(57)【要約】【課題】膨張水の熱を有効活用し、空気熱交換器の熱交換効率を向上させ、運転効率の高いヒートポンプ給湯機を提供する。【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機２、前記冷媒を冷却する放熱器３、前記冷媒を蒸発気化させる空気熱交換器５を環状に接続して形成したヒートポンプ１と、前記ヒートポンプ１で加熱された湯水を貯湯する貯湯タンク８と、前記貯湯タンク８より排出される膨張水と前記空気熱交換器５を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換回路２６を設けたもので、膨張水が空気熱交換器５の表面に残留することがなく、膨張水の熱を有効に利用でき、空気熱交換器５の熱交換効率を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒を冷却する放熱器、前記冷媒を蒸発気化させる空気熱交換器を環状に接続して形成したヒートポンプと、前記ヒートポンプで加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクより排出される膨張水と前記空気熱交換器を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換回路を設けたことを特長とするヒートポンプ給湯機。
【請求項２】
熱交換回路を、空気熱交換器の入り口部の冷媒と熱交換するように設置したことを特長とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項３】
熱交換回路を、空気熱交換器のヘッダ部など出口部の冷媒と熱交換するように設置したことを特長とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項４】
熱交換回路を、空気熱交換器の中間のターン部の冷媒と熱交換するように設置したことを特長とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項５】
熱交換回路において、膨張水が流れる配管を鉛直に設置したことを特長とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項６】
熱交換回路に至る膨張水が流れる配管の外周に断熱材を施したことを特長とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項７】
膨張水を、空気熱交換器で発生するドレン水を排出する排水管を通して排水することを特長とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項８】
空気熱交換器に空気を送る送風機を設け、熱交換回路を、前記送風機による風が当たらない様に設置したことを特長とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
【請求項９】
ヒートポンプに臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加熱した湯水を貯湯タンクに蓄えて給湯を行うヒートポンプ給湯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のヒートポンプ給湯機として、図５に示されるようなものがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５において、従来のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンク８と、ヒートポンプ１による加熱源を一体の箱体（図示せず）に収納し、貯湯タンク８の下部から沸上げ管９でヒートポンプ１と接続し、ヒートポンプ１から貯湯タンク８の上部へ接続している。６は、空気熱交換器５に風を送るための送風機である。
【０００４】
沸き上げ運転では、ヒートポンプ１の圧縮機２で加圧された高温高圧のガス冷媒が放熱器３に送られ、沸き上げポンプ７で搬送されてきた貯湯タンク８の底部の冷水と熱交換して低温冷媒となる。そして、放熱器３で冷水に放熱した冷媒は減圧装置４で減圧され、二相の冷媒となる。そして、冷媒は、空気熱交換器５に送られ大気と熱交換し低温のガス冷媒となり圧縮機２に循環する。
【０００５】
３０は、貯湯タンク８などの水回りの部品で構成されているタンクユニットである。
【０００６】
一方、貯湯タンク８の底部の冷水は、沸き上げポンプ７で放熱器３に搬送され、冷媒の熱を吸熱して高温の湯となって沸き上げ管９を通って貯湯タンク８の上部に送られる。この時、高温の湯は、密度差により水とほぼ混合されることなく、貯湯タンク８内上部より積層していき貯湯タンク８内を高温の湯が溜まることになる。
【０００７】
また、ヒートポンプ１において、加熱する前の低湯水の温度を検知する入水温度センサー１５を、沸上げ管９の放熱器３入口側近傍に、加熱した高湯水の温度を検知する出湯温度センサー１６を沸上げ管９における放熱器３出口近傍にそれぞれ設けている。
【０００８】
そして、貯湯タンク８の温度分布を把握するため、外側壁面に垂直方向に上から順に貯湯温度検知手段１０ａ〜１０ｄが備えられている。
【０００９】
給湯に関する構成としては、貯湯タンク８の底部に給水源から給水を行う給水管１９が接続され、給水源からは減圧弁２０にて適度な圧力に減圧されて給水管１９に給水される。貯湯タンク８上部には、貯湯された高温水を出湯し給湯に利用するための給湯管２１が接続され、その途中には給水管１９からの給水バイパス管２２が接続されている。また、給湯管２１からの高温水と給水バイパス管２２からの低湯水を任意の比率で混合可能な給湯用混合弁２３が設けられている。
【００１０】
給湯用混合弁２３の下流側には、混合された給湯温度を検知するために給湯温度センサー２５が設けられ、その先に蛇口やシャワーに代表される給湯端末２４が接続されている。
【００１１】
このように、ヒートポンプ１が運転されタンクユニット３０では、貯湯タンク８に湯が貯められてゆくと、貯湯タンク８内の低温の水が加熱されて高温の湯となるため、体積膨張が起こる。
【００１２】
貯湯温度検知手段１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄにより湯量が検知され貯湯温度検知手段１０ｄが所定の温度以上となったとき沸き上げ運転を終了する。沸き上げ運転時、貯湯タンク８内の低温の水が加熱されて高温の湯となるため、体積膨張が起こる。水利用側機器保護のため圧力逃がし弁１１を設置し、膨張した湯水である膨張水を圧力逃がし弁１１より外部に排出する。圧力逃がし弁１１は貯湯タンク８の最上部に設置されているため沸き上げた湯を外部に排出することになる。
【００１３】
そこで、膨張水を有効利用するため、圧力逃がし弁１１より排出した膨張水を、膨張水排出管１２を通して空気熱交換器５の上部へと導き膨張水散水管１３より空気熱交換器５に散水して、空気熱交換器５内の冷媒と熱交換して熱を吸収利用する、あるいは、除霜の熱源として利用するものである。
【特許文献１】特開２００５−９７２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記従来のヒートポンプ給湯機の構成では、膨張水を空気熱交換器５に散水したとき、散水した湯水は熱を奪われて、低温の水となるが散水された一部の水は空気熱交換器５の表面に付着したまま残ることになる。例えば、環境温度が除霜条件以下、すなわち空気熱交換器５と熱交換する空気の温度が２℃程度以下であれば、空気熱交換器を流れる冷媒は０℃以下となるため、空気熱交換器５表面に付着した水はそのまま氷結することになる。
【００１５】
氷結した水は空気熱交換器５の空気の流れを阻害するため熱交換効率が低下し、ヒートポンプ給湯機の運転効率が低下すると言う課題があった。
【００１６】
本発明は上記従来の課題を解決し、膨張水が空気熱交換器の表面に残留することなく膨張水の熱を利用して、空気熱交換器の熱交換効率を向上させ、運転効率の良いヒートポンプ給湯器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】
【００１７】
前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒を冷却する放熱器、前記冷媒を蒸発気化させる空気熱交換器を環状に接続して形成したヒートポンプと、前記ヒートポンプで加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクより排出される膨張水と前記空気熱交換器を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換回路を設けたもので、膨張水が空気熱交換器の表面に残留することがなく、膨張水の熱を有効に利用でき、空気熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンクより排出される膨張水と空気熱交換器を流れる冷媒とが熱交換する熱交換回路を設けたので、膨張水が空気熱交換器の表面に残留することがなく、膨張水の熱を有効に利用でき、空気熱交換器の熱交換効率が向上し、運転効率の高いものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記冷媒を冷却する放熱器、前記冷媒を蒸発気化させる空気熱交換器を環状に接続して形成したヒートポンプと、前記ヒートポンプで加熱された湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記貯湯タンクより排出される膨張水と前記空気熱交換器を流れる冷媒とを熱交換させる熱交換回路を設けたもので、膨張水が空気熱交換器の表面に残留することがなく、膨張水の熱を有効に利用でき、空気熱交換器の熱交換効
率を向上させることができる。
【００２０】
第２の発明は、特に、第１の発明の熱交換回路を、空気熱交換器の入り口部の冷媒と熱交換するように設置したもので、膨張水が空気熱交換器の表面に残留することがなく、膨張水の熱を有効に利用でき、空気熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。
【００２１】
第３の発明は、特に、第１の発明の熱交換回路を、空気熱交換器のヘッダ部など出口部の冷媒と熱交換するように設置したもので、膨張水が空気熱交換器の表面に残留することがなく、膨張水の熱を有効に利用でき、空気熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。
【００２２】
第４の発明は、特に、第１の発明の熱交換回路を、空気熱交換器の中間のターン部の冷媒と熱交換するように設置したもので、膨張水が空気熱交換器の表面に残留することがなく、膨張水の熱を有効に利用でき、空気熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。
【００２３】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の熱交換回路において、膨張水が流れる配管を鉛直に設置したもので、環境温度が低い場合でも熱交換回路が氷結することなく膨張水を流すことができ、熱交換回路の効率低下を抑制できる。
【００２４】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか一つの発明の熱交換回路に至る膨張水が流れる配管の外周に断熱材を施したもので、熱交換回路に至る膨張水からの放熱を低減できるので、熱交換回路の効率低下を抑制できる。
【００２５】
第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか一つの発明の膨張水を、空気熱交換器で発生するドレン水を排出する排水管を通して排水するもので、外部への排水口が一つとなるため、設置時の排水口の受けを、膨張水用と空気熱交換器からのドレン用の２箇所設置する必要がなくなるため、施工性が向上する。
【００２６】
第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか一つの発明の空気熱交換器に空気を送る送風機を設け、熱交換回路を、前記送風機による風が当たらない様に設置したもので、熱交換回路からの放熱が低減できるので熱交換回路の効率低下を抑制できる。
【００２７】
第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか一つの発明のヒートポンプに臨界圧力以上に昇圧された冷媒を用いたもので、放熱器を流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器で熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり熱交換効率を高くできる。
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の回路図、図２は、同ヒートポンプ給湯機の空気熱交換器周辺の部品の配置を示す図である。
【００３０】
図１、２において、本実施の形態におけるヒートポンプ給湯機は、低温の湯水と高温の湯水とが層を成した状態で貯えられる貯湯タンク８と、その湯水を加熱する加熱源であるヒートポンプ１を備え、ヒートポンプ１によって貯湯タンク８の水を加熱して沸き上げて貯湯し給湯に利用する。また、貯湯タンク８などの水回りの部品で構成されているタンクユニット３０と、ヒートポンプ１は、一体の箱体（図示せず）に収納されている。
【００３１】
先ず、加熱源であるヒートポンプ１の構成について説明する。ヒートポンプ１は、冷媒を圧縮する圧縮機２と、冷媒を冷却する放熱器３と、冷媒を減圧する減圧手段４と、冷媒を蒸発気化する空気熱交換器５で構成されている。６は、空気熱交換器５に風を送るための送風機である。
【００３２】
このヒートポンプ１は、圧縮機２の吐出側より放熱器３を介して減圧手段４に接続し、さらに圧縮機２の吸入側に接続している。
【００３３】
また、このヒートポンプ１においては、冷媒として炭酸ガスが用いられており、圧縮機２によって圧縮された冷媒は、高温高圧の超臨界状態の冷媒として放熱器３に入り、ここで放熱して冷却する。その後、減圧手段４において減圧されて低温低圧の湿り蒸気となり、空気熱交換器５で大気と熱交換して蒸発気化し圧縮機２へ戻される。
【００３４】
このとき、図２に示すように、空気熱交換器５では冷媒（流れを実線矢印で示す）は分流器１７を通り分流される前に、後述の熱交換回路２６を流れる高温の膨張水（流れを破線矢印で示す）と熱交換し、冷媒を加熱する。その後、分流管２９で空気熱交換器５の各パスに分流されて、大気と熱交換してヘッダ１８に至る。
【００３５】
一方、湯の沸き上げに関するタンクユニット３０構成として、沸上げ管９は、貯湯タンク８の下部からヒートポンプ１の放熱器３と接続し、貯湯タンク８上部へ接続している。
【００３６】
沸上げ管９が接続されている貯湯タンク８の上部とは、湯水が貯湯タンク８の高温層側であればよく、また、貯湯タンク８の下部とは、湯水が貯湯タンク８の低温層側であればよい。貯湯タンク８からヒートポンプ１に湯水を送り貯湯タンク８に戻すために、沸上げ管９の途中に出力を任意に変化させることができる沸上げポンプ７を設けている。
【００３７】
また、ヒートポンプ１において、加熱する前の低湯水の温度を検知する入水温度センサー１５を、沸上げ管９の放熱器３入口側近傍に、加熱した高湯水の温度を検知する出湯温度センサー１６を沸上げ管９における放熱器３の出口近傍にそれぞれ設けている。
【００３８】
そして、貯湯タンク８の温度分布を把握するため、その外側壁面に垂直方向に上から順に貯湯温度検知手段１０ａ〜１０ｄが備えられている。
【００３９】
給湯に関する構成としては、貯湯タンク８の底部に給水源から給水を行う給水管１９が接続され、給水源からは減圧弁２０にて適度な圧力に減圧されて給水管１９に給水される。また、給水温度を検知するため給水温度センサー（図示せず）を備えている。貯湯タンク８上部には、貯湯された高温水を出湯し給湯に利用するための給湯管２１が接続され、その途中には給水管１９からの給水バイパス管２２が接続されている。また、給湯管２１からの高温水と給水バイパス管２２からの低湯水を任意の比率で混合可能な給湯用混合弁２３が設けられている。
【００４０】
給湯用混合弁２３の下流側には、混合された給湯温度を検知するために給湯温度センサー２５が設けられ、その先に蛇口やシャワーに代表される給湯端末２４が接続されている。
【００４１】
このように、ヒートポンプ１が運転され、タンクユニット３０では貯湯タンク８に湯が貯められてゆくと、貯湯タンク８内の低温の水が加熱されて高温の湯となるため、体積膨張が起こる。
【００４２】
水利用側機器の保護のため、貯湯タンク８の最上部に設置した圧力逃がし弁１１で、膨張した湯水である膨張水を外部に排出する必要があるが、本実施の形態では、膨張水を有効利用するため、圧力逃がし弁１１より排出した膨張水を、放熱を低減するため、外周に断熱材（図示せず）を施した断熱管１４に通して、膨張水と空気熱交換器５を流れる冷媒とが熱交換する熱交換回路２６へと導くようにしている。熱交換回路２６は、図２に示すように、空気熱交換器５の入り口部の冷媒と熱交換する様に配置している。なお、圧力逃がし弁１１は、貯湯タンク８の最上部に設置されているため、沸き上げた湯を断熱管１４を通して外部に排出することになる。
【００４３】
また、熱交換回路２６は、内部で膨張水が凍結して滞留することなく、膨張水がスムーズに流れるよう膨張水の流れに対し鉛直に設置されている。さらに、熱交換回路２６は、放熱を低減するため、送風機６による風が当たらない、つまり風路ではない部分に設置されている。そして、空気熱交換器５内の冷媒と熱交換して熱を吸収利用する、あるいは、除霜の熱源として利用するものである。
【００４４】
また、空気熱交換器５内の冷媒と熱交換回路２６で熱交換した膨張水は、空気熱交換器５から出るドレンを受けるドレン受け２７に排出され、ドレンとともに配水管２８を通して外部へ排出される。
【００４５】
この様に、熱交換回路２６により、膨張水の熱をドレンと共に外部へ排出する前に、空気熱交換器５でその有効な熱を吸収することで、膨張水が空気熱交換器５の表面に残留することなく膨張水の熱を利用でき、空気熱交換器５の熱交換効率を向上させることができる。
【００４６】
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の空気熱交換器周辺の部品の配置を示す図である。なお、上記第１の実施の形態と同一部品については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
図３において、空気熱交換器５では、冷媒（流れを実線矢印で示す）が分流器１７を通り分流され、分流管２９で空気熱交換器５の各パスに分流されて先に説明したように、大気と熱交換してヘッダ１８に至る。本実施の形態では、ヘッダ１８に熱交換回路２６を設け、熱交換回路２６を流れる高温の膨張水（流れを破線矢印で示す）と熱交換し、冷媒を加熱するようにしたものである。
【００４８】
以上のように、本実施の形態においても、熱交換回路２６により、膨張水の熱をドレンと共に外部へ排出する前に、空気熱交換器５でその有効な熱を吸収することで、膨張水が空気熱交換器５の表面に残留することなく膨張水の熱を利用でき、空気熱交換器５の熱交換効率を向上させることができる。
【００４９】
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の空気熱交換器周辺の部品の配置を示す図である。なお、上記実施の形態と同一部品については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００５０】
図４において、空気熱交換器５では、分流器１７で分流された冷媒（流れを実線矢印で示す）は、分流管２９を経て空気熱交換器５の各パスに分流されて先に説明したように、大気と熱交換してヘッダ１８に至る。本実施の形態は、空気熱交換器５の中間部分のターン部３１に熱交換回路２６を配し、熱交換回路２６を流れる高温の膨張水（流れを破線矢印で示す）と熱交換し、冷媒を加熱するようにしたものである。
【００５１】
この様に、熱交換回路２６により、膨張水の熱をドレンと共に外部へ排出する前に、空気熱交換器５でその有効な熱を吸収することで、膨張水が空気熱交換器５の表面に残留することなく膨張水の熱を利用でき、空気熱交換器５の熱交換効率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、貯湯タンクより排出される膨張水と空気熱交換器を流れる冷媒とを熱交換する熱交換回路により、膨張水が空気熱交換器の表面に残留することなく、膨張水の熱を有効に利用でき、空気熱交換器の熱交換効率を向上させ、運転効率の良いもので、業務用、家庭用各種ヒートポンプ給湯器に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の回路図
【図２】同ヒートポンプ給湯機の空気熱交換器周辺の部品の配置を示す図
【図３】本発明の実施の形態２におけるヒートポンプ給湯機の空気熱交換器周辺の部品の配置を示す図
【図４】本発明の実施の形態３におけるヒートポンプ給湯機の空気熱交換器周辺の部品の配置を示す図
【図５】従来のヒートポンプ給湯機の回路図
【符号の説明】
【００５４】
１  ヒートポンプ
２  圧縮機
３  放熱器
５  空気熱交換器
６  送風機
８  貯湯タンク
１８  ヘッダ
２６  熱交換回路
２８  排水管
３１  ターン部
【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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