JP4311373B2 - 電気温水器用の熱交換器 - Google Patents

Description

この発明は、電気温水器などに使用される熱交換器に関するものである。

従来のヒートポンプ式電気温水器用の熱交換器では、偏平加工をした給水管及び冷媒管を上下に重ねて螺旋状に巻きつけて構成している。冷媒管と給水管が密着して冷媒管と給水管との間で熱交換が十分にできるように、この給水管及び冷媒管の螺旋体の両端には支持体（端板）を設け、２個の支持体の中心を連結する１本のボルトに両側からナットで締め付けている。冷媒管と給水管は熱伝導率がよい銅製パイプとし、扁平加工して接触面積を増やす。冷媒管と給水管とは圧接しているだけなので、冷媒管が腐食して孔があいても、冷媒は外部に漏れ出て、冷媒が給水管の中に入ることは無い。（例えば、特許文献１を参照）

特開２００１−２８０６９６号公報。

従来の熱交換器は、扁平管を上下に重ねて螺旋状に巻きつけたものであるため、螺旋の内側に円筒状の空間が必要であり、省スペース化が困難であった。管を螺旋状に巻き付ける際の半径には加工上の制約から下限が有り、そのため円筒状の空間を小さくすることには限界があった。給水管と冷媒管はそれぞれ約６ｍの長さが必要であり、従来の熱交換器は直径１３０ｍｍ程度で高さ３３０ｍｍ程度のスペースが必要であった。
この発明は、コンパクトな熱交換器を得ることを目的とするものである。

この発明に係る電気温水器用の熱交換器は、内部に第１流体が流れる第１流体用流路管と、第２流体流入口、第２流体流出口、前記第２流体流入口から前記第２流体流出口に至る筒状の配管及び該配管内に前記配管及び内側の管と接触して配設される伝熱体を有し、前記第１流体用流路管の周囲を囲い内部に第２流体が流れる第２流体用流路管とを備え、前記配管及び前記伝熱体の熱伝導率が第２流体の熱伝導率よりも高く、第１流体または第２流体の何れかが加熱される水であり、加熱される水でない方の流体の温度を加熱される水よりも高くし、筒状の前記伝熱体の外側にだけ第２流体を流すことを特徴とするものである。

この発明に係る電気温水器用の熱交換器は、内部に第１流体が流れる第１流体用流路管と、第２流体流入口、第２流体流出口、前記第２流体流入口から前記第２流体流出口に至る筒状の配管及び該配管内に前記配管及び内側の管と接触して配設される伝熱体を有し、前記第１流体用流路管の周囲を囲い内部に第２流体が流れる第２流体用流路管とを備え、前記配管及び前記伝熱体の熱伝導率が第２流体の熱伝導率よりも高く、第１流体または第２流体の何れかが加熱される水であり、加熱される水でない方の流体の温度を加熱される水よりも高くし、筒状の前記伝熱体の外側にだけ第２流体を流すことを特徴とするものなので、コンパクトになるという効果が有る。

実施の形態１．
図１は、この発明に係る熱交換器を適用するヒートポンプ式の電気温水器の構成を説明する図である。ヒートポンプ式の電気温水器は、大きく分けて、湯を沸かすヒートポンプユニット１と沸かした湯を貯めておく貯湯タンクユニット２とから構成される。ヒートポンプユニット１は、冷媒を圧縮する圧縮機１Ａと、圧縮されて高温になった冷媒の熱で水を加熱する主熱交換器３と、冷媒の流量を調整し圧力を下げる流量調整弁１Ｂと、低圧になって気液２相状態の冷媒を蒸発させる蒸発器１Ｃと、これらの装置の間で冷媒を流す冷媒配管１Ｄとから構成される。

貯湯タンクユニット２は、主熱交換器３で加熱した湯を貯めておく貯湯タンク２Ａと、浴槽の中の湯を加熱するための追いだき用熱交換器４と、ヒートポンプユニット１などとの間で水を循環させるためのポンプ２Ｂとを有する。ヒートポンプユニット１と貯湯タンクユニット２の間には、ヒートポンプユニット１に水を供給する給水配管５と、ヒートポンプユニット１で加熱された湯を貯湯タンクユニット２に戻す給湯配管６とが有る。また、貯湯タンクユニット２と所定の給湯個所などとの間は給湯配管７が接続されている。

主熱交換器３は、冬季は５℃程度になる水道水を最高９０℃程度の湯に加熱するものである。加熱後の湯の温度は、電気温水器ごとに設定される。主熱交換器３はヒートポンプ式の電気温水器だけに有る。電気を熱に変えるヒーターを使用するヒーター式の電気温水器では、主熱交換器３の替わりに貯湯タンクユニット２の内部にヒーターが有る。
追いだき用熱交換器４は、浴槽の湯量を増加させないで浴槽の湯を加熱するためのもので、ぬるくなった浴槽の湯を貯湯タンク２Ａの中にある高温の湯で４２℃程度の設定された温度に加熱する。なお、追いだき用熱交換器４は、ヒートポンプ式またはヒーター式にのどちらでも追いだき機能を有する電気温水器に有る。

図２は、この発明の実施の形態１による熱交換器を説明するための図であり、より具体的には熱交換器の外観斜視図である。また、図３は、熱交換器の一部を破断した斜視図である。そして、図４は、熱交換器の断面図である。図４(a)が横断面図であり、図４(b)が縦断面図である。なお、図４(a)におけるＢＢ断面が図４(b)に対応し、図４(b)におけるＡＡ断面が図４(a)に対応する。
ここでは、冷媒と水の間で熱交換を行う主熱交換器３として使用する場合で説明する。なお、同様な構成の熱交換器は、追いだき用熱交換器４としても使用できる。追いだき用熱交換器４として使用する場合は、加熱される水よりも高温の水を冷媒として使用することになる。

図２において、熱交換器は、冷媒が流れる冷媒用流路管８と、その外側の一部を覆う漏れ用配管９と、漏れ用配管９の外側に設けられた加熱される水が流れる水用流路管１０とを有する。冷媒用流路管８は、図における右側の冷媒流入口８Ａ及び左側の冷媒流出口８Ｂの２箇所で冷媒配管１Ｄと接続する。水用流路管１０の左上の水流入口１０Ａ（図示せず）には給水配管５が接続し、右下の水流出口１０Ｂ（図示せず）には給湯配管６が接続する。水用流路管１０の端部と漏れ用配管９の外側をろう付けする。冷媒用流路管８、漏れ用配管９及び水用流路管１０は、肉厚０．５〜０．６ｍｍ程度の銅製とする。

図３及び図４から分かるように、冷媒用流路管８は、配管である冷媒管８Ｃと冷媒管８Ｃの内部に有る伝熱体であるフィン８Ｄを有する。フィン８Ｄの形状は、肉厚がほぼ一定で周方向に径が大きくなり小さくなることを等間隔で８回繰り返す形状である。つまり、外形が２個の先端が丸い「×」を互いに４５度の角度を持たせて中心を合わせて重ねた形状（この形状を２重バツ型と呼ぶ）であり、その内部の形状も外形よりも小さい２重バツ型である。水用流路管１０も、配管である水管１０Ｃと、その内部に有るフィン１０Ｄを有する。フィン１０Ｄは、肉厚がほぼ一定で周方向に等間隔に径が増加と減少を１６回繰り返す形状である。
冷媒管８Ｃとフィン８Ｄは、横断面上の８箇所で互いに密着している。なお、断面上の密着個所は、軸方向には連続して密着している。水管１０Ｃとフィン１０Ｄも同様に、横断面上の１６箇所で密着している。冷媒用流路管８Ｃと漏れ用配管９も互いに密着し、漏れ用配管９とフィン１０Ｄも互いに密着している。

図４(b)から分かるように、水用流路管１０の両端部にはフィン１０Ｄを設けていない。これは、フィン１０Ｄが有る部分で水が均等に流れるようにするためである。給水配管５から水管１０Ｃの内部に入った水は、フィン１０Ｄが無い端部でドーナツ状の断面に一様に広がる。フィン１０Ｄを出た水が、フィン１０Ｄが無い端部でドーナツ状の断面一杯に広がり給湯配管６から出ていく。このようにして、フィン１０Ｄが有る部分では、断面内で水圧がほぼ一様になり、フィン１０Ｄ内外を水が均等に流れる。なお、図４などの断面図においては、発明の特徴が明確になるように半径方向に拡大して表現する。

このような熱交換器は、以下のようにして製作する。冷媒管８Ｃの中に冷媒管８Ｃの内径よりも僅かに小さい外径のフィン８Ｄを挿入し、冷媒管８Ｃの外径よりも僅かに小さな径を持つダイスに冷媒管８Ｃを通過させて縮管加工する。さらに、縮管加工後の冷媒管８Ｃの外形よりも僅かに大きい内径を有する漏れ用配管９の中に冷媒管８Ｃを通し、漏れ用配管９をダイスにより縮管加工して冷媒管８Ｃと漏れ用配管９を密着させる。次に、水管１０Ｃの中に、フィン１０Ｄとその内側に漏れ用配管９を挿入し、同様にダイスにより縮管加工して密着させる。水管１０Ｃの両端を塞ぐ部材を水管１０Ｃと漏れ用配管９にろう付けする。なお、水管１０Ｃに給水配管５と給湯配管６を接続するための穴を適切な時点で開けておく。

このような縮管加工により密着しているので、管内の残留応力により内側の管が外側の管により締め付けられて密着する。また、高温の冷媒が内側にあるので、内側の管が熱膨張して密着力がより高くなる。密着力に対して管が破壊しないように耐える力は、引っ張り応力で発生するので、管の肉厚が薄くても十分な力を発生させることができる。
なお、従来の冷媒管と給水管を上下に交互に配置して螺旋状に巻いた熱交換器では、冷媒管と給水管を密着させる力に耐える力を管の潰れに対する曲げ応力で発生させていたので、管の肉厚を厚くする必要が有る。

次に動作を説明する。図３及び図４(b)において、付合Ａを付した矢印が高温の冷媒の流れを意味し、符合Ｂを付した矢印が冷媒により加熱される水の流れを意味する。冷媒の熱は接触面から冷媒管８Ｃとフィン８Ｄに伝わる、フィン８Ｄに伝わった熱はフィン８Ｄの内部を通って冷媒管８Ｃに伝わる。冷媒管８Ｃから熱が漏れ用配管９に伝わり、水との接触面から水に伝わるとともに、密着個所を通って漏れ用配管９からフィン１０Ｄにも伝わる。フィン１０Ｄに伝わった熱は、フィン１０Ｄに接触する水に伝えられるとともに、密着個所から水管１０Ｃにも伝わる。水管１０Ｃからも水に熱が伝わる。

冷媒と冷媒管８Ｃまたはフィン８Ｄとの間の接触面積は、冷媒と冷媒管８Ｃだけとの間の接触面積の５倍から１０倍に大きくなる。水と漏れ用配管９または水管１０Ｃまたはフィン１０Ｄとの間の接触面積も、水と漏れ用配管９だけとの間の接触面積の５倍から１０倍に大きくなる。また、冷媒または水（冷媒等と呼ぶ）と配管またはフィン（配管等と呼ぶ）の間の接触面積が大きくなるので、単位長さあたりの冷媒と水との間の熱交換量が、冷媒と加熱される水の温度差が同一でも約２倍から５倍程度に大きくなる。これにより、ある一定の熱交換量で設計された熱交換器では、その配管長さを１／２から１／５にすることが可能となる。そのため、熱交換器をコンパクトにできる。
熱交換器の外形は、直径３０ｍｍ弱程度で長さが７００ｍｍ程度である。従来と比較して熱交換器の幅が小さくなり、体積が約１０分の１〜２０分の１程度になる。主熱交換器３が小さくなることにより、ヒートポンプユニット１の小型化が期待できる。

冷媒等と配管等との間の接触面積が増加すると、冷媒と水の間の熱交換量が増加するが、熱交換量は接触面積に比例未満の関係で増加する。ここで比例未満とは、冷媒等と配管等との間の接触面積が２倍になるとすると、冷媒と水の間の熱交換量が２倍未満で大きくなることを意味する。以下で、その理由を説明する。この発明に係る熱交換器では、従来の熱交換器には存在しなかった部材間の接触個所が以下の個所に存在する。冷媒管８Ｃとフィン８Ｄの間、漏れ用配管９と冷媒管８Ｃとの間、漏れ用配管９とフィン１０Ｄとの間、フィン１０Ｄと水管１０Ｃとの間。これらの部材間の接触個所での接触面積は大きくなく、これらの新たな部材間の接触個所での熱抵抗は無視できない大きさである。これらの新たな部材間の接触個所での熱抵抗が有るため、冷媒等とフィン等との間の接触面積の増加に対して比例未満の関係で熱交換量が増加する。

配管及びフィンの材料は熱伝導率が高いほどよいが、冷媒と接触する配管とフィンでは少なくとも冷媒より熱伝導率が高い必要が有り、水と接触する配管とフィンでは少なくとも水よりも熱伝導率が高い必要が有る。この条件を満足しないと、冷媒等と配管等との接触面積が増えるほど熱交換量が低下してしまう。なお厳密には、部材間での接触個所での熱抵抗の増加分よりも熱抵抗の減少分が大きくなるように、配管とフィンの熱伝導率は大きい必要が有る。

漏れ用配管９を設ける理由について説明する。冷媒管８Ｃが腐食し、冷媒が水用流路管１０に混入すると、冷媒が高圧高温であるために、給湯個所で水が高速に吐出したり高温の湯が出たりして事故となる可能性が有る。これを防止するため、冷媒管８Ｃの外部に漏れ用配管９を設ける。図５に、漏れ用配管９の機能を説明するための図を示す。
冷媒管８Ｃが腐食し、冷媒管８Ｃの外部に冷媒ガスが漏れ出た場合に、冷媒ガスが大気側に漏れ出るようにする必要が有る。漏れ用配管９の内面と冷媒管８Ｃの外面は密着しているが、僅かな隙間が有る個所も有る。この隙間は熱交換器の外部とつながっている。腐食で冷媒管８Ｃの内部の冷媒が冷媒管８Ｃの外に漏れ出ても、漏れ用配管９と冷媒管８Ｃの間の隙間を通って冷媒ガスが大気に漏れ出ることになる。

この発明に係る電気温水器用の熱交換器では、第１流体が内側の流路管を流れ、第２流体が外側の流路管を流れるとする。そのため、この実施の形態１では、冷媒が第１流体であり、冷媒用流路管８が第１流体用流路管であり、冷媒流入口８Ａが第１流体流入口であり、冷媒流出口８Ｂが第１流体流出口である。加熱される水が第２流体であり、水用流路管１０が第２流体用流路管であり、水流入口１０Ａが第２流体流入口であり、水流出口１０Ｂが第２流体流出口である。
冷媒の温度は、加熱後の水の温度よりも熱交換に必要な冷媒と水との温度差以上は高くする。冷媒としてはエネルギー効率が高く地球温暖化係数がゼロまたは小さい値のものが望ましいが、この発明に係る熱交換器はどのような冷媒に対しても適用できる。

配管部材を銅製としたが、アルミニウムなどの熱伝導率が良く展性が大きな材料であれば、他の材料でもよい。なお、銅などのように、水に対する腐食も強い材料の方が望ましい。
伝熱体の形状は周方向で径が変化する管状としたが、襞の数は８個または１６個でなくてもよい。冷媒または水との接触面積を増やす上では不利だが、伝熱体を楕円とするだけでもよい。冷媒または水との接触面積が大きく取れ、内側または外側の管と密着できるものであれば、伝熱体はどのような形状のものでもよい。
冷媒用流路管８と水用流路管１０の両方に伝熱体を備えたが、どちらかだけに伝熱体を備えるようにしてもよい。

冷媒用流路管８と冷媒配管１Ｄを接続するとしたが、冷媒用流路管８と冷媒配管１Ｄとを一体化して継ぎ目なしの管としてもよい。継ぎ目なしの管とする場合は、熱交換器だけを取り外すことができなくなるが、部品数を低減できるという効果が有る。
この実施の形態では、高温の冷媒を内側に低温の水を外側に流したが、逆にしてもよい。逆にすると、水が第１流体になり、冷媒が第２流体になる。ただし、冷媒を外側に流すと冷媒管の直径が大きくなるので、高温高圧の冷媒に耐えるために冷媒管８Ｃをより頑丈にする必要が有る。逆にする場合は、内側の水用流路管１０と給水配管５と給湯配管６とを一体化して、継ぎ目なしの管としてもよい。

追いだき用熱交換器４として使用する場合には、水用流路管１０には浴槽内の湯が流れ、冷媒用流路管８には第２流体すなわち冷媒として高温の湯が流れる。冷媒用流路管８に流れる湯の圧力は、水用流路管１０内部の圧力とほぼ同じなので、漏れ用配管９は無くてもよい。
流路を一本としたが、複数の流路を持つようにしてもよい。熱交換を行う部分を複数に分割してもよい。
給水配管５と給湯配管６を水用流路管１０に垂直な方向から接続したが、水用流路管１０に平行などの別な方向から接続してもよい。
なお、本発明では、冷媒の流れＡと給水の流れＢを対向流としたが、平行流の場合でも、効率は低下するが同様の効果を得ることができる。
以上のことは、他の実施の形態でもあてはまる。

実施の形態２．
この実施の形態２は、水用流路管の中にフィンではなく所定数のパイプを入れるように、実施の形態１を変更した場合である。図６は、この発明の実施の形態２による熱交換器の一部を破断した斜視図である。図７は、熱交換器の断面図である。図７(a)が横断面図であり、図７(b)が縦断面図である。なお、図７(a)におけるＢＢ断面が図７(b)に対応し、図７(b)におけるＡＡ断面が図７(a)に対応する。
実施の形態１と異なる点だけを説明する。フィン１０Ｄの替わりに所定数の小さい径の銅製のパイプ１１が、水管１０Ｃの中にある。パイプ１１の直径は、水管１０Ｃの内径と漏れ用配管９の外径との差のほぼ半分とする。
このような熱交換器は、実施の形態１と同様に縮管加工により製作する。なお、水管１０Ｃの縮管時には、水管１０Ｃの中に漏れ用配管９とその外側に１列に周方向に均等になるように並べたパイプ１１とを入れて、縮管加工を行う。縮管時にはパイプ１１が内側からの支えとなり、水管１０Ｃとパイプ１１が密着し、パイプ１１と漏れ用配管９も密着する。

次に動作を説明する。水はパイプ１１の内側と外側を流れ、パイプ１１は漏れ用配管９を経由してくる冷媒の熱を水に伝える。冷媒から漏れ用配管９までの熱の伝わり方は、実施の形態１の場合と同様である。パイプ１１は水管１０Ｃにも熱を伝え、水管１０Ｃも熱を水に伝える。
水と漏れ用配管９または水管１０Ｃまたはパイプ１１との間の接触面積も、水と漏れ用配管９だけとの間の接触面積よりも大きくなり、ある一定の熱交換量で設計された熱交換器では、配管長を短くできる。そのため、熱交換器をコンパクトにできる。コンパクトになる度合いは、接触面積の増加倍数が同じであれば、実施の形態１の場合と同じである。

パイプ１１はフィン１０Ｄのように襞をつける加工を行う必要が無いので、加工コストを低減できる。
パイプ１１の材料は、銅以外でも、熱伝導率が高いものであればよい。なお、銅などのように、水に対する腐食も強い材料の方が望ましい。
フィン１０Ｄだけでなくフィン８Ｄも、パイプに置き換えてもよい。また、フィン１０Ｄはそのままでフィン８Ｄだけをパイプに置き換えてもよい。

実施の形態３．
この実施の形態３は、漏れ用配管９を無くして、フィン１０Ｄが漏れ用配管９の役割も兼用するように、実施の形態１を変更した場合である。図８は、この発明の実施の形態３による熱交換器の一部を破断した斜視図である。図９は、熱交換器の断面図である。図９(a)が横断面図であり、図９(b)が縦断面図である。なお、図９(a)におけるＢＢ断面が図９(b)に対応し、図９(b)におけるＡＡ断面が図９(a)に対応する。図１０は、フィン１０の端部の形状を説明するために水管１０Ｃが存在しないものとして一部を破断した斜視図である。

実施の形態１と異なる点だけを説明する。漏れ用配管９が無い。図９に示すように、フィン１０Ｄの端部には襞が無い円筒状の部分が有る。フィン１０Ｄの円筒状の端部に水管１０Ｃの両端を塞ぐ部材を密着させて密閉する。このような構造なので、水がフィン１０Ｄの外側だけを流れ内側には流れなくなる。また、冷媒管８Ｃとフィン１０Ｄに挟まれた空隙Ｃが存在する。
このような熱交換器は、実施の形態１と同様に縮管加工により製作する。なお、水管１０Ｃの両端を塞ぐ部材は、漏れ用配管９ではなくフィン１０Ｄに対してろう付けなどの密閉加工を行う。

次に動作を説明する。水がフィン１０Ｄの外側だけを流れ内側には流れない。フィン１０Ｄは、冷媒管８Ｃを経由してくる冷媒の熱を水に伝える。なお、冷媒から冷媒管８Ｃまでの熱の伝わり方は、実施の形態１の場合と同様である。フィン１０Ｄに密着する水管１０Ｃにも熱が伝わり、水管１０Ｃからも水に熱が伝わる。
水と水管１０Ｃまたはフィン１０Ｄとの間の接触面積も、実施の形態１の場合での水と漏れ用配管９だけとの間の接触面積よりも大きくなり、ある一定の熱交換量で設計された熱交換器では、配管長を短くできる。そのため、熱交換器をコンパクトにできる。

なお、水がフィン１０Ｄの外側にしか流れないので、フィン１０Ｄの形状が実施の形態１の場合とほぼ同じでも、フィン１０Ｄと水との接触面積は実施の形態１の場合よりも小さくなる。そのため、熱交換器をコンパクトにできる度合いは、実施の形態１の場合よりも小さくなる。
冷媒管８Ｃが腐食しても、冷媒管８Ｃとフィン１０Ｄ間の冷媒漏れ用の空隙Ｃにより冷媒管８Ｃから漏れ出た冷媒が外部に出る。水用流路管１０の内部に冷媒が混入することは無い。

実施の形態４．
この実施の形態４は、水用流路管の内部にあるフィンの形状を螺旋状の流路を形成するような形状に実施の形態１を変更した場合である。図１１は、この発明の実施の形態４に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。図１２は、熱交換器の断面図である。図１２(a)が横断面図であり、図１２(b)が縦断面図である。なお、図１２(a)におけるＢＢ断面が図１２(b)に対応し、図１２(b)におけるＡＡ断面が図１２(a)に対応する。
実施の形態１の場合での図３及び図４と異なる点だけを説明する。フィン１０Ｄが螺旋状の形状であり、フィン１０Ｄにより水用流路管１０内部の流路が螺旋状になる。なお、図１２(b)では、半径方向に拡大して断面図を表現しており構造が分かり易いように表現しているために螺旋の旋回回数が３回になっているが、実際の旋回回数はもっと多い。

このような熱交換器は、以下のようにして製作する。漏れ用配管９を製作するまでは、実施の形態１と同様である。フィン１０Ｄは、漏れ用配管９の周りに螺旋状にろう付けもしくは圧接により取り付ける。フィン１０Ｄを取り付けた漏れ用配管９を水管１０Ｃの中に入れ、水管１０Ｃを縮管加工する。そして、水管１０Ｃの端部を漏れ用配管９にろう付けする。

次に動作を説明する。給水の流れはフィン１０Ｄに沿って螺旋状に流れる。冷媒から漏れ用配管９までの熱の伝わり方は、実施の形態１の場合と同様である。漏れ用配管９に密着するフィン１０Ｄに熱が伝わり、フィン１０Ｄに密着する水管１０Ｃにも熱が伝わる。漏れ用配管９、フィン１０Ｄ及び水管１０Ｃで囲まれる流路を流れる水に、漏れ用配管９、フィン１０Ｄ及び水管１０Ｃから熱が伝わる。

螺旋状の流路になるので、水用流路管１０の長さよりも実際の流路の長さが数倍になり、漏れ用配管９または水管１０Ｃまたはフィン１０Ｄと水との接触面積が、漏れ用配管９だけと水との接触面積の数倍になる。これにより、ある一定の熱交換量で設計された熱交換器では、配管長を短くできる。そのため、熱交換器をコンパクトにできる。
なお、螺旋のピッチを短くする程、また、フィン１０Ｄの数を増やすほど、水と水管１０Ｃまたはフィン１０Ｄの接触面積が大きくなり、熱交換器をコンパクトにできる度合いも大きくなる。

実施の形態５．
この実施の形態５は、流路を２重螺旋になるように実施の形態４を変更した場合である。図１３は、この発明の実施の形態４に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。図１４は、熱交換器の断面図である。図１４(a)が横断面図であり、図１４(b)が縦断面図である。なお、図１４(a)におけるＢＢ断面が図１４(b)に対応し、図１４(b)におけるＡＡ断面が図１４(a)に対応する。
実施の形態４の場合での図１１及び図１２と異なる点だけを説明する。実施の形態４と同じ形状の２個のフィン１０Ｄを、流路の間隔が均等になるように、漏れ用配管９の周りにろう付け、もしくは圧接により取り付けている。

この実施の形態５は、実施の形態４と同様に動作し、熱交換器をコンパクトにできるという効果が有る。
フィン１０Ｄを２個にしているので、水と水管１０Ｃまたはフィン１０Ｄの接触面積が、実施の形態４の場合よりも大きくなり、熱交換器をよりコンパクトにできる。

実施の形態６．
この実施の形態６は、水用流路管内部のフィンを省略するように実施の形態１を変更した場合である。図１５は、この発明の実施の形態６に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。図１６は、熱交換器の断面図である。図１６(a)が横断面図であり、図１６(b)が縦断面図である。なお、図１６(a)におけるＢＢ断面が図１６(b)に対応し、図１６(b)におけるＡＡ断面が図１６(a)に対応する。
実施の形態１の場合での図３及び図４と異なる点だけを説明する。フィン１０Ｄが無く、水管１０Ｃの中央部の外周が、実施の形態１におけるフィン１０Ｄと同様な所定数の襞を持つ形状になっている。水管１０Ｃに絞り加工、引き抜き加工を施して、水管１０Ｃの外周をフィン状に加工する。
このような熱交換器は、以下のようにして製作する。漏れ用配管９を製作するまでは、実施の形態１と同様である。フィン状に加工した水管１０Ｃの中に漏れ用配管９を入れて縮管加工をして、水管１０Ｃの襞の径が小さい部分の内面を漏れ用配管９に密着させる。そして、水管１０Ｃの端部を漏れ用配管９にろう付けする。

次に動作を説明する。水は水管１０Ｃと漏れ用配管９の間を通る。水管１０Ｃは漏れ用配管９に密着しているので、漏れ用配管９を経由して伝わってくる冷媒の熱は水管１０Ｃにも伝わる。漏れ用配管９と水管１０Ｃから接触する水に熱が伝わる。
水と漏れ用配管９または水管１０Ｃとの間の接触面積も、水と漏れ用配管９だけとの間の接触面積よりも大きくなり、ある一定の熱交換量で設計された熱交換器では、配管長を短くできる。そのため、熱交換器をコンパクトにできる。なお、水が水管１０Ｃの内側にしか流れないので、水管１０Ｃの形状が実施の形態１の場合でのフィン１０Ｄの形状とほぼ同じでも、水との接触面積は実施の形態１の場合よりも小さくなる。そのため、熱交換器をコンパクトにできる度合いは、実施の形態１の場合よりも小さくなる。

この実施の形態では、水用流路管側のフィンが不要となり、コスト低減を図ることができる。水用流路管側のフィンは、径が大きく全体の材料費の１／５以上を占めるため、本発明による効果で２０％程度の材料コスト低減を図ることが可能である。なお、水管１０Ｃに襞を設けるため、水管１０Ｃの材料使用量は、実施の形態１などの場合よりも増加しており、水用流路管側のフィン分の材料がそのまま節約できる訳ではない。

実施の形態７．
この実施の形態７は、水用流路管内部のフィンを省略するように実施の形態４を変更した場合である。図１７は、この発明の実施の形態７に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。図１８は、熱交換器の断面図である。図１８(a)が横断面図であり、図１８(b)が縦断面図である。なお、図１８(a)におけるＢＢ断面が図１８(b)に対応し、図１８(b)におけるＡＡ断面が図１８(a)に対応する。
実施の形態４の場合での図１１及び図１２と異なる点だけを説明する。フィン１０Ｄが無く、水管１０Ｃの中央部に絞り加工によって螺旋状の溝を設け、溝内面側と漏れ用配管９とを圧接する。螺旋状の溝と溝の間が螺旋状の流路になり、この流路に水が流れる。
このような熱交換器は、実施の形態６と同様に製作する。絞り加工によって水管１０Ｃに螺旋状の溝を設け、溝内面側と漏れ用配管９とを圧接する点だけが、異なる。

次に動作を説明する。給水の流れは水管１０Ｃに設けた溝により形成された螺旋状の流路にしたがって流れる。冷媒から漏れ用配管９までの熱の伝わり方は、実施の形態１の場合と同様である。漏れ用配管９に密着する部分から水管１０Ｃに熱が伝わる。漏れ用配管９と水管１０Ｃで囲まれる流路を流れる水に、漏れ用配管９と水管１０Ｃから熱が伝わる。
この実施の形態でも、水または冷媒との接触面積を増やして、ある一定の熱交換量で設計された熱交換器では、配管長を短くできる。そのため、熱交換器をコンパクトにできる。

実施の形態８．
この実施の形態８は、冷媒用流路管内部と水用流路管内部のフィンを、管状ではなく複数の板材から形成するように実施の形態１を変更した場合である。図１９は、この発明の実施の形態８に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。図２０に、熱交換器の断面図を示す。図２０(a)が横断面図であり、図２０(b)が縦断面図である。なお、図２０(a)におけるＢＢ断面が図２０(b)に対応し、図２０(b)におけるＡＡ断面が図２０(a)に対応する。図２１にフィン８Ｄの組立図を示し、図２２にフィン１０Ｄの組立図を示す。

フィン８Ｄは、両端を同じ幅で同じ角度で反対方向に曲げた同じ大きさの３枚の板材１２を互いに６０度の角度を持たせて組合せて構成する。ここで、図２１において板材１２を左から板材１２Ａ、板材１２Ｂ、板材１２Ｃとする。板材１２Ａには、図における右辺の中央に長さの２／３の深さの切れ込み１２Ｄが有る。板材１２Ｂには、左右の辺の中央にそれぞれ１個の長さの１／３の深さの切れ込み１２Ｄが有る。なお、図２１では板材１２Ｂの右辺の切れ込み１２Ｄは、板材１２Ｂの折れ曲がった部分の陰になるため図示していない。板材１２Ｃには、左辺の中央に長さの２／３の深さの切れ込み１２Ｄが有る。切れ込み１２Ｄは、そこに嵌めこまれる板材１２を保持でき、３枚の板材１２を互いに６０度の角度を持たせて組合せることができるような形状とする。
フィン８Ｄは、以下のようにして組立てる。板材１２Ｂの左端の切れ込み１２Ｄの底まで板材１２Ａを嵌め込み、同時に板材１２Ａの切れ込み１２Ｄに板材１２Ｂを嵌め込む。その後で、板材１２Ｂの右端の切れ込み１２Ｄの底まで板材１２Ｃを嵌め込み、同時に板材１２Ｃの切れ込み１２Ｄに板材１２Ｂを嵌め込む。さらに、板材１２が互いに接触する個所をろう付けする。

フィン１０Ｄは、同じ大きさの６枚の板材１３を隣接する２個の板材１３と６０度の角度を持たせて組合せて構成する。フィン１０Ｄの断面には中心部に、漏れ用配管９が入る正６角形の空間ができる。板材１３には、一方の辺の中央から対称な位置に２箇所の切れ込み１３Ｄが有る。切れ込み１３Ｄの深さは板材１３の長さの１／２であり、切れ込み１３Ｄの形状はそこに嵌めこまれる板材１３を６０度の角度で保持できる形状である。２枚の板材１３を１個の切れ込み１３Ｄに互いを嵌め込んで組立てる。そして、一方の板材１３のもう一個の切れ込み１３Ｄに別の板材１３を嵌め込むことを繰り返す。１枚目と５枚目の板材１３のまだ板材１３が嵌め込まれていない方の切れ込み１３Ｄに６枚目の板材１３を嵌め込ませて、環状のフィン１０Ｄが組立てられる。さらに、板材１３が互いに接触する個所をろう付けする。
フィン８Ｄとフィン１０Ｄを組立てた後は、実施の形態１と同様にして製作する。

この実施の形態８でも、実施の形態１と同様に動作する。
この実施の形態８でも、熱交換器をコンパクトにできるという効果が有る。
フィン８Ｄは３枚の板材を同じ位置で切れ込みにより接続したが、１箇所では２個の板材だけを接続するようにしてもよい。板材の接続個所をろう付けしたが、必ずしもろう付けしなくてもよい。板材の接続部が移動変形しないように別の部材を備えるなどしてもよい。
フィン８Ｄを構成する板材１２は、表面積がより大きくなるように、両端を曲げ加工を施してから組立てているが、板材の枚数を多くするなどすれば、曲げ加工はしなくてもよい。板材に溝または穴などを形成して、この溝または穴などに他の板材を嵌め込んで環状のフィン８Ｄを構成するようにしてもよい。フィン１０Ｄに関しても同様である。

実施の形態９．
この実施の形態９は、熱交換器に給水配管５及び給湯配管６を水用流路管１０に平行な方向から接続するように実施の形態１を変更した場合である。図２３に、この発明の実施の形態９に係る熱交換器の概観斜視図を示す。
実施の形態１の場合での図２と異なる点だけを説明する。貯湯タンクユニット２との間の給水配管５及び給湯配管６が、熱交換器の両側の端面に接続されており、給水配管５と給湯配管６と水用流路管１０とが平行になっている。その他の構造は、実施の形態１の場合と同様である。

この実施の形態９でも、実施の形態１と同様に動作する。
この実施の形態９でも、熱交換器をコンパクトにできるという効果が有る。さらに、このように熱交換器の端面から給水を入れる場合は、側部から入れる場合と比較して、水管１０Ｃに水流入口１０Ａと水流出口１０Ｂになる穴を設ける必要が無く、水管１０Ｃの端部の形状をプレス金型などで成型してろう付することで形成できるようになり、製造コストを低減できる。
なお、実施の形態２〜実施の形態８までに適用しても同様な効果が有る。

実施の形態１０．
この実施の形態１０は、熱交換器モジュールを２個直列に接続するように実施の形態１を変更した場合である。図２４に、この発明の実施の形態１０に係る熱交換器の冷媒及び水の流れを説明する水平面での断面図を示す。
図２４において、実施の形態１の熱交換器と同様な構成の熱交換モジュール２０が２個有る。ただし、２個の熱交換モジュール２０を合わせて実施の形態１の熱交換器と同じ熱交換量になるようにしている。ここでは、図における上側を熱交換モジュール２０Ａとし、下側を熱交換モジュール２０Ｂとする。なお、図２４は水平面での断面図なので、２個のモジュールは互いに左右に並ぶことになる。

２個の熱交換モジュール２０の冷媒用流路管８が図における右側をＵ字管２１により接続され、熱交換モジュール２０Ｂの冷媒用流路管８の冷媒流出口８Ｂから出た冷媒が熱交換モジュール２０Ａの冷媒用流路管８の冷媒流入口８Ａに入る。上側の熱交換モジュール２０Ａには図における左側上部の水流入口１０Ａに接続された給水配管５から水が内部に入り右下の水流出口１０Ｂから出て、水流出口１０Ｂに接続された連結給水管２２に入る。連結給水管２２は下側の熱交換モジュール２０Ｂの右上にある水流入口１０Ａに接続されており、水は下側の熱交換モジュール２０Ｂに入る。そして、熱交換モジュール２０Ｂの左下の水流出口１０Ｂから出て、給湯配管６に入り貯湯タンクユニット２に戻る。

この実施の形態１０における熱交換モジュール２０では、実施の形態１での熱交換器と同様に動作する。
この実施の形態１０でも、熱交換器をコンパクトにできるという効果が有る。さらに、２個の熱交換モジュール２０を並べているので、熱交換器の長さを短くできるという効果が有る。なお、ここでは、２個の熱交換モジュール２０を左右に並べていると説明したが、上下など他の方向に並べてもよい。また、熱交換器全体が水平な方向に有ると説明したが、垂直など他の方向に向けてもよい。２個ではなく、３個以上を並べてもよい。以上のことは、複数の熱交換モジュール２０を有する他の実施の形態でもあてはまる。
実施の形態１を２個の熱交換モジュール２０を直列に接続するように変更したが、他の実施の形態でも直列に接続した熱交換モジュールを並べて配置することは適用できる。

実施の形態１１．
この実施の形態１１は、熱交換器モジュールを２個並列に接続するように実施の形態１を変更した場合である。図２５に、この発明の実施の形態１１に係る熱交換器の冷媒及び水の流れを説明する水平面での断面図を示す。
図２５において、実施の形態１の熱交換器と同様な構成の熱交換モジュール２０が２個有る。ただし、２個の熱交換モジュール２０を合わせて実施の形態１の熱交換器と同じ熱交換量になるようにしている。ここでは、図における上側を熱交換モジュール２０Ａとし、下側を熱交換モジュール２０Ｂとする。

２個の熱交換モジュール２０の冷媒流入口８Ａには、図における右側で１本の冷媒配管１Ｄを２本に分岐する冷媒分岐管２３が接続している。図における左側で２個の熱交換モジュール２０の冷媒流出口８Ｂに冷媒合流管２４が接続し、冷媒合流管２４は冷媒配管１Ｄに接続する。冷媒配管１Ｄにより、圧縮機１Ａなどのヒートポンプユニット１の内部で冷媒が循環する。
２個の熱交換モジュール２０の水流入口１０Ａには、図における左側で１本の給水配管５を２本に分岐する水分岐管２５が接続する。また、図における右側で２個の熱交換モジュール２０の水流出口１０Ｂに水合流管２６が接続し、水合流管２６は給湯配管６に接続する。なお、給水配管５は斜め下から水分岐管２５に接続し、給湯配管６は斜め下の方向へ水合流管２６に接続する。

この実施の形態１１では、２個の熱交換モジュール２０に並列に冷媒及び水が流れ、１個の熱交換モジュール２０では実施の形態１の熱交換器と同様に熱交換を行う。
水の流量を同じにした場合に、２個の熱交換モジュール２０を並列に接続すると、１個当りの水の流量は半分になり、水用流路管１０の水が通る部分の断面積を半分にできる。水用流路管１０は実際には内部にフィン１０Ｄと漏れ用配管９を含むが、ここでは仮に１個の円筒管であると仮定すると、管内部の断面積を半分にするには管の内径は約０．７倍にすればよい。配管の表面積は径に比例し２本分あるので、単位長さ当りの配管の表面積は約１．４倍になる。内部にフィン１０Ｄと漏れ用配管９を含む水用流路管１０においても、各部材の径及び厚さの比を同じにすれば、内部の断面積を半分にするには全体を０．７倍に縮小すればよく、そうすれば単位長さ当りの表面積を１．４倍にできる。つまり、２個の熱交換モジュール２０を並列に接続することにより、管の表面積を増大することができる。冷媒用流路管８に関しても同様である。このため、所定の熱交換量を実現するために必要な配管長を短くでき、よりコンパクトな熱交換器を実現できる。

管の径を小さくすると加工なども容易になり、加工コストの低減も実現できる。
なお、複数の熱交換モジュール２０を並列に接続するためには、管を分岐したり管を合流させたりする部材の材料コスト及び加工コストが増加するが、並列にすることによるメリットとデメリットとを総合的に判断して、並列に接続するかどうか、並列に接続する場合には何個を並列に接続するかを決める。
実施の形態１を２個の熱交換モジュール２０を並列に接続するように変更したが、他の実施の形態でも適用できる。

この発明に係る熱交換器を適用するヒートポンプ式の電気温水器の構成を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る熱交換器の外観斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る熱交換器の断面図である。 この発明の実施の形態１に係る熱交換器の漏れ用配管の機能を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。 この発明の実施の形態２に係る熱交換器の断面図である。 この発明の実施の形態３に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。 この発明の実施の形態３に係る熱交換器の断面図である。 この発明の実施の形態３に係る熱交換器でのフィンの端部の形状を説明するために一部を破断した外観斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。 この発明の実施の形態４に係る熱交換器の断面図である。 この発明の実施の形態５に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。 この発明の実施の形態５に係る熱交換器の断面図である。 この発明の実施の形態６に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。 この発明の実施の形態６に係る熱交換器の断面図である。 この発明の実施の形態７に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。 この発明の実施の形態７に係る熱交換器の断面図である。 この発明の実施の形態８に係る熱交換器の一部を破断した斜視図である。 この発明の実施の形態８に係る熱交換器の断面図である。 この発明の実施の形態８に係る熱交換器での冷媒用流路管内部のフィンの組立図である。 この発明の実施の形態８に係る熱交換器での水用流路管内部のフィンの組立図である。 この発明の実施の形態９に係る熱交換器の外観斜視図である。 この発明の実施の形態１０に係る熱交換器での冷媒及び水の流れを説明する断面図である。 この発明の実施の形態１１に係る熱交換器での冷媒及び水の流れを説明する断面図である。

符号の説明

１ ：ヒートポンプユニット
１Ａ：圧縮機
１Ｂ：流量調整弁
１Ｃ：蒸発器
１Ｄ：冷媒配管
２ ：貯湯タンクユニット
２Ａ：貯湯タンク
２Ｂ：ポンプ
３ ：主熱交換器
４ ：追いだき用熱交換器
５ ：給水配管
６ ：給湯配管
７ ：給湯配管
８ ：冷媒用流路管（第１流体用流路管）
８Ａ：冷媒流入口（第１流体流入口）
８Ｂ：冷媒流出口（第１流体流出口）
８Ｃ：冷媒管（配管）
８Ｄ：フィン（伝熱体）
９ ：漏れ用配管（隔離配管）
１０ ：水用流路管（第２流体用流路管）
１０Ａ：水流入口（第２流体流入口）
１０Ｂ：水流出口（第２流体流出口）
１０Ｃ：水管（配管）
１０Ｄ：フィン（伝熱体）
１１ ：パイプ
１２ ：板材
１２Ａ：板材
１２Ｂ：板材
１２Ｃ：板材
１２Ｄ：切れ込み
１３ ：板材
１３Ｄ：切れ込み
２０ ：熱交換モジュール
２０Ａ：熱交換モジュール
２０Ｂ：熱交換モジュール
２１ ：Ｕ字管
２２ ：連結水管
２３ ：冷媒用分岐管
２４ ：冷媒用合流管
２５ ：給水用分岐管
２６ ：給水用合流管
Ａ ：冷媒の流れ
Ｂ ：給水の流れ
Ｃ ：空隙

Claims (1)

1. 内部に第１流体が流れる第１流体用流路管と、第２流体流入口、第２流体流出口、前記第２流体流入口から前記第２流体流出口に至る筒状の配管及び該配管内に前記配管及び内側の管と接触して配設される伝熱体を有し、前記第１流体用流路管の周囲を囲い内部に第２流体が流れる第２流体用流路管とを備え、前記配管及び前記伝熱体の熱伝導率が第２流体の熱伝導率よりも高く、第１流体または第２流体の何れかが加熱される水であり、加熱される水でない方の流体の温度を加熱される水よりも高くし、筒状の前記伝熱体の外側にだけ第２流体を流すことを特徴とする電気温水器用の熱交換器。

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