JP2007113877A - 蓄熱装置及びそれを用いた給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】潜熱蓄熱剤と被加熱流体間の熱交換性能を高め、被加熱流体の流路を安定して確保することのできる蓄熱装置を提供する。
【解決手段】蓄熱装置１１は、蓄熱容器６内に充填されている潜熱蓄熱剤７、蓄熱容器６に隣接し潜熱蓄熱剤７を加熱する加熱手段８、蓄熱容器６に隣接し潜熱蓄熱剤７から熱を取り出す被加熱流体９が内部を流れる被加熱手段１０から構成されており、被加熱手段１０の入口付近では、被加熱手段１０の流路断面積を縮小し、被加熱手段１０の出口付近では、被加熱手段１０の流路断面積を拡大する構造としていて、蓄熱容器６と被加熱手段１０間の全域にわたって熱交換性能を向上させ、潜熱蓄熱剤７から充分熱を取り出すことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱剤を搭載した蓄熱装置及びそれを用いた給湯機に関するものである。

現在、給湯機としてはガスや電気ヒーターを用いて水を加熱する方式のものが大勢的である。中でもエネルギー利用の平準化及び低コストであるという利点から深夜電力を利用して湯を沸き上げ、その湯を貯湯タンクに貯留し昼間に使用するという貯湯式給湯機が徐々に一般世帯に普及していっている。ただし、一般家庭の１日に使用するだけの湯をまかなおうとするとその容積が非常に大きくなり、設置スペースに余裕のある家庭でないと使用できないという問題がある。

このため、小容量の蓄熱装置を搭載しリアルタイムに湯を沸き上げながら不足分を蓄熱装置によって補う一体型給湯機が提案されているが、水の顕熱を利用して蓄熱しているため蓄熱量が小さく、湯切れを防ぐためには蓄熱装置の容積が大きくなってしまうという問題があり、潜熱蓄熱剤を利用して蓄熱装置のスペースを小さくしようとする試みがなされている（例えば、特許文献１参照）。
特開平８−１２１８２０号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の蓄熱装置は、蓄熱容器に隣接して被加熱流体を流す構造としているが、一定の流速で流しているため、温度差が小さくなる出口側での熱交換性能は悪化することが予想される。また、被加熱流体に水を使用した場合、温度が高くなると硬度成分（カルシウム、マグネシウムなど）が析出し、流れを阻害する可能性もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、温度差が小さくなる熱交換部出口での熱交換性能を高めるとともに水中の硬度成分析出による影響を受けにくくした蓄熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の蓄熱装置は、非蓄熱時には固体となり蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱剤と、前記潜熱蓄熱剤を加熱する加熱手段と、前記潜熱蓄熱剤から熱を取り出す被加熱手段とを備え、前記被加熱手段内を流れる被加熱流体の流路断面積が、上流側より下流側が大に形成されてなることを特徴とするもので、熱交換部出口での被加熱流体の流速を遅くすることができ、高温加熱による水中の硬度成分析出による水流量阻害の影響を受けにくくしたものである。

本発明によれば、蓄熱剤と被加熱手段による熱交換性能を高め、被加熱流体の流路を安定して確保することができる蓄熱装置を提供できる。

第１の発明は、非蓄熱時には固体となり蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱剤と、前記潜熱蓄熱剤を加熱する加熱手段と、前記潜熱蓄熱剤から熱を取り出す被加熱手段とを備え、前記被加熱手段内を流れる被加熱流体の流路断面積が、上流側より下流側が大に形成されてなることを特徴とするもので、蓄熱剤と被加熱手段による熱交換性能を高め、高温部に硬
度成分が析出し、付着した際にも被加熱流体の流れを阻害することなく熱交換を行うことができる。

第２の発明は、高温の熱媒体にて直接潜熱蓄熱剤を加熱する構造としたもので、構成部品を減らし、省スペース性を高めることができる。

第３の発明は、潜熱蓄熱剤に主成分が酢酸ナトリウム三水塩である蓄熱剤を使用することにより、高効率な蓄熱運転及び放熱運転を実現することができる。

第４の発明は、圧縮機から吐出された高温の熱媒体により、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱装置を介して水を加熱する構成とした給湯機で、高温の熱媒体にて加熱された被加熱流体を用いて潜熱蓄熱剤を加熱する構造としたことにより、省エネルギー性を向上することができる。

第５の発明は、熱媒体として二酸化炭素を使用することにより、高温高効率の加熱運転と地球環境保全を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における蓄熱式給湯機の構成図、図２は本発明に係る蓄熱装置の斜視図である。

本発明の蓄熱装置及び同蓄熱装置を備えた蓄熱式給湯機の加熱手段として本実施の形態ではヒートポンプユニットを使用するが、ヒーターや高温水等で加熱を行ってもよいものである。また、本発明の蓄熱装置及び同蓄熱装置を備えた蓄熱式給湯機に用いる冷媒としては、従来広く用いられているＲ２２等のフロン系冷媒でも良いが、オゾン層保全及び地球温暖化防止等の環境保護的側面から近年盛んに研究されている自然冷媒である二酸化炭素冷媒の方が、より大きな効果を得ることが可能である。以下では、冷媒として二酸化炭素を用いるが、その他の冷媒であってもよいものである。

蓄熱式給湯機は、大きく圧縮機１、放熱器２、減圧装置３、蒸発器４からなるヒートポンプユニット５と、蓄熱容器６、蓄熱容器６内に充填されている潜熱蓄熱剤７、蓄熱容器６に隣接し潜熱蓄熱剤７を加熱する加熱手段８、蓄熱容器６に隣接し潜熱蓄熱剤７から熱を取り出す被加熱流体９（ここでは水道水）が内部を流れる被加熱手段１０からなる蓄熱装置１１とによって構成されている。放熱器２と加熱手段８は密閉された経路によって接続されており、循環ポンプ１２によって内部の被加熱流体１３（ここでは不凍液）が循環する構造としている。

水温検知手段１４は被加熱手段１０の水側入口に設置されており、水道から直接供給される被加熱流体９（水道水）の入水温度を検出する。湯温検知手段１５は被加熱手段１０の水側出口に設置されており、蓄熱容器６内の潜熱蓄熱剤７と熱交換することにより加熱された被加熱流体９（水道水）と水道水が混合弁１６にて混合された出湯温度を検出する。制御手段（図示せず）は室内に設置されているコントローラー（図示せず）で設定された温度と前記湯温検知手段１５で検知している温度が等しくなるように混合弁１６での水道水と湯との混合割合を制御する。

上記の蓄熱式給湯機では、前記圧縮機１より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒は、前記放熱器２に流入し、ここで放熱器２と加熱手段８の間を循環している被加熱流体１３
（不凍液）を加熱する。二酸化炭素冷媒は凝縮域がなく超臨界域で熱交換されるため、冷媒温度は前記放熱器２内で緩やかに低下し、前記減圧装置３で減圧され、前記蒸発器４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１へ戻る。

放熱器２で加熱された被加熱流体１３（不凍液）は循環ポンプ１２で加熱手段８に送られ、潜熱蓄熱剤７を加熱する。この動作を繰り返すことにより、常温では固体である潜熱蓄熱剤７は固体から液体へと相変化を行うことにより蓄熱される。蓄熱された熱は必要に応じて被加熱手段１０によって水道から供給される被加熱流体９（水道水）と熱交換することで潜熱蓄熱剤７から顕熱または潜熱を奪い湯を生成し、また水道水と混合することにより適温へ調整され利用部へ供給される。

このうち、潜熱蓄熱剤７は潜熱変化を行う温度領域では温度が一定となるが、被加熱流体９（水道水）の温度は、被加熱手段１０の入口では低温、被加熱手段１０の出口では高温となるため、被加熱手段１０の入口での温度差に比べて被加熱手段１０の出口での温度差は小さくなる。このため、被加熱流体９（水道水）の流速を一定とした場合、被加熱手段１０の出口での熱交換性能は低くこの部分に設置している潜熱蓄熱剤７を充分に利用することができなくなるおそれがある。

また、被加熱流体９（水道水）の温度が高温になると、水中に含まれているカルシウム、マグネシウム等の硬度成分が析出し、被加熱手段１０の流体通路１７に付着し、被加熱流体９（水道水）の流れを阻害したり最悪の場合、被加熱流体９（水道水）の流れを完全に遮断してしまうことも考えられる。

このため、潜熱蓄熱剤７と被加熱流体９（水道水）の温度差が大きい被加熱手段１０の入口付近では、被加熱手段１０の流路断面積を縮小することで被加熱流体９（水道水）の流速を速く保ち、潜熱蓄熱剤７と被加熱流体９（水道水）の温度差が小さい被加熱手段１０の出口付近では、被加熱手段１０の流路断面積を拡大することで被加熱流体９（水道水）の流速を遅くする。

これにより、蓄熱容器６と被加熱手段１０間の全域にわたって熱交換性能を向上させ、潜熱蓄熱剤７から充分熱を取り出すことが可能となる。また、被加熱流体９（水道水）が高温に加熱されることで析出する硬度成分による流れの阻害の影響を受けにくくすることができる。

なお、本実施の形態に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

（実施の形態２）
図２は本発明に係る蓄熱装置の斜視図、図３は本発明の実施の形態２における蓄熱式給湯機の構成図である。

蓄熱式給湯機は、大きく圧縮機１、放熱器２、減圧装置３、蒸発器４からなるヒートポンプユニット５と、蓄熱容器６、蓄熱容器６内に充填されている潜熱蓄熱剤７、蓄熱容器６に隣接し潜熱蓄熱剤７を加熱する加熱手段８、蓄熱容器６に隣接し潜熱蓄熱剤７から熱を取り出す被加熱流体９（ここでは水道水）が内部を流れる被加熱手段１０からなる蓄熱装置１１によって構成されている。

ここで、放熱器２と加熱手段８は一体成形されており、前記圧縮機１より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒は、前記放熱器２に流入し、潜熱蓄熱剤７を直接加熱し、固体から液体へ相変化することにより蓄熱を行う。

上記以外の構成については実施の形態１と同一である。

これにより、循環ポンプや被加熱流体および循環経路等をなくすことができ、省スペースで低コストの蓄熱式給湯機とすることができる。なお、本実施の形態に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

以上のように、本発明にかかる蓄熱式給湯機は、容易に潜熱蓄熱剤を利用して熱交換を行うことが可能となるため、他の熱交換媒体にも適用できる。

本発明の実施の形態１における蓄熱式給湯機の構成図 本発明の実施の形態２における蓄熱装置の斜視図 本発明の実施の形態２における蓄熱式給湯機の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 放熱器
３ 減圧装置
４ 蒸発器
５ ヒートポンプユニット
６ 蓄熱容器
７ 潜熱蓄熱剤
８ 加熱手段
９ 被加熱流体
１０ 被加熱手段
１１ 蓄熱装置
１３ 被加熱流体

Claims (5)

1. 非蓄熱時には固体となり蓄熱時には液体となる潜熱蓄熱剤と、前記潜熱蓄熱剤を加熱する加熱手段と、前記潜熱蓄熱剤から熱を取り出す被加熱手段とを備え、前記被加熱手段内を流れる被加熱流体の流路断面積が、上流側より下流側が大に形成されてなることを特徴とする蓄熱装置。
2. 高温の熱媒体にて潜熱蓄熱剤を加熱する構成とした請求項１記載の蓄熱装置。
3. 潜熱蓄熱剤の主成分が、酢酸ナトリウム三水塩であることを特徴とする請求項１または２記載の蓄熱装置。
4. 圧縮機から吐出された高温の熱媒体により、請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱装置を介して水を加熱する構成とした給湯機。
5. 熱媒体が二酸化炭素であることを特徴とする請求項４記載の給湯機。

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