JP5073074B2 - 熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、水と冷媒を熱交換させるための熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ式給湯機に関するものである。

ヒートポンプ式給湯機で用いられている、水と冷媒とを熱交換させるための熱交換器として、水配管に冷媒配管を巻き付けた形状の熱交換器がある。このような熱交換器においては、伝熱性能を向上させるために、水配管の外周に冷媒配管を巻き付ける螺旋状の溝が形成されている。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６４１６６号公報

水配管に冷媒配管を巻きつけた形状の熱交換器には、水配管に冷媒配管を巻きつける溝間隔を拡大するにしたがい、水配管の管内熱伝達率が増加するという傾向がある。そこで、熱交換器の性能向上を目的として、溝間隔を拡大して、溝間隔の拡大前と同一配管径の冷媒配管を巻いた場合、水配管と冷媒配管の接触面が減少するため、熱交換器の性能を向上させる効果が得られない可能性があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、溝間隔を拡大しても水配管と冷媒配管との接触面の面積の減少を抑えることができ、水配管内の熱伝達率の高い熱交換器及びこれを用いたヒートポンプ式給湯機を得ることを目的とする。

本発明に係る熱交換器は、外周に螺旋状に形成された１条の溝を有する第１の配管と、第１の配管の１条の溝に収容されるように巻き付けられ、第１の配管内を通過する流体に熱伝達するための第２の配管とを備え、第２の配管は、第１の配管の１条の溝に２本収容されている。

本発明によれば、第１の配管の外周に形成された螺旋状の１条の溝に、２本の第２の配管を収納して巻き付けるようにしたので、第１の配管と第２の配管との接触面の面積が広くなり、このため、第１の配管内の熱伝達率が増加し、熱交換器の性能を向上させることができる。

熱交換器の性能を説明するための熱交換器の部分断面図である。 水配管の溝間隔と熱伝達率の相関を示す図である。 水配管の溝間隔と冷媒配管の関係を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る熱交換器の構成を示す部分断面図である。 実施の形態１における水配管の溝間隔に対する熱交換器性能の推算値を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る熱交換器の構成を示す部分断面図である。 実施の形態２の他の形態における水配管の溝間隔と熱交換器性能の推算値の相関を示す図である。 本発明の実施の形態３における水配管の内径と外径との比をパラメータとした水配管の外径と水配管内の流速の相関を示す図である。 実施の形態３における水配管の内径と外径との比に対する水配管の限界外径を示す図である。 本発明の実施の形態４における水配管内の水温と熱伝達率の相関を示す図である。 実施の形態１から実施の形態４の何れか一つの熱交換器を用いて示すヒートポンプ式給湯機の冷媒回路図である。

実施の形態１．
図１は熱交換器の性能を説明するための熱交換器の部分断面図、図２は水配管の溝間隔と熱伝達率の相関を示す図、図３は水配管の溝間隔と冷媒配管の関係を示す断面図、図４は本発明の実施の形態１に係る熱交換器の構成を示す部分断面図、図５は実施の形態１における水配管の溝間隔に対する熱交換器性能の推算値を示す図である。
図１に示す熱交換器は、水を流通させる水配管１０と、水配管１０の外周に軸方向に螺旋状に形成された溝２０を有する螺旋部分３０と、その螺旋部分３０の溝２０に収容されるようにして巻き付けられ、冷媒を通過させる冷媒配管４０とで構成され、熱交換器としての性能は、一般的に、以下に示す式（１）で見積もることができる。

１／ＡＫ＝１／ｈ_iＡ_i＋ｔ／λＡ＋１／ｈ_oＡ_o …（１）
ここで、ＡＫは熱交換器の性能（熱コンダクタンス）［Ｗ／Ｋ］
ｈ_i は水配管内の熱伝達率［Ｗ／ｍ² ・Ｋ］
Ａ_i は水配管の伝熱面積［ｍ² ］
ｈ_o 冷媒配管内の熱伝達率［Ｗ／ｍ² ・Ｋ］
Ａ_o は冷媒配管の伝熱面積［ｍ² ］
ｔは銅管の厚さ［ｍｍ］
ｔ／λＡは接触熱抵抗［Ｋ／Ｗ］
である。

この式（１）より、水配管１０に形成された溝２０の間隔を拡大した場合、水配管１０内の熱伝達率ｈ_i が増加して、右辺第一項が減少することが分かるが、その溝に、溝間隔拡大前のときと同じ外径の冷媒配管４０を巻きつけた場合には、水配管１０と冷媒配管４０との接触面の面積Ａ_o が減少するため、右辺第三項が増加する。つまり、溝間隔拡大前後で同一径の冷媒配管４０を巻きつけた場合、右辺の合計が一定もしくは増加し、熱交換器の性能は向上しない。

例えば図２に示すように、溝間隔の拡大にしたがい、水配管１０内の熱伝達率ｈ_i が上昇するため、溝間隔を拡大させれば熱交換器の性能を向上させることが可能になるが、図３に示すように、水配管１０の溝間隔を拡大したときに、溝間隔拡大前と同一径の冷媒配管４０を巻きつけた場合、冷媒配管４０と水配管１０との接触面の面積が小さくなり、管内の熱伝達率上昇による、熱交換器の性能の向上が得られない可能性がある。そこで、実施の形態１においては、外形がほぼ扁平状の第２の配管である冷媒配管を第１の配管である水配管の溝に巻き付けて、水配管と冷媒配管の接触面の面積Ａ_o を増やして一定となるようにしたものである。つまり、前記の式（１）の右辺第三項を減少させて変化しないようにすることで、右辺の合計を減少させ、熱交換器の性能を向上させるようにしたものである。

次に、図４を用いて実施の形態１の熱交換器の構成について説明する。
実施の形態１の熱交換器においては、図４に示すように、冷媒の二酸化炭素を通過させる冷媒配管４１の外形をほぼ扁平状とし、この扁平状の冷媒配管４１に対し、水配管１１の螺旋部分３１に形成された溝２１の間隔が広くとられている。この螺旋状の溝２１に扁平状の冷媒配管４１を収容するようにして巻き付けることで、溝間隔の拡大による水配管１１と扁平状の冷媒配管４１との接触面の面積を広くとれる。その冷媒配管４１は、はんだ付けあるいはロウ付けによって水配管１１の溝２１に接合されている。

次に、扁平状の冷媒配管４１（以下、「扁平冷媒配管４１」という）と円形冷媒配管４０（図１参照）の使用による熱交換器の性能について図５を参照しながら説明する。
水配管１１の溝間隔がＬ１mmの場合、扁平冷媒配管４１を用いた熱交換器の性能と円形冷媒配管４０を用いた熱交換器の性能はほぼ同じである。これは、双方とも水配管１１と冷媒配管４１又は４０の接触面の面積がほぼ同じであるからである。また、溝間隔をＬ２mm（Ｌ１＜Ｌ２）に拡大した水配管１１を用いた場合は、扁平冷媒配管４１側の熱交換器の性能は向上しているのに対し、円形冷媒配管４０側の熱交換器の性能は低下している。これは、扁平冷媒配管４１側の接触面の面積がさらに大きくなったためであり、一方、円形冷媒配管４０側の接触面が小さくなったためである。さらに、溝間隔をＬ３mm（Ｌ２＜Ｌ３）に拡大した水配管１１を用いた場合は、扁平冷媒配管４１側の熱交換器の性能は僅かに低下するのに対し、円形冷媒配管４０側の熱交換器の性能はさらに低下している。これは、扁平冷媒配管４１側の接触面の面積が僅かに小さくなったためであり、一方、円形冷媒配管４０側の接触面の面積が大幅に小さくなったためである。

以上のように実施の形態１によれば、水配管１１に形成された螺旋状の溝２１の間隔を大きくとり、その溝２１に外形がほぼ扁平状の冷媒配管４１を収容するようして巻き付けるようにしたので、水配管１１と冷媒配管４１との接触面の面積が大きくなり、このため、水配管１１内の熱伝達率ｈ_i が増加し、熱交換器の性能を向上させることができる。

実施の形態２．
図６は本発明の実施の形態２に係る熱交換器の構成を示す部分断面図である。
実施の形態２の熱交換器は、水を通過させる水配管１２と、水配管１２の外周に軸方向に螺旋状に形成された１条の溝２２を有する螺旋部分３２と、その螺旋部分３２の溝２２に収納されるようにして２本巻き付けられ、冷媒（二酸化炭素）を通過させる冷媒配管４２とで構成されている。水配管１２上の螺旋状の溝２２は、例えば実施の形態１で説明した溝２１と同じ間隔で形成され、冷媒配管４２は、その溝２２の間隔のほぼ１／２以下の管径（長手方向の径）である。その冷媒配管４２は、実施の形態１と同様に、水配管１２の溝２２にはんだ付けあるいはロウ付けで接合されている。本実施の形態２は、１条の螺旋状の溝２２に２本の冷媒配管４２を巻き付けて、水配管１２との接触面の減少を抑えている。

以上のように実施の形態２によれば、水配管１２に形成された螺旋状の溝２２の間隔を大きくとり、その溝２２に外形がほぼ扁平状の２本の冷媒配管４１を収容するようにして巻き付けるようにしたので、水配管１２と冷媒配管４２との接触面の面積が広くなり、このため、水配管１１内の熱伝達率ｈ_i が増加し、熱交換器の性能を向上させることができる。

なお、実施の形態２では、１条の溝２２に２本の冷媒配管４２を巻き付けるようにしたが、水配管１２の外周に軸方向に３条の螺旋状の溝２２を形成し、各溝２２にそれぞれ２本の冷媒配管４２を巻き付けて構成される熱交換器であっても良い。この場合、螺旋部分３２には、６本の冷媒配管４２が巻き付けられた状態になっている。

ここで、３条の溝にそれぞれ２本の冷媒配管４２を巻き付けた熱交換器と、３条の溝にそれぞれ１本の冷媒配管４２を巻き付けた熱交換器の各性能について図７を用いて説明する。図７は実施の形態２の他の形態における水配管の溝間隔と熱交換器性能の推算値の相関を示す図である。
図７に示すように、水配管１２の螺旋部分３２に６本の冷媒配管４２を用いた熱交換器においては、溝間隔をＬ１→Ｌ２→Ｌ３と拡大した水配管１２をそれぞれ用いても、性能はほぼ変わらず高い状態である。これは、実施の形態１と同様に、水配管１２と冷媒配管４２との接触面の面積が広くなっているためである。これに対して螺旋部分３２に３本の冷媒配管４２を用いた熱交換器では、螺旋部分３２に６本の冷媒配管４２を用いた熱交換器よりも性能が低く、溝間隔を拡大した水配管１２を使用する毎に僅かながら低下している。これは、６本巻の熱交換器と比べ水配管１２と冷媒配管４２との接触面の面積が減少しているためである。

実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３における水配管の内径と外径との比をパラメータとした水配管の外径と水配管内の流速の相関を示す図、図９は実施の形態３における水配管の内径と外径との比に対する水配管の限界外径を示す図である。
図８は、水配管内に通過させる水の流量が最大となるような条件において、水配管の内径と外径との比をパラメータとする水配管の外径に対する配管内の流速を示している。このときの水配管内の流速は、図１に示すように螺旋部分３０の内径５０の断面積を基準として算出されたものである。水配管内の流速がある速度を超えた状態で熱交換器を使用した場合、腐食、孔食等の原因となるため、水配管内の流速が所定速度を超えることは、信頼性の観点から好ましくない。

例えば、水配管内を通過する水の流量が最大となる条件で、水配管内の流速が超えてはならない流速を１m/s とした場合に、水配管の内径と外径との比をパラメータとした各曲線において、水配管内の流速が１m/s となる配管の外径を選定し、これを限界外径とする。そして、水配管の内径と外径との比に対して、図９に示すように直線以下の斜線領域に含まれる水配管の外径とすれば、水配管内の流速が１m/s を超えることはなく、信頼性の観点から好ましい仕様となる。

水配管内の流速を算出する方法は、螺旋部分３０の断面積から算出しても良いし、螺旋部分３０の内径５０の断面積から算出しても良い。ただし、螺旋部分３０の断面積より、螺旋部分３０の内径５０の断面積の方が小さいため、水配管内の流速を大きく見積もるため、信頼性を向上させることができる。

実施の形態４．
図１０は本発明の実施の形態４における水配管内の水温と熱伝達率の相関を示す図である。
水温が低下するにしたがい、水配管内の熱伝達率は減少する。つまり、水配管の螺旋部分において、水配管内を通過する水の温度が低い部分では管内の熱伝達率が低いため、熱交換器の性能も低下する。そこで、水の温度が高い部分より低温部分の溝間隔を拡大することで、水配管内の熱伝達率を増加させ、熱交換器の性能を向上させることが可能となる。螺旋部分全体で、高温部と低温部の溝間隔を変化させる方法として、１本の水配管で高温部から低温部になるにしたがって、溝間隔を徐々に変更しても良いし、溝間隔の異なる複数本の水配管を接続しても良い。

また、冷媒配管は同一径の配管を螺旋部分全体で巻きつけても良いし、実施の形態１と同様に溝間隔を拡大した部分で、外形がほぼ扁平状の冷媒配管を巻きつけるようにしても良いし、実施の形態２と同様に、溝間隔を拡大した部分で、１条の溝に対して外形がほぼ扁平状の冷媒配管を２本巻きつけるようにしても良い。

実施の形態５．
図１１は実施の形態１から実施の形態４の何れか一つの熱交換器を用いて示すヒートポンプ式給湯機の冷媒回路図である。
ヒートポンプ式給湯機の冷媒回路は、圧縮機７１と、水・冷媒熱交換器７２と、膨張弁７３と、蒸発器７４とを順次接続して構成されている。前記の水・冷媒熱交換器７２は、実施の形態１から４の何れか一つの熱交換器が用いられている。このヒートポンプ式給湯機の冷媒としては、例えば冷凍サイクルにおける高圧側が臨界圧力（約７．４MPa ）以上で超臨界状態となり、かつ容易に入手できる二酸化炭素（ＣＯ２）が用いられている。

このように、ヒートポンプ式給湯機の熱交換器に実施の形態１から４の何れか一つの熱交換器を使用するようにしたので、熱交換性能の高いヒートポンプ式給湯機を提供できる。

１０，１１，１２ 水配管、２０，２１，２２ 螺旋状の溝、３０，３１，３２ 螺旋部分、４０，４１，４２ 冷媒配管、５０ 水配管の内径、６０ 水配管の外径、
７１ 圧縮機、７２ 水-冷媒熱交換器、７３ 膨張弁、７４ 蒸発器。

Claims (6)

1. 外周に螺旋状に形成された１条の溝を有する第１の配管と、
   該第１の配管の１条の溝に収容されるように巻き付けられ、前記第１の配管内を通過する流体に熱伝達するための第２の配管とを備え、
   前記第２の配管は、前記第１の配管の１条の溝に２本収容されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第１の配管の溝を３条とすることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１の配管は、管内を通過する流体の流量が最大となるような条件において、前記流体の流速が所定速度を超えないような外径を有する配管が使用されていることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器。
4. 前記第２の配管内を通過する流体が二酸化炭素であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の熱交換器。
5. 前記第２の配管は、前記第１の配管にはんだ付けあるいはロウ付けにより接合されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の熱交換器。
6. 少なくとも圧縮機、熱交換器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路を備え、前記熱交換器に請求項１乃至５の何れかに記載の熱交換器が使用されていることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

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