JP5942091B2 - ヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来の給湯機は、加熱手段により貯湯槽内の低温水を加熱することにより高温水とし、その高温水を同じ貯湯槽内へ貯湯し、低温水と水回路内で混合することにより目標温度に制御して熱利用端末へ供給している。

また、熱利用端末（例えば浴槽）の熱を利用して貯湯槽内の低温水を加熱して貯湯槽内へ貯湯する回路を有したものも考えられている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の給湯機を示すものである。図４に示すように、貯湯槽１と加熱手段２（電気ヒータ）と熱交換器２０と熱利用端末２３（浴槽）と熱利用出湯管２１と熱利用戻り管２２と給水管５から構成されている。

特開２００３−２６９７９１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、貯湯槽１の側面に熱利用戻り管２２が直接接続され、熱利用戻り管２２内を流れる湯水が貯湯槽１内へ熱利用戻り管２２の出口から噴出するように構成されているため、噴出する水流による貯湯槽１内の湯水の攪拌量が大きくなり、攪拌の大きさによって生じる中温水の生成量が多くなる。

加熱手段２が、電気ヒータの場合は問題ないが、ヒートポンプ装置の場合は、沸き上げ運転時の入水温度が上昇してヒートポンプ装置の効率の悪化につながる。

図６は、従来の技術における熱利用戻り管２２から噴出される水流による貯湯槽１内の攪拌の状態について示したものである。

熱利用戻り管２２の出口から噴出する水流の流束はひとつの円状となり、その大きさは熱利用戻り管２２出口の管内径できまり、また水流速は出口面積とそこを通過する水流量により決まる。水流量は熱交換器２０の加熱能力により決まり、また熱利用戻り管２２の管径の大きさは、熱利用戻り管２２による圧損がポンプ入力に悪影響を及ぼさない管径を維持する必要がある。

これらの条件より従来、熱利用戻り管２２出口から貯湯槽１内へ噴出す水流は噴流状態となり、図４に示すように貯湯槽１内を突進して対抗する貯湯槽１の内壁と衝突する。

その衝突により貯湯槽１の上下左右方向に水流が大きく反射することにより攪拌量が大きくなり、中温水の生成量が多くなる。

加熱手段２がヒートポンプ装置の場合は、貯湯槽１の底部から順番にヒートポンプ装置内に設置された加熱手段２へ水を循環して夜間の沸き上げ運転が行われるため、中温水の生成量が必要以上に多くなると加熱手段２へ送られる中温水の量が増加し効率が低下することになる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、中温水の発生量が増加することによる利用可能湯量の減少と、沸き上げ運転時の効率低下とを抑えて、省エネルギー性に優れたヒートポンプ給湯機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、本発明のヒートポンプ給湯機は、貯湯槽の下部の水がヒートポンプ装置にて加熱され、再び前記貯湯槽の上部に戻され、貯湯されるヒートポンプ給湯機において、前記貯湯槽の上部の湯を熱交換器に導く熱利用出湯管と、前記熱交換器にて熱交換された湯水を、噴出し水流調整手段に導く熱利用戻り管とを備え、前記噴出し水流調整手段の噴出し口からの湯水は、前記貯湯槽の内壁近傍で、前記貯湯槽の上下方向に対して略水平方向、かつ、前記熱利用戻り管の管内水流方向に対し略直角方向の両側のみから前記貯湯槽内へ流入する構成とするとともに、前記噴出し口は、前記噴出し水流調整手段に複数配設されていることを特徴とするものである。

これによって、どれかの噴出し口が噴出し口が目詰まりした際にも、熱交換器を通過する湯水の循環量の低下を防止できることで、熱交換器における熱交換機能の低下を防止できる。

本発明によれば、温水の発生量が増加することによる利用可能湯量の減少と、沸き上げ運転時の効率低下とを抑えて、省エネルギー性に優れたヒートポンプ給湯機を提供できる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の構成図 （ａ）本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の貯湯槽の横断面図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の貯湯槽の縦断面図 （ａ）同ヒートポンプ給湯機における噴出し水流調節手段の正面図（ｂ）同ヒートポンプ給湯機における噴出し水流調節手段の上面図 同ヒートポンプ給湯機給湯装置における他の噴出し水流調節手段の上面図 従来の給湯機の断面図 （ａ）従来の給湯機の貯湯槽の横断面図（ｂ）従来の給湯機の貯湯槽の縦断面図

第１の発明は、貯湯槽の下部の水がヒートポンプ装置にて加熱され、再び前記貯湯槽の上部に戻され、貯湯されるヒートポンプ給湯機において、前記貯湯槽の上部の湯を熱交換器に導く熱利用出湯管と、前記熱交換器にて熱交換された湯水を、噴出し水流調整手段に導く熱利用戻り管とを備え、前記噴出し水流調整手段の噴出し口からの湯水は、前記貯湯槽の内壁近傍で、前記貯湯槽の上下方向に対して略水平方向、かつ、前記熱利用戻り管の管内水流方向に対し略直角方向の両側のみから前記貯湯槽内へ流入する構成とするとともに、前記噴出し口は、前記噴出し水流調整手段に複数配設されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これによって、どれかの噴出し口が噴出し口が目詰まりした際にも、熱交換器を通過する湯水の循環量の低下を防止できることで、熱交換器における熱交換機能の低下を防止できる。

第２の発明は、前記貯湯槽の上部に接続された第１の出湯管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の上下方向において前記第１の出湯管が接続された位置と前記給水管が接続された位置との間に接続された第２の出湯管とを備え、前記噴出し水流調整手段は、前記貯湯槽の、前記第２の出湯管の接続位置と略同一高さの位置、あるいは、それより高い位置に接続されていることを特徴とするものである。

これにより、熱利用戻り管から流入する水流により生じる中温水の量を、噴出し水流調
整手段により抑制するとともに、生成した中温水を第２の出湯管により優先的に利用することが可能となり、貯湯槽内の温度分布への悪影響を抑制でき、ヒートポンプ装置の沸き上げ運転時における入水温度への影響を低減できるので、より効率の良いヒートポンプ給湯機を提供することができる。

第３の発明は、前記噴出し口に、流路抵抗体を設けたことを特徴とするものである。

これによって、流路抵抗体を設けた噴出し口から吐出する均一な水流が、他の噴出し口から吐出する水流の影響を受けにくくなり、均一な流速分布を維持することができる。したがって、貯湯槽内の噴出し水流による攪拌量を低減することが可能となり、中温水の生成量を抑制できる。

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、本発明の第１の実施の形態における貯湯式ヒートポンプ給湯機の構成を示す図である。

図１において、ヒートポンプ給湯機は、貯湯槽１と、この貯湯槽１の水を加熱する加熱手段であるヒートポンプ装置２と、貯湯槽１の上部に接続された第１の出湯管３と、貯湯槽１の下部に接続された給水管５と、第１の出湯管３と給水管５とが接続された位置の間、すなわち、高さ方向において貯湯槽１の胴部略中央部に接続された第２の出湯管４と、給水管５から分岐された給水分岐管１０と、第１の出湯管３と第２の出湯管４とが入口側に接続された第１の混合弁６と、この第１の混合弁６の出口側に接続された出湯管合流管８と給水分岐管１０とが入口側に接続された第２の混合弁７と、この第２の混合弁７の出口側に接続された混合水管９とから構成されている。

さらに、貯湯槽１の上部に接続された熱利用出湯管２１と、熱利用出湯管２１に接続された熱交換器２０と、貯湯槽１の高さ方向において、貯湯槽１上部で第１の出湯管３および熱利用出湯管２１が貯湯槽１に接続している位置と、第２の出湯管４が貯湯槽１に接続している位置との間に接続された噴出し水流調整手段４０とを備えている。

以上のように構成された給湯機について、以下、その動作、作用を説明する。

基本的な動作としては、沸き上げ運転前は貯湯槽１に低温の水が満たされており、運転を開始すると、貯湯槽１の水が沸き上げ管１６により、ヒートポンプ装置２に送出され、そこで加熱されて高温の湯が貯湯槽１に戻され、貯湯槽１には高温の湯が貯えられていく。

また貯湯槽１内における湯水の温度分布は、湯水の密度によって、貯湯槽１の上部に高温の湯が貯えられ、順に下部方向に温度が低くなるように上下方向に分布することになる。

沸き上げ運転後の給湯利用の際には、第１の出湯管３と第２の出湯管４を通じて出湯される貯湯槽１の湯を、第１の混合弁６によって混合された出湯管合流管８内の湯と、給水分岐管１０からの給水とを、第２の混合弁７によって給湯設定温度に混合されて給湯口１１へ供給される。

また、給湯に使用された湯量相当の水が給水管５を通じて貯湯槽１下部から流入する。
また、熱利用端末２３利用の際には、貯湯槽１から高温の湯が熱利用出湯管２１を通じて熱交換器２０に送られ、熱利用端末２３の循環回路と熱交換した後の中温水が熱利用戻り管２２を経由し、噴出し水流調整手段４０により水流の衝突エネルギーを小さくすることを目的とし、噴出し流速を小さくし、分散しながら流れの方向が制御されて貯湯槽１内へ流入する。

流入する位置における貯湯槽１内の湯水の温度は熱交換した後の中温水の温度より高い温度の場合が多く、したがって、噴出し水流調整手段４０が接続されている位置より下方の湯が中温水となる場合も多くなる。

その後、給湯が発生した場合、第２の出湯管４が噴出し水流調整手段４０よりも下方の位置に接続されているため、噴出し水流調整手段４０により噴出された中温水が、優先的に利用され、噴出し水流調整手段４０から噴出された中温水による温度分布への影響を効率的に取り除くことができる。

また、噴出し水流調整手段４０は貯湯槽１の上部に接続されているため、貯湯槽１下部の給水温度帯との距離が大きくなることにより、給水帯の温度への影響度が小さくなるため、ヒートポンプ装置２の沸き上げ運転時における中温水の量が増加することによる効率低下を低減できる。

以上のように、本実施の形態によれば、噴出し水流調整手段４０の貯湯槽１との接続位置を第２の出湯管４の貯湯槽１との接続位置よりも高い位置にすることにより、熱利用戻り管２２から流入する水流により生じる中温水の量を、噴出し水流調整手段４０により抑制するとともに、生成した中温水を第２の出湯管により優先的に利用することが可能となりヒートポンプ装置の沸き上げ運転時の効率低下を防ぐことができる。よって高い省エネルギー性を実現した貯湯式ヒートポンプ給湯機とすることができる。

本発明において、噴出し水流調整手段４０の接続位置は、第２の出湯管４の接続位置より高い位置としているが、第２の出湯管４の接続位置の下方でもその近傍であれば、ほぼ同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態における貯湯式給湯機の構成および噴出し水流調整手段４０から貯湯槽１内へ噴出された水流の状態を示した図である。

図２において、貯湯槽１内の湯水を沸き上げる場合には、貯湯槽１の下部の水がヒートポンプ装置２にて加熱され、沸き上げ管１６にて、再び貯湯槽１の上部に戻され、貯湯される。この構成のため、沸き上げ運転時終了直前等においては、ヒートポンプ装置２への入水温度が上昇し、高圧側のエンタルピー差が小さくなるため、ヒートポンプ装置２の運転効率が低下する傾向にある。

また、風呂や床暖房等の熱利用端末２３にて熱伝達させる場合には、貯湯槽１の上部の湯を熱利用出湯管２１を介して熱交換器２０に導き、熱交換器２０にて熱交換し、熱利用戻り管２２を介して、後述の噴出し水流調整手段４０より、貯湯槽１の高さ方向において、略中央部付近または熱利用出湯管２１と略中央部との間に戻す構成としている。

そして、熱交換器２０にて熱交換した熱を、熱利用回路１７にて熱利用端末２３に伝達している。

また、貯湯槽１の側面に設けられた戻り口１ｂに噴出し水流調整手段４０が連結され、
熱利用戻り管２２は噴出し水流調整手段４０に連結されている。

図３は、本発明の実施の形態における噴出し水流調整手段４０に配置された噴出し口の構成図である。

噴出し水流調整手段４０に形成された２つの流路抵抗体（網４２）を設けた噴出し口４１ａと４１ｂは、貯湯槽１内の内壁近傍の位置に設けられ、貯湯槽１の上下方向に対して水平、かつ熱利用戻り管２２の管内水流に対して略直角方向となるように両側に形成されている。

また、噴出し水流調整手段４０に形成された第２の噴出し口４３ａと４３ｂは、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂに対して、管内水流方向の下流側の位置に配置され、貯湯槽１の上下方向に対して水平、かつ熱利用戻り管２２の管内水流に対して略直角方向となるように両側に形成されている。

また、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂ、第２の噴出し口４３ａと４３ｂはそれぞれ開口面積を略同一とし、４つの噴出し口の開口面積の合計は熱利用戻り管２２の流路面積の約２〜３倍とした。

また、第２の噴出し口４３ａと４３ｂの開口面積の合計は、４つの噴出し口の開口面積の合計の約１／５とした。

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。

熱利用戻り管２２内を経由して噴出し水流調整手段４０に流入する湯水は噴出し水流調整手段４０に構成された流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂ、および第２の噴出し口４３ａと４３ｂから貯湯槽１内へ流入する。

流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂは流路抵抗体として網４２を有しており、網４２には稼働時間が増えるにつれて、水道水に由来する不純物等が網４２に付着していく。

不純物等が付着し流路を完全に閉塞してしまうと、熱利用出湯管２１、熱利用戻り管２２に湯水が流れなくなり、熱交換器２０を介した貯湯槽１と熱利用端末２３との間の熱交換機能が損失される。

しかしながら、第２の噴出し口４３ａと４３ｂは網４２のような流路抵抗体を有していないため、目詰まりのリスクは極めて少ないことから、網４２が目詰まりを起こし、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂが完全に閉塞されてしまったとしても、第２の噴出し口４３ａと４３ｂは閉塞されにくく、流路が完全に閉塞する可能性は小さい。

第２の噴出し口４３ａと４３ｂの開口面積を大きくすればするほど、目詰まりのリスクは少なくできるが、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂの開口面積に対して大きくなりすぎると、第２の噴出し口４３ａと４３から吐出する湯水の流量が増加し、網４２を通過する流量が減少する。よって、流路抵抗体である網４２の湯水の流束を分散する効果が薄れてしまう。

以上のことから本実施形態においては、噴出し水流調整手段４０において、第２の噴出し口４３ａと４３ｂの開口面積の合計を４つの噴出し口の開口面積の合計の約１／５とした。流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂから吐出する湯水の流速と、第２の噴出
し口４３ａと４３ｂから吐出する湯水の流速が均一になり、かつ流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂが閉塞した場合にも、第２の噴出し口４３ａと４３ｂを通して流路を確保することができる。

これによって、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂが目詰まりした際にも、貯湯槽１と熱利用端末２３との間の熱交換機能の損失を防ぐことができ、故障のリスクを低減した貯湯式給湯器とすることができる。

また、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂ、第２の噴出し口４３ａと４３ｂは貯湯槽１内の内壁近傍の位置に熱利用戻り管２２の管内水流に対して略直角方向となるように対向した箇所に形成され、かつ、貯湯槽１の上下方向に対して略水平関係になるように形成されている。

従って、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂ、第２の噴出し口４３ａと４３ｂから貯湯槽１内へ流入する水流は、貯湯槽１の上下方向に対して、略水平に流入するとともに、熱利用戻り管２２の管内水流方向に対し略直角方向に左右方向の両側に分散して流入する。

この流入方向により内壁への衝突角度を浅くできることから、概ね貯湯槽１の内壁の形状にそって周方向に進む水流となる。２つの水流が衝突するまでの走行距離は貯湯槽１の内壁の周長の１／２となり、従来の技術の走行距離である貯湯槽１内壁直径に比べて、走行距離が長くなる。水流の流速は周辺の水との粘性摩擦により走行距離が長くなるほど低下する。

また、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂおよび第２の噴出し口４３ａと４３ｂはそれぞれ開口面積をほぼ同等とし、その合計面積を熱利用戻り管２２の水路面積の約２〜３倍としているので流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂ、第２の噴出し口４３ａと４３ｂから流入する水流の噴出し流速は約１／２〜１／３と小さくなる。水流の衝突エネルギーと流速の関係はＥ＝１／２ｍｖ２の関係があり、流速の二乗に比例する。したがって流速を１／２にすると衝突エネルギーは１／４となり攪拌量も１／４となる。

このように噴き出し口の面積を熱利用戻り管２２の水路面積に対して大きくすればするほど噴き出し口からの噴出し流速は小さくなるが、一方で噴出し口の面積を大きくすればするほど噴出し水流調整手段４０の長さが長くなり、貯湯槽１内壁との相対位置が変化して内壁との衝突角度が深くなり効果が減少する。また、噴出し水流調整手段４０のコストアップにつながり、組立て性も悪くなる。

以上のことから本実施形態においては約２〜３倍とした。流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂ、第２の噴出し口４３ａと４３ｂで分散された水流は貯湯槽１の内壁の周長の１／２を走行後、正面から衝突するが、噴出し流速を１／２〜１／３とすることにより衝突エネルギーを１／４〜１／９とし、かつ走行距離を（π／２）倍にしたことにより衝突する時点での衝突エネルギーは著しく小さくなる。よって衝突による攪拌量も効果的に小さくすることができる。

また、第２の噴出し口４３ａと４３ｂを、流路抵抗体である網４２を設けた噴出し口４１ａと４１ｂに対し、熱利用戻り管２２の管内水流方向の下流側に配置している。

第２の噴出し口４３ａと４３ｂには、目詰まり防止のため流路抵抗体を設けていないため、第２の噴出し口４３ａと４３ｂから貯湯槽内に流入する水流は、熱利用戻り管２２の管内水流方向に対して直角方向よりもやや流れの方向に傾く。

図４は、第２の噴出し口４３ａと４３ｂを、流路抵抗体である網４２を設けた噴出し口４１ａと４１ｂに対し、熱利用戻り管２２の管内水流方向の上流側に配置した場合の噴出し水流調整手段４０の構成図である。

熱利用戻り管２２の管内水流方向に対して、上流側に第２の噴出し口４３ａと４３ｂを設置した場合には、第２の噴出し口４３ａと４３ｂから噴出する水流が、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂから噴出する水流に干渉し、均一な流れを乱し、攪拌量を大きくしてしまう。

よって、本実施形態においては、第２の噴出し口４３ａと４３ｂを、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂに対し、熱利用戻り管２２の管内水流方向の下流側に配置し、貯湯槽１内の湯水の攪拌量を小さくした。

貯湯槽１内の湯水の温度分布は密度差により貯湯槽１の上下方向に分布する。つまり、上下方向に攪拌が大きくなると、温度分布を乱すことにつながる。略水平に流入させ、かつ水流と貯湯槽１内壁および水流同士の衝突による上下方向の攪拌量を低減することで、中温水の生成量を抑制できる。

よって、上下方向の攪拌量を低減することは、貯湯槽内の温度分布の乱れを抑制できることにつながる。

以上のように、本実施の形態においては、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂ、第２の噴出し口４３ａと４３ｂからの噴出し水流を略水平方向に複数分散させ、噴出し口の面積を大きくして噴出し流速を小さくし、第２の噴出し口４３ａと４３ｂからの噴出し水流が、流路抵抗体を設けた噴出し口４１ａと４１ｂからの噴出し水流に干渉しないようにした噴出し水流調整手段４０を備えたヒートポンプ給湯機とした。

これによって、貯湯槽内の湯水の温度分布の乱れを抑制することが可能となる。したがって中温水の増加による利用可能湯量の減少とヒートポンプ装置の沸きあげ時の効率低下を防止することができ利便性と省エネ性に優れたヒートポンプ給湯機とすることができる。

以上のように、本発明にかかるヒートポンプ給湯機は、中温水の量が増加することによる利用可能湯量の減少とヒートポンプ装置の沸き上げ運転効率の低下を防止することができるので、家庭用のほか、業務用などのヒートポンプ給湯機にも適用できる。

１ 貯湯槽
２ 加熱手段（ヒートポンプ装置）
３ 第１の出湯管
４ 第２の出湯管
５ 給水管
６ 第１の混合弁
７ 第２の混合弁
８ 出湯管合流管
９ 混合水管
１０ 給水分岐管
１１ 給湯口
１６ 沸き上げ管
２０ 熱交換器
２１ 熱利用出湯管
２２ 熱利用戻り管
２３ 熱利用端末
４０ 噴出し水流調整手段
４１ａ 流路抵抗体を設けた噴出し口
４１ｂ 流路抵抗体を設けた噴出し口
４２ 網（流路抵抗体）
４３ａ 第２の噴出し口
４３ｂ 第２の噴出し口
５０ 攪拌領域

Claims (3)

1. 貯湯槽の下部の水がヒートポンプ装置にて加熱され、再び前記貯湯槽の上部に戻され、貯湯されるヒートポンプ給湯機において、前記貯湯槽の上部の湯を熱交換器に導く熱利用出湯管と、前記熱交換器にて熱交換された湯水を、噴出し水流調整手段に導く熱利用戻り管とを備え、前記噴出し水流調整手段の噴出し口からの湯水は、前記貯湯槽の内壁近傍で、前記貯湯槽の上下方向に対して略水平方向、かつ、前記熱利用戻り管の管内水流方向に対し略直角方向の両側のみから前記貯湯槽内へ流入する構成とするとともに、前記噴出し口は、前記噴出し水流調整手段に複数配設されていることを特徴とするヒートポンプ給湯機。
2. 前記貯湯槽の上部に接続された第１の出湯管と、前記貯湯槽の下部に接続された給水管と、前記貯湯槽の上下方向において前記第１の出湯管が接続された位置と前記給水管が接続された位置との間に接続された第２の出湯管とを備え、前記噴出し水流調整手段は、前記貯湯槽の、前記第２の出湯管の接続位置と略同一高さの位置、あるいは、それより高い位置に接続されてい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。
3. 前記噴出し口に、流路抵抗体を設け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。

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