JP4922708B2 - ヒートポンプ式給湯機の熱交換器 - Google Patents

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本発明は熱交換器に関し、特に、冷媒の凝縮熱を利用して給湯用の温水を生成するヒートポンプ式給湯機の熱交換器に関する。
従来のこの種の熱交換器としては、例えば、内部に超臨界圧力に加圧され高温高圧の冷媒(二酸化炭素冷媒)が流れる複数の小流路(例えば、2〜4の流路)が横並びに形成された一次側伝熱管と、内部に低圧の給湯用の湯水が流れる偏平中空状の二次側伝熱管とを備え、この二次側伝熱管と前記一次伝熱管とを交互に密着させて、螺旋状に巻回して機械的に密着させることにより、全体として円筒状の熱交換器を構成している。この従来の熱交換器では、高圧側となる一次側伝熱管は、アルミニウムからなる多穴管を用いて、それらの多穴を複数の小流路とすることで、超臨界圧力以上の冷媒圧力に対応可能としている(例えば、特許文献1)。
また、内部に超臨界圧力に加圧され高温高圧の冷媒(二酸化炭素冷媒)が流れる複数の一次側伝熱管と、内部に低圧の給湯用の湯水が流れる二次側伝熱管とを備え、これら一次側伝熱管と二次側伝熱管を、銅などの同じ材質の金属管を用いて構成し、さらに、高圧側の一次側伝熱管を、低圧側の二次側伝熱管の周壁に形成した複数条の窪み部内に埋設して圧着一体化させ後、この圧着一体化されて1本の管のようになった伝熱管を、螺旋状に巻回して、全体として円筒状の熱交換器を構成している(例えば、特許文献2)。
特開2002−116943号公報 特開2003−14383号公報
ところで、特許文献1に記載されている熱交換器では、一次側伝熱管として多穴構造とするための押し出し成形が容易なアルミニウムが用いられ、一方、内部に低圧の給湯用の湯水が流れる二次側伝熱管として、水に対する耐食性に優れた銅が用いられる。そのため、異種金属同士の接触による電気的腐食を引き起こす可能性があり、相互の接触面において、異種金属同士の接触を避けるべく、両伝熱管に塗装を施したり、アルミニウムで作られた一次側伝熱管の表面にアルマイト処理を施したりする必要があった。
また、特許文献2に記載されている熱交換器では、一次側伝熱管と、二次側伝熱管とを銅などの同じ材質の金属管を用いて圧着一体化させているため、異種金属同士の接触による電気的腐食の心配がない上、熱交換効率が高く、超臨界圧力以上の冷媒圧力に対する耐圧性にも優れた利点があるが、その反面、低圧側の二次側伝熱管の周壁に引き抜き加工機を用いて複数状の窪み部を形成し、これら複数状の窪み部に高圧側の一次側伝熱管をそれぞれ介挿した後、再び、引き抜き加工機を用いて、低圧側の二次側伝熱管をその径方向に加圧変形させて、高圧側の一次側伝熱管に低圧側の二次側伝熱管を抱き込んだ形で両者を圧着固定する構成であるため、3本以上の一次側伝熱管を用いる場合では、熱交換器の成形加工が煩雑で、コストが嵩むという難点があった。
本発明は上述の実情に鑑みてなされたものであり、高い熱交換性能を維持しつつ、耐圧性、耐蝕性に優れたヒートポンプ式給湯機の熱交換器を提供することを目的としている。
請求項1に記載の本発明では、内部に高温高圧の冷媒が流れる断面円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管と、外周に平坦部を有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管とを備え、この二次側伝熱管の平坦部間に前記複数の一次側伝熱管を挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により前記一次側伝熱管と二次側伝熱管とを接合一体化させる構成として、前記偏平中空状の二次側伝熱管は、巻回前における平坦部間の内端側寸法HAを外端側寸法HBよりも小さく設定したことを特徴とする。
請求項1に記載の本発明によれば、内部に高温高圧の冷媒が流れる一次側の伝熱管として、断面円形の細管を複数本用いることにより、一次側伝熱管の耐圧性を維持すると共に、それら一次側伝熱管の加工の煩雑さを回避でき、しかも、二次側伝熱管には加工の煩雑な複数条の窪み部の形成が不要となせるため、二次側伝熱管の加工の煩雑さをも回避できる。
また、高圧側の一次側伝熱管と低圧側の二次側伝熱管の双方を、銅などの同じ材質の金属管を用いることが可能になり、電気的腐食の心配がない。
さらに、二次側伝熱管に平坦部を形成することと相俟って、ロウ付けにより複数の一次側伝熱管と二次側伝熱管とを接合一体化させる構成としているため、一次側伝熱管から二次側伝熱管への熱伝導性を高めることができる。
そのため、加工性が良好で、高い熱交換性能を維持しつつ、耐圧性及び耐蝕性に優れたヒートポンプ式給湯機の熱交換器を提供できる。
さらに、螺旋状に巻回した後に、低圧側の二次側伝熱管における上下の平坦部の平行度が高められ、高圧側の一次側伝熱管と低圧側の二次側伝熱管の密着性を良好となせる。
本発明では、内部に高温高圧の冷媒が流れる断面円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管と、外周に平坦部を有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管とを備え、この二次側伝熱管の平坦部間に前記複数の一次側伝熱管を挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により前記一次側伝熱管と二次側伝熱管とを接合一体化させる構成としたものであり、以下に本発明の実施例を説明する。
次に、本発明に係るヒートポンプ式給湯機の熱交換器の一実施例について、図1ないし図6に基づいて説明する。図1は本発明の一実施例を示すヒートポンプ式給湯機の設置状態を説明する説明図、図2は全体構成の概略構成図、図3は冷媒対水熱交換器の一部切欠の側面図、図4は同じく冷媒対水熱交換器の平面図、図5は同じく冷媒対水熱交換器の要部拡大断面図、図6は螺旋状に巻回する前の二次側伝熱管の断面図である。
図1において、ヒートポンプ式給湯機Aは、ヒートポンプユニット1と、このヒートポンプユニット1に配管接続される貯湯タンクユニット2とで構成され、これらヒートポンプユニット1及び貯湯タンクユニット2は、通常、屋外に設置される。また、これらヒートポンプユニット1及び貯湯タンクユニット2は、共通の外装ケース内に一体に組み込む一体型とすることもできる。
次に、図2を用いて説明すると、前記ヒートポンプユニット1は、外装ケース1A内に、ロータリー2段圧縮機などの能力可変の圧縮機3、冷媒対水熱交換器(熱交換器)4、電動膨張弁などの減圧装置5、蒸発器6、アキュームレータ7、ヒートポンプ側制御装置8、前記蒸発器6に通風して空気と熱交換させる熱交換用送風機9などが収容されており、前記圧縮機3、冷媒対水熱交換器4、減圧装置5、蒸発器6及びアキュームレータ7は、冷媒配管10にて環状に接続されており、二酸化炭素を冷媒としてその冷媒を圧縮機3で超臨界圧に圧縮するヒートポンプサイクルXを構成している。
前記貯湯タンクユニット2は、タンク側外装ケース2A内に、ステンレス鋼板製の縦長な貯湯タンク12、給水配管13、給水開閉弁14、分岐給水配管15、貯湯用配管16、貯湯用循環ポンプ17、追い焚き用配管18、追い焚き用熱交換器19、風呂水用配管20、風呂水用循環ポンプ21、追い焚き用循環ポンプ22、給湯用配管23、混合弁装置24、風呂給湯開閉弁25、タンク側制御装置26等を収容している。
前記給水配管13及び貯湯用配管16の出口部16Aが前記貯湯タンク12の底部に接続され、貯湯用配管16の入口部16B、追い焚き用配管18の出口部18A及び給湯用配管23がそれぞれ前記貯湯タンク12の頂部に接続されている。
27は前記ヒートポンプ側制御装置8とタンク側制御装置26とを配線接続する通信線、28は台所用リモートコントローラ、29は風呂用リモートコントローラであり、これら各リモートコントローラ28、29はタンク側制御装置26に配線接続されている。30は風呂を示している。
ここで、台所などに設置してある蛇口(図示せず)を開けると、貯湯タンク12内上部の高温の湯が水道圧で給湯用配管23へ押し出され、給湯が行われると同時に、貯湯タンク12内下部には、底部に接続された水道配管13から水道水が給水される。
風呂30に注湯する湯張りを行う場合は、風呂用リモートコントローラ29の風呂湯張りスイッチ(図示せず)を押すと、貯湯タンク12内上部から給湯用配管23へ押し出された高温の湯が混合弁装置24へ流れ、ここで分岐給水管15から給水される水と混合されて、予め設定された温度の湯が風呂30へ注湯され、所定の湯量が注湯されると湯張りが完了する。この風呂30の湯張り時にも、湯張り運転の開始と同時に、貯湯タンク12内下部には、底部に接続された水道配管13から水道水が給水される。
上記したように台所や風呂30などの利用部への給湯が行われると、貯湯タンク12内の高温の湯が消費され、貯湯タンク12内における高温の湯の層が減少し、この高温の湯は貯湯タンク12内の上部にのみ貯留し、貯湯タンク12内の中間部や下部は、温度の低い湯或いは水が貯留された状態となる。
次に、お湯の沸き上げ運転について説明する。ヒートポンプユニット1の運転開始により、ヒートポンプサイクルXの圧縮機3が起動すると、二酸化炭素の冷媒が圧縮機3によって2段圧縮され、この圧縮機3で圧縮されて吐出した超臨界圧の高温・高圧の冷媒は、冷媒対水熱交換器4において、貯湯用循環ポンプ17により送り込まれる貯湯タンク12からの水と熱交換し、その水を加熱する。
前記冷媒対水熱交換器4で熱交換して温度の低下した冷媒は、減圧装置5で減圧されて低圧となった後、蒸発器6に流れ、蒸発器6で空気から吸熱して蒸発し、低温・低圧となり、アキュームレータ7に流れ、このアキュームレータ7から圧縮機3に吸入され再び圧縮される。
上述のヒートポンプユニット1の運転開始に伴い、貯湯タンクユニット2内の貯湯用循環ポンプ17が起動し、この循環ポンプ17の運転により、前記貯湯タンク12内下部の低温或いは常温の水が、貯湯用配管16の出口部16Aから貯湯用配管16内へ流れ、貯湯用循環ポンプ17を介して冷媒対水熱交換器4へ流れ、ここで高温・高圧の冷媒と熱交換して加熱される。
そして、前記冷媒対水熱交換器4で加熱された高温の湯は、前記入口部16Bから貯湯タンク12内の上部に流入し、沸き上げ運転の時間の経過に伴って、貯湯タンク12内には80℃以上の湯の貯留量が徐々に増加し、この高温の湯の湯層が貯湯タンク12内の下部に至ると沸き上げ運転が完了する。
次に、本発明にかかわる前記冷媒対水熱交換器(熱交換器)4の構成について、図3〜図6の図面を用いて詳述する。
前記熱交換器としての冷媒対水熱交換器4は、内部に前記圧縮機3から吐出した超臨界圧の高温高圧の二酸化炭素冷媒が並列とした複数の経路(3経路)に分流されてそれぞれ流れる複数(3本)の高圧側の一次側伝熱管20と、外周の上下両部に平坦部21A、21Bが形成され、内部に貯湯タンク12から送り込まれる水が流れる低圧側の二次側伝熱管21とから成るものである。
前記複数の一次側伝熱管20は、図3及び図5に示すように、それらの上下に位置する二次側伝熱管21の平坦部21A、21B間に並列配置されて、前記平坦部21A、21B間に挟持される構成となっている。これら複数の一次側伝熱管20は、外径Dが約4.0〜4.5mm(実施例では約4.2mm)で断面真円形の銅製細管をそのままの形で用いている。ここで、前記複数の一次側伝熱管20は、図3及び図5に示すように、それの始端部と末端部において、相互に所定の間隔を開けて二次側伝熱管21の平坦部21A、21B間に並列配置しており、また、始端部と末端部の間の途中は、互いに接触するように並列配置している。
前記二次側伝熱管21は、外径が約18〜22mmの断面真円形の銅管を、上下両部に平坦部21A、21Bを形成して偏平中空状に成形したものであり、この偏平中空状に成形された二次側伝熱管21の平坦部21A、21B間に、前記複数の一次側伝熱管20を密着挟持させながら螺旋状に巻回して、概ね円筒形状の冷媒対水熱交換器(熱交換器)4とする。
そして、前記冷媒対水熱交換器(熱交換器)4は、図5に示すように、ロウ付け加工することにより、前記複数の一次側伝熱管20と二次側伝熱管21とが接合一体化された構造である。
前記ロウ付け加工に用いられるロウ材としては、前記複数の一次側伝熱管20並びに前記1本の二次側伝熱管21と同様に銅を主成分とする銅ロウを用いる。ここで、図5中のRは、ロウ付け加工完了された後のロウを示している。
また、前記二次側伝熱管21は、螺旋状に巻回する前、即ち、巻回前における上下両部の平坦部21A、21B間における内端側寸法HA(円筒状に巻回された冷媒対水熱交換器4の内向き端部側の寸法)を、約3.8mmに設定すると共に、外端側寸法HB(円筒状に巻回された冷媒対水熱交換器4の外向き端部側の寸法)を、約4.6mmに設定している(内端側寸法HA<外端側寸法HB)。
巻回前の二次側伝熱管21は、前記平坦部21A、21B間の内外両端側寸法HA、HBを上述の如く設定すると、図6に示すような断面形状となる。この断面形状の場合、巻回後の二次側伝熱管21は、巻回による圧力変形で、図5に示すように、上下両部の平坦部21A、21B間の内外両端側寸法が略等しくなり、互いに平行に近い平坦部21A、21Bを有する形となる。
そして、巻回前の二次側伝熱管21は、外径が約20〜25mmの断面真円形の銅管を押し出し加工機の成形用ローラの間に通し、加圧変形させることにより、図6に示す断面形状の扁平中空状に形成される。
また、前記した複数の一次側伝熱管20を、二次側伝熱管21の平坦部21A、21B間に密着挟持させながら螺旋状に巻回するには、治具である円筒形状のロールの外周に、前記一次側伝熱管20及び二次側伝熱管21を、その二次側伝熱管20の内端側がロールの外周面に当接するようにして巻回する。こうして、螺旋状に巻回されて円筒状に成形された冷媒対水熱交換器4は、その巻回状態を維持した状態で、銅ロウのロウ材による加熱ロウ付け処理される。
このロウ付け加工後において、前記複数の一次側伝熱管20同士の間には、ロウ材を充満させない空隙Yが形成され、これら空隙Yは、螺旋状に連続形成されており、一次側伝熱管20の始端部と末端部の双方において、大気に開放される構成となっている。
本実施例によれば、圧縮機3から吐出した高温高圧(超臨界圧)の二酸化炭素冷媒が内部に流れる断面真円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管20と、外周に平坦部21A、21Bを有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管21とを備え、この二次側伝熱管21の平坦部21A、21B間に前記複数の一次側伝熱管20を並列配置した状態で挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により前記複数の一次側伝熱管20と二次側伝熱管21とを接合一体化させる構成としている。
そのため、内部に高圧の冷媒が流れる一次側の伝熱管として、断面真円形の細管を複数本用いることにより、一次側伝熱管20の耐圧性を維持すると共に、それら一次側伝熱管20を加圧変形加工することなく、そのままで使用でき、加工の煩雑さを回避できる。
しかも、二次側伝熱管21には、加工の煩雑な複数条の窪み部の形成が不要であり、この二次側伝熱管21の加工の煩雑さも回避できる。
また、高圧側の一次側伝熱管20と低圧側の二次側伝熱管21の双方を、銅などの同じ材質の金属管を用いることにより、異種金属による電気的腐食の心配もなくなる。
また、二次側伝熱管21に平坦部21A、21Bを形成することと相俟って、銅ロウを用いたロウ付けにより複数の一次側伝熱管20と二次側伝熱管21とを接合一体化させているため、複数の一次側伝熱管20から二次側伝熱管21への熱伝導性を高めることができる。
従って、加工性が良好で、高い熱交換性能を維持しつつ、耐圧性及び耐蝕性に優れたヒートポンプ式給湯機の熱交換器と成せるものである。
また、前記偏平中空状の二次側伝熱管21は、巻回前における平坦部21A、21B間の内端側寸法HAを外端側寸法HBよりも小さく設定した構成としているので、冷媒対水熱交換器4を形成するために、螺旋状に巻回した後において、低圧側の二次側伝熱管21における上下の平坦部21A、21Bの平行度が高められ、高圧側の複数の一次側伝熱管20と低圧側の扁平中空状の二次側伝熱管21との密着性が一層良好となせる。
さらに、前記複数の一次側伝熱管20、20、20同士の間には、ロウ材を充満させない空隙Yを形成して、その空隙Yを一次側伝熱管20の始端部と終端部において大気に開放する構成としているので、高圧側の一次側伝熱管20に、例え、割れや亀裂が発生しても、その割れや亀裂の発生が低圧側の二次側伝熱管21に伝わることを回避でき、冷媒で二次側伝熱管21に流れる給湯用の湯水を汚染させないようにできる。
以上本発明の実施態様について説明したが、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、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。
本発明の一実施例を示すヒートポンプ式給湯機の設置状態を説明する説明図である。 同じく全体構成の概略構成図である。 同じく冷媒対水熱交換器の一部切欠の側面図である。 同じく冷媒対水熱交換器の平面図である。 同じく冷媒対水熱交換器の要部拡大断面図である。 同じく螺旋状に巻回する前の二次側伝熱管の断面図である。
符号の説明
4 冷媒対水熱交換器(熱交換器)
20 一次側伝熱管
21 二次側伝熱管
21A 平坦部
21B 平坦部
HA 平坦部間の内端側寸法
HB 平坦部間の外端側寸法
R ロウ
Y 空隙

Claims (1)

  1. 内部に高温高圧の冷媒が流れる断面円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管と、外周に平坦部を有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管とを備え、この二次側伝熱管の平坦部間に前記複数の一次側伝熱管を挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により前記一次側伝熱管と二次側伝熱管とを接合一体化させる構成として、前記偏平中空状の二次側伝熱管は、巻回前における平坦部間の内端側寸法HAを外端側寸法HBよりも小さく設定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。
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