JP2009115387A - 水冷媒加熱器およびそれを用いる水冷媒温水器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式のノンフロン冷凍機において、加熱器を実現する。
【解決手段】低圧下の水冷媒１９を周囲の熱で蒸発させることで飽和乾き蒸気を得る蒸発器１１と、飽和乾き蒸気を断熱圧縮することで高温高圧の過熱蒸気を生成するルーツ圧縮機１２と、過熱蒸気を冷却することでその冷却液を加熱する凝縮器１３と、凝縮器１３で過熱蒸気を凝縮して得られた過冷却液（水冷媒）２０を蒸発器１１へ戻すリターン管路１４とを含み、水を冷媒として用いるヒートポンプ式のノンフロン冷凍機において、プール排水およびシャワー排水の排熱回収に使用するために、蒸発器１１を熱交換器２５を介して温水排水槽５に接続し、凝縮器１３を熱交換器２１を介してプール３に接続し、プール３の貯留水４を加熱する。したがって、水冷媒の利点を生かしながら、加熱器１を実現することができる。また、給排水の温度差が少ないプールは、水冷媒加熱器１に好適である。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を冷媒として用いる新規な水冷媒加熱器およびそれを用いる水冷媒温水器に関する。

冷凍機や空調機などのヒートポンプ動作を行う機器において、オゾン層破壊への対応から、冷媒がフロンから代替フロンへ移り、さらに地球温暖化への対応から、自然冷媒、その中でも安全な水へと一部の用途で切替わりつつある。その水を冷媒に用いた従来技術は、たとえば特許文献１で示される。その特許文献１の従来技術によれば、低圧の蒸発器において、熱源液としての水冷媒に周囲の熱を吸熱させて蒸発させることで得られた飽和乾き蒸気を、圧縮機によって断熱圧縮することで高温高圧の過熱蒸気を生成し、その過熱蒸気を凝縮器において冷却することでその冷却液に放熱を行い、凝縮して得られた高圧の過冷却液を膨張弁を通過させることで湿り蒸気に変換して再び前記蒸発器に戻して液体とすることで、蒸発器で冷却を行うようにした冷凍システムが提案されている。そして、特許文献１では、さらに冷媒が温度によって密度の殆ど変化しない水であることを利用して、蒸発器と凝縮器との差圧を両者の位置水頭の高さの差で発生させることで、前記膨張弁を不要にし、制御やメンテナンスを簡略化することが示されている。
特開２００６−９７９８９号公報

上述の従来技術では、冷房・冷凍の用途ばかりである。一方で、本件発明者の知見により、加熱にも前記水冷媒の利点を生かすことが可能であることが明らかになった。

本発明の目的は、水冷媒の利点を生かしながら、加熱器を実現することができる水冷媒加熱器およびそれを用いる水冷媒温水器を提供することである。

本発明の水冷媒加熱器は、排熱回収用の熱交換器と、熱源液としての水冷媒を低圧下に置き、前記熱交換器からの熱によって蒸発させる蒸発器と、前記蒸発器からの水蒸気を断熱圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの高温高圧の水蒸気を冷却液で冷却することで凝縮させるとともに、前記冷却液を加熱する凝縮器と、前記凝縮器で加熱された冷却液を導入して加熱対象を加熱する負荷機器と、前記凝縮器で凝縮された水を再び前記蒸発器へ戻すリターン管路とを含むことを特徴とする。

上記の構成によれば、低圧下の水冷媒を周囲の熱によって蒸発させることで飽和乾き蒸気を得る蒸発器と、前記飽和乾き蒸気を断熱圧縮することで高温高圧の過熱蒸気を生成する圧縮機と、前記過熱蒸気を冷却することでその冷却液を加熱する凝縮器と、前記凝縮器で過熱蒸気を凝縮して得られた過冷却液を再び前記蒸発器の底部へ戻すリターン管路とを含み、水を冷媒として用いるヒートポンプ式のノンフロン冷凍機において、従来では、負荷機器は蒸発器に接続されて、冷房・冷凍用途であったのを、本発明では、前記蒸発器には排熱回収用の熱交換器を接続し、熱源液としての前記水冷媒を前記熱交換器からの熱によって蒸発させるとともに、負荷機器を凝縮器に接続し、その冷却液を用いて、負荷機器では加熱対象を加熱する。

したがって、水冷媒の利点を生かしながら、加熱器を実現することができる。また、たとえばプール排水やシャワー排水などの排熱源を総て前記排熱回収用の熱交換器に通すことで、排熱回収が可能になり、比較的低温の排水であっても有効に利用することができ、省エネ効果を得ることができる。

また、本発明の水冷媒加熱器では、前記圧縮機はルーツ圧縮機であることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記ルーツ圧縮機は、特に水を冷媒とする場合に、高効率で好適である。また、逆転可能であることから、四方弁が不要となってシンプルな構成とすることができるとともに、加熱対象の温度が高すぎる場合には、前記逆転させることで冷却を行うこともできる。

さらにまた、本発明の水冷媒加熱器は、前記圧縮機をバイパスするバイパス管路および流量制御弁をさらに備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、前記蒸発器側の熱源液の温度が高い場合には、前記バイパス管路および流量制御弁を介して、蒸発器からの蒸気を凝縮器へ直接送るヒートパイプのような動作を行うことで、通常通り凝縮器側の冷却液を加熱することができる。

したがって、圧縮機を停止またはその回転を低下させることができ、省エネルギー化を図ることができる。

また、本発明の水冷媒温水器は、前記の水冷媒加熱器において、前記凝縮器の冷却液が水であることを特徴とする。

上記の構成によれば、ノンフロンで、ヒートポンプにつき高効率、さらにシンプルな温水器を実現することができる。

さらにまた、本発明の水冷媒温水器では、前記熱交換器は前記熱源液にプール排水の熱を供給し、前記凝縮器における冷却液からはプール貯留水に熱を供給することを特徴とする。

上記の構成によれば、プール貯留水の量は常に一定で、かつ排水分を補充する場合、たとえば３１℃の温水プールの水温、すなわち排水の温度に対して、補充する水の温度差は、夏場で１０℃以下、冬場でも２０℃程度と、温度差が小さい。

したがって、前記ヒートポンプ式の水冷媒温水器を高効率で使用することができ、その用途としてプールは極めて好適である。また、水温が８０℃以上等であれば、冷媒として炭酸ガス等の使用も可能になるが、上記２０〜３０℃程度の水温は、温度域からも水冷媒温水器を高効率で使用することができ、好適である。

また、本発明の水冷媒温水器は、前記プール排水にシャワー排水を合わせて貯留する温水排水槽をさらに備えることを特徴とする。

上記の構成によれば、プール排水よりも１０℃以上温度の高いシャワー排水の排熱も回収することができるとともに、温水排水槽で貯留することで、短時間に集中的に生じるシャワー排水から、プール貯留水を緩やかに長時間加熱することができる。

本発明の水冷媒加熱器は、以上のように、低圧下の水冷媒を周囲の熱によって蒸発させることで飽和乾き蒸気を得る蒸発器と、前記飽和乾き蒸気を断熱圧縮することで高温高圧の過熱蒸気を生成する圧縮機と、前記過熱蒸気を冷却することでその冷却液を加熱する凝縮器と、前記凝縮器で過熱蒸気を凝縮して得られた過冷却液を再び前記蒸発器の底部へ戻すリターン管路とを含み、水を冷媒として用いるヒートポンプ式のノンフロン冷凍機において、従来では、負荷機器は蒸発器に接続されて、冷房・冷凍用途であったのを、本発明では、前記蒸発器には排熱回収用の熱交換器を接続し、熱源液としての前記水冷媒を前記熱交換器からの熱によって蒸発させるとともに、負荷機器を凝縮器に接続し、その冷却液を用いて、負荷機器では加熱対象を加熱する。

それゆえ、水冷媒の利点を生かしながら、加熱器を実現することができる。また、たとえばプール排水やシャワー排水などの排熱源を総て前記排熱回収用の熱交換器に通すことで、排熱回収が可能になり、比較的低温の排水であっても有効に利用することができ、省エネ効果を得ることができる。

また、本発明の水冷媒加熱器は、以上のように、前記圧縮機をルーツ圧縮機とする。

それゆえ、特に水を冷媒とする場合に、高効率で好適である。また、逆転可能であることから、四方弁が不要となってシンプルな構成とすることができるとともに、加熱対象の温度が高すぎる場合には、前記逆転させることで冷却を行うこともできる。

さらにまた、本発明の水冷媒加熱器は、以上のように、前記圧縮機をバイパスするバイパス管路および流量制御弁を設け、前記蒸発器側の冷却液の温度が高い場合には、前記バイパス管路および流量制御弁を介して、蒸発器からの蒸気を凝縮器へ直接送るヒートパイプのような動作を行うことで、通常通り凝縮器側の冷却液を加熱する。

それゆえ、圧縮機を停止またはその回転を低下させることができ、省エネルギー化を図ることができる。

また、本発明の水冷媒温水器は、以上のように、前記の水冷媒加熱器において、前記凝縮器の冷却液を水とする。

それゆえ、ノンフロンで、ヒートポンプにつき高効率、さらにシンプルな温水器を実現することができる。

さらにまた、本発明の水冷媒温水器は、以上のように、前記熱交換器は前記熱源液にプール排水の熱を供給し、前記凝縮器における冷却液からはプール貯留水に熱を供給する。

それゆえ、プール貯留水の量は常に一定で、かつ排水分を補充する場合も補充する水との温度差が小さく、前記ヒートポンプ式の水冷媒温水器を高効率で使用することができ、用途としては極めて好適である。

また、本発明の水冷媒温水器は、以上のように、前記プール排水にシャワー排水を合わせて貯留する温水排水槽をさらに備える。

それゆえ、プール排水よりも温度の高いシャワー排水の排熱も回収することができるとともに、温水排水槽で貯留することで、短時間に集中的に生じるシャワー排水から、プール貯留水を緩やかに長時間加熱することができる。

図１は、本発明の実施の一形態に係る水冷媒加熱器１を用いる水冷媒温水器２の全体構成を示す図である。この水冷媒温水器２は、プール３の温水生成装置として用いられる。この水冷媒温水器２は、大略的に、前記水冷媒加熱器１と、その水冷媒加熱器１で生成された温水と前記プール３の貯留水４との間で熱交換を行うための第１の熱交換器２１と、その第１の熱交換器２１の１次側の水冷媒を循環させるポンプ２２と、２次側のプール貯留水４を循環させるポンプ２３および濾過器２４と、別途設けられる温水排水槽５と、その温水排水槽５の温排水２９と前記水冷媒加熱器１の水冷媒１９との間で熱交換を行うための第２の熱交換器２５と、その第２の熱交換器２２の１次側の温排水を循環させるポンプ２６と、２次側の水冷媒２０を循環させるポンプ２７とを備えて構成される。

水冷媒加熱器１の構造は、前記特許文献１などと同様であり、熱源液としての水冷媒１９を低圧下に置き、蒸発させる蒸発器１１と、前記蒸発器１１からの水蒸気を断熱圧縮するルーツ圧縮機１２と、前記ルーツ圧縮機１２からの高温高圧の水蒸気を冷却液である水で冷却することで凝縮させるとともに、前記水を加熱して前記温水を生成する凝縮器１３と、前記凝縮器１３で凝縮された水冷媒２０を再び前記蒸発器１１の底部へ戻すリターン管路１４と、前記ルーツ圧縮機１２を駆動するモータ１５と、運転開始にあたって、前記蒸発器１１から凝縮器１３内を真空引きする真空ポンプ１６と、前記ルーツ圧縮機１２をバイパスして、前記蒸発器１１から凝縮器１３を直結することができるバイパス管路１７およびそれに介在される流量制御弁１８とを備えて構成される。

上述のように構成される水冷媒温水器２において、温水排水槽５には、プール３から溢れ出たプール貯留水４が上部側から流入するとともに、フィルタ２８を介して、シャワー排水が同様に上部側から流入している。その温水排水槽５の温排水２９における上層の比較的温度の高い水がポンプ２６によって吸い込まれ、前記第２の熱交換器２５を介して該温水排水槽５の底部側に循環される。一方、前記水冷媒加熱器１の蒸発器１１の底面に貯まった水冷媒１９は、ポンプ２７によって吸い出され、前記第２の熱交換器２５を介して該蒸発器１１に循環される。こうして、蒸発器１１では、低圧下の水冷媒１９が、第２の熱交換器２５を介する、すなわち温水排水槽５の排熱によって蒸発されることで、飽和乾き蒸気となる。

前記蒸発器１１からの飽和乾き蒸気は、ルーツ圧縮機１２において断熱圧縮され、高温高圧の過熱蒸気となる。前記ルーツ圧縮機１２からの過熱蒸気は、凝縮器１３において前記第１の熱交換器２１からの水で冷却されて液体の水冷媒２０に戻り、該凝縮器１３の底面に貯まる。このとき、第１の熱交換器２１からの水が加熱され、その熱は該第１の熱交換器２１において、加熱対象であるプール貯留水４を加熱する。前記凝縮器１３で凝縮した水冷媒２０は、リターン管路１４を介して、前記蒸発器１１の底面に循環される。

したがって、本発明の水冷媒加熱器１は、水を冷媒として用いるヒートポンプ式のノンフロン冷凍機の構成を用い、注目すべきは、第２の熱交換器２５を蒸発器１１に接続して、プール排水やシャワー排水の排熱回収を行うとともに、負荷機器となる第１の熱交換器２１を凝縮器１３に接続し、その冷却液を用いて、第１の熱交換器２１では加熱対象であるプール貯留水４を加熱することである。このように構成することで、水冷媒の利点を生かしながら、加熱器を実現することができる。

また、圧縮機としてルーツ圧縮機を用いることで、前記のように特に水を冷媒とする場合に、高効率で好適である。また、逆転可能であることから、四方弁が不要となってシンプルな構成とすることができるとともに、加熱対象、すなわちプール貯留水４の温度が、夏場等で高すぎる場合には、前記逆転させることで冷却を行うこともできる。

さらにまた、前記ルーツ圧縮機１２をバイパスするバイパス管路１７および流量制御弁１８を設けることで、前記蒸発器１１側の冷却液、すなわち温水排水槽５の温排水２９の温度が高い場合には、前記バイパス管路１７および流量制御弁１８を介して、蒸発器１１からの蒸気を凝縮器１３へ直接送るヒートパイプのような動作を行うことで、通常通り凝縮器１３側の冷却液、すなわちプール貯留水４を加熱することができる。具体的には、制御装置４０は、蒸発器１１および凝縮器１３に設けた温度センサ４１，４２によって水冷媒１９，２０の温度をそれぞれ検出し、蒸発器１１側の水冷媒１９の温度が凝縮器１３側の水冷媒２０の温度より予め定める温度α、たとえば３℃以上高い場合には、前記流量制御弁１８を開放するとともに、ルーツ圧縮機１２を停止し、そうでない場合には、流量制御弁１８を遮断するとともに、ルーツ圧縮機１２を、温度差に応じた速度で回転させる。このように構成することで、温排水２９の温度が高い場合には、ルーツ圧縮機１２を停止またはその回転を低下させることができ、一層の省エネルギー化を図ることができる。

また、前記凝縮器１３の冷却液が水であることで、ノンフロンで、ヒートポンプにつき高効率、さらにシンプルな温水器２を実現することができる。

さらにまた、この水冷媒温水器２では、前記蒸発器１１の冷却液にはプール３の温排水２９から熱を供給しており、前記凝縮器１３における冷却液からはプール貯留水４に熱を供給している。したがって、プール貯留水４の量は常に一定で、かつ排水分を補充する場合、たとえば３１℃の温水プールの水温、すなわち排水の温度に対して、補充する水の温度差は、夏場で１０℃以下、冬場でも２０℃程度と、温度差が小さい。これによって、前記ヒートポンプ式の水冷媒温水器２を高効率で使用することができ、その用途としてプール３は極めて好適である。また、水温が８０℃以上等であれば、冷媒として炭酸ガス等の使用も可能になるが、上記２０〜３０℃程度の水温は、温度域からも水冷媒温水器２を高効率で使用することができ、好適である。

また、前記プール排水にシャワー排水を合わせて貯留する温水排水槽５をさらに設けることで、プール排水よりも１０℃以上温度の高いシャワー排水の排熱も回収することができるとともに、温水排水槽５で貯留することで、短時間に集中的に生じるシャワー排水から、プール貯留水４を緩やかに長時間加熱することができる。

さらにまた、図１の例では、温水排水槽５の温排水２９における下層の比較的温度の低い水をポンプ３１によって吸い出し、第３の熱交換器３２を介して該温水排水槽５の上部側に循環させる一方、前記第３の熱交換器３２にポンプ３３によって温水を供給する空冷ヒートポンプ３４をバックアップ用に設けている。これによって、冬季などで前記温排水２９の温度が充分に上がらなくても、プール３には、たとえば前記３１℃の必要な温度の温水を供給することができる。その場合、第３の熱交換器３２は、蒸発器１１の水冷媒１９に対して、直接熱交換を行うようにしてもよい。

また、前記熱交換器２１，２５，３２は、液体と液体との熱交換を行うので、プレート式が好ましいが、シェルアンドチューブ式等、他の構造の熱交換器が用いられてもよい。さらにまた、第１の熱交換器２１の１次側を直接プール３内の貯留水４に浸漬してもよく、同様に、第２の熱交換器２５の２次側を直接温水排水槽５内の温排水２９に浸漬してもよい。

さらにまた、図１の構成でも、前記特許文献１と同様に、冷媒が温度によって密度の殆ど変化しない水であることを利用して、蒸発器１１と凝縮器１３との差圧を両者の位置水頭の高さの差で発生させることで、リターン管路１４の膨張弁を不要にし、制御やメンテナンスを簡略化しているけれども、前記膨張弁が用いられてもよい。

ここで、ヒートポンプは、前記のように小さな温度差を変化させるのが得意であるが、殺菌や乾燥などのために高温、たとえば８０℃以上の温水が必要になる食洗機などに用い、受け入れた水道水の予熱に使用しても、後にヒータなどでその高温の温水を生成するにあたって、適温まで昇温させるのに必要なエネルギーを劇的に削減することができる。したがって、本発明の水冷媒加熱器１は、前記プール３の温水生成装置としだけでなく、他の用途にも用いることができる。

ここで、特開２００４−２５７６７７号公報には、夏期にはコジェネからの電源供給で水冷媒冷凍機で冷房を行い、冬季にはコジェネの排熱を利用して暖房を行うことが示されているが、水冷媒冷凍機を加熱に使用することは、記載も示唆もない。また、特開２００４−６９０８７号公報には、コジェネの排熱を利用して吸収式冷凍機を動作させ、その冷熱で水冷媒冷凍機の凝縮器の冷却を行い、シャーベットアイスを生成することが示されているが、この先行技術にも、水冷媒冷凍機を加熱に使用することは、記載も示唆もない。

一方、特開２００２−１３７８７号公報には、電気式ヒートポンプチラーからの冷温水と熱交換してプール水や室内を冷却・加温することが示されている。しかしながら、この先行技術では、ヒートポンプは通常のフロン冷媒を使用していると思われ、水冷媒冷凍機を使用することは、記載も示唆もなく、またヒートポンプの排熱は通常のエアコンと同様に空気中に放熱されていると思われる。したがって、本発明では、冷媒がプールの温度範囲に適しており、効率の面で有利であるのに対して、この先行技術では必ずしもそうではなく、また排水の排熱の回収なども不可能である。

本発明の実施の一形態に係る水冷媒加熱器を用いる水冷媒温水器の全体構成を示す図である。

符号の説明

１ 水冷媒加熱器
２ 水冷媒温水器
３ プール
４ 貯留水
５ 温水排水槽
１１ 蒸発器
１２ ルーツ圧縮機
１３ 凝縮器
１４ リターン管路
１５ モータ
１６ 真空ポンプ
１７ バイパス管路
１８ 流量制御弁
１９，２０ 水冷媒
２１ 第１の熱交換器
２２，２３，２６，２７，３１，３３ ポンプ
２４ 濾過器
２５ 第２の熱交換器
２８ フィルタ
２９ 温排水
３２ 第３の熱交換器
３４ 空冷ヒートポンプ
４１ 制御装置
４２，４３ 温度センサ

Claims (6)

1. 排熱回収用の熱交換器と、
   熱源液としての水冷媒を低圧下に置き、前記熱交換器からの熱によって蒸発させる蒸発器と、
   前記蒸発器からの水蒸気を断熱圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機からの高温高圧の水蒸気を冷却液で冷却することで凝縮させるとともに、前記冷却液を加熱する凝縮器と、
   前記凝縮器で加熱された冷却液を導入して加熱対象を加熱する負荷機器と、
   前記凝縮器で凝縮された水を再び前記蒸発器へ戻すリターン管路とを含むことを特徴とする水冷媒加熱器。
2. 前記圧縮機はルーツ圧縮機であることを特徴とする請求項１記載の水冷媒加熱器。
3. 前記圧縮機をバイパスするバイパス管路および流量制御弁をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の水冷媒加熱器。
4. 前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の水冷媒加熱器において、前記凝縮器の冷却液が水であることを特徴とする水冷媒温水器。
5. 前記熱交換器は前記熱源液にプール排水の熱を供給し、前記凝縮器における冷却液からはプール貯留水に熱を供給することを特徴とする請求項４記載の水冷媒温水器。
6. 前記プール排水にシャワー排水を合わせて貯留する温水排水槽をさらに備えることを特徴とする請求項５記載の水冷媒温水器。

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