WO2021130957A1 - 熱交換器およびヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

ヒートポンプ式給湯機（１００）は、熱交換器（２）を備えたものである。熱交換器（２）は、水が流れる熱交換器水配管（１５）と、熱交換器水配管（１５）を流れる水を加温する冷媒が流れる熱交換器冷媒配管（１６）と、を備えるものである。熱交換器水配管（１５）および熱交換器冷媒配管（１６）は、熱交換器ケース（１２）に収容される。熱交換器水配管は（１５）、外周部に螺旋状の溝が形成されたねじり管部（１５ａ）と、ねじり管部（１５ａ）よりも上流側の熱交換器水配管低温部（１５ｂ）と、を含む。熱交換器冷媒配管（１６）は、ねじり管部（１５ａ）の外周部に、溝に沿って接合される。熱交換器水配管低温部（１５ｂ）は、熱交換器ケース（１２）の内部において、複数の低温部分岐管（２１）に分岐している。

Description

熱交換器およびヒートポンプ式給湯機

　本開示は、熱交換器およびこの熱交換器を備えたヒートポンプ式給湯機に関するものである。

　特許文献１に、ヒートポンプ式給湯機が記載されている。このヒートポンプ式給湯機が備える熱交換器は、外周部に螺旋状の溝が形成された水配管と、この螺旋状の溝に沿って接合された冷媒配管と、を備える。特許文献１に記載の技術は、上記のような構成によって水配管と冷媒配管との接触面積を増やして、効率のよい熱交換を行うものである。

　上記のように構成された熱交換器は、例えば、特許文献２に記載されているように、断熱容器の中に入れられる。これにより、熱交換器から外部への放熱が削減される。

日本特開２０１１－１７９７７９号公報 日本特開２０１１－１５８２０２号公報

　特許文献１において、冷媒配管のうちの水配管と接触していない部分からは、冷媒配管および水配管の外部へ熱が放出される。特許文献２に記載されているように断熱容器を用いたとしても、熱交換器と外部とを熱的に完全に遮断することはできない。このため、冷媒配管から放出された熱は、断熱容器内の空気へ放出された後、当該断熱容器を介して外部へ放出されてしまう。従来の技術において、断熱容器から外部へ放出される熱は、熱交換器の熱交換の効率の低下および給湯機の沸き上げ効率の低下原因となっていた。

　本開示は、上述のような課題を解決するためのものである。本開示の目的は、熱交換の効率に優れた熱交換器および沸き上げ効率に優れたヒートポンプ式給湯機を提供することである。

　本開示に係る熱交換器は、水が流れる熱交換器水配管と、熱交換器水配管を流れる水を加温する冷媒が流れる熱交換器冷媒配管と、を備えるものである。熱交換器水配管および熱交換器冷媒配管は、断熱容器に収容される。熱交換器水配管は、外周部に螺旋状の溝が形成された第１部分と、第１部分よりも上流側の第２部分と、を含む。熱交換器冷媒配管は、熱交換器水配管の第１部分の外周部に、溝に沿って接合される。熱交換器水配管の第２部分は、断熱容器の内部において、複数の配管に分岐している。
　また、本開示に係るヒートポンプ式給湯機は、上記のように構成された熱交換器を備えたものである。

　本開示によれば、熱交換の効率に優れた熱交換器および沸き上げ効率に優れたヒートポンプ式給湯機を提供することができる。

実施の形態１のヒートポンプ式給湯機の回路構成を説明するための図である。 実施の形態１のヒートポンプユニットの内部の一部分を示す分解斜視図である。 実施の形態１の熱交換器の構成の概要を示す図である。 実施の形態１の熱交換器水配管と熱交換器冷媒配管との接合部の構造を示す図である。 実施の形態１の熱交換器の変形例を説明する図である。

　以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図における同一の符号は、同一の部分または相当する部分を示す。本開示では、重複する説明については、適宜に簡略化または省略する。なお、本開示は、その趣旨を逸脱しない範囲において、以下の実施の形態によって開示される構成の種々の変形および組み合わせを含み得るものである。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１のヒートポンプ式給湯機１００の回路構成を説明するための図である。まず、図１を参照し、本実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機１００の回路構成について説明する。図１に示されるように、ヒートポンプ式給湯機１００は、少なくとも、ヒートポンプユニット１０１と、貯湯ユニット１０２と、を備えている。

　ヒートポンプユニット１０１は、少なくとも、圧縮機１、熱交換器２、減圧装置３および蒸発器４を備えている。また、ヒートポンプユニット１０１には、ファン５およびファンモータ６が搭載されている。圧縮機１、熱交換器２、減圧装置３および蒸発器４は、冷媒が流れる冷媒配管７によって順に環状に接続され、冷媒回路を構成している。

　貯湯ユニット１０２は、少なくとも、水循環装置９および貯湯タンク１０を備えている。水循環装置９、貯湯タンク１０および熱交換器２は、水が流れる水配管８によって環状に接続され、湯水の循環回路を構成している。貯湯ユニット１０２は、熱交換器２によって加温された水を一時的貯めておくことが可能に構成されている。そして、貯湯ユニット１０２は、貯めた水をユーザーが利用する際に供給可能に構成されている。

　貯湯タンク１０は、内部に湯水を貯留可能なものである。水循環装置９は、貯湯タンク１０と熱交換器２との間で水を循環させるための装置である。水循環装置９は、水配管８の途中に設置される。熱交換器２は、貯湯タンク１０から送られた低温の水を加温する。熱交換器２によって加温された水、すなわち湯は、貯湯タンク１０へ戻される。貯湯タンク１０は、低温の水と高温の湯とを内部に貯留可能に構成されている。

　ヒートポンプユニット１０１の冷媒回路を構成する圧縮機１は、気体の状態の冷媒を圧縮する。なお、冷媒の種類は、特に限定されない。冷媒には、例えば、単一冷媒または非共沸混合冷媒が用いられる。また、冷媒には、例えば、二酸化炭素およびプロパン等の自然冷媒を用いることができる。冷媒は、圧縮機１によって圧縮されることで、高温高圧の状態になる。圧縮機１によって圧縮された高温高圧の冷媒は、熱交換器２に送り込まれる。

　熱交換器２は、冷媒回路において、高温高圧の冷媒と水との間での熱交換を行う凝縮器として機能する。熱交換器２は、冷媒配管７を流れる冷媒と水配管８を流れる水との間での熱交換を行い、水の温度を調節する。圧縮機１から熱交換器２に送り込まれた冷媒の温度は、当該冷媒と水との熱交換によって低下する。熱交換器２を通過した高圧の冷媒は、減圧装置３に送り込まれる。

　減圧装置３は、冷媒配管７を流れる冷媒を減圧して膨張する。減圧装置３には、例えば、毛細管または電磁弁等によって構成される。減圧装置３によって減圧した冷媒は、液化する。減圧装置３によって液化した冷媒は、蒸発器４に送り込まれる。

　蒸発器４は、冷媒配管７を流れる冷媒と空気との間での熱交換を行うことで、当該冷媒を気化（ガス化）させるものである。ファン５は、ファンモータ６が駆動することによって回転し、空気を蒸発器４に吹き付ける。蒸発器４を通過する低圧冷媒は、当該蒸発器４に吹き付けられた空気から熱を吸収することで気化する。蒸発器４を通過して気化した冷媒は、再び圧縮機１に送り込まれる。

　ヒートポンプユニット１０１、上記のように冷媒が循環するヒートポンプサイクルによって、貯湯ユニット１０２から熱交換器２へ送られる水を加温することができる。貯湯ユニット１０２は、ヒートポンプユニット１０１によって加温された水が貯留される。貯湯ユニット１０２は、例えば、蛇口、シャワー、浴槽などの図示しない端末へ接続され、当該端末へ加温された水を供給することができる。

　次に、ヒートポンプユニット１０１の構造について、図面を更に参照して説明する。図２は、実施の形態１のヒートポンプユニット１０１の内部の一部分を示す分解斜視図である。

　ヒートポンプユニット１０１は、当該ヒートポンプユニット１０１の筐体の底板となるユニットベース１１を備える。図２に示されるように、ユニットベース１１上には、圧縮機１が収容される空間が形成されている。また、蒸発器４は、一例として、Ｌ字型に屈曲した形状を呈している。

　ユニットベース１１上には、圧縮機１が収容される空間とは別の場所に、熱交換器ケース１２が設置されている。熱交換器２は、この熱交換器ケース１２に収容される。熱交換器ケース１２および当該熱交換器ケース１２に収容された熱交換器２の上部は、断熱カバー１３を介して熱交換器カバー１４に覆われている。熱交換器ケースおよび断熱カバー１３は、断熱性を有する部材である。また、熱交換器カバー１４は、断熱性を有していてもよい。本実施の形態における熱交換器ケース１２、断熱カバー１３および熱交換器カバー１４は、本開示に係る断熱容器の一例である。

　また、図３は、実施の形態１の熱交換器２の構成の概要を示す図である。本実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機１００およびヒートポンプユニット１０１は、熱交換器２の構成に特徴を有している。以下、熱交換器２の特徴的構成について説明する。

　図３に示されるように、本実施の形態に係る熱交換器２は、その主要部品が熱交換器ケース１２に収容されている。熱交換器２は、熱交換器ケース１２に収容されている部品として、熱交換器水配管１５および熱交換器冷媒配管１６を備えている。

　熱交換器水配管１５は、水が流れる配管であり、図１に示される回路における水配管８の一部を構成している。熱交換器水配管１５には、貯湯タンク１０から送り出された水が流れる。また、熱交換器冷媒配管１６は、冷媒が流れる配管であり、図１に示される回路における冷媒配管７の一部を構成している。熱交換器冷媒配管１６には、圧縮機１から送り出された高温高圧の冷媒が流れる。すなわち、熱交換器冷媒配管１６には、熱交換器水配管１５を流れる水を加温する冷媒が流れる。

　熱交換器水配管１５は、外周部に螺旋状の溝が形成された第１部分の一例として、ねじり管部１５ａを含む。熱交換器冷媒配管１６は、ねじり管部１５ａの外周部に、螺旋状の溝に沿って接合される。上記の構成によれば、熱交換器水配管１５と熱交換器冷媒配管１６との接触面積が大きくなり、冷媒と水との間の伝熱が効果的に行われる。熱交換器冷媒配管１６は、例えば、ハンダによって接合される。

　貯湯ユニット１０２から熱交換器２へ送られる水は、熱交換器水流入口１７ａから熱交換器２内へ流入する。熱交換器水配管１５の上流側は、この熱交換器水流入口１７ａに連通している。また、熱交換器２で加温された水は、熱交換器水流出口１７ｂから熱交換器２外へ流出する。熱交換器水配管１５の下流側は、この熱交換器水流出口１７ｂに連通している。

　圧縮機１から熱交換器２へ送られる冷媒は、当該圧縮機１に連通する熱交換器冷媒流入口１８ａから熱交換器２内へ流入する。熱交換器冷媒配管１６の上流側は、この熱交換器冷媒流入口１８ａに連通している。また、熱交換器２内で水と熱交換された冷媒は、熱交換器冷媒流出口１８ｂから熱交換器２外へ流出し、減圧装置３へ送られる。熱交換器冷媒配管１６の下流側は、この熱交換器冷媒流出口１８ｂに連通している。

　熱交換器冷媒配管１６内の冷媒の流れにおいては、摩擦を要因とした圧力損失が発生する。この圧力損失を低減するため、熱交換器冷媒配管１６は、３本以上に分岐していることが好ましい。なお、熱交換器冷媒配管１６は、４本以上に分岐してもよいし、必ずしも複数本に分岐していなくともよい。

　本実施の形態では、一例として、熱交換器冷媒配管１６は、当該熱交換器冷媒配管１６の上流側部分に設けられた熱交換器冷媒配管分岐部１９ａにおいて３本に分岐する。本実施の形態では、３本に分岐した熱交換器冷媒配管１６を、便宜上それぞれに符号を付して、熱交換器冷媒配管１６ａ、熱交換器冷媒配管１６ｂおよび熱交換器冷媒配管１６ｃとする。熱交換器冷媒流入口１８ａから流入した冷媒は、熱交換器冷媒配管分岐部１９ａにおいて３つに分かれて、熱交換器冷媒配管１６ａ、熱交換器冷媒配管１６ｂおよび熱交換器冷媒配管１６ｃのそれぞれに流れ込む。

　また、熱交換器冷媒配管１６ａ、熱交換器冷媒配管１６ｂおよび熱交換器冷媒配管１６ｃは、熱交換器冷媒配管１６の下流側部分に設けられた熱交換器冷媒配管合流部１９ｂにおいて合流し、１本の配管になる。合流して一本の配管になった熱交換器冷媒配管１６ｂの下流端は、熱交換器冷媒流出口１８ｂに連通する。熱交換器冷媒配管１６ａ、熱交換器冷媒配管１６ｂおよび熱交換器冷媒配管１６ｃのそれぞれに流れ込んだ冷媒は、熱交換器冷媒配管分岐部１９ａにおいて合流した後、熱交換器冷媒流出口１８ｂから流出する。

　図４は、実施の形態１の熱交換器水配管１５と熱交換器冷媒配管１６との接合部の構造を示す図である。上記したように、熱交換器水配管１５は、外周部に螺旋状の溝が形成されたねじり管部１５ａを含む。ねじり管部１５ａの外周部には、熱交換器冷媒配管分岐部１９ａにおいて分岐した熱交換器冷媒配管１６と同数の溝が形成される。本実施の形態では、ねじり管部１５ａの外周部には３本の螺旋状の溝が形成される。この３本の溝を、それぞれ、溝２０ａ、溝２０ｂおよび溝２０ｃとする。

　溝２０ａ、溝２０ｂおよび溝２０ｃは、互いに平行に形成されている。溝２０ａ、溝２０ｂおよび溝２０ｃは、交わることがない。熱交換器冷媒配管１６ａは、溝２０ａに沿って螺旋状に巻きつけられて接合される。熱交換器冷媒配管１６ｂは、溝２０ｂに沿って螺旋状に巻きつけられて接合される。熱交換器冷媒配管１６ｃは、溝２０ｃに沿って螺旋状に巻きつけられて接合される。熱交換器冷媒配管１６ａ、熱交換器冷媒配管１６ｂおよび熱交換器冷媒配管１６ｃは、互いに交わったり重なったりすることなく、ねじり管部１５ａの外周部に螺旋状に巻きつけられて接合される。

　また、本実施の形態において、熱交換器水配管１５は、第２部分の一例として、熱交換器水配管低温部１５ｂを含む。熱交換器水配管低温部１５ｂは、ねじり管部１５ａよりも上流側の部分である。熱交換器水配管低温部１５ｂには、熱交換器冷媒配管１６は巻き付けられていない。熱交換器水配管低温部１５ｂには、ねじり管部１５ａの流入する前の水が流れる。すなわち、熱交換器水配管低温部１５ｂには、熱交換器冷媒配管１６を流れる冷媒によって加温される前の低温の水が流れる。

　上記の熱交換器水配管低温部１５ｂは、熱交換器ケース１２の内部において複数の配管に分岐していることを特徴としている。これらの複数の配管を、本実施の形態では、符号を付して低温部分岐管２１と称する。

　熱交換器冷媒配管１６のうち、熱交換器水配管１５と非接触の部分は、熱交換器ケース１２内の空気へ放熱する。熱交換器ケース１２内の空気が有する熱は、熱交換器ケース１２を介して外部へ放出されるか、あるいは、熱交換器水配管低温部１５ｂへ伝達する。

　熱交換器水配管低温部１５ｂへ伝達した熱は、当該熱交換器水配管低温部１５ｂを流れる水を加温する。熱交換器ケース１２内の空気から熱交換器水配管低温部１５ｂへ伝達する熱量を増やすことで、効率よく水を加温することできる。すなわち、熱交換器２による熱交換の効率を上げることができる。

　熱交換器ケース１２内の空気から熱交換器水配管低温部１５ｂへ伝達する熱量Ｑは、伝熱面の面積Ａ、熱通過率Ｋ、熱交換器ケース１２内の空気の温度Ｔａｉｒおよび熱交換器水配管低温部１５ｂの温度Ｔｗを用いた以下の式（１）によって求められる。なお、「伝熱面の面積」とは、熱交換器水配管低温部１５ｂの表面積を意味している。

　Ｑ＝Ａ×Ｋ（Ｔａｉｒ－Ｔｗ）　　　・・・（１）

　式（１）に示されるように、熱交換器ケース１２内の空気から熱交換器水配管低温部１５ｂへ伝達する熱量Ｑは、伝熱面の面積Ａに比例する。上記したように、本実施の形態において、熱交換器水配管低温部１５ｂは、複数の低温部分岐管２１に分岐している。これにより、熱交換器水配管低温部１５ｂの表面積、すなわち、伝熱面の面積Ａを大きくすることができる。本実施の形態によれば、熱交換器ケース１２内の空気から熱交換器水配管低温部１５ｂへ伝達する熱量を増やして、熱交換器ケース１２の外部へ放出される熱量を減らすことができる。本実施の形態によれば、従来に比べて熱交換の効率に優れた熱交換器２を提供することができる。また、この熱交換器２を備えた、沸き上げ効率に優れたヒートポンプ式給湯機１００を提供することができる。

　なお、例えば、熱交換器２が大きくなることによってヒートポンプユニット１０１内の空間が広くなり過ぎた場合、ファン５によって蒸発器４へ送られる空気の風量が減ってしまう。この場合、ヒートポンプ式給湯機１００の沸き上げ効率の低下が懸念される。そこで、熱交換器２の外形寸法を大きくすることなく熱交換器水配管低温部１５ｂの表面積を大きくするため、低温部分岐管２１の外径は小さいことが好ましい。具体的には、低温部分岐管２１の外径は、熱交換器水配管低温部１５ｂが複数の低温部分岐管２１に分岐する分岐部よりも上流の部分の外径よりも小さいことが好ましい。これにより、熱交換器２の寸法を必要以上に大きくすることなく、熱交換器水配管低温部１５ｂの表面積を増やすことができる。

　また、図５は、実施の形態１の熱交換器２の変形例を説明する図である。図５に示されるように、低温部分岐管２１は、熱交換器冷媒配管１６が巻きつけられているねじり管部１５ａの外周を取り囲むように配置されていてもよい。これにより、熱交換器冷媒配管１６から熱交換器ケース１２内の空気へ放出される熱が、当該空気を介して低温部分岐管２１へ効率よく吸収される。

　なお、上記の実施の形態において熱交換器２はヒートポンプ式給湯機１００に用いられているが、熱交換器２は給湯機に限らず、例えば、室内の暖房等の任意の用途に用いられてもよい。

　本開示に係る熱交換器は、例えば、ユーザーへ高温の水を供給する給湯機に利用することができる。

　１　圧縮機、　２　熱交換器、　３　減圧装置、　４　蒸発器、　５　ファン、　６　ファンモータ、　７　冷媒配管、　８　水配管、　９　水循環装置、　１０　貯湯タンク、　１１　ユニットベース、　１２　熱交換器ケース、　１３　断熱カバー、　１４　熱交換器カバー、　１５　熱交換器水配管、　１５ａ　ねじり管部、　１５ｂ　熱交換器水配管低温部、　１６　熱交換器冷媒配管、　１６ａ　熱交換器冷媒配管、　１６ｂ　熱交換器冷媒配管、　１６ｃ　熱交換器冷媒配管、　１７ａ　熱交換器水流入口、　１７ｂ　熱交換器水流出口、　１８ａ　熱交換器冷媒流入口、　１８ｂ　熱交換器冷媒流出口、　１９ａ　熱交換器冷媒配管分岐部、　１９ｂ　熱交換器冷媒配管合流部、　２０ａ　溝、　２０ｂ　溝、　２０ｃ　溝、　２１　低温部分岐管、　１００　ヒートポンプ式給湯機、　１０１　ヒートポンプユニット、　１０２　貯湯ユニット

Claims (4)

1. 　水が流れる熱交換器水配管と、
   　前記熱交換器水配管を流れる水を加温する冷媒が流れる熱交換器冷媒配管と、
   　を備え、
   　前記熱交換器水配管および前記熱交換器冷媒配管は、断熱容器に収容され、
   　前記熱交換器水配管は、外周部に螺旋状の溝が形成された第１部分と、前記第１部分よりも上流側の第２部分と、を含み、
   　前記熱交換器冷媒配管は、前記第１部分の前記外周部に、前記溝に沿って接合され、
   　前記第２部分は、前記断熱容器の内部において、複数の配管に分岐していることを特徴とする熱交換器。
2. 　前記複数の配管の外径は、分岐部よりも上流の部分の外径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 　前記複数の配管は、前記第１部分の外周を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 　請求項１から請求項３の何れか１項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。

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