(57)【要約】【課題】冷媒管の性能が向上することにより、全体としての性能が向上する熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換対象が第１流体および第２流体である熱交換器２２であって、第１配管２２ａと、第２配管２２ｂと、第３配管２２ｃとを備える。第１配管２２ａは、第１流体を流す。第２配管２２ｂは、第２流体を流し、第１配管２２ａの外周空間に第１配管２２ａと接触して配置される。第３配管２２ｃは、第１流体または第２流体を流し、第１配管２２ａの外周空間に配置され、第２配管２２ｂと接触する。第２配管２２ｂは、第１配管２２ａが延びる第１方向と直交して切断される断面視において、第１配管２２ａと第３配管２２ｃとにより挟まれている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換対象が第１流体および第２流体である熱交換器（２２）であって、
前記第１流体を流す第１配管（２２ａ）と、
前記第２流体を流し、前記第１配管（２２ａ）の外周空間に前記第１配管（２２ａ）と接触して配置される第２配管（２２ｂ）と、
前記第１流体または前記第２流体を流し、前記第１配管（２２ａ）の外周空間に配置され、前記第２配管（２２ｂ）と接触する第３配管（２２ｃ）と、
を備え、
前記第２配管（２２ｂ）は、前記第１配管（２２ａ）が延びる第１方向と直交して切断される断面視において、前記第１配管（２２ａ）と前記第３配管（２２ｃ）とにより挟まれている、
熱交換器（２２）。
【請求項２】
前記第２配管（２２ｂ）は、前記第１配管（２２ａ）の外周面に沿って螺旋状に巻かれている、
請求項１に記載の熱交換器（２２）。
【請求項３】
前記第２配管（２２ｂ）は、前記第１配管（２２ａ）の長手方向と平行に配置される、
請求項１に記載の熱交換器（２２）。
【請求項４】
前記第３配管（２２ｃ）は、前記第１配管（２２ａ）および前記第２配管（２２ｂ）の周りに、螺旋状に巻かれている、
請求項２または３に記載の熱交換器（２２）。
【請求項５】
前記第３配管（２２ｃ）は、前記第１配管（２２ａ）および前記第２配管（２２ｂ）の周りに、前記第２配管（２２ｂ）とクロスするように螺旋状に巻かれている、
請求項２に記載の熱交換器（２２）。
【請求項６】
前記第３配管（２２ｃ）は、扁平管である、
請求項４または５に記載の熱交換器（２２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、給湯用熱交換器において、１本の水管の外周に１本の冷媒管を巻き付ける熱交換器が提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００６−２８４００９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１における熱交換器では、水管と冷媒管とが接触する面積を増やすことにより、性能が向上する。しかし、１本の冷媒管で水管を巻いているため、冷媒管における冷媒圧損が大きくなることも想定される。よって、冷媒管の性能の向上を考慮することが好ましい。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、冷媒管の性能が向上することにより、全体としての性能が向上する熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１発明に係る熱交換器は、熱交換対象が第１流体および第２流体である熱交換器であって、第１配管と、第２配管と、第３配管とを備える。第１配管は、第１流体を流す。第２配管は、第２流体を流し、第１配管の外周空間に第１配管と接触して配置される。第３配管は、第１流体または第２流体を流し、第１配管の外周空間に配置され、第２配管と接触する。第２配管は、第１配管が延びる第１方向と直交して切断される断面視において、第１配管と第３配管とにより挟まれている。
【０００６】
ここで、例えば、第１流体は水で、第２流体はＣＯ２冷媒である。
【０００７】
第１発明に係る熱交換器では、第２配管が第１配管の外周空間に第１配管と接触して配置されることにより、また、第３配管が第２配管と接触して配置されることにより、第１流体と第２流体との熱交換効率が向上する。よって、熱交換器の性能が向上する。
【０００８】
第２発明に係る熱交換器は、第１発明に係る熱交換器であって、第２配管は、第１配管の外周面に沿って螺旋状に巻かれている。
【０００９】
第２発明に係る熱交換器では、第２配管が第１配管の外周面に沿って螺旋状に巻かれることで、第１配管と第２配管との接触面積が増えるので、第１流体と第２流体との熱交換効率が向上する。
【００１０】
第３発明に係る熱交換器は、第１発明に係る熱交換器であって、第２配管は、第１配管の長手方向と平行に配置される。
【００１１】
第３発明に係る熱交換器では、第２配管が第１配管の長手方向と平行に配置されることで、第１流体と第２流体との熱交換効率が向上する。
【００１２】
第４発明に係る熱交換器は、第２発明または第３発明に係る熱交換器であって、第３配管は、第１配管および第２配管の周りに、螺旋状に巻かれている。
【００１３】
第５発明に係る熱交換器は、第２発明または第３発明に係る熱交換器であって、第３配管は、第１配管および第２配管の周りに、第２配管とクロスするように螺旋状に巻かれている。
【００１４】
第４発明および第５発明に係る熱交換器では、第３配管が、第１配管および第２配管の周りに螺旋状に巻かれていることによって、第２配管と第３配管との接触面積が増えるので、第１流体と第２流体の熱交換効率が向上する。
【００１５】
第６発明に係る熱交換器は、第４発明または第５発明に係る熱交換器であって、第３配管は、扁平管である。
【００１６】
第６発明に係る熱交換器では、扁平管が第２配管の周囲に配置されることで、第１流体と第２流体との熱交換効率が向上する。
【発明の効果】
【００１７】
第１発明に係る熱交換器では、第２配管が第１配管の外周空間に第１配管と接触して配置されることにより、また、第３配管が第２配管と接触して配置されることにより、第１流体と第２流体との熱交換効率が向上する。よって、熱交換器の性能が向上する。
【００１８】
第２発明に係る熱交換器では、第２配管が第１配管の外周面に沿って螺旋状に巻かれることで、第１配管と第２配管との接触面積が増えるので、第１流体と第２流体との熱交換効率が向上する。
【００１９】
第３発明に係る熱交換器では、第２配管が第１配管の長手方向と平行に配置されることで、第１流体と第２流体との熱交換効率が向上する。
【００２０】
第４発明および第５発明に係る熱交換器では、第３配管が、第１配管および第２配管の周りに螺旋状に巻かれていることによって、第２配管と第３配管との接触面積が増えるので、第１流体と第２流体の熱交換効率が向上する。
【００２１】
第６発明に係る熱交換器では、扁平管が第２配管の周囲に配置されることで、第１流体と第２流体との熱交換効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
【００２３】
なお、以下の実施形態は、本発明の具体例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２４】
＜第１実施形態＞
＜ヒートポンプ式給湯器１の構成＞
以下、本発明の一実施形態に係る水熱交換器２２を含むヒートポンプ式給湯器１のシステムについて説明する。図１に示すように、ヒートポンプ式給湯器１は、冷媒にＣＯ２冷媒を用いる冷凍装置２と、貯湯装置３とにより構成される。冷凍装置２は、圧縮機２１、水熱交換器２２内の第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃ、減圧手段としての膨張弁１９および空気熱交換器２８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。
【００２５】
冷凍回路２０には、水熱交換器２２から出る高温高圧の冷媒と、空気熱交換器２８から出る低温低圧の冷媒との間で熱交換を行うため、液ガス熱交換器２６がさらに配置されている。具体的には、水熱交換器２２と膨張弁１９とを連結する冷媒通路と、空気熱交換器２８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。
【００２６】
貯湯装置３は、貯湯タンク３１、水熱交換器２２内の水管２２ａおよび水循環ポンプ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。貯湯装置３では、給水管３７から貯湯タンク３１に水道水が供給され、そして、出湯管３８を介して、供給先に湯が供給される。
【００２７】
＜冷凍装置２の構成＞
図２に示すように、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１９が配置されている。
【００２８】
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２９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、水管２２ａ（図１参照）を流れる水と、第１冷媒管２２ｂ（図１参照）および第２冷媒管２２ｃ（図１参照）を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。
【００２９】
また、空気熱交換器２８は、ファン室２ｂの左側面と背面に沿って配置されており、空気熱交換器２８の右端は機械室２ａの中央まで延出している。
【００３０】
＜水熱交換器２２の構成＞
図４に示すように、水熱交換器２２は、主として、水を流す１本の水管２２ａと、冷媒を流す１本の第１冷媒管２２ｂと、冷媒を流す１本の第２冷媒管２２ｃとを有し、水管２２ａおよび冷媒管２２ｂ、２２ｃをそれぞれ流れる流体間で熱交換を行わせるものである。ここで、第２冷媒管２２ｃは、直接に水管２２ａと接触していないが、第１冷媒管２２ｂを介して、第２冷媒管２２ｃを流れる冷媒と水管２２ａを流れる水との間で熱交換が行われる。
【００３１】
以下、水熱交換器２２の具体的な構成を説明する。
【００３２】
水管２２ａの外周空間には、第１冷媒管２２ｂが水管２２ａと接触するように配置されており、第１冷媒管２２ｂは、水管２２ａの外周面に沿って螺旋状に巻きつけられている。第２冷媒管２２ｃは、水管２２ａの外周空間に配置され、かつ、第１冷媒管２２ｂと接触するように配置されており、第１冷媒管２２ｂの巻き方向（図４に示す点線部分）と同じ方向に、第１冷媒管２２ｂに対して螺旋状に巻かれている（図４に示す実線部分）。具体的には、図５に示すように、水管２２ａの長手方向（水管２２ａが延びる方向を示す。以下、第１方向という。）と直交して切断されるＶ−Ｖ断面（図４参照）において、第１冷媒管２２ｂが、水管２２ａと第２冷媒管２２ｃとにより挟まれているような配置がされている。
【００３３】
ここで、水熱交換器２２は、２本の冷媒管２２ｂ、２２ｃを有する。よって、図１において、圧縮機２１を出た冷媒は、２本の冷媒管２２ｂ、２２ｃに分流される。そして、２本の冷媒管２２ｂ、２２ｃを通過し終えたとき、分流されていた冷媒は、合流して、合流した冷媒は、１本の配管である冷媒配管２５を通って、膨張弁１９へと向かう。
【００３４】
また、ここで、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃは密に巻かれている。
【００３５】
なお、図４に示す図の両端部分は、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃを取り除いた場合を図示している。
【００３６】
また、この水熱交換器２２には、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃから冷媒が漏洩していることがわかるように、密に巻いている第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃの巻き数を減らして隙間Ｓ（図１０参照）を作る構成としている。この隙間Ｓは、少なくとも１箇所設けられる。
【００３７】
なお、本実施形態では、水管２２ａの上に第１冷媒管２２ｂ、第１冷媒管２２ｂの上に第２冷媒管２２ｃを巻いている３層の構造をもつ水熱交換器２２について説明しているが、３層以上の多層の構造をもつ水熱交換器２２であってもよい。
【００３８】
＜制御装置５の構成＞
図３は、制御装置５の制御ブロック図である。図３に示すように、制御装置５は、マイコン６、インバータ７等を搭載している。図２に示すように、制御装置５は、制御ボックス４に内蔵されている。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。
【００３９】
制御装置５は、水熱交換器２２で加熱された水の温度を８５℃に確保するために、図３に示すように、水循環ポンプ３２による水の循環量を制御する。また、制御装置５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、圧縮機２１の回転数や膨張弁１９の開度を制御する。
【００４０】
＜第１実施形態に係る水熱交換器２２の特徴＞
従来の水熱交換器は、１本の水管に１本の冷媒管が巻きつけられているものが多い。しかし、ヒートポンプ式給湯器のような、一過式で沸き上げるものは、冷媒管のパス数が少ないと、冷媒圧損が大きくなることが想定され、水熱交換器全体としての性能の向上が抑制されることも想定される。
【００４１】
そこで、上記実施形態に係る水熱交換器２２では、水管２２ａの外周空間に第１冷媒管２２ｂを水管２２ａと接触するように巻きつけ、さらに、第２冷媒管２２ｃを、第１冷媒管２２ｂの外周空間に第１冷媒管２２ｂと接触するように配置させ、冷媒を流す管の本数を増やしている。管の本数を増やすことにより、一定量で冷凍装置２内を流れる冷媒を複数の冷媒管２２ｂ、２２ｃに分量して流すことができるので、冷媒圧損を抑制できる。これにより、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃを流れる冷媒の熱交換効率が向上するので、水熱交換器２２全体としての性能が向上する。
【００４２】
また、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃは、それぞれ密に巻かれている。これにより、水管２２ａと第１冷媒管２２ｂとの接触面積および第１冷媒管２２ｂと第２冷媒管２２ｃとの接触面積が増える。よって、水と冷媒との熱交換効率が上昇するので、水熱交換器２２全体としての性能が向上する。
【００４３】
＜第１実施形態に係る水熱交換器２２の変形例＞
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００４４】
（Ａ）
上記実施形態では、第１冷媒管２２ｂは、水管２２ａの外周空間に、水管２２ａと接触するように配置されており、水管２２ａに螺旋状に巻きつけられていると説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、第１冷媒管２２ｂは、第１方向に対して平行に配置され、水管２２ａと接触するような構成をとってもよい。この場合、図８に示すような側面図となり、図８における側面図を、第１方向と直交して切断した場合（ＩＸ−ＩＸで切断した場合）の断面図は図９のようになる。なお、図８に示す図の両端部分は、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃを取り除いた場合を図示している。
【００４５】
ここで、図８正面視において、第２冷媒管２２ｃは、右方向に向かって、第１冷媒管２２ｂに螺旋状に巻かれているが、巻き方向は逆であってもよい。また、第２冷媒管２２ｃは、第１冷媒管２２ｂと同様に、螺旋状に巻くものに限定されず、第１方向に対して平行に配置され、第１冷媒管２２ｂに接触するような構成をとってもよい。
【００４６】
（Ｂ）
上記実施形態では、水管２２ａの周囲に第１冷媒管２２ｂが巻かれ、さらにその上から第２冷媒管２２ｃが巻かれると説明した。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、冷媒管の周囲に水管を巻き、さらにその上に冷媒管を巻く構成としてもよいし、冷媒管の周囲に冷媒管を巻き、さらにその上に水管を巻く構成としてもよい。
【００４７】
（Ｃ）
上記実施形態では、水管２２ａの上に第１冷媒管２２ｂを、第１冷媒管２２ｂの上に第２冷媒管２２ｃを巻いている３層の構造をもつ水熱交換器２２に限定されず、３層以上の多層の構造をもつ水熱交換器２２であってもよいと説明した。この場合、多層に配置されていくのは、それぞれ水を流す水管であっても冷媒を流す冷媒管であってもよい。また、この場合、螺旋状に巻く構造をとってもよいし、平行配置をとってもよい。螺旋状に巻く構造をとる場合、巻き方向はいずれの方向でもよい。
【００４８】
（Ｄ）
上記実施形態では、水管２２ａの上に第１冷媒管２２ｂを巻く構成をとっているが、本発明では、水管２２ａの上に巻くものが管に限定されるのではなく、アルミ等の金属を曲げて水管２２ａの上に貼るような構成をとってもよい。また、第２冷媒管２２ｃにおいても、同様の構成をとってもよい。また、３層以上の多層の構造の場合であっても、同様の構成をとってもよい。
【００４９】
（Ｅ）
上記実施形態では、水熱交換器２２は、２本の冷媒管２２ｂ、２２ｃを有すると説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、冷媒管は２本以上であってもよい。
【００５０】
（Ｆ）
上記実施形態では、水管２２ａの周りに巻かれる冷媒を流す管として、１つの孔を有する管である第１冷媒管２２ｂを用いているが、複数の孔を有した扁平管を用いてもよい。扁平管を用い、複数の孔に冷媒を流すことで、冷媒が流れるパス数が増える。これにより、扁平管を流れる冷媒の熱交換効率が向上し、水熱交換器２２全体としての性能が向上する。また、第２冷媒管２２ｃについても、第１冷媒管２２ｂと同様に、扁平管を代用してもよい。
【００５１】
（Ｇ）
上記実施形態では、図４正面視において、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃは、右方向に向かって、それぞれ水管２２ａ、第１冷媒管２２ｂに螺旋状に巻かれているが、巻き方向は逆であってもよい。
【００５２】
（Ｈ）
上記実施形態では、冷媒が漏洩していることを知ることができるように、隙間が設けられた構成をした水熱交換器２２であると説明した。
【００５３】
しかし、本発明はこれに限られるものではなく、その隙間部分に、冷媒が漏洩していることを検出する冷媒漏洩検出センサを設けた構成としてもよい。この場合、冷媒漏洩検出センサからの検出信号が制御装置５に送られ、その検出信号により、制御装置５は、各種機器を制御するシステムを採用してもよい。
【００５４】
＜第２実施形態＞
第２実施形態に係るヒートポンプ式給湯器１は、水熱交換器２２の一部（第２冷媒管２２ｃ）の構成を除いては、第１実施形態に係る構成とほぼ同様であり、説明を省略する。
【００５５】
以下、図６、図７を用いて、第１実施形態と相違する第２冷媒管２２ｃの構成について、説明する。
【００５６】
第２実施形態に係る第２冷媒管２２ｃは、第１実施形態と同様、水管２２ａの外周空間に配置され、かつ、第１冷媒管２２ｂと接触するように配置される。第２実施形態に係る第２冷媒管２２ｃは、第１実施形態に係る第２冷媒管２２ｃが第１冷媒管２２ｂの巻き方向と同じ方向に、第１冷媒管２２ｂに対して螺旋状に巻かれている（図４参照）のと異なり、第１冷媒管２２ｂ（図６に示す点線部分）とクロスするように第１冷媒管２２ｂに対して螺旋状に巻かれている（図６に示す実線部分）。なお、図６に示す図の両端部分は、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃを取り除いた場合を図示している。
【００５７】
ここで、第１実施形態と同様、第２実施形態に係る水熱交換器２２は、２本の冷媒管２２ｂ、２２ｃを有する。よって、冷媒が水熱交換器２２を通過する際、２本の冷媒管２２ｂ、２２ｃに分流され、水熱交換器２２を通過し終えたときは、分流されていた冷媒は、合流する。
【００５８】
また、ここで、第１実施形態と同様、第２実施形態に係る第２冷媒管２２ｃは、第１冷媒管２２ｂに対して密に巻かれている。しかし、第２実施形態に係る水熱交換器２２においても、冷媒管２２ｂ、２２ｃからの冷媒漏洩を知ることができるように、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃにおいて、密に巻かない部分を作り、隙間を設ける構成としている。
【００５９】
さらに、ここで、第１実施形態と同様、第２実施形態に係る水熱交換器２２においても、水管２２ａ、第１冷媒管２２ｂおよび第２冷媒管２２ｃから構成される３層の構造をもつ水熱交換器２２に限定されず、３層以上の多層の構造をもつ水熱交換器２２であってもよい。
【００６０】
なお、図６に示す側面図において、第１方向と直交して切断した場合（ＶＩＩ−ＶＩＩで切断した場合）の断面図は図７のようになる。
【００６１】
＜第２実施形態に係る水熱交換器２２の特徴＞
第１実施形態の水熱交換器２２では、第１実施形態と同様、第１冷媒管２２ｂの本数を複数にしているので、冷媒圧損が抑制でき、水管２２ａを流れる水と、第１冷媒管２２ｂを流れる冷媒との熱交換効率が向上する。よって、水熱交換器２２全体としての性能が向上する。
【００６２】
＜第２実施形態に係る水熱交換器２２の変形例＞
図６正面視において、第１冷媒管２２ｂは、右方向に向かって水管２２ａに巻きついているが、巻き方向は逆であってもよい。また、第２冷媒管２２ｃについても、左方向に向かって第１冷媒管２２ｂに対して巻きついているが、巻き方向は、第１冷媒管２２ｂとクロスするようになっていれば、逆であってもよい。
【００６３】
なお、第２実施形態に係る水熱交換器２２の他の変形例は、第１実施形態に係る水熱交換器２２の変形例（Ａ）および（Ｇ）を除いた、第１実施形態に係る水熱交換器２２の変形例と同様である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明では、冷媒管の性能が向上することにより、熱交換器全体としての性能が向上するので、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】ヒートポンプ式給湯器の概略構成図。
【図２】冷凍装置の内部構造を示す断面図。
【図３】制御装置の制御ブロック図。
【図４】第１実施形態に係る水熱交換器の側面図。
【図５】図４に示す水熱交換器のＶ−Ｖ断面図。
【図６】第２実施形態に係る水熱交換器の側面図。
【図７】図６に示す水熱交換器のＶＩＩ−ＶＩＩ断面図。
【図８】第１実施形態の変形例（Ａ）に係る水熱交換器の側面図。
【図９】図８に示す水熱交換器のＩＸ−ＩＸ断面図。
【図１０】冷媒漏洩検知のための隙間Ｓを示す図。
【符号の説明】
【００６６】
２２  水熱交換器（熱交換器）
２２ａ  水管（第１配管）
２２ｂ  第１冷媒管（第２配管）
２２ｃ  第２冷媒管（第３配管）
【図１】
2010060254.tif 000003
【図２】
2010060254.tif 000004
【図３】
2010060254.tif 000005
【図４】
2010060254.tif 000006
【図５】
2010060254.tif 000007
【図６】
2010060254.tif 000008
【図７】
2010060254.tif 000009
【図８】
2010060254.tif 000010
【図９】
2010060254.tif 000011
【図１０】
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