JP2010091251A - 冷凍装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体ヘッダ内で冷媒管の先端の流路面積を十分に確保できる水熱交換器を有する冷凍装置を提供する。
【解決手段】冷凍装置２は、冷媒管２２ａと、水管２２ｂと、冷媒管２２ａの先端が刺さった状態で支持される冷媒管用ヘッダ５３とを有する水熱交換器２２を備えている。冷媒管２２ａの先端は、斜めにカットされた形状を有している。
【選択図】図７

Description

本発明は、主にヒートポンプ式給湯装置の加熱手段として使われる冷凍装置に関する。

従来、ヒートポンプ式給湯装置の冷凍装置としては、圧縮式冷凍回路で構成されるものが広く利用されている。冷凍回路は、冷凍装置は、例えば、ＣＯ₂を冷媒とし、水熱交換器を備えている。水熱交換器は、冷媒が流通する冷媒管と、水が流通する水管とを有しており、流体同士を対向させて流して、両者の間で熱交換を行う。具体的には、高温高圧の冷媒と低温低圧の水との間で熱交換を行うことで、水を加熱する。この結果、ＣＯ₂の超臨界域の特性を用いた高温出湯が可能になる。

水熱交換器の従来技術としては、水管の回りに冷媒管を螺旋状に巻き付けた構造が知られている（例えば、特許文献１（特開２００７−２７１２１３号公報）を参照。）。

通常、冷凍装置の冷媒管や水管は、入口側と出口側がヘッダに接続されている。ヘッダは、例えば、筒状の部材からなり、入口管または出口管に接続されている。ヘッダ内には、複数の冷媒管の先端が接続されている。（例えば、特許文献２（特開２００３−２７９２７６号公報）を参照。）。

ヘッダと冷媒管の接合構造についてさらに詳細に説明する。ヘッダの筒状部材には長手方向に並んだ複数の穴が形成され、各穴内には冷媒管の各管が挿入され、ロウ付けで固定されている。

そのため、ロウが広がって冷媒管の先端開口部にまで到達すると、冷媒管の開口部の流路面積が小さくなってしまう。その場合は、ヘッダ内の冷媒管の先端で流路抵抗が大きくなる（つまり、冷媒の流れが妨げられる。）。この結果、熱交換性能が低下したり、冷媒の通過音が大きくなったりするなどの問題が生じる。

本発明の課題は、ヘッダ内で冷媒管の先端の流路面積を十分に確保できる水熱交換器を有する冷凍装置を提供することにある。

第１発明に係る冷凍装置は、冷媒管と、水管と、冷媒管の先端が刺さった状態で支持される流体ヘッダとを有する水熱交換器を備えている。冷媒管の先端は、斜めにカットされた形状を有している。

この装置では、冷媒管の先端は流体ヘッダ内で斜めにカットされた形状を有している。したがって、冷媒管の先端の流路面積は十分に確保される。他の要因によって流路面積が狭められるようになったとしても、特に問題が生じない程度の流路面積が得られる。

第２発明に係る冷凍装置は、第１発明に係る冷凍装置であって、冷媒管の先端は流体ヘッダに対してロウ付けされている。

この装置では、ロウ付けによって、ロウが冷媒管の先端まで移動して、冷媒管の流路面積を狭めることがある。しかし、冷媒管の先端は流体ヘッダ内で斜めにカットされた形状を有しているので、冷媒管の先端の流路面積は十分に確保される。

第３発明に係る冷凍装置は、第１または第２発明に係る冷凍装置であって、冷媒管は複数の穴を有している。

この装置では、冷媒管の複数の穴の先端も流体ヘッダ内で斜めにカットされた形状を有している。したがって、冷媒管の複数の穴の先端の流路面積は十分に確保される。

第４発明に係る冷凍装置は、第１〜第３発明のいずれかに係る冷凍装置であって、冷媒管の先端と水管の先端は分離している。冷凍装置は、水管の先端が刺さった第２流体ヘッダをさらに備えている。

この装置では、水管の先端は第２流体ヘッダに刺さった状態である。

第５発明に係る冷凍装置は、第４発明に係る冷凍装置であって、冷媒管は一対の管からなり、一対の管の先端が流体ヘッダに刺さっている。

この装置では、冷媒管の一対の管の先端が流体ヘッダに刺さっており、それらは流体ヘッダ内で斜めにカットされた形状を有している。したがって、冷媒管の一対の管の先端の流路面積は十分に確保される。

第１発明に係る冷凍装置では、冷媒管の先端は流体ヘッダ内で斜めにカットされた形状を有しているので、冷媒管の先端の流路面積は十分に確保される。

第２発明に係る冷凍装置では、ロウ付けによって、ロウが冷媒管の先端まで移動して、冷媒管の流路面積を狭めたとしても、冷媒管の先端は流体ヘッダ内で斜めにカットされた形状を有しているので、冷媒管の先端の流路面積は十分に確保される。

第３発明に係る冷凍装置では、冷媒管の複数の穴の先端も流体ヘッダ内で斜めにカットされた形状を有しているので、冷媒管の複数の穴の先端の流路面積は十分に確保される。

第４発明に係る冷凍装置では、水管の先端は第２流体ヘッダに刺さった状態である。

第５発明に係る冷凍装置では、冷媒管の一対の管の先端が流体ヘッダに刺さっており、それらは流体ヘッダ内で斜めにカットされた形状を有しているので、冷媒管の一対の管の先端の流路面積は十分に確保される。

本発明の一実施形態に係る冷凍装置を含むヒートポンプ式給湯装置のシステム。 冷凍装置の内部構造を示す断面図。 冷凍装置の制御装置のブロック図。 冷凍装置の水熱交換器の内部配管図。 水熱交換器の断面図。 水熱交換器のヘッダ構造の模式図。 冷媒管用ヘッダの横断面図。

＜ヒートポンプ式給湯装置の構成＞
本発明の一実施形態に係る冷凍装置を含むヒートポンプ式給湯装置のシステムを図１に示す。ヒートポンプ式給湯装置１は、冷凍装置２と貯湯装置３とによって構成されている。冷凍装置２は、圧縮機２１、水熱交換器２２内の冷媒管２２ａ、減圧手段としての膨張弁２３、及び空気熱交換器２４が、冷媒配管２５によって環状に接続される圧縮式の冷凍回路２０を有する。

さらに、冷凍回路２０には、水熱交換器２２から出る高圧高温の冷媒と、空気熱交換器２４から出る低圧低温の冷媒との間で熱交換を行うため、ガス熱交換器２６が配置されている。具体的には、水熱交換器２２と膨張弁２３とを連結する冷媒通路と、空気熱交換器と圧縮機２１とを連結する冷媒通路との間で熱交換が行われる。

貯湯装置３は、貯湯タンク３１、水熱交換器２２内の水管２２ｂ及び水循環ポンプ３２が、水配管３５によって環状に接続された水循環回路３０を有する。

冷凍装置２には、設置場所の外気温を検出する外気温センサ８、圧縮機２１の吐出管温度を検出する吐出管温度センサ９、及び空気熱交換器２４の温度を検出する温度センサ１０が設けられており、これらのセンサの検出信号は、マイコン６に入力される。

水熱交換器２２で加熱された水の温度が８５℃となるように、水循環ポンプ３２によって水の循環量が制御される。マイコン６は、８５℃の水を得るために必要な冷媒温度を確保するために、膨張弁２３の開度を制御する。

＜冷凍装置の構造＞
図２は、冷凍装置２の内部構造を示す断面図である。図２において、断熱壁２ｃの右側区画が機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画がファン室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機２１、膨張弁２３が配置されている。

ファン室２ｂには、図２正面視において、前方にファン２７が配置されている。ファン２７の後方には、ファン２７を駆動するモータが、モータ支持台２８に固定された状態で配置されている。ファン室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて水熱交換器２２が配置されている。水熱交換器２２内にて、冷媒管２２ａ（図１参照）を流れる冷媒と、水管２２ｂ（図１参照）を流れる水との間で熱交換が行われる。

また、図２において、空気熱交換器２４は、ファン室２ｂの左側壁と背面壁に沿って配置されており、空気熱交換器２４の右端は機械室２ａの中央まで延出している。制御ボックス４は、機械室２ａの上部とファン室２ｂの上部を跨ぐように配置されている。制御ボックス４には、マイコン６（図３参照）、インバータ７（図３参照）を搭載した制御装置５が内蔵されている。

＜冷凍装置の運転制御＞
図３は、冷凍装置２の制御ブロック図である。マイコン６は、外気温センサ８、空気熱交換器２４の温度センサ１０からの検出信号に基づき、目標吐出管温度設定部６２で目標吐出管温度を設定する。そして、マイコン６は、吐出管温度センサ９で検出される吐出管温度が目標吐出管温度に近づくように、膨張弁開度制御部６３を介して膨張弁２３の開度を制御する。なお、目標吐出管温度の設定に必要なデータは、目標吐出管温度設定部６２内に予め記憶されている。

さらに、マイコン６は、冷凍装置２の炊上能力に及ぼす外気温の影響を考慮して、さらに給湯負荷が一日の時間帯によって変化することを考慮して、インバータ制御部６４を介して圧縮機２１の運転周波数を制御している。例えば、外気温が低く、給湯負荷が大きい時間帯では、湯切れを防止するため、効率を無視して圧縮機２１の運転周波数を高める。一方、外気温が高く、給湯負荷が小さい時間帯では、圧縮機２１の運転周波数を高効率点に設定する。

給湯負荷が大きいとき、マイコン６は、圧縮機２１を保護する目的で、吐出管温度が１２０℃を超えないように圧縮機２１の運転制御を行う。実際に、吐出管温度が１２０℃のとき、圧縮機２１の内部温度は、１４０℃〜１４５℃に到達しており、内部温度がさらに上昇して１５０℃を超えると、圧縮機２１内部のマグネットの磁力が低下、オイルの劣化が発生し故障に至る。したがって、本実施形態では、吐出管温度の上限を１２０℃と設定している。

但し、外気温ｔ１が−２０℃以下のときは、圧縮機２１が過負荷になり易いので、さらなる安全措置として吐出管温度センサ９の検出値の補正量を大きくとり、実際の吐出管温度が１２０℃に達する前に吐出管温度センサ９の検出値を１２０℃にする必要がある。そこで、外気温ｔ１が−２０℃以下のときの補正量が実験的に求められ、マイコン６の温度補正部６１の第２補正手段６１ｂに記憶されている。

なお、外気温ｔ１＞−２０℃の温度範囲では、第１補正手段６１ａによって、補正されている。

＜水熱交換器の構造＞
図４は、水熱交換器２２の配管図である。この図では、水熱交換器２２を模式的に表現している。

水熱交換器２２は、冷媒管２２ａと、水管２２ｂとを有しており、両者内を流れる流体間で熱交換を行うものである。具体的な構造としては、水熱交換器２２は、冷媒管２２ａを構成する一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂと、水管２２ｂを構成する断面長方形状管４２とから主に構成されている。

一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂは、図５に示すように、扁平部本体４６を有している。扁平部本体４６は、図４に示すように長く延びている。扁平部本体４６は、互いに対向する対向面４６ａと、反対側の反対側面４６ｂとを有している。扁平部本体４６内には、複数の（この実施例では４つの）穴４７が一列に形成されている。このように扁平管に複数の穴を形成して冷媒管とすることで、冷媒側の熱伝達率が向上している。

扁平管４１Ａ，４１Ｂは、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス等からなる。なお、各扁平管４１Ａ，４１Ｂは引き抜き加工や押し出し加工により製造されている。

断面長方形状管４２は、一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂに沿って延びる部材であり、図から明らかなように断面が長方形状である。断面長方形状管４２は、長辺部４２ａと、短辺部４２ｂとを有している。長辺部４２ａは、扁平管４１Ａ，４１Ｂの対向面４６ａに当接してロウ付け等によって接合されている。長辺部４２ａは、対向面４６ａとほぼ同じ長さである。

長方形状管４２は、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス等からなる。

一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂは、図４に示すように、平行に折り曲げられ、蛇行形状になっている。蛇行形状とは、例えば、図４においては、直線状に延びる直線部分と、ヘアピン状に屈曲された屈曲部分とが交互に繰り返され、その結果複数の直線部分が互いに近接した状態に配置されている形状をいう。言い換えると、複数の直線部分が互いに重ねられるように配置されている。このように水熱交換器２２の全体形状が蛇行形状になっているので、コンパクトな構造を実現している。

また、各扁平管４１Ａ，４１Ｂは、自らの直線部分同士が積み重ね方向において近接しているが、隙間４３を間に確保している。隙間４３の大きさは、隣接する扁平管の各部分同士（温度の異なる管同士）が熱伝導による熱交換を行わない程度に設定されている。これにより、水熱交換器２２は、全体の熱交換効率を低下させることなく、その結果高温の出湯が可能になる。また、熱変形の影響を小さく抑えることができて、信頼性が向上する。

この水熱交換器２２においては、ＣＯ₂が冷媒管２２ａ内を流れ、水がＣＯ₂と対向する方向に水管２２ｂ内を流れる。その結果、両者内を流れる流体間で熱交換が行われ、水が加熱される。ここでは、扁平管を用いて伝熱面積を増大しているので、熱交換性能が高い。

図６および図７に、水熱交換器２２のヘッダ構造を示す。ヘッダ構造は、水管用ヘッダ５１と、冷媒管用ヘッダ５３とを有している。水管用ヘッダ５１は、水管２２ｂの両端に接合され、貯湯タンク３１、水循環ポンプ３２と連通している。冷媒管用ヘッド５３は、冷媒管２２ａの両端に接合され、圧縮機２１とガス熱交換器２６に連通している。

水管用ヘッダ５１は、水管２２ｂの先端に配置されている。水管用ヘッダ５１は、有底の円筒形状を有している。具体的には、水管用ヘッダ５１は、底部５１ａと、円筒部５１ｂとを有している。円筒部５１ｂには、水管２２ｂを構成する断面長方形状管４２の先端５５が挿入される穴５１ｃが形成されている。水管２２ｂを構成する断面長方形状管４２の先端５５は、ロウ付けによって、円筒部５１ｂに固定されている。以上より、断面長方形状管４２の先端５５の開口部は水管用ヘッダ５１内に位置している。

冷媒管用ヘッダ５３は、水管用ヘッダ５１のさらに外側に配置されている。具体的には、冷媒管用ヘッダ５３は、水管２２ｂを構成する断面長方形状管４２と水管用ヘッダ５１を結ぶ直線上に配置されている。冷媒管用ヘッダ５３は、有底の円筒形状を有している。具体的には、冷媒管用ヘッダ５３は、底部５３ａと、円筒部５３ｂとを有している。円筒部５３ｂには、冷媒管２２ａを構成する扁平管４１Ａ，４１Ｂの先端５７Ａ，５７Ｂが挿入される２つの穴５３ｃが形成されている。扁平管４１Ａ，４１Ｂは、断面長方形状管４２の先端から所定長さ離れた位置から分かれて、水管ヘッダ５１の両側を通り、冷媒管用ヘッダ５３まで延びている。さらに、扁平管４１Ａ，４１Ｂの先端５７Ａ，５７Ｂは、ロウ付けによって、円筒部５３ｂに固定されている。以上より、扁平管４１Ａ，４１Ｂの開口部は冷媒管用ヘッダ５３内に位置している。なお、先端５７Ａ、５７Ｂは互いに離れて配置されており、先端５７Ａ，５７Ｂは、円筒部５３ｂの内壁面に近接して配置されており、カット面は内側（円筒部５３の近接部分と反対側）を向いて形成されている。

より詳細には、２つの孔５３ｃは８０度〜１６０度離れていることが好ましく、先端５７Ａ，５７Ｂのカット角度は１５度〜４５度の範囲にあることが好ましい。

以上に述べた構造では、冷媒管２２ａを構成する扁平管４１Ａ，４１Ｂの先端５７Ａ，５７Ｂは冷媒管用ヘッダ５３内で斜めにカットされた形状を有しているので、扁平管４１Ａ，４１Ｂの先端５７Ａ，５７Ｂの流路面積は十分に確保される。ロウ付けによって、ロウが扁平管４１Ａ，４１Ｂの先端まで移動して扁平管４１Ａ，４１Ｂの流路面積を狭めたとしても、扁平管４１Ａ，４１Ｂの先端の流路面積は十分に確保される。

また、冷媒管２２ｂの複数の穴４７の先端も冷媒管用ヘッダ５３内で斜めにカットされた形状を有しているので、冷媒管２２ｂの複数の穴４７の先端の流路面積は十分に確保される。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（１）
前記実施形態における冷媒管用ヘッダの形状や構造、さらには冷媒管の先端の形状や矢は一については前記実施形態に限定されない。例えば、冷媒管用ヘッダの形状は円筒形状ではなくても良い。また、前記実施形態では冷媒管の先端は冷媒管用ヘッダの円筒部の内周面に当接していないが、冷媒管の先端が冷媒管用ヘッダの内周面に当接して位置決めするようにしても良い。

（２）
前記実施形態では、扁平管には４つの穴が一列に並んで形成されているが、本発明はこれに限定されない。穴の個数や配置は任意に設定しても良い。

（３）
前記実施形態では冷媒としてＣＯ₂を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、高温高圧の冷媒として、炭化水素、フロン冷媒などを用いても良い。

（４）
前記実施形態では、扁平管は一体部材に形成された多穴構造であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数の細管を接合して一つの扁平管としても良い。

（５）
前記実施形態では、扁平管の穴を冷媒管として、扁平管の間の空間を水管としたが、本発明はこれに限定されない。

（６）
前記実施形態では、熱交換器の全体形状は蛇行形状であったが、本発明はこれに限定されない。熱交換機の全体形状は渦巻形状であってもよい。渦巻の形は、円、楕円、四角等を含む。また、熱交換器は、蛇行形状や渦巻形状の各構造が段積みされて互いに接続されていても良い。

以上のように本発明によれば、ヘッダ内で冷媒管の先端の流路面積を十分に確保できる水熱交換器を有する冷凍装置を提供できるので、ヒートポンプ式給湯装置の冷凍装置に有用である。

１ ヒートポンプ式給湯装置
２ 冷凍装置
２ａ 機械室
２ｂ ファン室
６ マイコン
２０ 圧縮式冷凍回路
２１ 圧縮機
２２ 水熱交換器
２２ａ 冷媒管
２２ｂ 水管
２３ 膨張弁
２４ 空気熱交換器
２５ 冷媒配管
２７ ファン
３５ 水配管
４１Ａ，４１Ｂ 扁平管
４２ 長方形状管
４２ａ 長辺部
４２ｂ 短辺部
４３ 隙間
４６ 扁平部本体
４７ 穴
５１ 水管用ヘッダ（第２流体ヘッダ）
５１ａ 底部
５１ｂ 円筒部
５１ｃ 穴
５３ 冷媒管用ヘッダ（流体ヘッダ）
５３ａ 底部
５３ｂ 円筒部
５３ｃ 穴
５５ 先端
５７Ａ，５７Ｂ 先端

特開２００７−２７１２１３号公報 特開２００３−２７９２７６号公報

Claims (5)

1. 冷媒管（２２ａ）と、水管（２２ｂ）と、前記冷媒管の先端が刺さった状態で支持される流体ヘッダ（５３）とを有する水熱交換器（２２）を備えた冷凍装置（２）であって、
   前記冷媒管（２２ａ）の先端が斜めにカットされた形状を有している、
   冷凍装置。
2. 前記冷媒管（２２ａ）の先端は前記流体ヘッダ（５３）に対してロウ付けされている、請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記冷媒管（２２ａ）は複数の穴（４７）を有している、請求項１または２に記載の冷凍装置。
4. 前記冷媒管（２２ａ）の先端と前記水管（２２ｂ）の先端は分離しており、
   前記水管（２２ｂ）の先端が刺さった第２流体ヘッダ（５１）をさらに備えている、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。
5. 前記冷媒管（２２ａ）は一対の管（４１Ａ，４１Ｂ）からなり、
   前記一対の管（４１Ａ，４１Ｂ）の先端（５７Ａ，５７Ｂ）が前記流体ヘッダ（５３）に刺さっている、請求項４に記載の冷凍装置。

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