JP2007132592A

JP2007132592A - 二重管式熱交換器及びその製造方法

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Publication number: JP2007132592A
Application number: JP2005325696A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sunada; 正樹砂田; Kazuhiko Machida; 和彦町田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-11-10
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】ヒートポンプ式給湯装置等に用いられる、外管にアルミニウム多穴Ｃ形管を用い、内管に銅管を用いた二重管式熱交換器（ガスクーラー）で、確実な漏洩検知機能を有し、且つ、銅管とアルミニウム管の固定方法がシンプルで製造コストの低減可能な二重管式熱交換器を提供する。
【解決手段】銅製の内管１と、アルミニウム製で且つ複数の多穴流路４が押出形成された外管２からなり、多穴流路４を冷媒ガスの流路とし、内管１内を水の流路としたもので、外管２は管断面における一端が開口した円筒形多穴Ｃ形管としたことにより、確実な漏洩検知機能を有し、且つ、内管１と外管２の固定方法がシンプルで製造コストの低減が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒（特に炭酸ガス冷媒ＣＯ_２及びその混合冷媒）と水との間で熱交換させる２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、二重管式熱交換器とその製造方法に関するものである。

従来、この種の二重管式熱交換器は、内部に水が流動する銅製の内管と、内部に冷媒ガスが流動する多穴流路を持つ板状扁平チューブを、丸めて輪をつくり円筒状に成形したアルミニウム製の外管から構成され、外管と内管を熱的に接合したものである（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の二重管式熱交換器を示すものである。図６に示すように、銅製の内管１とアルミニウム製の外管２と拘束環３からなり、外管２は押出加工により複数の多穴流路４を形成して成る。

以上のように構成された二重管式熱交換器について、以下その動作を説明する。

まず、内管１内には水が流れ、外管２の多穴流路４には冷媒が対向して流れる。外管２は、押出成形により多穴流路４を持つ板状の扁平チューブに加工され、全長にわたり丸めて輪をつくり円筒状に成形される。次に、内管１を外管２に挿入し、拘束環３で締め付けることで、内管１と外管２を密着させる。次に、所定の長さに成形して端末部を接合した後、二重管式熱交換器を構成したものである（図示せず）。この二重管式熱交換器は、特に給湯用として使用されるものであり、水と冷媒とが熱交換する熱交換器であるため、腐食等の原因で内管１または外管２の管壁に穴が開いた場合でも、水に異物が混入しない構造となっている。
特開２００５−０９８６１２号公報

しかしながら、上記従来の構成では、万が一内管に穴が開いた場合と外管の内壁に穴が開いた場合に、漏洩する冷媒または水が内管と外管の接触面の僅かな隙間を介して外部に漏洩するにあたり、環状の外管の切れ目部から漏洩するが、外管の外面に拘束環があるため、外部に漏洩するには、管長方向の両端部まで行かないと漏洩してくれない。したがって、穴が開いても速やかには漏洩せず、時間のずれが生じる可能性があり、極めて低い確率ではあるが、流路内に存在する冷凍機油等の成分が水側に流入する可能性があるという課題を有していた。

また、上記従来の構成では、押出成形された扁平チューブを全長にわたり丸めて輪をつくり円筒状に成形し、且つ、外管を拘束環で締め付け、内管と外管を密着させる工程が必要であり、特に、設備や組立人件費を含む製造コストが高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、確実な漏洩検知機能を有し、且つ、銅管とアルミニウム管の固定方法がシンプルで製造コストの低減可能な二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、本発明の二重管式熱交換器は、銅製の内管と、前記内管の外壁を覆って前記内管の外壁に密着するアルミニウム製の外管と、からなり、前記外管は押出加工により多数の多穴流路が形成され、前記外管に形成された多穴流路を冷媒ガスの流路とし、前記内管内を水の流路とし、前記外管は管断面における一端が開口した円筒形多穴Ｃ形管としたものである。

これによって、拘束環がなくても、内管と外管を密着することが可能となり、且つ、管断面における一端が開口した円筒形多穴Ｃ形管の開口部から確実に漏洩検知が可能となる。

本発明の二重管式熱交換器は、アルミニウム押出管の形状と、内管と外管の組立方法を工夫することで、確実な漏洩検知機能を有し、且つ、銅管とアルミニウム管の固定方法がシンプルで製造コストの低減が可能である。

請求項１に記載の発明は、銅製の内管と、前記内管の外壁を覆って前記内管の外壁に密着するアルミニウム製の外管と、からなり、前記外管は押出加工により多数の多穴流路が形成され、前記外管に形成された多穴流路を冷媒ガスの流路とし、前記内管内を水の流路とし、前記外管は管断面における一端が開口した円筒形多穴Ｃ形管であることより、拘束環がなくても、内管と外管を密着することが可能となり、且つ、管断面における一端が開口した円筒形多穴Ｃ形管の開口部から確実に漏洩検知が可能となるので、確実な漏洩検知機能を有し、且つ、銅管とアルミニウム管の固定方法がシンプルで製造コストの低減が可能である。

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、前記内管の管断面は略星形多角形で、且つ、前記外管の内壁も前記内管に対応した略星形多角形断面であることより、水側も冷媒側も伝熱面積を拡大できることで、熱交換性能が向上する。また、内管と外管の密着方法は、内管を外管内に挿入後、拡径して行うので、拡径時に管断面が略星形多角形断面であると、外管の周長方向の伸びが拘束され、密着固定が強固にできるので、熱交換性能が向上する。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、略星形多角形断面は谷間部と山部からなり、前記谷間部と前記山部は丸みを帯びていることより、尖った形状と比較して内管の強度は強くなる。谷間部や山部が極端に尖っている場合、内圧による応力集中が起こり易く、充分な強度が得られない。なお、製造的には、円管を引き抜き加工することで略星形多角形断面に加工するので、引き抜きダイスは強度的にも、尖った形状よりも丸みを帯びた形状の方が製作し易い。

請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、略星形多角形断面の前記内管の谷間部に、前記外管の多穴流路を配置したことにより、内管の壁面と多穴流路との距離が縮めることができるので、熱伝導距離が縮まり、熱伝導方向が拡大されるので、より熱抵抗を低減でき、よって熱交換性能が向上する。また、耐圧的及び耐食的に最低肉厚に制限があり、局部的に外管の肉厚も低減されるので、材料コストの低減が可能である。略星形多角形断面の前記内管の山部近辺に、前記外管の多穴流路を配置した場合、内管中心までの距離が遠くなり、且つ、多穴流路中心から内管外壁の熱伝導方向角度も狭くなる。よって上記のような効果がある。

請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、略星形多角形断面の前記内管は、略星形六角形断面であることより、略星形多角形断面の中で、同一円内接、同一断面積時の星形正多角形の周長は、星形六角形断面が最も長くなり、最も伝熱面積を拡大できるので、より熱交換性能を向上することができる。

請求項６に記載の発明は、アルミニウム製多穴Ｃ形管を製直し所定長さで切断する第１の工程と、銅管を製直し所定長さで切断する第２の工程と、前記アルミニウム製多穴Ｃ形管の内面に前記銅管を挿入する第３の工程と、前記銅管を拡径して、前記アルミニウム製多穴Ｃ形管の内壁に前記銅管の外壁を密着固定する第４の工程と、からなる二重管式熱交換器の製造方法であり、アルミニウムのビレットの押出加工段階ですでに、多穴管が、管断面における一端が開口した円筒形Ｃ形状に押し出して成形されており、且つ、多穴Ｃ形管の内径よりも小さい外径の銅管を挿入して、さらに銅管を拡径するだけで、多穴Ｃ形管の弾性のみで内壁に密着固定することができるので、挿入性がよく、且つ密着固定方法がシンプルとなり、製造コストが低減できる。

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における二重管式熱交換器の要部斜視図である。図２は、同実施の形態における二重管式熱交換器の断面図である。

図１、図２において、二重管式熱交換器は、銅製の内管１と、内管１の外壁を覆って内管１の外壁に密着するアルミニウム製の外管２と、から構成されている。内管１は内面に溝が形成された内面溝付き管である。外管２は押出加工により多穴流路４が形成され、多穴流路４は冷媒ガスの流路として用いられる。また、外管２は、管断面における一端が開口した外管切れ目部５を有するＣ形状になっている。

なお、外管切れ目部５は、外管２の軸方向に連続して設けられている。

また、内管１は水の流路として用いられる。

以上のように構成された二重管式熱交換器とその製造方法について、以下その動作、作用を説明する。

まず、アルミニウムのビレットから押出加工により成形したアルミニウム製多穴Ｃ形管を製直し所定の長さで切断する。

次に、銅管を製直し所定の長さに切断する。アルミニウム製多穴Ｃ形管を外管２、銅管を内管１とし、外管２の内面に内管１を挿入する。このとき、挿入性を考慮し、外管２の内径よりも内管１の外径を小さくしておくのが良い。

次に、内管１を拡径して、外管２の内壁に密着固定する。このとき、内管１の内部に液体を封入し圧力をかけることで内管を拡径する方法や、拡径用プラグを用いてメカニカル的に拡径する方法がある。基本的に、外管２の内径よりも内管１の外径が大きくなるように拡径して密着固定させるものである。拡径率は、内管１の伸びと、外管２の弾性を考慮し、最適なポイントで設定する。特に、外管２は、管断面における一端が開口した外管切れ目部５を有するＣ形状になっているので、拡径時に外管切れ目部５の切れ目距離が広がる方向に変形するので、内管１の挿入性も考慮し、あらかじめ距離を狭めておくのがより好ましい。または、内管１と外管２の接触部の滑りや電食を防止する接着剤や表面処理を施すことも効果があり好ましい。密着固定方法はこの他に、スウェージングやドローベンチと呼ばれる縮径方法で外管２の方を縮径する方法でも同様の効果がある。

したがって、アルミニウムのビレットの押出加工段階ですでに、多穴管が、管断面における一端が開口した円筒形Ｃ形状に押し出して成形されており、且つ、多穴Ｃ形管の内径よりも小さい外径の銅管を挿入して、さらに銅管を拡径するだけで、多穴Ｃ形管の弾性のみで内壁に密着固定することができるので、挿入性がよく、拘束環がなくても、内管と外管を密着することが可能となり、且つ、管断面における一端が開口した円筒形多穴Ｃ形管の開口部から確実に漏洩検知が可能となるので、確実な漏洩検知機能を有し、且つ、銅管とアルミニウム管の固定方法がシンプルで製造コストの低減が可能である。

尚、本発明の実施の形態では、多穴流路４は６流路としたが、２流路以上あればよい。

尚、本発明の実施の形態では、二重管式熱交換器は直線状としたが、コイル状の形態でもよい。

なお、本発明の実施の形態では、冷媒ガスとして、炭酸ガス（ＣＯ_２冷媒）を用いたが、これに限らず、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等その他の冷媒を用いても良い。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における二重管式熱交換器の要部斜視図である。図４は、同実施の形態における二重管式熱交換器の断面図である。図５は、同実施の形態における星形多角形の周長特性を説明するための図である。

図３、図４、図５において、内管１の管断面は略星形多角形で、且つ、外管２の内壁も内管１に対応した略星形多角形断面である。略星形多角形断面の内管１には、谷間部６と山部７があり、谷間部６近傍に外管２の多穴流路４を配置している。なお、略星形多角形断面の内管１は、略星形六角形断面である。

以上のように構成された二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の管断面が略星形多角形で、且つ、外管２の内壁も内管１に対応した略星形多角形断面であると、水側も冷媒側も伝熱面積を拡大できることで、熱交換性能が向上する。また、内管１と外管２の密着方法は、内管１を外管２内に挿入後、拡径して行うので、拡径時に管断面が略星形多角形断面であると、外管の周長方向の伸びが拘束され、密着固定が強固にできるので、熱交換性能が向上する。

また、略星形多角形断面の内管１には、谷間部６と山部７があり、製造上、内管１は、円管を成形して星形に加工するのが望ましく、加工的、強度的に、谷間部６と山部７は、丸みを帯びていることが望ましい。尖った形状と比較して内管の強度は強くなる。谷間部や山部が極端に尖っていると内圧による応力集中が起こり易く、充分な強度が得られない。なお、製造的には、円管を引き抜き加工することで略星形多角形断面に加工するので、引き抜きダイスは強度的にも、尖った形状よりも丸みを帯びた形状の方が製作し易い。多穴流路４は、冷媒ガスの流路であり、特に、炭酸ガス（ＣＯ_２冷媒）を用いる場合は、実使用圧力が高いので、多穴流路で分流することが有効である。同様に、耐圧力的に多穴流路の形状は円形が望ましい。谷間部６近傍に外管２の多穴流路４を配置しておくと、内管１の壁面と多穴流路４との距離が縮めることができる。すなわち、熱伝導距離が縮まり、熱伝導方向が拡大されるので、より熱抵抗を低減でき、よって熱交換性能が向上する。略星形多角形断面の前記内管の山部近辺に、前記外管の多穴流路を配置した場合、内管中心までの距離が遠くなり、且つ、多穴流路中心から内管外壁の熱伝導方向角度も狭くなる。よって上記のような効果がある。

また、耐圧的及び耐食的に最低肉厚に制限があり、局部的に外管の肉厚も低減されるので、材料コストの低減が可能である。

また、図５に示すように、星形多角形断面の中で、同一円内接、同一断面積時の星形正多角形の周長は、星形六角形断面が最も長くなり、最も伝熱面積を拡大できるので、より熱交換性能を向上することができる。

以上のように、本発明の二重管式熱交換器は、アルミニウム押出管の形状と、内管と外管の組立方法を工夫することで、確実な漏洩検知機能を有し、且つ、銅管とアルミニウム管の固定方法がシンプルで製造コストの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二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における二重管式熱交換器の要部斜視図同実施の形態における二重管式熱交換器の断面図本発明の実施の形態２における二重管式熱交換器の要部斜視図同実施の形態における二重管式熱交換器の断面図同実施の形態における星形多角形周長の特性図従来の二重管式熱交換器の要部斜視図

符号の説明

１内管
２外管
４多穴流路
５外管の切れ目部
６星形多角形の谷間部
７星形多角形の山部

Claims

銅製の内管と、前記内管の外壁を覆って前記内管の外壁に密着するアルミニウム製の外管と、からなり、前記外管は押出加工により多数の多穴流路が形成され、前記外管に形成された多穴流路を冷媒ガスの流路とし、前記内管内を水の流路とし、前記外管は管断面における一端が開口した円筒形多穴Ｃ形管である二重管式熱交換器。
前記内管の管断面は略星形多角形で、且つ、前記外管の内壁も前記内管に対応した略星形多角形断面である請求項１に記載の二重管式熱交換器。
略星形多角形断面は谷間部と山部からなり、前記谷間部と前記山部は丸みを帯びている請求項２に記載の二重管式熱交換器。
略星形多角形断面の前記内管の谷間部に、前記外管の多穴流路を配置した請求項２に記載の二重管式熱交換器。
略星形多角形断面の前記内管は、略星形六角形断面である請求項２に記載の二重管式熱交換器。
アルミニウム製多穴Ｃ形管を製直し所定長さで切断する第１の工程と、銅管を製直し所定長さで切断する第２の工程と、前記アルミニウム製多穴Ｃ形管の内面に前記銅管を挿入する第３の工程と、前記銅管を拡径して、前記アルミニウム製多穴Ｃ形管の内壁に前記銅管の外壁を密着固定する第４の工程と、からなる二重管式熱交換器の製造方法。