JP4115079B2 - 給湯器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄熱用液体との間接熱交換方式により給湯する給湯器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、蓄熱用液体との間接熱交換方式により給湯を行う貯湯式給湯器がある。この給湯器は、例えば図９に示す様に、蓄熱用の液体を貯留するタンク１００を備え、蓄熱時にタンク１００内の下部から取り出された低温の液体が加熱装置１１０で加熱され、高温の液体として再びタンク１００内の上部へ流入して蓄熱される。
蓄熱された高温の液体は、給湯時にタンク１００内の上部から取り出され、熱交換器１２０で冷水（水道水）を加熱する熱源として使用された後、再びタンク１００内の下部へ流入する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の給湯器では、蓄熱時において、タンク１００内へ蓄熱用液体が流入する際に、その流入速度に応じてタンク１００内に対流が生じる。この対流が激しい程、高温の液体と低温の液体との間に存在する温度境界層が大きくなるため、蓄熱効率が低下するという問題があった。なお、タンク１００内へ流入する蓄熱用液体の流入速度を小さくすることで、タンク１００内に生じる対流が抑制され、その対流が温度境界層に与える影響を小さくできるが、そのために流量を低減すると、蓄熱に時間を要してしまうという問題が生じる。
また、給湯時においても、蓄熱時と同様に、タンク１００内へ蓄熱用液体が流入する際に対流が生じ、その対流の影響で温度境界層が大きくなると、給湯能力が低下するという問題が生じる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、効率的な蓄熱が可能で蓄熱時間を短縮できる給湯器を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
蓄熱用液体を貯留するタンクは、蓄熱用液体が流入する流入口を有するとともに、この流入口からタンク内に流入した蓄熱用液体の流速を低減させる流速抑制手段を具備している。
この発明では、タンク内に流入した蓄熱用液体の流速が低減されることにより、タンク内に生じる対流が抑制され、対流による温度境界層への影響を小さくできる。
また、蓄熱時に蓄熱用液体を加熱するための加熱装置がヒートポンプである。
そして、流入口は、蓄熱時に加熱された高温の蓄熱用液体がタンク内に流入する第１の流入口と、給湯時に熱源として使用された低温の蓄熱用液体がタンク内に流入する第２の流入口とを有し、第１の流入口はタンクの側面上部に設けられ、第２の流入口はタンクの側面下部に設けられ、且つ第１の流入口側と第２の流入口側とにそれぞれ流速抑制手段が設けられている。
この構成によれば、蓄熱時に第１の流入口からタンク内へ流入する蓄熱用液体の流入速度、及び給湯時に第２の流入口からタンク内へ流入する蓄熱用液体の流入速度をそれぞれ低下させることができる。
【０００５】
（請求項２の手段）
請求項１に記載した給湯器において、
流速抑制手段は、流入口に連通してタンク内に挿入され、自身の管壁に複数の開口部が開設された多穴パイプによって構成され、この多穴パイプは、複数の開口部の総開口面積が流入口の開口面積より大きく設けられ、流入口を通って多穴パイプ内に送り込まれた蓄熱用液体を複数の開口部からタンク内に流入させる。
この構成によれば、蓄熱時または給湯時において、ある程度大きな流量を保ったまま、蓄熱用液体のタンク内への流入速度のみ低下させることができるので、効率的な蓄熱が可能である。
【０００６】
（請求項３の手段）
請求項２に記載した給湯器において、
多穴パイプは、タンク内に略水平方向に挿入され、且つ複数の開口部が略水平方向に開設されている。
この構成によれば、多穴パイプ内に送り込まれた蓄熱用液体を複数の開口部から略水平方向にタンク内へ流入させることができるので、対流による温度境界層への影響をより小さくできる。
【０００７】
（請求項４の手段）
請求項１に記載した給湯器において、
流速抑制手段は、多数の小穴が開設された板状部材またはメッシュ状部材から成り、タンク内で高温の蓄熱用液体と低温の蓄熱用液体との間に存在する温度境界層と流入口との間に配設されている。
この構成によれば、流入口からタンク内に流入した蓄熱用液体が板状部材（またはメッシュ状部材）の多数の小穴を通ることで蓄熱用液体の流れが整流されて流速が低下する。この結果、タンク内に生じる対流が抑制され、対流による温度境界層への影響を小さくできる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は給湯システムを示す模式図である。
本実施例の給湯器１は、図１に示す様に、蓄熱用液体（以下、蓄熱液と呼ぶ）を貯留するタンク２、蓄熱時に低温の蓄熱液を加熱するための加熱装置３、給湯時に高温の蓄熱液を熱源として冷水（例えば水道水）を加熱させる熱交換器４等より構成される。
【００１０】
タンク２は、耐蝕性に優れた金属製（例えばステンレス製）で、内部に貯留する蓄熱液を長時間に渡って保温することができる。このタンク２は、上部に大気開放口２ａを有し、この大気開放口２ａを通じてタンク２の内部圧力が大気に開放されている。
このタンク２には、蓄熱液を出し入れするための第１の流出口２ｂと第１の流入口２ｃ、及び第２の流出口２ｄと第２の流入口２ｅとが設けられている。
第１の流出口２ｂと第１の流入口２ｃは、タンク２の一方の側面において、第１の流出口２ｂがタンク２の下部に設けられ、第１の流入口２ｃがタンク２の上部に設けられている。第２の流出口２ｄと第２の流入口２ｅは、タンク２の他方の側面において、第２の流出口２ｄがタンク２の上部に設けられ、第２の流入口２ｅがタンク２の下部に設けられている。
【００１１】
タンク２の内部には、第１の流入口２ｃに連通してタンク２内へ略水平方向に挿入された上部多穴パイプ５と、第２の流入口２ｅに連通してタンク２内へ略水平方向に挿入された下部多穴パイプ６とが配設されている。
上部多穴パイプ５は、管壁に複数の開口部５ａが開設され、第１の流入口２ｃを通って上部多穴パイプ５内に送り込まれた蓄熱液を複数の開口部５ａからタンク２内に流入させるものである。但し、複数の開口部５ａは、図２に示す様に、上部多穴パイプ５に対し略水平方向に開設され、且つ複数の開口部５ａの総開口面積が第１の流入口２ｃの開口面積（上部多穴パイプ５の内側断面積）より大きく設けられている。
下部多穴パイプ６は、管壁に複数の開口部６ａが開設され、第２の流入口２ｅを通って下部多穴パイプ６内に送り込まれた蓄熱液を複数の開口部６ａからタンク２内に流入させるものである。但し、複数の開口部６ａは、下部多穴パイプ６に対し略水平方向に開設され、且つ複数の開口部６ａの総開口面積が第２の流入口２ｅの開口面積（下部多穴パイプ６の内側断面積）より大きく設けられている。
【００１２】
更に、タンク２の内部には、蓄熱液に浮かぶ浮き蓋７が配されている。
浮き蓋７に使用される材質は、蓄熱液より比重の小さいものであれば良いが、例えばウレタンを用いることで断熱効果を得ることもできる。また、この浮き蓋７は、タンク２内の液面変動に応じてタンク２内を容易に上下移動できる様に、浮き蓋７の大きさがタンク２の内側寸法より若干小さく設けられ、浮き蓋７の外周とタンク２の内周との間に隙間が確保されている（図３参照）。
【００１３】
加熱装置３は、例えば周知のヒートポンプサイクルによって構成され、図示しない圧縮機で加圧された高温冷媒を熱源として蓄熱液を加熱する。
この加熱装置３は、蓄熱液の循環通路を形成する配管８によってタンク２と接続されている。
配管８は、第１の流出口２ｂからタンク２内の蓄熱液（低温）を取り出して加熱装置３へ送る低温配管８Ａと、加熱装置３で加熱された蓄熱液（高温）を第１の流入口２ｃを介してタンク２内へ送る高温配管８Ｂとで構成される。また、低温配管８Ａ（または高温配管８Ｂ）には、蓄熱液を循環させる電動ポンプ９が設けられている。
【００１４】
熱交換器４は、タンク２から取り出された高温の蓄熱液と冷水とを熱交換させるもので、図１に矢印で示す様に、蓄熱液の流れ方向と冷水の流れ方向とが対向するように構成されている。
この熱交換器４は、蓄熱液の循環通路を形成する配管１０によってタンク２と接続されている。
配管１０は、第２の流出口２ｄからタンク２内の蓄熱液（高温）を取り出して熱交換器４へ送る高温配管１０Ａと、熱交換器４で温度低下した蓄熱液（低温）を第２の流入口２ｅを介してタンク２内へ送る低温配管１０Ｂとで構成される。また、高温配管１０Ａ（または低温配管１０Ｂ）には、蓄熱液を循環させる電動ポンプ１１が設けられている。
【００１５】
次に、給湯器１の作動を説明する。
ａ）蓄熱モード
電動ポンプ９の作動により、配管８に蓄熱液の流れが生じる。即ち、タンク２内に貯留されている低温の蓄熱液が第１の流出口２ｂから流出し、低温配管８Ａを通って加熱装置３へ圧送され、加熱装置３で高温冷媒との熱交換により加熱されて高温の蓄熱液となり、加熱装置３から高温配管８Ｂを通って第１の流入口２ｃからタンク２内へ送り込まれる。更に、タンク２内では、第１の流入口２ｃから上部多穴パイプ５内へ流れ込んだ蓄熱液が、複数の開口部５ａからタンク２内へ略水平方向に流入する（図２参照）。
【００１６】
ｂ）給湯モード
電動ポンプ１１の作動により、配管１０に蓄熱液の流れが生じる。即ち、タンク２内に貯留されている高温の蓄熱液が第２の流出口２ｄから流出し、高温配管１０Ａを通って熱交換器４へ圧送され、熱交換器４で冷水に放熱して温度低下し、熱交換器４から低温配管１０Ｂを通って第２の流入口２ｅからタンク２内へ送り込まれる。更に、タンク２内では、第２の流入口２ｅから下部多穴パイプ６内へ流れ込んだ蓄熱液が、複数の開口部６ａからタンク２内へ略水平方向に流入する。
一方、給水配管１２を通って熱交換器４に流入した冷水は、蓄熱液との熱交換によって加熱され、熱交換器４から給湯配管１３を通って使用者に供給される。
【００１７】
（第１実施例の効果）
本実施例の給湯器１は、第１の流入口２ｃに連通してタンク２内に挿入された上部多穴パイプ５を具備し、この上部多穴パイプ５に開設された複数の開口部５ａからタンク２内へ蓄熱液が流入する。ここで、上部多穴パイプ５は、複数の開口部５ａの総開口面積が第１の流入口２ｃの開口面積（上部多穴パイプ５の内側断面積）より大きく設けられているので、多穴パイプを使用しない場合（第１の流入口２ｃから直接タンク２内へ蓄熱液が流入する場合）と比較して、タンク２内へ流入する蓄熱液の流入速度が小さくなる。これにより、蓄熱液の流入に伴ってタンク２内に生じる対流が抑制されるため、タンク２内で高温の蓄熱液と低温の蓄熱液との間に存在する温度境界層（図１参照）への影響を小さくできる。即ち、高温の蓄熱液と低温の蓄熱液とが大きく混ざり合うことを防止でき、温度境界層の上下幅を小さく保つことができる。上記の結果、配管８を流れる蓄熱液の流量を低減することなく、効率的に蓄熱することができ、蓄熱時間の短縮を図ることが可能である。
【００１８】
また、給湯時においても、下部多穴パイプ６に開設された複数の開口部６ａからタンク２内へ蓄熱液が流入するので、蓄熱時と同様に、蓄熱液の流入に伴って生じる対流が抑制され、その対流の影響によって高温の蓄熱液と低温の蓄熱液とが大きく混ざり合うことを防止できる。この結果、高温の蓄熱液を有効に使用することができ、給湯能力の低下を防止できる。
【００１９】
更に、本実施例の給湯器１は、タンク２内の蓄熱液に浮き蓋７を浮かせることにより、蓄熱液の液面の略全体を浮き蓋７で覆うことができる。これにより、大気開放口２ａから蓄熱液が蒸発することを抑制できるので、蒸発に伴う蓄熱液の減少を低減でき、蓄熱性能の低下を抑えることができる。
なお、タンク２内の液面変動に応じて浮き蓋７の上下移動を許容するために、浮き蓋７の大きさをタンク２の内側寸法より若干小さく設けると、浮き蓋７の外周とタンク２の内周との間に隙間（図３参照）が生じるため、この隙間から蓄熱液が蒸発する。そこで、図１に示す様に、浮き蓋７の周囲にオイル１４を流し込んで、隙間に表れる液面上をオイル１４で覆っても良い。あるいは、図４に示す様に、浮き蓋７の周囲にゴム片１５（または薄い膜状部材等）を取り付けて隙間を塞いでも良い。これにより、隙間から蓄熱液が蒸発することも防止できる。
更には、浮き蓋７を使用する代わりに、液面上を全てオイルで覆っても良い。
【００２０】
（第２実施例）
図５は給湯システムを示す模式図である。
本実施例の給湯器１は、第１の流入口２ｃと温度境界層との間、及び第２の流入口２ｅと温度境界層との間にそれぞれパンチングメタル１６が配設されている。このパンチングメタル１６は、薄い金属板に多数の小穴１６ａ（図６参照）を設けたもので、タンク２内の全面に渡って略水平方向に配設されている。
この構成によれば、蓄熱時に第１の流入口２ｃからタンク２内へ流入した蓄熱液は、パンチングメタル１６の小穴１６ａを通過する際に整流されて速度が低下する。同様に、給湯時に第２の流入口２ｅからタンク２内へ流入した蓄熱液は、パンチングメタル１６の小穴１６ａを通過する際に整流されて速度が低下する。
【００２１】
これにより、蓄熱液の流入に伴ってタンク２内に生じる対流が抑制されるため、高温の蓄熱液と低温の蓄熱液とが大きく混ざり合うことを防止でき、温度境界層の上下幅を小さく保つことができる。その結果、蓄熱時においては、配管８を流れる蓄熱液の流量を低減することなく、効率的に蓄熱することができ、蓄熱時間の短縮を図ることが可能である。また、給湯時においては、高温の蓄熱液を有効に使用することができ、給湯能力の低下を防止できる。
なお、パンチングメタル１６は、対流による温度境界層への影響を小さくする上で、なるべく温度境界層から離れて第１の流入口２ｃまたは第２の流入口２ｅの近くに配置した方が良い（図５参照）。
【００２２】
（第３実施例）
本実施例の給湯器は、密閉構造のタンク２を使用した一例である。
上記の実施例では、タンク２に大気開放口２ａを設けているが、タンク２内に貯留されている蓄熱液の蒸発による減少を抑えるという点では、タンク２を密閉構造にすることが望ましい。しかし、タンク２を密閉構造にすると、タンク２内の蓄熱液が温度上昇に伴って体積膨張した時に、タンク２の内部圧力が上昇して、タンク２の異常変形を招く、あるいは破損する可能性もある。
【００２３】
そこで、本実施例では、図７に示す様に、タンク２内の圧力上昇を吸収できる圧力吸収部１７をタンク２に接続して設けている。この圧力吸収部１７は、例えば蛇腹状に設けられて、連結パイプ１８を通じてタンク２内と連通し、タンク２の内部圧力が大気圧になるように可動する。これにより、温度上昇による蓄熱液の体積膨張を吸収でき、タンク２内の過大な圧力上昇を防止できる。
この方法によれば、第１実施例で説明した浮き蓋７、オイル１４、ゴム片１５等を使用する必要がなく、コスト及びメンテナンス性が有利である。
【００２４】
（第４実施例）
本実施例の給湯器は、密閉構造のタンク２を使用した他の例である。
タンク２を密閉構造とした場合でも、例えば図８に示す様に、タンク２自体を内部圧力の変動に応じて弾性変形できる様に構成すれば、温度上昇による蓄熱液の体積膨張を吸収できる。その結果、タンク２内を略大気圧に維持でき、タンク２の異常変形や破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】給湯システムを示す模式図である（第１実施例）。
【図２】蓄熱液が多穴パイプを通ってタンク内へ流入する様子を示す模式図である。
【図３】浮き蓋の上方から見たタンク内の平面図である。
【図４】浮き蓋の周囲にゴム片を取り付けた例を示す断面図である。
【図５】給湯システムを示す模式図である（第２実施例）。
【図６】パンチングメタルの平面図である（第２実施例）。
【図７】密閉構造を有するタンクの図面である（第３実施例）。
【図８】密閉構造を有するタンクの図面である（第４実施例）。
【図９】給湯システムを示す模式図である（従来技術）。
【符号の説明】
１ 給湯器
２ タンク
２ｃ 第１の流入口
２ｅ 第２の流入口
５ 上部多穴パイプ（流速抑制手段）
５ａ 上部多穴パイプの開口部
６ 下部多穴パイプ（流速抑制手段）
６ａ 下部多穴パイプの開口部
１６ パンチングメタル（板状部材）
１６ａ 小穴

Claims (4)

1. 蓄熱用液体を貯留するタンクを備え、このタンクから取り出した蓄熱用液体を給湯用の熱源として使用し、
   前記タンクは、蓄熱用液体が流入する流入口を有するとともに、この流入口から前記タンク内に流入した蓄熱用液体の流速を低減させる流速抑制手段を具備する給湯器であって、
   蓄熱時に蓄熱用液体を加熱するための加熱装置がヒートポンプであり、
   前記流入口は、蓄熱時に加熱された高温の蓄熱用液体が前記タンク内に流入する第１の流入口と、給湯時に熱源として使用された低温の蓄熱用液体が前記タンク内に流入する第２の流入口とを有し、前記第１の流入口は前記タンクの側面上部に設けられ、前記第２の流入口は前記タンクの側面下部に設けられ、且つ前記第１の流入口側と第２の流入口側とにそれぞれ前記流速抑制手段が設けられていることを特徴とする給湯器。
2. 請求項１に記載した給湯器において、
   前記流速抑制手段は、前記流入口に連通して前記タンク内に挿入され、自身の管壁に複数の開口部が開設された多穴パイプによって構成され、
   この多穴パイプは、前記複数の開口部の総開口面積が前記流入口の開口面積より大きく設けられ、前記流入口を通って前記多穴パイプ内に送り込まれた蓄熱用液体を前記複数の開口部から前記タンク内に流入させることを特徴とする給湯器。
3. 請求項２に記載した給湯器において、
   前記多穴パイプは、前記タンク内に略水平方向に挿入され、且つ前記複数の開口部が略水平方向に開設されていることを特徴とする給湯器。
4. 請求項１に記載した給湯器において、
   前記流速抑制手段は、多数の小穴が開設された板状部材またはメッシュ状部材から成り、前記タンク内で高温の蓄熱用液体と低温の蓄熱用液体との間に存在する温度境界層と前記流入口との間に配設されていることを特徴とする給湯器。

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