JP2008139000A - 熱交換器用管並びに熱交換器及びそれを備えたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】 水伝熱管と冷媒伝熱管との接合にロー付け等を必要とせず，水伝熱管と冷媒伝熱管とに異種金属を用いても水伝熱管と冷媒伝熱管との密接状態を維持することが可能な熱交換器を提供すること。
【解決手段】 第１流体Ａが流れる第１の管１と，該第１の管１と密接し第２の流体Ｂが流れる第２の管２とを備えており，第２の管２は断面形状が円形状であって，第１の管１に形成された嵌合部３の断面形状は，第２の管２と密着状に接触するために略円形となっており，且つ第２の管２を嵌入するための開口１ａが形成されている。このように構成することによって，第２の管２を開口１ａを経て第１の管１の略Ｃ字状嵌合部３に簡単に嵌め込むだけで，第１の管１と第２の管２とを密接させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は，例えば内容や温度の異なる第１流体と第２流体とを熱交換させる熱交換器用管並びに熱交換器及びそれを備えたヒートポンプ給湯機に係り，特に安価にして熱交換特性の優れた熱交換器用管等に関するものである。

従来，ヒートポンプ給湯機や冷暖房装置等に使用される熱交換器として，断面形状が円形状の内管及び外管からなる二重管形熱交換器が広く使用されている。このような二重管形熱交換器は，伝熱面積が内管の外周面積に限られることから伝熱特性（熱交換効率）が良くないといった問題があった。その改善策として，外管と内管との間に伝熱促進体を具備したもの（特許文献１参照）や，外管の内側に２つの内管をお互いに密着しながら螺旋状にねじった形状に構成したもの（特許文献２参照）が提案されている。
しかしながら，これらの改善策は，熱交換の性能が向上する反面，材料コストや加工コストが高くなる等の問題があった。また，この種の二重管形熱交換器をヒートポンプ給湯機等に用いた場合，内管が腐食等により破損したときに，内管を流動する流体（例えば水）と外管を流動する流体（例えば冷媒）とが混じってしまうことになる。つまり，水に冷媒が混入することになるため，漏洩検知を行うようにすることが義務付けられている。このため，内管は通常，二重管で構成されることとなり，製造コストの増加及び伝熱特性の低下が生じる。
一方，水が流動する断面形状が円形状の水伝熱管と冷媒が流動する断面形状が円形状の冷媒伝熱管とを平行に線接触で密接させて構成される熱交換器が知られている。このような熱交換器は，水伝熱管と冷媒伝熱管とのどちらか一方が破損しても両方の管が独立した管で構成されているので，水に冷媒が混入することがないという長所がある。しかしながら，伝熱面積が水伝熱管と冷媒伝熱管との線的な接触面積に限られることから伝熱特性（熱交換効率）が悪いといった問題があった。
その改善策として，水伝熱管と冷媒伝熱管との断面形状をそれぞれ扁平形状にして面的に接触させることで伝熱面積を大きくしたものが知られている。このような伝熱管では，管の断面形状を扁平形状にすることで，流体（水及び冷媒）の流量を一定とした場合，流速が増加し熱伝達が良くなることによって，熱交換効率が向上する。
更に，冷媒伝熱管に冷媒が流れる複数の小流路を形成することで，高圧となる炭酸ガス冷媒を用いても冷媒伝熱管の変形が無く，熱交換効率を向上させると共に，製造コストも抑えられる熱交換器が提案されている（特許文献３参照）。
特開２００１−２０１２７５号公報 特開２００５−２９１６８４号公報 特開２００２−１０７０６９号公報

しかしながら，前記特許文献３の構成では，腐食等の関係から水伝熱管に銅管を使用し，冷媒伝熱管に伝熱特性に優れ低コストであるアルミニウム管を用いた場合，銅とアルミニウムとのロー付けが困難なために，ベルト等の固定部材を使用して両管を密接させる必要があった。このような異種金属間（銅とアルミニウムの組み合わせ等）の接合方法（密接方法）では，流動する水と冷媒の温度差が大きくなる場合，熱膨張の度合いが異なるために接合部分で熱応力が生じる。そのため，接合部分に変形が生じてしまい一様な接合状態（密接状態）を維持することができなくなり，熱交換効率の低下が生じるといった問題があった。
したがって本発明は，上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，ロー付け等を必要とせず，水伝熱管と冷媒伝熱管とに異種金属を用いても密接状態を維持することが可能で，熱交換効率を向上させると共に製造コストを低減した熱交換器を提供するものである。

上記目的を達成するために本発明は，第１流体が流れる第１の管と，該第１の管と密接し第２流体が流れる第２の管とを備え，前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換を行う熱交換器用管であって，前記第１の管に，前記第２の管と密接して嵌合するための嵌合部が形成されてなることを特徴とする熱交換器用管として構成される。
このように構成することによって，前記第２の管を前記第１の管の嵌合部に嵌合するだけで，ロー付け等を行うことなく前記第１の管と前記第２の管とを密接させることができる。したがって，前記第１の管と前記第２の管とに異種金属を用いても密接状態を維持することが可能となる。また，嵌合部の形状として任意のものが採用でき，例えば波形の密接面等を採用することで熱交換効率を向上させると共に製造コストを低減させることができる。
具体的な嵌合部の形状としては，前記第２の管の断面形状が円形状であって，前記第１の管に形成された前記嵌合部の断面形状が，前記第２の管を嵌入するための開口が形成された略Ｃ字状であるものが考えられる。このような形状にすることによって，前記第２の管を前記第１の管に簡単に嵌め込むことが可能となる。更に，前記第１の管と前記第２の管との接触面積を大きくすることができ，熱交換効率を向上させることができる。
前記第１流体としては，炭酸ガス等の冷媒が挙げられ，前記第２流体としては，水が挙げられる。また，前記第１の管の材質としては，アルミニウムが挙げられ，前記第２の管の材質としては，銅が挙げられる。このように，水が流れる前記第２の管には，腐食性の関係から銅管を用いるが，前記第１の管とは嵌合するだけで密接させることが可能なので，前記第１の管の材質に銅とロー付けが困難なアルミニウム等の異種金属を用いても密接状態を維持することができる。したがって，冷媒が流れる前記第１の管に熱伝導が良く安価なアルミニウム管を用いることで，熱交換効率を向上させると共に，材料コストの低減が可能である。
また，前記第１の管の具体例として，断面形状が扁平形状であって，前記第１の管に，前記第１流体が流れる複数の流路が形成されたものが考えられる。このような構造にすることで，冷媒として高圧になる炭酸ガス冷媒を使用した場合でも変形がなく，前記第１流体から伝熱する面積が大きくなり，熱交換効率を向上させることができる。

また，前記熱交換器用管を備えた熱交換器として構成することができる。具体的には，前記熱交換器用管が略平行に複数本配置された熱交換器であって，複数の前記第１の管を並列接続する第１の接続部と，複数の前記第２の管を並列接続する第２の接続部と，を更に備えてなる熱交換器として構成することができる。
また，前記熱交換器用管が略平行に複数本配置された熱交換器であって，複数の前記第１の管を直列接続する第１の接続部と，複数の前記第２の管を直列接続する第２の接続部と，を更に備えてなる熱交換器としても構成することができる。
このように，熱交換効率を向上させるために前記第１の管及び前記第２の管を複数本用いた場合でも，前記第１の管に前記第２の管を嵌合するだけで，前記第１の管と前記第２の管とを密接させることができる。そのため，ロー付けを必要とせず製造コストを大幅に低減できる。
また，前記熱交換器において，前記第１の管及び前記第１の接続部と，前記第２の管及び前記第２の接続部とのいずれか一方又は両方が一連の継目無し管により形成されることが考えられる。また，前記略平行に配置された複数の前記第１の管が一体成形されたものも考えられる。このように，一体成形することで部品点数が減り，加工や組み立てが容易になることから製造コストが低減できる。
また，前記熱交換器を備えてなるヒートポンプ給湯機として構成することができる。その場合，前記第１流体と前記第２流体とを対向するように流通させることで，前記熱交換器の熱交換効率が向上するので，ヒートポンプ給湯機の高効率化が可能である。

本発明によれば，前記第１流体が流れる第１の管と，該第１の管と密接し第２流体が流れる第２の管とを備え，前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換を行う熱交換器用管であって，前記第１の管に，前記第２の管と密接して嵌合するための嵌合部を形成することによって，前記第２の管を前記第１の管に嵌合するだけで，前記第１の管と前記第２の管とを密接させることができる。したがって，ロー付け等の必要が無く前記第１の管と前記第２の管とに異種金属を用いても密接状態を維持することが可能となり，熱交換効率を向上させると共に製造コストを低減させることができる。

以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
［第１の実施形態］
ここで，図１は本発明の第１の実施形態にかかる熱交換器用管の一部を切断した外観斜視図，図２は図１の断面図である。
図１に示すように熱交換器用管Ｘは，第１流体Ａが流れる第１の管１と，該第１の管１と密接し第２の流体Ｂが流れる第２の管２とを備えており，第１流体Ａと第２流体Ｂとの間で熱交換を行う熱交換器用の管である。第１の管１には，第２の管２と密接して嵌合するための嵌合部３が形成されている。図２に示すように第２の管２は断面形状が円形状であって，第１の管１に形成された嵌合部３の断面形状は，第２の管２と密着状に接触するために略円形となっており，且つ第２の管２を嵌入するための開口１ａが形成されている。
このように構成することによって，第２の管２を開口１ａを経て第１の管１の略Ｃ字状嵌合部３に簡単に嵌め込むだけで，第１の管１と第２の管２とを密接させることができる。更に嵌合部３が断面略Ｃ字状に密接するものであるので，第１の管１と第２の管２との接触面積を大きくすることができる。したがって，ロー付け等の必要が無く，第１の管１と第２の管２とに異種金属を用いても密接状態を維持することが可能となり，熱交換効率を向上させると共に，このような管及び嵌合部は押出成形によって一体的且つ連続的に成形することができるので，製造コストを低減させることができる。
また，図２に示すように第１の管１の第１流体Ａが流れる流路部分の断面形状は扁平形状であって，第１の管１に第１流体Ａが流れる複数の流路４が形成されている。流路４の幅は１ｍｍ〜５ｍｍ程度の矩形状に形成され，複数が並列に設けられている。このような第１の管１は，アルミニウム等の材質で押出成形により容易に作製することができる。なお，流路４の断面形状は矩形状に限定されるものではなく，円形状や楕円形状であっても良い。
このように第１の管１に複数の小さな流路を形成することで，冷媒として高圧になる炭酸ガス冷媒を使用した場合でも変形がなく，前記第１流体から伝熱する面積が大きくなり，熱交換効率を向上させることができる。
具体的な例として，第１流体Ａとして炭酸ガス等の冷媒を用い，第２流体Ｂとして水を用いた場合について説明する。この場合，水が流れる第２の管２には，腐食性の関係から銅管が用いられる。第１の管１と第２の管２とは嵌合するだけで密接させることが可能なので，第１の管１の材質に銅とロー付けが困難なアルミニウム等の異種金属を用いても密接状態を維持することができる。したがって，冷媒が流れる第１の管１に熱伝導が良く安価なアルミニウム管を用いることで，熱交換効率を向上させると共に，材料コストの低減が可能である。

［第２の実施形態］
ここで，図３は本発明の第２の実施形態にかかる熱交換器の平面図，図４は図３におけるＣ１−Ｃ１線で切断した断面図，図５は図３におけるＣ２−Ｃ２線で切断した断面図，図６は図３における略平行に配置された複数の第１の管を一体成形した場合のＣ１−Ｃ１線で切断した断面図である。
図３に示す熱交換器Ｙ１は，前記熱交換器用管Ｘが図４のように略平行に複数本配置された熱交換器である。図３に示すように，複数の第１の管１を並列接続するように第１の接続部５ａ及び５ｂと，複数の第２の管２を並列接続するように第２の接続部６ａ及び６ｂとが，更に設けられている（加えて図４及び図５を参照）。即ち，第１流体Ａが一方の第１の接続部５ａに設けられた入口（開口部）から流入し，図３の破線の矢印で示すように複数の第１の管１に分岐する。その後，第１流体Ａは，それぞれ複数の第１の管１を通り，もう一方の第１の接続部５ｂで合流し，前記もう一方の第１の接続部５ｂに設けられた出口（開口部）から流出するように，複数の第１の管１と第１の接続部５ａ及び５ｂとが接続されている。
また，複数の第２の管２と第２の接続部６ａ及び６ｂとの接続の仕方については，複数の第１の管１と第１の接続部５ａ及び５ｂとの接続と同様である。
なお，複数の第１の管１と第１の接続部５ａ及び５ｂとの接続及び複数の第２の管２と第２の接続部６ａ及び６ｂとの接続には，ロー付けが必要となるが，炉中ロー付けで同時に加工することが可能であることから加工コストを抑えることができる。
このような熱交換器Ｙ１の具体的な作製方法は，前記ロー付けを行った複数の第１の管１と第１の接続部５との一体物と，同様に形成した第２の管２と第２の接続部６との一体物とを嵌め合わせるだけで，図３のように組み立てることができる。
このように，熱交換効率を向上させるために熱交換器用管Ｘを複数本用いた場合でも，第１の管１の嵌合部３に第２の管２を嵌合するだけで，第１の管１と第２の管２とを密接させることができる。そのため，ロー付けを必要とせず製造コストを大幅に低減できる。
また，熱交換器Ｙ１は，図６に示すように前記略平行に配置された複数の第１の管１を一体成形（図６中の１ｂ）して構成することもできる。このように，一体成形することで部品点数が減り，組み立てが容易になることから製造コストを低減できる。

［第３の実施形態］
ここで，図７は本発明の第３の実施形態にかかる熱交換器の平面図，図８は図７におけるＤ１−Ｄ１線で切断した断面図，図９は図７におけるＤ２−Ｄ２線で切断した断面図，図１０は図７における略平行に配置された複数の第１の管を一体成形した場合のＤ１−Ｄ１線で切断した断面図である。
図７に示す熱交換器Ｙ２は，前記熱交換器用管Ｘが図８のように略平行に複数本配置された熱交換器である。図３，図４に示す前記第２の実施形態との違いは，図７に示すように，複数の第１の管１を直列接続するように第１の接続部５ｃ及び５ｄと，複数の第２の管２を直列接続するように第２の接続部６ｃ及び６ｄとが，更に設けられていることである（加えて図８及び図９を参照）。即ち，図７の破線の矢印で示す如く第１流体Ａが蛇行形状に流れるように，複数の第１の管１と第１の接続部５ｃ及び５ｄとが接続されている。しかしながら，図３の第１の接続部５ａ及び５ｂのように，上下方向に仕切りのない連続した管を用いた場合，第１流体Ａを蛇行させるように接続することができない。したがって，例えば第１の接続部５ｃ及び５ｄの内部の所定の場所に，第１流体Ａが第１の接続部５ｃ及び５ｄの内部を流れるのを阻み所定の第１の管１に流入させる閉管部を設けることで，第１流体Ａを蛇行させれば良い。また，同様に第２流体Ｂが蛇行形状に流れるように，複数の第２の管２と第２の接続部６ｃ及び６ｄとが接続されている。
このような熱交換器Ｙ２の具体的な作製方法は，前記第２実施形態の熱交換器Ｙ１の作製方法と同様であり，簡単に組み立てることができる。更に，図７のように，第２の管２と第２の接続部６ｃ及び６ｄとは，一連の継目無し管により形成することが可能である。このように形成することで，複数の第２の管２と第２の接続部６ｃ及び６ｄとの接続にはロー付けの必要が無くなり，加工コストが低減できる。また，第１の管１と第１の接続部５ｃ及び５ｄとを同様に一連の継目無し管により形成しても良い。
このように構成した場合でも，第１の管１に第２の管２を嵌合するだけで，第１の管１と第２の管２とを密接させることができる。そのため，ロー付けを必要とせず製造コストを大幅に低減できる。
また，熱交換器Ｙ２は，図１０に示すように前記略平行に配置された複数の第１の管１を一体成形（図１０中の１ｂ）して構成することもできる。このように，一体成形することで部品点数が減り，組み立てが容易になることから製造コストを低減できる。

［第４の実施形態］
図１１に本発明の第４の実施形態にかかるヒートポンプ給湯機の概略構成図を示す。図１１のように，ヒートポンプ給湯機Ｚは，水配管１０（１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ），貯留タンク１３，循環ポンプ１４，熱交換器Ｙ１及び冷媒（第１流体Ａの一例）が循環されるヒートポンプサイクルＳ等を備えて構成されている。
水配管１０Ａは，給水口１１から供給される水（第２流体Ｂの一例）を，減圧弁１２により減圧して，貯留タンク１３まで供給する流水経路である。
水配管１０Ｂは，貯留タンク１３に貯留された水を，循環ポンプ１４を経て熱交換器Ｙ１まで供給し，熱交換器Ｙ１により熱交換された水を，貯留タンク１３まで供給する流水経路である。
貯留タンク１３は，熱交換器Ｙ１においてヒートポンプサイクルＳの後記の冷媒配管２０を流れる冷媒との熱交換によって加熱された温水及び給水口１１から供給された水を貯留するタンクである。
貯留タンク１３には逃がし弁１６が設けられており，逃がし弁１６により，貯留タンク１３内の圧力が調整される。
ヒートポンプサイクルＳは，熱交換器Ｙ１，冷媒配管２０，膨張器２１，室外空気熱交換器２３及び圧縮機２４等を備えて構成されている。
冷媒配管２０を流れる前記冷媒は，膨張器２１により膨張され，室外空気熱交換器２３により室外の空気と熱交換されて吸熱，気化し，圧縮機２４により圧縮されて高温高圧となり，熱交換器Ｙ１において，水配管１０Ｂを流れる水と熱交換される。
熱交換器Ｙ１で熱交換された水は，貯留タンク１３に貯留される。貯留タンク１３の上部，すなわち高温水貯留部に貯留された高温の水は，水配管１０Ｃを流れて，混合弁１７により給水口１１から供給される水と混合されて給湯口１８に供給される。
熱交換器Ｙ１は，前記第１の実施形態にかかる熱交換器用管Ｘを熱交換器に備えている。
このように，前記第２の実施形態にかかる熱交換器Ｙ１を備える前記ヒートポンプ給湯機Ｚでは，冷媒として炭酸ガス冷媒（第１流体Ａの一例）を用い，該炭酸ガス冷媒と水（第２流体Ｂの一例）とが対向するように前記熱交換器用管Ｘ内を流通させることによって，ヒートポンプ給湯機Ｚの製造コストの低減及び高効率化が可能となる。

本発明の第１の実施形態にかかる熱交換器用管の一部を切断した外観斜視図。 図１の断面図。 本発明の第２の実施形態にかかる熱交換器の平面図。 図３におけるＣ１−Ｃ１線で切断した断面図。 図３におけるＣ２−Ｃ２線で切断した断面図。 図３における略平行に配置された複数の第１の管を一体成形した場合のＣ１−Ｃ１線で切断した断面図。 本発明の第３の実施形態にかかる熱交換器の平面図。 図７におけるＤ１−Ｄ１線で切断した断面図。 図７におけるＤ２−Ｄ２線で切断した断面図。 図７における略平行に配置された複数の第１の管を一体成形した場合のＤ１−Ｄ１線で切断した断面図。 本発明の第４の実施形態にかかるヒートポンプ給湯機の概略構成図。

符号の説明

Ｘ…熱交換器用管
Ｙ１，Ｙ２…熱交換器
Ｚ…ヒートポンプ給湯機
１…第１の管
２…第２の管
３…嵌合部
４…流路
５，５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ…第１の接続部
６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ…第２の接続部
１３…貯留タンク
１４…循環ポンプ
２１…膨張器
２３…室外空気熱交換器
２４…圧縮機

Claims (12)

1. 第１流体が流れる第１の管と，該第１の管と密接し第２流体が流れる第２の管とを備え，前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換を行う熱交換器用管であって，
   前記第１の管に，前記第２の管と密接して嵌合するための嵌合部が形成されてなることを特徴とする熱交換器用管。
2. 前記第２の管の断面形状が円形状であって，
   前記第１の管に形成された前記嵌合部の断面形状が，前記第２の管を嵌入するための開口が形成された略Ｃ字状である請求項１に記載の熱交換器用管。
3. 前記第１流体が冷媒であり，前記第２流体が水である請求項１又は２のいずれかに記載の熱交換器用管。
4. 前記第１の管の材質がアルミニウムであり，前記第２の管の材質が銅である請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器用管。
5. 前記第１の管の断面形状が扁平形状であって，
   該第１の管に，前記第１流体が流れる複数の流路が形成されてなる請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換器用管。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器用管を備えた熱交換器。
7. 前記熱交換器用管が略平行に複数本配置された熱交換器であって，
   複数の前記第１の管を並列接続する第１の接続部と，複数の前記第２の管を並列接続する第２の接続部と，を更に備えてなる請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記熱交換器用管が略平行に複数本配置された熱交換器であって，
   複数の前記第１の管を直列接続する第１の接続部と，複数の前記第２の管を直列接続する第２の接続部と，を更に備えてなる請求項６に記載の熱交換器。
9. 前記第１の管及び前記第１の接続部と，前記第２の管及び前記第２の接続部とのいずれか一方又は両方が一連の継目無し管により形成されてなる請求項８に記載の熱交換器。
10. 前記略平行に配置された複数の前記第１の管が一体成形されたものである請求項７又は８のいずれかに記載の熱交換器。
11. 請求項６〜１０のいずれかに記載の熱交換器を備えてなるヒートポンプ給湯機。
12. 前記第１流体と前記第２流体とが対向するように流通されてなる請求項１１に記載のヒートポンプ給湯機。

Images