JP2006057998A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で同時に高い熱交換効率を実現できると共に、高温側のみ水道水のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、水の流速低下による熱伝達率の低下を極力抑制する。
【解決手段】内管２の内部を水が流動し、内管２と外管４との間の環状部６を二酸化炭素が対向して流れ、安全な二重壁３を備え十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。また、水が流動する内管２の流出側２ｂの流路断面積を流入側２ａの流路断面積より拡大することにより、水に含まれるカルシウムが析出し流出側２ｂの内管２の管壁２ｂ１に付着しても水の流動を封止させず、熱交換停止することを抑制することができる。また、流入側２ａの流路断面積は拡大しないため、水の流速を落とさず内管２との熱伝達率を低下させず、熱交換器本体１全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は空調、冷凍、冷蔵、給湯等の機器、特にヒートポンプ式の給湯機などにおいて、水等の流体と冷媒等の２つの流体が熱交換するための熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、冷媒が流通する一次側と、被加熱流体の水が流通する二次側とで熱交換する構成の熱交換器において、壁内を貫通する多数の冷媒流通孔を開設した円筒形の冷媒流通管をアルミ押出し加工等により形成し、通水管を冷媒流通管に挿通して拡管加工し、通水管の外周に冷媒流通管を接合した熱交換用二重管を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図８から図９は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。図８、図９で示すように、熱交換器本体１００は、水が流動する通水管１０１と、通水管１０１の外周側に直径の小さい冷媒流通孔１０２を多数配設した円筒型の冷媒流通管１０３で構成し、通水管１０１は拡管加工により、冷媒流通管１０３に接合されている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

通水管１０１の内部を水が、円筒型の冷媒流通管１０３の多数の冷媒流通孔１０２を冷媒が、それぞれ対向流で流れ、通水管１０１と冷媒流通管の接合部において熱交換する。ここで、冷媒流通管１０３の冷媒流通孔１０２の直径を小さいことで冷媒の熱伝達率を高くすることができ、さらに冷媒流通管１０３と通水管１０１の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。
特開２００２−２１３８８５号公報

しかしながら、上記従来の構成では、水道水にカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分が含まれているため、加熱して水の温度が上昇すると、カルシウムの溶解度が低下して水に溶けていたカルシウムが析出する。そして、析出したカルシウムが通水管１０１の内壁に付着すると、通水管１０１が詰まってしまい、熱交換器が機能しなくなる。これに対して、カルシウムが析出する通水管１０１の高温側のみ管径および円筒型の冷媒流通管１０３の内径を大きく設定する必要があるが、冷媒流通管１０３の管径を部分的に可変することは、押し出し加工では困難である。従って、付着（析出）するカルシウム量を見込んで通水管１０１の管径、および冷媒流通管１０３の内径を全体で大きく設定する必要があるが、水の流速が小さくなり、水と通水管１０１の熱伝達率が小さくなり、熱交換効率が低下するという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高温側のみ水道水のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、水の流速低下による熱伝達率の低下を極力抑制した熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１壁と第２壁が相互に熱的に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とで構成し、前記内管の内部を流体Ａが流動し前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが流動し、前記内管の流出側の流路断面積が流入側の流路断面積より拡大したものである。

これによって、流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成で流体Ａの流路と流体Ｂの流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ると共に、流体Ａとして水が流動する内管の流出部の流路断面積を拡大することにより、環状部を二酸化炭素等の冷媒が流体Ｂとして流動し水と熱交換して水が高温部となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し流出部の内管の管壁に付着しても、水の流動を封止することがない。また、流入部の流路断面積は拡大しないため、水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させない。

本発明の熱交換器は、非常に簡易な構造で同時に高い熱交換効率を実現できると共に、水が流動する流出部の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても、水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらに流入部の水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させないので、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。

請求項１に記載の発明は、第１壁と第２壁が相互に熱的に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とで構成し、前記内管の内部を流体Ａが流動し前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが流動し、前記内管の流出側の流路断面積が流入側の流路断面積より拡大することにより、流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成で流体Ａの流路と流体Ｂの流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ると共に、流体Ａとして水が流動する内管の流出部の流路断面積を拡大することにより、環状部を二酸化炭素等の冷媒が流体Ｂとして流動し水と熱交換して水が高温部となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し流出部の内管の管壁に付着しても水の流動を封止させず、熱交換機能を停止することを抑制することができる。また、流入部の流路断面積は拡大しないため、水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させず、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、内管の流出側の外側を覆う外管の総内断面積を、内管の流入側の外側を覆う外管の総内断面積より拡大したものであり、内管との間に形成される環状部の間隙が大きく変化することなく、二酸化炭素等の流体Ｂの熱伝達量に大きな変化が生じないようにすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明の内管の流出側が、流入側より少なくとも１本以上多く分岐することにより、同一仕様の内管と外管により流出側の流路断面積を流入側の流路断面積より拡大することができ、引き抜きや押し出し用の金型などの設備を複数種持つ必要がなく、内管、外管を１仕様に絞って量産することでの信頼性が向上すると共に製造コストを低減できる。さらに、水の水質に合わせて分岐する数を増やすことにより、カルシウムの成分が多い地域など、熱交換器が組み込まれた機器が設置される環境に合わせた熱交換器の機能停止を制御する仕様に変更ができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の内管の流路断面積が流入側から流出側に拡大する部分において、外管が分断され、前記環状部を連結管で繋いだことにより、内管と外管の間の環状部の断面積が変化する部分を、環状部の断面を高い寸法精度保ちながら製作するという加工技術・製造設備を必要とせず、簡易な設備で製造できると共に製造コストを低減できる。さらに流出側を流入側より１本以上多く分岐して断面積を拡大する場合、連結管に分岐を設けることで容易に分岐することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の外管の内面または内管の外面もしくはその両方に突起を設けたことにより、環状部の最小高さを突起によって確保することができるとともに、環状部の流路の流体直径を小さくして、流体Ｂの熱伝達率を高くすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明の流体Ａと流体Ｂを対向流としたことにより、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明の流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことにより、ヒートポンプ給湯機用の水・冷媒熱交換器として使用することで高いヒートポンプ効率を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の管軸方向の断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図４は同実施の形態における熱交換器の他の外管を用いた場合の管軸に垂直方向の断面図である。

図１から図３において、熱交換器本体１は、第１壁３ａと第２壁３ｂが相互に熱的に密着した二重壁３を持つ内断面略円形状の銅製の内管２と、内管２とほぼ同軸で内部に内管２を備えた内断面略円形状の銅製の外管４で構成している。外管４の内面には複数の突起であるリブ５が設けられており先端５ａが内管２の外面に当接することにより、内管２と外管４の間に所定の間隙を有する環状部６を形成している。

所定の間隙は０．３〜０．７ｍｍの範囲が熱交換効率を確保する上で好適である。二酸化炭素が流れる環状部６の間隙を極薄化することにより、二酸化炭素の流速を増加させ、熱伝達を促進するものである。また、リブ５を多数設けてあたかも環状部６を多数の細径流路群より成るように形成すれば、環状部６の流路の流体直径を小さくして、二酸化炭素の熱伝達率を高くすることができ、非常に簡素な構造と簡単な引き抜き工法等で高効率の熱交換期を実現できるものである。

また、内管２の流出側２ｂの流路断面積が流入側２ａの流路断面積より拡大されており、内管２の外側の外管４についても、内管２の流出側２ｂの外側となる流出側４ｂの内断面積が、内管２の流入側２ａの外側となる流入側４ａの内断面積より拡大されている。

ここで、内管２の拡大率と外管４の拡大率は、間に形成される環状部６の間隙が大きく変化して二酸化炭素の熱伝達量に大きな変化が生じないように近接した比率の範囲とすることが好ましい。

また，図４において、内管２と同軸で、内面に突起として設けられ軸方向に連続する多数のフィン８が設けられた銅製の外管７である。フィン８の先端８ａが内管２の外面と当接している。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

まず、内管２の内部を水が流動し、内管２と外管４との間の環状部６を二酸化炭素が対向して流れ、第１壁３ａと第２壁３ｂの二重壁３を介して水と二酸化炭素が熱交換する。

ここで、水と二酸化炭素の間に安全性を確保する二重壁３を備え十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。

また、水が流動する内管２の流出側２ｂの流路断面積を流入側２ａの流路断面積より拡大することにより、二酸化炭素が環状部６を内管２の水と対向して流動し高温となり、水に含まれるカルシウムが析出し内管の流出側２ｂの管内壁に付着しても水の流動を封止させず、熱交換停止することを抑制することができる。

また、流入側２ａの流路断面積は拡大しないため、水の流速を落とさず内管２との熱伝達率を低下させず、熱交換器本体１全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。

なお、水道水中のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分は、水の温度の上昇とともにカルシウムの溶解度が低下して水に溶けていたカルシウム分が析出するが、概ね４０℃を超えると析出し始め、５０℃を超えると顕著になる。従って、設計的には４５℃となる点付近から流路断面積を徐々に拡大すれば、析出したカルシウム分が内管の流出側２ｂの管内壁に付着したとしても流路抵抗の上昇を抑えることが効果的に行える。なお、実験的には水温４０℃，４５℃，５０℃に至る点は対向する二酸化炭素の流入口となる内管の流出端部から約４０％，約２５％，約１５％の距離の点に対応する。

すなわち、あまり水温が上昇していない点から流路断面積を拡大させると、水の流速が小さくなり、熱交換効率が低下するという従来技術の問題点を十分に解決できないし、逆に水温が上昇しすぎた点から流路断面積を拡大させると、本来の目的であるカルシウム分の詰まりによる熱交換機能の劣化に対応できなくなる。

また、流路断面積の拡大率によっても、上記従来技術の問題点に対する効果の度合いが異なる。実験的には、拡大前後における管径比率で１．２〜１．５倍、流路断面積比率で１．５〜２．５倍の範囲が初期の目的を達成できる範囲であった。

したがって、水の流入側から流出側への流路断面積の拡大は、二酸化炭素の流入口となる内管の流出端部から１５％〜４０％の範囲の距離の点を起点に行えばよく、１５％〜２５％の範囲の距離の点を選定できれば流路断面積を拡大することによる適用効率を高められる。

また、流路断面積の拡大率についても、１．５〜２．５倍の範囲に収めれば目的とする効果は得られるが、流路断面積の拡大開始点との組み合わせにおいて１．５〜２．０倍の範囲に収めることによって流路断面積を拡大することによる適用効率を一層高められる。

また、図４に示すように、外管７の内面に軸方向に連続する多数のフィン８を設けられ、フィン８の先端８ａが内管２の外面と接していることにより、内管２と外管６との間の環状部６の高さが一定に保たれると共に、フィン８によって環状部６の流路の流体直径を小さくして、二酸化炭素の熱伝達率を高くすることができる。

尚、本発明の実施の形態１では、内管２、外管４を直管状のものとしたが、湾曲状及びコイル状としても同様な効果を得られる。

尚、本発明の実施の形態１では、内管２、外管４、７の材料は、通常は銅製だが、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。

尚、本発明の実施の形態１では、環状部６を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、Ｒ４１０Ａ等の高圧で作動する冷媒でも同様な効果を得られる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の断面図である。尚、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５において、内管２の流入側２ａおよびその外側の外管４ａが１本であり、流出側２ｃおよびその外側の外管４ｃが同一の仕様（管径）で２本に分岐している。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

同一仕様（管径）の内管２と外管４により内管２の流出側２ｃの流路断面積を流入側２ａの流路断面積より拡大することができ、引き抜きや押し出し用の金型などの設備を複数種持つ必要がなく、内管２、外管４を１仕様に絞って量産することでの信頼性が向上すると共に製造コストを低減できる。さらに、水の水質に合わせて分岐する２本を増やすことにより、カルシウムの成分が多い地域など、熱交換器本体１が組み込まれた機器が設置される環境に合わせた熱交換器本体１の機能停止を制御する仕様に変更ができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における熱交換器の管軸方向の断面図である。また、図７は同実施の形態における他の熱交換器の管軸に垂直方向の断面図である。

尚、上述の実施の形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図６において、熱交換器本体１は、内管２の流出側２ｂおよびその外側の外管４ｂの流路断面積が、流入側２ａおよびその外側４ａの流路断面積より拡大しており、内管２の流路断面積が流入側２ａから流出側２ｂに拡大する部分２ｘにおいて、外管４が分断され、外管４ａ，４ｂの二酸化炭素が流動する環状部６ａ，６ｂを連結管９で繋いでいる。

また，図７において、内管２の流入側２ａおよびその外側の外管４ａが１本であり、内管２の流出側２ｃおよびその外側の外管４ｃが同一の仕様（管径）で２本に分岐しており、内管２が流入側２ａから流出側２ｃに分岐する部分２ｙにおいて、外管４が分断され，内管２の流入側２ａの外管４ａと流出側２ｃの外管４ｃの二酸化炭素が流動する環状部６ａ，６ｃを連結管１０で繋いでいる。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

図６で示すように，内管２の断面積が変化する部分２ｘで環状部６ａ，６ｂを連結管９で繋ぐことにより，環状部６の断面を高い寸法精度保ちながら製作するという加工技術・製造設備を必要とせず、簡易な設備で製造できると共に製造コストを低減できる。

また，さらに，図７で示すように，内管２の流出側２ｃを流入側２ｃから２本に分岐して断面積を拡大する場合、連結管１０に２分岐を設けることで容易に分岐することができる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、非常に簡易な構造で同時に高い熱交換効率を実現できると共に、水が流動する流出部の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても、水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらに流入部の水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させないので、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制が可能となるので、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の管軸方向の断面図 図１のＡ−Ａ断面図 図１のＢ−Ｂ断面図 同実施の形態における他の熱交換器の管軸に垂直方向の断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の断面図 本発明の実施の形態３における熱交換器の管軸方向の断面図 同実施の形態における他の熱交換器の管軸に垂直方向の断面図 従来の熱交換器の管軸に垂直方向の断面図 従来の熱交換器の管軸方向の断面図

符号の説明

１ 熱交換器本体
２ 内管
２ａ 流入側
２ｂ、２ｃ 流出側
２ｘ、２ｙ 拡大する部分
３ 二重壁
３ａ 第１壁
３ｂ 第２壁
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、７ 外管
５ リブ（突起）
６、６ａ、６ｂ、６ｃ 環状部
８ フィン
９、１０ 連結管

Claims (7)

1. 第１壁と第２壁が相互に熱的に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とで構成し、前記内管の内部を流体Ａが流動し前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが流動し、前記内管の流出側の総流路断面積を流入側の総流路断面積より拡大したことを特徴とした熱交換器。
2. 内管の流出側の外側を覆う外管の総内断面積を、内管の流入側の外側を覆う外管の総内断面積より拡大した請求項１に記載の熱交換器。
3. 内管の流出側が、流入側より少なくとも１本以上多く分岐することを特徴とした請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記内管の流路断面積が流入側から流出側に拡大する部分において、前記外管を分断し、前記環状部を連結管で繋いだことを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 相互に対向する外管の内面または内管の外面もしくはその両方に対向する面に先端部が当接して前記環状部を保持する突起を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 流体Ａと流体Ｂを対向流としたことを特徴とした請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とした請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。

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