JP2007010299A - 熱交換器および給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 伝熱特性の悪化を招くことなく第１チューブ２０内の圧力損失を低減する。
【解決手段】 第１チューブ２０を流通する第１流体の流れ方向と、第２チューブ１０を流通する第２流体の流れ方向とが略直角に交わるように配置した。
これによれば、従来のようなターンは無くして入口２３から出口２４に向かって並行して水が流れる流路としたものである。 これにより、内部漏れによる性能低下の心配も無く、第１チューブ２０内での圧力損失を低減することができる。そして、第１流体の流速が低くなって伝熱特性が悪化することに対しては、第１チューブ２０のインナーフィンとするコルゲートフィン３５のフィンピッチを微細化することで、この伝熱特性の低下を補うようにしたものである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器およびそれを用いた給湯装置に関するものであり、特に、冷媒を用いて水を加熱する水−冷媒熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ式給湯装置に適用して好適なものである。

冷媒を熱源とするヒートポンプ式給湯装置に組み込む熱交換器には、高温・高圧冷媒（例えばＣＯ_２冷媒）の使用に耐える構造が求められ、近年、この種の熱交換器として、多数のキャピラリチューブ（φ数ｍｍの銅製細管）を密着並置して冷媒通路を形成したものが提案されている。

この熱交換器は、キャピラリチューブを用いることで高圧冷媒の使用を可能とし、小口径による効率的な凝縮促進を図ったもので、通水経路を、絞り成形した２枚のプレートを接合した薄型の箱体で形成している。そして、箱体内にインナーフィンを収納し、箱体にキャピラリチューブを積層して製作され、これらの部材を銅材で形成することで、ロウ付けによる一括した接合を可能としている。

このような熱交換器の従来技術として、伝熱面積を増大させて熱効率の向上を図り、小型化による設置の省スペース化を図ったものとして、下記特許文献１に示す熱交換器がある。さらに、特許文献１の熱交換器において箱体内の通水抵抗の増大を抑えるものとして、下記特許文献２に示す熱交換器がある。
特開２００３−３１４９７５号公報 特開２００４−２０５０６０号公報

図１０は、上記特許文献２の水−冷媒熱交換器４０における水の流れと冷媒の流れと課題とを説明する模式図である。水チューブとなる第１チューブ２０内には図に示されるコルゲート板３０が挿入されており、第１チューブ２０内の流体通路を仕切るコルゲート板３０の壁面３２を左右交互に段違いにずらして配置することにより、流体通路を複数パスでの折り返しとすることができ、ターン数が減少するうえ、交互に曲率の大きなターン部となるため、特許文献１より通水抵抗の増大を抑えることができるようにしている。

また、流体通路の端部が段違いにずらして配置してあることより、複数の流体通路にうまく流体（水）が分配されて均等な流通とすることができるようにしている。ちなみに図中の１０は、冷媒チューブの一部を表している。しかしながら、この流路の更なる課題は、伝熱促進に寄与しない左右のシャープターンである。Ｓ部の接合が不充分であると、ここから流れが洩れることによって大幅に性能が低下する。

また、Ｓ部の接合が充分であるとしても、水側の圧力損失の半分は、このターン部で発生する。しかし、コルゲート板３０でのターンを無くして、入口２３から出口２４に向かって並行する流路を設けると、流速が低くなって伝熱特性が悪化するという問題が出てくる。

本発明は、上記の課題や問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、伝熱特性の悪化を招くことなく第１チューブ２０内の圧力損失を低減することのできる熱交換器およびそれを用いた給湯装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項４に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、絞り成形した二枚のプレート（２１、２２）の間に微細に波形成形したコルゲートフィン（３５）を挟み込み、プレート（２１、２２）の周縁を接合して薄型矩形の箱体（２０）を形成し、周縁に開口した入口（２３）から出口（２４）に至って第１流体が流通する第１チューブ（２０）と、
第２流体が流通する第２チューブとして細管（１０）を箱体（２０）に螺旋状に巻装し、箱体（２０）の両平坦面に接合して第１流体と第２流体との熱交換を行う熱交換器において、
第１チューブ（２０）を流通する第１流体の流れ方向と、第２チューブ（１０）を流通する第２流体の流れ方向とが略直角に交わるように配置したことを特徴としている。

また、請求項２に記載の発明では、絞り成形した二枚のプレート（２１、２２）の間に微細に波形成形したコルゲートフィン（３５）を挟み込み、プレート（２１、２２）の周縁を接合して薄型矩形の箱体（２０）を形成し、周縁に開口した入口（２３）から出口（２４）に至って第１流体が流通する第１チューブ（２０）と、
第２流体が流通する第２チューブとして２経路に分岐した細管（１２、１３）を箱体（２０）の両平坦面にサーペンタイン形に蛇行させて接合して第１流体と第２流体との熱交換を行う熱交換器において、
第１チューブ（２０）を流通する第１流体の流れ方向と、第２チューブ（１０）を流通する第２流体の流れ方向とが略直角に交わるように配置したことを特徴としている。

これら請求項１および請求項２に記載の発明によれば、箱体（２０）の両平坦面に接合した第２チューブとして細管（１０、１２、１３）を流れる第２流体としての冷媒が略左右方向の流れとすると、第１流体としての水の流れはこの流れに対して略直交する上下方向とし、従来のようなターンは無くして入口２３から出口２４に向かって並行して流れる流路としたものである。

これにより、内部漏れによる性能低下の心配も無く、第１チューブ（２０）内での圧力損失を低減することができる。そして、第１流体の流速が低くなって伝熱特性が悪化することに対しては、第１チューブ（２０）のインナーフィンとするコルゲートフィン（３５）のフィンピッチを微細化することで、この伝熱特性の低下を補うようにしたものである。

また、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の熱交換器において、コルゲートフィン（３５）にルーバもしくはオフセット加工を施したことを特徴としている。この請求項３に記載の発明によれば、流速が低くなって伝熱特性が悪化することに対し、コルゲートフィン（３５）にルーバ、あるいはオフセット加工によるスリットを設けることによってコルゲートフィン（３５）の高性能化を図って補うようにしたものである。

また、請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器を用いて第１流体を水、第２流体を冷媒としたことを特徴としている。この請求項４に記載の発明によれば、伝熱特性の悪化を招くことなく水−冷媒熱交換器（４０）内の圧力損失を低減することができることより、効率の良い給湯装置とすることができる。ちなみに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について添付した図面の実施例に基づいて具体的に説明する。本実施例は、本発明に係わる熱交換器を家庭用給湯装置に適用したものであり、図１は給湯装置１００の外観斜視図、図２は給湯装置１００の概略構成を説明する模式図である。図２中の２００（２点鎖線で囲まれた部分）は給湯装置の本体部であり、給湯用水を加熱して高温（本実施形態では約９０℃）の温水を生成する超臨界ヒートポンプサイクル（以下、ヒートポンプと略す）となっている。

尚、超臨界ヒートポンプサイクルとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素（ＣＯ_２）、エチレン、エタン、酸化窒素などを冷媒とするヒートポンプサイクルである。３００は、ヒートポンプ２００にて加熱された温水を保温貯蔵する複数個の保温タンクであり、各保温タンク３００は、温水（給湯水）の流れに対して並列となるように配設されている。

図２中の２１０は、冷媒（本実施形態では二酸化炭素）を吸入圧縮する圧縮機である。この圧縮機２１０は、冷媒を吸入圧縮する図示しない圧縮機構と、その圧縮機構を駆動する図示しない電動モータとが一体となった電動圧縮機である。４０は本発明に係わる熱交換器を適用したもので、圧縮機２１０から吐出する冷媒と給湯用水とを熱交換する冷媒放熱器としての水−冷媒熱交換器である。なお、水−冷媒熱交換器４０は本発明の要部であるため、後述で詳細を説明する。

また、図2中の２３０は、水−冷媒熱交換器４０から流出する冷媒を減圧する減圧手段としての電気式膨張弁であり、２４０は、膨張弁２３０から流出する冷媒を蒸発させて大気中の熱を冷媒に吸収させると共に、後述するアキュームレータ２５０（圧縮機２１０の吸入側）に向けて冷媒を流出する冷媒蒸発器である。

２５０は、蒸発器２４０から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して、気相冷媒を圧縮機２１０の吸入側に流出すると共に、ヒートポンプ２００中の余剰冷媒を蓄えるアキュームレータである。２６０は、蒸発器２４０に冷却空気として外気を送風すると共に、その送風量を調節することのできる送風機であり、この送風機２６０、圧縮機２１０および膨張弁２３０は、後述する各センサの検出信号に基づいて電子制御装置（ＥＣＵ）２７０によって制御されている。

そして、２７１は水−冷媒熱交換器４０から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサであり、２７２は水−冷媒熱交換器４０に流入する給湯用水の温度を検出する第１水温センサである。２７３は水−冷媒熱交換器４０から流出する冷媒の圧力（高圧側の冷媒圧力）を検出する冷媒圧力センサであり、２７４は水−冷媒熱交換器４０から流出する給湯水の温度を検出する第２水温センサである。そして、各センサ２７１〜２７４の検出信号は、ＥＣＵ２７０に入力されている。

ここで、高圧側の冷媒圧力とは、圧縮機２１０の吐出側から膨張弁２３０の流入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吐出圧（水−冷媒熱交換器４０の内圧）に略等しい。一方、低圧側の冷媒圧力とは、膨張弁２３０の流出側から圧縮機２１０の吸入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吸入圧（蒸発器２４０の内圧）に略等しい。

また、４００は、水−冷媒熱交換器４０に給湯用水を供給する（循環させる）と共に、その給湯用水の量を調節する電動ウォータポンプ（以下、ポンプと略す）であり、４１０は図示しない水道管から給水される水道水が水−冷媒熱交換器４０に流入することを防止する閉止弁である。そして、ポンプ４００および閉止弁４１０もＥＣＵ２７０により制御されている。

次に、本発明の要部である水−冷媒熱交換器４０について説明する。図３は、その水−冷媒熱交換器４０を示す正面図であり、図４はその下面図である。また、図５は、図３の水−冷媒熱交換器４０における水の流れと冷媒の流れとを説明する模式図であり、図６は第１チューブ２０の分解斜視図である。

図において、銅板を浅底容器形に絞り成形した上下２枚のプレート（上プレート２１、下プレート２２）を、その周縁を接合して薄型矩形の箱体２０を形成し、箱体２０の周縁に給湯水流入口（入口）２３と、その対向辺に給湯水流出口（出口）２４とを開口し、入口２３から出口２４に至って第１流体としての水（給湯水）が流通する水チューブとしての第１チューブ２０を形成している。

箱体２０の中には、銅の板材を波形に成形したコルゲートフィン３５が収納されている。このコルゲートフィン３５は、箱体２０の内寸に合うよう適当な間隔で並べて挿入する。そして、このコルゲートフィン３５の上下折り返し面がプレート２１、２２の内面に接合するように箱体２０内に収納している。

コルゲートフィン３５は、リン脱酸銅の板材をローラ、あるいはプレスによって波型に成形して製造する。板材の厚さは、０．１ｍｍ程度のものである。図７の（ａ）（ｂ）とも本発明の一実施形態におけるコルゲートフィン３５の拡大斜視図であり、伝熱促進するために、フィンにルーバあるいはスリット加工を施している。冷媒チューブとしての第２チューブは、密着並置した２本の銅製細管１０を、箱体２０の外周に螺旋状に巻装して形成され、細管１０は、箱体２０の両平坦外面（表側および裏側）に接合されている。

この水−冷媒熱交換器４０は、コルゲートフィン３５を収納し、上下プレート２１・２２の周縁に形成したフランジを当接し、同じく上下プレート２１・２２の周縁に形成した図示しないかしめ爪をかしめて箱体２０を仮組みし、その箱体２０に細管１０を巻装し、各接合面にロウ材Ｒを設置して所定治具で組み立てる。そして、この組立品を加熱炉内に投入してロウ付けし、一度の工程で一括した接合で製作される。

以上のように構成した水−冷媒熱交換器４０において、下部から入った水は、コルゲートフィン３５によって多パスに分けられて、図５に示すように下から上に向かって流れる並行した流れとなる。一方、箱体２０に螺旋状に巻装した細管１０内を高温・高圧冷媒が流通し、略左右方向に流れて旋回しながら徐々に下降する流れとなる。箱体２０の両平坦外面を介して熱交換が行われ、コルゲートフィン３５が伝熱フィンとして機能し、水が加熱されて出口２４から出湯する。

本実施形態の水−冷媒熱交換器４０においては、略左右方向の冷媒の流れに対して略直交する上下方向にコルゲートフィン３５を挿入している。このようなコルゲートフィン３５の配置とすることで水は全て一方向に流れ、従来のようなシャープターンが無くなり、ターンによる圧力損失は発生しない。

また、プレート２１、２２の周縁部内側での内部洩れによる性能低下は無くなり、製造し易く、不良品のでき難い構造となる。また、全パスとして流速低下よる性能低下は、コルゲートフィン３５のフィンピッチの微細化と、フィンにルーバやスリットを設けることによる高性能化で補うことができる。

次に、本実施形態での特徴と、その効果について述べる。まず、絞り成形した二枚のプレート２１、２２の間に微細に波形成形したコルゲートフィン３５を挟み込み、プレート２１、２２の周縁を接合して薄型矩形の箱体２０を形成し、周縁に開口した入口２３から出口２４に至って第１流体が流通する第１チューブ２０と、第２流体が流通する第２チューブとして細管１０を箱体２０に螺旋状に巻装し、箱体２０の両平坦面に接合して第１流体と第２流体との熱交換を行う熱交換器において、
第１チューブ２０を流通する第１流体の流れ方向と、第２チューブ１０を流通する第２流体の流れ方向とが略直角に交わるように配置している。

これによれば、箱体２０の両平坦面に接合した第２チューブとして細管１０を流れる第２流体としての冷媒が略左右方向の流れとすると、第１流体としての水の流れはこの流れに対して略直交する上下方向とし、従来のようなターンは無くして入口２３から出口２４に向かって並行して流れる流路としたものである。

これにより、内部漏れによる性能低下の心配も無く、第１チューブ２０内での圧力損失を低減することができる。そして、第１流体の流速が低くなって伝熱特性が悪化することに対しては、第１チューブ２０のインナーフィンとするコルゲートフィン３５のフィンピッチを微細化することで、この伝熱特性の低下を補うようにしたものである。

また、コルゲートフィン３５にルーバもしくはオフセット加工を施している。これによれば、流速が低くなって伝熱特性が悪化することに対し、コルゲートフィン３５にルーバ、あるいはオフセット加工によるスリットを設けることによってコルゲートフィン３５の高性能化を図って補うようにしたものである。

また、上記に記載の熱交換器４０を用いて第１流体を水、第２流体を冷媒としている。これによれば、伝熱特性の悪化を招くことなく水−冷媒熱交換器４０内の圧力損失を低減することができることより、効率の良い給湯装置とすることができる。

（第２実施形態）
図８は本発明の第２実施形態に係わる水−冷媒熱交換器４０を示す正面図であり、図９は、図８の水−冷媒熱交換器４０の下面図である。上述した第１実施形態と異なる特徴部分を説明する。本実施形態では、絞り成形した二枚のプレート２１、２２の間に微細に波形成形したコルゲートフィン３５を挟み込み、プレート２１、２２の周縁を接合して薄型矩形の箱体２０を形成し、周縁に開口した入口２３から出口２４に至って第１流体が流通する第１チューブ２０と、第２流体が流通する第２チューブとして２経路に分岐した細管１２、１３を箱体２０の両平坦面にサーペンタイン形に蛇行させて接合して第１流体と第２流体との熱交換を行う熱交換器において、
第１チューブ２０を流通する第１流体の流れ方向と、第２チューブ１０を流通する第２流体の流れ方向とが略直角に交わるように配置している。このように冷媒チューブ１２、１３を配置した水−冷媒熱交換器４０においても、箱体２０の両平坦面に接合した第２チューブとして細管１２、１３を流れる第２流体としての冷媒が略左右方向の流れとすると、第１流体としての水の流れはこの流れに対して略直交する上下方向とし、従来のようなターンは無くして入口２３から出口２４に向かって並行して流れる流路としたものである。

これにより、第１実施形態と同様に、内部漏れによる性能低下の心配も無く、第１チューブ２０内での圧力損失を低減することができる。そして、第１流体の流速が低くなって伝熱特性が悪化することに対しては、第１チューブ２０のインナーフィンとするコルゲートフィン３５のフィンピッチを微細化することで、この伝熱特性の低下を補うようにしたものである。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、コルゲートフィン３５の突出部はルーバや平面部に対して平行に切り起こされたスリット（スリットフィン）に限定されるものでは無く、平面部に形成される波状部（ウエーブフィン）や打出し部などとしても良い。

本発明の実施形態に係わる給湯装置１００の外観斜視図である。 本発明の実施形態に係わる給湯装置１００の概略構成を説明する模式図である。 本発明の第１実施形態に係わる水−冷媒熱交換器４０を示す正面図である。 図３の水−冷媒熱交換器４０の下面図である。 図３の水−冷媒熱交換器４０における水の流れと冷媒の流れとを説明する模式図である。 第１チューブ２０の分解斜視図である。 （ａ）（ｂ）とも本発明の一実施形態におけるコルゲートフィン３５の拡大斜視図である。 本発明の第２実施形態に係わる水−冷媒熱交換器４０を示す正面図である。 図８の水−冷媒熱交換器４０の下面図である。 特許文献２の水−冷媒熱交換器４０における水の流れと冷媒の流れと課題とを説明する模式図である。

符号の説明

１０…冷媒チューブ（第２チューブ、細管）
１２…冷媒チューブ（第２チューブ、細管）
１３…冷媒チューブ（第２チューブ、細管）
２０…水チューブ（箱体、第１チューブ）
２１…上プレート（プレート）
２２…下プレート（プレート）
２３…給湯水流入口（入口）
２４…給湯水流出口（出口）
３５…コルゲートフィン

Claims (4)

1. 絞り成形した二枚のプレート（２１、２２）の間に微細に波形成形したコルゲートフィン（３５）を挟み込み、前記プレート（２１、２２）の周縁を接合して薄型矩形の箱体（２０）を形成し、周縁に開口した入口（２３）から出口（２４）に至って第１流体が流通する第１チューブ（２０）と、
   第２流体が流通する第２チューブとして細管（１０）を前記箱体（２０）に螺旋状に巻装し、前記箱体（２０）の両平坦面に接合して前記第１流体と前記第２流体との熱交換を行う熱交換器において、
   前記第１チューブ（２０）を流通する前記第１流体の流れ方向と、前記第２チューブ（１０）を流通する前記第２流体の流れ方向とが略直角に交わるように配置したことを特徴とする熱交換器。
2. 絞り成形した二枚のプレート（２１、２２）の間に微細に波形成形したコルゲートフィン（３５）を挟み込み、前記プレート（２１、２２）の周縁を接合して薄型矩形の箱体（２０）を形成し、周縁に開口した入口（２３）から出口（２４）に至って第１流体が流通する第１チューブ（２０）と、
   第２流体が流通する第２チューブとして２経路に分岐した細管（１２、１３）を前記箱体（２０）の両平坦面にサーペンタイン形に蛇行させて接合して前記第１流体と前記第２流体との熱交換を行う熱交換器において、
   前記第１チューブ（２０）を流通する前記第１流体の流れ方向と、前記第２チューブ（１０）を流通する前記第２流体の流れ方向とが略直角に交わるように配置したことを特徴とする熱交換器。
3. 前記コルゲートフィン（３５）にルーバもしくはオフセット加工を施したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器を用いて前記第１流体を水、前記第２流体を冷媒としたことを特徴とする給湯装置。

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