JP2005201625A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 漏洩検知機能を有する従来の熱交換器では、新たな漏洩検知部分を設けることにより、材料費や生産費の増加及び熱交換器そのものが大きくなってしまうという問題に鑑み、良好な熱交換特性を有しつつ、容易に漏洩を検知し、且つ小型化に適した熱交換器を提供する。
【解決手段】 低温流体が流通する管１と、２本以上の前記管１に挟まれるように配置されて前記管１と接合材５により接合されている高温流体が流通する管２と、前記管１と前記管２と前記接合材５とで囲まれる隙間部４とを備えることを特徴とする熱交換器。
【選択図】なし

Description

本発明は、高温流体と低温流体の２流体間で熱交換させる熱交換器に関するものである。

従来、給湯機では可燃性ガスを燃やし直接その熱で水を加熱し供給する方式が一般的である。しかし最近の環境問題から給湯機の高効率化が検討されている。フロンやＣＯ_２などの冷媒を使用したヒートポンプで高温冷媒をつくりそれを低温水と熱交換させ高温水をつくるヒートポンプ方式や、発電機などから排出された高温排ガスと低温水を熱交換させ高温水をつくるコジェネレーション方式が進められている。このような方法では２流体を効率よく熱交換するコンパクトな熱交換器が必要とされる。

２流体の熱交換器としては、２重管式の熱交換器が簡易な構造であることから良く用いられている。例えば内管側に高温流体を流通し、外管側に低温流体を流通して熱交換が行われる。
その他２流体の熱交換を行う熱交換器には、２本の管状体を巻き加工し、２本の管の接触を有効になるように巻き加工した熱交換器がある（例えば特許文献１）。この場合には２本の管を接触させながら渦巻状に加工し、管同士の接触面積の有効利用と巻き加工後の省スペース化を図ろうとするものであるが、熱交換の面積を増やすために、２本の管同士をより密着させている。

しかし、前記熱交換器を給湯機に用いる場合、多くは冷媒に水道水が用いられるため、管を腐食させてしまう場合がある。更に、例えばヒートポンプ方式の給湯機では高温流体が水ではなくフロンやＣＯ_２冷媒であり、又これら冷媒には圧縮機用の圧縮機油が混入されており、また、例えばコジェネレーション方式の給湯機では排ガスが高温流体であり、人体に有害な物質が含まれていることがある。このような環境の中で前記熱交換器を使用した場合、どちらかの管が腐食して孔が開いた場合に、飲料水としても使用される低温流体の給湯用水側にこれらの高温流体が混入する問題が生じる。
前記熱交換器では漏洩検知機能を保有していないために、管同士の密着をより密にするほど、高温流体や低温流体により腐食が起こり、よって、銅管に孔が開き続いて他の管壁を腐食するように腐食が進行してしまい、給湯用水に高温流体が混入する問題が生じる。このために高温流体が低温流体に直ちに混入しないような配慮および漏洩検知機能が必要になる。

そこで、高温流体や低温流体の漏洩検知機能として、図５のように３重管構造とし、中間部の空間に漏洩検知溝部１３を備える検知管１２を設け、最内管１０や外管１１が腐食した場合に他の管が腐食する前に漏洩検知溝を通って各流体が流れ出し、漏洩したことを検知する、いわゆる漏洩検知管が開発されている。
又、図７で示すよう芯管２０の周囲に外管２１を複数本配置させる熱交換器の例がある（例えば特許文献２）。この熱交換器では芯管２０や外管２１が腐食して孔が開いた場合、他の管壁を腐食する前に漏洩した流体が管壁を伝って流れ落ちるために漏洩を検知できる。

特開昭５５−１６２５９７号公報 特開２００３−１５６２９１号公報

しかしながら、図５に示す熱交換器では、通常使用される２重管構造の熱交換器に対して漏洩検知管となる部分が増えることになり材料費の増加を招いてしまう。又、高温流体が最内側に配置され、低温流体の流通が最外側で行われるため、低温流体流通面積を確保するために３重管の断面サイズが大きくなってしまう。即ち、管の直径が大きくなってしまう。又、このような形状の熱交換器は図６に示すような管をコイル状態に巻き熱交換器とすることが一般的である。しかしながらこの場合外管の直径が前述の理由により大きくなり、そのためにコイル巻き径が大きくなり、コイルの内部の利用できない空洞部が無駄なスペースとなる問題がある。
更に、図７に示す熱交換器では外管２１を多本数配置するようにして、芯管２０との接触面積（伝熱面積）を上げる必要があり、コンパクト化、材料費の面で問題がある。

このような問題に鑑み、本発明はなされたもので、良好な熱交換特性を有しつつ、容易に漏洩を検知し、且つ小型化に適した熱交換器を提供するものである。

請求項１記載の発明は、低温流体が流通する管１と、２本以上の前記管１に挟まれるように配置されて前記管１と接合材５により接合されている高温流体が流通する管２と、前記管１と前記管２と前記接合材５とで囲まれる隙間部４とを備えることを特徴とする熱交換器である。

請求項２記載の発明は、管２が２本若しくは３本であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器である。

請求項３記載の発明は、前記管２の断面形状が円形であって、前記管１の断面形状が管２との接触側長さ６が管２との非接触側長さ７より長い断面形状を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱交換器である。

請求項４記載の発明は、低温流体が流通する管１と、２本以上の前記管１に挟まれるように配置されて前記管１と接合材５により接合されている高温流体が流通する管２と、前記管１と管２と接合材５で囲まれる隙間部４が接合材５で充填されていることを特徴とする熱交換器である。

請求項５記載の発明は、前記管１と前記管２が円または長円に巻き加工されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの熱交換器である。

請求項６記載の発明は、前記熱交換器の最内周と最外周が管２であることを特徴する請求項５記載の熱交換器である。

請求項７記載の発明は、前記管１と前記管２の少なくとも一方の管の内側に螺旋状のフィン部または溝部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６記載のいずれかの熱交換器である。

請求項８記載の発明は、前記管１の内部に線状体又は板状体が配置されていることを特徴する請求項１乃至６記載のいずれかの熱交換器である。

請求項９記載の発明は、前記線状体又は板状体が前記管１を流動する流体に乱流効果を有することを特徴する請求項８記載の熱交換器である。

請求項１０記載の発明は、前記管１又は前記管２を積層してなることを特徴とする請求項５乃至９記載のいずれかの熱交換器である。

本発明による熱交換器によれば、高温流体と低温流体の２流体間で熱交換を行う熱交換器について、給湯用として使用された場合の漏洩検知機能をもち、なおかつ熱交換器の大きさを小型にまとめて省スペースで設置できる熱交換器を安価で提供することができる。

図１から図４を用いて本発明に係る熱交換器を説明する。図１は本発明に係る熱交換器の管の配置を示した一実施例の模式図とａ−ａ断面図である。図２は図１の熱交換器における管１と管２の接合後の接合部３の断面を示すａ−ａ断面図である。図３は本発明に係る熱交換器の図１とは異なる実施例示す模式図とａ−ａ断面図である。図４は図１の熱交換器における管１と管２を接合する際の接合材５の配置を示したａ−ａ断面図である。

図１及び図３に示すような本発明に係る熱交換器は、高温流体が流通する管２を低温流体が流通する管１で挟み、且つ両者を接合材５により接合して密着されることにより、管２から放熱される熱が大気へ放出されることを防いで、効率良く管１と熱交換を行うものである。更に、管１と管２及び接合部３で囲まれた範囲が隙間部４として形成されるために、腐食により管１や管２の管壁に孔が開いた場合にも、他の管への腐食が進行する前に前記隙間部４へ高温流体或いは低温流体が流れ出して、その漏洩を検知することができる。

管１と管２の接触面積を増やし、且つ漏洩検知用の隙間を確保するためには管２の本数は２本又は３本にすることが望ましく、これより多いと漏洩検知用の隙間を確保しようとすると管１と管２の接触面積が少なくなり伝熱特性が低下してしまう。

又、図１に示すように管２の断面形状がほぼ真円に対して管１の形状を、接触側長さ６を非接触側長さ７よりも長くすることで、漏洩検知用の隙間を確保しつつ管１と管２の接触面積が維持でき、管１と管２の熱交換をより効率良く行う。

更に、図２に示すように隙間部４が接合材５で充填された場合には、より管１と管２の密着を強固にすることができ、熱交換特性を向上させることができるが、このような接合材５で充填された隙間部４は本発明に係る漏洩検知機能を果たせないように見えるが、低温流体や高温流体による腐食により管１や管２に孔が開いた場合、接合材５が管１と管２を隔絶していること、且つ耐食性の面から管１、管２に比べて接合材５が先に腐食し、腐食が管１や管２に至る前に接合部３が腐食し、隙間部４が形成され漏洩検知機能を果たすことができる。

このような熱交換器を低コストで製造するためには、図４に示すように管１と管２で形成する隙間部４にあらかじめ接合材５を配置し、その後加熱して接合材５を溶融して接合する方法を用いると良い。なお、ここで接合材５とは例えばろう材が挙げられる。

なお、二酸化炭素のような高圧冷媒で作動する熱サイクルでは、冷媒圧力の変動に起因する振動が、熱交換器へ伝わり、特に管端部の振動による疲労破壊が問題視される。本発明は接合材５で管同士を固定しているので、管を接合材５で固定しない場合よりも振動が発生しにくく疲労破壊の心配が少ない。

図８に本発明に係る熱交換器の一実施例を示す模式図を示す。図３は熱交換器が円状形態であるが、図８に示すような長円にしてもよい。例えば二酸化炭素冷媒やフロン冷媒を使用するヒートポンプ給湯機で、本発明において対象としている２流体の熱交換を行うための熱交換器は、屋外に設置されることが一般的であり、且つその屋外に設置される機器（いわゆる室外機）の形態は、奥行きが幅よりも短く、長方形の形状をしているのが一般的である。したがって、図３に示すような円形よりも図８のような長円のほうが設計上コンパクトに収めることができる。

図９と図１０は本発明に係る熱交換器の一実施例を示す模式図である。二酸化炭素冷媒やフロン冷媒を使用するヒートポンプ給湯機で、本発明の熱交換器を使用する場合、低温流体として水（給湯水）が管１に流通され、高温流体として加熱されたフロンあるいは二酸化炭素の冷媒が管２に流通される。この場合、図３や図８に示す本発明の例を使用しても良いが、図３や図８の熱交換器の最外周部は管１になっているため、内側部分の管１が管２に４箇所接触しているのに対して、最外周部は２箇所しか接触していないことになり、最外周部分だけ伝熱面積が減少してしまう問題が生じる。そのため、図９や図１０に示すように、管２を管１よりも１周分多く巻きつけて、管１の最外周部分も管２と４箇所接触させて伝熱面積の低下を防ぐことができ、熱交換特性を向上させることができる。

熱交換器の伝熱性能を向上させるため、管路の形状について最適化させることも良い。 水が流通される管１に、内面に凹凸を有する管を使用すると流体に乱流効果を与えることができ熱伝達性能を向上させる。その結果、管内面が平滑な場合に比べて単位長さ当りの伝熱性能が向上するので、熱交換器を小型にすることが可能となる。また、管２の内面に同様の凹凸を有する管を使用しても乱流効果を与えることにより熱伝達性能を向上させ、熱交換器を小型にすることが出来る。凹凸を有する管の例として、螺旋状のフィン部または溝部を有する内面溝付管が挙げられる。

給湯機に使用する管では耐食性の観点からある程度の肉厚が要求されることが多い。前記の内面にフィン（あるいは溝）を有する管は、その最小肉厚が厚くなるほど内面の加工が難しくなり、厚い肉厚が要求される場合にはその内面形状に加工から生じる制約がある。 そこで内面が平滑な管を用いつつ、管の内部に線状体又は板状体を挿入し、乱流効果を与えても良い。ここで、線状体とは例えば線や棒のことを言う。また板状体とは例えば板や箔のことを言う。

図１１は本発明に係る熱交換器における管１の内部に線状体３０及び板状体３１、３２を有する模式図である。図１１（イ）は、水が流通される管１に線状体３０を挿入し、前記線状体３０で水に乱流効果を与え、熱伝達性能を向上させたものである。管１は内面が平滑であるので、肉厚に対する制約はほとんどないという利点がある。線状体３０はコイル状であると乱流効果を得られやすい。図１１（ロ）は板状体３１（凹凸を有する条）を、図１１（ハ）は板状体３２（ねじり加工した条）を管内側に挿入して、水に乱流効果を与え、熱伝達性能を向上させたものである。

線状体３０や板状体３１、３２の形状は上記以外であっても乱流効果を有するものであればかまわない。また、線状体３０や板状体３１、３２の材質は金属でももちろん良いが樹脂などでもかまわない。給湯機を対象とする場合、管内を流通する水が飲料水であることを考えると、ステンレスや銅あるいは銅合金が好ましい。

なお、管２の内側にもコイル状の線状体などを挿入し冷媒に乱流効果を与えることは可能ではあるが、一般的に冷媒は圧縮機から吐出されて高圧であるため、管内に完全に一体化されていないコイル線などはその圧力によって振動し、管内壁に接して騒音の発生要因となる可能性がある。そのため管２については管内面の凹凸によって乱流効果を与える方が望ましい。

図１２は本発明に係る熱交換器の一実施例を示す模式図である。図１２（イ）、（ハ）は側面から見た形状、図１２（ロ）は正面から見た形状である。一般的に熱交換器に対して要求される伝熱性能を調整するためには、伝熱面積（あるいは管の長さ）を調整する。その際熱交換器を設置するスペースについて、縦および横の寸法に制約が設けられることが多く、その場合には高さ方向に伝熱面積（あるいは管の長さ）を拡大しなければならない。このため、図８に記載するような長円に巻き加工された熱交換器を２段に積層して、それぞれの管１の端部同士と管２の端部同士を接合材により接合し配管加工して１台の熱交換器としたものである。

なお、管１及び管２は熱伝導性を有するものからなる。金属は熱伝導性に優れ、その中で銅または銅合金がより優れており好ましい。
以下に、実施例を用いて本発明に係る熱交換器を詳細に説明する。

（実施例１）
図１に示すように、低温流体用の管１（接触側長さ６が２０ｍｍ、非接触側長さ７が１０ｍｍ、肉厚０．８ｍｍ、全長１２００ｍｍのリン脱酸銅管）を間隔６ｍｍで湾曲し、３本の高温流体用の管２（外径６ｍｍ、肉厚０．７ｍｍのリン脱酸銅管）を間隔１０ｍｍで湾曲させた。
それらを図４の断面になるようにろう材を挿入し組み立て、全体をろう材が溶ける温度まで加熱して本発明熱交換器を作製した。作製した熱交換器の大きさは、長さ９０ｍｍ、高さ２００ｍｍで、体積は３６０ｃｍ^３であった。

比較として図５に示す漏洩検知溝部１３を備える従来の漏洩検知付き管を作製した。高温流体が流れる最内管１０は耐圧強度も考慮して本発明の熱交換器と同様に外径６ｍｍ、肉厚０．７ｍｍのリン脱酸銅管を使用し、検知管１２に外径８ｍｍの内面溝付リン脱酸銅管、外管１１に１５．８８ｍｍ、肉厚１．０ｍｍのリン脱酸銅管を使用した。

両者の伝熱性能は、低温流体側に入口温度２０℃の水を、高温流体には入口温度５０℃の水を対向流にそれぞれ流量３Ｌ／ｍｉｎで流したところ、本発明熱交換器と同等の熱交換性能を得るためには従来の漏洩検知付き管では、２ｍの長さが必要であった。この２ｍの長さの漏洩検知付き管を用いて、図６に示すコイル型熱交換器を組んだ場合、コイル巻き径Ｄが１５０ｍｍ、コイル高さが１１０ｍｍで、コイル内部の空洞部も含めた全体積は１９５０ｃｍ^３にもなった。これは本発明の熱交換器を１／５以上の小型化にできることを示している。

（実施例２）
図３に本発明に係る他の実施例を示す。
管１に外径９．５２ｍｍ、肉厚０．８ｍｍのリン脱酸銅管、そして管２に外径４．７６ｍｍ、肉厚１．０ｍｍのリン脱酸銅管を２本使用した。管１と管２はそれぞれ長さ３ｍで、２本の管２を管１で挟む形で最内装半径は４０ｍｍで、５巻きの渦巻状熱交換器を作製した。なお、管１と管２はろう付けにより接合した。

比較として、図７に示す特許文献２に記載された渦巻型熱交換器を作製した。芯管２０として外径９．５２ｍｍ、肉厚０．８ｍｍのリン脱酸銅管、外管２１として外径３ｍｍ、肉厚０．５ｍｍのリン脱酸銅管６本を使用し、本発明同様に長さ３ｍで渦巻状に最小半径４０ｍｍで、５巻きの渦巻型熱交換器を作製した。

両者を実施例１と同様の条件でその熱交換量を測定したところ、本発明熱交換器の方が、約２０％熱交換量が向上していた。これは、本発明熱交換器では管２を管１で挟んでいるために大気への放熱が妨げられ、管２の中を流れる高温流体から管１の中を流れる低温流体へ熱が有効に伝わったためである。

（実施例３）
管１に外径９．５２ｍｍ、最小肉厚０．８ｍｍのリン脱酸銅管、そして管２に外径４．７６ｍｍ最小肉厚１．０ｍｍのリン脱酸銅管を２本使用し、管１が管２と接している伝熱有効長さは３ｍとなるように、最内側半径が４０ｍｍで図３の形状を有する渦巻き型熱交換器を作製した。この形状を基本として、表１に示す熱交換特性改善形状の交換熱量を測定した。なお、実験条件として、管１に入口温度２０℃の水を、管２に入口温度５０℃の水を対向流にそれぞれ流量３Ｌ／ｍｉｎで流した。そして図３の本発明の交換熱量を１００として、実施例の交換熱量を表した。

表１に示すように、管１と管２の接触面積の改善、あるいは内面に熱伝達率を高めるための加工を施すことで、同じ長さでの交換熱量は２倍以上になった。これは熱交換器の寸法を小型化できることを示している。

本発明に係る熱交換器の管の配置を示した一実施例の模式図とそのａ−ａ断面図である。 図１の熱交換器における管１と管２の接合後の接合部断面を示すａ−ａ断面図である。 本発明に係る熱交換器の図１とは異なる実施例を示す模式図とそのａ−ａ断面図である。 図１の熱交換器における管１と管２を接合する際の接合材の配置を示したａ−ａ断面図である。 従来の漏洩検知付き管の断面図である。 図５の漏洩検知付き管を用いたコイル型熱交換器の断面図である。 従来の低温流体用管の外周に高温流体用管を備えた渦巻型熱交換器の部分図である。 本発明に係る熱交換器の一実施例を示す模式図である。 本発明に係る熱交換器の一実施例を示す模式図である。 本発明に係る熱交換器の一実施例を示す模式図である。 本発明に係る熱交換器における管１の内部に線状体及び板状体を有する模式図である。 本発明に係る熱交換器の一実施例を示す模式図である。

符号の説明

１ 管（低温流体用管）
２ 管（高温流体用管）
３ 接合部
４ 隙間部
５ 接合材
６ 接触側長さ
７ 非接触側長さ
８ 高温流体
９ 低温流体
１０ 最内管（高温流体用管）
１１ 外管（低温流体用管）
１２ 検知管
１３ 漏洩検知溝部
２０ 芯管
２１ 外管
３０ 線状体
３１ 板状体（凹凸を有する条）
３２ 板状体（ねじり加工した条）

Claims (10)

1. 低温流体が流通する管１と、２本以上の前記管１に挟まれるように配置されて前記管１と接合材５により接合されている高温流体が流通する管２と、前記管１と前記管２と前記接合材５とで囲まれる隙間部４とを備えることを特徴とする熱交換器。
2. 管２が２本若しくは３本であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記管２の断面形状が円形であって、前記管１の断面形状が管２との接触側長さ６が管２との非接触側長さ７より長い断面形状を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の熱交換器。
4. 低温流体が流通する管１と、２本以上の前記管１に挟まれるように配置されて前記管１と接合材５により接合されている高温流体が流通する管２と、前記管１と管２と接合材５で囲まれる隙間部４が接合材５で充填されていることを特徴とする熱交換器。
5. 前記管１と前記管２が円または長円に巻き加工されていることを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの熱交換器。
6. 前記熱交換器の最内周と最外周が管２であることを特徴する請求項５記載の熱交換器。
7. 前記管１と前記管２の少なくとも一方の管の内側に螺旋状のフィン部または溝部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６記載のいずれかの熱交換器。
8. 前記管１の内部に線状体又は板状体が配置されていることを特徴する請求項１乃至６記載のいずれかの熱交換器。
9. 前記線状体又は板状体が前記管１を流動する流体に乱流効果を有することを特徴する請求項８記載の熱交換器。
10. 前記管１又は前記管２を積層してなることを特徴とする請求項５乃至９記載のいずれかの熱交換器。

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