JP4414196B2

JP4414196B2 - ２重管式熱交換器

Info

Publication number: JP4414196B2
Application number: JP2003387567A
Authority: JP
Inventors: 辰也菊山; 正隆福澤; 勝利小野; 芳久浦川; 松本　　聡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd; T Rad Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp; T Rad Co Ltd
Priority date: 2003-11-18
Filing date: 2003-11-18
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2023-11-18
Also published as: JP2005147566A

Description

本発明は、内管内を流通する流体と、内管の外側に設けられた外管内を流通する流体との間で熱交換を行う２重管式熱交換器に関する。

従来、ヒートポンプ式給湯機、空調機、床暖房等において、二酸化炭素やフロン等の冷媒と水との間で熱交換を行わせるために２重管式熱交換器が使用されている。

この種の２重管式熱交換器は、内部に冷媒用流路が形成された内管と、該内管の外側に設けられ、内管との間に水用流路が形成された外管とを有する２重管を備えており、その２重管は、通常、渦巻状に形成されている。そして、前記内管の端部をヒートポンプ式給湯機等の機器に接続し、前記冷媒用流路に冷媒を流通させると共に前記水用流路に水を流通させることにより、冷媒と水との間で熱交換を行わせるようになっている（例えば、特許文献１及び２参照）。

特開昭６０−１６４１８３号公報実開昭６０−２４８９９６号公報

ところが、上記した従来の２重管式熱交換器では、１本の２重管による単一パスを採用しているため、熱交換流路長を長くしようとすると、圧力損失の増加により流体流量が減少し、性能が低下するといった問題があった。

また、水用流路は断面が複雑な形状をしているため、スケールが堆積し易く、堆積したスケールにより水用流路が閉塞するといった問題もあった。

本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、熱交換面積を増加させ、スケールによる流路の閉塞を防止し、性能の向上を図ることのできる２重管式熱交換器を提供するものである。

本発明は、内部に冷媒用流路が形成された内管と、前記内管の外側に設けられ、前記内管との間に水用流路が形成された外管とからなる２重管を備えた２重管式熱交換器において、２重管が渦巻状に形成され、前記２重管が複数段並設され、冷媒及び水が分割並行して流れる熱交換ユニットを備え、前記熱交換ユニットは前記水用流路への入口が前記水用流路からの出口より下方に位置するように複数段積層されていると共に、最上段の熱交換ユニットは１段で形成されていることを特徴とする。

好ましくは、前記内管は、第１流体管と、該第１流体管の外周に設けられた漏洩検知管とから成り、該漏洩検知管の内面に配管方向に沿って漏洩検知溝が形成されている。

また、前記各熱交換ユニット同士がヘッダを介して接続可能なように構成されていてもよく、さらに、前記第１流体用流路を流通する第１流体と、前記第２流体用流路を流通する第２流体とが互いに対向して流れるように構成されていてもよい。

さらにまた、前記第１流体が冷媒で、前記第２流体が水である２重管式熱交換器において、前記外管が接続され、前記内管が貫通する水用ヘッダと、前記冷媒管が接続される冷媒用ヘッダとがそれぞれ別々に設けられていてもよい。

さらに、前記漏洩検知管の開口端面が、前記内管のヘッダ貫通部及び前記冷媒管のヘッダ接続部からそれぞれ前記内管径に相当する長さ以上離間して設けられていてもよい。

また、前記第１流体が冷媒で、前記第２流体が水である２重管式熱交換器において、水用流路の断面積が、上流側より下流側の方が大きくなるように構成されていてもよく、また、水用流路の断面積が、上流側の段の熱交換ユニットより下流側の段の熱交換ユニットの方が大きくなるように構成されていてもよく、さらに、水用流路の出口の近傍部分が拡幅されていてもよい。

さらに、前記第１流体が冷媒で、前記第２流体が水である２重管式熱交換器において、水用流路への入口が該水用流路からの出口より下方に位置するように構成されていてもよい。

さらにまた、前記第１流体が冷媒で、前記第２流体が水である２重管式熱交換器において、前記外管は、その曲げ半径比が水温に応じて設定された曲げ半径比以上となるように形成されていてもよい。

また、前記第１流体が冷媒で、前記第２流体が水である２重管式熱交換器において、前記２重管の上端部において水管と内管に分離され、前記水管は前記内管より上方に位置し、該内管は縦方向に並設されていてもよい。

さらに、前記第１流体が冷媒で、前記第２流体が水である２重管式熱交換器において、前記水用流路の出口近傍の水温が６０〜７０℃となる前記熱交換ユニットのさらに上部に該熱交換ユニットの外管より太径の外管を有する１本の２重管が設けられていてもよい。

本発明によれば、２重管を複数段並設した熱交換ユニットを複数段積層することにより、圧力損失を増加させずに熱交換面積を増加させることができ、熱交換性能を向上させることができる。

また、水用流路の閉塞を防止することができるので、熱交換性能を高く維持することができ、耐久性の向上が図れる等種々の優れた効果を得ることができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態では、ヒートポンプ給湯機等の機器に使用される二酸化炭素やフロン等の冷媒と水との間で熱交換を行う２重管式熱交換器を例に挙げて説明する。

この２重管式熱交換器１は、図１に示されているように、３個の熱交換ユニット２，３，４を段状に積層した構成を有しており、それぞれの熱交換ユニット２，３，４には、２重管５（５ａ，５ｂ）が備えられている。

図２に示されているように、２重管５には、銅製の内管６と、内管６の外側に設けられた銅製の外管７とが設けられ、内管６内には冷媒用流路８が形成され、内管６と外管７の間には水用流路９が形成されている。そして、冷媒用流路８を流通する冷媒と水用流路９を流通する水はお互いに対向して流れるようになっており、この結果、冷媒と水との間の熱交換効率を高めることができる。また、内管６は、銅製の冷媒管１０と、冷媒管１０の外周に設けられた銅製の漏洩検知管１１とから構成され、２本の内管６が縦方向に並設されている。漏洩検知管１１の内面には、配管方向に沿って多数の漏洩検知溝１２が形成されており、漏洩検知溝１２内には空気層が形成されている。漏洩検知溝１２は外部に設けられた漏洩検知センサー（図示せず）に接続されており、内管６又は外管７から漏洩した冷媒又は水は混入することなく漏洩検知溝１２を介して外部に漏出し、前記漏洩検知センサーにより検知されるようになっている。

図１に示されているように、最下段及び中間の段の熱交換ユニット２，３には２重管５（５ａ，５ｂ）が上下２段に並設され、冷媒及び水が分割並行して流れるようになっている。また、最下段及び最上段の熱交換ユニット２，４には、それぞれ、図３及び図４に示されているように、水用流路９を水が外側に向かって渦巻状に流通するように形成された外巻き２重管５ａが設けられており、一方、中間の段の熱交換ユニット３には、水用流路９を水が内側に向かって渦巻状に流通するように形成された内巻き２重管５ｂが設けられている。この結果、２重管式熱交換器１への水の入口１３は出口１４より下方に位置し、水用流路９にエア溜り部分ができることがなく、水は水用流路９を上方に向かって円滑に流れるようになるため、水用流路９内の空気抜き性能及び水抜け性能を向上させることができ、熱交換性能の向上が図れ、冷凍パンクを防止することができる。また、最上段の熱交換ユニット４に外巻き２重管５ａを設けることにより、水の出口側に長い直線部を形成させることができるため、水用流路９にスケールが詰まるのを防止することができる。

水用流路９を流通する水の中にはスケールが含有されており、水用流路９を流通する水の温度の上昇に伴って水用流路９内でのスケール析出量は増加する傾向がある（図５から分かるように、スケール析出量は、特に、水温が６０℃を超えると、急激に増加し始める）。そのため、外管７の内径に対する外管７の曲がり部１７の曲げ半径Ｒの割合（以下「曲げ半径比」と呼ぶ）を水温又はスケール析出量に応じて設定し、外管７の曲げ半径比がその設定以上となるように形成されている。具体的には、図５に示すように、外管の曲げ半径比が、水温が６０℃までは２．７以上、水温が７０℃の場合には３．１５以上、水温が８０℃の場合には４．１以上、水温が９０℃の場合には５．３以上となるように形成されている。この結果、外管７の水用流路９がスケールにより閉塞されるのを防止することができ、熱交換性能を高く維持することができ、熱交換器の耐久性を向上させることができる。

図１に良く示されているように、２重管５の上端部はレジューサー２６等により拡幅され、水管１８と内管６に分離されている。そして、水管１８と内管６に分離後、水管１８は内管６より上方に位置するようになっており、内管６は縦方向に並設されている。このように、内管６が縦方向に並設されることにより、水の流れの抵抗を抑えることができ、水用流路９がスケールにより閉塞されるのを防止することができる。また、水管１８を内管６より上方に配置することにより空気抜き性能及び水抜け性能を向上させることができる。

好ましくは、水用流路９の断面積は上流側より下流側のほうが大きくなるように形成され、また、上流側の段の熱交換ユニットより下流側の段の熱交換ユニットの方が大きくなるように形成され、さらに、図１及び図４に示されているように、水管１８の出口１５の近傍部分が拡径されているのがよい。そして、これらの場合には、外管７の水用流路９の水の流れの抵抗を低く抑えることができるため、水用流路９がスケールにより閉塞されるのを防止することができる。

図１及び図３，４に示されているように、各段の熱交換ユニット２，３，４の間には所要数の金属製パイプ１９がロウ付けされている。このように、金属パイプ１９が設けられることにより、各段の熱交換ユニット２，３，４の安定性が向上し、また、金属パイプ１９により各段の熱交換ユニット２，３，４間に隙間が形成されるため、各段の熱交換ユニット２，３，４間の熱移動が遮断され、熱交換効率の向上が図れる。なお、各段の熱交換ユニット２，３，４の間に介装するのは上記した金属パイプ１９に限らず、他の支持部材であってもよく、例えば、各段の熱交換ユニット２，３，４の間の所要箇所に断熱両面テープを貼着し、該断熱両面テープにより各段の熱交換ユニット２，３，４同士を固定する等、断熱手段を介装させてもよい。この場合には、各段の熱交換ユニット２，３，４同士が隙間を確保した状態で確実に固定されるため、安定性が向上し、熱交換ユニット２，３，４の積層作業が容易となり、積層後の熱交換器１の形状精度を高めることができる。また、各段の熱交換ユニット２，３，４間の熱移動の遮断性能をさらに向上させることができ、熱交換効率を高めることができる。さらに、各段の熱交換ユニット２，３，４の間に介装する支持部材としては、樹脂製板状部材を使用してもよく、例えば、図８に示すように、この支持部材２９は、空洞部３０を介して一対の樹脂製板状部材３１を対向させ、各樹脂製板状部材３１からそれぞれ上下に位置決め用支持片３２を形成させ、位置決め用支持片３２により２重管５を整列可能に構成させたものであってもよい。この結果、空洞部３０により、各段の熱交換ユニット２，３，４間の熱移動の遮断性能の向上を図ることができ、また、位置決め用支持片３２により、２重管５ａ，５ｂの設置作業の簡素化が可能となると共に、積層後の安定性を高めることができる。

また、図１、及び図３、図４に示されているように、最下段の熱交換ユニット２と中間の段の熱交換ユニット３との間、及び中間の段の熱交換ユニット３と最上段の熱交換ユニット４との間において、外管９同士はヘッダ１５を介して接続されている。この場合、中間の段の熱交換ユニット３の出口近傍の水温は、水用流路９内でのスケール析出量が急激に増加し始める温度域の６０〜７０℃となるため、最上段の熱交換ユニット４は中間の段の熱交換ユニット２の外管７より太径の外管７を有する１本の２重管５により構成されており、水用流路９内にスケールが溜まり難いようになっている。

図６に詳細に示されているように、中間の段の熱交換ユニット１３と最上段の熱交換ユニット４の間のヘッダ１５は、筒状のパイプ２０と、パイプ２０の両端部を閉塞する蓋部材２１とから成り、外管７はパイプに穿設された穴（図示せず）を介してヘッダ１５にロウ付け等により溶接され、内管６はヘッダ１５を貫通し、ヘッダ貫通部２２はロウ付け等により溶接されるようになっている。また、各段間の冷媒管１０同士の接続は、冷媒の圧力が高いためブロック状のヘッダ１６を介して行われる。このヘッダ１６には、縦孔２３が形成され、縦孔２３の開口端部はキャップ２４により閉塞されており、各冷媒管１０は縦孔２３に連通するようにヘッダ１６に接続され、ヘッダ接続部２５はロウ付け等により溶接されるようになっている。そして、内管６のヘッダ貫通部２２から漏洩検知管１１の開口端面までの長さａ、及び漏洩検知管１１の開口端面から冷媒管１０のヘッダ接続部２５までの長さｂはいずれも内管径に相当する長さ以上となっている。これにより、ヘッダ貫通部２２及びヘッダ接続部２５の溶接時にロウ材等が漏洩検知溝１２に流れ込んで漏洩検知溝１２が閉塞されることのないようになっている。このように、外管７と冷媒管１０がそれぞれ別個のヘッダ１５，１６に接続され、さらに、漏洩検知管１１の開口端面が溶接部から所定距離、離間されているため、水又は冷媒の漏洩検知を容易且つ確実に行うことができ、漏洩検知精度を高めることができる。また、熱交換ユニット２，３，４間の接続をヘッダ１５，１６を介して行うことにより、各段毎に外管７又は冷媒管１０の口径が異なっていたとしても、それらの接続作業を容易に行うことができ、生産性が向上し、製造コストを抑制することができる。

また、最下段の熱交換ユニット２の水管１８の入口１３部分における外管９同士の接続はヘッダ２７を介して行われる。図７に詳細に示されているように、このヘッダ２７は、上記したヘッダ１５と同様の構造を有しており、外管７はヘッダ２７にロウ付け等により固定されている。また、内管６はヘッダ２７を貫通し、冷媒管１０の接続は、上記したヘッダ１６と同様の構造を有するヘッダ２８を介して行われる。

なお、上記実施の形態においては、最下段及び中間の段の熱交換ユニット２，３だけに２重管５ａ，５ｂが上下２段で並設されているが、最上段の熱交換ユニット４にも２重管５ａが上下２段で並設されていてもよく、また、各熱交換ユニット２，３，４の２重管の設置段数は３段以上であってもよい。

さらに、熱交換ユニット２，３，４の積層段数は、上記した３段に限定されるものではなく、２段、或いは４段以上であってもよい。

さらにまた、内管６の設置数は２本に限定されるものではなく、３本以上であってもよい。また、内管６には外周部に漏洩検知管１１が設けられているが、本発明は、漏洩検知管１１のない２重管式熱交換器にも適用可能である。

さらに、上記実施の形態では、冷媒と水との間で熱交換する場合について説明したが、これは単なる例示であり、本発明は、例えば、水と水との間で熱交換する場合等、他の流体間で熱交換する場合にも、適用可能である。

本発明の実施の形態に係る２重管式熱交換器を示す正面図である。本発明の実施の形態に係る２重管式熱交換器を示す断面図である。図１のＡ−Ａ矢視図である。本発明の実施の形態に係る２重管式熱交換器を示す平面図である。本発明の実施の形態に係る２重管式熱交換器における、曲げ半径比と水温及びスケール析出量との関係を示す図である。本発明の実施の形態におけるヘッダの詳細を示す断面図である。本発明の実施の形態におけるヘッダの詳細を示す断面図である。本発明の実施の形態における支持部材の別の例を示す側断面図である。

符号の説明

１２重管式熱交換器
２熱交換ユニット
３熱交換ユニット
４熱交換ユニット
５２重管
６内管
７外管
８冷媒用流路
９水用流路
１１漏洩検知管
１４出口
１５ヘッダ
１６ヘッダ
２２ヘッダ貫通部
２５ヘッダ接続部

Claims

内部に冷媒用流路が形成された内管と、前記内管の外側に設けられ、前記内管との間に水用流路が形成された外管とからなる２重管を備えた２重管式熱交換器において、
２重管が渦巻状に形成され、前記２重管が複数段並設され、冷媒及び水が分割並行して流れる熱交換ユニットを備え、前記熱交換ユニットは前記水用流路への入口が前記水用流路からの出口より下方に位置するように複数段積層されていると共に、最上段の熱交換ユニットは１段で形成されていることを特徴とする２重管式熱交換器。
前記内管は、冷媒管と、前記冷媒管の外周に設けられた漏洩検知管とから成り、前記漏洩検知管の内面に配管方向に沿って漏洩検知溝が形成されている請求項１に記載の２重管式熱交換器。
前記各熱交換ユニット同士がヘッダを介して接続可能なように構成されている請求項１又は２に記載の２重管式熱交換器。
冷媒と、水とが互いに対向して流れるように構成されている請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の２重管式熱交換器。
前記外管が接続され、前記内管が貫通する水用ヘッダと、前記冷媒管が接続される冷媒用ヘッダとがそれぞれ別々に設けられている請求項３〜４のいずれか１の請求項に記載の２重管式熱交換器。
前記漏洩検知管の開口端面が、前記内管のヘッダ貫通部及び前記冷媒管のヘッダ接続部からそれぞれ前記内管径に相当する長さ以上離間して設けられている請求項３〜５のいずれか１の請求項に記載の２重管式熱交換器。
前記水用流路の断面積が、上流側より下流側の方が大きくなるように構成されている請求項１〜６のいずれか１の請求項に記載の２重管式熱交換器。
前記水用流路の断面積が、上流側の段の熱交換ユニットより下流側の段の熱交換ユニットの方が大きくなるように構成されている請求項１〜７のいずれか１の請求項に記載の２重管式熱交換器。
前記水用流路の出口の近傍部分が拡幅されている請求項１〜８のいずれか１の請求項に記載の２重管式熱交換器。
前記外管は、その曲げ半径比が水温に応じて設定された曲げ半径比以上となるように形成されている請求項１〜９のいずれか１の請求項に記載の２重管式熱交換器。
前記２重管の上端部において水管と内管に分離され、前記水管は前記内管より上方に位置し、前記内管は縦方向に並設されている請求項１〜１０のいずれか１の請求項に記載の２重管式熱交換器。