JP2010266136A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の配管長さを延伸することなく、熱交換性能に優れた管式の熱交換器を提供すること。
【解決手段】内部に流体Ａ２が流れる第１の管３と、前記第１の管３内に配設され内部に流体Ｂ４が流れる第２の管５と、前記第１の管３の外周の軸方向に設けられた凹部８ａに配設され、前記流体Ｂ４が流れる複数の第３の管７とを備え、前記第１の管３の軸方向に垂直な断面形状が、前記第３の管７の本数と同じ数の頂点を有する略多角形であることを特徴とするもので、第２の管５の外壁と第１の管３の内壁の両方から、流体Ａ２を加熱することできるので、流体Ａ２と接する伝熱面積が増加することとなり高効率化が図られる。
【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冷媒管と、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水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５、図６は、上記特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。

図５、図６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が形成された冷媒管１０３と、冷媒管１０３の外側に設けられ、冷媒管１０３との間に水用流路１０４が形成された銅製の水管１０５とから構成され、本実施の形態の場合には冷媒管１０３が２本設けられている。冷媒管１０３は、銅製の冷媒である二酸化炭素が流れる管１０６と、冷媒である二酸化炭素が流れる管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、冷媒である二酸化炭素が流れる管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、冷媒である二酸化炭素が流れる管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ー（図示せず）に接続されており、冷媒管１０３又は水管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、冷媒管１０３と水管１０５の２重管により形成され冷媒管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である二酸化炭素が流れる管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、冷媒管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、腐食等により冷媒である二酸化炭素が流れる管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である二酸化炭素が流れる管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。

特開２００５−６９６２０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、熱交換器１０１の性能に限度があり、性能を向上させるためには、冷凍サイクルにおいて圧縮機（図示せず）の冷媒循環量を増加させ、さらに熱交換器１０１の配管長さを延長する等の手法により、熱交換器１０１の配管の管内面積を大きくして性能を向上させなければならなかった。

このような手法では、熱交換器１０１の大きさが大きくなってしまい、ひいては、ヒートポンプ式給湯機の場合であると設置スペースが大きくなってしまう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ものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管内に配設され内部に流体Ｂが流れる第２の管と、前記第１の管の外周の軸方向に設けられた凹部に配設され、前記流体Ｂが流れる複数の第３の管とを備え、前記第１の管の軸方向に垂直な断面形状が、前記第３の管の本数と同じ数の頂点を有する略多角形であることを特徴とするもので、第２の管の外壁と第１の管の内壁の両方から流体Ａを加熱することできるので、流体Ａと接する伝熱面積が増加することとなり高効率化が図られる。

また、第１の管の管断面形状を多角形とすることにより、流体Ａの流路断面積を一般的な円形の管の場合の流路断面積よりも小さくすることができ、流体Ａの流速増加による伝熱促進を図ることができ、高効率化に寄与するものである。

本発明によれば、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できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図 図１のＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の断面図 同他の熱交換器の断面図 従来を示す熱交換器の上面図 同図５のＢ−Ｂ断面図

第１の発明は、内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管内に配設され内部に流体Ｂが流れる第２の管と、前記第１の管の外周の軸方向に設けられた凹部に配設され、前記流体Ｂが流れる複数の第３の管とを備え、前記第１の管の軸方向に垂直な断面形状が、前記第３の管の本数と同じ数の頂点を有する略多角形であることを特徴とするもので、第２の管の外壁と第１の管の内壁の両方から流体Ａを加熱することできるので、流体Ａと接する伝熱面積が増加することとなり高効率化が図られる。

また、第１の管の管断面形状を多角形とすることにより、流体Ａの流路断面積を一般的な円形の管の場合の流路断面積よりも小さくすることができ、流体Ａの流速増加による伝
熱促進を図ることができ、高効率化に寄与するものである。

第２の発明は、略多角形の少なくとも一辺を、内方に湾曲させた形状であることを特徴とするもので、第１の管の流体Ａの流路断面積を今まで以上に小さく設計することが可能となり、流体Ａの流速をより速くでき更なる伝熱促進を図ることができる。

第３の発明は、流体Ａと流体Ｂとは対向流となるように構成したことを特徴とする流体Ａと流体Ｂを対向流としたことにより、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でき、高効率化が図られる。

第４、５の発明は、流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたもので、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。

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要部を示す一部を切除した斜視図である。図２は、同実施の形態１における図１のＡ−Ａ線による断面図である。

図１、図２において、熱交換器は二重管式であり、内部を水（流体Ａ）２が流れる銅製の水管（第１の管）３と、水管３と同様に銅製であって、水管３内に配設され、内部を冷媒である二酸化炭素（流体Ｂ）４が流れる２本の冷媒管（第２の管）５から構成されている。

水管３の外周方向には離間し管軸方向に延びる所定深さの凹部８ａを３カ所設けており、内部に冷媒である二酸化炭素（流体Ｂ）４が流動する銅製の３本の外管（第３の管）７が、凹部８ａと熱的に密着した構成である。この時、凹部８の凹みＲ形状は、外管７の外径Ｒに合致させることで、外管７と水管３の密着する面積を多くすることができる。そして、外管７の管軸は水管３の外周よりも中心側に配置されており、水管３の外周で外管７を包含する形態となっている。

また、水２の流路断面となる水管３の管軸方向に垂直な断面形状は、外管７の本数と同じ数の頂点を有する多角形であり、本実施の形態では３本の外管７に外接する略３角形である。

冷媒管５は、周知の如く冷媒である二酸化炭素が流れる管６ａと、冷媒である二酸化炭素が流れる管６ａの外周に設けられた漏洩検知管６ｂとから構成されている。

冷媒である二酸化炭素が流れる管６ａと漏洩検知管６ｂは冷媒である二酸化炭素が流れる管６ａを拡管するか、あるいは、漏洩検知管６ｂを縮管することにより密着一体化されているものである。

そして、冷媒管５は、図１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３の軸心とほぼ同軸となるように水管３に内包されている。したがって、水管３内において、冷媒管５との間を水２が流動する。しかもその流れは、冷媒管５の螺旋に沿った旋回流となる。

さらに、水管３の両端、および冷媒管５の両端には、それぞれ流入口３ａ（図示せず）
、５ａ（図示せず）と流出口３ｂ（図示せず）、５ｂ（図示せず）が設けられており、冷媒管５の冷媒である二酸化炭素４の流入口５ａ、流出口５ｂと、水管３の水２の流入口３ａ、流出口３ｂは、各々の流れが対向す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。

まず、冷媒管５と外管７の内部を冷媒である二酸化炭素４が流動し、水管３と冷媒管５との間の環状部を水２が対向して流れ、冷媒である二酸化炭素が流れる管６ａと漏洩検知管６ｂの二重壁を介して冷媒である二酸化炭素４と水２が熱交換する。

さらに、外管７から水管３の壁を通じて冷媒である二酸化炭素４と水が熱交換する。外管７は水管３の管の外周よりも水管３の中心側に管軸を有し、水管３の凹部８ａによって包含された構成であるので、２本の冷媒管５の外壁と水管３の内壁の両方から水２を加熱することでき、水２と接する伝熱面積が大きく増加することとなり高効率化が図られる。

水管３の外周方向に離間し管軸方向に延びる所定深さの凹部８の凹みＲ形状は、外管７の外径Ｒに合致させることで、外管７と水管３がより密着することとなり更なる高効率化が図られる。

また、水２の流路断面となる水管３の管軸方向に垂直な断面形状は、３本の外管７に外接する略３角形であるので、一般的に考えられる３本の外管７に外接する円管よりも、流路断面がよりも小さく設計することが可能である。したがって、水２の流速増加による伝熱促進が図られ高効率化に寄与するものである。

また、水２に対する冷媒管５の外壁、水管３の内壁における熱流束を小さく抑えることができるので、冷媒管５の外壁近傍、水管３の内壁近傍での水温の局所的な急上昇が抑えられ、壁面近傍で流速が遅い部分での水温の上昇によるカルシウムの析出を極力抑制して、壁面への付着を抑えることができる。

また、この形態のものは、比較的製造設備が高価な炉中ロウ付け工法ではなく、比較的製造設備が安価なかしめ工法で製造することができる。

ここで、冷媒である二酸化炭素４と水２の間において、漏洩検知管６ｂの内面に漏洩検知溝（図示せず）があり冷媒である二酸化炭素４と水２が漏洩検知溝を介して漏出し、検知センサー（図示せず）にて検知可能なように構成されていることで、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ため高い熱伝導性を得る。

さらに、冷媒管５、外管７内の冷媒である二酸化炭素４と水管３の水２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、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。

そして、２本の冷媒管５を互いに螺旋状にねじり合わせて水管３内の水２全体を旋回流にすることにより、水２の流れを乱流攪乱し水管３の水２に冷媒である二酸化炭素４の熱が拡散される。

尚、本発明の実施の形態１では、冷媒管５の本数を３本としているが、４本以上でも同様な効果を得られる。

尚、本発明の実施の形態１では、冷媒管５、水管３、外管７は銅製だが、真鍮、ステンレス、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。

（実施の形態２）
図３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断面図である。図４は同実施の形態２における熱交換器の一部を変更した構造を示す断面図である。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３で示すように、実施の形態１と異なる部分は、４本の外管７が４箇所の凹部８ａと熱的に密着した構成である。そして、水２の流路断面となる水管３１の断面形状は、外管７の本数と同じ数の頂点を有する多角形、即ち略４角形である。

更に、図４で示すように、水管３２の略４角形を構成する辺を、水管３の中心側に向かって湾曲させた形とすることにより、水２の流路断面積を更に小さくすることが可能である。

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。

本発明の実施の形態１の動作や効果に加えて、水管３を構成する外辺が水管３の中心側に向かって湾曲させた形であるので、水管３内を流れる水２の流路断面積を今まで以上に小さく設計することが可能となり、その結果、水２の流速をより速くすることができる。したがって、更なる伝熱促進を図ることとなり、高効率化が図られる。

尚、本発明の実施の形態２では、冷媒管５の本数を４本としているが、３本または５本以上でも同様な効果を得られる。

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、冷媒である二酸化炭素を用いた超臨界ヒートポンプ式給湯器や、暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ装置、さらには、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。

２ 水
３ 水管
４ 冷媒（二酸化炭素）
５ 冷媒管
６ａ 管
６ｂ 漏洩検知管
７ 外管
８ａ 凹部

Claims (5)

1. 内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管内に配設され内部に流体Ｂが流れる第２の管と、前記第１の管の外周の軸方向に設けられた凹部に配設され、前記流体Ｂが流れる複数の第３の管とを備え、前記第１の管の軸方向に垂直な断面形状が、前記第３の管の本数と同じ数の頂点を有する略多角形であることを特徴とする熱交換器。
2. 略多角形の少なくとも一辺を、内方に湾曲させた形状であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 流体Ａと流体Ｂとは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または２に記載の熱交換器。
4. 流体Ａを水、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器を搭載したヒートポンプ給湯機。