JP2020091072A - 熱交換器及びそれを備えた給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】組み立て性と熱交換性能の両立を実現した熱交換器を提供すること。【解決手段】第１流体が流れる内管２と、軸部５と軸部５の外面に形成された突部６とを有し、内管２内に挿入されている挿入体３と、内管２の内面と軸部５の外面と突部６の側面とで形成される前記第１流体の流路７と、を備え、第１流体が加熱されていない場合には、突部６の先端部と内管２の内面との隙間は、第１流体の入口側よりも第１流体の出口側の方が大きいことを特徴とする熱交換器１で、挿入体３の挿入性を容易し、かつ、第１流体の流路７からの空気抜き性能を良くすることができ、組み立て性と熱交換性能の両立を実現した熱交換器１を提供できる。【選択図】図２

Description

本発明は、熱交換器に関するものである。

従来、この種のヒートポンプ給湯機に用いられる熱交換器においては、水通路を構成する内管と、内管の外周に螺旋状に巻き付けられて冷媒通路を構成する外管とからなり、水通路を流れる水を、冷媒通路を流れる冷媒により加熱する構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

図８は、この従来の熱交換器の構成を示すものである。

熱交換器１０１は、内管１０２と、内管１０２の外周に所定のピッチで螺旋状に巻き付けた外管１０３とから構成されている。

内管１０２の内部を流れる水の流れと、外管１０３の内部を流れる冷媒の流れとが、対向して流れることで熱交換するものである。そして、内管１０２の外周に１本以上の外管１０３を巻付け、内管１０２の内部に伝熱促進手段として、ねじりテープ形状の挿入体１０４を挿入している。

以上のように構成された熱交換器１０１は、内管１０２の内部を流れる低温の水と、外管１０３の内部を流れる高温の二酸化炭素とを対向に流して熱交換させるもので、例えば、約９℃の水を約９０℃まで沸き上げることが可能である。

この時、内管１０２を流れる水は、挿入体１０４のらせん面に沿って旋回攪拌されることで伝熱が促進され、効率よく熱交換される。

このように、冷媒として二酸化炭素を用いたヒートポンプ式給湯機は、非常に高い温度の湯を生成することができるものである。

特開２００５−２２１１７２号公報

しかしながら、前記従来における構成では、その組み立て時、挿入体１０４の内管１０２への挿入性を良くするため、挿入体１０４の外径は、内管１０２の内径に対して一定の隙間を有する。

そのため、隙間を軸方向に流れる水流が発生してしまい、挿入体１０４のらせん面に沿って旋回攪拌される水流量が減少し、伝熱促進効果が小さくなるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、組み立て性と熱交換性能の両立を実現し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流体が流れる内管と、軸部と前記軸部の外面に形成された突部とを有し、前記内管内に挿入されている挿入体と、前記内管の内面と前記軸部の外面と前記突部の側面とで形成される前記第１流体の流路と、を備え、前記第１流体が加熱されていない場合には、前記突部の先端部と前記内管の内面との隙間は、前記第１流体の入口側よりも前記第１流体の出口側の方が大きいことを特徴とするものである。

これにより、熱交換器の組み立て時を含む第１流体が加熱されていない場合には、突部の先端部と内管の内面との隙間は、第１流体出口側の方が大きいので、挿入体の挿入性を容易し、かつ、第１流体の流路からの空気抜き性能を良くすることができる。

一方、第１流体が加熱された場合には、第１流体の出口側の方が第１流体の入口側より高温となり、挿入体の第１流体出口側の方が、挿入体の第１流体入口側より大きく熱膨張するので、突部の先端部と内管の内面との隙間は、第１流体の流路全般にわたって小さくなり、隙間を流れる水流を減少させることができ、熱交換性能を向上することができる。

本発明によれば、組み立て性と熱交換性能の両立を実現し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一部断面図 同熱交換器の第１流体非加熱時のＡ部の構成を示す断面図 同熱交換器の組み立て時のＡ部の構成を示す断面図 同熱交換器の第１流体加熱時のＡ部の構成を示す断面図 同熱交換器の温度分布特性を示す図 同熱交換器の挿入体の膨張寸法の変化を示す図 同熱交換器の挿入体の設計外径の変化を示す図 従来の熱交換器の挿入体とその周辺を示す構成図

第１の発明は、第１流体が流れる内管と、軸部と前記軸部の外面に形成された突部とを有し、前記内管内に挿入されている挿入体と、前記内管の内面と前記軸部の外面と前記突部の側面とで形成される前記第１流体の流路と、を備え、前記第１流体が加熱されていない場合には、前記突部の先端部と前記内管の内面との隙間は、前記第１流体の入口側よりも前記第１流体の出口側の方が大きいことを特徴とする熱交換器である。

これにより、熱交換器の組み立て時を含む第１流体が加熱されていない場合には、突部の先端部と内管の内面との隙間は、第１流体出口側の方が大きいので、挿入体の挿入性を容易し、かつ、第１流体の流路からの空気抜き性能を良くすることができる。

一方、第１流体が加熱された場合には、第１流体の出口側の方が第１流体の入口側より高温となり、挿入体の第１流体出口側の方が、挿入体の第１流体入口側より大きく熱膨張するので、突部の先端部と内管の内面との隙間は、第１流体の流路全般にわたって小さくなり、隙間を流れる水流を減少させることができ、熱交換性能を向上することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記軸部の外径は、前記第１流体の入口側よりも前記第１流体の出口側の方が小さいことを特徴とするものである。すなわち、前記挿入体の外径を、前記第１流体の入口側から前記第１流体の出口側に向けて小さくなるように徐変するものである。

これにより、挿入体の挿入性を容易にできる。また、第１流体の加熱時には、第１流体の入口側から第１流体の出口側にかけて、第１流体の温度は徐々に高くなるため、第１流体が加熱され温度が上昇したときに、膨張する寸法を挿入体の外径の事前に考慮し反映しておくことで、第１流体の加熱時における突部の先端部と内管の内面との隙間を全域に亘り最小化でき、熱交換性能を更に向上することができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記挿入体を形成する材料の線膨張係数は、前記内管を形成する材料の線膨張係数よりも大きいことを特徴とするものである。

これにより、第１流体の加熱時には、挿入体の膨張割合が内管よりも大きいため、突部の先端部と内管の内面との隙間をより小さくでき、第１流体の加熱時に隙間を流れる水流をより小さくでき、熱交換器の性能をできる。

第４の発明は、特に第１〜第３のいずれかの発明において、前記内管の外面に第２流体が流れる外管を備え、前記第１流体を前記第２流体が加熱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、低温の第１流体を高温の第２流体で加熱することで、高温の第１流体を生成することができる。

第５の発明は、第１流体が水で、第２流体が冷媒である第４の発明の熱交換器を備えたヒートポンプ給湯機である。

これにより、内管の外面に設けられた外管を流れる高温の冷媒が、水を加熱して、高温の湯を生成するヒートポンプ給湯機を提供できる。

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、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の一部断面図である。図２は、同熱交換器の第１流体非加熱時のＡ部の構成を示す断面図である。図３は、同熱交換器の組み立て時のＡ部の構成を示す断面図である。図４は、同熱交換器の第１流体加熱時のＡ部の構成を示す断面図である。図５は、同熱交換器の温度分布特性を示す図である。図６は、同熱交換器の挿入体の膨張寸法の変化を示す図である。図７は、同熱交換器の挿入体の設計外径の変化を示す図である。

図１において、熱交換器１は、内部を第１流体（例えば、水）が流れる内管２と、内管２の内部に挿入された挿入体３と、内部を第２流体（例えば、二酸化炭素冷媒）が流れ、内管２の外周に密着する少なくとも１本以上の外管４とから構成されている。

そして、低温の第１流体と、高温の第２流体とが対向に流れて熱交換し、第１流体を加熱し高温にするものである。

熱交換器１は、給湯機（例えば、冷媒を二酸化炭素としたヒートポンプ給湯機）に搭載されており、ヒートポンプ装置にて高温高圧に圧縮された第２流体（例えば、二酸化炭素冷媒）は外管４の内部を流れる。

そして、熱交換器１にて、外管４の内部を流れる高温高圧に圧縮された第２流体は、内管２の内部を流れる低温の水である第１流体と対向に流れることで熱交換する。

このように、水である第１流体が、外管４の内部を流れるヒートポンプ装置にて高温高圧に圧縮された第２流体によって加熱されて高温湯となる加熱運転が行なわれ、生成された高温水が給湯に使用される。

なお、外管４は、内管２の外周に所定のピッチで、螺旋状に巻き付けられており、内管２と挿入体３の間には水が流れる流路７が形成されている。

挿入体３は、軸部５とその軸部５の外面に螺旋状に形成された突部６とを含み、第１流体は、内管２の内面と軸部５の外面と突部６の側面とで形成される螺旋状の流路７を流れる。

図２、図３に示すように、挿入体３は、外径の一端が大口径Ｄｉｎ１で、他端が小口径Ｄｏｕｔ１なる異径形状であり、第１流体の内管２の入口側に挿入体３の大口径Ｄｉｎ１側が、第１流体の内管２の出口側に挿入体３の小口径Ｄｏｕｔ１側が位置するように、挿入体３が内管２内に挿入され配置されている。

そして、内管２は内径Ｄ０で一定の管であり、第１流体の内管２の出口部おける内管２の内面と突部６の先端との間の隙間Ｃｏｕｔ１は、第１流体の内管２の入口部おける内管２の内面と突部６の先端との間の隙間Ｃｉｎ１よりも大きい構成となっている。

ここで、熱交換器１の組み立て時を含む第１流体が加熱運転にて加熱されていない場合の、挿入体３の第１流体の内管２の入口部おける外径をＤｉｎ１、挿入体３の第１流体の内管２の出口部おける外径をＤｏｕｔ１としている。

また、内管２の内面と突部６の先端との間の第１流体の内管２の入口部おける隙間をＣｉｎ１、内管２の内面と突部６の先端との間の第１流体の内管２の出口部おける隙間をＣｏｕｔ１と記している。

一方、図４に示すように、第１流体が加熱運転にて加熱されている場合の、挿入体３の第１流体の内管２の入口部おける外径をＤｉｎ２、挿入体３の第１流体の内管２の出口部おける外径をＤｏｕｔ２としている。

さらに、内管２の内面と突部６の先端との間の第１流体の内管２の入口部おける隙間をＣｉｎ２、内管２の内面と突部６の先端との間の第１流体の内管２の出口部おける隙間をＣｏｕｔ２と記す。

ヒートポンプ給湯機においては、熱交換器１にて、外管４の内部を流れる高温高圧に圧縮された第２流体は、内管２の内部を流れる低温の水である第１流体と対向に流れることで熱交換し、第１流体である水が、外管４の内部を流れる高温の第２流体（例えば、二酸化炭素冷媒）によって加熱され、高温湯となる加熱運転が行なわれる。

以下に、熱交換器１の組み立て時を含む第１流体が加熱運転にて加熱されていない場合の、熱交換器１の特性について説明する。

図２、図３に示すように、挿入体３の外径は、第１流体の入口側が、第１流体の出口側よりも大きい。すなわち、Ｄｉｎ１＞Ｄｏｕｔ１となるように、挿入体３の外径は、第１流体の入口側から、第１流体の出口側に向けて徐々に径が小さくなる形状となっている。

このため、内管２は内径Ｄ０で一定の管であり、第１流体の内管２の出口部における内管２の内面と突部６の先端との間の隙間Ｃｏｕｔ１は、第１流体の内管２の入口部における内管２の内面と突部６の先端との間の隙間Ｃｉｎ１よりも大きく、かつ、内管２の内面と突部６の先端との間の隙間は、第１流体の入口側から、第１流体の出口側に向けて徐々に隙間が大きくなる形状となっている。

従って、図３に示すように、熱交換器１の組み立て時に、内管２内へ挿入体３をスムーズに挿入でき、挿入作業効率が良くなり、組み立て性を向上できる。

また、内管２の内面と軸部５の外面と突部６の側面とで形成され、第１流体（例えば、水）が流れる螺旋状の流路７からの空気抜き性が良くなる効果もある。

以下に、第１流体（例えば、水）が加熱運転にて加熱され高温状態の場合の、熱交換器１の特性について説明する。

第１流体が加熱運転にて加熱された場合には、挿入体３の外径は、熱膨張により、Ｄｏｕｔ２＞Ｄｏｕｔ１となる。さらに、第１流体の内管２の出口側が、第１流体の内管２の入口側よりも高温になるので、挿入体３の第１流体の出口側の方が、挿入体３の第１流体の入口側よりも大きく熱膨張する。

このため、図４に示すように、第１流体が加熱運転にて加熱されている場合の、第１流体の内管２の出口部おける内管２の内面と突部６の先端との間の隙間Ｃｏｕｔ２が、熱交換器１の組み立て時を含む第１流体が加熱運転にて加熱されていない場合の、第１流体の内管２の出口部おける内管２の内面と突部６の先端との間の隙間Ｃｏｕｔ１よりも小さくなり、かつ、突部６の先端部と内管２の内面との隙間は、第１流体の流路７全般にわたって小さくなるため、その隙間を挿入体３の軸方向に流れる水流が減少し、熱交換性能が向上する。

以下に具体的に、第２流体である二酸化炭素冷媒により、第１流体である水が加熱される長さが４００ｍｍの熱交換器１を、一例として説明する。

図５に示すように、所定の条件で加熱された熱交換器１を流れる第１流体である水の温度は、内管２の水入口側の２０℃から、内管２の水出口側に向けて６０℃まで徐々に上昇する。この時、温度上昇の影響で、ＰＰＳ樹脂（強化タイプ：線膨張係数４Ｅ−５／Ｋ）からなる挿入体３の外径は、図６に示すように、内管２の水出口側では、＋０．０６ｍｍ程度まで膨張することが判る。

図６に示されるような挿入体３の膨張を予め想定しておくことで、図７に示すように、熱交換器１の組み立て時を含む第１流体が加熱運転にて加熱されていない場合には、挿入体３の水出口側に向けて、挿入体３の外径を膨張する分だけ小さく設計しておくことができる。

すなわち、突部６の先端部と内管２の内面との隙間は、第１流体の入口側よりも第１流体の出口側の方が大きく形成されているため、熱交換器１の組み立て時を含む第１流体が加熱運転にて加熱されていない低温の状態では、熱交換器１の組み立て時には、挿入体３の挿入性を容易にする。

そして、第１流体を加熱する加熱運転を行い、高温の状態に変化させていくと、第１流体の内管２の出口側が、第１流体の内管２の入口側よりも高温になるので、挿入体３の第１流体の出口側の方が、挿入体３の第１流体の入口側よりも大きく熱膨張するため、突部６の先端部と内管２の内面との隙間は、第１流体の流路７全般にわたって小さくなるため、第１流体が加熱された場合には、隙間を挿入体３の軸方向に流れる水流が減少し、熱交換性能を向上することができる。

このように、挿入体３の第１流体の入口側から、第１流体の出口側にかけて、徐々に上昇する水温を予め予測し、そこから計算される膨張寸法を挿入体３の外径寸法に、第１流体の出口側（高温側）をより小径化させるように反映することで、第１流体の流路７全般にわたって、突部６の先端部と内管２の内面との隙間を最小化でき、熱交換性能を更に向上できる。

また、内管２を形成している材料である銅（線膨張係数１６．８Ｅ−６／Ｋ）のよりも、線膨張係数が大きい材料であるＰＰＳ樹脂（強化タイプ：線膨張係数４Ｅ−５／Ｋ）で挿入体３を形成すると、第１流体（例えば、水）が加熱運転にて加熱されている場合の、内管２の内面と突部６の先端との間の隙間をいっそう小さくでき、さらに熱交換性能を向上できる。

本実施の形態１では、外管４内を流れる流体を二酸化炭素としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２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、内管２と挿入体３の材質として、銅とＰＰＳを引用したが、材料の線膨張係数に同様の差があれば同様の効果を有するため、種類については特に限定しない。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、組み立て性と熱交換性能の両立を実現した熱交換器を提供できるので、水等の流体間で熱交換を行う熱交換器を搭載した機器に適用できる。

１ 熱交換器
２ 内管
３ 挿入体
４ 外管
５ 軸部
６ 突部
７ 流路

Claims (5)

1. 第１流体が流れる内管と、
   軸部と前記軸部の外面に形成された突部とを有し、前記内管内に挿入されている挿入体と、
   前記内管の内面と前記軸部の外面と前記突部の側面とで形成される前記第１流体の流路と、
   を備え、
   前記第１流体が加熱されていない場合には、
   前記突部の先端部と前記内管の内面との隙間は、前記第１流体の入口側よりも前記第１流体の出口側の方が大きいことを特徴とする熱交換器。
2. 前記軸部の外径は、前記第１流体の入口側よりも前記第１流体の出口側の方が小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記挿入体を形成する材料の線膨張係数は、前記内管を形成する材料の線膨張係数よりも大きい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. 前記内管の外面に第２流体が流れる外管を備え、前記第１流体を前記第２流体が加熱する構成とし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. 第１流体が水で、第２流体が冷媒である請求項４に記載の熱交換器を備えたヒートポンプ給湯機。

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