(57)【要約】【課題】簡易な制御で、且つ高効率な加熱運転が可能なヒートポンプ及びヒートポンプ給湯装置を提供する。【解決手段】圧縮手段１、放熱器２、絞り手段３、蒸発器４を順次接続して閉回路を形成し、運転中の前記放熱器２内の冷媒の圧力が該冷媒の臨界圧力を超える蒸気圧縮式のヒートポンプにおいて、前記放熱器２は管内を冷媒流路とする伝熱管２ａ、２ｂ、２ｃから構成され、前記伝熱管の少なくとも一部分に当該部分から前記伝熱管の他の部分への熱伝達を防止する熱損失低減手段５を設けた。これにより、放熱器２おける冷媒から被加熱物への放熱量を確保し、放熱器２出口における冷媒の温度及び比エンタルピを低く維持することができ、蒸発器４における冷媒の吸熱量も維持できるので、高効率なヒートポンプ運転を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮手段、放熱器、絞り手段、蒸発器を順次接続して閉回路を形成し、運転中の前記放熱器内の冷媒の圧力が該冷媒の臨界圧力を超える蒸気圧縮式のヒートポンプにおいて、
前記放熱器は管内を冷媒流路とする伝熱管から構成され、前記伝熱管の少なくとも一部分に当該部分から前記伝熱管の他の部分への熱伝達を防止する熱損失低減手段を設けたことを特徴とするヒートポンプ。
【請求項２】
前記放熱器は、該放熱器における冷媒流路全長の略中央部に設けられた折返し部と、互いに略並行し且つ流れ方向が対向する上流側伝熱管及び下流側伝熱管とを備え、前記上流側伝熱管と前記下流側伝熱管の外面間の少なくとも一部分に前記上流側伝熱管から前記下流側伝熱管への熱伝達を防止する熱損失低減手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ。
【請求項３】
前記熱損失低減手段として、前記伝熱管の外面に密着する発泡系樹脂断熱材を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項２何れか一項記載のヒートポンプ。
【請求項４】
前記熱損失低減手段として、前記伝熱管相互の間隔を所定の範囲内に維持する伝熱管保持部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３何れか一項記載のヒートポンプ。
【請求項５】
水を貯える貯湯タンクを備え、前記放熱器の前記伝熱管は前記貯湯タンクの内部に挿入配置され、前記伝熱管内の冷媒と前記貯湯タンク内の水との間で熱交換を行うように構成されたことを特徴とする請求項１乃至請求項４何れか一項記載のヒートポンプを用いたヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二酸化炭素を冷媒とした蒸気圧縮式のヒートポンプに関する。更に詳しくは、給湯に用いられるヒートポンプ及び該ヒートポンプを用いたヒートポンプ給湯装置に関する。  
【背景技術】
【０００２】
従来より、圧縮機、放熱器、絞り手段、蒸発器を備え、冷媒として二酸化炭素を用いた蒸気圧縮式ヒートポンプが知られている。そして、この種のヒートポンプは、給湯加熱用として一般に利用されている（例えば、特許文献１）。当該ヒートポンプを用いた従来技術の給湯装置では、貯湯タンクと、貯湯タンク内の水を取り出してヒートポンプにより加熱して貯湯タンクへと戻す循環加熱経路を備えている。即ち、貯湯タンクの下方から冷水を取り出し、循環ポンプによりヒートポンプの放熱器へと冷水を流し、圧縮機によって高温高圧に圧縮された冷媒と熱交換させて水を加熱し、当該加熱され高温になった水（湯）を貯湯タンクへと戻す構成としている。
【０００３】
この種の二酸化炭素を冷媒としたヒートポンプのサイクルは、高圧サイドにおいて冷媒の圧力が臨界圧力を超える、所謂遷臨界サイクルとなる。このような遷臨界サイクルでは、放熱器において冷媒は凝縮せず、放熱するとともに温度が低下する。そのため、貯湯タンクの下方から取り出した低温の水と、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒とを、放熱器において、対向流的に熱交換させることにより、低温の水を高温に加熱する給湯用途において高効率な加熱が可能となる。
【０００４】
また、前述の循環加熱経路を削除して、代わりに放熱器を貯湯タンクの内部に設け、放熱器を流れる冷媒と貯湯タンク内に貯えられている水とで直接熱交換をさせる試みがなされている（例えば、特許文献２）。このよな構成にすることで、循環水経路を流れる水の流量制御が不要になると共に、循環加熱経路に水を流すための循環ポンプの消費電力が不要になり、また、循環加熱経路を流れる水が凍結する問題が解消されるという効果が期待できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２４３２７４号公報
【特許文献２】特開２００６−１５３３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述の遷臨界サイクルでは、放熱器において冷媒は凝縮せず、放熱するとともに該温度が低下する。そのため、放熱器内で冷媒の凝縮を伴うフルオロカーボン系冷媒を用いたヒートポンプサイクルに比べて、放熱器の冷媒流路上流側の冷媒温度と下流側の冷媒温度との差が大きくなる。即ち、高圧サイドにおける冷媒の放熱過程で冷媒の凝縮を伴うフルオロカーボン系冷媒を用いたヒートポンプサイクルでは、放熱器を流れる冷媒は温度一定の下、凝縮して放熱するので、放熱器内部の冷媒の温度差は小さいが、前述の遷臨界サイクルでは、放熱するに従って冷媒温度が低下するので、放熱器内部の冷媒温度差が大きい。
【０００７】
このように遷臨界サイクルでは、放熱器内部の冷媒温度差が大きいので、例えば放熱器を構成する上流側の冷媒管と下流側の冷媒管が相互に接触したり、冷媒管の間隔が狭い場合には、冷媒管間での熱伝達が生じ、放熱器上流側の冷媒から下流側の冷媒へと熱が移動する。そして、放熱器上流側の冷媒の熱が放熱器下流側へと伝達されると、放熱器出口の冷媒温度が高くなると共に比エンタルピが大きくなり、その結果、絞り手段を通過して蒸発器へと流れる冷媒の比エンタルピが大きくなり、ヒートポンプの吸熱量及び放熱量が減少し、ヒートポンプの効率が著しく低下するという問題が生ずる。
【０００８】
特に、前述の特許文献２記載の従来技術のように、ヒートポンプの放熱器を貯湯タンクの内部に設ける場合には、冷媒と水との熱交換が必ずしも対向流的にならないので、放熱器の上流側の冷媒の熱が貯湯タンク内の水へと伝達され、該水を介して放熱器下流側の冷媒へと再伝達するとう問題も生ずる。その結果、放熱器出口の冷媒温度が上昇し、蒸発器へと流れる冷媒の比エンタルピが大きくなり、ヒートポンプの能力と効率が著しく低下してしまう。
【０００９】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、簡易な制御で、且つ高効率な加熱運転が可能なヒートポンプ及びヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１発明のヒートポンプは、圧縮手段、放熱器、絞り手段、蒸発器を順次接続して閉回路を形成し、運転中の前記放熱器内の冷媒の圧力が該冷媒の臨界圧力を超える蒸気圧縮式のヒートポンプにおいて、前記放熱器は管内を冷媒流路とする伝熱管から構成され、前記伝熱管の少なくとも一部分に当該部分から前記伝熱管の他の部分への熱伝達を防止する熱損失低減手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
第２発明のヒートポンプは、第１発明のヒートポンプにおいて、前記放熱器は、該放熱器における冷媒流路全長の略中央部に設けられた折返し部と、互いに略並行し且つ流れ方向が対向する上流側伝熱管及び下流側伝熱管とを備え、前記上流側伝熱管と前記下流側伝熱管の外面間の少なくとも一部分に前記上流側伝熱管から前記下流側伝熱管への熱伝達を防止する熱損失低減手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
第３発明のヒートポンプは、第１発明乃至第２発明何れか一発明のヒートポンプにおいて、前記熱損失低減手段として、前記伝熱管の外面に密着する発泡系樹脂断熱材を備えたことを特徴とする。
【００１３】
第４発明のヒートポンプは、第１発明乃至第３発明何れか一発明のヒートポンプにおいて、前記熱損失低減手段として、前記伝熱管相互の間隔を所定の範囲内に維持する伝熱管保持部材を備えたことを特徴とする。
【００１４】
第５発明のヒートポンプ給湯装置は、第１発明乃至第４発明何れか一発明のヒートポンプと、水を貯える貯湯タンクとを備え、前記放熱器の前記伝熱管は前記貯湯タンクの内部に挿入配置され、前記伝熱管内の冷媒と前記貯湯タンク内の水との間で熱交換を行うように構成されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
第１発明のヒートポンプによれば、該放熱器は管内を冷媒流路とする伝熱管から構成され、前記伝熱管の少なくとも一部分に当該部分から前記伝熱管の他の部分への熱伝達を防止する熱損失低減手段を設けたので、放熱器上流側の冷媒から放熱器下流側の冷媒へと熱が伝達することによるヒートポンプの性能低下を防止することができる。即ち、前記熱損失低減手段を備えることによって、放熱器上流側の冷媒から放熱器下流側の冷媒へと熱が伝達することによる放熱器出口における冷媒の温度及び比エンタルピの上昇と、ヒートポンプの放熱量及び吸熱量の減少を防止することができる。その結果、放熱器おける冷媒から被加熱物への放熱量を確保し、放熱器出口における冷媒の温度及び比エンタルピを低く維持することができ、蒸発器における冷媒の吸熱量も維持できるので、高効率なヒートポンプ運転を行うことが可能となる。
【００１６】
第２発明のヒートポンプによれば、前記放熱器は、該放熱器における冷媒流路全長の略中央部に設けられた折返し部と、互いに略並行し且つ流れ方向が対向する上流側伝熱管及び下流側伝熱管とを備え、前記上流側伝熱管と前記下流側伝熱管の外面間の少なくとも一部分に前記上流側伝熱管から前記下流側伝熱管への熱伝達を防止する熱損失低減手段を設けたので、放熱器上流側の冷媒から放熱器下流側の冷媒へと熱が伝達することによるヒートポンプの性能低下を防止することができると共に、放熱器の加工、組立てを容易に行うことができる。また、被加熱物を収容する容器等へ放熱器を設置する場合、本発明の放熱器は、該放熱器における冷媒流路全長の略中央部に設けられた折返し部と、互いに略並行し且つ流れ方向が対向する上流側伝熱管及び下流側伝熱管とから成るので、比較的小径の穴から容易に挿入配置することが可能である。
【００１７】
第３発明のヒートポンプによれば、前記熱損失低減手段として、前記伝熱管の外面に密着する発泡系樹脂断熱材を備えたので、前記熱損失低減手段の加工及び取付けを容易に行うことができる。
【００１８】
第４発明のヒートポンプによれば、前記熱損失低減手段として、前記伝熱管相互の間隔を所定の範囲内に維持する伝熱管保持部材を備えたので、伝熱管相互の接触を防止することができ、伝熱管外面が互いに接触することによる熱移動を防止できる。また、伝熱管間に所定の間隙を設けたので、上流側伝熱管から被加熱物へ伝達された熱が下流側伝熱管内の冷媒へと再伝達されることを防止することができる。
【００１９】
第５発明のヒートポンプ給湯装置によれば、水を貯える貯湯タンクを備え、前記放熱器の前記伝熱管は前記貯湯タンクの内部に挿入配置され、前記伝熱管内の冷媒と前記貯湯タンク内の水との間で熱交換を行うように構成されたので、貯湯タンク内の水を取出して加熱した後に貯湯タンクへと戻す循環加熱経路や加熱用循環ポンプが不要になる。そのため、循環ポンプの消費電力が無くなり、循環加熱経路を流れる水の流量制御が不要になり、循環加熱経路内部の水が凍結することを防止する手段も不要になる。特に、本発明のヒートポンプ給湯装置では、放熱器上流側の冷媒から放熱器下流側の冷媒へと熱が伝達することを防止する熱損失低減手段を設けたので、放熱器を貯湯タンク内部に備える構成において、放熱器出口の冷媒温度及び比エンタルピを低く維持することが可能となり、ヒートポンプの放熱量及び吸熱量を増大させ、高効率な運転を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係る放熱器の構造を示す説明図である。
【図３】本発明のヒートポンプサイクルを示した温度・エンタルピ線図である。
【図４】本発明の実施形態に係る放熱器の曲げ形状例を示す外観図である。
【図５】本発明の実施形態に係る貯湯タンクの構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る放熱器の構造を示す説明図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る伝熱管保持部材の構造を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態に係るヒートポンプ及びヒートポンプ給湯装置を図面に基づき詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施形態に係るヒートポンプ給湯装置の概略構成図である。本実施形態に係るヒートポンプ給湯装置は、ヒートポンプ１０と貯湯タンク２０から構成される。
【００２３】
ヒートポンプ１０は、圧縮手段としての圧縮機１、放熱器２、絞り手段としての膨張弁３、蒸発器４を備え、前記各要素を順番に冷媒が流通するように冷媒配管で順次接続された閉回路（冷媒回路）を形成している。ヒートポンプ１０を構成する圧縮機１、膨張弁３、蒸発器４は、一の筐体に収納されユニット化されており（ヒートポンプユニット１０ａ）、他方、放熱器２は、ヒートポンプユニット１０ａの外部に設けられている。そして、ヒートポンプ１０には、冷媒として二酸化炭素（Ｒ７４４）が封入されている。尚、通常、ヒートポンプ１０と貯湯タンク２０は、後述する方法により給湯装置を設置する現場において接続されるが、ヒートポンプ１０への冷媒封入は工場において行われ、ヒートポンプ１０は、冷媒が封入された状態で工場から出荷される。
【００２４】
圧縮機１は、低圧の冷媒を高圧の状態に圧縮するためのものである。本実施形態に係るヒートポンプでは、冷媒として二酸化炭素を用いているので、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力は冷媒の臨界圧力を超える。圧縮機１は、一段目圧縮要素１ａと二段目圧縮要素１ｂとを備えるロータリー式の二段圧縮式である。二段圧縮式を採用することで、各段の圧縮要素の圧力比を小さくすることができ、高効率に冷媒を高圧力まで圧縮できるという利点を有する。尚、圧縮機１としては、他の公知の圧縮機、例えば、スクロール式や往復式、スクリュー式等の圧縮機を用いることもできる。
【００２５】
放熱器２は、冷媒と被加熱物である水との間で熱交換を行うための熱交換器である。放熱器２内部での冷媒圧力は臨界圧力を超えるので、放熱器２はガスクーラとして作用する。即ち、放熱器２の冷媒流路内部で冷媒は凝縮せず、水に対して放熱して冷却されるに従ってその温度が低下する。放熱器２の構造を図２に示す。本実施形態の放熱器２は、管内を冷媒流路とする1本の伝熱管（全長は約１０ｍで、外径は約５ｍｍ）から成り、該伝熱管の略中央部分、即ち全長の約１／２となる部分は、略Ｕ字形状に折り曲げられた折返し部２ｃを形成している。折返し部２ｃの上流側となる上流側伝熱管２ａと、下流側となる下流側伝熱管２ｂは、略並行し、且つ互いに冷媒の流れ方向が対向するように構成されている。
【００２６】
そして、放熱器２の冷媒入口部と冷媒出口部付近には、放熱器２を保持し、貯湯タンク２０へと固定するための固定金具７を備えている。また、放熱器２を構成する伝熱管は、図２（ｂ）に示す通り、二重管構造をしている。内管２ａＩ、２ｂＩの内側が冷媒流路であり、外管２ａＯ、２ｂＯの外側が水側である。内管２ａＩ、２ｂＩと外管２ａＯ、２ｂＯの間隙は、貯湯タンク２０の外側において、外気側と連通している。これにより、内管２ａＩ、２ｂＩが破損する等の事故が発生したとしても、冷媒や冷凍機油が貯湯タンク２０内に侵入するすることを防止することができる。
【００２７】
放熱器２の伝熱管は、焼きなまし銅管であり、ヒートポンプ１０を出荷する時点、即ち少なくとも貯湯タンク２０に挿入する前は、可撓性を有している。そして、ヒートポンプ１０を出荷する際、放熱器２の伝熱管形状はコイル状に巻かれている。これにより、ヒートポンプ１０の出荷搬送や、貯湯タンク２０への放熱器２の組み付けを容易に行うことができる。即ち、給湯装置を設置する現場において、コイル状に巻かれた放熱器２の伝熱管を貯湯タンク２０に挿入しやすいように適度に伸ばし、貯湯タンク２０の放熱器挿入口２３から貯湯タンク２０の内部に容易に挿入することができる。尚、貯湯タンク２０内部に挿入された後の放熱器２の伝熱管の全体形状としては、直線形状に限らず、図４（ａ）のような螺旋状や、図４（ｂ）のような蛇行状など、任意の曲げ形状で良い。この場合も、上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂは、略並行した状態になっている。
【００２８】
放熱器２の上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂとの間には、熱損失低減手段としての断熱材５が伝熱管２ａ、２ｂに密着するように配置されている。断熱材５は、発泡樹脂系の断熱材であり、例えば、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリオレフィン（ＰＰ、ＰＥ）、クロロプレン（ＣＲ）、シリコン（ＳＩ）等を材料とした発泡素材を採用し得る。また、断熱材５は、適度に圧縮された状態で伝熱管２ａと２ｂの間隙に挿入されており、弾性反発力により各伝熱管の外表面に密着している。このように、断熱材５を運転中に高温となる上流側伝熱管２ａと低温となる下流側伝熱管２ｂの間に密着挿入することにより、伝熱管２ａ、２ｂ間での熱の移動を阻止できるので、ヒートポンプの高効率な運転が可能となる。
【００２９】
また、必要に応じて、断熱材５を伝熱管２ａ又は２ｂ何れか一方の表面に接着材で接着固定しても良い。断熱材５を一方の伝熱管表面に接着することで、放熱器２の組立て加工を非常に容易に行えると共に、断熱材５のズレを防止することができ、熱損失低減効果を更に高めることができる。尚、伝熱管２ａと２ｂの両方の管表面に断熱材５を接着することも可能である。また更に、断熱材５を挟み込んだ後の伝熱管２ａ、２ｂを、外側から、所謂結束バンド等で締め付け固定することもできる。これらの方法により、断熱材５のズレや脱落を防止することができるので、放熱器２の加工組立てが容易になり、また、放熱器２を貯湯タンク２０へ組み込む作業も容易に行うことができると共に、断熱材５の熱損失低減効果を確実に発揮することができるようになる。
【００３０】
尚、本実施形態に係る放熱器２は、断熱材５を、固定金具７に近い部分、即ち伝熱管２ａ、２ｂの温度差が大きい部分にのみ設けるようにしている。このように、断熱材５を伝熱管２ａ、２ｂの全体に設けなくても十分にその熱損失低減効果が期待できる。特に、折返し部２ｃ付近は伝熱管２ａ、２ｂの温度差が小さいので断熱材５の熱損失低減効果が小さく、断熱材５を取り付けない方が水との伝熱面積を大きく確保できるので性能面で有利になる。
【００３１】
固定金具７は、上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂを挿入保持するための穴７ａ、７ｂと、固定ねじ用の複数の穴７ｃとを備えた、所謂配管フランジ状の形状をしている。そして、放熱器２の伝熱管２ａ及び２ｂは、固定金具７の穴７ａ、７ｂに挿入された後、ロー付けにより接合されている。固定金具７が接合された放熱器２は、貯湯タンク２０に挿入され、固定金具７によって、固定保持されている。即ち、固定金具７の穴７ｃにねじを挿入し、貯湯タンク２０の放熱器挿入口２３にねじ止め固定される。このような構成にすることで、放熱器２を貯湯タンク２０へと組み込む作業を容易に行うことができ、例えば、既設の貯湯タンクに本発明のヒートポンプを追加設置することも容易に行うことができる。また、固定金具７と放熱器挿入口２３との固定は、フランジ形状の固定金具７を直接ねじ止めする方法に代えて、別途固定用金具や固定用ナット等を用いて固定する方法であっても良い。
【００３２】
尚、固定金具７と伝熱管２ａ、２ｂの固定はロー付けによるものとしたが、食い込み式の金属シールリングを用いたシール固定方法や、Ｏリングなどのシール固定部材によって密封固定する方法、その他、管材料を密封保持する公知の方法を採用することも可能である。本実施形態のように伝熱管２ａ、２ｂを固定金具７にロー付け固定する方法は、確実な密封が可能であり、漏れ等の恐れが少なく、また、放熱器２を強固に固定できるので、放熱器２の脱落等の危険性が少ないという点において有利である。
【００３３】
絞り手段としての膨張弁３は、放熱器２で水に対して放熱し低温度となった冷媒を絞り膨張により減圧して、蒸発圧力にするためのものである。絞り手段としては、キャピラリーチューブ、温度式膨張弁、電動膨張弁等を採用し得る。本実施形態に係るヒートポンプ１０では、電動膨張弁を用いている。そして、放熱器２に流入する冷媒の温度が所定の値、即ち水を加熱するために好適な温度、になるように膨張弁３の開度を制御している。
【００３４】
蒸発器４は、冷媒の蒸発作用により、大気から吸熱するための熱交換器であり、フィンアンドチューブ式の熱交換器を採用している。また、蒸発器４は、冷媒と熱交換を行う空気を供給するためのファン４ｆを備えている。蒸発器４において、冷媒は、ファン4ｆによって供給された空気から熱を奪って液相部分が蒸発する。
【００３５】
また、図示を省略するが、蒸発器４の出口から圧縮機１へと繋がる配管上にアキュームレータを備えることも可能である。該アキュームレータは、圧縮機１に液冷媒が吸入されることを防止するためのものであり、内部で気液分離を行い、一時的に液冷媒を貯留する機能を有する。これにより、液圧縮による圧縮機１の破損を防止することができ、ヒートポンプの耐久信頼性が向上する。
【００３６】
また、必要に応じて、膨張弁３へと流れる高圧液冷媒と蒸発器４から流出する低圧冷媒との間で熱交換を行い、高圧冷媒を冷却し低圧冷媒を加熱する内部熱交換器（図示せず）を設けることも可能である。この場合は、該内部熱交換器により低圧冷媒が過熱されるので、前記アキュームレータと同様に、圧縮機１の湿り圧縮を防止する効果が期待できる。また、内部熱交換器の採用により、蒸発器４の内部に熱伝達率が高い二相冷媒領域を多く確保できるので、蒸発器４の伝熱性能が向上し、ヒートポンプの性能を向上させることができる。
【００３７】
貯湯タンク２０は、内部に給湯水（湯）を貯えるものである。本実施形態に係る貯湯タンク２０は、水を貯える容器としての缶体２０ａと、缶体２０ａの外周に設けられた断熱材２０ｃと、更にその外側に設けられた外装２０ｂとから成る。また、貯湯タンク２０は、タンク内部へ水を導入する給水入口２１と、湯を供給する給湯出口２２と、放熱器２を挿入し固定する放熱器挿入口２３を備えている。
【００３８】
缶体２０ａは、内部に給湯水を貯えるステンレス製の容器である。断熱材２０ｃは、缶体２０ａからの放熱を防止し、給湯装置の効率を向上させるもので、例えば、発泡ウレタン等発泡系の断熱材や、グラスウール等繊維系の断熱材を採用し得る。本実施形態に係る貯湯タンク２０では、断熱材２０ｃとして発泡ウレタンを用いており、缶体２０ａに外装２０ｂを組み付けた後、缶体２０ａと外装２０ｂの間にフォーム材を注入することにより断熱材２０ｃを形成している。外装２０ｂは、断熱材２０ｃを保持するためのものであり、本実施形態では、鉄（圧延鋼板）を材料としている。
【００３９】
給水入口２１は、貯湯タンク２０の内部に水を入れるためのもので、貯湯タンク２０の上部から内部に挿入された管状の形態をしている。給水入口２１の上端部（缶外側）は、給水配管を接続することができるように継ぎ手形状（例えば、管用テーパねじ）をしている。他方、給水入口２１の下端部（缶内側）は、貯湯タンク２０の下方まで挿入され開口している。これにより、貯湯タンク２０内に貯えられている湯（水）の温度成層を乱すことなく、温度の低い給水を缶体２０ａの下方に導入することができ、貯湯タンク２０内での冷温水混合による熱損失を低減することができる。
【００４０】
尚、給水入口２１は、図５に示すように、貯湯タンク２０の下方（例えば、缶体２０ａの底面）に設けても良い。このような構成であっても、低温の供給水をタンクの下方から供給することが可能であり、貯湯タンク２０内の冷温水混合による熱損失を低減することが可能である。図１のように給水入口２１を貯湯タンク２０の上方に設ける方法は、重量が大きくなる貯湯タンク２０の設置固定が容易で、且つ限られた狭いスペースにおいても設置が可能である点において優れており、図５のように給水入口２１を貯湯タンク２０の下方に設ける方法は、貯湯タンク２０の内部に挿入する管部分を短くできる点において優れている。
【００４１】
給湯出口２２は、貯湯タンク２０内に貯えられた湯を給湯利用側へ送り出すためのもので、貯湯タンク２０の上部から内部に挿入された管状の形態をしている。給水入口２１と同じように、給湯出口２２の上端部（缶外側）は、給湯配管を接続することができるように継ぎ手形状をしている。給湯出口２２の下端部（缶内側）は、貯湯タンク２０の内部で開口しているが、開口位置は、給水入口２１とは異なり、貯湯タンク２０内の上方である。つまり、給水入口２１と給湯出口２２は、貯湯タンク２０内に挿入される管部の長さが異なり、給湯出口２２の方が給水入口２１より短い。これにより、貯湯タンク２０の内部上方に貯えられた高温の湯を給湯利用側へ供給することができる。
【００４２】
放熱器挿入口２３は、貯湯タンク２０の内部に放熱器２を挿入し、放熱器２を固定保持するためのものである。放熱器挿入口２３は、放熱器２を挿入するための缶体２０ａ内部に連通する穴と、放熱器２に取り付けられた固定金具７をねじ止めするねじ穴を備えている。固定金具７は配管フランジ状の形状をしているので、放熱器挿入口２３も、これに適合するフランジ状の継ぎ手形状をしている。固定金具７と放熱器挿入口２３との接合面には、貯湯タンク２０の気密性を保つため、ガスケットが挟み込まれている。尚、前述の通り、固定金具７と放熱器挿入口２３との固定方法については、他の固定方法を採用することもできる。
【００４３】
放熱器挿入口２３は、貯湯タンク２０の上面に設けられている。そのため、放熱器２は、貯湯タンク２０の上方から挿入されることになる。このように放熱器挿入口２３を貯湯タンク２０の上面に設ける方法は、貯湯タンク２０の設置スペースを狭くすることができるという点において優れている。
【００４４】
また、図５に示すように、放熱器挿入口２３を貯湯タンク２０の下方に設けることも可能である。このように放熱器挿入口２３を貯湯タンク２０の下方に設けることにより、貯湯タンク２０内の比較的温度の低い水によって放熱器２出口側冷媒を冷却することができるので、放熱器２出口の冷媒の比エンタルピを小さくすることが可能となる。その結果、ヒートポンプの加熱性能を更に向上させることができる。
【００４５】
次に、第１の実施形態に係るヒートポンプの動作について説明する。
【００４６】
図３は、本発明に係るヒートポンプのヒートポンプサイクルを示す温度−比エンタルピ線図である。横軸は冷媒の比エンタルピ（ｋＪ／ｋｇ）、縦軸は冷媒の温度（℃）であり、符号ＳＬは冷媒の飽和液線、ＳＶは飽和蒸気線を示している。
【００４７】
本ヒートポンプサイクルでは、図３において状態ａで示される低温の冷媒蒸気が圧縮機１の吸入口から吸入され、圧縮機１により圧縮され、高温高圧の冷媒（状態ｂ）となって吐出される。本実施形態ではヒートポンプの冷媒として二酸化炭素を用いているので、圧縮機１から吐出される冷媒の圧力は、図３状態ｂのごとく、臨界圧力を超えている。尚、本発明に係るヒートポンプでは、圧縮機１から吐出される冷媒の温度Ｔｂが所定の値になるように膨張弁３の開度を制御している。これにより放熱器２入口における冷媒の温度Ｔｂは、水を加熱するための好適な値に維持されるので、高効率なヒートポンプ運転を行うことができる。
【００４８】
圧縮機１から吐出された冷媒は、放熱器２に流入し、貯湯タンク２０内の水と熱交換を行い冷却される。図３で示されるように、放熱器２における冷媒の圧力は臨界圧力を超えているので、放熱器２で冷却された冷媒は、凝縮せずに、冷却されるに従ってその温度が低下する。放熱器２によって冷却された冷媒は、状態ｃで示される。尚、放熱器２における冷媒の放熱によって加熱された水は、貯湯タンク２０の上方に貯えられ、給湯用途に利用される。
【００４９】
放熱器２を出た冷媒は、膨張弁３を通過することによって絞り膨張（等エンタルピ膨張）し、蒸発器４へと流れる。蒸発器４に流入する冷媒は、状態ｄで表わされ、低圧の気液二相状態である。尚、前述の通り、膨張弁３の開度は、圧縮機１から吐出される冷媒の温度Ｔｂが所定の値になるように制御されている。
【００５０】
蒸発器４に流入した冷媒は、蒸発器４において、ファン４ｆによって供給された空気と熱交換を行い、空気から熱を吸収して、液相部分が蒸発する。蒸発器４の出口において、冷媒は僅かに過熱した蒸気であり、状態ａで表わされる。
【００５１】
蒸発器４から流れ出た冷媒は、圧縮機１へと流れる。尚、蒸発器４の出口から圧縮機１へと繋がる配管上にアキュームレータ（図示せず）を備えている場合には、蒸発器４から流れ出た冷媒は、該アキュームレータにおいて確実に気液分離された後、蒸気冷媒のみが圧縮機１に吸入される。そして、圧縮機１において冷媒は再び圧縮される。以上説明の通りヒートポンプサイクルが連続的に動作し、蒸発器４において外気から吸熱し、放熱器２において放熱して水を加熱する。そして、放熱器２において加熱された水は、給湯用途に利用される。
【００５２】
尚、内部熱交換器（図示せず）を設けた場合には、該内部熱交換器において、放熱器２から流出した高圧低温の液冷媒と、蒸発器４を出た低圧低温の冷媒との間で熱交換が行われ、高圧冷媒が冷やされ、低圧冷媒が加熱される。この場合は、内部熱交換器において高圧冷媒が冷やされるので、蒸発器４へ流入する冷媒の比エンタルピが小さくなり、蒸発器４の内部に熱伝達率が高い二相冷媒領域を多く確保できる。その結果、蒸発器４の伝熱性能が向上し、サイクル性能を向上させることができる。また、内部熱交換器において低圧冷媒が過熱されるので圧縮機１の湿り圧縮を防止することができる。
【００５３】
ところで、本発明のヒートポンプのように高圧側の冷媒圧力が臨界圧力を超える遷臨界サイクルにおいては、放熱器２内部で冷媒は凝縮せず、放熱するに従ってその温度が低下するので、放熱器２内部の冷媒温度差が大きくなる。即ち、図３において状態ｂで示される放熱器２に流入する冷媒の温度Ｔｂと、状態ｃで示される放熱器２出口の冷媒温度Ｔｃとの差が大きく、また、放熱器２の内部においても、冷媒流れ方向に温度差が生じている。このように放熱器２内部での冷媒温度差が大きいことは、温度一定の下で凝縮しながら放熱するフロン系冷媒を用いたヒートポンプと大きく相違する点であり、遷臨界サイクルヒートポンプの特徴である。
【００５４】
前述のように、遷臨界サイクルにおいては、放熱器２における冷媒の流れ方向温度差が大きいので、放熱器２を構成する伝熱管２ａ、２ｂが相互に接触している場合や、伝熱管２ａ、２ｂの間隔が狭い場合には、温度の高い放熱器２の上流側伝熱管２ａから温度の低い下流側伝熱管２ｂへと熱が伝達し、放熱器２上流側の冷媒が冷やされ、下流側の冷媒が加熱されることになる。そうすると、放熱器２を出て膨張弁３へと流れる冷媒の温度Ｔｃが高くなり、比エンタルピが大きくなる。これを図３に示したサイクルで見ると、膨張弁３へと流れる冷媒は、状態ｃで示される点から（線図の等圧線上を）右上方向に移動して状態ｃ２になり、その温度は、ＴｃからＴｃ２へと上昇する。そして、蒸発器入口における冷媒の状態は、状態ｄから状態ｄ２へと変わり、比エンタルピがｄｈに相当する分だけ大きくなる。その結果、放熱器２において冷媒から水に伝達される熱量は減少し（ｄｈに相当）、蒸発器４における冷媒の吸熱量も減少し、ヒートポンプの能力と効率が著しく低下してしまう。
【００５５】
特に、本発明のヒートポンプ給湯装置のように、放熱器２を貯湯タンク２０の内部に設け、水側を強制循環させない方式を採用する場合には、水側の流れは加熱による自然対流となり、冷媒と水とを対向流的に熱交換させることが困難であるので、上記の伝熱管２ａ、２ｂ相互の熱伝達による不具合が発生しやすい。即ち、冷媒温度の高い上流側伝熱管２ａ内の冷媒によって伝熱管２ａ周囲の水が加熱され、該加熱された水は自然対流でゆっくりと流れるので、該水の熱が、上流側伝熱管２ａに並行し且つ温度の低い下流側伝熱管２ｂ内の冷媒へと再伝達されることになる。この伝熱管相互の熱伝達による熱損失は、上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂとの温度差が大きくなる放熱器挿入口２３付近において顕著である。
【００５６】
本実施形態に係るヒートポンプでは、前述の通り、上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂの間に熱損失低減手段としての断熱材５を備えているので、上流側伝熱管２ａから下流側伝熱管２ｂへの熱伝達を防止することができ、放熱器２の出口における冷媒の温度と比エンタルピを低く抑えることができるので、ヒートポンプの加熱能力と加熱効率を高く維持することができる。そのため、給湯水循環方式のように沸き上げ温度に応じた水流量制御等を必要とせずに簡単な制御で高効率な給湯運転を行うことが可能となる。
【００５７】
次に、本発明の他の実施形態である第２の実施形態に係るヒートポンプ及びヒートポンプ給湯装置について、図面に基づき詳細に説明する。
【００５８】
第２の実施形態に係るヒートポンプは、熱損失低減手段として、伝熱管保持部材３０を備えている。この点が第１の実施形態に係るヒートポンプと相違する。その他の構成については、既に説明した第１の実施形態に係るヒートポンプと同一の構成で同一の作用、効果を奏するので、その説明を省略し、第１の実施形態との相違点についてのみ詳細に説明する。
【００５９】
図６は、第２の実施形態に係るヒートポンプの構成部品である放熱器２及びその組み付け構造を示す説明図である。図６において、第１の実施形態に係るヒートポンプと同一若しくは同様の作用、効果を奏する構成要素については、同じ番号を付している。本実施形態に係る放熱器２には、熱損失低減手段として伝熱管保持部材３０が取り付けらている。伝熱管保持部材３０は、上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂとの間に設けられており、後述する形態によって各管を相互に支持固定している。これにより、上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂとの接触を防ぎ、管相互の間隔を所定の範囲（本実施形態では、軸間距離約１５ｍｍ）に維持することができるので、伝熱管２ａ、２ｂ間の熱伝達を防止することができる。
【００６０】
図７は、伝熱管保持部材３０の構造を示す説明図である。図７（ａ）は伝熱管保持部材３０を、これに装着される伝熱管２ａ、２ｂの軸方向から見た図であり、図７（ｂ）は側面から見たものである。また、伝熱管保持部材３０に伝熱管２ａ，２ｂが装着された状態を図７（ｃ）に示す。伝熱管保持部材３０は、伝熱管２ａ、２ｂを所定の間隔を確保して保持する伝熱管保持部３１を２箇所備えている。伝熱管保持部３１の形状は、伝熱管２ａ、２ｂの外面に当接する円弧状の凹形であり、該円弧面の内径は伝熱管２ａ、２ｂの外径と同じか僅かに小さくなっており、開口部３２の寸法は伝熱管２ａ、２ｂの外径より小さくなっている。
【００６１】
伝熱管保持部材３０の材質は、耐水性、耐熱性を有する樹脂材料であり、僅かな可撓性を有している。例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）等の材料を採用し得る。伝熱管２ａ、２ｂは伝熱管保持部３１の開口部３２から装着され、伝熱管保持部３１に装着された伝熱管２ａ、２ｂは、伝熱管保持部材３０の弾性反発力により挟み込まれるように圧迫支持固定されている。このような形態の伝熱管保持部材３０を採用することにより、伝熱管保持部材３０に伝熱管２ａ、２ｂを容易に装着できるので、放熱器２の組立て作業効率を高めることができる。
【００６２】
また、伝熱管保持部材３０は、伝熱管２ａ、２ｂを装着した状態で、伝熱管２ａ、２ｂの各々の外面に共に内接する最小直径の仮想円Ｇ（仮想円筒Ｇ）の内側に収まるような形状をしている。このように伝熱管２ａ、２ｂを装着した後の伝熱管保持部材３０は仮想円Ｇから外側にはみ出す部分がないので、放熱器２を貯湯タンク２０の放熱器挿入口２３から挿入する作業を容易に行うことができる。尚、本実施形態では、仮想円Ｇの直径は約２０ｍｍである。
【００６３】
尚、前述の通り、伝熱管２ａ、２ｂは伝熱管保持部材３０の弾性反発力により保持されているので、別途伝熱管２ａ、２ｂを支持する固定具等を必要としないが、伝熱管保持部材３０に伝熱管２ａ、２ｂを装着した後、更に外側から、所謂結束バンド等（図示せず）により、伝熱管２ａ、２ｂを締め付け固定しても良い。これにより、伝熱管保持部材３０の脱落を防止することができるので、熱損失低減の効果を確実に発揮させることができる。
【００６４】
以上説明のごとく、本実施形態に係るヒートポンプは、上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂとの間に、伝熱管２ａ、２ｂ相互の接触を防ぎ、所定の管間距離を設けて各伝熱管２ａ、２ｂを支持固定する伝熱管保持部材３０を備えているので、上流側伝熱管２ａから下流側伝熱管２ｂへの熱伝達を低減することができる。即ち、上流側伝熱管２ａと下流側伝熱管２ｂとは所定の距離で離間しているので、熱伝導による熱伝達量が減少すると共に、上流側伝熱管２ａ外面周囲の水の温度が上昇しても、前記加熱後の高温の水は自然対流により輸送され周囲の水と入替え又は混合されるので、下流側伝熱管２ｂ外面周囲の水の温度が上昇することを防止でき、前記加熱後の水から下流側伝熱管２ｂ内部の冷媒への熱伝達を防止することができる。その結果、放熱器２出口における冷媒の温度と比エンタルピを低く抑えることができるので、高効率なヒートポンプ加熱運転を行うことができる。
【００６５】
また、本実施形態に係るヒートポンプでは、伝熱管保持部材３０と伝熱管２ａ、２ｂが接触する面積が、第１の実施形態に係る断熱材５を設けた場合に比べて小さいので、伝熱管２ａ、２ｂと水との伝熱面積を多く確保することが可能となり、放熱器２における高効率な熱交換を行うことができる。
【００６６】
尚、上述の実施形態は、本発明の一具体例を示したものであり、従って本発明の実施形態はこれに限定されるものではなく、種々の変更実施が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明のヒートポンプ及びヒートポンプ給湯装置は、一般家庭を始め、様々な用途の給湯に利用することができる。また、給湯用途以外にも、温水暖房等にも利用可能である。また更に、本発明のヒートポンプは、被加熱物として水以外の物を加熱する用途においても利用することが可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１・・・・圧縮機（圧縮手段）
２・・・・放熱器
２ａ・・・上流側伝熱管（伝熱管）
２ｂ・・・下流側伝熱管（伝熱管）
２ｃ・・・折返し部（伝熱管）
３・・・・膨張弁（絞り手段）
５・・・・断熱材（発泡系樹脂断熱材、熱損失低減手段）
１０・・・ヒートポンプ
２０・・・貯湯タンク
３０・・・伝熱管保持部材（熱損失低減手段）
【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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