JP2006258368A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで機器への収納性に優れ、高性能な熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１０は、同一平面上で平行に配置された複数の管１と、これらの両端で複数の管１を連通する入口ヘッダー２および出口ヘッダー３からなる第１流体流路と、複数の管１を内包する略扁平な筐体６からなる第２流体流路から構成され、従来生じていたようなデッドスペースを削減して、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る。また、熱交換器を、略平板状に構成することができるため、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。さらに、多管化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、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

本発明は、熱交換器に関し、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。

従来、この種の熱交換器としては、図８および図９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８および図９を参照しながら説明する（例えば、特許文献１参照）。

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５３を外管５４内に挿入した伝熱管５１をコイル状に巻いて構成したものである。内管５３内を高温高圧の冷媒が流れる流路５５とする一方、内管５３と外管５４との間の空間を低温低圧の水が流れる流路５６としている。このとき、高温冷媒は伝熱管５１の内管５３内に、例えば、図９に矢印で示した方向に流入し、その外側の流路５６を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。
特開２００１−２０１２７５号公報（第６頁、第２図および第３図）

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、一般に、二重管式の熱交換器は、装置への収納性を考慮して、図９のように、コイル状に巻回されて用いられる場合が多い。したがって、熱交換器の内側にデッドスペースが形成され、全体の占有する容積が大きくなるため、使用される装置のコンパクト化を妨げる要因となっている。

また、熱交換器として十分な伝熱性能を得るためには、伝熱管５１の全長をある程度長くして、伝熱面積を十分確保する必要がある。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やデッドスペース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。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、コンパクトで高性能な熱交換器を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、同一平面上で平行に配置された複数の管と、これらの両端で前記複数の管を連通する入口ヘッダーおよび出口ヘッダーからなる第１流体流路と、前記複数の管を内包する略扁平な筐体からなる第２流体流路から構成され、各々の流路を流れる第１流体と第２流体とが熱交換を行うものである。

これによって、デッドスペースを削減して、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る。また、熱交換器を略平板状に構成することができるため、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。さらに、多管化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、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。

本発明の熱交換器は、コンパクトで機器への収納性に優れ、かつ伝熱面積の拡大が容易となり、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。

第１の発明は、同一平面上で平行に配置された複数の管と、これらの両端で前記複数の管を連通する入口ヘッダーおよび出口ヘッダーからなる第１流体流路と、前記複数の管を内包する略扁平な筐体からなる第２流体流路から構成され、各々の流路を流れる第１流体と第２流体とが熱交換を行うものであり、デッドスペースを削減して、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る。また、熱交換器を略平板状に構成することができるため、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。さらに、多管化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、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。

第２の発明は、特に、第１の発明の構成において、第２流体流路となる略扁平な筐体の断面略中央に第１流体が流れる複数の管が保持されるものであり、管の外周ほぼ全面に有効な伝熱面が確保され、また、扁平な筐体内を流通する第２流体の流れの偏りもなくなるため、伝熱特性に優れた熱交換器を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の構成において、複数の管を内包する筐体がその内面に第２流体の流れを擾乱する突起を有するものであり、簡単な方法で、容易に流れが擾乱されて伝熱促進が図られるため、より高性能な熱交換器を提供することができる。

第４の発明は、特に、第１から第３のうちいずれかの発明の構成において、第１流体が流れる複数の管が互いに密着した外管および内管からなる二重管構造であるものであり、管の外周面または内周面に万一亀裂等の異常が生じた場合も、二重管構造であるため複数枚の隔壁が存在することとなり、冷媒または水が亀裂等から漏洩した場合も、他の流路内に混入することを防止できる。

第５の発明は、特に、第１から第４のの発明のうちいずれかに対して、第２流体である水の流路の断面積がその高温側で低温側よりも大きいものであり、例えば水加熱時に発生しやすいスケールの析出による水通路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、ヒートポンプ給湯機の信頼性の向上を実現できる。

第６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、第１、第２または第３の発明の熱交換器を、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高性能化を実現することができる。

第７の発明は、特に、第６の発明に対して、第１流体である冷媒の圧力がその臨界圧力以上であるものであり、ヒートポンプ給湯機の放熱器である冷媒水熱交換器を流れる冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、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。

第８の発明は、特に、第６または第７の発明に対して、第１流体である冷媒が二酸化炭素であるものであり、自然に広くする存在する物質を冷媒として用いるため、不測に機内から放出されるような場合も、オゾン層を破壊することなく、地球環境にやさしいヒートポンプ給湯機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１、図２および図３は、本発明の実施の形態１における熱交換器の構成図、分解斜視図および断面図である。

熱交換器１０は、図１および図２に示すように、同一平面上で平行に配置された複数の管１と、これらの両端で複数の管１を連通する入口ヘッダー２および出口ヘッダー３からなる第１流体流路と、複数の管１を板材４および５で挟み込むように内包する略扁平な筐体６からなる第２流体流路から構成される。第１流体が流れる複数の管１は、図３に断面を示すように、第２流体流路となる略扁平な筐体６の断面略中央に保持されている。

第１流体は、図１に点線矢印で示すように、入口配管８ａより入口ヘッダー２に流入し、ここで複数の管１に分岐され、再び出口ヘッダー３で集められ、出口配管８ｂから流出する。一方、第２流体は、図１に実線矢印で示すように、入口配管９ａよりこれに連通する板材４および５で形成される筐体６の内部を流通して、出口配管９ｂから流出する。このとき、複数の管１の内部を流通する第１流体と、管１の外周を取り巻く筐体６の内部を流通する第２流体とは熱交換を行う。

なお、管１は、熱伝導性が良く、成形性に優れた材料であるならば、銅、アルミ、ステンレスなどの金属や樹脂等、いかなるものでも構わない。筐体６を構成する板材４および５についても同様である。管１と入口ヘッダー２および出口ヘッダー３、筐体６を形成する板材４および５、管１と筐体６を形成する板材４および５は、耐圧性や流体のシール性を確保するために、互いに密着した状態で接合あるいは接着される。

このように、本発明の熱交換器１０は、同一平面上で平行に配置された複数の管１と、これらの両端で複数の管１を連通する入口ヘッダー２および出口ヘッダー３からなる第１流体流路と、複数の管１を内包する略扁平な筐体６からなる第２流体流路から構成され、従来の二重管式の熱交換器と同様に、管の内外を流れる流体の熱交換となる伝熱形態を維持しながら、従来生じていたようなデッドスペースを削減して、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る。また、熱交換器を、図１に示したように、略平板状に構成することができるため、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。さらに、多管化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、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。

また、第２流体流路となる略扁平な筐体６の断面略中央に第１流体が流れる複数の管１が保持されているため、複数の管１の外周ほぼ全面に有効な伝熱面が確保され、また、扁平な筐体６内を流通する第２流体の流れの偏りもなくなるため、伝熱特性に優れた熱交換器を提供することができる。

図４は、この熱交換器１０を用いたヒートポンプ給湯機の構成図である。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。

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２１に送られる。一方、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２２に流入する。

第１流体である高温高圧の冷媒は、図１を用いて説明したように、入口配管８ａよりこれに連通する複数の管１の内部すなわち第１流路２１に流入し、複数の管１を流通して、出口配管８ｂから流出する。一方、第２流体である低温低圧の水も、入口配管９ａよりこれに連通する筐体６の内部すなわち第２流路２２を流通して、出口配管９ｂから流出する。このとき、第１流体の冷媒と第２流体の水とは、熱交換性能に優れた対向流となっている。高温高圧の冷媒は、その周囲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２２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。一方、熱交換器１０の第１流路２１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。

ここで、コンパクトで高性能な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高性能化を実現することができる。

なお、ヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、Ｒ４１０ａ等のフロン系冷媒、プロパン等の炭化水素系冷媒、二酸化炭素冷媒が挙げられる。ここで、特に、二酸化炭素は、自然に広くする存在する物質であり、不測に機内から放出されるような場合も、可燃性がなく安全で、オゾン層を破壊することなく、地球環境にやさしいヒートポンプ給湯機を提供することができる。

また、二酸化炭素のように、冷媒の動作圧力が臨界圧力以上となるものを用いれば、ヒートポンプ給湯機の放熱器を流れる冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、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。

したがって、本発明の実施の形態１によれば、コンパクトで高性能な熱交換器ならびにそれを用いたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の熱交換器の断面図である。本実施の形態の熱交換器の構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、複数の管１を内包する筐体６がその内面に第２流体の流れを擾乱する突起１２を有する点である。この突起１２の形状・数量・配置等は、筐体６の内部を流通する第２流体の流れを擾乱させるものであれば、どのようなものでも構わない。

このような構成によれば、板材４および５の絞り加工時に突起１２を成形するだけの簡単な方法で、容易に第２流体の流れが擾乱され、乱流化による伝熱促進が図られるため、より高性能な熱交換器を提供することができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３の熱交換器の断面図である。本実施の形態の熱交換器の構成とその作用は、実施の形態１で、特にヒートポンプ給湯機に展開した場合として説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、第２流体である水の流路の断面積がその高温側で低温側よりも大きい点である。

例えば、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を比較的多く含む水を、ヒートポンプ給湯機の放熱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を中心に、硬度成分がスケール（例えば、炭酸カルシウム）として析出する可能性がある。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し、熱交換器としての性能を低減させる。

ここで、本実施の形態では、図６の熱交換器の流れ方向の断面図に示したように、板材４および５の外形状に段差を設け、流路１３ａ部分よりも流路１３ｂ部分の断面積を大きく構成し、流路１３ｂを流路１３ａよりも高温側に配置することにより、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することができる。

したがって、例えば、水加熱時に発生しやすいスケールの析出による水通路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、ヒートポンプ給湯機の信頼性の向上を実現できる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４の熱交換器の断面図である。本実施の形態の熱交換器の構成とその作用は、実施の形態１で、特にヒートポンプ給湯機に展開した場合として説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、複数の管１が外管１４ａと内管１４ｂからなる二重管構造である点である。

このような構成によれば、複数の管１の外周面または内周面に万一亀裂等の異常が生じた場合も、二重管構造であるため複数枚の隔壁が存在することとなり、冷媒または水が亀裂等から漏洩した場合も、他の流路内に混入することを防止できる。特に、外管１４ａを平滑管の内面に溝加工を施したいわゆる内面溝付き管としてやることで、腐食や凍結等による管体の破損に伴って漏洩した流体が、内面溝を通じて外部に放出されたり、未然に検知したりすることができる。よって、熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機の信頼性の向上を実現できる。

なお、本発明の各実施の形態では、板材４および５の双方に絞り成形を施すように図示したが、第２流路を容易に形成できるのであれば、どちらか一方のみに絞り加工を施し、他の一方は平坦な板材のままでもよい。また、本発明の実施の形態１で、熱交換器をヒートポンプ給湯機に展開するものとしたが、給湯水を加熱できる熱源であれば、ヒートポンプによる高温冷媒に限らず、燃料電池やエンジンからの排熱を利用してもよい。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、デッドスペースを削減して、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る。また、熱交換器を略平板状に構成することができるため、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。さらに、多管化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、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。よって、コンパクトで高性能な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等の装置全体のコンパクト化と高性能化にシステム展開できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の構成図 本発明の実施の形態１における熱交換器の分解斜視図 本発明の実施の形態１における熱交換器の断面図 本発明の実施の形態１の熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の構成図 本発明の実施の形態２における熱交換器の断面図 本発明の実施の形態３における熱交換器の断面図 本発明の実施の形態４における熱交換器の断面図 従来の熱交換器の正面図 従来の熱交換器の平面図

符号の説明

１ 管
２ 入口ヘッダー
３ 出口ヘッダー
６ 筐体
１０ 熱交換器
３１ 圧縮機
３３ 膨張弁
３４ 蒸発器

Claims (8)

1. 同一平面上で平行に配置された複数の管と、これらの両端で前記複数の管を連通する入口ヘッダーおよび出口ヘッダーからなる第１流体流路と、前記複数の管を内包する略扁平な筐体からなる第２流体流路から構成され、各々の流路を流れる第１流体と第２流体とが熱交換を行う熱交換器。
2. 第２流体流路となる略扁平な筐体の断面略中央に第１流体が流れる複数の管が保持される請求項１記載の熱交換器。
3. 複数の管を内包する筐体の内面に突起を有する請求項１または２記載の熱交換器。
4. 第１流体が流れる複数の管が互いに密着した外管および内管からなる二重管構造である請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 第２流体である水の流路の断面積がその高温側で低温側よりも大きい請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 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１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器であるとともに、第１流体が冷媒、第２流体が水であるヒートポンプ給湯機。
7. 第１流体である冷媒の圧力がその臨界圧力以上である請求項６記載のヒートポンプ給湯機。
8. 第１流体である冷媒が二酸化炭素である請求項６または７に記載のヒートポンプ給湯機。

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