JP5533328B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、空調装置、給湯装置等の機器に用いられ、特にヒートポンプ式の給湯機等のように、水等の流体と冷媒等の二種の流体を熱交換させるための熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器において、内部に冷媒流路が形成された内管と、内管の外側に設けられた中管と、中管との間に水流路を形成した外管とから構成された三重管式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図３、図４は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の上面図および管断面図である。

図３、図４に示すように、この熱交換器１０１は、内部に冷媒流路１０２を形成する内管１０３と、内管１０３の外部に嵌合する中管１０４と、内部に水流路１０５を形成する外管１０６と、２本の内管１０３および中管１０４を外管１０６に内挿して構成されている。中管１０４の内面には溝１０７を設けている。

腐食等の理由により、中管１０４、又は内管１０３に貫通穴が生じた際、中管１０４の溝１０７を通じて水流路１０５を流れる水や冷媒流路１０２を流れる冷媒が外部に放出される。このように、溝１０７は水や冷媒の漏れを事前に検知して水と冷媒の混合を防止する機能、即ち漏洩検知機能を有している。

特開２００５−６９６２０号公報

しかしながら、前記従来における構成では、熱交換性能を向上させるためには、熱交換器１０１の内管１０３、中管１０４、外管１０６を共に延長させる必要があり、熱交換器１０１の容量、重量を増加させて性能を向上させねばならないという課題を有していた。

また、内管１０３の外部に中管１０４を密着させる製造工程において、引き抜き、押し出し、プレスなどの加工により溝１０７が変形して潰れる可能性があり、漏洩検知機能の信頼性に欠けるという課題も有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換器の容量、重量を増加させることなく熱交換能力の向上を可能にするとともに、漏洩検知機能を高めた信頼性の高い熱交換器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、内部に第１流体流路を形成する内管と、前記内管を一本内設し、内面が平滑かつ径方向の断面が楕円形状で、前記内管の外側に前記内面を一部密着させ、前記内管の外側との間に隙間を形成する中管と、前記中管の外側に設けられ、前記中管との間に第２流体流路を形成する外管とを備え、前記中管を複数本ねじり合わせて形成するものである。

この構成によって、中管の外表面積と径方向の断面積を大きくした状態で、外管に挿入できるので、中管の第２流体流路を流れる流体への伝熱面積の拡大、および第２流体流路を流れる流体の流速を向上させることが可能となり、熱交換能力を向上できる。更に、内管と中管の間に隙間を形成することにより、第１流体流路の流体または第２流体流路の流体が漏洩した場合でも、これらの流体が流れる流路断面積を拡大できるので、漏洩検知機能を高めることができる。

本発明の管式の熱交換器は、熱交換器の容量、重量を増加させることなく熱交換能力の向上を可能にするとともに、漏洩検知機能を高めた熱交換器を提供できる。

本発明の参考例１における熱交換器の管断面図 本発明の実施の形態１における熱交換器の管断面図 従来の熱交換器の上面図 従来の熱交換器の管断面図

第１の発明は、内部に第１流体流路を形成する内管と、前記内管を一本内設し、内面が平滑かつ径方向の断面が楕円形状で、前記内管の外側に前記内面を一部密着させ、前記内管の外側との間に隙間を形成する中管と、前記中管の外側に設けられ、前記中管との間に第２流体流路を形成する外管とを備え、前記中管を複数本ねじり合わせて形成するものである。

かかる構成とすることにより、中管の外表面積と径方向の断面積を大きくした状態で、外管に挿入できるので、中管の第２流体流路を流れる流体への伝熱面積の拡大、および第２流体流路を流れる流体の流速を向上させることが可能となり、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換能力を向上できる。更に、内管と中管の間に隙間を形成することにより、第１流体流路の流体または第２流体流路の流体が漏洩した場合でも、これらの流体が流れる流路断面積を拡大できるので、外部に放出し易くなる。よって、第１流体流路の流
体と第２流体流路の流体の混合をより確実に防止できる漏洩検知機能を高めた熱交換器を提供できる。

また、中管の内面を平滑とするもので、中管は比較的高価である内面溝付き管ではなく安価な平滑管を用いることで、漏洩検知機能を備えた熱交換器を安価に実現できる。

また、複数の前記中管をねじり合わせた構成としたものである。かかる構成とすることにより、第２流体を流れる流体の流速が増し乱流促進されるため、効率よく熱伝達が促進され、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換能力向上が可能である。

また、第２の発明は、第１の発明において、第１流体流路を流れる流体を二酸化炭素としたものである。かかる構成とすることにより、熱交換器を、例えばヒートポンプ式給湯機用として、水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器として用いた場合、二酸化炭素は超臨界状態で動作し、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態で作動するため、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。

（参考例１）
図１は本発明の参考例１における熱交換器の管断面図である。

図１に示すように、熱交換器は内部を二酸化炭素が流れる冷媒流路２（本発明の第１流体流路）を形成する内管３と、内管３の外側に設けられた中管４と、内部に水流路５（本発明の第２流体流路）を形成する外管６とを備え、２本の内管３および中管４を外管６に内挿して構成されている。

中管４は、内面に溝７を有しており、径方向の断面形状が長径ＤＬと短径ＤＳからなる楕円形である。２本の中管４と外接する円８の直径Ｄが最小になるように、２本の中管４は楕円形の短径部どうしが接する向きに並べて配置されている。

また、２本の中管４は互いに螺旋状にねじり合わされ、その螺旋の中心が、外管６の軸心とほぼ同軸となるように外管６に内包されている。

内管３の外面と中管４の内面は互いに異なる曲率半径を有するものであり、本参考例では内管３の径方向の断面形状は略円形としている。そして、内管３は中管４に内接しており、内管３と中管４は一部密着しているものである。本参考例では、内管３は、中管４の短径部と密着し、中管４の長径部とは密着せず、三日月状の隙間Ｓを形成している。

溝７、隙間Ｓは熱交換器の端部で外部（例えば大気）に接続されており、内管３または中管４から漏洩した二酸化炭素や水を、溝７、隙間Ｓを介して外部に漏出させ、万一、二酸化炭素や水が漏れた場合でも、二酸化炭素と水とが混合するのを防止している。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

この熱交換器は、水流路５を水が流れ、冷媒流路２を二酸化炭素が流れることで、水と二酸化炭素との熱交換を行う。

このような熱交換器の熱交換能力を向上させるには、冷媒流路２の流路断面積は、そこを流れる二酸化炭素に最適な流路断面積とし、水流路５の流路断面積は、そこを流れる水
に最適な流路断面積とすることが望ましい。しかし、冷媒流路２の流路断面積は、内管３の内径により決まり、水流路５流路断面積は、外管６の内径と内管３の外径により決まるため、冷媒流路２を最適化すると、水流路５の流路断面積は大きくなりすぎる場合がある。このような場合には、水流路５の流路断面積を減少させることで最適な流路断面積とすることができる。

本参考例では、水流路５には、径方向の断面形状が長径ＤＬと短径ＤＳからなる楕円形の中管４を配置したので、水流路５の流路断面積を小さくでき、最適な流路断面積に近づけるとともに、中管４の外表面積も拡大できる。このため、冷媒流路２を流れる二酸化炭素の熱を効率よく、内管３を介して水に伝達させることができ、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換能力を向上可能である。

一方、このような熱交換器に腐食等の理由により、中管４、又は内管３に貫通穴が生じた際には、内管３の内部を流れる二酸化炭素、または中管４の外部を流れる水は、溝７からだけでなく、内管３と中管４から成る三日月状の隙間Ｓからも中管４の端部を通じて外部（例えば大気）に放出できる。このように、内管３と中管４の間に隙間Ｓを形成することにより、漏洩した二酸化炭素や水が流通する流路断面積が拡大するので、二酸化炭素または水を外部に放出し易くなる。よって、漏洩検知機能を高めることができ、水と二酸化炭素の混合をより確実に防止できる熱交換器を提供できる。

また、２本の中管４をねじり合わせた構成とすることにより、水の流速が増し乱流促進されるため、効率よく熱伝達が促進され、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換能力を向上可能である。

また、ヒートポンプ式給湯機用として水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器として用いた場合、二酸化炭素は超臨界状態で動作し、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態で作動するため、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

尚、本発明の参考例では、内管３の断面は中管４の短径部と密着して中管４の長径部とは密着していないものとしているが、内管３は中管４の長径部と密着して短径部とは密着していないなど、内管３と中管４の一部が密着していれば、同様の作用効果を期待することができる。

また、本発明の参考例では、外管６内に配置する中管４の本数を２本としているが、３本以上の本数としても同様の作用効果を期待することができる。

また、本発明の参考例では、内管３を流れる冷媒を二酸化炭素としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ等）の冷媒、あるいはこれらの代替冷媒とすることも同様の作用効果が期待できる。

なお、本発明の参考例では、内管３の内面は略円形であるので、冷媒流路２を冷媒が流れる際に、冷媒とともに流れる冷凍機油が、冷媒流路２の隅部に付着して、隅部の伝熱を阻害することがなく、高性能な熱交換器を提供できる。

（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１における熱交換器の管断面図である。尚、参考例１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図２において、参考例１の中管４に替えて、内面を平滑とした中管４ａで構成している点である。

内管３の外面と中管４ａの内面は互いに異なる曲率半径を有するものであり、本実施の形態では内管３の径方向の断面形状は略円形としている。内管３は、中管４ａの短径部と密着し、中管４の長径部とは密着せず、三日月状の隙間Ｓａを形成している。

以上の構成により、比較的高価な内面溝付き管を中管に用いる必要がなく、安価な平滑管を用いることができるので、材料コストを低く抑えることができる。

さらに、内管３と中管４との密着部に溝がないことにより、密着性が向上するので、内管３と中管４との間の接触熱抵抗を低減できるので、安価な平滑管を用いた漏洩検知機能に加えて、高性能な熱交換器を提供できる。

以上のことから、中管４ａの断面形状を楕円形状とすることによる漏洩検知機能の向上効果に加えて、熱交換能力の向上効果と安価に熱交換器を作成できる効果を備えた熱交換器を提供できる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、比較的安価に漏洩検知機能を有することができるので、二酸化炭素を用いた超臨界ヒートポンプ式給湯器や、暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ装置、さらには、家庭用、業務用の空気調和機、あるいはヒートポンプによる乾燥機能を具備した洗濯乾燥機、穀物貯蔵倉庫等のヒートポンプ機器の他に、燃料電池等の熱交換用途にも適用できる。

２ 冷媒流路（第１流体流路）
３ 内管
４、４ａ 中管
５ 水流路（第２流体流路）
６ 外管
Ｓ、Ｓａ 隙間

Claims (2)

1. 内部に第１流体流路を形成する内管と、前記内管を一本内設し、内面が平滑かつ径方向の断面が楕円形状で、前記内管の外側に前記内面を一部密着させ、前記内管の外側との間に隙間を形成する中管と、前記中管の外側に設けられ、前記中管との間に第２流体流路を形成する外管とを備え、前記中管を複数本ねじり合わせて形成することを特徴とした熱交換器。
2. 前記第１流体流路を流れる流体を二酸化炭素とした請求項１に記載の熱交換器。

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