JP2003262397A

JP2003262397A - 給湯装置

Info

Publication number: JP2003262397A
Application number: JP2002063971A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Fujimoto; 洋藤本; Masashi Nishigaki; 雅司西垣
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-19

Abstract

(57)【要約】【課題】超臨界型のヒートポンプを加熱源として使用
し、中間温度域が形成され難い、給湯装置を得る。【解決手段】貯湯槽下部２ａより冷水を取り出し、ヒ
ートポンプに備えられる熱交換器９で加熱して、温水を
貯湯槽上部へ返す給湯装置を構成するに、熱交換器９に
おいて、ヒートポンプの冷媒が超臨界領域で凝縮すべく
構成し、熱交換器における、冷水入口温度と温水出口温
度との中間の温度にある中間温度部１１に、貯湯槽内よ
り、冷水と前記温水との中間温度の中間温水を導く中間
温水導入手段Ｄを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、貯湯槽下部の槽内
水を取り出し、ヒートポンプに備えられる熱交換器で加
熱して、温水を貯湯槽上部へ返す構成の給湯装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】通常のボイラやヒータを使った給湯装置
は、図５に示す様に、貯湯槽の下部にヒータＨを通し、
対流によって貯湯槽内の水全体を一様に加熱する。

【０００３】この均一加熱法とは異なる貯湯方法とし
て、所謂、ピストンフロー方式がある。この方式は、図
６（イ）に示すように、貯湯槽下部より冷水を引き出し
て熱交換器で加熱し、貯湯槽上部へ返し、温水と冷水と
の境界とを維持しながら貯湯していく方式であり、熱交
換器はヒートポンプの凝縮器とされる。この構成が必要
とされる理由は、ヒートポンプでは、圧縮機を出た高圧
の冷媒を凝縮させることによって熱を得るが、図５の構
造では、貯湯槽内部の水の温度が高くなると冷媒を凝縮
させることができなくなるからである。

【０００４】この種の給湯装置にあっては、貯湯槽下部
に冷水供給路を介して冷水が供給され、貯湯槽上部から
温水取出路を介して温水が取出されて、所定の用に供さ
れる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】最初、冷水であったも
のを加熱するには図６（イ）の手法でよいが、何度も使
っているうち、あるいは長い間、給湯を行わない時、湯
（温水）の温度が冷水に伝わって図６（ロ）のような冷
水と温水の境界に中間温度域が発生してしまう。

【０００６】さて、給湯装置に採用されるヒートポンプ
としては、現今の自然冷媒を積極的に使用するとの技術
動向から、所謂、超臨界型のものが採用されつつある。
この種の超臨界型のものにあっては、二酸化炭素（ＣＯ
₂）が冷媒とされる場合があるが、この冷媒は、図４に
示すように超臨界圧以上の領域を凝縮域とする。この種
のヒートポンプでは特に凝縮器冷媒入口温度Ｔ１と冷媒
出口温度Ｔ２の温度差が大きく、上記境界部分が拡大す
ると冷媒の温度をＴ２まで下げることができず、サイク
ルを維持できなくなる。

【０００７】本発明の目的は、超臨界型のヒートポンプ
を加熱源として使用する給湯装置において、上記中間温
度域が形成され難く、例え中間温度域が過度に形成され
ても、正常に作動し得る給湯装置を得ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明による、貯湯槽下部より冷水を取り出し、ヒー
トポンプに備えられる熱交換器で加熱して、温水を貯湯
槽上部へ返す給湯装置の特徴構成は、請求項１に記載さ
れているように、前記熱交換器において、前記ヒートポ
ンプの冷媒が超臨界領域で凝縮すべく構成され、前記熱
交換器における、冷水入口温度と温水出口温度との中間
の温度にある中間温度部に、貯湯槽内より、前記冷水と
前記温水との中間温度の中間温水を導く中間温水導入手
段を備えることにある。

【０００９】この給湯装置に備えられるヒートポンプの
冷媒は、超臨界域で凝縮し、その過程で、温度が低下す
る。一方、受熱側の水については、冷媒の降温、凝縮に
従って放出される熱を受け、原則、熱交換器の冷水入口
から温水出口に移流しながら、順次、加熱されることと
なる。

【００１０】そして、特徴構成に記載のごとく中間温水
を貯湯槽内から取り出して、熱交換器の中間温度部位に
導入すると、その導入部より下手側の温度域（水の移流
方向で下手側で温度が上昇する側）で加熱が可能とな
る。

【００１１】一方、貯湯槽内で、この中間温水より下側
に位置する水に関しては、その冷水状態を維持すること
となり、同時に熱交換器における冷媒凝縮の用に耐え得
るものとなる。結果、ヒートポンプの凝縮器としては、
その凝縮を良好に行え、確実にサイクルを維持して良好
な動作を確保できる。

【００１２】上記の構成において、請求項２に記載され
ているように、前記熱交換器が、高温側熱交換部と低温
側熱交換部とを備えて構成され、前記中間温水導入手段
により、前記中間温水が、前記貯湯槽内から前記高温側
熱交換部に導入されることが好ましい。

【００１３】この構成にあっては、熱交換器（ヒートポ
ンプ側では凝縮器）を温度的に二段構成として、中間温
水を高温側熱交換器に導入することで、最も簡単な構成
で、本願の目的を達成できる。

【００１４】さて、ピストンフロー型の給湯装置にあっ
ては、原則、貯湯槽の上部に給湯用の温水が、貯湯槽の
下部に冷水（これは給湯状況に従って適宜補給される）
が、位置されるが、温水の使用状況に従って、温水と冷
水との境界域（この部位に中間温水が位置する）は槽内
で上下に移動する。従って、中間温度の水を熱交換器の
中間部位に導入する場合、基本的に、熱交換器側の導入
部で予め設定されている温度の中間温水を貯湯槽から取
り出すことが、熱交換器（凝縮器）の動作上、必要とさ
れる。

【００１５】そこで、上記した中間温水導入手段を構成
する場合、請求項３または４に記載されているように構
成する。１温度を検出して中間温水を適切に取り出す構成請求項３に記載されているように、前記中間温水導入手
段を構成するに、前記中間温水を取り出す中間温水取り
出し部を、前記貯湯槽内に上下方向移動自在に備え、前
記中間温水取り出し部近傍の水温を検出する水温検出手
段を備え、前記水温検出手段の検出結果に基づいて、前
記中間温水取り出し部の上下方向位置を調節する調節機
構を備える。

【００１６】この構成にあっては、中間温水取り出し部
の近傍の水温を検出して、この検出温度に応じて、この
部位の槽内における上下方向位置を適切に制御すること
で、結果的に、所定の中間温度の中間温水を取り出し
て、熱交換器側で、その能力を十分に発揮できる運転状
態を確保できる。

【００１７】２貯湯槽内の水の比重を利用して中間温
水を適切に取り出す構成請求項４に記載されているように、前記温水の比重より
大きく、前記冷水の比重より小さい比重の邪魔板を温水
と冷水との境界に浮動自在に備え、前記中間温水導入手
段を構成するに、前記中間温水を取り出す中間温水取り
出し部を、前記邪魔板に設ける。

【００１８】水の比重は、その温度に従って変化する。
従って、邪魔板の比重を適切に設定することで、温水と
冷水との境界域に、邪魔板を浮動状態で配置させること
が可能であり、これに、中間温水取り出し部を設けるこ
とで、適切な中間温水を取り出して、熱交換器側の作動
に適する中間温水を適切に取り出すことができる。

【００１９】さて、これまで説明してきた構成におい
て、請求項５に記載されているように、前記熱交換器に
おける冷媒流路の低温側冷媒流路部を、前記冷媒の凝縮
温度以下に冷却する冷却手段を備えることが好ましい。

【００２０】ヒートポンプを加熱源とする給湯装置にあ
っては、ポンプ側のサイクルを確実に維持することで動
作を確保できるが、何らかの理由により貯湯槽下部まで
本願にいう中間温度の中間温水となった場合、熱交換器
における冷媒の凝縮を効率的におこなえない状況が発生
しうる。しかしながら、上記のように、冷却手段を備え
て、冷媒の凝縮を確実に起こせるようにしておくこと
で、このような非常の場合にも対応できる。

【００２１】さて、これまで説明してきた給湯装置にあ
っては、貯湯槽内から中間温水を取り出して、これを別
途加熱するものとしたが、同じく、ヒートポンプの動作
を確保するために、凝縮器である熱交換器の低温側温度
を確保しても、動作を保証することができる。

【００２２】即ち、貯湯槽下部の槽内水を取り出し、ヒ
ートポンプに備えられる熱交換器で加熱して、温水を貯
湯槽上部へ返す給湯装置を構成するに、請求項６に記載
されているように、前記熱交換器において、前記ヒート
ポンプの冷媒が超臨界領域で凝縮すべく構成され、前記
熱交換器の冷媒流路が、低温側冷媒流路部と、その下流
側に繋がる高温側冷媒流路部とを備えるとともに、前記
低温側冷媒流路部を、前記冷媒の凝縮温度以下に冷却す
る冷却手段を備え、前記貯湯槽下部から取り出される槽
内水を、水温に従って、前記低温側冷媒流路部に対応す
る低温側熱交換部、若しくは前記高温側冷媒流路部に対
応する高温側熱交換部に選択して直接導入可能に構成す
る。

【００２３】この構成にあっては、例えば、前記低温側
冷媒流路部若しくは前記高温側冷媒流路部の選択をおこ
なう水温を、冷媒が凝縮可能な最高温度とすることがで
きることとなる。そして、給湯槽内の水の加熱に関して
は、加熱対象の槽内水の水温が凝縮可能最高温度より低
い場合は、低温側冷媒流路部に対応する低温側熱交換
部、若しくは前記高温側冷媒流路部に対応する高温側熱
交換部の両方で加熱し、高い場合は、高温側冷媒流路部
に対応する高温側熱交換部で、その加熱を行うことがで
きる。

【００２４】一方、ヒートポンプ側の冷媒のサイクル形
成は、冷却手段により設定される温度に起因して、この
凝縮器により確実に確保することができる。結果、ヒー
トポンプを加熱用に使用する給湯装置にあって、ヒート
ポンプ側のサイクル維持を確実なものとして、貯槽槽内
の水温が比較的高くなっている場合にも良好な動作状態
を確保できる。

【００２５】

【発明の実施の形態】本願の実施の形態を図面に基づい
て説明する。図１に、本願の給湯装置１の使用状態を示
した。この給湯装置１は、立設されて使用される貯湯槽
２と加熱用のヒートポンプ３を備えて構成されており、
その貯湯槽２から混合水栓４ａ、浴槽４ｂに対するカラ
ン７に給湯するものである。

【００２６】前記貯湯槽３には、冷水供給路５を介して
冷水が、貯湯槽下部２ａに供給される。一方，温水の供
給は、貯湯槽２、上部側に位置する温水取出路６からと
される。上記した温水取出路６には、貯湯槽３の天井部
位から湯が取出される。

【００２７】一方、貯湯槽２内の冷水の加熱は、基本的
に、ヒートポンプ３によるものとされている。ヒートポ
ンプ３は、良く知られているように、所定の冷媒回路Ｃ
に、冷媒を圧縮する圧縮機Ｃ１、冷媒と被加熱体（本願
の場合は槽内水）とを熱交換させることにより当該被加
熱体を加熱する凝縮器Ｃ２、冷媒を減圧または絞る減圧
装置Ｃ３、冷媒と外気とを熱交換させて当該冷媒を蒸発
させる蒸発器Ｃ４等を有して構成されている。ヒートポ
ンプ３の冷媒は二酸化炭素であり、冷媒は超臨界域で凝
縮する。

【００２８】貯湯槽２内の水の加熱構造について説明す
ると、貯湯槽２と前記凝縮器の受熱側媒体流路８との間
に循環路が構成されている。即ち、貯湯槽下部２ａから
槽内水が取出されて、前記受熱側媒体流路８に至り、こ
の部位で加熱されて貯湯槽上部２ｂに温水として戻され
る。冷水とは常温の水をいい、温水とは６０〜９０℃の
湯をいう。

【００２９】本願にあっては、上記した目的を達成する
ために、凝縮器として働く熱交換器９を多段のものとす
る。このように多段構造を採用するものでありながら、
第一、第二の実施の形態は、本願にいう中間温水導入手
段Ｄを備え、低温側の冷媒の凝縮を確保するものであ
る。一方、第三の実施の形態に示すものでは、低温側の
熱交換器９ａに冷却水流路１０（冷却手段の一種）を備
えることで、低温側の冷媒の凝縮を確保するものであ
る。以下、それぞれの実施の形態に関して具体的に説明
する。

【００３０】１．第一の実施の形態この実施の形態を図１に示す。前記熱交換器９は、低温
側熱交換部９ａと、この下流側に繋がる高温側熱交換部
９ｂとを備えて構成されており、図示するようにヒート
ポンプ３の冷媒は、図上、高温側熱交換部９ｂから低温
側熱交換部９ａ側へと移流され、冷却、凝縮される。一
方、貯湯槽下部２ａより取り出された冷水は、低温側熱
交換部９ａから高温側熱交換部９ｂへと移流され、加熱
される。

【００３１】さらに、熱交換器９における、冷水入口温
度Ｔ２と温水出口温度Ｔ１との中間の温度にある中間温
度部１１（具体的には高温側熱交換部９ｂと低温側熱交
換部９ａとの接続路部９ｃ）に、貯湯槽２内より、前記
冷水と前記温水との中間温度の中間温水を導く中間温水
導入手段Ｄが備えられている。このを中間温水導入手段
Ｄは、前記貯湯槽２内の槽内水を熱交換器９に移流され
る導管路（具体的にはホース１２）を備えて構成されて
おり、このホース１２の先端が、索具１３を介して貯湯
槽２外に備えられるモータＭにより、上下方向に移動可
能とされている。さらに、ホース１２の先端には、その
近傍の水温を検出する温度検出器１４が備えられてお
り、この温度検出器１４により検出結果が、前記モータ
Ｍの制御装置１５に送られ、ホース先端の位置を、槽内
水温度が所定の温度である位置に維持するように構成さ
れている。

【００３２】ここで、この所定の温度とは、所謂、冷水
と温水との中間の温度であり、上記低温側冷媒流路１６
ａの出口、高温側冷媒流路１６ｂの入口温度として設定
される温度（中間温度）である。

【００３３】この実施の形態では、中間温水が中間温水
取り出し部により取り出され、熱交換器の所定部位に導
かれて、この中間温水が加熱されて、温水として貯湯槽
２の上部に返される。

【００３４】即ち、図１に示すように、冷水はａｂｃの
ラインを通じて加熱される。一方、冷水と温水の境界に
ある中間温水は、ｄｂラインを通じて高温側熱交換器９
ｂにのみ通ずる。結果、冷水の温度は、比較的低温に維
持され、境界部より上側の部位に十分高い温度の温水が
たまり、給湯の用に供される。

【００３５】２．第二の実施の形態この実施の形態にあっては、図２に示すように、貯湯槽
２の中に邪魔板１７が浮動自在に収納されている。この
邪魔板１７は、上側に位置する温水よりも比重が大き
く、下側に位置する冷水よりも比重が小さく構成されて
いる。

【００３６】この邪魔板１７は、中空構造の本体１７ａ
と、この本体１７ａに取付けられた比重調整用重り１７
ｂとを備えて構成されている。この邪魔板１７の外形
は、貯湯槽２の断面に対してわずかに小さくされてお
り、一部、水の上下方向の移動を許容しながら、なお、
温水と冷水との間における混合攪拌を抑制し、断熱能を
発揮できるものである。

【００３７】この構成を採用することで、邪魔板１７
は、温水と冷水との境界部分に浮遊し、水の相互移動及
び熱の移動を妨げることとなり、貯湯槽２内を、比較的
高温で均一な温水層と、低温の冷水層に遮断する効果を
発揮する。

【００３８】さらに、この邪魔板１７には、温水と冷水
との間の温度にある中間温水を取り出す中間温水取り出
し部が備えられている。即ち、上記の実施の形態と同じ
ようにホース１２が備えられており、このホース１２の
先端が前記邪魔板１７の下面に設けてある。結果、この
実施の形態の場合は、邪魔板１７の浮動伴ってホース１
２の先端が上下方向に移動し、上記の実施の形態と同様
に、中間温水導入手段Ｄとしての役割を果たすことがで
きる。

【００３９】３．第三の実施の形態これまで説明してきた実施の形態にあっては、中間温水
導入手段Ｄを設ける場合を示したが、ヒートポンプ３に
よる加熱能を、冷水に対し、さらには中間温水に対し
て、適切に発揮させながら、同時に凝縮を確実に起こさ
せる構造としては、以下のような構造を採用することも
できる。

【００４０】図３に示すように、この実施の形態にあっ
ても、熱交換器９の冷媒流路が、高温側冷媒流路１６ｂ
と低温側冷媒流路１６ａと備えるとともに、前記低温側
冷媒流路１６ａを、前記冷媒の凝縮温度以下に冷却する
冷却手段Ｅを備え、前記貯湯槽下部２ａから取り出され
る槽内水を、水温に従って、前記低温側冷媒流路１６ａ
に対応する低温側熱交換器９ａ、若しくは前記高温側冷
媒流路１６ｂに対応する高温側熱交換器９ｂに選択して
直接導入可能にする。

【００４１】さらに具体的に説明すると、熱交換器９
（冷媒側からは凝縮器）は、高温側と低温側とに分割さ
れている。低温側の熱交換器９ａには、冷却水が流れる
冷却水路１０が備えられており、この冷却水により、低
温側熱交換器９ａ内を流れる冷媒は、常に、凝縮する。
一方、貯湯槽下部２ａからの槽内水の取り出し部位に、
その部位での温度を検出する温度検出器Ｔが備えられて
いる。さらに、三方弁１９が備えられており、この弁１
９により、低温側熱交換器９ａ、もしくは、低温側若し
くは高温側の熱交換器９ａ，９ｂに選択的に、槽内水を
移流可能に構成されている。

【００４２】この流路選択は、三方弁１９に対して設け
られている制御装置２０によるものとされており、上記
温度検出器Ｔにより検出される温度が、所定温より低い
場合は、低温側熱交換器９ａに、高い場合は、高温側熱
交換器９ｂに直接送るものとされる。

【００４３】即ち、貯湯槽下部２ａから取り出された水
の温度が常時監視され、温度が上がったら、図上、ａｂ
ｃからａｄｂｃのラインに切り替えられる。この構造に
あっては、冷水温度がヒートポンプ３の動作に適した温
度域内にある場合には、効率の高いヒートポンプ３を加
熱に使用でき、貯湯槽下部２ａより取り出される水の温
度が上昇して、ヒートポンプ３の動作が十分に確保でき
ない状況になった場合には、槽内水の加熱を高温側での
みで行わしめ、冷媒の凝縮は冷却水によるものとして、
貯湯槽内の水の状況にかかわらず、良好な動作状態を継
続することができる。

【００４４】〔別実施の形態〕本願の別実施の形態を以
下に説明する。（１）上記の実施の形態にあっては、ヒートポンプの
冷媒が二酸化炭素である例を示しが、冷媒としては、超
臨界域でその凝縮が行われるものに対して、本願構成を
採用できる。（２）上記の実施の形態にあっては、ヒートポンプ側
で凝縮器として作動する熱交換器を温度別に分割構成す
るに、交換器を別のものとしたが、単一の熱交換器の低
温側部位と高温側部位とを別個に利用するものとしても
良い。

【００４５】

【発明の効果】従って、以上の方法により、高効率なヒ
ートポンプを利用しながら、貯湯槽に継続的に貯湯でき
る給湯装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願第一実施の形態の給湯装置の構成を示す図

【図２】本願第二実施の形態の給湯装置の構成を示す図

【図３】本願第三実施の形態の給湯装置の構成を示す図

【図４】超臨界領域を凝縮域とするヒートポンプのサイ
クルを示す図

【図５】ヒータ加熱構成の給湯装置の構成を示す図

【図６】ヒートポンプを利用した従来の貯湯装置の構
成、及び中間温度域の形成状態を示す図

【符号の説明】

１給湯装置２貯湯槽２ａ貯湯槽下部２ｂ貯湯槽上部３ヒートポンプ８受熱側流体流路９熱交換器（凝縮器）９ａ低温側熱交換器９ｂ高温側熱交換器９ｃ接続流路１０冷却水流路１１中間温度部１２ホース１４温度検出器１５制御装置１６ａ低温側冷媒流路１６ｂ高温側冷媒流路１７邪魔板１９三方弁２０制御装置Ｃ冷媒回路Ｃ２凝縮器Ｔ温度検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】貯湯槽下部より冷水を取り出し、ヒート
ポンプに備えられる熱交換器で加熱して、温水を貯湯槽
上部へ返す給湯装置であって、前記熱交換器において、前記ヒートポンプの冷媒が超臨
界領域で凝縮すべく構成され、前記熱交換器における、冷水入口温度と温水出口温度と
の中間の温度にある中間温度部に、貯湯槽内より、前記
冷水と前記温水との中間温度の中間温水を導く中間温水
導入手段を備えた給湯装置。
【請求項２】前記熱交換器が、高温側熱交換部と低温
側熱交換部とを備えて構成され、前記中間温水導入手段
により、前記中間温水が、前記貯湯槽内から前記高温側
熱交換部に導入される請求項１記載の給湯装置。
【請求項３】前記中間温水導入手段を構成するに、前記中間温水を取り出す中間温水取り出し部を、前記貯
湯槽内に上下方向移動自在に備えるとともに、前記中間温水取り出し部近傍の水温を検出する水温検出
手段を備え、前記水温検出手段の検出結果に基づいて、前記中間温水
取り出し部の上下方向位置を調節する調節機構を備えた
請求項１または２記載の給湯装置。
【請求項４】前記温水の比重より大きく、前記冷水の
比重より小さい比重の邪魔板を温水と冷水との間に浮動
自在に備え、前記中間温水導入手段を構成するに、前記中間温水を取
り出す中間温水取り出し部を、前記邪魔板に設けてある
請求項１または２記載の給湯装置。
【請求項５】前記熱交換器における冷媒流路の低温側
冷媒流路部を、前記冷媒の凝縮温度以下に冷却する冷却
手段を備える請求項１〜４のいずれか１項記載の給湯装
置。
【請求項６】貯湯槽下部の槽内水を取り出し、ヒート
ポンプに備えられる熱交換器で加熱して、温水を貯湯槽
上部へ返す給湯装置であって、前記熱交換器において、前記ヒートポンプの冷媒が超臨
界領域で凝縮すべく構成され、前記熱交換器の冷媒流路が、低温側冷媒流路部と、下流
側に繋がる高温側冷媒流路部とを備えるとともに、前記
低温側冷媒流路部を、前記冷媒の凝縮温度以下に冷却す
る冷却手段を備え、前記貯湯槽下部から取り出される槽内水を、水温に従っ
て、前記低温側冷媒流路部に対応する低温側熱交換部、
若しくは前記高温側冷媒流路部に対応する高温側熱交換
部に選択して直接導入可能に構成されている給湯装置。