JP2009270809A - 熱交換器及びこれを用いた給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外管の全体または下流側のみを径の大きい管によって形成せずとも、スケールの堆積による流通阻害を効果的に防止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】給湯用水の下流側となる第１の内管５１の本数を上流側となる第２の内管５２の本数よりも少なくすることにより、第１の外管５３と各第１の内管５１との間に、第２の外管５４と各第２の内管５２との間よりも大きい流通断面積を確保することができるので、外管５３，５４の全体または下流側の外管５３のみを径の大きい管によって形成せずとも、スケールの堆積による下流側の外管５３内の流通阻害を効果的に防止することができる。この場合、給湯用水の上流側の第２の内管５２は下流側の第１の内管５１よりも本数が多くなるので、各第２の内管５２によって給湯用水を十分に加熱することができる。
【選択図】図２

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内管と、内管が内部に配置された外管とからなり、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。

ところで、前記内管及び外管には、給湯用水に含まれるカルシウムやマグネシウム等を主成分とする、いわゆるスケール（例えば、炭酸カルシウム）が付着しやすく、冷媒と給湯用水とを対向流とした場合は、特に給湯用水の下流側（高温側）にスケールが強固に付着して堆積し、給湯用水の流通を阻害するという問題がある。そこで、従来では外管の全体または下流側のみを径の大きい管によって形成することにより、内管と外管との間の流通断面積を十分に確保し、スケールが堆積しても給湯用水の流通が阻害されないようにしている。
特開２００６−４６８７７号公報

しかしながら、外管の全体または下流側のみを径の大きい管によって形成すると、外管の材料となる管の種類やコストが増加し、生産性を低下させる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、外管の全体または下流側のみを径の大きい管によって形成せずとも、スケールの堆積による流通阻害を効果的に防止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伝熱性の内管と、内管が内部に配置された外管とを備え、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、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、前記第２の熱媒体の下流側の内管の本数が第２の熱媒体の上流側の内管の本数よりも少なくなるように構成している。

これにより、第２の熱媒体の下流側の内管の本数が上流側の内管の本数よりも少ないことから、第２の熱媒体の下流側の外管と内管との間には、上流側の外管と内管との間よりも大きい流通断面積が確保され、例えば第２の熱媒体としての給湯用水の下流側にスケールが堆積しても、第２の熱媒体の流通が阻害されることがない。また、第２の熱媒体の上流側の内管は下流側の内管よりも本数が多いので、上流側の内管によって第２の熱媒体が十分に加熱される。

本発明によれば、第２の熱媒体の下流側の外管と内管との間に上流側の外管と内管との間よりも大きい流通断面積を確保することができるので、外管の全体または下流側の外管のみを径の大きい管によって形成せずとも、スケールの堆積による下流側の外管内の流通阻害を効果的に防止することができる。従って、外管の材料となる管の種類やコストを増加させることがないので、生産性の向上を図ることができる。この場合、第２の熱媒体の上流側の内管によって第２の熱媒体を十分に加熱することができるので、全体の熱交換効率を低下させることがないという利点がある。

図１乃至図５は本発明の一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はその平面図、図４はその側面図、図５は図３におけるＸ−Ｘ線矢視方向断面図である。

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、冷媒を流通する伝熱性の第１及び第２の内管５１，５２と、第１及び第２の内管５１，５２がそれぞれ内部に配置される第１及び第２の外管５３，５４と、第１及び第２の内管５１，５２の一端がそれぞれ接続された一対の第１の端部ヘッダー５５と、第１及び第２の外管５３，５４の一端がそれぞれ接続された一対の第２の端部ヘッダー５６と、第１及び第２の内管５１，５２の他端が接続された第１の中間ヘッダー５７と、第１及び第２の外管５３，５４の他端が接続された第２の中間ヘッダー５８とからなり、各内管５１，５２及び各外管５３，５４は渦巻状に巻回されている。この場合、第１の外管５３内には２本の第１の内管５１が配置され、第２の外管５４内には４本の第２の内管５２が配置されている。

各第１の端部ヘッダー５５は冷媒回路１０に接続され、それぞれ冷媒の流入管５５ａ及び流出管５５ｂが接続されている。この場合、流入側の第１の端部ヘッダー５５には各第１の内管５１が互いに並列に接続され、流出側の第１の端部ヘッダー５５には各第２の内管５２が互いに並列に接続されている。各第２の端部ヘッダー５６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５６ａ及び流出管５５ｂが接続されている。この場合、流入側の第２の端部ヘッダー５６には各第２の内管５２が貫通しており、流出側の第２の端部ヘッダー５６には各第１の内管５１が貫通している。

第１の中間ヘッダー５７は、一対のヘッダー部５７ａと、各ヘッダー部５７ａを互いに連通する連通管５７ｂとからなり、一方のヘッダー部５７ａには各第１の内管５１が互いに並列に接続され、他方のヘッダー部５７ａには各第２の内管５２が互いに並列に接続されている。この場合、第１の中間ヘッダー５７には第１及び第２の内管５１，５２が同一方向から接続されている。第２の中間ヘッダー５８には、第１及び第２の外管５３，５４が同一方向から接続されるとともに、第１及び第２の内管５１，５２がそれぞれ貫通している。

また、第１の内管５１及び第１の外管５３は、外側から内側に向かって巻回する巻回部Ａ1 と、内側から外側に向かって巻回する巻回部Ａ2 とが互いに上下２段に配列され、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の内側で管路を上下方向にずらすことにより、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の管路が連続するように形成されている。第２の内管５２及び第２の外管５４は、内側から外側に向かって巻回する巻回部Ａ2 と、外側から内側に向かって巻回する巻回部Ａ1 とが互いに上下２段に配列され、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の内側で管路を上下方向にずらすことにより、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の管路が連続するように形成されている。第１の内管５１及び第１の外管５３の巻回部Ａ1 ，Ａ2 は、第２の内管５２及び第２の外管５４の巻回部Ａ1 ，Ａ2 の上方に配置され、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 が上下４段に配列されている。

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、図２の一点鎖線矢印に示すように、冷媒回路１０の冷媒が一方の第１の端部ヘッダー５５を介して各第１の内管５１に流入し、各第１の内管５１を流通した後、第１の中間ヘッダー５７を介して各第２の内管５２に流入し、各第２の内管５２を流通した後、他方の第１の端部ヘッダー５５を介して外部に流出する。また、図２の実線矢印に示すように、給湯回路２０の給湯用水が一方の第２の端部ヘッダー５６を介して第２の外管５４に流入し、第２の外管５４と各第２の内管５２との間を流通した後、第２の中間ヘッダー５８を介して第１の外管５３に流入し、第１の外管５３と各第１の内管５１との間を流通した後、他方の第２の端部ヘッダー５６を介して外部に流出する。即ち、第１の水熱交換器５０では、冷媒と給湯用水が互いに反対方向に流通する。その際、給湯用水の下流側となる第１の内管５１は、給湯用水の上流側となる第２の内管５２よりも本数が少ないため、第１の外管５３と各第１の内管５１との間には、第２の外管５４と各第２の内管５２との間よりも大きい流通断面積が確保され、給湯用水の下流側にスケールが堆積しても給湯用水の流通が阻害されることがない。また、給湯用水の上流側の第２の内管５２は下流側の第１の内管５１よりも本数が多いため、各第２の内管５２によって給湯用水が十分に加熱される。

このように、本実施形態によれば、給湯用水の下流側となる第１の内管５１の本数を上流側となる第２の内管５２の本数よりも少なくすることにより、第１の外管５３と各第１の内管５１との間に、第２の外管５４と各第２の内管５２との間よりも大きい流通断面積を確保することができるので、外管５３，５４の全体または下流側の外管５３のみを径の大きい管によって形成せずとも、スケールの堆積による下流側の外管５３内の流通阻害を効果的に防止することができる。従って、外管５３，５４の材料となる管の種類やコストを増加させることがなく、生産性の向上を図ることができる。この場合、給湯用水の上流側の第２の内管５２は下流側の第１の内管５１よりも本数が多くなるので、各第２の内管５２によって給湯用水を十分に加熱することができ、全体の熱交換効率を低下させることがないという利点がある。

また、給湯用水の上流側と下流側との間に、第１の内管５１及び第１の外管５３と第２の内管５２及び第２の外管５４とが同一方向から接続される第１及び第２の中間ヘッダー５７，５８を設け、各中間ヘッダー５７，５８で管路を折り返すようにしたので、各内管５１，５２及び各外管５３，５４が長大になることがなく、第１の水熱交換器５０の全体を小型化することができる。

更に、各内管５１，５２及び各外管５３，５４を渦巻状に巻回するとともに、外側から内側に向かって巻回する巻回部Ａ1 と、内側から外側に向かって巻回する巻回部Ａ2 とを互いに上下方向に配列し、隣り合う巻回部Ａ1 ，Ａ2 の内側で管路を上下方向にずらすことにより、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の管路が連続するように形成したので、長さ寸法の大きい各内管５１，５２及び各外管５３，５４を効率良く巻回することができ、小型化に極めて有利である。

尚、前記実施形態では、隣り合う巻回部Ａ1 ，Ａ2 の内側で管路をずらすようにしたものを示したが、巻回部Ａ1 ，Ａ2 の外側で管路をずらすようにしてもよい。

また、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。

図６乃至図８は本発明の他の実施形態を示すもので、図６は第１の水熱交換器の平面図、図７はその側面図、図８は図６におけるＹ−Ｙ線矢視方向断面図である。尚、前記実施形態と同等の構成部分には同一の符号を付して示す。

本実施形態では、上下４段の各巻回部Ａ1 ，Ａ2 のうち、下から２段目までの巻回部Ａ1 ，Ａ2 が他の巻回部Ａ1 ，Ａ2 よりも一側方（各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の配列方向に直交する方向）に所定長さＬだけ延出するように形成され、この延出部５４ａは加熱ユニット７０内の蒸発器１３の下方に配置されている。これにより、延出部５４ａを設けない場合はデッドスペースとなる蒸発器１３の下方空間に延出部５４ａを配置することができるので、延出部５４ａを有する分だけ第２の外管５４を長くして容量を増大させることができ、第１の水熱交換器５０の能力の向上を図ることができる。

尚、前記実施形態では、第１の水熱交換器５０の延出部５４ａを蒸発器１３の下方に配置したものを示したが、蒸発器１３以外の他の機器の下方に延出部５４ａを配置するようにしてもよい。

本発明の一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側面図 第１の水熱交換器の平面図 第１の水熱交換器の側面図 図３におけるＸ−Ｘ線矢視方向断面図 本発明の他の実施形態を示す第１の水熱交換器の平面図 第１の水熱交換器の側面図 図６におけるＹ−Ｙ線矢視方向断面図

符号の説明

５０…第１の水熱交換器、５１…内管、５２…外管、５４ａ…延出部、５７…第１の中間ヘッダー、５８…第２の中間ヘッダー、Ａ1 ，Ａ2 …巻回部。

Claims (5)

1. 第１の熱媒体を流通する伝熱性の内管と、内管が内部に配置された外管とを備え、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、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、
   前記第２の熱媒体の下流側の内管の本数が第２の熱媒体の上流側の内管の本数よりも少なくなるように構成した
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第２の熱媒体の上流側の内管と下流側の内管との間に設けられ、上流側の内管と下流側の内管とが同一方向から接続される第１の中間ヘッダーと、
   第２の熱媒体の上流側の外管と下流側の外管との間に設けられ、上流側の外管と下流側の外管とが同一方向から接続される第２の中間ヘッダーとを備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記内管及び外管を渦巻状に巻回するとともに、外側から内側に向かって巻回する巻回部と、内側から外側に向かって巻回する巻回部とを交互に配列し、隣り合う巻回部の内側または外側で管路を巻回部の配列方向にずらすことにより、各巻回部間で管路が連続するように形成した
   ことを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
4. 前記各巻回部のうち一部の巻回部を他の巻回部よりも各巻回部の配列方向に直交する方向に延出するように形成した
   ことを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
5. 請求項１、２、３または４記載の熱交換器を備え、
   熱交換器の外管内に第２の熱媒体としての給湯用水を流通し、熱交換器の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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