JP2007139284A - 熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管の内壁を傷つけることなく、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供する。
【解決手段】第一流体が流れる第一伝熱管１５と、第一伝熱管内に配置される螺旋状の伝熱板１３と、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１１、１２と、第二伝熱管が伝熱板に密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管束１４とを備え、伝熱板１３のエッジ部分を第一伝熱管１５の内壁と接触しないようにした熱交換装置を提供する。
【選択図】図２

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、および、その熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来のこの種の熱交換装置は図８に示すように、内管１と外管２によって構成される第一伝熱管３と、平板状の板を捻って螺旋状になっているねじれテープ４と、二本の第一伝熱管３はねじれテープ４と密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管５と、このねじり管５は伝熱管６内に内包される構成になっている。そして、内管１内にヒートポンプサイクルの冷媒を流し、伝熱管６内に水を流し、冷媒と水とを熱交換させるようにしている。

このように、伝熱管６を流れる水が螺旋状のねじれテープ４によって旋回流となり、水の撹乱と混合が促進されるため、水が流れる流路中に設けた第一伝熱管３を流れる冷媒は、この水との熱交換が促進され、効率的に伝熱を行うことが可能となり、熱交換性能のよい小型熱交換装置が得られていた。

そして、この熱交換装置を用いることによって、高効率のヒートポンプ給湯装置が得られていた（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２５７６９１号公報

しかしながら上記従来の熱交換装置のねじり管５は、二本の第一伝熱管３はねじれテープ４と密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成しており、伝熱管６の管内に配置されている。そして、ねじれテープ４は伝熱管６の管内壁と接触しているため、例えば挿入する際に、ねじれテープ４の先端部分であるエッジ部分が伝熱管６の管内壁に当たり、管内壁を傷つけることがある。この傷つけられた伝熱管６の管内壁傷箇所からは腐食などが進行しやすく、長期使用の時の信頼性を低下させるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換性能のよい高信頼性の熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の熱交換装置は、第一流体が流れる第一伝熱管と、第一伝熱管内に配置される螺旋状の伝熱板と、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、第二伝熱管が伝熱板と密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管束とを備え、伝熱板のエッジ部分を第一伝熱管の内壁と接触しないようにしたことを特徴とする。

請求項２記載の本発明の熱交換装置は、請求項１記載の熱交換装置の構成に加えて、伝熱板の板幅をねじり管束の直径よりも短くしたことを特徴とする。

請求項３記載の本発明の熱交換装置は、請求項１記載の熱交換装置の構成に加えて、伝熱板の板幅をねじり管束の半径よりも短くしたことを特徴とする。

請求項４記載の本発明の熱交換装置は、請求項２または３記載の熱交換装置の構成に加
えて、ねじり管束の直径は、第一伝熱管の内径より、０．５ｍｍ〜１０ｍｍだけ短くしたことを特徴とする。

請求項５記載の本発明の熱交換装置は、請求項１〜４いずれか１項記載の熱交換装置の構成に加えて、第二伝熱管は伝熱板を介して対称配置としたことを特徴とする。

請求項６記載の本発明の熱交換装置は、請求項１〜５いずれか１項記載の熱交換装置の構成に加えて、第二伝熱管の管長方向に、一部のねじり管束に伝熱板を揃えないことを特徴とする。

請求項７記載の本発明の熱交換装置は、請求項１〜６いずれか１項記載の熱交換装置の構成に加えて、第二伝熱管は内管と外管とを備える二重管としたことを特徴とする。

請求項８記載の本発明の熱交換装置は、請求項１〜７いずれか１項記載の熱交換装置の構成に加えて、第一伝熱管の第一流体と第二伝熱管の第二流体の流れ方向を対向流としてことを特徴とする。

請求項９記載の本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成され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、放熱器は請求項１〜５のいずれか１項記載の熱交換装置を用い、第二流体の冷媒により第一流体の水を加熱することを特徴とする。

本発明によれば、伝熱管の内壁を傷つけることなく、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

第１の発明は、第一流体が流れる第一伝熱管と、第一伝熱管内に配置される螺旋状の伝熱板と、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、第二伝熱管が伝熱板と密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管束とを備え、伝熱板のエッジ部分を第一伝熱管の内壁と接触しないようにしたものである。

本実施の形態によれば、伝熱板のエッジ部分を第一伝熱管の内壁と接触しないようにすることによって、伝熱板のエッジ部分は、第一伝熱管の管内壁を傷つけることなく、滑らかな第一伝熱管の管内壁を保つことができるため、管内壁傷箇所による腐食を防ぐことができ、長期使用の際の信頼性を向上し、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の熱交換装置において、伝熱板の板幅をねじり管束の直径よりも短くしたものである。

本実施の形態によれば、伝熱板の板幅をねじり管束の直径と略同様若しくは小さくすることによって、伝熱板のエッジ部分は、ねじり管束の外周内に収まるので、第一伝熱管の管内壁を接触することがないため、エッジ部分による第一伝熱管の管内壁を傷つけることなく、滑らかな第一伝熱管の管内壁を保つことができる。よって、管内壁傷箇所による腐食を防ぐことができ、長期使用の際の信頼性を向上し、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の熱交換装置において、伝熱板の板幅をねじり管束の半径よりも短くしたものである。

本実施の形態によれば、伝熱板の板幅をねじり管束の半径と略同様若しくは小さくすることによって、例えばねじり管束は３本以上の第二伝熱管と複数の伝熱板を有した場合でも、伝熱板のエッジ部分は、ねじり管束の外周内に収まることができるので、第一伝熱管の管内壁を接触することがないため、エッジ部分による第一伝熱管の管内壁を傷つけることなく、滑らかな第一伝熱管の管内壁を保つことができる。よって、管内壁傷箇所による腐食を防ぐことができ、長期使用の際の信頼性を向上し、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。

第４の発明は、特に、第２または第３の発明の熱交換装置において、ねじり管束の直径は、第一伝熱管の内径より、０．５ｍｍ〜１０ｍｍだけ短くしたものである。

本実施の形態によれば、ねじり管束の直径は、第一伝熱管の内径より、０．５ｍｍ〜１０ｍｍと小さくすることによって、ねじり管束を第一伝熱管内に挿入しやすくするとともに、ねじり管束の伝熱板のエッジ部分による第一伝熱管の管内壁への傷つきを確実に防ぐことができるため、よい確実に熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。

ねじり管束の直径は、第一伝熱管の内径よりあまり小さくすると、単位断面積あたりにおいて、伝熱面積とされるねじり管束の表面積分が少なくなり、伝熱性能が低下する。一方、あまり大きくし第一伝熱管の内径と近づくと、ねじり管束の挿入作業性が悪くなり、この０．５ｍｍ〜１０ｍｍは両立した最適値である。このように、性能と信頼性の両立した熱交換装置を提供することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の熱交換装置において、第二伝熱管は伝熱板を介して対称配置としたものである。

本実施の形態によれば、第二伝熱管は伝熱板を介して伝熱板の両面に対称配置とすることによって、第一伝熱管内に複数の第二伝熱管を設置することが可能なため、第二伝熱管の伝熱面積を確保でき、よりコンパクト、高性能な熱交換装置を提供することができる。

また、対称配置の第二伝熱管同士が絡み合うようにすることで、この第二伝熱管らを伝熱板と機械かつ熱的に密着させることができるため、伝熱板の伝熱フィン効率をより高くすることができ、より高性能な熱交換装置を提供することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか一つの発明の熱交換装置において、第二伝熱管の管長方向に、一部のねじり管束に伝熱板を備えないものである。

本実施の形態によれば、第二伝熱管の管長方向に、一部のねじり管束に伝熱板を備えないことによって、例えば温度が高く、スケールなどが表面に付着するところでは、伝熱板を設けないことによって、スケールの付着できる面積を減らし、スケールの付着量を少なくとし、耐スケールの寿命を延ばすことができる。よって、高熱交換性能を維持しつつ、耐スケールの強い熱交換装置が提供することができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか一つの発明の熱交換装置において、第二伝熱管は内管と外管とを備える二重管としたものである。

本実施の形態によれば、第二伝熱管を内管と外管とを備える二重管とすることによって、第一伝熱管を流れる第一流体と第二伝熱管内を流れる第二流体との間に、内管と外管を有する二重管が置かれるため、内管もしくは外管のどちらかが漏洩あるいは破損となった
場合においても、第一流体と第二流体がお互いに混合してしまうことがなく、早期検知し対応することができる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか一つの発明の熱交換装置において、第一伝熱管の第一流体と第二伝熱管の第二流体の流れ方向を対向流としたものである。

本実施の形態によれば、第一流体と第二流体の流れ方向を対向流とすることによって、第一流体と第二流体の温度差を保ち、伝熱を均一化することで、熱交換効率のよい熱交換装置を提供することができる。

第９の発明は、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成され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、放熱器は第１〜８のいずれか一つの発明の熱交換装置を用い、第二流体の冷媒により第一流体の水を加熱するヒートポンプ給湯装置である。

本実施の形態によれば、熱交換装置の放熱器を流れる第二流体である冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、熱交換装置の第一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。したがって熱交換装置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る。

そして、このような熱交換装置をヒートポンプ給湯装置に用いることによって、高効率かつ長期使用における信頼性の高いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施例１の熱交換装置の要部構成図、図２は同熱交換装置の断面図、（ａ）は図１に示すＡ−Ａ断面、（ｂ）は図１に示すＢ−Ｂ断面の断面図、（ｃ）は図１に示すＣ−Ｃ断面である。図３はこの熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置のシステム構成図である。

図１において、１１と１２は第二流体例えば冷媒が流れる第二伝熱管、１３はこの第二伝熱管１１と１２の間に配置される伝熱板、１４は第二伝熱管１１と１２が伝熱板１３に密着しながら螺旋状に絡み合うようにねじって、第二伝熱管１１と１２がそれぞれ伝熱板１３と機械的かつ熱的に接触し一体となり構成するねじり管束である。１５は第一流体例えば水が流れる第一伝熱管、ねじり管束１４はこの第一伝熱管１５内に配置され、第一流体と第二流体とを熱交換させるような構成になっている。

図２において、第二伝熱管１１は内管１１ｂが外管１１ａの管内に配置され、外管１１ａの溝１６の山部１７と密着して溝付二重管構成を有している。同様に、第二伝熱管１２は内管１２ｂが外管１２ａの管内に配置され、外管１２ａの溝１６の山部１７と密着して溝付二重管構成となっている。１８はねじり管束１４の断面が構成するねじり管束仮想円で、Ｄ１はその直径を示す。なお、このねじり管束仮想円１８の直径Ｄ１は、第一伝熱管１５の内径より、約０．５ｍｍ〜１０ｍｍだけ短くなっている。

図２の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、どの断面においても、伝熱板１３の幅Ｌ１はねじり管束仮想円の直径Ｄ１と略同等で、伝熱板１３のエッジ部分はねじり管束仮想円１８から突出することがなく、ねじり管束１３の第二伝熱管１１または１２の外周部分が第一伝熱管１５の内壁に接触しても、伝熱板１３のエッジ部分は第一伝熱管１５の内壁と接触しないようになっている。

図３において、圧縮機１９、放熱器２０、減圧手段２１、吸熱器２２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１９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。減圧手段２１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２０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。この放熱器２０は前述の熱交換装置を用い、冷媒流路は溝付二重管構成の第二伝熱管１１の内管１１ｂと、同第二伝熱管１２の内管１２ｂとし、水流路は第一伝熱管１５の内壁と第二伝熱管１１、１２の外壁との間の流路としている。そして、この水流路はねじり管束１３の外周と伝熱管１５の内周によって構成された旋回流路となっている。このように、前述熱交換装置の内管１１ｂと１２ｂの入口は圧縮機１９からの冷媒循環回路部分と連通し、出口は減圧器２１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１１と１２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温水を供給する給水管２２と、水流路から出湯される湯を貯湯タンク２３へ通水させるための給湯回路２４が接続されている。そして、給水管２２は前述の熱交換装置の入水口（図示せず）と接続し、前述の熱交換装置の出湯口（図示せず）は給湯回路２４と連通している。２５は給水管２２に設けた水または温水を輸送する積層ポンプである。このように、貯湯タンク２３から水または温水が積層ポンプ２５によって輸送され、水流路で所定温度まで加熱された後、貯湯タンク２３へ輸送され貯留されるようになっている。そして、２６は貯湯タンク２３と連通する出湯管である。

以上のように構成された熱交換装置及び同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

給水管２２を通じて水または温水が貯湯タンク２３から供給されると、圧縮機１９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１９から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器２０へ流入し、旋回流路を含める水流路を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路２４を経て貯湯タンク２３へ運搬され貯留され、温度毎に積層上に湯水が沸き上げられる。一方、放熱器２０で冷却された冷媒は減圧手段２１で減圧されて吸熱器２２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１９に戻る。

そして、給湯需要のある時、出湯管２６を通じて貯湯タンク２３内に貯湯される湯がユーザーの使用する給湯蛇口（図示せず）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２０において、放熱器２０の冷媒流路１１ｂ、１２ｂを流れる冷媒は、圧縮機１９で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器２０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２０の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、高効率の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。

図１〜図２に示すように、第二伝熱管１１と１２は第二伝熱管１１と１２との間に配置される伝熱板１３に密着しながら螺旋状に絡み合うようにねじって、第二伝熱管１１と１２がそれぞれ伝熱板１３と機械的かつ熱的に接触し一体となり構成するねじり管束１４は、第一伝熱管１５内に配置されることによって、第一伝熱管１５の内壁とねじり管束１４の外壁の間に、自然に螺旋状の水の旋回流路が形成されるとともに、冷媒も螺旋状に旋回
されるため、水と冷媒ともに乱流化され、効率よく熱交換でき、熱交換性能のよい熱交換装置を得られる。

特に、伝熱板１３の幅Ｌ１はねじり管束仮想円の直径Ｄ１と略同等で、伝熱板１３のエッジ部分はねじり管束仮想円１８から突出することがなく、伝熱板１３のエッジ部分は第一伝熱管１５の内壁と接触しないようにすることによって、伝熱板のエッジ部分は、第一伝熱管１５の管内壁を傷つけることなく、滑らかな第一伝熱管１５の管内壁を保つことができるため、管内壁傷箇所による腐食を防ぐことができ、長期使用の際の信頼性を向上し、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。その結果として、高効率かつ信頼性のよいヒートポンプ給湯装置を提供することもできる。

また、超臨界状態のＣＯ２冷媒は熱伝達率が高いため、放熱器２０の伝熱性能を向上させようとすると、水側の熱伝達率を上がってしまい、水側の流速アップや乱流促進手段が講じられるが、その時にエロージョンやキャビテーション気泡といった水管や冷媒管の壁面を削り腐食する問題が生じやすくなる。そこで、本願記載の熱交換装置を用いると、伝熱板１３が第二伝熱管１１と１２とそれぞれ機械的かつ熱的に接触しているため、伝熱板１３は旋回流路中で伝熱フィン効果を発揮し、上記のような問題を防ぎ、伝熱性能を向上させることができる。

また、前述のように、ねじり管束１４においては、第二伝熱管１１と１２は伝熱板１３を介して対称配置となっている。このように、伝熱板１３を介して対称配置することで、第一伝熱管１５の管内に複数の第二伝熱管を設置することが可能なため、第二伝熱管の伝熱面積を確保でき、よりコンパクト、高性能な熱交換装置を提供することができる。

また、ねじり管束１４の直径Ｄ１は、第一伝熱管１５の内径より、０．５ｍｍ〜１０ｍｍだけ短くすることによって、ねじり管束１４を第一伝熱管１５内に挿入しやすくするとともに、ねじり管束１４の伝熱板１３のエッジ部分による第一伝熱管１５の管内壁への傷つきを確実に防ぐことができるため、よい確実に熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。

ねじり管束１４の直径Ｄ１は、第一伝熱管１５の内径よりあまり小さくすると、単位断面積あたりにおいて、伝熱面積とされるねじり管束の表面積分が少なくなり、伝熱性能が低下する。一方、あまり大きくし第一伝熱管の内径と近づくと、ねじり管束１４の挿入作業性が悪くなり、この０．５ｍｍ〜１０ｍｍが両立した最適値となる。このように、性能と信頼性の両立した熱交換装置を提供することができる。

また、ＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプサイクルにおいて使用する場合には、ＣＯ２冷媒の放熱器における作動圧力は約９MPa〜１３MPaの間で、高圧力であるため、ＣＯ２冷媒が流れる内管の信頼性は格段に高く要求される。特に、何らかの原因でＣＯ２冷媒が内管から漏れた場合、本願記載の漏洩溝は確保されている熱交換装置を用いると、漏洩溝の機能を確保でき、漏れたＣＯ２冷媒は漏洩溝を通じて外部へ流出するため、より信頼性の高いＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプ給湯装置を提供できる。

このように、長期使用時においても、伝熱管壁面の傷つきによる腐食進行や漏洩などが生じることなく、熱交換性能のよいかつ高信頼性の熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施例２の熱交換装置の要部構成図、図５は同熱交換装置の断面図、（ａ）は図５に示すＡ−Ａ断面、（ｂ）は図５に示すＢ−Ｂ断面の断面図、（ｃ）は図５に
示すＣ−Ｃ断面である。

本実施の形態において、実施の形態１と異なるところは、第二伝熱管１１と１２は第二伝熱管１１と１２との間に配置される伝熱板２７に密着しながら螺旋状に絡み合うようにねじって、第二伝熱管１１と１２がそれぞれ伝熱板２７と機械的かつ熱的に接触し一体となり構成するねじり管束２８において、伝熱板２７の板幅Ｌ２は、ねじり管束２８の直径Ｄ２よりも短いことである。

図４と図５に示すように、伝熱板２７の板幅Ｌ２は、ねじり管束２８の直径Ｄ２より小さく、第二伝熱管１１または１２の外径より大きくなっている。

なお、実施の形態１の熱交換装置及びヒートポンプ給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。

以上のように構成された熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

図４と図５に示すように、伝熱板２７の幅Ｌ２をねじり管束２８仮想円の直径Ｄ２より小さくしたことによって、確実に各箇所において、伝熱板２７のエッジ部分はねじり管束仮想円２８から突出することがなく、伝熱板２７のエッジ部分は第一伝熱管１５の内壁と接触しないようにすることが確実にできる。これによって、伝熱板２７のエッジ部分は、第一伝熱管１５の管内壁を傷つけることなく、滑らかな第一伝熱管１５の管内壁を保つことができるため、管内壁傷箇所による腐食を防ぐことができ、長期使用の際の信頼性を向上し、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。その結果として、高効率かつ信頼性のよいヒートポンプ給湯装置を提供することもできる。

伝熱板２７の板幅Ｌ２を小さくしていくと、伝熱板２７の面積が小さくなり、伝熱フィンとしての伝熱促進効果が低下していく。特に、図５に示すように、板幅Ｌ２を第二伝熱管１１または１２の外径に相当する程度まで短くすると、伝熱板２７は前述旋回流路の中心部分に届かなくなり、伝熱促進効果は極端に低下するため、本実施の形態のように、特に、伝熱板２７の幅Ｌ２をねじり管束２８仮想円の直径Ｄ２より小さく、第二伝熱管１１または１２の外径より大きくしたことによって、信頼性のよい熱交換装置を実現しつつ、伝熱性能の低下を防ぎ、最適な伝熱促進効果が得られる。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施例３の熱交換装置の要部断面図、（ａ）はＡ−Ａ断面、（ｂ）はＢ−Ｂ断面の断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面である。

本実施の形態において、実施の形態１と異なるところは、第二伝熱管１１と１２の他、第二伝熱管２９を新設し、これら第二伝熱管１１と１２と２９は第二伝熱管１１と１２と２９との間に配置される伝熱板３０、３１、３２に密着しながら螺旋状に絡み合うようにねじって、第二伝熱管１１と１２と２９がそれぞれ伝熱板３０、３１、３２と機械的かつ熱的に接触し一体となり構成するねじり管束３３において、伝熱板３０、３１、３２の板幅Ｌ３は、ねじり管束３３の半径Ｒ１よりも短い。なお、実施の形態１で用いた伝熱板１３およびねじり管束１４は本実施の形態では用いないこととする。

本実施の形態の図６における各断面は、実施の形態１の図１に示す各断面に相当するものである。図６の各断面図に示すように、第二伝熱管１１と１２の間に伝熱板３０、第二伝熱管１２と２９の間に伝熱板３１、第二伝熱管２９と１１の間に伝熱板３１が配置されるようになっている。

なお、実施の形態１の熱交換装置及びヒートポンプ給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。

以上のように構成された熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

第二伝熱管が３本以上（３本を含む）になり、複数の伝熱板を用いる場合、伝熱板の板幅Ｌ３をねじり管束３３の半径Ｒ１と略同様にすることによって、伝熱板のエッジ部分は、ねじり管束３３の外周内に収まることができるので、第一伝熱管１５の管内壁を接触することがないため、エッジ部分による第一伝熱管１５の管内壁を傷つけることなく、滑らかな第一伝熱管１５の管内壁を保つことができる。よって、管内壁傷箇所による腐食を防ぐことができ、長期使用の際の信頼性を向上し、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。

また、特に、第二伝熱管を３本以上（３本を含む）とすると、単位断面積あたりに、第二伝熱管と伝熱板の伝熱面積の割合を増やすことができるため、より熱交換性能のよい熱交換装置を提供することができる。

（実施の形態４）
図７は本発明の実施例４の熱交換装置の要部断面図、（ａ）はＡ−Ａ断面、（ｂ）はＢ−Ｂ断面の断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断面である。

本実施の形態において、実施の形態３と異なるところは、伝熱板３０、３１、３２の板幅Ｌ４は、ねじり管束３３の半径Ｒ１より小さくしたことである。

図７の各断面図に示すように、伝熱板３０、３１、３２の板幅Ｌ４は、ねじり管束３３の半径Ｒ１より小さく、第二伝熱管１１または１２の外径より大きくなっている。

なお、実施の形態３の熱交換装置及びヒートポンプ給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。

以上のように構成された熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

第二伝熱管が３本以上（３本を含む）になり、複数の伝熱板を用いる場合、伝熱板の板幅Ｌ４をねじり管束３３の半径Ｒ１より小さくすることによって、伝熱板のエッジ部分は、確実にねじり管束３３の外周内に収まることができるので、第一伝熱管１５の管内壁を接触することを完全に防げるため、エッジ部分による第一伝熱管１５の管内壁を傷つけることなく、滑らかな第一伝熱管１５の管内壁を保つことができる。よって、管内壁傷箇所による腐食を防ぐことができ、長期使用の際の信頼性を向上し、熱交換性能がよくかつ信頼性のよい熱交換装置を提供することができる。

また、図７に示すように、板幅Ｌ４を第二伝熱管１１または１２の外径に相当する程度まで小さくすると、伝熱板３０〜３２は前述旋回流路の中心部分に届かなくなり、伝熱促進効果は極端に低下するため、このように、特に、伝熱板の幅Ｌ４をねじり管束３３仮想円の半径Ｒ１より小さく、第二伝熱管１１または１２の外径より大きくしたことによって、信頼性のよい熱交換装置を実現しつつ、伝熱性能の低下を防ぎ、最適な伝熱促進効果が得られる。

（実施の形態５）
本実施の形態において、上記各実施の形態と異なるところは、第二伝熱管の管長方向に、一部のねじり管束に伝熱板を備えないことである。

なお、上記各実施の形態の熱交換装置及びヒートポンプ給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。

以上のように構成された熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

第二伝熱管の管長方向に、一部のねじり管束に伝熱板を備えないことによって、例えば温度が高く、スケールなどが表面に付着するところでは、伝熱板を設けないことによって、スケールの付着できる面積を減らし、スケールの付着量を少なくとし、耐スケールの寿命を延ばすことができる。よって、高熱交換性能を維持しつつ、耐スケールの強い熱交換装置が提供することができる。

なお、上記各実施の形態において、ヒートポンプサイクル給湯装置の構成および動作は説明したが、その他の構成と動作を有するヒートポンプサイクル給湯装置においても、例えば水流路を流れる水を所定温度まで加熱した後、直接ユーザーの使用する給湯蛇口などへ供給するような構成においても、前述の熱交換装置を用いれば、同様な効果が得られる。

なお、上記各実施の形態において、冷媒は自然冷媒炭酸ガスとしたが、その他の冷媒として例えばＲ４１０などを用いても同様の効果が得られる。

また、上記各実施の形態において、水流路で加熱された湯は貯湯タンクに貯留するとしたが、直接ユーザーが使用する給湯端末例えばシャワー蛇口などへ流れても同様な効果が得られる。

また、上記各実施の形態において、第一流体を水、第二流体を冷媒としたが、第一流体を冷媒、第二流体を水としてもよい。また、第一流体と第二流体を共に水や冷媒としても使用できる。

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給湯装置は、伝熱管の内壁を傷つけることなく、伝熱管の内壁傷の腐食を防ぐことができ、熱交換性能が優れ、長期使用の際の信頼性が高い熱交換装置と、それを冷媒―水熱交換器として用いた高効率、高信頼性のヒートポンプ給湯装置を提供することができる。また、その以外にも幅広く熱交換や熱搬送などの用途に対しても適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換装置の要部構成図 （ａ）本発明の実施の形態１における熱交換装置の断面図（ｂ）同実施の形態における熱交換装置の断面図（ｃ）同実施の形態における熱交換装置の断面図 本発明の実施の形態１における同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置構成図 本発明の実施の形態２における熱交換装置の要部構成図 （ａ）本発明の実施の形態２における熱交換装置の断面図（ｂ）同実施の形態における熱交換装置の断面図（ｃ）同実施の形態における熱交換装置の断面図 （ａ）本発明の実施の形態３における熱交換装置の断面図（ｂ）同実施の形態における熱交換装置の断面図（ｃ）同実施の形態における熱交換装置の断面図 （ａ）本発明の実施の形態４における熱交換装置の断面図（ｂ）同実施の形態における熱交換装置の断面図（ｃ）同実施の形態における熱交換装置の断面図 （ａ）従来の熱交換装置の断面構成図（ｂ）従来の熱交換装置の断面構成図

符号の説明

１１、１２、２９ 第二伝熱管
１３、２７、３０、３１、３２ 伝熱板
１４、２８、３３ ねじり管束
１５ 第一伝熱管
１９ 圧縮機
２０ 放熱器
２１ 減圧器
２２ 吸熱器

Claims (9)

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る螺旋状の伝熱板と、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、前記第二伝熱管が前記伝熱板に密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管束とを備え、前記伝熱板のエッジ部分を前記第一伝熱管の内壁と接触しないようにした熱交換装置。
2. 伝熱板の板幅を前記ねじり管束の直径よりも短くした請求項１記載の熱交換装置。
3. 伝熱板の板幅を前記ねじり管束の半径よりも短くした請求項１記載の熱交換装置。
4. ねじり管束の直径は、第一伝熱管の内径より、０．５ｍｍ〜１０ｍｍだけ短くした請求項２または３記載の熱交換装置。
5. 第二伝熱管は伝熱板を介して対称配置とした請求項１〜４のいずれか１項記載の熱交換装置。
6. 第二伝熱管の管長方向に、一部のねじり管束に伝熱板を備えない請求項１〜５のいずれか１項記載の熱交換装置。
7. 第二伝熱管は内管と外管とを備える二重管とした請求項１〜６のいずれか１項記載の熱交換装置。
8. 第一伝熱管の第一流体と第二伝熱管の第二流体の流れ方向を対向流とした請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換装置。
9. 圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成され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１〜８のいずれか１項に記載の熱交換装置を用い、第二流体の冷媒により第一流体の水を加熱するヒートポンプ給湯装置。