(57)【要約】【課題】ヒートポンプ式給湯装置を小型化して集合住宅のパイプスペースに設置することを可能にする。【解決手段】吸熱器１６と蓄熱手段２８をいずれかが上になるよう上下に配置し、筐体４２の背面と少なくとも片側面を通流して送風手段１８により吸引される空気が吸熱器１６を通過するように構成したものである。これによって、大量の空気が筐体４２に流入して吸熱器１６を通過するため、十分なヒートポンプ加熱能力を得ながらも、特に装置の横幅を小さくできる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸熱器を含むヒートポンプサイクルと、送風手段と、前記ヒートポンプサイクルにより加熱された水を貯留する蓄熱手段と、これらを収納する筐体とを備え、前記吸熱器と前記蓄熱手段のいずれかが上になるよう上下に配置し、前記筐体の背面と少なくとも片側面を通流して前記送風手段により吸引される空気が前記吸熱器を通過するように構成したヒートポンプ式給湯装置。
【請求項２】
吸熱器を含むヒートポンプサイクルと、送風手段と、前記ヒートポンプサイクルにより加熱された水を貯留する蓄熱手段と、これらを収納する筐体とを備え、前記吸熱器と前記蓄熱手段のいずれかが上になるよう上下に配置し、前記吸熱器近傍の筐体の奥行を前記蓄熱手段近傍の筐体の奥行よりも小さくしたヒートポンプ式給湯装置。
【請求項３】
吸熱器を蓄熱手段の上方に配置した請求項１〜２のいずれか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項４】
吸熱器の水平断面をＵ字型に形成した請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項５】
ヒートポンプサイクルを構成する放熱器の冷媒流路と水流路との間で熱交換を行う熱交換器と、熱交換器に水道水を供給する給水管と、前記熱交換器および蓄熱手段よりそれぞれ出水する水を混合する混合手段を備えた請求項１〜４のいずれか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
【請求項６】
ヒートポンプサイクルは、放熱器に流入する冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルである請求項１〜５のいずれか１項記載のヒートポンプ式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプサイクルにより水を加熱するヒートポンプ式給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のヒートポンプ式給湯装置は、特開平７−９８１５６号公報に記載されているようなものが一般的であった。このヒートポンプ式給湯装置を図３に示す。１は貯湯タンクである。圧縮機２、放熱器３、減圧手段（図示せず）、吸熱器４でヒートポンプサイクルを形成している。５は吸熱器に空気を供給する送風手段である。６は注水管、７は出水管である。
【０００３】
放熱器３の放熱により貯湯タンク１の水が加熱される。貯湯タンク１の上部に圧縮機２、吸熱器４、送風手段５を配置し、装置の小型化を図っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−９８１５６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のヒートポンプ式給湯装置は、高層マンション等の集合住宅における給水配管、排水配管等を配置するパイプスペースに収納することを目的としておらず、パイプスペースに収納できる程度に装置を小型化するための構成は開示されていなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、吸熱器と蓄熱手段のいずれかが上になるよう上下に配置し、筐体の背面と少なくとも片側面を通流して送風手段により吸引される空気が前記吸熱器を通過するように構成したものである。これによって、大量の空気が筐体に流入して吸熱器を通過するため、十分なヒートポンプ加熱能力を得ながらも、特に装置の横幅を小さくでき、装置をパイプスペースに収納することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、吸熱器を含むヒートポンプサイクルと、送風手段と、前記ヒートポンプサイクルにより加熱された水を貯留する蓄熱手段と、これらを収納する筐体とを備え、前記吸熱器と前記蓄熱手段のいずれかが上になるよう上下に配置し、前記筐体の背面と少なくとも片側面を通流して前記送風手段により吸引される空気が前記吸熱器を通過するように構成している。
【０００８】
そして、筐体が小さくても大量の空気が筐体に流入して吸熱器を通過するため、十分なヒートポンプ加熱能力を得ながらも、特に装置の横幅を小さくでき、装置をパイプスペースに収納することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、吸熱器を含むヒートポンプサイクルと、送風手段と、前記ヒートポンプサイクルにより加熱された水を貯留する蓄熱手段と、これらを収納する筐体とを備え、前記吸熱器と前記蓄熱手段をいずれかが上になるよう上下に配置し、前記吸熱器近傍の筐体の奥行を前記蓄熱手段近傍の筐体の奥行よりも小さくしている。
【００１０】
そして吸熱器近傍の背面に空間が形成されるため、抵抗なく空気が背面より筐体に流入する。よって送風手段の送風能力を低く抑えることでき、騒音を抑制できる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１〜２に記載の発明において、吸熱器を蓄熱手段の上方に配置している。
【００１２】
そして、重い蓄熱手段を筐体の下方に配置することにより、装置の重心が低くなり、安定的に設置できる。また蓄熱手段を上方配置する場合と比較して筐体の強度補強を簡略化でき、装置を軽量化できる。さらに吸熱器を筐体の上方に配置することにより、筐体より排出された雰囲気空気より密度の大きい低温度空気の吸引を最小限に抑制でき、長時間運転してもヒートポンプの加熱能力を維持することができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３に記載の発明において、吸熱器の水平断面をＵ字型に形成している。
【００１４】
そして、吸熱器の面積を大きく確保することができ、ヒートポンプ加熱能力を大きくできる。また側面、背面に対向してそれぞれ吸熱器を独立させる必要がなく、これらを一体化できるため、冷媒流路を簡素にできる。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４に記載の発明において、ヒートポンプサイクルを構成する放熱器の冷媒流路と水流路との間で熱交換を行う熱交換器と、熱交換器に水道水を供給する給水管と、前記熱交換器および蓄熱手段よりそれぞれ出水する水を混合する混合手段を備えている。
【００１６】
そして、水道水を熱交換器で加熱して給湯端末より長時間連続出水できるため、蓄熱手段の蓄熱量を小さくつまり蓄熱手段を小型化でき、装置をさらに小型化できる。またヒートポンプサイクルで加熱した水を直接使用するため、水の加熱温度が低くてすみ、ＣＯＰを大きくでき、省エネルギー化できる。さらに蓄熱手段の貯留水と熱交換器の出水とを混合するため、ヒートポンプ起動時における熱交換器の加熱遅れをカバーし、所望温度、流量にて給湯端末から連続出水できる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５に記載の発明において、ヒートポンプサイクルは、放熱器に流入する冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしている。
【００１８】
そして、放熱器に流入する冷媒の圧力が臨界圧力以上に加圧されているので、熱交換器の水流路の流水により冷媒が熱を奪われて温度低下しても凝縮することがなく、熱交換器全域で冷媒と水との温度差を大きくできる。これにより、熱交換器から効率よく高温出水できるとともに、蓄熱手段の蓄熱密度を大きくして、蓄熱手段を小型化でき、装置をさらに小型化できる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１はヒートポンプ式給湯装置の吸熱器、蓄熱手段の配置を示す斜視図、図２はヒートポンプ式給湯装置の構成模式図である。
【００２１】
図１および２において、１１はヒートポンプサイクルで、圧縮機１２、保温用放熱器１３、放熱器１４、減圧手段１５、吸熱器１６が冷媒流路１７により閉回路に接続されている。吸熱器１６はいわゆるフィン・チューブ式の熱交換器としている。１８は吸熱器１６に空気を通流させるための送風手段であり、プロペラ式のファンとしている。このヒートポンプサイクル１１は、例えば炭酸ガスを冷媒として使用し、高圧側すなわち保温用放熱器１３、放熱器１４に流入する冷媒の圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。１９は放熱器冷媒流路２０と熱交換を行う水流路２１を備えた熱交換器である。熱交換器１９は、放熱器冷媒流路２０の流れ方向と水流路２１の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。
【００２２】
水道水を熱交換器１９に直接供給するため給水管２２により上水管（図示せず）と熱交換器１９を接続している。シャワー２３や蛇口２４等より成る給湯端末２５は給湯回路２６により熱交換器１９と接続されている。給湯回路２６の上流部の上流給湯回路２７と並列に、給湯回路２６の流水を溜める蓄熱手段２８が接続されている。蓄熱手段２８は水を貯留する貯留タンクとしており、下端に入口管２９と、上端に出口管３０を接続している。また蓄熱手段２８は下部に保温用放熱器１３を内蔵して、断熱材３１により覆われている。給湯回路２６は分岐部３２より上流給湯回路２７と入口管２９に分岐し、合流部３３で上流給湯回路２７と出口管３０が合流する。この合流部３３に混合手段３４が設けられている。
【００２３】
給水管２２には、給湯回路２６の流量を検出する流量検知手段３５と、熱交換器１９への給水温度を検出する水温検知手段３６が設けられている。そして給湯回路２６には出湯温度を検出する湯温検知手段３７が設けられている。また蓄熱手段２８の上部には蓄熱手段２８内の湯温を検出する貯留温度検知手段３８が設けられている。３９は気温を検出する気温検知手段である。４０は給湯の目標温度を設定する温度設定手段で、使用者が任意に温度を設定する。
【００２４】
４１は制御手段で、流量検知手段３５、水温検知手段３６、湯温検知手段３７、貯留温度検知手段３８、気温検知手段３９、温度設定手段４０の情報に基づいて圧縮機１２、減圧手段１５、送風手段１８、混合手段３４をそれぞれ制御する。
【００２５】
シャワー２３、蛇口２４等の給湯端末２５以外の上記説明したものは、筐体４２に収納される。筐体４２は吸熱器１６、送風手段１８を収納した上方筐体４２ａと、それ以外を収納した下方筐体４２ｂで構成される。図１においては、図面簡略化のため、圧縮機１２、吸熱器１６、送風手段１８、蓄熱手段２８、熱交換器１９のみを図示している。吸熱器１６は水平方向の断面をＵ字型とし、Ｕ字の開口面を正面に向けて配置している。またＵ字の開口面に送風手段１８を対向配置している。上方筐体４２ａの両側面に側面吸気口４３を設け、背面に背面吸気口４４を設け、正面に排気口４５を設けている。上方筐体４２ａ、下方筐体４２ｂの正面側は同一平面上にあるが、上方筐体の奥行Ｄ１は下方筐体の奥行Ｄ２よりも小さくしている。
【００２６】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。給湯端末２５が開かれると給水管２２から水道水が流れ込み始める。これを流量検知手段３５が検知し制御手段４１に信号が送られ、圧縮機１２の運転が開始される。流量検知手段３５、水温検知手段３６、湯温検知手段３７、気温検出手段３９、温度設定手段４０の情報を基に制御手段４１は圧縮機１２の回転数、減圧手段１５の弁開度、送風手段１８の送風能力を制御する。
【００２７】
圧縮機１２は内蔵する電動モータ（図示しない）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力以上圧縮して吐出し、保温用放熱器１３と放熱器１４に流入する冷媒の圧力は臨界圧力以上となっている。保温用放熱器１３と放熱器１４において冷媒は蓄熱手段２８の水と熱交換器１９の水へそれぞれ放熱して水を加熱する。放熱器冷媒流路２０の流れ方向と水流路２１の流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。この構成により放熱器冷媒流路２０と水流路２１の伝熱が均一化する。また保温用放熱器１３と放熱器１４に流入する冷媒の圧力は臨界圧力以上に加圧されているので、冷媒が水に放熱して温度低下しても凝縮することがなく、冷媒と水との温度差が大きくできるため、効率良く冷媒から水へ放熱される。
【００２８】
放熱器１４から流出した冷媒は減圧手段１５で減圧されて吸熱器１６に流入する。送風手段１８に取り付けられた電動モータ（図示せず）により送風手段１８を駆動し、両側面の側面吸気口４３、背面吸気口４４より空気を吸入する。この空気は吸熱器１６を通流し、吸熱器１６において冷媒が空気より吸熱して蒸発ガス化する。吸熱器１６通流後の空気は送風手段１８に吸引されて、排気口４５より排出される。吸熱器１６を流出したガス状の冷媒は圧縮機１２に吸引される。
【００２９】
ここで背面吸気口４４と少なくとも片側面に設けた側面吸気口４３により、筐体４２が小さくても大量の空気が筐体４２に流入して吸熱器１６を通過する。また吸熱器を配置した上方筐体４２ａの奥行Ｄ１は下方筐体の奥行Ｄ２よりも小さくしており、下方筐体４２ｂの背面を壁に密着配置しても上方筐体４２ａの背面には空間が形成され、抵抗なく空気が背面より上方筐体４２ａに流入する。さらに吸熱器１６を上方筐体４２ａに配置することにより、排気口４５より排出された雰囲気空気より密度の大きい低温度空気の吸引が最小限に抑制される。さらにまた吸熱器１６の水平断面をＵ字型にしたため、吸熱器１６の面積は大きく確保されている。
【００３０】
ヒートポンプサイクル１１が冷え切った状態の場合、圧縮機１２が運転されてもサイクル全体の圧力および温度が定常状態に達していないために、熱交換器１９からは給水温度に近い水が出てしまう。そこで制御手段４１は混合手段３４を制御して、湯温検知手段３７の検知する出湯温度を温度設定手段４０で設定された目標温度に近付けるよう、熱交換器１９より出水する水と蓄熱手段２８より出水する水の混合割合を制御する。例えば、制御手段４１は給湯開始後の所定時間（例えば３分間）は混合手段３４の混合割合を例えば１：１として設定する。ここで、給水温度５℃、貯留温度８０℃として、熱交換器１９からの出口温度がまだ５℃とすると、混合手段３４の出口温度は（８０℃＋５℃）／２で、４２．５℃の出湯温度となる。なお、蓄熱手段２８の必要な大きさは以下のようしてに求められる。例えば給水温度５℃で目標温度４２℃とし、１０Ｌ／ｍｉｎで給湯するものとした場合で、目標温度の出湯までに３分間の遅れがあるとすると、不足熱量は
（（４２℃―５℃）×１０Ｌ／ｍｉｎ×３ｍｉｎ×４．１８６）＝４６４６ｋＪ
となる。これを８０℃の蓄熱手段２８で補う場合は
４６４６ｋＪ／（４．１８６×（８０℃―５℃））＝１４．８Ｌ
の容量となる。したがって１５Ｌ以上の容量が望ましい。
【００３１】
圧縮機１２の起動から時間が経過するにつれ、熱交換器１９の出口温度の徐々に上昇するが、蓄熱手段２８内の貯留温度は入口管２９から給水温度に近い冷水が流入することにより、蓄熱手段２８の出口温度は逆に徐々に低下する。したがって混合手段３４の出口温度は、それぞれの流水が混合されて給湯の目標温度（例えば４２℃）に近い温度を維持することができる。以上のように混合手段３４を設けたことにより、給湯開始直後に蓄熱手段２８からの湯を利用することによって、熱交換器１９からの出湯遅れを補うことができる。
【００３２】
そして、ヒートポンプサイクル１１の圧力、温度が安定すると、混合手段３４の混合割合を上流給湯回路２７すなわち熱交換器１９主体に切換える。大能力出湯（例えば風呂に湯を満たすとき）が必要な場合は、蓄熱手段２８の湯を加算する。引き続き圧縮機１２から吐出される高温高圧の冷媒ガスは保温用放熱器１３および放熱器１４へ流入し、蓄熱手段２８の水を加熱しつつ、熱交換器１９を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は上流給湯回路２７、給湯回路２６を経て給湯端末２５から出湯する。高温度（例えば８０℃）で貯留した湯のみを用いる従来のヒートポンプ式給湯装置に比べて、ヒートポンプサイクル１１で加熱する水の温度が低温度（例えば４２℃）であるので、放熱器１４における冷媒圧力を低くでき、いわゆるＣＯＰも大きくできる。
【００３３】
次に給湯停止中の動作について説明する。蓄熱手段２８は断熱材３１で覆われているが、貯留温度は放熱により徐々に低下する。これを貯留温度検知手段３８により検知し、貯留温度が下限温度（例えば７５℃）より下がれば圧縮機１２を低速で回転制御して、保温用放熱器１３により蓄熱手段２８内の水を加熱して温度を上昇させる。このとき、放熱器１４も加熱されるが、水流路２１に水の流れがないので、熱交換器１９が温まれば、それ以上熱を奪われなくなる。そして貯留温度が所定温度（例えば８０℃）を超えたら圧縮機１２の運転を停止する。このように蓄熱手段２８の温度を所定温度近くに保つように保温運転する。
【００３４】
以上説明したように、吸熱器１６と蓄熱手段２８をいずれかが上になるように上下に配置し、筐体４２の背面吸気口４４と側面吸気口４３を通流して送風手段１８により吸引される空気が吸熱器１６を通過することにより、十分なヒートポンプ加熱能力を得ながらも、特に筐体４２の横幅を小さくでき、装置をパイプスペースに収納することができる。
【００３５】
また吸熱器１６を収納した上方筐体４２ａの奥行Ｄ１を下方筐体４２ｂの奥行Ｄ２よりも小さくすることにより、吸熱器１６の背面に空間を形成している。よって、抵抗なく空気が背面より筐体４２ａに流入し、送風手段の駆動回転数を低く抑えることでき、騒音を抑制できる。
【００３６】
また吸熱器１６を蓄熱手段２８の上方に、水貯留時に重くなる蓄熱手段２８を下方に配置することにより、装置の重心が低くなり、安定的に設置できる。また蓄熱手段２８を上方配置する場合と比較して筐体４２の強度補強を簡略化でき、装置を軽量化できる。さらに筐体４２より排出された雰囲気空気より密度の大きい低温度空気の吸引を最小限に抑制でき、長時間運転してもヒートポンプの加熱能力を維持することができる。
【００３７】
また吸熱器１６の水平断面をＵ字型に形成していることにより、吸熱器１６の面積を大きく確保することができ、ヒートポンプ加熱能力を大きくできる。また側面、背面に対向してそれぞれ吸熱器を独立させる必要がなく、これらを一体化できるため、冷媒流路１７を簡素にできる。
【００３８】
また熱交換器１９に水道水を供給する給水管２２と、熱交換器１９および蓄熱手段２８よりそれぞれ出水する水を混合する混合手段３４を備えている。これにより、水道水を熱交換器１９で加熱して給湯端末２５より長時間連続出水できるため、蓄熱手段２８の蓄熱量を小さくつまり蓄熱手段２８を小型化でき、装置をさらに小型化できる。またヒートポンプサイクルで加熱した水を直接使用するため、水の加熱温度が低くてすみ、ＣＯＰを大きくでき、省エネルギー化できる。さらに蓄熱手段２８の貯留水と熱交換器１９の出水とを混合するため、ヒートポンプ起動時における熱交換器１９の加熱遅れをカバーし、所望温度、流量にて給湯端末２５から連続出水できる。
【００３９】
また放熱器１４に流入する冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしていることにより、蓄熱手段２８の水や熱交換器１９の水流路２１の流水により冷媒が熱を奪われて温度低下しても凝縮することがなく、冷媒と水との温度差を大きくできる。これにより、蓄熱手段２８の水を高温に加熱し蓄熱密度を大きくして、蓄熱手段２８を小型化でき、装置をさらに小型化できる。また、熱交換器から効率よく高温出水できる。
【００４０】
なお本実施例では保温用放熱器１３を蓄熱手段２８内部に設けたが、蓄熱手段２８の外周に保温用放熱器１３を巻きつけて外周に密着させた構成としてもよい。また、蓄熱手段２８の保温を保温用放熱器１３ではなく、電気ヒータによって行っても良い。
【００４１】
またヒートポンプサイクルを、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプサイクルとしたが、もちろん一般の臨界圧力以下のヒートポンプサイクルでもよい。
【００４２】
また、混合手段３４は給湯開始時に経過時間と混合温度に応じて混合割合を変更するように制御したが、この混合手段３４を蓄熱手段２８からの出水と熱交換器１９からの出水を切換える切換え手段としてもよい。この場合は、蓄熱手段２８の貯留温度は給湯の目標温度に設定し、熱交換器１９からの出口温度が目標温度近くまで上昇したら、蓄熱手段２８から熱交換器１９側に流れを切換えるように制御する。この構成によれば混合手段３４より切換え手段の方が機構および制御が簡単になり、低コスト化に向く。
【００４３】
また、熱交換器１９で水道水を直接加熱して出湯させていたが、熱交換器１９を廃して蓄熱手段２８の水にのみ放熱し蓄熱手段２８の水のみ給湯端末２５で利用することもできる。
【００４４】
また、給湯回路２６において熱交換器１９と蓄熱手段２８を並列に接続していたが、熱交換器１９の下流側に蓄熱手段２８を直列に接続し、蓄熱手段２８の水と水道水を混合手段で混合させて給湯端末２５で利用することもできる。
【００４５】
また、上方筐体４２ａ、下方筐体４２ｂは四角柱としたが、この形状に限定されるものではない。例えば円柱とし、吸熱器１６を収納した上方筐体４２ａの奥行を蓄熱手段２８を収納した下方筐体４２ｂの奥行よりも小さくするとともに、上方筐体４２ａの正面側以外に吸気口を設けてもよい。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のヒートポンプ式給湯装置は、十分なヒートポンプ加熱能力を得ながらも、特に筐体の横幅を小さくでき、装置をパイプスペースに収納することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ヒートポンプ式給湯装置の吸熱器、蓄熱手段の配置を示す斜視図
【図２】ヒートポンプ式給湯装置の構成模式図
【図３】従来のヒートポンプ式給湯装置の要部断面図
【符号の説明】
１１  ヒートポンプサイクル
１４  放熱器
１６  吸熱器
１８  送風手段
１９  熱交換器
２０  放熱器冷媒流路
２１  水流路
２２  給水管
２８  蓄熱手段
３４  混合手段
【図１】
2004176992.tif 000003
【図２】
2004176992.tif 000004
【図３】
2004176992.tif 000005