JP2010002060A

JP2010002060A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2010002060A
Application number: JP2008158677A
Authority: JP
Inventors: Takao Kobayashi; 隆夫小林; Osamu Aoyanagi; 治青柳
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: JP5200684B2

Abstract

【課題】小型で熱交換性能に優れた熱交換器を提供すること。
【解決手段】本発明の熱交換器は、一つの水流路から水入口側ヘッダー９を介して複数の水流路に分岐される第１の熱交換ユニット２と、複数の水流路から水出口側ヘッダー１１を介して一つの水流路に合流される第２の熱交換ユニット３と、第１の熱交換ユニット２の複数の水流路と第２の熱交換ユニット３の複数の水流路とを接続するための中間ヘッダー１０とを備え、第１および第２の熱交換ユニット２、３の水流路は略方形状かつ渦巻き状に形成されるとともに、水入口側ヘッダー９もしくは水出口側ヘッダー１１のいずれかを第１および第２の熱交換ユニット２、３の角部に配設したこと。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機における熱交換器に関するものである。

図８は、ヒートポンプ給湯機の室外ユニットの構成図である。図８に示すように、ヒートポンプ給湯機の室外ユニットは、金属製の筐体１０１を有し、その筐体１０１の底板に３重管式熱交換器１０２が断熱材に覆われて載置されている。そして３重管式熱交換器１０２を覆う断熱材をさらに金属板で覆い、その金属板の上部には送風ファン１０３を駆動するためのファンモータ（図示せず）を取り付けるための取り付け板１０４が設けられている。そして筐体１０１の背面には蒸発器１０５が設けられており、送風ファン１０３が駆動することによって、蒸発器１０５にて冷媒と空気とで熱交換を行う。

次に、３重管式熱交換器１０２の構成について説明する。図９は、従来のヒートポンプ給湯機の水と冷媒とを熱交換する３重管式熱交換器の側面図であり、図（ａ）はＸＸ方向上面図、図１０（ｂ）はＹＹ方向上面図、図１１は、３重管式熱交換器１０２の輪きり断面図である。

図９〜図１１において、従来の３重管式熱交換器は、水が流れる大径管１２３、冷媒が流れる小径管１２１、内部に漏洩検知溝を有する中径管１２２で構成されている。そして中径管１２２の内部に小径管１２１を内挿して、中径管１２２の内面と小径管１２１の外面とを密着させ、漏洩検知溝で冷媒の漏れを検知可能な構成となっている。そして中径管１２２と小径管１２１で構成された冷媒管を、大径管１２３に内挿させて、冷媒と水が熱交換可能な構成としている。

また、３重管式熱交換器は、熱交換ユニット１１２、１１３、１１４の３つの熱交換ユニットで構成されていた。図１０（ａ）のＸＸ方向上面図には、最下段に位置する熱交換ユニット１１２の上面図を示す。図１０（ａ）に示すように、３重管式熱交換器で熱交換した後の減圧弁（図示せず）へ流入する冷媒が流通する冷媒配管１１５と、貯湯タンク（図示せず）から３重管式熱交換器へ低温水を送り込む給湯配管１１６とをヘッダー１１７で接続し、給湯配管１１６の内部に冷媒配管１１５が内挿されるようになっている。

図１２は、ヘッダー１１７近傍の拡大図である。図１２において、冷媒配管１１５は、冷媒配管用のヘッダー１１９にて、複数の冷媒配管１２０（ａ）〜（ｄ）に分岐されている。また、給湯配管１１６は、ヘッダー１１７にて複数の給湯配管１１８（ａ）〜（ｂ）に分岐され、冷媒配管１２０（ａ）〜（ｄ）が、給湯配管１１８（ａ）〜（ｂ）に内挿される構成となっている。なお、黒矢印が水の流れる方向を示し、白矢印が冷媒の流れる方向を示している。

そして、図１０（ａ）に示すように、水が流れる方向が内側から外側となるように、略渦巻き形状で、かつ、略方形状となるように熱交換ユニット１１２が形成される。そして、ヘッダー１１７が接続されている端部と逆の端部には、ヘッダー１２０を介して中段に位置する熱交換ユニット１１３に接続される。中段の熱交換ユニット１１３においては、図示はしないが、水が流れる方向が外側から内側となるように、略渦巻き形状で、かつ、略方形状となるように熱交換ユニット１１３が形成されている。

そして、図１０（ｂ）に示すように、ヘッダー１２４を介して中段の熱交換ユニット１１３から最上段の熱交換ユニット１１４に接続される。そして、最下段の熱交換ユニット
１１２および中段の熱交換ユニット１１３において上下２本の給湯配管で湯水を流していたが、最上段の熱交換ユニット１１４では、１本の給湯配管１２５となり、内側から外側へ流れるように、略渦巻き形状で、かつ略方形状となるように熱交換ユニット１１４が形成されている。そして、最上段の熱交換ユニット１１４の端部には、ディフューザー１２６が設けられ、給湯配管１２７と、冷媒配管１２８が連結されている。

このように構成された３重管式熱交換器において、圧縮機（図示せず）から吐出された高温高圧冷媒が、冷媒配管１２８から流入し、冷媒配管１１５から減圧弁（図示せず）へ流れる一方で、貯湯タンク（図示せず）からポンプにて送り込まれた低温水が、給湯配管１１６から流入し、冷媒から熱を受け取って、給湯配管１１３から貯湯タンク（図示せず）へ高温水が戻るようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１４７５６９号公報

しかしながら、従来の３重管式熱交換器は、図１１に示すように、中径管１２２と大径管１２３とは接触しておらず、比較的水流路は大きい断面積を有していた。その結果、水の流速が遅く、熱伝達率の向上が図れないため、流路を長くするしかなく、３段の熱交換ユニットで構成されるため大型化を招いてしまい、さらには３重管式熱交換器を覆う断熱材まで大型化してしまい、ひいては筐体１０１の底部に置く構成であったため、送風ファン１０３に起因される風の流れに対して、通風抵抗が増大してしまう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、小型で熱交換性能に優れた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、一つの水流路から水入口側ヘッダーを介して複数の水流路に分岐される第１の熱交換ユニットと、複数の水流路から水出口側ヘッダーを介して一つの水流路に合流される第２の熱交換ユニットと、前記第１の熱交換ユニットの複数の水流路と前記第２の熱交換ユニットの複数の水流路とを接続するための中間ヘッダーとを備え、前記第１および第２の熱交換ユニットの水流路は略方形状かつ渦巻き状に形成されるとともに、前記水入口側ヘッダーもしくは前記水出口側ヘッダーのいずれかを前記第１および第２の熱交換ユニットの角部に配設したことにより、熱交換器全体の小型化を図ることができ、ひいては通風抵抗を減少させることができ、蒸発器において空気と冷媒との熱交換効率を向上させることができる。

本発明は、小型で熱交換性能に優れた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、一つの水流路から水入口側ヘッダーを介して複数の水流路に分岐される第１の熱交換ユニットと、複数の水流路から水出口側ヘッダーを介して一つの水流路に合流される第２の熱交換ユニットと、前記第１の熱交換ユニットの複数の水流路と前記第２の熱交換ユニットの複数の水流路とを接続するための中間ヘッダーとを備え、前記第１および第２の熱交換ユニットの水流路は略方形状かつ渦巻き状に形成されるとともに、前記水入口側ヘッダーもしくは前記水出口側ヘッダーのいずれかを前記第１および第２の熱交換ユニットの角部に配設したことにより、熱交換器全体の小型化を図ることができ、ひいては通風抵抗を減少させることができ、蒸発器において空気と冷媒との熱交換効率を向上させることができる。

第２の発明の熱交換器は、特に第１の発明において、前記水入口側ヘッダーおよび／または前記水出口側ヘッダーに複数の水流路に分岐または合流するための配管を予め設けておくことにより、熱交換器を加工するときに生じる給湯配管の長さの相違を気にすることなくヘッダー取り付け作業を行うことができるので生産性を向上させることができる。

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）
本発明のヒートポンプ給湯機の室外ユニットは、図８に示す室外ユニットと構成が同じである。

図１は、本発明の熱交換器１の構成図である。図１（ａ）は熱交換器の側面図、図１（ｂ）はＷＷ方向上面図、図１（ｃ）はＺＺ方向上面図である。図２は、本発明の熱交換器の輪切り断面図である。図１および図２において、本発明の熱交換器は、冷媒が流れる小径管２１と、内面に冷媒の漏れを検知するための漏洩検知溝を有した中径管２２と、水が流れる大径管２３とを有し、中径管２２に小径管２１を内挿して、中径管２２の内面と、小径管２１の外面とを密着加工して冷媒管を構成することで、小径管２１が破断し内部の冷媒が外部に漏れたときには、漏洩検知溝で冷媒の漏れを検知することができるため、大径管２３内の水と、漏れた冷媒とが混ざることがない。

そして、小径管２１と中径管２２とで構成される２本の冷媒管を、大径管２３に内挿し、大径管２３を縮管することで、大径管２３の内面の一部と、２本の冷媒管の外面の一部とが接する構成となり、水流路が最大限小さくすることができるので、流速を上げることができ、冷媒と水との熱交換効率を向上させることができ、さらに熱交換器自体のサイズも小さくすることができる。また、中径管２２の外面の一部と、大径管２３の内面の一部とが接触する構成であるので、小径管２１内の高温冷媒から放たれる熱が、中径管２２を経て、大径管２３の内面に伝わり、大径管２３の内面からも水に熱を与えることができるので、非常に熱交換効率を良化させることができる。

図３は、熱交換器の給湯配管の構成略図である。図１から図３において、本発明の熱交換器１は、第１の熱交換ユニットである下段熱交換ユニット２と、第２の熱交換ユニットである上段熱交換ユニット３で構成されており、それぞれの熱交換ユニット２および３は、上述した３重管式の熱交換器で構成される。

特に図３に示すように、タンクユニット（図示せず）内の貯湯タンクからの低温水が送られてくる水入口管６内の水が、水入口管ヘッダー９で複数の水流路（本実施の形態では２本の水流路）に分岐され、外側から内側へと水が流れるような渦巻き形状、かつ、略方形状となるように３重管式熱交換器が加工されて下段熱交換ユニット２が形成され、一方、上段熱交換ユニット３は、内側から外側へと水が流れるような渦巻き形状、かつ、略方形状となるように３重管式熱交換器が加工され、２本の水流路から水出口側ヘッダー１１で、一本の水流路である水出口管１３に合流されて構成される。

そして、上段熱交換ユニット３の内側の給湯配管端部と、下段熱交換ユニット２の内側の給湯配管端部とを中間ヘッダー１０で接続することで、上段熱交換ユニット３と下段熱交換ユニット２とを接続して、本発明の熱交換器を構成している。

次に、図１（ｂ）に示すＷＷ方向上面図を用いて、下段熱交換ユニット２について説明する。図１（ｂ）に示すように、貯湯タンク（図示せず）から送られてくる温水が熱交換
器１に流入する水入口管６が、水入口側ヘッダー９で２流路へと分岐し、給湯配管５ａと５ｂに分岐する。そして、水流路が、外側から内側へと形成されるように、略渦巻き形状かつ、略方形状となるように３重管式熱交換器が加工されて下段熱交換ユニット２が形成される。さらに水入口側ヘッダー９において、冷媒配管７から分岐される複数の冷媒配管が給湯配管５ａおよび５ｂの内部に挿入される。

次に、図１（ｃ）に示すＺＺ方向上面図を用いて、上段熱交換ユニット３について説明する。図１（ｃ）に示すように、内側から外側へと水流路が形成されるように、３重管式熱交換器である２本の給湯配管５ｃおよび５ｄは、略渦巻き形状かつ、略方形状となるように加工される。そして、外側端部において、水出口側ヘッダー１１で１流路へと合流され、合流した給湯配管１３は貯湯タンクへと接続される。さらに水出口側ヘッダー１１において、冷媒配管１４から分岐される複数の冷媒配管が給湯配管５ｃおよび５ｄの内部に挿入される。

このように下段熱交換ユニット２および上段熱交換ユニット３が形成された後、下段熱交換ユニット２および上段熱交換ユニット３の内側に位置する配管端部を、中間ヘッダー１０にて接続し、下段熱交換ユニット２を流れてきた湯水は、上段熱交換ユニット３へと流入することになる。

さらに、下段熱交換ユニット２および上段熱交換ユニット３で形成された熱交換器の外側には、断熱材１５で覆っており、断熱効果を高めている。

このように形成された熱交換器において、通常、３重管式熱交換器自体は銅管等の金属管で形成されているので、曲げ加工時には、下段熱交換ユニット２の角部は略円形状となる。図４は、下段熱交換ユニット２の角部であるＡ部拡大図である。図４に示すように、水入口側ヘッダー９は、ちょうど下段熱交換ユニット２の角部に位置するように配置される。このように形成することで、さらに熱交換器自体のサイズを小型化することができ、ひいては、室外ユニットの送風ファンの下部へ載置されるので通風抵抗を小さくすることができ、熱交換効率を向上させることができる。なお、水入口側ヘッダー９を角部に設ける構成で説明したが、これに限定されることなく、水出口側ヘッダー１１を角部においても同様の効果を得ることができる。

図５は、水入口側ヘッダー近傍の拡大図である。図５を用いてヘッダー部における接続構成について説明する。貯湯タンクの低温側と接続される給湯配管６は水入口側ヘッダー９にて２流路に分岐され、給湯配管５ａおよび５ｂとなる。一方、冷媒出口側ヘッダー１７で複数流路の冷媒配管が合流され、１本の冷媒配管７となっている。そして、複数の冷媒流路である冷媒配管が水入口側ヘッダー９で、給湯配管内に挿入される構成になっている。

図６は、下段熱交換ユニット２の端部拡大図である。図６に示すように、下段もしくは上段熱交換ユニット２および３を渦巻き形状に加工する際には、その端部は長さが相違してしまう場合がある。例えば、図６（ａ）では給湯配管５ａと５ｂとの間で、長さαの相違が発生している。これは巻き加工時や、縮管加工時に発生する相違であり、どうしても発生してしまう。

従来であれば、図６（ｂ）に示すように、長さαだけ長い方の配管を切断してしまって、両配管の長さを同じに整えた後、図６（ｃ）に示すように水入口側ヘッダー９をロウ付け加工して熱交換器を作っていた。しかしながら、このような生産方法では、生産効率が悪いという課題を有していた。

そこで、本発明の熱交換器は、図７に示すように、水入口側ヘッダー９に接続配管１６を予めロウ付けしておく。そうすることで、給湯配管５ａおよび５ｂの間に長さαの相違があったとしても、給湯配管５ａおよび５ｂの端部をそのまま接続配管１６に内挿することで、長さαの相違を吸収することができる。なお、接続配管１６の長さは、予め経験則で算出される長さαの相違を吸収できる長さβを設けることが好ましいが、これに限定されることはない。

以上のように、予めヘッダーに接続配管を設けておくことで、加工時において給湯配管の切断作業を行うことがないため、非常に生産性を良化させることができる。

以上のように、本発明に係る熱交換器は、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。

（ａ）本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図（ｂ）同ＷＷ方向上面図（ｃ）同ＺＺ方向上面図同熱交換器の輪切り断面図同熱交換器の給湯配管の構成略図下段熱交換ユニット２の角部であるＡ部拡大図水入口側ヘッダー近傍の拡大図（ａ）下段熱交換ユニット２の端部拡大図（ｂ）下段熱交換ユニット２の端部拡大図（ｃ）下段熱交換ユニット２の端部拡大図水入口側ヘッダー９の拡大図従来のヒートポンプ給湯機の室外ユニットの構成図従来のヒートポンプ給湯機の３重管式熱交換器の側面図（ａ）ＸＸ方向上面図（ｂ）ＹＹ方向上面図従来の３重管式熱交換器の輪きり断面図従来のヘッダー近傍の拡大図

符号の説明

１熱交換器
２下段熱交換ユニット
３上段熱交換ユニット
６水入口管
７冷媒出口管
８熱交換器の角部
９水入口側ヘッダー
１０中間ヘッダー
１１水出口側ヘッダー
１３水出口管
１４冷媒入口管
１５断熱材
１６接続配管
２１小径管
２２中径管
２３大径管

Claims

一つの水流路から水入口側ヘッダーを介して複数の水流路に分岐される第１の熱交換ユニットと、複数の水流路から水出口側ヘッダーを介して一つの水流路に合流される第２の熱交換ユニットと、前記第１の熱交換ユニットの複数の水流路と前記第２の熱交換ユニットの複数の水流路とを接続するための中間ヘッダーとを備え、前記第１および第２の熱交換ユニットの水流路は略方形状かつ渦巻き状に形成されるとともに、前記水入口側ヘッダーもしくは前記水出口側ヘッダーのいずれかを前記第１および第２の熱交換ユニットの角部に配設したことを特徴とする熱交換器。
前記水入口側ヘッダーおよび／または前記水出口側ヘッダーに複数の水流路に分岐または合流するための配管を予め設けておくことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。