JP2009198043A

JP2009198043A - 熱交換器

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Publication number: JP2009198043A
Application number: JP2008038267A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Machida; 和彦町田; Takumi Kida; 琢己木田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2028-02-20
Also published as: JP4985456B2

Abstract

【課題】例えば、ＣＯ_２冷媒と水とを熱交換させる熱交換器であって、無効空間が生じることがないコンパクトで、且つ材料投入量に対する熱交換能力が高い熱交換器を提供する。
【解決手段】第１冷媒が流れる複数の管体８ａ、８ｂを相互に絡み合うように螺旋状に形成した冷媒管８と、第２冷媒が流れる冷媒流路５を具備し、冷媒管８を、冷媒流路５の蛇行に沿った蛇行状に形成し、該冷媒流路５内に配設したことにより、熱交換効率がより向上し、コンパクト化がはかれる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにおいて、給湯水や暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯装置に適用できる熱交換器に関するものである。

従来、この種の冷媒と水を熱交換する熱交換器において、蛇行した水流路中に冷媒配管を配置することでスペース効率の向上を狙った熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示す模式図である。

従来の熱交換器５０は、容器状の本体５１の内部に蛇行する水路５９を形成する複数の内壁５２、５３、５４、５５、５６と、本体５１の相対する壁面であって、水路５９の始端と終端に設けられた入口部５７と出口部５８を具備している。

また、本体５１には、水路５９の蛇行と同様に蛇行状に形成された冷媒管６０が設けられている。この冷媒管６０は、入口端６１が水路５９の終端部を貫通し、出口端６２が水路５９の始端部を貫通している。そして、冷媒管６０の入口端６１と出口端６２の間の蛇行部分は、水路５９内においてその蛇行に沿って配置されている。

この冷媒管６０には、超臨界ヒートポンプ式給湯装置に適用されている高温のＣＯ_２冷媒が流れる。また、水路５９には、冷却水が流れる。

以上のように構成された従来の熱交換器５０について、その動作を説明する。

圧縮機（図示なし）から吐出された超臨界状態のＣＯ_２冷媒は、矢印ｘで示す如く冷媒管６０の入口端６１から流入し、矢印ｙで示す如く出口端６２から流出する。この時、ＣＯ_２冷媒は、臨界圧力以上としているので、ＣＯ_２冷媒と水が熱交換する際に、ＣＯ_２冷媒は凝縮することなく、冷媒温度を低下させながらそのエンタルピも同時に低下する。

一方、矢印Ｘで示す如く入口部５７から流入した低温の水は、ＣＯ_２冷媒との熱交換により高温の水になり、矢印Ｙで示す如く出口部５８から流出する。

このタイプの熱交換器５０は、二重管式熱交換器のようなトラック巻きタイプの中心部に生じる無効空間がないので、よりコンパクトになるという特徴を有している。
特開２００６−１５３２９５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、冷媒管６０が、水路５９内において直線状に配置されているため、冷媒管６０の外表面での水との熱交換効率が十分でなく、要求される熱交換能力に対してより多くの伝熱面積が必要となる。

したがって、冷媒管６０の長さや水路５９の長さをより多く必要とし、その結果、材料投入量が多くなり、熱交換器５０を小型化することができないという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換効率が良く、コンパクト化がはかれる熱交換器を提供することを目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明は、第１冷媒が流れる複数の冷媒管を、相互に絡み合うように螺旋状に形成し、さらに、その螺旋状の冷媒管を、蛇行状に形成して第２冷媒が流れる蛇行流路内に配設したものである。

これによって、二重管式熱交換器のようなトラック巻きの中心部に生じる無効空間が形成されることもなく、よりコンパクト化がはかれ、また、相互に絡み合うように螺旋状にねじり合った冷媒管の外側を流れる第２冷媒は、前記冷媒管の螺旋面に沿って螺旋状に流れようとするため、冷媒管外表面での水の撹拌が誘起され、冷媒管外表面での第１冷媒と第２冷媒の熱交換がより促進され、その結果、熱交換効率を向上することができる。

また、前記蛇行状に形成された冷媒管の湾曲部を、管体の相互の絡み合いがない曲げ加工とすることにより、前記湾曲部を、直管を単に曲げた構成とすることができ、その結果、冷媒管の曲げ半径を小さくすることが可能となり、熱交換器のさらなるコンパクト化を可能とするものである。

本発明の熱交換器は、第２冷媒が流れる蛇行流路内に配置した冷媒管を、第１冷媒が流れる複数の管体を相互に絡み合うように螺旋状に形成した構成とすることにより、二重管式熱交換器のようなトラック巻きタイプの中心部に生じる無効空間を形成することが抑制でき、熱交換器のコンパクト化がはかれ、また、螺旋状で絡み合った冷媒管の外側を流れる第２冷媒は、該螺旋表面に沿ってある程度攪拌されるため、第１冷媒と第２冷媒の熱交換効率を向上することができる。その結果、熱交換器を小型化することができる。

請求項１に記載の発明は、第１冷媒が流れる複数の管体を相互に絡み合うように螺旋状に形成した冷媒管と、第２冷媒が流れる蛇行流路を具備し、前記冷媒管を、前記蛇行流路の蛇行に沿った蛇行状に形成し、該蛇行流路内に配設したものである。

かかる構成とすることにより、二重管式熱交換器のようなトラック巻きの中心部に生じる無効空間の形成が抑制でき、熱交換器のよりコンパクト化がはかれ、また、螺旋状に絡み合った冷媒管の外側を流れる第２冷媒は、前記冷媒管の外表面に沿って螺旋状の流れとなるように作用し、その結果、冷媒管外表面での水の撹拌が誘起され、第１冷媒と第２冷媒の冷媒管外表面での熱交換が効率よく行え、熱交換効率の向上をはかることができる。

したがって、前記冷媒管の長さや蛇行水路の長さの短縮化が可能となり、熱交換器の小型化をはかることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記蛇行流路の蛇行を、直線部と湾曲部が交互に連続する形状とし、前記冷媒管の湾曲部を、前記管体の相互の絡み合いがない曲げ加工としたものである。

かかる構成とすることにより、冷媒管の蛇行加工に伴う曲げ半径を小さくすることが可能となり、熱交換器のさらなるコンパクト化が可能となる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記蛇行流路の湾曲部に配設された冷媒管の湾曲部を、その湾曲の中心が略同一線上となるように定めたものである。

かかる構成とすることにより、蛇行流路の湾曲部に配設された前記冷媒管の湾曲部を、複数の管体が一つの投影面内に収まる構成とすることができ、冷媒管の湾曲部をコンパクトにして熱交換器のさらなる小型化をはかることができるものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記第２冷媒が流れる蛇行流路の断面形状を略円形としたもので、第２冷媒の流れにより生じる圧力損失を最小限に抑えることができ、流れを発生させるポンプの動力の低減に寄与することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記第１冷媒と第２冷媒の流れ方向を対向流とし、第１冷媒が前記冷媒管を介して第２冷媒と熱交換するようにしたものである。

かかる構成とすることにより、前記第１冷媒と第２冷媒の温度差が大きくとれ、熱交換性能をより向上させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前記第１冷媒を二酸化炭素とし、前記第２冷媒を水としたものである。

かかることにより、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプ装置の熱交換器として適用することができる。

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この発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の構成を示す模式図であり、高圧側の圧力が、冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプ式給湯装置の熱交換器に適用したものである。図２は、同実施の形態１における熱交換器の一部を切欠いた側面図である。

図１、図２において、熱交換器１を構成する本体２は、直線部３と湾曲部４が交互に連続する蛇行状の冷媒流路（本発明の蛇行流路に相当）５を具備し、該冷媒流路５は、その断面が略円形となるように形成されている。

したがって、本体２は、例えば、直線部３と湾曲部４が交互に連続する蛇行状に形成された円筒管体から形成することができる。

冷媒流路５内は、第２冷媒である水が流れるもので、その始端と終端には、循環ポンプ（図示せず）の吐出側に接続される入口部６と吸入側に接続される出口部７が設けられている。

また、冷媒流路５内には、内部を第１冷媒である二酸化炭素冷媒（以下、ＣＯ_２冷媒と称す）が流れる冷媒管８が配設されている。

この冷媒管８は、２本の管体８ａ、８ｂを、相互に絡み合うように螺旋状に加工し、さらに、その螺旋体を、冷媒流路５の蛇行に沿うように直線部９と湾曲部１０が交互に連続する蛇行状に形成したものである。

したがって、冷媒管８において、例えば直線部９は、予め真直ぐな２本の管体を相互に絡み合うように螺旋加工した銅製のツイスト管で構成することができ、また湾曲部１０は、同様に予め２本の管体を相互に絡み合うように螺旋加工し、Ｕ字形に曲げ加工した銅製のツイスト管で構成することができる。そして、直線状のツイスト管とＵ字形のツイスト管を交互に接続することにより、直線部９と湾曲部１０が連続する冷媒管８を構成することができる。

また、直線状の冷媒管８（管体８ａ、８ｂ）を螺旋状に加工しながら直線部９を形成し、そして螺旋状に加工しながら湾曲加工を行い、直線部９と湾曲部１０が交互に連続するよう加工することによって、蛇行状とした冷媒管８を用いることもできる。かかる冷媒管８は、配管接続部の数を極めて少なくできるため、冷媒の漏れのリスクはほとんど解消できる。

さらに、冷媒管８の冷媒流路５内への配置は、冷媒流路５をその分割面が左右対称となるよう本体２を分割できる構成とすることにより可能である。その一例として、図２に示す線Ｚに沿って本体２（冷媒流路５）が分割できるように構成することにより、螺旋状に絡め、予め蛇行状に形成した冷媒管８を冷媒流路５の蛇行に沿って配置することができる。

また、冷媒管８の冷媒流路５内への配置は、図１に示す如く、本体２（冷媒流路５）を線Ｌ１、Ｌ２に沿って３分割できる構成とし、螺旋状に絡めた冷媒管８の直線部９を冷媒流路５の直線部３に挿入し、その後、冷媒管８の湾曲部１０（ツイスト管）によって冷媒管８の直線部９を接続し、冷媒管８を蛇行状に形成した後に、分割した本体２（冷媒流路５）を水密に連結することにより、前述の冷媒管８の冷媒流路５内への配置が完了する。

冷媒管８は、前述の如くＣＯ_２冷媒が流れるもので、圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器等（いずれも図示せず）を環状に連結したヒートポンプ装置の凝縮器を構成している。

以下、ヒートポンプ装置の一例として、ＣＯ_２冷媒を使用した超臨界ヒートポンプ式給湯装置に適用した熱交換器における第１冷媒と第２冷媒の熱交換作用について説明する。

圧縮機から吐出された超臨界状態のＣＯ_２冷媒は、矢印ｘで示すように冷媒管８の一端から流入し、直線部９および湾曲部１０が繰り返された蛇行状の流路を通過して矢印ｙで示す如く他端から流出する。

一方、冷媒流路５においても、循環ポンプにより水が矢印Ｘで示す如く入口部６から流入し、直線部３と湾曲部４が繰り返された蛇行状の流路を通過して矢印Ｙで示す如く出口部７より流出する。

この時、ＣＯ_２冷媒は、臨界圧力以上となっているため、ＣＯ_２冷媒と水が熱交換する際に、ＣＯ_２冷媒は凝縮することなく、冷媒温度を低下させながらそのエンタルピも同時に低下する。

また、入口部６から流入した低温の水は、ＣＯ_２冷媒との熱交換によって高温の水になり、出口部７から流出する。

この時、冷媒流路５内においては、螺旋状に絡み合った冷媒管８の外側に沿って水が流れようとするので、旋回した流れが生じ、これに起因して冷媒管８の外表面での水の撹拌が誘起され、冷媒管８（ＣＯ_２冷媒）と水の熱交換が促進される。

したがって、冷媒流路５の中心部に生じる無効空間の形成が抑制でき、これに加えて、前述の水の攪拌作用により、熱交換器１における熱交換効率を高めることとなる。その結果、所定能力を得るための冷媒流路５の長さ、あるいは冷媒管８の長さの短縮化が可能となり、熱交換器１の小型化がはかれるものである。

また、水が流れる冷媒流路５は、その断面形状を略円形としているため、流路が蛇行状に形成されている場合であっても水の圧力損失を最小限に抑えることができ、水の流れを発生させる循環ポンプの動力低減に寄与することができる。

さらに、ＣＯ_２冷媒と水の流れ方向を対向流としているため、ＣＯ_２冷媒と水の温度差を大きくとることができ、熱交換性能をより向上させることができる。

さらに、ＣＯ_２冷媒によって水を加熱するので、本実施の形態１における熱交換器１は、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界ヒートポンプ式給湯装置の熱交換器に適用することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における熱交換器の構成を示す模式図である。図４は、同実施の形態２における熱交換器の冷媒管における湾曲部の拡大図である。

なお、先の実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付して詳細な説明を省き、異なる部分を中心に説明する。

図３、図４において、実施の形態１と相違する部分は、冷媒管１８の湾曲部２０の構成である。

先の実施の形態１においては、冷媒管８の湾曲部１０を螺旋状に加工し、２本の管体８ａ、８ｂが相互に絡み合うように構成していたが、本実施の形態２においては、図４に示す如く、半径Ｒ１、Ｒ２で示すように曲率が異なる２本の湾曲管２０ａ、２０ｂを、それぞれの中心Ｏ１、Ｏ２が同一直線Ａ上に位置するように冷媒管１８の直線部１９と連続している。

この冷媒管１８は、先の実施の形態１と同様に、相互に絡み合うように螺旋状に加工したツイスト管によって直線部１９を形成し、そして、曲率が異なるＵ字管を湾曲部２０として用い、直線部１９と接続することによって形成することができる。

また、２本の管体１８ａ、１８ｂを相互に絡み合うように螺旋加工しながら直線部１９を形成し、湾曲箇所は単なる曲げ加工として蛇行状の冷媒管を形成することもできる。

上記構成の熱交換器１についても、実施の形態１の熱交換器１と同様に、冷媒流路（本発明の蛇行流路に相当）５の中心部に生じる無効空間の形成が抑制でき、これに加えて、冷媒管１８の螺旋加工に伴う水の攪拌作用が誘起した熱交換作用が行え、熱交換効率を向上して熱交換器１の小型化、材料投入量の削減を可能とし、また、ＣＯ_２冷媒を使用した超臨界ヒートポンプ式給湯装置に適用した熱交換器とすることができる。

さらに、冷媒管１８における湾曲部２０を、曲率の異なる湾曲管２０ａ、２０ｂを用いて、あるいは単なる曲げ加工によって形成することにより、先の実施の形態１と比較して、湾曲部２０をさらにコンパクト化することができ、熱交換器１のさらなる小型化が可能となるものである。

しかも、湾曲部２０（湾曲管２０ａ、２０ｂ）の中心を、同一直線Ａ上に位置させることにより、２本（複数）の管体（湾曲管２０ａ、２０ｂ）を、例えば上下一列に整列させて一つの投影面内に収まる構成とすることができ、冷媒管の湾曲部をさらにコンパクトにして熱交換器１のさらなる小型化をはかることができるものである。

本発明にかかる熱交換器は、第１冷媒と第２冷媒の熱交換作用を効率よく行うことができ、熱交換器の小型化がはかれるもので、各種ヒートポンプ装置の熱交換器への適用が可能となり、特にＣＯ_２冷媒を用いた超臨界ヒートポンプ式給湯装置の他に、暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ装置等に適用できるものである。

本発明の実施の形態１における熱交換器の構成を示す模式図同実施の形態１における熱交換器の一部を切欠いた側面図本発明の実施の形態２における熱交換器の構成を示す模式図同実施の形態２における熱交換器の冷媒管における湾曲部の拡大図従来例を示す水冷媒熱交換器の模式図

符号の説明

１熱交換器
２本体
３直線部
４湾曲部
５冷媒流路（蛇行流路）
８冷媒管
８ａ管体
８ｂ管体
９直線部
１０湾曲部
１８冷媒管
１８ａ管体
１８ｂ管体
１９直線部
２０湾曲部
２０ａ湾曲管
２０ｂ湾曲管

Claims

第１冷媒が流れる複数の管体を相互に絡み合うように螺旋状に形成した冷媒管と、第２冷媒が流れる蛇行流路を具備し、前記冷媒管を、前記蛇行流路の蛇行に沿った蛇行状に形成し、該蛇行流路内に配設した熱交換器。
前記蛇行流路の蛇行を、直線部と湾曲部が交互に連続する形状とし、前記冷媒管の湾曲部を、前記管体の相互の絡み合いがない曲げ加工とした請求項１に記載の熱交換器。
前記蛇行流路の湾曲部に配設された冷媒管の湾曲部を、その湾曲の中心が略同一線上となるように定めた請求項２に記載の熱交換器。
前記第２冷媒が流れる蛇行流路の断面形状を略円形とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記第１冷媒と第２冷媒の流れ方向を対向流とし、第１冷媒が前記冷媒管を介して第２冷媒と熱交換するようにした請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記第１冷媒を二酸化炭素とし、前記第２冷媒を水とした請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。