JP2008057859A - 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】熱交換性能の高い熱交換装置を提供する。
【解決手段】第一流体が流れる第一伝熱管１１と、前記第一伝熱管１１内に配置され、第二流体が流れる第二伝熱管１２からなり、前記第二伝熱管１２を、中心第二伝熱管１３と、前記中心第二伝熱管１３の外周に螺旋状に巻きつけられた周囲第二伝熱管１４で構成したもので、第一伝熱管１１の内部に多くの第二伝熱管１２を第一流体との接触面を保ちつつ配置することができ、第一流体と第二流体の熱交換面積を大きくとって、熱交換性能が良い熱交換装置を提供することができる。
【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、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として、図６に示されるようなものがあった。図６は、従来の熱交換器装置の断面図である。

図６において、従来の熱交換装置は、第一流体が流れる第一伝熱管１と、第二流体が流れる第二伝熱管２とからなり、前記第二伝熱管２を前記第一伝熱管１内に配置し、さらに第二伝熱管２を、複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成したものが知られている。そして、このような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２００４−３６０９７４号公報

しかしながら、上記従来の熱交換装置の構成では、第一流体と第二流体の熱交換面積を増やすために第二伝熱管２の本数を増やす構成とした場合、複数の第二伝熱管２を螺旋状にねじる構成としているため、たとえば、図７に示すような４本の第二伝熱管２からなる場合、第二伝熱管２同士が接していまい、第二伝熱管２に、第一流体と接することができない部分ができてしまう。そのため、この部分に第一流体がうまく流れず、思うように第一流体と第二流体との熱交換面積を増やすことができない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、熱交換性能の良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、第二流体が流れる第二伝熱管からなり、前記第二伝熱管を、中心第二伝熱管と、前記中心第二伝熱管の外周に螺旋状に巻きつけられた周囲第二伝熱管で構成したもので、第一伝熱管の内部に多くの第二伝熱管を第一流体との接触面を保ちつつ配置することができ、第一流体と第二流体の熱交換面積を大きくとって、熱交換性能が良い熱交換装置を提供することができる。

又、本発明のヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、放熱器、減圧手段、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冷媒循環回路を備え、前記放熱器として請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いると共に、第二伝熱管に冷媒を、第一伝熱管に水をそれぞれ流して、前記水を加熱するもので、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、効率の高いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

本発明の熱交換装置は、第一伝熱管の内部に多くの第二伝熱管を第一流体との接触面を
保ちつつ配置することができ、第一流体と第二流体の熱交換面積を大きくとって、熱交換性能が良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、前記第一伝熱管内に配置され、第二流体が流れる第二伝熱管からなり、前記第二伝熱管を、中心第二伝熱管と、前記中心第二伝熱管の外周に螺旋状に巻きつけられた周囲第二伝熱管で構成したもので、第一伝熱管の内部に多くの第二伝熱管を第一流体との接触面を保ちつつ配置することができ、第一流体と第二流体の熱交換面積を大きくとって、熱交換性能が良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の発明の周囲第二伝熱管の内径を中心第二伝熱管の内径よりも大きくしたもので、周囲第二伝熱管が螺旋状に捻られているため、直管の場合に比べて圧力損失が大きくなるが、直管である中心第二伝熱管の内径よりも周囲第二伝熱管の内径を大きくすることで、中心第二伝熱管と周囲第二伝熱管を流れる第二流体を同等に流れやすくして、流れ方向における同じ位置での中心第二伝熱管と周囲第二伝熱管を流れる第二流体の温度状態を同等にバランスさせることができる。これによって、中心第二伝熱管と周囲第二伝熱管との間の第二流体どうしの熱交換が起こらないようにして、効率よく第一流体と第二流体の熱交換を行うことができる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の周囲第二伝熱管同士がすべて接触しないように、中心第二伝熱管の外径を大きくしたもので、中心第二伝熱管の表面が周囲第二伝熱管によって覆われてしまわないようにし、第一流体が流れ込むようにすることによって、中心第二伝熱管の表面での熱交換を効果的に行って熱交換性能の高い熱交換装置とすることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の周囲第二伝熱管の位置を固定具により固定したもので、第二伝熱管による死水域を作らないよう配置することができるため、熱交換面積を大きくとることができ、熱交換性能の高い熱交換装置とすることができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の第二伝熱管を内管と外管とからなる二重管としたもので、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が内管と外管により二重構造となるので、内管もしくは外管のどちらかが漏洩あるいは破損した場合においても、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６の発明は、特に、第５の発明の外管の耐圧強度を、内管の耐圧強度以上としたもので、内管が第二流体の圧力により破損しても外管が破損しないので、第二流体が外管の外に漏洩することを防止することができる。

第７の発明は、特に、第５又は第６の発明の外管と内管との間に、連通路を形成したもので、内管の管壁が破損して第二流体が外管と内管との間に漏洩した場合に連通路から外部に排出させることができる。したがって、内管の管壁の破損を早期に検知することができるとともに、第一流体及び第二流体の混合を防止することができる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか一つの発明の第一流体と第二流体の流れ方向を対向流としたもので、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、減圧手段、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冷媒循環回路を備え、前記放熱器として請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いると共に、第二伝熱管に冷媒を、第一伝熱管に水をそれぞれ流して、前記水を加熱するもので、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、効率の高いヒートポンプ給湯装置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熱交換装置の要部構成図、図２は、同熱交換装置の図１におけるＸ−Ｘ線断面の矢印方向から見た断面図、図３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、１１は、第一流体が流れる第一伝熱管であり、１２は、第二流体が流れる第二伝熱管である。この第二伝熱管１２は、略中心に位置すると共に直管である中心第二伝熱管１３と、その外周に螺旋状に巻きつけられた複数の周囲第二伝熱管１４から構成され、第一伝熱管１１の内部に配置されている。内部をわかりやすく示すために、第一伝熱管１１のみ長手方向に切断した断面で図示している。

図２において、第一伝熱管１１の略中心に配置された中心第二伝熱管１３のまわりに３本の周囲第二伝熱管１４を約１２０°ごとに配置している。これらの中心第二伝熱管１３と周囲第二伝熱管１４のそれぞれは、内管１５と外管１６からなり、外管１６の内側に多数の溝を設けて連通路１７を構成して溝付二重管構成を有している。外管１６の肉厚を内管１５よりも十分大きく取り、内管１５の耐圧強度よりも外管１６の耐圧強度が高いようにしている。

また、中心第二伝熱管１３の内管１５の内径よりも周囲第二伝熱管１４の内管１５の内径を大きく取ることで、螺旋形状をしている周囲第二伝熱管１４に第二流体が比較的流れやすいようにして、中心第二伝熱管１３内の第二流体の流れと周囲第二伝熱管１４内の第二流体の流れをバランスさせるようにしている。

図３において、ヒートポンプ給湯装置において、圧縮機１８と、放熱器１９と、減圧手段２０と、吸熱器２１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（ＣＯ_２）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１８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２０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１９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ている。この放熱器１９として、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１２の内管１５とし、水流路は、第一伝熱管１１の内壁と第二伝熱管１２の外管１６との間の流路としている。そして、この水流路は、周囲第二伝熱管１４によって構成された旋回流路となっている。このように、前述の熱交換装置の内管１６の入口は、圧縮機１８から
の冷媒循環回路部分と連通し、出口は、減圧手段２０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１２の冷媒流路の流れ方向は、水流路の流れ方向と対向としている。

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に設けられ、水または予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から水または予温水が積層ポンプ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を通じて水または予温水が貯湯タンク２３から供給されると、圧縮機１８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１８から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器１９へ流入し、第一伝熱管１１の内壁と第二伝熱管１２の間に構成されている旋回流路を含め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る、いわゆる積層沸き上げを行う。一方、放熱器１９で冷却された冷媒は、減圧手段２０で減圧されて、吸熱器２１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１８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内に貯湯された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で供給することもできる。

放熱器１９において、放熱器１９の第二伝熱管１２内を流れる冷媒は、圧縮機１８で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器１９の第一伝熱管１１の内壁と第二伝熱管１２の間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１９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給湯装置を提供することができる。

図１と図２に示すように、直管の中心第二伝熱管１３の周囲に周囲第二伝熱管１４を螺旋状にねじって形成した第二伝熱管１２を、第一伝熱管１１内に配置しているので、第一伝熱管１１の内部に多くの第二伝熱管１２を、第一流体（水）との接触面を保ちつつ配置することができ、第一流体と第二流体（冷媒）の熱交換面積を大きくとることができる。また、第一伝熱管１１の内壁と第二伝熱管１２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、冷媒共に乱流化され、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。

また、中心第二伝熱管１３の周囲に複数の周囲第二伝熱管１４を螺旋状にねじって構成した第二伝熱管１２の束の直径を第一伝熱管１１の内径より約０．５〜１．０ｍｍ程度、多少小さくして、第二伝熱管１２の束を第一伝熱管１１内に挿入しやすくするとともに、この熱交換装置自体を曲げて構成したときにも、第一伝熱管１１内での第二伝熱管１２の束の位置に偏りが生じにくく熱交換性能の低下が起こりにくい構成としている。

また、周囲第二伝熱管１４を約１２０°ごとに配置しているのでその間の空間によって水流路が確保されており、第二伝熱管１２の本数を増やして水と冷媒の伝熱面積を大きく取ることと、第二伝熱管１２の束の第一伝熱管１１内での位置の安定と、水流路における水の流れやすさの確保が同時に実現できる構成となっている。

また、ＣＯ_２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、ＣＯ_２冷媒の放熱器１９における作動圧力は、約９ＭＰａ〜１３ＭＰａの間で、高圧力であるため、ＣＯ_２冷媒が流れる内管１５の信頼性は格段に高く要求される。特に、何らかの原因でＣＯ_２冷媒が内管１５から漏れた場合、本実施の形態では、連通路１７が確保されているので、外管１６の外に漏れて水に冷媒が混ざる前に冷媒の漏洩を検知できるという、漏洩溝の機能を確保でき、漏れたＣＯ_２冷媒は、漏洩溝である連通路１７を通じて外部へ流出するため、より安全性の高いＣＯ_２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、熱交換性能が高く、かつ長時間の使用における破損に対しても安全性を確保できる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、本発明の第２の実施の形態における熱交換装置の要部構成図、図５は、同熱交換装置の図４におけるＹ−Ｙ線断面の矢印方向から見た断面図である。基本的には実施の形態１と同じであり、同一部分については、同一符号を付してその説明を省略し、異なるところを中心に説明する。

本実施の形態と、上記実施の形態１と異なるところは、中心第二伝熱管１３の周囲に６本の周囲第二伝熱管１４を螺旋状にねじって配置した点である。周囲第二伝熱管１４を６本と多く配置しているが、これらがすべて接触してしまわないように、中心第二伝熱管１３の外径を十分大きくし、さらに、図４に示すように熱交換装置の長手方向に何ヶ所か固定具２７を配置しており、図５に示すように中心第二伝熱管１３とその周囲の６本の周囲第二伝熱管１４を固定している。

以上のように構成された本実施の形態における熱交換装置について、以下その作用、動作を説明する。

図５の断面図に示すように、中心第二伝熱管１３の周囲に６本の周囲第二伝熱管１４を配置しているが、中心第二伝熱管１３の外形を十分大きく取ることで、周囲第二伝熱管１４によって中心第二伝熱管１３の外周が覆われないようにするとともに、固定具２７によってこれら７本の第二伝熱管１２の位置関係を固定することで、すべての第二伝熱管１２の表面が第一流体と接触する面を確保できるようにしている。図４に示すように、この固定具２７は、長手方向すべてに配置されているのではなく、ある程度の距離を置いて配置しているため、第一流体の流路の圧力損失を大きく上昇させることは無い。

また、この固定具２７によって第一流体の流れを乱すことによって、第一流体側の熱伝達率を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、ヒートポンプ給湯装置の一例を挙げて構成および動作を説明したが、その他の構成と動作を有するヒートポンプ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、自然冷媒であるＣＯ_２としたが、その他の
冷媒、例えばＲ４１０などを用いても同様な効果が得られる。

なお、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２３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（図示せず）などへ流れても同様な効果が得られる。

なお、上記実施の形態において、第一流体は水、第二流体は冷媒としたが、その他の流体とすることもできるものである。

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、第一伝熱管の内部に多くの第二伝熱管を第一流体との接触面を保ちつつ配置することができ、第一流体と第二流体の熱交換面積が大きく、熱交換性能が良いもので、各種熱交換装置およびそれを用いた各種ヒートポンプ給湯装置に広く適用することができる。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要部構成図 同熱交換装置の断面図（図１のＸ−Ｘ線断面図） 同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置の構成図 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 同熱交換装置の断面図（図４のＹ−Ｙ線断面図） 従来の熱交換装置の断面図 従来の熱交換装置の他の例を示す断面図

符号の説明

１１ 第一伝熱管
１２ 第二伝熱管
１３ 中心第二伝熱管
１４ 周囲第二伝熱管
１５ 内管
１６ 外管
１７ 連通路
１８ 圧縮機
１９ 放熱器
２０ 減圧手段
２１ 吸熱器
２７ 固定具

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、第二流体が流れる第二伝熱管からなり、前記第二伝熱管を、中心第二伝熱管と、前記中心第二伝熱管の外周に螺旋状に巻きつけられた周囲第二伝熱管で構成した熱交換装置。
2. 周囲第二伝熱管の内径を中心第二伝熱管の内径よりも大きくした請求項１に記載の熱交換装置。
3. 周囲第二伝熱管同士がすべて接触しないように、中心第二伝熱管の外径を大きくした請求項１又は２に記載の熱交換装置。
4. 周囲第二伝熱管の位置を固定具により固定した請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
5. 第二伝熱管を内管と外管とからなる二重管とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
6. 外管の耐圧強度を、内管の耐圧強度以上としたことを特徴とする請求項５に記載の熱交換装置。
7. 外管と内管との間に、連通路を形成したことを特徴とする請求項５又は６に記載の熱交換装置。
8. 第一流体と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、減圧手段、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冷媒循環回路を備え、前記放熱器として請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いると共に、第二伝熱管に冷媒を、第一伝熱管に水をそれぞれ流して、前記水を加熱するヒートポンプ給湯装置。

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