JP4206712B2

JP4206712B2 - 熱交換器およびその製造方法

Info

Publication number: JP4206712B2
Application number: JP2002257338A
Authority: JP
Inventors: 豊柴田; 善貴山本; 春男中田
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-09-03
Filing date: 2002-09-03
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2022-09-03
Also published as: JP2004093057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
【０００２】
本願発明は、水と冷媒とを熱交換させる給湯機用熱交換器などの熱交換器およびその製造方法に関するものである。
【従来の技術】
【０００３】
従来から良く知られている、例えばヒートポンプ式給湯機等の給湯機用熱交換器に用いられる熱交換器としては、例えば実開昭５１−１０５１５８号公報中に開示されているような、水が流通する内管と冷媒が流通する外管との二重管からなり、これを長円形の渦巻形状に巻成して１つの熱交換器ユニットとし、これを多数の段数重ね合わせて相互に接続することにより熱交換器本体を構成した二重管式熱交換器がある。
【０００４】
このような二重管式熱交換器の場合、水が流通する内管に腐食によって孔が空くと、水と冷媒とが混ざりあってしまうため、当該水の漏洩を検知して、給湯装置の運転を停止する必要があった。そこで、その対応として、上記内管の外側に内管から漏洩した水を導く漏洩検知溝を有する漏洩検知管を設け、上記水の漏洩をいち早く検知するようにしていた。したがって、同構成では、、実質的に熱交換器が、内管、漏洩検知管および外管の三重管により構成されることになる。したがって、同構成の場合、長円形の渦巻形状への曲げ加工が困難で、部品点数も多いために、製造工程が複雑化するとともに、コストの増大を免れがたい、という問題があった。
【０００５】
そこで、上記のような給湯機用の熱交換器として、さらに例えば図６に示すように、内部に水通路２を形成する長い芯管１の外周に、内部に冷媒通路４Ａ，４Ｂを形成する上記芯管１よりも外径（通路径）の小さい第１，第２の２本の外管３Ａ，３Ｂを所定のピッチで螺旋状に巻き付けてロウ付け又はハンダ付けし、これを長円形の渦巻形状に巻成することによって１つの熱交換器ユニット１０ａ，１０ａ・・・とし、該熱交換器ユニット１０ａ，１０ａ・・・を、例えば図７および図８に示すように複数の段数重ね合わせ、その後、上記芯管１および外管３Ａ，３Ｂの各内端部同士を、連絡管７および１１Ａ，１１Ｂによって接続し、ロー付け等を施すことにより一体形状とし、上記芯管１側を水通路２とするとともに、上記第１，第２の外管３Ａ，３Ｂ側を冷媒通路４Ａ，４Ｂとした熱交換器１０が提案されている（例えば特願２００１−２０９１５号参照）。
【０００６】
このような熱交換器１０の構成によれば、長円形の渦巻形状への曲げ加工も容易となり、水通路２を形成する芯管１側に孔が空いても、上記外管３Ａ，３Ｂ側に孔が空かない限り、冷媒通路４Ａ，４Ｂ側に水が侵入する恐れはないし、また上記第１，第２の外管３Ａ，３Ｂの間の芯管１外周面における水の漏出状態から容易に水の漏洩を検知できるから、上述のような漏洩検知管も不要になる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところが、上記のような構成のものの場合、その熱交換器ユニット１０ａ，１０ａ・・・製造の際に、外管３Ａ，３Ｂを芯管１にロウ付けまたはハンダ付けするための設備が必要であり、また、熱交換器のセッティング、温度・時間の管理などが容易ではないために、製品のコストダウンが困難であった。
【０００８】
本願発明は、このような課題を解決するためになされたもので、芯管への外管巻き付け加工の後、ロウ付けやハンダ付けを行う代わりに、何らかの方法で芯管を拡管することにより、確実に芯管と外管を密着させるようにすることにより、上述の課題を解決した給湯機用熱交換器等の熱交換器およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願発明は、上記の課題を解決するために、次のような課題解決手段を備えて構成されている。
【００１０】
（１）請求項１の発明
この発明の熱交換器は、水通路２を形成する芯管１と、該芯管１の一端から他端までの全外周囲に巻成して設けられ、上記水通路２の通路断面積よりも小さな通路断面積を有する冷媒通路４Ａ，４Ｂを形成する外管３Ａ，３Ｂとの二重管からなり、この二重管を長円形の渦巻形状に巻成して１つの熱交換器器ユニットとし、同熱交換ユニットを多数の段数重ね合わせて相互に接続することにより熱交換器本体を構成するようにした二重管式熱交換器であって、上記芯管１が上記外管３Ａ，３Ｂを巻成した後に拡管されることにより、上記外管３Ａ，３Ｂが、上記芯管１の外周面に所定値以上の締付け力を伴って一体に巻成されていることを特徴としている。
【００１１】
したがって、このような構成によれば、先ず水通路２を形成する芯管１側に孔が空いても、上記外管３Ａ，３Ｂ側に孔が空かない限り、冷媒通路４Ａ，４Ｂ側に水が侵入する恐れはないし、また上記第１，第２の外管３Ａ，３Ｂの間の芯管１外周面における水の漏出状態から容易に水の漏洩を検知できるから、上述のような漏洩検知管も不要になる。
【００１２】
そして、従来のような芯管１に対する外管３Ａ，３Ｂのロウ付けまたはハンダ付け、それらのための設備が不要となり、また作業も単純なため、製品の製造コストが大幅に低減される。
【００１３】
また、長円形の渦巻形状への曲げ加工も、より容易になる。
【００１４】
（２）請求項２の発明
この発明の熱交換器は、上記請求項１の発明の構成において、芯管１の外周面の外管３Ａ，３Ｂとの当接面は、外管３Ａ，３Ｂの外周面形状に対応して凹面状に変形していることを特徴としている。
【００１５】
したがって、該構成では、芯管１の外管３Ａ，３Ｂとの接触面積が拡大され、伝熱性能も向上する。
【００１６】
（３）請求項３の発明
この発明の熱交換器の製造方法は、水通路２を形成する芯管１と、該芯管１の一端から他端までの全外周囲に巻成して設けられ、上記水通路２の通路断面積よりも小さな通路断面積を有する冷媒通路４Ａ，４Ｂを形成する外管３Ａ，３Ｂとの二重管からなり、この二重管を長円形の渦巻形状に巻成して１つの熱交換器器ユニットとし、同熱交換ユニットを多数の段数重ね合わせて相互に接続することにより熱交換器本体を構成するようにした二重管式熱交換器の製造方法であって、上記芯管１の外周に上記外管３Ａ，３Ｂを巻成した後、上記芯管１を拡管することにより、上記外管３Ａ，３Ｂが、上記芯管１の外周面に所定値以上の締付け力を伴って一体に巻成されるようにしたことを特徴としている。
【００１７】
したがって、このような製造方法によれば、先ず水通路２を形成する芯管１側に孔が空いても、上記外管３Ａ，３Ｂ側に孔が空かない限り、冷媒通路４Ａ，４Ｂ側に水が侵入する恐れはないし、また上記第１，第２の外管３Ａ，３Ｂの間の芯管１外周面における水の漏出状態から容易に水の漏洩を検知できるから、上述のような漏洩検知管も不要になる。
【００１８】
そして、従来のような芯管１に対する外管３Ａ，３Ｂのロウ付けまたはハンダ付け、それらのための設備が不要となり、また作業も単純なため、製品の製造コストが大幅に低減される。
【００１９】
また、長円形の渦巻形状への曲げ加工も、より容易になる。
【００２０】
（４）請求項４の発明
この発明の熱交換器の製造方法は、上記請求項３の発明の構成において、芯管１の拡管は、高圧の液体ポンプ６を使用し、密封した芯管１内の水通路２に所定値以上の高圧力で液体を供給することにより、行うようにしたことを特徴としている。
【００２１】
このように、外管３Ａ，３Ｂを巻成した芯管１内の水通路２部分に、液体（水など）を封入し、所定値以上の高い圧力をかけることによって芯管１の拡管を行うようにすると、それ自体で十分な芯管１と外管３Ａ，３Ｂの密着度、伝熱面積を確保することができるので、ロウ付けハンダ付けは不要となり、しかも同拡管は高圧の液体ポンプ６があれば実現できるので、設備が大幅に簡略化できる。
【００２２】
しかも、該方法の場合、上記芯管１の曲げ加工は、上記拡管加工の前でも後の何れでもよく、その時の作業上の都合によって任意に選択することができる。
【００２３】
（５）請求項５の発明
この発明の熱交換器の製造方法は、上記請求項３の発明の構成において、芯管１の拡管は、芯管１内の水通路２の径よりも大きい外径のダイス５を使用し、該ダイス５を上記芯管１内の水通路２に圧挿することにより、行うようにしたことを特徴としている。
【００２４】
したがって、このような製造方法の場合、上記ダイス５の大きさの選定により任意に拡管率を選ぶことができ、芯管１と外管３Ａ，３Ｂを確実に密着させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
以上の結果、本願発明によると、前述した従来の課題を確実に解決した低コスト・高性能の、給湯機用に適した熱交換器を提供することができるようになる。
【発明の実施の形態】
【００２６】
以下、添付の図面を参照して、本願発明の幾つかの実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
（実施の形態１）
先ず図１〜図３には、例えば給湯機用熱交換器を構成するに適した本願発明の実施の形態１に係る熱交換器の構成および同熱交換器を製造する製造方法が示されている。図１は、上述した図７、図８の熱交換器１０の内の１つの熱交換器ユニット１０ａの構成を、また図２は、同熱交換器ユニット１０ａの製造途中における要部の構成を、さらに図３は、同熱交換器ユニット１０ａの製造完了後の構成を、それぞれ示している。
【００２８】
これらの図中、先ず符号１は、その内側に、断面円形の水通路２を形成する円管構造の芯管である。該芯管１は、所定の長さと所定の直径を有して構成されている。
【００２９】
一方、符号３Ａ，３Ｂは、各々その内側に、断面円形の冷媒通路４Ａ，４Ｂを形成する円管構造の第１，第２の２本の外管である。該第１，第２の外管３Ａ，３Ｂは、例えば図２に示されるように、上記芯管１の外周面上に相互に等しい所定の間隔を置いて長手方向に沿って平行に所定の巻き角を有して螺旋状に巻成され、その後の後述する拡管作用により、最終的に製造が完了した状態では、例えば図３に示されるように、上記芯管１の外周面上に芯管１に対して所定値以上の大きな締付力（バインディング力）を保ち、かつ上記拡管時の拡管力によって同外周面上に形成される凹部面１ｃ，１ｃ・・・を介して圧接する状態で、上記芯管１と一体化されるようになっている。そして、製造完了後、これら第１第２の２本の外管３Ａ，３Ｂ内の各冷媒通路４Ａ，４Ｂには、例えば二酸化炭素冷媒所定値以上の冷媒が流されるようになっている。
【００３０】
このような熱交換器１０の構成によれば、水通路２を形成する芯管１側に孔が空いても、上記外管３Ａ，３Ｂ側に孔が空かない限り、冷媒通路４Ａ，４Ｂ側に水が侵入する恐れはないし、また上記第１，第２の外管３Ａ，３Ｂの間の芯管１外周面における水の漏出状態から容易に水の漏洩を検知できるから、上述のような漏洩検知管も不要になる。
【００３１】
また、その熱交換器ユニット１０ａ製造の際に、外管３Ａ，３Ｂを芯管１にロウ付けまたはハンダ付けするための設備が不要となり、熱交換器のセッティング、温度・時間の管理なども不要なために、製品のコストダウンが可能となる。
【００３２】
また、長円形の渦巻形状への曲げ加工も、より容易になる。
【００３３】
該構成の熱交換器ユニット１０ａは、例えば次のようにして製造される。
【００３４】
（１）第１の製造工程
先ず芯管１の外周面に第１，第２の外管３Ａ，３Ｂを螺旋状に巻成する。この状態では、芯管１の外周面と第１，第２の外管３Ａ，３Ｂとの間には、例えば図２に拡大して示すように、スプリングバックによる若干の隙間も見られ、芯管１と第１，第２の外管３Ａ，３Ｂとの圧接力および密着度が必ずしも十分ではない。
【００３５】
（２）第２の製造工程
次に、同第１，第２の外管３Ａ，３Ｂを巻成した図２の状態の芯管１を、例えば図３のような長円形の渦巻形状に曲げ加工を施し、その内端１ｂ側開口部を必要に応じて空気抜きを行えるキャップ等所望のシール部材５によりシールして、芯管１内の水通路２部分を密封する。
【００３６】
（３）第３の製造工程
次に、同内端１ｂ側をシールした渦巻形状の芯管１の外端１ａの開口部に対して、図１に示すように、高圧の拡管用液体ポンプ６の液体吐出管６ａを接続する。
【００３７】
（４）第４の製造工程
次に同図３のように高圧の拡管用液体ポンプ６を接続した状態において、当該高圧の拡管用液体ポンプ６を駆動し、先ず上記芯管１内の水通路２に内部空気を抜きながら水等の液体を充満させた後、上記シール部材５を確実に耐圧性の高いシール状態に維持し、当該水通路２の液圧を所定値以上に増大させ、芯管１の外端１ａから内端１ｂまでの全体を、例えば図３のように、全く均一に半径方向外方に拡管し、その外径を所定寸法増大させる。
【００３８】
この結果、同図３から明らかなように、第１，第２の外管３Ａ，３Ｂは、相対的に芯管１の外周面に対して所定値以上の締付力（バインディング力）を有して食い込むようになり（スプリングバックの吸収）、その断面が若干楕円形状に変形するとともに、同食い込み力によって生じた芯管１外周面上の凹面部１ｃ，１ｃ・・・を介して広い接触面積で圧接密着するようになり（面接触）、ロウ付けやハンダ付けが不要となるレベルまで、両者間の伝熱性能が向上する。
【００３９】
この場合、上記外管３Ａ，３Ｂの食い込み力を大きくし、上記凹面部１ｃ，１ｃ・・・の変形量（深さ）を大きくすると、芯管１の内周面に螺旋溝を形成することができ、乱流効果を生成させることもできる。
【００４０】
なお、上記の場合、上記芯管１の曲げ加工は、拡管加工の前でもよく、その時の作業上の都合によって任意に選択すればよい。
【００４１】
このように、外管３Ａ，３Ｂを巻成した芯管１内の水通路２部分に液体（水など）を封入し、所定値以上の高い圧力をかけることによって芯管１の拡管を行うようにすると、それ自体で十分な芯管１と外管３Ａ，３Ｂの密着度、伝熱面積を確保することができるので、従来のようなロウ付けやハンダ付けは不要となり、しかも同拡管は高圧の液体ポンプ６があれば簡単に実現できるので、設備が大幅に簡略化できる。
【００４２】
そして、最終的にアッセンブリされる熱交換器１０自体が、例えば前述の図７および図８のように、複数の熱交換器ユニット１０ａ，１０ａ・・・から構成されるような場合、「芯管曲げ」、「拡管」、「各ユニットの接続（ロウ付けなど）」など各々の作業順序を任意に選定することにより、それぞれ異なった作業特性を得るようにすることができる。今、その例を以下に示す。
【００４３】
（１）芯管１を曲げ加工する前に拡管する・・・均一な拡管状態が得られる。
【００４４】
（２）拡管の前に芯管１の曲げ加工を行う・・・芯管１の曲げ加工が容易になる。
【００４５】
（３）芯管１の曲げ加工と拡管の前に各ユニットを接続する・・・拡管作業が一回で済む。
【００４６】
（４）芯管１の曲げ加工と拡管の後に各ユニットを接続する・・・芯管１の径または肉厚の異なるユニットがある場合でも、それぞれのユニットごとに拡管圧力を変更することで、容易に対応できる。
【００４７】
また、上記のように液圧を使用して拡管するようにした場合、芯管１の外管３Ａ，３Ｂとの接触面が凹面部１ｃ，１ｃ・・・に凹むと同時に、それら外管３Ａ，３Ｂとの間の空間部では壁面が隆起し、より接触面積が拡大されるとともに、螺旋管形成効果が高くなる。
【００４８】
（実施の形態２）
次に図４および図５は、本願発明の実施の形態２に係る熱交換器の要部の構成および製造方法を示している。
【００４９】
この実施の形態では、先ず図４のように芯管１の外周に第１，第２の外管３Ａ，３Ｂを巻成し、その後、当該芯管１が直管の状態において、当該芯管１の内部に、図４から図５に示すようにして、先端に玉子形の拡管部５ａを有する拡管用ダイス５を通し、その後端５ｂ側から押して圧挿することによって、芯管１の拡管を行うようにし、当該拡管の後に、芯管１の曲げ加工を行って上述のものと同様の熱交換器ユニット１０ａに仕上げるようにしたことを特徴としている。
【００５０】
したがって、このような製造方法の場合、上記拡管用ダイス５の拡管部５ａの大きさ（外径寸法）の選定により任意に拡管率を選ぶことができ、芯管１と外管３Ａ，３Ｂを確実に密着させることができる。
【００５１】
そして、もちろん、この実施の形態においても、最終的に形成される熱交換器ユニット１０ａ，１０ｂそのものの構成は、上述した実施の形態１のものと同様であり、同様の作用効果を有している。すなわち、最終的に製造が完了した状態では、上記外管３Ａ，３Ｂは、上記芯管１の外周面上に芯管１に対して所定値以上の大きな締付力（バインディング力）を保ち、かつ上記拡管時の拡管力によって同外周面上に形成される凹部面１ｃ，１ｃ・・・を介して広い接触面積を有して圧接する状態で、上記芯管１と一体化されたものとなる。
【００５２】
（変形例）
なお、この実施の形態２のような拡管用ダイス５による拡管を行う場合、当該拡管用ダイス５は、例えば上述のようなマンドレル方式の場合のみに限られるものではなく、例えば図示のような玉子形の拡管部５ａ，５ａ・・・を複数個チェーン状につなぎ、これを芯管１内の一端側から他端側に挿通し、他端側から引き抜くようにすることもできる。
【００５３】
このようにすると、マンドレル方式の場合に比べて、芯管１の形状変化に対して、フレキシビリティーを発揮させることができ、加工が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施の形態１に係る給湯用熱交換器の構成および製造方法を示す全体図である。
【図２】同熱交換器の要部の構成および製造方法における製造工程の作用を示す第１の状態の拡大図である。
【図３】同熱交換器の要部の構成および製造方法における製造工程の作用を示す第２の状態の拡大図である。
【図４】本願発明の実施の形態２に係る給湯用熱交換器の要部の構成およびその製造方法における第１の製造工程を示す断面図である。
【図５】同製造方法における第２の製造工程を示す断面図である。
【図６】従来一般の給湯用熱交換器の要部の構成を示す図である。
【図７】同給湯用熱交換器本体のアッセンブリ形態の一例を示す平面図である。
【図８】同側面図である。
【符号の説明】
１は芯管、２は水通路、３Ａは第１の外管、３Ｂは第２の外管、４Ａは第１の冷媒通路、４Ｂは第２の冷媒通路、５は拡管用ダイス、６は拡管用高圧液体ポンプである。

Claims

水通路（２）を形成する芯管（１）と、該芯管（１）の一端から他端までの全外周囲に巻成して設けられ、上記水通路（２）の通路断面積よりも小さな通路断面積を有する冷媒通路（４Ａ），（４Ｂ）を形成する外管（３Ａ），（３Ｂ）との二重管からなり、この二重管を長円形の渦巻形状に巻成して１つの熱交換器ユニットとし、同熱交換器ユニットを多数の段数重ね合わせて相互に接続することにより熱交換器本体を構成するようにした二重管式熱交換器であって、上記芯管（１）が上記外管（３Ａ），（３Ｂ）を巻成した後に拡管されることにより、上記外管（３Ａ），（３Ｂ）が、上記芯管（１）の外周面に所定値以上の締付け力を伴って一体に巻成されていることを特徴とする熱交換器。
芯管（１）の外周面の外管（３Ａ），（３Ｂ）との当接面は、外管（３Ａ），（３Ｂ）の外周面形状に対応して凹面状に変形していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
水通路（２）を形成する芯管（１）と、該芯管（１）の一端から他端までの全外周囲に巻成して設けられ、上記水通路（２）の通路断面積よりも小さな通路断面積を有する冷媒通路（４Ａ），（４Ｂ）を形成する外管（３Ａ），（３Ｂ）との二重管からなり、この二重管を長円形の渦巻形状に巻成して１つの熱交換器ユニットとし、同熱交換器ユニットを多数の段数重ね合わせて相互に接続することにより熱交換器本体を構成するようにした二重管式熱交換器の製造方法であって、上記芯管（１）の外周に上記外管（３Ａ），（３Ｂ）を巻成した後、上記芯管（１）を拡管することにより、上記外管（３Ａ），（３Ｂ）が、上記芯管（１）の外周面に所定値以上の締付け力を伴って一体に巻成されるようにしたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
芯管（１）の拡管は、高圧の液体ポンプ（６）を使用し、密封した芯管（１）内の水通路（２）に所定値以上の高圧力で液体を供給することにより、行うようにしたことを特徴とする熱交換器の製造方法。
芯管（１）の拡管は、芯管（１）内の水通路（２）の径よりも大きい外径のダイス（５）を使用し、該ダイス（５）を上記芯管（１）内の水通路（２）に圧挿することにより、行うようにしたことを特徴とする熱交換器の製造方法。