KR20110106933A - 물 열교환기 및 온수 열원 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 과제는 물과 냉매를 효율적으로 열교환시킬 수 있고, 또한 제조가 용이한 물 열교환기를 제공하는 데에 있다. 본 발명의 물 열교환기(22, 52)는 냉매와 물을 열교환시키는 물 열교환기(22, 52)이며, 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)과 수관(22b, 52b)을 구비한다. 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)은 냉매가 유통 가능한 복수의 냉매 유로 구멍(47)을 갖는 다구멍 편평관(41A, 41B, 71A, 71B)에 의해 구성된다. 수관(22b, 52b)은 소구멍 편평관(42, 82, 92)에 의해 구성된다. 소구멍 편평관(42, 82, 92)은 물이 유통 가능하며, 냉매관이 갖는 냉매 유로 구멍(47)의 개수보다도 적은 개수의 수류로 구멍(48)을 갖는다. 그리고, 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)과 수관(22b, 52b)은 단면의 긴 변측의 측면끼리 밀착되어 있다. 또한, 수관(22b, 52b)은 한 쌍의 냉매관(22a, 52a) 사이에 끼워져 있다.

Description

물 열교환기 및 온수 열원 장치 {WATER HEAT EXHANGER AND HOT-WATER HEAT SOURCE DEVICE}

본 발명은 냉매와 물을 열교환시키는 물 열교환기에 관한 것이다.

종래, 히트 펌프식 급탕 장치의 냉동 장치로서는 압축식 냉매 회로로 구성되는 것이 널리 이용되고 있다. 냉매 회로는, 예를 들어 CO₂를 냉매로 하여 물 열교환기를 구비하고 있다. 물 열교환기는 냉매가 유통하는 냉매관과 물이 유통하는 수관을 갖고 있고, 유체끼리를 대향시켜 흘려 양자간에서 열교환을 행한다. 구체적으로는 고온 고압의 냉매와 저온 저압의 물의 사이에서 열교환을 행함으로써 물을 가열한다. 이 결과, CO₂의 초임계 영역의 특성을 이용한 고온 출탕이 가능하게 된다.

물 열교환기의 종래 기술로서는 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2004-218946호 공보)과 같은 수관을 편평관으로 하고, 또한 그 복수의 냉매관을 밀착시킨 구조가 알려져 있다.

일본 특허 공개 제2004-218946호 공보

그러나, 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2004-218946호 공보)의 기술에서는 실시예 1에 있어서 수관이 냉매관과 접해 있는 부분 이외의 부분이 크기 때문에(적어도 수관 표면의 절반 이상임), 수관을 유통하는 물이 냉매로부터 얻은 열을 외부로 방출하게 될 우려가 있다. 또한, 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2004-218946호 공보)의 실시예 2에서는 수관의 단면 형상을 십자형으로 하고 그 둘레를 4개의 냉매관에 의해 밀착시키고 있으며, 수관이 냉매관과 접해 있는 부분 이외의 부분이 실시예 1보다도 작게 되어 있지만, 부품 개수가 실시예 1의 경우보다도 증가되어 있어 구조가 복잡하게 되어 있다. 이로 인해, 제조가 용이하지 않고, 실시예 2의 열교환기를 제조하는 데에 비용이 많이 들게 된다.

본 발명의 과제는 물과 냉매를 효율적으로 열교환시킬 수 있고, 또한 제조가 용이한 물 열교환기를 제공하는 데에 있다.

제1 발명에 관한 물 열교환기는 냉매와 물을 열교환시키는 물 열교환기이며, 한 쌍의 냉매관과 수관을 구비한다. 한 쌍의 냉매관은 냉매가 유통 가능한 복수의 냉매 유로 구멍을 갖는 다구멍 편평관에 의해 구성된다. 수관은 소구멍(少穴) 편평관에 의해 구성된다. 소구멍 편평관은 물이 유통 가능하며, 냉매관이 갖는 냉매 유로 구멍의 개수보다도 적은 개수의 수류로 구멍을 갖는다. 그리고, 한 쌍의 냉매관과 수관은 단면의 긴 변측의 측면끼리 밀착되어 있다. 또한, 수관은 한 쌍의 냉매관 사이에 끼워져 있다.

본 발명의 물 열교환기는 수관을 한 쌍의 냉매관에 의해 사이에 끼워 넣도록 구성되어 있다. 그리고, 한 쌍의 냉매관 사이에 끼워 넣어진 수관은 냉매관과 단면의 긴 변측의 측면끼리 밀착되어 있다.

이와 같이 물 열교환기를 구성함으로써, 수관의 주위의 대부분은 냉매관과 밀착되어 있게 되므로, 일단 냉매가 물에 전달한 열을 물 열교환기의 주위의 물질(예를 들어, 물 열교환기 주변의 공기)로 전달하는 것을 최대한 방지할 수 있다. 또한, 한 쌍의 냉매관과 수관은 단면의 긴 변측의 측면끼리를 밀착시키기 위하여, 평면인 측면끼리를 밀착시키게 되어 구성이 심플해지고 조립을 용이하게 할 수 있다.

또한, 본원의 물 열교환기에서는 냉매관이 복수의 냉매 유로 구멍을 갖는 다구멍 편평관에 의해 구성되어 있기 때문에, 관의 세경화에 의해 냉매측의 열전달률을 높일 수 있다.

제2 발명에 관한 물 열교환기는 제1 발명에 관한 물 열교환기이며, 소구멍 편평관의 수류로 구멍의 개수는 1 또는 2이다.

본 발명의 물 열교환기에서는 수관인 소구멍 편평관의 내부에 형성되는 수류로 구멍의 개수가 1 또는 2이다. 이와 같이 수류로 구멍의 개수를 1 또는 2로 적게 함으로써 소구멍 편평관의 성형을 용이하게 할 수 있고, 예를 들어 소구멍 편평관을 성형하는 데에 필요에 따라 다양한 방법을 채용할 수 있다.

제3 발명에 관한 물 열교환기는 제1 발명 또는 제2 발명에 관한 물 열교환기이며, 한 쌍의 냉매관과 수관은 경납땜 또는 접착제에 의해 접합된다.

본 발명의 물 열교환기에서는 한 쌍의 냉매관과 수관의 단면의 긴 변측의 측면끼리(즉, 평면끼리)를 경납땜 또는 접착제에 의해 접합하고 있다. 따라서, 한 쌍의 냉매관과 수관의 사이에 거의 접촉에 의한 열저항이 없는 상태로 할 수 있다. 이로 인해, 냉매와 물의 사이의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

제4 발명에 관한 물 열교환기는 제1 발명 내지 제3 발명 중 어느 하나에 관한 물 열교환기이며, 냉매관 및/또는 수관은 인발 가공 또는 압출 가공에 의해 성형된다.

따라서, 냉매관 및/또는 수관을 용이하게 성형할 수 있다.

제5 발명에 관한 물 열교환기는 제1 발명 내지 제4 발명 중 어느 하나에 관한 물 열교환기이며, 소구멍 편평관은 평판에 굽힘 가공을 실시함으로써 성형된다.

본 발명의 물 열교환기에서는 소구멍 편평관을 평판에 굽힘 가공을 실시함으로써 성형하고 있다. 예를 들어, 평판을 굽힘 가공에 의해 원관 형상으로 가공한 후에 편평 형상의 관을 성형하고 있다.

따라서, 평판에 어떠한 가공(구멍 뚫기 가공, 요철 가공, 평판을 재료가 다른 복수층 구조로 하는 가공 등)을 행한 후에 편평관을 성형할 수 있다. 즉, 소구멍 편평관에 대하여 용이하게 소정의 가공을 행할 수 있다.

제6 발명에 관한 물 열교환기는 제5 발명에 관한 물 열교환기이며, 소구멍 편평관은 평판의 2개의 변을 굽힘 가공에 의해 접촉시킨 후에 접합함으로써 성형되는 전봉관이다.

본 발명의 물 열교환기에서는 소구멍 편평관을 평판에 굽힘 가공을 실시함으로써, 평판의 양단부인 2개의 변을 맞대어 단면 형상이 C형인 부재를 성형한다. 그리고, 그 후에 맞댄 2개의 변에 대하여 접합 가공(예를 들어, 전기 저항 용접, 경납땜 등)을 행하여 관 형상의 부재를 성형한다.

따라서, 평판에 어떠한 가공(요철 가공, 구멍 뚫기 가공, 평판을 재료가 다른 복수층 구조로 하는 가공 등)을 행한 후에 편평관을 성형할 수 있다. 이에 의해, 예를 들어 소구멍 편평관의 축 단면의 형상(특히 소구멍 편평관의 내면측의 형상)을 물의 흐름 방향의 위치에 의해 다른 형상으로 할 수 있다. 이로 인해, 소구멍 편평관의 내부의 물의 흐름에 흐트러짐을 일으켜 열전달률을 향상시킬 수 있다. 또한, 예를 들어 소구멍 편평관의 내부에 용이하게 부식 방지 처리를 실시할 수 있다. 이로 인해, 물에 의해 소구멍 편평관이 부식하는 것을 방지할 수 있다.

제7 발명에 관한 물 열교환기는 제5 발명 또는 제6 발명에 관한 물 열교환기이며, 평판은 굽힘 가공이 실시되기 전에 요철 가공이 실시된다.

본 발명의 물 열교환기에서는 소구멍 편평관을 평판에 굽힘 가공을 실시함으로써 성형하고 있다. 그리고, 그 평판에 굽힘 가공을 실시하기 전에 요철 가공을 실시하고 있다.

따라서, 평판에 요철 가공을 행한 후에 편평관을 성형할 수 있다. 이에 의해, 예를 들어 소구멍 편평관의 축 단면의 형상(특히 소구멍 편평관의 내면측의 형상)을 물의 흐름 방향의 위치에 의해 다른 형상으로 할 수 있다. 이로 인해, 소구멍 편평관의 내부의 물의 흐름에 난류를 일으켜 물의 대류를 촉진시켜, 열교환 효율을 촉진시키는 형상으로 할 수 있다.

제8 발명에 관한 물 열교환기는 제1 발명 내지 제7 발명 중 어느 하나에 관한 물 열교환기이며, 냉매관 내부를 흐르는 냉매와 수관 내부를 흐르는 물은 서로 대향하는 방향으로 흐른다.

따라서, 냉매와 물의 온도차를 확보할 수 있다. 또한, 냉매와 물의 온도차를 물 열교환기 전체에 있어서 균일하게 근접시킬 수 있어, 특히 냉매가 초임계 냉매와 같이 열교환 전역에서 온도 변화가 있고, 열교환기의 시작과 끝에서 온도가 크게 다른 냉매인 경우에 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

제9 발명에 관한 물 열교환기는 제1 발명 내지 제8 발명 중 어느 하나에 관한 물 열교환기이며, 냉매는 CO₂이다.

본 발명에서는 냉매로서 CO₂ 냉매를 이용하고 있다. CO₂ 냉매는 냉동 사이클에서의 고압측이 초임계 영역으로 되는, 소위 초임계 냉매이다. 예를 들어, 본원의 물 열교환기를 히트 펌프식의 급탕기에 적용한 경우에, 물 열교환기는 방열기로서 기능하게 된다. 초임계 냉매는 프레온계의 냉매와는 달리 물 열교환기 내 전역에서 온도 변화가 있기 때문에, 예를 들어 수관의 출구 부근이 냉매관의 중앙부와 접촉하고 있던 경우, 그 부분의 냉매 온도가 물의 출구 부근 온도보다도 낮아질 가능성도 있어 열손실의 원인으로 된다.

본원의 물 열교환기에서는 1개의 소구멍 편평관을 2개의 다구멍 편평관 사이에 끼워 넣는 구조로 하고 있다. 이로 인해, 한쪽의 다구멍 편평관의 내부의 냉매의 온도와, 다른쪽의 다구멍 편평관의 내부의 냉매의 온도에 온도차가 그다지 생기지 않도록 할 수 있고, 냉매와 물의 열교환 효율을 거의 저하시키지 않고, 고온의 물을 생성할 수 있게 된다.

또한, CO₂ 냉매는 종래의 냉매, 예를 들어 플루오로카본 냉매 등과 비교하여 지구 온난화 계수가 1이며, 수백 내지 1만 정도의 플루오로카본 냉매보다도 훨씬 낮다.

이와 같이 환경 부하가 작은 CO₂ 냉매를 이용함으로써 지구 환경이 악화되는 것을 억제할 수 있다.

제10 발명에 관한 온수 열원 장치는 냉동 사이클에서의 고압측이 초임계 영역으로 되는 초임계 냉매를 이용하는 냉매 회로를 사용한 온수 열원 장치이며, 압축기와 물 열교환기와 팽창 기구와 증발기를 구비한다. 압축기는 초임계 냉매를 압축한다. 물 열교환기는 압축기에 의해 압축된 고온 고압의 초임계 냉매와 물을 열교환시켜 초임계 냉매를 냉각하고, 또한 물을 가열한다. 팽창 기구는 물 열교환기에 의해 냉각된 초임계 냉매를 감압한다. 증발기는 팽창 기구에 의해 감압된 냉매를 증발시킨다. 물 열교환기는 한 쌍의 냉매관과 수관과 냉매 입구 헤더와 냉매 출구 헤더를 포함한다. 한 쌍의 냉매관은 다구멍 편평관에 의해 구성된다. 다구멍 편평관은 냉매가 유통 가능한 복수의 냉매 유로 구멍을 갖는다. 수관은 소구멍 편평관에 의해 구성된다. 소구멍 편평관은 물이 유통 가능하며, 냉매관이 갖는 냉매 유로 구멍의 개수보다도 적은 개수의 수류로 구멍을 갖는다. 냉매 입구 헤더에는 한 쌍의 냉매관의 입구부가 접속된다. 냉매 출구 헤더에는 한 쌍의 냉매관의 출구부가 접속된다. 한 쌍의 냉매관과 수관은 단면의 긴 변측의 측면끼리 밀착되어 있다. 수관은 한 쌍의 냉매관 사이에 끼워져 있다. 냉매관 내부를 흐르는 냉매와 수관 내부를 흐르는 물은 서로 대향하는 방향으로 흐른다.

본 발명의 온수 열원 장치에서는 작동 냉매는 냉동 사이클에서의 고압측이 초임계 영역으로 되는, 소위 초임계 냉매이다. 예를 들어, 본원의 물 열교환기를 히트 펌프식의 급탕기에 적용한 경우에 물 열교환기는 방열기로서 기능하게 된다. 초임계 냉매는 프레온계의 냉매와는 달리 물 열교환기 전역에 있어서 온도 변화가 있다.

본 발명의 온수 열원 장치에서는 1개의 소구멍 편평관을 2개의 다구멍 편평관 사이에 끼워 넣는 구조로 하고 있다. 한 쌍의 냉매관에서는 냉매 입구 헤더로부터 한 쌍의 냉매관의 입구부로 냉매가 유입되고, 한 쌍의 냉매관의 출구부를 거쳐 냉매 출구 헤더로부터 냉매가 유출된다. 냉매관 내부를 흐르는 냉매와 수관 내부를 흐르는 물은 서로 대향하는 방향으로 흐른다. 한 쌍의 냉매관인 다구멍 편평관의 입구부는 어느 쪽도 냉매 입구 헤더와 접속되어 있다.

따라서, 냉매 입구 헤더로부터 한 쌍의 냉매관의 내부로 유입해 오는 고온의 냉매와, 수관의 내부의 물을 열교환시킬 수 있다. 이로 인해, 예를 들어 절곡 사행시킨 1개의 냉매관과 1개의 수관을 조합한 경우와는 달리 수관으로부터의 대기 방열이 작고, 수관의 양측의 냉매에 거의 온도차가 발생하지 않기 때문에 효율적으로 고온수를 얻을 수 있다.

제1 내지 제3 발명에 관한 물 열교환기에서는 냉매와 물의 사이의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

제4 발명에 관한 물 열교환기에서는 냉매관 및/또는 수관을 용이하게 성형할 수 있다.

제5 발명에 관한 물 열교환기에서는 소구멍 편평관에 대하여 용이하게 소정의 가공을 행할 수 있다.

제6 발명에 관한 물 열교환기에서는 평판에 어떠한 가공을 행한 후에 편평관을 성형할 수 있다.

제7 발명에 관한 물 열교환기에서는 소구멍 편평관의 내부의 물의 흐름에 난류를 일으켜 물의 대류를 촉진시켜, 열교환 효율을 촉진시키는 형상으로 할 수 있다.

제8 발명에 관한 물 열교환기에서는 냉매와 물의 온도차를 확보할 수 있다.

제9 발명에 관한 물 열교환기에서는 환경 부하가 작은 CO₂ 냉매를 이용함으로써 지구 환경이 악화되는 것을 억제할 수 있다.

제10 발명에 관한 온수 열원 장치에서는 효율적으로 고온수를 얻을 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 냉동 장치를 포함하는 히트 펌프식 급탕 장치의 시스템.
도 2는 냉동 장치의 내부 구조를 도시하는 단면도.
도 3은 냉동 장치의 제어 장치의 블록도.
도 4는 냉동 장치의 물 열교환기의 구성을 도시하는 사시도.
도 5의 (a)는 물 열교환기의 냉매 입구 헤더 및 물 출구 헤더의 부분을 도시하는 개략도이고, (b)는 물 열교환기의 냉매 출구 헤더 및 물 입구 헤더의 부분을 도시하는 개략도.
도 6은 물 열교환기의 단면도.
도 7은 물 열교환기의 접합 방법의 개략도.
도 8은 변형예 (1)에서의 물 열교환기의 내부 배관도.
도 9는 변형예 (4)에서의 물 열교환기의 접합 방법의 개략도.
도 10은 변형예 (7)에서의 물 열교환기의 단면도.
도 11은 변형예 (8)에서의 평판에 대하여 요철 가공을 실시하여 볼록부를 성형하는 공정을 도시하는 도면.
도 12는 변형예 (8)에서의 볼록부를 성형한 평판에 굽힘 가공을 행하여, 단구멍 편평관을 성형하는 공정을 도시하는 도면.
도 13은 변형예 (9)에서의 볼록부를 성형한 평판에 굽힘 가공을 행하여, 단구멍 편평관을 성형하는 공정을 도시하는 도면.
도 14는 변형예 (10)에서의 물 열교환기의 접합 방법의 개략도.
도 15는 제2 실시 형태에 관한 냉동 장치를 포함하는 온수 순환 시스템.

<1> 제1 실시 형태

<히트 펌프식 급탕 장치의 구성>

제1 실시 형태에 관한 냉동 장치를 포함하는 히트 펌프식 급탕 장치의 시스템을 도 1에 도시한다. 히트 펌프식 급탕 장치(1)는 온수 열원 장치인 냉동 장치(2)와 저탕 장치(3)에 의해 구성되어 있다. 냉동 장치(2)는 압축기(21), 물 열교환기(22) 내의 냉매관(22a), 감압 수단으로서의 팽창 밸브(23) 및 공기 열교환기(24)가 냉매 배관(25)에 의해 환상으로 접속되는 압축식의 냉매 회로(20)를 갖는다.

또한, 냉매 회로(20)에는 물 열교환기(22)로부터 나오는 고압 고온의 냉매와, 공기 열교환기(24)로부터 나오는 저온 저압의 냉매의 사이에서 열교환을 행하기 위하여 가스 열교환기(26)가 배치되어 있다. 구체적으로는 물 열교환기(22)와 팽창 밸브(23)를 연결하는 냉매 통로와, 공기 열교환기와 압축기(21)를 연결하는 냉매 통로의 사이에서 열교환이 행해진다.

저탕 장치(3)는 저탕 탱크(31), 물 열교환기(22) 내의 수관(22b) 및 물 순환 펌프(32)가 물 배관(35)에 의해 환상으로 접속된 물 순환 회로(30)를 갖는다.

냉동 장치(2)에는 설치 장소의 외기온을 검출하는 외기온 센서(8), 압축기(21)의 토출관 온도를 검출하는 토출관 온도 센서(9) 및 공기 열교환기(24)의 온도를 검출하는 온도 센서(10)가 설치되어 있고, 이들 센서의 검출 신호는 마이크로컴퓨터(6)에 입력된다.

물 열교환기(22)에서 가열된 물의 온도가 예를 들어 85℃가 되도록 물 순환 펌프(32)에 의해 물의 순환량이 제어된다. 마이크로컴퓨터(6)는 85℃의 물을 얻기 위하여 필요한 냉매 온도를 확보하기 위하여 팽창 밸브(23)의 개방도를 제어한다.

<냉동 장치의 구조>

도 2는 냉동 장치(2)의 내부 구조를 도시하는 단면도이다. 도 2에 있어서, 단열벽(2c)의 우측 구획이 기계실(2a)이며, 단열벽(2c)의 좌측 구획이 팬실(2b)이다. 기계실(2a)에는 압축기(21), 팽창 밸브(23)가 배치되어 있다.

팬실(2b)에는 도 2의 정면에서 보아 전방에 팬(27)이 배치되어 있다. 팬(27)의 후방에는 팬(27)을 구동하는 모터가 모터 지지대(28)에 고정된 상태로 배치되어 있다. 팬실(2b)의 하방에는 단열벽(2d)을 이격하여 물 열교환기(22)가 배치되어 있다. 물 열교환기(22) 내에서 냉매관(22a)(도 1 참조)을 흐르는 냉매와 수관(22b)(도 1 참조)을 흐르는 물의 사이에서 열교환이 행해진다.

또한, 도 2에 있어서, 공기 열교환기(24)는 팬실(2b)의 좌측벽과 배면벽을 따라 배치되어 있고, 공기 열교환기(24)의 우측 단부는 기계실(2a)의 중앙까지 연장되어 있다. 제어 박스(4)는 기계실(2a)의 상부와 팬실(2b)의 상부를 걸치도록 배치되어 있다. 제어 박스(4)에는 마이크로컴퓨터(6)(도 3 참조), 인버터(7)(도 3 참조)를 탑재한 제어 장치(5)가 내장되어 있다.

<냉동 장치의 운전 제어>

도 3은 냉동 장치(2)의 제어 블록도이다. 마이크로컴퓨터(6)는 외기온 센서(8), 공기 열교환기(24)의 온도 센서(10)로부터의 검출 신호에 기초하여 목표 토출관 온도 설정부(62)에서 목표 토출관 온도를 설정한다. 그리고, 마이크로컴퓨터(6)는 토출관 온도 센서(9)에서 검출되는 토출관 온도가 목표 토출관 온도에 근접하도록, 팽창 밸브 개방도 제어부(63)를 통하여 팽창 밸브(23)의 개방도를 제어한다. 또한, 목표 토출관 온도의 설정에 필요한 데이터는 목표 토출관 온도 설정부(62) 내에 미리 기억되어 있다.

또한, 마이크로컴퓨터(6)는 냉동 장치(2)의 취상(炊上) 능력에 미치는 외기온의 영향을 고려하여, 또한 급탕 부하가 하루의 시간대에 의해 변화하는 것을 고려하여, 인버터 제어부(64)를 통하여 압축기(21)의 운전 주파수를 제어하고 있다. 예를 들어, 외기온이 낮고, 급탕 부하가 큰 시간대에서는 탕 끊김을 방지하기 위하여 효율을 무시하고 압축기(21)의 운전 주파수를 높인다. 한편, 외기온이 높고, 급탕 부하가 작은 시간대에서는 압축기(21)의 운전 주파수를 고효율점으로 설정한다.

급탕 부하가 클 때, 마이크로컴퓨터(6)는 압축기(21)를 보호하는 목적에서, 토출관 온도가 120℃를 초과하지 않도록 압축기(21)의 운전 제어를 행한다. 실제로 토출관 온도가 120℃일 때 압축기(21)의 내부 온도는 140℃ 내지 145℃에 도달하고, 내부 온도가 더 상승하여 150℃를 초과하면 압축기(21) 내부의 마그네트의 자력이 저하하고, 오일의 열화가 발생하여 고장에 이른다. 따라서, 본 실시 형태에서는 토출관 온도의 상한을 120℃로 설정하고 있다.

단, 외기온 t1이 -20℃ 이하일 때에는 압축기(21)가 과부하로 되기 쉬우므로, 새로운 안전 조치로서 토출관 온도 센서(9)의 검출값의 보정량을 크게 취하고, 실제의 토출관 온도가 120℃에 도달하기 전에 토출관 온도 센서(9)의 검출값을 120℃로 할 필요가 있다. 따라서, 외기온 t1이 -20℃ 이하일 때의 보정량이 실험적으로 구해지고, 마이크로컴퓨터(6)의 온도 보정부(61)의 제2 보정 수단(61b)에 기억되어 있다.

또한, 외기온 t1>-20℃의 온도 범위에서는 제1 보정 수단(61a)에 의해 보정되어 있다.

<물 열교환기의 구조>

도 4는 물 열교환기(22)의 구성을 도시하는 사시도이다. 이 도면에서는 물 열교환기(22)를 모식적으로 표현하고 있다.

물 열교환기(22)는 냉매관(22a), 수관(22b), 냉매 입구 헤더(53), 냉매 출구 헤더(54), 물 입구 헤더(55) 및 물 출구 헤더(56)를 갖고 있다. 물 열교환기(22)는 냉매관(22a)과 수관(22b)의 양자 내를 흐르는 유체간에서 열교환을 행하는 것이다. 구체적인 구조로서는 물 열교환기(22)는 냉매관(22a)을 구성하는 한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B)과, 수관(22b)을 구성하는 소구멍 편평관으로서의 단구멍 편평관(42)과, 냉매 입구 헤더(53)와, 냉매 출구 헤더(54)와, 물 입구 헤더(55)와, 물 출구 헤더(56)로 주로 구성되어 있다.

도 5의 (a)는 물 열교환기(22)의 냉매 입구 헤더(53) 및 물 출구 헤더(56)의 부분을 도시하는 개략도이다. 도 5의 (b)는 물 열교환기(22)의 냉매 출구 헤더(54) 및 물 입구 헤더(55)의 부분을 도시하는 개략도이다. 물 열교환기(22)는, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 냉매관(22a)의 입구측에 냉매 입구 헤더(53)가 접속되어 있고, 냉매관(22a)의 출구측에 냉매 출구 헤더(54)가 접속되어 있다. 또한, 물 열교환기(22)는, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 수관(22b)의 입구측에 물 입구 헤더(55)가 접속되어 있고, 수관(22b)의 출구측에 물 출구 헤더(56)가 접속되어 있다. 본 실시 형태의 물 열교환기(22)는, 도 4에 도시하는 물 열교환기(22)가 3단 중첩되어 있고(도시하지 않음), 각 헤더(53 내지 56)는 그 축 방향을 향하여 연장되어 있다.

한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B)은, 도 6에 도시한 바와 같이 편평부 본체(46)를 갖고 있다. 편평부 본체(46)는, 도 4에 도시한 바와 같이 길게 연장되어 있다. 편평부 본체(46)는 서로 대향하는 대향면(46a)과 반대측의 반대측면(46b)을 갖고 있다. 편평부 본체(46) 내에는 냉매가 유통 가능한 복수의(이 실시예에서는 11개) 구멍인 냉매 유로 구멍(47)이 일렬로 형성되어 있다. 이렇게 편평관에 복수의 구멍을 형성하여 냉매관으로 함으로써 냉매측의 열전달률이 향상되어 있다.

다구멍 편평관(41A, 41B)은, 예를 들어 알루미늄 등으로 이루어진다. 또한, 다구멍 편평관(41A, 41B)은 인발 가공이나 압출 가공에 의해 제조되고 있다.

단구멍 편평관(42)은 한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B)을 따라 연장되는 부재이며, 도면으로부터 명백해진 바와 같이 대향하는 2개의 직선 부분(42a)과 그 2개의 직선 부분을 연결하는 2개의 곡선 부분(42b)으로 이루어지는 단면 형상이다. 그리고, 다구멍 편평관(41A, 41B)과는 달리 물이 유통 가능한 1개의 수류로 구멍(48)을 구성하고 있다. 직선 부분(42a)은 대향면(46a)과 동일한 길이이다.

단구멍 편평관(42)은 알루미늄 등으로 이루어진다.

다구멍 편평관(41A, 41B)과 단구멍 편평관(42)은, 도 7에 도시한 바와 같이 사이에 납땜재(49)를 끼워 넣은 후의 경납땜에 의해 서로 밀착되어 있다. 이에 의해, 단구멍 편평관(42)의 표면의 대부분(즉, 직선 부분(42a)의 부분)을 다구멍 편평관(41A, 41B)에 밀착시킬 수 있고, 단구멍 편평관(42)으로부터 주위의 공기에의 방열을 최대한 방지할 수 있다.

한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B)은, 도 4에 도시한 바와 같이 평행하게 절곡되어 사행 형상으로 되어 있다. 사행 형상이란, 예를 들어 도 4에 있어서는 직선 형상으로 연장되는 직선 부분과, 헤어핀 형상으로 굴곡된 굴곡 부분이 교대로 반복되고, 그 결과 복수의 직선 부분이 서로 근접한 상태로 배치되어 있는 형상을 말한다. 바꾸어 말하면, 복수의 직선 부분이 서로 겹쳐지도록 배치되어 있다. 이렇게 물 열교환기(22)의 전체 형상이 사행 형상으로 되어 있으므로 콤팩트한 구조를 실현하고 있다.

이 물 열교환기(22)에 있어서는 CO₂가 냉매관(22a) 내를 흘러 물이 CO₂와 대향하는 방향으로 수관(22b) 내를 흐른다(도 5의 실선 화살표 및 파선 화살표를 참조). 그 결과, 양자내를 흐르는 유체간에서 열교환이 행해지고 물이 가열된다. 여기에서는 편평관을 사용하여 전열 면적을 증대시키고 있으므로 열교환 성능이 높다.

또한, 다구멍 편평관(41A, 41B)은 자기의 직선 부분끼리 적층 방향에 있어서 근접해 있지만, 간극(43)을 사이에 확보하고 있다. 간극(43)의 크기는 인접하는 편평관의 각 부분끼리(온도가 다른 관끼리) 열전도에 의한 열교환을 행하지 않을 정도로 설정되어 있다. 이에 의해 물 열교환기(22)는 전체의 열교환 효율을 저하시키지 않으며, 그 결과 고온의 출탕이 가능하게 된다. 또한, 열변형의 영향을 작게 억제할 수 있어 신뢰성이 향상된다.

<특징>

(1)

본 실시 형태의 물 열교환기(22)는 단구멍 편평관(42)을 한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B)에 의해 사이에 끼워 넣도록 구성되어 있다. 그리고, 한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B) 사이에 끼워 넣어진 단구멍 편평관(42)은 다구멍 편평관(41A, 41B)과 단면의 긴 변측의 측면끼리 밀착되어 있다. 그리고, 다구멍 편평관(41A, 41B)과 단구멍 편평관(42)은 경납땜 또는 접착제에 의해 접합된다.

이와 같이 물 열교환기를 구성함으로써, 단구멍 편평관(42)의 주위의 대부분은 다구멍 편평관(41A, 41B)과 밀착되어 있게 되므로, 일단 냉매가 물에 전달한 열을 물 열교환기의 주위의 물질(예를 들어, 물 열교환기 주변의 공기)로 전달하는 것을 최대한 방지할 수 있다. 또한, 한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B)과 단구멍 편평관(42)은 단면의 긴 변측의 측면끼리를 밀착시키기 위하여, 평면인 측면끼리를 밀착시키게 되어 구성이 심플해지고 조립을 용이하게 할 수 있다. 또한, 다구멍 편평관(41A, 41B)과 단구멍 편평관(42)을 경납땜에 의해 접합하고 있기 때문에, 한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B)과 단구멍 편평관(42)의 사이에 거의 열저항이 없는 상태로 할 수 있다. 이로 인해, 냉매와 물의 사이의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

(2)

본 실시 형태의 물 열교환기(22)에서는 작동 냉매로서 초임계 냉매인 CO₂를 이용하고 있다. CO₂ 냉매와 같은 초임계 냉매를 히트 펌프식 급탕 장치(1)에 이용한 경우에, 물 열교환기(22)는 방열기로서 기능하게 된다. CO₂ 냉매는 프레온계의 냉매와는 달리 물 열교환기 전역에 있어서 온도 변화가 있다. 또한, 본 실시 형태의 물 열교환기(22)는 1개의 단구멍 편평관(42)을 2개의 다구멍 편평관(41A, 41B) 사이에 끼워 넣는 구조로 한 것을 각 헤더(53 내지 56)에 의해 병렬로 접속한 것이다.

따라서, 냉매 입구 헤더(53)로부터 한 쌍의 냉매관(22a)의 내부로 유입해 오는 고온의 냉매와, 수관(22b)의 내부의 물을 열교환시킬 수 있다. 이로 인해, 예를 들어 절곡 사행시킨 1개의 냉매관과 1개의 수관을 조합한 경우와는 달리 수관으로부터 대기 방열이 작고, 수관의 양측의 냉매에 거의 온도차가 발생하지 않기 때문에 고온수를 얻을 수 있다.

<변형예>

이상, 본 발명의 제1 실시 형태에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니며, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하다.

(1)

상기 실시 형태에서는 물 열교환기(22)는 도 4에 도시한 바와 같이 평행하게 절곡되어 사행 형상으로 되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 도 8에 도시한 바와 같이 소용돌이 형상이어도 상관없다. 소용돌이 형상이란, 예를 들어 도 8의 물 열교환기(52)에 있어서는 직선 형상으로 연장되는 직선 부분과, 직각으로 구부러진 직각 부분이 교대로 반복되어 직각 부분의 굽힘 방향은 모두 동일한 회전 방향이고, 직각 부분의 절곡 개소가 증가함에 따라서 직선 부분이 짧아져 가도록 구부러져 있는 형상을 말한다. 바꾸어 말하면, 소용돌이 형상이라도 사행 형상과 마찬가지로 복수의 직선 부분이 서로 겹쳐지도록 배치되게 되어 콤팩트한 구조를 실현할 수 있다. 또한, 물 열교환기(52)에 있어서도 상기 실시 형태의 물 열교환기(22)와 마찬가지이며, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이 냉매관(52a)의 입구측에 냉매 입구 헤더(53)가 접속되어 있고, 냉매관(52a)의 출구측에 냉매 출구 헤더(54)가 접속되어 있다. 또한, 물 열교환기(52)는, 도 5의 (b)에 도시한 바와 같이 수관(52b)의 입구측에 물 입구 헤더(55)가 접속되어 있고, 수관(52b)의 출구측에 물 출구 헤더(56)가 접속되어 있다.

또한, 소용돌이 형상의 물 열교환기(52)의 쪽이 사행 형상의 물 열교환기(22)보다도 절곡되어 있는 부분(굽힘부)의 각도가 크기 때문에, 굽힘부에 있어서 각 편평관(41, 42)의 두께 방향에 걸리는 변형을 최대한 발생시키지 않도록 할 수 있다. 이로 인해, 본 변형예 (1)의 물 열교환기(52)에서는 각 편평관(41, 42)(특히 단구멍 편평관(42))의 단면 형상의 변형량을 작게 할 수 있다. 또한, 도 8에 있어서, 물 열교환기(52)의 냉매관(52a)은 상기 실시 형태의 물 열교환기(22)의 냉매관(22a)과 대응하고 있고, 물 열교환기(52)의 수관(52b)은 상기 실시 형태의 물 열교환기(22)의 수관(22b)과 대응하고 있다.

(2)

상기 실시 형태에서는 단구멍 편평관(42)의 단면 형상은 2개의 직선 부분(42a)과 2개의 직선 부분(42a)을 연결하는 2개의 곡선 부분(42b)으로 구성되어 있지만, 이것에 한정되지 않고 2개의 직선 부분(42a)을 연결하는 2개소의 부분은 곡선이 아니어도 된다. 예를 들어, 2개의 직선 부분보다도 짧은 직선 부분이라도 상관없다.

(3)

상기 실시 형태에서는 다구멍 편평관(41A, 41B)의 편평부 본체(46) 내에는 11개의 냉매 유로 구멍(47)이 일렬로 배열되어 형성되어 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 구멍의 개수나 배치는 임의로 설정하여도 된다.

(4)

상기 실시 형태에서는 다구멍 편평관(41A, 41B)과 단구멍 편평관(42)은 경납땜에 의해 접합되어 있지만, 이것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 9와 같이 접착제(50)를 다구멍 편평관(41A, 41B)의 단구멍 편평관(42)측의 면에 도포하여 각 부재를 접합하여도 상관없고, 반대로 접착제를 단구멍 편평관(42)의 단면 형상의 직선 부분측의 면에 도포하여 각 부재를 접합하여도 상관없다.

(5)

상기 실시 형태에서는 도 4 등에 있어서 단구멍 편평관(42)의 2개의 직선 부분(42a)이 수평 방향으로 되도록 배치되어 있지만, 특히 그 방향을 한정하는 것이 아니다. 예를 들어, 2개의 직선 부분(42a)이 수직 방향으로 되도록 배치하여도 상관없다.

(6)

상기 실시 형태에서는 한 쌍의 다구멍 편평관(41A, 41B)은 일체 부재로 성형된 다구멍 구조이지만, 그 구조를 일체 부재에 한정하는 것이 아니다. 예를 들어 도 10에서는 단구멍 편평관(42)의 한쪽의 직선 부분측의 면에 배치되는 다구멍 편평관(71A)은 2개의 다구멍 편평관(71a, 71b)을 배열한 것이며, 단구멍 편평관(42)의 다른쪽의 직선 부분측의 면에 배치되는 다구멍 편평관(71B)은 2개의 다구멍 편평관(71c, 71d)을 배열한 것이다. 이와 같이 단구멍 편평관(42)의 편측의 다구멍 편평관이 복수개의 다구멍 편평관으로 구성되어도 상관없다. 또한, 복수의 세관을 접합하여 1개의 다구멍 편평관으로 하여도 상관없다. 단, 이와 같이 복수의 부재에 의해 다구멍 편평관을 구성하여도 다구멍 편평관을 단구멍 편평관의 2개의 직선 부분측의 면과 밀착시킴으로써 단구멍 편평관으로부터의 주위의 공기에의 방열을 방지하는 것이 가능하다.

(7)

상기 실시 형태에서는 단구멍 편평관(42)은 압출 가공 또는 인발 가공에 의해 성형되고 있지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어 도 11, 12와 같이 평판(80)에 대하여 볼록부(81)를 요철 가공(엠보스 가공)에 의해 성형한(도 11 참조) 후에 단면이 편평 형상인 단구멍 편평관(82)을 성형하여도 된다. 도 11은 평판(80)에 대하여 요철 가공을 실시하여 볼록부(81)를 성형하는 공정을 도시하는 도면이다. 이와 같이 하여 평판(80)에는 복수의 볼록부(81)가 일정 간격으로 점재한다. 본 변형예 (7)에서는 물의 흐름 방향을 따라 배열되는 6열의 복수의 볼록부(81a 내지 81f)(도 11의 파선으로 둘러싼 부분을 참조)가 성형된다. 그리고, 1열째의 볼록부(81a)부터 3열째의 볼록부(81c)가 단구멍 편평관(82)의 단면의 긴 변측의 측면의한쪽을 형성하는 제1 영역(A1)에 배치되고, 4열째의 볼록부(81d)부터 6열째의 볼록부(81f)가 단구멍 편평관(82)의 단면의 긴 변측의 측면의 다른쪽을 형성하는 제2 영역(A2)에 배치된다. 보다 구체적으로는, 평판(80)에 있어서 짧은 변 방향에서의 중심선(L1)(도 11의 일점쇄선을 참조)으로부터 후술하는 변(80a)측의 영역이 제1 영역(A1)이고, 평판(80)에 있어서 중심선(L1)으로부터 후술하는 변(80b)측의 영역이 제2 영역(A2)이다.

볼록부(81)가 성형된 평판(80)은 굽힘 가공이 실시되어 단면 형상이 C형인 부재(83)로 성형된다. 단면 형상이 C형인 부재(83)는 볼록부(81)가 성형된 평판(80)의 표면이 내측으로 되도록 성형된다(도 12 참조). 도 12는 볼록부(81)를 성형한 평판(80)에 굽힘 가공을 행하여 단구멍 편평관(82)을 성형하는 공정을 도시하는 도면이다. 또한, 도 12의 최상단의 도면은 도 11의 평판(80)에서의 XII-XII 단면이다. 도 12와 같이 평판(80)에 굽힘 가공을 행함으로써 평판(80)의 양단부의 변(80a, 80b)이 맞대어지게 된다. 맞대어진 평판의 양단부의 변(80a)과 변(80b)은 전기 저항 용접에 의해 접합된다. 전기 저항 용접에 의해 접합되어 생긴 전봉관(84)은, 전기 저항 용접을 실시한 부분을 사이에 끼워 넣도록 양측면으로부터 눌러 찌부러진다. 그리고, 평판(80)에서의 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)이 서로 대향하는 편평관에서의 단면의 긴 변측의 측면에 배치된 단구멍 편평관(82)이 성형된다.

단구멍 편평관(82)으로 성형된 복수열의 볼록부(81a 내지 81f)는 이하와 같이 배치된다. 제1 영역(A1)에 배치된 1열째의 볼록부(81a)의 선단과 제2 영역(A2)에 배치된 6열째의 볼록부(81f)의 선단이 대향한다. 제1 영역(A1)에 배치된 2열째의 볼록부(81b)의 선단과 제2 영역(A2)에 배치된 5열째의 볼록부(81e)의 선단이 대향한다. 제1 영역(A1)에 배치된 3열째의 볼록부(81c)의 선단과 제2 영역(A2)에 배치된 4열째의 볼록부(81d)의 선단이 대향한다. 즉, 제1 영역(A1)에 형성된 볼록부(81a 내지 81c)와 제2 영역(A2)에 형성된 볼록부(81d 내지 81f)는 서로 맞대어지는 위치에 배치되게 된다.

이에 의해 단구멍 편평관(82)을 굽힘으로써 단구멍 편평관(82)의 두께 방향으로 변형이 일어났다고 하여도 볼록부(81a 내지 81c)의 선단과 볼록부(81d 내지 81f)의 선단이 서로 맞대어지게 된다. 이로 인해, 단구멍 편평관(82)이 두께 방향으로 변형되어 찌부러지는 것을 최소한으로 할 수 있다. 또한, 단구멍 편평관(82)의 내부에 볼록부(81)를 설치함으로써 물의 흐름에 흐트러짐을 일으켜 열전달률을 향상시킬 수 있다.

(8)

변형예 (7)에서는 단구멍 편평관(82)은 평판(80)에 대하여 요철 가공을 실시함으로써 변형을 억제하는 구조로 되어 있지만, 다른 방법을 취하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 13과 같이 평판(90)에 대하여 굽힘 가공을 실시하여 단구멍 편평관(92)을 성형하여도 상관없다. 평판(90)을 그 짧은 변 방향에 대하여 구부려 평판(90)의 양단부의 변(90a, 90b)이 단구멍 편평관(92)의 내부를 향하도록 단면이 B형인 부재(93)(도 13의 중간단의 도면을 참조)를 성형한다. 이와 같이 하여 평판(90)에서의 양단부의 변(90a, 90b) 근방의 부분을 단구멍 편평관(92)의 물의 흐름 방향을 따라 연장되는 지지부(91)로 한다. 그리고, 단면이 B형인 부재(93)에 있어서 지지부(91)가 성형된 부분과 그 반대측의 측면을 사이에 끼워 단면이 B형인 부재(93)를 양측면으로부터 눌러 찌부러뜨려 단구멍 편평관(92)을 성형한다. 이상과 같이 가공함으로써 변형을 억제하기 위한 지지부(91)가 형성된 단구멍 편평관(92)을 성형하여도 된다. 또한, 이 경우에 2개의 지지부(91)가 서로 접촉하는 부분에는 상술한 변형예 (7)에서 기재한 전기 저항 용접 등의 접합 가공을 행하지 않아도 된다. 이 단구멍 편평관(92)에 있어서는 전기 저항 용접 등의 접합 가공을 행하지 않아도 다구멍 편평관(41A, 41B) 사이에 끼워 넣어져 경납땜됨으로써 수류로 구멍이 형성되기 때문이다.

이와 같이 단구멍 편평관(92)에 지지부(91)를 설치함으로써, 단구멍 편평관(92)의 두께 방향에 대하여, 단구멍 편평관(92)을 굽히는 것에 의한 변형이 일어났다고 하여도 지지부(91)가 그 변형을 최소한으로 할 수 있다. 또한, 변형예 (8)에서는 단구멍 편평관(92)을 수류로 구멍이 1개인 것으로 하고 있지만, 지지부(91)에 의해 수류로 구멍이 2개로 분할된 형상이어도 상관없다. 이와 같이 지지부(91)가 수류로 구멍을 2개로 분할하고 있는 경우에, 수관(22b)은 2구멍 편평관(92)으로 된다.

(9)

변형예 (7) 및 (8)에서는 평판(80, 90)에서 그 재료가 단층인지 복층인지에 대하여 특별히 언급하고 있지 않지만, 예를 들어 도 14와 같이 이 경우의 평판(80, 90)의 편면 혹은 양면에 미리 평판(80, 90)의 모재(85a, 95a)보다도 저융점의 합금인 납땜재(85b, 95b)를 클래드한 재료(클래드재)를 이용하여 적어도 외면측에 납땜재(85b, 95b)가 클래드된 상태의 단구멍 편평관(82, 92)을 성형하도록 하여도 상관없다. 또한, 도 14의 다구멍 편평관(41A, 41B)은 상기 실시 형태와 마찬가지이므로 부호를 동일한 번호로 한다.

이에 의해, 단구멍 편평관(82, 92)의 외면측의 재료가 납땜재(85b, 95b)로 되므로, 상기 실시 형태와 같이 별도로 납땜재(49)를 다구멍 편평관(41A, 41B)과 단구멍 편평관(42)의 사이에 끼워 넣지 않아도 경납땜을 행할 수 있다. 또한, 도시하지 않았지만, 단구멍 편평관(82, 92)의 내면측에 물에 대한 부식 방지 작용이 있는 재료를 채용한 3층 구조의 재료를 채용하거나, 부식 방지용 코팅제를 도포하거나 함으로써 단구멍 편평관(82, 92)의 구조를 물에 의한 단구멍 편평관(82, 92) 내부의 부식을 방지하는 구조로 하는 것도 가능하다. 또한, 도 14에서는 설명의 편의상 볼록부(81)나 지지부(91)에 대해서는 생략하고 있다.

(10)

상기 실시 형태에서는 다구멍 편평관(41A, 41B)과 단구멍 편평관(42)은 사이에 납땜재(49)를 끼워 넣은 후에, 경납땜(노 내 경납땜)을 행하는 납땜에 의해 서로 밀착되어 있지만, 경납땜의 방법은 이것에 한정되지 않고, 납땜재로서 예를 들어 땜납을 이용하는 연납땜이어도 되고, 경납땜이어도 되고, 유도 가열 경납땜, 저항 경납땜, 분위기 경납땜, 진공 경납땜이나 적외선 경납땜, 예치 경납땜, 고주파 가열 장치를 사용한 알루미늄 경납땜(초음파 납땜) 등이어도 된다.

<2> 제2 실시 형태

<온수 순환 시스템의 구성>

도 15는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 온수 순환 시스템(101)의 개략 구성도이다.

온수 순환 시스템(101)은 히트 펌프 회로(110), 온수 순환 회로(160), 급탕 회로(190), 중간압 물 열교환기(140) 및 고압 물 열교환기(150)를 구비하고 있다. 온수 순환 시스템(101)은 히트 펌프 회로(110)에 의해 얻어지는 열을 온수 순환 회로(160)를 통하여 난방용의 열로서 이용할 뿐만 아니라, 급탕 회로(190)를 통하여 급탕용의 열로서 이용하는 시스템이다. 또한, 히트 펌프 회로(110)는 온수 열원 장치인 히트 펌프 장치(102)에 구비된다.

(물 열교환기)

중간압 물 열교환기(140) 및 고압 물 열교환기(150)에서는 히트 펌프 회로(110)를 순환하는 1차 냉매로서의 CO₂ 냉매와, 온수 순환 회로(160)를 순환하는 2차 냉매로서의 물과의 사이에서 열교환을 행하게 한다. 또한, 중간압 물 열교환기(140) 및 고압 물 열교환기(150)로서는, 제1 실시 형태에서의 물 열교환기(22)나 변형예 (1)에서의 물 열교환기(52)와 마찬가지의 구성의 것이 적용된다.

(히트 펌프 회로)

히트 펌프 회로(110)는 1차 냉매로서의 자연 냉매인 CO₂ 냉매를 사용한 회로이다. 히트 펌프 회로(110)는 저단측 압축기(121), 고단측 압축기(125), 이코노마이저 열교환기(107), 인젝션로(170), 1차 냉매간 열교환기(108), 1차 바이패스(180), 팽창 밸브(105a), 증발기(104), 팬(104f) 및 제어부(111)를 구비하고 있다. 증발기(104)는, 예를 들어 옥외에 설치되어 있다.

중간압 물 열교환기(140)는 저단측 압축기(121)의 토출측 및 고단측 압축기(125)의 흡입측에 접속된다. 또한, 중간압 물 열교환기(140)의 하류측 단부와 고단측 압축기(125)의 흡입측의 사이의 냉매 배관에는, 후술하는 인젝션로(170)로부터의 냉매 배관이 합류되어 있다.

고압 물 열교환기(150)는 고단측 압축기(125)의 토출측과, 1차 냉매간 열교환기(108)를 통하여 팽창 밸브(105a)측을 향하는 1차 냉매의 흐름 방향에서의 상류측 단부에 접속된다. 이코노마이저 열교환기(107)는 팽창 밸브(105a)측을 향하는 1차 냉매의 흐름 방향에서의 하류측 단부가, 팽창 밸브(105a)를 향하는 1차 냉매의 흐름 방향에서의 1차 냉매간 열교환기(108)의 상류측 단부에 접속된다.

1차 냉매간 열교환기(108)는 이코노마이저 열교환기(107)를 나와 팽창 밸브(105a)를 향하는 1차 냉매와, 증발기(104)에 의해 증발된 후의 냉매를 열교환시킨다. 또한, 1차 냉매간 열교환기(108)에 있어서, 전자의 냉매가 흐르는 유로를 1차 열교환 고압측 유로(108a)로 하고, 후자의 냉매가 흐르는 유로를 1차 열교환 저압측 유로(108b)로 한다. 1차 냉매간 열교환기(108)는 1차 열교환 고압측 유로(108a)의 하류측 단부가 팽창 밸브(105a)와 접속된다. 1차 냉매간 열교환기(108)는 또한 1차 열교환 저압측 유로(108b)의 상류측 단부가 증발기(104)의 하류측 단부와 접속되고, 1차 열교환 저압측 유로(108b)의 하류측 단부가 저단측 압축기(121)의 흡입측에 접속된다.

팽창 밸브(105a)는 증발기(104)의 상류측 단부와 접속된다.

증발기(104)는 그 하류측 단부가 1차 냉매간 열교환기(108)의 1차 열교환 저압측 유로(108b)를 통하여 저단측 압축기(121)의 흡입측에 접속된다.

인젝션로(170)는 고압 물 열교환기(150)의 냉매 배관 하류측 단부와 이코노마이저 열교환기(107)의 사이의 냉매 배관으로부터 분기되는 냉매 배관이다. 인젝션로(170)는 인젝션 팽창 밸브(173)를 갖고 있다. 이코노마이저 열교환기(107)에서는 인젝션로(170)를 흘러 인젝션 팽창 밸브(173)에 의해 감압된 냉매와, 고압 물 열교환기(150)에 의해 방열된 냉매의 열교환이 행해진다. 즉, 인젝션로(170)를 흐르는 냉매는 인젝션 팽창 밸브(173)에 의해 감압된 후에, 이코노마이저 열교환기(107)에 의해 고압측의 냉매와 열교환을 행하여 고단측 압축기(125)의 흡입측과 합류하게 된다.

이와 같이 히트 펌프 회로(110)에서는 인젝션로(170)가 채용되고 있기 때문에, 히트 펌프 회로(110)의 성적 계수를 향상시키는 것이 가능하다. 그리고, 예를 들어 난방 부하가 작은 경우 등, 히트 펌프 회로(110)의 효율 향상을 위한 중간압 물 열교환기(140)에서의 1차 냉매의 냉각 효과를 충분히 얻지 못하는 경우라도, 이 인젝션로(170)를 통과하는 인젝션량을 증대시킴으로써 운전 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 히트 펌프 회로(110)에서는 인젝션로(170)는 중간압 물 열교환기(140)와 고단측 압축기(125)의 사이에서 합류하고 있기 때문에, 저단측 압축기(121)로부터 토출된 고온의 1차 냉매는, 중간압 물 열교환기(140)에 도달하기 전에 냉각되는 일이 없고, 고온 상태를 유지한 채로 중간압 물 열교환기(140)에 공급할 수 있다. 이로 인해, 중간압 물 열교환기(140)를 통과하는 난방용의 물을 충분히 고온으로 할 수 있다.

1차 바이패스(180)는 이코노마이저 열교환기(107)의 하류측 단부와 1차 냉매간 열교환기(108)의 1차 열교환 고압측 유로(108a)의 상류측 단부와의 사이의 냉매 배관과, 팽창 밸브(105a)와 증발기(104)의 상류측 단부와의 사이의 냉매 배관을 바이패스하고 있다. 1차 바이패스(180)에는 1차 바이패스 팽창 밸브(105b)가 설치된다.

이와 같이 1차 바이패스(180)에 1차 바이패스 팽창 밸브(105b)가 설치되어 있기 때문에, 제어부(111)는 1차 냉매간 열교환기(108)측을 통과하는 1차 냉매의 양을 조절할 수 있다. 이로 인해, 저단측 압축기(121)가 흡입하는 1차 냉매가 적당한 과열도를 갖도록 조절하는 것이 가능하게 되어 있다. 구체적으로는, 제어부(111)는 1차 바이패스 팽창 밸브(105b)의 밸브 개방도를 낮춘 경우에는, 1차 냉매간 열교환기(108)를 통과하는 1차 냉매의 유량이 증대하여, 저단측 압축기(121)가 흡입하는 1차 냉매의 과열도를 높일 수 있고, 이에 의해 저단측 압축기(121)의 토출 냉매 온도가 목표 온도로 되기 위하여 필요하게 되는 압축비를 작게 억제할 수 있다. 또한, 제어부(111)는 1차 바이패스 팽창 밸브(105b)의 밸브 개방도를 높인 경우에는, 1차 냉매간 열교환기(108)를 통과하는 1차 냉매의 유량이 감소하고, 저단측 압축기(121)가 흡입하는 1차 냉매의 과열도를 낮출 수 있어, 이에 의해 저단측 압축기(121)의 흡입 냉매 밀도가 현저하게 감소하여 순환량을 확보할 수 없게 되는 사태를 피할 수 있다.

제어부(111)는 각종 센서(도시하지 않음) 등이 검지하는 값에 기초하여, 저단측 압축기(121), 고단측 압축기(125), 인젝션 팽창 밸브(173), 팽창 밸브(105a), 1차 바이패스 팽창 밸브(105b), 팬(104f) 등을 제어한다.

(온수 순환 회로)

온수 순환 회로(160)는 2차 냉매로서의 물이 순환하고 있다. 온수 순환 회로(160)는 라디에이터(161), 온수 펌프(163), 온수 혼합 밸브(164), 온수 진행관(165), 온수 복귀관(166), 중간압측 분기로(167), 고압측 분기로(168), 저탕 탱크(191), 온수 분기 밸브(192) 및 급탕측 분기로(195)를 갖고 있다.

라디에이터(161) 및 저탕 탱크(191)에는 온수 분기 밸브(192)가 중간압 물 열교환기(140) 또는 고압 물 열교환기(150)에 의해 가열된 온수를 각각의 열부하에 따라 분류하고 있다.

라디에이터(161)는 난방을 행하는 대상으로 되는 공간에 설치되어 있고, 내부를 2차 냉매로서의 따뜻한 물이 흐름으로써, 대상 공간의 공기를 따뜻하게 하여 난방을 행한다. 라디에이터(161)는 도시하지 않았지만, 온수 펌프(163)로부터 보내져 오는 따뜻한 물을 받아들이기 위한 진행구와, 라디에이터(161)에 있어서 방열한 후의 물을 중간압 물 열교환기(140) 및 고압 물 열교환기(150)에 송출하기 위한 복귀구를 갖고 있다. 온수 복귀관(166)은 라디에이터(161)의 복귀구와 접속되어 있다.

급탕측 분기로(195)에 있어서 분기된 물은 저탕 탱크(191) 내부의 급탕용 열교환부(191a)에 있어서 저탕 탱크(191) 내부에 모여진 급탕용의 물과 열교환을 행하여 급탕용의 물을 가열함으로써 방열한다. 온수 복귀관(166)은 저탕 탱크(191)의 순환 복귀구에 접속되어 있고, 급탕용 열교환부(191a)에 있어서 방열한 물은 온수 복귀관(166)에 합류한다. 여기서, 저탕 탱크(191)에는 도시하지 않았지만, 순환 진행구 및 순환 복귀구가 설치되어 있다.

온수 복귀관(166)에서는 라디에이터(161) 또는 저탕 탱크(191)에서의 방열을 종료한 물을, 중간압 물 열교환기(140)측에 보내는 중간압측 분기로(167)와, 고압 물 열교환기(150)측에 보내는 고압측 분기로(168)로 분류시킨다.

저탕 탱크(191)에서는 도시하지 않은 외부의 수도를 통과한 후, 급수관(194)을 통하여 상온의 물이 저탕 탱크(191)의 하단부 근방으로부터 저탕 탱크(191) 내로 공급된다.

급탕관(198)은 저탕 탱크(191)의 상단부 근방으로부터 저탕 탱크(191) 내에 저류되어 있는 끓인물을 도시하지 않은 이용되는 장소까지 유도한다. 급탕관(198)은 저탕 탱크(191)로부터 이용되는 장소를 향하는 흐름에 합류시킨다. 급수관(194)은 저탕 탱크(191)측을 향하는 흐름으로부터 급탕 바이패스관(199)에 의해 분기되어 있다. 급탕 바이패스관(199)은 급탕관(198)에 설치된 급탕 혼합 밸브(193)에 접속되어 있다. 급탕 혼합 밸브(193)는 급탕관(198)을 통하여 저탕 탱크(191)로부터 보내져 오는 끓인물과, 급탕 바이패스관(199)을 통하여 수도로부터 공급되는 상온의 물의 혼합 비율을 조절할 수 있다. 이 급탕 혼합 밸브(193)에서의 혼합 비율이 조절됨으로써 이용되는 장소에 보내지는 물의 온도가 조절된다.

중간압측 분기로(167)에 있어서 분기된 물은 중간압 물 열교환기(140)에 있어서 1차 냉매인 CO₂ 냉매와 열교환을 행하여 가열되고, 온수 혼합 밸브(164)에 의해 온수 진행관(165)에 합류된다. 여기서, 중간압 물 열교환기(140)에서는 1차 냉매로서의 CO₂ 냉매와, 난방/급탕용 2차 냉매로서의 물은 서로 대향하는 방향으로 흐른다.

고압측 분기로(168)에 있어서 분기된 물은 고압 물 열교환기(150)에 있어서 1차 냉매인 CO₂ 냉매와 열교환을 행하여 가열되고, 온수 혼합 밸브(164)에 의해 온수 진행관(165)에 합류된다. 여기서, 고압 물 열교환기(150)에서는 1차 냉매로서의 CO₂ 냉매와, 난방/급탕용 2차 냉매로서의 물은 서로 대향하는 방향으로 흐른다.

또한, 제어부(111)는 각종 센서 등이 검지하는 온도 등에 기초하여, 라디에이터(161)에 있어서 요구되는 온도의 2차 냉매를 공급할 수 있도록, 온수 혼합 밸브(164)에서의 분류 비율 및 온수 펌프(163)의 유량을 제어하거나, 온수 분기 밸브(192)에서의 분류 비율을 제어하거나 한다.

<특징>

제2 실시 형태에 관한 중간압 물 열교환기(140) 및 고압 물 열교환기(150)는 제1 실시 형태와는 달리 물이 2차 냉매로서 순환하는 폐회로에 있어서 이용되고 있다. 이로 인해, 2차 냉매로서 순환하는 물에 방부제를 혼입함으로써, 특히 수관(22b, 52b)의 내면에 부식 방지 처리를 실시하지 않아도 물 열교환기(22, 52)(특에 수관(22b, 52b))의 부식을 방지할 수 있다.

<산업상 이용가능성>

본 발명에 관한 물 열교환기는 열교환 효율의 저하를 방지하고, 또한 그 구성을 단순히 할 수 있어 냉매와 물을 열교환시키는 물 열교환기 등으로서 유용하다.

2: 냉동 장치
20: 냉매 회로
21: 압축기
22, 52: 물 열교환기
22a, 52a: 냉매관
22b, 52b: 수관
23: 팽창 밸브(팽창 기구)
24: 공기 열교환기(증발기)
41A, 41B, 71A, 71B: 다구멍 편평관
42, 82, 92: 단구멍 편평관(소구멍 편평관)
47: 냉매 유로 구멍
48: 수류로 구멍
49: 납땜재
50: 접착제
53: 냉매 입구 헤더
54: 냉매 출구 헤더
55: 물 입구 헤더
56: 물 출구 헤더
80, 90: 평판
80a, 80b: 양단부의 변(2개의 변)
102: 히트 펌프 장치
104: 증발기
105a: 팽창 밸브(팽창 기구)
105b: 1차 바이패스 팽창 밸브(팽창 기구)
110: 히트 펌프 회로(냉매 회로)
121: 저단측 압축기(압축기)
125: 고단측 압축기(압축기)
140: 중간압 물 열교환기(물 열교환기)
150: 고압 물 열교환기(물 열교환기)

Claims (10)

1. 냉매와 물을 열교환시키는 물 열교환기(22, 52)이며,
   상기 냉매가 유통 가능한 복수의 냉매 유로 구멍(47)을 갖는 다구멍 편평관(41A, 41B, 71A, 71B)에 의해 구성되는 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)과,
   상기 물이 유통 가능하며, 상기 냉매관이 갖는 상기 냉매 유로 구멍의 개수보다도 적은 개수의 수류로 구멍(48)을 갖는 소구멍(少穴) 편평관(42, 82, 92)에 의해 구성되는 수관(22b, 52b)을 구비하고,
   상기 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)과 상기 수관(22b, 52b)은 단면의 긴 변측의 측면끼리 밀착되어 있고,
   상기 수관(22b, 52b)은 상기 한 쌍의 냉매관(22a, 52a) 사이에 끼워져 있는, 물 열교환기(22, 52).
2. 제1항에 있어서, 상기 소구멍 편평관(42, 82, 92)의 상기 수류로 구멍(48)의 개수는 1 또는 2인, 물 열교환기(22, 52).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 한 쌍의 냉매관(22a)과 상기 수관(22b)은 납땜재(49)에 의한 경납땜 또는 접착제(50)에 의해 접합되는, 물 열교환기(22, 52).
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다구멍 편평관(41A, 41B, 71A, 71B) 및/또는 상기 소구멍 편평관(42)은 인발 가공 또는 압출 가공에 의해 성형되는, 물 열교환기(22, 52).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소구멍 편평관(82, 92)은 평판(80, 90)에 굽힘 가공을 실시함으로써 성형되는, 물 열교환기.
6. 제5항에 있어서, 상기 소구멍 편평관(82)은 상기 평판(80)의 2개의 변(80a, 80b)을 상기 굽힘 가공에 의해 접촉시킨 후에 접합함으로써 성형되는 전봉관(84)인, 물 열교환기.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 평판(80)은 상기 굽힘 가공이 실시되기 전에 요철 가공이 실시되는, 물 열교환기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매관(22a, 52a) 내부를 흐르는 상기 냉매와, 상기 수관(22b, 52b) 내부를 흐르는 상기 물은 서로 대향하는 방향으로 흐르는, 물 열교환기(22, 52).
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매는 CO₂인, 물 열교환기(22, 52).
10. 냉동 사이클에서의 고압측이 초임계 영역으로 되는 초임계 냉매를 이용하는 냉매 회로(20, 110)를 사용한 온수 열원 장치(2, 102)이며,
    초임계 냉매를 압축하는 압축기(21, 121, 125)와,
    상기 압축기(21, 121, 125)에 의해 압축된 고온 고압의 초임계 냉매와 물을 열교환시켜 초임계 냉매를 냉각하고, 또한 물을 가열하는 물 열교환기(22, 52, 140, 150)와,
    상기 물 열교환기(22, 52, 140, 150)에 의해 냉각된 초임계 냉매를 감압하는 팽창 기구(23, 105a, 105b)와,
    상기 팽창 기구(23, 105a, 105b)에 의해 감압된 냉매를 증발시키는 증발기(24, 104)를 구비하고,
    상기 물 열교환기(22, 52, 140, 150)는,
    냉매가 유통 가능한 복수의 냉매 유로 구멍(47)을 갖는 다구멍 편평관(41A, 41B, 71A, 71B)에 의해 구성되는 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)과,
    물이 유통 가능하며, 상기 냉매관이 갖는 상기 냉매 유로 구멍의 개수보다도 적은 개수의 수류로 구멍(48)을 갖는 소구멍(少穴) 편평관(42)에 의해 구성되는 수관(22b, 52b)과,
    상기 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)의 입구부가 접속되는 냉매 입구 헤더(53)와,
    상기 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)의 출구부가 접속되는 냉매 출구 헤더(54)를 포함하고,
    상기 한 쌍의 냉매관(22a, 52a)과 상기 수관(22b, 52b)은 단면의 긴 변측의 측면끼리 밀착되어 있고,
    상기 수관(22b, 52b)은 상기 한 쌍의 냉매관(22a, 52a) 사이에 끼워져 있고,
    상기 냉매관(22a, 52a) 내부를 흐르는 상기 냉매와, 상기 수관(22b, 52b) 내부를 흐르는 상기 물은 서로 대향하는 방향으로 흐르는, 온수 열원 장치(2, 102).
    
    

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