JP2016217669A - 二重管式熱交換器及びヒートポンプ式給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒が流通する内管の外表面部が湯水から発生した気泡で酸化腐食するのを防止する腐食防止手段を設けた二重管式熱交換器及びこれを備えたヒートポンプ式給湯装置を提供すること、等である。
【解決手段】内管３５と外管３６とを備え、内管３５を流れる第１熱媒体と、内管３５と外管３６との間を流れる第２熱媒体との間で熱交換を行う二重管式熱交換器１０において、第２熱媒体の導出部３０ａと導出部３０ｂの少なくとも一方に対応する部位の内管３５の外表面部に腐食防止手段４０としてのスリーブ４０ａを備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は二重管式熱交換器及びヒートポンプ式給湯装置に関し、特に冷媒が流通する内管の外表面部が湯水中の気泡中の酸素により腐食するのを防止する腐食防止手段を設けたものに関する。

従来から、ガス燃焼式熱源機、ヒートポンプ式熱源機、燃料電池発電装置等の熱源機で加熱した湯水を貯湯タンクに貯湯して所望の給湯先に給湯する貯湯給湯装置、前記熱源機で加熱した湯水を利用して暖房端末へ熱を供給する暖房装置、その他の種々の産業分野においては、高温の流体と低温の流体との間で熱交換させる為の種々の熱交換器が幅広く使用されている。

特に、内管とこの内管を収納した外管とを備え、内管内に高温の冷媒を流し、内管と外管との間の隙間に湯水を流し、冷媒と湯水とを対向流とし、冷媒と湯水との間で熱交換を行うように構成した二重管式熱交換器が実用化されている。この二重管式熱交換器は、熱交換性能に優れ且つ製作費の面で有利であるため広く採用されている。

例えば、特許文献１の二重管式熱交換器においては、内側に一次回路管、外側に二次回路管とを備え、一次回路管を流れる一次側流体と二次回路管を流れる二次側流体との間で熱交換を行うように構成され、二次回路管には、加熱された二次側流体を外部へ取り出す導出部に分岐接続部分が形成され、この分岐接続部分における渦流の発生を防止する為、分岐接続部分の二次回路管をその他の部分の二次回路管より大径化した構造が開示されている。上記の二次回路管の大径化により過流の発生を防止し、一次回路管に局所的な力が加わることによる物理的損傷を防止して二重管式熱交換器の耐久性の向上を図っている。

特開２００２−３１８０８３号公報

図４に示すように、二重管式熱交換器１００では、導入部と導出部１０１において、袋状の湯水通路部１０３が形成され、その袋状の湯水通路部１０３には湯水及び気泡１０４が滞留しやすくなっている。

前記導入部と導出部における袋状の湯水通路部においては、湯水から発生する気泡が成長して滞留し、その気泡中の酸素により内管の外表面や外管の内表面の腐食が進行しやすくなっている。

特に、二重管式熱交換器を水平姿勢に配置する場合には、袋状の湯水通路部に気泡の滞留が著しくなる。しかも、この水平姿勢にした二重管式熱交換器の導出部が導入部よりも上方位置となるように配置する場合、導出部側の袋状の湯水通路部に気泡が一層滞留しやすくなり、内管内に高温の冷媒が流れるため、内管の温度も高くなる関係上、気泡中の酸素による内管の酸化腐食の進行が激しくなり、二重管式熱交換器の耐久性が低下するという問題がある。

特許文献１の二重管式熱交換器では、分岐接続部分における過流の発生を抑制できても、気泡の滞留は抑制できず、気泡による内管の酸化腐食は抑制できない。

本発明の目的は、内管と外管間を流れる冷媒の導入部又は導出部において内管の外表面部が気泡中の酸素で腐食するのを防止する手段を設けた二重管式熱交換器及びこれを備えたヒートポンプ式熱源機を提供すること、等である。

請求項１の二重管式熱交換器は、内管と外管とを備え、前記内管を流れる第１熱媒体と、前記内管と前記外管との間を流れる第２熱媒体との間で熱交換を行う二重管式熱交換器において、第２熱媒体の導入部と導出部の少なくとも一方に対応する部位の前記内管の外表面部に腐食防止手段を備えたことを特徴としている。
尚、前記第２熱媒体の導入部とは二重管式熱交換器に第２熱媒体を導入する部位であり、前記第２熱媒体の導出部とは二重管式熱交換器から第２熱媒体を導出する部位である。

請求項２の二重管式熱交換器は、請求項１の発明において、前記内管を流れる第１熱媒体と、前記内管と前記外管との間を流れる第２熱媒体が対向流で熱交換され、前記腐食防止手段は、前記内管を流れる第１熱媒体が高温である第２熱媒体の導出部に対応する部位に設けたことを特徴としている。

請求項３の二重管式熱交換器は、請求項１に記載の発明において、前記二重管式熱交換器は、第２熱媒体の導入部よりも導出部の方が上方となるように配設されることを特徴としている。

請求項４の二重管式熱交換器は、請求項１〜３の何れか１項に記載の発明において、前記腐食防止手段は、表面メッキ、塗装、合成樹脂製のスリーブ、ＳＵＳ製のスリーブの何れか１つからなることを特徴としている。

請求項５のヒートポンプ式給湯装置は、圧縮機と、湯水加熱用の凝縮熱交換器と、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁と、外気熱吸収用の蒸発熱交換器と、これらの機器を接続する冷媒配管とを有し、前記凝縮熱交換器を請求項１〜４の何れか１項に記載の前記二重管式熱交換器で構成し、前記第１熱媒体は冷媒であり、前記第２熱媒体は湯水であることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、二重管式熱交換器は、外管と内管の間を流れる第２熱媒体の導入部と導出部の少なくとも一方に対応する部位の内管の外表面部に腐食防止手段を備えたので、第２熱媒体中に発生した気泡が導入部又は導出部に滞留しても、第１熱媒体が流通する内管の外表面部の気泡中の酸素による酸化腐食を防止することができる。

請求項２の発明によれば、内管を流れる第１熱媒体と、内管と外管との間を流れる第２熱媒体が対向流であるため、導出部において内管を流れる第１熱媒体が高温の場合、導出部における第２熱媒体も高温となり、この導出部に対応する部位の内管の外表面部に腐食防止手段を設けたので、特に高温酸化腐食が発生しやすい部位の腐食を防止することができる。

請求項３の発明によれば、二重管式熱交換器は第２熱媒体の導入部よりも導出部の方が上方となるように配設されるため、上方に位置して最も気泡が滞留して酸化腐食が発生しやすい第２熱媒体の導出部の内管の外表面部の腐食を防止することができる。

請求項４の発明によれば、腐食防止手段は、表面メッキ、塗装、合成樹脂製のスリーブ、ＳＵＳ製のスリーブの何れか１つで構成されるため、簡単な構造の腐食防止手段を実現可能である。

請求項５の発明によれば、ヒートポンプ式給湯装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載の前記二重管式熱交換器で凝縮熱交換器を構成したので、請求項１〜４に記載の効果と同様の効果を奏する。

本発明の実施例１に係るヒートポンプ式給湯装置の概略構成図である。 二重管式熱交換器の斜視図である。 二重管式熱交換器の要部拡大断面図である。 従来の二重管式熱交換器の図３相当図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、本発明の二重管式熱交換器１０が適用されたヒートポンプ式熱源機２の全体構成について簡単に説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ式熱源機２は、ヒートポンプ用冷媒（以下、冷媒という）（これが「第１熱媒体」に相当する）により給湯用湯水（これが「第２熱媒体」に相当する）を加熱する為のヒートポンプ回路６と、このヒートポンプ回路６を制御する為の熱源機側制御部７と、これら器具を収納する為の外装ケース８等を備えている。

尚、図１に示すように、本実施例のヒートポンプ式熱源機２は、加熱後の湯水を貯湯する貯湯タンク２１を有する貯湯タンクユニット３と、この貯湯タンクユニット３とヒートポンプ式熱源機２とに亙って湯水を循環させる為の循環用配管４ａ，４ｂと、これらを制御する制御ユニット５等と組み合わせることでヒートポンプ式給湯装置１を構成している。

ヒートポンプ回路６は、圧縮機９、湯水加熱用の凝縮熱交換器を構成する二重管式熱交換器１０、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁１１、外気熱吸収用の蒸発熱交換器１２を有し、これら機器が冷媒配管１３を介して接続され、冷媒配管１３に封入された冷媒を利用して貯湯運転を行う。

次に、外装ケース８内に収納されている各種機器について簡単に説明する。
図１に示すように、圧縮機９は、気相状態の冷媒を断熱圧縮して温度上昇させる公知の密閉型圧縮機である。二重管式熱交換器１０（凝縮熱交換器）は、冷媒配管１３の一部となる内側流体通路３７、循環用配管４ａ，４ｂ間に接続された外側流体通路３８とを有する二重管式熱交換器１０から構成されているが、本発明の二重管式熱交換器１０の具体的な構造については後述する。

膨張弁１１は、液相状態の冷媒を断熱膨張させ温度低下させる。この膨張弁１１は、絞り量が可変な制御弁からなる。尚、絞り量が可変な膨張弁１１の代わりに絞り量が一定の膨張弁を採用しても良い。

蒸発熱交換器１２には、蒸発熱交換器用の送風ファン１４が設けられ、冷媒配管１３に含まれる蒸発器通路部１２ａを有し、この蒸発器通路部１２ａは伝熱管と複数のフィンとを有している。この蒸発熱交換器１２において、送風ファン１４によって取り込んだ外気熱と蒸発器通路部１２ａを流れる冷媒との間で熱交換される。

冷媒配管１３は、圧縮機９の吐出側と二重管式熱交換器１０の入口側とを接続する冷媒通路１３ａ、二重管式熱交換器１０の出口側と膨張弁１１の入口側とを接続する冷媒通路１３ｂ、膨張弁１１の出口側と蒸発熱交換器１２の入口側とを接続する冷媒通路１３ｃ、蒸発熱交換器１２の出口側と圧縮機９の導入側とを接続する冷媒通路１３ｄを備えている。

冷媒配管１３には、圧縮機９の吐出側に設けられ且つ圧縮機９から吐出する冷媒温度を検知する温度センサ１５ａ、膨張弁１１の入口側に設けられ且つ膨張弁１１に流入する冷媒温度を検知する温度センサ１５ｂ、膨張弁１１の出口側に設けられ且つ膨張弁１１から流出する冷媒温度を検知する温度センサ１５ｃ、蒸発熱交換器１２の出口側に設けられ且つ蒸発熱交換器１２から流出する冷媒温度を検知する温度センサ１５ｄ等が設けられている。

次に、貯湯タンクユニット３について簡単に説明する。
図１に示すように、貯湯タンクユニット３は、貯湯タンク２１、給水配管２２、バイパス給水配管２２ａ及び出湯配管２３等の各種の配管類、開閉弁２４や混合弁２５等の各種の弁類、湯水循環ポンプ２６等の各種のポンプ類、タンク側制御部２７、これら器具を収納する為の外装ケース２８等を備えている。貯湯タンク２１は、ヒートポンプ式熱源機２で加熱された高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留するものである。

貯湯タンク２１の下端部には、給水配管２２と循環用配管４ａとが接続され、貯湯タンク２１の上端部には、循環用配管４ｂと出湯配管２３とが接続され、循環用配管４ｂから戻された高温の湯水を貯湯タンク２１内に貯留し、給湯時には貯湯タンク２１内の高温の湯水を出湯配管２３に供給することができる。

貯湯タンク２１には、複数の温度センサ２９ａ〜２９ｄが高さ方向所定間隔おきの位置に配置され、温度センサ２９ａ〜２９ｄの温度検知信号がタンク側制御部２７に供給される。給水配管２２、出湯配管２３及び循環用配管４ａ，４ｂ等の各種の配管類にも、温度センサ２９ｅ〜２９ｉが設けられている。

図１に示すように、このヒートポンプ給湯装置１は、熱源機側制御部７とタンク側制御部２７からなる制御ユニット５によって制御される。各種の温度センサ等の検知信号が制御ユニット５に送信され、この制御ユニット５により、ヒートポンプ式熱源機２と貯湯タンクユニット３の動作、各種のポンプ類の作動・停止、各種の弁類の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転（貯湯運転、給湯運転等）を実行する。

タンク側制御部２７は、ユーザーが操作可能な操作リモコン１７との間でデータ通信可能であり、操作リモコン１７のスイッチ操作により目標給湯温度が設定されると、その目標給湯温度データが操作リモコン１７からタンク側制御部２７に送信される。熱源機側制御部７は、タンク側制御部２７との間でデータ通信可能であり、タンク側制御部２７からの指令に従ってヒートポンプ回路６の各種機器（圧縮機９、膨張弁１１、送風ファン１４の送風モータ１４ａ等）の駆動制御を行う。

次に、本発明の二重管式熱交換器１０の具体的な構造について説明する。
図２に示すように、二重管式熱交換器１０は、複数の屈曲部３４を有し且つ全体が矩形形状の渦巻状に構成され、平面視にて略矩形形状の複数のループ管３１を有する。複数のループ管３１は、上下方向に２層に且つ各層が複数巻（三重巻）になるように配置されている。

各ループ管３１は、横方向に延び且つ互いに平行に配置された１対の横直管部３２と、この１対の横直管部３２と直交する縦方向に延び且つ互いに平行に配置された１対の縦直管部３３と、横直管部３２の端部と縦直管部３３の端部とを接続する円弧状の複数の屈曲部３４とを夫々備えている。複数の屈曲部３４は、全て同じ曲率半径になるように設定されている。

図３に示すように、二重管式熱交換器１０は、内管３５と、この内管３５の外側に隙間を空けて外嵌された外管３６とから構成されている。内管３５は内側流体通路３７に相当し、内管３５と外管３６の間の通路が外側流体通路３８に相当する。
内管３５の内部の内側流体通路３７を流れる冷媒と内管３５と外管３６との間の外側流体通路３８を流れる給湯用湯水との間で熱交換を行うように構成されている。二重管式熱交換器１０は、発泡ポリプロピレン、発泡ポリスチレン等の樹脂を発泡成形した上下に２分割された保温材（図示略）で覆われている。

内管３５と外管３６は、例えば、リン脱酸銅製の円形断面の水道用銅管又はこれと同等品からなる所定の長さの素材管を用いて製作される。素材管の管壁の厚さは例えば０．６〜１．０ｍｍで、二重管式熱交換器１０の外径は例えば１６〜２０ｍｍである。但し、これらの数値は例示でありこれらに限定されるものではない。

図２、図３に示すように、二重管式熱交換器１０の両端部には、加熱前の湯水が導入され且つ低温の冷媒が導出される導入部３０ｂと、加熱された湯水が導出され且つ高温の冷媒が導入される導出部３０ａとが形成されている。導入部３０ｂの近傍においては内管３５に冷媒通路１３ｂが接続され、外管３６に循環用配管４ａが接続され、導出部３０ａの近傍においては内管３５に冷媒通路１３ａが接続され、外管３６に循環用配管４ｂが接続されている。二重管式熱交換器１０は全体として水平姿勢となるように配設されており、導入部３０ｂよりも導出部３０ａの方が上方となるように配設されている。

次に、二重管式熱交換器１０の導出部３０ａの内部構造について説明する。
前記導出部３０ａの付近において外管３６の一部が所定長さを有する別体外管３６Ａで構成されている。この別体外管３６Ａは、一端部分に形成された大径部３６ａと、この大径部３６ａの端部に連なる所定長さのある中径部３６ｂと、この中径部３６ｂの端部に連なる小径部３６ｃとを有する。大径部３６ａは外管３６に外嵌されてロウ付けにて接合され、小径部３６ｃは内管３５（冷媒通路１３ａ）に外嵌されてロウ付けにて接合されている。

別体外管３６Ａの中径部３６ｂの途中部に循環用配管４ｂがロウ付けにて接合されている。前記導出部３０ａに対応する部位において、内管３５と別体外管３６Ａの間の外側流体通路３８の終端部は行き止まりの袋状通路３８ａとなっており、この袋状通路３８ａの付近において湯水から発生した気泡が成長して滞留し、内管３５が気泡中の酸素により酸化腐食しやすくなる。

そこで、図２，図３に示すように、導出部３０ａに対応する所定長さ部位の内管３５の外表面部には、ＳＵＳ製で円筒形状に形成されたスリーブ４０ａ（例えば、板厚０．２〜０．４ｍｍ）を密着状に外嵌し且つ接着剤で接着してなる腐食防止手段４０が形成されている。
但し、前記スリーブ４０ａの代わりに、耐熱性に優れる合成樹脂製の円筒形状に形成されたスリーブを密着状に外嵌し且つ接着剤で接着してもよいし、或いは、前記スリーブ４０ａの代わりに、錫メッキやニッケルメッキ等のメッキ被膜又は耐熱性塗料による塗装被膜を形成してもよい。

なお、図示は省略するが、二重管式熱交換器１０の導入部３０ｂに対応する所定長さ部位の内管３５の外表面部に、前記腐食防止手段４０と同様の腐食防止手段が設けられている。

次に、本発明の二重管式熱交換器１０の作用及び効果について説明する。
ヒートポンプ回路６の貯湯運転時において、圧縮機９により高圧に圧縮された加熱状態の冷媒は、冷媒通路１３ａから二重管式熱交換器１０の内側流体通路３７に送られ、湯水循環ポンプ２６の駆動により貯湯タンク２１の下端部から循環用配管４ａを経て二重管式熱交換器１０の外側流体通路３８に流入した水と熱交換してその水を暖め、温度低下して液化した冷媒は冷媒通路１３ｂから膨張弁１１に送られ、加熱された湯水が循環用配管４ｂを通って貯湯タンク２１に貯留され、ヒートポンプ回路６を経由する加熱動作を繰り返すことで貯湯タンク２１に高温の湯水が貯留される。

二重管式熱交換器１０の導出部３０ａにおいては、内側流体通路３７へ冷媒通路１３ａから高温（約１００℃）の冷媒が導入され、外側流体通路３８から循環用配管４ｂへ高温の湯水（約６５℃）が導出される。
一方、二重管式熱交換器１０の導入部３０ｂにおいては、内側流体通路３７から冷媒通路１３ｂへ熱交換されて水温（約２０℃）近くの温度になった冷媒が導出され、循環用配管４ａから外側流体通路３８へ水温（約２０℃）の湯水が導入される。

前記導出部３０ａに対応する部位と導出部３０ｂに対応する部位において、内管３５の外表面にＳＵＳ製のスリーブ４０ａからなる腐食防止手段４０を設けたため、湯水から発生して成長した気泡が外側流体通路３８に滞留しても、内管３５の酸化腐食を効果的に防止することができる。それ故、二重管式熱交換器１０の耐久性を高めることができる。
前記腐食防止手段４０は簡単な構成のものであるため、安価に実施可能である。

次に、前記実施例を部分的に変更した例について説明する。
［１］実施例の内管３５は、断面円筒形状に構成されているが、特にこの形状に限定する必要はなく、種々の形状の内管を採用可能である。例えば、多葉管の形状の内管も採用可能である。
［２］実施例の二重管式熱交換器１０は、全体が渦巻状に構成されているが、特にこの構造に限定する必要はなく、全体が蛇行状に構成された二重管式熱交換器であってもよい。

［３］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

１ ヒートポンプ式給湯装置
２ ヒートポンプ式熱源機
１０ 二重管式熱交換器（凝縮熱交換器）
３０ａ 導出部
３０ｂ 導入部
３５ 内管
３６ 外管
３６Ａ 別体外管
３７ 内側流体通路
３８ 外側流体通路
４０ 腐食防止手段

Claims (5)

1. 内管と外管とを備え、前記内管を流れる第１熱媒体と、前記内管と前記外管との間を流れる第２熱媒体との間で熱交換を行う二重管式熱交換器において、
   第２熱媒体の導入部と導出部の少なくとも一方に対応する部位の前記内管の外表面部に腐食防止手段を備えたことを特徴とする二重管式熱交換器。
2. 前記内管を流れる第１熱媒体と、前記内管と前記外管との間を流れる第２熱媒体が対向流で熱交換され、前記腐食防止手段は、前記内管を流れる第１熱媒体が高温である第２熱媒体の導出部に対応する部位に設けたことを特徴とする請求項１に記載の二重管式熱交換器。
3. 前記二重管式熱交換器は、第２熱媒体の導入部よりも導出部の方が上方となるように配設されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二重管式熱交換器。
4. 前記腐食防止手段は、表面メッキ、塗装、合成樹脂製のスリーブ、ＳＵＳ製のスリーブの何れか１つからなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の二重管式熱交換器。
5. 圧縮機と、湯水加熱用の凝縮熱交換器と、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁と、外気熱吸収用の蒸発熱交換器と、これらの機器を接続する冷媒配管とを有し、前記凝縮熱交換器を請求項１〜４の何れか１項に記載の前記二重管式熱交換器で構成し、前記第１熱媒体は冷媒であり、前記第２熱媒体は湯水であることを特徴とするヒートポンプ式給湯装置。