JP4501446B2 - 給湯用熱交換器 - Google Patents

Description

本願発明は、ヒートポンプ式給湯機に用いられ、水と高温冷媒とを熱交換させるための給湯用熱交換器に関するものである。

例えば、ヒートポンプ式給湯機に用いられている給湯用熱交換器においては、水温の上昇に伴い、水中に溶解しているスケール成分（例えば、炭酸カルシウム）が析出して水通路内壁に付着することがある。即ち、水道水中には、炭酸カルシウムが溶解しているが、図９の溶解度曲線に見られるように、炭酸カルシウムの溶解度は、水温が上昇するにしたがって低下して炭酸カルシウムがスケール成分として析出する。このようにして析出したスケール成分が水通路内壁に付着するのである。このスケール成分の付着については、管壁温度が高くなる場合、水速が小さい場合、水の流れに乱れが生じる場合などにおいて顕著であることが知られている。このため、水側に伝熱促進手段を用いることが制限され、給湯用熱交換器の性能向上が困難となっていた。

ところで、水通路を構成する芯管と、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巻管とからなり、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ように構成した給湯用熱交換器において、水の出口側となる芯管内壁へのスケール成分の付着を抑制したり、多少のスケール成分の付着があったとしても、十分な水通路を確保できるようにしたものが既に提案されている（特許文献１参照）。

特開２００３−９７８９８号公報。

ところが、上記特許文献１に開示されている給湯用熱交換器の場合、水出口側におけるスケール成分の付着という課題については解消できるが、熱交換器全体としての性能向上を図る点については課題が残っている。

本願発明者らは、スケール成分の付着と伝熱促進との両立を図ることにより、熱交換器の性能向上を図り得ることに着目して本発明をするに至ったものである。

本願発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、水通路の入口側であって水温が所定温度以下となっている部分の熱交換器性能の向上を図ることを目的としている。

本願発明では、上記課題を解決するための第１の手段として、水通路Ｗを構成する水配管１と、冷媒通路Ｒを構成する冷媒配管２とからなる熱交換ユニットＨ，Ｈ・・をＮ段積み重ね、前記水配管１および前記冷媒配管２をそれぞれ接続して一連の水通路Ｗおよび冷媒通路Ｒを構成し、前記水通路Ｗを流れる水を前記冷媒通路Ｒを流れる冷媒により加熱するように構成した給湯用熱交換器において、前記水通路Ｗの入口側の１段ないしＮ−１段の各熱交換ユニットＨにおける前記水配管１を、内面に螺旋溝７，７・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管により構成している。

上記のように構成したことにより、水通路Ｗの入口側の１段ないしＮ−１段の各熱交換ユニットＨ（換言すれば、スケール成分である炭酸カルシウムがほとんど析出することのない水温となっている熱交換ユニット）における水配管１の水側への伝熱が促進されることとなる。その結果、熱交換器全体としての性能が大幅に向上することとなる。特に、このような構成の給湯用熱交換器をヒートポンプ式給湯機に使用した場合、一般に水側の伝熱性能が冷媒側より劣ることや、低温域では高温域に比べて物性値（例えば、低温で低下する熱伝導率や低温で増大する粘性係数など）の影響で水側の熱伝達率が低くなるところから、水通路Ｗの入口側の１段ないしＮ−１段の各熱交換ユニットＨにおける水配管１を、内面に螺旋溝７，７・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管により構成することによる性能向上効果は非常に大きくなる。しかも、水通路Ｗの入口側の１段ないしＮ−１段の各熱交換ユニットＨにおける水配管１を、内面に螺旋溝７，７・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管で構成するようにしているので、当該熱交換ユニットＨの構成が容易となるとともに、他の熱交換ユニットとの接続も容易となる。また、水配管１を、内面に螺旋溝７，７・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管により構成したことにより、スケール成分の析出による不具合を抑制しつつ熱交換性能を向上させることができるとともに、水側圧力損失の増大やコストアップを比較的小さく抑えることができる。

本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第２の手段として、上記第１の手段を備えた給湯用熱交換器において、前記水配管１の外周に、前記冷媒配管２を接合することもでき、そのように構成した場合、冷媒配管２から水配管１への熱伝導率が向上することとなり、熱交換性能のより一層の向上を図ることができる。

本願発明の第１の手段によれば、水通路Ｗを構成する水配管１と、冷媒通路Ｒを構成する冷媒配管２とからなる熱交換ユニットＨ，Ｈ・・をＮ段積み重ね、前記水配管１および前記冷媒配管２をそれぞれ接続して一連の水通路Ｗおよび冷媒通路Ｒを構成し、前記水通路Ｗを流れる水を前記冷媒通路Ｒを流れる冷媒により加熱するように構成した給湯用熱交換器において、前記水通路Ｗの入口側の１段ないしＮ−１段の各熱交換ユニットＨにおける前記水配管１を、内面に螺旋溝７，７・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管により構成して、水通路Ｗの入口部分であって水温が所定温度以下となっている各熱交換ユニットＨ（換言すれば、スケール成分である炭酸カルシウムがほとんど析出することのない水温となっている熱交換ユニット）における水配管１の水側への伝熱が促進されるようにしたので、熱交換器全体としての性能が大幅に向上するという効果がある。特に、このような構成の給湯用熱交換器をヒートポンプ式給湯機に使用した場合、一般に水側の伝熱性能が冷媒側より劣ることや、低温域では高温域に比べて物性値（例えば、低温で低下する熱伝導率や低温で増大する粘性係数など）の影響で水側の熱伝達率が低くなるところから、水通路Ｗの入口側の１段ないしＮ−１段の各熱交換ユニットＨにおける水配管１を、内面に螺旋溝７，７・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管により構成することによる性能向上効果は非常に大きくなるという効果が得られる。しかも、水通路Ｗの入口側の１段ないしＮ−１段の各熱交換ユニットＨにおける水配管１を、内面に螺旋溝７，７・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管で構成するようにしているので、当該熱交換ユニットＨの構成が容易となるとともに、他の熱交換ユニットとの接続も容易となるという効果もある。また、水配管１を、内面に螺旋溝７，７・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管により構成したことにより、スケール成分の析出による不具合を抑制しつつ熱交換性能を向上させることができるとともに、水側圧力損失の増大やコストアップを比較的小さく抑えることができるという効果もある。

本願発明の第２の手段におけるように、上記第１の手段を備えた給湯用熱交換器において、前記水配管１の外周に、前記冷媒配管２を接合することもでき、そのように構成した場合、冷媒配管２から水配管１への熱伝導率が向上することとなり、熱交換性能のより一層の向上を図ることができる。

以下、添付の図面を参照して、本願発明の好適な実施の形態について説明する。

この給湯用熱交換器は、ヒートポンプ給湯機における加熱器として使用される水用熱交換器を構成するものであり、図１および図２に示すように、同一平面上において長円形状となるように渦巻き形状に形成されて水通路Ｗを構成する水配管１と、該水配管１の外周に螺旋状に巻き付けられて冷媒通路Ｒを構成する冷媒配管２とからなる熱交換ユニットＨ1，Ｈ2を上下２段に積み重ね、前記水配管１および前記冷媒配管２をそれぞれ接続して一連の水通路Ｗおよび冷媒通路Ｒが構成されている。

そして、上段の熱交換ユニットＨ2における水配管１と下段の熱交換ユニットＨ１における水配管１とは渦巻きの中心側において接続部３を介して接続され、上段の熱交換ユニットＨ2における水配管１に巻き付けられている冷媒配管２と下段の熱交換ユニットＨ1における水配管１に巻き付けられている冷媒配管２とは渦巻きの中心側において接続部４を介して接続されている。また、前記水通路Ｗの入口５は下段の熱交換ユニットＨ1の水配管１における渦巻きの外周側に設けられ、前記水通路の最終出口６は上段の熱交換ユニットＨ2の水配管１における渦巻きの外周側に設けられている。

また、前記水通路Ｗの入口側であって水温が所定温度以下となっている下段側の熱交換ユニットＨ1における前記水配管１の全体を、伝熱促進手段を具備した伝熱促進管により構成している。

上記のように構成したことにより、水通路Ｗの入口部分であって水温が所定温度以下となっている下段側の熱交換ユニットＨ1（換言すれば、スケール成分である炭酸カルシウムがほとんど析出することのない水温となっている熱交換ユニット）における水配管１の水側への伝熱が促進されることとなる。その結果、熱交換器全体としての性能が大幅に向上することとなる。しかも、水通路Ｗの入口部分であって水温が所定温度以下となっている下段側の熱交換ユニットＨ1における水配管１を伝熱促進管で構成するようにしているので、当該熱交換ユニットＨ1の構成が容易となるとともに、他の熱交換ユニット（即ち、上段側の熱交換ユニットＨ2）との接続も容易となる。

ところで、伝熱促進管としては、従来からよく知られている各種のものが採用できるが、以下に代表的なものを例示する。

図３に示すように、内面に螺旋溝７，７・・（換言すれば、伝熱促進手段）を形成した内面溝付き管を伝熱促進管１′として採用することもできる。ここで、溝深さｈ＝０．０５〜０．５ｍｍ（好ましくは、０．２ｍｍ）、溝ピッチｐ＝５〜１２度（好ましくは、７．２度）、リード角α＝５〜３０度（好ましくは、１５度）とされる。この場合、スケール成分の析出による不具合を抑制しつつ熱交換性能を向上させることができるとともに、他の伝熱促進管に比べて水側圧力損失の増大やコストアップを比較的小さく抑えることができる。また、図４に示すように、内面に非対称溝８，８・・（換言すれば、伝熱促進手段）を形成した内面溝付き管を伝熱促進管１′として採用することもできる。また、図５に示すように、内面に十字状のフィン９（換言すれば、伝熱促進手段）を形成した内面フィン付き管を伝熱促進管１′として採用することもできる。また、図６に示すように、内面に求心方向に延びる多数のフィン１０，１０・・（換言すれば、伝熱促進手段）を形成した内面フィン付き管を伝熱促進管１′として採用することもできる。また、図７に示すように、ねじりテープ１１（換言すれば、伝熱促進手段）を管内に挿入してなるねじりテープ挿入管を伝熱促進管１′として採用することもできる。また、図８に示すコルゲート管を伝熱促進管１′として採用することもできる。

ところで、前記熱交換ユニットＨ，Ｈ・・を３段以上積み重ねた場合には、段数をＮとした時、入口側の１段ないしＮ−１段の熱交換ユニットの芯管を伝熱促進管とすることができる。

なお、上記実施の形態においては、熱交換ユニットＨにおける水配管１を渦巻き形状に形成し、水配管１の外周に冷媒配管２を螺旋状に巻き付けるようにしているが、熱交換ユニットＨにおける水配管１の形状は、他の形状とすることもでき、また、冷媒配管２は水配管１の外周に接合されていれば足り、接合の形状は自由に選択できる。

さらに、本願発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の形態とり得ることは勿論である。

本願発明の実施の形態にかかる給湯用熱交換器の平面図である。 本願発明の実施の形態にかかる給湯用熱交換器の側面図である。 本願発明の実施の形態にかかる給湯用熱交換器において採用される伝熱促進管の一例を示す一部を展開した平面図である。 本願発明の実施の形態にかかる給湯用熱交換器において採用される伝熱促進管の他の一例を示す一部を展開した平面図である。 本願発明の実施の形態にかかる給湯用熱交換器において採用される伝熱促進管の他の一例を示す拡大断面図である。 本願発明の実施の形態にかかる給湯用熱交換器において採用される伝熱促進管の他の一例を示す拡大断面図である。 本願発明の実施の形態にかかる給湯用熱交換器において採用される伝熱促進管の他の一例を示す拡大分解斜視図である。 本願発明の実施の形態にかかる給湯用熱交換器において採用される伝熱促進管の他の一例を示す拡大断面図である。 炭酸カルシウムの溶解度曲線を示す特性図である。

１は水配管
１′は伝熱促進管
２は冷媒配管
７は螺旋溝
Ａは入口部分
Ｈ（Ｈ1，Ｈ2）は熱交換ユニット
Ｒは冷媒通路
Ｗは水通路

Claims (2)

1. 水通路（Ｗ）を構成する水配管（１）と、冷媒通路（Ｒ）を構成する冷媒配管（２）とからなる熱交換ユニット（Ｈ），（Ｈ）・・をＮ段積み重ね、前記水配管（１）および前記冷媒配管（２）をそれぞれ接続して一連の水通路（Ｗ）および冷媒通路（Ｒ）を構成し、前記水通路（Ｗ）を流れる水を前記冷媒通路（Ｒ）を流れる冷媒により加熱するように構成した給湯用熱交換器であって、前記水通路（Ｗ）の入口側の１段ないしＮ−１段の各熱交換ユニット（Ｈ）における水配管（１）を、内面に螺旋溝（７），（７）・・を設けた内面溝付き管、または内面に波形の螺旋構造をもったコルゲート管により構成したことを特徴とする給湯用熱交換器。
2. 前記水配管（１）の外周には、前記冷媒配管（２）を接合したことを特徴とする前記請求項１記載の給湯用熱交換器。

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