JP2005030659A - ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式給湯機の水と冷媒との間の熱交換をする熱交換器を小型・高性能化する。
【解決手段】ヒートポンプ式給湯機において、水と冷媒を熱交換する熱交換器が、冷媒が流通する流路と、水が流通する流路とが交互に複数段積層された構造を有し、水が流通する伝熱管は扁平な断面と蛇行する形状を有し、冷媒が流通する伝熱管は水が流通する伝熱管に沿って複数の本数が接触して配置され、冷媒が流通する伝熱管の端部にヘッダが配置され、更に冷媒と水とを反対方向に流す構成とした。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒートポンプ式給湯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ヒートポンプ式給湯機としては、例えば特開２００１−３２４２８３号公報に記載されているように、ヒートポンプサイクルを構成する圧縮機により圧縮され高温となった冷媒と、その冷媒の熱を交換して水を温める水冷媒熱交換器を備える。この公知文献に記載された水冷媒熱交換器は、複数本の冷媒管と蛇行させた水パイプとを１段ずつ重ねた構造の水冷媒熱交換器を適用した例が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−３２４２８３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、得られる伝熱面積が限定されるため、大きな熱交換量を得るのが困難であるという課題があった。また、水と冷媒の流通方向が、必ずしも対向流とはなっていないため、熱交換の効率がやや低いという課題点があった。そのため、大きな熱交換量を得ようとすると大きなものになってしまい、給湯機の装置全体が大型化してしまうという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、水を温めるのにコンパクトで効率の良いヒートポンプ給湯機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のヒートポンプ式給湯機は、圧縮機で圧縮された冷媒が放熱する水冷媒熱交換器と、その水冷媒熱交換器で放熱した冷媒が順に膨張弁及び蒸発器を介して圧縮機に戻るヒートポンプサイクルと、外部から供給された水を減圧する減圧弁を経て取り込まれた水を前記水冷媒熱交換器で冷媒との熱交換により加熱して外部に出湯する給湯回路とを備え、前記水冷媒熱交換器は前記圧縮で圧縮された冷媒が流通する第１の伝熱管と、供給された水が流通する第２の伝熱管とが重ねて構成された熱交換モジュールが複数段積層し、前記第２の伝熱管は扁平な断面と蛇行する形状を有し、前記第１の伝熱管の一部は複数の伝熱管からなり前記第２の伝熱管に沿って密着して配置され、前記第１の伝熱管の中の冷媒の流れと前記第２の伝熱管の中の水の流れとが反対方向である構成とした。このような構成とすることにより、高密度に実装された多数の冷媒管によりヒートポンプ式給湯機の熱交換効率が向上し、装置全体を小型化することができる。
【０００７】
また、上記構成におけるヒートポンプ式給湯機の水冷媒熱交換器は、冷媒が流通する第１の伝熱管の直管部の長さを水が流通する第２の伝熱管の幅よりも長くし、第１の伝熱管の端部に配置されたヘッダの外径を第２の伝熱管の短径（楕円形等の断面のとき）または厚さ（長方形断面のとき）よりも小さくして、第１の流路の直管部と第２の伝熱管を密着させるとともに、冷媒が流通する流路に設けたヘッダ部と第２の伝熱管とを密着させた構造を備えても良い。このような構成とすることにより、第１の伝熱管の直管部と第２の伝熱管が密着され、さらに冷媒が流通するヘッダ部と第２の伝熱管でも熱交換がされるので、熱交換効率が向上する。
【０００８】
また、先の構成におけるヒートポンプ式給湯機の水冷媒熱交換器は、第１の伝熱管と第２の伝熱管とをろう付けもしくははんだ付けによって固定してもよい。そうすることにより伝熱性能を向上させることができる。
【０００９】
また、先の構成におけるヒートポンプ式給湯機の水冷媒熱交換器は、第２の伝熱管の管面に窪み部を設け、窪み部に沿って第１の伝熱管が接触する配置としても良い。このような構成とすることにより、多数の冷媒管を高密度に実装でき、熱交換効率が向上して装置全体を小型化できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態（第１の実施形態）のヒートポンプ式給湯機を図１ないし図９により説明する。まず第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における給湯システムを図６を用いて説明する。冷凍サイクル側において、圧縮機５１で圧縮された冷媒は２つの経路に分かれて水冷媒熱交換器５０において放熱し、膨張弁５３で膨張・減圧し、蒸発器５２で蒸発・吸熱して圧縮機５１に戻る。水側において、供給された水は逆止弁５４、減圧弁５５を経て分岐し、一方は貯湯タンク５８に給水される。もう一方は、逆止弁５６を経て水冷媒熱交換器５０に至り、冷媒により加熱された後、混合弁５７に至る。混合弁５７では、貯湯タンク５８からの湯と水熱交換器５０からの湯が混合されてバルブ６０を経て出湯される。また給水からの配管と出湯への配管の間にはバルブ５９が設けられている。
【００１１】
本実施形態のヒートポンプ式給湯機に適用した水冷媒熱交換器の構造は、図１に示す第１の流体（冷媒）の流れる流路１（以下、冷媒流路と呼ぶ）と図２に示す第２の流体（水）の流れる流路２（以下、水流路と呼ぶ）とを、図３のように対にして構成した熱交換モジュール３を図５のように積み重ねた積層構造となっている。
【００１２】
図１に示した冷媒流路は、直管部１０とヘッダ部１１とから構成される。図１は、図５における一番上の部分の冷媒流路を例として示している。冷媒の流れを図１に矢印で示した。直管部は、数本が一組で（本実施形態では６本）ヘッダから同一方向に冷媒が流れるようにしている。この直管部の６本一組を１列とすると、各列ごとに交互に流れ方向が逆転する蛇行状の流れを形成している。このような構造にして細い冷媒管を多数設けることにより、特に二酸化炭素等の高圧で圧力損失の小さい冷媒に適したものとすることができる。
【００１３】
図２に示した水流路は、主流路２０及び転回流路２１とから構成される。図２は、図５における一番上の部分の水流路を例として示している。水の流れを図２に矢印で示した。水の流れ方向と冷媒の流れ方向が反対方向である対向流となるように冷媒および水を流すようにする。
【００１４】
図３に熱交換モジュールの構造を、図４に熱交換モジュールの直管部１０に垂直な方向の断面を示す（図４では、ヘッダ部１１を省略してある）。図３において、冷媒流路１の直管部１０と水流路２とは密着させるようにする。冷媒流路と水流路を銅などの同じ材質として、冷媒流路の直管部１を水流路にろう付けまたははんだ付けしても良い。冷媒流路１の直管部１０の長さは、水流路２の幅ａよりもわずかに長くなるようにして、冷媒流路１のヘッダ部１１が水流路２を挟み込むようにする。このような構造とすることにより、ヘッダ部１１と水流路との熱交換も行わせることができる。ヘッダの外径は、水伝熱管の短径（楕円形等の断面のとき）または厚さ（長方形断面のとき）よりも小さくすることにより、ヘッダ部１１同士の干渉を避けて、冷媒流路のヘッダ部１１と水流路２を密着させて、高密度に熱交換モジュールを実装することができる。
【００１５】
図５において、熱交換モジュール３（図３参照）の冷媒流路と他の熱交換モジュールの冷媒流路とは、接続管３０によって接続されている。図５に冷媒の流れを矢印で、水の流れを太い矢印で示した。冷媒入口３１から入った冷媒は、各熱交換モジュールを経て冷媒出口３２から出る。もうひとつの冷媒入口３３から入った冷媒は、出口３４から出る。一方、各熱交換モジュール３の水流路間も、接続流路４０によって接続されている。水入口４１から入った冷媒は、各熱交換モジュールを経て水出口４２から出る。もうひとつの水入口４３から入った水は、出口４４から流出する。冷媒は上方から下方に、水は下方から上方に流れる。この流れ方向は、凝縮した冷媒あるいは二酸化炭素冷媒など超臨界の冷媒が流れやすい方向となっている。なお、本発明の熱交換器は水と冷媒がほぼすべての部分で対向流となっているので、特に二酸化炭素冷媒など超臨界で温度勾配を持つ冷媒の場合の効率向上に効果的である。
【００１６】
図７に本実施形態における水冷媒熱交換器５０の実装例を示す。箱体６１内の下部に熱交換器５０を配置したもので、小型・高効率の熱交換器により装置全体が小型化されている。
【００１７】
冷媒流路のヘッダの構造は図８に示すように、冷媒流路の直管部１０の両側に１本ずつのヘッダ１２を設け、ヘッダ１２の内部を仕切り１３によって仕切る構造としてもよい。また、水流路ついても、図９に示すように、主流路２０の両側に１本ずつのヘッダ２２を設け、ヘッダ２２の内部を仕切り２３によって仕切る構造としてもよい。
【００１８】
本実施形態によれば、ヒートポンプ式給湯機の熱交換器において、多数の冷媒管を高密度に実装して単位大きさ当たりの冷媒側伝熱面積を多く取ることができ、また冷媒と水の流路が理想的な対向流に近い形状となっているので、熱交換効率が高く小型化できるため、小型・高効率のヒートポンプ式給湯機を提供できる。
【００１９】
本発明の他の実施形態（第２の実施形態）について、図１０から図１２により説明する。図１２に、この構造の水冷媒熱交換器を用いた給湯と風呂の追焚きができるヒートポンプ式給湯システムの構成を示す。冷凍サイクル側において、圧縮機５１で圧縮された冷媒は２系統に分岐して水冷媒熱交換器７０に入って放熱し、膨張弁５２で膨張・減圧し、蒸発器５３で蒸発・吸熱して圧縮機５１に戻る。水側は、給湯系統と追焚き系統とを独立させた構成となっている。
【００２０】
第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器では、冷媒および水の経路を上下に２分割していたのに対して、本実施形態では、熱交換モジュールごとに交互に異なる経路となるようにしている。図１１に示すように、冷媒流路１と水流路２とからなる熱交換モジュールと、その下の冷媒流路１０１と水流路１０２とからなる熱交換モジュールとは流れ方向が異なる構成としている。
【００２１】
これらの２つのモジュールを交互に積層させることにより、図１０のような熱交換器を構成する。図１０の例では、上から１番目、３番目、以下１１番目まで奇数番目の熱交換モジュールの経路と２番目、４番目、以下１２番目まで偶数番目の熱交換モジュールの経路とは、冷媒側、水側ともに独立している。
【００２２】
冷媒側の流れを見ると、第１の経路では、図１０の入口３１（一番上の熱交換モジュール）から入った冷媒は、入口の反対側（図７では向こう側の見えないところ）でＵ形の接続管により上から３番目の熱交換モジュールに達し、次に手前に流れてきて、接続管３０により５番目の熱交換モジュールに達し、以下同様に７番目、９番目の熱交換モジュールを経て、１１番目の熱交換モジュールに設けられた出口３２から出る。
【００２３】
第２の経路では、上から２番目の熱交換モジュールに設けられた入口３３から入って、入口の反対側に設けた接続管を通って４番目の熱交換モジュールに行き、以下６番目、８番目、１０番目の熱交換モジュールを経て、１２番目の熱交換モジュールに設けられた出口３４から出る経路となっている。
【００２４】
一方、水の第１の経路は冷媒と反対に上から１１番目の熱交換モジュールに設けられた入口４１から入って、反対側の接続流路を通って９番目の熱交換モジュールに行き、接続流路４０を通って７番目の熱交換モジュールに達し、以下、５番目、３番目の熱交換モジュールを経て、１番目の熱交換モジュールの出口４２から出る。
【００２５】
水の第２の経路は上から１２番目（一番下）の熱交換モジュールに設けられた入口４３から入って、１０、８、６、４番目の熱交換モジュールを経て、２番目の熱交換モジュールの出口４４から出る。
【００２６】
給湯系統の水は水冷媒熱交換器７０の１番目の経路を通って冷媒によって加熱される。給湯系統のその他の部分は第１の実施形態（図６）と同様の構成である。
【００２７】
追焚き系統は以下のように構成される。浴槽７２の水はポンプで水冷媒熱交換器７０の第２の経路に送られて、冷媒によって加熱される。水冷媒熱交換器７０を図１０、１１に示した構成とすることにより、追焚きまたは給湯のみが使用される場合でも、冷媒側の両経路で水を効果的に加熱することが可能である。なお、第１の実施形態のように給湯のみのシステムであっても、本実施形態の熱交換器を適用することは勿論可能である。
【００２８】
本実施形態によれば、給湯と風呂の追焚きをそなえたシステムにおいて、給湯と追焚きの両方を同時に運転する場合や片方のみ運転する場合のいずれの場合でも、効率よく冷媒と水とを熱交換することができる。
【００２９】
本発明の更に他の実施形態について、図１３から図１５により説明する。
本実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器全体の構造は図５に示したものか、図１０に示した構造をとる。図１３から図１５は熱交換モジュールの２段分の一部断面を表している。本実施形態では図１３において冷媒管８０（図１の直管部）を円形または楕円形断面とし、水流路８１（図２の水流路２０の部分）の形状を冷媒管の形状に合わせて窪ませている。この窪みに冷媒管を圧入などにより密着させる。このような形状とすることにより、冷媒管と水流路の接触面積を大きく取ることができるとともに、高密度に冷媒流路と水流路を配置できるので、小型高効率化が可能である。
【００３０】
さらに図１４のように、水流路の上下に冷媒配管の形状に合わせた窪みを設けてもよい。このような形状とすることによって、更に小型化が可能である。
【００３１】
その他の伝熱管の形態として、図１５のように水伝熱管２０の両側に冷媒伝熱管１０を配置した構成としてもよい。このような構造で多数の細い冷媒管を用いることにより伝熱性能が向上し、熱交換器の小型・高効率化、さらには給湯機全体の装置の小型・高効率化が可能である。多数の冷媒管を高密度に実装でき、単位大きさ当りの冷媒側伝熱面積を多く取ることができるとともに、ほぼすべての部分で水と冷媒の流れを対向流にできる小型、高効率の熱交換器により、小型、高効率のヒートポンプ式給湯機が提供される。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、熱交換効率が高いヒートポンプ式給湯機を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態（第１の実施形態）のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の冷媒流路構造を説明する図。
【図２】第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の水流路構造を説明する図。
【図３】第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の熱交換モジュールを示す図。
【図４】第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の熱交換モジュールの断面図。
【図５】第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の構造を説明する図。
【図６】第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における給湯システムの系統図。
【図７】第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の実装例を説明する図。
【図８】第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の冷媒流路の他の構造を示す図。
【図９】第１の実施形態のヒートポンプ式給湯機における熱交換器の水流路の他の構造を説明する図。
【図１０】本発明の他の実施形態（第２の実施形態）のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の構造を説明する図。
【図１１】第２の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の冷媒流路及び水流路の構造を説明する図。
【図１２】第２の実施形態のヒートポンプ式給湯機における給湯システムの系統図。
【図１３】本発明の更に他の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の冷媒流路と水流路の構造を説明する図。
【図１４】本発明の更に他の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の冷媒流路と水流路の構造を説明する図。
【図１５】本発明の更に他の実施形態のヒートポンプ式給湯機における水冷媒熱交換器の冷媒流路と水流路の構造を説明する図。
【符号の説明】
１…冷媒流路、２…水流路、３…熱交換モジュール、１０…冷媒流路の直管部、１１…冷媒流路のヘッダ部、２０…水流路の主流路、２１…水流路の転回流路。

Claims (5)

1. 圧縮機で圧縮された冷媒が放熱する水冷媒熱交換器と、その水冷媒熱交換器で放熱した冷媒が順に膨張弁及び蒸発器を介して圧縮機に戻るヒートポンプサイクルと、外部から供給された水を減圧する減圧弁を経て取り込まれた水を前記水冷媒熱交換器で冷媒との熱交換により加熱して外部に出湯する給湯回路とを備え、前記水冷媒熱交換器は前記圧縮で圧縮された冷媒が流通する第１の伝熱管と、供給された水が流通する第２の伝熱管とが重ねて構成された熱交換モジュールが複数段積層し、前記第２の伝熱管は扁平な断面と蛇行する形状を有し、前記第１の伝熱管の一部は複数の伝熱管からなり前記第２の伝熱管に沿って密着して配置され、前記第１の伝熱管の中の冷媒の流れと前記第２の伝熱管の中の水の流れとが反対方向であるヒートポンプ式給湯機。
2. 前記水冷媒熱交換器の前記第１の伝熱管の直管部の長さが、前記第２の伝熱管の幅よりも長く、前記第１の伝熱管の端部に配置されたヘッダの外径が、前記第２の伝熱管の短径または厚さよりも小さく、前記第１の伝熱管の直管部と前記第２の伝熱管とを密着するとともに、前記ヘッダ部と前記第２の伝熱管とが密着した請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
3. 前記水冷媒熱交換器の前記第１の伝熱管と前記第２の伝熱管とはろう付けもしくははんだ付けによって固定された請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
4. 前記水冷媒熱交換器の前記第２の伝熱管の管面に窪み部を設け、前記窪み部に沿って前記第１の伝熱管が接触配置した請求項１記載のヒートポンプ式給湯機。
5. 前記冷媒が二酸化炭素である請求項１乃至請求項４記載のヒートポンプ式給湯機。

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