JP2005241092A - ヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制することで、機器効率を向上し、運転効率の高いヒートポンプ給湯装置を提供する。
【解決手段】ヒートポンプサイクル５と、融解熱を利用して蓄熱を行う融点の異なる複数の潜熱蓄熱材３３とヒートポンプサイクル５の放熱手段２７とを備えた蓄熱手段１３を有することにより、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制することで、機器効率の高いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプサイクルを用いたヒートポンプ給湯装置に関する。

図５は従来の技術によるヒートポンプ給湯装置である。図５により説明する。まず冷媒回路２８は圧縮機１と、外部熱交換器２と、減圧手段３及び室外熱交換器４を環状に連接してヒートポンプサイクル５を構成している。外部熱交換器２は冷媒の通過する冷媒用配管６ａと水の通過する水用配管から成り、互いに熱交換する様に構成されている。水回路１５として、開閉弁１４と、ポンプ８と、水用配管６ｂと、蓄熱手段１３内に設けられた、高温側熱交換器１１、低温側熱交換器１２とが順に接続されている。また、開閉弁１４と低温側熱交換器１２の間に市水などを供給する給水源１６が接続されており、さらに、ポンプ８と水用配管６ｂの間より給湯端末１７が接続されている。

以上のように構成された従来のヒートポンプ給湯装置について、ここでは特徴的な動作である蓄熱運転についてのみ説明する。蓄熱運転は、蓄熱手段１３の高温側蓄熱材９及び低温側蓄熱材１０を融解することにより、熱を蓄える運転である。冷媒回路２８においては、冷媒が以下のように循環する。すなわち、冷媒が圧縮機１で圧縮されて吐出され高温高圧のガスとなる。この高温の冷媒は、外部熱交換器２の冷媒用配管６ａ内で水用配管６ｂの水と熱交換して冷却される。この水用配管６ｂの水は後述するように低温側熱交換器１２で冷却されたものである。冷媒用配管６ａを流出した高温の冷媒は、膨張弁３によって減圧されると共に冷却されて凝縮する。減圧によって温度が低下した冷媒は、吸熱器４において蒸発する。吸熱器４を流出した冷媒は、蒸発し低温のガスとなって圧縮機１に吸入される。この循環が繰り返される。

水回路１５においては、開閉弁１４は開成され、ポンプ８を駆動源としては水回路１５内の水を水用配管６ｂ、高温側熱交換器１１、低温側熱交換器１２、開閉弁１４の順に循環する。水回路１５の水は、外部熱交換器２の水用配管６ｂにおいて、冷媒回路２８の冷媒用配管６ａを流れる冷媒によって例えば８０℃程度に加熱され、高温の温水となる。この高温水は蓄熱手段１３の高温側熱交換器１１に流入する。そして、この高温水は、高温側蓄熱材９と熱交換すると共に次第に冷却される。その後、この冷却された高温水は、低温側熱交換器１０に流入する。この結果、高温側蓄熱材９は高温水によって加熱されて上部から順に融解し、高温側蓄熱材９に熱が蓄えられる。そして、この水は低温側熱交換器１２に流れ、低温側蓄熱材１０と熱交換して次第に冷却されて低温水となる。この結果、低温側蓄熱材１０は水によって加熱されて上部から順に融解し、低温側蓄熱材１０に熱が蓄えられる。

低温側熱交換器１２を流出した低温水は例えば２５℃程度となっており、開閉弁１４を介してポンプ８に吸入、吐出され外部熱交換器２の水用配管６ｂに流入する。外部熱交換器２の水用配管６ｂに流入した水は、冷媒用配管６ａの冷媒と熱交換して加熱される。これらの循環を繰り返すことになる（特許文献１参照）。
特開２００３−２３２５６３号公報

しかしながら、上記の構成では、蓄熱運転時にポンプを駆動する必要がある。また、蓄熱運転後、水回路内の高温の水は放熱することになり、再び蓄熱運転を開始する時には、水回路内の低温の水を加熱することになる。従って、ポンプによる消費電力に加え、水回路での放熱ロスがあるため機器の効率は低下することになる。

本発明の目的は、ポンプを廃して機器効率を向上し、運転効率の高いヒートポンプ給湯装置を提供することにある。

この目的を達成するために本発明のヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプサイクルと、融点の異なる複数の潜熱蓄熱材と前記ヒートポンプサイクルの放熱器とを備えた蓄熱手段を備えた。これにより、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制できる。

本発明のヒートポンプ給湯装置は、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制することで、機器効率の高いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

第１の発明は、ヒートポンプサイクルと、融点の異なる複数の潜熱蓄熱材と前記ヒートポンプサイクルの放熱器とを備えた蓄熱手段を備えた。これにより、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制できる。

第２の発明は、特に第１の発明で、前記潜熱蓄熱材への蓄熱時には前記放熱器に融点のより高い潜熱蓄熱材から順次より融点の低い潜熱蓄熱材と熱交換する様に冷媒を流す様にした。これにより、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制できる。また、順次融点の低い潜熱蓄熱材に冷媒を流すことにより、エンタルピー差を大きくとることができるので、蓄熱量を増大でき、蓄熱時にヒートポンプサイクルの効率を向上できる。

第３の発明は、特に第１、２の発明で、前記潜熱蓄熱材からの放熱に用いる水側熱交換器に融点のより低い潜熱蓄熱材から順次融点のより高い潜熱蓄熱材と熱交換する様に給湯水を通水する様にした。これにより、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制できる。また、順次融点の低い潜熱蓄熱材から融点の高い潜熱蓄熱材に水を流すことにより、蓄熱手段内の熱を有効に取り出すことができる。

第４の発明は、特に第１〜３の発明において、前記ヒートポンプサイクルを圧縮機、前記放熱器、減圧手段、吸熱手段を環状に接続してなる冷媒回路とした。これにより、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制できる。

第５の発明は、特に第１〜４の発明において、前記ヒートポンプサイクルに、臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いた。これにより、放熱器を流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器で熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器全域で冷媒と潜熱蓄熱材とに温度差を形成しやすくなり熱交換効率を高くできる。

第６の発明は、特に第１〜５の発明で、前記ヒートポンプサイクルと前記蓄熱手段を一体化して構成した。これにより、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制できる。また、機器を小型化できる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１によるヒートポンプ給湯装置ついて図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態おけるヒートポンプ給湯装置の回路図である。背景技術で説明した構成については同一符号を付し詳細な説明を省略する。

先ず、本実施の形態によるヒートポンプ給湯装置のヒートポンプサイクルについて説明する。ヒートポンプサイクル５は、圧縮機１、放熱器２７、減圧手段３、吸熱器４を環状に順次連接して構成され、冷媒として臨界温度の低い炭酸ガスを使用している。圧縮機１は、内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され吸引した冷媒を、一般的使用条件において臨界圧力以上まで圧縮して吐出する。

また、放熱器２７は高温側潜熱蓄熱材９と冷媒の熱交換を行う高温側熱交換器１１、中温側潜熱蓄熱材２０と冷媒の熱交換を行う中温側熱交換器２２及び低温側潜熱蓄熱材１０と冷媒との熱交換を行う低温側熱交換器１２で構成されている。

放熱器２７は、蓄熱手段１３に内蔵されている高温側潜熱蓄熱材９、中温側潜熱蓄熱材２０、低温側潜熱蓄熱材１０の順に圧縮機１より吐出された高圧のガス冷媒と熱交換するものである。なお、放熱器２７に流入する冷媒（炭酸ガス）は、圧縮機１で臨界圧力以上に加圧されており、放熱器２７で放熱しても凝縮することはない。また、放熱器２７は高温側潜熱蓄熱材９と冷媒の熱交換を行う高温側熱交換器１１、中温側潜熱蓄熱材２０と冷媒の熱交換を行う中温側熱交換器２２及び低温側潜熱蓄熱材１０と冷媒との熱交換を行う低温側熱交換器１２で構成されている。

減圧手段３は、放熱器２７から流出する冷媒を減圧する減圧装置で、絞りを調整して適度に減圧して冷媒を断熱膨張させて低温の冷媒とする。吸熱器４は減圧手段３から流出してきた冷媒を外気との熱交換によって蒸発させる。

さらに、水側熱交換器２９は高温側潜熱蓄熱材９と水の熱交換を行う高温側放熱器１８、中温側潜熱蓄熱材２０と水の熱交換を行う中温側放熱器２２及び低温側潜熱蓄熱材１０と水との熱交換を行う低温側放熱器１９で構成されている。

そして、蓄熱手段１３は放熱器２７、水側熱交換器２９、高温側潜熱蓄熱材９中温側潜熱蓄熱材２０、低温側潜熱蓄熱材１０で構成されており、各々、高温側潜熱蓄熱材９、中温側潜熱蓄熱材２０、低温側潜熱蓄熱材１０は融解して液状になった時、混合しない様、仕切板３０で仕切られている。

高温側潜熱蓄熱材９、中温側潜熱蓄熱材２０、低温側潜熱蓄熱材１０は融点の異なる潜熱蓄熱材であり、高温側潜熱蓄熱材９は例えば融点が約７０℃の酢酸ナトリウム系のパラフィンであり、中温側潜熱蓄熱材２０は例えば融点が約５０℃の酢酸ソーダ混合物、低温側潜熱蓄熱材１０は例えば融点が約３０℃の硫酸ナトリウム系のパラフィンを用いても構わない。尚、本実施の形態では３種類の潜熱蓄熱材３３を用いたが４種類以上用いても構わない。また、各々の潜熱蓄熱材３３と放熱器２７或いは水側熱交換器２９が直接接触すると腐食がおこる場合にはエポキシ樹脂等で放熱器２７或いは水側熱交換器２９表面をコーティングしても構わない。

水回路３１では、市水などの給水源１６が低温側放熱器１９、中温側放熱器２２、高温側放熱器１８の順に接続され、さらに給水管２４を介して混合弁２３に接続されている。給水源１６から供給された水は低温側放熱器１９、中温側放熱器２２、高温側放熱器１８の順に通過してゆき徐々に加熱されて高温の湯となり給湯管２４に送り出される。また、給水源１６は給水管２５を介して混合弁２３に接続されている。給湯時には、給湯管２４からの湯と給水管２５の水が混合弁２３で混合されて適温となって給湯端末１７より取り出される。さらに図２に示すように、送風手段３２、圧縮機１、吸熱器４を含め、冷媒回路２８、給水回路３１、蓄熱手段１３は一体にとなって構成されている。

このように構成された、本発明の給湯装置の動作について次に説明する。本給湯装置は蓄熱手段１３への蓄熱運転、蓄熱手段１３からの放熱による給湯運転及び蓄熱運転と給湯運転の同時運転の３つの運転モードを有している。

先ず、蓄熱手段１３への蓄熱運転について説明する。蓄熱運転は、蓄熱手段１３の高温側蓄熱材９、中温側潜熱蓄熱材２０及び低温側蓄熱材１０を融解することにより、熱を蓄える運転である。

冷媒回路２８においては、冷媒が以下のように循環する。すなわち、冷媒が圧縮機１で圧縮されて吐出され高温高圧のガスとなる。この高温の冷媒は、放熱器２７の内の高温側熱交換器１１に入り高温側潜熱蓄熱材９と熱交換して蓄熱する。次に、中温側熱交換器２１に入り中温側潜熱蓄熱材２０と熱交換して蓄熱する。さらに、低温側熱交換器１２に入り低温側蓄熱材１０と熱交換して蓄熱する。

これら冷媒が放熱器２７を通過する間、冷媒は放熱し徐々に温度が低下して冷却される。冷却された冷媒は圧縮機１で臨界圧力以上に加圧されており、放熱器２７で放熱しても凝縮することはなくガス状態のまま膨張弁３によって減圧されると共に断熱膨張して冷却されて凝縮し液ガスの二相状態となる。減圧によって温度が低下した冷媒は、吸熱器４において外気との熱交換によって加熱し蒸発し低温のガスとなって圧縮機１に吸入される。この循環が繰り返されることにより、高温側潜熱蓄熱材９、中温側潜熱蓄熱材２０、低温側潜熱蓄熱材１２のそれぞれの蓄熱材に蓄熱されることになる。従って、本発明の給湯装置の蓄熱運転時には動力源として圧縮機１を用いれば良く、冷媒回路２８を運転するのみであり、また、水回路３１内の水を加熱しなくて良い。

またこのとき、放熱器２７で、冷媒が冷却される間の潜熱蓄熱材と冷媒の温度は冷媒の流れ方向に対して概ね図３の様になる。図３において、Ａ点で高温側熱交換器１１に流入した冷媒温度は約１００℃であり、高温側潜熱蓄熱材１１は融点である約７０℃となっている。Ｂ点では高温側熱交換器１１を通った冷媒が冷却され約７０℃となって中温側熱交換器２１に流入する。Ａ点からＢ点に至る間に、冷媒は高温側潜熱蓄熱材１１を加熱し蓄熱する。中温側熱交換器２１では、流入する冷媒温度は約７０℃であり、中温側潜熱蓄熱材２０は融点である約５０℃となっている。Ｃ点では中温側熱交換器２１を通った冷媒が冷却され約５０℃となって低温側熱交換器１２に流入する。Ｂ点からＣ点に至る間に、冷媒は中温温側潜熱蓄熱材２１を加熱し蓄熱する。低温側熱交換器１９では、流入する冷媒温度は約５０℃であり、低温側潜熱蓄熱材１０は融点である約３０℃となっている。Ｄ点では、低温側熱交換器１２を通った冷媒が冷却され約３０℃となって低温側熱交換器１２を出て、減圧手段３に送られる。Ｃ点からＤ点に至る間に、冷媒は低温温側潜熱蓄熱材１０を加熱し蓄熱する。

従って、冷媒温度が約１００℃から約３０℃の間のエンタルピーを蓄熱できエンタルピー差を大きくとることができる。すなわち、圧縮機１の消費電力に対する蓄熱量が増加するため冷媒回路２８の効率の低下を防止できる。

次に、蓄熱手段１３からの放熱による給湯運転について説明する。給湯運転は蓄熱手段１３に蓄えられた熱を給水源１６から供給された水に放熱して湯をつくる運転であり、通常蓄熱運転が終了後に行うことになる。給水源１６から供給された水はその水圧により低温側放熱器１９、中温側放熱器２２、高温側放熱器１８の順に通過する。その間、それぞれ低温側潜熱蓄熱材１０、中温側潜熱蓄熱材２０、高温側潜熱蓄熱材１８に予め蓄熱されてあった熱を吸熱して、徐々に高温の湯になり給湯管２４を通して混合弁２３に送られる。

一方、給水源１６から供給されて水は給水管２５を介して混合弁２３に送られ、給湯管２４からの湯と給水管２５の水が混合弁２３で混合されて適温となって給湯端末１７より取り出される。このようにして、給湯運転が行われる。

この時、水側熱交換器２９で加熱される間の潜熱蓄熱材と水の温度は水の流れ方向に対して概ね図４の様になる。図４において、Ａ点で低温側放熱器１９に流入した水温は約２０℃であり、低温側潜熱蓄熱材１０は融点である約３０℃となっている。Ｂ点では低温側熱交換器１２を通った水が加熱され約３０℃となって中温側放熱器２２に流入する。Ａ点からＢ点に至る間に、水は低温側潜熱蓄熱材１０を冷却し吸熱する。中温側放熱器２２では、流入する冷媒温度は約３０℃であり、中温側潜熱蓄熱材２０は融点である約５０℃となっている。Ｃ点では中温側放熱器２２を通った水が加熱され約５０℃となって高温側放熱器１８に流入する。Ｂ点からＣ点に至る間に、水は中温温側潜熱蓄熱材２０を冷却し吸熱する。高温側放熱器１８では、流入する水温は約５０℃であり、高温側潜熱蓄熱材９は融点である約７０℃となっている。Ｄ点では、高温側放熱器１８を通った水が加熱され約７０℃となって高温側放熱器１８を出て、給湯管２４に送られる。Ｃ点からＤ点に至る間に、水は高温側潜熱蓄熱材９を冷却し吸熱する。

従って、水温が約２０℃から約７０℃に順次加熱することにより、温度の低い低温側蓄熱材１０の蓄熱も利用することができるので蓄熱手段１３内の熱を有効に取り出せる。

最後に、蓄熱運転と給湯運転の同時運転について説明する。先述のヒートポンプサイクル５による蓄熱運転と給湯端末１７からの給湯を行う給湯運転を同時行う運転であり、説明を割愛する。

以上の様に、本実施の形態においては、ヒートポンプサイクル５と、融点の異なる複数の潜熱蓄熱材と前記ヒートポンプサイクル５の放熱器２７とを備えた蓄熱手段１３により構成したので、蓄熱運転時には圧縮機１を用いれば良く、冷媒回路２８を運転するのみで、水回路３１内の水を加熱しなくて良いので、ポンプ８を廃して消費電力を低減できると共に、水回路３１での放熱ロスを抑制できるので、機器効率を向上できる。

また、本実施の形態においては、潜熱蓄熱材３３への蓄熱時には放熱器２７は、より高い融点からなる高温潜熱蓄熱材から順次より融点の低い低温潜熱蓄熱材に冷媒を流す様にしたので、エンタルピー差を大きくとることができると共に、蓄熱運転時には圧縮機１を用いれば良く、冷媒回路２８を運転するのみで、水回路３１内の水を加熱しなくて良いので、ポンプ８を廃して消費電力を低減できると共に、水回路３１での放熱ロスを抑制できるので、機器効率を向上できる。

さらに、本実施の形態においては、潜熱蓄熱材３３からの放熱時には水側熱交換器２９の給湯水を低温側潜熱蓄熱材から順次高温側蓄熱材に通水する様にしたので、順次融点の低い潜熱蓄熱材から融点の高い潜熱蓄熱材に水を流すことにより、蓄熱手段１３内の熱を有効に取り出すことができる。また、ポンプ８を廃して消費電力を低減できると共に、水回路３１での放熱ロスを抑制できるので、機器効率を向上できる。

さらにまた、本実施の形態においては、ヒートポンプサイクル５を圧縮機１、放熱器２７、減圧手段３、吸熱手段４を環状に接続してなる冷媒回路２８としたので、ポンプ８を廃して消費電力を低減できると共に、水回路３１での放熱ロスを抑制でき、機器効率を向上できる。

またさらに、本実施の形態においては、ヒートポンプサイクル５に、臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いたので、放熱器２７を流れる冷媒は、圧縮機１で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器２７で熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器２７全域で冷媒と潜熱蓄熱材とに温度差を形成しやすくなり熱交換効率を高くでき、機器効率を向上できる。

最後に、本実施の形態においては、ヒートポンプサイクル５と蓄熱手段１３を一体化して構成したので、機器を小型化できると共に、ポンプ８を廃して消費電力を低減できると共に、水回路３１での放熱ロスを抑制でき、機器効率を向上できる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯装置は、ポンプを廃して消費電力を低減できると共に、水回路での放熱ロスを抑制することで、機器効率の高いヒートポンプ給湯装置として有用である。

本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置のブロック回路図 本発明の実施の形態におけるヒートポンプ給湯装置の一体化斜視図 本発明の実施の形態における蓄熱手段内の冷媒と蓄熱材の温度の関係を示す図 本発明の実施の形態における蓄熱手段内の水と蓄熱材の温度の関係を示す図 従来のヒートポンプ給湯装置のブロック回路図

符号の説明

１ 圧縮機
３ 減圧手段
４ 吸熱器
５ ヒートポンプサイクル
１３ 蓄熱手段
２７ 放熱器
２８ 冷媒回路
２９ 水側熱交換器
３３ 潜熱蓄熱材

Claims (6)

1. ヒートポンプサイクルと、融解熱を利用して蓄熱を行う融点の異なる複数の潜熱蓄熱材と前記ヒートポンプサイクルの放熱器とを備えた蓄熱手段を有することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。
2. 潜熱蓄熱材への蓄熱時には融点のより高い潜熱蓄熱材から順次より融点の低い潜熱蓄熱材と熱交換するように放熱器に冷媒を流すことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。
3. 潜熱蓄熱材からの放熱に用いる水側熱交換器に融点のより低い潜熱蓄熱材から順次融点のより高い潜熱蓄熱材と熱交換する様に給湯水を通水することを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯装置。
4. ヒートポンプサイクルは圧縮機、放熱器、減圧手段と吸熱手段を環状に接続してなる冷媒回路であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
5. ヒートポンプサイクルに臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。
6. ヒートポンプサイクルと前記蓄熱手段を一体化して構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯装置。

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