JP2007093034A - 三重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ式給湯装置等に用いられる、漏洩検知溝内臓の三重管式熱交換器（ガスクーラー）で、部材の追加を行わずに且つ安価な平滑管を用いて、性能や安全性に対する品質向上とコスト低減を可能とする三重管式熱交換器を提供する。
【解決手段】内管１と中管２と外管３からなり、外管３を外側から内側へ凹ませることにより外管３の内側に複数の突起部４を形成し、中管２と外管３の間の空間を炭酸ガスの流路とし、内管１内を水の流路としたことにより、性能や安全性に対する品質向上とコスト低減が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭酸ガス冷媒（ＣＯ_２）及びその混合冷媒と水との間で熱交換させる三重管式熱交換器に関するものであって、特に高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて、給湯水や暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯装置又は超臨界ヒートポンプ式空調装置に適用する、三重管式熱交換器に関するものである。

従来、この種の三重管式熱交換器は、内管を水の流路とし、内管と中管を密着させその間に漏洩検知溝が形成され、その外側の外管との間を炭酸ガス（ＣＯ_２）の流路としたものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、水とＣＯ_２冷媒の流路の違いはあるが、部材の追加を行わずに、外管に簡易な加工を施すのみで、水側の乱流を促進させ、伝熱性能を高めることを目的に、外管を外側から内側へ凹ませることにより前記外側の内側に複数の突起部を形成させているものもある（例えば、特許文献２参照）。

また、三重管式（漏洩検知管がある方式）ではないが、二重管式熱交換器においては、突起の形成をしているものがある（例えば、特許文献３参照）。

図６は、特許文献２に記載された従来の熱交換器を示すものである。図６に示すように、内管１と中管２と外管３からなり、外管３を外側から内側へ凹ませることにより外管３の内側に複数の突起部４を形成して成る。

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１内にはＣＯ_２冷媒が流れ、中管２と外管３の間には水が対向して流れる。外管３は、プレス加工等の加工方法によって、外側から内側へ凹ませることにより、内側に突起部４が形成される。これら複数の突起部４の配置を工夫することにより、水側の乱流化や最適配置で伝熱促進を図り、熱交換性能を向上させたものである。
特開２００５−０８３６６７号公報 特開２００４−１９０９２３号公報 実開昭６１−１６５３４９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、内管を水の流路とし、内管と中管を密着させその間に漏洩検知溝が形成され、その外側の外管との間を炭酸ガス（ＣＯ_２）の流路としたものは、ＣＯ_２冷媒の流路が冷媒特性的にも耐圧的にも極めて狭いことが重要であり、その流路を確実に且つ安定的に確保するためには、何らかの隙間確保手段が必要であった。

また、外管を外側から内側へ凹ませることにより、内側に突起部を加工するという考え方はあるが、水側の乱流を促進させ、伝熱性能を高めることを目的であり、ＣＯ_２流路を確実に且つ安定的に確保するための工夫ではない。つまり、中管と外管の間にＣＯ_２流路を設けた三重管式熱交換器において、部材の追加を行わずに且つ安価な平滑管を用いた隙間確保手段が考案されていない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、部材の追加を行わずに且つ安価な平滑管を用いて、ＣＯ_２流路を確実に且つ安定的に確保した三重管式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、本発明の三重管式熱交換器は、内管と、前記内管の外壁を覆って前記内管の外壁の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外壁を覆うように設置された外管と、からなり、前記外管を外側から内側へ凹ませることにより前記外管の内側に複数の突起部を形成し、前記中管と前記外管の間の空間を炭酸ガスの流路とし、前記内管内を水の流路としたものである。

これによって、ＣＯ_２流路が極めて狭く、突起自体が非常に小さいものであり、全長にわたり冷媒流路を阻害する心配もないので、適切に配置することで、部材の追加を行わずに且つ安価な平滑管を用いて、極めて狭いＣＯ_２流路を均等に、確実に、安定的に確保させることが可能となる。

本発明の三重管式熱交換器は、ＣＯ_２流路を安定的に確保することで品質の安定と、コスト低減を図ることができる。

請求項１に記載の発明は、内管と、前記内管の外壁を覆って前記内管の外壁の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外壁を覆うように設置された外管と、からなり、前記外管を外側から内側へ凹ませることにより前記外管の内側に複数の突起部を形成し、前記中管と前記外管の間の空間を炭酸ガスの流路とし、前記内管内を水の流路としたものであり、ＣＯ_２流路が極めて狭く、突起自体が非常に小さいものであり、全長にわたり冷媒流路を阻害する心配もないので、適切に配置することで、部材の追加を行わずに且つ安価な平滑管を用いて、極めて狭いＣＯ_２流路を均等に、確実に、安定的に確保させることができる。

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、前記突起部を同一周上に、少なくとも３点設けたものであり、突起部を同一断面周上に２点のみ設けた場合は、中管と外管が同心を保持させにくいが、３点以上あれば同心を保持することができるので、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路が極端に接したり、離れたりすることによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記突起部を同一周上に、３点設けたものであり、突起部を同一断面周上に４点以上設けた場合は、ＣＯ_２流路が極めて狭い隙間であるがゆえ、突起部によりＣＯ_２流路を極端に阻害する恐れがあり、有効な流路断面を確保するには、外管の外径を大きくする必要があり、耐圧的に厚肉化してコスト上昇することや、突起高さも大きくなるので、耐圧的にも繰返し応力についても懸念が生じるのに対して、突起部が３点であることは、信頼性および経済的に非常に合理的である。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記突起部を同一周上に、且つ略均等に３点配置したものであり、より同心を保持することができるので、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路が極端に接したり、離れたりすることによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記突起部の高さを炭酸ガスの流路隙間より小さくしたものであり、突起部が中管に接触する場合、突起部はＣＯ_２冷媒と水との熱伝達にあまり寄与しないこととなり接触部分の伝熱面積が無駄となり、また、突起部が中管に接触する以上に食い込む形となれば、内管と中管の接触状態を阻害することや、内管と中管の間に形成された漏洩検知溝がつぶれる等の問題も引き起こすこととなるが、突起部の高さを炭酸ガスの流路隙間より小さくすることで、熱交換性能の低下を抑制でき、また、漏洩に対する信頼性を確保することができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記突起部を前記中管に密着させたものであり、中管と外管は密着により固定され、製造上の品質の安定を確保でき、また、中管の同心を保持することができるので、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路が極端に接したり、離れたりすることによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記突起部を管長方向に千鳥状に配置したものであり、碁盤目に配置した場合は、隣の突起部同士が干渉し会い、流路断面が極端に減少したり、極端な例では突起部同士の間が陥没してしまう等の悪影響がでる可能性があるが、千鳥状に配置したことで、伝熱性能の低下を防ぐことができる。

請求項８に記載の発明は、内管と、前記内管の外壁を覆って前記内管の外壁の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外壁を覆うように設置された外管と、からなり、曲げ加工部を有し、前記外管を外側から内側へ凹ませることにより前記外管の内側に複数の突起部を形成し、前記中管と前記外管の間の空間を炭酸ガスの流路とし、前記内管内を水の流路とし、前記突起部を前記曲げ加工部に集中配置したものであり、曲げ加工による管の変形によりＣＯ_２流路が狭められたり、つぶれたりして、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路が極端に接したり、離れたりすることによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。

請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記突起部を曲げ加工部の外側に集中配置したものであり、曲げ加工による管の変形は特に外側で大きく偏平するので、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路がつぶれてしまうことによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。

請求項１０に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記突起部を曲げ加工部の外周管頂部に少なくとも１点配置したものであり、曲げ加工による管の変形は特に外側で大きく偏平するので、曲げ加工部の外周管頂部に突起部が配置するように加工することで、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路がつぶれてしまうことによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記突起部を曲げ加工部にのみ中管に密着させたものであり、曲げ加工部のＣＯ_２流路を強固に維持固定することができるので、曲げ加工による管の変形でＣＯ_２流路が極端に接したり離れたりすることを防止しできる。なお、曲げ加工部以外の直線部などは、曲げ加工による管の変形はないので、必要以上に前記突起部を中管に密着させる必要はない。逆に、密着させすぎると、ＣＯ_２冷媒は、運転圧力が高いので、突起加工による管の変形量が大きくなり、耐圧力やＣＯ_２冷媒の脈動による圧力繰り返し等の応力に対する信頼性が懸念される。よって、直管部等は突起部高さを低くするなどの対応をすればよい。したがって、前記突起部を曲加工部にのみ中管に密着させることで、伝熱性能の低下を防止できることと、管の強度に対する信頼性を高めることが可能である。

請求項１２に記載の発明は、請求項１または８に記載の発明において、前記内管と前記中管の間に漏洩検知溝を形成したものであり、ＣＯ_２冷媒または水の漏れによる中管や内管の腐食等を早期に発見することが可能となり、ＣＯ_２冷媒や冷凍機油が飲用の可能性のある水へ混入することを防ぎ、安全性を確保することができる。

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が、従来例または先に説明した実施の形態と同一構成について同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。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における三重管式熱交換器の断面図である。

図１において、三重管式熱交換器は、内管１と、内管１の外壁を覆って内管１の外壁の一部または全部に密着する中管２と、中管２の外壁を覆うように設置された外管３と、で構成され、外管３の内側に複数の突起部４が形成されている。いわゆるディンプル加工を施したものである。中管２と外管３の間の空間を炭酸ガス（ＣＯ_２冷媒）の流路とし、内管１内を水の流路とする。また、内管１と中管２の間には漏洩検知溝５が形成されている。なお、特に内管１は銅管を用いるのがよく、好ましくは内面溝付管が望ましい。

以上のように構成された三重管式熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、内管１と中管２と外管３で構成された三重管式熱交換器は、通常、所定の長さで曲げ加工され、端部には接続部材が取り付けられている（図示せず）。内管１内には水が流れ、中管２と外管３の間は極めて狭いＣＯ_２が流れる隙間が形成され、各流体は対向して流されている。外管３を外側から内側へプレス加工等により凹ませることで外管３の内側に複数の突起部４が形成されている。よって、ＣＯ_２流路が極めて狭く、突起自体が非常に小さいものであり、全長にわたり冷媒流路を阻害する心配もないので、適切に配置することで、部材の追加を行わずに且つ安価な平滑管を用いて、極めて狭いＣＯ_２流路を均等に、確実に、安定的に確保させることができる。

また、本発明の実施の形態１による三重管式熱交換器としては、同一断面周上に３点の突起部４が形成され、且つ均等な位置関係で配置されている。突起部４を同一断面周上に２点のみ設けた場合は、中管２と外管３が同心を保持させにくいが、３点以上あれば同心を保持することができるので、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路が極端に接したり、離れたりすることによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。逆に、突起部４を同一断面周上に４点以上設けた場合は、ＣＯ_２流路が極めて狭い隙間であるがゆえ、突起部により流路を極端に阻害する恐れがあり、有効な流路断面を確保するには、外管３の外径を大きくする必要があり、耐圧的に厚肉化してコスト上昇することや、突起高さも大きくなるので、耐圧的にも繰返し応力についても懸念が生じるのに対して、突起部４が３点であることは、信頼性および経済的に非常に合理的である。なお、均等な位置関係で突起部４を配置した場合は、より同心を保持することができるので、より一層に伝熱性能の低下を防ぐことができる。

また、本発明の実施の形態１による三重管式熱交換器としては、突起部４は中管２の外側に密着している。密着により中管２と固定され、製造上の品質の安定はもちろん、中管２の同心を保持することができるので、同様に、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路が極端に接したり、離れたりすることによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。

また、本発明の実施の形態１による三重管式熱交換器としては、内管１と中管２の間には漏洩検知溝５が形成されている。ＣＯ_２冷媒または水の漏れによる中管２や内管１の腐食等を早期に発見することが可能となり、ＣＯ_２冷媒や冷凍機油が飲用の可能性のある水へ混入することを防ぎ、安全性を確保することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における三重管式熱交換器の断面図である。

図２において、突起部４の高さ（すなわち、突起部４の先端と外管３の内周線との差）は、流路隙間（すなわち、図２のＨ寸法）より小さくしたものである。したがって、突起部４の先端は中管２の外側と接触していない。突起部４が中管２に接触する場合、突起部４はＣＯ_２冷媒と水との熱伝達にあまり寄与しないこととなり接触部分の伝熱面積が無駄となることと、突起部４が中管２に接触する以上に食い込む形となれば、内管１と中管２の接触状態を阻害することや、内管１と中管２の間に形成された漏洩検知溝５がつぶれる等の問題も引き起こすこととなるため、突起部４の高さを流路隙間より小さくすることで、熱交換性能の低下を抑制でき、また、漏洩に対する信頼性を確保することができる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における三重管式熱交換器の要部斜視図である。

図３において、三重管式熱交換器は、突起部４を管長方向に千鳥状に配置している。碁盤目に配置した場合は、隣の突起部４同士が干渉し会い、流路断面が極端に減少したり、極端な例では突起部４同士の間が陥没してしまう等の悪影響がでる可能性があるが、千鳥状に配置することで伝熱性能の低下を防ぐことができる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における三重管式熱交換器の平面図である。図５は、同実施の形態における三重管式熱交換器の断面図である。

図４において、三重管式熱交換器は、内管１と、内管１の外壁を覆って内管１の外壁の一部または全部に密着する中管２と、中管２の外壁を覆うように設置された外管３と、で構成され、所定の長さで曲げ加工され、曲げ加工部６と直線部７と、端部には接続部材がろう付け等により取り付けられた構成となっている。

以上のように構成された三重管式熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、突起部４を曲げ加工部６に集中配置する。突起部４の配置ピッチは、曲げ加工部６が狭く、直線部７が広くする。具体的には、突起部４の個数は、管の単位長さ当たり（一定長さ）に対して、曲げ加工部６の方が、直線部７より多い。曲げ加工部６へ突起部４を集中配置することで、曲げ加工による管の変形によりＣＯ_２流路が狭められたり、つぶれたりして、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路が極端に接したり、離れたりすることによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。直線部７への突起部４の設置の目的は、曲げ加工部６に比べ、ＣＯ_２流路が極端に狭くなったり、広くなったりすることは少ないので、適度な広いピッチで配置すればよい。

なお、本発明の実施の形態４による三重管式熱交換器としては、図５に示すように、突起Ａ部４ａと突起Ｂ部４ｂの位置関係のごとく、均等な位置関係で同一断面外周上に配置せず、３点の突起部４を不均等に配置させ、突起Ａ部４ａを、曲げ加工部６の外側に配置すれば、曲げ加工による管の変形は、通常、外側と内側を結ぶ管径寸法が小さくなるように楕円形状に変形し、特に曲げの外側は内側に変形する力が加わるので、偏平量が大きくなる。したがって、突起Ａ部４ａを、曲げ加工部６の外側に配置すれば、極めて狭い隙間であるＣＯ_２流路がつぶれてしまうことによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。

また、本発明の実施の形態４による三重管式熱交換器としては、曲げ加工による管の変形は特に外側で大きく偏平するので、突起部４を曲げ加工部６の外周管頂部に少なくとも１点配置することでも、同様の効果を得ることができる。

また、本発明の実施の形態４による三重管式熱交換器としては、突起部４を曲げ加工部６にのみ中管２に密着させることにより、曲げ加工部のＣＯ_２流路を強固に維持固定することができるので、曲げ加工による管の変形でＣＯ_２流路が極端に接したり離れたりすることを防止しできる。なお、曲げ加工部以外の直線部などは、曲げ加工による管の変形はないので、必要以上に前記突起部を中管に密着させる必要はない。逆に、密着させすぎると、ＣＯ_２冷媒は、運転圧力が高いので、突起加工による管の変形量が大きくなり、耐圧力やＣＯ_２冷媒の脈動による圧力繰り返し等の応力に対する信頼性が懸念される。よって、直管部等は突起部高さを低くするなどの対応をすればよい。したがって、前記突起部を曲加工部にのみ中管に密着させることで、伝熱性能の低下を防止できることと、管の強度に対する信頼性を高めることが可能である。

以上のように、本発明にかかる三重管式熱交換器は、三重管式熱交換器の性能や安全性に対する品質向上とコスト低減が可能となるので、ヒートポンプ式給湯装置又はヒートポンプ式空調装置用等の三重管式熱交換器の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における三重管式熱交換器の断面図 本発明の実施の形態２における三重管式熱交換器の断面図 本発明の実施の形態３における三重管式熱交換器の要部斜視図 本発明の実施の形態４における三重管式熱交換器の平面図 同実施の形態における三重管式熱交換器の断面図 従来の三重管式熱交換器の断面図

符号の説明

１ 内管
２ 中管
３ 外管
４ 突起部
４ａ 突起Ａ部
４ｂ 突起Ｂ部
５ 漏洩検知溝
６ 曲げ加工部

Claims (12)

1. 内管と、前記内管の外壁を覆って前記内管の外壁の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外壁を覆うように設置された外管と、からなり、前記外管を外側から内側へ凹ませることにより前記外管の内側に複数の突起部を形成し、前記中管と前記外管の間の空間を炭酸ガスの流路とし、前記内管内を水の流路としたことを特徴とする三重管式熱交換器。
2. 前記突起部を同一周上に、少なくとも３点設けたことを特徴とする請求項１に記載の三重管式熱交換器。
3. 前記突起部を同一周上に、３点設けたことを特徴とする請求項１に記載の三重管式熱交換器。
4. 前記突起部を同一周上に、且つ略均等に３点配置したことを特徴とする請求項１に記載の三重管式熱交換器。
5. 前記突起部の高さを炭酸ガスの流路隙間より小さくしたことを特徴とする請求項１に記載の三重管式熱交換器。
6. 前記突起部を前記中管に密着させたことを特徴とする請求項１に記載の三重管式熱交換器。
7. 前記突起部を管長方向に千鳥状に配置したことを特徴とする請求項１に記載の三重管式熱交換器。
8. 内管と、前記内管の外壁を覆って前記内管の外壁の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外壁を覆うように設置された外管と、からなり、曲げ加工部を有し、前記外管を外側から内側へ凹ませることにより前記外管の内側に複数の突起部を形成し、前記中管と前記外管の間の空間を炭酸ガスの流路とし、前記内管内を水の流路とし、前記突起部を前記曲げ加工部に集中配置したことを特徴とする三重管式熱交換器。
9. 前記突起部を曲げ加工部の外側に集中配置したことを特徴とする請求項８に記載の三重管式熱交換器。
10. 前記突起部を曲げ加工部の外周管頂部に少なくとも１点配置したことを特徴とする請求項８に記載の三重管式熱交換器。
11. 前記突起部を曲げ加工部にのみ中管に密着させたことを特徴とする請求項８に記載の三重管式熱交換器。
12. 前記内管と前記中管の間に漏洩検知溝を形成したことを特徴とする請求項１または８に記載の三重管式熱交換器。

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