(57)【要約】【課題】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。【解決手段】第１流体が内方を流通する内管１３と、内管１３の外周に設けられた第２流体が流通する外管１４と、内管１３の両端を覆うように設けられている第一継手１７ａ、第二継手１７ｂと、を備え、第一継手１７ａと第二継手１７ｂは固定部材１８にて固定され、固定部材１８は可撓性の材料で形成されている熱交換器４で、内管１３内部の容積の膨張分を可撓性の固定部材１８の変形にて吸収できることで、第一継手１７ａ、第二継手１７ｂに作用する応力が低減でき、耐久性に優れた信頼性の高い熱交換器を提供できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が内方を流通する内管と、
前記内管の外周に設けられ、第２流体が流通する外管と、
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固定部材にて固定されており、
前記固定部材は可撓性の材料で形成されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記内管と前記外管は銅で形成されており、前記固定部材は、オーステナイト系のステンレス材を用いて、略コ字状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第一継手と前記第二継手はそれぞれ貫通部を備え、前記それぞれの貫通部に前記固定部材を挿入することで、前記第一継手と前記内管、前記第二継手と前記内管とが固定される構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
外表面に螺旋状の突部が設けられており、前記内管の内部に挿入されている樹脂製の挿入体を備え、前記挿入体は、前記第一継手と前記第二継手とで保持されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１流体は、水あるいは不凍液、前記第２流体は二酸化炭素であ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。
【請求項６】
請求項１〜５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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図６に示すように、熱交換器３１に、第１流体が流れる内管３２と、内管３２に挿入される挿入体３３と、内管３２の外周に設けられ、第２流体が流れる外管３４とを備えている。
【０００４】
挿入体３３は、軸部３３ａと軸部３３ａの外表面に形成された螺旋状突部３３ｂとを備えているものであり、第１流体は、内管３２の内面と挿入体３３の軸部３３ａと螺旋状突部３３ｂとで形成される螺旋状流路３３ｃを流れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１７４８２６号
【特許文献２】特開２０１７−４０３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１、特許文献２とともに、熱交換器３１の両端の継手について、内管３２に固定されているが、その継手の両端方向への外れ防止については、具体的に記載されていない。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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１流体が内方を流通する内管と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流通する外管と、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固定部材にて固定されており、前記固定部材は可撓性の材料で形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
これによって、第１流体、第２流体の温度が低温から高温になっても、あるいは、低温と高温とが繰り返されても、内管内部の容積の膨張分を可撓性の固定部材の変形にて吸収できることで、第一継手、第二継手に作用する応力が低減でき、耐久性に優れた信頼性の高い熱交換器を提供できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱交換器によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における固定部材の正面図（ｂ）本発明の実施の形態１における固定部材の側面図（ｃ）本発明の実施の形態１における固定部材の斜面図
【図３】図１のＡ−Ａ断面図
【図４】本発明の実施の形態１における固定部材の変形時の正面図
【図５】本発明の実施の形態１の熱交換器を用いた温水生成装置の概略図
【図６】従来の熱交換器の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
第１の発明は、第１流体が内方を流通する内管と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流通する外管と、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固定部材にて固定されており、前記固定部材は可撓性の材料で形成されていることを特徴とする熱交換器である。
【００１３】
これによって、第１流体、第２流体の温度が低温から高温になっても、あるいは、低温と高温とが繰り返されても、内管内部の容積の膨張分を可撓性の固定部材の変形にて吸収できることで、第一継手、第二継手に作用する応力が低減でき、耐久性に優れた信頼性の高い熱交換器を提供できる。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明において、前記内管と前記外管は銅で形成されており、前記固定部材は、オーステナイト系のステンレス材を用いて、略コ字状に形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
これによって、固定部材は、内管（銅）の線膨張係数とほぼ同等のオーステナイト系ステンレス材を用いて形成されることにより、第１流体、第２流体の温度が大きく変化しても、内管と固定部材が温度の変化によって、相対変化関係はほぼ変わらないこととなり、各部品間の歪を抑制することができる。
【００１６】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記第一継手と前記第二継手はそれぞれ貫通部を備え、前記それぞれの貫通部に前記固定部材を挿入することで、前記第一継手と前記内管、前記第二継手と前記内管とが固定される構成としたことを特徴とするものである。
【００１７】
これによって、継手を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。
【００１８】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれかの発明において、外表面に螺旋状の突部が設けられており、前記内管の内部に挿入されている樹脂製の挿入体を備え、前記挿入体は、前記第一継手と前記第二継手とで保持されていることを特徴とするものである。
【００１９】
これによって、第１流体は、内管の内面と挿入体の外表面に形成された螺旋状突部との間に仕切られた螺旋状流路に流通し、第１流体と内外の外周に巻かれた外管の中を流れる第２流体との熱交換効率を向上できる。
【００２０】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれかの発明において、前記第１流体は、水あるいは不凍液、前記第２流体は二酸化炭素であることを特徴とするものである。
【００２１】
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。
【００２２】
第６の発明は、特に、第１〜５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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における熱交換器の正面図と一部の断面図を示すものである。
【００２６】
図１において、本実施の形態１における熱交換器４は、水あるいは不凍液である第１流体を内部に流れる銅製の内管１３と、この内管１３の外表面に密着するように螺旋状に巻き付けられた、冷媒である第２流体を内部に流れる銅製の外管１４と、内管１３の中に配され、耐熱性の高いＰＰＳなどのエンプラ系樹脂で成形された挿入体１５とを備える。
【００２７】
挿入体の両端は、第一継手１７ａ、第二継手１７ｂに当接することで、挿入体１５の位置決めがなされている。さらに、第一継手１７ａと第二継手１７ｂは、固定部材１８による固定されている。固定部材１８は、可撓性のあるオーステナイト系ステンレス製材料、例えば、ＳＵＳ３０１−ＷＰＢや、ＳＵＳ３０４−ＷＰＢが用いられている。
【００２８】
挿入体１５には、軸部１５ａと凸状の螺旋状突部１５ｂを設け、突部１５ｂの直径は内管１３の内径とほぼ同じように設定することで、挿入体１５を内管１３に挿入した後に、内管１３の内面と突部１５ｂとは密着できる。これによって、内管１３の内面と、螺旋状突部１５ｂで仕切られた空間１５ｃが第１流体の流路となる。
【００２９】
また、内管１３の両端が２つのＯリングに差し込むように設け、さらにエンプラ樹脂製の第一継手１７ａと第二継手１７ｂが、Ｏリング１６を挟んで、内管１３の両端を覆うように構成されている。
【００３０】
なお、第一継手１７ａの端部に、流体入り口部１７ｃと貫通部１７ｅが設けられ、第二継手１７ｂの端部に、流体出口部１７ｄと貫通部１７ｆが設けられている。
【００３１】
略コの字に形成された固定部材１８の両足部分１８ａと１８ｂは略並行となり、１８ａ、１８ｂの先端には面取りが加工されている。なお、固定部材１８を２個用いて、両足部分１８ａと１８ｂを第一継手１７ａの継手の貫通部１７ｅと第二継手１７ｂの貫通部１７ｆに差し込み、第一継手１７ａと第二継手１７ｂを繋いで固定する。
【００３２】
図２（ａ）は固定部材１８の正面図、図２（ｂ）は固定部材の側面図、図２（ｃ）は固定部材１８の斜視図である。図に示すように、固定部材１８の両足部分１８ａ、１８ｂの略中央に湾曲部１８ｃをそれぞれ備えている。
【００３３】
湾曲部１８ｃは、内管１３の外面に沿うような形状に加工されており、つまり、湾曲部１８ｃの半径は、内管１３の半径とほぼ同等より若干大きい半径となっている。この構造で、図３のように、固定部材１８の両足部分を１７ｅと１７ｆに差し込み、二つの固定部材１８の湾曲部１８ｃが違う方向から、内管１３を中心に抱えるように配置されている。
【００３４】
そして、内管１３、挿入体１５、Ｏリング１６、継手１７が互いに保持して、固定部材１８で止められ、シール性を確保する。
【００３５】
本実施において、第１流体を水あるいは不凍液による液体であり、第２流体は二酸化炭素あるいはＲ４１０Ａによる冷媒流体である。温水を生成するとき、熱交換器４にて、第１流体と第２流体とを熱交換することで、第１流体が加熱される。
【００３６】
内管１３内部の第１流体が水を用いていた場合、水は温度の変化により、体積も大きく変化する可能性がある。例えば、水が凍結した場合は、その体積が約９％増加する。そのため、内管１３の両端、特に第一継手１７ａ、第二継手１７ｂに多大な応力が加わり、破損の可能性もある。それに対して、固定部材１８を用いることで、応力による破損を防ぐことが可能となる。
【００３７】
図４は、第１流体の水が内管１３の内部で凍結した際の固定部材１８の変形図である。図４に示すように、固定部材１８のコの字両足部分１８ａ、１８ｂが、可撓性の材料からなるため、変形ができ、ハの字状に広がっている。これにより、第一継手１７ａが右方に、第二継手１７ｂが左方に若干シフトすることとなる。
【００３８】
これにより、内管１３内の容積が増すこととなる。その増加した体積にて、凍結時の体積増加分を吸収することが可能となる。
【００３９】
また、第２流体を二酸化炭素等の冷媒を用いた場合、１００℃に近くまで温度が上昇し、温度が大幅に変化する際、違う材料の線膨張係数による影響で、部品に歪み、応力が加わる可能性がある。
【００４０】
次に、各部品の材質について説明する。
【００４１】
まず、各部分の線膨張係数は、内管／外管（銅）１６．７（１０＾−６  ／℃）、固定部材（オーステナイト系ステンレス）１７．３（１０＾−６  ／℃）、樹脂（ＰＰＳ）１８〜２１（１０＾−６  ／℃）となり、３種類ともほぼ同等である。
【００４２】
このため、第１流体、第２流体の温度が変化しても、温度の上昇によって各部品相対関係はほぼ変わらないこととなる。そのため、第１流体、第２流体温度が変化しても、内管１３、固定部材１８、固定部材で繋がれる第一継手１７ａ、第二継手１７ｂ、さらに、内管１３の内方にある挿入体１５の位置関係は変わらず、どのような使用条件、環境下でも、各部品間に応力が加わらず、破損等の問題が生じないので、長期間信頼性の高い、熱交換器を提供することができる。
【００４３】
（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態における温水生成装置の構成図を示すものである。
【００４４】
本実施の形態の温水生成装置には、冷媒を圧縮、循環させる圧縮機５と、凝縮器であり、水あるいは不凍液などの熱媒体と圧縮機５で循環される冷媒の熱交換を行い、水あるいは不凍液などの熱媒流体を加熱する熱交換器４、減圧手段である膨張弁６、蒸発器である空気冷媒熱交換器７を備え、圧縮機５、熱交換器４、減圧手段６、蒸発器である空気冷媒熱交換器７を順次環状に接続して閉回路を構成し、冷媒を循環させる冷媒回路８を構成している。
【００４５】
加えて、熱媒配管３からなる温水回路１０と、生成された温水を利用して室内空気を加熱する外部放熱器２と、温水回路１０内の水あるいは不凍液などの熱媒流体を強制的に循環する循環ポンプ１１と、熱交換器４で加熱された温水を外部放熱器２に送るために温水回路１０の往き側の末端部に設けられた熱動弁１２とを備え、温水暖房として利用できる温水生成装置になっている。
【００４６】
外部放熱器２は、図５に示すようなパネルヒーター以外、送風ファンを備えたファンコンベクターにしても良い。
【００４７】
なお、冷媒として利用されている第２流体は、Ｒ４１０ＡあるいはＲ４０７Ｃ等、オゾン破壊係数が０の新冷媒でも構わないが、より高温の温水を生成できるため、二酸化炭素を用いることが１番好ましい。二酸化炭素は自然冷媒であり、地球温暖化係数も非常に低いというメリットもある。
【００４８】
なお、第２流体を二酸化炭素等の冷媒を用いた場合、１００℃に近くまで温度が上昇し、温度が大幅に変化する際、違う材料の線膨張係数による影響で、熱交換器の部品に歪み、応力が加わる可能性がある。
【００４９】
本実施の第２の形態において、熱交換器４を配置することで、各部品の線膨張係数はほぼ同じであるため、第２流体の二酸化炭素が極端高温になっても、内管１３、固定部材１８、固定部材１８で繋がれる第一継手１７ａ、第二継手１７ｂ等の各部品の相対関係は、ほぼかわらない。これにより、挿入体１５の位置も変わらず、熱交換器４は高温の状態においても安定的に機能を図られる。
【００５０】
また、本実施の第２の形態において、内管１３内部の第１流体が水を用いていた場合、水が凍結した場合は、その体積が約９％増加する。水の体積の増加より、熱交換器４の内管１３の両端、特に第一継手１７ａ、第二継手１７ｂに加わる多大な応力を可撓性の材料からなった固定部材１８の変形により、吸収できる。
【００５１】
また、本実施の形態２の温水生成装置は、長期間の使用に伴い、第１流体の流路内に炭酸カルシウム等のスケール成分の付着による流通悪化のため、熱交換効率が減じ、最後に流路が閉塞される恐れがある。
【００５２】
第１流体の流路１５ｃが完全に閉塞される場合、熱交換器４を分解して、スケールを取り除くか、新しい挿入体１５を交換することが必要となる。
【００５３】
これに対し、固定部材１８は可撓性であり、固定部材１８を外す際、内管１３の表面に沿っている湾曲部１８ｃが乗り越えれば、固定部材１８を外すことができる。さらに、固定部材１８を外せば、第一継手１７ａ、第二継手１７ｂも元の位置から外せ、内方の挿入体１５も容易に取り出すことができ、熱交換器４のメンテ性向上が実現できる。
【００５４】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、温水生成装置の信頼性向上に繋がり、様々な環境に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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。
【符号の説明】
【００５６】
１３  内管
１４  外管
１５  挿入体
１５ａ  軸部
１５ｂ  突部
１５ｃ  第１流体の流路
１６  Ｏリング
１７ａ  第一継手
１７ｂ  第二継手
１７ｅ  第一継手の貫通部
１７ｆ  第二継手の貫通部
１８  固定部材
１８ｃ  湾曲部
【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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