JP2004060924A - 給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】給湯用水を貯える貯湯タンクと、水等の常温常圧で液相の物質を冷媒とし、上記給湯用水を加温するヒートポンプと、このヒートポンプの熱源とを備えた給湯システムにおいて、据え付けや管路施工の作業を簡単化する。
【解決手段】貯湯タンク２０とヒートポンプ３０の各構成機器３１〜３４とを近接配置し、これらをハウジング１１に収容してユニット１０となす。しかも、上下に延びる貯湯タンク２０に沿うようにして、下側から蒸発器３２、圧縮機３３、凝縮機３３の順に上下に並べて配置する。蒸発器３２のための熱源は、冷暖房用のエアコンディショナーの室外機４０を兼用する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ヒートポンプを用いて給湯を行うシステムに関する。
【０００２】
【発明の技術的背景】
一般に圧縮式のヒートポンプは、膨張弁と蒸発器と圧縮機と凝縮器とを備えている。これら機器の間を冷媒が循環される。冷媒は、膨張弁で膨張され、蒸発器で蒸発し、圧縮機で圧縮され、凝縮器で凝縮する。この凝縮熱で給湯用水を温めて貯湯タンクに貯留し、給湯に供することができる。冷媒成分にはフロン等の常温常圧で気相の凝縮性流体を用いるのが一般的であったが、近年では常温常圧で液相の水を冷媒とするヒートポンプも開発されている。かかる水冷媒ヒートポンプでは、蒸発圧が低いため圧縮機を大型にしなければ所望の出力を得ることができないという問題があった。
【０００３】
そこで、出願人は、先の出願（特願２００１−３１８２８９号等）において、水冷媒ヒートポンプとは別途に、フロンを冷媒とするヒートポンプ等の熱源を設け、この熱源で水冷媒ヒートポンプの蒸発器を加温して水の蒸気圧を高めることを提案した。しかし、貯湯タンクと水冷媒ヒートポンプと熱源との３つのユニットを別々に据え付けて、それらを繋ぐ管路を施工するのは煩雑である。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、本発明に係る給湯システムは、貯湯タンクと、ヒートポンプと、熱源とを備えている。上記貯湯タンクには、給湯用水が貯えられる。上記ヒートポンプは、水等の常温常圧で液相の冷媒を減圧膨張させる膨張手段と、蒸発させる蒸発手段と、圧縮させる圧縮手段と、凝縮させる凝縮手段とを有している。この凝縮手段が上記貯湯タンクに熱的に接続されることにより給湯用水を加温する。上記熱源は、上記蒸発手段と熱的に接続されることにより蒸発手段内の液相冷媒を加温し、その蒸気圧を高める。本発明は、かかる給湯システムにおいて、上記ヒートポンプの圧縮手段と凝縮手段とを上記貯湯タンクにユニット化可能に近接配置し、上記蒸発手段を上記貯湯タンク又は熱源にユニット化可能に近接配置したことを特徴とする。これによって、システム全体でユニットを２つにすることができ、据え付けや管路施工の作業を簡単化することができる。
【０００５】
ここで、ヒートポンプの蒸発手段を貯湯タンクに対してユニット化可能に近接配置する場合、上記熱源として、住宅に一般的に設備されている冷暖房用のエアコンディショナーの室外機を兼用することにしてもよい。すなわち、室外機によって外気から汲み上げた熱を、室内機に供給するのに代えて上記蒸発手段に供給する。そうすると、給湯システムとして新たに据え付けすべきユニットが１つだけになり、据え付け作業を一層簡素化できる。さらには、設備コストを低廉化することができる。
一方、ヒートポンプの蒸発手段を熱源に対してユニット化可能に近接配置することとした場合には、熱源と蒸発手段との間の熱伝達用管路を短くすることができ、この管路での熱損失を小さくでき、フロン等の熱伝達媒体が漏れるおそれも小さくすることができる。
【０００６】
ヒートポンプにおいて貯湯タンクに近接配置される各手段は、上下に延びる貯湯タンクに沿うように上下に並べて配置されるのが望ましい。これによって、システム構成を確実にコンパクト化することができる。好ましくは、凝縮手段を一番上に配し、その下に圧縮手段を配する。これによって、凝縮手段が貯湯タンクの上側部に片寄って配されることになり、凝縮手段で加温された後の給湯用水を貯湯タンクの上側部に戻す管路を短くすることができ、この管路での熱損失を小さくでき、ひいては貯湯効率を高めることができる。蒸発手段も貯湯タンクに近接配置する場合には、圧縮手段の更に下に蒸発手段を配するのが好ましい。すなわち、下から蒸発手段、圧縮手段、凝縮手段の順に配置するのが好ましい。これによって、蒸発手段と圧縮手段とを繋ぐ管路、及び圧縮手段と凝縮手段を繋ぐ管路を短くすることができ、これら管路での圧力損失を小さくでき、ひいては圧縮手段の負担を軽減することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る住宅用給湯システムＳ１を示したものである。システムＳ１は、給湯ユニット１０にエアコンディショナーの室外機４０（熱源）を組み合せることによって構成されている。周知の通り、エアコンディショナーは、例えばフロンを冷媒として上記室外機４０と図示しない室内機との間で循環させ、冷暖房を行なうことを本来の機能としている。冷房時には、室内機によって室内から採熱冷房し、室外機４０から外気に放熱する。暖房時には、室外機４０によって外気から採熱し、室内機によって室内に放熱暖房する。本システムは、この暖房時の室外機４０の機能を給湯の熱源として利用したものである。詳細は後述する。
【０００８】
給湯ユニット１０は、ユニットハウジング（共通の筐体）１１を備えている。このユニットハウジング１１に貯湯タンク２０と水冷媒ヒートポンプ３０とが収容されている。貯湯タンク２０は、上下に延びる円筒形状をなしている。貯湯タンク２０の下端部に、給水路２１が接続されている。この給水路２１から市水が給湯用水として貯湯タンク２０内に供給されて貯留されている。給湯用水は、貯湯タンク２０の下側部では常温（例えば２０℃程度）になっているが、貯湯タンク２０の上側部では、後述するヒートポンプ３０の加熱操作によって例えば９０℃程度の高温になっている。この高温水が、貯湯タンク２０の上端部から延びる給湯路２２によって給湯に供されるようになっている。
【０００９】
水冷媒ヒートポンプ３０は、水を冷媒とするヒートポンプであり、容積式膨張機３１（膨張手段、タービン）と、蒸発器３２（蒸発手段）と、圧縮機３３（圧縮手段）と、凝縮器３４（凝縮手段）とを有している。
凝縮器３４の上端部から送出路３９ａが延び、膨張機３１の一次ポートに連なっている。送出路３９ａの中途部には、大気開放路３９ｘが設けられている。この大気開放路３９ｘを介して外界の空気（非凝縮性気体）がヒートポンプ３０の冷媒用水に混入されている。
膨張機３１の二次ポートから減圧路３９ｂが延び、蒸発器３２の下端部に連なっている。
蒸発器３２の上端部から吸込み路３９ｃが延び、圧縮機３３の吸込みポートに連なっている。
圧縮機３３の吐出ポートから吐出路３９ｄが延び、凝縮器３４の下端部に連なっている。
【００１０】
膨張機３１の翼と圧縮機３３の翼とは、同一軸上に配され、回転軸３５（トルク伝達機構）によって連結されている。
【００１１】
蒸発器３２は、上下に延びる容器状をなし、内部に液相の冷媒用水が貯えられている。蒸発器３２の下側部には、内部を上下に仕切る仕切り板３６が設けられている。仕切り板３６には、多数の小孔３６ａが形成されている。
【００１２】
仕切り板３６より上側の蒸発器３２には、上下に延びるコイル状の伝熱管からなるフロン凝縮路４１が液相冷媒用水に漬かるようにして収容されている。フロン凝縮路４１の上端部（上流端）は、フロン往路４２を介してエアコンディショナーの室外機４０に連なり、下端部（下流端）は、熱交換器５０及びフロン復路４３を順次介して室外機４０に連なっている。
【００１３】
熱交換器５０は、外側伝熱管５１と内側伝熱管５２を有するコイル状の二重管型熱交換器であり、ユニットハウジング１１内の下部に配されている。外側伝熱管５１の一端にフロン凝縮路４１が連なり、他端にフロン復路４３が連なっている。一方、ユニットハウジング１１内の下部において、給水路２１から送水路２３が分岐して延びている。この送水路２３に、熱交換器５０の内側伝熱管５２が介在されている。熱交換器５０より下流の送水路２３には、減圧弁２４が設けられている。送水路２３は、貯湯タンク２０に沿って上方に延び、その下流端は、ユニット１０上部に配された凝縮器３４の上端部に連なっている。
【００１４】
凝縮器３４は、上下に延びる容器状をなし、内部に液相の冷媒用水が満杯に貯えられている。凝縮器３４の下側部には、内部を上下に仕切る仕切り板３７が設けられている。仕切り板３７には、多数の小孔３７ａが形成されている。
【００１５】
仕切り板３７の中央部の上面には、給湯用水取込み装置２５が設けられている。取込み装置２５は、上端が開口されるとともに下に向かうにしたがって流通断面積が連続的に小さくなる漏斗状（逆錐形状）をなしている。取込み装置２５の下端開口から貯湯路２６が延びている。貯湯路２６は、凝縮器３４から出て、貯湯タンク２０の上端部に連なっている。貯湯路２６の中途部には、送液ポンプ２７が介在されている。
【００１６】
本発明の要旨は、ヒートポンプ３０と貯湯タンク２０との配置関係にある。すなわち、システムＳ１では、ヒートポンプ３０の各構成機器３１〜３４が貯湯タンク２０に近接して配置され、ハウジング１１に収容されている。これらヒートポンプの構成機器３１〜３４は、上下に延びる貯湯タンク２０に沿うようにして上下に並べて配置されている。しかも、下から蒸発器３２、圧縮機３３及び膨張機３１、凝縮器３４の順に配置されている。
【００１７】
上記構成の給湯システムＳ１の動作を説明する。
貯湯の際は、送液ポンプ２７を駆動する。これによって、貯湯タンク２０の下側部の給湯用水が、給水路２１のタンク２０への連通端部分２１ａを逆流し、送水路２３に導入される。そして、熱交換器５０の内側伝熱管５１を通り、更に減圧弁２４で大気圧まで減圧された後、凝縮器３４の上側部へ送られ、凝縮器３４内の冷媒用水に注入、混合される。さらに、凝縮器３４内を下方へ向かって流れた後、取込み装置２５に取り込まれ、貯湯路２６を経て貯湯タンク２０の上側部に送られる。
【００１８】
また、エアコンディショナーの室外機４０を駆動し、フロンを蒸発させて外気から採熱させた後、往路４２を介して凝縮路４１に送る。フロンは、この凝縮路４１で凝縮して凝縮熱を放出する。これにより、蒸発器３２内の水を加温することができる。その後、フロンは、熱交換器５０の外側伝熱管５１に送られ、そこで更に凝縮する。これにより、内側伝熱管５２を通過中の給湯用水を加温することができる。その後、フロンは、復路４３を経て室外機４０に戻される。
【００１９】
さらに、水冷媒ヒートポンプ３０の圧縮機３３を駆動して蒸発器３２内を吸引する。すると同時に、圧縮機３３と回転軸３５で繋がった膨張機３１が作動し、送出路３９ａの水と空気の混合流体が、膨張機３１に導かれて断熱膨張される。これにより、流体のエンタルピーが減少し、このエンタルピー減少分が力学的な仕事（回転トルク）に変換される。この仕事が、回転軸３５を介して圧縮機３３に伝えられる。この仕事の分だけ、圧縮機３３に必要な駆動力が小さくて済み、効率を高めることができる。
【００２０】
上記膨張機３１での膨張によって、混合流体中の空気が確実に未飽和状態になる。この未飽和空気と水の混合流体が、減圧路３９ｂを通って蒸発器３２の下部に注入される。そして、未飽和空気が、仕切り板３６の多数の小孔３６ａを通り抜けることによって多数の気泡となり、仕切り板３６より上側の蒸発器３２の水中を上昇する。この上昇途中の気泡内に周りの水分子が蒸発する。すなわち、蒸発器３２の自由液面からだけでなく水中においても水分子の蒸発が起き、蒸発量を増やすことができる。さらに上述したように、蒸発器３２内の水は、エアコンディショナーのフロンの凝縮熱で加温されて蒸気圧が高められているので、蒸発が一層促進される。この結果、蒸発器３２において多量の蒸気を発生させることができ、ひいては、水冷媒ヒートポンプ３０の出力を向上させることができる。
【００２１】
蒸発器３２内で発生した多量の蒸気と空気の混合気体は、吸込路３９ｃを経て圧縮機３３に吸い込まれて圧縮される。圧縮後の混合気体は、吐出路３９ｄを経て凝縮器３４の下部に注入される。そして、仕切り板３７の多数の小孔３７ａを通り抜けることによって多数の気泡となり、仕切り板３７より上側の凝縮器３４内の水中を下向きの水流と対向するようにして上昇する。この上昇途中の気泡内の蒸気が凝縮し、周りの水に溶け込む。この時の凝縮熱によって、凝縮器３４内の水を凝縮器３４下部へ向かうにしたがって高温にすることができる。気泡と液相の水が触れ合って熱交換が直接的になされるので、熱効率を極めて良好にすることができる。しかも、潜熱の大きな蒸気が多量に凝縮するので、水を十分に高温にすることができる。また、上記の水は、熱交換器５０によって予め加温されたうえで凝縮器３４に送られて来たものであるので、一層十分に高温にすることができる。
【００２２】
この高温水が、凝縮器３４の下側部の取込み装置２５に取り込まれる。この取込み装置２５は漏斗状になっているので、高温水は、装置２５の上端開口にゆっくりと流れ込み、その後、装置２５内を下方に向かうにしたがって次第に流速を増していく。これによって、取込み装置２５の上端開口付近では、水の流速よりも気泡の上昇速度のほうが大きくなるようにすることができる。よって、気泡を確実に上昇させることができ、高温水と一緒に装置２５に取り込まれるのを防止することができる。したがって、液相の高温水だけを貯湯路２６を経て貯湯タンク２０に送ることができる。この結果、貯湯路２６の送液ポンプ２７の破損や送液性能の低下を防止することができ、更には貯湯タンク２０や給湯路２２に気体が混じるのを防止することができる。
【００２３】
本発明に係る給湯システムＳ１によれば、全体で筐体の数をユニット１０と室外機４０との２つにすることができ、住宅への据え付けや管路施工の作業を簡単化することができる。しかも、熱源は、住宅に一般的に設備されているエアコンディショナーの室外機４０を兼用しているので、システムＳ１として新たに据え付けすべきものはユニット１０の１つだけであり、据え付け作業を一層簡素化できる。さらには、設備コストを低廉化することができる。
給湯ユニット１０において、ヒートポンプ３０の各構成機器３１〜３４が、貯湯タンク２０に沿うように上下に並べて配置されているので、構成をコンパクトにすることができ、据え付けスペースも小さくて済む。
しかも、下から蒸発器３２、圧縮機３３、凝縮器３４の順に配置した構成によって、蒸発器３２の上側部と圧縮機３３とを繋ぐ吸込み路３９ｃ、及び圧縮機３３と凝縮器３４の下側部を繋ぐ吐出路３９ｄを短くすることができ、これら管路３９ｃ，３９ｄでの圧力損失を小さくでき、ひいては圧縮機３３の負担を軽減することができる。
さらに、凝縮器３４を一番上にして貯湯タンク２０の上側部に近接させた配置構成により、凝縮機３４からの給湯用水を貯湯タンク２０の上側部に戻す貯湯路２６の長さを短くすることができ、そこでの熱損失を小さくでき、ひいては貯湯効率を高めることができる。
【００２４】
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の形態を採用可能である。
例えば、ヒートポンプの蒸発手段は、熱源に対してユニット化可能に近接配置してもよい。そうすると、熱源と蒸発手段との間の熱伝達用管路を短くすることができ、この管路での熱損失を小さくでき、フロン等の熱伝達媒体が漏れるおそれも小さくすることができる。
熱源として、エアコンディショナーの室外機を兼用するのに代えて、専用のフロンヒートポンプや燃料電池や太陽熱集熱器を用いてもよい。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、システム全体でユニットを２つにすることができ、据え付けや管路施工の作業を簡単化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る給湯システムを示す概略構成図である。
【符号の説明】
Ｓ１　給湯システム
１０　給湯ユニット
１１　ユニットハウジング（筐体）
２０　貯湯タンク
３０　水冷媒ヒートポンプ
３１　膨張機（膨張手段）
３２　蒸発器（蒸発手段）
３３　圧縮機（圧縮手段）
３４　凝縮器（凝縮手段）
４０　エアコンディショナーの室外機（熱源）

Claims (1)

1. （Ａ）給湯用水を貯える貯湯タンクと、
   （Ｂ）常温常圧で液相の冷媒を膨張させる膨張手段と、蒸発させる蒸発手段と、圧縮する圧縮手段と、凝縮させる凝縮手段とを有し、この凝縮手段が上記貯湯タンクに熱的に接続されることにより給湯用水を加温するヒートポンプと、
   （Ｃ）上記蒸発手段と熱的に接続されることにより蒸発手段内の液相冷媒を加温する熱源とを備え、
   上記ヒートポンプの圧縮手段と凝縮手段とを上記貯湯タンクにユニット化可能に近接配置し、上記蒸発手段を上記貯湯タンク又は熱源にユニット化可能に近接配置したことを特徴とする給湯システム。

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