(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体を流すための複数本の第１伝熱管と、前記第１流体と熱交換する第２流体を流すための複数本の第２伝熱管と、が互いに接触する状態で交互に配列された伝熱管群であって、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とが並ぶ配列方向と直交する直交方向に巻き回されて板状を呈するように渦巻き状に形成された伝熱管群を備え、
前記第１伝熱管のそれぞれの外周面には、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とが互いに接触しない前記直交方向の両側に、当該第１伝熱管の内周面に凸部を形成する複数の凹部が当該第１伝熱管の延在方向に沿って設けられている、熱交換器。
【請求項２】
前記第１伝熱管の外周面における前記直交方向の一方側に設けられた凹部と前記直交方向の他方側に設けられた凹部とは、前記第１伝熱管の延在方向に沿って交互に配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１伝熱管の外周面における前記直交方向の一方側に設けられた凹部と前記直交方向の他方側に設けられた凹部とは、前記直交方向で対向する位置に配置されている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第２伝熱管のそれぞれの外周面にも、前記直交方向の両側に、当該第２伝熱管の内周面に凸部を形成する凹部が当該第２伝熱管の延在方向に沿って設けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第２伝熱管の外周面における前記直交方向の一方側に設けられた凹部と前記直交方向の他方側に設けられた凹部とは、前記第２伝熱管の延在方向に沿って交互に配置されている、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第２伝熱管の外周面における前記直交方向の一方側に設けられた凹部と前記直交方向の他方側に設けられた凹部とは、前記直交方向で対向する位置に配置されている、請求項４に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記凹部は、所定方向に延びる線状の窪みである、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記所定方向は、前記第１伝熱管または前記第２伝熱管の延在方向と平行な方向である、請求項７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記所定方向は、前記第１伝熱管または前記第２伝熱管の延在方向に対して傾斜する方向である、請求項７に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記伝熱管群は、直線部と、一定の曲げ半径で略９０°曲がる屈曲部とを交互に繰り返しながら巻き回された略矩形の渦巻き状に形成されている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記伝熱管群における隣り合う外側周回部分と内側周回部分との間には、隙間が形成されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記伝熱管群における隣り合う外側周回部分と内側周回部分との間には、断熱材が挿入されている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記第１流体は、前記第２流体によって加熱されるものである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記第１流体は水であり、前記第２流体は冷媒である、請求項１３に記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記第１伝熱管および前記第２伝熱管は共に円形管であり、前記第１伝熱管の外径は前記第２伝熱管の外径以上である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１６】
前記第１流体は、前記第１伝熱管内を前記渦巻き状の外周側から中心側に向かって流れ、前記第２流体は、前記第２伝熱管内を前記渦巻き状の中心側から外周側に向かって流れる、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１流体と第２流体との間で熱交換を行うための熱交換器、特にヒートポンプ式給湯機に好適な熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のヒートポンプ式給湯機、空調機、床暖房装置などにおいては、２種類の流体（例えば水と冷媒、空気と冷媒）の間で熱交換を行うための熱交換器が使用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、図１０Ａおよび１０Ｂに示すような熱交換器１０が開示されている。この熱交換器１０は、水を流すための１本の水用円管１１と冷媒を流すための２本の冷媒用円管１２とが全長に亘って密着されるとともに、これらの円管１１，１２がトラック巻形状に形成されている。冷媒用円管１２の外径は水用円管１１の外径の半分程度に設定されており、２本の冷媒用円管１２は、水用円管１１の中心から水平線を挟んで４５度の位置に配置されている。また、特許文献１の図４には、トラック巻形状に形成された熱交換器１０が断熱シートを挟んで積層された熱交換器ユニットが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６２２０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に開示された熱交換器１０のように、水用円管１１と冷媒用円管１２とを接触させた状態で巻き回した構成であれば、小さな占有面積でそれらの接触長さを大きく確保できる。このため、同程度の性能を有する他の構成の熱交換器に比べ、小型化が可能である。しかしながら、このタイプの熱交換器に対してもより一層の小型化が求められる。
【０００６】
そこで、本発明は、より一層の小型化が可能な熱交換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
すなわち、本発明は、第１流体を流すための複数本の第１伝熱管と、前記第１流体と熱交換する第２流体を流すための複数本の第２伝熱管と、が互いに接触する状態で交互に配列された伝熱管群であって、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とが並ぶ配列方向と直交する直交方向に巻き回されて板状を呈するように渦巻き状に形成された伝熱管群を備え、前記第１伝熱管のそれぞれの外周面には、前記第１伝熱管と前記第２伝熱管とが互いに接触しない前記直交方向の両側に、当該第１伝熱管の内周面に凸部を形成する複数の凹部が当該第１伝熱管の延在方向に沿って設けられている、熱交換器を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
上記の構成によれば、渦巻き状の伝熱管群を構成する第１伝熱管および第２伝熱管が共に複数本設けられているので、これらの伝熱管として小さなサイズの管を用いることができる。このため、伝熱管群の最小の曲げ半径を小さくすることができる。しかも、第１伝熱管および第２伝熱管は、伝熱管群が巻き回される方向と直交する方向に配列されているので、その列の幅も小さく抑えることができる。さらに、第１伝熱管と第２伝熱管とは互いに接触する状態で交互に配列されているので、両端に位置する伝熱管を除けば、一方の伝熱管は他方の伝熱管で挟まれる。このため、第１伝熱管と第２伝熱管との接触面積を大きく確保でき、その分第１伝熱管および第２伝熱管の全長を短くすることができる。これらの構成により、本発明の熱交換器では、同程度の性能を有する従来の熱交換器に比べ、より一層の小型化を図ることができる。
【０００９】
さらに、本発明では、第１伝熱管のそれぞれの外周面には、配列方向と直交する方向の両側に、第１伝熱管の内周面に凸部を形成する凹部が第１伝熱管の延在方向に沿って設けられている。このため、第１伝熱管内を第１流体が凸部に衝突しながら流れるようになり、第１流体の流れが乱される。これにより、第１流体の面内での温度均一性を高め、第１流体と第２流体との熱交換効率を向上させることができる。これにより、さらなる小型化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱交換器を示す平面図
【図２】図１の要部拡大図
【図３】図１のIII−III線に対応する要部拡大断面図
【図４】図１の熱交換器の要部拡大側面図
【図５】図５Ａは図４のＶＡ−ＶＡ線断面図、図５Ｂは図４のＶＢ−ＶＢ線断面図
【図６】図６Ａは第２伝熱管の凹部の最大深さと内周面近傍での冷媒の流速との関係を示すグラフ、図６Ｂは第２伝熱管の凹部の最大深さと圧力損失との関係を示すグラフ
【図７】変形例の熱交換器の要部拡大側面図
【図８】別の変形例の熱交換器の要部拡大側面図
【図９】図１に示す熱交換器を含むヒートポンプ式給湯機の構成図
【図１０】図１０Ａは従来の熱交換器を示す平面図、図１０Ｂは図１０ＡのＸＢ−ＸＢ線断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下では、ヒートポンプ式給湯機などの機器に使用される、二酸化炭素または代替フロンなどの冷媒と水との間で熱交換を行うための熱交換器を例に挙げて説明するが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば水と水（湯）との間で熱交換を行うための熱交換器、あるいはヒートポンプサイクルにおける高温冷媒と低温冷媒との間で熱交換を行うための内部熱交換器などにも適用可能である。
【００１２】
図１〜図３に示すように、本発明の一実施形態に係る熱交換器１は、フラットな長方形板状を呈するような渦巻き状に形成された伝熱管群２を備えている。この伝熱管群２は、複数本（図例では４本）の第１伝熱管３と複数本（図例では３本）の第２伝熱管４とが略全長に亘って互いに接触した状態で接合されて一体化されることにより構成されている。そして、第１伝熱管３内を比較的低温の水（第１流体）が流れ、第２伝熱管４内を比較的高温の冷媒（第２流体）が流れることにより、水と冷媒との間で熱交換が行われて水が冷媒によって加熱される。
【００１３】
第１伝熱管３および第２伝熱管４は、銅、銅合金、ＳＵＳなどの良好な熱伝導性を有する金属で構成されうる。第１伝熱管３および第２伝熱管４としては、円形管が好適に用いられる。
【００１４】
第１伝熱管３と第２伝熱管４は、図３に示すように、互いに接触する状態で第１伝熱管３および第２伝熱管４の延在方向（中心軸方向）と直交する方向（図３では上下方向）に交互に一列に配列されている。本実施形態では、第１伝熱管３と第２伝熱管４は、それらの中心が同一直線上に並ぶように配列されている。そして、隣り合う第１伝熱管３と第２伝熱管４は相互に接合されている。
【００１５】
第１伝熱管３と第２伝熱管４との接合は、ロウ付け、はんだ付け、または熱伝導性接着剤などによって行うことができる。このような接合剤を用いた接合を行うようにすれば、第１伝熱管３と第２伝熱管４との接合面積が大きくなり、有効伝熱面積を大きく確保することができる。なお、第１伝熱管３と第２伝熱管４とを例えば熱収縮チューブでまとめて束ねることによって第１伝熱管３と第２伝熱管４とを接合することも可能である。
【００１６】
ここで、第１伝熱管３の外径Ｄ1は、第２伝熱管４の外径Ｄ2以上（Ｄ2≦Ｄ1）であることが好ましい。本実施形態の第１伝熱管３は、第２伝熱管４よりも外径および肉厚が大きなものとなっている。例えば、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ2）を用いる場合には、第２伝熱管４の外径Ｄ2は５．０ｍｍであり、第１伝熱管３の外径Ｄ1は６．０ｍｍである。
【００１７】
伝熱管群２は、第１伝熱管３と第２伝熱管４とが並ぶ配列方向（以下「Ｙ方向」という。）と直交する直交方向（以下「Ｘ方向」という。）に巻き回されている。具体的に、伝熱管群２は、図１に示すように、直線部２ａと、略９０°滑らかに曲がる四半円弧状の屈曲部２ｂとを交互に繰り返しながら巻き回された略矩形の渦巻き状に形成されている。
【００１８】
伝熱管群２における隣り合う外側周回部分と内側周回部分との間、すなわち外側から数えてｎ（ｎは自然数）周目の部分とｎ＋１周目の部分との間には、隙間Ｓ（図２および図３参照）が形成されていることが好ましい。隙間Ｓが形成されていれば、伝熱管群２における隣り合う周回部分同士の間での直接的な熱移動を防止することができる。なお、伝熱管群２における隣り合う外側周回部分と内側周回部分との間には、隙間Ｓを確保するために、例えば銅管または樹脂シートなどがスペーサとして適所に配置されていてもよい。あるいは、隣り合う周回部分同士の間には断熱材が挿入されていてもよい。このようにしても、隙間Ｓを形成するのと同様の効果を得ることができる。
【００１９】
また、図２に示すように、伝熱管群２における屈曲部２ｂの曲げ半径Ｒは、全て一定となっていることが好ましい。このようになっていれば、曲げ加工する際に用いる治具の種類を少なくすることができ、加工性がよくなる。
【００２０】
本実施形態では、水が第１伝熱管３内を伝熱管群２の渦巻き状の外周側から中心側に向かって流れ、冷媒が第２伝熱管４内を伝熱管群２の渦巻き状の中心側から外周側に向かって流れるようになっている。このようになっていれば、水と冷媒が対向流を形成するため、熱交換が効率的に行われるようになる。
【００２１】
具体的には、伝熱管群２の渦巻き状の中心側には、第１流出口部材６と第２流入口部材７とが配置され、伝熱管群２の渦巻き状の外周側には、第１流入口部材５と第２流出口部材８とが配置されている。各部材５〜８は、Ｙ方向に延びる直方体状をなしており、長手方向の端面の一方（図１に描かれた方の端面）に開口する内部空間５１，６１，７１，８１を有している。そして、全ての第１伝熱管３の一端が第１流出口部材６の一側面に接続され、全ての第１伝熱管３の他端が第１流入口部材５の一側面に接続されている。また、全ての第２伝熱管４の一端が第２流入口部材７の一側面に形成され、全ての第２伝熱管４の他端が第２流出口部材８の一側面に接続されている。すなわち、第１流入口部材５が各第１伝熱管３内に水を導く水の流入口を形成し、第１流出口部材６が各第１伝熱管３内を流れた水をまとめて排出する水の流出口を形成している。また、第２流入口部材７が各第２伝熱管４内に冷媒を導く冷媒の流入口を形成し、第２流出口部材８が各第２伝熱管４内を流れた冷媒をまとめて排出する冷媒の流出口を形成している。
【００２２】
さらに、本実施形態では、図１に示す伝熱管群２の長辺側の直線部２ａのうちの所定領域Ｅ1および短辺側の直線部２ａのうちの所定領域Ｅ2に、図４ならびに図５Ａおよび５Ｂに示すような複数の凹部３ａ，４ａが設けられている。このように、屈曲部２ｂの曲げ半径Ｒが小さな場合には、屈曲部２ｂを除くようにして凹部３ａ，４ａを設けることが好ましい。このようにすれば、曲げ加工時の破損を防ぐことができる。ここで、所定領域Ｅ1，Ｅ2は、直線部２ａの長さと一致していてもよいし、それよりも短くてもよい。あるいは、渦巻き状の内側に向かうにつれて所定領域Ｅ1，Ｅ2の長さが短くなっていてもよい。また、凹部３ａ，４ａは、長辺側の直線部２ａおよび短辺側の直線部２ａの双方に設けられている必要はなく、どちらか一方のみに設けられていてもよい。
【００２３】
具体的に、所定領域Ｅ1，Ｅ2では、各第１伝熱管３の外周面３１におけるＸ方向の両側に複数の凹部３ａが第１伝熱管３の延在方向に沿って所定のピッチで設けられているとともに、各第２伝熱管４の外周面４１におけるＸ方向の両側に複数の凹部４ａが第２伝熱管４の延在方向に沿って所定のピッチで設けられている。第１伝熱管３に設けられた凹部３ａは、図５Ａに示すように第１伝熱管３の内周面３２に凸部３ｂを形成しており、第２伝熱管４に設けられた凹部４ａは、図５Ｂに示すように第２伝熱管４の内周面４２に凸部４ｂを形成している。なお、凹部３ａ，４ａは伝熱管３，４の外周面３１，４１におけるＸ方向の両側に設けられていればよく、必ずしも伝熱管３，４の中心の真横に位置している必要はない。例えば、凹部３ａ，４ａは、伝熱管３，４の中心の真横の位置から図４において上側または下側にずれた位置に設けられていてもよい。
【００２４】
本実施形態では、第１伝熱管３の外周面３１におけるＸ方向の一方側に設けられた凹部３ａとＸ方向の他方側に設けられた凹部３ａとは、第１伝熱管３の延在方向に沿って交互に配置されている。同様に、第２伝熱管４の外周面４１におけるＸ方向の一方側に設けられた凹部４ａとＸ方向の他方側に設けられた凹部４ａとは、第２伝熱管４の延在方向に沿って交互に配置されている。さらに、本実施形態では、第１伝熱管３に設けられた凹部３ａおよび第２伝熱管４に設けられた凹部４ａは、第１伝熱管３または第２伝熱管４の延在方向と平行な方向に延びる線状の窪みとなっている。
【００２５】
例えば、冷媒として二酸化炭素を用いる場合には、第２伝熱管４の凹部４ａのピッチはＸ方向の両側共に１０ｍｍ、長さは５．０ｍｍであり、第１伝熱管３の凹部３ａのピッチはＸ方向の両側共に１０ｍｍ、長さは５．０ｍｍである。なお、ピッチとは、Ｘ方向の片側における隣り合う凹部の中心間距離のことをいう。また、凹部３ａ，４ａの最大深さ（最も深い位置に位置する最下点の深さ）は、それぞれ伝熱管３，４の外径の５％以上２０％以下とすることが好ましい。
【００２６】
このように構成された伝熱管群２を形成するには、例えば、直線状の第１伝熱管３および第２伝熱管４を交互に積み重ね、この積重体を上述したような方法で接合した後、プレス加工により、伝熱管群２の左右両面に凹部３ａ，４ａを形成する。その後、伝熱管群２を略矩形の渦巻き状を呈するように同一平面上で曲げ加工すればよい。あるいは、プレス加工などにより予め凹部３ａ，４ａを形成した第１伝熱管３および第２伝熱管を個々に略矩形の渦巻き状を呈するように同一平面上で曲げ加工し、それらを積層してもよい。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態の熱交換器１では、渦巻き状の伝熱管群２を構成する第１伝熱管３および第２伝熱管４が共に複数本設けられているので、これらの伝熱管として小さなサイズの管を用いることができる。このため、伝熱管群２の最小の曲げ半径を小さくすることができる。しかも、第１伝熱管３および第２伝熱管４は、伝熱管群２が巻き回される方向と直交する方向に配列されているので、その列の幅も小さく抑えることができる。さらに、第１伝熱管３と第２伝熱管４とは互いに接触する状態で交互に配列されているので、両端に位置する伝熱管を除けば、一方の伝熱管は他方の伝熱管で挟まれる。このため、第１伝熱管３と第２伝熱管４との接触面積を大きく確保でき、その分第１伝熱管３および第２伝熱管４の全長を短くすることができる。これらの構成により、本実施形態の熱交換器１では、同程度の性能を有する従来の熱交換器に比べ、より一層の小型化を図ることができる。
【００２８】
さらに、本実施形態の熱交換器１では、各第１伝熱管３の外周面３１には、Ｘ方向の両側に、第１伝熱管３の内周面３２に凸部３ｂを形成する凹部３ａが第１伝熱管３の延在方向に沿って設けられている。このため、第１伝熱管３内を水が凸部３ｂに衝突しながら流れるようになり、水の流れが乱される。これにより、水の面内での温度均一性を高め、水と冷媒との熱交換効率を向上させることができる。これにより、さらなる小型化が可能になる。そして、凹部３ａは第１伝熱管３と第２伝熱管４とが接触するＹ方向ではなくＸ方向に設けられているので、それらの接触熱抵抗を増大させることなく上記の効果が得られる。
【００２９】
ここで、本実施形態では、冷媒を流すための第２伝熱管４の外周面４１にも、Ｘ方向の両側に、第２伝熱管４の内周面４２に凸部４ｂを形成する凹部４ａが第２伝熱管４の延在方向に沿って設けられていて、第２伝熱管４内でも冷媒が凸部４ｂに衝突しながら流れるようになっている。すなわち、冷媒の流れも乱されるため、水と冷媒との熱交換効率をさらに向上させることができる。ところで、冷媒用の第２伝熱管４としては、外周面４１に凹部４ａが設けられた円形管の代わりに、内周面に複数の溝が設けられた溝付管を用いることも可能である。ただし、このような溝付管は高価なものであるため、本実施形態のように外周面４１に凹部４ａが設けられた円形管を用いれば、コストを抑えることができる。
【００３０】
また、図１０Ａおよび１０Ｂに示すようなトラック巻形状を有する、換言すれば互いに対向するように平行に配置された一対の直線状部分と、これらの直線状部分の端部同士を結ぶように１８０°曲がる一対の半円弧状部分とを有する熱交換器１０では、半円弧状部分の外側に略直角三角形状の大きなデッドスペースが形成され、これが専有面積の増加要因となる。これに対し、本実施形態の熱交換器１では、伝熱管群２が略矩形の渦巻き状に形成されていて、そのコーナーに位置する屈曲部２ｂの曲げ半径Ｒが一定になっているので、トラック巻形状と比較すると最外周に位置する屈曲部２ｂの曲げ半径が格段に小さくなる。このため、熱交換器１の外側に形成されるデッドスペースを小さく抑えることができる。これを別の側面から見れば、本実施形態の構成では、トラック巻形状と異なり、渦巻き状の外周側から中心側に向かっても屈曲部２ｂの曲げ半径は小さくならない。このため、渦巻き状の中心付近まで伝熱管群２を配置することができ、これにより中心付近のデッドスペースを小さくすることができる。しかも、屈曲部２ｂの曲げ半径Ｒが一定であることで、加工性も良好である。
【００３１】
さらには、上述したように第１伝熱管３および第２伝熱管４として小さなサイズの管を用いることができるため、渦巻き状に形成された伝熱管群２の屈曲部２ｂの曲げ半径Ｒを小さく抑えることができ、屈曲部２ｂによって熱交換器１の外側に形成される略直角三角形状のデッドスペースをさらに小さく抑えることができる。
【００３２】
さらに、本実施形態では、伝熱管群２の渦巻き状の外周側に第１流入口部材５および第２流出口部材８が配置され、伝熱管群２の渦巻き状の中心側に第１流出口部材６および第２流入口部材７が配置されている。換言すれば、第１伝熱管３内を比較的低温の水が渦巻き状の外周側に位置する他端から渦巻き状の中心側に位置する一端に向かって流れ、第２伝熱管４内を比較的高温の冷媒が渦巻き状の中心側に位置する一端から渦巻き状の外周側に位置する他端に向かって流れるようになっている。すなわち、熱交換器１を全体的に見れば、水および冷媒は共に熱交換器１の周縁から中心へ向かって温度が高くなるように流れるため、外部への放熱量が多くなる高温部を小さな面積で配置することができ、放熱ロスがより効果的に抑えられる。しかも、水は温度が高くなると粘性が低下するので、渦巻き状の中心に向かうにつれて温度が高くなるように水が流れる構成は、圧損の観点からも好ましい。
【００３３】
なお、冷媒が流れる第２伝熱管４の内側に突出する凸部４ｂには次のような効果もある。冷媒には、通常ＰＡＧ（ポリアルキレングリコール）などの圧縮機などを潤滑するためのオイルが混入している。このため、第２伝熱管４内の流れが二層流になり、第２伝熱管４の内周面４２上にオイル膜が形成される。高い熱交換効率を維持するためには、オイル膜の厚さは極力薄い方が好ましい。凸部４ｂは、オイル膜の厚さの低減にも有効である。すなわち、凸部４ｂがあると、内周面４２近傍での冷媒の流速が大きくなり、これにより内周面４２上を流動するオイル膜と冷媒との速度差が増大する。そうすると、オイル膜の表面から多くのオイルが冷媒に持ち去られるようになり、オイル膜の厚さが薄くなる。一方で、凸部４ｂの高さが高くなりすぎると、圧力損失が大きくなり、熱交換器１の性能が低下する。そこで、凹部４ａの最大深さを適切に設定して凸部４ｂの高さを好ましい範囲に保つことが好ましい。
【００３４】
例えば、図６Ａおよび６Ｂに、冷媒として二酸化炭素を用いたときの、第２伝熱管４の凹部４ａの最大深さを変化させた場合の冷媒の流動状態を解析した結果を示す。解析は、ソフトウェア「ＦＵＬＥＮＴ６．３」を用い、条件としては、冷媒の質量流量を６５０ｋｇ／ｍ2ｓ、温度を６０℃、圧力を１０ＭＰａとし、冷媒中のオイル濃度を１．０質量％とした。また、外径５．０ｍｍ、内径４．１ｍｍの第２伝熱管４に、図４に示すような態様で長さ５．０ｍｍの凹部４ａをＸ方向の両側共に１０ｍｍのピッチで配置した。そして、凹部４ａの最大深さが０，０．４，０．５，０．６ｍｍのそれぞれのケースについて計算した。凹部４ａの最大深さが０ｍｍとは、凹部４ａが設けられていない円管のことである。
【００３５】
図６Ａに示すように、内周面４２近傍での冷媒の流速は、凹部４ａの最大深さが０．４〜０．５ｍｍの範囲で飽和する。これは、それ以上に凹部４ａの最大深さを深くしても、オイル膜厚があまり低減しないことを意味する。一方で、図６Ｂに示すように、圧力損失は、凹部４ａの最大深さが０．４〜０．５ｍｍの範囲で急激に増加する。そこで、凹部４ａの最大深さは、前記の範囲から僅かに両側に広い０．３〜０．６ｍｍとすることが好ましい。
【００３６】
上述したような熱交換器１は、ヒートポンプ式給湯機２００に好適に用いられる。図９に、本実施形態の熱交換器１を含むヒートポンプ式給湯機２００を示す。このヒートポンプ式給湯機２００は、ヒートポンプユニット２０１と、タンクユニット２０３とを有する。タンクユニット２０３は、ヒートポンプユニット２０１で作られた湯を貯える貯湯タンク２０２を有しており、貯湯タンク２０２に貯えられた湯は給湯栓２０４に供給される。ヒートポンプユニット２０１は、冷媒を圧縮する圧縮機２０５、冷媒を放熱させる放熱器２０７、冷媒を膨張させる膨張弁２０９、冷媒を蒸発させる蒸発器２１１、およびこれらの機器をこの順序で接続する冷媒管２１３を備えている。そして、放熱器２０７として本実施形態の熱交換器１が用いられている。なお、ヒートポンプユニット２０１では、膨張弁２０９に代えて、冷媒の膨張エネルギーを回収可能な容積式膨張機が用いられていてもよい。
【００３７】
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、第１伝熱管３および第２伝熱管４の本数および外径は、熱交換器１に求められる性能や第１流体および第２流体の種類に応じて適宜選定すればよい。また、伝熱管群２が周回する周回数や渦巻き状の大きさも適宜決定可能である。
【００３８】
さらに、伝熱管群２は、略矩形の渦巻き状に形成されている必要はなく、例えば、円形の渦巻き状に形成されていてもよいし、あるいは図１０Ａに示すようにトラック巻形状に形成されていてもよい。ただし、上述したようなデッドスペースの観点から、伝熱管群２は略矩形の渦巻き状に形成されていることが好ましい。
【００３９】
また、前記実施形態では、第１伝熱管３と第２伝熱管４が、それらの中心が同一直線上に並ぶように配列されているが、第１伝熱管３と第２伝熱管４は、例えば、第１伝熱管３の外径Ｄ1と第２伝熱管４の外径Ｄ2とが異なる場合は、配列方向と直交する直交方向の一方側の最外点が同一直線上に並ぶように配列されていてもよい。この場合は、第１伝熱管３と第２伝熱管４の中心が千鳥状に並ぶようになる。
【００４０】
前記実施形態では、第１伝熱管３の外周面３１におけるＸ方向の一方側に設けられた凹部３ａとＸ方向の他方側に設けられた凹部３ａとは、第１伝熱管３の延在方向に沿って交互に配置されているが、それらはＸ方向で対向する位置に配置されていてもよい。ただし、凹部３ａが第１伝熱管３の延在方向に平行になっている場合には、そのような配置にすると第１伝熱管３内で幅の狭くなる部分が長くなるため、前記実施形態のような配置であることが好ましい。この点は、第２伝熱管４に設けられる凹部４ａについても同様である。
【００４１】
さらに、図７に示すように、各第１伝熱管３の外周面３１におけるＸ方向の両側に設けられる凹部３ａは、第１伝熱管３の延在方向に対して傾斜する方向に延びる線状の窪みであり、各第２伝熱管４の外周面４１におけるＸ方向の両側に設けられる凹部４ａは、第２伝熱管４の延在方向に対して傾斜する方向に延びる線状の窪みであってもよい。このような凹部３ａ，４ａであれば、水または冷媒を効果的に攪拌しながら流すことができる。特に、熱交換器１が図９に示すようなヒートポンプ式給湯機２００に用いられる場合は、冷媒を流すための第２伝熱管４に設けられる凹部４ａが第２伝熱管４の延在方向に対して傾斜していることが好ましい。冷媒には圧縮機２０５を潤滑するオイルが混入し、このオイルが第２伝熱管４の底に相対的に多く滞留して熱交換効率が減少することがある。そこで、凹部４ａが傾斜していれば、冷媒を攪拌してオイルの滞留を抑制することができる。なお、伝熱管３，４に傾斜する凹部３ａ，４ａを設ける場合は、Ｘ方向の一方側の凹部３ａ，４ａと他方側の凹部３ａ，４ａとは、図７に示すようにＸ方向で対向する位置に配置されていてもよいし、図８に示すように伝熱管３，４の延在方向に沿って交互に配置されていてもよい。
【００４２】
さらには、第１伝熱管３に延在方向に平行な凹部３ａが設けられる一方、第２伝熱管４に延在方向に対して傾斜する凹部４ａが設けられたり、第１伝熱管３に設けられた両側の凹部３ａが交互に配置される一方、第２伝熱管４に設けられた両側の凹部４ａが対向する位置に配置されたりする等、それらの形状および位置の組み合わせも適宜選択できる。
【００４３】
また、本発明の凹部は線状の窪みである必要はなく、第１伝熱管または第２伝熱管の内周面に凸部を形成するものであればよい。例えば、第１伝熱管３および第２伝熱管４をＸ方向に蛇行する波状にし、その谷部を凹部としてもよい。すなわち、本発明の凸部とは、第１伝熱管または第２伝熱管の内周面で囲まれる空間の断面積を狭めるものである必要はなく、その断面積を保ったままで内側に突出する部分であってもよい。ただし、加工性の観点からは、本発明の凹部は、前記実施形態のように、第１伝熱管３または第２伝熱管４の内周面３２，４２で囲まれる空間の断面積を狭める凸部３ｂ，４ｂを形成する窪み、特に所定方向に延びる線状の窪みであることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明の熱交換器は、ヒートポンプの熱交換器、特にヒートポンプ式給湯機用の熱交換器として有用である。また、本発明は、液体同士または気体同士の熱交換を行うための熱交換器にも適用できる。
【図１】
0005394405.tif 000002
【図２】
0005394405.tif 000003
【図３】
0005394405.tif 000004
【図４】
0005394405.tif 000005
【図５】
0005394405.tif 000006
【図６】
0005394405.tif 000007
【図７】
0005394405.tif 000008
【図８】
0005394405.tif 000009
【図９】
0005394405.tif 000010
【図１０】
0005394405.tif 000011