JP2012242054A - Heat exchanger and heat pump water heater - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、凝縮熱交換器として好適に用いることができる熱交換器、並びに、ヒートポンプ給湯装置に関する。 The present invention relates to a heat exchanger that can be suitably used as a condensation heat exchanger, and a heat pump water heater.
近年、高い省エネ性能及び環境性能を発揮できる給湯装置として、自然冷媒ヒートポンプ給湯装置が開発されている。かかるヒートポンプ給湯装置のCOP(成績係数)を一層向上するためには、凝縮器として機能する給湯用熱交換器の性能向上が重要な課題の一つとされており、従来より、下記特許文献1〜3に例示されるような各種の熱交換器が提案されている。 In recent years, natural refrigerant heat pump hot water supply devices have been developed as hot water supply devices that can exhibit high energy saving performance and environmental performance. In order to further improve the COP (coefficient of performance) of such a heat pump hot water supply apparatus, it is regarded as one of the important issues to improve the performance of a hot water supply heat exchanger that functions as a condenser. Various heat exchangers as exemplified in 3 have been proposed.
特許文献1に記載の捩り管形熱交換器は、水配管の外周に複数条の山谷底部を螺旋状に設け、この水配管の外周に複数の冷媒配管を螺旋状に巻き付け、この水配管を長円コイル状(同文献の図3参照)や長円渦巻状(同文献の図8参照)に構成してなるものである。
The twisted tube heat exchanger described in
特許文献2に記載の熱交換器は、冷媒が流動する流路を有する冷媒配管(第1伝熱管)と、水が流動する流路を有する水配管(第2伝熱管)とを備え、この水配管に冷媒配管を埋設一体化して結合管を形成し、この結合管を渦巻き状に折曲形成して熱交換器本体を構成してなるものである。
The heat exchanger described in
特許文献3に記載の熱交換器は、複数本の第1伝熱管(水配管)と第2伝熱管(冷媒配管)とで構成された伝熱管群を備え、第1伝熱管は互いに接触する状態で一方向に配列され、第2伝熱管は第1伝熱管の片側に隣り合う第1伝熱管の双方に接触するように第1伝熱管に沿って配置され、この伝熱管群が、直線部と一定の曲げ半径で略90°曲がる屈曲部とを交互に繰り返しながら第2伝熱管側に巻き込む渦巻き状に形成されたものである。
The heat exchanger described in
上記特許文献1〜3のいずれも、水が流通する水配管の外周に冷媒配管を埋め込んだ結合管を渦巻き状に折曲げ形成することにより密度の高い巻き形状を実現しようとする着想は開示されている。しかし、自然冷媒ヒートポンプ給湯装置の熱交換器を構成する水配管及び冷媒配管を構成する銅管は、更なる熱交換効率の向上のためにより一層の薄肉化と高強度化とが要求されており、このような薄肉高強度の銅管を隙間無く渦巻き状に折曲げ加工することは困難であるため、渦巻き状に加工するとしても、特殊な加工機を用いなければ渦巻きの内周部と外周部との間に隙間を有するような形状にしか加工できないのが実情である。このように隙間を有する渦巻き状の構成では、配管密度を上げることができず、熱交換器を小型化することができない。
In any of the above-mentioned
そこで本発明は、熱交換配管を渦巻き状に構成しつつも、隙間が少なくなるようにして配管密度を向上させ、これにより熱交換器の小型化を図ることを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to improve the pipe density by reducing the gap while forming the spiral shape of the heat exchange pipe, thereby reducing the size of the heat exchanger.
上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。 In order to achieve the above object, the present invention takes the following technical means.
すなわち、本発明の熱交換器は、第1の流体が流通する第1伝熱管の周囲に第2の流体が流通する一又は複数の第2伝熱管を伝熱可能に配置固定した2つの熱交換配管を備え、各熱交換配管は、渦巻きの内周部と外周部との間に隙間を有する渦巻き状に形成され、2つの熱交換配管が相互に他方の渦巻きの隙間に上下方向に嵌め込まれることにより2重渦巻き状に組付けられていることを特徴とするものである(請求項1)。 That is, the heat exchanger according to the present invention has two heat sources in which one or a plurality of second heat transfer tubes through which the second fluid flows are arranged and fixed so as to transfer heat around the first heat transfer tubes through which the first fluid flows. Each of the heat exchange pipes is formed in a spiral shape having a gap between the inner peripheral part and the outer peripheral part of the spiral, and the two heat exchange pipes are fitted into the other spiral gap in the vertical direction. Thus, it is assembled in a double spiral shape (claim 1).
かかる本発明の熱交換器によれば、各熱交換配管は隙間を有する渦巻き状に形成されているものであるため、特殊なパイプ加工装置を用いなくとも、同一方向への曲げ加工により比較的容易に形成することができる。そして、隙間を有する渦巻き状に曲げ加工された2つの熱交換配管を、相互に他方の渦巻きの隙間に嵌め込むことによって2重渦巻き状に組み付けたので、渦巻き状の曲げ加工時には隙間により作業効率を向上しつつも、組付け後には隙間は他方の熱交換配管によって埋められ、これにより高密度な配管構成が得られ、熱交換器の小型化を図りつつも熱交換効率の向上が図られる。 According to the heat exchanger of the present invention, each heat exchange pipe is formed in a spiral shape having a gap, so that it is relatively easy to bend in the same direction without using a special pipe processing device. It can be formed easily. And since two heat exchange pipes bent into a spiral shape with a gap are assembled into a double spiral shape by fitting them into the other spiral gap, work efficiency is improved by the gap during the spiral bending process. However, after assembly, the gap is filled with the other heat exchange pipe, so that a high-density pipe configuration can be obtained, and the heat exchange efficiency can be improved while reducing the size of the heat exchanger. .
なお、本発明の熱交換器をヒートポンプ給湯装置の凝縮器として用いる場合には、第1伝熱管を水配管(給湯用配管)とし、第2伝熱管を冷媒配管とすることが好ましく、また、各第2伝熱管は第1伝熱管よりも小径に構成するのが良い。 In addition, when using the heat exchanger of this invention as a condenser of a heat pump hot-water supply apparatus, it is preferable that a 1st heat exchanger tube is a water pipe (hot-water supply pipe), and a 2nd heat exchanger tube is a refrigerant | coolant pipe, Each second heat transfer tube is preferably configured to have a smaller diameter than the first heat transfer tube.
上記本発明の熱交換器において、渦巻きの中心部で両熱交換配管の内周側端部同士が接続されている構成とすることができる(請求項2)。これによれば、渦巻き中心部にはある程度の空洞部が生じることを許容せざるを得ないが、この渦巻き中心部の空洞部を両熱交換配管の接続部として利用することにより、より一層の配管密度の向上を図ることが可能となる。 In the heat exchanger of the present invention, inner end portions of both heat exchange pipes may be connected to each other at the center of the spiral (claim 2). According to this, it is necessary to allow a certain amount of cavity to be generated in the spiral center part, but by using the cavity part of the spiral center part as a connection part of both heat exchange pipes, it is possible to further increase the cavity part. It becomes possible to improve the piping density.
さらに、2重渦巻き状に組み付けられた熱交換配管をさらに複数段積層配置することができる(請求項3)。これによれば、渦巻きの外周の大きさを大きくすることなく、配管長を積層段数に応じた倍数にすることができ、限られた設置面積でより一層の配管密度の向上を図ることができる。 Further, the heat exchange pipes assembled in a double spiral shape can be further stacked in a plurality of stages (Claim 3). According to this, the pipe length can be made a multiple according to the number of stacked stages without increasing the size of the outer periphery of the spiral, and the pipe density can be further improved with a limited installation area. .
また、上記本発明の熱交換器を凝縮器として備えたヒートポンプ給湯装置によれば(請求項4)、凝縮器の小型化により給湯装置全体の小型化が図ることができるものでありながら、凝縮器の高密度化によりCOPの更なる向上が図られる。 Moreover, according to the heat pump water heater provided with the heat exchanger of the present invention as a condenser (Claim 4), it is possible to reduce the size of the whole water heater by reducing the size of the condenser. The COP can be further improved by increasing the density of the vessel.
以上説明したように、本発明の請求項1に係る熱交換器によれば、隙間を有する渦巻き状に曲げ加工された2つの熱交換配管を、相互に他方の渦巻きの隙間に嵌め込むことによって2重渦巻き状に組み付けたので、渦巻き状の曲げ加工時には隙間により作業効率を向上しつつも、組付け後には隙間は他方の熱交換配管によって埋められ、これにより高密度な配管構成が得られ、熱交換器の小型化を図りつつも熱交換効率の向上を図ることができる。
As described above, according to the heat exchanger according to
また、本発明の請求項2に係る熱交換器によれば、渦巻き中心部の空洞部を両熱交換配管の接続部として利用することにより、より一層の配管密度の向上を図ることができる。
Moreover, according to the heat exchanger which concerns on
また、本発明の請求項3に係る熱交換器によれば、渦巻きの外周の大きさを大きくすることなく、配管長を積層段数に応じた倍数にすることができ、限られた設置面積でより一層の配管密度の向上を図ることができる。
Further, according to the heat exchanger according to
また、本発明の請求項4に係る熱交換器によれば、凝縮器の小型化により給湯装置全体の小型化が図ることができるものでありながら、凝縮器の高密度化によりCOPの更なる向上を図ることができる。 Moreover, according to the heat exchanger which concerns on Claim 4 of this invention, while the size reduction of the whole hot water supply apparatus can be achieved by size reduction of a condenser, further increase of COP by density increase of a condenser is attained. Improvements can be made.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1〜図5は、本発明の実施形態に係る熱交換器1を示し、図6は、この熱交換器1を凝縮器として用いた自然冷媒ヒートポンプ給湯装置の配管回路構成を示す。まず、ヒートポンプ給湯装置の全体構成について説明すると、図6に示すように、ヒートポンプ給湯装置は冷媒循環回路2と給湯回路3とを組み合わせたものであり、単段蒸気圧縮冷凍サイクルを利用して給湯回路3の水を熱交換加熱し得るようになっている。冷媒循環回路2は圧縮機21と、凝縮器(凝縮熱交換器)1と、減圧手段としての膨張弁22と、蒸発器(熱源用熱交換器)23とを冷媒循環配管24で順に接続したものである。冷媒循環回路2を循環させる冷媒としては、プロパンなどのHC系冷媒や、CO2などの適宜のものを採用できる。又、給湯回路3は、貯湯タンク31と、貯湯タンク31内に貯留された湯水を凝縮器1との間で循環させる水循環配管32と、貯湯タンク31の底部から水を凝縮器32へ圧送し、加熱後に凝縮器1から貯湯タンク31の頂部へと導く給水ポンプ33とを備えて構成されている。そして、これら冷媒循環回路2と給湯回路3とがコントローラ4により作動制御されて、凝縮器1において水がリモコン(図示省略)に入力設定された設定出湯温度に加熱されて貯湯タンク31に貯湯されるようになっている。
FIGS. 1-5 shows the
圧縮機21は電動モータにより作動され、その回転数を作動制御量としてコントローラ4により作動制御されるようになっている。回転数は、コントローラ4から与える運転周波数を変更することで変更制御される。より高圧に圧縮するには回転数を上げ、より低圧にするには回転数を下げることになる。この圧縮機21で圧縮されることで高温気相状態の冷媒が圧縮機21から冷媒循環配管24に吐出され、その吐出温度が吐出温度センサ25により検出されて検出吐出温度がコントローラ4に出力されることになる。
The
凝縮器1は、水循環配管22に接続されて水(第1の流体)が流通する第1伝熱管(水管)11と、冷媒循環配管24に接続されて冷媒(第2の流体)が流通する第2伝熱管(冷媒管)12との間で熱交換するように構成されている。すなわち、冷媒循環配管24に圧縮機21から吐出された高温気相状態の冷媒と、給水ポンプ33により貯湯タンク31の底部から供給された水とが熱交換され、水が熱交換加熱により湯となり、その熱交換により熱が奪われた冷媒は凝縮して液相に相変化する。この相変化のときの凝縮温度が凝縮温度センサ13により検出され、この検出凝縮温度がコントローラ4に出力されることになる。この凝縮温度センサ13による凝縮温度の検出は、凝縮器1における熱交換過程の中間位置での冷媒の温度を検出するものである。
The
膨張弁22は凝縮器1で液相状態になった冷媒を減圧するものである。この膨張弁22は、その開度を作動制御量としてコントローラ4により作動制御される。
The
蒸発器23は、その回転作動により外気を送風するファン23aを備え、この外気と、膨張弁22により減圧された冷媒とを熱交換させることで、冷媒を蒸発させて気相状態に変換するようになっている。この気相状態になった冷媒が再び前記の圧縮機21において圧縮されて高温気相状態になる。
The
一方、給湯回路3では、給水ポンプ33の作動により貯湯タンク31内の水が凝縮器1に圧送される際に、凝縮器1の入口前で入水温度センサ34により熱交換加熱前の入水温度が検出され、この検出入水温度がコントローラ3に出力されるようになっている。又、凝縮器1を通過することで熱交換加熱されて出湯した際に、凝縮器1の出口側で出湯温度センサ35により出湯温度が検出され、この検出出湯温度がコントローラ4に出力されるようになっている。併せて、外気温が外気温センサ36により検出されて、コントローラ4に出力されるようになっている。凝縮器1で加熱された湯は貯湯タンク31の頂部側に戻されて貯留され、以後の給湯に利用されることになる。給湯により貯湯タンク31内の湯水量が減れば、その分だけ給水されるようになっている。
On the other hand, in the hot
次に、上記ヒートポンプ給湯装置において凝縮器として用いられている熱交換器1の好ましい実施形態について図1〜図5を参照しつつ詳細に説明する。
Next, a preferred embodiment of the
本実施形態の熱交換器1は、断面円形の第1伝熱管11の周囲に4本の断面円形の第2伝熱管12を伝熱可能に配置固定した熱交換配管により構成されており、特に、図2及び図3に示す2重渦巻き状に構成された熱交換配管組付体14を、図1に示すように3段に積層配置することによって構成されている。各熱交換配管組付体14は、図4に示す渦巻状に形成された第1の熱交換配管15と、図5に示す渦巻状に形成された第2の熱交換配管16とを2重渦巻状に組み付けることによって構成されている。
The
各熱交換配管15,16は、渦巻の内周部と外周部との間に隙間を有する渦巻状に形成されており、本実施形態においては平面視ほぼ長方形状の渦巻状に形成されている。上記の渦巻の隙間は、各熱交換配管15,16の渦巻の中途部の断面幅よりも若干大きな寸法となされている。このような長方形状の渦巻状は、直管を所定寸法毎の数カ所において一方向に折曲げ加工することによって得ることができ、また、上記の隙間の存在により作業効率も良く、容易に高い生産性で各熱交換配管15,16を加工できる。また、第1伝熱管11と第2伝熱管12とを個別に渦巻き状に曲げ加工した上で両伝熱管をロウ付け等により固定することにより各熱交換配管15,16を構成してもよく、第1伝熱管11の周囲に第2伝熱管12を固定した上で両伝熱管11,12を同時に渦巻き状に曲げ加工してもよい。
Each of the
また、各熱交換配管15,16の第2伝熱管(冷媒管)12は、第1伝熱管(水管)11よりも小径とされているとともに、両者の軸方向は平行に配置されている。4本の第2伝熱管12は、第1伝熱管11の渦巻外周側上部、渦巻外周側下部、渦巻内周側上部及び渦巻内周側下部にそれぞれ配設されている。
The second heat transfer pipe (refrigerant pipe) 12 of each
そして、これら熱交換配管15,16は相互に他方の渦巻きの隙間に上下方向から嵌め込まれ、これにより上記熱交換配管組付体14が構成されている。この組付体14において、図3に示すように、第1及び第2の熱交換配管15,16の第1伝熱管11同士、及び、第2伝熱管12同士の間には微小な隙間を有して組み付けられており、これにより水及び冷媒の循環経路の途中で熱がリークすることを回避している。なお、かかる微小隙間を安定的に確保するために、所定部位にスペーサを埋め込んでもよいし、また、第1及び第2の熱交換配管11,12を組付け後に互いにロウ付け固定してもよい。
These
また、各熱交換配管15,16の第1及び第2伝熱管11,12は、渦巻形状の中心部においてそれらの内周側端部同士が相互に接続されており、第1及び第2の熱交換配管15,16のいずれか一方の外周側端部から流入した水及び冷媒は、両熱交換配管15,16を通過する間に水と冷媒との間で熱交換して水を加熱し、その後他方の外周側端部から流出されるようになっている。なお、水と冷媒とは、熱交換配管15,16における流れ方向を逆方向とするのが良い。
In addition, the first and second
第1及び第2伝熱管11,12の渦巻中心部での接続方法はどのようなものでもよいが、本実施形態では、一方の熱交換配管16の内周側端部に軸方向にスライド可能な接続管19,20を設けておき、両熱交換配管15,16を上下方向から組み付ける際は接続管19,20を後退させておき、組付け後に接続管19,20を他方の熱交換配管15の内周側端部に向けてスライドさせることによって接続している。この接続管19,20は、接続後にロウ付け固定しておくことが好ましい。
Any connection method may be used at the spiral center of the first and second
各熱交換配管15,16の外周側端部は、周方向にほぼ同じ位置に開口形成されている。その外周側に位置する熱交換配管15においては、その第1伝熱管11の外周側端部は直管状に突設され、第2伝熱管12の外周側端部は前後外方に屈曲形成されている。また、外周側端部において内周側に位置する熱交換配管16においては、その第1伝熱管11の外周側端部は同様に直管状に突設されているが、外周側の熱交換配管16の第1伝熱管11よりも短く形成されており、また、内周側の熱交換配管16の第2伝熱管12は前後内方に向けて屈曲形成されている。
The end portions on the outer peripheral side of the
そして図1に示すように、最下段の第1の熱交換配管15の第1伝熱管11と中段の第1の熱交換配管15の第1伝熱管11、中段の第2の熱交換配管16の第1伝熱管11と最上段の第2の熱交換配管16の第1伝熱管11、最下段の第1の熱交換配管15の第2伝熱管12と中段の第1の熱交換配管15の第2伝熱管12、及び、中段の第2の熱交換配管16の第2伝熱管12と最上段の第2の熱交換配管16の第2伝熱管12が、それぞれU字状の管接続部材17,18によって接続されている。これにより、最下段の第2の熱交換配管16の第1伝熱管11の外周側端部から流入した水は、最下段の第2の熱交換配管16、最下段の第1の熱交換配管15、中段の第1の熱交換配管15、中段の第2の熱交換配管16、最上段の第2の熱交換配管16及び最上段の第1の熱交換配管15を順次経由して、最上段の第1の熱交換配管15の第1伝熱管11の外周側端部から流出される。
As shown in FIG. 1, the first
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、第2伝熱管は、第1伝熱管の周囲に1本のみ配置固定してもよく、2本、3本或いは5本以上の適宜の本数とすることができる。また、上記実施形態では、第1伝熱管及び第2伝熱管は断面円形の直管を渦巻状に加工したものを採用したが、上記特許文献1及び2に記載されているような結合管を採用することも可能である。また、第1及び第2の熱交換配管15,16同士を、上記実施形態では渦巻の中心部で接続したが、渦巻の外周端部で接続して、渦巻の中心部の開口端部を各流体(水及び冷媒)の流出入口として用いることもできる。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate. For example, only one second heat transfer tube may be arranged and fixed around the first heat transfer tube, and the number of the second heat transfer tubes may be two, three, or five or more. In the above embodiment, the first heat transfer tube and the second heat transfer tube are formed by processing a straight tube having a circular cross section into a spiral shape. However, a coupling tube as described in
1 熱交換器(凝縮器)
11 第1伝熱管(水管)
12 第2伝熱管(冷媒管)
15 第1の熱交換配管
16 第2の熱交換配管
1 Heat exchanger (condenser)
11 1st heat transfer tube (water tube)
12 Second heat transfer tube (refrigerant tube)
15 1st heat exchange piping 16 2nd heat exchange piping
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