JP2005164124A - 蓄エネ式ヒートポンプ給湯機およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な深夜電力等を十分に利用しながら、小型な蓄エネ部を具備した省エネかつコンパクトな蓄エネ型のヒートポンプ給湯機を提供することを実現する。
【解決手段】圧縮機１７、第１の放熱器１８、膨張弁１９、蒸発器１６を有するヒートポンプサイクルと、系統電力を蓄電する蓄電池２２と、第１の放熱器１８の熱を利用して加熱された給湯水を貯蔵する貯湯タンク２３とを備え、圧縮機１７は、少なくとも蓄電池２２により作動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、近年実用化されているヒートポンプ給湯機に関するものである。例えば、貯湯タンクによる蓄熱槽を具備したヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプサイクルによる沸きあげ能力が給湯出力に満たないこと、電力負荷平準化のために電力会社が設定した安価な深夜電力を利用することなどを理由に、電気温水器と同様、貯湯タンクによる蓄熱槽を具備した貯湯式（蓄熱式）の構成となっている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

図８に、この従来のヒートポンプ給湯機の構成図を示す。

水流路６を流通する水道水は、注水部１１から貯湯タンク８に流入し、貯湯タンク８内の下部を経由して、出水部１２から流出する。蒸発器１、圧縮機２、凝縮器３、膨張弁４、冷媒流路５を主要構成要素とするヒートポンプサイクルにおいて、圧縮機２以降の冷媒流路５で発生した高圧の冷媒は、凝縮器３で放熱することによって、出水部１２から出た水道水をお湯にする。その後、そのお湯は、注湯部７より貯湯タンク８に投入され、ここで貯蔵されるようになっている。

貯湯タンク８の大きさは、標準一般家庭で通常３７０〜４６０L程度必要とされており、都市部の住宅事情に配慮すると、よりコンパクトに形成されることが望まれていた。そのような要求に対し、貯湯タンクを２００L前後に小型化し、給湯需要に対して貯湯タンクからの供給量が不足する場合は、昼間電力を利用して随時追い焚きを継続するなどの制御を入れて対処する方法が実用化されている。

また、以前より貯湯タンクの代わりに潜熱蓄熱材を利用した蓄熱部を形成する方法も検討されている。潜熱蓄熱材を利用した蓄熱式ヒートポンプ給湯機の構成図を図９に示す。

図９において、蓄熱部１５は、例えば酢酸ナトリウム三水和物（融点５８℃）、ｎ−Ｏｃｔａｃｏｓａｎｅ（融点６１℃）等のパラフィン類といった潜熱蓄熱材（例えば、非特許文献１参照）を充填したものであり、凝縮器３と熱交換することによって潜熱蓄熱材を加熱し、そのときの相変化熱および顕熱を利用して蓄熱する。注水部１１から蓄熱部１５内に入った水道水は、熱交換器１４を通過しながら潜熱蓄熱材と熱交換することによって加熱され、出湯部９を経由して、混合栓１０で温度調節されて給湯に用いられる。
特開２００２−８１７６８号公報 特開２００３−１３９３９１号公報 （社）化学工学会編、「蓄熱技術−理論とその応用 第ＩＩ編」、信山社サイテック、２００１年８月３０日

しかしながら、貯湯槽を小型化するために、上記従来のように昼間電力を利用して不足分を追い焚きする方法を用いると、家族数が多く給湯需要が大きい場合は、追い焚きする時間帯が多くなる。そのため、安価な深夜電力が主に用いられる大型の貯湯タンクを有するヒートポンプ給湯機に対して、高価な昼間電力を利用することになり、ランニングコストが高くなる問題があった。

この問題を解消するため、できる限り深夜電力を利用して蓄熱するように、貯湯の２倍程度の蓄熱密度まで期待できる潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽を利用することも考えられる。しかし、この場合は、例えば、貯湯タンク４６０Ｌ相当（約１４万ｋＪ）の給湯分をすべて蓄熱することになると、必要とされる潜熱蓄熱材は数百ｋｇ以上になり、現実的には重量面などの点で設置性に不具合が生じるなどの課題が存在した。

本発明は上記課題を解決するもので、安価な深夜時間帯などの電力を十分に利用しながら、経済的でコンパクトな、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機およびその運転方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、第１の本発明は、
圧縮機、第１の放熱器、膨張弁、蒸発器を有するヒートポンプサイクルと、
系統電力を蓄電する蓄電手段と、
前記第１の放熱器の熱を利用して加熱された給湯水を貯蔵する貯湯タンクとを備え、
前記圧縮機は、少なくとも前記蓄電手段の電力により作動するものである、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第２の本発明は、
特定の時間帯の系統電力または自然エネルギーから発生した電力を用いて、前記圧縮機を作動させて前記貯湯タンクに加熱された給湯水を貯蔵するとともに、前記蓄電手段を充電する、第１の本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第３の本発明は、
さらに、前記貯湯タンクに貯蔵されている給湯水の温度を検出する第１の温度検出手段を備え、
前記貯湯タンクに貯蔵されている給湯水の温度が所定温度以下になった際に、前記蓄電手段の電力を用いて前記圧縮機を作動させて、前記第１の放熱器を利用して前記貯湯タンクの給湯水を加熱する、第１または第２の本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第４の本発明は、
前記貯湯タンクは、少なくとも風呂湯張りに必要な量の加熱された給湯水を貯蔵できる、第１乃至第３のいずれかの本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第５の本発明は、
圧縮機、第１の放熱器、膨張弁、蒸発器を有するヒートポンプサイクルと、
系統電力を蓄電する蓄電手段と、
前記第１の放熱器と熱的に接触し、貯蔵された熱により給湯水を加熱する第１の蓄熱部とを備え、
前記圧縮機は、少なくとも前記蓄電手段の電力により作動するものである、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第６の本発明は、
前記第１の蓄熱部は、潜熱蓄熱材が内包された潜熱蓄熱部である、第５の本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第７の本発明は、
特定の時間帯の系統電力または自然エネルギーから発生した電力を用いて、前記圧縮機を作動させて前記第１の蓄熱部に蓄熱するとともに、前記蓄電手段を充電する、第５または第６の本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第８の本発明は、
さらに、前記第１の蓄熱部の残熱量を検知する手段を備え、
前記第１の蓄熱部の残熱量が所定値以下になった際に、前記蓄電手段の電力を用いて前記圧縮機を作動させて、前記第１の放熱器により前記第１の蓄熱部を加熱する、第５乃至第７のいずれかの本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第９の本発明は、
前記第１の蓄熱部は、少なくとも風呂湯張りに必要な熱量を蓄熱できる、第５乃至第８のいずれかの本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第１０の本発明は、
さらに、前記蓄電手段が蓄電池であり、前記蓄電池を覆うように熱的に接触した、潜熱蓄熱材が内包された第２の蓄熱部を備え、
給湯水に利用される水の流路は、前記第２の蓄熱部と熱的に接触した後、前記第１の蓄熱部に供給されるように配設されている、第５乃至第９のいずれかの本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第１１の本発明は、
前記ヒートポンプサイクルは、さらに第２の放熱器を有し、
加熱される前の前記給湯水の一部は、前記第２の放熱器の熱を利用して加熱されて給湯に利用される、第１乃至第１０のいずれかの本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第１２の本発明は、
前記蒸発器は、少なくともその一部が前記蓄電手段と熱的に接触している、第１乃至第１１のいずれかの本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第１３の本発明は、
前記蒸発器は、第１の蒸発器と第２の蒸発器の２つで構成されており、前記膨張弁から冷媒が流出する側に、前記膨張弁側から前記第１の蒸発器、前記第２の蒸発器の順に配置されており、前記第２の蒸発器は、少なくともその一部が前記蓄電手段と熱的に接触している、第１乃至第１１のいずれかの本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第１４の本発明は、
さらに、前記第１の蒸発器と前記圧縮機の間に、前記第２の蒸発器を経由しないで冷媒が流通できるバイパス流路と、
前記第１の蒸発器から流出した冷媒が、前記第２の蒸発器を流通する流量および前記バイパス流路を流通する流量を調整できる冷媒流量調整手段とを備え、
前記蓄電部が充電または放電反応に伴い吸熱化学反応を生じる場合には、前記冷媒流量調整手段は、前記冷媒が前記バイパス流路を流れるように制御する、第１３の本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第１５の本発明は、
さらに、前記蓄電手段の温度を検出する第２の温度検出手段を備え、
前記冷媒流量調整手段は、前記蓄電手段の温度が所定レベルになるように、前記第２の蒸発器を流通する冷媒の流量および前記バイパス流路を流通する冷媒の流量を調整する、第１４の本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機である。

第１６の本発明は、
蓄電手段に蓄電するステップと、
少なくとも前記蓄電手段の電力により圧縮機を作動させて、前記圧縮機、第１の放熱器、膨張弁、蒸発器を有するヒートポンプサイクルを運転するステップと、
前記第１の放熱器の熱を利用して加熱した給湯水を貯湯タンクに貯蔵するステップとを備えた、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の運転方法である。

第１７の本発明は、
蓄電手段に蓄電するステップと、
少なくとも前記蓄電手段の電力により圧縮機を作動させて、前記圧縮機、第１の放熱器、膨張弁、蒸発器を有するヒートポンプサイクルを運転するステップと、
前記第１の放熱器と熱的に接触した第１の蓄熱部を、前記第１の放熱器の熱により加熱して、前記第１の蓄熱部に蓄熱するステップと、
前記第１の蓄熱部に蓄熱された熱により給湯水を加熱するステップとを備えた、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の運転方法である。

本発明により、安価な深夜時間帯などの電力を十分に利用しながら、経済的でコンパクトな、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機およびその運転方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図である。図１を参照しながら、本実施の形態１の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の基本構成について説明する。

蒸発器１６、圧縮機１７、凝縮器１８、膨張弁１９および冷媒流路２０からヒートポンプサイクルが構成されている。そして、圧縮機１７には、系統電源とは別に、インバータ２９を介して蓄電池２２も接続されている。蓄電池２２は、ＡＣ−ＤＣコンバータ２１を経由して系統電源より蓄電することができるようになっている。なお、凝縮器１８は、本発明の第１の放熱器の一例である。また、蓄電池２２は、本発明の蓄電手段の一例である。

また、本ヒートポンプサイクルには、冷媒にＣＯ_２を用いており、１１０℃程度までの加熱をＣＯＰ３以上の高効率で加熱することができる。貯湯タンク２３には、貯湯タンク２３内に貯蔵されている水の温度を検出する温度センサ２８が、貯湯タンク２３の特定の水位方向に設けられている。なお、貯湯タンク２３の基本構成、および動作は従来と同様であり、例えば貯湯タンク２３に用いられる減圧弁などの一般的な部品の記載は省略する。なお、温度センサ２８は、本発明の第１の温度検出手段の一例である。

なお、各部に対する制御部については、図１には図示していない。また、図８に示した従来のヒートポンプ給湯機と同じ構成部分については、同じ符号を用いている。

次に、本実施の形態１の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の動作および運転方法について説明する。

図１において、貯湯タンク２３は、深夜電力（系統電源）を利用して深夜時間帯にヒートポンプサイクルを作動させることにより、発熱分を貯蔵している。そして、給湯需要があった場合は、貯湯タンク２３の出湯部９から直接出湯し、混合栓２４で水流路６を流通する水道水と混合して、所定温度の給湯水を給湯経路１３に流通させる。なお、ここに示す深夜電力は、本発明の、特定の時間帯の系統電力の一例である。

一方、蓄電池２２は、Ｎｉ水素電池より構成されており、系統電源から安価な深夜電力を蓄電する。そして、蓄電池２２に蓄電した電力を圧縮機１７の動作に使用し、ヒートポンプサイクルを作動させることにより、凝縮器１８を発熱させ、貯湯タンク２３内の水を加熱する。

以上のようにして、安価な深夜電力を用いることができる時間帯に、ヒートポンプサイクルの作動による貯湯タンク２３への蓄熱と、蓄電池２２への蓄電を行う。

上記の基本構成により、昼間時において、貯湯タンク２３の熱量が給湯によって利用された場合は、蓄電池２２によって蓄えられた電力を用い、ヒートポンプサイクルを作動させることによって貯湯タンク２３内の水を加熱することができる。したがって、貯湯タンク２３では、給湯に必要なお湯をすべて深夜に沸かしておく必要がない。

具体的には、例えば、温度センサ２８によって検出される貯湯タンク２３内の水温が給湯温度に満たない所定温度（６０〜４５℃等）以下になった場合に、蓄電池２２からの電力を用いてヒートポンプサイクルを作動させ、貯湯タンク２３内の水を追い焚きするようになっている。このようにすることで、追い焚きで昼間電力を利用することにならないので、昼間電力を利用して追い焚きする従来のヒートポンプ給湯機の課題であるランニングコストが増大するという欠点を抑制することができる。また、上記貯湯タンク２３に対する追い焚きの際は、圧縮機１７を定格運転（最も効率の高い設計値での運転）させることが好ましい。

また、従来のように、深夜時間帯にヒートポンプサイクルを作動させて得た熱をすべて貯湯タンク２３で貯蔵するのではなく、ヒートポンプで汲み上げる前のエネルギー量という状態で蓄電池２２に貯蔵しておけば良いため、貯蔵しておくエネルギー量も減少することになる。

このような本実施の形態１の構成の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機にすることにより、省スペース化が可能となる。

従来のように、最高９０℃の貯湯タンクのみで１４万ｋＪ相当の熱量を貯蔵する場合は、内容積４６０L（外容積約９２０L）が必要になっていたのに対し、例えば、貯湯タンク２３で７５０００ｋJ、蓄電池２２で６９０００ｋＪの熱量相当、すなわちＣＯＰ＝３換算で沸き上げるための蓄電量２３０００ｋＪを貯蔵することにより、貯湯タンク２３は内容積２４０L（外容積約４８０L）、蓄電池２２は、例えばＰａｎａｓｏｎｉｃＥＶエナジー製Ｎｉ水素電池（ＥＶ２８）で５４Lとなる。つまり、従来の貯湯タンクのみで熱量を貯蔵するヒートポンプ給湯機の場合に比べて、約２／３の省スペース化が可能となる。

ここで、極端に貯湯タンク２３を小さくし、蓄電池２２における蓄電量を多くするように構成すると、風呂給湯の場合のように多量のお湯について連続した需要があった場合には、貯湯タンク２３からの給湯量だけでは不足することが多くなる。その不足分を、蓄電池２２から瞬間的に造出する必要があるが、必要以上の圧縮機１７の大型化を招くとともに、瞬間的に熱量を大気から吸収するために、蒸発器１６に用いられる冷媒−大気熱交換器が大型化する問題が発生する。そのため、貯湯タンク２３等の蓄熱槽に貯蔵される蓄熱量は、瞬間的に多くの湯量（例えば４０℃で２００Ｌ）が必要になる風呂の湯張りに必要となる貯湯タンク相当以上の熱量を有することが好ましい。

なお、図１に示す本実施の形態１では、蓄電池２２は、系統電源から蓄電するようにしているが、もちろん太陽電池や風力発電機などにより自家発電した電気を蓄電するようにして、圧縮機１７の動作に利用しても構わない。

また、本実施の形態１では、蓄電池２２にＮｉ水素電池を用いているが、Ｌｉ二次電池や、安価なシール型鉛蓄電池など、条件に応じて用いることが可能である。また、特に電力を使用する圧縮機１７以外（たとえば、蒸発器用のファンや、制御部など）については、系統電力を主体的に用いても構わない。

また、蓄電池２２の容量に余裕を持たせ、貯湯タンク２３の保温ヒータ（図示せず）の電力に利用することも可能である。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図である。本実施の形態２における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成を、図２を参照しながら説明する。なお、図１に示した実施の形態１の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機と同じ構成部分については、図１と同じ符号を用いている。

本実施の形態２の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機は、蓄熱装置として、実施の形態１では貯湯タンク２３を用いているのに対し、蓄熱部２７を用いている点が実施の形態１の場合と異なる。

蓄熱部２７は、潜熱蓄熱材である、水酸化ストロンチウム８水和物（融点８８℃、融解熱３４３ｋＪ／ｋｇ）が充填されている。潜熱蓄熱材を用いることで、蓄熱密度（単位体積あたりの蓄熱量）を２倍程度で構成することが可能であり、蓄熱部２７を貯湯タンク２３に比べて、さらに１／２程度まで小型化することが可能となる。なお、蓄熱部２７は、本発明の第１の蓄熱部の一例である。

次に、本実施の形態２の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の動作および運転方法について説明する。

蓄熱部２７は、ヒートポンプサイクルを構成する凝縮器１８によって中〜下方から加熱されるようになっており、実施の形態１の場合と同様に、安価な深夜電力を用いてヒートポンプサイクルを作動させることによって所定温度になるまで加熱され、熱量を貯蔵する。

水流路３２を流通する水道水は、注水部２６から蓄熱部２７内に流入し、蓄熱部２７の下方から上方に向かって流れるようになっており、その過程で、蓄熱部２７内の潜熱蓄熱材と蓄熱部−水熱交換器３０で熱交換を行いながら出湯温度域まで加熱される。蓄熱部２７での加熱により生成されたお湯は、混合栓２４で水流路３２の水道水と混合され、給湯経路３１に流出し給湯に用いられるようになる。

なお、蓄熱部２７内に蓄熱部−水熱交換器３０を備えず、潜熱蓄熱材をカプセルに封入して蓄熱部２７に充填し、蓄熱部２７に注水部２６から直接水道水を流通させて熱交換を行わせることも可能である。その他、蓄熱部２７の形態としては、本発明の目的に合致するその他の既知の形態、例えば一般的に用いられるシェル型などでも構わない。

ここで、水道水の加熱に蓄熱部２７の熱量が用いられて消費されると、蓄熱部２７のタンク中頃の潜熱蓄熱材やその影響を反映するものの温度レベルが低下してくる。この温度レベルの低下を温度センサ２８が検知すると、実施の形態１の場合と同様に、蓄電池２２に貯蔵された電力を用いて、ヒートポンプサイクルを作動させ、蓄熱部２７に設けられた凝縮器１８によって、蓄熱部２７で不足した熱量を補うようになっている。なお、温度センサ２８は、本発明の、蓄熱部の残熱量を検知する手段の一例である。また、上記の温度レベルが、本発明の、残熱量の所定値の一例である。

このようにすることで、追い焚きで高価な昼間電力を利用することにはならないので、ランニングコストが増大するという従来の昼間電力により追い焚きするシステムの有する欠点を抑制することができる。それとともに、潜熱蓄熱材の使用量を低減することで、設置作業上の重量制限などの問題点が解消され、実施の形態１よりもさらに蓄熱部の小型化が可能になる。本実施の形態２の場合は、蓄熱部２７の容積が、実施の形態１の貯湯タンクの約半分になるため、実施の形態１の貯湯タンク２３の場合に比べて、約１／３のサイズまで蓄熱部２７の容積を低減することができる。

なお、本実施の形態２では、潜熱蓄熱材に水酸化ストロンチウムを用いているが、給湯温度、およびヒートポンプサイクルまたはモータ等の構成部品の信頼性が十分満たされる範囲（４５℃以上〜１１０℃以下程度）で相変化温度を有するものであれば構わない。例えば、酢酸ナトリウム三水和物やその混合物、硝酸マグネシウムやその混合物、パラフィン類、脂肪酸類などを用いることができるが、より小型化するには密度の大きな無機化合物を用いることが好ましい。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図である。本実施の形態３における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の基本構成を、図３を参照しながら説明する。

本実施の形態３における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機は、深夜電力を貯蔵した蓄電池２２の電力を利用して、昼間時にヒートポンプサイクルの圧縮機１７を作動させ、凝縮器１８で水道水を加熱することで直接出湯するようになっている点が実施の形態１および実施の形態２の場合と異なっている。

一方、蓄熱部２７は、潜熱蓄熱材を充填した実施の形態２と同様のものであり、安価な深夜の時間帯の電力によってヒートポンプサイクルを作動させることによって得られる熱を、第２の凝縮器３４で潜熱蓄熱材と熱交換することにより蓄熱している。ここで、図３では、潜熱蓄熱材からなる蓄熱部２７を用いているが、蓄熱部２７の代わりに、実施の形態１と同様に貯湯タンクで構成してもよい。なお、凝縮器１８および第２の凝縮器３４は、本発明の、第２の放熱器および第１の放熱器の一例である。

冷媒流路２０には、凝縮器１８に流通させる冷媒量を調整する制御バルブ３５と、第２の凝縮器３４に流通させる冷媒量を調整する制御バルブ３６が備えられている。また、凝縮器１８と接触する水流路の下流側に、水流路を流通する水の温度を検出する温度センサ３３が設けられている。

次に、本実施の形態３の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の動作および運転方法について説明する。

一般に、圧縮機１７における入力−出力の関係においては、設計値に応じて、最適なＣＯＰが得られる定格運転条件が存在する。本実施の形態３では、蓄電池２２に貯蔵された電力を利用して圧縮機１７を作動させる場合に、この定格条件で作動させることにより、高いＣＯＰが得られる。そして、給湯負荷が大きい場合には、制御部（図示せず）が制御バルブ３６の開度が大きくなるように制御し、蓄熱部２７の熱量を付加供給することによって、給湯需要に対応することが可能となる。

また、圧縮機１７が定常状態に達し、凝縮器１８によって熱交換され給湯経路３１に流出する水は、所定の給湯温度に達するまでに数分程度の時間を要する。そのため、出力する給湯水の水温が安定するまでの時間は、例えば、凝縮器１８と接触する水流路の下流側に設けられた温度センサ３３で検知した水温に応じて、蓄熱部２７からの給湯出力量を多くするように制御バルブ３５の開度と制御バルブ３６の開度の比率を制御し、凝縮器１８と第２の凝縮器３４に流通する冷媒量を調整して蓄熱部２７から出湯する給湯水の量を調整することで、ヒートポンプサイクルのみで加熱するよりも速やかに所定温度が得られるようにできる。

本実施の形態３のようにヒートポンプサイクルで直接水流路３２内の水を加熱する制御は、特に風呂給湯などの場合のように、長時間給湯を継続する時に有効であるため、短時間の使用の場合は蓄熱部２７の熱のみで水道水を加熱するようにすることが好ましい。風呂給湯の場合は、その需要を示す信号をコントローラ（図示せず）などから制御部に対して送ることで、ヒートポンプサイクル主体の運転、および蓄熱部２７主体の運転を切り分けることができる。このとき、蓄熱部２７に貯蔵された熱量が一定値以下になったことを温度センサ２８が検知すると、ヒートポンプサイクルを作動させ、制御バルブ３６を開き、バイパス３７によって蓄熱部２７を追い焚き加熱し、所定量の蓄熱量を保持するようにすることができる。

また、上記とは逆に、ヒートポンプサイクルによって産出される熱出力が需要に対して大きい場合は、制御バルブ３５を絞ることによって蓄熱部２７で余剰の熱量分を貯蔵することが可能になる。

このように本実施の形態３のような構成にすることで、より経済的にヒートポンプで熱を得ながら、省エネでコンパクト性に優れたヒートポンプ給湯機を実現することが可能になる。

以上に説明したように、本実施の形態３の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機を用いることで、蓄電池に貯蔵された深夜電力により、定格でヒートポンプサイクルを作動させるとともに、不足分の熱量のみ蓄熱部から供給されることになるため、蓄熱部の容積を小型化しながら、低いランニングコストを実現できる。

なお、実施の形態１〜３で記載した構成において、蓄電手段として蓄電池２２を用いているが、本発明の効果を奏する上で、蓄電手段として蓄電池２２の代わりに、例えばキャパシタなどの別の作動原理の蓄電手段を用いることも可能であり、また蓄電池とキャパシタなどを併用しても構わない。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図である。本実施の形態４における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成を、図４を参照しながら説明する。

ヒートポンプサイクルの基本構成は実施の形態２と同様であるが、図２に示す実施の形態２の蒸発器１６が、大気からの熱を汲み上げる第１の蒸発器３８と第２の蒸発器３９で構成されており、蓄電池２２が部分的に第２の蒸発器３９と熱的に接して設けられている点が、実施の形態２の場合と異なっている。

第１の蒸発器３８と第２の蒸発器３９の間から、圧縮機１７にいたるバイパス４０が設けられている。また、第１の蒸発器３８と第２の蒸発器３９の間に三方の制御バルブ４１が設けられており、第２の蒸発器３９とバイパス４０への冷媒の流量を調整できるようになっている。また、蓄電池２２には、蓄電池２２の温度を検知する温度センサ４２が設けられている。

次に、本実施の形態４の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の動作および運転方法について説明する。

蓄電池２２は、充電、あるいは放電にともなう化学反応や抵抗等によって発熱が生じることが知られている。本実施の形態４では、蓄電池２２にＮｉ水素電池を用いており、特に充電時に発熱が見られる。このような発熱は、充電の進行に伴い蓄電池２２の温度上昇を招き、耐久性や充電特性の低下を招く。

本実施の形態４の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機では、蓄電池２２における発熱による温度上昇を抑制し、かつその熱を有効にヒートポンプサイクルで利用するように、蓄電池２２と第２の蒸発器３９が熱的に接触して設けられており、そのことによって蓄電池２２の温度レベルの均一性が向上する。また、蓄電池２２における蓄電量の内の熱損失分を給湯利用することでエネルギー効率が向上するとともに、ヒートポンプサイクルから見ると、大気レベルよりも高温の熱を利用することにより、高効率な蓄エネ式ヒートポンプ給湯機を形成することが可能となる。

蓄電池２２にＮｉ水素電池を用いた場合、上記のように特に充電時の発熱が顕著であるため、安価な深夜電力を蓄電する際に、蓄電池２２の発熱分をヒートポンプサイクルで汲み上げ、蓄熱部２７における蓄熱に用いることになる。

また、この発熱は、蓄熱部２７に貯蔵される熱量に対して、ヒートポンプサイクルで必要とされる汲み上げ熱量を必ずしも満足させるものでないことが多く、大気から熱を汲み上げる第１の蒸発器３８を設けることが好ましい。この場合、第１の蒸発器３８は、相対的に高温の熱を吸収する蓄電池側の第２の蒸発器３９よりも冷媒流路の上流側に設けられていることが必要である。

また、本実施の形態４のように、Ｎｉ水素電池から放電する場合には、蓄電池２２の温度は、化学反応による放熱と、ジュール熱による発熱のバランスになる。第２の蒸発器３９による蓄電池２２からの汲み上げ熱量を一定にすると、蓄電池２２が冷却されすぎる場合が生じ、電池特性も低下することがあるため、ヒートポンプサイクルとは切り離されているほうが好ましい。

したがって、図４に示すように、第１の蒸発器３８と第２の蒸発器３９の間から、圧縮機１７にいたるバイパス４０を設けている。そして、蓄電池２２を放電させ、ヒートポンプサイクルを作動させて蓄熱部２７を追い焚きする場合には、バイパス４０を経由した冷媒流路に冷媒を流通させることで、蓄電池２２を過度に冷却しないように制御するようになっている。なお、バイパス４０を流通する冷媒量は、蓄電池２２に設けられた温度センサ４２によって検知された温度に基づき、制御部が三方の制御バルブ４１の開度を制御することで調整するようになっている。なお、制御バルブ４１は、本発明の冷媒流量調整手段の一例である。また、温度センサ４２は、本発明の第２の温度検出手段の一例である。また、バイパス４０は、本発明のバイパス流路の一例である。

つまり、図４に示す構成の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機を用いることにより、大気からの熱と蓄電池からの熱を組み合わせて利用することが可能となるとともに、蓄電池を必要以上に冷却することがなく、高いエネルギー効率で給湯することが可能となる。

なお、本実施の形態４では、蓄電池２２にＮｉ水素電池を用いる場合について述べたが、Ｌｉ二次電池など、その他の蓄電池で発熱・放熱が付随するものは、その特性（充電時、放電時に対する発熱、吸熱特性）に応じて構成を変えることが可能である。

例えば、Ｌｉ二次電池の場合は、放電時の発熱量のほうが充電時よりも大きくなることが多いため、放電時の熱量を蓄熱部２７の追い焚きに用いることができる。また、図３に示す実施の形態３の構成で、蓄電池２２にＬｉ二次電池を用いた場合には、放電時の熱量を、ヒートポンプ定格運転により水流路３２を加熱する際に用いることができる。

一方、深夜時間帯に充電する際には、充電時に蓄電池２２内では吸熱化学反応が生じるため、ジュール熱によって発熱が生じても、大気に比べて高い温度にならない場合も生じる。この場合は、第２の蒸発器３９を経由しないバイパス４０に冷媒を流通させるように制御することで、蓄電池２２の過度な冷却を防止するように制御することができる。

また、第２の蒸発器３９側への冷媒の流通を制御バルブ４１で停止させると第１の蒸発器３８で汲み上げる熱量が不足してしまう場合には、制御バルブ４１の開度を調整することにより第２の蒸発器３９で適切な熱量を汲み上げるようにすることができる。

図５は、本実施の形態４における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の他の構成の概略図を示している。

蓄電池２２の充電・放電時の熱量がそれほど顕著に変化しない場合は、図５に示すようにバイパスを設けなくてもよい。また、その場合には、第１の蒸発器３８、第２の蒸発器３９を一体化して設けても構わない（図示せず）。

図６は、本実施の形態４における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の他の構成の概略図を示している。図４の構成に対し、さらに、膨張弁１９と第１の蒸発器３８の間に、三方バルブ４５と第３の蒸発器４３とバイパス４４を設けている。三方バルブ４５により、第３の蒸発器４３とバイパス４４への冷媒の流量を調整できるようになっている。

蓄電池２２の温度レベルが大気よりも低く、第２の蒸発器３９が使用できず、さらに第１の蒸発器３８だけでは汲み上げ熱量が不足する場合は、第２の蒸発器３９への流路を閉じた際に、三方バルブ４５を第３の蒸発器４３に流れるように制御する。このようにすることで、第１の蒸発器３８と第３の蒸発器４３の２つの蒸発器によって大気から熱を汲み上げることになる。この図６に示す構成において、第２の蒸発器３９で蓄電池２２から熱を汲み上げる場合は、第１の蒸発器３８から第２の蒸発器３９へ冷媒が流れてくるように制御バルブ４１を切り替えるようになっている。

なお、本実施の形態４では、給湯用の熱量を蓄熱部２７で蓄熱する構成としたが、蓄熱部２７の代わりに貯湯タンクを備える構成としてもよく、貯湯タンクを用いる場合にも同様の効果が得られる。

以上に説明したように、本実施の形態４の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機を用いることで、充電時、あるいは放電時に発生する蓄電池の発熱をヒートポンプサイクルによって回収することが可能となり、ヒートポンプサイクルの効率を高くすることができると同時に、蓄電池の劣化の要因となる温度上昇を抑制し、蓄電池の充電または放電効率を改善するとともに、寿命をより長くすることができる。

（実施の形態５）
図７は、本発明の実施の形態５における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図である。本実施の形態５における蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成を、図７を参照しながら説明する。

ヒートポンプサイクルの基本構成は図２に示す実施の形態２と同様であるが、蓄電池２２の周囲に、本発明の第２の蓄熱部として潜熱蓄熱部４６が設けられている点が、実施の形態２の場合と異なっている。潜熱蓄熱部４６は、蓄熱部２７の上流側で、水流路３２熱的に接触するよう配置されている。

次に、本実施の形態５の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の動作および運転方法について説明する。

図７で、潜熱蓄熱部４６は、相変化によって、蓄電池２２の発熱分を貯蔵するとともに熱を吸収することで、蓄電池２２の温度レベルをより均一化することができる。水流路３２は、潜熱蓄熱部４６を経由した後、蓄熱部２７内の熱交換器３０で加熱されるように配置されている。水流路３２を流通する水が熱交換器３０で加熱される際に、あらかじめ潜熱蓄熱材４６により通常の水温よりも昇温されているため、ヒートポンプサイクルのＣＯＰを向上させることが可能となる。

潜熱蓄熱部４６は、潜熱蓄熱材が充填され、蓄電池２２の外周を囲む形状である。そして、潜熱蓄熱部４６の周囲には、略螺旋状、あるいはジャケット状に水流路３２が設けられている。蓄電池２２の温度を１５℃〜４０℃の範囲内、より好ましくは、２０℃〜３０℃の範囲で均一化することが好ましく、潜熱蓄熱部４６に用いる潜熱蓄熱材は、この領域に融点を有することが好ましい。例えば、この潜熱蓄熱材として、塩化カルシウム６水和塩やパラフィン類を用いることができる。
なお、本実施の形態５では、給湯用の熱量を蓄熱部２７で蓄熱する構成としたが、蓄熱部２７の代わりに貯湯タンクを備える構成としてもよく、貯湯タンクを用いる場合にも同様の効果が得られる。

本実施の形態５の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機を用いることで、蓄電池が一定温度に保持されると同時に、放熱時に蓄電池から発せられる熱を有効利用することが可能となり、あらかじめ潜熱蓄熱材により通常の水温よりも昇温されているため、ヒートポンプサイクルのＣＯＰを向上させることが可能となる。

以上に説明したように、本発明の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成にすることにより、深夜電力などの安価な電力を利用してヒートポンプでＣＯＰ（成績係数＝発熱量／消費電力量）３以上で沸きあげた熱をすべて蓄熱部で貯蔵する必要がなく、一部を蓄電池で蓄えられることになり、蓄熱部の小型化が可能になる。さらに、蓄熱部で貯蔵した熱が給湯に使われた場合でも、蓄熱部の追い焚きに貯蔵した安価な電力を利用してヒートポンプサイクルを作動させた熱を用いるので、ランニングコストが増加することがない。したがって、トータルの蓄エネ部のサイズを最小化しながら、低いランニングコストのヒートポンプ給湯機が実現できる。

本発明に関する蓄熱式ヒートポンプ給湯機は、コンパクトで設置の自由度を向上させながらも、深夜電力等の安価な電力の利用度を上げることが可能で、省エネ高効率な給湯機等として有用である。また、ヒートポンプ機器を応用した各種加熱・冷却装置等の用途にも応用が可能である。また、深夜電力以外の負荷平準化、あるいは電力自由化に伴うその他の安価な電力や、太陽電池などの自然エネルギーから発生した電力と、ヒートポンプ機器を組み合わせたエネルギーシステムへの応用も可能である。

本発明の実施の形態１の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図 本発明の実施の形態２の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図 本発明の実施の形態３の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図 本発明の実施の形態４の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図 本発明の実施の形態４の、他の構成の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図 本発明の実施の形態４の、他の構成の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図 本発明の実施の形態５の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の構成概略図 従来の貯湯式ヒートポンプ給湯機の構成概略図 従来の潜熱蓄熱部を有する蓄熱式ヒートポンプ給湯機の構成概略図

符号の説明

１ 蒸発器
２ 圧縮機
３ 凝縮器
４ 膨張弁
５ 冷媒流路
６ 水流路
７ 注湯部
８ 貯湯タンク
９ 出湯部
１０ 混合栓
１１ 注水部
１２ 出水部
１３ 給湯経路
１４ 熱交換器
１５ 蓄熱部
１６ 蒸発器
１７ 圧縮機
１８ 凝縮器
１９ 膨張弁
２０ 冷媒流路
２１ ＡＣ−ＤＣコンバータ
２２ 蓄電池
２３ 貯湯タンク
２４ 混合栓
２５ 出湯部
２６ 注水部
２７ 蓄熱部
２８ 温度センサ
２９ インバータ
３０ 熱交換器
３１ 給湯経路
３２ 水流路
３３ 温度センサ
３４ 第２の凝縮器
３５ 制御バルブ
３６ 制御バルブ
３７ バイパス
３８ 第１の蒸発器
３９ 第２の蒸発器
４０ バイパス
４１ 制御バルブ
４２ 温度センサ
４３ 第３の蒸発器
４４ バイパス
４５ 三方バルブ
４６ 潜熱蓄熱部

Claims (17)

1. 圧縮機、第１の放熱器、膨張弁、蒸発器を有するヒートポンプサイクルと、
   系統電力を蓄電する蓄電手段と、
   前記第１の放熱器の熱を利用して加熱された給湯水を貯蔵する貯湯タンクとを備え、
   前記圧縮機は、少なくとも前記蓄電手段の電力により作動するものである、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
2. 特定の時間帯の系統電力または自然エネルギーから発生した電力を用いて、前記圧縮機を作動させて前記貯湯タンクに加熱された給湯水を貯蔵するとともに、前記蓄電手段を充電する、請求項１に記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
3. さらに、前記貯湯タンクに貯蔵されている給湯水の温度を検出する第１の温度検出手段を備え、
   前記貯湯タンクに貯蔵されている給湯水の温度が所定温度以下になった際に、前記蓄電手段の電力を用いて前記圧縮機を作動させて、前記第１の放熱器を利用して前記貯湯タンクの給湯水を加熱する、請求項１または２に記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
4. 前記貯湯タンクは、少なくとも風呂湯張りに必要な量の加熱された給湯水を貯蔵できる、請求項１乃至３のいずれかに記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
5. 圧縮機、第１の放熱器、膨張弁、蒸発器を有するヒートポンプサイクルと、
   系統電力を蓄電する蓄電手段と、
   前記第１の放熱器と熱的に接触し、貯蔵された熱により給湯水を加熱する第１の蓄熱部とを備え、
   前記圧縮機は、少なくとも前記蓄電手段の電力により作動するものである、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
6. 前記第１の蓄熱部は、潜熱蓄熱材が内包された潜熱蓄熱部である、請求項５に記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
7. 特定の時間帯の系統電力または自然エネルギーから発生した電力を用いて、前記圧縮機を作動させて前記第１の蓄熱部に蓄熱するとともに、前記蓄電手段を充電する、請求項５または６に記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
8. さらに、前記第１の蓄熱部の残熱量を検知する手段を備え、
   前記第１の蓄熱部の残熱量が所定値以下になった際に、前記蓄電手段の電力を用いて前記圧縮機を作動させて、前記第１の放熱器により前記第１の蓄熱部を加熱する、請求項５乃至７のいずれかに記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
9. 前記第１の蓄熱部は、少なくとも風呂湯張りに必要な熱量を蓄熱できる、請求項５乃至８のいずれかに記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
10. さらに、前記蓄電手段が蓄電池であり、前記蓄電池を覆うように熱的に接触した、潜熱蓄熱材が内包された第２の蓄熱部を備え、
    給湯水に利用される水の流路は、前記第２の蓄熱部と熱的に接触した後、前記第１の蓄熱部に供給されるように配設されている、請求項５乃至９のいずれかに記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
11. 前記ヒートポンプサイクルは、さらに第２の放熱器を有し、
    加熱される前の前記給湯水の一部は、前記第２の放熱器の熱を利用して加熱されて給湯に利用される、請求項１乃至１０のいずれかに記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
12. 前記蒸発器は、少なくともその一部が前記蓄電手段と熱的に接触している、請求項１乃至１１のいずれかに記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
13. 前記蒸発器は、第１の蒸発器と第２の蒸発器の２つで構成されており、前記膨張弁から冷媒が流出する側に、前記膨張弁側から前記第１の蒸発器、前記第２の蒸発器の順に配置されており、前記第２の蒸発器は、少なくともその一部が前記蓄電手段と熱的に接触している、請求項１乃至１１のいずれかに記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
14. さらに、前記第１の蒸発器と前記圧縮機の間に、前記第２の蒸発器を経由しないで冷媒が流通できるバイパス流路と、
    前記第１の蒸発器から流出した冷媒が、前記第２の蒸発器を流通する流量および前記バイパス流路を流通する流量を調整できる冷媒流量調整手段とを備え、
    前記蓄電部が充電または放電反応に伴い吸熱化学反応を生じる場合には、前記冷媒流量調整手段は、前記冷媒が前記バイパス流路を流れるように制御する、請求項１３に記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
15. さらに、前記蓄電手段の温度を検出する第２の温度検出手段を備え、
    前記冷媒流量調整手段は、前記蓄電手段の温度が所定レベルになるように、前記第２の蒸発器を流通する冷媒の流量および前記バイパス流路を流通する冷媒の流量を調整する、請求項１４に記載の蓄エネ式ヒートポンプ給湯機。
16. 蓄電手段に蓄電するステップと、
    少なくとも前記蓄電手段の電力により圧縮機を作動させて、前記圧縮機、第１の放熱器、膨張弁、蒸発器を有するヒートポンプサイクルを運転するステップと、
    前記第１の放熱器の熱を利用して加熱した給湯水を貯湯タンクに貯蔵するステップとを備えた、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の運転方法。
17. 蓄電手段に蓄電するステップと、
    少なくとも前記蓄電手段の電力により圧縮機を作動させて、前記圧縮機、第１の放熱器、膨張弁、蒸発器を有するヒートポンプサイクルを運転するステップと、
    前記第１の放熱器と熱的に接触した第１の蓄熱部を、前記第１の放熱器の熱により加熱して、前記第１の蓄熱部に蓄熱するステップと、
    前記第１の蓄熱部に蓄熱された熱により給湯水を加熱するステップとを備えた、蓄エネ式ヒートポンプ給湯機の運転方法。
    

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