JP2014163567A - 給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スケールの析出を抑制しながら高温の湯を生成することが可能な給湯装置を提供すること。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮機１１、冷媒と熱媒体との間で熱交換を行う第１の放熱器１２、冷媒を膨張させる膨張装置１３、冷媒を蒸発させる蒸発器１４が冷媒配管によって環状に接続され、内部を冷媒が循環する冷媒回路３と、水を貯留する貯湯槽２１と、第１の放熱器１２、熱媒体と水との間で熱交換を行う第２の放熱器２２、循環装置２３が熱媒体配管によって環状に接続され、内部を熱媒体が循環する熱媒体回路４と、を備え、冷媒回路３を循環する冷媒を二酸化炭素とし、第２の放熱器２２は、熱媒体配管が前記貯湯槽２１の内部に配設されることにより、前記熱媒体の熱が貯湯槽２１内の水へと放熱される構成としたので、スケールの析出を抑制しながら、効率よく高温の湯を生成することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ熱源によって高温の湯を生成する給湯装置に関するものである。

従来、この種の給湯装置として、二酸化炭素冷媒を使用したヒートポンプ熱源にて水を加熱することで、フロン系冷媒を使用したヒートポンプ熱源と比較して、より高温の湯を生成し、生成された湯を貯湯槽に貯留して、この貯湯槽に溜められた高温水を給湯に用いるものがある（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された給湯装置を示すものである。図７に示すように、この給湯装置は、ガスクーラ（給湯熱交換器）５１を有するヒートポンプユニット５２と、ガスクーラ５１にて沸き上げられた湯水が貯留される貯湯タンク５３を有する貯湯ユニット５４とを備えている。

ヒートポンプユニット５２は、圧縮機５５、ガスクーラ５１、膨張弁（減圧装置）５６、蒸発器５７が冷媒配管によって環状に接続された冷媒回路を備え、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ２）冷媒が循環するものである。また、貯湯ユニット５４は、湯水を循環させる循環ポンプ５８、貯湯槽５３、水道管から貯湯槽５３へと給水を行う給水管６０、貯湯槽５３に貯留された高温水を用いて給湯を行う給湯管５９を備えている。循環ポンプ５８、貯湯槽５３、ガスクーラ５１は水配管によって環状に接続されることにより、水回路を構成している。

高温水の生成時には、循環ポンプ５８により貯湯槽５３の下部に貯留されている水がガスクーラ５１に搬送され、ガスクーラ５１にて、搬送された水と圧縮機５５によって圧縮された高温高圧のガス冷媒とが熱交換して、高温水（例えば、８５℃）が生成される。生成された高温水は、水回路を介して貯湯槽５３に搬送されて貯留され、必要に応じて給湯管５９から流出し給湯に使用される。このように、二酸化炭素を冷媒として使用することで、フロン系冷媒を使用する場合に比べて、より高温の湯を生成することができる。

また、従来の給湯装置として、蒸気圧縮式の冷凍サイクルをヒートポンプ熱源として使用し、圧縮機から吐出された高温高圧の冷媒が流動する冷媒配管を、貯湯槽の内部に配置して、貯湯槽内の水を加熱するものがある（例えば、特許文献２参照）。

図８は、特許文献２に記載された給湯装置を示すものである。図８に示すように、給湯装置１００は、冷媒を循環させる冷媒回路９０、および、温水を貯留する貯湯槽１１０と備えている。

冷媒回路９０は、圧縮機１０１、貯湯側熱交換器１１６ａ、１１６ｂ、膨張装置１０４、空気側熱交換器１０６が冷媒配管により環状に接続されて構成されている。ここで、貯湯側熱交換器１１６ａと１１６ｂとは、高温高圧の冷媒が流動する冷媒配管を貯湯槽１１０の内部に配置することで構成されている。

貯湯槽１１０の内部は、隔壁１１７で上下に仕切られ、隔壁１１７の上方に貯湯側熱交換器１１６ａが配置され、隔壁１１７の下方に貯湯側熱交換器１１６ｂが配置されている。また、貯湯槽１１０への給水は、給水管１１９を介して行われる。

高温水を生成する貯湯運転時には、冷媒は、図８中の実線矢印の方向に向かって冷媒回路９０を流れ、圧縮機１０１から吐出された気相状態の高温高圧の冷媒は、貯湯側熱交換器１１６ａに流入し、続いて貯湯側熱交換器１１６ｂに流入して貯湯槽１１０の内部の水に放熱する。貯湯槽１１０の内部の水に放熱した冷媒は、凝縮して気液二相状態の冷媒さらには過冷却液状態の冷媒へと相変化する。すなわち、貯湯側熱交換器１１６ａ、１１６ｂは冷媒の凝縮器として機能し、貯湯槽１１０の内部に高温水が生成される。

貯湯側熱交換器１１６ａ、１１６ｂで液化凝縮した過冷却液状態の冷媒は、膨張装置１０４で減圧されて低圧の気液二相状態の冷媒となり、空気側熱交換器１０６（蒸発器）へと流入する。冷媒は、空気側熱交換器１０６（蒸発器）において室外ファン１０５によって吸引される外気から吸熱することで蒸発し、気液二相状態の冷媒から過熱ガス状態の冷媒へと相変化して、圧縮機１０１へと流入して再び圧縮され、気相状態の高温高圧の冷媒となる。

このような冷媒循環が行われることで、貯湯槽１１０の内部の湯水を加熱して、高温水を貯留することができる。

特開２０１１−６９５７２号公報 特開昭６０−７８２４３号公報

前記特許文献１の構成は、貯湯槽に給水管を介して給水される水が、ガスクーラにて二酸化炭素冷媒と熱交換して加熱される構成である。したがって、特に、含有する硬度成分が多い水を加熱する場合には、高温水が流れるガスクーラや水配管において硬度成分がスケールとして析出し、このスケール成分が堆積して水配管が閉塞してしまうという課題を有していた。

このようなスケール成分の堆積を抑制するために、前記特許文献２の構成において、二酸化炭素冷媒を使用して高温の湯を生成することも考えられる。しかし、二酸化炭素冷媒を使用する場合には、フロン系冷媒に対して約２〜３倍となる圧力に耐え得るように、配管径を増大させる等の耐圧設計を行う必要がある。よって、冷媒回路の加工工数が増大するという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、スケールの析出を抑制しながら、高温の湯を効率よく生成することが可能な給湯装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の給湯装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と熱媒体との間で熱交換を行う第１の放熱器、冷媒を膨張させる膨張装置、冷媒を蒸発させる蒸発器が冷媒配管によって環状に接続され、内部を冷媒が循環する冷媒回路と、水を貯留する貯湯槽と、前記第１の放熱器、前記熱媒体と前記水との間で熱交換を行う第２の放熱器、循環装置が熱媒体配管によって環状に接続され、内部を前記熱媒体が循環する熱媒体回路と、を備え、前記冷媒回路を循環する冷媒を二酸化炭素とし、前記第２の放熱器は、前記熱媒体配管が前記貯湯槽の内部に配設されることにより、前記熱媒体の熱が前記貯湯槽内の水へと放熱される構成であることを特徴とする。

スケールの析出は、硬度成分の多い水が高温にまで加熱され、この高温水がガスクーラ
の熱媒体出口付近などの管径の小さな配管内を流動することで特に生じやすい。よって、この構成により、熱媒体回路と給湯回路とが分離されるので、スケールの析出を効果的に抑制することができる。

また、二酸化炭素冷媒を使用していることにより、冷媒回路における高圧側圧力が超臨界域となる。よって、貯湯槽内に配設された第２の放熱器の入口側における熱媒体を高温にすることができ、第２の放熱器の熱媒体配管を流動する熱媒体と貯湯槽内の水との温度差が増大するので、貯湯槽内の水を加熱する際の熱媒体の循環量を少なくしながら、加熱量を確保することができる。

本発明によれば、スケールの析出を抑制しながら、高温の湯を効率よく生成することが可能な給湯装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における給湯装置の概略構成図 同給湯装置の貯湯槽の構成図 同給湯装置の冷媒回路の冷凍サイクル変化を説明するモリエル線図 同給湯装置の貯湯槽内の水温変化を示す概念図 同給湯装置の貯湯運転時における運転効率比と管長Ｌ／管内断面積Ｓとの関係図 同給湯装置の貯湯運転における圧力損失ｄＰと管長Ｌ／管内断面積Ｓとの関係図 従来の給湯装置の概略構成図 従来の他の給湯装置の概略構成図

第１の発明は、冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と熱媒体との間で熱交換を行う第１の放熱器、冷媒を膨張させる膨張装置、冷媒を蒸発させる蒸発器が冷媒配管によって環状に接続され、内部を冷媒が循環する冷媒回路と、水を貯留する貯湯槽と、前記第１の放熱器、前記熱媒体と前記水との間で熱交換を行う第２の放熱器、循環装置が熱媒体配管によって環状に接続され、内部を前記熱媒体が循環する熱媒体回路と、を備え、前記冷媒回路を循環する冷媒を二酸化炭素とし、前記第２の放熱器は、前記熱媒体配管が前記貯湯槽の内部に配設されることにより、前記熱媒体の熱が前記貯湯槽内の水へと放熱される構成であることを特徴とする給湯装置である。

スケールの析出は、硬度成分の多い水が高温にまで加熱され、この高温水がガスクーラの熱媒体出口付近などの管径の小さな配管内を流動することで特に生じやすい。よって、この構成により、熱媒体回路と給湯回路とが分離されるので、スケールの析出を効果的に抑制することができる。

また、二酸化炭素冷媒を使用していることにより、冷媒回路における高圧側圧力が超臨界域となる。よって、第１の放熱器において熱媒体を高温まで加熱して、貯湯槽内に配設された第２の放熱器の入口側における熱媒体を高温にすることができ、第２の放熱器の熱媒体配管を流動する熱媒体と貯湯槽内の水との温度差が増大するので、貯湯槽内の水を加熱する際の熱媒体の循環量を少なくしながら、加熱量を確保することができる。

また、熱媒体の循環量を少なくすることで、熱媒体は、第２の放熱器にて貯湯槽内の水に放熱し、十分に温度が低下した後に第２の放熱器から流出して、その後、第１の放熱器へと流入することとなるので、冷媒回路における高圧側の過度な圧力上昇が抑制される。

また、熱媒体配管を流動する熱媒体の循環水量が少なくなるため、熱媒体配管内の圧力損失の増大を抑制しながら第２の放熱器の熱媒体配管を長くして、また、熱媒体配管を細径化することができる。

したがって、圧縮機の運転効率の低下抑制、熱媒体配管の管長増大による伝熱面積の増大、熱媒体配管の細径化によって生じる乱流促進による熱通過率の増大、の相乗効果により、給湯装置の貯湯運転時の高効率化を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記第２の放熱器を構成する熱媒体配管の全長をＬ（ｍ）、前記熱媒体配管の管内断面積をＳ（ｍｍ＾２）としたとき、Ｌ／Ｓ（ｍ／ｍｍ＾２）が２．０以上、４．５以下であることを特徴とするものである。

これにより、二酸化炭素冷媒を使用し、熱媒体を介して貯湯槽内の水を加熱して高温の湯を生成する構成の給湯装置において、運転効率の最大化を図りながら、湯を生成することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記熱媒体が前記第２の放熱器の上方から下方へと流動する構成であることを特徴とするものである。

これにより、貯湯運転時において、貯湯槽内の水は上方から順に加熱され、貯湯槽内の上部側の水温が高く、下部側の水温が低く維持される、すなわち、貯湯槽内の湯水の自然対流を抑制しながら、貯湯槽の内部に温度成層が形成されることとなる。

よって、熱媒体の温度と、貯湯槽内部の水との温度差を適切に維持し、また、第１の放熱器へと流入する熱媒体の温度の上昇を抑制しながら効率よく水を加熱することができるので、給湯装置としての省エネ性を向上させることができる。

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）
図１は、本発明の実施の形態１における給湯装置の概略図である。本実施の形態における給湯装置は、熱媒体を加熱するための熱源ユニット１、加熱された熱媒体によって生成される湯を貯留するための貯湯槽２１を有するタンクユニット２を備える。

本実施の形態の給湯装置は、熱源にはヒートポンプユニットとして冷媒が循環する冷媒回路３を備え、また、熱媒体が循環する熱媒体回路４、貯湯槽内に水を給水して加熱された温水を給湯する給湯回路５を備えている。ここで、本実施の形態では、冷媒回路３の内部を循環する冷媒として、二酸化炭素（ＣＯ２）を使用し、熱媒体回路４を循環する熱媒体として、水を使用している。

冷媒回路３は、圧縮機１１、第１の放熱器として機能し、冷媒と熱媒体との間で熱交換を行う冷媒対熱媒体熱交換器１２、冷媒を膨張させる膨張弁（膨張装置）１３、蒸発器として機能し、冷媒と空気との間で熱交換を行う冷媒対空気熱交換器１４が冷媒配管により環状に接続されて構成されている。冷媒対熱媒体熱交換器１２は、冷媒が流動する冷媒流路と熱媒体が流動する熱媒体流路とを備え、冷媒と熱媒体とが、それぞれの流路を形成する隔壁を介して熱交換することにより、高温の熱媒体が生成される。冷媒対空気熱交換器１４は、フィンチューブ熱交換器である。冷媒対空気熱交換器１４には、隣接して配設された送風機１６によって空気が吸引され、吸引された空気と冷媒とが熱交換を行う。

熱媒体回路４は、冷媒対熱媒体熱交換器１２、高温の水の膨張に対応する膨張タンク２４、第２の放熱器として機能する貯湯用熱交換器２２、循環ポンプ（循環装置）２３が熱媒体配管により環状に接続されて構成されている。

貯湯用熱交換器２２は、貯湯槽２１内に配置された熱媒体配管によって構成されている。すなわち、冷媒対熱媒体熱交換器１２において生成された高温の熱媒体は、貯湯槽２１内に配置された熱媒体配管に流入し、貯湯槽２１内の水と熱交換して貯湯槽２１内の水を加熱する。熱媒体は、貯湯槽２１内の水と熱交換を行った後、貯湯用熱交換器２２から流出する。本実施の形態において、貯湯用熱交換器２２を構成する熱媒体配管は、熱媒体配管の長さをＬ（ｍ）、熱媒体配管の管内断面積をＳ（ｍｍ＾２）とするとき、Ｌ／Ｓ（ｍ／ｍｍ＾２）が２．０以上かつ４．５以下となるように構成されている。

給湯回路５は、貯湯槽２１、貯湯槽２１の下部に接続されて貯湯槽２１へと水を供給する給水管５ｂ、貯湯槽２１の上部に接続されて湯を使用者へと供給する給湯管５ａを備えている。貯湯槽２１内の水を加熱する貯湯運転時には、冷媒対熱媒体熱交換器１２にて加熱された高温の熱媒体が、貯湯用熱交換器２２に流入し、この高温の熱媒体と、貯湯槽２１内部に貯留された水とが、貯湯用熱交換器２２の熱媒体配管を介して熱交換することにより、貯湯槽２１内に高温の湯が生成される。貯湯槽２１内に貯留された高温の湯は、給湯管５ａを介して使用者へと供給され、これによって、貯湯槽２１内の湯水の量が減少すると、給水管５ｂから貯湯槽２１へと水が供給される。

貯湯槽２１は、図２に示すように、円筒状に形成された中央部２１ａと、一端が開口し、他端が半球のドーム状に形成された上部部材２１ｂおよび下部部材２１ｃとを、接合部２１ｄでそれぞれ溶接接合することで構成されている。

貯湯槽２１の内部には貯湯用熱交換器２２を形成する熱媒体配管が配設され、この熱媒体配管は、上部部材２１ｂから貯湯槽２１内へと挿入され、貯湯槽２１の下方まで螺旋状に巻き回されて、下部部材２１ｃから貯湯槽２１の外部へと突出する。すなわち、図２に示すように、熱媒体が貯湯槽２１の内部へと流入する入口部４ａから、熱媒体が貯湯槽２１の外部へと流出する出口部４ｂまでの間の熱媒体配管によって、貯湯用熱交換器２２が形成される。このように、上部部材２１ｂから貯湯槽２１の内部に熱媒体配管を挿入し、下部部材２１ｃから熱媒体配管を突出させることで、貯湯槽２１の全体にわたって貯湯用熱交換器２２を配置することができるので、貯湯槽２１の内部の水全体を高温まで加熱することができる。

また、貯湯槽２１には、下部部材２１ｃの下方接続部５ｄに接続された給水管５ｂから水が供給され、貯湯用熱交換器２２にて加熱された高温の湯は、上部部材２１ｂの上方接続部５ｃに接続された給湯管５ａから流出して使用者へと供給される。

このように、上部部材２１ｂおよび下部部材２１ｃに熱媒体配管および給湯回路を形成する配管を接続することで、配管の取り付けを集約させて貯湯槽２１の加工性および耐圧性能を向上させることができる。

ここで、図２に示すように、給水管５ｂから貯湯槽２１への給水は、出口部４ｂよりも上方から行われる。すなわち、下方接続部５ｄは、出口部４ｂよりも貯湯槽２１の鉛直方向において上方に配設される。これにより、貯湯用熱交換器２２を形成する熱媒体配管の少なくとも一部が、下方接続部５ｄよりも下方に配置されることになるので、自然対流によって貯湯槽２１の下部へと留まりやすい低温の水を効率よく加熱して、貯湯槽２１内部の全体にわたって高温の湯を生成することができる。

また、図２に示すように給湯管５ａから使用者への給湯は、入口部４ａよりも上方から行われる。すなわち、上方接続部５ｃは、入口部４ａよりも貯湯槽２１の鉛直方向において上方に配設される。これにより、貯湯用熱交換器２２によって加熱され、自然対流によって貯湯槽２１の上方へと貯留される高温の湯を、効率的に給湯に使用することができる。

以上のように構成された給湯装置の動作について、図１に示す給湯装置の概略構成図、図３の冷媒回路の冷媒圧力Ｐと冷媒エンタルピーｈの関係を示すＰ−ｈ線図（モリエル線図）、および、図４の貯湯槽２１内の水温変化を示す概略図を用いて説明する。

貯湯槽２１内の水を加熱して温水を貯湯する貯湯運転が開始されると、冷媒回路３では図１の実線矢印で示す方向にＣＯ２冷媒が循環し、飽和または過熱状態のＣＯ２冷媒が圧縮機１１に吸入され（図３ａ点）、圧縮機１１により超臨界圧力まで圧縮されて高温高圧のガス状態になる（図３ｂ点）。高温高圧のガス状態となったＣＯ２冷媒が冷媒対熱媒体熱交換器１２に送られて、熱媒体と熱交換することにより高温の熱媒体が生成される。

冷媒対熱媒体熱交換器１２にてＣＯ２冷媒は冷却され、冷媒対熱媒体熱交換器１２から流出した後に膨張弁１３に流入する（図３ｃ点）。その後、ＣＯ２冷媒は、膨張弁１３によって減圧されて膨張して（図３ｃ−ｄ点）液状態となり、冷媒対空気熱交換器１４に流入する。その後、ＣＯ２冷媒は、冷媒対空気熱交換器１４にて、送風機１６によって送風された空気から吸熱して蒸発し、飽和ガスまたは過熱ガス状態となって再び圧縮機１１へと流入する（図３ａ点）。

一方、熱媒体回路４においては、冷媒対熱媒体熱交換器１２にて生成された高温の熱媒体は、図１中の点線矢印で示す方向に流れ、貯湯槽２１の入口側にある膨張タンク２４を介して、貯湯槽２１の上方から貯湯用熱交換器２２へと流入する。高温の熱媒体が有する熱エネルギーは、貯湯用熱交換器２２の熱媒体配管の管壁を介して、貯湯槽２１内の水へと伝達され、高温の湯が生成される。

このような構成によれば、熱媒体回路４と給湯回路５とは、内部を流れる流体が完全に分離されていることとなる。スケールの析出は、硬度成分の多い水が高温にまで加熱され、この高温水が管径の小さな配管内を流動することで特に生じやすい。よってこの構成により、スケールの析出を効果的に抑制することができる。

また、ＣＯ２冷媒を使用していることで、冷媒回路３における高圧側の圧力を超臨界域にまで上昇させることができるため、冷媒対熱媒体熱交換器１２にて高温の熱媒体を生成して、貯湯用熱交換器２２には高温の熱媒体を流入させることができるので、貯湯用熱交換器２２における熱媒体と水との温度差を増大させることができる。

これにより、熱媒体の循環量が少ない場合でも、所定の加熱量を確保することができる。さらに、熱媒体が貯湯槽２１内の水に放熱して温度が十分に低下した後に、貯湯用熱交換器２２から流出することになり、冷媒対熱媒体熱交換器１２へと流入する熱媒体の温度を低く維持することができるので、冷媒回路３における高圧側圧力の過度な上昇が抑制される。

特に、高温の熱媒体を貯湯用熱交換器２２の上方から流入させ、下方から流出するように構成すると、貯湯槽２１内の水は、上方から順に加熱され、図４に示すように、貯湯槽２１内の高温の水の分布は、貯湯運転の進行とともに上方から下方へと移動していく。従って、貯湯槽２１の底部に貯留された水の温度が上昇するまでは、貯湯用熱交換器２２か
ら流出する熱媒体の温度は上昇しない。よって、冷媒対熱媒体熱交換器１２へと流入する熱媒体の温度をより低く維持しながら、冷媒対熱媒体熱交換器１２において熱媒体を高温まで加熱することができるので、冷媒回路３の高圧側圧力の上昇を抑制しながら、ヒートポンプを効率よく運転させることができる。

また、貯湯用熱交換器２２を流動する熱媒体の循環量が少なくなるため、圧力損失の増大を抑制しながら、熱媒体配管の管長を長くして、また、熱媒体配管を細径化することができる。

以上のように、ヒートポンプの運転効率の向上、熱媒体配管の管長増大による接触面積の増大、熱媒体配管の細径化によって生じる乱流促進による熱通過率の増大の相乗効果により、給湯装置の貯湯運転時の高効率化を実現することができる。

次に、貯湯用熱交換器２２の構成について図５および図６を用いて説明する。

ここで、図５は、貯湯用熱交換器２２に対して熱媒体を上方から流入させるとともに下方から流出させ、貯湯用熱交換器２２の熱媒体配管の長さＬ＝２５〜４５（ｍ）、伝熱管内径ｄｉ＝３〜２８（ｍｍ）、貯湯槽の内容積Ｖｔ＝１５０〜３００（リットル）の条件で、平均加熱能力Ｑ＝２．０〜２．５ｋＷを確保して運転した場合において、平均運転効率の比率（以下、「運転効率比」と称する）とＬ／Ｓとの関係を示したもので、貯湯槽２１の水の加熱温度が従来のフロン系冷媒を用いた５５℃の場合と、二酸化炭素冷媒を用いた８５℃の場合について示している。

また、図６は、図５と同一の条件において、貯湯用熱交換器２２の熱媒体配管内の圧力損失ｄＰとＬ／Ｓの関係を示したものである。

なお、図５中の縦軸である運転効率比は、貯湯槽２１の水の加熱温度を５５℃に設定した場合の運転効率のピーク値ηｏを１００％とした相対比率を示し、横軸であるＬ／Ｓは、貯湯用熱交換器２２を構成する１本の熱媒体配管の長さＬが長くなるか、もしくは熱媒体配管の管内径ｄｉが小さくなることで値が増大し、長さＬが短くなるか、もしくは管内径ｄｉが大きくなることで値が減少する。

本実施の形態においては、貯湯用熱交換器２２を構成する１本の熱媒体配管の長さをＬ（ｍ）、熱媒体配管の管内断面積をＳ（ｍｍ＾２）とするとき、Ｌ／Ｓ（ｍ／ｍｍ＾２）が２．０以上、４．５以下となるように貯湯用熱交換器２２を構成している。この構成により、圧縮機その他冷媒回路の構成部品の性能誤差を考慮しながら、運転効率を最大にすることができる。

これは、貯湯槽２１内に熱媒体配管を配設して貯湯槽２１内部の水を加熱する場合、同一の加熱能力の条件においては、運転効率（ＣＯＰ）が、熱媒体配管の長さＬと熱媒体配管の管内断面積Ｓとの比によってピーク値をもって変化し、また、そのピーク値は、生成する湯の温度によって大きく相違するという傾向に基づくものである。

このように、運転効率がＬ／Ｓの増大とともにピーク値をもって変化するのは、以下の現象による。

Ｌ／Ｓがゼロから次第に増大していく、すなわち貯湯用熱交換器２２の熱媒体配管の長さＬが長くなるにしたがって、貯湯用熱交換器２２の表面積が増大するため、運転効率ηは次第に増大していく傾向にある。一方、Ｌ／Ｓが増大することは、熱媒体配管の長さＬが長くなること、または、熱媒体配管の管内径ｄｉが小さくなることを示すものである。

よって、図６に示すように、Ｌ／Ｓが増大すると、熱媒体配管内部の圧力損失ｄＰはＬ／Ｓの２乗以上で増大し、この圧力損失ｄＰの増大によって循環ポンプ２３の消費電力も増大して、運転効率ηは次第に低下する。なお、熱媒体配管の管内径ｄｉを小さくすると、熱媒体配管の内表面における熱伝達率は大きくなるが、これに反して熱媒体配管の伝熱面積が減少する。

したがって、図５に示すように、運転効率はＬ／Ｓの増大とともに次第に増大し、運転効率がピーク値をとった後、次第に減少する特性を有する。なお、貯湯槽２１の水の加熱温度を８５℃とすると、加熱温度が５５℃の場合に対して、圧縮機１１における圧縮比をより高くする必要があるため、圧縮機動力が増大する。よって、加熱温度を８５℃の場合は、加熱温度５５℃の場合よりも運転効率は低くなる。

ここで、ＣＯ２冷媒を使用して熱媒体を生成し、貯湯槽２１の内部の水を８５℃の高温まで加熱する場合には、加熱温度が５５℃の場合と比較して、貯湯槽２１内の水と熱媒体との温度差を大きくすることができる。これにより、平均加熱能力が同等の条件においては、循環する熱媒体の流量を少なくすることができるため、貯湯用熱交換器２２を構成する熱媒体配管における圧力損失は、図６に示すように、加熱温度が５５℃の場合と比較して低くなる特性を有する。

したがって、熱媒体配管の長さＬを長くして伝熱面積を増大させ、あるいは、熱媒体配管の管内断面積Ｓを小さくして熱媒体の流速を上昇させることにより、熱伝達率が上昇する。そのため、貯湯用熱交換器２２に流入する熱媒体を８５℃の高温まで加熱して貯湯槽２１内に湯を生成する場合には、図５に示すように、加熱温度が５５℃の場合と比較して、Ｌ／Ｓを大きくすることで運転効率を最大にすることができる。

すなわち、図５に示すように、フロン系冷媒を用いて熱媒体を加熱し、加熱された熱媒体によって水を加熱して５５℃の温水を生成する場合には、Ｌ／Ｓ（ｍ／ｍｍ＾２）が１．０以上かつ１．８以下の間で運転効率のピーク値をとる。

一方、ＣＯ２冷媒を使用して熱媒体を加熱し、加熱した熱媒体によって水を加熱して８５℃の高温の湯を生成する場合には、Ｌ／Ｓ（ｍ／ｍｍ＾２）を２．０以上かつ４．５以下の範囲となるように熱媒体配管を構成することで、圧縮機その他冷媒回路の構成部品の性能誤差（２％）を考慮しながら、平均運転効率を最大にすることができる。

なお、本実施の形態においては、熱媒体回路４を循環する熱媒体として水を利用したが、これに限らず、例えば不凍液を使用しても良い。

また、本実施の形態においては、熱媒体回路４に膨張タンクを備えるが、熱媒体の循環量が少なく、熱媒体の膨張量が少ない場合には、搭載されなくてもよい。

以上のように本発明にかかる給湯装置は、スケールの析出を抑制しながら高温の湯を効率よく生成することができるので、家庭用や業務用などの給湯装置に適用することができる。

１ 熱源ユニット
２ タンクユニット
３ 冷媒回路
４ 熱媒体回路
５ 給湯回路
１１ 圧縮機
１２ 冷媒対熱媒体熱交換器（第１の放熱器）
１３ 膨張弁（膨張装置）
１４ 冷媒対空気熱交換器（蒸発器）
２１ 貯湯槽
２２ 貯湯用熱交換器（第２の放熱器）
２３ 循環ポンプ（循環装置）

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機、冷媒と熱媒体との間で熱交換を行う第１の放熱器、冷媒を膨張させる膨張装置、冷媒を蒸発させる蒸発器が冷媒配管によって環状に接続され、内部を冷媒が循環する冷媒回路と、
   水を貯留する貯湯槽と、
   前記第１の放熱器、前記熱媒体と前記水との間で熱交換を行う第２の放熱器、循環装置が熱媒体配管によって環状に接続され、内部を前記熱媒体が循環する熱媒体回路と、を備え、
   前記冷媒回路を循環する冷媒を二酸化炭素とし、
   前記第２の放熱器は、前記熱媒体配管が前記貯湯槽の内部に配設されることにより、前記熱媒体の熱が前記貯湯槽内の水へと放熱される構成である、
   給湯装置。
2. 前記第２の放熱器を構成する熱媒体配管の全長をＬ（ｍ）、前記熱媒体配管の管内断面積をＳ（ｍｍ＾２）としたとき、Ｌ／Ｓ（ｍ／ｍｍ＾２）が２．０以上、４．５以下である請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記熱媒体が前記第２の放熱器の上方から下方へと流動する構成である、請求項１または２に記載の給湯装置。