(57)【要約】【課題】給湯のエネルギー密度を大きくでき、給湯システムの小型化を図ることができる給湯や暖房用の給湯システムを提供する。【解決手段】水利用側経路110へ接続される水循環経路120と、水循環経路120に水を供給する水供給経路100と、水冷媒間熱交換器210で水循環経路120と冷媒の熱交換を行う冷凍サイクル200を備えており、水冷媒間熱交換器210で熱交換を行なう際の水循環経路120における水の圧力を、水供給経路100の水の圧力よりも高くする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温水の利用側へ接続される水循環経路と、
前記水循環経路に水を供給する水供給経路と、
水冷媒間熱交換器で前記水循環経路の水と冷媒の熱交換を行う冷凍サイクルを備えた給湯システムにおいて、
前記冷媒間熱交換器で熱交換を行なう際の前記水循環経路における水の圧力を、前記水供給経路の水の圧力よりも高くしてなることを特徴とする給湯システム。
【請求項２】
前記水循環経路には水を加圧する加圧手段が設けられており、
前記加圧手段は、前記冷凍サイクルの冷媒流路が接続されており、前記冷凍サイクルの冷媒圧力を用いて水を加圧するようにしてなることを特徴とする請求項１に記載の給湯システム。
【請求項３】
前記水冷媒間熱交換器に水を供給する場合は、前記水循環経路の圧力を前記水供給経路の圧力よりも下げることを特徴とする請求項１または2に記載の給湯システム。
【請求項４】
前記水循環経路は、減圧弁の設けられた水利用側経路につながる出口側に出口側開閉弁を有しており、
前記出口側開閉弁と前記減圧弁の間に貯湯タンクを有していることを特徴とする請求項１ないし３記載の給湯システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、建物の暖房や給湯のための給湯システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のシステムでは図５に示すように、貯湯のエネルギー密度（蓄熱量）を大きくし、貯湯タンクの小型化を図るため、水を加圧して蒸気圧が高圧になるようにした給湯システムが提案されている。具体的には、貯湯タンク10から給湯管12が延び、浴槽や厨房等の給湯設備に連なっており、貯湯タンク10内の水は、送水ポンプ15により凝縮器34に送られ、水冷媒ヒートポンプ30（加温手段）の加温操作によって１００℃以上の高温になっている。
【０００３】
ここで貯湯タンク10は、市水路からの給水路11が接続されており、これにより市水路の圧力を貯湯タンク10に導入するようになっているため、市水路の水圧２５０kPaよりも低いが１２０℃の温度にすることが可能な圧力である２００kPaに維持できるようになっている。
【特許文献１】特開2004-60925号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の貯湯システムでは、タンク内の圧力を供給水道水圧よりも高くすると、タンク内に水道水を供給できなくなるため、貯湯タンク内の圧力を供給水道水圧以上に高めることができない。そのため、水の温度を１２０℃以上の高温にすることができないため相応の大きさの貯湯タンクが必要であり、集合住宅等では設置スペースの確保が容易でなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記問題点を解決するため、本発明に係る貯湯システムは、温水の利用側へ接続される水循環経路と、前記水循環経路に水を供給する水供給経路と、水冷媒間熱交換器で前記水循環経路と冷媒の熱交換を行う冷凍サイクルを備えた給湯システムにおいて、前記水冷媒間熱交換器で熱交換を行なう際の前記水循環経路における水の圧力を、前記水供給経路の水の圧力よりも高くしてなることを特徴とする。
【０００６】
また、前記水循環経路には水を加圧する加圧手段が設けられており、前記加圧手段は、前記冷凍サイクルの冷媒流路が接続されており、前記冷凍サイクルの冷媒圧力を用いて水を加圧するようにしてなることを特徴とする。
【０００７】
また、前記水冷媒間熱交換器に水を供給する場合は、前記水循環経路の圧力を前記水供給経路の圧力よりも下げることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、貯湯の蓄熱量を大きくすることができ、例えば冬季に暖房と給湯を同時に行なう場合でも十分に対応することができる。また、給湯時に利用する湯量が少なくて済み、貯湯タンクの小型化を図ることができる。これによって、集合住宅等でも設置スペースを容易に確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本貯湯システムの望ましい態様は、水冷媒間熱交換器で水と冷媒の熱交換を行う冷凍サイクルにおいて、水循環経路に加圧手段を備えていることである。この加圧手段は、水循環経路を流れる水を加圧することで水の蒸気圧が大きくなるようにし、水の沸騰する温度が１５０℃以上になるようにしている。
【００１０】
更に、前記加圧手段は、前記冷凍サイクルの冷媒圧力を用いて水を加圧するようになっていることが好ましい。勿論、貯湯タンク内を上記所望水温での水の蒸気圧をより高圧に加圧するための専用の加圧手段を設けてもよい。
【００１１】
これによって、貯湯のエネルギー密度を大きくすることができ、例えば冬季に暖房と給湯を同時に行なう場合でも十分に対応することができる。また、給湯時に貯湯タンクから汲み出す湯量が少なくて済み、貯湯タンクの小型化を図ることができる。これによって、集合住宅等でも設置スペースを容易に確保することができる。これにより、１５０℃程度の高温の圧縮された水を製造することが可能となる。
【００１２】
前記水冷媒間熱交換器の水を液体の状態で１００℃以上の所望温度まで加温する加温手段として、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプや代替フロンを冷媒とするヒートポンプを用いている。これらの冷媒は運転時の圧力が高いため、加圧手段で利用することが可能となる。
【００１３】
水循環経路の水供給経路につながる入口側および減圧弁の設けられた水利用側経路につながる出口側には開閉弁が設けられており、貯湯タンクは水利用側経路の開閉弁よりも下流側であって、減圧弁の上流側に設けられていることが好ましい。これにより水循環経路で作られた温水の圧力を低下させることなく貯留できるとともに、水循環経路に水を供給する場合に水循環経路の圧力を低下させても、貯湯タンクの圧力を低下させずに湯の温度を維持できることから、安定して温水の供給が行なえる。
【００１４】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る給湯・暖房用給湯システムS1を示したものである。給湯システムS1は、水冷媒間熱交換器210と、この水冷媒間熱交換器210を循環して温水を作る水循環経路120と、この温水を利用する水利用側経路110と、水冷媒間熱交換器210における水の加温手段としての冷凍サイクル200とを備えている。
【００１５】
前記水循環経路120は水導入路101を介して水供給経路100が接続されている。この水供給路100から水循環経路120内に市水が給湯用水として供給され、循環している。水循環経路120は給湯路104と接続されており、給湯路104は減圧混合弁150を介して水利用側経路110に接続されている。この水利用側経路110は、図示しない浴槽や厨房などの給湯設備（温水利用設備）に連なっている。また、水供給回路100は減圧混合弁150へ接続される水経路102とつながっており、減圧混合弁150で水循環経路120で作られた温水と混合されることで、供給される温水の温度を調節できるようになっている。
【００１６】
水循環経路120について説明する。水循環経路120は、水冷媒間熱交換器210の水側流路212を有しており、水側流路212には水供給路100からの水導入路101と水利用側経路110への給湯路104が接続されており、水導入路101と給湯路104を結ぶ循環路105が設けられている。また循環路105には循環ポンプ121が設けられている。
【００１７】
給湯路104と循環路105にはそれぞれ開閉弁が設けられており、水循環経路120に水を供給する場合は供給側開閉弁130を開き、水利用側経路110へ水を送出する際は利用側開閉弁140を開くようになっている。温水を作る場合は供給側開閉弁130と利用側開閉弁140を閉じ、循環ポンプ121で水循環経路120内の水を循環させ、加圧機構243で水循環経路120内の水を加圧する。その後冷凍サイクル200により水側流路212の水が加熱され、水循環経路120内で高温の水が生成される。
【００１８】
水供給経路100から供給される水は、常温（約２０℃）近くになっている。一方、水循環経路120の所望水温は、１５０℃に設定されている。なお、市水路としての水供給経路100の水圧は、絶対圧で通常２５０ｋＰａ以上である。これが昇圧されることで、水循環経路での水圧は、例えば５００ｋＰａ（絶対圧）になる。また、この昇圧は後記加圧機構243等の加圧手段240によって行い、水循環経路の水圧を確実に５００ｋＰａに維持することができるようになっている。この圧力は、水の前記所望温度（１５０℃）での蒸気圧より大きい。
【００１９】
減圧混合弁150について説明する。減圧混合弁150には水供給路100からの水経路102と水循環経路120からの給湯路104が接続されており、それぞれの経路からの水または温水の圧力が減圧され、利用側で用いられる圧力である50〜150kPa程度にされる。また、利用側で要求される温度になるよう、水と温水が適当な割合で混合される。ここでは減圧と混合を同時に行なうような減圧混合弁を用いているが、水経路102と給湯路104にそれぞれ減圧弁を設け減圧した後、混合するようにしても良い。
【００２０】
次に、冷凍サイクル200について説明する。この冷凍サイクル200は、ＣＯ２を冷媒とし、第一膨張弁250（膨張手段）と蒸発器230（蒸発手段）と圧縮機270（圧縮手段）と水冷間熱交換器210の冷媒側流路211を順次接続することによって構成されている。圧縮機270で圧縮された冷媒は、冷媒側流路211において水側流路212を通る水を加熱するようになっている。
【００２１】
第一膨張弁250の上流側と下流側の冷媒とは、冷媒間熱交換器220によって熱交換されるようになっている。冷媒間熱交換器220では放熱側流路221から吸熱側流路222へ熱が移動するようになっており、第一膨張弁250の入口温度を低下させることで冷凍サイクルの運転効率低減を防止している。
【００２２】
冷媒側流路211を通過した冷媒は後述する加圧手段240で利用できるようになっており、第二膨張弁241を介して加圧機構243に冷媒が導入されるようになっている。加圧手段240で利用された冷媒は、第一膨張弁250の下流側に戻されるようになっている。
【００２３】
上記のように構成された給湯・暖房用貯湯システムＳ１の動作を説明する。冷凍サイクル200の圧縮機270により、冷媒が水冷媒間熱交換器210の冷媒側流路211に送出され、水冷媒間熱交換器210の水側流路212を通る水を加熱するようになっている。そして、冷媒間熱交換器220の放熱側流路221を通ったのち第一膨張弁250を経て冷媒間熱交換器220の吸熱側流路222へ流れる経路と、加圧手段240を経て冷媒間熱交換器220の吸熱側流路222へ流れる経路とに別れる。
【００２４】
放熱側流路221を通過した冷媒は吸熱側流路222を通過する冷媒と熱交換を行なうことで温度が低下するため、第一膨張弁250の入口における冷媒の温度を低くすることができる。吸熱側流路222を通過した冷媒は蒸発器230を経て圧縮機270へ吸入される。ここで蒸発器230に送風機231を設け、蒸発器230での吸熱を促進するようにしても良い。
【００２５】
一方水循環経路120では、循環ポンプ121により水循環経路120内を加圧機構243によって圧縮された水が循環し、水冷媒間熱交換器210の水側流路212にて冷媒側流路211を通過する冷媒により加熱されるようになっている。ここで水循環経路120での水圧は、例えば５００ｋＰａ（絶対圧）になっている。この圧力は、水の前記所望温度（１５０℃）での蒸気圧より大きい。高圧で高温の温水を作ることで、少ない水の量でも多くの熱量を蓄えることが可能となる。
【００２６】
例えば５００kPa下で１７℃の水を１５０℃の温度の圧縮水にする場合では蓄熱量が５６０．５kJ/kgとなる。つまり圧力を大気圧に対して約４．９４倍高めることで水の沸点が上昇し、その蓄熱量は約１．８３倍となる（水の定圧比熱を１０１．３kPaの時に４．１８５６kJ /（kg・K）、５００kPaでは４．２１４６kJ/（kg・K）とした）。この蓄熱量を持った温水１０Lと１７℃の供給水を用いて４３℃の湯を作るとすると、４７．７Lの湯を作ることができる。
【００２７】
供給側開閉弁130を開放して水循環経路120へ水を供給する際に、水循環経路120内の圧力が水導入路101の水の圧力よりも大きいと、水循環経路120内の水が水導入路101へ流出してしまい水循環経路120に水を供給することができない。そのため水循環経路120へ水を供給する際には、加圧機構243による加圧をやめ、水循環経路120内の圧力を水導入路101の水の圧力よりも低くしておく。
【００２８】
次に、本発明の第二の実施形態を説明する。以下の実施形態において、前記第１実施形態と重複する構成に関しては、図面に同一符号を付して説明を省略する。図２に示すように、第２実施形態に係る給湯・暖房用貯湯システムＳ２は、給湯路104の利用側開閉弁140の下流側であって減圧混合弁150よりも上流の位置に、貯湯タンク160を備えている。これにより水循環経路120で製造した温水を減圧することなく貯湯しておくことが可能になる。
【００２９】
冷凍サイクル200の蒸発器230と圧縮機270の間に気液分離器260を設け、多量の液冷媒が圧縮機270に流入することを防止している。また気液分離器260で分離された液冷媒を、冷媒間熱交換器220の吸熱側流路222で放熱側流路221によって加熱するようになっている。
【００３０】
気液分離器260で分離された液冷媒は、液体流路261を通って吸熱側流路222を通過したのち、気体流路262を経て気液分離器260に戻される。液冷媒は冷媒間熱交換器220の吸熱側流路222で加熱され、液体から気体へと状態変化を行なう。これにより圧縮機への液戻りを防止し、圧縮機の負荷を低減するようになっている。
【００３１】
次に、加圧手段240を説明する。加圧手段240は図3に示すように、加圧機構243と、加圧機構243へ冷媒を供給する経路に設けられた第二膨張弁241と、加圧機構243から冷凍サイクル200の低圧側へ冷媒を戻す経路に設けられた排出用開閉弁242と、圧力検出手段249とからなっている。
【００３２】
加圧機構243は、第二膨張弁241で減圧された冷媒の圧力を受け水冷媒間熱交換器210の水側流路212内の水に圧力を加える移動プレート247と、冷媒が循環経路120側へ漏れないように区画するとともに冷媒側均圧移動プレート247の移動に応じて伸縮するベローズ246と、移動プレート247の冷媒側を減圧した際に移動プレート247が所定の位置に戻るようにするバネ（弾性体）248とからなる。
【００３３】
圧力検出手段249は、冷凍サイクル200から第二膨張弁241を介して加圧機構243へ冷媒を導入する際、移動プレート247にかかる冷媒の圧力を検出するものであり、これにより循環経路120の水を適切な圧力で加圧することが可能となる。
【００３４】
水循環経路120から温水を給湯路104へ供給する際に水の体積が大きくなり圧力が低下することが考えられるが、移動プレート247の面積および移動距離を大きくし、温水が給湯路104に供給されるにしたがって移動プレート247を動かし水の圧力が低下しないようにしても良い。
【００３５】
以上のように構成されてなる加圧手段240により、冷媒の圧力を利用して循環経路120の水を加圧することが可能となり、蒸気圧を大気圧における水の蒸気圧より大きくすることで水の沸点を高くし、より高温の温水を作成できるようにする。加圧手段として油圧装置などを設けても良いが、本構成によれば水の加圧に冷媒の圧力を利用できるため、装置が小型化できる。
【００３６】
次に、給湯・暖房用給湯システムS1およびS2の制御方法について説明する。図４は本発明による一実施例の本体の制御動作を示すフローチャートである。給湯システムS1およびS2の制御を行なう図示しない制御手段は、冷凍サイクルを稼動したら（ST1）供給側開閉弁130を開き利用側開閉弁140を閉じ（ST2）、水冷媒間熱交換器210の水側流路212が満水になるまで水を供給する（ST3）。
【００３７】
水側流路212が満水になったら供給側開閉弁130を閉じ循環ポンプ121を稼動させ（ST3）、第二膨張弁241を開き加圧手段240に冷媒を導入し加圧機構243により水を加圧する（ST5）。水循環経路120内の水の圧力が500kPaになるまで加圧を行ない（ST6）、その圧力に到達した場合は第二膨張弁241を閉じる（ST7）。
【００３８】
冷凍サイクル200により水の温度が１５０℃になったら（ST8）循環ポンプ121を停止し利用側開閉弁140を開いて温水を供給する（ST9）。冷凍サイクル200の低圧側の圧力が加圧機構243に導入された冷媒の圧力よりも低くなったことを確認し（ST10）、排出用開閉弁242を開放し（ST11）加圧機構243内の冷媒を冷凍サイクルに戻す。加圧機構243の内部圧力が充分に下がったら（ST12）、排出用開閉弁242を閉じ(ST13)、加温動作を終了する。
【００３９】
以上のように構成されているため、高温の温水を作ることができ、貯湯量が少なく小型の給湯システムを提供できる。また加圧手段は循環回路120のみに作用するため、供給側や利用側の水路に圧力がかからないようになっている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る給湯システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る給湯システムを示す概略構成図である。
【図３】本発明における加圧機構を示す図である。
【図４】本発明における制御方法を示すフローチャートである。
【図５】従来技術を示す冷凍サイクル図である。
【符号の説明】
【００４１】
S1、S2  給湯・暖房用貯湯システム
100  水供給経路
101  水導入路
102  水経路
104  給湯路
105  循環路
110  水利用側経路
120  水循環経路
121  循環ポンプ
130  供給側開閉弁
140  利用側開閉弁
150  減圧混合弁
200  冷凍サイクル
210  水冷媒間熱交換器
211  冷媒側流路
212  水側流路
220  冷媒間熱交換器
221  放熱側流路
222  吸熱側流路
230  蒸発器
231  送風機
240  加圧手段
241  第二膨張弁
242  排出用開閉弁
243  加圧機構
246  ベローズ
247  移動プレート
248  バネ
249  圧力検出手段
250  第一膨張弁
260  気液分離器
261  液体流路
262  気体流路
270  圧縮機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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