JP4228976B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ方式の給湯機に関するものである。

従来、給湯機としては、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給湯機が使用されてきた。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のが現状である。

そこで、貯湯タンクを備えた貯湯式のヒートポンプ給湯機が開発されている。これは、燃焼による給湯機の問題を解決し、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せず手軽に設置することができ、ヒートポンプ式であるため、入力に対する能力は３倍以上確保することが可能となるなど熱効率が良く、運転に際しては安価な深夜電力を用いて、貯湯タンクに高温の湯を貯めることが可能となり、ランニングコストも安価となるなどと言った特長を持ち、徐々に普及してきている。

このような給湯機として、図４に示すように、給湯サイクル５１と冷媒サイクル５２を備える。この給湯サイクル５１は、底壁に設けられた給水口５５と上壁に設けられた給湯口５６を有する貯湯タンク５３と、熱交換路５４と、水循環用ポンプ５７とを備え、熱交換路５４と水循環用ポンプ５７が、貯湯タンク５３の取水口５９と湯入口６０とを連結する循環路５８に介設されている。また、冷媒サイクル５２は、圧縮機６５と、熱交換路５４を構成する水−冷媒熱交換器６６と、減圧機構６７と、空気熱交換器６８とを順に冷媒通路６９で接続して構成する冷媒循環回路を備える。更に、給湯サイクル５１と冷媒サイクル５２は、室外側に配設されている連絡配管６２、６３にて連結される。そして、給水口５５から給水し、水循環用ポンプ５７にて循環路５８に流出させた低温水を水−冷媒熱交換器６６（即ち、水熱交換路５４）で沸き上げ、給湯口５６から出湯する構成となっている（例えば、特許文献１参照）。

このような、ヒートポンプ給湯機は、給湯サイクル５１と冷媒サイクル５２が２体に分割されているものであり、冷媒サイクル５２を組み込んだユニットには水−冷媒熱交換器６６が組み込まれていることになる。

そのようなヒートポンプ給湯機の冷媒サイクルの部分をユニット化した一例として、図５、図６に示すようなヒートポンプユニットがある。このヒートポンプユニットでは、圧縮機１０１と給湯用に用いられる水−冷媒熱交換器１０２と蒸発器である空気熱交換器１
０３とが冷媒循環用配管（図示せず）にて順次接続されている。そして、ユニット装置の底面を支持する基板１０４の上部が、騒音防止用の遮音板１０５によって区画され、一方の区画には縦置き形の圧縮機１０１が搭載され、他方の区画である送風回路内には、送風ファン１０６と、送風ファン１０６の背面に位置する空気熱交換器１０３と、送風ファン１０６の下に位置する水−冷媒熱交換器１０２とが搭載されている。

また、貯湯タンクと冷媒サイクルを一体化したヒートポンプ給湯機として、給湯サイクルと冷媒サイクルを一体化された本体内に備えた「ヒートポンプ給湯機」が商品化されている。例えば、以下に示すようなヒートポンプ給湯機がある（例えば、非特許文献１参照）。

図７は、上記ヒートポンプ給湯機の回路構成図、図８は図７に示すヒートポンプ給湯機の概略構成図を示している。

図７に示すヒートポンプ給湯機は、冷媒サイクルとして圧縮機１１０、１１１、水−冷媒熱交換器１１２、１１３、減圧弁１１４、１１５、蒸発器１１６、１１７および送風機１１８、１１９などで構成した冷媒サイクルと、貯湯タンク１２０、混合弁１２１、電磁弁１２２、給湯循環水ポンプ１２３、風呂保温追炊き用循環水ポンプ１２４などを配管で構成した給湯サイクルとを備え、冷媒サイクルで湯を生成して蛇口１２５や風呂１２６に直接給湯し、または給湯回路から貯湯を給湯するものである。そして、このヒートポンプ給湯機は、図８に示すように、冷媒サイクルや給湯サイクルを全て１つのユニット内に収納した一体型で構成されている。
特開２００３−２２２３９２号公報 週刊エアコン流通人２００３年５月１５日号（ＶＯＬ．２４−Ｎｏ．８９６）

しかしながら、特許文献１に示される構成では、給湯サイクルと冷媒サイクルが分かれているので、それぞれが別個に必要であり、また、それぞれをユニット化した場合、それらのユニット寸法が大きく、かつ重量も重いために、設置場所が限られるという面があった。また、連絡配管を室外側に配設するので、凍結防水等が必要であり、施工性やコスト性に課題を有していた。

さらに、貯湯タンク内の湯量が限られるため、人が多く集まった際などには使用湯量が多くなり、貯湯タンク内の湯量がなくなってしまう場合があり、その際には再度沸き上げを行うことが必要となるが、元来深夜電力を用いて、小能力で長時間かけて湯を貯めるという商品であるために、貯湯するまでに相当長い時間を要すること、さらに、昼間の電力を用いて運転を行うため、深夜電力利用のメリットがなくなり、電気代が多くかかることなど、使い勝手に課題があった。

一方、図５、図６のヒートポンプユニットでは、基板上部を遮音板によって区画し、一方に圧縮機を搭載し、他方に送風ファンと空気熱交換器と給湯用水−冷媒熱交換器を搭載しているために、横に長い形状となり、設置スペースが必要となる。さらに、ヒートポンプ能力を高めるために空気熱交換器の面積を大きくしようとすると、横幅が大きくなり、設置スペースがさらに必要となるという面を持っていた。

加えて、水−冷媒熱交換器、送風ファン及び空気熱交換器が外部に、圧縮機が内部にあるために、その間をつなぐ冷媒配管を防水することが必要となり、コストアップに繋がっていた。その上、上記のような高重量となるために、施工上も住宅、マンションそのもの
が耐荷重性に優れたものとしなくてはならず、そのため建築費が高くなる、複雑となるなど、設置性、施工性、コスト性の面で課題を有していた。

また、非特許文献２に示されるヒートポンプ給湯機は、冷媒サイクルや給湯サイクルを全て一つのユニット内に収納した一体型で構成されており、小型化を図るために給湯用水−冷媒熱交換器や、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器は貯湯タンクの周りに巻き付けられているが、給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器を交換しにくいなど、メンテナンス性に課題があった。また、給湯循環水ポンプと給湯用水−冷媒熱交換器、風呂循環ポンプと風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器の距離が長くなってしまい、その間での放熱ロスが大きくなり、効率悪化を招くという課題も有していた。

また、圧縮機、蒸発器、減圧手段を二つ用いているために、コストアップにつながっており、ひいてはメンテナンス性も劣っていた。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、構成部品の収納性とメンテナンス性の向上を図ることができ、小型化を図りつつ能力向上を図るとともに、低コストで、使い勝手の良いヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、それぞれ一要素の圧縮機、蒸発器、減圧手段に、放熱器を順次接続して閉回路を構成し、前記圧縮機により冷媒を循環させる冷媒循環回路と、前記蒸発器に送風する送風手段と、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器とを備え、前記水−冷媒熱交換器は、給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器から構成されてなるとともに、前記給湯用水−冷媒熱交換器の上方に、中間基板を介してＬ字状とした前記蒸発器を配設し、前記蒸発器内方に、前記給湯用水−冷媒熱交換器よりも小面積とした前記風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器を配設したことを特徴とするもので、本体の小型化、コスト低減、ひいてはメンテナンス性をも向上でき、低コストで、使い勝手の良いヒートポンプ給湯機を提供できる。

また、配管経路を短くすることができることにより放熱ロスを減少させることが可能となり熱効率を高く維持できると共に、給湯用水−冷媒熱交換器により、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器の保温が可能となり、放熱ロスを少なくし、熱交率の向上が図れ、さらに給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器の独立収納ができるために、本体の小型化、メンテナンス性の向上を図ることができ、使い勝手の良いヒートポンプ給湯機を提供できる。

本発明によれば、構成部品の収納性とメンテナンス性の向上を図ることができ、小型化を図りつつ能力向上を図るとともに、低コストで、使い勝手の良いヒートポンプ給湯機を提供できる。

第１の発明は、それぞれ一要素の圧縮機、蒸発器、減圧手段に、放熱器を順次接続して閉回路を構成し、前記圧縮機により冷媒を循環させる冷媒循環回路と、前記蒸発器に送風する送風手段と、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器とを備え、前記水−冷媒熱交換器は、給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器から構成されてなるとともに、前記給湯用水−冷媒熱交換器の上方に、中間基板を介してＬ字状とした前記蒸発器を配設し、前記蒸発器内方に、前記給湯用水−冷媒熱交換器よりも小面積とした前記風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器を配設したことを特徴とするもので、本体の小型化、コスト低減、ひいてはメンテナンス性をも向上でき、低コストで、使い勝手の良いヒ
ートポンプ給湯機を提供できる。

また、配管経路を短くすることが可能とすることにより放熱ロスを減少させることが可能となり熱効率を高く維持できると共に、給湯用水−冷媒熱交換器により、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器の保温が可能となり、放熱ロスを少なくし、熱交率の向上が図れ、さらに給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器の独立収納ができるために、本体の小型化、メンテナンス性の向上を図ることができる。

また、蒸発器の大きさを風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器と重なる部位まで下方に長く伸ばせるので、蒸発器の面積を拡大することができ、給湯、保温、追炊きの能力向上を図ることが可能となり、本体ユニットの大きさは蒸発器が大きくなった分大きくする必要がないために、本体のコンパクト化が図ることができる。そのため、コンパクトな形態でヒートポンプ性能の向上を図ることができ、ヒートポンプの立ち上がりの悪さを補い、速湯性を高めることが可能となるとともに、ＣＯＰの向上を図り、電気代によるランニングコストの低減、地球環境への負荷の低減を図ることが可能となる。

第２の発明は、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器へ水を送る風呂循環水ポンプを備え、前記風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器の上方に、前記風呂循環水ポンプを配設したことを特徴とするもので、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器と、風呂循環水ポンプの距離が短くなり、放熱ロスを低減することが可能となり、効率向上を図ることができると共に、収納性向上によるコンパクト化の実現も可能となり、加えて正面から見えるところに風呂循環水ポンプを配することができ、メンテナンス性の向上を実現できる。

第３の発明は、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器内の湯を循環させる風呂循環水ポンプと給湯用水−冷媒熱交換器へ水を送る給湯循環水ポンプとを備え、前記風呂循環水ポンプの上方に、前記給湯循環水ポンプを配設したことを特徴とするもので、メンテナンス性の向上を実現できると共に、給湯用水−冷媒熱交換器と、貯湯タンクの中間位置に給湯循環水ポンプを配することにより、放熱ロスを低減することができ、効率アップを図ることもできる。

第４の発明は、給湯用水−冷媒熱交換器で所定の温度に暖められた水を貯湯する貯湯タンクを備え、当該貯湯タンクと給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器、蒸発器とを一体型の本体ユニットに収納したことを特徴とするもので、配管等の防水対策が不要となり、低コストや安全性に優れた製品とすることができる。

第５の発明は、貯湯タンクを本体ユニット内の一方の側方に配し、圧縮機と給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器を、前記本体ユニット内の他方の側方に配したことを特徴とするもので、ユニット内部空間を有効に活用することができ、ユニット寸法を大きくしなくても大容量の貯湯タンクを設置することができる。

第６の発明は、給湯用水−冷媒熱交換器で所定の温度に暖められた水を貯湯する貯湯タンクを備え、給湯用水−冷媒熱交換器で暖められた水は、前記貯湯タンクに給湯されるとともに、前記貯湯タンクを介さずに、給湯端末へ直接通水するように構成したことを特徴とするもので、水−冷媒熱交換器で暖められた水道水は、貯湯タンクに給湯することができるとともに、一方で貯湯タンクを介さずに蛇口やシャワー等の給湯端末へ直接通水されるので、速湯性に優れ、使い勝手が良く、湯切れの心配もないヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第７の発明は、冷媒として炭酸ガスを用いたもので、高温給湯の際の熱効率を高めると共に、冷媒が外部に漏れても、地球温暖化に及ぼす影響を、一般的エアコンに用いられて
いるＲ−４１０Ａの冷媒に比して大幅に低減することができ、環境に優しく、リサイクル性にも優れたヒートポンプ給湯機とすることができる。

以下に、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、本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の回路構成図である。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機は、本体ユニット１に冷媒サイクルと給湯サイクルとを一体に収納して構成される。この冷媒サイクルは、本体ユニット１内部に配設された縦置き形の圧縮機２と、放熱器である給湯用水−冷媒熱交換器３と、給湯用水−冷媒熱交換器３と直列に配置された、同じく放熱器である風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器４と、例えば電動膨張弁から成る減圧手段５と、Ｌ字形状の空気熱交換器から成る蒸発器６とが冷媒配管７で接続されて構成されている。また、蒸発器６に風を当て、蒸発能力を高めるための送風ファン８が設けられている。

一方、給湯サイクルは、放熱器３と熱交換を行って水道水などを温水に変える給湯用水−冷媒熱交換器９（例えば、放熱器３と一体形状となっている二重管構造の熱交換器）と、給湯用水−冷媒熱交換器９にて得た温水を貯める貯湯タンク１０と、貯湯タンク１０や給湯用水−冷媒熱交換器９に水道水を入水する入水管１１と、貯湯タンク１０や給湯用水−冷媒熱交換器９から温水を蛇口１２や風呂１３の給湯端末に給湯する給湯管１４と、貯湯タンク１０内の低温の水を送水する給湯循環水ポンプ１５と、風呂１３に溜まっている温水を保温あるいは追炊きするために、風呂の温水を循環し、加熱するための風呂追炊き管１６と、風呂追炊き管１６に接続された風呂の温水をさらに加熱するための風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７（例えば放熱器４と一体形状となっている二重管構造の熱交換器）と、風呂の温水を循環する風呂循環水ポンプ１８から構成されている。

更に、上記給湯回路の構成について説明する。

タンク入水管１９は、入水管１１から水道水を貯湯タンク１０に送る配管であり、途中にタンク入水逆止弁２０が設けられている。水道水供給管２１は、入水管１１から給湯用水−冷媒熱交換器９に水道水を直接供給する配管であり、この水道水給水管２１に逆止弁２２が設けられている。熱交給水管２３は、貯湯タンク１０から給湯用水−冷媒熱交換器９に、給湯循環水ポンプ１５の運転により、貯湯タンク１０内の下方に貯まった低温水を送る配管であり、貯湯管２４は、給湯用水−冷媒熱交換器９で暖めた水道水を貯湯タンク１０や元混合弁２５に送る配管であり、貯湯タンク側配管２４ａの途中には貯湯電磁弁２６が、また元混合弁側配管２４ｂの途中には逆止弁Ａ２７が設けられている。

また、タンク給湯管２８は、貯湯タンク１０から高温水（通常は６０℃〜９０℃）を元混合弁２５へ給湯する配管であり、元混合弁２５は、貯湯管２４（元混合弁側配管２４ｂ）とタンク給湯管２８とから来る温水や水を混合させる弁であり、逆止弁Ａ２７は、元混合弁２５手前に設けられた弁である。また、給湯混合弁２９は、元混合弁２５を通過した温水と、入水管１１から供給される水道水とを混合し、適切な給湯温度を得る、蛇口１２に供給する弁であり、給湯混合弁２９と入水管１１の間には逆流防止の逆止弁Ｂ３０が設けられている。そして、給湯混合弁２９にて最適温度となった温水が、注湯管３０及び給湯管１４を介して、蛇口３２や風呂３３に注湯される。

また、入水流量計３４は入水流量を測定する計器であり、給湯流量計３５は給湯流量を測定する計器である。排出弁３６は、寒冷地等にて長期間使用しない場合に、凍結防止等
でタンク内の水を抜くために用いる弁であり、制御弁３７は入水流量を制御する弁である。

更に、風呂保温追炊き用のサイクルについて説明する。風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器４は、冷凍サイクルにて直列に接続されている給湯用水−冷媒熱交換器３の圧縮機から見て下流側に配設されている。３８は、風呂１３から温水を風呂循環水ポンプ１８を駆動させて入水する風呂入水管であり、風呂入水管３８から、入水した風呂のお湯は、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７で加熱され、再度追炊き管１６を通り、風呂１３に戻され、風呂の温度を一定に保つ保温運転や、風呂の湯量を足さなくても湯温を上昇させる追炊き運転を行う。

また、制御装置３９は、冷媒サイクルの高圧側の冷媒温度を検出し、その温度の高低から冷媒循サイクルの立ち上がり状態を判定し、元混合弁２５や給湯混合弁２９の流量（開度）を制御する手段である。

次に、本体ユニット１に一体化収納されている冷媒サイクル及び給湯サイクルの各要素の配置構成について、図２及び図３を参照して説明する。

図２は、図１に示すヒートポンプ給湯機の正面内観図であり、本体ユニット１を鉛直に切断し、前方から見た透視図である。

本体ユニット１内には、縦置き形の圧縮機２と、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）と、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）上方に放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）より小型化された、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）と、蒸発器６と、送風ファン８と、給湯循環水ポンプ１５と、風呂循環水ポンプ１８が、左方（即ち、本体ユニット１の一方の側方）に配されている。

放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）の上方には、中間基板４１があり、その蒸発器６はその中間基板４１の上に配設されている。中間基板４１の上方には、蒸発器６の下方と水平方向でほぼ同じ高さになるように、箱状板金４２があり、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）はその箱状板金４２の下方に配設されている。この箱状板金４２は、その上方コーナ部をＲ形状としており、蒸発器６からの風の流れがスムーズに流れるようにしている。また、蒸発器６はＬ字状となっているために、蒸発器６の内方に、箱状板金４２を介して、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）が配設されている形状となる。

また、この箱状板金４２は、蒸発器６を外さなくとも、着脱可能なように、中間基板４１を蒸発器６と同じＬ字状とし、そのＬ字部に収まるような形状としている。

箱状板金４２の上方には、給湯循環水ポンプ１５が配設され、その上方にはポンプカバー板金４３があり、ポンプカバー板金４３の右上方には、風呂循環水ポンプ１８が、中央上方には送風ファン８が配設されている。風呂循環水ポンプ１８の設置されている位置は、送風ファン８の右下方であり、送風ファン８に影響のない位置としてある。

さらに、貯湯タンク１０は、蒸発器６や、圧縮機２の右方（即ち、本体ユニット１の他方の側方）に配設されている。そして、入水管１１と給湯管１４は、貯湯タンク１０の前方に配されている。４４は、それらの各部品を載置している、ベース基板である。

図３は、図１に示すヒートポンプ給湯機の平面内観図であり、図２に示す本体ユニット１を部分ごとに水平に切断し、上方から見た透視図である。

図３（ｃ）は、下方のＸ−Ｘ矢視で切断した透視図であり、圧縮機２、放熱器３（水−冷媒熱交換器９）、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）等を示している。貯湯タンク１０は、ベース基板４４上に載置されているが、本体ユニット１後方に飛びださせており、その部分の外装部品は外側に膨らませた膨らみ部１ａを設けている。放熱器３（水−冷媒熱交換器９）は、蜷局状に巻かれており、全高をできる限り低くしつつ、配管長を長くするようにしている。放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）も同じく蜷局状に巻かれており、その大きさは、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）よりも小さくしてあり、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）の右前方に配設されている。

入水管１１、給湯管１４は、本体ユニット１の前方であり、貯湯タンク１０の前方に配されており、ここで、施工時に配管接続が行われる。

図３（ｂ）は、ほぼ中央のＹ−Ｙ矢視で切断し、上方から見た透視図であり、縦置き形の圧縮機２、蒸発器６、風呂循環水ポンプ１８、中間基板４１、箱状板金４２等が示されている。Ｌ字状の蒸発器６は、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）の上方に配された、Ｌ字状の中間基板４１の上方に配設され、蒸発器内方には、箱状板金４２が配され、その下方に、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）は配設されている。箱状板金４２上方には風呂循環水ポンプ１８が配されている。箱状板金４２は例えば板金製であり、縦置き形の圧縮機２を上方に延伸するために、その右前方部分に切り欠き部４２ａを有している。

また、蒸発器６はＬ字形状となっており、貯湯タンク１０の近傍まで伸ばしている。中間基板４１には水抜き穴４１ａが設けられて、蒸発器５の凝縮水を排水処理するようになっている。そのため、中間基板１４は、水抜き穴４１ａに向かって１度から２度の傾斜が付いており、本体ユニット１外部へ排水するようになっている。仕り切板４５は、圧縮機２や給湯循環水ポンプ１５と、貯湯タンク１０とを区画分けしている。

図３（ａ）は、本体ユニット１の上方のＺ−Ｚ矢視で切断し、上方から見た透視図である。箱状板金４２上方に、ポンプカバー板金４３が配され、そのポンプカバー板金４３上上に、送風ファン取付け金具８ａを取付け、その送風ファン取付け金具８ａに送風モータ８ｂを取付け、その送風モータ８ｂに送風ファン８を取付けている。送風ファン８を回転させて蒸発器６の蒸発能力と送風能力を高めるために、ベルマウス４６が本体ユニット１に設けられている。そのベルマウス４６の右下下方に、給湯循環水ポンプ１５が配されている。

以下、図面に基づいて、上記ヒートポンプ給湯機の動作を説明する。

圧縮機２を運転すると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、放熱器３（水−冷媒熱交換器９）に送られ、水道水供給管２１を通ってきた水道水と熱交換して放熱する。これにより、貯湯管２４、元混合弁２５に流れる水道水は高温に加熱される。放熱器３（水−冷媒熱交換器９）から流出する冷媒は、減圧手段５にて減圧膨張され、蒸発器６に送られ、送風ファン８にて送られた空気と熱交換して、蒸発器６を通過する間に、蒸発してガス化する。このガス化した冷媒は、再度圧縮機２に吸入され、再度圧縮される過程を繰り返し、徐々に加熱された水道水は、注湯管３０、給湯管１４、蛇口１２を通り、風呂１３に注湯される。

その際に、冷媒サイクルは立ち上がりが遅く、速湯性に劣っているため、貯湯タンク１０によってその立ち上がりの悪さを補っている。すなわち、冷媒サイクルが立ち上がり、
所定の給湯温度となるまでの間は、高温に保たれた貯湯タンク１０からタンク給湯管２７を通過してきた温水と、まだ立ち上がっていない給湯用水−冷媒熱交換器９を通過してきた水（徐々に温度が上がり高温となる水）とを、元混合弁２５で混合し、さらに給湯混合弁２９で入水管１１を通ってきた水道水と混合して、使用者が希望する温度の給湯を行う。

次に冷媒循環回路が立ち上がってくると、元混合弁２５の開度を調整し、貯湯タンク１０からの高温の温水と、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）からの温水を適温に混合し、給湯用混合弁２９に送り、さらに給湯用混合弁２９で入水管１１を通ってきた水道水と混合して給湯する。

最終的には、貯湯タンク１０からタンク給湯管２７を通過してきた温水は用いず、水道水供給管２１を通ってきた水道水を冷媒サイクルの給湯用水−冷媒熱交換器９で加熱して得た温水と、入水管１１を通ってきた水道水とを、給湯用混合弁２９で混合し、所定の温度の給湯を行う。即ち、制御装置３９によって、冷媒サイクルの立ち上がり状態を把握し、元混合弁２７や給湯混合弁２９の開度を調整し、所定温度の温水を給湯端末に供給する制御が行われる。

また、使用者が、蛇口１２を閉じるか、あるいは風呂１３に適量のお湯が溜まって給湯する必要がなくなると、給湯循環水ポンプ１５を駆動させ、貯湯電磁弁２６を開き、次の給湯運転のために、貯湯タンク１０に高温の温水を貯湯する貯湯運転が行われる。

このように冷媒サイクルの立ち上がり状態に応じて、貯湯タンク１０に貯めた温水を用いて給湯端末へ給湯したり、貯湯タンク１０を介さずに給湯用水−冷媒熱交換器９で加熱して得た温水を給湯端末へ直接給湯したりすることができる構成としている。これにより本実施の形態では、リアルタイム給湯を可能とし、使用者が給湯したいときに給湯ができる速湯性能を確保することができ、使い勝手の良いヒートポンプ給湯機を提供することができる。換言すれば、この速湯性能の確保によって、貯湯タンク１０の容量を貯湯式のヒートポンプ給湯機のそれよりも小さいものとすることができ、設置性の大幅な向上、コストダウン、使用性の向上を実現できることにもなる。

貯湯管２４、元混合弁２５に流れる水道水は高温に加熱される。放熱器３（水−冷媒熱交換器９）から流出する冷媒は、減圧手段５にて減圧膨張され、蒸発器６に送られ、送風ファン８にて送られた空気と熱交換して、蒸発器６を通過する間に、蒸発してガス化する。このガス化した冷媒は、再度圧縮機２に吸入され、再度圧縮される過程を繰り返し、徐々に加熱された水道水は、注湯管３０、給湯管１４、蛇口１２を通り、風呂１３に注湯される。

また、風呂１３の湯温が低下すると、保温運転や追炊き運転を行うことになる。保温運転は風呂１３の湯温が低下したことを検知すると、風呂循環水ポンプ１８が動作し、風呂１３のお湯を放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）に送る。圧縮機２を運転し、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）に送られ、風呂循環水ポンプ１８を通ってきた風呂１３のお湯と熱交換して放熱する。これにより、お湯は加熱され、風呂追炊き管１６を通り風呂１３に戻されることにより保温運転がされる。風呂１３のお湯の温度が著しく低下し、注湯せずにお湯の温度を上げたい時には、追炊き運転が行われる。これもまた、同様であり、風呂循環水ポンプ１８が動作し、風呂１３のお湯を放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）に送る。圧縮機２を運転し、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）に送られ、風呂循環水ポンプ１８を通ってきた風呂１３のお湯と熱交換して放熱する。これにより、風呂の湯は加熱され、風呂追炊き管１６を通り
風呂１３に戻されることにより追炊き運転がされる。

本実施の形態のヒートポンプ給湯機では、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）を放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）上方に配設していることにより、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）の保温性を高めており、速湯性を高めることが出来るようになっている。さらに、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）から、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）を結ぶ配管経路を短くすることができるために、配管での放熱ロスを軽減でき、熱交率の向上を図ることができる。さらに、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）と、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）をコンパクトにまとめることが可能となり、本体の小型化、省スペース化を図ることができる。加えて、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）と放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）を前方から取り出すことが可能となっており、メンテナンス性の向上を図ることができる。

また本実施の形態では、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）の上方に中間基板４１を介してＬ字状とした蒸発器６を配設し、蒸発器６内方に、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）よりも小面積とした放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）を配設しており、蒸発器６の大きさを放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）と重なる部位まで下方に長く伸ばせるので、蒸発器６の伝熱面積を拡大することができ、給湯、保温、追炊きの能力向上を図ることが可能となり、本体ユニット１の大きさは蒸発器６が大きくなった分大きくする必要がないために、本体のコンパクト化が図ることができる。そのため、コンパクトな形態でヒートポンプ性能の向上を図ることができ、ヒートポンプの立ち上がりの悪さを補い、速湯性を高めることが可能となるとともに、ＣＯＰの向上を図り、電気代によるランニングコストの低減、地球環境への負荷の低減を図ることが可能となる。

さらに、中間基板４１には水抜き穴４１ａが設けられて、蒸発器６の凝縮水を排水処理するようになっているために、低温時に蒸発器６の下方に水分が氷結し、伝熱面積が低下し、能力ダウンを招くことを防ぎ、低温でも高能力を確保するようになっている。

また本実施の形態では、蒸発器６内方には箱状板金４２を設け、箱状板金４２下方に、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）を配設しており、本体ユニット１を大きくしなくとも、蒸発器６の高さを高くすることができ、ひいてはその伝熱面積を大きくすることが可能となり、吸熱量の増大による能力向上を図ることができる。さらに、箱状板金は、上方コーナー部をＲ形状としておることにより、蒸発器６下方からの空気の流れがスムーズになり、蒸発器６下方と箱状板金４２の隙間が狭くても、空気量が減じ、着霜しやすくなることを防ぐことができ、連続運転時間が長くなり、効率アップを図ることができる。

また本実施の形態では、箱状板金４２は、蒸発器６を外さなくとも着脱可能としており、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）のメンテナンス性の向上を実現できる。特に、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）は、風呂１３の湯を循環するために、風呂の中にある汚れ、髪の毛などが流れる可能性があり、それらが熱交内に詰まってしまう恐れがある。そのような詰まりが生じた際には、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）のメンテナンスが必須であり、そのためにも、蒸発器６を取り外さないで、箱状板金４２を外すことができれば、箱状板金４２内に納まっている放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）が容易に取り出すことができ、メンテナンス性の大幅な向上を図ることができる。

さらに、本実施の形態では、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）上方
には、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）の湯を循環させる風呂用循環水ポンプ１８を配設しており、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）と、風呂循環水ポンプ１８の距離が短くなり、放熱ロスを低減することが可能となり、効率向上を図ることができる。また、収納性向上によるコンパクト化の実現も可能となり、加えて正面から見えるところに風呂循環水ポンプ１８を配することができ、メンテナンス性の向上を実現できる。特に、風呂循環水ポンプ１８は、風呂１３の湯を循環するために、風呂の中にある汚れ、髪の毛などが流れる可能性があり、上に記した放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）より先に、汚れ、髪の毛の詰まりによる故障が生じやすい。その際に、メンテナンス性を容易にしておくことは、商品として必須である。特に、風呂循環水ポンプは溶接で配管が固定されているわけでなく、金具で廃刊が保持されており、設置現地での修理も容易なものであり、そのためにも、容易に交換できることは必要である。

また、本実施の形態では、風呂循環水ポンプ１８の上方には、給湯循環水ポンプ１５を配設しており、給湯循環水ポンプ１５も同じくメンテナンス性を向上している。給湯循環水ポンプ１５は、図１で見てわかるように放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）と、貯湯タンク１０を結び付けているものである。そのため、両者の中間ともなり、配管長を短くすることが可能な、位置に配設していることとなる。

それにより、放熱ロスを低減することができ、効率アップを図ると共に、メンテナンス性の向上を図ることができる。さらに、圧縮機２、送風ファン８、給湯循環水ポンプ１５、風呂循環水ポンプ１８、といった本体ユニット１の騒音源や震動源を近くに配していることにより、それらに共通の防音対策を施すことが可能となる。例えば、圧縮機２と風呂循環水ポンプ１８の前方の本体ユニット１内側に防音材を貼ることや、送風ファン８を固定しているポンプカバー板４３に、防振鋼鈑を用いることなどして、振動を抑えるといった際に、共用部品として対応することが可能となる。これにより、低騒音、低振動への部品材料コストを大幅に低減することができ、機器のコストダウンに結びつけることが可能となる。

また、本実施の形態では、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）で所定の温度に暖められた水道水を貯湯する貯湯タンク１０を備え、貯湯タンク１０と放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）、蒸発器６とを一体型の本体ユニットに収納しており、配管等の防水対策が不要となり、低コストや安全性に優れた製品とすることができる。また、本体ユニット１の横幅を狭くすることが可能になり、設置面積を大きく減ずることができる。

従って、コンパクトで、設置自由度が大きく向上するヒートポンプ給湯機を提供することができる。また、本実施の形態では、同じ空間内で圧縮機２と放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）、圧縮機２と放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）とを最短距離で繋ぐことが可能であり、配管ロスを軽減することにより、熱効率を高く維持することができる。

また、本実施の形態では、貯湯タンク１０を本体ユニット１の一方の側方に配し、圧縮機２と放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）とを本体ユニット１の他方の側方に配しており、本体ユニット１内部空間を有効に活用することができ、本体ユニット寸法を大きくしなくても大容量の貯湯タンクを設置することができる。

またメンテナンスにおいても、給湯サイクルと冷媒サイクルのゾーニングができ、簡易に着脱できる水部品を用いており、設置現場での簡易な交換で対応可能な給湯サイクルと
、冷媒部品をロウ付けして設置現場での修理、交換が難しく、場合によっては工場へ持ちかえって修理、交換を行うような複雑な冷媒サイクルを区分けしていることにより、メンテナンス性が大幅に向上する。特に、本体ユニット１を構成する外装部品を、貯湯タンク１０部分と、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）などの部分に分けておれば、冷媒サイクル関連を触る心配もなく、給湯サイクルのメンテナンスが可能となる。

また、冷媒サイクル側に、給湯循環水ポンプ１５、風呂循環水ポンプ１８を組み込んでおり、これらも交換に際しては、高圧部品である場合が多いことから、極力高圧部に手を触れないような配慮が可能となる。また、図３及び図４で示しているように、貯湯タンク１０を本体ユニット１の右方に配し、圧縮機２、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）及び放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）、給湯循環水ポンプ１５、風呂循環水ポンプ１８を左方に配した構成としている。

これによって、本体ユニット１の上下左右寸法を目一杯活用することができるために、貯湯タンク１０の大きさを可能な範囲で大きくすることができる。換言すれば、本体ユニット１の寸法を大きくしなくても、大容量の貯湯タンク１０を設置することができる。従って、コンパクトで且つ給湯性の良いヒートポンプ給湯機を提供することができる。

なお、従来の貯湯式のヒートポンプ給湯機よりは小さくできるが、気温が低く冷媒循環回路７の立ち上がりが遅い場合などには、貯湯タンク１０から給湯する時間が長くなったり、湯切れを起こしたりするので、これを回避するためには、貯湯タンク１０は大きい方が望ましい。

それに対して、本実施の形態であれば、圧縮機２、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）、放熱器４（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器１７）、給湯循環水ポンプ１５、風呂循環水ポンプ１８を一方（左方）に配し、他方（右方）の貯湯タンク１０とは離れた位置に配していることにより、本体ユニット１の内法寸法を最大限活用して、大きな貯湯タンク１０を設置できるのである。

また本実施の形態では、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）で暖められた水道水は、前記貯湯タンクに給湯されると共に、前記貯湯タンクを介さずに給湯端末へ直接通水するようにしている。そのため、放熱器３（給湯用水−冷媒熱交換器９）で暖められた水道水は、貯湯タンクに給湯することができるとともに、一方で貯湯タンクを介さずに蛇口やシャワー等の給湯端末へ直接通水されるので、速湯性に優れ、使い勝手が良く、湯切れの心配もないヒートポンプ給湯機を提供することができる。

また、本実施の形態では、冷媒として炭酸ガスを用いたヒートポンプ給湯機としている。これにより冷媒循環回路は、冷媒の圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒循環回路であり、臨界圧力以上に昇圧された冷媒により冷媒−水熱交換器の水流路の流水を加熱する構成となり、冷媒−水熱交換器の放熱器を流れる冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、冷媒−水熱交換器の水流路の流水により熱を奪われて温度が低下しても凝縮することがなく、冷媒−水熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。加えて、炭酸ガスであるので、万一冷媒が外部に漏れたとしても、地球温暖化に及ぼす影響を、一般的エアコンに用いられているＲ−４１０Ａの冷媒に比して大幅に低減することができ、環境に優しいヒートポンプ給湯機とすることができる。

以上のように、本発明は、ヒートポンプサイクルで湯を生成して給湯するヒートポンプ給湯機に適用され、例えば、家庭用の瞬間湯沸し器や、業務用の給湯装置などに特に有用
である。

本発明の第１の実施の形態におけるヒートポンプ給湯機の回路構成図 同ヒートポンプ給湯機の正面内観図 （ａ）図２のＺ−Ｚ断面図（ｂ）図２のＹ−Ｙ断面図（ｃ）図２のＸ−Ｘ断面図 従来のヒートポンプ給湯機の回路構成図 同ヒートポンプ給湯機（ヒートポンプユニット）の正面内観図 同ヒートポンプ給湯機（ヒートポンプユニット）の平面内観図 同ヒートポンプ給湯機の回路構成図 同ヒートポンプ給湯機の構造図

符号の説明

１ 本体ユニット
２ 圧縮機
３ 放熱器（給湯用水−冷媒熱交換器)
４ 放熱器（風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器)
５ 減圧手段
６ 蒸発器
７ 冷媒循環回路
８ 送風ファン（送風手段）
９ 給湯用水−冷媒熱交換器
１０ 貯湯タンク
１１ 入水管
１２ 蛇口（給湯端末）
１５ 給湯循環水ポンプ
１７ 風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器
１８ 風呂循環水ポンプ
４１ 中間基板
４２ 箱状板金

Claims (7)

1. それぞれ一要素の圧縮機、蒸発器、減圧手段に、放熱器を順次接続して閉回路を構成し、前記圧縮機により冷媒を循環させる冷媒循環回路と、前記蒸発器に送風する送風手段と、前記放熱器と熱交換を行う水−冷媒熱交換器とを備え、前記水−冷媒熱交換器は、給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器から構成されてなるとともに、前記給湯用水−冷媒熱交換器の上方に、中間基板を介してＬ字状とした前記蒸発器を配設し、前記蒸発器内方に、前記給湯用水−冷媒熱交換器よりも小面積とした前記風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器を配設したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器へ水を送る風呂循環水ポンプを備え、前記風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器の上方に、前記風呂循環水ポンプを配設したことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ給湯機。
3. 風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器内の湯を循環させる風呂循環水ポンプと給湯用水−冷媒熱交換器へ水を送る給湯循環水ポンプとを備え、前記風呂循環水ポンプの上方に、前記給湯循環水ポンプを配設したことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。
4. 給湯用水−冷媒熱交換器で所定の温度に暖められた水を貯湯する貯湯タンクを備え、当該貯湯タンクと給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器、蒸発器とを一体型の本体ユニットに収納したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。
5. 貯湯タンクを本体ユニット内の一方の側方に配し、圧縮機と給湯用水−冷媒熱交換器、風呂保温追炊き用水−冷媒熱交換器を、前記本体ユニット内の他方の側方に配したことを特徴とする請求項４に記載のヒートポンプ給湯機。
6. 給湯用水−冷媒熱交換器で所定の温度に暖められた水を貯湯する貯湯タンクを備え、給湯用水−冷媒熱交換器で暖められた水は、前記貯湯タンクに給湯されるとともに、前記貯湯タンクを介さずに、給湯端末へ直接通水するように構成したことを特徴とする請求項１〜
   ５のいずれかに記載のヒートポンプ給湯機。
7. 冷媒として炭酸ガスを用いたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のヒートポンプ給湯機。

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