JP5894958B2

JP5894958B2 - 水熱交換器

Info

Publication number: JP5894958B2
Application number: JP2013080710A
Authority: JP
Inventors: 初彦河村
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2033-04-08
Also published as: JP2014202449A

Description

本発明は、水熱交換器に関する。

特許文献１に水熱交換器が開示されている。この水熱交換器は、主に内側コイル体と外側コイル体から構成されている。内側コイル体と外側コイル体はそれぞれ、水が流れる水用パイプと冷媒が流れる冷媒用パイプを、上下方向に交互に積み重ねるようにらせん状に捲回して形成されている。この水熱交換器では、内側コイル体の水用パイプの最下部と外側コイル体の水用パイプの最上部が水接続管で接続されている。同様に、内側コイル体の冷媒用パイプの最下部と外側コイル体の冷媒用パイプの最上部が冷媒接続管で接続されている。

特開２００４−２２６０３６号公報

冬季などの外気温が低い状況で、水熱交換器の内部に水が滞留していると、水が凍結してしまうおそれがある。そのため、水熱交換器を長期間使用しない場合には、水熱交換器から水抜きをしておく必要がある。

特許文献１の水熱交換器において水抜きをする場合、水頭圧のみによって水を完全に除去することが困難であり、エアブロー等による残水除去処理が必須となる。より簡便な手法で水熱交換器から水抜きを行うことが可能な技術が期待されている。

本明細書は、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、水熱交換器において、簡便な手法で水抜きを行うことが可能な技術を提供する。

本明細書が開示する水熱交換器は、らせん状に捲回された管体から構成されており、上側開口と下側開口を有する第１水流路と、らせん状に捲回された管体から構成されており、上側開口と下側開口を有する第２水流路と、第１水流路の上側開口と第２水流路の上側開口の間を接続する水接続流路と、第１水流路の下側開口へ水を導入する水導入流路と、第２水流路の下側開口から水を導出する水導出流路と、水接続流路に接続されており、空気開放弁を有する空気開放流路を備えている。

上記の水熱交換器では、空気開放弁を開弁することで、水頭圧のみを利用して、水接続流路と、第１水流路と、第２水流路から、水導入流路と水導出流路を介して速やかに水抜きを行うことができる。エアブロー等の残水除去処理を行うことなく、簡便な手法で水抜きを行うことができる。

上記の水熱交換器は、第１水流路によって区画される内側の空間に第２水流路が収容されているように構成することができる。

上記の水熱交換器によれば、第１水流路によって区画される内側の空間を有効に活用して、省スペース化を図ることができる。

上記の水熱交換器は、らせん状に捲回された管体から構成されており、上側開口と下側開口を有する第１冷媒流路と、らせん状に捲回された管体から構成されており、上側開口と下側開口を有する第２冷媒流路と、第１冷媒流路の上側開口と第２冷媒流路の上側開口を接続する冷媒接続流路と、第２冷媒流路の下側開口へ冷媒を導入する冷媒導入流路と、第１冷媒流路の下側開口から冷媒を導出する冷媒導出流路をさらに備えており、第１水流路と第１冷媒流路は、互いの外表面を接触した状態で、一体的に捲回されており、第２水流路と第２冷媒流路は、互いの外表面を接触した状態で、一体的に捲回されているように構成することができる。

上記の水熱交換器によれば、水との熱交換によって冷媒を凝縮させる凝縮器を、簡素な構成で実現することができる。

本明細書が開示する水熱交換器によれば、簡便な手法で水抜きを行うことができる。

水熱交換器２８が組み込まれた給湯システム２の構成を模式的に示す図である。水熱交換器２８の外観を示す斜視図である。図２のＡ−Ａ断面についての横断面図である。

（実施例）
図１は、水熱交換器２８が組み込まれた給湯システム２を示している。給湯システム２は主に、ヒートポンプ４と、貯湯槽８と、循環ポンプ１０と、混合弁１２と、バーナ加熱装置１４と、バイパス弁１６と、制御装置１８を備えている。給湯システム２は、上水道や井戸等の給水源から供給される水を、ヒートポンプ４および／またはバーナ加熱装置１４を加熱源として加熱し、給湯設定温度に調温された湯を給湯する。

ヒートポンプ４は、冷媒（例えばＲ４１０ＡといったＨＦＣ冷媒や、Ｒ７４４といったＣＯ_２冷媒）を循環させるための冷媒循環路２０と、蒸発器２２と、ファン２４と、圧縮機２６と、水熱交換器２８（凝縮器に相当する）と、膨張弁３０を備えている。

蒸発器２２は、ファン２４によって送風された外気と冷媒循環路２０内の冷媒との間で熱交換を行う、気液熱交換器である。蒸発器２２には、膨張弁３０を通過後の低圧低温の液体状態にある冷媒が供給される。蒸発器２２は、冷媒と外気とを熱交換させることによって、冷媒を加熱する。冷媒は、加熱されることにより気化し、比較的高温で低圧の気体状態となる。

圧縮機２６には、蒸発器２２を通過後の冷媒が供給される。即ち、圧縮機２６には、比較的高温で低圧の気体状態の冷媒が供給される。圧縮機２６によって冷媒が圧縮されることにより、冷媒は高温高圧の気体状態となる。圧縮機２６は、圧縮後の高温高圧の気体状態の冷媒を、水熱交換器２８に送り出す。

水熱交換器２８には、圧縮機２６から送り出された高温高圧の気体状態の冷媒が供給される。水熱交換器２８は、冷媒循環路２０内の冷媒と給湯用水循環路６内の水（以下では給湯用水ともいう）との間で熱交換を行う、液液熱交換器である。冷媒は、水熱交換器２８での熱交換の結果、熱を奪われて凝縮する。これにより、冷媒は、比較的低温で高圧の液体状態となる。

膨張弁３０には、水熱交換器２８を通過後の比較的低温で高圧の液体状態の冷媒が供給される。冷媒は、膨張弁３０を通過することによって減圧され、低温低圧の液体状態となる。膨張弁３０を通過した冷媒は、上記の通り、蒸発器２２に送られる。

ヒートポンプ４において、圧縮機２６を作動させると、冷媒循環路２０内の冷媒は、蒸発器２２、圧縮機２６、水熱交換器２８、膨張弁３０の順に循環する。ヒートポンプ４が動作すると、水熱交換器２８において、給湯用水循環路６内の給湯用水が加熱される。

貯湯槽８は、ヒートポンプ４によって加熱された給湯用水を貯える。貯湯槽８は密閉型であり、断熱材によって外側が覆われている。貯湯槽８内には満水まで給湯用水が貯留される。

給湯用水循環路６は、上流端が貯湯槽８の下部に接続されており、ヒートポンプ４の水熱交換器２８を通過して、下流端が貯湯槽８の上部に接続されている。給湯用水循環路６には、循環ポンプ１０が取り付けられている。ヒートポンプ４を動作させて、かつ循環ポンプ１０を駆動すると、貯湯槽８の下部の給湯用水が水熱交換器２８に送られて、水熱交換器２８で加熱された給湯用水が貯湯槽８の上部に戻される。貯湯槽８の内部には、低温の給湯用水の層の上に高温の給湯用水の層が積み重なった温度成層が形成される。

給水路３４は、上流端が外部の給水源に接続されており、給湯用水を受け入れる。給水路３４の下流側は、貯湯槽導入路３６と貯湯槽バイパス路３８に分岐している。貯湯槽導入路３６の下流端は、貯湯槽８の下部に接続されている。貯湯槽バイパス路３８の下流端は、混合弁１２に接続されている。貯湯槽導出路４０は、上流端が貯湯槽８の上部に接続されている。貯湯槽導出路４０の下流側は、混合弁１２に接続されている。

混合弁１２は、貯湯槽導出路４０を流れる貯湯槽８の上部からの高温の給湯用水と、貯湯槽バイパス路３８を流れる給水路３４からの低温の給湯用水を混合して、第１給湯路４２へ送り出す。混合弁１２では、貯湯槽導出路４０から第１給湯路４２へ流れる給湯用水の流量と、貯湯槽バイパス路３８から第１給湯路４２へ流れる給湯用水の流量の割合を調整する。第１給湯路４２の下流側は、バーナ加熱路４４とバーナバイパス路４６に分岐している。バーナ加熱路４４には、バーナ加熱装置１４が取り付けられている。バーナ加熱装置１４は、ガス等の燃料を燃焼させてバーナ加熱路４４を流れる給湯用水を加熱する。バーナバイパス路４６にはバイパス弁１６が取り付けられている。バーナ加熱路４４とバーナバイパス路４６は、それぞれの下流端で合流して、第２給湯路４８の上流端に接続している。第２給湯路４８から台所の給湯栓や浴室のシャワー等の給湯箇所へ、給湯設定温度に調温された給湯用水が供給される。

制御装置１８は、ファン２４、圧縮機２６、膨張弁３０、循環ポンプ１０、混合弁１２、バーナ加熱装置１４、バイパス弁１６等の動作を制御する。

以下では給湯システム２が行う、蓄熱運転および給湯運転について説明する。

（蓄熱運転）
蓄熱運転では、貯湯槽８内の給湯用水をヒートポンプ４で加熱し、高温となった給湯用水を貯湯槽８に戻す。蓄熱運転を開始する際には、制御装置１８はファン２４および圧縮機２６を駆動してヒートポンプ４を動作させるとともに、循環ポンプ１０を駆動する。圧縮機２６の駆動により、冷媒循環路２０内の冷媒は、蒸発器２２、圧縮機２６、水熱交換器２８、膨張弁３０の順に循環する。また、循環ポンプ１０の駆動により、給湯用水循環路６内を貯湯槽８内の給湯用水が循環する。即ち、貯湯槽８の下部に存在する給湯用水が給湯用水循環路６内に導入され、導入された給湯用水が水熱交換器２８で加熱され、加熱された給湯用水が貯湯槽８の上部に戻される。これにより、貯湯槽８に高温の給湯用水が貯められる。貯湯槽８の内部が高温の給湯用水で満たされた満蓄状態となると、蓄熱運転を終了する。

（給湯運転）
給湯運転は、給湯設定温度に調温された給湯用水を第２給湯路４８に供給する運転である。給湯運転は、上記の蓄熱運転と並行して行うこともできる。給湯栓やシャワーでの給湯用水の供給が開始されると、給水路３４からの水圧によって、給水路３４から貯湯槽８の下部に給湯用水が流入する。同時に、貯湯槽８の上部の給湯用水が、貯湯槽導出路４０、第１給湯路４２、バーナ加熱路４４、バーナバイパス路４６を介して、第２給湯路４８に供給される。制御装置１８は、貯湯槽８から貯湯槽導出路４０に供給される給湯用水の温度が、給湯設定温度より高い場合には、混合弁１２を駆動して貯湯槽バイパス路３８から第１給湯路４２に低温の給湯用水を導入する。制御装置１８は、第２給湯路４８に供給される給湯用水の温度が、目標とする給湯設定温度となるように、混合弁１２の開度を調整する。一方、制御装置１８は、貯湯槽８から貯湯槽導出路４０に供給される給湯用水の温度が、給湯設定温度より低い場合には、バーナ加熱装置１４によって給湯用水の加熱を行う。制御装置１８は、第２給湯路４８に供給される給湯用水の温度が、目標とする給湯設定温度となるように、バーナ加熱装置１４の出力を制御する。

（水熱交換器の構成）
図２および図３に示すように、水熱交換器２８は、内側熱交換部５０と外側熱交換部５２を備えている。内側熱交換部５０は、外側熱交換部５２によって区画される内側の空間に収容されている。

内側熱交換部５０は、水が流れる内側水配管５４と、冷媒が流れる内側冷媒配管５６を、互いの外表面で接触させた状態でらせん状に捲回して形成されている。外側熱交換部５２は、水が流れる外側水配管５８と、冷媒が流れる外側冷媒配管６０を、互いの外表面で接触させた状態でらせん状に捲回して形成されている。内側水配管５４および内側冷媒配管５６と、外側水配管５８および外側冷媒配管６０では、逆向きに捲回されている。図２および図３に示す例では、内側水配管５４および内側冷媒配管５６は、下方から上方に向けて左巻きに捲回されており、外側水配管５８および外側冷媒配管６０は、下方から上方に向けて右巻きに捲回されている。なお、内側水配管５４および内側冷媒配管５６と、外側水配管５８および外側冷媒配管６０を、同じ向きに捲回する構成としてもよいが、図２および図３に示すように、逆向きに捲回する構成とすると、配管レイアウトをよりコンパクトにすることができる。

内側水配管５４の上側開口と外側水配管５８の上側開口は、水接続配管６２によって接続されている。内側冷媒配管５６の上側開口と外側冷媒配管６０の上側開口は、冷媒接続配管６４によって接続されている。

外側水配管５８の下側開口には、水導入配管６６が接続されている。内側水配管５４の下側開口には、水導出配管６８が接続されている。水熱交換器２８に流れ込む給湯用水は、水導入配管６６を介して外側水配管５８に流入し、外側水配管５８を下方から上方に向けて流れて、水接続配管６２を介して内側水配管５４に流入し、内側水配管５４を上方から下方に向けて流れて、水導出配管６８から送り出される。

内側冷媒配管５６の下側開口には、冷媒導入配管７０が接続されている。外側冷媒配管６０の下側開口には、冷媒導出配管７２が接続されている。水熱交換器２８に流れ込む冷媒は、冷媒導入配管７０を介して内側冷媒配管５６に流入し、内側冷媒配管５６を下方から上方に向けて流れて、冷媒接続配管６４を介して外側冷媒配管６０に流入し、外側冷媒配管６０を上方から下方に向けて流れて、冷媒導出配管７２から送り出される。

上記のように、水熱交換器２８においては、給湯用水と冷媒が対向流として流れる。このような構成とすることで、冷媒から給湯用水への伝熱量を多くすることができる。

水接続配管６２には、空気開放配管７４が接続されている。空気開放配管７４には空気開放弁７６が設けられている。

冬季などの外気温が低い状況で、内側水配管５４、外側水配管５８、水接続配管６２、水導入配管６６、水導出配管６８等の内部に給湯用水が滞留していると、給湯用水が凍結してしまうおそれがある。そのため、給湯システム２を長期間使用しない場合には、水熱交換器２８から水抜きをしておく必要がある。

本実施例の水熱交換器２８では、空気開放弁７６を開くことによって、内側水配管５４、外側水配管５８、水接続配管６２に残存している給湯用水を、水頭圧を利用して、水導入配管６６と水導出配管６８から速やかに水抜きすることができる。エアブロー等の残水除去処理を必要とすることなく、確実に水抜きを行うことができる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

上記の実施例では、水熱交換器２８を流れる水が給湯用水（水道水または井戸水）である場合について説明したが、これ以外でも、水熱交換器２８を流れる水に凍結のおそれがあり、水熱交換器２８を長期間使用しない場合に水抜きをすることが好ましいものであれば、水熱交換器２８を流れる水はどのようなものであってもよい。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２給湯システム
４ヒートポンプ
６給湯用水循環路
８貯湯槽
１０循環ポンプ
１２混合弁
１４バーナ加熱装置
１６バイパス弁
１８制御装置
２０冷媒循環路
２２蒸発器
２４ファン
２６圧縮機
２８水熱交換器
３０膨張弁
３４給水路
３６貯湯槽導入路
３８貯湯槽バイパス路
４０貯湯槽導出路
４２第１給湯路
４４バーナ加熱路
４６バーナバイパス路
４８第２給湯路
５０内側熱交換部
５２外側熱交換部
５４内側水配管
５６内側冷媒配管
５８外側水配管
６０外側冷媒配管
６２水接続配管
６４冷媒接続配管
６６水導入配管
６８水導出配管
７０冷媒導入配管
７２冷媒導出配管
７４空気開放配管
７６空気開放弁

Claims

らせん状に捲回された管体から構成されており、上側開口と下側開口を有する第１水流路と、
らせん状に捲回された管体から構成されており、上側開口と下側開口を有する第２水流路と、
第１水流路の上側開口と第２水流路の上側開口の間を接続する水接続流路と、
第１水流路の下側開口へ水を導入する水導入流路と、
第２水流路の下側開口から水を導出する水導出流路と、
水接続流路に接続されており、空気開放弁を有する空気開放流路を備える水熱交換器。
第１水流路によって区画される内側の空間に第２水流路が収容されている、請求項１の水熱交換器。
らせん状に捲回された管体から構成されており、上側開口と下側開口を有する第１冷媒流路と、
らせん状に捲回された管体から構成されており、上側開口と下側開口を有する第２冷媒流路と、
第１冷媒流路の上側開口と第２冷媒流路の上側開口を接続する冷媒接続流路と、
第２冷媒流路の下側開口へ冷媒を導入する冷媒導入流路と、
第１冷媒流路の下側開口から冷媒を導出する冷媒導出流路をさらに備えており、
第１水流路と第１冷媒流路は、互いの外表面を接触した状態で、一体的に捲回されており、
第２水流路と第２冷媒流路は、互いの外表面を接触した状態で、一体的に捲回されている、請求項１または２の水熱交換器。