JP2007271194A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の無効空間を低減しコンパクトで、且つ材料投入量に対する熱交換能力が高い熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】チューブ１１内にＣＯ_２冷媒が流れるフィン付きチューブ７と、給湯水が流れる流路９が設けられた容器６とからなり、フィン付きチューブ７は、流路９内にともに蛇行するよう配設したことにより、無効空間を低減し、容器に第２冷媒が流れる流路および第１冷媒が流れるフィン付きチューブを配設可能になること、及びフィン付きチューブにより材料投入量をより減らした形で伝熱面積のアップが可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて、給湯水や暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯装置に適用する熱交換器に関するものである。

従来、この種の冷媒と水を熱交換する熱交換器において、同心円状に配管を組み合わせた二重管式熱交換器、または水側容器の周囲に冷媒管をコイル状に巻き付けたタイプの水冷媒熱交換器が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の水冷媒熱交換器の斜視図である。

従来の水冷媒熱交換器１Ａは、内管である水管２Ａと、外管である冷媒管３Ａを同心円状に組み合わせた二重管式の熱交換器である。

冷媒管３Ａ内の冷媒は、超臨界ヒートポンプ式給湯装置に適用されているＣＯ_２冷媒である。

以上のように構成された従来の水冷媒熱交換器について、以下その動作を説明する。

圧縮機（図示なし）から吐出された超臨界状態のＣＯ_２冷媒は、冷媒管３Ａの一端から流入し、他端から流出する。この時、ＣＯ_２冷媒は臨界圧力以上としているので、ＣＯ_２冷媒と給湯水が熱交換する際に、ＣＯ_２冷媒は凝縮することなく、冷媒温度を低下させながらそのエンタルピも同時に低下する。

一方、水管２Ａに流入した低温の給湯水は、ＣＯ_２冷媒との熱交換により高温の給湯水になり、水管２Ａから流出するものである。

このタイプの水冷媒熱交換器は、二重管を螺旋状に巻いた構成のため、螺旋巻きした部分の中心に無効空間が生じてしまうという特徴を有している。

図６は、特許文献２に記載された従来の水冷媒熱交換器の斜視図である。

従来の水冷媒熱交換器１Ｂは、水側容器２Ｂの周囲に冷媒管３Ｂをコイル状に巻き付けて、水容器２Ｂと冷媒管３Ｂとをろう付け固定している。

水側容器２Ｂは、略凹状にプレス成形された２枚の外板４を接合し、側面部材（図示なし）とともに、水側容器２Ｂの内部に蛇行した給湯水通路５を構成している。

冷媒管３Ｂ内の冷媒は、超臨界ヒートポンプ式給湯装置に適用されているＣＯ_２冷媒である。

以上のように構成された従来の水冷媒熱交換器について、以下その動作を説明する。

圧縮機（図示なし）から吐出された超臨界状態のＣＯ_２冷媒は、水側容器２Ｂの周囲に巻き付けられた冷媒管３Ｂの一端から流入し他端から流出する。

一方、水側容器２Ｂに流入した低温の給湯水は、蛇行した給湯水通路５を流れる際にＣＯ_２冷媒との熱交換により高温の給湯水になり、水側容器２Ｂから流出する。

このタイプの水冷媒熱交換器は、冷媒管３Ｂを水側容器２Ｂの周囲に巻きつけており、二重管式熱交換器のような無効空間が生じることがないのでよりコンパクトであるという特徴を有している。

しかしながら、熱交換性能の面においては、冷媒と給湯水の伝熱面が冷媒管３Ｂと水側容器２Ｂとの接触部という限られた面積しかとれない構造であるため、熱交換能力を確保するためには冷媒管３Ｂを必要以上に投入せざるをえなく、冷媒管３Ｂの材料投入量の割に伝熱面積が稼げない特徴を有している。
実開昭６１−１６５３４９号公報 特開２００４−２５１５４３号公報

しかしながら、上記従来の特許文献１の構成では、螺旋巻きした部分の中心に無効空間が生じてしまい熱交換器のコンパクト化に限界が生じたり、また、上記従来の特許文献２の構成では、冷媒管３Ｂを必要以上に投入するので冷媒管３Ｂの材料投入量の割には伝熱面積が稼げない（即ちコストパフォーマンスが良くない）という課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換器の無効空間を低減しコンパクトで、且つ材料投入量に対する熱交換能力が高い熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、チューブ内に第１冷媒が流れるフィン付きチューブと、第２冷媒が流れる流路が設けられた容器と、からなり、前記フィン付きチューブは、前記流路内に配設したものである。

これによって、無効空間を低減し、容器に第２冷媒が流れる流路および第１冷媒が流れるフィン付きチューブを配設可能になること、及びフィン付きチューブにより材料投入量をより減らした形で伝熱面積のアップが可能になる。

本発明の熱交換器は、チューブ内に第１冷媒が流れるフィン付きチューブと、第２冷媒が流れる流路が設けられた容器と、からなり、前記フィン付きチューブは、前記流路内に配設したものからなるので、コンパクト化且つ材料投入量に対する熱交換能力の高い（即ちコストパフォーマンスの良い）熱交換器を提供できる。

請求項１に記載の発明は、チューブ内に第１冷媒が流れるフィン付きチューブと、第２冷媒が流れる流路が設けられた容器と、からなり、前記フィン付きチューブは、前記流路内に配設したことにより、無効空間を低減し、容器に第２冷媒が流れる流路および第１冷媒が流れるフィン付きチューブを配設可能になること、及びフィン付きチューブにより材料投入量をより減らした形で伝熱面積のアップが可能になり、コンパクト化且つ材料投入量に対する熱交換能力の高い（即ちコストパフォーマンスの良い）熱交換器を提供できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記フィン付きチューブと前記流路とを、ともに蛇行するように形成したことにより、最小限のスペースにて給湯水の通路とフィン付きチューブとを引き回し可能とすることから、容器内のスペースを有効に活用できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記容器の材料は、樹脂とした構成とすることにより、容器全体の断熱化や隣り合う流路の仕切壁の断熱化が図れる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記容器は、一体成型されたことにより、前記流路を仕切る仕切壁などの細部にわたる部分を容器の外殻と一体化することができるので、前記容器の部品点数を減らせ前記容器組立時の製作工数を低減できる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記容器は、断熱材と一体成型したことにより、従来別部材である断熱材と比較して、製作工数を低減できる。

請求項６に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、隣り合う前記流路の仕切壁は、前記容器とは別部品であることにより、容器成型のための金型形状を簡素化でき、容器の金型費を低減できる。

請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、隣り合う前記流路の仕切壁に断熱材を用いたことにより、隣り合う流路の仕切壁の断熱性能が良くなるので、熱交換性能を向上させることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記フィン付きチューブは、チューブ外面にフィンをらせん状に巻いたことにより、第１冷媒と第２冷媒との伝熱面積を大幅に増大することが可能になるので、熱交換性能を向上させることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記フィン付きチューブは、チューブ外面に複数本の線状フィンで覆ったことにより、第２冷媒の流路抵抗を最小限にでき、第１冷媒と第２冷媒との伝熱面積を大幅に増大することが可能になるので、熱交換性能を向上させることができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１冷媒はＣＯ_２、前記第２冷媒は水とすることにより、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプ式給湯装置の熱交換器を提供できる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記フィン付きチューブは、漏洩検知溝を設けたことにより、水側とＣＯ_２側とのクロスコネクションを防止できるので安全性が向上する。

請求項１２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記フィン付きチューブは、銅フィンと銅管を用いたことにより、第２冷媒に水を用いた際の耐食性が向上する。

請求項１３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１冷媒と前記第２冷媒の流れ方向は、対向流としたことにより、第１冷媒と第２冷媒の温度差が大きくとれ、熱交換性能がより向上させることができる。

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が、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成について同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の概略図であり、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプ式給湯装置の熱交換器に適したものである。図２は、同実施の形態における熱交換器の断面拡大図であり、図１のＡ−Ａ’断面を示すものである。

背景技術と同一構成および作用を奏する部分には同じ符号を付して詳細な説明を省き、異なる部分を中心に説明する。

図１、図２において、熱交換器６はチューブ内に第１冷媒が流れるフィン付きチューブ７と、フィン付きチューブ７と第２冷媒を収容する容器８と、容器８内に設けられ第２冷媒が流れる流路９から構成されている。また、流路９は容器８の内部を蛇行するよう設けられており、隣り合った流路９は仕切壁Ｗ１にて仕切られている。フィン付きチューブ７は流路９の流れ方向に沿って流路９内に配置されており、チューブ１１の外側に帯状のフィン１２をらせん状に巻いて構成している。容器８の材質は樹脂であり、一体成型されている。

断熱材１０は熱交換器６の放熱ロスを抑制するためのものであり、容器８に埋め込まれている。

また、給湯機用熱交換器として好ましくは第１冷媒はＣＯ_２冷媒であり、第２冷媒は給湯水である。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

熱交換器６のＣＯ_２側入口から流入した高温高圧のＣＯ_２冷媒は、フィン付きチューブ７内を通過することで給湯水との熱交換を行った後、熱交換器６のＣＯ_２側出口から流出する。

一方、熱交換器６の水側入口から流入した低温の給湯水は、フィン付きチューブ７の外側を通過ながら高温のＣＯ_２冷媒と熱交換を行い、高温となった給湯水は熱交換器６の水側出口から流出する。

この時、給湯水が流れる流路９に対してフィン付きチューブ７を管長方向に設けた構成としているので、フィン付きチューブのフィン１２の面積を拡大するだけで伝熱面積を容易に増加させることができる。

つまり、フィン付きチューブ７の単位長さあたりのフィン１２の巻き数（以降、フィンピッチと呼ぶ）を多くすることで伝熱面積を拡大できるので、容器６の大きさを変えることなく、熱交換能力の向上が図られる。

この時、ＣＯ_２冷媒と給湯水を対向流になるように流すことで、ＣＯ_２冷媒と給湯水の温度差が大きくとれ熱交換性能がより向上する。

チューブ１１とフィン１２は好ましくは銅製とすることで、給湯水に対する耐食性を向上することができる。

また、フィン付きチューブ７に漏洩検知溝（図示なし）を設けることで、ＣＯ_２冷媒が給湯水側へ混入する所謂クロスコネクションを防止できるので安全性が向上する。

次に、流路９は容器８の内部を蛇行して仕切壁Ｗ１にて仕切られている構成であるので、長円形の渦巻き状に構成する熱交換器のような渦巻き状の中心部の無駄な空間がないので、その分コンパクト化が図れる。

そして、容器８の材料は樹脂（この場合、好ましくは架橋ポリエチレンやポリブテン）とすることで次に述べるメリットが創出される。

まず、金属に比べて熱伝導率が極めて小さい材料である樹脂を容器に用いるので、容器８表面からの放熱ロスが低減でき、従来容器８の外部を覆っていた断熱材を低減できる。

さらに、容器８の材料を樹脂とすることで、仕切壁Ｗ１などの細部にわたる部分を容器８の外殻と一体化することができるので容器８の部品点数を減らせ、組立工数を低減できる。

加えて容器８の外表面に断熱材１０を埋め込んでの一体成型加工することにより、従来別部材であった断熱材に対して、一体化されているので製作工数を低減できる。

以上のように、本実施の形態においては、チューブ１１内にＣＯ_２冷媒が流れるフィン付きチューブ７と、フィン付きチューブ７の外側を流れる給湯水と、フィン付きチューブ７と水を収容する容器６と、容器６内に設けた給湯水が流れる流路９とからなり、流路９はフィン付きチューブ７の管長方向に設けた構成としているので、ＣＯ_２冷媒と給湯水の伝熱面積を容易に拡大でき、コンパクトでかつ高性能化が図れる熱交換器を提供できる。

なお、本実施の形態では、第２冷媒を給湯水としているが、ブラインなどの液体でも同様の作用を有することは言うまでもない。

また、本実施の形態では、第１冷媒をＣＯ_２としているが、他の冷媒でも同様の作用を有することは言うまでもない。

また、本実施の形態では、フィン付きチューブ７のフィン１２は１条巻きとして表示しているが、フィン１２を複数条巻いたとしても同様の作用を有することは言うまでもない。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における熱交換器の概略図である。

なお、この実施形態の発明は、背景技術や実施の形態１と同一構成および作用を奏する部分には同じ符号を付して詳細な説明を省き、異なる部分を中心に説明する。

図３において、仕切壁Ｗ２は隣り合った流路９を仕切る仕切りであり、容器８と別部品で構成されている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

仕切壁Ｗ２は容器８とは別部品としているので、容器８を成型するための金型形状を簡素化でき、金型費を低減できる。

さらに仕切壁Ｗ２に断熱材を用いることにより、隣り合う流路の仕切壁の断熱性能が良くなる。

以上のように、本実施の形態においては、仕切壁Ｗ２は容器８とは別部品としているので、容器８を成型するための金型形状を簡素化でき、金型費を低減できる。

また、仕切壁Ｗ２に断熱材を用いることにより、隣り合う流路の仕切壁の断熱性能が良くなり、熱交換能力が向上する。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における熱交換器の断面拡大図である。

なお、この実施形態の発明は、背景技術や実施の形態１と同一構成および作用を奏する部分には同じ符号を付して詳細な説明を省き、異なる部分を中心に説明する。

図４において、フィン付きチューブ１５は流路９の流れ方向に沿って流路９内に配置されており、チューブ１１の外側を複数本の線状フィン１６で覆ったものである。

線状フィン１６は線状または板状のフィンからなり、チューブ１１の管長方向に圧接、固着されている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

フィン付きチューブ１５はチューブ１１の管長方向に圧接、固着されている。即ち、流路９の流れ方向に沿って配置されているので、ＣＯ_２冷媒と給湯水の伝熱面積を容易に拡大できるだけでなく、水の流路抵抗を最小限にできる熱交換器を提供できる。

以上のように、本実施の形態においては、流路９の流れ方向に沿って流路９内に配置されており、チューブ１１の外側を複数本の線状フィン１６で覆ったフィン付きチューブ１５により、ＣＯ_２冷媒と給湯水の伝熱面積を容易に拡大できるだけでなく、水の流路抵抗を最小限にできる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、ＣＯ_２冷媒と給湯水の伝熱面積を容易に拡大でき、コンパクトでかつ高性能化が図れるので、給湯水や暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の概略図 同実施の形態における熱交換器の断面拡大図 本発明の実施の形態２における熱交換器の概略図 本発明の実施の形態３における熱交換器の断面拡大図 従来の水冷媒熱交換器の斜視図 その他の従来の水冷媒熱交換器の斜視図

符号の説明

６，１３，１４ 熱交換器
７，１５ フィン付きチューブ
８ 容器
９ 流路
１０ 断熱材
１１ チューブ
１２ フィン
１６ 線状フィン
Ｗ１，Ｗ２ 仕切壁

Claims (13)

1. チューブ内に第１冷媒が流れるフィン付きチューブと、第２冷媒が流れる流路が設けられた容器と、からなり、前記フィン付きチューブは、前記流路内に配設した熱交換器。
2. 前記フィン付きチューブと前記流路とを、ともに蛇行するように形成した請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記容器の材料は、樹脂とした請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記容器は、一体成型された請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記容器は、断熱材と一体成型した請求項４に記載の熱交換器。
6. 隣り合う前記流路の仕切壁は、前記容器とは別の部品である請求項３に記載の熱交換器。
7. 隣り合う前記流路の仕切壁に断熱材を用いた請求項３に記載の熱交換器。
8. 前記フィン付きチューブは、チューブ外面にフィンをらせん状に巻いて構成した請求項１に記載の熱交換器。
9. 前記フィン付きチューブは、チューブ外面に複数本の線状フィンで覆った請求項１に記載の熱交換器。
10. 前記第１冷媒はＣＯ_２、前記第２冷媒は水とした請求項１に記載の熱交換器。
11. 前記フィン付きチューブは、漏洩検知溝を設けた請求項１に記載の熱交換器。
12. 前記フィン付きチューブは、銅フィンと銅管を用いた請求項１に記載の熱交換器。
13. 前記第１冷媒と前記第２冷媒の流れ方向は、対向流である請求項１に記載の熱交換器。

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