JP2012002388A - Heat exchanger for heat pump and heat pump type hot water supply system thereof - Google Patents
Heat exchanger for heat pump and heat pump type hot water supply system thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012002388A JP2012002388A JP2010135586A JP2010135586A JP2012002388A JP 2012002388 A JP2012002388 A JP 2012002388A JP 2010135586 A JP2010135586 A JP 2010135586A JP 2010135586 A JP2010135586 A JP 2010135586A JP 2012002388 A JP2012002388 A JP 2012002388A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- heat
- refrigerant
- hot water
- heat exchanger
- heat pump
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 493
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 claims abstract description 249
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 31
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 58
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 19
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 5
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003570 air Substances 0.000 description 159
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 24
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 22
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 230000006870 function Effects 0.000 description 13
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 10
- 239000008399 tap water Substances 0.000 description 8
- 235000020679 tap water Nutrition 0.000 description 8
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 230000000474 nursing effect Effects 0.000 description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 6
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 5
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 5
- 238000010257 thawing Methods 0.000 description 5
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 4
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 3
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 3
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 3
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 229910001172 neodymium magnet Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 2
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- KYKAJFCTULSVSH-UHFFFAOYSA-N chloro(fluoro)methane Chemical compound F[C]Cl KYKAJFCTULSVSH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B30/00—Energy efficient heating, ventilation or air conditioning [HVAC]
Landscapes
- Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)
Abstract
Description
本発明は、ヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムに関するものである。詳しくは、熱交換器として利用できる永久磁石式の熱交換器と、それを採用したヒートポンプ式給湯システムに関する。 The present invention relates to a heat exchanger for a heat pump and its heat pump hot water supply system. Specifically, the present invention relates to a permanent magnet type heat exchanger that can be used as a heat exchanger and a heat pump hot water supply system that employs the heat exchanger.
ヒートポンプ式暖房装置、ヒートポンプ式給湯器等は、冷媒を大気の熱エネルギーと熱交換するための空気熱交換器を備えている。ヒートポンプ式暖房装置は、大気の熱エネルギーを暖房に利用している。ヒートポンプ式給湯器は、水を加熱するとき、大気の熱エネルギーを利用している。このように、熱源に大気の熱エネルギーを利用するため、エネルギー効率が非常に良い熱機器である。ヒートポンプ式暖房装置、ヒートポンプ式給湯器等の能力は、成績係数を用いて表すことが多い。 A heat pump heating device, a heat pump water heater, and the like include an air heat exchanger for exchanging heat between the refrigerant and the heat energy of the atmosphere. The heat pump heater uses the thermal energy of the atmosphere for heating. The heat pump type water heater uses the thermal energy of the atmosphere when heating water. In this way, since thermal energy of the atmosphere is used as a heat source, it is a thermal device with very good energy efficiency. The capabilities of heat pump heaters, heat pump water heaters, etc. are often expressed using coefficient of performance.
以下、成績係数は、英表記Coefficient Of Performanceの略であるCOPと記述する。このCOPは、冷房装置、暖房装置、冷凍機等のエネルギー消費効率を表す指標の一つで、ヒートポンプ式装置の消費エネルギーに対する冷房又は暖房能力の比率として計算される。
COP=(冷房能力又は暖房能力)/消費エネルギー …(式1)
冷房装置においては、定格条件において冷房能力(kW)を冷房消費電力(kW)で除した冷房COPが用いられている。
Hereinafter, the coefficient of performance is described as COP, which is an abbreviation for Coefficient Of Performance. This COP is one of indexes indicating energy consumption efficiency of a cooling device, a heating device, a refrigerator, etc., and is calculated as a ratio of cooling or heating capacity to consumed energy of a heat pump device.
COP = (cooling capacity or heating capacity) / energy consumption (Formula 1)
In the cooling device, a cooling COP obtained by dividing the cooling capacity (kW) by the cooling power consumption (kW) under rated conditions is used.
暖房装置においては、定格条件において暖房能力(kW)を暖房消費電力で除した暖房COPが用いられている。これらの装置を製造しているメーカでは、COPは、4以上の値が各装置の標識に記載されていることが多い。このCOPは、一定の温度条件の下で運転した場合(定格条件)の性能を評価した値である。外気の気温が低温の場合は、COPが下がる。一般に、外気温度が下がっていくと、ヒートポンプ式装置は、7℃付近から大気の熱エネルギーを吸い上げられなくなる。 In the heating device, a heating COP obtained by dividing the heating capacity (kW) by the heating power consumption under rated conditions is used. In a manufacturer that manufactures these devices, COP often has a value of 4 or more described in the label of each device. This COP is a value obtained by evaluating the performance when operated under a constant temperature condition (rated condition). When the outside air temperature is low, the COP decreases. Generally, when the outside air temperature is lowered, the heat pump apparatus cannot suck up the thermal energy of the atmosphere from around 7 ° C.
以下、外気の気温が低温の場合とは、装置のCOPが定格条件の動作時より大きく下がる温度、それより低い温度を言う。通常は、外気温7℃以下の温度を言う。よって、ヒートポンプ式装置のCOPは1以下となって、ヒートポンプ式装置を構成する各装置に必要な全エネルギーを外部から注入しないと、ヒートポンプ式装置が正常な動作ができなくなる。ヒートポンプ式装置は、給湯、暖房、冷房等ができなくなる。つまり、大気や外気の熱エネルギーの利用が下がるほど、給湯器や暖房機はCOPが低下し、ヒートポンプ機能の利用が全くできなくなる。 Hereinafter, the case where the temperature of the outside air is low refers to a temperature at which the COP of the apparatus is greatly lowered than when operating under the rated conditions, and a temperature lower than that. Usually, it refers to a temperature of 7 ° C. or lower. Therefore, the COP of the heat pump apparatus becomes 1 or less, and the heat pump apparatus cannot operate normally unless all the energy required for each apparatus constituting the heat pump apparatus is injected from the outside. The heat pump apparatus cannot perform hot water supply, heating, cooling, or the like. That is, as the use of the thermal energy of the atmosphere or the outside air decreases, the COP of the water heater or the heater decreases, and the heat pump function cannot be used at all.
そのため冷媒の加熱等に、電気加熱器、ガス加熱器等の別のエネルギー源が必要になる。給湯器や暖房機の運転を維持するために、足りないエネルギーは、供給しなければならない。このように、外気温が零下に下がった場合でも、出来るだけそのシステムが持つ最大COPの状態で給湯器(暖房)システムを使いたいという要望がある。そのため、メーカーは、様々な工夫を余儀なくされている。例えば、室外機のフィン面積を大きく取る等の対策を講じている。また、通常の暖房機は、外気温があまり下がらない、例えば7℃より外気温が下がらない、地域のみで販売している。 Therefore, another energy source such as an electric heater or a gas heater is required for heating the refrigerant. In order to maintain the operation of the water heater or heater, the missing energy must be supplied. Thus, even when the outside air temperature drops below zero, there is a demand for using the water heater (heating) system in the maximum COP state of the system as much as possible. For this reason, manufacturers are forced to make various efforts. For example, measures such as increasing the fin area of the outdoor unit are taken. In addition, ordinary heaters are sold only in regions where the outside air temperature does not drop much, for example, outside air temperature does not drop below 7 ° C.
また、寒冷地は、別仕様でヒータを追加する等の対策を講じている。空気熱交換器は、外気温が低いとき、着霜が生じ、装置の能力が低下する。このため、空気熱交換器の着霜を除去するデフロスト運転を行っている。例えば、特許文献1には、圧縮機のホットガスを空気熱交換器に供給して、空気熱交換器の霜を取り除くデフロスト運転するヒートポンプ式給湯器を開示している。特許文献2に開示された装置は、冬季等の外気温度が低下時の暖房能力を確保するために、燃焼熱源を設けている。
In cold regions, measures such as adding heaters with different specifications are taken. In the air heat exchanger, when the outside air temperature is low, frost is formed, and the capacity of the apparatus is reduced. For this reason, defrost operation which removes frost formation of an air heat exchanger is performed. For example, Patent Document 1 discloses a heat pump type water heater that performs a defrost operation in which hot gas of a compressor is supplied to an air heat exchanger to remove frost from the air heat exchanger. The apparatus disclosed in
特許文献3に開示された装置は、圧縮機の排熱を排熱熱交換器で回収して、このエネルギーを室外熱交換器に設けられたデフロスト熱交換器に送り、デフロストを行っている。
The apparatus disclosed in
しかしながら、デフロスト運転中は、水の加熱等のシステム本来の機能が中断され、デフロストに使ったエネルギーが無駄になる。また、外気温の低下と共に、外気温から得られる熱量が少なくなり、装置としては、機能しなくなる。これは、暖房機や給湯器は、外気との熱交換器を利用しないで、外部からエネルギー全てを供給しなければならない状況になり、COPは、1以下になってヒートポンプの機能を成さない。結果的に、COPは1より下がる。また、霜を取るためのデフロスト運転のため、頻繁に暖房・給湯サイクルが停止状態になり、連続した暖房や給湯ができなくなるので装置の都合上は望ましくない。 However, during the defrost operation, the original functions of the system such as water heating are interrupted, and the energy used for the defrost is wasted. Further, as the outside air temperature decreases, the amount of heat obtained from the outside air temperature decreases, and the device does not function. This is because the heater and the water heater must supply all the energy from the outside without using a heat exchanger with the outside air, and the COP becomes 1 or less and does not function as a heat pump. . As a result, the COP drops below 1. Further, because of the defrost operation for removing frost, the heating / hot water supply cycle is frequently stopped, and continuous heating and hot water supply cannot be performed.
ガス加熱器、電気加熱器を別途付けると、コストがかかるだけではなく、装置の一部が使用できなくなり、無駄になる。このように、COPが低下する場合において、できるだけ高いCOPが得られるように、暖房機や給湯器に工夫しなければならない。このために、本発明の発明者等は、不足のエネルギーを、永久磁石式の加熱器によるエネルギーで賄うことを検討した結果、本発明に至った。更に、日本家庭の電源コンセントは、一般的に、100V、20Aの最大電力を供給する仕様になっていることが多い。 If a gas heater and an electric heater are separately provided, not only costs are increased, but a part of the apparatus cannot be used and is wasted. Thus, when COP falls, you must devise a heater and a water heater so that COP as high as possible is obtained. For this reason, the inventors of the present invention have come to the present invention as a result of studying to cover the insufficient energy with the energy of a permanent magnet heater. Furthermore, power outlets in Japanese homes are generally designed to supply a maximum power of 100V and 20A.
これによれば、一つの電源コンセントから供給できるエネルギーは、2000Wになる。カロリーで計算すると1時間で最大860×2=1720kcalとなる。この電力エネルギーは効率100%のヒータで、理論的には、20リットルの水を1時間に0℃から86℃までしか上昇できない。例えば、経験上、介護用のお風呂の湯を電気で沸かすとしたら、余裕を持って沸かすには約4000W程度のエネルギーが必要となる。従って、上述の一般家庭の電力コンセントを最大に使ってもCOPが2以上の給湯器が必要になる。 According to this, the energy which can be supplied from one power outlet is 2000W. When calculated with calories, the maximum is 860 × 2 = 1720 kcal per hour. This power energy is a heater with 100% efficiency, and theoretically can only raise 20 liters of water from 0 ° C. to 86 ° C. per hour. For example, experience shows that if the bath water for nursing care is boiled with electricity, energy of about 4000 W is required to boil it with a margin. Accordingly, a hot water heater having a COP of 2 or more is required even when the above-described ordinary household power outlet is used to the maximum.
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記の目的を達成する。
本発明の目的は、外気温の低下時でも成績係数の低下を防ぐことができるヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムを提供することにある。
本発明の他の目的は、室外機を小型に出来、外気温を監視しながらCOPの最大効率付近でシステムを制御できるヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムを提供することにある。
The present invention has been made based on the technical background as described above, and achieves the following objects.
The objective of this invention is providing the heat exchanger for heat pumps which can prevent the fall of a coefficient of performance even when the external temperature falls, and its heat pump type hot water supply system.
Another object of the present invention is to provide a heat exchanger for a heat pump that can reduce the size of an outdoor unit and control the system in the vicinity of the maximum efficiency of the COP while monitoring the outside air temperature, and its heat pump hot water supply system.
本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明は、ヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムを提供する。以下、それぞれについて詳細に記述する。
〔ヒートポンプ用熱交換器〕
本発明のヒートポンプ用熱交換器は、ヒートポンプ式の熱機器に使用される熱交換器であり、低圧の冷媒を周囲の流体から熱を奪って蒸発させて冷却作用をする蒸発器である。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
The present invention provides a heat exchanger for a heat pump and a heat pump hot water supply system thereof. Each is described in detail below.
[Heat pump heat exchanger]
The heat exchanger for a heat pump of the present invention is a heat exchanger used in a heat pump type heat apparatus, and is an evaporator that cools a low-pressure refrigerant by removing heat from the surrounding fluid and evaporating it.
本発明のヒートポンプ用熱交換器は、回転駆動手段と、前記回転駆動手段によって回転される永久磁石と、前記永久磁石の近傍に設置され、前記永久磁石の回転によって発生した渦電流によって生じるジュール熱で加熱して、前記流体及び/又は減圧低温の前記冷媒を加熱する導電体とからなることを特徴とする。 The heat exchanger for a heat pump according to the present invention includes a rotation drive means, a permanent magnet rotated by the rotation drive means, and a Joule heat that is installed in the vicinity of the permanent magnet and is generated by an eddy current generated by the rotation of the permanent magnet. And a conductor that heats the fluid and / or the refrigerant at a reduced pressure and low temperature.
また、本発明のヒートポンプ用熱交換器は、前記回転駆動手段によって回転される回転軸に配置された複数の前記永久磁石とからなるロータと、前記ロータが挿入されて回転するための空洞を有し、前記永久磁石の外周に配置された前記導電体からなるステータとからなると良い。
更に、前記ステータは、前記導電体に熱伝達可能に設置され、かつ、前記冷媒が流れるための冷媒路からなると良い。
The heat exchanger for heat pump of the present invention has a rotor composed of a plurality of permanent magnets arranged on a rotating shaft rotated by the rotation driving means, and a cavity for inserting and rotating the rotor. And it is good to consist of the stator which consists of the said conductor arrange | positioned on the outer periphery of the said permanent magnet.
Furthermore, the stator may be provided with a refrigerant path that is installed so as to be capable of transferring heat to the conductor and through which the refrigerant flows.
また更に、前記導電体は、前記冷媒が流れるための空洞を有する冷媒路であると良い。
前述の流体とは、空気、水、油等の流体である。
前記冷媒路は、前記ロータの外周を巻くように螺旋状に配置されている冷媒管かならなると良い。前記冷媒路は、前記空気、水、油等の流体と熱交換を行うためのフィンを有すると良い。又は、前記冷媒路は、前記フィンを有する熱交換板を有する、又は、前記フィンと一体にしたもの、又は周囲に配置したものが良い。
Still further, the conductor may be a refrigerant path having a cavity through which the refrigerant flows.
The aforementioned fluid is a fluid such as air, water, oil or the like.
The refrigerant path may be a refrigerant pipe arranged in a spiral shape so as to wrap around the outer periphery of the rotor. The refrigerant path may have fins for exchanging heat with a fluid such as air, water, or oil. Or the said refrigerant path has the heat exchange board which has the said fin, or the thing integrated with the said fin, or the thing arrange | positioned around is good.
また、本発明のヒートポンプ用熱交換器は、前記回転駆動手段によって回転する回転軸と、前記回転軸に直角な平面で前記回転軸に固定され、複数の前記永久磁石が固定された磁極面板と、前記磁極面板に対向して設けられた前記導電体からなる被加熱部とからなると良い。
前記被加熱部は、前記導電体に熱伝達可能に設置さ、かつ、前記冷媒が流れるための冷媒路からなると良い。
前記導電体は、前記冷媒が流れるための空洞を有する冷媒路であると良い。
The heat exchanger for a heat pump according to the present invention includes a rotating shaft that is rotated by the rotation driving unit, a magnetic pole face plate that is fixed to the rotating shaft in a plane perpendicular to the rotating shaft, and a plurality of the permanent magnets are fixed. And a heated portion made of the conductor provided to face the magnetic pole face plate.
The heated portion is preferably installed so as to be able to transfer heat to the conductor and includes a refrigerant path through which the refrigerant flows.
The conductor is preferably a refrigerant path having a cavity through which the refrigerant flows.
前記永久磁石は、細長く形状をし、その長手方向の軸線が前記回転軸の回転軸線を直交するように配置されていると良い。
更に、本発明のヒートポンプ用熱交換器は、前記被加熱部と前記磁極面板との間の間隔を変更し、前記導電体の加熱の強弱を制御するための距離制御手段を有すると良い。従って、空気、水、油等の流体又は冷媒の加熱の強弱が制御される。
前記冷媒路は、前記磁極面板に対向して平行に配置され、かつ前記回転軸の軸線を中心に渦巻き状に配置された冷媒管であると良い。
It is preferable that the permanent magnet has an elongated shape and is arranged so that the longitudinal axis thereof is orthogonal to the rotational axis of the rotational shaft.
Furthermore, the heat exchanger for a heat pump according to the present invention preferably has a distance control means for changing the distance between the heated portion and the magnetic pole face plate and controlling the strength of heating of the conductor. Therefore, the strength of heating of a fluid such as air, water, oil, or a refrigerant is controlled.
The refrigerant path may be a refrigerant pipe arranged in parallel to face the magnetic pole face plate and arranged in a spiral around the axis of the rotating shaft.
〔ヒートポンプ式給湯システム〕
本発明のヒートポンプ式給湯システムは、上述のヒートポンプ用熱交換器を用いたヒートポンプ式給湯システムである。本発明のヒートポンプ式給湯システムは、前記熱機器は、温水を貯蓄するための貯湯タンクと、前記貯湯タンクから流出した水を、高温高圧の前記冷媒と熱交換して加熱して、前記温水にし、前記貯湯タンクに出湯するためのもので、前記貯湯タンクに連結される給湯循環路と、前記給湯循環路に連結され、前記冷媒と前記水との前記熱交換を行うための水熱交換器と、並びに、高温の前記冷媒を圧縮して前記高温高圧の前記冷媒にするための圧縮機、前記水を前記高温高圧の前記冷媒で熱交換し加熱して前記温水にし、前記高温高圧の前記冷媒を低温の前記冷媒にするための水熱交換器、前記低温の前記冷媒を減圧してさらに低温にして減圧低温の前記冷媒にするための膨張弁、及び、前記減圧低温の前記冷媒を前記高温の前記冷媒にするための前記ヒートポンプ用熱交換器とからなる冷媒循環路とからなることを特徴とする。
[Heat pump hot water supply system]
The heat pump hot water supply system of the present invention is a heat pump hot water supply system using the heat exchanger for heat pump described above. In the heat pump hot water supply system of the present invention, the thermal device is configured to store the hot water in the hot water storage tank, and heat the water flowing out of the hot water storage tank by exchanging heat with the high-temperature and high-pressure refrigerant to form the hot water. A hot water supply circuit connected to the hot water storage tank, and a water heat exchanger connected to the hot water supply circuit for exchanging the heat between the refrigerant and the water. And a compressor for compressing the high-temperature refrigerant into the high-temperature / high-pressure refrigerant, heat-exchanging the water with the high-temperature / high-pressure refrigerant to heat the hot water, and A water heat exchanger for converting the low-temperature refrigerant into the low-temperature refrigerant, an expansion valve for depressurizing the low-temperature refrigerant to be further low-temperature to be the low-pressure low-temperature refrigerant, and Use high-temperature refrigerant Characterized by comprising the refrigerant circulation path consisting of the heat pump heat exchanger fit.
本発明によると、次の効果が奏される。本発明のヒートポンプ用熱交換器を用いれば、外気温の低下等により、成績係数が落ちたとき、永久磁石式の加熱手段で、冷媒を加熱又は、空気熱交換器の周囲の空気等の流体を加熱して、ヒートポンプ式の熱機器は安定した運転ができるようになった。 According to the present invention, the following effects can be obtained. When the heat exchanger for a heat pump of the present invention is used, when the coefficient of performance falls due to a decrease in outside air temperature or the like, the refrigerant is heated by a permanent magnet type heating means or the fluid such as air around the air heat exchanger The heat pump type thermal equipment can be operated stably.
本発明のヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムによれば、外気温の低下等により、成績係数が落ちたとき、永久磁石式の加熱手段で、冷媒を加熱又は、熱交換器の周囲の空気等の流体を加熱して、ヒートポンプ式の熱機器の能力低下を防ぎ、最適運転ができるようになった。 According to the heat exchanger for heat pump of the present invention and its heat pump hot water supply system, when the coefficient of performance falls due to a decrease in outside air temperature or the like, the refrigerant is heated by the permanent magnet type heating means or around the heat exchanger. By heating the fluid such as air, it is possible to prevent the performance of heat pump type heat equipment from being reduced and to perform optimum operation.
本発明のヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムによれば、永久磁石式の加熱手段で、空気熱交換器の霜を除去することができ、ヒートポンプ式給湯システムの能力を低下させることなく、安定した運転を行うことができるようになった。 According to the heat exchanger for heat pump and the heat pump hot water supply system of the present invention, the frost of the air heat exchanger can be removed by the permanent magnet type heating means without reducing the capacity of the heat pump hot water supply system. It became possible to perform stable operation.
本発明のヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムによれば、供給電力に制限がある家庭等の電源コンセントからの電力エネルギーを利用して、加熱(暖房・給湯)の場合、発熱現象そのものを利用する従来の方法に比して、それ以上の熱量を供給できるようになった。例えば、一般家庭の電源コンセントの電力が経験上足りなかった介護用の風呂は、本発明のヒートポンプ式給湯器を採用することで、必要なエネルギーが得られ、介護用の風呂用の湯を供給できるようになった。 According to the heat exchanger for heat pump and the heat pump hot water supply system of the present invention, in the case of heating (heating / hot water supply) using power energy from a power outlet in a home where the supply power is limited, the heat generation phenomenon itself Compared with the conventional method using the heat, more heat can be supplied. For example, a nursing bath where the power from a power outlet in a general household has not been experienced can be obtained by using the heat pump water heater of the present invention to supply the necessary bath water for nursing. I can do it now.
本発明のヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムは、室外機(凝縮器、又は蒸発器の部分)が極端に小さく小型化、軽量化が出来る。更に、例えば、外気温が−20℃以下になってもCOPは最悪1でも前後に保つことが出来る。更に、例えば外気温が10℃以上の場合、最高COPで運転が可能である。そして、従来のヒートポンプ式給湯器又は熱機器に必要であったデフロスト(霜取り)機能がいらなくなり、ヒートポンプ式給湯システム又は熱機器の低コスト化、小型化に貢献できる。 In the heat exchanger for heat pump and the heat pump hot water supply system of the present invention, the outdoor unit (condenser or evaporator part) is extremely small and can be reduced in size and weight. Further, for example, even when the outside air temperature becomes −20 ° C. or lower, the COP can be kept around even in the worst case. Further, for example, when the outside air temperature is 10 ° C. or higher, the operation can be performed at the maximum COP. And the defrost (defrosting) function required for the conventional heat pump type hot water heater or thermal equipment is not required, and it can contribute to cost reduction and miniaturization of the heat pump type hot water supply system or thermal equipment.
本発明のヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムは、従来のヒートポンプ式給湯器において、不可能で合った成績係数の制御ができるようになり、かつ、その制御が簡単になった。従来、成績係数が下がったときに必要であった、予備のヒータや加熱源が必要無くなった。 The heat exchanger for heat pump of the present invention and its heat pump type hot water supply system can control the coefficient of performance which is impossible and suitable for the conventional heat pump type hot water heater, and the control becomes simple. Conventionally, there was no need for a spare heater or heating source, which was necessary when the coefficient of performance decreased.
〔第1の実施の形態〕
本発明の第1の実施の形態のヒートポンプ式給湯器1を、図面を参照しながら説明する。図1は、ヒートポンプ式給湯器1の簡略を示す概念図である。ヒートポンプ式給湯器1は、水道水等の常温の水を加熱して温水にして給湯するシステムである。この温水は、例えば、家庭の台所、風呂等の生活のために利用する。図1に示したように、ヒートポンプ式給湯器1は、常温の水を冷媒サイクル3の冷媒で加熱し、温水にし、この温水を給湯するための給湯サイクル2と、冷媒を加熱して、この加熱した冷媒で給湯サイクル2の常温の水を加熱して温水にする冷媒サイクル3からなる。冷媒サイクル3は、この常温の水及び空気と、冷媒との間で熱交換を行うための一種の冷凍サイクルである。
[First Embodiment]
A heat pump type water heater 1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram showing the simplification of the heat pump type hot water heater 1. The heat pump type hot water heater 1 is a system for heating hot water at room temperature such as tap water to make hot water. This hot water is used for life such as a home kitchen and bath. As shown in FIG. 1, the heat pump type hot water heater 1 heats normal temperature water with the refrigerant of the
〔給湯サイクル2〕
給湯サイクル2は、温水を蓄える貯湯タンク4を備える。また、貯湯タンク4は、加温前の常温の水も貯蔵する。この貯湯タンク4から外部へは、温水が供給される。貯湯タンク4の上壁に給湯口4dが配置され、その底壁に給水口4aがそれぞ配置されている。給水口4aからは、それに接続された冷水管5aを介して、貯湯タンク4に水道水等の常温の水が供給される。給湯口4dからは、それに接続された出湯管5bへ所望の温度に加熱された温水が出湯される。
[Hot water cycle 2]
The hot
また、給湯サイクル2は、低温水路2a、水循環用ポンプ12、低温水路2b、水熱交換器9、及び、温水路2cを備える。低温水路2aと低温水路2bは、貯湯タンク4から取り出された水を、水熱交換器9に供給するための水路である。低温水路2aは、貯湯タンク4の底壁に設けられた取水口4bに連結され、貯湯タンク4から常温の水、又は低温水を流す管路である。水循環用ポンプ12は、給湯サイクル2の水と温水の流れを強制的に循環させるための流体ポンプである。
The hot
具体的には、水循環用ポンプ12は、貯湯タンク4から水を汲み上げて、水熱交換器9へ供給する。温水路2cは、水熱交換器9から排出される温水を貯湯タンク4に供給するための管路である。温水路2cの終端は、貯湯タンク4の上部に開設された湯入口4cに連結されている。水循環用ポンプ12を駆動すれば、取水口4bから水を低温水路2a、低温水路2bに流し、水熱交換器9に供給する。従って、水熱交換器9から排出された温水は、温水路2cを経て、貯湯タンク4の上部に流入する。
Specifically, the
水熱交換器9は、冷媒サイクル3で加熱された冷媒と熱交換を行って、常温の水、又は低温水を加熱するための機器である。水熱交換器9は、一般的には室外に設置されている。水熱交換器9は、冷媒サイクル3から言えば、凝縮器であり、圧縮機13で圧縮された冷媒である加圧された高温の気体を冷却し、液体とするためのものである。本実施の形態の水熱交換器9には、公知の任意の原理の凝縮器を用いることができ。熱交換器は、一般的には温度の高い流体から低い流体へ効率的に熱を移動させる機器であり、本例にはこの任意の構造、原理の熱交換器が利用できる。本発明は、凝縮器、又は水熱交換器9そのものを要旨とする発明ではないので、水熱交換器9について詳しい説明は省略する。
The
〔冷媒サイクル3〕
冷媒サイクル3は、圧縮機13、水熱交換器9、膨張弁14、空気熱交換器15の各機器からなる。そして、各機器は、順にパイフ等の冷媒路3a〜3dで接続され、その中を冷媒が流れている。冷媒サイクル3は、いわゆるカルノー冷凍サイクルを構成する機器であり、言い換えるとヒートポンプ式の動作原理のものである。圧縮機13の吐出管は、冷媒路3dを介して、水熱交換器9に接続されている。
[Refrigerant cycle 3]
The
空気熱交換器15は、冷媒サイクル3から言えば、冷媒である液体を周囲の空気で加熱し気体とするため蒸発器である。圧縮機13は、冷媒サイクル3を循環する冷媒を圧縮して、高温、高圧にするものである。圧縮機13は、蒸発器(空気熱交換器15)でガスとなった冷たい冷媒である気体を吸引して圧縮し、高温、高圧のガスとするものである。圧縮機13は、冷媒サイクル3を循環する冷媒を高温、高圧にする働きをするものであれば、公知の任意の動作原理、任意の形状の圧縮機を利用できる。
In terms of the
例えば、圧縮機13としては、ロータリー式コンプレッサー等を利用する。本実施の形態でいう水熱交換器9は、冷媒サイクル3でいうと凝縮器であり、圧縮機13から吐出された高温、高圧の冷媒ガスを水で冷やして凝縮させ、液体とするものである。給湯サイクル2から言えば、水熱交換器9は、水を加熱するための熱交換器となる。液体となった冷媒は、受液器(図示せず)に一時貯められる。膨張弁14は、高温、高圧の液体を膨張させて低温、低圧の冷媒とするものである。
For example, a rotary compressor or the like is used as the
膨張弁14は、冷媒サイクル3を循環する冷媒を低温低圧にする働きを有するものであれば、公知の任意の動作原理、任意の形状の膨張弁が利用できる。例えば、膨張弁14としては、電動膨張弁、エジェクタ等の噴出装置、又はキャピラリーチューブである。空気熱交換器15は、冷媒サイクル3でいうと、膨張弁14の出口で低温、低圧の冷媒が空気から熱を奪って蒸発し、冷凍作用をする蒸発器である。従って、この蒸発器は、周囲の空気から熱を奪うという意味では熱交換器でもある。
As the
従って、本実施の形態では、空気熱交換器15と称する。水熱交換器9の出口は、冷媒路3aを介して、膨張弁14に接続されている。膨張弁14の出口は、冷媒路3bを介して、空気熱交換器15の入口に接続されている。空気熱交換器15の出口は、冷媒路3cを介して、圧縮機13の入口にそれぞれ接続されている。冷媒は、圧縮機13、水熱交換器9、膨張弁14、空気熱交換器15、そして、圧縮機13の順位に流れて循環する。冷媒としては、超臨界で使用する超臨界冷媒を用いる。
Accordingly, in the present embodiment, it is referred to as an
例えば、冷媒として、炭酸ガスCO2、代替フロン(HFC:ハイドロフルオロカーボン類)、アンモニア等が利用できる。冷媒サイクル3は、空気熱交換器15の能力を調整するファン16を有している。ファン16は、モータ17等の駆動手段によって回転駆動され、周囲の空気を空気熱交換器15に送風するものである。なお、水熱交換器9から排出された冷媒を更に冷やして凝縮させるために、冷媒サイクル3は、2つ目の熱交換器10を備えることもできる。この熱交換器10は、冷水管5aで冷媒路3aを冷やす構造にしている。
For example, carbon dioxide CO 2 , alternative chlorofluorocarbon (HFC: hydrofluorocarbons), ammonia, etc. can be used as the refrigerant. The
図1に想像線で図示したように、冷水管5aは、貯湯タンク4と接続される前に、冷媒路3aを巻いた構造になっており、熱交換を行っている。即ち、貯湯タンク4に供給される前の冷水管5a内の水を、水熱交換器9で熱交換されなかった冷媒の余剰の熱で加熱するものである。この結果、冷媒サイクル3の効率が高くなる。本例のヒートポンプ式の給湯器1は、このように2段の熱交換器を備えて、冷媒を冷やす構造である。熱交換器10を配置したことにより、冷水管5aを流れる水が水熱交換器9を出た冷媒により、予め予備加熱されるために、ヒートポンプ式の給湯器1の熱効率が向上する。
As illustrated in phantom lines in FIG. 1, the
〔その他〕
前述の通り、水熱交換器9は、給湯サイクル2と冷媒サイクル3の両方に含まれるように記述した。その理由は、給湯サイクル2の水と、冷媒サイクル3の冷媒が、水熱交換器9の中で熱交換される。冷媒と水は、互いに流体的に混じらないで、独立した流体路を流れながら熱交換をする。このとき、冷媒は、熱を奪われ、低温化する。このとき、冷媒は、場合によっては液化する。
[Others]
As described above, the
水は、加熱している冷媒から熱を吸収し、温水になる。図1に図示しないが、ヒートポンプ式給湯器1は、装置の全体を制御するための制御ユニット7を備えている。図4は、制御ユニット7と他の装置との接続を示すブロック図である。図1及び図4に示すように、ヒートポンプ式給湯器1は、水の温度を検出するための温度検出手段18、貯湯タンク4へ供給される温水の温度を検出するための温度検出手段19を備えている。
Water absorbs heat from the heating refrigerant and becomes warm water. Although not shown in FIG. 1, the heat pump type water heater 1 includes a
また、ヒートポンプ式給湯器1は、外気の温度を検出するための温度検出手段20、貯湯タンク4から排出される温水の温度を検出するための温度検出手段21を備えている。これらの温度検出手段18、19、20、及び21は、それぞれの温度を検出できるものであれば公知の任意の温度計、温度検出装置が利用できる。制御ユニット7は、温度検出手段18〜21で検出した温度データを用いて、お湯の温度が予め設定した温度範囲になるように、冷媒サイクル3が最適動作をするように、ファン16、圧縮機13、膨張弁14、水循環用ポンプ12等をカスケード制御するものである。
The heat pump type hot water heater 1 includes a temperature detection means 20 for detecting the temperature of the outside air, and a temperature detection means 21 for detecting the temperature of the hot water discharged from the hot
また、制御ユニット7は、後述するモータ32(図2と図3を参照。)も制御する。これらの制御の詳細については、後述する。
〔空気熱交換器15〕
空気熱交換器15は、通常は低温、低圧の冷媒が周囲の空気から熱を奪って蒸発し、冷凍作用をする蒸発器であるが、本実施の形態のものは運転条件によって冷媒を加熱するためのものである。
The
[Air heat exchanger 15]
The
空気熱交換器15の加熱は、膨張弁14から排出される低温、低圧の冷媒を、ヒートポンプ式給湯器1の運転条件によっては外部から加熱する機能を備えたものである。本実施の形態においては、空気熱交換器15は、通常運転のときは大気である空気と接触して、冷媒の冷熱と空気の熱との間で熱交換を行う。大気の温度が低くて加熱の必要があるときは、空気熱交換器15は、回転する永久磁石によって、冷媒を加熱することもができる。つまり、回転する永久磁石によって導電体に渦電流を発生させて、その導電体に接触する冷媒を熱交換により加熱するものである。
Heating of the
図2は、本実施の形態の空気熱交換器15の概略を示している図である。空気熱交換器15は、筐体等の本体に固定されているモータ32、この回転する出力軸と連結されている回転軸33、この回転軸33に設けられているロータ31、ロータ31の外周に固定配置されているステータ30等からなる。ロータ31の外観は、図2及び図3に図示したように、細長い円筒状の形状している。モータ32の出力軸は、これと連結された回転軸33を回転駆動する。回転軸33は、本実施の形態では、細長い棒状の形状をしている。ただし、回転軸33は、モータ32の回転運動をロータ31の回転運動に伝達又は変換するものであれば、棒状でなくても断面形状が矩形等の任意の形状であっても良い。
FIG. 2 is a diagram showing an outline of the
モータ32は、ロータ31に直接連結されている。図3は、図2の空気熱交換器15の断面図であり、図3(a)は、図2の空気熱交換器15の軸線方向に沿って切断した断面図で、図3(b)は、図3(a)のA−Aの断面図である。図3に示したように、ロータ31は、回転する回転軸33と、回転軸33の外周の位置に固定された複数の永久磁石31bとからなる。永久磁石31bは、回転してその周囲に交番磁界を形成するためのものである。
The
ステータ30は、冷媒がその中を流れるように、冷媒の流路を有しており、その流れている冷媒を周囲の空気の熱との間で熱交換により加熱するためのものである。また、ステータ30の中心は、ロータ31を回転自在に支持し、挿入するための円筒状の空洞を有している。ステータ30の空洞の内周面には、冷媒が流れるための冷媒管30bが配置されている。冷媒管30bは、ロータ31を外周から取り囲むように螺旋状に巻いてある。この冷媒管30bの外周には、これに接触して、放冷のためのフィン30aが配置されている。更に、冷媒管30bの内周面には、導電材料からなる円筒30cが配置されている。言い換えると、円筒30cの外周には、冷媒管30bが接触して巻かれて固定されている。円筒30cは、導電材料からなる内部が空洞の円筒であり、永久磁石31bから発生する交番磁界によって加熱される。これらの円筒30c、冷媒管30b及びフィン30aは、一体のものである。
The
また、円筒30cの両端には、これと一体にロータ30の回転軸33を両端で回転自在に支持するための軸受が配置されている。ロータ31は、円筒30cの中心の空洞に挿入されており、この両端が軸受で回転自在に支持されている。本実施の形態においては、冷媒管30bは、所定の半径の太さの細長いチューブ状のものである。冷媒管30bは、例えば、銅合金パイプからなる。ロータ31が回転すると、永久磁石31bから発生する磁束がこの回転によって、円筒30cの導電材料に渦電流を発生させる。
Also, bearings for rotatably supporting the
この渦電流で発生するジュール熱で、円筒30cが加熱される。円筒30cの熱が熱伝達で、冷媒管30bを加熱し、最終的に、冷媒管30bの内部の冷媒が加熱される。冷媒は、冷媒管30bの一端に接続された冷媒路3bから冷媒管30bに供給される。冷媒管30bを流れながらフィン30aを介して周囲の空気の熱により、又はロータ31の回転により発生した熱により、円筒30cで加熱された冷媒は、冷媒管30bの多端に接続された冷媒路3cへ冷媒管30bから排出される。
The cylinder 30c is heated by Joule heat generated by the eddy current. The heat of the cylinder 30c is heat transfer to heat the
冷媒は、基本的に、冷媒路3bから連続的に供給され、冷媒管30bを流れ、冷媒路3cへ連続的に排出される。冷媒管30bを流れる冷媒は、フィン30aと熱交換して加熱される。フィン30aは、外気と熱交換できるように設置される。図1に示すように、ファン16で外気をフィン30aに送り込む。外気温が高いとき、冷媒は、フィン30aを介して、外気から熱エネルギーをもらう。外気温が低くなると、冷媒は外気と熱交換だけで十分に加熱されなくなる。
The refrigerant is basically supplied continuously from the
冷媒を十分に加熱するために、回転する永久磁石31bによる渦電流、つまり、ジュール熱で冷媒を加熱する。フィン30aは、図中、外周が円筒になる形状をしているが、冷媒と外気の熱交換が提供できるものであれば、フィン30aとして、公知の任意の形状、材料、構造のものが利用できる。例えば、冷媒管30bは、多数のフィン30aを有する熱交換板に熱伝達可能に接触した構造にすることもできる。ヒートポンプ式給湯器1は、外気温が高いときは、外気との熱交換のみで効率よく稼働される。このときのヒートポンプ式給湯器1のCOPは、当然ながら高い値を示す。
In order to sufficiently heat the refrigerant, the refrigerant is heated by an eddy current generated by the rotating
しかし、外気温が下がってくると、ヒートポンプ式給湯器1のCOPが徐々に下がる。外気温が低くなると、ヒートポンプ式給湯器1は、外気との熱交換のみで効率よく稼働されなくなる。この外気温の低下によって、ヒートポンプ式給湯器1が外気との熱交換のみで正常に動作しなくなるとき、永久磁石による加熱で、冷媒を加熱することで、ヒートポンプ式給湯器1を効率よく、正常に稼働させる。この外気温の低下とは、ヒートポンプ式給湯器のCOPの著しい低下を招く外気温を言う。 However, when the outside air temperature decreases, the COP of the heat pump type water heater 1 gradually decreases. When the outside air temperature becomes low, the heat pump water heater 1 cannot be operated efficiently only by heat exchange with the outside air. When the heat pump water heater 1 does not operate normally only by heat exchange with the outside air due to a decrease in the outside air temperature, the heat pump water heater 1 can be efficiently and normally heated by heating the refrigerant by heating with a permanent magnet. To run. This decrease in outside air temperature refers to an outside air temperature that causes a significant decrease in COP of the heat pump water heater.
本例の外気温の低下とは、例えば、7℃以下の温度、特に、零下の温度を言う。ヒートポンプ式給湯器1は、永久磁石31b等からなる加熱器を採用した空気熱交換器15を備えているとも言える。言い換えると、本実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、渦電流式の加熱器を採用した空気熱交換器15からなる。永久磁石31bは、図3(b)に図示したように、断面形状が矩形の磁石である。この永久磁石31bは、断面形状が円の回転軸33の外周に等角度間隔に固定配置されている。隣接する永久磁石31bは、異なる磁極を、回転軸33の半径方向へ向くように配置している。
The decrease in the outside air temperature in this example refers to, for example, a temperature of 7 ° C. or less, particularly a temperature below zero. It can be said that the heat pump hot water heater 1 includes the
図3の例では、永久磁石31bは、細長い形状をし、その長手方向の軸線が回転軸33の中心線と平行になるように配置されている。永久磁石31bとしては、例えば、ネオジウム磁石等の公知の材質の磁石である。永久磁石31bと永久磁石31bの間に、継鉄薄板からなる磁性体スペーサ、非磁性体のスペーサ等(図示せず。)を配置すると、永久磁石31bの固定、又は磁力線の形成に効果的である。また、永久磁石31bと永久磁石31bの間の空間には、クサビ状のスペーサ(図示せず。)を入れると、永久磁石31bをしっかり固定できるという効果ある。
In the example of FIG. 3, the
永久磁石31bの形状、材料、配置は、本実施の形態に限定されるものではない。永久磁石31bは、回転し、導電体に渦電流を発生させて最終的に、冷媒を加熱できるものであれば、任意の形状、材質の磁石が利用できる。図3で示した一つの永久磁石31bは、複数の磁石要素から構成することもできる。本実施の形態においては、円筒30cと冷媒管30bは、別々の部材にしている。
The shape, material, and arrangement of the
しかし、これらのどちらか一方が、他方の機能を兼ねることができる。例えば、冷媒管30bは、導電体からなり、回転する永久磁石31bによって加熱され、従って、その中を流れる冷媒が加熱されることができる。または、円筒30cは、その中を冷媒が流れる任意の空洞を有する構造にすることもできる。このような構造にすると、冷媒管30bは必要なく、円筒30cは冷媒路3bと冷媒路3cに直接接続される。そして、空洞を有する円筒30cが加熱され、それによってその中を流れる冷媒が加熱される。
However, either one of these can also function as the other. For example, the
〔空気熱交換器15の断熱構造〕
空気熱交換器15は、特に、外気温が低温のとき、永久磁石を回転させて加熱運転を行うものである。このとき、冷媒管30bが外気と直接又は、フィン30aを介して、接触した場合は、加熱された冷媒管30bが外気で冷やされ、加熱の効率が悪くなる。これを防ぐために、空気熱交換器15は、区画された空間で外気と断熱された断熱構造にしたものが好ましい。例えば、断熱材で囲んだ筐体(図示せず。)に、空気熱交換器15の全体を格納したものである。
[Thermal insulation structure of the air heat exchanger 15]
The
この筐体には、外気を吸い込むための外気入口、及び、熱交換が終了した外気を排出するための外気排出口を設ける。ファン16は稼動して、外気を外気入口から筐体内に吸い込み、フィン30aに送り込む。これにより、熱交換が行われて冷やされた外気は、外気排出口から排出される。外気温が低くなると、ファン16を止め、外気入口と外気排出口を閉めれば、冷媒管30bと外気との間に熱交換がなくなる。よって、永久磁石31bによる加熱の熱エネルギーは、外気に奪われることが無くなり、冷媒の加熱のみに利用される。
The casing is provided with an outside air inlet for sucking in outside air and an outside air outlet for discharging outside air after heat exchange is completed. The
〔制御ユニット7の動作〕
図4に図示したように、ヒートポンプ式給湯器1は、装置全体の動作を制御するための制御ユニット7を有する。ヒートポンプ式給湯器1の基本的な機能は、貯湯タンク4から所定の温度の温水を出湯することにある。給湯サイクル2、冷媒サイクル3の詳細な制御については、本発明の要旨ではないので動作の概略のみを記述する。制御ユニット7は、ヒートポンプ式給湯器1が最高のCOPで動作するように、ヒートポンプ式給湯器1の各装置を制御する。
[Operation of control unit 7]
As shown in FIG. 4, the heat pump type water heater 1 has a
ヒートポンプ式給湯器1は、貯湯タンク4の近傍に温度検出手段18、19、及び21を備え、貯湯タンク4内の温度、正確には、そこから出湯される温水の温度を、一定に保つように制御する。例えば、温度検出手段21で検出した温水の温度が、設定された温度より低い場合は、貯湯タンク4へ温水の供給を増加させるか、又は温度を高くする。この場合、水熱交換器9での熱量の交換量を大きくすることになる。そのためには、水熱交換器9に供給される冷媒の温度が高くするか、冷媒の循環速度を早くする。
The heat pump type water heater 1 is provided with
貯湯タンク4内の温水が設定された温度に加熱された後で、貯湯タンク4内で温水が貯蔵されて長時間経過すると貯湯タンクから外部へ熱放出され、貯湯タンク4内で温水の温度が下がる。このとき、温度検出手段21で検出した温水の温度が、設定された温度より低くなり、上述のように貯湯タンク4へ温水の供給を増加させるか、又は温度を高くして、貯湯タンク4から供給される温水を設定温度にする。または、図示ないが、貯湯タンク4内の流体の温度を検知するための、タンク用温度検出手段を設けることができる。
After the hot water in the hot
このタンク用温度検出手段で検知した温度に基づいて、貯湯タンク4へ温水の供給を増加させるか、又は温度を高くして、貯湯タンク4から供給される温水を設定温度にする。また、貯湯タンク4内の温水の温度は、外気温と、貯蔵された時間で、どのぐらい温度が下がるかは、簡単な実験で確認できるので、制御ユニット7によって、適当な時間間隔で、温水を加熱して貯湯タンク4内の温水の温度を設定温度に保つことができる。温度検出手段21で検出した温水の温度が、設定された温度より高い場合は、貯湯タンク4へ温水の供給を減少させる。
Based on the temperature detected by the tank temperature detecting means, the supply of hot water to the hot
この場合、水熱交換器9での熱交換量を少なくすることなる。そのためには、水熱交換器9に供給される冷媒の温度が低くするか冷媒の循環を遅くする。温水の温度を下げるには、貯湯タンク4への水の供給を多くすることもできる。貯湯タンク4へ供給される水は、基本的に、貯湯タンク4から出湯される温水の量のみである。しかし、一時的に、貯湯タンク4へ水を大目に供給し、貯湯タンク4の中の温度を下げることもできる。
In this case, the amount of heat exchange in the
冷媒管30bから排出される冷媒は、所定温度に、又は、所定温度以上に加熱されるように、制御される。モータ32の回転数によって、渦電流、従って、冷媒に熱交換される熱量の制御ができる。モータ32の回転速度を早くすれば、この熱量は増える。モータ32の回転速度を遅くすれば、発生するこの熱量は減る。空気熱交換器15から排出される冷媒の温度は、その出口に冷媒の温度検出手段を設けて測定することができるが、モータ32の回転速度のみで制御することができる。
The refrigerant discharged from the
というのは、冷媒の種類、冷媒管30bと円筒30cの材質、そして、永久磁石31bの種類が分かると、モータ32の回転数のみで、円筒30cに発生する渦電流、ジュール熱が計算できる。無論、空気熱交換器15の組み立て後に、簡単な実験をして、モータ32の回転速度と、それに伴う冷媒の加熱に関する数値を得ることができる。これらの値を、制御ユニット7による制御に生かせる。
This is because if the type of refrigerant, the material of the
また、温度検出手段20で検出された外気の温度を用いて、冷媒の加熱がフィン30aによる外気との熱交換で済むのか、それとも、永久磁石31bによる追加加熱、永久磁石31bのみによる加熱が必要なのかの判断もできる。空気熱交換器15の組み立て後に、簡単な実験をして、外気の温度、それに伴う冷媒の加熱に関する数値を得ることができる。これらの値を、制御ユニット7による制御に生かせる。温度制御手段20は、外気に設置された空気熱交換器15の付近、正確には、フィン30a若しくはファン16の近傍、又は、それらに密着固定させて設置されることが好ましい。
Further, whether the heat of the refrigerant can be exchanged with the outside air by the
ヒートポンプ式給湯器1の制御ユニット7は、全体の制御を行う中央処理装置、動作中のデータや制御プログラムを格納するための主メモリ、補助メモリ、これらをつないでデータ伝送を実現するバス等からなるマイクロコンピュータである。無論、同様な機能を実現すれば、汎用の電子計算機でも、アナログ回路でも、ディジタル回路でも実現できる。補助メモリは、温度データ等のデータ、制御プログラム等を格納するメモリデバイスである。制御ユニット7は、図示しないが、電子時計又はタイマを内蔵し、そのデータをヒートポンプ式給湯器1の稼働時間、その各デバイスの制御時間に利用することができる。
The
外気温が下がり空気熱交換器15に霜が発生し始める気温になったとき、永久磁石31bを回転させて動作し、冷媒の加熱を行う。このため、空気熱交換器15が加熱して霜が発生しないし、むしろ、この霜を気にする必要がなくなる。よって、本実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、従来のヒートポンプ式給湯器のように、デフロストのための運転をする必要が無くなる。また、従来のように、デフロスト運転のためにヒートポンプ式給湯器の冷媒の加熱運転を停止することもなくなる。
When the outside air temperature falls and the
この分、ヒートポンプ式給湯器1は、効率よく運転することができ、かつ、外気温が零下に極端に下がった気温でも正常に運転することができる。空気熱交換器15に霜が発生し始める気温だけではなく、ヒートポンプ式給湯器1のCOPが下がりはじめたら、永久磁石31bを回転させて動作させ、冷媒を加熱し、ヒートポンプ式給湯器1のCOPを改善することができる。
Accordingly, the heat pump type hot water heater 1 can be operated efficiently, and can be operated normally even at a temperature at which the outside air temperature is extremely lowered below zero. When the COP of the heat pump water heater 1 starts to decrease, not only the temperature at which frost starts to be generated in the
上述のような構成にすると、ヒートポンプ式給湯器1は、外気温が低下しても高いCOPで動作可能になる。渦電流式の加熱器を利用して空気や冷媒を加熱しているので、電力削減につながり、従って、二酸化炭素ガスの削減等の地球温室効果ガスの削減にも貢献する。本例の空気熱交換器15は、冷媒管30bを加熱器である円筒30cに直接巻いた構成になっている。また、空気熱交換器15は、空気と冷媒の熱交換用のフィン30aも備えている。
When configured as described above, the heat pump hot water heater 1 can operate at a high COP even when the outside air temperature decreases. Since air and refrigerant are heated using an eddy current heater, it leads to power reduction, and thus contributes to the reduction of global greenhouse gases such as carbon dioxide gas. The
従来の空気熱交換器は、縦奥行きがそれぞれ数十センチ、長さがメータオーダーのフィンを利用し、そのフィンの中を冷媒管が数回通る構成になっていた。これは、空気との熱交換をできるだけ多くするために表面積を増加させるための構造である。これに比べ、本第1の実施の形態の空気熱交換器15は、従来の半分以下、3分の1以下の大きさの装置になり、小型化ができる。本第1の実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、介護用給湯器、一般家庭用の風呂、給湯器に利用できる。
A conventional air heat exchanger uses fins each having a vertical depth of several tens of centimeters and a length of meter order, and the refrigerant pipe passes through the fins several times. This is a structure for increasing the surface area in order to maximize heat exchange with air. Compared to this, the
更に、第1の実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、永久磁石31bの回転速度を変更するだけで冷媒の温度が制御できるので、温度追従性に優れている。永久磁石31bの回転速度の制御は、モータ32の駆動回転速度の制御により行う。第1の実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は全体として小型にできるので、ヒートポンプ式給湯器1を設置するための設置場所が狭くても可能になり、かつ、その設置場所でヒートポンプ式給湯器1を設置するための工事も容易である。更に、電気エネルギーの節約になり、省エネにも貢献する。
Furthermore, since the heat pump type water heater 1 of the first embodiment can control the temperature of the refrigerant only by changing the rotational speed of the
第1実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、流体を効率よく加熱することができ、高効率、及び低コストのシステムを実現することができる。ヒートポンプ式給湯器1の冷媒は、空気との熱交換、若しくは回転する永久磁石による誘導加熱、又は、両方で加熱されるので、ヒートポンプ式給湯器1を効率的に運転ができる。このため、本実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、家庭や小型事業所等に用いる水の給湯システム、介護給湯システム等の分野に利用するとよい。これにより、二酸化炭素ガス等の温室効果ガスの削減をはじめ、エネルギーの有効利用を計るとともに環境保全に貢献できる。 The heat pump type water heater 1 of the first embodiment can efficiently heat a fluid, and can realize a highly efficient and low cost system. Since the refrigerant of the heat pump type hot water heater 1 is heated by heat exchange with air, induction heating by a rotating permanent magnet, or both, the heat pump type hot water heater 1 can be operated efficiently. For this reason, the heat pump type water heater 1 of the present embodiment is preferably used in the fields of a water hot water supply system, a nursing hot water supply system, and the like used in homes and small businesses. As a result, it is possible to contribute to environmental conservation as well as effective use of energy, including reduction of greenhouse gases such as carbon dioxide gas.
例えば、第1の実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、気温が低下した場合でも、2000W最大電力を供給する仕様になっている一般家庭のコンセントで、約4000W以上のエネルギーが必要となる風呂用の温水が供給できる。第1実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、従来の装置と比べ、小型化、軽量化が出来る。特に、ヒートポンプ式給湯器1の空気熱交換器が小型になった、更に、本実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、外気温が−20℃以下になっても、デフロスト運転が不要で、ヒートポンプ式給湯器1の安定運転が可になった。 For example, the heat pump type water heater 1 of the first embodiment is a general household outlet that is designed to supply a maximum power of 2000 W even when the temperature drops, and a bath that requires energy of about 4000 W or more. Hot water can be supplied. The heat pump type water heater 1 according to the first embodiment can be reduced in size and weight as compared with a conventional apparatus. In particular, the air heat exchanger of the heat pump type hot water heater 1 has become smaller, and the heat pump type hot water heater 1 of the present embodiment does not require defrosting operation even when the outside air temperature is -20 ° C or lower. The stable operation of the heat pump type water heater 1 is now possible.
外気温が10℃以上の場合、4以上の最高COPで運転するように調整が可能である。第1実施の形態のヒートポンプ式給湯器1は、外気温が下がると、永久磁石式の加熱器が稼働するので、霜が空気熱交換器15に付くことはない。よって、従来必要であった、デフロスト(霜取り)機能、霜取り運転が必要なくなる。また、永久磁石式の加熱器を利用しているので、従来、給湯サイクル2に必要であった予備のヒータや加熱源が必要なくなる。そして、永久磁石式の加熱器の運転を制御することで、ヒートポンプ式給湯器1のCOPを制御することができる。従来のヒートポンプ式給湯器は、COPの制御はできなかった。
When the outside air temperature is 10 ° C. or higher, it can be adjusted to operate at a maximum COP of 4 or higher. In the heat pump type water heater 1 of the first embodiment, when the outside air temperature decreases, the permanent magnet type heater operates, so that frost does not adhere to the
このCOPの制御は、ヒートポンプ式給湯器1においては、とても簡単にできる。基本的に、永久磁石式の回転速度を速く、又は遅くすることで制御し、結果的に、ヒートポンプ式給湯器1のCOPの制御ができる。ヒートポンプ式給湯器1が空気熱交換のみで、動作しているとき、外気温が下がると、ヒートポンプ式給湯器1のCOPも当然ながら下がり始める。このとき、永久磁石式の加熱器を稼働させ、空気又は、冷媒を加熱すると、ヒートポンプ式給湯器1のCOPも改善される。 The control of the COP can be very easily performed in the heat pump type water heater 1. Basically, it is controlled by increasing or decreasing the rotation speed of the permanent magnet type, and as a result, the COP of the heat pump type water heater 1 can be controlled. When the heat pump type hot water heater 1 is operating only by air heat exchange and the outside air temperature decreases, the COP of the heat pump type hot water heater 1 naturally starts to decrease. At this time, if the permanent magnet heater is operated to heat the air or the refrigerant, the COP of the heat pump water heater 1 is also improved.
以上の通り、本発明は、上述の第1の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。例えば、ヒートポンプ式給湯器1の動作効率をもっと上げるためには、水道の水を、貯湯タンク4を介せずに、ダイレクトに水熱交換器9に供給しても良い。この場合、水は、貯湯タンク4の温水の熱を奪わず、装置の効率は上がる。本実施の形態においては、水は、貯湯タンク4を介して、水熱交換器9に供給されている。
As described above, the present invention is not limited to the above-described first embodiment, and can be implemented with various modifications within the scope of the present invention. For example, in order to further increase the operating efficiency of the heat pump hot water heater 1, tap water may be directly supplied to the
この構成にすると、貯湯タンク4内の温水の湯温が目的の温度より高い場合に、貯湯タンク4に水を供給して、温水の温度を下げ、適当な温度に調整するのに便利である。更に、前述した給湯タンク4は、内部空間が一つの空間であったが、上部空間に高い温度のお湯、下部に常温の水を貯水する、上下2段式の給湯タンク4を有したものであっても良い。即ち、通常利用する温水より高い温度の温水のみを貯湯する上部貯湯タンクを備え、水熱交換器9から温水は、まずこの上部貯湯タンクに供給される。そして、利用される湯の量に応じて、必要量の温水と必要な常温の水を下部の貯湯タンクから供給して、混合して適当な温度として利用者に供給するものである。
With this configuration, when the hot water temperature in the hot
〔第2の実施の形態〕
以下、本発明の第2の実施の形態のヒートポンプ式給湯器を、図面を参照しながら説明する。本第2の実施の形態のヒートポンプ式給湯器は、上述した第1の実施の形態のヒートポンプ式給湯器1と基本的に同じ構成であり、同じ構成部分、同じ機能の説明は省略する。本第2の実施の形態のヒートポンプ式給湯器は、第1の実施の形態の空気熱交換器15の替わりに、別の構造の空気熱交換器150を採用したものである。図5は、本第2の実施の形態のヒートポンプ式給湯器に使用される空気熱交換器150の概要を示す概念図である。
[Second Embodiment]
Hereinafter, a heat pump type water heater according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The heat pump type water heater according to the second embodiment has basically the same configuration as the heat pump type water heater 1 according to the first embodiment described above, and the description of the same components and the same functions will be omitted. The heat pump type water heater of the second embodiment employs an
〔空気熱交換器150の構造〕
空気熱交換器150は、モータ32、この出力軸と連結された回転軸33、磁極面板131、被加熱部130等からなる。回転軸33は、モータ32の回転運動を、磁極面板131に伝達するものである。磁極面板131は、概略すると円板状の形をしたものであり、その中心が回転軸33に固定されて回転駆動される。磁極面板131は、円板131aと、この円板131aの1側面に固定配置された複数の永久磁石131bからなる。円板131aは、回転軸33の軸線方向に対して直交するように、回転軸33に固定されている。磁極面板131と対向して、概略形状が円板状の被加熱部130が配置されている。
[Structure of air heat exchanger 150]
The
図6は、円板131a上への永久磁石131bの配置例を示す概念図であり、被加熱部130側から円板131aを見た状態を図示している。複数の永久磁石131bは、円板131aの被加熱部130に対向するように固定されている。図示したように、永久磁石131bは、それぞれ長さが異なるが細長い形状をした長方体状のものである。これらの永久磁石131bは、その長手方向の軸線が回転軸33の軸線と交差するように、かつ円板131aの側面上に配置されている。
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating an arrangement example of the
永久磁石131bの磁極は、被加熱部130へ向くように配置されている。永久磁石131bとしては、任意の素材の永久磁石131bを使用することができる。例えば、ネオジウム磁石が使用できる。被加熱部130は、概略円板状の形であり、冷媒を加熱するための部材であり、磁極面板131と対向して配置されている。正確には、磁極面板131と被加熱部130は、対向して平行に、かつ空間を有して配置されている。被加熱部130は、導電材料からなる円板130cと、冷媒管130bからなる。冷媒管130bは、熱伝導性を良くするために円板130cに接触して配置されている。
The magnetic poles of the
図5に示すように、冷媒管130bは筐体130dに保持固定されている。被加熱部130は、冷媒管130bと接触し固定された、フィン130aを有する。又は、冷媒管130bは、多数のフィン130aを有する熱交換板に熱伝達可能に接触した構造にすることもできる。なお、この被加熱部130は、内部の冷媒を、フィン130aとの熱交換、又は、回転する永久磁石131bによる渦電流で、加熱するものであれば、本例以外の任意の形状のものを採用できる。冷媒管130bは、冷媒路3bと冷媒路3cに接続されている。図5に示した例では、冷媒管130bは、円板130cとフィン130aに挟まれ、両方に接触した構造になっている。
As shown in FIG. 5, the
冷媒管130bは、所定の直径の太さを有する流体管である。例えば、冷媒管130bとしては、銅合金で作られたパイプを用いる。図7には、冷媒管130bの配置例を図示している。冷媒管130bは、渦巻き状に配置されている。図7に図示したように、回転軸33の軸線と被加熱部130が交差する点を中心点とするように渦巻き状に配置される。図5に図示したように、空気熱交換器150は、被加熱部130と磁極面板131との間の間隔を調整するための間隔調整手段132を有する。
The
間隔調整手段132は、被加熱部130を移動させるためのボールネジ132bと、これに継手を介して連結されたステッピングモータ132aからなる。ステッピングモータ132aを駆動して、ボールネジ132bを回転させる。ボールネジ132bが回転すると、ボールネジ132bにねじ込まれたナット132cを直線方向に駆動する。このために、ナット132cに固定された被加熱部130が移動する。図5中には、被加熱部130の移動方向を矢印で示している。間隔調整手段132は、被加熱部130を移動させて、被加熱部130の移動量、又は位置を適当に調整し、渦電流による加熱の強弱を制御する。
The
図4に示した制御ユニット7は、図5の中に図示されている、ステッピングモータ132、モータ32、及びモータ16と接続されていて、これらの駆動装置を稼働、停止、回転速度の増減等の動作を制御する。特に、制御ユニット7は、ステッピングモータ132aを稼働させ、ボールネジ132bを正転、又は逆転するように制御し、結果的に、被加熱部130と磁極面31との距離を制御する。
The
〔空気熱交換器150の動作概要〕
空気熱交換器150は、前述の第1の実施の形態の空気熱交換器15と同様に、回転する永久磁石131bによって冷媒を加熱するものである。また、空気熱交換器150は、フィン130aを介して、冷媒と空気との熱交換を行う。まず、永久磁石131bによる冷媒の加熱について説明する。モータ32の駆動により、磁極面板131の永久磁石131bが回転すると、被加熱部130を交差する磁束が変化し、被加熱部130の導電材料である円板130cに渦電流が流れる。
[Outline of operation of air heat exchanger 150]
The
この渦電流によるジュール熱によって、円板130cが加熱される。この円板130cの熱が、それに接触している、又は一体の冷媒管130bに熱伝達して、冷媒管130bの中の冷媒を加熱する。このように、冷媒は回転する永久磁石131bで加熱される。次に、冷媒と空気との熱交換について説明する。モータ16が稼働し、ファン17を回転させ、これによりその周囲の空気がフィン130aへ送風される。フィン130aは、この空気と熱交換し、空気の温度になるまで加熱される。
The
フィン130aは、冷媒管130bに接触しているので、その中の冷媒と常に熱交換をしている。この熱交換により、冷媒が加熱される。外気温が高いときは、空気熱交換器150は、外気との熱交換のみで、冷媒を加熱する。外気温が低くなり、空気熱交換器150を採用したヒートポンプ式給湯器のCOPが下がると、回転する永久磁石131bによって、冷媒を加熱する。これにより、外気と冷媒の熱交換を補完し、冷媒を十分な温度までに加熱する。外気温が7℃以下又は零下に下がると、冷媒が外気から十分な熱エネルギーがもらえなくなる。
Since the
このとき、ファン17の回転を止めた状態で、冷媒を永久磁石131bによる加熱のみで行う、又は、ファン17の回転をさせた状態で、永久磁石131bによる加熱よって、外気と冷媒の熱交換を助長することになる。永久磁石131bによって、冷媒を加熱するとき、その加熱の強弱は、永久磁石131bの回転速度、及び/又は、永久磁石131bと円板130cとの距離で制御することにより行う。これらの制御は、図4に示す制御ユニット7によって行われる。制御ユニット7には、モータ32、ファン16等の制御線が接続されていて、これらの制御が行われる。
At this time, heat is exchanged between the outside air and the refrigerant by heating the
また、図5に示した間隔調整手段132のステッピングモータ132aの制御線は、制御ユニット7に接続されており、このステッピングモータ132aの回転を制御することにより、円板131aと円板130cの間隔の大きさが制御される。このとき、図5に図示した、温度検出手段20は、外気温の検出に利用される。温度検出手段20は、フィン130a若しくはファン17の近傍に設置、又は、フィン130aに固定されている。本実施の形態において、被加熱部130の円板130cと冷媒管130bは、別々の部材から構成されている。
Further, the control line of the stepping
被加熱部130は、導電材の冷媒管130bのみからなり、回転する永久磁石131bによって冷媒管130bが加熱され、従って、その中を流れる冷媒を加熱することができる。又は、被加熱部130は、冷媒路としての所定の肉厚を有する円板130cからなり、その中を冷媒が流れるように任意の空洞を有する構造にすることもできる。このような構造にすると、冷媒管130bは必要なく、円板130cは冷媒路3bと冷媒路3cに直接接続される。そして、空洞を有する円板130cが、永久磁石によって加熱され、従って、その中を流れる冷媒が加熱される。
The
〔第3の実施の形態〕
以下、本発明の第3の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図8は、本発明の第3の実施の形態の給湯システム(以下、本給湯システムという。)を示す概念図である。本給湯システムは、水道水等の水を加熱して、温水を提供するシステムである。この温水は、例えば、一般家庭の生活水等に利用される。
[Third Embodiment]
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 8 is a conceptual diagram showing a hot water supply system according to a third embodiment of the present invention (hereinafter referred to as the present hot water supply system). The hot water supply system is a system that provides hot water by heating water such as tap water. This hot water is used, for example, as domestic household water.
〔第3の実施の形態の給湯システムの構成〕
図8に示すように、本給湯システムは、室外機202、貯湯タンク203、太陽光温水器206等からなる。室外機202及び貯湯タンク203は、前述の第1の実施の形態のヒートポンプ式給湯器1又は第2の実施の形態のヒートポンプ式給湯器に相当する。具体的には、室外機202と貯湯タンク203は、連携してヒートポンプ式給湯器201として動作する。
[Configuration of Hot Water Supply System of Third Embodiment]
As shown in FIG. 8, this hot water supply system includes an
本給湯システムは、ヒートポンプ式給湯器201と太陽光温水器206とを組み合わせたハイブリッド給湯システムとも言うことができる。つまり、第1の実施の形態のヒートポンプ式給湯器1を構成する各装置の内、貯湯タンク4を除く全ての装置は、本給湯システムでは室外機202内に収納されている。第2の実施の形態のヒートポンプ式給湯器201についても同様である。太陽光温水器206は、水道水等の水を、太陽光のエネルギーを利用して、加熱し、温水にして提供する装置である。
This hot water supply system can also be referred to as a hybrid hot water supply system in which a heat pump
太陽光温水器206から排出される温水は、貯湯タンク203に供給される。貯湯タンク203から出湯される温水は、例えば、一般家庭の生活用の温水として利用される。図8には、温水の利用の一例として、家庭の建物200とその中の風呂に設置された浴槽204図示されている。貯湯タンク203からの温水は、貯湯タンク203と浴槽204に接続された配管によって供給される。また、貯湯タンク203から出湯される温水は、図示していないが、洗面所、台所等でも利用することができる。
Hot water discharged from the
図8には、公共水道に接続されている水栓205が図示されている。水栓205からは水道水が供給される。水栓205から吐出した水道水は、太陽光温水器206と貯湯タンク203に供給される。太陽光温水器206は、基本的に晴天のときに動作して、水を加熱し温水にする。太陽光温水器206としては、太陽光の熱で水を直接的に加温又は加熱する方式、太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーで水を加熱する方式等の公知の任意の方式、動作原理のものが利用できる。
FIG. 8 shows a
太陽エネルギーの太陽光の強さ、加熱時間等によって、太陽光温水器206の貯槽の中の温水の温度が異なる。本実施の形態においては、温水とは、家庭で利用する温度以上の場合と定義する。貯湯タンク203からは、利用者の利用希望温度の温水が利用者側へ供給される。太陽光温水器206から排出される温水は、貯湯タンク203にその上部から供給される。貯湯タンク203の下部からは、低温の水が排出されて室外機202に供給される。ただし、真夏日等の太陽光が強いときは、この温水を加熱する必要はなく、場合によっては低い温度の水道水と混合して、温水の温度を下げる必要がある。
The temperature of the hot water in the storage tank of the
室外機202から排出される温水は、基本的に貯湯タンク203に供給される。室外機202から排出される温水は、貯湯タンク203から排出される温水より高い温度になる。この場合は、貯湯タンク203から排出される温水は、貯湯タンク203内で、水等と混合されることで、利用者の希望の適当な温度になる。しかし、室外機202から排出される温水は、配管213を利用して、直接、浴槽204に供給する方法でも良い。このようにすると、貯湯タンク203内の温水の温度が必要温度に達していないとき、浴槽204に室外機202から温水を入れて利用するので便利である。
The hot water discharged from the
浴槽204に通常の温水より高い温度の湯が必要になったとき、モータ32を駆動させて、室外機202で水を早く加熱して臨時に利用することができる。図8の中では、水や温水等が流れるホースや管は、矢印207〜213で図示している。その細かい構造、水又は温水の流れの説明は省略する。図9は、本給湯システムの制御を行うための制御ユニット214の構成を図示している。この制御ユニット214は、構成が図4の制御ユニット7と実質的に同一であるが、次のデバイスが追加されている点で異なる。本給湯システムは、水栓205の水の温度を検知するための温度検知手段215、太陽光温水器206内の水の温度を検知するための温度検知手段216を備えている。
When hot water having a temperature higher than normal hot water is required for the
制御ユニット214は、温度検知手段215と温度検知手段216に接続されてその検知信号を受信する。本給湯システムは、図8に図示していないが、水栓205から貯湯タンク203へ水を供給するためのポンプ217、太陽光温水器206から貯湯タンク203へ温水を供給するためのポンプ218を備えている。制御ユニット214は、ポンプ217とポンプ218に接続され、それらの動作を制御する。水栓205から水がその圧力で貯湯タンク203に供給可能である場合は、ポンプ217を設ける必要はなく、この代わりに、制御ユニット214からの制御で開閉する自動開閉弁を利用することができる。
The
太陽光温水器206からの温水が、その高低差による圧力で貯湯タンク203に供給可能である場合は、ポンプ218を設ける必要はなく、この代わりに、制御ユニット214からの制御で開閉する電磁弁等の自動開閉弁を用いる。以下、ポンプ217とポンプ218を例に説明する。ポンプ217とポンプ218は、公知の任意のものが利用できる。温度検知手段215と温度検知手段216は、水栓205、太陽光温水器206内の水の温度が検知できるものであれば、公知の任意の原理ものが利用できる。
When the hot water from the
更に、温度検知手段215は、水栓205に固定又は、水栓205に接続された配管に固定される等、その目的を達成できる任意の場所に設置できる。温度検知手段216についても同様である。
〔第3の実施の形態の給湯システムの動作概要〕
本給湯システムは、室外機202で、貯湯タンク203からの水を加温する。室外機202に必要な電力は、商用電力線、風力発電、太陽光発電、バッテリー等の任意の電力線から供給する。
Furthermore, the temperature detection means 215 can be installed at any location where the purpose can be achieved, such as fixing to the
[Outline of operation of hot water supply system according to third embodiment]
In the hot water supply system, the
その中で、電気料金が安くなる深夜電力を室外機202に供給して、貯湯タンク203内の温水又は水を、目的の温度まで、加温することが好ましい。このように深夜電力を利用すると、電気の利用料金が安く済む。昼間は、太陽光温水器206で、水栓205からの水を、目的の温度まで、加温する。太陽光温水器206は、その設置が終われば、基本的に、追加費用がかからないので、一番安く、極端に言えば、無料で利用できる。よって、太陽光のエネルギーで水を加温できる状態であれば、太陽光温水器206を優先的に利用すべきである。
Among them, it is preferable to supply late-night power at which the electricity rate is reduced to the
太陽光温水器206で水を加熱する場合は、その加熱の速度は、室外機202と比べて遅い。このため、緊急なときや水を早く加熱したいときの場合は、室外機202をメインに利用することになる。太陽光温水器206から排出された温水を貯湯タンク203に供給しても、貯湯タンク203内の温水の温度が、目的の温度に達しない場合は、室外機202から温水を供給して補完する。
When water is heated by the
また、本給湯システム全体の制御行っている制御ユニット214は、貯湯タンク203内の温度、太陽光温水器206内の温水の温度、浴槽204に供給される温水の温度、水栓205の水の温度等を、それぞれの温度検知手段を用いて常時監視している。貯湯タンク203内の温水のレベルが下がると、下がった分の水や温水を取り込む必要がある。
The
この場合、基本的に、太陽光温水器206で加温された温水を、貯湯タンク203に最優先的に取り込む。このとき、ポンプ218を稼働させる。そして、太陽光温水器206で加温された温水を、取り込んでも必要なレベルに達しない場合は、水栓205から水を直接取り込む。水栓205から水を取り込む場合は、ポンプ217を稼働させる。場合によっては、太陽光温水器206の水温は、水栓205の水温より低い場合がある。このとき、水栓205から水を、貯湯タンク206に最優先的に取り込む。
In this case, basically, the hot water heated by the
貯湯タンク203に水を供給するとき、太陽光温水器206の水温と水栓205の水温を比較して、高い水温の水を優先的に取り込む。両水温が全く同じか、ほぼ同じである場合は、水栓205の水が優先されて、貯湯タンク203に供給される。このように、本発明の本給湯システムは、深夜電気料金と太陽光のエネルギーを利用して、水を加温して温水を家庭に供給しており、運転費用を最小限に抑える。
When water is supplied to the hot
室外機202は、上述のヒートポンプ式給湯器1又は第2の実施の形態のヒートポンプ式給湯器を利用しているため、本給湯システムは、高いCOPで稼動する。従来は、風呂等の生活水に必要な温水を温めるために、一般の電源コンセントが供給する電気エネルギーが足りなかった。この問題は、本発明の本給湯システムを利用することで解決できた。太陽光のエネルギーも合わせてハイブリッド化しているので、さらなる低コスト化が図れる。
Since the
本発明のヒートポンプ用熱交換器とそのヒートポンプ式給湯システムは、水等の流体を効率よく加熱することができ、高効率及び低コストのシステムを実現することができる。このため、本発明は、家庭や小型事業所等に用いる水の給湯システム、介護給湯システム等の分野に利用するとよい。これにより、CO2などの温室効果ガスの削減をはじめ、エネルギーの有効利用を計るとともに環境保全に貢献できる。 The heat exchanger for heat pump and the heat pump hot water supply system of the present invention can efficiently heat a fluid such as water, and can realize a high-efficiency and low-cost system. For this reason, this invention is good to utilize in field | areas, such as a hot water supply system of a water used for a household, a small business place, etc., a nursing hot water supply system. This can contribute to environmental conservation as well as effective use of energy, including reduction of greenhouse gases such as CO 2 .
1、101…ヒートポンプ式給湯器
2…給湯サイクル
3…冷媒サイクル
3a、3b、3c、3d冷媒路
4、203…貯湯タンク
7、214…制御ユニット
9…水熱交換器
10…熱交換器
12…水循環用ポンプ
13…圧縮機
14…膨張弁
15、150…空気熱交換器
16…ファン
18、19、20、21、215、216…温度検出手段
32…回転駆動手段
33…回転軸
30…ステータ
30b、130b…冷媒管
30a、130a…フィン
30c…円筒
31…ロータ
31b、131b…永久磁石
130…被加熱部
130c…円板
130d…筐体
131…磁極面板
131a…円板
132…間隔調整手段
202…室外機
204…浴槽
205…水栓
206…太陽光温水器
217、218…ポンプ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 ... Heat pump type
Claims (13)
回転駆動手段と、
前記回転駆動手段によって回転される永久磁石と、
前記永久磁石の近傍に設置され、前記永久磁石の回転によって発生した渦電流によって生じるジュール熱で加熱して、前記流体及び/又は減圧低温の前記冷媒を加熱する導電体と
からなることを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 It is a heat exchanger used for heat pump type heat equipment, an evaporator that takes a heat from the surrounding fluid and evaporates the low-pressure refrigerant to cool it,
Rotation drive means;
A permanent magnet rotated by the rotation driving means;
A conductor installed near the permanent magnet and heated by Joule heat generated by eddy current generated by rotation of the permanent magnet to heat the fluid and / or the refrigerant at a reduced pressure and low temperature. Heat pump heat exchanger.
前記ヒートポンプ用熱交換器は、
前記回転駆動手段によって回転される回転軸に配置された複数の前記永久磁石とからなるロータと、
前記ロータが挿入されて回転するための空洞を有し、前記永久磁石の外周に配置された前記導電体からなるステータと
からなることを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 In the heat exchanger for heat pumps of Claim 1,
The heat exchanger for heat pump is
A rotor composed of a plurality of the permanent magnets arranged on a rotation shaft rotated by the rotation driving means;
A heat exchanger for a heat pump comprising: a stator having a cavity for inserting and rotating the rotor, and the stator made of the conductor disposed on an outer periphery of the permanent magnet.
前記ステータは、前記導電体に熱伝達可能に設置され、かつ、前記冷媒が流れるための冷媒路からなることを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 The heat exchanger for a heat pump according to claim 2,
The heat pump is a heat exchanger for a heat pump, wherein the stator is installed so as to be able to transfer heat to the conductor and includes a refrigerant path through which the refrigerant flows.
前記導電体は、前記冷媒が流れるための空洞を有する冷媒路であることを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 The heat exchanger for a heat pump according to claim 2,
The heat exchanger for a heat pump, wherein the conductor is a refrigerant path having a cavity through which the refrigerant flows.
前記冷媒路は、前記ロータの外周を巻くように螺旋状に配置されている冷媒管かならなることを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 The heat exchanger for a heat pump according to claim 3 or 4,
The heat exchanger for a heat pump, wherein the refrigerant path is a refrigerant pipe arranged in a spiral shape so as to wrap around the outer periphery of the rotor.
前記冷媒路は、前記流体と熱交換を行うためのフィン、又は、前記フィンを有する熱交換板を有することを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 The heat exchanger for a heat pump according to claim 3 or 4,
The heat path for a heat pump, wherein the refrigerant path includes fins for exchanging heat with the fluid or a heat exchange plate having the fins.
前記ヒートポンプ用熱交換器は、
前記回転駆動手段によって回転する回転軸と、
前記回転軸に直角な平面で前記回転軸に固定され、複数の前記永久磁石が固定された磁極面板と、
前記磁極面板に対向して設けられた前記導電体からなる被加熱部と
からなることを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 In the heat exchanger for heat pumps of Claim 1,
The heat exchanger for heat pump is
A rotating shaft that is rotated by the rotation driving means;
A magnetic pole face plate fixed to the rotary shaft in a plane perpendicular to the rotary shaft, and a plurality of the permanent magnets fixed thereto;
A heat exchanger for a heat pump, comprising: a heated portion made of the conductor provided to face the magnetic pole face plate.
前記被加熱部は、前記導電体に熱伝達可能に設置さ、かつ、前記冷媒が流れるための冷媒路からなる
ことを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 In the heat exchanger for heat pumps according to claim 7,
The heat-pumped heat exchanger is characterized in that the heated portion is installed so as to be able to transfer heat to the conductor and includes a refrigerant path through which the refrigerant flows.
前記導電体は、前記冷媒が流れるための空洞を有する冷媒路である
ことを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 In the heat exchanger for heat pumps according to claim 7,
The heat conductor for a heat pump, wherein the conductor is a refrigerant path having a cavity through which the refrigerant flows.
前記永久磁石は、細長く形状をし、その長手方向の軸線が前記回転軸の回転軸線を直交するように配置されている
ことを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 In the heat exchanger for heat pumps according to claim 7,
The heat exchanger for a heat pump, wherein the permanent magnet has an elongated shape and is arranged so that an axis in a longitudinal direction thereof is orthogonal to a rotation axis of the rotation shaft.
前記被加熱部と前記磁極面板との間の間隔を変更し、前記導電体の加熱の強弱を制御するための距離制御手段を有する
ことを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 In the heat exchanger for heat pumps according to claim 7,
A heat exchanger for a heat pump, comprising a distance control means for changing a distance between the heated portion and the magnetic pole face plate and controlling strength of heating of the conductor.
前記冷媒路は、前記磁極面板に対向して平行に配置され、かつ前記回転軸の軸線を中心に渦巻き状に配置された冷媒管である
ことを特徴とするヒートポンプ用熱交換器。 The heat exchanger for a heat pump according to claim 7 or 8,
The heat path for a heat pump, wherein the refrigerant path is a refrigerant pipe arranged in parallel to face the magnetic pole face plate, and arranged in a spiral around the axis of the rotating shaft.
前記熱機器は、
温水を貯蓄するための貯湯タンクと、
前記貯湯タンクから流出した水を、高温高圧の前記冷媒と熱交換して加熱して、前記温水にし、前記貯湯タンクに出湯するためのもので、前記貯湯タンクに連結される給湯循環路と、
前記給湯循環路に連結され、前記冷媒と前記水との前記熱交換を行うための水熱交換器と、並びに、
高温の前記冷媒を圧縮して前記高温高圧の前記冷媒にするための圧縮機、前記水を前記高温高圧の前記冷媒で熱交換し加熱して前記温水にし、前記高温高圧の前記冷媒を低温の前記冷媒にするための水熱交換器、前記低温の前記冷媒を減圧してさらに低温にして減圧低温の前記冷媒にするための膨張弁、及び、前記減圧低温の前記冷媒を前記高温の前記冷媒にするための前記ヒートポンプ用熱交換器とからなる冷媒循環路と
からなることを特徴とするヒートポンプ式給湯システム。 A heat pump type hot water supply system using the heat exchanger for a heat pump according to claim 1 selected from among claims 1 to 12,
The thermal equipment is
A hot water storage tank for storing hot water,
The water flowing out from the hot water storage tank is heated by exchanging heat with the high-temperature and high-pressure refrigerant to make the hot water, and the hot water is discharged into the hot water storage tank, and a hot water supply circuit connected to the hot water storage tank;
A water heat exchanger connected to the hot water supply circulation path for performing the heat exchange between the refrigerant and the water; and
A compressor for compressing the high-temperature refrigerant into the high-temperature and high-pressure refrigerant, heat-exchanging the water with the high-temperature and high-pressure refrigerant and heating it to the hot water, and converting the high-temperature and high-pressure refrigerant into a low-temperature refrigerant A water heat exchanger for making the refrigerant, an expansion valve for depressurizing and lowering the low temperature refrigerant to make the low pressure low temperature refrigerant, and the decompressed low temperature refrigerant as the high temperature refrigerant A heat pump hot water supply system comprising: a refrigerant circulation path including the heat exchanger for heat pump.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010135586A JP2012002388A (en) | 2010-06-14 | 2010-06-14 | Heat exchanger for heat pump and heat pump type hot water supply system thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010135586A JP2012002388A (en) | 2010-06-14 | 2010-06-14 | Heat exchanger for heat pump and heat pump type hot water supply system thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012002388A true JP2012002388A (en) | 2012-01-05 |
Family
ID=45534586
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010135586A Pending JP2012002388A (en) | 2010-06-14 | 2010-06-14 | Heat exchanger for heat pump and heat pump type hot water supply system thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2012002388A (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014002263A1 (en) * | 2012-06-29 | 2014-01-03 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | Power converter |
| KR101515486B1 (en) * | 2015-01-13 | 2015-05-04 | 서인혁 | Small size magnet boiler |
| KR101585570B1 (en) | 2015-02-25 | 2016-01-14 | 주식회사 에너테크 | Eddy current boiler using permanent magnet |
| KR101591765B1 (en) * | 2015-05-28 | 2016-02-05 | (주)한서엔지니어링 | Geothermal heat pump system with temperature compensating function |
| WO2017171103A1 (en) * | 2016-03-28 | 2017-10-05 | (주)아크웨이브솔루션스코리아 | Heat exchanger using magnetic material |
| JP2019066129A (en) * | 2017-10-03 | 2019-04-25 | 株式会社デンソー | Magnetocaloric effect element bed and magnetothermal cycle device |
| WO2019107787A1 (en) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | 엘지전자 주식회사 | Magnetic cooling system |
| JP6884296B1 (en) * | 2020-07-17 | 2021-06-09 | 三菱電機株式会社 | Magnetic refrigerator |
| JP2021520031A (en) * | 2018-04-06 | 2021-08-12 | ゼイバルド、アンドレアス | Rotary inductive heat generator with DC excitation, very low electrical / kinetic efficiency, and very high thermal COP |
-
2010
- 2010-06-14 JP JP2010135586A patent/JP2012002388A/en active Pending
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2014002263A1 (en) * | 2012-06-29 | 2014-01-03 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | Power converter |
| JP5866444B2 (en) * | 2012-06-29 | 2016-02-17 | 東芝三菱電機産業システム株式会社 | Power converter |
| US9661785B2 (en) | 2012-06-29 | 2017-05-23 | Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial Systems Corporation | Power conversion apparatus |
| KR101515486B1 (en) * | 2015-01-13 | 2015-05-04 | 서인혁 | Small size magnet boiler |
| WO2016114435A1 (en) * | 2015-01-13 | 2016-07-21 | 서인혁 | Small size magnet boiler |
| KR101585570B1 (en) | 2015-02-25 | 2016-01-14 | 주식회사 에너테크 | Eddy current boiler using permanent magnet |
| KR101591765B1 (en) * | 2015-05-28 | 2016-02-05 | (주)한서엔지니어링 | Geothermal heat pump system with temperature compensating function |
| WO2017171103A1 (en) * | 2016-03-28 | 2017-10-05 | (주)아크웨이브솔루션스코리아 | Heat exchanger using magnetic material |
| JP2019066129A (en) * | 2017-10-03 | 2019-04-25 | 株式会社デンソー | Magnetocaloric effect element bed and magnetothermal cycle device |
| WO2019107787A1 (en) * | 2017-11-28 | 2019-06-06 | 엘지전자 주식회사 | Magnetic cooling system |
| US11686509B2 (en) | 2017-11-28 | 2023-06-27 | Lg Electronics Inc. | Magnetic cooling system |
| JP2021520031A (en) * | 2018-04-06 | 2021-08-12 | ゼイバルド、アンドレアス | Rotary inductive heat generator with DC excitation, very low electrical / kinetic efficiency, and very high thermal COP |
| JP7345496B2 (en) | 2018-04-06 | 2023-09-15 | ゼイバルド、アンドレアス | Rotary induction heat generator with DC excitation, extremely low electrical/dynamic efficiency, and extremely high thermal COP |
| US11844169B2 (en) | 2018-04-06 | 2023-12-12 | Andreas Seiwald | Rotary-induction heat generator with direct current excitation, extremely small electrical/kinetic efficiency, and extremely high thermal COP |
| JP6884296B1 (en) * | 2020-07-17 | 2021-06-09 | 三菱電機株式会社 | Magnetic refrigerator |
| WO2022014044A1 (en) * | 2020-07-17 | 2022-01-20 | 三菱電機株式会社 | Magnetic refrigeration device |
| CN115989391A (en) * | 2020-07-17 | 2023-04-18 | 三菱电机株式会社 | Magnetic refrigerating device |
| CN115989391B (en) * | 2020-07-17 | 2023-10-13 | 三菱电机株式会社 | Magnetic refrigerating device |
| US11982472B2 (en) | 2020-07-17 | 2024-05-14 | Mitsubishi Electric Corporation | Magnetic refrigeration device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2012002388A (en) | Heat exchanger for heat pump and heat pump type hot water supply system thereof | |
| CN102374689B (en) | Solar photovoltaic cold-heat set of air conditioner | |
| CN102434915A (en) | Air-conditioner and control method thereof | |
| JP2011141073A (en) | Device and method of improving efficiency of air conditioning device | |
| KR20160010094A (en) | Cooling apparatus and control method thereof | |
| CN103928216A (en) | Heat Exchange Type Cooling Apparatus For A Transformer | |
| JP7407836B2 (en) | Heating, ventilation, air conditioning and/or refrigeration systems with compressor motor cooling systems | |
| CN202216400U (en) | Air source heat pump water heater using axial flow fan for forced convection evaporation and having refrigeration function | |
| CN207378977U (en) | A kind of high efficiency energy storage air-conditioning system | |
| JP2012013357A (en) | Heat pump type hot-water heating device | |
| KR101678914B1 (en) | Turbine-integrated Eddy Current Heater for Heat Pump System using Refrigerants | |
| JP2008164240A (en) | Heat pump system | |
| CN202216368U (en) | Air conditioner | |
| KR101678913B1 (en) | Heat Pump System using Turbine-integrated Eddy Current Heater | |
| WO2018163347A1 (en) | Geothermal heat pump device | |
| JP2013087993A (en) | Hot water system | |
| JP2010065889A (en) | Pedestal for outdoor unit of air conditioner | |
| CN217817042U (en) | Air conditioner | |
| JP2001091111A (en) | Refrigerant heating device | |
| CN202229460U (en) | Solar photovoltaic cooling and heating unit of air-conditioner | |
| WO2016127535A1 (en) | Solar photovoltaic air conditioning system | |
| CN207635640U (en) | A kind of refrigerating and heating systems of energy saving self power generation | |
| JP2012242076A (en) | Hot-water storage type water heater | |
| CN213811314U (en) | Refrigeration chip air conditioning heat pump structure | |
| CN202041034U (en) | Defrosting device for refrigerating equipment |