JP4912041B2 - 空調システム - Google Patents

Description

本発明は、ガスヒートポンプを利用した空調システムに関する。

ガスハイドレートは、その生産過程において熱を発生し、その分解過程において熱を吸収することが知られており、これらの特性を利用したガスヒートポンプが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１５８９９７号公報

しかしながら、上述のようなガスヒートポンプは、ガスエンジンとこのガスエンジンの動力を受ける圧縮機により冷媒循環を行う冷媒回路とをそれぞれ別個に用意しなければならないという問題がある。このため、より効率的にガスヒートポンプを作動させることができる空調システムの開発が求められている。

そこで、本発明は、ガスハイドレートの特性を有効に利用して空気の温度を調節することができる空調システムを提供することを目的とする。

本発明にかかる空調システムは、空気の温度を調節する空調システムであって、ガスハイドレートをガスと水とに分離するガス化装置と、第一の空気に前記ガス化装置から排出された水の冷熱を供給する第一の熱交換器と、前記ガス化装置から排出された水を前記第一の熱交換器に供給する第一の供給手段と、前記供給手段を制御する第一の制御装置と、前記ガス化装置から排出されたガスを燃料として用いる原動機と、前記原動機によって作動する圧縮機を含むガスヒートポンプと、前記ガスヒートポンプを制御する第二の制御装置と、前記第一の熱交換器によって冷却された第一の空気と、前記ガスヒートポンプによって冷却された第二の空気とを混合する混合手段と、前記混合手段を制御する第三の制御装置とを備えることを特徴とする。ここで、前記ガスヒートポンプは、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する第二の熱交換器と、前記第二の熱交換器により冷却された前記冷媒の圧力を減圧する膨張弁と、前記膨張弁により減圧された前記冷媒を加熱する第三の熱交換器と、前記第三の熱交換器により加熱された前記冷媒を前記圧縮機に供給する第二の供給手段とを備えていることが好ましい。また、前記ガスヒートポンプは、さらに、前記圧縮機から排出された冷媒を、前記第二の熱交換器又は前記第三の熱交換器に供給する四方弁を備えることが好ましい。

なお、前記第一の制御装置は、前記第一の空気を冷却するときに、前記ガス化装置から排出される水を、前記第一の熱交換器に供給し、前記第一の空気を冷却しないときに、前記ガス化装置から排出される水を、前記第一の熱交換器に供給しないように前記第一の供給手段を制御することを特徴とする。また、前記第二の制御装置は、前記第二の空気を冷却するときに、前記圧縮機から排出される冷媒を前記第二の熱交換器に供給し、前記第二の空気を加温するときに、前記圧縮機から排出される冷媒を前記第三の熱交換器に供給するように前記四方弁を制御することを特徴とする。さらに、前記第三の制御装置は、前記ガスヒートポンプによって冷却された第二の空気をさらに冷却するときに、前記第二の空気を前記第一の熱交換器に通し、前記第一の熱交換器によって冷却された第一の空気をさらに冷却するときに、前記第一の空気を前記第三の熱交換器に通すように前記混合手段を制御することを特徴とする。

前記空調システムは、前記原動機から排出される熱によって前記ガス化装置において分離した水を加熱する第四の熱交換器をさらに備えていることが好ましい。さらに、前記空調システムは、前記第四の熱交換器により加熱された前記水を、前記ガス化装置に供給する第三の供給手段を備えていることが好ましい。

なお、前記空調システムにおいて、前記原動機は、ガスエンジンを備えていてもよいし、発電機を備えていてもよい。また、前記空調システムにおいて、前記ガスハイドレートは、天然ガスハイドレート（natural gas hydrate）であることが好ましい。

また、本発明にかかる空気冷却方法は、空気を冷却するための方法であって、ガスハイドレートをガスと水とに分離し、分離した前記水の冷熱によって第一の空気を冷却し、分離した前記ガスを燃料として原動機を駆動させ、前記原動機によってガスヒートポンプを作動させて、前記ガスヒートポンプによって第二の空気を冷却し、冷却した前記第一の空気と、冷却した前記第二の空気とを混合することを特徴とする。なお、前記ガスハイドレートは、天然ガスハイドレート（natural gas hydrate）であることが好ましい。

本発明によって、ガスハイドレートの特性を有効に利用して空気の温度を調節することができる空調システムを提供することができる。

以下、好ましい実施の形態につき、添付図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の実施形態において用いられるガスハイドレートは、例えば、天然ガスハイドレート、メタンハイドレート、エタンハイドレート、プロパンハイドレート、ブタンハイドレート等の、燃料として使用できる燃焼性のガスハイドレートであることが好ましい。中でも、天然ガスハイドレートは、大気汚染物質の排出も少なく、大気圧下−20℃の環境下において固体の状態で存在しているため輸送や貯蔵を行いやすい。従って、ガスハイドレートとして天然ガスハイドレートを用いることが特に好ましい。

＝＝空調システムの構成＝＝
図１は本発明の一実施形態として説明する空調システムの構成図を示す。図１に示すように、本発明にかかる空調システム１００は、ガス化装置１０、第一の熱交換器２０、原動機３０、ヒートポンプ４０、第四の熱交換器５０、温水タンク６０、第一の制御装置７０、第二の制御装置８０、第三の制御装置９０などを備えている。

ガス化装置１０は、ガスハイドレートをガス（燃焼性のもの）と水とに分離する装置である。ガスハイドレートの分離は、ガスハイドレートに直接熱を加えて行ってもよいし、ガスハイドレートに水を加えて行ってもよい。ガスハイドレートがガスと水とに分離すると、ガス化装置１０内において圧力が生じる。従って、ガス化装置１０は、内部の圧力に対し、耐圧性であることが望ましい。

第一の熱交換器２０は、ガス化装置１０において産生された水の冷熱と冷却の対象となる空気（「第一の空気」ともいう）の熱とを熱交換する装置である。

第一の制御装置７０は、ポンプ７１、弁７２、７３（第一の供給手段）などを備えている。第一の制御装置７０は、空気（第一の空気）を冷却する場合には、ガス化装置１０から排出される水を第一の熱交換器２０に供給し、空気（第一の空気）を冷却しない場合には、ガス化装置１０から排出される水を第一の熱交換器２０に供給しないように、前述の第一の供給手段を制御している。

原動機３０は、ガス化装置１０から分離したガスを利用して、空調装置等の圧縮機４１を含むヒートポンプ４０を作動させる装置である。原動機３０としては、ガスエンジン（図１を参照のこと）、発電機（図２を参照のこと）などが挙げられる。

ヒートポンプ４０は、冷媒を介して熱や冷熱を供給する装置である。図１に示すように、ヒートポンプ４０は、圧縮機４１、第二の熱交換器４２、膨張弁４３、第三の熱交換器４４、ポンプ（第二の供給手段）４５、四方弁８１などを備え、これらはそれぞれ配管によって接続されている。圧縮機４１は、冷媒を圧縮して高温にする装置であり、原動機３０によって作動する。第二の熱交換器４２は、圧縮機４１によって高温になった冷媒と室外気との熱交換を行う装置である。なお、第二の熱交換器４２は、このような熱交換により熱風を生じやすいため、空調の効率を上げるためにも、室外に設置されることが好ましい。膨張弁４３は、第二の熱交換器４２から排出された冷媒を冷却させるために、この冷媒を減圧させる装置である。第三の熱交換器４４は、膨張弁４３によって冷却された冷媒の熱と空気（例えば、室内気又は室外気）（「第二の空気」ともいう）の熱とを熱交換する装置である。第三の熱交換器４４において温められた冷媒は、ポンプ（第二の供給手段）４５などを用いて、最終的に、圧縮機４１に供給される。

第二の制御装置８０は、四方弁８１などを備えている。第二の制御装置８０は、空気（第二の空気）を冷却させる場合には、圧縮機４１→第二の熱交換器４２→膨張弁４３→第三の熱交換器４４→圧縮機４１の順で循環するように、四方弁８１を設定し、空気（第二の空気）を加温させる場合には、圧縮機４１→第三の熱交換器４４→膨張弁４３→第二の熱交換器４２→圧縮機４１の順で循環するように、四方弁８１の回転を制御している。

第四の熱交換器５０は、第一の熱交換器２０と温水タンク６０の間に設けられており、原動機３０によって産生された排熱と、ガス化装置１０において分離した水の冷熱とを熱交換する装置である。第四の熱交換器５０によって加温された水は、温水タンク６０に貯蔵される。温水タンク６０に貯蔵されている温水は、ポンプ（「第三の供給手段」ともいう）６１などによってガス化装置１０に供給されてもよいし、他の用途に用いられてもよい。温水がガス化装置１０に供給された場合、この温水はガス化装置１０に存在するガスハイドレートに熱を与え、その結果、ガス化装置１０に存在するガスハイドレートがガス化する。

第五の熱交換器５１（例えば、ラジエーターなど）は、原動機３０から排出されたガスの熱と空気（例えば、室内気又は室外気）の熱とを熱交換する装置である。第五の熱交換器は、図１に示すように並列に設置してもよいし（この場合、第四の熱交換器５０は、第五の熱交換器５１の機能を兼ねる）、直列に設置してもよい。なお、第五の熱交換器５１の個数は特に限定されない。原動機３０から排出されるガスは、ポンプ５２によって、第五の熱交換器５１に供給される。そして、第五の熱交換器５１によって冷却された空気は、弁５３、５４の開栓によって原動機３０に供給される。

第三の制御装置９０は、ファン９１、９２などの混合手段を備えている。第三の制御装置９０は、ガスヒートポンプによって冷却された空気（第二の空気）をさらに冷却するときに、ファン９１を作動させて、この空気（第二の空気）を第一の熱交換器２０に通し（図１を参照のこと）、一方、第一の熱交換器２０によって冷却された空気（第一の空気）をさらに冷却するときに、ファン９２を作動させて、この空気（第一の空気）を第三の熱交換器４４に通す（図３を参照のこと）ように、ファン９１、９２などの混合手段を制御している。

本発明にかかる空調システム１００は、ガス化装置１０を複数個備えていてもよい。このように、空調システム１００にガス化装置１０を複数個備えれば、ガス化装置１０からガスを順次得ることができる。そして、このガスを順次原動機３０に供給すれば、原動機３０を連続的に駆動させることができ、この原動機３０によってヒートポンプ４０を連続的に作動させることができる。

＝＝空調システムの作動手順＝＝
次に、本実施の形態における空調システムの作動手順の例について、空気を冷却する場合と空気を加温する場合とに分けて、図１を用いて説明する。

（１）空気を冷却する場合
ガス化装置１０に供給されたガスハイドレートは、第四の熱交換器５０によって加温された温水タンク６０に貯蔵されている水の熱を吸収して、ガスと水とに分離する。分離したガスと水は、それぞれ以下のように用いられる。

まず、第一の制御装置７０によって、ガス化装置１０において分離した水を、ポンプ７１→弁７２→第一の熱交換器２０の順で、第一の熱交換器２０に供給させる。このようにして、第一の熱交換器２０において、第一の熱交換器２０に供給された水の冷熱と冷却の対象となる空気（「第一の空気」ともいう）の熱とを熱交換させて、冷却された空気を得る。

次に、ガス化装置１０において分離したガスを、原動機３０（例えば、ガスエンジン、発電機等）に供給する。これにより、原動機３０は駆動し、この原動機３０によってヒートポンプ４０の圧縮機４１が作動する。原動機３０に供給されるガスの量は、圧縮機４１を作動させるのに必要な量であればよい。そのため、余ったガスは、資源として利用してもよいし、ガス化装置１０に供給して再度ハイドレート化させてもよい。

次に、第二の制御装置８０によって、図１のように、ヒートポンプ４０における冷媒が圧縮機４１→第二の熱交換器４２→膨張弁４３→第三の熱交換器４４→圧縮機４１の順で循環するように、四方弁８１を設定する。そして、第三の熱交換器４４において、このような冷媒の循環によって得られた冷媒の冷熱と、冷却の対象となる空気（「第二の空気」ともいう）の熱とを熱交換させて、冷却された空気を得る。なお、ヒートポンプ４０に用いる冷媒としては、フロンガス、二酸化炭素、アンモニア等が挙げられる。この中でも、二酸化炭素及びアンモニアは、ＣＯＰ（成績係数）が高く、経済性、省エネ性、環境性にも優れているので、ヒートポンプ４０に用いる冷媒として特に好ましい。

最後に、第三の熱交換器４４において得られた冷却された空気（第二の空気）と、第一の熱交換器２０において得られた冷却された空気（第一の空気）とを、第三の制御装置９０による制御下で混合する。具体的にいうと、ファン９１→第三の熱交換器４４→第一の熱交換器２０（図１を参照のこと）の順で、又はファン９２→第一の熱交換器２０→第三の熱交換器４４（図３を参照のこと）の順で、第一の空気と第二の空気を混合させる。

本発明の空調システムにおいて、第一の熱交換器２０に供給された水は、第四の熱交換器５０に供給されてもよい。第四の熱交換器５０に供給された水は、前述の通り、第四の熱交換器５０において加温される。従って、ガス化装置１０に存在するガスハイドレートをガス化させたい場合は、ポンプ６１など（「第三の供給手段」ともいう）を作動させて、温水タンク６０に貯留している温水をガス化装置１０に供給すればよい。

（２）空気を加温する場合
ガス化装置１０に供給されたガスハイドレートは、第四の熱交換器５０によって加温された温水タンク６０に貯蔵されている水の熱を吸収し、ガスと水とに分離する。分離したガスと水は、それぞれ以下のように用いられる。

まず、ガス化装置１０において分離したガスを、原動機３０（例えば、ガスエンジン、発電機等）に供給する。これにより、原動機３０が駆動し、この原動機３０によってヒートポンプ４０の圧縮機４１が作動する。

次に、第二の制御装置８０によって、ヒートポンプ４０における冷媒が圧縮機４１→第三の熱交換器４４→膨張弁４３→第二の熱交換器４２→圧縮機４１の順で循環するように、四方弁８１を回転させる（図示せず）。図１においては、四方弁を右方向又は左方向に９０度回転させればよい。

最後に、第三の熱交換器４４において、供給された冷媒の熱と加温したい空気の熱とを熱交換させて、加温された空気を得る。

ガス化装置１０において分離した水は、第一の制御装置７０によって、ポンプ７１→弁７３→第四の熱交換器５０の順で、第四の熱交換器５０に供給されてもよい。このようにして第四の熱交換器５０に供給された水は、前述の通り、第四の熱交換器５０において加温するのに用いられる。従って、ガス化装置１０に存在するガスハイドレートをガス化させたい場合は、ポンプ６１など（「第三の供給手段」）を作動させて、温水タンク６０に貯留している温水をガス化装置１０に供給すればよい。

＝＝本発明の効果＝＝
以上のように、本発明にかかる空調システムは、空気を冷却する場合に、２つの冷却装置（第一の熱交換器及び第三の熱交換器）を用いているので、空気の冷却効率がとても良く、また、少ないエネルギー消費量で空気を冷却することができる。従って、本発明にかかる空調システムは、経済性が高い。

また、本発明にかかる空調システムは、上述のような装置を備えることにより、必要に応じて、空気を冷却したり加温したりすることができる。

さらに、不純物の混入が少ないガスハイドレートを用いれば、本発明の空調システムは、病院、電子機器、工場等の清浄な空気を必要とする場所にも用いることができる。

本発明の一実施形態として説明する、原動機としてガスエンジンを用いた場合の空調システムを示す図である。 本発明の一実施形態において、原動機として発電機を用いた場合の空調システムを示す図である。 本発明の一実施形態において、空調システムを示す図である。

符号の説明

１０ ガス化装置
２０ 第一の熱交換器
３０ 原動機
４０ ヒートポンプ
４１ 圧縮機
４２ 第二の熱交換器
４３ 膨張弁
４４ 第三の熱交換器
４５ ポンプ（第二の供給手段）
５０ 第四の熱交換器
５１ 第五の熱交換器
５２ ポンプ
５３、５４ 弁
６０ 温水タンク
６１ ポンプ（第三の供給手段）
７０ 第一の制御装置
７１ ポンプ（第一の供給手段）
７２、７３ 弁（第一の供給手段）
８０ 第二の制御装置
８１ 四方弁
９０ 第三の制御装置
９１、９２ ファン（混合手段）
１００ 空調システム

Claims (11)

1. 空気の温度を調節する空調システムであって、
   ガスハイドレートをガスと水とに分離するガス化装置と、
   前記ガス化装置から排出された水の冷熱を供給する第一の熱交換器と、
   前記ガス化装置から排出された水を前記第一の熱交換器に供給する第一の供給手段と、
   前記供給手段を制御する第一の制御装置と、
   前記ガス化装置から排出されたガスを燃料として用いる原動機と、
   前記原動機によって作動する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する第二の熱交換器と、前記第二の熱交換器により冷却された前記冷媒の圧力を減圧する膨張弁と、前記膨張弁により減圧された前記冷媒を加熱する第三の熱交換器と、前記第三の熱交換器により加熱された前記冷媒を前記圧縮機に供給する第二の供給手段とを含むガスヒートポンプと、
   前記ガスヒートポンプを制御する第二の制御装置と、
   前記第一の熱交換器及び前記第三の熱交換器に通して空気を冷却するファンと、
   前記ファンを制御する第三の制御装置と、
   前記原動機から排出される熱によって、前記第一の熱交換器で冷熱を供給した水を加熱する第四の熱交換器と、
   前記ガスハイドレートを分離するために、前記第四の熱交換器により加熱された前記水を、前記ガス化装置に供給する第三の供給手段と、
   を備えることを特徴とする空調システム。
2. 前記ガスヒートポンプは、
   前記圧縮機により圧縮された冷媒を冷却する第二の熱交換器と、
   前記第二の熱交換器により冷却された前記冷媒の圧力を減圧する膨張弁と、
   前記膨張弁により減圧された前記冷媒を加熱する第三の熱交換器と、
   前記第三の熱交換器により加熱された前記冷媒を前記圧縮機に供給する第二の供給手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の空調システム。
3. 前記ガスヒートポンプは、さらに、
   前記圧縮機から排出された冷媒を、前記第二の熱交換器又は前記第三の熱交換器に供給する四方弁を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の空調システム。
4. 前記第一の制御装置は、
   前記第一の空気を冷却するときに、前記ガス化装置から排出される水を、前記第一の熱交換器に供給し、
   前記第一の空気を冷却しないときに、前記ガス化装置から排出される水を、前記第一の熱交換器に供給しないように前記第一の供給手段を制御すること、
   を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の空調システム。
5. 前記第二の制御装置は、
   前記第二の空気を冷却するときに、前記圧縮機から排出される冷媒を前記第二の熱交換器に供給し、
   前記第二の空気を加温するときに、前記圧縮機から排出される冷媒を前記第三の熱交換器に供給するように前記四方弁を制御すること、
   を特徴とする請求項３又は４に記載の空調システム。
6. 前記第三の制御装置は、
   前記ガスヒートポンプによって冷却された第二の空気をさらに冷却するときに、前記第二の空気を前記第一の熱交換器に通し、
   前記第一の熱交換器によって冷却された第一の空気をさらに冷却するときに、前記第一の空気を前記第三の熱交換器に通すように前記混合手段を制御すること、
   を特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の空調システム。
7. 前記原動機が、ガスエンジンを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の空調システム。
8. 前記原動機が、発電機を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の空調システム。
9. 前記ガスハイドレートが、天然ガスハイドレート（natural gas hydrate）であることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の空調システム。
10. 空気を冷却するための方法であって、
    ガスハイドレートをガスと水とに分離し、
    前記ガスハイドレートを分離することによって得られた前記ガスを燃料として原動機を駆動させ、前記原動機によってガスヒートポンプを作動させ、
    前記ガスハイドレートを分離することによって得られた前記水の冷熱、及び前記ガスヒートポンプが備える熱交換器における冷媒の冷熱により、空気を冷却し、
    冷熱を供給した前記水を前記原動機から排出される熱によって加熱し、
    加熱された前記水によりガスハイドレートをガスと水とに分離すること、
    を特徴とする空気冷却方法。
11. 前記ガスハイドレートが、天然ガスハイドレート（natural gas hydrate）であることを特徴とする請求項１０に記載の空気冷却方法。

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