JP5490382B2

JP5490382B2 - 水熱源式ヒートポンプ

Info

Publication number: JP5490382B2
Application number: JP2008186281A
Authority: JP
Inventors: 崇桑原
Original assignee: サイエンス株式会社
Priority date: 2008-07-17
Filing date: 2008-07-17
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2028-07-17
Also published as: JP2010025413A

Description

本発明は、温泉水、地下水、工場排水、海水等の水を熱源とする水熱源式ヒートポンプに関するものであり、限定するものではないが、給湯装置に適用して好適な水熱源式ヒートポンプに関するものである。

ヒートポンプあるいは冷凍サイクルは、文献名を挙げるまでもなく従来周知で、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器等からなり、これらの機器が所定の管路で接続された密閉サイクルから構成され、密閉サイクル内には所定の冷媒が封入されて循環するようになっている。圧縮機を起動すると、凝縮器において冷媒が気体から液体に状態変化して外部に放熱し、蒸発器において冷媒が液体から気体に変化して外部から吸熱する。従って、暖房機としても冷房機としても利用できる。ヒートポンプを利用した給湯装置も従来周知で、蒸発器によって空気等の熱源から吸熱させて、凝縮器に水道水を通水すると水道水は加熱されて所定温度の湯が得られる。ヒートポンプからなる給湯装置は、熱源の熱エネルギを利用して加熱するので燃焼エネルギを利用する燃焼方式の給湯装置に比してエネルギ消費が少ない。特に、空気に比して熱容量が大きい水を熱源とする水熱源式ヒートポンプからなる給湯装置は、効率よく熱量を吸収できるので省エネルギ効果が高い。

特開平５−３３２６３９号公報

特許文献１には、圧縮機で圧縮された直後の冷媒の顕熱を回収する顕熱回収器を備えた、水熱源式ヒートポンプからなる給湯装置が記載されている。特許文献１に記載の給湯装置５０を図３によって説明すると、ヒートポンプを構成する密閉サイクルには従来周知のヒートポンプと同様に、圧縮機５２、凝集器５４、膨張弁５５、蒸発器５７が接続されており、さらに圧縮機５２と凝集器５４の間に冷媒の顕熱を回収する熱交換器、すなわち顕熱回収器５８が設けられている。そして、熱源水は管路６３によって蒸発器５７に通水され、被加熱水の冷水は管路６１によって凝縮器５４に通水された後に顕熱回収器５８に通水されるようになっている。圧縮機５２を起動すると、気体状の冷媒は高圧、高温にされ、顕熱回収器５８に送られて被加熱水に顕熱を与えて冷却される。そして、冷媒は凝縮器５４に送られて液化され、このときに放熱される潜熱が被加熱水に与えられる。冷媒は、膨張弁５５を通過して減圧され、蒸発器５７において熱源水から吸熱しながら気化する。気体状の冷媒は再び圧縮機５２に送られて圧縮される。従って、被加熱水は凝縮器５４において潜熱で加熱された後に、顕熱回収器５８でさらに加熱されることになる。

特許文献１に記載の給湯装置５０によれば、冷媒が気体から液体に状態変化するときの潜熱だけでなく、比較的温度の高い気体の状態の顕熱も利用して被加熱水を加熱することができるので、比較的エネルギ効率よく湯を得ることができる。しかしながら、改良すべき欠点あるいは問題点もある。例えば、凝縮器５４で冷媒を十分に冷却できない問題がある。冷媒は凝縮器５４において液化されるが、ヒートポンプの効率を向上させるためには、冷媒から放出される熱量を大きくする必要があり、この場合、冷媒を十分に過冷却させてエンタルピを低下させる必要がある。しかしながら、凝縮器５４のみでは十分に過冷却度を取ることができない。このことは、特に凝縮器５４に通水される被加熱水の温度が比較的高い場合に問題が大きくなる。被加熱水の温度が比較的高い場合、冷媒が凝縮器５４内で十分に冷却されないだけでなく、凝縮器５４内での液化が不十分になる場合もある。そうすると、ヒートポンプの運転効率は大きく低下してしまう。これを防ぐために、圧縮機５２の高圧側の冷媒圧力を十分に高くすれば、冷媒が凝縮器５４で完全に液化させられるし、過冷却度も大きく取ることはできる。しかしながら、冷媒の圧力が臨界圧力に近づくとエネルギ効率が低下してしまうし、圧縮機５２に過大な負荷がかかってしまう。圧縮機４２の低圧側の圧力にも問題が認められる。すなわち、蒸発器５７においては、熱源水に格別に考慮が払われていないので、冷媒が十分に気化するには冷媒の圧力を比較的低くしておく必要がある。この場合、圧縮機５２の低圧側と高圧側の圧力差が大きくなってしまい、圧縮機５２の負荷が大きくなってしまう。このことは、特に熱源水の温度が比較的低温の場合に問題が大きくなる。熱源水が低温の時、冷媒が気化しにくくなるので、圧縮機５２の低圧側の圧力をより低くする必要がある。そうすると、圧縮機５２のエネルギ効率はさらに低下してしまう。

本発明は、上記したような従来の問題点に鑑みてなされたものであって、圧縮機の負荷が小さくエネルギ効率が高い水熱源式のヒートポンプ、および水熱源式のヒートポンプからなる給湯装置を提供することを目的としており、より具体的には、空気、水等の被加熱対象が比較的高温であっても、冷媒を十分に過冷却させて熱交換量を大きく取ることができ、熱源水が比較的低温であっても、圧縮機の低圧側の圧力を比較的高く保持して圧縮機を効率よく運転できる、水熱源式のヒートポンプ、および水熱源式のヒートポンプからなる給湯装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、圧縮機、凝縮器、膨張弁またはキャピラリチューブ、蒸発器からなり、工場排水、地下水、温泉水等の熱源水から吸熱する水熱源式ヒートポンプにおいて、凝縮器と膨張弁の間、または凝縮器とキャピラリチューブの間に補助熱交換器を設ける。そして、熱源水を補助交換器に通水させた後に蒸発器に通水するように構成される。かくして、請求項１に記載の発明は圧縮機、凝縮器、膨張弁またはキャピラリチューブ、蒸発器等からなり、これらの機器の間を冷媒が流れるようになっている水熱源式ヒートポンプであって、前記凝縮器は、被加熱水を加温するようになっており、前記凝縮器と前記膨張弁との間、または前記凝縮器と前記キャピラリチューブとの間には補助熱交換器が設けられ、前記補助熱交換器には、前記冷媒が流れる冷媒管と、被加熱水ではない熱源水が流れる通水管とが熱交換可能に設けられ、前記蒸発器には、前記冷媒が流れる冷媒管と、前記熱源水が流れる通水管とが熱交換可能に設けられ、前記補助熱交換器の前記通水管と前記蒸発器の前記通水管は所定の送水管によって接続され、前記熱源水は前記補助熱交換器により熱交換された後に前記送水管を経由して前記蒸発器に通水されて冷媒に熱を与えた後に排出されるようになっており、前記補助熱交換器に前記熱源水を供給する熱源水供給管には、前記補助熱交換器をバイパスして前記蒸発器に直接熱源水を供給するバイパス管も並列的に接続され、該バイパス管には開閉弁が介装されていることを特徴とする、水熱源式ヒートポンプとして構成される。

以上のように、本発明によると、熱源水から吸熱する水熱源式ヒートポンプにおいて、凝縮器と膨張弁、または凝縮器とキャピラリチューブとの間には、補助熱交換器が設けられ、熱源水が補助熱交換器に通水されるように構成されているので、ヒートポンプで循環される冷媒は、補助熱交換器において熱源水に放熱して十分に過冷却される。従って、ヒートポンプを循環する冷媒を十分に放熱することができ、ヒートポンプの効率を高くすることができる。被加熱水の水温が比較的高い場合に特に効果が高い。すなわち、被過熱水の水温が比較的高い場合には、凝縮器において放熱が不十分になってしまい、冷媒は冷却され難くなってしまうが、補助熱交換器が設けられているので冷媒は完全に液化されて十分に過冷却される。また、熱源水は補助熱交換器に通水された後に、蒸発器に通水されるように構成されているので、熱源水は補助熱交換器で熱量を受けて昇温された後に蒸発器において冷媒に熱量を供給できる。従って、補助熱交換器から放熱された熱量が蒸発器において回収されるので、ヒートポンプの効率は低下することはない。そして、熱源水を昇温することができるので、蒸発器における冷媒の圧力が比較的高く維持されていても、冷媒は容易に気化できる。すなわち、圧縮機の低圧側の圧力を上げることができるので低圧側と高圧側の圧力差がさらに小さくなって圧縮機の効率を上げることができる。特に水温が低い熱源水から吸熱する場合に有効である。また、前記したようにヒートポンプの効率を高めることができるので、圧縮機の高圧側の冷媒圧力を比較的低圧で運転しても、凝縮器から十分な熱量を取り出すことができ、エネルギ効率の高いヒートポンプを構成できる。

そして、熱源水を補助熱交換器に供給する管路には、補助熱交換器をバイパスするバイパス管が設けられているので、バイパス管に設けられている例えば切替弁を開くと、熱源水は補助熱交換器をバイパスして直接蒸発器に通水され、従来周知のヒートポンプと同様な運転が可能になる。従って、凝縮器において加熱する水、空気等の被加熱対象の温度や、熱源水の水温に応じて適宜運転を切り替えることができる。さらに、凝縮器において被加熱水が加温されるようになっているので、エネルギ効率の高い、水熱源式ヒートポンプ式の給湯装置が得られる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態に係るヒートポンプ１は、熱源の水から熱を得て、水道水等の被加熱水を加熱して湯を得る、給湯装置として構成されている。本実施の形態に係るヒートポンプ１は、図１に示されているように、従来周知のヒートポンプと同様に、圧縮機３、外部に放熱する熱交換器、すなわち凝縮器４、膨張弁６、外部から吸熱する熱交換器、すなわち蒸発器８を備えている。そして、凝縮器４と膨張弁６との間にさらに補助熱交換器９が設けられている。圧縮機３、凝縮器４、補助熱交換器９、膨張弁６、蒸発器８は、管路１１ａ、１１ｂ、…によって結合されて密閉サイクルが形成され、密閉サイクル内には、フルオロカーボン−１３４ａ、アンモニア、二酸化炭素等からなる冷媒ガスが充填されている。冷媒ガスは密閉サイクル内のこれらの機器を循環するようになっている。

凝縮器４は、プレート型熱交換器からなり、従来周知であるので詳しくは説明しないが、内部には冷媒が通される冷媒管４ａと、水道水等の被加熱水が通水される通水管４ｂとが対向して設けられている。すなわち、冷媒が冷媒管４ａを通される方向と、被加熱水が通水管４ｂを通水される方向とが、互いに反対向きになるように設けられている。冷媒が冷媒管４ａ中で気体から液体に状態変化するときに潜熱が発生して、被加熱水にその熱量が与えられる。従って、給水管１３から供給された被加熱水は、凝縮器４で効率よく加熱されて所定温度の湯になり、出湯管１４から、図に示されていない貯湯タンク等に送られる。

凝縮器４の下流には補助熱交換器９が設けられている。補助熱交換器９は、凝縮器４と同様にプレート型熱交換器からなる。内部には冷媒が通される冷媒管９ａと、水が通水される通水管９ｂとが対向して設けられている。補助熱交換器９においては、通水管９ｂに通水される水は被加熱水ではなく、工場排水、地下水、温泉水、海水等からなる熱源水である。従って、冷媒が有する熱量は効率よく熱源水に与えられて、冷媒は十分に過冷却され、熱源水は加熱されて昇温されることになる。

補助熱交換器９の下流には、従来周知の膨張弁６が設けられ、液体状の冷媒の圧力が減圧されるようになっている。膨張弁６は圧縮機３と連動して適切に制御されるようになっている。すなわち、熱源水や被加熱水の温度、流量等がセンサによって検出され、検出信号に基づいてコントローラが膨張弁６と圧縮機３とを適切に制御するようになっている。図には、このようなセンサ、コントローラ、信号線等は示されていない。膨張弁６の下流には、従来周知のプレート型熱交換器からなる、蒸発器８が設けられている。蒸発器８には、内部に冷媒が通される冷媒管８ａと、熱源水が通水される通水管８ｂとが、同様に対向して設けられている。従って、冷媒が冷媒管８ａ中で液体から気体に状態変化するときに必要な気化熱は、効率よく熱源水から吸収されることになる。

熱源水の通水管について詳しく説明すると、熱源水が送水される熱源水供給管１６は補助熱交換器９に接続され、補助熱交換器９は送水管１８により蒸発器８に接続され、蒸発器８には排出管１９が接続されている。従って、熱源水供給管１６から供給される熱源水は、補助熱交換器９に通水されて前記したように昇温され、送水管１８を経由して、蒸発器８に通水されて冷媒に熱を与えた後に排出されることになる。熱源水供給管１６には、補助熱交換器９をバイパスして蒸発器８に直接熱源水を供給するバイパス管２１が並列的に接続されている。バイパス管２１には開閉弁２２が介装され、この開閉弁２２を開くとバイパス管２１が導通し、開閉弁２２を閉じるとバイパス管２１が遮断されるようになっている。蒸発器８の下流には、従来周知の圧縮機３が設けられ、気体状の冷媒が高温、高圧の過熱状態に圧縮されるようになっている。図１には、開閉弁２２が示されているが、熱源水供給管１６に三方弁を設け、この三方弁からバイパス管２１を分岐させることもできる。

次に、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ１の作用について説明する。開閉弁２２を閉じてバイパス管２１を遮断する。そうすると、熱源水は前記したように補助熱交換器９に通水された後に、蒸発器８に通水される。圧縮機３を起動する。冷媒は圧縮機３内で圧縮されて、高温、高圧の過熱蒸気になる。冷媒は凝縮器４に送られる。凝縮器４において、冷媒の温度は所定の温度まで低下した後に、温度が一定に保持されながら液化される。給水管１３から供給された被加熱水は、冷媒が液化される際に放出される潜熱によって加熱され、凝縮器４の出口近傍において高温状態の冷媒の顕熱を吸収してさらに加熱され、所定温度の湯となって出湯管１４から出湯する。凝縮器４から送られた冷媒は補助熱交換器９に送られる。補助熱交換器９に送られた冷媒は、完全に液化されている場合もあるが、一部が気体の状態の場合もある。冷媒は、補助熱交換器９内において熱源水によって冷却されて完全に液化されると共に十分に過冷却される。熱源水は、冷媒から熱量を吸収して昇温される。十分に冷却された液体状の冷媒は、膨張弁６に通されて所定の圧力まで減圧される。減圧された液体状の冷媒は蒸発器８に送られる。冷媒は、蒸発器８内において熱源水から熱量を吸収して気化されるが、熱源水は補助熱交換器９において昇温されているので、冷媒圧力が比較的高圧でも容易に気化されることになる。熱源水は蒸発器８内で冷却されて排出管１９から排水される。気体状の冷媒は圧縮機３に送られて再び圧縮される。

本実施の形態に係るヒートポンプ１と、従来周知のヒートポンプのそれぞれにおける冷媒の状態変化が、図２のモリエル線図に示されている。従来周知のヒートポンプにおける冷媒の状態変化は、点線ａｂｃｄで示されており、圧縮機において曲線ａｂで示されているように冷媒が圧縮される。比較的圧力差が大きいので圧縮機の負荷は高い。次いで、直線ｂｃで示されているように冷却され凝縮されるが、点ｃに示されているように、十分には過冷却されない。従って、直線ｃｄで示されているように膨張弁で減圧されるときに冷媒の一部は気化してしまう。次いで、冷媒は直線ｄａで示されているように完全に気化することになる。本実施の形態に係るヒートポンプ１における冷媒の状態変化は線ＡＢＣＤで示されており、圧縮機３において曲線ＡＢで示されているように冷媒が圧縮される。本実施の形態に係るヒートポンプ１においては、過熱度ＫＮを小さくしても十分に効率よく運転できるので、高圧側の冷媒の圧力を比較的低圧にして運転することができる。従って、低圧側と高圧側との圧力差が小さく、圧縮機３の負荷は小さい。次いで、冷媒は直線ＢＣで示されているように、凝縮器４と補助熱交換器９によって完全に液化された後に十分に冷却されるので、過冷却ＫＲを大きく取ることができる。従って、前述したように過熱度ＫＮが小さくても、ヒートポンプの効率は十分に高い。過冷却された冷媒は膨張弁６で減圧されるが、気化する冷媒の割合は少ない。冷媒は、直線ＤＡで示されているように、蒸発器８において気化することになるが、熱源水は昇温されているので比較的高い圧力であっても容易に気化する。従って、冷媒の低圧側の圧力も比較的高圧にすることができる。従って、冷媒の高圧側と低圧側との圧力差を小さくして運転することができ、圧縮機３の負荷は小さくなる。

本実施の形態に係るヒートポンプ１は、開閉弁２２を開くと、従来周知のヒートポンプと同様に運転することができる。すなわち、弁２２を開くと、熱源水は補助熱交換器９に通水されることなく、直接蒸発器８に通水される。このように実施すると、補助熱交換器９において、冷媒と熱源水との間で熱交換がされなくなるので、補助熱交換器９は単なる冷媒の管路の一部と見なすことができ、ヒートポンプ１は従来周知のヒートポンプと同等の作用を奏することになる。

本実施の形態に係るヒートポンプ１は、色々な変形が可能である。例えば、密閉サイクルにおいて、膨張弁６の代わりにキャピラリチューブを設けても同様に実施できる。また、補助熱交換器は１台だけ設けられているように説明されているが、２台以上設けられていても同様に実施できることは明らかである。また、ヒートポンプ１は給湯装置として適用されているが、凝縮器４で空気を暖めるようにすれば暖房機として適用できる。

本発明の実施の形態に係るヒートサイクルを模式的に示す平面図である。本発明の実施の形態に係るヒートポンプの冷媒の状態変化と、従来のヒートポンプの冷媒の状態変化を同時に示す、モリエル線図である。従来のヒートポンプを模式的に示す平面図である。

符号の説明

１ヒートポンプ３圧縮機
４凝縮器６膨張弁
８蒸発器９補助熱交換器
１６熱源水供給管２１バイパス管
２２開閉弁

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張弁またはキャピラリチューブ、蒸発器等からなり、これらの機器の間を冷媒が流れるようになっている水熱源式ヒートポンプであって、
前記凝縮器は、被加熱水を加温するようになっており、
前記凝縮器と前記膨張弁との間、または前記凝縮器と前記キャピラリチューブとの間には補助熱交換器が設けられ、
前記補助熱交換器には、前記冷媒が流れる冷媒管と、被加熱水ではない熱源水が流れる通水管とが熱交換可能に設けられ、
前記蒸発器には、前記冷媒が流れる冷媒管と、前記熱源水が流れる通水管とが熱交換可能に設けられ、
前記補助熱交換器の前記通水管と前記蒸発器の前記通水管は所定の送水管によって接続され、前記熱源水は前記補助熱交換器により熱交換された後に前記送水管を経由して前記蒸発器に通水されて冷媒に熱を与えた後に排出されるようになっており、
前記補助熱交換器に前記熱源水を供給する熱源水供給管には、前記補助熱交換器をバイパスして前記蒸発器に直接熱源水を供給するバイパス管も並列的に接続され、該バイパス管には開閉弁が介装されていることを特徴とする、水熱源式ヒートポンプ。