JP2007003014A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 小型化且つ伝熱性能に優れる熱交換器を提供する。
【解決手段】 第１の流体が流れる流路１がプレートで挟まれており、第２の流体が流れる流路２を有し、流路１が蛇行している熱交換器。第１の流体が流通するプレートで挟まれた流路１の内部に、第２の流体が流通する管が配置されている熱交換器。第２の流体が流れる流路２の管が漏洩検知管である熱交換器。漏洩検知管の外面にローレット又はフィンが付加された漏洩検知管を使用する熱交換器。第１の流体が流通するプレートの外側に、第２の流体が流通する管が配置され、管の形状に沿ってプレートの内側に凹凸を有する熱交換器。流路２を流れる流体が、二酸化炭素冷媒である熱交換器。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温流体と低温流体の２流体間で熱交換させる熱交換器に関するものである。

従来、給湯機では可燃性ガスを燃やし直接その熱で水を加熱し供給する方式が一般的である。しかし最近の環境問題から給湯機の高効率化が検討されている。フロンやＣＯ_２などの冷媒を使用したヒートポンプで高温冷媒をつくりそれを低温水と熱交換させ高温水をつくるヒートポンプ方式や、発電機などから排出された高温排ガスと低温水を熱交換させ高温水をつくるコジェネレーション方式が進められている。このような方法では２流体を効率よく熱交換するコンパクトな熱交換器が必要とされる。

最近では、地球環境保全を対象とした自然冷媒の実用化が進み、二酸化炭素冷媒を使用するヒートポンプ給湯機の市場が拡大している。それに伴い、高温の二酸化炭素冷媒と給湯に使用される被加熱水との熱交換器についても、各種の検討が行われている。

高温の二酸化炭素冷媒を、被加熱水が流通する太い管のまわりに巻き付けられた細管内に流す熱交換器の例がある（例えば、特許文献１）。 被加熱水が流通する太い管の内部に、高温の二酸化炭素冷媒が流通する漏洩検知管が配置されている熱交換器の例がある（例えば、特許文献２）。 被加熱水の流通部が２枚のプレートで挟まれて形成されており、そのプレートの外側に高温の二酸化炭素冷媒が流通する細管が巻き付けられ、コルゲート板を挿入している熱交換器の例がある（例えば、特許文献３）。 被加熱水の流通部が２枚のプレートで挟まれて形成されており、そのプレートに凸部を設けて被加熱水を蛇行させ、その流路に沿って漏洩検知管を有する熱交換器の例がある（例えば、特許文献４）。

特開２００２−２２８３７０号公報 特開２００４−３６０９７４号公報 特開２００３−３１４９７５号公報 特開２００５−２４１０９号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２の熱交換器は大型化してしまうという問題を有する。管状体の曲げ加工によってコイル状の熱交換器にされ、その結果、隣り合う管状体同士は接触すると伝熱性能が低下してしまうため隙間を空ける必要があるからである。特許文献３や特許文献４は、伝熱性能が劣るという問題を生じる。これは、プレート型の熱交換器が基本形態であるため、プレートのはり合わせで形成される被加熱水の流路が直線的になるためである。

このような問題に鑑み、本発明はなされたもので、小型でかつ伝熱性能に優れる熱交換器を提供するものである。

本発明者らは、小型でかつ伝熱性能に優れる熱交換器を製造し得ることを見出した。
すなわち、本発明は、
（１）第１の流体が流れる流路１がプレートで挟まれており、第２の流体が流れる流路２を有し、流路１が蛇行していることを特徴とする熱交換器
（２）第１の流体が流通するプレートで挟まれた流路１の内部に、第２の流体が流通する管が配置されていることを特徴する（１）記載の熱交換器
（３）第２の流体が流れる流路２の管が漏洩検知管である（１）ないし（２）記載の熱交換器
（４）漏洩検知管の外面にローレット又はフィンが付加された漏洩検知管を使用する（１）ないし（３）のいずれか１項に記載の熱交換器
（５）第１の流体が流通するプレートの外側に、第２の流体が流通する管が配置され、管の形状に沿ってプレートの内側に凹凸を有することを特徴とする（１）記載の熱交換器
（６）流路２を流れる流体が、二酸化炭素冷媒であることを特徴とする（１）ないし（５）のいずれか１項に記載の熱交換器、
を提供するものである。

本発明の熱交換器は、第１の流体が流れる流路Ａがプレート２で挟まれており、第２の流体が流れる流路Ｂを有し、流路Ａが蛇行しているため、小型で伝熱性能に優れる。

図１から図６を用いて本発明に係る熱交換器１を説明する。
図１は本発明に係る熱交換器１の管の配置を示した一実施例の（ａ）平面図と（ｂ）側面図と（ｃ）Ｘ−Ｙ断面図である。加熱される水（被加熱水）が流通する経路がプレート２の張り合わせによって形成されている。そして、そのプレート２の被加熱水が流通される内側に冷媒が流通する冷媒管３を蛇行させて配置している。このようにすることで、図１（ｃ）の断面において、被加熱水の流れに対して冷媒管３がじゃま板のような働きをし、被加熱水に乱流効果を与えることができて伝熱性能を向上させる。なお、プレート２は横置きしても縦置きしてもかまわない。

図３は本発明に係る漏洩検知管４の断面形状の一実施例である。図１の熱交換器１では冷媒管３と被加熱水が直接接触するため、冷媒管３には漏洩検知穴５を持たせた漏洩検知管４を使用することが望ましい。

図４は本発明に係るローレット加工漏洩検知管６の断面形状の一実施例である。冷媒管３の被加熱水と接触する管外面にローレット加工やフィン加工などの外面加工を施して、管の外表面積を増加させると伝熱性能に対してより効果的である。

図２は本発明に係る熱交換器１の管の配置を示した一実施例の（ａ）平面図と（ｂ）側面図と（ｃ）Ｘ−Ｙ断面図である。加熱される水（被加熱水）が流通する経路がプレート２の張り合わせによって形成されている。そして、そのプレート２の外側面に冷媒が流通する冷媒管３を食い込ませるように配置している。このようにすることで、図２（ｃ）の断面において、被加熱水側のプレート２に凹凸が形成されるので、水に対して乱流効果を与えることができ、伝熱性能を向上できる。なお、プレート２は横置きしても縦置きしてもかまわない。

プレート２への冷媒管３への接合は、単に食い込ませるだけでもかまわないが、ろう材やはんだによって接合してもかまわない。なお、飲料水となる被加熱水が冷媒管３と直接接しないので、漏洩検知管を使用する必要はない。

また、従来のコイル巻き加工した熱交換器では、断熱材などの取り付けが困難であるが、本発明の熱交換器１であれば、シート状の断熱材を巻くだけで、簡単に断熱処理を行うことができる。

なお、冷媒管３は熱伝導性を有するものからなる。金属は熱伝導性に優れ、その中で銅または銅合金がより優れており好ましい。
次に、本発明を実施例に基づき更に詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明例１〜３は図１の熱交換器１を用いた。図１のプレート２は、リン脱酸銅製の厚さ５ｍｍの板材によって製作した。プレート２の被加熱水流路のサイズは、長さＡ＝５００ｍｍ、幅Ｂ＝２００ｍｍ、厚さＣ＝１５ｍｍである。冷媒管３は外径Ｄ＝６．３５ｍｍとして、曲げピッチＰ＝２０ｍｍで２本を、Ｐ１＝１０ｍｍ、Ｐ２＝６．３５ｍｍのずれピッチで配列して製作した。なお、冷媒管３の伝熱有効長さは４．８ｍ／本×２本である。なお、本発明例１では外径Ｄ＝６．３５ｍｍ、肉厚ｔ＝１．２ｍｍの平滑管、本発明例２では外径Ｄ＝６．３５ｍｍ、内径ｄ＝３．５ｍｍの漏洩検知管４、本発明例３では本発明例２の漏洩検知管４の外面に、深さｈ＝０．５ｍｍ、ねじれ角θ＝４０度で１３溝を有するローレット加工漏洩検知管６を用いた。

本発明例４は図２の熱交換器１を用いた。図２のプレート２は、リン脱酸胴製の厚さ５ｍｍの板材によって製作した。プレート２の被加熱水流路のサイズは、長さＡ＝５００ｍｍ、幅Ｂ＝２００ｍｍ、厚さＣ＝１５ｍｍである。プレート２の外面から外径Ｄ＝６．３５ｍｍ、肉厚ｔ＝１．２ｍｍの冷媒管３を押し込み加工した後に、ろう付けにより接合した。

従来材との比較として、２重管式熱交換器を用いた。図５は２重管式熱交換器の一実施例の断面図である。外管７が外径Ｄ１＝１２．７ｍｍ×肉厚ｔ１＝０．６ｍｍ、内管８が外径Ｄ２＝６．３５ｍｍ×肉厚ｔ２＝１．２ｍｍで、冷媒管３の伝熱測定区間長さが４．８ｍであるものを２個製作し、２重管式熱交換器に並列に流体を流路Ｗ１、Ｗ２の方向に流した。

上記熱交換器について伝熱実験を行った。２本の冷媒管３には合計で２リットル/分の流量で入口温度を６０℃に固定した高温水を流通し、被加熱水側には２リットル/分の流量で入口温度１０℃に固定した低温水を対向流で流通し、そのときの被加熱水の交換熱量を測定した。交換熱量は従来例を１００としたときの比で評価した。測定結果を表１に示す。表１に示すように、本発明例は伝熱性能が高いことがわかる。

本発明に係る熱交換器１の管の配置を示した一実施例の平面図と側面図とＸ−Ｙ断面図である。 本発明に係る熱交換器１の管の配置を示した一実施例の平面図と側面図とＸ−Ｙ断面図である。 本発明に係る漏洩検知管４の断面形状の一実施例である。 本発明に係るローレット加工漏洩検知管６の断面形状の一実施例である。 従来の２重管式熱交換器の例である。

符号の説明

１ 熱交換器
２ プレート
３ 冷媒管
４ 漏洩検知管
５ 漏洩検知穴
６ ローレット加工漏洩検知管
７ 外管
８ 内管
Ａ 長さ
Ｂ 幅
Ｃ 厚さ
Ｐ 曲げピッチ
Ｐ１ 幅間隔
Ｐ２ 高さ間隔
Ｗ 流路
Ｗ１ 流路
Ｗ２ 流路

Claims (6)

1. 第１の流体が流れる流路１がプレートで挟まれており、第２の流体が流れる流路２を有し、流路１が蛇行していることを特徴とする熱交換器。
2. 第１の流体が流通するプレートで挟まれた流路１の内部に、第２の流体が流通する管が配置されていることを特徴する請求項１記載の熱交換器。
3. 第２の流体が流れる流路２の管が漏洩検知管である請求項１ないし請求項２記載の熱交換器。
4. 漏洩検知管の外面にローレット又はフィンが付加された漏洩検知管を使用する請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 第１の流体が流通するプレートの外側に、第２の流体が流通する管が配置され、管の形状に沿ってプレートの内側に凹凸を有することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
6. 流路２を流れる流体が、二酸化炭素冷媒であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の熱交換器。

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