JP2005003209A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents
熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】熱交換器10は、第1流体が流れる第1流路3と第2流体が流れる第2流路4とを内包する第1および第2の伝熱管1および2を備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、かつ第2伝熱管2は、巻回された第1伝熱管1の内側に二重配置された構成を有する。また前記構成をヒートポンプ給湯機に応用したものとする。これによれば、螺旋状に巻回した伝熱管の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができ、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、伝熱管の長尺化が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機に関し、特に、ヒートポンプを用いて温水を生成する給湯機や冷温水を生成する冷暖房機などに利用される冷媒対水熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の熱交換器としては、図5および図6に示すような二重管式の熱交換器が提案されている。その構成について、図5および図6を参照しながら説明する(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
熱交換器50は、例えば、冷媒の凝縮熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用されるものであり、内管55を外管56内に同心状に挿入した伝熱管51を環状に巻いて構成したものである。内管55内を高温高圧の冷媒が流れる流路53とする一方、内管55と外管56との間の空間を低温低圧の水が流れる流路54としている。このとき、高温冷媒は伝熱管51の内管55内に、例えば、図6に矢印で示した方向に流入し、その外側の流路54を矢印とは逆方向に流れる低温の水と熱交換を行い、この水を加熱することになる。
【0004】
【特許文献1】
特開2001−201275号公報(第6頁、図2〜図3)
【0005】
【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、次のような課題がある。例えば、熱交換器50の性能向上や能力拡大を図るためには、伝熱管51の全長を長くする必要がある。このとき、従来のような構成では、螺旋状に巻回した伝熱管51の巻き数を増加させたり、巻き形状を大きくして一巻き当たりの長さを長くしたりすることにより、所定の伝熱管長さを確保することになる。この場合、巻き数の増加は熱交換器の高さ増加に、巻き形状の拡大は熱交換器の設置面積の拡大にそれぞれ繋がり、いずれにしても熱交換器を収納する装置全体を大きくしてしまうという課題があった。
【0006】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、コンパクトで信頼性に優れた熱交換器を提供するものである。
【0007】
【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、本発明の熱交換器は、第1流体が流れる第1流路と第2流体が流れる第2流路とを内包する第1および第2の伝熱管を備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、かつ前記第2伝熱管は、巻回された前記第1伝熱管の内側に二重配置された構成を有するものである。
【0008】
これによって、螺旋状に巻回した伝熱管の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができ、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、伝熱管の長尺化が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
請求項1に記載の発明は、第1流体が流れる第1流路と第2流体が流れる第2流路とを内包する第1および第2の伝熱管を備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、かつ前記第2伝熱管は、巻回された前記第1伝熱管の内側に二重配置された構成を有するものであり、螺旋状に巻回した伝熱管の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができ、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、伝熱管の長尺化が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。
【0010】
請求項2に記載の発明は、請求項1の構成に対して、特に螺旋状に巻回された第2伝熱管の曲げ半径が、第1伝熱管よりも小さいものであり、二重配置された第1伝熱管と第2伝熱管との間の空隙を最小限にすることができるため、よりコンパクトで収納性に優れた熱交換器を提供することができる。
【0011】
請求項3に記載の発明は、請求項1または2の構成に対して、特に第1および第2伝熱管の断面が略円形状を有し、前記第2伝熱管の相当直径が、前記第1伝熱管よりも小さいものであり、二重構造の内側に、一般に小さなR形状の曲げ加工の容易な細管を配することで、よりコンパクトで収納性に優れた熱交換器を提供することができる。
【0012】
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の構成に対して、特に螺旋状に巻回された第2伝熱管の巻回軸方向の高さが、第1伝熱管よりも大きいものであり、二重構造の内側に配された第2伝熱管の外部との接続が容易となるため、コンパクトかつ生産性に優れた熱交換器を提供することができる。
【0013】
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4の構成に対して、特に第1および第2の伝熱管が巻回軸方向の鉛直上側で連通するものであり、熱交換器全体の構造として、鉛直方向下側から流入し、熱交換器内を流体が上昇して降下し、最終的に再び鉛直方向下側から流出するような、逆U字状の構成とすることができ、例えば、凍結防止対策としての重力を利用した水抜き等のメンテナンスが容易となり、コンパクトで信頼性に優れた熱交換器を提供することができる。
【0014】
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5の構成に対して、特に第1および第2の伝熱管が継ぎ目のない連続した管体から構成されるものであり、管と管との繋ぎ部分の接合不良に伴う流体の漏洩等の可能性が低く、構成も簡素化できるため、コンパクトで信頼性と生産性に優れた熱交換器を提供することができる。
【0015】
請求項7に記載の発明は、冷媒により水を加熱するヒートポンプ給湯機であり、請求項1〜6に記載の熱交換器を、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路の放熱器として用い、第1流体の冷媒により第2流体の水を加熱するものであり、コンパクトで信頼性に優れた本実施例の熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機全体のコンパクト化と信頼性向上を実現することができる。
【0016】
請求項8に記載の発明は、請求項7の構成に対して、特に冷媒の圧力が臨界圧力以上となるものであり、熱交換器を流れる第1流体である冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、第2流体である水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【0017】
【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。
【0018】
(実施例1)
図1および図2は本発明の実施例1における熱交換器10の側面図および平面図である。図1および図2において、熱交換器10は、第1流体が流れる第1流路3と第2流体が流れる第2流路4とを内包する第1および第2の伝熱管1および2を備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、かつ第2伝熱管2は、巻回された第1伝熱管1の内側に二重配置された構成を有する。
【0019】
第1伝熱管1は、内管5と外管6からなり、内管5を外管6内に同心状に挿入して螺旋状に巻回して構成したものである。内管5内を第1流体(例えば、高温高圧の冷媒)が流れる第1流路3aとする一方、内管5と外管6との間の空間を第2流体(例えば、低温低圧の水)が流れる第2流路4aとしている。同様に、第2伝熱管2は、内管7と外管8からなり、内管7を外管8内に同心状に挿入して螺旋状に巻回して構成したものである。内管7内を第1流体(例えば、高温高圧の冷媒)が流れる第1流路3bとする一方、内管7と外管8との間の空間を第2流体(例えば、低温低圧の水)が流れる第2流路4bとしている。このとき、図1中に矢印Aで示した巻回軸方向に対して、第2伝熱管2の高さH2が、第1伝熱管1の高さH1よりも大きく構成されている。また、第1伝熱管1と第2伝熱管2の断面が略円形状を有し、第2伝熱管2の相当直径D2が、第1伝熱管1の相当直径D1よりも小さく構成されている。
【0020】
なお、第1流体が流れる第1流路3aおよび3bは、接続管11において互いに連通しており、連続した第1流路3を形成している。同様に、第2流体が流れる第2流路4aおよび4bは、接続管12において互いに連通しており、連続した第2流路4を形成している。このとき、図1中に矢印Aで示した巻回軸方向に対して、鉛直方向上方において、第1伝熱管1と第2伝熱管2とが連通する構成となっている。さらに、熱交換器10は、図2に示すように、螺旋状に巻回された第2伝熱管2の曲げ半径R2が、第1伝熱管1の曲げ半径R1よりも小さく構成される。
【0021】
このような熱交換器10を構成する管体の材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。
【0022】
以上のように構成された熱交換器10について、以下その作用を説明する。
【0023】
第1伝熱管1および第2伝熱管2において、第1流路3には高圧側の第1流体を、第2流路4には低圧側の第2流体をそれぞれ流通させる。熱交換器10を、図3に示すような、圧縮冷媒の凝縮熱や顕熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機の冷媒水熱交換器に利用するものとすると、例えば、高圧の第1流体は圧縮機から送られる二酸化炭素やフロン等の冷媒であり、低圧の第2流体は給湯用の水となる。
【0024】
ヒートポンプ給湯機は、一般に、圧縮機31、放熱器としての熱交換器10、膨張弁33、大気熱等を集熱する蒸発器34を順次接続したヒートポンプ回路35と、貯湯タンク36、水ポンプ37、前記した熱交換器10を順次接続した水回路38とから構成される。
【0025】
このようなヒートポンプ給湯機により、給湯水の加熱を行う場合、まず、蒸発器34において、送風ファンや集熱パネル等により大気熱や太陽熱等を集熱し、その内部を流れる冷媒を蒸発ガス化する。この冷媒は圧縮機31に吸引され、機械的に圧縮されて、高温高圧の冷媒として熱交換器10の第1流路3に送られる。
【0026】
貯湯タンク36下部の水は、循環用の水ポンプ37によって搬送され、熱交換器10の第2流路4に流入する。ここで、高温高圧の冷媒は、図2中に実線矢印で示すように、第1伝熱管1の内部に流入し、接続管11を経由して、第2伝熱管2から流出する。
【0027】
一方、低温低圧の水をこれとは反対方向に流すものとすると、伝熱形態としては熱交換性能に優れた対向流とすることができる。このとき、第1流路3aおよび3bを流れる高温高圧の冷媒は、これら内管5および7を介して、その周囲に位置する第2流路4aおよび4bを流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。低温の給湯用の水は、第2流路4を流れる間に、高温の冷媒から熱を受けて高温の湯となり、貯湯タンク36上部に流入する。
【0028】
熱交換器10で放熱した冷媒は、膨張弁33で減圧されて蒸発器34に流入する。冷媒は、ここで再び大気熱等から吸熱し、次の圧縮機31に供される。
【0029】
なお、ヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、二酸化炭素冷媒のほかにも、R410a等のフロン系冷媒、プロパン、ブタン等の炭化水素系冷媒等が挙げられる。
【0030】
本実施例によれば、第2伝熱管2を第1伝熱管1の内側に二重配置することにより、螺旋状に巻回した第1伝熱管1の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器10全体の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができ、ヒートポンプ給湯機等の機器への収納性を十分確保することができる。また、必要に応じて伝熱管の全長を長くして、熱交換器10の高性能化や能力拡大を図る場合も、コンパクト性に優れるため、これらを容易に実現することができる。
【0031】
また、螺旋状に巻回された第2伝熱管2の曲げ半径R2が、第1伝熱管1の曲げ半径R1よりも小さいため、二重配置された第1伝熱管1と第2伝熱管2との間の空隙を最小限にすることができ、デッドスペースの削減が図られる。
【0032】
また、第2伝熱管2の曲げ半径R2が、第1伝熱管1の曲げ半径R1よりも大きい場合は、第1伝熱管1の曲げ箇所にストレート部を設けて、全体を略四角形状にする必要があり、デッドスペースの拡大を伴うとともに、曲げ加工の工程数が増大し生産性の低下を伴う。
【0033】
さらに、第1および第2伝熱管1および2の断面が略円形状を有し、第2伝熱管2の相当直径D2が、第1伝熱管1の相当直径D1よりも小さいため、内外二重構造の内側に、一般に小さなR形状の曲げ加工の容易な細管を配することで、よりコンパクトな熱交換器を構成することができる。
【0034】
ここで、本実施例の熱交換器10を、例えば、冷媒で水(特に水道水)を加熱する冷媒対水熱交換器に適用する場合を考える。一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を多く含んだ水を、このような冷媒対水熱交換器で長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍においてスケールが発生する可能性がある。このようなスケールが水側流路の内周に付着すると、水の流動抵抗となって圧力損失が増大するとともに、伝熱面の熱抵抗となって熱交換器としての性能を低減させる。
【0035】
このような場合を想定して、本実施例では、水にとって高温側となる第1伝熱管1の相当直径D1を、その低温側の第2伝熱管2の相当直径D2よりも大きくし、内管5と外管6との間の第2流路4aの断面積を、内管7と外管8との間の第2流路4bの断面積よりも大きく構成しているため、万一流路内にスケール等が生成し付着した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和し、熱交換器の長寿命化が図られる。
【0036】
また、螺旋状に巻回された第2伝熱管2の巻回軸A方向の高さH2が、第1伝熱管1の高さH1よりも大きいものであり、二重構造の内側に配された第2伝熱管2が、第1伝熱管1と干渉することなく、第1の伝熱管1または外部との配管接続が容易となるため、コンパクトかつ生産性に優れた熱交換器を提供することができる。
【0037】
さらに、第1および第2の伝熱管1および2が巻回軸A方向の鉛直上側で連通するものであり、熱交換器全体の構造として、鉛直方向下側から流入し、熱交換器内を流体が上昇して降下し、最終的に再び鉛直方向下側から流出するような、逆U字状の構成とすることができる。これは、例えば、冬場に熱交換器の凍結防止対策として水抜きを行う場合、第2流路4の両端を大気開放してやれば、熱交換器内に水がトラップされることなく、重力により容易に水抜きが可能となることを意味する。よって、水抜き等のメンテナンスが容易となる。
【0038】
また、本実施例の熱交換器10を、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路の放熱器として用い、第1流体の冷媒により第2流体の水を加熱するものとすれば、コンパクトで信頼性に優れた熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機全体のコンパクト化と信頼性向上を実現することができる。
【0039】
また、特に冷媒として二酸化酸素等を使用し、その圧力が臨界圧力以上となるものとすると、熱交換器を流れる第1流体である冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、第2流体である水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがなく、熱交換器全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。
【0040】
したがって、コンパクトで機器への収納性に優れ、さらに生産性、信頼性、伝熱性能に優れた熱交換器を提供できる。
【0041】
(実施例2)
図4は本発明の実施例2の熱交換器20の側面図である。本実施例の熱交換器の全体構成とその作用は、図1に示した熱交換器10と略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施例1と異なるのは、第1伝熱管1と第2伝熱管2とが継ぎ目のない連続した管体から構成される点である。このような構成は、内側に配置する第2伝熱管2の形態に管体を螺旋状に巻回した後に連続して、その外周を取り巻くように第1伝熱管1の形態に管体を螺旋状に巻回すれば良く、容易に実現できるものである。
【0042】
よって、本実施例によれば、実施例1で説明したように、内外に配置された管と管との接続管を設けることなく、熱交換器を連続した管体で構成することができため、管同士の接続部分の接合不良に伴う流体の漏洩等の可能性が低く、構成の簡素化も図られる。したがって、コンパクトで信頼性と生産性に優れた熱交換器を提供することができる。
【0043】
なお、実施例1において、第1伝熱管1と第2伝熱管2とが異なる断面形状を有するものとしたが、もちろん同一断面形状であっても構わない。
【0044】
また、上記した各実施例において、第1および第2の伝熱管を内管と外管からなる二重管とするものとしたが、略管状の形態のものであれば、これに限るものではない。例えば、各伝熱管を、内管を平滑管に内面溝付き管を被覆させた二重管として構成したいわゆる三重管としてもよく、そうすれば腐食等による管体の破損に伴う流体の漏洩が、内面溝を通じて未然に検知され、さらに熱交換器の信頼性を拡大することができる。また、このような伝熱管としては他にも、丸管の外周に沿って細管を螺旋状に巻回したもの、丸管の周りに複数の細管を同心円状に配置したもの等、略管状であり螺旋状に巻回可能な形態のものであれば、どのようなものでも良い。
【0045】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、螺旋状に巻回した伝熱管の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースやひいては装置全体の大きさを変更することなく、コンパクトで収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、伝熱管の長尺化が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。
【0046】
また、コンパクトで信頼性に優れた本発明の熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機全体のコンパクト化と信頼性向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1における熱交換器の側面図
【図2】本発明の実施例1における熱交換器の平面図
【図3】本発明の実施例1における熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の構成図
【図4】本発明の実施例2における熱交換器の側面図
【図5】従来の熱交換器の側面図
【図6】従来の熱交換器の平面図
【符号の説明】
1 第1伝熱管
2 第2伝熱管
3、3a、3b 第1流路
4、4a、4b 第2流路
10 熱交換器
Claims (8)
- 第1流体が流れる第1流路と第2流体が流れる第2流路とを内包する第1および第2の伝熱管とを備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、前記第2伝熱管は巻回された前記第1伝熱管の内側に二重配置された熱交換器。
- 螺旋状に巻回された第2伝熱管の曲げ半径が第1伝熱管よりも小さい請求項1記載の熱交換器。
- 第1および第2伝熱管の断面が略円形状を有し、第2伝熱管の相当直径が第1伝熱管よりも小さい請求項1または2記載の熱交換器。
- 螺旋状に巻回された第2伝熱管の巻回軸方向の高さが、第1伝熱管よりも大きい請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 第1および第2の伝熱管が巻回軸方向の鉛直上側で連通する請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 第1および第2の伝熱管が継ぎ目のない連続した管体から構成される請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路を備え、前記放熱器は請求項1〜6のいずれか1項に記載の熱交換器を用い、第1流体の冷媒により第2流体の水を加熱するヒートポンプ給湯機。
- 冷媒の圧力が臨界圧力以上となる請求項7記載のヒートポンプ給湯機。
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