(57)【要約】【課題】ヒートポンプ回路の蒸発器におけるファン動力を低減し、給湯機の成績係数を向上させる。【解決手段】圧縮機（１１）、凝縮器（１２）を含む圧縮機・凝縮器ユニット（１０）と、膨張弁（２１）、蒸発器（２２）を含む膨張弁・蒸発器ユニット（２０）とからなるヒートポンプ式給湯機（１）において、膨張弁・蒸発器ユニット（２０）は、蒸発器（２２）となる略垂直な第一冷媒管（３１）の最下部に膨張弁（２１）を設置し、膨張弁（２１）よりも凝縮器（１２）の側にある第二冷媒管（３２）を第一冷媒管（３１）と略平行にし、その膨張弁・蒸発器ユニット（２０）を、外円筒（４１）と閉上端を有する内円筒（４２）とからなる略垂直に配置した二重円筒（４０）の内部に収納し、内円筒（４２）の内部に外気を導通するための通気路（３４）を設置したことを特徴とする。【選択図】図１
2012102986.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１１）、および圧縮機（１１）により高圧高温となった冷媒（５０）により温水を作る凝縮器（加熱用熱交換器）（１２）を含む圧縮機・凝縮器ユニット（１０）と、
膨張弁（２１）、および膨張弁（２１）により低圧低温となった冷媒（５０）に空気から熱を吸収させる蒸発器（空気熱交換器）（２２）を含む膨張弁・蒸発器ユニット（２０）と、
前記各構成要素を結合する冷媒管（３０）からなり、
内部に冷媒（５０）を密封したヒートポンプ式給湯機（１）において、
前記膨張弁・蒸発器ユニット（２０）は、略垂直な第一冷媒管（３１）を含む前記蒸発器（２２）において、前記膨張弁（２１）を前記第一冷媒管（３１）の略最下部に設置し、また、前記膨張弁（２１）よりも凝縮器（１２）の側にある第二冷媒管（３２）の一部を前記第一冷媒管（３１）と略平行に、且つ、前記第二冷媒管（３２）の上端を前記第一冷媒管（３１）の上端と略同位置となるようにし、
前記膨張弁・蒸発器ユニット（２０）を、外円筒（４１）及び閉上端（４２１）を有する内円筒（４２）からなる略垂直に配置した二重円筒（４０）の内部に収納し、前記内円筒（４２）の上端付近に内円筒（４２）の内部に外気を導通するための通気路（３４）を外円筒（４１）と内円筒（４２）の間に設置したこと、を特徴とするヒートポンプ式給湯機（１）。
【請求項２】
前記外円筒（４１）の開上端（４１１）付近に、前記外円筒（４１）の内部の空気を外部に排気する上部ファン（４６）を取り付けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機（１）。
【請求項３】
前記外円筒（４１）の開下端（４１２）付近に、前記外円筒（４１）の内部の空気を外部に排気する下部ファン（４８）を取り付けたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気の温熱を効率的に吸収可能にした蒸発器を含むヒートポンプ式の給湯機に関する。
【背景技術】
【０００２】
給湯機における温水（湯）を作る手段として、近年、ヒートポンプが広く用いられるようになってきた。ヒートポンプは、通常、圧縮機、凝縮器（加熱用熱交換器）、膨張弁、蒸発器（空気熱交換器）及び配管並びにそれらに加圧封入される冷媒を含む閉回路により構成される。
【０００３】
ヒートポンプを給湯機に適用する際には、圧縮機にて冷媒を加圧して高圧高温な状態とし、凝縮器にて冷媒と間接接触する通過水と熱交換することで通過水を加熱し温水を作り出し、貯湯タンク又は給湯負荷に供給される。
一方、この温水を作る凝縮器における熱交換により熱を奪われ温度が低下した冷媒は、膨張弁に向かい、ここで冷媒を減圧膨張し、次に、通常は屋外に設置される蒸発器において冷媒は外気と熱交換し温熱を収得する（そして、冷媒は、再度、圧縮機に向かい、以降、このヒートポンプサイクルが繰り返されて温水が作られる）。
【０００４】
ここで、凝縮器と蒸発器においては、熱交換能力の向上とコンパクト化を図るため、前者においては、通過水の速度を高めるべくポンプ等による強制循環がなされ、後者においては、通風量を増加すべくファン等による強制通風がなされる。
【０００５】
しかし、蒸発器におけるファン動力は、ヒートポンプ式給湯機で消費されるエネルギーの中で、圧縮機動力に次ぐ量を消費している。そのため、給湯機の成績係数（ＣＯＰ）を向上するためには、ファン動力の低減が重要となる（また、ファンの稼働音は、当然、法定以下のレベルに抑制されているのだが、音に過敏な人から、なかんずく安価な夜間電力を用いて稼働する場合に、ファン稼働音に対して苦情を申し立てることもあるので、ファンの稼働時間を極力短くすることも重要である）。
【０００６】
そのため、外気の取り入れに都合の良いように、特許文献１では、ヒートポンプの構成要素のうち、圧縮機及び凝縮器を含む部分（これを「本体」といっている）と蒸発器及び膨張弁を含む部分（これを「室外機」といっている）を分離する構造のものが提案されている。
【０００７】
しかし、特許文献１では、本体と室外機の分離を提案するだけであり、室外機（特に、蒸発器）における積極的な機能向上を図ろうとするものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２５１５９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
そのため、蒸発器における効率向上、つまり、ファン動力の削減が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、発明者らは、この課題を解決すべく、次の構成の第１の発明をなした。
圧縮機（１１）、および圧縮機（１１）により高圧高温となった冷媒（５０）により温水を作る凝縮器（加熱用熱交換器）（１２）を含む圧縮機・凝縮器ユニット（１０）と、
膨張弁（２１）、および膨張弁（２１）により低圧低温となった冷媒（５０）に空気から熱を吸収させる蒸発器（空気熱交換器）（２２）を含む膨張弁・蒸発器ユニット（２０）と、
前記各構成要素を結合する冷媒管（３０）からなり、
内部に冷媒（５０）を密封したヒートポンプ式給湯機（１）において、
前記膨張弁・蒸発器ユニット（２０）は、略垂直な第一冷媒管（３１）を含む前記蒸発器（２２）において、前記膨張弁（２１）を前記第一冷媒管（３１）の略最下部に設置し、また、前記膨張弁（２１）よりも凝縮器（１２）の側にある第二冷媒管（３２）の一部を前記第一冷媒管（３１）と略平行に、且つ、前記第二冷媒管（３２）の上端を前記第一冷媒管（３１）の上端と略同位置となるようにし、
前記膨張弁・蒸発器ユニット（２０）を、外円筒（４１）及び閉上端（４２１）を有する内円筒（４２）からなる略垂直に配置した二重円筒（４０）の内部に収納し、前記内円筒（４２）の上端付近に内円筒（４２）の内部に外気を導通するための通気路（３４）を外円筒（４１）と内円筒（４２）の間に設置したこと、を特徴とするヒートポンプ式給湯機（１）。
【００１１】
更に、発明者らは、次の構成の第２の発明をなした。
前記外円筒（４１）の開上端（４１１）付近に、前記外円筒（４１）の内部の空気を外部に排気する上部ファン（４６）を取り付けたことを特徴とする第一の発明に係るヒートポンプ式給湯機（１）。
【００１２】
更に、発明者らは、次の構成の第３の発明をなした。
前記外円筒（４１）の開下端（４１２）付近に、前記外円筒（４１）の内部の空気を外部に排気する下部ファン（４８）を取り付けたことを特徴とする第一の発明に係るヒートポンプ式給湯機（１）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明により、ヒートポンプの蒸発器におけるファン動力を、太陽熱等を利用することにより低減し、給湯機の効率（ＣＯＰ）を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の全体構成の説明図である。
【図２】ヒートポンプ回路の蒸発器と膨張弁を収納する二重円筒の説明図である。
【図３】昼間における二重円筒による空気の流れの説明図である。
【図４】夜間における二重円筒による空気の流れの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１６】
図１は、本発明に係るヒートポンプ式給湯機１の全体構成を説明するものである。
給湯用の熱源となるヒートポンプ回路は、圧縮機１１、および圧縮機１１により高圧高温となった冷媒５０（図示せず）により湯を作る加熱用熱交換器（凝縮器）１２を含む圧縮機・凝縮器ユニット１０と、膨張弁２１、および膨張弁２１により低圧低温となった冷媒５０に空気から熱を吸収させる空気熱交換器（蒸発器）２２を含む膨張弁・蒸発器ユニット２０とに大きく分けられる。
【００１７】
上記で述べたヒートポンプ回路の各構成要素の間は、冷媒管３０（図１では特に明示しない）により接続される。また、ヒートポンプ回路の内部には冷媒５０（図示せず）を密封する。
【００１８】
膨張弁・蒸発器ユニット２０においては、蒸発器２２を略垂直な第一冷媒管３１にフィン２３を取り付けた構造とすると共に、膨張弁２１を蒸発器２２の最下部に取り付ける。フィン２３は、図１においては、従来からよく見られるアルミの薄板を多層に取付たものを示しているが、受風効率と通風性（風損抑制）を両立するため、螺旋状に構成するのが望ましい。また、膨張弁２１よりも加熱用熱交換器１２の側にある第二冷媒管３２の一部を第一冷媒管３１と略平行に、且つ、第二冷媒管３２の上端を第一冷媒管３１の上端と略同位置となるように近接させる。
【００１９】
ここで、第一冷媒管３１、第二冷媒管３２及び膨張弁２１を上記の縦型の構成とした理由の一つは、冷媒５０の相変化に伴う密度変化を利用して、冷媒５０による自然循環を起こさせるためである。つまり、ヒートポンプ回路内の冷媒５０は、気相状態にあるよりも、液相状態にあるものの方が密度は高い。そこで、この密度差により、液相状態の降下力（主に第二冷媒管３２にて発揮される）、気相状態の上昇力（主に第一冷媒管３１にて発揮される）を利用し、冷媒の自然循環を引き起こし、圧縮機１１の動力を低減するのである。
【００２０】
また、第一冷媒管３１と第二冷媒管３２の一部を略平行にして内円筒４２の内部に配置することの副次的効果として、第二冷媒管３２からの温熱対流により蒸発器２２（第一冷媒管３１）が予熱され（エコノマイザ効果）、蒸発器２２における受熱効率が若干向上することが期待できる。
【００２１】
更に、膨張弁・蒸発器ユニット２０を、外円筒４１と内円筒４２とからなる略垂直に配置した二重円筒４０の内部（内円筒４２の内部）に収納する。
【００２２】
図２にこの二重円筒４０のみを取り出した構造を示す。
外円筒４１は開上端４１１と開下端４１２を有し、また、内円筒４２は閉上端４２１と開下端４２２を有する。
内円筒４２の内部に収納した膨張弁・蒸発器ユニット２０と、その外部に設置した圧縮機・凝縮器ユニット１０との間は冷媒管３０により接続されるが、二重円筒４０においては、この冷媒管３０を導通させるために、連絡管３３を外円筒４１と内円筒４２の間に設ける。
【００２３】
この二重円筒４０の構造により、外円筒４１の外側の外空気層４３、外円筒４１と内円筒４２の間の中空気層４４、内円筒４２の内側の内空気層４５の空気の三層構造が形成されるが、中空気層４４は、後に述べる理由から、極力狭くするのが望ましい。そして、内円筒４２の下端部分は、下に行くほど広がった構造とすることで、内円筒の開下端４２２と外円筒４１の内面との間で僅かな隙間を形成させ、更に、下端部分に１個又は複数個の通気孔３５を設ける。
また、内円筒４２の上端部分に内円筒４２の内部に外気を導通するための通気路３４を外円筒４１と内円筒４２の間に１個又は複数個設置する（図２においては４つ設けている）。
【００２４】
なお、連絡管３３と通気路３４は、外円筒４１と内円筒４２の間を固定するスペーサ６０の役割も担うことになる。
【００２５】
太陽光による外円筒４１への受熱又は外円筒４１からの放熱等により、外空気層４３、中空気層４４及び内空気層４５の各層の空気密度に相違が生じ、各層の空気が下降又は上昇する、つまり、自然に通風が生じることとなる。
そして、内空気層４５におけるこの自然通風により、蒸発器２２における空気との熱交換の効率が向上されるものである。
【００２６】
ただし、この自然通風のみでは、蒸発器２２にあたる風量が不足する場合もあるので、二重円筒４０の上部及び／又は下部にファンを取り付けて、風量を確保することも必要となる。つまり、外円筒４１の開上端４１１の付近に、外円筒４１の内部の空気を外部に（上の方に）排気する上部ファン４６を取付け及び／又は外円筒４１の開下端４１２の付近に、外円筒４１の内部の空気を外部に（下の方に）排気する下部ファン４８を取り付ける。また、上部ファン４６も下部ファン４８も、自然通風の通路に置かれることから、ファンの羽根の枚数や大きさは、ファンの通過抵抗を可能な限り少なく（小さく）できる形状が望ましい。なお、下部ファン４８を外円筒４１の開下端４１２の付近に固定するためのスペーサ６０も、自然通風の阻害とならないように上下方向に断面積の小さい板状や細い棒状の物にするのが望ましい。
【００２７】
更に、外円筒４１は金属等の熱伝導率の高い材質で造られ、外表面は、受熱及び放熱の効率化のため、極力吸収率が１００％に近く、放射率は０％に近く、黒色系のものが望ましい。その外表面にフィン（図示せず）を設けてもよい。
【００２８】
以下、具体的に、この二重円筒４０による効果を説明する。
図３は、昼間における二重円筒４０による各空気層の流れを説明するものである。
【００２９】
図３（ａ）は天気が晴の場合であり、日射が外円筒４１に降り注ぎ、外円筒４１の温度が高くなり、これにより、外空気層４３と中空気層４４にある空気は熱せられ、密度が低下することから、この二つの層には上昇気流が発生する。そして、中空気層４４に発生する上昇気流により中空気層４４は負圧となり、また、内円筒の開下端４２２と外円筒４１の内面とは僅かな隙間しかないことから、内空気層４５の空気の殆どが中空気層４４の方に引っ張られる。そして、内空気層４５には、通気路３４を介して外気が入ってきて、内空気層には下降気流が発生する。ここで、前述した中空気層４４を狭くする理由は、この負圧の効果を大きくするためである。また、上昇気流の発生する中空気層４４と下降気流の発生する内空気層４５は、空気の向きが逆、つまり、内円筒４２を間に挟んで対向流となり、熱せられた中空気層４４の空気の熱が内空気層４５の空気に効率的に熱伝達され、内円筒４２の内部に設置された蒸発器２２での温熱吸収の効率も向上する。
また、この場合は、上部ファン４６も下部ファン４８も稼働は不要である（つまり、ファン動力の削減が実現できる）。
【００３０】
図３（ｂ）（ｃ）は曇り又は雨の場合であり、（ｂ）は夏期、（ｃ）は冬期である。いずれも、外円筒４１に日射が充分に降り注がない場合である。
【００３１】
図３（ｂ）では、外空気層４３と中空気層４４に卓越した上昇気流の発生が期待できない。そのため、上部ファン４６を稼働させ、中空気層４４に充分な上昇気流を発生させ、これにより、図３（ａ）の場合と同様に、内空気層４５に下降気流を発生させる。
なお、図３（ａ）と（ｂ）では、二重円筒４０の上空に風がある場合には、気流誘因効果（いわゆる煙突効果）により、中空気層４４における上昇気流はより強いものとなる。
【００３２】
図３（ｃ）では、外円筒４１からの放熱が大きくないので、外空気層４３と中空気層４４で卓越した下降気流の発生が期待できない。そのため、下部ファン４８を稼働させ、内空気層４５に下降気流を発生させる。ここで、中空気層４４は狭くしていること、更には、内円筒の開下端４２２と外円筒４１の内面との間には僅かな隙間しかないこととから、下部ファン４８の駆動により、中空気層４４を通過する風量は少なく、外円筒の開下端４１２から外部に排出される風量の殆どは、通気路３４から内空気層４５に入り込んだ外気となる（つまり、内空気層４５で下降気流が生じることになる）。
【００３３】
次に、図４にて、夜間における二重円筒４０による各空気層の流れを説明する。図４（ａ）は夏期、（ｂ）は冬期の場合である。
【００３４】
図４（ａ）は、図３（ｃ）の場合に類似しており、外円筒４１からの放熱が大きくないので、外空気層４３と中空気層４４で卓越した下降気流の発生が期待できない。そのため、下部ファン４８を稼働させ、内空気層４５に下降気流を発生させるものである。
【００３５】
また、図４（ｂ）は、外円筒４１からの放熱が大きく、外空気層４３と中空気層４４にある空気は冷却され、密度が高くなることから、この二つの層には下降気流が発生する。そして、中空気層４４に発生する下降気流により内空気層４５の空気も下向きに引っ張られ、内空気層４５には下降気流が発生する。
そして、この場合は、上部ファン４６も下部ファン４８も稼働は不要であり、ファン動力の削減が実現できる。
【００３６】
なお、上部ファン４６又は下部ファン４８の稼働、不稼働の判断は、以下のとおりである。
つまり、外円筒４１の表面温度が一定温度範囲に収まる場合には、上部ファン４６又は下部ファン４８のどちらが有効となるかを判断する。そして、その判断に基づき、蒸発器２２の出口における冷媒温度が一定温度範囲から外れる場合に、上部ファン４６又は下部ファン４８の稼働を開始する。ファンの稼働後、蒸発器２２の出口における冷媒温度が一定温度範囲に収まるようになった場合は、上部ファン４６又は下部ファン４８の稼働を徐々に減らしていく。また、この方法には、ファンの発停の他にインバータ等による回転数制御が挙げられる。結果として、騒音・振動抑制、運転エネルギーの削減を図ることができる。
【００３７】
更に、膨張弁・蒸発器ユニット２０及び二重円筒４０は、各々１つに限ることはなく、例えば、図１において、圧縮機・凝縮器ユニット１０と膨張弁・蒸発器ユニット２０の間に並列に、別の膨張弁・蒸発器ユニットと二重円筒４０を設けてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…ヒートポンプ式給湯機、
１０…圧縮機・凝縮器ユニット、
１１…圧縮機、
１２…凝縮器（加熱用熱交換器）、
２０…膨張弁・蒸発器ユニット、
２１…膨張弁、
２２…蒸発器（空気熱交換器）、
２３…フィン、
３０…冷媒管、
３１…第一冷媒管、
３２…第二冷媒管、
３３…連絡管、
３４…通気路、
３５…通気孔、
４０…二重円筒、
４１…外円筒、
４２…内円筒、
４３…外空気層、
４４…中空気層、
４５…内空気層、
４６…上部ファン、
４７…上部ファン用モータ、
４８…下部ファン、
４９…下部ファン用モータ、
５０…冷媒、
６０…スペーサ、
７０…屋根、
２００…貯湯タンク、
２０１…給水配管、
２０２…給湯配管、
４１１…外円筒の開上端、
４１２…外円筒の開下端、
４２１…内円筒の閉上端、
４２２…内円筒の開下端
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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