JP2007218461A - ２重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】スケール成分の析出を防止し、熱交換効率のよい２重管式熱交換器を提供すること。
【解決手段】内部に第１の流体が流れる小径管７と、小径管７の外側に設けられ、小径管７との間に第２の流体が流れる大径管８とを備え、小径管７は螺旋形状で、螺旋形状のピッチ長さを第１の流体の上流側と下流側で変化させたことで、スケール成分が析出しやすい場所では、螺旋形状のピッチ長さを大きくさせ、流路抵抗を減ずることができ、スケール成分が析出しにくくなるとともに、熱伝達率も向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機において、水と冷媒とを熱交換する２重管式熱交換器に関するものである。

図４は従来のヒートポンプ式給湯機の構成図である。図４において、ヒートポンプ式給湯機は、圧縮機１０１、給湯用熱交換器１０２、減圧器１０３、熱源用熱交換器１０４を順次冷媒配管１０５で接続したヒートポンプサイクルと、貯湯槽１０６、循環ポンプ１０７、給湯用熱交換器１０２を順次液体配管１０８で接続した給湯サイクルから構成され、給湯用熱交換器１０２で高温の冷媒と水との間で熱交換が行われ、湯が生成される。このような給湯用熱交換器１０２として、複数の内管と外管で構成され、内管が螺旋形状で構成されている２重管式熱交換器が使用される（例えば、特許文献１参照）。

図５ａ、ｂは従来のヒートポンプ式給湯機の２重管式熱交換器の構成図である。このような２重管式熱交換器において、内管を流れる第１の流体と、外管を流れる第２の流体との間で熱交換効率を高めるために、螺旋形状のピッチ長さを小さくしている。螺旋形状のピッチ長さを小さくするとは、単位長さあたりの螺旋の数を多くすることであり、流体間のコンタクトファクタが増加するのに加えて、第２流体の流路において乱流が形成されるため、熱交換効率は高くなる。
特開２００５−２２１０８７号公報

しかしながら、熱交換効率はよくなるものの、第２の流体には、熱交換をするうちにスケール成分（例えば、炭酸カルシウム）が析出し、流路の抵抗となることはもちろん、ひいては熱伝達率を低下させるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、スケール成分の析出を防止し、熱交換効率のよい２重管式熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の２重管式熱交換器は、内部に第１の流体が流れる小径管と、前記小径管の外側に設けられ、前記小径管との間に第２の流体が流れる大径管とを備え、前記小径管は螺旋形状で、前記螺旋形状のピッチ長さを第１の流体の上流側と下流側で変化させたことを特徴とするものである。

これによって、スケール成分が析出しやすい場所では、螺旋形状のピッチ長さを大きくすることで、流路抵抗を減ずることができ、スケール成分が析出しにくくなるとともに、熱伝達率も向上させることができる。

スケール成分の析出を防止し、熱交換効率のよい２重管式熱交換器を提供することができる。

第１の発明は、内部に第１の流体が流れる小径管と、前記小径管の外側に設けられ、前記小径管との間に第２の流体が流れる大径管とを備え、前記小径管は螺旋形状で、前記螺
旋形状のピッチ長さを第１の流体の上流側と下流側で変化させたことにより、スケール成分が析出しやすい場所では、螺旋形状のピッチ長さを大きくできるので、流路抵抗を減ずることができ、スケール成分が析出しにくくなるとともに、ひいては熱伝達率も向上させることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、第１の流体を高温流体、第２の流体を低温流体とすることにより、内管内に高温流体を流通させるので、放熱ロスを最大限減ずることができ、効率よく低温流体に熱を移動させることができる。

第３の発明は、特に第２の発明において、第１の流体と、第２の流体を対交流とし、螺旋形状のピッチ長さは、第１の流体の上流側が下流側より大とすることで、スケール成分が一番発生しやすい、第２の流体の出口側つまり第１の流体の入口側（上流側）のピッチ長さを大きくすることで、スケール成分を析出させにくい構成となる。

第４の発明は、特に第１または第２の発明において、小径管および大径管は直線部および屈曲部を有し、前記屈曲部の螺旋形状のピッチ長さは、前記直線部のピッチ長さよりも大とすることで、屈曲部は直線部に比べて流れが乱れやすくスケール成分が析出しやすいので、屈曲部の螺旋形状のピッチ長さを大きくしてスケール成分を析出させにくい構成としている。

第５の発明は、特に第１〜第４の発明において、小径管を複数設けたことにより、高温流体の通る経路が増加するため、より熱の伝わりやすい構成となる。

第６の発明は、特に第２〜第５の発明において、高温流体に二酸化炭素を用いたことにより、臨界圧力以上に加圧されているので、給湯用熱交換器の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く、給湯用熱交換器の全域で冷媒と水との間の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。

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、この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は、本発明の第１の実施の形態における２重管式熱交換器の構成図である。図１において、２重管式熱交換器は、２つの小径管７が螺旋形状で、大径管８に内挿されている。本実施例において、小径管７内には、第１の流体である、圧縮機から吐出された高温高圧冷媒の二酸化炭素が流れており、大径管８と小径管７の間に形成される空間には、高温高圧の二酸化炭素と熱交換を行う第２の流体である水が流れている。効率のよい熱交換を行うため、冷媒と水とは対交流をなしている。

第１の流体（冷媒）は矢印Ａの向きに、第２の流体（水）は矢印Ｂの向きに流れており、第１の流体（冷媒）の上流側の螺旋形状のピッチ長さＰ２は、下流側の螺旋形状のピッチ長さＰ１よりも大に形成されている。通常、スケール成分である炭酸カルシウムは高温ほど溶け難いという性質があり、第１の流体（冷媒）の高温側（上流側）でスケール成分は発生しやすいので、第１の流体（冷媒）の高温側（上流側）の螺旋形状のピッチ長さＰ２を大きく形成した方が、流路抵抗を減ずることができるので、スケール成分の析出を抑制し、熱伝達を向上させる。

ヒートポンプサイクルの冷媒には二酸化炭素を用いており、２重管式熱交換器内においては、冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、２重管式熱交換器の水により熱を奪われて温度が低下しても凝縮することがなく、２重管式熱交換器の全域で冷媒と水との間の
温度差を形成しやすくなるので、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。さらに、二酸化炭素は比較的安価であり、かつ安定であるので、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。またオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

また、本実施の形態では、Ｐ１、Ｐ２の２つのピッチ長さを用いて説明したが、図２に示すように、ピッチ長さは第１の流体（冷媒）の高温側（上流側）ほど長くなる構成としてもよく、この場合には、ピッチ長さはＰ１、Ｐ２の２つのピッチ長さに限定されることはなく、Ｐ１、Ｐ２、・・・・、Ｐｎ（Ｐ１＜Ｐ２＜・・・・＜Ｐｎ）というように適宜ピッチ長さを変化させてもよい。このような構成とすることで、より第１の流体（冷媒）の高温側（上流側）ほどピッチ長さが長くなるので、Ｐ１、Ｐ２の２つのピッチ長さを用いて螺旋形状を構成するよりも、細かなピッチ長さの間隔を設定でき、大きく熱伝達率を損なうことがない。

以上のように、本実施の形態では、第１の流体（冷媒）の高温側（上流側）ほど、小径管のピッチ長さを大きく形成することで、スケール成分の析出を抑制し、ひいては熱伝達率を向上させることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における２重管式熱交換器の構成図である。図３において、２重管式熱交換器は、２つの小径管７が螺旋形状で、大径管８に内挿されている。本実施例において、小径管７内には、第１の流体である、圧縮機から吐出された高温高圧冷媒の二酸化炭素が流れており、大径管８と小径管７の間に形成される空間には、高温高圧の二酸化炭素と熱交換を行う第２の流体である水が流れている。効率のよい熱交換を行うため、冷媒と水とは対交流をなしている。また、本実施の形態では、小径管７と大径管８は、直線部１０と屈曲部１１を有している。

このように構成された２重管式熱交換器において、直線部１０においては、小径管７はピッチ長さＰ１で螺旋形状を構成しており、屈曲部１１においては、小径管７はピッチ長さＰ２で螺旋形状を構成している。またピッチ長さＰ１とピッチ長さＰ２との間には、Ｐ１＜Ｐ２の関係を有している。これは、屈曲部１１では、直線部１０に比べて流体の流れが乱れやすく、そのため、スケール成分が発生しやすいので、そのスケール成分の発生を抑制するため、できるだけ流体の流れに乱れを生じさせないように、屈曲部１１におけるピッチ長さを、直線部１０におけるピッチ長さよりも大きくしている。

ヒートポンプサイクルの冷媒には二酸化炭素を用いており、２重管式熱交換器内においては、冷媒は臨界圧力以上に加圧されているので、２重管式熱交換器の水により熱を奪われて温度が低下しても凝縮することがなく、２重管式熱交換器の全域で冷媒と水との間の温度差を形成しやすくなるので、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高くできる。さらに、二酸化炭素は比較的安価であり、かつ安定であるので、製品コストを抑えるとともに、信頼性を向上させることができる。またオゾン破壊係数がゼロであり、地球温暖化係数も代替冷媒ＨＦＣ−４０７Ｃの約１７００分の１と非常に小さいため、地球環境に優しい製品を提供できる。

以上のように、本実施の形態では、第１の流体の螺旋形状のピッチ長さを、直線部に比べて屈曲部で大きく形成することで、スケール成分の析出を抑制し、ひいては熱伝達率を向上させることができる。

以上のように、本発明に係る２重管式熱交換器は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機の水−冷媒熱交換器に適用でき、給湯機能の他に、浴槽給湯、暖房機能、乾燥機能を有するヒートポンプ装置にも適用できる。

本発明の実施の形態１における２重管式熱交換器の断面図 同実施の形態における２重管式熱交換器の断面図 本発明の実施の形態２における２重管式熱交換器の断面図 従来のヒートポンプ式給湯機の構成図 （ａ）従来の水―冷媒熱交換器の構成図（ｂ）従来の水―冷媒熱交換器の断面図

符号の説明

７ 小径管
８ 大径管
１０ 屈曲部
１１ 直線部
１０１ 圧縮機
１０２ 給湯用熱交換器
１０３ 減圧器
１０４ 熱源用熱交換器
１０５ 冷媒配管
１０６ 貯湯槽
１０７ 循環ポンプ
１０８ 液体配管

Claims (6)

1. 内部に第１の流体が流れる小径管と、前記小径管の外側に設けられ、前記小径管との間に第２の流体が流れる大径管とを備え、前記小径管は螺旋形状で、前記螺旋形状のピッチ長さを第１の流体の上流側と下流側で変化させたことを特徴とする２重管式熱交換器。
2. 第１の流体を高温流体、第２の流体を低温流体とすることを特徴とする請求項１に記載の２重管式熱交換器。
3. 第１の流体と、第２の流体を対交流とし、螺旋形状のピッチ長さは、第１の流体の上流側が下流側より大であることを特徴とする請求項２に記載の２重管式熱交換器。
4. 小径管および大径管は直線部および屈曲部を有し、前記屈曲部の螺旋形状のピッチ長さは、前記直線部のピッチ長さよりも大とすることを特徴とする請求項１または２に記載の２重管式熱交換器。
5. 小径管を複数設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の２重管式熱交換器。
6. 高温流体に二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の２重管式熱交換器。

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