(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング（２１ａ、２２ａ）内に封入された冷媒の関係湿度に応じて、冷媒を吸着・脱離する吸着剤が収納された吸着器（２０）を有し、第１の熱源から熱を回収する吸着式ヒートポンプ（５０）と、
前記第１の熱源より高い温度を有し、前記吸着式ヒートポンプ（５０）に熱を供給する第２の熱源（１０）と、
前記吸着式ヒートポンプ（５０）に回収された前記第１の熱源の熱、及び前記吸着式ヒートポンプ（５０）に供給された前記第２の熱源（１０）の熱により加熱された熱媒体を保温貯蔵する蓄熱手段（３０）と、
前記蓄熱手段（３０）に蓄えられた熱媒体を前記第２の熱源（１０）の熱により加熱して供給する加熱手段（１０ｂ）と、
前記第１の熱源の熱により熱媒体を加熱する手段（２１ｃ、２２ｃ）と前記第２の熱源の熱により熱媒体を加熱する手段（２２ｄ、２１ｄ）とが熱媒体流れに対して直列に配置された熱媒体流通回路と、
前記蓄熱手段（３０）から取り出した熱媒体を前記加熱手段（１０ｂ）に供給する追い炊き回路（７２）と、
前記蓄熱手段（３０）から取り出した熱媒体を前記加熱手段（１０ｂ）を迂回させるバイパス回路（７３）と、
前記蓄熱手段（３０）から取り出した熱媒体を前記追い炊き回路（７２）に流通させる場合と、前記バイパス回路（７３）に流通させる場合とを切り替える切換弁（Ｖ５）とを備えることを特徴とする熱供給装置。
【請求項２】
前記第２の熱源（１０）は、前記蓄熱手段（３０）に蓄えられた熱媒体の温度より高い温度の熱を供給することが可能であり、
さらに、前記加熱手段（１０ｂ）は、前記第２の熱源（１０）から熱を得て熱媒体を加熱することを特徴とする請求項１に記載の熱供給装置。
【請求項３】
前記吸着式ヒートポンプ（５０）は、第１の吸着剤が熱媒体から吸熱して吸着していた冷媒を気相冷媒として放出し、第２の吸着剤がその放出した気相冷媒を吸着しながら熱を発することにより、低温側から高温側に熱を移動させるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱供給装置。
【請求項４】
前記吸着式ヒートポンプ（５０）は、吸着剤及び冷媒が封入された少なくとも２個の吸着ユニット（２１、２２）、及び前記吸着ユニット（２１、２２）内を循環する熱媒体と前記第１の熱源との間で熱交換させる熱交換器（４０）を有しているとともに、前記２個の吸着ユニット（２１、２２）を交互に切り換えて作動させることにより前記熱交換器（４０）を介して前記第１の熱源から熱を回収しており、
さらに、前記２個の吸着ユニット（２１、２２）の作動を切り換えた時から所定時間の間は、前記熱交換器（４０）に前記熱媒体を循環させることを停止することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱供給装置。
【請求項５】
前記第２の熱源（１０）は、燃料を燃焼させることにより熱を発生する燃焼バーナであり、
前記第１の熱源は、自然界に存在する自然熱エネルギーであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱供給装置。
【請求項６】
前記第２の熱源の熱により熱媒体を加熱する手段（２２ｄ、２１ｄ）、前記第１の熱源の熱により熱媒体を加熱する手段（２１ｃ、２２ｃ）、前記蓄熱手段（３０）の順に熱媒体が流れるように前記熱媒体流通回路が構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の熱供給装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱供給装置にて温水を供給することを特徴とする給湯器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の関係湿度に応じて冷媒を吸着・脱離する吸着剤を有して熱を回収する吸着式ヒートポンプを備える熱供給装置に関するもので、給湯器に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
吸着式ヒートポンプを備える熱供給装置（給湯器）として、出願人は、既に特願平１１−３２０１９０号を出願しているが、この出願では、貯湯タンクに温水を消費するユーザが必要とする最高温度の温水を蓄える必要があった。
【０００３】
すなわち、一般家庭で必要とされる温水の温度は、通常、４３℃〜４４℃程度であるが、浴槽への差し湯等の特殊な温水要求時では、６０℃程度の温水が必要とされる。一方、給湯器から見ると、差し湯等の特殊な温水要求時が何時発生するか分からないので、上記出願においては、貯湯タンクに６０℃以上の温水を常に蓄える必要があった。
【０００４】
しかも、上記出願では、貯湯タンク内の温水量が減少したときには、高温の温水を生成して貯湯タンクに供給する必要があるので、温水生成に時間を要し、貯湯タンク内の温水量が減少したときに、差し湯等の特殊な温水要求があると、高温の温水を応答性良く供給することができないおそれがある。
【０００５】
また、ユーザからの温水要求のうち、差し湯等の特殊な温水要求以外の多くの場合は、貯湯タンクに蓄えるべき温水温度（例えば、６０℃）より低い温度（例えば、４３℃〜４４℃）であるので、貯湯タンク内にユーザが必要とする最高温度の温水を蓄えることは、省エネルギーの観点から、必ずしも得策とは言えない。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、熱供給装置おいて、省エネルギー化を図りつつ、熱を安定的に供給することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、ケーシング内に封入された冷媒の関係湿度に応じて、冷媒を吸着・脱離する吸着剤が収納された吸着器（２０）を有し、第１の熱源から熱を回収する吸着式ヒートポンプ（５０）と、第１の熱源より高い温度を有し、吸着式ヒートポンプ（５０）に熱を供給する第２の熱源（１０）と、吸着式ヒートポンプ（５０）に回収された第１の熱源の熱、及び吸着式ヒートポンプ（５０）に供給された第２の熱源（１０）の熱により加熱された熱媒体を保温貯蔵する蓄熱手段（３０）と、蓄熱手段（３０）に蓄えられた熱媒体を第２の熱源（１０）の熱により加熱して供給する加熱手段（１０ｂ）と、第１の熱源の熱により熱媒体を加熱する手段（２１ｃ、２２ｃ）と第２の熱源の熱により熱媒体を加熱する手段（２２ｄ、２１ｄ）とが熱媒体流れに対して直列に配置された熱媒体流通回路と、蓄熱手段（３０）から取り出した熱媒体を加熱手段（１０ｂ）に供給する追い炊き回路（７２）と、蓄熱手段（３０）から取り出した熱媒体を加熱手段（１０ｂ）を迂回させるバイパス回路（７３）と、蓄熱手段（３０）から取り出した熱媒体を追い炊き回路（７２）に流通させる場合と、バイパス回路（７３）に流通させる場合とを切り替える切換弁（Ｖ５）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
これにより、蓄熱手段（３０）内の熱媒体温度を必要以上に高めることなく、要求温度に応じて熱媒体を再加熱することにより、要求温度の熱を供給することができる。したがって、例えば本発明を給湯器に適用すれば、蓄熱手段（貯湯タンク）にユーザが必要とする最高温度（例えば６０℃）の温水を蓄える場合に比べて、熱（熱媒体）を生成するための熱量を減らすことができるので、必要な投入熱量の低減を図りつつ、安定的に熱（温水）を供給することができる。
【０００９】
なお、請求項２に記載の発明のごとく加熱手段（１０ｂ）は、第２の熱源（１０）から熱を得て熱媒体を加熱してもよい。
【００１０】
また、吸着式ヒートポンプ（５０）は、請求項３に記載の発明のごとく、第１の吸着剤が熱媒体から吸熱して吸着していた冷媒を気相冷媒として放出し、第２の吸着剤がその放出した気相冷媒を吸着しながら熱を発することにより、低温側から高温側に熱を移動させるように構成してもよい。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、吸着式ヒートポンプ（５０）は、吸着剤及び冷媒が封入された少なくとも２個の吸着ユニット（２１、２２）、及び吸着ユニット（２１、２２）内を循環する熱媒体と第１の熱源との間で熱交換させる熱交換器（４０）を有しているとともに、２個の吸着ユニット（２１、２２）を交互に切り換えて作動させることにより熱交換器（４０）を介して第１の熱源から熱を回収しており、さらに、２個の吸着ユニット（２１、２２）の作動を切り換えた時から所定時間の間は、熱交換器（４０）に熱媒体を循環させることを停止することを特徴とする。
【００１２】
これにより、吸着ユニット（２１、２２）の作動を切り換えた直後において、吸着ユニット（２１、２２）内に保持されていた熱媒体の熱が熱交換器（４０）を介して第１の熱源側に放熱されてしまうことを防止できる。
【００１３】
また、請求項５に記載の発明のごとく、第２の熱源（１０）を燃料を燃焼させることにより熱を発生する燃焼バーナとし、第１の熱源を自然界に存在する自然熱エネルギーとしてもよい。
【００１４】
請求項６に記載の発明では、第２の熱源の熱により熱媒体を加熱する手段（２２ｄ、２１ｄ）、第１の熱源の熱により熱媒体を加熱する手段（２１ｃ、２２ｃ）、蓄熱手段（３０）の順に熱媒体が流れるように熱媒体流通回路が構成されていることを特徴とする。
請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の熱供給装置にて温水を供給することを特徴とする。
【００１５】
これにより、温水生成に必要な投入熱量（化石燃料の量）の低減を図りつつ、安定的に温水を供給することができる。
【００１６】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱供給装置を一般家庭用の給湯器に適用したものであり、図１は、本実施形態に係る給湯器の模式図である。
【００１８】
１０は灯油やガス等の化石燃料を燃焼させることにより熱を発生する燃焼バーナ（第２の熱源）であり、１０ａは燃焼バーナ１０（以下、バーナ１０と略す。）の燃焼ガスと熱媒体（本実施形態では、エチレングリコール系の不凍液が混入された水）とを熱交換して熱媒体を加熱する第１加熱器であり、１０ｂは後述する貯湯タンク３０から供給される温水とバーナ１０の燃焼ガスとを熱交換して温水を再加熱する第２加熱器（加熱手段）である。
【００１９】
２０は冷媒（本実施形態では、水）の蒸発及び凝縮を利用して熱を移動させる吸着器であり、この吸着器２０は、図２に示すように、第１、２吸着ユニット２１、２２及び熱媒体流れを切り換える第１〜４切換弁Ｖ１〜Ｖ４を有して構成されたものである。
【００２０】
ここで、第１、２吸着ユニット２１、２２は、冷媒が封入された略真空のケーシング２１ａ、２２ａ、このケーシング２１ａ、２２ａ内に収納された冷媒を吸着・脱離する吸着剤（本実施形態では、シリカゲル）２１ｂ、２２ｂ、熱媒体と吸着剤２１ｂ、２２ｂとを熱交換する第１熱交換器２１ｃ、２２ｃ、及びケーシング２１ａ、２２ａ内に封入された冷媒と熱媒体とを熱交換する第２熱交換器２１ｄ、２２ｄ等からなる周知のものである。
【００２１】
なお、吸着剤２１ｂ、２２ｂは、周知のごとく、吸着剤２１ｂ、２２ｂの関係湿度（吸着剤の表面近傍における相対湿度）に応じて冷媒を吸着・脱離するもので、通常、関係湿度が大きくなると気相冷媒を吸着し、関係湿度が小さくなると吸着していた冷媒を脱離する。このため、吸着剤に吸着していた冷媒を脱離させるときには、一般的に、吸着剤を加熱して関係湿度を小さくする。
【００２２】
また、図１中、３０は給湯用の温水（給湯水）を保温貯蔵する貯湯タンク（蓄熱手段）であり、この貯湯タンク３０内には、常に所定以上の温水量が蓄えられるように自動的に給水されている。
【００２３】
そして、４０は熱媒体と室外空気（外気）とを熱交換する室外熱交換器（以下、室外器と略す。）であり、本実施形態では、この室外器４０及び吸着器２０により、外気（第１の熱源）から熱を回収する吸着式ヒートポンプ５０（図１の一転鎖線で囲まれた範囲）が構成されている。
【００２４】
なお、６０は熱媒体と貯湯タンク３０内の温水とを熱交換するタンク内熱交換器であり、７１は貯湯タンク３０の上方側から貯湯タンク３０内の温水を取り出す出湯回路であり、７２は貯湯タンク３０から取り出した温水を第２加熱器１０ｂに供給する追い炊き回路であり、７３は貯湯タンク３０から取り出した温水を第２加熱器１０ｂを迂回させて後述する混合水栓７５に供給するバイパス回路である。７４は水道から供給される冷水を混合栓７５に供給する冷水回路であり、混合栓７５は冷水と温水との混合比を調節することにより給湯水の温度を調節するものである。
【００２５】
また、Ｐ１〜Ｐ３は熱媒体を循環させる第１〜３ポンプであり、Ｖ５は貯湯タンク３０から取り出した温水を追い炊き回路７２に流通させる場合と、バイパス回路７３に流通させる場合とを切り替える切換弁である。そして、第１〜３ポンプＰ１〜Ｐ３、第１〜５切換弁Ｖ１〜Ｖ５及びバーナ１０は、電子制御装置（図示せず。）により制御されている。
【００２６】
次に、本実施形態に係る給湯器の作動、及びその特徴について述べる。
【００２７】
温水を生成するには、第１〜３ポンプＰ１〜Ｐ３及びバーナ１０を稼働させるとともに、吸着器２０内の第１〜４切換弁Ｖ１〜Ｖ４を、所定時間毎に図２の実線で示す状態と破線で示す状態とを切り換える。なお、この所定時間は、吸着剤２１ｂ、２２ｂの水分吸着量が飽和するまでの必要な時間、及び吸着した水分脱離するに必要な時間等を考慮して適宜選定されるものである。
【００２８】
これにより、冷媒が蒸発する際に外気から回収（吸熱）した熱は、冷媒が吸着剤２１ｂ、２２ｂに吸着される際に発生する凝縮熱相当の吸着熱として、第１熱交換器２１ｃ、２２ｃを介して貯湯タンク３０内の温水の加熱に消費される。
【００２９】
一方、バーナ１０から吸着式ヒートポンプ５０（吸着剤２１ｂ、２２ｂ）に供給（投入）された熱により、吸着剤２１ｂ、２２ｂから蒸気冷媒が脱離する。
【００３０】
そして、第２熱交換器２１ｄ、２２ｄにて蒸気冷媒が冷却凝縮される際に発生する凝縮熱として第２熱交換器２１ｄ、２２ｄを介して熱媒体に回収され、その回収された熱が外気から回収した熱と共に貯湯タンク３０の温水に与えられる。
【００３１】
このとき、吸着式ヒートポンプ５０の成績係数を１．６とすると、バーナ１０から供給された熱量がＱ（Ｊ）に対して、外気から回収した熱量が０．６Ｑ（Ｊ）となり、貯湯タンク３０内の温水に与えられた熱量は１．６Ｑ（Ｊ）となる。
【００３２】
また、貯湯タンク３０内の温水に与えらる熱の多くは、吸着器２０（吸着式ヒートポンプ５０）内の冷媒の凝縮熱として与えられるので、その熱の温度（貯湯タンク３０内の温水温度）は、外気温度によって変化するものの、外気温度（第１の熱源の温度）より高く、かつ、バーナ１０から与えられる熱の温度より低い温度である。
【００３３】
具体的には、バーナ１０から吸着式ヒートポンプ５０（吸着剤２１ｂ、２２ｂ）に供給（投入）された熱の温度を８０℃とすると、外気温度が３０℃のときには、貯湯タンク３０内の温水温度が約５０℃となり、外気温度が１０℃のときには、貯湯タンク３０内の温水温度が約３０℃となる。
【００３４】
このため、夏場等の外気温度が高いとき（例えば、外気温度が３０℃以上のとき）であって、差し湯等の特殊な温水要求以外のとき（要求温水温度が４３℃程度のとき）には、貯湯タンク３０から取り出した温水を第２加熱器１０ｂを迂回させてそのまま混合水栓７５に供給すればよい。
【００３５】
また、夏場等の外気温度が高いとき（例えば、外気温度が３０℃以上のとき）であって、差し湯等の特殊な温水要求のとき（要求温水温度が６０℃程度のとき）には、貯湯タンク３０から取り出した温水を第２加熱器１０ｂにて再加熱して混合水栓７５に供給すればよい。
【００３６】
一方、冬場等の外気温度が低いとき（例えば、外気温度が１０℃以下のとき）には、貯湯タンク３０内の温水温度が要求温水温度以上のときには、貯湯タンク３０内の温水を第２加熱器１０ｂを迂回させてそのまま混合水栓７５に供給し、貯湯タンク３０内の温水温度が要求温水温度未満のときには、貯湯タンク３０内の温水を第２加熱器１０ｂにて再加熱した後、混合水栓７５に供給すればよい。
【００３７】
以上に述べたように、本実施形態では、貯湯タンク３０内の温水温度を必要以上に高めることなく、要求温水温度に応じて再加熱（追い炊き）することにより、要求温水温度の温水を供給するので、貯湯タンク３０にユーザが必要とする最高温度（例えば６０℃）の温水を蓄える場合に比べて、温水を生成するための熱量を減らすことができる。
【００３８】
したがって、本実施形態では、外気から熱を回収して温水生成に必要な投入熱量（化石燃料の量）の低減を図りつつ、安定的に温水を供給することができる。
【００３９】
因みに、発明者等の試算によれば、水道水の温度を７℃とし、６０℃の温水を１００リットル、４３℃の温水を１００リットル供給し、かつ、吸着式ヒートポンプ５０の成績係数を１．６とし、貯湯タンク３０内の温水温度３０℃とすると、従来の技術に係る給湯器では８９００ｋｃａｌの熱量を必要とするのに対して、本実施形態では７２００ｋｃａｌでよい。したがって、本実施形態では、従来に比べて、約２０％、消費エネルギを低減することができる。
【００４０】
（第２実施形態）
上述の実施形態では、貯湯タンク３０から取り出した温水を加熱する熱源（バーナ１０）と吸着式ヒートポンプ５０に供給する熱源（バーナ１０）とが共通化されていたが、本実施形態は、図３に示すように、貯湯タンク３０から取り出した温水を加熱する第２加熱器１０ｂ用の熱源（バーナ１０）と吸着式ヒートポンプ５０に供給する第１加熱器１０ａ用の熱源（バーナ１０）とをそれぞれ独立に設けたものである。
【００４１】
（第３実施形態）
上述の実施形態では、液相状態の冷媒を吸着ユニット２１、２２内に封入したが、本実施形態は、気相状態の冷媒を吸着ユニット２１、２２内に封入するとともに、図４に示すように、第２熱交換器２１ｄ、２２ｄ内を循環する熱媒体と熱交換する吸着剤２１ｅ、２２ｅを第２熱交換器２１ｄ、２２ｄの表面に充填接着したものである。なお、吸着剤２１ｅ、２２ｅと吸着剤２１ｂ、２２ｂとは同じ吸着剤に限定されるものではない。
【００４２】
これにより、吸着剤２１ｅ、２２ｅは第２熱交換器２１ｄ、２２ｄ内を循環する熱媒体から奪って吸着していた冷媒を脱離するので、第２熱交換器２１ｄ、２２ｄ内を循環する熱媒体が冷却される。
【００４３】
つまり、本実施形態では、吸着ユニット２１、２２内において、吸着剤２１ｅ、２２ｅが熱媒体から吸熱して吸着していた冷媒を気相冷媒として放出し、吸着剤２１ｂ、２２ｂがその放出した気相冷媒を吸着しながら熱を発することにより、吸着器２０にて低温側から高温側に熱を移動させている。
【００４４】
（第４実施形態）
本実施形態は、図５に示すように、上述の実施形態に対して室外器４０を迂回させて熱媒体を循環させるバイパス回路７６、バイパス回路７６を開閉する電磁弁Ｖ１１、及び熱媒体が室外器４０内を流通することを阻止するための電磁弁Ｖ１２を設けたものである。
【００４５】
次に、本実施形態の特徴的作動及びその効果を述べる。
【００４６】
吸着器２０は、前述のごとく、吸着器２０内の第１〜４切換弁Ｖ１〜Ｖ４を所定時間毎に切り換えることにより、室外器４０にて外気から連続的に熱を吸収したが、第１〜４切換弁Ｖ１〜Ｖ４を切り換えた直後においては、第２熱交換器２１ｄ、２２ｄ内に貯湯タンク３０内の温水と同等温度を有する熱媒体が存在するので、この貯湯タンク３０内の温水と同等温度を有する熱媒体の熱が室外器４０から外気中に放熱されてしまう。
【００４７】
そこで、本実施形態では、第１〜４切換弁Ｖ１〜Ｖ４を切り換えた時から所定時間の間は、電磁弁Ｖ１１を開き、電磁弁Ｖ１２を閉じることにより、第２熱交換器２１ｄ、２２内の貯湯タンク３０内の温水と同等温度を有する熱媒体が室外器４０に流入することを阻止して貯湯タンク３０内の温水と同等温度を有する熱媒体の熱が外気中に放熱されてしまうことを抑制している。
【００４８】
因みに、前記の所定時間は、第２熱交換器２１ｄ、２２内の熱媒体が完全に入り替わるに必要な時間に基づいて決定される。
【００４９】
なお、図４は第１実施形態（図１）に対して本実施形態を適用したものであるが、当然ながら、本実施形態は第２、３実施形態に対しても適用することができる。
【００５０】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、第１の熱源として外気から熱を回収したが、本発明はこれに限定されるものではなく、河川、地熱、太陽熱等の自然界に存在する自然熱エネルギー、又は発電機のエンジンや燃料電池等の機器からの廃熱を回収して温水を加熱してもよい。
【００５１】
また、上述の実施形態では、第２の熱源として化石燃料を燃焼させるバーナ１０を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、第２の熱源は第１の熱源より温度が高いものであればよく、例えば電気ヒータとしてもよい。
【００５２】
また、上述の実施形態では、給湯器に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば暖房装置等に適用してもよい。
【００５３】
また、上述の実施形態では、吸着剤としてシリカゲルを用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、吸着剤として活性炭、ゼオライト、活性アルミナなどを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る冷房及び温水加熱時の給湯・空調システムの模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る冷房及び温水加熱時の吸着器の模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る冷房及び温水加熱時の給湯・空調システムの模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る冷房及び温水加熱時の吸着器の模式図である。
【図５】本発明の第４実施形態に係る冷房及び温水加熱時の給湯・空調システムの模式図である。
【符号の説明】
１０…バーナ（第２の熱源）、２０…吸着器、
３０…貯湯タンク（蓄熱手段）、４０…室外熱交換器、
５０…吸着式ヒートポンプ。
【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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