JP2011179703A - 空気熱交換器並びにそれを用いたヒートポンプ式給湯器及び空調機 - Google Patents

Abstract

【課題】ファンレスの空気熱交換器の提案。
【解決手段】家屋のバルコニー床の一部が中抜き構造の開口部となっており、前記開口部で三層構造（下層部と上層部では、多数の空隙を持つ敷き板を、中層部では、冷媒コイルを置く）で構成される空気熱交換器。
【選択図】 図１

Description

本発明は、住宅のバルコニー床と一体となった空気熱交換器に関する。

ヒートポンプ式給湯器（以下、「ＨＰ式給湯器」と称することもある）は、エネルギー効率が高く、特に冷媒に二酸化炭素を用いた超臨界圧のものは給湯温度が９０℃程度と高温であり、近年、特に家庭用として普及が進んでいる。

ＨＰ式給湯器は、概略、次の熱サイクル（冷媒回路）を持つ。つまり、冷媒を圧縮機で圧縮することで冷媒を昇温し、その熱せられた冷媒により水熱交換器において水を熱し、その後、熱交換で温度が低下した冷媒を膨張弁にて急激に圧力降下させる（断熱膨張させる）ことで冷媒温度も急激に低下させ、その冷媒を空気熱交換器（蒸発器）において周囲の空気を吹き付け昇温し、また最初に戻って、圧縮機で冷媒を圧縮する以降の熱サイクルを繰り返す。

この空気熱交換器においては、周囲の空気をこれに吹き付けるため、ファンをかなりの速度で稼働する。そのため、ファンによる騒音又は振動が場合によっては問題視されることがある。
焚上げた温水を保温すること、および、時間帯別料金制度の適用により電気料金が安価であるのが朝方までであることから、朝方にヒートポンプを稼働させ湯を焚上げる制御をするのが普通であるが、これにより、例えば集合住宅等では周辺のヒートポンプが全て稼働し、単器においては大した騒音ではないのに、多数のヒートポンプが稼働することにより騒音が大きくなることもある。
また、振動に敏感な人は、ファンの稼働による発生する低周波振動に極めて大きな不快感を示す場合もあり、基準以下の振動であるにもかかわらず、ファン稼働を問題視する者もいる。

一方、ヒートポンプには騒音や振動の発生源として圧縮機もあるが、空気熱交換器と異なり、外気と接触する必要が無く、外気と遮断してしまえば、問題となることはない。

このようなことから、空気熱交換器をファンレスで動作することができれば、騒音や振動の問題がなくなり、また、ファン稼働によるエネルギー消費もなくなり、省エネルギーを図ることができる。

しかし、ファンレスにした場合（つまり、自然風のみ用いる場合）は、空気熱交換器の単位面積当たりの風量が少ないので、より広い面積の空気熱交換器が必要になる（単位面積当たりの風量が少なくなっても、面積が大きくなれば、空気からのトータルでの吸熱量は遜色なくなる）。そのため、外気のあたるバルコニー（ベランダ）の活用が考えられる。

そして、バルコニーに着目することについては既に先行技術があり、太陽熱と自然風による大気熱を利用するフィン及び集熱パイプで構成した集熱器をバルコニーの手すりに設置することが既に提案されている（特許文献１）。

特開２００８−３０４１６７号公報

しかし、特許文献１に示すように手すり部分に集熱器（空気熱交換器）を設置すると、自然風（特に、上昇気流と下降気流）を十分に生かし切れない嫌いがあった。また、手すり部分を吹き抜ける風も家屋のバルコニーの床や壁（集合住宅においては隣家との仕切り板も含む）により遮られ、熱交換効率が低くなる嫌いがあった。

そこで、発明者らは、この課題を解決すべく、バルコニーの床に空気熱交換器を嵌め込むことを考えた。つまり、次の構成の空気熱交換器：
家屋の屋外方向への平板状の突出部（バルコニーの床など）の一部で中抜き構造となることで形成される開口部において下層部、中層部及び上層部の三層構造により構成される空気熱交換器において、
前記下層部は、（クレーチング又はエキスパンドメタル状の）多数の空隙を持つ、空気が容易に導通できる敷き板を前記開口部に係合又は嵌合してなり、
前記中層部では、（略九十九折り状に形成した）冷媒コイルを前記開口部に係合又は嵌合させ、
前記上層部は、（クレーチング又はエキスパンドメタル状の）多数の空隙を持つ、空気が容易に導通できる敷き板を前記開口部に係合し又は嵌合してなることを特徴とする空気熱交換器、
を発明した。

更に、上記の空気熱交換器をヒートポンプ回路の空気熱交換器（蒸発器又は凝縮器）として使用することを特徴とするヒートポンプ式給湯器又は空調機、
を発明した。

本発明により、空気熱交換器における騒音や振動の問題がなくなり、また、ファン稼働によるエネルギー消費もなくなり、省エネルギーを図ることができる。更に、給湯器等の室外機容積の約半分を占めていたファンや空気熱交換器が不要となることから、室外機を小さくでき、省スペース化を図ることができる。

本発明の空気熱交換器の三層構造を示す図面である。 本発明の実施形態であり、熱交換ユニットを設置するバルコニー床の平面図である。 本発明の実施形態であり、熱交換ユニットを設置するバルコニー床の断面図である。 三層構造の各層の平面図を示す図面である。 熱交換ユニットの接続方法を示す図面である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（実施例の説明）
図１は、本発明の空気熱交換器の概略構成を示すものである。
空気熱交換器１は、家屋又は集合住宅のバルコニー床２の開口部３に、下層部４，中層部５及び上層部６の三層構造により構成されている。ここでバルコニーは、通常の生活空間に含まれるものに限らず、例えば、避難用バルコニーなど、日常的に利用しないものであってもよい。

下層部４は、中層部５及び上層部６を保持し、並びに、それらの落下を防止するものである。グレーチングやエキスパンドメタル等の多数の空隙を持ち、その空隙から空気が容易に通過できるものを敷き板として開口部３に設けた受枠（受台）７ａに係合する。そして、受枠７ａに設けてある連結穴（図示せず）にボルト等（図示せず）にて固定し、落下しないようにする。
中層部５は、空気熱交換器１の主要素である熱交換ユニット８を設置する空間である。熱交換ユニットは、冷媒の流路となる冷媒コイル９及び熱交換効率向上させるフィン１０を備えてなる。
上層部６は、中層部５に設置した熱交換ユニット８を保護するとともに、バルコニー床２で人間が歩けたり、物を置けたりできるよう、敷き板をおく。この敷き板は、下層部４と同様に、多数の空隙を持ち、その空隙から空気が容易に通過できるものにより構成される。上層部６は、受枠７ｂに係合し又は嵌合し、受枠７ｂに設けてある連結穴（図示せず）にボルト等（図示せず）にて固定する。

この三層構造による空気熱交換器１は、上述のように空気が容易に通過できるように作られており、自然風（上昇気流、下降気流も含む）が冷媒コイル９に吹き付けることにより、空気の温熱を吸収できる。

図２は、本発明を適用したバルコニー床２の平面図であり、図３は図２の断面図（図３（ａ）は図２のＡ１−Ａ２断面におけるもの、図３（ｂ）は図２のＢ１−Ｂ２断面におけるもの）である。
自然風により必要な温熱を取り込むためには、空気熱交換器１の面積を広く取らなければならない（つまり、熱交換ユニット８を複数個設置しなければならない場合が多い）。一方、バルコニー床２は、一般に、横長形状である。そのため、図２に示すように、バルコニー床２に複数の開口部３を隣接するように一列に設ける（必要のない開口部は、チェッカープレートなどで蓋をしてもよい）。バルコニー床２は、通常は、鉄筋コンクリート等による片持梁１３により下から支持されており、その支持部分には開口部３は設けない。

開口部３（つまり、熱交換ユニット８）のサイズは、日本の建築が一間（約１．８２メートル）を基準とすることが多いこと、また、施工性を確保ためにあまり大きくできないことなどから、半間程度（受枠の寸法も考慮に入れて、半間より若干小さい８０センチメートル程度）四方とするのが都合がよい。つまり、この場合だと、二間長のバルコニーには、４つの開口部３（熱交換ユニット８）が配置される。

また、連絡溝１５をバルコニー床２に設ける。これは、複数の開口部３に設置した熱交換ユニット８の間を連結し、また、熱交換ユニット８とヒートポンプの膨張弁（図示せず）及び圧縮機（図示せず）の間を接続するためには、冷媒管１６を設置することが必要となるが、これを導通させるためのものである。また、後に述べる冷媒管１６を接続する接続器１７を収納するスペースとして用いてもよい。
この連絡溝１５の部分にも、開口部３における上層部６と同様に、敷き板を置き、上から塞ぐ必要がある。開口部３の部分にある受枠７ｂは、この連絡溝１５の部分にも同じ水平レベルで延長されており、この受枠７ｂに係合し又は嵌合し、受枠７ｂに設けてある連結穴（図示せず）にボルト等（図示せず）にて固定する。
ただし、連絡溝１５の部分は通風性を考慮せずともよいので、敷き板は、エキスパンドメタルなどではなく、普通の鋼板またはチェッカープレートなどでもよく、また、開口部３の部分にある受枠７ａをこの連絡溝１５の部分にも同じ水平レベルで延長することで連絡溝の下床１４（バルコニー床２と共通の材にて構成）とし、下部を塞ぐ（冷媒管１６を安定的に配設するためにも、下部を塞いだ方が都合がよい）。

図４は、下層部４（図４（ａ））、中層部５（図４（ｂ））、上層部６（図４（ｃ））を構成するものの平面図である。
図４（ａ）は、グレーチングを適用した場合のものである（グレーチングは、ＪＩＳ
Ｇ３３５１にて規定されている）。バルコニー床２は、人間も載るものであることから、下層部は、より高い安全性を確保するために、エキスパンドメタルなどよりも強固なグレーチングを用いた方がよい。また、これは、受枠７ａに係合させ、ボルト等により受枠７ａでバルコニー床２に固定してもよいが、取り外しできないように、コンクリートにて枠部分を固定し、バルコニー床２と一体化してもよい（中層部の熱交換ユニット８は、経年劣化又は設計変更等により交換が必要になる可能性があり、そのため、中層部と上層部は取付け取外しできる構造でなければならないが、下層部は固定していても構わない。）。
図４（ｂ）は、熱交換ユニット８を示している。これは、銅製の冷媒管を九十九折り状に形成して冷媒コイル９を構成し、この冷媒コイル９にはアルミの薄い板からなるフィン１０を取り付け、更に、隣の開口部３に設置した別の熱交換ユニット８との接続等のための冷媒管１６を接続する接続器１７からなる。ここで、フィン１０は独立したものとして取り付けてあるが、代替として次に述べる上層部６のエキスパンドメタルを冷媒コイル９に点溶接しても、熱交換効率の向上が図られ、また、部材の削減もできる。熱交換ユニット８の取り付けは、冷媒コイル９等にバインド線を巻き付け、下層のグレーチングに固縛してもよいし、また、次に述べる上層部６のように、熱交換ユニット８に枠１９（図示せず）を取り付け、枠１９と受枠７ｂ（又は下層部４のグレーチング）の間でボルト締め等を行い、固定してもよい。
図４（ｃ）は、エキスパンドメタルを適用した場合であり、エキスパンドメタル１８を枠１９に嵌め込んだものである。枠１９は、受枠７ｂに係合または嵌合させ、枠１９と受枠７ｂの間でボルト締め等を行い、バルコニー床２に固定する。また、上層部は、住人の目に触れる部分であることから、より見栄えを求めるのであれば、肉厚なパンチングメタル（打抜金網）を用いてもよい。

上述で、空気からの温熱吸収のためには、複数の熱交換ユニット８の設置が必要になると説明しているが、それらの接続方法の一例を図５に示す。これは、隣り合う開口部３に設置された二つの熱交換ユニット８ａ、８ｂを直列に接続したものであり（直列数は、必要とする温熱や設置場所の年平均気温等により変わってくる）、膨張弁から排出された冷媒をこの２直列した熱交換ユニットに引き込み、周囲の空気から自然吸熱し、温熱をもらった冷媒を圧縮機に送ることになる。接続器１７ａ，１７ｂは、冷媒管１６をボルト締め等にて接続できるようになっている。二酸化炭素を用いたＨＰ式給湯装置の場合は、この部分（つまり、膨張弁から圧縮機の部分）の冷媒圧力は３ＭＰａ程度と、かなり高圧なので、相応の肉厚のもの及び接続強度を有するものを選択する。
また、普通、熱交換ユニット８は、直列しても圧損が著しく大きくないので直列接続とするが、並列接続としてもよい。

なお、開口部３には雨水も入り込み、また、熱交換ユニット８は結露することもある。そのため、特に集合住宅においては、下層部４、中層部５、上層部６を水平から若干傾斜をつけるとともに、排水溝を設け、下の家のバルコニーに雨だれ等が落ちないようにしてもよい。

更に、この空気熱交換器１は、ヒートポンプ式給湯器だけでなく、空調機にも適用することができる。

１ 空気熱交換器
２ バルコニー床
３ バルコニー床の開口部
４ 下層部
５ 中層部
６ 上層部
７ 受枠
８ 熱交換ユニット
９ 冷媒コイル
１０ フィン
１１ 手すり
１２ 壁
１３ 片持梁
１４ 連絡溝の下床
１５ 連絡溝
１６ 冷媒管
１７ 接続器
１８ エキスパンドメタル
１９ 枠

Claims (3)

1. 家屋の屋外方向への平板状の突出部の一部で中抜き構造となることで形成される開口部において下層部、中層部及び上層部の三層構造により構成される空気熱交換器において、
   前記下層部は、多数の空隙を持つ、空気が容易に導通できる敷き板を前記開口部に係合又は嵌合してなり、
   前記中層部では、冷媒コイルを前記開口部に係合又は嵌合させ、
   前記上層部は、多数の空隙を持つ、空気が容易に導通できる敷き板を前記開口部に係合し又は嵌合してなることを特徴とする空気熱交換器。
2. 請求項１に記載の空気熱交換器をヒートポンプ回路の空気熱交換器として使用することを特徴とするヒートポンプ式給湯器。
3. 請求項１に記載の空気熱交換器をヒートポンプ回路の空気熱交換器として使用することを特徴とする空調機。

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