JP5379451B2 - 熱交換器及びこれを用いた給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばヒートポンプ式給湯装置の水熱交換器として用いられる熱交換器及びこれを用いた給湯装置に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ式給湯装置としては、ヒートポンプ回路によって給湯用水を加熱する加熱ユニットと、加熱ユニットで生成された温水を貯溜するタンクユニットとを備え、タンクユニットの温水を浴槽や台所に供給するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この給湯装置の加熱ユニットは、圧縮機、蒸発器、水熱交換器（ガスクーラ）等からなる冷媒回路を備え、給湯用水を水熱交換器で加熱し、温水配管を介してタンクユニットに供給するようにしている。

また、前記給湯装置に用いられる水熱交換器としては、ヒートポンプ回路の高温冷媒を流通する内管と、内管が内部に配置された外管とを備え、内管及び外管を渦巻状に巻回してなる巻回部が複数段に積み重ねられ、内管と外管との間に給湯用水を流通することにより、内管を介して高温冷媒と給湯用水とを熱交換するようにしたものが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

この水熱交換器では、上流側の巻回部と下流側の巻回部で温度が異なるため、各巻回部同士を接触させると、各巻回部間の熱伝達により熱交換性能が低下するという問題がある。そこで、従来の水熱交換器では、各巻回部間に細い金属パイプを介在させて隙間を形成したり、或いは各巻回部間に合成樹脂からなる断熱性の支持板を介在させることにより、各巻回部間の熱伝導を抑制するようにしている。この場合、各巻回部の位置ずれを防止する必要があるため、各巻回部間に金属パイプを介在させる場合は、各巻回部の外管に金属パイプをろう付けして固定し、各巻回部間に支持板を介在させる場合は、支持板に各巻回部の外管に係合する位置決め用の支持片を設けるようにしている。
特開２００６−４６８７７号公報 特開２００５−１４７５７０号公報

しかしながら、各巻回部間に金属パイプを介在させる場合は、金属パイプのろう付けが必要となり、組立作業が煩雑になるという問題点があった。また、各巻回部間に支持板を介在させる場合は、位置決め用の支持片を有する複雑な形状の支持板を用いているため、支持板の製造コストが高くつくという問題点があった。

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、組立作業が容易で低コストな構造により各巻回部間の熱伝導を抑制することのできる熱交換器及びこれを用いた給湯装置を提供することにある。

本発明は前記目的を達成するために、第１の熱媒体を流通する伝熱性の内管と、内管が内部に配置された外管とを備え、内管及び外管を渦巻状に巻回してなる巻回部が複数段に積み重ねられるとともに、各段の巻回部が連続するように形成され、内管と外管との間に第２の熱媒体を流通することにより、内管を介して第１の熱媒体と第２の熱媒体とを熱交換するようにした熱交換器において、前記各巻回部の間に配置され、各段の巻回部が連続する部分を挿通する切り欠きが設けられた断熱板と、各巻回部の外管に巻き付けられ、各巻回部の外管同士を断熱板と共に締め付ける締付部材とを備えている。

これにより、各巻回部の間に断熱板が配置されるとともに、締付部材が各巻回部の外管に巻き付けられ、各巻回部の外管同士が断熱板と共に締め付けられることから、ろう付けのような煩雑な固定作業を必要とせず、断熱板に簡単な形状の断熱材を用いることができる。

本発明によれば、ろう付けのような煩雑な固定作業を必要とせずに各巻回部を固定することができるので、組立作業を極めて容易に行うことができる。また、断熱板に簡単な形状の断熱材を用いることができるので、低コストな構造により各巻回部間の熱伝導を抑制することができる。

図１乃至図６は本発明の一実施形態を示すもので、図１はヒートポンプ式給湯装置の概略構成図、図２は第１の水熱交換器の概略構成図、図３はその平面図、図４はその側面図、図５は図３におけるＸ−Ｘ線矢視方向断面図、図６は断熱板及び締付部材の斜視図である。

同図に示すヒートポンプ式給湯装置は、冷媒を流通する冷媒回路１０と、給湯用水を流通する第１の給湯回路２０と、給湯用水を流通する第２の給湯回路３０と、浴槽用水を流通する浴槽用回路４０と、冷媒回路１０の冷媒と第１の給湯回路２０の給湯用水とを熱交換する第１の水熱交換器５０と、第２の給湯回路３０の給湯用水と浴槽用回路４０の浴槽用水とを熱交換する第２の水熱交換器６０とを備え、第１の水熱交換器５０は本発明の熱交換器を構成している。

冷媒回路１０は、圧縮機１１、膨張弁１２、空気熱交換器１３及び第１の水熱交換器５０を接続してなり、圧縮機１１、第１の水熱交換器５０、膨張弁１２、空気熱交換器１３、圧縮機１１の順に冷媒を流通させるようになっている。尚、この冷媒回路１０で使用される冷媒は、例えば二酸化炭素等の自然系冷媒である。

第１の給湯回路２０は、貯湯タンク２１、第１のポンプ２２及び第１の水熱交換器５０を接続してなり、貯湯タンク２１、第１のポンプ２２、第１の水熱交換器５０、貯湯タンク２１の順に給湯用水を流通させるようになっている。貯湯タンク２１には、給水管２３及び第２の給湯回路３０が接続され、給水管２３から供給された給湯用水は貯湯タンク２１を介して第１の給湯回路２０を流通するようになっている。貯湯タンク２１と浴槽４１とは、第２のポンプ２４が設けられた流路２５を介して接続され、第２のポンプ２４によって貯湯タンク２１内の給湯用水が浴槽４１に供給されるようになっている。

第２の給湯回路３０は、貯湯タンク２１、第３のポンプ３１及び第２の水熱交換器６０を接続してなり、貯湯タンク２１、第２の水熱交換器６０、第３のポンプ３１、貯湯タンク２１の順に給湯用水を流通させるようになっている。

浴槽用回路４０は、浴槽４１、第４のポンプ４２及び第２の水熱交換器６０を接続してなり、浴槽４１、第４のポンプ４２、第２の水熱交換器６０、浴槽４１の順に浴槽用水を流通させるようになっている。

第１の水熱交換器５０は、冷媒回路１０及び第１の給湯回路２０に接続され、冷媒回路１０を流通する第１の熱媒体としての冷媒と第１の給湯回路２０を流通する第２の熱媒体としての給湯用水とを熱交換させるようになっている。第１の水熱交換器５０は、冷媒を流通する伝熱性の第１及び第２の内管５１，５２と、第１及び第２の内管５１，５２がそれぞれ内部に配置される第１及び第２の外管５３，５４と、第１及び第２の内管５１，５２の一端がそれぞれ接続された一対の第１の端部ヘッダー５５と、第１及び第２の外管５３，５４の一端がそれぞれ接続された一対の第２の端部ヘッダー５６と、第１及び第２の内管５１，５２の他端が接続された第１の中間ヘッダー５７と、第１及び第２の外管５３，５４の他端が接続された第２の中間ヘッダー５８とを備え、各内管５１，５２及び各外管５３，５４は渦巻状に巻回されている。この場合、第１の外管５３内には２本の第１の内管５１が配置され、第２の外管５４内には４本の第２の内管５２が配置されている。

各第１の端部ヘッダー５５は冷媒回路１０に接続され、それぞれ冷媒の流入管５５ａ及び流出管５５ｂが接続されている。この場合、流入側の第１の端部ヘッダー５５には各第１の内管５１が互いに並列に接続され、流出側の第１の端部ヘッダー５５には各第２の内管５２が互いに並列に接続されている。各第２の端部ヘッダー５６は第１の給湯回路２０に接続され、それぞれ給湯用水の流入管５６ａ及び流出管５５ｂが接続されている。この場合、流入側の第２の端部ヘッダー５６には各第２の内管５２が貫通しており、流出側の第２の端部ヘッダー５６には各第１の内管５１が貫通している。

第１の中間ヘッダー５７は、一対のヘッダー部５７ａと、各ヘッダー部５７ａを互いに連通する連通管５７ｂとからなり、一方のヘッダー部５７ａには各第１の内管５１が互いに並列に接続され、他方のヘッダー部５７ａには各第２の内管５２が互いに並列に接続されている。この場合、第１の中間ヘッダー５７には第１及び第２の内管５１，５２が同一方向から接続されている。第２の中間ヘッダー５８には、第１及び第２の外管５３，５４が同一方向から接続されるとともに、第１及び第２の内管５１，５２がそれぞれ貫通している。

また、第１の内管５１及び第１の外管５３は、外側から内側に向かって巻回する巻回部Ａ1 と、内側から外側に向かって巻回する巻回部Ａ2 とが互いに上下２段に配列され、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の内側で管路を上下方向にずらすことにより、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の管路が連続するように形成されている。第２の内管５２及び第２の外管５４は、内側から外側に向かって巻回する巻回部Ａ2 と、外側から内側に向かって巻回する巻回部Ａ1 とが互いに上下２段に配列され、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の内側で管路を上下方向にずらすことにより、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の管路が連続するように形成されている。第１の内管５１及び第１の外管５３の巻回部Ａ1 ，Ａ2 は、第２の内管５２及び第２の外管５４の巻回部Ａ1 ，Ａ2 の上方に配置され、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 が上下４段に配列されている。

更に、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の間には平板状の複数の断熱板５９が配置され、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 は外管５３，５４同士を複数の締付部材５９ａによって締め付けることにより、各断熱板５９と共に固定されるようになっている。断熱板５９は巻回部Ａ1 ，Ａ2 の外周と同等の外形を有する発泡スチロール等の断熱材からなり、締付部材５９ａを挿通する孔５９ｂが４箇所に設けられている。また、断熱板５９の長手方向一端には、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の管路の上下に連続する部分を挿通する切り欠き５９ｃが設けられている。締付部材５９ａは帯状に形成された周知のインシュロックからなり、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の外管５３，５４に巻き付けて一端側を他端側の係止孔５９ｄに挿入することにより、一端側が係止孔５９ｄに係止して巻き付け状態が保持されるようになっている。

第２の水熱交換器６０は、第２の給湯回路３０及び浴槽用回路４０に接続され、第２の給湯回路３０の給湯用水と浴槽用回路４０の浴槽用水とを熱交換させるようになっている。

また、前記給湯装置は、冷媒回路１０及び第１の水熱交換器５０が配置された加熱ユニット７０と、貯湯タンク２１、第１のポンプ２２、第２のポンプ２４、第２の給湯回路３０、第４のポンプ４２及び第２の水熱交換器６０が配置されたタンクユニット８０とを備え、加熱ユニット７０とタンクユニット８０とは第１の給湯回路２０を介して接続されている。

以上のように構成された給湯装置においては、冷媒回路１０の高温冷媒と第１の給湯回路２０の給湯用水とが第１の水熱交換器５０によって熱交換され、給湯用水が加熱される。第１の水熱交換器５０では、図２の一点鎖線矢印に示すように、冷媒回路１０の冷媒が一方の第１の端部ヘッダー５５を介して各第１の内管５１に流入し、各第１の内管５１を流通した後、第１の中間ヘッダー５７を介して各第２の内管５２に流入し、各第２の内管５２を流通した後、他方の第１の端部ヘッダー５５を介して外部に流出する。また、図２の実線矢印に示すように、給湯回路２０の給湯用水が一方の第２の端部ヘッダー５６を介して第２の外管５４に流入し、第２の外管５４と各第２の内管５２との間を流通した後、第２の中間ヘッダー５８を介して第１の外管５３に流入し、第１の外管５３と各第１の内管５１との間を流通した後、他方の第２の端部ヘッダー５６を介して外部に流出する。即ち、第１の水熱交換器５０では、冷媒と給湯用水が互いに反対方向に流通する。その際、給湯用水の下流側となる第１の内管５１は、給湯用水の上流側となる第２の内管５２よりも本数が少ないため、第１の外管５３と各第１の内管５１との間には、第２の外管５４と各第２の内管５２との間よりも大きい流通断面積が確保され、給湯用水の下流側にスケールが堆積しても給湯用水の流通が阻害されることがない。更に、給湯用水の上流側の第２の内管５２は下流側の第１の内管５１よりも本数が多いため、各第２の内管５２によって給湯用水が十分に加熱される。

また、前記給湯装置の第１の水熱交換器５０を組立てる際には、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の間に各断熱板５９を配置した後、各断熱板５９の孔５９ｂに締付部材５９ａを通し、締付部材５９ａを各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の外管５３，５４に巻き付けて外管５３，５４同士を各断熱板５９と共に締め付けることにより、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 が互いに位置ずれを生じないように固定される。これにより、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 間の熱伝導が各断熱板５９によって抑制されることから、熱交換性能が低下することがない。

このように、本実施形態によれば、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の間に断熱板５９を配置するとともに、締付部材５９ａを各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の外管５３，５４に巻き付け、外管５３，５４同士を各断熱板５９と共に締め付けるようにしたので、ろう付けのような煩雑な固定作業を必要とせずに各巻回部Ａ1 ，Ａ2 を固定することができ、組立作業を極めて容易に行うことができる。また、断熱板５９に平板状の簡単な形状の断熱材を用いることができるので、低コストな構造により各巻回部Ａ1 ，Ａ2 間の熱伝導を抑制することができる。

更に、外側から内側に向かって巻回する巻回部Ａ1 と、内側から外側に向かって巻回する巻回部Ａ2 とを互いに上下方向に配列し、隣り合う巻回部Ａ1 ，Ａ2 の内側で管路を上下方向にずらすことにより、各巻回部Ａ1 ，Ａ2 の管路が連続するように形成したので、長さ寸法の大きい各内管５１，５２及び各外管５３，５４を効率良く巻回することができ、小型化に極めて有利である。

尚、前記実施形態では、隣り合う巻回部Ａ1 ，Ａ2 の内側で管路をずらすようにしたものを示したが、巻回部Ａ1 ，Ａ2 の外側で管路をずらすようにしてもよい。

また、前記実施形態では、本発明の熱交換器をヒートポンプ式給湯装置の第１の水熱交換器５０として用いたものを示したが、本発明は第１の熱媒体と第２の熱媒体とを熱交換するものであれば、他の用途の熱交換器にも適用することができる。

本発明の一実施形態を示すヒートポンプ式給湯装置の概略構成図 第１の水熱交換器の概略側面図 第１の水熱交換器の平面図 第１の水熱交換器の側面図 図３におけるＸ−Ｘ線矢視方向断面図 断熱板及び締付部材の斜視図

符号の説明

５０…第１の水熱交換器、５１…内管、５２…外管、５９…断熱板、５９ａ…締付部材、Ａ1 ，Ａ2 …巻回部。

Claims (3)

1. 第１の熱媒体を流通する伝熱性の内管と、内管が内部に配置された外管とを備え、内管及び外管を渦巻状に巻回してなる巻回部が複数段に積み重ねられるとともに、各段の巻回部が連続するように形成され、内管と外管との間に第２の熱媒体を流通することにより、内管を介して第１の熱媒体と第２の熱媒体とを熱交換するようにした熱交換器において、
   前記各巻回部の間に配置され、各段の巻回部が連続する部分を挿通する切り欠きが設けられた断熱板と、
   各巻回部の外管に巻き付けられ、各巻回部の外管同士を断熱板と共に締め付ける締付部材とを備えた
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 外側から内側に向かって巻回する巻回部と、内側から外側に向かって巻回する巻回部とを交互に配列し、隣り合う巻回部の内側または外側で管路を巻回部の配列方向にずらすことにより、各巻回部間で管路が連続するように形成した
   ことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 請求項１または２記載の熱交換器を備え、
   熱交換器の外管内に第２の熱媒体としての給湯用水を流通し、熱交換器の各内管に給湯用水を加熱する第１の熱媒体を流通する
   ことを特徴とする給湯装置。

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