JP2010255980A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の配管長さを延伸することなく、熱交換性能に優れた管式の熱交換器を提供すること。
【解決手段】内部に流体Ａが流れる第１の管３と、前記第１の管３内に配設され内部に流体Ｂが流れる複数の第２の管５と、前記第１の管３の外周に配設し、内部に流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の第３の管７とを有することを特徴とするもので、内部に流体Ｂが流れる第３の管７が前記第１の管３の外周に密着していることにより、第１の管３の内壁を介して流体Ｂの熱が流体Ａに伝わるため、複数本の第２の管５の外壁と第１の管３の内壁の両方から流体Ａを加熱することできるので、流体Ａと接する伝熱面積が増加することとなり高効率化が図られる。
【選択図】図１

Description

本発明は空調、給湯等の機器、特にヒートポンプ式の給湯機などにおいて、水等の流体と冷媒等の２つの流体が熱交換するための熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、内部に冷媒用流路が形成された冷媒管と、内管の外側に設けられ内管との間に水用流路が形成された水管とから構成された２重管を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図４、図５は、上記特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。

図４、５で示すように、この熱交換器１０１は２重管式の熱交換器であり、内部に冷媒用流路１０２が形成された冷媒管１０３と、冷媒管１０３の外側に設けられ、冷媒管１０３との間に水用流路１０４が形成された銅製の水管１０５とから構成され、本実施の形態の場合には冷媒管１０３が２本設けられている。

冷媒管１０３は、銅製の冷媒である二酸化炭素が流れる管１０６と、冷媒である二酸化炭素が流れる管１０６の外周に設けられた銅製の漏洩検知管１０７とから構成され、冷媒である二酸化炭素が流れる管１０６を拡管するか、或いは、漏洩検知管１０７を縮管することにより、冷媒である二酸化炭素が流れる管１０６と漏洩検知管１０７は密着されている。また、漏洩検知管１０７の内面には、配管方向に沿って多数の漏洩検知溝１０８が形成されており、漏洩検知溝１０８内には空気層が形成されている。さらに、漏洩検知溝１０８は外部に設けられた漏洩検知センサー（図示せず）に接続されており、冷媒管１０３又は水管１０５から漏洩した冷媒又は水は漏洩検知溝１０８を介して外部の漏出し、前記漏洩検知センサーにより検知されるようになっている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

熱交換器１０１は、冷媒管１０３と水管１０５の２重管により形成され冷媒管１０３の外周が水と、冷媒と水とが熱伝導性の良い銅製で且つ密着された冷媒である二酸化炭素が流れる管１０６と漏洩検知管１０７を介して熱交換されるようになっているため、冷媒管１０３が水との接触面積が大きくとれ、熱交換効率を向上させることできる。

また、例え、腐食等により冷媒である二酸化炭素が流れる管１０６や漏洩検知管１０７に孔や亀裂が生じ、冷媒や水が漏洩したとしても、その漏洩を漏洩検知溝１０８を介して確実に検知することができ、さらに、冷媒と水との間には冷媒である二酸化炭素が流れる管１０６と漏洩検知管１０７により２重に境界壁が形成されており、いずれか一方に孔や亀裂等の欠陥が発生したしても、冷媒と水が互いに混入し合うおそれがない。

したがって、熱交換器１０１の信頼性を高く維持することができる。また、熱交換器１０１が２重管式となっているため、曲げ加工が容易にでき、製造コストの低減化が可能となると共に、コンパクト化を図ることができる。

特開２００５−６９６２０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、熱交換器１０１の性能に限度があり、性能を向上させるためには、冷凍サイクルにおいて圧縮機（図示せず）の冷媒循環量を増加させ、さらに熱交換器１０１の配管長さを延長する等の手法により、熱交換器１０１の配管の管内面積を大きくして性能を向上させなければならなかった。

このような手法では、熱交換器１０１の大きさが大きくなってしまい、ひいては、ヒートポンプ式給湯機の場合であると設置スペースが大きくなってしまうという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換性能を向上させることができる管式の熱交換器を提供することを目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管内に配設され内部に流体Ｂが流れる複数の第２の管と、前記第１の管の外周に配設し、内部に流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の第３の管とを有することを特徴とするもので、内部に流体Ｂが流れる第３の管が前記第１の管の外周に密着していることにより、第１の管の内壁を介して流体Ｂの熱が流体Ａに伝わるため、複数本の第２の管の外壁と第１の管の内壁の両方から流体Ａを加熱することできるので、流体Ａと接する伝熱面積が増加することとなり高効率化が図られる。

さらに、流体Ａに対する第２の管の外壁、第１の管の内壁における熱流束を小さく抑えることができるので、流体Ａが水の場合、第２の管の外壁近傍、第１の管の内壁近傍での水温の局所的な急上昇が抑えられ、壁面近傍で流速が遅い部分での水温の上昇によるカルシウムの析出を極力抑制して、壁面への付着を抑えることができる。

本発明によれば、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換性能を向上させることができる管式の熱交換器を提供できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図 同図１のＡ−Ａ断面図 同他熱交換器の図１のＡ−Ａ断面図 従来を示す熱交換器の上面図 同図６のＢ−Ｂ断面図

第１の発明は、内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管内に配設され内部に流体Ｂが流れる複数の第２の管と、前記第１の管の外周に配設し、内部に流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の第３の管とを有することを特徴とするもので、内部に流体Ｂが流れる第３の管が前記第１の管の外周に密着していることにより、第１の管の内壁を介して流体Ｂの熱が流体Ａに伝わるため、複数本の第２の管の外壁と第１の管の内壁の両方から流体Ａを加熱することできるので、流体Ａと接する伝熱面積が増加することとなり高効率化が図られる。

さらに、流体Ａに対する第２の管の外壁、第１の管の内壁における熱流束を小さく抑え
ることができるので、流体Ａが水の場合、第２の管の外壁近傍、第１の管の内壁近傍での水温の局所的な急上昇が抑えられ、壁面近傍で流速が遅い部分での水温の上昇によるカルシウムの析出を極力抑制して、壁面への付着を抑えることができる。

第２の発明は、第１の管の外周に凹部を設け、凹部に第３の管を配設したことを特徴とするもので、凹部の形状を第３の管の外径に合わせることが可能となり、その結果、第１の管との熱的に密着する面積が増加することとなり高効率化が図られる。

第３の発明は、流体Ａと流体Ｂとは対向流となるように構成したことを特徴とする流体Ａと流体Ｂを対向流としたことにより、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくでき、高効率化が図られる。

第４、５の発明は、流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたもので、ヒートポンプ給湯機用の水−冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

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この発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の要部を示す一部を切除した斜視図である。図２は、同実施の形態１における図１のＡ−Ａ線による断面図である。

図１から図２において、熱交換器１（図示せず）は二重管式であり、内部を流体Ａの水２が流れる第１の管である銅製の水管３と、水管３と同様に銅製であって、水管３内に配設され、内部を流体Ｂの冷媒である二酸化炭素４が流れる第２の管である２本の冷媒管５から構成されている。

また、水管３の外面には、内部に冷媒である二酸化炭素４が流動する第３の管である銅製の外管７が、水管３の外壁とロウ付けで熱的に密着している。

冷媒管５は、周知の如く二酸化炭素が流れる管６ａと、その外周に設けられた漏洩検知管６ｂとから構成されている。二酸化炭素が流れる管６ａと漏洩検知管６ｂは二酸化炭素が流れる管６ａを拡管するか、あるいは、漏洩検知管６ｂを縮管することにより密着一体化されているものである。

そして、冷媒管５は、図１に示す如く互いに螺旋状にねじり合わされ、その螺旋の中心が、水管３の軸心とほぼ同軸となるように水管３に内包されている。したがって、水管３内において、冷媒管５との間を水２が流動する。しかもその流れは、冷媒管５の螺旋に沿った旋回流となる。

そのため、複数本の冷媒管５を互いに螺旋状にねじり合わせて、冷媒管５の管内の二酸化炭素流を旋回流にすることにより、冷媒である二酸化炭素の流れを乱流攪乱し、水管３の水に流二酸化炭素の熱が拡散される。

また、内部に二酸化炭素が流れる外管７が、水管３の外周に密着していることにより、水管３の内壁を介して二酸化炭素の熱が水に伝わる。

さらに、水管３の両端、および冷媒管５の両端には、それぞれ流入口３ａ（図示せず）、５ａ（図示せず）と流出口３ｂ（図示せず）、５ｂ（図示せず）が設けられており、冷
媒管５の冷媒である二酸化炭素４の流入口５ａ、流出口５ｂと、水管３の水２の流入口３ａ、流出口３ｂは、各々の流れが対向するように方向付けて設けられている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

まず、冷媒管５と外管７の内部を冷媒である二酸化炭素４が流動し、水管３と冷媒管５との間の環状部を水２が対向して流れ、二酸化炭素が流れる管６ａと漏洩検知管６ｂの二重壁を介して冷媒である二酸化炭素４と水２が熱交換する。さらに、外管７から水管３の壁を通じて冷媒である二酸化炭素４と水が熱交換する。

ここで、冷媒である二酸化炭素４と水２の間において、漏洩検知管６ｂの内面に漏洩検知溝（図示せず）があり、冷媒である二酸化炭素４と水２が漏洩検知溝を介して漏出し、検知センサー（図示せず）にて検知可能なように構成されていることで、安全性を確保する二重壁を備えつつ十分な接触面積を確保するため高い熱伝導性を得る。

すなわち、漏洩検知管６ｂと管６ａが少なくとの一部に隙間を持ちつつ熱的に密着した２重管であることにより、熱抵抗を小さく保ちつつ、水または二酸化炭素が前記隙間を介して漏出することにより、水または二酸化炭素の漏洩を検知可能なように構成されていることで、水と二酸化炭素流体Ｂの間は二重壁で両流体が混合しにくくなり、かつ隙間を介して外部に漏出し検知されることで安全性が向上する。

さらに、冷媒管５、外管７内の冷媒である二酸化炭素４と水管３の水２が対向流となっているため、効率のよい熱交換を実現することができ、ヒートポンプ給湯機用の水冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

そして、２本の冷媒管５を互いに螺旋状にねじり合わせて水管３内の水２全体を旋回流にすることにより、水２の流れを乱流攪乱し水管３の水２に冷媒である二酸化炭素４の熱が拡散される。

さらに、外管７が水管３の外周にロウ付け密着していることにより、水２に対し冷媒管５の外壁と水管３の内壁の両方から水を加熱することでき高効率化が図られるとともに、水２に対する冷媒管５の外壁、水管３の内壁における熱流束を小さく抑えることができる。

従って、冷媒管５の外壁近傍、水管３の内壁近傍での水温の局所的な急上昇が抑えられ、壁面近傍で流速が遅い部分での水温の上昇によるカルシウムの析出を極力抑制され、冷媒管５の外壁、水管３の内壁への付着を抑えることができる。

次に、上記構成を基本とする熱交換器の一部を変更した構成について説明する。図３は、同実施の形態１における熱交換器の水管３の異なる構成を示す断面図である。

図３において、図２との相違は、水管３の外周方向に離間し管軸方向に延びる所定深さの凹部８を設けた点である。凹部８の凹みＲ形状は外管７の外径Ｒに合致させることで、外管７と水管３の密着する面積が増加することとなる。その結果、外管７と水管３との熱的に密着する面積が増加することとなり高効率化が図られる。

尚、本発明の実施の形態１では、外管７の本数を３本としているが、２本もしくは４本以上でも同様な効果を得られる。尚、本発明の実施の形態１では、外管７を水管３にロウ付けとしたが、はんだの塗布等でも同様な効果を得られる。

尚、本発明の実施の形態１では、水管３、冷媒管５、外管７は銅製だが、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。

尚、本発明の実施の形態１では、冷媒管５内、及び外管７を流通する冷媒を冷媒である二酸化炭素（二酸化炭素）としたが、Ｒ４１０Ａ等の冷媒でも、ヒートポンプ効率以外では同様な効果を得られる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、管長を長くして伝熱面積を増加させることなく、熱交換器の熱交換性能を向上させることができるもので、冷媒である二酸化炭素を用いた超臨界ヒートポンプ式給湯器や、暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ装置、さらには、家庭用、業務用の空気調和機、あるいはヒートポンプによる乾燥機能を具備した洗濯乾燥機、穀物貯蔵倉庫等のヒートポンプ機器の他に、燃料電池等の熱交換用途にも適用できる。

１ 熱交換器
２ 水（流体Ａ）
３ 水管（第１の管）
４ 二酸化炭素（流体Ｂ）
５ 冷媒管（第２の管）
６ａ 管
６ｂ 漏洩検知管
７ 外管（第３の管）
８ 凹部

Claims (5)

1. 内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管内に配設され内部に流体Ｂが流れる複数の第２の管と、前記第１の管の外周に配設し、内部に流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の第３の管とを有することを特徴とする熱交換器。
2. 第１の管の外周に凹部を設け、前記凹部に第３の管を配設したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 流体Ａと流体Ｂとは対向流となるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 流体Ａを水、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器を搭載したヒートポンプ給湯機。