JP2009133530A - 熱交換器及びそれを用いてなるヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 水冷媒熱交換器における冷媒側伝熱管のピッチ調整の自由度を大きくすること
【解決手段】 水冷媒熱交換器３は、断面Ｕ字状の部材を螺旋状に巻回して円筒状に形成された流路部材１３と、円筒状の流路部材１３の外面と内面に密接して設けられた内筒１５及び外筒１７を有し、流路部材１３、内筒１５及び外筒１７で仕切られた空間には、ほぼ断面矩形の水流路３ｂが形成され、外筒１７の外面には円形断面の冷媒流路３ａを有する伝熱管１９が互いに間隔をあけて螺旋状に接して設けられる。また、外筒１７の外面と伝熱管１９との接触部の周囲には、伝熱管１９の全長にわたってろう接されたろう接部２１が設けられる。
【選択図】 図２（ａ）

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に熱交換器の熱交換性能を向上する技術に関するものである。

従来、ヒートポンプ式給湯機において、冷媒により水を加熱する熱交換器（以下、水冷媒熱交換器と呼ぶ）は、水が流通する水伝熱管と冷媒が流通する冷側伝熱管とを接触させて螺旋状に形成し、水伝熱管と冷媒伝熱管との接触部をろう接したものが知られている。特に、相変化する冷媒の熱伝達率の変化を考慮して、水伝熱管の入側と出側との間の管路に対する冷媒伝熱管の巻き着けピッチを変化させることで熱交換性能を向上することが提案されている（例えば、特許文献１）。

一方、板材を適宜間隔をあけて９０度に折り曲げジグザグ状に形成した２枚の板を重ねて箱型容器の中に収納し、箱型容器の中を上下方向に水が蛇行して流れる蛇行路を形成して、冷媒が流通する３本の伝熱管を束ねて一本として箱型容器の外面に螺旋状に巻きつけてろう接した熱交換器が知られている（例えば、特許文献２）。

特開２００４−２７８８０７号 特開２００５−１３３９９９号

しかしながら、特許文献１の技術は、円管の水伝熱管を螺旋状に巻回して円筒状に形成していることから、その外面の軸方向に水伝熱管の凹凸部が形成されるため、冷媒伝熱管の螺旋のピッチを調整する際に、ピッチ調整の自由度が小さい。

また、特許文献２は伝熱管の螺旋のピッチを調整することについては考慮されておらず、水が流通する流路は蛇行路なので、圧力損失が大きくなる。

本発明は、水冷媒熱交換器における冷媒側伝熱管の冷媒の相変化に合わせてピッチ調整の自由度を大きくすることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の熱交換器は、気液相変化する第１の冷媒が流通される第１の伝熱部材と、液体の第２の冷媒が流通される第２の伝熱部材とを備え、第１と第２の伝熱部材間で熱交換する熱交換器において、第２の伝熱部材は、矩形断面の流路を互いに接するように螺旋状に巻回して円筒状に形成されてなり、第１の伝熱部材は、円形断面の管路を互いに適宜間隔を空けて、第２の伝熱部材の円筒の外面と内面の少なくとも一方に螺旋状に巻回して形成されてなることを特徴とする。

すなわち、液体が流通する第２の伝熱部材を矩形断面の流路を螺旋状に巻回して形成したことから、第２の伝熱部材の円筒の外面と内面を軸方向に平らに形成することができ、第１の伝熱部材の円管を第２の流路部材の外面又は内面の軸方向の任意の位置に接合できるから、螺旋のピッチを自由に調整できる。その結果、相変化する冷媒の熱抵抗値に合わせて第１の伝熱部材の円管の螺旋のピッチを調整することができる。

例えば、第１の伝熱部材の管路においては、第１の冷媒が気相状態から液相状態に変化する境界部付近で熱抵抗値が最も低くなり、その位置から第１の冷媒の入側と出側に向って熱抵抗値が大きくなるから、境界部付近の螺旋のピッチを粗にし、境界部付近から水入口側又は出口側に向うにしたがって段段に螺旋のピッチを密にすることで、熱交換性能を向上することができる。すなわち、第１の伝熱部材の管路の相互の間隔を管路内に流通される第１の冷媒の気液相変化の態様に応じて設定することが望ましい。

本発明によれば、水冷媒熱交換器における冷媒側伝熱管の冷媒の相変化に合わせてピッチ調整の自由度を大きくすることができる。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。

（実施形態１）
図１は本発明の一実施形態のヒートポンプ給湯機の模式図、図２は本実施形態の熱交換器の概略構成図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）はＡ部の拡大図である。

図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ給湯機は、圧縮機１と、水冷媒熱交換器３の冷媒流路３ａと、膨張弁５と、蒸発器７とを、それぞれ冷媒配管を介して順次接続して構成されており、冷媒として例えば二酸化炭素が封入されている。また、水冷媒熱交換器３の水流路３ｂの流入側には、図示していない水道などの給水原又は貯湯タンクから給水される給水管９が接続され、水流路３ｂの流出側には、貯湯タンクなどの給湯先に湯を供給するための給湯管１１がそれぞれ接続されている。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、水冷媒熱交換器３は、断面Ｕ字状の部材を螺旋状に巻回して円筒状に形成された流路部材１３と、円筒状に形成された流路部材１３の外面と内面に密接して設けられた内筒１５及び外筒１７を有している。流路部材１３、内筒１５及び外筒１７により構成された伝熱部材は、矩形断面の水流路３ｂを互いに接するように螺旋状に巻回して円筒状に形成されている。外筒１７の外面には円形断面の冷媒流路３ａを有する伝熱管１９が互いに適宜間隔をあけて螺旋状に接して設けられている。外筒１７の外面と伝熱管１９との接触部の周囲には、伝熱管１９の全長にわたってろう接されたろう接部２１が設けられている。また、水流路３ｂを流れる水は図２（ａ）の上部から下部へ螺旋状に流れ、冷媒流路３ａを流れる冷媒は下部から上部へ流れることで、冷媒と水の流れを対向流としている。

次に、図２（ａ）、図３を用いて伝熱管１９の螺旋のピッチ調整について説明する。図３は水冷媒熱交換器の伝熱管１９の螺旋を等ピッチで形成した場合の水入口からの距離に対する冷媒側熱抵抗値及び水側熱抵抗値を示すグラフである。図３に示すように、伝熱管１９を等ピッチで螺旋巻きした場合、一般的に伝熱管１９を流通する冷媒の相変化の態様に応じて、水入口からの距離によって冷媒側熱抵抗値（実線）と水側熱抵抗値（破線）が変化する。すなわち、冷媒が気相状態から液相状態に変化する境界部付近で冷媒側熱抵抗値が最も低くなり、その位置から冷媒の入側と出側に向って熱抵抗値が大きくなる。また、水側熱抵抗値は水入口からの距離から遠ざかるにつれて緩やかに下降する。

そこで、本実施形態においては、図２（ａ）における水入口からの距離約１０%〜５０%では冷媒側熱抵抗値より水側熱抵抗値が大きいので伝熱管１９の螺旋のピッチを粗にし、水入口からの距離約６０%〜１００%では水側熱抵抗値より冷媒側熱抵抗値が大きいので伝熱管１９の螺旋のピッチを密にする。このように、冷媒側と水側の熱抵抗値の全体のバランスをとるように冷媒伝熱管５の螺旋のピッチを調整する。

次に、図１を用いて本実施形態のヒートポンプ給湯機の動作を説明する。圧縮機１より圧縮された高圧高温の気相冷媒は水冷媒熱交換器３の冷媒流路３ａに送られる。温度が上昇した過熱状態の気相冷媒は、水冷媒熱交換器３において冷媒流路３ａと水流路３ｂとの間で熱交換が行われる際に、放熱し冷却されて液相冷媒になる。この水冷媒熱交換器３において、冷媒から放出される熱により給水管９から導入される水を加熱し、加熱された湯を給湯管１１を介して貯湯タンク等に給湯する。

高圧で温度が低下した液相冷媒は、水冷媒熱交換器３から膨張弁５へ送られる。膨張弁５では、液相冷媒は、圧力が急激に低下しかつ温度が急激に低下して、低圧低温の気相及び液相冷媒になる。低圧低温の気相及び液相冷媒は、蒸発器７で外部から熱を奪い蒸発して低圧低温の気相冷媒になり、圧縮機１へ送られる。このように冷媒は一連のサイクルを繰り返し、水冷媒熱交換器３において伝熱管１９と流路部材１３、内筒１５及び外筒１７から構成される伝熱管との間で熱交換行い水を加熱するようにしている。

従来の水冷媒熱交換器（特許文献１）においては、円管の水伝熱管を螺旋状に巻回して円筒状に形成すると、その外面の軸方向に水伝熱管の凹凸部が形成されるため、円筒状に形成された水伝熱管の外面に冷媒管を接合しようとすると、外面の凹凸部によって冷媒管の螺旋のピッチの調整の自由度が小さい。しかし、本実施形態によれば、流路部材１３、内筒１５及び外筒１７により構成された伝熱部材によって矩形断面の水流路３ｂが互いに接するように螺旋状に巻回して円筒状に形成されることから、外筒１７の外面と内筒１５の内面を軸方向に平らに形成することができ、伝熱部材１９を外筒１７の外面又は内筒１５の内面の軸方向の任意の位置に接合できるから、螺旋のピッチを自由に調整できる。

また、螺旋のピッチを自由に調整できるから、相変化する冷媒の熱抵抗値に合わせて第１の伝熱部材の円管の螺旋のピッチを調整することができる。すなわち、冷媒流路３ａ流通する冷媒が気相状態から液相状態に変化する境界部付近で熱抵抗値が最も低くなるから、境界部付近の伝熱管１９の螺旋のピッチを粗にし、境界部付近から水入口側又は出口側に向うにしたがって段段にピッチを密にすることで、熱交換性能を向上することができる。すなわち、伝熱管１９の相互の間隔を管路内に流通される冷媒の気液相変化の態様に応じて設定することができる。

一方、水流路３ｂは螺旋状に形成されているので緩やかなカーブを描くから、水側圧力損失を低減することができる。また、冷媒流路３ａを流れる冷媒と水流路３ｂとを流れる水の流れを熱交換に有利な対向流としているので、水冷媒熱交換器３の熱交換性能を高めることができる。

また、伝熱管１９の螺旋ピッチを自由に調整することができるので、外筒１７の外面又は内筒１５内面の軸方向の任意の位置における水伝熱管と冷媒伝熱管との間の熱交換量を自由に変更することができる。さらに、外筒１７の外面又は内筒の内面は軸方向に平らであるから、伝熱管１９と外筒１７の外面又は内筒の内面との接触面積は軸方向の任意の位置において均一にすることができ、接触面積の違いによる伝熱量のばらつきを低減できる。

なお、上記実施形態においては、気液相変化する第１の冷媒が流通される第１の伝熱部材が伝熱管１９に対応し、液体の第２の冷媒が流通される第２の伝熱部材が流路部材１３、内筒１５、外筒１７に対応する。このように、本実施形態においては断面Ｕ字形の管路を螺旋状に形成した流路部材１３を用いたものについて説明したが、第２の伝熱部材はこれらの形態に限られるものではない。すなわち、矩形断面の流路を互いに接するように螺旋状に巻回して円筒状に形成されているものであればよく、例えば、内筒１５、外筒１７を用いずに角型のパイプを互いに接するように螺旋状に巻回して円筒状に形成して第２の伝熱部材を構成するようにしてもよい。

本実施形態の伝熱管１９は、外筒１７の外面に設けられているが、必要に応じて内筒１５の内面又は外筒１７の外面と内筒１５の内面の双方に設けてもよい。また、円筒状の流路部材１３の外面と内面に内筒１５及び外筒１７を密接して設けているが、接触部から水が漏れるおそれがある場合などは、必要に応じてそれぞれの接触部をろう接してもよい。また、伝熱管１９の螺旋のピッチは、本実施形態に限らず、例えば、等ピッチで形成してもよい。

本実施形態の水冷媒熱交換器３は、ヒートポンプ給湯機に適用しているが、水冷媒熱交換器３が適用される範囲はヒートポンプ給湯機に限らず、第１の伝熱部材を流れる冷媒と第２の伝熱部材を流れる冷媒との間で熱交換を行うものであればよく、例えば、空調機などに用いることができる。

本発明の一実施形態のヒートポンプ給湯機の模式図である。 本実施形態の熱交換器の縦断面図である。 図２（ａ）のＡ部の拡大面図である。 水冷媒熱交換器の伝熱管１９の螺旋を等ピッチで形成した場合の水入口からの距離に対する冷媒側熱抵抗値及び水側熱抵抗値を示すグラフである。

符号の説明

１ 圧縮機
３ 水冷媒熱交換器
３ａ 冷媒流路
３ｂ 水流路
５ 膨張弁
７ 蒸発器
９ 給水管
１１ 給湯管
１３ 流路部材
１５ 内筒
１７ 外筒
１９ 伝熱管
２１ ろう接部

Claims (5)

1. 気液相変化する第１の冷媒が流通される第１の伝熱部材と、液体の第２の冷媒が流通される第２の伝熱部材とを備え、第１と第２の伝熱部材間で熱交換する熱交換器において、
   前記第２の伝熱部材は、矩形断面の流路を互いに接するように螺旋状に巻回して円筒状に形成されてなり、
   前記第１の伝熱部材は、円形断面の管路を互いに適宜間隔を空けて、前記第２の伝熱部材の円筒の外面と内面の少なくとも一方に螺旋状に巻回して形成されてなる熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記第１の伝熱部材の前記管路の相互の間隔は、前記管路内に流通される前記第１の冷媒の気液相変化の態様に応じて設定されることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の熱交換器において、
   前記第２の伝熱部材は、断面Ｕ字状の部材を螺旋状に巻回して円筒状に形成された流路部材と、円筒状の流路部材の外面と内面に密接して設けられた円筒部材とを有してなることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項３に記載の熱交換器において、
   前記第２の伝熱部材は、前記流路部材と前記円筒部材との接触部がろう接されていることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項1乃至４いずれか１項に記載の熱交換器を用いてなるヒートポンプ給湯機。

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