JP3972793B2 - 給湯装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱素子を用いて構成された装置などにより、給湯用水を加熱する熱源の制御を行う給湯装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来より、R22などの冷媒を使用したヒートポンプサイクルを熱源とするヒートポンプ給湯装置は、例えば特許文献1のようなものが公知である。この種の給湯装置としては、図8に示すように、給湯用水を貯留するタンク1、給湯用水の加熱手段であるヒートポンプ熱源2、タンク1とヒートポンプ熱源2とを接続する流水配管3、この流水配管3に給湯用水を循環させるポンプ4等より構成される。
【0003】
ヒートポンプ熱源2は、運転周波数に基づいて能力可変とされた圧縮機5、給湯用熱交換器6、膨張弁7、室外熱交換器8、アキュムレータ9を順次冷媒配管10により接続して構成され、冷媒が充填されている。給湯用熱交換器6は、圧縮機5より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換するもので、冷媒が流れる冷媒通路6aと、給湯用水が流れる給湯用水通路6bとを有している。流水配管3は、給湯用熱交換器6の給湯用水通路6bに接続される冷水管3aと温水管3bとで構成され、冷水管3aの上流端がタンク1の底面に接続され、温水管3bの下流端がタンク1の天面に接続されている。11は圧縮機の運転周波数を変更することによりヒートポンプ熱源の加熱能力を大小させる制御回路であり、その内部にインバータ装置12を有している。
【0004】
次に動作について説明する。図5において、制御回路11は給湯用に水を加熱するために、インバータ装置12により圧縮機5を駆動するとともに、ポンプ4に通電する。ポンプ4が通電されて回転することにより、タンク1内の給湯用水を流水配管3に流通させる。なお、給湯用水の流通方向は、図に矢印で示すように、タンク1内の下部→冷水管3a→給湯用熱交換器6の給湯用水通路6bと流れ、ここで圧縮機5より吐出された高圧のガス冷媒により加熱されて温水となり、給湯用水通路6b→温水管3b→タンク1内の上部へと流れてタンク1に貯められる。また、冷媒通路6aを出た冷媒は、膨張弁7の弁開度に応じて減圧された後、室外熱交換器8においてファン13により送風される外気との熱交換によって蒸発し、アキュムレータ9を経て気相冷媒のみ圧縮機5に戻る。
【0005】
そして、ヒートポンプ熱源2による給湯用水の加熱能力を可変するために設けたインバータ装置12には、パワートランジスタやダイオード等の発熱素子14を備えている。これら発熱素子14は発熱が大であるために冷却が必要となっている。その冷却方法としては、パワートランジスタ、ダイオードを放熱フィンに取付け、室外熱交換器8に付設されているファン13の風によって冷却する、空気調和機と同様の方式が採用されている。そして一般に、給湯装置では大きな加熱能力を必要とし、そのために大容量の電流を発熱素子に流すので発熱量も大きくなる。この大きな熱を放熱するには、放熱フィンを大きくする、またはファンの風速を増す、空気温度を下げる等の方法がある。しかしこれら方法には、構造面等より限界があり、放熱フィンの面積をアップして対応しているのが現状である。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−201177号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、ファン13の空気流内に設けられた大きな放熱フィンが騒音を発生する原因になっていた。また、放熱フィンにより空冷で放熱することにより、素子の発熱分が給湯用水の加熱に十分回収されずに放熱損失が大きくなるという課題を有していた。
【0008】
一方、電気ヒーターを熱源とする電気温水器など、ヒートポンプ熱源2を持たないその他の給湯装置では、室外熱交換器に付設されるファンを備えていない。したがって、前述のその他の給湯装置において、熱源を制御するための発熱素子を有する場合は、発熱素子を空冷する放熱フィンとともに、空気流を生じさせるための送風手段が必要となり、部品点数が増えコストアップになるという課題があった。
【0009】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、送風手段による空気流が無くても発熱素子を十分に冷却し、発熱素子からの熱を給湯用水に放熱することで給湯利用するので、高効率化と省電力化が図れて、低コストで騒音も発生しない給湯装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために本発明の給湯装置は、電動圧縮機を備えたヒートポンプである熱源と、給湯用水を貯湯するタンクと、前記熱源により給湯用水を加熱するための加熱通路、前記タンクと前記加熱通路の上流側とを接続する水路、前記タンクと前記加熱通路の下流側とを接続する流出管から形成される流水配管と、湯を供給する給湯端末と、前記電動圧縮機の回転数制御を行うインバータ装置のパワーデバイスである発熱素子を有し前記熱源を制御する制御手段と、前記水路と熱的に接続されて前記発熱素子からの発熱を給湯用水に放熱する水冷放熱器と、前記流水配管において給湯用水を循環させるポン プとを備え、前記水路の温度が低いときより高いときに、前記流水配管の流量を前記ポンプにより増加させる構成としたことを特徴とする給湯装置とする。
【0011】
これによって、発熱素子からの発熱を空気中へ損失として放熱するのではなく、発熱素子からの熱を給湯に利用することができるので、高効率化と省電力化が図ることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、電動圧縮機を備えたヒートポンプである熱源と、給湯用水を貯湯するタンクと、前記熱源により給湯用水を加熱するための加熱通路、前記タンクと前記加熱通路の上流側とを接続する水路、前記タンクと前記加熱通路の下流側とを接続する流出管から形成される流水配管と、湯を供給する給湯端末と、前記電動圧縮機の回転数制御を行うインバータ装置のパワーデバイスである発熱素子を有し前記熱源を制御する制御手段と、前記水路と熱的に接続されて前記発熱素子からの発熱を給湯用水に放熱する水冷放熱器と、前記流水配管において給湯用水を循環させるポンプとを備え、前記水路の温度が低いときより高いときに、前記流水配管の流量を前記ポンプにより増加させる構成としたことを特徴とする給湯装置とする。これにより、発熱素子を有する制御手段において、水冷放熱器を設けて発熱素子から給湯用水に放熱するようにしたので、空冷で放熱するために送風手段を設けて空気流を生じさせる必要が無く給湯の水流を利用できるので、部品点数が削減でき低コスト化が図られる。そして、空気中へ損失として放熱するのではなく、発熱素子からの熱を給湯に利用することができるので、高効率化と省電力化が図れて機器価格が高くならずに給湯にかかる光熱費を低減できる。
【0013】
また、ヒートポンプを熱源とするヒートポンプ給湯装置においては、電動圧縮機を駆動するインバータ装置の発熱が大きく、特に外気温が低下して成績係数が小さくなると、電動圧縮機への入力が大きくなるので発熱量がかなり大きくなる。この発熱を給湯に利用するので放熱損失を低減し高効率化を図ることができる。起動時や停止時の水流停止時においても、水路には水が充満し熱容量が大きいため十分に放熱することができる。また、インバータ装置を構成するトランジスタ等のパワーデバイスは電圧駆動型素子であるので、素子温度の上昇を抑えることで導通抵抗や導通電圧の上昇を防止し、回路全体の損失を低減することもできる。よって、パワーデバイスを信頼性高く冷却して放熱損失を低減するとともに高効率化と省電力化を図り、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【0014】
請求項2に記載の発明は、特に請求項1記載の発明において、水冷放熱器は加熱通路の上流に直列に繋がる水路と熱的に接続するように設け、水冷放熱器下流の加熱通路の入口側に設けた入口水温検出手段を備え、入口水温検出手段の出力信号に基づき前記加熱通路での加熱量や加熱温度の少なくともどちらか一方を制御するようにしたことにより、例えばフィードフォワード制御のような、加熱通路に入ってくる水温と加熱通路で加熱する目標温度との温度差に基づく制御が可能となるので温度制御性が向上を図ることができる。したがって、起動時などの目標温度への立ち上がり時間が早くなり、低い湯温の給湯に利用できない無駄水が減り、給湯装置の運転を効率化し、給湯のための運転費を節約できる。
【0015】
請求項3に記載の発明は、特に請求項1または2に記載の水冷放熱器において、水路を形成する伝熱管と、一方の面に伝熱管の外周面に対してその半周以上でかつ円周以下で接する支持部を有し他方の面に発熱素子が取り付けられる平面をなす放熱基板部を持つ第1の基材とを備え、第1の基材の支持部の弾性変形により伝熱管が第1の基材に圧入され密着支持される構成としたことにより、溶接やロー付け等の加工を施すことなく伝熱管の外周面に第1の基材を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、前記伝熱管が蛇行形状等の複雑な水冷放熱器に対しても、支持部の弾性変形を利用した圧入により容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【0016】
請求項4に記載の発明は、特に請求項1または2記載の水冷放熱器において、水路を形成する伝熱管と、発熱素子が取り付けられる平面をなす放熱基板部を有し放熱基板部近傍に伝熱管を挿入可能な貫通孔を設けた第2の基材とを備え、貫通孔に伝熱管を挿入して内嵌することにより伝熱管が第2の基材に密着支持される構成としたことにより、溶接やロー付け等の加工を施すことなく伝熱管の外周面に第2の基材を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、前記伝熱管が蛇行形状等の複雑な水冷放熱器に対しても、U字形状の伝熱管を貫通孔に挿入後拡管加工しUベンドを接続する等の内嵌加工方法を採用することにより容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【0017】
請求項5に記載の発明は、特に請求項1または2記載の水冷放熱器において、良伝熱性材料からなり発熱素子が取り付けられる平面状の伝熱板と、水路を形成する溝を有し端面から溝に連通するように水路の入口と出口を穿孔された第3の基材とを備え、伝熱板を第3の基材の溝に接するように水密に密着接合した構成としたことにより、伝熱板を水路である溝に接するように密着接合しているので、伝熱板が水路の境界をなす一面となり水流が直接接触するとともに、溝を蛇行形状にするなど自由に形成できるので十分な伝熱面積を確保することができる。また、溝がある部分の周囲である第3の基材の外周をOリング等でシールして伝熱板と第3の基材を接合させるなどして、容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【0018】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【0019】
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1における給湯装置であるヒートポンプ給湯装置の構成を示す模式図で、図2は、本発明の実施例1における給湯装置の熱源を制御するための一般的なインバータ装置を示す図である。
【0020】
図1において、31は給湯用水を貯留するタンク、32は給湯用水の加熱手段となる熱源であるヒートポンプユニットであり、33はタンク31とヒートポンプユニット32とを接続する流水配管、34は給湯用水を循環させるポンプである。ヒートポンプユニット32は、圧縮機35、給湯用熱交換器36、膨張弁37、室外熱交換器38を順次冷媒配管39により接続して構成され冷媒が充填されたヒートポンプ回路とファン40を備えている。ここで、圧縮機35は運転速度を変えることでヒートポンプユニット32の加熱能力を調節できる能力可変のインバータ圧縮機であり、冷媒には二酸化炭素冷媒を使用している。給湯用熱交換器36は、圧縮機35より吐出された高圧のガス冷媒と給湯用水とを熱交換する放熱器で、冷媒が流れる冷媒通路36aと、給湯用水が流れる給湯用水通路36bとを有している。膨張弁37は、給湯用熱交換器36から流出する冷媒を弁開度に応じて減圧する減圧手段で、室外熱交換器38は、膨張弁37で減圧された冷媒をファン40によって送風される外気との熱交換によって蒸発させる。
【0021】
流水配管33は、給湯用熱交換器36の給湯用水通路36bに接続される流入管33aと流出管33bとで構成され、流入管33aの上流端がタンク31の底面に接続され、流出管33bの下流端がタンク31の天面に接続されている。ポンプ34は、ヒートポンプユニット32内の流入管33a(流出管33bでも良い)に設けられ、通電されて回転することにより、タンク31内の給湯用水を流水配管33に流通させる。なお、給湯用水の流通方向は、図に矢印で示すように、タンク31内の下部→流入管33a→給湯用熱交換器36の給湯用水通路36bと流れ、ここでヒートポンプユニット32により加熱されて温水となり、給湯用水通路36b→流出管33b→タンク31内の上部へと流れ、タンク31に温水が貯められていく。また、タンク31の底面には、給水圧を加えながらタンク31に市水を供給するための給水配管41が接続され、タンク31の天面には、タンク31内に貯えられた給湯用水(温水)を使用者に供給するための給湯配管42が接続され、給水配管41から分岐した市水と混合して適温に調節する湯水混合手段43を経て、台所、洗面、浴室などの複数の蛇口44やシャワー45といった給湯端末46から出湯されるように構成されている。
【0022】
そして47は、本実施例の特徴的な構成である水冷放熱器である。この水冷放熱器47は、流入管33aに設けられており、ヒートポンプ熱源での加熱通路となる給湯用水通路36bに連通する水路である流水配管33のうち、加熱通路上流に設けるのがより好ましい。48は制御手段であり、制御手段48は運転周波数を変更することにより圧縮機35の運転回転数を変えるインバータ装置49を有している。インバータ装置49は、パワートランジスタ50やダイオード51といった発熱素子にて構成されており、これらパワートランジスタ50やダイオード51は冷却のために水冷放熱器47に取り付けられ、結露による絶縁不良等を防止するために樹脂モールドされている。流入管33aに設けられた水温検出手段52は、その検出信号が制御手段48に入力されるように電気的に接続されている。さらに流入管33aには、水冷放熱器47に対して並列にバイパス管53が設けられ、調節手段54を介して流水が水冷放熱器47を迂回してバイパス管53から給湯用水通路36bに流れるように構成され、水冷放熱器47に流れる流量を調節できるようになっている。
【0023】
図2は、圧縮機35の電動機55を駆動するインバータ装置49の一般的な構成を示す図であり、図2において、56は交流電源、57は交流を直流に変換するコンバータ回路、58は前記コンバータ回路57の出力より得られる直流を平滑する平滑コンデンサ、59はインバータ回路で、インバータ回路59はパワートランジスタ50、ダイオード51から構成され、平滑コンデンサ58に接続される。インバータ回路59の出力側には電動機55が接続される。
【0024】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図1に示す実施例において、まず制御手段48が電気的に接続された冷媒回路中の圧縮機35を駆動し、給湯用熱交換器36を放熱器として機能させるとともに、室外熱交換器38を蒸発器として機能させる。次に、水系統回路におけるポンプ34を作動させる。すると、タンク31の底部から貯留水が流出し、前述した水の流れの通り、これが流入管33aを介して給湯用熱交換器36の水通路36bを流通する。そのときこの水は放熱器として機能している給湯用熱交換器36によって加熱され流出管33bを通って再びタンク31内の上部へと返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、タンク31の上端側から下端側へと高温湯が次第に貯留されるように構成されている。
【0025】
この湯沸かし運転において、インバータ装置49は圧縮機35に内蔵された電動機55の回転数を可変することでヒートポンプ熱源の加熱能力を可変する。ここで、コンバータ回路57は、全波整流回路、倍電圧整流回路など単に交流を整流する回路でもよく、トランジスタ等を用いてスイッチングすることによりリアクトルへの蓄積エネルギーを利用して直流電圧を昇降圧する回路でもよい。また、電動機55は、電動誘導機、DCブラシレスモータなどいずれでもよい。コンバータ回路57およびインバータ回路59は、パワートランジスタ50やダイオード51などの発熱性の電力用半導体が搭載されているため、この部分での電力消費にて多くの熱を発生する。この熱は水冷放熱器47を介して流入管33a内の流水に伝導され、放熱される。
【0026】
このように、発熱素子を有する制御回路において、水冷放熱器47を設けて発熱素子から給湯用水に放熱するようにしたので、空冷で空気中へ損失として放熱するのではなく、発熱素子からの熱を給湯に利用することができる。そして、ヒートポンプを熱源とするヒートポンプ給湯装置においては、電動圧縮機35を駆動するインバータ装置49の発熱が大きく、特に外気温が低下して成績係数(COP)が小さくなると、電動圧縮機35への入力が大きくなるので発熱量がかなり大きくなる。この発熱を給湯に利用するので放熱損失を低減し高効率化と省電力化を図ることができる。
【0027】
このとき制御手段48は、給湯用熱交換器36で加熱された高温湯の温度が所定値(例えば二酸化炭素冷媒では加熱温度85℃に設定)になるように運転制御する。そして、タンク31全量が高温湯で満たされた状態である湯沸かし運転の終了が近づくと、タンク31から流入し流入管33aを流れる水の温度が急上昇する。水温検出手段52の検出信号により、タンクからの流入温度が所定の能力低減温度(例えば45℃)より高温になると、制御手段48は圧縮機35や膨張弁37等を制御して加熱能力と圧縮機35の入力を低減するとともに、ポンプ34により流水配管33の流量を増加させ、調節手段54により徐々にバイパス管53に水を流し始めてその流量を増やしていく。さらにタンクからの流入温度が上昇し、水温検出手段52による検出温度が所定の加熱終了温度(例えば、設定加熱温度85℃から10度引いた75℃)より高温になると、その信号に基づき制御手段48はタンク31全量が高温湯となったと判断し、湯沸かし運転を停止する。
【0028】
ここで、流入管33aや給湯用水通路36bを含むこの近傍の流水配管33は、湯沸かし運転の起動時または停止時における流水停止時においても、パワートランジスタ50やダイオード51などの発熱素子に比べて熱容量が大きいため、発熱素子は冷却される。圧縮機35が停止した場合は、発熱素子の動作も停止しているので、吸熱量は流水配管33の吸熱量で十分である。
【0029】
一方、インバータ回路59内のパワートランジスタ50として使用する、例えばMOS−FETにおいては、一般的に素子温度が上昇すると電力端子間(ドレイン〜ソース間)の導通抵抗が大きくなる特性を有している。このため、水冷放熱器47にて発熱素子を強制冷却して温度の低い状態にて使用すると、素子の導通電圧(素子の電力端子間電圧)あるいは導通抵抗(素子の電力端子間抵抗)が低下し、発熱素子あるいは回路全体の損失を低減する事が可能となる。
【0030】
このように、起動時や停止時の水流停止時においても、水路には水が充満し熱容量が大きいため十分に放熱することができる。また、インバータ装置を構成するトランジスタ等のパワーデバイスは電圧駆動型素子であるので、素子温度の上昇を抑えることで導通抵抗や導通電圧の上昇を防止し、回路全体の損失を低減することもできる。よって、パワーデバイスを信頼性高く冷却して放熱損失を低減するとともに高効率化と省電力化を図り、給湯にかかる光熱費を低減することができる。
【0031】
(参考例1)
図3は、本発明の参考例1における給湯装置である瞬間式ヒートポンプ給湯装置の構成を示す模式図である。
【0032】
図3において、図1と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、給湯用熱交換器36の加熱通路である給湯用水通路36bの上流には、水冷放熱器47を設けた放熱水路61が繋がり、さらに上流に水道水を直接供給する給水管62が接続されて水道に直結されている。一方、給湯用水通路36bの下流には、給湯用水通路36bから出湯される湯を蛇口44やシャワー45等より成る給湯端末46の通水させるための給湯回路63が接続されている。給水管62には、給湯回路63の流量を検出する流量検知手段64と、給水管62の流水の温度を検出する水温検出手段52が設けられている。そして給湯用水通路36bの入口側である水冷放熱器47と給湯用水通路36bとの間には給湯用熱交換器36への給水温度を検出する入口水温検知手段65が設けられている。そして、貯湯用のタンクを持たない構成であるので構成が簡素となり、ヒートポンプ熱源の構成要素と水配管用の構成要素と制御手段48とがヒートポンプユニット66として1つのユニットに構成されている。給湯用熱交換器36は、冷媒通路36aの流れ方向と給湯用水通路36bの流れ方向を対向流とし、各流路間を熱移動が容易になるように密着して構成している。この構成により冷媒通路36aと給湯用水通路36bの伝熱が均一化し、熱交換効率がよくなる。また、高温の出湯も可能になる。
【0033】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図3に示す実施例において、蛇口44が開かれると給水管62から水道水が流れ込み始める。これを流量検知手段64が検知し制御手段48が圧縮機35を起動し回転数を制御する。そして、圧縮機35から吐出される高温高圧の冷媒ガスは給湯用熱交換器36へ流入し、給湯用水通路36bを流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路63を経て給湯端末46から出湯する。従って、出湯を検出して、すぐに圧縮機35からの高温高圧の冷媒ガスが給湯用熱交換器36に流入し、水を加熱し、そのまま給湯端末46から出湯利用できる。この加熱運転において、インバータ装置49は圧縮機35に内蔵された電動機55の回転数を可変することでヒートポンプ熱源の加熱能力を可変し、出湯流量に合わせて制御手段48が加熱能力を制御することで適温の出湯が可能となる。この運転中、インバータ装置49を構成するパワートランジスタ50やダイオード51などの発熱性の電力用半導体では電力消費にて多くの熱を発生する。この熱は水冷放熱器47を介して放熱水路61内の流水に伝導され、放熱される。
【0034】
このように、1つのユニット内にインバータ装置49と水冷放熱器47とを設けて構成することができるので、両者の接続構成が簡素化でき、機器価格を抑えた給湯装置を提供できるとともに、水冷放熱器47に取り付けた発熱性の素子とインバータ装置49の他の回路とを近接して構成できるのでノイズの発生を抑えることもできる。また、出湯による水流があるときのみに電動圧縮機35が運転されるので、インバータ装置48の運転時には必ず水流があり、水冷放熱器47で確実に放熱して給湯用の熱量として利用し、省電力化が図れて光熱費を低減することができる。
【0035】
そして、加熱通路である給湯用水通路36bの入口側に設けた入口水温検出手段65を備えているので、制御手段48において、出湯の目標温度と入口水温検出手段65で検出した温度との差に、流量検知手段64の検知する流量を乗じて給湯負荷を求め、これを給湯用熱交換器36での所要加熱量として、いわゆるフィードフォワードの制御量に用いることができる。このフィードフォワード制御は、給湯の温度安定時における所要熱量であるので、熱量の過不足が少なく制御の安定性に優れている。また、出湯温度の制御にフィードフォワード制御を加味して制御するので、給湯流量や給水温度が急変した場合には直ちに応答して加熱量を変更制御できるので、応答性がよくしかも安定性のよい制御が可能になる。したがって、起動時などの目標温度への立ち上がり時間が早くなり、低い湯温の給湯に利用できない無駄水が減り、給湯装置の運転を効率化し、給湯のための運転費を節約できる。
【0036】
なお本実施例では、流量検知手段64の検知する流量を用いて給湯負荷を演算し所要加熱量とする制御手段48について説明したが、流量検知手段64を持たない構成においても、給湯負荷は入口水温と出湯目標温度との差に反比例するので、入口水温が下がれば所要加熱量が増加し、入口水温が上がれば所要加熱量が減少する。したがってこの入口水温によって所要加熱量を推定して給湯用熱交換器36の加熱制御を行えばよく、給水温度が変動しても、この変動に伴なう出湯温度変化が最小限に抑えられる。さらに、制御手段48における給湯負荷の演算を、給水温度と仮の目標温度の差に所定の定数を乗じた推定値を用いてもよい。この場合、給湯負荷の計算精度は悪くなるが、流量検知手段が不要になるので低コスト化できる。ただし、給湯開始を検知するための流量スイッチは必要になる。
【0037】
(実施例2)
図4は、本発明の実施例2における給湯装置の水冷放熱器を示す断面斜視図である。
【0038】
図4において、図1および図3と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、水冷放熱器47は、水路を形成する伝熱管71と、これを支持する第1の基材72とからなり、第1の基材72が伝熱管71の外周面に対して、その半円周部分以上かつ円周以下に接する略均一厚の支持部73を有するものである。伝熱管71は、支持部73に対してこれらの弾性変形を利用して、図中矢印Aに示した方向から圧入される。このとき、支持部73の弾性力により、伝熱管71は第1の基材72に対して密着支持される。そして、第1の基材72の支持部73が形成されていない他方の面は、発熱素子が取り付けられるように放熱基板部74として平面状になっている。
【0039】
ここで、伝熱管71は、例えば、熱伝導性の良い銅やアルミニウム等からなり、強度の高い真円形状の管体で構成される。一方、第1の基材72は、熱伝導性および成形性の良いアルミニウム等からなり、断面が略均一形状の押出材で構成される。
【0040】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。制御手段48により圧縮機35が運転され、パワートランジスタ50やダイオード51などの発熱性素子が熱を発生すると、この熱は放熱基板部74を介して第1の基材72に伝わり、支持部73から伝熱管71の外周面へ、そして放熱水路61を構成する伝熱管71内の流水に伝導され、放熱される。
【0041】
ここで、本実施例によれば、伝熱管71が、その半円周部分以上かつ円周以下に接する略均一厚の支持部73の弾性力により、第1の基材72と密着した状態で連続的に接触するため、強度の高い真円形状の管を使用しても十分な密着性が得られるとともに、熱交換に必要な伝熱面積を十分に確保することができる。
【0042】
また、例えば、能力に応じて十分な伝熱面積を確保するために、水冷放熱器47を長尺にすると同時に、U字状の折り返しを有する蛇行形状とするような場合も、伝熱管71を予め蛇行形状にしておき、伝熱管71を第1の基材72に対して、その上下方向から圧入する構成とすることができ、容易に組み立てることできる。このとき、伝熱管71に、圧縮、拡大、加熱処理等の加工を施すことがないため、管体の有する初期の耐圧性能を確保することが可能となる。
【0043】
なお、同じように、支持部73の弾性変形により、伝熱管71と第1の基材72とを容易に分解することも可能であり、伝熱管71と第1の基材72とを異種材料とした場合でも、リサイクル性を確保することができる。
【0044】
したがって、溶接やロー付け等の加工を施すことなく伝熱管71の外周面に第1の基材72を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、伝熱管71が蛇行形状等の複雑な水冷放熱器74に対しても、支持部73の弾性変形を利用した圧入により容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【0045】
(実施例3)
図5は、本発明の実施例3における給湯装置の水冷放熱器を示す斜視図である。図5において、図1、図3および図4と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、水冷放熱器47は、水路を形成する伝熱管71と、これを挿入し支持する第2の基材75とからなり、第2の基材75に設けた貫通孔76に伝熱管71を挿入して拡管加工を行うなどして内嵌されることにより、伝熱管71が第2の基材75に密着支持される。そして、第2の基材75の伝熱管71に近接した面は、発熱素子が取り付けられるように放熱基板部74として平面状に形成されている。ここで、第2の基材75は、熱伝導性および成形性の良いアルミニウム等からなり、断面が略均一形状の押出材で構成される。
【0046】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。制御手段48により圧縮機35が運転され、パワートランジスタ50やダイオード51などの発熱性素子が熱を発生すると、この熱は放熱基板部74を介して第2の基材75、貫通孔76に内嵌した伝熱管71の外周面と伝わり、放熱水路61を構成する伝熱管71内の流水に伝導され、放熱される。
【0047】
このように、本実施例によれば、溶接やロー付け等の加工を施すことなく、伝熱管71が拡管加工されて第2の基材75と密着した状態で連続的に接触するため、十分な密着性が得られるとともに、熱交換に必要な伝熱面積を十分に確保することができる。さらに、伝熱管71が蛇行形状等の複雑な水冷放熱器47に対しても、U字形状の伝熱管71を貫通孔76に挿入後拡管加工しUベンドを接続する等の内嵌加工方法を採用することにより容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【0048】
(実施例4)
図6は、本発明の実施例4における給湯装置の水冷放熱器を示す一部切り欠き斜視図である。
【0049】
図6において、図1、図3、図4および図5と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、水冷放熱器47は、水を流す水路となる溝77を有する第3の基材78と、溝77に接するように水密に密着接合した平面状の伝熱板79とからなり、第3の基材78の端面には入口80と出口81が穿孔されて溝77と連通し水路を形成している。そして、伝熱板79は発熱素子が取り付けられ、伝熱板79と第3の基材78との間に設けたゴムパッキン82により、両者はシールされて水が漏れないように接合されている。ここで、伝熱板79は、熱伝導性の良い材料からなり、銅板やアルミニウム板等が望ましい。
【0050】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。制御手段48により圧縮機35が運転され、パワートランジスタ50やダイオード51などの発熱性素子が熱を発生すると、この熱は伝熱板79を介して放熱水路61を構成する溝77内の流水に伝導され、放熱される。
【0051】
このように、本実施例によれば、伝熱板79を水路である溝77に接するように密着接合しているので、伝熱板79が水路の境界をなす一面となり水流が直接接触するとともに、溝77を蛇行形状にするなど自由に形成できるので十分な伝熱面積を確保することができる。また、溝がある部分の周囲である第3の基材78の外周を、ゴムパッキン82やOリング等でシールして伝熱板79と第3の基材78を接合させるなどして、容易に組み立てることができる。よって、放熱性能に優れ、生産性が高く低コストな水冷放熱器が得られ、機器価格が高くならずに省電力化が図れ光熱費を低減できる給湯装置を提供できる。
【0052】
(参考例2)
図7は、本発明の参考例2における給湯装置である電気温水器の構成を示す模式図である。
【0053】
図7において、図1および図3と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、91はヒーターユニットであり、水路である流水配管33に熱的に接合された電気ヒーター92からなっている。制御手段48には、給湯用水の加熱熱源である電気ヒーター92への入力を制御するためにトライアック等の発熱素子である電力用半導体93があり、流水配管33のうちの流入管33a側に設けた水冷放熱器47に、この電力用半導体93が取り付けられている。
【0054】
以上の構成において、その動作、作用について説明する。図7に示す実施例において、まず制御手段48が電気的に接続された電気ヒーター92に電圧を印加し、ヒーターユニット91を加熱器として機能させるとともに、水系統回路におけるポンプ34を作動させる。すると、タンク31の底部から貯留水が流出し、流入管33aを介してヒーターユニット91内の流水配管33を流通する。そして、給湯用水はヒーターユニット91によって加熱され、流出管33bを通って再びタンク31内の上部へと返流される。そしてこのような動作を継続して行うことによって、タンク31の上端側から下端側へと高温湯が次第に貯留されるように構成されている。
【0055】
この湯沸かし運転において、制御手段48は電気ヒーター92に印加する電圧を可変することでヒートポンプ熱源の加熱能力を可変する。このために、制御手段48にはトライアックなどの電力用半導体93が搭載され、交流電源の任意の位相でスイッチングすることで実効電圧を可変しているので、この部分での電力消費にて多くの熱を発生する。電気ヒーター92の加熱量が前述の実施例1のヒートポンプ熱源と等しい場合、加熱量を制御するときの制御電力は電気ヒーター92の方が何倍も大きくなるので、発熱素子で大きな熱を発生しやすい。この熱は水冷放熱器47を介して流水配管33内の流水に伝導され、放熱される。
【0056】
このように、電気ヒーター92を用いた給湯装置ではヒーター入力が大きくなるので発熱量も大きく、これを給湯に利用することになるので、より放熱損失量を低減し省電力化が図れて、給湯のための運転費を節約できる。
【0057】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、水冷放熱器を設けて発熱素子から給湯用水に放熱するようにしたので、空気中へ損失として放熱するのではなく、発熱素子からの熱を給湯に利用することができ、高効率化と省電力化が図れて給湯にかかる光熱費を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例1における給湯装置の構成図
【図2】 同、給湯装置の熱源を制御するインバータ装置の構成図
【図3】 本発明の参考例1における給湯装置の構成図
【図4】 本発明の実施例2における給湯装置の水冷放熱器を示す断面斜視図
【図5】 本発明の実施例3における給湯装置の水冷放熱器を示す斜視図
【図6】 本発明の実施例4における給湯装置の水冷放熱器を示す一部切り欠き斜視図
【図7】 本発明の参考例2における給湯装置の構成図
【図8】 従来の給湯装置の構成図
【符号の説明】
32 ヒートポンプユニット(熱源)
33 流水配管(水路)
35 圧縮機
36b 給湯用水通路(加熱通路)
46 給湯端末
47 水冷放熱器
48 制御手段
49 インバータ装置
50 パワートランジスタ(発熱素子)
51 ダイオード(発熱素子)
61 放熱水路(水路)
62 給水管
63 給湯回路
65 入口水温検出手段
66 ヒートポンプユニット(熱源)
71 伝熱管
72 第1の基材
73 支持部
74 放熱基板部
75 第2の基材
76 貫通孔
77 溝
78 第3の基材
79 伝熱板
92 電気ヒーター(熱源)
93 電力用半導体
Claims (5)
- 電動圧縮機を備えたヒートポンプである熱源と、給湯用水を貯湯するタンクと、前記熱源により給湯用水を加熱するための加熱通路、前記タンクと前記加熱通路の上流側とを接続する水路、前記タンクと前記加熱通路の下流側とを接続する流出管から形成される流水配管と、湯を供給する給湯端末と、前記電動圧縮機の回転数制御を行うインバータ装置のパワーデバイスである発熱素子を有し前記熱源を制御する制御手段と、前記水路と熱的に接続されて前記発熱素子からの発熱を給湯用水に放熱する水冷放熱器と、前記流水配管において給湯用水を循環させるポンプとを備え、前記水路の温度が低いときより高いときに、前記流水配管の流量を前記ポンプにより増加させる構成としたことを特徴とする給湯装置。
- 水冷放熱器は加熱通路の上流に直列に繋がる水路と熱的に接続するように設け、前記加熱通路の入口側に設けた入口水温検出手段を備え、前記入口水温検出手段の出力信号に基づき前記加熱通路での加熱量や加熱温度の少なくともどちらか一方を制御する請求項1記載の給湯装置。
- 水冷放熱器は、水路を形成する伝熱管と、一方の面に前記伝熱管の外周面に対してその半周以上でかつ円周以下で接する支持部を有し他方の面に発熱素子が取り付けられる平面をなす放熱基板部を持つ第1の基材とを有し、前記第1の基材の前記支持部の弾性変形により前記伝熱管が前記第1の基材に圧入され密着支持される構成である請求項1または2に記載の給湯装置。
- 水冷放熱器は、水路を形成する伝熱管と、発熱素子が取り付けられる平面をなす放熱基板部を有し前記放熱基板部近傍に前記伝熱管を挿入可能な貫通孔を設けた第2の基材とを有し、前記貫通孔に伝熱管を挿入して内嵌することにより前記伝熱管が前記第2の基材に密着支持される構成である請求項1または2に記載の給湯装置。
- 水冷放熱器は、良伝熱性材料からなり発熱素子が取り付けられる平面状の伝熱板と、水路を形成する溝を有し端面から前記溝に連通するように水路の入口と出口を穿孔された第3の基材とを有し、前記伝熱板を前記第3の基材の溝に接するように水密に密着接合した構成である請求項1または2に記載の給湯装置。
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