JP2005345034A - 熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性能のよい低コスト、低圧力損失、コンパクトな熱交換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第一流体が流れる第一伝熱管７と、前記第一伝熱管７内に配置され、第二流体が流れる複数本の第二伝熱管８と、直通通路１０とこの直通通路１０と連通する分岐通路１１とを備えるジョイント部９と、ジョイント部９の直通通路１０は第一伝熱管７と繋ぎ、第一伝熱管７の端部から露出した第二伝熱管８は分岐通路１１から露出させた熱交換装置を提供する。これによって、第一流体の流れは、急激に変わることがなく、滑らかな流れになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換装置（たとえばヒートポンプ式給湯機の水／冷媒熱交換装置）及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。

近年、地球環境保全のために一般家庭で使用するエネルギーの１／３をしめる給湯エネルギーの省エネルギー化が叫ばれて久しい。そう言ったなかで、大気のエネルギーを吸収することによってエネルギー効率の高い機器として、ＣＯ_２冷媒を用いたヒートポンプ給湯機が開発されてからその良さが注目を集めている。ヒートポンプ給湯機は従来からあったが、従来のヒートポンプ給湯機に使用していたフロン系冷媒では最大６５℃程度の沸き上げ温度しか得ることができなかった。しかし、ＣＯ_２を冷媒としたの場合には、最大９０℃程度の沸き上げ温度が高効率で得ることが可能になった。

そこで、ＣＯ_２を冷媒としたヒートポンプ給湯機で水を沸かす機能を果たす熱交換装置について、各種方式が提案されてきた。その中でも外管内に内管を装着した二重管式の熱交換装置として、例えば、図６に示すような構成のものが知られている。すなわち、外管１内に複数の内管２を装着して、外管１内に、内管２内の流体流路および内管２と外管１との隙間で形成される流体流路からなる複数の流路を形成することで伝熱管を構成している。そして、ＣＯ_２冷媒の給湯機用熱交換装置においては、内管２内にＣＯ_２、内管２と外管１との隙間で形成される流路に市水を流通させるように構成している（例えば、特許文献１参照）。

従来例である特許文献１の説明のなかでは特に明記されていないが、水流路の入出口は３，４であり、ＣＯ_２冷媒の流路の入出口は５，６である。説明の便宜上、水流路入口を３に、水流路出口を４とする。また、通常、水とＣＯ_２冷媒とは対向流をなすように使用するので、冷媒流路入口を６、冷媒流路出口を５とする。つまり、高温高圧のＣＯ_２冷媒は冷媒流路入口６から熱交換装置に入り、水を加熱して、冷媒流路出口５から出ていく。一方、水は、水流路入口３から熱交換装置に入り、冷媒から熱をもらって温度上昇して、水流路出口４から出ていく。ところで、前述したように、ＣＯ_２冷媒の場合、水流路出口４から出ていく水の温度は最大９０℃程度とになる。
特開２００３−３４３９９５号公報

しかしながら上記従来の熱交換装置では、次のような課題があった。すなわち、市水の硬度の高い地域においては、９０℃前後の高温の沸き上げ温度にしたとき、市水に含まれているスケールの成分が析出することがある。図６の熱交換装置の水流路出口４の構成では、水出口側の流れはなめらかな流れにはならず、流れが急激に９０度曲げられ、急な流れの変化となっている。このような場合、高温の湯が滞留する部分ができる。滞留ができるとそこに析出したスケール成分が貯まることになり、水の通路抵抗を増やす原因になる。そのため、熱交換装置としては熱交換効率が低下し、所定の加熱能力が得られないため、この熱交換装置を使用したヒートポンプ給湯機の圧縮機の吐出圧力が上昇し、加熱効力、運転効率（ＣＯＰ）が低下するという課題があった。

さらに、図６の熱交換装置の水流路出口４の構成では、流路断面積が急激に絞られている。このような場合には析出したスケール成分が成長してきた時には、その急激に絞られ断面がほぼ閉塞状態に近くなることがある。この場合、加熱運転が不可能になり、信頼性に課題があった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換装置の出入口、特に出口の水の流れにおいて、滞留の少ない滑らかな流れを実現することによって、熱交換装置の出口温度が高温になる場合においてもスケールの局所的な付着と成長を防止し、熱交換効率の低下防止と信頼性の向上を図った熱交換装置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、本発明の熱交換装置は、第一流体が流れる第一伝熱管と、前記第一伝熱管内に配置され、第二流体が流れる複数本の第二伝熱管と、直通通路とこの直通通路と連通する分岐通路とを備えるジョイント部と、前記ジョイント部の直通通路は第一伝熱管と繋ぎ、第一伝熱管端部から露出した第二伝熱管は前記分岐通路から露出させたものである。

これによって、第一流体の流れは、急激に変わることがなく、滑らかな流れになるので、高温の沸き上げを行った場合でも、スケールの局所的な付着と成長を防止することができるため、効率低下の防止と、信頼性の向上を図った熱交換装置を提供することができる。

本発明によれば、熱交換装置の水側出口の水の流れが滑らかに流れるように構成しているので、高温の沸き上げを行った場合でも、スケールの局所的な付着と成長を防止することができるため、効率低下の防止と、信頼性の向上を図った熱交換装置を提供することができる。

第１の発明は、直通通路とこの直通通路と連通する分岐通路とを備えるジョイント部と、前記ジョイント部の直通通路は第一伝熱管と繋ぎ、第一伝熱管端部から露出した第二伝熱管は前記分岐通路から露出させ構成としているため、熱交換装置の接続部前後の第一流体の流れをなめらかにし滞留する部分を少なくすることができる。高温に沸きあげた市水を第一流体とした場合には、析出した水に含まれるスケールが局所的に付着し成長することを防止することができるので、効率低下の防止と信頼性の向上を図ることができる。
第２の発明は、分岐通路と直通通路との角度は９０度以下としているので、第二流体の流れの方向を変更する場合になめらかな流れにすることができる。そのため、冷媒側の圧力損失も増加も抑えることができるので効率低下を防止できる。

第３の発明は、高温の熱源としての第二伝熱管である冷媒管を下部に位置する構成となっている。だから万一スケールが析出した場合には、第一伝熱管の下部にある冷媒管の回りに着き、上部はスケールで閉塞されないので、スケールにより局所的に詰まり閉塞されることを防止できる。

第４の発明は、ジョイント部の分岐通路をこの第一伝熱管の並設面に位置しないように配置しているので、複数の第一伝熱管どうしを近接して設置する場合、分岐通路の空間を考慮することが不要であるため、熱交換装置全体をコンパクトにすることができる。

第５の発明は、ヘッダー部に連通する第二伝熱管端部を一直線と並べたので、ヘッダーの構成が簡単になり、省スペースになる。さらに余分な引き回しがないので、冷媒側の圧力損失の低減になり効率も上昇する。

第６の発明は、ジョイント部の分岐通路から露出した第二伝熱管端部と連通する複数の単独ヘッダー部と単独ヘッダー部を連通させるヘッダー通路とを備えているので、ヘッダー通路を適当な形状にすることによって、熱交換装置の設計に融通性ができ、熱交換装置のコンパクト化が可能である。また、複数の第二伝熱管を一つのヘッダーに連結するとき、複数の第二伝熱管の端部をヘッダーの所定の位置にセットし固定するのに時間がかかり、作業性が悪い場合がある。だから、それぞれの第二伝熱管の端部に単独ヘッダー部をつけてから、それらを結合するヘッダー通路をつけた方が作業性がよいので、結合の信頼性も向上する。

第７の発明は、内側管もしくは外側管のどちらか一方破損した場合でも、内側管を流れる第二流体と第一伝熱管を流れる第一流体との間に漏洩用溝を設けたため、第一流体と第二流体とが混ざり合うことを防止できるとともに、早期故障診断と迅速な修理を実現でき、信頼性が向上する。

第８の発明は、第二伝熱管を流れる第二流体を臨界圧力以上のヒートポンプサイクルの冷媒とし、その冷媒の放熱を用いて第一流体を加熱することによって、冷媒の圧力損失を抑え、高いサイクル成績効率を実現することができる。また、臨界圧力以上とすることによって、必要な高温度レベルまで第一流体を効率的に加熱できる。このように、コンパクトな高効率の熱交換装置をヒートポンプサイクルの放熱器として使用することによって、高効率なサイクル装置を実現することができる。また、第二伝熱管を流れる第二流体は二酸化炭素冷媒としたものである。管径の小さい第二伝熱管内に超臨界圧力の二酸化炭素冷媒を流すことによって、第一伝熱管の管壁は比較的薄い肉厚で設計できるとともに、二酸化炭素冷媒の管内熱伝達特性を損なうことなく、低重量、コンパクト、高性能な熱交換装置を提供することができる。また、例えば第一流体を水とすることによって、第二伝熱管外周の全周が有効伝熱面積として寄与し二酸化炭素冷媒の熱をもって、水を加熱することができ、高効率な給湯装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における熱交換装置の部分構成図であり、図２は同熱交換装置を複数台併設したときのジョイント部の位置関係および第二伝熱管とヘッダーの接続関係を示す構成図、図３は同熱交換装置を複数台併設したときの複数の第二伝熱管の各単独ヘッダー部の接続を示す構成図、図４は同熱交換装置の第二伝熱管の断面図、図５は同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置の構成図である。

図１において、外管としては第一流体が流れる第一伝熱管７であり、内管としては第二流体が流れる複数本の第二伝熱管８である。そして、前記複数本の第二伝熱管８は前記第一伝熱管７内に配置されている。また、ジョイント部９は直通通路１０と分岐通路１１とからなっており、ジョイント部９の一端は第一伝熱管７と接合されている。さらに、第一伝熱管７内に配置されている第二伝熱管８の一端はジョイント部９に入り、分岐通路１１から出るように構成されている。ヒートポンプ式給湯機の水／冷媒熱交換装置としてこの熱交換装置を使用する場合には、水は水入口１２からは入り、水出口１３から出る。冷媒は冷媒入口１４から入り、冷媒出口１５から出ていく。

以上のように構成された熱交換装置について、以下さの動作、作用を説明する。高温高圧の冷媒が冷媒入口１４から熱交換装置に流入し、放熱することによって水を加熱して、低温の冷媒となって冷媒出口１５を通って熱交換装置から出ていく。一方、低温の水は水入口１２から熱交換装置に入り、前述のように冷媒で加熱されることによって高温の水となって、水出口１３を通って熱交換装置から出ていく。この時水の出口側は流れが直線的であり滑らかに流れるので、特に流れの滞留や流れの抵抗になることが少ない。

また、図１に示すように、分岐通路と直通通路との角度θは９０度以内になる構成とした場合、冷媒の流れ方向は急激に変化することがないので、ジョイント部９での冷媒の流れ変化による抵抗増加が少なくなる。

さらに、分岐通路１１は直通通路１０の下部に位置するようにジョイント部９を配置する構成とした場合、ジョイント部９においては、第二伝熱管８は概ね直通通路の下部に位置するので、ジョイント部９の上部の水流路断面積は確保され、水の流れ抵抗が少なくなる。

市水の硬度の高い地域において９０℃前後の高温の沸き上げ温度にしたときに、市水に含まれているスケールの成分が析出し水流路に付着することによって、水流路抵抗を増加させることがある。最悪の場合は、スケールの成分の付着成長によって、熱交換装置の水流路を閉塞することがある。特にスケールの析出は高温部分に多く、さらに、流れが滞留するところにスケールの付着が成長しやすいので、この両方の条件を持つ熱交換装置の水側出口が最もスケール付着に対して危険な部分となる。

本実施形態においては、水側出口は流れが直線的であり滑らかに流れるので、特に流れの滞留や流れの抵抗になることが少ないので、スケールの局所的な付着を抑えることができる。さらに、分岐通路と直通通路との角度θは９０度以内になる構成としているので、ジョイント部９においては、第二伝熱管８は概ね直通通路の下部に位置するので、ジョイント部９の上部の水流路断面積は確保され、水の流れ抵抗が少なくなるので、スケールの局所的な付着を抑えることができる。このため、効率低下の防止と信頼性の向上を図った熱交換装置を提供することができる。

図２は上記熱交換装置を複数台併設したときのジョイント部の位置関係と第二伝熱管とヘッダーの接続関係を示す。同図において、図１で示す複数の熱交換装置をヘッダー１６で接続した構成としており、その時、各ジョイント部９の分岐通路１１は、第一伝熱管７の並設面にはないように位置している。同図では、分岐通路１１は並設面の下方に位置している。また、分岐通路１１から露出した第二伝熱管８の端部は一直線に並べてヘッダー１６と接続した構成としている。このような構成にした場合、分岐通路１１が第一伝熱管７の並設面にないので、第一伝熱管７を近接させることができるので、熱交換装置全体をコンパクトに設計することが可能となる。また、第二伝熱管８の端部を一直線に並べているため、ヘッダー部１６を単純な形状にすることができるのでコストが安くなり、かつ、熱交換装置の製造時に組み立てがやり易くなるので組み立ての信頼性が向上する。なお、図２では分岐通路１１が並設面の下方に位置しているが、上方であっても良いし、斜め下方または上方であっても良い。この場合も、上記説明と同様の作用、効果が得られる。

図３は同熱交換装置を複数台併設したときの複数の第二伝熱管８の各単独ヘッダー部１７の接続を示す構成図である。同図において、各第二伝熱管８の端部に接続した単独ヘッダー部１７はヘッダー通路１８で接続されている。このような構成にした場合、複雑な形状の熱交換装置になった時、ヘッダー通路１８の形状をそれに合わせて設計すればよく、熱交換装置の形状の自由度が向上する。これによって、熱交換装置全体をコンパクトに設計することが可能となる。また、熱交換装置の組み立て時においても、まず、それぞれの第二伝熱管８の端部に単独ヘッダー部１７を接続した後に、ヘッダー通路１８で単独ヘッダー部１７間を接続すれば、熱交換装置の製造時に組み立てがやり易くなるので組み立ての信頼性も向上する。

図４は本発明の熱交換装置の第二伝熱管の断面を示す図である。すなわち、同図において、第二伝熱管８は、外側管１９と内側管２０とからなっている。そして、この外側管１９の内壁と内側管２０の外壁とを密着させることによって、第二伝熱管８は二重管構造となっている。また、漏洩用溝２１は外側管１９の内壁側にあり、外側管１９の内壁と内側管２０の外壁の間に漏洩した流体を第二伝熱管の端部へ導く構成となっている。

図５は発明の熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置の構成図である。同図において、圧縮機２２、放熱器２３、減圧装置２４、吸熱器２５が冷媒循環回路により閉回路に接続されている。冷媒循環回路は、例えば炭酸ガス（ＣＯ２）を冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機２２は、内蔵する電動モータ（図示せず）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力まで圧縮して吐出する。減圧装置２４はステッピングモータ（図示せず）により駆動する絞り弁で、冷媒流路抵抗を制御している。

放熱器２３は冷媒流路と、その冷媒流路と熱交換を行う水流路を備える。そして、この放熱器２３は前述の熱交換装置を用い、冷媒流路は第二伝熱管８とし、水流路は第一伝熱管７の内壁と第二伝熱管８の外壁との間を流路としている。このように、前述熱交換装置の第二伝熱管の冷媒入口１４は圧縮機２２からの冷媒循環回路部分と接続し、冷媒出口１５は減圧装置２４への冷媒循環回路部分と連通するように接続されている。そして、この第二伝熱管８の冷媒流路の流れ方向は水流路の流れ方向とを対向としている。

この水流路に水または予温水を供給する入水管２６と、水流路から出湯される湯を貯湯槽２７へ通水させるための出湯回路２８が接続されている。そして、入水管２６は前述の熱交換装置の水入口１２と接続し、前述の熱交換装置の水出口１３は出湯回路２８と連通している。そして、貯湯槽２７下部の水は循環ポンプ２９よって入水管２６を通って、放熱器２３に送られる。ここで、冷媒から熱をもらって所定温度まで加熱され高温の水となり、出湯回路２８を通って貯湯槽２７の上部に戻ることによって、貯湯槽２７に貯湯される。そして、必要に応じて、給湯管３０を通って給湯される。

次に動作、作用を説明すると、入水管２６を通じて水または予温水が貯湯槽２７から供給されると、圧縮機２２が起動し、冷媒を高温高圧の臨界状態まで圧縮し、ヒートポンプサイクルが作動する。そして、圧縮機２２から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器２３へ流入し、貯湯槽２７下部から送られてきた水を加熱する。そして、加熱された水は出湯回路２８を経て貯湯槽２７へ流れ貯留される、いわゆる積層沸き上げを行う。一方、放熱器２３で冷却された冷媒は減圧装置２４で減圧されて吸熱器２５に流入し、ここで大気熱、太陽熱、地中熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機２２に戻る。また、給湯需要のある時、給湯管３０を通じて貯湯槽２７内に貯湯される湯がユーザーの使用する給湯蛇口などへ供給される。給湯需要の温度レベルに応じて、途中で水道水などとミキシングして所定の温度となり供給することもできる。

放熱器２３において、放熱器２３の冷媒流路第二伝熱管８を流れる冷媒（例えば二酸化炭素冷媒）は、圧縮機２２で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器２３の水流路を流れ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。したがって放熱器２３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めることができ、高効率なヒートポンプサイクル式給湯装置を提供することができる。

以上のように、本発明にかかる熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプサイクル装置は、熱交換性能のよい低コストなおかつ低圧力損失、コンパクトな熱交換装置を提供することができ、それをヒートポンプサイクル給湯装置で用いると、高効率なヒートポンプ給湯装置が得られる。その他、幅広く熱交換、熱搬送などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換装置の部分構成図 同熱交換装置を複数台併設したときのジョイント部の位置関係および第二伝熱管とヘッダーの接続関係を示す構成図 同熱交換装置を複数台併設したときの複数の第二伝熱管の各単独ヘッダー部の接続を示す構成図 同熱交換装置の第二伝熱管の断面図 同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置の構成図 従来の熱交換装置の構成図

符号の説明

７ 第一伝熱管
８ 第二伝熱管
９ ジョイント部
１０ 直通通路
１１ 分岐通路

Claims (8)

1. 第一流体が流れる第一伝熱管と、前記第一伝熱管内に配置され、第二流体が流れる複数本の第二伝熱管と、直通通路とこの直通通路と連通する分岐通路とを備えるジョイント部と、前記ジョイント部の直通通路は第一伝熱管と繋ぎ、第一伝熱管端部から露出した第二伝熱管は前記分岐通路から露出させたことを特徴とする熱交換装置。
2. 分岐通路と直通通路との角度は９０度以下とした請求項１記載の熱交換装置。
3. 分岐通路は前記直通通路の下部に位置するようにジョイント部を配置した請求項１または２記載の熱交換装置。
4. 並設する複数の第一伝熱管と、前記第一伝熱管に対応する複数のジョイント部とを備え、前記ジョイント部の分岐通路をこの第一伝熱管の並設面に位置しないように配置した請求項１〜３いずれか１項記載の熱交換装置。
5. 並設する複数の第一伝熱管と、前記第一伝熱管に対応する複数のジョイント部と、前記ジョイント部の分岐通路から露出した第二伝熱管端部と連通するヘッダー部とを備え、前記ヘッダー部に連通する第二伝熱管端部は一直線と並べたことを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の熱交換装置。
6. 並設する複数の第一伝熱管と、前記第一伝熱管に対応する複数のジョイント部と、それぞれ前記ジョイント部の分岐通路から露出した第二伝熱管端部と連通する複数の単独ヘッダー部とを備え、前記単独ヘッダー部を連通させるヘッダー通路を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の熱交換装置。
7. 第二伝熱管は内側管と外側管によって構成される二重管で、内側管と外側管の間に、漏洩用溝を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の熱交換装置。
8. 圧縮機、放熱器、減圧装置、吸熱器とを有し冷媒の圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器は請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置。

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