JP2004257691A

JP2004257691A - 熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置

Info

Publication number: JP2004257691A
Application number: JP2003050841A
Authority: JP
Inventors: Tatsumura Mo; 立群毛; Takeji Watanabe; 竹司渡辺; Hideki Ono; 英樹大野; Satoshi Matsumoto; 松本　　聡; Tomeo Higuchi; 留夫樋口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP3922190B2

Abstract

【課題】高温域などでの使用も可能な熱交換性能のよい小型熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第一流体が流れる第一伝熱管１１と、第一流体を旋回流とする旋回流形成手段１２と、旋回流形成手段１２によって形成された旋回流路１５ａ、１５ｂ中に設けた第二流体が流れる第二伝熱管１３、１４とからなる熱交換装置とすることにより、熱交換性能のよい小型熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換装置、および、その熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種の熱交換装置は図６に示すように、１は内管１ａと外管１ｂによって構成される二重管、２は二重管１を内包する外包管、二重管１を外包管２内に同心状に挿入している。３は二重管１と外包管２との間に設置される伝熱促進体例えば４重巻のスプリングで、この伝熱促進体３は外包管２の内側流路を螺旋状に仕切り、二重管１と外包管２との間の空間を円周方向に４分割し螺旋状流路４を形成する構成になっている。そして、二重管１内は冷媒Ｘの流路とし、螺旋状流路４は水Ｗの流路としている。
【０００３】
このような構成により、二重管１と外包管２との間に、外包管２の内側流路を螺旋状に仕切る伝熱促進体３を設けることによって、二重管１と外包管２との間の流路の流路長を増大させるとともに、該流路を流れる流体の流速及び乱流化を増加して、二重管１内を流れる冷媒Ｘから螺旋状流路４を流れる水Ｗへの伝熱が促進されるため、コンパクトな構成で高性能な熱交換器が得られていた（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２０１２７５号公報（第１―７頁、第１図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の熱交換装置では、外包管２の内側流路を螺旋状に仕切ることによって、該流路を流れる流体の流速を増加させ、二重管１内を流れる冷媒Ｘから螺旋状流路４を流れる水Ｗへの伝熱促進を図ろうとしているが、該流路の外包管２の軸方向における流路高さを低くして該流路を流れる水Ｗの平均流速を増加させようとすると、水Ｗの圧力損失が大きくなる。また、水Ｗが高温となった場合、水中に溶存するカルシウムなどのスケール成分が溶出して流路壁に付着し、流路の閉塞や熱交換性能の低下といった課題が生じる。また、螺旋状流路４における流速分布は外包管２の内壁付近で大きく、二重管１の表面付近で小さくなってしまうため、二重管１内を流れる冷媒Ｘから螺旋状流路４を流れる水Ｗへの伝熱促進を図るには限度があるため、装置の長尺化、大型化を招くという課題もあった。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換性能のよい高温域などでの使用も可能な小型熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、第一流体が流れる第一伝熱管と、第一流体を旋回流とする旋回流形成手段と、旋回流形成手段によって形成された旋回流路中に設けた第二流体が流れる第二伝熱管とからなる熱交換装置を提供する。
【０００８】
上記発明によれば、旋回流形成手段によって、第一伝熱管を流れる第一流体が旋回流となり、第一流体の撹乱と混合が促進されるため、第一流体が流れる旋回流路中に設けた第二伝熱管を流れる第二流体は、この撹乱混合された第一流体との間に熱交換が促進され、効率的に伝熱を行うことが可能となり、熱交換装置の短尺小型化を実現できる。このように、旋回流の第一流体中において、第一流体と第二流体とを熱交換させることによって、流路面積を小さくすることなく第一流体の撹乱と混合による伝熱促進が実現でき、高温域での使用においてもスケール詰まりなどの不具合が生じにくく、熱交換性能のよい小型熱交換装置を提供することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１にかかる熱交換装置は、第一流体が流れる第一伝熱管と、第一流体を旋回流とする旋回流形成手段と、旋回流形成手段によって形成された旋回流路中に設けた第二流体が流れる第二伝熱管とを備えた構成を有する。
【００１０】
そして、このような熱交換装置は、旋回流形成手段によって、第一伝熱管を流れる第一流体が旋回流となり、第一流体の撹乱と混合が促進されるため、第一流体が流れる旋回流路中に設けた第二伝熱管を流れる第二流体は、この撹乱混合された第一流体との間に熱交換が促進され、効率的に伝熱を行うことが可能となり、熱交換装置の短尺小型化を実現できる。このように、旋回流の第一流体中において、第一流体と第二流体とを熱交換させることによって、流路幅を狭くすることなく第一流体の撹乱と混合による伝熱促進で高温域などでの使用も可能となる熱交換性能のよい小型熱交換装置を提供することができる。
【００１１】
本発明の請求項２にかかる熱交換装置は、請求項１記載の旋回流形成手段が平板テープを捻れて形成したねじれテープとした構成を有する。
【００１２】
そして、このような熱交換装置は、平板テープを捻ってねじれテープを形成し、このねじれテープを第一伝熱管に入れ、旋回流路を形成し、旋回流路中に第二伝熱管を設けることによって、簡単な工法で低コストな高性能熱交換装置を提供することができる。
【００１３】
本発明の請求項３にかかる熱交換装置は、請求項１または２記載の第二伝熱管が旋回流路と略同一旋回ピッチを有する旋回伝熱管とした構成を有する。
【００１４】
そして、このような熱交換装置は、第二伝熱管を旋回伝熱管とすることによって、第二伝熱管内の第二流体も旋回流となり、熱伝達率が向上するため、第一流体との熱交換がより効率的に行うことができる。また、旋回伝熱管は旋回流路と略同一旋回ピッチを有することによって、旋回流路を無駄なく有効に配置利用できるため、装置全体のさらなるコンパクト性を向上させることができる。
【００１５】
本発明の請求項４にかかる熱交換装置は、請求項３記載の旋回伝熱管はねじれテープの長手方向の略中心線に沿って配置され、ねじれテープと密着一体化した構成を有する。
【００１６】
そして、このような熱交換装置は、旋回伝熱管をねじれテープの長手方向の略中心線に沿って配置し、ねじれテープと密着一体化することによって、簡単な一体化形成工法例えば旋回伝熱管の素管を平板テープの略中心線に沿って配置した状態で、素管と平板テープとを同時に捻って、旋回流路を形成するねじれテープと旋回伝熱管とを同時製作するのが可能なため、低コストで簡単な工法で熱交換装置を提供することができる。
【００１７】
また、旋回伝熱管をねじれテープと密着一体化することによって、ねじれテープは旋回伝熱管の伝熱フィンとして伝熱に寄与するため、より高性能な小型熱交換装置を提供することができる。
【００１８】
本発明の請求項５にかかる熱交換装置は、請求項３または４記載の旋回伝熱管はねじれテープを介して対称配置とした構成を有する。
【００１９】
そして、このような熱交換装置は、旋回伝熱管をねじれテープ介してねじれテープの両面に対称配置とすることによって、第一伝熱管内に複数の旋回伝熱管を設置することが可能なため、旋回伝熱管の伝熱面積を確保でき、よりコンパクト、高性能な熱交換器を提供することができる。
【００２０】
本発明の請求項６にかかる熱交換装置は、請求項１〜５のいずれか１項記載の第二伝熱管は内管と外管とを備える二重管とした構成を有する。
【００２１】
そして、このような熱交換装置は、第二伝熱管を内管と外管とを備える二重管とすることによって、第一伝熱管を流れる第一流体と第二伝熱管内を流れる第二流体との間に、内管と外管を有する二重管が置かれるため、内管もしくわ外管のどちらかが漏洩あるいは破損となった場合においても、第一流体と第二流体がお互いに混合してしまうことがなく、早期検知し対応することができる。
【００２２】
本発明の請求項７にかかる熱交換装置は、請求項１〜６のいずれか１項記載の第一伝熱管の第一流体と第二伝熱管の第二流体の流れ方向を対向流とした構成を有する。
【００２３】
そして、このような熱交換装置は、第一流体と第二流体の流れ方向を対向流とすることによって、第一流体と第二流体の温度差を保ち、伝熱を均一化することで、熱交換効率のよい熱交換装置を提供することができる。
【００２４】
本発明の請求項８にかかるヒートポンプ給湯装置は、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成され冷媒の圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプサイクル装置を備え、放熱器は請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換装置を用い、第二流体の冷媒により第一流体の水を加熱する構成を有する。
【００２５】
そして、このようなヒートポンプ給湯装置は、熱交換装置の放熱器を流れる第二流体である冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、熱交換装置の第一流体である水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって熱交換装置全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高めることができる。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２７】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の熱交換装置の構成図、図２は同熱交換装置の要部断面図、（ａ）は図１に示すＡ−Ａ断面、（ｂ）は図１に示すＢ−Ｂ断面の断面図である。
【００２８】
図１、図２において、１１は第一流体例えば水が流れる第一伝熱管、１２は第一伝熱管１１内の第一流体を旋回流とする旋回流形成手段であるねじれテープ、１３と１４は第二流体例えば冷媒が流れる第二伝熱管、１５ａと１５ｂはねじれテープ１２によって形成される旋回流路、第二伝熱管１３と１４はそれぞれ旋回流路１５ａ、１５ｂ内に配置されている。
【００２９】
この第二伝熱管１３と１４はそれぞれ旋回流路１５ａと１５ｂに配置されているため、第二伝熱管１３と１４も旋回伝熱管構成となっている。また、図１に示すように、この旋回伝熱管１３と１４は、旋回ピッチＰ２が旋回流路の旋回ピッチＰ１と略同一となっている。
【００３０】
次に動作、作用について説明すると、旋回流形成手段であるねじれテープ１２によって、第一伝熱管１１内二つの旋回流路１５ａと１５ｂが形成され、第一伝熱管１１を流れる第一流体がそれぞれの旋回流路内において旋回流となる。図２（ａ）に示す旋回流路１５ａと１５ｂはねじれテープ１２によってそれぞれ９０度回転され、図２（ｂ）に示すような配置となる。
【００３１】
このように、第一伝熱管１１内において、ねじれテープ１２によって、旋回流路１５ａと１５ｂがお互い遮断される構成となる。それぞれの旋回流路１５ａと１５ｂ中の第一流体の撹乱と混合が促進されるため、第一流体が流れる旋回流路１５ａと１５ｂ中に設けた第二伝熱管１３と１４を流れる第二流体は、この撹乱混合された第一流体との間に熱交換が促進され、効率的に伝熱を行うことが可能となり、熱交換装置の短尺小型化を実現できる。このように、旋回流の第一流体中において、第一流体と第二流体とを熱交換させることによって、流路幅を狭くすることなく第一流体の撹乱と混合による伝熱促進で高温域などでの使用も可能となる熱交換性能のよい小型熱交換装置を提供することができる。
【００３２】
そして、第二伝熱管１３と１４を旋回伝熱管構成とすることによって、第二伝熱管１３と１４内の第二流体も旋回流となり、熱伝達率が向上するため、第一流体との熱交換がより効率的に行うことができる。
【００３３】
また、旋回伝熱管の第二伝熱管１３と１４は旋回流路１５ａと１５ｂと略同一旋回ピッチを有することによって、旋回流路１５ａと１５ｂを無駄なく有効に配置利用できるため、装置全体のさらなるコンパクト性を向上させることができる。
【００３４】
また、旋回流路１５ａと１５ｂ中において、第一流体の旋回流に沿って旋回伝熱管の第二伝熱管１３と１４をそれぞれ設置しているため、第一流体が旋回しながら旋回伝熱管の表面に沿って流れるので、第一流体と旋回伝熱管内の第二流体の熱交換を均一に行うことができるとともに、旋回伝熱管の設置によって、第一流体の更なる撹乱と混合が図れるので、熱交換性能のよい小型熱交換装置を提供することができる。
【００３５】
なお、本実施例において、第二伝熱管１３と１４を二重管構成にしても同様な効果が得られる。
【００３６】
（実施例２）
図３は本発明の実施例２の熱交換装置の構成図、図４は同熱交換装置の要部断面図、（ａ）は図３に示すＡ−Ａ断面の断面図、（ｂ）は図３に示すＢ−Ｂ断面の断面図である。なお、実施例１の熱交換装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。
【００３７】
本実施例において、実施例１と異なるところは、第二伝熱管１６は外管１６ａと内管１６ｂによって二重管構成となることと、第二伝熱管１７は外管１７ａと内管１７ｂによって二重管構成となることと、この第二伝熱管１６と１７はねじれテープ１２の長手方向の略中心線に沿って、ねじれテープ１２を介して対称配置とされ、ねじれテープ１２と密着した構成を有することである。なお、実施例１で用いた第二伝熱管１３と１４は本実施例において廃棄する。
【００３８】
次に動作、作用について説明すると、第二伝熱管の旋回伝熱管１６と１７をねじれテープ１２の長手方向の略中心線に沿って配置し、ねじれテープ１２と密着一体化することによって、簡単な一体化形成工法例えば旋回伝熱管１６と１７の素管（直管）を平板テープの略中心線に沿って配置した状態で、素管と平板テープとを同時に捻れて、旋回流路１５ａと１５ｂを形成するねじれテープ１２と旋回伝熱管１６、１７とを同時製作し、一体化とすることが可能なため、低コストで簡単な工法で熱交換装置を提供することができる。また、このように、ねじれテープ１２は旋回伝熱管１６、１７の位置決め作用も果たし、旋回伝熱管１６，１７の配置位置バラツキによる熱交換性能への影響をなくすことができる。
【００３９】
また、このような素管と平板テープとを同時に捻れる製作工法は、単なるねじれテープ製作と違って、軸方向にテンションをかけなくても、素管と平板テープとはお互いに拘束し合い、お互いに沿うことによって、旋回流路１５ａと１５ｂを形成するねじれテープ１２と旋回伝熱管１６、１７とを同時製作することが可能となる。また、旋回伝熱管１６、１７をねじれテープ１２と密着することによって、ねじれテープ１２は旋回伝熱管１６、１７の伝熱フィンとして伝熱に寄与するため、より高性能な小型熱交換装置を提供することができる。
【００４０】
また、旋回伝熱管１６、１７をねじれテープ１２介してねじれテープ１２の両面に対称配置とすることによって、第一伝熱管１１内に複数の旋回伝熱管１６と１７を設置することが可能なため、旋回伝熱管の伝熱面積を確保でき、よりコンパクト、高性能な熱交換器を提供することができる。
【００４１】
また、第二伝熱管１６と１７をそれぞれ外管１６ａ、１７ａと内管１６ｂ、１７ｂとを備える二重管とすることによって、第一伝熱管１１を流れる第一流体と第二伝熱管１６、１７内を流れる第二流体との間に、二重管が置かれるため、例えば外管１６ａもしくわ内管１６ｂのどちらかが漏洩あるいは破損となった場合においても、第一流体と第二流体がお互いに混合してしまうことがなく、早期検知し対応することができる。
【００４２】
また、本実施例において、二重管の内管１６ｂ、１７ｂを耐圧設計に満たす肉厚を持たすとともに、二重管の外管１６ａ、１６ｂの肉厚も内管１６ｂ、１７ｂが破損した場合を想定して耐圧設計とすることによって、例えば第二流体が炭酸ガス冷媒の場合、高圧力レベルなどでの使用においても、安全性を十分確保でき、第一流体と第二流体がお互いに混合することを完全に防ぐことができる。
【００４３】
なお、本実施例において、第二伝熱管は内管と外管とを備える二重管構成としたが、外管は内側溝付管または内管は外側溝付管としても、同様な効果が得られる。
【００４４】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３の熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置構成図である。
【００４５】
図５において、１８は冷媒循環回路で、圧縮機１９、放熱器２０、減圧手段２１、吸熱器２２が冷媒循環回路により閉回路に接続されている。冷媒循環回路１８は、例えば炭酸ガス（ＣＯ２）を冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機１９は、内蔵する電動モータ（図示せず）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力まで圧縮して吐出する。減圧手段２１はステッピングモータ（図示せず）により駆動する絞り弁で、冷媒流路抵抗を制御している。
【００４６】
放熱器２０は冷媒流路２０ａとこの冷媒流路２０ａと熱交換を行う水流路２０ｂを備え、そして、この放熱器２０は上記実施例１または実施例２に記載の熱交換装置を用い、冷媒流路２０ａは第二伝熱管、水流路２０ｂは第一伝熱管としている。ぞして、この冷媒流路２０ａの流れ方向は水流路２０ｂの流れ方向とを対向としている。
【００４７】
この水流路２０ｂに水または予温水を供給する給水管２３と、水流路２０ｂから出湯される湯を貯湯タンク２５へ通水させるための給湯回路２４が接続されている。２３ａは給水管２３に設けた水または予温水を輸送する積層ポンプである。このように、貯湯タンク２５から水または予温水が積層ポンプ２３ａに輸送され、水流路２０ｂで所定温度まで加熱された後、貯湯タンク２５へ輸送され貯留されるようになっている。そして、２６は貯湯タンクと連通する出湯管である。
【００４８】
次に動作、作用を説明すると、給水管２３を通じて水または予温水が貯湯タンク２３から供給されると、圧縮機１９が起動し、冷媒を高温高圧の臨界状態まで圧縮し、ヒートポンプサイクルが作動する。
【００４９】
そして、圧縮機１９から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器２０へ流入し、水流路２０ｂを流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路２４を経て貯湯タンク２５へ流れ貯留される、いわゆる積層沸き上げを行う。一方、放熱器２０で冷却された冷媒は減圧手段２１で減圧されて吸熱器２２に流入し、ここで大気熱、太陽熱、地中熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機１９に戻る。
【００５０】
そして、給湯需要のある時、給湯管２６を通じて貯湯タンク２５内に貯湯される湯がユーザーの使用する給湯蛇口（図示せず）などへ供給される。給湯需要の温度レベルに応じて、途中で水道水などとミキシングして所定の温度となり供給することもできる。
【００５１】
放熱器２０において、放熱器２０の冷媒流路２０ａを流れる冷媒は、圧縮機１９で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器２０の水流路２０ｂを流れる水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器２０全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高めることができる。
【００５２】
そして、放熱器２０は実施例１または２記載の熱交換装置を用いたことによって、第一流体の水の温度が高温となり、スケール析出する可能性のある場合、ねじれテープの横幅を増加し旋回流路１５ａと１５ｂの流路幅を増加することによって、スケール詰まりを防ぐことができるため、高温域での使用も可能となる。
【００５３】
また、第一流体の水と第二流体の冷媒の流れ方向を対向流とすることによって、第一流体と第二流体の温度差を保ち、伝熱を均一化することで、熱交換効率のよい熱交換装置を提供することができる。
【００５４】
なお、本実施例において、冷媒は自然冷媒炭酸ガスとしましたが、その他の冷媒例えばＲ４１０などを用いても同様な効果が得られる。
【００５５】
なお、本実施例において、水流路２０ｂで加熱された湯は貯湯タンク２５に貯留するとしたが、直接ユーザーが使用する給湯端末例えばシャワー蛇口などへ流れても同様な効果が得られる。
【００５６】
なお、前記各実施例において第一流体は水、第二流体は冷媒としたが、その他の流体とすることもできるものである。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、熱交換性能のよい小型熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における熱交換装置を示す構成図
【図２】（ａ）は図１に示すＡ−Ａ断面図
（ｂ）は図１に示すＢ−Ｂ断面の断面図
【図３】本発明の実施例２における熱交換装置を示す構成図
【図４】（ａ）は図３に示すＡ−Ａ断面図
（ｂ）は図３に示すＢ−Ｂ断面図
【図５】本発明の実施例３におけるヒートポンプサイクル構成を示すシステム図
【図６】従来の熱交換装置の斜視図
【符号の説明】
１１第一伝熱管
１２ねじれテープ（旋回流形成手段）
１３、１４、１６、１７第二伝熱管（旋回伝熱管）
１９圧縮機
２０放熱器
２１減圧器
２２吸熱器

Claims

第一流体が流れる第一伝熱管と、前記第一流体を旋回流とする旋回流形成手段と、前記旋回流形成手段によって形成された旋回流路中に設けた第二流体が流れる第二伝熱管とを有する熱交換装置。
旋回流形成手段は平板を捻れて形成したねじれテープとした請求項１記載の熱交換装置。
第二伝熱管は旋回流路と略同一旋回ピッチを有する旋回伝熱管とした請求項１または２記載の熱交換装置。
旋回伝熱管はねじれテープの長手方向の略中心線に沿って配置され、ねじれテープと密着した構成を有する請求項３記載の熱交換装置。
旋回伝熱管はねじれテープを介して対称配置とした請求項３または４記載の熱交換装置。
第二伝熱管は内管と外管とを備える二重管とした請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換装置。
第一伝熱管の第一流体と第二伝熱管の第二流体の流れ方向を対向流とした請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換装置。
圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成されるとともに冷媒の圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器は請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換装置を用い、第二流体の冷媒により第一流体の水を加熱するヒートポンプ給湯装置。