JP6145541B1 - 給湯器 - Google Patents

Abstract

【課題】使用環境に左右されることなく、エネルギー効率が非常に高いタンクレスな給湯器を提供する。【解決手段】供給される液体が流通する流通路１０と、少なくとも大気中の熱を吸収して流通路１０を流れる液体を加熱するペルチェ素子からなる第１加熱部１１と、流通路１０を流れる液体を電気エネルギーを利用して加熱する第２加熱部１２と、第１加熱部１１及び第２加熱部１２の熱を液体に熱交換する熱交換器１７とを備える。また、複数のペルチェ素子を有し、一のペルチェ素子が電気・電子部品にて発生する熱を吸熱して液体を加熱する。【選択図】図１

Description

本発明は、ペルチェ素子を用いた給湯器に関する。

電気やガスを用いた給湯器が一般的に広く普及している。電気式給湯器として、電熱線を用いた電気温水器やヒートポンプを用いた給湯器が知られている。これらはいずれも貯湯タンクが必要であるため、タンクを設置できない環境においては使用することができず、例えば、ガスや石油等の化石燃料を利用しなければならない。しかしながら、化石燃料は燃焼の際に燃焼ガスを排出するため、室内に設置できない場合が多く、屋外においても設置場所が限定されてしまうという問題がある。

このような問題に関連して、例えば、特許文献１ないし５に示すような技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、給湯装置（１）は、圧縮機（１１）と放熱器（１２）と膨張機構（１３）と蒸発器（１４）とを有する冷媒回路（２）と、放熱器（１２）を流れる冷媒と熱交換するように水が流通する水流路（３）とを備えており、給湯装置（１）に、冷媒回路（２）の放熱器（１２）で放熱した高圧冷媒から吸熱する吸熱側の第１伝熱部（２１ａ）と、水流路（３）の水を加熱する発熱側の第２伝熱部（２１ｂ）とを有するペルチェ素子（２１）を設けるものである。

特許文献２に示す技術は、内部に伝熱液媒体を充填した給湯容器１と、該給湯容器１の下部側壁に容器内側へ凹設した、磁性材料からなる一体形成された円筒状凹容部２と、該円筒状凹容部２中に外側から挿入された円筒状の高周波電磁誘導コイル３と、貯湯槽に循環状に配管され、前記給湯容器１の下部から上部に渡って縦断蛇行状に内蔵された熱交換器４と、さらに前記給湯容器１の上部及び下部に伝熱液媒体を循環可能に接続された太陽光集熱器５とから構成されるものである。

特許文献３に示す技術は、圧縮機５を備えたヒートポンプ熱源２と、前記ヒートポンプ熱源２により給湯用水を加熱するための加熱通路３と、前記加熱通路３内の給湯用水を瞬時に加熱するために電磁誘導加熱手段１７を備えたものである。

特許文献４に示す技術は、複数の電源（商用電源２０２と太陽電池２１２）から供給される電力をそれぞれスイッチング制御する複数のインバータ（第１インバータ２０８と第２インバータ２１８）を備え、ヒートポンプ式給湯装置１００に対し複数のインバータから時分割して排他的に電力を供給するものである。

特許文献５に示す技術は、電源により駆動される水温調整手段を有し、水を所定の温度として給水する給水装置において、水温調整手段として、金属製の通水パイプ７２と通水パイプ７２に巻回され高周波インバータ７３により励磁されて高周波磁束を発生するコイル７１とを含む熱水生成部７と、通水部分にペルチェ素子が適用された冷水生成部８とを備え、商用の交流電源を整流器９２にてその交流電圧の波高値以上の電圧の直流電圧に変換して電気二重層キャパシタ９１が接続されている直流回路に出力し、熱水供給時には電気二重層キャパシタ９１から高周波インバータ７３に給電して通水パイプ７２を加熱し、冷水供給時には電気二重層キャパシタ９１からＤＣ−ＤＣコンバータ８２を介して冷水生成部８のペルチェ素子に直流電圧を給電して電子冷却するものである。

特開２０１２−０８８０２２号公報 特開２０１１−１５８１６２号公報 特開２００４−２３２９１５号公報 特開２０１０−０８８２７６号公報 特開２００８−０２５９１３号公報

特許文献１に示す技術は、ヒートポンプによる加熱にペルチェ素子を組み合わせたものであるが、ヒートポンプは設備が大型化してしまうため、設置場所が制限されてしまうと共に、単にペルチェ素子を用いただけでは加熱効率が十分ではない可能性がある。

特許文献２に示す技術は、電磁誘導加熱（ＩＨ：Induction Heating）により給湯容器内の水を加熱するにあたって、他の熱源として太陽光の熱を併せて利用するものであるが、太陽光の熱を利用するためには太陽光集熱器等の大型設備が必要となり、設置場所の確保が必要であると共に、費用面でも課題を有する。

特許文献３及び４に示す技術は、いずれも複数の電源を利用することで効率よく温水を生成する技術であるが、いずれもヒートポンプによる熱源を利用するため装置構成が複雑になってしまうと共に、高価なものになってしまうという課題を有する。

特許文献５に示す技術は、高周波磁束による誘導加熱とペルチェ素子との双方を備えるものであるが、誘導加熱で熱水を生成し、ペルチェ素子で冷水を生成するという、それぞれの構成を単に組み合わせて使用しているに過ぎないものであり、ペルチェ素子を加熱に利用するものではない。

本発明は、使用環境に左右されることなく、電気エネルギーを利用した高効率でタンクレスな給湯器を提供する。

本発明に係る給湯器は、供給される液体が流通する流通路と、少なくとも大気中の熱を吸収して前記流通路を流れる前記液体を加熱するペルチェ素子からなる第１加熱手段と、前記第１加熱手段の熱を前記液体に熱交換する熱交換手段とを備え、前記第１加熱手段が、前記ペルチェ素子を複数層に積層し、最下層又は最上層の一方の層から他方の層に向かって、前記ペルチェ素子の吸熱率が順次大きく又は小さく変化しており、吸熱率が小さい層の前記ペルチェ素子から吸熱率が大きい層の前記ペルチェ素子に対して熱が移動するものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、供給される液体が流通する流通路と、少なくとも大気中の熱を吸収して前記流通路を流れる前記液体を加熱するペルチェ素子からなる第１加熱手段と、前記第１加熱手段の熱を前記液体に熱交換する熱交換手段とを備え、前記第１加熱手段が、前記ペルチェ素子を複数層に積層し、最下層又は最上層の一方の層から他方の層に向かって、前記ペルチェ素子の吸熱率が順次大きく又は小さく変化しており、吸熱率が小さい層の前記ペルチェ素子から吸熱率が大きい層の前記ペルチェ素子に対して熱が移動するため、ペルチェ素子を用いて大気中の熱を効果的に利用してエネルギー効率を上げつつ、装置全体を小型化して省スペースで設置することができるという効果を奏する。また、大気中の熱を効果的に利用することでデマンド抑制を実現することができるという効果を奏する。

さらに、吸熱率が小さい方の層で吸収された熱が吸熱率が大きい方の層に移動することで、移動先の層に集熱（縮熱）することができ、エネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記第１加熱手段が、前記ペルチェ素子を複数に積層し、最下層又は最上層の一方の層から他方の層に向かって、前記ペルチェ素子の表面積が順次大きく又は小さく変化しており、表面積が大きい層の前記ペルチェ素子から表面積が小さい層の前記ペルチェ素子に対して熱が移動するものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、前記第１加熱手段が、前記ペルチェ素子を複数に積層し、最下層又は最上層の一方の層から他方の層に向かって、前記ペルチェ素子の表面積が順次大きく又は小さく変化しており、表面積が大きい層の前記ペルチェ素子から表面積が小さい層の前記ペルチェ素子に対して熱が移動するため、表面積が大きい方の層で多くの大気熱を吸収し、それを表面積が小さい方の層に集熱（縮熱）することができ、エネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記第１加熱手段が、一又は複数の前記ペルチェ素子を並列に配列して形成される層を複数層に積層した状態で配設され、最下層又は最上層の一方の層から他方の層に向かって各層を形成する前記ペルチェ素子の数が順次増大又は減少し、当該ペルチェ素子の数が多い方の層の前記ペルチェ素子から少ない方の層の前記ペルチェ素子に向かって熱が移動するものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、一又は複数のペルチェ素子を並列に配列して形成される層を複数層に積層した状態で配設され、最下層又は最上層の一方の層から他方の層に向かって各層を形成する前記ペルチェ素子の数が順次増大又は減少し、当該ペルチェ素子の数が多い方の層のペルチェ素子から少ない方の層のペルチェ素子に向かって熱が移動するため、多数のペルチェ素子で吸収された大気中の熱を、集熱（縮熱）しながら他方の層のペルチェ素子に移動させて集めることができ、集まった熱で極めて高エネルギーでの加熱が可能になるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記流通路を流れる前記液体を電気エネルギーを利用して加熱する第２加熱手段を備えるものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、流通路を流れる前記液体を電気エネルギーを利用して加熱する第２加熱手段を備えるため、ペルチェ素子だけでは十分にエネルギーが得られない場合であっても、第２加熱手段により不足分を補いつつ、装置全体を小型化して省スペースで設置することができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記第２加熱手段が、電磁誘導加熱により前記液体を加熱するものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、まずペルチェ素子で前記液体を加熱した後、ＩＨによりペルチェ素子で加熱された前記液体を加熱するため、ＩＨに要する電力消費を抑えることで、デマンド抑制を実現することができるという効果を奏する。また、ガス等の燃焼による熱源を使用して加熱しないことからＣＯ２を排出しないため、安全性、環境性を考慮した加熱が可能になるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段を少なくとも制御する制御手段を備え、前記第１加熱手段が複数の前記ペルチェ素子を有し、少なくとも一の前記ペルチェ素子が前記制御手段を構成する電子部品にて発生する熱を吸熱して前記液体を加熱するものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、第１加熱手段及び第２加熱手段を少なくとも制御する制御手段を備え、前記第１加熱手段が複数のペルチェ素子を有し、一の前記ペルチェ素子が前記制御手段を構成する電子部品にて発生する熱を吸熱して液体を加熱するため、運用上必然的に発生する熱を無駄なく利用して、エネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記一のペルチェ素子の吸熱側の電極と接触した状態で前記電子部品を覆う金属筐体を備えるものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、一のペルチェ素子の吸熱側の電極と接触した状態で電子部品を覆う金属筐体を備えるため、電子部品から発生する熱をペルチェ素子に効率よく伝導してエネルギー効率を上げることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記電子部品で発生した熱を前記金属筐体に伝導するヒートパイプを備えるものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、電子部品で発生した熱を金属筐体に伝導するヒートパイプを備えるため、電子部品から発生する熱を金属筐体に効率よく伝導してエネルギー効率を上げることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記ペルチェ素子の吸熱側の電極と接触した状態でヒートシンクが配設されるものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、ペルチェ素子の吸熱側の電極と接触した状態でヒートシンクが配設されるため、大気中の熱を効果的に集めてエネルギー効率を上げることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記ヒートシンクのフィンに共振する共振周波数で振動を発振して除霜する除霜手段を備えるものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、ヒートシンクのフィンに共振する共振周波数で振動を発振して除霜する除霜手段を備えるため、ヒートシンクに付着する霜を効率よく落とすことができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記ヒートシンクの表面が撥水加工されているものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、ヒートシンクの表面が撥水加工されているため、霜の付着を抑えることができると共に、液体となった霜をヒートシンクの表面から除去して効率を上げることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記ヒートシンクに送風するファンを備えるものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、ヒートシンクに送風するファンを備えるため、ヒートシンクに対して効率よく大気熱を供給してエネルギー効率を上げることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段が、水道管から供給される水を直接加熱すると共に、加熱された温水を蛇口から直接出水するものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、第１加熱手段及び第２加熱手段が、水道管から供給される水を直接加熱すると共に、加熱された温水を蛇口から直接出水するため、貯湯用のタンク等を用意する必要がなく、小型化して設置場所の自由度を上げることができるという効果を奏する。

本発明に係る給湯器は、供給される液体が流通する流通路と、少なくとも大気中の熱を吸収して前記流通路を流れる前記液体を加熱するペルチェ素子からなる第１加熱手段と、前記流通路を流れる前記液体を電磁誘導加熱により加熱する第２加熱手段と、前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段の熱を前記液体に熱交換する熱交換手段と、前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段を少なくとも制御する制御手段とを備え、前記第１加熱手段における少なくとも一の前記ペルチェ素子が前記制御手段を構成する電子部品にて発生する熱を吸熱して前記液体を加熱するものである。

このように、本発明に係る給湯器においては、供給される液体が流通する流通路と、少なくとも大気中の熱を吸収して前記流通路を流れる前記液体を加熱するペルチェ素子からなる第１加熱手段と、前記流通路を流れる前記液体を電磁誘導加熱により加熱する第２加熱手段と、前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段の熱を前記液体に熱交換する熱交換手段と、前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段を少なくとも制御する制御手段とを備え、前記第１加熱手段における少なくとも一の前記ペルチェ素子が前記制御手段を構成する電子部品にて発生する熱を吸熱して前記液体を加熱するため、運用上必然的に発生する電子部品からの廃熱を無駄なく利用して、エネルギー効率を向上させることができるという効果を奏する。

第１の実施形態に係る給湯器の構成を示す第１の機能ブロック図である。 ペルチェ素子の構成を示す図である。 ＩＨの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る給湯器の構成を示す第２の機能ブロック図である。 電気・電子部品とペルチェ素子との配置構成を示す図である。 第１の実施形態に係る給湯器の構成を示す第３の機能ブロック図である。 電気・電子部品を覆う筐体内に配設されるヒートパイプの配置構造を示す図である。 第１の実施形態に係る給湯器の構成の一例を示す分解斜視図である。 ペルチェ素子の吸熱側の電極にヒートシンクを備えた場合の構成を示す図である。 第１の実施形態に係る給湯器の各構成が内包された外観の一例を示す図である。 第２の実施形態に係る給湯器の第１加熱部の構造を示す第１の図である。 第２の実施形態に係る給湯器の第１加熱部の構造を示す第２の図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係る給湯器について、図１ないし図８を用いて説明する。本実施形態に係る給湯器は、ＩＨとペルチェ効果を複合的に利用することで、水を瞬時に加熱して給湯するものである。なお、本実施形態に係る給湯器は、例えばビルやマンション等の集合住宅や集合施設において、単一の装置で生成された温水を配管により各住戸やテナントに配水するようにしてもよいし、各住戸内の台所、風呂、洗面所、トイレ等の各使用場所に対して、単一の装置で生成された温水を配管により各所に配水するようにしてもよいし、台所、風呂、洗面所、トイレ等のそれぞれの使用場所ごとに個別の装置を設置し、その場で温水を生成して供給するようにしてもよいし、それぞれの使用場所ごとに応じて本実施形態に係る給湯器を配設したり、他の熱源（例えば、ガス等）を利用した給湯器を配設するようにしてもよい。また、例えば、植物工場のような場所で加熱されたお湯を利用した暖房として機能させてもよい。さらに、例えば、加熱されたお湯の蒸気をエネルギーとして利用することも可能である。

図１は、本実施形態に係る給湯器の構成を示す第１の機能ブロック図である。給湯器１は、液体（ここでは、仮に「水」とする）が流れる流通路１０と、ペルチェ素子からなる第１加熱部１１と、ＩＨによる加熱を行う第２加熱部１２と、流通路１０の入口側に配設される第１の温度・流量センサ１３と、流通路１０の出口側に配設される第２の温度・流量センサ１４と、外気の温度を測定する外気温度センサ１５と、第１の温度・流量センサ１３、第２の温度・流量センサ１４及び外気温度センサ１５の情報に基づいて、第１加熱部１１及び第２加熱部１２の動作を制御する制御部１６と、第１加熱部１１及び第２加熱部１２からの熱を流通路１０を流れる水に熱交換する熱交換部１７とを備える。

第１加熱部１１として機能するペルチェ素子によるペルチェ効果は、図２に示すように、ＰＮ接合部に電流を流すことで生じる吸熱／放熱現象である。一般的には、このペルチェ素子は吸熱、すなわち冷却する際に利用される。しかし、本実施形態に係る給湯器１においては、ペルチェ素子の吸熱と放熱とのエネルギー比率が吸熱１に対して発熱３であることを利用して、発熱、すなわち加熱して温めることに利用する。そして、吸熱側のエネルギーとして、大気中の熱を回収することで消費電力を抑えることが可能となる。

第２加熱部１２として機能するＩＨは、図３に示すように、金属の周囲に巻きつけたコイルに対して高周波電流を通電し、コイルから発生する磁力線によって金属に渦電流を生じさせ、この渦電流を金属の電気抵抗により熱に変換するものである。本実施形態においては、このＩＨを利用した第２加熱部１２を主加熱とし、ペルチェ効果を利用した第１加熱部１１を補助加熱として利用する。

制御部１６は、第１の温度・流量センサ１３から取得した加熱前の水の温度及び流量と利用者により設定された設定温度の情報（図示しない）とに基づいて、加熱に必要な熱量を算出すると共に、外気温度センサ１５から取得した温度情報からペルチェ効果により加熱できる温度を算出する。そして、算出された情報をもとに、出水される水の温度が設定温度となるように第１加熱部１１及び第２加熱部１２の駆動を制御する。

また、併せて、第２の温度・流量センサ１４から取得した情報から、設定温度との差異（不足又は過剰な熱量）を算出し、設定温度での出水が実現されるように第１加熱部１１及び第２加熱部１２の駆動制御を微調整する。

熱交換器１７は、第１加熱部１１で発生した熱及び第２加熱部１２で発生した熱を流通路１０を流通する水に移動させて温水にする。

図４は、本実施形態に係る給湯器の構成を示す第２の機能ブロック図である。図４に示す給湯器１は、図１における給湯器１の機能が拡張されたものであり、図１の構成に加えて更に、制御部１６で使用されている電気・電子部品も含めた給湯器１において使用される電気・電子部品１８と、この電気・電子部品１８の温度を測定する廃熱温度センサ１９とを備える。

給湯器１には多くの電気・電子部品１８が使用されており、給湯器１が稼働することで、それらの電気・電子部品１８が総合的に多くの熱を発する。図４の構成においては、電気・電子部品１８で発生した廃熱を第１加熱部１１のペルチェ素子で回収し、そのエネルギーを水の加熱に活用することでエネルギー効率を上げる。また、制御部１６は、廃熱温度センサ１９から電気・電子部品１８の温度情報を取得し、取得した温度情報に基づいて第１加熱部１１及び第２加熱部１２の駆動制御を微調整することで、電気・電子部品１８から得られる熱量を考慮して、電力消費を最小限に抑えた最適な第１加熱部１１及び第２加熱部１２の駆動制御を行うことが可能となる。なお、上述したように、制御部１６自体に使用されている電気・電子部品１８で発生した廃熱もペルチェ素子により回収することができるものである。

図５は、電気・電子部品とペルチェ素子との配置構成を示す図である。基板４１上に複数の電気・電子部品１８が搭載されており、基板４１及び電気・電子部品１８全体が金属の筐体４２で覆われている。筐体４２の上部にはペルチェ素子が配設されており、筐体４２の上面とペルチェ素子の吸熱側の電極が熱伝導が可能な状態で直接又は間接的に接触して積層されている。これにより、電気・電子部品１８で発生した廃熱が、筐体４２を介してペルチェ素子の吸熱側の電極に伝導される。ペルチェ素子の上部には熱交換器１７が配設されており、筐体４２の熱を吸熱側の電極で吸熱すると共に、発熱側の電極で生じた熱を、熱交換器１７を介して流通路１０に流通している水に伝導する。

このように、図４に示す構成では、給湯器１を稼働する上で必然的に生じる廃熱も水の加熱に利用することでエネルギー効率を上げることが可能となる。

図６は、本実施形態に係る給湯器の構成を示す第３の機能ブロック図である。図６に示す給湯器１は、図４における給湯器１の機能がさらに拡張されたものであり、図４の構成に加えて更に、ペルチェ素子の吸熱側の電極に付着する霜を除霜する除霜部２０と、電気・電子部品１８で発生する熱を筐体４２に効率よく移動させるヒートパイプ２１と、流通路１０を流れる水の流量を調整するバルブ２２とを備える。

まず、除霜部２０の機能について説明する。ペルチェ素子の吸熱側の電極では大気中の熱が回収されることで電極周辺の温度が急激に低下し、大気中の水分が氷となり霜として付着してしまう場合がある。吸熱側の電極が着霜すると吸熱／発熱効率が著しく低下してしまうため、吸熱側の電極に付着する霜は常に除霜部２０により除霜される。

除霜部２０による具体的な除霜方法としては、例えば、超音波により振動を加えることで霜を払い落とすようにしてもよい。また、除霜の対象となる霜の結晶サイズが予め明確である場合は、そのサイズの霜の結晶に共振する共振周波数で発振するようにしてもよい。そうすることで、除霜が必要であるサイズにまで霜が成長した段階で直ちに払い落とすことができる。また、例えば、霜の結晶が音波を吸収しやすいことを利用し、ペルチェ素子の吸熱側の電極に対して音波信号を発振し、その反射波を測定することで着霜状態（反射波の減衰が小さい場合は着霜が少なく、減衰が大きい場合は着霜が多い）を検出し、検出結果に応じて超音波振動等を与えるようにしてもよい。さらに、電気・電子部品１８で発生した廃熱を利用して霜を溶かすようにしてもよい。すなわち、定期的に又は不定期にペルチェ素子の駆動を停止し、その間に電気・電子部品１８で発生した廃熱で霜を溶かすことで除霜するようにしてもよい。いずれの除霜方法であっても、ペルチェ素子の吸熱側の電極表面を撥水加工することで、より確実に除霜を行うことが可能である。

次に、ヒートパイプ２１の機能について説明する。電気・電子部品１８は基板４１上に配設されるが、部品ごとにサイズや発熱量等が異なるため、個々の電気・電子部品１８の熱が効率よく筐体４２に伝導されない場合がある。そのため、個々の電気・電子部品１８又はある領域に集中して配設されている電気・電子部品１８群の熱をヒートパイプ２１を介して筐体４２に伝導する。図７は、電気・電子部品１８を覆う筐体４２内に配設されるヒートパイプ２１の配置構造を示す図である。

図７に示すように、電気・電子部品１８は部品ごとに幅や高さが異なる。電気・電子部品１８を覆う筐体４２の形状は、最も高い電気・電子部品１８に合わせたものとなるため、高さが低い電気・電子部品１８の熱を筐体４２に効率よく伝導するためのヒートパイプ２１が配設される。図７の場合は、例えば、高さが最も高い電気・電子部品１８ａについては、ヒートパイプ２１がなくても熱が筐体４２に効率よく伝導され、それよりも高さが低い電気・電子部品１８ｂについては、ヒートパイプ２１を介して熱を筐体に伝導させることで、電気・電子部品１８の熱をペルチェ素子で効率よく回収することが可能となっている。

次に、図６に戻って、バルブ２２の機能について説明する。元々の水の温度が非常に低い場合や、利用者による設定温度が非常に高い場合、すなわち、元々の水の温度と設定温度との差が大きいときには、第１加熱部１１及び第２加熱部１２による加熱だけでは、設定温度での出水が実現できない可能性がある。このような場合には、制御部１６がバルブ２２を制御することで水の流量を絞り、出来る限り設定温度に近い温度の温水を出水できるように調整する。逆に、利用者が設定温度を下げたような場合や、蛇口を絞って出水量を制限した場合は、制御部１６により第１加熱部１１及び第２加熱部１２の駆動制御を調整すると共に、バルブ２２を制御することで冷水を混合して温度を下げることも可能である。なお、バルブ２２は、第１加熱部１１で加熱される流通路１０の手前と、第２加熱部１２で加熱される流通路１０の手前とのそれぞれに配設するようにしてもよいし、第１加熱部１１で加熱される流通路１０の手前にのみ配設するようにしてもよい。

なお、図６に示した除霜部２０、ヒートパイプ２１及びバルブ２２は、全てが必須の構成ではなく、１又は複数の組み合わせで配設されるようにしてもよい。

図８は、本実施形態に係る給湯器１の構成の一例を示す分解斜視図である。図８に示すように、流通路１０を流れる水が、ＩＨによる第２加熱部１２及びペルチェ効果による第１加熱部１１からの熱により、金属製の筐体で覆われた熱交換器１７で熱交換により加熱される。熱交換器１７の筐体の各面には、各面ごとに第１加熱部１１又は第２加熱部１２を夫々複数配設するようにしてもよい。すなわち、例えば、上面、正面及び背面に第１加熱部１１を配設し、右側面及び左側面に第２加熱部１２を配設するようにしてもよい。

熱交換器１７の筐体の下面には第１加熱部１１のペルチェ素子が発熱側の電極と接触するように配設され、電気・電子部品１８からの熱を回収して水の加熱に利用する。熱交換器１７の筐体の下面に配設されるペルチェ素子の吸熱側の電極は、電気・電子部品１８の全体を覆う金属性の筐体４２と面で接触しており、電気・電子部品１８で発生した熱は筐体４２を介してペルチェ素子で回収される。電気・電子部品１８が配設される基板４１上には、電気・電子部品１８の熱を筐体４２に効率よく伝導するためのヒートパイプ２１が配設される。

このような構成により、大気中の熱や電気・電子部品１８で発生した廃熱を利用して、省電力で効率よく水を温めることが可能となる。

なお、大気中の熱をさらに効率よく回収するために、例えば図９に示すように、ペルチェ素子の吸熱側の電極にヒートシンクを備え、大気の触れる表面積を増大させるようにしてもよい。また、このヒートシンクのフィンに対して送風するファンを備えるようにしてもよい。上述したように、ペルチェ素子の吸熱側で温度変化により着霜する場合がある。すなわち、ヒートシンクに着霜することになるが、フィンに対してその共振周波数で振動を加振することで着霜を防止することが可能となる。また、このヒートシンクに対して撥水加工を施すことで、着霜や水分の付着を防止することが可能となる。

また、筐体４２の構造を図９に示す熱交換器１７と同様にしてもよい。すなわち、筐体４２の外表面にペルチェ素子を配設し、その外側にヒートシンクを設けるようにしてもよい。そして、筐体４２の内側に、電気・電子部品１８に影響しないように配管し、ペルチェ素子からその配管内に流れる冷水に熱が移動する構成にしてもよい。このような構成により、効率よくエネルギーを回収することが可能になる。

図１０は、上記で説明した給湯器１の各構成が内包された外観の一例を示す図である。図１０に示すように、商用電源からの電源だけで給水管から供給される冷水を加熱する。加熱された温水は、温水管を通して使用者に供給される。また、給湯器１は、図１０に示すように、非常にコンパクトにまとめることが可能であり、タンクが不要な構造となる。

なお、上述したように、本実施形態に係る給湯器１を稼働した際には、大気中の水分が個体又は液体となってしまう場合がある。そのために、除霜処理や撥水加工で着霜や水分による影響を抑えるが、除霜した霜や撥水により滴となった水分が装置内に残ってしまう。この霜や水分は装置内の電気・電子部品１８の故障の原因となるため、装置外に排出するためのドレン管を備えるようにしてもよい。

また、本実施形態に係る給湯器１は、第１加熱部１１及び第２加熱部１２が水道管から供給される水を直接加熱し、加熱された温水を蛇口から直接出水するようにしてもよい。すなわち、貯湯用のタンク等を用意することなく、蛇口を捻るだけで加熱された温水を蛇口から直接出水することができ、小型化により設置場所の自由度を上げることができる。

（本発明の第２の実施形態）
本実施形態に係る給湯器について、図１１及び図１２を用いて説明する。本実施形態においては、第２加熱部１２としてＩＨ以外の電気エネルギーによる熱源（例えば、ニクロム線やヒートポンプ）を用いている。ニクロム線を用いた場合は、ニクロム線自体を配管の中に通すことができるため、第１加熱部１１のペルチェ素子に発生した熱で直接ニクロム線を加熱し、不足分を商用電源等で補いながら配管内の冷水を温水にして供給することができる。同様にヒートポンプについても、第１加熱部１１のペルチェ素子に発生した熱で冷水を加熱しつつ、ヒートポンプを駆動して不足分を補いながら適正温度の温水を供給する。

本実施形態においては、ペルチェ素子により如何に効率よく大気熱を利用できるかが重要となる。そこで、本実施形態においては、広い範囲に亘って吸収した熱を狭い範囲に集熱（縮熱）し、その縮熱された熱を使って上記ニクロム線や冷水を加熱する。

図１１及び図１２は、本実施形態に係るペルチェ素子の積層構造を示す第１及び第２の図である。いずれの構造においても、最下層から最上層に向かってピラミッド状にペルチェ素子が積層されている。また、最下層の下面側が吸熱側の電極であり、最上層の上面側が発熱側の電極となっている。そして、下層の発熱電極から生じた熱を上層の吸熱電極が吸収する構造となっている。図１１の場合は、下層から上層に行くに連れて電極（電極から熱が伝わる伝熱体）の表面積が小さくなっており、最上層ではそれ以外の層で発生した熱が集約され、極めて高エネルギーを有するものとなる。同様に、図１２の場合は、１つの層が複数のペルチェモジュールで構成されており、下層から上層に行くに連れてその数が減少し、最上層では発生した熱が集約され、極めて高エネルギーを有するものとなる。

この最上層で発生した熱は、熱交換器１７で冷水に加熱（ニクロム線を用いている場合は、ニクロム線に直接加熱）され、温水を生成することが可能となる。第１加熱部１１だけでは熱量が足りない場合は、第２加熱部１２を商用電源等で駆動し（ニクロム線の場合は、ニクロム線に電流を流して加熱し）、電気エネルギーで不足分を補うことが可能となる。

なお、図１１及び図１２のペルチェ素子の構造は、上記第１の実施形態の場合であっても適用することができるものである。

１ 給湯器
１０ 流通路
１１ 第１加熱部
１２ 第２加熱部
１３ 第１の温度・流量センサ
１４ 第２の温度・流量センサ
１５ 外気温度センサ
１６ 制御部
１７ 熱交換部
１８ 電気・電子部品
１９ 廃熱温度センサ
２０ 除霜部
２１ ヒートパイプ
２２ バルブ
４１ 基板
４２ 筐体

Claims (12)

1. 供給される液体が流通する流通路と、
   少なくとも大気中の熱を吸収して前記流通路を流れる前記液体を加熱するペルチェ素子からなる第１加熱手段と、
   前記流通路を流れる前記液体を電気エネルギーを利用して加熱する第２加熱手段と、
   前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段の熱を前記液体に熱交換する熱交換手段と、
   前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段を少なくとも制御する制御手段とを備え、
   前記第１加熱手段における少なくとも一の前記ペルチェ素子が前記制御手段を構成する電子部品にて発生する熱を吸熱して前記液体を加熱することを特徴とする給湯器。
2. 請求項１に記載の給湯器において、
   前記第１加熱手段が、前記ペルチェ素子を複数層に積層し、最下層又は最上層の一方の層から他方の層に向かって、前記ペルチェ素子の吸熱率が順次大きく又は小さく変化しており、吸熱率が小さい層の前記ペルチェ素子から吸熱率が大きい層の前記ペルチェ素子に対して熱が移動することを特徴とする給湯器。
3. 請求項１又は２に記載の給湯器において、
   前記第１加熱手段が、前記最下層又は前記最上層の一方の層から他方の層に向かって、前記ペルチェ素子の表面積が順次大きく又は小さく変化しており、表面積が大きい層の前記ペルチェ素子から表面積が小さい層の前記ペルチェ素子に対して熱が移動することを特徴とする給湯器。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の給湯器において、
   前記第１加熱手段が、一又は複数の前記ペルチェ素子を並列に配列して形成される層を複数層に積層した状態で配設され、最下層又は最上層の一方の層から他方の層に向かって各層を形成する前記ペルチェ素子の数が順次増大又は減少し、当該ペルチェ素子の数が多い方の層の前記ペルチェ素子から少ない方の層の前記ペルチェ素子に向かって熱が移動することを特徴とする給湯器。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の給湯器において、
   前記第２加熱手段が、電磁誘導加熱により前記液体を加熱することを特徴とする給湯器。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の給湯器において、
   前記一のペルチェ素子の吸熱側の電極と接触した状態で前記電子部品を覆う金属筐体を備えることを特徴とする給湯器。
7. 請求項６に記載の給湯器において、
   前記電子部品で発生した熱を前記金属筐体に伝導するヒートパイプを備えることを特徴とする給湯器。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の給湯器において、
   前記ペルチェ素子の吸熱側の電極と接触した状態でヒートシンクが配設されることを特徴とする給湯器。
9. 請求項８に記載の給湯器において、
   前記ヒートシンクのフィンに共振する共振周波数で振動を発振して除霜する除霜手段を備えることを特徴とする給湯器。
10. 請求項８又は９に記載の給湯器において、
    前記ヒートシンクの表面が撥水加工されていることを特徴とする給湯器。
11. 請求項８ないし１０のいずれかに記載の給湯器において、
    前記ヒートシンクに送風するファンを備えることを特徴とする給湯器。
12. 請求項１ないし１１のいずれかに記載の給湯器において、
    前記第１加熱手段及び前記第２加熱手段が、水道管から供給される水を直接加熱すると共に、加熱された温水を蛇口から直接出水することを特徴とする給湯器。

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