JP5782572B2 - 瞬間湯沸器 - Google Patents

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Description

本発明は、瞬間湯沸器に関し、特に、ヒートポンプで加熱する湯沸器に関する。
瞬間湯沸器は、通常即湯器又は瞬間 湯沸かし器とも呼ばれ、その特徴は冷水が流れ込むと熱湯が出湯し、湯水栓を開くと、短時間内に絶え間なく熱湯を供給でき、熱湯を使用しない時、湯水栓を閉めて水路を切断すると、短時間内に加熱を停止できる。現在の瞬間湯沸器は、大半が電気加熱式とガス式となっている。
電気加熱式瞬間湯沸器の原理は、大電力の電気ヒーターで加熱ゾーンに流れ込んだ冷水を急速加熱することで、迅速に予定する使用温度に到達させ、冷水が流れ込んでから熱湯が出湯する目的を達成する。貯蔵式湯沸器上の貯湯槽(例えば家庭用電気湯沸器の貯湯槽の容積は一般的に数10リットル以上に達する)を除去したため、その体積がコンパクトで、取り付けに便利である。また使用前、貯湯槽内の貯湯を一定温度まで加熱する必要がなく、用水量も貯湯量と温度の制限を受けず、蛇口をひねるだけですぐにお湯が使えるため、貯蔵式湯沸器に比べ大幅に便利性をアップし、且つ蛇口をひねるだけですぐにお湯が使えるという特徴により、スタンバイしている時も貯湯を加熱保温する必要がないため、エネルギー消費を大幅に節約し、より一層省エネ且つ環境に配慮されている。
ただし電気加熱式瞬間湯沸器は、その電力が比較的大きく、ある種の回路環境において取り付け要件を満たすことができない。電気加熱の特徴のため、その熱変換効率も期待できない。
ガス瞬間湯沸器の使用範囲が比較的幅広いが、使用するガス(天然ガス、液化石油ガス或いは水性ガス等)は再生不可能エネルギーであるため、貴重な自然資源にとって無駄であり、且つガス式湯沸器の不完全燃焼といった原因で、一酸化炭素中毒等のリスクが存在している。
空気エネルギー湯沸器はまた空気熱源ヒートポンプ湯沸器と呼ばれ、近年新規勢力として突然現れて勝ち組になった湯沸器タイプである。その原理は湯沸器内のヒートポンプ中の冷媒を利用して空気中の低温熱エネルギーを吸収し、コンプレッサーの圧縮を経た後で高温熱エネルギーに変換することで、水を加熱する。ヒートポンプによる熱エネルギーに変換する加熱方式が採用され、この種の湯沸器は高効率省エネの特徴を持ち合わせ、ある報道では省エネ効果が電気湯沸器の4倍、ガス湯沸器の3倍になると言及されている。
空気エネルギー湯沸器に用いられる現行の空気熱源ヒートポンプ給湯・暖房システムは一般的に3部分からなり、1つ目が本体部分、2つ目がタンク部分、3つ目が暖房システム部分である。家庭用タイプタンクについて1、容量が一般的に150〜320Lで、タンクの体積が非常に大きく、据付時も建築面積の広いスペースを占用する必要があり、タンクをブラケットで壁外に取り付けることもあり、タンク本体に水の重量を加えと、このような取り付け方式は非常に危険である。2、タンク内層部本体に使用される材料及び技術は、ステンレス鋼内層部或いは陶磁内層部を問わず、製造技術の欠陥により、タンクからの漏水が避けられない。3、タンク内部の熱交換器は、一般的に銅管又はステンレス鋼管が使用され、水質の悪い地域では、熱交換チューブが腐食して破損してしまい、冷媒の漏えいにつながる。一度漏えいが起きると、機器ユニットにとって致命的な損傷となってしまう。4、本体とタンクの間に接続管により相互連結する必要があるため、据付時に人為的なミスで冷媒の漏えいが起きることが避けられない。5、貯湯式ヒートポンプの特性は、水温を比較的高い温度まで上昇させる必要があり、且つ所要時間が比較的長いため、すぐにお湯を使いたいという要求を満たすことができず、また長時間使用し続けると、水温変化が比較的大きく、使用に当たっての快適性に影響を及ぼす。また、凝縮温度の高さが機器ユニットのエネルギー消費を決定する。従来のタンク付き機器ユニットでは、長期に渡って高凝縮温度と高凝縮圧力の下で運転されるため、コンプレッサーの寿命にとって極めて大きな試練となる。6、貯湯式タンクを採用すると、水を使う時水とお湯を混ぜ合わせなければならず、このようにすると以下のいくつかの問題があり、つまり1)タンク内の熱湯使用率が高くない、2)タンクが保温過程中において、水温が下がっていてエネルギー消費が増える、3)利用者の家に水栓を取り付ける時、必ず混水栓を取り付ける必要があるため、材料コストが増す。7、一般的に暖房システムでタンク内の熱エネルギーを取る時、タンク内部に1個の熱交換コイルを取り付けて床暖房コイル或いは加熱板及び循環水ポンプと閉合回路を構成する必要があり、こうなるとタンク生産技術の困難性が高まり、タンクの容積を占めてしまう。
よって、現在業界内において各種湯沸器の問題解决が克服しにくい原理性の欠陥が存在している。
本発明は、ヒートポンプで加熱する瞬間湯沸器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明はコントローラと水路とヒートポンプ循環回路と、を含む瞬間湯沸器を提供する。
水路は水流方向により順番通り入水口と加熱部と出水口とを含む。
ヒートポンプ循環回路も順番通りコンプレッサーと蒸発器と凝縮器と節流装置とを含み、前記コンプレッサーがコントローラと制御接続し、前記凝縮器は加熱用凝縮器と圧力除去用凝縮器とを備え、前記加熱用凝縮器と水路中の加熱部と伝熱接触し、前記加熱用凝縮器と圧力除去用凝縮器がヒートポンプ循環回路内で並列接続するよう設けられ、加熱用凝縮器がある分岐回路に加熱用凝縮器バルブが設けられ、圧力除去用凝縮器がある分岐回路に圧力除去用凝縮器バルブが設けられ、前記加熱用凝縮器バルブと前記圧力除去用凝縮器バルブがコントローラと制御接続している。
前記コントローラは、コンプレッサーのオンオフ、加熱用凝縮器バルブと圧力除去用凝縮器バルブの開閉の制御に用いられ、湯沸器で給湯する時、加熱用凝縮器バルブの開きを維持し、コンプレッサーをオフにしようとする時、コンプレッサーの運転時間が所定時間を上回っているかどうかを判断し、上回っている場合、コンプレッサーをオフにし、上回っていない場合、加熱用凝縮器バルブを閉め、圧力除去用凝縮器バルブを開き、コンプレッサーを所定時間まで継続運転させてからコンプレッサーをオフにする。
前記瞬間湯沸器は、ファンを含み、蒸発器と圧力除去用凝縮器がファンで形成される同じ風道内に位置する。
前記蒸発器と圧力除去用凝縮器が放熱板を通じて伝熱接続する。例えば、蒸発器と圧力除去用凝縮器は銅管−フィンを通じて全体的に拡径接合してからなる。
前記瞬間湯沸器は、出水温度センサーを更に含み、前記出水温度センサーがコントローラと接続し、水路内の水流の出水温度の検出に用いられる。
前記コントローラは、湯沸器が給湯し且つ出水温度センサーで検出され出水温度が設定した圧力除去温度より高くなった時、圧力除去用凝縮器バルブを開く。
前記加熱用凝縮器バルブと圧力除去用凝縮器バルブは、電磁弁とする。
並列接続手段として、ある状態においてコンプレッサーの運転時間の判断は、所定時間の元の数値を含む。つまりコンプレッサーの継続運転時間の間隔が既定値以上となった場合、コンプレッサーをオフにし、異なる場合、加熱用凝縮器バルブを閉めて圧力除去用凝縮器バルブを開き、コンプレッサーを所定時間まで継続運転させてからコンプレッサーをオフにする。
本発明の瞬間湯沸器は、貯湯式ヒートポンプ湯沸器と異なり、貯湯式ヒートポンプ湯沸器の大部分の時間が静的加熱状態にあるため、ヒートポンプシステムが作動した時、大部分の時間が比較的高い凝縮温度(或いは凝縮圧力)にある。本発明の瞬間湯沸器は、水を使う時動的加熱方式を用い、動作時凝縮温度(或いは凝縮圧力)が比較的低いため、ヒートポンプの効率がより一層高く、ヒートポンプシステムの運転が劣化せず、コンプレッサーの寿命が更に長くなる。
コンプレッサーをオンにした瞬間、コンプレッサー内の冷凍機油は大半が冷媒と一緒にコンプレッサーから排出され、冷媒システムが数個の循環を終える前に稼働停止する場合、冷凍機油がシステムの管路及び凝縮器と蒸発器内にとどまり、次回コンプレッサーを起動した時、コンプレッサー内の機油が少ないため、コンプレッサーへの潤滑作用が低下してしまい、もしも長期に渡ってこのように起動運転する場合、コンプレッサーの寿命に影響を及ぼしてしまう。
コンプレッサーをオンにした瞬間、コンプレッサー内の冷凍機油は大半が冷媒と一緒にコンプレッサーから排出され、冷媒システムが数個の循環を終える前に稼働停止する場合、冷凍機油がシステムの管路及び凝縮器と蒸発器内にとどまり、次回コンプレッサーを起動した時、コンプレッサー内の機油が少ないため、コンプレッサーへの潤滑作用が低下してしまい、もしも長期に渡ってこのように起動運転する場合、コンプレッサーの寿命に影響を及ぼしてしまう。機器ユニットの短時間運転で起きる油還流問題を解決するため、圧力除去用凝縮器の分岐回路を通じて機器ユニットの運転時間を適切に延長することで、油還流の目的を達成する。
本発明内の制御接続とは、コントローラと制御される部材が次の接続関係にあり、つまりコントローラから発せられた制御信号は、制御される部材が制御信号に対応する動作を完成させることができることをいう。その機械的接続或いは電気的接続関係は直接的、または間接的とすることもでき、例えば、コントローラが、電気信号を発して電磁弁の開閉を制御でき、またも電気信号を通じてまずエアーポンプを制御し、エアーポンプが気圧を通じてエアー駆動バルブの開閉を制御する。
湯沸器を使用している時、常に水路を開閉し頻繁に通水の状態を切り替えることになるが、瞬間湯沸器は、貯蔵式湯沸器と異なり、大容量の貯湯槽を備えていないため、瞬間湯沸器の加熱装置は常に頻繁にオン或いはオフする必要がある。ヒートポンプ循環で熱源を提供する空気エネルギー湯沸器は、稼働停止後のヒートポンプ循環回路内の冷媒流体は、圧力のバランスをとるため一定時間が必要とし、回路内の冷媒流体の圧力がまだアンバランスの前、コンプレッサーのスタートアップコマンドを発すると、2種類の結果につながる。1)コンプレッサーが直ちにスタートアップできないため、全体的に熱ヒステリシスが起き、水温を急速に設定値に到達させることができず、2)コンプレッサーがスタートアップでき、コンプレッサーの高低圧力の十分なバランスをとれていないため、コンプレッサーの寿命に影響を及ぼしてしまう。本発明の瞬間湯沸器がヒートポンプ循環回路内の凝縮器箇所に並列接続する加熱用凝縮器と圧力除去用凝縮器を設け、各々バルブを設けることで2本の分岐回路の連通状態を制御する。湯沸器で正常に給湯される時、加熱用凝縮器がある分岐回路がオープン状態にあり、高温高圧の冷媒を凝縮させて水路の加熱部に対し熱を供給する。コンプレッサーの継続動作時間が不足するが、給湯する必要もない時、加熱用凝縮器がある分岐回路をオフにすることで、加熱用凝縮器から水路の加熱部に対する熱供給を停止し、同時に圧力除去用凝縮器をオンにしてヒートポンプ循環を継続循環させ、所定動作時間に到ってからコンプレッサーをオフにし、このようにすることでコンプレッサーの緊急停止による設備への損傷を避けることができる。
図1は、本発明の具体的実施例の構造ブロック図である。
図2は、本発明の具体的実施例の構造を示す図である。
図3は、本発明の具体的実施例の蒸発器と圧力除去用凝縮器が放熱板を通じて連結する構造を示す図である。
6入水口、3加熱部、5出水口、1コンプレッサー、7節流装置、18蒸発器、181蒸発器の接続口、182蒸発器の接続口、4加熱用凝縮器、19圧力除去用凝縮器、191圧力除去用凝縮器の接続口、192圧力除去用凝縮器の接続口、2加熱用凝縮器バルブ、14圧力除去用凝縮器バルブ、204入水栓、203出水栓、201シャワー、202湯船、10フィルタ、11膨張弁、17圧力除去細管、9気液分離器,15モータ、16ファンブレード、30フィン、40加熱用凝縮器からの管路、50コイル。
以下、本発明の技術内容、構造の特徴、達成する目的及び効果を理解させるため、実施例を添付図面に基き詳細に説明する。
図1、図2を参照すると、図1、図2に示すように本実施形態は、コントローラと水路とヒートポンプ循環回路と、を含む瞬間湯沸器を提供する。
水路は水流方向により順番通り入水口6と加熱部3と出水口5とを含む。
ヒートポンプ循環回路も順番通りコンプレッサー1と蒸発器18と凝縮器と節流装置7とを含み、前記コンプレッサーがコントローラと制御接続し、前記凝縮器は加熱用凝縮器4と圧力除去用凝縮器19とを備え、前記加熱用凝縮器と水路中の加熱部と伝熱接触し、前記加熱用凝縮器4と圧力除去用凝縮器19がヒートポンプ循環回路内で並列接続するよう設けられ、加熱用凝縮器がある分岐回路に加熱用凝縮器バルブ2が設けられ、圧力除去用凝縮器がある分岐回路に圧力除去用凝縮器バルブ14が設けられ、前記加熱用凝縮器バルブ2と前記圧力除去用凝縮器バルブ14がコントローラと制御接続している。
加熱用凝縮器と加熱部の伝熱接触は、凝縮器を加熱部の中に設置して直接加熱部内部の中の水と熱伝導を通じて熱交換を行うこことができる。凝縮器を加熱部の管路或いは容器の外壁に付着設置もでき、管路と外壁の熱伝導によって熱交換を行う。フラットプレート式熱交換器とすることができ、またコイル式熱交換器とすることもできる。
図2に示すような実施例において、水路の入水口6と入水栓204が互いに連結し、出水口と出水栓203が互いに連結し、出水栓がシャワー201或いは湯船202等の外部の水使用部材と連結できる。
ヒートポンプ循環回路がコンプレッサーから2個の並列接続凝縮器の分岐回路に分け、つまり加熱用凝縮器がある分岐回路と圧力除去冷凝縮器所のある分岐回路であり、具体的に以下の通りとする。
加熱用凝縮器がある分岐回路は、順番通り加熱用凝縮器バルブ2と加熱用凝縮器4とフィルタ10と膨張弁11と、を含む。
圧力除去冷凝縮器がある分岐回路は、順番通り圧力除去用凝縮器バルブ14と圧力除去用凝縮器19と圧力除去細管17と、を含む。
2本の分岐回路が合流した後、蒸発器18と互いに連結し、蒸発器18の後ろにおいて気液分離器9を通じてコンプレッサー1と互いに連結する。
上記実施例内の節流装置7は、膨張弁11と圧力除去細管17とを含む。
前記コントローラは、コンプレッサーのオンオフ、加熱用凝縮器バルブと圧力除去用凝縮器バルブの開閉の制御に用いられ、湯沸器で給湯した時、加熱用凝縮器バルブの開きを維持し、コンプレッサーをオフにしようとする時、コンプレッサーの運転時間が所定時間を上回っているかどうかを判断し、上回っている場合、コンプレッサーをオフにし、上回っていない場合、加熱用凝縮器バルブを閉め、圧力除去用凝縮器バルブを開き、コンプレッサーを所定時間まで継続運転させてからコンプレッサーをオフにする。
若干の実施例において、前記瞬間湯沸器は、ファンを含み、蒸発器と圧力除去用凝縮器がファンで形成される同じ風道内に位置する。図2に示すように、ファンはモータ15とファンブレード16からなり、ファンブレードが吹き出す気流は順番通り蒸発器18と圧力除去用凝縮器19を通過し、圧力除去用凝縮器19が作動している時、気流が蒸発器を通過する時温度が下がり、低温気流が圧力除去用凝縮器を通過すると圧力除去用凝縮器の放熱効果を大幅に向上させるため、全体的な暖機運転の循環効率を高めることができ、エネルギー利用率のアップをサポートし、また設備の負荷の軽減もアシストする。若干の実施例において、気流はまず圧力除去用凝縮器を通過すると温度が上昇し、高温気流を利用して蒸発器を加熱し、蒸発器の蒸発効果を向上することも、同様に設備効率も上げることができる。
若干の実施例において、前記蒸発器と圧力除去用凝縮器が銅管−フィンを通じて全体的に拡径接合してからなるため、圧力除去用凝縮器が動作している時、発生した熱エネルギーがフィン上の温度差を通じて蒸発器に直接伝導し、二者間の高効率の熱流量は暖機運転の効率を大幅に高く、設備全体の保守にとっても非常に有利となる。図3に示すような実施例は、圧力除去用凝縮器の接続口191とコンプレッサー排気管が相互に接続し、蒸発器の接続口181とコンプレッサーの気液分離器が相互に接続し、蒸発器の接続口182と圧力除去用凝縮器の接続口192が加熱用凝縮器からの管路40と相互に接続する。圧力除去用凝縮器の接続口192は圧力除去細管17とフィルタ10と更に接続し、圧力除去用凝縮器の2つの接続口の間にコイル50が接続し、同様に蒸発器の2つの接続口の間でもコイル50が接続し、コイル50の間がフィン30を通じて拡径接合することで熱伝導の便宜を図っている。ファンと組み合わせてフィンに対し放熱した場合、その効果はより一層好適となる。
若干の実施例において、前記瞬間湯沸器は、出水温度センサー7を更に含み、前記出水温度センサー7がコントローラと接続し、水路内の水流の出水温度の検出に用いられる。
前記コントローラは、湯沸器が給湯し且つ出水温度センサーで検出され出水温度が設定した圧力除去温度より高くなった時、圧力除去用凝縮器バルブを開く。
水流の変動が比較的大きい時、例えば入水温度が不安定となり、入水温度が上昇した後、過温現象が起き、この場合出水温度により、圧力除去用凝縮器バルブを開いて圧力除去用凝縮器を動作させ、一部のヒートポンプ能力をアンロードすることを判断することも、コンプレッサーの動作負荷の軽減にも有利となり、エネルギー消費の低下効果を奏する。同時に水温が高過ぎることでコンプレッサーをオフにするが避けるものであるが、水温が変動した後、またも急速にコンプレッサーをオンにする状態において、コンプレッサーの頻繁なオン、オフにより、機器ユニットに不良な影響を及ぼすことを避ける。
発明の詳細な説明の項においてなされた具体的な実施例は、あくまでも本発明の技術内容を明らかにするものであって、そのような具体例にのみ限定して狭義に解釈されるべきものではなく、本発明の明細書と添付図面の内容に基づいて行ったこれと同じ効果を持つ効果、若しくはフローの変更、或いはその他関連の技術分野に直接的又は間接的に運用することは、本発明の特許請求の範囲内に含めるものであるのが勿論である。

Claims (10)

  1. 水流方向により順番通り入水口と加熱部と出水口とを含む水路と、
    順番通りコンプレッサーと蒸発器と凝縮器と節流装置とを含み、前記コンプレッサーがコントローラと制御接続し、前記凝縮器は加熱用凝縮器と圧力除去用凝縮器とを備え、前記加熱用凝縮器と水路中の加熱部と伝熱接触し、前記加熱用凝縮器と前記圧力除去用凝縮器がヒートポンプ循環回路内で並列接続するよう設けられ、前記加熱用凝縮器がある分岐回路に加熱用凝縮器バルブが設けられ、前記圧力除去用凝縮器がある分岐回路に圧力除去用凝縮器バルブが設けられ、前記加熱用凝縮器バルブと前記圧力除去用凝縮器バルブがコントローラと制御接続しているヒートポンプ循環回路と、
    前記コンプレッサーのオンオフ、前記加熱用凝縮器バルブと前記圧力除去用凝縮器バルブの開閉の制御に用いられ、湯沸器で給湯する時、前記加熱用凝縮器バルブの開きを維持し、前記コンプレッサーをオフにしようとする時、前記コンプレッサーの運転時間が所定時間を上回っているかどうかを判断し、上回っている場合、前記コンプレッサーをオフにし、上回っていない場合、前記加熱用凝縮器バルブを閉め、前記圧力除去用凝縮器バルブを開き、前記コンプレッサーを所定時間まで継続運転させてから前記コンプレッサーをオフにするコントローラと、
    を含むことを特徴とするコントローラと水路とヒートポンプ循環回路と、を含む瞬間湯沸器。
  2. 瞬間湯沸器は、ファンを含み、前記蒸発器と前記圧力除去用凝縮器がファンで形成される同じ風道内に位置することを特徴とする請求項1に記載の瞬間湯沸器。
  3. 前記蒸発器と前記圧力除去用凝縮器が放熱板を通じて伝熱接続することを特徴とする請求項1に記載の瞬間湯沸器。
  4. 前記瞬間湯沸器は、出水温度センサーを更に含み、前記出水温度センサーが前記コントローラと接続し、前記水路内の水流の出水温度の検出に用いられ、
    前記コントローラは、湯沸器が給湯し、且つ、前記出水温度センサーで検出され出水温度が設定した圧力除去温度より高くなった時、前記圧力除去用凝縮器バルブを開くことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の瞬間湯沸器。
  5. 前記加熱用凝縮器バルブと前記圧力除去用凝縮器バルブは、電磁弁とすることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の瞬間湯沸器。
  6. 水流方向により順番通り入水口と加熱部と出水口とを含む水路と、
    順番通りコンプレッサーと蒸発器と凝縮器と節流装置とを含み、前記コンプレッサーがコントローラと制御接続し、前記凝縮器は加熱用凝縮器と圧力除去用凝縮器とを備え、前記加熱用凝縮器と水路中の加熱部と伝熱接触し、前記加熱用凝縮器と前記圧力除去用凝縮器がヒートポンプ循環回路内で並列接続するよう設けられ、前記加熱用凝縮器がある分岐回路に加熱用凝縮器バルブが設けられ、前記圧力除去用凝縮器がある分岐回路に圧力除去用凝縮器バルブが設けられ、前記加熱用凝縮器バルブと前記圧力除去用凝縮器バルブがコントローラと制御接続しているヒートポンプ循環回路と、
    前記コンプレッサーのオンオフ、前記加熱用凝縮器バルブと前記圧力除去用凝縮器バルブの開閉の制御に用いられ、湯沸器で給湯する時、前記加熱用凝縮器バルブの開きを維持し、前記コンプレッサーをオフにしようとする時、前記コンプレッサーの運転時間が所定時間を上回っているかどうかを判断し、上回っている場合、前記コンプレッサーをオフにし、上回っていない場合、前記加熱用凝縮器バルブを閉め、前記圧力除去用凝縮器バルブを開き、前記コンプレッサーを所定時間まで継続運転させてから前記コンプレッサーをオフにするコントローラと、
    を含むことを特徴とするコントローラと水路とヒートポンプ循環回路と、を含む瞬間湯沸器。
  7. 瞬間湯沸器は、ファンを含み、前記蒸発器と前記圧力除去用凝縮器がファンで形成される同じ風道内に位置することを特徴とする請求項6に記載の瞬間湯沸器。
  8. 前記蒸発器と前記圧力除去用凝縮器が放熱板を通じて伝熱接続することを特徴とする請求項6に記載の瞬間湯沸器。
  9. 前記瞬間湯沸器は、出水温度センサーを更に含み、前記出水温度センサーが前記コントローラと接続し、前記水路内の水流の出水温度の検出に用いられ、
    前記コントローラは、湯沸器が給湯し、且つ、前記出水温度センサーで検出され出水温度が設定した圧力除去温度より高くなった時、前記圧力除去用凝縮器バルブを開くことを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか一項に記載の瞬間湯沸器。
  10. 前記加熱用凝縮器バルブと前記圧力除去用凝縮器バルブは、電磁弁とすることを特徴とする請求項6乃至請求項8のいずれか一項に記載の瞬間湯沸器。
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