JP2009243792A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１は、複数本の第１伝熱管３と第２伝熱管４とで構成された伝熱管群２を備えている。第１伝熱管３は、互いに接触する状態で一方向に配列されている。第２伝熱管４は第１伝熱管３の片側に、隣り合う第１伝熱管３の双方に接触するように第１伝熱管３に沿って配置されている。伝熱管群２は、直線部２ａと一定の曲げ半径で略９０°曲がる屈曲部２ｂとを交互に繰り返しながら第２伝熱管４側に巻き込む渦巻き状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１流体と第２流体との間で熱交換を行うための熱交換器、特にヒートポンプ式給湯機に好適な熱交換器に関する。

従来のヒートポンプ式給湯機、空調機、床暖房装置などにおいては、２種類の流体（例えば水と冷媒、空気と冷媒）の間で熱交換を行うための熱交換器が使用されている。

例えば、特許文献１の図２および図３には、水を流すための１本の水用円管と冷媒を流すための２本の冷媒用円管とが全長に亘って密着されるとともに、これらの円管がトラック巻形状に形成された熱交換器が記載されている。また、特許文献１では、水用円管および冷媒用円管をトラック巻形状に形成する具体的な方法が図５および図６に図示されており、それらの図からは、互いに離間する一対の半円状の規制具に、冷媒用円管が密着された水用円管を何重にも巻き回していくことが読み取れる。
特開２００６−１６２２０４号公報

しかしながら、前記のようにトラック巻形状を有する、換言すれば互いに対向するように平行に配置された一対の直線状部分と、これらの直線状部分の端部同士を結ぶように１８０°曲がる一対の半円弧状部分とを有する熱交換器では、半円弧状部分の外側に略直角三角形状の大きなデッドスペースが形成され、これが専有面積の増加要因となっている。

従来、その他にも様々なタイプの熱交換器が提案されているが、いずれも依然として改良の余地がある。本発明は、より一層の小型化が可能な熱交換器を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、互いに接触する状態で一方向に配列された、第１流体を流すための複数本の第１伝熱管と、前記複数本の第１伝熱管の片側に、前記一方向で隣り合う前記第１伝熱管の双方に接触するように前記第１伝熱管に沿って配置された、前記第１流体と熱交換する第２流体を流すための第２伝熱管と、で構成された伝熱管群を備え、前記伝熱管群は、直線部と一定の曲げ半径で略９０°曲がる屈曲部とを交互に繰り返しながら前記第２伝熱管側に巻き込む渦巻き状に形成されている、熱交換器を提供する。

前記の構成によれば、伝熱管群が略矩形の渦巻き状に形成されていて、そのコーナーに位置する屈曲部の曲げ半径が一定になっているので、トラック巻形状と比較すると最外周に位置する屈曲部の曲げ半径が格段に小さくなる。このため、熱交換器の外側に形成されるデッドスペースを小さく抑えることができる。また、トラック巻形状と違って、内周部の曲げ半径を小さくしなくてすむので、内周部のデッドスペースも小さくできる。しかも、屈曲部の曲げ半径が一定であることで、加工性も良好である。さらに、第２伝熱管のそれぞれは隣り合う第１伝熱管の双方に接触しているので、それらの間での熱移動が良好に行われうる。従って、本発明によれば、同程度の性能を有する従来の熱交換器に比べて、小型化された熱交換器を提供することが可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、ヒートポンプ式給湯機などの機器に使用される、二酸化炭素または代替フロンなどの冷媒と水との間で熱交換を行うための熱交換器を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば水と水（湯）との間で熱交換を行うための熱交換器、あるいはヒートポンプサイクルにおける高温冷媒と低温冷媒との間で熱交換を行うための内部熱交換器などにも適用可能である。

図１および図２に示すように、本発明の一実施形態に係る熱交換器１は、フラットな長方形板状を呈するような渦巻き状に形成された伝熱管群２を備えている。この伝熱管群２は、複数本（図例では４本）の第１伝熱管３と複数本（図例では３本）の第２伝熱管４とが略全長に亘って互いに接触した状態で接合されて一体化されることにより構成されている。そして、第１伝熱管３内を比較的低温の水（第１流体）が流れ、第２伝熱管４内を比較的高温の冷媒（第２流体）が流れることにより、水と冷媒との間で熱交換が行われて水が冷媒によって加熱される。

第１伝熱管３および第２伝熱管４は、銅、銅合金、ＳＵＳなどの良好な熱伝導性を有する金属で構成されうる。第１伝熱管３および第２伝熱管４としては、円形管が好適に用いられる。

第１伝熱管３は、図４に示すように、互いに接触する状態で中心軸方向と直交する一方向（以下、「配列方向」という。）に一列に配列されている。そして、配列方向で隣り合う第１伝熱管３同士の間には、双方の第１伝熱管３の外周面によって凹部９が形成されている。第１伝熱管３の外径Ｄ₁は、例えば５〜７ｍｍである。なお、隣り合う第１伝熱管３同士も相互に接合されている。

第２伝熱管４は、配列された４本の第１伝熱管３の片側（第１伝熱管３に対して配列方向と直交する方向の一方側）に、配列方向と同方向に配列されている。第２伝熱管４のそれぞれは、凹部９に嵌め込まれることにより、配列方向で隣り合う第１伝熱管３の双方に接触するように第１伝熱管３に沿って配置されている。すなわち、第１伝熱管３と第２伝熱管４は、千鳥状に配置されている。第２伝熱管４の外径Ｄ₂は、例えば４〜６ｍｍである。

ここで、第１伝熱管の外径Ｄ₁および第２伝熱管の外径Ｄ₂は、０．７Ｄ₁≦Ｄ₂≦Ｄ₁の関係を満たすように設定されていることが好ましい。各伝熱管が上記範囲内であるとき、熱交換器重量が最小となる。

第１伝熱管３同士の接合および第１伝熱管３と第２伝熱管４との接合は、ロウ付け、はんだ付け、または熱伝導性接着剤などによって行うことができる。このような接合剤を用いた接合を行うようにすれば、第１伝熱管３と第２伝熱管４との接合面積が大きくなり、有効伝熱面積を大きく確保することができる。なお、第１伝熱管３と第２伝熱管４とを例えば熱収縮チューブでまとめて束ねることによって第１伝熱管３同士および第１伝熱管３と第２伝熱管４とを接合することも可能である。

伝熱管群２は、図１および図２に示すように、直線部２ａと略９０°滑らかに曲がる四半円弧状の屈曲部２ｂとを交互に繰り返しながら第２伝熱管４側に巻き込む略矩形の渦巻き状に形成されている。すなわち、伝熱管群２が周回する各周ごとに見ると、第１伝熱管３が外側に位置し、第２伝熱管４が内側に位置している。このような伝熱管群２を形成するには、例えば、予め第１伝熱管３および第２伝熱管を個々に略矩形の渦巻き状を呈するように同一平面上で曲げ加工しておいて、これらの第１伝熱管３および第２伝熱管４を交互に積層し、この積層体を溶融状態の上述したような接合剤に浸けるなどすればよい。あるいは、直線状の第１伝熱管３および第２伝熱管４を接合した後に、この接合体を第２伝熱管４側（前記の配列方向と直交する方向）に曲げ加工するようにしてもよい。

伝熱管群２における隣り合う外側周回部分と内側周回部分との間、すなわち外側から数えてｎ（ｎは自然数）周目の部分とｎ＋１周目の部分との間には、隙間Ｓ（図３および図４参照）が形成されていることが好ましい。ただし、このような隙間Ｓが形成されないように、ｎ周目の部分における第２伝熱管４がｎ＋１周目の部分における第１伝熱管３の外周面によって形成された外側の凹部に嵌り込んでいてもよい。このようになっていれば、第１伝熱管３と第２伝熱管４との接触点数を略２倍に増やすことができるが、その一方で伝熱管群２における隣り合う外側周回部分と内側周回部分との間で直接的な熱移動が行われるようになる。これに対し、隙間Ｓが形成されていれば、伝熱管群２における隣り合う周回部分同士の間での直接的な熱移動を防止することができる。なお、伝熱管群２における隣り合う外側周回部分と内側周回部分との間には、隙間Ｓを確保するために、例えば銅管または樹脂シートなどがスペーサとして適所に配置されていてもよい。

また、図３に示すように、第２伝熱管群２における屈曲部２ｂの曲げ半径（正確には第２伝熱管４の曲げ半径）Ｒは、全て一定となっている。このようになっていれば、曲げ加工する際に用いる治具の種類を少なくすることができ、加工性がよくなる。

本実施形態では、水が第１伝熱管３内を伝熱管群２の渦巻き状の外周側から中心側に向かって流れ、冷媒が第２伝熱管４内を伝熱管群２の渦巻き状の中心側から外周側に向かって流れるようになっている。このようになっていれば、水と冷媒が対向流を形成するため、熱交換が効率的に行われるようになる。

具体的には、伝熱管群２の渦巻き状の中心側には、第１流出口部材６と第２流入口部材７とが配置され、伝熱管群２の渦巻き状の外周側には、第１流入口部材５と第２流出口部材８とが配置されている。各部材５〜８は、前記の配列方向に延びる直方体状をなしており、長手方向の端面の一方（図１では上側の端面）に開口する内部空間５１，６１，７１，８１を有している。そして、全ての第１伝熱管３の一端３１が第１流出口部材６の一側面に接続され、全ての第１伝熱管３の他端３２が第１流入口部材５の一側面に接続されている。また、全ての第２伝熱管４の一端４１が第２流入口部材７の一側面に形成され、全ての第２伝熱管４の他端４２が第２流出口部材８の一側面に接続されている。すなわち、第１流入口部材５が各第１伝熱管３内に水を導く水の流入口を形成し、第１流出口部材６が各第１伝熱管３内を流れた水をまとめて排出する水の流出口を形成している。また、第２流入口部材７が各第２伝熱管４内に冷媒を導く冷媒の流入口を形成し、第２流出口部材８が各第２伝熱管４内を流れた冷媒をまとめて排出する冷媒の流出口を形成している。

以上説明したように、本実施形態の熱交換器１では、伝熱管群２が略矩形の渦巻き状に形成されていて、そのコーナーに位置する屈曲部２ｂの曲げ半径Ｒが一定になっているので、トラック巻形状と比較すると最外周に位置する屈曲部２ｂの曲げ半径が格段に小さくなる。このため、熱交換器１の外側に形成されるデッドスペースを小さく抑えることができる。これを別の側面から見れば、本実施形態の構成では、トラック巻形状と異なり、渦巻き状の外周側から中心側に向かっても屈曲部２ｂの曲げ半径は小さくならない。このため、渦巻き状の中心付近まで伝熱管群２を配置することができ、これにより中心付近のデッドスペースを小さくすることができる。しかも、屈曲部２ｂの曲げ半径Ｒが一定であることで、加工性も良好である。さらに、第２伝熱管４のそれぞれは隣り合う第１伝熱管３の双方に接触しているので、それらの間での熱移動が良好に行われうる。従って、本実施形態の熱交換器１では、同程度の性能を有する従来の熱交換器に比べて、小型化された熱交換器を提供することが可能である。

さらには、伝熱管群２を構成する第１伝熱管３および第２伝熱管４が共に複数本配列されているので、これらの伝熱管３，４として小さなサイズの管を用いることができる。このため、渦巻き状に形成された伝熱管群２の屈曲部２ｂの曲げ半径Ｒを小さく抑えることができ、屈曲部２ｂによって熱交換器１の外側に形成される略直角三角形状のデッドスペースをさらに小さく抑えることができる。

また、伝熱管群２が第２伝熱管４側に巻き込む形状に形成されていて熱交換器１の外側を向く周壁面が第１伝熱管３で構成されており、この第１伝熱管３内を冷媒と比較して温度が低い被加熱流体である水が流れるようになっているので、外部への放熱ロスを抑えることができる。

さらに、本実施形態では、伝熱管群２の渦巻き状の外周側に第１流入口部材５および第２流出口部材８が配置され、伝熱管群２の渦巻き状の中心側に第１流出口部材６および第２流入口部材７が配置されている。換言すれば、第１伝熱管３内を比較的低温の水が渦巻き状の外周側に位置する他端３２から渦巻き状の中心側に位置する一端３１に向かって流れ、第２伝熱管４内を比較的高温の冷媒が渦巻き状の中心側に位置する一端４１から渦巻き状の外周側に位置する他端４２に向かって流れるようになっている。すなわち、熱交換器１を全体的に見れば、水および冷媒は共に熱交換器１の周縁から中心へ向かって温度が高くなるように流れるため、外部への放熱量が多くなる高温部を小さな面積で配置することができ、放熱ロスがより効果的に抑えられる。しかも、水は温度が高くなると粘性が低下するので、渦巻き状の中心に向かうにつれて温度が高くなるように水が流れる構成は、圧損の観点からも好ましい。

このような熱交換器１は、ヒートポンプ式給湯機２００に好適に用いられる。図５に、本実施形態の熱交換器１を含むヒートポンプ式給湯機２００を示す。このヒートポンプ式給湯機２００は、ヒートポンプユニット２０１と、タンクユニット２０３とを有する。タンクユニット２０３は、ヒートポンプユニット２０１で作られた湯を貯える貯湯タンク２０２を有しており、貯湯タンク２０２に貯えられた湯は給湯栓２０４に供給される。ヒートポンプユニット２０１は、冷媒を圧縮する圧縮機２０５、冷媒を放熱させる放熱器２０７、冷媒を膨張させる膨張弁２０９、冷媒を蒸発させる蒸発器２１１、およびこれらの機器をこの順序で接続する冷媒管２１３を備えている。そして、放熱器２０７として本実施形態の熱交換器１が用いられている。なお、ヒートポンプユニット２０１では、膨張弁２０９に代えて、冷媒の膨張エネルギーを回収可能な容積式膨張機が用いられていてもよい。

本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１伝熱管３および第２伝熱管４の本数および直径は、熱交換器１に求められる性能や第１流体および第２流体の種類に応じて適宜選定すればよい。ただし、第２伝熱管４の本数は、第１伝熱管３の本数よりも１本少ないことが好ましい。例えば、第１伝熱管３を２本、第２伝熱管４を１本とすることも可能である。また、例えば第１流体および第２流体が共に水であって水同士の間で熱交換を行う場合は、Ｄ₁＝Ｄ₂であることが好ましい。

また、伝熱管群２が周回する周回数や渦巻き状の大きさも適宜決定可能である。

本発明の熱交換器は、ヒートポンプの熱交換器、特にヒートポンプ式給湯機用の熱交換器として有用である。また、本発明は、液体同士または気体同士の熱交換を行うための熱交換器にも適用できる。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の斜視図 図１に示す熱交換器の平面図 図２の要部拡大図 図２のIV−IV線に対応する要部拡大断面図 図１に示す熱交換器を含むヒートポンプ式給湯機の構成図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 伝熱管群
２ａ 直線部
２ｂ 屈曲部
３ 第１伝熱管
３１ 一端
３２ 他端
４ 第２伝熱管
４１ 一端
４２ 他端
５ 第１流入口部材
６ 第１流出口部材
７ 第２流入口部材
８ 第２流出口部材
９ 凹部

Claims (8)

1. 互いに接触する状態で一方向に配列された、第１流体を流すための複数本の第１伝熱管と、
   前記複数本の第１伝熱管の片側に、前記一方向で隣り合う前記第１伝熱管の双方に接触するように前記第１伝熱管に沿って配置された、前記第１流体と熱交換する第２流体を流すための第２伝熱管と、で構成された伝熱管群を備え、
   前記伝熱管群は、直線部と一定の曲げ半径で略９０°曲がる屈曲部とを交互に繰り返しながら前記第２伝熱管側に巻き込む渦巻き状に形成されている、熱交換器。
2. 前記伝熱管群における隣り合う外側周回部分と内側周回部分との間には、隙間が形成されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記複数本の第１伝熱管および前記第２伝熱管は共に円形管であり、前記第１伝熱管の外径をＤ₁、前記第２伝熱管の外径をＤ₂としたときに、０．７Ｄ₁≦Ｄ₂≦Ｄ₁の関係を満たす、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記第２伝熱管は、前記一方向で隣り合う前記第１伝熱管の外周面によって形成された凹部に嵌り込んでいる、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記第１流体は、前記第２流体によって加熱されるものである、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記第１流体は、前記第１伝熱管内を前記渦巻き状の外周側から中心側に向かって流れ、前記第２流体は、前記第２伝熱管内を前記渦巻き状の中心側から外周側に向かって流れる、請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記渦巻き状の中心側に配置され、前記複数本の第１伝熱管の一端が接続されて前記第１流体の流出口を形成する第１流出口部材と、
   前記渦巻き状の外周側に配置され、前記複数本の第１伝熱管の他端が接続されて前記第１流体の流入口を形成する第１流入口部材と、
   前記渦巻き状の中心側に配置され、前記第２伝熱管の一端が接続されて前記第２流体の流入口を形成する第２流入口部材と、
   前記渦巻き状の外周側に配置され、前記第２伝熱管の他端が接続されて前記第２流体の流出口を形成する第２流出口部材と、をさらに備える、請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記第１流体は水であり、前記第２流体は冷媒である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。

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