JP4834186B1

JP4834186B1 - 熱駆動式冷房装置

Info

Publication number: JP4834186B1
Application number: JP2011109872A
Authority: JP
Inventors: 信行又木
Original assignee: 信行又木
Priority date: 2011-04-22
Filing date: 2011-04-22
Publication date: 2011-12-14
Anticipated expiration: 2031-04-22
Also published as: JP2012229905A

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等の問題点があった。
【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を設けるとともに、凝縮器の放熱を利用して炭化水素燃料を気化し、気化した炭化水素燃料をプラチナ触媒により酸化分解することで酸化熱を発生する熱源機構１０３を設け、前記熱源機構から前記冷却機構及び前記送風機構に熱を供給することで両機構を駆動し冷気の送風を行う。これにより、電力を不要として長時間冷気の送風ができ、圧縮器を伴わないため静粛性が向上する。また、冷風扇に比して空気中への水蒸気の放出量は低下する。さらに、凝縮器の放熱が炭化水素燃料の気化に消費されるため、空気中への放熱を抑制できる。
【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、駆動に電力供給を不要としながらも、実用に耐えうる連続使用時間を確保できる冷房装置を提供することを目的としている。

また、従来の冷風機の短所であった、凝縮器からの放熱による室温上昇を抑制し、かつ静音性を高めた冷房装置を提供することを目的としている。

さらに、従来の冷風扇の短所であった、室内湿度の上昇を抑制し、かつ室内湿度に冷却性能を左右されない冷房装置を提供することを目的としている。

本発明による冷房装置は、冷却機構として吸収式ヒートポンプを備え、送風機構としてスターリングエンジンにより駆動する送風ファンを備えるとともに、両機構を駆動する熱源機構に、プラチナ触媒の作用による炭化水素燃料の燃焼熱を利用することを特徴とする。

この時、前記熱源機構は、前記冷却機構の凝縮器より放熱される熱を受け取り気化器内の炭化水素燃料を気化し、気化した炭化水素燃料を発熱器においてプラチナ触媒反応により燃焼し、発生する燃焼熱を前記冷却機構の再生器及び前記送風機構のヒータ部へ供給する。

吸収式ヒートポンプ及びスターリングエンジンはいずれも熱によって駆動するため、電力を不要として冷却機構及び送風機構を駆動し、冷気を送風することが可能である。また、熱源に利用する、プラチナ触媒の作用による炭化水素燃料の燃焼熱は、熱量が極めて大きく、かつ低温域で穏やかに燃焼が進行するため、長時間安定した熱量を冷却機構及び送風機構に供給することができ、実用に耐えうる連続使用時間を確保できる。

駆動音の大きい電動圧縮器を伴わないため、従来の冷風機よりも静粛性を高めることができる。

凝縮器から放熱される熱量の一部を気化器内の炭化水素燃料の気化に消費するため、空気中へ放熱される熱量が抑制され、凝縮器の放熱による室温上昇を軽減することができる。

冷却機構が吸収式ヒートポンプであるゆえ、水蒸気の気化熱冷却によらないため、冷却性能が室内湿度に左右される事がない。また、プラチナ触媒反応により炭化水素燃料は水と二酸化炭素に分解され空気中に放出されるが、低温域で穏やかに燃焼が進行するため、水蒸気による気化熱冷却の場合に比して空気中に放出される水蒸気量は少ない。

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線断面図同発熱器の図２におけるＢ−Ｂ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を右側面から見た外観図

以下、図１〜５を用いて本発明の第一及び第二の実施形態について説明する。

［第一の実施形態］
本発明の第一の実施形態による冷房装置１００は、図１〜４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、両機構を駆動する熱源機構１０３の組み合わせにより構成されている。この時、熱源機構１０３の気化器２０は冷却機構１０１の凝縮器１４に接面し、熱源機構１０３の発熱器２２は熱伝導部２４によって冷却機構１０１の再生器１０及び送風機構１０２のヒータ部２６へと連絡される。以下、熱源機構１０３、冷却機構１０１、送風機構１０２の順に各構成及び動作について詳述する。

まず、熱源機構１０３として働く機能部位の構成について述べる。熱源機構１０３は、凝縮器１４から熱を受け取り炭化水素燃料を気化する気化器２０、プラチナの触媒作用により熱を発生する発熱器２２、発熱器２２の熱を再生器１０及びヒータ部２６に伝導する熱伝導部２４により構成され、発熱器２２内においては、触媒反応を開始させる火口７０、プラチナ触媒７４、酸素を取り込み、酸化分解により発生する水・二酸化炭素を空気中に放出する通気孔７２を備える。

熱源機構１０３の動作について述べる。気化器２０内の炭化水素燃料が自然気化し、発熱器２２に移流し充満する。いっぽう通気孔７２より発熱器２２内に酸素が供給される。この状態において、火口７０に着火することによって触媒反応の開始に必要な熱が与えられる。すると、発熱器２２内の炭化水素燃料がプラチナ触媒７４において酸素と結びつき水と二酸化炭素に分解される酸化反応が開始され、酸化熱が発生する。発生した熱は熱伝導部２４を介して再生器１０及びヒータ部２６に伝導される。酸化分解により生じた水と二酸化炭素は、通気孔７２より空気中に放出される。この酸化熱により次の触媒反応に必要な熱が与えられ、発熱器２２内の炭化水素燃料は酸化分解を続け、継続して酸化熱を発生させる。発熱器２２から供給される熱により冷却装置１０１が駆動を開始し、凝縮器１４が放熱を開始する。凝縮器１４からの熱が気化器２０に伝導され、気化器２０内の炭化水素燃料の気化が促進される。気化器２０において気化した炭化水素燃料が発熱器２２に移入し、同様にプラチナ触媒７４による触媒反応によって酸化分解され、酸化熱が発生する。以上のサイクルが炭化水素燃料の供給が尽きるまで継続される。

次に、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が発熱器から伝導される熱により加熱されることにより、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。発熱器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１０２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。

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。発熱器２２において発生した熱が熱伝導部２４を介してヒータ部２６に伝導される。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ができる。

［第二の実施形態］
本発明の第二の実施形態による冷房装置１００も、図５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、両機構を駆動する熱源機構１０３の組み合わせにより構成されている。この時、熱源機構１０３の気化器２０は冷却機構１０１の凝縮器１４に接面し、気化器２０で気化した炭化水素燃料が、配管接合継手６０により、再生器１０を加熱する第１発熱器６２及びヒータ部２６を加熱する第２発熱器６４へ振り分けられる。

第一の実施形態と相違する点について述べるに、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、同一の発熱器２２で発生する熱によって行うものであるのに対し、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、同一の気化器２０より配管接合継手６０を介して炭化水素燃料を供給される別個の第１発熱器６２及び第２発熱器６４によって行うものである。

なお、再生器１０を加熱する最適温度帯とヒータ部２６を加熱する最適温度帯は異なるので、第１発熱器６２及び第２発熱器６４のプラチナ触媒量をそれぞれ調整する。

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、前記冷却機構の凝縮器から放熱される熱により炭化水素燃料を気化する気化器、気化した炭化水素燃料をプラチナ触媒により酸化分解し酸化熱を発生させる発熱器、発熱器にて発生する熱を前記冷却機構の再生器及び前記送風機構のヒータ部へと伝導する熱伝導部より構成される熱源機構を備え、熱伝導部を介し前記熱源機構より熱が伝導されることによって前記冷却機構及び前記送風機構が駆動し、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、前記熱源機構における前記熱伝導部に代えて、前記再生器を加熱する第１発熱器及び前記ヒータ部を加熱する第２発熱器を備え、第１発熱器及び第２発熱器がそれぞれ、気化器から供給される炭化水素燃料をプラチナ触媒により酸化分解し酸化熱を発生させ、第１発熱器の熱によって前記冷却機構を、第２発熱器の熱によって前記送風機構を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。