JP2008069993A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱促進体としての別部品を用いずに伝熱促進することができる熱交換性能の良い小型の熱交換器を提供すること。
【解決手段】第一流体が流れる第一伝熱管２３と、第二流体が流れる第二伝熱管２２とからなり、前記第二伝熱管２２を前記第一伝熱管２３内に配置した熱交換装置２１であって、前記第二伝熱管２２を、複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成し、前記第一伝熱管２３をスパイラル状にねじって構成したことを特徴とするもので、第一伝熱管２３を流れる流体に乱流効果を与え、熱伝達率を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換器に関するものである。

従来の第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換器として、図５に示すように、内管と外管によって構成され冷媒の流路となる二重管を外包管内に同心状に挿入し、二重管と外包管との間に伝熱促進体を設置して、この伝熱促進体で外包管の内側流路を螺旋状に仕切り、二重管と外包管との間の空間を円周方向に４分割し、水の流路となる螺旋状流路を形成した構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２０１２７５号公報（第１−７頁、第１図）

しかしながら上記従来の熱交換装置では、外包管の径を一定とした場合、水流路と冷媒流路の熱交換面積を増加させるために外包管の軸方向における流路高さを低くすると、水の圧力損失が大きくなる。また、水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、伝熱促進のために別部品である伝熱促進体を用いているので、製造時の工数が多くなり、コストも上昇する。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水の圧力損失やスケール成分の溶出が小さく、伝熱促進体としての別部品を用いずに伝熱促進することができる熱交換性能の良い小型の熱交換器及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。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第一流体が流れる第一伝熱管と、第二流体が流れる第二伝熱管とからなり、前記第二伝熱管を前記第一伝熱管内に配置した熱交換装置であって、前記第二伝熱管を、複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成し、前記第一伝熱管をスパイラル状にねじって構成したことを特徴とするもので、第一伝熱管を流れる流体に乱流効果を与え、熱伝達率を向上させるので、熱交換器の性能向上が可能である。

本発明の熱交換器とヒートポンプ給湯装置は、比較的簡単に高性能な熱交換器を構成することが可能となると共に、ヒートポンプ給湯装置の高効率な運転が可能となる。

第１の発明は、第一流体が流れる第一伝熱管と、第二流体が流れる第二伝熱管とからなり、前記第二伝熱管を前記第一伝熱管内に配置した熱交換装置であって、前記第二伝熱管を、複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成し、前記第一伝熱管をスパイラル状にねじって構成したことにより、第一伝熱管を流れる流体が、螺旋状にねじられた前記第二伝熱管に沿って流れることにより、旋回流となり乱流効果を発揮して熱伝達率を向上すると共に、スパイラル状にねじって構成された第一伝熱管によって、乱流効果がさらに増加するので、熱交換器の性能向上が可能である。また、同一の熱交換器性能を発揮するために、たとえば伝熱管の長さを短くできる等、低コスト化、軽量化も効果がある。

第２の発明は、前記螺旋状にねじった第二伝熱管のねじり方向と、前記スパイラル状にした第一伝熱管のねじり方向を同一としたので、第一伝熱管を流れる流体の旋回方向が両方の管で同一となり、乱流効果がさらに増加するので、熱交換器の性能を大きく向上させることが可能である。

第３の発明は、前記螺旋状にねじった第二伝熱管のねじりピッチと、前記スパイラル状にした第一伝熱管のねじりピッチを略同一としたので、第二伝熱管が二本で構成される場合には、第一伝熱管と第二伝熱管の相対位置がほぼ同じになり、かつ、第二伝熱管と第一流体との隙間を周囲方向でより均一にすることが可能となるため、第一伝熱管を流れる流体に、第二伝熱管に沿った乱流効果をスムーズに与えることができ、熱交換器の性能がさらに向上する。

第４の発明は、前記第二伝熱管を構成するそれぞれの前記伝熱管を、外管と内管とからなる二重管とし、前記外管と前記内管との間に大気に開放する漏洩検知溝を形成したので、万一、腐食等が生じて、第二伝熱管の外管または内管を通して第一または第二流体が漏れ出しても、各流体が漏洩検知溝を通して大気に漏洩するのみで、互いに混入することはなく、製品としての安全性が確保される。

第５の発明は、前記第一伝熱管を流れる第一流体と、前記第二伝熱管を流れる第二流体とを対向流としたので、各伝熱管に沿って第一流体と第二流体の温度差を最小にすることが可能となるので、温度効率が大きくとれ、熱交換性能が向上する。

第６の発明は、前記第一流体を水とし、前記第二流体を冷媒として用いたので、容易に給湯用や暖房用の温水を供給することが可能となる。

第７の発明は、前記冷媒として二酸化炭素を用いたので、給湯用や暖房用の高温の温水を高効率で生成することが可能となる。

第８の発明は、前記第一伝熱管の出口側の管径を、前記第一伝熱管の入口側の管径よりも大きくしたので、高温の給湯を生成する場合でも、第一伝熱管の高温側にスケールが発生した場合でも、第一流体の流れる隙間を十分に確保することが可能となり、スケール詰まりを防止することができる。

第９の発明は、第１〜第８の発明のうちいずれかの熱交換器を給湯用熱交換器として用い、圧縮機、前記給湯用熱交換器、膨張弁、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルを備えたので、給湯用や暖房用に必要な高温水を生成するために高効率なヒートポンプ運転が可能となる。

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）
本発明の実施の形態１における熱交換器は、ヒートポンプ給湯装置の給湯用熱交換器として利用され、例えば、図１に示されるヒートポンプ給湯装置の利用側熱交換器２として利用される。

図１のヒートポンプ給湯装置は、第二流体回路としての冷媒用回路Ａと第一流体回路としての水用回路Ｂより構成されている。冷媒用回路Ａは、圧縮機１、利用側熱交換器２の第二流体流路２４、減圧器３、熱源側熱交換器４などからなる。一方、水用回路Ｂは、給水ポンプ５、利用側熱交換器２の第一流体流路２５、給湯タンク６などからなる。この給
湯装置の動作について説明する。圧縮機１で圧縮された第二流体である冷媒（例えば、炭酸ガス）は、高温高圧状態となり、利用側熱交換器２の第二流体流路２４を通過する際に、第一流体流路２５を流れる第一流体（例えば、水）に放熱し冷却される。

すなわち、給湯タンク６の底部から給水ポンプ５により第一流体流路２５へ送り込まれた水は、第二流体流路２４を流れる冷媒により加熱される。その後冷媒は、減圧器３により減圧されて、低温低圧の気液二相状態となる。熱源側熱交換器４では、冷媒は空気から熱を奪い、気液二相またはガス状態となる。さらに、気液二相またはガス状態となった冷媒は、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器２の第一流体流路２５を流れる水はお湯となり、そのお湯を給湯タンク６の頂部に貯めることで給湯器として利用できる。

図１の給湯装置の利用側熱交換器２として用いられる本発明の第１の実施の形態における熱交換器を、図２の概略構成図、および、図３の概略断面図を用いて説明する。図３は、二重管の軸方向に垂直な方向の、図２で示すＡ−Ａの断面図、およびＢ−Ｂの断面図である。

図２および図３において、熱交換器２１は、二本の伝熱管を螺旋状に巻いた二重管２２を外管２３に挿入して構成している。また、伝熱管２２は、冷媒管２６と、漏洩検知溝２８を有した漏洩検知管２７とから構成されている。ここにおいて、冷媒管２６の内部には第二流体流路２４が形成され、二重管２２の外側と外管２３の内側の間には第一流体流路２５が形成されている。

二重管２２の両端部は、第二流体流路２４と第一流体流路２５とが、外部に連通することなく分離されている。すなわち、二重管２２が外管２３の外側に引き出されている。二重管２２の両端部では、２本の冷媒管２６と漏洩検知管２７とが分離され、漏洩検知管２７に設けられた漏洩検知溝２８は外部に連通している。また、２本の冷媒管２６の両端部には合流部３２が設けられており、２本の冷媒管２６の内部に形成された第二流体流路２４は外部に連通することなく、統合されている。

第二流体流路２４は入口部３３ａと出口部３３ｂを持ち、また、第一流体流路２５は入口部３４ａ、出口部３４ｂを持っている。第二流体流路入口部３３ａと第二流体流路出口部３３ｂを冷媒用回路Ａに接続し、第一流体流路入口部３４ａと第一流体流路出口部３４ｂを水用回路Ｂに接続することで、第二流体（例えば、炭酸ガス）と第一流体（例えば、水）との間で熱交換を行うことができる。

なお、図中の矢印は第一および第二流体の流れ方向を示しており、熱交換器２１では第一流体と第二流体が対向流で熱交換するように構成されている。
一方、外管２３は、管をスパイラル状にねじって構成しており、また、螺旋状にねじった二重管２２のねじりピッチ（Ｐｉ）と、スパイラル状にした外管２３のねじりピッチ（Ｐｏ）を同じ方向で、かつ略同一としている。こうすることにより、二重管２２の断面並び方向と外管２３の断面長径方向を一致させることができる。

すなわち、図３に示すようにＡ−Ａ断面の場合、二重管２２の断面並びが横方向となる場合、外管２３の断面長径方向も横方向となり、また、Ｂ−Ｂ断面の場合、二重管２２の断面並びが縦方向となる場合、外管２３の断面長径方向も縦方向となるため、常に二重管２２と外管２３との隙間を周囲方向で均一にすることが可能となるため、二重管２２と水がより接触しやすくなり、また、外管内側を流れる水に、二重管２２に沿った乱流効果をスムーズに与えることができ、水側の熱伝達率が向上して熱交換器２１の性能が向上するものである。

したがって、本実施の形態では同一の熱交換量を必要とする場合には、熱交換器の重量の低減、あるいは、低コスト化が可能である。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態における熱交換器を、図４の外観図を用いて説明する。なお、図４において図３と同様の構成部品には同じ番号を付し、説明を省略する。

図４において、４１は熱交換器であり、二本の伝熱管を螺旋状に巻いた二重管（図示せず）を外管２３に挿入して構成し、コイル状に巻かれて構成している。

二重管の両端部は、二重管が外管２３の外側に引き出されており、その両端部は、２本の冷媒管２６と漏洩検知管２７とが分離され、漏洩検知管２７に設けられた漏洩検知溝（図示せず）は外部に連通している。また、２本の冷媒管２６の両端部には合流部３２が設けられている。

第二流体は入口部４３ａと出口部４３ｂを持ち、また、第一流体は入口部４４ａ、出口部４４ｂを持っている。第二流体流路入口部４３ａと第二流体流路出口部４３ｂを冷媒用回路Ａに接続し、第一流体流路入口部４４ａと第一流体流路出口部４４ｂを水用回路Ｂに接続することで、第二流体（例えば、炭酸ガス）と第一流体（例えば、水）との間で熱交換を行うことができる。

なお、図中の矢印は第一および第二流体の流れ方向を示しており、二重管２２では第一流体と第二流体が対向流で熱交換するように構成されている。

ここにおいては、外管２３の外径（すなわち内径）を、水の入口部４４ａよりも水の出口部（高温水部）４４ｂ側の方を大きくしている。すなわち、外管２３の高温側外管４５の外径を大きくしている。

こうすることにより、高温の給湯を生成する場合に、水道水中に存在するカルシウムやマグネシウムなどの硬度成分が外管２３の出口部（高温水部）４４ｂにスケールとして発生した場合でも、水の流れる隙間を十分に確保することが可能となり、スケール詰まりを防止することができる。

なお、以上の実施の形態において、内管は２本の冷媒管と漏洩検知管から構成されていると説明しているが、２本以上の冷媒管と漏洩検知管から構成してもよい。また、内管や外管は銅製であるとしているが、これ以外の材料でもよい。

本発明の熱交換器は、二つの流体を熱交換する熱交換器で、特に、水と冷媒（例えば、炭酸ガスなど）とを熱交換させ、お湯を得るヒートポンプ式給湯装置等に用いる給湯用熱交換器に適している。

本発明の実施の形態１におけるヒートポンプ給湯装置を示す構成図 本発明の実施の形態１における熱交換器の構成図 （ａ）図２のＡ−Ａ断面図（ｂ）図２のＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の構成図 従来の熱交換器の構成図

符号の説明

２１、４１ 熱交換器
２２ 二重管
２３ 外管
２４ 第二流体流路（冷媒用流路）
２５ 第一流体流路（水用流路）
２６ 冷媒管
２７ 漏洩検知管
２８ 漏洩検知溝
３１ 分岐部
３２ 合流部
３３ａ、４３ａ 第二流体流路入口部
３３ｂ、４３ｂ 第二流体流路出口部
３４ａ、４４ａ 第一流体流路入口部
３４ｂ、４４ｂ 第一流体流路出口部
４５ 高温側外管

Claims (9)

1. 第一流体が流れる第一伝熱管と、第二流体が流れる第二伝熱管とからなり、前記第二伝熱管を前記第一伝熱管内に配置した熱交換装置であって、前記第二伝熱管を、複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成し、前記第一伝熱管をスパイラル状にねじって構成したことを特徴とする熱交換器。
2. 螺旋状にねじった第二伝熱管のねじり方向と、スパイラル状にした第一伝熱管のねじり方向を同一としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 螺旋状にねじった第二伝熱管のねじりピッチと、スパイラル状にした第一伝熱管のねじりピッチを略同一としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 第二伝熱管を構成するそれぞれの前記伝熱管を、外管と内管とからなる二重管とし、前記外管と前記内管との間に大気に開放する漏洩検知溝を形成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 第一伝熱管を流れる第一流体と、第二伝熱管を流れる第二流体とを対向流としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 第一流体を水とし、第二流体を冷媒として用いることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項６記載の熱交換器。
8. 第一伝熱管の出口側の管径を、第一伝熱管の入口側の管径よりも大きくしたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
9. 請求項１〜請求項８のいずれかに１項に記載の熱交換器を給湯用熱交換器とし、圧縮機、前記給湯用熱交換器、減圧手段、及び蒸発器を配管で接続したヒートポンプサイクルを有することを特徴とするヒートポンプ給湯装置。

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