(57)【要約】  【課題】  効率を低下させずに高い水温を得られるヒートポンプ式給湯機及びそれに用いられる熱交換器を得る。  【解決手段】  圧縮機１０、水・冷媒熱交換器２０、減圧器３０、蒸発器４０を冷媒配管で順次接続したヒートポンプ式給湯機において、水・冷媒熱交換器２０は、冷媒と水が対向して流れる向流型熱交換器とされ、かつ水・冷媒熱交換器２０の伝熱管全長に対して冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の伝熱性能が残り部分より大きくなるようにされている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機、水・冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で順次接続したヒートポンプ式給湯機において、
前記水・冷媒熱交換器は、冷媒と水が対向して流れる向流型熱交換器とされ、かつ前記水・冷媒熱交換器の伝熱管全長に対して冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の伝熱性能が残り部分より大きくなるようにされたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項２】
請求項１に記載のものにおいて、前記水・冷媒熱交換器の水側伝熱管と冷媒側伝熱管は、その冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の断面形状が残りの部分よりも扁平量が大きくされ、それぞれが扁平部分で接触していることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項３】
請求項１に記載のものにおいて、前記水・冷媒熱交換器の水側伝熱管と冷媒側伝熱管は、その冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の直径が残りの部分よりも小さくされていることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項４】
請求項１に記載のものにおいて、前記水・冷媒熱交換器の水側伝熱管と冷媒側伝熱管は、その冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の内部に伝熱促進体が設けられたことを特徴とするヒートポンプ式給湯機。
【請求項５】
圧縮機、水・冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で順次接続したヒートポンプ式給湯機の前記水・冷媒熱交換器として用いられる熱交換器であって、
冷媒と水が対向して流れる向流型熱交換器とされ、かつ伝熱管全長に対して冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の伝熱性能が残り部分より大きくなるようにされ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、水を冷媒で加熱するヒートポンプ式給湯機に関し、特に、高温を出湯するものに好適である。
【背景技術】
【０００２】
近年の省エネの観点から、ガス燃焼式や電気加熱式の給湯機にくらべ省エネであるヒートポンプ式給湯機が注目されている。ヒートポンプ式給湯機では水を冷媒で加熱する構成であるため、システムの性能向上のため、水・冷媒熱交換器の性能向上が必要とされ、その例として特許文献１ないし３に示すようなものが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２２４７９号公報
【特許文献２】特開２００５−６９６２０号公報
【特許文献３】特開２００１−２０１２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術においては、水・冷媒熱交換器の入口から出口に至る冷媒の温度変化に、注目していないため、特に、冷媒として臨界圧力以下で動作する冷媒を選択するとき（例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ）、冷媒の飽和域では水温が昇温できず、熱交換器の面積を増やしても伝熱性能が向上しない。また、伝熱性能を向上させ水を冷媒の温度を近づける場合、通常は伝熱性能増加とともに冷媒または水の流動抵抗が増えるため、効率の低下が起こる。
【０００５】
さらに、冷凍サイクル的には吐出温度を上げる、または凝縮温度を上げることで水の温度を上げることができるが冷凍サイクルとして圧力比が増大し、効率が悪い運転となる。また、高い圧力・温度にすることで信頼性を低下させる。
【０００６】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、効率を低下させずに高い水温を得られるヒートポンプ式給湯機及びそれに用いられる熱交換器を提供することにある。また、信頼性の高いものとすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明は、圧縮機、水・冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で順次接続したヒートポンプ式給湯機において、前記水・冷媒熱交換器は、冷媒と水が対向して流れる向流型熱交換器とされ、かつ前記水・冷媒熱交換器の伝熱管全長に対して冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の伝熱性能が残り部分より大きくなるようにされたものである。
【０００８】
また、上記のものにおいて、前記水・冷媒熱交換器の水側伝熱管と冷媒側伝熱管は、その冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の断面形状が残りの部分よりも扁平量が大きくされ、それぞれが扁平部分で接触していることが望ましい。
【０００９】
さらに、上記のものにおいて、前記水・冷媒熱交換器の水側伝熱管と冷媒側伝熱管は、その冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の直径が残りの部分よりも小さくされていることが望ましい。  
さらに、上記のものにおいて、前記水・冷媒熱交換器の水側伝熱管と冷媒側伝熱管は、その冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の内部に伝熱促進体が設けられたことが望ましい。
【００１０】
さらに、本発明は、圧縮機、水・冷媒熱交換器、減圧器、蒸発器を冷媒配管で順次接続したヒートポンプ式給湯機の前記水・冷媒熱交換器として用いられる熱交換器であって、冷媒と水が対向して流れる向流型熱交換器とされ、かつ伝熱管全長に対して冷媒入口から１／４ないし１／２へ至る部分の伝熱性能が残り部分より大きくなるようにされたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱交換器の過熱域での伝熱性能を増加したので、特に、臨界圧力以下で動作するヒートポンプ式給湯機において高い効率で高い水温を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２は、ヒートポンプ式給湯機ブロック図を示し、圧縮機１０からの高温高圧の冷媒は水・熱交換器２０で水を昇温し、自身は冷却され、減圧器３０で低圧となり、送風機５０で送られる空気から蒸発器４０で熱をくみ上げ、再び圧縮機１０で昇圧される。水は、水入口１００ａから水ポンプ６０を介して、水・冷媒熱交換器２０へ入り、水出口１００ｂへ至る。冷媒としてはＲ４１０ＡやＲ４０７Ｃの臨界圧力以下で動作する冷媒を用いる。
【００１３】
図６は冷媒の温度の変化と水の温度の変化を示したもので、横軸は熱交換器の長さの全長比であり、縦軸は冷媒または水の温度である。通常、水と冷媒は向流型熱交換器とするため、冷媒は左から右に温度変化し、水は右から左へ温度変化する。図に示すように冷媒は飽和域が存在し、そこで相変化するのみで温度は変化しない。一方、水は冷媒の飽和域でも昇温して冷媒温度まで近づくが、冷媒温度が変化しないためそれ以上昇温せず、冷媒の過熱域で再び昇温される。したがって、飽和域で水温の昇温が得られない領域があり、熱交換器として有効に働かず死んでいる状態である。このような状態で水温をさらに上げるため、熱交換器の面積を増やしても死んでいる領域が増えるだけで、熱交換量は増加せず、伝熱効率が低下する。
【００１４】
図１は、一実施形態である水・冷媒熱交換器２０を示し、通常、円形である伝熱管の断面形状を扁平形状とし、長手部分（扁平部分）を接触させ、一方には冷媒を他方には冷媒を逆方向に流した向流型熱交換器としている。伝熱管を扁平させることで流速が増加し熱伝達率が増加するのと同時に接触する面積が増えるため、扁平させるほど伝熱性能は向上する。しかし、熱交換器の全長に渡って、単純に扁平させたのでは、流動抵抗が増えてしまうため、冷凍サイクルの効率低下や水ポンプ動力の増加を引き起こす。そこで、図１の断面Ａに示すように過熱域の扁平量を大きくして伝熱性能を増加させ、飽和域・過冷却域では圧力損失低減を優先して断面Ｂのように扁平量を少なく、二つの伝熱管が接触している扁平部分が断面Ａよりも短くしている。
【００１５】
これにより、水・冷媒熱交換器２０における全体的な流動抵抗を抑えながらも、水温を高くできる。また、過熱域は冷媒入口から全長の１／４〜１／２へ至る部分であり、その領域だけ扁平量を大きくすることが良い。
【００１６】
さらに、伝熱管は図１のような直管ではなく、図９に示すようにコンパクト性の観点からとぐろ状に巻いて使うことが良い。図９は伝熱管同士の接触をよくすること、冷媒の圧力で伝熱管が円形に戻ろうとする力を押さえること、などのため押さえ板３２０でとぐろ状に巻かれた伝熱管をボルト３００を用いてナット３１０で締め付けている。さらに、伝熱管同士をロー付けすればより伝熱性能が向上し、伝熱促進のための溝を設けることが良い。
【００１７】
図３は、第２の実施形態を示し、伝熱管を扁平することに替えて、冷媒入口から全長の１／４〜１／２の過熱域の断面積を他の領域よりも小さくするように管径を小さくしている。断面Ａの管直径/断面Ｂの管直径が０．４から０．８程度が水・冷媒熱交換器２０における全体的な流動抵抗と伝熱性能向上の点から望ましい。
【００１８】
図４は、第３の実施形態を示し、冷媒入口から全長の１／４〜１／２の過熱域の伝熱性能を他の領域よりも大きくするように伝熱促進体２００を設けたもので、伝熱管は円管であり、その直径も過熱域と他の領域で同じ大きさとしている。伝熱促進体２００の形状は、断面Ａ１に示すように板状部材をほぼ中心に設けたり、断面Ａ２に示すように伝熱管の内側の表面積が多くなるように皺状に、表面にこまかい筋目が付くように溝２１０を設けたりすることが良い。なお、この場合は、水・冷媒熱交換器２０の全長に渡って溝２１０よりもピッチが大きくなるような溝を設けることが良い。
【００１９】
図５は、第４の実施形態を示し、伝熱管の内部に伝熱管を挿入した２重管となり、図５では冷媒が内管、水が外管を流れている。冷媒入口から全長の１／４〜１／２の過熱域の伝熱性能を他の領域よりも大きくするように断面Ａ１に示すように外管の径のみを小さくして、流路面積を小さくして流速増加により熱伝達率を向上させている。
【００２０】
断面Ａ２、断面Ａ３に示すものは、図４で示したような伝熱促進体２００を内管に設けている。  
断面Ａ４では外管と共に、内管の径も小さくして過熱域のすることで熱伝達率を向上させている。また、冷媒と水の間の壁が穴があいたときの漏洩検知のため内管に漏洩間検知管を設けることが良く、冷媒と水の流れる場所は逆に冷媒が外管、水が内管を流れるようにしても良い。
【００２１】
図７は、第５の実施形態を示し、過熱域は冷媒及び水毎に１通路とし、飽和域・過冷却域は２通路としている。これにより、飽和域・過冷却域では２通路とすることで流速が減り圧力損失が低減できる。逆に過熱域では１通路であるため流速増加により伝熱性能が向上する。
【００２２】
図８は、第６の実施形態を示し、図１で示した単に過熱域で扁平率を大きくするものに対して入口から出口に至る間で扁平率を徐々に変化させたものである。これにより、図１のものに比べて断面の急変化がないため流動抵抗を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す熱交換器の伝熱管の一部を示す側面図。
【図２】本発明の一実施形態であるヒートポンプ式給湯機のブロック図。
【図３】本発明の第２の実施形態を示す伝熱管の一部を示す側面図。
【図４】本発明の第３の実施形態を示す伝熱管の一部を示す側面図。
【図５】本発明の第４の実施形態を示す伝熱管の一部を示す側面図。
【図６】熱交換器内における長さに対する冷媒と水の温度変化を示すグラフ。
【図７】本発明の第５の実施形態を示す伝熱管の一部を示す側面図。
【図８】本発明の第６の実施形態を示す伝熱管の一部を示す側面図。
【図９】本発明の第１の実施形態を示す熱交換器の実装状態を示す側面図。
【符号の説明】
【００２４】
１０…圧縮機、２０…水・冷媒熱交換器、３０…減圧器、４０…蒸発器、５０…送風機、６０…水ポンプ、１００ａ…水入口、１００ｂ…水出口、２００…伝熱促進体、２１０…伝熱促進溝、３００…ボルト、３１０…ナット、３２０…押さえ板。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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