JP2002005516A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 給湯水と冷媒（二酸化炭素）とを熱交換する
熱交換器において、付着（析出）したカルシウムにより
水チューブが詰まってしまうことを防止しつつ、熱交換
効率を向上させる。 【解決手段】 冷媒チューブ２２１と水チューブ２２３
（水チューブ本体２２３ａ）とを直交配設するととも
に、水チューブ２２３内にインナーフィン２２３ｆを配
設する。これにより、給湯水と水チューブ２２３との間
における伝熱面積が増大するとともに、水チューブ２２
３内を流通する給湯水がインナーフィン２２３ｆにより
乱されて乱流状態となり、水と水チューブ２２３との熱
伝達率が大きくなる。このため、水チューブ２２３の通
路断面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下
することがないので、付着（析出）するカルシウム量を
見込んで水チューブ２２３の通路断面積を大きく設定す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、給湯水等の水と冷
媒とを熱交換する熱交換器であって、高圧側の圧力が冷
媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて給湯
水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器（以下、給湯
器と略す。）に適用して有効である。

【０００２】

【従来の技術】給湯器用の熱交換器は、水道水等の給湯
用の水が流通する水チューブと冷媒が流通する冷媒チュ
ーブとを有して、水と冷媒とを熱交換して水を加熱する
ものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、水の中（特
に、水道水）には、カルシウム（Ｃａ）が含まれている
ため、加熱されて水の温度が上昇すると、カルシウムの
溶解度が低下して水に溶けていたカルシウムが析出す
る。そして、析出したカルシウムが水チューブの内壁に
付着すると、水チューブが詰まってしまい、熱交換器が
機能しなくなる。

【０００４】これに対して、付着（析出）するカルシウ
ム量を見込んで水チューブの通路断面積を大きく設定す
ると、水チューブ内を流通する水の流速が小さくなり、
水の流通状態が層流状態となるので、水と水チューブと
の熱伝達率が小さくなり、熱交換効率が低下する。

【０００５】本発明は、上記点に鑑み、水と冷媒とを熱
交換する熱交換器において、付着（析出）したカルシウ
ムにより水チューブが詰まってしまうことを防止しつ
つ、熱交換効率を向上させることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、ヒートポン
プサイクルにて給湯用の給湯水を加熱する超臨界ヒート
ポンプ式給湯器にて適用され、給湯水と冷媒とを熱交換
する熱交換器であって、冷媒が流通する冷媒チューブ
（２２１）と、給湯水を冷媒の流れに対して交差するよ
うに蛇行させて流通させる水チューブ（２２３）と、水
チューブ（２２３）内に配設されたインナーフィン（２
２３ｆ）とを有する熱交換器。

【０００７】これにより、給湯水と水チューブ（２２
３）との間における伝熱面積が増大するとともに、水チ
ューブ（２２３）内を流通する給湯水がインナーフィン
（２２３ｆ）により乱されて乱流状態となり、水と水チ
ューブ（２２３）との熱伝達率が大きくなる。

【０００８】このため、水チューブ（２２３）の通路断
面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下する
ことがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込
んで水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定す
ることができる。したがって、付着（析出）したカルシ
ウムにより水チューブ（２２３）が詰まってしまうこと
を防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。

【０００９】請求項２に記載の発明では、ポンプサイク
ル内を循環する冷媒のうち高圧側の冷媒が流通する冷媒
チューブ（２２１）と、冷媒チューブ（２２１）内を流
通する冷媒と熱交換する水が流通するとともに、内部に
インナーフィン（２２３ｆ）を有する水チューブ（２２
３）とを備え、冷媒の流れと水の流れとが直交対向流れ
となるように両チューブ（２２１、２２３）が配設され
ていることを特徴とする。

【００１０】これにより、水と水チューブ（２２３）と
の間における伝熱面積が増大するとともに、水チューブ
（２２３）内を流通する水がインナーフィン（２２３
ｆ）により乱されて乱流状態となり、水と水チューブ
（２２３）との熱伝達率が大きくなる。

【００１１】このため、水チューブ（２２３）の通路断
面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下する
ことがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込
んで水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定す
ることができる。したがって、付着（析出）したカルシ
ウムにより水チューブ（２２３）が詰まってしまうこと
を防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。

【００１２】請求項３に記載の発明では、高圧側の圧力
が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて
給湯用の給湯水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器
にて適用され、給湯水と冷媒とを熱交換する熱交換器で
あって、冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、給
湯水が流通するとともに、内部にインナーフィン（２２
３ｆ）が配設された水チューブ（２２３）とを備え、水
チューブ（２２３）は、冷媒チューブ（２２１）の長手
方向全域に渡って、長手方向が冷媒チューブ（２２１）
の長手方向に対して直交するように配設された複数本の
水チューブ本体（２２３ａ）、及び水チューブ本体（２
２３ａ）の長手方向端部にて隣り合う水チューブ本体
（２２３ａ）を接続して給湯水の流通方向を１８０°転
向させる水チューブヘッダ（２２３ｂ）を有して構成さ
れていることを特徴とする。

【００１３】これにより、給湯水と水チューブ（２２
３）との間における伝熱面積が増大するとともに、水チ
ューブ（２２３）内を流通する給湯水がインナーフィン
（２２３ｆ）により乱されて乱流状態となり、水と水チ
ューブ（２２３）との熱伝達率が大きくなる。

【００１４】このため、水チューブ（２２３）の通路断
面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下する
ことがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込
んで水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定す
ることができる。したがって、付着（析出）したカルシ
ウムにより水チューブ（２２３）が詰まってしまうこと
を防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。

【００１５】なお、インナーフィン（２２３ｆ）は、請
求項４に記載の発明のごとく、板状のセグメントを千鳥
状にオフセット配置したオフセット型のフィンとするこ
とが望ましい。

【００１６】また、冷媒は、請求項５に記載の発明のご
とく、二酸化炭素とすることが望ましい。

【００１７】さらに、請求項６に記載の発明のごとく、
水チューブ（２２３）は銅又ステンレス製であり、冷媒
チューブ（２２１）はアルミニウム製とすることが望ま
しい。

【００１８】因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後
述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す
一例である。

【００１９】

【発明の実施の形態】本実施形態は、本発明に係る熱交
換器を家庭用給湯器に適用したものであって、図１は給
湯器１００の外観図であり、図２は給湯器１００の模式
図である。図２中、２００（２点鎖線で囲まれたもの）
は、給湯水を加熱し高温（本実施形態では約８５℃）の
温水を生成する超臨界ヒートポンプ式給湯器（以下、ヒ
ートポンプと略す。）である。

【００２０】なお、超臨界ヒートポンプとは、高圧側の
冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイ
クルを言い、例えば二酸化炭素、エチレン、エタン、酸
化窒素等を冷媒とするヒートポンプサイクルである。

【００２１】また、３００はヒートポンプ２００にて加
熱された温水を保温貯蔵する複数個の保温タンクであ
り、各保温タンク３００は、温水（給湯水）流れに対し
て並列となるように配設されている。

【００２２】図２中、２１０は冷媒（本実施形態では二
酸化炭素）を吸入圧縮する圧縮機であり、この圧縮機２
１０は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（図示せず）及び
圧縮機構を駆動する電動モータ（図示せず）が一体とな
った電動圧縮機である。

【００２３】２２０は本実施形態に係る熱交換器であ
り、圧縮機２１０から吐出する冷媒と給湯水とを熱交換
する水熱交換器（放熱器）である。なお、詳細は後述す
る。

【００２４】２３０は水熱交換器２２０から流出する冷
媒を減圧する電気式膨張弁（減圧器）であり、２４０
は、電気式膨張弁２３０（以下、膨張弁２３０と略
す。）から流出する冷媒を蒸発させて大気中の熱を冷媒
に吸収させるとともに、後述するアキュムレータ２５０
（圧縮機２１０の吸入側）に向けて冷媒を流出する蒸発
器である。

【００２５】２５０は、蒸発器２４０から流出する冷媒
を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機２
１０の吸入側に流出するとともに、ヒートポンプ２００
中の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータである。

【００２６】２６０は蒸発器２４０に空気（外気）を送
風するとともにその送風量を調節することができる送風
機（送風量調節手段）であり、この送風機２６０、圧縮
機２１０及び膨張弁２３０は、後述する各センサの検出
信号に基づいて電子制御装置（ＥＣＵ）２７０により制
御されている。

【００２７】そして、２７１は水熱交換器２２０から流
出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（冷媒温度
検出手段）であり、２７２は水熱交換器に流入する給湯
水の温度を検出する第１温水温度センサ（第１温水温度
検出手段）である。

【００２８】２７３は水熱交換器２２０から流出する冷
媒の圧力（高圧側の冷媒圧力）を検出する冷媒圧力セン
サ（冷媒圧力検出手段）であり、２７４は水熱交換器２
２０から流出する給湯水の温度を検出する第２温水温度
センサ（第２温水温度検出手段）である。そして、各セ
ンサ２７１〜２７４の検出信号は、ＥＣＵ２７０に入力
されている。

【００２９】ここで、高圧側の冷媒圧力とは、圧縮機２
１０の吐出側から膨張弁２３０の流入側に至る冷媒通路
に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１
０の吐出圧（水熱交換器２２０の内圧）に略等しい。一
方、低圧側の冷媒圧力とは、膨張弁２３０の流出側から
圧縮機２１０の吸入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の
圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吸入圧（蒸発
器２４０の内圧）に略等しい。

【００３０】また、４００は、水熱交換器２２０に給湯
水を供給する（循環させる）と共に、その給湯水量を調
節する電動ウォータポンプ（以下、ポンプと略す。）で
あり、４１０は水道管（図示せず）から給水される水道
水が水熱交換器２２０に流入することを防止する閉止弁
である。そして、ポンプ４００及び閉止弁４１０もＥＣ
Ｕ２７０により制御されている。

【００３１】次に、水熱交換器２２０について述べる。

【００３２】図３は水熱交換器２２０の外形図であり、
２２１は冷媒が流通する断面形状が扁平に形成された冷
媒チューブであり、この冷媒チューブ２２１はアルミニ
ウム材を押し出し加工又は引く抜き加工にて成形したも
のである。この冷媒チューブ２２１は、図４に示すよう
に、１本の冷媒チューブ２２１内に複数本の冷媒通路２
２１ａを有する多穴構造とすることで耐圧強度を高めた
ものである。

【００３３】そして、図３中、２２２は冷媒チューブ２
２１の長手方向両端側に配設されて複数本の冷媒通路２
２１ａに連通する冷媒チューブヘッダであり、長手方向
一端側（紙面下側）の冷媒チューブヘッダ２２２は各冷
媒通路２２１ａに冷媒を分配供給するもので、長手方向
他端側（紙面上側）の冷媒チューブヘッダ２２２は給湯
水と熱交換を終えた冷媒を集合回収するものである。

【００３４】また、２２３は給湯水が流通する水チュー
ブであり、この水チューブ２２３は、冷媒チューブ２２
１の長手方向全域に渡って、長手方向が冷媒チューブ２
２１の長手方向（冷媒の流通方向）に対して直交するよ
うに配設された複数本（本実施形態では、１２本）の水
チューブ本体２２３ａ、及び水チューブ本体２２３ａの
長手方向端部にて隣り合う水チューブ本体２２３ａを接
続して給湯水の流通方向を１８０°転向させる水チュー
ブヘッダ２２３ｂ等から構成されたものである。

【００３５】このため、水チューブ２２３内を流通する
給湯水は、冷媒の流れに対して直交（交差）するように
蛇行しながら冷媒チューブ２２１の長手他端側（本実施
形態では、紙面上側）から一端側（本実施形態では、紙
面下側）に向けて流通するので、冷媒流れと給湯水流れ
とは直交対向流れとなる。

【００３６】ところで、水チューブ２２３（水チューブ
本体２２３ａ）は、図５に示すように、断面形状がバス
タブ状（弓なり）となるようにプレス成形された第１、
２プレート２２３ｃ、２２３ｄをろう付け接合したもの
で、内部（水通路２２３ｅ内）にオフセット型のインナ
ーフィン２２３ｆが配設されている。なお、第１、２プ
レート２２３ｃ、２２３ｄ及びインナーフィン２２３ｆ
は、銅又はステンレス等の耐食性に優れた金属製であ
る。

【００３７】因みに、オフセット型のフィン（マルチエ
ントリ型フィン）とは、熱交換器設計ハンドブック（工
学図書株式会社発行）や第１９回・日本伝熱シンポジウ
ム講演論文集等に記載されているように、板状のセグメ
ント２２３ｇを千鳥状にオフセット配置したものであ
る。

【００３８】次に、本実施形態に係る水熱交換器２２０
の製造方法の概略について述べる。

【００３９】先ず、所定形状（バスタブ形状）にプレス
成形された第１、２プレート２２３ｃ、２２３ｄのうち
両プレート２２３ｃ、２２３ｄの接触面、及びインナー
フィン２２３ｆのうち両プレート２２３ｃ、２２３ｄと
の接触面にフラックス及びろう材（本実施形態では、リ
ンと銅との合金）を塗布し（ろう材塗布工程）、両プレ
ート２２３ｃ、２２３ｄ及びインナーフィン２２３ｆを
図５に示すように組み立てて、ワイヤー等の治具により
組み立てた状態を保持し（第１仮組工程）、その後、炉
内で加熱して両プレート２２３ｃ、２２３ｄ及びインナ
ーフィン２２３ｆろう付け接合する（第１ろう付け工
程）。

【００４０】次に、第１ろう付け工程で製造されたチュ
ーブ２２３と冷媒チューブ２２１との間にろう材（本実
施形態では、冷媒チューブ２２１より融点の低いアルミ
ニウム材）の薄膜を配置した状態で、ワイヤー等の治具
にて両チューブ２２１、２２３を図５に示すように固定
する（第２仮組工程）。その後、第２仮組工程を終了し
たものを炉内で加熱して両チューブ２２１、２２３をろ
う付け接合する（第２ろう付け工程）。

【００４１】なお、本実施形態において、ろう付け工程
を２工程に分けたのは、水チューブ２２３の融点と冷媒
チューブ２２１の融点が大きく相違するからである。

【００４２】次に、本実施形態の特徴を述べる。

【００４３】本実施形態によれば、水チューブ２２３内
にインナーフィン２２３ｆを配設しているので、給湯水
と水チューブ２２３との間における伝熱面積が増大する
とともに、水チューブ２２３内を流通する給湯水がイン
ナーフィン２２３ｆにより乱されて乱流状態となり、水
と水チューブ２２３との熱伝達率が大きくなる。

【００４４】このため、水チューブ２２３の通路断面積
を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下すること
がないので、付着（析出）するカルシウム量を見込んで
水チューブ２２３の通路断面積を大きく設定することが
できる。したがって、付着（析出）したカルシウムによ
り水チューブ２２３が詰まってしまうことを防止しつ
つ、熱交換効率を向上させることができる。

【００４５】なお、直交対向流型の熱交換器は、直交す
る列数（本実施形態では、水チューブ本体２２３ａの本
数）が多く（概ね、６本以上と）なると、熱交換効率は
対向流型の熱交換器と同等となる（コンパクト熱交換器
（日刊工業新聞社）等参照）。したがって、本実施形態
に係る水熱交換器２２０は対向流型の熱交換器と同等の
熱交換能力を得ることができる。

【００４６】ところで、仮に、水チューブ２２３を単純
な直線状のもとし、給湯水を冷媒流れに対して蛇行させ
ることなく冷媒流れと反対向きに流通させた（対向流流
れとした）場合には、水チューブ２２３と冷媒チューブ
２２１との伝熱面積（接触面積）を確保すべく、水チュ
ーブ２２３の長径寸法（幅寸法）と冷媒チューブ２２１
の長径寸法（幅寸法）とを等しくせざるを得ない。

【００４７】ここで、チューブの長径寸法（幅寸法）と
は、チューブのうち長手方向と直交する方向と平行な部
位の寸法を言うものである。

【００４８】しかし、水チューブ２２３の長径寸法を冷
媒チューブ２２１の長径寸法と等しくすると、水チュー
ブ２２３（水通路２２３ｅ）の幅が大きくなるので、水
チューブ２２３（水通路２２３ｅ）の長径方向全域に渡
って給湯水を均一に流通させることが難しい。このた
め、水チューブ２２３のうち流量が小さい部位では、熱
交換能力が低下するので、水熱交換器２２０の熱交換能
力が低下してしまう。

【００４９】これに対して、本実施形態では、図３に示
すように、冷媒チューブ２２１の長手方向全域に渡っ
て、水チューブ本体２２３を冷媒チューブ２２１に対し
て直交するように配設して直交対向型の熱交換器を構成
しているので、水チューブ２２３と冷媒チューブ２２１
との伝熱面積（接触面積）を確保しつつ、水チューブ２
３の長径寸法（幅寸法）を小さくすることができるの
で、水チューブ２２３（水通路２２３ｅ）の長径方向全
域に渡って給湯水を均一に流通させることが可能とな
り、水熱交換器２２０の熱交換能力を向上させることが
できる。

【００５０】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、水チューブ２２３は複数の部品を接合して構成した
が、サーペインタイン型熱交換器のチューブのごとく、
１本のチューブを蛇行させて水チューブを構成してもよ
い。

【００５１】また、上述の実施形態では、インナーフィ
ン２２３ｆとして、オフセット型のフィンを用いたが本
発明はこれに限定されるものではなく、波状のコルゲー
トフィン等のその他形式のフィンであってもよい。

【００５２】また、上述の実施形態では、超臨界ヒート
ポンプ式給湯器に本発明に係る熱交換器を適用したが、
本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、臨
界圧力未満で稼働するヒートポンプ式給湯器等のその他
のヒートポンプにも適用することができる。

【００５３】なお、本発明により給湯される温水は、飲
料用、暖房用、加熱用等のその用途は限定されるもので
はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る給湯器の外観図であ
る。

【図２】本発明の実施形態に係る給湯器の模式図であ
る。

【図３】（ａ）は本発明の実施形態に係る水熱交換器の
正面図であり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。

【図４】本発明の実施形態に係る水熱交換器に適用され
る冷媒チューブの断面図である。

【図５】本発明の実施形態に係る水熱交換器に適用され
る冷媒チューブ及び水チューブの断面図である。

【符号の説明】

２１１…冷媒チューブ、２２３…水チューブ、２２３ｆ
…インナーフィン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 憲 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 河地 典秀 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 沖ノ谷 剛 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 馬場 則昌 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 小早川 智明 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 草刈 和俊 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 斉川 路之 神奈川県横須賀市長坂２−６−１ 財団法 人電力中央研究所横須賀研究所内 Ｆターム(参考） 3L036 AA06

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ヒートポンプサイクルにて給湯用の給湯
   水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器にて適用さ
   れ、前記給湯水と冷媒とを熱交換する熱交換器であっ
   て、 前記冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、 前記給湯水を前記冷媒の流れに対して交差するように蛇
   行させて流通させる水チューブ（２２３）と、 前記水チューブ（２２３）内に配設されたインナーフィ
   ン（２２３ｆ）とを有する熱交換器。
2. 【請求項２】 ヒートポンプサイクル内を循環する冷媒
   のうち高圧側の冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）
   と、 前記冷媒チューブ（２２１）内を流通する冷媒と熱交換
   する水が流通するとともに、内部にインナーフィン（２
   ２３ｆ）を有する水チューブ（２２３）とを備え、 前記冷媒の流れと前記水の流れとが直交対向流れとなる
   ように前記両チューブ（２２１、２２３）が配設されて
   いることを特徴とする熱交換器。
3. 【請求項３】 高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上とな
   るヒートポンプサイクルにて給湯用の給湯水を加熱する
   超臨界ヒートポンプ式給湯器にて適用され、前記給湯水
   と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、 前記冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、 前記給湯水が流通するとともに、内部にインナーフィン
   （２２３ｆ）が配設された水チューブ（２２３）とを備
   え、 前記水チューブ（２２３）は、前記冷媒チューブ（２２
   １）の長手方向全域に渡って、長手方向が前記冷媒チュ
   ーブ（２２１）の長手方向に対して直交するように配設
   された複数本の水チューブ本体（２２３ａ）、及び前記
   水チューブ本体（２２３ａ）の長手方向端部にて隣り合
   う前記水チューブ本体（２２３ａ）を接続して前記給湯
   水の流通方向を１８０°転向させる水チューブヘッダ
   （２２３ｂ）を有して構成されていることを特徴とする
   熱交換器。
4. 【請求項４】 前記インナーフィン（２２３ｆ）は、板
   状のセグメントを千鳥状にオフセット配置したオフセッ
   ト型のフィンであることを特徴とする請求項１ないし３
   のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 【請求項５】 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特
   徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交
   換器。
6. 【請求項６】 前記水チューブ（２２３）は銅又はステ
   ンレス製であり、前記冷媒チューブ（２２１）はアルミ
   ニウム製であることを特徴とする請求項１ないし５のい
   ずれか１つに記載の熱交換器。