JP4882478B2 - 蓄熱式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、蓄熱剤を搭載した蓄熱式給湯機に関するものである。

現在、給湯機としてはガスや電気ヒーターを用いて水を加熱する方式のものが大勢的であるが、中でもエネルギー利用の平準化及び低コストであるという利点から深夜電力を利用したヒートポンプにて湯を沸き上げ、その湯を貯湯タンクに貯留し昼間に使用するという貯湯式給湯機が徐々に一般世帯に普及していっている。ただし、一般家庭の１日に使用するだけの湯をまかなおうとするとその容積が非常に大きくなり、設置スペースに余裕のある家庭でないと使用できないという問題がある。

このため、小容量の蓄熱装置を搭載しリアルタイムに湯を沸き上げながら不足分を蓄熱装置によって補う一体型給湯機が提案されているが、水の顕熱を利用して蓄熱しているため蓄熱量が小さく、湯切れを防ぐためには蓄熱装置の容積が大きくなってしまうという問題があり、潜熱蓄熱剤を利用して蓄熱装置のスペースを小さくしようとする試みがなされている。

図２に従来の蓄熱式給湯機の構成図を示す。ヒートポンプを利用した蓄熱式給湯機の場合、圧縮機１で高温・高圧に加熱された冷媒は流体加熱用熱交換器２で循環ポンプ２１にて蓄熱装置１２から送られてきた被加熱流体２０と熱交換される。この結果、被加熱流体２０は加熱され、同時に冷媒温度は低下する。温度の下がった冷媒は減圧手段４を通じることにより低温・低圧の液冷媒に変化し、冷媒対空気熱交換器５へ送られる。前記冷媒対空気熱交換器５では送風ファン７によって強制的に大気から熱を奪うことにより内部の冷媒は蒸発し、気化する。気化した冷媒は再び圧縮機１に吸い込まれ、高温・高圧に加熱され、同様のサイクルを繰り返す。

ここで、加熱された被加熱流体２０は再び蓄熱装置１２に戻され、蓄熱装置１２内に設置されている潜熱蓄熱剤９を加熱するために伝熱壁１１を通じて熱交換を行うことにより、潜熱蓄熱剤９は加熱され、同時に被加熱流体２０温度は低下する。温度の低下した被加熱流体２０は再び流体加熱用熱交換器２に送られ、加熱された冷媒と熱交換を行うことにより高温状態となり、同様のサイクルを繰り返す。

この運転を繰り返していくにつれ、蓄熱装置１２内の潜熱蓄熱剤９は固体から液体へと相変化を行い、蓄熱される。この熱はコントローラー（図示せず）にて設定された温度で出湯するために水道等から送られてきた水と伝熱壁１１を通じて熱交換を行うことにより加熱され、混合弁１９で水道水と混ぜられ、所定の温度で各部の蛇口へ送られ、利用される。

この潜熱蓄熱剤９に蓄熱を行うためには融点よりも高い被加熱流体２０と熱交換を行うことによって蓄熱を行うが、蓄熱が進むにつれ熱交換を行った後の被加熱流体２０の温度が上昇し、潜熱蓄熱剤９の融点付近で被加熱流体２０の温度変化が小さくなるという現象を示す。このため、潜熱蓄熱剤９に充分蓄熱を行おうとすると被加熱流体２０の温度が比較的高い領域で運転を行う時間が長くなる。

流体加熱用熱交換器２内では冷媒と被加熱流体２０は対向流にて熱交換が行われており、被加熱流体２０温度が上昇すると減圧手段４入口に流入する冷媒温度が上昇するため、圧縮機１の吐出圧力が上昇し、圧縮機１の消費電力が増加するため、ヒートポンプユニッ
ト８の成績係数（以後、ＣＯＰとする）としては悪くなる。この課題を解決するため、液ガス熱交換器やアキュームレータを搭載することで、改善を図ろうとしている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２３２５６９号公報

しかしながら、上記従来の蓄熱装置は、液ガス熱交換器とアキュームレータにより冷媒循環量の調整をしているため、吐出圧力は間接的に調整することになり、本来適正と考えられる吐出圧力に直接調整することは困難である。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ヒートポンプユニットの高ＣＯＰを維持でき、給湯機全体の省エネルギー化を図った蓄熱式給湯機を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の蓄熱式給湯機は、圧縮機、流体加熱用熱交換器または蓄熱剤を介して熱の授受を行う蓄熱装置、減圧手段、冷媒対空気熱交換器を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、前記流体加熱用熱交換器または前記蓄熱装置と、前記減圧手段との間に、放熱用熱交換器を配設し、前記冷媒対空気熱交換器と前記圧縮機との間に、吸熱用熱交換器を配設し、さらに前記減圧手段入口の配管に高圧側冷媒温度検知手段を取り付け、前記圧縮機入口の配管に低圧側冷媒温度検知手段を取り付け、前記放熱用熱交換器と前記吸熱用熱交換器にはそれぞれ高圧側攪拌用ファン及び低圧側攪拌用ファンを設置して、前記高圧側冷媒温度検知手段によ
る冷媒温度が所定温度を上回れば前記高圧側攪拌用ファンを運転し、前記低圧側冷媒温度検知手段による冷媒温度が所定温度を下回れば前記低圧側攪拌用ファンを運転することを特徴とするもので、前記流体加熱用熱交換器または前記蓄熱装置と、前記減圧手段との間に、放熱用熱交換器を配設することによって、被加熱流体の温度が上昇した際の減圧手段入口温度を調整することで吐出圧力上昇を抑え、圧縮機の消費電力増加を抑えることができ、また冷媒を充分蒸発させ、圧縮機入口の冷媒温度を所定の温度まで上昇させることにより、ＣＯＰの低下を抑制した蓄熱式給湯機を提供できる。

本発明によれば、ヒートポンプユニットの高ＣＯＰを維持でき、給湯機全体の省エネルギー化を図った蓄熱式給湯機を提供できる。

第１の発明は、圧縮機、流体加熱用熱交換器または蓄熱剤を介して熱の授受を行う蓄熱装置、減圧手段、冷媒対空気熱交換器を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、前記流体加熱用熱交換器または前記蓄熱装置と、前記減圧手段との間に、放熱用熱交換器を配設し、前記冷媒対空気熱交換器と前記圧縮機との間に、吸熱用熱交換器を配設し、さらに前記減圧手段入口の配管に高圧側冷媒温度検知手段を取り付け、前記圧縮機入口の配管に低圧側冷媒温度検知手段を取り付け、前記放熱用熱交換器と前記吸熱用熱交換器にはそれぞれ高圧側攪拌用ファン及び低圧側攪拌用ファンを設置して、前記高圧側冷媒温度検知手段による冷媒温度が所定温度を上回れば前記高圧側攪拌用ファンを運転し、前記低圧側冷媒温度検知手段による冷媒温度が所定温度を下回れば前記低圧側攪拌用ファンを運転することを特徴とするもので、減圧手段入口の冷媒温度を一定に保つことができ、被加熱流体の温度が上昇した際の吐出圧力上昇を抑え、ヒートポンプユニットの高ＣＯＰを維持でき、また冷媒を充分蒸発させ、圧縮機入口の冷媒温度を所定の温度まで上昇させることによりＣＯＰの低下を抑制でき、給湯機全体の省エネルギー化を図った蓄熱式給湯機を提供できる。

第２の発明は、特に、第１の発明のヒートポンプユニットの冷媒に二酸化炭素を使用することにより、高温高効率の加熱運転と地球環境保全を実現することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の蓄熱剤として、主成分が酢酸ナトリウム三水塩である蓄熱剤を使用することにより、高効率な蓄熱運転及び放熱運転を実現することができる。

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、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における蓄熱式給湯機の構成図である。

本発明の蓄熱式給湯機に用いる冷媒としては、従来広く用いられているＲ２２等のフロン系冷媒でも良いが、オゾン層保全及び地球温暖化防止等の環境保護的側面から近年盛んに研究されている自然冷媒である二酸化炭素冷媒の方が、より大きな効果を得ることが可能である。以下では、冷媒として二酸化炭素を用いるが、その他の冷媒であってもよいものである。

蓄熱式給湯機は、大きく圧縮機１、流体加熱用熱交換器２、放熱用熱交換器３、減圧手段４、冷媒対空気熱交換器５、吸熱用熱交換器６、送風ファン７からなるヒートポンプユニット８と、潜熱蓄熱剤９を充填した蓄熱容器１０と伝熱壁１１からなる蓄熱装置１２によって構成されている。放熱用熱交換器３と吸熱用熱交換器６にはそれぞれ高圧側攪拌用ファン１３及び低圧側攪拌用ファン１４を設置している。

高圧側冷媒温度検知手段１５は減圧手段４入口の配管に取り付けられており、低圧側冷媒温度検知手段１６は圧縮機１入口の配管に取り付けられている。

水温検知手段１７は蓄熱装置１２の水側入口に設置されており、水道から直接供給される入水温度を検出する。湯温検知手段１８は蓄熱装置１２の水側出口に設置されており、潜熱蓄熱剤９と熱交換することにより加熱された湯と水道水が混合された出湯温度を検出する。制御手段（図示せず）は室内に設置されているコントローラー（図示せず）で設定された温度と前記湯温検知手段１８で検知している温度が等しくなるように混合弁１９での水と湯との混合割合を制御する。

上記の蓄熱式給湯機では、前記圧縮機１より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒は、流体加熱用熱交換器２に流入し、ここで被加熱流体２０と対向流にて熱交換を行うことで被加熱流体２０を加熱する。

二酸化炭素冷媒は凝縮域がなく超臨界域で熱交換されるため、冷媒温度は前記流体加熱用熱交換器２内で緩やかに低下し、前記放熱用熱交換器３を通じて前記減圧手段４で減圧され、前記冷媒対空気熱交換器５に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記吸熱用熱交換器６を通じて前記圧縮機１へ戻る。

加熱された被加熱流体２０は循環ポンプ２１により蓄熱装置１２に送られ、伝熱壁１１を通じて潜熱蓄熱剤９と熱交換を行うことにより、潜熱蓄熱剤９を加熱する。

熱交換によって温度の低下した被加熱流体２０は再び流体加熱用熱交換器２に送られる。この動作を繰り返すことにより、常温では固体である潜熱蓄熱剤９は固体から液体へと相変化を行うことにより蓄熱される。蓄熱された熱は必要に応じて水道から供給される水と熱交換することで潜熱蓄熱剤９から顕熱または潜熱を奪い湯を生成し、また水道水と混合することにより適温へ調整され利用部へ供給される。

上記の運転を繰り返し、潜熱蓄熱剤９の温度が上昇すると、蓄熱装置１２出口の被加熱
流体２０の温度が上昇するため、流体加熱用熱交換器２入口に入る被加熱流体２０の温度も上昇することになる。

流体加熱用熱交換器２内では冷媒温度が被加熱流体２０よりも常に高く推移するため、流体加熱用熱交換器２出口の冷媒温度は必然的に上昇するが、高圧側冷媒温度検知手段１５によって減圧手段４入口の冷媒温度が所定の温度を上回る温度を検知した場合、高圧側攪拌用ファン１３を駆動させ放熱用熱交換器３にて放熱を行うことにより冷媒温度を低下させ、減圧手段４入口の冷媒温度を所定の温度まで低下させる。

この作用により、圧縮機１の吐出圧力上昇を抑えることが可能となり、圧縮機１の消費電力上昇を抑えることができるため、ＣＯＰの低下を抑制することができる。

所定の温度まで低下した冷媒は減圧手段４入口にて一定の圧力まで低下し液化される。液化した冷媒は冷媒対空気熱交換器５にて蒸発を行うことにより相変化を行い気化する。ここで、外気温条件等により冷媒が充分気化されないことがある。

通常、液状態の冷媒を圧縮機１に吸入し、圧縮しようとすると大きな負荷が圧縮機１にかかり消費電力が増加し、最悪の場合圧縮機１の破損につながるが、低圧側冷媒温度検知手段１６によって圧縮機１入口の冷媒温度が所定の温度を下回る温度を検知した場合、低圧側攪拌用ファン１４を駆動させ、吸熱用熱交換器６にて吸熱を行うことにより、冷媒を充分蒸発させ、圧縮機１入口の冷媒温度を所定の温度まで上昇させることにより、この問題を回避することができ、ＣＯＰの低下を抑制することができる。

なお、本実施の形態ではヒートポンプユニット８に放熱用熱交換器３と吸熱用熱交換器６の両方を配置しているが、所定の目的が達成できるのであれば、どちらか一方のみ配置しても何ら問題はない。

なお、本実施の形態では放熱用熱交換器３と吸熱用熱交換器６を分離して配置しているが、所定の目的が達成されるのであれば、一体成型を行い攪拌用ファンを共用化しても何ら問題は無い。

なお、本実施の形態に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

また、本実施の形態では、圧縮機１、流体加熱用熱交換器２、減圧手段４、冷媒対空気熱交換器５を順次接続して構成されたヒートポンプユニット８を備え、前記流体加熱用熱交換器２に蓄熱剤を介して熱の授受を行う蓄熱装置１２を接続して構成した蓄熱式給湯機について説明しているが、前記流体加熱用熱交換器２の代わりに前記蓄熱装置１２を、前記圧縮機１と前記減圧手段４の間に接続して、前記蓄熱装置１２に、前記圧縮機１より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒と、前記過熱ガス冷媒を被加熱流体２０と対向流にて熱交換を行うことで被加熱流体２０を加熱する構成としても、上記記載の効果を有するものである。

以上のように、本発明にかかる蓄熱式給湯機は、負荷変動によるＣＯＰ悪化要因を調整することにより冷却システムの運転状態を適正に保つことが可能となるため、冷蔵庫、エアコン等の冷却システムを有する他の媒体にも適用できる。

本発明の実施の形態１における蓄熱式給湯機の構成図 従来の蓄熱式給湯機の構成図

符号の説明

１ 圧縮機
２ 流体加熱用熱交換器
３ 放熱用熱交換器
４ 減圧手段
５ 冷媒対空気熱交換器
６ 吸熱用熱交換器
８ ヒートポンプユニット
９ 潜熱蓄熱剤
１０ 蓄熱容器
１１ 伝熱壁
１２ 蓄熱装置
１３ 高圧側攪拌用ファン
１４ 低圧側攪拌用ファン

Claims (3)

1. 圧縮機、流体加熱用熱交換器または蓄熱剤を介して熱の授受を行う蓄熱装置、減圧手段、冷媒対空気熱交換器を順次接続して構成されたヒートポンプユニットを備えた蓄熱式給湯機において、前記流体加熱用熱交換器または前記蓄熱装置と、前記減圧手段との間に、放熱用熱交換器を配設し、前記冷媒対空気熱交換器と前記圧縮機との間に、吸熱用熱交換器を配設し、さらに前記減圧手段入口の配管に高圧側冷媒温度検知手段を取り付け、前記圧縮機入口の配管に低圧側冷媒温度検知手段を取り付け、前記放熱用熱交換器と前記吸熱用熱交換器にはそれぞれ高圧側攪拌用ファン及び低圧側攪拌用ファンを設置して、前記高圧側冷媒温度検知手段による冷媒温度が所定温度を上回れば前記高圧側攪拌用ファンを運転し、前記低圧側冷媒温度検知手段による冷媒温度が所定温度を下回れば前記低圧側攪拌用ファンを運転することを特徴とする蓄熱式給湯機。
2. 冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱式給湯機。
3. 蓄熱剤の主成分が酢酸ナトリウム三水塩であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の蓄熱式給湯機。

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