JP4075732B2 - Heat exchanger for heat pump water heater - Google Patents
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Description
本発明は、本発明は、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などにおいて、水と冷媒とを熱交換させるための熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger for exchanging heat between water and a refrigerant in a heat pump type hot water heater, an air conditioner for home use, and for business use.
たとえば、ヒートポンプ式給湯機用の水と冷媒とを熱交換させるための熱交換器などは、給湯器本体のコンパクト化、低価格化に対する市場要望に対応するため、熱交換器本体のコンパクト・高性能化や、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が一層求められている。
以下、図面を参照しながら、従来から知られているヒートポンプ式給湯機用の水熱交換器を説明する。
For example, heat exchangers for heat exchange between water and refrigerant for heat pump water heaters are designed to meet the market demand for compact water heaters and low prices. There is a further demand for performance, weight reduction, and reduction of peripheral members such as heat insulating materials.
Hereinafter, a conventionally known water heat exchanger for a heat pump type water heater will be described with reference to the drawings.
図14において、100は水熱交換器本体であり、芯管101の周りに冷媒管102を螺旋状に巻きつけており、芯管101と冷媒管102はロウ付けで接合されている。又、他の例として、冷媒管102が図15で示すように、複数本の分岐冷媒管(102a,102b,102c)を1つの分流器103に接続して芯管101に巻きつけられている。
In FIG. 14, reference numeral 100 denotes a water heat exchanger main body, in which a
芯管101及び冷媒管102の材料は、銅又は鉄、SUS、真ちゅう又はアルミニウム等が使用されている。
As the material of the
以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。 The operation of the heat exchanger configured as described above will be described below.
まず、温熱(以下、単に「熱」という)を伝達される水が流通する芯管101の外周に熱を伝達する冷媒が流通する冷媒管102を螺旋状に巻き付け、ロウ付けで伝熱的に接合するだけの簡易な構成にすることによって、水・冷媒両流体間で伝熱を行わせようとするものである。
First, a
従って、芯管101が必ずしも直管でなくてもよく、さらに、芯管101の長さも比較的自由に設計できるから、熱交換性能の向上、製造の容易性、運搬の容易性、コスト低減等の面で効果がある(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、前記のような従来の水熱交換器のような構成では、熱を伝達する冷媒が流通する冷媒管102を芯管101の外側に螺旋状に巻き付けているため、冷媒管102の芯管101との接合部104(図示せず)で部分的に熱を芯管101に伝達しており、非接合部から外側に熱を放出している。従って、水熱交換器100の熱交換性能の向上させるためには、外側を断熱材等の熱伝達を抑制する部材で覆う必要がある。そのため、水熱交換器単独では、簡単な構造で熱交換性能の向上ができ、製造の容易性、運搬の容易性、コスト低減等が図れても、断熱材などの周辺部材が必要不可欠となり給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が図れないという欠点があった。
However, in the configuration such as the conventional water heat exchanger as described above, the
本発明は、上記課題を解決するもので、熱交換器単独としても、簡単な構造で熱交換性能の向上ができ、かつ断熱材などの周辺部材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が図れる熱交換器を提供するものである。 The present invention solves the above-mentioned problems, and as a heat exchanger alone, heat exchange performance can be improved with a simple structure, and peripheral members such as a heat insulating material can be simplified and incorporated in a product such as a water heater. In particular, the present invention provides a heat exchanger that can be made sufficiently compact, lightweight, and reduce peripheral members such as heat insulating materials.
上記課題を解決するため、本発明の熱交換器は、水が流通する管1と、前記管1の内部に冷媒が流通する管2を螺旋状に形成して内包されるとともに、管2内を流通する冷媒を二酸化炭素とし、冷媒が流通し、螺旋状に巻かれた管2の本数をNとし、管2の内径をd3とした場合に、管2の本数Nと、管2の内径d3の間に(数1)の関係があることを特徴としたヒートポンプ式給湯機用のものであり、冷媒からの熱を管2全体から管1の内部を流れる水に伝熱することができ、水熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。また、冷媒が流通し螺旋状に巻かれた管2の本数をNとし、管2の内径をd3とした場合に、管2の本数Nと、管2の内径d3の間に(数1)の関係があることにより、管内2の熱伝達率と圧力損失のバランスを最適化し、水熱交換器を小型軽量化するという作用を有する。また、ヒートポンプ給湯機用の水・冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得るという作用を有する。
また、水が流通する管1の内部に分流器から複数本に分岐された分岐管を螺旋状に巻いて管を内包したものであり、冷媒管を分流することにより、冷媒管を螺旋状に巻くことによる冷媒管内の冷媒の圧力損失の増加を抑えることができ、水との伝熱をより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長をより短くでき、よりコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。
Further, the
本発明の熱交換器によれば、水が流通する管1と、前記管1の内部に冷媒が流通する管2が螺旋状に形成され内包されるとともに、管2内を流通する冷媒を二酸化炭素とし、冷媒が流通し、螺旋状に巻かれた管2の本数をNとし、管2の内径をd3とした場合に、管2の本数Nと、管2の内径d3の間に(数1)の関係があることを特徴とされたヒートポンプ式給湯機用のものであり、冷媒からの熱を管2全体から管1の内部を流れる水に伝熱することができ、水熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れることができる。また、冷媒が流通し螺旋状に巻かれた管2の本数をNとし、管2の内径をd3とした場合に、管2の本数Nと、管2の内径d3の間に(数1)の関係があることにより、管内2の熱伝達率と圧力損失のバランスを最適化し、水熱交換器を小型軽量化することができる。また、ヒートポンプ給湯機用の水・冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得るという作用を有する。
According to the heat exchanger of the present invention, the
また、管1の内部に分流器から複数本に分岐された分岐管を螺旋状に巻いて管を内包したものであり、冷媒管を分流することにより、冷媒管を螺旋状に巻くことによる冷媒管内の冷媒の圧力損失の増加を抑えることができ、水との伝熱をより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長をより短くでき、よりコンパクト化、軽量化が図れることができる。
Further, the
請求項1に記載の熱交換器の発明は、水が流通する管1と、前記管1の内部に冷媒が流通する管2が螺旋状に形成され内包されるとともに、管2内を流通する冷媒を二酸化炭素とし、冷媒が流通し、螺旋状に巻かれた管2の本数をNとし、管2の内径をd3とした場合に、管2の本数Nと、管2の内径d3の間に(数1)の関係があることを特徴としたヒートポンプ式給湯機用のものであり、冷媒からの熱を管2全体から管1の内部を流れる水に伝熱することができ、水熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。また、冷媒が流通し螺旋状に巻かれた管2の本数をNとし、管2の内径をd3とした場合に、管2の本数Nと、管2の内径d3の間に(数1)の関係があることにより、管内2の熱伝達率と圧力損失のバランスを最適化し、水熱交換器を小型軽量化するという作用を有する。また、ヒートポンプ給湯機用の水・冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得るという作用を有する。
The invention of the heat exchanger according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、水が流通する管1の内部に分流器から複数本に分岐された分岐管を螺旋状に巻いて管を内包したものであり、冷媒管を分流することにより、冷媒管を螺旋状に巻くことによる冷媒管内の冷媒の圧力損失の増加を抑えることができ、水との伝熱をより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長をより短くでき、よりコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、管1の内壁と螺旋状に巻かれた管2の外郭の間に隙間を設けることにより、管2と管1の内壁の隙間を水流の主流が流れることで、螺旋状の管2による流路抵抗の増加による管1内の水側流量の減少を抑制すると共に、螺旋状の管2の外郭部で乱流が促進され伝熱能力をさらにより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長をさらにより短くでき、さらによりコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。
The invention according to
請求項4に記載の発明は、請求項1から請求項3に記載の発明において、螺旋状の管2の螺旋の中心軸部に、略同心の空洞を有することにより、管1内を流れる水が螺旋状の管2の中心軸部を主に流れることで、螺旋状に巻かれた管2と水の有効接触面積が大きくなり、かつ螺旋状の空洞部で水が乱流となりながら流動することで冷媒との熱交換能力を大幅に向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長を大幅に短くでき、大幅なコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。
According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the invention, the water flowing in the
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4に記載の発明において、管2の管外径より広いピッチで螺旋状に巻くことにより、管1内を流れる水が螺旋状の管2の管全体を回り込みながら、管1の内壁と管2の外郭の間の隙間と管2の中心軸部を流れることで、螺旋状に巻かれた管2の熱伝達面積を最も有効に用いて水に熱伝達でき、かつ螺旋状の内部を水が乱流となりながら流動することで冷媒との伝熱能力をより大幅に向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長をより大幅に短くでき、より大幅なコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。
According to a fifth aspect of the present invention, in the first to fourth aspects of the present invention, the water flowing in the
請求項6に記載の発明は、請求項1から請求項5に記載の発明において、管2を外管と内管が密着してなる2重管とすることにより、管2内の冷媒が二酸化炭素等の高圧冷媒となる場合でも、管2の熱伝導性を落とすことなく、水との間に安全性を確保する2重壁を確保するという作用を有する。
According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, the
請求項7に記載の発明は、請求項2から請求項6に記載の発明において、管2を形成する分岐管の外径をd2’とし 管1の内径をd1として、前記管1の内径d1が2.1d2’〜2.7d2’であり、螺旋角が4°〜60°であることにより、管1内の水の圧力損失を小さく抑えながら、熱伝達率を最適化し、水熱交換器を小型軽量化するという作用を有する。
According to a seventh aspect of the present invention, in the second to sixth aspects of the invention, the outer diameter of the branch pipe forming the
請求項8に記載の発明は、請求項1または請求項3から請求項6に記載の発明において、管2を1本とし、前記管2の外径をd2、管1の内径をd1として、前記管1の内径d1が1.8d2〜2.2d2であり、螺旋角が6°〜70°であることにより、管1内の水の圧力損失を小さく抑えながら、熱伝達率を最適化し、水熱交換器を小型軽量化すると共に、管2を一本で螺旋状に巻くため、螺旋形状加工時に管2の保持行程等の工数の低減、治工具の簡素化が図れるという作用を有する。
The invention according to claim 8 is the invention according to
以下本発明による熱交換器の実施の形態について、図1から図15を参照しながら説明する。 Embodiments of a heat exchanger according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
(実施の形態1)
図1、図2は、本発明の実施の形態1におけるヒートポンプ式給湯機用の熱交換器の管1の軸方向の断面図であり、図3は同実施の形態の熱交換器の管1の軸方向の部分断面図である。
(Embodiment 1)
1 and 2 are sectional views in the axial direction of a
図1において、1は銅製の水が流通する管であり、2は管1に内包され、冷媒が流通する管で螺旋状に形成された銅製の管であり、5は熱交換器本体である。
In FIG. 1, 1 is a pipe | tube with which copper water distribute | circulates, 2 is a copper pipe | tube formed in the spiral by the pipe | tube which is included in the pipe |
また、図2において、管1の内部に分流器3から複数本に分岐された分岐管2a,2b,2cを螺旋状に巻いて内包した銅製の管である。
In FIG. 2, a copper tube in which a plurality of
ここで、図3で示すように、管1の内径をd1、管2及び分岐管2a,2b,2cの外径をd2、d2’、管2及び分岐管2a,2b,2cの内径をd3としている。そして、管1の内径d1は、螺旋状に巻かれた管2の外郭より大きいため、管1の内壁と螺旋状に巻かれた管2の外郭の間に隙間6が設けられている。
Here, as shown in FIG. 3, the inner diameter of the
また、螺旋状に巻いた管2及び分岐管2a,2b,2cの内径d3と、管の本数Nとの間には、(数1)の関係がある。
Further, there is a relationship of (Equation 1) between the inner diameter d3 of the
さらに、図1の場合において、管1の内径d1と管2の外径d2の間には、d1は1.8d2〜2.2d2で、螺旋角θが6°〜70°、より好ましくは55°〜70°となっている。螺旋角が6°より小さいものは螺旋とは見なせないものとなる。
Further, in the case of FIG. 1, between the inner diameter d1 of the
さらに、また、図2の場合において、管2の内径d1と分岐管2a,2b,2cの外径をd2’の間には、d1は2.1d2’〜2.7d2’の関係で、螺旋角θが4°〜60°、より好ましくは30°〜60°となっている。螺旋角が4°より小さいと個々の管が変形して固定不可能になる。
Furthermore, in the case of FIG. 2, between the inner diameter d1 of the
以上のように構成されたヒートポンプ式給湯機用の熱交換器について、以下その動作を説明する。 The operation of the heat exchanger for the heat pump type hot water heater configured as described above will be described below.
図1において、管1の内部を水が管2の内部を二酸化炭素が各々流体として対向して流れ、管2の壁4(図示せず)を介して水と二酸化炭素が熱交換する。
In FIG. 1, water flows inside the
ここで、図1で示すように、二酸化炭素からの熱を管2全体から管1の内部を流れる水に伝熱することができ、熱交換器10に取り付ける断熱材も簡素にでき、ヒートポンプ給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れる。また、図2で示すように、水が流通する管1の内部に分流器3から複数本に分岐された分岐管2a,2b,2cを螺旋状に巻いて内包したものであり、冷媒管を分流することにより、冷媒管を螺旋状に巻くことによる冷媒管内の冷媒の圧力損失の増加を抑えることができ、水との伝熱をより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長をより短くでき、よりコンパクト化、軽量化が図れる。そして、また、管1の内壁と螺旋状に巻かれた管2の外郭の間の隙間6により、管2と管1の内壁の隙間6を水の主流が流れることで、螺旋状の管2及び分岐管2a,2b,2cによる流路抵抗の増加による管1内の水側流量の減少を抑制すると共に、螺旋状の管2及び分岐管2a,2b,2cの外郭部で乱流が促進され伝熱能力をさらにより向上し、伝熱能力をさらにより向上させ、必要な熱交換能力を得るための管1の管長をさらにより短くでき、さらによりコンパクト化、軽量化が図れる。
Here, as shown in FIG. 1, heat from carbon dioxide can be transferred from the
また、螺旋状に巻いた管2及び分岐管2a,2b,2cの内径d3と、本数Nとの間には、図4で示すような関係がある。内径d3を小さくすると二酸化炭素の流速が増加し熱伝達率が大きくなる。しかし、同時に二酸化炭素の圧力損失も増加し、このため二酸化炭素と水との平均温度差が小さくなる。この両者の影響によって必要熱交換量を確保するのに必要な熱交換器重量が最も小さくなる管2の内径の最適範囲が存在し、それは、管2及び分岐管2a,2b,2cの内径d3と本数Nの間に(数1)の関係が成り立つ範囲である。
Further, there is a relationship as shown in FIG. 4 between the inner diameter d3 of the
また、図1のように螺旋状に巻かれた管2の外径d2及び螺旋角θと、管1の内径d1の間には図5、図6で示すような関係がある。
Moreover, there exists a relationship as shown in FIGS. 5 and 6 between the outer diameter d2 and the spiral angle θ of the
水の圧力損失を小さく一定に保ちながら必要熱交換量を確保するのに、螺旋角θを大きくすると管1の内径d1は大きくなり熱伝達面積が大きくなるが、流速が低下し熱伝達率が低下し最も高い熱伝達率となる管2の外径d2と管1の内径d1の最適範囲が存在する。
In order to secure the necessary heat exchange amount while keeping the pressure loss of water small and constant, if the spiral angle θ is increased, the inner diameter d1 of the
このため、図6で示すように、各螺旋角で水の圧力損失を小さく一定に保ちながら必要な管1の必要長さが最も短くなる管1の内径d1の最適範囲が在り、これにより、必要な熱交換器重量が最も小さくなる管1の内径d1及び管2の螺旋角θの最適範囲が存在し、それは、管2の外径d2に対し、d1は1.8d2〜2.2d2で、螺旋角θが55°〜70°の間である。また、管2を1本とした場合、管2を一本で螺旋状に巻くため、螺旋形状加工時に管2の保持行程等の工数の低減、治工具の簡素化が図れることができる。
For this reason, as shown in FIG. 6, there is an optimum range of the inner diameter d1 of the
また、同様に、図2のように螺旋状に巻かれた3本の分岐管2a,2b,2cの外径をd2’及び螺旋角θと、管1の内径d1の間には図7、図8で示すような関係がある。
Similarly, the outer diameters of the three
この場合、必要な熱交換器重量が最も小さくなる管1の内径d1及び管2の螺旋角θの最適範囲は、分岐管2a,2b,2cの外径d2’に対し、d1は2.4d2’〜2.7d2’で、螺旋角θが30°〜45°の間である。
In this case, the optimum range of the inner diameter d1 of the
また、さらに、分岐管を2本とした場合(図示せず)にも同様に分岐管の外径d2’及び螺旋角θと、管1の内径d1の間には図9、図10で示すような関係がある。
Furthermore, when there are two branch pipes (not shown), similarly, the outer diameter d2 ′ and the spiral angle θ of the branch pipe and the inner diameter d1 of the
この場合、必要な熱交換器重量が最も小さくなる管1の内径d1及び管2の螺旋角θの最適範囲は、分岐管の外径d2’に対し、d1は2.1d2’〜2.6d2’であり、螺旋角θが45°〜60°の間である。
In this case, the optimum range of the inner diameter d1 of the
また、図11で示すように、螺旋状の管の螺旋の中心軸部7に、略同心の空洞8を設けることで、管1内を流れる水が螺旋状の管2の中心軸部7の空洞8を主に流れることで、螺旋状に巻かれた管2と水の有効接触面積が大きくなり、かつ螺旋状の空洞部で水が乱流となりながら流動することで冷媒との熱交換能力を大幅に向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長を大幅に短くでき、大幅なコンパクト化、軽量化が図れる。
In addition, as shown in FIG. 11, by providing a substantially concentric cavity 8 in the spiral
また、図12で示すように、管2の管外径d2、d2’より広いピッチで螺旋状に巻くことにより、管1内を流れる水が螺旋状の管2の管全体を回り込みながら、管1の内壁と管2の外郭の間の隙間9と管2の中心軸部を流れることで、螺旋状に巻かれた管2の熱伝達面積を最も有効に用いて水に熱伝達でき、かつ螺旋状の内部を水が乱流となりながら流動することで冷媒との伝熱能力をより大幅に向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管1の管長をより大幅に短くでき、より大幅なコンパクト化、軽量化が図れる。
In addition, as shown in FIG. 12, by winding spirally at a pitch wider than the tube outer diameters d2 and d2 ′ of the
また、図13で示すように、管2を外管10aと内管10bが密着してなる銅製の2重管とすることにより、管2内の冷媒が二酸化炭素の高圧冷媒となる場合に、管2の熱伝導性を落とすことなく、水との間に安全性を確保する2重壁を確保する。
Further, as shown in FIG. 13, when the
尚、本発明の実施の形態では、管1を直管状のものとしたが、湾曲状及びコイル状としても同様な効果を得られる。
In the embodiment of the present invention, the
尚、本発明の実施の形態では、管2内を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、R410A等の高圧で作動する冷媒でも同様な効果を得られる。
In the embodiment of the present invention, the refrigerant flowing in the
尚、管1、管2及び分岐管2a,2b,2c、外管8aと内管8bを銅製としたが真ちゅう、SUS、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。
The
以上のように、本発明にかかるヒートポンプ式給湯機用の熱交換器は、水が流通する管内に冷媒が流通する螺旋状の管を内包して冷媒からの熱を高い効率で水に伝達することができ、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などの熱交換器として広く適用できる。 As described above, the heat exchanger for a heat pump type hot water heater according to the present invention encloses a spiral pipe through which a refrigerant flows in a pipe through which water flows, and transfers heat from the refrigerant to water with high efficiency. Therefore, it can be widely applied as a heat exchanger such as a heat pump type hot water heater or a home or commercial air conditioner.
1 管
2 螺旋状の管
2a,2b,2c 分岐管
3 分流器
5 熱交換器
6、9 隙間
7 中心軸部
8 空洞
10a 外管
10b 内管
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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