JP2008241167A

JP2008241167A - ヒートポンプ式給湯装置

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Publication number: JP2008241167A
Application number: JP2007083317A
Authority: JP
Inventors: Hideji Furui; 秀治古井; Mitsuharu Numata; 光春沼田; Yasuhiko Oka; 恭彦岡
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】ヒートポンプユニットの加熱性能及びタンク内熱交換器の熱交換性能を高めることで、より高い給湯能力を得るようにしたヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】ラジエータ３０から還流管３４を介して貯水タンク１の底部１ｂ側へ還流される還流水Ｗ３の動圧を貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に作用させて該貯留水Ｗ０の対流を促進させる対流促進手段Ｘを備える。係る構成によれば、還流管３４からの還流水Ｗ３の動圧を受けて貯水タンク１内の貯留水Ｗ０の対流が促進され、水タンク内熱交換器１０の管外熱伝達率が向上し熱交換性能が高められる。また、水タンク内熱交換器１０の熱交換性能が向上することで、該水タンク内熱交換器１０による貯留水Ｗ０からの除熱量が増加し、ヒートポンプユニット２の放熱側熱交換器４側への入水温度が低く抑えられることでヒートポンプユニット２の加熱性能が向上する。これらの相乗効果として、給湯装置全体としての給湯能力が格段に向上することになる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を凝縮させて放熱する放熱側熱交換器と、凝縮した冷媒を蒸発させて空気から吸熱する吸熱側熱交換器とを備えたヒートポンプユニットによって貯水タンク内の貯留水を加熱するようにしたヒートポンプ式給湯装置に関するものである。

この種のヒートポンプ式給湯装置としては従来から種々の提案がなされている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

図８には、この種のヒートポンプ式給湯装置の一例を示している。このヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機３と、圧縮された冷媒を凝縮させて放熱する放熱側熱交換器４と、凝縮した冷媒を蒸発させて空気から吸熱する吸熱側熱交換器６とを備えたヒートポンプユニット２によって貯水タンク１内の貯留水Ｗを加熱するようにしている。この従来公知のヒートポンプ式給湯装置では、貯水タンク１とヒートポンプユニット２の放熱側熱交換器４とは低位置側水配管２１と高位置側水配管２２によって接続され、貯水タンク１内の貯留水Ｗをポンプ２３によって放熱側熱交換器４側に送給して該貯留水Ｗを加熱するようにしている。一方、貯水タンク１に対しては、給水配管３１により補給水（通常は水道水）が供給され、貯水タンク１内で加温・貯留されている貯留水Ｗは給湯配管３２から取り出されて風呂、台所、シャワー等の用途に使用されるようになっている。

一方、ヒートポンプ式給湯装置においては、貯水タンク内の高温水をそのまま給湯水として使用するのに代えて、例えば、貯水タンク内にタンク内熱交換器を配置し、該タンク内熱交換器に給水を貫流させ、この貫流水を上記貯水タンク内の高温水との熱交換によって昇温させ、これを給湯水として利用することも考えられる。

特開２００２−１０６９６３号公報特開２００３−８３６０７号公報。

ところが、一般的に、ヒートポンプユニット２の放熱側熱交換器４においては、凝縮冷媒と、被加熱水（貯留水Ｗ）との間の温度差が大きい程被加熱水に対する加熱効率が良くなるが、図８に示す従来公知のヒートポンプ式給湯装置では、貯水タンク１内の貯留水Ｗの自由対流（特に、貯水タンク１にラジエータが接続された構成のものにあっては、自然対流に加えて、該ラジエータからの戻り水流による強制対流）によってタンク内の水温度が平均化され、その結果、ヒートポンプユニット２側の放熱側熱交換器４において凝縮冷媒と被加熱水との温度差が大きくとれず、該ヒートポンプユニット２の加熱性能の向上には限界があった。

一方、貯水タンク内における貯留水の熱移動は、貯留水の自然対流による熱移動が支配的である。このため、例えば、上述のように上記貯水タンク内にタンク内熱交換器を配置する構成を採用した場合には、該熱交換器の管外側の貯留水の流れが自然対流による緩慢な流れであることから、該熱交換器の管内を流れる貫流水と管外を流れる貯留水との間における熱伝達率は低いものとなり、自然対流を利用する限り、上記利用側熱交換器１０の熱交換能力の向上には限界がある。

そこで、本願発明は、ヒートポンプユニットの加熱性能及びタンク内熱交換器の熱交換性能を高めることで、より高い給湯能力を得るようにしたヒートポンプ式給湯装置を提案することを目的としてなされたものである。

本願発明ではかかる課題を解決するための具体的手段として次のような構成を採用している。

本願の第１の発明では、放熱側熱交換器４と吸熱側熱交換器６とを備えたヒートポンプユニット２と、該ヒートポンプユニット２の上記放熱側熱交換器４に接続され該放熱側熱交換器４を循環することで加熱される水Ｗ０を貯留する貯水タンク１と、上記貯水タンク１の内部に配置されて上記貯留水Ｗ０と熱交換して内部を貫流する貫流水Ｗ１を加熱する水タンク内熱交換器１０と、上記貯水タンク１に接続され上記貯留水Ｗ０を循環させて放熱させるラジエータ３０を備えてなるヒートポンプ式給湯装置であって、上記ラジエータ３０から還流管３４を介して上記貯水タンク１の底部１ｂ側へ還流される還流水Ｗ３の動圧を上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に作用させて該貯留水Ｗ０の対流を促進させる対流促進手段Ｘを備えたことを特徴としている。

本願の第２の発明では、上記第１の発明に係るヒートポンプ式給湯装置において、上記対流促進手段Ｘを、上記還流管３４の上記貯水タンク１側の開口部３４ａに設けた噴射ノズル３５で構成したことを特徴としている。

本願の第３の発明では、上記第２の発明に係るヒートポンプ式給湯装置において、上記噴射ノズル３５を上記貯水タンク１の内周面の接線方向又は中心近傍へ指向させたことを特徴としている。

本願の第４の発明では、上記第１の発明に係るヒートポンプ式給湯装置において、上記対流促進手段Ｘを、上記貯水タンク１側の開口部３４ａを上記貯水タンク１の接線方向又は中心近傍へ指向させた上記還流管３４によって構成したことを特徴としている。

本願発明では次のような効果が得られる。

（ａ）本願の第１の発明に係るヒートポンプ式給湯装置によれば、上記ラジエータ３０から還流管３４を介して上記貯水タンク１の底部１ｂ側へ還流される還流水Ｗ３の動圧を上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に作用させて該貯留水Ｗ０の対流を促進させる対流促進手段Ｘを備えているので、上記還流管３４からの還流水Ｗ３の動圧を受けて上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０の対流が促進され、上記水タンク内熱交換器１０の管外における熱伝達率、即ち、管外熱伝達率が向上し、その結果、上記水タンク内熱交換器１０内を流れる貫流水Ｗ１と該水タンク内熱交換器１０の管外を流れる貯留水Ｗ０との間における熱交換性能が格段に向上する。

また、上記水タンク内熱交換器１０の熱交換性能が向上することで、該水タンク内熱交換器１０による上記貯留水Ｗ０からの除熱量が増加し、それだけ上記貯留水Ｗ０の水温が低下し、上記ヒートポンプユニット２の上記放熱側熱交換器４側への入水温度が低く抑えられ、それだけ該放熱側熱交換器４における凝縮冷媒と被加熱水との温度差が大きくとれることで、上記ヒートポンプユニット２の加熱性能が向上する。

これらの相乗効果として、上記ヒートポンプユニット２によって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０をより効率的に加熱でき、さらに該貯留水Ｗ０によって貫流水Ｗ１を効率的に加熱できることから、給湯装置全体としての給湯能力が格段に向上することになる。

（ｂ）本願の第２の発明に係るヒートポンプ式給湯装置によれば、上記対流促進手段Ｘを、上記還流管３４の上記貯水タンク１側の開口部３４ａに設けた噴射ノズル３５で構成しているので、上記噴射ノズル３５から噴出する還流水Ｗ３の水流速が、該噴射ノズル３５を備えない場合の水流速に比して増大し、該還流水Ｗ３のもつ動圧と速度エネルギの相乗作用によって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０の対流がより一層促進され、上記（ａ）に記載の効果がより顕著となる。
（ｃ）本願の第３の発明に係るヒートポンプ式給湯装置によれば、上記（ｂ）に記載の効果に加えて以下のような特有の効果が得られる。即ち、この発明では、上記噴射ノズル３５を上記貯水タンク１の内周面の接線方向又は中心近傍へ指向させているので、例えば、上記噴射ノズル３５を接線方向へ指向させた場合には、上記還流水Ｗ３の噴流によって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に旋回成分が付与され、この旋回流によって上記貯留水Ｗ０の対流がより一層促進され、また、上記噴射ノズル３５を中心近傍へ指向させた場合には、上記還流水Ｗ３の噴流によって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０には、噴流の噴出方向からその両側へそれぞれ流れ出すような二次流れが生成され、この二次流れによって上記貯留水Ｗ０の対流がより一層促進され、これら何れの場合にも対流が促進されることで、上記水タンク内熱交換器１０の管外熱伝達率が向上し、その結果、上記水タンク内熱交換器１０内を流れる貫流水Ｗ１と該水タンク内熱交換器１０の管外を流れる貯留水Ｗ０との間における熱交換性能がさらに向上し、上記（ｂ）に記載の効果がより一層高められることになる。

（ｄ）本願の第４の発明に係るヒートポンプ式給湯装置によれば、上記対流促進手段Ｘを、上記貯水タンク１側の開口部３４ａを上記貯水タンク１の接線方向又は中心近傍へ指向させた上記還流管３４によって構成しているので、例えば、上記還流管３４の開口部３４ａを接線方向へ指向させた場合には、上記還流水Ｗ３の水流によって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に旋回成分が付与され、この旋回流によって上記貯留水Ｗ０の対流がより一層促進され、また、上記還流管３４の開口部３４ａを中心近傍へ指向させた場合には、上記還流水Ｗ３の水流によって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０には、該水流の流出方向からその両側へそれぞれ流れ出すような二次流れが生成され、この二次流れによって上記貯留水Ｗ０の対流がより一層促進され、これら何れの場合にも対流が促進されることで、上記水タンク内熱交換器１０の管外熱伝達率が向上し、その結果、上記水タンク内熱交換器１０内を流れる貫流水Ｗ１と該水タンク内熱交換器１０の管外を流れる貯留水Ｗ０との間における熱交換性能がさらに向上し、上記（ａ）に記載の効果がより一層高められることになる。

以下、本願発明を好適な実施形態に基づいて具体的に説明する。

Ｉ：第１の実施形態
図１には、本願発明の第１の実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置のシステム図を示している。この給湯装置は、貯水タンク１とヒートポンプユニット２及びラジエータ３０を備えて構成される。

Ａ：貯水タンク１
上記貯水タンク１は、縦長円筒状形体をもち、その内部には貯留水Ｗ０が所定量投入されるとともに、次述する利用側熱交換器１０（特許請求の範囲中の「水タンク内熱交換器」に該当する）が配置されている。

上記利用側熱交換器１０は、所定径の管体でなる伝熱管１６をコイル状に巻回して形成され、上記貯水タンク１内に立設状態で収納され、その上部１０ａは給湯管１５に接続され、その下部１ｂは給水管１４に接続されている。従って、上記給水管１４からの給水は、一旦、上記利用側熱交換器１０の下部１０ｂ側まで流下した後、貫流水Ｗ１として上記利用側熱交換器１０内をその下部１０ｂ側から上部１０ａ側へ向けて流れ、該利用側熱交換器１０内を流れる間に上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０と熱交換して昇温され、上記給湯管１５から湯水Ｗ２として取り出され、所要の用途に供される。

また、上記貯水タンク１の胴体部１ｃの上部寄り位置には、補助ヒータ４０が取付けられている。この補助ヒータ４０は、次述のヒートポンプユニット２によって加熱される上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０の水温が、設定水温まで上がらないような場合に作動して、上記貯留水Ｗ０を追加的に加熱するものである。

Ｂ：ヒートポンプユニット２は、上記貯水タンク１内に貯留される貯留水Ｗ０の加熱源となるものであって、冷媒を圧縮する圧縮機３と、圧縮された冷媒を凝縮させて放熱する放熱側熱交換器４と、凝縮した冷媒を膨張させる膨張機構５と、冷媒を蒸発させて空気から吸熱する吸熱側熱交換器６とを備えている。そして、上記放熱側熱交換器４は、低位置水配管２１によって上記貯水タンク１の底部１ｂ側に、高位置側水配管２２によって上記貯水タンク１の上部１ａ側に、それぞれ接続されており、上記低位置水配管２１を通して上記貯水タンク１の底部１ｂ側から上記放熱側熱交換器４側に流入した貯留水Ｗ０を、該放熱側熱交換器４での熱交換によって加熱し、上記高位置側水配管２２を通して上記貯水タンク１の上部１ａ側へ還流させるようになっており、これによって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０が加熱される。

Ｃ：ラジエータ３０
上記ラジエータ３０は、例えば、暖房用のプレート熱交換器として利用されるもので、その一端は取出管３３を介して上記貯水タンク１の上部１ａ寄りの胴部１ｃに、他端はポンプ２４を備えた還流管３４を介して上記貯水タンク１の下部１ｂ寄りの胴部１ｃに、それぞれ接続されている。そして、上記貯水タンク１の上部１ａ部分から導入される高温の貯留水Ｗ０を上記ラジエータ３０に導入し、これを該ラジエータ３０にて放熱させて暖房作用を行なうとともに、放熱後の低温の貯留水Ｗ０は還流水Ｗ３として上記貯水タンク１の底部１ｂ側へ還流させる。

そして、この実施形態では、図２に示すように、上記還流管３４の上記貯水タンク１側への開口端に噴射ノズル３５（この実施形態では、特許請求の範囲中の「対流促進手段Ｘ」に該当する）を取付けている。また、この場合、上記還流管３４（即ち、上記噴射ノズル３５）の上記貯水タンク１に対する平面視における取付位置を、図３に示すように上記貯水タンク１の中心に指向するように、又は図４に示すように上記貯水タンク１の胴部１ｃの接線方向へ指向するように、適宜設定する。

続いて、上記ヒートポンプ式給湯装置の作動及び作用効果等について説明する。

上記貯水タンク１内に貯留された貯留水Ｗ０は、上記ヒートポンプユニット２の上記放熱側熱交換器４側を循環することで、該放熱側熱交換器４側の冷媒との熱交換によって加熱昇温される。

一方、上記給水管１４から上記利用側熱交換器１０に供給される貫流水Ｗ１は、該利用側熱交換器１０の下部１０ｂから上部１０ａ側へ貫流する間に、上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０との熱交換により加熱昇温し、湯水Ｗ２とされ、上記給湯管１５を通して、例えば、風呂とか台所等の湯水使用場所へ供給される。また、上記ラジエータ３０を用いて暖房を行なう場合には、上記貯水タンク１の上部１ａ側の高温の貯留水Ｗ０が上記ラジエータ３０側へ導入され、該ラジエータ３０で放熱した後、上記貯水タンク１の底部１ｂ側へ還流される。

ここで、上記ヒートポンプユニット２においては、上記放熱側熱交換器４における凝縮冷媒と、上記貯水タンク１の底部１ｂ側から上記放熱側熱交換器４側へ導入される貯留水Ｗ０の温度との温度差が大きいほど加熱効率が高くなることが知られておいる。従って、上記ヒートポンプユニット２の加熱効率を高めるには、上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０の温度分布を、該貯水タンク１の上部１ａ側では高く、下部１ｂ側では低くなるように維持することが必要となる。

しかし、上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０は、自然対流による均温化作用によって上下方向における温度分布が平均化され、その結果、上記ヒートポンプユニット２の加熱効率を高めることには限界があることは既述の通りである。

また、上記貯水タンク１内における貯留水Ｗ０の自然対流による水流速は緩慢であり、従って、この自然対流する貯留水Ｗ０内に上記利用側熱交換器１０の伝熱管１６が存在する場合、該伝熱管１６の管外における熱伝達率は低いものとなり、自然対流を利用する限り、上記利用側熱交換器１０の熱交換能力の向上には限界があることも既述の通りである。

ところが、この実施形態の給湯装置においては、以下のような特有の構成によって、上記利用側熱交換器１０の熱交換能力、及び上記ヒートポンプユニット２の加熱性能を高めることで、より高い給湯能力を得ることができるようにしている。

即ち、この実施形態の給湯装置では、上記ラジエータ３０と上記貯水タンク１の底部１ｂを接続する上記還流管３４の該貯水タンク１側の開口端に上記噴射ノズル３５を、上記貯水タンク１の中心に指向させて、又は該貯水タンク１の接線方向に指向させて、接続している。このため、例えば、上記噴射ノズル３５を上記貯水タンク１の中心に指向させた場合には、図３に示すように、上記噴射ノズル３５から高速で噴射される還流水Ｗ３の動圧及び速度エネルギによって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に噴射方向前方側から左右方向に流れて上記貯水タンク１の胴部１ｃの内面に沿うような二次流れＬａが生成され、この二次流れＬａによって上記貯留水Ｗ０の対流が促進されその水流速が早められる。また、上記噴射ノズル３５を上記貯水タンク１の接線方向に指向させた場合には、上記噴射ノズル３５から高速で噴射される還流水Ｗ３の動圧及び速度エネルギによって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に旋回成分が付与され、図４に示すように、該胴部１ｃの内面に沿うような旋回流Ｌｂが生成され、この旋回流Ｌｂによって上記貯留水Ｗ０の対流が促進されその水流速が早められる。

このように上記貯留水Ｗ０の対流が促進されその水流速が早められる結果、上記水タンク内熱交換器１０の管外における熱伝達率、即ち、管外熱伝達率が向上し、上記水タンク内熱交換器１０内を流れる貫流水Ｗ１と該水タンク内熱交換器１０の管外を流れる貯留水Ｗ０との間における熱交換性能が格段に向上することになる。

また、このように上記水タンク内熱交換器１０の熱交換性能が向上することで、該水タンク内熱交換器１０による上記貯留水Ｗ０からの除熱量が増加し、それだけ上記貯留水Ｗ０の水温が低下し、上記ヒートポンプユニット２の上記放熱側熱交換器４側への入水温度が低く抑えられ、それだけ該放熱側熱交換器４における凝縮冷媒と被加熱水との温度差が大きくとれることで、上記ヒートポンプユニット２の加熱性能が向上する。

ＩＩ：第２の実施形態
図５には、本願発明の第２の実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置のシステム図を示している。この給湯装置は、上記第１の実施形態に係る給湯装置と基本システムを同じにするものであって、これと異なる点は、上記第１の実施形態においては上記ラジエータ３０側の上記還流管３４の開口端に上記噴射ノズル３５を備えていたのに対して、この実施形態では、上記噴射ノズル３５を設けることなく、直接上記還流管３４の開口端３４ａを上記貯水タンク１の底部１ｂ側へ接続した点である（従って、この実施形態では、上記還流管３４が特許請求の範囲中の「対流促進手段Ｘ」に該当することになる）。

尚、この還流管３４の上記貯水タンク１に対する平面視における取付位置は、図６に示すように上記貯水タンク１の中心に指向するような取付位置に、又は図７に示すように上記貯水タンク１の接線方向に指向するような取付位置に、設定しており、この点は上記第１の実施形態の場合と同様である。

このような構成とすることで、例えば、上記還流管３４の開口端３４ａを上記貯水タンク１の中心に指向させた場合には、図６に示すように、該還流管３４の開口端３４ａから流入する還流水Ｗ３の主として動圧によって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に流入方向前方側から左右方向に流れて上記貯水タンク１の胴部１ｃの内面に沿うような二次流れＬａが生成され、この二次流れＬａによって上記貯留水Ｗ０の対流が促進されその水流速が早められる。また、上記還流管３４の開口端３４ａを上記貯水タンク１の接線方向に指向させた場合には、上記還流管３４から流入する還流水Ｗ３の主として動圧によって上記貯水タンク１内の貯留水Ｗ０に旋回成分が付与され、図７に示すように、該胴部１ｃの内面に沿うような旋回流Ｌｂが生成され、この旋回流Ｌｂによって上記貯留水Ｗ０の対流が促進されその水流速が早められる。

尚、上記以外の構成及び作用効果については上記第１の実施形態の場合と同様であるので、第１の実施形態の各部材と同一の部材には同一の符号を付した上で、該第１の実施形態の該当説明を援用することとし、ここでの説明を省略する。

本願発明の第１の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置のシステム図である。図１のＩＩ部の拡大図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ拡大断面図である。図３の他の構造例を示す断面図である。本願発明の第２の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置のシステム図である。図５のＶＩ−ＶＩ拡大断面図である。図６の他の構造例を示す断面図である。従来のヒートポンプ式給湯装置のシステム図である。

符号の説明

１・・貯水タンク
２・・ヒートポンプユニット
３・・圧縮機
４・・放熱側熱交換器
５・・膨張機構
６・・吸熱側熱交換器
１０・・利用側熱交換器（水タンク内熱交換器）
１４・・給水管
１５・・給湯管
１６・・伝熱管
２１・・低位置水配管
２２・・高位置側水配管
２３・・ポンプ
２４・・ポンプ
３０・・ラジエータ
３３・・取出管
３４・・還流管（対流促進手段）
３５・・噴射ノズル（対流促進手段）
４０・・補助ヒータ
Ｗ０・・被加熱水（貯留水）
Ｗ１・・貫流水
Ｗ２・・湯水
Ｗ３・・還流水
Ｘ・・対流促進手段

Claims

放熱側熱交換器（４）と吸熱側熱交換器（６）とを備えたヒートポンプユニット（２）と、該ヒートポンプユニット（２）の上記放熱側熱交換器（４）に接続され該放熱側熱交換器（４）を循環することで加熱される水（Ｗ０）を貯留する貯水タンク（１）と、上記貯水タンク（１）の内部に配置されて上記貯留水（Ｗ０）と熱交換して内部を貫流する貫流水（Ｗ１）を加熱する水タンク内熱交換器（１０）と、上記貯水タンク（１）に接続され上記貯留水（Ｗ０）を循環させて放熱させるラジエータ（３０）を備えてなるヒートポンプ式給湯装置において、
上記ラジエータ（３０）から還流管（３４）を介して上記貯水タンク（１）の底部（１ｂ）側へ還流される還流水（Ｗ３）の動圧を上記貯水タンク（１）内の貯留水（Ｗ０）に作用させて該貯留水（Ｗ０）の対流を促進させる対流促進手段（Ｘ）を備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項１において、
上記対流促進手段（Ｘ）が、上記還流管（３４）の上記貯水タンク（１）側の開口部（３４ａ）に設けた噴射ノズル（３５）で構成されていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項２において、
上記噴射ノズル（３５）を上記貯水タンク（１）の内周面の接線方向又は中心近傍へ指向させたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
請求項１において、
上記対流促進手段（Ｘ）が、上記貯水タンク（１）側の開口部（３４ａ）を上記貯水タンク（１）の接線方向又は中心近傍へ指向させた上記還流管（３４）によって構成されていることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。