JP4437487B2 - 捩り管形熱交換器及びヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

この発明は、水と冷媒との間の熱交換を促進する捩り管形熱交換器、例えばヒートポンプ式給湯機用の捩り管形熱交換器に関する。

従来の水と冷媒に対する熱交換器は、配管腐食等で冷媒と水が混ざることを回避するために漏洩検知溝を有する２重管を用いた３重管構造が主流であったが、製造工程が複雑で高価格である上に、曲げ加工等の自由度が少なく、冷媒配管の長さ延長に限界がある等、熱交換器としての性能向上にも限界があった。そこで、この課題を解決するために、水が流通する芯管（水配管）の外周に、冷媒が流通する冷媒配管を螺旋状に巻きつけたり、芯管と平行に伝熱接合する手段等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、水配管の高温部に水道水中のカルシウム等のスケールが析出し、目詰まりや性能低下するのを防止するために、水配管の出口側流路断面積を拡大する手段が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
特開平２００２−２２８３７０号公報 特開平２００６−１４５０５６号公報 特開平２００３−０９７８９８号公報

しかしながら、特許文献１の従来の水配管外周に冷媒配管を螺旋巻きする熱交換器では、水配管外周が平滑なので、水配管と冷媒配管との接触が線接触となり接触面積が小さく伝熱性能が十分でないという課題があった。

また、水配管をコルゲート管とする提案もなされているが、一般にコルゲート管は、平滑管の外径にツールを押し当て螺旋状に一条の連続溝を形成した管であり、外周側が逆円弧状で山谷が浅いので、水の乱流促進には効果があるものの、やはり依然として線接触する水配管と冷媒配管との接触面積が小さく、伝熱性能が十分でないという課題があった。

また、コルゲートの円弧状の凹部に冷媒配管を嵌めこむ場合は、凹部円弧の曲率を熱交換パイプ（冷媒配管）の曲率と完全に一致させて初めて面接触となる。しかし、実際には、凹部の曲率を熱交換パイプの曲率より大きくしないと奥まで嵌め込めないため、むしろ線接触に近くなり、接触伝熱面積を顕著に改善することは困難であるという課題があった。

また、特許文献２、特許文献３の従来の熱交換器では、水側流路断面積を拡大する際に流路を連続的に形成することができないので、端末部で水側冷媒側共に接続管を用いて連結する必要がある。このため、熱交換器の構成が複雑になり部品点数が増加し価格高になる課題があった。

また、接続部増加により漏れに対する信頼性が低下する課題があった。

さらに、冷媒配管の接合に要するスペースが必要となるため、熱交換器のコンパクト化ができないという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、水配管と冷媒配管との伝熱に有効な接触面積を大幅に拡大すると共に、接触熱抵抗低減、フィン効率向上、乱流促進といった効果が得られるようにすることを目的とする。これらの相乗効果により、従来の水配管に冷媒配管を螺旋巻きする熱交換器に比べて、熱交換性能を顕著に向上させることを目的とする。さらに、水道水中のスケールが析出し目詰まりや性能低下するのを防止するために水配管出口部の流路拡大を連続的に形成することで、水配管および冷媒管の接合箇所増大による価格増を抑制し、信頼性を確保し、水配管および冷媒配管接合スペースを不要とすることを目的とする。水配管および冷媒配管接合スペースを不要とすることで、コンパクトな熱交換器を得ることを目的とする。

この発明の捩り管形熱交換器は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた水配管と、この水配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた複数の冷媒配管とを備え、水配管出口側の所定の長さ部分を螺旋形状のない素管部としたことを特徴とする。

この発明の捩り管形熱交換器は、水配管と冷媒配管との接触伝熱面積を大幅に向上でき、乱流促進効果やフィン効率向上も付与して伝熱性能を大幅に向上できる。さらに、水配管および冷媒配管の接合箇所増加を防止できるので、低価格で信頼性を確保しながらコンパクトかつ高性能な熱交換器の構成を可能とする等多大な効果がある。

実施の形態１．
図１乃至図７は実施の形態１を示す図で、図１は給湯室外機５０の分解斜視図、図２は冷媒回路と水回路図、図３は捩り管形熱交換器１を示す斜視図、図４は捩り形状の水配管２を示す平面図、図５は捩り管形熱交換器１入口部の冷媒配管３の巻き付け状態を示す拡大図、図６は捩り管形熱交換器１出口部の冷媒配管３巻き付け状態を示す拡大図、図７は炭酸カルシウム析出加速試験の結果を示す図である。

図１において、給湯室外機５０は、最下段に熱交換器ユニット１１を配置し、その上部に略Ｌ字状の蒸発器２１と、この蒸発器２１が外気との熱交換をするための風を送る送風機２２とを配置している。また、送風機２２の右側部に、冷媒回路の圧縮機２３を配置している。

また、右側面手前には水回路（給湯回路）の水を循環するためのポンプ２４を配置し、給湯タンク（図示せず）からの水を水入口バルブ２５から、給湯室外機５０内部に取り入れる。捩り管形熱交換器１の水配管２を経由し、水出口バルブ２９より給湯タンクへ戻る（図２参照）。

また、給湯室外機５０の外郭は前面にグリル１９を配置し、左側面に吸込み口１２を備えたフロントパネル１８、右側面から背面の蒸発器２１の端部までを覆うバックパネル２０、さらにバルブ類を覆うサービスパネル２６が取り付けられ、最上部にはトップパネル１７を配置している。

図２において、圧縮機２３により高温・高圧になった加熱ガス冷媒（例えば、二酸化炭素冷媒）は、捩り管形熱交換器１の冷媒配管３に流入し、ポンプ２４により水入口バルブ２５から給湯室外機５０内部に取り入れられた水が、給湯用水配管２を通過する際に熱交換され水が加熱される。加熱された水は、水出口バルブ２９より給湯タンクへ戻る。

また、水へ熱を伝えた冷媒は第１の膨張弁２８により減圧され蒸発器２１に流入し、送風機２２により送風された外気から吸熱し、蒸発ガス化され内部熱交換器１５で再加熱され、圧縮機２３へ戻る。内部熱交換器１５へ流れ込む高圧冷媒の流量を第２の膨張弁２７で調整している。

図３において、捩り形状の水配管２は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に螺旋状に設けられ、両端部は山谷底部が無い平滑管となっており、片方の端部を袋状に拡管し、連続的に挿入、接合できるようにしてある。水配管２は、図４に示すように、山部２ａ、谷底部２ｂからなる山谷底部が外周に複数条、各条毎に螺旋状に設けられる。

図３に戻り、入口冷媒配管７は冷媒分流部５ａを介し、複数の冷媒配管３（例えば、第１冷媒配管３ａ、第２冷媒配管３ｂ、第３冷媒配管３ｃ）に分岐され、複数の冷媒配管３は捩り形状の水配管２の外周に設けた各条毎の山谷底部の形状に沿って嵌め込んで捩り管形熱交換器１全長にわたり連続して巻き付けられ、冷媒配管３が巻き付けられた捩り形状の水配管２は長円コイル状に構成されている。複数の冷媒配管３は合流する冷媒合流部５ｂを介し、出口冷媒配管８に接続されている。水配管２は水配管接続部６で接続され、水配管接続部６は長円コイル状の直線部に位置している。

捩り管形熱交換器１では、冷媒と水は対向流となるように冷媒配管３と水配管２とが接続、構成されており、水は最下部より流入し最上部から流出する。水の出口側には螺旋形状のない素管部２ｄが所定長さ設けられており、素管部２ｄの途中に曲げ部を有している。冷媒と水が対向流となるように構成されることにより、熱交換効率が向上する。

複数の冷媒配管３が連続的に巻き付けられた捩り形状の水配管２の入口部を拡大すると、図５のようになり、捩り形状の水配管２の山部２ａと複数の冷媒配管３（第１冷媒配管３ａ、第２冷媒配管３ｂ、第３冷媒配管３ｃ）が交互に見える外観となる。

また、冷媒配管３が連続的に巻き付けられた捩り形状の水配管２の出口部を拡大すると図６のようになり、螺旋形状のない素管部２ｄと、その外周に螺旋状に巻き付けられた複数の冷媒配管３（第１冷媒配管３ａ、第２冷媒配管３ｂ、第３冷媒配管３ｃ）が交互に見える外観となる。

図７は炭酸カルシウム析出の加速試験結果を示す図であり、実使用１５年（運転時間４００００時間）を想定した試験である。試験方法は、飽和炭酸カルシウム水溶液（実使用水道水の約５倍濃度）をＰＨ８．０〜８．５に設定して析出条件を高めた試験水を循環させて、沸き上げ温度９０℃で連続２０００時間運転した。水配管出口部からの長さ（横軸）に対する試験後の水配管内面の炭酸カルシウム析出高さ（縦軸）をプロットしたものである。なお、水配管の長さは９．５ｍである。このグラフより、水配管出口部より３００ｍｍ付近より炭酸カルシウムの析出が顕著になっていることがわかる。水配管出口部より３００ｍｍ付近の水温は８０〜８５℃に相当し、炭酸カルシウムの溶解度が低下して析出し易くなる。水配管出口部より２００ｍｍ付近で炭酸カルシウム析出高さが低くなっている部分は水配管の曲げ部に位置し、曲げ部より水出口部にかけて炭酸カルシウム析出高さが増大している。配管曲げ部は水流が乱されて析出し難いがその後の直線部に炭酸カルシウムが多く析出することが判明した。この結果では炭酸カルシウム析出しやすい領域は水配管全長９．５ｍの約３％の水出口３００ｍｍであり、水質等条件のばらつきを考慮しても２〜１０％の長さを水出口部の流路を拡大すれば良いと考えられる。また、流路拡大部の途中に曲げ部を配置するとそれより下流にスケールが析出し易いと考えられる。流路拡大部の途中に曲げ部を配置するのは特許文献３（特開平２００３−０９７８９８号公報）の図９にも示されているが、特許文献３の曲げ部（Ｕベンド）はスケール付着タンクとしての機能であるのに対し、本実施の形態では流れの挙動に基づいて曲げ部を配置したものである。また、本実施の形態において、素管部２ｄの曲げ部を複数配置しても構わない。

上記のような構成とすることにより、捩り管形熱交換器１の入口及び出口以外の冷媒配管３の中間接続部がなくなるので、冷媒配管３の接合箇所が大幅に減少する。

また、スケール析出による目詰まりや性能低下対策の水配管流路断面拡大に伴う接続箇所が不要となる。このため、ロウ付け部からの冷媒や水の漏れやロウ材詰まりの危険性が低下し信頼性が向上すると共に、ロウ付け加工費を低減できる。

また、冷媒配管３および水配管２の急拡大、急縮小がなくなるので冷媒および水の流動損失が低減できる。

さらに、冷媒配管３の接合に要するスペースが不要となるので、捩り管形熱交換器１がコンパクト化できる。

また、水配管２の流路拡大部の形成には、捩り加工をしない部分（素管部２ｄ）を設定するだけなので、加工時のプログラム変更のみで価格増なしで実現できる。

実施の形態２．
本実施の形態の捩り管形熱交換器１は水配管２が長円渦巻状に形成されていることを特徴とする。
図８は実施の形態２を示す図で、捩り管形熱交換器１の構成を示す平面図である。捩り管形熱交換器１の捩り形状の水配管２は図４、捩り管形熱交換器１入口部の冷媒配管３の巻き付け状態は図５、捩り管形熱交換器１出口部の冷媒配管３の巻き付け状態は図６と同じである。

図８において、捩り形状の水配管２は外周に複数条の山谷底部を各条毎に螺旋状に設けられ、両端部は山谷底部が無い平滑管となっており、片方の端部を袋状に拡管し、連続的に挿入、接合できるようにしてある。入口冷媒配管７は冷媒分流部５ａを介し、複数の冷媒配管３（第１冷媒配管３ａ、第２冷媒配管３ｂ、第３冷媒配管３ｃ）に分岐され、冷媒配管３は捩り形状の水配管２の外周に設けた各条毎の山谷底部の形状に沿って嵌め込んで捩り管形熱交換器１全長にわたり連続して巻き付けられ、冷媒配管３が巻き付けられた捩り形状の水配管２は長円渦巻状に構成されている。

複数の冷媒配管３は合流する冷媒合流部５ｂを介し、出口冷媒配管８に接続されている。水配管２は水配管接続部６で接続され、水配管接続部６は長円渦巻状の直線部に位置している。

捩り管形熱交換器１は、冷媒と水は対向流となるように冷媒配管３と水配管２とが接続、構成されている。水の出口側には螺旋形状のない素管部２ｄが設けられ、その途中に曲げ部を有している。

このような形態の捩り管形熱交換器１の作用効果は、実施の形態１と同じである。

尚、この発明の捩り管形熱交換器はヒートポンプ式給湯機用の熱交換器に限定されるものではなく、水と冷媒に関する熱交換器に広く適用可能である。

尚、この発明の捩り管形熱交換器は、断熱テープを巻いたり、断熱材で覆うことにより、更に熱交換性能が向上することは言うまでもない。

実施の形態１を示す図で、給湯室外機５０の分解斜視図である。 実施の形態１を示す図で、冷媒回路と水回路図である。 実施の形態１を示す図で、捩り管形熱交換器１を示す斜視図である。 実施の形態１を示す図で、捩り形状の水配管２を示す平面図である。 実施の形態１を示す図で、捩り管形熱交換器１入口部の冷媒配管３の巻き付け状態を示す拡大図である。 実施の形態１を示す図で、捩り管形熱交換器１出口部の冷媒配管３巻き付け状態を示す拡大図である。 実施の形態１を示す図で、炭酸カルシウム析出加速試験の結果を示す図である。 実施の形態２を示す図で、捩り管形熱交換器１の構成を示す平面図である。

符号の説明

１ 捩り管形熱交換器、２ 水配管、２ａ 山部、２ｂ 谷底部、２ｄ 素管部、３ 冷媒配管、３ａ 第１冷媒配管、３ｂ 第２冷媒配管、３ｃ 第３冷媒配管、５ａ 冷媒分流部、５ｂ 冷媒合流部、６ 水配管接続部、７ 入口冷媒配管、８ 出口冷媒配管、１１ 熱交換器ユニット、１２ 吸込み口、１５ 内部熱交換器、１７ トップパネル、１８ フロントパネル、１９ グリル、２０ バックパネル、２１ 蒸発器、２２ 送風機、２３ 圧縮機、２４ ポンプ、２５ 水入口バルブ、２６ サービスパネル、２７ 第２の膨張弁、２８ 第１の膨張弁、２９ 水出口バルブ、５０ 給湯室外機。

Claims (10)

1. 外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた水配管と、
   この水配管外周に螺旋状に巻き付けた複数の冷媒配管とを備え、
   前記水配管は、1本の平滑管に対して、捩り加工した部分と捩り加工しない部分とを有し、
   前記捩り加工した部分は、前記山谷底部により螺旋形状を有し、前記捩り加工しない部分の内径より小さい内径を有し、
   前記捩り加工しない部分は、前記水配管出口側に設けられており、前記水配管出口側から所定の長さの捩り加工しない部分を螺旋形状のない素管部とし、
   複数の冷媒配管は、前記山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻き付けられ、前記山谷底部の形状に沿って巻き付けられた複数の冷媒配管が、連続して、素管部の外周に螺旋状に巻き付けられたことを特徴とする捩り管形熱交換器。
2. 前記捩り加工した部分の前記山谷底部を形成する谷底部の内面が、前記捩り加工しない部分の内面より流路中央側に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の捩り管形熱交換器。
3. 前記水配管は、捩り加工した部分と捩り加工しない部分との間に接続箇所を設けることなく、捩り加工した部分から捩り加工しない部分に向かって流路断面積を拡大したことを特徴とする請求項１又は２に記載の捩り管形熱交換器。
4. 前記水配管の素管部は、前記平滑管に対する捩り加工時に、捩り加工しない部分を設定することにより形成された流路拡大部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。
5. 前記複数の冷媒配管は、前記水配管の素管部を流れる水の温度が、複数の冷媒配管との熱交換によって、スケールが析出する温度から所定の温度になるまでの範囲で、前記素管部に螺旋状に巻き付けられたことを特徴とす請求項１乃至４いずれかに記載の捩り管形熱交換器。
6. 前記水配管全長に対する前記素管部の長さの比率を２〜１０％とすることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。
7. 前記素管部に少なくとも１箇所以上の曲げ部を設けたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。
8. 上記捩り管形熱交換器は、長円コイル状に巻いた構成又は長円渦巻状に巻いた構成としたことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。
9. 上記捩り管形熱交換器は、前記水配管と前記冷媒配管とに水及び冷媒を対向流となるように流す構成とすることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の捩り管形熱交換器を用いたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

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