JP7199842B2 - 水熱交換器、ガスクーラ - Google Patents

Description

本発明は、水熱交換器、ガスクーラに関する。

熱交換器の一例として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１に係る熱交換器は、円筒状に形成された一対の第一ヘッダ、及び一対の第二ヘッダと、一対の第一ヘッダ同士の間を接続する複数の第一伝熱管、及び一対の第二ヘッダ同士の間を接続する第二伝熱管と、を備えている。複数の第一伝熱管は、対となる第一ヘッダの間で互いに間隔をあけて配列されている。同様に、複数の第二伝熱管は、対となる第二ヘッダの間で互いに間隔をあけて配列されている。第一ヘッダ、及び第二ヘッダの外周面には、第一伝熱管、及び第二伝熱管を挿通するための穴が形成されている。第一伝熱管の端部、及び第二伝熱管の端部は、第一ヘッダ、及び第二ヘッダの内側の空間にわずかずつ突出している。第一伝熱管と第二伝熱管とが互いに当接していることで、両者の内部を流れる流体同士の間で熱交換が行われる。

特開２０１２－２１６８２号公報

ここで、上記特許文献１に記載された構成では、第一ヘッダ、及び第二ヘッダの内部に、第一伝熱管、及び第二伝熱管の端部（差し込みしろ）が露出している。さらに、第一伝熱管、及び第二伝熱管は、第一ヘッダ、及び第二ヘッダに対してそれぞれ直交する方向に差し込まれている。そのため、ヘッダから伝熱管に冷媒が流入する際に、冷媒の流れに剥離を生じる可能性がある。冷媒の流れに剥離が生じると、局部流速が増大し、当該部分で潰蝕や孔蝕が発生する虞がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、耐久性が向上した水熱交換器、ガスクーラを提供することを目的とする。

本発明の第一の態様によれば、水熱交換器は、第一軸線方向に延びるとともに、該第一軸線方向一方側に向かって水が流通する管状をなすヘッダ本体を有するヘッダと、前記ヘッダ本体の外周面から前記ヘッダ内に突出するように設けられ、前記ヘッダ本体の外周側に向かうに従って前記第一軸線方向一方側に向かって延びる第二軸線に沿う管状をなす伝熱管と、を備え、前記ヘッダは、入口側ヘッダと、出口側ヘッダと、を有し、前記入口側ヘッダ内部では、前記水が前記第一軸線方向一方側に向かって流通し、前記出口側ヘッダ内部では、前記伝熱管を流通した後の前記水が前記第一軸線方向他方側に向かって流通し、前記伝熱管は、前記第一軸線方向に間隔をあけて複数設けられており、前記第一軸線に直交する基準軸線に対して前記第二軸線がなす角度である傾斜角度が、前記第一軸線方向他方側に位置する前記伝熱管になるほど大きくなる。

この構成によれば、伝熱管は、ヘッダ本体の外周側に向かうに従って第一軸線方向他方側から一方側に向かうように延びている。ここで、ヘッダ本体の内部では、第一軸線方向他方側から一方側に向かって水が流れている。即ち、伝熱管はこの水の流れ方向成分を含む方向に延びている。したがって、例えば伝熱管が第一軸線に直交する方向に延びている構成を採った場合に比べて、上記の構成ではヘッダ本体内の水をより円滑に伝熱管に導くことができる。その結果、水の流れにおける剥離や渦が低減され、ヘッダ本体、及び伝熱管内における水の流速を均一化することができる。
また、水はヘッダ本体内を第一軸線方向他方側から一方側に向かって流れている。その中途で、水は複数の伝熱管に順次流入する。即ち、第一軸線方向他方側に位置する伝熱管ほど、高い流速の水が流入する。上記の構成によれば、第一軸線方向他方側に位置する伝熱管になるほど傾斜角度が大きいことから、高い流速の水を円滑に伝熱管内に向かって導くことができる。即ち、水の流れに乱れが生じる可能性をさらに低減することができる。

本発明の第二の態様によれば、前記第一軸線に直交する基準軸線に対して前記第二軸線がなす角度である傾斜角度が、１０～４５°であってもよい。

この構成によれば、ヘッダ本体内の水を伝熱管に向かってさらに円滑に案内することができる。その結果、水の流れにおける剥離や渦が低減され、ヘッダ本体、及び伝熱管内における水の流速を均一化することができる。

本発明の第三の態様によれば、ガスクーラは、上記いずれか一の態様に係る水熱交換器と、前記伝熱管の外周面に接するとともに内側にガスが流通するガス流通管と、を有する。
本発明の第四の態様によれば、ガスクーラは、第一軸線方向に延びるとともに、該第一軸線方向一方側に向かって水が流通する管状をなすヘッダ本体を有するヘッダと、前記ヘッダ本体の外周面から前記ヘッダ内に突出するように設けられ、前記ヘッダ本体の外周側に向かうに従って前記第一軸線方向一方側に向かって延びる第二軸線に沿う管状をなす伝熱管と、を有する水熱交換器と、前記伝熱管の外周面に接するとともに内側にガスが流通するガス流通管と、を有し、前記ヘッダは、入口側ヘッダと、出口側ヘッダと、を有し、前記入口側ヘッダ内部では、前記水が前記第一軸線方向一方側に向かって流通し、前記出口側ヘッダ内部では、前記伝熱管を流通した後の前記水が前記第一軸線方向他方側に向かって流通する。

この構成によれば、耐久性の向上したガスクーラを提供することができる。
本発明の第五の態様によれば、水熱交換器は、第一軸線方向に延びるとともに、該第一軸線方向一方側に向かって水が流通する管状をなすヘッダ本体を有するヘッダと、前記ヘッダ本体の外周面から前記ヘッダ内に突出するように設けられ、前記ヘッダ本体の外周側に向かうに従って前記第一軸線方向一方側に向かって延びる第二軸線に沿う管状をなす伝熱管と、を備え、前記伝熱管は、前記第一軸線方向に間隔をあけて複数設けられており、前記第一軸線に直交する基準軸線に対して前記第二軸線がなす角度である傾斜角度が、前記第一軸線方向他方側に位置する前記伝熱管になるほど大きくなる。

本発明によれば、耐久性の向上した水熱交換器、ガスクーラを提供することができる。

本発明の第一実施形態に係るガスクーラの構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係るガスクーラの要部拡大断面図である。 本発明の第一実施形態に係るバーリング部の構成を示す拡大断面図である。 本発明の第二実施形態に係るガスクーラの要部拡大断面図である。

［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図１と図２を参照して説明する。本実施形態に係るガスクーラ１００は、一例として給湯器のサイクル内に配置される。より具体的にはガスクーラ１００は、水と、熱媒体としてのガスとの間で熱交換を行うことで、水を加熱する。

図１に示すように、ガスクーラ１００は、水熱交換器９０と、複数のガス流通管３と、を備えている。水熱交換器９０は、ヘッダ１と、複数の伝熱管２と、を有している。ヘッダ１は、入口側ヘッダ１Ａと、出口側ヘッダ１Ｂと、を有している。入口側ヘッダ１Ａは、第一軸線Ａ１に沿って延びる管状のヘッダ本体１１と、導入部１２と、バーリング部１３（図２参照）と、を有している。第一軸線Ａ１方向におけるヘッダ本体１１の他方側の端部には、外部から水を導くための導入部１２が設けられている。導入部１２から導かれた水は、第一軸線Ａ１方向他方側から一方側に向かって流れる。出口側ヘッダ１Ｂは、入口側ヘッダ１Ａと平行に配置された管状の部材である。出口側ヘッダ１Ｂの端部には、加熱された水を外部に導くための排出部１４が設けられている。なお、導入部１２は、ヘッダ本体１１の端部に設けるのみならず、ヘッダ本体１１の延在方向の中間部に設けてもよい。

入口側ヘッダ１Ａと出口側ヘッダ１Ｂとの間には、複数の伝熱管２が配置されている。複数の伝熱管２は、入口側ヘッダ１Ａ及び出口側ヘッダ１Ｂの延びる方向に間隔をあけて配列されている。各伝熱管２の内部には、水が流通するための流路が形成されている。入口側ヘッダ１Ａに流れ込んだ水は、これら伝熱管２を通じて出口側ヘッダ１Ｂに流れる。各伝熱管２の外周面には、当該外周面に接するようにしてガス流通管３が螺旋状に巻き付けられている。ガス流通管３の内部には、熱媒体としての高温のガスが流通している。このようなガスとしては、例えば二酸化炭素が好適に用いられる。複数のガス流通管３は、上記入口側ヘッダ１Ａ及び出口側ヘッダ１Ｂとは異なるヘッダに接続されている。

次に、入口側ヘッダ１Ａと伝熱管２との接続部分の詳細について、図２を参照して説明する。図２は、入口側ヘッダ１Ａと複数の伝熱管２との接続部分を拡大して示している。同図に示すように、入口側ヘッダ１Ａは、第一軸線Ａ１を中心とする円筒状をなしている。各伝熱管２は、入口側ヘッダ１Ａと出口側ヘッダ１Ｂとの間で、第一軸線Ａ１方向に交差する方向である第二軸線Ａ２に沿って延びている。第一軸線Ａ１に直交する基準軸線Ａｃに対して、第二軸線Ａ２がなす角度（傾斜角度θ）は１０°から４５°であることが望ましい。さらに望ましくは、傾斜角度θは基準軸線Ａｃに対して２０°から３５°とされる。最も望ましくは、傾斜角度θは基準軸線Ａｃに対して３０°とされる。なお、本実施形態では各伝熱管２における傾斜角度θは互いに同一である。

入口側ヘッダ１Ａ（ヘッダ本体１１）の外周面には、各伝熱管２の端部を支持するバーリング部１３が設けられている。バーリング部１３は、入口側ヘッダ１Ａの外周面から第一軸線Ａ１に対する径方向外側に向かって突出する環状をなしている。より詳しくは図３に示すように、バーリング部１３の外周面は基準軸線Ａｃを中心とする円筒面状である。一方で、バーリング部１３の内周面（差し込み穴１５）は、上述の第二軸線Ａ２を中心とする円筒面状をなしている。即ち、第一軸線Ａ１を含む断面視において、差し込み穴１５は基準軸線Ａｃに対して、上述の傾斜角度θの分だけ傾斜する方向に延びている。

再び図２に示すように、各差し込み穴１５には、上記の伝熱管２の端部が外周側から挿入されている。差し込み穴１５に挿入された状態において、各伝熱管２の端部は入口側ヘッダ１Ａ内に突出している。伝熱管２の外周面には、差し込み穴１５への挿入量を決定する（位置決めする）ための突起Ｐが少なくとも１つ設けられている。即ち、突起Ｐがバーリング部１３の端面に当接するまで各伝熱管２が差し込み穴１５に挿入される。このように、各伝熱管２の外周面がバーリング部１３の内周面（差し込み穴１５）に当接することで、各伝熱管２は変位不能に支持されている。なお、本実施形態ではバーリング部１３はヘッダ本体１１に対して一体に設けられている。しかしながら、ヘッダ本体１１とは別に用意されたバーリング部１３を、ロウ付け等によってヘッダ本体１１に取り付ける構成を採ることも可能である。

続いて、本実施形態に係るガスクーラ１００の動作について説明する。給湯器の運転開始に伴って、ヘッダ１、及び各伝熱管２には低温の水（加熱前の水）が流通する。具体的には、入口側ヘッダ１Ａの導入部１２から水が供給され、各伝熱管２に分配される。同時に、ガス流通管３には相対的に高温のガス（熱媒体）が流通している。上記のようにガス流通管３は伝熱管２の外周面に接していることから、これら水とガスとの間で熱の移動が生じる。即ち、相対的に高温のガスの熱が、相対的に低温である伝熱管２内の水に伝播することで水が加熱される。加熱された水は、各伝熱管２から出口側ヘッダ１Ｂに集約された後、排出部１４を経て外部に取り出される。

ここで、各伝熱管２は、入口側ヘッダ１Ａに対して角度をなしている。そのため、入口側ヘッダ１Ａから伝熱管２に水が流入する際に、流れの剥離を生じる可能性がある。水の流れに剥離が生じると、局部流速が増大し、当該部分で潰蝕や孔蝕が発生する虞がある。特に、入口側ヘッダ１Ａと各伝熱管２とが互いに直交するように接続されている場合、水の流れの向きが急激に変化するため、上記のような事象が生じやすい。

しかしながら、本実施形態に係るガスクーラ１００では、伝熱管２は、ヘッダ本体１１の外周側に向かうに従って第一軸線Ａ１方向他方側から一方側に向かうように延びている。ここで、ヘッダ本体１１の内部では、第一軸線Ａ１方向他方側から一方側に向かって水が流れている。即ち、伝熱管２はこの水の流れ方向成分を含む方向に延びている。したがって、例えば伝熱管２が第一軸線Ａ１に直交する方向に延びている構成を採った場合に比べて、上記の構成ではヘッダ本体１１内の水をより円滑に伝熱管２に導くことができる。その結果、水の流れにおける剥離や渦が低減され、ヘッダ本体１１、及び伝熱管２内における水の流速を均一化することができる。したがって、ガスクーラ１００内部で潰蝕や孔蝕が発生する可能性が低減され、ガスクーラ１００の耐久性を向上させることができる。

さらに、上記の構成では、第一軸線Ａ１に直交する基準軸線Ａｃに対して第二軸線Ａ２がなす角度である傾斜角度θが、１０°から４５°とされている。さらに望ましくは、傾斜角度θは基準軸線Ａｃに対して２０°から３５°とされる。最も望ましくは、傾斜角度θは基準軸線Ａｃに対して３０°とされる。この構成によれば、ヘッダ本体１１内の水を伝熱管２に向かってさらに円滑に案内することができる。その結果、水の流れにおける剥離や渦が低減され、ヘッダ本体１１、及び伝熱管２内における水の流速を均一化することができる。

加えて、上記の構成によれば、ヘッダ本体１１の外周面における伝熱管２の挿入部分にバーリング部１３が設けられている。即ち、このバーリング部１３によって伝熱管２をヘッダ本体１１に対して固定することができる。その結果、バーリング部１３が設けられていない場合に比べて、ヘッド本体に対する伝熱管２の差し込み量（差し込みしろ）を小さく抑えることができる。ここで、伝熱管２の差し込み量が大き過ぎる場合、ヘッダ本体１１内を流通する水の流れが伝熱管２の端部によって乱される可能性がある。その結果、水の流れに剥離や渦が生じてしまう。しかしながら、上記の構成によれば、差し込みしろが小さいことから、このような可能性を低減することができる。

以上、本発明の第一実施形態について、図１から図３を参照して説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、水を加熱する給湯器にガスクーラ１００を適用した例について説明した。しかしながら、ガスクーラ１００の適用対象は給湯器に限定されず、流体同士の間で熱交換を行うための装置であれば、空気調和機等を含めていかなる装置にもガスクーラ１００を適用することができる。

［第二実施形態］
続いて、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図４に示すように、本実施形態に係るガスクーラ２００では、複数の伝熱管２の傾斜角度θ、即ち第一軸線Ａ１に対して伝熱管２の第二軸線Ａ２がなす角度が互いに異なっている。以降の説明では、図４中に示された３つの伝熱管２のうち、第一軸線Ａ１方向において最も一方側に位置する伝熱管２を第一伝熱管２１と呼び、最も他方側に位置する伝熱管２を第三伝熱管２３と呼び、両者の間に位置する伝熱管２を第二伝熱管２２と呼ぶ。第一伝熱管２１は第二軸線Ａ２１に沿って延びており、第二伝熱管２２は第二軸線Ａ２２に沿って延びている。第三伝熱管２３は第二軸線Ａ２３に沿って延びている。第二軸線Ａ２１が基準軸線Ａｃに対してなす角度（傾斜角度θ）をθ１とし、第二軸線Ａ２２が基準軸線Ａｃに対してなす角度（傾斜角度）をθ２とし、第三軸線が基準軸線Ａｃに対してなす角度（傾斜角度）をθ３と呼ぶ。本実施形態では、これら傾斜角度θ１，θ２，θ３は以下の（１）式に示す関係を満たしている。
θ１＜θ２＜θ３ ・・・（１）
即ち、第一軸線Ａ１方向他方側に位置する伝熱管２になるほど、傾斜角度θが大きくなっている。なお、図４の例では簡略化のため、３つの伝熱管２のみを図示しているが、４つ以上の伝熱管２を備えている場合であっても、上記（１）式に準ずる関係を満足するように各傾斜角度θが設定される。

ここで、水はヘッダ本体１１内（入口側ヘッダ１Ａ内）を第一軸線Ａ１方向他方側から一方側に向かって流れている。その中途で、水は複数の伝熱管２に順次流入する。即ち、第一軸線Ａ１方向他方側に位置する伝熱管２ほど、高い流速の水が流入する。上記の構成によれば、第一軸線Ａ１方向他方側に位置する伝熱管２になるほど傾斜角度θが大きいことから、高い流速の水を円滑に伝熱管２内に向かって導くことができる。即ち、水の流れに乱れが生じる可能性をさらに低減することができる。その結果、水の流れにおける剥離や渦が低減され、ヘッダ本体１１、及び伝熱管２内における水の流速を均一化することができる。したがって、ガスクーラ２００内部で潰蝕や孔蝕が発生する可能性が低減され、ガスクーラ２００の耐久性をさらに向上させることができる。

以上、本発明の第二実施形態について、図４を参照して説明した。なお、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記の構成に種々の変更や改修を施すことが可能である。例えば、上記実施形態では、水を加熱する給湯器にガスクーラ２００を適用した例について説明した。しかしながら、ガスクーラ２００の適用対象は給湯器に限定されず、流体同士の間で熱交換を行うための装置であれば、空気調和機等を含めていかなる装置にもガスクーラ２００を適用することができる。

１…ヘッダ
２…伝熱管
３…ガス流通管
１１…ヘッダ本体
１２…導入部
１３…バーリング部
１４…排出部
１５…差し込み穴
２１…第一伝熱管
２２…第二伝熱管
２３…第三伝熱管
９０…水熱交換器
１００，２００…ガスクーラ
１Ａ…入口側ヘッダ
１Ｂ…出口側ヘッダ
Ａ１…第一軸線
Ａ２…第二軸線
Ａ２１…Ａ第二軸線
Ａ２２…Ｂ第二軸線
Ａ２３…Ｃ第二軸線
Ａｃ…基準軸線
θ…傾斜角度

Claims (5)

1. 第一軸線方向に延びるとともに、該第一軸線方向一方側に向かって水が流通する管状をなすヘッダ本体を有するヘッダと、
   前記ヘッダ本体の外周面から前記ヘッダ内に突出するように設けられ、前記ヘッダ本体の外周側に向かうに従って前記第一軸線方向一方側に向かって延びる第二軸線に沿う管状をなす伝熱管と、
   を備え、
   前記ヘッダは、入口側ヘッダと、出口側ヘッダと、を有し、
   前記入口側ヘッダ内部では、前記水が前記第一軸線方向一方側に向かって流通し、
   前記出口側ヘッダ内部では、前記伝熱管を流通した後の前記水が前記第一軸線方向他方側に向かって流通し、
   前記伝熱管は、前記第一軸線方向に間隔をあけて複数設けられており、
   前記第一軸線に直交する基準軸線に対して前記第二軸線がなす角度である傾斜角度が、前記第一軸線方向他方側に位置する前記伝熱管になるほど大きくなる水熱交換器。
2. 前記第一軸線に直交する基準軸線に対して前記第二軸線がなす角度である傾斜角度が、１０～４５°である請求項１に記載の水熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の水熱交換器と、
   前記伝熱管の外周面に接するとともに内側にガスが流通するガス流通管と、
   を有するガスクーラ。
4. 第一軸線方向に延びるとともに、該第一軸線方向一方側に向かって水が流通する管状をなすヘッダ本体を有するヘッダと、前記ヘッダ本体の外周面から前記ヘッダ内に突出するように設けられ、前記ヘッダ本体の外周側に向かうに従って前記第一軸線方向一方側に向かって延びる第二軸線に沿う管状をなす伝熱管と、を有する水熱交換器と、
   前記伝熱管の外周面に接するとともに内側にガスが流通するガス流通管と、
   を有し、
   前記ヘッダは、入口側ヘッダと、出口側ヘッダと、を有し、
   前記入口側ヘッダ内部では、前記水が前記第一軸線方向一方側に向かって流通し、
   前記出口側ヘッダ内部では、前記伝熱管を流通した後の前記水が前記第一軸線方向他方側に向かって流通するガスクーラ。
5. 第一軸線方向に延びるとともに、該第一軸線方向一方側に向かって水が流通する管状をなすヘッダ本体を有するヘッダと、
   前記ヘッダ本体の外周面から前記ヘッダ内に突出するように設けられ、前記ヘッダ本体の外周側に向かうに従って前記第一軸線方向一方側に向かって延びる第二軸線に沿う管状をなす伝熱管と、
   を備え、
   前記伝熱管は、前記第一軸線方向に間隔をあけて複数設けられており、
   前記第一軸線に直交する基準軸線に対して前記第二軸線がなす角度である傾斜角度が、前記第一軸線方向他方側に位置する前記伝熱管になるほど大きくなる水熱交換器。

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