JP5699050B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関する。

特許文献１には、水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器が開示されている。特許文献１の図４に示すように、この熱交換器は、水が流れる第１伝熱管と冷媒が流れる第２伝熱管とを水平方向に交互に密着させながら略同一平面上で渦巻状に成形した構成を有する。

特開２００４−２１８９４５号公報

上記の構成を有する特許文献１の熱交換器では、第１伝熱管と第２伝熱管の２種類の管のうち、渦巻きの中心から外側にある管の方が、中心寄りにある管よりも周長が長くなる。そのため、特許文献１の構成の熱交換器を製造する場合に、例えば、予め第１伝熱管と第２伝熱管とを並べて半田等によって固定して直線状に成形しておき、その２本の管を同一平面上で渦巻状に成形しようとしても、双方の管に無理な力が加わってしまうため、上記の構成を有する熱交換器を製造することは困難である。

また、例えば、第１伝熱管と第２伝熱管とを予めそれぞれ同一平面上で渦巻き状に成形しておき、第１伝熱管と第２伝熱管とが交互に密着するように組み合わせる方法も考えられる。しかしながら、第１伝熱管と第２伝熱管とを、それぞれ相互に正確に密着可能な形状の渦巻状に予め成形することは容易ではない。

本明細書で開示する技術は、上記の課題を解決するために創作されたものである。本明細書では、従来よりも容易に製造し得る構成を有する熱交換器を提供する。

本明細書が開示する熱交換器は、水が導通する水管と、冷媒が導通する冷媒管とを備える熱交換モジュールを有している。熱交換モジュールは、単一の水管及び単一の冷媒管を、水管が冷媒管の上に配置されるように上下に積層された状態で互いに固定しているとともに、積層されている水管と冷媒管とを、コイル状ではなく、積層方向と略直交する平面上で渦巻状に成形している。さらに、水管と冷媒管はほぼ同径である。

上記の熱交換器は、上記の構成を有するため、上下に積層されている水管と冷媒管の周長が異なることはない。そのため、上記の熱交換器は、例えば、直線状の単一の水管と単一の冷媒管とを、水管が冷媒管の上に配置されるように予め上下に積層した状態で互いに固定し、固定された水管と冷媒管とを、コイル状ではなく、積層方向と略直交する平面上で渦巻状に曲げ成形することによって製造することができる。従って、上記の熱交換器は従来の熱交換器よりも容易に製造し得る。また、上記の熱交換モジュールでは、水管と冷媒管はほぼ同径であり、水管が冷媒管の上に積層されている。冷媒管内を循環する冷媒は、水管内の水と熱交換を行うと、ガス状態から凝縮して液体状の冷媒凝縮液になる。この冷媒凝縮液が冷媒（ガス状態）と水との熱交換を阻害する原因となるが、水管が冷媒管の上に積層される上記の構成によると、冷媒凝縮液は重力により冷媒管下部に溜まって液膜を形成する。そのため、冷媒管と水管の接合部（伝熱部）には液膜が形成されにくくなる。これにより、冷媒凝縮液による伝熱阻害の影響を受けにくくなり、冷媒管が水管の上に積層される構成と比較して、熱交換の効率が良くなる。

上記の熱交換器は、２個以上の熱交換モジュールを有しており、各熱交換モジュールの水管同士は連結用水管を介して連結され、各熱交換モジュールの冷媒管同士は連結用冷媒管を介して連結されるとともに、各熱交換モジュールは上下に積層されていることが好ましい。この構成によると、２個以上の熱交換モジュールを左右に並べて設置する構成に比べて、熱交換器全体をコンパクトに形成することができる。

連結用水管と連結用冷媒管とが互いに離間して設けられており、連結用冷媒管に温度センサが設けられていることが好ましい。この構成によると、温度センサは、連結用水管内の水の温度の影響を受けることなく、連結用冷媒管内の冷媒の温度を検出することができる。従って、冷媒の温度を正確に検出することができる。

実施例の熱交換器を示す斜視図。 実施例の熱交換器を示す分解斜視図。 実施例の熱交換器を示す平面図。

本発明の実施例に係る熱交換器について、図面を参照しながら説明する。図１に示す熱交換器２は、水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器であって、例えば、ヒートポンプ式給湯器に用いられるものである。熱交換器２は、２個の熱交換モジュール１０、５０を上下に積層して形成されている。上下に積層された２個の熱交換モジュール１０、５０は、連結部材１００によって連結されている。本実施例では、熱交換モジュール１０が上側、熱交換モジュール５０が下側に積層されている。

図２に示すように、上側の熱交換モジュール１０は、水が導通する水管２０と、冷媒が導通する冷媒管３０とを備えている。冷媒には、二酸化炭素、Ｒ４１０Ａ等のガス状の冷媒を用いることができる。水管２０は、冷媒管３０の上に積層されている。水管２０と冷媒管３０とは、上下に積層された状態で、ロー付けや半田等によって互いに固定されている。水管２０と冷媒管３０は、ほぼ同径同長のパイプ状部材である。水管２０及び冷媒管３０は、銅、アルミニウム、鉄等、良好な熱伝導性を備える金属によって形成されている。水管２０及び冷媒管３０は、同種材料で形成されることが、接触部における性質変化を防ぐ上で望ましい。

上下に積層されている水管２０及び冷媒管３０は、積層方向と略直交する平面上で渦巻状に成形されている。なお、図２に示すように、渦巻状に成形された水管２０及び冷媒管３０の外周寄りの端部２２、３２は、互いに積層されておらず、上下に離間している。また、図３に示すように、渦巻き状に成形された水管２０及び冷媒管３０の中心寄りの端部２４、３４も、互いに積層されておらず、水管２０の端部２４は、冷媒管３０の端部３４よりも中心寄りに曲げられている。

下側の熱交換モジュール５０も、上側の熱交換モジュール１０と同様の構成を有する。即ち、熱交換モジュール５０も、水管６０と冷媒管７０とを備えている。水管６０は冷媒管７０の上に積層されている。上下に積層されている水管６０及び冷媒管７０は、積層方向と略直交する平面上で渦巻状に成形されている。

図２に示すように、水管６０及び冷媒管７０の外周寄りの端部６２、７２も、互いに積層されておらず、上下に離間している。また、図３に示すように、水管６０及び冷媒管７０の中心寄りの端部６４、７４も、互いに積層されておらず、水管６０の端部６４は、冷媒管７０の端部７４よりも中心寄りに曲げられている。

図３に示すように、上下に積層された熱交換モジュール１０、５０は、連結部材１００によって連結されている。連結部材１００は、連結用水管１０２と、連結用冷媒管１０４とを備える。連結用水管１０２と連結用冷媒管１０４は、いずれも略コ字状に形成されたパイプ状部材である。連結用水管１０２及び連結用冷媒管１０４も、水管２０、６０及び冷媒管３０、７０と同じ材料で形成されている。

連結用水管１０２は、水管２０の端部２４と水管６０の端部６４とを連結している。一方、連結用冷媒管１０４は、冷媒管３０の端部３４と冷媒管７０の端部７４とを連結している。連結用水管１０２と連結用冷媒管１０４とは互いに離間して設けられている。

連結用冷媒管１０４には、温度センサ１０６が設けられている。温度センサ１０６は、連結用冷媒管１０４内を流れる冷媒の温度を検出するためのセンサである。連結用水管１０２と連結用冷媒管１０４とが離間しているため、温度センサ１０６は、連結用水管１０２内の水の温度の影響を受けることなく、連結用冷媒管１０４内の冷媒の温度を正確に検出することができる。

以上、本実施例の熱交換器２の構成を説明した。続いて、本実施例の熱交換器２を用いて、水と冷媒の間で熱交換を行う場合の例を説明する。具体的には、低温の水を熱交換によって加熱する例を説明する。本実施例では、低温の水は、下側の熱交換モジュール５０の水管６０の端部６２から供給される。端部６２から供給された水は、水管６０、連結用水管１０２、水管２０を順に通過し、端部２２から排出される。水は、水管６０、２０を通過する間に、冷媒管７０、３０内の冷媒との間で熱交換を行う（冷媒から熱を受け取る）ことにより加熱される。端部２２から排出される水は高温となっている。一方、高温高圧のガス状の冷媒は、上側の熱交換モジュール１０の冷媒管３０の端部３２から供給される。端部３２から供給された冷媒は、冷媒管３０、連結用冷媒管１０４、冷媒管７０を順に通過しながら、水管２０及び水管６０内を流れる水と熱交換を行う（水に熱を与える）。熱交換を終えた冷媒は液体状となって冷媒管３０、連結用冷媒管１０４、及び冷媒管７０の下部を流れる。冷媒は、端部７２から排出される。上記の通り、本実施例では、水と冷媒は、互いに逆方向に流れる（カウンターフロー）。このため、本実施例の熱交換器２は、効率よく熱交換を行うことができる。

以上、本実施例の熱交換器２について詳しく説明した。本実施例では、熱交換モジュール１０は、上下に積層された水管２０と冷媒管３０とが、積層方向と略直交する平面上で渦巻状に成形されている。そのため、上下に積層されている水管２０と冷媒管３０の周長が異なることはない。そのため、例えば、直線状の水管２０と冷媒管３０とを予め上下に積層した状態で互いに固定し、固定された水管２０と冷媒管３０とを、積層方向と略直交する平面上で渦巻状に曲げ成形することによって熱交換モジュール１０を製造することができる。熱交換モジュール５０も同様である。従って、本実施例の熱交換器２は、従来の熱交換器よりも容易に製造することができる。

また、本実施例の熱交換器２は、水管と冷媒管とをコイル状に成形する構成の熱交換器に比べて、水管２０及び冷媒管３０の内側の空間を有効に利用することができる。その結果、熱交換器２全体をコンパクトに形成することができる。また、水管と冷媒管とをコイル状に成形する場合に比べ、高さ方向の起伏がほとんどないので、水管２０及び冷媒管３０内を流れる水及び冷媒の圧力損失も低減できる。また、水管２０内の水抜きも容易である。

本実施例の熱交換器２は、上下に積層されている２個の熱交換モジュール１０、５０を有している。そのため、２個の熱交換モジュールを左右に並べて設置する構成に比べて、熱交換器２全体をコンパクトに形成することができる。また、熱交換モジュールを２個設けているため、大容量の要求にも対応することができる。

本実施例では、連結用水管１０２と連結用冷媒管１０４とが互いに離間して設けられているため、温度センサ１０６は、連結用水管１０２内の水の温度の影響を受けることなく、連結用冷媒管１０４内の冷媒の温度を検出することができる。従って、冷媒の温度を正確に検出することができる。

本実施例の熱交換モジュール１０では、水管２０が冷媒管３０の上に積層されている。冷媒管３０内を循環する冷媒は、水管２０内の水と熱交換を行うと、ガス状態から凝縮して液体状の冷媒凝縮液になる。この冷媒凝縮液が冷媒（ガス状態）と水との熱交換を阻害する原因となるが、水管２０が冷媒管３０の上に積層される本実施例の熱交換モジュール１０によると、冷媒凝縮液は重力により冷媒管３０下部に溜まって液膜を形成する。そのため、冷媒管３０と水管２０の接合部（伝熱部）には液膜が形成されにくくなる。これにより、冷媒凝縮液による伝熱阻害の影響を受けにくくなり、冷媒管が水管の上に積層される構成と比較して、熱交換の効率が良くなる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例をさまざまに変形、変更したものが含まれる。

上記の実施例では、熱交換器２は、上下に積層されている２個の熱交換モジュール１０、５０を有している。これに限られず、熱交換器２は、３個以上の熱交換モジュールを上下に積層していてもよい。その場合も、３個以上の熱交換モジュールは上下に積層される。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ 熱交換器
１０ 熱交換モジュール
２０ 水管
２２ 水管の端部（外側）
２４ 水管の端部（内側）
３０ 冷媒管
３２ 冷媒管の端部（外側）
３４ 冷媒管の端部（内側）
５０ 熱交換モジュール
６０ 水管
６２ 水管の端部（外側）
６４ 水管の端部（内側）
７０ 冷媒管
７２ 冷媒管の端部（外側）
７４ 冷媒管の端部（内側）
１００ 連結部材
１０２ 連結用水管
１０４ 連結用冷媒管
１０６ 温度センサ

Claims (3)

1. 熱交換器であって、
   水が導通する水管と、
   水管内の水と熱交換を行うと、ガス状態から凝縮して液体状の冷媒凝縮液になる冷媒が導通する冷媒管とを備える熱交換モジュールを有しており、
   熱交換モジュールは、
   単一の水管及び単一の冷媒管を、水管が冷媒管の上に配置されるように上下に積層された状態で互いに固定しているとともに、
   積層されている水管と冷媒管とを、コイル状ではなく、積層方向と略直交する平面上で渦巻状に成形しており、
   さらに、水管と冷媒管はほぼ同径であることを特徴とする熱交換器。
2. ２個以上の熱交換モジュールを有しており、
   各熱交換モジュールの水管同士は連結用水管を介して連結され、
   各熱交換モジュールの冷媒管同士は連結用冷媒管を介して連結されるとともに、各熱交換モジュールは上下に積層されていることを特徴とする請求項１の熱交換器。
3. 連結用水管と連結用冷媒管とが互いに離間して設けられており、
   連結用冷媒管に温度センサが設けられていることを特徴とする請求項２の熱交換器。

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