JP2006078062A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１Ｘは三重管１からなり、三重管１は、内管とほぼ同軸で内部に内管２を備えた中管３と、中管３とほぼ同軸で内部に中管３を備えた外管４とからなり、
三重管１で、中管３のみ円管の内外両壁に連続した凹凸５、突起６を設けた異型な管とすることにより、中管３は内管２に部分的に密着する連続した凹凸５を持って内管２との間に小溝７を形成するとともに、外管４に密着する突起６を持って外管４との間に複数の流路８を形成して、漏洩検知構造となる複数の小溝７と、複数の流路８を形成することができるので、流体間で十分な伝熱面積を確保して高い熱交換効率を得ながら、小溝７と流路８を形成するのに必要な、単価高な異型な管の本数を一本としたことで、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などにおいて、液体と冷媒との熱交換器に関するものである。

近年、地球環境への意識が高まる中、給湯機市場では、自然冷媒の二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機が発売された。二酸化炭素の高温高圧、超臨界となる冷媒特性から、給湯用熱交換器は従来と異なる種々の形態が提案、採用されている。また、給湯用熱交換器は、管が腐食した場合でも、水と冷媒が混ざらない構造が必要である。

以下、図面を参照しながら、従来の二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機用の水熱交換器を説明する。

図７は特許文献１に記載された従来の熱交換器の概略構成図である。図７に示すように、従来の熱交換器１００は、内部に水が流動する銅製の扁平管１０１と、アルミニウム製の内部にＣＯ２冷媒が流動する扁平多穴管１０２を備え、扁平管１０１と扁平多穴管１０２との扁平面を合わせて螺旋状に巻いた構成で、扁平多穴管１０２により、高圧なＣＯ２冷媒に対して耐圧強度を確保しつつ、冷媒管の寸法増大を抑えた熱交換器である。

以上のように構成された上記の熱交換器について、以下その動作を説明する。

通常、扁平管１０１と管１０２、または、扁平管１０１と扁平多穴管１０２は、熱の授受を行い、高温の冷媒からの熱で低温の水を加温する。また、どちらか一方が腐食して穴が空いた場合でも、冷媒管と水管を独立した管で構成したことにより、水に異物が混入せず、漏洩を検知できる構造となっている。
特開２００２−１０７０６９号公報

しかしながら、上記従来の熱交換器１００の構成では、扁平管１０１と扁平多穴管１０２を交互に重ねているため、熱交換効率を高めようとすると、巻き数を増やして伝熱面積を大きくしたり、扁平管１０１と扁平多穴管１０２との扁平面の接触面の熱抵抗を低減するため、外圧をかけて圧着する必要があり、小型化にも限界があるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する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、内部に流体Ａが流動する内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた中管と、前記中管とほぼ同軸で内部に前記中管を備え、前記中管との間に流体Ｂが流動する外管とからなる三重管であって、前記中管は、前記内管に部分的に密着する内壁と、前記外管に部分的に密着する外壁を持つものである。

これによって、三本の管を一体とした三重管とすることで、流体Ａと流体Ｂとの間の熱抵抗も低く、十分な伝熱面積を確保できる。さらに、中管を内外両壁とも異型な管とすることで、内管との間に小溝、外管との間に流体Ｂの複数の流路を形成して、三重管の中の異型管本数は最小の一本で、小溝と流体Ｂの流路の両方を得て、内管または中管が腐食した場合、腐食の進行が流体Ａまたは流体Ｂの夫々の流路に達する前に、腐食した管側の管内流体が小溝から漏洩して、漏洩を検知することができる。また、流体Ｂの流路を確保し、加えて、流体直径を小さくして流体Ｂの熱伝達率を高くし、熱交換効率を高めることができる。

本発明の熱交換器は、流体Ａと流体Ｂとの間の熱抵抗も低く、十分な伝熱面積を確保して、高い熱交換効率を得ることができる。また、漏洩知構造となる小溝と流体Ｂの流路の両方を一本の異型管で得て、単価高な異型管を最小本数とできるので、異型管によるコスト増大を最小限に抑制することができる。従って、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。

請求項１に記載の発明は、内部に流体Ａが流動する内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた中管と、前記中管とほぼ同軸で内部に前記中管を備え、前記中管との間に流体Ｂが流動する外管とからなる三重管であって、前記中管は、前記内管に部分的に密着する内壁と、前記外管に部分的に密着する外壁を持つものである。これによって、流体Ａと流体Ｂとの間の熱抵抗も低く、十分な伝熱面積を確保して、高い熱交換効率を得ることができる。さらに、中管を内外両壁とも異型な管とすることで、内管との間に小溝、外管との間に流体Ｂの複数の流路を形成して、異型管は最小本数の一本で、小溝と流体Ｂの流路の両方を得る。小溝は、内管または中管が腐食した場合、腐食の進行が流体Ａまたは流体Ｂの夫々の流路に達する前に、腐食した管側の管内流体が漏洩する漏洩検知構造となり、また、中管の外管に部分的に密着する外壁が、流体Ｂの流路を確保し、加えて、流体直径を小さくして流体Ｂの熱伝達率を高くし、熱交換効率を高めることができる。さらに、単価高な異型管を最小本数にすることで、異型管によるコスト増大を抑制することができる。従って、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。

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、前記中管は、内壁に連続した凹凸と外壁に突起を有するものであり、これによって、内壁の連続した凹凸が内管と密着することで、内管の外周に万遍なく漏洩検知構造となる小溝を形成しつつ、部分的に密着して内管と中管との間で高い熱伝導を実現することができる。また、外壁の突起が外管と密着することで、流体Ｂの流路を形成して流体Ｂの流路を確保することができる。従って、熱交換効率が高く、確実に漏洩を検知できる構造を有する熱交換器を得る。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記中管は、略均一な管肉厚の凹部と凸部が交互に連続した周壁を有するものであり、周壁の凹部が内管と密着することで小溝を形成して漏洩検知構造を得ることができ、周壁の凸部が外管と密着することで流体Ｂの流路を形成して、流体Ｂの流路を確保することができる。また、中管の管肉厚は略均一で肉厚に偏った部分がないため、余分な管肉厚がなく、中管を軽量化することができる。

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において、前記内管の外壁において、前記中管の内壁の密着部が非密着部より大きいものであり、これによって、中管と内管との接触面の熱抵抗を小さくして、内管と中管との間で高い熱伝導を実現することができる。

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において、前記中管の前記内管に部分的に密着する内壁は、管軸方向に対して略平行に延びるものである。これによって、管の腐食時、中管と内管との間に形成される小溝を通って漏洩する流体Ａまたは流体Ｂの、管軸方向に対して略平行でない方向の流動摩擦を、螺旋状溝などに比して、極力小さく抑えて漏洩し易くして、漏洩を検知し易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において、前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素とするものであり、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。なお、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要部斜視図、図２は、同実施の形態における熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図、図３は、同実施の形態における熱交換器の管軸方向の断面図である。図４は、同実施の形態における他の熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図である。

図１から図３において、熱交換器１Ｘは三重管１からなり、三重管１は、内部に水が流動する内管２と、内管２とほぼ同軸で内部に内管２を備えた中管３と、中管３とほぼ同軸で内部に中管３を備え、中管３との間に二酸化炭素が冷媒として流動する外管４とからなる。内管２と外管４は円管である。中管３は、内管２に部分的に密着する連続した小さな凹凸５を持った内壁３ａと、外管４に密着する突起６を持った外壁３ｂを有する。連続した凹凸５が内管２に密着して複数の小溝７を形成するとともに、突起６が外管４に密着して外管４との間に二酸化炭素が流動する複数の流路８を形成する。ここで、内管２の外壁２ｂにおける中管３の内壁３ａの密着部は非密着部より大きい。三重管１の管端にキャップ９を取り付けて、内管２と中管３を貫通させ、外管４の管端を閉塞する。キャップ９内の溝１０が二酸化炭素の出入口となる。小溝７は、管軸方向に対して略平行に、キャップ９の外側まで延びている。内管２、中管３、外管４は耐食性、熱伝導性の良い銅製である。

以上のように構成された熱交換器１Ｘについて、以下その動作を説明する。

三重管１の内管２の内部を水が、中管３と外管４との間の複数の流路６に二酸化炭素が対向して流れ、部分的に密着した内管２と中管３の管壁を介して、水と二酸化炭素が熱交換する。

以上のように本実施の形態の熱交換器１Ｘは、三本の管を一体とした三重管１とすることにより、流体Ａと流体Ｂとの間の熱抵抗も低く、十分な伝熱面積を確保して、高い熱交換効率を得ることができる。

さらに、中管３の内壁３ａの連続した凹凸５が内管２に密着して内管２の外周に万遍なく複数の小溝７を形成しつつ、部分的に密着して内管２と中管３との間で高い熱伝導を実現することができ、外壁３ｂの突起６が外管４に密着して外管４との間に二酸化炭素が流動する複数の流路８を形成して、三重管１のうち、単価高な異型管は最小本数の一本で、小溝７と二酸化炭素の流路８の両方を得ることができる。異型管によるコスト増大を最小限に抑制することができる。また、内管２の外壁２ａにおける中管３の内壁３ａの密着部は非密着部より大きくすることにより、内管２と中管３との接触面の熱抵抗を小さくして、高い熱伝導を実現できる。水などで内管２が腐食した場合、小溝７から水がキャップ９の外側まで漏洩して、漏洩を検知できる。さらに、小溝７は管軸方向に対して略平行に延びていることにより、小溝７を通る水の、管軸方向に対して略平行でない方向の流動摩擦を極力小さく抑えて漏洩し易くし、漏洩を検知し易くしている。また、突起６が三重管１の変形や潰れ等を防いで、二酸化炭素の流路８を確保することができる。加えて、流路８の流体直径を小さくして、二酸化炭素の熱伝達率を高くし、熱交換効率を高めることができる。従って、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができる。

尚、本実施の形態では、中管３の外壁３ｂに４つの突起６を立てて、外管４との間の流路８を、環状に複数の略矩形流路を形成する異型管を示したが、図４に示すような、外管４との間の流路８を、環状に複数の２個の円弧で囲まれた流路を形成する異型管としても同様の効果を奏する。

尚、本実施の形態では、内管２、中管３、外管４は銅製としたが、真ちゅう、ＳＵＳ等でも同様な効果を得る。内部に水が流動する内管２は、好ましくは耐食性の良い材料（例えば銅、ステンレス）で、冷媒が流動し、直径が大きく、肉厚も厚くなる外管４は、好ましくは高強度で、熱伝導性の良い材料（例えば銅、アルミニウム等の合金）で作るものがよい。

また、流体Ａを水、流体Ｂを二酸化炭素として、当該熱交換器１Ｘをヒートポンプ給湯機用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。

尚、本発明の実施の形態では、流体Ａを水、流体Ｂを二酸化炭素としたが、これに限らず、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等その他の高圧冷媒と水や、温度差を持つ同一流体間の熱交換に用いても同様な効果を得る。

（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三重管の管軸方向に垂直な要部断面図である。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５において、熱交換器１Ｘの中管１１は、略均一な管肉厚の凹部１１ａと凸部１１ｂが交互に連続し、管軸方向に対して略平行に延びた周壁１１Ａを有する異型な管である。

中管１１は、周壁１１Ａの凸部１１ｂと内管２とで小溝７を、周壁１１Ａの凹部１１ａと外管４とで流路８を形成する。ここで、内管２の外壁２ｂにおける、中管１１の周壁１１Ａの密着部は非密着部より大きい。

以上のように本実施の形態の熱交換器１Ｘは、中管１１は、略均一な管肉厚の凹部１１ａと凸部１１ｂが交互に連続した周壁１１Ａを有することにより、周壁１１Ａの凹部１１ａ、凸部１１ｂが内管２、外管４と密着することで、小溝７と、二酸化炭素の流路８を形成して、三重管１のうち、単価高な異型管は最小本数の一本で、漏洩検知構造となる小溝７と二酸化炭素の流路８の両方を得ることができる。

また、中管１１の管肉厚は略均一で偏った部分がないため、余分な管肉厚の部位がなく、中管１１を軽量化することができる。また、略均一な管肉厚で、引抜き加工に適する形状であり、引抜き加工で製作した場合、連続鋳造などに比して、製造コストを低減できる。

尚、本発明の実施の形態では、周壁の凹部１１ａ、凸部１１ｂは、連続した矩形として示したが、これに限定されるものではなく、図６に示すような三角波状や、正弦波状（図示せず）等種々の形状で、同様の効果を奏する。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、三重管のうち、中管を内外両壁が異型な管とすることで、単価高な異型管を最小本数の一本にして、漏洩検知構造となる小溝と流体Ｂの流路の両方を得て、十分な伝熱面積を有して高い熱交換効率を得るとともに、異型管によるコスト増大を抑制することができるので、熱交換効率が高く、小型で安価な漏洩検知構造を有する熱交換器を得ることができるので、ヒートポンプ給湯機や家庭用、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要部斜視図 同実施の形態における熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図 同実施の形態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三重管の管軸方向に垂直な要部断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図 同実施の形態における他の熱交換器の三重管の管軸方向に垂直な要部断面図 従来の熱交換器の概略構成図

符号の説明

１Ｘ 熱交換器
１ 三重管
２ 内管
２ｂ 内管の外壁
３、１１ 中管
３ａ 中管の内壁
３ｂ 中管の外壁
４ 外管
５ 連続した凹凸
６ 突起
１１Ａ 周壁
１１ａ 凹部
１１ｂ 凸部

Claims (6)

1. 内部に流体Ａが流動する内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた中管と、前記中管とほぼ同軸で内部に前記中管を備え、前記中管との間に流体Ｂが流動する外管とからなる三重管であって、前記中管は、前記内管に部分的に密着する内壁と、前記外管に部分的に密着する外壁を持つことを特徴とした熱交換器。
2. 前記中管は、内壁に連続した凹凸と外壁に突起を有することを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記中管は、略均一な管肉厚の凹部と凸部が交互に連続した周壁を有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. 前記内管の外壁において、前記中管の内壁の密着部が非密着部より大きいことを特徴とした請求項１から３に記載の熱交換器。
5. 前記中管の前記内管に部分的に密着する内壁は、管軸方向に対して略平行に延びることを特徴とした請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素とする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。

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