(57)【要約】【課題】成績係数の高いヒートポンプを提供する。【解決手段】ヒートポンプは、ガスハイドレートの分解過程で低温の物体から熱を汲み上げ、ガスハイドレートの生成過程で高温の物体に熱を与える冷媒回路１１を備える。冷媒回路１１は、ガスハイドレートの分解過程と生成過程とが交互に行われる複数の容器１２，１３と、複数の容器１２，１３の間で前記ガスハイドレートを生成するためのガスを移送するガス移送系１４とを有する。【選択図】　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスハイドレートの分解過程で低温の物体から熱を汲み上げ、前記ガスハイドレートの生成過程で高温の物体に熱を与える冷媒回路を備え、前記冷媒回路は、前記ガスハイドレートの分解過程と生成過程とが交互に行われる複数の容器と、前記複数の容器の間で前記ガスハイドレートを生成するためのガスを移送するガス移送系とを有することを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
前記ガス移送系は、前記複数の容器のうち、前記ガスハイドレートの分解過程にある容器から前記ガスを受け取り、前記ガスハイドレートの生成過程にある容器に前記ガスを供給す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】
熱源との間で熱の授受を行う熱利用装置であって、
請求項１または請求項２に記載のヒートポンプを備えることを特徴とする熱利用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高い成績係数が得られるヒートポンプ、及びそのヒートポンプを用いた熱利用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ヒートポンプは、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、低温の物体から熱を汲み上げ、高温の物体に熱を与える装置である。エネルギー利用効率が比較的高いため、冷暖房機能を有する空気調和装置や冷凍装置などの熱利用装置に多く用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１０−２５３１５５号公報
【０００４】
ヒートポンプでは、冷媒が蒸発する際、その蒸発潜熱によって周囲から熱を吸収する。空気調和装置に利用する場合、蒸発時に吸収する熱は、冷房時には室内の空気から供給され、暖房時には大気から供給される。また、ヒートポンプでは、冷媒が凝縮する際に熱を発生する。空調設備に利用する場合、凝縮時に発生する熱は、冷房時には大気に放出され、暖房時には室内に放出される。熱の移動に携わる冷媒としては、例えば、フロン系化合物の他に、アンモニアなどが用いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ヒートポンプのエネルギー利用効率は、一般に、入力動力に対する出力熱量の比である成績係数（ＣＯＰ：ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）で表される。従来、ＣＯＰは高性能なヒートポンプで　２．５〜４．０　である。環境問題に関する意識の高まりとともに、より一層のエネルギー効率の向上が望まれている。
【０００６】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、成績係数（ＣＯＰ）の高いヒートポンプを提供することにある。
また、本発明の他の目的は、高いエネルギー効率が得られる熱利用装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプは、ガスハイドレートの分解過程で低温の物体から熱を汲み上げ、前記ガスハイドレートの生成過程で高温の物体に熱を与える冷媒回路を備え、前記冷媒回路は、前記ガスハイドレートの分解過程と生成過程とが交互に行われる複数の容器と、前記複数の容器の間で前記ガスハイドレートを生成するためのガスを移送するガス移送系とを有することを特徴とする。
【０００８】
上記のヒートポンプにおいて、前記ガス移送系は、前記複数の容器のうち、前記ガスハイドレートの分解過程にある容器から前記ガスを受け取り、前記ガスハイドレートの生成過程にある容器に前記ガスを供給するのが好ましい。
【０００９】
本発明の熱利用装置は、熱源との間で熱の授受を行う熱利用装置であって、上記した本発明のヒートポンプを備えることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のヒートポンプについて説明する。
ガスハイドレートは、水分子の包接格子の中にガス分子が包接された氷状（あるいはシャーベット状）の化合物（包接化合物）であり、生成過程（水とガスからガスハイドレートが生成される過程）で熱を発生し、分解過程（ガスハイドレートから水とガスに分離される過程）で熱を吸収する。本発明者らは、ガスハイドレートに関するこの一般的な事実と、氷と比較してガスハイドレートは融解潜熱（分解・生成熱）が大きく、しかもその生成解離圧力が温度変化に敏感であるという事実に着目し、鋭意検討の結果、ガスハイドレートの分解及び生成過程に伴う熱の授受を利用することによりエネルギー効率の高いヒートポンプを構成できることを解明した。
【００１１】
すなわち、本発明のヒートポンプにおいては、ガスハイドレートの分解・生成熱を利用して、ガスハイドレートの分解過程で低温の物体から熱を汲み上げ、そのガスハイドレートの生成過程で高温の物体に熱を与える。
【００１２】
図１及び図２は、本発明のヒートポンプの作動原理を説明するための図であり、図１はガスハイドレートの一般的な相平衡図を示し、図２は本発明のヒートポンプの基本構成を模式的に示している。
図１において、ガスハイドレートは、相平衡線の左上の領域では安定または準安定した状態にある。一方、相平衡線の右下の領域では不安定となり、ガスと水とに分離される。相平衡線に沿った低圧低温側の条件でガスハイドレートを分解し、高圧高温側の条件でガスハイドレートを生成することにより、低温側の熱を高温側に汲み上げることが可能となる。
【００１３】
図２において、ヒートポンプ１は、ガスハイドレートを分解する分解装置２と、ガスハイドレートを生成する生成装置３とを含む冷媒回路４を備える。分解装置２は減圧機能及び吸熱機能を有し、生成装置３は圧縮機能及び放熱機能を有する。分解装置２においては、生成装置３で生成された高圧高温状態のガスハイドレートが減圧され、先の図１に示した相平衡線を横切ることにより、ガスと水とに分解される。この分解過程では、ガスハイドレートは分解熱に相当する熱をサイクル外から吸収しつつ相平衡線に沿って温度降下し、低圧低温状態のガスと水との混相となる。一方、生成装置３においては、分解装置２で分解されたガスと水とが圧縮されて高圧高温状態となり、その後、生成熱に相当する熱がサイクル外に放出される。この放熱により、ガスと水との混相が相平衡線を横切り、ガスハイドレートが生成される。通常、水の氷点（０℃）より高温下では、生成されたガスハイドレートは、水を含んだスラリー状となる。そして、生成されたガスハイドレートは、分解装置２において再び分解される。このような一連のサイクルにより、本発明のヒートポンプでは、ガスハイドレートの分解・生成熱に相当する熱を、サイクル外の低温の物体から汲み上げ、サイクル外の高温の物体に与えることができる。
【００１４】
ここで、ガスハイドレートは、ガス分子を多数の水分子が取り囲んだ分子構造からなり、一般に、その水和数（ガス分子１個に対する水分子の数）が大きい。例えば、メタンハイドレートの分子式は　ＣＨ４・５．７５Ｈ２Ｏ　で表され、水和数は　５．７５　である。こうした分子構造の特徴から、ガスハイドレートは分解・生成熱が比較的大きい。例えば、メタンハイドレートの分解・生成熱（解離エンタルピ）は、氷の　１．３倍である。本発明のヒートポンプでは、こうしたガスハイドレートの分解・生成熱を利用することにより、入力動力に対して高い出力熱量、すなわち高い成績係数（ＣＯＰ）を得ることができる。
【００１５】
以下の表１に、数種類のガスハイドレートについて、分解・生成熱（ＭＪ／ｋｇ　ｏｆ　ｇａｓ）、及びそのガスハイドレートをヒートポンプに用いた場合のＣＯＰを示す。なお、ＣＯＰは、各ガスハイドレートの分解・生成熱等を基に、動力機（例えば圧縮機）の効率を８０％として計算したものである。なお、冷媒の凝縮過程及び蒸発過程に伴う熱の授受を利用した一般的なヒートポンプでは、同程度の条件下において、成績係数は２．５〜４である。以下の表１に示すように、ガスハイドレートを用いたヒートポンプでは、高いＣＯＰが得られることが分かる。
【００１６】
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【００１７】
ガスハイドレートを生成するためのガスとしては、メタン、エタン、プロパン、エチレン、アセチレンなどの炭化水素系ガスや、ＨＦＣ（Ｒ−２２、Ｒ−１２３、Ｒ−１２４、Ｒ−１４１ｂ、Ｒ−１４２ｂ、Ｒ−２２５など）、ＨＣＦＣ（Ｒ−１３４ｂ、Ｒ−１２５、Ｒ−１５２ａなど）などのフロン（フルオロカーボン）系ガスの他に、炭酸ガス（ＣＯ２　）、窒素、空気、アンモニア、キセノン（Ｘｅ）など、様々なガスを用いることができる。なお、本発明のヒートポンプにおいて、ガスハイドレートの生成に用いるガスは、上記したものに限定されない。高いＣＯＰを得るには、最高平衡温度が高い、平衡圧力が低い、温度変化に対する圧力の変化量が少ない、などの特性を有するガスを用いるのが好ましい。なお、これらのガスは単独で使用してもよいし、所望の特性が得られるように複数種類を組み合わせて使用してもよい。異種ガスの組み合わせにより、ガスハイドレートの相変化の条件を調整することが可能である。また、ガスハイドレートの相変化条件を調整するために、水に添加物を加えてもよい。
【００１８】
本発明のヒートポンプは、例えば、冷房、暖房、除湿、及び加湿の少なくとも１つの機能を有する空気調和装置に適用することができる。この他に、冷却装置（ヒートシンクなど）、暖房装置（床暖房装置など）、給湯装置、冷凍装置、脱水装置、蓄熱装置、融雪装置、乾燥装置など、熱源との間で熱の授受を行う様々な熱利用装置（プラントやシステムを含む）に適用可能である。これらの熱利用装置では、本発明のヒートポンプを用いることにより、高いエネルギー効率を得ることができる。以下に、本発明の熱利用装置の一例として、本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した例について説明する。
【００１９】
図３は、本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した実施の形態例を模式的に示す構成図である。この空気調和装置１０は、室内空気を冷房及び暖房する機能を有するものであり、ガスハイドレートの分解・生成熱を利用して熱の授受を行う冷媒回路１１を備えている。冷媒回路１１は、複数（本例では２つ）の容器１２，１３を有しており、それぞれの容器１２，１３においてガスハイドレートの分解過程と生成過程とが交互に行われる。また、冷媒回路１１は、これらの容器１２，１３の間でガスハイドレートを生成するためのガスを移送するガス移送系１４を有する。
【００２０】
容器１２，１３にはそれぞれ、サイクル外の低レベルの熱源とガスハイドレートとを熱交換させる第１熱交換器２０，２１と、サイクル外の高レベルの熱源とガスハイドレートの分解物とを熱交換させる第２熱交換器２２，２３とが配設されている。また、容器１２，１３同士は、ガス移送系１４を介して接続されており、ガス移送系１４は、ガスを圧縮する圧縮機２５や配管の他に、不図示の制御弁等を有しており、複数の容器１２，１３のうちのガスハイドレートの分解過程にある容器からガスを受け取り、ガスハイドレートの生成過程にある容器にそのガスを供給するように構成されている。
【００２１】
前述したように、上述した各容器１２，１３ではそれぞれ、ガスハイドレートの分解過程と生成過程とが交互に行われる。また、本例では、一方の容器１２においてガスハイドレートの分解過程が行われるとき、他方の容器１３においてガスハイドレートの生成過程が行われる。逆に、一方の容器１２においてガスハイドレートの生成過程が行われるとき、他方の容器１３においてガスハイドレートの分解過程が行われる。図３（ａ）は、容器１２においてガスハイドレートの分解が行われ、容器１３においてガスハイドレートの生成が行われている様子を示している。
【００２２】
図３（ａ）において、容器１２では、高圧高温状態のガスハイドレートがガス移送系１４を介して減圧される。これにより、容器１２内のガスハイドレートがガスと水とに分解される。この分解過程において、ガスハイドレートは、分解熱に相当する熱を、第１熱交換器２０を介してサイクル外の低レベルの熱源（室外大気あるいは室内空気）から吸収して温度降下し、低圧低温状態のガスと水との混相になる。ガスハイドレートの分解物は、ガスと水とに分離され、そのうちガスだけが、ガス移送系１４を介して他方の容器１３に送られる。
【００２３】
容器１２から取り出されたガスは圧縮機２５により圧縮され、高圧高温状態のガスとして容器１３に供給される。そして、このガスの供給により、容器１３内は高圧高温状態となる。その一方で、容器１３内の熱が第２熱交換器２３を介してサイクル外の高レベルの熱源（室外空気あるいは室内空気）に放出される。この放熱に伴い、容器１３内のガスと水との混相が相変化し、ガスハイドレートが生成される。そして、各容器１２，１３におけるガスハイドレートの分解過程及び生成過程が終了すると、それぞれの容器１２，１３において分解過程と生成過程とが逆転して行われる。
【００２４】
図３（ｂ）は、図３（ａ）とは逆に、容器１２においてガスハイドレートの生成が行われ、容器１３においてガスハイドレートの生成が行われている様子を示している。
図３（ｂ）において、容器１２及び容器１３では、先ほど一方の容器において行われたガスハイドレートの生成過程あるいは分解過程が他方の容器において同様の手順で行われる。このとき、ガス移送系１４を介して、ガスハイドレートの分解過程が行われている容器１３から生成過程が行われている容器１２にガスが移送される。
【００２５】
このような一連のサイクルにより、本例の空気調和装置１０では、ガスハイドレートの分解・生成熱に相当する熱が、サイクル外の低レベルの熱源から汲み上げられ、サイクル外の高レベルの熱源に与えられる。ガスハイドレートの分解時にサイクル外から吸収した熱は、ガスハイドレートの生成時にサイクル外に放出される。そして、高温側の熱は暖房用熱として利用され、低温側の熱は冷房用熱として利用される。
【００２６】
すなわち、空気調和装置１０では、室内を暖房する際には、複数の容器１２，１３のうち、ガスハイドレートの分解過程が行われている容器を介して室外大気から吸熱するとともに、ガスハイドレートの生成過程が行われている容器を介して室内空気に放熱する。暖房時において、ガスハイドレートの生成温度は室内温度より高く、例えば２５℃以上である。また、ガスハイドレートの分解温度は、大気温度（冬期大気温度）より低く、例えば１０℃以下である。一方、室内を冷房する際には、複数の容器１２，１３のうち、ガスハイドレートの分解過程が行われている容器を介して室内空気から吸熱するとともに、ガスハイドレートの生成過程が行われている容器を介して室外大気に放熱する。冷房時において、ガスハイドレートの生成温度は、大気温度（夏期大気温度）より高く、例えば２５℃以上である。また、ガスハイドレートの分解温度は、室内温度より低く、例えば１０℃以下である。
【００２７】
このように、本例の空気調和装置１０によれば、ガスハイドレートの分解・生成熱を利用して、熱源との間で熱の授受を行う。ガスハイドレートの分解・生成熱を利用することにより、エネルギー効率の向上を図ることができる。
【００２８】
また、本例の空気調和装置１０では、複数の容器１２，１３のそれぞれにおいてガスハイドレートの分解過程と生成過程とが交互に行われ、その反応過程に応じて複数の容器の間でガスハイドレートを生成するためのガスが移送される。そのため、この冷媒回路１１では、固形あるいはスラリー状のガスハイドレートの移送が不要である。固形あるいはスラリー状のガスハイドレートの移送が不要となることにより、その移送用の機器や配管が不要となり、装置の低コスト化や、コンパクト化、あるいはメンテナンス性の向上が図られる。
【００２９】
さらに、本例の空気調和装置１０では、ガスハイドレートの移送が不要でありかつ、一つの容器内でガスハイドレートの生成が断続的（バッチ式）に行われることから、ガスハイドレートの生成方法に関して制約を受けにくく、時間的あるいはプロセス的な自由度が大きい。そのため、生成時間として比較的長い時間を確保しやすい、生成時間の遅れに対する対策が立てやすい、熱設計を行いやすい、などの利点を有する。
【００３０】
ここで、上述した冷媒回路１１において、ガスハイドレートの分解及び生成にあたっては、公知の様々な技術を用いることが可能である。
例えば、先の図３（ａ）及び（ｂ）に示したガスハイドレートの分解過程では、容器内のガスが連続的あるいは断続的に排出されることにより、容器内の圧力が低減され、ガスハイドレートの分解が促進される。分解過程において、ガス移送系では、各容器内でガスハイドレートの分解が効果的に進むように、ガス排出量が適切に制御されるのが好ましい。
【００３１】
ガスハイドレートの生成過程では、ガスの量が水に溶けて飽和する以上存在し、さらに相平衡線に基づく一定の温度・圧力条件を満たしている必要がある。また、生成能力向上のために、ガスと水との接触面積が大きくなるのが好ましい。接触面積増大のための技術としては、例えば、ガスと水とを積極的に攪拌する方式、水中にガスを泡状にして供給する方式などがある。なお、ガスハイドレートは前述した分子構造の特徴から高いガス包蔵性を有しており、ハイドレートの空隙がすべてガス分子で充填されなくてもよい。
【００３２】
また、各容器が備える第１熱交換器及び第２熱交換器については、容器の内部で熱交換を行ってもよく、容器の外部で熱交換を行ってもよい。外部で熱交換を行う場合、第１熱交換器及び第２熱交換器は、例えば、容器内の水が配管を介して循環され、その循環中にサイクル外の熱源と熱交換するように構成される。あるいは、ガスハイドレートとは別の冷媒を介してサイクル外の熱源と熱交換するように構成してもよい。また、配管の切り換え等により、第１熱交換器と第２熱交換器とを共通化してもよい。
【００３３】
また、ガス移送系は、圧縮に伴ってガスを一時的に貯溜するタンクを備えてもよい。タンクを備えることにより、ガス供給及び排出のタイミングを容易に制御できるようになる。
また、ガス用の圧縮機としては、電動式のもの、ガス燃料などを用いる燃焼式のもの等、様々な種類のものが適用可能である。
【００３４】
また、先の図３（ａ）及び（ｂ）で示した例では、冷媒回路が有する容器が２つの場合について説明したが、図４に示すように冷媒回路が有する容器の数は３つ以上でもよい。この場合においても、ガス移送系５０は、複数の容器５１，５２，５３…のうち、ガスハイドレートの分解過程にある容器からガスを受け取り、ガスハイドレートの生成過程にある容器にガスを供給するように構成される。
【００３５】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明のヒートポンプによれば、ガスハイドレートの分解及び生成過程に伴う熱の授受を利用することにより、高い成績係数（ＣＯＰ）が得られる。しかも、固形あるいはスラリー状のガスハイドレートの移送が不要であるので、装置の低コスト化や、コンパクト化、あるいはメンテナンス性の向上を図りやすい。
また、本発明の熱利用装置によれば、高い成績係数（ＣＯＰ）のヒートポンプを用いることにより、エネルギー効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスハイドレートの一般的な相平衡図を示す図である。
【図２】本発明のヒートポンプの基本構成を模式的に示す図である。
【図３】本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した実施の形態例を模式的に示す構成図である。
【図４】３以上の容器を備える冷媒回路の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１…ヒートポンプ、４，１１…冷媒回路、１０…空気調和装置、１２，１３…容器、１４…ガス移送系、２０，２１…第１熱交換器、２２，２３…第２熱交換器、２５…圧縮機。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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