JP2007247917A - ３重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の配管長さを延伸することなく、熱交換性能に優れた３重管式熱交換器を提供すること。
【解決手段】水が流通する大径管７と、内面に漏洩検知溝３を有する中径管２と、冷媒が流通する小径管８とを備え、大径管７に、中径管２と小径管８とを内挿し、中径管２の内面と小径管８の外面とが密着して冷媒管１を構成するとともに、中径管２の外面に突条４を設けたことを特徴とすることで、冷媒と水との熱交換面積を拡大させることができ、配管を延伸することなく熱交換性能を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機における３重管式熱交換器の構成に関するものである。

図７、図８は、従来の水−冷媒熱交換器の上面図および正面図である。また図９は、従来の水−冷媒熱交換器の接続部の拡大図である。従来の構成では、二重熱交換器の水管内部に複数本の冷媒管を挿通する熱交換器や、水間の外周にコイル状に巻きつけて構成するＣＯ２冷媒用の熱交換器が開示されている。また、従来の水−冷媒熱交換器の接続部は、ブロック化されておりＣＯ２冷媒の高圧仕様に対応するための銅管が厚い構成となっており、加熱によるロウ付けが不安定であった。また、従来の接続部には、複数の冷媒管を同時に接続部に接続して、ロウ付けする必要があったため、冷媒管の端部がきっちりとそろっていなければ、接続部に挿入しづらく作業効率が悪かった（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４７５７０号公報

しかしながら、従来の構成では、熱交換器の性能には限度があり、性能を向上させるには、冷凍サイクルにおいて圧縮機の冷媒循環量を増加させ、性能を向上するために熱交換器の配管長さを延伸することがあげられる。また、熱交換器の配管の管内面積を大きくして性能を向上させなければならなかったが、熱交換器の配管長さを延伸させることや、管内面積を大きくすることは、熱交換器の大きさが大きくなってしまい、ひいては、ヒートポンプ式給湯機の設置スペースが大きくなってしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換器の配管長さを延伸することなく、熱交換性能に優れた３重管式熱交換器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３重管式熱交換器は、水が流通する大径管と、内面に漏洩検知溝を有する中径管と、冷媒が流通する小径管とを備え、前記大径管に、前記中径管と前記小径管とを内挿し、前記中径管の内面と前記小径管の外面とが密着して冷媒管を構成するとともに、前記中径管の外面に突条を設けたことを特徴とするものである。

これによって、冷媒と水との熱交換面積を拡大させることができるので、配管を延伸することなく熱交換性能を向上させることができる。

熱交換器の配管長さを延伸することなく、熱交換性能に優れた３重管式熱交換器を提供することができる。

第１の発明は、水が流通する大径管と、内面に漏洩検知溝を有する中径管と、冷媒が流通する小径管とを備え、前記大径管に、前記中径管と前記小径管とを内挿し、前記中径管の内面と前記小径管の外面とが密着して冷媒管を構成するとともに、前記中径管の外面に突条を設けたことにより、冷媒と水との熱交換面積が拡大し、より効率のよい熱交換を実
現することができるので、配管を延伸せずとも熱交換性能を向上させることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、中径管の突条は、前記中径管の延伸方向に沿って外面上をスパイラルに配設されていることにより、水に乱流を起こさせることで、水−冷媒の熱交換性能を向上させることができる。

第３の発明は、特に第１または２の発明において、突条の高さは、中径管の肉厚以下とすることにより、管に突条を加工する加工性が向上し、なおかつスケールが堆積しにくい高さ、および水流路の抵抗として影響しない高さを実現するとともに、熱伝達率を向上することができる。

第４の発明は、特に第１〜３の発明において、複数本の冷媒管を備え、前記複数本の冷媒管をねじり合わせたことにより、より水に乱流を起こさせるので、熱交換性能が向上する。

第５の発明は、特に第４の発明において、中径管の円周方向に形成する突条のピッチは、突条の高さの２〜５倍とすることにより、配管同士の接触を、この突条により部分的な空間間隙を形成し、その空間間隙によって水の流路を確保することができるため、大径管の内壁との緩衝もできるようにしている。また、ある一定の間隔で突条を設けることで、乱流効果を促進させ、安定した熱交換器を提供できる。

第６の発明は、特に第１〜５の発明において、小径管の内面に溝部を設けたことにより、冷媒の伝熱面積を向上させるとともに、冷凍サイクルの圧縮機からの冷媒の圧力を下げるなどの相乗効果が得られる。

第７の発明は、特に第１〜６の発明において、冷媒管および大径管を渦巻状に曲成し、積層させたことにより、コンパクトに熱交換器を製作できる。

第８の発明は、特に第１〜６の発明において、冷媒管および大径管を同一平面上で渦巻状に曲成した熱交換ユニットと、複数の前記熱交換ユニットの大径管を接続する接続手段とを備え、前記冷媒管は前記接続手段を貫通し、前記冷媒管の端部をＣ状配管で接続したことにより、端部が不揃いで変形していたとしても、Ｃ状配管を接続してロウ付けするだけなので、廉価で作業性の高い熱交換器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、この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は、本発明の第１の実施の形態における３重管式熱交換器を構成する冷媒管の断面図、図２は、本発明の第１の実施の形態における３重管式熱交換器を構成する冷媒管の側面図である。図１、図２において、冷媒管１は、漏洩検知溝３を有した中径管２と、内面に溝６が加工されている小径管８より構成される。中径管２の内面と、小径管８の外面は密着しており、中径管２の中に小径管８を挿入して中径管２を縮管するか、もしくは、中径管２の中に小径管８を挿入して小径管８を拡管することで、冷媒管１を製造している。漏洩検知溝３は、配管の延伸方向に沿って形成され、冷媒管１から漏出した冷媒が検知されるように構成されている。本実施の形態においては、漏洩検知溝３の一端をロウ付けなどで塞ぎ、他端を開放することで、開放されている端部から冷媒を検知することができる構成となっている。また開放されている端部に漏洩検知センサー（図示せず）を取り付けて、冷媒の漏洩を検知する構成としてもよい。また中径管２の外面には、突条４が形成され、中径管２の外面に沿ってスパイラルに形成されている。同様に、小径管８の内面に形
成されている溝６も、小径管８の内面に沿ってスパイラルに形成されている。

図３は、本発明の第１の実施の形態における３重管式熱交換器の断面図である。図３において、本実施の形態における３重管式熱交換器は、２本の冷媒管１と１本の大径管７で構成されており、冷媒管１が大径管７に挿入されている。冷媒管１内部には、ＣＯ２冷媒が流通し、冷媒管１と大径管７の間には水が流通する。また、２本の冷媒管１は、互いにねじれあってスパイラル形状を成している。中径管２の外周面に形成されている突条４のピッチ間隔Ｐは、突条４の高さｔの２〜５倍の間隔で設けることが望ましい。これは、２本の冷媒管１が互いにねじれあってスパイラル形状を構成するために、突条４によって空間間隙が形成され、水の流路を確保するためである。そのため、あまりに突条４のピッチ間隔Ｐが狭すぎると、空間間隙が形成されず、水の抵抗となってしまい、水が流通しない。また突条４の高さｔは、中径管２の肉厚以下の高さで構成されている。これは、中径管２の肉厚以上に突条の高さを設定すると、加工が難しい上、突条４の高さが水の抵抗となってしまい熱交換性能を減ずることになる。また突条４の高さを高く設定しすぎると、スケールが堆積する原因にもなる。なお、本実施の形態で用いる冷媒は、ＣＯ２に限定されるものではなく、例えばＲ４１０Ａなどの冷媒、またはその他の冷媒を用いてもよい。

図４は、本発明の第１の実施の形態における３重管式熱交換器の上面図であり、図５は、本発明の第１の実施の形態における３重管式熱交換器の側面図である。図４および図５において、本実施の形態における３重管式熱交換器１０は、上層熱交換器２０、中層熱交換器３０、下層熱交換器４０から構成されており、３個の熱交換ユニットを積層した構成となっている。また、３重管式熱交換器１０は、冷媒入り口管１１、冷媒出口管１２、水入り口管１３、水出口管１４、冷媒漏れ検知部１５を有する。また、上層熱交換器２０、中層熱交換器３０、下層熱交換器４０のそれぞれは、渦巻状に形成されており、冷媒と水とは対向流となっている。また、上層熱交換器２０は、中層熱交換器３０、下層熱交換器４０に比べて、大径管の管径が大きい構成となっている。

図６（ａ）は、各熱交換器同士の接続部の拡大上面図であり、図６（ｂ）は、各熱交換器同士の接続部の拡大側面図である。図６（ａ）（ｂ）においては、下層熱交換器４０と中層熱交換器３０の接続部の拡大図を示している。中層熱交換器３０および下層熱交換器４０は、それぞれ水流路を２系統含む構成となっている。つまり、冷媒入り口管１１および水入り口管１３から冷媒もしくは水が流入するが、中層熱交換器３０および下層熱交換器４０では、流入する時は１流路であった水流路および冷媒流路が分流されて、２流路の構成となっている。また、中層熱交換器３０および下層熱交換器４０の水流路は接続部１６で接続される構成となっている。一方、冷媒流路である冷媒管１は、接続部１６を貫通して外部へと延伸され、Ｃ状配管１７で冷媒流路が接続されている。

以上のように構成された３重管式熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、上層熱交換器に設けた冷媒入り口管１１より冷媒が、下層熱交換器４０に設けた水入り口管１３より水がそれぞれ流入する。水入り口管１３より流入した水は、各熱交換器を接続する接続部を介して、上層熱交換器２０に設けた水出口管１４まで導通する。また冷媒入り口管１１より流入した冷媒は、接続部を貫通してＣ状配管１７で各熱交換器の冷媒管１同士が接続され、下層熱交換器４０に設けた冷媒出口管１２まで導通する。このように、本実施の形態における３重管式熱交換器１０は、水と冷媒が対向流となっているため、効率のよい熱交換を実現することができる。

また、各熱交換器（上層熱交換器２０、中層熱交換器３０、下層熱交換器４０）内では、冷媒管１の内面に溝６を、冷媒管１の外面に突条４を備えたことで、伝熱面積を拡大させ、熱交換性能を向上させている。またそれぞれ溝６、突条４を形成する面に沿ってスパ
イラル形状とすることで、水および冷媒に乱流を起こし、さらなる熱交換性能を向上させるとともに、冷媒循環量が同じであっても、熱交換が促進するので、管内圧力が下がり、圧縮機からの循環量をあげることができるので、さらなる熱交換性能を向上させることができる。また、上層熱交換器２０（水出口管１４側の熱交換器）の大径管の管径を、他の熱交換器（中層熱交換器３０および下層熱交換器４０）よりも大に形成することで、水流路におけるスケールの堆積を防止することができる。一般的に、炭酸カルシウムなどの水成分に含まれる堆積物は、高温なほど析出しやすい物質であり、水流路の高温側の熱交換器である上層熱交換器２０に堆積しやすいため、スケールの堆積を想定した水流路の大きさとしている。

また、突条４のピッチ間隔ｐを、突条４の高さｔの２〜５倍程度にすることで、複数の冷媒管１が接触するにあたり、突条４による空間間隙が形成される。この空間間隙によって、水流路を確保するので、熱交換性能を向上させるとともに、突条４により、熱交換時もしくは輸送時等の大径管７と冷媒管１との接触も緩衝できる。

また、各熱交換器の冷媒管１同士を接続するのに、Ｃ状配管１７を用いることで、冷媒管１の端部が不揃いで変形していても、容易に冷媒管１同士を接続することができ、なおかつ、冷媒管１とＣ状配管１７を部分加熱によるロウ付けが可能なので、作業時間の短縮化を図ることができ、作業性のよい３重管式熱交換器を提供することができる。

以上のように、本実施の形態においては、水が流通する大径管と、内面に漏洩検知溝を有する中径管と、冷媒が流通する小径管とを備え、前記大径管に、前記中径管と前記小径管とを内挿し、前記中径管の内面と前記小径管の外面とが密着して冷媒管を構成するとともに、前記中径管の外面に突条を設けたことにより、冷媒と水との熱交換面積が拡大し、より効率のよい熱交換を実現することができるので、配管を延伸せずとも熱交換性能を向上させることができる。また、中径管の突条が、前記中径管の延伸方向に沿って外面上をスパイラルに配設されていることにより、水に乱流を起こさせることで、水−冷媒の熱交換性能を向上させることができる。また、突条の高さは、中径管の肉厚以下とすることにより、管に突条を加工する加工性が向上し、なおかつスケールが堆積しにくい高さ、および水流路の抵抗として影響しない高さを実現するとともに、熱伝達率を向上することができる。また、複数本の冷媒管を備え、前記複数本の冷媒管をねじり合わせたことにより、より水に乱流を起こさせるので、熱交換性能が向上する。また、中径管の円周方向に形成する突条のピッチは、突条の高さの２〜５倍とすることにより、配管同士の接触を、この突条により部分的な空間間隙を形成し、その空間間隙によって水の流路を確保することができるため、大径管の内壁との緩衝もできるようにしている。またある一定の間隔で突条を設けることで、乱流効果を促進させ、安定した熱交換器を提供できる。また、小径管の内面に溝部を設けたことにより、冷媒の伝熱面積を向上させるとともに、冷凍サイクルの圧縮機からの冷媒の圧力を下げるなどの相乗効果が得られる。また、冷媒管および大径管を渦巻状に曲成し、積層させたことにより、コンパクトに熱交換器を製作できる。また、冷媒管および大径管を同一平面上で渦巻状に曲成した熱交換ユニットと、複数の前記熱交換ユニットの大径管を接続する接続手段とを備え、前記冷媒管は前記接続手段を貫通し、前記冷媒管の端部をＣ状配管で接続したことにより、端部が不揃いで変形していたとしても、Ｃ状配管を接続してロウ付けするだけなので、廉価で作業性の容易な熱交換器を提供することができる。

以上のように、本発明に係る３重管式熱交換器は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機の水―冷媒熱交換器に適用でき、給湯機能のほ
かに、浴槽給湯、暖房機能、乾燥機能を有するヒートポンプ装置にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態における３重管式熱交換器の冷媒管の断面図 同実施の形態における３重管式熱交換器の冷媒管の側面図およびその断面図 同実施の形態における３重管式熱交換器の断面図 同実施の形態における３重管式熱交換器の上面図 同実施の形態における３重管式熱交換器の側面図 （ａ）同実施の形態における３重管式熱交換器の要部上面図（ｂ）同実施の形態における３重管式熱交換器の要部側面図 従来の水−冷媒熱交換器の上面図 従来の水−冷媒熱交換器の側面図 （ａ）従来の水−冷媒熱交換器の要部上面図（ｂ）従来の水−冷媒熱交換器の要部側面図

符号の説明

１ 冷媒管
２ 中径管
３ 漏洩検知溝
４ 突条
６ 溝
７ 大径管
８ 小径管
１０ ３重管式熱交換器
１１ 冷媒入り口管
１２ 冷媒出口管
１３ 水入り口管
１４ 水出口管
１５ 冷媒漏れ検知部
１６ 接続部
１７ Ｃ状配管
２０ 上層熱交換器
３０ 中層熱交換器
４０ 下層熱交換器

Claims (8)

1. 水が流通する大径管と、内面に漏洩検知溝を有する中径管と、冷媒が流通する小径管とを備え、前記大径管に、前記中径管と前記小径管とを内挿し、前記中径管の内面と前記小径管の外面とが密着して冷媒管を構成するとともに、前記中径管の外面に突条を設けたことを特徴とする３重管式熱交換器。
2. 中径管の突条は、前記中径管の延伸方向に沿って外面上をスパイラルに配設されていることを特徴とする請求項１に記載の３重管式熱交換器。
3. 突条の高さは、中径管の肉厚以下とすることを特徴とする請求項１または２に記載の３重管式熱交換器。
4. 複数本の冷媒管を備え、前記複数本の冷媒管をねじり合わせたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の３重管式熱交換器。
5. 中径管の円周方向に形成する突条のピッチは、前記突条の高さの２〜５倍とすることを特徴とする請求項４に記載の３重管式熱交換器。
6. 小径管の内面に溝部を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の３重管式熱交換器。
7. 冷媒管および大径管を渦巻状に曲成かつ積層させたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の３重管式熱交換器。
8. 冷媒管および大径管を同一平面上で渦巻状に曲成した熱交換ユニットと、複数の前記熱交換ユニットの大径管を接続する接続手段とを備え、前記冷媒管は前記接続手段を貫通し、前記冷媒管の端部をＣ状接続管で接続したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の３重管式熱交換器。

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