JP2010223537A - ヒートポンプ給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】これまで以上に高効率な熱交換を可能とし、湯切れの心配をなくすことができるとともに、省エネルギー、省スペースに資するヒートポンプ給湯システムを提供する。
【解決手段】潜熱蓄熱材が充填されたタンク内に一次側熱媒体Ａと水Ｂとの間で熱交換を行うフィンドチューブ熱交換器を収納した潜熱装置１と、減圧手段１１、熱源機側熱交換器１２、圧縮機１３と一次側熱媒体配管１４を介して順次接続されることで冷凍サイクルを構成し、潜熱装置１に高温の一次側熱媒体Ａを供給するヒートポンプユニット１０と、潜熱装置１に接続され、低温の水Ｂを供給する供給管２１と、潜熱装置１に接続され、潜熱装置１において熱交換されることによって高温とされた水Ｂを使用場所へと供給する給湯管２２とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、潜熱装置を利用するヒートポンプ給湯システムに関する。

従来より給湯等に利用される蓄熱装置は、例えば、蓄熱材を充填した蓄熱槽に熱交換器を設け、熱源で加熱した循環水を循環ポンプで蓄熱槽の熱交換器に送り蓄熱材に蓄熱する。給湯する場合には、吸水管から給水して熱交換器を介して蓄熱材から熱を取り出し（熱交換を行い）給湯管から給湯することによって湯を利用していた。

この蓄熱装置は、例えば、以下の特許文献１に開示されているように、一次側流体流路を有する蓄熱パネルと二次側流体流路を有する流路平板とで、蓄熱体を挟んで順に積層し、この蓄熱体、蓄熱パネルと流路平板とを密着させる構成となっている。

また、この蓄熱装置をヒートポンプ給湯システムに適用し、蓄熱装置において熱交換されて生成された湯を各使用場所へと給湯する蓄熱式給湯機も提案されている（特許文献２参照）。この蓄熱式給湯機は、ヒートポンプの流体加熱用熱交換器で放熱した熱を水等の被加熱流体といった媒介を介して蓄熱装置に蓄熱する構成を採用する。

特開２００６−２８４０４６号公報 特開２００７−２８５６４０号公報

しかしながら、上述の特許文献１に開示されている発明では、その構成故、蓄熱体と一次側流体、或いは二次側流体である熱媒体との間に十分な伝熱面積を確保することができない。従って、効率的な熱交換を行うことが困難となる。また、蓄熱体は、潜熱を放熱することによって放熱部位から順に固化していくが、伝熱面積が確保できない状態では、蓄熱体の固化によって次第に伝熱面積が小さくなっていく。このため一次側、二次側における熱媒体同士の熱交換の性能が低下してしまう。

特許文献２に開示された発明における蓄熱式給湯機の構成によると、流体加熱用熱交換器から被加熱流体への熱移動、この被加熱流体から蓄熱装置への熱移動の際に熱損失がどうしても発生してしまい無駄である。また、被加熱流体の循環に際しては、別途循環ポンプを設置しなければならず、新たなエネルギーを必要とするため、省エネルギーの観点からは適切ではない。さらに、装置構成も大きくなるため蓄熱式給湯機の設置には大きなスペースが必要とされる。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、これまで以上に高効率な熱交換を可能とし、湯切れの心配をなくすことができるとともに、省エネルギー、省スペースに資するヒートポンプ給湯システムを提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、ヒートポンプ給湯システムにおいて、潜熱蓄熱材が充填されたタンク内に一次側熱媒体と水との間で熱交換を行うフィンドチューブ熱交換器を収納した潜熱装置と、減圧手段、熱源機側熱交換器、圧縮機と一次側熱媒体配管を介して順次接続されることで冷凍サイクルを構成し、潜熱装置に高温の一次側熱媒体を供給するヒートポンプユニットと、潜熱装置に接続され、低温の水を供給する供給管と、潜熱装置に接続され、潜熱装置において熱交換されることによって高温となった水を使用場所へと供給する給湯管とを備える。

本発明によれば、これまで以上に高効率な熱交換を可能とし、湯切れの心配をなくすことができるとともに、省エネルギー、省スペースに資するヒートポンプ給湯システムを提供することができる。

本発明の実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムの全体構成を示す全体図である。 本発明の実施の形態に係る潜熱装置の構成を示した構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るヒートポンプ給湯システムＳの全体構成を示す全体図である。ヒートポンプ給湯システムＳは、潜熱装置１と、この潜熱装置１に接続され蓄熱される熱を供給するヒートポンプユニット１０と、潜熱装置１に水を供給する供給管２１と、潜熱装置１における熱交換によって生成された湯を各使用場所へと給湯する給湯管２２と、から構成される。

図２は、本発明の実施の形態に係る潜熱装置１の構成を示した構成図である。図２では、潜熱装置１の内部を見ることができるように表わされている。潜熱装置１は、ヒートポンプユニット１０から供給される一次側熱媒体Ａが通る第１の流路２と、供給管２１から供給される二次側熱媒体Ｂである水が通る第２の流路３とを備える。これら第１の流路２及び第２の流路３は、タンク４内に収納されている。さらに、このタンク４内には、潜熱蓄熱材５が充填されている。

第１の流路２は、銅やアルミパイプからなり、複数の直線部２ａと隣接する直線部２ａの両端部が曲線部２ｂによって接続され、何層にも積層されて構成される。このような構成を採用することによって、潜熱装置１に対してヒートポンプユニット１０から供給される一次側熱媒体Ａは、第１の流路２に送り込まれ、一方向に連続して流れて再度ヒートポンプユニット１０へと送り出される。その意味では、この第１の流路２は、潜熱装置１内において放熱側熱交換器としての役割を果たしている。

一方、第２の流路３も第１の流路２と同様、複数の直線部３ａと隣接する直線部３ａの両端部が曲線部３ｂによって接続され、何層にも積層されて構成される。これによって、二次側熱媒体Ｂは供給管２１から第２の流路３へと送り込まれ、一方向に連続して流れて給湯管２２へと送り出される。その意味では、この第２の流路３は、潜熱装置１内において吸熱側熱交換器としての役割を果たしている。

なお、第１の流路２、第２の流路３を構成する直線部２ａ，３ａは、積層されたアルミ製の薄板からなるフィン６を貫通している。このため、一般的な空調用の蒸発器もしくは凝縮器として用いられる空気熱交換器と同じ多列のフィンドチューブ熱交換器である。従って、空調機用部品もしくはその製造装置を流用することもできる。

本発明の実施の形態においては、一次側熱媒体Ａとしては、例えば、Ｒ４１０やＣＯ２といった冷媒が好適に使用される。供給管２１から潜熱装置１へと供給された二次側熱媒体Ｂである水は、潜熱装置１内において一次側熱媒体Ａとの間で熱交換を行うことで加熱され湯となる。生成された湯は、給湯管２２を介して各使用場所へと給湯される。二次側熱媒体Ｂの搬送には、ポンプ２３が使用される。

第１の流路２及び、第２の流路３における直線部２ａ，３ａは、積層された多数のフィン６を垂直に貫通して嵌め込まれている。従って、第１の流路２、第２の流路３は、いわゆるフィンドチューブ型の流路となる。このフィン６は、曲線部２ｂ，３ｂを除く直線部２ａ，３ａの全域に亘って複数配置されている。なお、図２に示す潜熱装置１においては、第１の流路２及び第２の流路３の構成を明らかにするために直線部２ａ，３ａの中央部分のフィン６を図中省略して表している。

フィン６は、第１の流路２内を流れる一次側熱媒体Ａが持つ熱を効率よく潜熱蓄熱材５へと移動させるとともに及び一次側熱媒体Ａと二次側熱媒体Ｂがフィンを介した熱伝導によって効率良く熱伝達させる。本発明の実施の形態においては、タンク４内において積層される第１の流路２と第２の流路３の全ての層が積層されたそれぞれ１枚のフィン６を貫通している。また、直線部２ａ，３ａの全域に亘って配置されることによって、一次側熱媒体Ａの熱を第１の流路２の周囲のみならず潜熱装置１内に均等に、温度ムラがなく移動させることが可能となる。従って、フィン６の材質は熱伝導に優れる薄板のアルミニウム等の材質が選択される。

潜熱装置１のタンク４内の潜熱蓄熱材５は、所定の温度以上で（吸熱することで）液体となり、その所定温度未満で（放熱することで）固体へと変化する、潜熱により相が変化する物質である。一次側熱媒体Ａと二次側熱媒体Ｂが通過するフィンドチューブ熱交換器全体が、この潜熱蓄熱材５内に没している。潜熱装置１のタンク４内に潜熱蓄熱材５を充填するのは、例えば水等の顕熱蓄熱材よりも、潜熱蓄熱材５の方が蓄熱量が大きい。そのため、同じ熱量を蓄熱する場合には、タンク４ひいては潜熱装置１全体をより小さくすることができる。従って、ヒートポンプ給湯システム１全体を小型化することができ、省スペースに資する。なお、水は０℃以下の低温側の蓄熱においては、潜熱蓄熱材として使用できるが、給湯用の高温側では潜熱蓄熱材としては使用できない。

潜熱蓄熱材５としては、例えば、酢酸ナトリウムや水酸化バリウム等を好適に使用することができる。酢酸ナトリウムの場合、融点（所定温度）は５８℃であり、水酸化バリウムの場合は融点（所定温度）が７８℃となる。潜熱蓄熱材５は、図２に示すように潜熱装置１内に充填される。従って、第１の流路２、第２の流路３及びフィン６は液体状態の潜熱蓄熱材５に筐体４（潜熱装置１）内において浸されている状態である。

ヒートポンプユニット１０は、図１の破線に囲まれて示されているように、潜熱装置１から送り出された一次側熱媒体Ａの圧力を下げる減圧手段１１と、この減圧手段１１の吐出側に一端が接続され、送風機１２ａを備える熱源機側熱交換器１２と、熱源機側熱交換器１２の他端に接続される圧縮機１３と、これら各機器を連結する一次側熱媒体配管１４とから構成される。これにより、圧縮機１３、潜熱装置１、減圧手段１１、熱源機側熱交換器１２、圧縮機１３が接続され、一次側熱媒体Ａが循環する冷凍サイクルが構成される。

ここで、潜熱装置１に対して熱を供給し蓄熱させる際の冷凍サイクルについて簡単に説明する。実線の矢印に示されているように、まず、一次側熱媒体配管１４において、気体である一次側熱媒体Ａは圧縮機１３において圧力が掛けられて高温高圧にされ、潜熱装置１に供給される。この潜熱装置１内では、一次側熱媒体Ａが第１の流路２を通ることで、潜熱蓄熱材５に対して熱を移動させる。フィン６が第１の流路２に嵌め合わされていることから高効率な熱の移動を行うことができるのは上述した通りである。潜熱蓄熱材５は、自身の融点を超える高熱の一次側熱媒体Ａによって液体となる。

潜熱装置１（潜熱蓄熱材５）に対して熱を移動させた一次側熱媒体Ａは、減圧手段１１において低温低圧の液体にされる。さらに熱源機側熱交換器１２に入り、大気等と熱交換することで吸熱、蒸発して再び気体になり圧縮機１３に戻る。このような冷凍サイクルを繰り返すことで、潜熱装置１に熱を蓄熱させる。

本発明の実施の形態においては、圧縮機１３から潜熱装置１に対する一次側熱媒体Ａの供給経路（一次側熱媒体配管１４）は、図１、或いは図２に示すように２つの流路に分岐し、それぞれが一次側熱媒体Ａを並行にフィンドチューブ熱交換器に供給されるよう接続される。これは、潜熱装置１内のフィンドチューブ熱交換器中の第１の流路２を直列に接続するよりも並列に接続する方が、潜熱蓄熱材５に対する一次側熱媒体Ａによる熱の移動、蓄積が高効率に行われるからである。なお、図２に示すように本発明の実施の形態におけるフィンドチューブ熱交換器中には、第１の流路２が２つ並行に設けられているが、並行に設けられる第１の流路２の数は任意に設定することができる。

高温の一次側熱媒体Ａが潜熱装置１に供給されることによって、第１の流路２、フィン６を介して潜熱蓄熱材５に熱が移動する。このような潜熱装置１においてポンプ２３を駆動すると、供給管２１から二次側熱媒体Ｂである水が供給され、二次側熱媒体Ｂは第２の流路３を通ることによって暖められ、湯が生成される。潜熱装置１内において、第２の流路３はフィンドチューブ熱交換器内で直列に接続されている。これは潜熱蓄熱材５に蓄積された熱を無駄なく効率よく二次側熱媒体Ｂ（水）に対して移動させるためである。さらに冷凍サイクルを運転中に二次側熱媒体Ｂ（水）を流せば、フィン６を介して一次側熱媒体Ａと二次側熱媒体Ｂ（水）とを直接熱交換させることもできる。そして、供給管２１を介して潜熱装置１内に供給され生成された湯は、給湯管２２を介して各使用場所へと供給される。

以上、説明した構成を採用することによって、これまで以上に高効率な熱交換を可能とし、湯切れの心配をなくすことができるとともに、省エネルギー、省スペースに資するヒートポンプ給湯システムを提供することができる。

特に、潜熱装置１は複数が並行に設けられる第１の流路２、直列に接続される第２の流路３、及び第１の流路２、第２の流路３に設けられるフィン６を備えているので、高効率の熱交換を行うことができる。また、蓄熱された状態の潜熱装置１内に水を必要な時に必要な量を供給することによって、常に所望の量、温度の湯を入手することができるため、湯切れの心配がない。

また、電気料金の安い深夜の時間帯にヒートポンプユニット１０を蓄熱運転し潜熱装置１に蓄熱しておくことにより、湯の需要が多い昼間にヒートポンプユニット１０を運転する必要性が低減されるので、省エネルギー、低コストなヒートポンプ給湯システムとなる。そして、潜熱装置１への蓄熱運転と各使用場所への給湯運転とはその運転タイミングをずらすことによってさらに高効率な運転を行うことができる。すなわち、蓄熱運転を終了して潜熱蓄熱材５に十分に蓄熱した後に給湯運転を行うことで、潜熱装置１へ供給された水を十分に暖めることができるからである。

さらに、本発明の実施の形態において一例として説明したヒートポンプ給湯システムの構成であれば、ヒートポンプユニットに接続され湯を貯めておく貯湯タンクが不要になるため、設置に当たっての省スペース化も図ることができる。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。なお、第１の流路は並列に、第２の流路は直列に接続した例を挙げて説明を行ったが、条件に応じていずれも並列、直列に接続することができる。

また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…潜熱装置、２…第１の流路、３…第２の流路、４…タンク、５…潜熱蓄熱材、６…フィン、１０…ヒートポンプユニット、１１…減圧手段、１２…熱源側熱交換器、１２ａ…送風機、１３…圧縮機、１４…一次側熱媒体配管、２１…供給管、２２…給湯管、２３…ポンプ、Ａ…一次側熱媒体、Ｂ…二次側熱媒体、Ｓ…ヒートポンプ給湯システム

Claims (3)

1. 潜熱蓄熱材が充填されたタンク内に一次側熱媒体と水との間で熱交換を行うフィンドチューブ熱交換器を収納した潜熱装置と、
   減圧手段、熱源機側熱交換器、圧縮機と一次側熱媒体配管を介して順次接続されることで冷凍サイクルを構成し、前記潜熱装置に高温の前記一次側熱媒体を供給するヒートポンプユニットと、
   前記潜熱装置に接続され、低温の水を供給する供給管と、
   前記潜熱装置に接続され、前記潜熱装置において熱交換されることによって高温となった水を使用場所へと供給する給湯管と、
   を備えることを特徴とするヒートポンプ給湯システム。
2. 前記フィンドチューブ熱交換器は、
   複数の直線部と隣接する前記直線部の両端部が曲線部によって接続されることにより、前記一次側熱媒体が一方向に連続して流れる第１の流路と、
   複数の直線部と隣接する前記直線部の両端部が曲線部によって接続されることにより、前記水が一方向に連続して流れる第２の流路と、
   前記第１の流路及び前記第２の流路における前記直線部が貫通するフィンと
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯システム。
3. 前記第１の流路は、前記フィンドチューブ熱交換器中を並列になるように接続され、前記第２の流路は、フィンドチューブ熱交換器中で直列になるように接続されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のヒートポンプ給湯システム。

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