JP3906797B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、第１流体と第２流体との間で熱交換を行なう熱交換器に関するものであり、特に、ヒートポンプ式給湯機等で冷媒を用いて水を加熱する水−冷媒熱交換器に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷媒を熱源とするヒートポンプ式給湯機に組み込む熱交換器には、高温・高圧冷媒（例えばＣＯ_２冷媒）の使用に耐える構造が求められ、近年、この種の熱交換器として、多数のキャピラリチューブ（φ数ｍｍの銅製細管）を密着並置して冷媒通路を形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この熱交換器は、キャピラリチューブを用いることで高圧冷媒の使用を可能とし、小口径による効率的な凝縮促進を図ったもので、通水経路を、絞り成形した２枚のプレートを接合した薄型の箱体で形成している。そして、箱体内にインナーフィンを収納し、箱体にキャピラリチューブを積層して製作され、これらの部材を鋼材で形成することで、ロウ付けによる一括した接合を可能としたものである。
【０００４】
また、本出願人は、伝熱面積を増大させて熱効率の向上を図り、小型化による設置の省スペース化を図ると共に、組立作業性、生産性に優れ、製作コストが安価な熱交換器を提供することを目的として、特願２００２−１１９３３７号に示す熱交換器を出願している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３１４８８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した熱交換器では箱体の周縁に開口した入口から出口に至るまで幾重にも折り返した（例えば、１００回程度のターン数の）一つの流体通路で繋がっており、第１流体としての水が流通するうえで通水抵抗が大きいという問題がある。本発明は、上記問題に鑑みて成されたものであり、その目的は、通水抵抗の増大を抑えることのできる熱交換器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１ないし請求項３に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、絞り成形した二枚のプレート（2１、２２）の間に波形成形したコルゲート板（３０）を挟み込み、プレート（2１、２２）の周縁を接合して薄型矩形の箱体（２０）を形成し、周縁に開口した入口（２３）から出口（２４）に至って第１流体が流通する第１チューブ（２０）と、第２流体が流通する第２チューブ（１０）を箱体（２０）の外面に接合して第１流体と第２流体との熱交換を行なう熱交換器において、
第１チューブ（２０）内の流体通路を仕切るコルゲート板（３０）の壁面（３２）を、少なくとも
・ 左右の一方の端に寄って他方側を開口する壁面（３２ａ）
・ 左右の略中央に位置して左右両端を開口する壁面（３２ｂ）
・ 左右の他方の端に寄って一方側を開口する壁面（３２ｃ）
の３位置とし、これらの壁面（３２ａ〜３２ｃ）を、▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲２▼の順の繰り返しで左右交互に段違いにずらして配置したことを特徴とする。
【０００８】
これにより、流体通路を複数パスでの折り返しとすることができ、ターン数が減少するうえ、交互に曲率の大きなターン部となるため、通水抵抗の増大を抑えることができる。また、流体通路の端部が段違いにずらして配置してあることより、複数の流体通路にうまく水が分配されて均等な流通とすることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、コルゲート板（３０）を、折り返し面を平坦状としたプレーン型に形成したことを特徴とする。これは、これらの熱交換器においては、折り返し面を平坦状としたプレーン型のコルゲート板（３０）が接合性・伝熱性に優れて適していることによる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、第１流体が水であり、第２流体が冷媒であることを特徴とする。これは、本発明の熱交換器をヒートポンプ式給湯機等で冷媒を用いて水を加熱する水−冷媒熱交換器に適用して好適なものであることによる。尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、図面の実施例に基づいて具体的に説明する。本実施例は、本発明に係わる熱交換器を家庭用多機能給湯器に適用したものであって、図１は給湯器１００の外観図であり、図２は給湯器１００の模式図である。図２中２００（２点鎖線で囲まれたもの）は給湯器の本体部であり、給湯水を加熱し高温（本実施形態では約８５℃）の温水を生成する超臨界ヒートポンプサイクル（以下、ヒートポンプと略す）となっている。
【００１２】
尚、超臨界ヒートポンプサイクルとは、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルを言い、例えば二酸化炭素、エチレン、エタン、酸化窒素等を冷媒とするヒートポンプサイクルである。３００は、ヒートポンプ２００にて加熱された温水を保温貯蔵する複数個の保温タンクであり、各保温タンク３００は、温水（給湯水）流れに対して並列となるように配設されている。
【００１３】
図２中２１０は、冷媒（本実施形態では二酸化炭素）を吸入圧縮する圧縮機であり、この圧縮機２１０は、冷媒を吸入圧縮する圧縮機構（図示せず）及び圧縮機構を駆動する電動モータ（図示せず）が一体となった電動圧縮機である。４０は本発明に係わる熱交換器を適用したもので、圧縮機２１０から吐出する冷媒と給湯水とを熱交換する水−冷媒熱交換器（放熱器）である。本発明の要部であるため後述で詳細を説明する。
【００１４】
また、図2中２３０は、熱交換器４０から流出する冷媒を減圧する電気式膨張弁（減圧器）であり、２４０は、膨張弁２３０から流出する冷媒を蒸発させて大気中の熱を冷媒に吸収させると共に、後述するアキュームレータ２５０（圧縮機２１０の吸入側）に向けて冷媒を流出する蒸発器である。
【００１５】
２５０は、蒸発器２４０から流出する冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して気相冷媒を圧縮機２１０の吸入側に流出すると共に、ヒートポンプ２００中の余剰冷媒を蓄えるアキュームレータである。２６０は蒸発器２４０に空気（外気）を送風すると共に、その送風量を調節することができる送風機であり、この送風機２６０、圧縮機２１０及び膨張弁２３０は、後述する各センサの検出信号に基づいて電子制御装置（ＥＣＵ）２７０により制御されている。
【００１６】
そして、２７１は熱交換器４０から流出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサであり、２７２は熱交換器４０に流入する給湯水の温度を検出する第１温水温度センサである。２７３は水−冷媒熱交換器４０から流出する冷媒の圧力（高圧側の冷媒圧力）を検出する冷媒圧力センサであり、２７４は水−冷媒熱交換器４０から流出する給湯水の温度を検出する第２温水温度センサである。そして、各センサ２７１〜２７４の検出信号は、ＥＣＵ２７０に入力されている。
【００１７】
ここで、高圧側の冷媒圧力とは、圧縮機２１０の吐出側から膨張弁２３０の流入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吐出圧（水−冷媒熱交換器４０の内圧）に略等しい。一方、低圧側の冷媒圧力とは、膨張弁２３０の流出側から圧縮機２１０の吸入側に至る冷媒通路に存在する冷媒の圧力を言い、その圧力は、圧縮機２１０の吸入圧（蒸発器２４０の内圧）に略等しい。
【００１８】
また、４００は、水−冷媒熱交換器４０に給湯水を供給する（循環させる）と共に、その給湯水量を調節する電動ウォータポンプ（以下、ポンプと略す。）であり、４１０は水道管（図示せず）から給水される水道水が水−冷媒熱交換器４０に流入することを防止する閉止弁である。そして、ポンプ４００及び閉止弁４１０もＥＣＵ２７０により制御されている。
【００１９】
次に、本発明の要部である水−冷媒熱交換器４０について説明する。図３は、その水−冷媒熱交換器４０を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図である。また、図４は、図３（ｂ）中のＡ−Ａ断面図であり、図５は、水−冷媒熱交換器４０の第１チューブ２０の分解斜視図である。
【００２０】
図において、銅板を浅底容器形に絞り成形した上下２枚のプレート（上プレート２１、下プレート２２）を、その周縁を接合して薄型矩形の箱体２０を形成し、箱体２０の周縁に入口２３と、その対向辺に出口２４とを開口し、入口２３から出口２４に至って第１流体としての水が流通する通水経路としての第１チューブ２０を形成している。
【００２１】
箱体２０の中には、銅板を波形成形したコルゲート板３０が収納されている。このコルゲート板３０は、上下折り返し面（山面、谷面）を平坦状とし、断面を連続する矩形波としたプレーン型に形成され、その外形（縦×横×高さ）が箱体２０の内寸に適合している。そして、このコルゲート板３０の壁面３２ａ〜３２ｃで第１チューブ２０内を幾重にか折り返した流体通路に仕切っている。
【００２２】
このコルゲート板３０の壁面３２ａ〜３２ｃは、少なくとも▲１▼左右の一方の端に寄って他方側を開口する壁面３２ａと、▲２▼左右の略中央に位置して左右両端を開口する壁面３２ｂと、▲３▼左右の他方の端に寄って一方側を開口する壁面３２ｃとの３位置があり、これらの壁面３２ａ〜３２ｃを、▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲２▼の順の繰り返しで左右交互に段違いにずらして配置している。
【００２３】
そして、このコルゲート板３０の上下折り返し面がプレート２１・２２の内面に接合するように箱体２０内に収納している。冷媒通路は、密着並置した２本の銅製細管１０を、箱体２０の外周に螺旋状に巻装して形成され、細管１０は、箱体２０の両平坦外面（表側及び裏側）に接合されている。
【００２４】
この水−冷媒熱交換器４０は、コルゲート板３０を収納し、上下プレート２１・２２の周縁に形成したフランジを当接し、同じく上下プレート２１・２２の周縁に形成した爪Ｎをかしめて箱体２０を仮組みし、箱体２０に細管１０を巻装し、各接合面にロウ材を設置して所定治具で組み立てる。そして、この組立品を加熱炉内に投入してロウ付けし、一度の工程で一括した接合で製作される。
【００２５】
以上のように構成した水−冷媒熱交換器４０において、箱体（第１チューブ）２０内に形成される通水経路の状態を図６の模式図に示す。図に示すように、コルゲート板３０の壁面３２が箱体２０内を多数の折り返した通水経路に区画しており、上述したように位置の異なる壁面３２ａ〜３２ｃ（▲１▼〜▲３▼）を、▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲２▼の順の繰り返しで左右交互に段違いにずらして配置することにより、通水経路を二つとし、その二つの通水経路のまま多数回折り返して蛇行する経路を形成している。
【００２６】
入口２３から箱体２０内に流入した水はこの二つの通水経路を流通し、箱体２０に螺旋状に巻装した細管１０内を高温・高圧冷媒が流通し、箱体２０の両平坦外面を介して熱交換が行なわれて壁面３２が伝熱フィンとして機能し、水が加熱されて出口２４から出湯する。
【００２７】
次に、本実施形態での特徴を説明する。まず、第１チューブ２０内の流体通路を仕切るコルゲート板３０の壁面３２を、少なくとも▲１▼左右の一方の端に寄って他方側を開口する壁面３２ａと、▲２▼左右の略中央に位置して左右両端を開口する壁面３２ｂと、▲３▼左右の他方の端に寄って一方側を開口する壁面３２ｃとの３位置とし、これらの壁面３２ａ〜３２ｃを、▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲２▼の順の繰り返しで左右交互に段違いにずらして配置している。
【００２８】
これにより、流体通路を複数パスでの折り返しとすることができ、ターン数が減少するうえ、交互に曲率の大きなターン部となるため、通水抵抗の増大を抑えることができる。また、流体通路の端部が段違いにずらして配置してあることより、複数の流体通路にうまく水が分配されて均等な流通とすることができる。
【００２９】
また、コルゲート板３０を、折り返し面を平坦状としたプレーン型に形成している。これは、このような熱交換器においては、折り返し面を平坦状としたプレーン型のコルゲート板３０が接合性・伝熱性に優れて適していることによる。また、第１流体が水であり、第２流体が冷媒である。これは、本発明の熱交換器をヒートポンプ式給湯機等で冷媒を用いて水を加熱する水−冷媒熱交換器に適用して好適なものであることによる。
【００３０】
（その他の実施形態）
上述の実施形態で、冷媒通路は箱体２０の外周に螺旋状に巻装して形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、冷媒通路を２経路に分岐して２本の銅製細管を箱体２０の表側平坦外面と裏側平坦外面に分岐し、各経路の細管は箱体２０の各平坦外面にサーペンタイン形に蛇行して接合されるようにしても良い。
【００３１】
また、本発明は冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機に組み込む水−冷媒熱交換器の他、二つの流体の間で熱交換を行なう他の熱交換器に適用可能であり、細管１０を流通する流体は、必ずしも冷媒に限るものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係わる給湯機の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係わる給湯機の模式図である。
【図３】本発明の一実施形態における水−冷媒熱交換器を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は下面図である。
【図４】図３（ｂ）中のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３の水−冷媒熱交換器の第１チューブ分解斜視図である。
【図６】図３の第１チューブ内での通水経路を説明する模式図である。
【符号の説明】
１０ 第２チューブ
２０ 箱体、第１チューブ
２１ 上プレート（プレート）
２２ 下プレート（プレート）
２３ 入口
２４ 出口
３０ コルゲート板
３２ 壁面
３２ａ 左右の一方の端に寄って他方側を開口する壁面
３２ｂ 左右の略中央に位置して左右両端を開口する壁面
３２ｃ 左右の他方の端に寄って一方側を開口する壁面

Claims (3)

1. 絞り成形した二枚のプレート（2１、２２）の間に波形成形したコルゲート板（３０）を挟み込み、前記プレート（2１、２２）の周縁を接合して薄型矩形の箱体（２０）を形成し、周縁に開口した入口（２３）から出口（２４）に至って第１流体が流通する第１チューブ（２０）と、
   第２流体が流通する第２チューブ（１０）を前記箱体（２０）の外面に接合して前記第１流体と前記第２流体との熱交換を行なう熱交換器において、
   前記第１チューブ（２０）内の流体通路を仕切る前記コルゲート板（３０）の壁面（３２）を、少なくとも
   ・ 左右の一方の端に寄って他方側を開口する壁面（３２ａ）
   ・ 左右の略中央に位置して左右両端を開口する壁面（３２ｂ）
   ・ 左右の他方の端に寄って一方側を開口する壁面（３２ｃ）
   の３位置とし、これらの前記壁面（３２ａ〜３２ｃ）を、▲１▼→▲２▼→▲３▼→▲２▼の順の繰り返しで左右交互に段違いにずらして配置したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記コルゲート板（３０）を、折り返し面を平坦状としたプレーン型に形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１流体が水であり、前記第２流体が冷媒であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

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