(57)【要約】【課題】目詰まりを起こさせることなく、しかも、多くの水を排出させることのできるような熱交換器を提供する。【解決手段】コンプレッサー１４で加熱された冷媒を通す冷媒管４と、その加熱冷媒によって純水を水蒸気にする中間加熱管５と、その水蒸気による潜熱によって加熱される流水管６とを備える。これにより、流水管６の外周部分を水蒸気で覆って熱交換量を大きくし、流水管６の内径を太くした場合であっても水を高温に加熱できるようにする。さらには、流水管６の内径を太くすることで、不純物による目詰まりを防止するとともに、大きな流量も確保する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサーによる圧縮によって加熱された冷媒を通す冷媒管と、
当該冷媒管を流れる冷媒によって加熱される中間加熱管と、
当該中間加熱管の中間流体によって加熱される流水管とを備え、
前記冷媒管を流れる冷媒によって中間流体を加熱させ、当該中間流体の熱を介して前記第三流体を加熱させるようにしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
コンプレッサーによる圧縮によって加熱された冷媒を通す冷媒管と、
当該冷媒管を流れる冷媒によって加熱される中間加熱管と、
当該中間加熱管の中間流体によって加熱され、前記冷媒管よりも内径を大きくした流水管とを備え、
前記冷媒管を流れる冷媒によって中間流体を加熱させ、当該中間流体の熱を介して前記第三流体を加熱させるようにしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項３】
コンプレッサーによる圧縮によって加熱された冷媒を通す冷媒管と、
当該冷媒管を流れる冷媒によって液体を気体に加熱させる中間加熱管と、
当該中間加熱管によって気化された中間流体によって加熱される流水管とを備え、
前記冷媒管を流れる冷媒によって中間流体を加熱させ、当該中間流体の潜熱を利用して前記第三流体を加熱させるようにしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項４】
コンプレッサーによる圧縮によって加熱された冷媒を通す冷媒管と、
毛細管現象によって液体を吸い上げ、当該液体を前記冷媒管の冷媒によって気体に加熱させる中間加熱管と、
当該中間加熱管によって気化された中間流体によって加熱される流水管とを備え、
前記冷媒管を流れる冷媒によって中間流体を加熱させ、当該中間流体の潜熱を利用して前記第三流体を加熱させるようにしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項５】
コンプレッサーによる圧縮によって加熱された冷媒を通す冷媒管と、
当該冷媒管を流れる冷媒によって液体を気体に加熱させる中間加熱管と、
当該中間加熱管によって気化された中間流体によって加熱される流水管と、
当該冷媒管と中間加熱管と流水管を大気圧よりも減圧させた空間内に封入するケーシングとを備え、
前記冷媒管を流れる冷媒によって中間流体を加熱させ、当該中間流体の潜熱を利用して前記第三流体を加熱させるようにしたことを特徴とする熱交換器。
【請求項６】
コンプレッサーによる圧縮によって加熱された冷媒を通す冷媒管、および、当該冷媒管を流れる冷媒によって加熱される中間加熱管を有する第一ケーシングと、
当該第一ケーシングと分離可能に連結され、内部に前記中間加熱管の中間流体によって加熱される流水管を有する第二ケーシングとを備え、
前記冷媒管を流れる冷媒によって中間流体を加熱させ、当該中間流体の熱を介して前記第三流体を加熱させるようにしたことを特徴とする熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプなどに利用される熱交換器に関するものであり、より詳しくは、熱交換機内を通される流水管に目詰まりを起こさせないようにした熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、オール電化を導入している家庭などにおいては、生活用水を加熱させて貯留させておくヒートポンプが備けられるようになっている。このヒートポンプは、コンプレッサーによって二酸化炭素である冷媒を高圧に圧縮し、その際に発生する高熱を用いて水を加熱させてタンクに貯留させるようにしたものである。
【０００３】
ところで、このようなヒートポンプでは、図５に示すように、加熱された冷媒を通す冷媒管と水を通す流水管とを直交する方向に積層させた熱交換器や（特許文献１）、図６に示すように、外管８１と内管８２とを同軸状に設け、それぞれの管の内側に冷媒と水を通すようにした熱交換器（特許文献２）を設けられている。そして、これらの熱交換器は、一般に、冷媒と水との間で効率よく熱交換させるために、熱入力側の冷媒管の内径と熱出力側の流水管の内径をそれぞれ細くするように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１０８７１２号公報
【特許文献２】特開２００５−０８３６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このように管の内径を細くする場合において、熱出力側である流水管の内径を細くすると、次のような問題を生じる。
【０００６】
すなわち、流水管の内径を細くすると、水道水の中に含まれる塩素やカルシウム、マグネシウムなどが流水管の内壁に付着してしまい、すぐに目詰まりを起こしてしまう。このため、内径によって違いはあるが、早い場合で数日、遅い場合でも数年に一度は熱交換器を交換しなければならない。かかる問題を解決するために、流水管の外周部分に磁石などを取り付けて目詰まりを防止する方法（特開２００８−３０４１７５号公報）なども提案されているが、この磁石と不純物の付着との因果関係に不明な部分があり、その大きな効果も疑問視されている。また、上記特許文献１や特許文献２のように冷媒管と流水管とを密着させるか同軸管状とした構造であると、一旦目詰まりを起こすと、冷媒管と流水管が一体的に構成されているために、すべてを交換しなければならず、非常にメンテナンスコストが高くつくといった問題があった。また、図６に示すような熱交換器を用いて水を加熱させる場合、冷媒と水とが管を介して隣接しているため効率よく熱交換を行わせることができるが、大量の湯を作る場合、細い同軸管を多数本設ける必要があるため、全体として非常に大きな熱交換器とならざるを得なかった。
【０００７】
そこで、本発明は、目詰まりを起こさせることなく、しかも、多くの水を排出させることのできるような熱交換器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】
【０００８】
すなわち、本発明は上記課題を解決するために、コンプレッサーによる圧縮によって加熱された冷媒を通す冷媒管と、当該冷媒管を流れる冷媒によって加熱される中間加熱管と、当該中間加熱管内の中間流体によって加熱される流水管とを備え、前記冷媒管を流れる冷媒によって中間流体を加熱させ、当該中間流体の熱を介して前記流水管を加熱させるようにしたものである。
【０００９】
そして、このような発明において、流水管の内径を冷媒管の内径よりも大きくする。
【００１０】
また、中間加熱管で中間流体を加熱させる場合は、冷媒によって中間流体を蒸発させ、その蒸気による潜熱を用いて流水管を加熱させるようにする。
【００１１】
このとき、中間加熱管として、毛細管現象によって液体を吸い上げ、その液体を冷媒によって加熱させて気体にさせるものを用いる。
【００１２】
また、これらの冷媒管と中間加熱管と流水管を封入するケーシングを設け、そのケーシング内の空間を大気圧よりも減圧させて中間流体を低温でも気化させるようにする。
【００１３】
さらには、冷媒管と中間加熱管を有する第一ケーシングと、流水管を有する第二ケーシングとを備え、当該第一ケーシングと第二ケーシングとを分離可能に構成する。
【発明の効果】
【００１４】
このようにすれば、コンプレッサーで加熱された冷媒を用いて中間流体を蒸発させ、その蒸気を用いて流水管を加熱させるようにしているため、流水管の大きな面積を蒸気で覆って効率よく熱交換させることができる。これにより、流水管の内径を太くした場合であってもその大きな熱交換によって水を加熱させることができ、しかも、流水管の内径を太くしているために不純物による目詰まりの防止を図ることができる。また、冷媒管と流水管とを分離することが可能なため、仮に、流水管で目詰まりを起こした場合であっても、その流水管のみを交換して、メンテナンス費用を安くすることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一の実施の形態を示す熱交換器の概略図
【図２】同形態における冷媒管と中間加熱管を示す図
【図３】同形態における中間加熱管における気化状態を示す図
【図４】本発明の熱交換器が適用されるヒートポンプを示す図
【図５】従来の熱交換器を示す図
【図６】従来の熱交換器を示す図
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。この実施の形態の熱交換器１５は、図４に示すように、オール電化を導入している家庭などのヒートポンプ１に利用されるものであって、図１に示すように、コンプレッサー１４による圧縮で加熱された冷媒を用いて純水７１を水蒸気７２に気化させ、その水蒸気７２の熱を流水管６の外周部分に直接接触させることで流水管６の水を加熱させるようにしたものである。そして、このように水蒸気７２の潜熱を利用することで高い熱伝導率を確保し、しかも、流水管６と水蒸気７２との接触面積を大きくすることができる水蒸気（気体）を利用することで流水管６の内径を太くした場合であっても十分な熱交換を可能にし、これによって、目詰まりの防止や温水の流出量の確保を可能にしている。
【００１７】
この熱交換器１５が利用されるヒートポンプ１の概要について説明すると、まず、ヒートポンプ１は、図４に示すように、ヒートポンプユニット１１と、貯湯タンクユニット１２とを並列に設けている。このヒートポンプユニット１１は、外部の空気をファンで取り込み、ＣＯ２冷媒（以下、冷媒という）を大気の温度に暖める空気用熱交換器１３と、その空気用熱交換器１３で暖められた冷媒を圧縮するコンプレッサー１４とを備えている。コンプレッサー１４は、冷媒を高圧で圧縮することで、その冷媒を約９０度近くまで加熱し、その加熱した冷媒を水加熱用の熱交換器１５まで循環させる。そして、貯留タンク１６から循環してきた水との間で熱交換を行わせた後、その熱交換によって冷却された冷媒を膨張弁の近傍まで移動させ、そこで膨張弁を拡張させることで冷却させて、以降、空気用熱交換器１３まで循環させるようにしている。
【００１８】
このようなヒートポンプ１に用いられる水加熱用の熱交換器１５の構造を図１に示す。この熱交換器１５は、分離可能な第一ケーシング２と第二ケーシング３とを設けており、第一ケーシング２に、加熱された冷媒を通す冷媒管４と、その加熱された冷媒によって中間流体である純水７１を水蒸気にさせる中間加熱管５とを設けている。一方、第二ケーシング３には、中間加熱管５で蒸発した蒸気を用いて水を加熱させるための流水管６やフィン６１を設けている。これらの第一ケーシング２と第二ケーシング３は、それぞれ連結部２３を介して分離可能に構成されており、例えば、第二ケーシング３内の流水管６が目詰まりを起こして交換する必要がある場合に、新たな流水管６を有する第二ケーシング３に付け替えられるようにしている。
【００１９】
これらのケーシング２、３のうち、第一ケーシング２について説明すると、第一ケーシング２の空間内部には、圧縮された冷媒を通すための冷媒管４が上下平行に設けられており、それぞれの冷媒管４の間を垂直方向に連結した連結冷媒管で架橋している。この連結冷媒管は、図１における上側の冷媒管４を流通してきた冷媒を下側の冷媒管４に通すもので、さらに、その内側に中間加熱管５を同軸状に設けるようにしている。この中間加熱管５は、図２や図３に示すように連結冷媒管との間に所定の隙間をあけて連結冷媒管内に設けられており、その隙間の上側から冷媒を通すとともに、その内側の軸部分に下側から純水７１を通すようにして熱交換させるようにしている。その中間加熱管５は、両端部分を上下の冷媒管４から突出させており、特に、下側に突出した下端部分５１については、第一ケーシング２に貯留された純水７１を毛細管現象で吸い上げられるようにしている。一方、中間加熱管５の上端部分５２については、第二ケーシング３に設けられた流水管６に蒸気を直接噴出させるような位置に設けられている。これらの中間加熱管５を冷媒管４に取り付ける場合、上下の冷媒管４の側壁に孔を形成し、その孔に中間加熱管５を貫通させた後、その隙間部分をロウ付けすることで中間加熱管５を取り付けるようにしている。なお、この第一ケーシング２に貯留される水は、中間加熱管５の内部で目詰まりを起こさないように純水７１を用いるようにする。すなわち、毛細管現象を利用できるほど細くすると、内部で塩素やカルシウム、マグネシウムなどの鉱物が付着してしまい、数日で目詰まりを起こしてしまう。このため、このような不純物を含まないような純水７１を用いるようにする。
【００２０】
一方、第二ケーシング３は、この第一ケーシング２の開口部分を覆うように連結されるものであって、その内側空間に流水管６と、流水管６の蛇行部分に跨って設けられるフィン６１とを設けて構成される。このうち、流水管６は可能な限り流量を大きく確保できるように、例えば、冷媒管４よりも内径を大きくしている。なお、冷媒管４の内径を大きくすれば、流量を確保することができる一方、壁面を介して行われる熱交換量が小さくなり、熱交換効率が悪くなる。このため、蛇行する冷媒管４の間を上下方向にフィン６１を設けて熱交換量を大きくさせるようにしている。また、このフィン６１や流水管６を、第一ケーシング２内の中間加熱管５の延長方向上に設け、これによって中間加熱管５から噴出された高熱の水蒸気７２をフィン６１や流水管６に直接接触させて熱交換させるようにしている。
【００２１】
なお、この冷媒と水との熱交換をする場合、冷媒管４と流水管６とを直接接触させる方が熱伝達における損失を小さくすることができる。しかしながら、それぞれの管を直接接触させると、その管の接触部分以外では熱交換を行うことができないため、伝熱量が小さくなってしまうというデメリットがある。一方、図６のように同軸管の内側とリング状の外周部分との間に冷媒と水を通して熱交換させるようにすると、熱交換効率はよくなるが目詰まりを起こした場合、全体を交換しなければならないという問題があるばかりでなく、径が細くなるに従って目詰まりを起こす可能性が高くなる。そこで、この実施の形態では、流水管６への接触面積を大きくして熱交換量を大きくきるように水蒸気７２を用いるようにする。通常、水蒸気７２が流水管６に触れて液体になると、その瞬間に大量の潜熱が放出される。この放出される潜熱の量は、凝固後の温水がもつ顕熱の量よりも２倍〜５倍となり、一瞬のうちに大きな熱が流水管６に放出されて水を加熱させることができる。また、この水蒸気７２の熱伝達率は、水蒸気７２の流速にも比例するため、中間加熱管５から水蒸気７２を流水管６に向けて噴出させることによって、熱伝達率の向上と流水管６との接触面積の増大に伴う熱交換量を拡大させることができる。
【００２２】
なお、この水蒸気７２を利用して加熱させる場合、冷媒管４による加熱で瞬時に純水７１を水蒸気７２に変化させる必要がある。このため、第一ケーシング２に弁２１を設けておき、第一ケーシング２と第二ケーシング３を連結させて封止した後、その内部空間を大気圧よりも減圧する。これにより、比較的低い温度で純水７１を水蒸気７２に変化させるようにしている。
【００２３】
次に、このように構成された熱交換器１５を用いて流水管６内の水を加熱させる場合について説明する。
【００２４】
まず、ヒートポンプ１を用いて生活用水である水を加熱する場合、ヒートポンプユニット１１のコンプレッサー１４を駆動させ、管内の冷媒を圧縮する。すると、その圧縮によって冷媒が高温状態に加熱され、その加熱された冷媒を水用の熱交換器１５まで流通させる。
【００２５】
この冷媒が熱交換器１５側まで流通すると、まず、図１における上側の冷媒管４から流入し、複数に分岐された連結冷媒管を介して下側の冷媒管４まで流れていく。このとき、その連結冷媒管の内側に同軸状に設けられた中間加熱管５側に熱を放出し、その中間加熱管５を加熱させる。
【００２６】
一方、この中間加熱管５は、その下端部分５１から純水７１を毛細管現象で吸い上げるようになっており、連結冷媒管によって熱交換が可能な位置まで純水７１を上昇させる。すると、図３に示すように、その吸い上げられた純水７１の立ち上がり部分５３で加熱されて水蒸気７２に変化し、上端部分５２から水蒸気７２として噴出される。このとき、第一ケーシング２と第二ケーシング３の内部は減圧された状態となっているため、９０度近くの熱であっても水蒸気７２に変化させることができる。
【００２７】
次に、このように中間加熱管５から水蒸気７２が噴出されると、その噴出された水蒸気７２が、第二ケーシング３内で蛇行する流水管６やフィン６１に接触し、そこで潜熱を放出して内部の水と熱交換を行って内部の水を加熱させる。そして、その放熱によって冷却された水蒸気７２が液化し、壁面やフィン６１などを伝って第一ケーシング２まで滴下して純水７１に貯留される。以下、同様に、毛細管現象による吸い上げ、冷媒による水蒸気７２化、流水管６やフィン６１による熱交換のサイクルを繰り返させるようにする。
【００２８】
このように上記実施の形態によれば、コンプレッサー１４による圧縮によって加熱された冷媒を通す冷媒管４と、その冷媒管４を流れる冷媒によって加熱される中間加熱管５と、この中間加熱管５内で加熱された水蒸気７２によって加熱される流水管６とを備え、水蒸気７２による潜熱を利用して水を加熱させるようにしたので、流水管６の内径を太くした場合であっても水蒸気７２によって大きな熱交換を行わせることができるようになる。そして、このように流水管６の内径を太くすることによって、不純物による目詰まりの防止を図ることができ、しかも、冷媒管４を備えた第一ケーシング２と流水管６を備えた第二ケーシング３とが分離可能に構成されているため、仮に、流水管６で目詰まりを起こした場合であっても、その流水管６のみを交換することで、メンテナンス費用を安くすることができる。さらには、この流水管６を太くしても高温の湯を作ることができるため、従来のように細い同軸管を多数本並べる場合と比べて、全体としての小型化を図ることができるようになる。また、冷媒管４と流水管６とが隔てられているため、仮に冷媒管４に亀裂が生じたり、あるいは、ロウ付け部分から冷媒が漏れたりした場合であっても、その冷媒に含まれるコンプレッサー１４の油分が流水管６に混入するようなことがなくなるというメリットもある。
【００２９】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されることなく種々の態様で実施することができる。
【００３０】
例えば、上記実施の形態では、中間流体として純水７１を用いるようにしたが、必ずしも純水７１に限定されることはなく、好適には、細い中間加熱管内で目詰まりを起こさないような流体であって、しかも、潜熱を利用できるようにした中間流体であればどのようなものを用いてもよい。
【００３１】
また、上記実施の形態では、上下方向に第一ケーシング２と第二ケーシング３を上下に並べて水蒸気の潜熱を利用するようにしているが、冷媒管と中間加熱部とを同軸状に設け、その中間加熱部で気化された水蒸気を流水管の軸方向に沿って流すようにしてもよい。
【００３２】
また、上記実施の形態では第一ケーシング２と第二ケーシング３とを分離できるようにしたが、それぞれを分離させる場合、一旦、第一ケーシング２の開口部分を閉じた状態で連結部２３を解除し、第二ケーシング３を交換して再び連結した後にその閉じた状態を解除するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３３】
１・・・ヒートポンプ
１４・・・コンプレッサー
１５・・・熱交換器（水用）
２・・・第一ケーシング
３・・・第二ケーシング
４・・・冷媒管
５・・・中間加熱管
５１・・・下端部分
５２・・・上端部分
５３・・・立ち上がり部分
６・・・流水管
６１・・・フィン
７１・・・水
７２・・・水蒸気
２３・・・連結部
２１・・・弁
【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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