JP7336634B2 - 熱交換器およびそれを備えた温水生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の流体間で熱交換を行う熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器として、内管の周りに外管である冷媒管を密着して巻付けた熱交換器が採用されている。

熱交換器に、第一流体が流れる内管と、内管に挿入される挿入体と、内管の外周に設けられ、第二流体が流れる外管とを設けられている。

そして、挿入体は、軸部と軸部の外表面に形成された螺旋状突部とを備えているもので、第一流体は、内管の内面と挿入体の軸部と螺旋状突部とで形成されている螺旋状流路を流れる。

さらに、熱交換器は、内管の両端を覆うように設けられている第一継手、第二継手を備え、第一継手と第二継手とは固定部材にて固定されており、固定部材は可撓性の材料で形成されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１９－１５８２７１号公報

しかしながら、前記従来の構成では、熱交換器の両端の第一継手、第二継手が、可撓性の材料で形成されている固定部材で固定されているため、螺旋状流路を流れる第一流体の圧力が過度に上昇した場合に、固定部材の変形により、第一継手、第二継手が内管より外れる方向に移動してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、内部流体の状態や温度が変化しても、耐久性に優れた熱交換器を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第一流体が内方を流れる内管と、前記内管の外周に設けられ、第二流体が流れる外管と、前記内管の両端を覆うように設けられている第一継手、第二継手と、を備え、前記第一継手と前記第二継手とは、前記内管を挟んで固定部材にて固定されており、前記固定部材は非弾性材料にて形成されていることを特徴とするものである。

これにより、第一流体の圧力が過度に上昇した場合でも、固定部材は非弾性材料で形成されているため、第一継手、第二継手が内管より外れる方向に移動することなく、耐久性に優れた熱交換器を提供できる。

本発明によれば、内部流体の状態や温度が変化しても、耐久性に優れた熱交換器を提供できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の展開図 本発明の実施の形態１における熱交換器の固定部材の斜視図 （ａ）本発明の実施の形態１における熱交換器の固定部材と第一継手との組立図（ｂ）本発明の実施の形態１における熱交換器の固定部材と第一継手との展開図 （ａ）本発明の実施の形態１における熱交換器の第一継手の斜視図（ｂ）本発明の実施の形態１における熱交換器の第一継手の他の斜視図（ｃ）本発明の実施の形態１における熱交換器の熱交換器の第二継手の斜視図 本発明の実施の形態１における熱交換器の長手方向の側断面図 本発明の実施の形態１における熱交換器を用いた温水生成装置の構成図

第１の発明は、第一流体が内方を流れる内管と、前記内管の外周に設けられ、第二流体が流れる少なくとも１本以上の外管と、前記内管の両端を覆うように設けられている第一継手、第二継手と、を備え、前記第一継手と前記第二継手とは、前記内管を挟んで固定部材にて固定されており、前記固定部材は非弾性材料にて形成されていることを特徴とする熱交換器である。

これにより、第一流体の圧力が過度に上昇した場合でも、固定部材は非弾性材料で形成されているため、第一継手、第二継手が内管より外れる方向に移動することなく、耐久性に優れた熱交換器を提供できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記固定部材は略平板状であり、前記固定部材と前記第一継手、前記固定部材と前記第二継手との係合部は、前記固定部材において、平板状部と、前記平板状部より周方向に向かって両側に延設した延設部とに形成されていることを特徴とするものである。

これにより、固定部材と、第一継手、第二継手とを容易に係合することができ、組立性に優れた熱交換器を提供できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記固定部材は、前記内管の長手方向において、前記外管の外方側から一対で前記外管を挟んで前記第一継手と前記第二継手と係合しており、前記第一継手、前記第二継手、前記固定部材は、それぞれ締結部材を挿入する挿入部を有し、それぞれの前記挿入部に前記締結部材が挿入されて、前記第一継手と前記固定部材の一端側、前記第二継手と前記固定部材の他端側が、前記内管を挟んで固定される構成としたことを特徴とするものである。

これにより、各継手が内管から容易に外れないように固定できる構成を、低コストで実現できる。

第４の発明は、特に、第１～３のいずれかの発明において、前記第一継手と前記第二継手の内周面と、前記内管の外周面との間に、シール部材を設けたことを特徴とするものである。

これにより、内管を流れる第一流体が内管から漏れることのない構成が実現でき、耐久性の高い熱交換器を提供できる。

第５の発明は、特に、第１～４のいずれかの発明において、前記シール部材は、前記第一継手、前記第二継手に着脱自在に固定できるシール固定部材にて固定されていることを特徴とするものである。

これにより、内管に特別な加工をほどこすことなくとも、第一継手、第二継手と内管との間に、シール部材を配置し固定する構成を、低コストで実現できる。

第６の発明は、特に、第１～５のいずれかの発明において、軸部と前記軸部の外表面に形成されている螺旋状突部を有し、前記内管に挿入されている挿入体を備え、前記内管の内面と前記軸部と前記螺旋状突部とで前記第一流体の流路を形成しているとともに前記挿入体の配置位置が前記内管内を長手方向に移動したときに、前記挿入体の端部が当接する第一継手側当接部、第二継手側当接部が、それぞれ前記第一継手の内面、前記第二継手の内面に設けられていることを特徴とするものである。

これにより、挿入体が内管内を長手方向に移動した場合でも、挿入体の端部が第一継手当接部、または、第二継手側当接部に当接することにより、第一流体の流路が塞がれることがないため、熱交換性能の安定した熱交換器を低コストで実現できる。

第７の発明は、特に、第６の発明において、前記軸部の軸径は、前記第一流体の入口側よりも前記第一流体の出口側の方が小さく、また、前記螺旋状突部の高さは、前記第一流体の入口側よりも前記第一流体の出口側の方が高く形成されているとともに、前記第一継手側当接部、前記第二継手側当接部の形状も、前記軸部の軸径に合わせて形成されていることを特徴とするものである。

これにより、前記軸部の軸径は、前記第一流体の入口側よりも出口側の方が小さく、また、前記螺旋状突部の高さは、前記第一流体の入口側よりも出口側の方が高く形成されているため、第一流体の流路にスケールが生成しても、第一流体の流路が塞がれることもない。

加えて、挿入体が内管内を長手方向に移動した場合でも、挿入体の端部が第一継手当接部、または、第二継手側当接部に当接することにより、第一流体の流路が塞がれることがないため、熱交換性能の安定した熱交換器を低コストで実現できる。

第８の発明は、特に、第１～７のいずれかの発明において、前記第一流体は、水あるいは不凍液、前記第二流体は二酸化炭素であることを特徴とするものである。

これによって、二酸化炭素を冷媒とすることで、温暖化係数が低い二酸化炭素を用いることで、環境に優しい熱交換器を提供することができる。

第９の発明は、特に、第１～８のいずれかの発明の熱交換器を備えたことを特徴とする温水生成装置である。

これによって、耐久性の高い熱交換器を用いた温水生成装置を提供できる。

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本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展開図であり、図２は、本発明の実施の形態１における熱交換器の固定部材の斜視図である。

また、図３（ａ）は、本発明の実施の形態１における熱交換器の固定部材と第一継手との組立図、図３（ｂ）は、本発明の実施の形態１における熱交換器の固定部材と第一継手との展開図である。

図４（ａ）は、本発明の実施の形態１における熱交換器の第一継手の斜視図、図４（ｂ）は、本発明の実施の形態１における熱交換器の第一継手の他の斜視図、図４（ｃ）は本発明の実施の形態１における熱交換器の熱交換器の第二継手の斜視図である。

図５は、本発明の実施の形態１における熱交換器の長手方向の側断面図である。

以上の図１～図５を用いて、本発明の実施の形態１における熱交換器の構成について、以下に説明する。

本発明の実施の形態１における熱交換器１５は、水あるいは不凍液である第一流体が内部に流れる銅製の内管１と、この内管１の外表面に密着するように螺旋状に巻き付けられ、冷媒である第二流体が内部に流れる銅製の外管２と、内管１の中に配され、耐熱性の高いＰＰＳ等の樹脂で形成された挿入体３と、から構成されている。

そして、内管１の両端を覆うように設けられている第一継手４ａ、第二継手４ｂと、を備え、第一継手４ａと第二継手４ｂとは、内管１の長手方向において、外管２の外方側の対向する方向から、複数の固定部材５にて固定されており、固定部材５は、溶融亜鉛メッキ鋼板等の非弾性材料にて形成されている。

これにより、固定部材５は非弾性材料で形成されているため、第一流体の圧力が過度に上昇した場合でも、第一継手４ａ、第二継手４ｂが、内管１より外れる方向に移動することなく、耐久性に優れた熱交換器１５を提供できる。なお、第一継手４ａ、第二継手４ｂは、ＰＰＳ等の樹脂で形成されている。

また、固定部材５は略平板状であり、固定部材５の両端部には、第一継手４ａ、第二継手４ｂとの係合部である固定部材第一係合部５ａ、固定部材第二係合部５ｂが設けられている。

そして、第一継手４ａ、第二継手４ｂには、それぞれ継手第一被係合部４ｆ、継手第二被係合部４ｅが設けられている。

すなわち、複数の連通穴形状の固定部材第一係合部５ａと複数の凸形状の継手第一被係合部４ｆ、連通穴形状の固定部材第二係合部５ｂと凸形状の継手第二被係合部４ｅとが嵌合することで、内管１の長手方向において、外管２の外方側から一対の固定部材５が、外管２を挟んで、第一継手４ａと第二継手４ｂと係合している。

なお、固定部材第二係合部５ｂは、固定部材５の長手方向に形成された平板状部の両端部に位置する連通穴形状の係合部であり、固定部材第一係合部５ａは、前記平板状部の両端部から周方向に向かって両側に延設した延設部に設けられている連通穴形状の複数の係合部である。

これにより、固定部材５と、第一継手４ａ、第二継手４ｂとを容易に係合することができ、組立性に優れた熱交換器を提供できる。

また、第一継手４ａと第二継手４ｂと固定部材５には、それぞれ締結部材８の挿入部が複数設けられている。なお、締結部材８はステンレス製である。

固定部材５の締結部材８の挿入部は、固定部材挿入部５ｃである。固定部材挿入部５ｃは固定部材５の平板状部より延設され、それぞれの固定部材第一係合部５ａを形成するそれぞれの延設部に、固定部材第一係合部５ａより端部側に設けられている。なお、固定部材挿入部５ｃは固定部材５の両端側に２個ずつ設けられている。

また、第一継手４ａと第二継手４ｂの締結部材８の挿入部は、継手挿入部９である。継手挿入部９は、第一継手４ａ、第二継手４ｂの、継手第二被係合部４ｅの裏側にレール状に設けられていて、固定部材５の平板状部より折り曲げられ延設された板状部にて覆われている。なお、継手挿入部９は、第一継手４ａ、第二継手４ｂのそれぞれに２個必要である。

すなわち、継手挿入部９と、継手挿入部９を挟んで両側に位置している固定部材挿入部５ｃに締結部材８を挿入し、継手挿入部９を固定部材５の平板状部より折り曲げられ延設された板状部にて覆う構成としたことで、締結部材８は簡単に外れることがない。

このため、第一継手４ａと内管１、第二継手４ｂと内管１とが、固定部材５により固定される構成となっている。

つまり、固定部材５は、内管１の長手方向において、外管２の外方側から、一対で外管２を挟んで、第一継手４ａと第二継手４ｂと係合しており、第一継手４ａ、第二継手４ｂ、固定部材５は、それぞれ締結部材８を挿入する継手挿入部９、固定部材挿入部５ｃを有し、継手挿入部９、固定部材挿入部５ｃに、締結部材８が挿入貫通されて、第一継手４ａと固定部材５の一端側、第二継手４ｂと固定部材５の他端側が、内管１を挟んで固定される構成となっている。

また、第一継手４ａと第二継手４ｂの内周面と、内管１の外周面との間に、Ｏリングであるシール部材６が設けられている。そして、シール部材６は、第一継手４ａ、第二継手４ｂに着脱自在に固定できるシール固定部材７にて固定されている
これにより、内管に特別な加工をほどこすことなくとも、第一継手４ａ、第二継手４ｂと内管１との間に、シール部材６を配置固定する構成を低コストで実現できる。

また、挿入体３は、軸部３ａと軸部３ａの外表面に形成されている螺旋状突部３ｂを有し、内管１の内面と軸部３ａと螺旋状突部３ｂとで第一流体の流路を形成している。

なお、第一流体と、内管１の外表面に密着するように螺旋状に巻き付けられている銅製の外管２の内部を流れる第二流体とは、対向流となるように構成されている。

そして、第一流体の圧力が過度に上昇して、挿入体３の配置位置が、内管１内を長手方向に移動したときに、挿入体３の端部が当接する第一継手側当接部４ｄ、第二継手側当接部４ｃが、それぞれ第一継手４ａの内面、第二継手４ｂの内面に設けられている。

さらに、軸部３ａの軸径は、第一流体の入口側（第一継手４ａ側）よりも第一流体の出口側（第二継手４ｂ側）の方が小さく、また、螺旋状突部３ｂの高さは、第一流体の入口側（第一継手４ａ側）よりも第一流体の出口側（第二継手４ｂ側）の方が高く形成されている。

このため、第一継手側当接部４ｄ、第二継手側当接部４ｃの形状も、軸部３ａの軸径に合わせて形成されていている。

すなわち、第二継手４ｂ側は、第一流体の出口側に相当するため、第一流体は第二流体に加熱された後であり、高温である。そのため、第一流体の流路にスケールが生成しやすいため、軸部３ａの軸径は、第一流体の入口側（第一継手４ａ側）よりも第一流体の出口側（第二継手４ｂ側）の方が小さく、また、螺旋状突部３ｂの高さは、第一流体の入口側（第一継手４ａ側）よりも第一流体の出口側（第二継手４ｂ側）の方が高く形成されているのである。

そこで、第二継手側当接部４ｃ、第一継手側当接部４ｄは、それぞれ第二継手４ｂ、第一継手４ａの内面より立ち上がり形成されている２個のリブであるが、第二継手側当接部４ｃは２個のリブの内方側を切り欠いていて、第一継手側当接部４ｄは２個のリブの外方側を切り欠いていている。

これにより、第二継手側当接部４ｃと当接する軸部３ａの軸径は、第一継手側当接部４ｄと当接する軸部３ａの軸径より小さくなる。

すなわち、第二継手側当接部４ｃは、高温水となった第一流体の出口側（第二継手４ｂ側）に位置していて、スケールが生成しやすいため、軸部３ａの軸径が、第一流体の入口側（第一継手４ａ側）よりも第一流体の出口側（第二継手４ｂ側）の方が小さくなっているからである。

これにより、軸部３ａの軸径は、第一流体の入口側（第一継手４ａ側）よりも第一流体の出口側（第二継手４ｂ側）の方が小さく、また、螺旋状突部の高さ３ｂは、第一流体の入口側（第一継手４ａ側）よりも第一流体の出口側（第二継手４ｂ側）の方が高く形成されているため、第一流体の流路にスケールが生成しても、第一流体の流路が塞がれることもない。

加えて、挿入体３が内管１内を長手方向に移動した場合でも、挿入体３の端部が第一継手側当接部４ｄ、または、第二継手側当接部４ｃに当接することにより、第一流体の流路が塞がれることがないため、熱交換性能の安定した熱交換器を低コストで実現できる。

図６は、本発明の実施の形態１における熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機の構成図である。

本発明の実施の形態１における熱交換器を用いたヒートポンプ給湯機について、図６を用いて、以下に説明する。なお、第一流体は水であり、第二流体である冷媒は二酸化炭素として、ヒートポンプ給湯機に搭載している。

１１は水道水を加熱するためのヒートポンプ熱源機、１２はヒートポンプ熱源機１１にて加熱され、配管１３を介して搬送された高温水を貯湯し、貯湯された温水と水道水を混合して、所定の温度の温水を供給するためのタンクユニットである。

ヒートポンプ熱源機１１には、冷媒を高温・高圧に圧縮する圧縮機１４、冷媒が有する熱を水に放熱し、本発明の実施の形態１における熱交換器である水－冷媒熱交換器１５、膨張弁である減圧装置１６、空気から吸熱する空気－冷媒熱交換器である蒸発器１７が配置されている。１９は、蒸発器１７に通過させる空気を発生させる送風ファンである送風装置である。

そして、圧縮機１４、水－冷媒熱交換器１５、減圧装置１６、蒸発器１７を順次環状に配管接続して閉回路である冷媒回路１８を形成している。

冷媒回路１８は、冷媒を高温・高圧と低温・低圧に変更させながら、冷媒を循環させるヒートポンプである。

本発明の実施の形態１における熱交換器である水－冷媒熱交換器１５では、水－冷媒熱交換器１５を流れる水を、冷媒回路１８を循環する高圧側の冷媒により加熱して、高温水を生成している。

一方、タンクユニット１２内に構成されている給湯サイクル２０は、水－冷媒熱交換器１５で生成された高温水を貯める貯湯タンク２２と、貯湯タンク２２に水道水を入水する入水管２１と、貯湯タンク２２から高温水を、蛇口やシャワーの給湯端末２４に供給する給湯管２５と、貯湯タンク２２内の低温水を加熱し高温水を生成するために、水－冷媒熱交換器１５に、貯湯タンク２２内の低温水を搬送する循環ポンプ１６などで構成されている。

以上のように、本発明の実施の形態１における熱交換器をヒートポンプ給湯機に用いることにより、耐久性の高い熱交換器を用いた温水生成装置を提供できる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、内部流体の状態や温度が変化しても、耐久性に優れているので、ヒートポンプ給湯機やヒートポンプ温水暖房機等の温水生成装置に適用できる。

１ 内管
２ 外管
３ 挿入体
３ａ 軸部
３ｂ 螺旋状突部
４ａ 第一継手
４ｂ 第二継手
４ｃ 第二継手側当接部
４ｄ 第一継手側当接部
４ｅ 継手第二被係合部
４ｆ 継手第一被係合部
５ 固定部材
５ａ 固定部材第一係合部
５ｂ 固定部材第二係合部
５ｃ 固定部材挿入部
６ シール部材
７ シール固定部材
８ 締結部材
９ 継手挿入部

Claims (8)

1. 第一流体が内方を流れる内管と、
   前記内管の外周に設けられ、第二流体が流れる少なくとも１本以上の外管と、
   前記内管の両端を覆うように設けられている第一継手、第二継手と、
   を備え、
   前記第一継手と前記第二継手とは、前記内管を挟んで固定部材にて固定されており、
   前記固定部材は非弾性材料にて形成されており、
   前記固定部材は略平板状であり、前記固定部材と前記第一継手、前記固定部材と前記第二継手との係合部は、前記固定部材において、平板状部と、前記平板状部より周方向に向かって両側に延設した延設部とに形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記固定部材は、前記内管の長手方向において、前記外管の外方側から一対で前記外管を挟んで前記第一継手と前記第二継手と係合しており、前記第一継手、前記第二継手、前記固定部材は、それぞれ締結部材を挿入する挿入部を有し、それぞれの前記挿入部に前記締結部材が挿入されて、前記第一継手と前記固定部材の一端側、前記第二継手と前記固定部材の他端側が、前記内管を挟んで固定される構成としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第一継手、前記第二継手の内周面と、前記内管の外周面との間には、シール部材が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記シール部材は、前記第一継手、前記第二継手に着脱自在に固定できるシール固定部材にて固定されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 軸部と前記軸部の外表面に形成されている螺旋状突部を有し、前記内管に挿入されている挿入体を備え、前記内管の内面と前記軸部と前記螺旋状突部とで前記第一流体の流路を形成しているとともに、前記挿入体の配置位置が前記内管内を長手方向に移動したときに、前記挿入体の端部が当接する第一継手側当接部、第二継手側当接部が、それぞれ前記第一継手の内面、前記第二継手の内面に設けられていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 前記軸部の軸径は、前記第一流体の入口側よりも前記第一流体の出口側の方が小さく、また、前記螺旋状突部の高さは、前記第一流体の入口側よりも前記第一流体の出口側の方が高く形成されているとともに、前記第一継手側当接部、前記第二継手側当接部の形状も、前記軸部の軸径に合わせて形成されていることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記第一流体は、水あるいは不凍液、前記第二流体は二酸化炭素であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の熱交換器を備えたことを特徴とする温水生成装置。

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