(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、全体として熱交換性能の劣化を防止する熱交換器を提供する。  【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、流出側２ｂの流路断面積が流入側２ａより大となるように、同一の仕様で２本に分岐しているため十分な付着面積が確保され、高温で水に含まれるカルシウムが析出し内壁面に付着しても水の流動を封止しない。さらに、流出側２ｂの三重管７ｂを寄り合わせるように螺旋状に捻られているため、流出側の三重管７ｂの内管２内が旋回流となり、流速が遅くても乱流化され、熱伝達が促進し流出側２ｂの熱交換性能の低下を抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流体Ａが流動する内管と、前記内管の外周を覆って前記内管の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外周を覆うように設置し、前記中管との間の環状部に流体Ｂが流体Ａと対向して流動する外管とからなる多重管で構成され、前記多重管の少なくとも流体Ａの流出側が螺旋状に捻られたことを特徴とした熱交換器。
【請求項２】
前記多重管の流体Ａの流出側が、前記多重管の流体Ａの流入側より少なくとも１本以上多く分岐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】
前記多重管の螺旋状の捻りが管軸方向に部分的に施された請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記多重管の螺旋状の捻りのピッチを、流体Ａの流出側ほど大きくしたことを特徴とした請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
流体Ａが流入する側の前記内管の内面に突起を設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記内管の内面の突起を管軸方向に対して螺旋状あるいは略平行に連続して複数のフィンとしたことを特徴とした請求項５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から請求項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９、図１０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。
【０００４】
図９、図１０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。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１０２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。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。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】
【０００７】
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の熱伝達率の低下し、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。
【０００８】
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、高温側で水の流速が低下しても熱伝達率を低下させず、水の高温側での熱交換性能を低下させず、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】
【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、内部に流体Ａが流動する内管と、前記内管の外周を覆って前記内管の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外周を覆うように設置し、前記中管との間の環状部に流体Ｂが流体Ａと対向して流動する外管とからなる多重管で構成され、前記多重管の少なくとも流体Ａの流出側が螺旋状に捻られたものである。
【００１０】
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、加熱用冷媒として環状部を流動する流体Ｂと対向して、内管内を流体Ａとして水が流動した場合、水が高温部となる内管の流出側で、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出して流出側の内管の管壁に付着し水の流動を封止することがないほど内管の流路断面積を拡大し流速が低下しても、水の流出側の多重管を螺旋状に捻ることにより、流出側の多重管内の水が旋回流となり乱流化が促進でき、流出側の熱伝達率の低下を抑制できる。
【発明の効果】
【００１１】
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、さらに水の流出側の熱交換性能の低下を抑制でき、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】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、内部に流体Ａが流動する内管と、前記内管の外周を覆って前記内管の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外周を覆うように設置し、前記中管との間の環状部に流体Ｂが流体Ａと対向して流動する外管とからなる多重管で構成され、前記多重管の少なくとも流体Ａの流出側が螺旋状に捻られたことにより、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、加熱用冷媒として環状部を流動する流体Ｂと対向して内管内を流体Ａとして水が流動した場合、水が高温部となる内管の流出側で、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出して流出側の内管の管壁に付着し水の流動を封止することがないほど内管の流路断面積を拡大し流速が低下しても、水の流出側の多重管を螺旋状に捻ることにより、流出側の多重管内の水が旋回流となり乱流化が促進でき、流出側の熱伝達率の低下を抑制できる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の多重管の流体Ａの流出側が、前記多重管の流体Ａの流入側より少なくとも１本以上多く分岐したことにより、流体Ａとしての水が高温となり水に含まれるカルシウムが析出し内管の管壁する流出側のみ、流路断面積を拡大して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、熱交換器全体の重量・容積の増加を極力抑えることができる。また、流入部の流路断面積は拡大しないため、水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させないことができる。さらに、また、同一仕様の内管と外管により流出側の流路断面積を流入側の流路断面積より拡大することができ、引き抜きや押し出し用の金型などの設備を複数種持つ必要がなく、内管、外管を１仕様に絞って量産することでの信頼性が向上すると共に製造コストを低減できる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１また請求項２に記載の発明の多重管の螺旋状の捻りが管軸方向に部分的に施されたことにより、螺旋状の流路により旋回流となった流動状態が収まり始める毎に次の螺旋状の流路で旋回流となるため、流体Ａの流出側での熱伝達率の向上を低下させることなく螺旋状流路による旋回流の水の流動抵抗の上昇を極力低くすることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の発明の多重管の螺旋状の捻りのピッチを、流体Ａの流出側ほど大きくしたことにより、流出側で流体Ａと流体Ｂの温度差が比較的小さい部分では螺旋状の捻りのピッチを小さくし、旋回流による乱流化が促進され流速低下による熱伝達率の低下が抑制され、加熱用の流体Ｂが最も高温で加熱される流体Ａとの温度差が大きく、熱交換量の大きい最も流出側の部分では螺旋状の捻りのピッチを大きくして旋回流による乱流化を抑制して流体Ａの熱伝達率を調整して熱交換性能を抑え、流体Ａの最も高温となる箇所でのスケール析出を抑制する。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明の流体Ａが流入する側の内管の内面に突起を設けることにより、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は熱交換性能を向上させることができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明の内管の内面の突起を管軸方向に対して螺旋状あるいは略平行に連続して複数のフィンとすることにより、内管の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、あるいは略平行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製造コストも低く抑えることができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項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。
【００１９】
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。
【００２０】
（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一部破断断面図である。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、図５は同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。
【００２１】
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を持つ内部に水が流動する銅製の内管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で構成された三重管７である。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を有しており、二酸化炭素が内管２内を流動する水と対向して流動している。また、内管２の水の流入側２ａの三重管７ａが１本で、水の流出側２ｂの三重管７ｂは同一の仕様（管径）で２本に分岐しており、さらに各々を寄り合わせるように螺旋状に捻られている。
【００２２】
また、図４においては、内管２の水の流出側２ｂの三重管７ｃは管軸方向に断続的に螺旋状の捻り部７ｃ１と非捻り部７ｃ２が形成されている。
【００２３】
また、図５においては、内管２の水の流出側２ｂの三重管７ｄの螺旋状の捻りのピッチを、内管２の水の出口８に向かうほど大きくしている。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
また、内管２の水の流出側２ｂを、内管２の水の流出側２ｂの流路断面積の総和が流入側２ａの流路断面積の総和より大となるように、同一の仕様（管径）で２本に分岐しているため、流出側２ｂの内壁面に十分な付着面積が確保され、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２ｂの内壁面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。
【００２８】
さらに、また、内管２の流出側２ｂの三重管７ｂは各々を寄り合わせるように螺旋状に捻られているため、三重管７の流出側７ｂの内管２内の水が旋回流となり、流路断面積が大きく流速が遅くても乱流化が促進し、流出側２ｂの熱伝達率の低下を抑制でき、内管２の流出側２ｂの熱交換性能の低下を抑制し熱交換器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。
【００２９】
また、図４で示すように、内管２の水の流出側２ｃの三重管７ｃが、管軸方向に断続的に螺旋状の捻り部７ｃ１と非捻り部７ｃ２がある構成により、螺旋状の捻り部７ｃ１の内管２ｃ１の螺旋状流路により旋回流となった流動状態が収まり始める毎に次の螺旋状の流路で旋回流となるため、水の流出側２ｃでの熱伝達率の向上を低下させることなく、螺旋状の旋回流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。
【００３０】
また、図５で示すように、内管２の水の流出側２ｄの三重管７ｄの螺旋状の捻りのピッチを、内管２の水の出口８に向かうほど大きくすることにより、流出側２ｄで水と二酸化炭素の温度差が比較的小さい部分では螺旋状の捻りのピッチを小さくし、旋回流による乱流化が促進され流速低下による熱伝達率の低下が抑制され、二酸化炭素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い最も出口８の部分では、三重管７ｄの螺旋状の捻りのピッチを大きくして旋回流による乱流化を抑制して水の熱伝達率を調整して熱交換性能を抑え、水の最も高温となる出口部８近傍でのスケール析出を抑制する。
【００３１】
尚、本発明の実施の形態１では、熱交換器１全体を直線状としたが、湾曲及びコイルの形態で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、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、Ｒ３２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６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一部破断断面図である。図７は図６のＣ−Ｃ線断面図である。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。
【００３５】
図８は同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。
【００３６】
図６、図７において、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９が形成されている。
【００３７】
また、図８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なフィン１０が形成されている。
【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】
ここで、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９により大きな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全体としては熱交換性能を向上させることができる。
【００４０】
また、図８で示すように、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１０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。
【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一部破断断面図
【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一部破断断面図
【図５】同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図
【図６】本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図
【図７】図６のＣ−Ｃ線断面図
【図８】同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図
【図９】従来の二重管型熱交換器の一部破断断面図
【図１０】図９のＩＩ−ＩＩ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，２ｃ，２ｄ  流出側
３    二重壁
３ａ  第１壁
３ｂ  第２壁
４    外管
５    リブ
６    環状部
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ  三重管
８    出口部
９    螺旋状のフィン
１０  略平行なフィン
【図１】
2006322643.tif 000003
【図２】
2006322643.tif 000004
【図３】
2006322643.tif 000005
【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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【図９】
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【図１０】
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