JP5929012B2

JP5929012B2 - 熱交換器及びヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP5929012B2
Application number: JP2011115191A
Authority: JP
Inventors: 紀弘堀; 孝史若竹; 田中　博文; 博文田中
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2011-05-23
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2031-05-23
Also published as: JP2012242054A

Description

本発明は、凝縮熱交換器として好適に用いることができる熱交換器、並びに、ヒートポンプ給湯装置に関する。

近年、高い省エネ性能及び環境性能を発揮できる給湯装置として、自然冷媒ヒートポンプ給湯装置が開発されている。かかるヒートポンプ給湯装置のＣＯＰ（成績係数）を一層向上するためには、凝縮器として機能する給湯用熱交換器の性能向上が重要な課題の一つとされており、従来より、下記特許文献１〜３に例示されるような各種の熱交換器が提案されている。

特許第４４３７４８７号公報特許第３９１３６２９号公報特開２００９−２４３７９２号公報

特許文献１に記載の捩り管形熱交換器は、水配管の外周に複数条の山谷底部を螺旋状に設け、この水配管の外周に複数の冷媒配管を螺旋状に巻き付け、この水配管を長円コイル状（同文献の図３参照）や長円渦巻状（同文献の図８参照）に構成してなるものである。

特許文献２に記載の熱交換器は、冷媒が流動する流路を有する冷媒配管（第１伝熱管）と、水が流動する流路を有する水配管（第２伝熱管）とを備え、この水配管に冷媒配管を埋設一体化して結合管を形成し、この結合管を渦巻き状に折曲形成して熱交換器本体を構成してなるものである。

特許文献３に記載の熱交換器は、複数本の第１伝熱管（水配管）と第２伝熱管（冷媒配管）とで構成された伝熱管群を備え、第１伝熱管は互いに接触する状態で一方向に配列され、第２伝熱管は第１伝熱管の片側に隣り合う第１伝熱管の双方に接触するように第１伝熱管に沿って配置され、この伝熱管群が、直線部と一定の曲げ半径で略９０°曲がる屈曲部とを交互に繰り返しながら第２伝熱管側に巻き込む渦巻き状に形成されたものである。

上記特許文献１〜３のいずれも、水が流通する水配管の外周に冷媒配管を埋め込んだ結合管を渦巻き状に折曲げ形成することにより密度の高い巻き形状を実現しようとする着想は開示されている。しかし、自然冷媒ヒートポンプ給湯装置の熱交換器を構成する水配管及び冷媒配管を構成する銅管は、更なる熱交換効率の向上のためにより一層の薄肉化と高強度化とが要求されており、このような薄肉高強度の銅管を隙間無く渦巻き状に折曲げ加工することは困難であるため、渦巻き状に加工するとしても、特殊な加工機を用いなければ渦巻きの内周部と外周部との間に隙間を有するような形状にしか加工できないのが実情である。このように隙間を有する渦巻き状の構成では、配管密度を上げることができず、熱交換器を小型化することができない。

そこで本発明は、熱交換配管を渦巻き状に構成しつつも、隙間が少なくなるようにして配管密度を向上させ、これにより熱交換器の小型化を図ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。

すなわち、本発明の熱交換器は、第１の流体が流通する第１伝熱管の周囲に第２の流体が流通する一又は複数の第２伝熱管を伝熱可能に配置固定した２つの熱交換配管を備え、各熱交換配管は、渦巻きの内周部と外周部との間に隙間を有する渦巻き状に形成され、２つの熱交換配管が相互に他方の渦巻きの隙間に上下方向に嵌め込まれることにより２重渦巻き状に組付けられていることを特徴とするものである（請求項１）。

かかる本発明の熱交換器によれば、各熱交換配管は隙間を有する渦巻き状に形成されているものであるため、特殊なパイプ加工装置を用いなくとも、同一方向への曲げ加工により比較的容易に形成することができる。そして、隙間を有する渦巻き状に曲げ加工された２つの熱交換配管を、相互に他方の渦巻きの隙間に嵌め込むことによって２重渦巻き状に組み付けたので、渦巻き状の曲げ加工時には隙間により作業効率を向上しつつも、組付け後には隙間は他方の熱交換配管によって埋められ、これにより高密度な配管構成が得られ、熱交換器の小型化を図りつつも熱交換効率の向上が図られる。

なお、本発明の熱交換器をヒートポンプ給湯装置の凝縮器として用いる場合には、第１伝熱管を水配管（給湯用配管）とし、第２伝熱管を冷媒配管とすることが好ましく、また、各第２伝熱管は第１伝熱管よりも小径に構成するのが良い。

上記本発明の熱交換器において、一方の熱交換配管の内周側端部には、２つの熱交換配管を組み付ける際に後退させられるとともに組み付け後に一方の熱交換配管の内周側端部に対向する他方の熱交換配管の内周側端部に向けてスライドさせられることによって渦巻きの中心部で両熱交換配管の内周側端部同士を接続する接続管が、軸方向スライド可能に設けられている構成とすることができる（請求項１）。これによれば、渦巻き中心部にはある程度の空洞部が生じることを許容せざるを得ないが、この渦巻き中心部の空洞部を両熱交換配管の接続部として利用することにより、より一層の配管密度の向上を図ることが可能となる。

さらに、２重渦巻き状に組み付けられた熱交換配管をさらに複数段積層配置することができる（請求項２）。これによれば、渦巻きの外周の大きさを大きくすることなく、配管長を積層段数に応じた倍数にすることができ、限られた設置面積でより一層の配管密度の向上を図ることができる。

また、上記本発明の熱交換器を凝縮器として備えたヒートポンプ給湯装置によれば（請求項３）、凝縮器の小型化により給湯装置全体の小型化が図ることができるものでありながら、凝縮器の高密度化によりＣＯＰの更なる向上が図られる。

以上説明したように、本発明の請求項１に係る熱交換器によれば、隙間を有する渦巻き状に曲げ加工された２つの熱交換配管を、相互に他方の渦巻きの隙間に嵌め込むことによって２重渦巻き状に組み付けたので、渦巻き状の曲げ加工時には隙間により作業効率を向上しつつも、組付け後には隙間は他方の熱交換配管によって埋められ、これにより高密度な配管構成が得られ、熱交換器の小型化を図りつつも熱交換効率の向上を図ることができる。

さらに、本発明の請求項１に係る熱交換器によれば、渦巻き中心部の空洞部を両熱交換配管の接続部として利用することにより、より一層の配管密度の向上を図ることができる。

また、本発明の請求項２に係る熱交換器によれば、渦巻きの外周の大きさを大きくすることなく、配管長を積層段数に応じた倍数にすることができ、限られた設置面積でより一層の配管密度の向上を図ることができる。

また、本発明の請求項３に係る熱交換器によれば、凝縮器の小型化により給湯装置全体の小型化が図ることができるものでありながら、凝縮器の高密度化によりＣＯＰの更なる向上を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の全体斜視図である。同熱交換器を構成する熱交換配管組付体の全体斜視図である。同熱交換配管組付体の全体図を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。同熱交換配管組付体を構成する第１の熱交換配管の平面図である。同熱交換配管組付体を構成する第２の熱交換配管の平面図である。同熱交換器を凝縮器として用いるヒートポンプ給湯装置の配管回路図である。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１〜図５は、本発明の実施形態に係る熱交換器１を示し、図６は、この熱交換器１を凝縮器として用いた自然冷媒ヒートポンプ給湯装置の配管回路構成を示す。まず、ヒートポンプ給湯装置の全体構成について説明すると、図６に示すように、ヒートポンプ給湯装置は冷媒循環回路２と給湯回路３とを組み合わせたものであり、単段蒸気圧縮冷凍サイクルを利用して給湯回路３の水を熱交換加熱し得るようになっている。冷媒循環回路２は圧縮機２１と、凝縮器（凝縮熱交換器）１と、減圧手段としての膨張弁２２と、蒸発器（熱源用熱交換器）２３とを冷媒循環配管２４で順に接続したものである。冷媒循環回路２を循環させる冷媒としては、プロパンなどのＨＣ系冷媒や、ＣＯ_２などの適宜のものを採用できる。又、給湯回路３は、貯湯タンク３１と、貯湯タンク３１内に貯留された湯水を凝縮器１との間で循環させる水循環配管３２と、貯湯タンク３１の底部から水を凝縮器３２へ圧送し、加熱後に凝縮器１から貯湯タンク３１の頂部へと導く給水ポンプ３３とを備えて構成されている。そして、これら冷媒循環回路２と給湯回路３とがコントローラ４により作動制御されて、凝縮器１において水がリモコン（図示省略）に入力設定された設定出湯温度に加熱されて貯湯タンク３１に貯湯されるようになっている。

圧縮機２１は電動モータにより作動され、その回転数を作動制御量としてコントローラ４により作動制御されるようになっている。回転数は、コントローラ４から与える運転周波数を変更することで変更制御される。より高圧に圧縮するには回転数を上げ、より低圧にするには回転数を下げることになる。この圧縮機２１で圧縮されることで高温気相状態の冷媒が圧縮機２１から冷媒循環配管２４に吐出され、その吐出温度が吐出温度センサ２５により検出されて検出吐出温度がコントローラ４に出力されることになる。

凝縮器１は、水循環配管２２に接続されて水（第１の流体）が流通する第１伝熱管（水管）１１と、冷媒循環配管２４に接続されて冷媒（第２の流体）が流通する第２伝熱管（冷媒管）１２との間で熱交換するように構成されている。すなわち、冷媒循環配管２４に圧縮機２１から吐出された高温気相状態の冷媒と、給水ポンプ３３により貯湯タンク３１の底部から供給された水とが熱交換され、水が熱交換加熱により湯となり、その熱交換により熱が奪われた冷媒は凝縮して液相に相変化する。この相変化のときの凝縮温度が凝縮温度センサ１３により検出され、この検出凝縮温度がコントローラ４に出力されることになる。この凝縮温度センサ１３による凝縮温度の検出は、凝縮器１における熱交換過程の中間位置での冷媒の温度を検出するものである。

膨張弁２２は凝縮器１で液相状態になった冷媒を減圧するものである。この膨張弁２２は、その開度を作動制御量としてコントローラ４により作動制御される。

蒸発器２３は、その回転作動により外気を送風するファン２３ａを備え、この外気と、膨張弁２２により減圧された冷媒とを熱交換させることで、冷媒を蒸発させて気相状態に変換するようになっている。この気相状態になった冷媒が再び前記の圧縮機２１において圧縮されて高温気相状態になる。

一方、給湯回路３では、給水ポンプ３３の作動により貯湯タンク３１内の水が凝縮器１に圧送される際に、凝縮器１の入口前で入水温度センサ３４により熱交換加熱前の入水温度が検出され、この検出入水温度がコントローラ３に出力されるようになっている。又、凝縮器１を通過することで熱交換加熱されて出湯した際に、凝縮器１の出口側で出湯温度センサ３５により出湯温度が検出され、この検出出湯温度がコントローラ４に出力されるようになっている。併せて、外気温が外気温センサ３６により検出されて、コントローラ４に出力されるようになっている。凝縮器１で加熱された湯は貯湯タンク３１の頂部側に戻されて貯留され、以後の給湯に利用されることになる。給湯により貯湯タンク３１内の湯水量が減れば、その分だけ給水されるようになっている。

次に、上記ヒートポンプ給湯装置において凝縮器として用いられている熱交換器１の好ましい実施形態について図１〜図５を参照しつつ詳細に説明する。

本実施形態の熱交換器１は、断面円形の第１伝熱管１１の周囲に４本の断面円形の第２伝熱管１２を伝熱可能に配置固定した熱交換配管により構成されており、特に、図２及び図３に示す２重渦巻き状に構成された熱交換配管組付体１４を、図１に示すように３段に積層配置することによって構成されている。各熱交換配管組付体１４は、図４に示す渦巻状に形成された第１の熱交換配管１５と、図５に示す渦巻状に形成された第２の熱交換配管１６とを２重渦巻状に組み付けることによって構成されている。

各熱交換配管１５，１６は、渦巻の内周部と外周部との間に隙間を有する渦巻状に形成されており、本実施形態においては平面視ほぼ長方形状の渦巻状に形成されている。上記の渦巻の隙間は、各熱交換配管１５，１６の渦巻の中途部の断面幅よりも若干大きな寸法となされている。このような長方形状の渦巻状は、直管を所定寸法毎の数カ所において一方向に折曲げ加工することによって得ることができ、また、上記の隙間の存在により作業効率も良く、容易に高い生産性で各熱交換配管１５，１６を加工できる。また、第１伝熱管１１と第２伝熱管１２とを個別に渦巻き状に曲げ加工した上で両伝熱管をロウ付け等により固定することにより各熱交換配管１５，１６を構成してもよく、第１伝熱管１１の周囲に第２伝熱管１２を固定した上で両伝熱管１１，１２を同時に渦巻き状に曲げ加工してもよい。

また、各熱交換配管１５，１６の第２伝熱管（冷媒管）１２は、第１伝熱管（水管）１１よりも小径とされているとともに、両者の軸方向は平行に配置されている。４本の第２伝熱管１２は、第１伝熱管１１の渦巻外周側上部、渦巻外周側下部、渦巻内周側上部及び渦巻内周側下部にそれぞれ配設されている。

そして、これら熱交換配管１５，１６は相互に他方の渦巻きの隙間に上下方向から嵌め込まれ、これにより上記熱交換配管組付体１４が構成されている。この組付体１４において、図３に示すように、第１及び第２の熱交換配管１５，１６の第１伝熱管１１同士、及び、第２伝熱管１２同士の間には微小な隙間を有して組み付けられており、これにより水及び冷媒の循環経路の途中で熱がリークすることを回避している。なお、かかる微小隙間を安定的に確保するために、所定部位にスペーサを埋め込んでもよいし、また、第１及び第２の熱交換配管１１，１２を組付け後に互いにロウ付け固定してもよい。

また、各熱交換配管１５，１６の第１及び第２伝熱管１１，１２は、渦巻形状の中心部においてそれらの内周側端部同士が相互に接続されており、第１及び第２の熱交換配管１５，１６のいずれか一方の外周側端部から流入した水及び冷媒は、両熱交換配管１５，１６を通過する間に水と冷媒との間で熱交換して水を加熱し、その後他方の外周側端部から流出されるようになっている。なお、水と冷媒とは、熱交換配管１５，１６における流れ方向を逆方向とするのが良い。

第１及び第２伝熱管１１，１２の渦巻中心部での接続方法はどのようなものでもよいが、本実施形態では、一方の熱交換配管１６の内周側端部に軸方向にスライド可能な接続管１９，２０を設けておき、両熱交換配管１５，１６を上下方向から組み付ける際は接続管１９，２０を後退させておき、組付け後に接続管１９，２０を他方の熱交換配管１５の内周側端部に向けてスライドさせることによって接続している。この接続管１９，２０は、接続後にロウ付け固定しておくことが好ましい。

各熱交換配管１５，１６の外周側端部は、周方向にほぼ同じ位置に開口形成されている。その外周側に位置する熱交換配管１５においては、その第１伝熱管１１の外周側端部は直管状に突設され、第２伝熱管１２の外周側端部は前後外方に屈曲形成されている。また、外周側端部において内周側に位置する熱交換配管１６においては、その第１伝熱管１１の外周側端部は同様に直管状に突設されているが、外周側の熱交換配管１６の第１伝熱管１１よりも短く形成されており、また、内周側の熱交換配管１６の第２伝熱管１２は前後内方に向けて屈曲形成されている。

そして図１に示すように、最下段の第１の熱交換配管１５の第１伝熱管１１と中段の第１の熱交換配管１５の第１伝熱管１１、中段の第２の熱交換配管１６の第１伝熱管１１と最上段の第２の熱交換配管１６の第１伝熱管１１、最下段の第１の熱交換配管１５の第２伝熱管１２と中段の第１の熱交換配管１５の第２伝熱管１２、及び、中段の第２の熱交換配管１６の第２伝熱管１２と最上段の第２の熱交換配管１６の第２伝熱管１２が、それぞれＵ字状の管接続部材１７，１８によって接続されている。これにより、最下段の第２の熱交換配管１６の第１伝熱管１１の外周側端部から流入した水は、最下段の第２の熱交換配管１６、最下段の第１の熱交換配管１５、中段の第１の熱交換配管１５、中段の第２の熱交換配管１６、最上段の第２の熱交換配管１６及び最上段の第１の熱交換配管１５を順次経由して、最上段の第１の熱交換配管１５の第１伝熱管１１の外周側端部から流出される。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、第２伝熱管は、第１伝熱管の周囲に１本のみ配置固定してもよく、２本、３本或いは５本以上の適宜の本数とすることができる。また、上記実施形態では、第１伝熱管及び第２伝熱管は断面円形の直管を渦巻状に加工したものを採用したが、上記特許文献１及び２に記載されているような結合管を採用することも可能である。また、第１及び第２の熱交換配管１５，１６同士を、上記実施形態では渦巻の中心部で接続したが、渦巻の外周端部で接続して、渦巻の中心部の開口端部を各流体（水及び冷媒）の流出入口として用いることもできる。

１熱交換器（凝縮器）
１１第１伝熱管（水管）
１２第２伝熱管（冷媒管）
１５第１の熱交換配管
１６第２の熱交換配管

Claims

第１の流体が流通する第１伝熱管の周囲に第２の流体が流通する一又は複数の第２伝熱管を伝熱可能に配置固定した２つの熱交換配管を備え、各熱交換配管は、渦巻きの内周部と外周部との間に隙間を有する渦巻き状に形成され、該２つの熱交換配管が相互に他方の渦巻きの隙間に上下方向に嵌め込まれることにより２重渦巻き状に組付けられており、
一方の熱交換配管の内周側端部には、２つの熱交換配管を組み付ける際に後退させられるとともに組み付け後に一方の熱交換配管の内周側端部に対向する他方の熱交換配管の内周側端部に向けてスライドさせられることによって渦巻きの中心部で両熱交換配管の内周側端部同士を接続する接続管が、軸方向スライド可能に設けられていることを特徴とする熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、２重渦巻き状に組み付けられた熱交換配管をさらに複数段積層配置したことを特徴とする熱交換器。
請求項１又は２に記載の熱交換器を凝縮器として備えたヒートポンプ給湯装置。