JP5561412B2 - 給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、沸き上げた湯を貯湯槽に貯えて給湯に利用したり、また、その保有熱を利用する給湯装置に関する。

従来、この種の給湯装置は、例えば図７のようなものがある（例えば、特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に記載された従来の給湯装置を示すものである。図７に示すように、貯湯槽１と、この貯湯槽１内に熱交換器としての蛇管２を設けて、浴槽３の水を蛇管２に循環させることにより、風呂の追い焚き加熱をおこなう構成としている。

特開２００３−２１４７１１号公報

しかしながら、熱交換器に蛇管２を用いる前記従来の構成では、蛇管２に浴槽からの水を循環させた場合、蛇管２周囲の貯湯槽内湯温が低下して下降する水流が発生するが、この水流は図８に示すように、蛇管２に沿うことによって次第に加速されることになり（矢印の長さは流速を示す）、速度が大きくなった下降水流が貯湯槽１内を下方へ向かう。

ここで温度成層を形成して貯湯するこの種の給湯装置では、湯を利用する過程で貯湯槽１内に湯３と水４が接してそれぞれの中間の温度になる層５（以降、混合層５と呼ぶ）ができるが、下降水流はこの層５に達して撹拌作用を及ぼす。

すると、混合層５が大きくなって貯湯した湯温が必要以上に低下するため利用できる湯量が減少する。同時に混合層５の下部の水温は上昇することにもなる。このことは、次回の沸き上げ時に、より高い温度の水を加熱しなければならないことになり、加熱手段６にヒートポンプを使用している場合は水温が高いと運転効率が低下するという特性があることから、効率的な運転に支障をきたすという問題がある。

このように、蛇管２のように貯湯槽１内で高さ方向に流路が配置された熱交換器では、混合層５が拡大することによる利用可能湯量の減少と、ヒートポンプによる沸き上げ時の効率低下という課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加熱効率を向上させた給湯装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の給湯装置は、上部が略半円球状に形成された貯湯槽と、臨界圧を超える圧力で運転するヒートポンプサイクルを有し、前記貯湯槽内の水を加熱する加熱手段と、前記貯湯槽の下部と前記加熱手段とを接続する第１の配管と、前記加熱手段と前記貯湯槽の上部とを接続し、前記加熱手段で加熱された温水を前記貯湯槽の上部へと戻す第２の配管と、前記貯湯槽内の上方に配設され、流路を有し、前記貯湯槽内の上方の温水と前記流路内を流れる湯水とが熱交換することで、前記流路内を流れ
る湯水の温度を上昇させる熱交換器と、を備え、前記熱交換器は、前記流路が渦巻状に巻かれた渦巻状部を有し、前記渦巻状部は、内側の流路が外側の流路よりも鉛直方向において高い位置となるように配置されて、略すり鉢状に形成されることで、前記流路の周囲で生じる下降水流のうち、前記流路を形成する管の上側で生じる下降水流が、前記貯湯槽の内表面に向かって下降することを特徴とするもので、貯湯槽内に生じる下降水流を最小限にとどめ、混合層の撹拌作用を抑制することができる。

本発明によれば、加熱効率を向上させた給湯装置を提供できる。

本発明の実施の形態１における給湯装置の構成図 同熱交換器の平面図 同貯湯槽内温度分布を示した図 同熱交換器近傍の流速を示した図 同別形状の熱交換器の平面図 同別形状の熱交換器の平面図 従来の給湯装置の構成図 同熱交換器近傍の流速を示した図

第１の発明は、上部が略半円球状に形成された貯湯槽と、臨界圧を超える圧力で運転するヒートポンプサイクルを有し、前記貯湯槽内の水を加熱する加熱手段と、前記貯湯槽の下部と前記加熱手段とを接続する第１の配管と、前記加熱手段と前記貯湯槽の上部とを接続し、前記加熱手段で加熱された温水を前記貯湯槽の上部へと戻す第２の配管と、前記貯湯槽内の上方に配設され、流路を有し、前記貯湯槽内の上方の温水と前記流路内を流れる湯水とが熱交換することで、前記流路内を流れる湯水の温度を上昇させる熱交換器と、を備え、前記熱交換器は、前記流路が渦巻状に巻かれた渦巻状部を有し、前記渦巻状部は、内側の流路が外側の流路よりも鉛直方向において高い位置となるように配置されて、略すり鉢状に形成されることで、
前記流路の周囲で生じる下降水流のうち、前記流路を形成する管の上側で生じる下降水流が、前記貯湯槽の内表面に向かって下降することを特徴とする給湯装置で、貯湯槽内に設けた熱交換器の流路周囲に生じる下降水流を最小限にとどめて貯湯槽内の撹拌作用を抑え、混合層が拡大することに起因する利用可能湯量の減少を防ぐことができるので、良好な使い勝手と高い省エネルギー性を実現できるという効果がある。

また、熱交換器流路を、渦巻き状に形成したことを特徴とするもので、一般的な貯湯槽の形状である円筒に対して収めやすいという効果がある。

また、貯湯槽内の水を加熱する加熱手段を設け、前記加熱手段として、ヒートポンプサイクルを用いたことを特徴とするもので、エネルギーの利用効率が上がり、省エネルギー性に優れた給湯装置を実現できる。

また、ヒートポンプサイクルを、圧力が臨界圧力以上となる超臨界冷媒回路とし、前記臨界圧力以上に昇圧された冷媒により水を加熱する構成としたことにより、沸き上げ温度を高温にできるので、利用できる熱量の増大と湯切れ防止性を向上することができる。

第２の発明は、特に第１の発明の熱交換器の流路を、複数の直線部分と複数の曲がり部分とで形成したことを特徴とするもので、貯湯槽の形状に応じて、流路を任意に構成できるという効果がある。

第３の発明は、特に第１または２の発明の熱交換器の流路を、単一経路で形成したことを特徴とするもので、簡単な構成を実現し、漏れなどの少ない高い信頼性を実現できる効果がある。

第４の発明は、特に第１または２の発明の熱交換器の流路を、貯湯槽内における水の入口付近で複数の流路に分岐し、水の出口付近で連結させる構成としたことを特徴とするもので、必要な流路長と圧力損失および熱通過率を適切に設計できるという効果がある。

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は本発明の第１の実施の形態における給湯装置の構成を示す図である。

図１において、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段としてのヒートポンプユニット６と、このヒートポンプユニット６に加熱前の水を送出する前記貯湯槽１の下部に接続された第１の配管７と、前記ヒートポンプユニット６から加熱後の水を前記貯湯槽１に戻す前記貯湯槽１の上部に接続された第２の配管８と、貯湯槽１内の上方に設けた風呂追い焚き用の熱交換器９と、浴槽１０と浴槽１０内の水を熱交換器９へ送出する第３の配管１１と、熱交換器９から熱交換後の水を浴槽１０へ戻す第４の配管１２と、給湯栓１３と、給湯栓１３に給湯するために貯湯槽１の上部に接続された給湯配管１４と、貯湯槽１下部および給湯配管１４と混合弁１５を介して接続された給水配管１６とからなる。

なお、熱交換器９と第３の配管１１および第４の配管１２を接続するために貯湯槽１には第１の接続具１７と第２の接続具１８とを設けている。

図２は、貯湯槽１内の熱交換器９の平面図を示し、本体はステンレス管である流路９ａを渦巻状に巻いたものである。外側の端は第１の接続具１７を介して第３の配管１１と接続され、内側の端は貯湯槽１上部に設けた第２の接続具１８（図１に図示）を介して第４の配管１２に接続されている。

最も外側に配される流路９ａは、貯湯槽１の内表面とほぼ一定の間隔を保ち、より内側に位置する流路９ａは、順に外側の流路９ａに沿わせて間隔を開けずに配するとともに、隣り合う流路９ａは、内側が外側よりも高い位置、すなわち、貯湯槽１の下方向に向かって開口面積が大きい、略すり鉢状に配置されている。

以上のように構成された給湯装置について、以下その動作、作用を説明する。

基本的な動作としては、沸き上げ前は貯湯槽１に低温の水が多く満たされており、運転を開始すると、第１の配管７を通じて貯湯槽１の水がヒートポンプユニット２に送出され、そこで加熱されて高温の湯が第２の配管８を通じて貯湯槽１に戻される。これによって貯湯槽１には高温の湯が貯えられていく。

沸き上げ後の給湯利用の際には、給湯配管１６を通じて貯湯槽１の高温の湯が送られ、この湯が給水配管１６からの給水と混合弁１５により、設定温度に混合されて給湯栓１３から供給される。また、給湯に使用された湯量相当の水が給水配管１６を通じて貯湯槽１下部から流入する。

風呂の水を加熱する際には、浴槽１０の水を第３の配管１１を通じて熱交換器９に送り
、前記熱交換器９の流路９ａにて、貯湯槽１内を循環し、貯湯槽１内の湯水と熱交換されて温度上昇した水が、第４の配管１２で浴槽１０に戻される。

以上の動作において、使用中の貯湯槽１内は、高温の湯３と低温の水４が積み重なっている状態となり、これらの湯３と水４の間には、熱伝導や対流により中間の温度となる混合層５が存在する。

図３は、混合層５の大きさによる利用可能な湯量の違いを説明するものである。横軸を温度、縦を貯湯槽１高さをとした場合の、貯湯槽１内の湯の温度分布を示している。１９は混合層５ａの小さい状態、２０は混合層５ｂの大きい状態のそれぞれの温度分布を示す。

たとえば、温度ｔｓが給湯利用可能な温度の下限である場合、利用できる熱量の差を模式的に表わすと領域２１に相当し、混合層５が大きくなるほど湯切れが起こりやすく、また、利用できる熱量が少ないことはすなわち省エネルギー性が低い。

混合層５ａ、５ｂの下部を比較すると、混合層５ｂの水温のほうが高い場合が多く、このことは次回沸き上げ時にヒートポンプユニット６に対して、より高温の水が入ることになる。ヒートポンプユニット６は沸き上げ前の水温が高いほど効率が悪化するので、沸き上げ時においても混合層５が大きいことは省エネルギー性を損ねることになる。

図４は、貯湯槽１内での熱交換器９の断面を示す。熱交換器９を構成するステンレス管の流路９ａは、貯湯槽１内で外側に向かって順に低い位置に並んでいるため、管の上側で生じた水流は徐々に加速しながら、貯湯槽１の内表面近くに達し、そのまま内表面に沿って下降する。

この水流は貯湯槽１の最も外側を通るので、混合層５の上に残っている高温の湯との混合は少なく、混合層５に達する。さらに混合層５に達しても、撹拌は周縁部で起こるので比較的混合層５を拡大させる作用は小さい。

一方、管の下側の下降水流は小さい流速でほぼ一様に下降する。この水流は互いに影響を及ぼしにくく、小さい流速のまま貯湯槽１内を下降して、混合層５に与える影響は小さい。

このように、貯湯槽１内に設けた熱交換器９の流路９ａの周囲に生じる下降水流による悪影響を最小限にとどめることにより、貯湯槽１内の撹拌作用を抑え、混合層５が拡大することに起因する利用可能湯量の減少とヒートポンプユニット２での沸き上げ効率の低下を防ぐことができるので、良好な使い勝手と高い省エネルギー性とを実現できる。

また、熱交換器９は略円形の渦巻状とすることにより、円筒形の貯湯槽１の場合にその形状に合わせやすく、かつ必要な管長を確保しやすいという利点がある。

なお、熱交換器９内の水の流れを流路の外側から内側としたが、逆方向、すなわち入口を第２の接続具１８側、出口を第１の接続具１７側として内側から外側にしても同様の効果が得られる。

さらに、ヒートポンプユニット６の冷凍サイクルは冷媒として二酸化炭素を用い、臨界圧を越える圧力で運転することが好ましい。二酸化炭素を冷媒として用いることで沸き上げ温度を高温にできるので、貯湯槽１内の湯温を自在に制御できる。

また、図５は、直線部分と曲がり部分で流路９ａを構成して、略矩形の形状に加工した熱交換器９であり、この場合は角形の貯湯槽１に適用できる。

また、図６は、貯湯槽１内における熱交換器９内を流れる水の入り口付近で第１の分岐部２２と、出口付近で第２の分岐部２３とを設けることにより、熱交換器９の流路を２系統に分けて、流路長と圧力損失および熱通過率の関係を適切に設計することが可能となる。

以上のように、本発明にかかる給湯装置は、貯湯槽内の湯の熱を利用する場合において給湯可能湯量の減少を最小限とするので、前記したような家庭用の給湯装置に適用できるほか、熱源と貯湯槽を有するシステムにおいて業務用などの規模の大きい用途にも適用し、優れた省エネルギー性を提供できる。

１ 貯湯槽
６ 加熱手段（ヒートポンプユニット）
９ 熱交換器
９ａ 流路
１０ 浴槽

Claims (4)

1. 上部が略半円球状に形成された貯湯槽と、
   臨界圧を超える圧力で運転するヒートポンプサイクルを有し、前記貯湯槽内の水を加熱する加熱手段と、
   前記貯湯槽の下部と前記加熱手段とを接続する第１の配管と、
   前記加熱手段と前記貯湯槽の上部とを接続し、前記加熱手段で加熱された温水を前記貯湯槽の上部へと戻す第２の配管と、
   前記貯湯槽内の上方に配設され、流路を有し、前記貯湯槽内の上方の温水と前記流路内を流れる湯水とが熱交換することで、前記流路内を流れる湯水の温度を上昇させる熱交換器と、を備え、
   前記熱交換器は、前記流路が渦巻状に巻かれた渦巻状部を有し、
   前記渦巻状部は、内側の流路が外側の流路よりも鉛直方向において高い位置となるように配置されて、略すり鉢状に形成されることで、
   前記流路の周囲で生じる下降水流のうち、前記流路を形成する管の上側で生じる下降水流が、前記貯湯槽の内表面に向かって下降することを特徴とする給湯装置。
2. 前記熱交換器の前記流路を、複数の直線部分と複数の曲がり部分とで形成したことを特徴とする請求項１に記載の給湯装置。
3. 前記熱交換器の前記流路を、単一経路で形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の給湯装置。
4. 前記熱交換器の前記流路を、前記貯湯槽内における水の入口付近で複数の流路に分岐し、水の出口付近で連結させる構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の給湯装置。