JP2012247180A5 - - Google Patents
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Description
本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関する。
従来、冷媒と水が熱交換を行う水対冷媒用の熱交換器(以下「水冷媒熱交換器」という。)と膨張弁と蒸発器と圧縮機を冷媒配管で順次接続したヒートポンプ式給湯機において、R410AやR407Cの臨界圧力以下で動作する冷媒に対しては、水冷媒熱交換器の水側伝熱管と冷媒側伝熱管が、伝熱管全長に対して冷媒入口側から1/4ないし1/2へ至る部分の直径が残りの部分よりも小さくされていることで、熱交換器全体での伝熱性能を向上させるというものがある(例えば、特許文献1参照)。
また、前記特許文献1には水冷媒熱交換器の水側伝熱管と冷媒伝熱管が、伝熱管全長に対して冷媒入口側から1/4ないし1/2へ至る部分は、冷媒及び水毎に1通路として流速増加による伝熱性能の向上を図り、伝熱管の残りの部分は2通路とすることで流速が減少し、圧力損失の低減を図る例が示されている。
しかしながら、この構造では臨界圧力以上で動作する冷媒に対しては必ずしも伝熱性能の向上を図れる構造ではないという課題がある。
本発明の目的は、特に臨界圧力以上で動作する冷媒を使う場合において、交換熱量が大きい、または所定の交換熱量に対して必要な寸法の小さい熱交換器を備えるヒートポンプ式給湯機を提供することにある。
本発明は、冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの冷媒と流体を熱交換させて前記流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器からの前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁からの前記冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器と、前記流体及び前記冷媒を必要な経路に流通させる配管とを備え、前記熱交換器は、内部に冷媒が流通する冷媒伝熱管と、流体が流通する流体伝熱管とを備え、冷媒と流体が対向して流れ、前記冷媒は、超臨界冷媒であり、前記流体伝熱管は、流体が高温である部分の熱伝達率が残りの部分と比較して高いことを特徴とする。
また、前記流体伝熱管は、流体の高温である部分が溝付管によって構成され、残りの部分が平滑管によって構成されることが好ましい。
また、前記超臨界冷媒は、二酸化炭素であることが好ましい。
本発明によれば、特に臨界圧力以上で動作する冷媒を使う場合において、交換熱量が大きい、または所定の交換熱量に対して必要な寸法の小さい熱交換器を備えるヒートポンプ式給湯機を提供できる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図1は、本発明の一実施形態(第1の実施形態)のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の正面図及び断面図である。また、図2は、従来の一般的形態(従来の形態)のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の正面図及び断面図である。図3は、給湯システムの概略系統図である。図4は、二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機において従来の形態の水冷媒熱交換器を用いた運転状態及び、理想的な冷凍サイクルのp−H線図である。また、圧力低下と温度低下の関係図である。図5は、二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機において第1の実施形態の水冷媒熱交換器を用いた運転状態及び、理想的な冷凍サイクルのp−H線図である。図6は、二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機における従来の形態の二酸化炭素入口からの距離に対する二酸化炭素及び水の温度分布の一例を示すグラフである。図7は、二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機における第1の実施形態の二酸化炭素入口からの距離に対する二酸化炭素及び水の温度分布の一例を示すグラフである。
水冷媒熱交換器1を備えたヒートポンプ式給湯機10の典型的なシステムでは、左側の冷媒回路においては二酸化炭素4が圧縮機13で圧縮され高圧・高温となり、水冷媒熱交換器1に入って水に放熱し、膨張弁11で減圧され低圧・低温となり、蒸発器12で外気と熱交換して吸熱して圧縮機13に戻る。また、右側の水回路では水冷媒熱交換器1に入った水5が吸熱し、温度が高くなり給湯される。
図2に示すように、従来の一般的形態(従来の形態)の水冷媒熱交換器1は、二酸化炭素4が流通する冷媒伝熱管2と、水5が流通する水伝熱管3とからなり、二酸化炭素4と水5が対向して流れ、二酸化炭素4と水5が熱交換し、冷媒伝熱管2及び水伝熱管3の全長にわたって冷媒伝熱管2及び水伝熱管3がそれぞれ1通路である。
図4に示すように、二酸化炭素を超臨界で作動させるヒートポンプ式給湯機のp−H線図上の水冷媒熱交換器部分(線図上の辺EF部分)は、理想的な冷凍サイクルにおいては圧力一定のため水平となる(図上の線A)。しかし実際の水冷媒熱交換器では冷媒と冷媒管の管摩擦などの影響による圧力損失により、冷媒伝熱管出口に近づくに伴い圧力が低下する(図上の線B)。図4下図の圧力低下と温度低下の関係図より、等エンタルピ線上で冷媒の圧力がΔP低下すると、等温線が垂直から傾いているために冷媒の温度はΔT低下することが分かる。また、エンタルピH1とH2にて比較すると、等温線の傾き及び粗密の関係から、ΔPの圧力低下に対する温度低下はH2の方が大きい。以下、冷媒伝熱管2の二酸化炭素4入口から前記二酸化炭素4の温度が30℃〜50℃以上の部分を冷媒高温部といい、圧力冷媒伝熱管2の残りの部分を冷媒低温部ということにする。
従来の形態の水冷媒熱交換器では、図6に示す通り、水冷媒熱交換器内の冷媒と水の温度差がほとんどない部分が存在してしまい、水冷媒熱交換器の所定の性能が発揮できない問題がある。以上より、冷媒高温部(50度以上の部分、より好ましくは30度以上の部分)での冷媒圧力損失を低減し、冷媒温度低下を防ぐことで冷媒と水との平均温度差を確保し、水冷媒熱交換器の伝熱性能を向上させることが考えられる。
そこで、本発明の一実施形態(第1の実施形態)の熱交換器は、冷媒伝熱管を複数本に分岐し、冷媒伝熱管の前記冷媒が高温であるほど、冷媒伝熱管の分岐数が多い構造を有する。具体的には、図1に示すように、本発明の一実施形態(第1の実施形態)の水冷媒熱交換器1は、二酸化炭素4が流通する冷媒伝熱管2と、水5が流通する水伝熱管3とからなり、二酸化炭素4と水5が対向して流れ、二酸化炭素4と水5が熱交換し、冷媒高温部において冷媒伝熱管2及び水伝熱管3がそれぞれ2通路であり、冷媒低温部において冷媒伝熱管2及び水伝熱管3がそれぞれ1通路である。冷媒高温部にて2通路とすることで、二酸化炭素の質量速度が小さくなり圧力損失は低減される。図5に示すように、冷媒高温部の圧力損失は低減されるため、水平に近くなり、冷媒低温部では従来の実施形態と同様に圧力損失が起こる(図上の線C)。
前記のように冷媒高温部での圧力損失が低減することで温度低下は小さくなり、その結果、図7に示すように冷媒と水との平均温度差は大きくなる。一般に水冷媒熱交換器の交換熱量は、
Q=k×ΔT×A
(Q[W]:水冷媒熱交換器の交換熱量、k[W/(m2k)]:熱通過率、ΔT[K]:冷媒と水の温度差、A[m2]:接触面積)
と表せる。二酸化炭素の特徴として、第1の実施形態の水冷媒熱交換器は冷媒高温部の圧力損失の低減を図ることでkは下がるが、それ以上にΔTが大きくなることで、Qを大きくすることができる。一方で冷媒低温部においては1通路とすることでkを大きくする方がQは大きくなる。以上の効果により水冷媒熱交換器の交換熱量を大きくすることができる、または所定の交換熱量に対して必要な寸法を小さくすることが可能となる。
Q=k×ΔT×A
(Q[W]:水冷媒熱交換器の交換熱量、k[W/(m2k)]:熱通過率、ΔT[K]:冷媒と水の温度差、A[m2]:接触面積)
と表せる。二酸化炭素の特徴として、第1の実施形態の水冷媒熱交換器は冷媒高温部の圧力損失の低減を図ることでkは下がるが、それ以上にΔTが大きくなることで、Qを大きくすることができる。一方で冷媒低温部においては1通路とすることでkを大きくする方がQは大きくなる。以上の効果により水冷媒熱交換器の交換熱量を大きくすることができる、または所定の交換熱量に対して必要な寸法を小さくすることが可能となる。
図8は、本発明の他の実施形態(第2の実施形態)のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の正面図及び断面図である。
水冷媒熱交換器1は二酸化炭素4が流通する冷媒伝熱管2と、水5が流通する水伝熱管3とからなり、二酸化炭素4と水5が対向して流れ、二酸化炭素4と水5が熱交換し、前記冷媒伝熱管2の冷媒高温部が、冷媒低温部と比較して、冷媒伝熱管2の内径が大きいような構造である。このような水冷媒熱交換器1では、冷媒伝熱管2の内径を冷媒高温部で大きくすることで冷媒高温部での二酸化炭素の圧力損失を低減し、圧力低下による温度低下を防いでいる。これにより第1の実施形態と同様に、水冷媒熱交換器1の交換熱量を大きくすることができる、または所定の交換熱量に対して必要な寸法小さくすることが可能となる。
図9は、本発明の他の実施形態(第3の実施形態)のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の正面図及び断面図である。
水冷媒熱交換器1は冷媒伝熱管2の断面形状の扁平率が変化し、冷媒高温部が冷媒低温部と比較して、扁平率が高い構造である。このような水冷媒熱交換器1では、冷媒伝熱管2の扁平率を冷媒高温部で小さくすることで冷媒高温部での二酸化炭素の圧力損失を低減し、圧力低下による温度低下を防いでいる。これにより第1の実施形態と同様に、水冷媒熱交換器1の交換熱量を大きくすることができる、または所定の交換熱量に対して必要な寸法を小さくすることが可能となる。
図10は、本発明の他の実施形態(第4の実施形態)のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の正面図及び断面図である。
第4の実施形態の熱交換器の流体伝熱管は、流体が高温である部分の熱伝達率が残りの部分と比較して高い構造を有する。具体的には、水冷媒熱交換器1は、冷媒高温部の冷媒伝熱管2と熱交換する水伝熱管3の部分が溝付管であり、水伝熱管3の残りの部分が平滑管である構造となっている。このような水冷媒熱交換器1では、冷媒高温部と熱交換する水伝熱管3には溝付管を使うことで、熱交換器が必要な加熱能力を得るために必要な冷媒伝熱管2の高温部の長さが短縮でき、冷媒高温部での冷媒の圧力損失は低減される。これにより第1の実施形態と同様に、水冷媒熱交換器1の交換熱量を大きくすることができる、または所定の交換熱量に対して必要な寸法を小さくすることが可能となる。
上記第1〜4の各実施例においては、冷媒高温部の圧力損失を低減する具体的手段を開示しているが、他の手段を用いて冷媒高温部の圧力損失を低減しても、上記各実施例と同様の効果を達成することができる。
また、上記第1〜4の各実施例においては、冷媒として二酸化炭素を適用し、流体伝熱管を流れる流体として水を適用したが、他の冷媒及び流体を用いても、上記各実施例と同様の効果を達成することができる。
尚、上記各実施例における熱交換器はヒートポンプ式給湯機に適用することができ、具体的には、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの冷媒と流体を熱交換させて前記流体を加熱する上記第1〜4の各実施例に記載の熱交換器と、熱交換器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、膨張弁からの冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器と、流体及び冷媒を必要な経路に流通させる配管及び制御機器とを備えたヒートポンプ式給湯機とすることができる。
また、冷媒として二酸化炭素を適用し、流体伝熱管を流れる流体として水を適用すると、二酸化炭素を圧縮する圧縮機と、圧縮機からの二酸化炭素と水とを熱交換させて水を加熱する上記第1〜4の各実施例に記載の水冷媒熱交換器と、水冷媒熱交換器からの二酸化炭素を膨張させる膨張弁と、膨張弁からの二酸化炭素と外気とを熱交換させる蒸発器と、水及び二酸化炭素を必要な経路に流通させる配管及び制御機器とを備えたヒートポンプ式給湯機とすることができる。
1 水冷媒熱交換器
2 冷媒伝熱管
3 水伝熱管
4 二酸化炭素
5 水
10 ヒートポンプ式給湯機
11 膨張弁
12 蒸発器
13 圧縮機
2 冷媒伝熱管
3 水伝熱管
4 二酸化炭素
5 水
10 ヒートポンプ式給湯機
11 膨張弁
12 蒸発器
13 圧縮機
Claims (3)
- 冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの冷媒と流体を熱交換させて前記流体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器からの前記冷媒を膨張させる膨張弁と、前記膨張弁からの前記冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器と、前記流体及び前記冷媒を必要な経路に流通させる配管とを備え、
前記熱交換器は、内部に冷媒が流通する冷媒伝熱管と、流体が流通する流体伝熱管とを備え、冷媒と流体が対向して流れ、
前記冷媒は、超臨界冷媒であり、
前記流体伝熱管は、流体が高温である部分の熱伝達率が残りの部分と比較して高いことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。 - 前記流体伝熱管は、流体の高温である部分が溝付管によって構成され、残りの部分が平滑管によって構成されることを特徴とする請求項1記載のヒートポンプ式給湯機。
- 前記超臨界冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項1記載のヒートポンプ式給湯機。
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