熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ式加熱装置

【課題】より効率良く流体の加熱を行うことができる熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ式加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱対象の流体が通流する流体伝熱管１と、前記流体に対して熱を供与する冷媒が通流する冷媒伝熱管２，３と、を備え、前記冷媒は臨界圧力以上で通流し、流体伝熱管１及び冷媒伝熱管２，３は螺旋状に形成されて相互に接触され、前記流体及び前記冷媒は対向してそれぞれ通流する熱交換器１０であって、前記流体及び前記冷媒の通流時、前記冷媒伝熱管の一端から他端の中間部の近傍において、前記流体の温度と前記冷媒の温度との温度差が最小になる箇所を境にして、前記冷媒が通流する上流側の冷媒伝熱管２，３の曲率半径が、下流側の冷媒伝熱管２，３の曲率半径よりも長く構成されていることを特徴とする、熱交換器１０。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ式加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばヒートポンプ式加熱装置（例えば給湯器等）、エアーコンディショナー（エアコン）の室外機等で使用される熱交換器においては、冷媒を用いて熱交換が行われるようになっている。具体的には、加熱対象である流体に対して熱伝導性の高い材料を介して大きな熱エネルギを有する冷媒を接触させることにより、冷媒の有する熱が流体に伝達されるようになっている。そして、このようにすることで、流体を加熱することができる。
【０００３】
このような熱交換器の具体的な構成として、例えば特許文献１には、水が流通する水伝熱管と、前記水伝熱管１本に対し１本又は複数本の冷媒が流通する冷媒伝熱管とが、共に螺旋巻きされたほぼ円筒等の全体形状で互いに接触し一体化された構造を有し、かつ前記水伝熱管は円筒等の軸方向に密着又はほとんど隙間なしで螺旋巻きされたほぼ円筒等の形状であり、かつ前記冷媒伝熱管は前記水伝熱管の円筒等の形状の外周又は内周又はその両方に螺旋巻きされて配置される熱交換器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１３３９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１に記載の熱交換器においては、臨界圧力以上の冷媒を用いて運転を行うと、冷媒温度と流体温度との温度差が小さくなる箇所が発生することがある。その結果、冷媒による流体との熱交換効率が低下することがある。
【０００６】
本発明は前記課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、より効率良く流体の加熱を行うことができる熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ式加熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは前記課題を解決するべく鋭意検討した結果、螺旋状に形成され、冷媒が通流する冷媒伝熱管の曲率半径を変化させることにより前記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させた。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、より効率良く流体の加熱を行うことができる熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ式加熱装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る熱交換器の斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る熱交換器の縦断面図である。
【図３】第１実施形態に係る熱交換器における高温側螺旋部における流体伝熱管の断面図である。
【図４】第１実施形態に係る熱交換器における低温側螺旋部における流体伝熱管の断面図である。
【図５】第１実施形態に係る熱交換器を適用した給湯器のサイクルの模式図である。
【図６】第１実施形態に係る熱交換器における、冷媒圧力とエンタルピとの関係を示すグラフである。
【図７】第１実施形態に係る熱交換器における、温度とエンタルピとの関係を示すグラフである。
【図８】第１実施形態に係る熱交換器を組み立てる際の工程図である。
【図９】第２実施形態に係る熱交換器の縦断面図である。
【図１０】図９におけるＦ部を拡大した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を実施するための形態（本実施形態）を図面を参照しながら説明するが、本実施形態は以下の内容に制限されず、本発明の要旨を損なわない範囲で任意に変更して実施可能である。
【００１１】
［１．第１実施形態］
はじめに、図１及び図２を参照して、第１実施形態に係る熱交換器１０を説明する。
図１に示すように、熱交換器１０は、流体伝熱管１と、内側冷媒伝熱管２と、外側冷媒伝熱管３とにより、構成される。そして、流体伝熱管１、内側冷媒伝熱管２及び外側冷媒伝熱管３は、それぞれ図２に示すように接触（線接触）して螺旋状に形成されている。即ち、流体伝熱管１の外側には外側冷媒伝熱管３が接触し、外側冷媒伝熱管３は隣接する２ピッチ（図２に示す断面図では２本）分の流体伝熱管１に接触している。一方、内側冷媒伝熱管２は流体伝熱管１の内側に接触している。なお、内側冷媒伝熱管２は、外側冷媒伝熱管３とは異なり、流体伝熱管１と基本的には１箇所でのみ接触している。
【００１２】
また、このようにして形成された熱交換器１０の紙面上側略半分が高温側螺旋部４として形成されており、紙面下側略半分が低温側螺旋部５として形成されている。そして、高温側螺旋部４の曲率半径は、低温側螺旋部５の曲率半径よりも大きくなっている。
【００１３】
ここで、「高温側」及び「低温側」との文言について説明する。「高温側」及び「低温側」として、流体温度と冷媒温度との温度差が最小になる点を境（詳細は後記するが、図７に示すエンタルピＨ３が境となる。）に、冷媒温度が高い側を「高温側」、冷媒温度が低い側を「低温側」と設定するものとする。即ち、冷媒が通流する方向において、高温側螺旋部４においては前記温度差が徐々に小さくなり、前記境においては前記温度差が最小となり、低温側螺旋部５においては前記境から前記温度差が徐々に大きくなった後徐々に小さくなるようになっている（図７参照）。
【００１４】
なお、本実施形態に係る熱交換器に適用可能な流体及び冷媒の種類は特に制限されないが、本実施形態においては、流体として水を、冷媒として二酸化炭素を用いているものとする。そして、内側冷媒伝熱管２及び外側冷媒伝熱管３の内部において、臨界圧力以上の冷媒が通流している。
【００１５】
また、高温側螺旋部４と低温側螺旋部５との境界部では、図２に示すように、内側冷媒伝熱管２は隣接する２ピッチ分の流体伝熱管１と接している。しかしながらそれ以外の部分では、前記のように、内側冷媒伝熱管２と流体伝熱管１は１箇所でのみ接触している。
なお、第１実施形態においては、熱交換器１０の上側略半分が高温側螺旋部４、下側略半分が低温側螺旋部５としている。ただし、これらの境目やそれぞれの曲率半径の具体的な長さは、冷媒の圧力、加熱対象である流体の温度や昇温の程度等によって任意に設定することができる。
【００１６】
次に、図３及び図４を参照しながら、高温側螺旋部４及び低温側螺旋部５における流体伝熱管１内の流体の様子を説明する。
【００１７】
通常、螺旋構造の入口から出口に向かう流れは、流体伝熱管１の螺旋構造の曲率半径が小さくなる程、螺旋構造中心軸に対する流体伝熱管１の内側と外側との流速差が大きくなる。具体的には、外側の流速に比べて、内側の流速が遅くなる。そして、流れが速い部分では流体の有するエネルギが速度エネルギに消費され、静圧が低下する。そのため、外側では静圧が低く、内側では静圧が高くなり、管内部において内側から外側に向かう流れが発生する。
【００１８】
流体は圧力の勾配が最も大きい方向に流れる性質があるため、内側から外側を結ぶ最短の軌跡に沿った流れ（１次的な流れ）が発生する。即ち、流れは流路の中心を横切る形になる。これがきっかけとなり、流体伝熱管１の内壁に沿って外側から内側へ向かう２次的な流れが発生し、渦を形成する。渦の回転の速さは、流体伝熱管１の曲率半径が小さくなるほど（即ち静圧差が大きくなるほど）、速くなる。従って、図４に示す低温側螺旋部５（曲率半径小）における速さの方が、図３に示す高温側螺旋部４（曲率半径大）における速さよりも、矢印の太さで示すように大きなものとなる。
【００１９】
そして、渦の回転が速くなると、管内の伝熱が促進される一方、流れのエネルギが渦の回転に消費されるために圧力損失が増加する。そして、圧力損失が増加すると流体と冷媒との温度差が小さくなるため、熱交換効率が低下する（詳細は図６及び図７を参照しながら後記する。）。そこで、高温側螺旋部４では曲率半径を大きくし、低温側螺旋部５では曲率半径を小さくすることで、高温側螺旋部４での渦の回転を遅くし、高温側螺旋部４での圧力損失を低減させることができる。その結果、前記温度差の過度の減少を防止し、以って熱交換効率の低下を防止することができる。
【００２０】
このように、熱交換器１０によれば、高温側の螺旋構造の曲率半径を低温側よりも大きくすることによって、高温側の管内を流れる冷媒の圧力損失が低減する。冷媒が臨界圧力以上で動作する場合、冷媒の流動方向の圧力低下に伴う冷媒温度の低下率は、低温側に比べて高温側が大きい。そのため、高温側での圧力損失の低減による冷媒温度の低下を防ぎ、局所的に冷媒と流体との熱交換温度差を拡大化することで、シンプルな構成の熱交換器で熱交換の高効率化を図ることができる。
【００２１】
次に、図５を参照して、熱交換器１０が適用されるヒートポンプ式加熱装置としての給湯器１００の構成を説明する。なお、熱交換器１０においては、冷媒として二酸化炭素、流体として１０℃程度の水が用いられている。
【００２２】
給湯器１００は、圧縮手段６、膨張手段７、蒸発手段８、熱交換器１０及びそれらが接続される配管等により構成される。具体的な配置としては、圧縮手段６の下流側には熱交換器１０が、熱交換器１０のさらに下流側には膨張手段７が、膨張手段７のよりさらに下流側には蒸発手段８が接続されている。そして、蒸発手段８の下流側には圧縮手段６が接続され、これらの経路で冷媒（二酸化炭素）が循環することにより熱交換器１０において流体（水）が加熱されるようになっている。
【００２３】
なお、圧縮手段６は、熱交換器１０に流入する冷媒を圧縮する手段であり、例えばコンプレッサ等により構成される。また、膨張手段７は、熱交換器１０から排出された冷媒を膨張させる手段であり、膨張弁、キャピラリチューブ、膨張タービン等、任意のものを用いることができる。さらに、蒸発手段８は、膨張手段７から排出された冷媒と外気とを熱交換させる手段であり、任意のものを用いることができる。
【００２４】
熱交換器１０においては、図１等にも示したように、冷媒と流体とが対向するように流入する。即ち、図１において黒矢印で示すように、流体は流体伝熱管１の紙面下部の流入口から流入し、紙面上部の排出口から排出されるようになっている。一方、冷媒は、図１において白抜き矢印で示すように、紙面上部の流入口から流入し、紙面下部の排出口から排出されるようになっている。
【００２５】
次に、給湯器１００における具体的な冷媒及び流体の流れを詳細に説明する。
冷媒は圧縮手段６にて圧縮され、高温・高圧状態になる。そして、高温・高圧状態になった冷媒は、熱交換器１０に流入する。熱交換器１０に流入した冷媒は流体に熱を伝え、冷媒自身は熱を失って熱交換器１０から排出される。熱交換器１０から排出された冷媒は膨張手段７によって膨張されて圧力が低下し、蒸発手段８にて外気から熱が加えられた後、再度圧縮手段６へと流入し、再び圧縮される。そして、このようなサイクルが繰り返される。なお、熱交換器１０で加熱された流体は、需要端へ供給される。
【００２６】
図６及び図７を参照して、給湯器１００における冷媒のサイクルについてさらに詳細に説明する。
図６に示すサイクルにおいては、（ｉ）〜（ii）で熱交換器１０において熱交換が行われる（降温）。また、（ii）〜(iii)で膨張手段７において冷媒が膨張される（気化）。さらに、（iii）〜（iv）で蒸発手段８において冷媒に対して外気から熱が加えられて加熱される（但し、温度は略一定）。そして、（iv）〜（ｉ）で圧縮手段６において冷媒が圧縮される（昇温）。
【００２７】
第１実施形態のような二酸化炭素（冷媒）を用いて水（流体）を加熱する給湯器１００では、１０℃程度の水を６５℃程度又はそれ以上まで沸き上げるために、圧縮手段６、熱交換器１０、膨張手段７の高圧側（上流側）にかけて、臨界点以上の冷媒圧力が通常必要になる。冷媒圧力が臨界点の圧力（臨界圧力）よりも高圧の領域では、冷媒圧力が高くなるほど、等温線が低エンタルピ側に移動する部分が存在する（例えば等温線Ｃ等）。
【００２８】
（ｉ）〜（ii）において、従来の熱交換器を適用した場合、Ａ（破線）のような圧力変化を示す。これに対して熱交換器１０を適用した場合、前記のように高温側螺旋部４の圧力損失が低く、低温側螺旋部５の圧力損失が比較的高いため、Ｂ（実線）のような圧力変化を示す。そして、等温線Ｃにて比較すると、冷媒温度がＣになるエンタルピは、従来のＡにおけるエンタルピＨ２に比べて、熱交換器１０のＢにおけるエンタルピＨ１の方が小さくなる。
【００２９】
図６の横軸（エンタルピ）を変えずに、縦軸を温度としたサイクルを図７に示す。図７における（ｉ）及び（ii）は、図６における（ｉ）及び（ii）と同じものである。即ち、（ｉ）〜（ii）で冷媒が流れるようになっている。さらに、Ｘ〜Ｙで流体（Ｅ線）が流れるようになっている。そして、それぞれの線の矢印の向きが、冷媒若しくは流体の流れる向きを示している。また、図６で示したＣ線は直線で示している。
【００３０】
図７では、冷媒の温度がＣになるエンタルピとして、従来の熱交換器（エンタルピＨ２）よりも、熱交換器１０（エンタルピＨ１）の方が低くなることを明確に表している。また、エンタルピＨ３の時に冷媒の温度Ｔ１，Ｔ２と流体の温度Ｔ３との温度差が最小になる。Ｔ１とＴ３との差は小さいため熱交換効率が低下し、流体の温度が上昇しにくくなる。そのため、従来の熱交換器においては、エンタルピＨ３付近では、流体の温度を上昇させるために、長い流路や長い時間が必要となる。
【００３１】
一方、熱交換器１０を用いた場合、高温側螺旋部４において圧力損失が低減されている。そのため、冷媒の温度低下が緩やかなものとなり（図７のＢ線参照）、エンタルピＨ３における温度差の拡大化が可能になる。従って、同じ流体温度を得るために必要な流路の長さが減少するため、結果として熱交換器材料の使用量を増やさずに、熱交換効率を向上することができる。
【００３２】
次に、図８を参照しながら、熱交換器１０の組立方法を説明する。流体伝熱管１及び内側冷媒伝熱管２は、予めそれぞれを螺旋状に形成する（図示しない）。そして、図８（ａ）に示すように、流体伝熱管１の内部に内側冷媒伝熱管２を挿入し、その後ロウ付けして流体伝熱管１及び内側冷媒伝熱管２を固着する（図８（ｂ））。この時、内側冷媒伝熱管２の高温側螺旋部４の下端部の管（図８（ｂ）の管２ａ）が、流体伝熱管１の高温側螺旋部４の管と低温側螺旋部５との両方に接触するように設計することで、内側冷媒伝熱管２を流体伝熱管１の一番奥まで差し込むだけで希望の位置へ設置できるようになる。そのため、螺旋構造の曲率半径が一定の場合に比べて、熱交換器の組み立てが容易になる。
【００３３】
その後、図８（ｃ）に示すように、外側から外側冷媒伝熱管３を２ピッチ分の流体伝熱管１に接触するように巻きつけ、ロウ付けして外側冷媒伝熱管３を固着させることで、熱交換器１０を組み立てることができる。なお、組み立てる順番は性能と関係しないため、流体伝熱管１に外側冷媒伝熱管３を巻きつけた後、内側冷媒伝熱管２を挿入してもよい。
【００３４】
また、第１実施形態では流体伝熱管１、内側冷媒伝熱管２、外側冷媒伝熱管３が丸管の場合を示したが、本質的には管断面の形状に関わらず、角管（断面が矩形状）等で構成しても性能の向上が可能である。このように角管を用いて各管を構成することで各管同士の接触面積を広くすることができ（面接触）、より無駄なく熱交換を行うことができる。
【００３５】
［２．第２実施形態］
次に、図９及び図１０を参照しながら、第２実施形態に係る熱交換器２０を説明する。
本実施形態に係る熱交換器においては、高温側冷媒伝熱管の曲率半径が、低温側冷媒伝熱管の曲率半径よりも長くなっている。従って、このような構成を有する限り具体的な形状は特に制限されない。従って、図１に示すもの以外にも、例えば図９に示す形状の熱交換器２０とすることも可能である。
【００３６】
図９に示すように、熱交換器２０は、螺旋構造の曲率半径を軸方向に対して連続的に変化させたものである。熱交換器２０では、全ての内側冷媒伝熱管２に対して、隣接する２ピッチ分の流体伝熱管１が接している。また、外側冷媒伝熱管３は隣接する２ピッチ分の流体伝熱管１と接している。そして、隣接する２ピッチ分の流体伝熱管１と外側冷媒伝熱管３との間には隙間空間１５が形成されている（図１０参照）。
【００３７】
隙間空間１５近傍を拡大した様子（Ｆ部）を図１０に示す。空気の熱伝導率は通常良くないため、図１０に示すように、熱交換器２０においては、隙間空間１５にはロウ（高伝熱材）が充填されている。なお、ロウは、隙間空間１５と連通するように流体伝熱管１の外側に設けられた溝部１４を通じて充填することができる。
【００３８】
なお、図示はしていないが、２つの流体伝熱管１と１つの内側冷媒伝熱管３との間に形成される隙間空間に対しても同様にしてロウが充填されている。
【００３９】
熱交換器２０では、全ての内側冷媒伝熱管２に対して、隣接する２ピッチ分の流体伝熱管１が接しているため、熱交換器１０に比べて管の接触部分が多くなる。そのため、伝熱性能がより向上する。さらに、熱交換器２０の組み立ての際に溝部１４を通じて空間部１５にロウを流し込むことによって、隙間空間１５が熱伝導性の高いロウ（高伝熱材）で充填されるため、伝熱性能がよりさらに向上する。
【００４０】
熱交換器２０は、図８を参照しながら説明した熱交換器１０と同様に組み立て可能である。即ち、予め流体伝熱管１、内側冷媒伝熱管２及び外側冷媒伝熱管３を螺旋状に形成する。そして、外側冷媒伝熱管３の上部から流体伝熱管１及び内側冷媒伝熱管２をこの順で挿入することで容易に組み立てることができる。なお、流体伝熱管１には、螺旋状に巻く前に任意のピッチで切欠又は溝を形成しておくことで、溝部１４を形成することが可能である。
【００４１】
このように、熱交換器２０は、螺旋構造の曲率半径を連続的に変化させることで、組み立ての容易さと伝熱性能の高さとが両立したものとなっている。
【００４２】
［３．変更例］
以上、本実施形態に係る熱交換器を２つの具体例を挙げて説明したが、本実施形態に係る熱交換器は前記の内容に限定されるものではない。従って、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更して実施可能である。
【００４３】
例えば、熱交換器１０，２０においては、冷媒が通流する管を２本設けているが、１本のみ設けてもよく、３本以上設けてもよい。また、図１においては、流体が紙面下部から流入して紙面上部から排出されるようにしているが、流体の通流する向きとしては逆向きであってもよい。冷媒についても同様であり、冷媒の流れる方向に対応して曲率半径を変化させればよい。
【００４４】
また、本実施形態においては、流体として水を、冷媒として二酸化炭素を用いているが、流体及び冷媒の種類はこれらに何ら限定されるものではない。
【００４５】
さら、熱交換器１０，２０を設置する向きも図１等の向きに限定されず、流体等が横方向に流れるように設置してもよい。
【００４６】
また、本実施形態に係る熱交換器が適用されるヒートポンプ式加熱装置は給湯器に何ら限定されず、流体の種類に応じて適宜決定すればよい。
【００４７】
さらに、前記した溝部は熱交換器２０において設けているが、熱交換器１０においても同様に設けることができる。従って、熱交換器１０においても生じる隙間空間に対しても同様にして高伝熱材（ロウ等）を充填させることができる。
【符号の説明】
【００４８】
１流体伝熱管
２内側冷媒伝熱管（冷媒伝熱管）
３外側冷媒伝熱管（冷媒伝熱管）
４高温側螺旋部
５低温側螺旋部
６圧縮手段
７膨張手段
８蒸発手段
１０熱交換器
１４溝部
１５隙間空間
２０熱交換器
１００給湯器（ヒートポンプ式加熱装置）

【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱対象の流体が通流する流体伝熱管と、
前記流体に対して熱を供与する冷媒が通流する冷媒伝熱管と、を備え、
前記冷媒は臨界圧力以上で通流し、
前記流体伝熱管及び前記冷媒伝熱管はそれぞれ螺旋状に形成されて相互に接触され、
前記流体及び前記冷媒は対向してそれぞれ通流する熱交換器であって、
前記流体及び前記冷媒の通流時、前記冷媒伝熱管の一端から他端の中間部の近傍において、前記流体の温度と前記冷媒の温度との温度差が最小になる箇所を境にして、前記冷媒が通流する上流側の前記冷媒伝熱管の曲率半径が、下流側の前記冷媒伝熱管の曲率半径よりも大きく構成されている
ことを特徴とする、熱交換器。
【請求項２】
前記冷媒伝熱管は、隣接する２ピッチ分の前記流体伝熱管と接触している
ことを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記冷媒伝熱管の曲率半径が、螺旋構造の軸方向に対して連続して変化している
ことを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記流体伝熱管と前記冷媒伝熱管との間に形成される隙間空間に伝熱材が充填されている
ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記流体が水であり、
前記冷媒が二酸化炭素である
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の熱交換器と、
前記熱交換器に流入する冷媒を圧縮する圧縮手段と、
前記熱交換器から排出された前記冷媒を膨張させる膨張手段と、
前記膨張手段から排出された前記冷媒と外気とを熱交換させる蒸発手段と、
を備える
ことを特徴とする、ヒートポンプ式加熱装置。

【図１】