JP6028471B2

JP6028471B2 - 給湯用熱交換器

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Publication number: JP6028471B2
Application number: JP2012194857A
Authority: JP
Inventors: 寛二赤井; 俊吉岡
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2012-09-05
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2032-09-05
Also published as: JP2014052089A; CN203413823U

Description

本発明は、水タンクに加熱用伝熱管が巻かれた給湯用熱交換器に関し、特に、加熱能力の向上策に係るものである。

従来より、水タンクに加熱用伝熱管が巻かれた給湯装置が知られている。例えば、特許文献１に開示の給湯装置は、冷媒回路と、水タンクと、該水タンクの周囲に接触するように巻かれて冷媒回路に接続された加熱用伝熱管とを備えている。この給湯装置では、冷媒回路において冷凍サイクルが行われると、加熱用伝熱管へ流入するガス冷媒と水タンク内の水とが熱交換し、該ガス冷媒が凝縮することによって水タンク内の水が加熱される。

特開２０１１−９４９３２号公報

従来の給湯装置では、通常、１本または複数本の管を水タンクに螺旋状に巻くことによって加熱用伝熱管が形成されるため、該加熱用伝熱管内の冷媒流路の総断面積が全長に亘って一定となっている。そのため、冷媒流路を流れるガス冷媒が徐々に凝縮して冷媒のガス比率が低下し冷媒の比体積が減少すると、冷媒の流速が低下してしまい、冷媒の放熱量（冷媒と水タンク内の水との熱交換量）が低下するという問題が生じていた。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、水タンクと該水タンクに巻かれた加熱用伝熱管とを備えた給湯用熱交換器において、加熱用伝熱管の冷媒流路を流れる冷媒の放熱量の低下を抑制し、高い加熱能力を得ることにある。

第１の発明は、水を貯留する水タンク（31）と、冷媒が上から下へ流れるように上記水タンク（31）に巻かれて冷媒回路（20）に接続され、冷媒が凝縮して上記水タンク（31）内の水を加熱する加熱用伝熱管（40）とを備えた給湯用熱交換器であって、上記加熱用伝熱管（40）は、上下方向に複数の加熱領域（51,52,53）に区分され、上記複数の加熱領域（51,52,53）は、互いに並列に接続されて冷媒が水平方向に並流する複数本の冷媒流路（46）をそれぞれ有し、上記各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）は、上下に隣り合う加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）と直列に接続され、上記加熱用伝熱管（40）は、上記各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の総断面積が上側の加熱領域（51）から下側の加熱領域（53）に向かって小さくなるように構成されているものである。

上記第１の発明では、加熱用伝熱管（40）へ流入したガス冷媒は、上下方向に区分された複数の加熱領域（51,52,53）を上から下に向かって順に流れ、その間に徐々に水タンク（31）内の水へ放熱して凝縮し、液冷媒となって加熱用伝熱管（40）から流出する。

上記第１の発明では、各加熱領域（51,52,53）に冷媒が並流する複数本の冷媒流路（46）が形成され、該冷媒流路（46）の総断面積が上から下に向かって小さくなっている。そのため、ガス冷媒が冷媒流路（46）内で徐々に凝縮して冷媒のガス比率が低下し、冷媒の比体積が小さくなっても、冷媒の流速の低下が抑えられ、冷媒の放熱量の低下が抑制される。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記複数の加熱領域（51,52,53）は、上記冷媒流路（46）の本数が上から下に向かって少なくなるものである。

上記第２の発明では、冷媒流路（46）の本数が上から下に向かって少なくなることによって、該冷媒流路（46）の総断面積が上から下に向かって小さくなっている。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記加熱用伝熱管（40）は、上下方向に配列されて上記水タンク（31）に略１周巻かれ、内部に上記冷媒流路（46）が形成された複数の単巻管（43）と、上下方向に延びて上記複数の単巻管（43）の両端にそれぞれ接続された２つのヘッダ（41,42）と、該２つのヘッダ（41,42）の内、少なくとも一方のヘッダ（41,42）の内部を上下に仕切ることによって上記複数の加熱領域（51,52,53）を形成する仕切板（47,48）とを備えているものである。

上記第３の発明では、ヘッダ（41,42）の内部空間を仕切板（47,48）で上下に仕切ることによって、該仕切板（47,48）の上下に加熱領域（51,52,53）が形成される。

本発明によれば、上下方向に区分された加熱用伝熱管（40）の各加熱領域（51,52,53）に冷媒が並流する複数本の冷媒流路（46）を形成し、該各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の総断面積が上から下に向かって小さくなるようにした。これにより、ガス冷媒が冷媒流路（46）内で徐々に凝縮して冷媒のガス比率が低下し、冷媒の比体積が小さくなっても、冷媒の流速の低下を抑えることができ、その結果、冷媒の放熱量の低下を抑えて、高い加熱能力を得ることができる。

第２の発明によれば、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の本数が上から下に向かって少なくなるようにした。これにより、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の総断面積が上から下に向かって小さくなる状態を容易に形成することができ、加熱用伝熱管（40）の流路設計をし易くすることができる。

第３の発明によれば、水タンク（31）に巻かれた複数の単巻管（43）の両端にヘッダ（41,42）を接続し、該ヘッダ（41,42）の内部空間を仕切板（47,48）で上下に仕切ることによって、該仕切板（47,48）の上下に加熱領域（51,52,53）を形成するようにした。これにより、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の本数が上から下に向かって少なくなる状態を容易に形成することができ、加熱用伝熱管（40）の流路設計を一層し易くすることができる。

図１は、実施形態１に係る給湯装置の分解斜視図である。図２は、実施形態１に係る給湯装置の配管系統図である。図３は、実施形態１に係る給湯用熱交換器の概略構成図である。図４は、実施形態１に係る扁平管の拡大斜視図である。図５は、実施形態１に係る給湯用熱交換器の概略構成図であって、運転時の冷媒の流れを示すものである。図６は、実施形態１の変形例に係る給湯用熱交換器の概略構成図であって、運転時の冷媒の流れを示すものである。図７は、実施形態１の変形例に係る給湯用熱交換器の概略構成図であって、運転時の冷媒の流れを示すものである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
本実施形態の給湯用熱交換器（30）は、給湯装置（1）の一部を構成している。以下では、まず給湯装置（1）の全体構成について説明し、次に給湯用熱交換器（30）の構成について説明する。

〈給湯装置の全体構成〉
給湯装置（1）は、いわゆるヒートポンプ式の給湯器である。図１に示すように、給湯装置（1）は、ケーシング（10）と、圧縮機（21）と、膨張弁（22）（図１では図示省略）と、空気熱交換器（23）と、アキュームレータ（24）と、給湯用熱交換器（30）とを備えている。

ケーシング（10）は、縦長円筒状に形成され、上端及び下端が閉塞された密閉容器である。このケーシング（10）は、円筒状の下筒部（11）と、該下筒部（11）の下端を閉塞する底板部（12）と、下筒部（11）の上端に同心円状に接続された下筒部（11）と略同径の上筒部（13）と、該上筒部（13）の上端を閉塞する天板部（14）とを有している。

上筒部（13）は、断面視半円状の前後２つの部材（13a,13b）（以下、前側を前パネル（13a）、後側を後パネル（13b）と言う）によって構成されている。前パネル（13a）には、右端及び左端に吸引口（15a）がそれぞれ開口し、後パネル（13b）には、中央に吹出口（15b）が開口している。また、前パネル（13a）の中央には、リモコン設置部（16）が形成されている。リモコン設置部（16）は、ユーザが給湯装置（1）を操作するためのリモコン（16a）が設置可能になっている。

ケーシング（10）の内部には、上筒部（13）と下筒部（11）との間に仕切板（17）が設けられている。ケーシング（10）の内部空間は、この仕切板（17）によって、上下２つの空間（18,19）（以下、上側空間（18）と下側空間（19）と言う）に仕切られている。そして、上側空間（18）には、圧縮機（21）と膨張弁（22）と空気熱交換器（23）とアキュームレータ（24）とが収容され、下側空間（19）には、給湯用熱交換器（30）が収容されている。

図２に示すように、圧縮機（21）と、給湯用熱交換器（30）と、膨張弁（22）と、空気熱交換器（23）と、アキュームレータ（24）とは、配管によって順に接続され、冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）が形成されている。

圧縮機（21）は、冷媒回路（20）の冷媒を圧縮するものであり、吐出側が給湯用熱交換器（30）に接続され、吸入側がアキュームレータ（24）に接続されている。

膨張弁（22）は、開度可変の電動膨張弁によって構成されている。

空気熱交換器（23）は、クロスフィン型のフィン・アンド・チューブ熱交換器であって、ファン（23a）によって供給された空気が冷媒と熱交換するように構成されている。図１に示すように、空気熱交換器（23）は、上側空間（18）内において、後パネル（13b）側に配置されて吹出口（15b）と向かい合い、ファン（23a）（図１では図示省略）が回転すると、空気が吸引口（15a）から上側空間（18）内へ吸引されて空気熱交換器（23）を通過し、その後、吹出口（15b）から外部へ吹き出すように構成されている。

アキュームレータ（24）は、空気熱交換器（23）から流入した冷媒を気液分離して、ガス冷媒のみを圧縮機（21）へ送るように構成されている。

〈給湯用熱交換器の構成〉
図１に示すように、給湯用熱交換器（30）は、断熱材（39）に覆われた状態でケーシング（10）の下側空間（19）に収容されている。給湯用熱交換器（30）は、水タンク（31）と加熱用伝熱管（40）とを備えている。

図２に示すように、水タンク（31）は、縦長円筒状に形成された水を貯留するための密閉容器である。水タンク（31）には、下部に給水口（32）、上部に給湯口（33）、底部に排水口（34）がそれぞれ形成されている。

給水口（32）には、市水を供給するための給水管（32a）が水タンク（31）の外部から接続され、導入管（32b）が水タンク（31）の内部から接続されている。この導入管（32b）は、流出端が下を向くように途中で折り曲げられ、市水を水タンク（31）の底に向かって導くように構成されている。給湯口（33）には、水タンク（31）内の温水を取り出すための給湯管（33a）が水タンク（31）の外部から接続され、導出管（33b）が水タンク（31）の内部から接続されている。この導出管（33b）は、流入端が上を向くように途中で折り曲げられ、水タンク（31）の上部に溜まった高温の温水を確実に導出するように構成されている。排水口（34）には、排水管（34a）が水タンク（31）の外部から接続されている。

加熱用伝熱管（40）は、水タンク（31）に巻かれ、冷媒を上から下へ流して水タンク（31）内の水を加熱するものである。図３に示すように、加熱用伝熱管（40）は、第１ヘッダ（41）と、第２ヘッダ（42）と、複数（この場合、２０本）の扁平管（43）とを備えている。第１ヘッダ（41）、第２ヘッダ（42）、及び扁平管（43）は、何れもアルミニウム製の部材であって、互いにロウ付けによって接合されている。

第１ヘッダ（41）と第２ヘッダ（42）は、細長い円筒状に形成され、上下方向に延びる姿勢で、水タンク（31）の外周面に近接する位置に、周方向に間隔をあけて並設されている。第１ヘッダ（41）は、上端に流入口（44）が形成され、下端が閉塞される一方、第２ヘッダ（42）は、上端が閉塞され、下端に流出口（45）が形成されている。流入口（44）は、圧縮機（21）の吐出側に配管接続され、流出口（45）は、膨張弁（22）に配管接続されている。

図４に示すように、扁平管（43）は、断面が扁平な長円形状の伝熱管であり、扁平管（43）の内部には、一列に配列された複数本（この場合、２４本）の冷媒流路（46）が形成されている。

図３に示すように、扁平管（43）は、冷媒流路（46）の配列方向が上下方向となる姿勢で、互いに一定の間隔をおいて上下に配列され、実質的に平行になっている。そして、各扁平管（43）は、側面が水タンク（31）の外周面に接するように、第１ヘッダ（41）から第２ヘッダ（42）まで略１周巻かれている。各扁平管（43）では、第１ヘッダ（41）側の端部が第１ヘッダ（41）へ差し込まれて、内部の冷媒流路（46）が第１ヘッダ（41）の内部空間に連通し、第２ヘッダ（42）側の端部が第２ヘッダ（42）へ差し込まれて、内部の冷媒流路（46）が第２ヘッダ（42）の内部空間に連通している。尚、この扁平管（43）は、本発明の単巻管を構成している。

第１ヘッダ（41）と第２ヘッダ（42）は、仕切板（47,48）によって、それぞれ内部空間が上下に仕切られている。第１ヘッダ（41）側の仕切板（以下、第１仕切板（47）と言う）は、第２ヘッダ（42）側の仕切板（以下、第２仕切板（48）と言う）よりも上方に位置している。

加熱用伝熱管（40）は、これら２つの仕切板（47,48）によって、上下方向に３つの加熱領域（51,52,53）に区分されている。具体的に、第１仕切板（47）よりも上方には、第１加熱領域（51）が形成され、第１仕切板（47）と第２仕切板（48）との間には、第２加熱領域（52）が形成され、第２仕切板（48）よりも下方には、第３加熱領域（53）が形成されている。

第１加熱領域（51）は、第１ヘッダ（41）において、第１仕切板（47）よりも上方の第１ヘッダ部（51a）と、該第１ヘッダ部（51a）に連通する１０本の扁平管（51b）と、第２ヘッダ（42）において該１０本の扁平管（51b）に対応する第２ヘッダ部（51c）とによって構成されている。第２加熱領域（52）は、第２ヘッダ（42）において、第１加熱領域（51）の第２ヘッダ部（51c）よりも下方で第２仕切板（48）よりも上方の第２ヘッダ部（52c）と、該第２ヘッダ部（52c）に連通する９本の扁平管（52b）と、第１ヘッダ（41）において、該９本の扁平管（52b）に対応する第１ヘッダ部（52a）とによって構成されている。第３加熱領域（53）は、第１ヘッダ（41）において、第２加熱領域（52）の第１ヘッダ部（52a）よりも下方の第１ヘッダ部（53a）と、該第１ヘッダ部（53a）に連通する１本の扁平管（53b）と、該１本の扁平管（53b）に対応する第２ヘッダ部（53c）とによって構成されている。

加熱用伝熱管（40）では、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の総断面積が上から下に向かって小さくなっている。具体的には、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の本数が上から下に向かって少なくなっており、第１加熱領域（51）に２４０本、第２加熱領域（52）に２１６本、第３加熱領域（53）に２４本の冷媒流路（46）がそれぞれ形成されている。

−運転動作−
次に、この給湯装置（1）の運転動作について説明する。

図２に示すように、圧縮機（21）を起動すると、圧縮機（21）で圧縮された高圧のガス冷媒が吐出され、給湯用熱交換器（30）の加熱用伝熱管（40）へと送られる。

図５に示すように、給湯用熱交換器（30）の加熱用伝熱管（40）では、冷媒は、最初に、流入口（44）から第１加熱領域（51）へ流入する。第１加熱領域（51）では、冷媒は、第１ヘッダ部（51a）から１０本の扁平管（51b）の各冷媒流路（46）へ分配されて並流する。その後、冷媒は、第２ヘッダ部（51c）で合流し、第２ヘッダ（42）内で下方へ流れて、第２加熱領域（52）の第２ヘッダ部（52c）へ流入する。

第２加熱領域（52）では、冷媒は、第２ヘッダ部（52c）から９本の扁平管（52b）の各冷媒流路（46）へ分配されて並流する。その後、冷媒は、第１ヘッダ部（52a）で合流し、第１ヘッダ（41）内で下方へ流れて、第３加熱領域（53）の第１ヘッダ部（53a）へ流入する。

第３加熱領域（53）では、冷媒は、第１ヘッダ部（53a）から１本の扁平管（53b）の各冷媒流路（46）へ分配されて並流する。その後、冷媒は、第２ヘッダ部（53c）で合流する。

このように、給湯用熱交換器（30）では、加熱用伝熱管（40）へ送られた冷媒は、第１加熱領域（51）、第２加熱領域（52）、第３加熱領域（53）の順に流れる。そして、その間に、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）を並流する冷媒と水タンク（31）内の水との間で熱交換が行われ、冷媒が水タンク（31）内の水へ放熱して凝縮することによって、水タンク（31）内の水が加熱される。その後、冷媒は、液冷媒となって第２ヘッダ（42）の流出口（45）から流出する。

流出口（45）から流出した冷媒は、膨張弁（22）で減圧された後、空気熱交換器（23）へ送られる。空気熱交換器（23）では、ファン（23a）によって供給された空気と冷媒とが熱交換し、冷媒が空気から吸熱して蒸発する。空気熱交換器（23）で蒸発した冷媒は、アキュームレータ（24）で気液分離された後、圧縮機（21）へ吸入される。圧縮機（21）では、再び冷媒が圧縮され、高圧のガス冷媒が吐出される。

−実施形態１の効果−
本実施形態では、上下方向に区分された加熱用伝熱管（40）の３つの加熱領域（51,52,53）に冷媒が並流する複数本の冷媒流路（46）をそれぞれ形成し、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の総断面積が上から下に向かって小さくなるようにした。こうすることで、冷媒が加熱用伝熱管（40）を上から下へ流れる間に、冷媒流路（46）内で徐々に凝縮して冷媒のガス比率が低下し、冷媒の比体積が小さくなっても、冷媒の流速の低下を抑えることができ、冷媒の放熱量（冷媒と水タンク（31）内の水との熱交換量）の低下を抑えて、高い加熱能力を得ることができる。

また、本実施形態では、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の本数が上から下に向かって少なくなるようにした。これにより、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の総断面積が上から下に向かって小さくなる状態を容易に形成することができる。

また、本実施形態では、第１ヘッダ（41）の内部空間を第１仕切板（47）で仕切り、第２ヘッダ（42）の内部空間を第２仕切板（48）で仕切ることによって、３つの加熱領域（51,52,53）を上下方向に形成するようにした。これにより、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の本数が上から下に向かって少なくなる状態を容易に形成することができる。

〈実施形態１の変形例〉
上記実施形態１では、複数本（この場合、２４本）の冷媒流路（46）を有する扁平管（43）が水タンク（31）に巻かれている。しかし、水タンク（31）に巻かれる管の形態はこれに限らず、例えば、冷媒流路（46）が一本の円管でも構わない。

また、上記実施形態１では、第１ヘッダ（41）の内部空間を第１仕切板（47）で上下に仕切り、さらに、第２ヘッダ（42）の内部空間を第２仕切板（48）で上下に仕切ることによって、上下方向に３つの加熱領域（51,52,53）を形成している。しかし、加熱領域（51,52,53）の形態はこれに限らず、例えば、図６に示すように、第１ヘッダ（41）と第２ヘッダ（42）とをそれぞれ上下に分離することによって、上下方向に３つの加熱領域（51,52,53）を形成しても良い。

また、上記実施形態１では、第１加熱領域（51）と第２加熱領域（52）とが第２ヘッダ（42）内で連通し、第２加熱領域（52）と第３加熱領域（53）とが第１ヘッダ（41）内で連通している。しかし、隣接する加熱領域（51,52,53）の連通状態はこれに限らず、例えば、図７に示すように、第１加熱領域（51）と第２加熱領域（52）とを第１連絡管（81）を介して連通させ、第２加熱領域（52）と第３加熱領域（53）とを第２連絡管（82）を介して連通させても良い。

また、上記実施形態１では、３つの加熱領域（51,52,53）が形成されているが、加熱領域の数はこれに限るものではない。

また、上記実施形態１では、第１加熱領域（51）に２４０本の冷媒流路（46）が形成され、第２加熱領域（52）に２１６本の冷媒流路（46）が形成され、第３加熱領域（53）に２４本の冷媒流路（46）が形成されているが、各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の本数はこれに限るものではない。各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の本数は、少なくとも上から下へ向かって減少傾向にあれば良く、例えば、隣接する加熱領域と冷媒流路（46）が同数の加熱領域を一部含んでいても構わない。

《その他の実施形態》
上記実施形態１では、加熱領域（51,52,53）毎に冷媒流路（46）の本数を変化させることによって、冷媒流路（46）の総断面積を変化させている。しかし、冷媒流路（46）の総断面積を変化させる方法はこれに限らず、例えば、加熱領域（51,52,53）毎に冷媒流路（46）の断面積を変化させても、加熱領域（51,52,53）毎に冷媒流路（46）の本数と断面積の両方を変化させても構わない。

また、上記実施形態１では、各加熱領域（51,52,53）で並流する冷媒を上下方向に延びるヘッダ（41,42）で合流させているが、このヘッダ（41,42）と形態の異なる合流管で冷媒を合流させても構わない。

本発明は、水タンクに巻かれた加熱用伝熱管に流れる冷媒を凝縮させて、水タンク内の水を加熱する給湯用熱交換器について有用である。

２０冷媒回路
３０給湯用熱交換器
３１水タンク
４０加熱用伝熱管
４１第１ヘッダ（ヘッダ）
４２第２ヘッダ（ヘッダ）
４３扁平管（単巻管）
４６冷媒流路
４７第１仕切板（仕切板）
４８第２仕切板（仕切板）
５１第１加熱領域（加熱領域）
５２第２加熱領域（加熱領域）
５３第３加熱領域（加熱領域）

Claims

水を貯留する水タンク（31）と、
冷媒が上から下へ流れるように上記水タンク（31）に巻かれて冷媒回路（20）に接続され、冷媒が凝縮して上記水タンク（31）内の水を加熱する加熱用伝熱管（40）とを備えた給湯用熱交換器であって、
上記加熱用伝熱管（40）は、上下方向に複数の加熱領域（51,52,53）に区分され、
上記複数の加熱領域（51,52,53）は、互いに並列に接続されて冷媒が水平方向に並流する複数本の冷媒流路（46）をそれぞれ有し、
上記各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）は、上下に隣り合う加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）と直列に接続され、
上記加熱用伝熱管（40）は、上記各加熱領域（51,52,53）の冷媒流路（46）の総断面積が上側の加熱領域（51）から下側の加熱領域（53）に向かって小さくなるように構成されている
ことを特徴とする給湯用熱交換器。
請求項１において、
上記複数の加熱領域（51,52,53）は、上記冷媒流路（46）の本数が上から下に向かって少なくなる
ことを特徴とする給湯用熱交換器。
請求項２において、
上記加熱用伝熱管（40）は、上下方向に配列されて上記水タンク（31）に略１周巻かれ、内部に上記冷媒流路（46）が形成された複数の単巻管（43）と、上下方向に延びて上記複数の単巻管（43）の両端にそれぞれ接続された２つのヘッダ（41,42）と、該２つのヘッダ（41,42）の内、少なくとも一方のヘッダ（41,42）の内部を上下に仕切ることによって上記複数の加熱領域（51,52,53）を形成する仕切板（47,48）とを備えている
ことを特徴とする給湯用熱交換器。