JP2010112663A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造工程の簡素化および耐久性の向上を実現でき、熱交換性能に優れた熱交換器を提供すること。
【解決手段】第１の板材２と第２の板材３とを接合して流体Ａが流れる流路５を複数形成し、前記複数の流路５の外壁面と流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の管６とが密着する構成としたことを特徴とする熱交換器で、流体Ａが流れる流路５をプレス成形などで成型できるため、製造工程の簡素化を実現できる。また、流体Ｂが流れる管６との接触面積を大きくするように、流体Ａが流れる複数の流路５の外壁面に、少なくとも１本以上の流体Ｂが流れる管６を配設したことで、その間の接触熱抵抗を小さくすることができ、熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。
【選択図】図２

Description

本発明は空調、給湯等の機器、特にヒートポンプ式の給湯機などにおいて、水等の流体と冷媒等の２つの流体が熱交換す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が形成された外管とから構成された２重管を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１０、図１１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１０、図１１で示すように、この熱交換器１０１は２重管式の熱交換器であり、内部に冷媒用流路１０２が形成された内管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が形成された銅製の外管１０５とから構成され、本実施の形態の場合には内管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は密着されている。

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（図示せず）に接続されており、内管１０３又は外管１０５から漏洩した冷媒又は水は漏洩検知溝１０８を介して外部の漏出し、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２重管により形成され内管１０３の外周が水と、冷媒と水とが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を介して熱交換されるようになっているため、内管１０３が水との接触面積が大きくとれ、熱交換効率を向上させることできる。

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、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２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２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。

一方、水が流通する水管１０８の外周に、冷媒が流通する冷媒管１０９を螺旋状に巻きつけて伝熱を行う形態で。水側の伝熱促進や、伝熱面積の拡大を図るために、図１２に示すように水側に凸となる突起１１０の配設や、図１３に示すようにコルゲート管１１１にすることが知られている（例えば、特許文献２、３参照）。
特開２００５−６９６２０号公報 特開２００６−３１７１１４号公報 特開２００６−９０６９７号公報

しかしながら、上記従来の図１０、図１１に示すような構成では、漏洩検知管１０７の分、熱交換器の１０１の重量が増加すると共に、冷媒管１０６を漏洩検知管１０７に継ぎ目無しで挿入して製造するため、直管からの製造が必要であり、製造設備の大型化、製造工程の複雑化を免れる事ができない。

また、図１２での水管１０８で、水側に凸のなる突起１１０の配設や、図１３のコルゲート管１１１は水側の圧損を増加させることとなり、水を送るポンプの出力を増加させるという課題を有していた。

また、突起１１０の下流側や、コルゲート管１１１の隙間には加熱し水の温度が上昇するとカルシウムの溶解度が低下して水に溶けていたカルシウムが析出しやすく、析出したカルシウムが付着して水との熱伝達性能が低下し、経年変化で所定の熱交換能力が達成できない、あるいは、水の流れが閉塞して熱交換器の機能が停止する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、製造工程の簡素化および耐久性を向上を実現でき、熱交換性能に優れた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、第１の板材と第２の板材とを接合して流体Ａが流れる流路を複数形成し、前記複数の流路の外壁面と流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の管とが密着する構成としたことを特徴とするもので、流体Ａが流れる流路をプレス成形などで成型でき、また、前記複数の流路の外壁面に、少なくとも１本以上の流体Ｂが流れる管を配設したことで、製造工程の簡素化および耐久性の向上を実現でき、熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。

本発明によれば、製造工程の簡素化および耐久性の向上を実現でき、熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。

第１の発明は、第１の板材と第２の板材とを接合して流体Ａが流れる流路を複数形成し、前記複数の流路の外壁面と流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の管とが密着する構成としたことを特徴とする熱交換器で、流体Ａが流れる流路をプレス成形などで成型できるため、製造工程の簡素化を実現できる。

また、流体Ｂが流れる管との接触面積を大きくするように、流体Ａが流れる複数の流路の外壁面に、少なくとも１本以上の流体Ｂが流れる管を配設したことで、その間の接触熱抵抗を小さくすることができ、熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。

また、流体Ａが流れる流路の外壁面に、流体Ｂが流れる管を配設したことで、流体Ａがカルシウムの析出が多い水場合でも、析出したカルシウムが付着して水との熱伝達性能の低下を抑えられ、経年変化で所定の熱交換能力が達成できないことや、あるいは、水の流れが閉塞して熱交換器の機能が停止することを抑制できる。

また、流体Ａが流れる流路形成する第１の板材、第２の板材に分けた絞り成形で加工するため、銅材に比べ安価で、応力腐食割れなどの腐食に強いフェライト系ステンレスなど耐食性の高いステンレスや鉄鋼材が適用でき、安価な熱交換器を提供できる。

第２の発明は、流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる管とが、交互に積層する構成としたことを特徴とするもので、流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる管との接触伝熱面積が増加することで、熱交換効率を高くでき伝熱性能が向上する。

第３の発明は、流体Ａが流れる流路を形成する第１の板材および／または第２の板材の絞り成形部に、流体Ｂが流れる管の壁面の一部が密着する凹部を設けたことを特徴とするもので、流体Ｂが流れる管と、流体Ａが流れる流路を形成する第１の板材および／または第２の板材の絞り成形部との接触面積を大幅に増加させ、流体Ｂが流れる管のファン効率を大幅に向上できる。また、流体Ｂが流れる管の略円弧状の壁面の一部が密着する凹部は、第１の板材および／または第２の板材の絞り成形部の流路が形成される内壁側には凸状となり、流体Ａの中心部までより流体Ｂの熱を伝熱しやすくなる。

第４の発明は、流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる管とは、直線部と湾曲部とから形成されるサーペンタイン形状となるように形成されたことを特徴とするもので、所定の熱交換能力を得るために必要な流体Ａの流路長や流体Ｂの管長を小さな容積に収納することができる。また、流体Ａが流れる流路長に必要な第１の板材および／または第２の板材の絞り成形部を、板材からプレス加工にて一挙にかつ容易に成形できるため、熱交換器の加工費を大幅に安く抑えることができる。

第５の発明は、隣接する流体Ａが流れる流路間に、切り欠き部を設けたことを特徴とするもので、板材に応力腐食割れなどの腐食に強いが伸びが小さいフェライト系ステンレスを用いた場合でも、プレス加工時に直線部の間の第１の板材と第２の板材の接合部で固定されず、第１の板材と第２の板材の絞り成形部に材料に寄らず破断することを抑制できる。

第６の発明は、流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる管とが、水平方向または上下方向に交互に屈曲することを特徴とするもので、流体Ａが流れる流路全体に連続的な緩やかなうねりを施すことができ、流体Ａが水の場合、水の流動抵抗の増加を抑えつつ、水流路の中央付近を流れる比較的低温の水と水流路内壁近傍の高温の水とによって形成される温度境界層を連続的に乱すことができる。

また、流体Ａを形成する流路を第１の板材、第２の板材に分けた絞り成形で加工するため、容易に流路が左右方向、あるいは上下方向に交互に屈曲する絞り成形を設けることが可能である。

第７の発明は、絞り成形部の流路側の内壁面に凸および／または凹部を設けたことを特徴とするもので、流体Ａが流れる流路全体が流れ方向に不連続な断面となり、流体Ａが水の場合、水の流れを乱すこととなり、水流路の中央付近を流れる比較的低温の水と、水流路内壁近傍の高温の水によって形成されていた温度境界層を大きく攪乱することができる。また、第１の板材と第２の板材の流路側の内壁での摩擦損失を低減しつつ、内壁近傍の温度境界層を大幅に乱すことができる。

第８の発明は、流体Ａと流体Ｂとが対向流となるように構成したことを特徴とするもので、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができる。

第９、第１０の発明は、流体Ａを水、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とするもの
で、流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことにより、ヒートポンプ給湯機用の水冷媒熱交換器として使用することで高いヒートポンプ効率を得ることができる。また、流体Ｂを二酸化炭素とした場合でも、流れる流路を断面が円筒状となる管とすることで、超臨界域での高圧の二酸化炭素に対する耐圧性を最小の肉厚で確保できる。

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における熱交換器の構造を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明の実施の形態１における他の熱交換器の構造を示す平面図である。図４は、本発明の実施の形態１におけるさらに他の熱交換器の構造を示す要部斜視図である。図５は、本発明の実施の形態１における他の熱交換器の構造を示す断面図である。

図１、図２において、熱交換器本体１は、銅製の第１の板材２と第２の板材３の各々に図２示す断面において上下対象な絞り成形部２ａ、３ａを有し、第１の板材２と第２の板材３をロウ付け接合してなる内部には水が流動する流路５を形成する。

水が流れる流路５が上下２つあり、内部に二酸化炭素が流れる管６が３本で１本が２つの水が流れる流路５に挟まれ、水が流れる流路５と二酸化炭素が流れる管６が交互に積層されている。

ここで、水が流れる流路５を形成する第１の板材２、第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａに、二酸化炭素が流れる管６の略円弧状の壁面６ｓの一部が密着する凹部７を設けている。そして、流路５と管６とは、図１で示すように直線部５ａ、６ａと湾曲部５ｂ、６ｂからなるサーペンタイン状に成形されている。

また、図３において、サーペンタイン状に形成された流路５の隣り合う直線部５ａの間の第１の板材２と第２の板材３の接合部２ｂ、３ｂに切り欠き２ｃ、３ｃを有している。また、図４において、流路５ｄと管６ｄが左右方向に交互に屈曲している。

また、図５において、水が流れる流路５ｘが上下２つあり、内部に二酸化炭素が流れる管６が４本で２本は水が流れる流路５ｘに挟まれ、水が流れる流路５ｘと二酸化炭素が流れる管６が積層されている。

水が流れる流路５ｘを形成する第１の板２の絞り形成部２ａ１には、二酸化炭素が流れる管６の１本の一部が密着している。そして、水が流れる流路５ｘを形成する第２の板３の絞り形成部３ａ１には、二酸化炭素が流れる管６の略円弧状の壁面６ｓの２本の一部が密着する凹部７ａを設けている。

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。

まず、第１の板材２と第２の板材３を接合することで上下対象な絞り成形部２ａ、３ａにより形成される流路５を水が流動し、管６の内部に二酸化炭素が対向して流れ、管６の管壁と第１の板材２と第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａにより形成される流路５の壁面とが密着していることで、管６の管壁と流路５の壁面を介して二酸化炭素と水が熱交換する。

そして、二酸化炭素流れる流路が断面が円筒状となる管６であるので、超臨界域での高
圧の二酸化炭素に対する耐圧性を最小の肉厚で確保できる。

ここで、水が流れる流路５を形成する第１の板材２、第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａに、二酸化炭素が流れる管６の略円弧状の壁面６ｓの一部が密着する凹部７を設けることにより、二酸化炭素が流れる管６と水が流れる流路５を形成する第１の板材２、第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａとの接触面積を大幅に増加され、二酸化炭素が流れる管６のフィン効率を大幅に向上させる。

そして、第１の板材２、第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａの二酸化炭素が流れる管６との接触面積を大きくなるので、管６と第１の板材２、第２の板材３の間の接触熱抵抗を小さくすることができる。

さらに、管６の略円弧状の壁面の一部が密着する凹部７は、第１の板材２、第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａの流路５が形成される内壁側には凸状となり、水の中心部までより二酸化炭素の熱を伝熱しやすくなる。

さらに、また、水が流れる流路５が上下２つあり、内部に二酸化炭素が流れる管６が３本で１本が２つの水が流れる流路５に挟まれ、水が流れる流路５と二酸化炭素が流れる管６が交互に積層されることにより、水が流れる流路５を形成する第１の板材２、第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａと二酸化炭素が流れる管６の接触面積が増加し、水が流れる流路５の伝熱面と、二酸化炭素が流れる管６の伝熱面との接触伝熱面積を大幅に向上でき、フィン効率を高く維持して熱交換器１の伝熱性能を向上する。

また、流路５と管６とが、図１で示すように直線部５ａ、６ａと湾曲部５ｂ、６ｂからなるサーペンタイン状に成形されていることにより、熱交換器１が所定の熱交換能力を得るために必要な水の流路５の流路長さ、あるいは二酸化炭素の管６の管長を小さな容積に収納することができる。

また、水が流れる流路５の流路長さに必要な第１の板材２、第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａを、板材から、プレス加工にて一挙にかつ容易に成形できるため、熱交換器１の加工費を大幅に安く抑える。

尚、水が流れる流路５形成する絞り成形部２ａ、３ａを各々第１の板材２、第２の板材３に分けて加工するため、銅材に比べ安価で、応力腐食割れなどの腐食に強いフェライト系ステンレスなど耐食性の高いステンレスや鉄鋼材が適用可能である。

次に、図３で示すように、サーペンタイン状に形成された流路５の隣り合う直線部５ａの間の第１の板材２と第２の板材３の接合部２ｂ、３ｂに、切り欠き２ｃ、３ｃを有することにより、板材に応力腐食割れなどの腐食に強いが伸びが小さいフェライト系ステンレスを用いた場合でも、プレス加工時に直線部の間の第１の板材２と第２の板材３の接合部２ｂ、３ｂ部で固定されず第１の板材２と第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａに材料が寄らず破断することを抑制する。

次に、図４で示すように、流路５ｄと管６ｄが左右方向に交互に屈曲していることにより、水が流れる流路５全体に連続的な緩やかなうねりを施すことができ、水の流動抵抗の増加を抑えつつ流路５の中央付近を流れる比較的低温の水と、流路５の壁面近傍の高温の水によって形成されていた温度境界層を連続的にかく乱する。

従って、また、カルシウムの析出が多い水の場合でも、流路５ｄ全体が緩やかなうねりの流路となるためカルシウムが析出しにくく、析出したカルシウムが付着して水との熱伝
達性能の低下を抑え、経年変化で所定の熱交換能力が得られなくなったり、水の流れが閉塞して熱交換器の機能が停止することを抑制する。

次に、図５で示すように、流路５ｘに挟まれた２本の管６から上下の流路５ｘに二酸化炭素の熱を各々略均等伝えることができ、熱交換器１の上下方向の高さを抑えつつ、上下２つの流路５ｘの水に対し、第１の板２の絞り形成部２ａ１と第２の板３の絞り形成部３ａ１からほぼ同等の熱流束で流路５ｘ内の水を加熱することができ、熱交換器１の高さを抑えた上で高い伝熱特性の熱交換器を実現できる。

さらに、尚、第１の板２の絞り形成部２ａ１の管６が密着する部分にも管６の円弧状の壁面が密着するように凹部を設ける（図示せず）と、絞り形成部２ａ１側のフィン効率を向上させると共に、管６と第１の板２の絞り形成部２ａ１の接触熱抵抗を低下させ、熱交換器１の伝熱性能を向上する。

尚、水が流れる流路５形成する第１の板材２、第２の板材３に耐食性の高いステンレス材を用いたり酸化皮膜等の表面処理を施すことで、銅材のように水が流れることで表面の銅が水に溶出し、溶けた第１の板材２、第２の板材３の内壁表面と水内部のカルシウムの電位差が生じたり内壁表面が荒れることでカルシウムの粒子が引っ掛かりやすくなるのを防止することが可能となる。

尚、本発明の実施の形態では、流路５を形成する第１の板材２、第２の板材３に、銅、あるいはステンレスを用いて説明したが、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。

尚、本発明の実施の形態では、第１の板材２、第２の板材３、管６の接合をロウ付けとしたが、はんだ等の塗布、およびかしめなどの機械的接合でも同様な効果を得られる。また、第１の板材２、第２の板材３の接合に関しては、拡散接合や、強度の高い接着剤での接合等も同様の効果を得られる。

尚、本発明の実施の形態では、管６を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ１３４ａ等のフロン系冷媒や，ＧＷＰの低いフロン系混合冷媒でも同様な効果を得られる。

なお、本発明の実施の形態では、絞り成形部を第１の板材２と第２の板材の各々に成形しているが、どちらか片方でも構わないが、第１の板材２と第２の板材の各々に成形した方が、水が流れる流路面積は確保しやすい。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における熱交換器の構造を示す要部斜視図である。図７は同実施に形態における要部を示す断面図である。図８は、同実施に形態における水が流れる流路を形成する板材の絞り成形部の要部を示す断面斜視図である。

尚、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図６、図７、図８において、流路５を形成する第１の板材２と第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａの外壁面側に凹となる、すなわち内壁面側に凸ように、水が流れる方向に対し上下、左右で交互となる流路の流れ方向に長手状の凹部８を有している。

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。

水が流れる方向に対し上下、左右で交互となる流路の流れ方向に比較的長い凹部８により、流路５全体が流れ方向に不連続な断面となり、水の流れを乱すこととなり、流路５の中央付近を流れる比較的低温の水と、流路５の壁面近傍の高温の水によって形成されていた温度境界層を大きく攪乱する。

図９において、流路５を形成する第１の板材２の絞り成形部２ａ部の流路５側の内壁側に凹となるように、多数のディンプル９を有している。尚、図示はしないが第２の板材３の絞り成形部３ａ部の流路５側の内壁にも多数のディンプル９を有している。

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。
流路５を形成する第１の板材２と第２の板材３の絞り成形部２ａ、３ａの流路５側の内壁に多数のディンプル９を設けることで、多数の凹状のディンプル９により第１の板材２と第２の板材３の流路５側の内壁での流れる水の摩擦損失を低減しつつ、内壁近傍の温度境界層を大幅に乱す。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、製造工程の簡素化および耐久性の向上を実現でき、熱交換性能に優れた熱交換器を提供できる。そこでヒートポンプ給湯器や温水暖房機、家庭用、業務用の空気調和機、ヒートポンプの洗濯乾燥機などのヒートポンプ機器や、燃料電池等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の構造を示す平面図 図１のＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態１における他の熱交換器の構造を示す平面図 同他の熱交換器の構造を示す要部斜視図 同他の熱交換器の構造を示す断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の構造を示す要部斜視図 同熱交換器の構造を示す断面図 同板材の絞り成形部の要部を示す斜視図 同他の板材の絞り成形部の要部を示す斜視図 従来の熱交換器の構造を示す平面図 図１０の従来の熱交換器の断面図 従来の他の熱交換器の構造を示す要部平面図 従来の他の熱交換器の構造を示す要部正面図

符号の説明

１ 熱交換器本体
２ 第１の板材
３ 第２の板材
２ａ、２ａ１、３ａ、３ａ１ 絞り成形部
２ｂ 接合部
２ｃ 切り欠き
５、５ｄ、５ｘ 流路
５ａ 流路の直線部
５ｂ 流路の湾曲部
６、６ｄ 管
６ａ 管の直線部
６ｂ 管の湾曲部
７、７ａ 凹部
８ 凹部
９ ディンプル

Claims (10)

1. 第１の板材と第２の板材とを接合して流体Ａが流れる流路を複数形成し、前記複数の流路の外壁面と流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の管とが密着する構成としたことを特徴とする熱交換器。
2. 流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる管とが、交互に積層する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 第１の板材および／または第２の板材に設けた絞り成形部により流体Ａが流れる流路を形成し、前記絞り成形部に流体Ｂが流れる管の略円弧状の壁面の一部が密着する凹部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる管とは、直線部と湾曲部とから形成されるサーペンタイン形状となるように形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 隣接する流体Ａが流れる流路間に、切り欠き部を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 流体Ａが流れる流路と流体Ｂが流れる管とが、水平方向または上下方向に交互に屈曲することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 絞り成形部の内壁面に凸および／または凹部を設けたことを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
8. 流体Ａと流体Ｂとが対向流となるように構成したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
9. 流体Ａを水、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の熱交換器。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱交換器を搭載した給湯機。