JP2013160425A

JP2013160425A - ヒートポンプ給湯機

Info

Publication number: JP2013160425A
Application number: JP2012021914A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Wada; 克広和田; Yoshikimi Tazumi; 欣公田積; Teruo Yamamoto; 照夫山本; Tsuneko Imagawa; 常子今川; Masahiro Ohama; 昌宏尾浜; Tetsuei Kuramoto; 哲英倉本
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-02-03
Filing date: 2012-02-03
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2032-02-03
Also published as: JP5945714B2

Abstract

【課題】中温水の生成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たヒーポンプ給湯機を提供すること。
【解決手段】ヒートポンプ装置２にて加熱された湯を貯湯する貯湯槽１と、貯湯槽１の上部の湯を熱交換器２０に導く熱利用出湯管２１と、熱交換器２０にて熱交換された湯水を、噴出し水流調整手段４０に導く熱利用戻り管２２とを備え、噴出し水流調整手段４０の噴出し口からの水流が、貯湯槽１内で高さ方向に対して、略水平方向に分散して噴出する構成としたことを特徴とするヒートポンプ給湯機で、中温水の生成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たヒーポンプ給湯機を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機に関するものである。

従来この種の給湯装置は、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３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３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４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、ヒートポンプ装置にて加熱された湯を貯湯する貯湯槽と、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水流が、前記貯湯槽内で高さ方向に対して、略水平方向に分散して噴出する構成としたことを特徴とするものである。

これによって、熱利用戻り管を経由して貯湯槽に流入する湯水による貯湯槽内の攪拌量を減少させることが可能となり、したがって攪拌量が大きくなることによる中温水の生成量の増加を抑制することができる。

本発明によれば、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できる。

（ａ）本発明の実施の形態１における給湯装置の貯湯槽の横断面図（ｂ）本発明の実施の形態１における給湯装置の貯湯槽の縦断面図（ａ）同給湯装置における噴出し水流調整手段の噴出し口の構成図（ｂ）同他の噴出し水流調整手段の噴出し口の構成図（ｃ）同他の噴出し水流調整手段の噴出し口の構成図従来の給湯装置の断面図（ａ）従来の給湯装置の貯湯槽の横断面図（ｂ）従来の給湯装置の貯湯槽の縦断面図

第１の発明は、ヒートポンプ装置にて加熱された湯を貯湯する貯湯槽と、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水流が、前記貯湯槽内で高さ方向に対して、略水平方向に分散して噴出する構成とした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、熱利用戻り管から貯湯槽に流入する噴出し水流により発生する攪拌量を低減することができ、噴出し水流による攪拌の大きさによって生成する中温水の量を抑制できる。

したがって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時の効率の低下を防ぐことができ、高い利便性と省エネルギー性を実現したヒートポンプ給湯機とすることができる。

第２の発明は、前記噴出し水流調整手段の噴出し口の面積を、前記熱利用戻り管の水路面積より大きくしたことを特徴としたヒートポンプ給湯機である。

これによって、噴出し口から噴出す水流の噴出し流速を、熱利用戻り管内を流れる水流の流速より小さくすることができ、前記貯湯槽内の噴出し水流による攪拌量を更に低減することが可能となることから、更に中温水の生成量を抑制できる。

第３の発明は、前記噴出し水流調整手段の噴出し口に、流路抵抗体を設けたことを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

これにより、流路抵抗体である網により噴出し水流の流束をより多く分割でき、均一に分散することが可能となり、流束の総表面積が増加することから、前記噴出し水流調整手段の噴出し口から流入する水流と、貯湯槽内の湯水との境界面で発生する水の粘性による摩擦力が増大する。

これにより、噴出し水流の慣性力がより減衰され易くなり、前記貯湯槽の内壁および水流同志の衝突エネルギーを小さくでき、衝突により生ずる攪拌量を更に大きく低減することができる。

また、異物の貯湯槽内への侵入を防止する効果もあり、水回路に構成されたポンプおよび電動弁などへの悪影響も排除できる効果も併せて期待できる。

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、本発明の実施の形態における貯湯式ヒートポンプ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１において、貯湯槽１内の湯水を沸き上げ運転する場合には、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３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にて熱伝達させる風呂追い焚き運転や床暖房運転を行う場合には、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。

噴出し水流調整手段４０に形成された２つの噴出し口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、２つの噴出し口４１ａと４１ｂは開口面積を略同一とし、その合計面積は熱利用戻り管２２の流路面積の約２〜３倍とした。

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に構成された噴出し口４１ａと４１ｂから貯湯槽１内へ流入する。

噴出し水流調整手段４０に形成された複数の噴出し口４１ａと４１ｂとは、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両側に形成され、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、噴出し口４１ａおよび４１ｂ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、噴出し口４１ａと４１ｂは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倍としているので噴出し口４１ａおよび４１ｂ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にすると衝突エレルギーは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の形態においては、約２〜３倍とした。噴出し口４１ａおよび４１ｂ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。

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ことにつながる。

以上のように、本実施の形態においては、噴出し口４１ａおよび４１ｂ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上げ運転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。

図２は噴出し水流調整手段４０の噴出し口４１ａ、４１ｂの構成図である。（ａ）は、噴出し口を長穴形状として構成したものである。（ｂ）は、噴出し口を複数の***形状として構成したものである。（ｃ）は噴出し口に網を構成したものである。

何れも噴出し口４１ａ、４１ｂの面積を大きくすることにより噴出し流速を小さくし、かつ流束を分割して分散させるものである。

また（ｃ）の構成図においては噴出し口に、流路抵抗体である網４２を配設することにより、異物の貯湯槽１内への侵入を防止する効果もあり、水回路に構成されたポンプおよび電動弁などへの悪影響も排除できる効果も併せて期待できる。

これらの構成図は何れも噴出し流速を小さくし、流束の表面積を拡大して周辺の水との粘性摩擦を大きくすることにより、水流の衝突エネルギーをより効果的に減衰させることを目的に噴出し水流の流速と方向を制御するものであるが、この構成と形状の限りではない。

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噴出し口
４１ｂ噴出し口
４２網（流路抵抗体）
５０攪拌領域

Claims

ヒートポンプ装置にて加熱された湯を貯湯する貯湯槽と、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水流が、前記貯湯槽内で高さ方向に対して、略水平方向に分散して噴出する構成としたことを特徴とするヒートポンプ給湯機。
前記噴出し水流調整手段の噴出し口の面積は、前記熱利用戻り管の水路面積より大きくし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。
前記噴出し水流調整手段の噴出し口に、流路抵抗体を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載のヒートポンプ給湯機。