JP2006250417A - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換効率を一層良好にしつつ、放熱器を給湯用の水に直接触れさせる設置状態としても、冷媒が給湯用の水に漏出するような事態を未然に防止する。
【解決手段】 少なくとも圧縮機、放熱器３、膨張装置及び蒸発器を冷媒配管にて接続して構成したヒートポンプ冷媒回路と、放熱器で加熱された湯を貯留して利用部へ供給するための貯湯タンクと備えている。そして、ヒートポンプ冷媒回路の放熱器３は、内部に冷媒が流れる複数本の伝熱管１７、１７と、これら複数本の伝熱管１７を内蔵して被覆する被覆管１８とを備え、この被覆管１８の外表面が給湯用の水に直接触れる設置状態とした構成である。
【選択図】 図３

Description

本発明はヒートポンプ冷媒回路を用いて水を沸かし、そのお湯を貯湯タンクに貯えて給湯を行うようにした貯湯型のヒートポンプ給湯機に関する。

この種のヒートポンプ給湯機は、例えば、特許文献１に示されるように、圧縮機、冷媒対水熱交換器及び蒸発器等を有して構成されたヒートポンプ冷媒回路と、前記冷媒対水熱交換器で加熱された湯を貯留して利用部へ供給するための貯湯タンクとを備えている。そして、前記冷媒対水熱交換器は、並列に分岐されて内部にそれぞれ冷媒が流れる複数本の第１伝熱管と、内部に給湯用の水が流れる1本の第２伝熱管を備え、前記複数本の第１伝熱管が第２伝熱管の軸方向に沿って連続的に形成された２条の窪み部内にそれぞれ熱交換関係に圧着固定されて一体化されてなるものである。
特開２００３−１４３８３号公報

しかしながら、上記した特許文献１に記載の冷媒対水熱交換器では、伝熱面積が少なく、また、内部を二酸化炭素等の冷媒が流れる第２伝熱管の一部が露出するため、給湯用の水に直接触れる設置状態とすることができない。

ヒートポンプ冷媒回路における加熱用の熱交換器（放熱器）の殆んど全体を、貯湯タンク内に収容して給湯用の水に直接触れさせたり、両端部が貯湯タンク内に連通する貯湯回路の途中に設けられた熱交換用補助タンク内に収容して給湯用の水に直接触れさせたりすると、熱交換効率を高めることができる。

しかしながら、上記したように、加熱用の熱交換器（放熱器）の殆んど全体を、給湯用の水に直接触れさせたりすると、高温高圧の冷媒が流れる伝熱管に亀裂などの不具合が生じた場合、この伝熱管内を流れる冷媒が貯湯タンク内や熱交換用補助タンク内の給湯用の水に漏出し、その冷媒中の油分が給湯用水に混入してしまうような事態を想定できる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、熱交換効率を一層良好にしつつ、加熱用の放熱器の殆んど全体を給湯用の水に直接触れさせる設置状態としても、冷媒が給湯用の水に漏出するような事態を未然に防止し得るヒートポンプ給湯機を提供できるようにすることを目的としている。

請求項１に記載の本発明は、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張装置及び蒸発器を冷媒配管にて接続して構成したヒートポンプ冷媒回路と、前記放熱器で加熱された湯を貯留して利用部へ供給するための貯湯タンクと備え、前記ヒートポンプ冷媒回路の放熱器は、内部に冷媒が流れる複数本の伝熱管と、これら複数本の伝熱管を内蔵して被覆する被覆管とを備え、かつ、この被覆管の外表面が給湯用の水に直接触れる設置状態としたことを特徴とする。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯機において、前記複数本の伝熱管と前記被覆管とは、相互に密接して熱交換関係に一体化されていることを特徴とする。

請求項３に記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯機において、前記放熱器は、螺旋状或いは渦巻き状に巻回されていることを特徴とする。

請求項４に記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯機において、前記放熱器は、貯湯タンク内の下部に収容されていることを特徴とする。

請求項５に記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯機において、前記放熱器は、両端部が貯湯タンク内に連通する貯湯回路の途中に設けられた熱交換用補助タンク内に収容されていることを特徴とする。

請求項６に記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯機において、前記ヒートポンプ冷媒回路を構成する各構成部品及び前記貯湯タンクが、共通の外装体内に収容されていることを特徴とする。

請求項７に記載の本発明は、請求項１に記載のヒートポンプ給湯機において、前記冷媒が二酸化炭素を含む自然冷媒であり、この自然冷媒の高圧を臨界圧力以上とすることを特徴とする。

本発明によれば、ヒートポンプ冷媒回路の放熱器は、内部に冷媒が流れる複数本の伝熱管と、これら複数本の伝熱管を内蔵して被覆する被覆管とを備え、かつ、この被覆管の外表面が給湯用の水に直接触れる設置状態とした構成であるから、伝熱面積を増加できると共に、給湯用の水の中にこの放熱器を浸して水を加熱させることができるため、熱交換効率の一層の向上が図れ、しかも、冷媒が流れる複数本の伝熱管を被覆管で被覆しているため、冷媒が給湯用の水に漏出するような事態を未然に防止し得る。

本発明は、熱交換効率を一層良好にしつつ、加熱用の放熱器の殆んど全体を給湯用の水に直接触れさせる設置状態としても、冷媒が給湯用の水に漏出するような事態を未然に防止し得るヒートポンプ給湯機を提供できるようにすることを目的とし、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張装置及び蒸発器を冷媒配管にて接続して構成したヒートポンプ冷媒回路と、前記放熱器で加熱された湯を貯留して利用部へ供給するための貯湯タンクと備え、前記ヒートポンプ冷媒回路の放熱器は、内部に冷媒が流れる複数本の伝熱管と、これら複数本の伝熱管を内蔵して被覆する被覆管とを備え、かつ、この被覆管の外表面が給湯用の水に直接触れる設置状態とすることで実現できた。

以下、本発明の実施例１について、図１乃至図３の図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施例１におけるヒートポンプ給湯機の構成図、図２は本発明の実施例１における放熱器の側面図、図３は図２のＸ−Ｙ断面の拡大断面図である。

図１において、１はヒートポンプ給湯機であり、このヒートポンプ式給湯機１は、一般に、圧縮機２、放熱器３、膨張弁（膨張装置）４、キャピラリチューブ５、５、大気熱等を集熱する蒸発器６及びアキュームレータ７などを冷媒配管Ｒによって順次接続したヒートポンプ冷媒回路Ｈと、蒸発器６に送風する送風機８と、貯湯タンク９と、この貯湯タンク９に水道水を給水するための給水管１０と、貯湯タンク９内に貯留された給湯用の湯水を蛇口（図示せず）等の利用部へ供給するための出湯管１１とから構成されている。

なお、１２は前記放熱器３をパイパスするパイパス回路１３の途中に設けられたパイパス開閉弁であり、この開閉弁１２は電磁開閉弁にて構成され、前記蒸発器６の除霜運転時に開動作されて圧縮機２から吐出する高温高圧のガス冷媒の一部を、直接、蒸発器６へ流して、除霜するためのものである。

前記給水管１０は貯湯タンク９の底部に接続され、その途中に圧力調整弁１４を有すると共に、この圧力調整弁１４の下流側から分岐した分岐管１５を有し、この分岐管１５の他端部は、前記出湯管１１の途中に設けられた混合弁１６に接続されている。

前記ヒートポンプ冷媒回路Ｈを構成する圧縮機２、放熱器３、膨張弁４、キャピラリチューブ５、蒸発器６及びアキュームレータ７などの各構成部品、送風機８、貯湯タンク９、給水管１０及び出湯管１１などが、図１中の２点鎖線で示すように、共通のキャビネット（外装体）Ｋ内に収容されて一体化されている。

前記放熱器３は前記貯湯タンク９内の下部に収容されており、次に、この放熱器３の構成について、図２及び図３を用いて詳述する。

前記放熱器３は、内部に高温高圧の冷媒が流れる冷媒流路１７Ａをそれぞれ有する複数本（実施例では３本）の細管状の伝熱管１７、１７、１７と、これら複数本の伝熱管１７を内蔵してそれらを被覆する被覆管１８とを備えている。

前記被覆管１８は、図３に示すように、前記複数本の伝熱管１７が互いに離れた状態で保持されるように被覆管１８の断面形状を引き抜き加工によって屈曲形成している。そして、この屈曲加工によって前記複数本の伝熱管１７と被覆管１８とは、相互に密接して熱交換関係に一体化される構成となっている。

上記のように一体化された複数本の伝熱管１７と被覆管１８とは、螺旋状に巻回して円筒状に形成されているが、渦巻き状に巻回して円形平盤状に形成することも可能である。

そして、前記複数本の伝熱管１７は、それぞれ外径寸法が約４〜７ｍｍの銅パイプの細管で構成され、一方、前記被覆管１８は、その外径寸法が、前記伝熱管１７の外径寸法よりも約３〜６倍の大径の銅パイプを用いて屈曲形成したものである。

前記複数の伝熱管１７は、分岐具１９及び合流具２０を介して互いに連通しており、前記ヒートポンプ冷媒回路Ｈの冷媒流路に対して並列接続された複数経路の冷媒流路を構成している。

また、前記放熱器３は、前記貯湯タンク９内の下部に収容されているため、複数本の伝熱管１７を被覆する被覆管１８の外表面が、貯湯タンク９内下部における低温度領域の給湯用の水に直接触れる設置状態にある。

以上のように構成されたヒートポンプ給湯機１について、以下その作用を説明する。先ず、放熱器３について説明すると、複数本の伝熱管１７の冷媒流路１７Ａには高温高圧の冷媒が流れる。この高温高圧の冷媒は、例えば、２段圧縮機などの圧縮機２によって高圧を臨界圧力以上とした二酸化炭素を含む自然冷媒である。そして、複数本の伝熱管１７の冷媒流路１７Ａに流れた高温高圧の冷媒の熱が、密接している被覆管１７に熱伝導する。

前記したヒートポンプ給湯機１が給湯水の加熱を行う場合、まず、蒸発器６において、送風機８により大気熱を集熱し、その蒸発器６の内部を流れる冷媒を蒸発ガス化させる。この冷媒はアキュームレータ７を介して圧縮機２に吸引され、ここで２段圧縮されて、高温高圧の冷媒として放熱器３の上流で複数に並列分流されて伝熱管１７の冷媒流路１７Ａに送られる。

このとき、複数の冷媒流路１７Ａ、１７Ａを流れる高温高圧の冷媒の熱は、伝熱管１７を介してそれらの外周を被覆する被覆管１８に伝導し、貯湯タンク９内下部の低温度領域の水と熱交換を行う。高温の冷媒から熱を受けて高温となった給湯用の湯は、貯湯タンク９内の上部及び中間部に貯えられる。

そして、放熱器３で放熱した冷媒は、膨張弁４で減圧された後、キャピラリチューブ５、５で更に減圧されて蒸発器６に流入する。この蒸発器６に流入した冷媒は、ここで再び大気熱から吸熱し、アキュームレータ７を介して再び圧縮機２に送られる。

前記ヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、二酸化炭素冷媒などの自然冷媒が挙げられる。そのほかには、フロン系冷媒、プロパン、ブタン等の炭化水素系冷媒等が挙げられるが、貯湯用の水の温度を約９０℃の高温度に昇温させるには、二酸化炭素冷媒を含む自然冷媒が好適である。

本実施例によれば、圧縮機２、放熱器３、膨張弁４、蒸発器６及びアキュームレータ７を冷媒配管Ｒにて接続して構成したヒートポンプ冷媒回路Ｈと、放熱器３で加熱された湯を貯留して利用部へ供給するための貯湯タンク９を備え、ヒートポンプ冷媒回路Ｈの放熱器３は、内部に冷媒が流れる複数本の伝熱管１７、１７、１７と、これら複数本の伝熱管１７を内蔵して被覆する被覆管１８とを備えており、この放熱器３における被覆管１８の外表面が給湯タンク９内の下部に収容されて給湯用の水に直接触れる設置状態とした構成としている。

そのため、放熱器３は、複数本の伝熱管１７と被覆管１８とが相互に密接して熱交換関係に一体化された構成であり、しかも、複数本の伝熱管１７が互いに離れた状態で保持されるように、被覆管１８の断面形状が図３に示すような屈曲形状となっていることから、伝熱面積を増加できばかりでなく、給湯タンク９内下部における低温度領域の水を直接加熱することができ、熱交換効率を一層向上させることが可能になった。その上、内部に冷媒が流れる複数本の伝熱管１７を被覆管１８で被覆しているため、万一、伝熱管１７の亀裂や破損が生じるようなことがあっても、伝熱管１７内を流れる潤滑油を含む冷媒が給湯用の水に漏出するような事態が未然に防止される。

また、前記ヒートポンプ冷媒回路Ｈを構成する圧縮機２、放熱器３、膨張弁４、キャピラリチューブ５、蒸発器６及びアキュームレータ７などの各構成部品、送風機８、貯湯タンク９、給水管１０及び出湯管１１などを、共通のキャビネット（外装体）Ｋ内に収容して一体化させているから、設置時における高圧配管部分の接続工事を不要にでき、現地施工の簡易化が図れる。

また、冷媒が二酸化酸素を含む自然冷媒であり、この自然冷媒の高圧を臨界圧力以上としてなるものとすると、放熱器３の伝熱管１７を流れる冷媒は、２段圧の圧縮機２で臨界圧力以上に加圧されるので、貯湯タンク９内下部の低温度領域の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く、放熱器３の全領域にわたって冷媒と水とに温度差を形成しやすくなって、一層高温度の湯が得られ、かつ熱交換効率も更に向上する。

また、複数本の伝熱管１７と、これらを内蔵して熱交換関係に密接一体化させる被覆管１８とを同一材質の銅で構成することにより、熱伝導性を良好に維持しながら、異種金属の際に懸念される電触腐食への対応が不要であり、信頼性に優れた放熱器３と成せるものである。

図４は本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯機の構成図であり、本実施例のヒートポンプ給湯機の全体構成とその作用は一部を除いて、図１乃至図３に示したヒートポンプ給湯機と同一であるので、その詳細な説明を省略する。

本実施例が、実施例１と異なるのは、放熱器３が、貯湯タンク９内の下部に収容されているのではなく、両端部が貯湯タンク９の下部と上部に接続されて、貯湯タンク９内に連通する貯湯回路２０の途中に設けられた熱交換用補助タンク２１内に収容されている点である。即ち、この実施例２のヒートポンプ給湯機１においては、放熱器３における被覆管１８の外表面が熱交換用補助タンク２１内の給湯用の水に直接触れる設置状態とした構成としている。

本実施例でも上記した実施例１のヒートポンプ給湯機１と同様な作用効果が得られるものである。

図５は本発明の実施例３における放熱器の要部拡大断面図であり、本実施例の放熱器の全体構成とその作用は一部を除いて、図１乃至図３に示した実施例１のヒートポンプ給湯機と同一であるので、その詳細な説明を省略する。

本実施例が実施例１と異なるのは、図５に示すように、被覆管１８が、複数本の伝熱管１７を互いに離れた状態で保持するのではなく、複数本の伝熱管１７を互いに接する状態で保持する点であり、実施例１の放熱器３と同様に、被覆管１８の断面形状を引き抜き加工によって屈曲形成し、そして、この屈曲加工によって複数本の伝熱管１７と被覆管１８とを、相互に密接して熱交換関係に一体化した構成としている。

以上本発明の各実施例を説明したが、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形を行うことが可能である。例えば、上記各実施例では、放熱器をヒートポンプ給湯機に応用した例を示したが、温水暖房機能が付加されたヒートポンプ給湯暖房機に応用するようにしても良い。

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である。 本発明の実施例１における放熱器の側面図である。 図２のＸ−Ｙ断面の拡大断面図である。 本発明の実施例２におけるヒートポンプ給湯機の構成図である。 本発明の実施例３における放熱器の要部拡大断面図である。

符号の説明

１ ヒートポンプ給湯機
２ 圧縮機
３ 放熱器
４ 膨張弁（膨張装置）
６ 蒸発器
９ 給湯タンク
１７、１７ 伝熱管
１８ 被覆管
Ｈ ヒートポンプ冷媒回路
Ｋ キャビネット（外装体）
Ｒ 冷媒配管

Claims (7)

1. 少なくとも圧縮機、放熱器、膨張装置及び蒸発器を冷媒配管にて接続して構成したヒートポンプ冷媒回路と、前記放熱器で加熱された湯を貯留して利用部へ供給するための貯湯タンクと備え、
   前記ヒートポンプ冷媒回路の放熱器は、内部に冷媒が流れる複数本の伝熱管と、これら複数本の伝熱管を内蔵して被覆する被覆管とを備え、かつ、この被覆管の外表面が給湯用の水に直接触れる設置状態としたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記複数本の伝熱管と前記被覆管とは、相互に密接して熱交換関係に一体化されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 前記放熱器は、螺旋状或いは渦巻き状に巻回されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 前記放熱器は、貯湯タンク内の下部に収容されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 前記放熱器は、両端部が貯湯タンク内に連通する貯湯回路の途中に設けられた熱交換用補助タンク内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 前記ヒートポンプ冷媒回路を構成する各構成部品及び前記貯湯タンクが、共通の外装体内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
7. 前記冷媒が二酸化炭素を含む自然冷媒であり、この自然冷媒の高圧を臨界圧力以上とすることを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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