JP2006003028A - 熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置 - Google Patents

Abstract

【課題】溝付二重管の溝は変形、損傷することなどがなく、所望の螺旋状のねじり管を生産性よく製造でき、ねじり管を内包した高性能熱交換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】外管１１ａ、１２ａと、外管内に位置する内管１１ｂ、１２ｂと、外管と内管とが密着して構成する溝付二重管１１、１２と、この溝付二重管は複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管１３とを備え、ねじり管の溝の螺旋方向は、ねじり管の螺旋方向と同一方向であることことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換装置（たとえばヒートポンプ式給湯機の水／冷媒熱交換器及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置）に関するものである。

近年、オゾン層保護等の観点から、フロン系の冷媒から、二酸化炭素（ＣＯ２）を冷媒に使用する熱交換器が使用されており、第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換装置として、図１１に示すように、外管１内に、螺旋状に撚り合わされた複数の内管２が装着されて、外管１内に複数の流路が形成される。そして、この外管１の流路を流れる水と内管２を流れる冷媒とが熱交換するような熱交換装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、従来から、外管内に内観を装着した二重管構造の熱交換器において、内管に水、内管と外管の間にフロン系の冷媒を流すことによる熱交換が行われているが、何らかの原因で冷媒が内管から漏れた場合これを検知できるように、外管内に漏洩溝が設けられている。例えば、図１２に示すように、３は内側管３ａと外側管３ｂによって構成される二重管、４は二重管３を内包する外包管、二重管３をこの外包管４内に同心状に挿入している。５は内側管３ａと外側管３ｂの間にある漏洩溝である。このように、二重管３内は冷媒Ｒの流路とし、外側管３ｂと外包管４との間の流路を水Ｗの流路とする熱交換装置があった（例えば特許文献２参照）。

ここで、特にＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプサイクルにおいて、ＣＯ２冷媒の放熱器における作動圧力は約９ＭＰａ〜１３ＭＰａの間で、高圧力であるため、ＣＯ２冷媒が流れる内管の信頼性は格段に高く要求される。

また、超臨界状態のＣＯ２冷媒は熱伝達率が高いため、放熱器の伝熱性能を向上させようとすると、水側の熱伝達率を上げることはメインとなる。そこで、水側の流速アップや乱流促進手段は講じられる時、エロージョンやキャビテーション気泡といった水管や冷媒管の壁面を削り腐食する問題が生じやすくなる。
特開２００３−３４３９９５号公報（第１−３頁、第１図） 特開２００１−２０１２７５号公報（第１−７頁、第１図）

しかしながら上記従来の熱交換装置では、特許文献２記載の発明のように内側管３ａと外側管３ｂによって構成され、漏洩溝５を有する二重管４を特許文献１記載の発明のように複数本で螺旋状に撚り合わした場合、内側管３ａと外側管３ｂとの間に設けた漏洩溝５の部分も、二重管４を螺旋状に撚り合わす加工の際に生じたせん断応力などを受けるため、漏洩溝５が変形したり潰れたりする課題がある。また、漏洩溝５のため、内側管３ａの外側管壁若しくは外側管３ｂの内側管壁に山と谷を有するため、螺旋状に撚り合わす加工の際に生じた引張り応力やせん断応力の分布は不均一となり、撚り合わす加工は大変困難である。加工の力が大きいと、この不均一の応力分布によって漏洩溝が変形し、内側管３ａの表面を傷めることとなり、また、撚り合わす加工の力が小さいと、所望の螺旋状に撚り合わされる二重管は製造できないという課題がある。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するもので、ねじり管の溝の螺旋方向は、ねじり管の螺旋方向と同一方向とすることで、加工性を高め、漏洩溝を有する二重管が螺旋状に絡みあうように捻って構成したより信頼性の高い熱交換装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換装置は、内壁面に溝を備える外管と、前記外管内に位置する内管とが密着して構成する溝付二重管を有し、前記溝付二重管は複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻ってねじり管を構成し、前記ねじり管の溝の螺旋方向は、ねじり管の螺旋方向と同一方向であることを特徴としたものである。

これによって、溝付二重管の複数本を螺旋状に絡み合うようにねじり加工を行う際に、せん断応力などを少なく抑えることができるため、漏洩溝が変形したり潰れたりまたは内管表面を傷めたりすることがなく、所望の螺旋状に撚り合わされた漏洩溝を有する信頼性の高い二重管を製造することができる。

本発明によれば、溝付二重管の溝は変形、損傷することなどがなく、所望の螺旋状のねじり管を生産性よく製造でき、ねじり管を内包した信頼性の高い高性能熱交換装置を提供することができる。

第１の発明は、内壁面に溝を備える外管と、前記外管内に位置する内管とが密着して構成する溝付二重管を有し、前記溝付二重管は複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻ってねじり管を構成し、前記ねじり管の溝の螺旋方向は、ねじり管の螺旋方向と同一方向であることを特徴とする熱交換装置である。

本実施の形態によれば、溝付二重管の複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管において、ねじり管の溝の螺旋方向を、ねじり管自身の螺旋方向と同一方向とすることによって、溝付二重管の複数本を螺旋状に絡み合うようにねじり加工を行う際に、せん断応力などを少なく抑えることができるため、漏洩溝が変形したり潰れたりまたは内管表面を傷めたりすることがなく、所望の螺旋状に撚り合わされた二重管を製造することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の熱交換装置において、ねじり管の溝の螺旋ピッチは、ねじり管の螺旋ピッチと略同様であるものである。本実施の形態によれば、ねじり管の溝の螺旋ピッチをねじり管の螺旋ピッチと略同様にすることによって、ねじり加工行う前の溝付二重管の溝をこの溝付二重管の軸方向に平行して分布させる構成となるため、ねじり加工のねじり回転方向をどちらにしても、せん断応力は少なくて、漏洩溝が変形したり潰れたりすることがなく、所望の螺旋状に撚り合わされた二重管を製造することができる。

よって、ねじり管の溝の螺旋ピッチをねじり管の螺旋ピッチと略同様にすることで、ねじり管の溝の螺旋ピッチを外部から管理でき、漏洩溝の漏洩機能を確実に機能させることができるとともに、ねじり加工を行う際に、溝付二重管の方向管理をする必要がなく、製造工程は容易化でき、加工コストを低減させることができる。

第３の発明は、特に、第１発明の熱交換装置において、ねじり管のねじりピッチは前記外管の螺旋状の溝のピッチの略１倍以上略３倍以下となるようにしたことを特徴とする。本実施の形態によれば、ねじり管のねじりピッチを外管の螺旋状溝のピッチの略１倍以上略３倍以下程度とすることによって、ワンピッチ範囲内のねじり管に対して、螺旋状溝は１〜３回螺旋したことになるため、ねじり管の管内またはねじり管の表面に沿って流れる流れに対して、螺旋状溝によって生じた熱抵抗のむらを平均化でき、伝熱性能を向上させることができる。

第４の発明は、特に、第１の発明の熱交換装置において、外管の螺旋状の溝が外管の軸方向と成すリード角は、２０度以下となるようにしたものである。本実施の形態によれば、螺旋状溝が外管の軸方向と成すリード角は、２０度以下となるようにすることによって、リード角が大きいため、溝付二重管を螺旋状に撚り合わしてねじり管に加工するとき、生じた引張り応力やせん断応力を小さく抑えることができ、漏洩溝が変形しにくく、所望のねじり管を製造することができる。

第５の発明は、特に、第１乃至４のいずれか一つの発明の熱交換装置において、内管の外周面積は、半分以上が外管の内壁面と接触し密着することを特徴とすることであり。本実施の形態によれば、内管の外周面積は、半分以上を外管の内壁面と接触し密着させることによって、溝によって生じた伝熱抵抗を抑えることができる。特に、外管の内面壁において、溝によって形成される山と谷をそれぞれ交互で均等分布させることは製造上、品質管理上において、より望ましい。

第６の発明は、特に、第１乃至第５のいずれか一つの発明の熱交換装置において、内管の内壁面にも内面溝を有することを特徴とする。本実施の形態によれば、内管の内壁面に内面溝を設けたことによって、内管の内壁伝熱面積を増やし、伝熱促進効果を図ることができる。特に、内面溝の螺旋方向をねじり管の螺旋方向またはねじり管の溝の螺旋方向と同一方向とすることによって、内面溝においても、せん断応力などを少なくて抑えることができ、内面溝が変形したりすることがなく、所望の螺旋状に撚り合わされた二重管を製造することができる。同様に、ねじり管の内面溝の螺旋ピッチをねじり管の螺旋ピッチと略同様とすることによって、ねじり加工行う前の内管の内面溝をこの内管の軸方向に平行して分布させる構成となるため、ねじり加工のねじり回転方向をどちらにしても、せん断応力は少なくて、内面溝が変形したりすることがなく、所望の螺旋状に撚り合わされた二重管を製造することができる。

第７の発明は、特に、第１乃至第６のいずれか１つの発明の熱交換装置において、第一流体が流れる伝熱管を有し、前記伝熱管内にねじり管を配置し、第二流体がねじり管の内管を流れることを特徴とする。本実施の形態によれば、第一流体が流れる伝熱管内に、複数本の溝付二重管によって構成されるねじり管を配置させることよって、ねじり管外壁と伝熱管内壁との間に、自然に螺旋状の第一流体の流路が形成されるとともに、ねじり管の内管を流れる第二流体も螺旋状に旋回されるため、第一流体と第二流体ともに乱流化され、第一流体と第二流体とは効率よく熱交換でき、熱交換性能のよい熱交換装置を得られる。

このように、別部品などを用いずに、溝付二重管をお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻ることによって、ロウ付けなどを施する必要がないため、安価な製造コストで高性能熱交換装置を提供することができる。

また、ねじり管の全表面を伝熱面積として寄与させるとともに、簡単な伝熱促進手段で第二流体と第一流体を旋回流とし、特に、ねじり管の表面において、第一流体の流れを乱流化し、乱流撹乱の効果で熱伝達率の向上を図れるとともに、ねじり管の表面にスケールなどの付着を抑制することができる。

また、漏洩溝の漏洩機能を確保できることによって、第一流体と第二流体が混ざり合うことがなく、漏洩溝を通じて、漏洩した第一流体または第二流体を外部へ導くことができるため、信頼性の高い熱交換装置を提供することができる。

第８の発明は、特に、第７の発明の熱交換装置において、第一流体と第二流体とを対向流としたことである。本実施の形態によれば、伝熱管を流れる第一流体と内管を流れる第二流体とを対向流とすることによって、第一流体と第二流体の伝熱を均一化し、加熱流体によって非加熱流体の温度レベルを高く上げられるため、熱交換効率のよい熱交換装置を提供することができる。

第９の発明は、特に、圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を有するヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器は第７または８の発明の熱交換装置で、内管を流れる第二流体が第一流体を加熱するヒートポンプ給湯装置である。本実施の形態によれば、内管を流れる冷媒の放熱を用いて第一流体を加熱することによって、ねじり管によって冷媒と第一流体例えば水を共に乱流化させ、高効率の伝熱が実現できると共に、内管もしくは外管のどちらか一方が破損した場合でも、内管を流れる冷媒と伝熱管を流れる水とが混じりあうことがなく、圧縮機の潤滑油は使用者の口に入る可能性のある湯に入るのを防ぎ、早期故障診断と迅速な修理を実現でき、信頼性の高いヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

第１０の発明は、特に、第９のヒートポンプ給湯装置において、冷媒は二酸化炭素で、圧縮機の圧力は臨界圧力以上とすることによって、冷媒の二酸化炭素は水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することなく、熱交換装置全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、必要な高温度レベルまで水を効率的に加熱できる。このように、高効率の熱交換装置をヒートポンプサイクルの放熱器として使用することによって、高効率のヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施形態における熱交換装置の局部構成を示す側部断面図、図２は同熱交換装置の局部拡大図、図３は図１に示す同熱交換装置のＡ−Ａ断面、Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面を示す断面図、図４は同熱交換装置を構成する溝付二重管の断面拡大図、図５は同熱交換装置を用いたヒートポンプサイクルシステム構成図である。

図３の中、（ａ）は図１に示すＡ−Ａ切断面の断面図、（ｂ）は図１に示すＢ−Ｂ切断面の断面図、（Ｃ）は図１に示すＣ−Ｃ切断面の断面図を示す。

図１〜３において、１０は第一流体例えば水が流れる伝熱管で、１１と１２は第二流体例えば二酸化炭素冷媒が流れる冷媒管の溝付二重管である。１３はこの二本の溝付二重管１１と１２がお互いに密接しながら絡み合うように螺旋状にねじって形成したねじり管、１１ａ、１２ａは内面壁に複数の溝１４を有する外管、１１ｂ、１２ｂはそれぞれこの外管１１ａと１２ａの管内に配置され、外管１１ａと１２ａと密着する内管である。そして、このように、それぞれ外管１１ａと１１ｂによって溝付二重管１１が構成され、外管１２ａと１２ｂによって溝付二重管１２が構成される。

図１と図２において、一部の溝付二重管１１の内管１１ｂを取り除いて、溝１４の分布が見えるようにした状態を示している。

図１に示すように、ねじり管１３は伝熱管１０の中に配置されて熱交換装置が形成される。Ｐ１はねじり管１３の軸方向におけるねじり管の螺旋ピッチ、Ｐ２はねじり管１３の軸方向において、溝１４の螺旋ピッチを示す。図示のように、溝１４は螺旋状のねじり管１３の管長方向に沿って平行して分布し、その螺旋ピッチＰ２はねじり管の螺旋ピッチＰ１と略等しいものである。

図３において、１４ａは複数個溝１４の内の一つであり、螺旋方向を説明するために用いられる。図３に示すように、Ａ−Ａ切断面において、溝付二重管１１は上方、溝付二重管１２は下方に位置し、Ｂ−Ｂ切断面において、溝付二重管１１は下方、溝付二重管１２は上方に位置し、Ｃ−Ｃ切断面において、溝付二重管１１は上方、溝付二重管１２は下方に位置するようになっている。溝１４ａも同様に、Ａ−Ａ切断面においては上方、Ｂ−Ｂ切断面においては下方、Ｃ−Ｃ切断面において上方に位置するようになっている。このように、Ａ−Ａ切断面からＢ−Ｂ切断面そしてＣ−Ｃ切断面に渡り、溝付二重管１１と１２は螺旋方向Ｌに示すように、反時計方向に螺旋状になっている。溝１４ａをはじめとする複数の溝１４も同様に、螺旋方向Ｌに示すように、反時計方向に螺旋状になっている。また、１５は伝熱管１０の内壁と溝付二重管１１、１２の外壁との間の旋回流路である。

図４において、内管１１ｂは外管１１ａの管内に配置され、外管１１ａの溝１４の山部１６と密着して溝付二重管１１を構成している。そして、内管１１ｂの外周面積は、半分以上が外管の内壁面の山部１６と接触し密着するようになっている。

なお、各図において、溝１４の数や形状や分布などは実施例を説明するためのものであり、必ずしも一致したものではない。

図５において、圧縮機１７、放熱器１８、減圧手段１９、吸熱器２０が冷媒循環回路により閉回路に接続されている。冷媒循環回路は、例えば炭酸ガス（ＣＯ２）を冷媒として使用し、高圧側の冷媒圧力が冷媒の臨界圧以上となる超臨界ヒートポンプサイクルを使用している。そして圧縮機１７は、内蔵する電動モータ（図示せず）によって駆動され、吸引した冷媒を臨界圧力まで圧縮して吐出する。減圧手段１９はステッピングモータ（図示せず）により駆動する絞り弁で、冷媒流路抵抗を制御している。

放熱器１８は冷媒流路と、その冷媒流路と熱交換を行う水流路を備える。この放熱器１８は前述の熱交換装置を用い、冷媒流路は溝付二重管１１の内管１１ｂと、溝付二重管１２の内管１２ｂとし、水流路は伝熱管１０の内壁と溝付二重管１１、１２の外壁との間の流路としている。そして、この水流路はねじり管１３の外周と伝熱管１０の内周によって構成された旋回流路１５となっている。このように、前述熱交換装置の内管１１ｂと１２ｂの入口は圧縮機１７からの冷媒循環回路部分と連通し、出口は減圧器１９への冷媒循環回路部分と連通するように接続されている。そして、この伝熱管の冷媒流路の流れ方向は水流路の流れ方向とを対向としている。

この水流路に水または予温水を供給する給水管２１と、水流路から出湯される湯を貯湯タンク２２へ通水させるための給湯回路２３が接続されている。そして、給水管２１は前述の熱交換装置の入水口（図示せず）と接続し、前述の熱交換装置の出湯口（図示せず）は給湯回路２３と連通している。２４は給水管２１に設けた水または予温水を輸送する積層ポンプである。このように、貯湯タンク２２から水または予温水が積層ポンプ２４によって輸送され、水流路で所定温度まで加熱された後、貯湯タンク２２へ輸送され貯留されるようになっている。そして、２５は貯湯タンク２２と連通する出湯管である。

以上のように構成された熱交換装置及び同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

給水管２１を通じて水または予温水が貯湯タンク２２から供給されると、圧縮機１７が起動し、冷媒を高温高圧の臨界状態まで圧縮し、ヒートポンプサイクルが作動する。

そして、圧縮機１７から吐出される高温高圧の冷媒ガスは放熱器１８へ流入し、旋回流路１５を含める水流路を流れる水を加熱する。そして、加熱された水は給湯回路２３を経て貯湯タンク２２へ流れ貯留される、いわゆる積層沸き上げを行う。一方、放熱器１８で冷却された冷媒は減圧手段１９で減圧されて吸熱器２０に流入し、ここで大気熱、太陽熱、地中熱など自然エネルギーを吸熱して蒸発ガス化し、圧縮機１７に戻る。

そして、給湯需要のある時、給湯管２５を通じて貯湯タンク２２内に貯湯される湯がユーザーの使用する給湯蛇口（図示せず）などへ供給される。給湯需要の温度レベルに応じて、途中で水道水などとミキシングして所定の温度となり供給することもできる。

放熱器１８において、放熱器１８の冷媒流路１１ｂ、１２ｂを流れる冷媒は、圧縮機１７で臨界圧力以上に加圧されているので、放熱器１８の水流路を流れる水により熱を奪われて温度低下しても凝縮することがない。したがって放熱器１８全域で冷媒と水とに温度差を形成しやすくなり、高温の湯が得られ、かつ熱交換効率を高めることができ、高効率のヒートポンプサイクル式給湯装置を提供することができる。

図１〜図３に示すように、螺旋状にお互いに密着しながら絡み合うように捻れた二本の溝付二重管１１、１２によって構成されたねじり管１３を伝熱管１０内に配置することによって、伝熱管１０の内壁とねじり管１３の外壁の間に、自然に螺旋状の水の流路１５が形成されるとともに、冷媒も螺旋状に旋回されるため、水と冷媒ともに乱流化され、効率よく熱交換でき、熱交換性能のよい熱交換装置を得られる。

特に、溝付二重管１１と１２がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻って構成したねじり管１３において、ねじり管１３の溝１４の螺旋方向と、ねじり管１３自身の螺旋方向とはともに反時計方向（図示）で、同一螺旋方向Ｌとすることによって、溝付二重管１１と１２を螺旋状に絡み合うようにねじり加工を行う際に、せん断応力などを少なく抑えることができるため、溝１４または山部１６が変形したり潰れたり或いは内管１１ｂ、１２ｂの表面を傷めたりすることがなく、所望の螺旋状に撚り合わされた溝付二重管を製造することができる。よって、溝付二重管の溝は変形、損傷することなどがなく、所望の螺旋状のねじり管を生産性よく、品質高く製造でき、高性能熱交換装置を提供することができる。

さらに、溝１４は変形損傷などがないため、所定の形状で漏洩機能を確保できることによって、冷媒と水が混ざり合うことがなく、溝１４を通じて、漏洩した冷媒または水を外部へ導くことができるため、信頼性の高い熱交換装置を提供することができる。

特に、ＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプサイクルにおいて使用する場合には、ＣＯ２冷媒の放熱器における作動圧力は約９ＭＰａ〜１３ＭＰａの間で、高圧力であるため、ＣＯ２冷媒が流れる内管の信頼性は格段に高く要求される。特に、何らかの原因でＣＯ２冷媒が内管から漏れた場合、本願記載の漏洩溝は確保されている熱交換器を用いると、漏洩溝の機能を確保でき、漏れたＣＯ２冷媒は漏洩溝を通じて外部へ流出するため、より信頼性の高いＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプ給湯装置を提供できる。

また、超臨界状態のＣＯ２冷媒は熱伝達率が高いため、放熱器の伝熱性能を向上させようとすると、水側の熱伝達率を上げることはメインとなる。そこで、水側の流速アップや乱流促進手段は講じられる時、エロージョンやキャビテーション気泡といった水管や冷媒管の壁面を削り腐食する問題が生じやすくなる。そこで、本願記載の漏洩溝は確保されている熱交換器を用いると、製造時より漏洩溝の機能は確保されているため、上記のような水側からの腐食が生じ、外管に孔が空いた時でも、漏れた水は漏洩溝を通じて外部へ流出するため、より信頼性の高いＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプ給湯装置を提供できる。

また、同熱交換装置において、ねじり管１３の溝の螺旋ピッチＰ２をねじり管の螺旋ピッチＰ１と略同様にしたことによって、ねじり加工行う前の溝付二重管の溝をこの溝付二重管の軸方向に平行して分布させる構成となるため、ねじり加工のねじり回転方向をどちらにしても、せん断応力は少なくて、溝が変形したり潰れたりすることがなく、所望の螺旋状にねじり合わされた溝付二重管を製造することができる。

よって、ねじり管１３の溝の螺旋ピッチＰ２をねじり管の螺旋ピッチＰ１と略同様にすることで、ねじり管の溝の螺旋ピッチＰ２を外部から管理でき、溝１４の漏洩機能を確実に機能させることができるとともに、ねじり加工を行う際に、溝付二重管１１と１２の方向管理をする必要がなく、製造工程は容易化でき、加工コストを低減させることができる。

また、同熱交換装置において、内管１１ｂと１２ｂの外周面積は、半分以上を外管１１ａと１２ａの内壁面の山部１６と接触し密着させることによって、溝１４によって生じた伝熱抵抗を抑えることができる。特に、外管１１ａと１２ａの内面壁において、溝１４によって形成される山部１６と谷をそれぞれ交互で均等分布させることは製造上、品質管理上において、より望ましい。

なお、縮管工程を経て、外管１１ａと１２ｂと内管１１ｂと１２ｂによって構成される二重管は、約５−８ｍ／本の長さ程度で、二本を揃え、両端はねじり加工冶具に拘束され、両端若しくは片端のねじり加工冶具の回転によって、ねじり加工を受けたものである。

通常、縮管工程などの加工工程を経た銅管は硬度が高くなったため、熱処理などを経て、軟質材とするのは多いが、本実施の形態では、この縮管工程を経て形成される二重管は焼鈍などの熱処理工程を経ずに、ねじり加工を行うことを特徴ともしている。熱処理を行うと、軟性材となり、ねじり加工は容易になるが、軟性材の耐圧性能が硬質材より格段に低下するため、高圧力のＣＯ２冷媒には不向きの面があるからである。また、軟性材自身は取り扱いにくいため、加工工程管理の精度は求められる。よって、本実施の形態のように、螺旋方向を同一方向とすることで、冷間縮管加工を経た二重管は、熱処理を行われなくても、ねじり加工を容易にでき、より信頼性の高いＣＯ２冷媒放熱器を提供することができる。

なお、直管状の二重管をこのようにねじり加工を行う際に、二重管同士はお互いに絡み合うように螺旋状にねじり管を形成していくにつれ、直管状の時より、ねじり管の管長は縮んでいくが、このような管長縮みを直管状の二重管の全長の２％−３％とすることは、形成された螺旋状のねじり管の伝熱促進性能は特に高く、なおかつ加工上においても最適なところであるため、本実施例はそれを用いている。

このように、溝付二重管の溝は変形、損傷することなどがなく、所望の螺旋状のねじり管を生産性よく製造でき、ねじり管を内包した高性能熱交換装置とその熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の第２の実施の形態における熱交換装置の溝付二重管の断面図である。

本実施の形態において、実施の形態１と異なるところは、熱交換装置の内管１１ｂと１２ｂの内壁側に内面溝２６を設けたことである。

なお、実施の形態１の熱交換装置及びヒートポンプ給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。

以上のように構成された熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

図６に示すように、溝付二重管１１を構成する内管１１ｂの内壁面に、複数の内面溝２６を設けたことによって、内管１１ｂの内壁伝熱面積を増やし、冷媒側の伝熱促進効果を図ることができる。

特に、内面溝２６の螺旋方向（図示せず）をねじり管の螺旋方向またはねじり管の溝の螺旋方向と同一方向とすることによって、内面溝２６においても、せん断応力などを少なくて抑えることができ、内面溝が変形したりすることがなく、所望の螺旋状にねじり合わされた二重管を製造することができる。同様に、ねじり管の内面溝２６の螺旋ピッチをねじり管の螺旋ピッチと略同様とすることによって、ねじり加工行う前の内管の内面溝をこの内管の軸方向に平行して分布させる構成となるため、ねじり加工のねじり回転方向をどちらにしても、せん断応力は少なくて、内面溝が変形したりすることがなく、所望の螺旋状にねじり合わされた二重管を製造することができる。

このように、さらに冷媒側の伝熱促進を図り、より高性能の熱交換装置およびそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の第３の実施の形態における熱交換装置の局部側面断面図、図８は同熱交換装置のねじり管が形成される前の溝付二重管の側面断面図である。

本実施の形態において、実施の形態１と異なるところは、図８に示すように、ねじり管が形成される前の直管状の溝付二重管に、リード角度を有する螺旋状の溝２７を設けたことである。なお、本実施の形態において、リード角度が０度の場合が実施の形態１で用いた溝付二重管の軸方向と平行して分布する溝１４に相当する。

その他の点は、実施の形態１と同様であり、実施の形態１の熱交換装置及びヒートポンプ給湯装置と同一構造のものは同一符号を付与し、説明を省略する。

以上のように構成された熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置について、以下その作用、動作を説明する。

図７と図８に示すように、直管状の溝付二重管の外管１１ａには、螺旋状の溝２７は複数設けられている。平面展開した時、この溝２７は管の軸方向と成すリード角度がαとし、このリード角度αは２０度以下である。また、このような溝付二重管をねじり管に加工した後、ねじり管のねじりピッチＰ１は、螺旋状の溝２７のねじり螺旋ピッチＰ３の３倍程度となっている。

ここで、リード角とねじりトルクとの関係及びリード角と漏洩圧力との関係について説明する。図９はリード角とねじりトルクとの関係をを示した図、図１０は、リード角と漏洩圧力との関係を示した図である。一般的に、熱交換装置において、リード角とねじりトルク、及びリード角と漏洩圧力との関係は図９及び図１０のようなグラフとして表される。なお、内管１１ｂは外径４ｍｍ肉圧０．５ｍｍ、外管１１ａは外径０．６５ｍｍ、肉厚０．６５ｍｍで、材質はともに銅を使用した。

図９に示すように、リード角は２０°を超えると、ねじり管を加工するとき必要とするねじりトルクは格段に大きくなり、必要動力は大きくなるため、加工するのは困難となる。

また、図１０に示すように、また、リード角は２０°を越えると、溝付二重管を螺旋状に撚り合わしてねじり管に加工するとき、引張り応力やせん断応力が大きくなり、漏洩溝は潰れやすくなる。

従って、リード角αは約２０度以下とするのが望ましい。

このように、ねじり管のねじりピッチＰ１を外管１１ａ螺旋状の溝２７のねじり螺旋ピッチＰ３の３倍程度とすることによって、ワンピッチＰ１範囲内のねじり管に対して、螺旋状の溝２７は３回螺旋したことになるため、ねじり管の管内またはねじり管の表面に沿って流れる流れに対して、螺旋状の溝２７によって生じた熱抵抗のむらを平均化でき、伝熱性能を向上させることができる。

ねじり管のねじりピッチＰ１と外管１１ａ螺旋状の溝２７のねじり螺旋ピッチＰ３との比が大きくなると、ねじりピッチＰ１が大きくなるため、ねじり管による伝熱性能向上効果は小さくなり、また、Ｐ３を小さくしすぎると、螺旋回数が大きくなり溝２７の漏洩機能は低下する。製造などを考えて、Ｐ１とＰ３の比を１〜３程度にした方が、製造性よく、高性能高安全性の熱交換装置を製造することができる。

また、螺旋状の溝２７が外管１１ａの軸方向と成すリード角αは、２０度以下となるようにしたことによって、リード角が大きいため、溝付二重管を螺旋状に撚り合わしてねじり管に加工するとき、生じた引張り応力やせん断応力を小さく抑えることができ、溝が変形しにくく、所望のねじり管を製造することができる。

さらに、溝１４は変形損傷などがないため、所定の形状で漏洩機能を確保できることによって、冷媒と水が混ざり合うことがなく、溝１４を通じて、漏洩した冷媒または水を外部へ導くことができるため、信頼性の高い熱交換装置を提供することができる点は実施の形態１と同様である。

また、特に、ＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプサイクルにおいて使用する場合には、ＣＯ２冷媒の放熱器における作動圧力は約９ＭＰａ〜１３ＭＰａの間で、高圧力であるため、ＣＯ２冷媒が流れる内管の信頼性は格段に高く要求される。特に、何らかの原因でＣＯ２冷媒が内管から漏れた場合、本願記載の漏洩溝は確保されている熱交換器を用いると、漏洩溝の機能を確保でき、漏れたＣＯ２冷媒は漏洩溝を通じて外部へ流出するため、より信頼性の高いＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプ給湯装置を提供できる点、また、超臨界状態のＣＯ２冷媒は熱伝達率が高いため、放熱器の伝熱性能を向上させようとすると、水側の熱伝達率を上げることはメインとなる。そこで、水側の流速アップや乱流促進手段は講じられる時、エロージョンやキャビテーション気泡といった水管や冷媒管の壁面を削り腐食する問題が生じやすくなる。そこで、本願記載の漏洩溝は確保されている熱交換器を用いると、製造時より漏洩溝の機能は確保されているため、上記のような水側からの腐食が生じ、外管に孔が空いた時でも、漏れた水は漏洩溝を通じて外部へ流出するため、より信頼性の高いＣＯ２を冷媒とする超臨界ヒートポンプ給湯装置を提供できる点についても実施の形態１と同様である。

さらに、螺旋方向を同一方向とすることで、冷間縮管加工を経た二重管は、熱処理を行われなくても、ねじり加工を容易にでき、より信頼性の高いＣＯ２冷媒放熱器を提供することができる点についても実施の形態１と同様である。

また、本実施の形態に加えて実施の形態２のように熱交換器のうち管１１ｂと１２ｂの内壁側に内面溝を設ける構成としてもよいことはいうまでもない。かかる場合は、さらに冷媒側の伝熱促進を図り、より高性能の熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプ給湯装置を提供することができる。

なお、上記各実施の形態において、溝付二重管を２本としたが、２本以上の場合でも同様な効果が得られる。

なお、上記各実施の形態において、第一流体は二酸化炭素冷媒、第二流体は水としたが、その他の流体を用いても同様な効果が得られる。

なお、上記各実施の形態において、水流路で加熱された水は貯湯タンクへ輸送されるとしたが、水流路を流れる水を所定温度まで加熱した後、貯湯タンクへ流れなくて、直接ユーザーの使用する給湯蛇口などへ供給してもよい。

以上のように、本発明にかかる熱交換装置及びそれを用いたヒートポンプサイクル給湯装置は、溝付二重管の溝は変形、損傷することなどがなく、所望の螺旋状のねじり管を生産性よく製造できる熱交換性能が優れ、信頼性の高い熱交換装置と、それを冷媒−水熱交換器として用いた高効率、高信頼性のヒートポンプ給湯装置を提供することができる。その他、幅広く熱交換、熱搬送などの用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換装置の局部構成を示す側部断面図 本発明の実施の形態１における熱交換装置の局部拡大図 本発明の実施の形態１における熱交換装置の断面図 本発明の実施の形態１における熱交換装置の溝付二重管の断面拡大図 本発明の実施の形態１における同熱交換装置を用いたヒートポンプ給湯装置構成図 本発明の実施の形態２における熱交換装置の溝付二重管の断面図 本発明の実施の形態３における熱交換装置の局部側面断面図 本発明の実施の形態３における熱交換装置のねじり加工前の溝付二重管側面断面図 リード角とねじりトルクとの関係を示した図 リード角と漏洩圧力との関係を示した図 従来の熱交換装置の構成図 その他の従来の熱交換装置の構成図

符号の説明

１０ 伝熱管
１１、１２ 溝付二重管
１１ａ、１２ａ 外管
１１ｂ、１２ｂ 内管
１３ ねじり管
１４ 溝
１７ 圧縮機
１８ 放熱器
１９ 減圧器
２０ 吸熱器
２６ 内面溝
２７ 溝
Ｐ１ ねじり管のねじりピッチ
Ｐ２ ねじり管の溝の螺旋ピッチ
Ｐ３ 螺旋状溝のピッチ

Claims (10)

1. 内壁面に溝を備える外管と前記外管内に位置する内管とが密着して構成する溝付二重管を有し、前記溝付二重管は複数本がお互いに密着しながら螺旋状に絡み合うように捻ってねじり管を構成し、前記ねじり管の溝の螺旋方向は、ねじり管の螺旋方向と同一方向であることを特徴とする熱交換装置。
2. ねじり管の溝の螺旋ピッチは、ねじり管の螺旋ピッチと略同様であることを特徴とする請求項１記載の熱交換装置。
3. ねじり管のねじりピッチは前記外管の螺旋状の溝のピッチの略１倍以上略３倍以下となるようにした請求項１に記載の熱交換装置。
4. 外管の螺旋状の溝が外管の軸方向と成すリード角は、２０度以下となるようにした請求項１に記載の熱交換装置。
5. 内管の外周面積は、半分以上が外管の内壁面と接触し密着することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の熱交換装置。
6. 内管の内壁面にも内面溝を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに１項記載の熱交換装置。
7. 第一流体が流れる伝熱管を有し、前記伝熱管内にねじり管を配置し、第二流体がねじり管の内管を流れることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の熱交換装置。
8. 第一流体と第二流体とを対向流とした請求項７に記載の熱交換装置。
9. 圧縮機、放熱器、減圧器、吸熱器を有するヒートポンプサイクル装置を備え、前記放熱器は請求項７または８に記載の熱交換装置であって、内管を流れる第二流体が第一流体を加熱するヒートポンプ給湯装置。
10. 冷媒は二酸化炭素で、圧縮機の圧力は臨界圧力以上とする請求項９記載のヒートポンプ給湯装置。

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