(57)【要約】      （修正有）【課題】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。【解決手段】ヒートポンプ式給湯器の空気熱交換器は、回転駆動手段３２、回転駆動手段によって回転する永久磁石３１ｂ、及び、永久磁石の近傍に設置された導電体とからなる永久磁石式の加熱器を備える。永久磁石の回転によって導電体に発生した渦電流によって生じるジュール熱で、導電体を加熱する。従って、導電体に接触した外気及び／又は冷媒を加熱する。外気温の低下、ＣＯＰの低下時に、空気熱交換器の永久磁石式の加熱器を稼働させて、外気及び／又は冷媒を加熱する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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って、
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。
【請求項２】
請求項１に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項３】
請求項２に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項４】
請求項２に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項５】
請求項３又は４に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項６】
請求項３又は４に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項７】
請求項１に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項８】
請求項７に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項９】
請求項７に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項１０】
請求項７に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項１１】
請求項７に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項１２】
請求項７又は８に記載のヒートポンプ用熱交換器において、
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。
【請求項１３】
請求項１から１２の中から選択される１項に記載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って、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００３−２２２３９１号公報
【特許文献２】特開平５−７１７６９号公報
【特許文献３】特開２００５−８３７１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
〔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。
【発明の効果】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態であるヒートポンプ式給湯器１の概要を図示した概念図である。
【図２】図２は、円筒型の永久磁石式の加熱器を採用した空気熱交換器１５の概念図である。
【図３】図３は、ヒートポンプ式給湯器１の空気熱交換器１５の断面図で、図３（ａ）はその長手方向の断面図で、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図４は、ヒートポンプ式給湯器１の制御ユニット７が各デバイスを制する概要を図示したブロック図である。
【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態の空気熱交換器１５０の概要を図示した概念図である。
【図６】図６は、空気熱交換器１５０の永久磁石１３１ｂの配置例を示す概念図である。
【図７】図７は、空気熱交換器１５０の冷媒管１３０ｂの例を示す概念図である。
【図８】図８は、本発明の第３の実施の形態の給湯システムを示す概念図である。
【図９】図９は、本発明の第３の実施の形態の給湯システムの制御ユニット２１４が各デバイスを制御する概要を図示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
〔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。
【００２９】
〔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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
〔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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
〔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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
〔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。
【００５８】
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。
【００５９】
〔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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
〔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。
【００８０】
〔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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
〔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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
〔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。
【００９４】
〔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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１０】
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。
【符号の説明】
【０１１１】
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
【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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【図６】
2012002388.tif 000008
【図７】
2012002388.tif 000009
【図８】
2012002388.tif 000010
【図９】
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