JP2004190922A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】円管の外周に別の円管を配置して構成した熱交換器の熱接触を確実なものとすることで、熱交換器の高性能化と低コスト化の両立を図ることを目的とする。
【解決手段】外周にフィンを有するフィン付き管と円管とからなり、フィン付き管の内部を流れる第一流体と円管の内部を流れる第二流体との間で熱交換器を行わせる熱交換器において、フィン付き管の外周に円管を螺旋状に巻き付け、フィンを折り曲げて円管固定する。
【選択図】 図４
【解決手段】外周にフィンを有するフィン付き管と円管とからなり、フィン付き管の内部を流れる第一流体と円管の内部を流れる第二流体との間で熱交換器を行わせる熱交換器において、フィン付き管の外周に円管を螺旋状に巻き付け、フィンを折り曲げて円管固定する。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器に関し、特に、給湯装置における給湯用熱交換器として用いられる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、冷凍サイクル装置に用いられる利用側熱交換器２として、図１２に示すように、円管１１、および円管１１の外周に螺旋状に巻かれた円管１２からなり、円管１１の内部を第一流体（例えば、水）の流路とする一方、円管１２の内部を第二流体（例えば、冷媒）の流路とした熱交換器が採用されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８０８６２号公報（第６−７頁、第５図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１２に示したような円管１１の外周に円管１２を螺旋状に巻いて構成した熱交換器では、円管１１と円管１２との熱接触を確実なものとするために、炉中ろう付けにより円管１１と円管１２を接合する必要がある。このために、高価なろう付け用の炉が必要となり、その設備投資を回収するために、熱交換器が高コスト化するといった課題が生じていた。
【０００５】
そこで、本発明は、炉中ろう付けを行わずに円管１１と円管１２との熱接触を確実なものとすることで、熱交換器の高性能化と低コスト化の両立を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の熱交換器は、管の外周にフィンを有するフィン付き管と、前記フィン付き管の外周に配置される円管とからなり、前記フィン付き管の内部を流れる第一流体と前記円管の内部を流れる第二流体との間で熱交換を行わせる熱交換器において、前記円管を、前記フィンを折り曲げて前記フィン付き管の外周に固定したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明の熱交換器は、管の外周にフィンを有するフィン付き管と、前記フィン付き管の外周に配置される円管とからなり、前記フィン付き管の内部を流れる第一流体と前記円管の内部を流れる第二流体との間で熱交換を行わせる熱交換器において、前記円管を前記フィン間の空間に配置し、前記円管を少なくとも両側に位置する前記フィン面と前記管とに接触させたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記円管を、前記フィン付き管に螺旋状に巻き付けたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記円管を、前記フィン付き管の管軸と並行に配置したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記円管の内径を、前記フィン付き管の内径よりも小さくしたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記第二流体を、前記第一流体よりも動作圧力の高い流体としたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記第二流体を炭酸ガスとし、前記第一流体を水としたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記管と前記フィンと前記円管との間に形成される空間に、熱伝達物質を充填したことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記フィン付き管の外周に配置した円管を複数本とし、前記第二流体の流路を多パス化したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による第１の実施の形態は、円管を、フィンを折り曲げてフィン付き管の外周に固定したものである。本実施の形態によれば、ろう付けが不要で、フィン付き管と円管の熱接触を確保できるために熱交換器の製造上のコストが低減でき、かつ、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明による第２の実施の形態は、円管をフィン間の空間に配置し、円管を少なくとも両側に位置するフィン面と管とに接触させたものである。本実施の形態によれば、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明による第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管をフィン付き管に螺旋状に巻き付けて構成したものである。本実施の形態によれば、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明による第４の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管をフィン付き管に対し並行に配置して構成したものである。本実施の形態によれば、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上するとともに、流路を多パス化しやすい。
また、本発明による第５の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管の内径を、フィン付き管の内径よりも小さくしたものである。本実施の形態によれば、径の小さな管の方が加工を行いやすいため、円管をフィン付き管の外周に配置しやすい。
また、本発明による第６の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管の内部を流れる第二流体の動作圧力が、フィン付き管の内部を流れる第一流体の動作圧力より高くなるように構成したものである。本実施の形態によれば、耐圧を確保しやすい小径の円管の内部に圧力の高い第二流体を流すことで、熱交換器の耐圧向上にかかるコスト低減が可能である。
また、本発明による第７の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管の内部を流れる第二流体は炭酸ガスで、フィン付き管の内部を流れる第一流体は水として用いる熱交換器である。本実施の形態によれば、耐圧を確保しやすい小径の円管の内部に伝熱特性が良好で、圧力の高い炭酸ガスを流すことで、熱交換器の耐圧向上にかかるコストを低減でき、熱交換性能が向上する。
また、本発明による第８の実施の形態による熱交換器は、第１または第２の実施の形態において、フィン付き管の外周面およびフィンと円管との間の形成される空間に、熱伝達物質を充填したものである。本実施の形態によれば、より確実な熱接触が得られ、熱交換性能が向上する。
また、本発明による第９の実施の形態による熱交換器は、第１または第２の実施の形態において、フィン付き管の外周に配置した円管を複数本とし、円管の内部を流れる第二流体の流路を多パス化した熱交換器である。本実施の形態によれば、第二流体の圧力損失を低減でき、熱交換性能が向上する。
【０００８】
【実施例】
まず、本発明の熱交換器を用いる冷凍サイクル装置について説明する。
図１は、本発明の熱交換器を利用した給湯装置を示す構成図である。
図１に示すように、本実施例による給湯装置は、圧縮機１、給湯用熱交換器としての利用側熱交換器２、減圧器３、および外気を熱源とする熱源側熱交換器４からなる冷媒サイクルＡと、給水ポンプ５、利用側熱交換器２、および給湯タンク６からなる給湯サイクルＢとを備えている。冷媒サイクルＡは、冷媒として例えば炭酸ガス（二酸化炭素）を用い、圧縮機１では臨界圧力を越える圧力まで冷媒を圧縮して運転する。
圧縮機１から吐出された冷媒は、利用側熱交換器２において給水ポンプ５から供給される水を加熱し、加熱されたお湯は、給湯タンク６に貯められる。
【０００９】
次に、このような給湯装置に用いられる本発明の一実施例による熱交換器の構成について、図２から図５を用いて説明する。
図２から図５は本実施例による熱交換器の製造工程を示し、図２は第一流体が流れるフィン付き管の要部外観斜視図、図３はフィン付き管の外周に第二流体が流れる円管の一部を配置した状態を示す要部外観斜視図、図４はフィン付き管の外周に円管を配置させた状態を示す要部断面図、図５は完成状態を示す要部断面図である。
図２に示すように、一般的にはローフィンチューブやハイフィンチューブと呼ばれるフィン付き管２０は、筒状の管２１の外周に、所定高さのフィン２２が螺旋状に形成され、ほぼ等間隔に形成されたフィン２２の間には、螺旋状の空間２３が形成されている。
図３に示すように、円管２４は、フィン付き管２０のフィン２２間の空間２３に、螺旋状に巻き付けられる。そして図４に示すように、円管２４は、フィン付き管２０に巻き付けられた状態で、円管２４の外周面が管２１の外周面と両側に位置するフィン２２面とに当接するような外径で構成されている。
円管２４をフィン付き管２０に巻き付けた後に、図５に示すように、フィン付き管２０のフィン２２の一部を折り曲げることで熱交換器２ａが製作される。フィン２２の折り曲げは、中空の治具に挿入、又は押し出しや引き抜き加工により行う。フィン２２を、円管２４を包み込むように折り曲げ、フィン２２の折曲片によって円管２４をフィン付き管２０の外周に固定することで、円管２４とフィン付き管２０の熱接触を確保する。
本実施例による熱交換器２ａは、フィン付き管２０の内部を、例えば水等の第一流体の流路とし、円管２４の内部を、例えば炭酸ガスのような冷媒である第二流体の流路とする。なお、第一流体と第二流体とは対向流とする方が望ましい。
【００１０】
上記のように構成された熱交換器２ａにおいては、次のような効果が得られる。
まず、従来の熱交換器のような炉中ろう付けを行うことなく、フィン付き管２０と円管２４の熱接触を確保できるために、熱交換器２ａの製造上のコストを低減できる。また、従来の熱交換器では、円管１１の外周のみで円管１２と金属接触していたのに対し、本実施例の熱交換器２ａでは、フィン２２により円管２４を包み込むように固定しているため、金属接触面が増大し、より確実にフィン付き管２０と円管２４との熱接触が得られ、熱交換性能が向上する。
さらに、円管２４の内部を第一流体より動作圧力の高い第二流体の流路とし、フィン付き管２０の内部は、第二流体より動作圧力の低い第一流体の流路とすることにより、動作圧力の高い第二流体が流れる円管２４は耐圧を確保しやすい小径の管であることから、円管２４の耐圧を確保するために必要な肉厚の増加による原材料コストの上昇を、極力おさえることができ、熱交換器２ａの耐圧向上にかかるコストを低減できる。
【００１１】
次に、上述のように構成された熱交換器２ａを給湯装置に用いた場合の動作について説明する。
円管２４の内部は冷媒である炭酸ガスの流路とし、フィン付き管２０の内部は水の流路とする。この給湯装置においては、圧縮機１で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、本実施例の熱交換器である利用側熱交換器２ａの円管２４を通過する際に、フィン付き管２０の内部を流れる水に放熱し冷却される。すなわち、給湯タンク６の底部から給水ポンプ５によりフィン付き管２０の内部へ送り込まれた水は、円管２４の内部を流れる冷媒により加熱される。冷媒は、その後減圧器３により減圧されて、低温低圧の気液二相状態となる。そして、熱源側熱交換器４では、冷媒は空気によって冷却されて、気液二相またはガス状態となり、気液二相またはガス状態となった冷媒は、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器２ａのフィン付き管２０の内部を流れる水はお湯となり、そのお湯を給湯タンク６の頂部から貯めることで給湯器として利用できる。このように、炭酸ガスを冷媒として使用した給湯装置の利用側熱交換器として、本実施例の熱交換器２ａを用いると、他の冷媒より動作圧力の高い炭酸ガスを、耐圧を確保しやすい小径の円管２４の内部に流すことができ、熱交換器２ａの耐圧向上にかかるコストを低減でき、かつ、伝熱特性が良好な炭酸ガスを流すことで熱交換性能が向上する。
【００１２】
次に、別の実施例による熱交換器の構成について、図６を用いて説明する。
本実施例による熱交換器２ｂは、図５に示した熱交換器の構成に加えて、折り曲げられたフィン２２と円管２４の外周面とによって形成される隙間２５に、伝熱性の高い物質からなる部材、例えば、アルミ合金の粉末を含むペーストなどを充填したものである。このような熱交換器２ｂにおいては、隙間２５の熱抵抗が、伝熱性の高い物質により低減され、より確実な熱接触が得られるために熱交換性能が向上する。
【００１３】
さらに、別の実施例による熱交換器の構成について、図７を用いて説明する。
本実施例による熱交換器２ｃは、フィン付き管３１の複数のフィン３２間に、２本の円管３４、３５を螺旋状に巻き付けたものであり、フィン３２の一部を折り曲げることで、円管３４、３５とフィン付き管３１を固定したものである。さらに、円管３４と円管３５は分岐管（図示せず）により第二流体の流路を分岐し、第二流体が円管３４と円管３５のそれぞれの内部を並列に流れるように、すなわち第二流体の流路を２パスとするように構成されている。このような熱交換器２ｃにおいては、第二流体の圧力損失を低減でき、より熱交換性能が向上する。なお、本実施例では巻き付ける円管を２本とし、第二流体の流路を２パスとする構成として説明したが、さらに複数の円管を巻き付ける構成とし、第二流体の流路をさらに多パス化してもよい。
【００１４】
さらに、別の実施例による熱交換器の構成について、図８を用いて説明する。本実施例による熱交換器２ｄは、フィン付き管４１のフィン４２が、円管４４を折り曲げて固定する程、高くないものである。このような熱交換器２ｄにおいては、フィン４２により円管４４を固定することはできないものの、フィン４２の高さが低いためにフィン付き管４１の製造が比較的容易になり、製造コストが低減できる。さらに、フィン４２を、隣接する円管４４の隙間を埋めるような山形形状とすることにより、フィン付き管４１と円管４４との金属接触している面積が増大し、熱交換性能が向上する。
【００１５】
なお、以上説明した熱交換器において、フィン付き管２０、３１、４１のフィン２２、３２、４２は転造などの加工方法により、フィン付き管と同一素材、例えば、高い伝熱性を有するアルミ合金や銅で一体形成されていることが望ましい。また、フィン付き管２０、３１、４１の内部に、螺旋溝やコルゲートなどを形成し、伝熱面積の拡大や乱流の促進を図り、さらに熱交換器の性能を向上させてもよい。
【００１６】
さらに、別の実施例による熱交換器の構成について、図９から図１１を用いて説明する。
図９は、本実施例による熱交換器の、第一流体が流れるフィン付き管の要部外観斜視図、図１０は、同熱交換器のフィン付き管の外周に第二流体が流れる円管を配置させた状態を示す要部外観斜視図、図１１は、フィン付き管の外周に円管を配置させた状態を示す断面図である。
図９に示すように、フィン付き管５０は、筒状の管５１の外周に、所定高さのフィン５２が管軸方向に複数本並行に形成されている。本実施例の熱交換器２ｅにおいては、図１０、図１１に示すように、複数のフィン５２の間の空間５３に、円管５４をフィン付き管５０の管軸と並行に配置する。その後、図１１に示すように、押し出しや引き抜き加工を行うことなどにより、フィン付き管５０のフィン５２で円管５４を包み込むか、又は挟み込むように先端部を折り曲げることで、円管５４をフィン付き管５０の外周に固定し、円管５４とフィン付き管５０の熱接触を確保する。このような熱交換器２ｅにおいては、図４に示す構成の熱交換器２ａと同様の効果を有することに加え、フィン５２の高さが比較的低くても円管５４を固定できることやフィン５２を折り曲げるための押し出しや引き抜き加工が比較的容易なことから、製造コストを低減できる。さらに、図７に示す構成の熱交換器２ｃで説明したような第二流体流路の多パス化が容易にできるといったメリットも有する。
なお、フィン付き管５０のフィン５２は押し出しなどの加工方法によりフィン付き管と同一素材、例えば、高い伝熱性を有するアルミ合金や銅で一体形成されていることが望ましい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、円管をフィンを折り曲げたフィン付き管の外周に固定することにより、ろう付けが不要で、フィン付き管と円管の熱接触が確保できるために熱交換器の製造上のコストが低減でき、かつ、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、円管を少なくとも両側に位置するフィン面と管とに接触させることにより、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、円管をフィン付き管に螺旋状に巻き付けて構成したことにより、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、円管をフィン付き管に対し並行に配置して構成したことにより、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上するとともに、流路を多パス化しやすい。
また、本発明によれば、円管の内径をフィン付き管の内径よりも小さくしたことで、径の小さな管の方が加工を行いやすいため、円管をフィン付き管の外周に配置しやすい。
また、本発明によれば、耐圧を確保しやすい小径の円管の内部に圧力の高い第二流体を流すことで、熱交換器の耐圧向上にかかるコスト低減が可能である。
また、本発明によれば、耐圧を確保しやすい小径の円管の内部に伝熱特性が良好で、圧力の高い炭酸ガスを流すことで、熱交換器の耐圧向上にかかるコストを低減でき、熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、フィン付き管の外周面およびフィンと円管との間に形成される空間に熱伝達物質を充填することで、より確実な熱接触が得られ、熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、フィン付き管の外周に配置した円管を複数本とし、円管の内部を流れる第二流体の流路を多パス化することで、第二流体の圧力損失を低減でき、熱交換性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器を利用した給湯装置を示す構成図
【図２】本発明の一実施例による熱交換器の第一流体が流れるフィン付き管の要部外観斜視図
【図３】同実施例によるフィン付き管の外周に第二流体が流れる円管の一部を配置した状態を示す要部外観斜視図
【図４】同実施例によるフィン付き管の外周に円管を配置させた状態を示す要部断面図
【図５】同実施例による完成状態を示す要部断面図
【図６】他の実施例による熱交換器の要部断面図
【図７】他の実施例による熱交換器の要部断面図
【図８】他の実施例による熱交換器の要部断面図
【図９】他の実施例による熱交換器の、第一流体が流れるフィン付き管の要部外観斜視図
【図１０】同熱交換器のフィン付き管の外周に第二流体が流れる円管を配置させた状態を示す要部外観斜視図
【図１１】同熱交換器のフィン付き管の外周に円管を配置させた状態を示す断面図
【図１２】従来の熱交換器を示す要部外観斜視図
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 利用側熱交換器（給湯用熱交換器）
３ 減圧器
４ 熱源側熱交換器（室外熱交換器）
５ 給水ポンプ
６ 給湯タンク
１１、１２、２４、３４、３５、４４、５４ 円管
２０、３１、４１，５０ フィン付き管
２２、３２、４２、５２ フィン
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器に関し、特に、給湯装置における給湯用熱交換器として用いられる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、冷凍サイクル装置に用いられる利用側熱交換器２として、図１２に示すように、円管１１、および円管１１の外周に螺旋状に巻かれた円管１２からなり、円管１１の内部を第一流体（例えば、水）の流路とする一方、円管１２の内部を第二流体（例えば、冷媒）の流路とした熱交換器が採用されていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−２８０８６２号公報（第６−７頁、第５図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１２に示したような円管１１の外周に円管１２を螺旋状に巻いて構成した熱交換器では、円管１１と円管１２との熱接触を確実なものとするために、炉中ろう付けにより円管１１と円管１２を接合する必要がある。このために、高価なろう付け用の炉が必要となり、その設備投資を回収するために、熱交換器が高コスト化するといった課題が生じていた。
【０００５】
そこで、本発明は、炉中ろう付けを行わずに円管１１と円管１２との熱接触を確実なものとすることで、熱交換器の高性能化と低コスト化の両立を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の熱交換器は、管の外周にフィンを有するフィン付き管と、前記フィン付き管の外周に配置される円管とからなり、前記フィン付き管の内部を流れる第一流体と前記円管の内部を流れる第二流体との間で熱交換を行わせる熱交換器において、前記円管を、前記フィンを折り曲げて前記フィン付き管の外周に固定したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明の熱交換器は、管の外周にフィンを有するフィン付き管と、前記フィン付き管の外周に配置される円管とからなり、前記フィン付き管の内部を流れる第一流体と前記円管の内部を流れる第二流体との間で熱交換を行わせる熱交換器において、前記円管を前記フィン間の空間に配置し、前記円管を少なくとも両側に位置する前記フィン面と前記管とに接触させたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記円管を、前記フィン付き管に螺旋状に巻き付けたことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記円管を、前記フィン付き管の管軸と並行に配置したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記円管の内径を、前記フィン付き管の内径よりも小さくしたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記第二流体を、前記第一流体よりも動作圧力の高い流体としたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記第二流体を炭酸ガスとし、前記第一流体を水としたことを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記管と前記フィンと前記円管との間に形成される空間に、熱伝達物質を充填したことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項１又は請求項２に記載の熱交換器において、前記フィン付き管の外周に配置した円管を複数本とし、前記第二流体の流路を多パス化したことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明による第１の実施の形態は、円管を、フィンを折り曲げてフィン付き管の外周に固定したものである。本実施の形態によれば、ろう付けが不要で、フィン付き管と円管の熱接触を確保できるために熱交換器の製造上のコストが低減でき、かつ、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明による第２の実施の形態は、円管をフィン間の空間に配置し、円管を少なくとも両側に位置するフィン面と管とに接触させたものである。本実施の形態によれば、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明による第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管をフィン付き管に螺旋状に巻き付けて構成したものである。本実施の形態によれば、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明による第４の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管をフィン付き管に対し並行に配置して構成したものである。本実施の形態によれば、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上するとともに、流路を多パス化しやすい。
また、本発明による第５の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管の内径を、フィン付き管の内径よりも小さくしたものである。本実施の形態によれば、径の小さな管の方が加工を行いやすいため、円管をフィン付き管の外周に配置しやすい。
また、本発明による第６の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管の内部を流れる第二流体の動作圧力が、フィン付き管の内部を流れる第一流体の動作圧力より高くなるように構成したものである。本実施の形態によれば、耐圧を確保しやすい小径の円管の内部に圧力の高い第二流体を流すことで、熱交換器の耐圧向上にかかるコスト低減が可能である。
また、本発明による第７の実施の形態は、第１または第２の実施の形態において、円管の内部を流れる第二流体は炭酸ガスで、フィン付き管の内部を流れる第一流体は水として用いる熱交換器である。本実施の形態によれば、耐圧を確保しやすい小径の円管の内部に伝熱特性が良好で、圧力の高い炭酸ガスを流すことで、熱交換器の耐圧向上にかかるコストを低減でき、熱交換性能が向上する。
また、本発明による第８の実施の形態による熱交換器は、第１または第２の実施の形態において、フィン付き管の外周面およびフィンと円管との間の形成される空間に、熱伝達物質を充填したものである。本実施の形態によれば、より確実な熱接触が得られ、熱交換性能が向上する。
また、本発明による第９の実施の形態による熱交換器は、第１または第２の実施の形態において、フィン付き管の外周に配置した円管を複数本とし、円管の内部を流れる第二流体の流路を多パス化した熱交換器である。本実施の形態によれば、第二流体の圧力損失を低減でき、熱交換性能が向上する。
【０００８】
【実施例】
まず、本発明の熱交換器を用いる冷凍サイクル装置について説明する。
図１は、本発明の熱交換器を利用した給湯装置を示す構成図である。
図１に示すように、本実施例による給湯装置は、圧縮機１、給湯用熱交換器としての利用側熱交換器２、減圧器３、および外気を熱源とする熱源側熱交換器４からなる冷媒サイクルＡと、給水ポンプ５、利用側熱交換器２、および給湯タンク６からなる給湯サイクルＢとを備えている。冷媒サイクルＡは、冷媒として例えば炭酸ガス（二酸化炭素）を用い、圧縮機１では臨界圧力を越える圧力まで冷媒を圧縮して運転する。
圧縮機１から吐出された冷媒は、利用側熱交換器２において給水ポンプ５から供給される水を加熱し、加熱されたお湯は、給湯タンク６に貯められる。
【０００９】
次に、このような給湯装置に用いられる本発明の一実施例による熱交換器の構成について、図２から図５を用いて説明する。
図２から図５は本実施例による熱交換器の製造工程を示し、図２は第一流体が流れるフィン付き管の要部外観斜視図、図３はフィン付き管の外周に第二流体が流れる円管の一部を配置した状態を示す要部外観斜視図、図４はフィン付き管の外周に円管を配置させた状態を示す要部断面図、図５は完成状態を示す要部断面図である。
図２に示すように、一般的にはローフィンチューブやハイフィンチューブと呼ばれるフィン付き管２０は、筒状の管２１の外周に、所定高さのフィン２２が螺旋状に形成され、ほぼ等間隔に形成されたフィン２２の間には、螺旋状の空間２３が形成されている。
図３に示すように、円管２４は、フィン付き管２０のフィン２２間の空間２３に、螺旋状に巻き付けられる。そして図４に示すように、円管２４は、フィン付き管２０に巻き付けられた状態で、円管２４の外周面が管２１の外周面と両側に位置するフィン２２面とに当接するような外径で構成されている。
円管２４をフィン付き管２０に巻き付けた後に、図５に示すように、フィン付き管２０のフィン２２の一部を折り曲げることで熱交換器２ａが製作される。フィン２２の折り曲げは、中空の治具に挿入、又は押し出しや引き抜き加工により行う。フィン２２を、円管２４を包み込むように折り曲げ、フィン２２の折曲片によって円管２４をフィン付き管２０の外周に固定することで、円管２４とフィン付き管２０の熱接触を確保する。
本実施例による熱交換器２ａは、フィン付き管２０の内部を、例えば水等の第一流体の流路とし、円管２４の内部を、例えば炭酸ガスのような冷媒である第二流体の流路とする。なお、第一流体と第二流体とは対向流とする方が望ましい。
【００１０】
上記のように構成された熱交換器２ａにおいては、次のような効果が得られる。
まず、従来の熱交換器のような炉中ろう付けを行うことなく、フィン付き管２０と円管２４の熱接触を確保できるために、熱交換器２ａの製造上のコストを低減できる。また、従来の熱交換器では、円管１１の外周のみで円管１２と金属接触していたのに対し、本実施例の熱交換器２ａでは、フィン２２により円管２４を包み込むように固定しているため、金属接触面が増大し、より確実にフィン付き管２０と円管２４との熱接触が得られ、熱交換性能が向上する。
さらに、円管２４の内部を第一流体より動作圧力の高い第二流体の流路とし、フィン付き管２０の内部は、第二流体より動作圧力の低い第一流体の流路とすることにより、動作圧力の高い第二流体が流れる円管２４は耐圧を確保しやすい小径の管であることから、円管２４の耐圧を確保するために必要な肉厚の増加による原材料コストの上昇を、極力おさえることができ、熱交換器２ａの耐圧向上にかかるコストを低減できる。
【００１１】
次に、上述のように構成された熱交換器２ａを給湯装置に用いた場合の動作について説明する。
円管２４の内部は冷媒である炭酸ガスの流路とし、フィン付き管２０の内部は水の流路とする。この給湯装置においては、圧縮機１で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、本実施例の熱交換器である利用側熱交換器２ａの円管２４を通過する際に、フィン付き管２０の内部を流れる水に放熱し冷却される。すなわち、給湯タンク６の底部から給水ポンプ５によりフィン付き管２０の内部へ送り込まれた水は、円管２４の内部を流れる冷媒により加熱される。冷媒は、その後減圧器３により減圧されて、低温低圧の気液二相状態となる。そして、熱源側熱交換器４では、冷媒は空気によって冷却されて、気液二相またはガス状態となり、気液二相またはガス状態となった冷媒は、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器２ａのフィン付き管２０の内部を流れる水はお湯となり、そのお湯を給湯タンク６の頂部から貯めることで給湯器として利用できる。このように、炭酸ガスを冷媒として使用した給湯装置の利用側熱交換器として、本実施例の熱交換器２ａを用いると、他の冷媒より動作圧力の高い炭酸ガスを、耐圧を確保しやすい小径の円管２４の内部に流すことができ、熱交換器２ａの耐圧向上にかかるコストを低減でき、かつ、伝熱特性が良好な炭酸ガスを流すことで熱交換性能が向上する。
【００１２】
次に、別の実施例による熱交換器の構成について、図６を用いて説明する。
本実施例による熱交換器２ｂは、図５に示した熱交換器の構成に加えて、折り曲げられたフィン２２と円管２４の外周面とによって形成される隙間２５に、伝熱性の高い物質からなる部材、例えば、アルミ合金の粉末を含むペーストなどを充填したものである。このような熱交換器２ｂにおいては、隙間２５の熱抵抗が、伝熱性の高い物質により低減され、より確実な熱接触が得られるために熱交換性能が向上する。
【００１３】
さらに、別の実施例による熱交換器の構成について、図７を用いて説明する。
本実施例による熱交換器２ｃは、フィン付き管３１の複数のフィン３２間に、２本の円管３４、３５を螺旋状に巻き付けたものであり、フィン３２の一部を折り曲げることで、円管３４、３５とフィン付き管３１を固定したものである。さらに、円管３４と円管３５は分岐管（図示せず）により第二流体の流路を分岐し、第二流体が円管３４と円管３５のそれぞれの内部を並列に流れるように、すなわち第二流体の流路を２パスとするように構成されている。このような熱交換器２ｃにおいては、第二流体の圧力損失を低減でき、より熱交換性能が向上する。なお、本実施例では巻き付ける円管を２本とし、第二流体の流路を２パスとする構成として説明したが、さらに複数の円管を巻き付ける構成とし、第二流体の流路をさらに多パス化してもよい。
【００１４】
さらに、別の実施例による熱交換器の構成について、図８を用いて説明する。本実施例による熱交換器２ｄは、フィン付き管４１のフィン４２が、円管４４を折り曲げて固定する程、高くないものである。このような熱交換器２ｄにおいては、フィン４２により円管４４を固定することはできないものの、フィン４２の高さが低いためにフィン付き管４１の製造が比較的容易になり、製造コストが低減できる。さらに、フィン４２を、隣接する円管４４の隙間を埋めるような山形形状とすることにより、フィン付き管４１と円管４４との金属接触している面積が増大し、熱交換性能が向上する。
【００１５】
なお、以上説明した熱交換器において、フィン付き管２０、３１、４１のフィン２２、３２、４２は転造などの加工方法により、フィン付き管と同一素材、例えば、高い伝熱性を有するアルミ合金や銅で一体形成されていることが望ましい。また、フィン付き管２０、３１、４１の内部に、螺旋溝やコルゲートなどを形成し、伝熱面積の拡大や乱流の促進を図り、さらに熱交換器の性能を向上させてもよい。
【００１６】
さらに、別の実施例による熱交換器の構成について、図９から図１１を用いて説明する。
図９は、本実施例による熱交換器の、第一流体が流れるフィン付き管の要部外観斜視図、図１０は、同熱交換器のフィン付き管の外周に第二流体が流れる円管を配置させた状態を示す要部外観斜視図、図１１は、フィン付き管の外周に円管を配置させた状態を示す断面図である。
図９に示すように、フィン付き管５０は、筒状の管５１の外周に、所定高さのフィン５２が管軸方向に複数本並行に形成されている。本実施例の熱交換器２ｅにおいては、図１０、図１１に示すように、複数のフィン５２の間の空間５３に、円管５４をフィン付き管５０の管軸と並行に配置する。その後、図１１に示すように、押し出しや引き抜き加工を行うことなどにより、フィン付き管５０のフィン５２で円管５４を包み込むか、又は挟み込むように先端部を折り曲げることで、円管５４をフィン付き管５０の外周に固定し、円管５４とフィン付き管５０の熱接触を確保する。このような熱交換器２ｅにおいては、図４に示す構成の熱交換器２ａと同様の効果を有することに加え、フィン５２の高さが比較的低くても円管５４を固定できることやフィン５２を折り曲げるための押し出しや引き抜き加工が比較的容易なことから、製造コストを低減できる。さらに、図７に示す構成の熱交換器２ｃで説明したような第二流体流路の多パス化が容易にできるといったメリットも有する。
なお、フィン付き管５０のフィン５２は押し出しなどの加工方法によりフィン付き管と同一素材、例えば、高い伝熱性を有するアルミ合金や銅で一体形成されていることが望ましい。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によれば、円管をフィンを折り曲げたフィン付き管の外周に固定することにより、ろう付けが不要で、フィン付き管と円管の熱接触が確保できるために熱交換器の製造上のコストが低減でき、かつ、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、円管を少なくとも両側に位置するフィン面と管とに接触させることにより、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、円管をフィン付き管に螺旋状に巻き付けて構成したことにより、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、円管をフィン付き管に対し並行に配置して構成したことにより、フィン付き管と円管の接触面積増大により熱交換性能が向上するとともに、流路を多パス化しやすい。
また、本発明によれば、円管の内径をフィン付き管の内径よりも小さくしたことで、径の小さな管の方が加工を行いやすいため、円管をフィン付き管の外周に配置しやすい。
また、本発明によれば、耐圧を確保しやすい小径の円管の内部に圧力の高い第二流体を流すことで、熱交換器の耐圧向上にかかるコスト低減が可能である。
また、本発明によれば、耐圧を確保しやすい小径の円管の内部に伝熱特性が良好で、圧力の高い炭酸ガスを流すことで、熱交換器の耐圧向上にかかるコストを低減でき、熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、フィン付き管の外周面およびフィンと円管との間に形成される空間に熱伝達物質を充填することで、より確実な熱接触が得られ、熱交換性能が向上する。
また、本発明によれば、フィン付き管の外周に配置した円管を複数本とし、円管の内部を流れる第二流体の流路を多パス化することで、第二流体の圧力損失を低減でき、熱交換性能が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の熱交換器を利用した給湯装置を示す構成図
【図２】本発明の一実施例による熱交換器の第一流体が流れるフィン付き管の要部外観斜視図
【図３】同実施例によるフィン付き管の外周に第二流体が流れる円管の一部を配置した状態を示す要部外観斜視図
【図４】同実施例によるフィン付き管の外周に円管を配置させた状態を示す要部断面図
【図５】同実施例による完成状態を示す要部断面図
【図６】他の実施例による熱交換器の要部断面図
【図７】他の実施例による熱交換器の要部断面図
【図８】他の実施例による熱交換器の要部断面図
【図９】他の実施例による熱交換器の、第一流体が流れるフィン付き管の要部外観斜視図
【図１０】同熱交換器のフィン付き管の外周に第二流体が流れる円管を配置させた状態を示す要部外観斜視図
【図１１】同熱交換器のフィン付き管の外周に円管を配置させた状態を示す断面図
【図１２】従来の熱交換器を示す要部外観斜視図
【符号の説明】
１ 圧縮機
２ 利用側熱交換器（給湯用熱交換器）
３ 減圧器
４ 熱源側熱交換器（室外熱交換器）
５ 給水ポンプ
６ 給湯タンク
１１、１２、２４、３４、３５、４４、５４ 円管
２０、３１、４１，５０ フィン付き管
２２、３２、４２、５２ フィン
Claims (9)
- 管の外周にフィンを有するフィン付き管と、前記フィン付き管の外周に配置される円管とからなり、前記フィン付き管の内部を流れる第一流体と前記円管の内部を流れる第二流体との間で熱交換を行わせる熱交換器において、前記円管を、前記フィンを折り曲げて前記フィン付き管の外周に固定したことを特徴とする熱交換器。
- 管の外周にフィンを有するフィン付き管と、前記フィン付き管の外周に配置される円管とからなり、前記フィン付き管の内部を流れる第一流体と前記円管の内部を流れる第二流体との間で熱交換を行わせる熱交換器において、前記円管を前記フィン間の空間に配置し、前記円管を少なくとも両側に位置する前記フィン面と前記管とに接触させたことを特徴とする熱交換器。
- 前記円管を、前記フィン付き管に螺旋状に巻き付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
- 前記円管を、前記フィン付き管の管軸と並行に配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
- 前記円管の内径を、前記フィン付き管の内径よりも小さくしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
- 前記第二流体を、前記第一流体よりも動作圧力の高い流体としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
- 前記第二流体を炭酸ガスとし、前記第一流体を水としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
- 前記管と前記フィンと前記円管との間に形成される空間に、熱伝達物質を充填したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
- 前記フィン付き管の外周に配置した円管を複数本とし、前記第二流体の流路を多パス化したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
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