JP4419673B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明はヒートポンプ式給湯機の水−冷媒熱交換器など、液体と冷媒とが熱交換を行う熱交換器とその製造方法に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、熱媒管を芯管の外周に巻き付けたものがある（例えば、特許文献１参照）。

図８は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。図８に示すように、従来の熱交換器は、水が流通する芯管１と、芯管１の外周に冷媒が流通する熱媒管２とから構成されており、熱媒管２は芯管１に螺旋状に巻き付けられている。また３は分流器で、分流器３によって冷媒は複数の熱媒管２ａ、２ｂと２ｃに分岐して流れる構成となっている。このように構成された従来の熱交換器では、熱媒管２を芯管１の外周に巻き付けただけの簡易な構成であり、製造が容易であるとしている。
特開２００２−２２８３７０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、芯管１と熱媒管２とは理論的には線接触であり、密着性を上げるためには熱媒管２を芯管１にロウ付する等の処理が必要となり、期待に反して製造は複雑となるという課題を有していた。また、熱媒管２を外周に巻いた芯管１を小さいＲで曲げることは難しいため、必要な長さの芯管１を小さく巻いたり重ねたりすることはできず、熱交換器をコンパクト化できないという課題も有していた。

本発明は従来の課題を解決するもので、非常に簡単な方法で製造できるコンパクトな熱交換器とその製造方法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、二本の直管と前記直管の片端を相互に繋ぐ湾曲部を一組とし内部を流体Ａが流れる複数のヘアピン型管と、前記直管の外周の一部と熱的に接続され内部を流体Ｂが流れる外周管とを備え、隣接する前記外周管相互を密着させるとともに、前記外周管をヘアピン型管の湾曲部を除いた二本の直管に跨って巻き付けたものである。

これによって、ヘアピン型管の湾曲部には外周管を設けないので、直管相互の距離を小さくできるばかりでなく、直管に外周管を巻くことで、隣接する外周管相互を密着させることもでき、直管と外周管の高密度化が可能となる。

また本発明の熱交換器の製造方法は、前記外周管を所定の形状に形成した後に、前記ヘアピン型管を前記湾曲部を先端にして前記外周管の隙間に挿入するものである。

これによって、機械的な方法で前記外周管と前記直管の一部とを密着させることが可能となる。

本発明の熱交換器は、直管や外周管の高密度化を図ることで、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。

また本発明の熱交換器の製造方法は、機械的な方法で前記外周管と前記直管の一部とを密着させることで、非常に簡単な方法で製造できる。

請求項１に記載の発明は、二本の直管と前記直管の片端を相互に繋ぐ湾曲部を一組とし内部を流体Ａが流れる複数のヘアピン型管と、前記直管の外周の一部と熱的に接続され内部を流体Ｂが流れる外周管とを備え、隣接する前記外周管相互を密着させるとともに、前記外周管をヘアピン型管の湾曲部を除いた二本の直管に跨って巻き付けたことにより、ヘアピン型管の湾曲部には外周管を設けないので、直管相互の距離を小さくできるばかりでなく、直管に外周管を巻くことで、隣接する外周管相互を密着させることもでき、直管と外周管の高密度化が可能となり、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の熱交換器を、前記外周管を隣接する前記ヘアピン型管毎に表裏交互に連続して編み込んで巻き付けることにより、外周管で隣接するヘアピン型管相互を保持することができるので、熱交換器の構造を強固にすることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明の熱交換器を、前記直管の前記外周管と接する面に凹みを備えることにより、直管内部を流れる流体Ａの流れを乱して流体Ａの熱伝達率を高くし、熱交換効率を高くすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明の熱交換器を、前記外周管の外径を前記直管の外径よりも小さくすることにより、外周管の直管への巻き付けや編み込みを容易にして、直管や外周管の一層の高密度化を図ることができ、熱交換器のコンパクト化を一層図ることができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明の熱交換器を、複数の前記ヘアピン型管を蛇行管によって構成することにより、ヘアピン型管相互の連結を不要とし、部品点数を減らして非常に簡単な構造にできる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明の熱交換器を、前記ヘアピン型管内を流れる流体Ａと前記外周管内を流れる流体Ｂとが、前記ヘアピン型管の配列方向で相対的に対向流となるように前記ヘアピン型管及び前記外周管をそれぞれ連結することで、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして、熱交換効率を高くすることができる。

本発明は、螺旋状に巻かれた筒状を複数列構成した外周管を形成する工程と、二本の直管と前記直管の片端を相互に繋ぐ湾曲部を一組とし複数のヘアピン型管を連結し蛇行管を形成する工程と、前記湾曲部を先端にして前記蛇行管を前記外周管の隙間に挿入する工程と、よりなる熱交換器の製造方法であり、機械的な方法で前記外周管と前記直管の一部とを密着させることが可能となり、非常に簡単な方法で製造できる。

本発明は、前記ヘアピン型管を構成する二本の前記直管相互間の後端幅Ｗ１を前記外周管の隙間Ｗ２よりも大きい状態で前記ヘアピン型管を前記外周管の隙間に挿入することで、湾曲部の弾力で、直管と外周管を密着させることができ、熱交換効率が高くなる。

本発明は、前記ヘアピン型管を構成する二本の前記直管相互間の幅Ｗ３を前記外周管の
隙間Ｗ２よりも小さい状態で前記ヘアピン型管を前記外周管の隙間に挿入した後、各ヘアピン型管を構成する二本の前記直管の間隔を相互に引き離す方向に変形させることで、直管と外周管を確実に密着させることができ、製造品質が安定する。

本発明は、前記外周管に前記直管を押しつけることで、前記直管の前記外周管と接する面に凹みを設けることにより、凹みの形成を簡単にして、製造を容易にすることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器を、流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことにより、ヒートポンプ式給湯機の水−冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

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、本発明の実施の形態１における熱交換器の正面図、図２は同実施の形態の熱交換器の側面図、図３は同実施の形態の熱交換器の部分断面図を示すものである。

図１から図３において、ヘアピン型管４は、湾曲部５と二本の直管６とからなる。また複数のヘアピン型管４は蛇行管７によって構成され、隣接するヘアピン型管４が相互に連結されている。外周管８は、ヘアピン型管４を構成する二本の直管６を跨いで直管６に連続して巻き付けられている。外周管８の外径はヘアピン型管４の外径よりも小さい。外周管８が接する直管６の表面には、外周管８の形状と合致した凹み９が設けられている。またヘアピン型管４毎に巻き付けられた外周管８は、熱交換器の両端で連結されている。

図４は、本発明の実施の形態１における熱交換器の製造方法を示すものである。

図４に示すように、螺旋状に巻かれた筒状を複数列構成した外周管８に、蛇行管７によって構成されたヘアピン型管４を、湾曲部５を先端にして、外周管８に挿入する。この際、ヘアピン型管４を構成する二本の直管６相互間の幅Ｗ３を外周管８の隙間Ｗ２よりも小さい状態でヘアピン型管４を外周管８の隙間に挿入した後、各ヘアピン型管４を構成する二本の直管６の間隔を相互に引き離す方向に変形させる。またこの外周管８に直管６を強く押しつけることで、直管６の外周管８と接する面に外周管８の断面形状と一致した凹み９を設ける。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、ヘアピン型管４の内部を流体Ａが、ヘアピン型管４ａの一端から流入し、ヘアピン型管４ｂの一端から流出する。同時に外周管８の内部を流体Ｂが、ヘアピン型管４ｂに巻き付けられた外周管８ｂの一端から流入し、ヘアピン型管４ａに巻き付けられた外周管８ａの一端から流出する。流体Ａとしては水、流体Ｂとしては二酸化炭素などである。そして、流体Ａと流体Ｂはヘアピン型管４及び外周管８を介して熱交換する。この際、湾曲部５には外周管８を巻き付けないので、直管６相互の距離を小さくできるばかりでなく、直管６に外周管８を巻くことで、隣接する外周管８相互を密着させることもでき、直管６と外周管８の高密度化が可能となる。直管６には凹み９が設けられているために、流体Ａの流れが乱されて流体Ａの熱伝達が向上する。また流体Ｂは螺旋状の外周管８を流れるために、その乱れによって流体Ｂの熱伝達も促進される。また外周管８の外径はヘアピン型管４の外径よりも小さいために、外周管８の直管６への巻き付けを容易にして、直管６や外周管８の一層の高密度化を図ることができる。また複数のヘアピン型管４を蛇行管７によって構成することにより、ヘアピン型管４相互の連結を不要とすることができる。また流体Ａと流体Ｂはヘアピン型管４の隣接する方向に対向流となっており、流体Ａと流体Ｂの温度差を平均的に大きくできる。また外周管８を所定の形状に形成した後に、湾曲部５を先端にして、ヘアピン型管４を外周管８の隙間に挿入し、さらに各ヘアピン型管４を構成する二本の直管６の間隔を相互に引き離す方向に変形させることで、直管６と外周管８を確実に密着させることができ、安定して接触熱抵抗を低減できる。同時に凹み９を簡単に成形することができる。

なお、ヘアピン型管４、外周管８の材料は、通常は銅合金だが、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でもかまわない。

なお、本実施の形態では蛇行管は湾曲部５を５つ連結し蛇行させたが、所望の熱交換量によっては、湾曲部５は１つ、あるいは２つ以上連結させてもかまわない。

なお、本実施の形態では外周管８はヘアピン型管４を構成する二本の直管に跨って巻き付けたが、所望の熱交換量によっては、三本以上の直管に跨って巻き付けてもかまわない。

以上のように、本実施の形態においては、二本の直管６と直管６の片端を相互に繋ぐ湾曲部５を一組とし内部を流体Ａが流れる複数のヘアピン型管４と、直管６の外周の一部と熱的に接続され内部を流体Ｂが流れる外周管８とを備え、外周管８を少なくとも各ヘアピン型管４を構成する二本の直管６に跨って巻き付けることにより、ヘアピン型管４の湾曲部５には外周管８を設けないので、直管６相互の距離を小さくできるばかりでなく、直管６に外周管８を巻くことで、隣接する外周管８相互を密着させることもでき、直管６と外周管８の高密度化が可能となり、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。

また直管６の外周管８と接する面に凹み９を備えることにより、直管６内部を流れる流体Ａの流れを乱して流体Ａの熱伝達率を高くし、熱交換効率を高くすることができる。

また外周管８の外径を直管６の外径よりも小さくすることにより、外周管８の直管６への巻き付けを容易にして、直管６や外周管８の一層の高密度化を図ることができ、熱交換器のコンパクト化を一層図ることができる。

また複数のヘアピン型管４を蛇行管７によって構成することにより、ヘアピン型管４相互の連結を不要とし、部品点数を減らして、非常に簡単な構造にできる。

またヘアピン型管４内を流れる流体Ａと外周管８内を流れる流体Ｂとが、ヘアピン型管４の配列方向で相対的に対向流となるようにヘアピン型管４及び外周管８をそれぞれ連結することで、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして、熱交換効率を高くすることができる。

また外周管８を所定の形状に形成した後に、湾曲部５を先端にして、ヘアピン型管４を外周管８の隙間に挿入する製造方法により、機械的な方法で外周管８と直管６の一部とを密着させることが可能となり、非常に簡単な方法で製造できる。

またヘアピン型管４を構成する二本の直管６相互間の幅Ｗ３を外周管８の隙間Ｗ２よりも小さい状態でヘアピン型管４を外周管８の隙間に挿入した後、各ヘアピン型管４を構成する二本の直管６の間隔を相互に引き離す方向に変形させることで、直管６と外周管８を確実に密着させることができ、製造品質が安定する。

さらに外周管８に直管６を押しつけることで、直管６の外周管８と接する面に凹み９を設けることにより、凹み９の形成を簡単にして、製造を容易にすることができる。

（参考例）
図５は、参考例における熱交換器の正面図、図６は参考例の熱交換器の側面図を示すものである。

図５と図６において、ヘアピン型管１４は、湾曲部１５と二本の直管１６とからなる。また複数のヘアピン型管１４は蛇行管１７によって構成され、隣接するヘアピン型管１４が相互に連結されている。外周管１８は、ヘアピン型管１４を構成する二本の直管１６を跨いで、隣接するヘアピン型管１４毎に表裏交互に連続して編み込んで巻き付けられるとともに、両端のヘアピン型管１４ａと１４ｂで折り返すことで連続して編み込まれている。

図７は、参考例における熱交換器の製造方法を示すものである。

図７に示すように、網目状に上下互い違いに編まれた外周管１８に、蛇行管１７によって構成されたヘアピン型管１４を、湾曲部１５を先端にして、外周管１８に挿入する。この際、ヘアピン型管１４を構成する二本の直管１６相互間の後端幅Ｗ１を外周管１８の隙間Ｗ２よりも大きい状態でヘアピン１４型管を外周管１８の隙間に挿入する。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作、作用を説明する。

まず、ヘアピン型管１４の内部を流体Ａが、ヘアピン型管１４ａの一端から流入し、ヘアピン型管１４ｂの一端から流出する。同時に外周管１８の内部を流体Ｂが、ヘアピン型管１４ｂ側の外周管１８ｂの一端から流入し、ヘアピン型管１４ａ側の外周管１８ａの一端から流出する。流体Ａとしては水、流体Ｂとしては二酸化炭素などである。そして、流体Ａと流体Ｂはヘアピン型管１４及び外周管１８を介して熱交換する。この際、湾曲部１５には外周管１８を巻き付けないので、直管１６相互の距離を小さくできるばかりでなく、直管１６に外周管１８を巻くことで、隣接する外周管１８相互を密着させることもでき、直管１６と外周管１８の高密度化が可能となる。また外周管１８を隣接するヘアピン型管１４毎に表裏交互に連続して編み込んで巻き付けることにより、外周管１８で隣接するヘアピン型管１４相互を保持することができるので、熱交換器の構造を強固にすることができる。また外周管１８を所定の形状に形成した後に、湾曲部１５を先端にして、ヘアピン型管１４を外周管１８の隙間に挿入するので、機械的な方法で外周管１８と直管１６の一部とを密着させることが可能となる。

以上のように、参考例においては、二本の直管１６と直管１６の片端を相互に繋ぐ湾曲部１５を一組とし内部を流体Ａが流れる複数のヘアピン型管１４と、直管１６の外周の一部と熱的に接続され内部を流体Ｂが流れる外周管１８とを備え、外周管１８を少なくとも各ヘアピン型管１４を構成する二本の直管１６に跨って巻き付けることにより、ヘアピン型管１４の湾曲部１５には外周管１８を設けないので、直管１６相互の距離を小さくできるばかりでなく、直管１６に外周管１８を巻くことで、隣接する外周管１８相互を密着させることもでき、直管１６と外周管１８の高密度化が可能となり、熱交換器のコンパクト
化を図ることができる。

また外周管１８を隣接するヘアピン型管１４毎に表裏交互に連続して編み込んで巻き付けることにより、外周管１８で隣接するヘアピン型管１４相互を保持することができるので、熱交換器の構造を強固にすることができる。

また外周管１８を所定の形状に形成した後に、湾曲部１５を先端にして、ヘアピン型管１４を外周管１８の隙間に挿入する製造方法であり、機械的な方法で外周管１８と直管１６の一部とを密着させることが可能となり、非常に簡単な方法で製造できる。

さらにヘアピン型管１４を構成する二本の直管１６相互間の後端幅Ｗ１を外周管１８の隙間Ｗ２よりも大きい状態でヘアピン型管１４を外周管１８の隙間に挿入することで、湾曲部１５の弾力で、直管１６と外周管１８を密着させることができ、熱交換効率が高くなる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器とその製造方法は、非常に簡単な方法で製造できるコンパクトな熱交換器を提供することが可能となるので、燃料電池や廃熱回収装置、製造装置等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の正面図 同実施の形態における熱交換器の側面図 同実施の形態における熱交換器の部分断面図 同実施の形態における熱交換器の製造方法を示す概略図 参考例における熱交換器の正面図 参考例における熱交換器の側面図 参考例における熱交換器の製造方法を示す概略図 従来の熱交換器の斜視図

符号の説明

４ ヘアピン型管
５ 湾曲部
６ 直管
７ 蛇行管
８ 外周管
９ 凹み
１４ ヘアピン型管
１５ 湾曲部
１６ 直管
１７ 蛇行管
１８ 外周管

Claims (7)

1. 二本の直管と前記直管の片端を相互に繋ぐ湾曲部を一組とし内部を流体Ａが流れる複数のヘアピン型管と、前記直管の外周の一部と熱的に接続され内部を流体Ｂが流れる外周管とを備え、隣接する前記外周管相互を密着させるとともに、前記外周管をヘアピン型管の湾曲部を除いた二本の直管に跨って巻き付けた熱交換器。
2. 隣接する前記ヘアピン型管毎に前記外周管を表裏交互に連続して編み込んで巻き付けた請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記直管の前記外周管と接する面に凹みを備えた請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記外周管の外径を前記直管の外径よりも小さくした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
5. 複数の前記ヘアピン型管を蛇行管によって構成した請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記ヘアピン型管内を流れる流体Ａと前記外周管内を流れる流体Ｂとが、前記ヘアピン型管の配列方向で相対的に対向流となるように前記ヘアピン型管及び前記外周管をそれぞれ連結した請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素とした請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。

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