JP2004116943A

JP2004116943A - 熱交換器およびその製造方法

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Publication number: JP2004116943A
Application number: JP2002283171A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Matsumoto; 松本　聡; Takeji Watanabe; 渡辺　竹司; Masahiro Ohama; 尾浜　昌宏; Keijiro Kunimoto; 國本　啓次郎; Ryuta Kondo; 近藤　龍太; Yoshitsugu Nishiyama; 西山　吉継; Koji Oka; 岡　浩二; Seiichi Yasuki; 安木　誠一; Tatsumura Mo; 毛　立群
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2022-09-27
Also published as: JP3937990B2

Abstract

【課題】耐圧性と材料選択性に優れ、高性能な熱交換器を提供すること。
【解決手段】熱交換器１０は、外周に平坦部４を有する複数の一次側管１と、外周に平坦部５を有する二次側管２からなり、これらを各々の平坦部４および５において交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有する。これによれば、一次側管１として、二次側管２よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、一次側管１が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、一次側管１と二次側管２とが、各外周の平坦部４および５を交互に密着しながら螺旋状に巻回される構成であるため、管長手方向ほぼ全体の部分で上下両面に伝熱面を有し、十分広い伝熱面積を確保することができる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に関し、特に、ヒートポンプを用いて温水を生成する給湯機や冷温水を生成する冷暖房機などに利用される冷媒対水熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱交換器としては、特許文献１に開示されているような熱交換器が提案されている。
【０００３】
その構成について、図４を参照しながら説明する。熱交換器５０は、例えば、冷媒の凝縮熱を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用されるものであり、高温高圧の冷媒が流れる一次側の伝熱管５１と、低温低圧の水が流れる二次側の伝熱管５２とを備え、この一次側の伝熱管５１と二次側の伝熱管５２とをそれぞれ偏平化して密着させ、螺旋状に巻回した構成となっている。このとき、一次側の伝熱管５１を流れる高温の冷媒は、その上下に位置する二次側の伝熱管５２を流れる低温の水と熱交換を行い、この水を加熱することになる。なお、この従来例では、伝熱管として肉厚が薄く比較的強度の小さい管体を使用することにより偏平化を容易にするとともに、この偏平化により管同士が密着する面積すなわち伝熱面積の拡大を図ることにより、熱交換性能を向上させている。
【０００４】
一方、このような熱交換器を動作圧力が非常に高い二酸化炭素冷媒と水との熱交換器として利用するような場合については、特許文献２に開示されているような熱交換器が提案されている。
【０００５】
その構成について、図５を参照しながら説明する。熱交換器６０は、内部に複数の小流路を備えた一次側の伝熱管６１と、二次側の伝熱管６２とを備え、これらを機械的に密着させた構成であり、伝熱管６１に高温高圧の冷媒が、伝熱管６２に低温低圧の水が流れるものである。この従来例では、高圧側の伝熱管として、アルミニウムからなる多穴管を使用し、管内部の流路を小さくすることにより耐圧性を向上させている。
【０００６】
【特許文献１】
実公昭６２−５５８７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１０７０６９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。例えば、熱交換器５０を、動作圧力が非常に高い二酸化炭素冷媒と水との熱交換器として利用するような場合、高圧冷媒の流れる一次側の伝熱管５１内部に加わる圧力が非常に高くなるため、管体をあらかじめ機械的に偏平化する従来のような構成では、変形に供しやすく、十分な耐圧性を確保することが困難となる。
【０００８】
一方、耐圧性向上のため、熱交換器６０のように高圧冷媒が流れる伝熱管６１を多穴管で構成する場合、伝熱管に使用される材料が、多穴構造の押出成形が容易に可能な材料（例えば、アルミニウム）に限定されてしまい、一般に熱交換器材料として広く用いられるものの、多穴成形の難しい銅やステンレス等の使用が困難となり、材料選択の自由度が非常に狭くなってしまう。さらに、例えば、冷媒が流れる多穴管を押出成形性に優れたアルミニウム、水が流れる管体を耐食性に優れた銅として熱交換器を構成すると、異なる金属どうしの接触あるいは接合面が形成されるため、その界面で電気的な腐食を引き起こす可能性が大きいという課題があった。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、外周に平坦部を有する複数の一次側管と、外周に平坦部を有する二次側管とからなり、前記一次側管と二次側管とを各々の平坦部において密着させた構成を有するものである。
【００１１】
これによって、一次側管として、二次側管よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、一次側管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の一次側管および二次側管の各外周に平坦部を設け、これらを密着させた構成であるため、伝熱に必要な接触面積（伝熱面積）が十分確保される。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、外周に平坦部を有する複数の一次側管と、外周に平坦部を有する二次側管とからなり、前記一次側管と二次側管とを各々の平坦部において密着させた構成を有するものであり、一次側管として、二次側管よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、一次側管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の一次側管および二次側管の各外周に平坦部を設け、これらを密着させた構成であるため、伝熱に必要な接触面積（伝熱面積）が十分確保される。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、外周に平坦部を有する複数の一次側管と、外周に平坦部を有する二次側管とからなり、前記一次側管と二次側管とを各々の平坦部において交互に複数組密着させた構成を有するものであり、請求項１に記載の発明の効果に加え、一次側管と二次側管とを複数組重ねて密着させることで、さらに広い伝熱面積を確保することができ、耐圧性に優れ、熱交換性能がより一層高い熱交換器を提供できる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２の構成に対して、特に一次側管と二次側管とを交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有するものであり、一次側管および二次側管が、これらの長手方向ほぼ全体の部分で上下両面に伝熱面を有するような構成となり、さらに広い伝熱面積を確保することができる。よって、同様に、耐圧性に優れ、熱交換性能がより一層高い熱交換器を提供できる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２の構成に対して、特に一次側管と二次側管とを交互に密着させながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有するものであり、熱交換器全体を薄板状に構成でき、さらにデッドスペースも少なく構成できるため、装置内への収納性に優れ、よりコンパクトな熱交換器を提供できる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４の構成に対して、特に二次側管の断面積をその高温側管で低温側管よりも大きく構成したものである。例えば、給湯水等を加熱する場合、特に出口近傍の高温側管内においてスケールが発生しやすいが、この部分の管断面積を大きくすることでスケール析出による管内流路の縮小や閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、熱交換器を製造する際に、一次側管と二次側管とが密着する方向に外部から全体を機械的に加圧する工程を有するものであり、複数の一次側管の外周面と、二次側管の外周面との密着性が全体的に向上するとともに、ロウ付け等の加熱処理を施すことなく密着性向上が図られ、管体の有する初期の耐圧性能を確保できるため、耐圧性と熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、熱交換器を製造する際に、二次側管の内部に加圧流体を流入させ、この二次側管を拡管する工程を有するものであり、二次側管の内部全体が均等に加圧されるため、一次側管と二次側管との密着性が拡大するとともに、密着性のばらつきが低減され、さらに熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における熱交換器１０の断面図である。図１において、熱交換器１０は、外周に平坦部４を有する複数の一次側管１と、外周に平坦部５を有する二次側管２とからなり、並列配置した複数の一次側管１と、二次側管２とを各々の平坦部４および５において密着させた構成を有し、さらに、一次側管１と二次側管２とを交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有する。
【００２１】
この熱交換器１０の上下方向の両端面には、図示しない一対のフランジが配されており、これらを機械的に締結することによって、複数の一次側管１と二次側管２とが密着する方向に保持されている。
【００２２】
このような熱交換器１０を構成する管体の材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば銅やアルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。
【００２３】
また、熱交換器１０の製造方法としては、まず、比較的薄肉の円管を成形用ローラの間に通すことにより平坦部５を形成した二次側管２を、予め押出加工等により平坦部４を形成した複数の一次側管１と密着させた状態で、円筒形状の案内ドラムの外周に巻き付け、螺旋状に成形する。次に、この両端面に一対のフランジを配し、複数の一次側管１と二次側管２とが互いに密着する方向に、熱交換器１０全体を機械的に加圧圧縮する。これにより、複数の一次側管１外周の平坦部４と、二次側管２外周の平坦部５との密着性をより向上させることができる。最後に、上下の両フランジをボルトとナットで機械的に締結し、複数の一次側管１と二次側管２とが互いに密着する方向に保持する。
【００２４】
なお、平坦部４を有する一次側管１の成形は、押出加工による成形以外にも、円管をもとにプレス成形する方法等いかなる方法を用いて行ってもよい。また、平坦部５を有する二次側管２の成形は、円管をもとにプレス成形する以外にも、金属の押出加工等いかなる方法を用いて行ってもよい。
【００２５】
以上のように構成された熱交換器１０について、以下その作用を説明する。複数の一次側管１には高圧流体、二次側管２には低圧流体をそれぞれ流通させる。
熱交換器１０を、冷媒の凝縮熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用するものとすると、例えば、高圧流体は二酸化炭素等の冷媒であり、低圧流体は給湯水となる。このとき、高温高圧の冷媒は、螺旋状の複数の一次側管１を流れる間に、その上下に位置する二次側管２を流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。
【００２６】
ここで、本実施例によれば、一次側管１として、二次側管２よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。
また、一次側管１を複数の管体で構成するため、従来のような多穴構造の管体を用いることがなく、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の一次側管１および二次側管２の各外周に平坦部４および５を設け、これらを密着させた構成であるため、伝熱に必要な接触面積（伝熱面積）が十分確保される。
【００２７】
また、一次側管１と二次側管２とが交互に密着しながら螺旋状に巻回される構成であるため、一次側管１および二次側管２が、これらの長手方向ほぼ全体の部分で上下両面に伝熱面を有するような構成となり、広い伝熱面積を確保することができる。
【００２８】
さらに、熱交換器１０を製造する際に、一次側管１と二次側管２とが密着する方向に外部から全体を機械的に加圧する工程を有するものであり、複数の一次側管１の外周面と、二次側管２の外周面との密着性が全体的に向上するとともに、ロウ付け等の加熱処理を施すことなく密着性向上が図られ、管体の有する初期の耐圧性能を確保できる。したがって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００２９】
なお、本実施例では、複数の一次側管１と二次側管２とを交互に密着させながら螺旋状に巻回するとしたが、必要に応じて、長手方向に略直線形状を有する一次側管と二次側管とを単純に重ねて機械的にまたは接合により密着させたもの、これをＵ字状に折り返して蛇行形状としたもの、一次側管と二次側管とを交互に複数組密着させながら平面状に並べたもの等いかなる構成としてもよい。
【００３０】
また、必要に応じて、一次側管１と二次側管２とをロウ付け等によりさらに熱密的に一体化接合することにより、熱交換性能の拡大を図ることも可能である。
【００３１】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２における熱交換器２０の断面図である。図２において、熱交換器２０は、外周に平坦部１４を有する複数の一次側管１１と、外周に平坦部１５を有する二次側管１２とからなり、並列配置した複数の一次側管１１と、二次側管１２とを各々の平坦部１４および１５において密着させた構成を有し、さらに、一次側管１１と二次側管１２とを交互に密着させながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有する。
【００３２】
このような熱交換器２０を構成する管体の材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば銅やアルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。
【００３３】
また、熱交換器２０の製造方法としては、まず、比較的薄肉の円管を成形用ローラの間に通すことにより平坦部１５を形成した二次側管１２を、予め押出加工等により平坦部１４を形成した複数の一次側管１１と密着させた状態で、初期的には案内部材の外周に、後には自らの外周面に巻き付けながら、略同一平面内で渦巻き状に成形する。次に、熱交換器２０の内周と外周との間に帯状の結束部材（図示せず）を巻き付け、一次側管１１と二次側管１２とが密着する方向に結束することにより、渦巻き状に密着させた形態を保持する。最後に、二次側管１２の内部に水や空気等の加圧流体を流入させ、二次側管１２を拡管する。これによれば、二次側管１２の内部全体が均等に加圧されるため、平坦部１４および１５における一次側管１１と二次側管１２との密着性が拡大するとともに、密着性のばらつきも低減される。
【００３４】
なお、平坦部１４を有する一次側管１１の成形は、押出加工による成形以外にも、円管をもとにプレス成形する方法等いかなる方法を用いて行ってもよい。また、平坦部１５を有する二次側管１２の成形は、円管をもとにプレス成形する以外にも、金属の押出加工等いかなる方法を用いて行ってもよい。
【００３５】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。複数の一次側管１１には高圧流体、二次側管１２には低圧流体をそれぞれ流通させる。
熱交換器２０を、冷媒の凝縮熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用するものとすると、例えば、高圧流体は二酸化炭素等の冷媒であり、低圧流体は給湯水となる。このとき、高温高圧の冷媒は、渦巻き状の複数の一次側管１１を流れる間に、図２ではその左右に位置する二次側管１２を流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。
【００３６】
ここで、本実施例によれば、一次側管１１として、二次側管１２よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、一次側管１１が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の一次側管１１および二次側管１２の各外周に平坦部１４および１５を設け、これらを密着させた構成であるため、伝熱に必要な接触面積（伝熱面積）が十分確保される。
【００３７】
また、一次側管１１と二次側管１２とが交互に密着しながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有するものであるため、熱交換器２０全体を薄板状に構成できるとともに、螺旋状に巻回した場合にできる円筒内部空間のようなデッドスペースを少なく構成できる。なお、熱交換器２０を渦巻き状に巻回するにあたって、全体を略円形から楕円形さらに四角形とすることで、デッドスペースをさらに小さくすることができる。
【００３８】
さらに、熱交換器２０を製造する際に、二次側管１２の内部に加圧流体を流入させ、この二次側管１２を拡管する工程を有するものであり、二次側管１２の内部全体が均等に加圧されるため、一次側管１１と二次側管１２との密着性が拡大するとともに、密着性のばらつきが低減され、熱交換性能のさらなる向上が図られる。また、ロウ付け等の加熱処理を施すことなく密着性向上が図られるため、管体の有する初期の耐圧性能を確保できる。
【００３９】
したがって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高く、加えて装置内への収納性に優れ、よりコンパクトな熱交換器を提供できる。
【００４０】
なお、必要に応じて、一次側管１１と二次側管１２とをロウ付け等によりさらに熱密的に一体化接合することにより、熱交換性能の拡大を図ることも可能である。
【００４１】
（実施例３）
図３は本発明の実施例３における熱交換器４０の構成図である。本実施例は、図１に示した熱交換器１０と略同一の構成を有する。実施例１と異なるのは、二次側管３２の断面積が、高温側管３２ｂで低温側管３２ａよりも大きい点である。ここで、二次側管３２の断面積が途中で異なる熱交換器４０の作製は、管体を巻回する際に二次側管３２のみ途中で径の違うものと交換したり、個別の熱交換器を途中で接合する等の方法を用いれば容易に行うことができる。
【００４２】
本実施例の熱交換器４０を、例えば、冷媒で水（特に水道水）を加熱する冷媒対水熱交換器に適用する場合を考える。一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を多く含んだ水を、このような冷媒対水熱交換器で長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍においてスケールが発生する可能性がある。このようなスケールが水側流路の内周に付着すると、水の流動抵抗となって圧力損失が増大するとともに、伝熱面の熱抵抗となって熱交換器としての性能を低減させる。
【００４３】
ここで、本実施例では、二次側管３２の高温側管３２ｂの断面積を、その低温側管３２ａの断面積よりも大きく構成しているため、万一流路内にスケール等が生成し付着した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和することができる。
【００４４】
したがって、例えば、給湯水の加熱時に特に高温部で発生しやすい、スケール析出による流路の縮小や閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００４５】
なお、前記した各実施例では、一次側管の断面形状を略正方形とし、内部に略円形状の流路を設けた構成として図示したが、外周に平坦部を有するものであれば、長方形状、長円状、俵形状、多角形状等いかなる外周形状でもよい。また、その内部流路も外周の平坦部に対向した伝熱面を十分確保できるような形状であれば、円形、楕円形、矩形等いかなる外周形状でもよい。これは、二次側管についても同様である。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の熱交換器によれば、一次側管として、二次側管よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、一次側管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の一次側管および二次側管の各外周に平坦部を設け、これらを密着させた構成であるため、伝熱に必要な接触面積（伝熱面積）が十分確保される。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００４７】
また、一次側管と二次側管とが密着する方向に外部から全体を機械的に加圧する工程を有する熱交換器の製造方法により、複数の一次側管の外周面と、二次側管の外周面との密着性が全体的に向上するとともに、ロウ付け等の加熱処理を施すことなく密着性向上が図られ、管体の有する初期の耐圧性能を確保できるため、耐圧性と熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。
【００４８】
さらに、二次側管の内部に加圧流体を流入させ、この二次側管を拡管する工程を有する熱交換器の製造方法により、二次側管の内部全体が均等に加圧されるため、一次側管と二次側管との密着性が拡大するとともに、密着性のばらつきが低減され、さらに熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における熱交換器の断面図
【図２】本発明の実施例２における熱交換器の断面図
【図３】本発明の実施例３における熱交換器の断面図
【図４】従来の熱交換器の断面図
【図５】従来の他の熱交換器の断面図
【符号の説明】
１、１１、３１　一次側管
２、１２、３２　二次側管
４、５、１４、１５　平坦部
３２ａ　低温側管
３２ｂ　高温側管

Claims

外周に平坦部を有する複数の一次側管と、外周に平坦部を有する二次側管とからなり、前記一次側管と二次側管とを各々の平坦部において密着させた構成を有する熱交換器。
外周に平坦部を有する複数の一次側管と、外周に平坦部を有する二次側管とからなり、前記一次側管と二次側管とを各々の平坦部において交互に複数組密着させた構成を有する熱交換器。
一次側管と二次側管とを交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有する請求項２記載の熱交換器。
一次側管と二次側管とを交互に密着させながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有する請求項２記載の熱交換器。
二次側管の断面積をその高温側管で低温側管よりも大きく構成した請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
外周に平坦部を有する複数の一次側管と外周に平坦部を有する二次側管とが密着する方向に、外部から全体を機械的に加圧する工程を有する熱交換器の製造方法。
外周に平坦部を有する二次側管の内部に加圧流体を流入させ、前記二次側管を拡管する工程を有する熱交換器の製造方法。