JP5023365B2 - Ｃｏ２給湯用ヒートポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、既設の氷蓄熱槽又はブライン蓄熱槽を設けた冷凍装置等に適用可能であり、氷又はブライン蓄熱槽を設けた冷凍装置の凝縮排熱を熱源として利用してＣＯ_２給湯用ヒートポンプを稼動させ、氷蓄熱槽又はブライン蓄熱槽を設けた冷凍装置の冷凍負荷容量を制御することにより、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの稼働時間および貯湯量を確保して、貯湯槽に蓄熱するＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置に関する。

最近、地球温暖化防止の観点や、原油価格の急騰のため、重油を主としたエネルギ使用量の削減が課題になっている。一方、家畜類の食肉処理場等食品加工を行なう事業所では、衛生（菌繁殖防止）上の理由から、食肉加工品を冷却するために冷水を用いたり、加工処理室内を１８℃に以下に冷却するため、冷熱設備が設けられている。また、食肉処理場では、屠体の洗浄用温水や、湯抜きと呼ばれる屠体の毛抜き処理用温水のための温熱設備が設けられている。

従来、食肉処理場では、これらの用途に使用する冷熱及び温熱を確保するため、図６に示すような氷蓄熱式又はブライン蓄熱式冷凍装置と温水製造機を備えているのが一般的であった。
図６（ａ）において、冷熱設備となる氷蓄熱式冷凍装置０１は、冷凍機０２と、氷蓄熱槽０３と、冷却塔０４とを備え、氷蓄熱槽０３で製造した冷水はポンプ０５で食肉処理室等に送られ、食肉加工用冷水や、食肉処理室の冷房用等の冷熱源として使用される。

冷凍機０２の冷媒の凝縮熱を吸収した冷却水は、冷却塔０４に送られる。冷却塔０４で、冷却水がファン０６で供給される外気と熱交換し、冷却されて、ポンプ０７により冷凍機０２に戻される。冷却塔０４では、冷却水の一部が蒸発し、他の冷却水から蒸発熱を奪うことにより、冷却水を冷却する。

図６（ｂ）において、温熱設備となる温水製造機０１０は、蒸気ボイラ又は給湯ボイラ０１１で蒸気をつくり、該蒸気を温水製造タンク０１２に供給して温水を製造し、この温水は、管路０１３から食肉処理場内の各種給湯箇所に供給される。

図７は、ブライン蓄熱式冷凍装置０１Ａであり、図７において、冷熱設備となるブライン蓄熱式冷凍装置０１Ａは、ブライン冷凍機０２Ａと、ブライン蓄熱槽０３Ａと、ブラインポンプ０６Ａと、冷却塔０４とを備え、ブライン蓄熱槽０３Ａで製造した冷水は、ポンプ０５Ａで食肉処理室等に送られ、食肉加工用冷水や、食肉処理室の冷房用等の冷熱源として使用される。

このように、氷蓄熱式冷凍装置０１又はブライン蓄熱式冷凍装置０１Ａと温水製造機０１０とは別々に稼動し、冷凍機０２又は０２Ａの凝縮排熱は、冷却塔０４でそのまま外部に廃棄されていた。この凝縮排熱を有効利用すると共に、重油使用を削減するために、冷凍機０２又は０２Ａの凝縮排熱（冷却水３２〜３７℃の保有熱）を温熱設備の熱源として利用することが考えられる。

特許文献１（特開２０００−１７９９８５号公報）には、氷蓄熱槽を備えた氷蓄熱式冷凍装置の凝縮排熱を利用し、かつ夜間電力を有効利用して、給湯の加熱を可能にしたヒートポンプシステムが開示されている。
また、特許文献２（特開２００３−１３９４３４号公報）にも、氷蓄熱槽を備えた冷凍機の凝縮排熱を利用して温水を製造するシステムが開示されている。

このように、氷蓄熱式冷凍装置の凝縮排熱を熱源として給湯システムを稼動させることで、該冷凍機の凝縮排熱の有効活用により、システム全体の熱効率を向上させる共に、該冷凍機の冷却水温度の低減により、該冷凍機のＣＯＰを改善できるという利点がある。

特開２０００−１７９９８５号公報 特開２００３−１３９４３４号公報

特許文献１及び２に開示されているように、氷蓄熱槽を備えた氷蓄熱式冷凍装置の凝縮排熱を利用して、温水を製造するシステムは既に知られている。また、一般に、電力が余剰する夜間に氷蓄熱式冷凍装置を稼動させて冷熱を貯蔵することも行なわれている。

氷蓄熱式冷凍装置は、夜間蓄熱割引時間帯に稼動させることが多い。また、給湯用ヒートポンプも通常、該時間帯に稼動させている。しかし、氷蓄熱式冷凍装置の稼動時間と温水製造機の稼動時間は、冷熱負荷および温熱負荷の変動により一致しない。そのため、氷蓄熱式冷凍装置の凝縮排熱を利用して、温水を製造するシステムでは、氷蓄熱式冷凍装置が稼動しない時は、温水製造機を稼動できず、温水を製造できないという問題がある。

また、氷蓄熱式冷凍装置は、季節によって冷熱負荷が大きく異なり稼動時間が変動する。例えば、夏場は蓄熱に１０時間かかっても、氷蓄熱に必要な冷熱負荷が減少する冬季では、稼動時間を３時間程度しか必要としない。

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み、氷蓄熱式冷凍装置の凝縮排熱を給湯用ヒートポンプの熱源として利用する場合に、９０℃前後の高温水の製造を可能とすると共に、氷蓄熱式冷凍装置の稼動時間を調整することにより、季節や寒冷地等に関係なく、年間を通して安定して給湯を供給可能とすることを目的とする。

かかる目的を達成するため、第１の本発明のＣＯ_２給湯用ヒートポンプは、
ＣＯ_２を冷媒とし、氷蓄熱槽を備えた冷凍装置の凝縮排熱を熱源として利用し、温水を製造するＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置において、
製造した温水を貯留する貯湯槽と、冷凍装置の氷蓄熱槽内の氷厚又は水温を検出するセンサと、該センサの検出値に基づいて冷凍装置の冷凍負荷容量を制御する制御装置とを備え、
該制御装置で、該貯湯槽内の温水が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、該冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するように構成したものである。

第１の本発明装置は、９０℃前後の高温水を製造して、食肉処理場で最も給湯用途が多い加熱殺菌（７０〜９０℃程度）に使用される。かかる高温水は、各種用途にも広く利用できる。

さらに、第１の本発明装置は、ＣＯ_２圧縮機、給湯を製造するガスクーラ、流量調整手段、及び氷蓄熱槽を設けた冷凍装置の凝縮排熱を吸収する熱交換器で構成することができ、空気熱源ＣＯ_２給湯用ヒートポンプのような送風機と熱交換器の組合せによる蒸発器およびデフロスト回路等のないコンパクトな構成とすることができる。

氷蓄熱槽を設けた冷凍装置は、夜間の割安な電力料金を使用するために通常、蓄熱運転時間がタイマーでセットされており、タイマー設定時刻になると、蓄熱運転を始め、氷蓄熱槽が満氷になると、氷厚センサ又は水温センサでそれを検出し、運転を停止するオンオフ運転を行なっている。ところが、寒冷期になると冷熱負荷が減少し、氷蓄熱槽の氷の製造が早くなるために、氷蓄熱稼動時間が短くなり、その結果、十分な給湯製造のための稼動時間を確保できなくなり、給湯のための貯湯量が不足するおそれがある。

そのため、第１の本発明装置では、氷蓄熱槽内の氷厚又は水温を検出し、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプで製造される高温水の温度が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するようにしている。
これによって、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの稼動時間を確保し、給湯のための貯湯量を確保することができる。

第１の本発明装置において、該冷凍装置の氷蓄熱槽内の氷厚又は水温を検出するセンサの検出値入力部と、該センサの検出値から氷結速度を演算する演算部と、該ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの貯湯槽の温水の温度が設定温度になるまで氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御する出力部と、からなる制御装置を備えるようにするとよい。

氷厚センサ又は水温センサで氷蓄熱槽内の氷厚又は水温を検出し、制御装置で、該センサの検出値から氷結速度を演算する。そして、制御装置で、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプで生産される温水の貯湯量又は温度を監視し、該温水の貯湯量又は温度が設定範囲になるまで氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、氷蓄熱槽を設けた冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するようにする。
これによって、高温水の貯湯量又は温度が設定範囲となるまで、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの稼動を続行することができる。

第１の本発明装置において、氷厚センサが、氷蓄熱槽内の設定された深さ位置に設けられ、該深さ位置で氷結の有無を検出するセンサであり、制御装置で、該氷厚センサの検出結果と該冷凍装置の稼動時間とから氷蓄熱槽内の氷結速度を演算し、貯湯槽内の温水が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、該氷結速度を制御するようにするとよい。
これによって、簡素かつ低コストな構成で、氷蓄熱槽内の冷水の氷結速度を求めることができる。

また、第１の本発明装置において、制御装置で、水温センサの検出値から氷蓄熱槽内の水温下降勾配を演算すると共に、該水温下降勾配に基づいて冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するようにするとよい。これによって、氷蓄熱槽内の冷水等が氷結する前でも、貯湯槽内の温水が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御することができる。

さらには、氷蓄熱槽に氷厚センサと水温センサの両方を設けるようにすれば、氷蓄熱槽内の冷水等が氷結する前又は氷結する後であっても、簡単かつ低コストで、貯湯槽内の温水が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御することができる。

次に、第２の本発明のＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置は、
ＣＯ_２を冷媒とし、ブライン蓄熱槽を備えた冷凍装置の凝縮排熱を熱源として利用し、温水を製造するＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置において、
製造した温水を貯留する貯湯槽と、冷凍装置のブライン蓄熱槽内のブライン温度を検出するセンサと、該センサの検出値に基づいて冷凍装置の冷凍負荷容量を制御する制御装置とを備え、
該制御装置で、貯湯槽内の温水が設定温度になるまでブライン蓄熱槽が設定温度以下とならないように、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するように構成したもので、ブライン温度を制御するために、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御して、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの稼働時間を優先するようにしたものである。

第１の本発明装置又は第２の本発明装置において、冷凍装置とＣＯ_２給湯用ヒートポンプの熱交換器間に、該冷凍装置の凝縮排熱を吸収した熱媒体を循環する管路を設けると共に、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの上流側で該循環管路から分岐して冷却水の一部を冷却塔に供給する分岐管路と、冷却塔に供給した冷却水をＣＯ_２給湯用ヒートポンプ上流側の循環管路に戻す合流管路とを設けるようにするとよい。

ＣＯ_２給湯用ヒートポンプは、高圧部において超臨界状態になるため、高圧ＣＯ_２液で保有することができないため、低圧部における蒸発温度の変動に対して高圧部における圧力変動が生じて高温水の給湯を十分に得られなくなる。従って、熱交換器に入る熱媒体の温度が年間で大きく変動しないようにする必要がある。

給湯を製造するガスクーラとなる高圧部において、ＣＯ_２冷媒は３２℃以上の超臨界状態になっており、凝縮排熱を吸収した熱媒体とＣＯ_２とが熱交換する熱交換器において、ＣＯ_２冷媒は３１℃以下で蒸発し、過熱ガスとなってＣＯ_２圧縮機に吸入される。
前記構成により、熱媒体を冷却塔で冷却し、例えば３０〜３２℃として熱交換器に供給することにより、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの蒸発部となる低圧部を３１℃以下にすることができる。これによって、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの低圧部の蒸発温度の変動を抑え、もって高圧部の圧力変動を抑えることができる。そのため、高温水を安定して供給することができる。

前記構成に加えて、合流管路と循環管路との合流部に冷却塔から戻る冷却水の流量を制御する流量制御弁を設けると共に、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ入口の冷却水温度を検出する温度センサを設け、制御装置が、該温度センサの検出値入力部と、該温度検出値に基づいて前記流量調整弁又は冷却塔の外気流導入ファンの少なくとも一方を制御する出力部と、からなるように構成するとよい。

前記構成により、熱交換器の入口における熱媒体温度を検出し、制御装置で、熱媒体温度が設定範囲となるように、前記流量調整弁又は外気流導入ファンの少なくとも一方を制御して、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの熱交換器に供給される熱媒体の温度を調整することにより、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの低圧部の蒸発温度の変動を抑え、もって高圧部の圧力変動を抑えることができる。

第１の本発明装置によれば、ＣＯ_２を冷媒とし、氷蓄熱槽を備えた冷凍装置の凝縮排熱を熱源として利用し、温水を製造するＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置において、製造した温水を貯留する貯湯槽と、冷凍装置の氷蓄熱槽内の氷厚又は水温を検出するセンサと、該センサの検出値に基づいて冷凍装置の冷凍負荷容量を制御する制御装置とを備え、該制御装置で、該貯湯槽内の温水が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、該冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するように構成し、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御して、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの稼働時間を優先するようにしたことにより、必要な貯湯量を確保し、もって、重油等のエネルギ使用量を削減でき、システム全体として、熱効率を向上できると共に、用途範囲の広い９０℃前後の高温水を供給可能となる。

第２の本発明装置によれば、ＣＯ_２を冷媒とし、ブライン蓄熱槽を備えた冷凍装置の凝縮排熱を熱源として利用し、温水を製造するＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置において、製造した温水を貯留する貯湯槽と、冷凍装置のブライン蓄熱槽内のブライン温度を検出するセンサと、該センサの検出値に基づいて冷凍装置の冷凍負荷容量を制御する制御装置とを備え、該制御装置で、貯湯槽内の温水が設定温度になるまでブライン蓄熱槽が設定温度以下とならないように、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するように構成したことにより、ブライン蓄熱槽を備えた冷凍装置において、前記第１の本発明装置と同様の作用効果を得ることができる。

また、第１又は第２の本発明装置において、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプに設けられた制御装置からの信号により氷蓄熱槽又はブライン蓄熱槽を設けた冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するようにしているため、容易に既設の氷蓄熱槽又はブライン蓄熱槽を設けた冷凍装置に導入することができるとともに、給湯用ヒートポンプの稼動を安定させ、季節、寒冷地等を問わず、常に安定して高温水を供給可能となる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではない。

（実施形態１）
第１の本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１は食肉処理場に設置され、氷蓄熱槽１２と貯湯槽２２とを備えた本実施形態に係る冷温熱供給システム１の全体構成図である。図１において、冷温熱供給システム１は、氷蓄熱槽１２を備えた氷蓄熱式冷凍装置１０と、貯湯槽２２を備えたＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置２０とが組み合わされたものである。氷蓄熱槽１２を備えた冷凍装置１０は、冷凍機１１と、氷蓄熱槽１２と、冷却塔１３とから構成されている。氷蓄熱槽１２内に貯留された冷水ｃ１の水面下には、冷凍機１１の冷媒が循環する冷媒循環管路１４が配設されている。

冷凍機１１の冷媒が循環管路１４を循環することによって、氷蓄熱槽１２内に貯留された冷水ｃ１が冷却され、氷結していく。冷水ｃ１は、管路１６を介してポンプ１５により、食肉加工用冷水又は食肉処理室の冷房用冷熱源等として供給される。

冷凍機１１の冷媒と熱交換して該冷媒の凝縮熱を吸収した冷却水ｃ２の一部は、ポンプ１８ａが介設された循環管路１７を通って冷却塔１３に供給される。また、残りの冷却水ｃ２は、循環管路１７及び２７を経由して、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１に供給され、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１の熱交換器２１ｂでＣＯ_２冷媒と熱交換して冷却される。

ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１は、ＣＯ_２冷媒を使用するもので、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１と貯湯槽２２間は、再加熱ができるように高温水循環管路２３で接続されている。給水ｈ０は、高温水循環管路２３に供給され、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１のガスクーラ２１ａで加熱され、高温水ｈ１となって、貯湯槽２２に貯留される。貯湯槽２２内に貯留された高温水ｈ１を再加熱する時は、高温水ｈ１をポンプ２４でＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１の熱交換器２１ａに循環させて再加熱している。貯湯槽２２内の高温水ｈ１は、例えば６５〜９０℃の範囲内となるように加熱制御され、管路２５に介設されたポンプ２６により、管路２５から食肉処理場内の各種給湯箇所に供給される。

氷蓄熱槽１２内には、冷水ｃ１の水面下で設定された深さ位置に氷厚センサ３１が設置されている。氷厚センサ３１は、１個でもよいが、理想的には、異なる深さ位置に２個以上設置するとよい。また、氷蓄熱槽１２内には、別途冷水ｃ１の水温を検出する水温センサ３２が設けられている。氷厚センサ３１及び水温センサ３２の検出値は、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１に備えられた制御装置３３に入力される。

制御装置３３は、氷厚センサ３１及び水温センサ３２の検出値を入力する入力部３４と、これらセンサの検出値から氷結速度を演算する演算部３５と、貯湯槽２２の高温水ｈ１の貯湯量及び温度が設定範囲になるまで氷蓄熱槽１２が満氷状態とならないように、冷凍装置１０の冷凍負荷容量を制御する制御信号を冷凍機１１に発する出力部３６と、からなる。
このようにして、本実施形態では、既設の氷蓄熱槽１２を設けた冷凍装置１０に貯湯槽２２及び制御装置３３を備えたＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２０を組み込むようにして、容易に改造することが可能である。

かかる構成の本実施形態において、氷蓄熱槽１２では、冷凍機１１の冷媒が循環管路１４内を循環することによって、徐々に冷却される。そして、冷水ｃ１は循環管路１４の外側表面から氷結され始め、氷結は徐々に循環管路１４の外側表面に円筒状に厚みを増して成長していく。冷却水ｃ１の水温は水温センサ３２で検出させ、その検出値は制御装置３３に入力される。氷蓄熱槽１２の冷水ｃ１の水温は、最終的には、例えば０℃程度となる。

氷蓄熱槽１２では、水温センサ３２の検出値が制御装置３３の入力部３４に入力される。循環管路１４の外側表面に冷水ｃ１の氷結が徐々に成長していき、氷厚センサ３１に達すると、氷厚センサ３１が氷結状態を検出し、その検出情報を入力部３４に入力する。そして、演算部３５で、水温センサ３２から入力された検出値及び氷厚センサ３１から入力された検出情報から氷結速度を演算する。次に、この演算手順を説明する。

まず、氷蓄熱槽１２内の水温下降勾配を演算する。図３は、縦軸に冷水ｃ１の水温をとり、横軸に冷凍装置１０の稼働時間をとった水温−時間線図である。図３において、演算部３５で、水温センサ３２から入力された検出値から水温下降勾配ａ１を算出する。なお、図３中、ラインｉは、氷蓄熱槽１２内の冷却水ｃ１が満氷状態となるラインを示す。

冬季では、冷凍装置１０に要求される冷熱熱量が減少する。そのため、水温下降勾配が急になりがちになる。制御装置３３で演算した水温下降勾配ａ１から推定して、貯湯槽２２内の温水ｈ１の貯湯量及び温度が設定された範囲内に達するまでに、氷蓄熱槽１２が満氷状態になるおそれがある場合には、冷凍機１１の冷凍負荷容量を制御するために、冷凍機１１の容量制御又は回転数制御して、部分負荷運転とする。こうして、水温下降勾配を緩勾配のａ２に変更する。

また、氷蓄熱槽１２内の氷結が成長してきた場合には、氷厚センサ３１により氷結有無を検出し、その検出値を入力部３４に入力する。演算部３５では、冷凍装置１０の稼動開始から氷厚センサ３１による氷結検出までの時間から氷結速度を演算する。図２は、縦軸に氷蓄熱槽１２内の氷厚をとり、横軸に氷蓄熱式冷凍装置１０の稼働時間をとった氷厚−時間線図である。なお、図２中、ラインｉは、氷蓄熱槽１２内の冷水ｃ１が満氷状態となるラインを示す。

図２において、こうして演算した氷結速度ｄ１から推定して、貯湯槽２２内の高温水ｈ１が設定量及び設定温度になる前に、氷蓄熱槽１２内が満氷状態になることが予想される場合には、冷凍機１１の冷凍負荷容量を制御するために、冷凍機１１の容量制御又は回転数制御して、部分負荷運転とする。こうして、氷結速度の勾配を緩勾配のｄ２に変更する。

このような操作により、氷蓄熱槽１２内の氷結が始まる頃までは、水温センサ３２の検出値から氷結速度を演算して求め、その後は、氷厚センサ３１の検出情報から氷結速度を演算して求めるようにし、氷蓄熱式冷凍装置１０を部分負荷運転して、氷結速度を制御するようにしたので、貯湯槽２２内の高温水ｈ１の貯湯量及び温度が設定範囲になるまで、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１の稼動を継続できるようになる。このように、氷蓄熱式冷温熱供給装置１の稼動時間を調整することにより、季節、寒冷地等に関係なく、年間を通して安定した給湯を可能とする。

なお、本実施形態では、氷厚センサ３１及び水温センサ３２の両方を設置したが、最低限氷厚センサ３１のみを設置しても、本発明の実施が可能になる。

また、氷蓄熱槽１２内を満氷状態とする前に、貯湯槽２２内の高温水ｈ１の貯湯量及び温度が設定範囲内となった場合には、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１は停止して、冷却水ｃ２は冷却塔１３で外気により冷却させるようにする。

本実施形態によれば、氷蓄熱槽１２を設けた冷凍装置１０の凝縮熱をＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１の熱源として利用するようにしたので、蒸気用ボイラ又は給湯用ボイラを不要とし、かつ該ボイラの燃料となる重油の消費を削減することができる。
また、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１により、９０℃前後の高温水の供給が可能となり、食肉処理場では、該高温水を屠体の洗浄用温水や、屠体の毛抜き処理用温水、その他の用途に広く利用可能である。

また、前述のように、氷蓄熱槽１２内の水温下降勾配及び氷結速度を調整することにより、季節、寒冷地等に関係なく、年間を通して、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１で設定された範囲の貯湯量及び温度の高温水ｈ１を安定して供給することができる。

また、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１は冷凍機１１の冷凍負荷容量を制御する装置を備えているため、既設の氷蓄熱槽を設けてなる冷凍装置１０をほとんど改造することなく、蒸気用ボイラ又は給湯用ボイラの替わりとなるＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１を容易に組み込むことができる。

（実施形態２）
次に、第１の本発明の第２実施形態を図４に基づいて説明する。図４において、冷凍機１１の冷媒と熱交換して該冷媒の凝縮熱を吸収した冷却水ｃ２が、循環管路４１を介して冷却水ポンプ４２により、冷却塔１３及びＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１の熱交換器２１ｂに循環する。冷却水ｃ２の一部が分岐管路４３を介して冷却塔１３に供給され、冷却塔１３で冷却された冷却水ｃ２が合流管路４４を介して循環管路４１に戻される。合流管路４４が循環管路４１に合流する合流部には、冷却塔１３から循環管路４１に戻る冷却水量を調節可能な自動弁４５が介設されている。

冷凍装置１０の凝縮排熱を吸収した冷却水ｃ２の水温は、例えば３５〜３７℃となり冷却塔１３で冷却されて、例えば３０〜３２℃となって冷凍機１１に還る。一方、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１のＣＯ_２冷媒は３２℃では超臨界状態であるから、冷却水ｃ２と熱交換する熱交換器２１ａには、冷却塔１３で冷却された冷却水ｃ２が混合されて、３０〜３２℃となった冷却水ｃ２が供給される。

熱交換器２１ｂの入口部の循環管路４１には冷却水ｃ２の温度を検出する温度センサ４６が設けられている。該温度センサ４６の検出値は制御装置３３の入力部３４に入力され、該検出値に基づいて、出力部３６で自動弁４５の制御部４５ａを制御すると共に、冷却塔１３に設けられた送風機１３ａの起動発停や回転数制御を行なう。これによって、熱交換器２１ａに供給される冷却水ｃ２の温度を３０〜３２℃に調整することができる。

ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１は、冷凍装置１０の凝縮排熱を吸収した冷却水ｃ２と熱交換器２１ａで熱交換して、ＣＯ_２冷媒で採熱し、温水を製造するガスクーラ２１ａで給水ｈ０を加熱する。加熱された高温水ｈ１は貯湯槽２２に貯留される。貯留された温水ｈ１は、循環管路２３を介してポンプ２４により、給湯用ヒートポンプ２１に供給され、再加熱も行なわれる。貯湯槽２２内の高温水ｈ１の温度は、例えば６５〜９０℃の範囲内となるように設定される。

本実施形態によれば、前記実施形態１により得られる作用効果に加えて、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１の熱交換器２１ａに供給される冷却水ｃ２の温度を調整することにより、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ１の低圧部の蒸発温度の変動を抑え、もって高圧部の圧力変動を抑えることができる。そのため、高温水を安定して供給することができる利点がある。

（実施形態３）
次に、第２の本発明の第１実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、ブライン蓄熱槽１２Ｂと貯湯槽２２を設けた冷温熱供給システム１Ｂの全体構成図である。図５において、ブライ蓄熱式冷凍装置１０Ｂは、ブラインｂが貯留されたブライン蓄熱槽１２Ｂと、ブラインｂを冷却する冷凍機１１Ｂと、循環管路１９に介設され、ブラインｂをブライン蓄熱槽１２Ｂと冷凍機１１Ｂ間で循環させるブラインポンプ１２Ｐと、冷却塔１３とから構成されている。

ブライン蓄熱槽１２Ｂには、ブラインｂの温度を検出するブライン温度センサ３２Ｂが設けられ、ブライン温度センサ３２Ｂの検出値が制御装置３３の入力部３４に入力されて、前記実施形態１又は２における氷蓄熱槽１２の状態検出と同様に、ブライン温度検出情報から冷凍機１１Ｂの冷凍負荷容量を制御する。

本実施形態の他の構成は、前記実施形態１と同一であり、それら同一の部材又は機器には同一符号を付し、説明を省略する。本実施形態では、ブライン蓄熱槽１２Ｂ内が氷結しないので、ブライン温度センサ３２Ｂによるブライン温度検出値からブライン温度下降勾配を演算する。その演算値から、貯湯槽２２内の温水ｈ１の貯湯量及び温度が設定された範囲内に達するまでに、ブライン蓄熱槽１２Ｂ内のブラインが設定温度以下に到達するおそれがある場合には、冷凍機１１の容量制御又は回転数制御して、部分負荷運転することにより、冷凍機１１Ｂの冷凍負荷容量を制御する。

本実施形態によれば、ブライン蓄熱槽１２Ｂを備えた冷温熱供給システム１Ｂにおいて、ブライン蓄熱槽１２Ｂ内のブライン温度下降勾配を調整することにより、季節、寒冷地等に関係なく、年間を通して、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ２１で設定された範囲の貯湯量及び温度の高温水ｈ１を安定して供給することができる。
さらに加えて、氷厚センサの設置を省略でき、ブライン温度センサ３２Ｂの設置だけで済むので、設備費を低減できる。

本発明によれば、冷熱と温熱を同時供給可能とする多機能システムとして、食肉処理場だけでなく、冷熱と温熱とを必要とする施設に広く適用可能であり、システム全体の熱効率を高め、高温水を供給可能であり、季節、寒冷地等に関係なく、年間を通して安定した給湯を可能とする。

第１の本発明の第１の実施形態に係る冷温熱供給システムの全体構成図である。 前記実施形態に係る氷厚−時間線図である。 前記実施形態に係る水温−時間線図である。 第１の本発明の第２実施形態に係る冷温熱供給システムの全体構成図である。 第２の本発明の第１実施形態に係る冷温熱供給システムの全体構成図である。 （ａ）は従来の氷蓄熱式冷凍装置の全体構成図であり、（ｂ）は従来の温水製造機の系統図である。 従来のブライン蓄熱式冷凍装置の全体構成図である。

符号の説明

１，１Ｂ 冷温熱供給システム
１０ 氷蓄熱槽を備えた冷凍装置
１０Ｂ ブライン蓄熱槽を備えた冷凍装置
１１，１１Ｂ 冷凍機
１２ 氷蓄熱槽
１２Ｂ ブライン蓄熱槽
１３ 冷却塔
１３ａ 外気流導入ファン
２０ ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置
２１ ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ
２１ｂ 熱交換器
２２ 貯湯槽
３１ 氷厚センサ
３２ 水温センサ
３２Ｂ ブライン温度センサ
３３ 制御装置
３４ 入力部
３５ 演算部
３６ 出力部
４５ 自動弁
４６ 冷却水温度センサ
ａ１，ａ２ 水温下降勾配
ｃ１ 冷水
ｃ２ 冷却水
ｄ１，ｄ２ 氷結速度
ｈ１ 高温水
ｉ 満氷ライン

Claims (7)

1. ＣＯ_２を冷媒とし、氷蓄熱槽を備えた冷凍装置の凝縮排熱を熱源として利用し、温水を製造するＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置において、
   製造した温水を貯留する貯湯槽と、冷凍装置の氷蓄熱槽内の氷厚又は水温を検出するセンサと、該センサの検出値に基づいて冷凍装置の冷凍負荷容量を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置で、該貯湯槽内の温水が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、該冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するように構成したことを特徴とするＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置。
2. 前記制御装置が、前記センサの検出値を入力する入力部と、該センサの検出値から氷結速度を演算する演算部と、貯湯槽内の温水が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御する出力部と、を具備していることを特徴とする請求項１に記載のＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置。
3. 前記氷蓄熱槽内の氷厚を検出するセンサが、氷蓄熱槽内の設定された深さ位置に設けられ、該深さ位置で氷結の有無を検出するセンサであり、前記制御装置で、該氷厚センサの検出結果と該冷凍装置の稼動時間とから氷蓄熱槽内の氷結速度を演算し、貯湯槽内の温水が設定温度になるまで該氷蓄熱槽が満氷状態とならないように、該氷結速度を制御するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載のＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置。
4. 前記制御装置で、前記氷蓄熱槽内の水温を検出するセンサの検出値から氷蓄熱槽内の水温下降勾配を演算すると共に、該水温下降勾配に基づいて冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載のＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置。
5. ＣＯ_２を冷媒とし、ブライン蓄熱槽を備えた冷凍装置の凝縮排熱を熱源として利用し、温水を製造するＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置において、
   製造した温水を貯留する貯湯槽と、冷凍装置のブライン蓄熱槽内のブライン温度を検出するセンサと、該センサの検出値に基づいて冷凍装置の冷凍負荷容量を制御する制御装置とを備え、
   該制御装置で、貯湯槽内の温水が設定温度になるまでブライン蓄熱槽が設定温度以下とならないように、冷凍装置の冷凍負荷容量を制御するように構成したことを特徴とするＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置。
6. 前記冷凍装置とＣＯ_２給湯用ヒートポンプの熱交換器間に、該冷凍装置の凝縮排熱を吸収した熱媒体を循環する管路を設けると共に、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプの上流側で該循環管路から分岐して冷却水の一部を冷却塔に供給する分岐管路と、冷却塔に供給した冷却水をＣＯ_２給湯用ヒートポンプ上流側の循環管路に戻す合流管路とを設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載のＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置。
7. 前記合流管路と循環管路との合流部に冷却塔から戻る熱媒体の流量を制御する流量制御弁を設けると共に、ＣＯ_２給湯用ヒートポンプ入口の熱媒体温度を検出する温度センサを設け、
   前記制御装置が、該温度センサの検出値入力部と、該温度検出値に基づいて前記流量調整弁又は冷却塔の外気流導入ファンの少なくとも一方を制御する出力部と、を具備したことを特徴とする請求項６に記載のＣＯ_２給湯用ヒートポンプ装置。

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