JP2006317114A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 外面を押圧して内面に突起が形成されている芯管と、芯管の外面に巻き付けられた巻管とを備える熱交換器の伝熱性能の向上を図ることにある。また、伝熱性能の良い熱交換器の製造方法を提供することにある。
【解決手段】 芯管３１の外面を押圧して内面に突起３１３を形成し、芯管３１の外周に巻管３２を螺旋状に巻き付ける。その後、芯管３１と巻管３２全体を湾曲させ、ロウ付け作業を行う。その結果、曲げ部において、曲げ中心（ｂ）側の部分においては巻管３２の外面と芯管３１の外面と隙間なく接触しており、曲げ部Ｃ−Ｃの曲げ中心（ｂ）側の部分において、巻管（３２）の外面と芯管（３１）の外面とはロウ材（３３）により結合されている。
【選択図】 図６

Description

本発明は、熱交換器、特に外面を押圧して内面に突起が形成されている芯管と、芯管の外面に巻き付けられた巻管とを備える熱交換器に関する。

空気調和装置、給湯器などに用いられる熱交換装置には、第１流体の流路を形成する芯管と、芯管の外面に巻き付けられ第２流体の流路を形成する巻管とを備え、第１流体と第２流体との間で熱交換を行わせる熱交換器が設けられていることがある。例えばヒートポンプ式給湯機等の給湯機用熱交換器としては、水が流通する芯管と冷媒が流通する巻管との二重管からなり、これを長円形の渦巻形状に巻成して１つの熱交換器ユニットとし、これを多数の段数重ね合わせて相互に接続することにより熱交換器本体を構成した二重管式熱交換器がある。その際、芯管に対応する治具の外周に、巻管を螺旋状に巻き付けた後治具を抜き取って巻管形状体を形成し、巻管形状体に芯管を挿入して熱交換器を形成する技術が提案されている。また、熱交換器における芯管の伝熱性能を向上させるため、芯管の外面を押圧することで内面に突起を設けて伝熱性能を向上させる技術が提案されている（特許文献１）。
特公平６−７０５５６号公報

しかし、治具の外周に巻管を螺旋状に巻き付けた後治具を抜き取って巻管形状体を形成し、巻管形状体に芯管を挿入して熱交換器を形成する場合、芯管と巻管との接触不良が生じ、伝熱性能が低下するおそれがある。特に、熱交換器の芯管に外面を押圧することで内面に突起を設けた芯管を採用した場合、曲げ部において芯管の断面が突起により凸凹となっているため、芯管と巻管との接触不良が生じ、伝熱性能が低下するおそれがある。

本発明の目的は、上記問題点を克服し、外面を押圧して内面に突起が形成されている芯管と、芯管の外面に巻き付けられた巻管とを備える熱交換器の伝熱性能の向上を図ることにある。また、伝熱性能の良い熱交換器の製造方法を提供することにある。

第１発明に係る熱交換器は、外面を押圧して内面に突起が形成されている芯管と、芯管の外面に巻き付けられた巻管とを備える熱交換器において、芯管は直線部と曲げ部とを有し、曲げ部の曲げ中心側の部分において、巻管の外面は芯管の外面と隙間なく接触しており、曲げ部の曲げ中心側の部分において、巻管の外面と芯管の外面とはロウ材により結合されている。

ここで、熱交換器の芯管の内面には突起が設けられている。したがって、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られ、熱交換器全体の性能が向上する。一方、芯管に巻管を巻き付けた後長円形の渦巻形状に巻成した場合、曲げ部において芯管の断面は突起により凸凹となっているため、芯管と巻管との接触不良が生じ、伝熱性能が低下するおそれがある。しかし、この熱交換器では、曲げ部の曲げ中心側の部分において、巻管の外面は芯管の外面と隙間なく接触しており、且つ曲げ部の曲げ中心側の部分において、巻管の外面と芯管の外面とはロウ材により結合されている。したがって、少なくとも曲げ部の曲げ中心側の部分においては、芯管と巻管との接触不良が生じなくなり、伝熱性能の向上が図れる。

第２発明に係る熱交換器の製造方法は、芯管と巻管とを備える熱交換器の製造方法であって、芯管の外面を押圧して内面に突起を形成する工程と、芯管の外面に巻管を巻き付ける工程と、巻管が芯管の外面に巻かれた状態で芯管を曲げる工程と、巻管の外面と芯管の外面とをロウ材でロウ付けする工程とを備えている。
通常、突起が設けられた部分で曲げ加工を行うと、曲げ部において芯管の断面は突起により凸凹となっているため、芯管と巻管との接触不良が生じ、伝熱性能が低下するおそれがある。しかし、本発明では、まず芯管の外面を押圧して内面に突起を形成させた後、芯管の外面に巻管を巻き付け、巻管が芯管の外面に巻かれた状態で、例えば治具などを用いて芯管と巻管全体を湾曲させて芯管を曲げる作業を行う。このような方法で、少なくとも治具などと接触する曲げ部の曲げ中心側の部分においては、巻管の外面が芯管の外面と隙間なく接触することができ、少なくとも曲げ部の曲げ中心側の部分においては、芯管と巻管との接触不良が生じなくなり、伝熱性能の向上が図れる。

また、突起が設けられた部分に曲げ加工を行うと、曲げ作業過程で芯管外面の凹んだ部位に大きな変形が発生し、破損などが発生するおそれがある。そこで、従来は、曲げ部には突起を設けず、曲げ部においては突起による伝熱性能の向上効果を得ることできなかった。しかし、巻管が芯管の外面に巻かれた状態では芯管と巻管全体を湾曲させると、曲げ部に突起が設けられていても、全体の強度が大きくなり、曲げ作業過程で芯管外面の凹んだ部位に大きな変形と破損が発生するのを抑制することができる。
さらに、ロウ付け工程において、巻管の外面と芯管の外面とをロウ材でロウ付けすることで、芯管と巻管とを接合させ、伝熱性能の向上を図ることができる。

第３発明に係る熱交換器は、第１発明に記載の熱交換器において、外面を押圧して内面に突起が形成された芯管と、芯管の外面に巻き付けられた巻管と、巻管の外面と芯管の外面とをロウ付けするロウ材とを備え、その内、芯管は外面に巻管が巻き付けられた状態で曲げられて形成される曲げ部を有している。

この発明では、芯管は直線部と曲げ部とを有する。また、曲げ部は、芯管の外面に巻管が巻き付けられた状態で曲げられて形成することで、曲げ部の曲げ中心側の部分において巻管の外面は芯管の外面と隙間なく接触するように巻かれることが可能となっている。

以上の説明で述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
第１発明に係る熱交換器は、熱交換器の芯管の内面には突起が設けられているため、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られ、熱交換器全体の性能が向上する。また、芯管に巻管を巻き付けた後長円形の渦巻形状に巻成した場合、曲げ部において芯管の断面は突起により凸凹となっているため、芯管と巻管との接触不良が生じ、伝熱性能が低下するおそれがある。しかし、この熱交換器では、曲げ部の曲げ中心側の部分において、巻管の外面は芯管の外面と隙間なく接触するように巻かれており、且つ曲げ部の曲げ中心側の部分において、巻管の外面と芯管の外面とはロウ材により結合されている。したがって、少なくとも曲げ部の曲げ中心側の部分においては、芯管と巻管との接触不良が生じなくなり、伝熱性能の向上が図れる。

第２発明に係る熱交換器の製造方法は、まず芯管の外面を押圧して内面に突起を形成させた後、芯管の外面に巻管を巻き付け、巻管が芯管の外面に巻かれた状態で、例えば治具などを用いて芯管と巻管全体を湾曲させて芯管を曲げる作業を行う。このような方法で、少なくとも湾曲作業過程で治具などと接触する曲げ部の曲げ中心側の部分においては、巻管の外面が芯管の外面と隙間なく接触することができ、少なくとも曲げ部の曲げ中心側の部分においては、芯管と巻管との接触不良が生じなくなり、伝熱性能の向上が図れる。

また、突起が設けられた部分に曲げ加工を行うと、曲げ作業過程で芯管外面の凹んだ部位に大きな変形が発生し、破損などが発生するおそれがある。そこで、従来は、曲げ部には突起を設けず、曲げ部においては突起による伝熱性能の向上効果を得ることできなかった。しかし、巻管が芯管の外面に巻かれた状態では芯管と巻管全体を湾曲させると、曲げ部に突起が設けられていても、全体の強度が大きくなり、曲げ作業過程で芯管外面の凹んだ部位に大きな変形と破損が発生するのを抑制することができる。

さらに、ロウ付け工程において、巻管の外面と芯管の外面とをロウ材でロウ付けすることで、芯管と巻管とを接合させ、伝熱性能の向上を図ることができる。
第３発明に係る熱交換器は、少なくとも曲げ部の曲げ中心側の部分においては、芯管と巻管との接触不良が生じなくなり、伝熱性能の向上が図れる。また、巻管が芯管の外面に巻かれた状態では芯管と巻管全体を湾曲させると、曲げ部に突起が設けられていても、全体の強度が大きくなり、曲げ作業過程で芯管外面の凹んだ部位に大きな変形と破損が発生するのを抑制することができる。

本発明に係る熱交換器について、添付図及び実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の熱交換器を採用したヒートポンプ式給湯機の模式図である。図１に示すヒートポンプ式給湯器においては、電気代の安い夜間電力を効率的に利用するため、長い時間をかけて水を約１０℃から約９０℃まで一過式で沸かす。ここで、ヒートポンプ式給湯機は、貯湯ユニット１とヒートポンプユニット２とを備えている。給湯ユニット１は、水道管１１と、貯湯タンク１２と、水循環用ポンプ１３と、給水管３と、水熱交換器３０を構成する芯管３１と、温湯管１６と、混合弁１７と、給湯管１８とが順に連結されている。ここでは、給水管１１から貯湯タンク１２に水道水が供給される。貯湯タンク１２の底部から温度の低い水が水循環用ポンプ１３より水熱交換器３０の芯管３１に供給され加熱される。加熱された温湯は、貯湯タンク１２の上部に流入される。温湯管１６を経て貯湯タンク１２の上部から出湯される高温の温湯は、混合弁１７により混合水管１９の冷水と混合される。この混合弁１７により給湯の温度が調節され、給湯管１８によりユーザに供給される。

次に、ヒートポンプユニット２は冷媒循環回路を備え、この冷媒循環回路は、圧縮機２１と、水熱交換器３０と、膨張弁２３と、空気熱交換器２４とを、巻管３２により順に接続して構成される。冷媒は圧縮機２１により高圧に圧縮された後、水熱交換器３０に送られる。水熱交換器３０において熱交換された冷媒は、膨張弁２３を通過し、空気熱交換器２４へ供給される。冷媒は、周囲からの熱を吸収して圧縮機２１に還流される。

図２は、ヒートポンプ給湯機における水熱交換器３０の概略図である。図２に示すように、水熱交換器３０は、芯管３１と巻管３２とによって構成されている。芯管３１は、同一平面上において、直線部Ａと曲げ部Ｂとを有しており、長円形状となるように渦巻き形状に形成され、水通路Ｗを形成している。巻管３２は、芯管３１の外周に螺旋状に巻き付けられ、冷媒通路Ｒを形成している。そして、芯管３１における渦巻きの外周側を水流入口３１１、芯管３１における渦巻きの中心側を水流出口３１２としている。水熱交換器３０において、巻管３２内の冷媒は、冷媒流入口３２２においてＡ２２方向から流入し放熱する。その後、冷媒流出口３２１においてＡ２１方向から流出する。水流入口３１１においてＡ１１方向から供給された水道水はこの熱により加熱され、温湯となって水流出口３１２においてＡ１２方向に流出する。

次に、芯管３１について説明する。本実施例では、図３に示すように、内径Ｄが８ｍｍの管内面に、高さＨ１が１ｍｍの突起を、管軸方向のピッチＰが２０ｍｍになるように上下対称に設けている芯管３１を使用した。図３においては、紙面方向から見て上方に設けられた突起３１３のみが表示されている。また、芯管３１の内面には、突起が設けられていない平面部３１ａが存在する。したがって、管内に設けた突起３１３による熱伝達率の向上が図られ、熱交換器全体の性能が向上する。また、芯管３１は、同一平面上において長円形状となるように渦巻き形状に形成され、水通路Ｗを形成しているが、芯管３１の曲げ半径Ｒは、４０ｍｍとなっている。ここで、芯管３１の曲げ半径Ｒが芯管３１外径の３〜５倍であることが望ましい。

図４（ａ）は、ヒートポンプ給湯機における水熱交換器３０の曲げ部Ｂを含む一部拡大図であり、図４（ｂ）は曲げ部のＣ−Ｃ断面図である。本実施形態では、内径Ｄが８ｍｍの芯管３１の外面を押圧し、外面を凹ませることによって内面に芯管３１の内面に、高さＨ１が１ｍｍの突起を、管軸方向のピッチＰが２０ｍｍになるように設けている。すなわち、芯管３１の内面に突起が形成された部位に対応する外面には凹みが形成されている。また、図４（ｂ）の断面図に示すように、芯管３１の外周に巻管３２を螺旋状に巻き付けた後、芯管３１と巻管３２全体を湾曲させた曲げ部において、曲げ中心（Ｄ）側の部分においては巻管３２の外面と芯管３１の外面と隙間なく接触しており、曲げ部Ｃ−Ｃの曲げ中心（Ｄ）側の部分において、巻管（３２）の外面と芯管（３１）の外面とはロウ材（３３）により結合されている。一方、外側の部分においては巻管３２の外面と芯管３１の外面との間に隙間が形成されている。

＜熱交換器の製造工程＞
まず、芯管３１の内面に突起３１３を形成する。ここで、突起の形成方法として、図５（ａ）に示すように、歯車状の形をした治具１００を製作し、歯車１００の歯の部分を芯管３１の外面に押し付けて螺旋状の内面突起３１３を形成することができる。なお、図５（ｂ）に示すように、管軸（ａ）に対し対向する位置に歯車１０１を押し付ける方法で、管軸方向に直線的に並んでいる突起４１３を形成することができる。また、突起の形成方法として、これらの方法に限定するものではない。

次に、芯管３１の外周に巻管３２を螺旋状に巻き付ける。その後、巻管３２が芯管３１の外面に巻かれた状態で、例えば通常市販されているパイプベンダーなどの治具を用いて芯管３１と巻管３２全体を湾曲させて曲げ部を形成する作業を行う。図６に示すように、本実施形態では、芯管の外径が９．５ｍｍ、巻管の外径が６．２ｍｍであるため、芯管に巻管を巻いた状態での外径は１５．７ｍｍ程度となる。従って外径が１５．９ｍｍのベンダーを用いて曲げ部を形成する。本実施例で使用する治具は、固定された治具５０，６０と稼動する治具７０とで構成されている。まず、巻管３２が芯管３１の外面に巻かれた状態で、固定された治具５０と６０との間に挟み、固定された治具７０を治具５０の円心５０１を中心に矢印方向に曲げる。このような作業過程において、曲げ中心５０１側においては、巻管３２と芯管３１とが治具５０に沿うように曲げられるため、巻管３２の外面が芯管３１の外面と隙間なく接触するように巻かれることができる。また、治具としてパイプベンダーを限定するものではない。

このような方法で、少なくとも治具５０と接触する曲げ中心側の部分においては、巻管３２の外面が芯管３１の外面と隙間なく接触することができる。通常、突起が設けられた部分に曲げ加工を行うと、曲げ部において芯管の断面は突起により凸凹となっているため、芯管と巻管との接触不良が生じ、伝熱性能が低下するおそれがある。しかし、本発明では、まず芯管３１の外面を押圧して内面に突起を形成させた後、芯管３１の外面に巻管３２を巻き付け、少なくとも曲げ部の曲げ中心側の部分においては、芯管３１と巻管３２との接触不良が生じなくなり、伝熱性能の向上が図れる。

また、突起が設けられた部分で曲げ加工を行うと、曲げ作業過程で芯管外面の凹んだ部位に大きな変形が発生し、破損などが発生するおそれがある。そこで、従来は、曲げ部には突起を設けず、曲げ部においては突起による伝熱性能の向上効果を得ることできなかった。しかし、巻管３２が芯管３１の外面に巻かれた状態では芯管３１と巻管３２全体を湾曲させると、曲げ部に突起が設けられていても、全体の強度が大きくなり、曲げ作業過程で芯管外面の凹んだ部位に大きな変形と破損が発生するのを抑制することができる。

最後にロウつけ作業を行う。まず、図７（ａ）に示すように、芯管３１に複数本の巻管３２が螺旋状に巻かれた熱交換器３０において、巻管３２の上に容器８０に収容されているペースト状のロウ材３３を塗布する。その後、図７（ｂ）に示すように、熱交換器３０を真空炉あるいは雰囲気炉Ｈ内を通過させてロウ付けを行う。この過程において、巻管３２の外面と芯管３１の外面とはロウ材３３により結合される。曲げ部Ｂ１〜Ｂ６において、少なくとも曲げ中心側の部分では、巻管３２の外面と芯管３１の外面とはロウ材３３により結合されることとなり、伝熱性能の向上が図れる。

ヒートポンプ給湯器の模式図 水熱交換器の概略図。 芯管の平面図。 （ａ）熱交換器の曲げ部を含む一部拡大図。 （ｂ）曲げ部Ｃ−Ｃの断面図。 （ａ）芯管の螺旋状突起の形成工程を表わす図。 （ｂ）芯管の上下対応突起の形成工程を表わす図。 芯管の曲げ部の形成工程を表わす図。 （ａ）ペースト状ロウ材の塗布工程を表わす図。 （ｂ）熱交換器のロウ付け工程を表わす図。

符号の説明

１ 給湯サイクル
１００ ヒートポンプ給湯器
２ 冷媒サイクル
３０ 水熱交換器
３１ 芯管
３１１ 水流入口
３１２ 水流出口
３１３，４１３ 突起
３２ 巻管
３３ ロウ材
５０，６０，７０ 曲げ用治具
１００ 突起形成治具

Claims (3)

1. 外面を押圧して内面に突起（３１３，４１３）が形成されている芯管（３１）と、前記芯管（３１）の外面に巻き付けられた巻管（３２）とを備える熱交換器（３０）において、
   前記芯管は直線部（Ａ）と曲げ部（Ｂ）とを有し、
   前記曲げ部（Ｂ）の曲げ中心（ｂ）側の部分において、前記巻管（３２）の外面は前記芯管（３１）の外面と隙間なく接触しており、
   前記曲げ部（Ｂ）の曲げ中心（ｂ）側の部分において、前記巻管（３２）の外面と前記芯管（３１）の外面とはロウ材（３３）により結合されている、
   熱交換器。
2. 芯管（３１）と巻管（３２）とを備える熱交換器（３０）の製造方法であって、
   前記芯管（３１）の外面を押圧して内面に突起（３１３）を形成する工程と、
   前記芯管（３１）の外面に巻管（３２）を巻き付ける工程と、
   前記巻管（３２）が前記芯管（３１）の外面に巻かれた状態で前記芯管（３１）を曲げる工程と、
   前記巻管（３２）の外面と前記芯管（３１）の外面とをロウ材（３３）でロウ付けする工程と、
   を備えた熱交換器（３０）の製造方法。
3. 外面を押圧して内面に突起（３１３）が形成された芯管（３１）と、
   前記芯管（３１）の外面に巻き付けられた巻管（３２）と、
   前記巻管（３２）の外面と前記芯管（３１）の外面とをロウ付けするロウ材（３３）と、
   を備え、
   前記芯管（３１）は、外面に前記巻管（３２）が巻き付けられた状態で曲げられて形成される曲げ部（Ｂ）を有している、
   請求項１に記載の熱交換器（３０）。

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