JP2008190778A - 水冷媒熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら熱交換効率が良い水冷媒熱交換器を提供する。
【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４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを複数本備え、この熱交モジュール４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを直列に接続した複数の水経路８、９を形成し、水の供給を複数に分岐して行うもので、前記複数の水経路８、９を途中で連通させるバランス管１０を備えたことにより、流れのムラを防止して、製造上の性能バラツキを抑えることが出来、又熱交換効率が低下することなく、安定した性能を維持することが出来るものである。
【選択図】図２

Description

この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。

従来よりこの種の熱交換器では、２経路の熱交換器を備えることにより、取り付けの多様化及びコンパクト化に対応し、効率の良い熱交換器を提供するものであった。（例えば、特許文献１参照。）
特開２００１−１２４３７４号公報

ところでこの従来のものでは、製造上の問題から、或いは経年変化により、２経路の熱交換器内の流通抵抗の大きさに差異が生じた場合、特にこの差異が大きい場合には、被加熱水の流通量のバランスが崩れ他方に片寄り（流れにムラが生じ）、全体として熱交換効率が低下すると言う問題点を有するものであった。

そこで、この発明は上記課題を解決するため、特にその構成を、請求項１では、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、この熱交モジュールを並列に接続して形成された複数の水経路を有し、前記複数の水経路を途中で連通させたものである。

又請求項２では、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４本備え、この熱交モジュールを２本ずつ直列に接続して形成された水経路を２つ有し、水の供給をこれら水経路に並列に行うものに於いて、第１の水経路における熱交モジュール間と第２の水経路における熱交モジュール間とを連通させるバランス管を備えたものである。

又請求項３では、水管と冷媒管とを伝熱的に一体に接合した熱交モジュールを構造上複数本並列に備え、この複数の熱交モジュールへ水および冷媒の供給をそれぞれ分岐して行うものに於いて、前記複数の熱交モジュールの水管を途中で分岐連通させるバランス管を備えたものである。

この発明によれば、流れのムラを低減すること出来る。また、熱交換効率の低下を抑制することが出来る。

次にこの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或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。

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。

１は水冷媒熱交換器で、螺旋状に密着して巻回され円筒状を呈する水管２の外周に密着するように、該水管２より小径の冷媒管３をやや間隔を置いて螺旋状に巻回して形成した熱交モジュール４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの４本を構造上並列に配設したものである。

前記水冷媒熱交換器１は、水流入管５が途中で分岐して外側２本の熱交モジュール４ａ、４ｄの水管２上部に接続し、更に熱交モジュール４ａ、４ｄの水管２は、内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃの水管２と下部の水連通管６ａ、６ｂを介して連通しており、そしてこの熱交モジュール４ｂ、４ｃの水管２上部には、２つの熱交モジュール４ｂ、４ｃの水管２からの流れを一つにする水流出管７が接続されている。

この水流入管５と熱交モジュール４ａの水管２と水連通管６ａと熱交モジュール４ｂの水管２と水流出管７とで水経路８を形成するものであり、又水流入管５と熱交モジュール４ｄの水管２と水連通管６ｂと熱交モジュール４ｃと水流出管７とで水経路９を形成するものであり、水の循環路を複数に分割して効率の向上及びコンパクト化を図るものである。

１０は前記水連通管６ａ、６ｂとを連通するバランス管で、２つの水経路で流通抵抗の相違で圧力損失や性能が若干異なっても、このバランス管１０で両経路互いに調整されて以後の流通が正常に行われることで、流れのムラが防止されると共に、製造上の性能バラツキを抑えることが出来る。又熱交換効率が低下することなく、安定した性能を維持することが出来るものである。

一方冷媒管３への高温冷媒の供給は、冷媒流入管１１が途中で分岐して外側２本の熱交モジュール４ａ、４ｄの冷媒管３下部に接続し、更に熱交モジュール４ａ、４ｄの冷媒管３は、内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃの冷媒管３と上部の冷媒連通管１２ａ、１２ｂを介して連通しており、そしてこの熱交モジュール４ｂ、４ｃの冷媒管３下部には、２つの熱交モジュール４ｂ、４ｃの冷媒管３からの流れを一つにする冷媒流出管１３が接続されている。

この冷媒流入管１１と熱交モジュール４ａの冷媒管３と冷媒連通管１２ａと熱交モジュール４ｂの冷媒管３と冷媒流出管１３とで冷媒循環路１４を形成するものであり、又冷媒流入管１１と熱交モジュール４ｄの冷媒管３と冷媒連通管１２ｂと熱交モジュール４ｃの冷媒管３と冷媒流出管１３とで冷媒循環路１５を形成するものであり、熱交換効率の向上とコンパクト化による設置の自由度を広げることが出来るものである。

ここで、前記水管２は螺旋軸方向に扁平しており、水管２同士の接触面積を少なくしつつ冷媒管３と接触する内外面の伝熱面積を大きくしているものであり、又この水管２同士及び該水管２と外周の冷媒管３とは炉中ロウ付けで固着されている。

次にこの一実施形態の作動について説明する。
今循環ポンプ５４の駆動により貯湯タンク５１より供給された水は、水経路８、９に分かれて先ず外側２本の熱交モジュール４ａ、４ｄの水管２内を上方から下方へ流通し、この間に冷媒循環路１４、１５に分かれて流通する高温冷媒が、この熱交モジュール４ａ、４ｄの冷媒管３内を下方から上方へ対向流して熱交換され、水は昇温される。

そして次に昇温された水は、内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃの水管２に流通するが、その前に水連通管６ａ、６ｂを結ぶバランス管１０で、２つに分かれた水経路が連通し、圧力バランスが調整され均等な圧力となって、次の熱交モジュール４ｂ、４ｃの水管２を下方から上方に向かって流通し、この間に熱交モジュール４ｂ、４ｃの冷媒管３内を上方から下方へ対向流する高温冷媒と更に熱交換して、昇温水は高温の温水となって貯湯タンク５１へ戻されるものである。

このように２つに分けた水経路を途中で連通させることにより、２つの水経路の圧力バランスを均等に調整して、流れのムラを防止して、製造上の性能バラツキを抑えることが出来、又熱交換効率が低下することなく、安定した性能を維持することが出来るものである。

又水及び冷媒ともに外側の熱交モジュール４ａ、４ｄを流通後に、内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃを流通するようにしたことで、昇温水を外側の熱交モジュール４ａ、４ｄの放熱で高温雰囲気となっている内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃを通すことが出来、昇温水の放熱による温度低下を極力抑えられるものである。

次に、本発明の他の一実施形態について図３に基づいて説明する。
２０は水冷媒熱交換器で、直管状の水管２１の外周に冷媒管２２を螺旋状に密着して巻き付けて一体にロウ付けで接合した熱交モジュール２３を２本並列に備えたものである。

前記水冷媒熱交換器２０の水側は、被加熱水を流入させる水流入管２４が途中で分岐して、各熱交モジュール２３ａ、２３ｂのそれぞれの水管２１の一端に接続され、それぞれの水管２１の他端からは、各熱交モジュール２３ａ、２３ｂの被加熱水を合流して流出させる水流出管２５が接続されている。

また、前記水冷媒熱交換器２０の冷媒側は、高温冷媒を流入させる冷媒流入管２６が途中で分岐して、各熱交モジュール２３ａ、２３ｂのそれぞれの冷媒管２２の他端に接続され、それぞれの冷媒管２２の一端からは、各熱交モジュール２３ａ、２３ｂの冷媒を合流して流出させる冷媒流出管２７が接続され、前記水管２１とは対向流を形成して熱交換効率を向上させている。

そして、各熱交モジュール２３ａ、２３ｂは、その水管２１を２分する途中位置において、各熱交モジュール２３ａ、２３ｂそれぞれの水管２１同士を連通するバランス管２８が接続されており、２の水経路で流通抵抗の相違で圧力損失や性能が若干異なっても、このバランス管２８で両経路互いに調整されて以後の流通が正常に行われうることで、流れのムラが防止されると共に、製造上の性能バラツキを抑えることが出来る。又熱交換効率が低下することなく、安定した性能を維持することが出来るものである。

次に、この一実施形態の作動について説明する。
今、循環ポンプ５４の駆動により貯湯タンク５１より供給された水は、各熱交モジュール２３ａ、２３ｂのそれぞれの水管２１を一端（２４）側から他端（２５）側へ流通し、この間に各熱交モジュール２３ａ、２３ｂのそれぞれの冷媒管２２に分かれて水の流れに対して対向流方向に流通する冷媒により加熱される。なお、この冷媒は圧縮機５７を備えたヒートポンプユニット５２によって加熱されるものである。

そして、加熱された水は、その中程の位置において、バランス管２８により２つに分流された水経路が連通し、圧力バランスが調整され均等な圧力となってその下流側へ流通し、さらに加熱されて貯湯タンクへ戻されるものであり、温度降下した冷媒もヒートポンプサイクルによって再度加熱されるものである。

このように２つに分けた水経路を途中で連通させることにより、２つの水経路の圧力バランスを均等に調整して、流れのムラを防止して、製造上の性能バラツキを抑えることが出来、又熱交換効率が低下することなく、安定した性能を維持することが出来るものである。なお、熱交モジュール２３については、先の一実施形態の熱交モジュール（ｅｘ．４ａ、４ｂ等）を２本用いて構成しても良い。

なお、本発明は、先の一実施例やこの一実施例の構成に限定されるものではなく、水管と冷媒管とを伝熱的に一体に接合した熱交モジュールを複数本並列に備え、この複数の熱交モジュールへ水および冷媒の供給をそれぞれ分岐して行う水冷媒熱交換器であればよいもので、水経路が細かったり複雑な形状等で流通抵抗が大きければよりいっそう効果を発揮するものである。

ここで、製造上の問題から、或いは経年変化により、２経路の熱交換器内の流通抵抗の大きさに差異が生じた場合、特にこの差異が大きい場合について詳説すると、従来は被加熱水の流通量のバランスが崩れ他方に片寄り（流れにムラが生じ）、流通抵抗の大きくなった熱交換器側では冷媒流通量に対して過少な被加熱水が流通して熱交換効率が低下し、最悪の場合、流通抵抗の大きくなった熱交換器側に水がほとんど流通せずに加熱能力が半減してしまう可能性があったが、本発明のように２系統の水経路を途中で連通させることにより、流通抵抗が過大な部位を被加熱水がバイパスして、問題の生じていない部位を熱交換器として機能させることができて、水管の挫屈やスケール詰まりが生じたこと等により流通抵抗が過大となってしまう部位に影響されて問題の生じていない部位が熱交換器としてほとんど機能できなくなることがなくなり、加熱能力の低減を抑制することが出来る。

具体的には、流通抵抗が過大となる部位が各水経路を連通するバイパス管の接続部位の上流側の一カ所である場合は、正常な水経路を流通する被加熱水をバイパス管を通じて流通抵抗が過大となる部位の下流側に分流して流通させることが出来、問題の生じていない部位を熱交換器として機能させることが出来、加熱能力の低減を抑制することが出来る。

また、流通抵抗が過大となる部位が各水経路を連通するバイパス管の接続部位の下流の一カ所である場合は、問題の生じていない部位を通過した被加熱水をバイパス管を通じて他方の正常な水経路側へ合流させることが出来、加熱能力の低減を抑制することが出来る。

以上によれば、複数の水経路間の圧力損失をバランス管で補正することが出来、流れのムラが防止されると共に、製造上の性能バラツキを抑えることが出来る。又熱交換効率が低下することなく、安定した性能を維持することが出来るものである。

この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。 この発明の一実施形態を示す水冷媒熱交換器の概略構成図。 この発明の他の一実施形態を示す水冷媒熱交換器の概略構成図。

符号の説明

１ 水冷媒熱交換器
２ 水管
３ 冷媒管
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 熱交モジュール
８、９ 水経路
１０ バランス管

Claims (3)

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、この熱交モジュールを並列に接続して形成された複数の水経路を有し、前記複数の水経路を途中で連通させた水冷媒熱交換器。
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４本備え、この熱交モジュールを２本ずつ直列に接続して形成された水経路を２つ有し、水の供給をこれら水経路に並列に行うものに於いて、第１の水経路における熱交モジュール間と第２の水経路における熱交モジュール間とを連通させるバランス管を備えた事を特徴とする水冷媒熱交換器。
3. 水管と冷媒管とを伝熱的に一体に接合した熱交モジュールを構造上複数本並列に備え、この複数の熱交モジュールへ水および冷媒の供給をそれぞれ分岐して行うものに於いて、前記複数の熱交モジュールの水管を途中で分岐連通させるバランス管を備えた事を特徴とする水冷媒熱交換器。

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