JP2009052854A - 蓄熱体およびヒートポンプ型給湯器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率が高く、かつ経口する供給流体に投入しても安全な状態で蓄熱することが可能な蓄熱体およびヒートポンプ型給湯器を提供する。
【解決手段】複数の管状体１０と、複数の管状体と連通する集合部２０と、管状体および集合部に充填された蓄熱材３０とを備え、集合部の少なくとも一部（隔膜２２）は蓄熱材の体積変化に応じて変形可能であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱槽において熱を蓄熱するために用いられる蓄熱体、およびこれを用いたヒートポンプ型給湯器に関する。

従来から、給湯や低圧蒸気などの流体を供給する装置として、蓄熱槽を設け、熱効率を高める構成が提供されている。蓄熱に使用されるものとしては、蓄熱槽式と、カプセル型蓄熱式と、分散型蓄熱式がある。

蓄熱槽式は、蓄熱槽内に金属製フィンチューブを配置し、蓄熱槽内に供給流体を流通させると共に、金属製フィンチューブ内に蓄熱材を充填したシェルアンドチューブ型がある（例えば特許文献１）。なお、金属製フィンチューブ内に供給流体を流し、蓄熱槽内に蓄熱材を充填するものもある。金属製フィンチューブとは、金属製のチューブの周囲に多数のフィン（羽根）を設け、チューブの内外での熱交換率を高めたものである。また蓄熱槽式の他の構成としては、プレート間に蓄熱材と供給流体の流路を交互に設けた金属製プレート熱交換器型がある。これは供給流体と蓄熱材が隣接する面積を大きくすることにより熱交換効率を高めたものである。

カプセル型蓄熱式は、金属製や樹脂製のカプセルに蓄熱材を充填し、蓄熱槽内に収納しておく構成である（例えば特許文献２）。蓄熱槽に特殊な構造が不要で、また清掃などのメンテナンスが容易であるという利点を有している。

分散型蓄熱式は、界面活性剤を用いて蓄熱材を水に分散させるエマルジョン型やマイクロカプセル型（例えば特許文献３）、同様に油に分散させたものなどがある。分散型蓄熱式では、蓄熱材が微細であるため熱交換効率が高いという利点を有している。
特開２００１−０３１９５７号公報 特開２００３−３２９３８３号公報 特開２００６−０４６６７３号公報

上記のように様々な蓄熱の方式があるが、蓄熱材は一般的に熱伝導率が低いこと、および凝結と融解の相変化時で体積が変化すること、そして熱交換効率をより高めたいことに課題がある。

蓄熱槽式では、熱交換効率を高めるために伝熱面積を広く取ろうとすると、金属製フィンチューブの全長を長くしたり、フィンを細かく且つ多くしたりする必要がある。またプレートを用いる場合には、プレートの面積を大きくする必要がある。これらの場合、蓄熱槽全体の重量が重くなるため強度部材が必要となり、またコストが増大する傾向にある。また相変化時の体積変化によって蓄熱槽や熱交換器が破損する可能性が高いため、フレキシブルチューブを用いるなど、膨張性を持たせるための複雑な仕組みが必要であった。

カプセル型蓄熱式では、蓄熱材の相変化に伴う膨張による圧力に耐えるために、蓄熱カプセルを球形に形成し、かつ内部に隙間を残しておく構成がとられていた。しかし蓄熱材の熱伝導率が低いためにカプセル中心部（奥部）に蓄えられた熱を利用できず、蓄熱効率が悪くなっていた。

分散型蓄熱式では、分散させた蓄熱材を流動させる必要があるため、蓄熱材の充填率に限度があり、蓄熱密度が低くなっていた。また蓄熱密度を上げるためには、蓄熱材が供給流体と混ざり合うために、蒸発や浮上などを利用して分離する構成も必要であった。また分散するため個々の粒子の過冷却解除確率が下がり、過冷却度が大きくなっていた。

さらに給湯器においては、暖房機などと異なり、供給流体としての水を直接人間の口に入れる（経口する）こととなる。したがって、清潔で安全な状態で供給流体を循環させなければならないという課題がある。

そこで本発明は、熱交換効率が高く、かつ経口する供給流体に投入しても安全な状態で蓄熱することが可能な蓄熱体およびヒートポンプ型給湯器を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる蓄熱体の代表的な構成は、複数の管状体と、複数の管状体と連通する集合部と、管状体および集合部に充填された蓄熱材とを備え、集合部の少なくとも一部は蓄熱材の体積変化に応じて変形可能であることを特徴とする。

上記構成はカプセル型蓄熱式である。管状体の部分では表面積が多くなるため、熱交換効率が高くなる。そして集合部によって各管状体が連結していることから、凝固核がいずれかの管状体において発生すると凝結が他の管状体へ伝播し、迅速かつ確実に凝固して潜熱を有効に利用することができる。さらに、集合部の少なくとも一部が変形可能であることから、相変化による体積変化を吸収することができる。

複数の管状体は並列して配置し、集合部は管状体の両端にそれぞれ配置することが好ましい。これにより全体としての強度を向上させることができると共に、管状体が連通していることによる凝結の伝播および体積変化に対する集合部の変形も、より有効にその作用を得ることができる。

集合部は、外形が矩形をなし内部が空洞の箱状体であって、箱状体の一面に複数の管状体を接合し、管状体を接合した面と対向する面が可撓性を有して変形可能であってもよい。これにより、複数配列された管状体から可撓性を有する面までの距離がほぼ等しくなるため、管状体および集合部の一部の中の蓄熱材が先に凝固した場合であっても、残りの管状体において同様の作用を得ることができる。可撓性を持たせるための具体的な構成としては、例えば箱状体を樹脂によって形成し、対向面の肉厚を薄くすることが考えられる。また、集合部の外形を矩形とすることで、蓄熱体を積み重ねて蓄熱槽に収容することが可能となる。

管状体と集合部とは熱溶着により接合していることが好ましい。供給流体を経口することを前提とした場合、接着剤を用いるのは好ましくない。しかし上記構成によれば管状体または集合部の材質自体を利用して接合していることから、経口する流体に対しても直接投入することができる。

管状体および集合部はポリプロピレンによって形成していることが好ましい。ポリプロピレンは比較的熱に強く、給湯器が対象とする１００度以下の温度において溶出が極めて少ない（検出できない）。したがって、経口する流体に対しても直接投入することができる。なおポリプロピレンの他には、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニリデンも同様に利用することができる。

水に不溶の蓄熱材を使用する場合、管状体および集合部に充填した蓄熱材に食塩を添加することが好ましい。上記の蓄熱体を用いる給湯器において導電率を用いて万一の蓄熱材の漏れを検知する構成を取っている場合に、蓄熱材の材質によっては電離しにくく、導電率の変化が検知できない場合がある。そこで上記のように、経口しても人体に影響の少ない食塩を蓄熱材に添加すれば、蓄熱材が漏れれば食塩も溶出し、食塩はよく電離して導電率の変化を検知できるため、安全かつ確実に蓄熱材の漏れを検知することができる。

本発明にかかるヒートポンプ型給湯器の代表的な構成は、熱媒体と外気とで熱交換を行う空気熱交換器と、熱媒体を圧縮加熱する圧縮機と、熱媒体と水とで熱交換を行う水熱交換器と、熱媒体を膨張冷却する膨張弁と、熱媒体によって加熱された水を蓄積する蓄熱槽と、を備え、蓄熱槽の内部に上記の蓄熱体を収容したことを特徴とする。

上記構成によれば、熱交換効率のきわめて高いヒートポンプ型給湯器を提供することができる。特に蓄熱材は６０℃あたりに凝固点を有する場合が多いので、熱媒体にはＣＯ_２を用いるものよりもフロンを用いるものの方が適している。

蓄熱槽を含む水の流路に、蓄熱体に充填されていた蓄熱材の漏れを検知するための導電率検知部を備えることが好ましい。これにより、万一の蓄熱材の漏れを迅速に検知することが可能となる。

本発明によれば、熱交換効率が高く、蓄熱材の体積変化を吸収し、かつ経口する供給流体に投入しても安全な状態で蓄熱することが可能な蓄熱体、およびこれを用いたヒートポンプ型給湯器を提供することができる。

（蓄熱体）
本実施形態にかかる蓄熱体およびヒートポンプ型給湯器の実施形態について説明する。なお、以下の実施例に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。

図１は本実施形態にかかる蓄熱体の構成を説明する図である。図１に示す蓄熱体１は、複数の管状体１０と、複数の管状体１０と連通する集合部２０と、管状体および集合部に充填された蓄熱材３０（後述する図２（ｄ）参照）とから構成される。管状体１０は、後述するように蓄熱槽内に貯留された水などの供給流体に直接投入される。管状体１０は並列して配置され、その両端にはそれぞれ集合部２０が配置されている。そして後述するように、集合部２０の一部に、蓄熱材の体積変化に応じて変形可能な隔膜２２（ダイヤフラム）を備えている。

図２は蓄熱体の構造を説明するための正面図および断面図である。図２（ａ）は蓄熱体１の正面図、図２（ｂ）は管状体と集合部の接合部を管状体側から見たＡ−Ａ断面図、図２（ｃ）は接合部を集合部２０側から見たＢ−Ｂ断面図、図２（ｄ）は管状体と集合部の接合部の断面図である。図３は管状体と集合部との接合を説明する図である。

管状体１０は、樹脂製からなる薄肉の円筒部材である。管状体１０はその間を供給流体が流通する必要があるため、図２（ｂ）に示すように所定の間隔を有して配置されている。本実施形態では、一定の間隔を有しつつも密度を高めるために、千鳥状態に配置している。

管状体１０の集合部２０の接合部は、熱溶着によって接合している。供給流体を経口することを前提とするとき、有機接着剤を用いることは好ましくない。しかし上記構成によれば管状体または集合部の材質自体を利用して接合していることから、経口する流体に対しても直接投入することができる。

熱溶着の具体例として、図３（ａ）に示すように、集合部２０には管状体１０を挿入可能な穴２０ａをあらかじめ設けておく。そして図３（ｂ）に示すように加熱した楔８（くさび）を圧入することにより、図３（ｃ）に示すように熱溶着することができる。これにより、図２（ｄ）に示すように、接合部を集合部２０側からみたとき、管状体端部１０ａは密接するほどに広がっている。

集合部２０は外形が矩形（直方体）をなし、内部が空洞の箱状体である。また図２（ｄ）に示すように、集合部２０の管状体１０を接合した面と対向する面には、可撓性を有し、蓄熱材の体積変化に応じて変形可能な隔膜２２（ダイヤフラム）が設けられている。隔膜２２は集合部２０の他の面と同じ材質であるが、他の面よりも薄い材料で構成することによって可撓性を持たせている。隔膜端部２２ａは、管状体端部１０ａと同様に集合部２０に対して熱溶着されている。

上記のようにして密封された蓄熱体１には、蓄熱材３０が充填される。蓄熱材３０としては利用温度域で相変化するものであれば利用することができるが、本実施形態では供給流体として経口する水を対象とすることから、食品添加物の酢酸ナトリウム３水塩、スレイトール、エリスリトール（人工甘味料）、パラフィンを用いることができる。中でも酢酸ナトリウム３水塩は６０℃程度に凝固点を有しているため、温水において顕熱のみならず潜熱を利用することができ、凝固と融解の相変化を利用することによって高い蓄熱量を得ることができる。

上記構成の蓄熱体１によれば、細径の管状体１０の周囲で供給流体たる水との熱交換が行われる。したがって球体の蓄熱カプセルと比較すれば、極めて伝熱面積が広くなり、また管状体１０の表面からその内部までの距離が短いため、温度勾配が大きくなり熱交換効率を高めることができる。

図４は凝固の伝播を説明する図である。蓄熱材３０が凝固するとき、蓄熱材３０が密封されていることから、凝固核の発生確率は高くない。このため過冷却を招き、顕熱は得られるが潜熱は得られなくなり、蓄熱材としての能力が低下してしまうおそれがある。特に蓄熱材３０の核発生確率が低い場合には、過冷却を招きやすい。これに対する解決の一つとしては過冷却解除剤を混入することもあるが、細径の管状体１０の内部では凝固核の発生は遅れてしまう可能性が高い。

しかし上記のように集合部２０を介してそれぞれの管状体１０を連通させていることにより、図４に示すように、いずれかの管状体１０において凝固核が発生すると、集合部２０を介して他の管状体１０にも凝固が伝播する。したがって、迅速かつ確実に凝固して、潜熱を有効に利用することができる。

図５は凝固または融解の相変化に伴う体積変化への対応を説明する図である。まず管状体１０は細径であることにより構造体としての強度を高めることができ（肉厚が同じ場合は径が細い方が座屈に強い）、溶融時の体積膨張にも耐えることができる。仮に管状体１０の両端の蓄熱材３０が凝固している状態でその中途部が融解した場合、融解した蓄熱材３０が凝固した部分（スラリー状となっている）を集合部２０へと押し出すため、管状体１０が破損することはない。そして蓄熱材の膨張した体積分は集合部２０へと流出するが、図５（ａ）に示すように、隔膜２２が膨出する方向に変形することにより、増大する体積変化を破損することなく吸収することができる。

一方、凝固する際には体積は収縮するが、図５（ｂ）に示すように、隔膜２２が吸引される方向に変形することにより、縮小する体積変化を破損することなく吸収することができる。

ここで、管状体１０は熱交換効率を高め、かつ構造体としての強度を確保する必要があるために細い方が好ましく、例えば６ｍｍφとすることができる。また管状体１０の肉厚は薄いほど好ましいが、強度との兼ね合いを考慮すれば、例えば０．２ｍｍとすることができる。なお管状体１０の長さについては、凝固の伝播には距離に限界があり、また強度との兼ね合いを考慮すれば、２００ｍｍ以下、さらには１５０ｍｍ以下であることが好ましい。

なお、管状体１０の両端に集合部２０を配置していることにより、全体としての強度を向上させることができる。また、管状体１０が連通していることによる凝結の伝播の作用を管状体１０の両側で得ることができ、片側のみに集合部２０を設けた場合と比べて管状体１０の長さを長くすることができる。

集合部２０の寸法または容積について制限はなく、各管状体１０を連通させていればよい。集合部２０は蓄熱材３０の体積変化によって変形しないよう厚くすることができ、隔膜２２は可撓性を有するように例えば１．５ｍｍの厚さで形成することができる。

また、複数の管状体１０は並列して配置し、管状体１０を接続した面と対向する面に隔膜２２を設けたことにより、複数配列された管状体１０から隔膜２２までの距離がほぼ等しくなる。これにより、管状体１０および集合部２０の一部が先に凝固した場合であっても、残りの管状体１０において同様の作用を得ることができる。

管状体１０および集合部２０は、ポリプロピレンによって形成していることが好ましい。ポリプロピレンは比較的熱に強く、給湯器が対象とする１００度以下の温度において溶出が極めて少ない（測定器で検出できない程度）という特性を有している。したがって、経口する水（供給流体）に対しても直接投入することができる。なおポリプロピレンの他には、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニリデンも同様に利用することができる。

（ヒートポンプ型給湯器）
次に、図６を用いて本実施形態にかかるヒートポンプ型給湯器について説明する。ヒートポンプ型給湯器５０は、熱媒体と外気とで熱交換を行う空気熱交換器５２と、熱媒体を圧縮加熱する圧縮機５４と、熱媒体と水とで熱交換を行う水熱交換器５６と、熱媒体を膨張冷却する膨張弁５８とを備えている。さらに水熱交換器５６によって加熱された水を貯留する蓄熱槽６０と、貯水槽６２と、貯水槽６２に給水する給水弁６４と、蓄熱槽６０から貯水槽６２を介して水熱交換器５６へと水を循環させるポンプ６６と、蓄熱槽６０および給水弁６４から湯水を混合して給湯する混合弁６８とを備えている。

そして蓄熱槽６０の内部には、上述の蓄熱体１が収容されている。蓄熱槽６０の内部には複数の１が収容され、水熱交換器５６から供給された水（湯）の熱を蓄積する。これにより蓄熱槽６０内の熱を効果的に保持（蓄熱）することが可能となる。なお、集合部２０の外形を矩形としていることにより、蓄熱体１を整然と積み重ねて蓄熱槽６０に収容することが可能となっている。

上記構成によれば、熱交換効率のきわめて高いヒートポンプ型給湯器を提供することができる。特に蓄熱材は６０℃あたりに凝固点を有する場合が多いので、床暖房兼用型給湯器に適している。またヒートポンプの熱媒体としては、常に超臨界状態で圧力とエンタルピが一様に変化するＣＯ_２よりも、６０℃以下の温度において圧力に対してエンタルピの増分が大きくなるフロンを用いるものの方が適している。

また蓄熱槽６０を含む水の流路に、蓄熱体１に充填されていた蓄熱材３０の漏れを検知するための導電率検知部７０を備えている。これにより、万一の蓄熱材の漏れを迅速に検知することが可能となる。

ただし、蓄熱材３０の材質（種類）によっては電離しにくく、例えば蓄熱材３０としてパラフィンを用いた場合などには、漏れても導電率の変化が検知できない場合がある。このため、蓄熱材３０に食塩を添加することが好ましい。食塩は経口しても人体に影響がなく、また食塩はよく電離して導電率の変化を検知できるため、安全かつ確実に蓄熱材の漏れを検知することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、蓄熱槽において熱を蓄熱するために用いられる蓄熱体、およびこれを用いたヒートポンプ型給湯器として利用することができる。

蓄熱体の構成を説明する図である。 蓄熱体の構造を説明するための正面図および断面図である。 管状体と集合部との接合を説明する図である。 凝固の伝播を説明する図である。 凝固または融解の相変化に伴う体積変化への対応を説明する図である。 ヒートポンプ型給湯器について説明する図である。

符号の説明

１ …蓄熱体
８ …楔
１０ …管状体
１０ａ …管状体端部
２０ …集合部
２０ａ …穴
２２ …隔膜
２２ａ …隔膜端部
３０ …蓄熱材
５０ …ヒートポンプ型給湯器
５２ …空気熱交換器
５４ …圧縮機
５６ …水熱交換器
５８ …膨張弁
６０ …蓄熱槽
６２ …貯水槽
６４ …給水弁
６６ …ポンプ
６８ …混合弁
７０ …導電率検知部

Claims (8)

1. 複数の管状体と、
   前記複数の管状体と連通する集合部と、
   前記管状体および集合部に充填された蓄熱材とを備え、
   前記集合部の少なくとも一部は蓄熱材の体積変化に応じて変形可能であることを特徴とする蓄熱体。
2. 前記複数の管状体は並列して配置し、
   前記集合部は前記管状体の両端にそれぞれ配置したことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱体。
3. 前記集合部は、外形が矩形をなし内部が空洞の箱状体であって、
   前記箱状体の一面に前記複数の管状体を接合し、
   前記箱状体のうち、前記管状体を接合した面と対向する面が可撓性を有して変形可能であることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱体。
4. 前記管状体と前記集合部とは熱溶着により接合していることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱体。
5. 前記管状体および前記集合部はポリプロピレンによって形成していることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱体。
6. 前記管状体および集合部に充填した蓄熱材に食塩を添加したことを特徴とする請求項１に記載の蓄熱体。
7. 熱媒体と外気とで熱交換を行う空気熱交換器と、
   熱媒体を圧縮加熱する圧縮機と、
   熱媒体と水とで熱交換を行う水熱交換器と、
   熱媒体を膨張冷却する膨張弁と、
   熱媒体によって加熱された水を蓄積する蓄熱槽と、
   を備え、
   前記蓄熱槽の内部に請求項１〜請求項６記載の蓄熱体を収容したことを特徴とするヒートポンプ型給湯器。
8. 前記蓄熱槽を含む水の流路に、前記蓄熱体に充填されていた蓄熱材の漏れを検知するための導電率検知部を備えたことを特徴とする請求項７に記載のヒートポンプ型給湯器。

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