JP2009210232A

JP2009210232A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2009210232A
Application number: JP2008056124A
Authority: JP
Inventors: Osamu Aoyanagi; 治青柳; Shoichi Yokoyama; 昭一横山; Kazuhiko Machida; 和彦町田; Takumi Kida; 琢己木田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-03-06
Filing date: 2008-03-06
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】熱交換器の放熱損失を抑制し、また、青水の発生も抑制できる熱交換器を提供すること。
【解決手段】本発明の熱交換器は、水が流通する大径管（１２ａ、１２ｂ）と、冷媒が流通する小径管１４とを備え、小径管１４を大径管（１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ）に内挿する熱交換器であって、大径管の両端（１２ａ、１２ｂ）は銅管で形成し、その他の部位（１１ａ、１１ｂ）を銅管以外の材質で形成したことにより、銅よりも熱伝導率の低い樹脂材料を水管に使用することで、水管の外周からの放熱ロスを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機において、冷媒と水とが熱交換を行う熱交換器の構成に関するものである。

図７、図８は、第１の従来の水−冷媒熱交換器の上面図および正面図である。また、図９は第１の従来の水−冷媒熱交換器の接続部の拡大図である。従来の構成では、外管内部に複数本の冷媒管を挿通し、冷媒管内には高温の冷媒が流れ、一方、冷媒管の外側でかつ外管の内部には低温の水が流れ、低温の水を温水にする熱交換器が開示されている。複数本の冷媒管内を流れる水管は銅製であり、水管の端部はロウ付けにて接続されている（例えば、特許文献１参照）。

また、水管に熱伝導率の低い合成樹脂の管を用いることで、水管内を流れる温水からの放熱を抑制することができるというものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−１４７５７０号公報特開２００６−７８０８２号公報

しかしながら、従来の構成では、水管が熱伝導率の高い銅製であるため、水管内を流れる温水からの放熱が大きく、能力が低下してしまう。このため、能力低下の抑制のため熱交換器全体を断熱材で覆うのが一般的であるが、断熱材が必須となり、コストアップになってしまう。

また、水管が銅製であることで管内を流れる水に、わずかながら銅管表面から銅イオンが溶出してしまい、銅イオンを含む湯が貯湯タンクに貯められることになる。この湯をお風呂で使用した場合、湯中の銅イオンが風呂で使用される石けんや皮脂汚れに含まれる脂肪酸などと反応して水に不要な青色の銅石けんを生成し、浴槽やタイルの目地などに付着する。この青色の汚れを落とすのに手間がかかり、問題になるという課題を有していた。

また、樹脂製の水管を用いた場合、樹脂製の水管と銅製の冷媒管を、水管の端末で接合する必要がある。銅以外の材質の管と銅製の冷媒管を接合させる方法として接着があるが、管内を流れる水温が変化した場合、樹脂と銅の熱膨張率の違いでそれぞれの材料の伸びが異なり、接着では密着を維持できず、接合部に隙間ができ、水漏れしやすいという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換器の放熱損失を抑制し、また、青水の発生も抑制できる熱交換器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、本発明の熱交換器は、水が流通する大径管と、冷媒が流通する小径管とを備え、前記小径管を前記大径管に内挿する熱交換器であって、前記大径管の両端は銅管で形成し、その他の部位を銅管以外の材質で形成したことにより、銅よりも熱伝導率の低い樹脂材料を水管に使用することで、水管の外周からの放熱ロスを抑制できる。また、大径管である水管の端末を、検知管と同じ銅製にすることで、大径管と検知管の接合は信頼性の高いロウ付けで接合できる。

また、大径管の大部分に銅以外の材質の管を用いることで、青水による汚れを抑制しながら、熱交換性能を向上させることができる。

本発明は、熱交換器の放熱損失を抑制し、また、青水の発生も抑制できる熱交換器を提供することができる。

第１の発明の熱交換器は、水が流通する大径管と、冷媒が流通する小径管とを備え、前記小径管を前記大径管に内挿する熱交換器であって、前記大径管の両端は銅管で形成し、その他の部位を銅管以外の材質で形成したことにより、銅よりも熱伝導率の低い樹脂材料を水管に使用することで、水管の外周からの放熱ロスを抑制できる。また、大径管である水管の端末を、検知管と同じ銅製にすることで、大径管と検知管の接合は信頼性の高いロウ付けで接合できる。

第２の発明の熱交換器は、特に第１の発明において、銅管以外の材質の管の使用を、検知管の外面の温度が９０℃以下の部分に配置することで、耐熱温度の低い銅以外の材質の管でも使用できる。

第３の発明の熱交換器は、特に第１〜２の発明において、前記冷媒管を複数本備え、前記複数の冷媒管をねじり合わせたことで、外管を流れる水を攪拌でき、熱交換性能を向上させることができる。

第４の発明の熱交換器は、特に第１〜３の発明において、銅管と銅管以外の材質の管との接続が、銅管以外の材質の管の外側に弾力性のあるリングを配置し、前記リングの外側に銅管を配置する。強度の高い銅管を外側に、強度の低い材質を内側に配置することにより、内圧がかかった場合、内管が拡大し、弾力性のあるリングを圧迫し、外管と密着することで漏れを防止することができる。また、熱膨張率の異なる異種材料を組み合わせても弾力性のあるリングを介し、シールすることで、水温が変化してもリングの弾力性により熱膨張に伴う直径の変化の差を吸収でき、漏れを防止することができる。

第５の発明の熱交換器は、特に第１〜４の発明において、中央部を構成する大径管の材質が合成樹脂で形成することで、銅管の使用量を少なくでき、銅管表面から溶出する銅イオンを低減でき、また、安価で軽量化が図れる。

第６の発明の熱交換器は、特に第１〜４の発明において、中央部を構成する大径管が、内面が合成樹脂、中間部がアルミ、外面が合成樹脂の材質で形成することで、強度の強い材質であることで、水管の耐圧性を向上させることができる。
第７の発明の熱交換器は、冷媒の漏洩を検知する検知管を備え、前記検知管の内部に前記小径管を内挿して前記検知管の内表面と前記小径管の外表面とを密着させるとともに、検知管の長手方向に凹みを形成することで、検知管表面を流れる水は凹み部分で乱流促進が図れ、熱伝達率が向上し、熱交換性能を向上させることができる。また検知管により、冷媒の漏れを検知することができる。

第８の発明の熱交換器は、小径管内を流れる冷媒が二酸化炭素であることで、高温高効率の貯湯運転と地球環境保全を実現することができる。

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３重管式熱交換器の側面図、図２は同実施の形態の上面図である。図１、図２において、銅以外の材質の管１１a、１１ｂは両端の銅管１２a、１２ｂ、１２ｃに、接続部１３a、１３ｂ、１３ｃを介して接続され、銅管１２a、１２ｂ、１２ｃは端部に銅製のヘッダー１５a、１５ｂ、１５ｃを備え、ヘッダー１５aは検知機能付き冷媒管１４が貫通し、互いにロウ付けにて固定されている。

図３は、本実施の形態の水入口側の拡大図である。図３において、銅以外の材質の管１１ｂの端部に接続部１３ｂを有し、銅管１２ｂに接続され、銅管１２ｂの端部は、ヘッダー１５ｂに接続される。銅管１２ｂの内部には、複数のねじられた検知機能付き冷媒管１４を有し、その検知機能付き冷媒管１４の構成は、内面に溝を有する検知管１４ａの内部に冷媒管１４ｂを備え、互いに密着されている。また、検知機能付き冷媒管１４とヘッダー１５ｂとは、ロウ付け部１６で漏れがないように接合されている。

図４は、本実施の形態の接続部１３の断面図である。図４において銅以外の材質の管１１ｂの端部に弾力性のあるリング１７を設け、止めリング１８にて前記リング１７が抜けないように固定する。また、銅管１２ｂの銅以外の材質の管接続側は拡管され、前記リングと密着し、銅以外の材質の管１１ｂと銅管１２ｂ内を流れる水が洩れない構成としている。なお、止めリング１８は銅管１３ａの端部を変形させて形成させてもよい。

図５は、本実施の形態の大径管の構成を示す。内側が樹脂管２１で、その外側の中間部にアルミ管２２、外側に樹脂管２３で、互いに接着等で密着された三層管を示す。

図６は、本実施の形態の検知機能付き冷媒管を示す。内面に溝を有する検知管１４の外面に長手方向に凹み３１を形成する。凹み３１は検知管１４ａを変形させることで、冷媒管１４ｂの内面に凸部３２を形成する。

以上のように構成された３重管式熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

図１〜図３において、高温の冷媒はＣ側から流入し、冷媒管１４ｂ内を通り、低温となりＤ側より流出する。一方、低温の水はＡ側から流入し、ヘッダー１５ｂを経由し、検知管１４ａの外側で、銅管１２ｂ内を通り、銅以外の材質の管１１ｂ内、１１ａ内を通り、銅管１２ａ内を通り、ヘッダー１５ａを経由し、Ｂ側より温水となり、流出する。銅以外の材質の管１１ａ、１１ｂと銅管１２a、１２ｂ、１２ｃとは、接続部１３a、１３ｂで接続されている。

図４に接続部１３aの断面図を示す。銅以外の材質の管１１ｂは管内を流れる水の内圧により膨張する。これにより、弾力性のあるリング１７に密着することになり、前記リング１７は銅管１３aと密着する。一方、銅管１３ａは強度が強いので、ほとんど膨張することはなく、銅以外の材質の管１１ｂが膨張した分、より強くリング１７を押し付けることになり、銅管１３ａの内面と密着することで管内を流れる水が洩れることはない。

弾力性のあるリング１７では、管軸方向に抜けることが考えられるが、次の作用により抜けることはないことがわかる。図３において、検知機能付き冷媒管１４はヘッダー１５ｂを貫通し、ロウ付け部１６にて固定されている。この構成は、ヘッダー１５ｃ側でも同じであり、これにより、ヘッダー１５ｂと１５ｃ間の距離は固定される。したがって、その中間部に位置する銅以外の材質の管が抜けることはない。

また、大径管に銅以外の材質の管を用いることで、銅が非常に少なくなることから銅管表面からの銅イオンの溶出を著しく低減させることができる。これにより、お風呂で使用しても銅イオンが脂肪酸などと反応して水に不要な青色の銅石けんの生成を抑制することができ、浴槽やタイルの目地などに付着する青色の汚れの析出を低減することができる。

また、銅以外の材質の管で形成する部分に、耐熱温度の低い樹脂管を用いると、検知管表面温度が１００℃を超えるような条件では、樹脂管内面に検知管表面が接すると樹脂は劣化し、長期の使用により樹脂の初期特性が失われ、いずれは樹脂管が割れてしまうなどの品質トラブルが予想される。そのため、機器のあらゆる運転状態において、検知管表面温度の最高温度が９０℃以下の領域で使用することにより、内面の樹脂の劣化を防止することができる。

また、図３において検知機能付き冷媒管１４が２本をねじって、大径管である銅管１２ｂ内と銅以外の材質の管１１ｂ内に挿入していることで、大径管内を流れる水が攪拌され、熱伝達率を向上でき、熱交換効率を向上させることができる。

図５に、内側が合成樹脂管２１で、中間部がアルミ管２２、外側が合成樹脂管２３で構成し、互いが接着等で密着された三層管を示す。中間部に強度の強いアルミ管を設けることで、樹脂管のみの大径管に対し、強度を向上させることができる。また、耐圧強度が同等であれば、樹脂管とアルミ管の肉厚の合計の総肉厚を薄くすることができる。

図６（ａ）は検知機能付き冷媒管１４の断面図、図６（ｂ）は検知機能付き冷媒管１４の側面図を示す。検知管１４ａの表面の長手方向に凹み３１を形成し、冷媒管１４ｂの内面には凸部３２を形成するものである。水は、検知機能付き冷媒管１４の外側を流れ、検知機能付き冷媒管１４の外表面の凹部３１があることにより、外表面近傍で流れが乱され、熱伝達率を向上させることができ、熱交換効率を向上させることができる。
また、冷媒に二酸化炭素をもちいることで、高温高効率の貯湯運転と地球環境保全を実現することができる。

このように、本実施の形態における３重管式熱交換器１０は、水と冷媒が対向流となっているため、効率のよい熱交換を実現することができる。

以上のように、本発明に係る３重管式熱交換器は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機の水―冷媒熱交換器に適用でき、給湯機能のほかに、浴槽給湯、暖房機能、乾燥機能を有するヒートポンプ装置にも適用できる。

本発明の第１の実施の形態における熱交換器の側面図同熱交換器の上面図同熱交換器の端部詳細図同熱交換器の接続部の断面図同実施の形態における銅以外の材質の管の正面図と側面図（ａ）同実施の形態における検知機能付き冷媒管の断面図（ｂ）同実施の形態における検知機能付き冷媒管の側面図従来の水−冷媒熱交換器の上面図従来の水−冷媒熱交換器の側面図（ａ）従来の熱交換器の横断面図（ｂ）同縦断面図

符号の説明

１１ａ、１１ｂ銅以外の材質の水管
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ銅管
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ接続部
１４洩れ検知機能付き冷媒管
１４ａ検知管
１４ｂ冷媒管
１５ａ、１５ｂ水用ヘッダー
１６ロウ付け部
１７弾力性のあるリング
１８弾力性を有するリング
２１、２３樹脂管
２２アルミ管
３１検知管の外表面の凹部
３２冷媒管内面の凸部

Claims

水が流通する大径管と、冷媒が流通する小径管とを備え、前記小径管を前記大径管に内挿する熱交換器であって、前記大径管の両端は銅管で形成し、その他の部位を銅管以外の材質で形成したことを特徴とする熱交換器。
銅管以外の材質の管の使用を、検知管の外面の温度が９０℃以下の部分に配置したことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記冷媒管を複数本備え、前記複数の冷媒管をねじり合わせたことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１項に記載の熱交換器。
銅管と銅管以外の材質の管との接続が、銅管以外の材質の管の外側に弾力性を有するリングを配置し、前記リングの外側に銅管を配置した請求項１〜３記載の熱交換器。
中央部を構成する大径管の材質が合成樹脂で形成した請求項１〜４記載の熱交換器。
中央部を構成する大径管の材質が、内側が合成樹脂、中間部がアルミ、外側が合成樹脂で形成した請求項１〜４記載の熱交換器。
冷媒の漏洩を検知する検知管を備え、前記検知管の内部に前記小径管を内挿して前記検知管の内表面と前記小径管の外表面とを密着させるとともに、前記検知管の外表面の長手方向に凹みを形成したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
小径管内を流れる冷媒が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の３重管式熱交換器。