(57)【要約】【課題】コンパクトで信頼性に優れた熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。【解決手段】熱交換器１０は、第１流体が流れる第１流路３と第２流体が流れる第２流路４とを内包する第１および第２の伝熱管１および２を備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、かつ第２伝熱管２は、巻回された第１伝熱管１の内側に二重配置された構成を有する。また前記構成をヒートポンプ給湯機に応用したものとする。これによれば、螺旋状に巻回した伝熱管の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができ、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、伝熱管の長尺化が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流れる第１流路と第２流体が流れる第２流路とを内包する第１および第２の伝熱管とを備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、前記第２伝熱管は巻回された前記第１伝熱管の内側に二重配置された熱交換器。
【請求項２】
螺旋状に巻回された第２伝熱管の曲げ半径が第１伝熱管よりも小さい請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
第１および第２伝熱管の断面が略円形状を有し、第２伝熱管の相当直径が第１伝熱管よりも小さい請求項１または２記載の熱交換器。
【請求項４】
螺旋状に巻回された第２伝熱管の巻回軸方向の高さが、第１伝熱管よりも大きい請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】
第１および第２の伝熱管が巻回軸方向の鉛直上側で連通する請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
第１および第２の伝熱管が継ぎ目のない連続した管体から構成される請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項７】
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、前記放熱器は請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器を用い、第１流体の冷媒により第２流体の水を加熱するヒートポンプ給湯機。
【請求項８】
冷媒の圧力が臨界圧力以上となる請求項７記載のヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機に関し、特に、ヒートポンプを用いて温水を生成する給湯機や冷温水を生成する冷暖房機などに利用される冷媒対水熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱交換器としては、図５および図６に示すような二重管式の熱交換器が提案されている。その構成について、図５および図６を参照しながら説明する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
熱交換器５０は、例えば、冷媒の凝縮熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用されるものであり、内管５５を外管５６内に同心状に挿入した伝熱管５１を環状に巻いて構成したものである。内管５５内を高温高圧の冷媒が流れる流路５３とする一方、内管５５と外管５６との間の空間を低温低圧の水が流れる流路５４としている。このとき、高温冷媒は伝熱管５１の内管５５内に、例えば、図６に矢印で示した方向に流入し、その外側の流路５４を矢印とは逆方向に流れる低温の水と熱交換を行い、この水を加熱することになる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２０１２７５号公報（第６頁、図２〜図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。例えば、熱交換器５０の性能向上や能力拡大を図るためには、伝熱管５１の全長を長くする必要がある。このとき、従来のような構成では、螺旋状に巻回した伝熱管５１の巻き数を増加させたり、巻き形状を大きくして一巻き当たりの長さを長くしたりすることにより、所定の伝熱管長さを確保することになる。この場合、巻き数の増加は熱交換器の高さ増加に、巻き形状の拡大は熱交換器の設置面積の拡大にそれぞれ繋がり、いずれにしても熱交換器を収納する装置全体を大きくしてしまうという課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、コンパクトで信頼性に優れた熱交換器を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１流体が流れる第１流路と第２流体が流れる第２流路とを内包する第１および第２の伝熱管を備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、かつ前記第２伝熱管は、巻回された前記第１伝熱管の内側に二重配置された構成を有するものである。
【０００８】
これによって、螺旋状に巻回した伝熱管の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができ、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、伝熱管の長尺化が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１流体が流れる第１流路と第２流体が流れる第２流路とを内包する第１および第２の伝熱管を備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、かつ前記第２伝熱管は、巻回された前記第１伝熱管の内側に二重配置された構成を有するものであり、螺旋状に巻回した伝熱管の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができ、コンパクトで機器への収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、伝熱管の長尺化が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成に対して、特に螺旋状に巻回された第２伝熱管の曲げ半径が、第１伝熱管よりも小さいものであり、二重配置された第１伝熱管と第２伝熱管との間の空隙を最小限にすることができるため、よりコンパクトで収納性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２の構成に対して、特に第１および第２伝熱管の断面が略円形状を有し、前記第２伝熱管の相当直径が、前記第１伝熱管よりも小さいものであり、二重構造の内側に、一般に小さなＲ形状の曲げ加工の容易な細管を配することで、よりコンパクトで収納性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の構成に対して、特に螺旋状に巻回された第２伝熱管の巻回軸方向の高さが、第１伝熱管よりも大きいものであり、二重構造の内側に配された第２伝熱管の外部との接続が容易となるため、コンパクトかつ生産性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の構成に対して、特に第１および第２の伝熱管が巻回軸方向の鉛直上側で連通するものであり、熱交換器全体の構造として、鉛直方向下側から流入し、熱交換器内を流体が上昇して降下し、最終的に再び鉛直方向下側から流出するような、逆Ｕ字状の構成とすることができ、例えば、凍結防止対策としての重力を利用した水抜き等のメンテナンスが容易となり、コンパクトで信頼性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の構成に対して、特に第１および第２の伝熱管が継ぎ目のない連続した管体から構成されるものであり、管と管との繋ぎ部分の接合不良に伴う流体の漏洩等の可能性が低く、構成も簡素化できるため、コンパクトで信頼性と生産性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、冷媒により水を加熱するヒートポンプ給湯機であり、請求項１〜６に記載の熱交換器を、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の放熱器として用い、第１流体の冷媒により第２流体の水を加熱するものであり、コンパクトで信頼性に優れた本実施例の熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機全体のコンパクト化と信頼性向上を実現することができる。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項７の構成に対して、特に冷媒の圧力が臨界圧力以上となるものであり、熱交換器を流れる第１流体である冷媒が、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、第２流体であ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。したがって熱交換器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くできる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施例１）
図１および図２は本発明の実施例１における熱交換器１０の側面図および平面図である。図１および図２において、熱交換器１０は、第１流体が流れる第１流路３と第２流体が流れる第２流路４とを内包する第１および第２の伝熱管１および２を備え、これらがともに螺旋状に巻回された構成を有し、かつ第２伝熱管２は、巻回された第１伝熱管１の内側に二重配置された構成を有する。
【００１９】
第１伝熱管１は、内管５と外管６からなり、内管５を外管６内に同心状に挿入して螺旋状に巻回して構成したものである。内管５内を第１流体（例えば、高温高圧の冷媒）が流れる第１流路３ａとする一方、内管５と外管６との間の空間を第２流体（例えば、低温低圧の水）が流れる第２流路４ａとしている。同様に、第２伝熱管２は、内管７と外管８からなり、内管７を外管８内に同心状に挿入して螺旋状に巻回して構成したものである。内管７内を第１流体（例えば、高温高圧の冷媒）が流れる第１流路３ｂとする一方、内管７と外管８との間の空間を第２流体（例えば、低温低圧の水）が流れる第２流路４ｂとしている。このとき、図１中に矢印Ａで示した巻回軸方向に対して、第２伝熱管２の高さＨ２が、第１伝熱管１の高さＨ１よりも大きく構成されている。また、第１伝熱管１と第２伝熱管２の断面が略円形状を有し、第２伝熱管２の相当直径Ｄ２が、第１伝熱管１の相当直径Ｄ１よりも小さく構成されている。
【００２０】
なお、第１流体が流れる第１流路３ａおよび３ｂは、接続管１１において互いに連通しており、連続した第１流路３を形成している。同様に、第２流体が流れる第２流路４ａおよび４ｂは、接続管１２において互いに連通しており、連続した第２流路４を形成している。このとき、図１中に矢印Ａで示した巻回軸方向に対して、鉛直方向上方において、第１伝熱管１と第２伝熱管２とが連通する構成となっている。さらに、熱交換器１０は、図２に示すように、螺旋状に巻回された第２伝熱管２の曲げ半径Ｒ２が、第１伝熱管１の曲げ半径Ｒ１よりも小さく構成される。
【００２１】
このような熱交換器１０を構成する管体の材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。
【００２２】
以上のように構成された熱交換器１０について、以下その作用を説明する。
【００２３】
第１伝熱管１および第２伝熱管２において、第１流路３には高圧側の第１流体を、第２流路４には低圧側の第２流体をそれぞれ流通させる。熱交換器１０を、図３に示すような、圧縮冷媒の凝縮熱や顕熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機の冷媒水熱交換器に利用するものとすると、例えば、高圧の第１流体は圧縮機から送られる二酸化炭素やフロン等の冷媒であり、低圧の第２流体は給湯用の水となる。
【００２４】
ヒートポンプ給湯機は、一般に、圧縮機３１、放熱器としての熱交換器１０、膨張弁３３、大気熱等を集熱する蒸発器３４を順次接続したヒートポンプ回路３５と、貯湯タンク３６、水ポンプ３７、前記した熱交換器１０を順次接続した水回路３８とから構成される。
【００２５】
このようなヒートポンプ給湯機により、給湯水の加熱を行う場合、まず、蒸発器３４において、送風ファンや集熱パネル等により大気熱や太陽熱等を集熱し、その内部を流れる冷媒を蒸発ガス化する。この冷媒は圧縮機３１に吸引され、機械的に圧縮されて、高温高圧の冷媒として熱交換器１０の第１流路３に送られる。
【００２６】
貯湯タンク３６下部の水は、循環用の水ポンプ３７によって搬送され、熱交換器１０の第２流路４に流入する。ここで、高温高圧の冷媒は、図２中に実線矢印で示すように、第１伝熱管１の内部に流入し、接続管１１を経由して、第２伝熱管２から流出する。
【００２７】
一方、低温低圧の水をこれとは反対方向に流すものとすると、伝熱形態としては熱交換性能に優れた対向流とすることができる。このとき、第１流路３ａおよび３ｂを流れる高温高圧の冷媒は、これら内管５および７を介して、その周囲に位置する第２流路４ａおよび４ｂを流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。低温の給湯用の水は、第２流路４を流れる間に、高温の冷媒から熱を受けて高温の湯となり、貯湯タンク３６上部に流入する。
【００２８】
熱交換器１０で放熱した冷媒は、膨張弁３３で減圧されて蒸発器３４に流入する。冷媒は、ここで再び大気熱等から吸熱し、次の圧縮機３１に供される。
【００２９】
なお、ヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、二酸化炭素冷媒のほかにも、Ｒ４１０ａ等のフロン系冷媒、プロパン、ブタン等の炭化水素系冷媒等が挙げられる。
【００３０】
本実施例によれば、第２伝熱管２を第１伝熱管１の内側に二重配置することにより、螺旋状に巻回した第１伝熱管１の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器１０全体の実装密度を向上させ、収納スペースの最小化を図ることができ、ヒートポンプ給湯機等の機器への収納性を十分確保することができる。また、必要に応じて伝熱管の全長を長くして、熱交換器１０の高性能化や能力拡大を図る場合も、コンパクト性に優れるため、これらを容易に実現することができる。
【００３１】
また、螺旋状に巻回された第２伝熱管２の曲げ半径Ｒ２が、第１伝熱管１の曲げ半径Ｒ１よりも小さいため、二重配置された第１伝熱管１と第２伝熱管２との間の空隙を最小限にすることができ、デッドスペースの削減が図られる。
【００３２】
また、第２伝熱管２の曲げ半径Ｒ２が、第１伝熱管１の曲げ半径Ｒ１よりも大きい場合は、第１伝熱管１の曲げ箇所にストレート部を設けて、全体を略四角形状にする必要があり、デッドスペースの拡大を伴うとともに、曲げ加工の工程数が増大し生産性の低下を伴う。
【００３３】
さらに、第１および第２伝熱管１および２の断面が略円形状を有し、第２伝熱管２の相当直径Ｄ２が、第１伝熱管１の相当直径Ｄ１よりも小さいため、内外二重構造の内側に、一般に小さなＲ形状の曲げ加工の容易な細管を配することで、よりコンパクトな熱交換器を構成することができる。
【００３４】
ここで、本実施例の熱交換器１０を、例えば、冷媒で水（特に水道水）を加熱する冷媒対水熱交換器に適用する場合を考える。一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を多く含んだ水を、このような冷媒対水熱交換器で長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍においてスケールが発生する可能性がある。このようなスケールが水側流路の内周に付着すると、水の流動抵抗となって圧力損失が増大するとともに、伝熱面の熱抵抗となって熱交換器としての性能を低減させる。
【００３５】
このような場合を想定して、本実施例では、水にとって高温側となる第１伝熱管１の相当直径Ｄ１を、その低温側の第２伝熱管２の相当直径Ｄ２よりも大きくし、内管５と外管６との間の第２流路４ａの断面積を、内管７と外管８との間の第２流路４ｂの断面積よりも大きく構成しているため、万一流路内にスケール等が生成し付着した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和し、熱交換器の長寿命化が図られる。
【００３６】
また、螺旋状に巻回された第２伝熱管２の巻回軸Ａ方向の高さＨ２が、第１伝熱管１の高さＨ１よりも大きいものであり、二重構造の内側に配された第２伝熱管２が、第１伝熱管１と干渉することなく、第１の伝熱管１または外部との配管接続が容易となるため、コンパクトかつ生産性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００３７】
さらに、第１および第２の伝熱管１および２が巻回軸Ａ方向の鉛直上側で連通するものであり、熱交換器全体の構造として、鉛直方向下側から流入し、熱交換器内を流体が上昇して降下し、最終的に再び鉛直方向下側から流出するような、逆Ｕ字状の構成とすることができる。これは、例えば、冬場に熱交換器の凍結防止対策として水抜きを行う場合、第２流路４の両端を大気開放してやれば、熱交換器内に水がトラップされることなく、重力により容易に水抜きが可能となることを意味する。よって、水抜き等のメンテナンスが容易となる。
【００３８】
また、本実施例の熱交換器１０を、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の放熱器として用い、第１流体の冷媒により第２流体の水を加熱するものとすれば、コンパクトで信頼性に優れた熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機全体のコンパクト化と信頼性向上を実現することができる。
【００３９】
また、特に冷媒として二酸化酸素等を使用し、その圧力が臨界圧力以上となるものとすると、熱交換器を流れる第１流体である冷媒は、圧縮機で臨界圧力以上に加圧されているので、第２流体であ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く、熱交換器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くできる。
【００４０】
したがって、コンパクトで機器への収納性に優れ、さらに生産性、信頼性、伝熱性能に優れた熱交換器を提供できる。
【００４１】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２の熱交換器２０の側面図である。本実施例の熱交換器の全体構成とその作用は、図１に示した熱交換器１０と略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施例１と異なるのは、第１伝熱管１と第２伝熱管２とが継ぎ目のない連続した管体から構成される点である。このような構成は、内側に配置する第２伝熱管２の形態に管体を螺旋状に巻回した後に連続して、その外周を取り巻くように第１伝熱管１の形態に管体を螺旋状に巻回すれば良く、容易に実現できるものである。
【００４２】
よって、本実施例によれば、実施例１で説明したように、内外に配置された管と管との接続管を設けることなく、熱交換器を連続した管体で構成することができため、管同士の接続部分の接合不良に伴う流体の漏洩等の可能性が低く、構成の簡素化も図られる。したがって、コンパクトで信頼性と生産性に優れた熱交換器を提供することができる。
【００４３】
なお、実施例１において、第１伝熱管１と第２伝熱管２とが異なる断面形状を有するものとしたが、もちろん同一断面形状であっても構わない。
【００４４】
また、上記した各実施例において、第１および第２の伝熱管を内管と外管からなる二重管とするものとしたが、略管状の形態のものであれば、これに限るものではない。例えば、各伝熱管を、内管を平滑管に内面溝付き管を被覆させた二重管として構成したいわゆる三重管としてもよく、そうすれば腐食等による管体の破損に伴う流体の漏洩が、内面溝を通じて未然に検知され、さらに熱交換器の信頼性を拡大することができる。また、このような伝熱管としては他にも、丸管の外周に沿って細管を螺旋状に巻回したもの、丸管の周りに複数の細管を同心円状に配置したもの等、略管状であり螺旋状に巻回可能な形態のものであれば、どのようなものでも良い。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、螺旋状に巻回した伝熱管の内側に形成される空間を有効に活用して、熱交換器の実装密度を向上させ、収納スペースやひいては装置全体の大きさを変更することなく、コンパクトで収納性に優れた熱交換器を提供することができる。また、伝熱管の長尺化が容易となり、熱交換器の高性能化や能力拡大を容易に実現することができる。
【００４６】
また、コンパクトで信頼性に優れた本発明の熱交換器を用いることにより、ヒートポンプ給湯機全体のコンパクト化と信頼性向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における熱交換器の側面図
【図２】本発明の実施例１における熱交換器の平面図
【図３】本発明の実施例１における熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の構成図
【図４】本発明の実施例２における熱交換器の側面図
【図５】従来の熱交換器の側面図
【図６】従来の熱交換器の平面図
【符号の説明】
１  第１伝熱管
２  第２伝熱管
３、３ａ、３ｂ  第１流路
４、４ａ、４ｂ  第２流路
１０  熱交換器
【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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