JP3871581B2 - ヒートポンプ式給湯機の熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式給湯機の熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ式給湯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来一般に、この種のヒートポンプ式給湯機では、特開２００１−１１６３５７号公報に開示されているように、冷媒対水用の熱交換器を用いて、冷媒の熱と水とを熱交換することにより、水を加熱して給湯タンク等に貯溜可能としている。
【０００３】
ところで、従来の冷媒対水用の熱交換器１は、図６に示すように、給湯回路の水が流れる第１熱交換パイプ２と、圧縮機で圧縮された高温・高圧のガス冷媒が流れる冷媒循環回路の第２熱交換パイプ３とが接触して熱交換するように、交互に重ねて螺旋状に巻回されており、全体形状が略円筒状となるように構成れている。
【０００４】
前記熱交換器１は、それの下端側が、例えば、ヒートポンプ式給湯機の外装ケースの底板４上に載置され、上端側に被せた固定用蓋板５と外装ケースの底板４とをボルト・ナット等の固定具６を用いて外装ケース内に設置固定されてなるものである。
【０００５】
上述した従来構成の冷媒対水用の熱交換器１においては、第１及び第２熱交換パイプ２、３の接触面積を増加させるために、両熱交換パイプ２、３の縦断面形状を偏平楕円状に形成しているものの、両熱交換パイプ２、３は交互に重なった状態であるため、巻数を増やして熱交換率を高めようとすると、熱交換器１の高さが高くなり大型化してしまう問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであり、コンパクトで、かつ、熱交換効率の高いヒートポンプ式給湯機の熱交換器を提供できるようにすることと、高効率のヒートポンプ運転が行えるＣＯ２冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機を提供できるようにすることを主目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の熱交換器に係る発明では、内部に給湯用の湯水が流れる第１熱交換パイプと、内部に圧縮機より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒が流れる複数の第２熱交換パイプとを備えたヒートポンプ式給湯機の熱交換器において、前記第１熱交換器パイプの周壁に、引き抜き加工機により、点対称位置で、かつ、前記第１熱交換器パイプの軸方向に沿って複数条の窪み部をその間に前記湯水が流れる間隙を空けて形成し、前記複数条の窪み部に前記複数の第２熱交換パイプを介挿した後、引き抜き加工機により、前記第１熱交換器パイプをその径方向に加圧変形させて当該第１熱交換パイプに前記第２熱交換パイプを抱き込んだ形で圧着固定する引き抜き加工の際に、前記第１熱交換パイプを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプを、前記第１熱交換パイプに対して螺旋状に捻られた状態で埋設させたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の熱交換器に係る発明では、内部に給湯用の湯水が流れる第１熱交換パイプと、内部に圧縮機より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒が流れる複数の第２熱交換パイプとを備えたヒートポンプ式給湯機の熱交換器において、前記第１熱交換器パイプの周壁に、引き抜き加工機により、点対称位置で、かつ、前記第１熱交換器パイプの軸方向に沿って複数条の窪み部をその間に前記湯水が流れる間隙を空けて形成し、前記複数条の窪み部に前記複数の第２熱交換パイプを介挿した後、引き抜き加工機により、前記第１熱交換器パイプをその径方向に加圧変形させて当該第１熱交換パイプに前記第２熱交換パイプを抱き込んだ形で圧着固定する引き抜き加工の際に、前記第１熱交換パイプを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプを、前記第１熱交換パイプに対して螺旋状に捻られた状態で埋設させ、前記第２熱交換パイプを埋設して一体化させた前記第１熱交換パイプを螺旋状に巻回して全体形状として略円筒状に形成したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載のヒートポンプ式給湯機に係る発明では、内部に給湯用の湯水が流れる第１熱交換パイプと、内部に圧縮機より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒が流れる複数の第２熱交換パイプとから構成された熱交換器を備えたヒートポンプ式給湯機において、前記第１熱交換器パイプの周壁に、引き抜き加工機により、点対称位置で、かつ、前記第１熱交換器パイプの軸方向に沿って複数条の窪み部をその間に前記湯水が流れる間隙を空けて形成し、前記複数条の窪み部に前記複数の第２熱交換パイプを介挿した後、引き抜き加工機により、前記第１熱交換器パイプをその径方向に加圧変形させて当該第１熱交換パイプに前記第２熱交換パイプを抱き込んだ形で圧着固定する引き抜き加工の際に、前記第１熱交換パイプを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプを、前記第１熱交換パイプに対して螺旋状に捻られた状態で埋設させたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載のヒートポンプ式給湯機に係る発明では、内部に給湯用の湯水が流れる第１熱交換パイプと、内部に圧縮機より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒が流れる複数の第２熱交換パイプとから構成された熱交換器を備えたヒートポンプ式給湯機において、前記第１熱交換器パイプの周壁に、引き抜き加工機により、点対称位置で、かつ、前記第１熱交換器パイプの軸方向に沿って複数条の窪み部をその間に前記湯水が流れる間隙を空けて形成し、前記複数条の窪み部に前記複数の第２熱交換パイプを介挿した後、引き抜き加工機により、前記第１熱交換器パイプをその径方向に加圧変形させて当該第１熱交換パイプに前記第２熱交換パイプを抱き込んだ形で圧着固定する引き抜き加工の際に、前記第１熱交換パイプを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプを、前記第１熱交換パイプに対して螺旋状に捻られた状態で埋設させ、前記第２熱交換パイプを埋設して一体化させた前記第１熱交換パイプを螺旋状に巻回して前記熱交換器を全体形状として略円筒状に形成したことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施形態】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図５に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態における熱交換器を備えたヒートポンプ式給湯機の全体概略構成図、図２は冷媒循環回路及び給湯回路を示す概略図、図３は外装ケースの底板上に固定された状態の冷媒対水用熱交換器の縦断面図、図４は第２熱交換パイプが埋設された状態の第１熱交換パイプの拡大縦断面図、図５は第２熱交換パイプが埋設された状態を示す第１熱交換パイプの要部斜視図である。
【００１４】
図１及び図２において、ヒートポンプ式給湯機１０は、圧縮機１１、冷媒対水用熱交換器（以下、単に熱交換器という）１２、減圧装置１３及び蒸発器１４を有し、これらの構成部品を順次冷媒配管にて接続してなる冷媒循環回路Ａと、貯湯タンク１５、循環ポンプ１６及び前記熱交換器１２を有し、これらの構成部品を順次温水配管にて接続してなる給湯回路Ｂとから構成されている。前記圧縮機１１、熱交換器１２、減圧装置１３、蒸発器１４、貯湯タンク１５及び循環ポンプ１６等は外装ケース１７内に収容されている。
【００１５】
前記外装ケース１７は、上室１７Ａと下室１７Ｂとに仕切り壁１８にて仕切られており、前記上室１７Ａ内には圧縮機１１、蒸発器１４及びこの蒸発器１４に送風する送風機１９等が配置され、一方、前記下室１７Ｂ内には熱交換器１２、貯湯タンク１５及び循環ポンプ１６等が配置されている。符号２０は外装ケース１７の底板としての架台であり、この架台２０上に熱交換器１２と循環ポンプ１６が載置固定され、貯湯タンク１５が支持脚１５Ａを介して載置固定されている。
【００１６】
上記したヒートポンプ式給湯機１０では、前記圧縮機１１より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒の過熱ガス冷媒は、前記熱交換器１２に流入し、ここで前記循環ポンプ１６から送られてきた水を加熱する。そして、凝縮液化した冷媒は、前記減圧装置１３で減圧され、前記蒸発器１４に流入し、ここで大気熱を吸熱して蒸発ガス化し、前記圧縮機１１へ戻る。一方、前記熱交換器１２で加熱された湯は、前記貯湯タンク１５の上部に流入し、この貯湯タンク１５で貯湯され、この貯湯タンク１５に貯湯された湯は必要に応じて利用部へ供給される。
【００１７】
次に、前記した熱交換器１２について、図３〜図５に基づき詳述すると、図において、前記熱交換器１２は、内部に前記循環ポンプ１６から送られた水（被熱交換液）が流れる第１熱交換パイプ１２Ａと、内部にＣＯ２冷媒の過熱ガス冷媒（熱媒体）が流れ、冷媒配管に対して互いに並列接続された２経路(複数)の第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂとが、熱交換関係に設けられている。
【００１８】
即ち、前記第１熱交換パイプ１２Ａは、それの周壁に軸方向に沿って延びる２条の窪み部２２、２２が連続的に形成され、図３乃至図５に示すように、これら窪み部２２、２２内には、前記第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂがそれぞれ介挿されて埋設され、しかも、図５に示すように、前記複数の第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂは、第１熱交換パイプ１２Ａに対してそれぞれ螺旋状に捩じられた状態で埋設されているものであり、また、前記複数の熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂは、図４に示すように、互いに前記第１熱交換パイプ１２Ａの点対称位置に埋設されている。
【００１９】
ここで、前記第１熱交換パイプ１２Ａは、例えば厚さが約１ｍｍで外径が約１２．７ｍｍの銅パイプを素材としたものであり、前記第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂは、前記第１熱交換パイプ１２Ａと同質材料である例えば厚さが約１．２ｍｍで外径が約６ｍｍの銅パイプを素材としたものである。
【００２０】
上述のように、それぞれ螺旋状に捩じった状態で複数の第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂを埋設して一体化させた第１熱交換パイプ１２Ａは、図３に示すように、螺旋状に巻回されることにより、熱交換器１２が全体形状として略円筒状に形成される。
【００２１】
また、前記熱交換器１２は、図３に示すように、外装ケース１７の架台２０上に載置されると共に上端に固定用蓋板２３が被せられて、この固定用蓋板２３と架台２０とがボルト・ナット等の締着具２４によって締着されることで、架台２０上に載置固定される。符号２５は熱交換器１２の外周を覆う断熱材である。
【００２２】
次に、前記熱交換器１２の加工方法について説明すると、先ず、第１熱交換パイプ１２Ａを構成する銅パイプを、第１のダイス（図示せず）がセットされた引き抜き加工機（図示せず）に挿入する。即ち、引き抜き加工機により、内部に被熱交換液としての水を流すための第１熱交換パイプ１２Ａの周壁に、点対称位置で、かつ、それの軸方向に沿って２条の窪み部２２、２２を形成する。
【００２３】
次に、内部に熱媒体としてのＣＯ２冷媒を流すための２本の銅パイプにてなる第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂを用意し、これら第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂを第１熱交換パイプ１２Ａの各窪み部２２、２２に介挿した後、その状態の第１熱交換パイプ１２Ａを第２のダイス（図示せず）をセットした引き抜き加工機に挿入する。即ち、引き抜き加工機により、第１熱交換パイプ１２Ａをそれの径方向に加圧変形させて、この第１熱交換パイプ１２Ａの点対称位置に各第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂを抱き込んだ形で圧着固定するが、この引き抜き加工の際に、第１熱交換パイプ１２Ａを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂは、第１熱交換パイプ１２Ａに対してそれぞれ螺旋状に捩じられた状態で埋設一体化される。
【００２４】
ここで、第１熱交換パイプ１２Ａは、第２熱交換パイプ２２を抱き込んだ状態で断面の外輪がやや横長な楕円状であるのが望ましい。
【００２５】
次に、前記第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂを埋設して抱き込んだ状態の第１熱交換パイプ１２Ａを、治具或いは加工機等を用いて螺旋状に巻回成型し、略円筒状の熱交換器１２が形成される。
【００２６】
上述のように構成された熱交換器１２は、それぞれＣＯ２冷媒の過熱ガス冷媒（熱媒体）が流れる複数の第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂを、水（被熱交換液）が流れる第１熱交換パイプ１２Ａに埋設して抱き込んだ形態とし、その状態の第１熱交換パイプ１２Ａを螺旋状に巻回することにより、その形状を略円筒状に形成して成るものであるから、両熱交換パイプ２、３を交互に重ねて螺旋状に巻回した従来構成品（図６参照）に比べてコンパクト化が図れる。
【００２７】
また、第１熱交換パイプ１２Ａに対して、複数の第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂがそれぞれ螺旋状に捩じられた状態で埋設された構成であるから、水（被熱交換液）が流れる第１熱交換パイプ１２Ａに対し、ＣＯ２冷媒の過熱ガス冷媒（熱媒体）が流れる第２熱交換パイプ１２Ｂの１本当たりの長さを長くすることが可能となり、その分、熱交換効率が向上するとともに、第２熱交換パイプ１２Ｂが螺旋状に捩じられて埋設されることで、その捩じれの影響を受けて第１熱交換パイプ１２Ａ内の水（被熱交換液）の流れが乱流となり、熱交換を一層促進されることができ、第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂ内を流れるＣＯ２冷媒の過熱ガス冷媒の熱が第１熱交換パイプ１２Ａ内を流れる水に良好に熱交換され、その水を約９０℃に加熱でき、熱交換効率を大幅に向上させることができる。
【００２８】
さらに、第１熱交換パイプ１２Ａに対して、複数の第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂがそれぞれ螺旋状に捩じられた状態で埋設されたものでは、第１熱交換パイプ１２Ａを螺旋状に巻回して略円筒状の熱交換器１２を形成する際に、第１熱交換パイプ１２Ａの窪み部２２、２２から第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂが外れ難くなるものである。
【００２９】
また、前記両熱交換パイプ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｂは、それぞれ同材質金属としての銅パイプが用いられているから、互いに接触する第１熱交換パイプ１２Ａと第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂとの間で電食が発生する心配がなく、電食が原因での腐食や穴開き等が防止される。
【００３０】
また、上記構成の熱交換器１２を用いたヒートポンプ式給湯機１０では、熱交換器１２のコンパクト化が図れ、しかも、水とＣＯ２冷媒との熱交換効率を向上させることが可能であるから、外装ケース１７内を効率良く活用できるともに、ＣＯ２冷媒を用いた高効率のヒートポンプ運転が行える。
【００３１】
尚、上記した本発明の一実施形態では、第１熱交換パイプ１２Ａに２条の窪み部２２、２２を形成し、これら２条の窪み部２２、２２に夫々第２熱交換パイプ１２Ｂ、１２Ｂを介挿しているが、本発明は、第１熱交換パイプ１２Ａに１条の窪み部２２を形成し、この１条の窪み部２２に１本の第２熱交換パイプ１２Ｂを介挿して埋設させた形態であって良く、また、第１熱交換パイプ１２Ａに、例えば、３条、或いは４条の窪み部２２を点対称位置となるように形成し、これら３条、或いは４条の窪み部２２にそれぞれ第２熱交換パイプ１２Ｂを介挿して埋設させたた形態であって良い。
【００３２】
さらに、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形が可能であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１又は２に記載の熱交換器に係る発明は、以上のように構成されているので、熱交換器のコンパクト化が図れるばかりでなく、第１熱交換パイプに対して、第２熱交換パイプが螺旋状に捩じられた状態で埋設された構成であるから、被熱交換液が流れる第１熱交換パイプよりも、熱媒体が流れる第２熱交換パイプの１本当たりの長さを長くできて、熱交換効率を向上させることができるとともに、第２熱交換パイプの捩じれの影響で、第１熱交換パイプ内の被熱交換液の流れが乱流となり、そのため、熱媒体と被熱交換液との熱交換を一層促進できる。
【００３４】
また、熱交換器のコンパクト化が図れ、しかも、湯水とＣＯ２冷媒との熱交換効率を一層向上させることが可能となり、給湯機自体の大きさをコンパクト化できるとともに、高効率のヒートポンプ運転が行えるＣＯ２冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す熱交換器を備えたヒートポンプ式給湯機の全体概略構成図である。
【図２】同じくヒートポンプ式給湯機の冷媒循環回路及び給湯回路を示す概略図である。
【図３】同じく外装ケースの底板上に固定された状態の冷媒対水用熱交換器の縦断面図である。
【図４】同じく第２熱交換パイプが埋設された状態の第１熱交換パイプの拡大縦断面図である。
【図５】同じく第２熱交換パイプが埋設された状態を示す第１熱交換パイプの要部斜視図である。
【図６】従来例における冷媒対水用熱交換器の縦断面図である。
【符号の説明】
１０ ヒートポンプ式給湯機
１１ 圧縮機
１２ 冷媒対水用熱交換器（熱交換器）
１２Ａ 第１熱交換パイプ
１２Ｂ 第２熱交換パイプ
１３ 減圧装置
１４ 蒸発器
１５ 貯湯タンク
１６ 循環ポンプ
１７ 外装ケース
２２ 窪み部

Claims (4)

1. 内部に給湯用の湯水が流れる第１熱交換パイプと、内部に圧縮機より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒が流れる複数の第２熱交換パイプとを備えたヒートポンプ式給湯機の熱交換器において、
   前記第１熱交換器パイプの周壁に、引き抜き加工機により、点対称位置で、かつ、前記第１熱交換器パイプの軸方向に沿って複数条の窪み部をその間に前記湯水が流れる間隙を空けて形成し、
   前記複数条の窪み部に前記複数の第２熱交換パイプを介挿した後、引き抜き加工機により、前記第１熱交換器パイプをその径方向に加圧変形させて当該第１熱交換パイプに前記第２熱交換パイプを抱き込んだ形で圧着固定する引き抜き加工の際に、前記第１熱交換パイプを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプを、前記第１熱交換パイプに対して螺旋状に捻られた状態で埋設させたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機の熱交換器。
2. 内部に給湯用の湯水が流れる第１熱交換パイプと、内部に圧縮機より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒が流れる複数の第２熱交換パイプとを備えたヒートポンプ式給湯機の熱交換器において、
   前記第１熱交換器パイプの周壁に、引き抜き加工機により、点対称位置で、かつ、前記第１熱交換器パイプの軸方向に沿って複数条の窪み部をその間に前記湯水が流れる間隙を空けて形成し、
   前記複数条の窪み部に前記複数の第２熱交換パイプを介挿した後、引き抜き加工機により、前記第１熱交換器パイプをその径方向に加圧変形させて当該第１熱交換パイプに前記第２熱交換パイプを抱き込んだ形で圧着固定する引き抜き加工の際に、前記第１熱交換パイプを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプを、前記第１熱交換パイプに対して螺旋状に捻られた状態で埋設させ、
   前記第２熱交換パイプを埋設して一体化させた前記第１熱交換パイプを螺旋状に巻回して全体形状として略円筒状に形成したことを特徴とするヒートポンプ式給湯機の熱交換器。
3. 内部に給湯用の湯水が流れる第１熱交換パイプと、内部に圧縮機より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒が流れる複数の第２熱交換パイプとから構成された熱交換器を備えたヒートポンプ式給湯機において、
   前記第１熱交換器パイプの周壁に、引き抜き加工機により、点対称位置で、かつ、前記第１熱交換器パイプの軸方向に沿って複数条の窪み部をその間に前記湯水が流れる間隙を空けて形成し、
   前記複数条の窪み部に前記複数の第２熱交換パイプを介挿した後、引き抜き加工機により、前記第１熱交換器パイプをその径方向に加圧変形させて当該第１熱交換パイプに前記第２熱交換パイプを抱き込んだ形で圧着固定する引き抜き加工の際に、前記第１熱交換パイプを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプを、前記第１熱交換パイプに対して螺旋状に捻られた状態で埋設させたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
4. 内部に給湯用の湯水が流れる第１熱交換パイプと、内部に圧縮機より吐出された高温・高圧のＣＯ２冷媒が流れる複数の第２熱交換パイプとから構成された熱交換器を備えたヒートポンプ式給湯機において、
   前記第１熱交換器パイプの周壁に、引き抜き加工機により、点対称位置で、かつ、前記第１熱交換器パイプの軸方向に沿って複数条の窪み部をその間に前記湯水が流れる間隙を空けて形成し、
   前記複数条の窪み部に前記複数の第２熱交換パイプを介挿した後、引き抜き加工機により、前記第１熱交換器パイプをその径方向に加圧変形させて当該第１熱交換パイプに前記第２熱交換パイプを抱き込んだ形で圧着固定する引き抜き加工の際に、前記第１熱交換パイプを回転させながら引き抜くことにより、前記複数の第２熱交換パイプを、前記第１熱交換パイプに対して螺旋状に捻られた状態で埋設させ、
   前記第２熱交換パイプを埋設して一体化させた前記第１熱交換パイプを螺旋状に巻回して前記熱交換器を全体形状として略円筒状に形成したことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

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