JP2005249325A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１０は、蛇行状に成形された管１と、一部を同じく蛇行状に絞り成形され、管１を内包する第１の板材２および第２の板材３から構成され、管１内部の流路６を流れる第１流体と、第１の板材２および第２の板材３の絞り成形部４および５で区画される流路７を流れる第２流体とが熱交換を行うものであり、熱交換器を略平板状に構成することができるため、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、デッドスペースを削減して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができる。さらに、長尺化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、ヒートポンプを用いて温水を生成する給湯機や冷温水を生成する冷暖房機などに利用される冷媒水熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機に関する。

従来、この種の熱交換器としては、図９および図１０に示すような二重管式の熱交換器が提案されている。その構成について、図９および図１０を参照しながら説明する（例えば、特許文献１参照）。

熱交換器５０は、例えば、冷媒の凝縮熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用されるものであり、内管５３を外管５４内に挿入した伝熱管５１をコイル状に巻いて構成したものである。内管５３内を高温高圧の冷媒が流れる流路５５とする一方、内管５３と外管５４との間の空間を低温低圧の水が流れる流路５６としている。このとき、高温冷媒は伝熱管５１の内管５３内に、例えば、図１０に矢印で示した方向に流入し、その外側の流路５６を流れる低温の水と熱交換を行い、この水を加熱することになる。
特開２００１−２０１２７５号公報（第６頁、図２および図３）

しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。例えば、一般に、二重管式の熱交換器は、装置への収納性を考慮して、図１０のように、コイル状に巻回されて用いられる場合が多い。したがって、熱交換器の内側にデッドスペースが形成され、全体の占有する容積が大きくなるため、使用される装置のコンパクト化を妨げる要因となっている。また、熱交換器として十分な伝熱性能を確保するためには、伝熱管５１の全長をある程度長くする必要がある。このとき、従来のような構成では、螺旋状に巻回した伝熱管５１の巻き数を増加させたり、巻き形状を大きくして一巻き当たりの長さを長くしたりすることにより、所定の伝熱管長さを確保することになる。この場合、巻き数の増加は熱交換器の高さ増加に、巻き形状の拡大はデッドスペース、ひいては熱交換器の設置面積の拡大にそれぞれ繋がり、いずれにしても熱交換器を収納する装置全体を大きくしてしまうという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、コンパクトで高性能な熱交換器を提供するものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、蛇行状に成形された管と、前記管を内部に挟み込む第１の板材と第２の板材とを有し、前記管の内部を流路として流れる第１流体と、前記第１の板材の絞り形成部と第２の板材の絞り形成部により形成された区画を流路として流れる第２流体とが熱交換を行うものである。

これによって、デッドスペースを削減して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができる。また、熱交換器を略平板状に構成することができるため、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。さらに、長尺化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。

本発明の熱交換器は、コンパクトで機器への収納性に優れ、かつ伝熱面積の拡大が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。

第１の発明は、蛇行状に成形された管と、前記管を内部に挟み込む第１の板材と第２の板材とを有し、前記管の内部を流路として流れる第１流体と、前記第１の板材の絞り形成部と第２の板材の絞り形成部により形成された区画を流路として流れる第２流体とが熱交換を行うものであり、デッドスペースを削減して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができる。また、熱交換器を略平板状に構成することができるため、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。さらに、長尺化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の構成において、板材の絞り成形部が形成する流路の断面略中央に管が保持されるものであり、管の外周ほぼ全面に有効な伝熱面が確保され、また、絞り成形部を流通する第２流体の流れの偏りもなくなるため、伝熱特性に優れた熱交換器を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の構成において、板材の絞り成形部がその内面に第２流体の流れを擾乱する突起を有するものであり、簡単な方法で、容易に流れが擾乱されて伝熱促進が図られるため、より高性能な熱交換器を提供することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３の発明に対して、第２流体である水の流路の断面積がその高温側で低温側よりも大きいものであり、例えば水加熱時に発生しやすいスケールの析出による水通路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、ヒートポンプ給湯機の信頼性の向上を実現できる。

第５の発明は、特に、第１〜３の発明の構成において、管が互いに密着した外管および内管からなる二重管構造であるものであり、管の外周面または内周面に万一亀裂等の異常が生じた場合も、二重管構造であるため複数枚の隔壁が存在することとなり、冷媒または水が亀裂等から漏洩した場合も、他の流路内に混入することを防止できるため、ヒートポンプ給湯機の信頼性の向上を実現できる。

第６の発明は、冷媒により水を加熱するヒートポンプ給湯機であり、第１〜５の発明の熱交換器を、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路の放熱器として用い、第１流体の冷媒により第２流体の水を加熱するものであり、コンパクトで信頼性に優れた本発明の熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機全体のコンパクト化と高性能化を実現することができる。

第７の発明は、特に、第６の発明に対して、第１流体である冷媒の圧力がその臨界圧力以上であるものであり、ヒートポンプ給湯機の放熱器である冷媒水熱交換器を流れる冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、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。したがって熱交換器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くできる。

第８の発明は、特に、第７の発明に対して、第１流体である冷媒が二酸化炭素であるものであり、自然に広くする存在する物質を冷媒として用いるため、不測に機内から放出されるような場合も、オゾン層を破壊することなく、地球環境にやさしいヒートポンプ給湯機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１および図２は、本発明の実施の形態１における熱交換器の分解斜視図および平面図であり、図３は、図２に示した熱交換器の矢印Ａ−Ａにおける断面図である。

図１において、熱交換器１０は、蛇行状に成形された管１と、これを内部に挟み込む第１の板材２および第２の板材３から構成される。この第１の板材２および第２の板材３の一部は、管１の形状に沿うように蛇行状に絞り成形が施され、第１の板材の絞り成形部４および第２の板材の絞り成形部５となっている。これらの絞り成形部４および５は、互いに対向する位置に配置されており、図３にその断面を示すように、第１の板材２および第２の板材３を密着接合することで、管１との間の空間に第２流体の流通する区画すなわち第２流体の流路７を形成する。ここで、管１の内部の第１流体の流路６を流通する第１流体は、管１の外周を取り巻く流路７を流通する第２流体と熱交換を行うことになる。

なお、管１は、熱伝導性が良く、成形性に優れた材料であるならば、銅、アルミ、ステンレスなどの金属や樹脂等、いかなるものでも構わない。第１の板材２および第２の板材３についても同様である。管１、第１の板材２および第２の板材３は、耐圧性や流体のシール性を確保するために、互いに密着した状態で接合あるいは接着される。

このように、本発明の熱交換器１０は、蛇行状に成形された管１と、これを内包する第１の板材２および第２の板材３から構成され、従来の二重管式の熱交換器と同様に、管の内外を流れる流体の熱交換となる伝熱形態を維持しながら、従来生じていたようなデッドスペースを削減して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができる。また、熱交換器を、図２に示したように、略平板状に構成することができるため、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。さらに、長尺化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。

図４は、この熱交換器１０を用いたヒートポンプ給湯機の構成図である。ヒートポンプ給湯機は、一般に、圧縮機３１、放熱器としての熱交換器１０、膨張弁３３、大気熱等を集熱する蒸発器３４を順次接続したヒートポンプ回路３５と、貯湯タンク３６、水ポンプ３７、前記した熱交換器１０を順次接続した水回路３８とから構成される。

このようなヒートポンプ給湯機により、給湯水の加熱を行う場合、まず、蒸発器３４において、送風ファンや集熱パネル等により大気熱や太陽熱等を集熱し、その内部を流れる冷媒を蒸発ガス化する。この冷媒は圧縮機３１に吸引され、機械的に圧縮されて、高温高圧の冷媒として熱交換器１０の流路６に送られる。一方、貯湯タンク３６下部の水は、循環用の水ポンプ３７によって搬送され、熱交換器１０の流路７に流入する。

第１流体である高温高圧の冷媒は、図２に点線矢印で示すように、入口配管８ａよりこれに連通する管１の内部に流入し、蛇行状の流路６を流通して、出口配管８ｂから流出する。一方、第２流体である低温低圧の水は、図２に実線矢印で示すように、入口配管９ａよりこれに連通する第１の板材の絞り成形部４および第２の板材の絞り成形部５で形成される空間、すなわち蛇行状の第２流体の流路７を流通して、出口配管９ｂから流出する。このとき、第１流体の冷媒と第２流体の水とは、熱交換性能に優れた対向流となっている。流路６を流れる高温高圧の冷媒は、管１を介して、その周囲に位置する第２流体の流路７を流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。低温の給湯用の水は、第２流体の流路７を流れる間に、高温の冷媒から熱を受けて高温の湯となり、貯湯タンク３６上部に流入する。一方、熱交換器１０で放熱した冷媒は、膨張弁３３で減圧されて蒸発器３４に流入する。冷媒は、ここで再び大気熱等から吸熱し、次の圧縮機３１に供される。

ここで、コンパクトで高性能な本発明の熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機全体のコンパクト化と高性能化を実現することができる。

なお、ヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、Ｒ４１０ａ等のフロン系冷媒、プロパン等の炭化水素系冷媒、二酸化炭素冷媒が挙げられる。ここで、特に、二酸化炭素は、自然に広くする存在する物質であり、不測に機内から放出されるような場合も、可燃性がなく安全で、オゾン層を破壊することなく、地球環境にやさしいヒートポンプ給湯機を提供することができる。

また、二酸化炭素のように、冷媒の動作圧力が臨界圧力以上となるものを用いれば、ヒートポンプ給湯機の放熱器を流れる冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、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。したがって熱交換器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くできる。

したがって、本発明の実施の形態１によれば、コンパクトで高性能な熱交換器ならびにそれを用いたヒートポンプ給湯機を提供することができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の熱交換器の断面図である。本実施の形態の熱交換器の構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、第１の板材２および第２の板材３の絞り成形部４および５が形成する第２流体の流路７の断面略中央に、管１が保持される点である。管１中央への保持は、例えば、管１の外周に、図５に示すような複数の突部を有する保持部材１１を部分的に挿入し、絞り成形部４および５の内面と当接するような構成とすれば、容易に実現することができる。また、絞り成形部４および５の一部を管１側に向かって変形させ、管１を第２流体の流路７の断面略中央に保持する構成としても実現することができる。

このような構成によれば、管１の外周ほぼ全面に有効な伝熱面が確保され、また、絞り成形部４および５内の流路７を流通する第２流体の流れの偏りもなくなるため、伝熱特性に優れた熱交換器を提供することができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３の熱交換器の断面図である。本実施の形態の熱交換器の構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、第１の板材２および第２の板材３の絞り成形部４および５がその内面に第２流体の流れを擾乱する突起１２を有する点である。この突起１２の形状・数量・配置等は、内部の流路７を流通する第２流体の流れを擾乱させるものであれば、どのようなものでも構わない。

このような構成によれば、板材の絞り加工時に突起１２を成形するだけの簡単な方法で、容易に第２流体の流れが擾乱され、乱流化による伝熱促進が図られるため、より高性能な熱交換器を提供することができる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４の熱交換器の断面図である。本実施の形態の熱交換器の構成とその作用は、実施の形態１で、特にヒートポンプ給湯機に展開した場合として説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、第２流体である水の流路７の断面積がその高温側で低温側よりも大きい点である。

例えば、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を比較的多く含む水を、ヒートポンプ給湯機の放熱器で長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍を中心に、硬度成分がスケール（例えば、炭酸カルシウム）として析出する可能性がある。このようなスケールが水側流路の内周に付着すると、水の流動抵抗となって圧力損失が増大し、熱交換器としての性能を低減させる。

ここで、本実施の形態では、図７に示したように、第１の板材２および第２の板材３の絞り成形部４ａおよび５ａで囲まれる流路７ａの断面積よりも、絞り成形部４ｂおよび５ｂで囲まれる流路７ｂの断面積を大きく構成し、流路７ｂを流路７ａよりも高温側に配置することにより、万一流路内にスケール等が生成し付着した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和することができる。

したがって、例えば、水加熱時に発生しやすいスケールの析出による水通路の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、ヒートポンプ給湯機の信頼性の向上を実現できる。

（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５の熱交換器の断面図である。本実施の形態の熱交換器の構成とその作用は、実施の形態１で、特にヒートポンプ給湯機に展開した場合として説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、管１が外管１４ａと内管１４ｂからなる二重管構造である点である。

このような構成によれば、管１の外周面または内周面に万一亀裂等の異常が生じた場合も、二重管構造であるため複数枚の隔壁が存在することとなり、冷媒または水が亀裂等から漏洩した場合も、他の流路内に混入することを防止できる。特に、外管１４ａを平滑管の内面に溝加工を施したいわゆる内面溝付き管としてやることで、腐食や凍結等による管体の破損に伴って漏洩した流体が、内面溝を通じて外部に放出されたり、未然に検知したりすることができる。よって、熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機の信頼性の向上を実現できる。

なお、本発明の各実施の形態では、第１の板材２および第２の板材３の双方に絞り成形部４および５を設けるものとしたが、流路７を容易に形成できるのであれば、どちらか一方のみに絞り加工を施し、他の一方は平坦な板材のままでもよい。また、本発明の実施の形態１で、熱交換器をヒートポンプ給湯機に展開するものとしたが、給湯水を加熱できる熱源であれば、ヒートポンプによる高温冷媒に限らず、燃料電池やエンジンからの温水を用いてもよい。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、デッドスペースを削減して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができる。また、熱交換器を略平板状に構成することができるため、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。さらに、長尺化による伝熱面積の拡大が比較的容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。よって、コンパクトで高性能な本発明の熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機等の装置全体のコンパクト化と高性能化にシステム展開できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の分解斜視図 本発明の実施の形態１における熱交換器の平面図 本発明の実施の形態１における熱交換器のＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態１の熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の構成図 本発明の実施の形態２における熱交換器の断面図 本発明の実施の形態３における熱交換器の断面図 本発明の実施の形態４における熱交換器の断面図 本発明の実施の形態５における熱交換器の断面図 従来の熱交換器の正面図 従来の熱交換器の平面図

符号の説明

１ 管
２ 第１の板材
３ 第２の板材
４ 第１の板材の絞り成形部
５ 第２の板材の絞り成形部
６ 第１流体の流路
７ 第２流体の流路
１０ 熱交換器
１１ 突起
１４ａ 外管
１４ｂ 内管
３１ 圧縮機
３３ 膨張弁
３４ 蒸発器

Claims (8)

1. 蛇行状に成形された管と、前記管を内部に挟み込む第１の板材と第２の板材とを有し、前記管の内部を流路として流れる第１流体と、前記第１の板材の絞り形成部と第２の板材の絞り形成部により形成された区画を流路として流れる第２流体とが熱交換を行う熱交換器。
2. 板材の絞り成形部が形成する流路の断面略中央に管が保持される請求項１記載の熱交換器。
3. 板材の絞り成形部がその内面に第２流体の流れを擾乱する突起を有する請求項１または２記載の熱交換器。
4. 第２流体である水の流路の断面積がその高温側で低温側よりも大きい請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 管が互いに密着した外管および内管からなる二重管構造である請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路を備え、前記放熱器は請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器であるとともに、第１流体が冷媒、第２流体が水であるヒートポンプ給湯機。
7. 第１流体である冷媒の圧力がその臨界圧力以上である請求項６記載のヒートポンプ給湯機。
8. 第１流体である冷媒が二酸化炭素である請求項７記載のヒートポンプ給湯機。

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