JP2001201176A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ステンレス製の第１チューブとアルミニウム
製の第２チューブを接合することにより形成された熱交
換器において、両チューブの接合面に亀裂が発生するこ
とを防止する。 【解決手段】 両チューブ２２１、２２２を部分的する
とともに、略中央部２２１ａ、２２２ａに両チューブ２
２１、２２２が接合されていない未接合部位（２２１
ａ、２２２ａを形成して、その未接合部位（Ｃの領域）
の曲率半径ｒ１、ｒ２を相違させる。これにより、長手
方向全域に渡って接合したものに比べて熱効力が小さく
なるとともに、未接合部位（図３のＣの領域）にて温度
変化によるチューブの伸縮長さの相違を吸収することが
できる。したがって、接合されている部位（Ａ，Ｂの領
域）に発生する熱効力を緩和できるので、両チューブ２
２１、２２２の接合面に亀裂（クラック）が発生するこ
とを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、異種材料にて形成
された２種類のチューブを接合することにより、各チュ
ーブ内を流通する流体間で熱交換を行う熱交換器に関す
るもので、アルミニウム製のチューブとステンレス製の
チューブとからなる熱交換器に適用して有効である。

【０００２】

【従来の技術】特開平５−１９６３７７号公報に記載の
熱交換器では、同種の金属材料からなる２本の扁平チュ
ーブをその長手方向全域に渡ってろう付け接合してい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、材質の異なる
２本のチューブを上記公報に記載のごとく、長手方向全
域に渡って接合すると、チューブを構成する材料の膨張
係数（線膨張率）の差からチューブに熱応力が発生して
しまい、両チューブの接合面に亀裂が発生するおそれが
高い。そして、両チューブの接合面に亀裂が発生する
と、一方のチューブから他方のチューブへの熱伝導率が
低下するので、熱交換能力が低下してしまう。

【０００４】本発明は、上記点に鑑み、異種材料にて形
成された２種類のチューブを接合することにより、両チ
ューブ内を流通する流体間で熱交換を行う熱交換器にお
いて、両チューブの接合面に亀裂が発生することを防止
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１に記載の発明では、流体が流通
する第１チューブ（２２１）と、流体が流通するととも
に、第１チューブ（２２１）と異なる材質にて形成され
た第２チューブ（２２２）とを有し、両チューブ（２２
１、２２２）は、その長手方向が一致するように部分的
に接合されており、さらに、第１チューブ（２２１）の
うち第２チューブ（２２２）と接合されていない第１未
接合部位（２２１ａ）の第１曲率半径（ｒ１）は、第２
チューブ（２２２）の未接合部位のうち第１未接合部位
（２２１ａ）に対応する第２未接合部位（２２２ａ）の
第２曲率半径（ｒ２）と相違していることを特徴とす
る。

【０００６】これにより、温度変化によるチューブの伸
縮長さの相違を未接合部位（２２１ａ、２２２ａ）にて
吸収することができるので、接合されている部位に発生
する熱効力を緩和でき、両チューブ（２２１、２２２）
の接合面に亀裂（クラック）が発生することを防止でき
る。

【０００７】なお、両未接合部位（２２１ａ、２２２
ａ）は、請求項２に記載の発明のごとく、両チューブ
（２２１、２２２）の長手方向略中央部に形成すること
が望ましい。

【０００８】因みに、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。

【０００９】

【発明の実施の形態】（実施形態）本実施形態は、本発
明に係る熱交換器を家庭用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。）である。

【００１０】なお、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。

【００１１】また、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。

【００１２】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２
１０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。

【００１３】２２０は本実施形態に係る熱交換器を適用
したもので、圧縮機２１０から吐出する冷媒と給湯水と
を熱交換する水熱交換器（放熱器）である。この水熱交
換器２２０は、図３に示すように、給湯水（水）が流通
する複数本の第１チューブ２２１及び冷媒が流通する複
数本の第２チューブ２２２と接触させて冷媒流れと給湯
水流れとが対向するように構成された対向流型の熱交換
器である。

【００１４】なお、２２３は複数本の第１チューブ２２
１に給湯水を分配供給する第１ヘッダタンクであり、２
２４は複数本の第１チューブ２２１から流出した給湯水
を集合回収する第２ヘッダタンクであり、２２５は複数
本の第２チューブ２２２に冷媒を分配供給する第３ヘッ
ダタンクであり、２２６は複数本の第２チューブ２２２
から流出した冷媒を集合回収する第４ヘッダタンクであ
る。

【００１５】そして、第１チューブ２２１はステンレス
製であり、第２チューブ２２２はアルミニウム製であ
り、両チューブ２２１、２２２は、図４に示すように、
押し出し加工又は引き抜き加工にて扁平状に形成されて
いる。

【００１６】また、両チューブ２２１、２２２は、図３
に示すように、共に長手方向略中央部２２１ａ、２２２
ａにて略９０°屈曲しているとともに、その長手方向が
互いに一致するように、屈曲した中央部２２１ａ、２２
２ａを除いた部位にてろう付け接合されている。

【００１７】そして、第１チューブ２２１の中央部２２
１ａ（第１未接合部位）の第１曲率半径ｒ１は、第２チ
ューブ２２２の中央部２２２ａ（第２未接合部位）の第
２曲率半径ｒ２より小さくなって両曲率半径ｒ１、ｒ２
が相違しているとともに、両中央部２２１ａ、２２２ａ
間には、所定の隙間（空間）δが設けられている。

【００１８】また、図２中、２３０は水熱交換器２２０
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、電気式膨張弁２３０（以下、膨張弁２
３０と略す。）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ともに、後述するアキュムレー
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。

【００１９】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２
１０の吸入側に流出するとともに、ヒートポンプ２００
中の余剰冷媒を蓄えるアキュムレータである。

【００２０】２６０は蒸発器２４０に空気（外気）を送
風するとともにその送風量を調節することができる送風
機（送風量調節手段）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。

【００２１】そして、２７１は水熱交換器２２０から流
出する冷媒の温度を検出する冷媒温度センサ（冷媒温度
検出手段）であり、２７２は水熱交換器に流入する給湯
水の温度を検出する第１温水温度センサ（第１温水温度
検出手段）である。

【００２２】２７３は水熱交換器２２０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（冷媒圧力検出手段）であり、２７４は水熱交換器２
２０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（第２温水温度検出手段）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。

【００２３】ここで、高圧側の冷媒圧力とは、圧縮機２
１０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２１
０の吐出圧（水熱交換器２２０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。

【００２４】また、４００は、水熱交換器２２０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
水が水熱交換器２２０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ＥＣ
Ｕ２７０により制御されている。

【００２５】次に、本実施形態に係る水熱交換器２２０
の特徴を述べる。

【００２６】異種の金属（熱膨張係数の異なる材質）を
接合した場合に発生する熱応力は、温度変化による伸縮
長さの相違によって発生するものであるので、接合部分
の長さが長いほど発生する熱応力が大きくなる。

【００２７】これに対して、本実施形態によれば両チュ
ーブ２２１、２２２を部分的に接合しているので、長手
方向全域に渡って接合したものに比べて、熱応力が小さ
くなる。しかも、略中央部２２１ａ、２２２ａに両チュ
ーブ２２１、２２２が接合されていない未接合部位（２
２１ａ、２２２ａ）が形成されており、その未接合部位
（図３のＣの領域）の曲率半径ｒ１、ｒ２が相違するの
で、温度変化によるチューブの伸縮長さの相違を吸収す
ることができる。

【００２８】したがって、接合されている部位（図３の
Ａ，Ｂの領域）に発生する熱効力を緩和できるので、両
チューブ２２１、２２２の接合面に亀裂（クラック）が
発生することを防止できる。延いては、水熱交換器２２
０の熱交換能力が低下してしまうことを防止できるとと
もに、水熱交換器２２０の信頼性（耐久性）を向上させ
ることができる。

【００２９】また、本実施形態では、熱膨張係数が大き
いアルミニウム製のチューブ（第２チューブ２２２）の
曲率半径ｒ２を熱膨張係数が小さいステンレス製のチュ
ーブ（第１チューブ２２１）の曲率半径ｒ１より大きく
しているので、伸縮長さの大きいアルミニウム製チュー
ブ（第２チューブ２２２）の歪みをより効果的に吸収す
ることができるとともに、伸縮により屈曲部分に発生す
る曲げ応力を小さくすることができる。

【００３０】（その他の実施形態）上述の実施形態で
は、冷媒と給湯水とを熱交換する水熱交換器に適用した
が、本発明に係る熱交換器はこれに限定されるものでは
なく、異種材料にて形成された２種類のチューブを接合
した熱交換器であればよい。

【００３１】また、上述の実施形態では、両チューブ２
２１、２２２をその中央部にて屈曲させたが、本発明は
少なくとも一方側が屈曲していればよい。なお、この場
合、屈曲していない方の曲率半径は無限大と考える。

【００３２】また、上述の実施形態では、熱膨張係数が
大きいアルミニウム製のチューブ（第２チューブ２２
２）の曲率半径ｒ２を熱膨張係数が小さいステンレス製
のチューブ（第１チューブ２２１）の曲率半径ｒ１より
大きくしたが、本発明はこれに限定されるものではな
く、曲率半径ｒ１を曲率半径ｒ２より大きくしてもよ
い。

【００３３】また、上述の実施形態では、両チューブ２
２１、２２２の略中央部に未接合部位（Ｃ領域）を設け
たが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他
の部位に未接合部位を設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る給湯器の外観図であ
る。

【図２】本発明の実施形態に係る給湯器の模式図であ
る。

【図３】（ａ）は本発明の実施形態に係る水熱交換器の
側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図である。

【図４】本発明の実施形態に係る水熱交換器の正面図で
ある。

【符号の説明】

２２１…第１チューブ、２２２…第２チューブ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 憲 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 河地 典秀 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 沖ノ谷 剛 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 小早川 智明 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 草刈 和俊 東京都千代田区内幸町１丁目１番３号 東 京電力株式会社内 (72)発明者 斉川 路之 神奈川県横須賀市長坂２−６−１ 財団法 人電力中央研究所横須賀研究所内 Ｆターム(参考） 3L103 AA08 AA10 BB43 CC02 CC30 DD04 DD09 DD32 DD42 DD82 DD85

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体が流通する第１チューブ（２２１）
   と、 流体が流通するとともに、前記第１チューブ（２２１）
   と異なる材質にて形成された第２チューブ（２２２）と
   を有し、 前記両チューブ（２２１、２２２）は、その長手方向が
   一致するように部分的に接合されており、 さらに、前記第１チューブ（２２１）のうち前記第２チ
   ューブ（２２２）と接合されていない第１未接合部位
   （２２１ａ）の第１曲率半径（ｒ１）は、前記第２チュ
   ーブ（２２２）の未接合部位のうち前記第１未接合部位
   （２２１ａ）に対応する第２未接合部位（２２２ａ）の
   第２曲率半径（ｒ２）と相違していることを特徴とする
   熱交換器。
2. 【請求項２】 前記両未接合部位（２２１ａ、２２２
   ａ）は、前記両チューブ（２２１、２２２）の長手方向
   略中央部に形成されていることを特徴とする請求項１に
   記載の熱交換器。
3. 【請求項３】 前記第１チューブ（２２１）はステンレ
   ス製であり、 前記第２チューブ（２２２）はアルミニウム製であるこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。