JP2005201536A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒と水とを熱交換する熱交換器に関するものであり、熱交換量を減らすことなくコンパクトな熱交換器を提供する。
【解決手段】流体Ａが流通する多穴管３ａと、流体Ｂが流通する断面が扁平形状の扁平管４ａを備え、前記多穴管３ａと前記扁平管４ａが直交するように重ね合わせたものであり、単位容積あたりの熱交換器の不要な空間が小さくなるので、熱交換器の体積を小さくすることができ熱交換量を減らすことがなくコンパクトな熱交換器を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒と水とを熱交換する熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器は、冷媒が流通する第１の管と水が流通する第２の管を平行に列設したもの（例えば特許文献１参照）がある。

以下、図面を参照しながら上記従来の熱交換器を説明する。

図９は従来の熱交換器の概略構成図である。図９に示すように従来の熱交換器は、冷媒が流通し複数の小流路を備えた扁平形状の第１の管９１と、水が流通し第１の管と扁平部でメカニカルに熱接触した扁平形状の第２の管９２とをコイル状に巻いた構成となっている。

以上そ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。

高温加圧された冷媒は、第１の管９１内の複数の小流路に分岐され循環しており、冷媒の熱は第１の管９１より熱接触している第２の管９２に熱伝導する。第２の管９２には水が循環しており、第２の管９２の熱は水に伝わり、水が加熱される。ここで、第１の管９１と第２の管９２をコイル状に巻くことで、第２の管９２は第１の管９１に挟まれ、上下の扁平面より冷媒の熱を吸収することができる。
特開２００２−１０７０６９号公報

しかしながら、上記従来の構成は、管をコイル状に巻くために、管のない不要な空間ができ、熱交換器の体積が大きくなるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の問題を解決するもので、熱交換量を減らすことなくコンパクトな熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、流体Ａが流通する第１の管（丸管や多穴管や異型管など総じて第１の管と称する）と、流体Ｂが流通する断面が扁平形状の第２の管を備え、前記第１の管と前記第２の管が直交するように重ね合わせたとしたものである。

これによって、単位容積あたりの熱交換器の不要な空間が小さくなる。

また、本発明の熱交換器は、第１の管と第２の管とを多層に積み重ねるように配置したものである。

これによって、水平方向に不要な空間を形成することなく第２の管の扁平部を第１の管で挟み込める。

また、本発明の熱交換器は、蛇行形状の第１の管と第２の管を重ね合わせて配置したものである。

これによって、垂直方向に形成される不要な空間が小さくなる。

また、本発明の熱交換器は、流体Ａが流通する複数の管からなる第１の管の全周を第２の管で挟んだものである。

これによって、第１の管表面全体が第２の管と接すると同時に、第２の管内部の凹凸により流体Ｂが乱される。

また、本発明の熱交換器は、流体Ａが流通する複数の第３の管と前記第３の管を拘束する拘束部材とからなる第４の管と、流体Ｂが流通する第２の管を備え、第４の管と第２の管が平行になるように第４の管と第２の管を重ね合わせたものである。

これによって、第４の管と第２の管の接触面積が増えるとともに、拘束部材と第３の管を違う材料で構成することとなる。

本発明の熱交換器は、流体Ａが流通する第１の管と、流体Ｂが流通する断面が扁平形状の第２の管を備え、前記第１の管と前記第２の管が直交するように重ね合わせたもので、熱交換器の体積を小さくすることができる。

また、本発明の熱交換器は、第１の管と第２の管とを多層に積み重ねることで、幅方向にコンパクトで熱交換量の大きい熱交換器を提供することができる。

また、本発明の熱交換器は、蛇行形状の第１の管と第２の管を重ね合わせて配置することで、熱交換器を薄型にすることができる。

また、本発明の熱交換器は、流体Ａが流通する複数の管からなる第１の管の全周を第２の管で挟むことで、第１の管から第２の管への熱伝導が多くなるとともに、第２の管から流体Ｂへの熱伝達が促進され、熱交換量を増やすことができる。

また、本発明の熱交換器は、流体Ａが流通する複数の第３の管と前記第３の管を拘束する拘束部材とからなる第４の管と、流体Ｂが流通する第２の管を備え、第４の管と第２の管が平行になるように第４の管と第２の管を重ね合わせることで、第４の管をアルミニウムのみのものより薄型で軽量にすることができる。

請求項１に記載の発明は、流体Ａが流通する第１の管（丸管や多穴管や異型管など総じて第１の管と称する）と、流体Ｂが流通する断面が扁平形状の第２の管を備え、前記第１の管と前記第２の管が直交するように重ね合わせたものであり、単位容積あたりの熱交換器の不要な空間が小さくなるので、熱交換器の体積を小さくすることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、第１の管と第２の管とを多層に積み重ねるように配置したものであり、水平方向に不要な空間を形成することなく第２の管の扁平部を第１の管で挟み込めるので、幅方向にコンパクトで熱交換量の大きい熱交換器を提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明に加えて、蛇行形状の第１の管と第２の管を重ね合わせて配置したものであり、垂直方向に形成される不要な空間が小さくなり、熱交換器を薄型にすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３に記載の発明において、流体Ａが流通する複数の管からなる第１の管の全周を第２の管で挟んだものであり、第１の管表面全体が第２の管と接すると同時に、第２の管内面の凹凸により流体Ｂが乱されるので、第１の管から第２の管への熱伝導が多くなるとともに、第２の管から流体Ｂへの熱伝達が促進され、熱交換量を増やすことができる。

請求項５に記載の発明は、流体Ａが流通する複数の第３の管と前記第３の管を拘束する拘束部材とからなる第４の管と、流体Ｂが流通する第２の管を備え、第４の管と第２の管が平行になるように第４の管と第２の管を重ね合わせたものであり、第４の管と第２の管の接触面積が増えるので、熱交換量を増やすことができ、また、第３の管を溝付き形状など成形しやすく熱伝導性の良い銅など、拘束部材を軽くて熱伝導性の良いアルミニウムなどというように、拘束部材と第３の管を違う材料で構成することができるので、第４の管をアルミニウムのみのものより薄型で軽量にすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、拘束部材を良熱伝導性材料としたものであり、第３の管と第２の管の熱伝導性が向上するので、流体Ａと流体Ｂの熱交換量を増やすことができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６に記載の発明において、第２の管内に乱流促進材を設けたものであり、第２の管内の流体Ｂの流れを乱すので、第２の管と流体Ｂ間の熱伝達率が向上し熱交換量を多くすることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７に記載の発明において、第１の管または第３の管が内面溝付き管としたものであり、流体Ａと第１の管の接触面積が増えるので、熱交換量を増やすことができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８に記載の発明において、熱交換器外周を覆う断熱材を真空断熱材としたものであり、厚さが薄くても外気への熱移動を防ぐことができるので、断熱材を薄くすることができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１から９に記載の発明において、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水としたものであり、ヒートポンプ給湯機用の水・熱交換器として使用できるので、高いヒートポンプ効果を得ることで所定の能力に必要な管長を短くでき、サイズダウンすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による熱交換器の要部断面図である。図２は熱交換器の斜視断面図である。図３は図１に乱流促進材を設けた熱交換器の要部断面図である。図４は図１に真空断熱材を設けた熱交換器の要部断面図である。図５は他の実施例の熱交換器の要部断面図である。

図１において、熱交換器１ａは、二酸化炭素が流通する複数の流路２ａを備えた扁平形状の多穴管３ａと、水が流通し断面が扁平形状の扁平管４ａより構成されており、多穴管３ａと扁平管４ａの扁平部は多穴管３ａと扁平管４ａが直交するように接合されている。

図２において、多穴管３ａと扁平管４ａは、交互に垂直方向に折り重なるように蛇行形状に曲げられており、多穴管３ａと扁平管４ａの扁平部は多穴管３ａと扁平管４ａが直交になるよう多層に重ねて接合されている。

図３において、多穴管３ａと扁平管４ａが直交になるように重ねられた熱交換器の扁平管４ａ内部には乱流促進材５が設けられている。

図４において、多穴管３ａと扁平管４ａが直交になるように重ねられた熱交換器１ａの外周は真空断熱材６で覆われている。

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。

多穴管３ａに設けられた流路２ａには、高温加圧された二酸化炭素が循環しており、流路２ａに高温の二酸化炭素が流れることにより、多穴管３ａは加熱される。多穴管３ａに伝わった熱は、扁平管４ａとの接触面より扁平管４ａに伝わり、扁平管４ａが加熱される。扁平管４ａには低温の水が循環しており、扁平管４ａが加熱されることにより、扁平管４ａ内を循環している水が加熱される。

ここで、多穴管３ａと扁平管４ａが直交して折り重なるように垂直方向に蛇行形状に曲げられた場合、多穴管３ａと扁平管４ａは水平方向に不要な空間を形成することなく扁平管４ａの扁平部を多穴管３ａで挟み込むように配置される。

ここで、扁平管４ａ内に板をねじって形成された乱流促進材５を設けると、扁平管４ａ内の流れは乱流促進材５によって乱されながら循環する。また、熱交換器１ａ外周に巻く断熱材を真空断熱材６にすると、薄肉の断熱材で熱の放出を防ぐことができる。なお、多穴管３ａを内面溝付き管にした場合、内面の凹凸によって二酸化炭素と多穴管３ａの接触面積が増える。

なお、図５で示すように多穴管３ａを複数の管７ａとした場合でも同様の効果が得られる。

また、本発明では、流体Ａを二酸化炭素、流体Ｂを水としたが、流体Ａ，Ｂともこれに限定するものではない。

以上のように実施の形態１の熱交換器においては、流体Ａが流通する多穴管３ａまたは管７ａと、流体Ｂが流通する断面が扁平形状の扁平管４ａを備え、多穴管３ａまたは管７ａと扁平管４ａが直交するように重ね合わせたものであり、単位容積あたりの熱交換器１ａの不要な空間が小さくなるので、熱交換器１ａの体積を小さくすることができる。

また、本実施の形態の熱交換器は、多穴管３ａと扁平管４ａとを多層に積み重ねるように配置したものであり、水平方向に不要な空間を形成することなく扁平管４ａの扁平部を多穴管３ａで挟み込めるので、幅方向にコンパクトで熱交換量の大きい熱交換器１ａを提供することができる。

また、本実施の形態の熱交換器は、扁平管４ａ内に乱流促進材５を設けたものであり、扁平管４ａ内の流体Ｂの流れを乱すので、扁平管４ａと流体Ｂ間の熱伝達率が向上し熱交換量を多くすることができる。

なお、本実施の形態の熱交換器は、多穴管３ａまたは管７ａを内面溝付き管とすることにより、流体Ａと多穴管３ａまたは管７ａの接触面積が増えるので、熱交換量を増やすことができる。

また、本実施の形態の熱交換器は、熱交換器外周を覆う断熱材を真空断熱材６としたものであり、厚さが薄くても外気への熱移動を防ぐことができるので、断熱材を薄くすることができる。

また、本実施の形態の熱交換器は、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水としたものであり、ヒートポンプ給湯機用の水・熱交換器として使用できるので、高いヒートポンプ効果を得ることで所定の能力に必要な管長を短くでき、サイズダウンすることができる。

（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２による熱交換器の斜視図である。

図６において、多穴管３ｂと扁平管４ｂは、水平になるように蛇行状に曲げられており、多穴管３ｂと扁平管４ｂの扁平部は多穴管３ｂと扁平管４ｂが直交になるように重ねられて接合されている。

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。

多穴管３ｂに設けられた流路２ｂには、高温加圧された二酸化炭素が循環しており、流路２ｂに高温の二酸化炭素が流れることにより、多穴管３ｂは加熱される。多穴管３ｂに伝わった熱は、扁平管４ｂとの接触面より扁平管４ｂに伝わり、扁平管４ｂが加熱される。扁平管４ｂには低温の水が循環しており、扁平管４ｂが加熱されることにより、扁平管４ｂ内を循環している水が加熱される。ここで、多穴管３ｂと扁平管４ｂを水平になるように蛇行状に曲げ、多穴管３ｂと扁平管４ｂが直交するように重ねて接合されているので、垂直方向に形成される不要な空間が小さくなる。また多穴管３ｂと扁平管４ｂを複数本重ねると、伝熱面積をさらに増やすことができる。

なお、本発明では、流体Ａを二酸化炭素、流体Ｂを水としたが、流体Ａ，Ｂともこれに限定するものではない。

以上のように本実施の形態２の熱交換器は、蛇行形状の多穴管３ｂと扁平管４ｂを重ね合わせて配置したものであり、垂直方向に形成される不要な空間が小さくなり、熱交換器１ｂを薄型にすることができ、さらに多穴管３ｂと扁平管４ｂを複数本重ねると、伝熱面積をさらに増やすことができるので、熱交換量を増やすことができる。

なお、乱流促進材、内面溝付き管、真空断熱材を設けることにより実施の形態１と同様に熱交換量の増加が図れる。

（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３による熱交換器の要部断面図である。

図７において、熱交換器１ｃは、二酸化炭素が流通する複数の管７ｃと、水が流通し断面形状が扁平形状である扁平管４ｃより構成されており、扁平管４ｃの扁平部には、管７ｃを扁平管４ｃで挟み込んだ時、管７ｃ全周が扁平管４ｃと密着するよう凹凸が設けらており、扁平管４ｃは肉厚が薄く均一であるため、この凹凸は水が流通する内面にも形成される。

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。

管７ｃには、高温加圧された二酸化炭素が循環しており、管７ｃに高温の二酸化炭素が流れることにより、管７ｃは加熱される。管７ｃに伝わった熱は、管７ｃ全周に接している扁平管４ｃに伝わり、扁平管４ｃが加熱される。扁平管４ｃには低温の水が内面の凹凸により流れが乱されながら循環しており、扁平管４ｃが加熱されることにより、扁平管４ｃ内を循環している水が加熱される。

なお、本発明では、流体Ａを二酸化炭素、流体Ｂを水としたが、流体Ａ，Ｂともこれに限定するものではない。

以上のように本実施の形態３の熱交換器は、流体Ａが流通する複数の管７ｃの全周を扁平管４で挟んだものであり、管７ｃ表面全体が扁平管４ｃと接すると同時に、扁平管４ｃ内面の凹凸により流体Ｂが乱されるので、管７ｃから扁平管４ｃへの熱伝導が多くなるとともに、扁平管４ｃから流体Ｂへの熱伝達が促進され、熱交換量が増える。

なお、内面溝付き管、真空断熱材を設けることにより実施の形態１と同様に熱交換量の増加が図れる。

（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４による熱交換器の斜視図である。

図８において、熱交換器１ｄは二酸化炭素が流通する複数の第３の管８と、第３の管８を拘束するアルミニウムなどの良熱伝導性材料で作成された拘束部材９とからなる蛇行形状の第４の管１０と、水が流通する断面が扁平形状で蛇行形状の扁平管４ｄより構成され、扁平管４ｄの扁平部に第４の管１０が平行になるように第４の管１０を重ねて接合されている。

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。

第４の管１０に配置された複数の第３の管８には、高温加圧された二酸化炭素が循環しており、第３の管８に高温の二酸化炭素が流れることにより、第３の管８よりアルミニウムなどの良熱伝導性材料で構成された拘束部材９に熱が伝わり、拘束部材９が加熱される。加熱された拘束部材９の熱は接している扁平管４ｄの扁平部に伝わり、扁平管４ｄを加熱する。扁平管４ｄには、低温の水が流れており、扁平管４ｄが加熱されることにより、水が加熱される。ここで、第４の管１０と扁平管４ｄは、複数本重ねて伝熱面積を増やすこともできる。また、第３の管８と拘束部材９は別構成であるので、第３の管８を溝付き形状にしやすい銅など、拘束部材９を熱伝導性の良いアルミニウムなどというように、拘束部材９と第３の管８を違う材料で構成することができる。

なお、本発明では、流体Ａを二酸化炭素、流体Ｂを水としたが、流体Ａ，Ｂともこれに限定するものではない。また、良熱伝導性材料をアルミニウムなどとしたが、これに限定するものではない。

以上のように実施の形態２の熱交換器は、流体Ａが流通する複数の第３の管８と第３の管８を拘束する拘束部材９とからなる第４の管１０と、流体Ｂが流通する扁平管４ｄを備え、第４の管１０と扁平管４ｄが平行になるように第４の管１０と扁平管４ｄを重ね合わせたものであり、第４の管１０と扁平管４ｄの接触面積が増えるので、熱交換量を増やすことができる。また、第３の管８を溝付き形状など成形しやすくて熱伝導性の良い銅など、拘束部材９を軽くて熱伝導性の良いアルミニウムなどというように、拘束部材９と第３の管８を違う材料で構成することができるので、第４の管１０をアルミニウムのみのものより薄型で軽量にすることができる。

また、本実施の形態の熱交換器は、拘束部材９を良熱伝導性材料としたものであり、第３の管８と扁平管４ｄの熱伝導性が向上するので、流体Ａと流体Ｂの熱交換量を増やすことができる。

なお、乱流促進材、内面溝付き管、真空断熱材を設けることにより実施の形態１と同様に熱交換量の増加が図れる。

以上のように本発明にかかる熱交換器は、単位容積あたりの不要な空間が小さくすることで熱交換器の体積を小さくすることが可能となるので、冷媒・冷媒の熱交換器等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１による熱交換器の要部断面図 同実施の形態の熱交換器の斜視断面図 同実施の形態の図１に乱流促進材を設けた熱交換器の要部断面図 同実施の形態の図１に真空断熱材を設けた熱交換器の要部断面図 同実施の形態の他の実施例の熱交換器の要部断面図 本発明の実施の形態２による熱交換器の斜視図 本発明の実施の形態３による熱交換器の要部断面図 本発明の実施の形態４による熱交換器の斜視図 従来の熱交換器の概略構成図

符号の説明

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 熱交換器
３ａ，３ｂ 多穴管
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 扁平管
５ 乱流促進材
６ 真空断熱材
７ａ，７ｃ 管
８ 第３の管
９ 拘束部材
１０ 第４の管

Claims (10)

1. 流体Ａが流通する第１の管と、流体Ｂが流通する断面が扁平形状の第２の管を備え、前記第１の管と前記第２の管が直交するように重ね合わせた熱交換器。
2. 第１の管と第２の管とを交互に多層に積み重ねるように配置した請求項１に記載の熱交換器。
3. 蛇行形状の第１の管と第２の管を重ね合わせて配置した請求項１に記載の熱交換器。
4. 流体Ａが流通する複数の管からなる第１の管の全周を第２の管で挟んだ請求項１から３いずれか一項に記載の熱交換器。
5. 流体Ａが流通する複数の第３の管と前記第３の管を拘束する拘束部材とからなる第４の管と、流体Ｂが流通する第２の管を備え、第４の管と第２の管が平行になるように第４の管と第２の管を重ね合わせた熱交換器。
6. 拘束部材を良熱伝導性材料とした請求項５に記載の熱交換器。
7. 第２の管内に乱流促進材を設けた請求項１から６いずれか一項に記載の熱交換器。
8. 第１の管または第３の管が内面溝付き管である請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。
9. 熱交換器外周を覆う断熱材を真空断熱材とした請求項１から８いずれか一項に記載の熱交換器。
10. 流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とした請求項１から９いずれか一項に記載の熱交換器。

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