特開 2023-119764 真空式温水機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023119764

(43)【公開日】2023-08-29

(54)【発明の名称】真空式温水機

(51)【国際特許分類】

   F24H 4/02 20220101AFI20230822BHJP

   F25B 30/02 20060101ALI20230822BHJP

   F25B 1/00 20060101ALI20230822BHJP

   F25B 41/20 20210101ALI20230822BHJP

   F24H 1/36 20220101ALI20230822BHJP

   F24H 15/156 20220101ALI20230822BHJP

   F24H 15/227 20220101ALI20230822BHJP

   F24H 15/375 20220101ALI20230822BHJP

【ＦＩ】

F24H4/02 A

F25B30/02 F

F25B1/00 321A

F25B1/00 101Z

F25B1/00 331B

F25B41/20 Z

F24H4/02 E

F24H1/36

F24H15/156

F24H15/227

F24H15/375

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022022802

(22)【出願日】2022-02-17

(71)【出願人】

【識別番号】505229472

【氏名又は名称】株式会社日本サーモエナー

(74)【代理人】

【識別番号】100129540

【弁理士】

【氏名又は名称】谷田 龍一

(74)【代理人】

【識別番号】100137648

【弁理士】

【氏名又は名称】吉武 賢一

(72)【発明者】

【氏名】三浦 智郎

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕人

【テーマコード（参考）】

3L122

【Ｆターム（参考）】

3L122AA02

3L122AA12

3L122AA23

3L122AA54

3L122AA65

3L122AB62

3L122AC22

3L122AC24

3L122BC14

3L122BC19

3L122BC23

3L122DA25

3L122DA26

(57)【要約】

【課題】 ヒートポンプユニットの凝縮器によって熱媒水を加熱する真空式温水機において、熱媒水温度が高い運転状態であっても成績係数の向上を図り得る真空式温水機を提供する。
【解決手段】 熱媒水Ｗが封入されるとともに大気圧以下に減圧した状態に保持される密閉容器２と、熱媒水Ｗの加熱により発生する蒸気を、供給される循環温水との間接熱交換により凝縮液化させる循環昇温用熱交換器７と、膨張弁１２、蒸発器１３、圧縮機１４、凝縮器１１、及び過冷却器１６が順に接続され冷媒を循環させるための主循環路１７を有するヒートポンプユニット１５と、を含み、凝縮器１１は、熱媒水Ｗを加熱するために密閉容器２内に配設され、過冷却器１６は、密閉容器２外において、前記循環温水との間接熱交換により、凝縮器１１を通過した冷媒を放熱させるように構成されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱媒水が封入されるとともに大気圧以下に減圧した状態に保持される密閉容器と、
前記熱媒水の加熱により発生する蒸気を、供給される循環温水との間接熱交換により凝縮液化させる循環昇温用熱交換器と、
膨張弁、蒸発器、圧縮機、凝縮器、及び過冷却器が順に接続され冷媒を循環させるための主循環路を有するヒートポンプユニットと、を含み、
前記凝縮器は、前記熱媒水を加熱するために前記密閉容器内に配設され、
前記過冷却器は、前記密閉容器外において、前記循環温水との間接熱交換により、前記凝縮器を通過した冷媒を放熱させるように構成されている、
真空式温水機。

【請求項2】

前記主循環路に接続されて前記凝縮器と前記膨張弁との間で前記過冷却器をバイパスするバイパス路と、
前記膨張弁の出口から前記圧縮器の入口迄の前記主循環路を流れる冷媒との間接熱交換により、前記バイパス路により前記過冷却器をバイパスさせる冷媒を放熱させるための内部熱交換器と、
前記バイパス路により前記過冷却器をバイパスさせる冷媒の流量を調節する流量調節器と、
前記膨張弁に入る冷媒の温度を検出する第１温度検出器と、
前記膨張弁に入る冷媒の圧力を検出する圧力検出器と、
前記第１温度検出器の検出値及び前記圧力検出器の検出値に基づいて、前記凝縮器を出て前記膨張弁に入る迄の間の冷媒の過冷却度を演算し、演算した前記過冷却度が予め設定された過冷却度になるように前記流量調節器を制御する制御部と、
を含む、請求項１に記載の真空式温水機。

【請求項3】

前記主循環路に接続されて前記凝縮器と前記膨張弁との間で前記過冷却器をバイパスするバイパス路と、
前記膨張弁の出口から前記圧縮器の入口迄の前記主循環路を流れる冷媒との間接熱交換により、前記バイパス路を流れる冷媒を放熱させるための内部熱交換器と、
前記バイパス路により前記過冷却器をバイパスさせる冷媒の流量を調節する流量調節器と、
前記膨張弁に入る冷媒の温度を検出する第１温度検出器と、
前記凝縮器を出た冷媒の温度を検出する第２温度検出器と、
前記第１温度検出器の検出値及び前記第２温度検出器の検出値に基づいて、前記凝縮器を出て前記膨張弁に入る迄の間の冷媒の過冷却度を演算し、演算した前記過冷却度が予め設定された過冷却度になるように前記流量調節器を制御する制御部と、
を含む、請求項１に記載の真空式温水機。

【請求項4】

前記循環昇温用熱交換器が、第１の温度の第１循環温水が供給される第１循環昇温用熱交換器と、第１の温度より低い第２の温度の第２循環温水が供給される第２循環昇温用熱交換器と、を含み、
前記過冷却器が、一次過冷却器と、前記一次過冷却器の二次側に接続された二次過冷却器と、を含み、
前記一次過冷却器が前記第１循環昇温用熱交換器に供給される前記第１循環温水と熱交換した後に、前記二次過冷却器が前記第２循環昇温用熱交換器に供給される前記第２循環温水と熱交換するように構成されている、請求項１～３の何れかに記載の真空式温水機。

【請求項5】

前記凝縮器は、前記熱媒水の飽和温度以上で気体状の前記冷媒を凝縮させて潜熱を熱媒水に放熱する凝縮器であり、
前記過冷却器は、前記熱媒水の温度以下の前記循環温水に顕熱を放熱する過冷却器である、請求項１～４の何れかに記載の真空式温水機。

【請求項6】

給湯用熱交換器を更に備え、
前記過冷却器は、前記循環昇温用熱交換器を循環する前記循環温水との熱交換にのみ設けられる、
請求項１～５の何れかに記載の真空式温水機。

【請求項7】

前記ヒートポンプユニットは、前記冷媒の臨界温度が９２℃を超える高温ヒートポンプサイクルユニットである、請求項１～６の何れかに記載の真空式温水機。

【請求項8】

補助加熱装置を更に備え、
前記補助加熱装置は、前記熱媒水に水没するように配設された火炉及び水管群を有し、
前記凝縮器が前記補助加熱装置の上側に配設されている、請求項１～７の何れかに記載の真空式温水機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、減圧されて略真空状態の密閉容器に封入された熱媒水を加熱し、１００℃以下の低温で沸騰させて、その蒸気を熱源として水を加熱し、温水を発生させる真空式温水機に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の真空式温水機としては、例えば、図５に示す構造のものが知られている（特許文献１等）。図５に示す真空式温水機１Ｅは、密閉容器２、燃焼バーナ３、火炉（燃焼室）４、減圧蒸気室５、熱媒水Ｗ、熱交換器６、７、水管群８、自動抽気装置９等を備えており、密閉容器２内を自動抽気装置９により大気圧以下に減圧して真空に近い状態とし、この状態で燃焼バーナ３により熱媒水Ｗを加熱沸騰させて減圧蒸気室５内にそのときの熱媒水Ｗの温度と同じ蒸気を発生させ、その蒸気が熱交換器６、７の表面で凝縮することで熱交換器６，７内の水を加熱し、温水を作る。

【0003】

この真空式温水機１Ｅは、密閉容器２内が減圧されているため、熱交換器６、７から多量の温水を取り出す高負荷運転時においても、要求される温度の温水を素早く負荷側へ供給できるメリットがある。

【0004】

しかしながら、図５に示すように燃焼バーナ３により熱媒水を加熱している真空式温水機においては、熱効率が８０％～９５％程度までであり、それ以上の熱効率を得ることが困難である。

【0005】

上記の熱効率を高めるため、燃焼排ガス中に含まれる水蒸気の潜熱を回収する熱回収装置を付設することが提案されている（特許文献２等）。しかしながら、熱回収装置を別個に設けるため装置全体が大型化するうえ、燃焼排ガスが熱交換により低温となるため白煙が生じたり、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮するため発生する低ｐＨの凝縮液の中和処理装置や腐食対策が必要になり、イニシャルコストが増加する。

【0006】

そこで、本発明者等は、図６に示すように、ヒートポンプユニット１０の冷媒熱交換器（以下、「凝縮器１１」と言う。）により真空式温水機１Ｆの熱媒水Ｗを加熱する方式で高効率化することを提案した（特許文献３）。図６において、符号１２は膨張弁、符号１３は蒸発器、符号１４は圧縮機であり、図５と同様の構成部分には同符号を付している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開平１１－３３７００２号公報

【特許文献2】特開２０１２－１０２９０６号公報

【特許文献3】特開２０２１－１０５４９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

一般的な真空式温水機で、出湯温度８０℃や、暖房回路で温水を利用する場合（温水熱交換器の入口温度５５℃、出口温度７０℃）は、熱媒水温度を８５℃～９０℃で制御している。このような熱媒水温度で運転している真空式温水機に、図６に示すように熱媒水を加熱するヒートポンプユニットを組み込む場合、採用する冷媒は高温ヒートポンプサイクルに適した臨界温度が高いものが望ましい。市場で入手可能な純冷媒の中でＲ１３４ａを例として、図７に示すモリエル線図を用いて検討すると、例えば、熱媒水温度８８℃に凝縮器で熱を与えるためには、ヒートポンプユニットを循環する冷媒の飽和温度が熱媒水温度を超える圧力（熱媒水８８℃に対し凝縮器のピンチ温度差が２℃ならば、冷媒の飽和温度は９０℃となり、飽和圧力は３．２ＭＰａ）まで圧縮する必要がある。圧縮機を高圧縮比で運転すると圧縮機の断熱効率は一般的に低下（圧縮機の動力が増加）するため、ヒートポンプサイクルのＣＯＰ（成績係数）は低下する。そして、ヒートポンプユニットの冷媒は、熱媒水温度以下に下がらないため、利用可能な熱が冷媒に残っていても、それを利用することができず、図７のモリエル線図に示す１’→２’→３→４のサイクルとなり、凝縮器から熱媒水への放熱量が少ないためＣＯＰはさらに低下する。

【0009】

そこで本発明は、ヒートポンプユニットの凝縮器によって熱媒水を加熱する真空式温水機において、ＣＯＰの向上を図り得る真空式温水機を提供することを主たる目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る真空式温水機は、熱媒水が封入されるとともに大気圧以下に減圧した状態に保持される密閉容器と、前記熱媒水の加熱により発生する蒸気を、供給される循環温水との間接熱交換により凝縮液化させる循環昇温用熱交換器と、膨張弁、蒸発器、圧縮機、凝縮器、及び過冷却器が順に接続され冷媒を循環させるための主循環路を有するヒートポンプユニットと、を含み、前記凝縮器は、前記熱媒水を加熱するために前記密閉容器内に配設され、前記過冷却器は、前記密閉容器外において、前記循環温水との間接熱交換により、前記凝縮器を通過した冷媒を放熱させるように構成されている。

【0011】

一態様において、上記真空式温水機は、前記主循環路に接続されて前記凝縮器と前記膨張弁との間で前記過冷却器をバイパスするバイパス路と、前記膨張弁の出口から前記圧縮器の入口迄の前記主循環路を流れる冷媒との間接熱交換により、前記バイパス路により前記過冷却器をバイパスさせる冷媒を放熱させるための内部熱交換器と、前記バイパス路により前記過冷却器をバイパスさせる冷媒の流量を調節する流量調節器と、前記膨張弁に入る冷媒の温度を検出する第１温度検出器と、前記膨張弁に入る冷媒の圧力を検出する圧力検出器と、前記第１温度検出器の検出値及び前記圧力検出器の検出値に基づいて、前記凝縮器を出て前記膨張弁に入る迄の間の冷媒の過冷却度を演算し、演算した前記過冷却度が予め設定された過冷却度になるように前記流量調節器を制御する制御部と、を含む。

【0012】

また、他の一態様において、上記真空式温水機は、前記主循環路に接続されて前記凝縮器と前記膨張弁との間で前記過冷却器をバイパスするバイパス路と、前記膨張弁の出口から前記圧縮器の入口迄の前記主循環路を流れる冷媒との間接熱交換により、前記バイパス路を流れる冷媒を放熱させるための内部熱交換器と、前記バイパス路により前記過冷却器をバイパスさせる冷媒の流量を調節する流量調節器と、前記膨張弁に入る冷媒の温度を検出する第１温度検出器と、前記凝縮器を出た冷媒の温度を検出する第２温度検出器と、前記第１温度検出器の検出値及び前記第２温度検出器の検出値に基づいて、前記凝縮器を出て前記膨張弁に入る迄の間の冷媒の過冷却度を演算し、演算した前記過冷却度が予め設定された過冷却度になるように前記流量調節器を制御する制御部と、を含む。

【0013】

また、一態様において、前記循環昇温用熱交換器が、第１の温度の第１循環温水が供給される第１循環昇温用熱交換器と、第１の温度より低い第２の温度の第２循環温水が供給される第２循環昇温用熱交換器と、を含み、前記過冷却器が、一次過冷却器と、前記一次過冷却器の二次側に接続された二次過冷却器と、を含み、前記一次過冷却器が前記第１循環昇温用熱交換器に供給される前記第１循環温水と熱交換した後に、前記二次過冷却器が前記第２循環昇温用熱交換器に供給される前記第２循環温水と熱交換するように構成されている。

【0014】

また、一態様において、前記凝縮器は、前記熱媒水の飽和温度以上で気体状の前記冷媒を凝縮させて潜熱を熱媒水に放熱する凝縮器であり、前記過冷却器は、前記熱媒水の温度以下の前記循環温水に顕熱を放熱する過冷却器である。

【0015】

また、一態様において、給湯用熱交換器を更に備え、前記過冷却器は、前記循環昇温用熱交換器を循環する前記循環温水との熱交換にのみ設けられる。

【0016】

また、一態様において、前記ヒートポンプユニットは、前記冷媒の臨界温度が９２℃を超える高温ヒートポンプサイクルユニットである。

【0017】

また、一態様において、上記真空式温水機が補助加熱装置を更に備え、前記補助加熱装置は、前記熱媒水に水没するように配設された火炉及び水管群を有し、前記凝縮器が前記補助加熱装置の上側に配設されている。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る真空式温水機によれば、凝縮器で冷却された冷媒が、過冷却器を通過する際に、循環温水に放熱することにより、ＣＯＰを向上させることができる。

【0019】

即ち、理想ヒートポンプサイクルを逆カルノーサイクルとして扱うと、ＣＯＰは下記式のように、温度のみで表すことができる。

【0020】

ＣＯＰ＝Ｔ２／（Ｔ１－Ｔ２）
ここで、Ｔ１は低温部（蒸発器）の温度であり、Ｔ２は高温部（凝縮器）の温度である。

【0021】

ＣＯＰは高温部と低温部との温度差が小さくなるほど向上する。特許文献３の真空温水機では、ヒートポンプ高温部の温度を熱媒水温度以下にできないため、ＣＯＰの向上に限界があったが、本発明によれば、過冷却器を設けることで、高温部の平均温度が下がり、低温部との温度が小さくなるため、ＣＯＰが向上する。

【0022】

また、過冷却器をバイパスさせた冷媒を、ヒートサイクルユニット内に設けた内部熱交換器での間接熱交換により、放熱させることで、過冷却器による過冷却度が小さい場合であっても所望の過冷却度を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の第１実施形態に係る真空式温水機を示す一部省略縦断正面図である。

【図2】本発明の第２実施形態に係る真空式温水機を示す一部省略縦断正面図である。

【図3】本発明の第３実施形態に係る真空式温水機を示す一部省略縦断正面図である。

【図4】本発明の第４実施形態に係る真空式温水機を示す要部縦断正面図である。

【図5】従来の真空式温水機を示す縦断面図である。

【図6】従来の他の真空式温水機を示す縦断面図である。

【図7】本発明係る真空式温水機の実施例と比較例のヒートサイクルを示す圧力－エンタルピー線図（モリエル線図）である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明に係る真空式温水機の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、背景技術を含め全図及び全実施形態において、同一又は類似の構成部分には同符号を付している。

【0025】

先ず、図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る真空式温水機１Ａについて説明する。図１を参照して、真空式温水機１Ａは、熱媒水Ｗが封入されるとともに大気圧以下に減圧した状態に保持される密閉容器２と、熱媒水Ｗの加熱により発生する蒸気を循環温水Ｃとの間接熱交換により凝縮液化させる循環昇温用熱交換器７と、ヒートポンプユニット１５と、を備えている。循環温水Ｃは、
ヒートポンプユニット１５は、膨張弁１２、蒸発器１３、圧縮器１４、凝縮器１１、及び過冷却器１６が順に接続された主循環路１７にその順に冷媒を循環させる。凝縮器１１は、熱媒水Ｗを加熱するために、熱媒水Ｗに水没するようにして、密閉容器２内に配設される。

【0026】

過冷却器１６は、凝縮器１１を通過した冷媒を、密閉容器２外において、循環温水Ｃとの間接熱交換により過冷却するように構成されている。過冷却器１６は、循環昇温用熱交換器７の入口側配管２７に組み込まれている。

【0027】

密閉容器２は、公知の自動抽気装置９によって、密閉容器２の上部から抽気され、真空に近い圧力迄減圧された状態で保持される。自動抽気装置９は、抽気ポンプ、制御弁等で構成され得る。

【0028】

循環昇温用熱交換器７は、密閉容器２内の熱媒水Ｗの上部の空間に配置されている。図１に示す例に於いて、循環昇温用熱交換器７は、暖房用の温水熱交換器であり、循環温水の温度は入口付近で約５５℃、出口付近で約７０℃である。循環昇温用熱交換器７は、暖房用の循環温水の他、浴槽や温水プールなどの循環温水、或いは、工場等の薬剤槽の間接加熱用の循環温水、その他の循環温水の加熱に用いられる。循環昇温用熱交換器７に供給される循環温水の温度（入口温度）は、好ましくは、３０℃より高い温度である。

【0029】

また、図示例において、給湯用途の給湯用熱交換器６が循環昇温用熱交換器７の上側に配設されており、給湯用熱交換器６によって加熱される給湯用温水Ｓは、入口付近で約３０℃、出口付近で約６５℃である。給湯用熱交換器６は、一般には、供給される給水温度、即ち、給湯用熱交換器６の入口の給水の温度が３０℃以下である。

【0030】

ヒートポンプユニット１５では、冷媒が図の矢印方向に流れる。ヒートポンプユニット１５の冷媒は、圧縮器１４により熱媒水Ｗの飽和温度よりも高い温度に加熱された後、凝縮器１１の冷媒入口に送られる。

【0031】

主循環路１７を循環する冷媒は、熱媒水Ｗの飽和温度よりも高い温度の気体状態で凝縮器１１に入り、凝縮器１１で潜熱を熱媒水Ｗに放熱することにより液化し、過冷却器１６で過冷却され、膨張弁１２で蒸発しやすい圧力まで減圧されるとともにその圧力に応じた温度まで低下し、次いで蒸発器１３で空気の熱を奪って蒸発（気化）した後、再び、圧縮器１４で熱媒水Ｗの飽和温度よりも高い温度に加熱されて気体状態で凝縮器１１に入る。

【0032】

凝縮器１１の伝熱面は、圧縮器１４により加熱された冷媒により、熱媒水Ｗの飽和温度よりも高い温度に加熱される。ヒートポンプユニット１５の凝縮器１１で熱媒水Ｗを加熱すると、その伝熱面は沸騰状態となる。沸騰状態の伝熱面では、気泡形成の際の蒸発潜熱の吸収、および形成された気泡が伝熱面を離脱する際に局所的な強い流れとなり、伝熱面の熱媒水Ｗの間に強い対流伝熱を生じさせるため、伝熱効率は非沸騰状態より大きくなる。

【0033】

凝縮器１１の加熱により発生した熱媒水Ｗの蒸気により、熱媒水Ｗの液面の上部の減圧空間に減圧蒸気室５が形成される。前記蒸気は、その減圧蒸気室５内に配置されている循環昇温用熱交換器７及び給湯用熱交換器６の表面で、循環昇温用熱交換器７に供給される循環温水及び給湯用熱交換器６に供給される給水との熱交換により冷却されて凝縮し、液滴となって滴下する。こうして、熱媒水Ｗは、蒸発と凝縮のサイクルを繰り返す。一方、循環昇温用熱交換器７に供給された循環温水及び給湯用熱交換器６に供給された給水は、熱媒水Ｗの蒸気との熱交換により加熱され、これにより、所望の温度の温水（循環温水及び給湯）が循環昇温用熱交換器７及び給湯用熱交換器６の其々から送り出される。

【0034】

凝縮器１１で液化された冷媒は、密閉容器２の外側へ取り出され、循環昇温用熱交換器７の入口側配管２７に組み込まれた過冷却器１６に導かれる。液体の冷媒は、過冷却器１６において循環昇温用熱交換器７に供給される循環温水Ｃに顕熱を放熱し、図７のモリエル線図の１’→１→２→３→４に示すサイクルとなる。これにより、凝縮器１１から熱媒水Ｗへの放熱量に加え、過冷却器１６から循環温水Ｃへの放熱量分が増加するため、ＣＯＰが向上する。また、過冷却器１６を備える場合（図１）と備えない場合（図６）とでヒートポンプユニットの冷媒が放熱する熱量を同一と考えた場合、図７のモリエル線図を参照して、４→１のエンタルピー差が大きくなるので、過冷却器１６を備えることにより、ヒートポンプユニットの循環冷媒量を少なくすることができる。更に、過冷却器１６を密閉容器２の外に設けることにより、熱交換器の形式を問わず設計の自由度が増す。

【0035】

ヒートポンプのＣＯＰは、次式で表される。
ＣＯＰ＝Ｑ２／Ｗ＝Ｑ２／（Ｑ２－Ｑ１）
ここで、
Ｑ１：蒸発器で冷媒が吸収する熱量（図７の３－２）
Ｑ２：凝縮器で冷媒が放熱する熱量（図７の４－１）
Ｗ ：圧縮機の動力
である。

【0036】

図７のヒートサイクルを例として、実際はヒートポンプの運転条件等により冷媒の圧力、流量が異なるが、圧縮機の仕事量（図７の４－３）は同じと仮定して、ＣＯＰの予想値を計算すると、次のようになり、実施例は、比較例よりＣＯＰの値が大きいことが判る。

【0037】

過冷却器が無い場合（比較例）：ＣＯＰ＝（４－１’）／（４―３）＝（４５５－３３９）／（４５５－４０７）＝２．４
過冷却器がある場合（実施例）：ＣＯＰ＝（４－１）／（４－３）＝（４５５－３０１）／（４５５－４０７）＝３．２
減圧下で熱媒水Ｗを沸騰させるためには、大気圧下と比べて過熱度（伝熱面温度と飽和温度との差）を大きくする必要がある。ヒートポンプユニット１５の凝縮器１１では、過熱度をあまり大きくできない。たとえば、冷媒Ｒ１３４ａの臨界温度１０１℃に対し、真空式温水機の一般的な熱媒水設定温度は９０℃である。そのため、凝縮器１１の伝熱面は、沸騰気泡が部分的な核沸騰状態であり、熱伝達率が著しくは上昇しない。また、減圧下での沸騰は大気圧下と比べ、伝熱面で気泡が大きく成長し、気泡の離脱周期が長くなるため熱伝達率が低下することがある。

【0038】

そこで、凝縮器１１の伝熱面積を大きく設計することが考えられるが、装置が大型化する。そのため、密閉容器２には、補助加熱装置を配設することが好ましい。補助加熱装置は、熱媒水に水没するように設けた火炉４及び水管群８を含むことができる。

【0039】

火炉４には、燃焼バーナ３が設置される。燃焼バーナ３は、公知の制御装置（図示せず。）によって、燃料の供給量を制御される。火炉４内の燃焼空気は、水管群８の隙間を通り、更に煙室１８、排気筒１９を通って排ガスとして外部に排出される。水管群８の水管内では、熱媒水Ｗが加熱されて流動する。

【0040】

凝縮器１１は、補助加熱装置（火炉４及び／又は水管群８）の上側に配設され得る。それにより、火炉４及び／又は水管群８の伝熱面は燃焼バーナ３の高温燃焼ガスによって加熱されているため、発達した核沸騰となり、伝熱面上では大きな気泡が形成・離脱を次々と繰り返す。この気泡の離脱、上昇により、火炉４及び／又は水管群８の上側では、熱媒水に大きな流れを生じる。その流れの中に凝縮器１１を配置すれば、熱伝達率が著しく上昇する。また、凝縮器１１の冷媒側は、気体→液体に凝縮する潜熱の放熱を担うので、潜熱に特化した熱交換器の設計となり、熱交換器をさらにコンパクトにすることができる。

【0041】

図１を参照して、給湯用熱交換器６は、給水温度（例えば３０℃以下）が低すぎるため、その給水管に過冷却器が設けられていない。本発明は、高温ヒートポンプサイクル（熱負荷温度差が少ない昇温型のヒートポンプ）に好適に適用されるため、給湯用途のように熱負荷入口温度が極端に低くなるような回路への適用は好ましくない。

【0042】

一般的な真空式温水機は、熱媒水の圧力を大気圧以下に保つために、熱媒水の設定温度は９０℃を上限とし、９２℃を超えないように制御される。そのため、ヒートポンプユニット１５には、臨界温度が高い冷媒が好ましく、臨界温度が９２℃を超える冷媒が好適に使用される。

【0043】

上記第１実施形態に係る真空式温水機１Ａにおいては、過冷却器が設けられていない給湯用熱交換器６の負荷があり、過冷却器１６が設けられている暖房用途の循環昇温用熱交換器７の負荷がない運転条件の場合、過冷却器１６で冷媒が放熱できなくなり過冷却度が減少し、冷媒が膨張弁１２の入口で二相状態になる恐れがある。それにより、膨張弁１２の圧力損失が増大し、加熱能力が低下するという問題を生じる恐れがある。

【0044】

そこで、本発明の第２実施形態に係る真空式温水機１Ｂは、図２に示すように、主循環路１７に接続されて凝縮器１１と膨張弁１２との間で過冷却器１６をバイパスするバイパス路２２と、膨張弁１２の出口から圧縮器１４の入口迄の主循環路１７を流れる冷媒との間接熱交換によりバイパス路２２を流れる冷媒を放熱させるための内部熱交換器２３と、バイパス路２２により過冷却器１６をバイパスさせる冷媒の流量を調節する流量調節器２４と、膨張弁１２に入る冷媒の温度を検出する第１温度検出器２０と、膨張弁１２に入る冷媒の圧力を検出する圧力検出器２１と、第１温度検出器２０の検出値及び圧力検出器２０の検出値に基づいて凝縮器１１を出て膨張弁１２に入る迄の間の冷媒の過冷却度を演算し、演算した過冷却度が予め設定された過冷却度になるように流量調節器２４を制御する制御部２５を備える。以下、第２実施形態について説明する。

【0045】

第１温度検出器２０は、膨張弁１２の入口付近に設けられている。具体的には、過冷却器１６の出口と膨張弁１２の入口との間でバイパス路２２の接続箇所より下流側の主循環路１７に、第１温度検出器２０が設けられている。

【0046】

圧力検出器２１は、張弁１２の入口付近に設けられている。具体的には、過冷却器１６の出口と膨張弁１２の入口との間でバイパス路２２の接続箇所より下流側の主循環路１７に、圧力検出器２１が設けられている。なお、凝縮器１１の出口から膨張弁１２の入口迄の間（バイパス路２２を含む）を流れる冷媒の圧力は、ほぼ一定であるため、過冷却度を測定するために用いられる圧力検出器は、凝縮器１１の出口から膨張弁１２の入口迄の間に配置されていれば良いが、張弁１２の入口付近に設けることが好ましい。

【0047】

内部熱交換器２３は、蒸発器１３の出口と圧縮器１４の入口との間の主循環路１７に配設されているが、膨張弁１２の出口と蒸発器１３の入口との間の主循環路１７に配設することもできる。なお、主循環路１７は、バイパス路２２より太い線で図示されている。

【0048】

流量調節器２４は、制御部２５によって制御可能な三方弁が、主循環路１７とバイパス路２２との分岐点に介在され、三方弁の開度を調節することで、バイパス路２２に流れる冷媒の流量を調節することができる。バイパス路２２へ流れる冷媒の流量を調節することにより、過冷却器１６側へ流れる冷媒の流量も調節される。流量調節器２４は、他の制御弁、例えば、バイパス路２２に設けた二方弁とすることもできる。

【0049】

制御部２５は、圧力検出器２１の検出圧力値を飽和圧力とみなし、その検出圧力値における飽和温度と、第１温度検出器２０の温度検出値との差を過冷却度として演算し、演算した過冷却度が予め設定された過冷却度になるように流量調節器２４を制御する。

【0050】

例えば、循環昇温用熱交換器７の負荷があり過冷却器１６での過冷却が十分に行われている場合は、流量調節器２４の制御によりバイパス路２２への流量を制限しておき、循環昇温用熱交換器７の負荷が減少又は無くなって、演算された過冷却度が予め設定した過冷却度より減少した場合は、流量調節器２４によりバイパス路２２側へ流す冷媒の量を増やし、過冷却度の演算値が過冷却度の設定値になるように、バイパス路２２へ流す冷媒の流量を流量調節器２４によって制御する。この場合、流量調節器２４は、冷媒の流れをバイパス路２２か主循環路１７の何れか一方に切り替える方向切換弁であってもよい。

【0051】

図３は、本発明の第３実施形態に係る真空式温水機１Ｃを示す。第３実施形態は、冷媒が凝縮器１１を出て膨張弁１２に入るまでの間の過冷却度を測るために、第２実施形態の圧力検出器２１に代えて、凝縮器１１を出た冷媒の温度を検出する第２温度検出器２６を設け、第１温度検出器２０の検出値及び第２温度検出器２６の検出値との差を求めることで過冷却度を演算し、演算した過冷却度が予め設定された過冷却度になるように流量調節器２４を制御する。第３実施形態のその他の構成は、上記第２実施形態と同様である。

【0052】

次に、本発明の第４実施形態に係る真空式温水機について、図２を参照しつつ説明する。図２に示す第４実施形態は、第１実施形態の変形例であって、第１実施形態と相違する部分を主として図示しており、図示省略している部分は第１実施形態又は上記第２，第３実施形態と同様の構成とすることができる。

【0053】

一般的な真空式温水機は、減圧蒸気室に１～３回路の能力が異なる熱交換器を設け、用途に応じた異なる温度域の温水を作り出す。

【0054】

図４を参照して、真空式温水機１Ｄは、第１の温度の第１循環温水が供給される第１循環昇温用熱交換器７Ａと、第１の温度より低い第２の温度の第２循環温水が供給される第２循環昇温用熱交換器７Ｂと、を備えている。図４に示す第４実施形態は、給湯用熱交換器を備えていないが、それを備えることもできる。

【0055】

第４実施形態において、第１の温度、即ち、第１循環昇温用熱交換器７Ａの入口付近の第１循環温水の温度が約５５℃、第２の温度、即ち、第２循環昇温用熱交換器７Ｂの入口付近の第２循環温水の温度が約４０℃である。また、図示例において、第１循環昇温用熱交換器７Ａの出口付近における第１循環温水の温度は約７０℃、第２循環昇温用熱交換器７Ｂの出口付近における第２循環温水の温度は約６０℃である。第１循環昇温用熱交換器７Ａは、例えば暖房用途であり、第２循環昇温用熱交換器７Ｂは、例えば浴槽循環用途である。

【0056】

第４実施形態では過冷却器が２つあり、一次過冷却器１６Ａの二次側に二次過冷却器１６Ｂが直列状に接続されている。一次過冷却器１６Ａは、第１循環昇温用熱交換器７Ａの入口側配管２７に組み込まれており、二次過冷却器１６Ｂは、第２循環昇温用熱交換器７Ｂの入口側配管２８に組み込まれている。

【0057】

一次過冷却器１６Ａが第１循環昇温用熱交換器７Ａに供給される第１循環温水と熱交換した後に、二次過冷却器１６Ｂが第２循環昇温用熱交換器７Ｂに供給される第２循環温水と熱交換するように構成されている。

【0058】

凝縮器１１で液化された冷媒は、第１循環昇温用熱交換器７Ａの入口側に組み込まれた一次過冷却器１６Ａで放熱し、次いで第２循環昇温用熱交換器７Ｂの入口側に組み込まれた二次過冷却器１６Ｂで放熱し、膨張弁１２へ至る。

【0059】

図２では循環昇温用熱交換器が２回路の場合を例示したが、循環昇温用熱交換器が３回路の場合も同様に、循環温水の温度が高い順に一次、二次、三次過冷却器の順で放熱するように構成することができる。

【0060】

本発明は、上記の各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更が可能である。

【0061】

上記実施形態において、補助加熱装置として火炉及び水管群を例示したが、それに限らず、電気ヒータ等の公知の他の熱源を採用することができる。なお、補助加熱装置は、温水負荷が高いときや、真空式温水機１の起動時に熱媒水Ｗを早急に昇温させたいときなど、多量の熱媒水Ｗを急速に加熱するときにのみ駆動することができ、それにより、エネルギー消費量とランニングコストの低減及びＣＯ_２の削減を図ることができる。そのため、補助加熱装置は、凝縮器１１の出力よりも大きく、多量の熱媒水Ｗを速やかに加熱できる高い加熱能力を備えていることが好ましい。

【0062】

また、給湯用熱交換器には、特許第４１３９８２７号の開示されているように、給湯に特化したヒートポンプを貯湯タンクに接続するハイブリッド給湯システムを組み込むことにより、更なる高効率化、ＣＯ_２削減効果を実現することもできる。

【符号の説明】

【0063】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 真空式温水機
２ 密閉容器
３ 燃焼バーナ
４ 火炉
５ 減圧蒸気室
６ 給湯用熱交換器
７ 循環昇温用熱交換器
７Ａ 第１循環昇温用熱交換器
７Ｂ 第２循環昇温用熱交換器
８ 水管群
１１ 凝縮器
１２ 膨張弁
１３ 蒸発器
１４ 圧縮機
１５ ヒートポンプユニット
１６ 過冷却器
１６Ａ 一次過冷却器
１６Ｂ 二次過冷却器
１７ 主循環路
２０ 第１温度検出器
２１ 圧力検出器
２２ バイパス路
２３ 内部熱交換器
２４ 流量調節器
２５ 制御部
２６ 第２温度検出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】