JP5117873B2 - 熱交換器,ヒートポンプ式給湯機 - Google Patents
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Description
前記水熱交換器には,例えば前記ヒートポンプサイクルに循環される冷媒が流通する冷媒配管と,その冷媒との熱交換によって加熱される水が流通する水配管とを渦巻状に曲成して積層したものが用いられる。ここに,図6は,従来のヒートポンプ式給湯機で用いられる水熱交換器Zの要部断面図を示している。
図6に示すように,水熱交換器Zでは,冷媒配管101,給湯用の水配管102,及び床暖房用の水配管103が順に積層されている。ここで,水熱交換器Zでは,冷媒配管101と水配管102,103との間の熱伝達係数を高めるべく,冷媒配管101と水配管102,103とがろう付されている。そして,水熱交換器Zでは,冷媒配管101内の冷媒と水配管102,103内の水との間で熱交換が行われ,その水配管102,103内の水が加熱される。
また,水熱交換器Zには,冷媒配管101の配管長の中央付近に,該水熱交換器Zで凝縮された冷媒の温度(凝縮温度)を測定する熱電対などの温度センサ104が設けられている。温度センサ104で測定された凝縮温度は,ヒートポンプサイクル上に設けられた圧縮機や膨張弁,室外空気熱交換器のファンなどの制御に用いられる。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,当該熱交換器における冷媒配管内の冷媒温度を精度高く検出することが可能な熱交換器及びこれを備えたヒートポンプ式給湯機を提供することにある。
このように構成された前記熱交換器では,前記冷媒配管と前記被加熱流体配管との間の熱伝達係数が低い前記非ろう付部に前記冷媒温度検出手段が接触配置されることになるため,前記被加流体配管内の被加熱流体の温度の影響が少ない状態で,前記冷媒温度検出手段による精度の高い温度検出を行うことができる。従って,例えば前記熱交換器を備えるヒートポンプ式給湯機では,前記冷媒温度検出手段によって検出された精度の高い冷媒の温度に基づいて該ヒートポンプ式給湯機の動作を適切に制御することができる。また,本発明の熱交換器においては,前記非ろう付部が,前記冷媒配管の配管長の略中央部に設けられていてもよい。このような構成にすることにより,冷媒の温度をより正確に検出することができる。
さらに,前記冷媒温度検出手段は,前記非ろう付部の略中央部に設けられてなることが好ましい。このようにすれば,前記非ろう付部の両側にあるろう付部からはなれた位置で冷媒温度の検出を行うことができるため,前記被加熱流体配管内の流体温度の影響を受けにくくなり,該前記冷媒温度検出手段による検出精度が高まる。
より具体的に,本発明は,前記被加熱流体配管が,給湯用の水が流通する給湯用水配管と暖房用の水が流通する暖房用水配管とを含んでなり,前記冷媒配管が前記給湯用水配管及び前記暖房用水配管で挟まれるように,前記冷媒配管,前記給湯用水配管,及び前記暖房用水配管が積層されてなる構成への適用が好適である。
そこで,前記非ろう付部において前記冷媒配管と前記被加熱流体配管とが離間するように,前記非ろう付部における前記冷媒配管を,積層方向に垂直な方向に長径を成す扁平形状又は楕円形状に形成しておくことが考えられる。これにより,前記非ろう付部において前記冷媒配管及び前記被加熱流体配管の間に間隙が形成されるため,前記冷媒配管と前記被加熱流体配管との間の熱伝達係数を更に下げることができ,前記冷媒温度検出手段による検出精度をより高めることができる。
さらに,他の手法として,前記非ろう付部における前記冷媒配管と前記被加熱流体配管とのいずれか一方又は両方を,積層方向に垂直な方向であって前記非ろう付部において前記冷媒配管と前記被加熱流体配管とが離間する方向に突出形成することも考えられる。この場合にも,前記非ろう付部において前記冷媒配管及び前記被加熱流体配管の間に間隙が形成されるため,前記冷媒配管と前記被加熱流体配管との間の熱伝達係数を更に下げることが可能であり,前記冷媒温度検出手段による検出精度をより高めることができる。
また,前記非ろう付部における前記冷媒配管と前記被加熱流体配管との間に断熱材が設けることが望ましい。これにより,前記冷媒配管と前記被加熱流体配管とを断熱することができ,前記冷媒温度検出手段による冷媒の温度の検出精度を高めることができる。
また,前記非ろう付部の長さが短すぎると,前記被加熱流体配管内の流体温度の影響を十分に小さくすることができず検出精度が低下し,逆に前記非ろう付部の長さが長すぎると,前記冷媒配管及び前記被加熱流体配管の熱交換効率が低下してエネルギ消費効率が悪くなるという問題が生じる。
そこで,前記非ろう付部の長さを200〜400mm程度とすることが望ましい。これにより,エネルギ消費効率をできるだけ悪化させずに,前記冷媒温度検出手段による精度の高い温度検出を行うことができる。
ここに,図1は本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機Xの概略構成を示すブロック図,図2は本発明の実施の形態に係る水熱交換器14の外観模式図,図3は図2の拡大図AにおけるB−B’断面を示す図,図4は温度センサ15の検出温度と扁平部41aの長さとの関係を示すグラフである。
まず,図1を用いて,本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機Xの概略構成について説明する。なお,本実施の形態では,ヒートポンプ式給湯機Xが,温水を給湯する給湯機能及び床暖房を行う床暖房機能を有する場合を例に挙げて説明するが,その他,例えば風呂の追い焚き機能や空気調和機(エアコン)の機能を有するものであってもよい。
なお,ヒートポンプ式給湯機Xは,CPUやRAM,ROMなどを有する不図示の制御部を備えており,該制御部によって統括的に制御される。具体的に,ヒートポンプ式給湯機Xの制御部は,後述の温度センサ15によって検出される冷媒の凝縮温度(気体から液体に変化するときの温度)に基づいて当該ヒートポンプ式給湯機Xの動作を制御する。
給湯回路2は,水熱交換器14において加熱された後の温水(例えば60℃程度)を貯溜するための貯湯タンク21と,貯湯タンク21の下層から水熱交換器14を経て貯湯タンク21の上層に水を循環させるための循環ポンプ22と,給水口23からの水の供給先を切り換える電磁三方弁24と,給湯口26から給湯する温水の温度を調節するための電磁三方弁25とを備えている。
ヒートポンプ式給湯機Xにおけるヒートポンプサイクル1,給湯回路2,及び床暖房回路3の基本的な動作については,従来と異なるところがないため,ここでは説明を省略する。
本発明の実施の形態に係るヒートポンプ式給湯機Xは,水熱交換器14内の冷媒の凝縮温度を検出するための構成に特徴を有しており,以下,図2〜図4を用いてこの点について説明する。
また,冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43各々は円形状の配管である。なお,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とのろう付には,銀ろう,銅ろう,黄銅ろう,りん銅ろうなどのろう材が用いられる。
そして,水熱交換器14では,冷媒配管41が給湯用水配管42,暖房用水配管43によって挟まれるように冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43が積層されているため,給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水が,冷媒配管41内の冷媒との間の熱交換によって加熱される。このように,冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43が積層されている積層部において,熱交換が行われる。このとき,冷媒配管41内の冷媒は,給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水との熱交換によって凝縮されて液化される。
温度センサ15で検出された凝縮温度は,該温度センサ15が接続された不図示の電気回路を介してヒートポンプ式給湯機Xの制御部(不図示)に入力される。
そして,ヒートポンプ式給湯機Xでは,前記制御部(不図示)により,温度センサ15によって検出された凝縮温度に基づいてヒートポンプサイクル1上に設けられた圧縮機11や膨張弁13,室外空気熱交換器12のファンなどの各種機器が制御される。
図2の拡大図A及び図3に示すように,水熱交換器14では,冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43が積層されている積層部であって該冷媒配管41の配管長の略中央部(積層部の一部の一例)に,冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43の積層方向と垂直な方向に長径を成す扁平形状に変形させた扁平部41aが形成されている。なお,扁平部41aに代えて,冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43の積層方向と垂直な方向に長径を成す楕円形状に変形させた楕円形部を形成してもよい。
扁平部41aでは,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とが接触せず離間した状態になる。従って,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とをろう付する際に,扁平部41aを除く領域だけをろう付することができる。具体的に,冷媒配管41の扁平部41aは,例えば冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43を積層して渦巻状に曲成した後,ろう付される前に冷媒配管41だけを工具で挟み込んで変形させることによって形成すればよい。そして,扁平部41aにろう材を添付せずにろう付作業を行うことにより,該扁平部41aを除く領域だけをろう付することができる。
このようにろう付がなされていない扁平部41a(非ろう付部の一例)では,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との熱伝達係数が低くなり,冷媒配管41内の冷媒と給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水との間の熱交換が行われない。
前述したように,水熱交換器14では,扁平部41aにおける冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との熱伝達係数が低いため,該扁平部41aに接触配置された温度センサ15による検出温度は,給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水温の影響を受けない。なお,本実施の形態においては,温度センサ15は,扁平部41aの中央付近に設けられている。このようにすることで,扁平部41aの両側のろう付部から離れた位置で冷媒温度の検出を行うことができるため,給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水温の影響をより受けにくくなり,温度センサ15による検出精度が高まる。
従って,ヒートポンプ式給湯機Xでは,水熱交換器14の冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43が積層されている積層部における冷媒の凝縮温度を,温度センサ15によって高い精度で検出することができるため,該凝縮温度に基づいてヒートポンプサイクル1に設けられた圧縮機11や膨張弁13,室外空気熱交換器12のファンなどの各種の制御を適切に行うことができる。これにより,例えばヒートポンプユニット1の稼働開始時においても水熱交換器14における冷媒の凝縮温度を正確に検出することが可能であり,また,温度センサ15による検出温度を補正するなどの処理を省略することも可能である。
なお,扁平部41aが水熱交換器14において冷媒配管41が曲折された箇所に設定されていると,温度センサ15と扁平部41aとの接触面積を十分に確保することができないおそれがある。そのため,扁平部41aは,冷媒配管41の直線部分に形成されていることが望ましい(図2,図3参照)。例えば,前記冷媒配管41の中央部が曲折部に位置する場合には,その前後の直線部にずらして扁平部41aを形成すればよい。
但し,扁平部41aでは,冷媒配管41内の冷媒と給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水との間の熱交換が行われないため,該扁平部41aの長さが長いほど,水熱交換器14における熱交換効率が低下する。
そのため,扁平部41aの長さは,冷媒配管41の配管長の略中央部(例えば全長が10mであれば5m前後の位置)を中心とする200〜400mm程度の長さであることが望ましい。
この程度の長さであれば,冷媒配管41内の冷媒と給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水との間の熱交換効率を大きく低下させず,即ちエネルギ消費効率(COP)を大きく悪化させずに,温度センサ15による精度高い温度検出を実現することが可能となる。
また,扁平部41aには,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との間にこれらを断熱するセラミック板などの断熱材(不図示)を設けることが望ましい。これにより,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との間の熱伝達を遮断して,温度センサ15による温度検出の精度を高めることができる。
また,本実施の形態では,冷媒配管41に扁平部41aを設けたが,給湯用水配管42と暖房用水配管43に扁平部を設けることで,冷媒配管41と,給湯用水配管42及び暖房用水配管43との間に間隙を設ける構成であってもよい。
図5(a)〜(c)に示すように,本実施例に係る水熱交換器14’では,水熱交換器14(図2参照)に形成されていた扁平部41aに代えて,冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43の積層方向と垂直な方向に突出した突出部41bが冷媒配管41に形成されている。
突出部41bでは,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とが接触せず離間した状態になる。言い換えれば,冷媒配管41と,給湯用水配管42及び暖房用水配管43との間に間隙が形成される。従って,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とをろう付する際に,突出部41bを除く領域だけをろう付することができる。なお,冷媒配管41の突出部41bは,例えば冷媒配管41,給湯用水配管42,暖房用水配管43を積層して渦巻状に曲成した後,ろう付される前に冷媒配管41だけを工具で押圧して変形させることによって形成すればよい。
このようにろう付されていない突出部41b(非ろう付部の一例)では,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との熱伝達係数が低くなり,冷媒配管41内の冷媒と給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水との間の熱交換が行われない。
前述したように,水熱交換器14’では,突出部41bにおける冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との熱伝達係数が低いため,該扁平部41aに接触配置された温度センサ15による検出温度は,給湯用水配管42,暖房用水配管43内の水温の影響を受けない。
従って,ヒートポンプ式給湯機Xでは,温度センサ15によって,高い精度で水熱交換器14’における冷媒の凝縮温度を検出することができ,該凝縮温度に基づいてヒートポンプサイクル1に設けられた圧縮機11や膨張弁13,室外空気熱交換器12のファンなどの各種の制御を適切に行うことができる。
ところで,図5に示した水熱交換器14’では,冷媒配管41を変形させることで突出部41bを形成する場合を例に挙げて説明したが,給湯用水配管42,暖房用水配管43を変形させることや,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との両方を,互いに離間する方向に突出するように変形させることによって,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とを離間させる構成も考えられる。
即ち,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とのいずれか一方又は両方を,積層方向に垂直な方向であって冷媒配管41と被加熱流体配管とが離間する方向に突出形成させることで,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とを相対的に一定距離だけ離間させればよい。
具体的には,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とをろう付する際,該冷媒配管41の配管長の略中央部にろう材を添付せずにろう付を行うことが考えられる。これにより,水熱交換器14には,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43とがろう付されない非ろう付部が形成される。この非ろう付部では,冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との間の熱伝達係数が下がることになるため,温度センサ15による冷媒配管41内の冷媒温度の検出精度を高めることができる。
なお,この場合にも,前記非ろう付部における冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との間にセラミック板などの断熱材を設けることで,できるだけ冷媒配管41と給湯用水配管42,暖房用水配管43との間の熱伝達係数を低くすることが望ましい。
2…給湯回路
3…床暖房回路
11…圧縮機
12…室外空気熱交換器
13…膨張弁
14,14’…水熱交換器(本発明に係る熱交換器の一例)
15…温度センサ(冷媒温度検出手段の一例)
21…貯湯タンク
22…循環ポンプ
23…給水口
24,25…電磁三方弁
26…給湯口
31…床暖房装置
32…循環ポンプ
41…冷媒配管
41a…扁平部(非ろう付部の一例)
41b…突出部(非ろう付部の一例)
42…給湯用水配管(被加熱流体配管の一例)
43…暖房用水配管(被加熱流体配管の一例)
X…ヒートポンプ式給湯機
Claims (3)
- ヒートポンプサイクルに循環される冷媒が流通する冷媒配管と,前記冷媒との熱交換によって加熱される被加熱流体が流通する一又は複数の被加熱流体配管とが積層されるように渦巻状に曲成され,且つ前記冷媒配管と前記被加熱流体とがろう付されてなる熱交換器であって,
前記冷媒配管と前記被加熱流体配管とが積層された積層部の一部に,前記冷媒配管と前記被加熱流体配管とをろう付しない非ろう付部が形成されてなり,
前記非ろう付部において前記冷媒配管と前記被加熱流体配管とが離間するように,前記非ろう付部における前記冷媒配管が積層方向に垂直な方向に長径を成す扁平形状又は楕円形状に形成され,
前記非ろう付部に接触配置されることにより前記非ろう付部に流通する冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段を備えてなることを特徴とする熱交換器。 - 前記非ろう付部が,前記冷媒配管の直線部分に形成されてなる請求項1に記載の熱交換器。
- 請求項1または2に記載の熱交換器を備えてなるヒートポンプ式給湯機。
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