JP4796211B1

JP4796211B1 - 熱駆動式冷房装置

Info

Publication number: JP4796211B1
Application number: JP2011102191A
Authority: JP
Inventors: 信行又木
Original assignee: 信行又木
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2031-04-13
Also published as: JP2012220181A

Abstract

【課題】従来の冷風機には、電力供給のない環境では使用できず、凝縮器の放熱による室温上昇があり、圧縮機の騒音が大きいという問題点があり、冷風扇にも、湿度上昇によりかえって体感温度が上昇するという問題点があった。
【解決手段】吸収式ヒートポンプによる冷却機構１０１、スターリングエンジンで送風ファンを駆動する送風機構１０２を設け、同一熱源もしくは燃料供給元を同一とする別個の熱源の熱により、再生器１０及びヒータ部２６を加熱することで、冷却機構１０１及び送風機構１０２の双方を駆動し冷気の送風を行う。また、熱源の燃料供給元に高圧ガス容器を用いる場合には、気化熱冷却が生じる高圧ガス容器と放熱を行う凝縮器１４を熱交換部により接続し熱の受け渡しを行う。これにより、電力を不要として冷気の送風ができ、圧縮器を伴わないため静粛性が向上し、かつ湿度を上昇させない。さらに、凝縮器の放熱による温度上昇を抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、室外機を伴わない冷房装置に関し、特に熱により駆動する冷房装置に関する。

従来の室外機を伴わない冷房装置として、蒸気圧縮式ヒートポンプを用いた方式及び水蒸気の気化熱冷却を用いた方式の２方式が挙げられる。

蒸気圧縮式ヒートポンプを用いた冷風機は、冷却機構として圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器から構成される蒸気圧縮式ヒートポンプを備え、送風機構としてモータ駆動式送風ファンを備える。このような構成の装置では、前記圧縮器において低圧の冷媒蒸気を圧縮し高圧の冷媒蒸気を発生させ、前記凝縮器において前記圧縮器で発生させた冷媒蒸気を凝縮して高圧の液状冷媒を生成し、前記膨張弁において前記凝縮器で生成された高圧の液状冷媒を急減圧して低圧の液状冷媒を生成し、前記蒸発器において前記膨張弁で生成された低圧の液状冷媒を気化させて気化熱による冷却を得て、冷却された周囲の空気を前記送風ファンの回転により送風する。（例えば特許文献１参照）

一方、気化式冷風扇は、モータ駆動式吸気ファン、給水タンク、気化フィルター、モータ駆動式送風ファンを備える。このような構成の装置では、前記給水タンクより前記気化フィルターに水を供給し、モータの駆動による前記吸気ファン及び前記送風ファンの回転により前記吸気ファン側から前記送風ファン側へと流れる気流を発生させ、気流によって前記気化フィルター内の水分を蒸発させ気化熱による冷却を得て、冷却された気流を前記送風ファンから送風する。（例えば特許文献２参照）

特開２０００−３２０８６０号公報

実開平６−３２９２１号公報

以上に述べた冷房装置には、それぞれの方式について次の問題点が挙げられる。

まず、蒸気圧縮式ヒートポンプを用いた冷風機について、以下の問題点がある。
１送風ファンの駆動にモータが用いられ、また圧縮器についても、業務用大型機器において燃焼ガスが利用されるものを除き、多くの製品に電動圧縮機が用いられているため、消費電力が大きい。それゆえ、バッテリーを用いて実用に耐えうる連続使用時間を確保することが困難であり、電力供給の困難な環境における使用には向かない。
２室外機を伴わないゆえ凝縮器において発生する放熱を室外に排出することができず、モータ及び圧縮器の駆動による排熱も発生するため、締め切った室内で使用した場合には、かえって室温が上昇する場合がある。
３圧縮器の駆動による騒音が大きい。

また、気化式冷風扇について、以下の問題点がある。
１吸気ファン及び送風ファンの駆動にモータが用いられるため、消費電力が大きく、バッテリーを用いて実用に耐えうる連続使用時間を確保することが困難であり、電力供給の困難な環境における使用には向かない。
２水の蒸発による気化熱によって冷却を得るので、放熱は生じないものの、室内湿度が上昇し、体感的にはかえって蒸し暑くなる場合がある。
３水の蒸発による気化熱によって冷却を得るので、湿度の高い環境においては蒸発が進みにくく、気化熱による冷却の効果が薄い。

本発明は、従来の２方式における以上の問題点を鑑みてなされたものであり、その目的は、装置の駆動に電力を不要とし、凝縮器における放熱による温度上昇を抑制し、静音性を高め、かつ水蒸気の気化熱冷却によらない冷房装置を提供することにある。

電力を不要とし、静音性を高め、かつ水蒸気の気化熱冷却によらずに冷気を送風する手段として、吸収式ヒートポンプによる冷却機構を設けるとともに、スターリングエンジンにより送風ファンを駆動する送風機構を設け、熱源より発生する熱によって、前記冷却機構において再生器を加熱するとともに前記送風機構において前記スターリングエンジンのヒータ部を加熱することによって、冷却機構及び送風機構の双方を駆動し、冷気の送風を行う。

さらに、前記冷却機構における凝縮器の温度上昇を抑制する手段として、前記熱源の燃料供給元として高圧ガス容器を用いる場合において、前記凝縮器と前記高圧ガス容器とを熱伝導部品により接続して熱の受け渡しを行う。

まず、本項前段に述べた課題解決手段の作用は次のとおりである。冷却機構として、蒸発器、吸収器、再生器、分離器、凝縮器を備え、前記蒸発器において冷媒蒸気を発生し、前記吸収器において前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を吸収液に吸収させ溶液を生成し、前記再生器において前記吸収器で生成した溶液を加熱して気化させ、前記分離器において前記再生器で気化した溶液から冷媒蒸気を分離するとともに、いっぽう冷媒蒸気が分離された溶液を前記吸収器に戻し、前記凝縮器において前記冷媒蒸気を凝縮させて前記蒸発器に送ることで作動する吸収式ヒートポンプを設け、送風機構として、高温空間と低温空間との間に作動ガスが移動可能な連通路を備えるとともに、前記高温空間側に、前記冷却機構の前記再生器を加熱する熱源と同一の熱源からの熱を伝導し前記高温空間を加熱するヒータ部を、低温空間側にクーラ部を備え、前記ヒータ部によって加熱される前記高温空間と前記クーラ部によって冷却される前記低温空間との間を、作動ガスが前記連通路を通じて交互に移動することにより発生する動力を出力する出力機構を備えたスターリングエンジンを設け、クランク機構を介して前記スターリングエンジンの出力を回転運動に変換することにより送風ファンを駆動し、前記冷却機構における前記蒸発器での吸熱により冷却された空気を送風する。

または、前記冷却機構において前記再生器を加熱する熱源と同一の熱源からの熱を前記スターリングエンジンにおける前記ヒータ部に伝導する代わりに、前記再生器を加熱する熱源と燃料供給元を同一とする別の熱源から発生する熱によって前記ヒータ部を加熱し、前記冷却機構及び前記送風機構を駆動して冷却された空気を送風する。

次に、本項後段に述べた課題解決手段の作用は次のとおりである。前記熱源の燃料供給手段として高圧ガス容器を用いる場合において、気化熱により冷却が発生する前記高圧ガス容器と、冷媒蒸気の液化に伴い放熱が発生する前記凝縮器とを熱伝導部品により連絡し、熱伝導部品を介した熱の受け渡しによって、高圧ガス容器における気化熱冷却によるガス圧の低下を抑制するとともに、凝縮器における放熱による温度上昇を抑制する。

本発明によれば、電力を不要として冷気の送風が可能となり、水蒸気の気化熱冷却によらず、かつ圧縮器を伴わないため静粛性を高めることができる。

さらに、燃料供給手段として高圧ガス容器を用いる場合においては、高圧ガス容器の気化熱冷却を利用して凝縮器の放熱による温度上昇を抑制することができる。

本発明の第一の実施形態を示す熱駆動式冷房装置を正面から見た外観図同熱駆動式冷房装置を右側面から見た外観図同スターリングエンジンの図１におけるＡ−Ａ線断面図本発明の第二の実施形態を示す熱駆動式冷房装置の右側面から見た外観図凝縮器と高圧ガス容器を連絡した場合の連絡部分を真上から見た外観図同連絡部分の図５におけるＢ−Ｂ線断面図

［請求項１に対応する実施形態］
まず、図１〜図３を用いて、請求項１に対応する本発明の第一の実施形態について詳述する。

本発明の第一の実施形態による冷房装置１００は、図に示すとおり、吸収式ヒートポンプを用いた冷却機構１０１とスターリングエンジンを用いた送風機構１０２との組み合わせにより構成されており、両機構が共有する構成として、燃料供給元２０、熱源２２、冷却機構１０１における再生器１０と送風機構１０２におけるヒータ部２６とを連絡する熱伝導部２４を備える。

なお、具体的には、燃料供給元２０に高圧ガス容器、熱源２２にガスバーナー、熱伝導体２４として熱伝導率の高い銅・アルミ等の金属を例として挙げることができる。また、熱伝導体２４と冷却機構１０１の接続部、熱伝導体２４と送風機構１０２の接続部に、それぞれ設定温度に到達すると接続を切り離すバイメタル式サーモスタットを設け、冷却機構１０１と送風機構１０２を常にそれぞれの最適温度で加熱する実施形態をとることが可能である。

冷却機構１０１として働く機能部位の構成について述べる。吸収式ヒートポンプを用いた冷却機構１０１は、再生器１０、分離器１２、凝縮器１４蒸発器１６及び吸収器１８より構成され、再生器１０を加熱する機構として、燃料供給元２０、熱源２２、熱伝導部２４を備える。なお、燃料供給元２０、熱源２２、熱伝導部２４は、送風機構１０２においてヒータ部２６を加熱する機構と共有される。冷媒ａが相を変化しながら再生器１０、分離器１２、凝縮器１４、蒸発器１６及び吸収器１８間を循環するとともに、冷媒ａと吸収液からなる溶液ｂが溶液中の冷媒ａと吸収液の比率を変化しながら再生器１０、分離器１２、吸収器１８間を循環する。

以下、冷却機構１０１の動作について述べる。燃料供給元２０より熱源２２に燃料が供給され、熱源２２において熱が発生し、熱伝導部２４を介して再生器１０に熱が伝導される。再生器１０内の、冷媒ａの比率が高い状態にある溶液ｂ１は加熱によって気化し、分離器１２に移流する。分離器１２において、溶液ｂ１から冷媒蒸気ａ１が分離され凝縮器１４に移流するとともに、冷媒蒸気ａ１が分離されたことにより冷媒ａの比率が低い状態にある溶液ｂ２は吸収器１８に送られる。凝縮器１４において、分離器１２より移流してくる冷媒蒸気ａ１が冷却されて一部が液状冷媒ａ２となり蒸発器１６に送られる。いっぽう凝縮器１４において液状冷媒ａ２とならなかった冷媒蒸気ａ１は導管を経由して吸収器１８に移流し、吸収器１８において、分離器１２より吸収器１８に送られてきた溶液ｂ２に吸収される。この吸収によって吸収器１８及び吸収器１８に連絡している蒸発器１６内において減圧が発生し、蒸発器１６において、凝縮器より送られてきた液状冷媒ａ２が低圧により断熱膨張し冷却が発生する。蒸発器１６において液状冷媒ａ１から断熱膨張により気相に変化した冷媒蒸気ａ２は吸収器１８に送られ、吸収器１８において冷媒蒸気ａ２が溶液ｂ２に吸収され溶液ｂ１を生成し、溶液ｂ１は再び再生器１０に送られる。

なお、具体的には、冷却機構１０１の実施形態に用いられる吸収式ヒートポンプとして、冷媒にアンモニア、吸収液に水を用いるアンモニア吸収式ヒートポンプ、もしくは冷媒に水、吸収液に臭化リチウムを用いた水−臭化リチウム吸収式ヒートポンプがある。

送風機構として働く機能部位の構成について述べる。送風機構１０２は、シリンダ２８内に収納されるディスプレーサピストン５２、パワーピストン５８を備えて構成されるとともに、ディスプレーサピストン５２の一方の側（図１〜３では下側）に作動ガスが収納される高温空間５０を、他方の側（図１〜３では上側）に同じく作動ガスが収納される低温空間５４を備え、ディスプレーサピストン５２の移動に従って高温空間５０と低温空間５４との間で作動ガスが移動可能な連通路５６を備えて構成され、高温空間５０側のシリンダ２８外部にヒータ部２６を、低温空間５４側のシリンダ２８外部にクーラ部３０を配する。なお、ヒータ部２６を加熱する機構として、燃料供給元２０、熱源２２、熱伝導部２４を備え、これらは冷却機構１０１において再生器１０を加熱する機構と共有される。

ディスプレーサピストン５２のピストン軸３４は第１コンロッド３８によって、またパワーピストン５８のピストン軸３６は第２コンロッド４０によって、ともに出力軸であるクランクシャフト４４に連結される。この時、第１コンロッド３８、第２コンロッド４０間で、クランクシャフト４４における連結部位は、軸周方向で９０度位相をずらして構成される。クランクシャフト４４には送風ファン４６（図１、２ではファンの一部を省略している）が取り付けられる。

以下、送風機構１０２の動作について述べる。燃料供給元２０より熱源２２に燃料が供給され、熱源２２において熱が発生し、熱伝導部２４を介してヒータ部２６が加熱される。ヒータ部２６の加熱によりシリンダ２８内の高温空間５０に収納される作動ガスが膨張するとともに、いっぽうクーラ部３０の冷却によりシリンダ２８内の低温空間５４に収納される作動ガスが収縮することにより、ディスプレーサピストン５２が低温空間５４側に押し上げられ、ディスプレーサピストン５２に押し出された低温空間５４内の作動ガスが連通路５６を介して高温空間５０に流入し、高温空間５０が拡張される。高温空間５０が拡張したことにより、シリンダ２８内の圧力が高まり、パワーピストン５８が押し上げられる。パワーピストン５８が押し上がることによって、パワーピストン軸３６とクランクシャフト４４を連結する第２コンロッド４０の動作を介しクランクシャフト４４が半回転する。クランクシャフト４４が半回転することにより、第２コンロッド４０の連結部位と軸周方向で９０度位相をずらしてクランクシャフト４４とディスプレーサピストン軸３４を連結する第１コンロッド３８の動作を介して、ディスプレーサピストン５２が押し下げられる。ディスプレーサピストン５２が押し下げられることにより、高温空間５０内の作動ガスが連通路５６を介して低温空間５４に流入し、低温空間５４が拡張する。低温空間５４が拡張したことによってシリンダ２８内の圧力が低下し、パワーピストン５８が引き下がり、第２コンロッド４０の動作を介しクランクシャフト４４が半回転する。クランクシャフト４４が半回転することによって第１コンロッド３８の動作を介してディスプレーサピストン５２が押し上げられるとともに、ヒータ部２６の加熱により温空間５０に収納される作動ガスが膨張するとともに、いっぽうクーラ部３０の冷却によりシリンダ２８内の低温空間５４に収納される作動ガスが収縮することにより、ディスプレーサピストン５２が低温空間５４側に押し上げられ、ディスプレーサピストン５２に押し出された低温空間５４内の作動ガスが連通路５６を介して高温空間５０に流入し、高温空間５０が拡張される。以上のサイクルによってクランクシャフト４４が回転し、クランクシャフト４４に取り付けられた送風ファン４６が回転することにより、前記冷却機構１０１により冷却された空気を送風する。

なお、送風機構１０２の実施形態として、高温空間と低温空間との連通路に、高温空間から低温空間へと作動ガスが流れる時には作動ガスより熱を受け取り、低温空間から高温空間へと作動ガスが流れる時には蓄えられた熱を作動ガスに渡す再生熱交換器を挿入し、熱効率を向上させたスターリングエンジンを用いることも可能である。

［請求項２に対応する実施形態］
次に、図４を用いて、請求項２に対応する本発明の第二の実施形態について説明する。

本発明の第二の実施形態による冷房装置１００も、図に示すとおり、吸収式ヒートポンプを用いた冷却機構１０１とスターリングエンジンを用いた送風機構１０２との組み合わせにより構成されており、冷却機構１０１における熱源として第１熱源６２を、送風機構１０２における熱源として第２熱源６４を備え、両機構が共有する構成として、燃料供給元２０、第１熱源６２と第２熱源６４へ燃料を振り分ける配管接合継手６０を備える。

第一の実施形態と相違する構成について説明する。第一の実施形態は、冷却機構１０１における再生器１０の加熱及び送風機構１０２のヒータ部２６の加熱を、同一の熱源２２で発生する熱を熱伝導部２４を介して伝導することによって行うものである。これに対し、第二の実施形態は、冷却機構１０１における再生器１０の加熱及び送風機構１０２のヒータ部２６の加熱を、同一の燃料供給元２０より配管接合継手６０を介して燃料を供給される別個の熱源である第１熱源６２及び第２熱源６４によって行うものである。

なお、第１熱源６２及び第２熱源６４のそれぞれに調節弁を設け、冷却機構１０１における加熱に最適な熱量と、送風機構１０２における加熱に最適な熱量を、それぞれ独立して調整できる実施形態をとることが可能である。

［請求項３に対応する実施形態］
さらに、図５及び図６を用いて、請求項３に対応する、本発明の第一の実施形態及び第二の実施形態において燃料供給元に高圧ガス容器を用いる場合に、高圧ガス容器における気化熱冷却によるガス圧の低下を抑制するとともに凝縮器における放熱による温度上昇を抑制する機構の実施形態について説明する。

この実施形態は、本発明の第一の実施形態及び第二の実施形態による冷房装置１００において、燃料供給元としての高圧ガス容器７０、冷却機構１０１の凝縮器１４における放熱フィン７４、高圧ガス容器７０と放熱フィン７４に広い面積で接続する熱交換部７２により構成される。熱交換部７２には、例えば熱伝導率の高い銅・アルミ等の金属が用いられる。

本実施形態の動作について述べる。凝縮器１４において、配管内を通る冷媒蒸気ａ２の熱が放熱フィン７４に伝導される。放熱フィン７４より熱交換部７２を介して高圧ガス容器７０に熱が伝導され、高圧ガス容器７０内の液化ガスの気化熱冷却による高圧ガス容器７０のガス圧低下が抑制される。いっぽう、高圧ガス容器７０内の液化ガスの気化熱冷却による高圧ガス容器７０の冷却によって、熱交換部７２を介して放熱フィン７４が冷却され、放熱フィン７４の周囲の空気への放熱量が抑制され、凝縮器１４周辺の気温上昇が抑制される。

Claims

吸収式ヒートポンプによる冷却機構及びスターリングエンジンにより送風ファンを駆動する送風機構を備えるとともに、同一の熱源から前記冷却機構における再生器及び前記送風機構におけるヒータ部に熱を伝導する熱伝導部を備え、同一の熱源の熱によって前記冷却機構及び前記送風機構が駆動することにより冷気を送風することを特徴とする冷房装置。
請求項１記載の冷房装置において、同一の熱源から前記冷却機構における再生器及び前記送風機構におけるヒータ部に熱を伝導する熱伝導部に代えて、燃料供給元を同一とする、前記冷却機構における再生器を加熱する熱源及び前記送風機構におけるヒータ部を加熱する熱源を備え、各熱源の熱によって前記冷却機構及び前記送風機構が駆動することにより冷気を送風することを特徴とする冷房装置。
熱源の燃料供給元として高圧ガス容器を用い、前記冷却機構における凝縮器と前記高圧ガス容器との間で熱の受け渡しを行う熱伝導部品を備え、前記熱伝導部品を介した熱の受け渡しにより、高圧ガス容器における気化熱冷却によるガス圧の低下を抑制するとともに、凝縮器における放熱による温度上昇を抑制することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷房装置。