JP2010078171A

JP2010078171A - 内部熱交換器

Info

Publication number: JP2010078171A
Application number: JP2008243753A
Authority: JP
Inventors: Noriho Okaza; 典穂岡座; Yoshiki Yamaoka; 由樹山岡; Kazuo Nakatani; 和生中谷
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】比較的簡単に製造できる構造の内部熱交換器であっても、圧力損失の増大を抑制し、熱交換量の増加が可能な熱交換効率の高い内部熱交換器を提供すること。
【解決手段】圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、放熱器と減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、蒸発器と圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器３０において、第１冷媒管３１の入口側３１Ａは蒸発器の出口部に接続され、第１冷媒管３１の出口側３１Ｂは圧縮機の入口部に接続され、第１冷媒管３１の流路断面積は、入口側３１Ａより出口側３１Ｂの方が大きいことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機などに利用される冷凍サイクルの放熱器から流出した高圧冷媒と、蒸発器から流出した低圧冷媒との間で熱交換を行わせる内部熱交換器に関する。

ヒートポンプ式給湯機などに利用される冷凍サイクルにおいて、内部熱交換器を設け、この内部熱交換器によって、放熱器から減圧器に供給される冷媒と蒸発器から圧縮機に供給される冷媒との熱交換を行うことで貯湯温度を高めるものが提案されている（例えば、特許文献１）。

このような内部熱交換器として、比較的簡単に製造できる構造とするものが提案されている（例えば特許文献２、特許文献３）。

特許文献２における内部熱交換器は、大径管の中に中径管を同心上に配設し、中径管の内部には低温低圧の冷媒を流し、大径管と中径管との間には高温高圧の冷媒を流す二重管式の内部熱交換器である。

特許文献３における内部熱交換器は、低温低圧の冷媒を流す冷媒管と高温高圧の冷媒を流す冷媒管とを長手方向に沿わすことで熱的に接するように配置したパイプ型内部熱交換器である。
特開平１１−１９３９５８号公報特開２００１−５６１８８号公報特開２００８−８２６６９号公報

冷媒として二酸化炭素を用いる冷凍サイクルにおいて内部熱交換器を設け、冷凍サイクルの効率を向上させることは有効である。特に、ヒートポンプ式給湯機において、内部熱交換器を設け、圧縮機に吸入される冷媒温度を高めることで、圧縮機の吐出温度を高めることで貯湯温度を高めることは有効である。したがって、内部熱交換器の熱交換量を増加させることが望まれる。

特許文献２、特許文献３のような比較的簡単に製造できる構造の内部熱交換器の熱交換量を増加させるには、冷媒管の長手方向の長さを伸ばして、伝熱面積を拡大させることが容易に考えられる。しかし、長手方向の長さを伸ばすだけでは、内部熱交換器の冷媒管を冷媒が流れる際に圧力損失が増大し、冷凍サイクルの効率を低下させる要因となるといった課題を生じる。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、比較的簡単に製造できる構造の内部熱交換器であっても、圧力損失の増大を抑制し、熱交換量の増加が可能な熱交換効率の高い内部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は、圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、放熱器と減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、蒸発器と圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器
において、第１冷媒管の入口側は蒸発器の出口部に接続され、第１冷媒管の出口側は圧縮機の入口部に接続され、第１冷媒管の流路断面積は、入口側より出口側の方が大きいことを特徴とする。

また、圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、放熱器と減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、蒸発器と圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器において、第２冷媒管の入口側は放熱器の出口部に接続され、第２冷媒管の出口側は減圧器の入口部に接続され、第２冷媒管の流路断面積は、出口側より入口側の方が大きいことを特徴とする。

また、圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、放熱器と減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、蒸発器と圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器において、第１冷媒管の入口側は蒸発器の出口部に接続され、第１冷媒管の出口側は圧縮機の入口部に接続され、第１冷媒管の長手方向の曲げ径は、入口側より出口側の方が大きいことを特徴とする。

また、圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、放熱器と減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、蒸発器と圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器において、第２冷媒管の入口側は放熱器の出口部に接続され、第２冷媒管の出口側は減圧器の入口部に接続され、第２冷媒管の長手方向の曲げ径は、出口側より入口側の方が大きいことを特徴とする。

本発明によれば、圧力損失の増大をもたらす密度の大きい冷媒が流れる冷媒管の管内流路断面積や曲げ径を、他の部分より大きくすることで、圧力損失の増大を抑制し、熱交換効率の高い内部熱交換器を提供できる。

第１の発明は、第１冷媒管の入口側は蒸発器の出口部に接続され、第１冷媒管の出口側は圧縮機の入口部に接続されるように構成されており、第１冷媒管の流路断面積は、入口側より出口側の方が大きいことを特徴とする内部熱交換器である。これによれば、圧力損失が増大しやすい箇所で、圧力損失を抑制することができる。したがって、圧力損失の増大を抑制しつつ、高い熱交換効率を維持することができる内部熱交換器を提供できる。

第２の発明は、第２冷媒管の入口側は放熱器の出口部に接続され、第２冷媒管の出口側は減圧器の入口部に接続されるように構成されており、第２冷媒管の流路断面積は、出口側より入口側の方が大きいことを特徴とする内部熱交換器である。これによれば、圧力損失が増大しやすい箇所で、圧力損失を抑制することができ、また、密度が小さい出口側の高圧冷媒の流速を増加させることで、熱伝達率を向上させることもできる内部熱交換器を提供できる。

第３の発明は、第１冷媒管の入口側は蒸発器の出口部に接続され、第１冷媒管の出口側は圧縮機の入口部に接続されるように構成されており、第１冷媒管の長手方向の曲げ径は、入口側より出口側の方が大きいことを特徴とする内部熱交換器である。これによれば、圧力損失が増大しやすい箇所で、圧力損失を抑制することができる。したがって、圧力損失の増大を抑制しつつ、高い熱交換効率を維持することができる内部熱交換器を提供できる。

第４の発明は、第２冷媒管の入口側は放熱器の出口部に接続され、第２冷媒管の出口側は減圧器の入口部に接続されるように構成されており、第２冷媒管の長手方向の曲げ径は
、出口側より入口側の方が大きいことを特徴とする内部熱交換器である。これによれば、圧力損失が増大しやすい箇所で、圧力損失を抑制することができる。したがって、圧力損失の増大を抑制しつつ、高い熱交換効率を維持することができる内部熱交換器を提供できる。

第５の発明は、第２冷媒管は第１冷媒管内に配置したことを特徴とする前記本発明の内部熱交換器である。これによれば、比較的簡単に製造できる構造の内部熱交換器であっても、圧力損失の増大を抑制し、熱交換量の増加が可能な熱交換効率の高い熱交換器を提供できる。

第６の発明は、第１冷媒管と第２冷媒管とは長手方向に沿わすことで熱的に接するように配置したことを特徴とする前記本発明の内部熱交換器である。これによれば、比較的簡単に製造できる構造の内部熱交換器であっても、圧力損失の増大を抑制し、熱交換量の増加が可能な熱交換効率の高い熱交換器を提供できる。

第７の発明は、第１〜６のいずれかに記載の内部熱交換器を有するヒートポンプ給湯機で、熱交換効率の高いヒートポンプ給湯機を提供できる。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。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、本実施の形態１にかかる内部熱交換器を備えたヒートポンプ給湯装置の回路構成図である。

このヒートポンプ給湯装置は、冷凍サイクル装置１０と貯湯装置２０から構成されている。冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、放熱器１２、減圧器１３、及び蒸発器１４を配管で接続して冷凍サイクルが構成されている。

内部熱交換器３０は、蒸発器１４から圧縮機１１に至る低圧側配管１５を流れる低圧側冷媒と、放熱器１２から減圧器１３に至る高圧側配管１６を流れる高圧冷媒との間で熱交換を行う。放熱器１２は、圧縮機１１から吐出された高圧冷媒と、貯湯装置２０から供給される貯湯水との間で熱交換を行う。なお、放熱器１２における冷媒流れ方向と貯湯水の流れ方向とは対向している。

蒸発用ファン１７は、蒸発器１４に送風するための送風装置である。また水用配管１８は、放熱器１２に貯湯水を導入し、放熱器１２で加熱された温水を導出する配管である。冷凍サイクル装置１０は、圧縮機１１、減圧器１３、及び内部熱交換器３０を圧縮機側筐体１０Ａに配置し、放熱器１２、蒸発器１４、及び蒸発用ファン１７を風路側筐体１０Ｂに配置し、圧縮機側筐体１０Ａと風路側筐体１０Ｂとは区画されている。この冷凍サイクル装置１０は、二酸化炭素を冷媒として用い、高圧側では臨界圧を越える状態で運転する。

貯湯装置２０は、貯湯タンク２１を備え、貯湯タンク２１の底部配管２２は、流量調整弁、減圧弁、及び逆止弁を介して水道管等の水供給配管に接続されている。また底部流出配管２３は、循環ポンプ２４を介して水用配管１８の流入側接続口と接続されている。

また、貯湯タンク２１の上部循環用配管２５は、水用配管１８の流出側接続口と接続されている。また、貯湯タンク２１の上部には供給用配管２６が接続されている。なお、本実施の形態による貯湯タンク２１は、積層式の貯湯タンクであり、タンク内での撹拌が防
止され、上部に高温水が底部に低温水が蓄積されるように構成されている。

以下、本実施の形態によるヒートポンプ給湯装置の貯湯運転動作について説明する。まず、冷凍サイクル装置１０は、貯湯タンク２１内の温水が所定量以下となったことを検出すると運転を開始する。圧縮機１１で超臨界領域まで圧縮された冷媒は、放熱器１２、及び内部熱交換器３０にて放熱した後に、減圧器１３で減圧され、蒸発器１４及び内部熱交換器３０にて吸熱し、ガス状態で圧縮機１１に吸入される。

一方、圧縮機１１の運転とともに、給湯装置２０のポンプ２４も運転を開始する。ポンプ２４の運転によって、貯湯タンク２１底部の冷水が、底部流出配管２３から水用配管１８に導かれ、放熱器１２で加熱された温水は、水用配管１８から上部循環用配管２５を通って貯湯タンク２１の上部に導入される。貯湯タンク２１内に所定量の温水が蓄えられると、圧縮機１１及びポンプ２４の運転が停止される。

次に、本実施の形態にかかるヒートポンプ給湯装置に用いる内部熱交換器について説明する。図２は、本実施の形態にかかる内部熱交換器の要部側面図、図３は図２におけるＸ−Ｘ線断面図、図４は図２におけるＹ−Ｙ線断面図である。

内部熱交換器３０は、第１冷媒管３１と第２冷媒管３２とから構成され、第１冷媒管３１は、入口側第１冷媒管３１Ａと出口側第１冷媒管３１Ｂから構成され、第２冷媒管３２は、入口側第２冷媒管３２Ａと出口側第２冷媒管３２Ｂから構成されている。第２冷媒管３２は、第１冷媒管３１より細管であり、第２冷媒管３２は第１冷媒管３１内に配置され、第２冷媒管３２には超臨界領域にある高圧冷媒が流れ、第１冷媒管３１には低圧冷媒が流れるように構成されている。内部熱交換器３０の両端にはそれぞれ所定大きさのヘッダ３３、３４を有している。

ヘッダ３３、３４には、第１冷媒管３１に連通する第１接続管３５Ａ、３５Ｂを有している。また、第２冷媒管３２はヘッダ３３、３４内を貫通して、ヘッダ外部に第２接続管３６Ａ、３６Ｂを構成している。

ヘッダ３３、３４は、所定長さの管を、拡管加工または縮管加工によって一端側開口部３３１、３４１を他端側開口部３３２、３４２よりも小さく形成し、一端側開口部３３１、３４１には第１冷媒管３１を溶接によって接続し、他端側開口部３３２、３４２には第２冷媒管３２の一部である第２接続管３６Ａ、３６Ｂとともに第１接続管３５Ａ、３５Ｂを溶接によって接続する。

すなわち、第１接続管３５Ａは、第１冷媒管３１の入口側の管である入口側第１冷媒管３１Ａと連通している。第１接続管３５Ｂは、第１冷媒管３１の出口側の管である出口側第１冷媒管３１Ｂと連通している。第２接続管３６Ａは、第２冷媒管３２の入口側の管である入口側第２冷媒管３２Ａの一部であり、第２接続管３６Ｂは、第２冷媒管３２の出口側の管である出口側第２冷媒管３２Ｂの一部である。

第１冷媒管３１における冷媒流れ方向と第２冷媒管３２における冷媒流れ方向とは対向している。すなわち、第１接続管３５Ａは、蒸発器１４の出口部に接続され、第１接続管３５Ｂは、圧縮機１１の入口部に接続されている。第２接続管３６Ａは、放熱器１２の出口部に接続され、第２接続管３６Ｂは、減圧器１３の入口部に接続されている。第１冷媒管３１及び第２冷媒管３２は、配設される空間に応じて所定の折り曲げ部を形成する。

出口側第１冷媒管３１Ｂと入口側第２冷媒管３２Ａとによって形成される出口側低圧流路断面積３７Ｂは、入口側第１冷媒管３１Ａと出口側第２冷媒管３２Ｂとによって形成さ
れる入口側低圧流路断面積３７Ａより大きくなるように構成されている。低圧冷媒は、内部熱交換器３０内で高圧冷媒に加熱され、入口側から出口側に流れるほど密度が大きくなる。このため、低圧冷媒の出口側で圧力損失が増大することとなる。

しかし、本実施の形態のように、出口側低圧流路断面積３７Ｂを、入口側低圧流路断面積３７Ａより大きくすることで、圧力損失が増大しやすい箇所で、圧力損失を抑制することができる。したがって、圧力損失の増大を抑制しつつ、高い熱交換効率を維持することができる。

また、入口側第２冷媒管３２Ａの管内断面積である入口側高圧流路断面積３８Ａは、出口側第２冷媒管３２Ｂの管内断面積である出口側高圧流路断面積３８Ｂより大きくなるように構成されている。高圧冷媒は、内部熱交換器３０内で低圧冷媒に冷却されるために、出口側より入口側を流れる冷媒のほうが密度が大きい。

しかし、本実施の形態のように、入口側高圧流路断面積３８Ａを、出口側高圧流路断面積３８Ｂより大きくすることで、圧力損失が増大しやすい箇所で、圧力損失を抑制することができる。また、密度が小さい出口側の高圧冷媒の流速を増加させることで、熱伝達率を向上させることもできる。したがって、圧力損失の増大を抑制しつつ、高い熱交換効率を維持することができる。

なお、図５に要部側面図を、図６、図７に図５におけるＸ−Ｘ線断面図、図５におけるＹ−Ｙ線断面図をそれぞれ示す内部熱交換器のように、複数の出口側第２冷媒管３２Ａを組み合わせることで、出口側低圧流路断面積３７Ｂが入口側低圧流路断面積３７Ａより大きくなるように、あるいは、入口側高圧流路断面積３８Ａが出口側高圧流路断面積３８Ｂより大きくなるように構成してもよい。同様に、複数の出口側第１冷媒管３１Ｂを組み合わせてもよい。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２による内部熱交換器について説明する。図８は、本実施の形態による内部熱交換器の要部側面図である。

この内部熱交換器３０は、第１冷媒管３１の出口側の管である出口側第１冷媒管３１Ｂの曲げ径Ｒｂが、第１冷媒管３１の入口側の管である入口側第１冷媒管３１Ａの曲げ径Ｒａより大きくなるように構成されている。

また、第２冷媒管３２の入口側の管である入口側第２冷媒管３２Ａの曲げ径が、第２冷媒管３２の出口側の管である出口側第２冷媒管３２Ｂの曲げ径より大きくなるように構成されている。これによれば、出口側第１冷媒管３１Ｂの曲げ径Ｒｂを、入口側第１冷媒管３１Ａの曲げ径Ｒａより大きくすることで、圧力損失が増大しやすい箇所で、圧力損失を抑制することができる。

したがって、圧力損失の増大を抑制しつつ、高い熱交換効率を維持することができる。また、入口側第２冷媒管３２Ａの曲げ径を、出口側第２冷媒管３２Ｂの曲げ径より大きくすることで、圧力損失が増大しやすい箇所で、圧力損失を抑制することができる。

なお、図８では、平面的に所定の折り曲げ部を形成しているが、図９に概略構成図を示すように、渦巻き状の内部熱交換器となるように曲げ部を形成してもよい。

また、以上の実施の形態では、二重管式の内部熱交換器で説明したが、第１冷媒管３１と第２冷媒管３２とを長手方向に沿わすことで熱的に接するように配置したパイプ型内部
熱交換器であってもよい。

本発明の内部熱交換器は冷凍サイクル装置、特に家庭用や業務用の二酸化炭素を冷媒に用いたヒートポンプ給湯機、床暖房装置、冷暖房空調装置、乾燥装置に適用することができる。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯機の回路構成図同内部熱交換器の要部側面図図２におけるＸ―Ｘ線断面図図２におけるＹ―Ｙ線断面図本発明の実施の形態１における別の内部熱交換器の要部側面図図５におけるＸ―Ｘ線断面図図５におけるＹ―Ｙ線断面図本発明の実施の形態２における内部熱交換器の要部側面図同別の内部熱交換器の要部側面図

符号の説明

１１圧縮機
１２放熱器
１３減圧器
１４蒸発器
３０内部熱交換器
３１第１冷媒管
３１Ａ入口側第１冷媒管
３１Ｂ出口側第１冷媒管
３２第２冷媒管
３２Ａ入口側第２冷媒管
３２Ｂ出口側第２冷媒管

Claims

圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、前記放熱器と前記減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、前記蒸発器と前記圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器において、第１冷媒管の入口側は前記蒸発器の出口部に接続され、第１冷媒管の出口側は前記圧縮機の入口部に接続され、前記第１冷媒管の流路断面積は、入口側より出口側の方が大きいことを特徴とする内部熱交換器。
圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、前記放熱器と前記減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、前記蒸発器と前記圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器において、第２冷媒管の入口側は前記放熱器の出口部に接続され、第２冷媒管の出口側は前記減圧器の入口部に接続され、前記第２冷媒管の流路断面積は、出口側より入口側の方が大きいことを特徴とする内部熱交換器。
圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、前記放熱器と前記減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、前記蒸発器と前記圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器において、第１冷媒管の入口側は前記蒸発器の出口部に接続され、第１冷媒管の出口側は前記圧縮機の入口部に接続され、前記第１冷媒管の長手方向の曲げ径は、入口側より出口側の方が大きいことを特徴とする内部熱交換器。
圧縮機、放熱器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で接続して冷媒を循環させる冷凍サイクルに設けられ、前記放熱器と前記減圧器との間を流れる高圧側冷媒と、前記蒸発器と前記圧縮機との間を流れる低圧側冷媒とを熱交換させる内部熱交換器において、第２冷媒管の入口側は前記放熱器の出口部に接続され、第２冷媒管の出口側は前記減圧器の入口部に接続され、前記第２冷媒管の長手方向の曲げ径は、出口側より入口側の方が大きいことを特徴とする内部熱交換器。
第２冷媒管は、第１冷媒管内に配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
第１冷媒管と第２冷媒管とは長手方向に沿わすことで熱的に接するように配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の内部熱交換器。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の内部熱交換器を有するヒートポンプ給湯機。