JP2010216773A - 水熱交換器および水熱交換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、水と冷媒とを効率よく熱交換させることができ、かつ、製造が容易な水熱交換器を提供することにある。
【解決手段】本発明の水熱交換器２２は、冷媒管２２ａと、水管２２ｂと、第１ヘッダ５１ａと、第２ヘッダ５１ｂと、第３ヘッダ５２ａと、第４ヘッダ５２ｂとを備える。冷媒管は、冷媒が流通可能な複数の冷媒流路孔４７を有する多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂから成る。水管は、水が流通可能な１つの水流路孔４８を有する単穴扁平管４２から成る。第１ヘッダおよび第２ヘッダは、冷媒管の両端に接続される冷媒用のヘッダである。第３ヘッダおよび第４ヘッダは、水管の両端端に接続される水用のヘッダである。冷媒管と水管とは、断面長辺側の側面同士が密着する密着面を有する。密着面は、略矩形状でありその長手方向である第１方向Ｌ１と冷媒または水の流れ方向とが一致する。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷媒と水とを熱交換させる水熱交換器に関する。

従来、ヒートポンプ式給湯装置の冷凍装置としては、圧縮式冷凍回路で構成されるものが広く利用されている。冷媒回路は、例えば、ＣＯ₂を冷媒とし、水熱交換器を備えている。水熱交換器は、冷媒が流通する冷媒管と、水が流通する水管とを有しており、流体同士を対向させて流して、両者の間で熱交換を行う。具体的には、高温高圧の冷媒と低温低圧の水との間で熱交換を行うことで、水を加熱する。この結果、ＣＯ₂の超臨界域の特性を用いた高温出湯が可能になる。

水熱交換器の従来技術としては、特許文献１（特開２００６−３３６８９４号公報）のような、水管の周りに水管よりも管径の細い冷媒管を螺旋状に巻き付けて密着させた構造が知られている。

一般的に、水熱交換器の能力を向上させるには、水管に対する冷媒管の伝熱面積を増加させることと、冷媒管を巻き付けた状態の水管の長さを長くとることが考えられる。なお、水管に対する冷媒管の伝熱面積を増加させるには、水管に巻き付ける冷媒管を極力細くしつつ、巻き付ける回数を増やすことになる。また、冷媒管を巻き付けた状態の水管の長さを長くするには、冷媒管を巻き付けた状態の水管を螺旋状に巻いたり、蛇行させたりすることにより実現している。

しかしながら、水管に対して冷媒管を巻き付ける数を増やすと、冷媒管の増加に伴い生産コストが上昇してしまう。また、水管に冷媒管を巻き付けるのには加工が複雑になり巻き付ける数に限界がある。さらに、冷媒管を巻き付けた状態の水管を螺旋状に巻いたり蛇行させたりすると、曲げの部分の曲率半径には限界があるため曲げの部分の空間を上手く利用することができずにコンパクトにしにくい。

本発明の課題は、水と冷媒とを効率よく熱交換させることができ、かつ、製造が容易な水熱交換器を提供することにある。

第１発明に係る水熱交換器は、冷媒と水との間で熱交換を行わせる水熱交換器であって、冷媒管と、水管と、第１ヘッダと、第２ヘッダと、第３ヘッダと、第４ヘッダとを備える。冷媒管は、冷媒が流通可能な複数の冷媒流路孔を有する多穴扁平管から成る。水管は、水が流通可能な１つの水流路孔を有する単穴扁平管から成る。第１ヘッダは、冷媒管の一端に接続される冷媒用のヘッダである。第２ヘッダは、冷媒管の他端に接続される冷媒用のヘッダである。第３ヘッダは、水管の一端に接続される水用のヘッダである。第４ヘッダは、水管の他端に接続される水用のヘッダである。冷媒管と水管とは、断面長辺側の側面同士が密着する密着部を有する。密着面は、略矩形状でありその長手方向である第１方向と冷媒または水の流れ方向とが一致する。

本発明の水熱交換器では、多穴扁平管である冷媒管と単穴扁平管である水管との断面長辺側の側面を密着させている。さらに、冷媒管の両端に第１ヘッダおよび第２ヘッダを、水管の両端に第３ヘッダおよび第４ヘッダを接続させる構成としている。

したがって、本発明の水熱交換器は、冷媒管を多穴扁平管とし水管を単穴扁平管として断面長辺側の側面同士を密着させる構造にでき、平面である側面同士を密着させることのみで、１本の水管に水管よりも細い冷媒管を巻き付けるのに相当する効果を得ることができる。すなわち、冷媒が水に対して熱を伝達する伝熱面積を広くとりつつ、組立が簡単な構造とすることができる。このように、水管と冷媒管とを、扁平管を利用して成型することになるため、１本の水管に水管よりも細い冷媒管を巻き付ける構成とするよりも製造を容易にできる。さらに、水管と冷媒管とを密着させた状態でそれぞれの管にヘッダを設けて、水と冷媒とが熱交換する部分を延長しているため、構成をコンパクトにできる。

第２発明に係る水熱交換器は、第１発明に係る水熱交換器であって、冷媒管は、一対の多穴扁平管から成る。水管は、一対の冷媒管に挟まれている。

本発明の水熱交換器は、水管を一対の冷媒管により挟み込んで、水管と冷媒管とを断面長辺側の側面同士が密着させている。

このように、水熱交換器を構成することにより、水管の周囲のほとんどは冷媒管と密着していることになるため、一旦冷媒が水に伝えた熱を水熱交換器の周囲の物質（例えば、水熱交換器周辺の空気）に伝えることを極力防ぐことができる。また、一対の冷媒管と水管とは断面長辺側の側面同士を密着させるため、平面である側面同士を密着させることになり、構成がシンプルになり組立を容易にすることができる。

第３発明に係る水熱交換器は、第１発明または第２発明に係る水熱交換器であって、第１ヘッダおよび第２ヘッダは、第１方向において、少なくともそれらの中心が第３ヘッダおよび第４ヘッダの中心よりも外側に配置される。冷媒管は、水管と密着していない部分で第３ヘッダおよび第４ヘッダを避けるように湾曲している。

したがって、冷媒管と水管との両端にそれぞれヘッダが設けられるような構成において、冷媒管と水管とが極力直線になるようにしつつ、ヘッダの数を最小限にすることができる。このため、水熱交換器をコンパクトに構成することができる。

第４発明に係る水熱交換器は、第１発明から第３発明のいずれかにかかる水熱交換器であって、第１ヘッダ、第２ヘッダ、第３ヘッダ、および第４ヘッダは、第１方向に交差する第２方向に延びる形状である。冷媒管および水管は密着した状態で、第２方向に複数本が並ぶ。複数本の冷媒管には、第１冷媒管と第２冷媒管とがある。第１冷媒管は、冷媒の流れ方向上流側にある少なくとも１本以上の冷媒管である。第２冷媒管は、第１冷媒管の冷媒の流れ方向下流側直後にある少なくとも１本以上の冷媒管である。複数本の水管には、第１水管と、第２水管とがある。第１水管は、水の流れ方向上流側にある少なくとも１本以上の水管である。第２水管は、第１水管の冷媒の流れ方向下流側直後にある少なくとも１本以上の水管である。第１ヘッダおよび／または第２ヘッダは、第１冷媒管を流れる冷媒を第２冷媒管へ導く第１バッフル板を有する。第３ヘッダおよび／または第４ヘッダは、第１水管を流れる水を第２水管へ導く第２バッフル板を有する。

本発明の水熱交換器は、冷媒管と水管とを密着させた部材（以下、熱交換部材とする）の複数本が、第２方向（各ヘッダが延びる方向）に沿って並ぶように、熱交換部材と各ヘッダとが接続される。さらに、第１ヘッダおよび／または第２ヘッダには、冷媒が水熱交換器の内部を蛇行するように、冷媒の流れ方向上流側に配置される第１冷媒管を流れる冷媒を、第１冷媒管の冷媒の流れ方向下流側直後に配置される第２冷媒管へ導く第１バッフル板が設けられている。また、第３ヘッダおよび／または第４ヘッダには、水が水熱交換器の内部を蛇行するように、水の流れ方向上流側に配置される第１水管を流れる水を、第１水管の水の流れ方向下流側直後に配置される第２水管へ導く第２バッフル板が設けられている。

したがって、熱交換部材に曲げ加工を施さなくとも、熱交換部材の距離を長くすることができる。このため、水熱交換器を、熱交換部材の距離を所定距離以上に確保しつつ、コンパクトにすることができる。

第５発明に係る水熱交換器は、第１発明から第４発明のいずれかに係る水熱交換器であって、冷媒管内部を流れる冷媒と、水管内部を流れる水とは、互いに対向する方向に流れる。

したがって、冷媒と水との温度差を確保することができる。また、冷媒と水との温度差を水熱交換器全体において均一に近づけることができ、特に冷媒が超臨界冷媒のように熱交換のはじめと終わりとで温度が異なる冷媒である場合に、熱交換効率を向上させることができる。

第６発明に係る水熱交換器は、第１発明から第５発明のいずれかに係る水熱交換器であって、単穴扁平管は、第１アルミ合金部材と第２アルミ合金部材とを有する。第１アルミ合金部材は、板状の部材である。第２アルミ合金部材は、第１アルミ合金部材よりもイオン化傾向の大きい板状の部材である。単穴扁平管はまた、第１アルミ合金部材の両面から第２アルミ合金部材により第１アルミ合金部材を挟み込んでできた３層板状部材に、曲げ加工を施して形成される。

本発明の水熱交換器では、単穴扁平管は、第１アルミ合金部材を第２アルミ合金部材により挟み込んで密着させてできた３層板状部材を曲げ加工することにより形成している。そして、水流路側に配置される第２アルミ合金部材は、第１アルミ合金部材よりもイオン化傾向の大きい板状の部材であるため、水による防食が起こる場合にまず第２アルミ合金部材から防食が始まる。

したがって、本発明では、第２アルミ合金部材が水による防食の犠牲材として機能させることができ、少なくとも第１アルミ合金部材への防食が起こりにくくできる。

第７発明に係る水熱交換器は、第６発明に係る水熱交換器であって、第２アルミ合金部材は、ロウ付けの際のロウ材として機能する。

したがって、組立加工を容易にすることができる。

第８発明に係る水熱交換器は、第１発明から第５発明のいずれかに係る水熱交換器であって、単穴扁平管は、アルミ合金部材と防食用コーティング剤とを有する。アルミ合金部材は、板状の部材である。防食用コーティング剤は、アルミ合金部材の片側の面に塗布される。単穴扁平管はまた、防食用コーティング剤が内側となるように曲げ加工を施して形成される。

したがって、本発明では、防食コーティング剤が塗布された面を水流路側とすることができる。このため、水による防食を起こしにくいようにできる。

第９発明に係る水熱交換器は、第６発明から第８発明のいずれかに係る水熱交換器であって、単穴扁平管は、少なくとも断面長辺側の側面にディンプル加工を施されている。

したがって、水流路側の伝熱面積を増やすことができ、冷媒から水への熱通過率を向上させることができる。

第１０発明に係る水熱交換器は、第１発明から第９発明のいずれかに係る水熱交換器であって、冷媒管と、水管と、第１ヘッダと、第２ヘッダと、第３ヘッダと、第４ヘッダとは、全てまとめてロウ付けされることにより接合される。

したがって、接合にかかる手間を減らすことができ、容易に接合することができる。

第１１発明に係る水熱交換器は、第１発明から第１０発明のいずれかに係る水熱交換器であって、多穴扁平管は、引き抜き加工または押し出し加工により成型される。

したがって、冷媒管を容易に成型することができる。

第１２発明に係る水熱交換器は、第１発明から第１１発明のいずれかに係る水熱交換器であって、冷媒は、ＣＯ₂である。

本発明では、冷媒としてＣＯ₂冷媒を利用している。ＣＯ₂冷媒は、従来の冷媒、例えばフルオロカーボン冷媒などと比べて、地球温暖化係数が１であり、数百から１万程度のフルオロカーボン冷媒よりも遙かに低い。

このように、環境負荷が小さいＣＯ₂冷媒を利用することで、地球環境が悪化することを抑えることができる。

第１３発明に係る水熱交換器の製造方法は、圧着ステップと、単穴扁平管成型ステップと、多穴管成形ステップと、接合ステップとを備える。圧着ステップでは、第１アルミ合金部材を、第１アルミ合金部材よりもイオン化傾向の大きい第２アルミ合金部材により挟み込んで圧着して３層板状部材を形成する。単穴扁平管成型ステップでは、３層板状部材に曲げ加工を施して単穴扁平管を成型する。多穴管成型ステップでは、多穴扁平管を引き抜き加工または押し出し加工により成型する。接合ステップでは、多穴扁平管と、単穴扁平管と、多穴扁平管の一端に接続される第１ヘッダと、多穴扁平管の他端に接続される冷媒用の第２ヘッダと、単穴扁平管の一端に接続される第３ヘッダと、単穴扁平管の他端に接続される水用の第４ヘッダとを全てまとめてロウ付けして接合する。

本発明の水熱交換器の製造方法では、圧着ステップにより、３層板状部材を形成し、３層板状部材に単穴扁平管成型ステップにおいて曲げ加工を施すことで単穴扁平管を成型している。このため、単穴扁平管の水流路側を犠牲材として機能することができる第２アルミ合金部材によりコーティングした状態とすることができ、単穴扁平管が水により腐食することを防ぐことができる。

また、本発明の水熱交換器の製造方法では、多穴成型ステップにおいて、多穴扁平管を引き抜き加工または押し出し加工により成型している。このため、多穴扁平管の成型を容易に行うことができる。

また、本発明の水熱交換器の製造方法では、接合ステップにおいて、冷媒管と、水管と、第１ヘッダと、第２ヘッダと、第３ヘッダと、第４ヘッダとは、全てまとめてロウ付けして接合している。したがって、接合にかかる手間を減らすことができ、容易に接合することができる。

このように、本発明の水熱交換器の製造方法では、水の防食性を高めつつ、組立を容易にすることが可能である。

第１発明に係る水熱交換器では、冷媒管を多穴扁平管とし、水管を単穴扁平管とすることにより、１本の水管に水管よりも細い冷媒管を巻き付けるのに相当する効果を得ることができる。すなわち、冷媒が水に対して熱を伝達する伝熱面積を広くとる構成とすることができる。水管と冷媒管を扁平管を利用して成型することになるため、１本の水管に水管よりも細い冷媒管を巻き付ける構成とするよりも製造を容易にできる。さらに、水管と冷媒管とを密着させた状態でそれぞれの管にヘッダを設けて、水と冷媒とが熱交換する部分を延長しているため、構成をコンパクトにできる。

第２発明に係る水熱交換器では、水熱交換器を構成することにより、水管の周囲のほとんどは冷媒管と密着していることになるため、一旦冷媒が水に伝えた熱を水熱交換器の周囲の物質（例えば、水熱交換器周辺の空気）に伝えることを極力防ぐことができる。また、一対の冷媒管と水管とは断面長辺側の側面同士を密着させるため、平面である側面同士を密着させることになり、構成がシンプルになり組立を容易にすることができる。

第３発明に係る水熱交換器では、冷媒管と水管との両端にそれぞれヘッダが設けられるような構成において、冷媒管と水管とが極力直線になるようにしつつ、ヘッダの数を最小限にすることができる。このため、水熱交換器をコンパクトに構成することができる。

第４発明に係る水熱交換器では、熱交換部材に曲げ加工を施さなくとも、熱交換部材の距離を長くすることができる。このため、水熱交換器全体の構成を熱交換部材の距離を所定距離以上に確保しつつ、コンパクトにすることができる。

第５発明に係る水熱交換器では、冷媒と水との温度差を確保することができる。また、冷媒と水との温度差を水熱交換器全体において均一に近づけることができ、特に冷媒が超臨界冷媒のように熱交換のはじめと終わりとで温度が異なる冷媒である場合に、熱交換効率を向上させることができる。

第６発明に係る水熱交換器では、第２アルミ合金部材が水による防食の犠牲材として機能させることができ、少なくとも第１アルミ合金部材への防食が起こりにくくできる。

第７発明に係る水熱交換器では、組立加工を容易にすることができる。

第８発明に係る水熱交換器では、防食コーティング剤が塗布された面を水流路側とすることができる。このため、水による防食を起こしにくいようにできる。

第９発明に係る水熱交換器では、水流路側の伝熱面積を増やすことができ、冷媒から水への熱通過率を向上させることができる。

第１０発明に係る水熱交換器では、接合にかかる手間を減らすことができ、容易に接合することができる。

第１１発明に係る水熱交換器では、冷媒管を容易に成型することができる。

第１２発明に係る水熱交換器では、環境負荷が小さいＣＯ₂冷媒を利用することで、地球環境が悪化することを抑えることができる。

第１３発明に係る水熱交換器では、水の防食性を高めつつ、組立を容易にすることが可能である。

本発明の一実施形態に係る冷凍装置を含むヒートポンプ式給湯装置のシステム。 冷凍装置の内部構造を示す断面図。 冷凍装置の制御装置のブロック図。 冷凍装置の水熱交換器の平面図。 冷凍装置の水熱交換器の正面図。 熱交換部材の断面図。 ３層板状部材の概略図。 ３層板状部材に曲げ加工を施して単穴扁平管４２を形成する過程を表す概略図。 水熱交換器の製造工程を示すフローチャート。 変形例（２）にかかる熱交換部材の断面図。 変形例（４）にかかる熱交換部材の断面図。

＜ヒートポンプ式給湯装置の構成＞
本発明の一実施形態に係る冷凍装置を含むヒートポンプ式給湯装置のシステムを図１に示す。ヒートポンプ式給湯装置１は、冷凍装置２と貯湯装置３とによって構成されている。冷凍装置２は、圧縮機２１、水熱交換器２２内の冷媒管２２ａ、減圧手段としての膨張弁２３、及び空気熱交換器２４が、冷媒配管２５によって環状に接続される圧縮式の冷凍回路２０を有する。

さらに、冷凍回路２０には、水熱交換器２２から出る高圧高温の冷媒と、空気熱交換器２４から出る低圧低温の冷媒との間で熱交換を行うため、ガス熱交換器２６が配置されている。具体的には、水熱交換器２２と膨張弁２３とを連結する冷媒通路と、空気熱交換器と圧縮機２１とを連結する冷媒通路との間で熱交換が行われる。

貯湯装置３は、貯湯タンク３１、水熱交換器２２内の水管２２ｂ及び水循環ポンプ３２が、水配管３５によって環状に接続された水循環回路３０を有する。

冷凍装置２には、設置場所の外気温を検出する外気温センサ８、圧縮機２１の吐出管温度を検出する吐出管温度センサ９、及び空気熱交換器２４の温度を検出する温度センサ１０が設けられており、これらのセンサの検出信号は、マイコン６に入力される。

水熱交換器２２で加熱された水の温度が例えば８５℃となるように、水循環ポンプ３２によって水の循環量が制御される。マイコン６は、８５℃の水を得るために必要な冷媒温度を確保するために、膨張弁２３の開度を制御する。

＜冷凍装置の構造＞
図２は、冷凍装置２の内部構造を示す断面図である。図２において、断熱壁２ｃの右側区画が機械室２ａであり、断熱壁２ｃの左側区画がファン室２ｂである。機械室２ａには、圧縮機２１、膨張弁２３が配置されている。

ファン室２ｂには、図２正面視において、前方にファン２７が配置されている。ファン２７の後方には、ファン２７を駆動するモータが、モータ支持台２８に固定された状態で配置されている。ファン室２ｂの下方には、断熱壁２ｄを隔てて水熱交換器２２が配置されている。水熱交換器２２内にて、冷媒管２２ａ（図１参照）を流れる冷媒と、水管２２ｂ（図１参照）を流れる水との間で熱交換が行われる。

また、図２において、空気熱交換器２４は、ファン室２ｂの左側壁と背面壁に沿って配置されており、空気熱交換器２４の右端は機械室２ａの中央まで延出している。制御ボックス４は、機械室２ａの上部とファン室２ｂの上部を跨ぐように配置されている。制御ボックス４には、マイコン６（図３参照）、インバータ７（図３参照）を搭載した制御装置５が内蔵されている。

＜冷凍装置の運転制御＞
図３は、冷凍装置２の制御ブロック図である。マイコン６は、外気温センサ８、空気熱交換器２４の温度センサ１０からの検出信号に基づき、目標吐出管温度設定部６２で目標吐出管温度を設定する。そして、マイコン６は、吐出管温度センサ９で検出される吐出管温度が目標吐出管温度に近づくように、膨張弁開度制御部６３を介して膨張弁２３の開度を制御する。なお、目標吐出管温度の設定に必要なデータは、目標吐出管温度設定部６２内に予め記憶されている。

さらに、マイコン６は、冷凍装置２の炊上能力に及ぼす外気温の影響を考慮して、さらに給湯負荷が一日の時間帯によって変化することを考慮して、インバータ制御部６４を介して圧縮機２１の運転周波数を制御している。例えば、外気温が低く、給湯負荷が大きい時間帯では、湯切れを防止するため、効率を無視して圧縮機２１の運転周波数を高める。一方、外気温が高く、給湯負荷が小さい時間帯では、圧縮機２１の運転周波数を高効率点に設定する。

給湯負荷が大きいとき、マイコン６は、圧縮機２１を保護する目的で、吐出管温度が１２０℃を超えないように圧縮機２１の運転制御を行う。実際に、吐出管温度が１２０℃のとき、圧縮機２１の内部温度は、１４０℃〜１４５℃に到達しており、内部温度がさらに上昇して１５０℃を超えると、圧縮機２１内部のマグネットの磁力が低下、オイルの劣化が発生し故障に至る。したがって、本実施形態では、吐出管温度の上限を１２０℃と設定している。

但し、外気温ｔ１が−２０℃以下のときは、圧縮機２１が過負荷になり易いので、さらなる安全措置として吐出管温度センサ９の検出値の補正量を大きくとり、実際の吐出管温度が１２０℃に達する前に吐出管温度センサ９の検出値を１２０℃にする必要がある。そこで、外気温ｔ１が−２０℃以下のときの補正量が実験的に求められ、マイコン６の温度補正部６１の第２補正手段６１ｂに記憶されている。

なお、外気温ｔ１＞−２０℃の温度範囲では、第１補正手段６１ａによって、補正されている。

＜水熱交換器＞
図４は水熱交換器２２の平面図であり、図５は水熱交換器２２の正面図である。これら図４，５では、水熱交換器２２を模式的に表現している。

（水熱交換器の構成）
水熱交換器２２は、冷媒が流通する冷媒管２２ａと、水が流通する水管２２ｂと、冷媒管２２ａに接続される第１ヘッダ５１ａおよび第２ヘッダ５１ｂと、水管２２ｂに接続される第３ヘッダ５２ａおよび第４ヘッダ５２ｂとを有しており、冷媒管２２ａと水管２２ｂを流れる流体間で熱交換を行うものである。水熱交換器２２は、具体的には、冷媒と水とが熱交換を行う冷媒管２２ａと水管２２ｂとが密着されて成り、第１方向Ｌ１（図４，５参照）に延びる熱交換部材５３の複数本（本実施形態においては８本）が、円筒形状の各ヘッダ５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂの高さ方向（図４，５の第２方向Ｌ２参照）に接続されることによりなる。そして、熱交換部材５３は、冷媒管２２ａを構成する一対の多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂと、水管２２ｂを構成する単穴扁平管４２とから主に構成されている。

一対の多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂは、図６に示すように、扁平部本体４６を有している。扁平部本体４６は、図５に示すように第１方向Ｌ１に長く延びている。扁平部本体４６は、互いに対向する対向面４６ａと、反対側の反対側面４６ｂとを有している。扁平部本体４６内には、冷媒が流通可能な複数の（この実施例では１１個の）穴である冷媒流路４７が一列に形成されている。このように単穴扁平管に複数の穴を形成して冷媒管とすることで、冷媒側の熱伝達率が向上している。なお、図６は、熱交換部材５３の断面図である。

多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂは、例えば、アルミニウム１０５０からなる。なお、各多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂは引き抜き加工や押し出し加工により製造されている。

単穴扁平管４２は、一対の多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂに沿って延びる部材である。図から明らかなように、単穴扁平管４２の断面形状は、対向する二本の第１直線部分４２ａとその二本の直線部分をつなぐ２つの第２直線部分４２ｂとからなる。そして、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂとは異なり水が流通可能な１つの水流路４８を構成している。直線部分４２ａは、対向面４６ａと同じ長さである。

単穴扁平管４２は、アルミニウム３００３とアルミニウム４３４３との２種類のアルミニウム合金からなり、アルミニウム３００３である第１アルミニウム層５４ａをアルミニウム４３４３である第２アルミニウム層５４ｂにより挟み込んでできた３層構造となった板状部材（３層板状部材５４）に曲げ加工を施すことにより形成される。具体的には、板状の３層板状部材５４の４カ所に曲げ加工を施すことにより単穴扁平管４２を形成している（図８参照）。アルミニウム４３４３は、アルミニウム３００３よりもイオン化傾向が大きい（すなわち、酸化されやすい）アルミニウム合金である。このため、アルミニウム３００３よりもイオン化傾向が大きいアルミニウム４３４３により組成される第２アルミニウム層５４ｂを水流路４８となる側に配置させることにより、第２アルミニウム層５４ｂが第１アルミニウム層５４ａよりも腐食しやすい状態にすることができ、第１アルミニウム層５４ａに防食が及ぶことを防ぐことができる。なお、第２アルミニウム層５４ｂは、アルミニウム４３４３の代わりにアルミニウム７０７２を使用しても良い。なお、図７は３層板状部材の概略図である。図８は３層板状部材に曲げ加工を施して単穴扁平管４２を形成する過程を表す概略図であり、板状の３層板状部材５４の曲げ加工無しの状態、３層板状部材５４に１箇所曲げ加工を施した状態、および３層板状部材５４に４箇所曲げ加工を施した状態（すなわち、単穴扁平管４２）を示す。

多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂと単穴扁平管４２とは、ロウ付けにより互いに密着している。この場合に、単穴扁平管４２の外側に位置する第２アルミニウム層５４ｂは、ロウ材として機能する。このように、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂと単穴扁平管４２とをロウ付けにより接合させることにより、単穴扁平管４２の表面のほとんどの部分（すなわち、直線部分４２ａの部分）を多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂに密着させることができ、単穴扁平管４２から周囲の空気への放熱を極力防ぐことができる。

第１ヘッダ５１ａおよび第２ヘッダ５１ｂは、冷媒管２２ａを構成する多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂの両端に接続されており、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂと共に水熱交換器２２内部の冷媒流路４７を構成している。第１ヘッダ５１ａは、本実施形態においては、水熱交換器２２における冷媒入口５９ａおよび冷媒出口５９ｂと、その内部空間を上流空間５６ａ、中流空間５６ｂ、および下流空間５６ｃの３つに仕切る２枚の第１バッフル板５５ａ，５５ｂとを有している。また、第２ヘッダ５１ｂは、本実施形態においては、その内部空間を上流空間５６ｄおよび下流空間５６ｅの２つに仕切る１枚の第１バッフル板５５ｃを有している。

第３ヘッダ５２ａおよび第４ヘッダ５２ｂは、水管２２ｂを構成する単穴扁平管４２の両端に接続されており、単穴扁平管４２と共に水熱交換器２２内部の水流路４８を構成している。第３ヘッダ５２ａは、本実施形態においては、水熱交換器２２における水入口６０ａおよび水出口６０ｂと、その内部空間を上流空間５８ａ、中流空間５８ｂ、および下流空間５８ｃの３つに仕切る２枚の第２バッフル板５７ａ，５７ｂとを有している。また、第４ヘッダ５２ｂは、本実施形態においては、その内部空間を上流空間５８ｄおよび下流空間５８ｅの２つに仕切る１枚の第２バッフル板５７ｃを有している。

（水熱交換器における冷媒および水の流れ）
冷媒は、水熱交換器の冷媒入口５９ａから第１ヘッダ５１ａの上流空間５６ａに流入し、上流空間５６ａと接続されている２本の冷媒管２２ａ（図５において熱交換部材５３ａ，５３ｂを構成する冷媒管）を流通する（冷媒の流れ方向は図４、５の実線矢印参照）。熱交換部材５３ａ，５３ｂを構成する冷媒管２２ａを流通する冷媒は、第２ヘッダ５１ｂの上流空間５６ｄへ流入して、熱交換部材５３ａ，５３ｂの下流側直後に配置される熱交換部材５３ｃ，５３ｄを構成する冷媒管２２ａへ流入する。熱交換部材５３ｃ，５３ｄを構成する冷媒管２２ａを流通する冷媒は、第１ヘッダ５１ａの中流空間５６ｂへ流入して、熱交換部材５３ｃ，５３ｄの下流側直後に配置される熱交換部材５３ｅ，５３ｆを構成する冷媒管２２ａへ流入する。熱交換部材５３ｅ，５３ｆを構成する冷媒管２２ａを流通する冷媒は、第２ヘッダ５１ｂの下流空間５６ｅへ流入して、熱交換部材５３ｅ，５３ｆの下流側直後に配置される熱交換部材５３ｇ，５３ｈを構成する冷媒管２２ａへ流入する。熱交換部材５３ｇ，５３ｈを構成する冷媒管２２ａを流通する冷媒は、第１ヘッダ５１ａの下流空間５６ｃへ流入して、冷媒出口５９ｂから放出される。このようにして、冷媒は、第１ヘッダ５１ａおよび第２ヘッダ５１ｂの内部を仕切る第１バッフル板５５ａ〜５５ｃにより、上流側の熱交換部材５３を構成する冷媒管２２ａからその直後に接続される熱交換部材５３を構成する冷媒管２２ａへと導かれ、水熱交換器２２の内部を蛇行するように流通する。

また、水は、水熱交換器の水入口６０ａから第３ヘッダ５２ａの上流空間５８ａに流入し、上流空間５８ａと接続されている２本の水管２２ｂ（図５において熱交換部材５３ｇ，５３ｈを構成する水管）を流通する（水の流れ方向は図４、５の破線矢印参照）。熱交換部材５３ｇ，５３ｈを構成する水管２２ｂを流通する水は、第４ヘッダ５２ｂの上流空間５８ｅへ流入して、熱交換部材５３ｇ，５３ｈの下流側直後に配置される熱交換部材５３ｅ，５３ｆを構成する水管２２ｂへ流入する。熱交換部材５３ｅ，５３ｆを構成する水管２２ｂを流通する水は、第３ヘッダ５２ａの中流空間５８ｂへ流入して、熱交換部材５３ｅ，５３ｆの下流側直後に配置される熱交換部材５３ｃ，５３ｄを構成する水管２２ｂへ流入する。熱交換部材５３ｃ，５３ｄを構成する水管２２ｂを流通する水は、第４ヘッダ５２ｂの下流空間５８ｄへ流入して、熱交換部材５３ｃ，５３ｄの下流側直後に配置される熱交換部材５３ａ，５３ｂを構成する水管２２ｂへ流入する。熱交換部材５３ａ，５３ｂを構成する水管２２ｂを流通する水は、第３ヘッダ５２ａの下流空間５８ｃへ流入して、水出口６０ｂから放出される。このようにして、冷媒は、第３ヘッダ５２ａおよび第４ヘッダ５２ｂの内部を仕切る第２バッフル板５７ａ〜５７ｃにより、上流側の熱交換部材５３を構成する水管２２ｂからその直後に接続される熱交換部材５３を構成する水管２２ｂへと導かれ、水熱交換器２２の内部を蛇行するように流通する。

なお、冷媒と水とは、図５に示すように、同一熱交換部材５３において、対向するように流れることになる。これにより、水熱交換器２２おいて、冷媒と水との温度差を全体的に確保することができる。また、冷媒と水との温度差を水熱交換器全体において均一に近づけることができ、特に冷媒がＣＯ₂のように熱交換のはじめと終わりとで温度が異なる冷媒である場合に、熱交換効率を向上させることができる。

＜水熱交換器の製造方法＞
水熱交換器２２の製造方法について、図９のフローチャートに基づいて説明する。

ステップＳ１では、アルミニウム３００３である第１アルミニウム層５４ａをアルミニウム４３４３である第２アルミニウム層５４ｂにより挟み込んで圧着することにより、３層板状部材５４を形成する。

ステップＳ２では、ステップＳ１により形成された３層板状部材５４の４カ所に曲げ加工を施して、単穴扁平管４２を成型する。

ステップＳ３では、アルミニウム１０５０を引き抜き加工または押し出し加工をほどこして、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂを成型する。

ステップＳ４では、所定の位置に第１バッフル板５５ａ〜５５ｃおよび第２バッフル板５７ａ〜５７ｃが挿入された円筒形状の各ヘッダ５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂと、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂと、単穴扁平管４２とが、図５の水熱交換器２２のように組み立てられて、接合が行われる。なお、ステップＳ４で行われる接合は、水熱交換器２２の構成要素である、各ヘッダ５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂ、および単穴扁平管４２が全てロウ付けにより一工程により行われる。

＜特徴＞
（１）
本実施形態の水熱交換器２２は、単穴扁平管４２を一対の多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂにより挟み込むように構成されている。そして、一対の多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂに挟み込まれた単穴扁平管４２は、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂと断面長辺側の側面同士が密着している。さらに、冷媒管２２ａの両端に第１ヘッダ５１ａおよび第２ヘッダ５２ｂを、水管２２ｂの両端に第３ヘッダ５２ａおよび第４ヘッダ５２ｂを接続させる構成としている。また、水熱交換器２２は、熱交換部材５３の複数本が、第２方向Ｌ２に沿って並ぶように、熱交換部材５３と各ヘッダ５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂとが接続される。さらに、第１ヘッダ５１ａおよび第２ヘッダ５１ｂには、冷媒が水熱交換器２２の内部を蛇行するように、冷媒の流れ方向上流側に配置される冷媒管２２ａ（例えば、熱交換部材５３ａ，５３ｂを構成する冷媒管２２ａ）を流れる冷媒を、その冷媒管２２ａの冷媒の流れ方向下流側直後に配置される冷媒管２２ａ（例えば、熱交換部材５３ｃ，５３ｄを構成する冷媒管２２ａ）へ導く第１バッフル板５５ａ〜５５ｃ（例えば、第１バッフル板５５ａ）が設けられている。また、第３ヘッダ５２ａおよび第４ヘッダ５２ｂには、水が水熱交換器２２の内部を蛇行するように、水の流れ方向上流側に配置される水管２２ｂ（例えば、熱交換部材５３ｇ，５３ｈを構成する水管２２ｂ）を流れる水を、その水管２２ｂの水の流れ方向下流側直後に配置される水管２２ｂ（例えば、熱交換部材５３ｅ，５３ｆを構成する水管２２ｂ）へ導く第２バッフル板５７ａ〜５７ｃ（例えば、第２バッフル板５７ａ）が設けられている。

このように、冷媒管２２ａを多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂとし、水管２２ｂを単穴扁平管４２とすることにより、例えば１本の水管に水管よりも細い冷媒管を巻き付けるのに相当する効果を得ることができる。すなわち、冷媒が水に対して熱を伝達する伝熱面積を広くとる構成とすることができる。冷媒管２２ａおよび水管２２ｂを密着させた熱交換部材５３を、扁平管を利用して成型することになるため、扁平管３つを密着させるのみで熱交換部材５３を成型することができ、１本の水管に水管よりも細い冷媒管複数本を巻き付ける構成とするよりも製造を容易にできる。さらに、冷媒管２２ａと水管２２ｂとを密着させた状態でそれぞれの管に各ヘッダ５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂを設けて、水と冷媒とが熱交換する部分を延長して、水熱交換器２２全体において冷媒流路４７と水流路４８とが蛇行するような構成とすることができる。したがって、熱交換部材５３に曲げ加工を施さなくとも、熱交換部材５３の距離を長くすることができる。このように、熱交換部材５３に直接曲げ加工を施すことによる蛇行構造としていないため、水熱交換器２２全体の構成を熱交換部材５３の距離を所定距離以上に確保しつつ、コンパクトにすることができる。

（２）
本実施形態の水熱交換器２２は、冷媒が流通する第１ヘッダ５１ａおよび第２ヘッダ５１ｂが、水が流通する第３ヘッダ５２ａおよび第４ヘッダ５２ｂの第１方向Ｌ１外側になるように配置されており、冷媒管２２ａが水管２２ｂと密着していない部分（すなわち、密着部以外の部分）で第３ヘッダ５２ａおよび第４ヘッダ５２ｂを迂回するような形状で第１ヘッダ５１ａおよび第２ヘッダ５１ｂと接続されている。

したがって、冷媒管２２ａと水管２２ｂとの両端にそれぞれヘッダ５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂが設けられるような構成において、冷媒管２２ａと水管２２ｂとが密着する部分を極力直線になるようにしつつ、ヘッダ５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂの数を最小限にすることができる。このため、水熱交換器２２をコンパクトに構成することができる。

（３）
本実施形態の水熱交換器２２では、冷媒管２２ａ内部を流れる冷媒と、水管２２ｂ内部を流れる水とは、互いに対向する方向に流れる。

したがって、冷媒と水との温度差を確保することができる。また、冷媒と水との温度差を水熱交換器２２全体において均一に近づけることができ、特に冷媒が超臨界冷媒のように熱交換のはじめと終わりとで温度が異なる冷媒である場合に、熱交換効率を向上させることができる。

（４）
本実施形態の水熱交換器２２は、単穴扁平管４２は、アルミニウム３００３で組成される第１アルミニウム層５４ａをアルミニウム４３４３で組成される第２アルミニウム層５４ｂにより挟み込んで密着させてできた３層板状部材５４を曲げ加工することにより形成している。そして、水流路４８側に配置される第２アルミニウム層５４ｂは、第１アルミニウム層５４ａよりもイオン化傾向の大きい板状の部材であるため、水による防食が起こる場合にまず第２アルミニウム層５４ｂから防食が始まる。

このため、アルミニウム３００３よりもイオン化傾向が大きいアルミニウム４３４３により組成される第２アルミニウム層５４ｂを水流路４８となる側に配置させることにより、第２アルミニウム層５４ｂが第１アルミニウム層５４ａよりも腐食しやすい状態にすることができ、第１アルミニウム層５４ａに防食が及ぶことを防ぐことができる。

（５）
本実施形態の水熱交換器２２では、冷媒管２２ａと、水管２２ｂと、第１ヘッダ５１ａと、第２ヘッダ５１ｂと、第３ヘッダ５２ａと、第４ヘッダ５２ｂとは、全てまとめてロウ付けされることにより接合される。

したがって、接合にかかる手間を減らすことができ、容易に接合することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

（１）
上記実施形態にかかる水熱交換器２２は、単穴扁平管４２は、３層板状部材５４から成型されているが、これに限らずに、アルミ合金の片面に防食用コーティング剤を塗布した板状部材から成型しても構わない。なお、この場合に、単穴扁平管は、防食用コーティング剤が内側となるように曲げ加工を施して形成される。

（２）
上記実施形態にかかる水熱交換器２２は、単穴扁平管４２が多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂと密着される部分（直線部分４２ａ）は、その断面形状において直線形状となっているが、これに限らずに、この部分が図１０のようにディンプル加工が施された単穴扁平管７２であっても構わない。なお、ディンプル加工は、３層板状部材５４に対して、その両面側から凹凸が付いたローラーにより圧力を加えられることにより行われる。

（３）
上記実施形態にかかる水熱交換器２２は、熱交換部材５３が、単穴扁平管４２を一対の多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂにより挟み込んで密着させる形状としているがこれに限らず、１つの単穴扁平管４２に対して１つの多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂを密着させる形状としても良い。

（４）
上記実施の形態では、単穴扁平管４２の断面形状は、二本の第１直線部分４２ａと二本の第１直線部分４２ａをつなぐ２つの第２直線部分４２ｂとから構成されているが、これに限らずに二本の第１直線部分４２ａをつなぐ２カ所の部分は直線でなくとも良い。

（５）
上記実施の形態では、多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂの扁平部本体４６内には、１１個の冷媒流路４７が一列に並んで形成されているが、本発明はこれに限定されない。穴の個数や配置は任意に設定しても良い。

（６）
上記実施形態では、冷媒としてＣＯ₂を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、高温高圧の冷媒として、炭化水素、フロン冷媒などを用いても良い。

（７）
上記実施形態では、一対の多穴扁平管４１Ａ，４１Ｂは、一体部材に成型された多穴構造であるが、これに限定するものではなく、例えば図１１のように、２つの多穴扁平管７１Ａ，７１Ｂを並べたものであっても構わない。また、複数の細管を接合して１つの多穴扁平管としても構わない。ただし、このように複数の部材によって多穴扁平管を構成しても、多穴扁平管を単穴扁平管の二本の直線部分側の面と密着させることにより単穴扁平管からの周囲の空気への放熱を防ぐことが可能である。

本発明に係る水熱交換器は、熱交換効率の低下を防ぎ、かつ、その構成を単純にすることができ、冷媒と水とを熱交換させる水熱交換器等として有用である。

２２ 水熱交換器
２２ａ 冷媒管
２２ｂ 水管
４１Ａ，４１Ｂ 多穴扁平管
４２ 単穴扁平管
４７ 冷媒流路（冷媒流路孔）
４８ 水流路（水流路孔）
５１ａ 第１ヘッダ
５１ｂ 第２ヘッダ
５２ａ 第３ヘッダ
５２ｂ 第４ヘッダ
５５ａ〜５５ｃ 第１バッフル板
５７ａ〜５７ｃ 第２バッフル板
７１Ａ，７１Ｂ 多穴扁平管
Ｌ１ 第１方向
Ｌ２ 第２方向

特開２００６−３３６８９４号公報

Claims (13)

1. 冷媒と水との間で熱交換を行わせる水熱交換器（２２）であって、
   前記冷媒が流通可能な複数の冷媒流路孔（４７）を有する多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ，７１Ａ，７１Ｂ）から成る冷媒管（２２ａ）と、
   前記水が流通可能な１つの水流路孔（４８）を有する単穴扁平管（４２）から成る水管（２２ｂ）と、
   前記冷媒管の一端に接続される前記冷媒用の第１ヘッダ（５１ａ）と、
   前記冷媒管の他端に接続される前記冷媒用の第２ヘッダ（５１ｂ）と、
   前記水管の一端に接続される前記水用の第３ヘッダ（５２ａ）と、
   前記水管の他端に接続される前記水用の第４ヘッダ（５２ｂ）と、
   を備え、
   前記冷媒管と前記水管とは、断面長辺側の側面同士が密着する密着面を有し、
   前記密着面は、略矩形状でありその長手方向である第１方向（Ｌ１）と前記冷媒または前記水の流れ方向とが一致する、
   水熱交換器（２２）。
2. 前記冷媒管は、一対の多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）から成り、
   前記水管は、一対の前記冷媒管に挟まれている、
   請求項１に記載の水熱交換器（２２）。
3. 前記第１ヘッダおよび前記第２ヘッダは、前記第１方向において、少なくともそれらの中心が前記第３ヘッダおよび前記第４ヘッダの中心よりも外側に配置され、
   前記冷媒管は、前記水管と密着していない部分で前記第３ヘッダおよび前記第４ヘッダを避けるように湾曲している、
   請求項１または２に記載の水熱交換器（２２）。
4. 前記第１ヘッダ、前記第２ヘッダ、前記第３ヘッダ、および前記第４ヘッダは、前記第１方向に交差する第２方向（Ｌ２）延びる形状であり、
   前記冷媒管および前記水管は密着した状態で、前記第２方向に複数本が並び、
   前記複数本の冷媒管には、前記冷媒の流れ方向上流側にある少なくとも１本以上の第１冷媒管と、前記第１冷媒管の前記冷媒の流れ方向下流側直後にある少なくとも１本以上の第２冷媒管とがあり、
   前記複数本の水管には、前記水の流れ方向上流側にある少なくとも１本以上の第１水管と、前記第１水管の前記冷媒の流れ方向下流側直後にある少なくとも１本以上の第２水管とがあり、
   前記第１ヘッダおよび／または前記第２ヘッダは、前記第１冷媒管を流れる冷媒を前記第２冷媒管へ導く第１バッフル板（５５ａ〜５５ｃ）を有し、
   前記第３ヘッダおよび／または前記第４ヘッダは、前記第１水管を流れる水を前記第２水管へ導く第２バッフル板（５７ａ〜５７ｃ）を有する、
   請求項１から３のいずれかに記載の水熱交換器（２２）。
5. 前記冷媒管内部を流れる前記冷媒と、前記水管内部を流れる前記水とは、互いに対向する方向に流れる、
   請求項１から４のいずれかに記載の水熱交換器（２２）。
6. 前記単穴扁平管は、
   板状の第１アルミ合金部材（５４ａ）と、
   前記第１アルミ合金部材よりもイオン化傾向の大きい板状の第２アルミ合金部材（５４ｂ）と、
   を有しており、
   前記第１アルミ合金部材の両面から前記第２アルミ合金部材により前記第１アルミ合金部材を挟み込んでできた３層板状部材（５４）に、曲げ加工を施して形成される、
   請求項１から５のいずれかに記載の水熱交換器（２２）。
7. 前記第２アルミ合金部材は、ロウ付けの際のロウ材として機能する、
   請求項６に記載の水熱交換器（２２）。
8. 前記単穴扁平管は、
   板状のアルミ合金部材と、
   前記アルミ合金部材の片側の面に塗布される防食用コーティング剤と、
   を有しており、
   前記防食用コーティング剤が内側となるように曲げ加工を施して形成される、
   請求項１から５のいずれかに記載の水熱交換器。
9. 前記単穴扁平管は、少なくとも断面長辺側の側面にディンプル加工を施されている、
   請求項６から８のいずれかに記載の水熱交換器。
10. 前記冷媒管と、前記水管と、前記第１ヘッダと、前記第２ヘッダと、前記第３ヘッダと、前記第４ヘッダとは、全てまとめてロウ付けされることにより接合される、
    請求項１から９のいずれかに記載の水熱交換器（２２）。
11. 前記多穴扁平管は、引き抜き加工または押し出し加工により成型される、
    請求項１から１０のいずれかに記載の水熱交換器（２２）。
12. 前記冷媒は、ＣＯ２である、
    請求項１から１１のいずれかに記載の水熱交換器（２２）。
13. 第１アルミ合金部材（５４ａ）を、前記第１アルミ合金部材よりもイオン化傾向の大きい第２アルミ合金部材（５４ｂ）により挟み込んで圧着して３層板状部材（５４）を形成する圧着ステップ（Ｓ１）と、
    前記３層板状部材に曲げ加工を施して単穴扁平管を成型する扁平管成型ステップ（Ｓ２）と、
    多穴扁平管（４１Ａ，４１Ｂ）を引き抜き加工または押し出し加工により成型する多穴管成型ステップ（Ｓ３）と、
    前記多穴扁平管と、前記扁平管と、前記多穴扁平管の一端に接続される第１ヘッダ（５１ａ）と、前記多穴扁平管の他端に接続される前記冷媒用の第２ヘッダ（５１ｂ）と、前記扁平管の一端に接続される第３ヘッダ（５２ａ）と、前記扁平管の他端に接続される前記水用の第４ヘッダ（５２ｂ）とを全てまとめてロウ付けして接合する接合ステップ（Ｓ４）と、
    を備える水熱交換器（２２）の製造方法。

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