JP4114306B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯水等の水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて給湯水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器（以下、給湯器と略す。）に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
給湯器用の熱交換器は、水道水等の給湯用の水が流通する水チューブと冷媒が流通する冷媒チューブとを有して、水と冷媒とを熱交換して水を加熱するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、水の中（特に、水道水）には、カルシウム（Ｃａ）が含まれているため、加熱されて水の温度が上昇すると、カルシウムの溶解度が低下して水に溶けていたカルシウムが析出する。そして、析出したカルシウムが水チューブの内壁に付着すると、水チューブが詰まってしまい、熱交換器が機能しなくなる。
【０００４】
これに対して、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブの通路断面積を大きく設定すると、水チューブ内を流通する水の流速が小さくなり、水の流通状態が層流状態となるので、水と水チューブとの熱伝達率が小さくなり、熱交換効率が低下する。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑み、水と冷媒とを熱交換する熱交換器において、付着（析出）したカルシウムにより水チューブが詰まってしまうことを防止しつつ、熱交換効率を向上させることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、ヒートポンプサイクルにて給湯用の給湯水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器にて適用され、給湯水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、給湯水を冷媒の流れに対して交差するように蛇行させて流通させる水チューブ（２２３）と、水チューブ（２２３）内に配設されたインナーフィン（２２３ｆ）とを有し、インナーフィン（２２３ｆ）は、板状のセグメントを千鳥状にオフセット配置したオフセット型のフィンであることを特徴とする。
【０００７】
これにより、給湯水と水チューブ（２２３）との間における伝熱面積が増大するとともに、水チューブ（２２３）内を流通する給湯水がインナーフィン（２２３ｆ）により乱されて乱流状態となり、水と水チューブ（２２３）との熱伝達率が大きくなる。
【０００８】
このため、水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下することがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定することができる。したがって、付着（析出）したカルシウムにより水チューブ（２２３）が詰まってしまうことを防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、ポンプサイクル内を循環する冷媒のうち高圧側の冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、冷媒チューブ（２２１）内を流通する冷媒と熱交換する水が流通するとともに、内部にインナーフィン（２２３ｆ）を有する水チューブ（２２３）とを備え、冷媒の流れと水の流れとが直交対向流れとなるように両チューブ（２２１、２２３）が配設されており、インナーフィン（２２３ｆ）は、板状のセグメントを千鳥状にオフセット配置したオフセット型のフィンであることを特徴とする。
【００１０】
これにより、水と水チューブ（２２３）との間における伝熱面積が増大するとともに、水チューブ（２２３）内を流通する水がインナーフィン（２２３ｆ）により乱されて乱流状態となり、水と水チューブ（２２３）との熱伝達率が大きくなる。
【００１１】
このため、水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下することがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定することができる。したがって、付着（析出）したカルシウムにより水チューブ（２２３）が詰まってしまうことを防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて給湯用の給湯水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器にて適用され、給湯水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、給湯水が流通するとともに、内部にインナーフィン（２２３ｆ）が配設された水チューブ（２２３）とを備え、水チューブ（２２３）は、冷媒チューブ（２２１）の長手方向全域に渡って、長手方向が冷媒チューブ（２２１）の長手方向に対して直交するように配設された複数本の水チューブ本体（２２３ａ）、及び水チューブ本体（２２３ａ）の長手方向端部にて隣り合う水チューブ本体（２２３ａ）を接続して給湯水の流通方向を１８０°転向させる水チューブヘッダ（２２３ｂ）を有して構成されており、インナーフィン（２２３ｆ）は、板状のセグメントを千鳥状にオフセット配置したオフセット型のフィンであることを特徴とする。
【００１３】
これにより、給湯水と水チューブ（２２３）との間における伝熱面積が増大するとともに、水チューブ（２２３）内を流通する給湯水がインナーフィン（２２３ｆ）により乱されて乱流状態となり、水と水チューブ（２２３）との熱伝達率が大きくなる。
【００１４】
このため、水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下することがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブ（２２３）の通路断面積を大きく設定することができる。したがって、付着（析出）したカルシウムにより水チューブ（２２３）が詰まってしまうことを防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。
【００１５】
なお、インナーフィン（２２３ｆ）は、請求項１〜３に記載の発明のごとく、板状のセグメントを千鳥状にオフセット配置したオフセット型のフィンとすることが望ましい。
【００１６】
また、冷媒は、請求項４に記載の発明のごとく、二酸化炭素とすることが望ましい。
【００１７】
さらに、請求項５に記載の発明のごとく、水チューブ（２２３）は銅又ステンレス製であり、冷媒チューブ（２２１）はアルミニウム製とすることが望ましい。
【００１８】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、本発明に係る熱交換器を家庭用給湯器に適用したものであって、図１は給湯器１００の外観図であり、図２は給湯器１００の模式図である。図２中、２００（２点鎖線で囲まれたもの）は、給湯水を加熱し高温（本実施形態では約８５℃）の温水を生成する超臨界ヒートポンプ式給湯器（以下、ヒートポンプと略す。）である。
【００２０】
なお、超臨界ヒートポンプとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とするヒートポンプサイクルである。
【００２１】
また、３００はヒートポンプ２００にて加熱された温水を保温貯蔵する複数個の保温タンクであり、各保温タンク３００は、温水（給湯水）流れに対して並列となるように配設されている。
【００２２】
図２中、２１０は冷媒（本実施形態では二酸化炭素）を吸入圧縮する圧縮機であり、この圧縮機２１０は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（図示せず）及び圧縮機構を駆動する電動モータ（図示せず）が一体となった電動圧縮機である。
【００２３】
２２０は本実施形態に係る熱交換器であり、圧縮機２１０から吐出する冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器（放熱器）である。なお、詳細は後述する。
【００２４】
２３０は水熱交換器２２０から流出する冷媒を減圧する電気式膨張弁（減圧器）であり、２４０は、電気式膨張弁２３０（以下、膨張弁２３０と略す。）から流出する冷媒を蒸発させて大気中の熱を冷媒に吸収させるとともに、後述するアキュムレータ２５０（圧縮機２１０の吸入側）に向けて冷媒を流出する蒸発器である。
【００２５】
２５０は、蒸発器２４０から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機２１０の吸入側に流出するとともに、ヒートポンプ２００中の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータである。
【００２６】
２６０は蒸発器２４０に空気（外気）を送風するとともにその送風量を調節することができる送風機（送風量調節手段）であり、この送風機２６０、圧縮機２１０及び膨張弁２３０は、後述する各センサの検出信号に基づいて電子制御装置（ＥＣＵ）２７０により制御されている。
【００２７】
そして、２７１は水熱交換器２２０から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（冷媒温度検出手段）であり、２７２は水熱交換器に流入する給湯水の温度を検出する第１温水温度センサ（第１温水温度検出手段）である。
【００２８】
２７３は水熱交換器２２０から流出する冷媒の圧力（高圧側の冷媒圧力）を検出する冷媒圧力センサ（冷媒圧力検出手段）であり、２７４は水熱交換器２２０から流出する給湯水の温度を検出する第２温水温度センサ（第２温水温度検出手段）である。そして、各センサ２７１〜２７４の検出信号は、ＥＣＵ２７０に入力されている。
【００２９】
ここで、高圧側の冷媒圧力とは、圧縮機２１０の吐出側から膨張弁２３０の流入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吐出圧（水熱交換器２２０の内圧）に略等しい。一方、低圧側の冷媒圧力とは、膨張弁２３０の流出側から圧縮機２１０の吸入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吸入圧（蒸発器２４０の内圧）に略等しい。
【００３０】
また、４００は、水熱交換器２２０に給湯水を供給する（循環させる）と共に、その給湯水量を調節する電動ウォータポンプ（以下、ポンプと略す。）であり、４１０は水道管（図示せず）から給水される水道水が水熱交換器２２０に流入することを防止する閉止弁である。そして、ポンプ４００及び閉止弁４１０もＥＣＵ２７０により制御されている。
【００３１】
次に、水熱交換器２２０について述べる。
【００３２】
図３は水熱交換器２２０の外形図であり、２２１は冷媒が流通する断面形状が扁平に形成された冷媒チューブであり、この冷媒チューブ２２１はアルミニウム材を押し出し加工又は引き抜き加工にて成形したものである。この冷媒チューブ２２１は、図４に示すように、１本の冷媒チューブ２２１内に複数本の冷媒通路２２１ａを有する多穴構造とすることで耐圧強度を高めたものである。
【００３３】
そして、図３中、２２２は冷媒チューブ２２１の長手方向両端側に配設されて複数本の冷媒通路２２１ａに連通する冷媒チューブヘッダであり、長手方向一端側（紙面下側）の冷媒チューブヘッダ２２２は各冷媒通路２２１ａに冷媒を分配供給するもので、長手方向他端側（紙面上側）の冷媒チューブヘッダ２２２は給湯水と熱交換を終えた冷媒を集合回収するものである。
【００３４】
また、２２３は給湯水が流通する水チューブであり、この水チューブ２２３は、冷媒チューブ２２１の長手方向全域に渡って、長手方向が冷媒チューブ２２１の長手方向（冷媒の流通方向）に対して直交するように配設された複数本（本実施形態では、１２本）の水チューブ本体２２３ａ、及び水チューブ本体２２３ａの長手方向端部にて隣り合う水チューブ本体２２３ａを接続して給湯水の流通方向を１８０°転向させる水チューブヘッダ２２３ｂ等から構成されたものである。
【００３５】
このため、水チューブ２２３内を流通する給湯水は、冷媒の流れに対して直交（交差）するように蛇行しながら冷媒チューブ２２１の長手他端側（本実施形態では、紙面上側）から一端側（本実施形態では、紙面下側）に向けて流通するので、冷媒流れと給湯水流れとは直交対向流れとなる。
【００３６】
ところで、水チューブ２２３（水チューブ本体２２３ａ）は、図５に示すように、断面形状がバスタブ状（弓なり）となるようにプレス成形された第１、２プレート２２３ｃ、２２３ｄをろう付け接合したもので、内部（水通路２２３ｅ内）にオフセット型のインナーフィン２２３ｆが配設されている。なお、第１、２プレート２２３ｃ、２２３ｄ及びインナーフィン２２３ｆは、銅又はステンレス等の耐食性に優れた金属製である。
【００３７】
因みに、オフセット型のフィン（マルチエントリ型フィン）とは、熱交換器設計ハンドブック（工学図書株式会社発行）や第１９回・日本伝熱シンポジウム講演論文集等に記載されているように、板状のセグメント２２３ｇを千鳥状にオフセット配置したものである。
【００３８】
次に、本実施形態に係る水熱交換器２２０の製造方法の概略について述べる。
【００３９】
先ず、所定形状（バスタブ形状）にプレス成形された第１、２プレート２２３ｃ、２２３ｄのうち両プレート２２３ｃ、２２３ｄの接触面、及びインナーフィン２２３ｆのうち両プレート２２３ｃ、２２３ｄとの接触面にフラックス及びろう材（本実施形態では、リンと銅との合金）を塗布し（ろう材塗布工程）、両プレート２２３ｃ、２２３ｄ及びインナーフィン２２３ｆを図５に示すように組み立てて、ワイヤー等の治具により組み立てた状態を保持し（第１仮組工程）、その後、炉内で加熱して両プレート２２３ｃ、２２３ｄ及びインナーフィン２２３ｆをろう付け接合する（第１ろう付け工程）。
【００４０】
次に、第１ろう付け工程で製造されたチューブ２２３と冷媒チューブ２２１との間にろう材（本実施形態では、冷媒チューブ２２１より融点の低いアルミニウム材）の薄膜を配置した状態で、ワイヤー等の治具にて両チューブ２２１、２２３を図５に示すように固定する（第２仮組工程）。その後、第２仮組工程を終了したものを炉内で加熱して両チューブ２２１、２２３をろう付け接合する（第２ろう付け工程）。
【００４１】
なお、本実施形態において、ろう付け工程を２工程に分けたのは、水チューブ２２３の融点と冷媒チューブ２２１の融点が大きく相違するからである。
【００４２】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００４３】
本実施形態によれば、水チューブ２２３内にインナーフィン２２３ｆを配設しているので、給湯水と水チューブ２２３との間における伝熱面積が増大するとともに、水チューブ２２３内を流通する給湯水がインナーフィン２２３ｆにより乱されて乱流状態となり、水と水チューブ２２３との熱伝達率が大きくなる。
【００４４】
このため、水チューブ２２３の通路断面積を大きく設定しても、熱交換効率が大きく低下することがないので、付着（析出）するカルシウム量を見込んで水チューブ２２３の通路断面積を大きく設定することができる。したがって、付着（析出）したカルシウムにより水チューブ２２３が詰まってしまうことを防止しつつ、熱交換効率を向上させることができる。
【００４５】
なお、直交対向流型の熱交換器は、直交する列数（本実施形態では、水チューブ本体２２３ａの本数）が多く（概ね、６本以上）なると、熱交換効率は対向流型の熱交換器と同等となる（コンパクト熱交換器（日刊工業新聞社）等参照）。したがって、本実施形態に係る水熱交換器２２０は対向流型の熱交換器と同等の熱交換能力を得ることができる。
【００４６】
ところで、仮に、水チューブ２２３を単純な直線状のものとし、給湯水を冷媒流れに対して蛇行させることなく冷媒流れと反対向きに流通させた（対向流流れとした）場合には、水チューブ２２３と冷媒チューブ２２１との伝熱面積（接触面積）を確保すべく、水チューブ２２３の長径寸法（幅寸法）と冷媒チューブ２２１の長径寸法（幅寸法）とを等しくせざるを得ない。
【００４７】
ここで、チューブの長径寸法（幅寸法）とは、チューブのうち長手方向と直交する方向と平行な部位の寸法を言うものである。
【００４８】
しかし、水チューブ２２３の長径寸法を冷媒チューブ２２１の長径寸法と等しくすると、水チューブ２２３（水通路２２３ｅ）の幅が大きくなるので、水チューブ２２３（水通路２２３ｅ）の長径方向全域に渡って給湯水を均一に流通させることが難しい。このため、水チューブ２２３のうち流量が小さい部位では、熱交換能力が低下するので、水熱交換器２２０の熱交換能力が低下してしまう。
【００４９】
これに対して、本実施形態では、図３に示すように、冷媒チューブ２２１の長手方向全域に渡って、水チューブ本体２２３を冷媒チューブ２２１に対して直交するように配設して直交対向型の熱交換器を構成しているので、水チューブ２２３と冷媒チューブ２２１との伝熱面積（接触面積）を確保しつつ、水チューブ２３の長径寸法（幅寸法）を小さくすることができるので、水チューブ２２３（水通路２２３ｅ）の長径方向全域に渡って給湯水を均一に流通させることが可能となり、水熱交換器２２０の熱交換能力を向上させることができる。
【００５０】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、水チューブ２２３は複数の部品を接合して構成したが、サーペインタイン型熱交換器のチューブのごとく、１本のチューブを蛇行させて水チューブを構成してもよい。
【００５１】
また、上述の実施形態では、インナーフィン２２３ｆとして、オフセット型のフィンを用いたが本発明はこれに限定されるものではなく、波状のコルゲートフィン等のその他形式のフィンであってもよい。
【００５２】
また、上述の実施形態では、超臨界ヒートポンプ式給湯器に本発明に係る熱交換器を適用したが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、臨界圧力未満で稼働するヒートポンプ式給湯器等のその他のヒートポンプにも適用することができる。
【００５３】
なお、本発明により給湯される温水は、飲料用、暖房用、加熱用等のその用途は限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る給湯器の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図３】（ａ）は本発明の実施形態に係る水熱交換器の正面図であり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る水熱交換器に適用される冷媒チューブの断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る水熱交換器に適用される冷媒チューブ及び水チューブの断面図である。
【符号の説明】
２１１…冷媒チューブ、２２３…水チューブ、２２３ｆ…インナーフィン。

Claims (5)

1. ヒートポンプサイクルにて給湯用の給湯水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器にて適用され、前記給湯水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、
   前記冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、
   前記給湯水を前記冷媒の流れに対して交差するように蛇行させて流通させる水チューブ（２２３）と、
   前記水チューブ（２２３）内に配設されたインナーフィン（２２３ｆ）とを有し、
   前記インナーフィン（２２３ｆ）は、板状のセグメントを千鳥状にオフセット配置したオフセット型のフィンであることを特徴とする熱交換器。
2. ヒートポンプサイクル内を循環する冷媒のうち高圧側の冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、
   前記冷媒チューブ（２２１）内を流通する冷媒と熱交換する水が流通するとともに、内部にインナーフィン（２２３ｆ）を有する水チューブ（２２３）とを備え、
   前記冷媒の流れと前記水の流れとが直交対向流れとなるように前記両チューブ（２２１、２２３）が配設されており、
   前記インナーフィン（２２３ｆ）は、板状のセグメントを千鳥状にオフセット配置したオフセット型のフィンであることを特徴とする熱交換器。
3. 高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて給湯用の給湯水を加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯器にて適用され、前記給湯水と冷媒とを熱交換する熱交換器であって、
   前記冷媒が流通する冷媒チューブ（２２１）と、
   前記給湯水が流通するとともに、内部にインナーフィン（２２３ｆ）が配設された水チューブ（２２３）とを備え、
   前記水チューブ（２２３）は、前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向全域に渡って、長手方向が前記冷媒チューブ（２２１）の長手方向に対して直交するように配設された複数本の水チューブ本体（２２３ａ）、及び前記水チューブ本体（２２３ａ）の長手方向端部にて隣り合う前記水チューブ本体（２２３ａ）を接続して前記給湯水の流通方向を１８０°転向させる水チューブヘッダ（２２３ｂ）を有して構成されており、
   前記インナーフィン（２２３ｆ）は、板状のセグメントを千鳥状にオフセット配置したオフセット型のフィンであることを特徴とする熱交換器。
4. 前記冷媒は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の熱交換器。
5. 前記水チューブ（２２３）は銅又はステンレス製であり、前記冷媒チューブ（２２１）はアルミニウム製であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の熱交換器。

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