JP2004108712A

JP2004108712A - ヒートポンプ式給湯機用熱交換器

Info

Publication number: JP2004108712A
Application number: JP2002274249A
Authority: JP
Inventors: Tadao Koike; 小池　忠夫; Tetsuya Kitamura; 北村　哲也; Koichi Fukushima; 福島　功一; Yasuhiro Koido; 小井土　康裕
Original assignee: Hitachi Home and Life Solutions Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2002-09-20
Filing date: 2002-09-20
Publication date: 2004-04-08

Abstract

【課題】二酸化炭素冷媒に適した高効率な水・冷媒熱交換器をコンパクトで安価に提供する。
【解決手段】圧縮機、水・冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器等を冷媒配管で順次接続してなるヒートポンプ式給湯機の水・冷媒熱交換器において、複数の貫通孔を有する平板状の冷媒管伝熱板と、前記冷媒管伝熱板の複数の貫通孔に直交する方向に、複数の流水路を有する平板状の流水路伝熱板とが互いに平面部で接触し、熱交換するように構成したことを特徴とする。
【選択図】　図１

Description

【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コンパクトな熱交換器に関する。
【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、近年のエネルギー利用の効率化やガスや電気ヒータによる火災防止等の観点からヒートポンプ式給湯機が提案されている。このようなヒートポンプ式給湯機は、圧縮機、水・冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器等を備えており、水・冷媒熱交換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。
【０００３】
以下、この水・冷媒熱交換器の構成例として例えば以下の特許文献１において、図１から図４のような構成が開示されている。この水・冷媒熱交換器１０１は冷媒が流れる冷媒伝熱管１０２と、水が流れる水伝熱管１０３とが偏平状に成形され、偏平面を合わせてコイル状に巻かれて支持部材により支持されている。このような構成の水・冷媒熱交換器１０１を用いて、圧縮機で圧縮された高温高圧の冷媒は冷媒伝熱管１０２を流れる際に、メカニカルに熱接触している水伝熱管１０３を流れる水に放熱し、当該水を加熱して湯にする。その後冷媒は減圧器で減圧されたあと蒸発器で蒸発し、外気から吸熱して圧縮機に戻る。このようなヒートポンプサイクルを利用して、給湯を行っている。ここで、使用される冷媒としてはオゾン層を破壊する恐れのない自然系冷媒である二酸化炭素冷媒が使用されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１０７０６９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成の水・冷媒熱交換器１０１においては、コイル状に巻かれて支持部材により支持されているため、コイル内側の部分が無駄なスペースとなると共に、コイル状に巻かれているため矩形の箱体に配置する場合にはコイル外側の部分にも無駄なスペースが多く、小形化および省スペース化の点で問題となる。
【０００６】
また、冷媒が流れる冷媒伝熱管１０２と、水が流れる水伝熱管１０３とがメカニカルに熱接触しているため、接触面積を大きくするために水伝熱管１０３を真円管から偏平管に成形する等の加工が必要となる。さらに冷媒伝熱管１０２と、水伝熱管１０３とがメカニカルに熱接触し、コイル状に巻かれているため、接触面積を保持、確保するには強固な支持部材等により固定する必要があり、コストアップの要因となる問題が生じる。
【０００７】
そこで、本発明は二酸化炭素冷媒を用いて小形軽量で、熱交換効率の高い水・冷媒熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、圧縮機、水・冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器等を冷媒配管で順次接続してなるヒートポンプ式給湯機の水・冷媒熱交換器において、複数の貫通孔を有する平板状の冷媒管伝熱板と、前記冷媒管伝熱板の複数の貫通孔に直交する方向に、複数の流水路を有する平板状の流水路伝熱板とが互いに平面部で接触して熱交換するよう構成して、二酸化炭素冷媒を用いて小形軽量で、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。
【０００９】
請求項２にかかる発明は、前記流水路伝熱板を給湯用流水路伝熱板と、風呂追焚き用流水路伝熱板とに分割し、前記給湯用流水路伝熱板と、前記風呂追焚き用流水路伝熱板とが前記冷媒管伝熱板を挟み込むように配置したことを特徴とする。
【００１０】
請求項３にかかる発明は、前記冷媒管伝熱板に設けた複数の貫通孔に流れる冷媒の方向に対し、前記給湯用流水路伝熱板と、前記風呂追焚き用流水路伝熱板とに設けた流水路に流れる水の方向が直交し、かつ、対向するように流したことを特徴とする。
【００１１】
請求項４にかかる発明は、複数の貫通孔を有する平板状の冷媒管伝熱板の冷媒管には二酸化炭素冷媒が、給湯用流水路伝熱板と、風呂追炊き用流水路伝熱板の流水路には水が流れ、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。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。図１は、本発明の水・冷媒熱交換器１２の概略斜視図であり、図２はそれを用いて構成したヒートポンプ式給湯機の冷媒および水の循環回路図である。尚、冷媒として自然系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。
【００１３】
図２に示すヒートポンプ式給湯機は、冷媒を圧縮する圧縮機１１、冷媒と水を熱交換させる水・冷媒熱交換器１２、冷媒を減圧させる減圧器１５、外気との熱交換を行う蒸発器１６、冷媒の気液分離を行う受液器１７などで構成されている。
【００１４】
水・冷媒熱交換器１２は、冷媒が流れる冷媒管伝熱板１３と、水が流れる流水路伝熱板１４とがロー材等により接合、又はメカニカルに熱接触されている。
【００１５】
冷媒管伝熱板１３は銅又はアルミニュームなどの引抜き又は押出し成形が可能で、熱伝導性に優れた部材を材料とし、内部には複数の貫通孔１３ｄが形成されて、外観はほぼ平板状に形成されている。尚、この貫通孔１３ｄは二酸化炭素冷媒の高圧サイクルを考慮した８ｍｍ以下の孔で、複数並列に設けられている。
【００１６】
一方、流水路伝熱板１４は銅などの加工性および熱伝導性に優れた部材を材料とし、内部には複数の流水路１４ｄが形成されて、外観は平板状に形成されている。尚、この流水路１４ｄはパイプなどを潰して成形し、複数接合してほぼ平板状に形成してもよい。
【００１７】
そして、冷媒管伝熱板１３と流水路伝熱板１４との平面部を合わせてロー材等により接合、またはメカニカルに熱接触させている。
【００１８】
ここで、冷媒管伝熱板１３は貫通孔１３ｄの孔径、孔形状、孔数など、必要な交換熱量に合わせて、効率よく形成、配列することができる。また、平板状のため流水路伝熱板１４との伝熱面を効率よく確保でき、熱交換効率を向上させることができる。
【００１９】
一方、流水路伝熱板１４も流水路１４ｄの形状、大きさ、水路の数など、必要な交換熱量に合わせて、効率よく形成、配列することができる。また、ほぼ平板状のため冷媒管伝熱板１３との伝熱面を効率よく確保でき、熱交換効率を向上させることができる。
【００２０】
また、冷媒管伝熱板１３の貫通孔１３ｄと流水路伝熱板１４の流水路１４ｄとを互いに直交するように構成したことにより、冷媒管伝熱板１３と流水路伝熱板１４とを接合、またはメカニカルに熱接触させても、冷媒管伝熱板１３の入口、出口部の分配部１３ｃと、流水路伝熱板１４の入口、出口部の分配部１４ｃとが重なり合うことがなく、分配器等を容易に設けることができる。
【００２１】
このように、冷媒管伝熱板１３と流水路伝熱板１４を平板状として、互いに平面部で接合、またはメカニカルに熱接触させることにより、寸法や重量の低減が可能になって、水・冷媒熱交換器１２の小形軽量化、低コスト化が図れる。
【００２２】
このような構成で、図２に示すようなヒートポンプ式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、これを冷媒と水を熱交換させる水・冷媒熱交換器１２の冷媒管伝熱板１３に循環させる。この冷媒管伝熱板１３は上述したように、流水路伝熱板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。ここで、水・冷媒熱交換器１２を流れる冷媒と水とは対向流になるように流して熱交換効率の向上を図っている。
【００２３】
水・冷媒熱交換器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、当該水・冷媒熱交換器１２で加熱された水は湯となって貯湯タンク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湯されるようになる。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。
【００２４】
一方、冷媒は水・冷媒熱交換器１２で凝縮し、放熱した後に減圧器１５で減圧され、蒸発器１６で蒸発し、外気から吸熱して圧縮機１１に戻る。このように、外気から吸熱することにより熱効率が向上するので、従来の電気ヒータで湯を沸かす場合に比べてエネルギー効率が３倍から５倍程度向上する。
【００２５】
なお、上記ヒートポンプ式給湯機では湯を貯湯タンク１９に貯湯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、風呂の追焚き用の熱源としても利用するようにしてもよい。この場合、水・冷媒熱交換器１２における流水路伝熱板１４は貯湯用の水が循環する給湯用流水路伝熱板１４ａと風呂の追焚き用の水が循環する風呂追焚き用流水路伝熱板１４ｂとにより形成し、それらは図４に示すように冷媒管伝熱板１３を挟み込むように配置している。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、貯湯（給湯）および追焚きが１つの水・冷媒熱交換器１２で行えると共に、小形軽量化、低コスト化が図れる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヒートポンプ式給湯機の水・冷媒熱交換器において、複数の貫通孔を有する平板状の冷媒管伝熱板と、この冷媒管伝熱板の貫通孔に直交する方向に、複数の流水路を有する平板状の流水路伝熱板とが互いに平面部で接触し、熱交換するように構成したことにより、二酸化炭素冷媒を用いても単位体積当りの接触面積を大きくでき、小形軽量で、高い熱交換効率が得られ、低コスト化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の水・冷媒熱交換器の一実施例の概略構成図。
【図２】図１の熱交換器を用いたヒートポンプ式給湯機のサイクル構成図。
【図３】追焚き機能のあるヒートポンプ式給湯機のサイクル構成図。
【図４】図３のヒートポンプ式給湯機に用いた水・冷媒熱交換器の概略構成図。
【図５】本発明の水・冷媒熱交換器の冷媒、水流れ方向の一実施例の概略図。
【図６】従来の水・冷媒熱交換器の概略構成図。
【符号の説明】
１１…圧縮機、１２…水・冷媒熱交換器、１３…冷媒管伝熱板、１３ｃ…分配部、１３ｄ…冷媒管、１４…流水路伝熱板、１４ａ…給湯用流水路伝熱板、１４ｂ…風呂追焚き用流水路伝熱板、１４ｃ…分配部、１４ｄ…流水路、１５…減圧器、１６…蒸発器、１７…受液器、１８…循環ポンプ、１９…貯湯タンク。

Claims

圧縮機、水・冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器等を冷媒配管で順次接続してなるヒートポンプ式給湯機の水・冷媒熱交換器において、複数の貫通孔を有する平板状の冷媒管伝熱板と、前記冷媒管伝熱板の複数の貫通孔に直交する方向に、複数の流水路を有する平板状の流水路伝熱板とが互いに平面部で接触し、熱交換するように構成したことを特徴とするヒートポンプ式給湯機用熱交換器。
前記流水路伝熱板を給湯用流水路伝熱板と、風呂追焚き用流水路伝熱板とに分割し、前記給湯用流水路伝熱板と、前記風呂追焚き用流水路伝熱板とが前記冷媒管伝熱板を挟み込むように配置したことを特徴とする請求項１記載のヒートポンプ式給湯機用熱交換器。
前記冷媒管伝熱板の複数の貫通孔に流れる冷媒の方向と、流水路伝熱板の複数の流水路に流れる水の方向とが直交し、かつ、対向するように流したことを特徴とする請求項１または２記載のヒートポンプ式給湯機用熱交換器。
前記複数の貫通孔を有する平板状の冷媒管伝熱板の冷媒管には二酸化炭素冷媒が、前記給湯用流水路伝熱板と、前記風呂追焚き用流水路伝熱板の流水路には水が流れ、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から３記載のヒートポンプ式給湯機用熱交換器。