JP2008111571A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来からの要請であるコンパクト化を実現することができ、かつ、用いられる状況や温水の使用量に応じて、「蓄えることができる熱量」と「熱源ユニットの効率」という相反するパラメータを適宜変更、調整可能な給湯装置を提供すること。
【解決手段】熱源ユニットと、前記熱源ユニットの熱を蓄熱および放熱可能な蓄熱ユニットと、前記蓄熱ユニットに蓄えられた熱を利用して温水を作る給湯ユニットと、を備える給湯装置において、前記蓄熱ユニットを、潜熱蓄熱材と溶媒とが充填された複数の蓄熱槽を有し、かつ、前記複数の蓄熱槽は互いに濃度調整配管により接続されており、前記複数の蓄熱槽間において、前記濃度調整配管を通じて潜熱蓄熱材および溶媒を互いにやり取りすることにより、各蓄熱槽内の潜熱蓄熱材と溶媒との混合割合を変化可能であるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、給湯装置に関する。

従来からエンジン、燃料電池、ヒートポンプサイクルなどを熱源ユニットとし、当該熱源ユニットの熱を利用して水道水等を加熱して温水を生成する給湯装置が開発されている。

このような給湯装置のうち、電力によって駆動される熱源ユニットを用いる場合には、前記熱源ユニットを駆動するにあたり、コスト削減のために夜間電力を用いることが多い。しかしながら、夜間電力を利用して温熱を生成した場合、温水が実際に使用される日中までこれを貯蔵しておくことが必要となる。

また、エンジンや燃料電池を熱源ユニットとする場合には、それらを駆動して動力や電力を発生させ、その際に同時に発生する熱を利用する、いわゆるコジェネレーションにおいて動力や電力の需要時間と、熱の需要時間が一致していない場合にも発生温熱を蓄熱しておく必要が生じる。

従来、温熱の蓄熱用としては一般的に水が利用されている。水は比熱が大きく、安価であり、かつ安全性が高いといったメリットがある。しかしながら、水を蓄熱材として利用した場合、その顕熱で蓄熱することになるため単位体積あたりの熱容量が十分ではなく、また、蓄熱材としての水を温度成層化することが必要であるため蓄熱容器が大型化する問題が生じる。

このような問題を解消するために、現在においては、相変化に伴う大きな潜熱量を有する潜熱蓄熱材を水の代わりに使用する装置が開示されている。（例えば、特許文献１）。相変化に伴う潜熱を利用することにより、水の顕熱による蓄熱に比べて単位体積あたりの熱容量を増大させることができ、蓄熱槽をコンパクト化できる。

潜熱蓄熱材を使用した蓄熱装置を利用した給湯システムにおいて、高い蓄熱温度で当該潜熱蓄熱材の量（濃度）を多くすればするほど、温熱を多く蓄えることができるのは当然である。この場合、高温の温水を多量に必要とする際、例えば冬場には有効な給湯システムであると言える。

しかしながら、融点の高い潜熱蓄熱材を用い、かつ当該潜熱蓄熱材の量（濃度）を多くすればするほど、蓄熱装置へ熱を供給する熱源ユニットの効率（ＣＯＰ）は低下することとなる。つまり、多量の潜熱蓄熱材を高温まで炊き上げる必要があるため、その分だけ熱量が必要となっているのである。

一方で、融点の温度がそれほど高くない潜熱蓄熱材を用い、かつ当該潜熱蓄熱材の量（濃度）を少なくすると、その分、蓄えられる温熱の量は低下することになる。この場合、高温の温水が多量に必要になった場合には、これを供給することが困難となる（時間がかかってしまう）が、その一方で、この場合には、当該潜熱蓄熱材を炊き上げる際の熱量は前述の場合に比べて少なくてすむことになり、その分だけ蓄熱装置へ熱を供給する熱源ユニットの効率（ＣＯＰ）を向上することができるのである。

つまり、潜熱蓄熱材の融点やその量（濃度）は、蓄えることができる熱量（炊き上げ温度）に比例する一方で、当該潜熱蓄熱材に熱を供給する熱源ユニットの効率（ＣＯＰ）とは反比例しているのである。

そうすると、例えば特許文献１に開示されているような所定量の潜熱蓄熱材が充填された蓄熱装置を設計する場合には、「蓄えることができる熱量」もしくは「熱源ユニットの効率」の何れか一方に重きを置いて設計する他ない。従って、例えば熱量に重きを置いて設計した場合、冬場など高温の温水を多量に使用する場合には非常に適した設計と言えるが、その一方で、夏場など温水をほとんど使用しない場合においては、蓄熱量が過剰であり、その分だけ全体の運転効率が悪い設計となってしまう。その逆に、例えば熱源ユニットの効率に重きを置いて設計した場合、夏場など温水をほとんど使用しない場合においては、蓄熱量が適量であり、いわゆる省エネ運転が可能な設計と言えるが、その一方で、冬場など高温の温水を多量に使用する場合には、潜熱蓄熱材に蓄えられた熱量が足りず、高温の温水が供給できない、もしくは供給時間がかかるといった不具合を生じる可能性があり、現実的な設計とは言えない。

特許文献２には、蓄熱材の濃度（成分組成）を適宜変化することが可能なシステムが開示されているが、給湯装置における蓄熱装置を目的とするものではないため、融点（炊き上げ温度）が５０〜６０℃と低い。

また、蓄熱材の濃度（成分組成）を変化させるために水を溜めておくためのタンクを必要としており、当該水タンクは蓄熱には寄与しないため当該水タンクの分だけ全体の体積が大きくなってしまい、現在のコンパクト化の要請を満たすことができない。

さらに、当該文献２において、蓄熱材の濃度を変化させる手段として開示されている方法は、水の蒸発・凝集による方法であり、当該方法を用いた場合、蓄熱材の濃度を変化させるために熱量を用いることになり、効率が悪い。
特開２００１−２０７１６３号公報 特開昭６４−２３０４１号公報

本願発明は、このような状況においてなされたものであり、従来からの要請であるコンパクト化を実現することができ、かつ、用いられる状況や温水の使用量に応じて、「蓄えることができる熱量」と「熱源ユニットの効率」という相反するパラメータを適宜変更、調整可能な給湯装置を提供することを主たる課題とする。

上記の課題を解決するための、本発明は、熱源ユニットと、前記熱源ユニットの熱を蓄熱および放熱可能な蓄熱ユニットと、前記蓄熱ユニットに蓄えられた熱を利用して温水を作る給湯ユニットと、を備え、前記蓄熱ユニットは、潜熱蓄熱材と溶媒とが充填された複数の蓄熱槽を有し、かつ、前記複数の蓄熱槽は互いに濃度調整配管により接続されており、前記複数の蓄熱槽間において、前記濃度調整配管を通じて潜熱蓄熱材および溶媒を互いにやり取りすることにより、各蓄熱槽内の潜熱蓄熱材と溶媒との混合割合を変化可能であることを特徴とする給湯装置である。

また、前記給湯装置においては、前記溶媒が水であってもよい。

さらにまた、前記給湯装置においては、前記熱源ユニットは、二酸化炭素を冷媒として用い、熱源側熱交換器と、膨張弁と、蒸発器と、圧縮機と、から構成されるヒートポンプユニットであってもよい。

本発明の給湯装置によれば、潜熱蓄熱材と溶媒とが充填された複数の蓄熱槽を有し、かつ、前記複数の蓄熱槽は互いに濃度調整配管により接続されており、前記複数の蓄熱槽間において、前記濃度調整配管を通じて潜熱蓄熱材および溶媒を互いにやり取りすることにより、各蓄熱槽内の潜熱蓄熱材と溶媒との混合割合を変化可能であるので、各蓄熱槽内の蓄熱材の濃度を任意に変化させることができる。蓄熱材の濃度（組成）を変化させるということは、当該各蓄熱槽に「蓄えることができる熱量」を任意に変化させることができると言うことであり、ひいては「熱源ユニットの効率」をも向上可能であることを意味する。

より具体的には、例えば、冬場など高温の温水を多量に使用する場合においては、複数の蓄熱槽内の潜熱蓄熱材の濃度（潜熱蓄熱材と溶媒との混合割合）を均一にして全ての蓄熱槽を使用するか、もしくは最も潜熱蓄熱材の濃度の高い蓄熱槽を主として用いることにより、多くの熱量を蓄えることできる。一方で、例えば夏場など温水をあまり使用しない場合においては、各蓄熱槽内の潜熱蓄熱材の濃度（潜熱蓄熱材と溶媒との混合割合）に偏りを設け、潜熱蓄熱材の濃度の低い蓄熱槽を主として用いることにより、蓄える熱量は低下するが、その分熱源ユニットの効率（ＣＯＰ）を向上することができる。

また、本発明の給湯装置においては、複数の蓄熱槽は、その名の如く全て蓄熱槽として機能しており、前記特許文献２の如く単なる水タンクとは異なるため、装置全体のコンパクト化を実現可能である。

本発明の給湯装置において、潜熱蓄熱材と混合される溶媒を水とすれば、水の潜熱を蓄熱に用いることができる。また、水は、安価であり安全である点でも好ましい。

さらにまた、前記給湯装置において、前記熱源ユニットを、二酸化炭素を冷媒として用い、熱源側熱交換器と、膨張弁と、蒸発器と、圧縮機と、から構成されるヒートポンプユニットとすることにより、上記作用効果を十分に発揮することができる。

以下に、本発明の給湯装置について、図面を用いて具体的に説明する。

図１は、本発明の給湯装置１０の構成図である。

図１に示すように、本発明の給湯装置１０は、熱源ユニット１１と、前記熱源ユニット１１の熱を蓄熱および放熱可能な蓄熱ユニット１２と、前記蓄熱ユニットに蓄えられた熱を利用して温水を作る給湯ユニット１３とを備えている。

熱源ユニット１１は、蓄熱ユニット１２において用いられている潜熱蓄熱材と熱交換を行い、当該潜熱蓄熱材を十分な温度にまで高温化することができる程度の熱量を発生するものであれば特に限定されることはなく、適宜応用して本発明の給湯装置に利用することができる。具体的には、ヒートポンプユニットのほか、例えば、各種内燃・外燃機関（エンジン）、燃料電池、などを挙げることができる。これらの熱源ユニット１１にあっては、蓄熱すべき温度（例えば８５℃）よりも高温の熱が供給でき、また十分な熱出力が得られることが必要であることはいうまでもない。十分な熱出力とは、例えば、夜間中に蓄熱する場合には、決められた蓄熱時間（例えば夜１０時〜翌朝６時までの８時間）に必要な蓄熱量を満蓄できるだけの熱出力である。

図１に示すように、本発明の給湯装置１０にあっては、二酸化炭素を冷媒として用い、主要な構成要素として、熱源側熱交換器１４と、膨張弁１５と、蒸発器１６と、圧縮機１７と、から構成されている熱源ユニット１１を用いることもできる。当該熱源ユニット１１は、いわゆる二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプユニットである。

この熱源ユニット１１は、主要な構成機器として前記熱源側熱交換器１４から圧縮機１７までがこの順番で並んでおり、これらは配管によって接続されている。そして、当該配管内および各装置内を冷媒としての二酸化炭素が循環するように構成されている。

まず、冷媒としての二酸化炭素は、外部動力（電力駆動のモータなど）によって作動する圧縮機１７によって圧縮されることにより、後述する熱源側熱交換機１４において潜熱蓄熱材と熱交換をするのに十分な程度にまで高温・高圧となる（例えば９０℃、９ＭＰａ）。この時の二酸化炭素は超臨界状態となっており、液体とも気体とも言えない状態となっている。

圧縮機１７によって圧縮されたことにより高温・高圧となった二酸化炭素（超臨界状態）は配管内を通り、熱源側熱交換器１４内に導入され、当該熱源側熱交換器１４内において、他方から導入された低温（例えば２５℃）の水と熱交換して冷却される。この際、二酸化炭素は超臨界状態であるため冷却されても凝縮することなく温度降下する。熱交換器１４において、二酸化炭素と蓄熱ユニット内を循環する水は対向流型で熱交換するようにする。

熱源側熱交換機１４において水との熱交換が終了し、高圧状態のまま低温（例えば３０℃）となった二酸化炭素は、膨張弁１５が設けられた配管を通りながら減圧され臨界圧力以下の気液混相状態となる。

気液混相状態となった二酸化炭素は、さらに配管を通り蒸発器１６内に導入される。当該蒸発器１６は熱交換器の一種であり、二酸化炭素と空気との間で熱交換をさせて二酸化炭素を加熱しガス化させる。ガス化した二酸化炭素は再度配管を通り前述した圧縮機１７によって圧縮されることとなる。

次に本発明の給湯装置１０を構成する蓄熱ユニット１２について説明する。

蓄熱ユニット１２は、前記で説明した熱源ユニット１１で発生する熱を蓄熱し、必要に応じて放熱するためのユニット、さらに具体的には、前述のごとく熱源ユニット１１は通常夜間に運転されることが多い一方で、当該熱を用いて生成する温水を実際に使用するのは日中であるため、夜間に発生した熱をこれが使用される日中まで蓄熱しておき、日中に放熱することが必要であり、これを実現するためのユニットである。

このような蓄熱ユニット１２は、図示するように、潜熱蓄熱材と溶媒とが充填された複数の蓄熱槽（図では２つの蓄熱槽１８ａと１８ｂ）と、蓄熱ポンプ２０、放熱ポンプ２１、各種配管等により構成されている。前記蓄熱ポンプ２０は蓄熱運転時に蓄熱材としての水を蓄熱ユニット−熱源ユニット間で循環させるためのポンプであり（図中の矢印参照）、放熱ポンプ２１は放熱運転時に潜熱蓄熱材を蓄熱ユニット−給湯ユニット間で循環させるためのポンプである（図中の矢印参照）。なお、蓄熱ポンプと放熱ポンプを蓄熱ユニットに含めず、別構成にしても良い。

ここで、本発明の最大の特徴は、前記複数の蓄熱槽１８ａ、１８ｂは、互いに濃度調整配管４０によって接続されており、当該濃度調整配管４０を通じて潜熱蓄熱材および溶媒を互いにやり取りすることが可能となっている点にある。以下に、高温の温水を多量に使用する場合（例えば冬季）と、温水をあまり使用しない場合（例えば夏季）とに分けて、当該特徴点の作用・効果を説明する。

先ず、本発明においては、図示するように２つの蓄熱槽１８ａ、１８ｂの大きさが異なっており、蓄熱槽１８ｂが蓄熱槽１８ａよりも大きく構成されている。これにより、以下に詳細に説明する本発明の作用・効果を顕著に発揮することができる。

蓄熱槽に充填される蓄熱材量は、想定される最も高い温水需要量に合わせて決定される。一般的に、最も高い温水需要量は冬場に多い。そのため、冬場の運転においては、２つの蓄熱槽１８ａ、１８ｂの両方を用いるように蓄熱量の調整がなされるが、熱需要量が最大熱需要量よりも低く、蓄熱槽１８ｂで蓄熱可能な熱需要量である場合、潜熱蓄熱材および溶媒（例えば水）の双方を、濃度調整配管４０を通じてやり取りすることにより、各蓄熱槽１８ａ、１８ｂの潜熱蓄熱材の濃度を蓄熱槽１８ａ≦蓄熱槽１８ｂとするように設定する。またこの際に、各蓄熱槽１８ａ、１８ｂに充填された混合物（潜熱蓄熱材＋溶媒（例えば水））の組成も異なることとなり、当該組成の変化により潜熱蓄熱材の融点においても蓄熱槽１８ａ≦蓄熱槽１８ｂとなる。

このように濃度調整を行い、蓄熱槽１８ｂを主蓄熱槽として用い、潜熱蓄熱材１８ａを副蓄熱槽として熱需要量が多い場合にのみ用いる。これにより実際に必要な必要蓄熱量に近い蓄熱量に設定可能となり、蓄熱槽利用率の改善も見込むことが出来る。また、均一な濃度で蓄熱する場合と比較し、融点を高く設定できるため、高温で安定した出湯が可能になる。

一方で、例えば夏季においては、一般的に更に熱需要量は低くなるため、任意の熱需要量を満たす様に、２つの蓄熱槽１８ａ、１８ｂに充填されている潜熱蓄熱材および溶媒（例えば水）の双方を、濃度調整配管４０を通じてやり取りすることにより、各蓄熱槽１８ａ、１８ｂの潜熱蓄熱材の濃度を蓄熱槽１８ａ≧蓄熱槽１８ｂとするように設定する。また、この際に、各蓄熱槽１８ａ、１８ｂに充填された混合物（潜熱蓄熱材＋溶媒（例えば水））の組成も異なることとなり、当該組成の変化により潜熱蓄熱材の融点も変化することとなるが、当該融点においても、蓄熱槽１８ａ≧蓄熱槽１８ｂとするように設定する。

このように濃度調整を行い、蓄熱槽１８ｂを主蓄熱槽として用い、蓄熱槽１８aを副蓄熱槽として用いることにより、熱需要量の低い場合に、低い温度で沸き上げが可能になるため、熱源ユニットの効率（ＣＯＰ）を向上することができる。また、冬季での使用と同様に、実際に必要な必要蓄熱量に近い蓄熱量に設定可能となり、蓄熱槽利用率の改善も見込むことが出来る。

本発明の給湯装置１０においては、前述のような特徴を有する蓄熱槽１８ａおよび１８ｂを用い、これらに充填された潜熱蓄熱材と溶媒の混合物は、それぞれ蓄熱槽毎に設けられている配管を通って、前記熱源ユニット内の熱交換器１４内に導入され、前記冷媒（ＣＯ_２）と熱交換することにより蓄熱する。一方で、放熱する場合には、各蓄熱槽１８ａ、１８ｂに充填された潜熱蓄熱材と溶媒の混合物は、それぞれ蓄熱槽毎に設けられている配管を通って後述する給湯ユニット内の熱交換器１９内に導入され、水と熱交換することにより水を温水とする。

ここで、本発明においては、蓄熱槽の数については特に限定することはなく、前述したような潜熱蓄熱材と溶媒とのやり取りを行うことができる最小数である２以上であれば良い。しかしながら、あまり数を増やすと、その分だけ制御が複雑となり、またコンパクト化の要請にも反することとなるため、図示するように２つ、もしくは３つ程度が好適である。

また、各蓄熱槽１８ａ、１８ｂ間において、潜熱蓄熱材と溶媒とのやり取りを行う方法についても本発明は特に限定することはない。

具体的には、当該やり取りを実際に行うにあっては、潜熱蓄熱材の濃度を測定する必要が生じるが、当該濃度の測定方法としては、例えば、各蓄熱槽内の重量から計算する方法、各蓄熱槽内に充填される混合物の比重から計算する方法、潜熱蓄熱材および溶媒の混合物の温度および流量から受熱量を算出し、その値に基づき計算する方法、などを挙げることができる。

また、実際に潜熱蓄熱材および溶媒をやり取りする場合には、配管４０を用い、一方の蓄熱槽（例えば１８ａ）から、他方の蓄熱槽（例えば１８ｂ）へ潜熱蓄熱材または溶媒（水）を移動させることが必要となるが、当該方法については特に限定することはない。例えば、潜熱蓄熱材が水と熱交換を行った直後、より具体的には給湯ユニット内の熱交換器１９を通過した直後の配管（図中の符号Ｘ参照）に、濾過器５０を設けておき、当該濾過器により潜熱蓄熱材を濾過（トラップ）し、これを目的とする蓄熱槽へ配管４０を用いて移動させてもよい。給湯ユニット内の熱交換器１９の通過直後では、潜熱蓄熱材が水と温度交換を済ませて低温状態となっており（融点以下となっており）、固体を呈しているため、濾過器により濾過することが可能である（液体を呈している場合よりハンドリングが容易である。）。

なお、図１に示す本発明の給湯装置１０においては、各ユニットを繋ぐ配管が複雑に配置されているが、これに限定されることはなく、適宜設計可能である。配管を設計するにあたっては、前述したように、各蓄熱槽１８ａ、１８ｂが別個独立して、蓄熱および放熱が可能であって、かつ双方を同時に使用することが可能なように設計する必要がある。

また、各蓄熱槽に充填される潜熱蓄熱材および溶媒についても、本発明は特に限定することはなく、従来公知の潜熱蓄熱材、および溶媒を適宜組み合わせて用いることが可能である。具体的には、例えば、潜熱蓄熱材としては、カリウムミョウバン、エリスリトール、などを挙げることができる。また、溶媒としては、水をあげることができる。

最後に、本発明の給湯装置１０を構成する給湯ユニット１３について説明する。

当該給湯ユニット１３は、前述したように水（主に水道水など）と蓄熱ユニット１２内から導入される高温の潜熱蓄熱材（および溶媒）とを熱交換するための給湯熱交換器１９を備えている。本発明にあっては、当該給湯ユニットのその詳細な構成については特に限定することはなく、適宜配管等を準備し、従来から用いられている各種熱交換器を適宜選択して用いることができる。

本発明の給湯装置の構成図である。

符号の説明

１０ … 給湯装置
１１ … 熱源ユニット
１２ … 蓄熱ユニット
１３ … 給湯ユニット
１４ … 熱源側熱交換器
１５ … 膨張弁
１６ … 蒸発器
１７ … 圧縮機
１８ａ、１８ｂ … 蓄熱槽
１９ … 給湯熱交換器
４０ … 濃度調整配管
５０ … 濾過器

Claims (3)

1. 熱源ユニットと、
   前記熱源ユニットの熱を蓄熱および放熱可能な蓄熱ユニットと、
   前記蓄熱ユニットに蓄えられた熱を利用して温水を作る給湯ユニットと、
   を備え、
   前記蓄熱ユニットは、潜熱蓄熱材と溶媒とが充填された複数の蓄熱槽を有し、かつ、前記複数の蓄熱槽は互いに濃度調整配管により接続されており、
   前記複数の蓄熱槽間において、前記濃度調整配管を通じて潜熱蓄熱材および溶媒を互いにやり取りすることにより、各蓄熱槽内の潜熱蓄熱材と溶媒との混合割合を調整可能であることを特徴とする給湯装置。
2. 請求項１に記載の給湯装置であって、
   前記溶媒が水であることを特徴とする給湯装置。
3. 前記請求項１または２に記載の給湯装置であって、
   前記熱源ユニットは、二酸化炭素を冷媒として用い、熱源側熱交換器と、膨張弁と、蒸発器と、圧縮機と、から構成されるヒートポンプユニットであることを特徴とする給湯装置。

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