JP2008196790A - 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】簡単な構造で伝熱促進することができる熱交換性能のよい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。
【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２６とからなり、第二伝熱管２６を第一伝熱管２３内に配置した熱交換器２１であって、熱交換器２１の第一伝熱管２３、および第二伝熱管２６の長手方向に垂直の断面において、第一伝熱管２３の内壁の各部と第二伝熱管２６の外壁との最短距離が、略同一となるように構成した。
【選択図】図３

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、及び、その熱交換器を用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来のこの種の熱交換器について図６を用いて説明する。

図に示すように、内管１０１と外管１０２によって構成され冷媒の流路Ｒとなる二重管１０３を外包管１０４内に同心状に挿入し、二重管１０３と外包管１０４との間に伝熱促進体１０５を設置して、この伝熱促進体１０５で外包管１０４の内側流路を螺旋状に仕切り、二重管１０３と外包管１０４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の流路Ｗを形成した熱交換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２０１２７５号公報（第３頁、第５図）

しかしながら上記従来の熱交換装置では、外包管１０４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１０４の軸方向における流路Ｗの高さを低くすると、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Ｗの壁に付着し、流路Ｗ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１０５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よ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器であって、前記熱交換器の前記第一伝熱管、および前記第二伝熱管の長手方向に垂直の断面において、前記第一伝熱管の内壁の各部と前記第二伝熱管の外壁との最短距離が、略同一となるように構成したものである。

本発明の熱交換器とヒートポンプ給湯装置は、第一伝熱管の内壁の各部と第二伝熱管の外壁との最短距離が、略同一になるように構成したことにより、第一伝熱管を流れる流体と第二流体との距離が略同一になるため、熱交換に寄与しない流体の流れが阻止され、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り、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の本願発明は、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器であって、前記熱交換器の前記第一伝熱管、および前記第二伝熱管の長手方向に垂直の断面において、前記第一伝熱管の内壁の各部と前記第二伝熱管の外壁との最短距離が、略同一になるように構成したものである。

この構成ことにより、第一流体と第二伝熱管の伝熱壁との熱伝達に寄与しない第一流体の流れが少なくなり、ほとんどの第一流体が第二伝熱管の伝熱壁と熱交換するために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。

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、軽量化にも効果がある。

第２の本願発明は、前記第二伝熱管を複数本の伝熱管から構成したので、第二伝熱管の周囲面積を増大させることができ、第一流体と第二流体との熱交換面積を増加させることができるので、熱交換器の性能をさらに向上することが可能である。

第３の本願発明は、前記第一伝熱管の内壁と前記第二伝熱管の外壁との最短距離が略同一になるように前記第一伝熱管と前記第二伝熱管の相対位置を決定できる位置決め部品を設けたので、最短距離を確実に同一にでき、第一流体と第二伝熱管の伝熱壁との熱伝達に寄与しない第一流体の流れが少なくなり、ほとんどの第一流体が第二伝熱管の伝熱壁と熱交換するために熱伝達率を向上させるので、さらに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、軽量化にも効果がある。

第４の本願発明は、前記第二伝熱管を複数本の伝熱管から構成し、ツイスト状のねじり構造とし、第一伝熱管は同じピッチの螺旋構造としたので、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、軽量化にも効果がある。

第５の本願発明は、前記第二伝熱管を、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６の本願発明は、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７の本願発明は、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８の本願発明は、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９の本願発明は、略同一として構成した前記第一伝熱管の内壁と前記第二伝熱管の外壁との最短距離が、前記第一伝熱管の入口側よりも出口側を大きくしたので、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１０の本願発明は、上記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構成したので、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。

本発明の実施の形態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を配管で環状に接続して構成されている。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を配管で接続して構成されている。 次にこのヒートポンプ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。
（実施の形態１）
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実施の形態１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。なお、図３は、図２で示すＡ−Ａの断面図である。

図２および図３において、本発明の実施の形態１における熱交換器２１は、伝熱管としての二本の二重管２２を外管２３に挿入して構成している。また、二重管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。そして、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。

本実施の形態では、外管２３は、その内壁の各部が漏洩検知管２７の外壁との距離を略一定になるように、瓢箪形状の断面を持つ管形状としている。

また、漏洩検知管２７と外管２３との相対位置を保つために位置決め部材２９が設けられ、この位置決め部材２９は、たとえば、図４に示すような突起部３０をもつリング状の線材からなっており、これが、漏洩検知管２７の適所に点在して挿入されている。

また、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は第二流体流路入口部３３ａと第二流体流路入口部３３ａを持ち、また、第一流体流路２５は第一流体流路入口部３４ａ、第一流体流路入口部３４ａ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、第二流体は分岐部３１で分岐され、合流部３２で合流する。

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。

こうすることにより、第一流体流路２５の隙間、すなわち、外管２３の内壁の各部と漏洩検知管２７の外壁との最短距離が均一となるため、漏洩検知管２７の外壁間での熱伝達に寄与しない第一流体の流れが少なくなり、ほとんどの第一流体が漏洩検知管２７の伝熱壁と熱交換するために熱伝達率が向上し、熱交換器２１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、軽量化にも効果がある。

この場合、二重管２２をツイスト状のねじり構造とし、外管２３も二重管２２のツイスト状のねじり構造としても良い。

その場合には、螺旋状にねじった二重管２２のねじりピッチと、外管２３のねじりピッチを同じ方向で、かつ略同一とする。

こうすることにより、第一流体流路２５の隙間、すなわち、外管２３の内壁の各部と漏洩検知管２７の外壁との最短距離が均一となったまま、第一流体流路２５を流れる第一流体に攪拌効果が生まれるため、二重管２２に沿った乱流効果を与えることができ、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。

また、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）
本発明の実施の形態２における熱交換器を、図５の外観図を用いて説明する。なお、図５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５において、本発明の実施の形態２における熱交換器４１は、二本の二重管（図示せず）からなる伝熱管を外管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。

第二流体は第二流体流路入口部４３ａと第二流体流路入口部４３ａを持ち、また、第一流体は第一流体流路入口部４４ａ、第一流体流路入口部４４ａ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、水の第一流体流路入口部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ける熱交換器の構成図 同熱交換器を構成する二重管の断面図 同熱交換器を構成する位置決め部材の構成図 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

１ 圧縮機
２ 利用側熱交換器
３ 減圧器
４ 熱源側熱交換器
５ 給水ポンプ
６ 給湯タンク
Ａ 第１流体回路（冷媒用回路）
Ｂ 第２流体回路（水用回路）
２１、４１ 熱交換器
２２ 二重管
２３ 外管（第一伝熱管）
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（第二伝熱管）
２７ 漏洩検知管
２８ 漏洩検知溝
２９ 位置決め部材
３０ 突起部
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 (10)

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器であって、前記熱交換器の前記第一伝熱管、および前記第二伝熱管の長手方向に垂直の断面において、前記第一伝熱管の内壁の各部と前記第二伝熱管の外壁との最短距離が、略同一となるように構成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記第二伝熱管を複数本の伝熱管から構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第一伝熱管の内壁の各部と前記第二伝熱管の外壁との最短距離が略同一になるように前記第一伝熱管と前記第二伝熱管の相対位置を決定できる位置決め部品を設け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. 前記第二伝熱管を複数本の伝熱管から構成してツイスト状のねじり構造とし、前記第一伝熱管は、前記第二伝熱管のツイスト状のねじり構造と同じピッチとした螺旋構造とすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記第二伝熱管を、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１〜４のいずれかに記載の熱交換器。
6. 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ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器。
7. 前記第一流体を水とし、前記第二流体を冷媒として用いることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の熱交換器。
8. 前記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７記載の熱交換器。
9. 略同一として構成した前記第一伝熱管の内壁と前記第二伝熱管の外壁との最短距離が、前記第一伝熱管の入口側よりも出口側を大きくしたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱交換器。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載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環状に接続したヒートポンプサイクルを備えたことを特徴とするヒートポンプ給湯装置。

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