JP2018084393A - 熱交換器及び貯湯給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプにより加熱された高温の湯水と、温水暖房端末で放熱された低温熱媒との間で熱交換を行うための熱交換器及びそれを利用した貯湯給湯装置を提供する。【解決手段】ヒートポンプ(2) によって加熱された高温の湯水と、温水暖房端末で放熱された低温熱媒との間の熱交換を行うための熱交換器(5) が設けられ、この熱交換器(5) は、ヒートポンプ(2) で加熱された高温の温水を導入するための温水導入口(5a)と、熱交換後の温水をヒートポンプに戻すための湯水導出口(5b)と、低温暖房端末で放熱された熱媒を導入するための低温用熱媒導入口(5d)と、暖房加熱装置(1) に熱媒を戻すための熱媒導出口(5e)とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプにより加熱された高温水と、温水暖房端末で放熱された低温熱媒との間で熱交換を行うための熱交換器及びそれを利用した貯湯給湯装置に関する。

従来、ヒートポンプと貯湯タンクと補助熱源機とを備えた貯湯給湯装置が広く実用に供されており、貯湯タンクの高温の湯水と暖房端末からの戻りの熱媒との間で熱交換する暖房用熱交換器を備えたものがある。

暖房用端末には、床暖房等の低温暖房端末と、浴室暖房や浴室乾燥等の高温暖房端末とがあり、低温暖房端末からの戻りの熱媒（例えば３０〜４０℃）と高温暖房端末からの戻りの熱媒（例えば６０℃）は合流後膨張タンクへ導入され、暖房系統に戻される。

他方、暖房端末からの戻りの熱媒をヒートポンプで加熱するようにした貯湯給湯装置も公知である。例えば、特許文献１の暖房システムでは、低温暖房端末からの戻りの熱媒をヒートポンプで加熱し、高温暖房端末からの戻りの熱媒は、ヒートポンプで加熱後の熱媒と合流してからガス燃焼式熱源機で加熱するようにしている。この低温暖房端末からの戻りの低温の熱媒をヒートポンプで加熱するため、ヒートポンプの運転効率を高めることができる。

特許第６００９７９７号公報

上記の暖房用熱交換器を備えた一般的な貯湯給湯装置の場合、貯湯タンクからの高温の湯水を暖房用熱交換器に供給し、その暖房用熱交換器において、低温用と高温用の戻りの熱媒を混合させた中温の熱媒を加熱するため、運転効率を高めることは難しい。

しかも、貯湯タンクが満蓄状態の場合、ヒートポンプの運転効率が著しく低下するが、この場合でもヒートポンプで加熱した高温の温水を用いて暖房用熱媒を加熱するため、ヒートポンプの運転効率を高める上で不利である。
特許文献１の暖房システムでは、ヒートポンプの凝縮熱交換器に、暖房専用の熱交換部と、貯湯専用の熱交換部を設けるため、凝縮熱交換器が大型化し、製作費が高価になる。

本発明の目的は、ヒートポンプにより加熱された高温の温水と、温水暖房端末で放熱された低温熱媒との間で熱交換を行うための熱交換器及びそれを利用した貯湯給湯装置を提供することである。

請求項１の熱交換器は、ヒートポンプによって加熱された高温の温水と、温水暖房端末で放熱された低温熱媒との間の熱交換を行うための熱交換器であって、ヒートポンプで加熱された高温温水を導入するための温水導入口と、熱交換後の温水が導出される湯水導出口と、低温暖房端末で放熱された熱媒を導入するための低温用熱媒導入口と、暖房加熱装置に熱媒を戻すための熱媒導出口とを備えたことを特徴としている。

請求項２の熱交換器は、請求項１の発明において、前記熱交換器はプレート式熱交換器であることを特徴としている。

請求項３の熱交換器は、請求項１又は２の発明において、前記低温暖房端末からの熱媒を導入する低温用熱媒導入口は、複数設けられていることを特徴としている。

請求項４の熱交換器は、請求項２又は３の発明において、前記熱媒導出口は、高温暖房端末で放熱された熱媒の高温用熱媒導入口と連通しており、高温暖房端末で放熱された熱媒は前記高温の温水と熱交換することなく導出されることを特徴としている。

請求項５の貯湯給湯装置は、請求項１の熱交換器と前記ヒートポンプと燃焼式の補助加熱装置と貯湯タンクとを備え、前記温水導出口は前記貯湯タンクの上部に接続された配管に接続され、前記暖房加熱装置として機能する貯湯給湯装置であることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、熱交換器の温水導入口からヒートポンプで加熱された高温の温水を導入し、低温用熱媒導入口から低温暖房端末で放熱された低温の熱媒のみを導入して、前記の高温の温水で低温の熱媒を加熱することができるため、運転効率を高める上で有利である。

請求項２の発明によれば、熱交換器がプレート式熱交換器であるため、小型で高性能の熱交換器とすることができる。

請求項３の発明によれば、前記低温暖房端末からの熱媒を導入する低温用熱媒導入口は、複数設けられているため、この熱交換器は複数の低温用熱媒導入口を集合するヘッダーとして機能させることができる。

請求項４の発明によれば、前記熱媒導出口は、高温暖房端末で放熱された熱媒の高温用熱媒導入口と連通しており、高温暖房端末で放熱された熱媒はこの熱交換器で熱交換することなく導出されるため、この熱交換器における運転効率の低下を避けることができる。

請求項５の発明（貯湯給湯装置）によれば、前記熱交換器で放熱した温水を貯湯タンクへ供給して貯湯し、その貯湯を補助加熱装置で適宜加熱して貯湯することができる。
しかも、貯湯タンクが満蓄状態の場合は、温水を熱交換器とヒートポンプとの間で循環させることにより、ヒートポンプの運転効率を一層高めることができる。

本発明の実施例に係る貯湯給湯装置の要部の構成図である。 プレート式熱交換器の斜視図である。 プレート式熱交換器の概略構成図である。 変更形態に係るプレート式熱交換器の概略構成図である。 別の変更形態に係るプレート式熱交換器の概略構成図である。

本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に、貯湯給湯装置１の要部の構成について説明する。
図１に示すように、貯湯給湯装置１は、ヒートポンプ２と、貯湯タンク３と、ガス燃焼式の補助熱源機４（補助加熱装置）と、熱媒加熱用熱交換器５と、暖房用熱交換器６と、風呂追い焚き用熱交換器７と、図示の配管系統と、図示外の給水系と給湯系と浴槽への湯張り系の配管系統と、ポンプやバルブ等の機器類、制御ユニット８、操作リモコン９等を備え、ヒートポンプ２と熱媒加熱用熱交換器５と操作リモコン９以外のものはケース１０内に収納されている。

前記ヒートポンプ２は、蒸発器１１と、この蒸発器１１に外気を供給する送風ファン１２と、電動モータで駆動される圧縮機１３と、凝縮熱交換器１４と、膨張弁１５と、これらを接続する冷媒回路１６とを備えた一般的なヒートポンプである。

貯湯タンク３は、ほぼ円筒形の金属製タンクの周囲を断熱材（図示略）で覆ったもので、一側部には複数の温度センサｓ１〜ｓ４が取付けられている。
ガス燃焼式の補助熱源機４は、ファン１７とバーナー１８と顕熱回収用熱交換器１９と潜熱回収用熱交換器２０とを備え、外部から供給されるガスの燃焼熱で貯湯タンク3 から導入した湯水を加熱するものである。

熱媒加熱用熱交換器５は、ヒートポンプ２から供給される高温の温水で低温暖房端末からの低温の戻り熱媒を加熱するプレート式熱交換器であり、これの詳細については後述する。暖房用熱交換器６は、貯湯タンク３から供給される高温の湯水で暖房用熱媒を加熱する熱交換器である。風呂追い焚き用熱交換器６は、貯湯タンク３から供給される高温の湯水で浴槽水を追い焚きする熱交換器である。

次に、配管系統と機器類について説明する。
給水源に接続された給水通路５１は制御弁２１を介して給水用の下部給水通路５２に接続され、下部給水通路５２は貯湯タンク３の底部に接続されている。
貯湯タンク３の頂部に接続された出湯通路５３は出湯通路５４に接続され、この出湯通路５４は図示外の給湯系及び湯張り系に接続されている。

補助熱源機４の温水導出部に接続された出湯通路５５は、制御弁２２を介して出湯通路５４に接続されている。上記の出湯通路５５から分岐した温水通路５６は、風呂追い焚き用熱交換器７に高温の湯水を供給する通路５７と、暖房用熱交換器６に高温の湯水を供給する通路６０とに分岐している。通路５７は風呂追い焚き用熱交換器７を通過してから電磁弁２３を介して通路６１に接続されている。浴槽に接続された風呂戻り通路５８は、風呂追い焚き用熱交換器７を通過して風呂往き通路５９に接続されている。

温水通路５６から分岐した通路６０は、暖房用熱交換器６を通過してから電磁弁２４を介して通路６１に接続されている。暖房用熱媒を貯留する膨張タンク２５にポンプ２６を介して接続された通路６６に熱媒通路６２が接続されている。この熱媒通路６２は、暖房用熱交換器６を通過して高温熱媒通路６３に接続され、この高温熱媒通路６３は図示外の高温暖房端末（例えば、浴室暖房端末や浴室乾燥端末）に高温熱媒（例えば約８０℃）を供給する。熱媒通路６２に開閉弁２７を介して接続された低温熱媒通路６４は、図示外の低温暖房端末（例えば、床暖房端末）に低温熱媒（例えば約６０℃）を供給する。

高温暖房端末からの戻り熱媒（例えば、約６０℃）は、高温用熱媒戻り通路８０により熱媒加熱用熱交換器５の高温用熱媒導入口５ｃに導入され、低温暖房端末からの戻り熱媒（例えば、約３０〜４０℃）は、低温用熱媒戻り通路８１により熱媒加熱用熱交換器５の低温用熱媒導入口５ｄに導入され、低温暖房端末からの戻り熱媒は、熱媒加熱用熱交換器５内においてヒートポンプ２から供給される高温の温水で加熱された後、高温暖房端末からの戻り熱媒と合流して熱媒導出口５ｅに導出され、熱媒導出口５ｅは戻り通路６５を介して膨張タンク２５に接続されている。

熱媒としての水を膨張タンク２５に補給する為の通路６７は給水源に接続されている。膨張タンク２５からオーバーフローした熱媒は通路６８により排水升２８に排出される。

通路６１に接続された低温水戻り通路６９には流量計２９が装着されると共に、この低温水戻り通路６９は制御弁２１を介して下部給水通路５２に接続されている。制御弁２１は、通路５１，５２を接続する状態と、通路５１，６９を接続する状態とに切換え可能である。低温水戻り通路６９の下流端は、通路７０，７５の分岐部に設けられた制御弁３０に接続されている。この制御弁３０は、通路６９，７０を接続する状態と、通路７５，７０を接続する状態とに切換え可能である。

通路７０の下流端は補助熱源機４の潜熱回収用熱交換器２０の導入部に接続され、通路７０にはポンプ３１及び流量計３２が装着されている。通路７５の上流端は出湯通路５３に接続され、下流端は制御弁３０に接続されている。

貯湯タンク３内の湯水をヒートポンプ２に循環させる循環通路は、往き通路７１，７２と、外部通路７７，７８，７９と、熱媒加熱用熱交換器５と、戻り通路７３，７４とで構成され、往き通路７１の上流端は貯湯タンク３の底部に接続され、下流端は制御弁３３に接続されている。往き通路７２の上流端は制御弁３３に接続され、下流端は外部通路７７を介してヒートポンプ２の凝縮熱交換器１４の低温水導入部に接続され、往き通路７２にはポンプ３４が装着されている。

また、戻り通路７３の上流端は外部通路７９に接続され、下流端は通路７４の上流端に接続されている。通路７４の下流端は貯湯タンク３の上部に接続されている。
戻り通路７３と往き通路７２を接続するバイパス通路７６も設けられている。バイパス通路７６の上流端は戻り通路７３，７４の接続部に接続され、下流端は制御弁３３に接続されている。制御弁３３は、往き通路７１，７２を接続する状態と、バイパス通路７６と往き通路７２を接続する状態とに切換え可能である。

ヒートポンプ２の凝縮熱交換器１４の高温水導出部は、外部通路７８を介して熱媒加熱用熱交換器５の温水導入口５ａに接続され、熱媒加熱用熱交換器５の温水導出口５ｂは外部通路７９により戻り通路７３の上流端に接続されている。
尚、配管系には、図示のように複数の温度センサｔ１〜ｔ１０が設けられている。
これら温度センサｔ１〜ｔ１０の検出信号及び操作リモコン９からの指令信号が制御ユニット８へ供給され、制御ユニット８により、補助熱源機４とポンプ類と制御弁類が制御される。

次に、熱媒加熱用熱交換器５について説明する。
図２に示すように、熱媒加熱用熱交換器５は、プレート式熱交換器であり、直方体状に形成されている。熱媒加熱用熱交換器５の一方の側面には、温水導入口５ａと、温水導出口５ｂと、暖房加熱装置として機能する貯湯給湯装置１に熱媒を戻す為の熱媒導出口５ｅが形成されている。熱媒加熱用熱交換器５の他方の側面には、熱媒導出口５ｅに直接連通した高温用熱媒導入口５ｃと、低温用熱媒導入口５ｄとが形成されている。尚、熱媒加熱用熱交換器５は、プレート式熱交換器であるため、小型で高性能の熱交換器とすることができる。

上記の熱媒加熱用熱交換器５の内部通路は、模式的に図示すると、図３のように形成されている。温水導入口５ａから導入された高温の温水は、複数の内部温水通路７８ａを流れる間に、低温用熱媒導入口５ｄから導入されて内部熱媒通路８１ａを流れる熱媒を加熱してから温水導出口５ｂへ導出される。

低温暖房端末からの通路８１は低温用熱媒導入口５ｄに接続され、高温暖房端末からの通路８０は高温用熱媒導入口５ｃに接続されている。低温用熱媒導入口５ｄから導入された熱媒が流れる内部熱媒通路８１ａは、内部の合流通路８０ａに接続されており、内部熱媒通路８１ａを流れる熱媒は高温用熱媒導入口５ｃから導入された熱媒と合流通路８０ａ内で合流して熱媒導出口５ｅへ排出される。高温用熱媒導入口５ｃから導入された熱媒は、合流通路８０ａを通過するだけで温水で実質的に加熱されることはない。このように、熱媒導出口５ｅは、合流通路８０ａを介して高温用熱媒導入口５ｃと連通している。

上記の貯湯給湯装置１と熱媒加熱用熱交換器５の作用、効果について説明する。
この貯湯給湯装置１において、貯湯タンク３に貯湯する際には、貯湯タンク３の底部から低温の湯水を通路７１，７２を介してヒートポンプ２へ供給し、ヒートポンプ２で加熱された高温の温水を、熱媒加熱用熱交換器５を経由後、通路７３，７４を介して貯湯タンク３へ戻して貯湯する。

給湯系や湯張り系へ給湯する際には、貯湯タンク３から通路５３，５４を介して湯水を供給するが、貯湯タンク３の湯水温度が給湯設定温度以下の場合には、貯湯タンク３の湯水を通路５３，７５，７０を介して補助熱源機４へ供給し、補助熱源機４で補助的に加熱してから出湯通路５５，５４へ供給する。

風呂を追い焚きする際には、貯湯タンク３の湯水を、通路５３，７５，７０と、補助熱源機４と、通路５５，５６を介して追い焚き用熱交換器７へ供給する。このとき、貯湯タンク３の湯水の温度が高い場合は、補助熱源機４を作動させることなく湯水を通過させるが、貯湯タンク３の湯水の温度が低い場合には、補助熱源機４を作動させてこの補助熱源機４により補助的に加熱してから追い焚き用熱交換器７へ供給する。

暖房端末を作動させる際には、上記と同様にして、暖房用熱交換器６へ高温の湯水を供給し、必要に応じて補助熱源機４で補助的に加熱してから暖房用熱交換器６へ高温の湯水を供給する。暖房端末へ供給する熱媒は、膨張タンク２５から通路６６，６２を介して暖房用熱交換器６へ供給され、暖房用熱交換器６で加熱された高温用熱媒は、通路６３から高温用暖房端末へ供給され、低温用暖房端末への熱媒は、開閉弁２７開いた状態で通路６６から通路６４を介して低温用暖房端末へ供給される。

低温用暖房端末からの戻り熱媒は、熱媒加熱用熱交換器５の低温用熱媒導入口５ｄへ導入され、この熱媒加熱用熱交換器５において、ヒートポンプ２から供給された高温の温水で加熱されてから合流通路８０ａを通って熱媒導出口５ｅへ流れる。
高温用暖房端末からの戻り熱媒は、熱媒加熱用熱交換器５の高温用熱媒導入口５ｃへ導入され、熱媒加熱用熱交換器５の合流通路８０ａにおいて、加熱されることなく、加熱後の低温用の戻りの熱媒と合流してから熱媒導出口５ｅへ流れ、熱媒導出口５ｅから通路６５へ供給される。

ヒートポンプ２で加熱された高温の温水は、熱媒加熱用熱交換器５の温水導入口５ａに供給され、熱媒加熱用熱交換器５において、低温用暖房端末から戻った低温用熱媒を加熱した後、熱媒加熱用熱交換器５の温水導出口５ｂから外部通路７９を介して通路７３の上流端に供給される。

低温暖房端末の作動開始後の暫くの間は、熱媒加熱用熱交換器５から戻る湯水の温度は低温であるが、時間経過と共に暖房端末の温度が上昇して暖房端末での消費熱量が低下するため、熱媒加熱用熱交換器５から戻る湯水の温度が上昇していく。

但し、暖房端末が休止中の場合は、ヒートポンプ２で加熱された高温の温水は、熱媒加熱用熱交換器５において何ら熱交換することなく、外部通路７９を介して通路７３の上流端に供給される。

ヒートポンプ２で加熱後の温水の温度が低い場合には、制御弁３３により通路７６，７２を連通させ、バイパス通路７６と通路７２，７３と外部通路７８，７９を介して湯水をヒートポンプ２及び熱媒加熱用熱交換器５に循環させて複数回加熱することで湯水の温度を高めてから、通路７３，７４を介して貯湯タンク３へ貯湯する。

このように、熱媒加熱用熱交換器５において、ヒートポンプ２から供給される高温の温水と、低温用暖房端末からの戻りの低温の熱媒との間で熱交換するため、運転効率を高めることができる。しかも、熱媒加熱用熱交換器５において、高温用暖房端末からの戻りの熱媒を加熱しないため、運転効率の低下を避けることができる。

こうして、低温用暖房端末からの戻りの熱媒を熱媒加熱用熱交換器５において加熱するため、通路６５へ戻る熱媒の温度が高くなるため、暖房用熱交換器５で加熱する熱量を節減し、貯湯タンク３から暖房用熱交換器６へ供給する高温の湯水の消費量を少なくすることができる。

また、貯湯タンク３が満蓄状態のときには、制御弁３３で通路７６，７２を連通させてヒートポンプ２と熱媒加熱用熱交換器５との間で湯水を循環させることができ、この場合は、ヒートポンプ２において、暖房用熱交換器５で放熱した低温の温水を加熱することになるため、ヒートポンプ２の運転効率を高める上で一層有利である。

しかも、この熱媒加熱用熱交換器５は、温水導入口５ａと、温水導出口５ｂと、高温用熱媒導入口５ｃと、低温用熱媒導入口５ｄと、熱媒導出口５ｅを集合するヘッダーとしても機能する。熱媒加熱用熱交換器５は、貯湯給湯装置１のケース１０の外側にオプション的に装備されているため、既存の貯湯給湯装置１に追加的に装備することができる。

次に、変更形態１について説明する。
低温用暖房端末が複数ある場合には、図４に示すように、熱媒加熱用熱交換器５Ａにおいて、複数の低温用暖房端末からの通路８１ａ〜８１ｄを集合させた通路が低温用熱媒導入口５ｄに接続される。

次に、変更形態２について説明する。
低温用暖房端末が複数ある場合には、図５に示すように、熱媒加熱用熱交換器５Ｂに複数の低温用熱媒導入口５ｄａ〜５ｄｄが形成され、複数の低温用暖房端末からの通路８１ｅ〜８１ｈが低温用熱媒導入口５ｄａ〜５ｄｄに接続される。尚、複数の低温用熱媒導入口５ｄａ〜５ｄｄは、複数の内部熱媒通路８１ａに夫々接続されている。
この熱媒加熱用熱交換器５Ｂは、複数の低温用熱媒導入口５ｄａ〜５ｄｄを集合するヘッダーとしても機能する。

次に、前記実施例を変更する例として、ヒートポンプで加熱された高温の温水の一部を熱媒加熱用熱交換器５に供給し、高温の温水の残部を通路７３へ供給するように構成してもよい。
その他、当業者ならば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明とそのような変更形態をも包含するものである。

１ 貯湯給湯装置
２ ヒートポンプ
３ 貯湯タンク
４ 補助熱源機（補助加熱装置）
５ 熱媒加熱用熱交換器
５ａ 温水導入口
５ｂ 温水導出口
５ｃ 高温用熱媒導入口
５ｄ 低温用熱媒導入口
５ｅ 熱媒導出口
７３，７４ 戻り通路
７７，７８，７９ 外部通路

Claims (5)

1. ヒートポンプによって加熱された高温の温水と、温水暖房端末で放熱された低温熱媒との間の熱交換を行うための熱交換器であって、
   ヒートポンプで加熱された高温の温水を導入するための温水導入口と、
   熱交換後の温水が導出される温水導出口と、
   低温暖房端末で放熱された熱媒を導入するための低温用熱媒導入口と、
   暖房加熱装置に熱媒を戻すための熱媒導出口とを備えたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記熱交換器はプレート式熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記低温暖房端末からの熱媒を導入する低温用熱媒導入口は、複数設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記熱媒導出口は、高温暖房端末で放熱された熱媒の高温用熱媒導入口と連通しており、高温暖房端末で放熱された熱媒は前記高温の温水と熱交換することなく導出されることを特徴とする請求項２又は３に記載の熱交換器。
5. 請求項１の熱交換器と前記ヒートポンプと燃焼式の補助加熱装置と貯湯タンクとを備え、前記温水導出口は前記貯湯タンクの上部に接続された配管に接続され、前記暖房加熱装置として機能する貯湯給湯装置であることを特徴とする貯湯給湯装置。