JP2008082600A - 水冷媒熱交換器とそれを用いたヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率の高い水冷媒熱交換器を提供する。
【解決手段】第二流体１５が流れる内管１２と、前記内管１２を収納する外管１１とからなり、前記内管１２と前記外管１１との間に第一流体１４を流すようにした水冷媒熱交換器１において、前記外管１１に、その長手方向に沿って前記内管１２を支持する支持壁１３を設けたもので、支持壁１３によって、第二流体１５が流れる内管１２が、外管１１の内部に支持されることで、第一流体１４の圧力損失を低減し、熱交換効率の高い水冷媒熱交換器１を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、水冷媒熱交換器とそれを用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来のこの種の水冷媒熱交換器として、図５に示すようなものがった（例えば、特許文献１参照）。図５は、従来の水冷媒熱交換器の一部破断斜視図である。

図５において、従来の水冷媒熱交換器３３は、第一流体３１と第二流体３２を熱交換させるもので、第二流体３２が流れる内管３５と、内管３５を内包する外管３４と、外形が半円弧状で、内管３５を外管３４内で支持するバッフル板３６とから構成され、第一流体３１は、外管３４と内管３５の間を流れるようになっている。
特開２００６−４６８８８号公報

しかしながら、前記従来の水冷媒熱交換器３３の構成では、バッフル板３６が、第一流体３１の流れに直交するように存在することにより、第一流体３１が流れにくくなり、第一流体３１の管の両端における圧力損失が大きくなるという課題があった。

また、第一流体３１が流れ難くなることにより、第一流体３１と第二流体３２との伝熱性能が低下するという課題を有していた。

更に、バッフル板３６が、外管３４と半円弧で接しており、接触面積が大きいことにより、第二流体３２から外管３４より外への放熱が起こり、熱交換効率が低下するという課題も有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、第一流体の圧力損失を低減させ、伝熱性能を向上させるとともに、内管を流れる第二流体の熱が、外管を通して外へ放熱される量を少なくして、高効率の水冷媒熱交換器及び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、本発明の水冷媒熱交換器は、第二流体が流れる内管と、前記内管を収納する外管とからなり、前記内管と前記外管との間に第一流体を流すようにした水冷媒熱交換器において、前記外管に、その長手方向に沿って前記内管を支持する支持壁を設けたもので、支持壁によって、第二流体が流れる内管が、外管の内部に支持されることで、第一流体の圧力損失を低減できる。

また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の水冷媒熱交換器の内管と、減圧手段と、蒸発器と、圧縮機を順次接続して構成した冷媒循環回路と、前記水冷媒熱交換器の外管に接続された給湯回路とを備えたもので、水冷媒熱交換器の熱交換効率が高いので、より高温のお湯が得られるものである。

本発明の水冷媒熱交換器は、第一流体の圧力損失を低減させ、伝熱性能を向上させるとともに、内管を流れる第二流体の熱が、外管より外へ放熱される熱量を少なくし、熱交換効率を高めることができる。

第１の発明は、第二流体が流れる内管と、前記内管を収納する外管とからなり、前記内管と前記外管との間に第一流体を流すようにした水冷媒熱交換器において、前記外管に、その長手方向に沿って前記内管を支持する支持壁を設けたもので、支持壁によって、第二流体が流れる内管が、外管の内部に支持されることで、第一流体の圧力損失を低減できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の支持壁の断面を、三角形、台形などの多角形状としたもので、内管と外管の接触面積が減り、外管より外へ放熱される量を少なくし、熱交換効率を高めることができる。

第３の発明は、特に、第１又は第２の発明の支持壁の数を、１６個以下としたもので、材料コストと圧力損失を抑えることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の支持壁の高さを外管の内径寸法の４％以上としたもので、第一流体の流路を確保し、第一流体の圧力損失および、内管から外管より外へ放熱する熱量を低減させ、高効率の熱交換を行うことができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の支持壁を、外管の軸方向に対し２５度以下のねじれ角で螺旋状に設けたもので、第一流体の圧力損失が低減すると共に、第一流体の流速増加に伴い熱伝達率の向上を図ることができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の内管の複数本を螺旋状に巻いて一体化したもので、第一流体と第二流体の乱流効果により、熱伝達率の向上を図ることができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明の支持壁の捩り方向と、内管の螺旋方向とを逆にしたもので、第一流体をよくかき混ぜ、乱流効果により、熱伝達効率を向上させることができる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか１つの発明の第一流体を水、第二流体を二酸化炭素としたもので、二酸化炭素の高温が低温の水に熱伝達し、効率的に水を加熱してより高温のお湯を作ることができる。

第９の発明は、請求項１〜８のいずれか１項に記載の水冷媒熱交換器の内管と、減圧手段と、蒸発器と、圧縮機を順次接続して構成した冷媒循環回路と、前記水冷媒熱交換器の外管に接続された給湯回路とを備えたもので、水冷媒熱交換器の熱交換効率が高いので、より高温のお湯が得られるヒートポンプ給湯装置を提供することが出来る。

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水冷媒熱交換器を搭載したヒートポンプ給湯装置の概略構成図、図２は、同水冷媒熱交換器の斜視図、図３は、同水冷媒熱交換器の断面図である。

図１〜３において、本実施の形態における水冷媒熱交換器１は、複数の内管１２と、内管１２を収納する外管１１から構成され、ヒートポンプ給湯機１０は、冷媒循環回路６と
、図示しない貯湯タンクや蛇口に給湯する給湯回路５から構成されている。冷媒循環回路６は、水冷媒熱交換器１の内管１２と、減圧手段２と、蒸発器３と、圧縮機４とが、二酸化炭素などの冷媒が流れる冷媒管７を介して閉回路に接続されて形成され、給湯回路５には、水冷媒熱交換器１の外管１１が接続され、水道水などがポンプ８を介して、外管１１に供給されるようになっている。

１３は、三角形、台形などの多角形の形状をし内管１２を支える支持壁で、外管１１の内壁に長手方向に沿って形成されている。本実施の形態では、内管１２内に流す第二流体１５として、冷媒を流し、外管１１内に流す、すなわち外管１１と内管１２との間に流す第１流体１４として水を流すようにしている。

以上のように構成された水冷媒熱交換器及びヒートポンプ給湯機について、以下その動作、作用を説明する。

圧縮器４で圧縮されて高温となった冷媒（第二流体１５）が内管１２に流入し、一方冷たい水（第一流体１４）が外管１１と内管１２との間に流入することにより、冷媒の熱が水に伝達され、熱交換が行われる。このとき、内管１２は、支持壁１３によって外管１１の内部に支えられているので、第二流体１５の保有する熱が効率よく第一流体１４に伝達される。

本実施の形態では、支持壁１３が、三角形、台形などの多角形の形状をしているので、外管１１と内管１２の接触面積が、従来のバッフル板３６より小さくなり、内管１２の熱が外管１１より外部に放熱されにくくなり、高効率の熱交換が行える。

なお、支持壁１３の数は、多ければ多いほど内管１２をより正確に位置させることができるが、熱交換器の製作コストがかかるので１６個以下とすることで、材料コストを抑えることができる。

さらに、本実施の形態では、支持壁１３の高さｅを、外管１１の内径ｄｉの４％以上としている。これにより、外管１１の内壁と内管１２の外壁の最小間隔に相当の流路が確保され、第一流体１４の圧力損失が少なくなるとともに、第一流体１４の流速が上がることにより、第一流体１４と第二流体１５の熱伝達が促進される。

以上のように、本実施の形態によれば、支持壁１３を用いることにより、外管１１と内管１２の間に十分な流路面積が確保されるので、第一流体１４の圧力損失を少なくでき、第一流体１４と第二流体１５の熱交換効率を向上させることができる。また、支持壁１３の数を少なくすることで、水冷媒熱交換器１の製造コストを抑えることができる。

（実施の形態２）
図４（ａ）は、本発明の第２の実施の形態における水冷媒熱交換器の横断面図、（ｂ）は、同水冷媒熱交換器の内管の側面図である。なお、上記第１の実施の形態と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態は、図４に示すように、支持壁１３を外管１１の内壁の長手方向に螺旋状に設けると共に、そのときのねじれ角αを、外管１１の軸方向に対して２５度以下とし、さらに、複数の内管１２を螺旋状に巻いて一体化したものである。なお、支持壁１３と内管１２のそれぞれの捩り方向は、互いに逆方向に構成している。

以上のように構成された水冷媒熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、支持壁２５のねじれ角αを２５度以下とすることにより、第一流体１４の圧力損失増加を防いでいる。又、複数本の内管１２を螺旋状に巻いて一体化することで、第一流体１４が乱流状態で流れ、第二流体１５と効率よく熱伝達することができる。また、支持壁１３と内管１２の捩り方向を、互いに逆方向にすることで、第一流体１４が乱流になるのを促進でき、熱交換効率が向上する。

以上のように、本実施の形態によれば、支持壁１３の外管１１の軸方向に対するねじれ角αを２５度以下とすることにより、第一流体１４の圧力損失を抑えることができる。また、螺旋状の内管１２のねじり方向と、支持壁１３のねじり方向の向きを逆にすることにより、第一流体１４の乱流による熱伝達効率を向上させることができる。また、支持壁１３は、従来のバッフル板３６を設置する方法に比べ、水冷媒熱交換器１の加工性もよくなり、安価に構成できる。

以上のように、本発明にかかる水冷媒熱交換器は、熱交換効率が高いもので、ヒートポンプユニットをコンパクトにすることが可能となるので、高効率な熱交換が必要な産業用機器・家庭用機器等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における水冷媒熱交換器を搭載したヒートポンプ給湯装置の概略構成図 同水冷媒熱交換器の斜視図 同水冷媒熱交換器の断面図 （ａ）本発明の実施の形態２における水冷媒熱交換器の横断面図、（ｂ）同水冷媒熱交換器の内管の側面図 従来の水冷媒熱交換器の一部破断斜視図

符号の説明

１ 水冷媒熱交換器
２ 減圧手段
３ 蒸発器
４ 圧縮器
５ 給湯回路
１１ 外管
１２ 内管
１３ 支持壁
１４ 第一流体
１５ 第二流体

Claims (9)

1. 第二流体が流れる内管と、前記内管を収納する外管とからなり、前記内管と前記外管との間に第一流体を流すようにした水冷媒熱交換器において、前記外管に、その長手方向に沿って前記内管を支持する支持壁を設けた水冷媒熱交換器。
2. 支持壁の断面を、三角形、台形などの多角形状としたことを特徴とした請求項１に記載の水冷媒熱交換器。
3. 支持壁の数を、１６個以下としたことを特徴とした請求項１又は２に記載の水冷媒熱交換器。
4. 支持壁の高さを外管の内径寸法の４％以上としたことを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の水冷媒熱交換器。
5. 支持壁を、外管の軸方向に対し２５度以下のねじれ角で螺旋状に設けたことを特徴とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の水冷媒熱交換器。
6. 複数の内管を螺旋状に巻いて一体化したことを特徴とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の水冷媒熱交換器。
7. 支持壁の捩り方向と、内管の螺旋方向とを逆にしたことを特徴とした請求項６に記載の水冷媒熱交換器。
8. 第一流体を水、第二流体を二酸化炭素とした請求項１〜７のいずれか１項に記載の水冷媒熱交換器。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の水冷媒熱交換器の内管と、減圧手段と、蒸発器と、圧縮機を順次接続して構成した冷媒循環回路と、前記水冷媒熱交換器の外管に接続された給湯回路とを備えたことを特徴としたヒートポンプ給湯装置。

Images