(57)【要約】  【課題】よりコンパクトで熱交換効率の高い熱交換器を提供するものである。  【解決手段】熱交換器１Ｘは三重管１からなり、三重管１は、第１壁２ａと第２壁２ｂとが相互に熱的に密着した二重壁２を持ち、内部に水が流動する内管３と、内管３とほぼ同軸で内管３との間に二酸化炭素が流動する外管４からなり、内管３の内部には、乱流促進体である薄板の捩れ板５を設けることにより、水の乱流化を促進して、熱伝達率の向上を図り、製造時のコストを大幅に増大することなく熱交換効率を高めて、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１壁と第２壁とが相互に熱的に密着した二重壁を持ち、内部に流体Ａが流動する内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備え、前記内管との間に流体Ｂが流動する外管からなる三重管の前記内管の内部に伝熱促進体を設けることを特徴とした熱交換器。
【請求項２】
前記内管の内部に、前記伝熱促進体を部分的に設けることを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記流体Ａの低温部に、前記伝熱促進体を設けることを特徴とした請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記伝熱促進体は乱流促進体であることを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記乱流促進体は管軸方向に垂直な方向の幅が異な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】
前記乱流促進体を管軸方向に間欠的に２個以上設けることを特徴とした請求項４または５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記乱流促進体は管軸方向に部分的に捩れ部を有する薄板であることを特徴とした請求項５または６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記乱流促進体は管軸方向に部分的に螺旋部を有する線材であることを特徴とした請求項５または６に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記外管を、アルミニウム系の材料とすることを特徴とした請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素とすることを特徴とした請求項１から１０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、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などにおいて、液体と冷媒との熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ヒートポンプ式給湯機用の水と冷媒を熱交換させるための熱交換器などは、給湯機本体のコンパクト化、低価格化に対する市場要望に対応するため、熱交換器本体のコンパクト・高性能化や、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が一層求められている。
【０００３】
以下、図面を参照しながら、従来から知られているヒートポンプ式給湯機用の水熱交換器を説明する。
【０００４】
図６は特許文献１に記載された従来の熱交換器の概略構成図である。図６に示すように、従来の熱交換器１００は、内部に水が流動する銅製の扁平管１０１と、アルミニウム製の内部にＣＯ２冷媒が流動する扁平多穴管１０２を備え、扁平管１０１と扁平多穴管１０２との扁平面を合わせて螺旋状に巻いた構成で、扁平多穴管１０２により、高圧なＣＯ２冷媒に対して耐圧強度を確保しつつ、冷媒管の寸法増大を抑えた熱交換器である。
【０００５】
以上のように構成された上記２つの熱交換器について、以下その動作を説明する。
【０００６】
通常、扁平管１０１と管１０２、または、扁平管１０１と扁平多穴管１０２は、熱の授受を行い、高温の冷媒からの熱で低温の水を加温する。また、どちらか一方が腐食して穴が空いた場合でも、冷媒管と水管を独立した管で構成したことにより、水に異物が混入しない構造となっている。
【特許文献１】特開２００２−１０７０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の熱交換器１００の構成では、扁平管１０１と扁平多穴管１０２を交互に重ねているため、熱交換効率を高めようとすると、巻き数を増やして熱交換器の体積が大きくなるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、よりコンパクトで熱交換効率の高い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】
【０００９】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、流体Ａが流動する第１壁と第２壁と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、前記内管との間に流体Ｂが流動する外管からなる三重管の前記内管の内部に伝熱促進体を設けたものである。
【００１０】
これによって、三重管の内管の内部に設けた伝熱促進体が、流体Ａの乱流化を促進するので、流体Ａの熱伝達率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱交換器は、三重管の内管の内部に伝熱促進体を設けたことで、製造時のコストを大幅に増大することなく熱交換効率を高めて、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、第１壁と第２壁とが相互に熱的に密着した二重壁を持ち、内部に流体Ａが流動する内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備え、前記内管との間に流体Ｂが流動する外管からなる三重管の前記内管の内部に伝熱促進体を設けるものであり、これによって、三重管の内管の内部に設けた伝熱促進体が、流体Ａの伝熱を促進するので、流体Ａの熱伝達率の向上を図ることができ、製造時のコストを大幅に増大することなく熱交換効率を高めて、熱交換器のコンパクト化を図ることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記内管の内部に、前記伝熱促進体を部分的に設けるものであり、これによって、伝熱促進体による流体Ａの流動抵抗の増大を大幅に抑制しつつ、局所的に伝熱を促進するため、任意の区間で流体Ａの伝熱を促進して、熱交換効率を高めることができる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記流体Ａの低温部に、前記伝熱促進体を設けるものであり、水冷媒熱交換器として使用する場合、熱交換器内で温度が低く、スケールの付着が少ない流体Ａの低温部に、伝熱促進体を設けることで、スケールの付着量を低減できるので、熱交換器の製品としての信頼性を高めることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記伝熱促進体は乱流促進体であり、乱流促進体は、流体Ａの乱流化を促進して、熱伝達率の向上を図ることができるので、熱交換効率を高めることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記乱流促進体は管軸方向に垂直な方向の幅が異なるものであり、流体Ａの流動抵抗や乱流化促進の度合いを容易に調整できるので、容易に熱交換効率を調整できる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の発明において、前記乱流促進体を管軸方向に間欠的に２個以上設けるものであり、間欠的に乱流促進体を設けることで、特に長い管の場合には、流動抵抗、重量増大を大幅に抑制しつつ、随時、流体Ａの乱流化を促進するため、熱交換効率を高く保つことができる。また、乱流化促進体の数を増減することで、流動抵抗や乱流化促進の度合いを調整できるので、熱交換効率を調整できる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の発明において、前記乱流促進体は管軸方向に部分的に捩れ部を有する薄板であり、これによって、薄板は容易に入手可能であり、捩れ部で局所的に流体Ａの乱流化を促進しつつ、非捩れ部を有することで薄板による流動抵抗の増加を抑制できるので、任意の区間で流体Ａの乱流化を促進して、低い材料コストで、熱交換効率を高く保つことができる。また、捩れ部の数を増減することで、容易に流動抵抗や乱流化促進の度合いを調整できるので、容易に熱交換効率を調整できる。さらに、間欠的に捩れ板を設けたい場合、同様の効果を奏しつつ、１つの捩れ板で捩れ部、非捩れ部を有して、三重管への組込み作業も容易になることから、少ない工数で熱交換効率を高めることができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項５または６に記載の発明において、前記乱流促進体は管軸方向に部分的に螺旋部を有する線材であり、これによって、線材は容易に入手可能であり、螺旋部で局所的に流体Ａの乱流化を促進しつつ、非螺旋部で線材による流動抵抗を抑制できるので、任意の区間で流体Ａの乱流化を促進して、低い材料コストで、熱交換効率を高く保つことができる。また、螺旋部の数を増減することで、容易に流動抵抗や乱流化促進の度合いを調整できるので、容易に熱交換効率を調整できる。さらに、間欠的に螺旋線材を設けたい場合、同様の効果を奏しつつ、１つの螺旋線材で螺旋部、非螺旋部を有して、三重管への組込み作業も容易になることから、少ない工数で、熱交換効率を高めることができる。また、薄板に比して、流動抵抗が低く、流動抵抗や乱流化促進の度合いをさらに、細かく調整することができる。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の発明において、前記外管を、アルミニウム系の材料とするものであり、特に流体Ｂは二酸化炭素等の高圧冷媒の場合、直径が大きく、肉厚も厚くなる外管をアルミニウム系材料で作ることで、大幅に熱交換器の軽量化を図ることができる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれか一項に記載の発明において、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とするものであり、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。
【００２２】
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が、従来例または先に説明した実施の形態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。尚、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。
【００２３】
（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要部断面図、図２は、同実施の形態における熱交換器の要部斜視図である。図３、図４は、同実施の形態における他の熱交換器の要部断面図である。
【００２４】
図１、図２において、熱交換器１Ｘは三重管１からなり、三重管１は、第１壁２ａと第２壁２ｂとが相互に熱的に密着した二重壁２を持ち、内部に水が流動する内管３と、内管３とほぼ同軸で内部に内管３を備え、内管３との間に二酸化炭素が流動する外管４からなる。内管３の内部には、乱流促進体である捩れた薄板の捩れ板５を設けている。外管４の内面には、管軸方向に連続する突起６を内管３に接して複数個設けている。内管３、捩れ板５は耐食性、熱伝導性の良い銅製で、外管４は、熱伝導性が良く、軽量なアルミニウム合金製である。捩れ板５は、内管３の内部に、管軸方向に間欠的に複数個設けている。
【００２５】
以上のように構成された熱交換器１Ｘについて、以下その動作を説明する。
【００２６】
三重管１の内管３と外管４との間に二酸化炭素が、内管３の内部を水が対向して流れ、内管３の二重壁を介して、水と二酸化炭素が熱交換する。
【００２７】
以上のように本実施の形態の熱交換器１Ｘは、内管３の内部に捩れ板５を設けるものであり、これによって、捩れ板５が、水の乱流化を促進するので、水の熱伝達率の向上を図ることができる。さらに、捩れ板５は、容易に入手、製作が可能で、低い材料コストで、製造時のコストを大幅に増大することなく熱交換効率を高めて、熱交換器１Ｘのコンパクト化を図ることができる。
【００２８】
また、複数個の捩れ板５を、内管３の内部に、管軸方向に間欠的に設けることで、捩れ板５による水の流動抵抗、熱交換器１Ｘの重量増大を抑制しつつ、局所的に乱流化を促進するため、間欠的に設けた捩れ板５の区間毎に、随時、水の乱流化を促進して、熱交換効率を高く保つことができる。
【００２９】
また、図３で示すように、捩れ板５は、部分的に捩れ部５ａを有する薄板であり、捩れ部５ａで局所的に水の乱流化を促進しつつ、非捩れ部５ｂで捩れ板５による水の流動抵抗を抑制するため、任意の箇所に捩れ部５ａを設けることでその箇所の熱伝達を高めて、長い管の場合でも任意の区間にわたって、熱交換効率を高く保つことができる。また、捩れ部５ａを増減することでも、容易に流動抵抗や乱流化促進の度合いを調整できる。さらに、１つの捩れ板５で捩れ部５ａ、非捩れ部５ｂを有して、間欠的にある捩れ部５ａ間は非捩れ部５ｂで繋がっている構成であるため、捩れ板５自体を間欠的に設ける場合に比して、三重管１への組込み作業も容易になることから、少ない工数で、熱交換効率を高めることができる。
【００３０】
また、図４で示すように、捩れ板５は、三重管１中で水が低温である部分（以下低温部）１ａに設けて、水が高温である部分（以下高温部）１ｂには設けないことにより、ヒートポンプ給湯機用水冷媒熱交換器として使用する場合、熱交換器１Ｘ内で温度が低い箇所は、水から析出するスケールの付着が少なく、捩れ板５へのスケールの付着量を低減できるので、熱交換器１Ｘの製品としての信頼性を高めることができる。
【００３１】
尚、本実施の形態では、乱流促進体として捩れ板５を示したが、金属製のワイヤーを螺旋に巻いた線材（図示せず）としてもよい。同様の効果を奏しつつ、捩れ板に比して、さらに、流動抵抗が低く、流動抵抗や乱流化促進の度合いを細かく調整することができる。
【００３２】
また、流体Ａを二酸化炭素とし、流体Ｂを水とした場合、ヒートポンプ給湯機用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。
【００３３】
また、直径が大きく、肉厚も厚くなる外管４を、熱伝導性が良く、軽量なアルミニウム合金製とすることにより、二酸化炭素への耐圧を鑑みた肉厚を考慮しても、熱交換器１Ｘの大幅な軽量化を図ることができる。
【００３４】
尚、内管３は銅製、外管４はアルミニウム合金製だが、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄等でも同様な効果を得る。内部に水が流動する内管３は、好ましくは耐食性の良い材料（例えば銅、ステンレス）で、冷媒が流動する外管４は、好ましくは熱伝導性の良い材料（例えば銅、アルミニウム）で作るものがよい。
【００３５】
また、外管４の内面に管軸方向に連続して複数個突起６を設けたことにより、三重管１の変形や潰れ等を防いで、内管３と外管４の間の二酸化炭素の流路を確保することができる。また、流路の流体直径を小さくして、二酸化炭素の熱伝達率を高くし、熱交換効率を高めることができる。
【００３６】
尚、本実施の形態では、外管４の内面に管軸方向に連続して、突起６を設けたが、突起６は内管３の外面に設けてもよい。また、突起６は管軸方向に不連続なものでもよい。
【００３７】
尚、本実施の形態では内管３は、平滑管を二重にした二重壁２の管であるが、片側を溝付管とした漏洩検知仕様の二重壁の管（図示せず）としてもよい。製品の安全性を向上できる。
【００３８】
尚、本発明の実施の形態では、外管４内を流通する流体Ｂを二酸化炭素、内管３内を流通する流体Ａを水としたが、これに限らず、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等その他の高圧冷媒と水や、温度差を持つ同一流体間の熱交換に用いても同様な効果を得る。
【００３９】
（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要部断面図である。
【００４０】
図５において、熱交換器１Ｘの捩れ板５は、部分的に管軸方向に垂直な方向の幅Ｗが異なっている。
【００４１】
以上のように本実施の形態の熱交換器１Ｘは、捩れ板５は、部分的に管軸方向に垂直な方向の幅Ｗが異なるものとしたことにより、幅Ｗを調整することで、水の流動抵抗や乱流化促進の度合いを容易に調整できるので、容易に熱交換効率を調整できる。
【００４２】
尚、本実施の形態では、乱流促進体として捩れ板５を示したが、金属製のワイヤーを螺旋に巻いた線材（図示せず）としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、二重壁を持ち、内部に流体Ａが流動する内管と、内管との間に流体Ｂが流動する外管からなる三重管の内管の内部に、伝熱促進体を設けることで、流体Ｂの乱流化を促進して、熱伝達率の向上を図り、製造時のコストを大幅に増大することなく熱交換効率を高めて、熱交換器のコンパクト化を図ることができるので、ヒートポンプ給湯機や家庭用、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】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の要部断面図
【図２】同実施の形態における熱交換器の要部斜視図
【図３】同実施の形態における他の熱交換器の要部断面図
【図４】同実施の形態における他の熱交換器の要部断面図
【図５】本発明の実施の形態２における熱交換器の要部断面図
【図６】従来の熱交換器の概略構成図
【符号の説明】
【００４５】
１Ｘ  熱交換器
１    三重管
１ａ  低温部
２    二重壁
２ａ  第１壁
２ｂ  第２壁
３    内管
４    外管
５    捩れ板
５ａ  捩れ部
【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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