JP2016003774A - 熱交換器およびヒートポンプ加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】らせん状に巻回した形状の流体配管を有する熱交換器において、流体配管の圧力損失の増大を抑制しつつ、熱交換器をコンパクトに形成することが可能な技術を提供する。【解決手段】本明細書は、第１流体配管内を流れる第１流体と、第２流体との間で熱交換させる熱交換器を開示する。第１流体配管は、何れもらせん状に巻回した形状を有する第１外側配管と、第１中間配管と、第１内側配管を備えている。その熱交換器では、第１外側配管の内側に形成される空間に第１中間配管が収容されている。その熱交換器では、第１中間配管の内側に形成される空間に第１内側配管が収容されている。その熱交換器では、第１外側配管の管径が、第１中間配管および第１内側配管の何れの管径よりも大きい。その熱交換器では、互いに並列に接続された第１中間配管と第１内側配管に対して、第１外側配管が直列に接続されている。【選択図】図５

Description

本発明は、熱交換器およびヒートポンプ加熱装置に関する。

特許文献１に、第１流体が流れる第１流体配管と、第２流体が流れる第２流体配管を、互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状とした熱交換器が開示されている。

特開２００６−１６２２０４号公報

流体配管をらせん状に巻回した形状とする場合、内側に形成される空間に、より小さな巻回半径でらせん状に巻回した形状の別の流体配管を収容し、それらの流体配管を互いに接続することで、熱交換に必要とされる流路長を確保しつつ、熱交換器を小型化することが可能となる。しかしながら、内側に配置される流体配管を小さな巻回半径でらせん状に巻回するためには、それだけ管径を小さくしなければならず、圧力損失の増大を招いてしまう。らせん状に巻回した形状の流体配管を有する熱交換器において、流体配管の圧力損失の増大を抑制しつつ、熱交換器をコンパクトに形成することが可能な技術が期待されている。

本明細書は、第１流体配管内を流れる第１流体と、第２流体との間で熱交換させる熱交換器を開示する。第１流体配管は、らせん状に巻回した形状を有する第１外側配管と、らせん状に巻回した形状を有する第１中間配管と、らせん状に巻回した形状を有する第１内側配管を備えている。その熱交換器では、第１外側配管の内側に形成される空間に第１中間配管が収容されている。その熱交換器では、第１中間配管の内側に形成される空間に第１内側配管が収容されている。その熱交換器では、第１外側配管の管径が、第１中間配管および第１内側配管の何れの管径よりも大きい。その熱交換器では、互いに並列に接続された第１中間配管と第１内側配管に対して、第１外側配管が直列に接続されている。

上記の熱交換器では、第１中間配管と第１内側配管の管径を、第１外側配管の管径よりも小さくしている。これによって、第１外側配管の巻回半径をそれほど大きくしなくとも、第１中間配管と第１内側配管の巻回半径を小さくして、第１中間配管と第１内側配管を第１外側配管の内側の空間に収容することができる。さらに、上記の熱交換器では、第１中間配管と第１内側配管を互いに並列に接続しており、第１外側配管を、第１中間配管および第１内側配管に対して直列に接続している。第１中間配管と第１内側配管については、管径を小さくしたことで個々の配管の圧力損失は増大しているものの、これらの配管を並列に接続することで、全体としては圧力損失が低減されている。上記の熱交換器によれば、被加熱流体が通過する際の圧力損失の増大を抑えつつ、熱交換器をコンパクトに形成することができる。

上記の熱交換器は、第１中間配管の管径が、第１内側配管の管径よりも大きいように構成することができる。

上記の熱交換器では、第１内側配管の管径を、第１中間配管の管径よりも小さくしている。これによって、第１中間配管の巻回半径をそれほど大きくしなくとも、第１内側配管の巻回半径を小さくして、第１内側配管を第１中間配管の内側の空間に収容することができる。

上記の熱交換器は、第２流体が流れる第２流体配管をさらに備えており、第２流体配管が、第１外側配管と巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する第２外側配管と、第１中間配管と巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する第２中間配管と、第１内側配管と巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する第２内側配管を備えているように構成することができる。

上記の熱交換器によれば、第１流体と第２流体の間の熱交換を促進して、熱交換効率を高めることができる。

上記の熱交換器は、第１流体が水または不凍液であり、第２流体が冷媒であるように構成することができる。

上記の熱交換器によれば、例えば給湯器で必要とされる温度まで水を加熱したり、温水暖房器で必要とされる温度まで不凍液を加熱したりすることができる。

本明細書は、ヒートポンプ加熱装置も開示する。そのヒートポンプ加熱装置は、上記の熱交換器を用いて冷媒から水または不凍液に熱を移動させて冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器からの冷媒を減圧する減圧器と、自然環境から吸熱して減圧器からの冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器からの冷媒を加圧して凝縮器へ送り出す圧縮機を備えている。

上記のヒートポンプ加熱装置によれば、水または不凍液が凝縮器を通過する際の圧力損失の増大を抑制しつつ、凝縮器をコンパクトに形成することができる。

本明細書が開示する熱交換器およびヒートポンプ加熱装置によれば、流体配管の圧力損失の増大を抑制しつつ、熱交換器をコンパクトに形成することができる。

熱交換器６を備えるヒートポンプ加熱装置２の構成を模式的に示す図である。 熱交換器６の上方からの外観を示す斜視図である。 熱交換器６の下方からの外観を示す斜視図である。 熱交換器６の外側熱交換部２０、中間熱交換部２２、内側熱交換部２４を分解して示す斜視図である。 図２のＶ−Ｖ断面についての横断面図である。

（実施例）
図１に示すヒートポンプ加熱装置２は、ヒートポンプユニット４と、熱交換器６を備えている。ヒートポンプ加熱装置２は、被加熱流体（例えば水または不凍液）を加熱する。ヒートポンプ加熱装置２は、例えば給湯器（図示せず）と組み合わせて使用することができる。この場合、ヒートポンプ加熱装置２は、給湯器または上水道から受け入れた水を加熱し、加熱した水を給湯器へ送り出す。あるいは、ヒートポンプ加熱装置２は、温水暖房器（図示せず）と組み合わせて使用することができる。この場合、ヒートポンプ加熱装置２は、温水暖房器から受け入れた不凍液を加熱し、加熱した不凍液を温水暖房器へ送り出す。

ヒートポンプユニット４は、冷媒（例えばＲ４１０ＡといったＨＦＣ冷媒や、Ｒ７４４といったＣＯ_２冷媒）を循環させるための冷媒流路８と、膨張弁１０と、蒸発器１２と、ファン１４と、圧縮機１６と、コントローラ１８を備えている。

膨張弁１０は、熱交換器６から流入する比較的低温で高圧の液体状態の冷媒を減圧して、低温低圧の液体状態とする。すなわち、膨張弁１０は、冷媒を減圧する減圧器として機能する。膨張弁１０の開度は、コントローラ１８によって制御される。膨張弁１０を通過した冷媒は、蒸発器１２へ送られる。

蒸発器１２は、ファン１４によって送風された外気と冷媒流路８内を流れる冷媒との間で熱交換を行う、気液熱交換器である。ファン１４の動作は、コントローラ１８によって制御される。蒸発器１２では、膨張弁１０からの低温低圧の液体状態の冷媒が、外気との熱交換によって加熱される。冷媒は、加熱されることにより気化し、比較的高温で低圧の気体状態となる。蒸発器１２を通過した冷媒は、圧縮機１６へ送られる。

圧縮機１６では、蒸発器１２からの比較的高温で低圧の気体状態の冷媒を圧縮して、高温高圧の気体状態とする。圧縮機１６の動作は、コントローラ１８によって制御される。圧縮機１６を通過した冷媒は、熱交換器６へ送られる。

熱交換器６は、冷媒と被加熱流体との間で熱交換を行う熱交換器である。熱交換器６では、ヒートポンプユニット４の圧縮機１６から流入する高温高圧の気体状態の冷媒が、被加熱流体との熱交換器によって冷却される。冷媒は、冷却されることにより凝縮し、比較的低温で高圧の液体状態となる。すなわち、熱交換器６は凝縮器として機能する。熱交換器６を通過した冷媒は、ヒートポンプユニット４の膨張弁１０へ送られる。

コントローラ１８は、膨張弁１０、ファン１４、圧縮機１６の動作を制御する。ヒートポンプユニット４の運転を開始すると、コントローラ１８が、ファン１４と圧縮機１６を作動させる。圧縮機１６が作動すると、冷媒流路８内の冷媒は、熱交換器６、膨張弁１０、蒸発器１２、圧縮機１６の順に循環する。ヒートポンプユニット４が運転することで、熱交換器６において被加熱流体が加熱される。ヒートポンプユニット４を運転している際には、膨張弁１０の開度、ファン１４の回転数および圧縮機１６の回転数は、コントローラ１８により調整される。

熱交換器６は、外側熱交換部２０と、中間熱交換部２２と、内側熱交換部２４を備えている。外側熱交換部２０は、冷媒外側配管２０ａと、被加熱流体外側配管２０ｂを備えている。外側熱交換部２０では、冷媒外側配管２０ａを流れる冷媒と、被加熱流体外側配管２０ｂを流れる被加熱流体の間で熱交換を行う。中間熱交換部２２は、冷媒中間配管２２ａと、被加熱流体中間配管２２ｂを備えている。中間熱交換部２２では、冷媒中間配管２２ａを流れる冷媒と、被加熱流体中間配管２２ｂを流れる被加熱流体の間で熱交換を行う。内側熱交換部２４は、冷媒内側配管２４ａと、被加熱流体内側配管２４ｂを備えている。内側熱交換部２４では、冷媒内側配管２４ａを流れる冷媒と、被加熱流体内側配管２４ｂを流れる被加熱流体の間で熱交換を行う。

外側熱交換部２０の被加熱流体外側配管２０ｂの出口は、分岐配管２６によって、中間熱交換部２２の被加熱流体中間配管２２ｂの入口と、内側熱交換部２４の被加熱流体内側配管２４ｂの入口に、分岐して接続されている。中間熱交換部２２の被加熱流体中間配管２２ｂの出口と、内側熱交換部２４の被加熱流体内側配管２４ｂの出口は、合流配管２８によって、合流している。熱交換器６に流入する被加熱流体は、まず外側熱交換部２０の被加熱流体外側配管２０ｂを通過し、その後に分岐配管２６で分岐し、中間熱交換部２２の被加熱流体中間配管２２ｂと内側熱交換部２４の被加熱流体内側配管２４ｂをそれぞれ通過し、その後に合流配管２８で合流して、熱交換器６から送り出される。以下では、熱交換器６において被加熱流体が流れる、被加熱流体外側配管２０ｂ、分岐配管２６、被加熱流体中間配管２２ｂ、被加熱流体内側配管２４ｂ、合流配管２８を総称して、単に被加熱流体配管ともいう。

内側熱交換部２４の冷媒内側配管２４ａの出口は、第１連結配管３０によって、中間熱交換部２２の冷媒中間配管２２ａの入口に連結されている。中間熱交換部２２の冷媒中間配管２２ａの出口は、第２連結配管３２によって、外側熱交換部２０の冷媒外側配管２０ａの入口に連結されている。ヒートポンプユニット４から熱交換器６へ送られた冷媒は、まず内側熱交換部２４の冷媒内側配管２４ａを通過し、次いで中間熱交換部２２の冷媒中間配管２２ａを通過し、その後に外側熱交換部２０の冷媒外側配管２０ａを通過して、ヒートポンプユニット４へ戻される。以下では、熱交換器６において冷媒が流れる、冷媒内側配管２４ａ、第１連結配管３０、冷媒中間配管２２ａ、第２連結配管３２、冷媒外側配管２０ａを総称して、単に冷媒配管ともいう。

図２および図３は、熱交換器６の外観を示している。外側熱交換部２０は、管状の冷媒外側配管２０ａと管状の被加熱流体外側配管２０ｂを、巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有している。中間熱交換部２２は、管状の冷媒中間配管２２ａと管状の被加熱流体中間配管２２ｂを、巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有している。内側熱交換部２４は、管状の冷媒内側配管２４ａと管状の被加熱流体内側配管２４ｂを、巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有している。

図４に示すように、外側熱交換部２０は、巻回の１周あたりの周長が最も長くなるように形成されている。言い換えると、外側熱交換部２０は、巻回半径が最も大きくなるように形成されている。中間熱交換部２２は、外側熱交換部２０の内部に形成される空間に収容可能となるように、外側熱交換部２０に比べて巻回の１周あたりの周長が短くなるように形成されている。言い換えると、中間熱交換部２２は、外側熱交換部２０の内部に形成される空間に収容可能となるように、外側熱交換部２０に比べて巻回半径が小さくなるように形成されている。内側熱交換部２４は、中間熱交換部２２の内部に形成される空間に収容可能となるように、中間熱交換部２２に比べて巻回の１周あたりの周長が短くなるように形成されている。言い換えると、内側熱交換部２４は、中間熱交換部２２の内部に形成される空間に収容可能となるように、中間熱交換部２２に比べて巻回半径が小さくなるように形成されている。外側熱交換部２０の内部に形成される空間に中間熱交換部２２を収容し、さらに中間熱交換部２２の内部に形成される空間に内側熱交換部２４を収容することによって、熱交換器６において必要とされる被加熱流体の流路長を確保しつつ、熱交換器６をコンパクトに形成することができる。なお、図４に示すように、本実施例では、外側熱交換部２０と中間熱交換部２２は巻回方向が逆方向となっているが、外側熱交換部２０と中間熱交換部２２の巻回方向を同方向としてもよい。また、本実施例では、中間熱交換部２２と内側熱交換部２４は巻回方向が逆方向となっているが、中間熱交換部２２と内側熱交換部２４の巻回方向を同方向としてもよい。

図２に示すように、熱交換器６の上方において、外側熱交換部２０の被加熱流体外側配管２０ｂの出口が、分岐配管２６によって、中間熱交換部２２の被加熱流体中間配管２２ｂの入口と、内側熱交換部２４の被加熱流体内側配管２４ｂの入口に、接続されている。熱交換器６の上方において、中間熱交換部２２の冷媒中間配管２２ａの出口が、第２連結配管３２によって、外側熱交換部２０の冷媒外側配管２０ａの入口に接続されている。熱交換器６の上方に配置された内側熱交換部２４の冷媒内側配管２４ａの出口は、第１連結配管３０によって、図３に示す熱交換器６の下方に配置された中間熱交換部２２の冷媒中間配管２２ａの入口に接続されている。図３に示すように、熱交換器６の下方において、中間熱交換部２２の被加熱流体中間配管２２ｂの出口と、内側熱交換部２４の被加熱流体内側配管２４ｂの出口が、合流配管２８によって合流している。

図５に示すように、外側熱交換部２０の冷媒外側配管２０ａと、中間熱交換部２２の冷媒中間配管２２ａと、内側熱交換部２４の冷媒内側配管２４ａは、すべて同じ管径を有している。本実施例では、冷媒外側配管２０ａ、冷媒中間配管２２ａ、冷媒内側配管２４ａの管径は、いずれも７．９４ｍｍである。外側熱交換部２０の被加熱流体外側配管２０ｂは、中間熱交換部２２の被加熱流体中間配管２２ｂおよび内側熱交換部２４の被加熱流体内側配管２４ｂよりも大きな管径を有している。中間熱交換部２２の被加熱流体中間配管２２ｂは、内側熱交換部２４の被加熱流体内側配管２４ｂよりも大きな管径を有している。本実施例では、被加熱流体外側配管２０ｂの管径は１２．７ｍｍであり、被加熱流体中間配管２２ｂの管径は９．５３ｍｍであり、被加熱流体内側配管２４ｂの管径は７．９４ｍｍである。

ヒートポンプ加熱装置２において、被加熱流体が熱交換器６を通過する際の圧力損失は小さいことが好ましい。特に、図示しないポンプを用いてヒートポンプ加熱装置２に被加熱流体を循環させる場合には、ポンプで必要とされる揚程を下げるために、被加熱流体が熱交換器６を通過する際の圧力損失を可能な限り小さくすることが好ましい。通常、流体が流れる配管の圧力損失を低減するためには、配管の管径を大きくすればよい。しかしながら、配管の管径を大きくすると、その配管をらせん状に巻回した形状とする際に巻回半径を小さくすることができず、熱交換器の大型化を招いてしまう。特に、本実施例のように、外側熱交換部２０の内側の空間に中間熱交換部２２や内側熱交換部２４を収容する構成では、被加熱流体内側配管２４ｂや被加熱流体中間配管２２ｂの管径を大きくした場合、内側熱交換部２４や中間熱交換部２２の巻回半径を小さくすることができず、外側熱交換部２０の内側の空間に収容することができなくなってしまう。

本実施例の熱交換器６では、被加熱流体内側配管２４ｂと被加熱流体中間配管２２ｂの管径を、被加熱流体外側配管２０ｂの管径よりも小さくしている。これによって、外側熱交換部２０の巻回半径をそれほど大きくしなくとも、内側熱交換部２４と中間熱交換部２２の巻回半径を小さくして、内側熱交換部２４と中間熱交換部２２を外側熱交換部２０の内側の空間に収容することができる。さらに、本実施例の熱交換器６では、被加熱流体内側配管２４ｂと被加熱流体中間配管２２ｂを互いに並列に接続しており、被加熱流体外側配管２０ｂを、被加熱流体内側配管２４ｂおよび被加熱流体中間配管２２ｂに対して直列に接続している。被加熱流体内側配管２４ｂと被加熱流体中間配管２２ｂについては、管径を小さくしたことで個々の配管の圧力損失は増大しているものの、これらの配管を並列に接続することで、全体としては圧力損失が低減されている。本実施例の熱交換器６によれば、被加熱流体が通過する際の圧力損失の増大を抑えつつ、熱交換器６をコンパクトに形成することができる。

また、本実施例の熱交換器６では、被加熱流体内側配管２４ｂの管径を、被加熱流体中間配管２２ｂの管径よりも小さくしている。これによって、中間熱交換部２２の巻回半径をそれほど大きくしなくとも、内側熱交換部２４の巻回半径を小さくして、内側熱交換部２４を中間熱交換部２２の内側の空間に収容することができる。

本実施例の熱交換器６においては、外側熱交換部２０と、中間熱交換部２２と、内側熱交換部２４のいずれにおいても、冷媒と被加熱流体が互いに対向流として流れる。従って、高い熱交換効率を実現することができる。なお、分岐配管２６、合流配管２８、第１連結配管３０、第２連結配管３２による接続の仕方を変更して、外側熱交換部２０、中間熱交換部２２および内側熱交換部２４のいずれかまたはすべてにおいて、冷媒と被加熱流体が互いに並行流として流れるように構成してもよい。

本実施例の熱交換器６においては、被加熱流体はまず被加熱流体外側配管２０ｂを流れて、その後に分岐して被加熱流体内側配管２４ｂと被加熱流体中間配管２２ｂを流れて、その後に合流する構成を説明した。これとは異なり、被加熱流体がまず分岐して被加熱流体内側配管２４ｂと被加熱流体中間配管２２ｂを流れて、その後に合流して被加熱流体外側配管２０ｂを流れる構成としてもよい。

以上のように、本実施例の熱交換器６は、被加熱流体配管を流れる被加熱流体と、冷媒との間で熱交換させる熱交換器である。被加熱流体配管は、らせん状に巻回した形状を有する被加熱流体外側配管２０ｂと、らせん状に巻回した形状を有する被加熱流体中間配管２２ｂと、らせん状に巻回した形状を有する被加熱流体内側配管２４ｂを備えている。熱交換器６では、被加熱流体外側配管２０ｂの内側に形成される空間に被加熱流体中間配管２２ｂが収容されている。熱交換器６では、被加熱流体中間配管２２ｂの内側に形成される空間に被加熱流体内側配管２４ｂが収容されている。熱交換器６では、被加熱流体外側配管２０ｂの管径が、被加熱流体中間配管２２ｂおよび被加熱流体内側配管２４ｂの何れの管径よりも大きい。熱交換器６では、互いに並列に接続された被加熱流体中間配管２２ｂと被加熱流体内側配管２４ｂに対して、被加熱流体外側配管２０ｂが直列に接続されている。

本実施例の熱交換器６では、被加熱流体中間配管２２ｂの管径が、被加熱流体内側配管２４ｂの管径よりも大きい。

本実施例の熱交換器６は、冷媒が流れる冷媒配管を備えている。冷媒配管は、被加熱流体外側配管２０ｂと巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する冷媒外側配管２０ａと、被加熱流体中間配管２２ｂと巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する冷媒中間配管２２ａと、被加熱流体内側配管２４ｂと巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する冷媒内側配管２４ａを備えている。

本実施例の熱交換器６では、被加熱流体は水または不凍液である。

また、本実施例のヒートポンプ加熱装置２は、熱交換器６を用いて冷媒から水または不凍液に熱を移動させて冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器からの冷媒を減圧する膨張弁１０と、自然環境から吸熱して膨張弁１０からの冷媒を蒸発させる蒸発器１２と、蒸発器１２からの冷媒を加圧して凝縮器へ送り出す圧縮機１６を備えている。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ヒートポンプ加熱装置
４ ヒートポンプユニット
６ 熱交換器
８ 冷媒流路
１０ 膨張弁
１２ 蒸発器
１４ ファン
１６ 圧縮機
１８ コントローラ
２０ 外側熱交換部
２０ａ 冷媒外側配管
２０ｂ 被加熱流体外側配管
２２ 中間熱交換部
２２ａ 冷媒中間配管
２２ｂ 被加熱流体中間配管
２４ 内側熱交換部
２４ａ 冷媒内側配管
２４ｂ 被加熱流体内側配管
２６ 分岐配管
２８ 合流配管
３０ 第１連結配管
３２ 第２連結配管

Claims (5)

1. 第１流体配管内を流れる第１流体と、第２流体との間で熱交換させる熱交換器であって、
   第１流体配管が、らせん状に巻回した形状を有する第１外側配管と、らせん状に巻回した形状を有する第１中間配管と、らせん状に巻回した形状を有する第１内側配管を備えており、
   第１外側配管の内側に形成される空間に第１中間配管が収容されており、
   第１中間配管の内側に形成される空間に第１内側配管が収容されており、
   第１外側配管の管径が、第１中間配管および第１内側配管の何れの管径よりも大きく、
   互いに並列に接続された第１中間配管と第１内側配管に対して、第１外側配管が直列に接続されている、熱交換器。
2. 第１中間配管の管径が、第１内側配管の管径よりも大きい、請求項１の熱交換器。
3. 第２流体が流れる第２流体配管をさらに備えており、
   第２流体配管が、第１外側配管と巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する第２外側配管と、第１中間配管と巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する第２中間配管と、第１内側配管と巻回軸方向に互いに隣接した状態でらせん状に巻回した形状を有する第２内側配管を備えている、請求項１または２の熱交換器。
4. 第１流体が水または不凍液であり、第２流体が冷媒である、請求項３の熱交換器。
5. 請求項４の熱交換器を用いて冷媒から水または不凍液に熱を移動させて冷媒を凝縮する凝縮器と、凝縮器からの冷媒を減圧する減圧器と、自然環境から吸熱して減圧器からの冷媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器からの冷媒を加圧して凝縮器へ送り出す圧縮機を備える、ヒートポンプ加熱装置。