(57)【要約】【課題】水が凍結したときに管の破損が生じにくい水熱交換器を有する冷凍装置を提供する。【課題を解決するための手段】  冷凍装置２は、冷媒が流通する冷媒管２２ａと、水が流通する水管２２ｂとの間で熱交換が行われる水熱交換器２２を備えている。冷媒管２２ａを構成する部材は多穴扁平管４１Ａであり、水管２２ｂを構成する部材は断面が長方形状の長方形状管４２である。多穴扁平管４１Ａと長方形状管４２は断面長辺側の側面同士が密着している。長方形状管４２の強度は、多穴扁平管４１Ａの強度より小さい。長方形状管４２は、水の凍結時に塑性変形可能な厚みを有している。長方形状管４２の側面は、多穴扁平管４１Ａの側面よりも長く形成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が流通する冷媒管（２２ａ）と水が流通する水管（２２ｂ）との間で熱交換が行われる水熱交換器（２２）を備えた冷凍装置（２）であって、
前記冷媒管（２２ａ）を構成する部材は多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）であり、
前記水管（２２ｂ）を構成する部材は断面が長方形状の長方形状管（４２）であり、
前記多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）と前記長方形状管（４２）は断面長辺側の側面同士が密着しており、
前記長方形状管（４２）の強度は、前記多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）の強度より小さく、
前記長方形状管（４２）は、水の凍結時に塑性変形可能な厚みを有しており、
前記長方形状管（４２）は、水の凍結時に、長辺（４２ａ）が外側にふくらむように変形し、
前記多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）は、前記長方形状管（４２）の変形に沿って変形するようになっている、
冷凍装置。
【請求項２】
冷媒が流通する冷媒管（２２ａ）と水が流通する水管（２２ｂ）との間で熱交換が行われる水熱交換器（２２）を備えた冷凍装置（２）であって、
前記冷媒管（２２ａ）を構成する部材は多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）であり、
前記水管（２２ｂ）を構成する部材は断面が長方形状の長方形状管（４２’）であり、
前記多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）と前記長方形状管（４２’）は断面長辺側の側面同士が密着しており、
前記長方形状管（４２’）の強度は、前記多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）の強度より小さく、
前記長方形状管（４２’）は、水の凍結時に塑性変形可能な厚みを有しており、
前記長方形状管（４２’）の前記側面（４２ａ’）は、前記多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）の前記側面（４６ａ）よりも長く形成されている、
冷凍装置。
【請求項３】
前記長方形状管（４２’）は、両端が前記多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）より外側に突出している、請求項２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）は、一対の多穴扁平管であり、
前記長方形状管（４２，４２’）は、前記一対の多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）に挟まれている、請求項１〜３のいずれかに記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にヒートポンプ式給湯装置の加熱手段として使われる冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヒートポンプ式給湯装置の冷凍装置としては、圧縮式冷凍回路で構成されるものが広く利用されている。冷凍回路は、冷凍装置は、例えば、ＣＯ2を冷媒とし、水熱交換器を備えている。水熱交換器は、冷媒が流通する冷媒管と、水が流通する水管とを有しており、流体同士を対向させて流して、両者の間で熱交換を行う。具体的には、高温高圧の冷媒と低温低圧の水との間で熱交換を行うことで、水を加熱する。この結果、ＣＯ2の超臨界域の特性を用いた高温出湯が可能になる。
【０００３】
水熱交換器の従来技術としては、水管の回りに冷媒管を螺旋状に巻き付けた構造が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
また、水管を扁平管として、さらにその側面に複数の冷媒管を密着させた構造が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。
【特許文献１】特開２００７−２７１２１３号公報
【特許文献２】特開２００４−２１８９４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
冬期において、水熱交換器内に残っていた水が凍ることがある。その場合、特許文献２に記載の技術のように水平管および冷媒管の側方が拘束されていると、凍結時の膨張を許容することができず、拘束管も含めて水熱交換器が破損してしまう。
【０００６】
本発明の課題は、水が凍結したときに管の破損が生じにくい水熱交換器を有する冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１発明に係る冷凍装置は、冷媒が流通する冷媒管と水が流通する水管との間で熱交換が行われる水熱交換器を備えている。冷媒管を構成する部材は多穴扁平管であり、水管を構成する部材は断面が長方形状の長方形状管である。多穴扁平管と長方形状管は断面長辺側の側面同士が密着している。長方形状管の強度は、多穴扁平管の強度より小さい。長方形状管は、水の凍結時に塑性変形可能な厚みを有している。長方形状管は、水の凍結時に、長辺が外側にふくらむように変形する。多穴扁平管は、長方形状管の変形に沿って変形するようになっている。
【０００８】
この装置では、水管内の水が凍結すると、長方形状管は、長辺が外側にふくらむように塑性変形して、その結果、多穴扁平管が長方形状管の変形に沿って変形する。この結果、水の凍結時に水管の膨張が許容され、破損が生じにくい。
【０００９】
第２発明に係る冷凍装置は、冷媒が流通する冷媒管と水が流通する水管との間で熱交換が行われる水熱交換器を備えている。冷媒管を構成する部材は多穴扁平管であり、水管を構成する部材は断面が長方形状の長方形状管である。多穴扁平管と長方形状管は断面長辺側の側面同士が密着している。長方形状管の強度は、多穴扁平管の強度より小さい。長方形状管は、水の凍結時に塑性変形可能な厚みを有している。長方形状管の側面は、多穴扁平管の側面よりも長く形成されている。
【００１０】
この装置では、水管内の水が凍結すると、水管を構成する長方形状管が塑性変形する。このとき、長方形状管は多穴扁平管によって拘束されていない側面を有しているので、長方形状管が多穴扁平管に接している方向に広がるように変形しやすい。この結果、水の凍結時に水管の膨張が許容され、破損が生じにくい。
【００１１】
第３発明に係る冷凍装置は、第２発明に係る冷凍装置であって、長方形状管は、両端が多穴扁平管より外側に突出している。
【００１２】
この装置では、長方形状管の両端が多穴扁平管によって拘束されていないので、長方形状管が多穴扁平管に接している方向に広がるように変形しやすい。この結果、水の凍結時に水管の膨張が許容され、破損が生じにくい。
【００１３】
第４発明に係る冷凍装置は、第１〜第３発明に係る冷凍装置であって、多穴扁平管は、一対の多穴扁平管であり、長方形状管は一対の多穴扁平管に挟まれている。
【００１４】
この装置では、水の凍結時に、長方形状管は、膨張して、一対の多穴扁平管を両側に移動させたり、変形させたりする。
【発明の効果】
【００１５】
第１発明に係る冷凍装置では、水管内の水が凍結すると、長方形状管は、長辺が外側にふくらむように塑性変形して、その結果、多穴扁平管が長方形状管の変形に沿って変形する。この結果、水の凍結時に水管の膨張が許容され、破損が生じにくい。
【００１６】
第２発明に係る冷凍装置では、水管内の水が凍結すると、水管を構成する長方形状管が塑性変形する。このとき、長方形状管は多穴扁平管によって拘束されていない側面を有しているので、長方形状管が多穴扁平管に接している方向に広がるように変形しやすい。この結果、水の凍結時に水管の膨張が許容され、破損が生じにくい。
【００１７】
第３発明に係る冷凍装置では、長方形状管の両端が多穴扁平管によって拘束されていないので、長方形状管が多穴扁平管に接している方向に広がるように変形しやすい。この結果、水の凍結時に水管の膨張が許容され、破損が生じにくい。
【００１８】
第４発明に係る冷凍装置では、水の凍結時に、長方形状管は、膨張して、一対の多穴扁平管を両側に移動させたり、変形させたりする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
＜ヒートポンプ式給湯装置の構成＞
本発明の一実施形態に係る冷凍装置を含むヒートポンプ式給湯装置のシステムを図１に示す。ヒートポンプ式給湯装置１は、冷凍装置２と貯湯装置３とによって構成されている。冷凍装置２は、圧縮機２１、水熱交換器２２内の冷媒管２２ａ、減圧手段としての膨張弁２３、及び空気熱交換器２４が、冷媒配管２５によって環状に接続される圧縮式の冷凍回路２０を有する。
【００２０】
さらに、冷凍回路２０には、水熱交換器２２から出る高圧高温の冷媒と、空気熱交換器２４から出る低圧低温の冷媒との間で熱交換を行うため、ガス熱交換器２６が配置されている。具体的には、水熱交換器２２と膨張弁２３とを連結する冷媒通路と、空気熱交換器と圧縮機２１とを連結する冷媒通路との間で熱交換が行われる。
【００２１】
貯湯装置３は、貯湯タンク３１、水熱交換器２２内の水管２２ｂ及び水循環ポンプ３２が、水配管３５によって環状に接続された水循環回路３０を有する。
【００２２】
冷凍装置２には、設置場所の外気温を検出する外気温センサ８、圧縮機２１の吐出管温度を検出する吐出管温度センサ９、及び空気熱交換器２４の温度を検出する温度センサ１０が設けられており、これらのセンサの検出信号は、マイコン６に入力される。
【００２３】
水熱交換器２２で加熱された水の温度が８５℃となるように、水循環ポンプ３２によって水の循環量が制御される。マイコン６は、８５℃の水を得るために必要な冷媒温度を確保するために、膨張弁２３の開度を制御する。
【００２４】
＜冷凍装置の構造＞
図２は、冷凍装置２の内部構造を示す断面図である。図２において、断熱壁２ｃの右側区画が機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画がファン室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機２１、膨張弁２３が配置されている。
【００２５】
ファン室２ｂには、図２正面視において、前方にファン２７が配置されている。ファン２７の後方には、ファン２７を駆動するモータが、モータ支持台２８に固定された状態で配置されている。ファン室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて水熱交換器２２が配置されている。水熱交換器２２内にて、冷媒管２２ａ（図１参照）を流れる冷媒と、水管２２ｂ（図１参照）を流れる水との間で熱交換が行われる。
【００２６】
また、図２において、空気熱交換器２４は、ファン室２ｂの左側壁と背面壁に沿って配置されており、空気熱交換器２４の右端は機械室２ａの中央まで延出している。制御ボックス４は、機械室２ａの上部とファン室２ｂの上部を跨ぐように配置されている。制御ボックス４には、マイコン６（図３参照）、インバータ７（図３参照）を搭載した制御装置５が内蔵されている。
【００２７】
＜冷凍装置の運転制御＞
図３は、冷凍装置２の制御ブロック図である。マイコン６は、外気温センサ８、空気熱交換器２４の温度センサ１０からの検出信号に基づき、目標吐出管温度設定部６２で目標吐出管温度を設定する。そして、マイコン６は、吐出管温度センサ９で検出される吐出管温度が目標吐出管温度に近づくように、膨張弁開度制御部６３を介して膨張弁２３の開度を制御する。なお、目標吐出管温度の設定に必要なデータは、目標吐出管温度設定部６２内に予め記憶されている。
【００２８】
さらに、マイコン６は、冷凍装置２の炊上能力に及ぼす外気温の影響を考慮して、さらに給湯負荷が一日の時間帯によって変化することを考慮して、インバータ制御部６４を介して圧縮機２１の運転周波数を制御している。例えば、外気温が低く、給湯負荷が大きい時間帯では、湯切れを防止するため、効率を無視して圧縮機２１の運転周波数を高める。一方、外気温が高く、給湯負荷が小さい時間帯では、圧縮機２１の運転周波数を高効率点に設定する。
【００２９】
給湯負荷が大きいとき、マイコン６は、圧縮機２１を保護する目的で、吐出管温度が１２０℃を超えないように圧縮機２１の運転制御を行う。実際に、吐出管温度が１２０℃のとき、圧縮機２１の内部温度は、１４０℃〜１４５℃に到達しており、内部温度がさらに上昇して１５０℃を超えると、圧縮機２１内部のマグネットの磁力が低下、オイルの劣化が発生し故障に至る。したがって、本実施形態では、吐出管温度の上限を１２０℃と設定している。
【００３０】
但し、外気温ｔ１が−２０℃以下のときは、圧縮機２１が過負荷になり易いので、さらなる安全措置として吐出管温度センサ９の検出値の補正量を大きくとり、実際の吐出管温度が１２０℃に達する前に吐出管温度センサ９の検出値を１２０℃にする必要がある。そこで、外気温ｔ１が−２０℃以下のときの補正量が実験的に求められ、マイコン６の温度補正部６１の第２補正手段６１ｂに記憶されている。
【００３１】
なお、外気温ｔ１＞−２０℃の温度範囲では、第１補正手段６１ａによって、補正されている。
【００３２】
＜水熱交換器の構造＞
図４は、水熱交換器２２の配管図である。この図では、水熱交換器２２を模式的に表現している。
【００３３】
水熱交換器２２は、冷媒管２２ａと、水管２２ｂとを有しており、両者内を流れる流体間で熱交換を行うものである。具体的な構造としては、水熱交換器２２は、冷媒管２２ａを構成する一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂと、水管２２ｂを構成する断面長方形状管４２とから主に構成されている。
【００３４】
一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂは、図５に示すように、扁平部本体４６を有している。扁平部本体４６は、図４に示すように長く延びている。扁平部本体４６は、互いに対向する対向面４６ａと、反対側の反対側面４６ｂとを有している。扁平部本体４６内には、複数の（この実施例では４つの）穴４７が一列に形成されている。このように扁平管に複数の穴を形成して冷媒管とすることで、冷媒側の熱伝達率が向上している。
【００３５】
扁平管４１Ａ，４１Ｂは、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス等からなる。なお、各扁平管４１Ａ，４１Ｂは引き抜き加工や押し出し加工により製造されている。
【００３６】
断面長方形状管４２は、一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂに沿って延びる部材であり、図から明らかなように断面が長方形状である。断面長方形状管４２は、長辺部４２ａと、短辺部４２ｂとを有している。長辺部４２ａは、扁平管４１Ａ，４１Ｂの対向面４６ａに当接してロウ付け等によって接合されている。長辺部４２ａは対向面４６ａと同じ長さであるなお、長方形状管４２の強度は、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂの強度より小さい。また、長方形状管４２は、水の凍結時に塑性変形可能な厚みを有している。
【００３７】
長方形状管４２は、銅、アルミニウム、ステンレス等からなる。
【００３８】
一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂは、図４に示すように、平行に折り曲げられ、蛇行形状になっている。蛇行形状とは、例えば、図４においては、直線状に延びる直線部分と、ヘアピン状に屈曲された屈曲部分とが交互に繰り返され、その結果複数の直線部分が互いに近接した状態に配置されている形状をいう。言い換えると、複数の直線部分が互いに重ねられるように配置されている。このように水熱交換器２２の全体形状が蛇行形状になっているので、コンパクトな構造を実現している。
【００３９】
また、各扁平管４１Ａ，４１Ｂは、自らの直線部分同士が積み重ね方向において近接しているが、隙間４３を間に確保している。隙間４３の大きさは、隣接する扁平管の各部分同士（温度の異なる管同士）が熱伝導による熱交換を行わない程度に設定されている。これにより、水熱交換器２２は、全体の熱交換効率を低下させることなく、その結果高温の出湯が可能になる。また、熱変形の影響を小さく抑えることができて、信頼性が向上する。
【００４０】
この水熱交換器２２においては、ＣＯ2が冷媒管２２ａ内を流れ、水がＣＯ2と対向する方向に水管２２ｂ内を流れる。その結果、両者内を流れる流体間で熱交換が行われ、水が加熱される。ここでは、扁平管を用いて伝熱面積を増大しているので、熱交換性能が高い。
【００４１】
この水熱交換器２２では、水管２２ｂ内の水が凍結すると、水管２２ｂを構成する長方形状管４２が塑性変形する。このとき、長方形状管４２は、図６に示すように、長辺部４２ａが多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂ側に突出するように変形する。より具体的には、長辺部４２ａの中央部が両端部よりさらに外側に移動するように長辺部４２ａが変形する。その結果、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂが長辺部４２ａの変形に沿って変形する。より具体的には、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂは中央部が両端部より外側に位置するように変形される。このように、水の凍結時に水管２２ｂの膨張が許容されるので、破損が生じにくい。
【００４２】
＜他の実施形態＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４３】
（１）
図７および図８に示す水熱交換器２２について説明する。本実施形態における水熱交換器２２の基本的構造は前記実施形態と同様である。従って、同じ構成の部分については同じ符合を与えて説明を省略する場合がある。
【００４４】
断面長方形状管４２’は、一対の扁平管４１Ａ，４１Ｂに沿って延びる部材であり、図から明らかなように断面が長方形状である。断面長方形状管４２’は、長辺部４２ａ’と、短辺部４２ｂ’とを有している。長辺部４２ａ’は、扁平管４１Ａ，４１Ｂの対向面４６ａに当接してロウ付け等によって接合されている。長辺部４２ａは、対向面４６ａより長く、さらに具体的には、対向面４６ａより両側に突出している。そのため、両短辺部４２ｂおよびそれに連結された長辺部４２ａ’の一部は、扁平管４１Ａ，４１Ｂより外側に突出している。なお、長方形状管４２’の強度は、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂの強度より小さい。また、長方形状管４２’は、水の凍結時に塑性変形可能な厚みを有している。
【００４５】
この水熱交換器２２では、水管２２ｂ内の水が凍結すると、水管２２ｂを構成する長方形状管４２’が塑性変形する。このとき、長方形状管４２’は、図８に示すように、長辺部４２ａ’が多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂ側に突出するように変形する。より具体的には、長辺部４２ａ’の中央部が両端部よりさらに外側に移動するように長辺部４２ａ’が変形する。その結果、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂが長辺部４２ａ’の変形に沿って変形する。より具体的には、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂは中央部が両端部より外側に位置するように変形される。このように、水の凍結時に水管２２ｂの膨張が許容されるので、破損が生じにくい。
【００４６】
特に、長方形状管４２’の両端が多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂによって拘束されていないので、長方形状管４２’が多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂに接している方向に広がるように変形しやすい。この結果、水の凍結時に水管２２ｂの膨張が許容され、破損が生じにくい。
【００４７】
＜変形例＞
（１）
前記実施形態では、扁平管には４つの穴が一列に並んで形成されているが、本発明はこれに限定されない。穴の個数や配置は任意に設定しても良い。
【００４８】
（２）
前記実施形態では、一対の扁平管と断面長方形状部材はロウ付けによって接合されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、接着材を用いて各部材を接合しても良い。
【００４９】
（３）
前記実施形態では冷媒としてＣＯ2を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、高温高圧の冷媒として、炭化水素、フロン冷媒などを用いても良い。
【００５０】
（４）
前記実施形態では、扁平管は一体部材に形成された多穴構造であったが、本発明はこれに限定されない。例えば、複数の細管を接合して一つの扁平管としても良い。
【００５１】
（５）
前記実施形態では、扁平管の穴を冷媒管として、扁平管の間の空間を水管としたが、本発明はこれに限定されない。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように本発明によれば、水が凍結したときに管の破損が生じにくい水熱交換器が提供されるので、ヒートポンプ式給湯装置の冷凍装置に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷凍装置を含むヒートポンプ式給湯装置のシステム。
【図２】冷凍装置の内部構造を示す断面図。
【図３】冷凍装置の制御装置のブロック図。
【図４】冷凍装置の水熱交換器の内部配管図。
【図５】水熱交換器の断面図。
【図６】水凍結時の水熱交換器の断面図。
【図７】他の実施形態における水熱交換器の断面図。
【図８】水凍結時の水熱交換器の断面図。
【符号の説明】
【００５４】
１  ヒートポンプ式給湯装置
２  冷凍装置
２ａ  機械室
２ｂ  ファン室
６  マイコン
２０  圧縮式冷凍回路
２１  圧縮機
２２  水熱交換器
２２ａ  冷媒管
２２ｂ  水管
２３  膨張弁
２４  空気熱交換器
２５  冷媒配管
２７  ファン
３５  水配管
４１Ａ，４１Ｂ  扁平管
４２  長方形状管
４２ａ  長辺部
４２ｂ  短辺部
４３  隙間
４６  扁平部本体
４６ａ  対向面
４６ｂ  反対側面
４７  穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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