JP2005221087A

JP2005221087A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005221087A
Application number: JP2004026425A
Authority: JP
Inventors: Noriho Okaza; 典穂岡座; Kazuo Nakatani; 和生中谷; Masahito Megata; 雅人目片
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】第二流体が流れる流路を形成する構造体と第一流体の乱流促進を行う構造体とを一体化することで、熱交換器の高性能、高信頼性と低コストの両立を図ることを目的とする。
【解決手段】熱交換器の高性能、高信頼性と低コストとを両立した熱交換器は、管内が第一流体の流路である外管と、管内が第二流体の流路である多穴管とからなる熱交換器であって、前記外管内部に前記多穴管を螺旋状に配したことを特徴とする熱交換器である。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍サイクル装置に用いられる熱交換器に関し、特に、給湯装置における給湯用熱交換器として用いられる熱交換器に関する。

例えば、図９に示すように、圧縮機１、給湯用熱交換器としての利用側熱交換器２、減圧器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回路Ａと、給水ポンプ５、利用側熱交換器２および給湯タンク６からなる給湯サイクル回路Ｂとを備え、利用側熱交換器２において圧縮機１から吐出された冷媒（例えば、二酸化炭素）により給水ポンプ５からの水を加熱してお湯とし、そのお湯を給湯タンク６に貯めておくようにした冷凍サイクル装置（この場合には、給湯装置）が知られている。

上記構成の給湯装置における利用側熱交換器２として、例えば、図１０に示すように、円管１１、および、円管１１の外周に螺旋状に巻かれた円管１２からなり、円管１１の内部を第一流体（例えば、水）の流路とする一方、円管１２の内部を第二流体（例えば、冷媒）の流路とした熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
さらに、円管１１の内部を流れる第一流体の乱流化を促進し、伝熱を促進することで、熱交換器を高性能化するために、円管１１内部に、例えば、図１１に示すような、ねじれテープ１３を挿入することも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２８０８６２号公報（第６−７頁、第５図）特開２００１−２０１２７５号公報（第６頁、第５、６図）

ところで、上述のような円管１１の外周に円管１２を螺旋状に巻いて構成した熱交換器では、円管１１と円管１２との接触面積が小さく、高性能化が困難である。あるいは、ねじれテープなどの乱流促進を行う構造体を挿入する場合には、部品点数が増加し、高コスト化するといった課題が生じていた。

そこで、本発明は、第二流体が流れる流路を形成する構造体と第一流体の乱流促進を行う構造体とを一体化することで、熱交換器の高性能、高信頼性と低コストの両立を図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、少なくとも管内が第一流体の流路である外管と、管内が第二流体の流路である多穴管とからなる熱交換器であって、前記外管内部に前記多穴管を螺旋状に配したことを特徴とする。

請求項２記載の本発明の熱交換器は、請求項１に記載の熱交換器において、前記多穴管の穴の外側に溝を有したことを特徴とする。

請求項３記載の本発明の熱交換器は、請求項１または２に記載の熱交換器において、前記多穴管の材質はアルミニウムであることを特徴とする。

請求項４記載の本発明の熱交換器は、請求項３に記載の熱交換器において、前記多穴管の外表面は金属メッキされていることを特徴とする。

請求項５記載の本発明の熱交換器は、少なくとも、管内が第一流体の流路である外管と、管内が第二流体の流路である内管とからなり、前記内管は複数本を平面的に並べ、前記外管内部に前記内管を螺旋状に配したことを特徴とする。

請求項６記載の本発明の熱交換器は、請求項５に記載の熱交換器において、前記内管は溝を有した円管に挿入されたことを特徴とする。

請求項７記載の本発明の熱交換器は、請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器において、前記第二流体の動作圧力は、前記第一流体の動作圧力より高いことを特徴とする。

請求項８記載の本発明の熱交換器は、請求項７に記載の熱交換器において、前記第二流体は二酸化炭素であり、前記第一流体は水であることを特徴とする。

本発明の熱交換器は、第二流体が流れる流路を形成する構造体と第一流体の乱流促進を行う構造体とを一体化することで、熱交換器の高性能、高信頼性と低コストの両立が可能である。

本発明の第１の実施の形態による熱交換器は、管内が第一流体の流路である外管と、管内が第二流体の流路である多穴管とからなり、多穴管は外管の内部を螺旋状に配したものである。本実施の形態によれば、多穴管により第一流体流路を螺旋状に仕切る構成としたことで、第一流体の乱流化が促進されるために伝熱を促進でき、熱交換器の性能を向上できる。また、第二流体流路を形成する多穴管自身を、乱流化を促進する構造体とすることで、新たに別の乱流促進を行う構造体を設ける必要がなく、部品点数が削減でき、熱交換器の製造コストが低減できる。

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、多穴管の穴の外側に溝を有したものである。本実施の形態によれば、万一、腐食等が生じ第二流体流路が多穴管の外表面と連通しても、溝に第一流体や第二流体がしみだした時点でこれを検知することができ、第一流体と第二流体が混合することを防止できるために、熱交換器の信頼性を向上できる。

本発明の第３の実施の形態は、第１または第２の実施の形態による熱交換器において、多穴管の材質はアルミニウムとしたものである。本実施の形態によれば、多穴管の材質をアルミニウムとすることで、多穴管を製造するコストの低減、すなわち、熱交換器の製造コスト低減と、熱交換器の重量の低減が可能である。

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、多穴管の外表面を金属メッキしたものである。本実施の形態によれば、アルミニウムで製造された多穴管の外表面を金属メッキ加工することにより、アルミニウムが第一流体により腐食されることがなく、熱交換器の信頼性を向上できる。

本発明の第５の実施の形態による熱交換器は、管内が第一流体の流路である外管と、管内が第二流体の流路である内管とからなり、内管は複数本を平面的に並べ、外管の内部に螺旋状に配したものである。本実施の形態によれば、複数本を並べた内管により第一流体流路を螺旋状に仕切る構成としたことで、第一流体の乱流化が促進されるために伝熱を促進でき、熱交換器の性能を向上できる。また、第二流体流路を形成する内管を複数本並べて、乱流化を促進する構造体とすることで、新たに別の乱流促進を行う構造体を設ける必要がなく、部品点数が削減でき、熱交換器の製造コストが低減できる。

本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態による熱交換器において、内管は溝を有した円管に挿入されたものである。本実施の形態によれば、万一、腐食等が生じ第二流体流路が円管の外表面と連通しても、溝に第一流体や第二流体がしみだした時点でこれを検知することができ、第一流体と第二流体が混合することを防止できるために、熱交換器の信頼性を向上できる。

本発明の第７の実施の形態は、第１から第６の実施の形態による熱交換器において、第二流体の動作圧力は、第一流体の動作圧力より高くなるように、流体を流すものである。本実施の形態によれば、多穴管や内管の管内を第一流体より動作圧力の高い第二流体の流路とし、外管の管内は、第二流体より動作圧力の低い第一流体の流路とすることにより、動作圧力の高い第二流体が流れる多穴管や内管は耐圧を確保しやすい小径の穴から構成された管であることから、多穴管や内管の耐圧を確保するために必要な肉厚の増加による原材料コストの上昇を、極力おさえることができ、熱交換器の耐圧向上にかかるコストの低減が可能である。

本発明の第８の実施の形態は、第７の実施の形態による熱交換器において、第二流体は二酸化炭素とし、第一流体は水としたものである。本実施の形態によれば、他の冷媒より動作圧力の高い二酸化炭素を、耐圧を確保しやすい小径の多穴管や内管の管内に流すようにでき、熱交換器の耐圧向上にかかるコストの低減が可能であり、かつ、伝熱特性が良好な二酸化炭素を流すことで、熱交換器の性能向上が可能である。

（実施例１）
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。

図１は、本発明の第１の実施例における熱交換器の主要部の構成を説明する概略構成図であり、図２は同熱交換器の概略断面図である。図１、２に示すように、熱交換器の主要部は、外管２２、多穴管２４から構成されている。外管２２の管内は、第一流体の流路（例えば水）である第一流体流路２１となり、多穴管２４の管内は第二流体（例えば二酸化炭素のような冷媒）の流路である第二流体流路２３となる。多穴管２４は、図１に示すように軸方向にねじられており、外管２２の内部に挿入することで、第一流体流路２１を螺旋状に仕切るように構成されている。外管２２、多穴管２４の両端にはヘッダパイプ等（図示せず）により、第一流体の出入口部（図示せず）、および、第二流体の出入口部（図示せず）を備えている。また、多穴管２４はアルミニウムの押出成形により製造された後、多穴管の外表面に錫メッキ加工を行っている。

上記のように構成された熱交換器においては、次のような効果が得られる。多穴管２４により第一流体流路２１を螺旋状に仕切る構成としたことで、第一流体流路２１を流れる第一流体に旋回流を生じさせ、流速の増加と混合促進とで、乱流化が促進されるために伝熱を促進でき、熱交換器の性能を向上できる。また、第二流体流路２３を形成する多穴管２４自身を、乱流化を促進する構造体とすることで、新たに別の乱流促進を行う構造体を設ける必要がなく、部品点数が削減でき、熱交換器の製造コストが低減できる。

また、多穴管２４の材質をアルミニウムとすることで、多穴管２４を製造するコストの低減、すなわち、熱交換器の製造コスト低減と、熱交換器の重量の低減が可能である。さらに、アルミニウムで製造された多穴管２４の外表面を金属メッキ加工することにより、アルミニウムが第一流体により腐食されることがなく、熱交換器の信頼性を向上できる。

さらに、多穴管２４の管内を第一流体より動作圧力の高い第二流体（例えば二酸化炭素のような冷媒）の流路とし、外管２２の管内は、第二流体より動作圧力の低い第一流体（
例えば水）の流路とすることにより、動作圧力の高い第二流体が流れる多穴管２４は耐圧を確保しやすい小径の穴から構成された管であることから、多穴管２４の耐圧を確保するために必要な肉厚の増加による原材料コストの上昇を、極力おさえることができ、熱交換器の耐圧向上にかかるコストの低減が可能である。

次に、上述のように構成された熱交換器の動作について説明する。

本実施例の熱交換器は、冷凍サイクル装置の熱交換器として利用し、例えば、従来技術の項で説明した給湯装置（図８参照）の利用側熱交換器２として利用される。この給湯装置においては、圧縮機１で圧縮された冷媒は、高温高圧状態となり、本実施例の熱交換器である利用側熱交換器２の多穴管２４の管内（第二流体流路２３）を通過する際に、外管２２の管内（第一流体流路２１）を流れる水に放熱し冷却される。すなわち、給湯タンク６の底部から給水ポンプ５により第一流体流路２１へ送り込まれた水は、第二流体流路を流れる冷媒により加熱される。その後冷媒は、減圧器３により減圧されて、低温低圧の気液二相状態となる。熱源側熱交換器４では、冷媒は空気によって冷却されて、気液二相またはガス状態となり、さらに、気液二相またはガス状態となった冷媒は、再び圧縮機１に吸入される。このようなサイクルを繰り返すことにより、利用側熱交換器２の第一流体流路２１を流れる水はお湯となり、そのお湯を給湯タンク６の頂部に貯めることで給湯器として利用できる。このように、二酸化炭素を冷媒として使用した給湯装置の利用側熱交換器として、本実施例の熱交換器を用いると、他の冷媒より動作圧力の高い二酸化炭素を、耐圧を確保しやすい小径の多穴管２４の管内に流すようにでき、熱交換器の耐圧向上にかかるコストの低減が可能であり、かつ、伝熱特性が良好な二酸化炭素を流すことで、熱交換器の性能向上が可能である。

なお、第一流体と第二流体とは対向流となるように流す方が望ましい。また、多穴管２４の外表面にリブ等を設けて、さらに第一流体の乱流化を促進する形状としてもよい。また、多穴管の外表面には錫メッキ加工を行ったと説明しているが、他の金属メッキ、例えば、亜鉛メッキ、銅メッキなどでもよい。

（実施例２）
本発明の第２の実施例における熱交換器について説明する。図３、４は、本発明の第２の実施例における熱交換器の主要部の構成を説明する概略構成図である。図３、４において、図１、２と同じ構成要素は同じ記号を付し、説明を省略する。本実施例の熱交換器では、多穴管２４は図４に示すような内面に溝３１が設けられた偏平管３２に挿入された後、ねじられ、図３に示すように外管２２に第一流体流路２１を螺旋状に仕切るように挿入されている。なお、多穴管２４と偏平管３２の内面の溝３１により形成された空間は、第一流体流路２１、第二流体流路２３のいずれとも連通せず、熱交換器の外部の空間と連通している。

上記のように構成された熱交換器においては、上述の効果に加えて、万一、腐食等が生じ第二流体流路２３が多穴管２４の外表面と連通しても、溝３１に第一流体（例えば、水）や第二流体（例えば、二酸化炭素）がしみだした時点でこれを検知することができ、第一流体と第二流体が混合することを防止できるために、熱交換器の信頼性を向上できる。

なお、偏平管３２は平板に溝３１を加工した後、電縫して製造してもよいし、内面に溝３１が設けられた円管を偏平させて製造してもよい。また、偏平管３２と多穴管２４の密着度を向上させるために、偏平管３２に多穴管２４を挿入した後、引き抜き加工などを行ってもよい。

（実施例３）
本発明の第３の実施例における熱交換器について説明する。図５は、本発明の第３の実施例における熱交換器の主要部の構成を説明する概略構成図であり、図６は同熱交換器の概略断面図である。図５．６において、図１、２と同じ構成要素は同じ記号を付し、説明を省略する。本実施例の熱交換器の主要部は、外管２２、内管４２から構成されている。外管２２の管内は、第一流体の流路（例えば水）である第一流体流路２１となり、内管４２の管内が第二流体（例えば二酸化炭素のような冷媒）の流路である第二流体流路４１となる。内管４２は複数本、板状となるように平面的に並べられた後、図６に示すように軸方向にねじられている。これらを、外管２２の内部に挿入することで、第一流体流路２１を螺旋状に仕切るように構成されている。

上記のように構成された熱交換器においては、次のような効果が得られる。複数本を並べた内管４２により第一流体流路２１を螺旋状に仕切る構成としたことで、第一流体流路２１を流れる第一流体に旋回流を生じさせ、流速の増加と混合促進とで、乱流化が促進されるために伝熱を促進でき、熱交換器の性能を向上できる。また、第二流体流路４１を形成する内管４２を複数本並べて、乱流化を促進する構造体とすることで、新たに別の乱流促進を行う構造体を設ける必要がなく、部品点数が削減でき、熱交換器の製造コストが低減できる。

さらに、内管４２の管内を第一流体より動作圧力の高い第二流体（例えば二酸化炭素のような冷媒）の流路とし、外管２２の管内は、第二流体より動作圧力の低い第一流体（例えば水）の流路とすることにより、動作圧力の高い第二流体が流れる内管４２は耐圧を確保しやすい小径の穴から構成された管であることから、内管４２の耐圧を確保するために必要な肉厚の増加による原材料コストの上昇を、極力おさえることができ、熱交換器の耐圧向上にかかるコストの低減が可能である。

（実施例４）
本発明の第４の実施例における熱交換器について説明する。図７は、本発明の第４の実施例における熱交換器の概略断面図である。図７において、図１、２と同じ構成要素は同じ記号を付し、説明を省略する。本実施例の熱交換器では、内管４２は図８に示すような内面に溝５１が施された円管５２に挿入されている。なお、内管４２と円管５２の内面の溝５１により形成された空間は、第一流体流路２１、第二流体流路４１のいずれとも連通せず、熱交換器の外部の空間と連通している。円管５２に挿入された内管４２は複数本、板状となるように平面的に並べられた後、図７に示すように軸方向にねじられている。これらを、外管２２の内部に挿入することで、第一流体流路２１を螺旋状に仕切るように構成されている。

上記のように構成された熱交換器においては、上述の効果に加えて、万一、腐食等が生じ第二流体流路４１が円管４２の外表面と連通しても、溝５１に第一流体（例えば、水）や第二流体（例えば、二酸化炭素）がしみだした時点でこれを検知することができ、第一流体と第二流体が混合することを防止できるために、熱交換器の信頼性を向上できる。

本発明の熱交換器は、いずれか一方の動作圧力が高い二つの流体を熱交換する熱交換器に適しており、特に、水と冷媒（例えば、二酸化炭素など）とを熱交換させ、お湯を得るヒートポンプ式給湯装置等に用いる給湯用熱交換器に適している。そして、冷媒が流れる流路と、水の乱流を促進する構造体とを一体化することで、熱交換器の高性能、高信頼性と低コストの両立が可能である。

本発明の第１の実施例における熱交換器を示す概略構成図本発明の第１の実施例における熱交換器の概略断面図本発明の第２の実施例における熱交換器を示す概略構成図本発明の第２の実施例の熱交換器に用いられる偏平管の概略断面図本発明の第３の実施例における熱交換器を示す概略構成図本発明の第３の実施例における熱交換器の概略断面図本発明の第４の実施例の熱交換器の概略断面図本発明の第４の実施例の熱交換器に用いられる円管の概略断面図従来の冷凍サイクル装置（給湯装置）を示す概略構成図従来の熱交換器を示す概略構成図従来の熱交換器に用いられる乱流促進構造体を示す概略構成図

符号の説明

１圧縮機
２利用側熱交換器（給湯用熱交換器）
３減圧器
４熱源側熱交換器（室外熱交換器）
５給水ポンプ
６給湯タンク
１１、１２円管
１３ねじれテープ
２１第一流体流路
２２外管
２３、４１第二流体流路
２４多穴管
３１、５１溝
３２偏平管
４２内管
５２円管

Claims

少なくとも管内が第一流体の流路である外管と、管内が第二流体の流路である多穴管とからなる熱交換器であって、前記外管内部に前記多穴管を螺旋状に配したことを特徴とする熱交換器。
前記多穴管の穴の外側に溝を有したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記多穴管の材質はアルミニウムであることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
前記多穴管の外表面は金属メッキされていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
少なくとも、管内が第一流体の流路である外管と、管内が第二流体の流路である内管とからなり、前記内管は複数本を平面的に並べ、前記外管内部に前記内管を螺旋状に配したことを特徴とする熱交換器。
前記内管は溝を有した円管に挿入されたことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
前記第二流体の動作圧力は、前記第一流体の動作圧力より高いことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の熱交換器。
前記第二流体は二酸化炭素であり、前記第一流体は水であることを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。