JP2015200428A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ式加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換温度差を均一化して熱交換性能を高めた熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ加熱装置を提供する。
【解決手段】本発明の熱交換器は、第１の流体が流通する第１の流路２１、２２、２３、２４と、第２の流体が流通する複数に分岐した第２の流路１１、１２、１３とを有し、第１の流体と第２の流体の主流は対向する方向の成分を持って流通し、前記第１の流路２１、２２、２３、２４は、その主流方向に沿って、複数に分岐した異なる第２の流路１１、１２、１３と複数回入れ替わり接している。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ加熱装置に関する。

冷媒を用いて水を温水に加熱するヒートポンプ式加熱装置の水冷媒熱交換器において、水流路または冷媒流路のどちらか一方に対して、もう一方の流路を２分岐させて挟み込むように接触させることで熱交換を行う技術がある。ここで、熱交換器の性能は２種類の流体が流れる流路の接触面積(伝熱面積)に依存するため、接触面積(伝熱面積)を確保するために熱交換器の流路が長くなるという課題があった。

図１９は、従来の水冷媒熱交換器を示す一部切り欠き断面を含む斜視図である。
前記の課題に対して、従来、図１９に示すように、水冷媒熱交換器９０１の水流路と冷媒流路とを、水流路８１、８２、８３と冷媒流路９１、９２のようにそれぞれ複数に分岐させ、層状に重ねることで接触面積を増やしたものが提案されている。つまり、従来の水冷媒熱交換器９０１は、２層の冷媒流路９１、９２と３層の水流路８１、８２、８３を平行に配置した構造であり、水と冷媒を対向する方向に流通させることで熱交換を行う。

特開２００８−２９８３１１号公報

従来技術に代表される複数に分岐させた流路を層状に重ね合わせた熱交換器は、複数の流路の全体流量に対する流量比が均等でない場合に熱交換の効率が悪化しやすいという解決すべき課題がある。例えば、水−冷媒熱交換器９０１において、水流量が多い第３水流路８３では、入水温度と第２冷媒流路９２の冷媒出口温度の差がほぼゼロになり、水流量が少ない第１水流路８１では入水温度と第１冷媒流路９１の冷媒出口温度の差がゼロにならない条件を考える。

図２０に、図１９に示す従来の水冷媒熱交換器９０１について、第１水流路８１の流量が第３水流路８３に比べて少ない場合の水冷媒熱交換器９０１内の温度分布を示す。図２０中の横軸は入水口から出口までの長さ、縦軸は冷媒と水の温度であり、実線が冷媒温度を示し、破線が水温を示している。
この場合、水流量が多い第３水流路８３では、入水温度(図２０の左縦軸での温度)と第２冷媒流路９２の出口の冷媒との温度(図２０の左縦軸での温度)の差が限界まで下がっているが、水流量が少ない流路８１では、入水温度と第１冷媒流路９１の出口の冷媒との温度差がゼロに近くならず大きい。そのため、第１冷媒流路９１の伝熱面積が過剰になっており、熱交換器９０１の全体で見れば入水温度(図２０の左縦軸での温度)と第１冷媒流路９１の出口温度および第２冷媒流路９２の出口温度(図２０の左縦軸での温度)との差がゼロにならないために伝熱面積が不足していることになり、材料原価に対する伝熱性能が低下していることになる。

図２０に示すように、第２冷媒流路９２の冷媒は、加熱対象となる第３水流路８３の流量が多いために温度が下がり易く、冷媒出口側にて入水温度(図２０の左縦軸での温度)との熱交換温度差ΔＴ２はほぼゼロになる。一方で、第１冷媒流路９１については、加熱対象の第１水流路１１の流量が少ないために冷媒温度が下がりにくく、冷媒出口にて入水温度との熱交換温度差ΔＴ１が大きくなる。

この結果、第１冷媒流路９１は伝熱面積が過剰となるにもかかわらず、熱交換器全体としては、第１冷媒流路９１と第２冷媒流路９２の合流後の温度差がΔＴだけ残るため、水冷媒熱交換器９０１全体として伝熱面積が不足しているということになり、第１冷媒流路９１の伝熱面積が有効に使えていないということが分る。

この現象は、ヒートポンプ式加熱装置の熱交換器においては特に重要な課題である。なぜなら、ヒートポンプサイクルのＣＯＰは水冷媒熱交換器９０１の出入口の冷媒温度差ΔＴ３を広くするほど向上するため、一般的に冷媒出口温度が低くなるように設計しているからである。なお、同一原価に対して伝熱性能を高める手段として、流路の多分岐化が知られているが、流路の分岐数を増やすほどこの現象は顕著に現れる。

このような現象は、全ての熱交換器の共通の課題ではあるが、ヒートポンプ式加熱装置においては特に重要な課題である。なぜなら、ヒートポンプ式加熱装置の成績係数（ＣＯＰ：Coefficient Of Performance）は水冷媒熱交換器の出入口の冷媒温度差が大きいほど高くなるため、ＣＯＰを高めるために冷媒出口側の水と冷媒の熱交換温度差を小さくしているからである。

そこで、本発明は、熱交換温度差を均一化して熱交換性能を高めた熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ加熱装置の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、第１の本発明に関わる熱交換器は、第１の流体Ａが流通する第１の流路Ａと、第２の流体Ｂが流通する複数に分岐した第２の流路Ｂとを有し、前記第１の流体Ａと前記第２の流体Ｂの主流は対向する方向の成分を持って流通し、前記第１の流路Ａは、その主流方向に沿って、複数に分岐した異なる前記第２の前記流路Ｂと複数回入れ替わり接している。

第２の本発明に関わるヒートポンプ式加熱装置は、圧縮機、第１の本発明の熱交換器、減圧手段、蒸発器が環状流路で接続され、前記環状流路内に冷媒が封入され、前記熱交換器に水または低温のお湯を流通させ、前記冷媒との熱交換により加熱している。

本発明によれば、熱交換温度差を均一化して熱交換性能を高めた熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ加熱装置を実現できる。

本発明の実施形態１に係わるヒートポンプ給湯機のシステム概略図。 水冷媒熱交換器の冷媒入口側の斜視図。 図２のＡ平面の断面図。 らせん状流路内の流れの模式断面図。 図２に示す水冷媒熱交換器の構造の分解図。 第２水流路と冷媒流路の構成の上面図。 実施形態２の水冷媒熱交換器の斜視図。 図７のＢ平面の断面図。 水冷媒熱交換器の製造方法の工程を示す図。 水冷媒熱交換器の製造方法の工程を示す図。 実施形態３の水冷媒熱交換器の斜視図。 実施形態３の水冷媒熱交換器の分解図。 実施形態３の水冷媒熱交換器の組み立て工程の斜視図。 実施形態３の水冷媒熱交換器の組み立て工程の斜視図。 変形例の水冷媒熱交換器の斜視図。 変形例の水冷媒熱交換器の分解図。 実施形態４の水冷媒熱交換器の斜視図。 実施形態４の水冷媒熱交換器の分解図。 従来の水冷媒熱交換器を示す一部切り欠き断面を含む斜視図。 従来の水冷媒熱交換器における第１水流路の流量が第３水流路に比べて少ない場合の水冷媒熱交換器内の温度分布を示す図。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
＜＜実施形態１＞＞
図１に、本発明の実施形態１に係わるヒートポンプ給湯機のシステム概略図を示す。
実施形態１のヒートポンプ給湯機Ｈは、給湯口１０９から所望の温度で給湯するための給湯機である。

ヒートポンプ給湯機Ｈは、水または低温のお湯を高温水または高温のお湯に加熱する際に稼動するヒートポンプサイクルＳ１と、被加熱側の水側サイクルＳ２と、給湯時に稼動する給湯用流路群Ｓ３とを具備している。

ヒートポンプ給湯機Ｈでは、ヒートポンプサイクルＳ１に冷媒としてＣＯ_２が封入され、水側サイクルＳ２と給湯用流路群Ｓ３の給湯サイクルＳ３１とに水が満たされる。そして、貯湯容器１０４に水を供給するために、貯湯容器１０４の下部に水道管１０８を接続している。

＜ヒートポンプサイクルＳ１＞
ヒートポンプサイクルＳ１は、冷媒としてＣＯ_２を使用し、圧縮機１００、水冷媒熱交換器１０１、減圧手段である膨張弁１０２、および蒸発器１０３が、冷媒管ｒ１を介して環状に接続される構成である。
圧縮機１００は、ガス状の冷媒を高温高圧のガスに圧縮する。

水冷媒熱交換器１０１は、高温高圧のガス状の冷媒で、水側サイクルＳ２で送られる水または低温のお湯を熱交換により高温水(高温のお湯)に加熱する。
膨張弁１０２は、水冷媒熱交換器１０１を通過したガス状の冷媒を減圧して液状の冷媒にする。
蒸発器１０３は、膨張弁１０２を通って送られる液状の冷媒を外気の熱を奪い蒸発させる。

＜水側サイクルＳ２＞
水側サイクルＳ２は、貯湯容器１０４、沸き上げ用循環ポンプ１０５、および水冷媒熱交換器１０１が、配管ｈ１を介して環状に接続される構成である。
貯湯容器１０４は、水道管１０８から水が供給されるとともに、水または低温のお湯がヒートポンプサイクルＳ１で加熱された高温水(高温のお湯)が貯留される。

沸き上げ用循環ポンプ１０５は、貯湯容器１０４内の水または低温のお湯を加熱するため、水冷媒熱交換器１０１に送る。
水冷媒熱交換器１０１では、沸き上げ用循環ポンプ１０５により配管ｈ１を介して送られる貯湯容器１０４内の水または低温のお湯が冷媒の熱で加熱され高温水(高温のお湯)とされ、高温水は貯湯容器１０４の上部に戻される。

＜給湯用流路群Ｓ３＞
給湯用流路群Ｓ３は、給湯口１０９から所望の温度で給湯するための回路である。

給湯用流路群Ｓ３は、水(水道水など)を加熱するための給湯サイクルＳ３１と、水道管１０８、給湯熱交換器１０７、給湯口１０９が配管ｈ２を介して直列に接続される流路とを有して構成されている。
給湯サイクルＳ３１は、貯湯容器１０４、給湯用循環ポンプ１０６、給湯熱交換器１０７とが、配管ｈ３、ｈ４を介して環状に接続されている。

＜水冷媒熱交換器１０１＞
図２に、水冷媒熱交換器の冷媒入口側の斜視図を示し、図３に図２のＡ平面の断面図を示す。
水冷媒熱交換器１０１に接続される冷媒管ｒ１は、図２に示す冷媒ヘッダ３ｒｉに接続されている。冷媒ヘッダ３ｒｉには、第１・第２・第３・第４冷媒流路２１、２２、２３、２４が接続されている。

冷媒ヘッダ３ｒｉに流れ込む冷媒(図１、図２の矢印α１参照)は、４つの第１・第２・第３・第４冷媒流路２１、２２、２３、２４に分流されて水冷媒熱交換器１０１に流入されている。
図示しないが、水冷媒熱交換器１０１の冷媒出口側についても、図２と同様な構造とされている。つまり、水冷媒熱交換器１０１の冷媒出口側で、第１・第２・第３・第４冷媒流路２１、２２、２３、２４から流出する冷媒は、冷媒ヘッダ３ｒｏ(図６参照)に流入して合流し、冷媒管ｒ１に流出されている(図１の矢印α２参照)。

水冷媒熱交換器１０１は、加熱される水または低温のお湯が流れる３枚の長形の平板状の水流路１(１１、１２、１３)と、水を加熱する冷媒が流れる４本の横断面円形の冷媒流路２(２１、２２、２３、２４)とで構成されている。

水流路１は、例えばステンレス、銅、アルミニウムなどの板を用いて形成されている。具体的には、水流路１は、プレスで絞り加工された上方に開口部１ｋをもつ扁平な箱状のケース部材１ａと、プレスで打ち抜きされた平板の蓋部材１ｂとが、溶接、ろう付けなどで接合されて形成されている。例えば、水流路１がステンレス鋼の場合には、ニッケルろうが使われ、水流路１が銅製材料の場合には、りん銅ろうが使われる。或いは、ケース部材１ａと蓋部材１ｂとが異なる材質であって溶接して固定する場合には、銀ろうなどが使われる。

冷媒流路２は、所定の径をもつ銅管が使用されている。水流路１、冷媒流路２は例示した材料、形成法に限定されない。
長形の板状の水流路１(１１、１２、１３)には、水が紙面奥側から紙面手前側に流れ(図２の矢印β１参照)、加熱された高温水が出口側の水ヘッダ３ｍｏから配管ｈ１に流出する(図１、図２の矢印β２参照)。

このように、水流路１(１１、１２、１３)は、流路端部でそれぞれ１本の流路(入口側の水ヘッダ３ｍｉ(図６参照)、出口側の水ヘッダ３ｍｏ)に接続されている。また、冷媒流路２(２１、２２、２３、２４)は、流路端部にてそれぞれ１本の流路(入口側の冷媒ヘッダ３ｒｉ、出口側の冷媒ヘッダ３ｒｏ(図６参照))に接続されている。

図２に示すように、４本の冷媒流路２(２１、２２、２３、２４)は、第２水流路１２の廻りにらせん状に配置される。そして、らせん状の冷媒流路２を挟装するように、らせん状の冷媒流路２の外面に第１水流路１１と第３水流路１３とが配置される。

図３に示すように、３層の平板状の水流路１(１１、１２、１３)と２層のらせん状の冷媒流路２(２１、２２、２３、２４)とが、交互に重なり接触する。これにより、冷媒流路２１、２２、２３、２４内の冷媒の熱が、第１水流路１１と第３水流路１３とに均等に伝達される構造としている。

＜ヒートポンプ給湯機Ｈのシステム全体の動作＞
次に、ヒートポンプ給湯機Ｈのシステム全体の動作について説明する。
＜ヒートポンプサイクルＳ１＞
図１のヒートポンプサイクルＳ１は以下のように動作する。
ヒートポンプサイクルＳ１の冷媒管ｒ１を流れるＣＯ_２の冷媒は圧縮機１００で圧縮されて高温・高圧状態になる。そして、高温・高圧の冷媒は水冷媒熱交換器１０１にて、貯湯容器１０４の下部から沸き上げ用循環ポンプ１０５によって送られてきた水または低温のお湯に熱を伝え、高温水(高温のお湯)に加熱する代わりに自身の熱を失う。

そして、冷媒は膨張弁１０２を通過することで蒸発し易い状態に減圧され、低温・低圧状態になる。その後、低温・低圧状態の冷媒は蒸発器１０３にて空気から熱(蒸発潜熱)を受け取りガス状態となり、再び圧縮機１００へと流入する。

水冷媒熱交換器１０１では、図２に示すように、水または低温のお湯が水流路１(１１、１２、１３)を矢印β１方向に流れる一方、冷媒は、第２水流路１２の廻りを冷媒流路２(２１、２２、２３、２４)によりらせん状に矢印α１ａ方向に流れる。
こうして、水流路１を流れる水または低温のお湯と冷媒流路２を流れる冷媒は、対向する方向に流通する。そして、加熱後の高温水(高温のお湯)は出口側の水ヘッダ３ｍｏから流出して、配管ｈ１を通過して貯湯容器１０４の上部に戻される(図１参照)。

＜給湯運転＞
図１の給湯口１０９から給湯する給湯運転時には、給湯用循環ポンプ１０６が稼動され、貯湯容器１０４の上部から、配管ｈ３を介して、給湯熱交換器１０７へと高温水が供給される。同時に、水道管１０８から給湯熱交換器１０７に水道水が供給される。給湯熱交換器１０７では、水道水は貯湯容器１０４からの高温水(図１の矢印β３参照)と対向する方向(図１の矢印γ１方向)に流通し、高温水から熱を受け取った後、配管ｈ５を介して、給湯口１０９に供給される。また、給湯熱交換器１０７で熱を失った貯湯容器１０４からの温水は、配管ｈ４を介して、貯湯容器１０４の下部へと戻る。

＜水冷媒熱交換器１０１の動作＞
次に、水冷媒熱交換器１０１の動作について、図２、図３を用いて説明する。
図２の矢印α１のように、水冷媒熱交換器１０１へと流入した冷媒は、冷媒ヘッダ３ｒｉによって４つの冷媒流路２１、２２、２３、２４に分岐した後、中央の第２水流路１２の周囲をらせん状に回りながら下流(図２の矢印α１ａ方向)へと流通する。これに対して、貯湯容器１０４(図１参照)から供給された水(低温水または低温のお湯)は冷媒の出口側(図２では図示せず)から流入して３つの水流路１１、１２、１３へと分岐する。そして、各水流路１(１１、１２、１３)を、図２の矢印β１のように流通する。その後、水冷媒熱交換器１０１で加熱され高温になった高温水は、冷媒の入口側の水ヘッダ３ｍｏ(図２参照)で再度合流し、貯湯容器１０４の上部へと戻る。この一連の流れにより、高温の冷媒から水または低温のお湯へと熱が伝わる。

＜水冷媒熱交換器１０１の熱交換性能＞
水冷媒熱交換器１０１の熱交換性能について、冷媒流路２に着目して説明する。水冷媒熱交換器１０１では、冷媒が第２水流路１２の周囲をらせん状に回転するため、冷媒は第２水流路１２と常に熱交換する以外に、第１水流路１１と第３水流路１３とに交互に繰り返し熱交換する。

そのため、第１水流路１１と第３水流路１３の流量が異なり、水温に前記の図２０のようなばらつき(第１水流路１の出口の水温ｔ１と第３水流路１の出口の水温ｔ３との差)が発生するような場合には、冷媒流路２１、２２、２３、２４を介して第１水流路１１と第３水流路１３とが熱交換する(図２、図３参照)ことで、第１水流路１１を流れる液体の温度(水温)と第３水流路１３を流れる液体の温度(水温)が均一化される。

その結果、従来の構成(図１９、図２０参照)と異なり、特定の流路の第１水流路１１または第３水流路１３で伝熱面積が過剰になることが避けられるため、流路を多分岐化した場合でも材料原価に対して、水冷媒熱交換器１０１の最大の熱交換性能を得ることが可能となる。

図４にらせん状流路内の流れの模式断面図を示す。
図４中の矢印は冷媒流路２内の冷媒の流れの向きを示している。らせん状の冷媒流路２では、冷媒流路２の中心ではらせん構造の内側から外側へ流れ(図４のα１１)ができるとともに、冷媒流路２の壁面はらせん構造の外側から内側へ向かう流れ(図４のα１２)ができる。つまり、冷媒の流れとしては、冷媒ヘッダ３ｒｉから冷媒ヘッダ３ｒｏへ向かう流れではあるものの、冷媒流路２の横断面においては、中心では内から外へ、壁面では外から内への流れができ、冷媒が循環して入れ替わる。

この冷媒流路内の冷媒の流れにより、冷媒流路２内の冷媒が攪拌されることで、水冷媒熱交換器１０１の熱伝達率が向上するという作用がある。そのため、従来の図１９に示すように、流路(８１、８２、８３、９１、９２)を平行に配置する場合に比べて冷媒流路２内の冷媒が入れ替わることで、水冷媒熱交換器１０１は伝熱性能が高くなり、更に材料原価に対する性能が向上する。

＜水冷媒熱交換器１０の製造方法＞
次に、水冷媒熱交換器１０の製造方法について説明する。
図５に、図２に示す水冷媒熱交換器の構造の分解図を示し、図６に第２水流路１２と冷媒流路２の構成の上面図を示す。
水冷媒熱交換器１０１の製造は、プレス加工などで製造した平板状の第２水流路１２の外周の長手方向に沿って横断面円形状の冷媒流路２(２１、２２、２３、２４)をらせん状に巻きつける。

その後、図５に示すように、第２水流路・冷媒流路アッセンブリ１２Ａの両側を第１水流路１１と第３水流路１３で、図５の白抜き矢印のように挟み込むことで容易に製造できる。
なお、実施形態１では、水流路１(１１、１２、１３)を平板状の流路とし、冷媒流路２(２１、２２、２３、２４)を横断面円形の管の場合を例示したが、本水冷媒熱交換器１０の効果は流路の形状に依存しないため、例えば水流路１と冷媒流路２を共に横断面円形の管とした場合などにおいても、同様な効果を奏する。そのため、水流路１と冷媒流路２の各横断面形状は任意である。

上記構成の水冷媒熱交換器１０１によれば、第１の流体(冷媒流路２)の主流方向に沿って、第１の流路(冷媒流路２)が複数に分岐した異なる第２の流路(第１水流路１１、第２水流路１２)と複数回、入れ替わり接することで、複数の第２の流路(水流路１)の流量比が均等でない場合において、第１の流体(冷媒)を介して複数の第２の流路(水流路１)の液体(水)の温度が均等化され、第２の流路の液体(水またはお湯)の温度のばらつきを軽減できる。なお、この効果は第１の流路(冷媒流路２)が全ての第２の流路(水流路１)と接する場合に最大化する。

また、第２の流路(水流路１)の周囲に第１の流路(冷媒流路２)をらせん状に配置することで第１の流路は、全ての前記第２の流路と接することができる。
そのため、複数の第２の流路(水流路１)の温度が均等化される。加えて、第１の流路(冷媒流路２)の図４に示すようならせん状流路特有の伝熱促進効果により、材料原価に対する性能が向上する。

また、第２の流路(水流路１)をらせん状の仕切りを有する第１の流体(冷媒流路２)を形成する外壁で覆った構成とした場合、外壁をプレス加工などで製造することで、均一な温度分布でかつ高い伝熱性能の熱交換器を、安価に大量生産できる。

さらに、水冷媒熱交換器１０１を、冷媒によって冷水を温水に加熱するヒートポンプ給湯機Ｈの熱交換器に適用することで、被加熱流体(水や低温のお湯)や冷媒の温度差のばらつきが小さい熱交換が可能となるため、従来の熱交換器で冷媒出口部の冷媒と入口部の水温の温度差が小さい場合でも、本実施形態の水冷媒熱交換器１０１では、熱交換器としての性能を充分に発揮でき、冷媒の熱を熱交換により取り切ることができる。

従って、複数に分岐した流路の温度のばらつきを小さくすることで熱交換温度差が均一化され、材料原価に対する性能を最大化できる熱交換器(水冷媒熱交換器１０１)を有するヒートポンプ式加熱装置のヒートポンプ給湯機Ｈを実現できる。

＜＜実施形態２＞＞
実施形態２の水冷媒熱交換器２０１について、図７〜図１０に従って説明する。
図７に実施形態２の水冷媒熱交換器の斜視図を示し、図８に図７のＢ平面の断面図を示す。
水冷媒熱交換器２０１は、実施形態１の水冷媒熱交換器１０１に比べ、冷媒流路と水流路との積み重なる数を異ならせたものである。

具体的には、水冷媒熱交換器２０１は、実施形態１の水冷媒熱交換器１０１と比べて流路の積層数を増やし、５層の水流路１(１１、１２、１３、１４、１５)とし、４層の冷媒流路２(２１、２２、２３、２４)としたものである。

水冷媒熱交換器２０１は、５本の冷媒流路２を第２水流路１２と第４水流路１４とにらせん状に巻き、これを第３水流路３を間に挟んで折り込み、第１水流路１１と第５水流路１５とを、上下から挟んで構成したものである(図９、図１０参照)。
なお、図９は水冷媒熱交換器の製造方法の工程を示す図であり、第２水流路１２と第４水流路１４と冷媒流路２で成る第２・４水流路・冷媒流路アッセンブリを示している。図１０は水冷媒熱交換器の製造方法の工程を示す図であり、第２・４水流路・冷媒流路アッセンブリ２０１Ａ１に第３水流路１３、第１水流路１１、第５水流路１５を組み付ける過程を示す。

こうして、実施形態１と同様に、１本の冷媒流路２は、５層全ての水流路１と図８中の矢印に沿って順番に繰り返し熱交換する構成となっている。なお、図８は、冷媒流路２が５層全ての水流路１１、１２、１３、１４、１５と接触し熱交換する様を模式的に示したものである。
この構成により、水流路１の分岐数が多い場合にも、１本の冷媒流路２は５層全ての水流路１に繰り返し熱交換するので、流路ごとの温度のばらつきを均一化できる。

＜水冷媒熱交換器２０１の製造方法＞
次に、水冷媒熱交換器２０１の製造方法について、図９、図１０を用いて説明する。

水冷媒熱交換器２０１(図７参照)を製造するに際しては、まず、図９の通り、第２水流路１２と第４水流路１４の２流路を並置して、これに対して冷媒流路２をらせん状に巻きつけ、第２・４水流路・冷媒流路アッセンブリ２０１Ａ１を形成する。

その後、図９中の２点鎖線の位置で冷媒流路２を、山折り方向に曲げ(２点鎖線の箇所が図９の紙面手前に山側となり第２水流路１２と第４水流路１４の各端部側が谷となるように曲げ)て、第２・４水流路・冷媒流路アッセンブリ２０１Ａ１を図１０に示す状態とする。

そして、図１０の第２・４水流路・冷媒流路アッセンブリ２０１Ａ１の上下に、白抜き矢印で示すように第１水流路１１と第５水流路１５とを配置し、さらに曲げ部の内周側から白抜き矢印で示すように第３水流路１３を挿入して、第２・４水流路・冷媒流路アッセンブリ２０１Ａ２を形成する。

その後、図８に示すように、第２・４水流路・冷媒流路アッセンブリ２０１Ａ２を第１固定板材ｋ１と第２固定板材ｋ２とで上下方向から挟む。そして、組み立て用ボルトｓｂ１などで、第２・４水流路・冷媒流路アッセンブリ２０１Ａ２を挟持した第１固定板材ｋ１と第２固定板材ｋ２とを固定することで水冷媒熱交換器２０１が完成する。なお、図７では、第１固定板材ｋ１、第２固定板材ｋ２、組み立て用ボルトｓｂ１など固定用部材は省略して示している。

なお、第１固定板材ｋ１、第２固定板材ｋ２、組み立て用ボルトｓｂ１などの固定用部材に代えて、固定を要する箇所にろうのシートを挟み込み、加熱炉に入れて加熱し、ろうにより固定することで水冷媒熱交換器２０１としてもよい。

実施形態２によれば、複数の水流路１に流量の違いがあった場合にも冷媒流路２と水流路１とが入れ替わり万偏なく接触して熱交換が均等に行われ、熱交換効率がよい水冷媒熱交換器２０１を得られる。
また、水冷媒熱交換器２０１をヒートポンプ給湯機Ｈに備えれば、熱交換効率が高く給湯性能が高いヒートポンプ給湯機Ｈを実現できる。

＜＜実施形態３＞＞
図１１に実施形態３の水冷媒熱交換器の斜視図を示し、図１２に分解図を示す。
実施形態３の水冷媒熱交換器３０１は、実施形態１の水冷媒熱交換器１０１とは異なる構成として、冷媒流路の冷媒と水流路の液体(水やお湯)との熱交換性能を高めたものである。

水冷媒熱交換器３０１は、３本の冷媒流路２(２１、２２、２３)のうちの中央に位置する第２冷媒流路２２の両側に、プレス加工などで成型した、仕切り部を有する板状の外壁４(４ａ、４ｂ)を被せることで、外壁４と第２冷媒流路２２の間の空間にらせん状の水流路１(１１、１２、１３、１４)を形成している。そして、第１水流路１１に接触して第１冷媒流路２１を設置するとともに、第３水流路１３に接触して第３冷媒流路２３を設置したものである。

水冷媒熱交換器３０１の製造は、まず、中央に第２冷媒流路２２を挟んで上外壁４ａと下外壁４ｂを合わせると内部に、４つのらせん状のらせん状の水流路１(１１、１２、１３、１４)ができるような上外壁４ａと下外壁４ｂとをプレスで成形する(図１２参照)。上外壁４ａと下外壁４ｂとは、ステンレス、銅などのプレス成形でき、かつ、防錆性をもつ金属板が使用される。なお、冷媒流路２(２１、２２、２３)は銅管などが使用される。

図１３、図１４に実施形態３の水冷媒熱交換器の組み立て工程を斜視図で示す。
その後、図１３に示すように、中央に第２冷媒流路２２を挟んで上外壁４ａと下外壁４ｂを合わせて、上外壁４ａと下外壁４ｂとを水密になるように溶接する。
そして、図１４に示すように、第１冷媒流路２１と第３冷媒流路２３とを両側方に合わせて溶接、ろう付けなどで上・下外壁４ａ、４ｂに固定し、水冷媒熱交換器３０１が完成する(図１１参照)。

水冷媒熱交換器３０１によれば、冷媒が冷媒流路２(２１、２２、２３)を直進し、水がらせん状の水流路１(１１、１２、１３、１４)をらせん状に流通することで、冷媒流路２と水流路１とが熱交換する。そのため、３本の冷媒流路２(２１、２２、２３)の流量が均等でないときには、らせん状に形成された水流路１を介して第１冷媒流路２１と第３冷媒流路２３の温度が均等化される。また、水流路１では、前記の図４に示すようならせん状の流れ特有の伝熱促進効果が発生するため、高い伝熱性能が得られる。
また、らせん状の水流路１がプレス加工で製作できるため、生産性が高く製造コストが低廉である。

なお、水冷媒熱交換器３０１を実装する場合、冷媒配管が破損した際に、冷媒配管内を流通する油などが水に溶け込むことを防ぐため、冷媒管を２重構造とする。また、水冷媒熱交換器３０１では外壁４の外側に第１冷媒流路２１と第３冷媒流路２３を溶接する形式としているため、外壁４の素材としては銅などの熱伝導率が高い素材が適当である(望ましい)。

＜実施形態３の変形例＞
図１５に実施形態３の変形例の水冷媒熱交換器の斜視図を示し、図１６に分解図を示す。
変形例の水冷媒熱交換器３０１Ａは、実施形態３の上外壁４ａと下外壁４ｂとを、樹脂で射出成形した上外壁４ｃと下外壁４ｄにしたものである。その他の構成は、実施形態３と同様であるから、詳細な説明は省略する。

水冷媒熱交換器３０１Ａの製作は以下のように遂行される。
まず、図１６に示すように、中央に第２冷媒流路２２を挟んで上外壁４ｃと下外壁４ｄを合わせると内部に、４つのらせん状の水流路１(１１、１２、１３、１４)ができるようなリブ４ｃｒ、４ｄｒをそれぞれもつ上外壁４ｃと下外壁４ｄとを射出成形で樹脂成形する。

上外壁４ｃと下外壁４ｄは、耐熱性をもつとともに熱伝導性をもつ材料が好ましい。なお、リブ４ｃｒ、４ｄｒは、高温の冷媒が流れる第２冷媒流路２２に接触することとなるのでステンレス、銅などの金属で形成し、それぞれ上外壁４ｃと下外壁４ｄにインサート成形で形成してもよい。

また、第１冷媒流路２１と第１水流路１１とは熱交換し、また、第３冷媒流路２３と第３水流路１３とが熱交換する。
そこで、第１冷媒流路２１と第３冷媒流路２３とが接合される上外壁４ｃの箇所４ｃ１および下外壁４ｄの箇所４ｄ１は熱伝導性が良好な金属の部材とし、当該金属の部材(４ｃ１、４ｄ１)を予め上外壁４ｃと下外壁４ｄにインサート成形してもよい。

その後、第２冷媒流路２２を挟持した上外壁４ｃと下外壁４ｄは溶着、接着材やネジ止めなどで固定される。
そして、図１５に示すように第２冷媒流路２２を挟持した上外壁４ｃと下外壁４ｄの外側方に第１冷媒流路２１と第３冷媒流路２３とを接合し、水冷媒熱交換器３０１Ａが完成する。

変形例によれば、らせん状の水流路１が樹脂成形できるため、生産性が高く製造コストが低廉である。
また、実施形態３と同様な作用効果を奏する。なお、上外壁４ｃと下外壁４ｄとを、金属を用いてダイカストで成形してもよい。これにより、上外壁４ｃと下外壁４ｄとの製造が容易で、熱伝導性が良好な上・下外壁４ｃ、４ｄが得られる。

＜＜実施形態４＞＞
図１７に実施形態４の水冷媒熱交換器の斜視図を示し、図１８に分解図を示す。
実施形態４の水冷媒熱交換器４０１は、実施形態１の水冷媒熱交換器１０１と異なる構成で、冷媒流路２の冷媒と水流路１の液体(水やお湯)との熱交換性能を高めたものである。
水冷媒熱交換器４０１は、３つの冷媒流路２(２１、２２、２３)を、らせん状の水流路１(１１、１２、１３、１４)が形成される外壁４ｅ、４ｆで覆うような構造としている。これにより、らせん状の水流路１内の液体は、３本の冷媒流路２に必ず接触することとなる。

水冷媒熱交換器４０１の製作は以下のように遂行される。
まず、図１８に示すように、中央に３つの冷媒流路２(２１、２２、２３)を挟んで上外壁４ｅと下外壁４ｆを合わせると内部に、４つのらせん状の水流路１(１１、１２、１３、１４)ができるようなリブ４ｅｒ、４ｆｒをそれぞれもつ上外壁４ｅと下外壁４ｆとを射出成形やプレス加工で成形する。

上外壁４ｅと下外壁４ｆは熱交換を行わないために熱伝導性能が要求されない。そのため、樹脂やステンレスなどを用いることで材料原価を抑えることができる。上外壁４ｅと下外壁４ｆを樹脂成形する場合、リブ４ｃｒ、４ｄｒは、高温の冷媒が流れる第２冷媒流路２２に接触することとなるのでステンレス、銅などの金属で形成し、それぞれ上外壁４ｅと下外壁４ｆにインサート成形で形成してもよい。

その後、冷媒流路２(２１、２２、２３)を挟持した上外壁４ｃと下外壁４ｄは溶接、ネジ止め、溶着などで固定される。なお、冷媒流路２(２１、２２、２３)を一体に形成した場合を例示したが、第１冷媒流路２１、第２冷媒流路２２、および第３冷媒流路２３にそれぞれ分離した構成としてもよい。この場合、冷媒流路２の製造が容易である。

実施形態４の水冷媒熱交換器４０１によれば、冷媒が流れる冷媒流路２(２１、２２、２３)を、らせん状の水流路１(１１、１２、１３、１４)を流れる被加熱液体(水やお湯)が接触して熱交換されるので、冷媒と被加熱液体とが偏りなく均等に熱交換できる。そのため、熱効率が向上する。

また、上外壁４ｅと下外壁４ｆとは、熱伝導性能が要求されないために材料の選択の幅が広がり、設計や製造が簡易化できる。
更に、らせん状の水流路１(１１、１２、１３、１４)をもつ上外壁４ｅおよび下外壁４ｆは、樹脂成形やプレス加工で製造できるため、製造が極めて容易であり、低コスト化が可能である。

以上より、水冷媒熱交換器１０１(２０１、３０１、３０１Ａ、４０１)を用いたヒートポンプ給湯機Ｈは、水冷媒熱交換器１０１(２０１、３０１、３０１Ａ、４０１)の作用効果を同様に奏する。
従って、熱交換の温度差が均一化され熱交換性能を高めた熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ加熱装置を提供できる。

＜＜その他の実施形態＞＞
前記実施形態、変形例で説明した水流路１と冷媒流路２とを入れ替えた熱交換器の構成してもよい。具体的には、水流路１として説明した流路を冷媒流路２とし、冷媒流路２として説明した流路を水流路１としてもよい。この場合も、前記した水冷媒熱交換器１０１などと同様な作用効果を奏する。

なお、本発明は前記した実施形態、変形例に限定されるものでなく、様々な実施形態が含まれる。例えば、上記した実施形態、変形例は本発明を分り易く説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば、説明した構成の一部を含むものであってもよい。

また、ある実施形態、変形例のうちの一部の構成を他の実施形態、変形例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態、変形例の構成に他の実施形態、変形例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態、変形例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

１ 水流路(第２の流路)
２ 冷媒流路(第１の流路)
４ａ、４ｃ、４ｅ 上外壁(外壁)
４ｂ、４ｄ、４ｆ 下外壁(外壁)
４ｃｒ、４ｄｒ、４ｅｒ、４ｆｒ リブ(らせん状の仕切り)
１１ 第１水流路(第２の流路、第１の流路)
１２ 第２水流路(第２の流路、第１の流路)
１３ 第３水流路(第２の流路、第１の流路)
１４ 第４水流路(第２の流路、第１の流路)
１５ 第５水流路(第２の流路、第１の流路)
２１ 第１冷媒流路(第１の流路、第２の流路)
２２ 第２冷媒流路(第１の流路、第２の流路)
２３ 第３冷媒流路(第１の流路、第２の流路)
２４ 第４冷媒流路(第１の流路、第２の流路)
１００ 圧縮機
１０１、２０１、３０１、４０１ 水冷媒熱交換器(熱交換器)
１０２ 膨張弁(減圧手段)
１０３ 蒸発器
Ｈ ヒートポンプ給湯機(ヒートポンプ式加熱装置)
ｒ１ 冷媒管(環状流路)

Claims (8)

1. 第１の流体が流通する第１の流路と、第２の流体が流通する複数に分岐した第２の流路とを有し、
   前記第１の流体と前記第２の流体の主流は対向する方向の成分を持って流通し、
   前記第１の流路は、その主流方向に沿って、複数に分岐した異なる前記第２の前記流路と複数回入れ替わり接する
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記第１の流路は、全ての前記第２の流路と接する
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１に記載の熱交換器において、
   一部の前記第２の流路の周囲に前記第１の流路がらせん状に配置される
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１に記載の熱交換器において、
   一部または全部の前記第１の流路の周囲を、らせん状の仕切りを有する外壁で覆うことで、前記第１の流路の外側と前記外壁との間にらせん状の前記第２の流路が形成される
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記第２の流路は、全ての前記第１の流路と接する
   ことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１に記載の熱交換器において、
   一部の前記第１の流路の周囲に前記第２の流路がらせん状に配置される
   ことを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１に記載の熱交換器において、
   一部または全部の前記第２の流路の周囲を、らせん状の仕切りを有する外壁で覆うことで、前記第２の流路の外側と前記外壁との間にらせん状の前記第１の流路が形成される
   ことを特徴とする熱交換器。
8. 圧縮機、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の熱交換器、減圧手段、蒸発器が環状流路で接続され、
   前記環状流路内に冷媒が封入され、前記熱交換器に水または低温のお湯を流通させ、前記冷媒との熱交換により加熱する
   ことを特徴とするヒートポンプ式加熱装置。

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