JP2009250569A - 熱交換器及びこれを用いた給湯装置 - Google Patents

熱交換器及びこれを用いた給湯装置 Download PDF

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Abstract

【課題】内管を流通する第１の熱媒体と内管と外管との間を流通する第２の熱媒体とを効率良く熱交換することのできる熱交換器及びこれを用いた給湯装置を提供する。
【解決手段】各内管５１を覆う被覆管５３を各内管５１の間に位置する部分が径方向内側に向かって括れるように形成したので、各内管５１が外管５２の径方向に偏在する部分においても、外管５２の内周面と被覆管５３との間に給湯用水を流通可能な隙間Ｓを形成することができ、被覆管５３を介しての各内管５１と給湯用水との接触面積を低減させることがない。この場合、各内管５１を被覆管５３によって互いに径方向に所定間隔Ｌをおいて保持するようにしたので、各内管５１同士の距離を十分に確保することができ、その分だけ外管５２の内周面との間の隙間Ｓが広くなり、各内管５１と給湯用水との接触面積をより大きくすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばヒートポンプ式給湯装置の水熱交換器として用いられる熱交換器及びこれを用いた給湯装置に関するものである。
従来、この種のヒートポンプ式給湯装置としては、ヒートポンプ回路によって給湯用水を加熱する加熱ユニットと、加熱ユニットで生成された温水を貯溜するタンクユニットとを備え、タンクユニットの温水を浴槽や台所に供給するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
この給湯装置の加熱ユニットは、圧縮機、蒸発器、水熱交換器（ガスクーラ）等からなる冷媒回路を備え、給湯用水を水熱交換器で加熱し、温水配管を介してタンクユニットに供給するようにしている。また、前記給湯装置の水熱交換器は、ヒートポンプ回路の高温冷媒を流通する複数本の内管と、各内管が内部に配置された外管とからなり、各内管と外管との間に給湯用水を流通することにより、内管を介して冷媒と給湯用水とを熱交換するように構成されている。
特開２００６−４６８７７号公報
ところで、前記水熱交換器では、熱交換器全体の小型化のため、各内管及び外管を環状に巻回するように形成しているが、その曲がり部分では各内管が互いに接触しながら外管の径方向に偏在するため、外管の内周面と各内管との接触部で囲まれた部分には給湯用水が十分に流通しなくなる。このため、各内管と給湯用水との接触面積が低減し、冷媒と給湯用水とを効率よく熱交換させることができないという問題点があった。
本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内管を流通する第１の熱媒体と内管と外管との間を流通する第２の熱媒体とを効率良く熱交換することのできる熱交換器及びこれを用いた給湯装置を提供することにある。
本発明は前記目的を達成するために、第１の熱媒体を流通する複数の伝熱性の内管と、各内管が内部に配置された外管とを備え、各内管と外管との間に第２の熱媒体を流通することにより、各内管を介して第１の熱媒体と第２の熱媒体とを熱交換するようにした熱交換器において、前記各内管の外周面を覆うように設けられ、各内管を互いに径方向に隣接するように保持する伝熱性の被覆管を備え、被覆管を各内管の間に位置する部分が径方向内側に向かって括れるように形成している。
これにより、各内管が外管の径方向に偏在する場合でも、各内管を覆う被覆管は各内管の間に位置する部分が径方向内側に向かって括れるように形成されていることから、この括れ部分と外管の内周面との間に第２の熱媒体を流通可能な隙間が形成される。この場合、各内管は被覆管によって互いに所定間隔をおいて保持されていることから、各内管同士の距離が十分に確保され、その分だけ外管の内周面との間の隙間が広くなる。
本発明によれば、各内管が外管の径方向に偏在する部分においても、外管の内周面と被覆管との間に給湯用水を流通可能な隙間を形成することができるので、被覆管を介しての各内管と第２の熱媒体との接触面積を低減させることがなく、第１の熱媒体と第２の熱媒体とを効率良く熱交換することができる。この場合、各内管同士の距離を十分に確保することができるので、その分だけ外管の内周面との間の隙間が広くなり、各内管と給湯用水との接触面積をより大きくすることができる。
図１乃至図５は本発明の第１の実施形態を示すもので、図１はヒートポンプ式給湯装置の概略構成図、図２は第１の水熱交換器の概略構成図、図３はその要部破断斜視図、図４及び図５はその要部正面断面図である。
同図に示すヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を流通する冷媒回路１０と、給湯用水を流通する第１の給湯回路２０と、給湯用水を流通する第２の給湯回路３０と、浴槽用水を流通する浴槽用回路４０と、冷媒回路１０の冷媒と第１の給湯回路２０の給湯用水とを熱交換する第１の水熱交換器５０と、第２の給湯回路３０の給湯用水と浴槽用回路４０の浴槽用水とを熱交換する第２の水熱交換器６０とを備え、第１の水熱交換器５０は本発明の熱交換器を構成している。
冷媒回路１０は、圧縮機１１、膨張弁１２、空気熱交換器１３及び第１の水熱交換器５０を接続してなり、圧縮機１１→第１の水熱交換器５０→膨張弁１２→空気熱交換器１３→圧縮機１１の順に冷媒を流通させるようになっている。尚、この冷媒回路１０で使用される冷媒は、例えば二酸化炭素等の自然系冷媒である。
第１の給湯回路２０は、貯湯タンク２１、第１のポンプ２２及び第１の水熱交換器５０を接続してなり、貯湯タンク２１→第１のポンプ２２→第１の水熱交換器５０→貯湯タンク２１の順に給湯用水を流通させるようになっている。貯湯タンク２１には、給水管２３及び第２の給湯回路３０が接続され、給水管２３から供給された給湯用水は貯湯タンク２１を介して第１の給湯回路２０を流通するようになっている。貯湯タンク２１と浴槽４１とは、第２のポンプ２４が設けられた流路２５を介して接続され、第２のポンプ２４によって貯湯タンク２１内の給湯用水が浴槽４１に供給されるようになっている。
第２の給湯回路３０は、貯湯タンク２１、第３のポンプ３１及び第２の水熱交換器６０を接続してなり、貯湯タンク２１→第２の水熱交換器６０→第３のポンプ３１→貯湯タンク２１の順に給湯用水を流通させるようになっている。
浴槽用回路４０は、浴槽４１、第４のポンプ４２及び第２の水熱交換器６０を接続してなり、浴槽４１→第４のポンプ４２→第２の水熱交換器６０→浴槽４１の順に浴槽用水を流通させるようになっている。
第１の水熱交換器５０は、冷媒回路１０及び第１の給湯回路２０に接続され、冷媒回路１０を流通する第１の熱媒体としての冷媒と第１の給湯回路２０を流通する第２の熱媒体としての給湯用水とを熱交換させるようになっている。第１の水熱交換器５０は、冷媒を流通する二本の伝熱性の内管５１と、各内管５１が内部に配置される外管５２と、各内管５１の外周面を覆う伝熱性の被覆管５３と、各内管５１及び被覆管５３の両端にそれぞれ接続された一対の第１のヘッダー５４と、外管５２の両端にそれぞれ接続された一対の第２のヘッダー５５とからなり、図示していないが、各内管５１、外管５２及び被覆管５３は環状に巻回されている。各内管５１は被覆管５３によって互いに径方向に所定間隔Ｌをおいて保持され、被覆管５３は各内管５１の間に位置する部分の間隔が各内管５１の外径寸法よりも小さくなるように形成されている。即ち、被覆管５３は、内周面が各内管５１の周方向一部を除く外周面に面接触するとともに、各内管５１の間に位置する部分が径方向内側に向かって括れるように湾曲している。また、被覆管５３の内周面には軸方向に延びる多数の溝５３ａが互いに周方向に間隔をおいて設けられており、各溝５３ａは被覆管５３の一端から他端に亘って連続して形成されている。尚、被覆管５３の各溝５３ａは、内管５１から冷媒が漏洩した場合に、冷媒を被覆管５３の端部まで案内するためのものである。外管５２は被覆管５３の外径よりも内径の大きい管によって形成され、その内周面には多数の突部５２ａが外管５２の周方向及び長手方向にそれぞれ間隔をおいて設けられている。この場合、各突部５２ａは、例えばポンチ等の工具を外管５２の外面側に打ち付けることによって形成される。各第１のヘッダー５４は冷媒回路１０に接続され、それぞれ冷媒の流入管５４ａ及び流出管５４ｂが接続されている。この場合、各第１のヘッダー５４には各内管５１が互いに並列に接続されている。各第２のヘッダー５５は第１の給湯回路２０に接続され、それぞれ給湯用水の流入管５５ａ及び流出管５５ｂが接続されている。また、各第２のヘッダー５５内には各内管５１及び被覆管５３の両端側がそれぞれ貫通している。
第２の水熱交換器６０は、第２の給湯回路３０及び浴槽用回路４０に接続され、第２の給湯回路３０の給湯用水と浴槽用回路４０の浴槽用水とを熱交換させるようになっている。
また、前記給湯装置は、冷媒回路１０及び第１の水熱交換器５０が配置された加熱ユニット７０と、貯湯タンク２１、第１のポンプ２２、第２のポンプ２４、第２の給湯回路３０、第４のポンプ４２及び第２の水熱交換器６０が配置されたタンクユニット８０とを備え、加熱ユニット７０とタンクユニット８０とは第１の給湯回路２０を介して接続されている。
以上のように構成された給湯装置においては、冷媒回路１０の高温冷媒と第１の給湯回路２０の給湯用水とが第１の水熱交換器５０によって熱交換され、給湯用水が加熱される。第１の水熱交換器５０では、冷媒回路１０の冷媒が各内管５１内を流通するとともに、第１の給湯回路２０の給湯用水が冷媒とは逆方向に外管５２内を流通し、冷媒と給湯用水とが各内管５１及び被覆管５３を介して熱交換される。その際、外管５２内では被覆管５３の外周面側の加熱温度が高く、外管５２の内周面側の加熱温度が低くなるが、外管５２と内管５１との間を流通する給湯用水は、外管５２の各突部５２ａによって乱流を生ずることから、各内管５１側に満遍なく行き渡る。
また、前記第１の水熱交換器５０では、各内管５１、外管５２及び被覆管５３は環状に巻回されているため、図５に示すように各内管５１が外管５２の径方向に偏在する部分が生ずるが、各内管５１を覆う被覆管５３は各内管５１の間に位置する部分が径方向内側に向かって括れるように湾曲していることから、この括れ部分と外管５２の内周面との間に給湯用水を流通可能な隙間Ｓが形成される。この場合、各内管５１は被覆管５３によって互いに所定間隔Ｌをおいて保持されていることから、各内管５１同士の距離が十分に確保され、その分だけ外管５２の内周面との間の隙間Ｓが広くなる。
このように、本実施形態によれば、各内管５１を覆う被覆管５３を各内管５１の間に位置する部分が径方向内側に向かって括れるように形成したので、各内管５１が外管５２の径方向に偏在する部分においても、外管５２の内周面と被覆管５３との間に給湯用水を流通可能な隙間Ｓを形成することができる。これにより、被覆管５３を介しての各内管５１と給湯用水との接触面積を低減させることがないので、冷媒と給湯用水とを効率良く熱交換させることができる。この場合、各内管５１を被覆管５３によって互いに径方向に所定間隔Ｌをおいて保持するようにしたので、各内管５１同士の距離を十分に確保することができ、その分だけ外管５２の内周面との間の隙間Ｓが広くなり、各内管５１と給湯用水との接触面積をより大きくすることができる。
また、外管５２の内周面に多数の突部５２ａを外管５２の周方向及び長手方向にそれぞれ間隔をおいて設けることにより、各内管５１と外管５２との間を流通する給湯用水に各突部５２ａによって乱流を生じさせるようにしたので、給湯用水を各内管５１側に満遍なく行き渡らせることができ、冷媒と給湯用水とを効率良く熱交換することができる。これにより、各内管５１及び外管５２を長くせずとも冷媒と給湯用水とを十分に熱交換することができ、第１の水熱交換器５０の小型化及び材料コストの低減を図ることができる。
更に、被覆管５３の内周面に軸方向に延びる多数の溝５３ａを互いに周方向に間隔をおいて設けたので、内管５１から冷媒が漏洩した場合に、冷媒を溝５３ａによって被覆管５３の端部まで案内することができ、センサ等によって冷媒の漏洩を検知することができる。
また、図６の第２の実施形態に示すように各内管５１の間に形成される被覆管５３の内部空間にシリコン等の伝熱材５６を充填することにより、各内管５１と被覆管５３との熱伝導性を高めることができ、冷媒と給湯用水との熱交換効率をより向上させることができる。
更に、図８の第３の実施形態に示すように被覆管５３を螺旋状に捩るように形成したり、或いは図８の第４の実施形態に示すように被覆管５３を蛇行状に形成することにより、外管５２内を流通する給湯用水の流れに変化を与えて攪拌することができ、給湯用水をより満遍なく各内管５１側に行き渡らせることができる。
尚、前記実施形態では、本発明の熱交換器をヒートポンプ式給湯装置の第１の水熱交換器５０として用いたものを示したが、本発明は第１の熱媒体と第２の熱媒体とを熱交換するものであれば、他の用途の熱交換器にも適用することができる。
本発明の第１の実施形態を示すヒートポンプ式給湯装置の概略構成図 第１の水熱交換器の概略構成図 第１の水熱交換器の要部破断斜視図 第１の水熱交換器の要部正面断面図 第１の水熱交換器の要部正面断面図 本発明の第２の実施形態を示す第１の水熱交換器の要部正面断面図 本発明の第３の実施形態を示す第１の水熱交換器の要部側面断面図 本発明の第４の実施形態を示す第１の水熱交換器の要部側面断面図
符号の説明
５０…第１の水熱交換器、５１…内管、５２…外管、５２ａ…突部、５３…被覆管、５３ａ…溝、５６…伝熱材。

Claims (7)

  1. 第１の熱媒体を流通する複数の伝熱性の内管と、各内管が内部に配置された外管とを備え、各内管と外管との間に第２の熱媒体を流通することにより、各内管を介して第１の熱媒体と第２の熱媒体とを熱交換するようにした熱交換器において、
    前記各内管の外周面を覆うように設けられ、各内管を互いに径方向に所定間隔をおいて保持する伝熱性の被覆管を備え、
    被覆管を各内管の間に位置する部分が径方向内側に向かって括れるように形成した
    ことを特徴とする熱交換器。
  2. 前記外管の内周面に多数の突部を外管の周方向及び長手方向にそれぞれ間隔をおいて設けた
    ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
  3. 前記被覆管の内周面に軸方向に延びる複数の溝を互いに周方向に間隔をおいて設けた
    ことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
  4. 前記各内管の間に形成される被覆管の内部空間に伝熱材を充填した
    ことを特徴とする請求項１、２または３記載の熱交換器。
  5. 前記被覆管を螺旋状に捩るように形成した
    ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の熱交換器。
  6. 前記被覆管を蛇行状に形成した
    ことを特徴とする請求項１、２、３または４記載の熱交換器。
  7. 請求項１、２、３、４、５または６記載の熱交換器を備え、
    外管内に第２の熱媒体としての給湯用水を流通し、各内管に給湯用水を加熱する第１の熱媒体を流通する
    ことを特徴とする給湯装置。
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