JP2014088985A

JP2014088985A - 熱交換器及びそれを備えた給湯機

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Publication number: JP2014088985A
Application number: JP2012238653A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Machida; 和彦町田; Akihiro Shigeta; 明広重田; Tomoaki Kitano; 智章北野
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: JP6118985B2

Abstract

【課題】伝熱促進の向上が図れ、加工性に優れ、かつ、耐久性に優れた熱交換器を提供すること。
【解決手段】第一流体が流れる第一流路２と、前記第一流路２内に配設され、第二流体が流れる複数の配管４とを備え、前記複数の配管４は、前記第一流体の流れ方向に対して波形状に形成され、かつ、前記波形状が対向するよう前記配管４を配置するとともに、対向する前記複数の配管４の間に、前記第一流体が流れる隙間Ｃ１を設けたことを特徴とする熱交換器で、伝熱促進の向上が図れ、加工性に優れ、かつ、耐久性に優れた熱交換器を提供できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器はヒートポンプ式給湯機に代表されるように、二酸化炭素と水とが熱交換して、水からお湯を生成するものであり、二重管式や管と管または管と箱体が接触する形式の熱交換器がある。

従来の熱交換器は、図６に示すように、この熱交換器１００は、水が流れる矩形状の第一流路１０１を形成する箱体１０２と、第一流路１０１内に配置された配管ユニット１０３とを備え、配管ユニット１０３は複数の波形状の配管１０４ａ、１０４ｂとからなる。

配管１０４ａ、１０４ｂは、水の流れ方向に沿った複数箇所で交差するように互いの位置関係が定められている。

水は、配管１０４ａ、１０４ｂとの交差に基づいて生ずる空間を縫うように第一流路１０１内を流れる。これにより第一流体は三次元的に流れ、上下左右に方向が変化する複雑な流れを誘起することができ、配管１０４ａ、１０４ｂの周りに温度境界層が発達することを抑制することができる。

また、配管１０４ａ、１０４ｂは、第一流体の流れる方向に沿った波形状であるので、第一流路１０１の全長に対して、配管１０４ａ、１０４ｂの全長を大きくすることができ、同程度の性能を有する熱交換器に比して高密度化かつ小型化が容易になるというものである（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２００７／１０８２４０号

しかしながら、従来における構成では、２本の配管１０４ａ、１０４ｂが、複数箇所で交差しているので、配管１０４ａ、１０４ｂの交差箇所で死水域が生じ、伝熱促進が悪くなるという課題を有していた。

また、第一流路１０１が高温となる領域では、前記交差箇所を起点にカルシウム成分などのスケールが成長しやすく、第一流路１０１の閉塞に至るため、耐久性にも課題を有していた。

さらに、配管１０４ａ、１０４ｂの折り曲げしている面と波形面とが同一面であることから、まず、長尺の配管１０４ａ、１０４ｂを、まず、波状に加工した後に波形加工をする手順の繰り返しでしか、この形状を作成できないので、加工の手間が非常に掛かるという課題も有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、伝熱促進の向上が図れ、加工性に優れ、かつ、耐久性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、第一流体が流れる第一流路と、前記第一流路内に配設され、第二流体が流れる複数の配管とを備え、前記複数の配管は、前記第一流体の流れ方向に対して波形状に形成され、かつ、前記波形状が対向するよう前記配管を配置するとともに、対向する前記複数の配管の間に、前記第一流体が流れる隙間を設けたことを特徴とするものである。

これにより、前記波形状が対向するよう配置した前記複数の配管の間に、前記第一流体が流れる隙間ができるので、波形状の交差箇所で死水域が生ずることなく、伝熱促進が図れるとともに、特にスケールが蓄積し易い高温領域のスケールによる流路の閉塞を防止でき、耐久性に優れた熱交換器を提供できる。

本発明によれば、伝熱促進の向上が図れ、加工性に優れ、かつ、耐久性に優れた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内部構造を示す断面図図１の領域Ａ−Ａの断面図図１の領域Ｂ−Ｂの断面図図１の領域Ｂ−Ｂの第一の変形例を示す断面図図１の領域Ｂ−Ｂの第二の変形例を示す断面図従来の熱交換器の内部構造を示す断面図

第１の発明は、第一流体が流れる第一流路と、前記第一流路内に配設され、第二流体が流れる複数の配管とを備え、前記複数の配管は、前記第一流体の流れ方向に対して波形状に形成され、かつ、前記波形状が対向するよう前記配管を配置するとともに、対向する前記複数の配管の間に、前記第一流体が流れる隙間を設けたことを特徴とする熱交換器である。

第２の発明は、前記隙間を、前記第一流体の低温領域よりも高温領域の方が大きくなるように形成したことを特徴とするものである。

これにより、スケール成長が蓄積し易い高温領域に、前記波形状が対向するよう配置した前記複数の配管の間に、前記第一流体が流れる隙間ができるので、スケールによる流路の閉塞を防止でき、耐久性に優れた熱交換器を提供できる。

第３の発明は、前記複数の配管の波形状に位相差が生じるように配置して、前記隙間を形成する構成としたことを特徴とするものである。

これにより、同じ波形状の配管を用いて、その位相を相互にずらすだけで、前記隙間を形成できるので、前記配管の波形状加工の金型を共用でき、安価な加工費で前記隙間を形成できる。

第４の発明は、前記複数の配管の波形状を異なる周期で形成し配置して、前記隙間を形成する構成としたことを特徴とするものである。

これにより、第一流路の流路断面積を拡大することなく、前記隙間を形成できるので、第一流体の流速低下を招くことがなく、熱交換性能を維持したまま、配管の隙間を形成できる。

第５の発明は、前記複数の配管の波形状を異なる振幅で形成し配置して、前記隙間を形成する構成としたことを特徴とするものである。

これにより、第一流路の流路断面積を拡大することなく、前記隙間を形成できるだけでなく、配管の波形状が簡素になるので、加工がし易くなる。

第６の発明は、前記第一流路を形成する樹脂製ケースを備え、前記樹脂製ケースの内部は、前記第一流路を隔壁により複数の列に分離し、前記配管は、一方向に前記第二流体を流す一方向配管と、他方向に前記第二流体を流す他方向配管と、前記一方向配管と前記他方向配管とを接続する屈曲部とからなり、前記屈曲部の曲げ方向と前記配管の波形状の曲げ方向とが略直交する構成としたことを特徴とするものである。

これにより、銅などの金属に比べて、安価でかつ軽量な樹脂材料を用いて第一流路を構築できる。さらに、前記屈曲部の曲げ方向と前記配管の波形状の曲げ方向とが略直交しているので、前記配管をサーペンタイン型に屈曲加工した後に、前記配管の波形状加工をプレス機などによって、全域ほぼ同時に加工することが可能となり、熱交換器の生産性が向上し、コストパフォーマンスに優れた熱交換器を提供できる。

第７の発明は、前記第１〜６のいずれかの発明の熱交換器を搭載した給湯機で、低コストで熱交換性能に優れ、耐久性を向上させた給湯機を提供できるものである。

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。

以下の実施の形態では、ヒートポンプ式給湯機などのヒートポンプ装置に使用され、第一流体である水と第二流体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を、例に挙げて説明する。

冷媒はヒートポンプ回路を循環するものであり、冷媒としては例えば二酸化炭素が用いられる。ただし、第一流体および第二流体はこれらに限定されない。

例えば、水に代えて、油、ブラインなどを第一流体として使用することも可能である。また、第一流体および第二流体の双方が液体または気体であってもよい。

（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内部構造を示す断面図である。

図１に示すように、本実施の形態による熱交換器１は、第一流体（例えば水）が流れる第一流路２を形成する樹脂製ケース３と、第二流体（例えば二酸化炭素などの冷媒）が流れ、第一流路２内に配設される配管４と、隔壁５からなり、第一流体と第二流体とを熱交換するものである。

樹脂製ケース３は、例えば、熱可塑性の結晶性プラスチックを材質とし、ポリフェニレ
ンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）が適している。樹脂製ケース３は、金型により一体成型されている。

樹脂製ケース３の内部は隔壁５によって複数の列に分離して、第一流路２を形成する。本実施の形態では、５つの隔壁５によって第一流路２は６つの列に分離している。

配管４は、一方向に第二流体を流す一方向配管４１と、他方向に第二流体を流す他方向配管４２と、一方向配管４１と他方向配管４２とを接続する屈曲部４３とからなるサーペンタイン型の金属製のパイプ（例えば銅管）である。

ここで、一方向とは、配管４を樹脂製ケース３に配置した状態で、配管４が熱交換器１へ出入りする開口端から最奥の閉塞端に向かう方向、他方向とはその反対の方向と定義し、一方向と他方向とは対向する方向となる。

また、配管４は、第一流体の流れ方向に沿った波形状を有し、波形状が対向するように配置されている。本実施の形態では、２本の配管４は、互いに線対称となるように、予め定められた所定の周期、第一流体の流れ方向に垂直に所定量だけ振幅し、所定の位相からなるよう配置されている。

そして、対向する配管４の間には、予め定められた第一流体が流れる隙間を必要に応じて適宜設けている。さらに、配管４の波形状の曲げ方向は、屈曲部４３の曲げ方向と略直交している。

第一流路２の入口側領域Ａ−Ａは、第一流体が比較的低温である領域であり、第一流路の出口側領域Ｂ−Ｂは、第一流体が高温である領域である。

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。

図２は、第一流体が比較的低温である第一流路２の領域Ａ−Ａの断面図で、図３は、第一流体が比較的高温である第一流路２の領域Ｂ−Ｂの断面図である。

第一流体が比較的低温である領域Ａ−Ａにおいて、２本の配管４ａは、第一流体の流れ方向に沿って互いに対向し周期λ１なる波形状を有しており、双方の配管４ａの位相は１８０度ずれている。このとき、対向する２本の配管４ａの波形状の頂点同士が点接触するように互いの位置関係が定められている。

第一流路２内に流入した水は、下流側に向かって第一流路２を流れていく。このとき、波形状の配管４ａを何度も横切るので、時には波形状の配管４ａに衝突したり、うねりながら流れるので、伝熱促進が活発になる。

一方、第一流体が比較的高温である領域の配管４ｂは、図３に示すように、第一流体の流れ方向に沿って周期λ１なる波形状を有し、２本の配管４ｂは互いに対向し、互いに位相差Ｓを有するよう配置している。

この位相差Ｓによって、対向する２本の配管４ｂ同士の隙間が大きくなり、第一流体が流れやすくなることでスケール成長を遅らせ、第一流路２の閉塞を回避できる。そして、ヒートポンプ式給湯機の信頼性向上に寄与できる。

また、同じ波形状の配管４ｂどうしの位相を相互にずらして対向配置するだけでスケール閉塞を回避できるほどの隙間を形成できるので、前記配管の波形状加工の金型を共用で
きることにもなり、安価な加工費で高温領域の隙間を形成できる。

また、銅などの金属に比べて、安価でかつ軽量な樹脂材料を用いて第一流路を構築できる。

さらに、配管４のサーペンタイン型の屈曲方向と波形状の方向が略９０度異なるので、配管４のサーペンタイン型の屈曲加工の後に波形状加工をプレス機などによって、全域ほぼ同時に加工せしめ、熱交換器の生産性が向上し、コストパフォーマンスに優れた熱交換器を提供できる。

また、図４は、配管の領域Ｂ−Ｂの第一の変形例を示す断面図である。第一流体の高温領域における配管４ａ、４ｃは、互いに異なる振幅ｈ１、ｈ２の波形状とすることにより、第一流体の高温領域にて対向する配管同士の隙間Ｃ２を大きくできる。

また、図５は、配管の領域Ｂ−Ｂの第二の変形例を示す断面図である。第一流体の高温領域における配管４ａ、４ｄは、互いに異なる周期λ１、λ２なる波形状であり、対向する配管間の隙間Ｃ３を大きくしたものである。

これにより、第一流路の流路断面積を拡大することなく隙間Ｃ２、Ｃ３を大きく確保できるので、第一流体の流速低下を招くことがなく、熱交換性能を維持したまま、スケール閉塞を回避できる。

このように、本実施の形態１における熱交換器は、第一流体が流れる第一流路２と、第一流路２内に配設され、第二流体が流れる配管４を有する熱交換器１において、第一流体の流れ方向に沿って周期λ１なる波形状を有する２本の配管４ｂは互いに対向し、互いに位相差Ｓを有するよう配置しており、対向する２本の配管４ｂ同士の隙間が大きくなる。

このため、波形状の配管４を備えた熱交換器の特長である小型高密度化だけでなく、第一流路２の高温部のスケール閉塞を回避でき、ヒートポンプ式給湯機の信頼性向上に寄与するものである。さらに、波形状の配管４の加工性に優れた生産性の良い熱交換器を提供できる効果も有する。

尚、本発明の実施の形態１では、配管４の本数を２本としているが、それ以上の本数とすることもでき、同様の作用効果を期待することができる。

さらに、本発明の実施の形態１において、配管４を銅製としたが、銅以外の素材であっても、同様の作用効果が期待できる。

また、本発明の実施の形態１では、配管４内を流れる冷媒を二酸化炭素としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ等）の冷媒、あるいはこれらの代替冷媒とすることも同様の作用効果が期待できる。
また、本発明の実施の形態１では、樹脂製ケース３は、熱可塑性の結晶性プラスチック、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）が適しているとしたが、それ以外の素材であっても、同様の作用効果が期待できる。

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、熱交換器の熱交換能力を向上させることができるので、給湯機等、その他熱交換器を搭載した機器に適用できる。

１熱交換器
２第一流路
３樹脂製ケース
４、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ配管
５隔壁
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３隙間
４１一方向配管
４２他方向配管
４３屈曲部
Ｓ位相差
λ１、λ２周期
ｈ１、ｈ２振幅
Ａ−Ａ低温領域
Ｂ−Ｂ高温領域

Claims

第一流体が流れる第一流路と、前記第一流路内に配設され、第二流体が流れる複数の配管とを備え、前記複数の配管は、前記第一流体の流れ方向に対して波形状に形成され、かつ、前記波形状が対向するよう前記配管を配置するとともに、対向する前記複数の配管の間に、前記第一流体が流れる隙間を設けたことを特徴とする熱交換器。
前記隙間を、前記第一流体の低温領域よりも高温領域の方が大きくなるように形成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記複数の配管の波形状に位相差が生じるように配置して、前記隙間を形成する構成と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。
前記複数の配管の波形状を異なる周期で形成し配置して、前記隙間を形成する構成と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。
前記複数の配管の波形状を異なる振幅で形成し配置して、前記隙間を形成する構成と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。
前記第一流路を形成する樹脂製ケースを備え、前記樹脂製ケースの内部は、前記第一流路を隔壁により複数の列に分離し、前記配管は、一方向に前記第二流体を流す一方向配管と、他方向に前記第二流体を流す他方向配管と、前記一方向配管と前記他方向配管とを接続する屈曲部とからなり、前記屈曲部の曲げ方向と前記配管の波形状の曲げ方向とが略直交する構成とした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。
前記請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器を搭載した給湯機。