JP2011252689A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全体としてのエネルギー利用効率を高め、省エネルギー化を図ることができるヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】第１の熱交換器１と圧縮機２と第２の熱交換器３と膨張弁４とを配管５で接続し、配管中に冷媒を循環させ、第２の熱交換器３を貯湯タンク６内に設置して貯湯タンク内の水を加熱して温水を製造するヒートポンプ装置Ａを用いたヒートポンプ式給湯装置で、第１の熱交換器１は密閉された容器（熱交換タンク９）内に設置され、熱交換タンク９に高圧空気を供給するエア圧縮機１２を備える。また、熱交換タンク９の内部気体を放熱するための第３の熱交換器１３、冷却ラジエータ１４を備える冷却手段を備え、熱交換タンク９はエアタンク１８に配管接続され、エアタンクには熱交換タンク９内の圧縮された空気が供給され、エアタンクは圧縮された内部空気を噴出する膨張弁２２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ装置を用いたヒートポンプ式給湯装置に係り、特に、熱効率が高く、ヒートポンプ装置による加熱の際に発生する冷気を利用することができるヒートポンプ式給湯装置に関する。

ヒートポンプは低い温度の熱源から冷媒を介して熱を吸収し、この熱を高い温度の場所にくみ上げる働きをするもので、従来より空調機や給湯機に用いられている。このようなヒートポンプを用いたシステムとしては、これまでも例えば深夜電力を有効に利用する等、省エネルギー化を図るものが各種考案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２５７９７５号公報

現在においては、このような省エネルギー化に対する要望はますます強くなっており、従来のヒートポンプシステムのように、ヒートポンプに改良を加え、ヒートポンプ自体におけるエネルギー利用効率の向上を図るのみでなく、ヒートポンプの排気等を利用して例えば建物構造等の全体としてエネルギー利用効率を高めることにより省エネルギー化に寄与することも望まれている。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、全体としてエネルギー利用効率を高め、省エネルギー化を図ることができるヒートポンプ式給湯装置を提供することを課題としている。

このような課題を解決するために、請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置は、第１の熱交換器と圧縮機と第２の熱交換器と膨張弁とを配管で接続し、該配管中に冷媒を循環させ、前記第２の熱交換器を貯湯タンク内に設置して該貯湯タンク内の水を加熱して温水を製造するヒートポンプ装置を用いたヒートポンプ式給湯装置であって、前記第１の熱交換器は密閉された容器内に設置され、該容器に高圧空気を供給するエア圧縮機を備えることを特徴としている。

前記のごとく構成された本発明のヒートポンプ式給湯装置は、ヒートポンプ装置により大気熱を取り込んで温水を製造する段階で、大気熱を取り込む第１の熱交換器を密閉された容器内に設置し、この容器にはエア圧縮機により高圧の空気が供給され、容器内は高温状態となっているため、第１の熱交換器で取り込んだ熱を含む冷媒を圧縮機で圧縮して第２の熱交換器で熱交換することで、貯湯タンク内の水を効率良く加熱して温水とすることができる。

また、好ましい具体的な態様として請求項２に記載のヒートポンプ式給湯装置では、前記エア圧縮機は、エアフィルタを通して大気を吸入することを特徴としている。この構成によれば、第１の熱交換器を収容する密閉された容器内の空気を清浄にすることができ、熱交換を効率良く行うことができる。

本発明の請求項３に記載のヒートポンプ式給湯装置では、前記容器は断熱被覆で覆われており、その内部気体を放熱するための冷却手段を備えることを特徴としている。冷却手段としては熱交換器と冷却ラジエータが好ましい。この構成によれば、温水製造時に第１の熱交換器で放出される冷気は密閉された容器内に貯留され、温水製造が長時間にわたる場合でも、貯留された冷気を放熱することができるため、安定して温水を製造することができる。

さらに、本発明の好ましい具体的な他の態様として請求項４に記載のヒートポンプ式給湯装置では、前記容器は、エアタンクに配管接続され、該エアタンクには前記容器内の圧縮された空気が供給され、前記エアタンクは圧縮された内部空気を噴出する膨張弁を備えることを特徴としている。この構成によれば、温水製造時に発生する高圧の冷気をエアタンクに貯留し、貯留された高圧冷気を膨張弁から建物内の部屋等に噴出させることで、部屋内を冷房することができる。

また、本発明の請求項５に記載のヒートポンプ式給湯装置は、前記容器と前記エアタンクとを接続する配管に開閉弁を設置したことを特徴としている。この構成によれば、冷房が必要でない時期では開閉弁を閉じておくことで、エアタンク内への高圧冷気の供給を停止することができる。

さらに、本発明の請求項６に記載のヒートポンプ給湯装置は、前記膨張弁は、脱臭機能、芳香機能、イオン放出機能、加湿機能、酸素放出機能のうちの少なくとも１つの機能を備えることを特徴としている。この構成によれば、建物内の部屋等に高圧冷気を噴出させて冷房する際に、脱臭機能、芳香機能、イオン放出機能、加湿機能、酸素放出機能のうちの少なくとも１つの機能を行うことができ、居住空間を快適にすることができる。

本発明のヒートポンプ式給湯装置は、給湯用ヒートポンプ装置が屋外に配設されているので、ヒートポンプ本体から発生する冷気を建物内に取り込み、建物の室内の気温を下げることができ、従来では建物の外部に放出されていた冷気を利用して空調の補助を行わせることを可能とする。これによって、全体としてエネルギー利用効率を高めることができ、省エネルギー化を図ることができる。

本発明に係るヒートポンプ式給湯装置の一実施形態の要部構成図。 本発明に係るヒートポンプ式給湯装置の他の実施形態の要部構成図。

以下、本発明に係るヒートポンプ式給湯装置の一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。図１は、本実施形態に係るヒートポンプ装置を用いたヒートポンプ式給湯装置の要部構成図である。

図１において、ヒートポンプ式給湯装置は、第１の熱交換器１と圧縮機２と第２の熱交換器３と膨張弁４とを配管５で接続し、この配管中に冷媒を循環させ、第２の熱交換器３を貯湯タンク６内に設置して貯湯タンク内の水を加熱して温水を製造するヒートポンプ装置Ａを用いている。第１の熱交換器１は蒸発器として機能し、第２の熱交換器３は凝縮器として機能する。ヒートポンプ装置Ａは、第２の熱交換器３が設置された貯湯タンク６は建物内に設置され、第１の熱交換器１、圧縮機２及び膨張弁４が建物外に設置される。

ヒートポンプ装置Ａは、配管５内に循環流体として冷媒を注入してあり、注入した冷媒を圧縮機２で圧縮して第２の熱交換器３に搬送し、貯湯タンク６内の水を熱交換により加熱して膨張弁４に至り、膨張弁で膨張されて第１の熱交換器１に戻るように構成されている。このサイクルでは、第２の熱交換器３で放熱し、第１の熱交換器１で吸熱するように構成されている。冷媒としては、フロンや炭酸ガス等を用いている。

建物内に設置される貯湯タンク６は断熱被覆が施され、ヒートポンプ装置Ａで加熱され内部に貯留された湯の放熱が防止されている。貯湯タンク６の下部には、貯湯タンク６に水を供給する上水道等の上水配管７が接続されると共に、上部には給湯配管８が接続され、湯は上部の高温部分より熱使用機器（図示せず）に供給される構成となっている。貯湯タンク６の中間位置に、加熱用の第２の熱交換器３が設置されている。なお、給湯配管８は図示のように貯湯タンク６内の湯を循環させるように構成してもよい。この場合は、温水を循環させるポンプ（図示せず）を使用し、再加熱装置（図示せず）を用いて湯温を一定にすると好ましい。

本実施形態のヒートポンプ式給湯装置は、第１の熱交換器１が屋外に設置され、第１の熱交換器１を断熱被覆が施された容器である熱交換タンク９内に設置している。熱交換タンク９は断面が円形状の容器であり、第１の熱交換器１はタンク９の上部に設置され、第１の熱交換器１は熱交換タンク９の上部の円弧に沿って湾曲した形状に形成されている。このため、第１の熱交換器１は熱交換タンク９内に温度分布が形成される場合に、上部の高温部分に位置する構成となっている。

熱交換タンク９には配管１０が接続され、配管１０の開放端部にはエアフィルタ１１が設置されている。配管１０の中間部には、このタンク９内に圧縮空気を送り込むためのエア圧縮機１２が設置されている。これにより、熱交換タンク９内にはエアフィルタ１１で濾過された空気がエア圧縮機１２で圧縮され、高温高圧の空気が熱交換タンク９内に供給される構成となっている。エアフィルタ１１は濾過性能の高いもの等、適宜のフィルタを使用することができる。

熱交換タンク９内には第３の熱交換器１３が設置され、熱交換タンク９の外部に設置された冷却ラジエータ１４と配管１５により接続されている。第３の熱交換器１３と冷却ラジエータ１４とを接続する配管内には冷媒が注入され、循環する構成となっている。配管１５に冷媒を循環させるポンプを設置するように構成してもよい。また、配管１５には冷媒の循環を防止するための開閉弁１６が接続されている。熱交換器１３、冷却ラジエータ１４、配管１５により冷却手段として予備冷却装置が構成される。

熱交換タンク９は配管１７によりエアタンク１８と接続されている。エアタンク１８も表面に断熱被覆が施され、内部の空気の熱放出が防止されている。配管１７には熱交換タンク９とエアタンク１８との空気の流通を防止するための開閉弁１９が接続されており、開閉弁１９を開けることで熱交換タンク９の圧縮冷気をエアタンク１８内に供給できる構成となっている。後述する住宅等の建物内の各部屋への冷気の放出を実施しない場合は、開閉弁１９を閉じておく。

エアタンク１８からは複数の配管２０，２０…が接続され、それぞれの配管には開閉弁２１，２１…が接続され、配管の端部には膨張弁２２，２２…が接続されている。開閉弁２１を開けることで、エアタンク１８内の圧縮空気を部屋内に放出できる構成となっている。そして、各膨張弁には、脱臭機能を有する脱臭器２３、芳香機能を有する芳香器２４、加湿機能を有する加湿器２５等が接続されている。なお、膨張弁２２には、前記の機能を有する機器の他に、イオン放出機能を有する機器、酸素放出機能を有する機器等を接続することもできる。膨張弁２２は住宅等の各居室、寝室等の部屋ごとに設置されており、これらの部屋にエアタンク内の圧縮空気を部屋ごとに放出することができる構成となっている。

前記の如く構成された本実施形態のヒートポンプ式給湯装置の動作について以下に説明する。ヒートポンプ装置Ａを起動させると、冷媒は圧縮機２で圧縮され、配管５を通して第２の熱交換器３、膨張弁４、第１の熱交換器１を循環して圧縮機２に戻る。この際、第１の熱交換器１で熱交換タンク９内の空気から吸熱し、第２の熱交換器３で放熱して貯湯タンク６内の水を加熱し、膨張弁４で膨張して第１の熱交換器１に戻る。

本実施形態のヒートポンプ給湯装置では、エア圧縮機１２を起動してエアフィルタ１１から吸入した空気を圧縮して高温高圧として熱交換タンク９内に貯留しているため、ヒートポンプ装置Ａの第１の熱交換器１での吸熱が効率良く行われる。すなわち、圧縮され高温になった熱交換タンク９内の空気からヒートポンプで熱を奪うことで高効率給湯になるだけでなく、高圧で低温になった空気が熱交換タンク９内に得られる。また、熱交換器のフィン間に塵埃等が詰まることがなく効率良い熱交換が可能となる。この場合、エア圧縮機１２のコンプレッサー能力は０．８〜１．４ＭＰａが好ましく、熱交換タンク９内の圧力は図示していない減圧弁等を用いて、０．６ＭＰａ程度になるように設定することが好ましい。

熱交換タンク９内の空気は前記のように高圧で低温であり、この高圧低温の空気は配管１７、開閉弁１９を通してエアタンク１８に供給される。そして、エアタンク１８内の空気は必要に応じて配管２０、開閉弁２１を通して膨張弁２２から放出され、部屋内に冷気が供給されて室温を下げることができ、クーラー効果が得られる。また、膨張弁２２を、部屋の高所に設置し、放出される冷気を上方から下降させることで冷房効果を高めることができる。建物内に放出される冷気は、エアフィルタ１１を通して供給されるため、塵埃等が部屋内に放出されることはない。

このように、給湯の際に形成される高圧の冷気をエアタンク１８内に貯留し、配管されたダクト（配管２０）を通じて膨張弁２２の冷気排出口から建物内の各部屋に吹き出すようになっており、冷房として利用しているので、全体としてエネルギー利用効率を高め、省エネルギー化を図ることができる。

この際、膨張弁２２に付設した脱臭器２３、芳香器２４、加湿器２５等を作動させて、部屋内に供給することができ、居住空間を快適にすることができる。また、膨張弁２２は部屋ごとに設置されているため、人のいない部屋に冷気を供給することや、脱臭機能等の各種機能を作動させる必要はなく、省エネルギーを達成することができる。さらに、この高圧低温の空気を用いることで冷蔵庫や冷蔵室を低温に保つことができる。また、エアタンク１８内の高圧低温の空気を水中に放出することで、冷水を得ることができる。

熱交換タンク９内の高圧低温の空気を冷房等で使用する必要のない場合は、エアタンク１８への配管２０の開閉弁１９を閉じておく。開閉弁１９を閉じた状態でヒートポンプ装置Ａを作動し続けると、熱交換タンク９内に貯留された空気はさらに低温となるため、第３の熱交換器１３で吸熱し、配管１５を通して冷却ラジエータ１４から放熱する。冷却ラジエータ１４からの放熱は、熱交換タンク９内の気温を測定し、測定値が所定値になったときに作動させるように制御することもできる。また、冬季などで冷気が不要のときは、近所に悪影響を与えないように煙突で上空に冷気を排気するか、地中や河川などに放出してもよい。

さらに、エアタンク１８内の高圧低温の空気を動力として利用することもできる。例えば、高圧空気を配管で供給し、ピストンやタービンを利用した動力装置として利用もできる。すなわち、ダムウエーダー、エレベーター、自動ドアなどや、ファン、洗濯機、集中掃除機などに利用することができる。

このように、本実施形態のヒートポンプ式給湯装置は大気温から熱を湯に移すことで、給湯と冷気を得る冷気製造型ヒートポンプ式給湯装置とすることができる。したがって、温暖な（例えば、熱帯などの）地域では、常に冷房しながら湯を高効率に得ることができる。しかし、四季がある地域や寒冷地など冷気が不要な場合は、冷蔵庫や冷水などで利用することができ、残った冷気は排出すればよい。

従来の室外機式ヒートポンプでは、室外機廻りに冷気が充満してヒートポンプ効率低下や周辺への寒冷問題があったが、本発明では冷気を上空（煙突）や裏など影響の少ない場所に排気したり、地中や河川に流すことで解決できる。また、温水が一杯になった場合でも冷気が作れるように、熱交換タンク９に別途冷却手段として予備冷却用ラジエータ１４を備えているため、冷気や高圧空気が途絶えることがない。

つぎに、本発明の他の実施形態を図２に基づいて説明する。図２に示される実施形態は、前記の実施形態とヒートポンプ装置Ａからエアタンク部分までは同一であり、エアタンクから冷気を建物内の各部屋に供給して噴射する構成が異なっている。なお、前記の実施形態と実質的に同等の構成については、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

図２において、エアタンク１８Ａには配管２６が接続され、この配管の端部にヘッダー２７が接続されている。ヘッダー２７から複数の配管２０，２０…が接続され、開閉弁２１，２１…を介して膨張弁２２，２２…が接続されている。この実施形態では、各部屋に冷気を噴射するとき、ヘッダー２７を介して供給するため、配管の接続が容易に行える特長がある。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、貯湯タンク、熱交換タンク、エアタンクは断熱被覆したものを用いたが、これらのタンクを接続する配管も断熱被覆すると、結露等を防止できて好ましい。

また、ヒートポンプ式給湯装置は、各種の弁等を制御する制御装置を備えることが好ましい。給湯装置を起動するとき、熱交換タンク９とエアタンク１８とを接続する配管１７の開閉弁１９を閉じるように制御すると、エア圧縮機１２により熱交換タンク９内の気温を素早く高温にすることができ、貯湯タンク６内の湯音を迅速に上昇させることができる。給湯が定常化したときは、開閉弁１９を開けておくことで、熱交換タンク９内の高圧冷気はエアタンク１８内に自然に流動する。熱交換タンク９内の圧力をエアタンク１８内の圧力より高圧にしたほうが効率が高い場合は、開閉弁を減圧弁にすると好適である。

脱臭器、芳香器、イオン放出器、加湿器、酸素放出器等の機器は、膨張弁に備える例を示したが、これらの機器をエアタンクと膨張弁とを接続する配管に取付けて、配管中に機能性物質や機能性気体、湿気等を放出し、膨張弁から噴出させる際に、その機能を行わせるように構成してもよい。また、１つの膨張弁２２に脱臭器２３と加湿器２５とを組み合わせて機能させるようにする等、１つの膨張弁に、少なくとも１つの機能を備えるように構成し、居室等に噴出させてもよい。

本発明の活用例として、ヒートポンプ式給湯装置を用いて給湯と冷気の製造ができ、冷気を利用することができると共に、補助の冷却手段を取り付けることによって、給湯を連続して高効率で製造することができる。

１：第１の熱交換器、２：圧縮機、３：第２の熱交換器、４：膨張弁、５：配管、６：貯湯タンク、９：熱交換タンク（断熱された容器）、１１：エアフィルタ、１２：エア圧縮機、１３：第３の熱交換器（冷却手段）、１４：冷却ラジエータ（冷却手段）、１５：配管、１７：配管、１８，１８Ａ：エアタンク、１９：開閉弁、２０：配管、２１：開閉弁、２２：膨張弁、２３：脱臭器、２４：芳香器、２５：加湿器、Ａ：ヒートポンプ装置

Claims (6)

1. 第１の熱交換器と圧縮機と第２の熱交換器と膨張弁とを配管で接続し、該配管中に冷媒を循環させ、前記第２の熱交換器を貯湯タンク内に設置して該貯湯タンク内の水を加熱して温水を製造するヒートポンプ装置を用いたヒートポンプ式給湯装置であって、
   前記第１の熱交換器は密閉された容器内に設置され、該容器に高圧空気を供給するエア圧縮機を備えることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
2. 前記エア圧縮機は、エアフィルタを通して大気を吸入することを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯装置。
3. 前記容器は断熱被覆で覆われており、その内部気体を放熱するための冷却手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のヒートポンプ式給湯装置。
4. 前記容器は、エアタンクに配管接続され、該エアタンクには前記容器内の圧縮された空気が供給され、前記エアタンクは圧縮された内部空気を噴出する膨張弁を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯装置。
5. 前記容器と前記エアタンクとを接続する配管に開閉弁を設置したことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ式給湯装置。
6. 前記膨張弁は、脱臭機能、芳香機能、イオン放出機能、加湿機能、酸素放出機能のうちの少なくとも１つの機能を備えることを特徴とする請求項４又は５に記載のヒートポンプ式給湯装置。

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