JP2018066482A - 熱交換器及びそれを備えた給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の小型化を維持しつつ、例えば、スケール付着等による流路閉塞を抑制できる熱交換器を提供すること。【解決手段】第１流体が流れる内管２と、内管２に挿入される挿入体３と、内管２の外周に設けられ、第２流体が流れる少なくとも１本以上の外管４と、を備え、挿入体３は、軸部５と軸部５の外表面に形成された螺旋状突部６とから形成され、内管２の内面と軸部５と螺旋状突部６とで形成される螺旋状流路７を、第１流体は流れるとともに、軸部５の軸径は、第１流体の入口側よりも出口側の方を小さくし、螺旋状螺旋状突部６の突部高さは、前記第１流体の入口側よりも出口側の方を高くしたことを特徴とする熱交換器１である。【選択図】図２

Description

本発明は、空調装置、給湯装置等の機器に用いられ、特にヒートポンプ式の給湯機等のように、水等の流体と冷媒等の二種の流体を熱交換させるための熱交換器に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ式給湯機用の熱交換器は、水通路を構成する内管と、該芯管の外周に螺旋状に巻き付けられて冷媒通路を構成する外管とからなり、前記水通路を流れる水を、前記冷媒通路を流れる冷媒により加熱するものが知られている。（例えば、特許文献１参照）
図５は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。

熱交換器１０１は、内管１０２と、内管１０２の外周に所定のピッチで螺旋状に巻き付けた外管１０３とから成っている。内管１０２の内部を流れる水の流れの方向と外管１０３の内部を流れる冷媒の流れの方向が対向して熱交換するものである。

以上のように構成された熱交換器１０１は、内管１０２の内部を流れる低温の水と、外管１０３の内部を流れる高温の二酸化炭素とを対向に流して熱交換させ、例えば、約９℃の水を約９０℃まで沸き上げることが可能である。

このように、冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機は、沸き上げ温度を高くできるので、貯湯タンクへの蓄熱量を大きく設計できる特長を有する一方で、水中のカルシウム成分が析出し易くなるので、内管１０２の内壁にスケールが付着しやすくなり、最終的に閉塞して運転が出来なくなる恐れがある。

このため、冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機の設置の際は、水中のカルシウム成分が多い硬水地域への普及には十分注意を要するとともに、内管１０２が高温となる水出口側の内径が、その水入口側の内径よりも拡径することで、たとえスケールの付着があったとしても、十分な水流路を確保できる構成となっている。

特開２００３−９７８９８号公報

しかしながら、前記従来における構成では、水出口側における内管１０２が水入口側よりも拡径しているため、スケール成分の付着による水流路の閉塞という課題については解消できるものの、内管１０２の拡径により熱交換器が大型化してしまうという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換器の小型化を維持しつつ、例えば、スケール付着等による流路閉塞を抑制できる熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１流体が流れる内管と、前記内管に挿入される挿入体と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流れる少なくとも
１本以上の外管と、を備え、前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突部とから形成され、前記内管の内面と前記軸部と前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を、前記第１流体は流れるとともに、前記軸部の軸径は、前記第１流体の入口側よりも出口側の方を小さくし、前記螺旋状突部の高さは、前記第１流体の入口側よりも出口側の方を高くしたことを特徴とするものである。

これにより、軸部の軸径と突部高さの調整により、挿入体の外径を拡大させること無く、第１流体の流路断面積を拡大できるので、特にスケール成分の析出量が多くなる第１流体の流路出口側において内管を拡大する必要が無くなり、熱交換器の小型化を維持しつつ、例えば、スケール付着等による流路閉塞を抑制できる熱交換器を提供できる。

本発明によれば、熱交換器の小型化を維持しつつ、例えば、スケール付着等による流路閉塞を抑制できる熱交換器を提供できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の一部断面図 同熱交換器の断面図 同熱交換器の挿入体の水入口側Ａ部を示す図 同熱交換器の挿入体の水出口側Ｂ部を示す図 従来の熱交換器の概略図

第１の発明は、第１流体が流れる内管と、前記内管に挿入される挿入体と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流れる少なくとも１本以上の外管と、を備え、前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突部とから形成され、前記内管の内面と前記軸部と前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を、前記第１流体は流れるとともに、前記軸部の軸径は、前記第１流体の入口側よりも出口側の方を小さくし、前記螺旋状突部の高さは、前記第１流体の入口側よりも出口側の方を高くしたことを特徴とする内管の内部の流れる水を前記内管の外部から加熱する熱交換器である。

これにより、軸部の軸径と突部高さの調整により、挿入体の外径を拡大させること無く、第１流体の流路断面積を拡大できるので、特にスケール成分の析出量が多くなる第１流体の流路出口側において内管を拡大する必要が無くなり、熱交換器の小型化を維持しつつ、例えば、スケール付着等による流路閉塞を抑制できる熱交換器を提供できる。

第２の発明は、第１の発明において、前記軸部の軸径は、前記第１流体の入口側から出口側に向けて、略傾斜状に小さくなっている部位を有することを特徴とするものである。

これにより、第１流体の入口側から第１流体の出口側にかけて、第１流体の流路断面積を徐々に拡大でき、第１流体の流路において段差がなくなるので、特に生成したスケールが堆積しにくいため、熱交換器の小型化を維持しつつ、例えば、スケール付着等による流路閉塞を抑制できる熱交換器を提供できる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記螺旋状突部の突部間の距離は、前記第１流体の入口側よりも出口側の方が小さいことを特徴とするものである。

これにより、特に生成したスケールが堆積していく方向の距離、すなわち、内管内壁面からの距離を大きくできるだけでなく、突部間距離を小さくすることで、第１流体の流路断面積の拡大抑制に伴う水流速の低下抑制により、伝熱促進効果を維持できる。

第４の発明は、第１から第３のいずれかの発明において、前記外管は、前記内管の外周に、螺旋状に巻き付けられていることを特徴とするものである。

これにより、小型化を実現した熱交換器を提供できる。

第５の発明は、第４の発明において、前記螺旋状流路の対向部の少なくとも一部には、前記外管は巻き付けられているとともに、前記第１流体の流れと前記第２流体の流れは、対向流であることを特徴とするものである。

これにより、熱交換器入口から出口までの全域にて、第１流体と第２流体の流れを完全に対向流にでき、効率の良い熱交換器を提供できる。

第６の発明は、第１から第５のいずれかの発明の熱交換器を搭載した給湯機で、外管内に第２流体である高温冷媒を流し、内管内に第１流体である水を流すことにより、熱源により温水が生成されるヒートポンプ式給湯機に適用することができ、より省エネ性に優れるとともに、硬水地域における使用も容易になる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の一部断面図である。図２は、同実施の形態における熱交換器の断面図である。図３は、同実施の形態における熱交換器の挿入体の水入口部分であるＡ部を示す図である。図４は、同実施の形態における熱交換器の挿入体の水出口部分であるＢ部を示す図である。

図１において、熱交換器１は、内部を第１流体（例えば、水）が流れる内管２と、内管２の内部に挿入された挿入体３と、内部を第２流体（例えば、二酸化炭素冷媒）が流れ、かつ、内管２の外周に密着する少なくとも１本以上の外管４とから構成され、水と二酸化炭素とを対向に流して熱交換するものであり、給湯機（例えば、冷媒を二酸化炭素とした冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機）に搭載されている。そして、外管４は内管２の外周に所定のピッチで、螺旋状に巻き付けられている。

挿入体３は、軸部５と軸部５の外周に螺旋状に設けられた螺旋状突部６からなる。第１流体である水は、内管２の内面と軸部５の外面と隣接する螺旋状突部６とで形成された環状で、かつ、略矩形断面なる螺旋状流路７を流れる。

図２において、螺旋状流路７を流れる水は、水入口側Ａから流入し、途中、螺旋状流路７の流路断面拡大開始部であるＭを通過し、水出口側Ｂから流出する。

挿入体３は、水入口側Ａでは、低温部軸部５ａの外面と隣接する低温部螺旋状突部６ａからなり、水出口側Ｂでは、高温部軸部５ｂの外面と隣接する高温部螺旋状突部６ｂからなる。挿入体３の、高温部突部高さＨｂは低温部突部高さＨａよりも高くしており、これにより高温部となる水出口側Ｂの水流路の深さを深くしている。

一方で、水出口側Ｂの、高温部軸径Ｄｂを水入口側Ａの低温部軸径Ｄａよりも小さくすることで、挿入体３の水出口側Ｂの外径拡大を阻止でき、内管２の拡径も防止している。また、軸部５の軸径は、螺旋状流路７の水入口側Ａから途中Ｍまでは、低温部軸径Ｄａのまま一定であるが、途中Ｍから出口側Ｂに向けては、低温部軸径Ｄａから高温部軸径Ｄｂ
に傾斜状に細くしたものである。

図３、図４において、低温部螺旋状突部６ａに沿って流れる水流路断面は、低温部突部間距離Ｐａと低温部突部高さＨａからなる略矩形状である。また、高温部螺旋状突部６ｂに沿って流れる水流路断面は、高温部突部間距離Ｐｂと高温部突部高さＨｂからなる略矩形状である。ここで、高温部突部高さＨｂ＞低温部突部高さＨａ、および、高温部突部間距離Ｐｂ＜低温部突部間距離Ｐａとなるように形成されている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

熱交換器１は、外管４の内部を流れる高温の二酸化炭素と、内管２と挿入体３の間に形成された螺旋状流路７を流れる低温の水を対向に流して、熱交換し給湯用のお湯を生成する。この螺旋状流路７による旋回流と、水の矩形流路断面化による二次流れ効果により、水の流速が遅い場合でもその熱交換効率を向上できる。

二酸化炭素を用いた冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機は、沸き上げ温度を高くでき、貯湯タンクへの蓄熱量を大きく設計できる反面、水温が高くなる熱交換器１の水出口側Ｂでは、内管２の内壁から成長するスケールにより、内管２が閉塞していく傾向にある。

本発明の実施の形態１では、挿入体３の、高温部突部高さＨｂを低温部突部高さＨａよりも高くして、水出口側Ｂの水流路の深さを、水入口側Ａよりも深くすることで、スケールが付着しても十分な水流路を確保できる。

同時に、挿入体３の、高温部突部高さＨｂを低温部突部高さＨａよりも高くした分だけ、水出口側の高温部軸径Ｄｂを水入口側の低温部軸径Ｄａよりも小さくすることにより、挿入体３の水出口側Ｂの外径拡大を阻止できる。よって、内管２を拡径せずにスケールが付着しても十分な水流路を確保できる。

この構成のように、軸部５の軸径と螺旋状突部６の高さの調整により、挿入体３の外径を拡大させること無く、水流路を拡大できるので、スケール成分の析出量が多くなる水出口側Ｂにおいて内管２を拡大する必要が無くなり、水出口側Ｂのスケールの成長に備えることがきる。

また、軸部５の軸径が、水の入口側Ａから出口側Ｂに向けて傾斜状に細くなる構成によって、水の入口側Ａから出口側Ｂにかけての水流路断面積を徐々に拡大できるので、スケール成長の基点と考えられる水流路の急拡大を防止でき、局所的にスケールが成長することを防止できる。

従来の熱交換器では、スケール付着による水流路確保のために、内管２を拡径しており、熱交換器が大型化してしまう傾向にあるが、本発明の実施の形態１では、内管２を拡径せずに水流路を確保できるので、熱交換器の小型化を実現できる効果を有する。

また、従来の熱交換器のように、高温部の内管２を拡径すると、水の流路断面積も拡大されるため、水流速が低下して熱交換性能が低下してしまう傾向にあるが、本発明の実施の形態１では、挿入体３の、高温部突部間距離Ｐｂを低温部突部間距離Ｐａよりも小さくすることで、水出口側の水流路断面積の拡大を阻止でき、水流速を維持できるので、熱交換性能も低下させずに済む。

好ましくは、水の流路断面積が水入口側Ａと水出口側Ｂとで等しくなるような突部間距
離とすることが良い（即ちＨａ・Ｐａ＝Ｈｂ・Ｐｂ）。

本発明の実施の形態１では、外管４内を流れる流体の例えとして、二酸化炭素としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等）の冷媒、あるいはこれらの代替冷媒とすることも同様の作用効果が期待できる。

以上のように、本発明は、小型化を維持しつつ、例えば、スケール付着等による流路閉塞を抑制できる熱交換器を提供できるので、流体間で熱交換を行う熱交換器を搭載した機器に適用できる。

１ 熱交換器
２ 内管
３ 挿入体
４ 外管
５ 軸部
６ 螺旋状突部
７ 螺旋状流路
５ａ 低温部軸部
５ｂ 高温部軸部
６ａ 低温部螺旋状突部
６ｂ 高温部螺旋状突部
Ｈａ 低温部突部高さ
Ｈｂ 高温部突高さ
Ｄａ 低温部軸径
Ｄｂ 高温部軸径
Ｐａ 低温部突部間距離
Ｐｂ 高温部突部間距離

Claims (6)

1. 第１流体が流れる内管と、前記内管に挿入される挿入体と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流れる少なくとも１本以上の外管と、を備え、
   前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突部とから形成され、前記内管の内面と前記軸部と前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を、前記第１流体は流れるとともに、
   前記軸部の軸径は、前記第１流体の入口側よりも出口側の方を小さくし、前記螺旋状突部の高さは、前記第１流体の入口側よりも出口側の方を高くしたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記軸部の軸径は、前記第１流体の入口側から出口側に向けて、略傾斜状に小さくなっている部位を有することを特徴とする前記請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記螺旋状突部の突部間の距離は、前記第１流体の入口側よりも出口側の方が小さいことを特徴とする前記請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記外管は、前記内管の外周に、螺旋状に巻き付けられていることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記螺旋状流路の対向部の少なくとも一部には、前記外管は巻き付けられているとともに、前記第１流体の流れと前記第２流体の流れは、対向流であることを特徴とする前記請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器を搭載した給湯機。
   

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