(57)【要約】【課題】工場廃水、温泉、下水等の熱源水から効率よく排熱を回収でき、熱交換のバランスが良く、メンテナンスも容易な排熱回収型ヒートポンプを提供する。【解決手段】  排熱回収型ヒートポンプ（１）の蒸発器（７）を、熱源水中に直接没するように設け、そして蒸発器（７）を、その熱交換能力が凝縮器（３）の熱交換能力と同等になるように選定する。また蒸発器（７）はコイル状に巻かれた所定長さのチューブから構成し、該チューブ内に冷媒を流すようにする。さらに蒸発器（７）を接続している管路（Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６）には所定のコネクタ（１１、１２）を介装して、蒸発器（７）を他の装置から分離したり、接続することができるように構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを備え、工場廃水、温泉、下水等の熱源水から排熱を回収するヒートポンプであって、
前記蒸発器は、前記熱源水中に没するように設けられていると共に、前記凝縮器と同等の熱交換能力を有するように選定されていることを特徴とする排熱回収型ヒートポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプにおいて、前記蒸発器は、コイル状に巻かれた所定長さのチューブからなり、冷媒は前記チューブ内を流されるようになっていることを特徴とする排熱回収型ヒートポンプ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のヒートポンプにおいて、前記蒸発器と前記圧縮機を接続する管路、および前記蒸発器と前記膨張弁を接続している管路には、それぞれ接続・切断可能なコネクタが介装されていることを特徴とする排熱回収型ヒートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工場廃水、温泉、下水等の熱源水から排熱を回収して、暖房運転、給湯運転等を行う排熱回収型ヒートポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ヒートポンプは従来周知のように、互いに冷媒管によって接続された圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器等から構成され、内部にはノンフロン系、二酸化炭素、アンモニア等の冷媒が封入されている。従って圧縮機を起動して冷媒を凝縮器、膨張弁、蒸発器、圧縮機の順に循環させると、冷媒は凝縮器において気体から液体へ状態変化して潜熱を放出し、蒸発器において液体から気体へと状態変化して熱源から熱を吸収する。従って凝縮器において放出される潜熱を暖房に利用したり、給湯に利用することができる。このようなヒートポンプの熱源として、例えば地下水、地熱等が利用され、特許文献１に地下水を利用するヒートポンプシステムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−３５６４３３号公報
【０００４】
特許文献１に記載のヒートポンプシステムは、地下水の熱を回収する循環サイクル、この循環サイクルから熱を吸収して暖房運転、給湯運転を行うヒートポンプ、等から構成されている。ヒートポンプは、圧縮機、凝縮器、膨張弁、蒸発器、これらを接続している冷媒管等とから構成され、冷媒がこれらの機器を循環するように構成されている。一方、循環サイクルは地中に埋設された地中熱交換器、ポンプ、所定の管路等からなり、管路にはブライン、水等の熱媒が封入されている。この管路はヒートポンプの蒸発器にも接続されている。従って循環サイクルのポンプを駆動すると、熱媒が管路を循環して地中熱交換器において地下水から熱を回収し、ヒートポンプの蒸発器において熱媒から冷媒に熱を与えることができる。すなわち熱媒と冷媒の間で熱交換することによって、間接的に地下水を熱源として利用してヒートポンプを運転することができる。
【０００５】
ところで工場廃水、温泉、下水等は、十分な熱量を有しており、これらもヒートポンプの熱源として利用価値は高い。このような、いわゆる熱源水の排熱を利用するヒートポンプシステムも特許文献１に記載のヒートポンプシステムと同様に構成されている。図２にはこのような排熱回収型ヒートポンプシステム５０が示されている。排熱回収型ヒートポンプシステム５０は、ヒートポンプ５１と、工場廃水等の熱源水から排熱を回収する排熱回収循環サイクル５２とから構成されている。ヒートポンプ５１は、従来周知のように、圧縮機５４、凝縮器５５、膨張弁５６、蒸発器５７、アキュムレータ５９からなり、これらは冷媒管Ｒ５１〜Ｒ５５によって接続されて閉回路が構成されている。ヒートポンプ５１内には冷媒が封入されており、圧縮機５４を駆動すると冷媒が各機器を循環して状態変化して、蒸発器５７から熱を吸収して凝縮器５５において熱を放出するようになっている。排熱回収循環サイクル５２は、排熱回収用熱交換器６１、ポンプ６２、および蒸発器５７からなり、蒸発器５７はヒートポンプ５１と共有されている。そして、これらの機器は管路Ｒ６１〜Ｒ６３によって接続され、ブライン、水等の熱媒が封入されている。この熱媒はポンプ６２を駆動して循環しても状態変化しない。このような排熱回収循環サイクル５２の排熱回収用熱交換器６１は、工場廃水等の熱源水が一時的に貯められるようになっている排熱回収槽６４に入れられている。
【０００６】
排熱回収型ヒートポンプシステム５０において、圧縮機５４とポンプ６２を駆動する。排熱回収循環サイクル５２においてポンプ６２によって熱媒が循環し、熱媒は排熱回収用熱交換器６１において工場廃水等の熱源水から熱を回収し、蒸発器５７において熱を放出する。ヒートポンプ５１において、冷媒は蒸発器５７において熱を吸収し、アキュムレータ５９を経由して圧縮機５４で圧縮される。冷媒は凝縮器５５において凝縮されて熱を放出し、例えば暖房用の温水等を加熱する。凝縮された冷媒は膨張弁５６において圧力が低下して、再び蒸発器５７に循環する。このようにして、工場廃水等の熱源水から排熱を回収することができる。
【０００７】
排熱回収型ヒートポンプシステム５０は、このように２個の循環サイクルから、すなわちヒートポンプ５１と排熱回収循環サイクル５２から構成され間接的に熱源水から排熱を回収するようになっているが、次に説明するように合理的な理由があり、従来の排熱回収型のヒートポンプはこのような構成が採られている。その理由として、排熱回収の対象となる工場廃水等の熱源水が工場の規模、設置条件、運転状況等によって条件が異なる点をあげることができる。ヒートポンプにおいては熱交換のバランスを取る必要があるので、２個の熱交換器すなわち蒸発器と凝縮器の熱交換能力を同等にすることが好ましい。もし異なる条件に適合するようにその都度ヒートポンプを製造するようにすると製造コストがかかってしまう。そこでヒートポンプは製造コストを下げるために規格化された製品として製造され工場に設置される。一方、熱源水から排熱を回収する排熱回収循環サイクルは、ヒートポンプと独立した循環サイクルとして個別に設計・製造され、設置されることになる。このようにすると、排熱回収循環サイクルの能力の大きさが変わっても、蒸発器を介して熱交換するのでヒートポンプは安定的に運転することができる。また他の理由として管理のし易さをあげることもできる。ヒートポンプは規格化された製品である一方で排熱回収循環サイクルは前記したように特注品であることが多いので、これらを独立してメンテナンスすることができれば管理が容易である。従って排熱回収型ヒートポンプシステム５０は、２個の循環サイクルから構成されている。また次のような事情もある。すなわち冷媒が流れるようになっている熱交換器は、熱交換効率を上げるための放熱板が多数枚設けられて形状が複雑になっているものが一般的であるが、工場廃水、下水等の汚れた熱源水をこのような熱交換器に供給するようにすると汚れが放熱板等に付着して早期に熱交換効率が低下してしまい実質的に運転することができない。従って当業者の技術常識として、このような熱源水から直接冷媒に熱を回収することは実施されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上で説明したような排熱回収型ヒートポンプシステム５０によっても、工場廃水、温泉、下水等の熱源水から熱を回収して、暖房運転、給湯運転等を実施することはできる。しかしながら解決すべき問題点も見受けられる。第１の問題点として排熱回収循環サイクル５２の熱回収効率が低い点が挙げられる。この排熱回収循環サイクル５２内を循環する熱媒は状態変化せず顕熱のみによって排熱を回収するようになっているので熱交換効率は低い。排熱回収用熱交換器６１は一般にコイル状に巻かれた管路からなり工場廃水等に入れられているが、十分に排熱を回収しようとすると、この管路の長さを長くしてコイルの巻数を増やす必要があり排熱回収用熱交換器６１が大型になってしまう。そうすると管路の詰まりも発生し易いし、工場廃水等が滞留してコイルの間に汚物が付着し易くなってしまう。すなわちメンテナンスが困難になる。そして、第２の問題点として、熱源水から熱媒へ、熱媒から冷媒へと２段階で熱交換しなければならないという問題もある。このように熱交換が２段階に実施されるので、その分だけ熱交換効率が低下してしまう。また第３の問題点として、排熱回収循環サイクル５２にはポンプ６２が必要であるという問題もあり、その分だけシステムのコストが高くなってしまう。
【０００９】
本発明は、上記したような問題点を解決した排熱回収型ヒートポンプを提供することを目的としており、具体的には、工場廃水、温泉、下水等の熱源水から排熱を回収するヒートポンプであって、熱交換のバランスが安定しているにも拘わらず、熱回収効率が高く、メンテナンスも容易であり、安価に提供できる排熱回収型ヒートポンプを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記目的を達成するために、排熱回収型ヒートポンプの蒸発器を、工場廃水、温泉、下水等の熱源水中に直接没するように設け、そして蒸発器を、その熱交換能力が凝縮器の熱交換能力と同等になるように選定する。また蒸発器はコイル状に巻かれた所定長さのチューブから構成し、該チューブ内に冷媒を流すようにする。さらに蒸発器を接続している管路には所定のコネクタを介装して、ヒートポンプを構成している他の装置から蒸発器を分離したり、接続することができるように構成する。
【００１１】
かくして、請求項１記載の発明は、上記目的を達成するために、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器とを備え、工場廃水、温泉、下水等の熱源水から排熱を回収するヒートポンプであって、前記蒸発器は、前記熱源水中に没するように設けられていると共に、前記凝縮器と同等の熱交換能力を有するように選定されていることを特徴とする排熱回収型ヒートポンプとして構成される。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のヒートポンプにおいて、前記蒸発器は、コイル状に巻かれた所定長さのチューブからなり、冷媒は前記チューブ内を流されるようになっていることを特徴とする排熱回収型ヒートポンプとして構成される。
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載のヒートポンプにおいて、前記蒸発器と前記圧縮機を接続する管路、および前記蒸発器と前記膨張弁を接続している管路には、それぞれ接続・切断可能なコネクタが介装されていることを特徴とする排熱回収型ヒートポンプとして構成される。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明によると、工場廃水、温泉、下水等の熱源水から排熱を回収するヒートポンプは、蒸発器が熱源水中に没するように設けられているので、熱源水からの排熱を冷媒によって直接回収することができる。冷媒は状態変化して潜熱として排熱を吸収できるので熱容量が大きく、格別に熱媒の介在を必要としないので、効率よく排熱を回収することができる。従って、蒸発器を小型化することができ、従来の排熱回収循環サイクルに使用されている排熱回収用熱交換器と比して格段に小さくすることができる。さらにはブライン等の熱媒を送るためのポンプも不要になり装置全体のコストも小さくて済む。そして本発明によると、この蒸発器は凝縮器と同等の熱交換能力を有するように選定されている。すなわち熱源水の条件に合わせて蒸発器を選定するかわりに、凝縮器の熱交換能力に合わせて蒸発器を選定するように構成されているので、ヒートポンプの熱交換のバランスが良い。この点においても効率よく熱交換できることが保障されている。また他の発明によると、蒸発器は、コイル状に巻かれた所定長さのチューブからなり、冷媒はチューブ内を流されるように構成されているので、蒸発器の形状はシンプルである。従って工場廃水、下水等の熱源水に蒸発器を没するように設けても、蒸発器には汚れが付着し難く、熱交換の効率が低下することはない。また他の発明によると、蒸発器と圧縮機を接続する管路、および蒸発器と膨張弁を接続している管路には、それぞれ接続・切断可能なコネクタが介装されているので、コネクタを切断すれば他の機器から蒸発器だけを単独で取り外すことができるし、接続すれば容易にヒートポンプを構成することができる。これによってメンテナンスが容易になる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態に係る排熱回収型ヒートポンプを模式的に示す冷媒配管フロー図である。
【図２】従来の排熱回収型ヒートポンプシステムを模式的に示す冷媒配管フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本実施の形態に係る排熱回収型ヒートポンプ１は、工場廃水、温泉、下水等の熱源水から排熱を回収するヒートポンプとして構成され、回収した熱によって暖房用の温水を昇温したり、水道水を加熱して給湯するようになっている。この排熱回収型ヒートポンプ１も、従来のヒートポンプと類似した機器から構成されている。すなわち本実施の形態に係る排熱回収型ヒートポンプ１も、冷媒を圧縮する圧縮機２、圧縮機２から送られてくる冷媒を凝縮する凝縮器３、凝縮器３で凝縮された冷媒の圧力を低下させる膨張弁５を備えており、この膨張弁５から送られる冷媒は、次に説明する本実施の形態に係る熱源水用蒸発器７に送られる。この熱源水用蒸発器７において気化した冷媒は、従来のヒートポンプと同様にアキュムレータ８に送られるようになっており、アキュムレータ８において気液分離した冷媒は圧縮機２に戻されるようになっている。これらの機器は、互いに冷媒管Ｒ１〜Ｒ７によって接続されており、このような排熱回収型ヒートポンプ１にはノンフロン系、二酸化炭素、アンモニア等の冷媒が封入されている。
【００１５】
本実施の形態に係る熱源水用蒸発器７は、コイル状に巻かれた所定長さの金属製のチューブから形成されている。このチューブの中を冷媒が流れるようになっており熱源水と熱交換できるようになっている。冷媒はこの熱源水用蒸発器７内で気化するので熱交換効率は高く、ブライン等の熱媒が流されて熱交換する従来の排熱回収用熱交換器と比して、チューブの長さは短くコイルの巻数は少ない。このような熱源水用蒸発器７は、熱源水が供給されるようになっている排熱回収槽１０に入れられている。排熱回収槽１０に供給される工場廃水等の熱源水は所定の水位に達するようになっており、熱源水用蒸発器７はこの熱源水中に全体が没するようになっている。
【００１６】
このように構成されている熱源水用蒸発器７と膨張弁５とを接続する管路Ｒ３、Ｒ４には、第１のコネクタ１１が介装されている。この第１のコネクタ１１は接続したり切断できるようになっている。従って第１のコネクタ１１によって管路Ｒ３と管路Ｒ４とを接続したり切り離すことができ、切り離した状態においても冷媒は外部に漏れ出ることはない。同様に、熱源水用蒸発器７とアキュムレータ８とを接続する管路Ｒ５、Ｒ６には第２のコネクタ１２が介装され、この第２のコネクタ１２も接続・切り離しが可能になっている。
【００１７】
本実施の形態に係る排熱回収型ヒートポンプ１の作用を説明する。排熱回収槽１０に熱源水を供給する。熱源水は排熱回収槽１０において所定の水位に達し、この水位が維持された状態で熱源水が供給され、余剰の熱源水が排出される。排熱回収型ヒートポンプ１において圧縮機２を駆動する。そうすると冷媒は圧縮機２において圧縮され、高温高圧にされて凝縮器３に送られる。凝縮器３において冷媒は液化して潜熱が放出される。また冷媒の温度も若干低下して顕熱も放出される。これらの放出された潜熱と顕熱によって、例えば暖房用の温水が昇温される。液化した冷媒は膨張弁５に送られて絞られ、急激に圧力が低下する。低圧の冷媒は熱源水用蒸発器７に送られる。冷媒が熱源水用蒸発器７のコイル状のチューブを流れるとき、熱源水から熱量を奪う。すなわち排熱を回収する。冷媒は効率よく気化することになる。熱源水用蒸発器７で気化した冷媒はアキュムレータ８に送られる。アキュムレータ８において冷媒は気液分離され、再び圧縮機２に供給されて圧縮される。以下同様に冷媒が排熱回収型ヒートポンプ１内を循環して熱交換する。
【００１８】
排熱回収型ヒートポンプ１をメンテナンスする場合、排熱回収槽１０への熱源水の供給を停止する。次いで圧縮機２の運転を停止する。所定時間経過させて、排熱回収型ヒートポンプ１内の冷媒を安定させる。必要に応じて冷媒をアキュムレータ８等に集める。第１、２のコネクタ１１、１２を分離する。分離された熱源水用蒸発器７について必要なメンテナンスを実施する。熱源水用蒸発器７以外の機器についても必要なメンテナンスを実施する。第１、２のコネクタ１１、１２を接続する。そうすると図１に示されているように排熱回収型ヒートポンプ１が構成される。メンテナンスは完了する。
【００１９】
本実施の形態に係る排熱回収型ヒートポンプ１は色々な変形が可能である。例えば、このヒートポンプにおいては熱交換器は２個だけ、すなわち凝縮器３と熱原水用蒸発器７だけ設けられているように説明したが、３個あるいはそれ以上設けるようにしてもよい。例えば凝縮器を２個設けることもでき、給湯用凝縮器と、暖房用凝縮器を設ける。そして冷媒管を四方弁等によって切り換えるようにする。そうすると弁の切換によって暖房運転と給湯運転とを適宜切り換えることができる。また、アキュムレータ８は冷媒を所定量だけプールすることができるが、さらに所定量の冷媒をプールできるようにレシーバを追加してもよい。そうすると、熱源水用蒸発器７と他の機器とを接続する管路Ｒ４、Ｒ５の長さが長かったり短い場合であっても、冷媒の過不足が生じることはなく、安定的に運転することができる。
【符号の説明】
【００２０】
１    排熱回収型ヒートポンプ    ２    圧縮機
３    凝縮器                    ５    膨張弁
７    熱源水用蒸発器            ８    アキュムレータ
１０    排熱回収槽              １１    第１のコネクタ
１２    第２のコネクタ
Ｒ１〜Ｒ７  冷媒管
【図１】
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【図２】
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