JP2012107768A

JP2012107768A - 水冷媒熱交換器

Info

Publication number: JP2012107768A
Application number: JP2010254679A
Authority: JP
Inventors: Osamu Aoyanagi; 治青柳; Kazuhiko Machida; 和彦町田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2012-06-07

Abstract

【課題】水の流路抵抗を抑えながら熱交換性能に優れた水冷媒熱交換器を提供すること。
【解決手段】水と冷媒を熱交換させ、前記冷媒を二酸化炭素とし、前記水の入口部１２１より前記水の出口部１２２との間の略中央部に、水の流路抵抗が最大となる部位を設けたことを特徴とする水冷媒熱交換器１００で、これにより、乱流促進などの効果による高効率化を図ると水の流路抵抗が増大するが、略中央部に限定することで、一部分は流路抵抗が大きいものの水冷媒熱交換器全体の水の流路抵抗は最小限に抑えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の構成に関するものである。

従来の水冷媒熱交換器について説明する。図７は、従来の水−冷媒熱交換器の内管の構成を示す要部斜視図である。従来の水−冷媒熱交換器は、２本の中径管１１を互いに密着させながら絡み合うように螺旋状にねじり合わせ、大径管１０内に挿入されている。中径管１１の表面には多数の溝が設けられている。

これにより、大径管１０内を流れる流体と中径管内を流れる流体は螺旋状に乱流化され、さらに中径管１１表面多数の溝により伝熱面積を拡大することにより、伝熱促進が図れ、熱交換効率の高い水冷媒熱交換器がえられるというものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−３２１８３号公報

冷媒に二酸化炭素を用いた冷凍サイクルでは、高温側が超臨界領域を利用した冷凍サイクルで、このような超臨界領域では、圧力が一定であっても温度は大きく変化する。

このような冷凍サイクルに冷媒と水を対向流に流した水冷媒熱交換器を用いた場合、冷媒と水との温度差は、水入口部での温度差が小さく、次第に大きくなるが、中央付近では再び温度差が小さくなり、さらにこの領域を過ぎると水出口に行くに従い、温度差は再び大きくなるという特性を有している。

このような冷凍サイクルに上記従来の構成の水冷媒熱交換器を用いると、高性能化とはなるものの、中径管１１の表面に溝を設けることで、大径管１０内を流れる水の流路抵抗が著しく増大してしまい、水を送るポンプが同じであれば、流せる水の流量が少なくなってしまう。

また、流せる水の流量を確保しようとすると、水を送るポンプの容量を大きくする必要があり、これによりポンプの入力が増加してしまい、機器の効率を低下させ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、水の流路抵抗を抑えながら熱交換性能に優れた水冷媒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、本発明の水冷媒熱交換器は、水の入口部から出口部との間の略中央部に、水の流路抵抗が最大となる部位を設ける。また、水流路断面積を水の出口側が最大となる構成とする。さらに、水が流れる大径管と、冷媒が流れる小径管と、前記小径管の外周に密着させた複数本の中径管とを備え、前記大径管と前記中径管の水流路内に、挿入部材を配置する。

本発明によれば、水の流路抵抗を抑えながら熱交換性能に優れた水冷媒熱交換器を提供できる。

本発明の実施の形態１における水冷媒熱交換器の平面図本発明の実施の形態１における水冷媒熱交換器の側面図本発明の実施の形態１における水冷媒熱交換器の略構成図水冷媒熱交換器内の水と冷媒の温度分布のグラフ本発明の実施の形態２における水冷媒熱交換器の略構成図図４のＣ−Ｃ断面図従来の水冷媒熱交換器の略構成図従来の水冷媒熱交換器の内管の構成を示す要部斜視図

第１の発明は、水と冷媒を熱交換させ、前記冷媒を二酸化炭素とし、前記水の入口部より前記水の出口部との間の略中央部に、水の流路抵抗が最大となる部位を設けたものである。これにより乱流促進などの効果による高効率化を図ると水の流路抵抗が増大するが、略中央部に限定することで、一部分は流路抵抗が大きいものの水冷媒熱交換器全体の水の流路抵抗は最小限に抑えることができる。また、略中央部で局部的に高効率化を図ることで、冷媒と水の温度差の小さい略中央部の領域を小さくでき、圧力損失の増大を抑えた高効率な水冷媒熱交換器を提供できる。

第２の発明は、水の流路断面積は、水の入口側より略中央部の方が、小さくなるように構成する。これにより、水側の流速を速くすることができ、第１の効果が得られるものである。

第３の発明は、水の流路断面積を、水の出口側が最大となるように構成したものである。これにより、温度の高いところで析出しやすいカルシウムやマグネシウムのスケールの析出による流路の閉塞を抑えることができる。

第４の発明は、水が流れる大径管と、冷媒が流れる小径管と、前記小径管の外周に密着させた複数本の中径管とを備え、前記大径管内に前記中径管を設けたものである。これにより、高温の冷媒を内側に流すことで、冷媒の熱を最大限に水に伝えることができる。

第５の発明は、大径管と中径管の水流路内に、挿入部材を配置したものである。大径管と中径管の水流路内に、挿入部材を配置することで、容易にしかも任意に略中央部で局部的に水の流路の断面積を小さくでき、水流速を速くすることができる。

これにより、高効率化を図ることができ、冷媒と水の温度差の小さい略中央部の領域を小さくでき、圧力損失の増大を抑えた高効率な水冷媒熱交換器を提供できる。

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）
本発明の第１の実施の形態について、図１〜図４を用いて説明する。図１に平面図、図２に側面図、図３に略構成図を示す。また、図４は、横軸に水の入口から出口までの長さ、縦軸に温度を表し、水の温度を実線、冷媒の温度を破線で表した温度のグラフを示す。

図１〜図３において、１００は水冷媒熱交換器、１０１、１０２、１０３はそれぞれ大径管Ａ、大径管Ｂ、大径管Ｃであり、１３１は冷媒入口管、１３２は冷媒出口管、１２１は水入口管、１２２は水出口管を示す。１１２は小径管、１１１は中径管を示す。また、Ａは大径管Ａ１０１と大径管Ｃ１０３の接続部、Ｂは大径管Ａ１０１と大径管Ｂ１０２の接続部である。

図１〜図３において、高温の二酸化炭素の冷媒は、冷媒入口管１３１から流入し（矢印１９３）、中径管１１１内に密着成形された小径管１１２内を通り、冷媒出口管１３２より流出する（矢印１９４）。ここで、中径管１１１は大径管Ａ１０１、大径管Ｂ１０２、大径管Ｃ１０３内に挿入されており、低温の水は、中径管１１１の外側部分であり、大径管Ａ１０１、大径管Ｂ１０２、大径管Ｃ１０３の内側部分で形成する隙間を流れる。

また、低温の水の流れは、水が水入口管１２１からから流入し（矢印１９１）、大径管Ａ１０１、１０２、１０３内を通り、水は水出口管１２２より流出する（矢印１９２）。ここで、大径管Ａ１０１と１０３とは、接続部Ａで、また、大径管Ａ１０１と１０２は接続部Ｂで接続されている。

さらに、大径管Ａ１０１と１０２と１０３の内径は、大径管Ｃ１０３が最も小さく、大径管Ｃ１０３より大径管Ａ１０１の内径が大きく、さらに大径管Ａ１０１より大径管Ｂ１０２の内径が大きく、大径管Ｂ１０２が最も内径が大きい管で構成されている。また、大径管Ｃ１０３の使用個所としては、水入口と水出口のほぼ中央部に配置する。

以上のように構成された水冷媒熱交換器について、以下の動作、作用を説明する。

冷媒に二酸化炭素を用いた冷凍サイクルにおける水冷媒熱交換器の冷媒と水の温度分布のグラフを図４に示すが、冷媒と水の温度差が小さい領域が水入口部と水出入口の中央付近の２か所に存在する。

特に、中央付近の温度差の小さい領域は一般にピンチ温度と呼ばれ、超臨界領域を用いる冷凍サイクル特有のものである。このピンチ温度付近では、温度差が小さいため能力が小さく、冷媒のエンタルピーの変化も小さくなってしまう。

このため、どうしても熱交換器の長い領域を使って熱交換することとなる。実施の形態１の場合、ピンチ温度付近で、最も内径の小さい大径管Ｃ１０３を用いることで水流路断面積を小さくし、水流速を向上させることで熱伝達率を向上させている。

これにより、大径管Ｃ１０３のところでは、水側の流路抵抗が増大するものの、長さとして短い領域であり、水冷媒熱交換器全体の流路抵抗の増大を抑制でき、使用するポンプの容量を最大限に活かした設計を可能にでき、最良の構成で熱伝達率を向上させることができる。

また、大径管Ａ１０１の内径より大径管Ｂ１０２の内径を大きくすることは次のような効果を可能とする。低温の水は、水入口１９１から入り、小径管内を通る高温の流体と熱交換しながら徐々に温度が上昇し、水出口１９２付近ではかなりの高温になる。

水が高温になると、低温では溶け込むことができたスケール成分（例えば、カルシウムやマグネシウムなど）は、高温では固体となって析出してしまう。析出したスケールは、中径管１１１の外表面や大径管Ｂ１０２の内表面に付着し、水が通過する際の圧力損失を増大させてしまう。

ここで、大径管Ａ１０１の内径よりも高温部に使用する水管の内径を大きくした大径管Ｂ１０２を用いることで、スケールが多少付着しても圧力損失の急激な上昇を抑制でき、長期間の使用に耐える水冷媒熱交換器を有することができる。

以上により、本発明の水冷媒熱交換器によれば、水の入口部から出口部との間の略中央部に、水の流路抵抗が最大となる部位を設け、乱流促進などの効果による高効率化を図ることで、一部分は流路抵抗が大きいものの水冷媒熱交換器全体の水の流路抵抗は最小限に抑えることができる。

また、略中央部で局部的に高効率化を図ることで、冷媒と水の温度差の小さい略中央部の領域を小さくでき、圧力損失の増大を抑えた高効率な水冷媒熱交換器を提供できる。また、水の流路断面積を水の出口側が最大となるように構成することで、温度の高いところで析出しやすいカルシウムやマグネシウムなどのスケールの析出による流路の閉塞を抑えることができる。

また、水が流れる大径管と、冷媒が流れる小径管と、前記小径管の外周に密着させた複数本の中径管とを備え、前記大径管と前記中径管の水流路内に、挿入部材を配置することで、容易にしかも任意に略中央部で局部的に高効率化を図ることができ、冷媒と水の温度差の小さい略中央部の領域を小さくでき、圧力損失の増大を抑えた高効率な水冷媒熱交換器を提供できる。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態について、図５〜図６を用いて説明する。図５は実施の形態２の略構成図、図６は図５におけるＣ−Ｃ断面での断面図である。

図５、図６において、１０１、１０２はそれぞれ大径管Ａ、大径管Ｂであり、１１１は中径管、２０１は大径管Ａ１０１、大径管Ｂ１０２と中径管１１１とで形成する水流路２０２内に挿入された挿入部材である。

実施の形態１では、最も内径の小さい大径管Ｃ１０３を用いて水側の流路面積を小さくしたが、実施の形態２では、挿入部材２０１をピンチ温度付近に挿入することで水側の流路面積を小さくするものである。

これにより、実施の形態１で説明した同様の作用が得られ、挿入部材２０１を挿入した部分では、水側の流路抵抗が増大するものの、長さとしては短い領域であり、水冷媒熱交換器全体の流路抵抗の増大を抑制でき、最良の構成で熱伝達率を向上させることができる。

また、実施の形態１では、大径管Ｃ１０３の内径が中径管１１１の直径の２倍までしか小さくできないが、実施の形態２の挿入部材２０１を挿入することで、さらに流路面積を小さくでき、さらに最良の形態を構成できる。また、大径管Ｂ１０２の効果については、実施の形態１と同様の効果が期待できる。

以上のように、本発明に係る水冷媒熱交換器は、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。

１００水冷媒熱交換器
１０１大径管Ａ
１０２大径管Ｂ
１０３大径管Ｃ
１１１中径管
１１２小径管
１２１水入口管
１２２水出口管
１３１冷媒入口管
１３２冷媒出口管
２０１挿入部材
２０２中径管と大径管で形成された水流路

Claims

水と冷媒を熱交換させ、前記冷媒を二酸化炭素とし、前記水の入口部より前記水の出口部との間の略中央部に、水の流路抵抗が最大となる部位を設けたことを特徴とする水冷媒熱交換器。
水の流路断面積は、水の入口側より略中央部の方が、小さくなるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の水冷媒熱交換器。
水の水流路断面積は、水の出口側が最大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に記載の水冷媒熱交換器。
水が流れる大径管と、冷媒が流れる小径管と、前記小径管の外周に密着させた複数本の中径管とを備え、前記大径管内に前記中径管を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水冷媒熱交換器。
前記大径管と前記中径管の水流路内に、挿入部材を配置したことを特徴とする請求項４に記載の水冷媒熱交換器。