JP2005077062A

JP2005077062A - ヒートポンプ給湯機

Info

Publication number: JP2005077062A
Application number: JP2003311494A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Matsumoto; 松本　　聡; Takeji Watanabe; 竹司渡辺
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-09-03
Filing date: 2003-09-03
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-09-03
Also published as: JP3966260B2

Abstract

【課題】スケール付着等に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】少なくとも圧縮機３１、放熱器３２、膨張弁３３、蒸発器３４から構成されるヒートポンプ回路３５を備え、前記放熱器３２は冷媒が水に放熱し温水を得る冷媒水熱交換器であるとともに、その水側出口に接続する水出口配管４２の内部が、水の流れ方向に連続する平滑面または拡大する不連続面のみを有するものであり、ヒートポンプ給湯機の水側流路内において、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、大気熱等をヒートポンプ回路の熱源として、冷媒の凝縮熱等を用いて給湯水を加熱するヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯機としては、図５に記載されているようなものがある。その構成について、図５を参照しながら説明する（例えば、特許文献１参照）。

図５において、１は圧縮機、２は冷媒水熱交換器、３は膨張弁、４は大気熱等を集熱する蒸発器であり、これらを順次接続してヒートポンプ回路５を構成する。一方、６は貯湯タンク、７は水ポンプであり、これらと冷媒水熱交換器２を順次接続して水回路８を構成する。

ヒートポンプを用いて給湯運転を行う場合、まず、蒸発器４において、送風ファンや集熱パネル等により大気熱や太陽熱等を集熱し、その内部を流れる冷媒を蒸発ガス化する。この冷媒は圧縮機１に吸引され、機械的に圧縮されて、高温高圧の冷媒として冷媒水熱交換器２に流入する。一方、貯湯タンク６下部の水は、循環用の水ポンプ１０によって搬送され、冷媒水熱交換器２に流入し、ここで、高温高圧の冷媒によって加熱され、貯湯タンク６上部に流入する。冷媒水熱交換器２で放熱した冷媒は、膨張弁３で減圧されて蒸発器４に流入する。冷媒は、ここで再び大気熱等から吸熱し、次の圧縮機１に供される。
特開昭６０−２２１６６１号公報（第４頁、第４図）

しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。水道水や地下水等の給湯用の水は、一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を含んでおり、地域によっては、このような硬度成分を非常に多く含んでいる場合がある。硬度成分を比較的多く含む水を、ヒートポンプ給湯機の冷媒水熱交換器で長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍を中心に、硬度成分がスケール（例えば、炭酸カルシウム）として析出する可能性がある。このようなスケールが、冷媒水熱交換器の水側流路の伝熱面や、水回路を構成する配管の内周に付着し堆積していくと、水の流動抵抗となって圧力損失が増大し、水ポンプの負荷を増大させる。また、冷媒と水とが熱交換する際の伝熱面の熱抵抗となり、熱交換器としての性能を著しく低減させる。さらに、水側流路がスケールにより完全に閉塞されると、ヒートポンプ給湯機による給湯運転が不可能となるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、信頼性の向上を図ったヒートポンプ給湯機を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のヒートポンプ給湯機は、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路を備え、前記放熱器は冷媒が水に放熱し温水を得る冷媒水熱交換器であるとともに、その水側出口に接続する水出口配管の内部は、水の流れ方向に従って拡大ように構成したものである。

これによって、ヒートポンプ給湯機の水側流路内において、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

本発明のヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ給湯機の水側流路内において、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第１の発明は、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路を備え、前記放熱器は冷媒が水に放熱し温水を得る冷媒水熱交換器であるとともに、その水側出口に接続する水出口配管の内部は、水の流れ方向に従って拡大ように構成したものであり、ヒートポンプ給湯機の水側流路内において、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第２の発明は、第１の発明の構成に対して、特に内部にヒートポンプ回路を有し、さらに外部との水の授受をおこなう水入口部材および水出口部材を有するヒートポンプユニットを備え、このヒートポンプユニット内部の冷媒水熱交換器の水側出口と前記水出口部材とを接続する配管の内部は、水の流れ方向に従って拡大ように構成したものであり、同様に、ヒートポンプユニットの水側流路内において、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第３の発明は、第１の発明または第２の発明の構成に対して、特に水出口配管の内径が、冷媒水熱交換器の水管より大きいものであり、この部分の管断面積を大きくすることで、万一スケールが析出するような場合も、管内流路の縮小や閉塞が緩和され、ヒートポンプ給湯機の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。

第４の発明は、第１〜３の発明の構成に対して、特に水出口配管が略直線形状であるものであり、同様に、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第５の発明は、第１〜３の発明の構成に対して、特に水出口配管の曲げ角度が９０°以上であるものであり、同様に、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第６の発明は、第１〜５の発明の構成に対して、特に水出口配管に温度検出部を備え、前記温度検出部が前記水出口配管の外周に設けられたものであり、沸き上げ温度の検出部として従来広く用いられている温度サーミスタを管内に挿入するような場合に対して、水流路内にその流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第７の発明は、第１〜６の発明の構成に対して、特に冷媒の圧力が臨界圧力以上となるものであり、ヒートポンプ給湯機の放熱器である冷媒水熱交換器を流れる冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

第８の発明は、第１〜６の発明の構成に対して、特に冷媒が二酸化炭素であるものであり、自然に広くする存在する物質を冷媒として用いるため、不測に機内から放出されるような場合も、オゾン層を破壊することなく、地球環境にやさしいヒートポンプ給湯機を提供することができる。

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。

（実施例１）
図１は本発明のヒートポンプ給湯機のヒートポンプユニットの平面図であり、図２はヒートポンプ給湯機全体の構成図である。

ヒートポンプ給湯機は、図２に示すように、圧縮機３１、冷媒水熱交換器３２、膨張弁３３、大気熱等を集熱する蒸発器３４を順次接続したヒートポンプ回路３５を有するヒートポンプユニット２１と、貯湯タンク３６、水ポンプ３７、前記した冷媒水熱交換器３２を順次接続した水回路３８とからなるタンクユニット２２から構成される。

このとき、冷媒水熱交換器３２は、冷媒が水に放熱する放熱器として機能することで温水を得るものであり、例えば、図３に示すように、内管５５を外管５６内に同心状に挿入した伝熱管５１を環状に巻いて構成したものが一般的である。内管５５内を高温高圧の冷媒が流れる流路５３とする一方、内管５５と外管５６との間の空間を低温低圧の水が流れる流路５４としている。

この冷媒水熱交換器３２の水側流路には、図１に示すように、その入口側および出口側にそれぞれ水入口配管４１および水出口配管４２が接続されている。さらに、この水入口配管４１および水出口配管４２は、ヒートポンプユニット２１が外部のタンクユニット２２との水の授受をおこなう水入口部材４３および水出口部材４４と接続されている。

ここで、冷媒水熱交換器３２の水出口配管４２は、その内部が水の流れ方向に連続する平滑面または拡大する不連続面のみを有するものである。さらに、水出口配管４２の内径Ｔ２が、冷媒水熱交換器３２の水管径Ｔ１より大きく、図１に示すように、略直線形状を有して、水出口部材４４と接続されている。また、この水出口配管４２には、その外周に温度検出部４５が設けられている。この温度検出部４５は、例えば温度サーミスタを水出口配管４２の外周に板バネ等により機械的に圧着させたものであり、冷媒水熱交換器出口の沸き上げ温度の検出を行ない、例えば圧縮機や水ポンプの制御に用いるものである。

このようなヒートポンプ給湯機により、水の加熱給湯を行う場合、まず、蒸発器３４において、送風ファンや集熱パネル等により大気熱や太陽熱等を集熱し、その内部を流れる冷媒を蒸発ガス化する。この冷媒は圧縮機３１に吸引され、機械的に圧縮されて、高温高圧の冷媒として冷媒水熱交換器３２に流入する。一方、貯湯タンク３６下部の水は、循環用の水ポンプ３７によって搬送され、冷媒水熱交換器３２に流入し、ここで、高温高圧の冷媒によって加熱され、貯湯タンク３６上部に流入する。冷媒水熱交換器３２で放熱した冷媒は、膨張弁３３で減圧されて蒸発器３４に流入する。冷媒は、ここで再び大気熱等から吸熱し、次の圧縮機３１に供される。なお、ヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、Ｒ４１０ａ等のフロン系冷媒、プロパン等の炭化水素系冷媒、二酸化炭素冷媒が挙げられる。ここで、特に、二酸化炭素は、自然に広くする存在する物質であり、不測に機内から放出されるような場合も、可燃性がなく安全で、オゾン層を破壊することなく、地球環境にやさしいヒートポンプ給湯機を提供することができる。

また、二酸化炭素のように、冷媒の動作圧力が臨界圧力以上となるものを用いれば、ヒートポンプ給湯機の放熱器である冷媒水熱交換器を流れる冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。

例えば、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を比較的多く含む水を、ヒートポンプ給湯機の冷媒水熱交換器３２で長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍を中心に、硬度成分がスケール（例えば、炭酸カルシウム）として析出する可能性がある。このようなスケールは、特に高温かつ水の流れが淀むような場所に集中的に析出する傾向がある。スケールが冷媒水熱交換器３２の水側流路の伝熱面や、水回路３８を構成する配管の内周に付着し堆積していくと、水の流動抵抗となって圧力損失が増大し、水ポンプ３７の負荷を増大させる。さらに、水回路３８がスケールにより完全に閉塞されると、ヒートポンプ給湯機による給湯運転が不可能となってしまう。

ここで、本実施例は、ヒートポンプユニット２１内部の冷媒水熱交換器３２の水側出口配管４２の内部が、水の流れ方向に連続する平滑面または拡大する不連続面のみを有するものであり、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

また、水出口配管４２を略直線形状としてやれば、水の流れが淀みとなるような部分を完全に排除することができ、より一層スケール等がしにくく、信頼性の向上を図ることができる。

さらに、水出口配管４２の内径Ｔ２が、冷媒水熱交換器３２の水管径Ｔ１より大きいものであり、この部分の管断面積を大きくすることで、万一スケールが析出するような場合も、管内流路の縮小や閉塞が緩和され、ヒートポンプ給湯機の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。

また、水出口配管に一般に設けられる温度検出部が、その外周に設けられたものであるため、沸き上げ温度の検出部として従来広く用いられている温度サーミスタを管内に挿入するような場合に対して、水流路内にその流れが淀みとなるような部分を排除することができ、より信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

（実施例２）
図４は本発明の実施例２のヒートポンプ給湯機のヒートポンプユニット２３の平面図である。本実施例のヒートポンプユニットの構成とその作用は、図１に示したヒートポンプユニット２１と略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。

実施例１と異なるのは、水出口配管４７が屈曲部を有し、その曲げ角度が９０°以上である点である。このような構成によれば、水の流れの淀みを極力低減させながらも、水配管の引き回しの設計自由度が向上し、コンパクトな設計を実現させることができる。

したがって、コンパクト性と信頼性と生産性に優れた熱交換器を提供することができる。

なお、上記した各実施例において、冷媒水熱交換器として、内と外の二重の伝熱管からなるものとしたが、略管状の形態のものであれば、これに限るものではない。例えば、各伝熱管を、内管を平滑管に内面溝付き管を被覆させた二重管として構成したいわゆる三重管としてもよく、そうすれば腐食等による管体の破損に伴う流体の漏洩が、内面溝を通じて未然に検知され、さらに熱交換器の信頼性を拡大することができる。また、このような伝熱管としては他にも、丸管の外周に沿って細管を螺旋状に巻回したもの、丸管の周りに複数の細管を同心円状に配置したもの等、略管状であり螺旋状に巻回可能な形態のものであれば、どのようなものでも良い。

以上のように本発明に係るヒートポンプ給湯機は、ヒートポンプ給湯機の水側流路内において、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除することができ、スケール等の付着に対する信頼性に優れたヒートポンプ給湯機を提供することができるもので、電気給湯器、ガス給湯機、石器湯給湯機等にも適用できる。

本発明の実施例１におけるヒートポンプユニットの平面図本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯機の構成図本発明の実施例１における熱交換器の側面図本発明の実施例２におけるヒートポンプユニットの平面図従来のヒートポンプ給湯機の構成図

符号の説明

３１圧縮機
３２放熱器
３３膨張弁
３４蒸発器
３５ヒートポンプ回路
４２水出口配管

Claims

少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路を備え、前記放熱器は冷媒が水に放熱し温水を得る冷媒水熱交換器であるとともに、その水側出口に接続する水出口配管の内部は、水の流れ方向に従って拡大ように構成したヒートポンプ給湯機。
外部との水の授受をおこなう水入口部材および水出口部材を有するヒートポンプユニットを備え、このヒートポンプユニット内部の冷媒水熱交換器の水側出口と前記水出口部材とを接続する配管の内部は、水の流れ方向に従って拡大ように構成した請求項１記載のヒートポンプ給湯機。
水出口配管の内径が、冷媒水熱交換器の水管より大きい請求項１または２記載のヒートポンプ給湯機。
水出口配管が略直線形状である請求項１〜３いずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
水出口配管の曲げ角度が９０°以上である請求項１〜３いずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
水出口配管に温度検出部を備え、前記温度検出部が前記水出口配管の外周に設けられた請求項１〜５いずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
冷媒の圧力が臨界圧力以上となる請求項１〜６いずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
冷媒が二酸化炭素である請求項１〜７いずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。