JP5046748B2 - 給湯システムのガスクーラ - Google Patents

Description

本発明は、ヒートポンプユニットを備えた給湯システムに組み込まれるガスクーラに関する。

この種の給湯システムは省エネや地球環境への負荷軽減を目的として、その普及が促進されつつある。給湯システムの性能は成績係数（ＣＯＰ）で評価され、この成績係数はガスクーラでの熱交換効率に大きく左右される。すなわち、ガスクーラはヒートポンプユニット側の冷媒と給湯ユニット側のタンク水との間での熱交換をなすことから、給湯システムにとってはその性能を決定する重要な構成要素の１つである。

このようなガスクーラは、チューブインチューブ式やインナアウタチューブ式の他、プレート式のものが知られている。プレート式のガスクーラは、成形されたプレートを接合して形成される箱体の内部空間にタンク水を流し、この空間内に冷媒の流れるチューブを配置し（特許文献１）、或いは、上記箱体の外周に上記チューブを巻回する（特許文献２）等して冷媒とタンク水との熱交換を行っている。
特開２００７−３０１４号公報 特開２００３−３１４９７５号公報

しかしながら、上記特許文献１では、チューブとタンク水とが直接に接触しており、チューブの破損によって漏洩した冷媒がタンク水へ混入するのを防止するためには、チューブに２重管構造の冷媒漏洩検知管を使用せざるを得ず、ガスクーラにおける製作コストが増大するとの問題がある。
一方、上記特許文献２では、上記特許文献１に比してガスクーラにおける熱交換効率の低下は否めないとの問題もある。

また、上記特許文献１，２は単層式のガスクーラであって、積層式のガスクーラについては格別な配慮がなされておらず、ガスクーラにおいて所望の熱交換量を確保するためにはガスクーラの重厚長大化は避けられないとの問題もある。
本発明は上述の事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、ガスクーラの安全性、熱交換効率を向上しながら、その小型化及び軽量化、ひいては製作コストの低減をも実現することができる給湯システムのガスクーラを提供することにある。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の給湯システムのガスクーラは、ヒートポンプユニットの冷媒循環経路を流れる冷媒と給湯ユニットの貯湯循環経路を流れるタンク水との間にて熱交換を行い、タンク水を所定温度に加熱する給湯システムのガスクーラにおいて、複数積層され、タンク水を流す流路を形成する箱体と、隣接する各箱体の間に形成される空間と、冷媒を流すとともに単数又は複数の曲成部を有するチューブとを備え、曲成部は隣接する各箱体に接触して空間に配置され、箱体は、タンク水の入口を有する流入側箱体と、タンク水の出口を有する流出側箱体と、流入側箱体と流出側箱体との間に１又は複数積層される中間箱体とから構成されていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、請求項１において、箱体は凹凸状の内面を有することを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、請求項１又は２において、ガスクーラは、複数積層された箱体の流路を並列に連通するとともに、チューブの複数の曲成部を並列に接続してなることを特徴としている。

更にまた、請求項４記載の発明では、請求項１又は２において、ガスクーラは、複数積層された箱体の流路を直列に連通するとともに、チューブの複数の曲成部を直列に接続してなることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明では、請求項３又は４において、ガスクーラは、隣接する各箱体を互いに連結する連結部と、連通部に穿孔された連通孔とを更に備え、連通孔により流路を連通することを特徴としている。

更に、請求項６記載の発明では、請求項２において、箱体は、凹凸状の内面を入水口及び出湯口に近づくにつれて凹凸高さが徐々に低くなるよう形成されることを特徴としている。
更に、請求項７記載の発明では、請求項３乃至５において、箱体は、凹凸状の内面を有し、前記凹凸状の内面を前記入水口及び前記出湯口に近づくにつれて凹凸高さが徐々に低くなるよう形成されることを特徴としている。
更にまた、請求項８記載の発明では、請求項１から７のいずれかにおいて、チューブに流す冷媒と流路に流すタンク水とは全体として対向流をなすことを特徴としている。

また、請求項９記載の発明では、請求項１から８のいずれかにおいて、冷媒はＣＯ₂ガスであることを特徴としている。

請求項１記載の本発明の給湯システムのガスクーラによれば、チューブの曲成部が隣接する各箱体の間に形成される空間に配置され、これら箱体に接触している。これにより、冷媒漏洩検知管を使用しなくとも、チューブから漏洩した冷媒がタンク水中に混入することを確実に防止でき、低コストでガスクーラにおける安全性を向上することができる。
しかも、チューブの曲成部は隣接する各箱体に接触することから、単に箱体にチューブを巻回する場合に比してガスクーラにおける熱交換が促進され、その熱交換効率を向上することができる。
また、箱体がタンク水の入水口を有する流入側箱体と、タンク水の出湯口を有する流出側箱体と、流入側箱体と流出側箱体との間に１又は複数積層される中間箱体とから構成されていることにより、給湯システムの仕様に応じて、ガスクーラの省スペース化、小型化、軽量化、ひいては製作コストの低減を図りながら、ガスクーラに要求される熱容量を容易に変更することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、箱体は凹凸状の内面を有することにより、流路を流れるタンク水から箱体への伝熱面積を増大できる。
しかも、チューブを箱体の内部に収容する場合に比して、チューブにスペース上の制約を受けることなく凹凸状の形状の自由度を向上できる。これにより、箱体の表面熱伝達を効果的に向上でき、ガスクーラの熱交換効率を更に向上することができる。

更に、請求項３記載の発明によれば、ガスクーラは、複数積層された箱体の流路を並列に連通するとともに、チューブの複数の曲成部を並列に接続してなる。これにより、各空間に配置される各曲成部とこれら曲成部が接触する各箱体との間では、各箱体の流路を流れるタンク水が各曲成部を流れる冷媒によって略均等に加熱され、いわばパラレル熱交換方式での熱交換を実施できる。従って、特にガスクーラに比較的大流量のタンク水を流す場合には、タンク水をむらなく加熱することができ、ガスクーラの熱交換効率を更に向上することができる。

更にまた、請求項４記載の発明によれば、ガスクーラは、複数積層された箱体の流路を直列に連通するとともに、チューブの複数の曲成部を直列に接続してなる。これにより、各空間に配置される各曲成部とこれら曲成部が接触する各箱体との間では、各箱体の流路を流れるタンク水が各曲成部を流れる冷媒によって段階的に加熱され、いわばシリーズ熱交換方式での熱交換を実施できる。従って、特にガスクーラに比較的小流量のタンク水を流す場合には、タンク水の温度差を大きくしてより高温に加熱することができ、ガスクーラの熱交換効率を更に向上することができる。

しかも、チューブの曲成部を並列に接続する場合に比してチューブの配管構成を簡素化できるため、ガスクーラの更なる小型化及び軽量化並びに製作コストの低減を実現することができる。
また、請求項５記載の発明によれば、ガスクーラは、隣接する各箱体を互いに連結する連結部と、連通部に穿孔された連通孔と更に備え、該連通孔により各箱体に形成されるタンク水の流路を連通するようにしている。これにより、連結部をタンク水の流路の一部として使用できるため、ガスクーラの省スペース化が図られ、ガスクーラの小型化及び軽量化、ひいてはガスクーラの製作コストの低減を実現することができる。

更に、請求項６及び７記載の発明によれば、凹凸状の内面を箱体におけるタンク水の入水口及び出湯口に近づくにつれて凹凸高さが徐々に低くなるよう形成する。これにより、入水口、出湯口の近傍におけるタンク水のスケール堆積を効果的に防止できるため、ガスクーラにおいてタンク水を円滑に流動させることができ、ガスクーラの熱交換効率を更に向上することができる。

更にまた、請求項８記載の発明によれば、チューブに流す冷媒と各箱体に形成されるタンク水の流路に流すタンク水とは全体として対向流をなす。これにより、タンク水で冷媒を加熱してしまう等の熱交換の逆転現象が確実に防止され、ガスクーラの熱交換効率をより一層向上することができる。
また、請求項９記載の発明によれば、冷媒がＣＯ₂ガスであることにより、地球環境への負荷を軽減しつつ、上述したガスクーラの安全性、熱交換効率の向上、ひいては小型化及び軽量化並びに製作コストの低減を実現することができる。

以下、図面により本発明の一実施形態について説明する。
図１は給湯システムを概略的に示しており、給湯システムは大きく分けてヒートポンプユニット２と、給湯ユニット４から構成され、これらユニット２，４はガスクーラ６を介して互いに熱的に接続されている。
詳しくは、ヒートポンプユニット２は、例えばＣＯ_２ガスの冷媒が流れる冷媒循環経路８を備え、この冷媒循環経路８には、大気と冷媒との間で熱交換を行う大気熱交換器１０、圧縮機１２、ガスクーラ６及び膨脹弁１４等が介挿されている。

一方、給湯ユニット４はタンク水が流れる貯湯循環経路１６を備え、この貯湯循環経路１６にガスクーラ６、貯湯タンク１８及び循環ポンプ２０等がそれぞれ介挿されている。また、給湯ユニット４は、貯湯タンク１８に給水する給水経路２２及び貯湯タンク１８から給湯する給湯経路２４を備えている。
図２はガスクーラ６の断面を概略的に示している。ガスクーラ６はプレート式であって、貯湯循環経路１６の一部を形成し、タンク水を流すべく積層された５つの箱体２６と、冷媒循環経路８の一部を形成し、冷媒を流すチューブ２８とを備えている。

箱体２６は、ステンレスや銅等の高熱伝達性の材料からなる上プレート３０及び下プレート３２とから構成され、プレート３０，３２を深皿状に成形加工し、これらの端縁を互いに接合した最中状に形成されており、内部に空間（流路）３４を有している。
また、箱体２６には、箱体２６を断面視したときの両端縁の近傍に、隣接する各箱体２６を互いに連結して支持する凸状の連結部３６がそれぞれ一体成形され、これら連結部３６には各箱体２６における各空間３４を連通する連通孔３８が穿孔されている。

積層された各箱体２６のうち、隣接する各箱体２６の間には空間４０が形成され、各空間４０は各連結部３６の間にそれぞれ位置づけられている。
また、積層された各箱体２６のうち、上下端に位置づけられる各箱体２６には、出湯口４２、入水口４４がそれぞれ形成されている。なお、出湯口４２、入水口４４は箱体２６に一体成形しても良い。

こうして、ガスクーラ６の外部における貯湯循環経路１６から入水口４４を介して下端の箱体２６に入水したタンク水は、各連通孔３８を介して各空間３４を通過した後、出湯口４２を介しガスクーラ６の外部における貯湯循環経路１６に戻される。
ここで、プレート３０，３２の表面には少なくとも空間３４側に向けて凹凸状の内面を形成すべくリブ条４６が加工されており、これより箱体２６の内部、すなわち空間３４の内部の表面積が拡大され、好ましくは、リブ条４６は入水口４４及び出湯口４２に近づくにつれ徐々に低く形成される。なお、リブ条４６は各連通孔３８に近づくにつれ徐々に低く形成しても良く、リブ条４６に限らず、例えば突起等をプレート３０，３２の表面に加工しても良い。

一方、チューブ２８は、プレート３０，３２と同様にステンレスや銅等の高熱伝達性の材料からなる細管であって、連続したチューブ２８をジグザグ状に屈曲して形成される４つの曲成部４８を有している。各曲成部４８は各空間４０にそれぞれ配置され、空間４０を構成すべく隣接する各箱体２６の外面に接触してろう付け固定されている。なお、図２中の４つの曲成部４８は、チューブ２８の一部を３回屈曲した場合の断面図としてそれぞれ示されている。

また、チューブ２８には、積層された各箱体２６のうち、上端に位置づけられる箱体２６側に冷媒入口５０が位置づけられ、一方、下端に位置づけられる箱体２６側に冷媒出口５２が位置づけられている。
こうして、ガスクーラ６の外部における冷媒循環経路８から冷媒入口５０を介して入水した冷媒は、各曲成部４８を通過した後、冷媒出口５２を介しガスクーラ６の外部における冷媒循環経路８に戻される。すなわち、ガスクーラ６における冷媒の流れ方向とタンク水の流れ方向とは全体として対向流をなして熱交換を行うことにより、タンク水が所定の温度に加熱される。なお、チューブ２８は空間４０において互いに所定の間隔を存して配置されており、チューブ２８同士が互いに接触して冷媒同士で熱交換が行われることはない。

ところで、本実施形態の場合、チューブ２８には曲成部４８の他、空間４０の外部において冷媒入口５０側に冷媒の分流ヘッダー部５４が形成され、一方、空間４０の外部において冷媒出口５２側に冷媒の合流ヘッダー部５６が形成されている。すなわち、破線矢印で示す如く、冷媒入口５０から各曲成部４８へ向けての冷媒の供給は、分流ヘッダー部５４を介して並行して実施され、一方、各曲成部４８から冷媒出口５２に向けての冷媒の回収は、合流ヘッダー部５６を介して並行して実施されている。

これに対し、箱体２６においては連結部３６の総てに連通孔３８が形成されており、実線矢印で示す如く、入水口４２から各空間３４へのタンク水の供給は連通孔３８を介して並行して実施され、一方、各空間３４から出湯口４４に向けてのタンク水の回収は連通孔３８を介して並行して実施されている。
図３に模式的に示されるように、この場合における冷媒とタンク水との熱交換は、冷媒とタンク水との各熱交換領域５８において並行して実施されている。すなわち、黒塗り矢印で示す如く、各熱交換領域５８を流れるタンク水は冷媒によって略均等に加熱され、いわばパラレル熱交換方式での熱交換が実施されることとなる。

このように、上述したガスクーラ６によれば、チューブ２８の曲成部４８が隣接する各箱体２６の間に形成される空間４０に配置され、これら箱体２６に接触している。これにより、冷媒漏洩検知管を使用しなくとも、チューブ２８から漏洩した冷媒がタンク水中に混入することを確実に防止でき、低コストでガスクーラ６における安全性を向上することができる。

しかも、チューブ２８が隣接する各箱体２６に接触することから、単に箱体２６にチューブ２８を巻回する場合に比してガスクーラ６における熱交換が促進され、その熱交換効率を向上することができる。
また、チューブ２８を空間３４に収容する場合に比して、空間３４の内部はチューブ２８によりスペース上の制約を受けないため、リブ条４６の形状の自由度が向上し、各空間３４を流れるタンク水から箱体２６への伝熱面積を効率的に増大できる。これにより、箱体２６からチューブ２８への伝熱を効果的に促進でき、ひいてはガスクーラの熱交換効率を更に向上することができる。

更に、リブ条４６の高さを箱体２６におけるタンク水の入水口４４及び出湯口４２並びに各連通孔３８に近づくにつれて徐々に低く形成することにより、入水口４４、出湯口４２、各連通孔３８の近傍におけるタンク水のスケール堆積を効果的に防止できるため、ガスクーラ６においてタンク水を円滑に流動させることができ、ガスクーラ６の熱交換効率を更に向上することができる。

更にまた、連通孔３８を連通部３６に穿孔することにより、連結部３６をタンク水の流路として使用できるため、ガスクーラ６の省スペース化が図られ、ガスクーラ６の小型化及び軽量化、ひいてはガスクーラ６の製作コストの低減を実現することができる。
ここで、本実施形態では、チューブ２８には曲成部４８の他、分流ヘッダー部５４及び合流ヘッダー部５６が形成され、一方、箱体２６においては連結部３６の総てに連通孔３８が形成されている。これにより、タンク水を冷媒によって略均等に加熱でき、各熱交換領域５８において、いわばパラレル熱交換方式での熱交換を実施することができる。従って、特にガスクーラ６に比較的大流量のタンク水を流す場合には、タンク水をむらなく加熱することができ、ガスクーラ６の熱交換効率を更に向上することができる。

しかも、チューブ２８に流す冷媒と各空間３４に流すタンク水とは全体として対向流をなしており、タンク水で冷媒を加熱してしまう等の熱交換の逆転現象が確実に防止され、ガスクーラ６の熱交換効率をより一層向上することができる。
このように本実施形態では、特にガスクーラ６の熱交換効率が大幅に向上することにより、ヒートポンプユニット２における冷凍サイクルの効率が向上し、ひいては消費電力の低減を含めた給湯システムのランニングコストを大幅に低減できるとのメリットもある。

本発明は一実施形態に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施形態では、ガスクーラ６はパラレル熱交換方式をとっているが、図４，５に示されるように、いわばシリーズ熱交換方式をとっても良い。この場合には、上記実施形態におけるチューブ２８の配管構成から、空間４０の外部におけるチューブ２８の引き回しを変更し、更に連結部３６への連通孔３８の有無を変更するだけの簡易な構成で、冷媒とタンク水とをそれぞれ一本の流路に流して段階的に熱交換させることができる。これにより、上記第１実施形態と同様に当該変形例においても、ガスクーラ６の安全性、熱交換効率を向上しながら、その小型化及び軽量化、ひいては製作コストの低減をも実現することができる。

特に当該変形例においては、図５に示す如く、パラレル熱交換方式に比して、冷媒とタンク水とを段階的に熱交換させることができるため、特に小流量のタンク水を冷媒と熱交換させる場合には、入水口４４と出湯口４２とにおけるタンク水の温度差を大きくしてタンク水をより高温に加熱することができ、ガスクーラ６の熱交換効率を更に向上することができる。

しかも、分流及び合流ヘッダー５４，５６が不要となってチューブ２８の配管構成が簡素化され、ガスクーラ６を一般的なプレート式のガスクーラを長手方向に折り畳んだ構成と同等の構成とすることができるため、ガスクーラ６の小型化及び軽量化を更に促進でき、その製作コストをより一層低減することができる。
また、上述の一実施形態では、積層された各箱体２６のうち、上下端に位置づけられる箱体２６のみに入水口４４、出湯口４２がそれぞれ形成されているが、積層された各箱体２６の総てにそれぞれ入水口４４及び出湯口４２を形成し、箱体２６の外部にタンク水の分流ヘッダー及び合流ヘッダーを設けたり、箱体２６の外部でタンク水の配管を引き回したりしても良く、この場合においても上述した作用効果を得ることができる。

更に、上述の一実施形態及び変形例では、箱体２６を５つ積層するとともに、チューブ２８に曲成部４８を４つ形成し、更に曲成部４８はチューブ２８の一部を３回屈曲して形成している。しかし、箱体２６の積層数及び曲成部４８の数、ひいては各曲成部４８におけるチューブ２８の屈曲回数は、これらの数に限定されない。但し、これらの数が多ければ多いほど上述した作用効果がより顕著になることは云うまでもない。

最後に、上述の一実施形態及び変形例では、冷媒にＣＯ_２ガスを使用しているがこれに限定されない。しかし、冷媒にＣＯ_２ガスを使用することにより、地球環境への負荷を軽減しつつ、上述した作用効果を得ることができる。

給湯システムを概略的に示した構成図である。 図１のガスクーラを概略的に示した横断面図である。 図２のガスクーラにおける冷媒とタンク水との熱交換を概略的に示した模式図である。 変形例のガスクーラを概略的に示した横断面図である。 図４のガスクーラにおける冷媒とタンク水との熱交換を概略的に示した模式図である。

符号の説明

２ ヒートポンプユニット
４ 給湯ユニット
６ ガスクーラ
８ 冷媒循環経路
１６ 貯湯循環経路
２６ 箱体
２８ チューブ
３４ 空間（流路）
３６ 連結部
３８ 連通孔
４０ 空間
４２ 出湯口
４４ 入水口
４６ リブ条
４８ 曲成部

Claims (9)

1. ヒートポンプユニットの冷媒循環経路を流れる冷媒と給湯ユニットの貯湯循環経路を流れるタンク水との間にて熱交換を行い、前記タンク水を所定温度に加熱する給湯システムのガスクーラにおいて、
   複数積層され、前記タンク水を流す流路を形成する箱体と、
   隣接する前記各箱体の間に形成される空間と、
   前記冷媒を流すとともに単数又は複数の曲成部を有するチューブとを備え、
   前記曲成部は前記隣接する各箱体に接触して前記空間に配置され、
   前記箱体は、前記タンク水の入水口を有する流入側箱体と、前記タンク水の出湯口を有する流出側箱体と、前記流入側箱体と前記流出側箱体との間に１又は複数積層される中間箱体とから構成されていることを特徴とする給湯システムのガスクーラ。
2. 前記箱体は凹凸状の内面を有することを特徴とする請求項１に記載の給湯システムのガスクーラ。
3. 前記複数積層された箱体の流路を並列に連通するとともに、前記チューブの複数の曲成部を並列に接続してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の給湯システムのガスクーラ。
4. 前記複数積層された箱体の流路を直列に連通するとともに、前記チューブの複数の曲成部を直列に接続してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の給湯システムのガスクーラ。
5. 前記隣接する各箱体を互いに連結する連結部と、
   前記連通部に穿孔された連通孔とを更に備え、
   該連通孔により前記流路を連通することを特徴とする請求項３又は４に記載の給湯システムのガスクーラ。
6. 前記箱体は、前記凹凸状の内面を前記入水口及び前記出湯口に近づくにつれて凹凸高さが徐々に低くなるよう形成されることを特徴とする請求項２に記載の給湯システムのガスクーラ。
7. 前記箱体は、凹凸状の内面を有し、前記凹凸状の内面を前記入水口及び前記出湯口に近づくにつれて凹凸高さが徐々に低くなるよう形成されることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の給湯システムのガスクーラ。
8. 前記チューブに流す冷媒と前記流路に流すタンク水とは全体として対向流をなすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の給湯システムのガスクーラ。
9. 前記冷媒はＣＯ₂ガスであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の給湯システムのガスクーラ。

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