JP2007093043A

JP2007093043A - 給湯システム

Info

Publication number: JP2007093043A
Application number: JP2005279871A
Authority: JP
Inventors: Koichi Yamaguchi; 山口　　広一
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Toshiba Carrier Corp
Priority date: 2005-09-27
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】効率が向上し、作動圧力を低下させることができる自然冷媒利用の給湯システムを提供する。
【解決手段】本給湯システムは二酸化炭素を用いるＣＯ_２サイクルと、このＣＯ_２サイクルの凝縮器からの排熱により大気圧よりも低圧の水を蒸発させる水側蒸発器と、この水側蒸発器で蒸発した蒸気を吸込んで圧縮し高温蒸気を吐出する水側圧縮機とを備え、高温蒸気より市水を加熱する水回路とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明は給湯システムに係り、ＣＯ_２ヒートポンプサイクル及このヒートポンプで生成された水蒸気を高温蒸気にする水側圧縮機を用いて湯を生成する給湯システムに関する。

近年、ＨＦＣ冷媒の地球温暖化への懸念から、自然冷媒を利用したシステムの開発が行われている。特に、給湯分野では、二酸化炭素（ＣＯ_２）冷媒の超臨界状態の特性を利用したＣＯ_２給湯ヒートポンプシステムが商品化されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このようなＣＯ_２給湯ヒートポンプシステムは、従来のヒートポンプ給湯システムより高効率で、かつ高温出湯が可能な自然冷媒利用システムであるものの、作動圧力が１０ＭＰａ以上と高いため取り扱いにくく、機器が高価である欠点を有している。
特開２００５−８３５８５号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、高成績係数（ＣＯＰ）で、作動圧力を低減でき、安価な構成機器の使用が可能な自然冷媒利用の給湯システムを提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係る給湯システムは、圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を備え、冷媒として二酸化炭素を用いるＣＯ_２サイクルと、このＣＯ_２サイクルの凝縮器からの排熱により大気圧よりも低圧の水を蒸発させる水側蒸発器と、この水側蒸発器で蒸発した蒸気を吸込んで圧縮し高温蒸気を吐出する水側圧縮機とを備え、この水側圧縮機から吐出される高温蒸気により水を加熱する水回路とからなることを特徴とする。

本発明に係る給湯システムによれば、高ＣＯＰで、作動圧力を低減でき、安価な構成機器の使用が可能な自然冷媒利用の給湯システムを提供することができる。

以下、本発明の第１実施形態に係る給湯システムについて添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る給湯システムの概念図である。

図１に示すように、本発明に係る給湯システム１は、多段式のヒートポンプサイクルを有しており、低段側として、ヒートポンプサイクルであるＣＯ_２サイクル２を備え、このＣＯ_２サイクル２は圧縮機３、凝縮器４、膨張装置５、蒸発器６とからなる閉回路で構成され、冷媒として二酸化炭素を用いる。

また、給湯システム１は、高段側として、ＣＯ_２サイクル２の排熱を熱源とし、水を冷媒とするヒートポンプサイクルである水サイクル７を備え、この水サイクル７は、凝縮器４からの排熱により大気圧よりも低圧の水を蒸発させるように凝縮器４と熱交換可能に設けた水側蒸発器８と、この水側蒸発器８で蒸発した蒸気を吸込んで圧縮し高温蒸気を吐出する水側圧縮機９と、水側凝縮器１０と、水側膨張装置１１を備えて閉サイクルを構成している。

さらに、給湯システム１は、市水を給水する給水路１２を備え、この給水路１２には給水ポンプ１３を設け、給水側熱交換器１４を介して水側凝縮器１０と熱交換し、加熱され生成された湯を貯湯槽１５に貯える。

上記構成の本第１実施形態の給湯システムは、ＣＯ_２サイクル２において、蒸発器６により外気の熱を採熱した冷媒を圧縮機３で圧縮し高温高圧にして凝縮器４で水側蒸発器８を介して水サイクル７の水を加熱する。

例えば、図２のモリエル線図（サイクル構成要素に対応する符号を付す。）に示すようにＣＯ_２サイクル２は、ＣＯ_２冷媒を循環させ、蒸発温度２℃（蒸発圧力３．７ＭＰａ）で蒸発器６により外気の熱を採熱し、３℃スーパーヒートさせて、圧縮機３に吸込み、２９℃で吐出させ、凝縮器４において凝縮温度１５℃（蒸発圧力５ＭＰａ）で凝縮させ、３℃過冷却させ、膨張装置５で減圧し、蒸発器６で膨張させる。このとき、ＣＯ_２サイクルの理論ＣＯＰは１７．５６である。

一方、図３のモリエル線図に示すような水冷媒状態で運転される水サイクル７は、凝縮器４と熱交換して、蒸発温度１０℃（蒸発圧力１．２ｋＰａ）で蒸発器６で蒸発させ３°スーパーヒートさせて、圧縮機３に吸込み、１１０℃で吐出させ、水側凝縮器１０で給水側熱交換器１４と熱交換し、水側凝縮器１０において凝縮温度３０℃（凝縮圧力３ｋＰａ）で凝縮させ、３°過冷却させ、水側膨張装置１１で減圧し、水側蒸発器８で膨張させる。このとき、水サイクル７の理論ＣＯＰは１３．７５である。

給水側熱交換器１４で熱交換し沸き上げられた温水は、貯湯槽１５に貯えられ、給湯端末からの出水要求がある場合に貯湯槽１５の温水を供給する。

上記のように、低段側にＣＯ_２サイクルを用いることにより、配管径を小さくできるとともに、小さな圧縮機でも低外気温からの採熱が可能となる。

また、高段側に水サイクルを用いることにより、低作動圧力にて、高温給湯が可能となりかつ、水サイクルの低圧側配管径を小さくできる。さらに、水サイクル内の水の冬期凍結を防ぐことができる。すなわち、上述した貯湯温度８０℃を得る図２及び図３に示す両サイクルの動作条件では、ＣＯ_２サイクル側の凝縮／蒸発温度＝１５℃／２℃、水サイクル側の凝縮／蒸発温度＝３０℃／１０℃であり、この場合、水サイクルの高圧側の圧力は、４ｋＰａであり、一方ＣＯ_２側の高圧側圧力は、５ＭＰａとなり、図８に示す従来の単段のＣＯ_２ヒートポンプサイクルの場合の１１ＭＰａに比べて、作動圧力が半分になる。出湯温度８０℃のとき、この多段サイクルの理論ＣＯＰは８．４６である。

本実施形態によれば、ＣＯＰが向上し、作動圧力を低下させることができる自然冷媒利用の給湯システムが実現される。

次に本発明の第２実施形態に係る給湯システムについて説明する。

第１実施形態は市水が水サイクルの水側凝縮器と熱交換するのに対して、本第２実施形態は市水がＣＯ_２サイクルの凝縮器で熱交換する。

例えば、図４に示すように、第２実施形態の給湯システム２１は、第１実施形態と同様に低段側としてＣＯ_２サイクル２を備え、後段として水サイクル２２を備えている。

この水サイクル２２は、ポンプ１３に連通し、絞り弁２３、空気除去手段２４、凝縮器４と熱交換する水側蒸発器８、水側圧縮機９、貯湯槽１５からなる一側水回路と、この一側水回路と並列で、ポンプ１３に連通し、流体制御弁２５、貯湯槽１５からなる他側水回路からなる閉サイクルで構成されている。この水サイクル２２においては、給水は一側水回路と他側水回路を並列に流れ、一側水回路の水は絞り弁２３で絞られ、空気除去手段２４で水中の空気が除去され、水側蒸発器８で蒸発する。蒸発した蒸気は水側圧縮機９で圧縮され高温蒸気となり、貯湯槽１５に導入される。一方他側水回路の水は流体制御弁２５により流量が制御されて貯湯槽１５に導かれる。一側水回路から導入された高温蒸気と一側水回路から導入された水は貯湯槽１５内で合流し、湯が生成され貯湯される。

なお、他の構成は図１に示す給湯システムと異ならないので、同一符号を付して説明は省略する。

従って、水サイクルに高圧側の熱交換器を必要とせず、市水との熱交換時、熱交換効率の低下を防ぐことができ、より高効率の貯湯が可能となる。

例えば、ＣＯ_２サイクル２は図２のモリエル線図に示すようなＣＯ２冷媒状態で運転され、水サイクル２２は図５のモリエル線図に示すような水冷媒状態で運転される。ＣＯ_２サイクル側の凝縮／蒸発温度＝１５℃／２℃、水サイクル側の吐出し圧力／蒸発温度＝０．１ＭＰａ／１０℃、乾き度ｘ＝０．８とした場合、水サイクルのＣＯＰは１４．９、多段サイクルのＣＯＰは、８．８１であり、第１実施形態のＣＯＰ８．４７、図８に示す単段のＣＯ_２ヒートポンプサイクルの場合のＣＯＰ５．７を上回る。また、殺菌などへの利用も可能な高温蒸発の供給も可能である。

また、本発明の第３実施形態に係る給湯システムについて説明する。

本第３実施形態は、第２実施形態に酸素分離膜を付加したものである。

例えば、図６に示すように、本第３実施形態の給湯システム３１は、第２実施形態と同様の水サイクル２２の絞り弁２３と水側蒸発器８間に酸素分離膜３２が設けられる。

これにより、市水に溶存している空気が水サイクル内へ侵入するのを防ぎ、水サイクルの蒸発性能低下を防ぐことができる。

また、本発明の第４実施形態に係る給湯システムについて説明する。

本第４実施形態は、第２実施形態に真空ポンプを付加したものである。

例えば、図７に示すように、本第４実施形態の給湯システム４１は、第２実施形態と同様の水サイクル２２の絞り弁２２と水側蒸発器８間に真空ポンプ４２が設けられる。

これにより、市水に溶存している空気などにより、水サイクル内圧力が設定値を上回った場合、真空ポンプが稼働し、水サイクル内の空気の除去を行ない、蒸発性能もしくは凝縮性能の低下を防ぐことができる。

本発明の給湯システムの第１実施形態の概念図。本発明の給湯システムの第１実施形態のＣＯ_２サイクル運転時のモリエル線図。本発明の給湯システムの第１実施形態の水サイクル運転時のモリエル線図。本発明の給湯システムの第２実施形態の概念図。本発明の給湯システムの第２実施形態の水サイクル運転時のモリエル線図。本発明の給湯システムの第３実施形態の概念図。本発明の給湯システムの第４実施形態の概念図。従来の給湯システムの単段ＣＯ_２サイクル運転時のモリエル線図。

符号の説明

１…給湯システム、２…ＣＯ_２サイクル、３…圧縮機、４…凝縮器、５…膨張装置、６…蒸発器、７…水サイクル、８…水側蒸発器、９…水側圧縮機、１０…水側凝縮器、１１…水側膨張装置、１２…給水路、１３…給水ポンプ、１４…給水側熱交換器、１５…貯湯槽。

Claims

圧縮機、凝縮器、膨張装置、蒸発器を備え、冷媒として二酸化炭素を用いるＣＯ_２サイクルと、前記凝縮器からの排熱により大気圧よりも低圧の水を蒸発させる水側蒸発器と、この水側蒸発器で蒸発した蒸気を吸込んで圧縮し高温蒸気を吐出する水側圧縮機とを備え、この水側圧縮機から吐出される高温蒸気により水を加熱する水回路とからなることを特徴とする給湯システム。
前記水回路は、さらに水側凝縮器、水側膨張装置を備えた閉サイクルを構成し、前記水側凝縮器の排熱により水を加熱することを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
前記水回路に水を絞り手段を介して給水して前記水側蒸発器で蒸発させ、前記水側圧縮機で圧縮して高温蒸気にし、この高温蒸気と水を直接接触させて水を加熱することを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。