機１４によって大気圧に戻された後、空気排出口１５から排気される。
【００２２】
また、上述したとおり、空気取り込み口１１から取り込まれた空気は、膨張機１２によって断熱膨張される。このとき、空気が断熱膨張されることによって仕事が発生する。この仕事は、伝達機構１６を介して駆動力として圧縮機１４に伝達される。
具体的には、取り込んだ空気が断熱膨張することによってエンタルピーが減少する。このエンタルピーの減少分が力学的な仕事として、滑車１６ｂ、ベルト１６ｃ、及び滑車１６ｂを順次介して圧縮機１４の駆動モータの軸１４ａに伝達される。このため、膨張機１２から伝達された仕事の分だけ圧縮機１４に必要な駆動力が小さくて済み、圧縮機１４を小型化することができる。
【００２３】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の形態を採用可能である。
例えば、冷水タンク１３は左右に延びていてもよい。また、冷水タンク１３に膨張性気体を導入する通気管の位置は、冷水タンク１３内の水内に望む位置であれば特に限定されない。また、冷水タンク１３から気体を排気する通水管の位置は、冷水タンク１３内の気体を排気できる位置であれば特に限定されない。
【００２４】
冷水タンク１３は、冷水を製造するためだけに限られず、ヒートポンプ１の出力等に応じて製氷を行うこともできる。冷水タンク１３で冷却するものは水に限られず、液体なら特に限定されない。
また、空気取込口１１、空気排出口１５は、それぞれ大気開放されていればよく、形状は特に限定されない。
【００２５】
冷水タンク１３と冷房器を接続し、冷水タンク１３で得られる冷熱を冷房器に供給することによって、冷房用ヒートポンプシステムを構築してもよい。また、冷水タンク１３の冷水を取り出し、冷房以外の種々の利用に供する冷水供給用ヒートポンプシステムを構築してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、冷水タンク内の水の自由液面からだけではなく、水中からも水を蒸発させることによって効率的に水を冷却することができる。また、膨張機から発生した仕事を圧縮機の駆動力に利用することによって、小型の圧縮機でも十分な駆動力が得られるので、ひいては圧縮機を小型化することができる。
また、本発明は外部に空気を排出する配管構成になっているので、水中に溶存気体が蓄積せずに装置を連続運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートポンプを示す概略構成図である。
【符号の説明】
１  ヒートポンプ
１０  通気管
１１  空気取込口
１２  膨張機
１３  冷水タンク
１４  圧縮機
１５  空気排出口
１６  伝達機構
２１  給水管
２２  通水管
【図１】
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