JP2008082669A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を向上すると共に効率の高いヒートポンプ式給湯機を低価格で提供することを目的とする。
【解決手段】圧縮機、ガスクーラ、内部熱交換器６、第１の膨張弁、及び蒸発器を環状に接続した冷媒回路と、給湯用の水をポンプにより、ガスクーラを通過した後、貯湯タンクへ供給する水回路とを備え、内部熱交換器６は、高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とを有し、高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とを長手方向にハンダ１３にて熱的に接合されると共に、連続するハンダ１３両端部にハンダ付け後工程にて銅ロウ１４を用いて銅ロウ付けを行うことを特徴とする。
【選択図】図４

Description

この発明は、ヒートポンプ式給湯機に係り、特にガスクーラを流出した高圧冷媒から蒸発器を流出した低圧冷媒へ熱回収する内部熱交換器に関するものである。

ヒートポンプ式給湯機においては、ガスクーラ（圧縮機から吐出された高圧冷媒と給湯水回路の水とが熱交換を行う高圧側熱交換器）を流出した高圧冷媒と蒸発器を流出した低圧冷媒とを熱交換し、熱回収することにより効率が改善できることが知られている。上記高低圧熱交換器を内部熱交換器と呼び、内部熱交換器は２重管方式やパイプ管方式の構成をとっている。

例えば、併設されるパイプ間に確実にロウ材を充填することができ、それによって高い熱伝導効率が得られるパイプ型熱交換装置を提供するために、温度の異なる流体をそれぞれ流通させる２本のパイプを互いに添設するとともに、それらのパイプに棒材を添設させて、それらのパイプおよび棒材をロウ付けするパイプ型熱交換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、充分な強度と優れた熱交換効率を得ることができる冷凍サイクル用熱交換パイプ及びその製造方法を提供するために、冷凍サイクル用熱交換パイプは、冷凍サイクルを構成する蒸発器から圧縮機へ冷媒を送る連結金属管、及びその連結金属管の両端部を除く外側面の少なくとも一部に長さ方向に設けた溝内に固定され、連結金属管よりも細いキャピラリーチューブを含み、熱交換パイプは、ロウ付けによる接合、接着剤による接着、共晶により接合、溝上端を圧延する嵌合法若しくは嵌挿法、又は熱収縮チューブを利用して、連結金属管とキャピラリーチューブとを接合させて製造する冷凍サイクル用熱交換パイプが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−３８３０５号公報 特開２０００−２８３６６４号公報

特許文献１は、炉中ロウ付けにより製作されるパイプ型熱交換器であるが、炉中ロウ付け設備や不活性ガス供給設備が必要で投資額が大きくコストアップになる課題がある。また、金属配管が鈍ってしまい内圧による耐圧強度が低下するので、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式給湯機においては信頼性が低下する課題がある。

特許文献２は、パイプ型熱交換器をハンダ付けで熱的接合されているので炉中ロウ付けより安価に製造できるが、一方の配管に溝を形成した構造のため内圧疲労強度が著しく低下するので二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式給湯機においては信頼性が低下する課題がある。

配管に溝を形成せずにパイプ型熱交換器をハンダ付けで熱的接合された内部熱交換器は、上記先行技術（特許文献１、特許文献２）や２重管方式より安価に製造できる。しかし、配管に溝を形成せずにパイプ型熱交換器をハンダ付けで熱的接合された内部熱交換器は、運転時は高圧側配管は高温で膨張し低圧側配管は低温で収縮するので、ハンダにはせん断応力が発生する。運転オンオフ繰返しにより、熱疲労でハンダが亀裂破壊し熱交換機能を失うという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解消するためになされたもので、信頼性を向上すると共に効率の高いヒートポンプ式給湯機を低価格で提供することを目的とする。

この発明に係るヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、ガスクーラ、内部熱交換器、第１の膨張弁、及び蒸発器を環状に接続した冷媒回路と、給湯用の水をポンプにより、ガスクーラを通過した後、貯湯タンクへ供給する水回路とを備え、内部熱交換器は、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管とを有し、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管とを長手方向にハンダ付けすることで熱的に接合されると共に、連続するハンダ付け両端部にハンダ付け後工程にて銅ロウ付けを行うことを特徴とする。

この発明に係るヒートポンプ式給湯機は、ハンダ付けによる熱的接合という簡単な方法で内部熱交換器を構成できると共に、銅ロウ付けという安易な手段により熱疲労対策ができるので、安価で信頼性の高い内部熱交換器が提供できる効果がある。

実施の形態１．
図１乃至図８は実施の形態１を示す図で、図１はヒートポンプ式給湯機の冷媒回路１及び水回路８を示す図、図２は内部熱交換器６の、共に直管の高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とをハンダ付けした後の組み立て概要図、図３はハンダ付け後の内部熱交換器６を所定の形状に配管曲げ後の組み立て概要図、図４は内部熱交換器６のハンダ両端部に銅ロウ付け後の組み立て概要図、図５は内部熱交換器６のハンダ１３に発生するせん断応力分布を示す図、図６は内部熱交換器６の熱疲労検討例を示す図、図７は内部熱交換器６の構造と材料力学モデルを示す図、図８は銅材の疲労強度データを示す図である。

図１において、冷媒回路１は、冷媒を圧縮する圧縮機２、高圧冷媒と水回路８の水とが熱交換を行うガスクーラ３（冷媒配管側）、内部熱交換器６（高圧側）、減圧装置である第１の膨張弁４ａ、内部熱交換器６（高圧側）及び第１の膨張弁４ａに並列に接続する第２の膨張弁４ｂ、蒸発器５、内部熱交換器６（低圧側）が順次接続されて構成される。蒸発器５には、冷却用の送風機７が設けられる。

水回路８は、ガスクーラ３（水配管側）、水を循環させるポンプ９、図示しない貯湯タンクを備える。

本実施の形態は、内部熱交換器６の構造に特徴があり、冷媒回路１及び水回路８の構成は直接関係しないので、冷媒回路１及び水回路８の動作については、簡単に触れることにする。

図１に示す冷媒回路１において、冷媒として臨界温度の低いＣＯ_２冷媒を使用している。圧縮機２は、内蔵する誘導電動機、同期電動機等の電動機（図示せず）により駆動され、吸入冷媒を一般使用条件で臨界圧力以上まで圧縮し吐出する。ガスクーラ３は、圧縮機２より吐出された高圧のガス冷媒と、水回路８の給湯用水とを熱交換する。

第２の膨張弁４ｂは、通常は閉じている。外気温度が低い等、特殊な条件の時に、第２の膨張弁４ｂを開く制御を行うが詳細は割愛する。

ガスクーラ３を出た高圧低温の冷媒は、内部熱交換器６の高圧側流路である高圧側冷媒配管１１（図２乃至図４参照）を流れ、第１の膨張弁４ａを通過して蒸発器５へ流入する。蒸発器５から流出した低圧二相冷媒は、内部熱交換器６の低圧側流路である低圧側冷媒配管１２（図２乃至図４参照）を流れる。

内部熱交換器６において、高圧側冷媒配管１１の冷媒と、低圧側冷媒配管１２の冷媒が熱交換し、高圧側冷媒配管１１の冷媒から低圧側冷媒配管１２の冷媒に熱移動する。それに伴い、高圧側冷媒配管１１の冷媒はさらに冷却されて第１の膨張弁４ａで減圧され、その下流側の蒸発器５に流入する。また、低圧側冷媒配管１２の冷媒は吸熱し、蒸発ガス化した後、圧縮機２に吸入される。

内部熱交換器６における高圧側冷媒配管１１の冷媒と、低圧側冷媒配管１２の冷媒が熱交換により、ガスクーラ３で利用後の熱を圧縮機２吸入側の冷媒へ回収することで、ヒートポンプ式給湯機の運転効率を向上させることができる。

水回路８では、水循環用のポンプ９が、貯湯タンク（図示せず）と接続され、貯湯タンクの底部からガスクーラ３（水配管側）を通った後、貯湯タンクの天部に向けて水を循環させる。

図２に示すように、内部熱交換器６は、先ず直管の高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とを接触させて、接触部をハンダ１３で長手方向に連続的に接合する。その後、図３に示すように、ハンダ１３で接合された直管の高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とを所定の形状に曲げる。

図３に示す形態、即ち高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とがハンダ１３で接合された内部熱交換器６は、ヒートポンプ式給湯機の運転時に、高圧側冷媒配管１１は高温のため膨張し、低圧側冷媒配管１２は低温のため収縮するので、ハンダ１３にはせん断応力が発生し、その応力値は最も歪が蓄積される両端部が最大値となる（図５参照）。ヒートポンプ式給湯機の運転オン／オフ繰返しにより、熱疲労でハンダ１３が端部より亀裂破壊してゆき、熱的接合不良となり熱交換機能を失う危険がある。

そこで、図４に示すように、ハンダ１３の両端部に銅ロウ１４を溶接等により銅ロウ付けを行う。せん断応力が最大値となるハンダ１３の両端部を、ハンダ接合より接合強度が高い銅ロウ付けすることにより、安価で信頼性の高い内部熱交換器６を提供できる。

このハンダ１３の熱疲労検討例を示す。図６は内部熱交換器６の断面であり、高圧側冷媒配管１１、低圧側冷媒配管１２、ハンダ１３の寸法および断面積を示す。高圧側冷媒配管１１は、φ６．０×０．８ｔの銅管である。低圧側冷媒配管１２は、φ９．５２×０．８ｔの銅管である。高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２との間を埋めるハンダ１３の断面は、高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２との接触部を頂点とする二つの略三角形になる。その三角形の高さが２．５ｍｍ、底辺が２．５ｍｍとすると、ハンダ１３の断面積は、（（２．５×２．５）／２）×２＝６．２５ｍｍ^２となる。

また、ハンダ１３の接合長さは３０００ｍｍとする。高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２との温度差は、高圧側冷媒温度が最大となる貯湯タンクが満タンに沸き上がる直前の温度差とし、低圧側冷媒温度ＴＡ＝３５℃、高圧側冷媒温度ＴＢ＝７５℃、ΔＴ＝４０ｄｅｇとする。繰り返し回数は、貯湯タンクが満タンに沸き上がる回数を１日最大２回とし、製品寿命を１５年とすると繰り返し回数Ｎ＝２（回／日）×３６５（日／年）×１５（年）＝１１，０００回となる。

図７は内部熱交換器６の構造と材料力学モデルを示している。高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とを軸方向に接合しているハンダ１３（材質：９９Ｓｎ−０．３Ａｇ−０．７Ｃｕ）に作用するせん断応力は下式より得られる。
（１．１）^１）

（１．２）^１）
ここで、
Ｅ_Ａ、Ｅ_Ｂ：銅材の縦弾性係数１１８０００（ＭＰａ）^２）
Ａ_Ａ、Ａ_Ｂ：各銅配管の断面積Ａ_Ａ＝２１．９２（ｍｍ^２）、Ａ_Ｂ＝１３．０７（ｍｍ^２）
α_Ａ、α_Ｂ：銅材の線膨張係数＝１６．６Ｅ−５（１／Ｋ）^３）
Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｂ：各銅配管の温度、Ｔ_Ａ＝３５（℃）、Ｔ_Ｂ＝７５（℃）（ΔＴ＝４０（℃））
Ｇ_Ｉ：スズ材のせん断弾性係数（スズ材の縦弾性係数から推定）
Ｅ_Ｉ＝５００００（ＭＰａ）^２）
Ｇ_Ｉ＝Ｅ_Ｉ／（２（１＋ν_Ｉ）＝１８８００（ＭＰａ）←スズのポアソン比ν_Ｉ＝０．３３と仮定。
Ａ_Ｉ：スズの断面積Ａ_Ｉ＝６．２５ｍｍ^２（付録１の方眼紙図面から概算）
Ｌ：配管半長（１５００ｍｍ）
である。
式（１．１）、（１．２）から、端部のせん断応力範囲Δτ_ｍａｘは、
Δτ_ｍａｘ＝３５．８（ＭＰａ）
となり、ミーゼス則に従い、引張応力に換算すると、
Δσ_ｍａｘ＝τ_ｍａｘ×√３＝６２．０（ＭＰａ）
となる。この応力をＥ_Ｉで除してひずみに換算すると、作用ひずみは、
Δε_ｍａｘ＝Δσ_ｍａｘ／Ｅ_Ｉ＝１．２４Ｅ−３
となる。
出典 １）豊田、インターフェイスメカニックス異材接合界面の力学、理工学社、１９９１．
２）日本機械学会、技術資料 金属材料の弾性係数
３）日本機械学会、伝熱工学資料（改定４版）

図８に銅材の疲労強度データを示す。１１０００回疲労強度は、図８より、４．０Ｅ−３となり、この場合、安全率は３．２３（＝４．０Ｅ−３／１．２４Ｅ−３）となる。

尚、冷媒回路の冷媒にＣＯ_２を使用するので、効率良く高温（９０℃以上）沸き上げが可能となると共に、地球温暖化防止に貢献できる効果がある。

図２乃至図４では、ハンダ１３を内部熱交換器６の略全長に亘って連続して施すものを示したが、必ずしも連続していなくてもよい。その場合は、各連続したハンダ１３の両端部に銅ロウ１４を溶接等により銅ロウ付けを行う。

実施の形態２．
図９は実施の形態２を示す図で、内部熱交換器６の断面図である。図９に示すように、内部熱交換器６は、低圧側冷媒配管１２を上部に、高圧側冷媒配管１１を下部に配置している。高圧側冷媒配管１１の内部は、超臨界状態の超臨界高圧冷媒１５が流れる。また、低圧側冷媒配管１２の内部は、低圧二相冷媒が流れる。低圧二相冷媒には、低圧液冷媒１６、低圧ガス冷媒１７が含まれる。

上記のように構成された内部熱交換器６では、低圧側冷媒配管１２を上部に配置したので、低圧冷媒が二相流の場合、重力の影響で低圧液冷媒１６が低圧側冷媒配管１２内壁下部に流れるので、下部に配置した高圧側冷媒配管１１との熱交換が促進されるので、熱回収性能を改善できる。

実施の形態３．
図１０は実施の形態３を示す図で、内部熱交換器の平面図である。図中のＡ−Ａ断面は図９に示すものを二つ並べたものであるので、図示は省略する。

図１０に示すように、本実施の形態の内部熱交換器６は、冷媒配管を曲げ、平面渦巻き状の形態としたので、ヒートポンプ式給湯機のユニット内部への収納性が向上する。

実施の形態４．
図１１は実施の形態４を示す図で、内部熱交換器６の斜視図である。本実施の形態の内部熱交換器６は冷媒配管を曲げ、同一形状で上下方向に積み上げた形態としたので、コンパクト化ができる。

実施の形態１を示す図で、ヒートポンプ式給湯機の冷媒回路１及び水回路８を示す図である。 実施の形態１を示す図で、内部熱交換器６の、共に直管の高圧側冷媒配管１１と低圧側冷媒配管１２とをハンダ付けした後の組み立て概要図である。 実施の形態１を示す図で、ハンダ付け後の内部熱交換器６を所定の形状に配管曲げ後の組み立て概要図である。 実施の形態１を示す図で、内部熱交換器６のハンダ両端部に銅ロウ付け後の組み立て概要図である。 実施の形態１を示す図で、内部熱交換器６のハンダ１３に発生するせん断応力分布を示す図である。 実施の形態１を示す図で、内部熱交換器６の熱疲労検討例を示す図である。 実施の形態１を示す図で、内部熱交換器６の構造と材料力学モデルを示す図である。 実施の形態１を示す図で、銅材の疲労強度データを示す図である。 実施の形態２を示す図で、内部熱交換器６の断面図である。 実施の形態３を示す図で、内部熱交換器の平面図である。 実施の形態４を示す図で、内部熱交換器６の斜視図である。

符号の説明

１ 冷媒回路、２ 圧縮機、３ ガスクーラ、４ａ 第１の膨張弁、４ｂ 第２の膨張弁、５ 蒸発器、６ 内部熱交換器、７ 送風機、８ 水回路、９ ポンプ、１１ 高圧側冷媒配管、１２ 低圧側冷媒配管、１３ ハンダ、１４ 銅ロウ、１５ 超臨界高圧冷媒、１６ 低圧液冷媒、１７ 低圧ガス冷媒。

Claims (5)

1. 圧縮機、ガスクーラ、内部熱交換器、第１の膨張弁、及び蒸発器を環状に接続した冷媒回路と、
   給湯用の水をポンプにより、前記ガスクーラを通過した後、貯湯タンクへ供給する水回路とを備え、
   前記内部熱交換器は、高圧側冷媒配管と低圧側冷媒配管とを有し、前記高圧側冷媒配管と前記低圧側冷媒配管とを長手方向にハンダ付けすることで熱的に接合されると共に、連続する前記ハンダ付け両端部にハンダ付け後工程にて銅ロウ付けを行うことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
2. 前記内部熱交換器は、前記低圧側冷媒配管を上部、前記高圧側冷媒配管を下部に配置したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
3. 前記内部熱交換器は、冷媒配管を曲げ、平面渦巻き状の形態であることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式給湯機。
4. 前記内部熱交換器は、冷媒配管を曲げ、同一形状で上下方向に積み上げた形態であることを特徴とする請求項２記載のヒートポンプ式給湯機。
5. ＣＯ_２を冷媒とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のヒートポンプ式給湯機。