JP3938053B2 - 熱交換器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に関し、特に、ヒートポンプを用いて温水を生成する給湯機や冷温水を生成する冷暖房機などに利用される冷媒対水熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱交換器としては、特許文献１に開示されているような熱交換器が提案されている。その構成について、図８を参照しながら説明する。
【０００３】
熱交換器５０は、例えば、冷媒の凝縮熱を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用されるものであり、高温高圧の冷媒が流れる一次側の第１伝熱管５１と、低温低圧の水が流れる二次側の第２伝熱管５２とを備え、この第１伝熱管５１と第２伝熱管５２とをそれぞれ偏平化して密着させ、螺旋状に巻回した構成となっている。このとき、第１伝熱管５１を流れる高温冷媒は、その上下に位置する第２伝熱管５２を流れる低温の水と熱交換を行い、この水を加熱することになる。なお、この従来例では、伝熱管として肉厚が薄く比較的強度の小さい管体を使用することにより偏平化を容易にするとともに、この偏平化により管同士が密着する面積すなわち伝熱面積の拡大を図ることにより、熱交換性能を向上させている。
【０００４】
一方、このような熱交換器を動作圧力が非常に高い二酸化炭素冷媒と水との熱交換器として利用するような場合については、特許文献２に開示されているような熱交換器が提案されている。その構成について、図９を参照しながら説明する。
熱交換器６０は、内部に複数の小流路を備えた第１伝熱管６１と、第２伝熱管６２とを備え、これらを機械的に密着させた構成であり、第１伝熱管６１に高温高圧の冷媒が、第２伝熱管６２に低温低圧の水が流れるものである。この従来例では、高圧側の伝熱管として、アルミニウムからなる多穴管を使用し、管内部の流路を小さくすることにより耐圧性を向上させている。
【０００５】
【特許文献１】
実公昭６２−５５８７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１０７０６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。例えば、熱交換器５０を、動作圧力が非常に高い二酸化炭素冷媒と水との熱交換器として利用するような場合、高圧冷媒の流れる第１伝熱管５１の内部に加わる圧力が非常に高くなるため、管体をあらかじめ機械的に偏平化する従来のような構成では、変形に供しやすく、十分な耐圧性を確保することが困難となる。
【０００７】
一方、耐圧性向上のため、熱交換器６０のように高圧冷媒が流れる第１伝熱管６１を多穴管で構成する場合、伝熱管に使用される材料が、多穴構造の押出成形が容易に可能な材料（例えば、アルミニウム）に限定されてしまい、一般に熱交換器材料として広く用いられるものの、多穴成形の難しい銅やステンレス等の使用が困難となり、材料選択の自由度が非常に狭くなってしまう。さらに、例えば、冷媒が流れる多穴管を押出成形性に優れたアルミニウム、水が流れる管体を耐食性に優れた銅として熱交換器を構成すると、異なる金属どうしの接触あるいは接合面が形成されるため、その界面で電気的な腐食を引き起こす可能性が大きいという課題があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前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流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第１伝熱管の外形が略真円形状で、前記案内管が前記第１伝熱管の外周面に沿う形状を有することを特徴とするものである。
【００１０】
これによって、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。また、耐圧性に優れた略真円形状の管を第１伝熱管として使用しながらも、この外周面に沿うような形状を有する案内管を使用することにより、第１伝熱管と案内管との接触面積を拡大し、十分な伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第１伝熱管の外形が略真円形状で、前記案内管が前記第１伝熱管の外周面に沿う形状を有することを特徴とするものであり、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１２】
また、耐圧性に優れた略真円形状の管を第１伝熱管として使用しながらも、この外周面に沿うような形状を有する案内管を使用することにより、第１伝熱管と案内管との接触面積を拡大し、十分な伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第１伝熱管がその外周面に平坦部を有するとともに、前記案内管が前記第１伝熱管の平坦部に沿う形状を有することを特徴とするもので、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１４】
また、複数の第１伝熱管と案内管とを平坦な面で密着した構成とすることが可能となるため、伝熱に必要な接触面積が十分確保される。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第２伝熱管の断面積をその高温側で低温側よりも大きくしたことを特徴とするもので、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１６】
また、例えば、給湯水等を加熱する場合、特に出口近傍の高温側管内においてスケールが発生しやすいが、この部分の管断面積を大きくすることでスケール析出による管内流路の縮小や閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの構成において、特に第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有するものであり、第１伝熱管と第２伝熱管とが、案内管を介して、これらの長手方向ほぼ全体の部分で上下両面に伝熱面を有するような構成となり、広い伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能がより一層高い熱交換器を提供できる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの構成において、特に第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを交互に密着させながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有するものであり、熱交換器全体を薄板状に構成でき、さらにデッドスペースも少なく構成できるため、装置内への収納性に優れ、よりコンパクトな熱交換器を提供でき る。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの構成において、特に第２伝熱管の内部に第２流体の流れを擾乱させる流体擾乱手段を設けたものである。流体擾乱手段として、管の内周面に突起やフィンを設けたり、管内にじゃま板等を挿入することにより、流体の流れを擾乱させて乱流化を促進し、伝熱特性の向上を図ることができる。よって、耐圧性に優れ、より一層熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における熱交換器１０の断面図である。図１において、熱交換器１０は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管１と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管３と、第２流体が流れる第２伝熱管２とからなり、案内管３と第２伝熱管２とをこれらの外周面で密着させた構成を有し、さらに、第１伝熱管１を内包する案内管２と第２伝熱管２とを交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有する。この熱交換器１０の上下方向の両端面には、図示しない一対のフランジが配されており、これらを機械的に締結することによって、案内管２と第２伝熱管２とが密着する方向に保持されている。
【００２２】
このような熱交換器１０を構成する管体の材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。なお、管と管との接触界面における電気的な腐食を抑制するためには、熱交換器を同一材料で構成することが望ましい。
【００２３】
また、熱交換器１０の製造方法としては、まず、複数の第１伝熱管１を案内管３に挿入し、引き抜き加工により、案内管３に対して、複数の第１伝熱管１を列状に密着保持させる。この第１伝熱管１を内包した案内管３と、比較的薄肉の円管を成形用ローラの間に通すことにより偏平状に成形した第２伝熱管２とを、その偏平面において密着させた状態で、円筒形状の案内ドラムの外周に巻き付け、螺旋状に成形する。次に、この両端面に一対のフランジを配し、上下方向からボルトとナットで機械的に締結することで、複数の第１伝熱管１を内包した案内管３と第２伝熱管２とを互いに密着する方向に保持する。最後に、第２伝熱管２の内部に水や空気等の加圧流体を流入させ、第２伝熱管２を拡管し、第１伝熱管１を内包する案内管３と第２伝熱管２との密着性を拡大させる。
【００２４】
以上のように構成された熱交換器１０について、以下その作用を説明する。複数の第１伝熱管１には高圧側の第１流体、第２伝熱管２には低圧側の第２流体をそれぞれ流通させる。熱交換器１０を、図２に示すような、冷媒の凝縮熱や顕熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機の冷媒水熱交換器に利用するものとすると、例えば、高圧の第１流体は圧縮機から送られる二酸化炭素等の冷媒であり、低圧の第２流体は給湯用の水となる。
【００２５】
ここで、ヒートポンプ給湯機は、一般に、圧縮機３１、熱交換器１０、膨張弁３３、大気熱等を集熱する蒸発器３４を順次接続したヒートポンプ回路３５と、貯湯タンク３６、水ポンプ３７、前記した熱交換器１０を順次接続した水回路３８とから構成される。
【００２６】
このようなヒートポンプ給湯機により、給湯水の加熱を行う場合、まず、蒸発器３４において、送風ファンや集熱パネル等により大気熱や太陽熱等を集熱し、その内部を流れる冷媒を蒸発ガス化する。この冷媒は圧縮機３１に吸引され、機械的に圧縮されて、高温高圧の冷媒として熱交換器１０に送られる。一方、貯湯タンク３６下部の水は、循環用の水ポンプ３７によって搬送され、熱交換器２の第２伝熱管２に流入する。ここで、高温高圧の冷媒は、螺旋状の複数の第１伝熱管１を図１の上から下方向に流れ、低温低圧の水は、螺旋状の第２伝熱管２を図１の下から上方向に流れるものとすると、伝熱形態としては熱交換性能に優れた対向流とすることができる。このとき、複数の第１伝熱管１を流れる高温高圧の冷媒は、これらを列状に密着保持する案内管３を介して、その上下に位置する第２伝熱管２を流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。低温の給湯用の水は、螺旋状の第２伝熱管２を下から上方向に流れる間に、高温の冷媒から熱を受けて高温の湯となり、貯湯タンク３６上部に流入する。一方、熱交換器１０で放熱した冷媒は、膨張弁３３で減圧されて蒸発器３４に流入する。冷媒は、ここで再び大気熱等から吸熱し、次の圧縮機３１に供される。
【００２７】
なお、ヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、二酸化炭素冷媒のほかにも、Ｒ４１０ａ等のフロン系冷媒、プロパン等の炭化水素系冷媒等が挙げられる。
【００２８】
ここで、本実施例によれば、第１伝熱管１として、第２伝熱管２よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、第１伝熱管１を複数の管体で構成するため、従来のような多穴構造の管体を用いることがなく、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管１を案内管３に内包した構成であるため、第２伝熱管２とともに螺旋状に巻回する際にも、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。
【００２９】
また、案内管３が複数の第１伝熱管１を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。さらに、第１伝熱管１を内包する案内管３と第２伝熱管２とが交互に密着しながら螺旋状に巻回される構成であるため、第１伝熱管１と第２伝熱管２とが、案内管３を介して、これらの長手方向ほぼ全体の部分で上下両面に伝熱面を有するような構成となり、広い伝熱面積を確保することができる。
【００３０】
また、熱交換器１０を製造する際に、複数の第１伝熱管１を案内管３に挿入し、引き抜き加工により第１伝熱管１と案内管３とを密着させる工程を有するものであり、複数の第１伝熱管１の外周面と案内管３の内周面との密着性がより一層向上する。
【００３１】
このとき、第２伝熱管２の内部に加圧流体を流入させて拡管してやれば、第２伝熱管２の内部全体が均等に加圧されるため、第１伝熱管１を内包する案内管３と第２伝熱管２との密着性を拡大することができるとともに、密着性のばらつきが低減される。例えば、図３に示すように、第２伝熱管２を拡管することで、案内管３を略真円形状の複数の第１伝熱管１の外周面に十分密着させることも可能となる。よって、熱交換性能のさらなる向上が図られるとともに、ロウ付け等の加熱処理を施すことなく密着性向上が図られるため、管体の有する初期の機械強度（耐圧性能）を確保することもできる。
【００３２】
したがって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００３３】
なお、本実施例では、複数の第１伝熱管１を内包する案内管３と第２伝熱管２とを交互に密着させながら螺旋状に巻回するとしたが、必要に応じて、長手方向に略直線形状を有する第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを単純に重ねて機械的にまたは接合により密着させたもの、これをＵ字状に折り返して蛇行形状としたもの、第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを交互に複数組密着させながら平面状に並べたもの等いかなる構成としてもよい。
【００３４】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２における熱交換器２０の断面図である。図４において、熱交換器２０は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管１１と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管１３と、第２流体が流れる第２伝熱管１２とからなり、案内管１３と第２伝熱管１２とをこれらの外周面で密着させた構成を有し、さらに、第１伝熱管１を内包する案内管２と第２伝熱管２とを交互に密着させながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有する。
【００３５】
このような熱交換器２０を構成する管体の材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。なお、管と管との接触界面における電気的な腐食を抑制するためには、熱交換器を同一材料で構成することが望ましい。
【００３６】
また、熱交換器２０の製造方法としては、まず、複数の第１伝熱管１１を案内管１３に挿入し、引き抜き加工により、案内管１３に対して、複数の第１伝熱管１１を列状に密着保持させる。この第１伝熱管１１を内包した案内管１３と、比較的薄肉の円管を成形用ローラの間に通すことにより偏平状に成形した第２伝熱管１２とを、その偏平面において密着させた状態で、初期的には案内部材の外周に、後には自らの外周面に巻き付けながら、略同一平面内で渦巻き状に成形する。次に、熱交換器２０の内周と外周との間に帯状の結束部材（図示せず）を巻き付け、第１伝熱管１１を内包する案内管１３と第２伝熱管１２とが密着する方向に結束することにより、渦巻き状に密着させた形態を保持する。最後に、第２伝熱管１２の内部に水や空気等の加圧流体を流入させ、第２伝熱管１２を拡管し、第１伝熱管１１を内包する案内管１３と第２伝熱管１２との密着性を拡大させる。
【００３７】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。複数の第１伝熱管１１には高圧側の第１流体、第２伝熱管１２には低圧側の第２流体をそれぞれ流通させる。熱交換器２０を、実施例１の図２で説明したような、冷媒の凝縮熱や顕熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用するものとすると、例えば、高圧の第１流体は圧縮機から送られる二酸化炭素等の冷媒であり、低圧の第２流体は給湯用の水となる。このとき、高温高圧の冷媒は、渦巻き状の複数の第１伝熱管１１を流れる間に、これらを密着保持する案内管１３を介して、図４ではその左右に位置する第２伝熱管１２を流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。
【００３８】
ここで、本実施例によれば、第１伝熱管１１として、第２伝熱管１２よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、第１伝熱管１１が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管１１を案内管１３に内包した構成であるため、第２伝熱管１２とともに渦巻き状に巻回する際にも、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。
【００３９】
また、案内管３が複数の第１伝熱管１を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。さらに、第１伝熱管１１を内包する案内管１３と第２伝熱管１２とが交互に密着しながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有するものであるため、熱交換器２０全体を薄板状に構成できるとともに、螺旋状に巻回した場合にできる円筒内部空間のようなデッドスペースを少なく構成できる。なお、熱交換器２０を渦巻き状に巻回するにあたって、全体を略円形から楕円形さらに四角形とすることで、外周におけるデッドスペースをさらに小さくすることができる。
【００４０】
また、熱交換器２０を製造する際に、複数の第１伝熱管１１を案内管１３に挿入し、引き抜き加工により第１伝熱管１１と案内管１３とを密着させる工程を有するものであり、複数の第１伝熱管１１の外周面と案内管１３の内周面との密着性がより一層向上する。さらに、第２伝熱管１２の内部に加圧流体を流入させ、この第２伝熱管１２を拡管する工程を有するものであり、第２伝熱管１２の内部全体が均等に加圧されるため、第１伝熱管１１を内包する案内管１３と第２伝熱管１２との密着性が拡大するとともに、密着性のばらつきが低減される。よって、熱交換性能のさらなる向上が図られるとともに、ロウ付け等の加熱処理を施すことなく密着性向上が図られるため、管体の有する初期の機械強度（耐圧性能）を確保できる。
【００４１】
したがって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高く、加えて装置内への収納性に優れ、よりコンパクトな熱交換器を提供できる。
【００４２】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３における熱交換器の断面図である。本実施例の熱交換器の全体構成とその作用は、図１に示した熱交換器１０と略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施例１と異なるのは、第１伝熱管２１の外形が略真円形状であるとともに、案内管２３の内周が第１伝熱管２１の外周面に沿う形状を有する点であり、さらに、第２伝熱管２２の内部に第２流体の流れを擾乱させる流体擾乱手段２４を設けた点である。ここでは、流体擾乱手段２４として、例えば、第２伝熱管２２の内周面に突起（またはフィン）を設けたものとする。なお、このような突起やフィン等の流体擾乱手段２４を有する第２伝熱管２２の成形は、押出加工により成形する方法等いかなる方法を用いて行ってもよい。
【００４３】
ここで、本実施例によれば、耐圧性に優れた略真円形状の管を第１伝熱管２１として使用しながらも、この外周面に沿うような形状を有する案内管２３を使用することにより、第１伝熱管２１と案内管２３との接触面積を拡大し、十分な伝熱面積を確保することができる。
【００４４】
さらに、第２伝熱管２２の内周面に流体擾乱手段２４としての突起やフィンを設け、第２流体の流れを擾乱させて乱流化を促進することにより、伝熱特性の向上を図ることができる。よって、耐圧性に優れ、より一層熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００４５】
（実施例４）
図６は本発明の実施例４における熱交換器の断面図である。本実施例の熱交換器の全体構成とその作用は、図１に示した熱交換器１０と略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施例１と異なるのは、第１伝熱管４１がその外周面に平坦部４５を有するとともに、案内管４３が第１伝熱管４１の平坦部４５に沿う形状を有する点であり、さらに、第２伝熱管４２の内部に第２流体の流れを擾乱させる流体擾乱手段４４を設けた点である。ここでは、流体擾乱手段４４として、例えば、第２伝熱管４２の内部に波形状のじゃま板を挿入したものとする。
【００４６】
なお、平坦部４５を有する第１伝熱管４１の成形は、押出加工により成形する方法、円管をもとにプレス成形する方法等いかなる方法を用いて行ってもよい。また、平坦部４５に対応した形状を有する第２伝熱管４２の成形は、円管をもとにプレス成形する以外にも、金属の押出加工等いかなる方法を用いて行ってもよい。
【００４７】
ここで、本実施例によれば、第１伝熱管４１がその外周面に平坦部４５を有するとともに、案内管４３が第１伝熱管４１の平坦部４５に沿う形状を有するものであり、複数の第１伝熱管４１と案内管４３とを平坦な面で密着した構成とすることが可能となるため、伝熱に必要な接触面積（伝熱面積）が十分確保される。特に、第１伝熱管４１が３本以上の管で構成されるような場合、列状に配された管の両端以外に位置する管は、案内管４３との密着性が悪くなる可能性がある。これは、外形が円状の管を用いることを想定した場合に顕著となる。
【００４８】
また、第２伝熱管２２の内部に流体擾乱手段２４として波形状のじゃま板を挿入することにより、第２流体の流れを擾乱させて乱流化を促進し、伝熱特性の向上を図ることができる。なお、このじゃま板は、流体の流れを擾乱させるだけでなく、第２伝熱管４２の内周と当接することによりフィンとして機能し、有効な伝熱面積を拡大させる効果も有する。また、第２伝熱管４２の流路断面を細分化することにより流体の流速を高め、伝熱性能を向上させる効果も有する。よって、耐圧性に優れ、より一層熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００４９】
なお、本実施例では、流体擾乱手段２４として、波形状のじゃま板を第２伝熱管２２の内部に挿入するものとしたが、流体の流れを擾乱したり、フィン効果を高めたり、流速を拡大するものであれば、コイル形状等いかなる形状を有するものを用いても良い。
【００５０】
（実施例５）
図７は本発明の実施例５における熱交換器４０の断面図である。本実施例は、図１に示した熱交換器１０と略同一の構成と作用を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。実施例１と異なるのは、第２伝熱管３２の断面積が、高温側管３２ｂで低温側管３２ａよりも大きい点である。ここで、第２伝熱管３２の断面積が途中で異なる熱交換器４０の作製は、管体を巻回する際に第２伝熱管３２のみ途中で径の違うものと交換したり、個別の熱交換器を途中で接合する等の方法を用いれば容易に行うことができる。
【００５１】
本実施例の熱交換器４０を、例えば、冷媒で水（特に水道水）を加熱する冷媒対水熱交換器に適用する場合を考える。一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を多く含んだ水を、このような冷媒対水熱交換器で長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍においてスケールが発生する可能性がある。このようなスケールが水側流路の内周に付着すると、水の流動抵抗となって圧力損失が増大するとともに、伝熱面の熱抵抗となって熱交換器としての性能を低減させる。
【００５２】
ここで、本実施例では、第２伝熱管３２の高温側管３２ｂの断面積を、その低温側管３２ａの断面積よりも大きく構成しているため、万一流路内にスケール等が生成し付着した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和することができる。
【００５３】
したがって、例えば、給湯水の加熱時に特に高温部で発生しやすい、スケール析出による流路の縮小や閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００５４】
なお、上記した各実施例において、必要に応じて、第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とをロウ付け等によりさらに熱密的に一体化接合してやれば、熱交換性能の一層の拡大を図ることも可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における熱交換器の断面図
【図２】 本発明の実施例１の熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の構成図
【図３】 本発明の実施例１における熱交換器の断面図
【図４】 本発明の実施例２における熱交換器の断面図
【図５】 本発明の実施例３における熱交換器の断面図
【図６】 本発明の実施例４における熱交換器の断面図
【図７】 本発明の実施例５における熱交換器の断面図
【図８】 従来の熱交換器の断面図
【図９】 従来の熱交換器の断面図
【符号の説明】
１、１１、２１、３１、４１ 第１伝熱管
２、１２、２２、３２、４２ 第２伝熱管
３、１３、２３、３３、４３ 案内管
２４、４４ 流体擾乱手段
３２ａ 低温側管
３２ｂ 高温側管
４５ 平坦部
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に関し、特に、ヒートポンプを用いて温水を生成する給湯機や冷温水を生成する冷暖房機などに利用される冷媒対水熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱交換器としては、特許文献１に開示されているような熱交換器が提案されている。その構成について、図８を参照しながら説明する。
【０００３】
熱交換器５０は、例えば、冷媒の凝縮熱を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用されるものであり、高温高圧の冷媒が流れる一次側の第１伝熱管５１と、低温低圧の水が流れる二次側の第２伝熱管５２とを備え、この第１伝熱管５１と第２伝熱管５２とをそれぞれ偏平化して密着させ、螺旋状に巻回した構成となっている。このとき、第１伝熱管５１を流れる高温冷媒は、その上下に位置する第２伝熱管５２を流れる低温の水と熱交換を行い、この水を加熱することになる。なお、この従来例では、伝熱管として肉厚が薄く比較的強度の小さい管体を使用することにより偏平化を容易にするとともに、この偏平化により管同士が密着する面積すなわち伝熱面積の拡大を図ることにより、熱交換性能を向上させている。
【０００４】
一方、このような熱交換器を動作圧力が非常に高い二酸化炭素冷媒と水との熱交換器として利用するような場合については、特許文献２に開示されているような熱交換器が提案されている。その構成について、図９を参照しながら説明する。
熱交換器６０は、内部に複数の小流路を備えた第１伝熱管６１と、第２伝熱管６２とを備え、これらを機械的に密着させた構成であり、第１伝熱管６１に高温高圧の冷媒が、第２伝熱管６２に低温低圧の水が流れるものである。この従来例では、高圧側の伝熱管として、アルミニウムからなる多穴管を使用し、管内部の流路を小さくすることにより耐圧性を向上させている。
【０００５】
【特許文献１】
実公昭６２−５５８７号公報
【特許文献２】
特開２００２−１０７０６９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。例えば、熱交換器５０を、動作圧力が非常に高い二酸化炭素冷媒と水との熱交換器として利用するような場合、高圧冷媒の流れる第１伝熱管５１の内部に加わる圧力が非常に高くなるため、管体をあらかじめ機械的に偏平化する従来のような構成では、変形に供しやすく、十分な耐圧性を確保することが困難となる。
【０００７】
一方、耐圧性向上のため、熱交換器６０のように高圧冷媒が流れる第１伝熱管６１を多穴管で構成する場合、伝熱管に使用される材料が、多穴構造の押出成形が容易に可能な材料（例えば、アルミニウム）に限定されてしまい、一般に熱交換器材料として広く用いられるものの、多穴成形の難しい銅やステンレス等の使用が困難となり、材料選択の自由度が非常に狭くなってしまう。さらに、例えば、冷媒が流れる多穴管を押出成形性に優れたアルミニウム、水が流れる管体を耐食性に優れた銅として熱交換器を構成すると、異なる金属どうしの接触あるいは接合面が形成されるため、その界面で電気的な腐食を引き起こす可能性が大きいという課題があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前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流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第１伝熱管の外形が略真円形状で、前記案内管が前記第１伝熱管の外周面に沿う形状を有することを特徴とするものである。
【００１０】
これによって、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。また、耐圧性に優れた略真円形状の管を第１伝熱管として使用しながらも、この外周面に沿うような形状を有する案内管を使用することにより、第１伝熱管と案内管との接触面積を拡大し、十分な伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第１伝熱管の外形が略真円形状で、前記案内管が前記第１伝熱管の外周面に沿う形状を有することを特徴とするものであり、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１２】
また、耐圧性に優れた略真円形状の管を第１伝熱管として使用しながらも、この外周面に沿うような形状を有する案内管を使用することにより、第１伝熱管と案内管との接触面積を拡大し、十分な伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第１伝熱管がその外周面に平坦部を有するとともに、前記案内管が前記第１伝熱管の平坦部に沿う形状を有することを特徴とするもので、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１４】
また、複数の第１伝熱管と案内管とを平坦な面で密着した構成とすることが可能となるため、伝熱に必要な接触面積が十分確保される。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第２伝熱管の断面積をその高温側で低温側よりも大きくしたことを特徴とするもので、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００１６】
また、例えば、給湯水等を加熱する場合、特に出口近傍の高温側管内においてスケールが発生しやすいが、この部分の管断面積を大きくすることでスケール析出による管内流路の縮小や閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの構成において、特に第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有するものであり、第１伝熱管と第２伝熱管とが、案内管を介して、これらの長手方向ほぼ全体の部分で上下両面に伝熱面を有するような構成となり、広い伝熱面積を確保することができる。よって、耐圧性に優れ、熱交換性能がより一層高い熱交換器を提供できる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかの構成において、特に第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを交互に密着させながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有するものであり、熱交換器全体を薄板状に構成でき、さらにデッドスペースも少なく構成できるため、装置内への収納性に優れ、よりコンパクトな熱交換器を提供でき る。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれかの構成において、特に第２伝熱管の内部に第２流体の流れを擾乱させる流体擾乱手段を設けたものである。流体擾乱手段として、管の内周面に突起やフィンを設けたり、管内にじゃま板等を挿入することにより、流体の流れを擾乱させて乱流化を促進し、伝熱特性の向上を図ることができる。よって、耐圧性に優れ、より一層熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２１】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における熱交換器１０の断面図である。図１において、熱交換器１０は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管１と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管３と、第２流体が流れる第２伝熱管２とからなり、案内管３と第２伝熱管２とをこれらの外周面で密着させた構成を有し、さらに、第１伝熱管１を内包する案内管２と第２伝熱管２とを交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有する。この熱交換器１０の上下方向の両端面には、図示しない一対のフランジが配されており、これらを機械的に締結することによって、案内管２と第２伝熱管２とが密着する方向に保持されている。
【００２２】
このような熱交換器１０を構成する管体の材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。なお、管と管との接触界面における電気的な腐食を抑制するためには、熱交換器を同一材料で構成することが望ましい。
【００２３】
また、熱交換器１０の製造方法としては、まず、複数の第１伝熱管１を案内管３に挿入し、引き抜き加工により、案内管３に対して、複数の第１伝熱管１を列状に密着保持させる。この第１伝熱管１を内包した案内管３と、比較的薄肉の円管を成形用ローラの間に通すことにより偏平状に成形した第２伝熱管２とを、その偏平面において密着させた状態で、円筒形状の案内ドラムの外周に巻き付け、螺旋状に成形する。次に、この両端面に一対のフランジを配し、上下方向からボルトとナットで機械的に締結することで、複数の第１伝熱管１を内包した案内管３と第２伝熱管２とを互いに密着する方向に保持する。最後に、第２伝熱管２の内部に水や空気等の加圧流体を流入させ、第２伝熱管２を拡管し、第１伝熱管１を内包する案内管３と第２伝熱管２との密着性を拡大させる。
【００２４】
以上のように構成された熱交換器１０について、以下その作用を説明する。複数の第１伝熱管１には高圧側の第１流体、第２伝熱管２には低圧側の第２流体をそれぞれ流通させる。熱交換器１０を、図２に示すような、冷媒の凝縮熱や顕熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機の冷媒水熱交換器に利用するものとすると、例えば、高圧の第１流体は圧縮機から送られる二酸化炭素等の冷媒であり、低圧の第２流体は給湯用の水となる。
【００２５】
ここで、ヒートポンプ給湯機は、一般に、圧縮機３１、熱交換器１０、膨張弁３３、大気熱等を集熱する蒸発器３４を順次接続したヒートポンプ回路３５と、貯湯タンク３６、水ポンプ３７、前記した熱交換器１０を順次接続した水回路３８とから構成される。
【００２６】
このようなヒートポンプ給湯機により、給湯水の加熱を行う場合、まず、蒸発器３４において、送風ファンや集熱パネル等により大気熱や太陽熱等を集熱し、その内部を流れる冷媒を蒸発ガス化する。この冷媒は圧縮機３１に吸引され、機械的に圧縮されて、高温高圧の冷媒として熱交換器１０に送られる。一方、貯湯タンク３６下部の水は、循環用の水ポンプ３７によって搬送され、熱交換器２の第２伝熱管２に流入する。ここで、高温高圧の冷媒は、螺旋状の複数の第１伝熱管１を図１の上から下方向に流れ、低温低圧の水は、螺旋状の第２伝熱管２を図１の下から上方向に流れるものとすると、伝熱形態としては熱交換性能に優れた対向流とすることができる。このとき、複数の第１伝熱管１を流れる高温高圧の冷媒は、これらを列状に密着保持する案内管３を介して、その上下に位置する第２伝熱管２を流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。低温の給湯用の水は、螺旋状の第２伝熱管２を下から上方向に流れる間に、高温の冷媒から熱を受けて高温の湯となり、貯湯タンク３６上部に流入する。一方、熱交換器１０で放熱した冷媒は、膨張弁３３で減圧されて蒸発器３４に流入する。冷媒は、ここで再び大気熱等から吸熱し、次の圧縮機３１に供される。
【００２７】
なお、ヒートポンプ給湯機に用いる冷媒としては、二酸化炭素冷媒のほかにも、Ｒ４１０ａ等のフロン系冷媒、プロパン等の炭化水素系冷媒等が挙げられる。
【００２８】
ここで、本実施例によれば、第１伝熱管１として、第２伝熱管２よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、第１伝熱管１を複数の管体で構成するため、従来のような多穴構造の管体を用いることがなく、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管１を案内管３に内包した構成であるため、第２伝熱管２とともに螺旋状に巻回する際にも、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。
【００２９】
また、案内管３が複数の第１伝熱管１を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。さらに、第１伝熱管１を内包する案内管３と第２伝熱管２とが交互に密着しながら螺旋状に巻回される構成であるため、第１伝熱管１と第２伝熱管２とが、案内管３を介して、これらの長手方向ほぼ全体の部分で上下両面に伝熱面を有するような構成となり、広い伝熱面積を確保することができる。
【００３０】
また、熱交換器１０を製造する際に、複数の第１伝熱管１を案内管３に挿入し、引き抜き加工により第１伝熱管１と案内管３とを密着させる工程を有するものであり、複数の第１伝熱管１の外周面と案内管３の内周面との密着性がより一層向上する。
【００３１】
このとき、第２伝熱管２の内部に加圧流体を流入させて拡管してやれば、第２伝熱管２の内部全体が均等に加圧されるため、第１伝熱管１を内包する案内管３と第２伝熱管２との密着性を拡大することができるとともに、密着性のばらつきが低減される。例えば、図３に示すように、第２伝熱管２を拡管することで、案内管３を略真円形状の複数の第１伝熱管１の外周面に十分密着させることも可能となる。よって、熱交換性能のさらなる向上が図られるとともに、ロウ付け等の加熱処理を施すことなく密着性向上が図られるため、管体の有する初期の機械強度（耐圧性能）を確保することもできる。
【００３２】
したがって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００３３】
なお、本実施例では、複数の第１伝熱管１を内包する案内管３と第２伝熱管２とを交互に密着させながら螺旋状に巻回するとしたが、必要に応じて、長手方向に略直線形状を有する第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを単純に重ねて機械的にまたは接合により密着させたもの、これをＵ字状に折り返して蛇行形状としたもの、第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを交互に複数組密着させながら平面状に並べたもの等いかなる構成としてもよい。
【００３４】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２における熱交換器２０の断面図である。図４において、熱交換器２０は、第１流体が流れる複数の第１伝熱管１１と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管１３と、第２流体が流れる第２伝熱管１２とからなり、案内管１３と第２伝熱管１２とをこれらの外周面で密着させた構成を有し、さらに、第１伝熱管１を内包する案内管２と第２伝熱管２とを交互に密着させながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有する。
【００３５】
このような熱交換器２０を構成する管体の材質としては、熱伝導性および成形性の良い金属、例えば、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス等が挙げられる。なお、管と管との接触界面における電気的な腐食を抑制するためには、熱交換器を同一材料で構成することが望ましい。
【００３６】
また、熱交換器２０の製造方法としては、まず、複数の第１伝熱管１１を案内管１３に挿入し、引き抜き加工により、案内管１３に対して、複数の第１伝熱管１１を列状に密着保持させる。この第１伝熱管１１を内包した案内管１３と、比較的薄肉の円管を成形用ローラの間に通すことにより偏平状に成形した第２伝熱管１２とを、その偏平面において密着させた状態で、初期的には案内部材の外周に、後には自らの外周面に巻き付けながら、略同一平面内で渦巻き状に成形する。次に、熱交換器２０の内周と外周との間に帯状の結束部材（図示せず）を巻き付け、第１伝熱管１１を内包する案内管１３と第２伝熱管１２とが密着する方向に結束することにより、渦巻き状に密着させた形態を保持する。最後に、第２伝熱管１２の内部に水や空気等の加圧流体を流入させ、第２伝熱管１２を拡管し、第１伝熱管１１を内包する案内管１３と第２伝熱管１２との密着性を拡大させる。
【００３７】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。複数の第１伝熱管１１には高圧側の第１流体、第２伝熱管１２には低圧側の第２流体をそれぞれ流通させる。熱交換器２０を、実施例１の図２で説明したような、冷媒の凝縮熱や顕熱等を利用して給湯水の加熱を行ういわゆるヒートポンプ給湯機に利用するものとすると、例えば、高圧の第１流体は圧縮機から送られる二酸化炭素等の冷媒であり、低圧の第２流体は給湯用の水となる。このとき、高温高圧の冷媒は、渦巻き状の複数の第１伝熱管１１を流れる間に、これらを密着保持する案内管１３を介して、図４ではその左右に位置する第２伝熱管１２を流れる低温低圧の水と熱交換を行うことになる。
【００３８】
ここで、本実施例によれば、第１伝熱管１１として、第２伝熱管１２よりも微細で機械強度の高い複数本の管を使用することにより、耐圧性を確保することができる。また、第１伝熱管１１が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管１１を案内管１３に内包した構成であるため、第２伝熱管１２とともに渦巻き状に巻回する際にも、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。
【００３９】
また、案内管３が複数の第１伝熱管１を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。さらに、第１伝熱管１１を内包する案内管１３と第２伝熱管１２とが交互に密着しながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有するものであるため、熱交換器２０全体を薄板状に構成できるとともに、螺旋状に巻回した場合にできる円筒内部空間のようなデッドスペースを少なく構成できる。なお、熱交換器２０を渦巻き状に巻回するにあたって、全体を略円形から楕円形さらに四角形とすることで、外周におけるデッドスペースをさらに小さくすることができる。
【００４０】
また、熱交換器２０を製造する際に、複数の第１伝熱管１１を案内管１３に挿入し、引き抜き加工により第１伝熱管１１と案内管１３とを密着させる工程を有するものであり、複数の第１伝熱管１１の外周面と案内管１３の内周面との密着性がより一層向上する。さらに、第２伝熱管１２の内部に加圧流体を流入させ、この第２伝熱管１２を拡管する工程を有するものであり、第２伝熱管１２の内部全体が均等に加圧されるため、第１伝熱管１１を内包する案内管１３と第２伝熱管１２との密着性が拡大するとともに、密着性のばらつきが低減される。よって、熱交換性能のさらなる向上が図られるとともに、ロウ付け等の加熱処理を施すことなく密着性向上が図られるため、管体の有する初期の機械強度（耐圧性能）を確保できる。
【００４１】
したがって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高く、加えて装置内への収納性に優れ、よりコンパクトな熱交換器を提供できる。
【００４２】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３における熱交換器の断面図である。本実施例の熱交換器の全体構成とその作用は、図１に示した熱交換器１０と略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施例１と異なるのは、第１伝熱管２１の外形が略真円形状であるとともに、案内管２３の内周が第１伝熱管２１の外周面に沿う形状を有する点であり、さらに、第２伝熱管２２の内部に第２流体の流れを擾乱させる流体擾乱手段２４を設けた点である。ここでは、流体擾乱手段２４として、例えば、第２伝熱管２２の内周面に突起（またはフィン）を設けたものとする。なお、このような突起やフィン等の流体擾乱手段２４を有する第２伝熱管２２の成形は、押出加工により成形する方法等いかなる方法を用いて行ってもよい。
【００４３】
ここで、本実施例によれば、耐圧性に優れた略真円形状の管を第１伝熱管２１として使用しながらも、この外周面に沿うような形状を有する案内管２３を使用することにより、第１伝熱管２１と案内管２３との接触面積を拡大し、十分な伝熱面積を確保することができる。
【００４４】
さらに、第２伝熱管２２の内周面に流体擾乱手段２４としての突起やフィンを設け、第２流体の流れを擾乱させて乱流化を促進することにより、伝熱特性の向上を図ることができる。よって、耐圧性に優れ、より一層熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００４５】
（実施例４）
図６は本発明の実施例４における熱交換器の断面図である。本実施例の熱交換器の全体構成とその作用は、図１に示した熱交換器１０と略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施例１と異なるのは、第１伝熱管４１がその外周面に平坦部４５を有するとともに、案内管４３が第１伝熱管４１の平坦部４５に沿う形状を有する点であり、さらに、第２伝熱管４２の内部に第２流体の流れを擾乱させる流体擾乱手段４４を設けた点である。ここでは、流体擾乱手段４４として、例えば、第２伝熱管４２の内部に波形状のじゃま板を挿入したものとする。
【００４６】
なお、平坦部４５を有する第１伝熱管４１の成形は、押出加工により成形する方法、円管をもとにプレス成形する方法等いかなる方法を用いて行ってもよい。また、平坦部４５に対応した形状を有する第２伝熱管４２の成形は、円管をもとにプレス成形する以外にも、金属の押出加工等いかなる方法を用いて行ってもよい。
【００４７】
ここで、本実施例によれば、第１伝熱管４１がその外周面に平坦部４５を有するとともに、案内管４３が第１伝熱管４１の平坦部４５に沿う形状を有するものであり、複数の第１伝熱管４１と案内管４３とを平坦な面で密着した構成とすることが可能となるため、伝熱に必要な接触面積（伝熱面積）が十分確保される。特に、第１伝熱管４１が３本以上の管で構成されるような場合、列状に配された管の両端以外に位置する管は、案内管４３との密着性が悪くなる可能性がある。これは、外形が円状の管を用いることを想定した場合に顕著となる。
【００４８】
また、第２伝熱管２２の内部に流体擾乱手段２４として波形状のじゃま板を挿入することにより、第２流体の流れを擾乱させて乱流化を促進し、伝熱特性の向上を図ることができる。なお、このじゃま板は、流体の流れを擾乱させるだけでなく、第２伝熱管４２の内周と当接することによりフィンとして機能し、有効な伝熱面積を拡大させる効果も有する。また、第２伝熱管４２の流路断面を細分化することにより流体の流速を高め、伝熱性能を向上させる効果も有する。よって、耐圧性に優れ、より一層熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【００４９】
なお、本実施例では、流体擾乱手段２４として、波形状のじゃま板を第２伝熱管２２の内部に挿入するものとしたが、流体の流れを擾乱したり、フィン効果を高めたり、流速を拡大するものであれば、コイル形状等いかなる形状を有するものを用いても良い。
【００５０】
（実施例５）
図７は本発明の実施例５における熱交換器４０の断面図である。本実施例は、図１に示した熱交換器１０と略同一の構成と作用を有するので、ここでは詳細な説明を省略する。実施例１と異なるのは、第２伝熱管３２の断面積が、高温側管３２ｂで低温側管３２ａよりも大きい点である。ここで、第２伝熱管３２の断面積が途中で異なる熱交換器４０の作製は、管体を巻回する際に第２伝熱管３２のみ途中で径の違うものと交換したり、個別の熱交換器を途中で接合する等の方法を用いれば容易に行うことができる。
【００５１】
本実施例の熱交換器４０を、例えば、冷媒で水（特に水道水）を加熱する冷媒対水熱交換器に適用する場合を考える。一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を多く含んだ水を、このような冷媒対水熱交換器で長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側流路の出口部近傍においてスケールが発生する可能性がある。このようなスケールが水側流路の内周に付着すると、水の流動抵抗となって圧力損失が増大するとともに、伝熱面の熱抵抗となって熱交換器としての性能を低減させる。
【００５２】
ここで、本実施例では、第２伝熱管３２の高温側管３２ｂの断面積を、その低温側管３２ａの断面積よりも大きく構成しているため、万一流路内にスケール等が生成し付着した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和することができる。
【００５３】
したがって、例えば、給湯水の加熱時に特に高温部で発生しやすい、スケール析出による流路の縮小や閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００５４】
なお、上記した各実施例において、必要に応じて、第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とをロウ付け等によりさらに熱密的に一体化接合してやれば、熱交換性能の一層の拡大を図ることも可能である。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１伝熱管が多穴構造を伴わないため、アルミニウムだけでなく、銅、鉄、ステンレスなど様々な材料で構成でき、熱交換器としての材料選択の自由度が向上する。さらに、複数の第１伝熱管を案内管に内包した構成であるため、管の取り扱いが容易となり生産性に優れる。また、この案内管が複数の第１伝熱管を列状に密着保持する構成であるため、比較的広い伝熱面の形成が可能となる。よって、耐圧性と材料選択性に優れ、熱交換性能が高い熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における熱交換器の断面図
【図２】 本発明の実施例１の熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の構成図
【図３】 本発明の実施例１における熱交換器の断面図
【図４】 本発明の実施例２における熱交換器の断面図
【図５】 本発明の実施例３における熱交換器の断面図
【図６】 本発明の実施例４における熱交換器の断面図
【図７】 本発明の実施例５における熱交換器の断面図
【図８】 従来の熱交換器の断面図
【図９】 従来の熱交換器の断面図
【符号の説明】
１、１１、２１、３１、４１ 第１伝熱管
２、１２、２２、３２、４２ 第２伝熱管
３、１３、２３、３３、４３ 案内管
２４、４４ 流体擾乱手段
３２ａ 低温側管
３２ｂ 高温側管
４５ 平坦部
Claims (6)
- 第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第１伝熱管の外形が略真円形状で、前記案内管が前記第１伝熱管の外周面に沿う形状を有することを特徴とする熱交換器。
- 第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第１伝熱管がその外周面に平坦部を有するとともに、前記案内管が前記第１伝熱管の平坦部に沿う形状を有することを特徴とする熱交換器。
- 第１流体が流れる複数の第１伝熱管と、これらを内包しかつ列状に密着保持する案内管と、第２流体が流れる第２伝熱管とからなり、前記案内管と前記第２伝熱管とをこれらの外周面で密着させ、前記第２伝熱管の断面積をその高温側で低温側よりも大きくしたことを特徴とする熱交換器。
- 第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを交互に密着させながら螺旋状に巻回した構成を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
- 第１伝熱管を内包する案内管と第２伝熱管とを交互に密着させながら略同一平面内で渦巻き状に巻回した構成を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
- 第２伝熱管の内部に第２流体の流れを擾乱させる流体擾乱手段を設けた請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
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