JP2007101151A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】二重管式熱交換器で変形や潰れを生じ易い環状流路の断面積を確保しつつ、環状流路内の流体の流動抵抗増加を極力抑制するとともに、工数の増加や生産設備の大型化という生産コストを極力抑えた熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１Ｘの３重管１の曲管部１ｂの環状の流路３に円柱材５を設けたことで、環状の流路３に潰れや変形が生じ安い曲管部１ｂにおいて安定した環状の流路２の断面積を確保し、また、比較的潰れや変形が生じにくい直管部１ａは環状の流路３内に円柱材５を設ける必要がないため、環状の流路３の周方向に垂直な高さを最も低く抑えながら流動抵抗を低くすることができ、所望の熱交換量を得ることができる。また、外管４の外径を小さく抑え、さらに円柱材５を環状の流路３全体に配設する必要がなく、工数の増加、生産設備の大型化を極力抑え、３重管１の材料費、加工費の増加を低く抑えることができる。
【選択図】図３

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、水と冷媒との熱交換を行う熱交換器に関するものである。

従来から、この種の熱交換器として、内管と外管からなる二重管式熱交換器がある。給湯用熱交換器は、管が腐食した場合でも、水に異物が混入しない構造が必要であり、二重管式熱交換器の場合、内管は、間に管軸方向に延びる溝を設けた二重管とすることが義務付けられている。管の腐食が溝まで進行した時点で、溝から流体が漏洩し、その漏洩を検知することで、水への異物混入を事前に防止できる。従って、実際は三重管構造となっている。

以下、図面を参照しながら、従来の給湯機用二重管式熱交換器を説明する。

図１６は、特許文献１に記載された従来の二重管式の熱交換器の一部を切除した要部斜視図である。図１６に示すように、従来の熱交換器１００は、内管１０１と、内管１０１を覆うように設置した外管１０２と、内管１０１と外管１０２との間を螺旋状に仕切る伝熱促進体１０３とからなる。内管１０１は、間に管長方向に延びる溝１０４を設けた二重管で、内部にねじれテープ等からなる内管用伝熱促進体１０５が挿入されている。伝熱促進体１０３は、スプリング、または、内管１０１の外表面、もしくは外管１０２の内表面に一体に設けた螺旋状突起である。

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。

伝熱促進体１０３により、内管１０１と外管１０２との間の環状流路を、螺旋状流路として流路長を増大するとともに、当該流路を流れる流体の乱流化を促進することで、内管１０１内の流体と、内管１０１と外管１０２との間の流路を流れる流体との伝熱を促進するもので、単位長さ当たりの熱交換性能を向上させる。さらに、環状流路に生じ易い変形、潰れを防止できる。また、管が腐食して穴が空いた場合、溝１０４から流体が漏洩し、その漏洩を検知することで、水への異物混入を事前に防止できる。
特開２００１−２０１２７５号公報

しかしながら、上記従来の熱交換器１００の構成では、内管１０１の外表面、もしくは外管１０２の内表面に一体に設けた突起で螺旋状流路の伝熱促進体１０３を形成しようとすると、製造上可能な突起高さに限界があり、環状流路内の流体の流動抵抗を低く抑えるのに必要なだけの流路断面積が十分確保できず、流動抵抗が高くなってしまう。また、単にスプリングを巻き付けて環状流路全体に螺旋状流路の伝熱促進体１０３を形成しようとすると、単位長さ当たりの熱交換性能を向上させるも、やはり、流動抵抗は高いものとなり、流量が低下して熱交換性能が低下したり、流量を得る為に加圧用ポンプが必要となったり、ヒートポンプサイクルで使用した場合、圧縮機の高吐出量化を招く。また、スプリングを環状流路全長に配設するためには、工数の増加や、生産設備の大型化という生産コストが増加す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、環状流路の断面積を確保しつつ、環状流路内の流体の流動抵抗増加を極力抑制するとともに、工数の増加や生産設備の大型化という生産コストを極力抑え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、内部に流体Ａが流動する第１の流路を内側に有する内管と、前記内管との間に流体Ｂが流動する環状の第２の流路を形成する外管と、で２重管を形成し、前記２重管の管軸方向に直管部と曲管部とを有し、少なくとも前記曲管部に、前記内管の外壁と前記外管の内壁に密着する柱状材を有するものである。

これによって、少なくとも曲管部の環状の第２の流路に柱状材を設けたことで、環状の流路に潰れや変形が生じ安い曲管部において安定した環状の第２の流路の断面積を確保し、また、比較的潰れや変形が生じにくい直管部は環状の第２の流路内に柱状材を設ける必要がないため、環状の第２の流路の周方向に垂直な高さを最も低く抑えながら流動抵抗を低くすることができる。

また、環状の第２の流路を有する外管の外径を小さく抑え、さらに柱状材を環状の第２の流路全体に配設する必要がなく、工数の増加、生産設備の大型化を極力抑える。

本発明の熱交換器は、環状の流路に潰れや変形が生じ安い曲管部において安定した断面積を確保し、環状の第２の流路の断面積を小さく抑えながら流体の流動抵抗増加を極力抑制しつつ所望の熱交換量を得ることができる。また、２重管の材料費、加工費の増加を低く抑えることができる。

請求項１に記載の発明は、内部に流体Ａが流動する第１の流路を内側に有する内管と、前記内管との間に流体Ｂが流動する環状の第２の流路を形成する外管と、で２重管を形成し、前記２重管の管軸方向に直管部と曲管部とを有し、少なくとも前記曲管部に、前記内管の外壁と前記外管の内壁に密着する柱状材を有するものである。

これによって、少なくとも曲管部の環状の第２の流路に柱状材を設けたことで、環状の流路に潰れや変形が生じ安い曲管部において安定した環状の第２の流路の断面積を確保し、また、比較的潰れや変形が生じにくい直管部は環状の第２の流路内に柱状材を設ける必要がないため、環状の第２の流路の周方向に垂直な高さを最も低く抑えながら流動抵抗を低くすることができ所望の熱交換量を得ることができる。

また、環状の第２の流路を有する外管の外径を小さく抑え、さらに柱状材を環状の第２の流路全体に配設する必要がなく、工数の増加、生産設備の大型化を極力抑え、２重管の材料費、加工費の増加を低く抑えることができる。

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、少なくとも前記曲管部の内周側と外周側に、前記内管の外壁と前記外管の内壁に密着する柱状材を有するものである。

これによって、環状の流路に潰れや変形が生じ安い曲管部において、最も潰れが変形しやすい内周側と外周側に柱状材を密着させて設けることで、少ない柱状材で安定した環状の第２の流路の断面積を確保できる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、少なくとも前記曲管部の前記内管の外壁と前記外管の内壁の間に、柱状材が螺旋状に巻かれて密着したものである。

これによって、環状の流路に潰れや変形が生じ安い曲管部において、最も少ない本数で環状部の第２の流路の全周において第２の流路の断面積を安定して確保できる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記２重管の前記曲管部に対し、前記直管部の柱状材の螺旋状に巻かれたピッチが長いものである。

これによって、２重管の直管部が曲管部に対して比較的長い場合において、曲管部のみでなく直管部においても最も少ない本数，材料で環状部の第２の流路の全周において第２の流路の断面積を安定して確保できる。

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、内管が第１壁と第２壁が相互に熱的に密着した二重壁で構成されたものである。

これによって、流体Ａと流体Ｂの間は二重壁で、両流体が混合しにくくなり安全性が向上する。

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、流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素とするものである。

これによって、特にヒートポンプ式給湯機に用いると、製品として高い熱交換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構造を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。図４は、同実施の形態における他の熱交換器の直管部の管軸に垂直方向の断面図である。図５は、同実施の形態における他の熱交換器の曲管部の管軸に垂直方向の断面図である。図６は、同実施の形態における他の熱交換器の構造を示す平面図である。図７は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。図８は、同実施の形態における他の熱交換器の直管部の管軸方向の一部破断断面図である。図９は、同実施の形態における他の熱交換器の曲管部の管軸方向の一部破断断面図である。

図１，図２，図３において、熱交換器１Ｘは、内部に水が流動し、第１壁２ａと第２壁２ｂが相互に熱的に密着した銅製の２重壁構造の内管２との間に二酸化炭素が流動する環状の流路３を形成する銅製の外管４で形成された３重管１であり、管軸方向に直管部１ａと曲管部１ｂとを有し、曲管部１ｂの管軸方向に略平行で、かつ内管２の外壁２ｏと外管４の内壁４ｉに密着するように複数の円柱材５が配設されている。

尚、円柱材５は、内管２と外管４とは別体である。

また、図４、図５において、内管２の外側の第２壁２ｂには、管軸方向に延び、第１壁２ａの外側に密着する複数の小溝６を有する。

また，図６から図９において、３重管１の曲管部１ｂの環状の流路３の内周側１ｂ１と外周側１ｂ２の、内管２の外壁２ｏと外管４の内壁４ｉに円柱材７が密着している。

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。

まず、内管２の内部を水が流動し、内管２と外管４との間の環状の流路３を二酸化炭素が対向して流れ、内管２の第１壁２ａと第２壁２ｂを介して、水と二酸化炭素が熱交換する。ここで、水と二酸化炭素の間に安全性を確保する二重壁を備えることで十分な接触面積を確保して、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。

また、３重管１の曲管部１ｂの環状の流路３に円柱材５を設けたことで、環状の流路３に潰れや変形が生じ安い曲管部１ｂにおいて安定した環状の流路３の断面積を確保し、また、比較的潰れや変形が生じにくい直管部１ａは環状の流路３内に円柱材５を設ける必要がないため、環状の流路３の周方向に垂直な高さを最も低く抑えながら流動抵抗を低くすることができ、所望の熱交換量を得ることができる。また、環状の流路３を有する外管４の外径を小さく抑え、さらに円柱材５を環状の流路３全体に配設する必要がなく、工数の増加、生産設備の大型化を極力抑え、３重管１の材料費、加工費の増加を低く抑えることができる。

尚、本発明の実施の形態では環状流路を確保する柱状材として、４本の円柱材５を示したが、これに限らず、円柱材の本数は４本でなくてもよく、また、角柱材等他の断面形状の柱状材でもよい。

また、図４、図５で示すように、内管２の外側の第２壁２ｂに管軸方向に延び、第１壁２ａの外側に密着する複数の小溝６を設けたことで、内管２が損傷等にて漏れだした二酸化炭素や水などが３重管１の外側まで漏洩して、漏洩を検知できるので３重管１内での二酸化炭素と水の混合を未然に防ぐことができる。

また、図６から図９で示すように、３重管１の曲管部１ｂの環状の流路３の内周側１ｂ１と外周側１ｂ２の、内管２の外壁２ｏと外管４の内壁４ｉに円柱材７が密着することで、環状の流路３に潰れや変形が生じ安い曲管部１ｂにおいて、最も潰れが変形しやすい内周側１ｂ１と外周側１ｂ２に円柱材７を密着させて設けることで、少ない円柱材７で安定した環状の流路３の断面積を確保できる。

尚、本実施の形態では、熱交換器１Ｘの３重管１を直管部１ａと曲管部１ｂからなるコイル状としたが，直管部１ａと曲管部１ｂからなる蛇行状（いわゆる、サーペンタイン状）の形態でも同様な効果を得られる。

尚、本実施の形態では、内管２、外管４、円柱材５，７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）で作るものがよく、薄肉化を図ることができる。

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１０は、本発明の実施の形態２における熱交換器の構造を示す平面図である。図１１は、図１０のＤ−Ｄ線断面図である。図１２は、同実施の形態における熱交換器の直管部の管軸方向の一部破断断面図である。図１３は、同実施の形態における熱交換器の曲管部の管軸方向の一部破断断面図である。図１４は、同実施の形態における他の熱交換器の直管部の管軸方向の一部破断断面図である。図１５は、同実施の形態における他の熱交換器の曲管部の管軸方向の一部破断断面図である。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１０から図１３において、３重管１の曲管部１ｂの環状の流路３の内管２の外壁２ｏと外管４の内壁４ｉの間に円柱材８が螺旋状に巻かれて密着したものである。

また，図１４，図１５において、３重管１の曲管部１ｂに対し、直線部１ａの円柱材９の螺旋状に巻かれたピッチが長くしたものである。

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。

まず、曲管部１ｂの環状の流路３の内管２の外壁２ｏと外管４の内壁４ｉの間に円柱材８が螺旋状に巻き付けることで、環状の流路３に潰れや変形が生じ安い曲管部１ｂにおいて最も少ない本数で環状部の流路３の全周において流路３の断面積を安定して確保できる。

また、図１４、図１５で示すように、３重管１の曲管部１ｂに対し、直管部１ａの円柱材９の螺旋状に巻かれたピッチを長くとることで、曲管部１ｂのみでなく直管部１ａにおいても最も少ない本数，材料で環状の流路３の全周において流路３の断面積を安定して確保できる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、環状の流路に潰れや変形が生じ安い曲管部において安定した断面積を確保し、環状の流路の断面積を小さく抑えながら流体の流動抵抗増加を極力抑制しつつ所望の熱交換量を得ることができ，また、２重管の材料費、加工費の増加を低く抑えることができるので、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の構造を示す平面図 図１のＡ−Ａ線断面図 図１のＢ−Ｂ線断面図 同実施の形態における他の熱交換器の直管部の管軸に垂直方向の断面図 同実施の形態における他の熱交換器の曲管部の管軸に垂直方向の断面図 同実施の形態における他の熱交換器の構造を示す平面図 図６のＣ−Ｃ線断面図 同実施の形態における他の熱交換器の直管部の管軸方向の一部破断断面図 同実施の形態における他の熱交換器の曲管部の管軸方向の一部破断断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の構造を示す平面図 図１０のＤ−Ｄ線断面図 同実施の形態における熱交換器の直管部の管軸方向の一部破断断面図 同実施の形態における熱交換器の曲管部の管軸方向の一部破断断面図 同実施の形態における他の熱交換器の直管部の管軸方向の一部破断断面図 同実施の形態における他の熱交換器の曲管部の管軸方向の一部破断断面図 従来の二重管式の熱交換器の一部を切除した要部斜視図

符号の説明

１Ｘ 熱交換器
１ ３重管
１ａ 直管部
１ｂ 曲管部
１ｂ１ 内周側
１ｂ２ 外周側
２ 内管
２ａ 第１壁
２ｂ 第２壁
２ｏ 外壁
３ 流路
４ 外管
４ｉ 内壁
５，７，８，９ 円柱材

Claims (6)

1. 内部に流体Ａが流動する第１の流路を内側に有する内管と、前記内管との間に流体Ｂが流動する環状の第２の流路を形成する外管と、で２重管を形成し、前記２重管の管軸方向に直管部と曲管部とを有し、少なくとも前記曲管部に、前記内管の外壁と前記外管の内壁に密着する柱状材を有することを特徴とした熱交換器。
2. 少なくとも前記曲管部の内周側と外周側に、前記内管の外壁と前記外管の内壁に密着する柱状材を有することを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
3. 少なくとも前記曲管部の前記内管の外壁と前記外管の内壁の間に、柱状材が螺旋状に巻かれて密着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. 前記２重管の前記曲管部に対し、前記直管部の柱状材の螺旋状に巻かれたピッチが長いことを特徴とした請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記内管は、第１壁と第２壁が相互に熱的に密着した二重壁で構成された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。
6. 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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