JP2008261558A - 給湯装置用貯湯タンク及び給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】強度、耐圧性能に優れ、使用性の高い給湯装置用貯湯タンクを提供する。
【解決手段】プレス加工された薄板から形成され、外形が正面から見て円状で、中央部に中央開口部４ａを設けて貫通させたドーナツ形状で、加熱した温水を貯めておくもので、給湯装置用貯湯タンク４のコンパクト化を図りつつ、必要な容量を確保することができる。また、給湯装置用貯湯タンクと、機能部品とを接続するタンク配管の長さを短くすることができるために、タンク配管での放熱ロスを減じて、効率の高い給湯装置を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、給湯装置などに用いられる、任意の温度に加熱した温水を貯めておく給湯装置用貯湯タンク及び給湯装置に関するものである。

従来の、一般的な給湯装置は、ガスや石油を燃料として用い、その燃焼熱で水道水を加熱するようになっていた。これらは、速湯性に優れているという利点がある半面、ガス、石油といった燃料が必要でその供給が不可欠であること、燃焼後の排気ガスが大気に放出され大気汚染を招くこと、燃焼させるので不安全性を常に内在していること、燃焼時の音が大きいことなどの課題があった。特に近年増えている、エネルギー源を全て電気で行うというオール電化の住宅やマンションでは、燃料を供給する方法がないため、使用できないケースも増えてきている。

そこで、加熱された温水を貯めておく大容量の給湯装置用貯湯タンクを備えた給湯装置が開発されている。この加熱方法としては、夜間割引の安価な電力を利用し、夜間に給湯装置用貯湯タンクの内部に配設された電気ヒータで加熱してできた一般的には８０℃以上の温水を、給湯装置用貯湯タンクに貯めておき、この温水と水道水をミキシングして、使用者の欲する任意の温度にして、給湯端末から供給するものである。

また、水の加熱方法として、ヒートポンプを用いた、いわゆる貯湯式のヒートポンプ式の給湯装置が開発されている。

これは、大容量の給湯装置用貯湯タンクと、ヒートポンプ回路を組み入れた室外機を備え、夜間割引の安価な電力を利用して、ヒートポンプ回路で水道水を温水に加熱して、その温水を給湯装置用貯湯タンクに貯めておき、この温水と水道水をミキシングして、使用者の欲する任意の温度にして、給湯端末から供給するものである。

このヒートポンプ式の給湯装置は、冷媒の状態変化を利用して加熱しているので、電気ヒータによる加熱よりエネルギー効率が良く、入力に対する能力は３倍以上確保することが可能であり、ランニングコストも安価となるなどの特徴を持ち、燃焼による給湯装置の問題を解決し、オール電化の住宅、マンションでも新たなインフラ整備を必要としないで手軽に設置することができ、普及してきている。

このように用いられている給湯装置用貯湯タンクの場合は、水道による水圧が加わるのを防ぐために、水道と、給湯装置用貯湯タンクの間に減圧弁を設け、給湯装置用貯湯タンクに加わる圧力を減ずると共に、その形状を円筒形状として、圧力が均等にかかることにより変形を防止している。

ところが、円筒形状の給湯装置用貯湯タンクの場合は、設置部分が略正方形となるために、設置面積が大きくなり、特に、前後方向に距離が必要となり、狭少地、幅狭地への設置が困難になるという課題があった。

そこで、円筒状で、上記記載の給湯装置用貯湯タンクよりも小径の給湯装置用貯湯タンクを複数本並べて、奥行きの小さな給湯装置用貯湯タンクとしているものが出てきている。ところが、複数の給湯装置用貯湯タンクを連結するために、放熱部分が増えてしまい、断熱特性が悪化し効率悪化を招く、複数の貯湯タンクを連結するための沢山の配管が必要となるためコストアップになる、などの多くの課題があった。

そこで、図５に示すように、貯湯する部分を略ドーナツ状に形成し、接合部を含む膨出部の内壁を円弧状に形成して、内圧が分散されることにより強度を保つようにして、長期間の使用に際しても影響の受けにくい薄型の給湯装置用貯湯タンクも提供されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−９７９２６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された給湯装置用貯湯タンクの構成では、円状の中央部に、平面部を有しているために、その部位が均等圧がかからないために、変形しやすいという課題を有している。

この給湯装置用貯湯タンクの図面を図５に記載し、これから考えられる形状で、内圧をかけた場合の、変形量及び、ミーゼス応力値をシミュレーションで求めてみた。図６に、内圧０．３ＭＰａをかけた際の変形量の図とその値、ミーゼス応力の値を、通常よく用いられる円筒型の貯湯タンクと比較したシミュレーション図を掲載している。変形量、ミーゼス応力共に、円筒形の貯湯タンクよりはるかに大きな値であり、また変形が中央部の平面部にて最も大きいことがわかる。そのため、この形状では、実際の使用に際しては難しいといえる。

また、給湯を行うためのポンプや、温水と水道水を混ぜて所定の温度にするための混合弁などの機能部品を配置していくと、本体サイズがコンパクトになりにくいという課題も有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、薄型コンパクトで、設置面積が小さく設置自由度の高い給湯装置用貯湯タンクとすると共に、強度、耐圧性能が向上し、水道圧のままでも使用可能な、使用性の高い給湯装置用貯湯タンクを提供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、本発明の給湯装置用貯湯タンクは、プレス加工された薄板から形成され、外形が正面から見て円状で、中央部に中央開口部を設けて貫通させたドーナツ形状で、加熱した温水を貯めるもので、貯湯タンクのコンパクト化を図りつつ、必要な容量を確保することができる。

また、本発明の給湯装置は、圧縮機、水−冷媒熱交換器、空気−冷媒熱交換器、減圧手段を順次接続した冷媒循環回路を設けたヒートポンプユニットと、請求項１〜４のいずれか１項に記載された給湯装置用貯湯タンクを備え、前記ヒートポンプユニットで加熱された温水を前記給湯装置用貯湯タンクに貯めるようにしたもので、低コスト化を図りつつ、断熱性能を確保できることにより、より普及度を高めることが可能な給湯装置を提供できる。

本発明の給湯装置用貯湯タンクは、十分な貯湯量を確保しながら、給湯装置用貯湯タンクを収納する筐体をコンパクトかつ、設置面積を小さくでき、また、耐圧強度を向上させることができ、設置する際の汎用性に優れ、使用性にも優れた給湯装置用貯湯タンクを提供できる。

第１の発明は、プレス加工された薄板から形成され、外形が正面から見て円状で、中央
部に中央開口部を設けて貫通させたドーナツ形状で、加熱した温水を貯めるもので、給湯装置用貯湯タンクのコンパクト化を図りつつ、必要な容量を確保することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の中央開口部に、給湯装置の給水ポンプなどの機能部品が配されるもので、機能部品をコンパクトに配設することが可能となり、ひいては、給湯装置用貯湯タンクを収納するユニットのコンパクト化を実現することができ、また、省スペースの給湯装置を提供することができる。また、給湯装置用貯湯タンクと、機能部品とを接続するタンク配管の長さを短くすることができるために、タンク配管での放熱ロスを減じて、効率の高い給湯装置を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の給湯装置用貯湯タンクは、略同一形状で、外形が円状の貯湯タンク前、後の二つからなり、前記貯湯タンク前、後のいずれか一方の端部を他方の端部の上方にオーバーラップさせて接合して形成されるもので、貯湯タンク前、後は、接合部分のみ異なるだけの形状なので、金型を一つ作成し、接合部分のみ後加工とすることが可能であり、金型費用の削減、ひいては、給湯装置用貯湯タンクを収納するユニットのコストダウンが可能となる。また、接合部は、加工に際して、接合強度を向上することができるために、高強度で、高耐圧の給湯装置用貯湯タンクとすることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の給湯装置用貯湯タンクが上方から見て長方形の薄型の筺体に収納されるもので、円状の給湯装置用貯湯タンクをコンパクトに配し、それを収納するユニットをコンパクトにすることができ、設置する際の汎用性に優れた給湯装置用貯湯タンクとすることができる。

第５の発明は、圧縮機、水−冷媒熱交換器、空気−冷媒熱交換器、減圧手段を順次接続した冷媒循環回路を設けたヒートポンプユニットと、請求項１〜４のいずれか１項に記載された給湯装置用貯湯タンクを備え、前記ヒートポンプユニットで加熱された温水を前記給湯装置用貯湯タンクに貯めるようにしたもので、低コスト化を図りつつ、断熱性能を確保できることにより、より普及度を高めることが可能な給湯装置を提供できる。

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、この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）
本発明の第1の実施の形態における給湯装置用貯湯タンクについて、図１〜４を用いて説明する。図１は、本実施の形態における給湯装置用貯湯タンクを搭載した給湯装置の正面内観図、図２は、同給湯装置用貯湯タンクの三面図である。

図１、２において、給湯装置は、本実施の形態における給湯装置用貯湯タンク４（以下「貯湯タンク４」という）を内包した貯湯タンクユニット1と、ヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニット２から構成され、この貯湯タンクユニット１とヒートポンプユニット２は、２本の水配管３でつながっている。

貯湯タンク４は、ヒートポンプユニット２で加熱された温水を貯めておくもので、水道水をヒートポンプユニット２で加熱して温水として貯めておき、必要な際に、水道水とミキシングして、所定の温度にして給湯することができる。

この貯湯タンク４は、薄板のプレス部品で構成されており、正面から見て円状で、中央部に中央開口部４ａを設けて貫通させたドーナツ形状となっている。この貯湯タンク４の中央開口部４ａには、中央に向かって伸びたタンク配管５が配されており、このタンク配
管５に接続されるように、機能部品が配されており、図１のように、一例としては、給水ポンプ６が配されている。

ヒートポンプユニット２には、圧縮機７、放熱器８、減圧手段（図示せず）、空気−冷媒熱交換器９を順次接続して構成された冷媒循環回路が組み込まれている。放熱器８は、水−冷媒熱交換器として機能するもので、水道水を加熱する熱交換器である。

１０は、空気−冷媒熱交換器９の前方に配された送風手段である送風ファンであり、空気−冷媒熱交換器９から、風を吸引し、蒸発能力を高め、ヒートポンプ加熱能力を高めるようになっている。そして、ヒートポンプユニット２で８０℃以上に加熱された水道水は、温水となって、水配管３で貯湯タンクユニット１に運ばれ、貯湯タンク４に貯湯されるわけである。

貯湯タンクユニット１の詳細図は、図２に三面図として記載してあり、上に上面図、その下に正面図、右方に右側面図を記載している。

図２において、1１は、貯湯タンクユニット１の筺体であり、上方から見て長方形の本体となっており、ドーナツ状の貯湯タンク４が、内部に配されている。これは、貯湯タンク４が丸形状をドーナツ状にした形のために、上方、右方から見ると長方形、正面から見ると円形となっているために、筐体１１も正面から見て略正方形、上方、右方から見て、長方形となっているのであり、そのため、貯湯タンクユニット１は薄型で、設置面積の小さな形状となっており、設置汎用性が高くなっている。

貯湯タンク４は、右側面図に記載しているように、断面が円状のタンクをぐるっと環状に回した形となっており、正面図で見るとドーナツ状となっている。そのため、薄型の形状のタンクでありながら、強度的に非常に強くなっている。

図３に、０．３ＭＰａの内圧をかけたときの、変形量に関するシミュレーション図を記載している。従来の円筒状タンクでは、最大変形量が０．０８ｍｍ、ミーゼス応力で７．４４Ｅ＋０７Ｐａであるのに対して、同じ容量で、本実施の形態のようにドーナツ状にすると、最大変形量０．１５ｍｍ、ミーゼス応力で９．０５Ｅ＋０７Ｐａと、周長の長くなった分もあり、若干は悪化するものの、許容できる範囲である。

また、０．３ＭＰａでこの変形量であれば、通常の水道圧が貯湯タンク４にかかったとしても、使用することは可能であり、給湯圧力の減衰を防ぐことができ、２階給湯でも、圧力不足にならないで使うことができ、使用性を大幅に向上させることが可能である。

これに対して、従来仕様では、前述したように（図６で記載している）、変形量で１２．１ｍｍ、ミーゼス応力で９．５８Ｅ＋０９Ｐａと桁違いに悪くなっており、それと比しても遥かに良好であることがわかる。

また、貯湯を行う環状になった部分を、円から楕円にすると、図３に示すように（例えば、φ３３６から、３００×４５０の楕円形状としている）、変形量、ミーゼス応力共に、一桁悪化する。これに関しては、実機での圧力を加えていく加圧試験、減圧−加圧を繰返しかける繰返し耐圧試験での確認が必要となろう。ただ、楕円形状であっても可能性はあると思われる。

再び、図２にて、1２は、水道水を給水するための給水管、１３は、給湯を行うための給湯管であり、貯湯タンク４の温水と、給水管１２で入水した水道水を混合して、所定の温度として、給湯管１３から給湯を給湯端末（図示せず）に行う。この給水管１２、給湯
管１３は、貯湯タンクユニット１の下方に配されている。６は、貯湯タンク４の沸き上げを行うための給水ポンプであり、貯湯タンク４の中央開口部４ａに配されており、本体をコンパクトにすることができるようになっている。

この給水ポンプ６の後方には、混合弁１４があり、同じく貯湯タンク４の中央開口部４ａに配されている。そして、この混合弁１４に向かって、つまりは中央開口部４ａに向かって貯湯タンク４から、配管５が延伸されている。貯湯タンク４の上方には、各種機能部品１５が配されている。１６は、貯湯タンク４を支えるタンク脚、１７は、貯湯タンクユニット１の下方の脚であり、一定の間隙を空けて、タンク配管５を通しやすいようになっている。

また、貯湯タンク４は、図２、図４で示すように、略同一形状の貯湯タンク前４ｂと、貯湯タンク後４ｃを組合わせて貯湯タンク４としている。そして、一方の貯湯タンク後４ｃの端部よりフランジ部４ｆを伸ばしており、それを他方の貯湯タンク前４ｂの端部にオーバーラップさせて、接合部４ｄで溶接している。そのため、貯湯タンク前４ｂ、貯湯タンク後４ｃは、溶接を行うフランジ部４ｆのみ異なる形状とすることができるので、Ｒ形状部分の金型は共用とし、後加工でフランジ部４ｆのみを加工することが可能となり、金型費用の削減、ひいては貯湯タンクユニット１のコストダウンを実現できる。

また、接合部４ｄは、加工に際して接合強度を向上することができるために、高強度で、高耐圧の貯湯タンク４とすることができる。さらに、貯湯タンク前４ｂと貯湯タンク後４ｃの間４ｅに一定の間隔をあけておけば、その部位に隙間腐食が発生することを防ぐことが可能であり、耐久性を高めることができる。この接合部４ｄ、間４ｅの貯湯タンク４の円周方向、つまり上下左右方向となり、最も高温となる上部にあることとなるので、隙間腐食への耐力向上は必須の要件である。

以下、図面に基づいて、上記給湯装置の動作を説明する。

貯湯タンクユニット１に給水管１２から給水された水道水は、給水ポンプ６を介し、水配管３を通りヒートポンプユニット２に送られる。ヒートポンプユニット２では、圧縮機７を駆動させると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、水−冷媒熱交換器である放熱器８に送られ、ここで一方の水配管３から送られてきた水道水と熱交換して放熱する。

これにより、水道水は高温に加熱され、他方の水配管３で再度、貯湯タンクユニット１に送られる。高温となり貯湯タンクユニット１に戻った温水は、ドーナツ状の貯湯タンク４に貯湯される。

そして、貯湯された温水は、給湯操作が行われると、貯湯タンク４の温水と、給水管１２で給水された水道水が、混合弁１４で混合され、所定の温度となって給湯管１３を介して、蛇口や風呂などの給湯端末（図示していない）に給湯される。

このような給湯装置の貯湯タンクユニット１にて、貯湯タンク４を薄板のプレス構成であり、正面から見て円状で、中央部を貫通させたドーナツ形状としており、これは略同一形状の貯湯タンク前４ｂ、貯湯タンク後４ｃを二つ重ね、接合部４ｄは、一方を他方の上方にオーバーラップさせる形状としており、このドーナツ状の中央開口部４ａに向かって伸びるタンク配管５を設け、このタンク配管５と接続される温水や水を送るポンプ１３などの機能部品を、この中央開口部４ａに配し、上方から見て、長方形の薄型の筐体１１に収納していることにより、貯湯タンク４のコンパクト化を図りつつ、その容量を確保することが可能となり、給水ポンプ６や混合弁１４などの機能部品をコンパクトに配設することが可能となり、ひいては貯湯タンクユニット１のコンパクト化を実現することができ、
省スペースの給湯装置とすることができ、設置の汎用性を向上することができる。

また、貯湯タンク４と、混合弁１４などの機能部品と接続するタンク配管５の長さを短くすることができるために、タンク配管５での放熱ロスを減じて、効率の高い貯湯タンク４とすることができ、貯湯タンクユニット１のコストダウンを図ることが可能となる。

また、貯湯タンク４を、上方から見て長方形の薄型の筺体１１に収納したことにより、円状の貯湯タンク４をコンパクトに配し、その貯湯タンク４を収納する貯湯タンクユニット１をコンパクトにすることができ、設置する際の汎用性に優れた貯湯タンク４とすることができる。

以上のように、本発明に係る給湯装置用貯湯タンクは、温水をためてそれを供給する給湯装置に適用され、例えば家庭用のヒートポンプ式の給湯装置などに適している。

本発明の第１の実施の形態における給湯装置用貯湯タンクを搭載した給湯装置の正面内観図 同給湯装置用貯湯タンクの三面図（上面図、正面図、右側面図） 同給湯装置用貯湯タンクのシミュレーション図 （ａ）同給湯装置用貯湯タンクの断面図、（ｂ）同給湯装置用貯湯タンクの正面図、（ｃ）同給湯装置用貯湯タンクの部分拡大断面図 (ａ)従来の給湯装置用貯湯タンクの平面図、（ｂ）同給湯装置用貯湯タンクの正面図 同給湯装置用貯湯タンクのシミュレーション図

符号の説明

１ 貯湯タンクユニット
２ ヒートポンプユニット
４ 給湯装置用貯湯タンク（貯湯タンク）
４ａ 中央開口部
４ｂ 貯湯タンク前
４ｃ 貯湯タンク後
４ｄ 接合部
５ タンク配管
６ 給水ポンプ（機能部品）
７ 圧縮機
８ 放熱器（水−冷媒熱交換器）
９ 空気−冷媒熱交換器

Claims (5)

1. プレス加工された薄板から形成され、外形が正面から見て円状で、中央部に中央開口部を設けて貫通させたドーナツ形状で、加熱した温水を貯めることを特徴とする給湯装置用貯湯タンク。
2. 中央開口部に、給湯装置の給水ポンプなどの機能部品が配されることを特徴とする請求項１に記載の給湯装置用貯湯タンク。
3. 略同一形状で、外形が円状の貯湯タンク前、後の二つからなり、前記貯湯タンク前、後のいずれか一方の端部を他方の端部の上方にオーバーラップさせて接合して形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の給湯装置用貯湯タンク。
4. 上方から見て長方形の薄型の筺体に収納されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の給湯装置用貯湯タンク。
5. 圧縮機、水−冷媒熱交換器、空気−冷媒熱交換器、減圧手段を順次接続した冷媒循環回路を設けたヒートポンプユニットと、請求項１〜４のいずれか１項に記載された給湯装置用貯湯タンクを備え、前記ヒートポンプユニットで加熱された温水を前記給湯装置用貯湯タンクに貯めるようにした給湯装置。

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