JP5794952B2

JP5794952B2 - 捩り管形熱交換器

Info

Publication number: JP5794952B2
Application number: JP2012133588A
Authority: JP
Inventors: 満貞早川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: JP2013257078A

Description

本発明は、水と冷媒とを熱交換させる捩り管形熱交換器、特に芯管となる水管の外周に冷媒管を巻き付けてなる熱交換器に関する。

水と冷媒とを熱交換させる捩り管形熱交換器は、外周に螺旋溝を有した捩り管を水管に用い、水管の螺旋溝に沿って冷媒管を外周側から巻き付け、水管と冷媒管とをカシメ接合したものであり、水管内を流れる水と冷媒管内を流れる冷媒との間で熱交換を行う熱交換器である。
螺旋溝は水側の乱流を発生させ、その効果により熱交換性能を向上させる働きがある。

従来の捩り管形熱交換器として、例えば外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた水管（内管）と、この水管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた冷媒管（外管）とを伝熱的に、例えばハンダ等の金属ロウで接合しているものがある（例えば、特許文献１参照）。

また、螺旋フィン付き管（内管）の外周にフィン高さより直径の小さな円管（外管）を螺旋状に巻き付け、フィンを引き抜き加工等によって一方向に倒して、円管を螺旋フィン付き管に固定するようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００２−２２８３７０号公報（段落［０００６］、図３）特開２００４−１９０９２２号公報（図５）

しかしながら、水管（内管）と冷媒管（外管）とを、ハンダ等の金属ロウで伝熱的に接合したものにあっては、金属ロウを介することで十分伝熱性能が期待できるものの、一般にロウを溶融接合させるために熱を加える必要があり、銅管の内面酸化を防ぐ必要が生じる。

また、シート状のロウ材を使用する場合は、螺旋状に設けた水管（内管）に対し、冷媒管（外管）を外周側から巻き付ける前に、シート状のロウ材を巻き付ける必要性があり、作業性が悪い。また、ディップ式（浸漬接合）で接合する場合においても、本来必要としない面までロウ材が付着し、コスト高となる問題がある。

また、螺旋フィン付き管のフィンを引き抜き加工等によって一方向に倒して、フィン高さより直径の小さな円管をフィン付き管に固定するようにしたものにあっては、カシメを行うフィン内に流路となる空洞はなく、螺旋フィン付き管（内管）内を流れる流体の乱流を期待できず、伝熱性能がさほど上がらないという難点があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、金属ロウによる接合材を使用することなく、伝熱性能を向上させることができるようにすることを目的とする。

本発明に係る捩り管形熱交換器は、外周面に複数条の螺旋山と螺旋溝を持つ内管と、内管の螺旋溝に沿うように巻きつけた複数条の外管とを備え、螺旋山の高さが螺旋溝に巻きつけた外管よりも高く、かつこの螺旋山は該螺旋山に隣接する一方の外管を包み込むようにカシメられており、該一方の外管を包み込んでいる該螺旋山の内部に流路となる空洞が残っているものである。

本発明の捩り管形熱交換器においては、外周面に複数条の螺旋山と螺旋溝を持つ内管と、内管の螺旋溝に沿うように巻きつけた複数条の外管とを備え、螺旋山の高さが螺旋溝に巻きつけた外管よりも高く、かつこの螺旋山は該螺旋山に隣接する一方の外管を包み込むようにカシメられており、該一方の外管を包み込んでいる該螺旋山の内部に流路となる空洞が残っているので、金属ロウによる接合材を使用することなく、内管と外管を密着接合でき、安価に製造することができる。また、内管のカシメた部分も流路となるので、内部を流れる流体の乱流効果を期待することができ、伝熱性能を向上させることができる。

本発明の実施形態に係る捩り管形熱交換器の内管軸線方向に沿う断面図である。図１の要部を拡大して示す断面図である。本発明の実施形態に係る捩り管形熱交換器のカシメ接合前の状態を示す内管軸線方向に沿う断面図である。図３の要部を拡大して示す断面図である。

図１は本発明の実施形態に係る捩り管形熱交換器の内管軸線方向に沿う断面図である。本発明の実施形態に係る捩り管形熱交換器１０は、図１のように複数条（例えば３条）の螺旋山１ａと螺旋溝１ｂを持つ芯管となる内管すなわち水管１と、螺旋溝１ｂに沿うように巻き付けた複数条の外管すなわち冷媒管３ａ，３ｂ，３ｃ（これらをまとめて「冷媒管３」という場合もある）と、を備えている。

これを更に詳述すると、水管１は、螺旋山１ａの高さが螺旋溝１ｂに巻きつけた冷媒管３ａ，３ｂ，３ｃよりも高く、かつこの螺旋山１ａの内部に流路となる空洞１ｃが残るように隣接する一方の冷媒管を包み込むようにカシメられて接合されている。このように、水管１に複数条の螺旋山１ａと螺旋溝１ｂを設けることにより、冷媒管を冷媒管３ａ，３ｂ，３ｃ等に分岐してパス設計を最適化できるとともに、隣接する冷媒管相互の接触による熱漏洩を防止できる。また、カシメ接合によって冷媒管３が固定化されるので、冷媒管３の内圧疲労に対して有利となり、冷媒管３そのものの薄肉化が可能となる。

水管１は、燐脱酸銅平滑管の両端を固定し、内径側にマンドレルを挿入して連続的に捩り加工を加えながら、複数条の螺旋山１ａと螺旋溝１ｂを形成することで、作成される。このとき、水管１のスパイラルピッチＰ（図４）を精度よく制御することで、冷媒管３が健全に嵌め込まれる。

冷媒管３は、熱交換器の入口側で入口ヘッダにより冷媒管３ａ，３ｂ，３ｃに分流され、熱交換器の出口側で出口ヘッダにより合流される。冷媒管３は図示しない冷媒回路と接続され冷媒を循環させている。水管１も、捩り管形熱交換器１０が収納されている装置の外部にある図示しない装置と接続され、捩り管形熱交換器１０と外部の装置との間で水を循環させている。

水管１は、捩り管形熱交換器１０が収納されている装置の外部へ取り出すための接続口やバルブを延長した配管に取り付けられる。一般的に、ヒートポンプ式給湯機の管や配管に接続する部品には、熱伝導率が良く、ロウ付けや曲げ加工が容易にできるリン脱酸銅管が使用される。

図２は図１の要部を拡大して示す断面図である。水管１の螺旋山１ａのカシメ接合後における水管放射方向の冷媒管径Ｒａは、水管１の螺旋山１ａのカシメ接合前の段階における水管放射方向の冷媒管径Ｒｏ（図４）に比べて小さくなっている。これは、カシメ接合時に、水管１の螺旋山１ａと螺旋溝１ｂとの間に冷媒管３が挟まれて圧縮され、断面扁平管状に変形されるためである。したがって、水管放射方向の冷媒管径Ｒａは、断面扁平管状の短軸側外径を示している。水管１は、この断面扁平管状の短軸側外径Ｒａが、カシメ接合前の螺旋山１ａの高さＨの１／２以下に形成されている。これによって、冷媒管３は、水管１の螺旋溝１ｂ及び螺旋山１ａ側面との接触面積が増大し、伝熱性能を向上させることができる。

冷媒管３は、その外径、肉厚が、冷媒等の圧力に耐えるべく設計されている。冷媒管３は、通常、真円もしくは許容される扁平度を保有しないと、運転時の冷媒圧力により疲労破壊してしまう。本発明の捩り管形熱交換器１０は、水管１の螺旋山１ａのカシメ接合によって冷媒管３が螺旋山１ａと螺旋溝１ｂとの間に包み込まれるように挟まれて保持されているので、冷媒管３の疲労耐力が向上しており、冷媒管３の扁平度が上がっても疲労破壊してしまうことがなくなる。また、あえて扁平させた冷媒管を使用することで、伝熱面積の拡大が期待できる。更に、冷媒管３の扁平度が有る程度許容できるため、冷媒管３の肉厚をより薄くすることが可能となる。

図３は本発明の実施形態に係る捩り管形熱交換器のカシメ接合前の状態を示す内管軸線方向に沿う断面図である。水管１は、そのスパイラル外径ＳＲｏが、そのスパイラル内径ＳＲｉの１．５倍以上となるように形成されている。これによって、水の流速を確保した上で冷媒管３を螺旋状に巻きつけて嵌め込むのに好適な水管１外周の螺旋山１ａ、螺旋溝１ｂを形成することができる。

図４は図３の要部を拡大して示す断面図である。カシメ接合可能とするべく、水管１は、カシメ接合前の外周の螺旋山１ａの高さＨが、冷媒管３の外径Ｒｏの略２倍となるように形成してある。これにより、水管１の螺旋山１ａを変形させカシメ接合する場合、冷媒管３と十分に接触させることが可能となり、かつ隣接しあう螺旋山１ａへの接触を避けることが可能となる。

水管１の外周の螺旋山１ａの高さＨが冷媒管３の外径Ｒｏの２倍よりも小さい場合、冷媒管３との接触面積が十分には稼げず、伝熱性能が低下する。また、水管１の外周の螺旋山１ａの高さＨが冷媒管３の外径Ｒｏの２倍よりも大きい場合、カシメ時に隣接する螺旋山１ａの側面に衝突し、冷媒管２とのカシメが十分でなくなるため、同じく伝熱性能が低下する。

水管１は、そのスパイラルピッチＰが、冷媒管３の直径Ｒｏより大きく、冷媒管３の直径Ｒｏの２倍より小さくなるように形成されている。このように、水管１の外周に特定範囲のピッチで特定範囲の山高さを設けた螺旋山１ａ及び螺旋溝１ｂに沿って冷媒管３を巻きつけるので、螺旋山１ａ及び螺旋溝１ｂがガイドとなって冷媒管３を所定の位置に容易にかつ安定して巻きつけて嵌め込み、固定することが可能となる。

以上のように、本発明の実施形態に係る捩り管形熱交換器は、外周に複数条の螺旋山１ａ及び螺旋溝１ｂを各条毎に連続して螺旋状に設けた水管１と、この水管外周の螺旋山１ａ及び螺旋溝１ｂの形状に沿って螺旋状に巻きつけた複数条の冷媒管３とを備え、冷媒管３を水管１の螺旋山１ａ及び螺旋溝１ｂに嵌め込んだ後、水管１の螺旋山１ａを、内部に流路となる空洞１ｃが残るように各冷媒管３の軸線を挟む一方の側よりカシメて、各冷媒管３を包み込むように接合しているので、金属ロウによる接合材を使用することなく、水管１と冷媒管３を密着接合でき、安価に製造することができる。また、水管１のカシメた部分も流路となるので、内部を流れる流体の乱流効果を期待することができ、伝熱性能を向上させることができる。

更に、カシメ接合することで、冷媒管３を固定化することができ、疲労耐圧に対し肉厚に余裕ができ、冷媒管３の薄肉化が可能となる。

１水管（芯管となる内管）、１ａ螺旋山、１ｂ螺旋溝、１ｃ空洞、３，３ａ，３ｂ，３ｃ冷媒管（外管）、１０捩り管形熱交換器、Ｈ水管の螺旋山高さ、Ｐ水管のスパイラルピッチ、Ｒａ冷媒管短軸側外径、Ｒｏ冷媒管の外径、ＳＲｏ水管のスパイラル外径、ＳＲｉ水管のスパイラル内径。

Claims

外周面に複数条の螺旋山と螺旋溝を持つ内管と、
前記内管の螺旋溝に沿うように巻きつけた複数条の外管とを備え、
前記螺旋山の高さが前記螺旋溝に巻きつけた前記外管よりも高く、かつ該螺旋山は該螺旋山に隣接する一方の外管を包み込むようにカシメられており、該一方の外管を包み込んでいる該螺旋山の内部に流路となる空洞が残っていることを特徴とする捩り管形熱交換器。
前記内管は、カシメ接合前の前記螺旋山の高さＨが、前記外管の外径Ｒｏの略２倍に形成されていることを特徴とする請求項１記載の捩り管形熱交換器。
前記内管は、カシメ接合前のスパイラルピッチＰが前記外管の外径Ｒｏより大きく、該外管の外径Ｒｏの２倍より小さく形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の捩り管形熱交換器。
前記外管は、カシメ接合時に断面扁平管状に変形され、その断面扁平管状の短軸側外径Ｒａが、カシメ接合前の前記内管の螺旋山の高さＨの１／２以下に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の捩り管形熱交換器。