JP4626239B2 - ヒートポンプ蓄熱装置 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ加熱手段を用いたヒートポンプ蓄熱装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ蓄熱装置は受熱流体を貯めるための容積の大きな蓄熱槽を有している（例えば、特許文献１参照）。

図９は、特許文献１に記載された従来のヒートポンプ蓄熱装置の例を示すものである。図９に示すように、圧縮機１、放熱部２、膨張弁３、蒸発器４を有する冷媒回路と、貯湯槽１４、循環ポンプ６、放熱部２との間で熱交換を行う受熱部７を接続した給湯回路と、混合手段８等とから構成されている。
特開平１−２２５８３８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ヒートポンプ加熱手段により加熱した冷媒と熱交換させて加熱した受熱流体を循環ポンプ６により循環させて、貯湯槽１４にあらかじめ必要な容量だけ蓄熱しておかなければならなかった。従って水を代表とする蓄熱量の比較的小さな受熱流体においては、大容量の蓄熱槽である貯湯槽１４と、循環ポンプ６とが必要であり、設置スペースや設置部の耐荷重等、設置や施工の面において課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、設置性が良くコンパクトなヒートポンプ蓄熱装置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、本発明のヒートポンプ蓄熱装置は、圧縮機、放熱部、減圧部、蒸発器を順次接続し、冷媒が流れる冷媒回路と、受熱部を有し、受熱流体が流れる流体回路とを備え、前記放熱部と前記受熱部とは、それぞれ蓄熱温度の異なる蓄熱剤を配設し、前記放熱部中の冷媒の流れ方向に複数に分割した蓄熱部を介して熱伝達機構を形成し、前記流体回路は、前記受熱部を通過後使用される流体流路と、前記受熱部の流路途中から分岐され使用される流体流路の複数の流体流路から構成されることを特徴とするもので、蓄熱部に蓄熱量の大きな蓄熱剤を設置することで、蓄熱容量の小さな受熱流体（例えば水）に全て蓄熱する必要がなくなるため、貯湯槽をコンパクトにすることができ、循環ポンプを省略することができる。このため、設置性が良くコンパクトなヒートポンプ蓄熱装置を提供できるものである。

また、蓄熱部に配設された蓄熱材は伝達された熱量が大きいと、固体から液体、液体から気体へと変化し、その蓄熱量が低減するが、複数に分割されたそれぞれの蓄熱部にて蓄熱されることで、効率よく蓄熱することができる。また、冷媒回路の流れ方向に上流側から積層された蓄熱部に蓄熱することとなり、効率よく蓄熱することができる。また、加熱された受熱流体を、複数の場所でそれぞれの目的に応じて利用することができる。また、蓄熱剤から複数の温度を取り出し、受熱流体を加熱することができるため、目的に応じて適正な温度で効率よく利用することができる。

本発明によれば、設置性が良くコンパクトなヒートポンプ蓄熱装置を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、放熱部、減圧部、蒸発器を順次接続し、冷媒が流れる冷媒回路と、受熱部を有し、受熱流体が流れる流体回路とを備え、前記放熱部と前記受熱部とは、それぞれ蓄熱温度の異なる蓄熱剤を配設し、前記放熱部中の冷媒の流れ方向に複数に分割した蓄熱部を介して熱伝達機構を形成し、前記流体回路は、前記受熱部を通過後使用される流体流路と、前記受熱部の流路途中から分岐され使用される流体流路の複数の流体流路
から構成されることを特徴とするもので、蓄熱部に蓄熱量の大きな蓄熱剤を設置することで、蓄熱容量の小さな受熱流体（例えば水）に全て蓄熱する必要がなくなるため、貯湯槽をコンパクトにすることができ循環ポンプを省略することができる。

また、蓄熱部に配設された蓄熱材は伝達された熱量が大きいと、固体から液体、液体から気体へと変化し、その蓄熱量が低減するが、複数に分割されたそれぞれの蓄熱部にて蓄熱されることで、効率よく蓄熱することができる。

また、冷媒回路の流れ方向に上流側から積層された蓄熱部に蓄熱することとなり、効率よく蓄熱することができる。

また、加熱された受熱流体を、複数の場所でそれぞれの目的に応じて利用することができる。

また、蓄熱剤から複数の温度を取り出し、受熱流体を加熱することができるため、目的に応じて適正な温度で効率よく利用することができる。

第２の発明は、分割して配置した蓄熱部間に、断熱部を設けたもので、隣接する蓄熱剤どうしの熱移動がなくなり、各蓄熱部がそれぞれの温度を保って効率的に積層して蓄熱をすることができる。

第３の発明は、放熱部を通過した冷媒と受熱流体とが熱交換する熱交換手段を設けたもので、蓄熱体で冷媒が充分に冷却されなかった場合に、前記熱交換手段により冷媒を充分に冷却することができるので、ヒートポンプ装置の効率を向上させることができる。

第４の発明は、受熱部にて受熱した受熱流体の蓄積部を設けたもので、受熱流体の使用を開始する際に、あらかじめ加熱された受熱流体が蓄積部に貯められているので、使用開始から高温での取り出しが可能となり、目的の温度で使用することができる。

第５の発明は、受熱部のバイパス回路と前記バイパス回路に設けた混合手段とを備え、冷媒回路と蓄熱体と前記混合手段とを収納するケースを設けたもので、装置全体を小型する事ができ、移動・設置性がよくなると同時に、外気とシステムとを遮断することができるので、ヒートポンプ運転や蓄熱体における蓄熱・放熱等、システムの安定化を図ることができる。さらには装置全体が小型化することで各要素が近接して配置されるので、配管長等を短くすることができ、システムの効率をよくすることができる。

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、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（参考例１）
図１は、本発明の参考例１におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図を示すものである。冷媒回路の放熱部２と蓄熱剤（図示せず）を配設した蓄熱部５と受熱流体が流れる受熱部７とから構成され、順次、熱伝達を行う蓄熱体を配置している。

図１に示すヒートポンプ蓄熱装置について、以下その動作、作用を説明する。ただし、従来から広く採用されている公知の手段（ヒートポンプサイクル等）については、詳細な説明を省略する。

まず、圧縮機１によって冷媒回路の冷媒を加熱する。次に、加熱された冷媒は放熱部２において蓄熱部５に配設された蓄熱剤を加熱し、その熱は蓄熱剤に蓄熱される。そして、
蓄熱剤に蓄熱された熱は、受熱部７により受熱流体へ放熱され、前記受熱流体はその熱を受熱するとともに、混合手段８により、低温の受熱流体を混合することで、必要な温度に調節され、利用される。放熱部２にて放熱した冷媒は、通常のヒートポンプサイクルと同様に減圧器である膨張弁３、蒸発器４を経てまた圧縮機１へと送られる。

ここで受熱流体とは、水やその他熱輸送のためのブライン等のことであり、加熱されることで給湯や暖房、乾燥等に利用することができる。受熱流体が水の場合、水道から通常通り直圧から減圧されてシステムに送られてくるため、循環ポンプを必要としない。

以上のように、本参考例においては、冷媒の熱を、蓄熱剤を配設した蓄熱部５に蓄熱し、そしてその熱を受熱流体に放熱して利用することにより、あらかじめ水等の蓄熱容量の小さな受熱流体に蓄熱する必要がなくなるため従来のような大きな缶体が不必要である。

本参考例では受熱流体用の貯湯槽を使用しない例を説明しているが、通常その受熱流体のみで蓄熱する場合より、コンパクトな貯湯槽を接続する場合も、本発明の趣旨に含まれるものとする。但し、その場合においては、缶体から蓄熱体へ受熱流体を送るための循環ポンプを設置する必要があるが、従来のような大きな缶体は不必要となる。また、蓄熱剤５においては、大型カプセル・マイクロカプセル・プレート等、その形態について本参考例にて限定されないものとする。（以下の参考例や実施の形態も同様とする）
（参考例２）
図２は、本発明の参考例２におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図である。蓄熱部５を、冷媒回路の流れ方向に分割手段９により複数に分割する構成としている。なお、上記参考例と同一部品については同一符号を付し、その説明は省略する。

分割手段９により分割配置された蓄熱剤を配設した蓄熱部５は、隣接する蓄熱部５どうしでの熱のやり取りが減少する。これにより冷媒回路においての冷媒の流れ方向上流側から順番に積層する形で蓄熱されていく。また、分割手段９に断熱材を使用することで、隣接する蓄熱剤どうしでの熱のやり取りがより減少するため、積層しながら必要な熱量を効率よく蓄熱することができる。

（参考例３）
図３は、本発明の参考例３におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図である。冷媒回路の放熱部２の下流側において、冷媒と受熱流体とを直接熱交換する熱交換器１０を設けた構成としている。なお、上記参考例と同一部品については同一符号を付し、その説明は省略する。

放熱部２で熱を放出した冷媒は、熱交換器１０によりさらに冷却され、膨張弁３へと向かう。例えば二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプ装置では、圧縮機１に入る冷媒の温度が高い場合に圧縮機からの吐出圧力が上昇し、さらには効率が悪化する等の可能性があるため、熱交換器１０によりこれを予防することができる。

また、放熱部２にて充分に放熱できなかった場合に、受熱流体へ直接熱交換することでシステム全体としての効率を良くすることができる。

（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図である。受熱部７に、複数の受熱流体が流れる流体流路１１（１１ａ〜１１ｃ）を設けた構成としてある。流体流路１１ｂ、１１ｃは、受熱部７の流路途中から分岐して形成してある。但し、ここで流体流路には、各流路用の混合手段８も含むものとする。（受熱流体の使用目的によっては混合手段８が必要ない場合もある。）なお、上記参考例と同一部品については同一
符号を付し、その説明は省略する。

例えば、流体流路１（１１ａ）を給湯用として使用し、流体流路２（１１ｂ）を暖房用として使用、さらに流体流路３（１１ｃ）を浴室乾燥用として使用する等、複数の目的に対して使用することができる。また、各目的に合わせてそれぞれ異なる受熱流体を使用することができ、そして各流体流路における受熱部７の距離や位置等を変える、つまり、受熱部７内の受熱流体の流路より分岐させ、また分岐位置を異ならせることにより、目的に合わせた温度で熱を取り出すことができるので、効率よく熱を利用することができる。

さらに、参考例２で説明したように蓄熱部５を分割配置し、そこに蓄熱温度の異なる蓄熱剤を配設することで、より効率的に目的の温度で熱を取り出すことができる。

ここで流体流路の数や使用目的、それに対する受熱流体の種類や数、また蓄熱体へ入口や出口の位置等は本発明において限定しない。

（参考例４）
図５は、本発明の参考例４におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図である。複数列からなる蓄熱部５の間に、放熱部２と受熱部７を交互に配設して蓄熱体を形成した構成としている。なお、上記参考例や実施の形態と同一部品については同一符号を付し、その説明は省略する。

これにより、蓄熱部５・受熱部７ともに両側から熱の出し入れをすることで、効率よく熱交換をすることができる。また、蓄熱部５に蓄熱温度の異なる蓄熱剤を封入することで、熱の取り出し温度を変化させ、目的に合わせた温度で熱を取り出すこともできる。

ここで、放熱部２・蓄熱部５・受熱部７の列数や冷媒・冷却回路の出入り口の位置等は本発明において限定しない。

（参考例５）
図６は、本発明の参考例５におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図である。受熱部７と混合手段８との間に、受熱部７にて加熱された受熱流体の蓄積部である液だめ１２を設けた構成としている。なお、上記参考例や実施の形態と同一部品については同一符号を付し、その説明は省略する。

受熱流体が流れていないとき、液だめ１２には、前回のヒートポンプ運転時に受熱部７にて加熱された受熱流体が貯められている。よって、受熱流体の使用を開始する際に、予め加熱され、液だめ１２に貯められていた受熱流体を最初に使用するので、使用開始から高温での取り出しが可能となり、目的の温度で受熱流体を使用することができる。

また、図７に示すように、受熱部７に液だめ１２を一体化して形成することもできる。これにより、液だめ１２に貯められていた受熱流体の温度が低下したときにも、再加熱することができる。

（参考例６）
図８は、本発明の参考例６におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図である。冷媒回路と、蓄熱体と、混合手段８とを収納するケース１３を設けた構成としている。なお、上記参考例や実施の形態と同一部品については同一符号を付し、その説明は省略する。

これにより、移動・設置性がよくなると同時に、ヒートポンプ運転や蓄熱体における蓄熱・放熱等、外気とシステムとを遮断することができるので、ヒートポンプシステムだけ
でなく蓄熱システムの安定化も図ることができる。さらには装置全体が小型化することで各要素が近接して配置されるので、配管長等を短くすることができ、システムの効率をよくすることができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ蓄熱装置は、作り出した熱をコンパクトな状態で蓄熱することが可能となるので、電気温水器や電気蓄熱を利用した暖房・乾燥システム、さらに太陽熱や灯油ボイラーを熱源とする蓄熱システムの用途にも適用できる。

本発明の参考例１におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図 本発明の参考例２におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図 本発明の参考例３におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図 本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図 本発明の参考例４におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図 本発明の参考例５におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図 同他のヒートポンプ蓄熱装置の構成図 本発明の参考例６におけるヒートポンプ蓄熱装置の構成図 従来のヒートポンプ蓄熱装置の構成図

１ 圧縮機
２ 放熱部
３ 膨張弁（減圧器）
４ 蒸発器
５ 蓄熱部
７ 受熱部
８ 混合手段
９ 分割手段
１０ 熱交換器
１１ 流体流路
１２ 液だめ（蓄積部）
１３ ケース

Claims (5)

1. 圧縮機、放熱部、減圧部、蒸発器を順次接続し、冷媒が流れる冷媒回路と、受熱部を有し、受熱流体が流れる流体回路とを備え、前記放熱部と前記受熱部とは、それぞれ蓄熱温度の異なる蓄熱剤を配設し、前記放熱部中の冷媒の流れ方向に複数に分割した蓄熱部を介して熱伝達機構を形成し、前記流体回路は、前記受熱部を通過後使用される流体流路と、前記受熱部の流路途中から分岐され使用される流体流路の複数の流体流路から構成されることを特徴とするヒートポンプ蓄熱装置。
2. 分割して配置した蓄熱部間に、断熱部を設けた請求項１に記載のヒートポンプ蓄熱装置。
3. 放熱部を通過した冷媒と受熱流体とが熱交換する熱交換手段を設けた請求項１または２に記載のヒートポンプ蓄熱装置。
4. 受熱部にて受熱した受熱流体の蓄積部を設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ蓄熱装置。
5. 受熱部のバイパス回路と前記バイパス回路に設けた混合手段とを備え、冷媒回路と蓄熱体と前記混合手段とを収納するケースを設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ蓄熱装置。

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