JP4631224B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本願発明は、水と冷媒とを熱交換させるための熱交換器（例えば、ヒートポンプ式給湯機に用いられる水熱交換器）に関するものである。
【従来の技術】
従来から良く知られている給湯機用熱交換器としては、水が流通する内管と、冷媒が流通する外管とからなり、長円形状に屈曲形成して多数の段数重ね合わせてなる二重管式熱交換器がある。
この二重管式熱交換器の場合、内管に腐食による穴が空くと、水と冷媒とがまざりあってしまうため、水の漏洩を検知して、装置の運転を停止する必要があった。そこで、内管の外側に内管から漏洩した水を導く漏洩検知溝を有する漏洩検知管を設け、水の漏洩をいち早く検知するようにしていた。つまり、実質的には、内管、漏洩検知管および外管からなる三重管により構成されることとなっているのである。従って、製造工程が複雑化するとともに、コストの増大を免れがたいという問題があった。
そこで、給湯機用熱交換器として、長い芯管の外周にキャピラリチューブ等からなる巻管を所定ピッチで螺旋状に巻き付け、これを、長円形状に屈曲形成して多数の段数重ね合わせ、その後、鑞付けを施すことにより一体形状とし、芯管側を水通路とし、巻管側を冷媒通路とするように構成したものが開発されている。
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記構成のものの場合、芯管への巻管の鑞付けを前提とした複数部品からなっているため、個々の部品の組立および鑞付け工程が必要となるとともに、鑞付けのための鑞材が必要となり、部品点数が多くなり且つコストダウンにも限界があるという不具合があった。
本願発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、部品点数の低減とコストダウンを図るとともに、漏洩検知を確実に行い得るようにすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明では、上記課題を解決するための手段として、中心部に形成された水通路２と、該水通路２の周囲に形成され、前記水通路２より小さな通路断面積を有する複数の冷媒通路３，３・・とを備えた１本の管状部材１からなる熱交換器において、前記冷媒通路３，３・・相互間の中心部に、凹溝４，４・・をそれぞれ形成するとともに、該各凹溝４の底面と前記水通路２との間の肉厚ｔ1が、前記各冷媒通路３と前記水通路２との間の肉厚ｔ2より薄くなるように構成している。
上記のように構成したことにより、水通路２と冷媒通路３，３・・と凹溝４，４・・とが１本の管状部材１の内外に形成できるところから、鑞付け工程が不要となる。従って、鑞材も不要となる結果、部品点数が低減し且つコストダウンを図ることができる。しかも、冷媒通路３，３・・相互間に、その底面と前記水通路２との間の肉厚ｔ1が前記冷媒通路３，３・・と前記水通路２との間の肉厚ｔ2より薄くなるように構成された凹溝４，４・・をそれぞれ形成するようにしているので、水通路２の周りに腐食等が発生した場合、水通路２から冷媒通路３，３・・へと腐食が進行する前に、水通路３，３・・から凹溝４，４・・底面へと腐食が進行することとなり、当該部位から水が漏れることで漏洩検知が行えることとなる。しかも、凹溝４，４・・を、冷媒通路３，３・・相互間の中心部に形成したことにより、凹溝４，４・・を挟む冷媒通路３，３から凹溝４，４・・側への放熱量が等しくなり、熱交換効率が向上する。
請求項２の発明におけるように、請求項１記載の熱交換器において、前記冷媒通路３，３・・同士の周方向間隔を等しくした場合、冷媒通路３，３・・を流れる冷媒から水通路２を流れる水への熱伝達が周方向に均等となり、熱交換効率が向上する。
請求項３の発明におけるように、請求項１および２のいずれか一項記載の熱交換器において、前記冷媒通路３，３・・を、前記水通路２の中心に対して所定の捩り角度αを有する螺旋形状となした場合、冷媒通路３，３・・から水通路２への熱伝達面積が飛躍的に増大することとなり、熱交換効率が大幅に増大する。
請求項４の発明におけるように、請求項１、２および３のいずれか一項記載の熱交換器において、前記冷媒通路３，３・・の断面形状を円形とした場合、冷媒通路３，３・・における耐圧性能が増大することとなり、冷媒として高圧冷媒（例えば、炭酸ガス等）を採用することができる。
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本願発明の幾つかの好適な実施の形態について詳述する。
第１の実施の形態
図１および図２には、本願発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器が示されている。
この熱交換器は、中心部に形成された断面形状が円形の水通路２と、該水通路２の周囲に形成され、前記水通路２より小さな通路断面積を有する断面形状が円形の複数（例えば、６本）の冷媒通路３，３・・とを備えた１本の管状部材１によって構成されている。本実施の形態においては、前記水通路２および前記冷媒通路３，３・・は、管軸方向に平行に形成されている。また、前記冷媒通路３，３・・は、周方向に等間隔で形成されている。
そして、前記冷媒通路３，３・・相互間における中心部には、凹溝４，４・・がそれぞれ形成されている。該各凹溝４は、本実施の形態においては周方向の幅が狭い切り込み形状とされており、その底面と前記水通路２との間の肉厚ｔ1が前記冷媒通路３と前記水通路２との間の肉厚ｔ2より薄くなるように構成されている（図３参照）。
上記のような構成の管状部材１は、例えば、銅の連続鋳造加工により製造されるが、熱良導体であれば銅以外でもよく、連続鋳造以外の加工法を採用することもできる。。
上記のように構成された熱交換器においては、次のような作用効果が得られる。
即ち、水通路２と冷媒通路３，３・・と凹溝４，４・・とが１本の管状部材１の内外に形成できるところから、従来例の熱交換器において必要とされていた鑞付け工程が不要となる。従って、鑞材も不要となる結果、部品点数が低減し且つコストダウンを図ることができる。
しかも、前記冷媒通路３，３・・相互間に、その底面と前記水通路２との間の肉厚ｔ1が前記冷媒通路３，３・・と前記水通路２との間の肉厚ｔ2より薄くなるように構成された凹溝４，４・・をそれぞれ形成するようにしているので、水通路２の周りに腐食等が発生した場合、水通路２から冷媒通路３，３・・へと腐食が進行する前に、水通路２から凹溝４，４・・底面へと腐食が進行することとなり、当該部位から水が漏れることで漏洩検知が行えることとなる。
また、本実施の形態においては、前記冷媒通路３，３・・同士の周方向間隔を等しくしているので、冷媒通路３，３・・を流れる冷媒から水通路２を流れる水への熱伝達が周方向に均等となり、熱交換効率が向上することとなる。
また、前記凹溝４，４・・を、前記冷媒通路３，３・・相互間の中心部に形成するようにしているので、凹溝４，４・・を挟む冷媒通路３，３・・から凹溝４，４・・側への放熱量が等しくなり、熱交換効率が向上することとなる。
さらに、前記冷媒通路３，３・・の断面形状を円形としているので、冷媒通路３，３・・における耐圧性能が増大することとなり、冷媒として高圧冷媒（例えば、炭酸ガス等）を採用することができることとなる。
ところで、本実施の形態にかかる熱交換器は、図４（イ）に示すように、４本の冷媒通路３，３・・を有するように構成してもよく、図４（ロ）に示すように、２本の冷媒通路３，３を有するように構成してもよい。また、凹溝４，４・・の底面は、図５（イ）および（ロ）に示すように、所定の周方向幅を有するように形成してもよく、この場合、凹溝４の底面の周方向幅が広くなるところから、漏洩検知がより確実に行えることとなる。また、図６（イ）〜（ハ）に示すように、各冷媒通路３の周囲の肉部分３ａを円弧形状として、各冷媒通路３の周囲の肉厚がほぼ均等となるようにしてもよい。この場合にも、凹溝４，４・・は、所定の周方向幅を有するように形成される。
第２の実施の形態
図７および図８には、本願発明の第２の実施の形態にかかる熱交換器が示されている。
この場合、２本の冷媒通路３，３が、水通路２の中心Ｏに対して所定の捩り角度αを有する螺旋形状とされている。この場合、凹溝４，４は、所定の周方向幅の底面を有する螺旋形状となる。また、この場合、各冷媒通路３の周囲の肉部分３ａは円弧形状とされており、各冷媒通路３の周囲の肉厚がほぼ均等となるようにされている。この場合にも、管状部材１は、例えば、銅の連続鋳造加工により製造されるが、鋳造時において捩りを加える必要がある。このようにすると、冷媒通路３，３から水通路２への熱伝達面積が飛躍的に増大することとなり、熱交換効率が大幅に増大する。なお、この場合においても、水通路および冷媒通路の形状、冷媒通路の本数については、第１の実施の形態におけると同様に適宜選定できる。その他の構成および作用効果は、第１の実施の形態におけると同様なので説明を省略する。
ところで、上記各実施の形態においては、水通路２および冷媒通路３の断面形状を円形としているが、これらは、四角形、六角形等の多角形形状あるいは星形等の異形形状とすることもできる。
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、中心部に形成された水通路２と、該水通路２の周囲に形成され、前記水通路２より小さな通路断面積を有する複数の冷媒通路３，３・・とを備えた１本の管状部材１からなる熱交換器において、前記冷媒通路３，３・・相互間の中心部に、凹溝４，４・・をそれぞれ形成するとともに、該各凹溝４の底面と前記水通路２との間の肉厚ｔ1が、前記各冷媒通路３と前記水通路２との間の肉厚ｔ2より薄くなるように構成して、水通路２と冷媒通路３，３・・と凹溝４，４・・とが１本の管状部材１の内外に形成できるようにしたので、鑞付け工程が不要となり、鑞材も不要となる結果、部品点数が低減し且つコストダウンを図ることができるという効果がある。しかも、冷媒通路３，３・・相互間に、その底面と前記水通路２との間の肉厚ｔ1が前記冷媒通路３，３・・と前記水通路２との間の肉厚ｔ2より薄くなるように構成された凹溝４，４・・をそれぞれ形成するようにしているので、水通路２の周りに腐食等が発生した場合、水通路２から冷媒通路３，３・・へと腐食が進行する前に、水通路３，３・・から凹溝４，４・・底面へと腐食が進行することとなり、当該部位から水が漏れることで漏洩検知が行えることとなるという効果もある。また、前記凹溝４，４・・を、前記冷媒通路３，３・・相互間の中心部に形成しているので、凹溝４，４・・を挟む冷媒通路３，３から凹溝４，４・・側への放熱量が等しくなり、熱交換効率が向上するという効果もある。
請求項２の発明におけるように、請求項１記載の熱交換器において、前記冷媒通路３，３・・同士の周方向間隔を等しくした場合、冷媒通路３，３・・を流れる冷媒から水通路２を流れる水への熱伝達が周方向に均等となり、熱交換効率が向上する。
請求項３の発明におけるように、請求項１および２のいずれか一項記載の熱交換器において、前記冷媒通路３，３・・を、前記水通路２の中心に対して所定の捩り角度αを有する螺旋形状となした場合、冷媒通路３，３・・から水通路２への熱伝達面積が飛躍的に増大することとなり、熱交換効率が大幅に増大する。
請求項４の発明におけるように、請求項１、２および３のいずれか一項記載の熱交換器において、前記冷媒通路３，３・・の断面形状を円形とした場合、冷媒通路３，３・・における耐圧性能が増大することとなり、冷媒として高圧冷媒（例えば、炭酸ガス等）を採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本願発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器を示す斜視図である。
【図２】 本願発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器の断面図である。
【図３】 本願発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器の要部を拡大した断面図である。
【図４】 本願発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器の変形例を示すもので、（イ）は変形例Ｉを示す断面図であり、（ロ）は変形例ＩＩを示す断面図である。
【図５】 本願発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器の変形例を示すもので、（イ）は変形例ＩＩＩを示す断面図であり、（ロ）は変形例ＩＶを示す断面図である。
【図６】 本願発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器の変形例を示すもので、（イ）は変形例Ｖを示す断面図であり、（ロ）は変形例ＶＩを示す断面図であり、（ハ）は変形例ＶＩＩを示す断面図である。
【図７】 本願発明の第２の実施の形態にかかる熱交換器の斜視図である。
【図８】 本願発明の第２の実施の形態にかかる熱交換器の断面図である。
【符号の説明】
１は管状部材、２は水通路、３は冷媒通路、４は凹溝、ｔ1，ｔ2は肉厚、αは捩り角度。

Claims (4)

1. 中心部に形成された水通路（２）と、該水通路（２）の周囲に形成され、前記水通路（２）より小さな通路断面積を有する複数の冷媒通路（３），（３）・・とを備えた１本の管状部材（１）からなる熱交換器であって、前記冷媒通路（３），（３）・・相互間の中心部には、凹溝（４），（４）・・をそれぞれ形成するとともに、該各凹溝（４）の底面と前記水通路（２）との間の肉厚（ｔ1）が、前記各冷媒通路（３）と前記水通路（２）との間の肉厚（ｔ2）より薄くなるように構成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記冷媒通路（３），（３）・・同士の周方向間隔を等しくしたことを特徴とする前記請求項１記載の熱交換器。
3. 前記冷媒通路（３），（３）・・を、前記水通路（２）の中心に対して所定の捩り角度（α）を有する螺旋形状となしたことを特徴とする前記請求項１および２のいずれか一項記載の熱交換器。
4. 前記冷媒通路（３），（３）・・の断面形状を円形としたことを特徴とする前記請求項１、２および３のいずれか一項記載の熱交換器。

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