JP4805179B2 - 水冷媒熱交換器 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ式給湯機等に用いられる水冷媒熱交換器に関するものである。

従来よりこの種のヒートポンプ式給湯機用の水冷媒熱交換器は、水管と冷媒管を二重螺旋状に巻回したもの（特許文献１）や、渦巻き状の水管に冷媒管を巻き付けたもの（特許文献２）や、水管の内部に冷媒漏れ検知のための二重管式の冷媒管を配置した三重管のもの（特許文献３）や、２枚のプレートの周縁を接合して薄型矩形の箱体内にコルゲート板を配置して水流路を蛇行させ、箱体外面に冷媒管を螺旋状に巻回したもの（特許文献４）等が知られている。
特開２００２−３７２３１８号公報 特開２００３−９７８９８号公報 特開２００５−２５７１８９号公報 特開２００６−９７９７０号公報

しかしながら、特許文献１のものでは、螺旋の巻き半径が大きくなり水冷媒熱交換器が大型化してしまう問題があり、特許文献２のものでは、冷媒管が長尺化して重量が重く高コストであると共に、水管を渦巻き状にして平面に配置しているため水管からの水抜き性が極端に悪いという問題があり、特許文献３のものでは、水管内部の冷媒管が冷媒漏れを検知するために二重管となっているため重量が重い上に高コストであり、特許文献４のものでは、正面側のプレート内の水流通方向と螺旋状に巻回された冷媒管の流通方向は対向流となるものの、背面側においては水流通方向と冷媒流通方向が同一方向となり、熱交換効率が低下するものであった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高性能かつ軽量コンパクトで配置の自由度が高い水冷媒熱交換器を提供することを目的とする。

この発明は上記課題を解決するため、特にその構成を、請求項１では、螺旋状に巻回した水管の外周に冷媒管を巻回した熱交モジュールを複数本備えた水冷媒熱交換器であって、前記熱交モジュールを４本並列に配置し、水冷媒熱交換器に流入する被加熱水を２本に分流し、外側の２本の熱交モジュールの水管の一端側をそれぞれ水流入部とし、外側の２本の熱交モジュールの水管の他端側と、内側の２本の熱交モジュールの水管の他端側とをそれぞれ水連絡管を設けて連結し、内側の２本の熱交モジュールの水管の一端側をそれぞれ水流出部とし、水流出部からの被加熱水を合流して水冷媒熱交換器から流出させ、水冷媒熱交換器に流入する冷媒を２本に分流し、内側の２本の熱交モジュールの冷媒管の一端側をそれぞれ冷媒流入部とし、内側の２本の熱交モジュールの冷媒管の他端側と、外側の２本の熱交モジュールの冷媒管の他端側とをそれぞれ冷媒連絡管を設けて連結し、外側の２本の熱交モジュールの冷媒管の一端側をそれぞれ冷媒流出部とし、冷媒流出部からの冷媒を合流して水冷媒熱交換器から流出させたものとした。

また、請求項２では、前記一端側を上側、前記他端側を下側として立設配置したものとした。

また、請求項３では、前記水連絡管から分岐した位置に水抜き用の栓を設けたものとした。

本発明によれば、熱交換効率を向上させることができる。

さらに、水抜きも容易に行うことが可能となるものである。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。この一実施形態では、ヒートポンプ式給湯機の二酸化炭素冷媒やフロン冷媒等の冷媒と貯湯タンクの水あるいは給水そのものとの間で熱交換する水冷媒熱交換器を例にとって説明するものである。

図１に示すヒートポンプ式給湯機を説明すると、５１は温水を貯湯する貯湯タンク、５２は貯湯タンク５１内の温水を加熱するヒートポンプユニット、５３は貯湯タンク５１内の温水をヒートポンプユニット５２へ循環させるよう接続する循環回路、５４は循環回路に設けられた循環ポンプ、５５は貯湯タンク５１へ給水する給水管、５６は貯湯タンク５１から出湯させる出湯管である。

前記ヒートポンプユニット５２は、冷媒を圧縮する圧縮機５７と、ガスクーラとしての水冷媒熱交換器１と、温度低下した冷媒を減圧膨張させる電子膨張弁５８と、低温低圧の冷媒を蒸発させる空冷式の蒸発器５９とで構成され、冷媒として二酸化炭素を用いて高圧側で臨界圧力以上とした超臨界ヒートポンプサイクルを構成しているものである。以下に本発明の水冷媒熱交換器１を詳細に説明する。

この水冷媒熱交換器１は図２に示すように、水管２がつる巻き螺旋状に巻回され、その外側に水管２の外周に密着して冷媒管３がつる巻き螺旋状に巻回された熱交モジュール４（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）を４本並列に配置して構成されている。

ここで、熱交モジュール４の水管２、冷媒管３はそれぞれ次のように構成されている。
水管２は、水管２同士の接触面積を少なくするため、螺旋軸方向へ扁平している。冷媒管３は、この扁平状の水管２同士の接触する部分のミゾに沿って水管２と同一方向へ巻回されている。このミゾが冷媒管３を巻回する際の冷媒管３の位置固定ガイドとして作用していると共に水管２の扁平化と相俟って熱交モジュール４の小外径化を実現しているものである。

これら４本の熱交モジュール４は、熱交モジュール４ａ、４ｂが直列に接続され、熱交モジュール４ｃ、４ｄが直列に接続されている。また、これら直列に接続されたもの２つがさらに並列に接続されている。水冷媒熱交換器１に上部から流入した被加熱水は２系統に分流し外側の熱交モジュール４ａ、４ｄに流入して内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃから、つまり水冷媒熱交換器１の上部から流出する。圧縮機５７からの高温の冷媒は上部から、２系統に分流し内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃに流入して外側の熱交モジュール４a、４ｄから、つまり水冷媒熱交換器１の上部から流出する。このようにして被加熱水は対向流で加熱される。これをさらに詳説する。

外側の熱交モジュール４ａ、４ｄの水管２の一端側は、貯湯タンク５１から水冷媒熱交換器１へ流入する被加熱水の水流入部５とし、熱交モジュール４ａ、４ｄの水管２の他端側と内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃの水管２の他端側とが水連絡管６によってそれぞれ接続され、この内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃの水管２の一端側を冷媒によって加熱された被加熱水の水流出部７とし、水流出部７からの被加熱水を合流して水冷媒熱交換器１から流出させている。

また、内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃの冷媒管３の一端側は、圧縮機５７から水冷媒熱交換器１へ流入する高温冷媒の冷媒流入部８とし、熱交モジュール４ｂ、４ｃの冷媒管３の他端側と外側の熱交モジュール４ａ、４ｄの冷媒管３の他端側とが冷媒連絡管９によってそれぞれ接続され、この外側の熱交モジュール４ａ、４ｄの冷媒管３の一端側を被加熱水と熱交換後の冷媒の冷媒流出部１０とし、冷媒流出部１０からの冷媒を合流して水冷媒熱交換器１から流出させている。

このように構成することで、被加熱水と冷媒の流れを水冷媒熱交換器１の全域にわたって対向流とすることができ、熱交換効率が向上し、内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃが高温となり内側からの放熱ロスはその外側にある熱交モジュール４ａ、４ｄに吸収されることとなり放熱ロスが低減し、したがって、高性能な水冷媒熱交換器とすることができると同時に、全体を軽量コンパクト化かつ省スペース化でき、省資源、低コストを実現し、配置の自由度の高い水冷媒熱交換器とすることができた。

なお、外側の熱交モジュール４ａ、４ｄと内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃとの間には、温度が高い内側の熱交モジュール４ｂ、４ｃから外側の熱交モジュール４ａ、４ｄへの伝熱を遮る断熱シート１１を設け、さらに水冷媒熱交換器１全体を断熱材（図示せず）で覆って放熱ロスを低減している。

また、この水冷媒熱交換器１は前記一端側を上部に、他端側を下部になるように立設されていると共に、外側の熱交モジュール４ａ、４ｄの水管２同士を接続する水連絡管６からそれぞれ分岐した後に連結して水冷媒熱交換器１の水抜き用の栓１２が設けられている。

このように、機器の不使用時等において水冷媒熱交換器１から水抜きを行いたい場合には、水冷媒熱交換器１の上部側には水流入部５と水流出部７とを大気開放し、さらに水連絡管６から分岐して設けられた水抜き用の栓１２を大気開放すれば、水管２の螺旋状の形状と相俟って容易かつ確実に水抜きが行える。

なお、水冷媒熱交換器１を、この一実施形態では一端側を上部になるように立設しているが、上下逆さまに立設してもよいもので、この場合、一端側が下部、他端側が上部となり、水連絡管６から分岐して設けられた水抜き用の栓１２は水管２への空気導入路となり、水管２内の被加熱水は水流入部５と水流出部７から排出されることとなるが、一実施形態と同様に水管２の螺旋状の形状と相俟って容易かつ確実に水抜きが行える。

ここで、表１は従来技術として開示した特許文献と本発明とを比較した結果を示すもので、「占有容積」は水冷媒熱交換器を配置するのに実質的に必要な容積の多少による優劣、「重量」は水冷媒熱交換器の軽重およびそれに伴う材料コストの優劣、「対向流」は水の流路の全域にわたってほぼ対向流とすることができているか、「水抜き性」は水冷媒熱交換器内部の被加熱水を容易に排出できるかを示す。

この表１に示すように、従来の技術では占有容積、重量、対向流、水抜き性の各項目を全て満足することがいずれの水冷媒熱交換器でもできていなかったのに対し、本発明では占有容積、重量、対向流、水抜き性の各項目を全て満足できる水冷媒熱交換器を実現することができたものである。

以上、本実施例によれば、水と冷媒を全域にわたり対向流にすることができ熱交換効率が向上する。内側の熱交モジュールを高温側としたため放熱ロスを軽減でき、高性能な水冷媒熱交換器とすることができる。また、全体を軽量コンパクト化かつ省スペース化でき、省資源化、低コスト化でき、配置の自由度の高い水冷媒熱交換器を実現することができる。また、水抜きを容易に行うことが可能となる。

この発明の一実施形態のヒートポンプ式給湯機のシステム図。 この発明の一実施形態を示す水冷媒熱交換器の概略構成図。

符号の説明

１ 水冷媒熱交換器
２ 水管
３ 冷媒管
４ 熱交モジュール
５ 水流入部
６ 水連絡管
７ 水流出部
８ 冷媒流入部
９ 冷媒連絡管
１０ 冷媒流出部
１１ 断熱シート
１２ 水抜き用の栓

Claims (3)

1. 螺旋状に巻回した水管の外周に冷媒管を巻回した熱交モジュールを複数本備えた水冷媒熱交換器であって、
   前記熱交モジュールを４本並列に配置し、
   水冷媒熱交換器に流入する被加熱水を２本に分流し、外側の２本の熱交モジュールの水管の一端側をそれぞれ水流入部とし、外側の２本の熱交モジュールの水管の他端側と、内側の２本の熱交モジュールの水管の他端側とをそれぞれ水連絡管を設けて連結し、内側の２本の熱交モジュールの水管の一端側をそれぞれ水流出部とし、水流出部からの被加熱水を合流して水冷媒熱交換器から流出させ、
   水冷媒熱交換器に流入する冷媒を２本に分流し、内側の２本の熱交モジュールの冷媒管の一端側をそれぞれ冷媒流入部とし、内側の２本の熱交モジュールの冷媒管の他端側と、外側の２本の熱交モジュールの冷媒管の他端側とをそれぞれ冷媒連絡管を設けて連結し、外側の２本の熱交モジュールの冷媒管の一端側をそれぞれ冷媒流出部とし、冷媒流出部からの冷媒を合流して水冷媒熱交換器から流出させた
   ことを特徴とする水冷媒熱交換器。
2. 前記一端側を上側、前記他端側を下側として立設配置したことを特徴とする請求項１記載の水冷媒熱交換器。
3. 前記水連絡管から分岐した位置に水抜き用の栓を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の水冷媒熱交換器。

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