JP2004144446A

JP2004144446A - 給湯装置

Info

Publication number: JP2004144446A
Application number: JP2002312425A
Authority: JP
Inventors: Ryuta Kondo; 近藤　龍太; Keijiro Kunimoto; 國本　啓次郎; Masahiro Ohama; 尾浜　昌宏; Yoshitsugu Nishiyama; 西山　吉継; Seiichi Yasuki; 安木　誠一; Tatsumura Mo; 毛　立群
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-20
Anticipated expiration: 2022-10-28
Also published as: JP3972793B2

Abstract

【課題】制御回路の発熱素子からの熱を空気中へ損失として放熱せず、回収して給湯利用を図る。
【解決手段】給湯用水の加熱熱源であるヒートポンプユニット３２と、発熱素子５０、５１等からなり熱源を制御する制御手段４８と、発熱素子からの発熱を給湯用水に放熱する水冷放熱器４７とを備えるものである。これによって、発熱素子からの熱を給湯用水に放熱することで給湯利用するので、高効率化と省電力化が図れて、低コストで騒音も発生しない給湯装置を提供できる
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱素子を用いて構成された装置などにより、給湯用水を加熱する熱源の制御を行う給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、Ｒ２２などの冷媒を使用したヒートポンプサイクルを熱源とするヒートポンプ給湯装置は、例えば特許文献１のようなものが公知である。この種の給湯装置としては、図８に示すように、給湯用水を貯留するタンク１、給湯用水の加熱手段であるヒートポンプ熱源２、タンク１とヒートポンプ熱源２とを接続する流水配管３、この流水配管３に給湯用水を循環させるポンプ４等より構成される。
【０００３】
ヒートポンプ熱源２は、運転周波数に基づいて能力可変とされた圧縮機５、給湯用熱交換器６、膨張弁７、室外熱交換器８、アキュムレータ９を順次冷媒配管１０により接続して構成され、冷媒が充填されている。給湯用熱交換器６は、圧縮機５より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路６ａと、給湯用水が流れる給湯用水通路６ｂとを有している。流水配管３は、給湯用熱交換器６の給湯用水通路６ｂに接続される冷水管３ａと温水管３ｂとで構成され、冷水管３ａの上流端がタンク１の底面に接続され、温水管３ｂの下流端がタンク１の天面に接続されている。１１は圧縮機の運転周波数を変更することによりヒートポンプ熱源の加熱能力を大小させる制御回路であり、その内部にインバータ装置１２を有している。
【０００４】
次に動作について説明する。図５において、制御回路１１は給湯用に水を加熱するために、インバータ装置１２により圧縮機５を駆動するとともに、ポンプ４に通電する。ポンプ４が通電されて回転することにより、タンク１内の給湯用水を流水配管３に流通させる。なお、給湯用水の流通方向は、図に矢印で示すように、タンク１内の下部→冷水管３ａ→給湯用熱交換器６の給湯用水通路６ｂと流れ、ここで圧縮機５より吐出された高圧のガス冷媒により加熱されて温水となり、給湯用水通路６ｂ→温水管３ｂ→タンク１内の上部へと流れてタンク１に貯められる。また、冷媒通路６ａを出た冷媒は、膨張弁７の弁開度に応じて減圧された後、室外熱交換器８においてファン１３により送風される外気との熱交換によって蒸発し、アキュムレータ９を経て気相冷媒のみ圧縮機５に戻る。
【０００５】
そして、ヒートポンプ熱源２による給湯用水の加熱能力を可変するために設けたインバータ装置１２には、パワートランジスタやダイオード等の発熱素子１４を備えている。これら発熱素子１４は発熱が大であるために冷却が必要となっている。その冷却方法としては、パワートランジスタ、ダイオードを放熱フィンに取付け、室外熱交換器８に付設されているファン１３の風によって冷却する、空気調和機と同様の方式が採用されている。そして一般に、給湯装置では大きな加熱能力を必要とし、そのために大容量の電流を発熱素子に流すので発熱量も大きくなる。この大きな熱を放熱するには、放熱フィンを大きくする、またはファンの風速を増す、空気温度を下げる等の方法がある。しかしこれら方法には、構造面等より限界があり、放熱フィンの面積をアップして対応しているのが現状である。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−２０１１７７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、ファン１３の空気流内に設けられた大きな放熱フィンが騒音を発生する原因になっていた。また、放熱フィンにより空冷で放熱することにより、素子の発熱分が給湯用水の加熱に十分回収されずに放熱損失が大きくなるという課題を有していた。
【０００８】
一方、電気ヒーターを熱源とする電気温水器など、ヒートポンプ熱源２を持たないその他の給湯装置では、室外熱交換器に付設されるファンを備えていない。したがって、前述のその他の給湯装置において、熱源を制御するための発熱素子を有する場合は、発熱素子を空冷する放熱フィンとともに、空気流を生じさせるための送風手段が必要となり、部品点数が増えコストアップになるという課題があった。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、送風手段による空気流が無くても発熱素子を十分に冷却し、発熱素子からの熱を給湯用水に放熱することで給湯利用するので、高効率化と省電力化が図れて、低コストで騒音も発生しない給湯装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために本発明の給湯装置は、熱源と、前記熱源により給湯用水を加熱するための加熱通路と、湯を供給する給湯端末と、発熱素子を有し前記熱源を制御する制御手段と、前記加熱通路に連通する水路と熱的に接続されて前記発熱素子からの発熱を給湯用水に放熱する水冷放熱器とを備えた給湯装置とする。
【００１１】
これによって、発熱素子からの発熱を空気中へ損失として放熱するのではなく、発熱素子からの熱を給湯に利用することができるので、高効率化と省電力化が図ることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、熱源と、前記熱源により給湯用水を加熱するための加熱通路と、湯を供給する給湯端末と、発熱素子を有し前記熱源を制御する制御手段と、前記加熱通路に連通する水路と熱的に接続されて前記発熱素子からの発熱を給湯用水に放熱する水冷放熱器とを備えた給湯装置とする。これにより、発熱素子を有する制御手段において、水冷放熱器を設けて発熱素子から給湯用水に放熱するようにしたので、空冷で放熱するために送風手段を設けて空気流を生じさせる必要が無く給湯の水流を利用できるので、部品点数が削減でき低コスト化が図られる。そして、空気中へ損失として放熱するのではなく、発熱素子からの熱を給湯に利用することができるので、高効率化と省電力化が図れて機器価格が高くならずに給湯にかかる光熱費を低減できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、特に請求項１記載の発明において、熱源は電動圧縮機を備えたヒートポンプとし、発熱素子は電動圧縮機の回転数制御を行うインバータ装置のパワーデバイスとしたことにより、ヒートポンプを熱源とするヒートポンプ給湯装置においては、電動圧縮機を駆動するインバータ装置の発熱が大きく、特に外気温が低下して成績係数が小さくなると、電動圧縮機への入力が大きくなるので発熱量がかなり大きくなる。この発熱を給湯に利用するので放熱損失を低減し高効率化を図ることができる。起動時や停止時の水流停止時においても、水路には水が充満し熱容量が大きいため十分に放熱することができる。また、インバータ装置を構成するトランジスタ等のパワーデバイスは電圧駆動型素子であるので、素子温度の上昇を抑えることで導通抵抗や導通電圧の上昇を防止し、回路全体の損失を低減することもできる。よって、パワーデバイスを信頼性高く冷却して放熱損失を低減するとともに高効率化と省電力化を図り、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、特に請求項１または２記載の発明において、水冷放熱器は加熱通路の上流に直列に繋がる水路と熱的に接続するように設け、水冷放熱器下流の加熱通路の入口側に設けた入口水温検出手段を備え、入口水温検出手段の出力信号に基づき前記加熱通路での加熱量や加熱温度の少なくともどちらか一方を制御するようにしたことにより、例えばフィードフォワード制御のような、加熱通路に入ってくる水温と加熱通路で加熱する目標温度との温度差に基づく制御が可能となるので温度制御性が向上を図ることができる。したがって、起動時などの目標温度への立ち上がり時間が早くなり、低い湯温の給湯に利用できない無駄水が減り、給湯装置の運転を効率化し、給湯のための運転費を節約できる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、特に請求項２または３に記載の発明において、水路は加熱通路の上流に直列に繋がるように設け、水路に入口側を水道に直結されて水道水を供給する給水管と、水路から加熱通路を経てシャワーや蛇口等の給湯端末へと通水するように接続する給湯回路とを備えたことにより、１つのユニット内にインバータ装置と水冷放熱器とを設けて構成することができるので、構成が簡単で機器価格が高くならずに光熱費が低減できる経済性の優れた給湯装置を提供できる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、特に請求項１〜４に記載の水冷放熱器において、水路を形成する伝熱管と、一方の面に伝熱管の外周面に対してその半周以上でかつ円周以下で接する支持部を有し他方の面に発熱素子が取り付けられる平面をなす放熱基板部を持つ第１の基材とを備え、第１の基材の支持部の弾性変形により伝熱管が第１の基材に圧入され密着支持される構成としたことにより、溶接やロー付け等の加工を施すことなく伝熱管の外周面に第１の基材を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、前記伝熱管が蛇行形状等の複雑な水冷放熱器に対しても、支持部の弾性変形を利用した圧入により容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、特に請求項１〜４記載の水冷放熱器において、水路を形成する伝熱管と、発熱素子が取り付けられる平面をなす放熱基板部を有し放熱基板部近傍に伝熱管を挿入可能な貫通孔を設けた第２の基材とを備え、貫通孔に伝熱管を挿入して内嵌することにより伝熱管が第２の基材に密着支持される構成としたことにより、溶接やロー付け等の加工を施すことなく伝熱管の外周面に第２の基材を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、前記伝熱管が蛇行形状等の複雑な水冷放熱器に対しても、Ｕ字形状の伝熱管を貫通孔に挿入後拡管加工しＵベンドを接続する等の内嵌加工方法を採用することにより容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、特に請求項１〜４記載の水冷放熱器において、良伝熱性材料からなり発熱素子が取り付けられる平面状の伝熱板と、水路を形成する溝を有し端面から溝に連通するように水路の入口と出口を穿孔された第３の基材とを備え、伝熱板を第３の基材の溝に接するように水密に密着接合した構成としたことにより、伝熱板を水路である溝に接するように密着接合しているので、伝熱板が水路の境界をなす一面となり水流が直接接触するとともに、溝を蛇行形状にするなど自由に形成できるので十分な伝熱面積を確保することができる。また、溝がある部分の周囲である第３の基材の外周をＯリング等でシールして伝熱板と第３の基材を接合させるなどして、容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、特に請求項１記載の熱源を電気ヒーターとし、発熱素子は電気ヒーターの電力制御を行う電力用半導体であり、電力用半導体からの発熱を給湯用水に放熱する水冷放熱器を備えたことにより、電気ヒーターを用いた給湯装置ではヒーター入力が大きくなるので発熱量も大きく、これを給湯に利用することになるので、より放熱損失量を低減し省電力化が図れて、給湯のための運転費を節約できる。
【００２０】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は、本発明の実施例１における給湯装置であるヒートポンプ給湯装置の構成を示す模式図で、図２は、本発明の実施例１における給湯装置の熱源を制御するための一般的なインバータ装置を示す図である。
【００２２】
図１において、３１は給湯用水を貯留するタンク、３２は給湯用水の加熱手段となる熱源であるヒートポンプユニットであり、３３はタンク３１とヒートポンプユニット３２とを接続する流水配管、３４は給湯用水を循環させるポンプである。ヒートポンプユニット３２は、圧縮機３５、給湯用熱交換器３６、膨張弁３７、室外熱交換器３８を順次冷媒配管３９により接続して構成され冷媒が充填されたヒートポンプ回路とファン４０を備えている。ここで、圧縮機３５は運転速度を変えることでヒートポンプユニット３２の加熱能力を調節できる能力可変のインバータ圧縮機であり、冷媒には二酸化炭素冷媒を使用している。給湯用熱交換器３６は、圧縮機３５より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換する放熱器で、冷媒が流れる冷媒通路３６ａと、給湯用水が流れる給湯用水通路３６ｂとを有している。膨張弁３７は、給湯用熱交換器３６から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧する減圧手段で、室外熱交換器３８は、膨張弁３７で減圧された冷媒をファン４０によって送風される外気との熱交換によって蒸発させる。
【００２３】
流水配管３３は、給湯用熱交換器３６の給湯用水通路３６ｂに接続される流入管３３ａと流出管３３ｂとで構成され、流入管３３ａの上流端がタンク３１の底面に接続され、流出管３３ｂの下流端がタンク３１の天面に接続されている。ポンプ３４は、ヒートポンプユニット３２内の流入管３３ａ（流出管３３ｂでも良い）に設けられ、通電されて回転することにより、タンク３１内の給湯用水を流水配管３３に流通させる。なお、給湯用水の流通方向は、図に矢印で示すように、タンク３１内の下部→流入管３３ａ→給湯用熱交換器３６の給湯用水通路３６ｂと流れ、ここでヒートポンプユニット３２により加熱されて温水となり、給湯用水通路３６ｂ→流出管３３ｂ→タンク３１内の上部へと流れ、タンク３１に温水が貯められていく。また、タンク３１の底面には、給水圧を加えながらタンク３１に市水を供給するための給水配管４１が接続され、タンク３１の天面には、タンク３１内に貯えられた給湯用水（温水）を使用者に供給するための給湯配管４２が接続され、給水配管４１から分岐した市水と混合して適温に調節する湯水混合手段４３を経て、台所、洗面、浴室などの複数の蛇口４４やシャワー４５といった給湯端末４６から出湯されるように構成されている。
【００２４】
そして４７は、本実施例の特徴的な構成である水冷放熱器である。この水冷放熱器４７は、流入管３３ａに設けられており、ヒートポンプ熱源での加熱通路となる給湯用水通路３６ｂに連通する水路である流水配管３３のうち、加熱通路上流に設けるのがより好ましい。４８は制御手段であり、制御手段４８は運転周波数を変更することにより圧縮機３５の運転回転数を変えるインバータ装置４９を有している。インバータ装置４９は、パワートランジスタ５０やダイオード５１といった発熱素子にて構成されており、これらパワートランジスタ５０やダイオード５１は冷却のために水冷放熱器４７に取り付けられ、結露による絶縁不良等を防止するために樹脂モールドされている。流入管３３ａに設けられた水温検出手段５２は、その検出信号が制御手段４８に入力されるように電気的に接続されている。さらに流入管３３ａには、水冷放熱器４７に対して並列にバイパス管５３が設けられ、調節手段５４を介して流水が水冷放熱器４７を迂回してバイパス管５３から給湯用水通路３６ｂに流れるように構成され、水冷放熱器４７に流れる流量を調節できるようになっている。
【００２５】
図２は、圧縮機３５の電動機５５を駆動するインバータ装置４９の一般的な構成を示す図であり、図２において、５６は交流電源、５７は交流を直流に変換するコンバータ回路、５８は前記コンバータ回路５７の出力より得られる直流を平滑する平滑コンデンサ、５９はインバータ回路で、インバータ回路５９はパワートランジスタ５０、ダイオード５１から構成され、平滑コンデンサ５８に接続される。インバータ回路５９の出力側には電動機５５が接続される。
【００２６】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図１に示す実施例において、まず制御手段４８が電気的に接続された冷媒回路中の圧縮機３５を駆動し、給湯用熱交換器３６を放熱器として機能させるとともに、室外熱交換器３８を蒸発器として機能させる。次に、水系統回路におけるポンプ３４を作動させる。すると、タンク３１の底部から貯留水が流出し、前述した水の流れの通り、これが流入管３３ａを介して給湯用熱交換器３６の水通路３６ｂを流通する。そのときこの水は放熱器として機能している給湯用熱交換器３６によって加熱され流出管３３ｂを通って再びタンク３１内の上部へと返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、タンク３１の上端側から下端側へと高温湯が次第に貯留されるように構成されている。
【００２７】
この湯沸かし運転において、インバータ装置４９は圧縮機３５に内蔵された電動機５５の回転数を可変することでヒートポンプ熱源の加熱能力を可変する。ここで、コンバータ回路５７は、全波整流回路、倍電圧整流回路など単に交流を整流する回路でもよく、トランジスタ等を用いてスイッチングすることによりリアクトルへの蓄積エネルギーを利用して直流電圧を昇降圧する回路でもよい。また、電動機５５は、電動誘導機、ＤＣブラシレスモータなどいずれでもよい。コンバータ回路５７およびインバータ回路５９は、パワートランジスタ５０やダイオード５１などの発熱性の電力用半導体が搭載されているため、この部分での電力消費にて多くの熱を発生する。この熱は水冷放熱器４７を介して流入管３３ａ内の流水に伝導され、放熱される。
【００２８】
このように、発熱素子を有する制御回路において、水冷放熱器４７を設けて発熱素子から給湯用水に放熱するようにしたので、空冷で空気中へ損失として放熱するのではなく、発熱素子からの熱を給湯に利用することができる。そして、ヒートポンプを熱源とするヒートポンプ給湯装置においては、電動圧縮機３５を駆動するインバータ装置４９の発熱が大きく、特に外気温が低下して成績係数（ＣＯＰ）が小さくなると、電動圧縮機３５への入力が大きくなるので発熱量がかなり大きくなる。この発熱を給湯に利用するので放熱損失を低減し高効率化と省電力化を図ることができる。
【００２９】
このとき制御手段４８は、給湯用熱交換器３６で加熱された高温湯の温度が所定値（例えば二酸化炭素冷媒では加熱温度８５℃に設定）になるように運転制御する。そして、タンク３１全量が高温湯で満たされた状態である湯沸かし運転の終了が近づくと、タンク３１から流入し流入管３３ａを流れる水の温度が急上昇する。水温検出手段５２の検出信号により、タンクからの流入温度が所定の能力低減温度（例えば４５℃）より高温になると、制御手段４８は圧縮機３５や膨張弁３７等を制御して加熱能力と圧縮機３５の入力を低減するとともに、ポンプ３４により流水配管３３の流量を増加させ、調節手段５４により徐々にバイパス管５３に水を流し始めてその流量を増やしていく。さらにタンクからの流入温度が上昇し、水温検出手段５２による検出温度が所定の加熱終了温度（例えば、設定加熱温度８５℃から１０度引いた７５℃）より高温になると、その信号に基づき制御手段４８はタンク３１全量が高温湯となったと判断し、湯沸かし運転を停止する。
【００３０】
ここで、流入管３３ａや給湯用水通路３６ｂを含むこの近傍の流水配管３３は、湯沸かし運転の起動時または停止時における流水停止時においても、パワートランジスタ５０やダイオード５１などの発熱素子に比べて熱容量が大きいため、発熱素子は冷却される。圧縮機３５が停止した場合は、発熱素子の動作も停止しているので、吸熱量は流水配管３３の吸熱量で十分である。
【００３１】
一方、インバータ回路５９内のパワートランジスタ５０として使用する、例えばＭＯＳ−ＦＥＴにおいては、一般的に素子温度が上昇すると電力端子間（ドレイン〜ソース間）の導通抵抗が大きくなる特性を有している。このため、水冷放熱器４７にて発熱素子を強制冷却して温度の低い状態にて使用すると、素子の導通電圧（素子の電力端子間電圧）あるいは導通抵抗（素子の電力端子間抵抗）が低下し、発熱素子あるいは回路全体の損失を低減する事が可能となる。
【００３２】
このように、起動時や停止時の水流停止時においても、水路には水が充満し熱容量が大きいため十分に放熱することができる。また、インバータ装置を構成するトランジスタ等のパワーデバイスは電圧駆動型素子であるので、素子温度の上昇を抑えることで導通抵抗や導通電圧の上昇を防止し、回路全体の損失を低減することもできる。よって、パワーデバイスを信頼性高く冷却して放熱損失を低減するとともに高効率化と省電力化を図り、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【００３３】
（実施例２）
図３は、本発明の実施例２における給湯装置である瞬間式ヒートポンプ給湯装置の構成を示す模式図である。
【００３４】
図３において、図１と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、給湯用熱交換器３６の加熱通路である給湯用水通路３６ｂの上流には、水冷放熱器４７を設けた放熱水路６１が繋がり、さらに上流に水道水を直接供給する給水管６２が接続されて水道に直結されている。一方、給湯用水通路３６ｂの下流には、給湯用水通路３６ｂから出湯される湯を蛇口４４やシャワー４５等より成る給湯端末４６の通水させるための給湯回路６３が接続されている。給水管６２には、給湯回路６３の流量を検出する流量検知手段６４と、給水管６２の流水の温度を検出する水温検出手段５２が設けられている。そして給湯用水通路３６ｂの入口側である水冷放熱器４７と給湯用水通路３６ｂとの間には給湯用熱交換器３６への給水温度を検出する入口水温検知手段６５が設けられている。そして、貯湯用のタンクを持たない構成であるので構成が簡素となり、ヒートポンプ熱源の構成要素と水配管用の構成要素と制御手段４８とがヒートポンプユニット６６として１つのユニットに構成されている。給湯用熱交換器３６は、冷媒通路３６ａの流れ方向と給湯用水通路３６ｂ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。この構成により冷媒通路３６ａと給湯用水通路３６ｂの伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。
【００３５】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図３に示す実施例において、蛇口４４が開かれると給水管６２から水道水が流れ込み始める。これを流量検知手段６４が検知し制御手段４８が圧縮機３５を起動し回転数を制御する。そして、圧縮機３５から吐出される高温高圧の冷媒ガスは給湯用熱交換器３６へ流入し、給湯用水通路３６ｂを流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路６３を経て給湯端末４６から出湯する。従って、出湯を検出して、すぐに圧縮機３５からの高温高圧の冷媒ガスが給湯用熱交換器３６に流入し、水を加熱し、そのまま給湯端末４６から出湯利用できる。この加熱運転において、インバータ装置４９は圧縮機３５に内蔵された電動機５５の回転数を可変することでヒートポンプ熱源の加熱能力を可変し、出湯流量に合わせて制御手段４８が加熱能力を制御することで適温の出湯が可能となる。この運転中、インバータ装置４９を構成するパワートランジスタ５０やダイオード５１などの発熱性の電力用半導体では電力消費にて多くの熱を発生する。この熱は水冷放熱器４７を介して放熱水路６１内の流水に伝導され、放熱される。
【００３６】
このように、１つのユニット内にインバータ装置４９と水冷放熱器４７とを設けて構成することができるので、両者の接続構成が簡素化でき、機器価格を抑えた給湯装置を提供できるとともに、水冷放熱器４７に取り付けた発熱性の素子とインバータ装置４９の他の回路とを近接して構成できるのでノイズの発生を抑えることもできる。また、出湯による水流があるときのみに電動圧縮機３５が運転されるので、インバータ装置４８の運転時には必ず水流があり、水冷放熱器４７で確実に放熱して給湯用の熱量として利用し、省電力化が図れて光熱費を低減することができる。
【００３７】
そして、加熱通路である給湯用水通路３６ｂの入口側に設けた入口水温検出手段６５を備えているので、制御手段４８において、出湯の目標温度と入口水温検出手段６５で検出した温度との差に、流量検知手段６４の検知する流量を乗じて給湯負荷を求め、これを給湯用熱交換器３６での所要加熱量として、いわゆるフィードフォワードの制御量に用いることができる。このフィードフォワード制御は、給湯の温度安定時における所要熱量であるので、熱量の過不足が少なく制御の安定性に優れている。また、出湯温度の制御にフィードフォワード制御を加味して制御するので、給湯流量や給水温度が急変した場合には直ちに応答して加熱量を変更制御できるので、応答性がよくしかも安定性のよい制御が可能になる。したがって、起動時などの目標温度への立ち上がり時間が早くなり、低い湯温の給湯に利用できない無駄水が減り、給湯装置の運転を効率化し、給湯のための運転費を節約できる。
【００３８】
なお本実施例では、流量検知手段６４の検知する流量を用いて給湯負荷を演算し所要加熱量とする制御手段４８について説明したが、流量検知手段６４を持たない構成においても、給湯負荷は入口水温と出湯目標温度との差に反比例するので、入口水温が下がれば所要加熱量が増加し、入口水温が上がれば所要加熱量が減少する。したがってこの入口水温によって所要加熱量を推定して給湯用熱交換器３６の加熱制御を行えばよく、給水温度が変動しても、この変動に伴なう出湯温度変化が最小限に抑えられる。さらに、制御手段４８における給湯負荷の演算を、給水温度と仮の目標温度の差に所定の定数を乗じた推定値を用いてもよい。この場合、給湯負荷の計算精度は悪くなるが、流量検知手段が不要になるので低コスト化できる。ただし、給湯開始を検知するための流量スイッチは必要になる。
【００３９】
（実施例３）
図４は、本発明の実施例３における給湯装置の水冷放熱器を示す断面斜視図である。
【００４０】
図４において、図１および図３と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、水冷放熱器４７は、水路を形成する伝熱管７１と、これを支持する第１の基材７２とからなり、第１の基材７２が伝熱管７１の外周面に対して、その半円周部分以上かつ円周以下に接する略均一厚の支持部７３を有するものである。伝熱管７１は、支持部７３に対してこれらの弾性変形を利用して、図中矢印Ａに示した方向から圧入される。このとき、支持部７３の弾性力により、伝熱管７１は第１の基材７２に対して密着支持される。そして、第１の基材７２の支持部７３が形成されていない他方の面は、発熱素子が取り付けられるように放熱基板部７４として平面状になっている。
【００４１】
ここで、伝熱管７１は、例えば、熱伝導性の良い銅やアルミニウム等からなり、強度の高い真円形状の管体で構成される。一方、第１の基材７２は、熱伝導性および成形性の良いアルミニウム等からなり、断面が略均一形状の押出材で構成される。
【００４２】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。制御手段４８により圧縮機３５が運転され、パワートランジスタ５０やダイオード５１などの発熱性素子が熱を発生すると、この熱は放熱基板部７４を介して第１の基材７２に伝わり、支持部７３から伝熱管７１の外周面へ、そして放熱水路６１を構成する伝熱管７１内の流水に伝導され、放熱される。
【００４３】
ここで、本実施例によれば、伝熱管７１が、その半円周部分以上かつ円周以下に接する略均一厚の支持部７３の弾性力により、第１の基材７２と密着した状態で連続的に接触するため、強度の高い真円形状の管を使用しても十分な密着性が得られるとともに、熱交換に必要な伝熱面積を十分に確保することができる。
【００４４】
また、例えば、能力に応じて十分な伝熱面積を確保するために、水冷放熱器４７を長尺にすると同時に、Ｕ字状の折り返しを有する蛇行形状とするような場合も、伝熱管７１を予め蛇行形状にしておき、伝熱管７１を第１の基材７２に対して、その上下方向から圧入する構成とすることができ、容易に組み立てることできる。このとき、伝熱管７１に、圧縮、拡大、加熱処理等の加工を施すことがないため、管体の有する初期の耐圧性能を確保することが可能となる。
【００４５】
なお、同じように、支持部７３の弾性変形により、伝熱管７１と第１の基材７２とを容易に分解することも可能であり、伝熱管７１と第１の基材７２とを異種材料とした場合でも、リサイクル性を確保することができる。
【００４６】
したがって、溶接やロー付け等の加工を施すことなく伝熱管７１の外周面に第１の基材７２を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、伝熱管７１が蛇行形状等の複雑な水冷放熱器７４に対しても、支持部７３の弾性変形を利用した圧入により容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【００４７】
（実施例４）
図５は、本発明の実施例４における給湯装置の水冷放熱器を示す斜視図である。図５において、図１、図３および図４と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、水冷放熱器４７は、水路を形成する伝熱管７１と、これを挿入し支持する第２の基材７５とからなり、第２の基材７５に設けた貫通孔７６に伝熱管７１を挿入して拡管加工を行うなどして内嵌されることにより、伝熱管７１が第２の基材７５に密着支持される。そして、第２の基材７５の伝熱管７１に近接した面は、発熱素子が取り付けられるように放熱基板部７４として平面状に形成されている。ここで、第２の基材７５は、熱伝導性および成形性の良いアルミニウム等からなり、断面が略均一形状の押出材で構成される。
【００４８】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。制御手段４８により圧縮機３５が運転され、パワートランジスタ５０やダイオード５１などの発熱性素子が熱を発生すると、この熱は放熱基板部７４を介して第２の基材７５、貫通孔７６に内嵌した伝熱管７１の外周面と伝わり、放熱水路６１を構成する伝熱管７１内の流水に伝導され、放熱される。
【００４９】
このように、本実施例によれば、溶接やロー付け等の加工を施すことなく、伝熱管７１が拡管加工されて第２の基材７５と密着した状態で連続的に接触するため、十分な密着性が得られるとともに、熱交換に必要な伝熱面積を十分に確保することができる。さらに、伝熱管７１が蛇行形状等の複雑な水冷放熱器４７に対しても、Ｕ字形状の伝熱管７１を貫通孔７６に挿入後拡管加工しＵベンドを接続する等の内嵌加工方法を採用することにより容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【００５０】
（実施例５）
図６は、本発明の実施例５における給湯装置の水冷放熱器を示す一部切り欠き斜視図である。
【００５１】
図６において、図１、図３、図４および図５と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、水冷放熱器４７は、水を流す水路となる溝７７を有する第３の基材７８と、溝７７に接するように水密に密着接合した平面状の伝熱板７９とからなり、第３の基材７８の端面には入口８０と出口８１が穿孔されて溝７７と連通し水路を形成している。そして、伝熱板７９は発熱素子が取り付けられ、伝熱板７９と第３の基材７８との間に設けたゴムパッキン８２により、両者はシールされて水が漏れないように接合されている。ここで、伝熱板７９は、熱伝導性の良い材料からなり、銅板やアルミニウム板等が望ましい。
【００５２】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。制御手段４８により圧縮機３５が運転され、パワートランジスタ５０やダイオード５１などの発熱性素子が熱を発生すると、この熱は伝熱板７９を介して放熱水路６１を構成する溝７７内の流水に伝導され、放熱される。
【００５３】
このように、本実施例によれば、伝熱板７９を水路である溝７７に接するように密着接合しているので、伝熱板７９が水路の境界をなす一面となり水流が直接接触するとともに、溝７７を蛇行形状にするなど自由に形成できるので十分な伝熱面積を確保することができる。また、溝がある部分の周囲である第３の基材７８の外周を、ゴムパッキン８２やＯリング等でシールして伝熱板７９と第３の基材７８を接合させるなどして、容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【００５４】
（実施例６）
図７は、本発明の実施例６における給湯装置である電気温水器の構成を示す模式図である。
【００５５】
図７において、図１および図３と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、９１はヒーターユニットであり、水路である流水配管３３に熱的に接合された電気ヒーター９２からなっている。制御手段４８には、給湯用水の加熱熱源である電気ヒーター９２への入力を制御するためにトライアック等の発熱素子である電力用半導体９３があり、流水配管３３のうちの流入管３３ａ側に設けた水冷放熱器４７に、この電力用半導体９３が取り付けられている。
【００５６】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図７に示す実施例において、まず制御手段４８が電気的に接続された電気ヒーター９２に電圧を印加し、ヒーターユニット９１を加熱器として機能させるとともに、水系統回路におけるポンプ３４を作動させる。すると、タンク３１の底部から貯留水が流出し、流入管３３ａを介してヒーターユニット９１内の流水配管３３を流通する。そして、給湯用水はヒーターユニット９１によって加熱され、流出管３３ｂを通って再びタンク３１内の上部へと返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、タンク３１の上端側から下端側へと高温湯が次第に貯留されるように構成されている。
【００５７】
この湯沸かし運転において、制御手段４８は電気ヒーター９２に印加する電圧を可変することでヒートポンプ熱源の加熱能力を可変する。このために、制御手段４８にはトライアックなどの電力用半導体９３が搭載され、交流電源の任意の位相でスイッチングすることで実効電圧を可変しているので、この部分での電力消費にて多くの熱を発生する。電気ヒーター９２の加熱量が前述の実施例１のヒートポンプ熱源と等しい場合、加熱量を制御するときの制御電力は電気ヒーター９２の方が何倍も大きくなるので、発熱素子で大きな熱を発生しやすい。この熱は水冷放熱器４７を介して流水配管３３内の流水に伝導され、放熱される。
【００５８】
このように、電気ヒーター９２を用いた給湯装置ではヒーター入力が大きくなるので発熱量も大きく、これを給湯に利用することになるので、より放熱損失量を低減し省電力化が図れて、給湯のための運転費を節約できる。
【００５９】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、水冷放熱器を設けて発熱素子から給湯用水に放熱するようにしたので、空気中へ損失として放熱するのではなく、発熱素子からの熱を給湯に利用することができ、高効率化と省電力化が図れて給湯にかかる光熱費を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における給湯装置の構成図
【図２】同、給湯装置の熱源を制御するインバータ装置の構成図
【図３】本発明の実施例２における給湯装置の構成図
【図４】本発明の実施例３における給湯装置の水冷放熱器を示す断面斜視図
【図５】本発明の実施例４における給湯装置の水冷放熱器を示す斜視図
【図６】本発明の実施例５における給湯装置の水冷放熱器を示す一部切り欠き斜視図
【図７】本発明の実施例６における給湯装置の構成図
【図８】従来の給湯装置の構成図
【符号の説明】
３２　ヒートポンプユニット（熱源）
３３　流水配管（水路）
３５　圧縮機
３６ｂ　給湯用水通路（加熱通路）
４６　給湯端末
４７　水冷放熱器
４８　制御手段
４９　インバータ装置
５０　パワートランジスタ（発熱素子）
５１　ダイオード（発熱素子）
６１　放熱水路（水路）
６２　給水管
６３　給湯回路
６５　入口水温検出手段
６６　ヒートポンプユニット（熱源）
７１　伝熱管
７２　第１の基材
７３　支持部
７４　放熱基板部
７５　第２の基材
７６　貫通孔
７７　溝
７８　第３の基材
７９　伝熱板
９２　電気ヒーター（熱源）
９３　電力用半導体

Claims

熱源と、前記熱源により給湯用水を加熱するための加熱通路と、湯を供給する給湯端末と、発熱素子を有し前記熱源を制御する制御手段と、前記加熱通路に連通する水路と熱的に接続されて前記発熱素子からの発熱を給湯用水に放熱する水冷放熱器とを有する給湯装置。
熱源は電動圧縮機を備えたヒートポンプであり、発熱素子は前記電動圧縮機の回転数制御を行うインバータ装置のパワーデバイスである請求項１記載の給湯装置。
水冷放熱器は加熱通路の上流に直列に繋がる水路と熱的に接続するように設け、前記水冷放熱器下流の前記加熱通路の入口側に設けた入口水温検出手段を備え、前記入口水温検出手段の出力信号に基づき前記加熱通路での加熱量や加熱温度の少なくともどちらか一方を制御する請求項１または２記載の給湯装置。
水路は加熱通路の上流に直列に繋がるように設け、前記水路に入口側を水道に直結されて水道水を供給する給水管と、前記水路から前記加熱通路を経て給湯端末へと通水するように接続する給湯回路とを有する請求項２または３記載の給湯装置。
水冷放熱器は、水路を形成する伝熱管と、一方の面に前記伝熱管の外周面に対してその半周以上でかつ円周以下で接する支持部を有し他方の面に発熱素子が取り付けられる平面をなす放熱基板部を持つ第１の基材とを有し、前記第１の基材の前記支持部の弾性変形により前記伝熱管が前記第１の基材に圧入され密着支持される構成である請求項１〜４のいずれか１項に記載の給湯装置。
水冷放熱器は、水路を形成する伝熱管と、発熱素子が取り付けられる平面をなす放熱基板部を有し前記放熱基板部近傍に前記伝熱管を挿入可能な貫通孔を設けた第２の基材とを有し、前記貫通孔に伝熱管を挿入して内嵌することにより前記伝熱管が前記第２の基材に密着支持される構成である請求項１〜４のいずれか１項記載の給湯装置。
水冷放熱器は、良伝熱性材料からなり発熱素子が取り付けられる平面状の伝熱板と、水路を形成する溝を有し端面から前記溝に連通するように水路の入口と出口を穿孔された第３の基材とを有し、前記伝熱板を前記第３の基材の溝に接するように水密に密着接合した構成である請求項１〜４のいずれか１項に記載の給湯装置。
熱源は電気ヒーターであり、発熱素子は前記電気ヒーターの電力制御を行う電力用半導体であり、水冷放熱器は前記電力用半導体からの発熱を給湯用水に放熱するものである請求項１記載のヒートポンプ給湯装置。