(57)【要約】  【課題】  高い熱交換性能を維持しつつ、耐圧性、耐蝕性に優れたヒートポンプ式給湯機の熱交換器を提供する。  【解決手段】  内部に高温高圧の冷媒が流れる断面円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管２０と、外周に平坦部２１Ａ、２１Ｂを有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管２１とを備え、この二次側伝熱管の平坦部２１Ａ、２１Ｂ間に複数の一次側伝熱管２０を挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により一次側伝熱管２０と二次側伝熱管２１とを接合一体化させる構成としている。そして、偏平中空状の二次側伝熱管２１は、巻回前における平坦部２１Ａ、２１Ｂ間の内端側寸法ＨＡを外端側寸法ＨＢよりも小さく設定している。また、複数の一次側伝熱管２０同士の間には、ロウ材を充満させない空隙Ｙを形成して、その空隙を一次側伝熱管２０の端部で大気に開放する構成としている。【選択図】      図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に高温高圧の冷媒が流れる断面円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管と、外周に平坦部を有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管とを備え、この二次側伝熱管の平坦部間に前記複数の一次側伝熱管を挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により前記一次側伝熱管と二次側伝熱管とを接合一体化させる構成としたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機の熱交換器。
【請求項２】
前記偏平中空状の二次側伝熱管は、巻回前における平坦部間の内端側寸法ＨＡを外端側寸法ＨＢよりも小さく設定したことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機の熱交換器。
【請求項３】
前記複数の一次側伝熱管同士の間には、ロウ材を充満させない空隙を形成して、その空隙を一次側伝熱管の端部で大気に開放する構成としたことを特徴とする請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は熱交換器に関し、特に、冷媒の凝縮熱を利用して給湯用の温水を生成するヒートポンプ式給湯機の熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種の熱交換器としては、例えば、内部に超臨界圧力に加圧され高温高圧の冷媒（二酸化炭素冷媒）が流れる複数の小流路（例えば、２〜４の流路）が横並びに形成された一次側伝熱管と、内部に低圧の給湯用の湯水が流れる偏平中空状の二次側伝熱管とを備え、この二次側伝熱管と前記一次伝熱管とを交互に密着させて、螺旋状に巻回して機械的に密着させることにより、全体として円筒状の熱交換器を構成している。この従来の熱交換器では、高圧側となる一次側伝熱管は、アルミニウムからなる多穴管を用いて、それらの多穴を複数の小流路とすることで、超臨界圧力以上の冷媒圧力に対応可能としている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
また、内部に超臨界圧力に加圧され高温高圧の冷媒（二酸化炭素冷媒）が流れる複数の一次側伝熱管と、内部に低圧の給湯用の湯水が流れる二次側伝熱管とを備え、これら一次側伝熱管と二次側伝熱管を、銅などの同じ材質の金属管を用いて構成し、さらに、高圧側の一次側伝熱管を、低圧側の二次側伝熱管の周壁に形成した複数条の窪み部内に埋設して圧着一体化させ後、この圧着一体化されて１本の管のようになった伝熱管を、螺旋状に巻回して、全体として円筒状の熱交換器を構成している（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−１１６９４３号公報
【特許文献２】特開２００３−１４３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載されている熱交換器では、一次側伝熱管として多穴構造とするための押し出し成形が容易なアルミニウムが用いられ、一方、内部に低圧の給湯用の湯水が流れる二次側伝熱管として、水に対する耐食性に優れた銅が用いられる。そのため、異種金属同士の接触による電気的腐食を引き起こす可能性があり、相互の接触面において、異種金属同士の接触を避けるべく、両伝熱管に塗装を施したり、アルミニウムで作られた一次側伝熱管の表面にアルマイト処理を施したりする必要があった。
【０００５】
また、特許文献２に記載されている熱交換器では、一次側伝熱管と、二次側伝熱管とを銅などの同じ材質の金属管を用いて圧着一体化させているため、異種金属同士の接触による電気的腐食の心配がない上、熱交換効率が高く、超臨界圧力以上の冷媒圧力に対する耐圧性にも優れた利点があるが、その反面、低圧側の二次側伝熱管の周壁に引き抜き加工機を用いて複数状の窪み部を形成し、これら複数状の窪み部に高圧側の一次側伝熱管をそれぞれ介挿した後、再び、引き抜き加工機を用いて、低圧側の二次側伝熱管をその径方向に加圧変形させて、高圧側の一次側伝熱管に低圧側の二次側伝熱管を抱き込んだ形で両者を圧着固定する構成であるため、３本以上の一次側伝熱管を用いる場合では、熱交換器の成形加工が煩雑で、コストが嵩むという難点があった。
【０００６】
本発明は上述の実情に鑑みてなされたものであり、高い熱交換性能を維持しつつ、耐圧性、耐蝕性に優れたヒートポンプ式給湯機の熱交換器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の本発明では、内部に高温高圧の冷媒が流れる断面円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管と、外周に平坦部を有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管とを備え、この二次側伝熱管の平坦部間に前記複数の一次側伝熱管を挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により前記一次側伝熱管と二次側伝熱管とを接合一体化させる構成としたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の本発明では、請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機の熱交換器において、前記偏平中空状の二次側伝熱管は、巻回前における平坦部間の内端側寸法ＨＡを外端側寸法ＨＢよりも小さく設定したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の本発明では、請求項１に記載のヒートポンプ式給湯機の熱交換器において、前記複数の一次側伝熱管同士の間には、ロウ材を充満させない空隙を形成して、その空隙を一次側伝熱管の端部で大気に開放する構成としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載の本発明によれば、内部に高温高圧の冷媒が流れる一次側の伝熱管として、断面円形の細管を複数本用いることにより、一次側伝熱管の耐圧性を維持すると共に、それら一次側伝熱管の加工の煩雑さを回避でき、しかも、二次側伝熱管には加工の煩雑な複数条の窪み部の形成が不要となせるため、二次側伝熱管の加工の煩雑さをも回避できる。
【００１１】
また、高圧側の一次側伝熱管と低圧側の二次側伝熱管の双方を、銅などの同じ材質の金属管を用いることが可能になり、電気的腐食の心配がない。
【００１２】
さらに、二次側伝熱管に平坦部を形成することと相俟って、ロウ付けにより複数の一次側伝熱管と二次側伝熱管とを接合一体化させる構成としているため、一次側伝熱管から二次側伝熱管への熱伝導性を高めることができる。
【００１３】
そのため、加工性が良好で、高い熱交換性能を維持しつつ、耐圧性及び耐蝕性に優れたヒートポンプ式給湯機の熱交換器を提供できる。
【００１４】
請求項２に記載の本発明によれば、螺旋状に巻回した後に、低圧側の二次側伝熱管における上下の平坦部の平行度が高められ、高圧側の一次側伝熱管と低圧側の二次側伝熱管の密着性を良好となせる。
【００１５】
請求項３に記載の本発明によれば、高圧側の一次側伝熱管に、例え、割れや亀裂が発生しても、その割れや亀裂の発生が低圧側の二次側伝熱管に伝わることを回避できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明では、内部に高温高圧の冷媒が流れる断面円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管と、外周に平坦部を有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管とを備え、この二次側伝熱管の平坦部間に前記複数の一次側伝熱管を挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により前記一次側伝熱管と二次側伝熱管とを接合一体化させる構成としたものであり、以下に本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１７】
次に、本発明に係るヒートポンプ式給湯機の熱交換器の一実施例について、図１ないし図６に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例を示すヒートポンプ式給湯機の設置状態を説明する説明図、図２は全体構成の概略構成図、図３は冷媒対水熱交換器の一部切欠の側面図、図４は同じく冷媒対水熱交換器の平面図、図５は同じく冷媒対水熱交換器の要部拡大断面図、図６は螺旋状に巻回する前の二次側伝熱管の断面図である。
【００１８】
図１において、ヒートポンプ式給湯機Ａは、ヒートポンプユニット１と、このヒートポンプユニット１に配管接続される貯湯タンクユニット２とで構成され、これらヒートポンプユニット１及び貯湯タンクユニット２は、通常、屋外に設置される。また、これらヒートポンプユニット１及び貯湯タンクユニット２は、共通の外装ケース内に一体に組み込む一体型とすることもできる。
【００１９】
次に、図２を用いて説明すると、前記ヒートポンプユニット１は、外装ケース１Ａ内に、ロータリー２段圧縮機などの能力可変の圧縮機３、冷媒対水熱交換器（熱交換器）４、電動膨張弁などの減圧装置５、蒸発器６、アキュームレータ７、ヒートポンプ側制御装置８、前記蒸発器６に通風して空気と熱交換させる熱交換用送風機９などが収容されており、前記圧縮機３、冷媒対水熱交換器４、減圧装置５、蒸発器６及びアキュームレータ７は、冷媒配管１０にて環状に接続されており、二酸化炭素を冷媒としてその冷媒を圧縮機３で超臨界圧に圧縮するヒートポンプサイクルＸを構成している。
【００２０】
前記貯湯タンクユニット２は、タンク側外装ケース２Ａ内に、ステンレス鋼板製の縦長な貯湯タンク１２、給水配管１３、給水開閉弁１４、分岐給水配管１５、貯湯用配管１６、貯湯用循環ポンプ１７、追い焚き用配管１８、追い焚き用熱交換器１９、風呂水用配管２０、風呂水用循環ポンプ２１、追い焚き用循環ポンプ２２、給湯用配管２３、混合弁装置２４、風呂給湯開閉弁２５、タンク側制御装置２６等を収容している。
【００２１】
前記給水配管１３及び貯湯用配管１６の出口部１６Ａが前記貯湯タンク１２の底部に接続され、貯湯用配管１６の入口部１６Ｂ、追い焚き用配管１８の出口部１８Ａ及び給湯用配管２３がそれぞれ前記貯湯タンク１２の頂部に接続されている。
【００２２】
２７は前記ヒートポンプ側制御装置８とタンク側制御装置２６とを配線接続する通信線、２８は台所用リモートコントローラ、２９は風呂用リモートコントローラであり、これら各リモートコントローラ２８、２９はタンク側制御装置２６に配線接続されている。３０は風呂を示している。
【００２３】
ここで、台所などに設置してある蛇口（図示せず）を開けると、貯湯タンク１２内上部の高温の湯が水道圧で給湯用配管２３へ押し出され、給湯が行われると同時に、貯湯タンク１２内下部には、底部に接続された水道配管１３から水道水が給水される。
【００２４】
風呂３０に注湯する湯張りを行う場合は、風呂用リモートコントローラ２９の風呂湯張りスイッチ（図示せず）を押すと、貯湯タンク１２内上部から給湯用配管２３へ押し出された高温の湯が混合弁装置２４へ流れ、ここで分岐給水管１５から給水される水と混合されて、予め設定された温度の湯が風呂３０へ注湯され、所定の湯量が注湯されると湯張りが完了する。この風呂３０の湯張り時にも、湯張り運転の開始と同時に、貯湯タンク１２内下部には、底部に接続された水道配管１３から水道水が給水される。
【００２５】
上記したように台所や風呂３０などの利用部への給湯が行われると、貯湯タンク１２内の高温の湯が消費され、貯湯タンク１２内における高温の湯の層が減少し、この高温の湯は貯湯タンク１２内の上部にのみ貯留し、貯湯タンク１２内の中間部や下部は、温度の低い湯或いは水が貯留された状態となる。
【００２６】
次に、お湯の沸き上げ運転について説明する。ヒートポンプユニット１の運転開始により、ヒートポンプサイクルＸの圧縮機３が起動すると、二酸化炭素の冷媒が圧縮機３によって２段圧縮され、この圧縮機３で圧縮されて吐出した超臨界圧の高温・高圧の冷媒は、冷媒対水熱交換器４において、貯湯用循環ポンプ１７により送り込まれる貯湯タンク１２からの水と熱交換し、その水を加熱する。
【００２７】
前記冷媒対水熱交換器４で熱交換して温度の低下した冷媒は、減圧装置５で減圧されて低圧となった後、蒸発器６に流れ、蒸発器６で空気から吸熱して蒸発し、低温・低圧となり、アキュームレータ７に流れ、このアキュームレータ７から圧縮機３に吸入され再び圧縮される。
【００２８】
上述のヒートポンプユニット１の運転開始に伴い、貯湯タンクユニット２内の貯湯用循環ポンプ１７が起動し、この循環ポンプ１７の運転により、前記貯湯タンク１２内下部の低温或いは常温の水が、貯湯用配管１６の出口部１６Ａから貯湯用配管１６内へ流れ、貯湯用循環ポンプ１７を介して冷媒対水熱交換器４へ流れ、ここで高温・高圧の冷媒と熱交換して加熱される。
【００２９】
そして、前記冷媒対水熱交換器４で加熱された高温の湯は、前記入口部１６Ｂから貯湯タンク１２内の上部に流入し、沸き上げ運転の時間の経過に伴って、貯湯タンク１２内には８０℃以上の湯の貯留量が徐々に増加し、この高温の湯の湯層が貯湯タンク１２内の下部に至ると沸き上げ運転が完了する。
【００３０】
次に、本発明にかかわる前記冷媒対水熱交換器（熱交換器）４の構成について、図３〜図６の図面を用いて詳述する。
【００３１】
前記熱交換器としての冷媒対水熱交換器４は、内部に前記圧縮機３から吐出した超臨界圧の高温高圧の二酸化炭素冷媒が並列とした複数の経路（３経路）に分流されてそれぞれ流れる複数（３本）の高圧側の一次側伝熱管２０と、外周の上下両部に平坦部２１Ａ、２１Ｂが形成され、内部に貯湯タンク１２から送り込まれる水が流れる低圧側の二次側伝熱管２１とから成るものである。
【００３２】
前記複数の一次側伝熱管２０は、図３及び図５に示すように、それらの上下に位置する二次側伝熱管２１の平坦部２１Ａ、２１Ｂ間に並列配置されて、前記平坦部２１Ａ、２１Ｂ間に挟持される構成となっている。これら複数の一次側伝熱管２０は、外径Ｄが約４．０〜４．５ｍｍ（実施例では約４．２ｍｍ）で断面真円形の銅製細管をそのままの形で用いている。ここで、前記複数の一次側伝熱管２０は、図３及び図５に示すように、それの始端部と末端部において、相互に所定の間隔を開けて二次側伝熱管２１の平坦部２１Ａ、２１Ｂ間に並列配置しており、また、始端部と末端部の間の途中は、互いに接触するように並列配置している。
【００３３】
前記二次側伝熱管２１は、外径が約１８〜２２ｍｍの断面真円形の銅管を、上下両部に平坦部２１Ａ、２１Ｂを形成して偏平中空状に成形したものであり、この偏平中空状に成形された二次側伝熱管２１の平坦部２１Ａ、２１Ｂ間に、前記複数の一次側伝熱管２０を密着挟持させながら螺旋状に巻回して、概ね円筒形状の冷媒対水熱交換器（熱交換器）４とする。
【００３４】
そして、前記冷媒対水熱交換器（熱交換器）４は、図５に示すように、ロウ付け加工することにより、前記複数の一次側伝熱管２０と二次側伝熱管２１とが接合一体化された構造である。
【００３５】
前記ロウ付け加工に用いられるロウ材としては、前記複数の一次側伝熱管２０並びに前記１本の二次側伝熱管２１と同様に銅を主成分とする銅ロウを用いる。ここで、図５中のＲは、ロウ付け加工完了された後のロウを示している。
【００３６】
また、前記二次側伝熱管２１は、螺旋状に巻回する前、即ち、巻回前における上下両部の平坦部２１Ａ、２１Ｂ間における内端側寸法ＨＡ（円筒状に巻回された冷媒対水熱交換器４の内向き端部側の寸法）を、約３．８ｍｍに設定すると共に、外端側寸法ＨＢ（円筒状に巻回された冷媒対水熱交換器４の外向き端部側の寸法）を、約４．６ｍｍに設定している（内端側寸法ＨＡ＜外端側寸法ＨＢ）。
【００３７】
巻回前の二次側伝熱管２１は、前記平坦部２１Ａ、２１Ｂ間の内外両端側寸法ＨＡ、ＨＢを上述の如く設定すると、図６に示すような断面形状となる。この断面形状の場合、巻回後の二次側伝熱管２１は、巻回による圧力変形で、図５に示すように、上下両部の平坦部２１Ａ、２１Ｂ間の内外両端側寸法が略等しくなり、互いに平行に近い平坦部２１Ａ、２１Ｂを有する形となる。
【００３８】
そして、巻回前の二次側伝熱管２１は、外径が約２０〜２５ｍｍの断面真円形の銅管を押し出し加工機の成形用ローラの間に通し、加圧変形させることにより、図６に示す断面形状の扁平中空状に形成される。
【００３９】
また、前記した複数の一次側伝熱管２０を、二次側伝熱管２１の平坦部２１Ａ、２１Ｂ間に密着挟持させながら螺旋状に巻回するには、治具である円筒形状のロールの外周に、前記一次側伝熱管２０及び二次側伝熱管２１を、その二次側伝熱管２０の内端側がロールの外周面に当接するようにして巻回する。こうして、螺旋状に巻回されて円筒状に成形された冷媒対水熱交換器４は、その巻回状態を維持した状態で、銅ロウのロウ材による加熱ロウ付け処理される。
【００４０】
このロウ付け加工後において、前記複数の一次側伝熱管２０同士の間には、ロウ材を充満させない空隙Ｙが形成され、これら空隙Ｙは、螺旋状に連続形成されており、一次側伝熱管２０の始端部と末端部の双方において、大気に開放される構成となっている。
【００４１】
本実施例によれば、圧縮機３から吐出した高温高圧（超臨界圧）の二酸化炭素冷媒が内部に流れる断面真円形の細管にてなる複数の一次側伝熱管２０と、外周に平坦部２１Ａ、２１Ｂを有する偏平中空状に形成され、内部に低圧の湯水が流れる二次側伝熱管２１とを備え、この二次側伝熱管２１の平坦部２１Ａ、２１Ｂ間に前記複数の一次側伝熱管２０を並列配置した状態で挟持して、全体として螺旋状に巻回すると共に、ロウ付け加工により前記複数の一次側伝熱管２０と二次側伝熱管２１とを接合一体化させる構成としている。
【００４２】
そのため、内部に高圧の冷媒が流れる一次側の伝熱管として、断面真円形の細管を複数本用いることにより、一次側伝熱管２０の耐圧性を維持すると共に、それら一次側伝熱管２０を加圧変形加工することなく、そのままで使用でき、加工の煩雑さを回避できる。
【００４３】
しかも、二次側伝熱管２１には、加工の煩雑な複数条の窪み部の形成が不要であり、この二次側伝熱管２１の加工の煩雑さも回避できる。
【００４４】
また、高圧側の一次側伝熱管２０と低圧側の二次側伝熱管２１の双方を、銅などの同じ材質の金属管を用いることにより、異種金属による電気的腐食の心配もなくなる。
【００４５】
また、二次側伝熱管２１に平坦部２１Ａ、２１Ｂを形成することと相俟って、銅ロウを用いたロウ付けにより複数の一次側伝熱管２０と二次側伝熱管２１とを接合一体化させているため、複数の一次側伝熱管２０から二次側伝熱管２１への熱伝導性を高めることができる。
【００４６】
従って、加工性が良好で、高い熱交換性能を維持しつつ、耐圧性及び耐蝕性に優れたヒートポンプ式給湯機の熱交換器と成せるものである。
【００４７】
また、前記偏平中空状の二次側伝熱管２１は、巻回前における平坦部２１Ａ、２１Ｂ間の内端側寸法ＨＡを外端側寸法ＨＢよりも小さく設定した構成としているので、冷媒対水熱交換器４を形成するために、螺旋状に巻回した後において、低圧側の二次側伝熱管２１における上下の平坦部２１Ａ、２１Ｂの平行度が高められ、高圧側の複数の一次側伝熱管２０と低圧側の扁平中空状の二次側伝熱管２１との密着性が一層良好となせる。
【００４８】
さらに、前記複数の一次側伝熱管２０、２０、２０同士の間には、ロウ材を充満させない空隙Ｙを形成して、その空隙Ｙを一次側伝熱管２０の始端部と終端部において大気に開放する構成としているので、高圧側の一次側伝熱管２０に、例え、割れや亀裂が発生しても、その割れや亀裂の発生が低圧側の二次側伝熱管２１に伝わることを回避でき、冷媒で二次側伝熱管２１に流れる給湯用の湯水を汚染させないようにできる。
【００４９】
以上本発明の実施態様について説明したが、上述の説明に基づいて当業者にとって種々の代替例、修正又は変形が可能であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で前述の種々の代替例、修正又は変形を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施例を示すヒートポンプ式給湯機の設置状態を説明する説明図である。
【図２】同じく全体構成の概略構成図である。
【図３】同じく冷媒対水熱交換器の一部切欠の側面図である。
【図４】同じく冷媒対水熱交換器の平面図である。
【図５】同じく冷媒対水熱交換器の要部拡大断面図である。
【図６】同じく螺旋状に巻回する前の二次側伝熱管の断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
４      冷媒対水熱交換器（熱交換器）
２０      一次側伝熱管
２１      二次側伝熱管
２１Ａ    平坦部
２１Ｂ    平坦部
ＨＡ    平坦部間の内端側寸法
ＨＢ    平坦部間の外端側寸法
Ｒ      ロウ
Ｙ      空隙
【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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