WO2004055453A1

WO2004055453A1 - 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

Info

Publication number: WO2004055453A1
Application number: PCT/JP2003/015804
Authority: WO
Inventors: Kenji Watanabe; Tomonari Ito; Tomohiro Ogawa
Original assignee: The Tokyo Electric Power Company, Incorporated
Priority date: 2002-12-13
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2004-07-01
Also published as: CN1322286C; KR20050084779A; JPWO2004055453A1; AU2003289308A1; CN1692260A; US7260940B2; US20050155355A1

Abstract

本発明は、成績係数(COP)の高いヒートポンプ、及びそのヒートポンプを用いた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を目的とする。ヒートポンプは、ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器20と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器25と含む冷媒回路13を備える。冷媒回路13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。また、ヒートポンプは、生成器25で生成されたガスハイドレートから、余剰水を分離する余剰水分離器40と、分解器20で分解されたガスハイドレートの分解物である気体と液体とを圧縮かつ混合して生成器25に送る圧縮系とのうちの少なくとも一方を備える。

Description

明細書

ガスハイドレートを用いたヒ一トポンプ及ぴ熱利用装置技術分野

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。

なお、本出願は、日本国への特許出願（特願 2002-362554) に基づくものであり、当該日本出願の記載内容は本明細書の一部として取り込まれるものとする。背景技術

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、特開平 10— 2531 55号公報参照）。

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。

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。発明の開示本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、成績係数（C O P ) 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。

上記の目的を達成するために、本発明に係る第 1のヒ一トポンプは、ガス八ィドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、前記生成器で生成されたガスハイドレートから余剰水を分離する余剰水分離器と、を備えることを特徴とする。

上記の第 1のヒートポンプによれば、ガス八ィドレ一卜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 C O Pが得られる。また、生成器で生成されたガスハイドレー卜から余剰水を分離することにより、分解器に送られる物体の温度上昇が抑制され、ガスハイドレートの分解効率が高まる。

上記の第 1のヒートポンプにおいては、前記余剰水分離器で分離された余剰水を、その温度を保ったまま前記生成器に返却する余剰水返却系を備えるとよい。本発明に係る第 2のヒートポンプは、ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、前記分解器で分解された前記ガスハイドレートの分解物である気体と液体とを圧縮かつ混合して前記生成器に送る圧縮系と、を備えることを特徴とする。

上記圧縮系は、気体と液体とを混合しながら圧縮する構成としてもよく、気体と液体とを別々に圧縮した後にそれらを互いに混合する構成としてもよく、あるいは気体と液体とを混合した後にその混合物を圧縮する構成としてもよい。上記の第 2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 C〇Pが得られる。また、ガスハイドレートの分解物である気体と液体とを圧縮かつ混合して生成器に送ることにより、生成器に送られる物体の温度の適正化が図られ、ガスハイドレートの生成効率が高まる。

上記の第 2のヒートポンプにおいては、前記気体と前記液体との混合比は、前記生成器でのガスハイドレートの生成温度に基づいて定められるとよい。

本発明に係る第 3のヒートポンプは、ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、前記生成器で生成された前記ガスハイドレートから、余剰水を分離する余剰水分離器と、前記分解器で分解された前記ガスハイドレー卜の分解物である気体と液体とを圧縮かつ混合して前記生成器に送る圧縮系と、を備えることを特徴とする。

上記の第 3のヒートポンプによれば、ガスハイドレ一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 C O Pが得られる。また、生成器で生成されたガスハイドレートから余剰水を分離することにより、分解器に送られる物体の温度上昇が抑制され、ガスハイドレートの分解効率が高まる。さらに、ガスハイドレ一卜の分解物である気体と液体とを圧縮かつ混合して生成器に送ることにより、生成器に送られる物体の温度の適正化が図られ、ガスハイドレートの生成効率が高まる。

本発明に係る第 4のヒートポンプは、ガスハイドレ一トの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、前記ガスハイドレ一トの流動性を高めるための補助流体を、前記分解器の入口部に供給する補助流体供給系と、を備えることを特徴とする。

上記の第 4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 C O Pが得られる。また、補助流体の供給により、分解器におけるガスハイドレートの流動性が高まり、輸送不具合の防止とともに、ガスハイドレートの分解効率が高まる。

上記の第 4のヒートポンプにおいて、前記補助流体は、前記分解器で分解された前記ガスハイドレートの分解液の一部であるのが好ましい。この場合、前記分解器の出口部には、前記ガスハイドレートの分解液の一部を抽出し、その分解液を前記補助流体供給系に送る弁が配設されているとよい。本発明に係る第 5のヒートポンプは、ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、前記ガスハイドレー卜の流動性を高めるための補助流体を、前記分解器の入口部に供給する補助流体供給系と、前記分解器で分解された前記ガスハイドレートの分解ガスと分解液とを圧縮かつ混合して前記生成器に送る圧縮系と、を備えることを特徴とする。

上記の第 5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 C O Pが得られる。また、補助流体の供給により、分解器におけるガスハイドレートの流動性が高まり、輸送不具合の防止とともに、ガスハイドレートの分解効率が高まる。さらに、ガスハイドレートの分解物である気体と液体とを圧縮かつ混合して生成器に送ることにより、生成器に送られる物体の温度の適正化が図られ、ガスハイドレートの生成効率が高まる。

上記の第 5のヒートポンプにおいては、前記補助流体は、前記分解器で分解された前記ガスハイドレートの分解液の一部であり、前記分解器の出口部には、前記ガスハイドレートの分解液を、前記圧縮系と前記補助流体供給系とに分ける弁が配設されているのが好ましい。

この場合、前記圧縮系で圧縮された前記ガスハイドレートの分解ガスと分解液との混合物の温度を検出する温度センサを有し、前記弁は、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記圧縮機に送る前記分解液の量を制御するとともに、残りの分解液を前記補助流体供給系に送るとよい。

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。

上記の熱利用装置によれば、高い成績係数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が図られる。図面の簡単な説明

図 1は、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は、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。

図 4は、本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した他の実施の形態例を模式的に示す構成図である。発明を実施するための最良の形態

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（ガスハイドレ一卜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。

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。

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は本発明のヒ一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一トを分解し、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、低温側め熱を高温側に汲み上げることが可能となる。

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ィクル外から吸収しつつ相平衡線に沿つて温度降下し、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 l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卜は、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。

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 C H₄ ， 5. 75H ₂0 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、メタン八イドレートの分解 ·生成熱（解離ェンタルピ ) 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卜の分解 ·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（C O P) を得ることができる。

以下の表 1に、数種類のガス八イドレ一トについて、分解 ·生成熱（MJ/kg 0 f 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 C O Pを示す。なお、 C O P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 8 0 %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。

《表 1》

分解 ·生成熱 COP

メタン： 3.77 14.3

エチレン： 2.07 5.9

ェタン： 2.27 10.6

アセチレン： 2.22 7.1

プロパン： 3.02 34.8

炭酸ガス： 1.37 16.1

HCFCHlb ： 0.89 10.5

ガスハイドレ一トを生成するためのガスとしては、メタン、ェタン、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（フルォロカーボン）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、ガス八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。

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 (ヒー卜シンクなど) 、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。

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 1 0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、ガスハイドレ一トの分解装置 1 1と生成装置 1 2とを含む冷媒回路 1 3を備えている。

分解装置 1 1は、ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器 2 0、ガスハイドレートを減圧する減圧手段（本例では、後述する減圧機能を有する輸送手段としてのスラリーポンプ 2 1 ) 、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 2 2を有する。

また、生成装置 1 2は、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器 2 5、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（圧縮機 2 6、水ポンプ 2 7 ) 、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 2 3等を有する。

分解器 2 0と生成器 2 5とは、配管 3 0〜3 4等を介して互いに接続されている。配管 3 0， 3 1 , 3 2は、分解器 2 0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 2 5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（7J とに分離され、配管 3 0にはガスが流れ、配管 3 1には水が流れる。これらの配管 3 0 , 3 1はそれぞれ圧縮機 2 6に接続されており、また、配管 3 1には、水輸送用の水ポンプ 2 7が配設されている。圧縮機 2 6は、分解器 2 0からの水とガスとを混合しながら圧縮し、その混合物を配管 3 2を介して生成器 2 5に送るように構成されている。圧縮機 2 6、水ボンプ 2 7、及び配管 3 0 , 3 1 , 3 2等により、本発明における圧縮系が構成される。

一方、配管 3 3は、生成器 2 5で生成されたガスハイドレ一トを分解器 2 0に送るためのものであり、配管 3 3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 2 1が配設されている。なお、このスラリーポンプ 2 1は、前述したように、生成器 2 5からのガスハイドレートを輸送に伴って減圧する減圧手段としても機能する。すなわち、スラリーポンプ 2 1の出口は分解器 2 0 に接続されており、生成器 2 5に接続された入口に比べて圧力が低い。そのため、ガスハイドレートは、スラリーポンプ 2 1を通過することで、圧力が低下するまた、配管 3 3には、生成器 2 5で生成されたガスハイドレートから余剰水を分離する余剰水分離器 4 0が配設されている。余剰水分離器 4 0は、スラリーポンプ 2 1に対して生成器 2 5側に配置される。配管 3 4は、余剰水分離器 4 0で分離された余剰水を生成器 2 5に返却するためのものであり、配管 3 4には、余剰水を輸送する輸送手段としての水ポンプ 4 1が配設されている。なお、上述した配管 3 0〜3 4はそれぞれ、断熱材が施される等により断熱構造となっている。水ポンプ 4 1、及び配管 3 4等により、本発明における余剰水返却系が構成される。

次に、空気調和装置 1 0の作用について説明する。

分解器 2 0では、高圧高温状態のガスハイドレ一トがスラリーポンプ 2 1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 2 2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 3 0 , 3 2を介して、水は配管 3 1 , 3 2を介してそれぞれ生成器 2 5に送られる。このとき、ガス及び水は、それぞれ圧縮機 2 6及び氷ポンプ 2 7を介して圧縮されるなどして高圧高温状態となる。後述するように、本例では、圧縮されたガス及び水は、予め互いに混合された後に、生成器 2 5に送られる。

生成器 2 5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 2 3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、水を含んだスラリ一状であり、スラリーポンプ 2 1を介して分解器 2 0に送られる。

このような一連のサイクルにより、空気調和装置 1 0では、ガスハイドレー卜の分解 ·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。

すなわち、空気調和装置 1 0では、室内を暖房する際には、分解装置 1 1によつて室外大気から吸熱しながらガスハイドレ一トを分解するとともに、生成装置

1 2によって室内空気に放熱しながらガスハイドレ一トを生成する。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 2 5 °C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 1 o t以下である。一方、室内を冷房する際には、分解装置 1 1によつて室内空気から吸熱しながらガスハイドレ一トを分解するとともに、生成装置 1 2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 2 5 °C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 1 0 °C以下である。

このように、空気調和装置 1 0によれば、ガスハイドレートの分角军 ·生成熱を利用して、熱源との間で熱の授受を行う。そのため、ガス八イドレートの分解 · 生成熱の利用により、エネルギー効率の向上を図ることができる。

ここで、本例の空気調和装置 1 0では、分解器 2 0で分解された分解物であるガスと水とが予め混合されて生成器 2 5に送られる。すなわち、圧縮機 2 6において、分解器 2 0からの水とガスとが混合しながら圧縮され、その混合物が配管 3 2を介して生成器 2 5に送られる。圧縮による温度上昇は水に比べてガスのほうが高いものの、上記混合により、圧縮ガスと水との間で熱交換がなされ、ガスの温度が低下するとともに、水の温度が上昇する。その結果、ガスと水との混相は、ガスハイドレートの生成に適した温度となり、生成器 2 5でのガスハイドレートの生成効率が高まる。また、本例では、水とガスとを混合しながら圧縮することから、ガス圧縮で発生する熱が水に移動し、圧縮機 2 6内の温度上昇が抑えられる。そのため、圧縮機 2 6の冷却効果により、圧縮効率が高いという利点がある。

すなわち、分解器 2 0を出たガス（分解ガス）は圧縮され生成器 2 5に送られる。ガスは圧縮による温度上昇のため、生成温度となってしまい、生成効率の低下を招くおそれがある。高温になるガスと低温の分解水（分解温度-低温）とを所望の温度（生成温度）になるように混合かつ圧縮し、それを生成器 2 5に送ることで高効率化が図れる。

圧縮機 2 6での出口におけるガスと水との混合比は、生成器 2 5でのガスハイドレ一トの生成温度に基づいて定められる。すなわち、生成器 2 5に送られるガスと水との混相がガス八ィドレートの生成に適した温度となるように、上記混合比が定められる。また、混合比の調整は、例えば、圧縮機 2 6に送られる水及びガスの流量あるいは圧力を調整することにより行なわれる。この場合、ガス用の配管 3 0や水用の配管 3 1に流量調整弁及び圧力調整弁の少なくとも一方を配設するとよい。そして、ガスと水との混相が所望の温度になるようにそれらの弁を調整するとよい。なお、圧力の調整は、分解器 2 0での減圧量の調整により行つてもよい。

本例の空気調和装置 1 0において、生成器 2 5でのガスハイドレートの生成温度は、例えば 4 5 °C (圧力 I M P a以下）であり、分解器 2 0での分解温度は、例えば約 5 °Cである。また、配管 3 0を流れる分解ガスの温度は例えば約 7 、配管 3 1を流れる分解水の温度や例えば約 5 °C、圧縮機 2 6の出口におけるガスと水との混相の温度は約 4 5 °Cである。なお、上記温度は一例であり、本発明はこれに限定されない。

また、本例の空気調和装置 1 0では、生成器 2 5で生成されたガスハイドレー卜から余剰水が分離される。すなわち、ハイドレートの生成にあたっては水の量が理論水和数より多いほど効率がよいことから、生成器 2 5ではガス量に対して過剰な量の水が供給され、生成器 2 5から排出されるガスハイドレートには余剰水が含まれる。この余剰水は、ガスハイドレートの分解の前に、余剰水分離器 4 0によってガスハイドレトから分離される。分離された余剰水はその温度を保つたまま、水ポンプ 4 1、及び配管 3 4を介して生成器 2 5に返却される。余剰水の分離量は、ガスハイドレートの搬送に必要な最低限の量の水が残るように定められる。生成温度と同程度の余剰水が生成器 2 5に返却されることで、生成に必要な水量が十分に確保され、ガスハイドレートが安定して生成される。また、返却される余剰水の温度が生成温度と同程度に保たれていることにより、余剰水の返却に伴う生成器 2 5の温度低下が防止される。

すなわち、ガスハイドレートの生成は、水が理論水和数より多いほど効率よく行われるため、生成器 2 5には過剰な水が必要である。生成における余剰水は生成温度（分解温度よりも高温）にあるため、分解器 2 0に送られると分解器 2 0 の効率低下を招くおそれがある。そこで、分解器 2 0には搬送に必要な最低限の水を送ることとし、余剰水は生成器 2 5を出た直後に分離し、生成器 2 5に再送することで高効率化が図れる。

さらに、分解器 2 0に送られるガスハイドレ一トがある程度脱水されることにより、分解器 2 0におけるガスハイドレートの分解が効率的に行われる。すなわち、余剰水の温度は生成温度と同程度であることから、分解温度よりも高く、余剰水が分解器 2 0に送られると分解器 2 0が温まり、分解効率が低下するおそれがある。そのため、分解器 2 0に送られるガスハイドレートから余剰水が予め分離されることにより、こうした分解効率の低下が抑制される。なお、本例の空気調和装置 1 0において、生成器 2 5でのガスハイドレートの生成温度が例えば 4 5 °Cである場合、生成器 2 5に返却される余剰水の温度も約 4 5 °Cである。なお、上述した冷媒回路 1 3において、分解装置 1 1及び生成装置 1 2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 1 1では、スラリーポンプ 2 1が、ガスハイドレー卜の輸送機能と分解処理における減圧機能とを兼用する構成となっているが、減圧弁などの減圧手段を別に設けてもよい。また、分解器そのものに減圧機能を持たせてもよく、あるいは分解器で分解されたガスの排出用の配管に減圧弁を設けてもよい。いずれの構成においても、分解器に送られるガスハイドレートに対する圧力が連続的あるいは断続的に低下することにより、ガスハイドレートの分解が促進され、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。また、分解装置が備える第 1熱交換器 2 2は、分解器 2 0の内部で熱交換を行つてもよく、分解器 2 0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 2 2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、断続的ひツチ式）に分解を行うものも適用可能である。

ガス八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、ガス八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。

先の図 3に示した冷媒回路 1 3では、ガスハイドレートの分解物であるガスと水とを混合して互いに熱交換させているが、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、上記冷媒回路 1 3では、圧縮機 2 6においてガスと水とを混合しているが、混合する場所はこれに限定されず、生成器 2 5の手前であればよい。また、上記冷媒回路 1 3では、分解物であるガスと水とを混合させてそれらを互いに熱交換させているが、それらを混合することなく熱交換器を介して熱交換させてもよい。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。なお、水を圧縮（あるいは輸送）する水ポンプ 2 7の動力は、ガスを圧縮する圧縮機 2 6の動力に比べると極めて小さい。また、ガス圧縮機としては、電動式のもの、 W

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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。また、生成装置が備える第 2熱交換器 2 3は、上記した分解装置の第 1熱交換器 2 2と同様に、生成器 2 5の内部で熱交換を行ってもよく、生成器 2 5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 2 3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、ガス八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、生成装置 1 2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 1 2から分解装置 1 1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、上述したスラリ一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（パッチ式）に輸送するものでもよい。また、生成器 2 5と分解器 2 0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。

図 4は、本発明のヒートポンプを空気調和装置に適用した他の実施の形態例を模式的に示す構成図である。なお、本例において、図 3に示した例と同一の機能を有する構成要素については同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化する。

図 4に示すように、本例の空気調和装置 5 0は、先の図 3の例と同様に、ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器 2 0と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器 2 5とを有しており、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ヒートポンプとして構成されている。また、本例の空気調和装置 5 0は、先の図 3の例と異なり、ガスハイドレートの流動性を高めるための補助流体（本例では、ガスハイドレートの分解水）を分解器 2 0 の入口部に供給する補助流体供給系 5 1を備えている。

具体的には、補助流体供給系 5 1は、分解器 2 0の出口側の配管 3 1に配設され、ガスハイドレートの分解水の一部を抽出する三方弁 5 2と、この三方弁 5 2 で抽出した分解水を分解器 2 0の入口部に導く循環配管 5 3とを含んで構成されている。三方弁 5 2は、分解器 2 0から出た分解水のうち、所定量の分解水をガス圧縮機 2 6に送り、残りの分解水を循環配管 5 3に送るように構成されている。ガス圧縮機 2 6の出口側の配管 3 2には、ガス圧縮機 2 6で圧縮かつ混合されたガス（分解ガス）及び水（分解水）の混合物（混相）の温度を検出するための温度センサ 5 4が配設されており、三方弁 5 2は、その温度センサ 5 4の検出結果に基づいて、ガス圧縮機 2 6に送る分解水の流量を制御する。なお、分解水の一部を抽出するための弁としては三方弁に限らず、例えば、複数の流量制御弁を組み合わせた構成としてもよい。

ここで、前述したように、ガス圧縮機 2 6の出口部におけるガス（分解ガス）と水（分解水）との混合比は、生成器 2 5でのガスハイドレートの生成温度に基づいて定められる。すなわち、生成器 2 5に送られるガスと水との混相がガス八イドレートの生成に適した温度となるように、上記混合比が定められる。本例の場合、温度センサ 5 4で検出されるガスと水との混相の温度がガスハイドレートの生成に適した温度となるように、ガス圧縮機 2 6に送られる分解水の量が三方弁 5 2を介して制御される。そして、その残りの分解水が、三方弁 5 2から循環配管 5 3を介して分解器 2 0の入口部に送られる。

分解器 2 0の入口部に分解水が供給され、その分解水がガスハイドレートに混入することにより、分解器 2 0を流れるガスハイドレートの流動性が高まる。すなわち、余剰水分離器 4 0を経たガスハイドレートは、搬送に必要な水しか含んでいないために流動性に乏しく、分解器 2 0内での搬送不具合（閉塞など）が懸念されるものの、分解器 2 0の入口部において、ガスハイドレートに分解水の一部が導入されることで、分解器 2 0を流れるガスハイドレ一トの水分量が高まり、流動性が向上する。その結果、分解器 2 0での搬送不具合が防止される。なお、輸送効率の向上を図るために、余剰水分離器 4 0から輸送手段であるスラリーポンプ 2 1に至るまでの配管距離はなるべく短いのが好ましい。

このように、本例の空気調和装置 5 0では、補助流体供給系 5 1を備えることにより、. 分解器 2 0でのガスハイドレートの流動性を高めることができる。その結果、ガス八イドレートの分解効率を高め、室内空気との間の熱交換効率を向上させることが可能となる。また、ガスハイドレートの流動性が向上すると、分解器 2 0 (第 1熱交換器 2 2 ) として、プレート型熱交換器を用いることが可能となる。プレート型熱交換器は、高効率な熱交換が可能であり、また、汎用性が高いことから装置の低コスト化にも有利である。

また、本例において、ガスハイドレートの流動性を高める補助流体は、分解器 2 0から出た直後の分解水であり、分解器 2 0手前のガスハイドレートとの温度差は小さい。そのため、補助流体の供給によって、分解器 2 0の手前でガスハイドレ一トの分解が進行するといつたことを招くおそれが少ない。なお、分解器 2 0の手前の配管内でガスハイドレードが分解するのを抑制するために、スラリーポンプ 2 1から分解器 2 0に至るまでの配管長さはなるべく短いのが好ましい。また、本例では、補助流体供給系 5 1が、分解水部を循環させる循環システムであることから、補助流体の供給に伴ってサイクル内の媒体流量バランスが崩れるおそれがない。そのため、安定した性能を発揮することができる。なお、補助流体として、分解水以外の流体を用いてもよい。他の流体を用いる場合は、その流体を、分解器手前のガスハイドレートと同程度の温度に制御しておくのが好ましい。

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。産業上の利用可能性

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（C O P ) が得られる。

また、生成器で生成されたガスハイドレートから余剰水を分離することにより、分解器でのガスハイドレートの分解効率が高まる。

また、分解器で分解されたガスハイドレートの分解物である気体と液体とを圧縮かつ混合して生成器に送ることにより、ガスハイドレートの生成効率が高まるまた、分解器の入口部に補助流体を供給することにより、分解器におけるガスハイドレートの流動性が高まり、輸送不具合の防止とともに、ガスハイドレートの分解効率が高まる。

また、本発明の熱利用装置によれば、高い成績係数のヒートポンプを用いるとにより、エネルギー効率の向上を図ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、

前記生成器で生成されたガスハイドレートから余剰水を分離する余剰水分離器と、を備えることを特徴とするヒートポンプ。

2 . 前記余剰水分離器で分離された余剰水を、その温度を保ったまま前記生成器に返却する余剰水返却系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。

3 . ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、

前記分解器で分解された前記ガスハイドレートの分解物である気体と液体とを圧縮かつ混合して前記生成器に送る圧縮系と、を備えることを特徴とするヒートポンプ。

4 . 前記気体と前記液体との混合比は、前記生成器でのガスハイドレートの生成温度に基づいて定められることを特徴とする請求項 3に記載のヒートポンプ

5 . ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、前記生成器で生成された前記ガスハイドレートから、余剰水を分離する余剰水分離器と、

6 . ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、

前記ガスハイドレートの流動性を高めるための補助流体を、前記分解器の入口部に供給する補助流体供給系と、を備えることを特徴とするヒートポンプ。

7 . 前記補助流体は、前記分解器で分解された前記ガスハイドレートの分解液の一部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。

8 . 前記分解器の出口部には、前記ガスハイドレートの分解液の一部を抽出し、その分解液を前記補助流体供給系に送る弁が配設されていることを特徴とする請求項 7に記載のヒートポンプ。

9 . ガスハイドレートの分解過程が行われる分解器と、ガスハイドレートの生成過程が行われる生成器とを含み、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と、

前記ガスハイドレ一トの流動性を高めるための補助流体を、前記分解器の入口部に供給する補助流体供給系と、

前記分解器で分解された前記ガスハイドレートの分解ガスと分解液とを圧縮かつ混合して前記生成器に送る圧縮系と、を備えることを特徴とするヒートポンプ

1 0 . 前記補助流体は、前記分解器で分解された前記ガスハイドレートの分解液の一部であり、

前記分解器の出口部には、前記ガスハイドレートの分解液を、前記圧縮系と前記補助流体供給系とに分ける弁が配設されていることを特徴とする請求項 9に記載のヒートポンプ。

1 1 . 前記圧縮系で圧縮された前記ガスハイドレートの分解ガスと分解液との混合物の温度を検出する温度センサを有し、

前記弁は、前記温度センサの検出結果に基づいて、前記圧縮機に送る前記分解液の量を制御するとともに、残りの分解液を前記補助流体供給系に送ることを特徵とする請求項 1 0に記載のヒートポンプ。

1 2 . 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 1 1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。