JP5308783B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートポンプ給湯機の効率向上に関するもので、特に放熱ロスを低減できるヒートポンプ給湯機に関するものである。
従来、ヒートポンプ給湯機の効率を向上させる方法として、種々のものが提案されている。
例えば、特許文献１では、貯湯タンクを外装ケースで囲い、かつ、貯湯タンクと外装ケースとの上部空間には真空断熱を配置し、下部空間にはシート状断熱材を配置することにより、真空断熱の使用量を削減し製造コストと性能効果のバランスの向上を図ったものが提案されている。
このヒートポンプ給湯機では、貯湯タンクには高温湯が長時間蓄えられることから、貯湯タンク外表面から大気中に放出される放熱ロスを抑制することにより、ヒートポンプ給湯機のエネルギー効率向上につながっている。
日本では、夜間の割引電気料金を利用してヒートポンプの運転を行い、水を加熱して高温水として貯湯タンクに蓄えて置き、昼間は、使用（蛇口開）に応じて、前記貯湯タンク内の高温水に水を混ぜて適温水として給湯を行うものが一般的であることから、このようなヒートポンプ給湯機が好適である。
また、特許文献２では、圧縮機を真空断熱材，吸音断熱材及び防振断熱材から構成される複合断熱材で覆うことにより断熱材の薄肉化を図ったものが提案されている。
前記特許文献１に示す従来のヒートポンプ給湯機は、貯湯タンクの断熱効果としては有効であるが、外装ケースや真空断熱材，シート状断熱材等多くの部品を使用するため、従来の発泡断熱材に比べ、部品購入費及び取付け作業費がアップするという問題があった。
また、前記特許文献２において、圧縮機の外郭には吐出パイプや吸込みパイプ、及び電気配線等が設置されており、複合断熱材の形状が極めて複雑なものとなる。
さらに、冬期は湯の使用量が多く高温で貯湯するため、圧縮機は高速運転となって巻線温度が高くなり、圧縮機に真空断熱材などの高性能断熱材を巻くと過負荷保護装置が作動する恐れがある。
上記のように、従来のヒートポンプ給湯機では、効果的に効率の向上を図ることが困難であった。
そこで、本発明は、効率を効果的に向上させることのできるヒートポンプ給湯機を提供することを課題とする。
本発明は、従来のヒートポンプ給湯機の課題を解決するための手段として、大きな放熱源である水冷媒熱交換器に着目した。
即ち、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、圧縮機によって圧縮された冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器を備えて構成されるヒートポンプ給湯機において、前記水冷媒熱交換器を囲むように真空断熱材を配置したことを特徴とする。
具体的には、前記水冷媒熱交換器の外周に前記真空断熱材が巻き付けられている構成が好ましい。
本発明は、大きな放熱源である水冷媒熱交換器の放熱ロスを低減し、効率を効果的に向上させることができるものである。
以下、本発明の実施形態を図１〜図７によって説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係るヒートポンプ給湯機を示す。ヒートポンプ給湯機はヒートポンプ冷媒回路の構成部品を収納したヒートポンプユニット３０と、貯湯タンク９及び給湯回路構成部品を収納した貯湯ユニット４０、及び運転制御手段５０を備えて構成されている。
図１は、第１実施形態に係るヒートポンプ給湯機を示す。ヒートポンプ給湯機はヒートポンプ冷媒回路の構成部品を収納したヒートポンプユニット３０と、貯湯タンク９及び給湯回路構成部品を収納した貯湯ユニット４０、及び運転制御手段５０を備えて構成されている。
ヒートポンプ冷媒回路は圧縮機１，水冷媒熱交換器２に配置された冷媒側伝熱管２ａ，２ｂ，減圧装置３，空気熱交換器４を、それぞれ冷媒配管を介して順次接続して構成されており、その中に炭酸ガス（ＣＯ2）冷媒が封入されている。
圧縮機１はＰＷＭ制御，電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば７００回転／分）から高速（例えば７０００回転／分）まで回転数制御ができるようになっている。
水冷媒熱交換器２は冷媒側伝熱管２ａ，２ｂ及び給水側伝熱管２ｃ，２ｄを備えており、冷媒側伝熱管２ａ，２ｂと給水側伝熱管２ｃ，２ｄとの間で熱交換を行うように構成されている。
なお、水冷媒熱交換器２は、後述するように、冷媒側伝熱管２ａ及び給水側伝熱管２ｃからなる熱交換部材群２ｅ（図３参照）と、冷媒側伝熱管２ｂ及び給水側伝熱管２ｄからなる熱交換部材群２ｆ（図３参照）の２系路から構成されている。
減圧装置３としては一般に電動膨張弁が使用され、水冷媒熱交換器２を経て送られてくる中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として空気熱交換器４へ送る。また、減圧装置３は冷媒回路の絞り量を変えてヒートポンプ冷媒回路内の冷媒循環量を調節する働きや、冬期低温時にヒートポンプ運転して空気熱交換器４に着霜した場合、前記絞り量を全開にして中温冷媒を空気熱交換器４に多量に送って霜を溶かす除霜装置の役目も行う。
空気熱交換器４は送風ファン５の回転により外気を取入れ空気と冷媒との熱交換を行い、外気から熱を吸収する役目を行う。
貯湯ユニット４０は貯湯，タンク給湯などを行うための水循環回路を備えて構成されている。
貯湯回路はタンク沸上げ運転によって貯湯タンク９に高温水を貯めるための水回路で、貯湯タンク９，タンク循環ポンプ１４，給水側伝熱管２ｃ，２ｄ，貯湯タンク９が水配管を介して順次接続され構成されている。
タンク給湯回路は、給水金具６，減圧弁７，給水水量センサ８，貯湯タンク９，湯水混合弁１１，出湯金具１２が水配管を介して順次接続され構成されている。
なお、給水金具６は水道などの給水源に接続され、出湯金具１２は台所蛇口１３などに接続されている。
なお、出湯金具１２からは、洗面や風呂湯張り回路（図示せず）などにも給湯できる。
次に、運転制御手段５０は、ヒートポンプ冷媒回路の運転・停止並びに圧縮機１の回転数制御を行うと共に、減圧装置３の冷媒絞り量調整他の冷凍サイクルの運転制御，湯水混合弁１１などを制御することにより給湯運転などを行うものである。
また、運転制御手段５０は、冬期低温時、高温（例えば９０℃）で貯湯する場合は、周囲温度や給水温度が低く加熱負荷が大きいため高回転数（例えば３０００〜４０００回転／分）とし、夏期は逆に加熱負荷が小さいため一般的貯湯温度（約６５℃）で比較的低速（例えば１０００〜２０００回転／分）とするなどの最適運転制御手段を有している。
更に、ヒートポンプ給湯機には、貯湯タンク９の貯湯温度や貯湯量を検知するためのタンクサーミスタや各部の冷媒温度や水温を検知する各部サーミスタ、及び圧縮機１の吐出圧力を検知する圧力センサ等（いずれも図示せず）が設けられ、各検出信号は運転制御手段５０に入力されるように構成されている。運転制御手段５０はこれらの信号に基づいて各機器を制御するものである。
次に、本実施例のヒートポンプ給湯機の運転動作について、図１のヒートポンプ冷媒回路及び貯湯回路，給湯回路を参照にしながら図２のフローチャートの実施例に基づいて説明する。
図２は、夜中の貯湯運転から翌日の給湯使用終了までの１日の運転動作の実施例を示すフローチャートである。
運転制御手段５０は、毎日の給湯使用量を記憶学習して翌日の給湯使用量を推定し、夜間の貯湯温度及び貯湯量を決定すると共に、上記貯湯量が電気料金の夜間割引時間（例えば２３時〜７時）内に沸き上がるように貯湯運転開始時刻を設定する学習制御手段を有している。
上記設定時刻になると貯湯運転を開始する。即ち、図１におけるヒートポンプを運転すると共にタンク循環ポンプ１４を運転し、水冷媒熱交換器２で高温冷媒と貯湯タンク９から循環されるタンク貯湯水とで熱交換して貯湯タンク９内の水を高温水に沸き上げる（ステップ６１）。
貯湯量判定（ステップ６２）において規定量に達していないうちは貯湯運転を継続し、規定量に達するとヒートポンプ運転を停止し貯湯運転は終了する（ステップ６３）。
朝になって、例えば台所蛇口１３を開き湯水使用が開始（ステップ６４）されると、運転制御手段５０は、給湯温度が適温となるように湯水混合弁１１からの給水量を調整し、給水金具６，減圧弁７，給水水量センサ８，貯湯タンク９，湯水混合弁１１，出湯金具１２，台所蛇口１３のタンク給湯回路で適温水を給湯する（ステップ６５）。そして、蛇口を閉じて湯水使用が終了（ステップ６６）すると、給湯は停止される。
更に運転制御手段５０は、タンク給湯運転中（ステップ６５）及び給湯運転停止中に、タンクサーミスタによって貯湯タンク９内の貯湯温度及び貯湯量を検知し、タンク残湯量の判定（ステップ６７）を行うが、通常は規定以上で沸き増し運転は行わず、給湯使用量が前日までの学習推定量に対し多過ぎてタンク残湯量が規定未満の場合はヒートポンプを運転してタンク沸き増し運転（ステップ６８）を行い、貯湯量判定（ステップ６９）において、貯湯温度及び貯湯量が規定値に達してからヒートポンプ運転を停止し、貯湯運転を終了する（ステップ７０）。
前記の湯水使用とタンク残湯量判定を繰り返して１日の給湯使用が終了すると、運転制御手段５０は次の学習制御手段を機能させる。即ち、タンク残湯温度，残湯量，給湯使用量などを検知して当日の湯水使用量を算出し、翌日使用量の推定算出を行い、夜間の沸き増し温度及び量，沸き増し運転開始時刻等の夜間沸き増し条件を設定する（ステップ７１）。
前記運転開始の設定時刻になると、規定のタンク沸き増し量になるよう、再び夜間貯湯運転を行う（ステップ６１）。
なお、前記学習制御手段は、一般的には例えば過去７日間の外気温度や給水温度，湯水使用量等をもとに、夜間沸き増しのみで十分間に合うように翌日の湯水使用量を推定算出したり、効率が最も向上する貯湯量を推定したりする。
次に、第１実施形態のヒートポンプ給湯機における水冷媒熱交換器２の断熱構造について、図３〜図５により説明する。
図３は、ヒートポンプユニット３０の箱体１５の上面を外した状態の平面図を示し、図４は、前記箱体１５の前面を外した状態の正面図を示す。なお、図４においては後方の圧縮機１及び空気熱交換器４を省略している。
ヒートポンプユニット３０の箱体１５は略長方形をしており、背面及び左側面には空気熱交換器４が設置され、これに対向してファンモータ１６により回転するファン５が設置されている。
なお、ファン５には、吸込みタイプと吹き出しタイプがあり、それによってファン５の前後の向きは異なるが、本実施例においては吹き出しタイプのプロペラファンとし、背面及び左側面から空気熱交換器４を通して外気を吸込み、前面に吹き出すものである。
箱体１５は、仕切り板１７によって左右に仕切られている。仕切り板１７によって区切られた右側の空間は、圧縮機１や水冷媒熱交換器２が収容される収容室Ｓであり、この収容室Ｓは、一般的に機械室と呼ばれている。前記水冷媒熱交換器２はこの収容室Ｓの前方側に設置され、圧縮機１は後側に設置されている。
水冷媒熱交換器２は、一端部から他端部に向かって冷媒を流通させるように構成されるものであり、図４に示すように、各端部が上下に位置するように配置されるものである。即ち、水冷媒熱交換器２は、両端間方向を鉛直方向と一致させて、起立させた状態で収容室Ｓ内に配置される。
また、水冷媒熱交換器２は、隣接して配置される複数の熱交換部材２ｇ，２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌから構成される。図３に示す水冷媒熱交換器２では、６個の熱交換部材２ｇ〜２ｌが用いられている。ただし、これに限定されるものではない。各熱交換部材２ｇ〜２ｌは、冷媒側伝熱管２ａと給水側伝熱管２ｃとを重ねてそれぞれコイル状に巻いて形成されており、概略円筒状を有する。
また、複数の熱交換部材２ｇ〜２ｌは、複数の熱交換部材群２ｅ，２ｆに区分して設けられている。具体的には、６個の熱交換部材２ｇ〜２ｌは、３個ずつ２つの熱交換部材群２ｅ，２ｆに区分されている。各熱交換部材群２ｅ，２ｆは、各熱交換部材２ｇ〜２ｉ，２ｊ〜２ｌをそれぞれ対向させて配置されている。ところで、各熱交換部材群２ｅ，２ｆは、同時に運転されるものであってもよく、いずれか一方のみ運転されるものであっても良い。
そして、このヒートポンプ給湯機には、前記水冷媒熱交換器２を囲むように真空断熱材が設けられている。具体的には、前記水冷媒熱交換器２の外周に前記真空断熱材が巻き付けられている。以下、かかる構成に関して詳細に説明する。
まず、真空断熱材１８，１９の構造について説明する。真空断熱材１８，１９としては、平坦な状態において概略四角形状を有するものが用いられる。このように、真空断熱材１８，１９の形状が単純な四角形状とされることで、真空断熱材１８，１９の自動生産が可能となるといったメリットや、取付け作業も容易で部品費及び加工費の低減を図ることができるといったメリットがある。
また、真空断熱材１８，１９は、図７に示すように、断熱材本体２７と、この断熱材本体２７を保護する保護部材２８ａ，２８ｂとを備えて構成される。なお、真空断熱材１８，１９は、同一の構造を有するものであるため、以下では、真空断熱材１８についてのみ説明することとする。保護部材２８ａ，２８ｂは、断熱材本体２７が損傷して真空状態が破壊されることにより断熱効果が失われてしまうことを防止するものである。具体的には、保護部材２８ａ，２８ｂは断熱材本体の両面に接合されるものであり、真空断熱材１８，１９は、断熱材本体２７を両面側から保護部材２８ａ，２８ｂで挟み込んだ三重構造を有する。
ただし、真空断熱材１８，１９は、これに限定されず、保護部材２８ａ，２８ｂが断熱材本体２７のうち特に保護すべき部分にのみ設けられるものであってもよく、例えば、いずれか一方の面のみに接合されるものや、断熱材本体２７が有する面の一部にのみ設けられるものであってもよい。さらに、真空断熱材１８，１９の周囲に突起部などがない場合には、保護部材２８ａ，２８ｂを用いることなく、断熱材本体２７のみを真空断熱材２として用いるものであってもよい。
断熱材本体２７は、グラスウール等のコア材２７ｃをアルミニウムやステンレス等の金属製部材によって真空状態で包むことにより形成されるものである。即ち、断熱材本体２７は、金属製部材の内部にコア材２７ｃが封入されている。具体的には、断熱材本体２７は、金属製薄板（若しくは、金属製フィルム）２７ａ，２７ｂの間にコア材２７ｃを挟んだ構造を有する。より具体的には、断熱材本体は、コア材２７ｃよりも大きい金属製薄板２７ａ，２７ｂを用い、金属製薄板２７ａ，２７ｂがコア材２７ｃからはみ出すように配置し、そのはみ出した周端縁部を密着させることによって作製される。はみ出した周端縁部は、断熱材本体２７に取付ける場合には、例えば内側に折り込まれる。
また、保護部材２８ａ，２８ｂとしては、ウレタン等のクッション材若しくは断熱材が用いられるが、これに限定されるものではなく、ビニール等のフィルムを用いてもよい。
なお、断熱材本体２７に用いられる金属製薄板２７ａ，２７ｂがアルミニウムの場合は、取扱い時に傷付き易いという問題があるため、断熱材本体２７のコア材２７ｃの位置に合わせて保護部材２８ａ，２８ｂを両面から接合することが好ましい。
ところで、断熱材本体２７に用いられる金属製薄板２７ａ，２７ｂは伝熱性が良いため、寸法が小さいと金属製薄板２７ａ，２７ｂの周端縁部の伝熱により断熱効果が減少する。従って、真空断熱材１８，１９は、少なくとも金属性薄板２７ａ，２７ｂの伝熱距離以上の寸法を有するものが良く、できる限り面積の大きなものが良い。かかる真空断熱材２３によれば、小さな真空断熱材を複数並べて用いる方法に比べて、断熱効果を確実なものとすることができる。
当社実験によれば、コア材２７ｃの厚みＡが約５mmの場合には、コア材２７ｃの各辺の寸法（幅又は長さ）Ｂが約２００mm以上あれば十分な断熱効果を発揮でき、コア材２７ｃの厚みＡが約１０mmの場合には、コア材２７ｃの各辺の寸法（幅又は長さ）Ｂが約１００mm以上あれば十分な断熱効果を発揮できることが解かった。
次に、図３，図４を用いて、真空断熱材１８，１９の配置態様について説明する。本実施形態に係るヒートポンプ給湯機においては、各熱交換部材群２ｅ，２ｆに区分された熱交換部材２ｇ〜２ｉ，２ｊ〜２ｌに対応して複数の真空断熱材１８，１９が設けられている。即ち、前記熱交換部材群２ｅ，２ｆは、別個の真空断熱材１８，１９が外周を１周するように巻き付けられており、それぞれ３個の熱交換部材群２ｅ，２ｆが互いに近接，対向して設置されている。また、真空断熱材１８，１９は、外周方向の両端縁部が隙間を有して対向する状態で巻き付けられている。このように、各熱交換部材群２ｅ，２ｆ毎に真空断熱材１８，１９を巻き付けることで、各熱交換部材群２ｅ，２ｆ毎に部品を完成させることができるため、製造工程を効率化することができる。
更に、前記真空断熱材１８，１９の外周方向の端縁部は、複数の熱交換部材２ｇ〜２ｌの間に位置するように配置されている。具体的には、前記真空断熱材１８，１９の外周方向の両端縁部は、各熱交換部材群２ｅ，２ｆの間（若しくは、各熱交換部材群２ｅ，２ｆの対向部分）に配置されている。即ち、各真空断熱材１８，１９の両端縁部の対向部分１８ａ，１９ａは、各熱交換部材群２ｅ，２ｆの間に位置している。これにより、熱交換部材群２ｅ，２ｆに巻き付けられた真空断熱材１８，１９の両端縁部間に隙間が存在しても、両端縁部の対向部分１８ａ，１９ａが水冷媒熱交換器２の内部に位置するため、両端縁部間の隙間１８ａ，１９ａから熱が逃げるのを防止することができる。従って、真空断熱材１８，１９の使用量を少なくすることができる。ただし、両端縁部同士を付き合わせて隙間を無くしたものであってもよい。
また、各真空断熱材１８，１９は、各両端縁部同士の対向部分１８ａ，１９ａの位置を互いに左右にずらして配置されている。これにより、一方の熱交換部材群２ｅに巻き付けられた真空断熱材１８の両端縁部間に隙間が存在しても、そこから熱が逃げるのを他方の熱交換部材群２ｆに巻き付けられた真空断熱材１９によって防止することができる。
なお、圧縮機１，水冷媒熱交換器２，空気熱交換器４には、冷媒配管又は水配管が配設されており、それらが互いに接続されて図１に示すヒートポンプ冷媒回路及びタンク貯湯回路の一部を形成しているが、図３，図４においては省略している。
図３に示すように、水冷媒熱交換器２の外周に断熱性に優れた真空断熱材１８，１９を巻くことにより、水冷媒熱交換器２を直接的に断熱（若しくは、保温）できる。従って、水冷媒熱交換器２の設置場所に関係なく、仕切り板１７がない場合においても、貯湯タンク９についで放熱ロスの大きい水冷媒熱交換器２からの放熱を減少させることができる。なお、前記収容室内に水冷媒熱交換器２と圧縮機１とを収容すれば、より一層水冷媒熱交換器２の放熱ロスを低減することができる。
ところで、水冷媒熱交換器２は、上部からの放熱が大きく、特にこの部分の保温が重要となる。しかも、水冷媒熱交換器２は、上側の端部から下側の端部へ向かって高温冷媒を流し、逆に、下側の端部から上側の端部へ向かって水を流して熱交換を行うため、特に上部が高温となる。従って、前記真空断熱材１８，１９は、水冷媒熱交換器２の少なくとも上側部分に配置される。具体的には、水冷媒熱交換器２の上側部分には真空断熱材１８が配置され、下側部分には発泡ウレタン等の一般的な断熱材によって構成される下部断熱材２１が配置される。このように、特に保温が重要な上側部分のみに真空断熱材１８，１９を用いることによって、コスト低減を図ることができる。
さらに、図４に示すように、前記水冷媒熱交換器２の温度特性を考慮して、水冷媒熱交換器２の頂部にも頂部断熱材２０が配置されている。頂部断熱材２０は、水冷媒熱交換器２及び真空断熱材１８，１９に覆い被さるように配置されており、断面略コの字状を有する。この頂部断熱材２０としては、真空断熱材であってもよいが、断面略コの字状とする加工のし易さを考慮して、発泡ウレタン等の一般的な断熱材が用いられる。具体的には、例えばウレタン発泡成形等によって厚めに製作される。
＜第２実施形態＞
次に、図６を用いて、第２実施形態について説明する。なお、図６は、水冷媒熱交換器２の平面図のみを示すが、例えば図３に示す頂部断熱材２０を含め、その他の構成は基本的に上記実施形態のものと共通する。共通する構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
次に、図６を用いて、第２実施形態について説明する。なお、図６は、水冷媒熱交換器２の平面図のみを示すが、例えば図３に示す頂部断熱材２０を含め、その他の構成は基本的に上記実施形態のものと共通する。共通する構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
図６は、水冷媒熱交換器２の外周に単一の真空断熱材２２を巻き付けたものである。このようにすることにより、一般的に高価な真空断熱材の使用量を少なくすることができる。
また、真空断熱材２２は、外周方向の両端縁部２２ａ，２２ｂを重複させて配置されている。両端縁部２２ａ，２２ｂ同士は、テープ２３等の固定部材を用いて固定されている。ただし、固定部材は、これに限定されるものではない。
さらに、前記真空断熱材２２の外周方向の両端縁部２２ａ，２２ｂは、複数の熱交換部材２ｇ〜２ｌの間に位置するように配置されている。具体的には、真空断熱材２２は、複数の熱交換部材２ｇ〜２ｌの間に形成される凹状部２ｍに外周方向の端縁部が入り込むように設けられている。より具体的には、両端縁部２２ａ，２２ｂの重複部分が前記凹状部２ｍに位置するように設けられている。これにより、両端縁部２２ａ，２２ｂの重複部分が大きく突出するのを好適に防止することができ、水冷媒熱交換器２に真空断熱材２２が巻き付けられた状態でも極めてコンパクトなものとすることができる。
なお、各熱交換部材群２ｅ，２ｆのヒートポンプ運転による加熱を同時に行うこととすれば各熱交換部材２ｇ〜２ｌの温度は互いに同等の温度となるため、各熱交換部材群２ｅ，２ｆ間に真空断熱材を介在させずとも、放熱効果を良好に維持することができる。即ち、この実施形態における構造は、各熱交換部材群２ｅ，２ｆのヒートポンプ運転による加熱を同時に行う方式のヒートポンプ給湯機に好適である。
＜第３実施形態＞
次に、図７を用いて、第３実施形態について説明する。なお、図７は、水冷媒熱交換器２の平面図のみを示すが、例えば図３に示す頂部断熱材２０を含め、その他の構成は基本的に上記実施形態のものと共通する。共通する構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
次に、図７を用いて、第３実施形態について説明する。なお、図７は、水冷媒熱交換器２の平面図のみを示すが、例えば図３に示す頂部断熱材２０を含め、その他の構成は基本的に上記実施形態のものと共通する。共通する構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
図７は、水冷媒熱交換器２に対して一つの真空断熱材２４が用いられるものであり、一つの真空断熱材２４が各熱交換部材群２ｅ，２ｆ毎に熱交換部材２ｇ〜２ｉ，２ｊ〜２ｌの全周を包囲する状態で設けられるものである。即ち、各熱交換部材群２ｅ，２ｆの間に外周方向の両端縁部２４ａ，２４ｂが配置され、且つ、外周方向の中間部が各熱交換部材群２ｅ，２ｆの間に配置される。かかる真空断熱材２４は、上面視略８の字状となる。また、水冷媒熱交換器２及び真空断熱材２４は、その外周側から締付バンド２５及びネジ２６からなる固定部材によって固定されている。ただし、固定部材は、これに限定されるものではない。
この実施形態における構造は、熱交換部材群２ｅ，２ｆごとに保温が行われるものであるため、熱交換部材群２ｅ，２ｆごとに冷媒や水の温度が異なるものであってもよい。従って、各熱交換部材群２ｅ，２ｆのヒートポンプ運転による加熱を別々に行う方式のヒートポンプ給湯機に好適である。
なお、図３〜図６の実施例は、ヒートポンプユニットの構成や運転制御による他、断熱性能重視，部品費の削減，作業性の向上等の優先順位に対応して選択適用することにより、水冷媒熱交換器２の断熱性を図り、かつ、目的に合った効果を得ることができる。
以上説明したように、本実施形態に係るヒートポンプ給湯機は、水冷媒熱交換器２の外周に真空断熱材１８，１９，２２，２４を巻き付けるものであり、材料費及び作業費を最小限に抑えて水冷媒熱交換器２の断熱性を向上し、新たな放熱ロス低減策として省エネ向上を図ることができる。
特に、貯湯タンクの小容量化や業務用などで夜間貯湯のみでは貯湯量が不足し、昼間も沸き増し運転を行うものにあっては、運転間隔が短くなるため、水冷媒熱交換器２の保温性向上による省エネ効果や、加熱運転立ち上がり時間の短縮など多大の効果を得ることができる。
＜第４実施形態＞
次に、図８〜図１２を用いて、第４実施形態について説明する。まず、本実施形態に係る水冷媒熱交換器について説明する。なお、上記実施形態と共通する構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
次に、図８〜図１２を用いて、第４実施形態について説明する。まず、本実施形態に係る水冷媒熱交換器について説明する。なお、上記実施形態と共通する構成については、同一符号を付し、説明を省略する。
第４実施形態においては、水及び冷媒は、互いに逆向きに前記水冷媒熱交換器１１０を流れるように構成され、図８，図９に示すように、前記水冷媒熱交換器１１０は、水及び冷媒の温度に応じて高温部Ｈと低温部Ｌとに区分される。そして、前記真空断熱材１２０，１３０は、図９に示すように、前記水冷媒熱交換器１１０の少なくとも高温部Ｈに対応して配置される。なお、図９では、水冷媒熱交換器と真空断熱材との位置関係を示す関係上、後述する包材１４０等の図示を省略している。
具体的には、前記水冷媒熱交換器１１０は、図８に示すように、流体的に直列に接続される複数の熱交換部材１１０ｃ，１１０ｄ及び１１０ｅ，１１０ｆを備える。熱交換部材１１０ｃ〜１１０ｅの具体的な寸法について説明すると、外径は約６０mmであり、高さは約５００mmである。そして、前記真空断熱材１２０，１３０は、図９に示すように、水の流れにおける後段側に位置する高温の熱交換部材１１０ｄ，１１０ｆに対応して配置される。
即ち、水は、水冷媒熱交換器１１０に対して低温状態で導入された後に高温状態で流出する一方、冷媒は、水媒熱交換器１１０に高温状態で導入された後に低温状態で流出する。従って、複数の熱交換部材１１０ｃ〜１１０ｆのうち、水の流れにおける後段側（若しくは、冷媒の流れにおける前段側）に配置される熱交換部材１１０ｄ，１１０ｆの方が、水の流れにおける前段側（若しくは、冷媒の流れにおける後段側）に配置される熱交換部材１１０ｃ，１１０ｅに比べて高温となる。この結果、水冷媒熱交換器１１０は、全体としてみると、高温部Ｈと低温部Ｌとに区分されることとなる。
また、直列に接続される各熱交換部材１１０ｃ，１１０ｄ及び１１０ｅ，１１０ｆは、両端間方向を一致させて並べて配置され、且つ、冷媒及び水を流通させる向きが隣接する熱交換部材とは逆になるように構成される。即ち、直列に接続される熱交換部材１１０ｃ，１１０ｄ又は１１０ｅ，１１０ｆ同士は、両端間方向（若しくは、長手方向）のいずれか一方の端部側で接続されている。
より具体的には、前記水冷媒熱交換器１１０は、流体的に直列に接続される複数の熱交換部材１１０ｃ，１１０ｄ及び１１０ｅ，１１０ｆによって構成される複数の熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂを備える。前記熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂ同士は、各熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂを構成する熱交換部材１１０ｃ，１１０ｄ及び１１０ｅ，１１０ｆのうち、水の流れにおける後段側に位置する高温の熱交換部材１１０ｄ，１１０ｆ同士を隣接させて配置される。前記水冷媒熱交換器１１０の高温部Ｈは、前記各熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂのうち、隣接させて配置される複数の前記高温の熱交換部材１１０ｄ，１１０ｆによって構成される。また、前記水冷媒熱交換器１１０の低温部Ｌは、低温の熱交換部材１１０ｃ，１１０ｅのそれぞれによって構成される。
また、前記水冷媒熱交換器１１０は、複数の熱交換部材１１０ｃ〜１１０ｆを起立させた状態で水平方向に並べて配置される。即ち、水冷媒熱交換器１１０は、複数の熱交換部材１１０ｃ〜１１０ｆを鉛直面に沿って配置して構成される。前記水冷媒熱交換器１１０は、水平方向両側が前記低温部Ｌとなるとともに、この両側の低温部Ｌ，Ｌの内側が前記高温部Ｈとなる。そして、前記真空断熱材１１０は、前記高温部Ｈを水冷媒熱交換器１１０の厚み方向両側から挟むように対向させて配置される。各熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂを構成する２つの熱交換部材１１０ｃ，１１０ｄ及び１１０ｅ，１１０ｆ同士は、鉛直方向下方側の端部で接続されている。
かかる水冷媒熱交換器１１０における水及び冷媒の流れる経路について説明すると、加熱される水は、水平方向外側に配置される一方の熱交換部材１１０ｃ又は１１０ｅの上端部から導入されて下端部に至り、接続配管を通って水平方向内側に配置される他方の熱交換部材１１０ｄ又は１１０ｆの下端部に導入され、下端部から上端部に至る経路を流れる。逆に、水を加熱する冷媒は、他方の熱交換部材１１０ｄ又は１１０ｆの上端部から導入されて下端部に至り、接続配管を通って一方の熱交換部材１１０ｃ又は１１０ｅの下端部に導入され、下端部から上端部に至る経路を流れる。
次に、上記水冷媒熱交換器１１０に対して用いられる真空断熱材１２０，１３０について、図１０〜図１２を用いて説明する。
真空断熱材１２０，１３０を構成する断熱材本体１２１，１３１は、図１０に示すように、平面視円形状を有する熱交換部材１１０ｃ〜１１０ｆのうち、内側の２つの熱交換部材１１０ｄ，１１０ｆの幅（即ち、熱交換部材の外径の２倍）よりも大きい幅を少なくとも有する。好ましくは、断熱材本体１２１，１３１の幅は、外側に配置される各熱交換部材１１０ｃ，１１０ｅの中心同士の距離と同様の寸法を有する。即ち、断熱材本体１２１，１３１の幅は、約１８０mmである。
また、２つの真空断熱材１２０，１３０の断熱材本体１２１，１３１は、図１１に示すように、それぞれ異なる高さを有する。具体的には、一方側の真空断熱材１２０の断熱材本体１２１は、熱交換部材１１０ｃ〜１１０ｆのほぼ全高さに対応して設けられ、約４６０mmの高さを有する。また、水冷媒熱交換器１１０の他方側の下方部分の近傍には各種配管が配置されるため、この部分には真空断熱材１３０を配置するスペースがない。従って、他方側の真空断熱材１３０の断熱材本体１３１は、一方側よりも小さく形成され、約３００mmの高さを有する。なお、図１０及び図１２においては、水冷媒熱交換器の断熱構造を概念的に示すために、水冷媒熱交換器１１０に接続される各種配管等を省略して図示している。
また、真空断熱材１２０，１３０の厚みに関してであるが、上記第１実施形態で述べたとおり、コア材の厚みＡが約５mmの場合には、コア材の各辺の寸法（幅又は長さ）Ｂが約２００mm以上に設定され、コア材の厚みＡが約１０mmの場合には、コア材の各辺の寸法（幅又は長さ）Ｂが約１００mm以上に設定される。そして、断熱材本体を保護する保護部材としては、約３mmの厚みを有するウレタンが採用される。
なお、真空断熱材１２０，１３０を構成する保護部材１２２，１３２は、断熱材本体１２１，１３１よりも大きいもの（即ち、保護部材１２２，１３２の端縁が断熱材本体１２１，１３１の端縁よりもはみ出るもの）が好ましいが、その大きさは特定のものに限定されない。
さらに、水冷媒熱交換器１１０は、両側から真空断熱材１２０，１３０で挟まれた上で、図１２に示すように、さらに包材１４０によって包まれている。包材１４０としては、任意のものを用いることができるが、断熱性を有するものが好ましく、例えば難燃性を有するフェルトが用いられる。フェルトは、約５mmの厚みを有する。また、包材１４０には、水冷媒熱交換器１１０を包んだ状態を維持することができるように、面ファスナ１４３等の固定手段が設けられている。
具体的には、包材１４０は、図１１，図１２に示すように、水冷媒熱交換器１１０の側面を被覆する側面被覆部１４１と、水冷媒熱交換器１１０の上側を被覆する上側被覆部１４２とを備える。前記面ファスナ１４３は、側面被覆部１４１の端部及び上側被覆部１４２の端部に設けられる。
水冷媒熱交換器１１０は、上述のような包装状態でヒートポンプユニット３０に組み込まれるものであり、次に、上述のような包装状態とする方法について、図１１を用いて説明する。まず、包材１４０を平面状に展開した状態とし、その上に真空断熱材１２０を載置する。次に、前記高温部Ｈが真空断熱材１２０の上となるように水冷媒熱交換器１１０を載置する。そして、水冷媒熱交換器１１０の高温部Ｈの上に真空断熱材１３０を載置する。最後に水冷媒熱交換器１１０を真空断熱材１２０，１３０ごと包むように包材１４０を畳む。このとき、真空断熱材１２０，１３０がずれないように緊締力を作用させて包材１４０を畳む。
このように、水冷媒熱交換器１１０は、包材１４０できつく包むことによって真空断熱材１２０，１３０がずれないようにしているが、これに限定されず、水冷媒熱交換器１１０と真空断熱材１２０，１３０とを任意の手段によって固定するものであってもよい。
なお、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、上記各実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。
例えば、真空断熱材は、全周に巻き付けられるものでなくてもよく、外周の一部に部分的に巻き付けられるものであってもよい。
また、真空断熱材は、圧縮機１と水冷媒熱交換器２とを纏めてこれらの外周に巻き付けられるものであってもよい。
また、本発明に係るヒートポンプ給湯機は、前記水冷媒熱交換器を囲むように真空断熱材が配置されるものであればよく、例えば、前記水冷媒熱交換器を収容する収容室が設けられ、前記収容室を画成する壁部のうち前記水冷媒熱交換器と対向する部分に真空断熱材が備えられるものであってもよい。
また、水及び冷媒が互いに逆向きに前記水冷媒熱交換器１１０を流れるように構成され、前記水冷媒熱交換器１１０は、水及び冷媒の温度に応じて高温部Ｈと低温部Ｌとに区分され、前記真空断熱材１３０，１４０は、前記水冷媒熱交換器１１０の少なくとも高温部Ｈに対応して配置されるヒートポンプ給湯機として、第４実施形態を例に説明したが、第１〜第３実施形態に係るヒートポンプ給湯機もこのような構成を有するヒートポンプ給湯機に該当する。
また、前記水冷媒熱交換器１１０は、２つの熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂによって構成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、熱交換部材群は１つであってもよく、３つ以上であってもよい。同様に、各熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂは、２つの熱交換部材１１０ｃ，１１０ｄ及び１１０ｅ，１１０ｆによって構成されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、各熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂを構成する熱交換部材は、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。
また、前記水冷媒熱交換器１１０は、複数の熱交換部材１１０ｃ〜１１０ｆを起立させた状態で水平方向に並べて配置されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂ同士を対面させて配置したものであってもよい。この場合には、各熱交換部材群１１０ａ，１１０ｂを構成する熱交換部材１１０ｃ〜１１０ｆのうち、水の流れにおける後段側に位置する高温の熱交換部材１１０ｄ，１１０ｆ同士と、前段側に位置する低温の熱交換部材１１０ｃ，１１０ｅ同士とをそれぞれ対向させて配置する構造が考えられる。
また、前記真空断熱材１３０，１４０は、水冷媒熱交換器１１０の厚み方向両側に配置されるものとして説明したが、これに限定されるものではなく、片面側のみに配置されるものであってもよい。このような構造は、例えば、水冷媒熱交換器１１０の他方側に圧縮機１等の高温の部材が配置され、断熱するよりは圧縮機１等の高温の部材からの熱を当てる方が好ましい場合などに採用され得る。
１ 圧縮機
２，１１０ 水冷媒熱交換器
４ 空気熱交換器
９ 貯湯タンク
１１ 湯水混合弁
１３ 台所蛇口
１４ タンク循環ポンプ
１５ 箱体
１７ 仕切り板
１８，１９，２２，２４，１２０，１３０ 真空断熱材
２０ 頂部断熱材
２１ 下部断熱材
３０ ヒートポンプユニット
４０ 貯湯ユニット
５０ 運転制御手段
１４０ 包材
２，１１０ 水冷媒熱交換器
４ 空気熱交換器
９ 貯湯タンク
１１ 湯水混合弁
１３ 台所蛇口
１４ タンク循環ポンプ
１５ 箱体
１７ 仕切り板
１８，１９，２２，２４，１２０，１３０ 真空断熱材
２０ 頂部断熱材
２１ 下部断熱材
３０ ヒートポンプユニット
４０ 貯湯ユニット
５０ 運転制御手段
１４０ 包材
Claims (8)
- 圧縮機によって圧縮された冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器を備えて構成され、
前記水冷媒熱交換器を囲むように真空断熱材を配置したヒートポンプ給湯機において、
前記水冷媒熱交換器の外周に沿って真空断熱材を巻き付けた断熱構造を有し、
前記水冷媒熱交換器は、隣接して配置される複数の熱交換部材から構成され、
前記真空断熱材の外周方向の端縁部は、複数の熱交換部材の間に位置するように配置されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
- 前記複数の熱交換部材は、複数の熱交換部材群に区分して設けられるとともに、
前記真空断熱材は、各熱交換部材群に区分された熱交換部材に対応して複数設けられ、
前記各真空断熱材は、それぞれ外周方向の両端縁部同士を対向させるように巻き付けられ、
各真空断熱材の両端縁部同士の対向部分は、各熱交換部材群の間に配置される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。
- 各真空断熱材は、各両端縁部同士の対向部分の位置を互いにずらして配置されることを特徴とする請求項２に記載のヒートポンプ給湯機。
- 圧縮機によって圧縮された冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器を備えて構成され、
前記水冷媒熱交換器を囲むように真空断熱材を配置したヒートポンプ給湯機において、
前記水冷媒熱交換器の外周に沿って真空断熱材を巻き付けた断熱構造を有し、
前記水冷媒熱交換器は、隣接して配置される複数の円筒状の熱交換部材から構成され、
前記真空断熱材は、複数の熱交換部材の間に形成される凹状部に外周方向の端縁部が入り込むように設けられることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
- 圧縮機によって圧縮された冷媒と水とを熱交換する水冷媒熱交換器を備えて構成され、
前記水冷媒熱交換器を囲むように真空断熱材を配置したヒートポンプ給湯機において、
水及び冷媒は、互いに逆向きに前記水冷媒熱交換器を流れるように構成され、
前記水冷媒熱交換器は、水及び冷媒の温度に応じて高温部と低温部に区分され、
前記真空断熱材は、前記水冷媒熱交換器の少なくとも高温部に対応して配置されることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
- 前記水冷媒熱交換器は、流体的に直列に接続される複数の熱交換部材を備え、
前記真空断熱材は、水の流れにおける後段側に位置する高温の熱交換部材に対応して配置されることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ給湯機。
- 前記水冷媒熱交換器は、流体的に直列に接続される複数の熱交換部材によって構成される複数の熱交換部材群を備え、
前記熱交換部材群同士は、各熱交換部材群を構成する熱交換部材のうち、水の流れにおける後段側に位置する高温の熱交換部材同士を隣接させて配置され、
前記水冷媒熱交換器の高温部は、前記各熱交換部材群のうち、隣接させて配置される複数の前記高温の熱交換部材によって構成されることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ給湯機。
- 前記水冷媒熱交換器は、複数の熱交換部材を起立させた状態で水平方向に並べて配置され、
前記水冷媒熱交換器は、水平方向両側が前記低温部になるとともに、この両側の低温部の内側が前記高温部となり、
前記真空断熱材は、前記高温部を水冷媒熱交換器の厚み方向両側から挟むように対向させて配置されることを特徴とする請求項５に記載のヒートポンプ給湯機。
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