JP2008014624A - 給湯機用水熱交換器及びその製法 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的単純で、コンパクトな構造にて、水側の伝熱促進を効果的に向上せしめて、熱交換性能を大幅に向上させると共に、水側流路内にスケールが付着してしまうことを効果的に抑制することが出来る、給湯機用水熱交換器を提供すること。また、そのような水熱交換器を有利に製造し得る方法を提供すること。
【解決手段】太径の外管１２内に、内部に熱交換媒体が流通せしめられる細径の内管１４を、外管１２の内周面に直接に接触することなく内挿すると共に、熱交換される水が流通せしめられる外管１２と内管１４との間の間隙に、複数の中管１６を、内管１４の外周面と密接するように内挿、配置して、給湯機用水熱交換器１０を構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換媒体と水との間で熱交換を行う給湯機用水熱交換器に係り、中でも、炭酸ガスを主成分とする冷媒を熱交換媒体として、これと水とを熱交換するための給湯機用の水熱交換器に関するものである。

従来から、熱交換媒体（冷媒）と水とを熱交換する給湯機用水熱交換器として、かかる冷媒を流通させる流路（冷媒側流路）と水を流通させる流路（水側流路）とを２つの伝熱管を組み合わせて構成し、それら水と冷媒との間で熱交換を行うようにした水熱交換器が、各種用いられてきている。

また、そのような水熱交換器で用いられる熱交換媒体（冷媒）としては、従来のフロン系冷媒に代えて、オゾン層保護や地球温暖化防止の観点から、温暖化係数の低い自然冷媒が注目されてきており、近年、この自然冷媒を利用した熱交換器の開発が行われている。そして、そのような自然冷媒の中でも、炭酸ガスを用いた場合にあっては、高温高圧のガス条件が得られることから、特に注目を受けている。

ところで、このような炭酸ガスを主成分とする冷媒と水との間で熱交換を行う方式の熱交換器としては、従来より、特許文献１〜４に開示されているもののように、内部に冷媒を流通させる伝熱管と、内部に水を流通させる伝熱管とを組み合わせて、一つの熱交換器を構成したものが、各種提案されている。

例えば、特開２００３−２１４７７８号公報（特許文献１）においては、内部に被熱交換液が流される第１熱交換パイプの周壁に、その軸方向に沿って窪み部を形成し、その窪み部内に、内部に所定の熱媒体が流される第２熱交換パイプを配設すると共に、それら第１熱交換パイプと第２熱交換パイプをロウ付けして、一体化することにより、両者間に隙間を発生させることなく、第２熱交換パイプ内を流れる熱媒体の熱が、ロウ材を介して、第１熱交換パイプ内を流れる被熱交換液に伝達されて、熱交換されるようにしたものが、明らかにされている。

一方、特開２００３−２０２１９４号公報（特許文献２）においては、水通路を構成する大径の芯管の内周面に、冷媒通路を構成する複数の小径の細管を、芯管の内壁に沿って長手方向に平行に配設し、それらをロウ付け等によって一体的に形成した熱交換器が明らかにされている。さらに、特開２００２−１２２３９０号公報（特許文献３）おいては、内部に冷媒が流通せしめられる多数本の微細チューブを、熱交換される水が流通せしめられる水チューブ内に同軸的に配置せしめた、所謂二重管式の熱交換器が、明らかにされている。

また、そのような二重管式の熱交換器の伝熱促進効果を向上させたものとして、特開２００１−２０１２７５号公報（特許文献４）においては、内管と外管からなる二重管式の熱交換器において、内管と外管との間に形成される流路を螺旋状に仕切る伝熱促進体を介設して、かかる流路の流路長を増大させると共に、流れる流体の流速および乱流化を増大せしめて、内管内を流れる流体から内管と外管との間を流れる流体への伝熱が促進されるようにした二重管式熱交換器が、明らかにされている。

しかしながら、それら提案技術のうち、例えば特許文献１に開示のものにあっては、水側流路となる第１熱交換パイプに冷媒側流路である第２熱交換パイプを嵌め込むための窪み部が形成されて、第１熱交換パイプの外壁部分が水側流路内に張り出した形状とされているため、水側の圧力損失が増大するといった問題を内在するものであった。また、特許文献２に開示のものにあっても、水通路とされる大径の芯管の内周面に冷媒通路とされる小径の細管がロウ付けされて、一体化されているところから、特許文献１の熱交換器と同様に、水側の圧力損失が増大してしまうものであった。このように、水側の圧力損失が増大してしまうと、給水ポンプの揚程不足を招く恐れがあるため、その対策のためには、給水ポンプの能力を大きくする必要があり、その結果、給湯機全体として生産コストの増大を引き起こしてしまうといった問題を新たに惹起するものであった。

また、特許文献１や特許文献２の熱交換器のように、水側流路となる管体と冷媒側流路となる管体とをロウ付けにて接合して熱交換器を構成したものにあっては、そのようなロウ付け部の不良により、冷媒側流路と水側流路の接触面積不足を招き易く、性能のばらつきが生じ易いという欠点がある。さらに、ロウ付け不良による歩留低下を引き起こし易く、生産コストが向上してしまうという問題も内在するものであった。

一方、特許文献３にて開示されている二重管式熱交換器にあっては、高温側である冷媒流路が、低温側となる水側流路の中に完全に封じ込められた形態とされているため、水側流路の管体と冷媒側流路の管体とをロウ付けにて接合した形態のものよりも、冷媒の熱が外気へと放出されてしまうことが低く抑えられるという利点を有しているのであるが、水側への伝熱面積を増加するためには、流路長を長くする必要があり、熱交換器の小型化が難しくなるものであった。

そこで、そのような二重管式熱交換器の、水側の伝熱促進効果を高めるための方法として、特許文献４においては、水側流路（外管）と冷媒側流路（内管）との間に、螺旋状の伝熱促進体を介設するようにした構造が、明らかにされている。しかしながら、かかる文献にて開示されている熱交換器においては、水側流路におけるスケール形成の問題が生じやすいという問題が、新たに惹起されるものであった。つまり、熱交換器を長期に亘って使用することにより、水道水に含まれるカルシウム等の成分が水流路内にスケールとして析出して、流路壁に付着し、そしてその付着量（厚さ）が経時的に増大することによって、最終的には流路を閉塞してしまうようになるのである。そこで、かかるスケールの付着がある程度進行したときに、その付着したスケールを除去する作業が必要となるのであるが、水側流路に介設されている螺旋状の伝熱促進体の存在によって、その作業は非常にやり難いものであって、現実的には、熱交換器全体を交換することとなり、これが、運用コストの悪化に繋がる問題を内在していたのである。

特開２００３−２１４７７８号公報 特開２００３−２０２１９４号公報 特開２００２−１２２３９０号公報 特開２００１−２０１２７５号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、比較的単純で、コンパクトな構造にて、水側の伝熱促進を効果的に向上せしめて、熱交換性能を大幅に向上させると共に、水側流路内にスケールが付着してしまうことを効果的に抑制することが出来る、給湯機用水熱交換器を提供することにある。また、本発明は、そのようなスケールの付着を効果的に抑制せしめた水熱交換器を、有利に製造し得る方法を提供することをも、その解決課題としている。

そして、本発明にあっては、かかる課題の解決のために、太径の外管内に、細径の内管が、該外管の内周面に直接に接触することなく内挿されていると共に、該外管と該内管との間の間隙に、複数の中管が、該外管の内周面及び／又は該内管の外周面に密接するようにして内挿、配置せしめられてなる構造を有し、且つ該内管内に熱交換媒体が流通せしめられる一方、前記中管内と共に、前記外管と内管との間の間隙全体に、熱交換されるべき水が流通せしめられるように構成されていることを特徴とする給湯機用水熱交換器を、その要旨とするものである。

なお、本発明に従う給湯機用水熱交換器の望ましい態様の一つによれば、前記内管は、内面に伝熱促進手段を設けた伝熱管が用いられることとなる。また、本発明に従う給湯機用水熱交換器の望ましい態様の別の一つによれば、前記中管は、内面に伝熱促進手段を設けた伝熱管が用いられ、更にまた、本発明に従う給湯機用水熱交換器の望ましい態様の更に別の一つによれば、前記中管及び内管のうちの少なくとも一方は、銅又は銅合金にて構成されることとなる。

また、本発明に従う給湯機用水熱交換器の望ましい態様の他の一つによれば、前記中管は、銅又は銅合金からなる材質にて構成され、且つ該中管の内面には錫めっきが施されて、給湯機用水熱交換器が構成されることとなる。更にまた、別の望ましい態様の一つによれば、前記内管、中管及び外管は、それぞれ銅又は銅合金からなる材質にて構成され、且つ該内管の外面、該中管の内外面及び該外管の内面には、錫めっきが施されて、給湯機用水熱交換器が構成されることとなる。

なお、本発明に従う給湯機用水熱交換器の好ましい態様の一つによれば、前記中管は、前記外管及び内管よりも薄肉の管体にて構成されることとなる。

さらに、本発明の別の好ましい態様によれば、前記熱交換媒体は、炭酸ガスを主体とする冷媒が用いられることとなる。

加えて、本発明にあっては、前記した給湯機用水熱交換器を製造する方法にして、前記外管内に、前記内管及び前記中管を挿入、位置せしめた後、それら外管、内管及び中管の一端を固定した状態において、縮径ダイスを用いて抽伸加工することにより、該中管が、該外管の内周面及び該内管の外周面に密着するようにしたことを特徴とする給湯機用水熱交換器の製造方法をも、その要旨とするものである。

従って、このような本発明に従う給湯機用水熱交換器の構成によれば、高温の伝熱媒体が流される内管が、水が流通せしめられる外管の内部に収容されて、それらが直接に接触することなく、水側流路内に封じ込められた形態とされているところから、内管の内部を流通せしめられる伝熱媒体の熱が、管壁の直接的な接触による伝熱作用によって、外気へと放出されてしまうことを有利に抑制することが出来、以て効果的に外管内を流通せしめられる水へと伝達することが可能となっているのである。

しかも、そのような外管と内管との間の間隙には、複数の中管が、内管の外周面や外管の内周面と密接するように内挿、配置されているため、内管内を流通する高温の冷媒（熱交換媒体）の熱が、内管の管壁を介して、中管の管壁へと伝熱せしめられることとなる。その結果、内管の外表面だけでなく、中管の内外周面も水側への伝熱面となり、冷媒から水への伝熱面積が効果的に増加せしめられ、以て、内管の熱を効果的に水に対して伝達することが出来るのである。

そして、そのような外管と内管との間の間隙に配置された複数の中管によって、水側流路が複数の区画に分割され、それらの区画が、大きな断面積を持つ区画と小さな断面積をもつ区画となっているところから、大きな断面積の区画を流れる水の流速と小さな断面積の区画を流れる水の流速に違いが生じ、流れの速い区画においては、流れの遅い区画よりもスケールが発生し難くなる。その結果、断面積の大きな区画、つまり主な水の流路となる区画におけるスケールの発生を、効果的に抑制することが可能となるのである。

このように、本発明に従う給湯機用水熱交換器によれば、外管と内管と複数の中管とを組み合わせた比較的単純な構造にて、内管内を流通せしめられる伝熱媒体から水への伝熱面積を内管に密接された中管によって増加させ、水側への伝熱促進効果を有利に向上させることが可能となると共に、中管によって水流路が分割されていることによって、主な流路となる大きな断面積とされた流路においては、スケールの発生を効果的に抑制することが可能となり、以て、水流路におけるスケールの析出による閉塞を有利に阻止することが出来る、水熱交換器を提供することが可能となるのである。

なお、本発明に従う給湯機用水熱交換器の望ましい態様の一つに従って、内管や中管として、内周面に溝やフィン等の伝熱促進手段を設けた伝熱管を採用することによって、管内を流れる冷媒や水への伝熱面積を、更に向上させることが出来、その結果、熱交換器の熱交換効率を有利に高め得ることとなる。

また、本発明の別の望ましい態様の一つに従って、中管及び内管の少なくとも一方を、熱伝導率の高い銅若しくは銅合金からなる材質にて形成することによって、更に熱交換性能を向上させることが出来るのである。

さらに、本発明に従う給湯機用水熱交換器の好ましい態様の一つに従って、銅又は銅合金にて構成されている中管の内面に錫めっきを施し、主な水流路となる大きな断面積とされた流路において管と水とが接する部分を、錫皮膜で被覆することによって、管材質である銅又は銅合金が、２価の銅イオンとして水に溶け出してしまうことを抑制することが可能となり、その結果、水熱交換器の青水発生の抑制や耐食性を有利に確保することが出来るのである。

更にまた、本発明の好ましい態様の別の一つに従って、内管と中管と外管とを銅又は銅合金にて構成すると共に、それら内管の外面や中管の外面及び内面、更に外管の内面にも錫めっきを施すことによって、それら内管、中管及び外管の管壁と水と接触する部分の全てが錫皮膜で被覆されることとなり、以て、水熱交換器の青水発生の抑制や耐食性を、より一層有利に確保することが可能となる。

そして、本発明にあっては、前記中管を、前記外管及び内管よりも薄肉の管体にて構成することにより、外管に絞り加工を施し、内管の外周面及び外管の内周面が中管の外周面と密接するように縮径して、外管内部に配置した内管および中管を固定する際に、かかる薄肉とされた中管の方が、この中管よりも厚肉とされた内管より変形し易いため、内管の変形よりも中管の変形が優先的に行われ得て、中管の外周面と内管の外周面や外管の内周面とが、効果的に密接せしめられるようになる。また、このように内管が変形し難くなっているところから、冷媒側の流路が安定した形状とされることとなり、冷媒側流路の圧力損失が向上してしまう恐れも、回避されることとなる。

さらに、本発明の望ましい態様の一つに従って、熱交換媒体として、炭酸ガスを主体とする冷媒を用いることによって、従来のフロン系冷媒のようにオゾン層破壊の恐れや、地球温暖化の問題が有利に解消せしめられると共に、高温高圧のガス条件が得られるところから、単段の熱交換器とした場合であっても、高い湯温が得られるといった利点も有しているのである

なお、本発明に従う給湯機用水熱交換器を製造する方法として、外管内に内管及び中管を挿入、位置せしめた後、それら外管、内管及び中管の一端を固定した状態において、縮径ダイスを用いて抽伸加工することにより、中管が、外管の内周面及び内管の外周面に密着するようにした方法を採用することによって、ロウ付け等の作業をすることなく、単純な抽伸加工のみで水熱交換器を構成する管体を形成することが出来ることとなり、従来の、例えば水側流路となる伝熱管と冷媒側流路となる伝熱管をロウ付けによって一体化して水熱交換器を構成する方法よりも、有利に生産性を向上せしめることが可能となるのである。また、それらの伝熱管をロウ付けすることなく密接せしめて、固定することが出来るため、ロウ付け不良による熱交換性能のバラツキ等の問題が発生する恐れも、効果的に解消せしめられることとなるのである。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１及び図２には、本発明に従う水熱交換器の一実施形態が、示されている。そこにおいて、図１は、かかる実施形態を平面図の形態において、図２は、図１に示す水熱交換器１０を縦方向に切断した断面図の形態（図１におけるＡ−Ａ断面）において、それぞれ示している。そして、それらの図から明らかなように、水熱交換器１０は、太径の外管１２の内部に、細径の内管１４が同軸的に配置せしめられると共に、かかる外管１２の内周面と内管１４の外周面との間に形成される間隙に、複数の中管１６が挿入、配置せしめられて、構成されているのである。

より具体的には、外管１２は、銅や銅合金等の所定の金属材料を用いて形成された、太径の断面が円形の管体とされ、また、その内部に炭酸ガス等の伝熱媒体が流通せしめられる内管１４も、外管１２と同様に、銅や銅合金等の所定の金属材料を用いて形成された、外管１２よりも細径の管体とされている。そして、内管１４の長さは外管１２の長さよりも長くされており、そのような内管１４が外管１２内に同軸的に配置され、外管１２の両側の閉塞された端部から、内管１４の端部が突出するようにされている。

そして、かかる外管１２の両端部が、そのような外管１２の両端部から突出した内管１４の外周面と密着するように絞り込まれることによって、外管１２の内周面と内管１４の外周面との間に形成される空間が密閉されると共に、かかる密閉された内部空間に連通せしめられるように、外管１２の両端部の外周面には、水入口１８ａと水出口１８ｂとが、それぞれ形成されている。そして、このような水入口１８ａ側から外管１２内に流入した水は、外管１２の内周面と内管１４の外周面にて形成される空間内を流通せしめられた後、水入口１８ａとは反対側の端部に設けられた水出口１８ｂから、排出されるようになっているのである。

また、その内部に水が流通せしめられる中管１６にあっても、外管１２や内管１４と同様に銅や銅合金等の所定の金属材料を用いて形成された断面が円形の管体とされている。そして、その太さは、外管１２に内挿された内管１４と外管１２との間の隙間、即ち外管１２の内周面と内管１４の外周面との間に形成される空間に挿入せしめられ得る太さとされていると共に、その長さが外管１２の全長よりも短くされることによって、かかる間隙内に中管１６が収容せしめられた際に、図３に示すように、その両端部において、空間２０がそれぞれ形成されることとなる。そして、この空間２０に、前記した水入口１８ａ、水出口１８ｂが、それぞれ連通されているのである。なお、中管１６の管壁の厚さは、ここでは、外管１２や内管１４よりも薄肉とされており、そのような中管１６が、かかる外管１２の内周面と内管１４の外周面との間に形成される空間に、ここでは８本が挿入されて、中管１６の外周面が、内管１４の外周面や外管１２の内周面に、それぞれ密接せしめられている。

従って、このような複数の中管１６によって、外管１２の内周面と内管１４の外周面にて形成される空間、即ち水の流通せしめられる流路が、複数の区画に分割せしめられるようになっているのである。つまり、中管１６の内側である区画２２と、内管１４の外周面と中管１６の外周面にて区切られた区画２４、そして中管１６の外周面と外管１２の内周面とで区切られた区画２６の３つの大きさの区画に分割されて、水流路が形成されているのである。そして、前述したように、外管１２の一方の端部に設けられた水入口１８ａから外管１２内に導入せしめられた水が、外管１２の一方の端部側から他方の端部側へと向かって、区画２２，２４，２６に分けられた水流路内を流通せしめられる間に、内管１４内を流通せしめられる高温の伝熱媒体からの伝熱によって加熱されて、他方の端部に設けられた水出口１８ｂから、湯として取り出されるようになっている。

このように、本実施形態にかかる水熱交換器１０によれば、その内部に高温の伝熱媒体が流通せしめられる内管１４が、内部に水が流通せしめられる外管１２の内側に収容されて、それらが実質的に直接に接触しないように構成されているところから、内管１４の内部を流通せしめられる伝熱媒体の熱が外気へと放出されてしまうことを効果的に抑制することが可能となり、その熱を、外管１２の内周面と内管１４の外周面との間を流通せしめられる水に対して、有利に伝達することが出来るのである。

しかも、そのような水の流通せしめられる外管１２と内管１４との間の間隙に、複数の中管１６が、かかる内管１４の外周面に密接するように内挿、配置されているところから、内管１４内を流通する高温の伝熱媒体の熱が、内管１４の外周面に密接せしめられた中管１６へと伝達されることとなり、その結果、内管１４の外周面に加えて、中管１６の内外周面も、内管１４と外管１２の間隙を流通する水に対する伝熱面となるため、伝熱媒体から水への伝熱面積を効果的に増加せしめ得て、伝熱媒体から水への伝熱効率を有利に向上することが可能となる。

なお、ここでは、そのような中管１６が、内管１４や外管１２よりも薄肉の管体によって形成されているため、外管１２を絞り加工して縮径した際に、内管１４よりも中管１６が容易に変形せしめられ、その結果、内管１４の外周面や外管１２の内周面との密接度が、効果的に向上されている。

また、水の流路となる外管１２の内周面と内管１４の外周面との間に、複数の中管１６が挿入、配置せしめられて、水流路が、複数の大きさの区画２２，２４，２６に分割されているところから、そのような断面積の大きさの違う流路を通過する際に、大きな断面積とされた区画２２を流れる水の流速と、かかる区画２２よりも小さな断面積となる区画２４，２６を流れる水の流速との間に、違いが生じることとなる。而して、一般的に、流速の速い箇所よりも流速の遅い箇所においてスケールが発生し易いところから、このように一つの水流路内に流れの速い区画と遅い区画が存在すると、その遅い区画の方からスケールが発生するようになる。つまり、断面積の小さな区画２４，２６においてはスケールが発生することとなるが、主たる水の流路となる、断面積が大きい区画２２においては、スケールの発生を効果的に抑制することが可能となるのである。その結果、従来の水熱交換器のように、スケールの発生によって水流路が閉塞してしまうといった問題が発生する恐れを、効果的に緩和乃至は解消することが出来るのである。

更にまた、ここでは、内管１４や中管１６に熱伝導率の高い銅や銅合金を用いているところから、内管１４内を流通せしめられる伝熱媒体の熱を、外側の水や中管１６へと効果的に伝達することが出来、以て、水熱交換器１０の熱交換効率が効果的に向上せしめられるようになっている。

ところで、水熱交換器１０を構成する外管１２や内管１４、中管１６を、銅若しくは銅合金にて形成した場合にあっては、水の流通せしめられる部位、即ち、主な水流路となる大きな断面積とされた流路（区画２２）を構成する中管１６の内周面や、小さな断面積とされた流路（区画２４、区画２６）を構成する内管１４の外周面、中管１６の外周面及び外管１２の内周面には、好ましくは、錫めっきがそれぞれ施されて、用いられることとなる。これは、この種の水熱交換器において、水が流通する部分を銅又は銅合金で構成した場合にあっては、流路内を流通する水のｐＨが酸性側やアルカリ性側に変化すると、これらの銅または銅合金が２価の銅イオンとして水に溶け出し易くなり、使用時に石鹸や炭酸ガス等と反応して、青水が発生する問題を内在しているからである。

一方、流通する水中には種々の成分が含まれており、遊離炭酸の多い地下水を使用した場合には、Ｉ’型孔食の発生が懸念され、また、２価の銅イオンにより、水中の溶解性ＳｉＯ₂ が析出して、スケールを形成してマウンドレス型孔食が生じる危険性もある。これらの孔食は、伝熱管に穴を開けるだけでなく、表面の腐食生成物で荒れた部分に水垢等のスケールが付き易くなり、熱交換効率を悪くするという問題もある。

そこで、外管１２、内管１４及び中管１６が、それぞれ銅又は銅合金で構成されている場合において、水が流通する部分、即ち、中管１６の内周面や内管１４の外周面、中管１６の外周面、外管１２の内周面に錫めっきを施すことにより、管壁から銅イオンが溶け出してしまうことが、効果的に抑制せしめられることとなり、以て、水熱交換器１０の耐食性を有利に確保することが可能となるのである。

なお、そのような外管１２の内周面や内管１４の外周面、中管１６の内外周面に対して錫めっきを施す方法としては、例えば、中管１６の内周面にのみ錫めっきを施す場合においては、予め管内面に錫めっきを施した中管１６を使用して、これを内管１４と共に、外管１２の内部に挿入し、組み付ける方法がある。一方、中管１６の内外周面、内管１４の外周面、外管１２の内周面の全てに錫めっきを施す場合においては、同様に、予め内外周面に錫めっきを施した中管１６、予め外周面に錫めっきを施した内管１４、予め内周面に錫めっきを施した外管１２を用いて、これらを組み付ける方法の他、外管１２、内管１４及び中管１６を組み付けた後、水流路に該当する中管１６内（区画２２）、内管１４と中管１６の間隙（区画２４）及び中管１６と外管１２の間隙（区画２６）に、錫のめっき液を流通せしめる置換めっき法による方法もあり、本発明においては適宜に採用されることとなる。

このように、本実施形態に従う水熱交換器１０によれば、外管１２と内管１４、そして複数の中管１６とを組み合わせた比較的単純な構造にて、内管１４内を流通せしめられる伝熱媒体の熱を、内管１４と外管１２の間の間隙を流通せしめられる水へと効果的に伝熱することが可能となると共に、水流路の全体がスケールの析出によって閉塞してしまうようなことも効果的に阻止することが可能となるのである。

ところで、このような、外管１２内に内管１４及び複数の中管１６が挿入、配置せしめられて、それらの内外周面が密接せしめられてなる構造の水熱交換器１０は、例えば、以下に示すような方法によって、製造されることとなる。

先ず、外管１２、内管１４、及び中管１６として、単純な円形断面をもつ管体が用意される。ここでは、その一例として、外径：１５．８８ｍｍ、肉厚：０．６ｍｍの外管１２が、また外径：６．３５ｍｍ、肉厚：０．６ｍｍの内管１４が、さらに外径：４．０ｍｍ、肉厚：０．３ｍｍの中管１６が、単純な円形断面の管体形状において、それぞれ準備された。

そして、それら準備された３種の管体を用いて、外管１２の内部に、内管１４を、外管１２と同軸的となるように挿入、配置せしめた後、外管１２と内管１４との間に形成される間隙に、８本の中管１６を挿入して、図１のような配置となるようにする。このとき、中管１６の外径よりも、外管１２と内管１４の間の間隔の方が大きいため、中管１６の外周面と内管１４の外周面や外管１２の内周面との間には、僅かな隙間が生じている。

次いで、この外管１２、内管１４、中管１６をまとめたものの一方の端部に対して、口付け加工が行なわれる。なお、この口付け加工は、縮径ダイスを用いて抽伸加工する際に一般的に用いられる方法であって、例えば特開２０００−２７１６３０号公報にも明らかにされているように、加工を行う金属管の加工開始部分を引抜きダイス（縮径ダイス）のダイス穴の穴径以下となるように、金属管の管径を小さくする加工である。なお、この口付け加工は、ここでは、縮径ダイスを通過出来るように、そのダイス穴径よりも小さくすることに加えて、外管１２内に配置せしめられた内管１４や複数の中管１６の配置が、加工中にずれてしまわないように、固定するためでもある。

そして、そのような口付け加工を行った後に、その口付け部をチャッキングして、縮径ダイスを介して金属管を引き抜くことにより、所望の管径となるように抽伸加工が実施されることとなる。なお、ここでは、外管１２の外径が１４．５５ｍｍとなるように縮径せしめることによって、中管１６の外周面と内管１４の外周面や外管１２の内周面との間に存在していた隙間がなくなり、それら内管１４と中管１６及び外管１２と中管１６とが密接せしめられるようになっている。また、このような外管１２の縮径によって、中管１６が、外管１２の内周面と内管１４の外周面とに密接するように押圧せしめられる際に、中管１６が内管１４よりも管壁が薄肉とされているため、外管１２の内周面と内管１４の外周面との間で圧縮された中管１６は、楕円形状に変形せしめられて、それぞれの面に密接せしめられる一方、内管１４は、殆ど変形することがないのである。

その後、かかる抽伸加工の後に、口付け部分をカットし、所望の長さに切断することによって、図２に示されるように、太径の外管１２内に、細径の内管１４が、外管１２の内周面に直接に接触せず、外管１２と内管１４との間の間隙に、複数の中管１６が、外管１２の内周面と内管１４の外周面とに密接するようにして内挿、配置せしめられている構造の水熱交換器１０を与える管体組付体が、得られるのである。なお、このようにして得られた管体組付体を、図１に示したような水熱交換器１０として構成するには、所定の長さに切断した後、内管１４や中管１６の長さを切断等することによって調整した後、外管１２の両端部を閉塞して、水入口１８ａや水出口１８ｂを形成せしめることとなる。

従って、このような水熱交換器１０の製造方法によれば、所定位置に配置された外管１２、内管１４、中管１６を一まとめにして、単に、縮径ダイスを用いて抽伸加工するのみで、外管１２と内管１４とが直接に接触せず、外管１２や内管１４が中管１６と密接せしめられた構造の水熱交換器１０を構成する管体組付体を得ることが可能であり、ロウ付け等によってそれら管体を組み合わせて水熱交換器を構成するよりも、有利に生産性を向上せしめることが可能となるのである。

以上、本発明の代表的な実施形態の一つとその製造方法について詳述してきたが、それらは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

例えば、前述した実施形態においては、内管１４や中管１６に、内周面が平滑とされた伝熱管を用いたが、内面に各種の伝熱促進加工が施された伝熱管、例えば、図４に示すように、内周面に多数の溝（乃至はフィン）や突起が形成されてなる公知の内面溝付伝熱管３２を用いることも、勿論可能である。なお、図４においては、内管のみに内面溝付伝熱管３２が用いられた例が示されているが、中管のみを内面溝付伝熱管としたり、或いは内管と中管の両方を内面溝付伝熱管とすることも勿論可能であり、それらは、所望の伝熱性能等に応じて適宜に選択されて、採用されることとなる。

また、かかる例示の実施形態において、水熱交換器１０は、８本の中管１６を内管１４と外管１２の間隙に挿入、配置せしめた構造としていたが、この中管１６の本数は、８本以外にも４本や６本、或いは１０本や１２本等、内管１４が外管１２と直接に接触しないようになっておれば、任意の本数とすることが可能である。さらに、中管１６の太さにあっても、図２に示したもののように全てが同じ太さのものの場合の他、例えば、図５に示すように、２種類の太さとされた中管３６，３８を組み合わせて、内管１４と外管１２の間隙を埋めるようにすることも可能である。

なお、このような中管１６の本数や太さは、伝熱面積を大きくする効果からすると、肉厚の薄い、外径の小さい中管１６を、内管１４と外管１２の間の間隙に、多数配置することが効果的ではあるが、過度に多くした場合には、水流路の断面積が小さくなるため、圧力損失が増大してしまう、材料費が増大してしまう、製作性が悪化してしまう等の問題を惹起することとなるために、伝熱面積の増加による伝熱性能の向上とそれらのバランスを考慮して、選定されることとなる。

更にまた、内管１４の本数にあっても、２本以上の内管１４を外管１２内に挿入、配置して、そのような複数の内管１４と外管１２の間の間隙に、複数の中管を挿入、配置せしめるようにしてもよい。例えば、図６に示すように、外管１２の内部に２本の内管１４を配置した後、外管１２と内管１４とが直接に接しないように、内管１４と外管１２の間の間隙に、太さの異なる２種類の中管４２，４４を配置せしめて、水熱交換器４０を構成することも可能である。

加えて、上述の実施の形態においては、内管１４として、単純な円形断面形状の伝熱管を用いたが、例えば、特開２００５−６９６２０号公報にて明らかにされているような、漏洩検知機能を有する伝熱管を採用することも可能である。

また、水熱交換器１０を製造するにあたって、前述の実施形態においては、外管１２の両端部を絞り込むように縮径せしめて、内管１４の外周面と外管１２の内周面との間の間隙を消失せしめると共に、外管１２の両端部に内部の空間２０にそれぞれ連通する水出入口１８ａ，１８ｂを形成して、熱交換せしめられる水が流通せしめられる流路を形成していたのであるが、このような方法の他にも、公知の各種の手法によって、そのような水流路を形成することも、勿論可能である。例えば、前述した製造方法にて形成した、外管１２、内管１４、中管１６の組み合わされた管体組付体に対して、外管１２の両端部に別体の蓋部材を固着せしめて、冷媒が流通せしめられる内管１４を外部に連通させると共に、外管１２の両開口端部を閉塞する一方、外管１２と内管１４との間に形成される水流路に連通せしめる水出入口を、かかる蓋部材或いは外管１２の端部に形成するようにしてもよいのである。

その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

本発明に従う水熱交換器の一例を、平面図の形態で示す説明図である。 図１に示される水熱交換器を切断して示す説明図であって、図１におけるＡ−Ａ断面説明図である。 図１に示される水熱交換器の端部を縦方向に切断して示す、図２におけるＢ−Ｂ断面に相当する断面説明図である。 本発明に従う水熱交換器の別の一例を示す、図２に相当する断面説明図である。 本発明に従う水熱交換器の他の一例を示す、図２に相当する断面説明図である。 本発明に従う水熱交換器の更に別の一例を示す、図２に相当する断面説明図である。

符号の説明

１０ 水熱交換器
１２ 外管
１４ 内管
１６ 中管
１８ａ 水入口部
１８ｂ 水出口部

Claims (9)

1. 太径の外管内に、細径の内管が、該外管の内周面に直接に接触することなく内挿されていると共に、該外管と該内管との間の間隙に、複数の中管が、該外管の内周面及び／又は該内管の外周面に密接するようにして内挿、配置せしめられてなる構造を有し、且つ該内管内に熱交換媒体が流通せしめられる一方、前記中管内と共に、前記外管と内管との間の間隙全体に、熱交換されるべき水が流通せしめられるように構成されていることを特徴とする給湯機用水熱交換器。
2. 前記内管が、内面に伝熱促進手段を設けた伝熱管である請求項１に記載の給湯機用水熱交換器。
3. 前記中管が、内面に伝熱促進手段を設けた伝熱管である請求項１又は請求項２に記載の給湯機用水熱交換器。
4. 前記中管及び内管のうちの少なくとも一方が、銅又は銅合金にて構成されている請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の給湯機用水熱交換器。
5. 前記中管が、銅又は銅合金からなる材質にて構成され、且つ該中管の内面に、錫めっきが施されていることを特徴とする請求項４に記載の給湯機用水熱交換器。
6. 前記内管、中管及び外管が、それぞれ銅又は銅合金からなる材質にて構成され、且つ該内管の外面、該中管の内外面及び該外管の内面に、錫めっきが施されていることを特徴とする請求項４に記載の給湯機用水熱交換器。
7. 前記中管が、前記外管及び内管よりも薄肉の管体にて構成されている請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の給湯機用水熱交換器。
8. 前記熱交換媒体が、炭酸ガスを主体とする冷媒である請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載の給湯機用水熱交換器。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載の給湯機用水熱交換器を製造する方法にして、前記外管内に、前記内管及び前記中管を挿入、位置せしめた後、それら外管、内管及び中管の一端を固定した状態において、縮径ダイスを用いて抽伸加工することにより、該中管が、該外管の内周面及び該内管の外周面に密着するようにしたことを特徴とする給湯機用水熱交換器の製造方法。
   

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