JP2005291683A - 熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換性能のよい低コスト、コンパクトな熱交換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】第一流体が流れる第一伝熱管２０ａ、２０ｂと、第一伝熱管内に配置され、第二流体が流れる複数本の伝熱管２２ａ、２２ｂを螺旋状にねじって構成した第二伝熱管とからなり、第一伝熱管は第一平面Ａ−Ａにて平面渦巻き状に収納された後、第二平面Ｂ−Ｂにて平面渦巻き状に収納するように複数の平面にて積層することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置に関するものである。

従来の第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換装置として、例として、図１３に示すように、水通路Ｗを構成する芯管１と、芯管１の外周に螺旋状に巻き付けられて冷媒通路Ｒを構成する巻管２とからなり、水通路Ｗを流れる水は冷媒通路を流れる冷媒により加熱する熱交換装置において、芯管１は渦巻き形状に巻かれ、上下二段に（即ち、二本）重ね合わせて接続するようになっている。このように、上段の芯管１と下段の芯管１とは渦巻きの中心側において接続部３を介して接続され、上段の芯管１の外周に巻き付けられている巻管２と下段の芯管１の外周に巻き付けられている巻管２とは渦巻きの中心側において接続部４を介して接続される構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−９７８９８号公報（第１−９頁、第１１、１３図）

しかしながら上記従来の熱交換装置では、渦巻き形状の芯管を二段重ねるという手法で、コンパクトで熱交換器の性能を大幅に向上させることができるが、芯管を流れる水と巻管を流れる冷媒との熱交換を効率的に行わせるには、巻管と芯管とを熱的に接触させる手段例えばロウ付け加工の必要がある。ロウ付け加工すれば、巻管と芯管とが一体となるため、芯管を渦巻く時、芯管の伸び縮みなどが制限され加工性が低下し、芯管の渦巻き形状、曲げ半径などが制限される問題がある。また、芯管の外周に巻管が巻き付けられていることによって、芯管の外周は連続平滑曲面でないため、専用の曲げ冶具が必要となり、加工コストが上昇するという問題があった。また、ロウ付けなどをせずに巻管を芯管に巻きつくのみとすると、芯管を渦巻き状にするには、巻管は動かないように規制する専用の冶具などが必要となる、製造工程は複雑となり、コストが高くなるという課題もあった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成した第二伝熱管を内包する第一伝熱管は複数の平面にて平面渦巻き状に積層する熱交換性能のよい低コストコンパクトな熱交換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の熱交換装置は、第一流体が流れる第一伝熱管と、第一伝熱管内に配置され、第二流体が流れる複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成した第二伝熱管とからなり、第一伝熱管は第一平面にて平面渦巻き状に収納された後、第二平面にて平面渦巻き状に収納するように複数の平面にて積層することを特徴とする。

これによれば、数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成した第二伝熱管を内包する第一伝熱管は複数の平面にて平面渦巻き状に積層する熱交換性能のよいコンパクトな低コスト熱交換装置を提供することができる。

また、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成され冷媒の圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプ給湯装置を備え、放熱器は請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いて、第二流体の冷媒が第一流体を加熱するヒートポンプ給湯装置とする。

これによれば第二伝熱管を流れる第二流体を臨界圧力以上のヒートポンプサイクルの冷媒とし、その冷媒の放熱を用いて第一流体を加熱することによって、高いサイクル成績効率を実現することができる。

本発明によれば、数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成した第二伝熱管を内包する第一伝熱管は複数の平面にて平面渦巻き状に積層する熱交換性能のよいコンパクトな低コスト熱交換装置を提供することができる。

また、第二伝熱管を流れる第二流体を臨界圧力以上のヒートポンプサイクルの冷媒とし、その冷媒の放熱を用いて第一流体を加熱することによって、高いサイクル成績効率を実現することができる。

第１の発明は、第一流体が流れる第一伝熱管と、この第一伝熱管内に配置され、第二流体が流れる複数本の伝熱管を螺旋状に捻って構成した第二伝熱管とを備え、第一伝熱管は第一平面にて平面渦巻き状に収納された後、第二平面にて平面渦巻き状に収納されるように複数の平面にて積層して熱交換装置を構成するものである。本実施の形態によれば、螺旋状に捻れた複数本の第二伝熱管を第一伝熱管内に配置することによって、第一伝熱管と複数本の第二伝熱管の間に、自然に螺旋状の第一流体の流路が形成されるとともに、第二流体も螺旋状に旋回されるため、第一流体と第二流体ともに乱流化され、第一伝熱管を流れる第一流体と第二伝熱管を流れる第二流体とは効率よく熱交換でき、熱交換性能のよい熱交換装置を得られる。このように、第二伝熱管を螺旋状に捻ることによって、ロウ付けなどを施する必要がなく、第二伝熱管の全表面を伝熱面積として寄与させるとともに、第二流体と第一流体を旋回流とし、乱流撹乱の効果で熱伝達率の向上を図れ、低コストの熱交換装置を得られる。また、第二伝熱管は第一伝熱管内に配置されていることによって、第一伝熱管の表面は連続平滑曲面なので、曲げる時、特別な冶具と設備などを要らず、通常のパイプベンダーなどで作業できるので、加工コストと設備投資を抑えることができる。また、第二伝熱管は管同士が密着しながら螺旋状に捻られて第一伝熱管内に配置されることによって、第一伝熱管を曲げる際に、より小さな曲げ半径で第一伝熱管を曲げることができるので、コンパクト性の高い熱交換器を提供することができる。このように、螺旋状に捻った第二伝熱管を内包した第一伝熱管を第一平面にて平面渦巻き状に収納した後、第二平面にて平面渦巻き状に収納するように複数の平面にて積層することによって、高密度に第一伝熱管を収納することができ、熱交換性能のよいコンパクトな低コスト熱交換装置を提供することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の熱交換装置において、第二伝熱管は全長に渡り、継目がなく、一本ものによって構成されたものである。本実施の形態によれば、第一伝熱管内に内包され、第一流体の旋回流路中に配置される第二伝熱管は、継目がないため、第一流体と触れるのは第二伝熱管の管表面だけで、第一流体に対する耐食性と熱交換装置全体の信頼性を向上させることができる。また、第二伝熱管は継目がなく、一本ものであるため、螺旋状に捻る作業などの効率がよくなり、繋ぎ作業などは要らなくなり、作業性をアップさせることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明の熱交換装置において、第一平面に位置する平面渦巻き状第一伝熱管と、第二平面に位置する平面渦巻き状第一伝熱管とは、管径が異なるものである。本実施の形態によれば、例えば、第二平面に位置する第一伝熱管の管径は、第一平面に位置する第一伝熱管の管径より大きくすることによって、第二平面に位置する第一伝熱管部分において、第一流体の流れる断面積を大きくすることができるため、第一流体のスケール析出による流路閉塞を考慮した安全性、耐久性のよい熱交換装置を提供することができる。また、管径の異なる第一伝熱管はそれぞれ第一平面と第二平面に位置させ、同一管径は同一平面となるように、同一管径の第一伝熱管は同一の平面に渦巻きするため、よりコンパクトな収納性を実現できるとともに、生産管理は簡素化でき、作業効率を向上させることができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか一つの発明の熱交換装置において、同一平面に位置する第一伝熱管は管径の異なる大管径管段と小管径管段とを有することである。本実施の形態によれば、同一平面内に大管径管段と小管径管段と混在することができるため、必要な用途に応じて、大管径管段と小管径管段の割合比率を調整することができ、より幅広く用途に応じた最適な熱交換装置を提供することができる。また、同一平面渦巻きにおいて、大管径管段を外周側に、小管径管段を内周側に配置することによって、大管径管段部分はより直管部を得ることができるため、スケールの析出沈殿に強い熱交換装置を提供することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか一つの発明の熱交換装置において、同一管径の第一伝熱管の曲げ半径は一定であること。本実施の形態によれば、同一管径の第一伝熱管は同一曲げ半径とすることによって、曲げ冶具例えばパイプベンダーの冶具数を最小限に抑えることができるため、連続作業性を向上させ、加工コストの低減を実現することができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか一つの発明の熱交換装置において、管径の大きい第一伝熱管の部分の曲げ半径は、管径の小さい第一伝熱管の部分の曲げ半径より大きくしたことである。本実施の形態によれば、管径の大きい第一伝熱管部分においては、曲げ半径を大きくすることによって、曲げやすくするとともに、第一伝熱管内の第一流体の流れを滑らかにし、急な屈曲や淀みなどによるスケールの沈殿を少なくすることができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか一つの発明の熱交換装置において、第一平面と第二平面の平面渦巻き第一伝熱管を、平面に垂直な方向に第一伝熱管の管径に略相当する高さとなるように固定手段を設けたものである。本実施の形態によれば、熱交換装置は第一伝熱管の管径に略相当する高さとなるように固定手段を設けることによって、第一伝熱管を平面渦巻きする時に生じた平面に垂直な方向のスプリングバックの力を抑え、フラットな渦巻き第一伝熱管が提供できるとともに、熱交換装置全体をよりコンパクトとすることができる。

第８の発明は、特に、第１〜７のいずれか一つの発明の熱交換装置において、第一伝熱管を複数本に並設して設け、第一伝熱管の流路を多パス化とすることである。本実施の形態によれば、用途と必要などに応じて、第一伝熱管をモジュール化として、簡単に熱交換装置の能力をアップさせることができ、大能力、大容量の要求に対応できる。

第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか一つの発明の熱交換装置において、第二伝熱管を内管と外管とよって構成される二重管とすることである。本実施の形態によれば、第二伝熱管を二重管とすることによって、内管もしくは外管のどちらか一方が破損した場合でも、内管を流れる第二流体と第一伝熱管を流れる第一流体との間に、漏洩用溝を設けたため、第一流体と第二流体が混じりあうのを防止できるとともに、早期故障診断と迅速な修理を実現でき、信頼性の高い熱交換装置を提供することができる。また、この二重構成の第二伝熱管は捻られているので、内管と外管とより密着するようになり、内管と外管の間の熱抵抗が小さくなり、熱交換装置の熱交換性能を確保することができる。

第１０の発明は、特に、圧縮機と放熱器と減圧器と吸熱器などから構成する冷媒圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプ給湯装置を備え、放熱器として第１〜９のいずれか一つの発明の熱交換装置を用い、第二流体の冷媒が第一流体を加熱するものである。本実施の形態によれば、第二伝熱管を流れる第二流体を臨界圧力以上のヒートポンプサイクルの冷媒とし、その冷媒の放熱を用いて第一流体を加熱することによって、高いサイクル成績効率を実現することができる。また、臨界圧力以上とすることによって、必要な高温度レベルまで第一流体を効率的に加熱できる。このように、コンパクトな高効率の熱交換装置をヒートポンプサイクルの放熱器として使用することによって、高効率なサイクル装置を実現することができる。

第１１の発明は、特に、第１０の発明のヒートポンプ給湯装置おいて、第二伝熱管を流れる第二流体は二酸化炭素冷媒としたものである。本実施の形態によれば、管径の小さい第二伝熱管内に超臨界圧力の二酸化炭素冷媒を流すことによって、第一伝熱管の管壁は比較的薄い肉厚で設計できるとともに、二酸化炭素冷媒の管内熱伝達特性を損なうことなく、低重量、コンパクト、高性能な熱交換装置を提供することができる。また、例えば第一流体を水とすることによって、第二伝熱管外周の全周が有効伝熱面積として寄与し二酸化炭素冷媒の熱をもって、水を加熱することができ、高効率な給湯装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における熱交換装置の収納状態を示す熱交換装置構成図である。図１の（ａ）は同熱交換装置の平面図で、図１の（ｂ）は同熱交換装置の側面図である。図２は図１に示すＡ−Ａ平面における同熱交換装置部分の構成図、図３は図１に示すＢ−Ｂ平面における同熱交換装置部分の構成図で、図４は同熱交換装置の要部拡大図、図５は第二伝熱管の断面図、図６は同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置構成図である。

図１〜図３において、２０ａ、２０ｂは例えば第一流体の水が流れる管径の異なる第一伝熱管、２１はこの第一伝熱管２０ａと２０ｂとを連通させる異径連通部で、この異径連通部２１によって、管径の小さい第一伝熱管２０ａと管径の大きい第一伝熱管２０ｂとは連通されている。２２ａ、２２ｂはこの第一伝熱管２０ａ、２０ｂ内に内包され例えば第二流体の二酸化炭素冷媒が流れる第二伝熱管（詳細後述）、Ａ−Ａは第一伝熱管２０ａの部分が平面渦巻き状に巻かれ収納する第一平面、Ｂ−Ｂは第一伝熱管２０ｂの部分が平面渦巻き状に巻かれ収納する第一平面。２３は第二伝熱管２２ａ、２２ｂと連通し第二流体が流入する入口ヘッダー、２４は第二伝熱管２２ａ、２２ｂと連通し第二流体が流出する出口ヘッダーで、第二伝熱管２２ａと２２ｂはそれぞれ、入口ヘッダー２３と出口ヘッダー２４の間にある部分においては、継目がなく一本構成となっている。２５は入口ヘッダー２３に対応する第一流体が流出する出湯部、２６は出口ヘッダー２４に対応する第一流体が流入する入水部である。Ｒ１は第一伝熱管２０ａの曲げ半径、Ｒ２は第一伝熱管２０ｂの曲げ半径を示す。このように、管径の小さい第一伝熱管２０ａは曲げ半径Ｒ１で、平面渦巻き状に巻かれ、第一平面Ａ−Ａに収納された後、管径の大きい第一伝熱管２０ｂは曲げ半径Ｒ２で、平面渦巻き状に巻かれ、第二平面Ｂ−Ｂに収納される構成となり、異径連通部２１は第一平面に位置する第一伝熱管２０ａの部分と第二平面に位置する第一伝熱管２０ｂの部分を連通している。

図４において、二本の第二伝熱管２２ａと２２ｂはお互いに密接しながら、所定のピッチで螺旋状に捻られている。そして、この捻った第二伝熱管は第一伝熱管２０ａ内に配置され、第二伝熱管２２ａ、２２ｂの外壁と第一伝熱管２０ａまたは２０ｂの内壁の間に、自然に螺旋状の第一流体例えば水の流路２７が形成されるとともに、第二流体例えば二酸化炭素冷媒も第二伝熱管のねじりによって螺旋状に旋回されるため、第一流体と第二流体ともに乱流化され、第二伝熱管２２ａ、２２ｂを流れる第二流体と第一伝熱管２０ａ、２０ｂを流れる第一流体とは効率よく熱交換でき、熱交換性能のよい熱交換装置を得られる。

図５において、２８は第二伝熱管２２ａ、または２２ｂを構成する外管、２９は第二伝熱管２２ａ、または２２ｂを構成する内管で、この外管２８の内壁と内管２９の外壁とを密着させることによって、第二伝熱管２２ａ、２２ｂは二重管構造となっている。３０は外管２８の内壁側にある漏洩用溝で、外管２８の内壁と内管２９の外壁の間に漏洩した流体を第二伝熱管の端部へ導く構成となっている。

図６において、圧縮機３１、放熱器３２、減圧手段３３、吸熱器３４が冷媒循環回路により閉回路に接続されている。冷媒循環回路は、例えば炭酸ガス（ＣＯ２）を冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機３１は、内蔵する電動モータ（図示せず）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力まで圧縮して吐出する。減圧手段３３はステッピングモータ（図示せず）により駆動する絞り弁で、冷媒流路抵抗を制御している。

放熱器３２は冷媒流路と、その冷媒流路と熱交換を行う水流路を備える。そして、この放熱器３２は前述の熱交換装置を用い、冷媒流路は第二伝熱管２２ａ、２２ｂ、水流路は第一伝熱管２０ａ、２０ｂの内壁と第二伝熱管２２ａ、２２ｂの外壁との間の流路２７としている。このように、前述の熱交換装置の第二伝熱管の入口ヘッダー２３は圧縮機３１からの冷媒循環回路部分と連通し、出口ヘッダー２４は減圧器３３への冷媒循環回路部分と連通するように接続されている。そして、この第二伝熱管の冷媒流路の流れ方向は水流路の流れ方向とを対向としている。

この水流路２７に水または予温水を供給する給水管３５と、水流路２７から出湯される湯を貯湯タンク３６へ通水させるための給湯回路３７が接続されている。そして、給水管３５は前述の熱交換装置の入水部２６と接続し、前述の熱交換装置の出湯部２５は給湯回路３７と連通している。３８は給水管３５に設けた水または予温水を輸送する積層ポンプである。このように、貯湯タンク３６から水または予温水が積層ポンプ３８に輸送され、水流路２７で所定温度まで加熱された後、貯湯タンク３６へ輸送され貯留されるようになっている。そして、３９は貯湯タンク３６と連通する出湯管である。

次に動作、作用を説明すると、給水管３５を通じて水または予温水が貯湯タンク３６から供給されると、圧縮機３１が起動し、冷媒を高温高圧の臨界状態まで圧縮し、ヒートポンプサイクルが作動する。

そして、圧縮機３１から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器３２へ流入し、水流路２７を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路３７を経て貯湯タンク３６へ流れ貯留される、いわゆる積層沸き上げを行う。一方、放熱器３２で冷却された冷媒は減圧手段３３で減圧されて吸熱器３４に流入し、ここで大気熱、太陽熱、地中熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機３１に戻る。

そして、給湯需要のある時、給湯管３９を通じて貯湯タンク３６内に貯湯される湯がユーザーの使用する給湯蛇口（図示せず）などへ供給される。給湯需要の温度レベルに応じて、途中で水道水などとミキシングして所定の温度となり供給することもできる。

放熱器３２において、放熱器３２の冷媒流路第二伝熱管２２ａ、２２ｂを流れる冷媒は、圧縮機３１で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器３２の水流路２７を流れる水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器３２全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高めることができ、高効率なヒートポンプサイクル式給湯装置を提供することができる。

また、螺旋状に捻れた二本の第二伝熱管２２ａ、２２ｂを第一伝熱管２０ａと２０ｂ内に配置することによって、第一伝熱管の内壁と第二伝熱管の外壁の間に、自然に螺旋状の第一流体水の流路２７が形成されるとともに、第二流体の冷媒も螺旋状に旋回されるため、第一流体の水と第二流体の冷媒ともに乱流化され、効率よく熱交換でき、熱交換性能のよい熱交換装置を得られる。

また、第二伝熱管２２ａ、２２ｂを螺旋状に捻ることによって、ロウ付けなどを施する必要がなく、簡単な工法で、第二伝熱管２２ａ、２２ｂの全表面を伝熱面積として寄与させるとともに、第二流体の冷媒と第一流体の水を旋回流とし、乱流撹乱の効果で熱伝達率の向上を図れ、低コストの熱交換装置を得られる。

また、第二伝熱管２２ａ、２２ｂは第一伝熱管２０ａと２０ｂ内に配置されていることによって、第一伝熱管２０ａと２０ｂの表面は連続平滑曲面なので、曲げる時、特別な冶具と設備などを要らず、通常のパイプベンダーなどで作業できるので、加工コストと設備投資を抑えることができる。

また、第二伝熱管２２ａ、２２ｂは管同士が密着しながら螺旋状に捻られて第一伝熱管２０ａと２０ｂ内に配置されることによって、第一伝熱管２０ａまたは２０ｂを曲げる際に、捻った第二伝熱管２２ａと２２ｂは管内芯がねの作用を働き、より小さな曲げ半径で第一伝熱管２０ａまたは２０ｂを曲げることができるので、コンパクト性の高い熱交換装置を提供することができる。

また、第二伝熱管２２ａと２２ｂは、全長に渡り、継目がなく、一本ものによって構成されたため、第一流体の水と触れるのは第二伝熱管２２ａ、２２ｂの管表面だけで、第一流体の水に対する耐食性と熱交換装置全体の信頼性を向上させることができる。また、第二伝熱管を螺旋状に捻る作業などの効率がよくなり、繋ぎロウ付け作業などは要らなくなり、作業性をアップさせることができる。

また、第二平面Ｂ−Ｂに位置する第一伝熱管２０ｂの管径は、第一平面Ａ−Ａに位置する第一伝熱管２０ａの管径より大きくすることによって、第二平面Ｂ−Ｂに位置する第一伝熱管２０ｂにおいて、第一流体水の流れる断面積を大きくすることができるため、第一流体水のスケール析出による流路閉塞を考慮した安全性、耐久性のよい熱交換装置を提供することができる。

また、管径の異なる第一伝熱管２０ａと２０ｂはそれぞれ第一平面Ａ−Ａと第二平面Ｂ−Ｂに位置させ、同一管径は同一平面となるように、同一管径の第一伝熱管は同一の平面に渦巻きするため、よりコンパクトな収納性を実現できるとともに、生産管理は簡素化でき、作業効率を向上させることができる。

また、同一管径の第一伝熱管例えば２０ａは同一曲げ半径Ｒ１とすることによって、曲げ冶具例えばパイプベンダーの冶具数を最小限に抑えることができるため、連続作業性を向上させ、加工コストの低減を実現することができる。

また、管径の大きい第一伝熱管２０ｂの曲げ半径Ｒ２は、管径の小さい第一伝熱管２０ａの曲げ半径Ｒ１より大きくすることによって、管径の大きい第一伝熱管２０ｂ部分においては、曲げ半径を大きくしたため、曲げやすくするとともに、第一伝熱管２０ｂ内の第一流体の流れを滑らかにし、急な屈曲や淀みなどによるスケールの沈殿を少なくすることができる。

また、管径の小さい第二伝熱管内に超臨界圧力の二酸化炭素冷媒を流すことによって、第一伝熱管の管壁は比較的薄い肉厚で設計できるとともに、二酸化炭素冷媒の管内熱伝達特性を損なうことなく、ヒートポンプ式給湯装置に軽量、コンパクト、高性能な熱交換装置を提供することができる。

また、第二伝熱管を二重管とすることによって、内管２９もしくは外管２８のどちらか一方が破損した場合でも、内管２９を流れる第二流体の冷媒と第一伝熱管を流れる第一流体の水との間に、漏洩用溝３０を設けたため、第一流体と第二流体が混じりあうのを防止できるとともに、早期故障診断と迅速な修理を実現でき、信頼性の高い熱交換装置を提供することができる。また、この二重構成の第二伝熱管は捻られているので、内管２９と外管２８とより密着するようになり、内管と外管の間の熱抵抗が小さくなり、熱交換装置の熱交換性能を確保することができる。

このように、螺旋状に捻った第二伝熱管２２ａと２２ｂを内包した第一伝熱管２０ａと２０ｂを第一平面にて平面渦巻き状に収納した後、第二平面にて平面渦巻き状に収納するように複数の平面にて積層することによって、高密度に第一伝熱管を収納することができ、熱交換性能のよいコンパクトな低コスト熱交換装置を提供することができる。

（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態における熱交換装置の収納状態を示す熱交換装置構成図で、図７の（ａ）は同熱交換装置の平面図で、図７の（ｂ）は同熱交換装置の側面図である。図８は図７に示すＡ−Ａ平面における同熱交換装置部分の構成図、図９は図７に示すＢ−Ｂ平面における同熱交換装置部分の構成図である。

本実施の形態において、実施の形態１と異なるところは、第二平面において、管径の異なる第一伝熱管２０ａと２０ｂとが混在していること、第一平面と第二平面の平面渦巻き第一伝熱管は、平面に垂直な方向に第一伝熱管の管径に略相当する高さとなるように、第一平面と第二平面の第一伝熱管を固定する固定具４０を新設したことである。なお、実施の形態１の熱交換装置とヒートポンプ給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。

以上のように構成された熱交換装置について、以下その作用、動作を説明する。図７〜９に示すように、第一伝熱管２０ａは第一平面Ａ−Ａにて、平面渦巻きされた後、第二平面Ｂ−Ｂへ平面渦巻きされる、そして、この第一伝熱管２０ａは第二平面Ｂ−Ｂにて、異径連通部２１を通じて、管径の大きい第一伝熱管２０ｂと連通される。

このように、第二平面Ｂ−Ｂに位置する第一伝熱管は管径の異なる大管径管段部分の２０ｂと小管径管段部分の２０ａとを有することによって、必要な用途例えば貯湯タンクへの貯湯温度や使用する地域水道水の硬度などに応じて、大管径管段部分の２０ｂと小管径管段部分の２０ａの割合比率を調整することができ、より幅広く用途に応じた最適な熱交換装置を提供することができる。

また、同一平面渦巻きにおいて、大管径管段部分の２０ｂを外周側に、小管径管段部分の２０ａを内周側に配置することによって、大管径管段部分はより直管部を得ることができるため、スケールの析出や沈殿に強い熱交換装置を提供することができる。

また、熱交換装置は第一伝熱管２０ａと２０ｂの管径に略相当する高さとなるように固定具４０を設けることによって、第一伝熱管２０ａと２０ｂを平面渦巻きする時に生じた平面に垂直な方向のスプリングバックの力を抑え、フラットな渦巻き第一伝熱管が提供できるとともに、熱交換装置全体をよりコンパクトとすることができる。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の第３の実施の形態における熱交換装置の側面図である。図１１と図１２は同熱交換装置の出入口の要部拡大図である。

本実施の形態において、実施の形態１と異なるところは、実施の形態１に記述した、第二伝熱管を内包した第一伝熱管は第一平面にて平面渦巻きされた後、第二平面にて渦巻きされて構成した熱交換装置を二個積重ねて併設して設けたことである。

図１０〜１２に示すように、異径連通部２１によって連通される第一伝熱管２０ａと２０ｂと、第一伝熱管２０ｂに対応する出湯部２５と第一伝熱管２０ａに対応する入水部２６とを備える実施の形態１に記述した熱交換装置は二つ上下重ねて併設されている。

４１はそれぞれの入水部２６と連通する入水分岐部で、この入水分岐部４１は第一流体の水が均等に分岐され、それぞれの入水部２６を経て、第一伝熱管へ流れるような構成になっている。４２はそれぞれの出口ヘッダー２４と連通する出口合流部で、この出口合流部４２は第二流体の冷媒が均等にそれぞれの第二伝熱管２２ａと２２ｂから流出するような構成になっている。

４３は出湯部２５付近に設けられ、第二伝熱管２２ａと２２ｂを第一伝熱管２０ｂから分離させる分離管である。この分離管４３の先には、第一流体の流れる通路がなく、第二伝熱管２２ａと２２ｂが露出するようになっている。そして、それぞれ第二伝熱管２２ａと２２ｂは入口分岐部４４と連通し、この入口分岐部４４は第二流体の冷媒が均等にそれぞれの第二伝熱管２２ａと２２ｂへ流れるような構成となっている。なお、実施の形態１の熱交換装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。

以上のように構成された熱交換装置の製造装置について、以下その作用、動作を説明する。

このように、実施の形態１記載の熱交換装置を複数個に並設して設け、第一伝熱管と第二伝熱管の流路を多パス化とすることによって、用途と必要などに応じて、実施の形態１記載の熱交換装置をモジュール化として、簡単に熱交換装置の能力をアップさせることができ、様々な大能力、大容量の要求に対応できる。

なお、上記各実施において、管径の異なる第一伝熱管２０ａ、２０ｂを用いたが、同一管径の第一伝熱管例えば２０ａのみを用いても、同様な効果が得られる。

なお、上記各実施において、第一伝熱管を二つの平面に積層するようにとしたが、それに限らなく、二つ以上の平面に積層しても、同様な効果が得られる。

なお、上記各実施において、第二伝熱管を２本としたが、２本以上例えば３本を捻った場合でも同様な効果が得られる。

なお、上記各実施例において、第二流体は自然冷媒炭酸ガスとしましたが、その他の冷媒例えばＲ４１０などを用いても同様な効果が得られる。

なお、上記各実施例において、ヒートポンプサイクル式給湯装置で用いた熱交換装置としたが、その他の用途で熱交換装置として用いても、同様な効果が得られる。

なお、上記各実施例において、水流路で加熱された湯は貯湯タンクに貯留するとしたが、直接ユーザーが使用する給湯端末例えばシャワー蛇口などへ流れても同様な効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置は、熱交換性能のよい低コストなおかつコンパクトな熱交換装置を提供することができ、それをヒートポンプサイクル給湯装置で用いると、高効率なヒートポンプ給湯装置が得られる。その他、幅広く熱交換、熱搬送などの用途にも適用できる。

（ａ）は本発明の実施の形態１における熱交換装置の収納状態を示す熱交換装置の平面図（ｂ）は同熱交換装置の側面図 （ａ）は図１におけるＡ−Ａ面の平面図（ｂ）は図１におけるＡ−Ａ面の側面図 （ａ）は図１におけるＢ−Ｂ平面の平面図（ｂ）は図１におけるＢ−Ｂ平面の側面図 本発明の実施の形態１における熱交換装置の要部拡大断面図 本発明の実施の形態１における熱交換装置の第二伝熱管の縦断面図 本発明の実施の形態１における熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置の構成図 （ａ）は本発明の実施の形態２における熱交換装置の収納状態を示す熱交換装置の平面図（ｂ）は同熱交換装置の側面図 （ａ）は図７におけるＡ−Ａ面の平面図（ｂ）は図７におけるＡ−Ａ面の側面図 （ａ）は図７におけるＢ−Ｂ平面の平面図（ｂ）は図７におけるＢ−Ｂ平面の側面図 本発明の実施の形態３における熱交換装置の側面図 本発明の実施の形態３における熱交換装置の出入口の要部拡大図 本発明の実施の形態３における熱交換装置の出入口の要部拡大斜視図 （ａ）は従来の熱交換装置の平面図（ｂ）は同熱交換装置の側面図

符号の説明

２０ａ 第一伝熱管（小管径管段）
２０ｂ 第一伝熱管（大管径管段）
２２ａ、２２ｂ 第二伝熱管
２８ 外管
２９ 内管
３０ 漏洩用溝
３１ 圧縮機
３２ 放熱器
３３ 減圧器
３４ 吸熱器
４０ 固定具（固定手段）

Claims (11)

1. 第一流体が流れる第一伝熱管と、前記第一伝熱管内に配置され、第二流体が流れる複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成した第二伝熱管とからなり、前記第一伝熱管は第一平面にて平面渦巻き状に収納された後、第二平面にて平面渦巻き状に収納するように複数の平面にて積層することを特徴とする熱交換装置。
2. 第二伝熱管は全長に渡り、継目がないことを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
3. 第一平面に位置する平面渦巻き状第一伝熱管と、第二平面に位置する平面渦巻き状第一伝熱管とは、管径が異なることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換装置。
4. 第一平面または第二平面に位置する平面渦巻き状第一伝熱管は、管径の異なる大管径管段と小管径管段を備える請求項１〜３のいずれか１項記載の熱交換装置。
5. 平面渦巻き状に巻かれた第一伝熱管は、同一管径の曲げ半径は一定であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の熱交換装置。
6. 管径の大きい第一伝熱管部分の曲げ半径は、管径の小さい第一伝熱管部分の曲げ半径より大きくしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の熱交換装置。
7. 第一平面と第二平面の平面渦巻き第一伝熱管を、平面に垂直な方向に第一伝熱管の管径に略相当する高さとなるように固定手段を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の熱交換装置。
8. 第一伝熱管を複数本に並設して設け、第一伝熱管の流路を多パス化とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の熱交換装置。
9. 前記第二伝熱管は内管と外管によって構成される二重管で、内管と外管の間に、漏洩用溝を設けたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の熱交換装置。
10. 圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器等から構成され冷媒の圧力が臨界圧力以上となるヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器は請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱交換装置を用いて、第二流体の冷媒が第一流体を加熱するヒートポンプ給湯装置。
11. 第二流体の冷媒は二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１０記載のヒートポンプ給湯装置。

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