JP2009264644A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の管長を延長させることなく、熱交換性能の優れた管式熱交換器を提供する。
【解決手段】冷媒二重管２を構成する内管４の内表面に設けた凸部７により、二酸化炭素に対する伝熱面積の拡大と内表面近傍の流れを乱し、二酸化炭素の主流との温度境界層を攪乱させて、二酸化炭素全体の熱を効率よく冷媒二重管２を介して水に熱伝達する。特に、凸部７を冷媒二重管２の管軸方向に直交する断面で１８０度毎に２個ずつ設け、さらに冷媒二重管２の管軸方向では９０度ずつ周方向に位置をずらして配置することにより、凸部７が冷媒二重管２の管軸方向に直交する断面で互いに隣り合わない位置となるように配置することができ、凸部７による内管４の実効内径の縮小を抑え、二酸化炭素の圧力損失の増加と、二酸化炭素と水の温度差が小さくなることを抑えることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は空調装置、給湯装置等の機器に用いられ、特にヒートポンプ式の給湯機等のように、水等の流体と冷媒等の二種の流体を熱交換させるための熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、内部に冷媒用流路が形成された内管と、内管の外側に設けられ内管との間に水用流路を形成する外管とから構成された二重管式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１３、図１４は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。

図１３、図１４に示すように、この熱交換器１０１は、二重管式の熱交換器であり、内部を冷媒用流路１０２とする内管１０３と、内管１０３の外側に設けられ、内管１０３との間に水用流路１０４を形成する銅製の外管１０５とから構成され、この熱交換器１０１の場合は、内管１０３が２本設けられている。

内管１０３は、銅製の冷媒管１０６と、冷媒管１０６の外周に設けられた銅製の漏洩検知管１０７とから構成され、冷媒管１０６を拡管するか、或いは、漏洩検知管１０７を縮管することにより、冷媒管１０６と漏洩検知管１０７を密着している。

また、漏洩検知管１０７の内面には、配管方向に沿って多数の漏洩検知溝１０８が形成されており、漏洩検知溝１０８内には空気層が形成されている。さらに、漏洩検知溝１０８は外部に設けられた漏洩検知センサー（図示せず）に接続されており、内管１０３または外管１０５から漏洩した冷媒、あるいは水は、漏洩検知溝１０８を介して外部に漏出し、前記漏洩検知センサーにより検知されるようになっている。

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。

熱交換器１０１は、内管１０３と外管１０５の二重管により形成され、内管１０３の外周を水が流れ、冷媒管１０６内を冷媒が流れるもので、熱伝導性の良い銅製で且つ密着された冷媒管１０６と漏洩検知管１０７を介して冷媒と水が熱交換されるようになっている。

そのため、内管１０３と水の接触面積が大きく確保でき、熱交換効率を向上させることができる。また、例え、腐食等により冷媒管１０６や漏洩検知管１０７に孔（ピンホール）や亀裂が生じ、冷媒や水が漏洩したとしても、その漏洩を、漏洩検知溝１０８を介して確実に検知することができる。

さらに、冷媒と水との間には、冷媒管１０６と漏洩検知管１０７により二重に境界壁が形成されており、いずれか一方に孔や亀裂等の欠陥が発生したとしても、冷媒と水が互いに混入し合うおそれがない。したがって、熱交換器１０１の信頼性を高く維持することができる。また、熱交換器１０１が二重管式となっているため、曲げ加工が容易にでき、製造コストの低減化が可能となると共に、コンパクト化を図ることができる。
特開２００５−６９６２０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、内管１０３の外表面積全体を水と接触する水側の伝熱面積とすることができるので、フィン効率が非常に高く、水側の熱抵抗を小さくすることができる反面、冷媒側は、漏洩検知管１０７内に内包される冷媒管１０６の外表面積が伝熱面積となるため、単なる円管では冷媒側の熱抵抗が小さくできず、内管１０３内を流れる冷媒と、内管１０３と外管１０５の間を流れる水との熱交換性能を向上させるためには、熱交換器の内管１０３、外管１０５を共に延長させる等して熱交換器１０１の容量、重量を増加させ、性能を向上させねばなら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、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換性能を向上させることができる管式の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、本発明の熱交換器は、内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ前記第１の管内に複数配設された第２の管を具備する熱交換器であって、前記第２の管の内表面に多数の凸部を設け、前記多数の凸部における相互の位置関係を、前記第２の管にける軸方向と直交する断面において、隣り合う凸部の各中心軸が軸方向投影面内で合致しない位置となるように配置したものである。

この構成によって、特に前記流体Ｂが流体Ａより高温の場合、前記第２の管の内表面に設けた凸部により、流体Ｂに対する伝熱面積の拡大と、流体Ｂにおける第２の管の内表面近傍の流れを乱れさせることができるものである。したがって、伝熱面積の拡大によって熱交換性能の向上が図れ、また、流体Ｂの第２の管の内表面近傍の流れを乱すことにより、流体Ｂにおける主流との温度境界層を攪乱させ、流体Ｂ全体の熱を効率よく第２の管を介して流体Ａに伝達することができる。

また、前記凸部を、第２の管の軸方向と直交する断面において、隣り合う凸部の各中心軸が軸方向投影面内で合致しない位置となるように配置することで、凸部による第２の管の実効内径の縮小を抑えることができる。その結果、流体Ｂの圧力損失の増加に伴う密度、熱伝導率等の熱物性の低下を抑え、流体Ｂと流体Ａの温度差が小さくなることを極力抑えることができる。

特に、本発明の熱交換器を例えばヒートポンプ式給湯機用として、水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器として用い、前記流体Ｂとして冷媒に二酸化炭素を使用したような場合、流体Ｂの二酸化炭素は超臨界状態で動作し、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態で作動する。したがって、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

本発明における管式の熱交換器は、第２の管の内表面に設けた凸部を、前記第２の管の軸方向と直交する断面において、互いに隣り合わない位置となるように配置したことにより、流体Ｂの圧損の増加を極力抑えつつ伝熱面積を増加させることができ、また、前記凸部の形成によって流体Ｂの流れを乱し、流体Ｂ全体の熱を効率よく第２の管を介して流体Ａに伝達させることができる。したがって、熱交換器の管長を延長させることなく、熱交換性能を向上させることができる。

請求項１に記載の発明は、内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ前記第１の管内に複数配設された第２の管を具備する熱交換器であって、前記第２の管の内表面に多数の凸部を設け、前記多数の凸部における相互の位置関係を、前記第２の管における軸方向と直交する断面において、隣り合う凸部の各中心軸が軸方向投影面内で合致しない位置となるように配置したものである。

この構成によって、前記第２の管の内表面に設けた凸部により流体Ｂに対する伝熱面積を拡大させることができ、また、前記凸部によって前記第２の管の内表面近傍を流れる流体Ｂの流れを乱すため、流体Ｂの主流との温度境界層が攪乱され、流体Ｂ全体の熱を効率よく第２の管を介して流体Ａに熱伝達することができる。

また、前記凸部における相互の位置関係を、前記第２の管における軸方向と直交する断面において、隣り合う凸部の各中心軸が軸方向投影面内で合致しない位置とすることにより、前記凸部を第２の管の軸方向と直交する断面において互いに隣り合わない位置に配置することができ、その結果、凸部により流体Ｂが流れる第２の管の実効内径が縮小するのを抑えることができる。したがって、流体Ｂにおける圧力損失の増加および、密度、熱伝導率等の熱物性の低下をそれぞれ抑えることができ、局所で熱交換作用が促進されてしまい、流体Ｂと流体Ａの温度差が小さくなることを極力抑えることができる。

かかる熱交換器は、例えば、ヒートポンプ式給湯機用の熱交換器のように、水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器において、冷媒に、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態（超臨界状態）で作動する二酸化炭素を用いた場合に大きな効果が期待できる。

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、前記第２の管の内径をｄ１、凸部の最大高さをｈ１としたときの前記凸部の最大高さと前記第２の管の内径の比（ｈ１／ｄ１）を、０．０８〜０．２５の範囲としたもので、かかることにより、前記流体Ｂの圧損の増加を抑えながら、熱伝達率向上のバランスを適正化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記凸部を、前記第２の管の少なくとも軸方向において所定のピッチで連続して設け、前記凸部の軸方向の長さをＬ１とし、凸部の軸方向のピッチをＰ１としたときの前記凸部の軸方向の長さと前記凸部の軸方向のピッチの比（Ｌ１／Ｐ１）を、０．３〜０．９５の範囲としたもので、かかることにより、前記凸部による第２の管の実効内径の縮小を極力抑え、第２の管内を流れる流体Ｂの圧損の増加を極力抑えつつ、熱伝達率向上のバランスを最適化することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記複数本の第２の管を、相互に絡めて螺旋状にねじり合わせる構成としたものである。

かかる構成とすることにより、前記第１の管の壁面近傍まで流体Ａの流れが旋回する乱流になり、流体Ａ全体の熱を拡散することができる。これにより、熱交換性能をさらに向上することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記第２の管を、外管、および該外管内面と熱的に密着した内管からなる二重管とし、前記外管と内管の密着面の一部に、軸方向に延びる隙間を設けたものである。

かかる構成とすることにより、前記隙間を介して漏出する流体Ａまたは流体Ｂの漏洩を検知することができ、安全性を高めることができる。また、流体Ａと流体Ｂの間を二重壁とすることにより、一方の流体が漏出した場合であっても両流体の混合がし難く、さらに、一部に隙間を有する熱的に密着した二重管であるため、熱抵抗を小さく保つことができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前記第２の管の該表面に、該第２の管の径方向に凹む凹部を少なくとも軸方向に多数設けたものである。

かかる構成とすることにより、前記第２の管の外表面に設けた多数の凹部によって流体Ａに対する伝熱面積を拡大させ、また、第２の管の外表面近傍を流れる流体Ａの流れを乱すことができる。その結果、これらによって流体Ａにおける主流との温度境界層を攪乱させることができ、流体Ａの熱を主流側に拡散することができる。したがって、流体Ａと流体Ｂの熱交換作用を活性化し、熱交換性能を向上することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明において、前記第１の管に、前記流体Ａの流入口と流出口を設け、前記第２の管に、前記流体Ｂの流入口と流出口を設け、さらに、前記第１の管を流れる流体Ａと、前記第２の管を流れる流体Ｂの流れが対向する流れとなるように前記第１の管、第２の管における流入部と流出口を定めたものである。

かかる構成とすることにより、前記流体Ａと流体Ｂの対向流に伴って流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくすることができ、その結果、熱交換量を大きくすることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の発明において、流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたもので、かかることにより、例えばヒートポンプ式給湯機用として、水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器として用いた場合、前記二酸化炭素は超臨界状態で動作し、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態で作動するため、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

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。なお、この実施の形態によって本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における管式熱交換器の平面図である。図２は、同熱交換器における水管の一部を切除した斜視図である。図３は、同熱交換器における水管の断面構造を示す図２のＡ−Ａ線による断面図である。図４は、同熱交換器を構成する冷媒二重管の径方向での断面図である。図５は、同冷媒二重管の一部を軸方向において切欠いた平面図である。図６は、同熱交換器における冷媒二重管の内管の内径ｄ１に対する凸部の最大突起高さｈ１の影響を示す特性図である。図７は、同熱交換器における冷媒二重管に設けた凸部の軸方向のピッチＰ１に対する凸部の軸方向の長さ（幅）Ｌ１の影響を示す特性図である。

図１から図５において、熱交換器１は、内部を水（本発明の流体Ａに相当）が流れる水管（本発明の第１の管に相当）６と、水管６の内部に配置された２本（複数）の冷媒二重管（本発明の第２の管に相当）２を具備している。冷媒二重管２は、内面に漏洩検知溝５（本発明の隙間に相当）を持つ銅製の外管３と銅製の内管４が相互に熱的に密着した二重壁を持つ構造であり、内管４の内部を二酸化炭素（本発明の流体Ｂに相当）が流動する。前記２本の冷媒二重管２は、図２および図６に示す如く互いに螺旋状にねじり合わされ、その螺旋の中心が、水管６の軸心とほぼ同軸となるように水管６に内包されている。したがって、水管６内において、冷媒二重管２との間を前記水が流動する。

ここで、冷媒二重管２を構成する内管４の内表面には、径方向に突出する凸部７が多数設けられている。この凸部７は、図４、図５に示す如く、冷媒二重管２の軸方向と直交する断面において、周方向に１８０°の間隔を設けて２個設けられ、さらにこの相対する関係にある凸部７、７が冷媒二重管２の軸方向において所定のピッチＰ１毎に設けられている。特に、相対する関係にある凸部７、７は、軸方向に所定ピッチＰ１進む毎に９０°周方向に位置をずらした配置となっている。

また、熱交換器１は、図１に示すように、渦巻き状に形成された水管６を積層してコイル状に構成され、その両端に冷媒二重管２の流入口９ａ、流出口９ｂと、水管６の流入口１０ａ、流出口１０ｂがそれぞれ設けられている。そして、冷媒二重管２の流入口９ａから二酸化炭素（冷媒）が、また水管６の流入口１０ａから水がそれぞれ流入する。ここで、各流入口９ａ、１０ａは、前記二酸化炭素の流れと水の流れが対向する流れとなるように方向付けて設けられている。

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。

それぞれの流入口９ａ、１０ａから冷媒である二酸化炭素と二次冷媒である水が流入することにより、冷媒二重管２の内部をヒートポンプの冷媒である二酸化炭素が流動し、水管６の内部における冷媒二重管２との間の環状部を水が流れる。これらの流れ方向は、前述の如く流入口９ａ、１０ａと流出口９ｂ、１０ｂの方向付けにより対向して流れ、外管３と内管４で形成される二重壁を介して二酸化炭素と水が熱交換する。

また、二酸化炭素と水の間において、外管３の内面には漏洩検知溝５が設けられているため、万が一二酸化炭素と水のいずれかが漏洩検知溝５を介して漏出した場合であっても、検知センサー（図示せず）にてその漏洩を検知することが可能なように構成されている。したがって、安全性を確保する二重壁を備えつつ十分な接触面積を確保することができるため、外管３と内管４の二重壁を介して高い熱伝導性を得ることができる。

しかも、冷媒二重管２の二酸化炭素と水管６の水の流れが対向流となっているため、効率のよい熱交換を実現することができ、例えば、ヒートポンプ式給湯機用として、水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器として用いた場合、二酸化炭素は超臨界状態で動作し、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態で作動する。したがって、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

さらに、冷媒二重管２を構成する内管４の内表面に多数設けた凸部７により、二酸化炭素に対する伝熱面積を拡大させることができ、また、その凸部７の起伏によって二酸化炭素における内管４の内表面近傍の流れを乱すため、二酸化炭素の主流との温度境界層を攪乱することができ、その結果、二酸化炭素全体の熱を効率よく冷媒二重管２を介して水に熱伝達することができる。

また、凸部７は、冷媒二重管２の軸方向と直交する断面において、周方向に１８０°の間隔を設けて２個設けられ、さらにこの相対する関係を維持しつつ冷媒二重管２の軸方向に中心軸を基線とする所定のピッチＰ１で連続して設けられている。また、凸部７は、所定ピッチ進む毎に９０°周方向に位置をずらして配置されているため、凸部７が冷媒二重管２の軸方向において連続して重なることがない配置構成となっている。

したがって、凸部７の多数の形成に伴う内管４の実効内径の縮小を抑制することができ、前記実効内径の縮小に伴う二酸化炭素の圧力損失の増加、および密度、熱伝導率等の熱物性の低下を抑え、二酸化炭素と水の温度差が小さくなることを極力抑えることができる。

また、２本の冷媒二重管２が互いに螺旋状にねじり合わされているため、水管６内を流れる水は、水管６の内壁面近傍まで旋回する乱流になり、水全体に熱が拡散され、冷媒二重管２から水への熱伝達性を向上させることができる。

上述の如く、冷媒二重管２内を流れる二酸化炭素、および水管６内を流れる水を乱流させ、熱の分散効果を得て熱交換効率の向上を図ることができるため、熱交換器１の水管６の管長を延長させることなく、熱交換性能をさらに向上させることができる。

次に、図６および図７に基づき、上記構成の熱交換器１における内管４に設けた凸部７の最大突起高さ寸法ｈ１と内管４の内径寸法ｄ１との関係、および内管４に設けた凸部７の軸方向の長さ（幅）寸法Ｌ１と凸部７の軸方向のピッチＰ１の関係について説明する。

図６は、内管４に設けた凸部７の最大突起高さ寸法ｈ１と内管４の内径寸法ｄ１との関係を示す特性図である。図７は、内管４に設けた凸部７の軸方向の長さ（軸方向幅）寸法Ｌ１と凸部７の軸方向のピッチＰ１の関係を示す特性図である。

尚、図６、図７は、内管４の内径ｄ１が概ねφ４〜φ２（単位ｍｍ）で、水管６が水の流入口１０ａから流出口１０ｂに亘り２本、あるいは、流出口１０ｂ側で部分的に１本となるように構成された熱交換器１のＪＲＡ４０５０（２００７年３月２８日改正）に準拠した評価条件での特性である。

まず、凸部７の最大突起高さ寸法ｈ１と内管４の内径ｄ１の比ｈ１／ｄ１について説明する。

図６で示すように、凸部７の最大突起高さ寸法ｈ１と内管４の内径ｄ１の比ｈ１／ｄ１が増加すると、内管４の内表面の伝熱面積が拡大すると共に、凸部７の最大突起高さと内管４の内表面ベース部の段差が大きいことに起因して内管４を流れる二酸化炭素の内表面近傍の流れを乱す作用が増加する。その結果、凸部７が無い場合の熱伝達率α０に対する凸部７を施した場合の熱伝達率αｈの増加率αｈ／α０が大きくなる。

その反面、凸部７が無い場合の圧損△Ｐ０に対する凸部７を施した場合の圧損△Ｐｈの増加率△Ｐｈ／△Ｐ０も大きくなる。

したがって、これらの相乗作用によるものの、ある範囲を超えると二酸化炭素の密度、熱伝導率等の熱物性が低下し、二酸化炭素の温度が低下してしまう。これらのことから、凸部７の最大突起高さ寸法ｈ１と内管４の内径ｄ１の比ｈ１／ｄ１は、加熱能力が向上する範囲である０．０８〜０．２５の間に設定することが望ましい。

次に、凸部７における冷媒二重管２の軸方向の長さ寸法Ｌ１と軸方向のピッチＰ１の比Ｌ１／Ｐ１について説明する。

図７で示すように、凸部７における冷媒二重管２の軸方向の長さ寸法Ｌ１と軸方向のピッチＰ１の比Ｌ１／Ｐ１を増加すると、内管４の内表面の伝熱面積が拡大すると共に、内管４を流れる二酸化炭素の内表面近傍の流れを乱す作用も生じ、凸部７が無い場合の熱伝達率α０に対する凸部７を施した場合の熱伝達率αＬの増加率αＬ／α０が大きくなる。

一方、凸部７における冷媒二重管２の軸方向の長さ寸法Ｌ１と軸方向のピッチＰ１の比Ｌ１／Ｐ１が増加すると、内管４の実効内径が小さくなり、合わせて凸部７が無い場合の圧損△Ｐ０に対する凸部７を施した場合の圧損△ＰＬの増加率△ＰＬ／△Ｐ０も大きくなる。

そのため、この場合も二酸化炭素の密度、熱伝導率等の熱物性が低下し、二酸化炭素の温度が低下してしまう。これらのことから、凸部７における冷媒二重管２の軸方向の長さ寸法Ｌ１と軸方向のピッチＰ１の比Ｌ１／Ｐ１は、加熱能力が向上する範囲である０．３〜０．９５の間に設定することが望ましい。

尚、本発明の実施の形態１では、凸部７を、冷媒二重管２の軸方向と直交する方向、即ち、周方向において１８０°の間隔を設けて２個設け、さらにこの相対する関係にある凸部７を、冷媒二重管２の軸方向において所定のピッチＰ１毎に連続して設け、さらに、相対する関係にある凸部７を、軸方向に所定のピッチＰ１進む毎に９０°周方向に位置をずらした配置としたが、周方向の関係を維持しつつ、冷媒二重管２の軸方向において隣り合う凸部７が重ならないように千鳥状、あるいはスパイラル状に配置する構成としても同様の作用効果が期待できる。

また、凸部７は、連続して設ける構成であるが、例えば、水管６と冷媒二重管２を湾曲させる部分のように、流通抵抗が大きくなるような箇所は凸部７を設けない、所謂部分的に凸部７を削除した構成とすることもできる。

さらに、本実施の形態１においては、凸部７を、径方向において所定の幅寸法Ｗ（図４）を有する緩やかな形状としたが、上述の如く、軸方向において隣り合う凸部７の中心軸Ｏ１、Ｏ２が重ならない配置構成であれば、幅寸法Ｗを若干大きく、あるいは小さくした構成としても同様の作用効果が期待できる。

また、中心軸Ｏ１、Ｏ２は９０°を維持した配置となっているが、冷媒二重管２の軸方向に進むにつれてその角度が徐々に小さくなるように凸部７を配置することにより、上述の如くスパイラル状の配置が可能となり、また冷媒二重管２の軸方向に進むにつれてその角度が、例えば９０°と４５°を繰り返す配置とすることにより、上述の如く凹部７の千鳥状の配置が可能となる。

さらに、本実施の形態１では、冷媒二重管２の外管３、内管４、水管６を銅製として説明したが、真鍮、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得ることができる。

また、本実施の形態１では、冷媒二重管２内を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、水管６の本数や、水管６内の冷媒二重管２の本数を増加させれば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等や地球温暖化係数が小さいフロン系冷媒でも同様の作用効果が期待できる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。図８は、本発明の実施の形態２における熱交換器の水管の一部を切除した斜視図である。図９は、同熱交換器における水管の断面構造を示す図８のＢ−Ｂ線による断面図である。図１０は、同熱交換器を構成する冷媒二重管の径方向での断面図である。図１１は、同冷媒二重管の一部を軸方向において切欠いた平面図である。図１２は、同熱交換器の製造方法を説明する製造設備の模式図である。

尚、先の実施の形態１と同一の構成要件については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

図８、図９、図１０、図１１において、先の実施の形態１と相違する点は、先の実施の形態１の構成に加えて冷媒二重管２を構成する外管３の外表面に、該外管３の径方向に凹む凹部１１を多数設けた点である。

この凹部１１は、冷媒二重管２の軸方向と直交する断面において、周方向に１８０°の間隔を設けて２個設けられ、さらにこの相対する関係を維持しつつ冷媒二重管２の軸方向に所定のピッチＰ２毎に連続して設けられている。また、相対する関係にある凹部１１は、軸方向に所定のピッチＰ２進む毎に９０°周方向に位置をずらして配置されている。

換言すると、外管３に形成した凹部１１と内管４に形成した凸部１２は、それぞれの中心軸が略一致した関係にあり、したがって、凸部１２のピッチＰ１と凹部１１のピッチＰ２は略等しい関係にある。

また、冷媒二重管２は、先の実施の形態１と同様に、内面に漏洩検知溝５を持つ外管３と内管４が相互に熱的に密着した二重壁を持つ構成であり、その２本の冷媒二重管２を互いに螺旋状にねじり合わせた状態で、かつ、その螺旋の中心が、水管６の軸心とほぼ同軸となるようにして水管６に内包されている。したがって、水管６内部と冷媒二重管２との間には、水が流動する流路が形成されている。また、２本の冷媒二重管２の螺旋のピッチＰ３は、外管３の外表面に設けた凹部１１の軸方向のピッチＰ２よりも緩やかに（大きく）設定されている。

なお、本実施の形態２における熱交換器１は、先の実施の形態１と同様に、上記水管６および冷媒二重管２のそれぞれの端部に流入口、流出口（いずれも図示せず）が設けられ、水管６内を流れる水と、冷媒二重管２内を流れる二酸化炭素（冷媒）の流れ方向が、対向する流れとなるように、前記流入口と流出口が方向付けて設けられている。

以上のように、構成された熱交換器１について、以下その動作を説明する。ここでは、水管６内の状態を主体に説明する。

水管６内は、上述の如く水が流れ、冷媒二重管２内を二酸化炭素が、前記水とは逆の方向に流れることにより、冷媒二重管２を介して二酸化炭素と水の間での熱交換が行われる。

かかる熱交換作用は、外管３の外表面の多数の凹部１１によって冷媒二重管２の伝熱面積が増加された状態にあり、また、凹部１１によって水の流れが乱された状態にある。これらの伝熱面積の増加と水の乱流により、二酸化炭素の熱は、効率よく冷媒二重管２を介して水に熱伝達されることになる。

また、２本の冷媒二重管２は、外管３の外表面に設けた凹部１１の管軸方向のピッチＰ２よりも緩やかなピッチ（螺旋ピッチ）Ｐ３で互いに螺旋状にねじり合わされているため、水管６内の水は、該水管６の内壁面近傍まで旋回する乱流になり、その結果、水全体まで熱が拡散される。

また、外管３の外表面に形成した凹部１１により螺旋状にねじり合わせた相互の接触部に水が流れる隙間（図示せず）ができるため、螺旋状に巻かれた２本の冷媒二重管２の水との有効接触面積がさらに大きくなり、水の圧力損失の増加を抑えつつ、冷媒二重管２から水への熱伝達性をさらに向上させることができる。

したがって、本実施の形態２においても熱交換器１の水管６の管長を延長させることなく、熱交換性能をさらに向上させることができる。

次に、図１２にて、本発明の第２の実施の形態における冷媒二重管２の製造方法の概略を説明する。

図１２において、設備は、周側面１３ａが円弧状に窪んだ円柱状の金型１３ｂが主体であり、周側壁１３ａには、凹部１１のピッチＰ２を形成する角度（本実施の形態２においては９０°）毎に突部１４が設けられている。そして、この金型１３ｂを、周側面１３ａが対向し、冷媒二重管２の外形（円）もしくは外形の大半を形成するように配置することにより、一対の金型装置１３としている。

前記一対の金型１３ｂで形成される円の径寸法は、冷媒二重管２を形成する基材である円筒管（外管３）の直径よりも若干小さく、すなわち、この金型１３ｂを通過した円筒管の状態が冷媒二重管２の直径となるように設定されている。

そして、一対の金型装置１３を二対設け、これらをその回転軸が直角に交差する関係に配置し、前記円筒管が一連の金型装置１３を通過することにより、所定のピッチＰ２で凹部１１が対向位置に形成されるように配置されている。

したがって、基材（冷媒二重管２に形成される前の外管３内に内管４を貫通させた状態）を、図中右から金型装置１３へ送り込み、この金型装置１３を通過させることにより、金型１３ｂに設けた突部１４によって外管３と内管４は塑性変形し、外管３の内管４との密着と、１８０°対向した凹部１１と凸部１２の形成を同時に行うことができる。

そして、さらに矢印で示す如く基材を送り込むことにより、次段の金型装置１３によって先程と同様に、外管３の内管４との密着と、１８０°対向した凹部１１と凸部１２の形成が同時に行われる。このときの凹部１１と凸部１２の形成位置は、後段の金型装置１３の回転軸が前段の金型装置１３の回転軸より９０°傾けての配置となっているため、前段の金型装置１３で形成された凹部１１、凸部１２から９０°ずれた位置となっている。

上述の如く、予め内面に漏洩検知溝５が形成された外管３内に内管４を挿入した基材を、金型装置１３へ送り込むことにより、冷媒二重管２の形成と、外管３表面の凹部１１と、内管４内面の凸部１２の形成を同時に行うことができ、伝熱性能の高い冷媒二重管２を容易に加工することができる。

なお、本実施の形態２においても先の実施の形態１と同様に凸部１２の配置を変更することができるものである。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させさせることなく、熱交換器の熱交換性能を向上させることができるもので、ヒートポンプ式給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、あるいはヒートポンプによる乾燥機能を具備した洗濯乾燥機、穀物貯蔵倉庫等のヒートポンプ機器の他に、燃料電池等の熱交換用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における管式熱交換器の平面図 同熱交換器における水管の一部を切除した斜視図 同熱交換器における水管の断面構造を示す図２のＡ−Ａ線による断面図 同熱交換器を構成する冷媒二重管の径方向での断面図 同冷媒二重管の一部を軸方向において切欠いた平面図 同熱交換器における内管に設けた凸部の最大突起高さ寸法ｈ１と内管の内径寸法ｄ１との関係を示す特性図 内管に設けた凸部の軸方向の長さ寸法Ｌ１と凸部の軸方向のピッチＰ１の関係を示す特性図 発明の実施の形態２における熱交換器の水管の一部を切除した斜視図 同熱交換器における水管の断面構造を示す図８のＢ−Ｂ線による断面図 同熱交換器を構成する冷媒二重管の径方向での断面図 同冷媒二重管の一部を軸方向において切欠いた平面図 同熱交換器の製造方法を説明する製造設備の模式図 従来例を示す熱交換器の平面図 同熱交換器の断面構造を示す図１３のＣ−Ｃ線による断面図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 冷媒二重管（第２の管）
３ 外管
４ 内管
５ 漏洩検知溝（隙間）
６ 水管（第１の管）
７ 凸部
９ａ 流入口
９ｂ 流出口
１０ａ 流入口
１０ｂ 流出口
１１ 凹部
１２ 凸部
ｄ１ 冷媒二重管の内径寸法
ｈ１ 凸部の最大高さ寸法
Ｐ１ 凸部のピッチ
Ｐ２ 凹部のピッチ
Ｐ３ 螺旋ピッチ
Ｌ１ 凸部の長さ

Claims (8)

1. 内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ前記第１の管内に複数配設された第２の管を具備する熱交換器であって、前記第２の管の内表面に多数の凸部を設け、前記多数の凸部における相互の位置関係を、前記第２の管における軸方向と直交する断面において、隣り合う凸部の各中心軸が軸方向投影面内で合致しない位置となるように配置した熱交換器。
2. 前記第２の管の内径をｄ１、凸部の最大高さをｈ１としたときの前記凸部の最大高さと前記第２の管の内径の比（ｈ１／ｄ１）を、０．０８〜０．２５の範囲とした請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記凸部を、前記第２の管の少なくとも軸方向において所定のピッチで連続して設け、前記凸部の軸方向の長さをＬ１とし、凸部の軸方向のピッチをＰ１としたときの前記凸部の軸方向の長さと前記凸部の軸方向のピッチの比（Ｌ１／Ｐ１）を、０．３〜０．９５の範囲とした請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記複数本の第２の管を、相互に絡めて螺旋状にねじり合わせる構成とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 前記第２の管を、外管、および該外管内面と熱的に密着した内管からなる二重管とし、前記外管と内管の密着面の一部に、軸方向に延びる隙間を設けた請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記第２の管の該表面に、該第２の管の径方向に凹む凹部を少なくとも軸方向に多数設けた請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 前記第１の管に、前記流体Ａの流入口と流出口を設け、前記第２の管に、前記流体Ｂの流入口と流出口を設け、さらに、前記第１の管を流れる流体Ａと、前記第２の管を流れる流体Ｂの流れが対向する流れとなるように前記第１の管、第２の管における流入部と流出口を定めた請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記流体Ａを水とし、前記流体Ｂを二酸化炭素とした請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。

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