JP4200329B2 - 熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

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装置（たとえばヒートポンプ式
給湯機の水／冷媒熱交換器）及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来の第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換装置として、例として、図５に示すように、外管１内に、螺旋状に撚り合わされた複数の内管２が装着されて、外管１内に複数の流路が形成されるとともに、外管と内管との間隙で形成される流路に螺旋状の捩りテープ３が装入されている。そして、この外管１の流路を流れる水と内管２を流れる冷媒とが熱交換するような熱交換装置と、この熱交換装置を水／冷媒熱交換器として用いたヒートポンプ給湯装置とが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３４３９９５号公報

しかしながら上記従来の熱交換装置では、ねじりテープ３の挿入で、外管１の流路を流れる水を乱流化することによって、伝熱促進効果を図れるが、ねじりテープ３は外管１、内管２とは別部品のため、それ自身の挿入及び外管１内においての位置決め手段などの作業と措置は必要となり、製造コストは高くなるという課題があった。また、ねじりテープ３によって、外管１の流路を流れる水の流動抵抗は大きくなり、圧力損失が増え、設置制限や水の元圧、駆動力への要求などが厳しくなる課題もあった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、製造コストが安く、圧力損失を抑えた高性能の熱交換装置を提供する。

請求項１記載の本発明の熱交換装置は、外管と、前記外管の管内に位置する内管と、前記外管と前記内管とが密着して構成される溝付二重管と、前記溝付二重管を複数本用いてお互いが密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成されるねじり管と、前記ねじり管を内包する伝熱管とを備え、前記伝熱管を螺旋形状とし、前記伝熱管の螺旋形状における螺旋方向は、前記ねじり管の螺旋方向と同一方向であるとともに、前記伝熱管の螺旋形状における螺旋ピッチは、前記ねじり管の螺旋ピッチと略同一で、かつ、前記伝熱管の断面と前記ねじり管との断面とで、略均一の旋回流路を形成する構成としたことを特徴とする。

これによって、旋回流路を流れる流体とねじり管内を流れる流体との熱交換は効率的に行うことができ、高性能の熱交換装置が提供できる

本発明によれば、別部品などを用いずに伝熱促進を図ることができ、製造コストが安く、圧力損失を抑えた高性能の熱交換装置を提供することができる。

第１の発明は、外管と、前記外管の管内に位置する内管と、前記外管と前記内管とが密着して構成される溝付二重管と、前記溝付二重管を複数本用いてお互いが密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成されるねじり管と、前記ねじり管を内包する伝熱管とを備え、前記伝熱管を螺旋形状とし、前記伝熱管の螺旋形状における螺旋方向は、前記ねじり管の螺旋方向と同一方向であるとともに、前記伝熱管の螺旋形状における螺旋ピッチは、前記ねじり管の螺旋ピッチと略同一で、かつ、前記伝熱管の断面と前記ねじり管との断面とで、略均一の旋回流路を形成する構成とするものである。

これによれば、ねじり管の外周と伝熱管の内壁面との間に形成された螺旋状の旋回流路部分においては、ねじり管の外周に対して、旋回流路の流路高さは略同様となるため、この旋回流路を流れる流体とねじり管内を流れる流体との熱交換は効率的に行うことができ、高性能の熱交換装置が提供できる。また、別部品を用いずに、高効率な熱交換を図ることができるとともに、製造コストが安く、圧力損失を抑えた高性能の熱交換装置を提供することができる。

また、これによれば、ねじり管の外周と伝熱管の内壁面によって構成される旋回流路の螺旋方向は、伝熱管の螺旋形状における螺旋方向と同一方向となるため、伝熱管内の流路全体において、旋回流路によって螺旋状に流れる流体は、流体の流れはスムーズとなり、少ない流路抵抗で高性能熱交換装置が提供できる。

また、これによれば、旋回流路を流れる流体の流れと溝付二重管内を流れる流体の流れとは同調し、両者間の熱交換は均一に行うことができるとともに、伝熱管内の流路全体において、流体の流れはスムーズとなり、少ない流路抵抗で高性能熱交換装置が提供できる。

第２の発明は、特に、第１の発明の熱交換装置において、内管を流れる第二流体の流れ方向は、伝熱管を流れる第一流体の流れ方向と対向にしたものである。

これによれば、第一流体と第二流体の伝熱を均一化し、加熱流体によって非加熱流体の温度レベルを高く上げられるため、熱交換効率のよい熱交換装置を提供することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の熱交換装置において、第一流体の上流側の伝熱管部分のみを螺旋形状とするものである。

これによれば、第一流体の流れをコントロールすることで、例えば、上流側の伝熱管部分に螺旋部を設け、熱交換を効率的に行う伝熱促進部分と、下流側の伝熱管部分を螺旋形状とせずに、流れを滑らかにし、スケール析出沈殿抑制を図るスケール抑制部分とを形成することができるため、熱交換性能がよくスケール成分の付着を抑制し、信頼性の高い熱交換装置を提供することができる。

第４の発明は、特に、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成されるヒートポンプサイクル装置を備え、放熱器として請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いるヒートポンプ給湯装置である。

これによれば、内管を流れる冷媒の放熱を用いて第一流体を加熱することによって、ねじり管によって冷媒と第一流体例えば水を共に乱流化させ、高効率の伝熱が実現できると共に、内管もしくは外管のどちらか一方が破損した場合でも、内管を流れる冷媒と伝熱管を流れる水とが混じりあうことがなく、圧縮機の潤滑油は使用者の口に入る可能性のある湯に入るのを防ぎ、早期故障診断と迅速な修理を実現でき、信頼性の高いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

第５の発明は、特に、第４の発明のヒートポンプ給湯装置において、冷媒は二酸化炭素で、圧力は臨界圧力以上とすることである。

これによれば、臨界圧力以上とすることによって、冷媒の二酸化炭素は水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することなく、熱交換装置全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、必要な高温度レベルまで水を効率的に加熱できる。このように、高効率の熱
交換装置をヒートポンプサイクルの放熱器として使用することによって、高効率のヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における熱交換装置を構成する伝熱管とねじり管を示す部品図、図中（ａ）は伝熱管の側面図、（ｂ）はこの伝熱管に内包されるねじり管側面図である。図２は伝熱管とねじり管によって構成される熱交換装置の要部側面図、図３は図２に示す同熱交換装置のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面を示す断面図、図４は同熱交換装置を用いたヒートポンプサイクルシステム構成図である。

図３の中、（ａ）は図２に示すＡ-Ａ切断面の断面図、（ｂ）は図２に示すＢ-Ｂ切断面の断面図、（Ｃ）は図２に示すＣ-Ｃ切断面の断面図を示す。

図１〜３において、１０は第一流体例えば水が流れる伝熱管で、１１と１２は第二流体例えば二酸化炭素冷媒が流れる冷媒管の溝付二重管である。１３はこの二本の溝付二重管１１と１２がお互いに密接しながら絡み合うように螺旋状にねじって形成したねじり管、１１ａ、１２ａは内面壁に複数の溝１４を有する外管、１１ｂ、１２ｂはそれぞれこの内管１１ａと１２ａの管内に配置され、外管１１ａと１２ａと密着する内管である。そして、このように、それぞれ外管１１ａと内管１１ｂによって溝付二重管１１が構成され、外管１２ａと内管１２ｂによって溝付二重管１２が構成される。Ｐ１はねじり管１３の螺旋ピッチを示す。

１５は伝熱管１０に螺旋状の凹みを付けて設けた螺旋形状の螺旋部、Ｐ２はこの螺旋部１５の螺旋ピッチを示し、この螺旋ピッチＰ２はねじり管の螺旋ピッチＰ１と略同一である。

そして、このねじり管１３を伝熱管１０に挿入して熱交換装置を構成することによって、ねじり管１３の外壁と伝熱管の内壁の間に、第一流体の水が流れる旋回流路１６が形成される。

図３において、１５ａは伝熱管１０の螺旋部１６の一部であり、螺旋方向及び構成特性を説明するために用いられる。また、１６ａはこの螺旋部１５ａに対応する旋回流路である。図３に示すように、Ａ−Ａ切断面において、１５ａと１６ａは左側に位置し、Ｂ−Ｂ切断面において、１５ａと１６ａは下方に位置し、Ｃ−Ｃ切断面において、１５ａと１６ａは右側に位置するようになっている。このように、Ａ−Ａ切断面の方向からみると、ねじり管１３は螺旋方向Ｌに示すように、反時計方向に螺旋状になっている。それによって、旋回流路１６も反時計方向に螺旋状になっている。１５ａをはじめとする螺旋部も同様に、螺旋方向Ｌに示すように、旋回流路１６と同調して反時計方向に螺旋状になっている。このように、螺旋部１５の螺旋方向Ｌは、ねじり管１３の螺旋方向そして旋回流路１６の螺旋方向とは同一方向となっている。

図３に示す各断面図において、二本の溝付二重管１１と１２によって構成するねじり管１３のめがね型断面に対して、螺旋部１５の凹み構成によって、ねじり管１３の外周を囲んで略均一に旋回流路１６が配置される構成となる。

図４において、圧縮機１７、放熱器１８、減圧手段１９、吸熱器２０が冷媒循環回路により閉回路に接続されている。冷媒循環回路は、例えば炭酸ガス（ＣＯ2）を冷媒として
使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機１７は、内蔵する電動モータ（図示せず）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力まで圧縮して吐出する。減圧手段１９はステッピングモータ（図示
せず）により駆動する絞り弁で、冷媒流路抵抗を制御している。

放熱器１８は冷媒流路と、その冷媒流路と熱交換を行う水流路を備える。この放熱器１８は前述の熱交換装置を用い、冷媒流路は溝付二重管１１の内管１１ｂと、溝付二重管１２の内管１２ｂとし、水流路は伝熱管１０の内壁と溝付二重管１１、１２の外壁との間の流路としている。そして、この水流路はねじり管１３の外周と伝熱管１０の内周によって構成された旋回流路１６となっている。このように、前述熱交換装置の内管１１ｂと１２ｂの入口は圧縮機１７からの冷媒循環回路部分と連通し、出口は減圧器１９への冷媒循環回路部分と連通するように接続されている。そして、この伝熱管の冷媒流路の流れ方向は水流路の流れ方向とを対向としている。

また、この熱交換装置は、水の上流側の伝熱管部分のみに螺旋部を設けた構成にすることもできる。

この水流路に水または予温水を供給する給水管２１と、水流路から出湯される湯を貯湯タンク２２へ通水させるための給湯回路２３が接続されている。そして、給水管２１は前述の熱交換装置の入水口（図示せず）と接続し、前述の熱交換装置の出湯口（図示せず）は給湯回路２３と連通している。２４は給水管２１に設けた水または予温水を輸送する積層ポンプである。このように、貯湯タンク２２から水または予温水が積層ポンプ２４によって輸送され、水流路で所定温度まで加熱された後、貯湯タンク２２へ輸送され貯留されるようになっている。そして、２５は貯湯タンク２２と連通する出湯管である。

以上のように構成された熱交換装置及び同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

給水管２１を通じて水または予温水が貯湯タンク２２から供給されると、圧縮機１７が起動し、冷媒を高温高圧の臨界状態まで圧縮し、ヒートポンプサイクルが作動する。

そして、圧縮機１７から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器１８へ流入し、旋回流路１６を含める水流路を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路２３を経て貯湯タンク２２へ流れ貯留される、いわゆる積層沸き上げを行う。一方、放熱器１８で冷却された冷媒は減圧手段１９で減圧されて吸熱器２０に流入し、ここで大気熱、太陽熱、地中熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機１７に戻る。

そして、給湯需要のある時、給湯管２５を通じて貯湯タンク２２内に貯湯される湯がユーザーの使用する給湯蛇口（図示せず）などへ供給される。給湯需要の温度レベルに応じて、途中で水道水などとミキシングして所定の温度となり供給することもできる。

放熱器１８において、放熱器１８の冷媒流路１１ｂ、１２ｂを流れる冷媒は、圧縮機１７で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器１８の水流路を流れる水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器１８全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高めることができ、高効率のヒートポンプサイクル式給湯装置を提供することができる。

図１〜図３に示すように、螺旋状にお互いに密着しながら絡み合うように捻れた二本の溝付二重管１１、１２によって構成されたねじり管１３を伝熱管１０内に配置することによって、伝熱管１０の内壁とねじり管１３の外壁の間に、自然に螺旋状の水の旋回流路１６が形成されるとともに、冷媒も螺旋状に旋回されるため、水と冷媒ともに乱流化され、効率よく熱交換でき、熱交換性能のよい熱交換装置を得られ、高効率のヒートポンプサイクル給湯装置を得られる。

特に、伝熱管１０に螺旋部１５を設けたことによって、ねじり管１３の外周と伝熱管１０の内壁面との間に形成された螺旋状の旋回流路部分１６においては、加熱面であるねじり管１３の外周に対して、ねじり管１３の外周を囲んで略均一に旋回流路１６を形成し、旋回流路１６の流路高さも略同様となるため、この旋回流路１６を流れる被加熱体である水とねじり管１３内を流れる冷媒との熱交換は効率的に行うことができ、高性能の熱交換装置を提供することによって、高効率のヒートポンプ給湯装置が実現できる。

また、伝熱管１０に凹みの螺旋部１５を設けることで、別部品を製造、管理、設置する手間もなく、製造コストを抑えることができる。

このように、別部品を用いずに、高効率の熱交換を図りことができるとともに、製造コストも安い高性能の熱交換装置を提供することができる。

また、螺旋部１５の螺旋方向をねじり管１３の螺旋方向と同一方向とし、ともに反時計方向（図示）で、螺旋方向Ｌとすることによって、ねじり管１３の外周と伝熱管１０の内壁面によって構成される旋回流路１６の螺旋方向も螺旋部１５の螺旋方向と同一方向となるため、伝熱管１０内の流路全体において、流体の流れはスムーズとなり、少ない流路抵抗で高性能熱交換装置が実現できる。

また、螺旋部１５の螺旋ピッチＰ２をねじり管１３の螺旋ピッチＰ１と略同一としたことによって、ねじり管１３の外周と伝熱管１０の内壁面によって構成される旋回流路１６に対応して、螺旋部１５を設けることになるので、旋回流路１６を流れる水の流れと溝付二重管内を流れる冷媒の流れとは同調し、両者間の熱交換は均一行うことができるとともに、伝熱管内の流路全体において、流体の流れはスムーズとなり、少ない流路抵抗で高性能熱交換装置が提供できる。

また、水の上流側の伝熱管部分のみに螺旋部１５を設けることによって、水の流れをコントロールすることで、例えば、上流側の伝熱管部分に螺旋部１５を設け、熱交換を効率的に行う伝熱促進部分と、下流側の伝熱管部分に螺旋部を設けなくて、流れを滑らかにし、スケール析出沈殿抑制を図るスケール抑制部分とを形成することができるため、熱交換性能がよくスケール成分の付着を抑制し、信頼性の高い熱交換装置を提供することができる。

このように、伝熱管１０に螺旋部１５を設けたことによって、製造コストが安く、圧力損失を抑えた高性能の熱交換装置とその熱交換装置を用いた高効率のヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

なお、上記実施の形態１において、第一流体は二酸化炭素冷媒、第二流体は水としたが、その他の流体を用いても同様な効果が得られる。

なお、上記実施の形態１において、水流路で加熱された水は貯湯タンクへ輸送されるとしたが、水流路を流れる水を所定温度まで加熱した後、貯湯タンクへ流れなくて、直接ユーザーの使用する給湯蛇口などへ供給してもよい。

以上のように、本発明にかかる熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプサイクル給湯装置は、製造コストが安く、圧力損失を抑えた高性能の熱交換装置と、それを冷媒―水熱交換器として用いた高効率のヒートポンプ給湯装置を提供することができる。
その他、幅広く熱交換、熱搬送などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換装置の部品図 本発明の実施の形態１における同熱交換装置の要部側面図 本発明の実施の形態１における同熱交換装置の断面図 本発明の実施の形態１における同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置構成図 従来の熱交換装置の構成図

符号の説明

１０ 伝熱管
１１、１２ 溝付二重管
１１ａ、１２ａ 外管
１１ｂ、１２ｂ 内管
１３ ねじり管
１５ 螺旋部
１７ 圧縮機
１８ 放熱器
１９ 減圧器
２０ 吸熱器
Ｐ１ ねじり管のねじりピッチ
Ｐ２ 螺旋部の螺旋ピッチ

Claims (5)

1. 外管と、前記外管の管内に位置する内管と、前記外管と前記内管とが密着して構成される溝付二重管と、前記溝付二重管を複数本用いてお互いが密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成されるねじり管と、前記ねじり管を内包する伝熱管とを備え、前記伝熱管を螺旋形状とし、前記伝熱管の螺旋形状における螺旋方向は、前記ねじり管の螺旋方向と同一方向であるとともに、前記伝熱管の螺旋形状における螺旋ピッチは、前記ねじり管の螺旋ピッチと略同一で、かつ、前記伝熱管の断面と前記ねじり管との断面とで、略均一の旋回流路を形成する構成としたことを特徴とする熱交換装置。
2. 内管を流れる第二流体と、伝熱管を流れる第一流体とを対向流とした請求項１に記載の熱交換装置。
3. 伝熱管を流れる第一流体の上流側に対応する伝熱管部分のみを螺旋形状とする請求項１または２記載の熱交換装置。
4. 圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成されるヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器として請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いるヒートポンプ給湯装置。
5. 冷媒は二酸化炭素で、圧力は臨界圧力以上とする請求項４記載のヒートポンプ給湯装置。