JP2008190776A - 水冷媒熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率が高く、被加熱水内に含まれるカルシウムの析出を抑えることができる水冷媒熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】水管２と冷媒管３を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュール４を複数本備え、各熱交モジュール４の水管２および冷媒管３を水ヘッダー５および冷媒ヘッダー６で並列に接続した水冷媒熱交換器１で、水管２をつる巻き螺旋状に巻回された時に、冷媒管３と接しないその内周側に、断面で水管２の内側に凸状になるように凸部７を形成したので、水管２内の流れに乱流が発生して水が混合され、温度か均一化される。
【選択図】図２

Description

本発明はヒートポンプ式給湯機等に用いられる水冷媒熱交換器に関するものである。

従来よりこの種のヒートポンプ式給湯機用の水冷媒熱交換器は、水管と冷媒管を二重螺旋状に冷媒圧縮機の周りに巻回した水冷媒熱交換器（特許文献１）ものがあった。
特開２００２−３７２３１８号公報

この従来の特許文献１に開示された水冷媒熱交換器では、水管と冷媒管の熱交換距離を確保するために螺旋の半径を比較的大きくしなければならず、そのため圧縮機の周囲に圧縮機を囲むように螺旋状の水冷媒熱交換器を配置しなければならなかった。そのため、水冷媒熱交換器の配置場所が一カ所しか設定できず、器具内の配置の自由度が極端に制限されるものであった。

そこで、本出願人は先に、安価かつコンパクトで配置の自由度が高い水冷媒熱交換器を提供することを目的として特願２００６−８５４９８号を特許出願した。

これは、図５に示すように、水管２と冷媒管３を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュール４を複数本備え、各熱交モジュール４の水管２および冷媒管３を水ヘッダー５ａ、５ｂおよび冷媒ヘッダー６ａ、６ｂで並列に接続し、前記熱交モジュール４は螺旋状に巻回した水管２の外周に冷媒管３を螺旋状に巻回した構造とし、また、前記熱交モジュール４は螺旋状に巻回した冷媒管３の外周に水管２を螺旋状に巻回した構造とし、また、前記熱交モジュール４は水管２と冷媒管３を二重螺旋状に巻回した構造としたものであった。

ところでこの先に出願した特願２００６−８５４９８号の水冷媒熱交換器１では、水管２の断面形状が略円状又は略楕円状であるため、水管２の外側、つまり断面形状が略円状の冷媒管３と接する側では、冷媒管３内を流れる高温の冷媒と熱交換されるものの、水管２の内側、つまり冷媒管３と接しない側では、冷媒管３内を流れる高温の冷媒とほとんど熱交換されないため、水管２内の外側と内側を流れる水とで温度差が生じて均一な温度にならず、そのため熱交換効率を高くすることができなかった。

また水管内の外側を流れる水が水管内の内側を流れる水より高温となるため、その温度が所定温度より高くなると水道水内に含まれるカルシウムが、水管内の水に温度差がない場合に比べて多く析出されて水管内の管壁に付着してしまい、最終的には水管内を詰まらせてしまうという問題があった。

そこで、本発明は水管内を流れる水に温度差が生じないようにして、熱交換効率を高くできる水冷媒熱交換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続した水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成したものである。

また、請求項２では、前記水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続した水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成すると共に、前記凸部は冷媒管と接する側の反対側に形成したものである。

また、請求項３では、前記水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続し、前記熱交モジュールを螺旋状に巻回した水管の外周に冷媒管を螺旋状に巻回した構造とした水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成すると共に、前記凸部は冷媒管と接しない螺旋の内周側に形成したものである。

また、請求項４では、前記水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続し、前記熱交モジュールを螺旋状に巻回した冷媒管の外周に水管を螺旋状に巻回した構造とした水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成すると共に、前記凸部は冷媒管と接しない螺旋の外周側に形成したものである。

また、請求項５では、前記 水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを接続し、前記熱交モジュールを水管と冷媒管を二重螺旋状に巻回した構造とした水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成すると共に、前記凸部は冷媒管と接しない位置に形成したものである。

本発明によれば、熱交換効率を高くすることができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
この一実施形態では、ヒートポンプ式給湯機の二酸化炭素冷媒やフロン冷媒等の冷媒と貯湯タンクの水あるいは給水そのものとの間で熱交換する水冷媒熱交換器を例にとって説明するものである。
尚、従来例と同じものは従来例と同じ符号を用いて説明するものとする。

図１に示すヒートポンプ式給湯機を説明すると、５１は温水を貯湯する貯湯タンク、５２は貯湯タンク５１内の温水を加熱するヒートポンプユニット、５３は貯湯タンク５１内の温水をヒートポンプユニット５２へ循環させるよう接続する循環回路、５４は循環回路に設けられた循環ポンプ、５５は貯湯タンク５１へ給水する給水管、５６は貯湯タンク５１から出湯させる出湯管である。

前記ヒートポンプユニット５２は、冷媒を圧縮する圧縮機５７と、ガスクーラとしての水冷媒熱交換器１と、温度低下した冷媒を減圧膨張させる電子膨張弁５８と、低温低圧の冷媒を蒸発させる空冷式の蒸発器５９とで構成され、冷媒として二酸化炭素を用いて高圧側で臨界圧力以上とした超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。以下に本発明の水冷媒熱交換器１を詳細に説明する。

この水冷媒熱交換器１は、水管２がつる巻き螺旋状に巻回され、その外側に水管２の外周に密着するように冷媒管３がつる巻き螺旋状に巻回された熱交モジュール４を複数本備え、各熱交モジュール４のそれぞれの水管２が一対の水ヘッダー５ａ、５ｂで並列に接続されていると共に、それぞれの冷媒管３が一対の冷媒ヘッダー６ａ、６ｂで並列に接続されているものである。冷媒と水との間には各管が二重の隔壁となり、何れか一方に万が一漏れが生じたとしても、他方に混じることがなく安全である。

前記冷媒ヘッダー６ａは圧縮機５７の出口と連通されており、圧縮機５７から吐出された冷媒が各熱交モジュール４の冷媒管３に分流され、水管２と熱交換しながら下方向へ螺旋状の冷媒管３を流通する。また、給湯用の被加熱水は水ヘッダー５ｂから各熱交モジュール４の水管２に分流され、冷媒流れとは対向するように下から上方向へ螺旋状の水管２を流通する。そして、冷媒と水とが対向流で熱交換し、さらに同じ向きへ巻回されているため、冷媒と水との熱交換が連続的となるため熱交換効率が向上する。

ここで、前記冷媒管３は断面略円状の管で、前記水管２は断面略楕円状の管で、水管２同士の接触面積を少なくしつつ冷媒管３と接触する螺旋の内外面の伝熱面積を大きくしているものである。

更に水管２は図２のように、つる巻き螺旋状に巻回された時にその内周側に位置するところに、断面で管の内側に凸状になるように凸部７が形成されるように管の形状が加工されているものである。

前記凸部７は、図２のようにつる巻き螺旋状に巻回された時にその内周側に位置するところの中央部分が凸状になってもよいが、図３のように管の断面が空豆状になって凸部７が形成されてもよく、又水管２の断面も略楕円状に限定されず、図４のように断面略長方形状に扁平されていてもよいものである。

この水管２の凸部７により、水管２内を流れる給湯用の被加熱水の流れに乱流が発生して管内の被加熱水が混ざって温度が均一化され、被加熱水内に含まれるカルシウムの析出を抑えることができ、水管２内を詰まりにくくすることができると共に、熱交換効率を高くすることができるものである。

次に、この水冷媒熱交換器１の製造の仕方について説明する。まず、水管２を円筒状の治具に扁平させながらつる巻き螺旋状に巻回し、そして水管２の外周のほぼ全面にシート状ロウ材を介在させて冷媒管３をつる巻き螺旋状に巻回し、これらを仮止めした後に治具から引き抜いて、加熱炉に投入して炉中溶接するようにしてまず熱交モジュール４を製造している。炉中溶接された後は、内側冷媒管２と水流路３、および外側冷媒管４と水流路３とが確実にロウ付けされ、冷媒と水との間の熱交換効率が向上する。

そして、確実にロウ付けされた複数の熱交モジュール４を水ヘッダー５ａ、５ｂ、冷媒ヘッダー６ａ、６ｂに接続し、断熱材でその周囲を囲んで構成されるものである。

このように、製造工程としては一軸に各管を巻き付けていくだけの単純な行程が中心となり、安価に安定した品質で製造可能な水熱交換器１を提供することができるものである。

以上、水管の凸部により、水管内を流れる給湯用の被加熱水の流れに乱流が発生して管内の被加熱水が混ざって温度が均一化され、被加熱水内に含まれるカルシウムの析出を抑えることができ、水管内を詰まりにくくすることができると共に、熱交換効率を高くすることができるものである。更に水管の凸部は冷媒管と接する側の反対側又は凸部は冷媒管と接しない位置に形成したので、水管と冷媒管の接する部分を少なくすることなく、熱交換効率を高くすることができるものである。

本発明は上記の一実施形態だけに限定されるものではなく、熱交モジュール４は螺旋状の冷媒管を内側にしその外側に水管を螺旋状に巻回す構成や、水管と冷媒管を二重螺旋状とした水熱交換器１の水管２に実施してもよいものである。

また、この水冷媒熱交換器１はヒートポンプ式給湯機用としているが、例えばヒートポンプ式温水暖房機の水冷媒熱交換器としても利用可能である。

本発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機のシステム図。 本発明の一実施形態の水冷媒熱交換器の要部断面図。 他の一実施形態の水管の断面図。 他の一実施形態の水管の断面図。 従来の水冷媒熱交換器の説明図。

符号の説明

１ 水冷媒熱交換器
２ 水管
３ 冷媒路
４ 熱交モジュール
５ 水ヘッダー
６ 冷媒ヘッダー
７ 凸部

Claims (5)

1. 水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続した水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成したことを特徴とする水冷媒熱交換器。
2. 水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続した水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成すると共に、前記凸部は冷媒管と接する側の反対側に形成したことを特徴とする水冷媒熱交換器。
3. 水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続し、前記熱交モジュールを螺旋状に巻回した水管の外周に冷媒管を螺旋状に巻回した構造とした水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成すると共に、前記凸部は冷媒管と接しない螺旋の内周側に形成したことを特徴とする水冷媒熱交換器。
4. 水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続し、前記熱交モジュールを螺旋状に巻回した冷媒管の外周に水管を螺旋状に巻回した構造とした水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成すると共に、前記凸部は冷媒管と接しない螺旋の外周側に形成したことを特徴とする水冷媒熱交換器。
5. 水管と冷媒管を一体の螺旋状に巻回した熱交モジュールを複数本備え、各熱交モジュールを並列に接続し、前記熱交モジュールを水管と冷媒管を二重螺旋状に巻回した構造とした水冷媒熱交換器に於いて、前記水管は断面で管の内側に凸状になるように凸部を形成すると共に、前記凸部は冷媒管と接しない位置に形成したことを特徴とする水冷媒熱交換器。

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