JP4488871B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂成形された水回路に冷媒配管を巻き付けるなどして形成した給湯器用の熱交換器に関するものである。

従来の給湯用の熱交換器は、冷媒配管と水配管を接触させることによって冷媒配管中の高温流体と水配管中の低温水との間で熱伝導を行い、水配管中の低温水を加熱するようにしたものである。しかしながら、配管同士の接触では放熱ロスが大きく、熱交換器の性能が十分ではなかった。

そこで、水配管中に冷媒配管を挿入して冷媒配管と水とが直接接触するようにして熱交換性能を改善する二重管構造の熱交換器があった（例えば、特許文献１参照）。
また、水配管中に複数の冷媒配管を設けることによって更に熱交換性能を上げようとする熱交換器もあった（例えば、特許文献２参照）。

特開昭６３−１８００９２号公報 特開２００３−２０２１９４号公報

しかしながら、特許文献１、２に示すように、従来の水配管内に冷媒配管を設ける構造では、水配管が直管の状態で冷媒配管を挿入し、その後所定の形状に曲げ加工を行うため、加工時の曲げ可能半径が大きくなり、構造上スペース効率の低下、製造上の制約が大きくなる等の問題があった。
また、冷媒配管を接合するときは冷媒配管を一度水配管から外側に出す必要があり、その部分のろう付けが困難となり、かつ漏れ等が生ずることによって信頼性が低下するという問題があった。
さらに、水配管が銅製の配管であるため、温水部分の放熱防止のために断熱カバーの設置が不可欠であった。

一方、給湯器の長期使用時の信頼性においても、銅製配管を用いた水回路は水道水の水質の影響によって配管が腐食し、また、熱交換により水道水が高温になる部分においては水道水中の炭酸カルシウムが配管壁面に析出し、流量の低下、閉塞、熱交換性能の低下等の不具合が発生した。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、スペース効率が向上し、小スペースでの熱交換器の組込みが可能となり、また、冷媒配管と水回路の継ぎ目の漏れ等がなく信頼性が高い、さらに、水による腐食、高温時の水中の炭酸カルシウム等のミネラル成分の析出による流量低下、流路の閉塞及び熱交換性能の低下等を抑制することができ、また、放熱防止用の断熱カバーの設置が不要となる給湯器用の熱交換器を得ることを目的とする。

本発明にかかる熱交換器は、水が流動する流路を有する樹脂本体と、流路内に配設され内部に冷媒が流れる銅製の冷媒配管とを備え、流路を溝状に形成すると共に溝状流路を樹脂本体の外周に沿って螺旋状に形成し、螺旋状の溝状流路に沿って冷媒配管を連続して巻き付け、樹脂本体の表面を蓋部で覆って螺旋状の閉じられた水回路を形成したものである。

本発明に係る熱交換器は、水が流動する流路が樹脂で形成され、その流路内に曲げ加工後の銅製の冷媒配管を取り付けたので、後加工が容易であり、容積効率の高い。また、水が流動する流路を樹脂で形成するようにしたので水回路の腐食がなく、水中の炭酸カルシウム等のミネラル成分の析出も抑制することができ、製品の信頼性が向上する。さらに、水流路を樹脂で形成してあり水回路自体が断熱性を有するため、断熱カバー等の設置が不要となる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る給湯用の熱交換器の分解斜視図である。図において、水回路を構成する樹脂製の水配管２は、樹脂本体１の一方の側面から他方の側面にかけて一定の断面を有する溝部がらせん状を形成するようにしたもので、このようにして形成した水路に沿って冷媒流路となる銅製配管２０を巻きつけてある。

すなわち、樹脂本体１に形成された水配管２は、第１の側壁３、第１の壁部５、第２の壁部６、第３の壁部７、第２の側壁４の間に形成された第１の溝部８、第２の溝部９、第３の溝部１０、第４の溝部１１を備え、樹脂本体１の背面側において、第１の溝部８と第２の溝部９とが、第２の溝部９と第３の溝部１０とが、第３の溝部１０と第４の溝部１１とが、それぞれ螺旋溝部（図示せず）によって連通している。

そして上記の水配管２には、第１〜第４の溝部８〜１１とそれらをつなげる螺旋溝部に沿って、冷媒流路となる銅製の冷媒配管２０が巻き付けてある。この冷媒配管２０は、第４の溝部１１の手前上部より第４の溝部１１に挿入され、第３の壁部７の背部より螺旋溝部を通って第３の溝部１０の下部に通じ、下部より前部に到りここでＵ状に折り返して上部を通り、第２の壁部１０の背部より螺旋溝部を通って第２の溝部９の下部に通じ、下部より前部に到りここでＵ状に折り返して上部を通り、第１の壁部５の背部より螺旋溝部を通って第１の溝部８の下部に通じ、下部より前部に到りここより前方に突出する。冷媒配管２０の第４の溝部１１側には配管入口部２１が形成され、第１の溝部８側には配管出口部２２が形成されている。

樹脂本体１の上面及び背面には、樹脂本体１と同様の素材よりなるＬ字状で上面３０ａ及び背面３０ｂにより構成された第１の蓋部３０を被せ、樹脂本体１の下面及び前面には、Ｌ字状で下面３１ａ及び前面３１ｂよりなる第２の蓋部３１を被せ、これらによって閉じられた水回路を形成している。この際、樹脂本体１と第１、第２の蓋部３０、３１との封止は、接着剤による接合もしくは超音波による溶着により行い、水密性を確保できるようにしてある。

なお、第２の蓋部３１の前面３１ｂには、配管入口部２１及び配管出口部２２に対応する部分にこれらを貫通させて外部に取り出す配管入口孔３２及び配管出口孔３２がそれぞれ設けられ、配管入口孔２０の下部には水配管２の出口に対応した水回路出口部３４、及び配管出口孔３３の上部には水配管２の入口に対応した水回路入口部３５が設けられている。

樹脂本体１と第１、第２の蓋部３０，３１の構成材料は、耐熱性、耐水性を有しており、水中に有害な物質を溶出することがない、また銅に対して影響することがない材料であることが必要であり、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ナイロン、硬質塩化ビニル樹脂、シリコーン樹脂等によって構成されている。
また、銅製の冷媒配管２０は、キズ、腐食等で配管に穴があいた場合にも、冷媒配管２０中の冷媒や冷凍機油が水配管２に漏洩することを防止するため、二重管構造としている。例えば、冷媒配管２０には、径の異なる溝付鋼管からなる二重管を用いることができる。

次に本実施の形態の組立手順の一例について説明する。まず、熱交換器を製造するには、樹脂本体１に水が流動する流路を形成する。その水配管２の第１〜第４の溝部８〜１１に沿って、この溝部８〜１１に沿うようにあらかじめ曲げ加工した銅製の冷媒配管２０を巻き付けた後、水配管２と銅製の冷媒配管２０とをパッキンシールや接着剤等によって封止する。こうして、水配管２の第１〜第４の溝部８〜１１及びそれらの間をつなぐ螺旋溝部に冷媒配管２０を取り付け、樹脂本体１に第１の蓋部３０及び第２の蓋部３１を被せ、第２の蓋部３１の前面３１ｂの配管入口孔３２及び配管出口孔３３からそれぞれ配管入口部２１及び配管出口部２２を引き出す。

次に、熱交換器の作用に付いて説明する。上記のようにして形成した熱交換器において、冷媒配管２０の配管入口部２１から冷媒配管２０内に高温冷媒が入り込み、水配管２の水回路入口部３５からは常温の水道水が入り込む。こうして、冷媒配管２０の配管入口部２１より冷媒配管２０内に入った高温冷媒は冷媒配管２０内を流れ、配管出口部２２に向かう。一方、水配管２には水回路入口部３５より常温の水道水が流入し、第１〜第４の溝部８〜１１を通って水回路出口部３４から排出する。これによって、熱交換器中で冷媒配管２０を流れる冷媒と、水配管２を流れる水との間で熱交換が行われ、冷媒配管２０の配管出口部２２からは低温冷媒が排出され、水配管２の水回路出口部３４からは高温水が排出される。

以上のように、本実施の形態は、水が流動する流路が樹脂によって形成され、その流路に曲げ加工後の冷媒配管２０が巻きつけられているので、冷媒配管２０の形状自由度及び加工性が向上し、スペース効率に優れる。また、冷媒配管２０の冷媒流路と水配管２の水流路が完全対向流となるため、熱交換性能の効率が高くなる。

また、水配管２に冷媒配管２０を連続して巻きつける構造のため、運転時に高圧となる冷媒配管２０の継ぎ目が少なくて済み、また水配管２と冷媒配管２０の接合部をパッキン、シール、接着剤等で封止するため、接合が簡易であり、その接合部の腐食等がないため長期間使用時の信頼性を向上させることができる。さらに、水配管２を樹脂で形成することによって、熱交換した高温水の温度低下を抑制するための断熱効果も有するので、断熱コストが抑制でき、断熱カバー設置スペースをあらたに設ける必要性がなく、さらには熱交換性能の向上も期待することができる。

また、水配管２は樹脂を用いているので、水道水の水質がいかなるものであっても腐食は発生しない。さらに、水配管２の壁面は樹脂よりなるので電位が発生せず、炭酸カルシウム等のミネラル分が析出せず、冷媒配管２０の外側のみに炭酸カルシウム等が析出するが、水回路全体ではこれらの析出を抑制することができ、製品寿命の延長を期待することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、あらかじめ螺旋状に曲げ加工した冷媒配管２０を樹脂本体１の水配管２に沿って設置した熱交換器を示したが、本実施の形態は、樹脂プレートに蛇行状の水回路を形成し、この水回路に沿ってあらかじめ曲げ加工した冷媒配管を設置した熱交換器モジュールを１ユニット形成し、かかる熱交換器モジュールを面の垂直方向に積み重ね、それぞれの水回路及び冷媒配管を連続させた熱交換器に関するものである。

図２は本発明の実施の形態２に係る熱交換器の平面図、図３は図２の側面図である。図において、水回路を形成する樹脂本体１は、樹脂プレートに一定断面の蛇行した溝部を有する水配管２を形成させて、それぞれの樹脂プレートが１ユニットを構成する第１、第２、第３、第４の熱交換器モジュール４０，６０，７０，８０を積層したもので、それぞれの溝部にあらかじめ曲げ加工した第１、第２、第３、第４の冷媒配管９０，１００，１１０，１２０を取り付けて、隣接する熱交換器モジュール４０，６０，７０，８０の溝部に配設された第１〜第４の冷媒配管９０，１００，１１０，１２０同士を連通させたものである。

図２において、第１の熱交換器モジュール４０は、四方が第１の側壁４０、第２の側壁４１、前壁４２、背壁４３によって囲まれ、これらの壁部４０〜４３内には、第１、第２の側壁４０，４１に対して平行に配置した６本の直線水配管４４〜５０と、これらの隣接する通路を連通してＵ字状の折曲水配管４４ａ〜４９ａを形成する第１〜第６の内壁５１〜５６が設けられている。そして、第１、第３、第５の内壁５１，５３，５５の一端部は背壁４３の内面側に接続され、第２、第４、第６の内壁５２，５４，５６の他端部は前壁４２の内面側に接続され、それぞれの他端部にＵ字状の折曲水配管４４ａ〜４９ａを形成している。
上記のように構成した水配管４４〜５０，４４ａ〜４９ａを備えた第１の熱交換器モジュール４０の下部には同様に水配管を備えた第２の熱交換器モジュール６０が取付けられ、さらにその下部には第３の熱交換器モジュール７０、第４の熱交換器モジュール８０が取付けられている。

そして、各モジュール４０，６０，７０，８０に設けられた水配管については、第１の熱交換器モジュール４０の水配管４４〜５０，４４ａ〜４９ａの最下流端部と、第２の熱交換器モジュール６０の水配管の上流端部との重ね合わせの部分に配管継目穴４０ａを設けて、第１の熱交換器モジュール４０と第２の熱交換器モジュール６０に設けた水配管が連続してつながるようにしてある。同様にして、第２の熱交換器モジュール６０の水配管の最下流端部と、第３の熱交換器モジュール７０の水配管の最上流端部との重ね合わせの部分に配管継目穴６０ｃを設け、第２の熱交換器モジュール６０と第３の熱交換器モジュール７０に設けた水配管が連続的につながるようにしてある。また、第３の熱交換器モジュール７０の水配管の最下流端部と、第４の熱交換器モジュール８０の水配管の最上流端部との重ね合わせの部分に配管継目穴７０ａを設け、第３と第４の熱交換器モジュール７０，８０に設けた水配管が連続的につながるようにしてある。

また、第１、第２の熱交換器モジュール４０，６０の水配管の最上流端部及び最下流端部にはそれぞれ外部と通じる第１、第２の間口４０ｂ，６０ａが設けられ、第２、第３の熱交換器モジュール６０，７０の水配管の最下流端部及び最上流端部にはそれぞれ外部と通じる第３、第４の間口６０ｂ、７０ａが設けられ、第３、第４の熱交換器モジュール７０，８０の水配管の最上流端部及び最下流端部にはそれぞれ外部と通じる第５、第６の間口７０ｂ、８０ａが設けられている。そして、第１の熱交換器モジュール４０の水配管の最下流端部には、面上方に位置して外部に通じる水配管出口１３０が設けられ、第４の熱交換器モジュール８０の水配管の最上流端部には面下方に位置して外部に通じる水配管入口１４０が設けられている。

そして、第１〜第４の熱交換器モジュール４０，６０，７０，８０に形成された水回路には、それぞれのプレート上で蛇行し、上下のモジュール間でＵ字状に折れ曲がった銅製の冷媒配管２００が取り付けられている。すなわち、第１の熱交換器モジュール４０の水配管では、第１の冷媒配管９０が直線水配管４４〜５０では直線状に、折曲水配管４４ａ〜４９ａではほぼＵ字状に取り付けられており、水配管が全体として水回路に沿って蛇行した状態になっている。第１の冷媒配管９０の最上流端では第１の冷媒配管９０が第１の開口４０ｃよりプレート外に突出して、冷媒配管入口部９０ａを形成している。

一方、第１の冷媒配管９０の最下流端は、第１の熱交換モジュール４０の下流端に位置する第１の間口４０ｂよりプレート外に突出している。この突出部は継ぎ目部９０ｂを構成し、下方向にＵ字状に屈曲して反転し、第２の熱交換モジュール６０の第２の間口６０
ｃより第２の熱交換モジュール６０の水回路に入り、第２の冷媒配管１００を構成する。そして、第２の熱交換モジュール６０内を水回路に沿って蛇行した後、水回路の最下流端に位置する第３の間口６０ｂより外部に突出する。この突出部は再び下方向にＵ字状に屈曲して反転し、第３の熱交換モジュール７０の第４の間口７０ａより第３の熱交換モジュール７０の水回路に入り、第３の冷媒配管１１０を構成する。そして、第３の熱交換モジュール７０内を水回路に沿って蛇行した後、水回路の最下流に位置する第５の間口７０ｂより外部に突出する。この突出部は下方向にＵ字状に屈曲して反転し、第４の熱交換モジュール８０の第６の間口８０ａより第４の熱交換モジュール８０の水回路に入り、第４の冷媒配管１２０を構成する。そして、第４の熱交換モジュール８０内を水回路に沿って蛇行した後、第４の冷媒配管１２０の冷媒配管出口部１２０ａが第４の熱交換モジュール８０の下流端の第４の間口８０ａよりプレート外に突出する。

このようにして第１〜第４の熱交換モジュール４０，６０，７０，８０を積み重ね、水配管２００については重ね合わせの部分に間口４０ｂ，６０ａ，６０ｂ，７０ａ，７０ｂ，８０ａを設け、水配管２００が連続的に繋がる構造としており、また、冷媒配管２００においては継ぎ目部を樹脂プレートの外に出し、段積み部の接合をＵベント等を使用して接合するようにして熱交換器を形成してある。
なお、この熱交換器の重ね合わせ部は、接着剤もしくは超音波溶着によって接合し、水回路と冷媒回路の継ぎ目はパッキン、シールまたは接着により接合する。

次に、本実施の形態の組立手順の一例について説明する。まず、加熱交換器の製造方法について説明すると、第１、第２、第３、第４の熱交換器モジュール４０，６０，７０，８０にそれぞれ水配管の流路を形成する。一方、第１〜第４の冷媒配管９０，１００，１１０，１２０を平面蛇行形状に形成すると共にこれらを連通させて連続した冷媒配管２００を形成する。そして、水配管の流路に沿って冷媒配管２００を取り付け、この際、冷媒配管２００の冷媒配管入口部９０ａを外部に突出させ、３箇所の継ぎ目部を外部に突出させて反転させ、冷媒配管出口部１２０ａを外部に突出させる。そして、段積み部をベント等を使用して接合する。こうして、熱交換器の重ね合わせ部を接合し、樹脂回路と冷媒回路の継ぎ目を接着して接合する。

上記のように構成した熱交換器においては、最上面に位置する第１の熱交換器モジュール４０の冷媒配管入口部９０ａから高温冷媒が流入し、一方、第４の熱交換モジュール８０の水配管入口部１４０から常温の水道水が流入する。すなわち、冷媒配管入口部９０ａから流入した高温冷媒は、第１の熱交換器モジュール４０の第１の冷媒配管９０内を蛇行して流れ、その最下流端でＵ字状に屈曲して反転し、第２の熱交換器モジュール６０の第２の冷媒配管１００内を蛇行して流れ、その最下流端で再度Ｕ字状に屈曲して反転し、第３の熱交換器モジュール７０の第３の冷媒配管１１０内を蛇行して流れ、その最下流端でＵ字状に屈曲して反転し、第４の熱交換器モジュール８０の第４の冷媒配管１２０内を蛇行して流れ、その最下流端に位置する冷媒配管出口１２０ａから外部に流出する。

一方、第４の熱交換器モジュール８０の水配管入口部１４０から流入した常温の水道水は、第４の熱交換器モジュール８０の水配管内を蛇行して流れ、その下流端で配管継ぎ目穴７０ａを通って第３の熱交換器モジュール７０に至り、以後先と同様に、第３の熱交換モジュール７０の水配管内、配管継ぎ目穴６０ｃ、第２の熱交換器モジュール６０の水配管内、配管継ぎ目穴４０ａ、第１の熱交換器モジュール４０の水配管内を通って、水配管出口部１３０から外部に流出する。
こうして、熱交換器中で冷媒と水との間で熱交換が行われ、冷媒配管出口１２０ａからは低温冷媒、水配管出口部１３０からは高温水が外部に排出される。

本実施の形態は、以上のように、水が流動する流路を樹脂によって形成し、その流路内に銅管によって形成した冷媒配管２０を設置した熱交換器であって、樹脂プレートに平面状に水回路を形成してその樹脂プレートを積層し、そこに冷媒配管２０を取り付けて熱交換器を形成することによって、樹脂回路の成形と冷媒配管の曲げ加工を独立して実施することができるため、組付けが容易にでき、形状自由度及び加工性が向上し、スペース効率に優れた熱交換器を得ることが可能となる。また、冷媒配管２０と水配管２が完全対向流となる構造のため、熱交換性能の効率が高くなる。

また、水配管２と冷媒配管２０の接合部をパッキン、シール、接着剤等で封止するため、接合部の信頼性を向上することができる。さらに、水配管２を樹脂で形成したので熱交換した高温水の温度低下を抑制する断熱効果も有することになり、断熱コストを抑制することができ、および断熱カバー設置スペースの必要性がなく、さらには熱交換性能の向上も期待することができる。

また、水回路は樹脂によって形成されているため、水道水の水質によって腐食が発生することはない。さらに、樹脂配管壁面は電位が発生しないため炭酸カルシウムの析出がなく、冷媒配管２０には炭酸カルシウムが析出するが回路全体の析出を抑制し、製品寿命が延長する。

本発明の実施例１に係る熱交換器の分解斜視図である。 本発明の実施例２に係る熱交換器の平面図である。 図２の側面図である。

符号の説明

１ 樹脂本体、２ 水配管、２０，２００ 冷媒配管、４０，６０，７０，８０ 第１〜第４の熱交換器モジュール、４０ａ，６０ｃ，７０ａ 配管継ぎ目穴、４０ｂ，６０ａ，６０ｂ，７０ａ，７０ｂ，８０ａ 第１〜第６の間口。

Claims (4)

1. 水が流動する流路を有する樹脂本体と、前記流路内に配設され内部に冷媒が流れる銅製の冷媒配管とを備え、
   前記流路を溝状に形成すると共に該溝状流路を前記樹脂本体の外周に沿って螺旋状に形成し、該螺旋状の溝状流路に沿って前記冷媒配管を連続して巻き付け、前記樹脂本体の表面を蓋部で覆って螺旋状の閉じられた水回路を形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記冷媒配管に径の異なる溝付鋼管からなる二重管を用いたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記流路を流れる水、および前記冷媒配管を流れる冷媒が、対向して流れることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
4. 前記流路を形成する樹脂が、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、硬質塩化ビニル樹脂、またはシリコーン樹脂であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱交換器。

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