JP5513738B2 - 熱交換器およびヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器およびヒートポンプ式給湯機に関し、特に水またはブラインと冷媒とを熱交換する熱交換器およびヒートポンプ式給湯機に関する。

ヒートポンプ式給湯機に使われる冷媒―水熱交換器は、円管の送水管に外側から冷媒配管を接合して熱を伝える方式がある。この冷媒―水熱交換器では、１本または複数本の冷媒配管が１本の円管の送水管に対して配置されている。送水管の水入口と冷媒配管の冷媒出口が接合され、送水管の水出口と冷媒配管の冷媒入口が接合されている。

図１０は送水管の内部構造を示す断面図であり、送水管２０２の円管２６０の水流路内には、伝熱促進手段であるスプリングコイル２５０あるいは内面溝（図示せず）が配置されている。

また、特許文献１には、低温の水および高温の水の一方と通す内管と、低温の水および高温の水の他方と通す外管を備え、内管は、スパイラル状のひだ形中空フィンを有している液―液熱交換器が提案されている。
特開２００７−８５５９５号公報

このような従来の熱交換器は、冷媒側に比べて水側の熱伝達率が低く、水側の熱伝達性能を向上させることが省エネルギーのために重要である。しかし、円管２６０の水流路内での水の流速は低く、層流領域であるために、図１０に示す通常の円管２６０内には、伝熱促進手段であるスプリングコイル２５０や内面溝を設けることにより、円管２６０内に乱流領域を発生させる。しかし、水の流れに流れの剥離がおきたまま、スプリングコイル２５０の間や内面溝の間には、主流方向２６１に沿って流れの剥離（死水域）２６２が発生し、場合によっては連続的な水の流れの剥離２６２が生じるので、熱交換器の熱伝達性能を向上することが難しい。

また、上述の特許文献１に開示されている液―液熱交換器では、内管の外側に外管が配置されている形状であるので、例えばもし内管が破れると、内管を通る水と、内管と外管の間を通る冷媒とが混じる。内管を通る水は風呂水や炊事などに用いられるが、冷媒が水に混じっていると、この冷媒が混じった水が身体に触れるおそれがあるので使用が困難である。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段では、第１リブと第２リブにより流体の主流方向とは別に、流体の２次流れが形成でき、流体と冷媒との熱伝達性能を向上することができる熱伝達性能を向上することができる熱交換器およびヒートポンプ式給湯機を提供することである。

本発明の熱交換器は、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段と、冷媒が流通する第２流路手段と、を有し、上記第１流路手段を流れる上記流体と上記第２流路手段を流れる冷媒とを熱交換可能に配置した熱交換器において、上記第１流路手段は円管からなり、上記円管の内壁面に突出するとともに上記円管の軸方向に沿って周方向の一方に延びる第１リブと、上記円管の内壁面に突出するとともに上記円管の軸方向に沿って上記周方向の他方に延びる第２リブと、からなるリブ対が、上記円管の軸方向に複数設けられており、上記各リブ対の上記第１リブの始点と上記第２リブの始点が、上記円管の軸方向にずれており、上記第１リブの始点と上記第２リブの始点のズレ量Ｐ２は、上記第１リブと上記第２リブの軸方向の長さをＰ１とすると、Ｐ１≦Ｐ２≦２×Ｐ１で表され、上記リブ対と流れ方向の次の上記リブ対との距離Ｐ３は、２×Ｐ２＜Ｐ３で表され、さらに上記流れ方向の後続の上記リブ対の始点を、上記流れ方向と垂直方向に一対ずつずらしていき、隣接する上記リブ対の始点のズレ量Ｐ５は、上記第１リブと上記第２リブの円周方向の長さＰ４よりも小さいことを特徴とする。

本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機に、冷媒管を介して順次、水熱交換器、膨張弁、および空気熱交換器を接続して構成される冷凍サイクルと、上記水熱交換器に挿通されて送水し上記冷媒管内を流れる高圧冷媒と熱交換させる送水管と、を具備したヒートポンプ式給湯機において、上記水熱交換器は、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段と、冷媒が流通する第２流路手段と、を有し、上記第１流路手段は円管からなり、上記円管の内壁面に突出するとともに上記円管の軸方向に沿って周方向の方に延びる第１リブと、上記円管の内壁面に突出するとともに上記円管の軸方向に沿って上記周方向の他方に 延びる第２リブと、からなるリブ対が、上記円管の軸方向に複数設けられており、上記各リブ対の上記第１リブの始点と上記第２リブの始点が、上記円管の軸方向にずれており、上記第１リブの始点と上記第２リブの始点のズレ量Ｐ２は、上記第１リブと上記第２リブの軸方向の長さをＰ１とすると、Ｐ１≦Ｐ２≦２×Ｐ１で表され、上記リブ対と流れ方向の次の上記リブ対との距離Ｐ３は、２×Ｐ２＜Ｐ３で表され、さらに上記流れ方向の後続の上記リブ対の始点を、上記流れ方向と垂直方向に一対ずつずらしていき、隣接する上記リブ対の始点のズレ量Ｐ５は、上記第１リブと上記第２リブの円周方向の長さＰ４よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段では、第１リブと第２リブにより流体の主流方向とは別に、流体の２次流れが形成でき、流体と冷媒との熱伝達性能を向上することができる熱伝達性能を向上することができる熱交換器およびヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明のヒートポンプ式給湯機の好ましい第１の実施の形態を示す構成図である。

図１に示すヒートポンプ式給湯機１０は、流体として水またはブライン（例えば不凍液等）を用い、冷媒として例えばＣＯ２を用いる冷凍サイクルを備えている。

このヒートポンプ式給湯機１０の冷凍サイクルは、圧縮機１に対して順次、水熱交換器３と、内部熱交換器４と、膨張弁５と、そして空気熱交換器６を接続することにより構成されている。

水熱交換器３は熱交換器の一例であり冷媒―水熱交換器とも言う。水熱交換器３には、送水管８が冷媒管２と平行になるように挿通されている。この送水管８は水またはブラインからなる流体を流通させる第１流路手段である。これに対して、冷媒管２は、冷媒を流通させる第２流路手段である。

送水管８の一端部にはポンプ９が取り付けられ、送水管８の他端部は貯湯タンク７に接続されている。水熱交換器３内では、冷媒管２内を流れる冷媒と、送水管８内を流れる流体としての例えば水とを、矢印で示すように逆方向に流して、冷媒と水とが熱交換するようになっている。

空気熱交換器６から出た冷媒管２は、内部熱交換器４を通過した後に、水熱交換器３の中間部分を通過して圧縮機１側に接続されている。すなわち、圧縮機１に接続される吸込み側の冷媒管２の部分（以下、サクション管という）２Ａが、水熱交換器３の中間部分に通されている。これにより、サクション管２Ａ内の冷媒と高圧側の冷媒管２の部分２Ｂ内の冷媒、あるいは送水管８内の水との熱交換を可能とする加熱調整部２Ｃが構成されている。

図１に示す水熱交換器３の具体的な構造例を、図２に示す。

図２に示すヒートポンプ式給湯機に使われる冷媒―水熱交換器３は、円管の送水管８に外側から細い冷媒配管２を接合して熱を伝える方式である。図２に示す対向流型の冷媒―水熱交換器３では、１本または複数本の細い冷媒配管２が１本の送水管８に対して配置されている。図２に示す部分Ｆでは、細い冷媒配管２が、送水管８の周りにらせん状に巻き付ける等してロー付け等で接合されている。この例では、送水管８の水入口２３０と冷媒配管２の冷媒出口２４０が接合され、送水管８の水出口２３１と冷媒配管２の冷媒入口２４１が接合されている。

図３（Ａ）は伝熱管である送水管８の流路を示し、流体である水またはブラインの２次流れ２５の様子を示す断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示す送水管８の流路だけを示す断面図である。

図３に示すように、上述したように送水管８は円管であり、送水管８の内壁面１９には、内側に盛り上がるようにして複数対のリブ２０，２１が設けられている。これらのリブ２０，２１は、送水管８の外側から工具を押し当てることで形成されている。第１リブとしてのリブ２０は、円管の内壁面１９に突出するとともに円管の軸方向（図３の紙面垂直方向）に沿って周方向の一方に延びる。第２リブとしてのリブ２１は、円管の内壁面１９に突出するとともに円管の軸方向（図３の紙面垂直方向）に沿って上記周方向の他方に延びる。

図４は、この送水管８の内部形状を示す斜視図であり、図５は、送水管８の軸方向の断面図である。

図４と図５に示すように、２つのリブ２０，２１がリブ対３０を構成しており、複数のリブ対３０は、送水管８の主流方向（送水管８の軸方向、流体の２次流れに対して１次流れともいう）Ｍに沿ってほぼ一定の間隔Ｄをおいて、送水管８の全長に渡って形成されている。

各リブ対３０のリブ２０，２１は、図５においてはそれぞれ送水管８の管壁の内壁面１９に沿って同じ長さＫを有している。リブ２０，２１は、送水管８の管壁の内壁面１９においてこの２つを一対として中央より外側に向けて広がるように形成され、しかもリブ２０の始点３１とリブ２１の始点３１が、相互に主流方向Ｍに沿ってずれて配置されている。なお、送水管８の管壁の内壁面１９からのリブ２０，２１の形成高さは、送水管８の内径寸法の５％〜１５％であることが望ましい。

図４と図５に示すように、リブ２０，２１は、送水管８の管壁の内壁面１９において流体の流れをせき止める形で流体の流動方向を主流方向Ｍから斜めに逸らして、やがて送水管８の管壁の内壁面１９に沿って流体の２次流れ２５の渦を形成することができる。この２次流れ２５が管壁の内壁面１９に沿って温度境界層を破壊することで、流体と、冷媒との熱伝達を促進することができる。

各リブ対３０のリブ２０の始点３１とリブ２１の始点３１を、主流方向Ｍに沿ってずらした配置するのは、流体の流れがリブ２０，２１によってせき止められたことで、剥離した空間に別の流れ３３を誘い込ませることで、リブ２０，２１の後流に死水域を作らせないようにするためである。

図６は、リブ２０，２１が送水管８の管壁の内壁面１９において形成されている例を示している。リブ２０，２１の円周方向の長さＳは、送水管８の管周囲の１／４以下に設定されている。もし、リブ２０，２１の円周方向の長さＳが、送水管８の管周囲の１／４を超えると、流体の２次流れを起こしにくい。

また、図７は、送水管８の主流方向Ｍの断面におけるリブ２０，２１に関する長さ等を示している。

リブ２０の始点３１とリブ２１の始点３１との主流方向Ｍに関するズレ量をＰ２として、リブ２０の主流方向Ｍの長さとリブ２１の主流方向Ｍの長さをそれぞれＰ１とし、リブ対３０と主流方向Ｍの次のリブ対３０との距離をＰ３とすると、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の関係は次の式の範囲にすると、圧力損失の増大を抑えることができ、流体の流れの連続的な剥離を無くすことができる。

Ｐ１≦Ｐ２≦２×Ｐ１
２×Ｐ２＜Ｐ３
ここで、ズレ量Ｐ２が主流方向Ｍの長さＰ１よりも小さいと、リブ２０とリブ２１の間が小さくなり、流体の２次流れが生じにくくなる。また、ズレ量Ｐ２が２×Ｐ１よりも大きいと、リブ２０とリブ２１の間が開きすぎて、２次流れが生じにくくなる。ズレ量２×Ｐ２が距離Ｐ３と同じかＰ３よりも大きいと、リブ対３０と隣のリブ対３０が近づきすぎて２次流れが生じにくい。

このようにリブ２０，２１の円周方向の長さＳ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の値を設定することで、送水管８内において、流体（水またはブライン）の２次流れを確実に形成することができる。

（第２の実施の形態）
図８と図９は、本発明のヒートポンプ式給湯機に設けられる送水管の第２の実施の形態を示している。図８は、送水管８の断面図であり、図９は、この送水管８の斜視図である。

図８と図９に示すように、各リブ対３０のリブ２０の始点３１とリブ２１の始点３１が送水管８の管壁の内壁面１９方向に少しずつずらして形成されている。これにより、送水管８内の２次流れをらせん状に旋回させることができる。この時に、図８に示すように、リブ対３０のリブ２０の始点３１と、隣接するリブ対３０のリブ２０の始点３１とのズレ量Ｐ５を極端に大きく取ると、２次流れが相殺される方向に働くために、このズレ量Ｐ５は、リブ２０の円周方向長さＰ４よりも小さく（Ｐ５＜Ｐ４）する必要がある。

もし、ズレ量Ｐ５が円周方向長さＰ４と同じか、円周方向長さＰ４よりも大きいと、２次流れが相殺される方向に働くために、送水管８内において流体（水またはブライン）の２次流れをらせん状に旋回させることが難しい。

本発明の熱交換器は、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段と、冷媒が流通する第２流路手段と、を有し、第１流路手段を流れる流体と第２流路手段を流れる冷媒とを熱交換可能に配置した熱交換器において、第１流路手段は円管からなり、円管の内壁面に突出するとともに円管の軸方向に沿って周方向の一方に延びる第１リブと、円管の内壁面に突出するとともに円管の軸方向に沿って周方向の他方に延びる第２リブと、からなるリブ対が、円管の軸方向に複数設けられており、各リブ対の第１リブの始点と第２リブの始点が、円管の軸方向にずれている。これにより、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段では、第１リブと第２リブにより流体の主流方向とは別に、流体の２次流れが形成でき、流体と冷媒との熱伝達性能を向上することができる熱伝達性能を向上することができる。

本発明の熱交換器では、第１リブと第２リブの円周方向の長さＳは、円周の１／４以下であって、
第１リブの始点と第２リブの始点のズレ量Ｐ２は、第１リブと第２リブの軸方向の長さをＰ１とすると、
Ｐ１≦Ｐ２≦２×Ｐ１
で表され、
リブ対と流れ方向の次のリブ対との距離Ｐ３は、
２×Ｐ２＜Ｐ３
で表される。これにより、送水管８内において、水またはブラインの２次流れを確実に形成することができる。

本発明の熱交換器では、流れ方向の後続のリブ対の始点を、流れ方向と垂直方向に一対ずつずらしていき、隣接するリブ対の始点のズレ量Ｐ５は、第１リブと第２リブの円周方向の長さＰ４よりも小さい。これにより、送水管８内において、水またはブラインの２次流れをらせん状に旋回させることができる。このため、流体と冷媒との熱伝達性能を向上することができる。

本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機に、冷媒管を介して順次、水熱交換器、膨張弁、および空気熱交換器を接続して構成される冷凍サイクルと、水熱交換器に挿通されて送水し冷媒管内を流れる高圧冷媒と熱交換させる送水管と、を具備したヒートポンプ式給湯機において、水熱交換器は、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段と、冷媒が流通する第２流路手段と、を有し、第１流路手段は円管からなり、円管の内壁面に突出するとともに円管の軸方向に沿って周方向の一方に延びる第１リブと、円管の内壁面に突出するとともに円管の軸方向に沿って周方向の他方に延びる第２リブと、からなるリブ対が、円管の軸方向に複数設けられており、各リブ対の第１リブの始点と第２リブの始点が、円管の軸方向にずれている。これにより、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段では、第１リブと第２リブにより流体の主流方向とは別に、流体の２次流れが形成でき、流体と冷媒との熱伝達性能を向上することができる熱伝達性能を向上することができる。

なお、この発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせることにより種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施の形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明のヒートポンプ式給湯機の好ましい第１の実施の形態を示す構成図である。 図１にヒートポンプ式給湯機の熱交換器の構造例を示す図である。 図３（Ａ）は伝熱管である送水管の流路を示し、水またはブラインの２次流れの様子を示す断面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示す送水管の流路だけを示す断面図である。 送水管を示す斜視図である。 送水管の軸方向の断面図である。 リブが送水管の管壁の内面において形成されている例を示す図である。 送水管の主流方向の断面におけるリブに関する長さ等を示す図である。 本発明のヒートポンプ式給湯機に設けられる熱交換器の送水管の第２の実施の形態を示す断面図である。 本発明のヒートポンプ式給湯機に設けられる熱交換器の送水管の第２の実施の形態を示す斜視図である。 従来の水配管を示す断面図である。

符号の説明

１…圧縮機、２…冷媒管（第２流路手段）、３…水熱交換器（熱交換器の一例）、４…内部熱交換器、５…膨張弁、６…空気熱交換器、７…貯湯タンク、８…送水管（第１流路手段）、９…ポンプ、１０…ヒートポンプ式給湯機、１９…送水管の管壁の内面、２０…リブ（第１リブ）、２１…リブ（第２リブ）、２５…水またはブラインの２次流れ、３０…リブ対、３１…リブの始点、Ｐ１…リブの流れ方向の長さ、Ｐ２…リブの始点のズレ量、Ｐ３…リブ対のリブの始点から隣のリブ対のリブの始点までの距離、Ｐ４…リブの断面方向長さ、Ｐ５…リブ対のリブの始点と隣接するリブ対のリブの始点とのズレ量、Ｓ…リブの断面方向の長さ、Ｍ…主流方向（送水管の軸方向、流体の２次流れに対して１次流れともいう）

Claims (2)

1. 水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段と、冷媒が流通する第２流路手段と、を有し、上記第１流路手段を流れる上記流体と上記第２流路手段を流れる冷媒とを熱交換可能に配置した熱交換器において、
   上記第１流路手段は円管からなり、
   上記円管の内壁面に突出するとともに上記円管の軸方向に沿って周方向の一方に延びる第１リブと、上記円管の内壁面に突出するとともに上記円管の軸方向に沿って上記周方向の他方に延びる第２リブと、からなるリブ対が、上記円管の軸方向に複数設けられており、
   上記各リブ対の上記第１リブの始点と上記第２リブの始点が、上記円管の軸方向にずれており、
   上記第１リブの始点と上記第２リブの始点のズレ量Ｐ２は、上記第１リブと上記第２リブの軸方向の長さをＰ１とすると、
   Ｐ１≦Ｐ２≦２×Ｐ１
   で表され、
   上記リブ対と流れ方向の次の上記リブ対との距離Ｐ３は、
   ２×Ｐ２＜Ｐ３
   で表され、
   さらに上記流れ方向の後続の上記リブ対の始点を、上記流れ方向と垂直方向に一対ずつずらしていき、隣接する上記リブ対の始点のズレ量Ｐ５は、上記第１リブと上記第２リブの円周方向の長さＰ４よりも小さいことを特徴とする熱交換器。
2. 圧縮機に、冷媒管を介して順次、水熱交換器、膨張弁、および空気熱交換器を接続して構成される冷凍サイクルと、上記水熱交換器に挿通されて送水し上記冷媒管内を流れる高圧冷媒と熱交換させる送水管と、を具備したヒートポンプ式給湯機において、
   上記水熱交換器は、水またはブラインからなる流体が流通する第１流路手段と、冷媒が流通する第２流路手段と、を有し、
   上記第１流路手段は円管からなり、
   上記円管の内壁面に突出するとともに上記円管の軸方向に沿って周方向の方に延びる第１リブと、上記円管の内壁面に突出するとともに上記円管の軸方向に沿って上記周方向の他方に 延びる第２リブと、からなるリブ対が、上記円管の軸方向に複数設けられており、
   上記各リブ対の上記第１リブの始点と上記第２リブの始点が、上記円管の軸方向にずれており、
   上記第１リブの始点と上記第２リブの始点のズレ量Ｐ２は、上記第１リブと上記第２リブの軸方向の長さをＰ１とすると、
   Ｐ１≦Ｐ２≦２×Ｐ１
   で表され、
   上記リブ対と流れ方向の次の上記リブ対との距離Ｐ３は、
   ２×Ｐ２＜Ｐ３
   で表され、
   さらに上記流れ方向の後続の上記リブ対の始点を、上記流れ方向と垂直方向に一対ずつずらしていき、隣接する上記リブ対の始点のズレ量Ｐ５は、上記第１リブと上記第２リブの円周方向の長さＰ４よりも小さいことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

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