JP2006078002A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】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とともに、高温側のみ水道水のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、水の流速低下による熱伝達率の低下を極力抑制した熱交換器を提供する。
【解決手段】二酸化炭素が流通する流路３を複数本１列に配列した多穴管２と多穴管２の周方向間に配置した異型管４を放射状に交互に配置することにより、二酸化炭素からの熱を多穴管２全体から異型管４の管内を流れる水に伝熱することができ、さらに、水が流動する異型管４の流出側４ａの流路断面積を流入側４ｂの流路断面積より拡大することにより，高温となりカルシウムが析出しやすい流出側４ａの異型管４の管壁６に付着しても、水の流動を封止させず、流入側４ｂの流路断面積は拡大しないため、異型管４との熱伝達率を低下させない。
【選択図】図１

Description

本発明は空調、冷凍、冷蔵、給湯等の機器、特にヒートポンプ式の給湯機などにおいて、水等の流体と冷媒等の２つの流体が熱交換するための熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、冷媒が流通する一次側と、被加熱流体の水が流通する二次側とで熱交換する構成の熱交換器において、壁内を貫通する多数の冷媒流通孔を開設した円筒形の冷媒流通管をアルミ押出し加工等により形成し、通水管を冷媒流通管に挿通して拡管加工し、通水管の外周に冷媒流通管を接合した熱交換用二重管を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１３から図１４は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。図で示すように、熱交換器本体１００は、水が流動する通水管１０１と、通水管１０１の外周側に直径の小さい冷媒流通孔１０２を多数配設した円筒型の冷媒流通管１０３で構成し、通水管１０１は拡管加工により、冷媒流通管１０３に接合されている。

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。

通水管１０１の内部を水が、円筒型の冷媒流通管１０３の多数の冷媒流通孔１０２を冷媒が、それぞれ対向流で流れ、通水管１０１と冷媒流通管１０３の接合部において熱交換する。

ここで、冷媒流通管１０３の冷媒流通孔１０２の直径を小さいことで冷媒の熱伝達率を高くすることができ、さらに冷媒流通管１０３と通水管１０１の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。
特開２００２−２１３８８５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、冷媒流通管１０３の外側に熱が放出し、水熱交換器１００の熱交換性能を向上させるためには、冷媒流通管１０３の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課題を有していた。

また、水道水にカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分が含まれているため、加熱して水の温度が上昇すると、カルシウムの溶解度が低下して水に溶けていたカルシウムが析出する。

そして、析出したカルシウムが通水管１０１の内壁に付着すると、通水管１０１が詰まってしまい、熱交換器が機能しなくなる。これに対して、カルシウムが析出する通水管１０１の高温側のみ管径および円筒型の冷媒流通管１０３の内径を大きく設定する必要があるが、冷媒流通管１０３の管径を部分的に可変することは、押し出し加工では困難である。

従って、付着（析出）するカルシウム量を見込んで通水管１０１の管径、および冷媒流通管１０３の内径を全体で大きく設定する必要があるが、水の流速が小さくなり、水と通水管１０１の熱伝達率が小さくなり、熱交換効率が低下するという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、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とともに、高温側のみ水道水のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、水の流速低下による熱伝達率の低下を極力抑制した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、冷媒が流通する流路が複数本ある多穴管を放射状に複数個配設し、前記多穴管の周方向間に前記冷媒と対向して水が流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管の外壁と前記異型管の外壁が互いに接し、前記異型管の流出側の流路断面積を前記異型管の流入側の流路断面積より拡大している。

これによって、冷媒からの熱を多穴管のほぼ全体から多穴管に接する異型管内部を流れる水に伝熱することができ、冷媒の流路と水の流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得て熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にできると共に、水が流動する異型管の流出部の流路断面積のみを拡大することにより、多穴管の流路を冷媒が流動し水と熱交換して水が高温部となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し流出部の異型管の管壁に付着しても、水の流動を封止することがない。また、異型管の水の流入側の流路断面積は拡大しないため、水の流速を落とさず異型管との熱伝達率を低下させない。

本発明の熱交換器は、水が流動する管に複雑な製造工程が必要な漏洩検知手段を設けず、簡易な構造で高い熱交換効率を実現でき、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が図れると共に、水が流動する異型管のみの流出側の流路断面積を変えて、管壁にカルシウムが析出し付着しても水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらに流入部の水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させないので、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。

請求項１に記載の発明は、冷媒が流通する流路が複数本ある多穴管を放射状に複数個配設し、前記多穴管の周方向間に前記冷媒と対向して水が流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管の外壁と前記異型管の外壁が互いに接し、前記異型管の流出側の流路断面積を前記異型管の流入側の流路断面積より拡大することにより、簡易な構造で冷媒からの熱を多穴管のほぼ全体から多穴管に接する異型管内部を流れる水に伝熱することができ、冷媒の流路と水の流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得て熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にできると共に、水が流動する異型管の流出部の流路断面積のみを拡大することにより、水が高温となりカルシウムが析出しやすい流出側の異型管の管壁にカルシウムが付着しても水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらに異型管の流入部の水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させないので、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、冷媒が流通する管を複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、前記管群の周方向間に前記冷媒と対向して水が流通する異型管を複数個設置し、前記管の外壁と前記異型管の外壁が互いに接し、前記異型管の流出側の流路断面積を前記異型管の流入側の流路断面積より拡大することにより、冷媒が流通する流路を多穴管に比べ、量産が容易な丸管状にできることから、簡易でかつ、低コストな構造で冷媒の流路と水の流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得て熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にできると共に、水が流動する異型管の流出部の流路断面積のみを拡大することにより、水が高温となりカルシウムが析出しやすい流出側の異型管の管壁にカルシウムが付着しても水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらに異型管の流入部の水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させないので、熱交換器全体として熱伝達率の低下を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明の多穴管あるいは管群の各管の冷媒流入側と接する異型管の外壁を凸状面とし、相対する前記多穴管あるいは管群の外壁との接触を少なくすることにより、水が高温となる異型管の流出側の熱抵抗を増加させて異型管の流出側のみの部分的に熱交換性能を低下させカルシウムの付着を抑制し、異型管流出側の流路断面積の拡大を極力小さくして異型管の管壁にカルシウムが付着しても水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の冷媒流出側の放射状に複数個配設された多穴管あるいは管群と、前記多穴管あるいは管群の周方向の間に配置された複数個の異型管を、放射状の略中心を中心に捻ることにより、冷媒の流出側を密着かつ拘束することができ、溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束材等を無しで冷媒の流出側の熱交換性能を高くすることができ、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の放射状に複数個配設された多穴管あるいは管群と、前記多穴管あるいは管群の周方向の間に配置された複数個の異型管を放射状の略中心を中心に捻り、前記多穴管あるいは管群の冷媒流出側より冷媒流入側の捻りのピッチを大きくすることにより、冷媒の流出側では、多穴管あるいは管群と異型管の密着度が高く、かつ密着する多穴管あるいは管群の長さが放射状の略中心軸に対し長く、熱交換性能高くすることができ、冷媒の流入側では、多穴管あるいは管群と異型管を密着度が緩やかで拘束することができ、多穴管あるいは管群と異型管の接触による熱伝導を抑制して熱交換性能を部分的に低下させてカルシウムの付着を抑制し、熱交換器全体を溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束材等を無しで拘束でき、熱伝達率の低下を極力抑制することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明の冷媒を二酸化炭素とすることにより、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。

尚、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における熱交換器の管軸方向の正面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図４は同実施の形態の他の熱交換器の管群及び異型管の軸方向に垂直な断面図である。

図１から図３において、熱交換器１は、二酸化炭素が冷媒として流通する流路３を複数本１列に配列した多穴管２が、放射状に４個配設している。さらに多穴管２の周方向間に配置した異型管４があり、水が冷媒に対向して流通する。そして、多穴管２の外壁５と、異型管４の外壁６は熱的に直接伝導するように接している。多穴管２と異型管４は耐食性、熱伝導性の良い銅の引抜き加工品である。また、異型管４の流出側４ａの流路断面積が、流入側４ｂの流路断面積より拡大している。

また、図４において、二酸化炭素が冷媒として流通する管８を４本並列に並べた管群７があり、放射状に４個配設している。そして、管群８の管７の外壁７ａと、異型管４の外壁６は熱的に直接伝導するように接している。管７は丸管で、耐食性、熱伝導性の良い銅の引抜き加工品である。

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。

図１から図３において、多穴管２の複数の流路３の内部を二酸化炭素が、異型管４の内部を水が各々流体として対向して流れ、多穴管２の外壁５と、異型管４の外壁６を介して水と二酸化炭素が熱交換する。

ここで、二酸化炭素からの熱を多穴管２のほぼ外壁５全体から多穴管に接する異型管４の管内を流れる水に伝熱することができて、熱交換性能を高くすることができる。熱交換器１に取り付ける断熱材（図示せず）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。

さらに、水が流動する異型管４の流出側４ａの流路断面積を流入側４ｂの流路断面積より拡大することにより，多穴管２の流路３を二酸化炭素が流動し異型管４の水と熱交換して水が高温となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し流出部４ａの異型管４の管壁６に付着しても、水の流動を封止することがない。また、異型管４の水の流入側４ｂの流路断面積は拡大しないため、水の流速を落とさず異型管４との熱伝達率を低下させない。従って、熱交換器本体１全体として熱交換性能の低下を極力抑制することができる。

また、図４において、管群７の４本の管８の内部を二酸化炭素が、異型管４の内部を水が各々流体として対向して流れ、管８の外壁８ａと、異型管４の外壁６を介して水と二酸化炭素が熱交換する。

ここで、二酸化炭素からの熱を管群７の管８のほぼ全体から管群７に接する異型管４内部を流れる水に伝熱することができて、熱交換性能を高くすることができる。熱交換器１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、さらに、二酸化炭素が流通する流路を多穴管に比べ、量産が容易な丸管状にできる。

尚、本発明の実施の形態では、多穴管２、管８の管群７、及び水が流通する異型管４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。

尚、冷媒が流通する多穴管２、管８の管群７、及び水が流通する異型管４の材料は、通常は銅製だが、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミニウム合金等でも同様な効果を得られる。冷媒が流通する多穴管２、管８の管群７は、好ましくは熱伝導性の良い材料（例えば銅、アルミニウム）で作られ、異型管４は、好ましくは耐食性の良い材料（例えばステンレス）で作られたものがよい。

尚、本発明の実施の形態では、多穴管２、管８の内部を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、これに限らず、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等その他の高圧冷媒と水や、温度差を持つ同一流体間の熱交換に用いても同様な効果を得られる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の正面図である。図６は、図５のＣ−Ｃ断面図である。尚、上述の実施の形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５から図６において、異型管９は、多穴管２の二酸化炭素が流入する側２ａと接する外壁１０を凸状面とし、さらに凸状の外壁１０に合わせて異型管９の流出側９ａの内壁１１を多穴管２に接する側に凸状とすることで異型管９流出側９ａの流路断面積を拡大している。

以上のように構成された熱交換器１について、以下その動作、作用を説明する。

熱交換器１では、多穴管２の流路３を二酸化炭素が、異型管９の内部を水が各々流体として対向して流れ、多穴管２の外壁５と異型管９の外壁１０を介して水と二酸化炭素が熱交換する。

ここで、多穴管２の二酸化炭素の流入側２ａと接する異型管９の外壁１０を凸状面とし、相対する多穴管２の外壁５との接触を少なくすることにより、水が高温となる異型管９の流出側９ａの熱抵抗を増加させて異型管９の流出側９ａのみの熱交換性能を部分的に低下させカルシウムの付着を抑制でき、異型管９の流出側９ａの流路断面積の拡大を極力小さくして異型管９の内壁１１にカルシウムが付着しても水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における熱交換器の管軸方向の正面図である。図８は図７のＡ方向からの要部斜視図である。図９は図７のＢ方向からの要部斜視図である。尚、上述の実施の形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図７から図９において、二酸化炭素の流出する側２ｃの放射状に４個配設された多穴管２と、周方向の間に配置された４個の異型管４の流入側４ｃを、放射状の略中心を中心に捻っている。

以上のように構成された熱交換器１について、以下その動作、作用を説明する。

熱交換器１では、多穴管２の流路３を二酸化炭素が、異型管４の内部の水が各々流体として対向して流れ、多穴管２の外壁５と異型管４の外壁６を介して水と二酸化炭素が熱交換する。

ここで、多穴管２の二酸化炭素の流出側２ｃと異型管４の流入側４ｃを放射状略中心を中心に捻ることにより、多穴管２の流出側２ｃと異型管４の流入側４ｃを密着かつ拘束することができ、溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束材等が無くても多穴管２の二酸化炭素の流出側２ｃと異型管４の水の流入側４ｃの熱交換性能を高くすることができ、熱交換器１全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。

（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４における熱交換器の管軸方向の正面図である。図１１は図１０のＣ方向からの要部斜視図である。図１２は図１０のＤ方向からの要部斜視図である。尚、上述の実施の形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１０から図１２において、放射状に４個配設された多穴管２と、多穴管２の周方向の間に配置された４個の異型管４を放射状の略中心を中心に捻り、多穴管２の二酸化炭素の流出側２ｄでは捻りのピッチが小さく、流入側２ｅでは捻りのピッチを大きくしている。

以上のように構成された熱交換器１について、以下その動作、作用を説明する。

熱交換器１では、多穴管２の流路３を二酸化炭素が、異型管４の内部の水が各々流体として対向して流れ、多穴管２の外壁５と異型管４の外壁６を介して水と二酸化炭素が熱交換する。

ここで、多穴管２の二酸化炭素の流出側２ｄでは、捻りのピッチが小さいので多穴管２と異型管４の流入側４ｄの密着度が高く、かつ密着する多穴管２と異形管４の長さが放射状の略中心軸に対し長くなるので熱交換性能高くすることができ、多穴管２の二酸化炭素の流入側２ｅでは、多穴管２と異型管４の流出側４ｅの密着度が緩やかで拘束することができ、多穴管２と異型管４の接触による熱伝導を抑制して熱交換性能を部分的に低下させてカルシウムの付着を抑制できる。さらに、熱交換器１全体を溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束材等無しで拘束できる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、熱源となる多穴管あるいは管群のほぼ全体から、多穴管あるいは管群に接する異型管内部を流れる流体に伝熱することができて、熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にでき、製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が可能となり、かつ高温側のみ水道水のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、水の流速低下による熱伝達率の低下を極力抑制することが可能となり、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機との複合機機器、燃料電池を用いた給湯システムなどの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の管軸方向の正面図 図１のＡ−Ａ断面図 図１のＢ−Ｂ断面図 同実施の形態の他の熱交換器の管群及び異型管の軸方向に垂直な断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の正面図 図５のＣ−Ｃ断面図 本発明の実施の形態３における熱交換器の管軸方向の正面図 図７のＡ方向からの要部斜視図 図７のＢ方向からの要部斜視図 本発明の実施の形態４における熱交換器の管軸方向の正面図 図１０のＣ方向からの要部斜視図 図１０のＤ方向からの要部斜視図 従来の熱交換器の構造図 従来の他の熱交換器の構造図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 多穴管
２ａ、２ｅ 二酸化炭素の流入側
２ｃ、２ｄ 二酸化炭素の流出側
３ 流路
４、９ 異型管
４ａ、４ｅ、９ａ 流出側（異型管の）
４ｂ、４ｃ、４ｄ、９ｂ 流入側（異型管の）
５ 外壁（多穴管２の）
６ 外壁（異型管４の）
７ 管群
８ 管
１０ 凸状の外壁（異型管４の）

Claims (6)

1. 冷媒が流通する流路が複数本ある多穴管を放射状に複数個配設し、前記多穴管の周方向間に前記冷媒と対向して水が流通する異型管を複数個設置し、前記多穴管の外壁と前記異型管の外壁が互いに接し、前記異型管の流出側の流路断面積を前記異型管の流入側の流路断面積より拡大したことを特徴とした熱交換器。
2. 冷媒が流通する管を複数本並列に並べた管群を放射状に複数個配設し、前記管群の周方向間に前記冷媒と対向して水が流通する異型管を複数個設置し、前記管の外壁と前記異型管の外壁が互いに接し、前記異型管の流出側の流路断面積を前記異型管の流入側の流路断面積より拡大したことを特徴とした熱交換器。
3. 多穴管あるいは管群の各管の冷媒流入側と接する異型管の外壁を凸状面とし、相対する前記多穴管あるいは管群の外壁との接触を少なくしたことを特徴とした請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 冷媒流出側の放射状に複数個配設された多穴管あるいは管群と、前記多穴管あるいは管群の周方向の間に配置された複数個の異型管を、放射状の略中心を中心に捻ることを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 放射状に複数個配設された多穴管あるいは管群と、前記多穴管あるいは管群の周方向の間に配置された複数個の異型管を放射状の略中心を中心に捻り、前記多穴管あるいは管群の冷媒流出側より冷媒流入側の捻りのピッチを大きくしたことを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 冷媒を二酸化炭素としたことを特徴とした請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。

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