(57)【要約】【課題】  冷媒の流速を冷媒通路における上流側と下流側で調整することにより、熱交換器の性能向上を図る。【解決手段】  水通路を形成する芯管１と、該芯管１の外周に接合されて炭酸ガス冷媒の通路を形成する細管２とからなる給湯用熱交換器において、前記細管２内の通路を流通する炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくなるような配管構成として、同一冷媒配管長（即ち、細管の配管長）においては大幅に性能を向上させ、同一の能力を得るためには、大幅な軽量化を図ることができるようにしている。【選択図】        図１
2008185297.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水通路を形成する芯管（１）と、該芯管（１）の外周に接合されて炭酸ガス冷媒の通路を形成する細管（２）とからなる給湯用熱交換器であって、前記細管（２）内の通路を流通する炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくなるような配管構成としたことを特徴とする給湯用熱交換器。
【請求項２】
前記細管（２）のパス数を、冷媒入口側より冷媒出口側の方が少なくなるように設定したことを特徴とする給湯用熱交換器。
【請求項３】
前記細管（２）の内径を、冷媒出口側より冷媒入口側の方が小さくなるように設定したことを特徴とする請求項１および２のいずれか一項記載の給湯用熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、給湯用熱交換器に関し、さらに詳しくは炭酸ガスを冷媒として使用する給湯用熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
給湯用熱交換器としては、水通路を形成する芯管の外周に冷媒（例えば、炭酸ガス）の通路を形成する細管を螺旋状に巻き付けて構成されたもの（即ち、蛇熱交換器）が従来からよく知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、安価な夜間電力でお湯を沸かす給湯用熱交換器は一過式で用いるため、水の流量が非常に少ない。そのような条件で水を９℃→９０℃（冬条件）、１７℃→６５℃（夏条件）沸かすため、水管長が約１０ｍと長い。この水と熱交換する給湯用熱交換器は、図９に示すように、水通路を形成する芯管１の外周に細管２を２パス配管で巻き付けて構成されていた。この場合、細管２の内径は入口側から出口側に至る間同径とされている。符号３は分流器、４は合流器である。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３６４９８９号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、冷媒として炭酸ガスを超臨界で用いる場合、図１０に示すように、同一圧力においても放熱により、温度低下がある。また、配管の圧力損失により圧力が低下した場合、特に４０℃〜６０℃の付近では同一冷媒温度においてもエンタルピ差が小さくなり、熱交換器としての能力が低下する。この場合、能力をとるためには伝熱管（即ち、細管）を長くするか、性能を向上させる必要があるが、その場合更に圧力損失が大きくなり、同等能力とする場合には長くなる。パス数を多くした場合は圧力損失は小さくなるが、この場合管内の伝熱性能が低下するため、トータルで見ると性能向上は小さい。つまり、パス数が多い（即ち、冷媒循環量が全体として少ない）と圧損が小さくなるとともに温度差が取れるが、熱貫流率も小さいので能力が小さくなる。一方、パス数が少ない（即ち、冷媒循環量が全体として多い）と圧損が大きくなるとともに温度差が小さいため、熱貫流率が大きくても能力は小さくなる。
【０００６】
ところで、超臨界炭酸ガスの特徴として、
（１）  温度が２０℃付近と低い場合、圧力が多少下がってもエンタルピの変化は小さい（図１０におけるＰ１→Ｐ２参照）。従って、圧損を大きくしても、伝熱性能を上げれば性能が上がる。
（２）  ４０℃〜６０℃の温度付近では、少しの圧力変化でもエンタルピが大きく変化する（図１０におけるＰ１′→Ｐ２′参照）。従って、圧損を付けて性能を上げるよりも、圧損を小さくして温度差を利用する方が性能が上がる。
【０００７】
本願発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、冷媒の流速を冷媒通路における上流側と下流側で調整することにより、熱交換器の性能向上を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明では、上記課題を解決するための第１の手段として、水通路を形成する芯管１と、該芯管１の外周に接合されて炭酸ガス冷媒の通路を形成する細管２とからなる給湯用熱交換器において、前記細管２内の通路を流通する炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくなるような配管構成としている。
【０００９】
上記のように構成したことにより、細管２内を流通する炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくなる。従って、同一冷媒配管長（即ち、細管の配管長）においては大幅に性能が向上するし、同一の能力を得るためには、大幅な軽量化を図ることができる。
【００１０】
本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第２の手段として、上記第１の手段を備えた給湯用熱交換器において、前記細管２のパス数を、冷媒入口側より冷媒出口側の方が少なくなるように設定することもでき、そのように構成した場合、細管２のパス数を最適化するだけで、炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくできることとなり、低コストで熱交換器の性能向上を図ることができる。
【００１１】
本願発明では、さらに、上記課題を解決するための第３の手段として、上記第１又は第２の手段を備えた給湯用熱交換器において、前記細管２の内径を、冷媒出口側より冷媒入口側の方が小さくなるように設定することもでき、そのように構成した場合、細管２の内径を最適化するだけで、炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくできることとなり、低コストで熱交換器の性能向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明の第１の手段によれば、水通路を形成する芯管１と、該芯管１の外周に接合されて炭酸ガス冷媒の通路を形成する細管２とからなる給湯用熱交換器において、前記細管２内の通路を流通する炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくなるような配管構成としたので、同一冷媒配管長（即ち、細管の配管長）においては大幅に性能が向上するし、同一の能力を得るためには、大幅な軽量化を図ることができるという効果がある。
【００１３】
本願発明の第２の手段におけるように、上記第１の手段を備えた給湯用熱交換器において、前記細管２のパス数を、冷媒入口側より冷媒出口側の方が少なくなるように設定することもでき、そのように構成した場合、細管２のパス数を最適化するだけで、炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくできることとなり、低コストで熱交換器の性能向上を図ることができる。
【００１４】
本願発明の第３の手段におけるように、上記第１又は第２の手段を備えた給湯用熱交換器において、前記細管２の内径を、冷媒出口側より冷媒入口側の方が小さくなるように設定することもでき、そのように構成した場合、細管２の内径を最適化するだけで、炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくできることとなり、低コストで熱交換器の性能向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照して、本願発明を幾つかの好適な実施の形態について説明する。
【００１６】
第１の実施の形態
この給湯用熱交換器は、図１に示すように、水通路を形成する芯管１と、該芯管１の外周に接合されて炭酸ガス冷媒の通路を形成する細管２とによって構成されており、細管２は、芯管１の入口側（即ち、前半部分）においては４パスにて芯管１の外周に螺旋状に巻き付けられ、芯管１の出口側（即ち、後半部分）においては２パスにて芯管１の外周に螺旋状に巻き付けられている。本実施の形態の場合、４パスである入口側（即ち、前半部分）における細管２ａの内径と、２パスである出口側（即ち、後半部分）における細管２ｂの内径とは同径とされている。符号３は分流器、４は合流器である。
【００１７】
上記のように構成したことにより、細管２内を流通する炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくなる。従って、同一冷媒配管長（即ち、細管の配管長）においては大幅に性能が向上するし、同一の能力を得るためには、大幅な軽量化を図ることができる。
【００１８】
ここで、一例として水管長９ｍとし、４．５ｍ＋４．５ｍでパス数を４パス→２パスに変更したもの（細実線図示）と、全て２パスの場合（点線図示）および全て４パスの場合（太実線図示）とについて冷媒圧力、冷媒温度、熱貫流率および水の温度の変化を調べた結果を図２〜図５に示す。また、図６には、炭酸ガス冷媒におけるエンタルピ−圧力特性図を示し、図７には、図６における要部拡大図を示している。
【００１９】
上記結果によれば、２パスは圧力損失が大きく、温度低下が早い。また、同一冷媒温度になる長さを計ると、２パスでは３．５ｍの位置であり、４パスあるいは４パス→２パスでは４．５ｍの位置となる。従って、０〜３．５ｍまでの熱貫流率が２パスでは大きくても（図４参照）冷媒温度が低く温度差が小さいため能力は小さい。
【００２０】
４→２パスは水の入口側（９→４．５ｍの２パスの部位）では熱貫流率が大きいので、４パスと同一冷媒温度でも、水側の温度は上昇する（図５参照）。出口側（４．５→０ｍの部位）では熱貫流率は４パスと同等（図４参照）であるが、水温が既に上昇しているため、最終的に能力が大きくなる。
【００２１】
第２の実施の形態
図８には、本願発明の第２の実施の形態にかかる給湯用熱交換器が示されている。
【００２２】
この場合、給湯用熱交換器は、従来技術の項において開示したものと同様の構造（即ち、細管２の全体が２パス）とされているが、入口側（即ち、前半部分）における細管２ａの内径より出口側（即ち、後半部分）における細管２ｂの内径の方が小さくされている。例えば、細管２ａの内径を５ｍｍとすれば、細管２ｂの内径を４ｍｍとする。符号５はパイプ接続部材である。
【００２３】
上記のように構成したことにより、細管２内を流通する炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側で大きくなる。従って、同一冷媒配管長（即ち、細管の配管長）においては大幅に性能が向上するし、同一の能力を得るためには、大幅な軽量化を図ることができる。
【００２４】
第３の実施の形態
この場合、給湯用熱交換器は、第１の実施の形態において開示したもの（図１参照）と同様の構造（即ち、細管２の前半部分が４パス、後半部分が２パス）とされているが、入口側（即ち、前半部分）における細管２ａの内径より出口側（即ち、後半部分）における細管２ｂの内径の方が小さくされている。例えば、細管２ａの内径を５ｍｍとすれば、細管２ｂの内径を４ｍｍとする。
【００２５】
上記のように構成したことにより、細管２内を流通する炭酸ガス冷媒の質量速度が入口側より出口側でより一層大きくなる。従って、同一冷媒配管長（即ち、細管の配管長）においては大幅に性能が向上するし、同一の能力を得るためには、大幅な軽量化を図ることができる。その他の構成および作用効果は、第１の実施の形態におけると同様なので、説明を省略する。
【００２６】
上記各実施の形態においては、細管を芯管の外周に螺旋状に巻き付けたものについて説明したが、本願発明は、細管を芯管の外周において軸心と平行に沿わせたものにも適用可能である。
【００２７】
本願発明は、上記各実施の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において適宜設計変更可能なことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯用熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図２】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯用熱交換器（細実線図示）と、全て２パスの場合（点線図示）および全て４パスの場合（太実線図示）とについて冷媒圧力の変化を示す特性図である。
【図３】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯用熱交換器（細実線図示）と、全て２パスの場合（点線図示）および全て４パスの場合（太実線図示）とについて冷媒温度の変化を示す特性図である。
【図４】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯用熱交換器（細実線図示）と、全て２パスの場合（点線図示）および全て４パスの場合（太実線図示）とについて熱貫流率の変化を示す特性図である。
【図５】本願発明の第１の実施の形態にかかる給湯用熱交換器（細実線図示）と、全て２パスの場合（点線図示）および全て４パスの場合（太実線図示）とについて水の温度の変化を示す特性図である。
【図６】炭酸ガス冷媒におけるエンタルピ−圧力特性図を示している。
【図７】図６における要部拡大図である。
【図８】本願発明の第２の実施の形態にかかる給湯用熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図９】従来の給湯用熱交換器の要部を示す斜視図である。
【図１０】炭酸ガス冷媒におけるエンタルピ−圧力特性図である。
【符号の説明】
【００２９】
１は芯管
２は細管
２ａは前半部分
２ｂは後半部分
【図１】
2008185297.tif 000003
【図２】
2008185297.tif 000004
【図３】
2008185297.tif 000005
【図４】
2008185297.tif 000006
【図５】
2008185297.tif 000007
【図６】
2008185297.tif 000008
【図７】
2008185297.tif 000009
【図８】
2008185297.tif 000010
【図９】
2008185297.tif 000011
【図１０】
2008185297.tif 000012