JP2010139232A - 潜熱蓄熱装置を具備した圧縮式ヒ−トポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮式ヒ−トポンプ機器の小型化の手段として、潜熱蓄熱素材固有の性状を応用した潜熱蓄熱装置を用いて、単位当たり保有熱容量の優位性や一定の温度で吸収／放熱を行う特徴を温度基軸にして、該ヒ−トポンプに係る負荷の軽減とＣＯＰの向上や寒冷地での使用上の利便性を付加する。
【解決手段】大気温度と潜熱蓄熱材で演出する温度特性を基準に熱サイクルを行う圧縮型ヒ−トポンプである。圧縮機から凝縮器に至る経路に潜熱蓄熱装置を経由する熱流体と熱交換する熱交換器を設け、温度検出値により該熱循環の温度制御を指示する調節盤を有する。熱交換器の熱流体の流量を調整したり、大気熱を効率よく回収して小型で大容量の潜熱蓄熱装置に熱として蓄え、負荷に対応する。圧縮機の仕事を軽減するサイクルにより、従来に比べてＣＯＰを２５％以上向上する。
【選択図】図２

Description

産業上の利用分野

本発明は、一般住宅、集合住宅及び産業施設及び寒冷地等の暖房・給湯を目的に潜熱蓄熱装置を備えた蒸気圧縮式ヒ−トポンプシステムを供給する。

本発明の目的は、既存の圧縮式ヒ−トポンプの機能を損なわずに、貯熱に潜熱蓄熱装置を備えた圧縮式ヒ−トポンプの熱伝達回路を有する。特徴として、潜熱蓄熱装置の温度を基軸に熱サイクル機能を一元的に大気熱の温度に順応して、制御と運転を行う。圧縮機（１）で吐出の冷媒と熱交換を経て潜熱蓄熱装置（８）の該装置に蓄熱され、一部は負荷に、又一部は当該熱サイクルの回路に循環する。温度制御の手段として、圧縮機（２）で加熱吐出する冷媒の経路にレシ−バ−（４）の冷媒相分離液と高圧液冷媒を効率よく吸引動作する膨張弁等に二相流エジェクタ（５）や蒸発気化にエバポレ−タ（６）の蒸発温度により冷媒を冷却して、効率的に大気熱を吸熱確保する。すなわち、冷媒及び熱流体が相互の熱環状回路を有して相互の吸放熱の伝達を効果的に実施する。蓄熱装置（８）で蓄熱の残存熱は、低温の大気温度を利用して処理して、一連のサイクルで圧縮機（２）における圧縮の仕事を大幅に減少してＣＯＰ効果を相乗的に向上できる。尚、当該システムの温度・加圧・減圧・流量の動力や多方弁（１２）調整弁含むを一元的に調整して指示するを備えて、運転機能の効率化により、システムの小型化を可能とする潜熱蓄熱装置を具備した冷凍ガス圧縮式ヒ−トポンプ熱循環システムを提供する。

図１は、従来の温度成層型貯湯式にＣＯ_２冷媒ガス又はフロン系冷媒ガスを用いた蒸気圧縮式ヒ−トポンプを示す構成略図である。図に従って熱サイクルを説明する。例えば、設定する大気熱１０℃をＣＯ_２ガス冷媒で吸収して圧縮機（２）で１００気圧で圧縮すると、ＣＯ_２ガス冷媒液は１３０℃の臨界状態で、放熱器（３）で、被加熱流体２０℃と熱交換を行い、被加熱流体を９０℃に加熱して、温度成層型の貯湯タンクの上部入口から導水して貯湯する。該タンク下層部の低温熱流体を放熱器（３）ての再加熱へ循環させている。圧縮機（２）で加熱される冷熱ガス液はバッチ式圧縮で使い切りで循環する。

例えは、放熱器（３）で放出したＣＯ_２冷媒は被加熱流体と熱交換で、高圧状態を維持したまま１３０℃から５０℃の少し冷えた液ガスに降温する。次に膨張弁の解放により、１００気圧を３０気圧に減圧するとガス液の急激な膨張気化熱により、冷媒の温度５０℃は一挙に５℃までに冷却された冷媒ガス液に変化する。その結果、大気熱が３０気圧中で１０℃の場合、当該冷媒を大気と接触すると１０℃の熱を吸収して、暖まった液ガスの状態で圧縮機（２）に導入されて再循環に入る。一方、貯湯槽の下部から取り出された熱流体は熱交換（３）により常温１５℃から９０℃近くまで昇温し、温度成層型貯湯槽（６）の上部から貯わえられる。

当該熱サイクルは都度一回限の使いきりであるため、この熱サイクルで９０℃の給湯を維持するには常時１００気圧１３０℃の超高圧の繰返し連続運転になるため、時として圧縮機の耐久性やタンクの大型化による効率の悪化が問題となっていた。以上の圧縮にかかる動力に夜間電力が利用されている。

一般的に住宅で使用されるヒ−トポンプの圧縮機（２）の性能は環境温度により影響を受ける。ＣＯ_２冷媒ガス液の場合、１００気圧で圧縮するとＣＯ_２冷媒ガス液の温度は１３０℃にまで上昇すると該冷媒は臨界点に達する。加熱された前記ＣＯ_２冷媒ガス液と熱媒流体の熱交換による９０℃吐出量は、出口で通常１ｌ／毎分を安全流量の基準として運転している。

しかしながら、大気温度の変化や環境により該装置の仕事に影響を受けていた。例えば圧縮機（２）の許容能力を越える負荷が加わると超高圧による圧縮機の耐久性にダメ−ジを与えていた。ＣＯ_２冷媒ガスは熱伝達に優れる反面、温度限界が低く圧縮上、圧縮機内部の超高圧化が短所でもあり、運転条件により機器に不具合を生じていた。

本件課題として圧縮機（２）にかかる仕事の軽減には、前記圧縮機（２）の能力に許容される範囲での熱サイクルがロスと負荷を削減する手立が課題となっていた。
係る機能を補う手段として、貯湯タンクの大型化と動力に夜間電力を利用する事で消費負荷に拘わるタイムラグを補う方法が一般的に採用されている。該手段で、利便性と機器にかかる負荷による不具合を防止している。しかしながら既存の貯湯方式が温度成層蓄式のピストン押しだしのため、貯湯容量や内外温度差に影響を受ける熱損失や設置スペ−スに課題を抱えていた。貯湯タンクの小型化への技術やＣＯＰ効率の観点から次に示す項目の改善が課題となっていた。

▲１▼温度成層型貯湯式タンクの設置の環境や気温による効率低下の改善。
▲２▼寒冷地の外気温度マイナス１０℃に対応可能な技術仕様。
▲３▼高出力高効率化ＣＯＰ３．５からＣＯＰ４．５以上にする。
▲４▼圧縮機の加熱能力を４．５Ｋｗから９．０Ｋｗに拡大する。

尚、既存のヒ−トポンプ及び貯湯タンク等の一般的な対策課題として、蓄断熱強化策や小型ヒ−トポンプ２．３Ｋｗ等用貯湯タンクの小型化とヒ−トポンプの高出力高効率化、負荷学習と温水の必要量を制御するシステムの開発、中温水の利用や非貯湯式への移行が要望されていた。

発明が解決しょうとする課題

本発明は、潜熱蓄熱材が保有する性状と特徴が設定温度デルタＴ＝１０℃の場合、水の約６倍の密度を利用して、既存の圧縮式ヒ−トポンプに採用の各機能機器の取替を必要とせずに一部の部分変更で、該機能の効率を向上させるものである。手段において、設備システム特に蓄熱装置の小型化により省スペ−ス、省エネルギ−とヒ−トポンプの仕事の効率化とシステムロスを軽減して、該機器の耐久性を維持する高効率なヒ−トポンプ熱サイクルシステムを提供する。

発明が解決するための手段

特許請求項１に記載の発明は効率的な熱サイクル運動を行うポイントとして、圧縮機（２）に係る熱負荷と圧縮ロスの軽減に、大気熱確保に潜熱蓄熱固有の温度の熱環状を基軸に連動した制御システムにより、圧縮機（２）から吐出する高圧液冷媒を冷媒放熱器（３）に流通させて熱源の冷媒熱と被加熱流体との熱交換で、システムに係る負荷を回避する。冷媒及び被加熱流体個々の熱環状と熱伝達により、当該システムを効果的に運転できる。ＣＯ_２冷媒ガス液は潜熱蓄熱材の定常温度を利用する事で、蓄熱装置（８）から放熱器（３）に環状する該熱流体の温度を安定的な低温に降温維持して、圧縮機及び放熱器等に係る運転負荷を削減する。そのためには蓄熱で余る残熱の処理が処理手段が必要であった。

熱流体に担持の余熱処理の手段として、前記熱流体は大気熱（７）により冷却された冷媒と熱交換器（１）を介して、前記余熱をフィ−トバック処理した後に放熱熱交換器（３）での熱再吸収に循環する順路を設定している。また本経路の設定により、昇温した冷媒を圧縮機（２）に流入させることで、圧縮の仕事を減少する。圧縮機から吐出した高圧冷媒液は放熱機（３）で放熱による熱交換を経て膨張弁（５）と蒸発器（６）での減圧により、低温の大気熱の吸収を行う。この一連の温度制御を所定の値で維持管理で、圧縮機に係る熱サイクルを軽減してＣＯＰ効率を向上するヒ−トポンプを供給することにある。

該サイクルを効果的に発揮させる手段として、潜熱蓄熱装置と同温度を基軸に、本装置に大気熱の吸収確保を前提に相対的基準で環状する熱サイクルを構成している。実態として、圧縮〜高温〜減圧〜低温〜吸収〜圧縮に至る冷媒と熱流体の環状プロセスを一元的に温度・加圧・減圧・流量を循環指示で熱サイクルのロスを低減して運転効率を向上できる。

大気熱吸収（７）から蓄熱（８）及び消費熱負荷（１２）に至るシステムプログムミングデ−タに基づいて、センサ−の検出値に従って、一元的に冷凍サイクルを制御設定できる指示調節盤（図示しない）を有する。一元的制御とは前記設定に従って、電気的駆動によりＤＣモ−タ−及び電動ポンプの稼働や圧縮から、冷媒及び熱流体の流量調整の熱サイクルを自動的に操作により、ＣＯ_２冷媒カスを採用の既存ヒ−トポンプの圧縮機における圧縮仕事は１００気圧／圧縮温度１３０℃の能力と熱伝達力を保有している。特許請求項１及び２記載の発明、当該機器の熱サイクルに酢酸ナトリウム水和物系を潜熱蓄熱装置に使用の場合、既存の規定温度を約２０％削減し、単位保有熱量で約６倍に改良し、これを制御するプログラムで構成する。

圧縮機から吐出する冷媒温度条件は該潜熱蓄熱材の相変化に必要な温度を供給できればよく、従来の貯湯式に採用の高温度は不要になり、従って圧縮にかかる高圧も低減できる。本発明は潜熱蓄熱材を融解するに必要な温度供給と大気熱の吸収確保を前提に設定、熱流体の環状温度を潜熱融解温度を上限とし、高圧液冷媒の熱源上限温度とを外気温度に連動させるプログラムで構成する。また、摂取する環境基準温度は変化する大気温度に順応した熱サイクルを前提に１００気圧以下での仕事を設定し、運転上、過剰な圧縮仕事を回避する。よって、圧縮機の超高圧化に伴う機械の機械的、物理的リスクや過剰加熱等による熱サイクルでシステムに係る過剰な負荷を削減して、圧縮機（２）の耐久性と恒常的な仕事効率の向上を可能にする。本発明は、このような背景に鑑み、標記の課題を解決するものである。

すなわち、本発明は省スペ−ス、省エネルギ−と利便性の追求過程で、ＣＯ_２ガス冷媒の優れた熱伝達性と潜熱蓄熱材の定常温度の吸収／放熱を担持して、循環し、プログラムされた設定温度域で大気温度から吸熱して、大気熱を確保できる。標記サイクルでＣＯＰ効率能の向上と負荷機能に対応するヒ−トポンプの熱サイクルである。

実施形態

本発明の実施形態につき添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は比較図であり、図２は本発明の実施形態における潜熱蓄熱装置を応用した冷凍サイクルヒ−トポンプの全体構成を示す簡略図、熱循環の概要状態を示す。

本実施形態の熱サイクルは電動式である。ＤＣインバタ−モ−タ−の駆動を圧縮機（２）に伝達して、自在に圧縮比を超高圧の範囲まで可変可能な駆動により稼働される熱サイクルヒ−トポンプで、暖房や給湯に使用される。図２に示す圧縮機（２）は熱源であり、その形式は問わない。

圧縮で高圧高温で吐出されたＣＯ_２ガス冷媒を許容の温度範囲で、凝縮機（３）で熱交換、膨張弁、蒸発機で減圧効果により、大気熱の冷熱を回収して圧縮機（２）に到る前記冷媒の環状プロセスＡに係る熱源である。

圧縮で高圧高温で吐出する冷媒ガスを凝縮機（３）で熱交換により被加熱熱媒体が潜熱蓄熱材の融解に必要な伝達温度を吸収し、潜熱蓄熱装置（８）で放熱蓄熱する。蓄熱途上で発生する残存の余熱を担持した熱流体の熱処理は外気を吸収して冷却した冷媒（７）と熱交換（１）で熱処理の後、更に、温度調整（１１）の出口温度で熱流体の温度を低温度に整えて、放熱機（３）で潜熱蓄熱装置（８）の熱伝達に有効な温度に加熱する。潜熱蓄熱装置に蓄熱放熱して循環に到る前記熱交換機の環状プロセスＢである。

環状プロセス１の熱サイクルでは熱交換（１）で熱吸収した液化ガス冷媒は圧縮機（２）に導入されて、電動制御プログラミングにより設定に順じた圧縮により冷媒を所定の温度に加熱する。

圧縮加熱の冷媒は凝縮器（３）で所定の高圧液を維持した状態で、低温の熱流体への熱伝達の放熱により自らの温度を約７０％降温し、膨張弁のエジェクタ−（５）で高圧液を昇圧拡散して、エバポレ−タ（６）に導入するＣＯ_２ガス冷媒は減圧差に比例した蒸発気化熱により降温される。各弁の制御手段としての電気制御装置の信号（図示しない）により電気的に制御される構成てある。

減圧により低温度に降下した冷媒は同気圧の大気温度を吸収（７）して、熱交換機（１）で、熱媒体の放熱を吸熱して、圧縮機（２）に吸入されて、圧縮へ再び冷媒路を循環する。

冷凍サイクルに圧縮機（２）から放熱器（３）で熱交換、気液分離回路（４）をつなぐ、膨張弁の二相流エジェクタ（５）の回路と昇圧吸引効果により、冷媒液を吸上げて、圧縮機（２）の効率低下を防止する。高い吸入圧力は、蒸発器（６）で低い蒸発温度を作り、目的の大気熱の吸収（７）を確保する。一連の冷媒の熱サイクルで高圧／高温から低圧／低温に至る熱循環を効率的実施する。

残熱担持の熱流体はの熱交換器（１）にフィ−ドバックにより除熱し、低温調整器（１１）を経路して、定温度に調整、放熱器（３）で加熱されて、潜熱蓄熱材を融解する温度を吸収、蓄熱装置（８）に至る。

然るに、前記熱流体は放熱器（３）で高温冷媒と熱流体を熱交換させて受取る熱（温度）を制御プログラムにより、事前に圧縮機（２）の出口温度で連動する圧縮圧力及び加熱温度を調整する。

本実施形態では環状プロセスＡ及び環状プロセスＢの熱サイクルの投入口から排出口に至る熱サイクルの温度・加圧・減圧・流動の指示調整に連動し、図示しない電子制御操作パネルにより起動する。潜熱蓄熱装置の温度活用と外気温度を基軸に制御プログラム設定により圧縮機をコントロ−ルする。

尚、（Ｔ１）から（Ｔ１０）の記号で示す箇所に計測センサ−を設置して温度・加圧・減圧・流量・指示調整器の設定により一元的操作する。（図示しない）

発明の効果

以上のように、本発明は当該機器システムの熱サイクルの安定化と効率向上に潜熱蓄熱材の定常温度５５℃±５℃と大気温度を基盤とした熱環状を特徴としている。潜熱蓄熱槽を経由した熱媒体はまず、図２に示す熱交換（１）に循環に始まり、一定温度の提供を環状的に循環する。ＣＯ_２ガス冷媒による冷凍ガスサイクルにおいて圧縮機、放熱熱換機、電子膨張弁、蒸発機、潜熱蓄熱装置の運転を一定の条件下で導いた数値に基づき、温度・加圧・減圧・流量を指示調整により，５０〜６５℃の負荷対応機能と外気温度に対応した設定プログラムにより、熱サイクルを効率よく最適な連続稼働運転に寄与する。この機能によってＣＯＰ効率を向上できる。蓄熱装置もヒ−トポンプ起動時の熱供給サポ−トするに最小の容量があればよく、大掛かりな装置や貯湯タンクを必要としない。必要に応じた蓄熱のサポ−トで何時でも給湯機能を発揮するので利便性の高い商品として供給できる。

従来のヒ−トポンプの全体構成を示す略図である。 本発明の熱サイクルの実施例を示す構成図である。

符号の説明

（Ｉ）潜熱を応用したヒ−トポンプ熱サイクルヒ−トポンプ
１ 熱交換器（熱流体→冷媒）
２ コンプレッサ（冷媒圧縮）
３ 凝縮放熱器（冷媒→熱流体）
４ レシ−バ−（気液分離器）
５ 膨張弁（冷媒混合と拡散）
６ 蒸発器（蒸発熱→冷媒冷却）
７ 大気熱吸収器（大気熱吸収→冷媒）
８ 潜熱蓄熱装置／貯湯タンク（熱の貯蔵）
９ 水道水（原水）
１０ 余熱処理前温度（熱流体）
１１ 温度調整留置装置（熱流体）
１２ 電磁多方弁（熱流体）
（ＩＩ）温度・加圧・減圧・流量・指示調整器 （センサ−場所）
Ｐ１．圧力センサ−（ＤＣモ−タ−）
Ｔ１／大気温度．Ｔ２／圧縮導管出口．Ｔ３／多方弁．Ｔ４／潜熱蓄熱装置入口
Ｔ５／潜熱蓄熱装置．Ｔ６／高圧導管．Ｔ７／エジェクタ、Ｔ８／蒸発低温冷媒
Ｔ９／温度調整部、Ｐ／ポンプ、Ｔ１０／調整弁

Claims (3)

1. 潜熱固有の定常温度で熱の吸放熱を行う潜熱蓄熱材を有する熱交換型潜熱蓄熱装置（８）を具備した圧縮式ヒ−トポンプである。冷媒ガス液を熱源とした熱を圧縮する圧縮機（２）と、該圧縮機（２）から吐出の高圧高温冷媒は放熱器（３）て被加熱流体との熱交換で、前記被加熱流体を加熱し、膨張弁（５）を介して分離層（４）の冷媒液を効率よく圧送・拡散と蒸発器（６）による蒸発低温で大気熱（７）を吸収する。かかる冷媒を熱交換機（１）で被加熱流体の担持する余熱を熱交換で熱吸収して、圧縮機（２）に到る経路を示す冷媒の環状プロセスＡと。
   かかる定常余熱を担持する被加熱流体は前記熱交換機（１）及び温度調整（１１）を介して余熱処理により、放熱器（３）、潜熱蓄熱装置（８）で吸放熱を効率的に熱還流を行う被加熱流体の環状を示すプロセスＢと。
   プロセスＡとプロセスＢの回路により構成され、潜熱蓄熱材の放熱及び蓄熱温度を基軸にして、大気熱の吸収と確保に係るプロセスＡ及びＢに示す各セクションの温度・圧力・流量のシグナルを制御デ−タプログラムを介して、一元的に指示を行う調整装置で構成する圧縮式ヒ−トポンプ熱サイクルシステムに関する。
2. 潜熱蓄熱装置（８）に担持する潜熱蓄熱組成物の融解／凝固点が５５℃から８０℃の範囲にある系が酢酸ソ−ダ水和物系・水酸化ストロンチウム・ｎパラフィン・ステアリン酸・パルミチン酸等から選択して使用できる。温度調整器（１１）では放熱した熱媒体を外気との温度調和で、前記熱流体を放熱機（３）での熱交換時の熱吸収性を高める適温に整えるを特徴とする特許請求項１また２記載の熱サイクルの環状プロセスＢに用いる潜熱熱素材に関する。
3. 潜熱蓄熱材（Ｔ５）の温度を基軸に大気熱（Ｔ１）の確保を前提に熱交換（Ｔ２）から（Ｔ１０）、及び熱負荷に至る所要の温度検出値により熱サイクルにおける温度・圧力・流量を数式シグナルにより、一元的に制御する指示調整器（図示しない）で構成する事を特徴とした特許請求項１または２記載の圧縮式ヒ−トポンプの熱サイクル制御に関する。

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