JP2008267792A - ヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単な構成で給湯用熱交換器の熱交換効率を向上でき、高温の給湯水を供給できるヒートポンプ式給湯装置を提供する。
【解決手段】水を加熱するための熱源側のヒートポンプユニット２と、その熱源側のヒートポンプユニット２により加熱された温水を貯える温水タンク１と、上記温水タンク１内に配置され、内部を下側から上側に向かって水が流れる給湯用熱交換器１０とを備える。上記給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの熱交換性能と上段側部分１０ａの熱交換性能とに差を設ける。
【選択図】図１

Description

本願発明は、ヒートポンプユニットによって温水タンク内の水を加熱し、該温水タンク内の加熱水によって温水タンク内に設置された給湯用熱交換器内を貫流する水を加熱して給湯するようにしたヒートポンプ式の給湯装置に関するものである。
従来、ヒートポンプ式給湯機としては、水を加熱するヒートポンプユニットと、ヒートポンプユニットにより加熱された温水を貯える温水タンクとを備え、温水タンク内の温水を利用して暖房や給湯を行うものがある(例えば、特開２００６−３２９５８１号公報(特許文献１)参照)。
上記ヒートポンプ式給湯機では、温水タンク内に貯えられた温水がそのまま出湯されるのに対して、衛生面などを考慮して温水タンク内に給湯用熱交換器を配置し、給水口から給湯用熱交換器を介して出湯するものがある。このような給湯用熱交換器を用いたヒートポンプ式給湯機では、温水タンク内の温水と給湯水との間で効率よく熱交換できる給湯用熱交換器を実現することは容易でないという問題がある。
特開２００６−３２９５８１号公報
本願発明は、このような事情に基づいてなされたもので、簡単な構成で給湯用熱交換器の熱交換効率を向上でき、高温の給湯水を供給できるヒートポンプ式給湯装置およびそのヒートポンプ式給湯装置を用いた暖房給湯装置を提供することを目的とするものである。
本願発明は、上記の目的を達成するために、次のような有効な課題解決手段を備えて構成されている。
この発明のヒートポンプ式給湯装置では、
水を加熱するための熱源側のヒートポンプユニットと、
上記熱源側のヒートポンプユニットにより加熱された温水を貯える温水タンクと、
上記温水タンク内に配置され、内部を下側から上側に向かって水が流れる給湯用熱交換器と
を備え、
上記給湯用熱交換器の下段側部分の熱交換性能と上段側部分の熱交換性能とに差を設けたことを特徴とする。
上記構成によれば、ヒートポンプユニットにより加熱された温水を貯えた温水タンクにおいて、温水の温度分布が下側から上側に向かって徐々に高くなった状態で、給湯用熱交換器の下側から内部に流入した温度の低い給湯水は、温水タンク内の下側の比較的低温の温水域で熱交換され、給湯用熱交換器の内部を上側に向かって流れるに従って温水タンク内の上側の高温の温水域で熱交換されて、高温の給湯水となって出湯される。このように、上記温水タンク内の温度勾配に従って給湯水が下側から上側に向かって熱交換により加熱されながら流れるので、温水タンク内の温度分布が乱れることがなく、高い熱交換効率が得られる。さらに、温水タンク内の上下方向に大きな温度勾配を設けて、温水タンク内の下側の低温水をヒートポンプユニットで加熱することにより、ヒートポンプユニットのＣＯＰ(成績係数)が向上する。これにより、可能な限り温水タンク内の上下方向の温度勾配を大きくし、給湯装置としての加熱性能を可及的に向上できる。
また、例えば、給湯用熱交換器の下段側部分の熱交換性能を上段側部分の熱交換性能よりも高くすることで、温水タンク内の下側の温水域の温度上昇を抑制することによって、ヒートポンプユニットのＣＯＰがさらに向上する。また逆に、給湯用熱交換器の上段側部分の熱交換性能を下段側部分の熱交換性能よりも高くすることによって、温水タンク内の上下方向に大きな温度勾配を設けつつ、温水タンク内に貯えられた上側の高温領域の熱源を給湯に有効に利用することができる。
また、一実施形態のヒートポンプ式給湯装置では、
冷媒を凝縮することによって冷媒からの熱を放熱する放熱熱交換器を有する上記熱源側のヒートポンプユニットと、
水を貯留した上記温水タンクと、上記温水タンクの底部側と上部側に連通し、上記温水タンク内の水を底部側から上部側にバイパス状態で循環させる水循環配管と、上記水循環配管の途中にあって上記熱源側のヒートポンプユニットの上記放熱熱交換器に対して吸熱可能に結合された吸熱熱交換器と、外部から水が貫流状態で流入、流出する環状コイル型の上記給湯用熱交換器よりなる給湯ユニットと
を備え、
上記水循環配管途中の上記吸熱熱交換器を介して上記熱源側のヒートポンプユニットの上記放熱熱交換器により上記温水タンク内の水を加熱する一方、上記温水タンク内の水によって上記給湯用熱交換器内を流れる被加熱水を加熱するようにしてなる。
上記実施形態によれば、温水タンクの底部側から供給された水を、水循環配管途中の吸熱熱交換器を介して熱源側のヒートポンプユニットの放熱熱交換器により加熱して、温水タンクの上部側に戻すことによって、温水タンク内の上下方向に温度勾配(上側が高温、下側が低温)を容易に設けることができる。
また、一実施形態のヒートポンプ式給湯装置では、上記給湯用熱交換器の下段側部分または上段側部分のいずれか一方の環状コイルの伝熱管に内面加工管を用いることによって、上記下段側部分または上段側部分のいずれか一方の伝熱管部分の熱伝達率を、上記下段側部分または上段側部分のいずれか他方よりも向上させた。
上記実施形態によれば、上記給湯用熱交換器の下段側部分の環状コイルの伝熱管に内面加工管を用いることによって、同内面加工管の伝熱性能の高さにより、給湯用熱交換器の下段側部分の環状コイル部分の貯留水に対する冷却性能（吸熱性能）が向上し、同部分の貯留水の温度が下がりやすくなる。
その結果、それだけヒートポンプユニット側の放熱熱交換器に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器内を流れる貯留水の温度を低くすることができ、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器の凝縮冷媒との有効な温度差を確保することができる。
あるいは、上記給湯用熱交換器の上段側部分の環状コイルの伝熱管に内面加工管を用いて、上段側部分の環状コイルの伝熱管部分の熱伝達率を向上することによって、温水タンク内の上側の高温領域の熱源を給湯に有効に利用することができる。
また、一実施形態のヒートポンプ式給湯装置では、上記給湯用熱交換器の下段側部分または上段側部分のいずれか一方の環状コイルの伝熱管の内径を、他方の部分の環状コイルの伝熱管の内径よりも小径として、伝熱管内部を貫流する水の流速を高くすることによって、上記下段側部分または上段側部分のいずれか一方の伝熱管部分の熱伝達率を、上記下段側部分または上段側部分のいずれか他方よりも向上させた。
上記実施形態によれば、給湯用熱交換器の下段側部分の環状コイルの伝熱管の内径が、上段側部分の環状コイルの伝熱管の内径よりも小径であり、伝熱管内部を貫流する流体の流速が上段側部分の流速よりも高くなることから、同部分の伝熱管部分の熱伝達率が向上し、下段側部分の環状コイル部分の貯留水に対する冷却性能（吸熱性能）が向上し、同部分の貯留水の温度が下がりやすくなる。
その結果、それだけヒートポンプユニット側の放熱熱交換器に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器内を流れる貯留水の温度を低くすることができ、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器の凝縮冷媒との有効な温度差を確保することができる。
あるいは、上記給湯用熱交換器の上段側部分の環状コイルの伝熱管の内径を、下段側部分の環状コイルの伝熱管の内径よりも小径として、伝熱管内部を貫流する水の流速を高くして、上段側部分の環状コイルの伝熱管部分の熱伝達率を向上することによって、温水タンク内の上側の高温領域の熱源を給湯に有効に利用することができる。
また、一実施形態のヒートポンプ式給湯装置では、上記給湯用熱交換器の下段側部分または上段側部分のいずれか一方の環状コイルの巻成ピッチを、他方の部分の環状コイルの巻成ピッチよりも小さくすることによって、上記下段側部分または上段側部分のいずれか一方の環状コイルの伝熱面積を、上記下段側部分または上段側部分の他方の環状コイルの伝熱面積よりも大きくした。
上記実施形態によれば、給湯用熱交換器の下段側部分の環状コイルが上段側部分の環状コイルの巻成ピッチよりも小さいことから、上段側部分の環状コイルの伝熱面積よりも下段側部分の環状コイルの伝熱面積の方が大きくなり、下段側部分の環状コイル部分の貯留水に対する冷却性能（吸熱性能）が向上し、同部分の貯留水の温度が下がりやすくなる。
その結果、それだけヒートポンプユニット側の放熱熱交換器に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器内を流れる貯留水の温度を低くすることができ、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器の凝縮冷媒との有効な温度差を確保することができる。
あるいは、上記給湯用熱交換器の上段側部分の環状コイルの巻成ピッチを、下段側部分の環状コイルの巻成ピッチよりも小さくして、下段側部分の環状コイルの伝熱面積よりも上段側部分の環状コイルの伝熱面積を大きくすることによって、温水タンク内の上側の高温領域の熱源を給湯に有効に利用することができる。
また、一実施形態のヒートポンプ式給湯装置では、上記給湯用熱交換器の下段側部分の環状コイルの下部は、次第に環状コイルの外径を小さくすることより螺旋状に巻成されている。
上記実施形態によれば、給湯用熱交換器の下段側部分の環状コイルの下部の外径を次第に小さくすることにより螺旋状態に巻成すると、同部分の環状コイルが、当該下段側部分の環状コイルの底面側開口面を下方に向けて収束する形で閉塞することになり、下方から上方、上方から下方への貯留水の自然対流が阻止されるようになり、温水タンク内の底部側の水の温度が上昇しにくくなり、有効に水温の低温化を図ることができるようになる。
したがって、この作用に対して、さらに上記の何れかの構成のヒートポンプ式給湯装置による作用を組み合わせると、より有効に温水タンク内底部温度の低温化を図ることができる。
その結果、同部分の貯留水の温度が一層下がりやすくなり、より有効にヒートポンプユニット側の放熱熱交換器に対応する給湯ユニット側の吸熱熱交換器内を流れる貯留水の温度を低くすることができ、放熱熱交換器の凝縮冷媒との十分に有効な温度差を確保することができる。
また、一実施形態のヒートポンプ式給湯装置では、上記給湯用熱交換器の下段側部分の環状コイルの下部は、次第に環状コイルの外径を小さくすることにより平面渦巻き状に巻成されている。
上記実施形態によれば、給湯用熱交換器の下段側部分の環状コイルの下部を、次第に同環状コイルの外径を小さくすることにより、平面渦巻き状態に巻成すると、同部分の環状コイルが、当該下段側部分の環状コイルの底面側開口面を平面的に収束する形で閉塞することになり、下方から上方、上方から下方への貯留水Ｗ0の自然対流が阻止されるようになり、温水タンク内の底部側の水の温度が上昇しにくくなり、水温の低温化を図ることができるようになる。
したがって、この作用に対して、さらに上記の何れかの構成のヒートポンプ式給湯装置による作用を組み合わせると、より有効に温水タンク内底部温度の低温化を図ることができる。
その結果、同部分の貯留水の温度が一層下がりやすくなり、より有効にヒートポンプユニット側の放熱熱交換器に対応する給湯ユニット側の吸熱熱交換器内を流れる貯留水の温度を低くすることができ、放熱熱交換器の凝縮冷媒との十分に有効な温度差を確保することができる。
また、一実施形態のヒートポンプ式給湯装置では、上記給湯用熱交換器の下段側部分の熱交換性能を、上段側部分の熱交換性能よりも高くした。
上記実施形態によれば、上下方向に延びる環状コイル型の給湯用熱交換器の下段側部分の貯留水に対する冷却性能（吸熱性能）が上段側部分よりも高くなり、同部分の貯留水の温度が下がりやすくなる。
その結果、それだけヒートポンプユニット側の放熱熱交換器に対応する給湯ユニット側の吸熱熱交換器内を流れる貯留水の温度を低くすることができ、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器の凝縮冷媒との有効な温度差を確保することができる。
以上より明らかなように、この発明のヒートポンプ式給湯装置によれば、簡単な構成で給湯用熱交換器の熱交換効率を向上でき、高温の給湯水を供給できるヒートポンプ式給湯装置を実現することができる。
まず、この発明の実施の形態を説明する前に、本願発明者等の開発検討例に係るヒートポンプ式給湯装置の基本的な構成を図７を用いて説明する。
この図７のヒートポンプ式給湯装置では、給湯ユニット側の温水タンク１と吸熱熱交換器４２とは、第１の水ポンプＰ1を介設した低位置側水循環配管２１と高位置側水循環配管２２との２つの水循環配管によってバイパス状態に接続されている。また、温水タンク１底部の貯留水Ｗ0を、第１の水ポンプＰ1によってヒートポンプユニット２側の放熱側熱交換器４１に対応して設けられた吸熱熱交換器４２に循環状態で供給し、同吸熱熱交換器４２を介して所定時間内循環させることによって、同貯留水Ｗ0を所望の温度（例えば８５℃前後）まで加熱するようにしている。
一方、上記温水タンク１内には、給湯用熱交換器１０の伝熱管が、先ず温水タンク１の上部１ａ側から底部１ｂ側にストレートに進入した後、次に底部１ｂ側から上部１ａ側に螺旋状に旋回しながら延びてＵターン配置されており、全体として上下方向に等径な環状コイル構造に形成されている。
そして、同構造の伝熱管内を外部給水配管１４からの水Ｗ1が貫流状態で流入し、旋回方向に時間をかけて流れながら有効に加熱されて、上述した所望の温度の湯Ｗ2となって給湯管１５より流出するようになっている。
他方、符号３０は、例えば室内の壁面寄りに設置される室内空間暖房用の放射熱交換器としてのラジエータである。この該ラジエータ３０の温水導入口は、温水導入配管３２を介して温水タンク１の上部１ａに接続され、他方の温水排出口は、温水排出配管３１を介して温水タンク１の下部１ｂに接続されている。これにより、第２の水ポンプＰ2により温水タンク１の上部１ａ側から導入される湯の熱を同ラジエータ３０部分で室内空間に放射させて有効な暖房作用を実現するようになっている。
ところで、上記のような構成の場合、ヒートポンプユニット２側の放熱熱交換器４１および給湯ユニット側の吸熱熱交換器４２部分においては、凝縮冷媒と被加熱水Ｗ0との間の温度差が大きいほど被加熱水Ｗ0に対する加熱効率が高くなる。
しかし、上記図７の構成では、温水タンク１内の貯留水（被加熱水）Ｗ0の自然対流によって温水タンク１内の上下方向の水の温度分布が平均化される問題がある。例えば図８中に＜現状＞として示されている温度勾配グラフに示すように、温度勾配が緩やかなため、下部温度が高く、ヒートポンプユニット２への入水温度が高くなる。このため、ヒートポンプユニット２側の放熱熱交換器４１の凝縮冷媒に対する吸熱熱交換器４２側の貯留水Ｗ0との温度の差が大きくとれず、ヒートポンプ給湯装置としての加熱性能の向上には限界があった。
この限界を改善し、同加熱性能を有効に向上させるためには、例えば図８のグラフ中の＜改善目標＞に示すように、温水タンク１内の水の上下方向の温度分布を改善し、温水タンク１内の下部側の水の温度を可能な限り下げ、上部側温度との温度勾配を大きくすることが必要となる。
以下、本願発明の構成について、それを実施するための幾つかの最良と考えられる実施の形態を例示して、詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
先ず図１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を用いた暖房給湯装置の構成を示している。この暖房給湯装置は、給湯ユニットとしての温水タンク１、給湯用熱交換器１０、吸熱熱交換器４２、ヒートポンプユニット２としての圧縮機３、放熱熱交換器４１、膨張弁５、吸熱熱交換器６、および、暖房端末の一例としてのラジエータ３０等を備えて構成されている。
上記温水タンク１は、縦に長い円筒状の閉鎖器体をもち、その内部には水Ｗ0が略上端付近まで貯留されているとともに、後述する給湯用熱交換器１０が上部１ａから底部１ｂ間に亘って配置されている。
上記給湯用熱交換器１０は、所定の径の伝熱管を、先ず温水タンク１の上部１ａ側から底部１ｂ側にストレートに挿入した後、次に底部１ｂ側から上部１ａ側に螺旋状に旋回しながらコイル状に延設してＵターン配置しており、全体として上下方向に略等径な環状コイル構造に形成されている。そして、同給湯用熱交換器１０は、温水タンク１内に立設状態で収納され、その上段側部分１０ａの環状コイルの端部は外部の給湯管１５に接続されている一方、ストレート管の上端部は外部の給水管１４に接続されている。
従って、上記給水管１４からの給水は、上記ストレート管の下端部まで流下した後、貫流状態で上記環状コイルの下段部分１０ｂから上段側部分１０ａへ向けて旋回しながら時間をかけて流れ、該環状コイル内を流れる間に温水タンク１内の水Ｗ0と効率良く熱交換して昇温され（例えば８５℃程度まで）、上記給湯管１５から湯Ｗ2として取り出され、所望の用途に使用される。
そして、この実施形態では、上記給湯用熱交換器１０の上述した環状コイル（伝熱管）のうち、その下段側部分１０ｂの上下方向の所定長さ範囲（例えば、図１中において斜線を付して表示した下から５本のもの）のみを、その内周面に螺旋状の凹溝１３，１３・・・を形成した、例えば図３のような内面加工管（内面溝付管）で構成し、その他の部分（上段側）に比べて特に伝熱性能が高くなるようにしている。尚、この部分以外（上段側）は、凹溝のない通常の内面平滑管で構成している。
さらに、上記温水タンク１内には、例えばパンチングプレート等の多孔板で構成されるバッフル（バッフルプレート）９が、平面視において、例えば図２に示すように温水タンク１内を径方向に二分するようにして、また側面視において、例えば図１に示すように温水タンク１の上部１ａから底部１ｂに亘るようにして配置されている。従って、上記温水タンク１は、該バッフル９の配置によって、横幅寸法が半減した一対の半円筒状タンクの結合構造とされている。
一方、ヒートポンプユニット２は、温水タンク１内に貯留される水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熱交換器４１と、凝縮した冷媒を膨張させる膨張弁５と、冷媒を蒸発させて空気から吸熱する吸熱熱交換器６とを備えている。
そして、上記放熱熱交換器４１は、低位置側水循環配管２１によって温水タンク１の底部１ｂ側に接続され、また高位置側水循環配管２２によって温水タンク１の上部１ａ側に接続されている。上記低位置側水循環配管２１を通して温水タンク１の底部１ｂ側から放熱熱交換器４１に対応して設けられている吸熱熱交換器４２内に流入した貯留水Ｗ0を、吸熱熱交換器４２との熱交換によって加熱し、同加熱昇温された貯留水Ｗ0を高位置側水循環配管２２を通して温水タンク１の上部１ａ側へ還流させるようになっている。これを繰り返すことによって、上記温水タンク１内の水Ｗ0が所定の温度（例えば上述の８５℃前後）に加熱される。
他方、符号３０は、例えば室内の壁面寄りに設置される室内空間暖房用の放射熱交換器としてのラジエータであり、該ラジエータ３０の温水導入口は、温水導入配管３２を介して温水タンク１の上部１ａに接続され、他方の温水排出口は、温水排出配管３１を介して温水タンク１の下部１ｂに接続されている。そして、循環ポンプの一例としての第２の水ポンプＰ2により温水タンク１の上部１ａ側から導入される湯の熱を、当該ラジエータ３０により室内空間に放射させて有効な暖房作用を実現するようになっている。
なお、上記温水タンク１の胴体部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、ヒートポンプユニット２によって加熱される温水タンク１内の貯留水Ｗ0の水温が所定値よりも低く、設定水温まで上がらないような場合や特に高温の湯を必要とする場合、またヒートポンプユニット２を駆動するほどではないが、恒温（保温）のために補助加熱したい場合などにＯＮ作動されて、上記貯留水Ｗ0を加熱するものである。
次に、上記のように構成された本実施の形態のヒートポンプ式給湯装置の動作及び作用効果について説明する。
上記温水タンク１内に貯留された水Ｗ0は、低位置側水循環配管２１と高位置側水循環配管２２および吸熱熱交換器４２を介して底部側から上部側にバイパス状態で循環され、ヒートポンプユニット２側の放熱熱交換器４によって所望の温度（８５℃前後）に加熱される。
一方、同温水タンク１内の水Ｗ0が所望の温度（８５℃）になっていることを条件として、給水管１４から給湯用熱交換器１０に供給される給湯用の水Ｗ1は、該給湯用熱交換器１０の上部から下部、下部から上部側へ貫流する間に、温水タンク１内の昇温された水Ｗ0と熱交換して所望の温度（例えば４２℃）の湯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の使用場所へ供給される。
また、上記ラジエータ３０を用いて部屋の暖房を行なう場合には、温水タンク１の上部側の高温（８５℃）の湯Ｗ0がラジエータ３０側へ導入され、循環されて、放熱される。
ところで、すでに述べたように、上記ヒートポンプユニット２においては、放熱熱交換器４１における凝縮冷媒の温度と、温水タンク１の底部１ｂ側から吸熱熱交換器４２に導入される貯留水Ｗ0の温度との温度差が大きいほど加熱効率が高くなる。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、温水タンク１内の貯留水Ｗ0の温度分布を、図８中の改善例に示すように、温水タンク１の上部１ａ側では高く、下部１ｂ側では可及的に低くなるように維持することが必要となる。
しかし、上記温水タンク１内の水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やすく、そのままでは、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。
ところが、この実施形態の暖房給湯装置の場合、上述の構成によって、温水タンク１の底部１ｂ側の水温をより低くすることができるようになっており、より高温の湯を安定的に得ることができるように工夫されている。
すなわち、以上の構成では、先ず上記給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂを、例えば図３に示すような特に伝熱性能の高い内面加工管（例えば内面溝付管）で構成している。
このように、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂを内面加工管で構成すると、該下段側部分１０ｂにおいては、伝熱面積の増加とその内部を流れる水Ｗ1の流水の乱れによって貯留水Ｗ0との熱伝達率が向上する。これにより、温水タンク１の下部側の貯留水Ｗ0からの吸熱量（除熱量）が増加し、この吸熱量の増加分だけ該貯留水Ｗ0の水温が低く抑えられる。
その結果、上記ヒートポンプユニット２側の放熱熱交換器４１における凝縮冷媒と吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0との温度差をさらに大きくとることができ、ヒートポンプ式給湯装置としての加熱性能がさらに向上することになる。
また以上の構成では、上記温水タンク１内に、該温水タンク１内を径方向に二分するように縦方向へ延びるバッフル９を設けている。
このような構成にすると、擬似的に上記温水タンク１のアスペクト比が大きくなり、温水タンク１内の上下方向における温度成層（上層部が高く、下層部が低い）が形成され易くなり、温水タンク１内の水温度の平均化が抑制される。従って、上記温水タンク１の底部１ｂ側の水温がより低く維持され、ヒートポンプユニット２側の放熱熱交換器４１における凝縮冷媒と吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0との温度差を大きくとることができる。
このため、上記ヒートポンプユニット２の加熱性能が向上し、温水タンク１の上部１ａ側における貯留水Ｗ0の温度をより高温とすることができ、同高温の貯留水Ｗ0との効率良い熱交換によって上記給湯管１５から、より高温の湯Ｗ2を安定的に取り出すことができるようになる。
また、バッフル９の存在により、上述の暖房時にも、他方側半円筒部の温度成層が乱されにくくなる。
なお、以上の説明における暖房用のラジエータ３０、バッフル９、補助ヒータ４０等は、必ずしも本願発明に必須の構成ではなく、あくまでも本願発明の機能や汎用性を高めるためのものであることは言うまでもない。
このように、上記ヒートポンプ式給湯装置によれば、ヒートポンプユニット２により加熱された温水を貯えた温水タンク１において、温水の温度分布が下側から上側に向かって徐々に高くなった状態で、給湯用熱交換器１０の下側から内部に流入した温度の低い給湯水は、温水タンク１内の下側の比較的低温の温水域で熱交換され、給湯用熱交換器１０の内部を上側に向かって流れるに従って温水タンク１内の上側の高温の温水域で熱交換されて、高温の給湯水となって出湯される。このように、上記温水タンク１内の温度勾配に従って給湯水が下側から上側に向かって熱交換により加熱されながら流れるので、温水タンク１内の温度分布が乱れることがなく、高い熱交換効率が得られる。さらに、温水タンク１内の上下方向に大きな温度勾配を設けて、温水タンク１内の下側の低温水をヒートポンプユニットで加熱することにより、ヒートポンプユニットのＣＯＰ(成績係数)が向上する。これにより、可能な限り温水タンク１内の上下方向の温度勾配を大きくし、給湯装置としての加熱性能を可及的に向上できる。
また、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの熱交換性能を上段側部分１０ａの熱交換性能よりも高くすることで、温水タンク１内の下側の温水域の温度上昇を抑制することによって、ヒートポンプユニット２のＣＯＰがさらに向上する。
＜第２の実施形態＞
次に図４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を用いた暖房給湯装置の構成を示している。この暖房給湯装置は、上記第１の実施形態に係る暖房給湯装置と基本的な構成を同じにするものであって、異なる点は、上記第１の実施形態の暖房給湯装置では、給湯用熱交換器１０の管径をその上段側部分１０ａから下段側部分１０ｂまでの全域において同径に設定していたのに対して、この実施の形態では下段側部分１０ｂの管径をそれ以外の上段側部分１０ａの管径よりも細径とした点である。
このように構成すると、上記給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂにおいては、その内部を流れる水Ｗ1の流速が高くなり、それだけその熱伝達率が向上し、温水タンク１の底部１ｂ側の貯留水Ｗ0からの吸熱量（除熱量）が増加し、この吸熱量（除熱量）の増加分だけ該貯留水Ｗ0の水温が低く抑えられる。
その結果、上記ヒートポンプユニット２側の放熱熱交換器４における凝縮冷媒と吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0との温度差をさらに大きくとることができる。これにより、上記ヒートポンプユニット２の加熱性能がさらに向上し、ヒートポンプ式給湯装置としての加熱性能がさらに向上することになる。
尚、上記以外の構成及び作用効果は、上記第１の実施形態における場合と同様であるため、その該当する記載を援用することで、ここでの詳細な説明を省略する。
＜第３の実施形態＞
次に図５は、本願発明の第３の実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置を用いた暖房給湯装置の構成を示している。この暖房給湯装置も、上記第１の実施形態に係る暖房給湯装置と基本的な構成を同じにするものであって、異なる点は、上記第１の実施形態の暖房給湯装置では、給湯用熱交換器１０のコイル部のピッチ及び伝熱管コイル部の外径をその上端から下端までの全域において均等に設定していたのに対して、この実施形態では下段側部分１０ｂにおいては、同コイル部のピッチを上段側部分１０ａよりも小さく設定するとともに、同コイル部の外径を下端側へ移行するに伴って次第に小さくなるように縮小して螺旋状に巻成した点にある。
このように構成することで、上記給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂにおいては、伝熱管コイル管状部の緊密化による伝熱面積の増加によって熱伝達率が向上し、温水タンク１の下部側の貯留水からの吸熱量（除熱量）が増加するとともに、該高密度部分が上下方向の開口面のバッフル機能を果す。それによって、上記温水タンク１内の貯留水Ｗ0の自然対流が抑制されるので、そのままの温度成層が維持され、これらの相乗作用によって、温水タンク１の下部側における貯留水Ｗ0の水温が可及的に低く抑えられる。
この結果、上記ヒートポンプユニット２側の放熱熱交換器４１における凝縮冷媒と吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0との温度差をさらに大きくとることができる。これにより、上記ヒートポンプユニット２の加熱性能が向上し、給湯装置としての加熱性能がさらに向上することになる。
尚、上記以外の構成及び作用効果は上記第１の実施形態における場合と同様であるため、その該当する記載を援用することで、ここでの詳細な説明を省略する。
（変形例１）
ところで、以上のように伝熱管コイル部の外径を縮小させて巻成し、同部分にバッフル機能を持たせる構成としては、上述のように螺旋状に巻成する場合だけでなく、同伝熱管コイルの外径を平面位置で中心軸方向に小さくすることより、平面渦巻き状態に巻成することも可能である。
このように、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの伝熱管コイル部の下部を、次第にコイルの外径を次第に小さくすることにより、平面渦巻き状態に巻成すると、同部分のコイルが、当該下段側部分１０ｂのコイルの底面側開口面を平面的に収束する形で閉塞することになる。これにより、下方から上方、上方から下方への貯留水Ｗ0の自然対流が有効に阻止されるようになり、温水タンク１内底部側の水の温度が上昇しにくくなり、効果的に有効に水温の低温化を図ることができるようになる。
（変形例２）
また、この第３の実施形態では、上記給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂにおいて、その伝熱管コイル部のピッチ及び外径を共に変化させているが、他の実施形態としては、例えば図６に示すように、伝熱管コイルの外径自体は変化させずに、同伝熱管コイルのピッチのみをその上段側部分１０ａのものより小さく設定することもできる。
また、上記温水タンク１内の下側の比較的低温の温水域では、給湯用熱交換器１０のコイル状のパイプのピッチを密にすることにより熱交換能力が高くなって、温水タンク１内の下側の温水域の温度上昇が抑制される。これにより、温水タンク１内の上部と下部でより大きな温度勾配を設けて、温水タンク１内の下側の低温水をヒートポンプユニット２で加熱することにより、ヒートポンプユニット２のＣＯＰを向上できる。
さらに、これとは逆に、コイル部の外径のみを変化させるように設定することもできる。
これらの構成によっても、下部側の熱交換性能を高くして、温水タンク１の底部側の水の温度を低くすることができる。
上記第１〜第３の実施形態では、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの熱交換性能を上段側部分１０ａの熱交換性能よりも高くしたが、これに限らず、給湯用熱交換器の上段側部分の熱交換性能と下段側部分の熱交換性能よりも高くしてもよい。この場合、温水タンク内の上下方向に大きな温度勾配を設けつつ、温水タンク内に貯えられた上側の高温領域の熱源を給湯に有効に利用することができる。
上記第１,第２の実施形態では、温水タンク１の上部から流入した水を給湯用熱交換器１０の下側から上側に向かって流したが、温水タンクの下部から流入した水を給湯用熱交換器に供給してもよい。
また、この発明のヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を凝縮することによって冷媒からの熱を放熱する放熱熱交換器４１を有する熱源側ヒートポンプユニットと、水Ｗ0を貯留した温水タンク１、該温水タンク１の底部１ｂ側と上部１ａ側に連通し、上記温水タンク１内の水Ｗ0を底部１ｂ側から上部１ａ側にバイパス状態で循環させる水循環配管２１，２２、該水循環配管２１，２２の途中にあって上記熱源側ヒートポンプユニットの上記放熱熱交換器４１に対して吸熱可能に結合された吸熱熱交換器４２、上記温水タンク１内の上部１ａ側から底部１ｂ側、底部１ｂ側から上部１ａ側に延びてユーターン配置され、外部から水Ｗ1が貫流状態で流入、流出する環状コイル型の給湯用熱交換器１０よりなる給湯ユニットとを備え、上記水循環配管２１，２２途中の吸熱熱交換器４２を介して上記熱源側ヒートポンプユニットの放熱熱交換器４１により上記温水タンク１内の水Ｗ0を加熱する一方、該温水タンク１内の水Ｗ0によって上記給湯用熱交換器１０内を流れる被加熱水Ｗ1を加熱するようにしてなるヒートポンプ式給湯装置であって、上記給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの熱交換性能を、上段側部分１０ａの熱交換性能よりも高くしたことを特徴としている。
このような構成によると、上下方向に延びる環状コイル型の給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの貯留水Ｗ0に対する冷却性能（吸熱性能）が上段側部分よりも高くなり、同部分の貯留水Ｗ0の温度が下がりやすくなる。
その結果、それだけヒートポンプユニット側の放熱熱交換器４１に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0の温度を低くすることができ、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器４１の凝縮冷媒との有効な温度差を確保することができる。
また、この発明のヒートポンプ式給湯装置は、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの高熱交換性能部は、同下段側部分１０ｂの環状コイルの伝熱管に内面加工管を用いることによって、伝熱管部分の熱伝達率を向上させるように構成されている。
このような構成によれば、同内面加工管の伝熱性能の高さにより、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの環状コイル部分の貯留水Ｗ0に対する冷却性能（吸熱性能）が向上し、同部分の貯留水Ｗ0の温度が下がりやすくなる。
その結果、それだけヒートポンプユニット２側放熱熱交換器４１に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0の温度を低くすることができ、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器４１の凝縮冷媒との有効な温度差を確保することができる。
また、この発明のヒートポンプ式給湯装置は、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの高熱交換性能部は、同下段側部分１０ｂの環状コイルの伝熱管の内径を、上段側部分１０ａの環状コイルの伝熱管の内径よりも小径として、伝熱管内部を貫流する流体の流速を高くすることによって、伝熱管部分の熱伝達率を向上させるように構成されている。
このような構成によれば、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの環状コイルの伝熱管の内径が、上段側部分１０ａの環状コイルの伝熱管の内径よりも小径であり、伝熱管内部を貫流する流体の流速が上段側部分１０ａの流速よりも高くなることから、同部分の伝熱管部分の熱伝達率が向上し、下段側部分１０ｂの環状コイル部分の貯留水Ｗ0に対する冷却性能（吸熱性能）が向上し、同部分の貯留水Ｗ0の温度が下がりやすくなる。
その結果、それだけヒートポンプユニット側の放熱熱交換器４１に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0の温度を低くすることができ、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器４１の凝縮冷媒との有効な温度差を確保することができる。
また、この発明のヒートポンプ式給湯装置は、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの高熱交換性能部は、同下段側部分１０ｂの環状コイルの巻成ピッチを上段側部分１０ａの環状コイルの巻成ピッチよりも小さくし、それによって上段側部分１０ａの環状コイルの伝熱面積よりも下段側部分１０ａの環状コイルの伝熱面積を大きくするように構成されている。
このような構成によれば、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの環状コイルが上段側部分１０ａの環状コイルの巻成ピッチよりも小さいことから、上段側部分１０ａの環状コイルの伝熱面積よりも下段側部分１０ｂの環状コイルの伝熱面積の方が大きくなり、下段側部分１０ｂの環状コイル部分の貯留水Ｗ0に対する冷却性能（吸熱性能）が向上し、同部分の貯留水Ｗ0の温度が下がりやすくなる。
その結果、それだけヒートポンプユニット側の放熱熱交換器４１に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0の温度を低くすることができ、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器４１の凝縮冷媒との有効な温度差を確保することができる。
また、この発明のヒートポンプ式給湯装置は、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの環状コイルの下部は、次第に同環状コイルの外径を小さくすることより螺旋状態に巻成されている。
このように給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの環状コイルの下部の外径を次第に小さくすることにより螺旋状態に巻成すると、同部分の環状コイルが、当該下段側部分１０ｂの環状コイルの底面側開口面を下方に向けて収束する形で閉塞することになり、下方から上方、上方から下方への貯留水Ｗ0の自然対流が阻止されるようになり、温水タンク１内底部側の水の温度が上昇しにくくなり、有効に水温の低温化を図ることができるようになる。
したがって、この作用に対して、さらに上記の何れかの構成による作用を組み合わせると、より有効に温水タンク内底部温度の低温化を図ることができる。
その結果、同部分の貯留水Ｗ0の温度が一層下がりやすくなり、より有効にヒートポンプユニット側の放熱熱交換器４１に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0の温度を低くすることができ、放熱熱交換器４１の凝縮冷媒との十分に有効な温度差を確保することができる。
また、この発明のヒートポンプ式給湯装置は、給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの環状コイルの下部は、次第に同環状コイルの外径を小さくすることより、平面渦巻き状態に巻成されている。
このように給湯用熱交換器１０の下段側部分１０ｂの環状コイルの下部を、次第に同環状コイルの外径を小さくすることより、平面渦巻き状態に巻成すると、同部分の環状コイルが、当該下段側部分１０ｂの環状コイルの底面側開口面を平面的に収束する形で閉塞することになり、下方から上方、上方から下方への貯留水Ｗ0の自然対流が阻止されるようになり、温水タンク１内底部側の水の温度が上昇しにくくなり、水温の低温化を図ることができるようになる。
したがって、この作用に対して、さらに上記の何れかの構成による作用を組み合わせると、より有効に温水タンク内底部温度の低温化を図ることができる。
その結果、同部分の貯留水Ｗ0の温度が一層下がりやすくなり、より有効にヒートポンプユニット２側放熱熱交換器４１に対応する給湯ユニット側吸熱熱交換器４２内を流れる貯留水Ｗ0の温度を低くすることができ、放熱熱交換器４１の凝縮冷媒との十分に有効な温度差を確保することができる。
上記構成によると、図８中の改善例に示すように、温水タンク内の水の上下方向の温度分布を適切に改善することができるようになり、ヒートポンプユニット側の放熱熱交換器の凝縮冷媒との十分に有効な温度差を確保することができるようになるので、ヒートポンプ式給湯装置としての水加熱性能を有効に向上させることができる。
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構成を示す図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線切断断面図である。 図１に示した温水タンク内の熱交換器要部の内部構造を示す部分斜視図である。 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構成を示す図である。 本願発明の第３の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置の構成を示す図である。 上記第３の実施形態に係るヒートポンプ式給湯装置の変形例２の構成を示す図である。 本願発明者等の開発検討例に係るヒートポンプ式給湯装置の構成を示す図である。 同ヒートポンプ式給湯装置の問題点と解決課題を示す説明図である。
符号の説明
１…温水タンク
２…ヒートポンプユニット
３…圧縮機
５…膨張弁
６…吸熱熱交換器
１０…給湯用熱交換器
１４…給水管
１５…給湯管
２１…低位置側水循環配管
２２…高位置側水循環配管
３０…ラジエータ
４０…補助ヒータ
４１…放熱熱交換器
４２…吸熱熱交換器
Ｗ0…貯留水
Ｗ1…貫流水
Ｗ2…湯

Claims (8)

  1. 水を加熱するための熱源側のヒートポンプユニット（２）と、
    上記熱源側のヒートポンプユニット（２）により加熱された温水を貯える温水タンク（１）と、
    上記温水タンク（１）内に配置され、内部を下側から上側に向かって水が流れる給湯用熱交換器(１０)と
    を備え、
    上記給湯用熱交換器(１０)の下段側部分（１０ｂ）の熱交換性能と上段側部分（１０ａ）の熱交換性能とに差を設けたことを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。
  2. 冷媒を凝縮することによって冷媒からの熱を放熱する放熱熱交換器（４１）を有する上記熱源側のヒートポンプユニット（２）と、
    水（Ｗ0）を貯留した上記温水タンク（１）と、上記温水タンク（１）の底部（１ｂ）側と上部（１ａ）側に連通し、上記温水タンク（１）内の水（Ｗ0）を底部（１ｂ）側から上部（１ａ）側にバイパス状態で循環させる水循環配管（２１），（２２）と、上記水循環配管（２１），（２２）の途中にあって上記熱源側のヒートポンプユニット（２）の上記放熱熱交換器（４１）に対して吸熱可能に結合された吸熱熱交換器（４２）と、外部から水（Ｗ1）が貫流状態で流入、流出する環状コイル型の上記給湯用熱交換器（１０）よりなる給湯ユニットと
    を備え、
    上記水循環配管（２１），（２２）途中の上記吸熱熱交換器（４２）を介して上記熱源側のヒートポンプユニット（２）の上記放熱熱交換器（４１）により上記温水タンク（１）内の水（Ｗ0）を加熱する一方、上記温水タンク（１）内の水（Ｗ0）によって上記給湯用熱交換器（１０）内を流れる被加熱水（Ｗ1）を加熱するようにしてなることを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯装置。
  3. 上記給湯用熱交換器（１０）の下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）のいずれか一方の環状コイルの伝熱管に内面加工管を用いることによって、上記下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）のいずれか一方の伝熱管部分の熱伝達率を、上記下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）のいずれか他方よりも向上させたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式給湯装置。
  4. 上記給湯用熱交換器（１０）の下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）のいずれか一方の環状コイルの伝熱管の内径を、他方の部分（１０ａ，１０ｂ）の環状コイルの伝熱管の内径よりも小径として、伝熱管内部を貫流する水の流速を高くすることによって、上記下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）のいずれか一方の伝熱管部分の熱伝達率を、上記下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）のいずれか他方よりも向上させたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式給湯装置。
  5. 上記給湯用熱交換器（１０）の下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）のいずれか一方の環状コイルの巻成ピッチを、他方の部分（１０ａ，１０ｂ）の環状コイルの巻成ピッチよりも小さくすることによって、上記下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）のいずれか一方の環状コイルの伝熱面積を、上記下段側部分（１０ｂ）または上段側部分（１０ａ）の他方の環状コイルの伝熱面積よりも大きくしたことを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式給湯装置。
  6. 上記給湯用熱交換器（１０）の下段側部分（１０ｂ）の環状コイルの下部は、次第に環状コイルの外径を小さくすることより螺旋状に巻成されていることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載のヒートポンプ式給湯装置。
  7. 上記給湯用熱交換器（１０）の下段側部分（１０ｂ）の環状コイルの下部は、次第に環状コイルの外径を小さくすることにより平面渦巻き状に巻成されていることを特徴とする請求項１，２，３，４又は５記載のヒートポンプ式給湯装置。
  8. 上記給湯用熱交換器（１０）の下段側部分（１０ｂ）の熱交換性能を、上段側部分（１０ａ）の熱交換性能よりも高くした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式給湯装置。
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