JP2008138991A - 加熱タンク及び貯湯タンク - Google Patents

Abstract

【課題】高効率に被加熱物を加熱することができて、且つ、安全性及び信頼性の高い加熱タンク及び貯湯タンクを提供する。
【解決手段】内部に被加熱物を収容し、ヒートポンプの循環冷媒によって被加熱物を加熱する加熱タンク、例えば、ヒートポンプの循環冷媒により加熱され、内部に温水を生成する貯湯タンク１であって、タンク本体２の壁面が、二枚の金属板５、６の周縁部及びその内方を部分的に固着し、非固着部分を膨出することで入口７Ａ及び出口７Ｂ以外が閉じた冷媒の通路７とされた熱交換器により構成されている。また、一方の金属板５の厚さ寸法を他方の金属板６よりも大きくし、一方の金属板５を内側に配置した。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートポンプの循環冷媒によって内部に収容された被加熱物を加熱する加熱タンクと貯湯タンクに関するものである。

従来よりこの種の加熱タンク、例えば、内部に温水を貯える貯湯タンクは、ヒートポンプの循環冷媒により、水（被加熱物）を加熱して高温の湯水を生成して、貯湯タンク内に貯留し、必要に応じて貯湯タンク内に貯えられた湯水を取り出すものであった。具体的には、貯湯タンクは熱交換器と配管接続されて、熱交換器を介して生成された温水を当該貯湯タンク内に貯留するものであった。

しかしながら、このように熱交換器を介して生成された温水を貯湯タンク内に貯留する場合、熱交換器に水を循環させるための送水用ポンプが必要となり、機器コストや消費電力アップする問題が生じていた。更に、熱交換器にて生成された高温の湯水は、配管を介して貯湯タンクに戻るため、配管などの部品の信頼性に十分に配慮する必要があると共に、配管を通過させる過程で湯水の温度が低下して、熱ロスに繋がる等、多くの課題を持つものであった。

そこで、熱交換器を貯湯タンクに内蔵したり、貯湯タンクの壁面に熱交換器の冷媒配管を巻装して、貯湯タンク内の水を直接的にヒートポンプの循環冷媒により加熱する装置、所謂、ヒートポンプの放熱部を貯湯タンクに一体的に設けたものも開発されて来ている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２２１５００号公報

しかしながら、前者の如く熱交換器の冷媒が流れる配管を貯湯タンク内に内蔵する場合、上記のような放熱ロスの問題を克服することができるが、貯湯タンク内に冷媒配管を設ける必要があり、配管に亀裂が入ったり、配管が破損した場合には、貯湯タンク内の水が汚染されるため、安全性及び信頼性の面で多くの課題があった。

一方、後者の如く貯湯タンクの壁面に熱交換器の冷媒配管を巻装した場合には、冷媒の熱が、配管、壁面を介して内部の水に伝えられるため、伝熱性が低く、且つ、配管と壁との接触面積が非常に小さいため、均等な伝熱面を確保することができず、効率の悪いものであった。

本発明は、係る従来技術の課題を解決するために成されたものであり、高効率に被加熱物を加熱することができて、且つ、安全性及び信頼性の高い加熱タンク及び貯湯タンクを提供することを目的とする。

請求項１の発明の加熱タンクは、内部に被加熱物を収容し、ヒートポンプの循環冷媒によって被加熱物を加熱するものであって、壁面が、二枚の金属板の周縁部及びその内方を部分的に固着し、非固着部分を膨出することで入口及び出口以外が閉じた冷媒の通路とされた熱交換器により構成されていることを特徴とする。

請求項２の発明の加熱タンクは、請求項１に記載の発明において一方の金属板の厚さ寸法を他方の金属板よりも大きくし、一方の金属板を内側に配置したことを特徴とする。

請求項３の発明の加熱タンクは、請求項１又は請求項２に記載の発明において熱交換器は円筒状を成し、タンク本体を構成することを特徴とする。

請求項４の発明の加熱タンクは、請求項３に記載の発明においてタンク本体の内側に間隔を存して円筒状の仕切板を同心状に配置したことを特徴とする。

請求項５の発明の貯湯タンクは、ヒートポンプの循環冷媒により加熱され、内部に温水を生成するものであって、内部に設けられた熱交換器を備え、この熱交換器は二枚の金属板から成り、両金属板は周縁部及びその内方が部分的に固着され、非固着部分が膨出されて入口及び出口以外が閉じた冷媒の通路とされていることを特徴とする。

請求項６の発明の貯湯タンクは、請求項５に記載の発明において円筒状のタンク本体を備え、熱交換器は円筒状を成し、タンク本体と同心状に配置されていることを特徴とする。

請求項７の発明の貯湯タンクは、請求項６に記載の発明において熱交換器の内側面に断熱材を設けたことを特徴とする。

請求項８の発明の貯湯タンクは、請求項６又は請求項７に記載の発明において複数の熱交換器を同心状に配置したことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、内部に被加熱物を収容し、ヒートポンプの循環冷媒によって被加熱物を加熱する加熱タンクであって、壁面が、二枚の金属板の周縁部及びその内方を部分的に固着し、非固着部分を膨出することで入口及び出口以外が閉じた冷媒の通路とされた熱交換器により構成されているので、加熱タンク内の被加熱物を壁面を流れる冷媒にて略直接的に加熱することが可能となる。これにより、熱ロスを解消することができるようになる。

更に、冷媒は二枚の板状の間に形成された冷媒の通路を流れるので、伝熱面の温度分布を極めて均一とすることができる。これにより、冷媒と加熱タンク内の被加熱物との熱交換性能が向上し、高効率に被加熱物を加熱することが可能となる。

特に、加熱タンクを水等の液体を加熱して温水等を生成する貯湯タンクとして用いる場合には、貯湯タンクの外部に熱交換器を設ける場合のように送水用ポンプなどの送水手段が不要となるので、機器コスト及び消費電力の低減を図ることができる。

請求項２の発明の加熱タンクは、請求項１に記載の発明において一方の金属板の厚さ寸法を他方の金属板よりも大きくし、一方の金属板を内側に配置したので、通路内に高圧が係った場合には、厚さ寸法の小さい他方の金属板が塑性変形し、破損するので、内側に配置された一方の金属板が破損する不都合を防ぐことができる。

特に、請求項３の発明の如く熱交換器は円筒状を成し、タンク本体を構成するものとすれば、一方の金属板の内側となる加熱タンク内に貯留された被加熱物が汚染される不都合を回避することができる。これにより、熱交換器を備えた加熱タンクの安全性及び信頼性を改善することができる。

更に、加熱タンクを水等の液体を加熱して温水等を生成する貯湯タンクとして用いる場合には、請求項４の発明の如くタンク本体の内側に間隔を存して円筒状の仕切板を同心状に配置するものとすれば、仕切板と熱交換器の間の空間を温水生成領域として、仕切板の内側の冷水領域と区画することができるようになる。これにより、貯湯タンクの下部から供給される冷水を温水生成領域にて加熱し、高温の湯を生成して、生成された高温の湯を効果的に貯湯タンクの上方に貯えることができる。従って、温水と冷水の生成層を極力損なうことなく、湯水を生成し貯留することができるようになる。

請求項５の発明の貯湯タンクによれば、ヒートポンプの循環冷媒により加熱され、内部に温水を生成するものであって、内部に設けられた熱交換器を備え、この熱交換器は二枚の金属板から成り、両金属板は周縁部及びその内方が部分的に固着され、非固着部分が膨出されて入口及び出口以外が閉じた冷媒の通路とされているので、貯湯タンク内の水を略直接的に加熱し、貯留することが可能となる。これにより、熱ロスを解消することができるようになる。また、送水用ポンプなどの送水手段が不要となるので、機器コスト及び消費電力の低減を図ることができる。

更に、冷媒は二枚の板状の間に形成された冷媒の通路を流れるので、伝熱面の温度分布を極めて均一とすることができる。

また、請求項６の発明の貯湯タンクは、請求項５の発明において円筒状のタンク本体を備え、熱交換器は円筒状を成し、タンク本体と同心状に配置されているので、貯湯タンク内全体の水を効率的に加熱することができるようになる。これにより、高効率に湯水を生成することが可能となる。

特に、請求項７の発明の如く熱交換器の内側面に断熱材を設けれは、断熱材の外側の熱交換器が存在する空間を温水生成領域として、断熱材の内側の冷水領域と区画することができる。これにより、貯湯タンクの下部から供給される冷水を温水生成領域にて加熱し、高温の湯水を生成して、生成された高温の湯水を効果的に貯湯タンクの上方に貯えることができる。

更に、上記請求項６又は請求項７の発明において、請求項８の発明の如く複数の熱交換器を同心状に配置するものとすれば、より一層効率的に湯水を生成し、生成された高温の湯水を貯湯タンクの上方に貯えることができる。これにより、温水と冷水の生成相を損なうことなく、湯水を生成して貯留することが可能となる。

本発明は、内部に被加熱物を収容し、ヒートポンプの循環冷媒によって被加熱物を加熱する貯留する加熱タンク及び貯湯タンクに関するもので、機器コストや消費電力の高騰や熱ロスを解消することと、加熱タンクに熱交換器を備えた場合に生じる安全性及び信頼性の問題、或いは、伝熱性の低下等による効率の悪化を改善するために成されたものである。高効率に被加熱物を加熱することができて、且つ、安全性及び信頼性の高い加熱タンクを提供するという目的を、加熱タンクの壁面を、二枚の金属板の周縁部及びその内方を部分的に固着し、非固着部分を膨出することで入口及び出口以外が閉じた冷媒の通路とされた熱交換器により構成することにより実現した。以下図面に基づき、本発明の実施の形態を詳述する。

先ず、本発明の加熱タンクを貯湯タンクに適用した場合の一実施例について説明する。図１は、本実施例の貯湯タンクを備えたヒートポンプ装置の冷媒回路図である。実施例の貯湯タンク１は、ヒートポンプの循環冷媒を放熱する熱交換器の機能を奏する給湯装置の貯湯用のタンクであり、圧縮機１０、膨張弁（減圧装置）１４及び蒸発器１６と共に冷媒回路を構成する。

即ち、圧縮機１０の冷媒吐出管１２は貯湯タンク１の冷媒通路入口５（図１では図示されない）に接続され、貯湯タンク１の冷媒通路出口６（図１では図示されない）に接続された冷媒配管１３は、膨張弁１４に接続されている。そして、膨張弁１４の出口に接続された冷媒配管１５は蒸発器１６に接続され、蒸発器１６の出口には圧縮機１０の冷媒導入管１１が接続されて環状の冷媒回路が構成される。この冷媒回路には冷媒としてＣＯ₂（二酸化炭素）が用いられる。実施例では二酸化炭素冷媒を超臨界状態まで圧縮するものとし、貯湯タンク１（熱交換器）では、冷媒は凝縮せずに温度が低下して、膨張弁１４における減圧で超臨界状態から気液二相状態に変化するものとする。

そして、圧縮機１０の図示しない圧縮要素で圧縮された高温高圧のガス冷媒（ＣＯ₂）は、貯湯タンク１において内部に収容（貯留）された被加熱物としての水と熱交換し、放熱する。このとき、貯湯タンク１内部に貯えられた水は係る冷媒の放熱により加熱され、高温の湯水となる。

一方、貯湯タンク１にて放熱した冷媒は、膨張弁１４に流入して絞られた後、減圧される過程で液化し、その後、気液二相状態となる。そして、蒸発器１６に流入し、そこでファン１６Ｆにて送風される空気（外気）から熱を奪い、蒸発する。蒸発器１６を出た冷媒は冷媒導入管１１から圧縮機１０に吸い込まれる超臨界冷凍サイクルを繰り返す。

次に、本実施例の貯湯タンク１について図２乃至図５を用いて詳述する。図２は実施例の貯湯タンク１の縦断面図、図３は図２に示す範囲Ａの部分拡大図、図４は図２の貯湯タンク１のタンク本体２の側面図、図５は図４のタンク本体２の平面図をそれぞれ示している。実施例の貯湯タンク１は、円筒状を呈するタンク本体２と、タンク本体２の一端（図２及び図４では上端）に溶接されたキャップ部３と、タンク本体２の他端（図２及び図４では下端）に溶接されたボトム部４から構成されている。

本実施例のタンク本体２は、熱交換器から構成される。具体的には、タンク本体２の壁面が、二枚の金属板５、６の周縁部及びその内方を部分的に固着し、非固着部分を膨出することで入口７Ａ及び出口７Ｂ以外が閉じた冷媒の通路７（冷媒循環部）とされた熱交換器により構成されている。この場合、内側に配置された金属板５の内面には給湯用の湯水が貯留される。図４において、Ｗｉは金属板５、６の内方を部分的に固着することにより形成された固着部であり、実施例では金属板６の一面側（金属板５が位置する側とは反対の面側）から当該金属板６と金属板５とをスポット溶接することで固着部Ｗｉが形成されている。また、Ｗｏは金属板５、６の周縁部の固着部であり、実施例では、金属板６の一面側（金属板５が位置する側とは反対の面側）からこの金属板６と金属板５とをシーム溶接することで固着部Ｗｏが形成されている。

実施例のタンク本体２の壁面は、内側に配置された一方の金属板５は厚さ寸法が１．５ｍｍの金属製の板材から成り、外側に配置された他方の金属板６は厚さ寸法が１．０ｍｍの金属製の板材から成る。即ち、壁面は厚さ寸法が異なる金属板から成り、より肉厚な一方の金属板５を内側に配置している。従って、当該金属板５の一面（内面）が貯湯タンク１内の水と接触することとなる。

このように、内側に配置された一方の金属板５の厚さ寸法を、外側に配置された他方の金属板６より大きくすることで、万一、両金属板５、６間に形成された通路７内に高圧が係った場合には、貯湯タンク１内の水との接触が完全に遮断された外側の金属板６が塑性変形し、破損することとなる。例えば、タンク１内の水と接触する内側の金属板５の板厚を外側の金属板６の板厚と同じ、若しくは、薄くすると、両金属板５、６間に形成された通路７内に高圧が係った場合、金属板５が変形し、破損に至る恐れがある。このように、貯湯タンク１内の水と接触する金属板５が変形し、破損すると、通路７内部の冷媒及び当該冷媒中に混入した圧縮機１０からの潤滑用の機械油が貯湯タンク１内に漏洩して、貯湯タンク１内の水が汚染されてしまう。これにより、安全性、信頼性が著しく低いものとなり、特に、当該貯湯タンク１にて生成された湯水を飲料用とした場合にはこのような問題は許容されない。

そこで、上述の如く内側に配置された金属板５の厚さ寸法を、外側に配置された金属板６より大きくすることで、内側に配置され、貯湯タンク１内の水と接触する金属板５が変形し、破損する不都合を未然に回避することができる。これにより、当該貯湯タンク１の安全性及び信頼性を向上することができる。加えて、内側に配置される金属板５は少なくとも耐腐食性に優れた材質にて構成することが好ましい。尚、本実施例では金属板５の厚さ寸法を１．５ｍｍとし、金属板６の厚さ寸法を１．０ｍｍとしたが、各金属板５、６の厚さ寸法は実施例の寸法に限定されるものではない。

また、前述したボトム部４の中心部の外面には貯湯タンク１内に給水するための給水配管２０が貫通して取り付けられ、一端が貯湯タンク１内の底部にて開口している。当該給水配管２０の他端は図示しない減圧弁等を介して水道等の給水源に接続される。

一方、キャップ部３の中心部外面には給湯タンク１内にて生成された湯水を取り出すための出湯配管２２が貫通して取り付けられ、一端が貯湯タンク１内の上部にて開口し、他端が例えば水道の蛇口等に接続される。

また、タンク本体２の内側の内面近傍（金属板５の内壁近傍）には、金属板５と間隔を存して円筒状の仕切板８が設けられている。本実施例の仕切板８は、断熱性の部材、例えば、ポリスチレンやポリエチレンなどの合成樹脂系の発泡体、或いは、これら発泡体をＦＲＰ（繊維強化プラスチック）にて挟持したもの、若しくは、上記発泡体をステンレス材にて挟持したものを円筒状に成形し、これをタンク本体２と同心状に配置している。

これにより、貯湯タンク１内を仕切板８にて、当該仕切板８の外側とタンク本体２の内面との間に形成される空間と、円筒状の仕切板８の内側の空間とに区画することができる。

また、仕切板８の高さ寸法（縦方向の寸法であり、図２に示す仕切板が設置されている領域に相当）は、タンク本体２の高さ寸法より大きく形成されており、当該仕切板８の下端は、少なくとも貯湯タンク１内において、タンク本体２の下端より低い位置であって、且つ、仕切板８と下部のボトム部４との間には所定の隙間が形成されるよう配設されている。

仕切板８の上端は、貯湯タンク１内において、タンク本体２の上端と略同一の位置、或いは、タンク本体２の上端より幾分、高い位置となるよう配設されている。これにより、仕切板８と上部のキャップ部３との間には十分な隙間が確保されている。また、図２において、２５は仕切板８の上方を固定するための固定部材であり、２６は仕切板８の下方を固定するための固定部材である。実施例では固定部材２５、２６がそれぞれ２つずつ使用されて、仕切板８が各固定部材２５、２６を介してタンク本体２に固定されている。尚、固定部材２５、２６により貯湯タンク１内の水の循環が阻害されないものとする。

このように、仕切板８をタンク本体２の高さ寸法より大きく形成し、仕切板８の下端をタンク本体２の下端より低い位置に、上端をタンク本体２の上端と略同一の位置、或いは、タンク本体２の上端より幾分、高い位置に設けることで、当該仕切板８によって、タンク本体２内が、仕切板８の外側とタンク本体２の内面との間に形成される空間と、円筒状の仕切板８の内側の空間とに区画される。これにより、仕切板８の外側と熱交換器が構成されたタンク本体２の内面との間に形成される空間を温水生成領域とし、仕切板８の内側の空間を冷水領域とすることができる。

以上の構成で上記貯湯タンク１を組み立てるには、先ず、金属板６の一端及び他端側に当該金属板６を貫通する孔（冷媒入口７Ａ及び冷媒出口７Ｂに相当）をそれぞれ形成する。次に、金属板５と金属板６とを重ね合わせるように配置し、金属板６の一面側（金属板５が位置する面とは反対の面側）から両金属板５、６をスポット溶接する。これにより、両金属板５、６とが部分的に固着され、固着部Ｗｉが形成される。そして、金属板６の一面側（金属板５が位置する面とは反対の面側）から両金属板５、６の全周縁部をシーム溶接する。これにより、両金属板５、６の間には、固着部Ｗｏにて全周縁部が固着された空間が形成される。

次に、金属板５が内側となるように円筒状に加工する。これにより、タンク本体２が形成される。その後、前記金属板６に形成した一方の孔（例えば、冷媒入口７Ａに相当する孔）から高圧の液体を注入する。これにより、固着部Ｗｏの内方のスポット溶接にて固着された固着部Ｗｉ以外の非固着部分が液体の圧力により膨出し、これによって、金属板５と金属板６の間に冷媒入口７Ａ及び冷媒出口７Ｂ以外が閉じた通路７が形成され、当該通路７内を冷媒通路とした熱交換器が構成される。

そして、当該タンク本体２の内側に円筒状に加工形成された前記仕切板８を取り付ける。このとき、仕切板８の下端が少なくとも貯湯タンク１内において、タンク本体２の下端より低い位置であって、且つ、仕切板８と下部のボトム部４との間には所定の隙間が形成されるように位置決めして、固定部材２６により仕切板８の下方を固定する。

同様に、仕切板８の上端が貯湯タンク１内において、タンク本体２の上端と略同一、若しくは、タンク本体２の上端より幾分高い位置となるように位置決めして固定部材２５により、仕切板８の上方を固定する。

次に、タンク本体２の上端の開口に中心部付近に出湯配管２２を接続するための貫通孔（図示せず）が形成されたキャップ部３を取り付けて、接続箇所の全周縁を溶接（シーム溶接など）にて固着する。同様に、タンク本体２の他端の開口に中心部に給水配管２０を接続するための貫通孔（図示せず）が形成されたボトム部４を取り付けて、接続箇所の全周縁を溶接（シーム溶接など）にて固着する。

そして、タンク本体２の冷媒入口７Ａに圧縮機１０の冷媒導入管１２を接続して固着し、冷媒出口７Ｂに冷媒配管１３を接続して固着する。更に、キャップ部３の貫通孔に出湯配管２２を接続して固着すると共に、ボトム部４の貫通孔２０に給水配管２０を接続して固着する。これにより、実施例の貯湯タンク１が組み立てられる。

以上の構成で本実施例の貯湯タンク１を備えて構成されたヒートポンプ装置の動作を説明する。圧縮機１０が起動して冷媒が圧縮されて高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、冷媒吐出管１２に吐出される。このとき、吐出された冷媒は超臨界状態まで圧縮された状態である。

冷媒吐出管１２に吐出された冷媒は、冷媒入口７Ａから貯湯タンク１内（タンク本体２内の冷媒通路７内）に流入する。冷媒入口７Ａから冷媒通路７内に流入した冷媒は、固着部Ｗｉの間に形成された通路７内を図６に示すように分散して流れ、その過程で、貯湯タンク１内の水に放熱する。本発明の貯湯タンク１は、前述したように冷媒が二枚の金属板５、６間に形成された冷媒通路７を流れるので、伝熱面の温度分布が極めて均一となる。即ち、通路７内を流れる冷媒の熱を金属板５を介して均等に貯湯タンク内の水に伝達することができる。これにより、冷媒と水との熱交換性能が向上し、高効率に湯水を生成することができるようになる。

また、冷媒は貯湯タンク１の上方に形成された冷媒入口７Ａから通路７内に入り、下方に向かって流れる。一方、貯湯タンク１内の水は下部に形成された給水配管の開口から貯湯タンク１内に入り、上方に向かって流れる。従って、冷媒と給湯タンク１内の水とは対向流に流れながら熱交換することとなる。このように、冷媒と水との流れが対向流となることで、貯湯タンク１内の水を効率良く加熱することができる。

特に、本実施例の如く二酸化炭素冷媒を使用する場合には、当該貯湯タンク１において冷媒は凝縮せずに超臨界を維持したまま放熱するため、冷媒の温度が低下することとなる。従って、貯湯タンク１の上方に形成された冷媒入口７Ａ付近では最も冷媒の温度が高く、そこから下方に流れて放熱する過程で徐々に冷媒の温度が低下し、冷媒出口７Ｂ付近では最も冷媒の温度が低くなる。そこで、冷媒と水とを対向流となるように流すことで、貯湯タンク１の下方では低温の冷媒と低温の水とを熱交換させて、貯湯タンク１の上方では高温の冷媒と比較的高温の水とを熱交換させて水を更に高温に加熱することができる。従って、冷媒と水とを高効率で熱交換させることが可能となる。

更に、実施例の如くタンク本体２の内側に間隔を存して円筒状の仕切板８を同心状に配置することで、当該仕切板８によって、タンク本体２内の空間を、仕切板８の外側とタンク本体２の内面との間に形成される温水生成領域（図２の加熱が行われる領域に相当）と、円筒状の仕切板８の内側の冷水領域とに区画することができる。

これにより、貯湯タンク１の下部から供給される水（冷水）を温水生成領域にて加熱し、高温の湯水を生成して、生成された高温の湯水を効果的に貯湯タンク１の上方に貯えることができる。即ち、本実施例の貯湯タンク１はタンク本体２の壁面に冷媒が流れる冷媒通路７が構成されているため、貯湯タンク１内の軸心方向の中心部は当該冷媒通路７から最も離れており、冷媒により加熱され難い領域である。特に、二酸化炭素冷媒のように超臨界領域で作動（放熱）する冷媒では、熱交換の過程で高温に昇温された湯水を冷水と混同しないことが重要となる。従って、仕切板８により貯湯タンク１内を区画しない場合には、冷媒により加熱されたタンク本体２の壁面付近の水の熱が当該水より中心部側の水により熱を奪われてしまうため、貯湯タンク１内の上方に効果的に高温の湯水を貯えることが出来なかった。しかしながら、本発明の如く仕切板８を設けることで、当該仕切板８の外側の温水生成領域で生成された湯水の熱が貯湯タンク１内の冷媒の流れる通路７から最も離れた中心付近の冷水により奪われること無く、高温のまま上方に流すことができる。

更にまた、実施例の如く仕切板８をタンク本体２の高さ寸法より大きく形成し、仕切板８の下端をタンク本体２の下端より低い位置に、上端をタンク本体２の上端と略同一の位置、或いは、タンク本体２の上端より幾分、高い位置に設けることで、下部から供給される冷水により熱を奪われる不都合も防ぐことができる。特に、温度の高い湯水は、冷水との密度比を駆動力とする自然対流によって下部から上部へ循環するため、一般的に貯湯タンク１内には上方が高温で、下方に行くほど温度が低くなる温度の層が形成されるが、上述したように仕切板８を設けることで、係る生成層が極力損なわれることなく、貯湯タンク１内で湯水を生成し、高温の湯水を上方に貯えることができるようになる。

一方、冷媒通路７を流れて放熱した冷媒は、冷媒出口７Ｂから出て、膨張弁１４に流入して減圧される。膨張弁１４の入口では冷媒はまだ超臨界状態である。そして、膨張弁１４にて減圧される過程で冷媒が液化し、気液二相状態となり、この状態で蒸発器１６に流入する。そこで、ファン１６Ｆにて送風される空気（外気）から熱を奪い、蒸発した後、冷媒導入管１１から圧縮機１０に吸い込まれる。

以上詳述したように、本発明によれば、貯湯タンク１が冷媒が放熱する熱交換器としての機能を奏するので、貯湯タンク１内の水を壁面を流れる冷媒にて略直接的に加熱し、貯留することが可能となる。これにより、熱ロスを解消することができるようになる。また、貯湯タンク１の外部に熱交換器を設ける場合のように送水用ポンプなどの格別な送水手段が不要となるので、機器コスト及び消費電力の低減を図ることができるようになる。更にまた、送水手段が不要となり、且つ、貯湯タンク１自体が熱交換器としての機能を奏するので、装置のコンパクト化を図ることができる。総じて、本発明の貯湯タンクにより、省エネルギー、省スペース、並びに、省コストを実現することが可能となる。

尚、上記実施例では仕切板８を断熱性の部材にて構成するものとしたが、仕切板８は本実施例の如く断熱性の部材に限らず、仕切板８の外側とタンク本体２の内面との間に形成される空間と、円筒状の仕切板８の内側の空間とに区画することが可能なものであれば良く、例えば、ステンレス板にて構成しても本発明は有効である。

また、実施例では金属板５、６の周壁部をシーム溶接にて固着し、その内方をスポット溶接にて部分的に固着するものとしたが、固着方法は、本実施例に限定されるものでなく、他の固着方法、例えば、ロウ付けにより金属板５、６を固着するものとしても良いし、その他の方法であっても有効である。

また、実施例１では金属板５、６の周壁部のみをシーム溶接にて固着し、冷媒入口７Ａから冷媒通路７内に流入した冷媒を成りいきで分散させるものとしたが、図７乃至図９に示すように、金属板５、６の上下方向に渡って、平行にシーム溶接を施して冷媒が蛇行状に流れるよう通路７を形成しても構わない。尚、図７乃至図９において、Ｗｔはシーム溶接した固着部を示し、矢印は入口７Ａから出口７Ｂに向かって蛇行状に流れる冷媒の流れを示している。

上記実施例１では、貯湯タンク１のタンク本体２を熱交換器としたが、図１０に示すように貯湯タンク１内部に熱交換器を設けても良い。図１０は、貯湯タンク１内部に円筒状を呈した熱交換器３０を設置した場合の貯湯タンク１の側面図を示している。図１０では説明の関係上、貯湯タンク１を断面で示し、熱交換器３０及び仕切板８は側面で示している。尚、図１０において上記図１乃至図９と同一の番号が付されたものは同様、或いは、類似の効果を奏するものであり説明を省略する。この場合、熱交換器３０は上記実施例１にて説明したタンク本体２と形状、構造及び形成方法が略同一であるため、ここでは具体的な説明を省略する。

実施例の熱交換器３０は、貯湯タンク１内の水内に浸漬されるので、両金属板５、６として耐腐食性の優れた材質を用いることが好ましい。また、この実施例では貯湯タンク１のタンク本体３２は、一枚の金属板を円筒状に加工成形したものであり、側面の上方には孔が形成され、当該孔内には圧縮機１０の冷媒導入管１２が貫通して貯湯タンク１内部の熱交換器３０の冷媒入口７Ａに接続されている。また、側面の下方にも同様に孔が形成され、この孔内には冷媒配管１３が貫通して、貯湯タンク１内部の熱交換器３０の冷媒出口７Ｂに接続されている。

このように熱交換器３０を貯湯タンク１内に配置する場合、熱交換器３０の外面の上方及び下方をそれぞれ固定部材３５、３６（実施例ではそれぞれ２個ずつ使用）を介してタンク本体３２に固定するものとする。尚、この固定部材３５、３６によっても、前記実施例１の固定部材２５、２６と同様に貯湯タンク１内の水の循環が阻害されないものとする。熱交換器の外周を貯湯タンク１のタンク本体３２の壁面（内面）と近接して、例えば、タンク本体３２の内面と熱交換器の外側に位置する金属板６との間隔を３０ｍｍ以内に設けることが望ましい。これにより、上記実施例１と同様な効果を得ることができる。

更に本実施例の場合にも、熱交換器３０の内側面に前記仕切板８を設けることで、仕切板８の外側の熱交換器が存在する空間を温水生成領域として、仕切板８の内側の冷水領域と区画することができる。これにより、上記実施例１と同様に貯湯タンク１の下部から供給される冷水を温水生成領域にて加熱し、高温の湯水を生成して、生成された高温の湯水を効果的に貯湯タンク１の上方に貯えることが可能となる。

本実施例では、貯湯タンク１内部に１つの熱交換器３０を設けるものとしたが、これに限らず、貯湯タンク1内に複数の熱交換器３０を同心状に配置しても差し支えない。尚、熱交換器の形状、及び、構成は上記と同様であるためここでは説明を省略する。このように、貯湯タンク1内に複数の熱交換器３０を同心状に配置するものとすれば、より一層効率的に湯水を生成し、生成された高温の湯水を貯湯タンクの上方に貯えることができる。これにより、温水と冷水の生成層を損なうことなく、湯水を生成して貯留することが可能となる。

尚、実施例２の如く熱交換器を貯湯タンク１内部に設ける場合、熱交換器を円筒状に形成するものに限らず、平板状のものをそのまま貯湯タンク１内の水中に浸漬しても差し支えない。

次に、本発明の加熱タンクの他の実施例について説明する。上記各実施例（実施例１及び実施例２）では加熱タンクを貯湯タンクとして使用する場合について説明したが、本発明の加熱タンクは温水を生成する貯湯タンクに限らず、例えば、麹や味噌などの食品の発酵や醸造用のタンク、或いは、食品乾燥や濃縮用のタンク、或いは生ゴミなどを処理する処理タンク、溶剤や水分の乾燥用タンク等として使用することも可能である。

ここで、上記の一例として例えば、本発明の加熱タンクを食品の乾燥、濃縮や生ゴミ等の処理をする処理タンクとして使用する場合について図１１及び図１４を用いて詳述する。図１１は本実施例の処理タンク１００の縦断面図であり、図１２は図１１のＢ−Ｂ断面図、図１３及び図１４は処理タンク１００のタンク本体１０２内を流れる冷媒の流れを示す図である。尚、図１１及び図１４において、前記図１乃至図１０と同一の符号が付されているものは同様の効果、或いは作用を奏するものとして説明を省略する。

本実施例の処理タンク１００は、ヒートポンプの循環冷媒を放熱する熱交換器の機能を奏する加熱用のタンクであり、前記実施例１と同様に圧縮機１０、膨張弁（減圧装置）１４及び蒸発器１６と共に冷媒回路を構成するものであり、冷媒も同様にＣＯ₂（二酸化炭素）が用いられ、冷媒回路の高圧側が超臨界状態となり、処理タンク１００（熱交換器）では、冷媒は凝縮せずに温度が低下して、膨張弁１４における減圧で超臨界状態から気液二相状態に変化するものとする。尚、冷媒回路の構成は、前記実施例１の図１に示すものと同様であるため、具体的な説明はここでは省略する。

そして、圧縮機１０の図示しない圧縮要素で圧縮された高温高圧のガス冷媒（ＣＯ₂）は、処理タンク１００において内部に収容された被加熱物（例えば、生ゴミ等）と熱交換し、放熱する。このとき、処理タンク１００内部に収容された被加熱物は係る冷媒の放熱により高温に加熱される。

一方、処理タンク１００にて放熱した冷媒は、膨張弁１４に流入して絞られた後、減圧される過程で液化し、その後、気液二相状態となる。そして、蒸発器１６に流入し、そこでファン１６Ｆにて送風される空気（外気）から熱を奪い、蒸発する。蒸発器１６を出た冷媒は冷媒導入管１１から圧縮機１０に吸い込まれる超臨界冷凍サイクルを繰り返す。

次に、本実施例の処理タンク１００について詳述する。処理タンク１００は両端が円筒状のキャップ部材１０３、１０４により密閉された横長円筒状のタンク本体１０２により構成され、この処理タンク１００の外周面全体が、例えば、ポリスチレンやポリエチレン、ウレタンなどの合成樹脂系の発泡体やグラスウール等から構成された断熱材１０８にて被覆されている。

本実施例のタンク本体１０２は、前記実施例１と同様に熱交換器から構成されている。具体的には、タンク本体１０２の壁面が、二枚の金属板１０５、１０６の周縁部及びその内方を部分的に固着し、非固着部分を膨出することで入口（本実施例では冷媒口１１５Ａ、１１５Ｂ）及び出口（本実施例では冷媒口１１６）以外が閉じた冷媒の通路１０７（冷媒循環部）とされた熱交換器により構成されている。図１３において、Ｗｏは二枚の金属板１０５、１０６の周縁部の溶接された固着部、Ｗｔはその内方の上下方向に渡って、平行に溶接された固着部、Ｗｉは前記固着部Ｗｏの内方を部分的に固着した固着部をそれぞれ示している。本実施例では、周縁部の固着部Ｗｏの内方の上下方向に渡って、平行に溶接を施して冷媒が蛇行状に流れるよう通路１０７が形成されている。

そして、金属板１０６の一面側（金属板１０５が位置する側とは反対の面側）からこの金属板１０６と金属板１０５とをスポット溶接することで固着部Ｗｉが形成され、金属板１０６の一面側（金属板１０５が位置する側とは反対の面側）から当該金属板１０６と金属板１０５とをシーム溶接することで固着部Ｗｏ及び固着部Ｗｔが形成されている。

実施例のタンク本体１０２の壁面は、前記実施例１と同様に内側に配置された一方の金属板１０５の厚さ寸法が、外側に配置された他方の金属板１０６の厚さ寸法より肉厚に構成されている。従って、当該金属板１０５の一面（内面）が処理タンク１００内に収容された被加熱物と接触することとなる。

このように、内側に配置された金属板１０５の厚さ寸法を、外側に配置された金属板１０６より大きくすることで、万一、両金属板１０５、１０６間に形成された通路１０７内に高圧が係った場合には、処理タンク１００内の被加熱物との接触が完全に遮断された外側の金属板１０６が塑性変形し、破損することとなる。このため、内側に配置され、処理タンク１００内の被加熱物と接触する金属板１０５が変形し、破損する不都合を未然に回避することができる。これにより、当該処理タンク１００の安全性及び信頼性を向上することができる。加えて、内側に配置される金属板１０５は少なくとも耐腐食性に優れた材質にて構成することが好ましい。

また、処理タンク１００には、タンク本体１０２の軸心方向に延在する回転軸１１０と、当該回転軸１１０に一端が取り付けられた複数のハネ部材１１１から成る攪拌翼１１２が取り付けられている。当該攪拌翼１１２の一端はキャップ部材１０３と断熱材１０８を貫通して図示しない駆動装置に取り付けられ、他端は円筒状の部材１０４を貫通し、断熱材１０８に形成された保持部１０９内に回転可能に保持されている。そして、上記駆動装置により回転軸１１０が駆動されると、当該回転軸１１０に取り付けられた複数の攪拌翼１１２が処理タンク１００内を回転して、当該処理タンク１００内に収容される被加熱物を攪拌するよう構成されている。

以上の構成で上記処理タンク１００を組み立てるには、先ず、金属板１０６の一端及び他端の一方側（即ち、キャップ部材１０３側）に金属板１０６を貫通する孔（冷媒口１１５Ａ及び冷媒口１１５Ｂに相当）をそれぞれ形成し、両孔の間となる金属板１０６の他方側（即ち、キャップ部材１０４側）にも同様に金属板１０６を貫通する孔（冷媒口１１６）を形成する。次に、金属板１０５と金属板１０６とを重ね合わせるように配置し、金属板１０６の一面側（金属板１０５が位置する面とは反対の面側）から両金属板１０５、１０６をスポット溶接する。これにより、両金属板１０５、１０６とが部分的に固着され、固着部Ｗｉが形成される。そして、金属板１０６の一面側（金属板１０５が位置する面とは反対の面側）から両金属板１０５、１０６の全周縁部及びその内方の上下方向に渡って平行にシーム溶接する。これにより、両金属板１０５、１０６の間には、固着部Ｗｏにて全周縁部が固着され、且つ、固着部Ｗｔにより蛇行状の空間（通路１０７）が形成される。

次に、金属板１０５が内側となるように円筒状に加工する。これにより、タンク本体１０２が形成される。その後、前記金属板１０６に形成した何れかの孔（例えば、冷媒口１１５Ａ、１１５Ｂの一方、或いは両方）から高圧の液体を注入する。これにより、固着部Ｗｏと、この内方の固着部Ｗｔ及びスポット溶接にて固着された固着部Ｗｉ以外の非固着部分が液体の圧力により膨出し、これによって、金属板１０５と金属板１０６の間に冷媒口１１５Ａ、１１５Ｂ及び冷媒口１１６以外が閉じた通路１０７が形成され、当該通路１０７内を冷媒通路とした熱交換器が構成される。

このとき、図１４に示すようにタンク本体１０２を冷媒口１１６が下側となるように配置、即ち、シーム溶接によって一端と他端とが溶接される固着部Ｗｏが上側となるように配置する場合には、上側となる冷媒口１１５Ａ、１１５Ｂが冷媒入口として使用され、下側の冷媒口１１６が冷媒出口として使用される。従って、本実施例の処理タンク１００には２つの冷媒入口と、１つの冷媒出口が形成されることとなる。この場合、冷媒入口１１５Ａ、１１５Ｂには圧縮機１０の冷媒吐出管１２が接続される。具体的には、冷媒吐出管１２の一端が２つに分岐され、分岐した一方の冷媒吐出管１２が冷媒入口１１５Ａに、分岐した他方の冷媒吐出管１２が冷媒入口１１５Ｂに接続される。また、冷媒出口１１６には膨張弁１４に至る冷媒配管１３が接続される。

次に、タンク本体１０２の両端の開口にそれぞれキャップ部材１０３、１０４を取り付けて当該各キャップ部材１０３、１０４の外周縁とタンク本体１０２の各開口縁とをそれぞれ溶接して接続することで、本実施例の処理タンク１００が組み立てられる。尚、本処理タンク１００内への被加熱物の出し入れは、例えば、円板状の部材１０３、１０４かタンク本体１０２の何れかに形成された図示しない出入口から行われ、この出入口は開閉可能な蓋部材により閉塞されているものとする。

以上の構成で本実施例の処理タンク１００を備えて構成されたヒートポンプ装置の動作を説明する。圧縮機１０が起動して冷媒が圧縮されて高温高圧となった二酸化炭素冷媒は、冷媒吐出管１２に吐出される。このとき、吐出された冷媒は超臨界状態まで圧縮された状態である。

冷媒吐出管１２に吐出された冷媒は、二股に分岐されそれぞれ冷媒入口１１５Ａ、１１５Ｂから処理タンク１００内（タンク本体１０２内の冷媒通路１０７内）に流入する。冷媒入口１１５Ａから冷媒通路１０７内に流入した冷媒は、図１３及び図１４に示すように当該冷媒入口１１５Ａから矢印で示すように下方向に流れ、冷媒入口１１５Ｂから冷媒通路１０７内に流入した冷媒は、同様に図１３に示すように冷媒入口１１５Ｂから矢印で示す用にした方向に流れ、その過程で処理タンク１００内の被加熱物に放熱する。本発明の処理タンク１００は、前述したように冷媒が二枚の金属板１０５、１０６間に形成された冷媒通路１０７を流れるので、伝熱面の温度分布が極めて均一となる。即ち、通路１０７内を流れる冷媒の熱を金属板１０５を介して均等に加熱タンク内の被加熱物に伝達することができる。これにより、冷媒と被加熱物との熱交換性能が向上し、高効率に被加熱物を加熱することができるようになる。

特に、冷媒として本実施例の如く処理タンク１００における放熱では凝縮しないで超臨界状態を維持する二酸化炭素冷媒を使用する場合には、本実施例の如く冷媒入口１１５Ａ、１１５Ｂから処理タンク１００内に形成された冷媒通路１０７内に流入した冷媒を上方から下方であって、且つ、蛇行状に流すことで、冷媒と内部の被加熱物を充分に熱交換させて、且つ、当該熱交換により冷媒出口１１６における冷媒温度を充分に下げることができる。

一方、冷媒通路１０７を流れて放熱した冷媒は、冷媒出口１１６から出て、膨張弁１４に流入して減圧される。膨張弁１４の入口では冷媒はまだ超臨界状態である。そして、膨張弁１４にて減圧される過程で冷媒が液化し、気液二相状態となり、この状態で蒸発器１６に流入する。そこで、ファン１６Ｆにて送風される空気（外気）から熱を奪い、蒸発した後、冷媒導入管１１から圧縮機１０に吸い込まれる。

以上詳述したように、本発明によれば、加熱タンク１００が冷媒が放熱する熱交換器としての機能を奏するので、加熱タンク１００内の被加熱物を壁面を流れる冷媒にて略直接的に加熱し、貯留することが可能となる。これにより、熱ロスを解消することができるようになる。

尚、本実施例では図１４に示すようにタンク本体１０２を冷媒口１１６が下側となるように配置するものとしたが、タンク本体１０２を冷媒口１１６が上側となるように配置しても良い。この場合には、上側となる冷媒口１１６が冷媒入口として使用され、下側の冷媒口１１５Ａ、１１５Ｂが冷媒出口として使用されることとなる。また、本実施例では処理タンク１００を横置き型のものとしたが、これに限らず縦置き型としても差し支えない。この場合、当該処理タンク１００にて加熱処理の進行に伴い被加熱物が下方に移動するように構成することで、処理タンク１００内に収容直後の被加熱物と、加熱処理の進行した被加熱物とを効率よく分けることができる。

更に、処理タンク１００内の被加熱物を攪拌する攪拌翼１１２の形状も図１１及び図１２に示す本実施例の形状に限定されることなく、他の形状であっても構わない。また、攪拌翼１１２を設けることなく、処理タンク１００自体を回転可能に構成しても差し支えない。

更にまた、本実施例では処理タンク１００のタンク本体１０２を熱交換器としたが、例えば、図１５及び図１６に示すようにタンク本体１０２の両端を閉塞するキャップ部材１０３、１０４も熱交換器としても良い。即ち、キャップ部材１０３、１０４をタンク本体１０２と同様に二枚の金属板から構成し、その金属板の周縁部及びその内方を部分的に固着し、非固着部分を膨出することで入口及び出口以外が閉じた冷媒の通路（冷媒循環部）を構成しても有効である。この場合には、圧縮機１０にて圧縮された高温高圧の冷媒を４つの流れに分流し、図１５に矢印で示すように１つの冷媒流を冷媒入口１１５Ａからタンク本体１０２に形成された冷媒通路１０７に流し、別の１つの冷媒流を冷媒入口１１５Ｂからタンク本体１０２に形成された冷媒通路１０７に流して、更に別の冷媒流をキャップ部材１０３に形成された冷媒通路に流し、更にまた別の冷媒流をキャップ部材１０４に形成された冷媒通路に流すよう構成する。更に、各冷媒通路を流れる過程で処理タンク１００内の被加熱物と熱交換して放熱した冷媒が、処理タンク１００から出た後冷媒配管１３にて合流するよう構成する。係る構成とした場合には、処理タンク１００内の被加熱物を処理タンク１００の全周面から加熱することができる。

本発明の加熱タンクの一実施例として貯湯タンクを備えたヒートポンプ装置の冷媒回路図である。 図１の貯湯タンクの縦断面図である。 図２に示す範囲Ａの部分拡大図である。 図２の貯湯タンクのタンク本体の側面図である。 図２の貯湯タンクのタンク本体の平面図である。 タンク本体に形成された冷媒入口付近における冷媒の流れを示す図である。 他の実施例のタンク本体の側面図である。 図７のタンク本体の平面図である。 図７のタンク本体を模式的に示した展開図である。 本発明の他の実施例の貯湯タンクの説明図である。 本発明の加熱タンクの他の実施例としての処理タンクの縦断面図である。 図１１のＢ−Ｂ断面図である。 図１１の処理タンクのタンク本体１０２内を流れる冷媒の流れを示す図である。 図１１の処理タンクのタンク本体１０２内を流れる冷媒の流れを示すもう一つの図である。 他の実施例の処理タンクの冷媒の流れを示す図である。 図１５の処理タンクのキャップ部材を示す図である。

符号の説明

Ｗｉ、Ｗｔ、Ｗｏ 固着部
１ 貯湯タンク
２ タンク本体
３ キャップ部
４ ボトム部
５、６ 金属板
７ 通路
７Ａ 冷媒入口
７Ｂ 冷媒出口
８ 仕切板
１０ 圧縮機
１１ 冷媒導入管
１２ 冷媒吐出管
１３、１５ 冷媒配管
１４ 膨張弁
１６ 蒸発器
２０ 給水配管
２２ 出湯配管
２５、２６ 固定部材

Claims (8)

1. 内部に被加熱物を収容し、ヒートポンプの循環冷媒によって前記被加熱物を加熱する加熱タンクであって、壁面が、二枚の金属板の周縁部及びその内方を部分的に固着し、非固着部分を膨出することで入口及び出口以外が閉じた前記冷媒の通路とされた熱交換器により構成されていることを特徴とする加熱タンク。
2. 一方の前記金属板の厚さ寸法を他方の前記金属板よりも大きくし、前記一方の金属板を内側に配置したことを特徴とする請求項１に記載の加熱タンク。
3. 前記熱交換器は円筒状を成し、タンク本体を構成することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の加熱タンク。
4. 前記タンク本体の内側に間隔を存して円筒状の仕切板を同心状に配置したことを特徴とする請求項３に記載の加熱タンク。
5. ヒートポンプの循環冷媒により加熱され、内部に温水を生成する貯湯タンクであって、 内部に設けられた熱交換器を備え、該熱交換器は二枚の金属板から成り、両金属板は周縁部及びその内方が部分的に固着され、非固着部分が膨出されて入口及び出口以外が閉じた前記冷媒の通路とされていることを特徴とする貯湯タンク。
6. 円筒状のタンク本体を備え、前記熱交換器は円筒状を成し、前記タンク本体と同心状に配置されていることを特徴とする請求項５に記載の貯湯タンク。
7. 前記熱交換器の内側面に断熱材を設けたことを特徴とする請求項６に記載の貯湯タンク。
8. 複数の前記熱交換器を同心状に配置したことを特徴とする請求項６又は請求項７に記載の貯湯タンク。

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