(57)【要約】  【課題】簡易な構造で同時に高い熱交換効率を実現できると共に、高温側のみ水道水のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ熱交換性能の低下を防止する。  【解決手段】内管２の内部を水が流動し、内管２と外管４との間の環状部６を二酸化炭素が対向して流れ、安全な二重壁３を備え十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。また、水が流動する内管２の流出側２ｂの流路断面積を流入側２ａの流路断面積より拡大することで、水中のカルシウムが析出し流出側２ｂの内管２の管壁２ｂに付着しても水の流動を封止させず、熱交換停止することを抑制できる。また、流入側２ａでは水が低温となるため、内管２の内径が比較的小さくてもスケールの付着が無く、螺旋状のフィン７により伝熱面積を大きくし、かつ、水を攪乱して熱伝達率を向上させ、熱交換器１全体として熱交換性能の低下を防止できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１壁と、前記第１壁の外側に配置された第２壁が、相互に熱的に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とで構成し、前記内管の内部を流体Ａが流動し前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが対向して流動し、前記内管の流出側の流路断面積が流入側の流路断面積より拡大し、前記第１壁の流入側の内面に突起を設けたことを特徴とした熱交換器。
【請求項２】
前記突起を管軸方向に対して螺旋状に連続した複数のフィンとしたことを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記突起を管軸方向に対して略平行に連続した複数のフィンとしたことを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項４】
第１壁をコルゲート管としたことを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
コルゲート管の管軸方向の凹凸が断続的であることを特徴とした請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
第１壁を螺旋状のコルゲート管とし、第２壁が前記螺旋状のコルゲート管の端末以外を被嵌したことを特徴とした請求項４に記載の熱交換器。
【請求項７】
流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とした請求項１から６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】
本発明は空調、冷凍、冷蔵、給湯等の機器、特にヒートポンプ式の給湯機などにおいて、水等の流体と冷媒等の２つの流体が熱交換するための熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱交換器としては、軸線の直線部で、小径管と大径管とが隙間を介して同軸に配置され、小径管の軸線が蛇行状に曲折され、小径管に加熱用流体が流通すると共に大径管に被加熱用の水が流通する構成において、小径管と大径管との間の水の流路断面積が、水の流通する下流側が上流側より大に形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図７は、特許文献１に記載された従来の二重管型熱交換器を示すものである。図８は、図７のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【０００４】
図７、図８で示すように熱交換器１００は蛇行状に曲折された小径管１０１と、小径管１０１の直線部に隙間を開けて同軸に被嵌された大径管１０２とを有する。大径管１０２の両端部は閉塞され、小径管１０１の外周に液密に固定されている。小径管１０１は、Ｕ字状に曲げたパイプと直線状のパイプとそれらの端部間を連結する短い連結用Ｕ字管１１２とを有する。次に、大径管１０２は夫々互いに水連結管１０８によって連結され、最も下流側に位置する大径管１０２のみの内直径が、他の大径管１０２の内直径よりも大に形成されている。そして最も上流側の大径管１０２に入口パイプ１０９が連通され、最も下流側の大径管１０２に出口パイプ１１０が連通されている。
【０００５】
以上のように構成された二重管型熱交換器について、以下その動作を説明する。
【０００６】
上流側の入口パイプ１０９から水が流入し、水連結管１０８を介して下流側の大径管１０２と小径管１０１との隙間を長手方向に流通し、最下流の大径管１０２の出口パイプ１１０から外部に導かれる。
【０００７】
また、小径管１０１には水の流通する最下流側から高温高圧のＣＯ２ガス等からなる加熱用流体が流入し、水の流通する最も上流側からそれが流出する。そして加熱用流体と水との間に熱交換が行われる。このとき水は上流側から下流側に流通するに従って次第に高温になり、最下流の大径管２では一例として８０℃程度に加熱される。すると、最下流側の大径管１０２では水酸化カルシウム等の溶解度が低下し、それが析出して大径管１０２内部に付着し易くなる。
【０００８】
しかしながら、最下流側の大径管１０２の直径は、それ以外の部分の直径よりも大に形成されているから、それらは内部を円滑に流通し目詰まりを起こすことが少ない。
【０００９】
さらに大径管１０２の内直径自体が大に形成されているから、多少の水スケールの付着が内面に存在しても、目詰まりを起こすことがない。
【特許文献１】特開２００４−９３０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記従来の構成では、水の下流側の大径管１０２の内直径を大きくすることで水の流速が低下し、加熱用流体が最も高温で加熱される水との温度差が大きく熱交換量の大きな水の下流側の大径管１０２で水と小径管１０１の熱伝達率が低下し、熱交換器１００全体としての性能低下は避けられない。従って、所定の加熱能力を得るためには大径管１０２の管軸方向に延長することとなり、熱交換器１００の容積、重量が増加するという課題を有していた。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成で同時に高い熱交換率を実現すると共に、高温側での水のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、低温側での水の熱交換量を向上させ、全体として熱交換性能の低下を防止する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】
【００１２】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１壁と、前記第１壁の外側に配置された第２壁が、相互に熱的に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とで構成し、前記内管の内部を流体Ａが流動し前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが対向して流動し、前記内管の流出側の流路断面積が流入側の流路断面積より拡大し、前記内管の流入側の内面に突起を設けたものである。
【００１３】
これによって、流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成で流体Ａの流路と流体Ｂの流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ると共に、流体Ａとして水が流動する内管の流出部の流路断面積を拡大することにより、環状部を二酸化炭素等の冷媒が流体Ｂとして流動し水と熱交換して水が高温部となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し流出部の内管の管壁に付着しても、水の流動を封止することがない。また、水の流入側の内管の流入側の内面に突起を設けているので、流入側で低温となるため、比較的内径が小さくてもスケールの付着が無く大きな伝熱面積が確保でき、かつ、水を攪乱して熱伝達率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の熱交換器は、非常に簡易な構造で安全性を確保し同時に高い熱交換効率を実現できると共に、水が流動する流出部の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても水の流動を封止することなく熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらに流入側の熱交換量を向上させ、熱交換器全体として熱交換性能の低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
請求項１に記載の発明は、第１壁と、前記第１壁の外側に配置された第２壁が、相互に熱的に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とで構成し、前記内管の内部を流体Ａが流動し前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが対向して流動し、前記内管の流出側の流路断面積が流入側の流路断面積より拡大し、前記内管の流入側の内面に突起を設けることにより、流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成で流体Ａの流路と流体Ｂの流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ると共に、流体Ａとして水が流動する内管の流出部の流路断面積を拡大することにより、環状部を二酸化炭素等の冷媒が流体Ｂとして流動し水と熱交換して水が高温部となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し流出部の内管の管壁に付着しても水の流動を封止させず、熱交換機能を停止することを抑制することができる。
【００１６】
また、水の流入側の内管の流入側の内面に突起を設けているので、流入側で低温となるため、比較的内径が小さくてもスケールの付着が無く大きな伝熱面積が確保でき、かつ、水を攪乱して熱伝達率を向上させ、熱交換器全体として熱交換性能の低下を防止することができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の突起を管軸方向に対して螺旋状に連続した複数のフィンとすることにより、流入側の伝熱面積を大きくすることができ、流入側の熱交換能力を向上することができる。また、螺旋状の複数のフィンは引き抜き、押し出し工法で容易に製作が可能である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明の突起を管軸方向に対して略平行に連続した複数のフィンであることにより、水の流動抵抗を低く抑えつつ、流入側の伝熱面積を大きくすることができ、流入側の熱交換能力を向上することができる。また、略平行の複数のフィンは最も容易な略平行な引き抜き、押し出し工法で製作が可能であり、製造コストも低く抑えることができる。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明の第１壁をコルゲート管とし、第２壁と熱的に密着して二重壁を持つ内管を形成することにより、流入側のコルゲート管の内面の管軸方向の凹凸によって壁厚を薄く均一に保ったままで、比較的内径が小さくてもスケールの付着が無く大きな伝熱面積が確保でき、かつ、水を攪乱して熱伝達率を向上させ、流入側の内管の重量の増加を抑えた上で熱交換能力を向上することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明のコルゲート管の管軸方向の凹凸が断続的であることにより、内面の管軸方向の凹凸部により攪乱された流動状態が収まり始める毎に次の凹凸部により攪乱されるため、水の攪乱による流入側の熱交換能力の向上をさせつつ、コルゲート管による水の流動抵抗の上昇を極力低くすることができる。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項４に記載の発明の第１壁を螺旋状のコルゲート管とし、第２壁が前記螺旋状のコルゲート管の端末以外を被嵌することにより、内管のコルゲート管と第２壁の間に端末で解放された連通溝が形成され、仮に内管に亀裂等が生じても、連通溝から二酸化炭素等の冷媒が内管の両端から外に排出され、水に二酸化炭素等の冷媒が混入するのを防止することができる。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明の流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことにより、ヒートポンプ給湯機用の水・冷媒熱交換器として使用することで高いヒートポンプ効率を得ることができる。
【００２３】
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。
【００２４】
（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管軸方向の断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線断面図である。図４は同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の断面図である。
【００２５】
図１から図３において、熱交換器本体１は、第１壁３ａと第２壁３ｂが相互に熱的に密着した二重壁３を持つ銅製の内管２と、内管２とほぼ同軸で内部に内管２を備えた銅製の外管４で構成している。外管４の内面にはリブ５が設けられており先端５ａが内管２の外面に接し、内管２と外管４の間に環状部６を有している。また、内管２の流出側２ｂおよびその外側の外管４ｂの流路断面積が、流入側２ａおよびその外側の外管４ａの流路断面積より拡大している。また、内管２の流入側２ａの第１壁３ａの内面に管軸方向に螺旋状のフィン７が形成されている。
【００２６】
また、図４においては、内管２の流入側２ａの第１壁３ａの内面に管軸方向に略平行のフィン８が形成されている。
【００２７】
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。
【００２８】
まず、内管２の内部を水が流動し、内管２と外管４との間の環状部６を二酸化炭素が対向して流れ、第１壁３ａと第２壁３ｂの二重壁３を介して水と二酸化炭素が熱交換する。
【００２９】
ここで、水と二酸化炭素の間に安全性を確保する二重壁３を備え十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。また、水が流動する内管２の流出側２ｂの流路断面積を流入側２ａの流路断面積より拡大することにより、二酸化炭素が環状部６を内管２の水と対向して流動し高温となり、水に含まれるカルシウムが析出し流出側２ｂの内管２の管壁２ｂに付着しても水の流動を封止させず、熱交換の停止することを抑制することができる。また、流入側２ａでは水が低温となるため、内管２の内径が比較的小さくてもスケールの付着が無く、螺旋状のフィン７により伝熱面積を大きくし、かつ、水を攪乱して熱伝達率を向上させ、熱交換器１全体として熱交換性能の低下を防止することができる。
【００３０】
また、図４で示すように、内管２の流入側２ａの第１壁３ａの内面に管軸方向に略平行のフィン８を形成することにより、水の流動抵抗を低く抑えつつ、流入側２ａの伝熱面積を大きくすることができ、流入側２ａの熱交換能力を向上することができる。また、略平行の複数のフィン８は最も容易な略平行の引き抜き、押し出し工法で製作が可能であり、製造コストも低く抑えることができる。
【００３１】
尚、本発明の実施の形態１では、内管２、外管４を直管状のものとしたが、湾曲状及びコイル状としても同様な効果を得られる。
【００３２】
尚、本発明の実施の形態１では、内管２、外管４の材料は、通常は銅製だが、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。
【００３３】
尚、本発明の実施の形態１では、環状部６を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、Ｒ４１０Ａ等の高圧で作動する冷媒でも同様な効果を得られる。
【００３４】
（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の断面図である。図６は同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の断面図である。
【００３５】
なお、実施の形態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。
【００３６】
図５において、内管２の流入側２ａの内側の第１壁の内面が凹凸１０を有する管軸方向に螺旋状のコルゲート管９であり、第２壁３ｂがコルゲート管９の両端末９ａ以外を被嵌し、かつ熱的に密着して内管２Ｘを形成している。ここで、コルゲート管９と第２壁３ｂの間には両端末９ａが解放され、コルゲート管９と第２壁３ｂの間に連通空間１１が形成される。
【００３７】
図６において、内管２の流入側２ａの内側の第１壁であるコルゲート管１２の内面の管軸方向に断続的に凹凸１３を有する。
【００３８】
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。
【００３９】
図５で示すように、流入側２ａでは水が低温となるため、内管２Ｘの内径が比較的小さくてもスケールの付着が無く、螺旋状のコルゲート管９の内面の凹凸１０により、肉厚を薄く均一に保ったままで、大きな伝熱面積が確保でき、かつ水を攪乱して熱伝達率を向上させ、流入側２ａの重量の増加を抑えた上で熱交換能力を向上することができる。さらに、仮に内管２Ｘに亀裂等が生じても、連通空間１１から二酸化炭素等の冷媒が内管２Ｘの両端から外に排出され、水に二酸化炭素等の冷媒が混入するのを防止することができる。
【００４０】
また、図６で示すように、内管２の管軸方向に断続的に設けられた内面の凹凸１３により、管軸方向の凹凸１３により攪乱された流動状態が収まり始める毎に，次の凹凸１３により攪乱されるため、水の攪乱による流入側２ａの熱伝達率の向上をさせつつ、コルゲート管１２による水の流動抵抗の上昇を極力低くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、非常に簡易な構造で同時に高い熱交換効率を実現できると共に、水が流動する流出側の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても、水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらにスケールの付着しない流入側で熱伝達率を向上させ、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制が可能となるので、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の管軸方向の断面図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図
【図４】同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の断面図
【図５】本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の断面図
【図６】同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の断面図
【図７】従来の熱交換器の一部破断断面図
【図８】図７のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図
【符号の説明】
【００４３】
１    熱交換器本体
２    内管
２ａ  流入側
２ｂ  流出側
３    二重壁
３ａ  第１壁
３ｂ  第２壁
４、４ａ、４ｂ  外管
６    環状部
７    螺旋状のフィン
８    略平行のフィン
９    螺旋状のコルゲート管
９ａ  端末
１２  コルゲート管
１３  凹凸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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