(57)【要約】  内部を流れる水の流速を低下させることなく、効果的にスケールの析出を抑制することができ、メンテナンス作業性を簡素化することを可能とする熱交換器及び当該熱交換器を備えたヒートポンプ式温水生成装置を提供することを目的とする。この目的を達成するため、内部に熱媒体が流れる第１配管と、内部に当該熱媒体と熱交換を行う水が流れる第２配管とを備える熱交換器において、第１配管を流れる熱媒体と、第２配管内を流れる水とは、対向流を形成すると共に、第１配管は、第１配管より上流側を流れる熱媒体と、第１配管内に流入した熱媒体とを熱交換する内部熱交換器を備える。
2016098263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に熱媒体が流れる第１配管と、内部に当該熱媒体と熱交換を行う水が流れる第２配管とを備える熱交換器であって、
当該第１配管を流れる熱媒体と、当該第２配管内を流れる水とは、対向流を形成すると共に、
当該第１配管は、当該第１配管より上流側を流れる熱媒体と、当該第１配管内に流入した熱媒体とを熱交換する内部熱交換器を備えることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記内部熱交換器は、前記第２配管との熱交換に用いる部分の前記第１配管の長さを１００％としたとき当該第１配管の熱媒体入口側端部から４％〜５０％の範囲のいずれかの位置を流れる熱媒体と、当該第１配管より上流側を流れる熱媒体とを熱交換する請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第２配管を構成する外管内に、前記第１配管を構成する熱伝導性の内管を配設した二重配管からなり、
前記内部熱交換器は、外管を貫通して外部に引き出された内管に配管接続される請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第２配管を構成する外管内に、前記第１配管を構成する内管を複数配設した請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１配管自体が二重配管からなる請求項３又は請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第１配管と、前記第２配管とは、外壁同士を当接して、第１配管内部に流れる熱媒体と、第２配管内部に流れる水とを熱交換可能に配置してなる請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項７】
圧縮機と、利用側熱交換器と、減圧装置と、熱源側熱交換器とを備え、内部に冷媒が封入された冷媒回路と、温水生成用水が流通する熱媒回路とを備えたヒートポンプ式温水生成装置であって、
前記利用側熱交換器は、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の熱交換器であり、当該第１配管内に流れる前記熱媒体は、当該冷媒回路の前記圧縮機から吐出された冷媒であり、当該第２配管内に流れる前記水は、当該熱媒回路の温水生成用水であることを特徴とするヒートポンプ式温水生成装置。
【請求項８】
前記冷媒は、二酸化炭素冷媒である請求項７に記載のヒートポンプ式温水生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、例えばヒートポンプ式給湯装置において、冷媒の凝縮熱を用いて温水を生成する熱交換器、及び、これを用いたヒートポンプ式温水生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ヒートポンプ式給湯装置等のヒートポンプ式温水生成装置は、冷媒を循環させる冷凍回路をヒートポンプユニットとして用い、給湯等に供される湯水を生成している。この場合、冷凍回路を構成する熱交換器は、二酸化炭素等の冷媒が循環する第１配管と、被加熱対象となる水（湯水）が循環する第２配管とが熱交換可能に配設されている。一般に、第１配管を流れる冷媒と、第２配管を流れる水とは、熱効率を考慮して、対向流となるように配設されている。よって、第２配管の出口からは、高温の冷媒と熱交換した直後の湯水が送出される。【０００３】
この際、当該第２配管内を流れる水は、水道水や地下水であることが多く、カルシウムやマグネシウム等のミネラル成分が含まれている。当該ミネラル成分は、第２配管のうち高温となる出口側において、主に炭酸カルシウムなどがいわゆるスケールとして析出する。【０００４】
熱の伝達面となる第２配管の内壁にスケールが堆積すると、第１配管との熱交換効率の低下を招く。熱交換効率が低下すると、目標とする出湯温度が得られ難くなり、当該出湯温度を目標温度とするために、必要以上にエネルギーが消費されることとなる。【０００５】
また、第２配管の内壁に堆積したスケールを放置すると、当該スケールが第２配管を閉塞するおそれがある。ゆえに、スケール成分の含有量が多い水を用いている地域では、スケール析出により問題が顕著となり、頻繁なメンテナンス作業が強いられる。【０００６】
そこで、当該スケール析出を抑制する技術として、特許文献１に開示されたヒートポンプ給湯機がある。当該特許文献１のヒートポンプ給湯機は、少なくとも圧縮機、放熱器、膨張弁、蒸発器から構成されるヒートポンプ回路を備え、前記放熱器は冷媒が水に放熱し温水を得る冷媒水熱交換器であると共に、その水側出口に接続する水出口配管の内部は、水の流れ方向に従って拡大するように構成されている。当該構成を採用することにより、ヒートポンプ給湯機の水側流路内において、スケール等の付着しやすい高温出口部分の水の流れが淀みとなるような部分を排除してスケール等の付着に対する信頼性の向上を図っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−７７０６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、特許文献１の構成では、水出口配管を水の流れ方向に従って拡大するように構成しているため、水の流速の低下を招き、給湯性能が低下する問題がある。また、当該構成は、スケールの析出を抑制するものではなく、スケールにより配管を完全に閉塞するまでの時間を遅延させるだけのものである。さらに、当該構成は、水配管自体の大きさが大きくなるため、熱交換自体の大型化や、コストの増大を招く問題がある。【０００９】
よって、市場からは、内部を流れる水の流速を低下させることなく、効果的にスケールの析出を抑制することができ、メンテナンス作業性を簡素化することを可能とする熱交換器及び当該熱交換器を備えたヒートポンプ式温水生成装置の開発が要望されてきた。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、給湯性能に悪影響を及ぼすことなく、効果的にスケールの析出を抑制することができる熱交換器及び当該熱交換器を備えたヒートポンプ式温水生成装置を提供することに至った。【００１１】
すなわち、本件発明に係る熱交換器は、内部に熱媒体が流れる第１配管と、内部に当該熱媒体と熱交換を行う水が流れる第２配管とを備えるものであって、当該第１配管を流れる熱媒体と、当該第２配管内を流れる水とは、対向流を形成すると共に、当該第１配管は、当該第１配管より上流側を流れる熱媒体と、当該第１配管内に流入した熱媒体とを熱交換する内部熱交換器を備えることを特徴とする。【００１２】
また、本件発明に係る熱交換器は、前記内部熱交換器が、前記第２配管との熱交換に用いる部分の前記第１配管の長さを１００％としたとき当該第１配管の熱媒体入口側端部から４％〜５０％の範囲のいずれかの位置を流れる熱媒体と、当該第１配管より上流側を流れる熱媒体とを熱交換することが好ましい。【００１３】
また、本件発明に係る熱交換器は、前記第２配管を構成する外管内に、前記第１配管を構成する熱伝導性の内管を配設した二重配管からなり、前記内部熱交換器は、外管を貫通して外部に引き出された内管に配管接続されることが好ましい。【００１４】
また、当該熱交換器は、記第２配管を構成する外管内に、前記第１配管を構成する内管を複数配設したものであることがより好ましい。【００１５】
さらに、当該熱交換器は、第１配管自体が二重配管からなることがより好ましい。【００１６】
また、本件発明に係る熱交換器は、前記第１配管と、前記第２配管とが、外壁同士を当接して、第１配管内部に流れる熱媒体と、第２配管内部に流れる水とを熱交換可能に配置してなるものであることも好ましい。【００１７】
本件発明に係るヒートポンプ式温水生成装置は、圧縮機と、利用側熱交換器と、減圧装置と、熱源側熱交換器とを備え、内部に冷媒が封入された冷媒回路と、温水生成用水が流通する熱媒回路とを備えたものであって、前記利用側熱交換器は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器であり、当該第１配管内に流れる前記熱媒体は、当該冷媒回路の前記圧縮機から吐出された冷媒であり、当該第２配管内に流れる前記水は、当該熱媒回路の温水生成用水であることを特徴とする。【００１８】
また、本件発明に係るヒートポンプ式温水生成装置は、前記冷媒が、二酸化炭素冷媒であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本件発明によれば、第１配管を流れる熱媒体と、第２配管内を流れる水とが対向流を形成する熱交換器において、第１配管は、当該第１配管より上流側を流れる熱媒体と、当該第１配管内に流入した熱媒体とを熱交換する内部熱交換器を備えることにより、熱交換器全体の熱交換効率の低下を抑制しつつ、最も高温となる第１配管の熱媒体入口付近の温度を下げることが可能となる。よって、当該第１配管の熱媒体入口付近と熱交換を行う第２配管の水出口付近の水が局所的に高温になる不都合を回避することができ、当該第２配管の水出口付近にスケールが析出することを効果的に抑制することが可能となる。従って、スケールの析出により必要となるメンテナンス作業を簡素化することができる。【００２０】
また、本件発明では、従来のように、第２配管の水出口付近の径を拡張することなく、内部熱交換器において第１配管より上流側を流れる熱媒体と、当該第１配管内に流入した熱媒体とを熱交換することにより、第１配管の熱媒体入口付近の温度を下げることを可能とするため、当該第２配管内を流れる水の流速を低下させる必要がない。よって、本件発明は、給湯性能に悪影響を及ぼすことなく、効果的にスケールの析出を抑制することが可能となる。【００２１】
本件発明に係るヒートポンプ式温水生成装置は、圧縮機と、利用側熱交換器と、減圧装置と、熱源側熱交換器とを備え、且つ、内部に冷媒が封入された冷媒回路と、温水生成用水が流通する熱媒回路とを備えたものであって、当該利用側熱交換器として本件発明に係る熱交換器を採用し、第１配管内に冷媒回路の冷媒を流し、第２配管内に熱媒回路の温水生成用水を流すことにより、最も高温となる第１配管の冷媒入口付近の温度を下げることが可能となる。よって、当該第１配管の冷媒入口付近と熱交換を行う第２配管の水出口付近の温水生成用水が局所的に高温になる不都合を回避することができ、当該第２配管の水出口付近にスケールが析出することを効果的に抑制することが可能となる。従って、当該ヒートポンプ式温水生成装置についても、スケールの析出により必要となるメンテナンス作業を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態としてのヒートポンプ式給湯装置の概略構成図である。
【図２】図１の利用側熱交換器の概略構成図である。
【図３】各位置に内部熱交換器を配設した場合の利用側熱交換器全体の熱交換器の性能を示す図である。
【図４】冷媒入口側端部に内部熱交換器を設けた場合（比較例）の冷媒及び給湯用水の温度変化を示す図である。
【図５】冷媒入口側端部から８％の位置に内部熱交換器を設けた場合（実施例）の冷媒及び給湯用水の温度変化を示す図である。
【図６】冷媒入口側端部から５０％の位置に内部熱交換器を設けた場合（実施例）の冷媒及び給湯用水の温度変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の熱交換器の実施の形態として、本発明に係る熱交換器を備えたヒートポンプ式温水生成装置の一例としてのヒートポンプ式給湯装置Ｈを例に挙げて説明する。図１は本実施の形態としてのヒートポンプ式給湯装置Ｈの概略構成図を示している。本発明に係る本実施の形態のヒートポンプ式給湯装置Ｈは、冷媒回路１０を備えたヒートポンプユニット１と、熱媒回路２０を備えたタンクユニット２とを備えている。
【００２４】
ヒートポンプユニット１を構成する冷媒回路１０は、圧縮機１１と、利用側熱交換器１２と、減圧装置としての膨張弁１３と、熱源側熱交換器１４とを備え、これらを順次環状に配管接続して周知の冷媒回路を構成する。当該熱源側熱交換器１４は、近傍に設置された送風機１５により通風される空気から熱を奪って冷媒を蒸発させる空冷方式を採用する。この冷媒回路１０内には、冷媒が所定量封入されている。当該冷媒は、自然冷媒の一つである二酸化炭素冷媒を用いることが好ましい。しかし、本件発明におけるヒートポンプ式給湯装置において採用する冷媒は、二酸化炭素冷媒に限定されるものではなく、いずれの冷媒を用いることができる。
【００２５】
タンクユニット２を構成する熱媒回路２０は、貯湯タンク２１、循環ポンプ２２と、上述した利用側熱交換器１２とを順次環状に配管接続して構成される。貯湯タンク２１には、湯水の消費に応じて水道水や地下水等の温水生成用水としての給湯用水が供給され、所定量の給湯用水が貯留されている。そして、循環ポンプ２２の運転により熱媒回路２０内には、貯湯タンク２１から送出された給湯用水が循環している。
【００２６】
上述した冷媒回路１０及び熱媒回路２０を構成する利用側熱交換器１２は、本件発明に係る熱交換器により構成される。以下、図２を参照して、本実施の形態に係る利用側熱交換器１２について詳述する。
【００２７】
本実施の形態に係る利用側熱交換器１２は、内部に熱媒体、すなわち、冷媒回路１０内の高圧側の高温冷媒が流れる第１配管１２ａと、内部に当該熱媒体と熱交換を行う水、すなわち、熱媒回路２０内の給湯用水が流れる第２配管１２ｂとを備える。本実施の形態では、具体的に利用側熱交換器１２は、第２配管１２ｂを構成する外管内に、第１配管１２ａを構成する熱伝導性の内管を配設した二重配管からなることが好ましい。二重配管により利用側熱交換器１２を構成した場合、第１配管１２ａを構成する内管内に冷媒が流通し、第２配管１２ｂの内壁と第１配管１２ａの外壁との間に給湯用水が流通する。なお、ここでは、給湯用水が流通する外管としての第２配管１２ｂ内に、冷媒が流通する内管としての第１配管１２ａを単一で配設しているが、当該第１配管１２ａは、複数配設しても良い。さらに、利用側熱交換器１２を二重配管により構成しているが、第２配管１２ｂ内に配設される第１配管１２ａ自体を二重配管とした多重配管により構成しても良い。第１配管１２ａ自体を二重配管とする場合には、冷媒の漏洩検出を行うことを目的として行われる場合があるからである。また、本実施の形態における利用側熱交換器１２は、二重配管を含む多重配管により構成した場合を例に挙げて説明してるが、これに限定されるものではなく、例えば、第１配管と、第２配管とは、外壁同士を当接してろう付けし、第１配管内部に流れる熱媒体と、第２配管内部に流れる水とを熱交換可能に配置してなる構成を採用しても良い。外壁同士を当接して配設する場合、内部に熱媒体が流れる第１配管を複数に分岐した細配管により構成し、当該第１配管を構成する細配管を第２配管に巻き付けることにより熱交換可能としても良い。なお、この際、内部熱交換器に引き出す際には、各細配管を一旦合流させて当該第１配管より上流側を流れる熱媒体と熱交換させた後、再度当該第１配管を各細配管に分岐して、第２配管に巻き付けてもよい。
【００２８】
そして、当該利用側熱交換器１２は、第１配管１２ａ内を流れる冷媒と、第２配管１２ｂを流れる給湯用水とは、対向流を形成するように構成されている。すなわち、第１配管１２ａの入口側を流れる高温冷媒は、第２配管１２ｂの出口側を流れる比較的温度が上昇した状態の給湯用水と熱交換を行い、第２配管１２ｂの入口側を流れる低温の給湯用水は、第１配管１２ａの出口側を流れる比較的温度が低下した状態の冷媒と熱交換を行うように配置する。例えば、第１配管１２ａを流れる冷媒は、１００℃で第１配管１２ａ内に流入し、給湯用水と熱交換を行うことにより、１０℃付近まで低下した状態で第１配管１２ａから流出する。そして、第２配管１２ｂを流れる給湯用水は、５℃で第２配管１２ｂ内に流入し、高温冷媒と熱交換を行うことにより、６５℃付近まで加熱された状態で第２配管１２ｂから流出する。
【００２９】
また、本件発明に係る熱交換器１２を構成する第２配管１２ｂは、少なくとも給湯用水の入口側から出口側に至るまで管径が一様であることが好ましい。
【００３０】
そして、本件発明に係る熱交換器１２は、内部に冷媒が流れる第１配管１２ａが、当該第１配管１２ａより上流側を流れる高温冷媒と、当該第１配管１２ａ内に流入した冷媒とを熱交換する内部熱交換器１６を備えることを特徴とする。本実施の形態における利用側熱交換器１２は、内管である第１配管１２ａ内に冷媒が流入し、外管である第２配管１２ｂ内に給湯用水が流入する二重配管により構成されているため、内部熱交換器１６は、外管である第２配管１２ｂを貫通して外部に引き出された内管である第１配管１２ａに配管接続される。
【００３１】
第１配管１２ａより上流側を流れる高温冷媒と熱交換する第１配管１２ａ内に流入した冷媒は、具体的に、第２配管１２ｂとの熱交換に用いる部分の第１配管１２ａの長さを１００％としたときに当該第１配管１２ａの冷媒（熱媒体）入口側端部から４％〜５０％の範囲のいずれかの位置を流れる冷媒であることが好ましい。即ち、内部熱交換器１６は、第２配管１２ｂとの熱交換に用いる部分の第１配管１２ａの長さを１００％としたときに第１配管１２ａの冷媒入口側端部から４％〜５０％の範囲のいずれかの位置に接続されることが好ましい。
【００３２】
この際、熱効率を考慮すると、当該内部熱交換器１６において第１配管１２ａに流入する前の高温冷媒と熱交換する第１配管１２ａ内に流入した冷媒は、第２配管１２ｂとの熱交換に用いる部分の第１配管１２ａの長さを１００％としたときに第１配管１２ａの冷媒（熱媒体）入口側端部から４％〜４０％の範囲のいずれかの位置を流れる冷媒であることが好ましい。４％を下回る場合、内部熱交換を行う位置が第１配管１２ａの冷媒出口側に近すぎて、局所的に高温となる箇所の発生を抑制しにくくなり、給湯用水が流れる第２配管１２ｂの内壁に析出するスケールの抑制効果の実効が得られにくくなるからである。一方、４０％を超える場合、熱交換効率が内部熱交換器１６を設けない場合と比較して９０％を下回るからである。
【００３３】
一方、生産効率を考慮すると、当該内部熱交換器１６において第１配管１２ａに流入する前の高温冷媒と熱交換する第１配管１２ａ内に流入した冷媒は、第２配管１２ｂとの熱交換に用いる部分の第１配管１２ａの長さを１００％としたときに第１配管１２ａの冷媒（熱媒体）入口側端部から５０％の位置を流れる冷媒、即ち、第１配管１２ａの中間位置を流れる冷媒であることが好ましい。一般に、熱交換器は、複数の配管を接合して構成されるものであるが、一つの第１配管１２ａを２部材を接合して構成する場合、その接合部分に内部熱交換器１６を接続することが可能となり、生産効率が向上するからである。
【００３４】
以上の構成により、圧縮機１１が運転されると、この圧縮機１１で圧縮された高温高圧のガス冷媒は、内部熱交換器１６に流入して、既に利用側熱交換器１２の第１配管１２ａ内に流入した冷媒と熱交換する。この際、内部熱交換器１６では、これから利用側熱交換器１２の第１配管１２ａ内に流入する高温冷媒を１０ｄｅｇ〜２５ｄｅｇ放熱することが好ましい。そして、内部熱交換器１６を経た冷媒は、利用側熱交換器１２の第１配管１２ａ内に流入し、利用側熱交換器１２の第２配管１２ｂ内を流れる給湯用水と熱交換することによる放熱される。
【００３５】
当該利用側熱交換器１２では、第１配管１２ａの入口から流入する冷媒は、一旦、内部熱交換器１６により放熱されているため、当該冷媒温度は、内部熱交換器１６に流入する前の冷媒温度よりも低い。第１配管１２ａの入口側から流入し、その後、外部に引き出されて内部熱交換器１６を経た後、再び第１配管１２ａ内に流入した冷媒は、第１配管１２ａ内に流入する前の高温冷媒と熱交換することにより、再度、加熱された状態で、内部熱交換器１６に引き出された位置よりも第１配管１２ａ内の冷媒下流側に戻る。よって、利用側熱交換器１２の第１配管１２ａ内を流れる冷媒の温度分布は、入口側から出口側にかけて一様な低下傾向とはならずに、内部熱交換器１６を備えていないものと比較すると、入口側の冷媒温度が低く、且つ、内部熱交換器１６を経た後の冷媒が流入する箇所において再度、ピークを有するものとなる。なお、本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素冷媒を用いているため、圧縮機１１において、冷媒は超臨界圧力まで圧縮され、利用側熱交換器１２では凝縮せず、超臨界圧力を維持する。
【００３６】
その後、利用側熱交換器１２を出た冷媒は膨張弁１３にて減圧された後、その過程で二酸化炭素冷媒は気液混合状態となり、熱源側熱交換器１４に流入する。熱源側熱交換器１４に流入した冷媒は、送風機１５にて通風される外気と熱交換し、蒸発して外気から熱をくみ上げる。この熱源側熱交換器１４にて蒸発した冷媒は、圧縮機１１に吸い込まれ、圧縮されて再び内部熱交換器１６に吐出される循環を繰り返す。
【００３７】
一方、熱媒回路２０は、循環ポンプ２２が運転されることにより、循環ポンプ２２から送出された貯湯タンク２１内の給湯用水は、利用側熱交換器１２の第２配管１２ｂ内に流入する。利用側熱交換器１２の第２配管１２ｂ内に流入した給湯用水は、第１配管１２ａ内を対向流で流れる冷媒回路１０の高温冷媒と熱交換する。当該利用側熱交換器１２において加熱された後、給湯用水は、貯湯タンク２１内に帰還する。そして、当該貯湯タンク２１内の給湯用水の温度が所定の温度となるまで、当該循環を繰り返す。
【００３８】
この際、第１配管１２ａ内には、上述したように、冷媒入口側から一旦、内部熱交換器１６により放熱されてた冷媒が流入し、その後、内部熱交換器１６を経て加熱された後、再び第１配管１２ａ内に流入した冷媒が流れている。よって、当該第１配管１２ａ内を流れる冷媒と対向流で交熱的に第２配管１２ｂ内を流れる給湯用水は、入口側から徐々に加熱されて昇温していき、内部熱交換器１６を経て加熱された直後の第１配管１２ａを流れる冷媒と熱交換する位置で温度上昇が急峻となる。その後は、第１配管１２ａの入口側から流入する冷媒と対向流で熱交換することにより、第２配管１２ｂの出口に向かうに従って、緩慢に温度が上昇する。第１配管１２ａの入口側から流入する冷媒は、一旦、内部熱交換器１６を経て放熱された状態の冷媒であるため、当該第１配管１２ａの入口側付近は、局所的に高温となることが抑制される。
【００３９】
このように、本件発明では、内部熱交換器１６において、利用側熱交換器１２の第１配管１２ａ内に流入する高温冷媒を、第１配管１２ａ内に流入した後の冷媒と熱交換することにより、利用側熱交換器１２全体の熱交換効率の低下を抑制しつつ、最も高温となっていた第１配管１２ａの冷媒入口付近の温度を下げることが可能となる。よって、当該冷媒と熱交換する第２配管１２ｂの出口側付近を流れる給湯用水は、局所的であっても９０℃以上の高温にまで昇温されることが回避されて、当該給湯用水中に含まれる主に炭酸カルシウムなどがスケールとして第２配管１２ｂの内壁に析出する不都合を効果的に抑制することができる。従って、スケールの析出により必要となるメンテナンス作業を簡素化することができる。
【００４０】
また、本件発明では、従来のように、第２配管の水出口付近の径を拡張することなく、内部熱交換器１６において第１配管１２ａより上流側を流れる冷媒と、当該第１配管１２ａ内に流入した冷媒とを熱交換することにより、第１配管１２ａの冷媒入口付近の温度を下げることを可能とするため、当該第２配管１２ｂ内を流れる給湯用水の流速を低下させる必要がない。よって、本件発明は、給湯性能に悪影響を及ぼすことなく、効果的にスケールの析出を抑制することが可能となる。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明に係るヒートポンプ式給湯装置Ｈを用いた実施例について述べる。本実施例では、上述した本実施の形態に係るヒートポンプ式給湯装置Ｈを用いた。本実施例では、利用側熱交換器１２の第１配管１２ａに対する内部熱交換器１６の配設位置をそれぞれ異なる位置に設けた。具体的には、内部熱交換器１６の配設位置を、第２配管１２ｂとの熱交換に用いる部分の第１配管１２ａの長さを１００％としたときに、第１配管１２ａの冷媒入口側端部から５％、８％、１３％、２５％、３８％、５０％の位置に設けた。
【比較例】
【００４２】
比較例として、内部熱交換器１６を第２配管１２ｂとの熱交換に用いる部分の第１配管１２ａの長さを１００％としたときに、第１配管１２ａの冷媒入口側端部から０％の位置、すなわち、第１配管１２ａの冷媒入口側端部に内部熱交換器１６を設けた。
【００４３】
以下に、図３を参照して、各位置に内部熱交換器１６を配設した場合の利用側熱交換器１２全体の熱交換器の性能について述べる。各位置に内部熱交換器１６を配設した利用側熱交換器１２としての性能は、内部熱交換器１６を設けなかった場合の熱交換効率を１００％としたときに、内部熱交換器１６の配設位置が第１配管１２ａ入口側から出口側に向かう位置に設けられるに従って、熱交換器としての性能は低下する。この内部熱交換器１６を第１配管１２ａの冷媒入口側端部に設けた場合の給湯用水と冷媒についての入口側から出口側に至る温度変化を図４に示す。
【００４４】
図４に示すように、内部熱交換器１６を第１配管１２ａの冷媒入口側端部に設けた場合には、利用側熱交換器１２の第１配管１２ａには、冷媒が９２℃で流入し、出口に向かうに従って徐々に温度低下した後、１５℃で流出する。そして、利用側熱交換器１２の第２配管１２ｂには、給湯用水が１０℃で流入し、出口に向かうに従って徐々に昇温し、６５℃で流出する。ゆえに、第１配管１２ａの入口付近の温度は、９２℃まで上昇するため、局所的な高温状態が発生し、当該第１配管１２ａの入口付近を流れる冷媒と熱交換する第２配管１２ｂの出口付近を流れる給湯用水は、局所的に高温となって、当該給湯用水に含まれるミネラル成分がスケールとなって当該第２配管１２ｂの内壁に析出しやすくなる。
【００４５】
一方、図３に示すように、内部熱交換器１５を設けない場合の熱交換器としての性能を１００％としたとき、内部熱交換器１６を第１配管１２ａの冷媒入口側端部から８％の位置に設けた場合、熱交換器としての性能は、９９．６％であった。同様に、内部熱交換器１６を第１配管１２ａの冷媒入口側端部から１３％の位置に設けた場合、９９．２％、２５％の位置に設けた場合、９６．９％、３８％の位置に設けた場合、９１．３％、５０％の位置に設けた場合、７７．５％であった。
【００４６】
例として、この内部熱交換器１６を第１配管１２ａの冷媒入口側端部から８％の位置に設けた場合の給湯用水と冷媒についての入口側から出口側に至る温度変化を図５に示し、５０％の位置に設けた場合について図６に示す。
【００４７】
図５に示すように、内部熱交換器１６を第１配管１２ａの冷媒入口側端部から８％の位置に設けた場合には、利用側熱交換器１２の第１配管１２ａには、冷媒が７８℃で流入し、その後、給湯用水との熱交換により６５℃にまで低下した後、再度、内部熱交換器１６における第１配管１２ａ流入前の高温冷媒との熱交換により、８０℃まで上昇する。その後、出口に向かうに従って徐々に低下し、１８℃で流出する。そして、利用側熱交換器１２の第２配管ｂには、給湯用水が１２℃で流入し、徐々に昇温していき、第１配管１２ａの冷媒入口側端部から８％の位置、即ち、第２配管１２ｂの給湯用水出口側端部から８％の位置において急峻に６１℃まで温度上昇する。その後、出口に向かうに従って緩慢に温度上昇して、６５℃で流出する。ゆえに、第１配管１２ａは全体を通して、最高でも８０℃までした昇温することなく、第２配管１２ｂを流れる給湯用水を６５℃まで加熱することができる。
【００４８】
よって、図５から本件発明に相当する本実施例は、冷媒が流れる第１配管１２ａに局所的な高温状態が発生させることがないため、当該第１配管１２ａに流れる冷媒と熱交換する第２配管１２ｂを流れる給湯用水が、局所的に高温となる不都合を効果的に抑制することができることがわかる。ゆえに、当該図５に示すように、本願発明によれば、給湯用水に含まれるミネラル成分がスケールとなって当該第２配管１２ｂの内壁に析出する不都合を効果的に抑制することができることが理解できる。
【００４９】
一方、図６に示すように、内部熱交換器１６を第１配管１２ａの冷媒入口側端部から５０％の位置に設けた場合には、利用側熱交換器１２の第１配管１２ａには、冷媒が８１℃で流入し、その後、給湯用水との熱交換により５２℃にまで低下した後、再度、内部熱交換器１６における第１配管１２ａ流入前の高温冷媒との熱交換により、６１℃まで上昇する。その後、出口に向かうに従って徐々に低下し、２２℃で流出する。そして、利用側熱交換器１２の第２配管ｂには、給湯用水が１１℃で流入し、徐々に昇温していき、第１配管１２ａの冷媒入口側端部から５０％の位置、即ち、第２配管１２ｂの給湯用水出口側端部から５０％の位置において急峻に５１℃まで温度上昇する。その後、出口に向かうに従って緩慢に温度上昇して、６５℃で流出する。ゆえに、この場合においても、第１配管１２ａは全体を通して、最高でも８０℃までした昇温することなく、第２配管１２ｂを流れる給湯用水を６５℃まで加熱することができる。
【００５０】
ただし、当該内部熱交換器１６を第２配管１２ｂとの熱交換に用いる部分の第１配管１２ａの長さを１００％としたときに第１配管１２ａの冷媒入口側端部から５０％の位置に設けた場合には、内部熱交換器１６を設けなかった場合と比較して熱交換効率は、７８．０％にまで低下してしまうため、上述したように、当該熱交換効率を考慮すると、内部熱交換器１６の配設位置は、第２配管１２ｂとの熱交換に用いる部分の第１配管１２ａの長さを１００％としたときに冷媒入口側端部から４％〜４０％の範囲が好ましいことがわかる。一方、一つの第１配管１２ａを２部材を接合して構成することを考慮すると、当該第１配管１２ａを構成する部材の間に内部熱交換器１６を接合することが生産効率の面で有利である。上述したように、内部熱交換器１６を第１配管１２ａの冷媒入口側端部から５０％の位置に設けた場合においても、有効にスケールの析出を抑制することができることから、生産効率の観点から冷媒入口側端部から５０％の位置に内部熱交換器１６を設けることも有利であることがいえる。
【００５１】
なお、本実施の形態では、本発明に係る熱交換器を採用した装置の一例としてヒートポンプ式給湯装置を挙げているが、当該ヒートポンプ式給湯装置は、水と熱媒体との熱交換により湯を生成するヒートポンプ式温水生成装置の一例として挙げたにすぎない。そのため、本件発明に係るヒートポンプ式温水生成装置は、上述した給湯装置に限定されるものではなく、水と熱媒体との熱交換により湯を生成し暖房に用いるヒートポンプ式暖房装置、及び、これらを兼ね備えたヒートポンプ式給湯暖房装置の概念を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本件発明にかかる熱交換器は、格別に水が流れる第２配管の管径を拡張させることなく、効率的にスケールの析出を抑制することができるものである。よって、小型化、給湯性能の向上、メンテナンス作業性の向上が要求されるヒートポンプ式給湯装置などの利用に特に有用である。
【符号の説明】
【００５３】
Ｈ    ヒートポンプ式給湯装置
１    ヒートポンプユニット
２    タンクユニット
１０    冷媒回路
１１    圧縮機
１２    利用側熱交換器（熱交換器）
１２ａ  第１配管（内管）
１２ｂ  第２配管（外管）
１３    減圧装置（膨張弁）
１４    熱源側熱交換器
１５    送風機
１６    内部熱交換器
２０    熱媒回路
２１    貯湯タンク
２２    循環ポンプ
【図１】
2016098263.tif 000003
【図２】
2016098263.tif 000004
【図３】
2016098263.tif 000005
【図４】
2016098263.tif 000006
【図５】
2016098263.tif 000007
【図６】
2016098263.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月9日(2017.2.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に熱媒体が流れる第１配管と、内部に当該熱媒体と熱交換を行う水が流れる第２配管とを備える熱交換器であって、
前記第２配管を構成する外管内に、前記第１配管を構成する熱伝導性の内管を配設した二重配管からなり、
当該第１配管を流れる熱媒体と、当該第２配管内を流れる水とは、対向流を形成すると共に、
当該第１配管は、当該第１配管に流入する熱媒体よりも高温であって当該第１配管より上流側を流れる熱媒体と、当該第１配管内に流入した熱媒体とを熱交換する内部熱交換器を備え、当該内部熱交換器は、外管を貫通して外部に引き出された内管に配管接続されることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記内部熱交換器は、前記第２配管との熱交換に用いる部分の前記第１配管の長さを１００％としたとき当該第１配管の熱媒体入口側端部から４％〜５０％の範囲のいずれかの位置を流れる熱媒体と、当該第１配管より上流側を流れる熱媒体とを熱交換する請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
前記第２配管を構成する外管内に、前記第１配管を構成する内管を複数配設した請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１配管自体が二重配管からなる請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
（削除）
【請求項７】
圧縮機と、利用側熱交換器と、減圧装置と、熱源側熱交換器とを備え、内部に冷媒が封入された冷媒回路と、温水生成用水が流通する熱媒回路とを備えたヒートポンプ式温水生成装置であって、
前記利用側熱交換器は、請求項１〜請求項５のいずれかに記載の熱交換器であり、当該第１配管内に流れる前記熱媒体は、当該冷媒回路の前記圧縮機から吐出された冷媒であり、当該第２配管内に流れる前記水は、当該熱媒回路の温水生成用水であることを特徴とするヒートポンプ式温水生成装置。
【請求項８】
前記冷媒は、二酸化炭素冷媒である請求項７に記載のヒートポンプ式温水生成装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
となく、効果的にスケールの析出を抑制することができる熱交換器及び当該熱交換器を備えたヒートポンプ式温水生成装置を提供することに至った。
［００１１］
すなわち、本件発明に係る熱交換器は、内部に熱媒体が流れる第１配管と、内部に当該熱媒体と熱交換を行う水が流れる第２配管とを備えるものであって、前記第２配管を構成する外管内に、前記第１配管を構成する熱伝導性の内管を配設した二重配管からなり、当該第１配管を流れる熱媒体と、当該第２配管内を流れる水とは、対向流を形成すると共に、当該第１配管は、当該第１配管に流入する熱媒体よりも高温であって当該第１配管より上流側を流れる熱媒体と、当該第１配管内に流入した熱媒体とを熱交換する内部熱交換器を備え、当該内部熱交換器は、外管を貫通して外部に引き出された内管に配管接続されることを特徴とする。
［００１２］
また、本件発明に係る熱交換器は、前記内部熱交換器が、前記第２配管との熱交換に用いる部分の前記第１配管の長さを１００％としたとき当該第１配管の熱媒体入口側端部から４％〜５０％の範囲のいずれかの位置を流れる熱媒体と、当該第１配管より上流側を流れる熱媒体とを熱交換することが好ましい。
［００１３］
［００１４］
また、当該熱交換器は、記第２配管を構成する外管内に、前記第１配管を構成する内管を複数配設したものであることがより好ましい。
［００１５］
さらに、当該熱交換器は、第１配管自体が二重配管からなることがより好ましい。
［００１６］
［００１７］
本件発明に係るヒートポンプ式温水生成装置は、圧縮機と、利用側熱交換器と、減圧装置と、熱源側熱交換器とを備え、内部に冷媒が封入された冷媒回路と、温水生成用水が流通する熱媒回路とを備えたものであって、前記利用側熱交換器は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器であり、
【国際調査報告】
2016098263.tif 000009
2016098263.tif 000010
2016098263.tif 000011
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