(57)【要約】【課題】本発明は、簡易な構造で、高い熱交換性能の液冷媒熱交換器及び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】本発明は、略三角形の断面形状を有する液体側伝熱管をコイル状に形成し、その外周に冷媒側伝熱管をコイル状に配置し、液体側伝熱管と冷媒側伝熱管を接合したことを特徴とする。或いは、本発明は、略三角形の断面形状を有する液体側伝熱管をコイル状に形成し、その外周及び内周にコイル状の冷媒側伝熱管を配置し、前記液体側伝熱管と各冷媒側伝熱管とを接合したことを特徴とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略三角形の断面形状を有する液体側伝熱管をコイル状に形成し、その外周に冷媒側伝熱管をコイル状に配置し、液体側伝熱管と冷媒側伝熱管を接合したことを特徴とする液冷媒熱交換器。
【請求項２】
略三角形の断面形状を有する液体側伝熱管をコイル状に形成し、その外周及び内周にコイル状の冷媒側伝熱管を配置し、前記液体側伝熱管と各冷媒側伝熱管とを接合したことを特徴とする液冷媒熱交換器。
【請求項３】
前記内周に配置された冷媒側伝熱管のコイル巻き数を前記外周に配置された冷媒側伝熱管のコイル巻き数よりも多くしたことを特徴とする請求項２に記載の液冷媒熱交換器。
【請求項４】
前記外周に配置された冷媒側伝熱管の長さと前記内周に配置された冷媒側伝熱管の長さとを同等に設定したことを特徴とする請求項２に記載の液冷媒熱交換器。
【請求項５】
請求項１〜４の液冷媒熱交換器を備えるヒートポンプ給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒と液体（例えば、水）を熱交換する熱交換器に関するものであり、特にヒートポンプ給湯機に利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばヒートポンプ式給湯機のように、冷媒と液体（例えば、水など）を熱交換し、湯水を製造する装置が広く利用されている。ヒートポンプ給湯機に用いられる冷媒と液体を熱交換する液冷媒熱交換器としては種々の形状が考案されており、それぞれに熱交換性能を向上させるための工夫がなされている。近年の省エネルギー化の流れの中、この液冷媒熱交換器の熱交換効率の改善がさらに求められている。
【０００３】
液冷媒熱交換器としては、配管を組み合わせたもの、プレート式のものなど、さまざまな形状があるが、原価、製造上は銅等の金属製の冷媒側伝熱管と金属製の液体側伝熱管とを組み合わせたものが有利であり、この組み合わせによる効率改善が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１９０７７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この文献によれば、液冷媒熱交換器として、液体側伝熱管をコイル状に形成し、その外周方向に冷媒側伝熱管を配置し同じくコイル状に形成している。液体側伝熱管のコイルあわせ面に冷媒側伝熱管を配置することにより、組立性（製造時のロウ付け性）の確保と、液体側伝熱管をコイル状に形成する（一定曲率をもつ流路となる）ことによる液体の乱れの効果により、高い熱交換性能を確保することができる。
【０００６】
しかし、断面円形状を有する液体側伝熱管は、液体が液体側伝熱管の内壁面に沿って滑らかに流れるため、伝熱が十分促進されず、熱交換性能に改善の余地がある。
【０００７】
そこで本発明は、簡易な構造で、高い熱交換性能の液冷媒熱交換器及びヒートポンプ給湯機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、略三角形の断面形状を有する液体側伝熱管をコイル状に形成し、その外周に冷媒側伝熱管をコイル状に配置し、液体側伝熱管と冷媒側伝熱管を接合したことを特徴とする。
【０００９】
或いは、本発明は、略三角形の断面形状を有する液体側伝熱管をコイル状に形成し、その外周及び内周にコイル状の冷媒側伝熱管を配置し、前記液体側伝熱管と各冷媒側伝熱管とを接合したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱交換性能の高い液冷媒熱交換器を提供することができ、これを用いたヒートポンプ給湯機において、高いエネルギー消費効率を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施形態に係る水冷媒熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の構成系統図である。
【図２】実施例１に係る水冷媒熱交換器の断面図である。
【図３】実施例２に係る水冷媒熱交換器の断面図である。
【図４】実施例３に係る水冷媒熱交換器の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図１〜図４によって説明する。
【００１３】
図１はヒートポンプ給湯機の部品構成の一例を示す。ヒートポンプ給湯機はヒートポンプ冷媒回路の構成部品を収納したヒートポンプユニット３０と、貯湯回路及び給湯回路の構成部品を収納した貯湯ユニット４０、及び運転制御手段５０を備えて構成されている。
【００１４】
水冷媒熱交換器２は、貯湯タンク１０の底部からの給水を循環させる水側伝熱管２ｂと圧縮機１からの高温高圧冷媒を循環させて加熱する冷媒側伝熱管２ａとで構成されている。なお、本実施形態では、水側伝熱管２ｂを流れる水を加熱する水冷媒熱交換器２について説明する。但し、加熱対象は、水に限定されるものではなく、例えば潜熱蓄熱剤含有液やブラインなど、各種の液体が加熱対象液となる。従って、水側伝熱管２ｂ及び水冷媒熱交換器２は、それぞれ、液体側伝熱管及び液冷媒熱交換器と特定することもできる。
【００１５】
ヒートポンプ冷媒回路は圧縮機１、水冷媒熱交換器２の冷媒側伝熱管２ａ、減圧装置４、空気熱交換器５を、それぞれ冷媒側配管を介して直列に接続して構成されており、その中にＣＯ2（二酸化炭素）冷媒が封入されている。
【００１６】
圧縮機１はＰＷＭ制御、電圧制御（例えばＰＡＭ制御）及びこれらの組み合わせ制御により、低速（例えば７００回転／分）から高速（例えば６０００回転／分）まで回転数制御ができるようになっている。冬期などで高温貯湯（例えば９０℃）する場合は通常より大きな回転数（３０００〜４０００回転／分）で運転し、通常の貯湯温度（約６５℃）で運転する場合は比較的小さな回転数（１０００〜２０００回転／分）で運転する。
【００１７】
ここで、貯湯タンク１０の低温水は、貯湯タンク１０の底部から水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｂに流入し、圧縮機１からの高温冷媒が流入する冷媒側伝熱管２ａによって規定温度まで加熱され貯湯タンク１０の上部から貯湯される。
【００１８】
例えば、冬期高温貯湯で規定温度９０℃の場合、貯湯タンク１０内の約１０℃の低温水は水冷媒熱交換器３で規定温度９０℃まで加熱されて貯湯タンク１０に貯湯される。
【００１９】
次に、減圧装置４としては一般的に電動膨張弁が使用され、水冷媒熱交換器２を経て送られてくる中温高圧冷媒を減圧し、蒸発し易い低圧冷媒として空気熱交換器５へ送る。また、減圧装置４は冷媒回路の絞り量を変えてヒートポンプ冷媒回路内の冷媒循環量を調節する働きや、冬期低温時にヒートポンプ運転して空気熱交換器５に着霜した場合、前記絞り量を全開にして中温冷媒を空気熱交換器５に多量に送って霜を溶かす除霜装置の役目も行う。
【００２０】
空気熱交換器５は送風ファン６の回転により外気を取り入れ空気と冷媒との熱交換を行い、外気から熱を吸収する役目を行う。
【００２１】
貯湯ユニット４０は貯湯運転、タンク給湯運転などを行うための水循環回路を備えて構成されている。
【００２２】
貯湯回路は、夜間定期的に行う貯湯運転、及び残湯量が規定値以下になった場合のみ運転するタンク沸上げ運転によって貯湯タンク１０に高温水を貯めるための水回路で、貯湯タンク１０、タンク循環ポンプ１５、水冷媒熱交換器２の水側伝熱管２ｂ、貯湯タンク１０が水配管を介して順次直列に接続され構成されている。
【００２３】
タンク給湯回路は、給水金具７、減圧弁８、給水水量センサ９、貯湯タンク１０、湯水混合弁１２、給湯金具１３が水配管を介して順次直列に接続され構成されている。
【００２４】
なお、給水金具７は水道などの給水源に接続され、給湯金具１３は台所蛇口１４に接続されている。
【００２５】
なお、給湯金具１３からは、洗面所や風呂浴槽（図示せず）などにも給湯できる。
【００２６】
次に、運転制御手段５０は、ヒートポンプ冷媒回路の運転・停止並びに圧縮機１の回転数制御を行うと共に、減圧装置４の冷媒絞り量調整、タンク循環ポンプ１５の運転・停止及び湯水混合弁１２などを制御することにより、貯湯運転、給湯運転などを行うものである。
【００２７】
また、運転制御手段５０は、冬期低温時は高温貯湯の規定温度（例えば９０℃）で貯湯すると共に周囲温度や給水温度が低く加熱負荷が大きいため高回転数（例えば３０００〜４０００回転／分）とし、夏期や中間期は加熱負荷が軽いので通常貯湯の規定温度（約６５℃）で比較的低回転数（例えば１０００〜２０００回転／分）とするなどの最適運転制御手段を有している。
【００２８】
更に、ヒートポンプ給湯機には、貯湯タンク１０の貯湯温度や貯湯量を検知するための複数のタンクサーミスタ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅや各部の冷媒温度や水温を検知する各部サーミスタ、及び圧縮機１の吐出圧力を検知する圧力センサ等（いずれも図示せず）が設けられ、各検出信号は運転制御手段５０に入力されるように構成されている。運転制御手段５０はこれらの信号に基づいて各機器を制御するものである。
【実施例１】
【００２９】
次に、本実施例のヒートポンプ給湯機の水冷媒熱交換器２の構造について、水冷媒熱交換器２の断面の一部を示す図２を用いて説明する。水側伝熱管２ｂはコイル状に形成する前段階において、断面形状が略三角形を成すように形成する。予め略三角形に形成した水側伝熱管２ｂをコイル状に巻き、その外周側に略円形の冷媒側伝熱管２ａを同じくコイル状に形成し、水側伝熱管２ｂと冷媒側伝熱管２ａを溶接により接合する。この略三角断面内での液体の乱れの効果により、水側伝熱管２ｂ内での伝熱を促進し、熱交換性能の向上を達成する。
【００３０】
ところで、断面角形状を有する水側伝熱管は、角部の角度が小さいほど伝熱効率が高まる。断面角形状を有する水側伝熱管の中で最も角部の角度が小さい形状は、三角形状である。従って、略三角形の断面形状を有する水側伝熱管は、略四角形状の断面形状を有する水側伝熱管と比較しても熱交換性能が高い。
【００３１】
さらに水側伝熱管と冷媒側伝熱管との巻き径寸法の差が小さくなり、かつ三角形の水側伝熱管の間に画成される空間が大きくなるため、冷媒側伝熱管をより奥に収容することができるため、小型化および材料費の低減を図ることができ、かつ冷媒側伝熱管の圧損低減が図れる。
【実施例２】
【００３２】
次に、本実施例のヒートポンプ給湯機の水冷媒熱交換器２の構造について、水冷媒熱交換器２の断面の一部を示す図３を用いて説明する。水側伝熱管２ｂはコイル状に形成する前段階において、断面形状が略三角形を成すように形成する。予め略三角形に形成した水側伝熱管２ｂをコイル状に巻き、その内周側と外周側に２本の略円形の冷媒側伝熱管２ａ−１と冷媒側伝熱管２ａ−２を同じくコイル状に形成し、水側伝熱管２ｂと２本の冷媒側伝熱管２ａ−１と冷媒側伝熱管２ａ−２を溶接により接合することで、略三角断面内での液体の乱れの効果と、内周側と外周側に冷媒側伝熱管をそれぞれ配置することで熱抵抗を小さくすることができ、熱交換性能の向上を達成する。
【００３３】
ところで、断面角形状を有する水側伝熱管は、角部の角度が小さいほど伝熱効率が高まる。断面角形状を有する水側伝熱管の中で最も角部の角度が小さい形状は、三角形状である。従って、略三角形の断面形状を有する水側伝熱管は、略四角形状の断面形状を有する水側伝熱管と比較しても熱交換性能が高い。
【００３４】
さらに水側伝熱管と冷媒側伝熱管との巻き径寸法の差が小さくなり、かつ三角形の水側伝熱管の間に画成される空間が大きくなるため、冷媒側伝熱管をより奥に収容することができるため、小型化および材料費の低減を図ることができ、かつ冷媒側伝熱管の圧損低減が図れる。さらに内側と外側の冷媒側伝熱管の巻き径の差を小さくすることができるため、内側と外側の冷媒の各パスごとの圧損差を小さくできる。
【実施例３】
【００３５】
次に、本実施例のヒートポンプ給湯機の水冷媒熱交換器２の構造について、水冷媒熱交換器２の断面の一部を示す図４を用いて説明する。水側伝熱管はコイル状に形成する前段階において、断面形状が略三角形を成すように形成する。予め略三角形に形成した水側伝熱管２ｂをコイル状に巻き、その内周側と外周側に２本の略円形の冷媒側伝熱管２ａ−１と冷媒側伝熱管２ａ−２を同じくコイル状に形成し、水側伝熱管２ｂと２本の冷媒側伝熱管２ａ−１と冷媒側伝熱管２ａ−２を溶接により接合することで、略三角断面内での液体の乱れの効果と、内周側と外周側に冷媒側伝熱管をそれぞれ配置することで熱抵抗を小さくすることができる。
【００３６】
また、内周側と外周側の略円形の冷媒側伝熱管２ａ−１と冷媒側伝熱管２ａ−２の長さが同一になるように、内周側と外周側の略円形の冷媒側伝熱管２ａ−１に対する冷媒側伝熱管２ａ−２のコイルの巻きピッチを調整することにより、内周側と外周側の冷媒側伝熱管２ａ−１と冷媒側伝熱管２ａ−２の、冷媒が流れる際の内周側の冷媒側伝熱管２ａ−１と外周側の冷媒側伝熱管２ａ−２の圧力損失差がほぼ等しくなり、内周側の冷媒側伝熱管２ａ−１と外周側の冷媒側伝熱管２ａ−２を流れる冷媒量が均一化され、熱交換性能がさらに向上する。
【００３７】
ところで、断面角形状を有する水側伝熱管は、角部の角度が小さいほど伝熱効率が高まる。断面角形状を有する水側伝熱管の中で最も角部の角度が小さい形状は、三角形状である。従って、略三角形の断面形状を有する水側伝熱管は、略四角形状の断面形状を有する水側伝熱管と比較しても熱交換性能が高い。
【００３８】
さらに水側伝熱管と冷媒側伝熱管との巻き径寸法の差が小さくなり、かつ三角形の水側伝熱管の間に画成される空間が大きくなるため、冷媒側伝熱管をより奥に収容することができるため、小型化および材料費の低減を図ることができ、かつ冷媒側伝熱管の圧損低減が図れる。さらに内側と外側の冷媒側伝熱管の巻き径の差を小さくすることができ、さらに内側の冷媒側伝熱管の圧損が外側の冷媒側伝熱管の圧損に等しくなるように内側の冷媒側伝熱管の巻き数を調整することで、内側と外側の冷媒のパスごとの圧損差をより小さくできる。
【符号の説明】
【００３９】
１  圧縮機
２  水冷媒熱交換器
２ａ  冷媒側伝熱管
２ｂ  水側伝熱管
４  減圧装置
５  空気熱交換器
１０  貯湯タンク
１２  湯水混合弁
１３  給湯金具
１４  台所蛇口
１５  タンク循環ポンプ
１６，１７  水側接続金具
３０  ヒートポンプユニット
４０  貯湯ユニット
５０  運転制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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