JP2002107069A - 熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ給湯機

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博和 井崎
Toshiyuki Ebara
俊行 江原
Hiroshi Mukoyama
洋 向山
Osamu Kuwabara
修 桑原
Toshikazu Ishihara
寿和 石原
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 二酸化炭素冷媒による変形が起き難くして、
高い熱交換効率が達成する。 【解決手段】 冷媒が流動する流路を備えた冷媒伝熱管
１３と、水が流動する流路を備えた水伝熱管１４とがメ
カニカルに熱接触させて冷媒と水との間で熱交換させ
る。このとき、冷媒伝熱管１３には複数のマイクロチャ
ネルを形成して流路を構成する。これにより、二酸化炭
素冷媒の圧力が高くても冷媒伝熱管１３の変形が起きな
いようにして、熱接触を容易に維持できるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、二酸化炭素冷媒と
水とを熱交換させる際に安全性を高めた熱交換器に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、給湯機としてはガスや電気ヒータ
を熱源とするものが大勢的であるが、近年のエネルギ利
用の効率化の要望やガスや電気ヒータによる火災等の防
止の観点からヒートポンプ給湯機が提案されている。
【０００３】このようなヒートポンプ給湯機は、圧縮
機、蒸発器、膨張弁、凝縮器を備えている。そして、凝
縮器で冷媒と水とを熱交換させて湯を供給できるように
している。
【０００４】以下、この凝縮器を熱交換器という。かか
る熱交換器の構成例として例えば特開平０７−９１８６
７号公報においては図５のような構成が開示されてい
る。
【０００５】この熱交換器は、高温流体が流動する第１
伝熱管１０１とこれを挟むように設けられて低温流体が
流動する第２伝熱管１０２ａ，１０２ｂとを積み重ね巻
いて固定部材１０３で固定した構成となっている。
【０００６】このような構成の熱交換器を用いた場合、
圧縮機で圧縮されて高温高圧になった冷媒が第１伝熱管
１０１を流動する際に、メカニカルに熱接触している第
２伝熱管１０２ａ，１０２ｂを流れる水に放熱して当該
水を加熱して湯にする。
【０００７】そして、冷媒は膨張弁で減圧され蒸発器で
外気等と熱交換して蒸発し、圧縮機に戻る。
【０００８】このような冷媒回路には従来Ｒ−２２等の
冷媒が用いられてきているが、かかる冷媒には塩素が含
まれオゾン層を破壊する原因となることが判明し規制対
象となり、これに代わる冷媒が望まれている。
【０００９】そこで、自然冷媒であるため環境破壊等の
恐れが無い二酸化炭素冷媒の利用が検討されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、二酸化
炭素冷媒は動作圧が高いため、上述した熱交換器では以
下の問題があった。
【００１１】即ち、熱交換器は、図５に示したように冷
媒が循環する第１伝熱管１０１と水が循環する第２伝熱
管１０２ａ，１０２ｂとがメカニカルに熱接触し、これ
を固定部材１０３で固定している。
【００１２】このように冷媒と水とを熱接触させるため
には、例えば２重管の内側通路に冷媒を循環させ、それ
を包む外側流路に水を流すことによっても可能である
が、このような構成では冷媒と水とを仕切る管壁にピン
ホール等の穴が開くと水に冷媒が混じってしまう危険が
ある。
【００１３】そこで上述したように熱交換器を第１伝熱
管１０１と第２伝熱管１０２ａ，１０２ｂとにより構成
し、これらを固定部材１０３でメカニカルに熱接触させ
ている。
【００１４】この際、熱接触面積を大きくして熱交換効
率を向上させるために、第１伝熱管１０１と第２伝熱管
１０２ａ，１０２ｂとを扁平管にすることが考えられる
が、二酸化炭素冷媒の場合にはその動作圧が高いため扁
平した第１伝熱管１０１が膨らむように力を受ける。
【００１５】従って、この膨らみ力に抗するように固定
部材１０３を重厚に形成して固定しなければ熱接触を保
つことが困難となる。
【００１６】このため熱交換器の重量や寸法が共に大き
くなると共にコストアップの要因となる問題が生じる。
【００１７】そこで、本発明は、二酸化炭素冷媒を用い
ても軽量で寸法が小さく、かつ、熱交換効率が高い熱交
換器を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１にかかる発明は、第１流体が流動する流路
を備えた第１伝熱管と、第２流体が流動する流路を備え
た第２伝熱管とがメカニカルに熱接触して第１流体と第
２流体との間で熱交換させる熱交換器において、第１伝
熱管又は第２流体伝熱管の少なくとも１方が、複数の小
流路により形成されて流路を形成して、二酸化炭素冷媒
を用いても軽量で寸法が小さく、かつ、高い熱交換効率
が得られるようにしたことを特徴とする。
【００１９】請求項２にかかる発明は、第１伝熱管及び
第２伝熱管の外形断面が扁平状に形成されて、扁平面で
熱接触すると共に小流路が当該扁平面に平行に列設され
ていることを特徴とする。
【００２０】請求項３にかかる発明は、小流路が形成さ
れた伝熱管には二酸化炭素冷媒が流動して、他方の伝熱
管に水が流動して、当該二酸化炭素冷媒の熱により水を
加熱することを特徴とする。
【００２１】請求項４にかかる発明は、二酸化炭素冷媒
を圧縮する圧縮機と、該圧縮機からの冷媒と水とを熱交
換させる請求項１乃至３いずれか１項記載の熱交換器
と、該熱交換器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、該膨
張弁からの冷媒と外気とを熱交換させて、当該外気から
熱を汲上げる蒸発器と、熱交換器で冷媒に加熱された水
を貯湯する貯湯タンクとを有することを特徴とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は、本発明にかかる熱交換器１
２の斜視図であり、図２はそれを用いて構成したヒート
ポンプ給湯機の回路図である。
【００２３】なお、冷媒として自然冷媒である二酸化炭
素冷媒が用いられ、以下の説明では単に冷媒と記載す
る。
【００２４】図２に示すヒートポンプ給湯機は、冷媒を
圧縮する圧縮機１１、冷媒と水と熱交換させる熱交換器
１２、冷媒を膨張させる膨張弁１５、冷媒と外気等とを
熱交換させる蒸発器１６、冷媒の気液分離を行うアキュ
ムレータ１７等を有している。
【００２５】熱交換器１２は、冷媒が流動する冷媒伝熱
管（第１伝熱管）１３、水が流動する水伝熱管（第２伝
熱管）１４、これらを支持する図示しない支持部材等に
より構成されている。
【００２６】なお、以下の説明では熱交換器１２に冷媒
（第１流体）と水（第２流体）とが循環してこれらの間
で熱交換する場合について説明するが、本発明は「冷
媒」、「水」により限定を受けるものではないことを付
言する。
【００２７】冷媒伝熱管１３は、アルミニューム等の押
出成形が可能で熱伝導性の優れた部材を材料とし、内部
には長手方向に複数のマイクロチャネル（小流路）Ｓが
形成されて、外観が扁平になるように形成されている。
【００２８】なお、このマイクロチャネルＳは幅径１ｍ
ｍ〜５ｍｍの孔で、複数並列に設けられている。
【００２９】一方、水伝熱管１４は銅のように加工性及
び熱伝導性の優れた部材を材料とし、真円管を押潰して
扁平管にし又は初めから扁平管に形成されて、内部に冷
媒と熱交換する水等が流動するようになっている。
【００３０】そして、冷媒伝熱管１３と水伝熱管１４と
の扁平面を合わせてコイル状に巻き、支持部材によりこ
れらを支持している。
【００３１】ところで、一般に流体の流動抵抗は、流動
径が小さくなるに従い増大するので、流動量もこれに伴
い少なくなる。流動量の低下は、熱交換器１２における
交換熱量の減少に繋がるので、本発明では上述したよう
にマイクロチャネルＳを複数設けて、かかる流動量の低
下、即ち交換熱量の減少を防止するようにしている。
【００３２】この際、複数のマイクロチャネルＳは扁平
面に平行に設けているので、各マイクロチャネルＳを流
動する冷媒の熱が、最短距離で扁平面に到達でき、熱伝
達効率を高くすることが可能になっている。
【００３３】また、マイクロチャネルＳの断面が略真円
又は長円であり、その断面積が小さいために、高圧の二
酸化炭素冷媒が流動しても変形力に抗する力が効果的に
作用し、かつ、マイクロチャネルＳでの変形力が互いに
相殺するため、全体として１のマイクロチャネルＳに働
く変形力が冷媒伝熱管１３の表面に向って作用すること
になる。
【００３４】従って、冷媒伝熱管１３の最外皮の厚みｄ
は、これに対抗できる強度を持てば良く、当該マイクロ
チャネルＳの径が小さいために、当該最外皮の厚みｄも
薄くすることができる。
【００３５】これにより、冷媒伝熱管１３の変形は自身
の強度により殆ど無視することができるようになり当該
冷媒伝熱管１３と水伝熱管１４とを支持部材で強固に支
持する必要が無くなる。よって支持部材を重厚に形成す
る必要が無くなり、寸法や重量の低減が可能になってコ
ストダウンが可能になる。
【００３６】加えて、冷媒伝熱管１３の最外皮の厚みｄ
を薄くできることは、熱伝達距離が短くなることを意味
するので熱交換効率を向上させることが可能になる。
【００３７】このような構成で、図２に示すようなヒー
トポンプ給湯機を運転する際には、圧縮機１１で冷媒を
圧縮して高温高圧にし、これを熱交換器１２の冷媒伝熱
管１３に循環させる。
【００３８】この冷媒伝熱管１３は、上述したように水
伝熱管１４と熱接触しているので、当該冷媒の熱が水に
伝導して、当該水を加熱して湯にする。この水は循環ポ
ンプ１８により貯湯タンク１９から循環して供給される
ので、当該貯湯タンク１９には湯が貯留されるようにな
る。
【００３９】なお、熱交換器１２を流動する冷媒と水と
は、対向流なすように流動して熱交換効率の向上を図っ
ている。
【００４０】熱交換器１２には貯湯タンク１９の底側の
水が循環ポンプ１８により供給され、当該熱交換器１２
で加熱された水（湯）は貯湯タンク１９の上部から戻
り、この結果当該貯湯タンク１９では温度の異なる水が
層をなして貯留されるようになる。そして、全ての水が
所定の温度に達すると貯湯が完了する。
【００４１】一方、冷媒は熱を失い膨張弁１５に供給さ
れて、ここで膨張して蒸発器１６に循環する。蒸発器１
６では、冷媒は外気と熱交換して当該外気から熱を汲上
げて蒸発し、圧縮機１１に戻る。
【００４２】このように、外気から熱を汲上げることに
より熱効率が向上するので、従来のように電気ヒータで
湯を沸かす場合等に比べてエネルギー効率が向上する。
【００４３】なお、上記ヒートポンプ給湯機では湯を貯
湯タンク１９に貯留する場合について説明したが、本発
明はこれに限定されるものではなく、例えば図３に示す
ように貯湯タンク１９に貯湯できるようにすると共に、
風呂の追焚用の熱源としても利用するようにしてもよ
い。
【００４４】この場合、熱交換器１２における水伝熱管
１４は貯湯用の水が循環する第１水伝熱管１４ａと追焚
用水が循環する第２水伝熱管１４ｂとにより形成し、そ
のれらは図４に示すように冷媒伝熱管１３を挟むように
３本束ねてコイル状に形成する。
【００４５】これにより、冷媒側と水側とが別の伝熱管
により構成され、かつ、貯湯及び追焚が１つの熱交換器
１２で行えると共に軽量小型化ができるようになる。従
って、安全性が向上すると共にコストダウン等が可能に
なる。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第１伝熱管又は第２流体伝熱管の少なくとも１方に、複
数の小流路によりなる流路を形成したので、例え高圧の
二酸化炭素冷媒を用いても伝熱管の変形が無く、第１伝
熱管と第２伝熱管とを簡単な構成でメカニカルに熱接触
させ、かつ、それを維持することができるようになり、
熱交換効率が向上、コストダウン及び安全性が向上す
る。
【００４７】また、第１伝熱管及び第２伝熱管の外形断
面が扁平状に形成されて、扁平面で熱接触すると共に小
流路が当該扁平面に平行になるように列設したので、交
換熱量の低下を招くことなく、流動する流体による伝熱
管の変形等が抑制できようになる。
【００４８】さらに、このような熱交換器を用いてヒー
トポンプ給湯機を構成したので、安全性が向上すると共
に、コストダウンを図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の説明に適用される熱交換
器の概略構成図である。
【図２】図１の熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の
回路図である。
【図３】追焚が可能なヒートポンプ給湯機の回路図であ
る。
【図４】図３のヒートポンプ給湯機に用いた熱交換器の
概略構成図である。
【図５】従来の技術の説明に適用される熱交換器の斜視
図である。
【符号の説明】
１１ 圧縮機 １２ 熱交換器 １３ 冷媒伝熱管 １４ 水伝熱管 １４ａ 第１水伝熱管 １４ｂ 第２水伝熱管 １５ 膨張弁 １６ 蒸発器 １７ アキュムレータ １８ 循環ポンプ １９ 貯湯タンク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 向山 洋 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 桑原 修 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 石原 寿和 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 Ｆターム(参考） 3L073 AA07 AA13 AA14 AB03 3L103 AA01 AA06 AA11 AA44 AA46 BB43 CC02 CC18 CC40 DD05 DD10 DD18 DD32

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１流体が流動する流路を備えた第１伝
    熱管と、第２流体が流動する流路を備えた第２伝熱管と
    がメカニカルに熱接触して第１流体と第２流体との間で
    熱交換させる熱交換器において、 前記第１伝熱管又は第２流体伝熱管の少なくとも１方
    が、複数の小流路により形成されて前記流路を形成して
    いることを特徴とする熱交換器。
  2. 【請求項２】 前記第１伝熱管及び第２伝熱管の外形断
    面が扁平状に形成されて、扁平面で熱接触すると共に前
    記小流路が当該扁平面に平行に列設されていることを特
    徴とする請求項１記載の熱交換器。
  3. 【請求項３】 前記小流路が形成された伝熱管には二酸
    化炭素冷媒が流動して、他方の伝熱管に水が流動して、
    当該二酸化炭素冷媒の熱により水を加熱することを特徴
    とする請求項１又は２記載の熱交換器。
  4. 【請求項４】 二酸化炭素冷媒を圧縮する圧縮機と、 該圧縮機からの冷媒と水とを熱交換させる請求項１乃至
    ３いずれか１項記載の熱交換器と、 該熱交換器からの冷媒を膨張させる膨張弁と、 該膨張弁からの冷媒と外気とを熱交換させて、当該外気
    から熱を汲上げる蒸発器と、 前記熱交換器で冷媒に加熱された水を貯湯する貯湯タン
    クとを有することを特徴とするヒートポンプ給湯機。
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