JP6277713B2 - ２重管式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は２重管式熱交換器に関し、特に内管を流れる冷媒等の流体の温度を検知する温度検知手段を備えたものに関する。

従来から、ガス燃焼式熱源機、ヒートポンプ式熱源機、燃料電池発電装置等で加熱した湯水を貯湯して給湯する貯湯給湯装置、湯水を利用して暖房端末へ熱を供給する暖房装置、その他の種々の産業分野においては、高温の流体と低温の流体との間で熱交換させる為の種々の熱交換器が幅広く使用されている。

特に、上記の熱交換器として、内管とこの内管を収納した外管とを備え、内管内に熱媒体を流し、内管と外管との間の隙間に湯水を流し、熱媒体と湯水との間で熱交換を行う２重管式熱交換器が実用化されている。この２重管式熱交換器は、熱交換性能に優れ且つ製作費の面で有利であるため広く採用されている。

例えば、特許文献１に記載の２重管式熱交換器においては、２本の円筒状の配管を互いに螺旋状に捩じり合わせるようにして冷媒管を構成し、この冷媒管を外面にスパイラル状の凹凸が形成された水管の内部に収納し、冷媒管を流れる冷媒と、冷媒管と水管との間を流れる水との間で熱交換を行う構造が開示されている。

特開２００８−２６７６３１号公報

しかし、特許文献１に記載のような２重管式熱交換器においては、外管の内部に内管が収納された構造上、２重管式熱交換器の内管の長さ方向の途中部を流れる流体の温度を検知することが困難である。従来では、内管の入口側や出口側の湯水温度を検知することで、内管の途中部（例えば冷媒の凝縮領域）の流体の温度を想定していたが、この方法では、内管の途中部を流れる流体の温度をフィードバック制御することができず、温度制御の精度の向上が困難であるという問題がある。

本発明の目的は、内管の途中部を流れる流体の温度を検知可能な２重管式熱交換器を提供すること、温度制御の精度を向上し得る２重管式熱交換器を提供すること、等である。

請求項１の２重管式熱交換器は、ヒートポンプ式熱源機の凝縮熱交換器に使用される２重管式熱交換器であって、内管と、この内管を内部に収納した外管とを備え、前記内管の内部を流れる流体と前記内管と前記外管との間を流れる流体との間で熱交換可能に構成された２重管式熱交換器において、前記内管は冷媒を流すための冷媒管であり、前記外管は給湯用水を流すためのものであり、前記内管は、管壁が周方向に山部と谷部が繰り返す多葉管の形状に構成され、前記内管内を流れる冷媒が気体から液体に変化する凝縮領域に対応する部位において、前記内管の外面と前記外管の内面とが接触する接触部における前記外管の外面に温度検知手段を設け、前記接触部は、前記内管の山部が前記外管の内面に面接触状に密着する部位であることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、冷媒が凝縮する凝縮領域に対応する部位において、内管の外面と外管の内面とが接触する接触部における外管の外面に温度検知手段を設けたので、この温度検知手段によって、従来では検知困難であった２重管式熱交換器(凝縮熱交換器)の内管の長さ方向の途中部(凝縮領域)を流れる冷媒の温度を容易に検知することができる。

従って、２重管式熱交換器の内管の途中部を流れる冷媒温度を検知することで、内管の途中部における冷媒温度のフィードバック制御が可能となるので、ヒートポンプ熱源機における２重管式凝縮熱交換器の温度制御の精度を向上することができる。

そして、内管は、管壁が周方向に山部と谷部が繰り返す多葉管の形状に構成され、接触部は、山部が外管の内面に面接触状に密着する部位であるので、接触部を介して、外管の外面から内管内の冷媒温度を確実に検知することができる。

本発明の実施例に係るヒートポンプ給湯装置の概略構成図である。 外装ケースの前側板を取り外した状態のヒートポンプ式熱源機の斜視図である。 ２重管式熱交換器と保温材の分解斜視図である。 ２重管式熱交換器の平面図である。 ２重管式熱交換器の部分断面図ある。 部分変更形態に係る２重管式熱交換器の平面図である。 部分変更形態に係る２重管式熱交換器の部分断面図ある。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、本発明の２重管式熱交換器２２が適用されたヒートポンプ給湯装置１の全体構成について簡単に説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ給湯装置１は、湯水を貯留する貯湯タンクユニット２、この貯湯タンクユニット２の湯水の加熱を行うヒートポンプユニット３、ヒートポンプ給湯装置１を制御する制御ユニット４、貯湯タンクユニット２とヒートポンプユニット３との間に湯水を循環させる循環用配管８ａ，８ｂ等から構成されている。

図１に示すように、貯湯タンクユニット２は、貯湯タンク５、各種の配管６，７，８ａ，８ｂ、湯水循環ポンプ１１、開閉弁１２、混合弁１３、主制御ユニット１６、外装ケース１７等を備えている。貯湯タンク５は、ヒートポンプユニット３で加熱された高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留するものである。

貯湯タンク５の下端部には、給水配管６と循環用配管８ａとが接続されている。給水配管６には、貯湯タンク５へ低温の上水を供給する為の開閉弁１２が設けられている。貯湯タンク５の上端部には、循環用配管８ｂと出湯配管７とが接続され、循環用配管８ｂから戻された高温の湯水を貯湯タンク５内に貯留し、給湯時には貯湯タンク５内の高温の湯水を出湯配管７に供給することができる。

貯湯タンク５には、複数の温度センサ５ａ〜５ｄが高さ方向所定間隔おきの位置に配置され、温度センサ５ａ〜５ｄの温度検知信号が主制御ユニット１６に供給される。外装ケース１７は、薄鋼板製の箱状に形成され、貯湯タンク５、各種の配管類６，７、循環用配管８ａ，８ｂの大部分、湯水循環ポンプ１１、開閉弁１２、混合弁１３、各種の温度センサ１５ａ〜１５ｄ、主制御ユニット１６等を収容している。

次に、ヒートポンプユニット３について説明する。
図１に示すように、ヒートポンプユニット３は、冷媒により湯水を加熱する為のヒートポンプ式熱源機２０、主制御ユニット１６に接続され且つヒートポンプ式熱源機２０を制御する為の補助制御ユニット３３、これらを一体的に収納する為の外装ケース３５等を備えている。

ヒートポンプ式熱源機２０は、圧縮機２１、湯水加熱用の凝縮熱交換器２２、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁２３、外気熱吸収用の蒸発熱交換器２４を有し、これら機器２１〜２４が冷媒配管２５を介して接続されてヒートポンプ回路を構成し、冷媒配管２５に封入された冷媒を利用して貯湯運転を行う。ヒートポンプ式熱源機２０は、さらに、蒸発熱交換器用の送風ファン２７を有している。

次に、外装ケース３５内に収納されている各種機器について説明する。
図１に示すように、圧縮機２１は、気相状態の冷媒を断熱圧縮して温度上昇させる公知の密閉型圧縮機である。

凝縮熱交換器２２は、冷媒配管２５の一部となる内側流体通路５５、循環用配管８ａ，８ｂ間に接続された外側流体通路５６とを有する２重管式熱交換器２２から構成されているが、２重管式熱交換器２２の具体的な構造については後述する。

膨張弁２３は、液相状態の冷媒を断熱膨張させ温度低下させる。この膨張弁２３は、絞り量が可変な制御弁からなる。尚、絞り量が可変な膨張弁２３の代わりに絞り量が一定の膨張弁を採用しても良い。

蒸発熱交換器２４は、冷媒配管２５に含まれる蒸発器通路部２４ａを有し、この蒸発器通路部２４ａは伝熱管と複数のフィンとを有している。この蒸発熱交換器２４において、蒸発器通路部２４ａを流れる冷媒と外気との間で熱交換され、冷媒は外気から吸熱して気化する。

冷媒配管２５は、圧縮機２１の吐出側と凝縮熱交換器２２の入口側とを接続する冷媒通路２５ａ、凝縮熱交換器２２の出口側と膨張弁２３の入口側とを接続する冷媒通路２５ｂ、膨張弁２３の出口側と蒸発熱交換器２４の入口側とを接続する冷媒通路２５ｃ、蒸発熱交換器２４の出口側と圧縮機２１の導入側とを接続する冷媒通路２５ｄを備えている。

冷媒配管２５には、圧縮機２１の吐出側に設けられ且つ圧縮機２１から吐出する冷媒温度を検知する圧縮機吐出側温度センサ２９ａ、膨張弁２３の入口側に設けられ且つ膨張弁２３に流入する冷媒温度を検知する膨張弁入口側温度センサ２９ｂ、膨張弁２３の出口側に設けられ且つ膨張弁２３から流出する冷媒温度を検知する膨張弁出口側温度センサ２９ｃ、蒸発熱交換器２４の出口側に設けられ且つ蒸発熱交換器２４から流出する冷媒温度を検知する蒸発熱交換器出口側温度センサ２９ｄ等が設けられている。

図１，図２に示すように、送風ファン２７は、送風モータ２７ａと、この送風モータ２７ａによって回転駆動される複数の羽根部材２７ｂとを有し、支持金具２７ｃを介して底板４６と横仕切り板４７ｂとに支持されている。

図１に示すように、ヒートポンプ給湯装置１は、主制御ユニット１６と補助制御ユニット３３からなる制御ユニット４によって制御される。各種の温度センサ等の検知信号が制御ユニット４に送信され、この制御ユニット４により、貯湯タンクユニット２とヒートポンプ式熱源機２０の動作、各種のポンプの作動・停止、各種の弁の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転（貯湯運転、給湯運転等）を実行する。

主制御ユニット１６は、ユーザーが操作可能な操作リモコン３６との間でデータ通信可能であり、操作リモコン３６のスイッチ操作により目標給湯温度が設定されると、その目標給湯温度データが操作リモコン３６から主制御ユニット１６に送信される。補助制御ユニット３３は、主制御ユニット１６との間でデータ通信可能であり、主制御ユニット１６からの指令に従ってヒートポンプ式熱源機２０の各種機器（圧縮機２１、膨張弁２３、送風モータ２７ａ等）の駆動制御を行う。

図２に示すように、外装ケース３５は、薄鋼板製の箱状に形成され、左右１対の側板４１，４２と、前側板（図示略）と、後側板４４と、天板４５と、底板４６とを備えている。外装ケース３５の内部は、夫々が薄鋼板製の垂直な縦仕切り板４７ａと水平な横仕切り板４７ｂとによって区画されている。右側板４２には、循環用配管８ａ，８ｂの内部配管部分と外部配管部分を接続する配管接続部を覆う配管カバー４２ａが取り付けられている。

縦仕切り板４７ａは、外装ケース３５内を蒸発熱交換器２４や送風ファン２７等が配置された左側の送風室４８ａと、圧縮機２１や膨張弁２３等が配置された右側の機械室４８ｂとに区画している。縦仕切り板４７ａの上端側部分に補助制御ユニット３３が装着されている。横仕切り板４７ｂは、外装ケース３５内の上端側部分に凝縮熱交換器２２が配置された給湯加熱室４８ｃを区画し、この給湯加熱室４８ｃは、送風室４８ａと機械室４８ｂの上方に跨がるように形成されている。

次に、２重管式熱交換器（凝縮熱交換器）２２の具体的な構造について説明する。
図３〜図５に示すように、２重管式熱交換器２２は、内管５１と、この内管５１を内部に収納した外管５２とを備え、内管５１の内部を流れる流体（例えばヒートポンプ用冷媒）と内管５１と外管５２との間を流れる流体（例えば給湯用湯水）との間で熱交換可能に構成されている。２重管式熱交換器２２は、横仕切り板４７ｂの上面側に配置され、発泡ポリプロピレン、発泡ポリスチレン等の樹脂を発泡成形した上下に２分割された保温材３２で覆われている。

内管５１と外管５２は、例えば、リン脱酸銅製の円形断面の水道用銅管又はこれと同等品からなる所定の長さの素材管を用いて製作される。素材管の管壁の厚さは例えば０．６〜１．０ｍｍで、２重管式熱交換器２２の外径は例えば１６〜２０ｍｍである。但し、これらの数値は例示でありこれらに限定されるものではない。

図５に示すように、内管５１は、管壁が周方向に山部５１ｂと谷部５１ａとが繰り返す波形形状をなす多葉管の形状に構成されている。即ち、内管５１は、４つの谷部５１ａと４つの山部５１ｂとを有し、谷部５１ａは円弧的な形状であり、山部５１ｂは円弧の両端部に湾曲部を付けた形状である。外管５２は、管壁が内管５１の管壁より大径の円筒の形状に構成されている。

４つの谷部５１ａは、中心部の断面略正方形の流体通路５５ａの回りに周方向に９０°間隔に配置され、各谷部５１ａの先端近傍部は周方向に隣接する谷部５１ａと接触している。内管５１の多葉管の軸心直交断面の断面形状は、山部５１ｂと谷部５１ａとを接続する直線部５１ｃを有している。内管５１の山部５１ｂの大部分は外管５２の内面に面接触状に密着している。

この内管５１は、所定のリード角をもって螺旋状に捩じった形状に構成されている。前記所定のリード角は、軸心方向に例えば３００〜５００ｍｍ移行する毎に１回転するような角度である。但し、上記の捩じりは必須のものではなく省略してもよい。

内管５１の内部には、４つの谷部５１ａで囲まれた流体通路５５ａと４つの山部５１ｂの内側の流体通路５５ｂとからなる内側流体通路５５が形成され、内管５１と外管５２との間には４つのほぼ三角形断面の流体通路５６ａからなる外側流体通路５６が形成され、内管５１の内部である内側流体通路５５を流れる流体と、内管５１と外管５２との間の隙間である外側流体通路５６を流れる流体との間で熱交換可能に構成してある。

即ち、内側流体通路５５の上流端は、冷媒通路２５ａの下流端に接続され、内側流体通路５５の下流端は、冷媒通路２５ｂの上流端に接続されている。外側流体通路５６の上流端は、循環用配管８ａの下流端に接続され、外側流体通路５６の下流端は、循環用配管８ｂの上流端に接続されている。

２重管式熱交換器２２の製作段階においては、例えば６ｍの長さのストレート形状の熱交換器に製作し、その後所望の長さに切断したものを例えば複数回螺旋状に巻回し且つ２つのバンド部材３１で締結された２重の長円渦巻状又は長円コイル形状の２重管式熱交換器にして使用に供される（図３，図４参照）。

次に、温度検知センサ５８について説明する。
図３〜図５に示すように、２重管式熱交換器２２には、内管５１（内側流体通路５５）を流れる冷媒の温度を検知する為の温度検知センサ５８（温度検知手段に相当する）が設けられている。温度検知センサ５８は、内管５１の外面と外管５２の内面とが接触した接触部５７における外管５２の外面に設けられている。

即ち、温度検知センサ５８は、２重管式熱交換器２２の内管５１の途中部（冷媒が気体から液体に変化する凝縮領域に対応する部位）の接触部５７に対応する外管５２の外面にロウ付けされて固定されている。接触部５７は、内管５１の山部５１ｂの大部分が外管５２の内面に面接触状に密着している部位であり、周方向等間隔に４箇所形成されている。内側流体通路５５の冷媒温度が接触部５７を介して外管５２の外面に伝熱されることで、２重管式熱交換器２２の外側から温度検知センサ５８によって冷媒温度を検知することができる。

温度検知センサ５８は、伝熱性が良い銅製の小径筒部材５８ａ、この小径筒部材５８ａ内に組み込まれたサーミスタ５８ｂ、このサーミスタ５８ｂから延びる１対のリード線５８ｃ等から構成された公知の温度検知センサで構成されている。１対のリード線５８ｃは補助制御ユニット３３に接続され、温度検知センサ５８の内側流体通路５５を流れる冷媒の温度に基づく温度検知信号が補助制御ユニット３３に供給される（図１参照）。

次に、本発明の２重管式熱交換器２２の作用及び効果について説明する。
ヒートポンプ式熱源機２０の貯湯運転時において、圧縮機２１により高圧に圧縮された加熱状態の冷媒は、冷媒通路２５ａから凝縮熱交換器２２の内側流体通路５５に送られ、湯水循環ポンプ１１の駆動により貯湯タンク５の下端部から循環用配管８ａを経て凝縮熱交換器２２の外側流体通路５６に流入した水と熱交換してその水を暖め、温度低下して液化した冷媒は冷媒通路２５ｂから膨張弁２３に送られ、加熱された湯水が循環用配管８ｂを通って貯湯タンク５に貯留され、ヒートポンプ式熱源機２０を経由する加熱動作を繰り返すことで貯湯タンク５に高温の湯水が貯留される。

ところで、圧縮機２１から冷媒通路２５ａを通って内側流体通路５５に流入した冷媒温度（圧縮機吐出温度）は、外側流体通路５６を対向状に流れる湯水との間で熱交換されて徐々に低下し、冷媒が気体から液体に変化する凝縮領域に達すると、冷媒温度は略一定となる。この凝縮領域は、２重管式熱交換器２２の長さ方向の途中部に位置する。全ての冷媒が気体から液体に変化すると、冷媒温度は湯水との間の熱交換によって再び徐々に低下し、冷媒は内側流体通路５５から冷媒通路２５ｂに流出して膨張弁２３に流入する。

ここで、温度検知センサ５８は、接触部５７を介して凝縮領域における冷媒温度（凝縮温度）を検知し、この温度検知信号を補助制御ユニット３３に送信する。補助制御ユニット３３は、現在の冷媒の凝縮温度を算出し、予め設定された凝縮温度に合わせ込むように圧縮機２１の回転数及び膨張弁２３の開閉度を調整する。このように、温度検知センサ５８を使用することで、冷媒の凝縮温度のフィードバック制御が可能となるので、ヒートポンプ熱源機３の効率的な運転が実現できる。

以上説明したように、内管５１の外面と外管５２の内面とが接触した接触部５７における外管５２の外面に温度検知センサ５８を設けたので、この温度検知センサ５８によって、従来では検知困難であった２重管式熱交換器２２の内管５１の長さ方向の途中部を流れる冷媒温度を容易に検知することができる。

従って、２重管式熱交換器２２の内管５１の途中部を流れる流体温度を検知することで、内管５１の途中部における流体温度のフィードバック制御が可能となるので、２重管式熱交換器２２の温度制御の精度を向上することができる。

また、内管５１は、管壁が周方向に山部５１ｂと谷部５１ａが繰り返す多葉管の形状に構成され、接触部５７は、山部５１ｂが外管５２の内面に面接触状に密着する部位であるので、接触部５７を介して、外管５２の外面から内管５１内の冷媒温度を確実に検知することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した例について説明する。
［１］前記実施例の内管５１は、多葉管の形状に構成されているが、特にこの形状に限定する必要はなく、種々の形状を採用可能である。例えば、図６，図７に示すように、円筒状の内管５１Ａと、この内管５１Ａを内部に収納した外管５２とを備え、内管５１Ａの内部を流れる流体と内管５１Ａと外管５２との間を流れる流体との間で熱交換可能に構成された２重管式熱交換器２２Ａであっても良い。

この構造の場合、図６，図７に示すように、２重管式熱交換器２２Ａは、ストレート形状の熱交換器を曲げ加工して構成されるので、２重管式熱交換器２２Ａの４隅部の湾曲部に内管５１Ａの外面と外管５２の内面とが接触した接触部５７Ａが形成される。温度検知センサ５８は、接触部５７Ａにおける外管５２の外面に設け、接触部５７Ａを介して内管５１Ａを流れる流体の温度を検知することができる。

［２］前記実施例の内管５１は、冷媒管の素材管を漏洩検知管の素材管に挿入した２重管を加工することで製作された２重構造の多葉管であっても良い。即ち、凝縮熱交換器２２は、３重管式熱交換器から構成されても良い。冷媒管と漏洩検知管の間に流体が流通し得る隙間を形成することで、冷媒管から例えば冷媒が隙間に漏洩した場合には、それを検知することで、冷媒管からの流体の漏洩の発生を確実に検知することができる。

［３］前記実施例の温度検知センサ５８の取り付け位置は、特に限定する必要はなく、内管５１の外面と外管５２の内面とが接触した接触部５７における外管５２の外面に設けるのであれば、取り付け位置は適宜変更可能である。

［４］前記実施例の温度検知センサ５８は、外管５２の外面にロウ付けで固定されているが、特に限定する必要はなく、外管５２の外面にクリップ部材を用いて固定されても良く、種々の固定方法を採用可能である。

［５］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

２２，２２Ａ ２重管式熱交換器（凝縮熱交換器）
５１，５１Ａ 内管
５１ａ 谷部
５１ｂ 山部
５２ 外管
５７，５７Ａ 接触部
５８ 温度検知センサ（温度検知手段）

Claims (1)

1. ヒートポンプ式熱源機の凝縮熱交換器に使用される２重管式熱交換器であって、内管と、この内管を内部に収納した外管とを備え、前記内管の内部を流れる流体と前記内管と前記外管との間を流れる流体との間で熱交換可能に構成された２重管式熱交換器において、
   前記内管は冷媒を流すための冷媒管であり、前記外管は給湯用水を流すためのものであり、
   前記内管は、管壁が周方向に山部と谷部が繰り返す多葉管の形状に構成され、
   前記内管内を流れる冷媒が気体から液体に変化する凝縮領域に対応する部位において、
   前記内管の外面と前記外管の内面とが接触する接触部における前記外管の外面に温度検知手段を設け、
   前記接触部は、前記内管の山部が前記外管の内面に面接触状に密着する部位であることを特徴とする２重管式熱交換器。