熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ給湯機

【課題】熱交換性能に優れた熱交換器を提供すること。
【解決手段】１次流体が流れる配管１０１と、２次流体が流れる配管１１２とを備え、前記２次流体が流れる配管１１２は複数本で、かつ、前記１次流体が流れる配管１０１内に配設されるとともに、前記２次流体が流れる配管１１２の長手方向の軸に対する直角断面が、楕円形状であることを特徴とする熱交換器で、１次流体が流れる配管１０１と前記２次流体が流れる配管１１２との隙間を確保しながら、前記２次流体が流れる配管１１２の断面積を大きくすることができるため、前記２次流体が流れる配管１１２の内表面積及び外表面積を大きくすることができ、前記２次流体が流れる配管１１２の伝熱性能を向上させることができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒートポンプ給湯機における熱交換器の構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来の水−冷媒熱交換器の局部断面図、図８は断面の詳細図である。
【０００３】
従来の水−冷媒熱交換器は、２本の中径管１１、１２を互いに密着させながら絡み合うように螺旋状にねじり合わせて構成する。
【０００４】
これにより、大径管１０内を流れる流体と中径管内を流れる流体は螺旋状に乱流化され、伝熱促進が図れ、熱交換効率の高い熱交換器がえられるというものである（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９１６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の構成では、大径管１０内に中径管１１、１２を挿入し、製造するため、図８において、大径管１０の内面と中径管１１、１２の外面の最接近する隙間部分１９は、隙間を確保する必要がある。
【０００７】
特に、従来の構成は、中径管１１、１２の断面が略円形であるため、中径管１１、１２の断面積を大きくしすぎると、最接近する隙間部分１９が確保できず、大径管１０に中径管１１、１２を挿入することができず、製作不可になってしまうという課題を有していた。
【０００８】
また、最接近する隙間部分１９を確保すると、中径管１１、１２の断面積は大きくすることができず、大径管内の流体が流れる部分１７の断面積を減らすことができない。
【０００９】
したがって、大径管内を流れる流体の流速を向上させることができず、熱伝達率に限界があり、能力を向上させることができないという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換性能に優れた熱交換器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】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、１次流体が流れる配管と、２次流体が流れる配管とを備え、前記２次流体が流れる配管は複数本で、かつ、前記１次流体が流れる配管内に配設されるとともに、前記２次流体が流れる配管の長手方向の軸に対する直角断面が、楕円形状であることを特徴とするもので、１次流体が流れる配管と前記２次流体が流れる配管との隙間を確保しながら、前記２次流体が流れる配管の断面積を大きくすることができるため、前記２次流体が流れる配管の内表面積及び外表面積を大きくすることができ、前記２次流体が流れる配管の伝熱性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態における熱交換器の平面図
【図２】本発明の第１の実施の形態における熱交換器の側面図
【図３】図２のＡ―Ａ断面図
【図４】本発明の第２の実施の形態における中径管の中心軸に直角方向の断面図
【図５】図４の中径管を９０度回転した場合の断面図
【図６】本発明の第２の実施の形態における中径管の中心軸上で分割した詳細断面図
【図７】従来の水−冷媒熱交換器の局部断面図
【図８】従来の水−冷媒熱交換器の詳細断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
第１の発明は、１次流体が流れる配管と、２次流体が流れる配管とを備え、前記２次流体が流れる配管は複数本で、かつ、前記１次流体が流れる配管内に配設されるとともに、前記２次流体が流れる配管の長手方向の軸に対する直角断面が、楕円形状であることを特徴とする熱交換器で、１次流体が流れる配管と前記２次流体が流れる配管との隙間を確保しながら、前記２次流体が流れる配管の断面積を大きくすることができるため、前記２次流体が流れる配管の内表面積及び外表面積を大きくすることができ、前記２次流体が流れる配管の伝熱性能を向上させることができる。
【００１５】
第２の発明は、１次流体が流れる配管を大径菅、２次流体が流れる配管を小径菅、前記小径管の外周に密着させた配管を中径管とし、前記中径管は複数本で互いに螺旋状にねじり合わせて構成され、前記中径菅を大径管に挿入する際、複数本の中径管に外接する円の直径が最小になるように配置したことを特徴とするもので、中径管を軸直角の断面が楕円形状に変形させ、複数本の中径管をねじり合わせることで、中径管の表面積を最大限に大きくした状態で、大径管に挿入することできる。
【００１６】
第３の発明は、中径管の外表面に多数の凹みを設けたことを特徴とするもので、中径管表面を流れる流体の流れを乱流にすることができ、伝熱性能を向上させることができ、熱交換器の効率を向上させることができる。
【００１７】
第４の発明は、中径管の外表面に設けた凹みの深さは、短径方向の凹みより長径方向の凹みの方が深いことを特徴とするもので、複数の中径管を絡み合うようにねじり合わせる際に、楕円管の短径方向に潰れる力が加わっても、短径方向の凹みを深くすることで、強度を確保することができ、中径管が潰れて小径管の流路を閉塞することなく加工できる。
【００１８】
また、凹みを深くすることで、さらに乱流促進を図ることができ、ねじりによる乱流促進を活かすことができ、熱伝達率を向上させることができる。
【００１９】
第５の発明は、水出口付近の大径管の内径が、水入口付近の大径管の内径より大きくすることで、高温で析出しやすいスケールが付着しても詰まりにくく、長時間の使用に耐えることができる。
【００２０】
第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明の熱交換器を備えたヒートポンプ給湯機で、高効率のヒートポンプ給湯機を提供できる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
本発明の第１の実施の形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は平面図、図２は側面図、図３は、Ａ−Ａ断面での断面図である。
【００２３】
図１、図２において、１００は水冷媒熱交換器、１０１、１０２は大径管、１９３は冷媒側入口、１９４は冷媒側の出口、１９１は水側の入口、１９２は水側の出口である。また、Ａは大径管１０１と大径管１０２の接続部である。
【００２４】
図３において、１１１は中径管、１１２は小径管、Ｄ１は中径管１１１の長径、Ｄ２は中径管１１１の短径、１５１は水流路、１５２は冷媒流路、１３０は２本の中径管１１１に外接する円を示す。
【００２５】
以上のように構成された水冷媒熱交換器について、以下の動作、作用を説明する。
【００２６】
図１、図２において、１次流体である低温の水は、水入口１９１から流入し、大径管１０１、１０２内を通り、水出口１９２より流出する。
【００２７】
一方、２次流体である冷媒（例えば、二酸化炭素）は、ヒートポンプサイクル（図示せず）にて加熱された高温の冷媒が、冷媒入口１９３から流入し、大径管１０１、１０２に挿入された小径管１１２内を通り、冷媒出口１９４より流出する。大径管１０１と１０２とは、接続部Ａで接続されており、大径管１０２の内径は、大径管１０１の内径より大きい管で構成されている。なお、この水冷媒熱交換器にて生成されたお湯が、例えば、床暖房や給湯等に利用される。
【００２８】
図３において、中径管１１１と小径管１１２とは、その断面が長径Ｄ１と短径Ｄ２からなる楕円形で形成されている。大径管１０１、１０２内を流れる低温の流体は流路１５１を通り、また、小径管１１２内を流れる高温の流体は流路１５２を通る。
【００２９】
中径管１１１を楕円にすることは、２本の中径管１１１に外接する円の直径１３０を維持しながら、言い換えると、大径管１０１との隙間を確保しながら、短径Ｄ２より長径Ｄ１を長くすることができ、その分、中径管１１１の断面積を大きくすることができる。
【００３０】
これにより、小径管１１２の内表面積及び中径管１１１の外表面積を大きくすることができ、小径管内面の伝熱性能及び中径管外面の伝熱性能を向上させることができる。
【００３１】
また、小径管１１２の断面積を大きくできることで、小径管１１２内を流れる高温の流体の流速を遅くでき、圧力損失を低減でき、伝熱性能を向上させることができる。
【００３２】
また、大径管１０１内を流れる低温の流体の流路１５１を小さくすることができ、流速を増大させることが可能となり、中径管１１１の外表面の熱伝達率を向上させることができる。
【００３３】
また、大径管１０１の内径より大径管１０２の内径を大きくすることは次のような効果を可能とする。低温の水は、水入口１９１から入り、小径管内を通る高温の流体と熱交換しながら徐々に温度が上昇し、水出口１９２付近ではかなりの高温になる。水が高温になると、低温では溶け込むことができたスケール成分（例えば、カルシウムやマグネシウムなど）は、高温では固体となって析出してしまう。
【００３４】
析出したスケールは、中径管１１１の外表面や大径管１０２の内表面に付着し、水が通過する際の圧力損失を増大させてしまう。ここで、大径管１０１の内径よりも高温部に使
用する水管の内径を大きくした大径管１０２を用いることで、スケールが多少付着しても圧力損失の急激な上昇を抑制でき、長期間の使用に耐える水冷媒熱交換器を有することができる。
【００３５】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態について、図４〜図６を用いて説明する。第２の実施の形態は、実施の形態１で説明した中径管の表面に凹みを設けたことを特徴とし、その凹みが短径側の凹みより、長径側の凹みを深くしたことを特徴とするものである。
【００３６】
図４〜図６において、図４は中径管の中心軸に直角方向の断面図、図５は図４を９０度回転した中径管の断面図、図６は中径管の中心軸上で分割した断面の詳細図を示す。
【００３７】
図４、図５において、１１１は中径管、１１２は小径管、１５２は小径管内を流れる低温の流体の流路、１３１は長径方向に設けた凹み、１３２は短径方向に設けた凹み、Ｈ１は長径方向の凹みの深さ、Ｈ２は短径方向の凹みの深さ、１４１は短径方向に加わる力を示す。図６において、２本の中径管１１１をねじり合わせ、大径管１０１内に挿入した状態を示す。
【００３８】
以上のように構成された水冷媒熱交換器について、以下の動作、作用を説明する。
【００３９】
図４、５において、中径管１１１の表面には、凹み１３１と１３２があり、凹み１３１は長径方向に設けた凹みで、深さＨ１を有しており、凹み１３２は短径方向に設けた凹みで、深さＨ２を有している。この深さは、短径方向の凹みの深さＨ２より、長径方向の凹みの深さＨ１を大きくしている。
【００４０】
ここで、図６に示すような中径管をねじり合わせる加工を施した際に、短径方向の力１４１が生じ、中径管１１１はつぶれようとするが、Ｈ１の深さが深いことで短径方向の力１４１が加わっても耐えることができ、つぶれることなく所定の小径管内の流路１５２を確保しながら、製造が可能となる。
【００４１】
また、長径方向の凹みの深さＨ１を深くすることで、小径管１１２内を通る流体の圧力損失の増加を抑制しながら、中径管の外表面の熱伝達率の向上を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように、本発明に係る熱交換器は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機の水―冷媒熱交換器に適用でき、給湯機能のほかに、浴槽給湯、暖房機能、乾燥機能を有するヒートポンプ装置にも適用できる。
【符号の説明】
【００４３】
１００水冷媒熱交換器
１０１、１０２大径管
１１１中径管
１１２小径管
１２１水入口管
１２２水出口管
１３１冷媒入口管
１３２冷媒出口管
１４１中径管が短径方向に受ける力
１５１大径管内を流れる流体の流路
１５２小径管内を流れる流体の流路
１９１、１９２水の流れ方向
１９３、１９４冷媒の流れ方向
Ｄ１長径
Ｄ２短径
Ｈ１、Ｈ２凹みの深さ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次流体が流れる配管と、２次流体が流れる配管とを備え、前記２次流体が流れる配管は複数本で、かつ、前記１次流体が流れる配管内に配設されるとともに、前記２次流体が流れる配管の長手方向の軸に対する直角断面が、楕円形状であることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
１次流体が流れる配管を大径菅、２次流体が流れる配管を小径菅、前記小径管の外周に密着させた配管を中径管とし、前記中径管は複数本で互いに螺旋状にねじり合わせて構成され、前記中径菅を大径管に挿入する際、複数本の中径管に外接する円の直径が最小になるように配置したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
中径管の外表面に多数の凹みを設けたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
中径管の外表面に設けた凹みの深さは、短径方向の凹みより長径方向の凹みの方が深いことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
１次流体を水とし、水出口付近の配管の内径は、水入口付近の配管の内径より大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器を備えたヒートポンプ給湯機。

【図１】