JP2004101138A

JP2004101138A - ガスハイドレートを用いたヒートポンプ及び熱利用装置

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Publication number: JP2004101138A
Application number: JP2002266782A
Authority: JP
Inventors: Kenji Watanabe; 渡辺　健次; Tomoya Ito; 伊藤　智也; Tomohiro Ogawa; 小川　智広
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02

Abstract

【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１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４を備える。
【選択図】　　図２

Description

【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ることを特徴とする。
【０００８】
上記のヒートポンプにおいては、前記冷媒回路は、吸熱しながら前記ガスハイドレートを分解する分解装置と、放熱しながら前記ガスハイドレートを生成する生成装置とを備えるとよい。
【０００９】
この場合、前記分解装置は、例えば、前記ガスハイドレートを減圧する減圧手段と、前記低温の物体と前記ガスハイドレートとを熱交換させる第１熱交換器とを有するとよい。
【００１０】
また、前記生成装置は、例えば、前記ガスハイドレートの分解物を昇圧する昇圧手段と、前記ガスハイドレートの分解物と前記高温の物体とを熱交換させる第２熱交換器とを有するとよい。
【００１１】
また、上記のヒートポンプにおいて、前記分解装置で分解された前記ガスハイドレートの分解物を、気体と液体とに分けて前記生成装置に送るのが好ましい。
【００１２】
また、上記のヒートポンプにおいて、前記生成装置で生成された前記ガスハイドレートを、前記分解装置に輸送する輸送手段を備えるのが好ましい。
【００１３】
この場合、前記生成装置で生成された前記ガスハイドレートは、水を含んだスラリー状であるのがより好ましい。
【００１４】
また、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。
【００１５】
【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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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　ＣＨ_４・５．７５Ｈ_２Ｏ　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。
【００２０】
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、高性能なものでＣＯＰは　２．５〜４．０　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。
【００２１】

【００２２】
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（ＣＯ_２）、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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装置１１と生成装置１２とを含む冷媒回路１３を備えている。
【００２５】
分解装置１１は、ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器２０、ガスハイドレートを減圧する減圧手段としての減圧弁２１、及びサイクル外の熱源（室内空気あるいは室外大気）とガスハイドレートとを熱交換させる第１熱交換器２２を有する。
【００２６】
また、生成装置１２は、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器２５、ガスハイドレートの分解物を昇圧する昇圧手段としての圧縮機２６，２７、及びサイクル外の熱源（室内空気あるいは室外大気）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２３を有する。
【００２７】
分解器２０と生成器２５とは、配管３０，３１，３２を介して互いに接続されている。配管３０、３１は、分解器２０で分解されたガスハイドレートの分解物（ガス及び水）を生成器２５に送るためのものである。ガスハイドレートの分解物は、気体（ガス）と液体（水）とに分離され、配管３０にはガスが流れ、配管３１には水が流れる。また、配管３０には減圧弁２１及びガス圧縮用の圧縮機２６（ガス圧縮機など）が配設され、配管３１には水圧縮用の圧縮機２７（水ポンプなど）が配設される。一方、配管３２は、生成器２５で生成されたガスハイドレートを分解器２０に送るためのものであり、配管３２には、ガスハイドレートを輸送する輸送手段としてのスラリーポンプ３５が配設される。
【００２８】
分解器２０では、高圧高温状態のガスハイドレートが減圧弁２１を介して減圧される。これにより、ガスハイドレートがガスと水とに分解される。また、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２２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。また、ガスハイドレートの分解物は、ガスと水とに分離され、ガスは配管３０を介して、水は配管３１を介してそれぞれ生成器２５に送られる。このとき、ガス及び水は、それぞれ圧縮機２６及び圧縮機２７を介して圧縮されるなどして高圧高温状態となる。
【００２９】
生成器２５では、高圧高温状態のガスと水との混相から、ガスハイドレートの生成熱に相当する熱が第２熱交換器２３を介してサイクル外の高レベルの熱源（室外大気あるいは室内空気）に放出される。この放熱に伴い、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。生成されたガスハイドレートは、水を含んだスラリー状であり、スラリーポンプ３５を介して分解器２０に送られる。
【００３０】
このような一連のサイクルにより、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。
【００３１】
すなわち、空気調和装置１０では、室内を暖房する際には、分解装置１１によって室外大気から吸熱しながらガスハイドレートを分解するとともに、生成装置１２によって室内空気に放熱しながらガスハイドレートを生成する。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、分解装置１１によって室内空気から吸熱しながらガスハイドレートを分解するとともに、生成装置１２によって室外大気に放熱しながらガスハイドレートを生成する。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。
【００３２】
このように、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。
【００３３】
ここで、上述した冷媒回路１３において、分解装置１１及び生成装置１２としては、公知の様々な技術を用いることが可能である。
先の図３に示した分解装置１１では、分解器２０から生成器２５へのガス供給用の配管３０に減圧弁２１が配設されている。この場合、生成器２５へのガス供給に伴って分解器２０内の圧力が低減される。分解装置の構成はこれに限らず、分解器そのものに減圧機能を持たせてもよく、あるいは生成装置が備えるガス圧縮用の圧縮機２６に減圧機能を持たせることで減圧弁を省略してもよい。いずれの構成においても、分解器内のガスを連続的あるいは断続的に排出することにより、分解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。また、生成器から分解器へのガスハイドレート供給用の配管（先の図３に示す配管３２）に、減圧弁を配設してもよい。この場合、減圧弁を通過することにより、ガスハイドレートの分解が開始するとともに、その分解により生じたガス（及び水）が減圧及び膨張される。
【００３４】
また、分解装置が備える第１熱交換器２２は、分解器２０の内部で熱交換を行ってもよく、分解器２０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２２は、例えば、分解器内の低温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。なお、分解装置は、連続的にガスハイドレートを分解するものが好ましいが、断続的（バッチ式）に分解を行うものも適用可能である。
【００３５】
ガスハイドレートの生成装置では、生成器において、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、生成器では、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ように構成されるのが好ましい。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、生成時に、必ずしも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。生成装置は、連続的にガスハイドレートを生成するものが好ましいが、断続的（バッチ式）に生成を行うものも適用可能である。
【００３６】
先の図３に示した冷媒回路１３では、ガスハイドレートの分解物であるガスと水とがそれぞれ配管３０及び配管３１に分けて分解装置１１から生成装置１２に送られることから、ガス及び水をそれぞれガスハイドレートの生成に適した状態に制御しやすいという利点を有する。なお、圧縮に伴って上昇したガスの温度を降下させるために、圧縮後のガスを冷却する冷却器を備えてもよい。また、圧縮後の水の温度を上昇させるために、圧縮後のガスと水とを熱交換させる熱交換器を備えてもよい。また、圧縮に伴ってガスあるいは水を一時的に貯溜するタンクを備えてもよいことは言うまでもない。なお、水を圧縮（あるいは輸送）する圧縮機２７（水ポンプ）の動力は、ガスを圧縮する圧縮機２６の動力に比べると極めて小さい。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。
【００３７】
また、生成装置が備える第２熱交換器２３は、上記した分解装置の第１熱交換器２２と同様に、生成器２５の内部で熱交換を行ってもよく、生成器２５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２熱交換器２３は、例えば、生成器内の高温の水とガスとの混相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。
【００３８】
また、生成装置１２において生成されたガスハイドレートは、水を含んだスラリー状である。そのため、硬質な固体状のものに比べて、生成装置１２から分解装置１１に輸送しやすいという利点を有する。ガスハイドレートの輸送手段としては、スラリーポンプに限定されず、他の輸送手段を用いてもよい。また、連続的に輸送するものに限らず、断続的（バッチ式）に輸送するものでもよい。また、生成器２５と分解器２０との圧力差を利用することにより、輸送手段を省略してもよい。
【００３９】
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。
【００４０】
【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）を得ることができる。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。
【符号の説明】
１…ヒートポンプ、２，１１…分解装置、３，１２…生成装置、４，１３…冷媒回路、１０…空気調和装置、２０…分解器、２１…減圧弁（減圧手段）、２２…第１熱交換器、２５…生成器、２６，２７…圧縮機、２３…第２熱交換器、３５…スラリーポンプ（輸送手段）。

Claims

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ることを特徴とするヒートポンプ。
前記冷媒回路は、吸熱しながら前記ガスハイドレートを分解する分解装置と、放熱しながら前記ガスハイドレートを生成する生成装置とを備えることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ。
前記分解装置は、前記ガスハイドレートを減圧する減圧手段と、前記低温の物体と前記ガスハイドレートとを熱交換させる第１熱交換器とを有することを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ。
前記生成装置は、前記ガスハイドレートの分解物を昇圧する昇圧手段と、前記ガスハイドレートの分解物と前記高温の物体とを熱交換させる第２熱交換器とを有することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のヒートポンプ。
前記分解装置で分解された前記ガスハイドレートの分解物を、気体と液体とに分けて前記生成装置に送ることを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれかに記載のヒートポンプ。
前記生成装置で生成された前記ガスハイドレートを、前記分解装置に輸送する輸送手段を備えることを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれかに記載のヒートポンプ。
前記生成装置で生成された前記ガスハイドレートは、水を含んだスラリー状であることを特徴とする請求項６に記載のヒートポンプ。
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から請求項７のうちのいずれか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。