JP5343833B2 - 貯湯タンク及びそれを備えた貯湯式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、特に給湯機として用いられ、任意の温度に加熱した温水を貯めておく貯湯タンク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が、昨今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が徐々に増えてきており、このような住宅やマンションでは、加熱された温水を貯めておく大容量の貯湯タンクを備えた給湯機が用いられている。

この加熱方法としては、夜間割引の安価な電力を利用し、夜間に貯湯タンクの内部に配設された電気ヒータで加熱してできた一般的には８０℃以上の温水を、貯湯タンクに貯めておき、この温水と水道水をミキシングして、使用者の欲する任意の温度にして、給湯端末から供給するものもあるが、エネルギー効率の観点から加熱方法として、ヒートポンプを用いた貯湯式のヒートポンプ式給湯機の利用が増えてきている。

これは、大容量の貯湯タンクと、ヒートポンプ回路を組み入れた室外機を備え、夜間割引の安価な電力を利用して、ヒートポンプ回路で水道水を温水に加熱して、その温水を貯湯タンクに貯めておき、この温水と水道水をミキシングして、使用者の欲する任意の温度にして、給湯端末から供給するものである。

このヒートポンプ式給湯機は、冷媒の状態変化を利用して加熱しているので、電気ヒータによる加熱よりエネルギー効率が良く、入力に対する能力は３倍以上確保することが可能であり、ランニングコストも安価となるなどの特徴を持ち、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しないで手軽に設置することができ、普及率が年々上昇してきている。

このように用いられる給湯機に用いられる貯湯タンクは、図１０に示すように、球面状の上部板と筒状の胴板と球面状の下部板で密閉空間を構成し、覆椀状の上部板あるいは下部板の頂部球面状部分や側方の立ち上がり部分には、配管を接続する配管接続部が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２１４７１１号公報

しかしながら、前記特許文献１には、ステンレス板を深絞り加工を行う上部板、下部板に関して加工の際に配慮する点に関してはなんら記載されていない。

このような貯湯タンクの場合、水道による水道圧が直接貯湯タンクに加わり、変形することを防ぐために、水道の給水部と、貯湯タンクの間に水圧を減ずるための減圧弁を設ける。

ところが、給湯端末を開き給水した場合と、給湯端末を閉じた場合の開閉動作によって、開いた場合は大気圧に近い圧力となり、閉じた場合は減圧弁で設定した圧力となり、い
わゆる繰返し荷重が加わることとなる。

その際に、亀裂が生じて水漏れしてしまう恐れがある部位は、上記のバーリング加工を行った接続穴部であり、他の球面状部分と違い加工を行い、変曲しているために応力集中しやすく、亀裂の可能性が高いわけである。

それを防ぐには、貯湯タンクの材料であるステンレス板の板厚を上げることがあるが、それはコストアップにつながるし、質量も上がることで、設置のために搬送する時に搬送しにくくなるなどの課題を有している。

それ以外に、減圧弁の設定圧力を下げて、繰り返し荷重で加わる加圧幅を減ずる方法もあるが、それは給湯端末での水圧が減ずることとなり、シャワー圧が低くなり、シャワーの勢いがなくなってしまう、３階建て住宅で３階給湯するなど高所での給湯する際に、流量が少なく時間がかかる、などの課題が出てくることとなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、貯湯タンクに加圧による繰り返しに荷重が加わった際の強度を向上させることで、加工前材料の板厚を低減でき、コストダウンや軽量化による搬送性に優れた貯湯タンクを提供することをする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の貯湯タンクは、ステンレス材料で深絞り加工後に穴加工を施した半球状の上部板及び半球状の下部板を備え、少なくとも前記上部板、前記下部板を用いて貯湯空間を形成するとともに、前記上部板及び前記下部板に施す穴加工位置は、ステンレス材料のロール目方向、あるいは、前記ロール目と略直角方向であることを特徴とするもので、深絞り加工において、ロール目方向あるいはロール目と直角方向は材料の入り込みが良好なため、深絞り加工による減肉が低減することができることで、穴加工を行った部分の板厚と加工前材料の板厚と差が少なくなる。貯湯を行った際に、加圧された際に半球状の上部板、あるいは、下部板の中で最も応力が高くなるのは穴加工を行った部位であり、その部位に亀裂を生じやすくなっているが、板厚を厚くすることができることで、加工前材料の板厚を薄くすることができ、コストダウンと共に軽量化を図ることができる。

本発明によれば、貯湯タンクに加圧による繰り返しに荷重が加わった際の強度を向上させることで、加工前材料の板厚を低減でき、コストダウンや軽量化による搬送性に優れた貯湯タンクを提供できる。

本発明の実施の形態１における貯湯タンクの外観図 同貯湯タンクの上部板の詳細図 同貯湯タンクを用いた給湯機の全体図 同貯湯タンクを用いた給湯機の回路図 同貯湯タンクの応力シミュレーション図 同貯湯タンクの板厚測定図 同貯湯タンクの他の板厚測定図 同貯湯タンクの他の板厚測定図 同他の貯湯タンクの外観図 従来の貯湯タンクの外観図

第１の発明は、ステンレス材料で深絞り加工後に穴加工を施した半球状の上部板及び半球状の下部板を備え、少なくとも前記上部板、前記下部板を用いて貯湯空間を形成するとともに、前記上部板及び前記下部板に施す穴加工位置は、ステンレス材料のロール目方向、あるいは、前記ロール目と略直角方向であることを特徴とするもので、深絞り加工において、ロール目方向あるいはロール目と直角方向は材料の入り込みが良好なため、深絞り加工による減肉が低減することができることで、穴加工を行った部分の板厚と加工前材料の板厚と差が少なくなる。貯湯を行った際に、加圧された際に半球状の上部板、あるいは、下部板の中で最も応力が高くなるのは穴加工を行った部位であり、その部位に亀裂を生じやすくなっているが、板厚を厚くすることができることで、加工前材料の板厚を薄くすることができ、コストダウンと共に軽量化を図ることができる。

第２の発明は、上部板に形成した穴に給湯配管を、下部板に形成した穴に給水配管を接続したことを特徴とするもので、深絞り加工において、ロール目方向あるいはロール目と直角方向は材料の入り込みが良好なため、深絞り加工による減肉が低減することができることで、穴加工を行った部分の板厚と加工前材料の板厚と差が少なくなる。貯水あるいは貯湯を行った際に、加圧された際に半球状の上部板、あるいは下部板の中で最も応力が高くなるのは穴加工を行った部位であり、その部位に亀裂を生じやすくなっているが、板厚を厚くすることができることで、加工前材料の板厚を薄くすることができ、コストダウンと共に軽量化を図ることができる。

第３の発明は、上部板及び下部板に施す穴加工位置は、頂部Ｒ形状あるいは鉛直部に対して法線方向よりも、ステンレス材料のロール目方向、あるいは、前記ロール目と略直角方向を優先することを特徴とするもので、深絞り加工において減肉の大きな鉛直部の穴加工を優先的に、減肉率の小さな材料のロール目方向、あるいはロール目と略略直角方向に配することで、その部位の耐久性を増すことができ、そのことは加工前材料の板厚ダウンも可能であるし、貯湯タンクにかかる圧力を増すことも可能であり、コストダウンや使用性向上を図ることができる。

第４の発明は、ステンレス材料は、高耐食性フェライト系ステンレス材料としたことを特徴とするもので、加工性、耐久性に優れた材料とすることで、品質の向上を図ることができる。

第５の発明は、水道水を給水するための給水部と、前記給水部には配設した給水圧力を減圧する減圧弁を備え、前記減圧弁の設定圧力を０．２５ＭＰａ以上としたことを特徴とするもので、貯湯タンクの強度を増していることにより、減圧弁の設定圧力を高くすることが可能となり、それにより、シャワー圧を上げて、シャワーの勢いを強くする、あるいは３階建て住宅で３階給湯するなど高所での給湯するために、給湯圧を上げて使用したり、湯はり時間の短縮化が図れることが可能となり、使用性が大幅に向上することとなる。

第６の発明は、熱源装置にて加熱した温水を第１〜第５のいずれかの発明の貯湯タンクに貯湯する貯湯式給湯機で、低コスト化を図りつつ、断熱性能を確保できることにより、より普及度を高めることが可能な給湯機とすることができる。

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、本発明の貯湯タンクの図面であり、１は貯湯タンクの組立完成図、上に上面図、中央に正面図、下に下面図と３面図が記載している。

２は耐腐食性を有するフェライト系ステンレス鋼鈑を絞り加工して球面状に成形した上部板であり、この上部板には頂部に給水口や温水取り出し口である、頂部配管接続部２ａ、球面部に球面部配管接続部２ｂ、側方の鉛直部に側方配管接続部２ｃが設けられている。

また、２ｄは上部板２の加工前のステンレス材料のロール目方向であり、球面部配管接続部２ｂ、側方配管接続部２ｃはロール目方向２ｄに対してそれぞれ略直角、略平行方向に設けられている。また、球面部配管接続部２ｂは、球面状の頂部に対して法線方向に設けられており、側方配管接続部２ｃは、鉛直部に対して法線方向に設けられている。３は上部板２とＴｉｇ溶接で一体化されたステンレス鋼鈑の胴板であり、平板をロール加工にて円筒状にし、縦方向にＴｉｇ溶接してある。

４は胴板３の下方に配され胴板３とＴｉｇ溶接で一体化された下部板であり、上部板２と同様に耐腐食性を有するフェライト系ステンレス鋼鈑を深絞り加工して球面状に成形しており、この下部板４には頂部に給水口や温水取り出し口である頂部配管接続部４ａ、球面部に球面部配管接続部４ｂ、４ｃが設けられている。

また、４ｄは下部板４の加工前のステンレス材料のロール目方向であり、球面部配管接続部４ｂ、球面部配管接続部４ｃはロール目方向４ｄに対してそれぞれ略平行、略直角方向に設けられている。

また、球面部配管接続部４ｂ、４ｃは、球面状の頂部に対して法線方向に設けられている。そして、この３部品で閉塞空間を形成し、その内方に貯湯ことにより、タンクとしての役割を果たすようになっている。

５はこの貯湯タンクを支えるための脚であり、３箇所設けられている。６はこの脚５を保持するための脚金具であり、脚金具６は胴板３にスポット溶接で取り付けられている。図１の正面図においては、形状をわかりやすくするために脚５を一部透過させて下部板４の配管接続部４ａを図示している。

上部板２の詳細断面図を記載したのが図２であり、図１の断面Ａ−Ｂ−Ｃを記載している。２ａは頂部配管接続部、２ｂは球面部配管接続部、２ｃは側方配管接続部であり、その部分の拡大断面図として球面部配管接続部２ｂを下方に記載している。この形状は、頂部配管接続部２ａ、側方配管接続部２ｃも同様である。２ｄは、貯湯タンクの上部板２の球面部に法線方向に設けられたバーリング穴、２ｆはバーリング穴に勘合するように設けられたステンレス製の配管ソケットであり、上部が拡大された形状をしている。そして、バーリング穴２ｅと配管ソケット２ｆはＴｉｇ溶接２ｇで一体化されている。前述したように、球面部配管接続部２ｂ、側方配管接続部２ｃはロール目方向２ｄに対してそれぞれ略直角、略平行方向に設けられている。

図２では上部板２について説明したが、下部板４に関しても同様の形状で、球面部配管接続部４ｂ、球面部配管接続部４ｃなどが設けられている。図３はこの貯湯タンクを用いた給湯機の正面内観図、図４はこの貯湯タンクを用いた給湯機の回路図である。

７は貯湯タンクユニットであり、８はヒートポンプ回路を有するヒートポンプユニットである。そして、この貯湯タンクユニット７とヒートポンプユニット８は、２本の水配管９（９ａ、９ｂ）で繋がっている。貯湯タンクユニット７内部には、ヒートポンプユニット８で加熱された温水を貯めておく貯湯タンク１があり、水道水をヒートポンプユニット８で加熱して温水として貯めておき、必要な際に、水道水とミキシングして、所定の温度にして給湯することとができる。

この貯湯タンク１は、薄板の耐腐食性に優れたフェライト系ステンレス製のプレス部品で構成されて、密閉空間を形成している。この貯湯タンク１の前方には、水道水を供給する給水管１０があり、この給水管１０から供給された水圧を一定の水圧に減ずるための減圧弁１１が配されており、それ以外に水ポンプ１２などの機能部品や、制御Ｐ板１３などの制御部品が配されている。

減圧弁１１は水道水の圧力を概して、従来は１２０ｋＰａ以下に減じて貯湯タンク１に供給するものであり、貯湯タンク１にかかる圧力を減ずることで、貯湯タンク１の変形防止、耐久性向上を確保している。

また、近年では高圧タイプとして、減圧弁１１の設定を１８０ｋＰａまで上げているものも登場しているが、今回のこの仕様では、減圧弁１１の設定を２５０ｋＰａ以上として、２８０ｋＰａまで上げて、さらに高圧タイプのタンクユニット７としている。また、この減圧弁１１にはストレーナを組み込み、水道水内のゴミ、コンタミネーションを除去するようになっている。

１４は密閉された圧力容器である貯湯タンク１の上死点に設けられた、圧力逃し安全弁であり、貯湯タンク１の破裂を防ぐ缶体内の異常圧力を抜くための装置として、減圧弁１１の設定圧力よりも高く設定してある。この仕様では２８０ｋＰａより高い設定として、減圧弁１１のバラツキも考慮して、３４０ｋＰａ程度に設定している。

ヒートポンプユニット８には、圧縮機、放熱器、減圧手段、空気−冷媒熱交換器を順次接続した冷媒サイクルが組み込まれており、１５は圧縮機、１６は放熱器であり、水−冷媒熱交換器として、水道水を加熱する熱交換器であり、１７は減圧手段である膨張弁である。

１８は空気−冷媒熱交換器であり、１９は空気−冷媒熱交換器１８の前方に配された送風手段である送風ファンであり、空気−冷媒熱交換器１８から、風を吸引し、蒸発能力を高め、ヒートポンプ加熱能力を高めるようになっている。

そして、ヒートポンプユニット８で８０℃以上に加熱された水道水は、温水となって、水配管９ｂでタンクユニット７に運ばれ、貯湯タンク１に貯湯されるわけである。

以下、図面に基づいて、上記給湯機の動作を説明する。

給水管１０から給水された水道水は、一旦貯湯タンク１内部に入る。その貯湯タンク１からポンプ１２を介し、水配管９（９ａ）を通りヒートポンプユニット８に送られる。ヒートポンプユニット８では、圧縮機１５を駆動させると、高圧まで圧縮されて吐出された冷媒は、水−冷媒熱交換器である放熱器１６に送られ、ここで水配管９（９ａ）から送られてきた水道水と熱交換して放熱する。

これにより、水道水は高温に加熱され、他方の水配管９ｂで再度、タンクユニット７に送られる。高温となりタンクユニット７に戻った温水は、貯湯タンク１で貯湯される。そして、貯湯された温水は、給湯操作が行われると、貯湯タンク１の温水と、給水管１０から、減圧弁１１を介して給水された水道水が、混合弁２０で混合され、所定の温度となって給湯管２１を介して、蛇口や風呂などの給湯端末２２で給湯される。

この際に、水道圧の圧力が貯湯タンク１に加わらないように、給水管１０には圧力を減ずるための減圧弁１１が設けられており、２８０ｋｐａ程度に減圧を行う。それにより、
給湯端末２２をＯＮ−ＯＦＦすると、２０〜６０ｋＰａ程度の圧力と、減圧弁１１の設定圧力である２８０ｋＰａが繰り返し、貯湯タンク１にかかることとなる。

また、貯湯タンク１内の温度が上昇し、内部圧力が高くなった場合の圧力逃し弁１４が開放されるまでの圧力３３０ｋＰａが貯湯タンク１にかかることとなる。そのため、貯湯タンク１の胴板３は、Ｔｉｇ溶接してある上部板２胴板３の接合部３ａ、下部板４と胴板３の接合部３ｂを支点として、中央部が膨縮を繰返すこととなる。

それと共に、上部板２、下部板４についても、膨縮を繰返すこととなる。その際に、配管接続部であり、バーリング加工を行ったバーリング穴２ｅにも応力がかかり、最も高くなるのは、バーリング加工を施している部位の根元となる。

図５は、貯湯タンク１の上部板２に１．７５ＭＰａの内圧をかけた際の各部のミーゼス応力分布であり、色が濃い部分は応力が少なく、色の薄い部分は応力が高いことを示している。これを見れば、配管接続部であり、バーリング加工を行ったバーリング穴２ｅの根元部分の応力が高いことがわかる。

これは、球面状の部分と変曲した部分であること、バーリング穴２ｅの根元Ｒが大きくできないこと、バーリング穴２ｅを後加工することで、材料が伸ばされ、加工前板厚よりさらに減肉してしまうことによるといえる。

そのため、給湯端末２２をＯＮ−ＯＦＦにより、２０〜６０ｋＰａ程度の圧力と、減圧弁１１の設定圧力である２８０ｋＰａが繰り返し、貯湯タンク１にかかることとなる。実際に長期間に渡って使用された際に、このいわゆる加圧繰返しが頻繁に行われることで、ミーゼス応力の高いバーリング穴２ｅ根元部分が亀裂を生じてしまう恐れがあることとなる。

特に、配管ソケット２ｆが溶接で一体化されているために、溶接の際に、ステンレス部分の貯湯タンク１が加熱され、脆くなってしまうこともあり、応力が高い以上に、亀裂の生じる可能性が高くなっている。

そこで、対策としては、材料であるフェライト系ステンレス板の板厚を上げることが行なわれている。板厚を上げれば、ミーゼス応力が下がるので、前述した加圧繰り返しに対する耐力が強くなる訳である。

ところが、板厚を上げることは、コストアップにつながり、貯湯タンク１のコストアップと共に、タンクユニット７の強度アップ、梱包材料の強度アップによるコストアップも招く。また、重量アップともなり、設置の際に搬送性の悪化ともなってしまう。そこで、貯湯タンク１の板厚を上げないで強度を上げることが求められる。

図６は、貯湯タンク１の深絞り加工後の鉛直部の板厚を周方向に示したものである。上図の２点鎖線は、加工前のステンレス材料を示し、ここでは円状の材料としている。横に引いてある線は、ロール目方向２ｄである。このロール目方向２ｄは、ステンレス材料を延伸して、薄板にする際にロール形状とするために必ず生じるものである。そして、内方にある円が加工後の貯湯タンク１の上面図であり、その中に記載されているＡ〜Ｘが、下図のＡ〜Ｘの板厚にあたる。

ここでわかることは、深絞り加工後の板厚は、ロール目方向２ｄに対して、ロール目と平行方向、直角方向の板厚が厚いということである。これは深絞り加工の際に、金型上の材料が滑って入り込むことと、材料が伸ばされることで深絞り形状ができるのだが、ロー
ル目方向とロール目と直角方向は、材料がより入り込みやすいために、深絞り加工による減肉が低減されることで、相対的に板厚が厚くなるわけである。

そこで、この図１で示したように、深絞り加工を行った後に、バーリング加工を行い、バーリング穴２ｅを設けるのだが、このバーリング穴２ｅをロール目方向２ｄに対して、平行あるいは直角方向に設けることで、深絞り加工後に材料の板厚の相対的に厚い箇所に設けることとなる。

そのため、前述した加圧繰返し際の、応力を低減すことが可能となり、強度を増すことができる。そのことは、加工前のステンレス材料の板厚を薄くすることが可能となることを意味している。つまり、材料のコストを下げること、質量を下げることで搬送性を上げることが可能となる訳である。

図７は、加工前のステンレス材料を円状とした場合と、八角形とした場合の、深絞り加工後の鉛直部の板厚を周方向に示している。斜め四角の点と太い線でａと記した方が円状、三角形の点と細い線でｂと記した方が八角形であるが、八角形の場合はその板厚バラツキが大きいことがわかる。

これは、八角形の場合、球状に深絞り加工を行う際に、加工後形状と、元の材料の距離が異なっているために、距離の長い箇所（図７では、Ｂ，Ｅなどの八角形の角部分）は材料の入り込みが悪くなり、減肉が大きくなるためである。加工前の材料形状としては、円状とすることが望ましいといえる。

ところで、図１で示したように、球面部配管接続部２ｂと、側方配管接続部２ｃなど、複数の配管接続部があり、貯湯タンク１にはそこにバーリング穴が設けられている場合、どちらを優先するかということがある。

図７は、バーリング穴加工を行う前の、貯湯タンク１の上部板２であり、深絞り加工による減肉の大きくなる、ロール目２ｅに対して、４５度方向の板厚、減肉率を測定したものである。これでわかるように、頂部配管接続部２ａ、球面部配管接続部２ｂのある、球面部より、側方配管接続部２ｃのある鉛直部の方が減肉率が大きいことがわかる。

これは深絞り加工の際に、球面部は材料が伸ばされないで、材料が入り込んでいくことで成形され、鉛直部は材料が伸ばされて成形されるために、このようになっている。このことは、減肉率の大きな部位に対して、バーリング穴を設ける際に、その箇所の板厚を厚く保った方が良いということであり、鉛直部に配管接続部をロール目２ｅに対して、平行あるいは鉛直方向に配することを優先した方が良いということである。これは下部板４に関しても同様である。

また、今までは上部板２、胴板３、下部板４を用いた構成について説明してきたが、図９の様に、胴板３がなくて上部板２と下部板４で貯湯タンク１を構成した場合も同様である。

以上のように、本発明は、温水をためてそれを供給する給湯機に適用され、例えば家庭用のヒートポンプ給湯機などに適している。

１ 貯湯タンク
２ 上部板
２ａ、２ｂ、２ｃ 配管接続部
２ｄ ロール目
２ｅ 穴加工位置
３ 胴板
４ 下部板
１０ 給水部
１１ 減圧弁

Claims (6)

1. ステンレス材料で深絞り加工後に穴加工を施した半球状の上部板及び半球状の下部板を備え、少なくとも前記上部板、前記下部板を用いて貯湯空間を形成するとともに、前記上部板及び前記下部板に施す穴加工位置は、ステンレス材料のロール目方向、あるいは、前記ロール目と略直角方向であることを特徴とする貯湯タンク。
2. 上部板に形成した穴に給湯配管を、下部板に形成した穴に給水配管を接続したことを特徴とする請求項１に記載の貯湯タンク。
3. 上部板及び下部板に施す穴加工位置は、頂部Ｒ形状あるいは鉛直部に対して法線方向よりも、ステンレス材料のロール目方向、あるいは、前記ロール目と略直角方向を優先することを特徴とする請求項１または２に記載の貯湯タンク。
4. ステンレス材料は、高耐食性フェライト系ステンレス材料としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の貯湯タンク。
5. 水道水を給水するための給水部と、前記給水部には配設した給水圧力を減圧する減圧弁を備え、前記減圧弁の設定圧力を０．２５ＭＰａ以上としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の貯湯タンク。
6. 熱源装置にて加熱した温水を請求項１〜５のいずれか１項に記載の貯湯タンクに貯湯する貯湯式給湯機。