JP2011002201A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールの堆積に起因する不具合の発生を抑えることができるヒートポンプ式給湯機を得ること。
【解決手段】断熱材２７が周囲に配置されている貯湯タンク２０の下部から貯湯用循環管路５０の往き管に取り出した水をヒートポンプで湯に沸上げ、該湯を貯湯用循環管路の戻り管５０ｂにより貯湯タンクの上部から該貯湯タンクに戻して貯えるヒートポンプ式給湯機を構成するにあたり、貯湯用循環管路の戻り管を、少なくとも貯湯タンクの上部側では上記の断熱材に近接させて貯湯タンクの側方に配置し、貯湯タンクの頂部よりも下方で貯湯タンク側に水平または斜め上向きに向きを変えさせて貯湯タンクの上部に接続する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、貯湯タンクを有するヒートポンプ式給湯機に関するものである。

貯湯タンクを有するヒートポンプ式給湯機は、貯湯タンク下部に貯湯用循環管路の往き管が接続され、貯湯タンク上部に貯湯用循環管路の戻り管が接続される。また、貯湯用循環管路の戻り管から貯湯タンクに戻される湯により貯湯タンク内の温度成層が乱されないように、戻り管から貯湯タンクに戻された湯の拡がり方向を制御する拡散板を設けることもある（例えば特許文献１）。

特許昭５９−８６８４７号公報

貯湯用循環管路の戻り管は、貯湯タンクの上部に接続されるので、当該戻り管の貯湯タンク側の端部は、常時、比較的高温に保たれる。このため、戻り管の貯湯タンク側の端部では、沸き上げた湯からスケールが析出し易い。戻り管内に析出したスケールの一部は湯と一緒に貯湯タンク内に流入するが、残りのスケールは戻り管内に堆積する。

また、貯湯タンクとの接続箇所の手前で戻り管に比較的長い水平区間が設けられるため、該水平区間で特にスケールの堆積が起こり易い。また、溶存していたエアが湯の沸上げ時に気化することで発生した気泡も上記の水平区間に溜まり易く、この気泡は湯よりも高温であるため、当該水平区間ではスケールの析出が気泡により加速され易い。

戻り管内でのスケールの堆積は湯の流通を阻害し、戻り管を閉塞させて貯湯用循環管路に湯水を流せなくなるという不具合の原因ともなる。昨今のヒートポンプ式給湯機では、ヒートポンプの動作制御の容易化やヒートポンプでの熱交換効率の向上を図る等の観点から貯湯用循環管路の往き管、戻り管が細径化してきているため、スケールの堆積をできるだけ防止することが求められている。

戻り管におけるスケールの堆積と同様の理由から、特許文献１に記載された貯湯式給湯機で戻り管から貯湯タンクに戻された湯を上向きもしくは横向きに拡げる拡散板においても、スケールが堆積し易い。拡散板にスケールが堆積すると、戻り管から貯湯タンクに戻された湯が所望方向に拡がらなくなるため、貯湯タンク内に温度成層を形成し難くなるという不具合が生じる。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、スケールの堆積に起因する不具合の発生を抑えることができるヒートポンプ式給湯機を得ることを目的とする。

本発明のヒートポンプ式給湯機は、断熱材が周囲に配置されている貯湯タンクの下部から貯湯用循環管路の往き管に取り出した水をヒートポンプで湯に沸上げ、該湯を貯湯用循環管路の戻り管により貯湯タンクの上部から該貯湯タンクに戻して貯えるヒートポンプ式給湯機であって、貯湯用循環管路の戻り管は、少なくとも貯湯タンクの上部側では断熱材に近接して貯湯タンクの側方に配置され、貯湯タンクの頂部よりも下方で該貯湯タンク側に水平または斜め上向きに向きを変えて貯湯タンクの上部に接続されている。

本発明によれば、スケールの堆積に起因する不具合の発生を抑えることができる。

本発明のヒートポンプ式給湯機の一例を示す概略図である。 図１に示したヒートポンプ式給湯機での貯湯用循環管路の戻り管と貯湯タンクとの接続箇所およびその周辺を拡大して概略的に示す断面図である。

以下、本発明のヒートポンプ式給湯機の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は下記の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明のヒートポンプ式給湯機の一例を示す概略図である。同図に示すヒートポンプ式給湯機１５０は、水を湯に沸き上げて所望箇所、図示の例では浴槽１７０およびシャワー１８０に給湯する機能と、浴槽１７０内の浴水１７０ａを追焚きする機能とを有するものであり、ヒートポンプユニット１０と給湯機本体１２０と制御装置１３０とリモートコントローラ１４０とを備えている。以下、ヒートポンプ式給湯機１５０の各構成要素について説明する。

ヒートポンプユニット１０は、冷媒を圧縮する圧縮機と、放熱器に相当する沸上げ用熱交換器と、膨張弁と、蒸発器と、これらを環状に接続する循環配管とによって構成された冷凍サイクル部（図示せず）を有し、該冷凍サイクル部がヒートポンプとして機能する。上記の冷凍サイクル部では、二酸化炭素等の自然冷媒が圧縮機で圧縮されて高温、高圧となった後に沸上げ用熱交換器で放熱し、膨張弁で減圧され、蒸発器で吸熱してガス状態となって圧縮機に吸入される。

一方、給湯機本体１２０は、貯湯タンク２０、給水管路４０、貯湯用循環管路５０、圧力逃し弁７０、タンク側循環管路８０、ふろ側循環管路９０、追焚き用熱交換器１００、および給湯管路１１０等を有している。

貯湯タンク２０は、給水管路４０から供給される水を貯えると共にヒートポンプユニット１０で沸き上げられた湯を貯える積層式の貯湯タンクであり、その上部および下部は、それぞれ、当該貯湯タンク２０の上下軸方向外側にドーム状に突出している。この貯湯タンク２０の下部には給水管路４０の第１給水管部４０ａ、貯湯用循環管路５０の往き管５０ａおよびタンク側循環管路８０の戻り管８０ｂが接続されており、上部には貯湯用循環管路５０の戻り管５０ｂ、タンク側循環管路８０の往き管８０ａ、および給湯管路１１０が接続されている。貯湯タンク２０は、給水管路４０からの給水により常に満水状態に保たれる。

貯湯タンク２０内の温度成層が第１給水管部４０ａ、戻り管５０ｂおよび戻り管８０ｂの各々から流入する水または湯によって乱されてしまうのを抑えるために、貯湯タンク２０内には３つのバッフル部２２，２３，２５が設けられている。バッフル部２２は第１給水管部４０ａから流入した水の流れ方向を貯湯タンク２０の最下部側に規制し、バッフル部２３は貯湯用循環管路５０の戻り管５０ｂから流入した湯の流れ方向を貯湯タンク２０の頂部側に規制する。また、バッフル部２５はタンク側循環管路８０の戻り管８０ｂから流入した湯の流れ方向を貯湯タンク２０の底部側に規制する。

貯湯タンク２０内の湯水の温度を検出するために、貯湯タンク２０の周面部には複数のタンク温度センサ（図示せず）が互いに異なる取付け高さをもって取り付けられている。また、貯湯タンク２０の保温性を高めて湯の温度低下を抑えるために、貯湯タンク２０の周囲には該貯湯タンク２０の頂部から下部にかけて断熱材２７が配置されている。

給水管路４０は、市水等の水を貯湯タンク２０および後述の第１、第２混合弁１０１ａ，１０１ｂに供給する管路であり、減圧弁３５が設けられた第１給水管部４０ａと、第２給水管部４０ｂとを有している。減圧弁３５は、水道等の水源（図示せず）からの水の水圧を所定値以下に減じる。第１給水管部４０ａは水源と貯湯タンク２０下部とを繋ぎ、第２給水管部４０ｂは減圧弁３５の下流側で第１給水管部４０ａから分岐して、該第１給水管部４０ａと第１、第２混合弁１０１ａ，１０１ｂとを繋ぐ。給水管路４０での水の流れ方向を図１中に実線の矢印Ａで示してある。

貯湯用循環管路５０は、貯湯タンク２０の下部からヒートポンプユニット１０中の沸上げ用熱交換器（図示せず）を経由して貯湯タンク２０の上部に達する管路であり、貯湯用送水ポンプ４３が設けられた往き管５０ａと、戻り管５０ｂとを有している。上記の往き管５０ａは貯湯タンク２０の下部と沸上げ用熱交換器とを繋ぎ、戻り管５０ｂは沸上げ用熱交換器と貯湯タンク２０の上部とを繋ぐ。貯湯タンク２０内の水をヒートポンプユニット１０で湯に沸き上げる沸上げ運転時の貯湯用循環管路５０での湯水の流れ方向を、図１中に実線の矢印Ｂで示してある。

湯の沸上げに伴う貯湯タンク２０内の湯水の体積膨張による貯湯タンク２０の内圧上昇を防止するため、後述する給湯管路１１０の端部から一次側膨張水排出管６５ａが分岐し、該一次側膨張水排出管６５ａの流出口側に圧力逃し弁７０が接続されている。また、圧力逃し弁７０の流出口側には二次側膨張水排出管６５ｂが接続されている。圧力逃し弁７０は、貯湯タンク２０の内圧が所定値を超えたときに開弁し、体積膨張により生じた膨張水（余剰水）を貯湯タンク２０から二次側膨張水排出管６５ｂに流出させることで貯湯タンク２０の内圧過上昇を防止する。

タンク側循環管路８０は、往き管８０ａと、タンク側送水ポンプ７５が設けられた戻り管８０ｂとを有している。往き管８０ａは貯湯タンク２０の上部と追焚き用熱交換器１００とを繋ぎ、戻り管８０ｂは追焚き用熱交換器１００と貯湯タンク２０の下部とを繋ぐ。タンク側循環管路８０での湯の流れ方向を図１中に実線の矢印Ｃで示してある。

ふろ側循環管路９０は、往き管９０ａと戻り管９０ｂとを有している。往き管９０ａは浴槽１７０と追焚き用熱交換器１００とを繋ぎ、戻り管９０ｂは追焚き用熱交換器１００と浴槽１７０とを繋ぐ。往き管９０ａには、浴槽１７０側から追焚き用熱交換器１００側に向かって、フロースイッチ８１、水位センサ８３、ふろ側送水ポンプ８５、および追焚き用温度センサ８７がこの順番で設けられている。ふろ側循環管路９０での浴水１７０ａの流れ方向を図１中に実線の矢印Ｄで示してある。

追焚き用熱交換器１００は、タンク側循環管路８０を流れる湯とふろ側循環管路９０を流れる浴水１７０ａとの間で熱交換を行って浴水１７０ａを加熱する。

給湯管路１１０は、貯湯タンク２０に貯えられた湯と第２給水管部４０ｂからの水とを電動式の第１または第２混合弁１０１ａ，１０１ｂで混合して所定温度の湯に調整し、該湯を所望の給湯先に供給する管路であり、第１混合弁１０１ａおよび第２混合弁１０１ｂの他に第１〜第３給湯管部１１０ａ〜１１０ｃを有している。第１給湯管部１１０ａは貯湯タンク２０の上部と第１、第２混合弁１０１ａ，１０１ｂとを繋ぎ、第２給湯管部１１０ｂは第１混合弁１０１ａとふろ側循環管路９０での戻り管９０ｂとを繋ぎ、第３給湯管部１１０ｃは第２混合弁１０１ｂとシャワー１８０とを繋ぐ。

第２給湯管部１１０ｂには、第１混合弁１０１ａ側からふろ側循環管路９０側に向かって、注水電磁弁１０３、ふろ給湯用流量センサ１０４、およびふろ給湯用温度センサ１０５がこの順番で設けられている。注水電磁弁１０３は第２給湯管部１１０ｂを開閉し、ふろ給湯用流量センサ１０４は第２給湯管部１１０ｂでの湯水の流量を検出し、ふろ給湯用温度センサ１０５は第２給湯管部１１０ｂでの湯水の温度を検出する。また、第３給湯管部１１０ｃには、第２混合弁１０１ｂ側からシャワー１８０側に向かって、一般給湯用流量センサ１０７および一般給湯用温度センサ１０８がこの順番で設けられている。一般給湯用流量センサ１０７は第３給湯管部１１０ｃでの湯水の流量を検出し、一般給湯用温度センサ１０８は第３給湯管部１１０ｃでの湯水の温度を検出する。給湯管路１１０での湯水の流れ方向を図１中に実線の矢印Ｅで示してある。

給湯機本体１２０の構成要素のうち、給水管路４０、貯湯用循環管路５０、ふろ側循環管路９０、および給湯管路１００をそれぞれ除いた残りの構成要素は、外装ケース１１５に納められている。給水管路４０、貯湯用循環管路５０、ふろ側循環管路９０、および給湯管路１００の各々は、その一部が外装ケース１１５の外部にまで延在している。

制御装置１３０は、上記の外装ケース１１５内に配置され、ヒートポンプユニット１０、貯湯用送水ポンプ４３、三方弁４５、タンク側送水ポンプ７５、ふろ側送水ポンプ８５、第１混合弁１０１ａ、第２混合弁１０１ｂ、および注水電磁弁１０３に接続されてこれらの動作を制御する。具体的には、リモートコントローラ１４０からユーザが入力した沸上げ開始時刻、沸上げ温度、湯張り温度、湯張り湯量、給湯温度等の情報や湯張り開始指令、追焚き開始指令等の指令と、貯湯タンク２０に設けられたタンク温度センサ（図示せず）、フロースイッチ８１、水位センサ８３、追焚き用温度センサ８７、ふろ給湯用流量センサ１０４、ふろ給湯用温度センサ１０５、一般給湯用流量センサ１０７、一般給湯用温度センサ１０８等の検出値等とに基づいて、上記の構成要素の動作を制御する。

リモートコントローラ１４０は、上記の情報や指令を入力するための操作部と、該操作部から入力された情報や指令等を表示するための表示部（図示せず）とを有しており、台所や浴室等に設置されて制御装置１３０に有線接続または無線接続され、制御装置１３０の入力装置として機能する。

上述の各構成要素を備えたヒートポンプ式給湯機１５０は、設置後に給水管路４０から貯湯タンク２０に給水し、該貯湯タンク２０、貯湯用循環管路５０、タンク側循環管路８０、および給湯管路１１０のエア抜きを行ってから使用に供されて、沸上げ運転、湯張り運転、追焚き運転、および給湯運転を適宜行う。

例えばユーザがリモートコントローラ１４０から入力した沸上げ開始時刻になると、制御装置１３０による制御の下にヒートポンプユニット１０および貯湯用送水ポンプ４３が起動されて沸上げ運転が開始され、貯湯タンク２０に設けられたタンク温度センサ（図示せず）の検出値から所定温度の湯が貯湯タンク２０に所定量貯えられたと判断されるまで継続される。この間、貯湯タンク２０の下部から貯湯用循環管路５０の往き管５０ａに水が流入し、ヒートポンプユニット１０で湯に沸き上げられた後、戻り管５０ｂを通って貯湯タンク２０に戻される。

また、ユーザがリモートコントローラ１４０から湯張り開始指令を入力すると、湯張り運転が開始される。この湯張り運転では、制御装置１３０による制御の下に第１混合弁１０１ａの弁開度が調整されると共に注水電磁弁１０３が開弁して、第１混合弁１０１ａにより所定の湯張り温度に調整された湯が第２給湯管部１１０ｂからふろ側循環管路８０に流入し、さらには該ふろ側循環管路９０の往き管９０ａと戻り管９０ｂとを流れて浴槽１７０に流入する。第１混合弁１０１ａの弁開度は、ふろ給湯用温度センサ１０５の検出値に基づいてフィードバック制御される。浴槽１７０への湯張り湯量は、水位センサ８３の検出値とふろ給湯用流量センサ１０４の検出値とに基づいて制御装置１３０により調整され、リモートコントローラ１４０からユーザが予め入力した湯張り湯量に達したと判断されると、注水電磁弁１０３を閉弁して湯張り運転が終了する。

ユーザがシャワー１８０の給湯栓（図示せず）を開けると、一般給湯用流量センサ１０７により所定値以上の流量が検出されて給湯運転が開始される。この給湯運転では、制御装置１３０による制御の下に第２混合弁１０１ｂの弁開度が調整されて、所定の給湯温度に調整された湯がシャワー１８０から出湯する。第２混合弁１０１ｂの弁開度は、一般給湯用温度センサ１０８の検出値に基づいてフィードバック制御される。

上述したヒートポンプ式給湯機１５０は、貯湯用循環管路５０の戻り管５０ｂの形態、および貯湯タンク２０内のバッフル部２３の構造に特徴を有しているので、以下、図２を参照して戻り管５０ｂの形態およびバッフル部２３の構造の各々を詳述する。

図２は、図１に示したヒートポンプ式給湯機での貯湯用循環管路の戻り管と貯湯タンクとの接続箇所およびその周辺を拡大して概略的に示す断面図である。同図に示すように、貯湯用循環管路５０の戻り管５０ｂは、少なくとも貯湯タンク２０の上部側では、貯湯タンク２０の周囲に配置された断熱材２７に近接して貯湯タンク２０の側方に配置されている。そして、貯湯タンク２０の頂部よりも下方で貯湯タンク２０側に水平に向きを変えて貯湯タンク２０の上部、具体的にはドーム状に成形されている部分に接続されている。

バッフル部２３は、バッフルプレート２３ａと計２つの側壁２３ｂ，２３ｂ（図２においては１つの側壁２３ｂのみが現れている）とを備えており、貯湯タンク２０と戻り管５０ｂとの接続箇所を覆うようにして貯湯タンク２０内に取り付けられている。バッフルプレート２３ａは、戻り管５０ｂとの接続箇所近傍での貯湯タンク２０の内周面ＩＳと略平行に湾曲したバッフル面ＢＳを有し、戻り管５０ｂから貯湯タンク２０に流入した湯の流れ方向を貯湯タンク２０の頂部側に規制する。また、側壁２３ｂ、２３ｂは、バッフルプレート２３ａの左右方向両端に連設されて例えば溶接により貯湯タンク２０に固定され、貯湯タンク２０の内周面ＩＳから所定の間隔をあけてバッフルプレート２３ａを保持すると共に、戻り管５０ｂから貯湯タンク２０に流入した湯の横方向への流動を制限する。バッフル部２３での上端側および下端側は、それぞれ開放されている。

上述のようにして貯湯タンク２０に接続されている戻り管５０ｂでは、貯湯タンク２０との接続箇所の手前で当該戻り管５０ｂに設けられる水平区間ＨＳ（図２参照）の長さが短いので、湯から析出したスケールが当該水平区間ＨＳに堆積し難い。また、湯の沸上げにより発生した気泡も当該水平区間ＨＳに溜まり難く、スケールの析出が気泡によって加速されることも水平区間ＨＳでは起こり難い。これらの理由から、戻り管５０ｂではスケールの堆積が抑えられる。

また、戻り管５０ｂから貯湯タンク２０には湯と一緒にスケールや気泡が流入するが、バッフル部２３の上端側および下端側がそれぞれ開放されていることから、比重の重いスケールはバッフル部２３の下端側から貯湯タンク２０の底部に沈降し、比重の軽い気泡はバッフル部２３の上端側から貯湯タンク２０の頂部に浮上する。このため、当該バッフル部２３においてもスケールの堆積が抑えられる。図２には、戻り管５０ｂから貯湯タンク２０に流入した湯および気泡の流れ方向を実線の矢印Ｆで示し、スケールの流れ方向を破線の矢印Ｇで示してある。

このように、ヒートポンプ式給湯機１５０（図１参照）では、戻り管５０ｂおよびバッフル部２３の各々でスケールの堆積が抑えられるので、戻り管５０ｂでのスケールの堆積により貯湯用循環管路５０での湯の流通が阻害されたり、バッフル部２３でのスケールの堆積により貯湯タンク２０内に温度成層を形成し難くなったりする等の不具合の発生が抑えられる。結果として、当該ヒートポンプ式給湯機１５０では、その装置寿命を延ばし易い。また、貯湯用循環管路５０の往き管５０ａ（図１参照）、戻り管５０ｂを細径化してヒートポンプでの熱交換効率の向上を図ることが容易になるので、エネルギー消費量の削減を図ることも容易になる。

以上、本発明のヒートポンプ式給湯機について実施の形態を挙げて説明したが、前述のように、本発明は上記の形態に限定されるものではない。例えば、貯湯用循環管路の戻り管は、少なくとも貯湯タンクの上部側では貯湯タンク周囲の断熱材に近接して貯湯タンクの側方に配置され、貯湯タンクの頂部よりも下方で該貯湯タンク側に斜め上向きに向きを変えて貯湯タンクの上部に接続されていてもよい。このように構成すれば、気泡は自然と貯湯タンク２０の上方側へ移動（図２中の矢印Ｆ参照）する。なお、本発明でいう「貯湯用循環管路の戻り管を断熱材に近接して貯湯タンクの側方に敷設する」とは、貯湯用循環管路の戻り管を断熱材に隣接させて貯湯タンクの側方に敷設する場合を含むものとする。

バッフル部２３（図２参照）でのスケールの堆積を抑えるか否かは、適宜選定可能であるが、ヒートポンプ式給湯機でのスケールの堆積に起因する不具合の発生を抑えるという観点からは、当該バッフル部２３でのスケールの堆積を抑えた方が好ましい。そのためには、実施の形態で説明したように、当該バッフル部２３として上端側および下端側がそれぞれ開放されているものを用いることが好ましい。また、貯湯タンク内の温度成層が乱れてしまうのを防止するという観点からは、バッフルプレートのバッフル面が上記戻り管との接続箇所近傍での貯湯タンク内周面と略平行に成形されているバッフル部を用いることが好ましい。また、内周面ＩＳとバッフルプレート２３ａの間隔を例えばスケールの流れる矢印Ｇ（図２参照）方向と湯等の流れる矢印Ｆ方向とで異ならせてもよい。例えば矢印Ｇ方向側を狭く構成しスケール以外の湯等の流入を抑えるようにしてもよい。

１０ ヒートポンプユニット
２０ 貯湯タンク
２２，２３，２５ バッフル部
２３ａ バッフルプレート
２３ｂ 側壁
２７ 断熱材
５０ 貯湯用循環管路
５０ａ 往き管
５０ｂ 戻り管
８０ タンク側循環管路
１２０ 給湯機本体
１５０ ヒートポンプ式給湯機

Claims (2)

1. 断熱材が周囲に配置されている貯湯タンクの下部から貯湯用循環管路の往き管に取り出した水をヒートポンプで湯に沸上げ、該湯を前記貯湯用循環管路の戻り管により前記貯湯タンクの上部から該貯湯タンクに戻して貯えるヒートポンプ式給湯機であって、
   前記貯湯用循環管路の戻り管は、少なくとも前記貯湯タンクの上部側では前記断熱材に近接して前記貯湯タンクの側方に配置され、前記貯湯タンクの頂部よりも下方で該貯湯タンク側に水平または斜め上向きに向きを変えて前記貯湯タンクの上部に接続されていることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記貯湯タンクの内部に取り付けられて前記戻り管から前記貯湯タンクに流入した湯の流れ方向を規制するバッフル部を更に具備し、
   該バッフル部は、
   前記貯湯タンクと前記戻り管との接続箇所近傍での貯湯タンク内周面と略平行に成形されたバッフル面を有するバッフルプレートと、
   該バッフルプレートの左右方向両端に連設されて前記貯湯タンクに固定された側壁と、
   を備え、上端側および下端側がそれぞれ開放されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機。

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