JP2015158297A - 熱交換器およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】一方の流体が流れる箱体の外周に他方の流体が流れる管状部材を螺旋状に巻き付けることによって構成された熱交換器において、管状部材の薄肉化を図りつつ、螺旋曲げの加工性を確保した熱交換器を提供する。【解決手段】箱体１５０、インナーフィン１７０および細管１６１、１６２、１６３は、銅または銅合金により構成され、細管は、箱体１５０の外周に螺旋状に巻き付けられ、ろう付けにより接合され、細管の外径Ｄおよび板厚ｔは、次の２つの数式を満たす。ｔ／Ｄ＞０．１９１３Ｒ／Ｄ-1.132但し、Ｒは細管を螺旋状に曲げる際の曲げ半径、σBは細管を構成する構成材料の引張強度である。【選択図】図２

Description

本発明は、二種類の流体間で熱交換を行う熱交換器およびその製造方法に関するものである。

従来、ヒートポンプサイクルによって給湯水を加熱するヒートポンプ式給湯機に適用される水冷媒熱交換器として、薄型矩形の箱体の内部に給湯水が流れる水流路を形成するとともに、冷媒が流れる細管を箱体の外周に螺旋状に巻装し、箱体の平坦面に細管を接合したものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の熱交換器は、高温・高圧の二酸化炭素冷媒の使用を想定している。このため、細管の板厚は厚くなっており、螺旋曲げ加工時の曲げ半径が小さくても螺旋曲げ加工を容易に行うことができる。

特開２００３−３１４９７５号公報

ところで、上記特許文献１のような構成の熱交換器において、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用する場合、必要耐圧が低下するので、細管の薄肉化が可能になる。

しかしながら、細管の板厚を低下させると、上記特許文献１のように曲げ半径の小さい螺旋曲げ加工を行う際に潰れや座屈が発生するため、螺旋曲げ加工が困難になるという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、一方の流体が流れる箱体の外周に他方の流体が流れる管状部材を螺旋状に巻き付けることによって構成された熱交換器において、管状部材の薄肉化を図りつつ、管状部材に対する螺旋曲げ加工の加工性を確保することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、第１流体が流れる第１流体流路を内部に有する箱体（１５０）と、箱体（１５０）内に設けられるとともに、第１流体との伝熱面積を増大させるインナーフィン（１７０）と、箱体（１５０）の外面に接して設けられ、第２流体が流れる第２流体流路を形成する管状部材（１６１、１６２、１６３）とを備え、第１流体と第２流体との間で熱交換を行う熱交換器において、箱体（１５０）、インナーフィン（１７０）および管状部材（１６１、１６２、１６３）は、銅または銅合金により構成されており、管状部材（１６１、１６２、１６３）は、箱体（１５０）の外周に螺旋状に巻き付けられているとともに、ろう付けにより箱体（１５０）の外面に接合されており、管状部材（１６１、１６２、１６３）の外径をＤ、管状部材（１６１、１６２、１６３）の板厚をｔ、管状部材（１６１、１６２、１６３）を螺旋状に曲げる際の曲げ半径をＲ、管状部材（１６１、１６２、１６３）を構成する構成材料の引張強度をσ_Bとしたとき、管状部材（１６１、１６２、１６３）の外径および板厚は、次の数式１および数式２にて示される関係を満たすように設定されていることを特徴とする。

（数１）
ｔ／Ｄ＞０．１９１３（Ｒ／Ｄ）^-1.132

これによれば、管状部材（１６１、１６２、１６３）の外径および板厚を上記数式２にて示される関係を満たすように設定することで、管状部材（１６１、１６２、１６３）の板厚を薄くすることができる。このとき、管状部材（１６１、１６２、１６３）の外径および板厚を上記数式１にて示される関係を満たすように設定することで、管状部材（１６１、１６２、１６３）に螺旋曲げ加工を施した際に座屈や扁平が発生することを抑制できる。したがって、管状部材（１６１、１６２、１６３）の薄肉化を図りつつ、管状部材（１６１、１６２、１６３）二対する螺旋曲げ加工の加工性を向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態におけるヒートポンプ式給湯器を示す全体構成図である。 第１実施形態に係る水冷媒熱交換器を示す一部透過平面図である。 第１実施形態に係る水冷媒熱交換器を示す正面図である。 第１実施形態における箱体を示す分解斜視図である。 図３のＶ部拡大図である。 第１実施形態における細管を示す断面図である。 細管の曲げ半径と外径との比Ｒ／Ｄおよび細管の板厚と外径との比ｔ／Ｄを変化させた際に、細管に螺旋加工が成立するか否かを示すグラフである。 第１実施形態に係る水冷媒熱交換器の要部を示す拡大正面図である。 図８のＩＸ−ＩＸ断面図である。 第３実施形態に係る水冷媒熱交換器を示す正面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係る熱交換器をヒートポンプ式給湯器の水冷媒熱交換器に適用したものである。

図１に示すように、ヒートポンプ式給湯器は、給湯水を貯留する貯湯タンク１０、貯湯タンク１０内の給湯水を循環する水循環通路１１、および、給湯水を加熱するためのヒートポンプサイクル装置１２を備えている。

貯湯タンク１０は、高温の給湯水を長時間保温することができる温水タンクである。貯湯タンク１０に貯留された給湯水は、貯湯タンク１０の上部に設けられた出湯口１０ａから出湯され、台所や風呂等に給湯される。貯湯タンク１０内の下部に設けられた給水口１０ｂから水道水が補給されるようになっている。

水循環通路１１には、給湯水を循環させる電動水ポンプ１３が配置されており、給湯水は、貯湯タンク１０下部の給湯水出口１０ｃ→電動水ポンプ１３→水冷媒熱交換器１５→貯湯タンク１０上部の給湯水入口１０ｄの順に流れる。

ヒートポンプサイクル装置１２は、電動圧縮機１４、水冷媒熱交換器１５、膨張弁１６、蒸発器１７等を順次配管接続した周知の冷凍サイクルである。本実施形態では、冷媒として通常のフロン系冷媒を採用している。

水冷媒熱交換器１５は、給湯水が流れる水流路１５ａと、電動圧縮機１４吐出冷媒（高温高圧冷媒）が流れる冷媒流路１５ｂとを有し、給湯水と電動圧縮機１４の吐出冷媒との間で熱交換させて、給湯水を加熱する加熱用熱交換器である。

次に、本実施形態の水冷媒熱交換器１５の具体的構造について説明する。ここで、本実施形態の水（給湯水）が本発明の第１流体に相当し、本実施形態の冷媒が本発明の第２流体に相当している。

図２および図３に示すように、水冷媒熱交換器１５は、内部に水流路１５ａを形成する薄型矩形状の箱体１５０と、内部に冷媒流路を形成する冷媒チューブ１６０とを備えている。

箱体１５０は、縦方向（図２の上下方向）、横方向（図２の左右方向）および高さ方向（図２の紙面垂直方向）のうち、高さ方向の長さが最も短くなっており、横方向の長さが最も長くなっている。そして、本実施形態では、箱体１５０は、その高さ方向が重力方向に一致するように配置されている。

箱体１５０内に形成された水流路１５ａにおける水の流れ方向は水平方向であり、箱体１５０の横方向における一端側に設けられた水入口１５１から他端側に設けられた水出口１５２に向かって、図中の矢印のように、蛇行しながら水が流れるようになっている。なお、水入口１５１には、図１中の電動水ポンプ１３に連なる水入口側配管１５１ａが接続され、水出口１５２には、図１中の貯湯タンク１０の給湯水入口１０ｄに連なる水出口側配管１５２ａが接続されている。

冷媒チューブ１６０は、箱体１５０の外面に接して設けられている。具体的には、冷媒チューブ１６０は、３本の細管１６１、１６２、１６３から構成されている。３本の細管１６１、１６２、１６３は、銅または銅合金により構成されている。３本の細管１６１、１６２、１６３は１組となって、箱体１５０の外周を螺旋状に巻くように形成されている。なお、本実施形態の細管１６１、１６２、１６３が、本発明の管状部材に相当している。

３本の細管１６１、１６２、１６３の上流側端部には、第１分岐管１６４が接続されている。第１分岐管１６４は、電動圧縮機１４から吐出された冷媒を細管１６１、１６２、１６３に分流する。また、３本の細管１６１、１６２、１６３の下流側端部には、第２分岐管１６５が接続されている。第２分岐管１６５は、細管１６１、１６２、１６３から流出する冷媒を集合して膨張弁１６の入口側に流す。

図４に示すように、箱体１５０は、空間を挟んで対向する２枚のプレート１５３、１５４の周縁を接合することにより形成されている。２枚のプレート１５３、１５４は、銅または銅合金により構成されている。また、２枚のプレート１５３、１５４の間には、矩形波状に形成されたインナーフィン１７０が配置されている。

インナーフィン１７０は、後述するように蛇行状の水流路１５ａを構成し、水との伝熱面積を増大させて、水と冷媒との間の熱交換を促進する伝熱部材である。インナーフィン１７０は、銅または銅合金により構成されている。

インナーフィン１７０は、複数の山部１７１、複数の谷部１７２、および複数の平面部１７３から構成されている。インナーフィン１７０の外形（縦×横×高さ）は、箱体１５０の内寸に適合している。

山部１７１および谷部１７２は、平坦状に形成されており、それぞれプレート１５３、１５４に接合されている。複数の山部１７１と複数の谷部１７２とは、山部１７１と谷部１７２とが交互になるよう、箱体１５０の横方向（図２の紙面左右方向）に並べられている。隣り合う山部１７１と谷部１７２とは、平面部１７３により繋がれている。

複数の平面部１７３は、それぞれ、箱体１５０の縦方向（図２の紙面上下方向）に延びる長方形状に形成されている。複数の平面部１７３のうち隣り合う２つの平面部１７３は、水流路１５ａを構成する。

複数の平面部１７３には、第１、第２切り欠き開口部１７４ａ、１７４ｂのうちいずれか一方の切り欠き開口部が形成されている。第１、第２切り欠き開口部１７４ａ、１７４ｂは、水流路１５ａの一部を構成する。

第１切り欠き開口部１７４ａは、平面部１７３のうち稜線方向、すなわち箱体１５０の縦方向の一端側に形成されている。第２切り欠き開口部１７４ｂは、平面部１７３のうち稜線方向の他端側に形成されている。

複数の平面部１７３は、第１切り欠き開口部１７４ａと第２切り欠き開口部１７４ｂとが箱体１５０の横方向に向かって交互に並ぶように形成されている。インナーフィン１７０を以上のような構成とすることで、インナーフィン１７０により図２における太字の矢印の如く蛇行状の水流路１５ａを構成することができる。

ここで、図５に示すように、細管１６１、１６２、１６３を螺旋状に曲げる際の曲げ半径をＲ（単位：ｍｍ）とする。図６に示すように、細管１６１、１６２、１６３の板厚をｔ（単位：ｍｍ）、細管１６１、１６２、１６３の外径をＤ（単位：ｍｍ）とする。そして、曲げ半径Ｒ、板厚ｔおよび外径Ｄを変化させた際に、細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０に螺旋状に巻き付ける螺旋曲げ加工が成立するか否かを図７に示す。

図７の横軸は、細管１６１、１６２、１６３の曲げ半径Ｒと外径Ｒとの比（Ｒ／Ｄ）を示しており、図７の縦軸は、細管１６１、１６２、１６３の板厚ｔと外径Ｄとの比（ｔ／Ｄ）を示している。

図７において、細管１６１、１６２、１６３に螺旋曲げ加工を施した際に座屈や扁平（潰れ）が発生しなかった場合（つまり、螺旋曲げ加工が成立した場合）を丸印で示している。また、図７において、細管１６１、１６２、１６３に螺旋曲げ加工を施した際に座屈や扁平が発生した場合（つまり、螺旋曲げ加工が成立しなかった場合）をバツ印で示している。

図７から明らかなように、細管１６１、１６２、１６３の曲げ半径Ｒ、板厚ｔおよび外径Ｄが次の数式１の関係を満たす場合には、螺旋曲げ加工を施した際に座屈や扁平が発生しない。

（数１）
ｔ／Ｄ＞０．１９１３（Ｒ／Ｄ）^-1.132
したがって、細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０に良好に巻き付けることができる。

また、図７から明らかなように、細管１６１、１６２、１６３の板厚ｔと外径Ｄとの比（ｔ／Ｄ）が大きい程、螺旋曲げ加工の加工性は向上する。一方、細管１６１、１６２、１６３の板厚ｔを増大させると、水冷媒熱交換器１５の重量が増大するとともに、冷媒の圧力損失が増大してしまう。

本実施形態では、通常のフロン系冷媒を用いているので、フロン系冷媒よりも高い耐圧性が要求される二酸化炭素冷媒を用いた場合に必要となる板厚ｔまで確保する必要はない。したがって、本実施形態では、細管１６１、１６２、１６３の板厚ｔは、冷媒として二酸化炭素を用いた場合に必要となる最低限の板厚よりも小さくなるように設定されている。具体的には、細管１６１、１６２、１６３の板厚ｔは、次の数式２に示される関係を満たすように設定されている。

但し、σ_Bは細管１６１、１６２、１６３の構成材料の引張強度（単位：ＭＰａ）である。

なお、数式２中の「４２」という数値は、ＪＩＳの規定に基づいており、冷媒として二酸化炭素を採用した際に耐圧性を確保できる冷媒配管の板厚を規定するための数値（圧力）である。すなわち、ＪＩＳ Ｃ９２２０ 付属書Ｅ５．１において、二酸化炭素を冷媒として用いるものの冷媒設備の安全基準は設計圧力の３倍以上と規定されている。本実施形態における水冷媒熱交換器の作動圧力の上限は約１４ＭＰａであるため、この作動圧力の上限値にＪＩＳ規定の安全率（３倍）を掛けた４２ＭＰａが数式２で用いられている。

以上説明したように、細管１６１、１６２、１６３の外径Ｄおよび板厚ｔを上記数式２にて示される関係を満たすように設定することで、細管１６１、１６２、１６３の板厚を薄くすることができる。このとき、細管１６１、１６２、１６３の外径Ｄおよび板厚ｔを上記数式１にて示される関係を満たすように設定することで、細管１６１、１６２、１６３に螺旋曲げ加工を施した際に座屈や扁平が発生することを抑制できる。したがって、細管１６１、１６２、１６３の薄肉化を図りつつ、細管１６１、１６２、１６３に対する螺旋曲げ加工の加工性を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図８および図９に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、細管１６１、１６２、１６３の構成が異なるものである。なお、図９において、細管１６３の図示を省略している。

本実施形態の細管１６１、１６２、１６３の曲げ半径Ｒは、上述の第１実施形態の図７で規定された螺旋曲げ加工可能な最小値に設定されている。このとき、図８および図９の左図に示すように、細管１６１、１６２、１６３と箱体１５０の平坦面（高さ方向に垂直な面）との間の隙間における高さ方向の長さＬが大きくなる。このため、このままでは細管１６１、１６２、１６３と箱体１５０とのろう付けが困難となる。

これに対し、本実施形態では、図９の右図に示すように、細管１６１、１６２、１６３は、螺旋曲げ加工後に箱体１５０側に倒し込まれた状態で、箱体１５０の外周にろう付け接合されている。このように、細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０側に倒し込むことで、細管１６１、１６２、１６３と箱体１５０の平坦面との間の隙間における高さ方向の長さＬを短くできる。これにより、細管１６１、１６２、１６３と箱体１５０とのろう付けを良好に行うことができる。

続いて、本実施形態の水冷媒熱交換器１５の製造方法について説明する。

まず、箱体１５０を仮組み付けする。具体的には、２枚のプレート１５３、１５４の間にインナーフィン１７０を配置する。そして、箱体１５０の水入口１５１に水入口側配管１５１ａを組み付けるとともに、水出口１５２に水出口側配管１５２ａを組み付ける。

次に、冷媒チューブ１６０、すなわち細管１６１、１６２、１６３および分岐管１６４、１６５を仮組み付けする。具体的には、冷媒チューブ１６０の端部に、第１分岐管１６４および第２分岐管１６５を組み付ける。

次に、箱体１５０と冷媒チューブ１６０とを仮組み付けする。具体的には、まず、箱体１５０の外周に、冷媒チューブ１６０の３本の細管１６１、１６２、１６３を螺旋状に巻き付ける巻き付け工程を行う。続いて、３本の細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０側に倒し込み、３本の細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０の平坦面に近づける倒し込み工程を行う。この倒し込み工程では、３本の細管１６１、１６２、１６３に対して箱体１５０の横方向の力を加えることで、３本の細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０の平坦面に近づけている。

次に、箱体１５０および冷媒チューブ１６０の３本の細管１６１、１６２、１６３をろう付け接合する接合工程を行う。具体的には、箱体１５０と冷媒チューブ１６０との仮組み付け体を加熱炉内に搬入して、箱体１５０および冷媒チューブ１６０の３本の細管１６１、１６２、１６３をろう付けにて一体に接合する。

以上説明したように、細管１６１、１６２、１６３を、螺旋曲げ加工後に箱体１５０側に倒し込まれた状態で、箱体１５０の外周にろう付け接合することで、細管１６１、１６２、１６３と箱体１５０の平坦面との間の隙間における高さ方向の長さＬを短くできる。これにより、細管１６１、１６２、１６３と箱体１５０とのろう付け接合性を向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１０に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第２実施形態と比較して、細管１６１、１６２、１６３の構成が異なるものである。

図１０に示すように、本実施形態の細管１６１、１６２、１６３は、螺旋曲げ加工後に箱体１５０に向かって押圧されて箱体１５０の平坦面に押し当てられた状態で、箱体１５０の外周にろう付け接合されている。このとき、細管１６１、１６２、１６３の曲げ部分（縦方向の両端部分）も、箱体１５０に近づくように押圧されている。

なお、このような構造とする場合、上述した第２実施形態の水冷媒熱交換器１５の製造方法に対して、３本の細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０側に倒し込む倒し込み工程に代えて、３本の細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０に向かって押圧する押圧工程を行えばよい。この押圧工程では、３本の細管１６１、１６２、１６３に対して箱体１５０の高さ方向の力を加えることで、３本の細管１６１、１６２、１６３を箱体１５０の平坦面に押し当てている。

以上説明したように、細管１６１、１６２、１６３を、螺旋曲げ加工後に箱体１５０に向かって押圧されて箱体１５０の平坦面に押し当てられた状態で、箱体１５０の外周にろう付け接合することで、細管１６１、１６２、１６３と箱体１５０の平坦面とを接触させることができる。これにより、細管１６１、１６２、１６３と箱体１５０とのろう付け接合性を向上させることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の各実施形態では、冷媒チューブ１６０を、３本の細管１６１、１６２、１６３を１組として構成した例について説明したが、これに限らず、２本の細管を１組としてもよいし、４本以上の細管を１組としてもよい。

（２）上述の各実施形態では、ヒートポンプ式給湯器に用いられる水冷媒熱交換器に本発明を適用したが、他の用途に用いられる水冷媒熱交換器においても、本発明を適用できる。

１５０ 箱体
１６１、１６２、１６３ 細管（管状部材）
１７０ インナーフィン

Claims (4)

1. 第１流体が流れる第１流体流路を内部に有する箱体（１５０）と、
   前記箱体（１５０）内に設けられるとともに、前記第１流体との伝熱面積を増大させるインナーフィン（１７０）と、
   前記箱体（１５０）の外面に接して設けられ、第２流体が流れる第２流体流路を形成する管状部材（１６１、１６２、１６３）とを備え、
   前記第１流体と前記第２流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
   前記箱体（１５０）、前記インナーフィン（１７０）および前記管状部材（１６１、１６２、１６３）は、銅または銅合金により構成されており、
   前記管状部材（１６１、１６２、１６３）は、前記箱体（１５０）の外周に螺旋状に巻き付けられているとともに、ろう付けにより前記箱体（１５０）の外面に接合されており、
   前記管状部材（１６１、１６２、１６３）の外径をＤ、前記管状部材（１６１、１６２、１６３）の板厚をｔ、前記管状部材（１６１、１６２、１６３）を前記螺旋状に曲げる際の曲げ半径をＲ、前記管状部材（１６１、１６２、１６３）を構成する構成材料の引張強度をσ_Bとしたとき、前記管状部材（１６１、１６２、１６３）の外径および板厚は、次の数式１および数式２
   （数１）
   ｔ／Ｄ＞０．１９１３（Ｒ／Ｄ）^-1.132
   

   

   にて示される関係を満たすように設定されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記管状部材（１６１、１６２、１６３）は、前記箱体（１５０）の外周に螺旋状に巻き付けられた後に前記箱体（１５０）側に倒し込まれた状態で、前記箱体（１５０）の外面に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１流体は水であり、前記第２流体は冷媒である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. 請求項１に記載の熱交換器の製造方法であって、
   前記管状部材（１６１、１６２、１６３）を、前記箱体（１５０）の外周に螺旋状に巻き付ける巻き付け工程と、
   前記巻き付け工程の後、前記管状部材（１６１、１６２、１６３）を前記箱体（１５０）側に倒し込む倒し込み工程と、
   前記倒し込み工程の後、前記管状部材（１６１、１６２、１６３）を前記箱体（１５０）の外面にろう付けにより接合する接合工程とを含んでいることを特徴とする熱交換器の製造方法。

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