JP2006078062A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器1Xは三重管1からなり、三重管1は、内管とほぼ同軸で内部に内管2を備えた中管3と、中管3とほぼ同軸で内部に中管3を備えた外管4とからなり、
三重管1で、中管3のみ円管の内外両壁に連続した凹凸5、突起6を設けた異型な管とすることにより、中管3は内管2に部分的に密着する連続した凹凸5を持って内管2との間に小溝7を形成するとともに、外管4に密着する突起6を持って外管4との間に複数の流路8を形成して、漏洩検知構造となる複数の小溝7と、複数の流路8を形成することができるので、流体間で十分な伝熱面積を確保して高い熱交換効率を得ながら、小溝7と流路8を形成するのに必要な、単価高な異型な管の本数を一本としたことで、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。
【選択図】図1
【解決手段】熱交換器1Xは三重管1からなり、三重管1は、内管とほぼ同軸で内部に内管2を備えた中管3と、中管3とほぼ同軸で内部に中管3を備えた外管4とからなり、
三重管1で、中管3のみ円管の内外両壁に連続した凹凸5、突起6を設けた異型な管とすることにより、中管3は内管2に部分的に密着する連続した凹凸5を持って内管2との間に小溝7を形成するとともに、外管4に密着する突起6を持って外管4との間に複数の流路8を形成して、漏洩検知構造となる複数の小溝7と、複数の流路8を形成することができるので、流体間で十分な伝熱面積を確保して高い熱交換効率を得ながら、小溝7と流路8を形成するのに必要な、単価高な異型な管の本数を一本としたことで、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。
【選択図】図1
Description
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、液体と冷媒との熱交換器に関するものである。
近年、地球環境への意識が高まる中、給湯機市場では、自然冷媒の二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機が発売された。二酸化炭素の高温高圧、超臨界となる冷媒特性から、給湯用熱交換器は従来と異なる種々の形態が提案、採用されている。また、給湯用熱交換器は、管が腐食した場合でも、水と冷媒が混ざらない構造が必要である。
以下、図面を参照しながら、従来の二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機用の水熱交換器を説明する。
図7は特許文献1に記載された従来の熱交換器の概略構成図である。図7に示すように、従来の熱交換器100は、内部に水が流動する銅製の扁平管101と、アルミニウム製の内部にCO2冷媒が流動する扁平多穴管102を備え、扁平管101と扁平多穴管102との扁平面を合わせて螺旋状に巻いた構成で、扁平多穴管102により、高圧なCO2冷媒に対して耐圧強度を確保しつつ、冷媒管の寸法増大を抑えた熱交換器である。
以上のように構成された上記の熱交換器について、以下その動作を説明する。
通常、扁平管101と管102、または、扁平管101と扁平多穴管102は、熱の授受を行い、高温の冷媒からの熱で低温の水を加温する。また、どちらか一方が腐食して穴が空いた場合でも、冷媒管と水管を独立した管で構成したことにより、水に異物が混入せず、漏洩を検知できる構造となっている。
特開2002−107069号公報
しかしながら、上記従来の熱交換器100の構成では、扁平管101と扁平多穴管102を交互に重ねているため、熱交換効率を高めようとすると、巻き数を増やして伝熱面積を大きくしたり、扁平管101と扁平多穴管102との扁平面の接触面の熱抵抗を低減するため、外圧をかけて圧着する必要があり、小型化にも限界があるという課題があった。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する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、内部に流体Aが流動する内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた中管と、前記中管とほぼ同軸で内部に前記中管を備え、前記中管との間に流体Bが流動する外管とからなる三重管であって、前記中管は、前記内管に部分的に密着する内壁と、前記外管に部分的に密着する外壁を持つものである。
これによって、三本の管を一体とした三重管とすることで、流体Aと流体Bとの間の熱抵抗も低く、十分な伝熱面積を確保できる。さらに、中管を内外両壁とも異型な管とすることで、内管との間に小溝、外管との間に流体Bの複数の流路を形成して、三重管の中の異型管本数は最小の一本で、小溝と流体Bの流路の両方を得て、内管または中管が腐食した場合、腐食の進行が流体Aまたは流体Bの夫々の流路に達する前に、腐食した管側の管内流体が小溝から漏洩して、漏洩を検知することができる。また、流体Bの流路を確保し、加えて、流体直径を小さくして流体Bの熱伝達率を高くし、熱交換効率を高めることができる。
本発明の熱交換器は、流体Aと流体Bとの間の熱抵抗も低く、十分な伝熱面積を確保して、高い熱交換効率を得ることができる。また、漏洩知構造となる小溝と流体Bの流路の両方を一本の異型管で得て、単価高な異型管を最小本数とできるので、異型管によるコスト増大を最小限に抑制することができる。従って、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。
請求項1に記載の発明は、内部に流体Aが流動する内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた中管と、前記中管とほぼ同軸で内部に前記中管を備え、前記中管との間に流体Bが流動する外管とからなる三重管であって、前記中管は、前記内管に部分的に密着する内壁と、前記外管に部分的に密着する外壁を持つものである。これによって、流体Aと流体Bとの間の熱抵抗も低く、十分な伝熱面積を確保して、高い熱交換効率を得ることができる。さらに、中管を内外両壁とも異型な管とすることで、内管との間に小溝、外管との間に流体Bの複数の流路を形成して、異型管は最小本数の一本で、小溝と流体Bの流路の両方を得る。小溝は、内管または中管が腐食した場合、腐食の進行が流体Aまたは流体Bの夫々の流路に達する前に、腐食した管側の管内流体が漏洩する漏洩検知構造となり、また、中管の外管に部分的に密着する外壁が、流体Bの流路を確保し、加えて、流体直径を小さくして流体Bの熱伝達率を高くし、熱交換効率を高めることができる。さらに、単価高な異型管を最小本数にすることで、異型管によるコスト増大を抑制することができる。従って、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記中管は、内壁に連続した凹凸と外壁に突起を有するものであり、これによって、内壁の連続した凹凸が内管と密着することで、内管の外周に万遍なく漏洩検知構造となる小溝を形成しつつ、部分的に密着して内管と中管との間で高い熱伝導を実現することができる。また、外壁の突起が外管と密着することで、流体Bの流路を形成して流体Bの流路を確保することができる。従って、熱交換効率が高く、確実に漏洩を検知できる構造を有する熱交換器を得る。
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の発明において、前記中管は、略均一な管肉厚の凹部と凸部が交互に連続した周壁を有するものであり、周壁の凹部が内管と密着することで小溝を形成して漏洩検知構造を得ることができ、周壁の凸部が外管と密着することで流体Bの流路を形成して、流体Bの流路を確保することができる。また、中管の管肉厚は略均一で肉厚に偏った部分がないため、余分な管肉厚がなく、中管を軽量化することができる。
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において、前記内管の外壁において、前記中管の内壁の密着部が非密着部より大きいものであり、これによって、中管と内管との接触面の熱抵抗を小さくして、内管と中管との間で高い熱伝導を実現することができる。
請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれか一項に記載の発明において、前記中管の前記内管に部分的に密着する内壁は、管軸方向に対して略平行に延びるものである。これによって、管の腐食時、中管と内管との間に形成される小溝を通って漏洩する流体Aまたは流体Bの、管軸方向に対して略平行でない方向の流動摩擦を、螺旋状溝などに比して、極力小さく抑えて漏洩し易くして、漏洩を検知し易くすることができる。
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において、前記流体Aを水、前記流体Bを二酸化炭素とするものであり、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。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における熱交換器の要部斜視図、図2は、同実施の形態における熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図、図3は、同実施の形態における熱交換器の管軸方向の断面図である。図4は、同実施の形態における他の熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図である。
図1は、本発明の実施の形態1における熱交換器の要部斜視図、図2は、同実施の形態における熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図、図3は、同実施の形態における熱交換器の管軸方向の断面図である。図4は、同実施の形態における他の熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図である。
図1から図3において、熱交換器1Xは三重管1からなり、三重管1は、内部に水が流動する内管2と、内管2とほぼ同軸で内部に内管2を備えた中管3と、中管3とほぼ同軸で内部に中管3を備え、中管3との間に二酸化炭素が冷媒として流動する外管4とからなる。内管2と外管4は円管である。中管3は、内管2に部分的に密着する連続した小さな凹凸5を持った内壁3aと、外管4に密着する突起6を持った外壁3bを有する。連続した凹凸5が内管2に密着して複数の小溝7を形成するとともに、突起6が外管4に密着して外管4との間に二酸化炭素が流動する複数の流路8を形成する。ここで、内管2の外壁2bにおける中管3の内壁3aの密着部は非密着部より大きい。三重管1の管端にキャップ9を取り付けて、内管2と中管3を貫通させ、外管4の管端を閉塞する。キャップ9内の溝10が二酸化炭素の出入口となる。小溝7は、管軸方向に対して略平行に、キャップ9の外側まで延びている。内管2、中管3、外管4は耐食性、熱伝導性の良い銅製である。
以上のように構成された熱交換器1Xについて、以下その動作を説明する。
三重管1の内管2の内部を水が、中管3と外管4との間の複数の流路6に二酸化炭素が対向して流れ、部分的に密着した内管2と中管3の管壁を介して、水と二酸化炭素が熱交換する。
以上のように本実施の形態の熱交換器1Xは、三本の管を一体とした三重管1とすることにより、流体Aと流体Bとの間の熱抵抗も低く、十分な伝熱面積を確保して、高い熱交換効率を得ることができる。
さらに、中管3の内壁3aの連続した凹凸5が内管2に密着して内管2の外周に万遍なく複数の小溝7を形成しつつ、部分的に密着して内管2と中管3との間で高い熱伝導を実現することができ、外壁3bの突起6が外管4に密着して外管4との間に二酸化炭素が流動する複数の流路8を形成して、三重管1のうち、単価高な異型管は最小本数の一本で、小溝7と二酸化炭素の流路8の両方を得ることができる。異型管によるコスト増大を最小限に抑制することができる。また、内管2の外壁2aにおける中管3の内壁3aの密着部は非密着部より大きくすることにより、内管2と中管3との接触面の熱抵抗を小さくして、高い熱伝導を実現できる。水などで内管2が腐食した場合、小溝7から水がキャップ9の外側まで漏洩して、漏洩を検知できる。さらに、小溝7は管軸方向に対して略平行に延びていることにより、小溝7を通る水の、管軸方向に対して略平行でない方向の流動摩擦を極力小さく抑えて漏洩し易くし、漏洩を検知し易くしている。また、突起6が三重管1の変形や潰れ等を防いで、二酸化炭素の流路8を確保することができる。加えて、流路8の流体直径を小さくして、二酸化炭素の熱伝達率を高くし、熱交換効率を高めることができる。従って、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。
尚、本実施の形態では、中管3の外壁3bに4つの突起6を立てて、外管4との間の流路8を、環状に複数の略矩形流路を形成する異型管を示したが、図4に示すような、外管4との間の流路8を、環状に複数の2個の円弧で囲まれた流路を形成する異型管としても同様の効果を奏する。
尚、本実施の形態では、内管2、中管3、外管4は銅製としたが、真ちゅう、SUS等でも同様な効果を得る。内部に水が流動する内管2は、好ましくは耐食性の良い材料(例えば銅、ステンレス)で、冷媒が流動し、直径が大きく、肉厚も厚くなる外管4は、好ましくは高強度で、熱伝導性の良い材料(例えば銅、アルミニウム等の合金)で作るものがよい。
また、流体Aを水、流体Bを二酸化炭素として、当該熱交換器1Xをヒートポンプ給湯機用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。
尚、本発明の実施の形態では、流体Aを水、流体B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三重管の管軸方向に垂直な要部断面図である。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は、本発明の実施の形態2における熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図である。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において、熱交換器1Xの中管11は、略均一な管肉厚の凹部11aと凸部11bが交互に連続し、管軸方向に対して略平行に延びた周壁11Aを有する異型な管である。
中管11は、周壁11Aの凸部11bと内管2とで小溝7を、周壁11Aの凹部11aと外管4とで流路8を形成する。ここで、内管2の外壁2bにおける、中管11の周壁11Aの密着部は非密着部より大きい。
以上のように本実施の形態の熱交換器1Xは、中管11は、略均一な管肉厚の凹部11aと凸部11bが交互に連続した周壁11Aを有することにより、周壁11Aの凹部11a、凸部11bが内管2、外管4と密着することで、小溝7と、二酸化炭素の流路8を形成して、三重管1のうち、単価高な異型管は最小本数の一本で、漏洩検知構造となる小溝7と二酸化炭素の流路8の両方を得ることができる。
また、中管11の管肉厚は略均一で偏った部分がないため、余分な管肉厚の部位がなく、中管11を軽量化することができる。また、略均一な管肉厚で、引抜き加工に適する形状であり、引抜き加工で製作した場合、連続鋳造などに比して、製造コストを低減できる。
尚、本発明の実施の形態では、周壁の凹部11a、凸部11bは、連続した矩形として示したが、これに限定されるものではなく、図6に示すような三角波状や、正弦波状(図示せず)等種々の形状で、同様の効果を奏する。
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、三重管のうち、中管を内外両壁が異型な管とすることで、単価高な異型管を最小本数の一本にして、漏洩検知構造となる小溝と流体Bの流路の両方を得て、十分な伝熱面積を有して高い熱交換効率を得るとともに、異型管によるコスト増大を抑制することができるので、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができるので、ヒートポンプ給湯機や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。
1X 熱交換器
1 三重管
2 内管
2b 内管の外壁
3、11 中管
3a 中管の内壁
3b 中管の外壁
4 外管
5 連続した凹凸
6 突起
11A 周壁
11a 凹部
11b 凸部
1 三重管
2 内管
2b 内管の外壁
3、11 中管
3a 中管の内壁
3b 中管の外壁
4 外管
5 連続した凹凸
6 突起
11A 周壁
11a 凹部
11b 凸部
Claims (6)
- 内部に流体Aが流動する内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた中管と、前記中管とほぼ同軸で内部に前記中管を備え、前記中管との間に流体Bが流動する外管とからなる三重管であって、前記中管は、前記内管に部分的に密着する内壁と、前記外管に部分的に密着する外壁を持つことを特徴とした熱交換器。
- 前記中管は、内壁に連続した凹凸と外壁に突起を有することを特徴とした請求項1に記載の熱交換器。
- 前記中管は、略均一な管肉厚の凹部と凸部が交互に連続した周壁を有することを特徴とした請求項1または2に記載の熱交換器。
- 前記内管の外壁において、前記中管の内壁の密着部が非密着部より大きいことを特徴とした請求項1から3に記載の熱交換器。
- 前記中管の前記内管に部分的に密着する内壁は、管軸方向に対して略平行に延びることを特徴とした請求項1から4のいずれか一項に記載の熱交換器。
- 前記流体Aを水、前記流体Bを二酸化炭素とする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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---|---|---|---|
JP2004261081A JP2006078062A (ja) | 2004-09-08 | 2004-09-08 | 熱交換器 |
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-
2004
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