(57)【要約】【課題】タンク内に熱交換器を収納した貯湯式給湯装置において、タンク内での熱交換の効率を向上させる。【解決手段】空気用熱交換器２１と、当該空気用熱交換器２１を用いて加熱させた冷媒を圧縮するコンプレッサー２２と、当該コンプレッサー２２によって圧縮・加熱された冷媒と水との間で熱交換させる水用熱交換器２３と、当該水用熱交換器２３で加熱された水を貯留するタンク３とを備えてなる貯湯式給湯装置１において、前記タンク３内に水用熱交換器２３を収容し、当該水用熱交換器２３とタンク３内に水とを直接接触させてタンク３内の水を加熱させる。また、このタンク３内の水を加熱させる場合、磁性を用いた撹拌手段４によって撹拌部材４１を回転させ、タンク３内の水を撹拌させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気用熱交換器と、当該空気用熱交換器を用いて加熱させた冷媒を圧縮するコンプレッサーと、当該コンプレッサーによって圧縮・加熱された冷媒と水との間で熱交換させる水用熱交換器と、当該水用熱交換器で加熱された水を貯留するタンクとを備えてなる貯湯式給湯装置において、
前記タンク内に水用熱交換器を収容し、当該水用熱交換器とタンク内に水とを直接接触させてタンク内の水を加熱させるようにしたことを特徴とする貯湯式給湯装置。
【請求項２】
前記タンク内の水を撹拌させる撹拌手段を設けた請求項１に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項３】
前記撹拌手段が、タンク外から磁力を用いてタンク内の撹拌部材を撹拌させるように構成されるものである請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
【請求項４】
前記撹拌手段が、タンク内の水を対流させる撹拌羽根で構成されたものである請求項２に記載の貯湯式給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器を用いて加熱された水を貯留する貯湯式給湯装置に関するものであり、より詳しくは、装置全体をコンパクトに構成できるようにした貯湯式給湯装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の貯湯式給湯装置の一般的構造を図６に示す。図６において、符号５は、ヒートポンプユニットであり、空気用熱交換器５１、コンプレッサー５２、水加熱用の熱交換器５３、膨張弁５４などによって構成されている。また、符号６は、タンクユニットであって、タンク６１や循環ポンプ６２等によって構成されている。このような貯湯式給湯装置を用いて水を加熱する場合、まず、ヒートポンプユニット５の空気用熱交換器５１を用いて大気の熱を取り込んでＣＯ２冷媒を加熱し、その加熱されたＣＯ２冷媒をコンプレッサー５２で圧縮して更に加熱させる。そして、その圧縮・加熱されたＣＯ２冷媒を水加熱用の熱交換器５３まで循環させて水を加熱し、タンク６１内に貯留する。一方、水加熱用の熱交換器５３で熱交換されたＣＯ２冷媒については、膨張弁５４で膨張させ、低温に冷却した状態で、再び空気用熱交換器５１まで循環させる（特許文献１）。このような装置を用いれば、ヒートポンプ技術を利用して、空気の熱で湯を沸かすことができるというメリットがある。
【０００３】
ところで、このような貯湯式給湯装置では、水加熱用の熱交換器で水を加熱してタンクまで循環させるようにしているため、装置が大掛かりなものになるばかりでなく、また、熱交換器からタンクまでの途中で熱が冷めてしまう可能性がある。
【０００４】
そこで、下記の特許文献２には、水加熱用の熱交換器をタンク内に設けてそこで水を加熱させるようにしたものも提案されている。この装置は、図７に示すように、水加熱用の熱交換器５３をタンク６１内に収納したものであって、そのタンク６１内に、潜熱蓄熱材６３として、所定温度以上で液化し、また、所定温度未満で固化する物質を封入するようにしたものである。この潜熱蓄熱材６３を用いて水を加熱する場合は、コンプレッサー５２で加熱させたＣＯ２冷媒を用いて潜熱蓄熱材６３を加熱し、その加熱された潜熱蓄熱材６３を用いて水を加熱させるようにしている。このような装置を用いれば、タンク６１内に水加熱用の熱交換器５３を収納しているため、装置全体をコンパクトなものにすることができるというメリットがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３２２７６５１号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２３５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このようにタンク内に熱交換器を収納して水を加熱させるような装置では、次のような問題を生じる。
【０００７】
すなわち、上記特許文献２のように、タンク６１内の潜熱蓄熱材６３を介して水を加熱させる場合、中間媒体である潜熱蓄熱材６３によって熱交換に損失を生じてしまい、熱交換の効率が悪くなってしまう。また、ＣＯ２冷媒を用いて潜熱蓄熱材６３を加熱させる場合は、そのＣＯ２冷媒が流れるパイプ近傍において潜熱蓄熱材６３を加熱させることはできるものの、水が循環しているパイプ近傍については高温に加熱させることができない。しかも、水の循環しているパイプ近傍の潜熱蓄熱材６３については、熱交換による冷却によって潜熱蓄熱材６３が固化されてしまうため、加熱された潜熱蓄熱材６３をパイプの周囲に流すことができないといった問題も生ずる。
【０００８】
そこで、本発明は、上記課題に着目してなされたもので、タンク内に熱交換器を収納した貯湯式給湯装置において、タンク内での熱交換の効率を向上させるようにした貯湯式給湯装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、空気用熱交換器と、当該空気用熱交換器を用いて加熱させた冷媒を圧縮するコンプレッサーと、当該コンプレッサーによって圧縮・加熱された冷媒と水との間で熱交換させる水用熱交換器と、当該水用熱交換器で加熱された水を貯留するタンクとを備えてなる貯湯式給湯装置において、前記タンク内に水用熱交換器を収容し、当該水用熱交換器とタンク内に水とを直接接触させてタンク内の水を加熱させるようにしたものである。
【００１０】
このように構成すれば、タンク内に水用熱交換器を収容しているため、装置全体をコンパクトなものにすることができるとともに、タンク内の水用熱交換器で直接水に接するようにすることができるため、熱交換の損失を防止することができるようになる。
【００１１】
また、このような発明において、好ましくは、前記タンク内の水を撹拌させる撹拌手段を設けるようにする。
【００１２】
このように構成すれば、水用熱交換器の表面に新たな水を供給することができるため、熱交換の効率を向上させることができるようになる。
【００１３】
さらには、このような撹拌手段を設ける場合において、タンク外から磁力を用いてタンク内の撹拌部材を撹拌させるように構成する。
【００１４】
このようにすれば、タンクに孔を空けて外から撹拌羽根を挿入するなどといった複雑な機構を設ける必要がなくなり、タンクを封止した状態で水を撹拌させることができるようになる。
【００１５】
また、撹拌手段を設ける場合、タンク内の水を対流させる撹拌羽根で構成することもできる。
【００１６】
このようにすれば、タンク内の水を対流させることで、上層部分にのみ熱い水が溜まってしまうことを防止することができ、全体的に効率よく水を加熱させることができるようになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、空気用熱交換器と、当該空気用熱交換器を用いて加熱させた冷媒を圧縮するコンプレッサーと、当該コンプレッサーによって圧縮・加熱された冷媒と水との間で熱交換させる水用熱交換器と、当該水用熱交換器で加熱された水を貯留するタンクとを備えてなる貯湯式給湯装置において、前記タンク内に水用熱交換器を収容し、当該水用熱交換器とタンク内に水とを直接接触させてタンク内の水を加熱させるようにしたので、装置全体をコンパクトなものにすることができるとともに、タンク内の水用熱交換器を直接水に接するようにすることで、熱交換の損失を防止することができる。また、タンク内の水を撹拌させる撹拌手段を設けるようにしたので、水用熱交換器の表面に新たな水を供給することができ、熱交換の効率を向上させることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態を示す貯湯式給湯装置の概略図
【図２】同実施の形態におけるタンク内の水用熱交換器を示す図
【図３】他の実施の形態におけるタンク内の水用熱交換器を示す図
【図４】同実施の形態におけるタンクの撹拌手段を示す図
【図５】他の実施の形態におけるタンクの撹拌手段を示す図
【図６】従来例における一般的な貯湯式給湯装置の概略図
【図７】従来例における水用熱交換器をタンク内に収納した給湯装置を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。この実施の形態における貯湯式給湯装置１は、図１に示すように、ヒートポンプサイクルを構成するヒートポンプユニット２と、このヒートポンプユニット２を用いて加熱された水を貯留するタンク３とを備えてなるもので、特徴的には、そのヒートポンプユニット２を構成する水用熱交換器２３をタンク３内に収納させて、タンク３内の水を直接加熱させ、かつ、タンク３内の水を撹拌手段４で撹拌させることによって、タンク３内の水を水用熱交換器２３に接触させるようにしたものである。以下、本実施の形態における貯湯式給湯装置１の構成について詳細に説明する。
【００２０】
まず、ヒートポンプユニット２は、図１に示すように、空気用熱交換器２１、コンプレッサー２２、水用熱交換器２３、膨張弁２４、およびこれらを繋ぐ冷媒配管２５などを備えて構成されている。このうち、空気用熱交換器２１は、外気ファンによる送風を受けて冷媒配管２５内の冷媒を外気温度近くの温度に設定できるようにしたもので、一般的に、細い伝熱管やフィンなどによって構成されるものである。
【００２１】
また、コンプレッサー２２は、内蔵するモーターなどによって駆動されるもので、ＣＯ２冷媒を臨界圧力以上に圧縮し、その圧縮によってＣＯ２冷媒を高温に加熱させるようにしている。
【００２２】
水用熱交換器２３は、このコンプレッサー２２によって加熱されたＣＯ２冷媒によってタンク３内の水を加熱させるようにしたもので、図２に示すように、ＣＯ２冷媒を通すヘッダ２３３や折り返し側のヘッダ２３４、これらヘッダ２３３、２３４に取り付けられる複数本の細い伝熱管２３１、これら伝熱管２３１に直交するように取り付けられる複数枚の薄いフィン２３２などによって構成されている。なお、ここでは、複数本の伝熱管２３１やフィン２３２によって水用熱交換器２３を構成しているが、ＣＯ２冷媒を通す伝熱管２３１と水との接触面積を大きく確保できるような構成であれば、例えば、一本の細い伝熱管２３１を蛇行させた形状のものや、渦巻状、螺旋状に巻き付けた形状のものなど、多種多様のものを用いることができる。
【００２３】
膨張弁２４は、水用熱交換器２３と空気用熱交換器２１との間に設けられるもので、水用熱交換器２３による熱交換によって冷却されたＣＯ２冷媒を減圧して冷却し、空気用熱交換器２１まで循環させる。
【００２４】
このように構成されたヒートポンプユニット２の作用について説明する。
【００２５】
まず、空気用熱交換器２１で大気温度近くに設定されたＣＯ２冷媒をコンプレッサー２２で圧縮し、高温にまで加熱させる。そして、この高温に加熱させたＣＯ２冷媒を水用熱交換器２３まで循環させ、そこで、伝熱管２３１やフィン２３２などを用いて低温の水を加熱させる。このとき、ＣＯ２冷媒については、水との熱交換によって冷却されることになる。
【００２６】
次に、このような熱交換によって冷却されたＣＯ２冷媒を膨張弁２４まで循環させ、そこで減圧させて冷却させる。そして、その冷却されたＣＯ２冷媒をさらに空気用熱交換器２１まで循環させて大気温度まで加熱させる。
【００２７】
このような構成において、本実施の形態では、特徴的には、水を貯留するタンク３内に水用熱交換器２３を収納してタンク３内の水を直接加熱させるように構成している。
【００２８】
このタンク３は、水を貯留することのできる有底円筒形状をなすもので、冷水を注入する注水管３１や、加熱された水を排出する排水管３２などが取り付けられている。また、このタンク３内には、ヒートポンプユニット２の水用熱交換器２３を収納しており、その水用熱交換器２３にタンク３内の水を接触させて加熱させるようにしている。
【００２９】
ところで、このようにタンク３内の水に水用熱交換器２３を接触させる場合、タンク３内の水が静止状態であると、水用熱交換器２３の近傍に熱境界層が形成されて、その熱境界層外の領域では水を加熱させることができなくなってしまう。そこで、この発明においては、タンク３内の水を撹拌させる撹拌手段４を設けるようにしている。
【００３０】
この撹拌手段４としては、図１に示すように、円筒状のタンク３の内部に鉄や磁石などの磁性体からなる撹拌部材４１を設けるとともに、これに対応して、タンク３の外周部もしくは底面部分にその撹拌部材４１を駆動させる駆動部４２を設けるようにしている。この駆動部４２は、モーターなどによって撹拌部材４１をタンク３の内面に沿って回転させるようになっており、これによってタンク３内の水を撹拌させるようにしている。また、撹拌部材４１としては、円筒状タンク３の中心軸に沿って回転する棒状のものを用いるようにする。このような構成において、駆動部４２を回転させると、タンク３内に設けられた撹拌部材４１が磁力によって回転し、これに伴ってタンク３内の水を回転させることができる。すると、これによってタンク３内に流れが誘引され、その水を水用熱交換器２３に接触させて熱交換させることができる。なお、図１においては、撹拌手段４として、起立する棒状の部材を設けてタンク３内の水を回転させるようにしたが、図４に示すように、タンク３の底面中央に羽根状の部材を設けておき、これを外部の駆動部４２を用いて磁性によって回転させる方法や、図５に示すように、タンク３内のボール状の磁性体（撹拌部材４１）を設けておき、これを外部の駆動部４２を用いて回転させるようにする方法を用いるようにしてもよい。特に、羽根状の撹拌部材４１を回転させた場合は、タンク３内の水を対流させることができ、上層部分にのみ高温の水が溜まってしまうようなことを防止することができる。なお、羽根状の撹拌部材４１を用いて上昇流を形成する場合、折り返しヘッダ２３４が存在すると、そこで上昇流が遮断されてしまうため、図４においては、伝熱管２３１をＵ字状に屈曲させて反対側のヘッダ２３３に接続させるようにしている。
【００３１】
また、このように水用熱交換器２３に流水を接触させる場合は、その回転する水を効率よく水用熱交換器２３に接触させる必要があるため、図１に示すように、撹拌部材４１に干渉しないほぼ全ての領域に水用熱交換器２３を設けておくようにする。あるいは、図３に示すように、その水用熱交換器２３を円筒状タンク３の中心軸からずれた位置に配置しておき、これによって回転する水に水用熱交換器２３を接触させるようにすることもできる。前者のように（図１のように）ほぼ全ての領域に水用熱交換器２３を設けるようにすれば、瞬時に水を加熱させることができるというメリットがある一方、後者のように（図３のように）中心からずれた位置に水用熱交換器２３を設けるようにすれば、水用熱交換器２３の占める領域を小さくすることで、タンク３内の水容量を大きくすることができるというメリットを得ることができる。
【００３２】
また、このような水用熱交換器２３を用いて水を加熱させる場合、タンク３内の水だけでなく、注水管３１から注入されてきた冷水を瞬時に加熱させる必要がある。そこで、タンク３内の水を回転させる場合は、図３に示すように、その注水管３１の水排出口を水用熱交換器２３の上流側に設けるようにしておき、注水管３１からの冷水をすぐ水用熱交換器２３に接触させるようにしておく。このように注水管３１を水用熱交換器２３の上流に設ける場合は、注水管３１をタンク３の上部から下部に至るまで設けておき、その注水管３１の側面に複数の孔部３１１を設けて、そこから冷水を水用熱交換器２３の上流側から排出させるようにする。
【００３３】
このように構成されたタンク３内の水を加熱させる場合について説明すると、まず、ヒートポンプユニット２によって水用熱交換器２３を加熱させるとともに、注水管３１から水をタンク３内に供給する。そして、撹拌手段４の駆動部４２を駆動させて、タンク３内の撹拌部材４１を回転させる。すると、その撹拌部材４１の回転に伴ってタンク３内の水が回転し、タンク３内の水や注水管３１からの水が水用熱交換器２３の伝熱管２３１やフィン２３２に接触し、この接触によって水が加熱される。そして、その加熱させた水を排水管３２を通して外部に排出させる。
【００３４】
このように上記実施の形態によれば、空気用熱交換器２１と、当該空気用熱交換器２１を用いて加熱させた冷媒を圧縮するコンプレッサー２２と、当該コンプレッサー２２によって圧縮・加熱された冷媒と水との間で熱交換させる水用熱交換器２３と、当該水用熱交換器２３で加熱された水を貯留するタンク３とを備えてなる貯湯式給湯装置１において、前記タンク３内に水用熱交換器２３を収容し、当該水用熱交換器２３とタンク３内に水とを直接接触させてタンク３内の水を加熱させるようにしたので、装置全体をコンパクトなものにすることができるとともに、タンク３内の水用熱交換器２３で直接水に接するようにすることで、熱交換の損失を防止することができるようになる。
【００３５】
また、タンク３内の水を撹拌させる撹拌手段４を設けるようにしたので、水用熱交換器２３の表面に新たな水を供給することができ、熱交換の効率を向上させることができるようになる。
【００３６】
さらには、このような撹拌手段４を設ける場合において、タンク３外から磁力を用いてタンク３内の撹拌部材４１を撹拌させるように構成すれば、タンク３に孔などを空けて撹拌羽根などを挿入する必要がなくなり、タンク３を封止した状態でタンク３内の水を撹拌させることができるようになる。
【００３７】
加えて、撹拌手段４を設ける場合、タンク３内の水を対流させる撹拌羽根で構成すれば、上層部分にのみ熱い水が溜まってしまうことを防止することができ、全体的に効率よく水を加熱させることができるようになる。
【００３８】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。
【００３９】
例えば、上記実施の形態では、タンク３を有底円筒形状として撹拌部材４１をその内面に沿って回転させるようにしたが、タンク３は有底の矩形筒状として、その内部で撹拌部材４１を回転させるようにしてもよい。
【００４０】
また、上記実施の形態では、タンク３内の水を撹拌させる場合、磁性によって撹拌部材４１を回転させるようにしたが、磁性以外の方法（例えば、モーターなど）でタンク３内の水を撹拌させるようにすることもできる。
【００４１】
さらに、上記実施の形態では、撹拌手段４として撹拌部材４１を回転させるようにしているが、タンク３内の水用熱交換器２３を回転させることによってタンク３内の水を撹拌させてもよく、あるいは、タンク３自身を回転させるようにしてもよい。ただし、タンク３自身を回転させる場合、タンク３が円筒状であると内部の水を撹拌させることができないため、タンク３の内面にフィンなどの突起を設けておき、この突起によってタンク３内の水を撹拌させるようにするとよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、電力を利用して湯を貯留しておく分野に使用され、特に、設置スペースが確保できない場所や、蛇口を開いて直ぐにお湯が必要となる場所などに使用される。具体的には、洗面所や台所、トイレの手洗場などの狭い収納空間に設置する場合に好適に使用することができ、蛇口を開くことによって瞬時にお湯を排出することができるようになる。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・貯湯式給湯装置
２・・・ヒートポンプユニット
２１・・・空気用熱交換器
２２・・・コンプレッサー
２３・・・水用熱交換器
２３１・・・伝熱管
２３２・・・フィン
２４・・・膨張弁
２５・・・冷媒配管
３・・・タンク
３１・・・注水管
３２・・・排水管
４・・・撹拌手段
４１・・・撹拌部材
４２・・・駆動部
【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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【図６】
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【図７】
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