JP2005164102A - 熱交換器とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能な熱交換器及びその製造方法を提供する。
【解決手段】熱交換器は、一次側流体が流れる内管２５と二次側流体が流れる外管２２から構成され、外管２２の内部に内管２５が挿入され、内管２５及び外管２２の一部または全部を略円弧状に曲げて構成し、内管２５を外管２２の内壁の外周側に接して配設したものであり、内管２５と外管２２の軸方向の相対位置を制御することで略円弧状に曲げる製造方法により、内管２５に片寄りのない高性能な熱交換器が提供される。
【選択図】 図２

Description

本発明はヒートポンプ給湯機などに用いる熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器を用いた給湯装置は、図７に示すものがある。（たとえば特許文献１参照）図７は、従来の給湯装置の回路構成図であり、図７の給湯装置は、圧縮機１、給湯用熱交換器２、電子膨張弁３および外気を熱源とする熱源側熱交換器４からなる冷媒サイクルＡと、給水ポンプ５、給湯用熱交換器２および給湯タンク６からなる給湯サイクルＢとを備え、給湯用熱交換器２において圧縮機１からの吐出冷媒（例えば、炭酸ガス）により給水ポンプ５からの水を加熱してお湯となし、該お湯を給湯タンク６に溜め置くようにした構成である。
上記構成の給湯装置における給湯用熱交換器２としては、図８（ａ），（ｂ）に示すように、内管１１を外管１２内に同心状に挿入したものを環状に巻いて構成し、内管１１内を水の流路とする一方、内管１１と外管１２との間の空間を冷媒の流路とした二重管式熱交換器が通常採用されていた。
特開２００１−２０１２７５号公報

ところが、上記した構成の二重管式熱交換器をベンダー等で環状に巻く場合、曲げ始めは外管が曲げられることにより、内管が、まず外管内の外側（環状の曲率半径の大きい側）に当たり、外管内の外側に接するように巻かれるが、曲げが進むにつれて、内管は外管の曲げによる引張り力を受けて、外管内の内側（環状の曲率半径の小さい側）に接するように巻かれて、全体として内管は外管内の内周側に接して片寄った状態で巻き上がる。
この片寄りよって、外管内を流れる流体の内側の流速が遅くなり、熱伝達率が低下して伝熱性能が落ちるため、同じ熱交換能力を発生させるための伝熱面積、すなわち長さをより長くする必要が生じたり、管径を大きくする必要が生じたりするなど、熱交換器全体として大型になる不具合が出ていた。
また、内側に片寄ることを防止するために、内管外側にスペーサを入れるものもあったが、高温給湯を行なう場合に市水中に含まれるカルシウム分等のスケールが析出してスペーサに付着して水流路を塞ぐ危険性があった。

従って本発明は、上記従来の課題を解決するもので、内管に片寄りのない小型で高性能かつ安全な熱交換器およびその製造方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の本発明の熱交換器は、一次側流体が流れる内管と二次側流体が流れる外管から構成され、前記外管の内部に前記内管が挿入され、前記内管及び前記外管の一部または全部を略円弧状に曲げて構成し、前記内管を前記外管の内壁の外周側に接して配設したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、前記内管を、外側管と内側管とから成る二重管とし、前記外側管と前記内側管とは、各々の円筒面の一部または全部を略密着させたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の熱交換器において、前記外管の内部に、複数本の前記内管を配設したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項３に記載の熱交換器において、複数本の前記内管を螺旋状に捻ったことを特徴とする。
請求項５記載の本発明の熱交換器の製造方法は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、前記内管と前記外管の軸方向の相対位置を制御することで略円弧状に曲げることを特徴とする。
請求項６記載の本発明の熱交換器の製造方法は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、前記内管に、前記外管の軸方向への圧縮力を加えながら、前記外管と共に前記内管を略円弧状に曲げることを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、一次側流体が炭酸ガスであり、前記二次側流体が水であることを特徴とする。

以上述べてきたように、本発明によれば、外管の内部に内管が挿入される熱交換器の高性能化や小型化を実現できる。また、高温給湯を行なう場合に市水中に含まれるカルシウム分等のスケールが析出して水流路を塞ぐ危険性もほとんどなくなる。また、一次側および二次側流体が、直接的に混ざることはなく、より安全な熱交換器を提供できる。
また、本発明の熱交換器の製造方法は、内管と外管の軸方向の相対位置を制御する、あるいは内管に外管の軸方向への圧縮力を加えながら曲げるという簡単な方法で、内管を外管内の円弧状外側に接する位置に容易に保持しながら曲げることができ、小型、高性能な熱交換器を製造することができる。
また、炭酸ガスと水を熱交換することで、高温給湯を高効率で生成でき、また、冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響が少ないなどの効果がある。

本発明の第１の実施の形態による熱交換器は、一次側流体が流れる内管と二次側流体が流れる外管から構成され、外管の内部に内管が挿入され、内管及び外管の一部または全部を略円弧状に曲げて構成し、内管を外管の内壁の外周側に接して配設したものである。本実施の形態によれば、外管内の外側（環状の曲率半径の大きい側）を流れる流速の早い流体と内管内の流体が間接的に熱交換することができ、伝熱性能が向上する。また、外管や内管の長さを短くできることに結び付き、熱交換器を小型化することができる。また、外管内にあるのは内管のみであるため、高温給湯を行なう場合に市水中に含まれるカルシウム分等のスケールが析出して水流路を塞ぐ危険性もほとんどなくなる。
本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による熱交換器において、内管を、外側管と内側管とから成る二重管とし、外側管と内側管とは、各々の円筒面の一部または全部を略密着させたものである。本実施の形態によれば、内管は二重壁を構成しており、万一、内管の内側管または外側管が腐食して破れた場合にも、それぞれの流体が直接的に混ざることはなく、より安全な熱交換器を提供できる。
本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による熱交換器において、外管の内部に、複数本の内管を配設したものである。本実施の形態によれば、内管の単位長さ当たりの伝熱面積を大きくすることができるため、熱交換器をより小型化することができる。
本発明の第４の実施の形態は、第３の実施の形態による熱交換器において、複数本の内管を螺旋状に捻ったものである。本実施の形態によれば、外管の流体流れが乱され、内管外側の熱伝達率が向上するため、より伝熱性能が向上する。そのため、外管や内管の長さを短くできるなど、熱交換器を小型化することができる。
本発明の第５の実施の形態による熱交換器の製造方法は、第１から第４の実施の形態の熱交換器を、内管と外管の軸方向の相対位置を制御することで略円弧状に曲げるものである。本実施の形態によれば、外管の内部に挿入される内管を外管内の円弧状外側に接する位置に容易に保持しながら曲げることができ、内管が片寄らず伝熱性能が向上する熱交換器を製造することができる。
本発明の第６の実施の形態による熱交換器の製造方法は、第１から第４の実施の形態の熱交換器を、内管に外管の軸方向への圧縮力を加えながら、外管と共に内管を略円弧状に曲げるものである。本実施の形態によれば、外管の内部に挿入される内管を外管内の円弧状外側に接する位置に容易に保持しながら曲げることができ、内管が片寄らず伝熱性能が向上する熱交換器を製造することができる。
本発明の第７の実施の形態は、第１から第４の実施の形態による熱交換器において、一次側流体が炭酸ガスであり、二次側流体が水であるものである。本実施の形態によれば、炭酸ガスの持つ超臨界での等圧力での温度変化より、より高温の湯を高効率で生成でき、また、万一冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響が少ないという利点がある。

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。なお、この実施例によって本発明が限定されるものではない。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施例における熱交換器の平面図であり、図１（ｂ）は、本発明の第１の実施例における熱交換器の正面図である。
図１において、本実施例の熱交換器２１は、外管２２に内管（図示せず）を挿入したものを環状にトグロ状に巻いて構成され、内管を一次側流体の冷媒である炭酸ガスの流路とする一方、内管と外管２２との間の空間をニ次側流体である水の流路としている。そして、熱交換器２１の一方の末端部２３では、通常、炭酸ガスの入口側および水の出口側とし、他方の末端部２４では、炭酸ガスの出口側および水の入口側として、炭酸ガスと水が対向流となるように構成されている。

図２（ａ）は、図１（ａ）に示す熱交換器の一部を拡大した図であり、外管２２の内部が見えるように軸と水平に一部切断した断面を示している。また、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す熱交換器のＡ−Ａ矢視の断面図である。
図において、内管２５は、外管２２の曲率半径Ｒの大きい側の内壁面に、ほぼ接するように位置している構成となっている。

以上のように構成された熱交換器２１について、以下にその動作、作用を説明する。
内管２５内を流れる炭酸ガス（点線矢印で図示）は、図２の上方向から下方向に流れており、内管２５と外管２２との間の空間を流れる水（実線矢印で図示）は、対向流で逆方向に流れている。ここで炭酸ガスは、たとえば高温となって内管２５の壁を介して水に熱を与え、水温を上昇させる。ここにおいて、水の流れは曲率のある所に来ると、曲率半径Ｒの大きい側（外周側）の流速が小さい側（内周側）より早くなる。これは、流速の少ない場合ほど顕著になる。

したがって、本実施例の熱交換器では、内管２５が水の流速の早い外管２２内壁の外周側に位置しているので、内管２５の外表面における水の熱伝達率が向上し、炭酸ガスから水に与えられる単位長さ当たりの熱量を増加させることができる。即ち、伝熱性能が向上し、高性能な熱交換器を提供することができる。また、この伝熱性能の向上を外管や内管の長さを短くすることに結び付けることができ、熱交換器２１を小さくし、小型化することもできるものである。
また、外管２２内の水の流路には、スペーサ等の障害物がなく内管２５のみであるため、高温給湯を行なう場合に市水中に含まれるカルシウム分等のスケールが析出して水流路を塞ぐ危険性がほとんどなくなる。
さらに、本実施例の熱交換器では、冷媒として炭酸ガスを用いている。そのため、炭酸ガスの持つ超臨界での等圧力での漸減する温度変化により、より高温の湯を高効率で生成できる。また、万一冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響が少ないものとなる。
なお、本実施例では、外管２２に内管２５を挿入したものを環状にトグロ状に巻いて構成した例を示したが、一周巻きや半周巻などの場合も同様な効果を発揮でき、これらも本発明に含まれる。

図３（ａ）は、本発明の第２の実施例における熱交換器の一部拡大図であり、外管２２をその内部が見えるように軸と水平に一部切断した断面を示している。なお、熱交換器の外観は第１の実施例と同様であり、その同様の構成については同一の番号を付し、機能等の説明は省略する。
図３（ａ）において、本実施例の熱交換器２１は、内管３０と内管３１の２本を外管２２に挿入して構成されている。
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す熱交換器のＢ−Ｂ矢視の断面図であり、内管３０及び内管３１は、外管２２の曲率半径の大きい側の内壁面に、ほぼ接するように位置している構成となっている。

以上のように構成された熱交換器について、以下にその動作、作用を説明する。
内管３０，３１内を流れる炭酸ガスは、図３の上方向から下方向に流れており、内管３０，３１と外管２２との間の空間を流れる水は、対向流で逆方向に流れている。ここで炭酸ガスは、たとえば高温となって内管３０，３１の壁を介して水に熱を与え、水温を上昇させる。ここにおいて、水の流れは曲率のある所に来ると、曲率半径の大きい側（外周側）の流速が小さい側（内周側）より早くなる。これは、流速の少ない場合ほど顕著になる。

したがって、本実施例の熱交換器では、内管３０，３１が水の流速の早い外周側に位置しているので、内管３０，３１の外表面における水の熱伝達率が向上し、炭酸ガスから水に与えられる単位長さ当たりの熱量を増加させることができる。また、熱交換器の長さを小さく、小型化することもできる。
また、内管３０，３１を螺旋状に捻った構成でも良く、外管２２の流体流れが乱され、内管外表面の熱伝達率が向上するため、より伝熱性能が向上する。
また、外管２２に内管３０，３１を２本挿入しているため、熱交換器の単位長さ当たりの伝熱面積（内管３０，３１の外側面積）が１本挿入の場合の２倍となり、熱交換量が増加して、さらに小型化できるものである。
また、水の流路には、何らの障害物もないため、高温給湯を行なう場合に市水中に含まれるカルシウム分等のスケールが析出して水の流路を塞ぐ危険性がほとんどなくなる。
ここで冷媒としては炭酸ガスを用いているため、炭酸ガスの持つ超臨界での等圧力での漸減する温度変化により、より高温の湯を高効率で生成でき、また、万一冷媒が外部に漏れた場合にも、地球温暖化への影響が少ないものである。
なお、本実施例では、外管２２に内管３０，３１を挿入し、トグロ状に巻いた構成の例を示したが、一周巻きや半周巻などの場合も同様な効果を発揮でき、これらも本発明に含まれる。また、内管を３本以上挿入する場合にも同様な効果があり、これらも本発明に含まれる。

図４（ａ）は、本発明の第３の実施例における熱交換器の内管の断面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す熱交換器のＣ部拡大図である。なお、熱交換器の外観は第１の実施例と同様であり、その同様の構成については同一の番号を付し、機能等の説明は省略する。
本実施例の熱交換器では、内管２５は、外側管４０と内側管４１とから構成され、外側管４０の内側には管長手方向に延びる凹部４０ａと凸部４０ｂとを交互に形成している。また、内側管４１は、外側管４０の凸部４０ｂと接触して二重構造になっているものの、内管２５として一体の構造を形成して構成されている。
ここで、炭酸ガスは内側管４１の内側を通り、外側管４０の外側を通る水と熱交換するが、本実施例の動作や作用は、第１の実施例と同様であり、その説明は省略する。

したがって、本実施例の熱交換器によって、第１の実施例と同様に、高性能な熱交換器を提供することができる。
また、万一、内側管４１が腐食等により穴が開くなどの劣化をし、内側管４１が破れた場合にも、外側管４０があるため、炭酸ガスが水側に直接混入するようなことはなくなる。また、外側管４０の内側と内側管４１の外側の間には隙間としての凹部４０ａがあり、この隙間と大気とを熱交換器２１の末端部２３または末端部２４で連通させる構成とすることが可能であり、その場合には、炭酸ガスは水中に混入することなく大気に放出されるため安全である。なお、このような隙間を設けず、外側管４０と内側管４１の円筒面の全部を密着させた構成でも良い。

図５は、本発明の第４の実施例における熱交換器の製造方法を示す概念図であり、熱交換器を曲げる製造装置を示している。
図に示す本実施例の製造装置では、外管２２と内管２５を曲げるベンダー５０と、外管２２の位置を計測し、外管２２の端末位置を制御する駆動装置５１と、内管２５の位置を計測し、内管２２の端末位置を制御する駆動装置５２とを設置している。そして、制御装置５３が、駆動装置５１，５２による外管２２及び内管２５の位置が設定値になった時に、ベンダー５０に信号を送って外管２２と内管２５とを一体に曲げさせる構成となっている。

以上のように構成された製造装置について、以下にその動作、作用を説明する。
外管２２と内管２５をベンダー５０で環状に巻く場合、曲げ始めは外管２２が曲げられることにより、内管２５が、まず外管２２内の外側（環状の曲率半径の大きい側）に当たり、外管２２内の外側に接するように巻かれるが、曲げが進むにつれて、内管２５は外管２２の曲げによる引張り力を受けて、外管２２内の内側（環状の曲率半径の小さい側）に接するように巻かれていき、全体としては内管２５が外管２２内の内側に接して片寄った状態で巻き上がる。
そこで、予め、内管２５が外管２２内の外側（環状の曲率半径の大きい側）に接する条件となる位置での内管２５と外管２２の相対位置を設定する。たとえば、巻き角度に対して、外管２２の軸中心の円周長さと、内管２５が外管２２内の外側に接する時の軸中心の円周長さとの差を算出し、設定値とする。
そして、制御装置５３が、駆動装置５１及び駆動装置５２により外管２２の位置と内管２５の位置を計測し、相対値（図５のＤ−Ｅ間の相対位置）が巻き角度に対して設定値となるように、外管２２及び内管２５の位置を制御する。更に、相対値が設定値になった信号が駆動装置５１等から制御装置５３に送られ、それと同時にベンダー５０が外管２２と内管２５を一体に曲げる動作を行なう。この動作が繰返し連続で行われることにより、内管２５を外管２２内の円弧状外側に接する位置に容易に保持しながら曲げることができる。

したがって、本実施例の熱交換器の製造方法によって、内管が片寄らず伝熱性能が向上する熱交換器を容易に製造することができる。
なお、本実施例では、ベンダー５０の例を示したが、外管２２及び内管２５を一体にして円筒物に巻きつける方法なども本発明に含まれる。
また、駆動装置５１，５２の反対側の外管２２と内管２５の相対位置は固定することが望ましい。さらに、内管２５が２本以上である場合、外側管と内側管から成る二重管である場合、あるいは２本以上の内管を螺旋状に捻った場合なども同様であり、これらも本発明に含まれる。

図６は、本発明の第５の実施例における熱交換器の製造方法を示す概念図であり、熱交換器を曲げる製造装置を示している。なお、第４の実施例と同様の構成については同一の番号を付し、その機能等の説明は省略する。
図に示す本実施例の製造装置では、内管２５を軸方向（図６の矢印方向）に圧縮する力を加える駆動装置６０を備え、ベンダー５０によって外管２２及び内管２５を一体にして曲げる動作を行なう構成となっている。その他は第４の実施例と同様の構成である。

以上のように構成された製造装置について、以下にその動作、作用を説明する。
外管２２と内管２５をベンダー５０で環状に巻く場合、曲げ始めは外管２２が曲げられることにより、内管２５が、まず外管２２内の外側（環状の曲率半径の大きい側）に当たり、外管２２内の外側に接するように巻かれるが、曲げが進むにつれて、内管２５は外管２２の曲げによる引張り力を受けて、外管２２内の内側（環状の曲率半径の小さい側）に接するように巻かれていき、全体としては内管２５が外管２２内の内側に接して片寄った状態で巻き上がる。
そこで、駆動装置６０によって内管２５を軸方向に圧縮する力を加えながら、ベンダー５０によって外管２２と内管２５を一体に曲げる動作を行なう。こうすることにより、内管２５を外管２２内の円弧状外側に接する位置に容易に保持しながら曲げることができる。

したがって、本実施例の熱交換器の製造方法によって、内管が片寄らず伝熱性能が向上する熱交換器を容易に製造することができる。
なお、本実施例では、ベンダー５０の例を示したが、外管２５及び内管２２を一体にして円筒物に巻きつける方法の場合なども同様であり、本発明に含まれる。
また、内管２５が２本以上である場合、外側管と内側管から成る二重管である場合、あるいは２本以上の内管を螺旋状に捻った場合なども同様であり、これらも本発明に含まれる。

以上のように、本発明は、ヒートポンプを用いた給湯機や冷暖房機等への用途のほか、１次側流体と２次側流体が熱交換するシステムに広く適用できる。

本発明の第１の実施例における熱交換器の（ａ）は、平面図、（ｂ）は、正面図 （ａ）は、図１（ａ）に示す熱交換器の一部拡大図、（ｂ）は、図２（ａ）に示す熱交換器のＡ−Ａ矢視の断面図 （ａ）は、本発明の第２の実施例における熱交換器の一部拡大図、（ｂ）は、図３（ａ）に示す熱交換器のＢ−Ｂ矢視の断面図 （ａ）は、本発明の第３の実施例における熱交換器の内管の断面図、（ｂ）は、図４（ａ）に示す熱交換器のＣ部拡大図 本発明の第４の実施例における熱交換器の製造方法を示す概念図 本発明の第５の実施例における熱交換器の製造方法を示す概念図 従来の給湯装置の回路構成図 （ａ）は、従来の二重管式熱交換器の側面図、（ｂ）は、従来の二重管式熱交換器の平面図

符号の説明

２１ 熱交換器
２２ 外管
２３ 一方の末端部
２４ 他方の末端部
２５，３０，３１ 内管
４０ 外側管
４１ 内側管
５０ ベンダー
５１，５２，６０ 駆動装置
５３ 制御装置

Claims (7)

1. 一次側流体が流れる内管と二次側流体が流れる外管から構成され、前記外管の内部に前記内管が挿入され、前記内管及び前記外管の一部または全部を略円弧状に曲げて構成し、前記内管を前記外管の内壁の外周側に接して配設したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記内管を、外側管と内側管とから成る二重管とし、前記外側管と前記内側管とは、各々の円筒面の一部または全部を略密着させたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記外管の内部に、複数本の前記内管を配設したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 複数本の前記内管を螺旋状に捻ったことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、前記内管と前記外管の軸方向の相対位置を制御することで略円弧状に曲げることを特徴とする熱交換器の製造方法。
6. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器において、前記内管に、前記外管の軸方向への圧縮力を加えながら、前記外管と共に前記内管を略円弧状に曲げることを特徴とする熱交換器の製造方法。
7. 前記一次側流体が炭酸ガスであり、前記二次側流体が水であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
   

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