(57)【要約】【課題】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を目的とする。【解決手段】外管１１ａ、１２ａと、外管の管内に位置する内管１１ｂ、１２ｂと、外管と内管とが密着して構成する溝付二重管１１、１２と、この溝付二重管は複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管１３と、ねじり管を内包する伝熱管１０と、伝熱管の内壁面に設けた螺旋状溝１６とを備えたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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する溝付二重管と、前記溝付二重管は複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管と、前記ねじり管を内包する伝熱管と、前記伝熱管の内壁面に設けた螺旋状溝とを備える熱交換装置。
【請求項２】
螺旋状溝の螺旋方向は、ねじり管の螺旋方向と同一方向であることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
【請求項３】
伝熱管の螺旋状溝の螺旋ピッチは、ねじり管の螺旋ピッチと略同様であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換装置。
【請求項４】
伝熱管内壁に設けた螺旋状溝が管の軸方向と成すリード角は、２０度以下となるようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換装置。
【請求項５】
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１〜４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
【請求項６】
圧縮機と放熱器を有するヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器は請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置。
【請求項７】
冷媒は二酸化炭素で、圧力は臨界圧力以上とする請求項６記載のヒートポンプ給湯装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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が知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３４３９９５号公報（第１―３頁、図１〜図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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とすることによって、伝熱促進効果を図れるが、ねじりテープ３は別部品のため、それ自身の挿入と外管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。
【０００４】
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ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を解決するために本発明の熱交換装置は、外管と、外管の管内に位置する内管と、外管と内管とが密着して構成する溝付二重管と、この溝付二重管は複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管と、ねじり管を内包する伝熱管と、前記伝熱管の内壁面に設けた螺旋状溝とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
この構成により、別部品を用いずに、伝熱促進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。
【０００７】
また、圧縮機と放熱器を有するヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器は本発明の熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置とする。
【０００８】
これにより、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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、外管と、外管の管内に位置する内管と、外管と前記内管とが密着して構成する溝付二重管と、溝付二重管は複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管と、ねじり管を内包する伝熱管と、この伝熱管の内壁面に設けた螺旋状溝とを備えるものである。
【００１１】
本実施の形態によれば、伝熱管の内壁面に螺旋状溝を設けたことによって、ねじり管を内包する伝熱管内で、ねじり管の外周と伝熱管の内壁面によって構成される螺旋状の旋回流路において、伝熱管の内壁面に近い流路部分も螺旋状な流路となるため、伝熱管の内壁面に近い流路部分でのショートカット流路を防ぐとともに、伝熱管の内壁面に近い流路部分を流れる流体へ螺旋状に流れるように規制を加え、乱流伝熱促進を図り、高性能の熱交換装置が提供できる。
【００１２】
このように、別部品を用いずに、伝熱促進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。
【００１３】
第２の発明は、特に、第１の発明の熱交換装置において、螺旋状溝の螺旋方向は、ねじり管の螺旋方向と同一方向であるものである。
【００１４】
本実施の形態によれば、螺旋状溝の螺旋方向をねじり管の螺旋方向と同一方向とすることによって、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も螺旋状溝の螺旋方向と同一方向となるため、旋回流路によって螺旋状に流れる流体の螺旋方向は、螺旋状溝によって、伝熱管の内壁面に近い流路部分を流れる流体の螺旋方向と同一となる。よって、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。
【００１５】
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、伝熱管の螺旋状溝の螺旋ピッチをねじり管の螺旋ピッチと略同様としたものである。
【００１６】
本実施の形態によれば、螺旋状溝の螺旋ピッチをねじり管の螺旋ピッチと略同様としたことによって、流体はねじり管の螺旋ピッチに沿って、伝熱管内の旋回流路を螺旋状に流れるのに対して、螺旋状溝によって、伝熱管の内壁面に近い流路部分を流れる流体が螺旋状溝の螺旋ピッチに沿って流れ、旋回流路の流れと同調するため、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。
【００１７】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の熱交換装置において、伝熱管内壁に設けた螺旋状溝が管の軸方向と成すリード角は、２０度以下となるようにしたものである。
【００１８】
本実施の形態によれば、螺旋状溝が伝熱管の軸方向と成すリード角は、２０度以下となるようにしたことによって、リード角が小さいため、伝熱管の内壁面に近い流路部分を流れる流体が螺旋状溝の螺旋ピッチに沿って流れる際に、流動抵抗を小さく抑えることができる。
【００１９】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の熱交換装置において、伝熱管を流れる第一流体と、内管を流れる第二流体とを対向流としたことである。
【００２０】
本実施の形態によれば、伝熱管を流れる第一流体と内管を流れる第二流体とを対向流とすることによって、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。
【００２１】
第６の発明は、特に、圧縮機と放熱器を有するヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器は請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置である。
【００２２】
本実施の形態によれば、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。
【００２３】
第７の発明は、特に、第６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。
【００２４】
本実施の形態によれば、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。
【００２５】
（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）は伝熱管の側面断面図、（ｂ）はこの伝熱管に内包されるねじり管構成図である。図２は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。
【００２６】
図３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。
【００２７】
図１〜図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。
【００２８】
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１５が形成される。１６は伝熱管１０の内壁面に設けた複数の螺旋状溝を示す。αはこの螺旋状溝が伝熱管１０の軸方向と成すリード角、このリード角は２０度以下となるように設計されている。また、Ｐ２は螺旋状溝の螺旋ピッチを示し、この伝熱管の螺旋状溝の螺旋ピッチはねじり管１３の螺旋ピッチと略同様である。
【００２９】
図３において、１６ａは複数個螺旋状溝１６の内の一つであり、螺旋方向を説明するために用いられる。図３に示すように、Ａ−Ａ切断面において、溝付二重管１１は上方、溝付二重管１２は下方に位置し、Ｂ−Ｂ切断面において、溝付二重管１１は下方、溝付二重管１２は上方に位置し、Ｃ−Ｃ切断面において、溝付二重管１１は上方、溝付二重管１２は下方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１５も反時計方向に螺旋状になっている。
【００３０】
１６ａは、Ａ−Ａ切断面においては上方、Ｂ−Ｂ切断面においては下方、Ｃ−Ｃ切断面において上方に位置するようになっている。このように、Ａ−Ａ切断面からＢ−Ｂ切断面そしてＣ−Ｃ切断面に渡り、溝１６ａをはじめとする複数の螺旋状溝１６も同様に、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。
【００３１】
このように、螺旋状溝１６の螺旋方向Ｌは、ねじり管１３の螺旋方向そして旋回流路１５の螺旋方向とは同一方向となっている。
【００３２】
なお、各図において、螺旋状溝１６の数や形状や分布などは実施例を説明するためのものであり、必ずしも一致したものではない。
【００３３】
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。
【００３４】
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１５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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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１５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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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１５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。
【００４２】
特に、伝熱管１０の内壁面に螺旋状溝１６を設けたことによって、ねじり管１３を内包する伝熱管１０の中で、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螺旋状の旋回流路１５において、伝熱管１０の内壁面に近い流路部分も螺旋状溝１６の影響で、螺旋状な流路となるため、伝熱管１０の内壁面に近い流路部分でのショートカット流路を防ぐとともに、伝熱管１０の内壁面に近い流路部分を流れる流体へ螺旋状に流れるように規制を加え、乱流伝熱促進を図り、熱交換装置の高性能化を図ることができる。
【００４３】
このように、別部品を用いずに、伝熱促進を図ることができるとともに、製造コストも安く、水側の流れ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。
【００４４】
また、螺旋状溝１６の螺旋方向をねじり管１３の螺旋方向とを同一方向とし、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１５の螺旋方向も螺旋状溝１６の螺旋方向と同一方向となるため、螺旋状溝１６によって、伝熱管１０の内壁面に近い流路部分を流れる流体の螺旋方向は、旋回流路１５によって螺旋状に流れる流体の螺旋方向と同一となる。よって、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。
【００４５】
また、螺旋状溝１６の螺旋ピッチＰ２をねじり管１３の螺旋ピッチＰ１とを略同様としたことによって、第一流体の水はねじり管１３の螺旋ピッチＰ１に沿って、伝熱管内の旋回流路１５を螺旋状に流れるのに対して、螺旋状溝１６によって、伝熱管１０の内壁面に近い流路部分を流れる流体が螺旋状溝１６の螺旋ピッチＰ２に沿って流れ、旋回流路１５の流れと同調なるため、伝熱管内の流路全体において、第一流体の流れの全体はスムーズとなり、少ない流路抵抗で高性能熱交換装置が提供できる。
【００４６】
また、螺旋状溝１６が伝熱管１０の軸方向と成すリード角αは、２０度以下となるようにしたことによって、リード角が小さいため、伝熱管１０の内壁面に近い流路部分を流れる流体が螺旋状溝１６の螺旋ピッチＰ２に沿って流れる際に、流動抵抗を小さく抑えることができる。
【００４７】
このように、伝熱管１０の内壁面に螺旋状溝１６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。
【００４８】
なお、上記実施の形態１において、溝付二重管を２本としたが、２本以上の場合でも同様な効果が得られる。
【００４９】
また、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。
【００５０】
また、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。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
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。
【００５２】
その他、幅広く熱交換、熱搬送などの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１における熱交換装置の伝熱管の側面断面図（ｂ）は同伝熱管に内包されるねじり管部品図
【図２】本発明の実施の形態１における熱交換装置の要部側面図
【図３】（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
【図４】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の構成図
【図５】（ａ）は従来の熱交換装置の構成図（ｂ）は同熱交換装置の螺旋状の捩りテープを示す図
【符号の説明】
【００５４】
１０  伝熱管
１１、１２  溝付二重管
１１ａ、１２ａ  外管
１１ｂ、１２ｂ  内管
１３  ねじり管
１６  螺旋状溝
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  螺旋状溝の螺旋ピッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図４】
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