JP2007278655A

JP2007278655A - 蓄熱式給湯機

Info

Publication number: JP2007278655A
Application number: JP2006108448A
Authority: JP
Inventors: Masahito Megata; 雅人目片; Takashi Sawada; 敬澤田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-04-11
Filing date: 2006-04-11
Publication date: 2007-10-25

Abstract

【課題】ヒートポンプユニットの製品の小型化および高ＣＯＰを維持でき、給湯機全体の省エネルギー化を実現する蓄熱式給湯機を提供すること。
【解決手段】圧縮機１、流体加熱用熱交換器２または蓄熱剤９を介して熱の授受を行う蓄熱装置１２、減圧手段５、冷媒対空気熱交換器６を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、前記ヒートポンプユニットの高圧側配管と低圧側配管とを熱交換させる内部熱交換器（３、４）を設けたことを特徴とするもので、被加熱流体２１の温度が上昇した際の減圧手段５の入口温度を調整することで、吐出圧力上昇を抑え、圧縮機１の消費電力増加を抑えることができ、高ＣＯＰを実現できるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱剤を搭載した蓄熱式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が、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たヒートポンプにて湯を沸き上げ、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。

図３に従来の蓄熱式給湯機の構成図を示す。ヒートポンプを利用した蓄熱式給湯機の場合、圧縮機１で高温・高圧に加熱された冷媒は流体加熱用熱交換器２で循環ポンプ２２にて蓄熱装置１２から送られてきた被加熱流体２１と熱交換される。この結果、被加熱流体２１は加熱され、同時に冷媒温度は低下する。温度の下がった冷媒は減圧手段５を通じることにより低温・低圧の液冷媒に変化し、冷媒対空気熱交換器６へ送られる。前記冷媒対空気熱交換器６では送風ファン７によって強制的に大気から熱を奪うことにより内部の冷媒は蒸発し、気化する。気化した冷媒は再び圧縮機１に吸い込まれ、高温・高圧に加熱され、同様のサイクルを繰り返す。

ここで、加熱された被加熱流体２１は再び蓄熱装置１２に戻され、蓄熱装置１２内に設置されている潜熱蓄熱剤９を加熱するために伝熱壁１１を通じて熱交換を行うことにより、潜熱蓄熱剤９は加熱され、同時に被加熱流体２１温度は低下する。温度の低下した被加熱流体２１は再び流体加熱用熱交換器２に送られ、加熱された冷媒と熱交換を行うことにより高温状態となり、同様のサイクルを繰り返す。

この運転を繰り返していくにつれ、蓄熱装置１２内の潜熱蓄熱剤９は固体から液体へと相変化を行い、蓄熱される。この熱はコントローラー（図示せず）にて設定された温度で出湯するために水道等から送られてきた水と伝熱壁１１を通じて熱交換を行うことにより加熱され、混合弁２０で水道水と混ぜられ、所定の温度で各部の蛇口へ送られ、利用される。

この潜熱蓄熱剤９に蓄熱を行うためには融点よりも高い被加熱流体２１と熱交換を行うことによって蓄熱を行うが、蓄熱が進むにつれ熱交換を行った後の被加熱流体２１の温度が上昇し、潜熱蓄熱剤９の融点付近で被加熱流体２１の温度変化が小さくなるという現象を示す。

このため、潜熱蓄熱剤９に充分蓄熱を行おうとすると被加熱流体２１の温度が比較的高い領域で運転を行う時間が長くなる。

流体加熱用熱交換器２内では、冷媒と被加熱流体２１は対向流にて熱交換が行われてお
り、被加熱流体２１温度が上昇すると減圧手段５入口に流入する冷媒温度が上昇するため、圧縮機１の吐出圧力が上昇し、圧縮機１の消費電力が増加するため、ヒートポンプユニット８の成績係数（以後、ＣＯＰとする）としては悪くなる。この課題を解決するために、液ガス熱交換器やアキュームレータを搭載することで、改善を図ろうとしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２３２５６９号公報

しかしながら、上記従来の蓄熱装置では、液ガス熱交換器と共にアキュームレータも搭載しているため、部品点数が増加しコスト上昇の問題がある。また、アキュームレータはある程度の大きさを必要とするため、製品自体が大型化する可能性もある。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ヒートポンプユニットの製品の小型化および高ＣＯＰを維持でき、給湯機全体の省エネルギー化を実現する蓄熱式給湯機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、圧縮機、流体加熱用熱交換器または蓄熱剤を介して熱の授受を行う蓄熱装置、減圧手段、冷媒対空気熱交換器を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、前記ヒートポンプユニットの高圧側配管と低圧側配管とを熱交換させる内部熱交換器を設けたことを特徴とするもので、アキュームレータ等の液溜め装置を搭載しないヒートポンプユニットの高圧側配管と低圧側配管とを熱交換させた内部熱交換器を配置することによって、吐出圧力上昇を抑え、圧縮機の消費電力増加を抑えることができ、高ＣＯＰを実現できるものである。

本発明によれば、ヒートポンプユニットの製品の小型化および高ＣＯＰを維持でき、給湯機全体の省エネルギー化を実現する蓄熱式給湯機を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、流体加熱用熱交換器または蓄熱剤を介して熱の授受を行う蓄熱装置、減圧手段、冷媒対空気熱交換器を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、前記ヒートポンプユニットの高圧側配管と低圧側配管とを熱交換させる内部熱交換器を設けたことを特徴とするもので、アキュームレータ等の液溜め装置を搭載しないヒートポンプユニットの高圧側配管と低圧側配管とを熱交換させた内部熱交換器を配置することによって、吐出圧力上昇を抑え、圧縮機の消費電力増加を抑えることができ、高ＣＯＰを実現できるものである。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプユニットを構成する内部熱交換器の高圧側配管を低圧側配管の内部に配置した二重管構造としたことにより、ヒートポンプユニットをコンパクトで省スペースな構造とすることができる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明において、圧縮機、流体加熱用熱交換器、減圧手段、冷媒対空気熱交換器を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、内部熱交換器を複数設け、前記流体加熱用熱交換器の出口に設けた冷媒温度検知手段が検知した検出値に基づいて、内部熱交換器を流れる冷媒流路を変更する構成としたもので、減圧手段入口の冷媒温度を適正な値に制御することができ、減圧手段入口の冷媒温度が上昇するような条件にて、高ＣＯＰを実現できるものである。

第４の発明は、特に、第１の発明から第３の発明のいずれかのヒートポンプユニットの冷媒に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。

第５の発明は、特に、第１の発明から第４の発明のいずれかの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。

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は本発明の実施の形態１における内部熱交換器の概略図である。

本発明の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、圧縮機１、流体加熱用熱交換器２、内部熱交換器Ａ３、内部熱交換器Ｂ４、減圧手段５、冷媒対空気熱交換器６、送風ファン７からなるヒートポンプユニット８と、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９を充填した蓄熱容器１０と伝熱壁１１からなる蓄熱装置１２によって構成されており、高圧側冷媒温度検知手段１３は流体加熱用熱交換器２出口の配管に取り付けられている。

内部熱交換器Ａ３及び内部熱交換器Ｂ４はともに高圧側配管１４が低圧側配管１５の中を通る二重管方式によって構成されており、内部熱交換器Ａ３と内部熱交換器Ｂ４の間には冷媒流路切替弁Ａ１６、冷媒対空気熱交換器６と内部熱交換器Ｂ４の間には冷媒流路切替弁Ｂ１７が設置されている。

水温検知手段１８は蓄熱装置１２の水側入口に設置されており、水道から直接供給される入水温度を検出する。湯温検知手段１９は蓄熱装置１２の水側出口に設置されており、潜熱蓄熱剤９と熱交換することにより加熱された湯と水道水が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１９で検知している温度が等しくなるように混合弁２０での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、流体加熱用熱交換器２に流入し、ここで被加熱流体２１と対向流にて熱交換を行うことで被加熱流体２１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、冷媒温度は前記流体加熱用熱交換器２内で緩やかに低下し、内部熱交換器Ａ３の高圧側配管１４に流入する。ここで高圧側冷媒温度検知手段１３が所定の温度以下を検知した場合、冷媒流路切替弁Ａ１６によって冷媒は減圧手段５に送られて減圧され、前記冷媒対空気熱交換器６に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、冷媒流路切替弁Ｂ１７によって内部熱交換器Ａ３の低圧側配管１５を通じて前記圧縮機１へ戻る。

加熱された被加熱流体２１は、循環ポンプ２２により蓄熱装置１２に送られ、伝熱壁１１を通じて潜熱蓄熱剤９と熱交換を行うことにより、潜熱蓄熱剤９を加熱する。熱交換によって温度の低下した被加熱流体２１は再び流体加熱用熱交換器２に送られる。

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９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水道から供給される水と熱交換することで潜熱蓄熱剤９から顕熱または潜熱を奪い湯を生成し、また混合弁２０により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。

上記の運転を繰り返し、潜熱蓄熱剤９の温度が上昇すると、蓄熱装置１２出口の被加熱流体２１の温度が上昇するため、流体加熱用熱交換器２入口に入る被加熱流体２１の温度も上昇することになる。

流体加熱用熱交換器２内では冷媒温度が被加熱流体２１よりも常に高く推移するため、流体加熱用熱交換器２出口の冷媒温度は必然的に上昇するが、ここで高圧側冷媒温度検知手段１３が所定の温度以上を検知した場合、内部熱交換器Ａ３の高圧側配管１４を出た冷媒は冷媒流路切替弁Ａ１６によって内部熱交換器Ｂ４の高圧側配管１４へ送られ、その後減圧手段５に送られて減圧され、前記冷媒対空気熱交換器６に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、冷媒流路切替弁Ｂ１７によって内部熱交換器Ｂ４の低圧側配管１５から内部熱交換器Ａ３の低圧側配管１５を通じて前記圧縮機１へ戻るサイクルを構成する。

これによって、従来構成では減圧手段５入口の冷媒温度が上昇するところを内部熱交換器Ａ３及び内部熱交換器Ｂ４での放熱量を増加させることによって、減圧手段５入口の冷媒温度を低減し、圧縮機１の吐出圧力上昇を抑えることが可能となり、同時に圧縮機１の消費電力上昇を抑えることができるため、ＣＯＰの悪化を緩和することができる。

また、従来構成では蓄熱装置１２に流入する被加熱流体２１の温度が上昇する条件では冷媒対空気熱交換器６で充分に冷媒を蒸発させることができず、液状態の冷媒が圧縮機１に戻っていたが、内部熱交換器Ａ３及び内部熱交換器Ｂ４を通過し、高温の高圧側配管１４と熱交換を行うことにより、冷媒を充分蒸発させ、圧縮機１入口の冷媒温度を所定の温度まで上昇させることが可能となる。

これにより、液状態の冷媒が圧縮機１に吸入されることによる圧縮機１の消費電力増加を防止し、高ＣＯＰの維持することができる。

なお、本実施の形態では、高温の冷媒配管と低温の冷媒配管を熱交換させているが、所定の性能が得られるのならば、高温側の冷媒配管と低温の被加熱流体の流れる配管または高温の冷媒配管と低温の利用経路を流れる水配管等と熱交換させた内部熱交換器を形成してもよい。

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。

また、本実施の形態では、圧縮機１、流体加熱用熱交換器２、減圧手段５、冷媒対空気熱交換器６を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備え、前記流体加熱用熱交換器２に蓄熱剤を介して熱の授受を行う蓄熱装置１２を接続して構成した蓄熱式給湯機について説明しているが、前記流体加熱用熱交換器２の代わりに前記蓄熱装置１２を、前記圧縮機１と前記減圧手段５の間に接続して、前記蓄熱装置１２に、前記圧縮機１より吐出
された高温・高圧の過熱ガス冷媒と、前記過熱ガス冷媒を被加熱流体２１と対向流にて熱交換を行うことで被加熱流体２１を加熱する構成としても、上記記載の効果を有するものである。

以上のように、本発明にかかる蓄熱式給湯機は、負荷変動によるＣＯＰ悪化要因を調整することにより冷却システムの運転状態を適正に保つことが可能となるため、冷蔵庫、エアコン等の冷却システムを有する他の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１における内部熱交換器の概略図従来の蓄熱式給湯機の構成図

符号の説明

１圧縮機
２流体加熱用熱交換器
３内部熱交換器Ａ
４内部熱交換器Ｂ
５減圧手段
６冷媒対空気熱交換器
８ヒートポンプユニット
９潜熱蓄熱剤
１０蓄熱容器
１１伝熱壁
１２蓄熱装置
１３高圧側冷媒温度検知手段
１４高圧側配管
１５低圧側配管

Claims

圧縮機、流体加熱用熱交換器または蓄熱剤を介して熱の授受を行う蓄熱装置、減圧手段、冷媒対空気熱交換器を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、前記ヒートポンプユニットの高圧側配管と低圧側配管とを熱交換させる内部熱交換器を設けたことを特徴とする蓄熱式給湯機。
内部熱交換器は、高圧側配管を低圧側配管の内部に配置し、二重管構造としたことを特徴とする請求項１記載の蓄熱式給湯機。
圧縮機、流体加熱用熱交換器、減圧手段、冷媒対空気熱交換器を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、内部熱交換器を複数設け、前記流体加熱用熱交換器の出口に設けた冷媒温度検知手段が検知した検出値に基づいて、内部熱交換器を流れる冷媒流路を変更する構成とした請求項１または２に記載の蓄熱式給湯機。
冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の蓄熱式給湯機。
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１〜４のいずれか１項に記載の蓄熱式給湯機。