JP2005221088A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱ロスを小さくし、熱交換効率の高い冷媒対水用熱交換器を有するヒートポンプ給湯機を提供できるようにする。
【解決手段】内部に水が流れる第１熱交換パイプ２と、内部に冷媒が流れる第２熱交換パイプ４によって構成される冷媒対水用熱交換器５の周囲及び隙間はウレタン樹脂１５に囲まれ、大気と完全に遮断される形となっているため、前記冷媒対水用熱交換器５から外部への放熱を大幅に削減することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、貯湯用のタンクを備えるヒートポンプ給湯機に関するものである。

現在、給湯機としてはガスや電気ヒータを熱源とするものが大勢的であるが、近年のエネルギー利用の効率化の要望やガスや電気ヒータによる火災等の防止の観点からヒートポンプ給湯機が提案されている。

ここで、従来のヒートポンプ給湯機について図７〜１０を用いて説明する。

一般にこの種のヒートポンプ給湯機では、貯湯タンク１の下部から供給された水が流れる第１熱交換パイプ２と、圧縮機３によって高温・高圧に加熱された冷媒が流れる第２熱交換パイプ４によって形成された冷媒対水用熱交換器５によって水が加熱されている。

加熱された水は循環ポンプ６によって貯湯タンク１の上部に戻され貯溜可能としている。

一方、熱を水に奪われた冷媒として例えば自然冷媒である二酸化炭素を使用した場合、凝縮域がなく超臨界域で熱交換されるため、冷媒温度は冷媒対水用熱交換器５内で緩やかに低下し、減圧装置７へ送られる。前記減圧装置７を通じることにより、冷媒は低温・低圧の二相流に変化し、蒸発器８へ送られる。前記蒸発器８では送風ファン９によって強制的に大気から熱を奪うことにより内部の冷媒は蒸発し、気化する。気化した冷媒は再び圧縮機３に吸い込まれ、高温・高圧に加熱されることにより水を加熱していく。

冷媒と水を熱交換している冷媒対水用熱交換器５の外周を断熱材１０で覆うことにより、高温で熱交換されている冷媒対水用熱交換器５から大気への放熱を減少させ、高効率で水を加熱しようとしていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１４３８２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、冷媒対水用熱交換器の外周を断熱材で覆っているだけであるため、外部との断熱は完全であるとはいえず、より高温に水を加熱しようとした場合、大気への放熱は大きくなっていき、熱交換効率が悪化していくという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、冷媒対水用熱交換器から大気への放熱を減少させることにより、熱交換効率を高め、高効率で水を加熱することを目的とする。

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、冷媒対水用熱交換器の周囲を一体発泡されたウレタン樹脂で覆う構造としたものである。これによって、断熱性能を向上させ、冷媒対水用熱交換器から大気への放熱を減少させるものである。

本発明のヒートポンプ給湯機は、冷媒対水用熱交換器から大気への放熱を減少させ、高効率で水を加熱することができる。

第１の発明は、圧縮機と、内部に水が流れる第１熱交換パイプと内部に冷媒が流れる第２熱交換パイプから形成される冷媒対水用熱交換器と、減圧装置と、蒸発器を有するヒートポンプ給湯機において、前記冷媒対水用熱交換器の周囲を一体発泡されたウレタン樹脂で覆う構造としたことにより、断熱性能を向上させ、冷媒対水用熱交換器から大気への放熱を減少させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の冷媒対水用熱交換器の周囲を、断熱性能の優れた真空断熱材で覆った後、一体発泡されたウレタン樹脂で覆う構造としたことにより、前記冷媒対水用熱交換器と大気との温度差が大きい場合にも放熱を減少させることができ、また必要とされる断熱材の厚みを薄くすることが可能であるため、小型化、コンパクト化することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の圧縮機と、冷媒対水用熱交換器を接続する冷媒配管に断熱材を巻く構造としたことにより、この冷媒配管から大気への放熱を減少させることができ、冷媒をできるだけ高温の状態で冷媒対水用熱交換器に流すことができる。

第４の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の圧縮機に断熱材を巻く構造としたことにより、圧縮機から大気への放熱を減少させることができ、冷媒の吐出温度をできるだけ高く保つことができる。

第５の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の冷媒対水用熱交換器に接続している高温に加熱された水が流れる水配管に断熱材を巻く構造としたことにより、冷媒にて加熱された水から大気への放熱を減少させることができ、より高温に保った状態で貯湯タンクへ送ることができる。

第６の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の冷媒対水用熱交換器周囲に外箱を設ける構造としたことにより、ウレタン樹脂が水分を吸収することを防止し、またウレタン一体発泡時の生産性を向上させることができる。

第７の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の第１熱交換パイプと、第２熱交換パイプを対向流で熱交換する構造としたことにより、冷媒対水用熱交換器出口の冷媒温度調整域を広くして高温高効率化を実現することができる。

第８の発明は、特に、第１の発明から第７の発明のヒートポンプ給湯機の冷媒に二酸化炭素を使用することにより、高温高効率の貯湯運転と地球環境保全を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるヒートポンプユニットの構造を示す全体概略図、図２は本発明の実施の形態１における冷媒対水用熱交換器の構造を示す全体概略図、図７は従来のヒートポンプ給湯機を構成するタンクユニットの構造を示す全体概略図、図８は従来のヒートポンプ給湯機の冷媒循環回路及び給湯回路を示す概略図である。また、本発明のヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、従来広く用いられているＲ２２等のフロン系冷媒でも良いが、オゾン層保全及び地球温暖化防止等の環境保護的側面から近年盛ん
に研究されている自然冷媒である二酸化炭素冷媒の方が、より大きな効果を得ることが可能である。以下では、冷媒として二酸化炭素を用いるが、その他の冷媒であってもよいものである（以下各実施の形態においても同様）。

ヒートポンプ給湯機は、圧縮機３、冷媒対水用熱交換器５、減圧装置７、蒸発器８からなる冷媒循環回路Ａと、貯湯タンク１、前記冷媒対水用熱交換器５、循環ポンプ６を接続した給湯回路Ｂからなり、前記圧縮機３、冷媒対水用熱交換器５、減圧装置７、蒸発器８、送風ファン９及びヒートポンプユニット制御手段１１等はヒートポンプユニット１２内に収容されている。また、前記貯湯タンク１、循環ポンプ６、タンクユニット制御手段１３等はタンクユニット１４内に収容されている。

上記のヒートポンプ給湯機では、前記圧縮機３より吐出された高温・高圧の過熱ガス冷媒は、前記冷媒対水用熱交換器５に流入し、ここで水道から貯湯タンク１を通じて前記循環ポンプ６から送られてきた水を加熱する。二酸化炭素冷媒は凝縮域がなく超臨界域で熱交換されるため、冷媒温度は前記冷媒対水用熱交換器５内で緩やかに低下し、前記減圧装置７で減圧され、前記蒸発器８に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機３へ戻る。一方、前記冷媒対水用熱交換器５で加熱された湯は、前記貯湯タンク１の上部に流入し、この貯湯タンク１で貯湯され、この貯湯タンク１に貯湯された湯は必要に応じて利用部へ供給される。

次に冷媒対水用熱交換器５について説明する。前記冷媒対水用熱交換器５は、内部に前記循環ポンプ６から送られた水（被熱交換液）が流れる第１熱交換パイプ２と、内部に過熱ガス冷媒（熱媒体）が流れる第２熱交換パイプ４とが、対向流になるように設けられている。前記第２熱交換パイプ４は、前記第１熱交換パイプ２内部に沿うように設けられている。前記第１熱交換パイプ２は、例えば厚さが約１ｍｍで外径が約１５ｍｍの銅パイプを素材とたものであり、前記第２熱交換パイプ４は、前記第１熱交換パイプ２と同質材料である例えば厚さが約０．６ｍｍで外径が約６ｍｍの銅パイプを素材としたものである。前記第１熱交換パイプ２及び前記第２熱交換パイプ４は、ヒートポンプユニット１２内でできるだけコンパクトに収まるように螺旋状に巻回され、設置されている。

ここで、前記冷媒対水用熱交換器５は、その周囲をウレタン樹脂１５にて一体発泡されており、外部からはその外観が確認できず、完全に断熱されている状態となっている。また、ヒートポンプ給湯機動作中は非常に高温となる圧縮機３、前記圧縮機３と冷媒対水用熱交換器を接続する冷媒配管１６、前記冷媒対水用熱交換器５に接続しており高温の冷媒と熱交換された高温の湯が流れる水配管１７には、例えばグラスウールや軟質ウレタンフォーム等の断熱材１８が巻かれている。

上述のように構成された冷媒対水用熱交換器５は、その周囲及び隙間も含めてウレタン樹脂１５に囲まれ、大気と完全に遮断される形となっているため、前記冷媒対水用熱交換器５から外部への放熱を大幅に削減することができる。また、圧縮機３、冷媒配管１６、水配管１７から大気への放熱も削減することができる。これにより、まず吐出ガス温度を高く保つことができ、冷媒対水用熱交換器５に入る際の冷媒温度を高く保つことができる。次に、冷媒の熱が水にほとんど無駄なく熱交換されるようになり、水と冷媒との熱交換効率を向上することができる。最後に、冷媒対水用熱交換器５から貯湯タンク１に送られる湯温を高く保つことができるため、効率の良いヒートポンプ運転を行うことができる。

なお、本実施例では水（被熱交換液）が流れる第１熱交換パイプ２内部に、過熱ガス冷媒（熱媒体）が流れる第２熱交換パイプ４が設置されている形状の冷媒対水用熱交換器５の周囲をウレタン樹脂１５にて一体発泡しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、水と冷媒間で熱交換が生じているすべての冷媒対水用熱交換器５に適用される。

なお、本実施例に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

（実施の形態２）
図３は本発明の実施の形態２におけるヒートポンプユニットの構造を示す全体概略図、図４は本発明の実施の形態２における冷媒対水用熱交換器の構造を示す全体概略図である。

ヒートポンプ給湯機の構造及び動作については実施の形態１と同一である。

ここで、冷媒対水用熱交換器５は、その周囲に真空断熱材１９が設置された後、ウレタン樹脂１５にて前記冷媒対水用熱交換器５と共に一体発泡され、外部からはその外観が確認できず、完全に断熱されている状態となっている。また、ヒートポンプ給湯機動作中は非常に高温となる圧縮機３、前記圧縮機３と冷媒対水用熱交換器を接続する冷媒配管１６、前記冷媒対水用熱交換器５に接続しており高温の冷媒と熱交換された高温の湯が流れる水配管１７には、例えばグラスウールや軟質ウレタンフォーム等の断熱材１８が巻かれている。

上述のように構成された冷媒対水用熱交換器５は、その周囲を真空断熱材１９で囲われていると共に、さらにその外側及び隙間も含めてウレタン樹脂１５に囲まれ、大気と完全に遮断される形となっているため、前記冷媒対水用熱交換器５から外部への放熱を大幅に削減することができる。また、圧縮機３、冷媒配管１６、水配管１７から大気への放熱も削減することができる。これにより、まず吐出ガス温度を高く保つことができ、冷媒対水用熱交換器５に入る際の冷媒温度を高く保つことができる。次に、冷媒の熱が水にほとんど無駄なく熱交換されるようになり、水と冷媒との熱交換効率を向上することができる。最後に、冷媒対水用熱交換器５から貯湯タンク１に送られる湯温を高く保つことができるため、特に周囲温度が低く（５℃以下）、給湯温度が高い（９０℃以上）の条件では、水と冷媒との熱交換効率を大幅に向上でき、周囲温度と給湯温度の差が比較的小さいときと同様な効率の良いヒートポンプ運転を行うことができる。

なお、本実施例では水（被熱交換液）が流れる第１熱交換パイプ２内部に、過熱ガス冷媒（熱媒体）が流れる第２熱交換パイプ４が設置されている形状の冷媒対水用熱交換器５の周囲をウレタン樹脂１５にて覆っているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、水と冷媒間で熱交換が生じているすべての冷媒対水用熱交換器５に適用される。

なお、本実施例に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３におけるヒートポンプユニットの構造を示す全体概略図、図６は本発明の実施の形態３における冷媒対水用熱交換器の構造を示す全体概略図である。

ヒートポンプ給湯機の構造及び動作については実施の形態１と同一である。

ここで、冷媒対水用熱交換器５周囲には、例えば金属製または樹脂製の外箱２０を設け、前記冷媒対水用熱交換器５を前記外箱２０内部にセットした後にウレタン一体発泡が行われ、ウレタン樹脂１５が注入されている。

上述のような構成とすることにより、冷媒対水用熱交換器５の近くに存在する蒸発器８から生じる除霜水がウレタン樹脂１５に吸湿され、前記ウレタン樹脂１５が劣化することを防止できる。また一体発泡時、ウレタン樹脂１５は液体の状態で注入されるが、外箱２０を設けることにより、事前にウレタン樹脂１５漏れ防止のためのシール作業を確実に行うことができ、製造ラインでの生産性を向上させることができる。

なお、本実施例では水（被熱交換液）が流れる第１熱交換パイプ２内部に、過熱ガス冷媒（熱媒体）が流れる第２熱交換パイプ４が設置されている形状の冷媒対水用熱交換器５の周囲をウレタン樹脂１５にて一体発泡しているが、必ずしもこれに限定されるものではなく、水と冷媒間で熱交換が生じているすべての冷媒対水用熱交換器５に適用される。

なお、本実施例に示した各種材料や数値などは必ずしもこれに限定されるものではなく、所定の役割を果たすことができるならば別の材料や数値で何ら問題はない。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、冷媒対水用熱交換器から大気への放熱を減少させ、高効率で水を加熱することが可能となるので、発熱体から外部への熱リークを防止するための用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプユニットの構造を示す全体概略図 本発明の実施の形態１における冷媒対水用熱交換器の構造を示す全体概略図 本発明の実施の形態２におけるヒートポンプユニットの構造を示す全体概略図 本発明の実施の形態２における冷媒対水用熱交換器の構造を示す全体概略図 本発明の実施の形態３におけるヒートポンプユニットの構造を示す全体概略図 本発明の実施の形態３における冷媒対水用熱交換器の構造を示す全体概略図 従来のヒートポンプ式給湯機を構成するタンクユニットの構造を示す全体概略図 従来のヒートポンプ式給湯機の冷媒循環回路及び給湯回路を示す概略図 従来のヒートポンプユニットの構造を示す全体概略図 従来の冷媒対水用熱交換器の構造を示す全体概略図

符号の説明

２ 第１熱交換パイプ（水）
３ 圧縮機
４ 第２熱交換パイプ（冷媒）
５ 冷媒対水用熱交換器
７ 減圧装置
８ 蒸発器
１５ ウレタン樹脂
１６ 冷媒配管
１７ 水配管
１８ 断熱材
１９ 真空断熱材
２０ 外箱

Claims (8)

1. 圧縮機と、内部に水が流れる第１熱交換パイプと内部に冷媒が流れる第２熱交換パイプから形成される冷媒対水用熱交換器と、減圧装置と、蒸発器を有するヒートポンプ給湯機において、前記冷媒対水用熱交換器の周囲を一体発泡されたウレタン樹脂で覆う構造としたヒートポンプ給湯機。
2. 前記冷媒対水用熱交換器の周囲に真空断熱材を配し、前記冷媒対水用熱交換器及び前記真空断熱材の周囲を一体発泡されたウレタン樹脂で覆う構造とした請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 圧縮機と、冷媒対水用熱交換器を接続する冷媒配管に断熱材を巻いたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 圧縮機に断熱材を巻いたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 冷媒対水用熱交換器に接続している高温に加熱された水が流れる水配管に断熱材を巻いたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 冷媒対水用熱交換器周囲に外箱を設けた請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 内部に水が流れる第１熱交換パイプと、内部に冷媒が流れる第２熱交換パイプを対向流で熱交換するようにした請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
8. 冷媒が二酸化炭素冷媒であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機

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