(57)【要約】【課題】熱交換性能に優れた熱交換器を提供すること。【解決手段】内部を第１流体が流れる外管５と、内部を第２流体が流れる一又は二以上の内管（３、３ａ、３ｂ）と、を備え、内管（３、３ａ、３ｂ）は、外管５の内部に配設され、外管５には、内方に向かって凹んだ複数のディンプル（８、８ａ、８ｂ）が設けられ、内管（３、３ａ、３ｂ）の中心は、外管５の中心から偏心して配置されているので、第１流体の乱流化が促進され、熱交換性能が向上する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を第１流体が流れる外管と、
内部を第２流体が流れる一又は二以上の内管と、を備え、
前記内管は、前記外管の内部に配設され、
前記外管には、内方に向かって凹んだ複数のディンプルが設けられ、
前記内管の中心は、前記外管の中心から偏心して配置されていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記ディンプルの深さＨが、外管の外径をＤ、内管の外径をｄとしたとき、（Ｄ−Σｄ）／２＜Ｈであ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】
前記請求項１または２に記載の熱交換器を備え、
前記第１流体が水、前記第２流体が冷媒であることを特徴とする給湯機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１流体と第２流体とを熱交換する熱交換器及びそれを備えた給湯機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、給湯機に用いられる熱交換器として、第１流体（湯水）が流れる外径Ｄの外管と、第２流体（冷媒）が流れる外径ｄの内管と、を備え、内管が外管の内部に配置された二重管式のものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この熱交換器の外管の外表面には、外管の内方側に凹んだ溝が螺旋状に設けられている。この螺旋溝は、外管の周囲に１８０度毎に設けられるように形成され、外管の断面において、２筋の螺旋溝は互いに対向するように位置している。これにより、第１流体の流れを乱流化して伝熱を促進させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２００３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の構成では、２筋の螺旋溝が外管の周囲に１８０度毎に設けられていることから、その螺旋溝の深さは最大でも（Ｄ−ｄ）／２となり、この螺旋溝が規則的に形成されていることから、第１流体の流れを十分に乱流化させることができることができないという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、第１流体の流れの乱流化を促進して、熱交換器の熱交換性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部を第１流体が流れる外管と、内部を第２流体が流れる一又は二以上の内管と、を備え、前記内管は、前記外管の内部に配設され、前記外管には、内方に向かって凹んだ複数のディンプルが設けられ、前記内管の中心は、前記外管の中心から偏心して配置されていることを特徴とする熱交換器である。
【０００８】
これにより、ディンプルによる第１流体の乱流促進効果に加え、外管と外管内に配設された内管との間の距離に偏りが生じるので、第１流体の乱流促進効果が増大し、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱交換性能に優れた熱交換器及びそれを備えた給湯機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の概略構成図
【図２】同熱交換器の断面図
【図３】同熱交換器の他の構成を示す断面図
【図４】同熱交換器のさらに他の構成を示す断面図
【図５】本発明の実施の形態２における熱交換器の内部構造を示す断面図
【図６】図４のＡ−Ａ断面図
【図７】本発明の実施の形態２における熱交換器の他の断面形状を示す断面図
【図８】同熱交換器のさらに他の断面形状を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、内部を第１流体が流れる外管と、内部を第２流体が流れる一又は二以上の内管と、を備え、前記内管は、前記外管の内部に配設され、前記外管には、内方に向かって凹んだ複数のディンプルが設けられ、前記内管の中心は、前記外管の中心から偏心して配置されていることを特徴とする熱交換器である。
【００１２】
これにより、ディンプルによる第１流体の乱流促進効果に加え、外管と外管内に配設された内管との間の距離に偏りが生じるので、第１流体の乱流促進効果が増大し、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。その結果、熱交換性能に優れた熱交換器及びそれを備えた給湯機を提供することができる。
【００１３】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記ディンプルの深さＨが、外管の外径をＤ、内管の外径をｄとしたとき、（Ｄ−Σｄ）／２＜Ｈであることを特徴とする熱交換器である。なお、Σｄとは、内管の外径の合計値を表す。
【００１４】
これにより、ディンプルの深さが大きくなることで第１流体の乱流化が促進されるので、熱交換性能を向上させることができる。
【００１５】
第３の発明は、前記請求項１または２に記載の熱交換器を備え、前記第１流体が水、前記第２流体が冷媒であることを特徴とする給湯機である。
【００１６】
これにより、熱交換性能に優れた熱交換器により、省エネルギー性に優れた給湯機を提供することができる。
【００１７】
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。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本実施の形態における熱交換器の概略構成図である。図１に示すように、熱交換器１００は、第１流体が流れる外管５と、第２流体が流れ、外管５の内部に配設される内管３とを備えている。本実施の形態では、第１流体としては水を用い、第２流体として冷媒を用いる。これにより、内管３に圧縮機から吐出される高温高圧の冷媒を流入させれば、熱交換器１００によって湯水を加熱することができる。よって、熱交換器１００は、湯水を用いる給湯機や温水暖房機等に適用することができる。本実施の形態では、冷媒として二酸化炭素を用いている。なお、冷媒の種類は特に限定されず、例えば、Ｒ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ等のフロン系冷媒を用いてもよい。
【００１９】
熱交換器１００の端部には、外管５と内管３とを分岐させる水用分岐管１０が設けられている。水用分岐管１０は、水の流入口１０ａまたは水の流出口１０ｂを構成する。なお、流入口１０ａを構成する水用分岐管１０と、流出口１０ｂを構成する水用分岐管１０とは、異なる形状であってもよい。すなわち、外管５と内管３とを分岐させ、流入口１０ａまたは流出口１０ｂを備えれば形状は特に限定されない。
【００２０】
また、熱交換器１００の端部には、冷媒が流入または流出する冷媒端部管９が設けられ
ている。冷媒端部管９は、冷媒の流入口９ａまたは冷媒の流出口９ｂを構成する。なお、流入口９ａを構成する冷媒端部管９と、流出口９ｂを構成する冷媒端部管９とは異なる形状であってもよい。すなわち、流入口９ａまたは流出口９ｂを備えれば形状は特に限定されない。
【００２１】
外管５の表面には、内方に向かって凹んだ複数のディンプル８が設けられている。
【００２２】
図２は、熱交換器１００の断面図である。外管５及び内管３のそれぞれは、円筒状の銅管で構成されている。ここで、外管５の外径はＤ、内管の外径はｄ（ただし、Ｄ＞ｄ）である。
【００２３】
内管３は、その中心Ｃ１が、外管５の中心Ｃ２とずれた状態、すなわち、Ｃ１とＣ２とが偏心した状態で、外管５の内部に配置されている。これにより、外管５の内部で、外管５と内管３との間の距離に偏りが生じる。これにより、第１流体の乱流化を促進することができるので、熱交換性能が向上する。なお、偏心は、熱交換器１００の全範囲において生じていなくてもよい。
【００２４】
また、外管５には、内方に向かって凹んだディンプル８が設けられている。ディンプルの深さＨは、（Ｄ−ｄ）／２＜Ｈ１≦Ｄ−ｄの範囲で設けられている。これにより、ディンプル８が設けられている箇所においては、内管３の中心Ｃ１と外管５の中心Ｃ２とは偏心することになる。
【００２５】
内管３の中心Ｃ１と外管５の中心Ｃ２が単に偏心しているだけであれば、断面視において、外管５の内部に第１流体が流れる空間が生じるだけであるが、この空間に深さＨが（Ｄ−ｄ）／２よりも大きいディンプル８が設けられることになるので、第１流体の乱流化をさらに促進することができる。このように、外管５と内管３とを熱交換器１００のいずれかの位置において偏心して配置し、内管３の中心Ｃ１が位置する領域（図１に示す斜線で塗りつぶされた第４象限）以外の領域（図１に示す斜線のない第１〜第３象限）にディンプル８が配置されることで、第１流体の乱流促進効果により、熱交換器１００の熱交換性能を向上させることができる。
【００２６】
なお、従来の構成にある連続した螺旋溝によると、第１流体の圧力損失が大幅に増加するが、本発明のような断続したディンプル８によれば、流体の圧力損失の増加を抑制しながら熱交換性能を向上させることができる。
【００２７】
なお、本構成によれば、ディンプル８が設けられた位置と、外管５の中心Ｃ２を挟んで反対側の位置、すなわち、ディンプル８が設けられた位置から１８０度ずれた位置にディンプル８を設けることは困難である。一方、図３のように、一のディンプル８と正対しない（１８０度ずれた位置にない）箇所に別のディンプル８を設けることで、第１流体の乱流促進効果をさらに増大させることができる。図３では、ディンプル８ａとディンプル８ｂとを９０度ずらした位置に設けている。
【００２８】
また、外管５のディンプル８は、外管５を、表面に突状を設けた２つのローラで挟み込み、ローラを回転させてその突状を外管５に押し当てることで成型でき、これによれば、安価な銅製の平滑管を、簡易な方法で加工することができるので熱交換性能に優れた熱交換器を低コストで製造することができる。
【００２９】
ここで、２つのディンプル（８ａ、８ｂ）を正対しない位置、特に、図３に示すようにディンプル（８ａ、８ｂ）を９０度ずらして配置するようにすれば、ディンプル８の成型は、外管５を挟み込むローラのうちのいずれか一方にのみ突状を設ければ可能となるので
、シンプルな製造装置で容易に加工でき、量産性に優れる。
【００３０】
図４は、ディンプル８の深さＨがＨ２＝Ｄ−ｄである場合を示すものである。これによれば、外管５の内部において、ディンプル８の先端と内管３、内管３と外管５とがそれぞれ接することになる。これにより、外管５の内部には、第１流体が流れる２つの流路が形成されることになる。すなわち、ディンプル８の先端と内管３とが接触することによって第１流体の流れが妨げられ、第１流体の乱流化が促進される。よって、熱交換器１００の高性能化を図ることができる。
【００３１】
以上のように、内部を二酸化炭素２が流れ、かつ外面にディンプル８を有する外管５と、内部を水が流れる内管３が外管５内に配設された熱交換器であって、外管５の中心Ｃ２に対して内管３の中心Ｃ１が偏心しているので、外径Ｄの外管５に、深さが（Ｄ−ｄ）／２よりも大きいディンプル８を形成することができる。よって、第１流体の乱流化が促進され、第１流体の圧力損失の過度な上昇を抑制しながら、熱交換器の高性能化を図ることができる。
【００３２】
（実施の形態２）
図５は、本実施の形態における熱交換器１００の端部の内部構造を示す断面図である。図６は、熱交換器１００の水の流れ方向に垂直な断面（図５のＡ−Ａ断面）図、図７及び図８は、熱交換器１００の水の流れ方向に垂直な他の断面図である。本実施の形態において、実施の形態１と同一の箇所については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３３】
本実施の形態の熱交換器１００は、複数の内管（３ａ、３ｂ）が外管５の内部に配置されて構成されている。本実施の形態では、２本の内管（３ａ、３ｂ）が外管５の内部に配置されている。なお、内管の本数は２本以上であってもよい。
【００３４】
熱交換器１００の端部には、冷媒端部管９が設けられている。冷媒端部管９は、冷媒の流入口９ａまたは流出口９ｂを形成するとともに、２本の内管（３ａ、３ｂ）を互いに接続するものである。また、熱交換器１００の端部には、水用分岐管１０が設けられている。水用分岐管１０は、内管３と外管５とを分岐させるとともに、第１流体の流入口１０ａまたは流出口１０ｂを形成する。外管５の端部は、水用分岐管１０に予め定められた長さＬ１だけ挿入して、かつ、水用分岐管１０内に第１流体の流路を確保するための幅Ｌ２（Ｌ１＜Ｌ２）を設けて溶接接合したものである。
【００３５】
内管（３ａ、３ｂ）は互いに螺旋状に捻り合わされた状態で外管５の内部に配置されている。図５及び図６に示すように、内管（３ａ、３ｂ）は、内管（３ａ、３ｂ）の中心（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）と外管５の中心Ｃ１とが互いに偏心した状態で、外管５の内部に配置されている。外管５と、互いに螺旋状に捻り合わされた２本の内管（３ａ、３ｂ）との間に、第１流体が流れる流路が形成される。
【００３６】
外管５の外表面には、複数のディンプル（８ａ、８ｂ）が設けられている。複数のディンプル（８ａ、８ｂ）は、水の流れ方向に平行な断面（図５）において、２本の内管３が捻り合わされて、外管５の内表面との距離Ｌａが最も短くなる近接部３０の間に設けられている。すなわち、隣接する近接部３０の間では、内管（３ａ、３ｂ）と外管５のない表面との距離が増大して、第１流体の流通抵抗が低下することにより、第１流体が層流となりやすいが、その領域に深さＨ＞（Ｄ−Σｄ）／２のディンプルが設けられているので、第１流体の乱流化を促進して熱交換性能を向上させることができる。ここで、Σｄは、複数の内管（３ａ、３ｂ）の外径ｄの合計を示すものである。なお、ディンプル８の深さＨは、（Ｄ−Σｄ）／２＜Ｈ３＜Ｄ／２の範囲であることが好ましい。
【００３７】
なお、本実施の形態では、図５に示すように、近接部３０の間で、ディンプル８を１つ設けているが、２つ以上のディンプル８が設けられていてもよい。すなわち、内管（３ａ、３ｂ）を捻り合わせたときの近接部３０同士の距離（巻ピッチ）Ｐ１が、ディンプル８同士の距離（ディンプル８ａとディンプル８ｂの距離：凹みピッチ）Ｐ２よりも大きくなるようにすればよい。
【００３８】
より好ましくは、ディンプル８は、隣り合う２本の内管（３ａ、３ｂ）の共通接線Ｔよりも、外管５の内方側まで到達する深さで設けられていることが好ましい。また、好ましくは、ディンプル８は、図７及び図８に示すように、隣り合う２本の内管（３ａ、３ｂ）の双方と接触するように構成されていることが好ましい。このとき、内管（３ａ、３ｂ）の中心（Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ）は、図７及び図８に示すように外管５の中心Ｃ２を通る線分からずれていてもよい。
【００３９】
このように、ディンプル８を隣り合う２本の内管（３ａ、３ｂ）の共通接線Ｔよりも内方側に到達する深さで設けると、熱交換器１００が振動した場合等には、ディンプル８が隣り合う２本の内管（３ａ、３ｂ）の双方と接触して、その位置が固定される。これにより、運搬時の熱交換器１００の破損等を防止することができる。
【００４０】
また、熱交換器１００の組み立て時には、外管５に内管（３ａ、３ｂ）を挿入してから、水用分岐管１０及び冷媒端部管９を溶接接合する必要があるが、このときも、ディンプル８が内管（３ａ、３ｂ）と当接してその位置が固定されるので、溶接接合を精度よく行うことができる。その結果、製造工程を簡略化することができるとともに、外管５と内管（３ａ、３ｂ）とが精度よく固定されるので、熱交換器１００の性能を向上させることができるとともに、熱交換器１００の性能のバラつきを抑制することができる。
【００４１】
すなわち、内管（３ａ、３ｂ）同士を捻り合わせる工程と、ねじり合わされた内管（３ａ、３ｂ）を外管５に挿入する工程と、外管５に内管（３ａ、３ｂ）を挿入した状態で、外管５にディンプル８を成型する工程と、水用分岐管１０及び冷媒端部管９を溶接接合する工程と、を順に行うことで、熱交換性能に優れた熱交換器１００を、その製造工程の簡易・簡略化を図りながら製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、熱交換性能に優れ、製造も容易であるので、水や不凍液を加熱して給湯、暖房に用いる機器に適用することができる。
【符号の説明】
【００４３】
３  内管
５  外管
８、８ａ、８ｂ  ディンプル
９  冷媒端部管
９ａ  流入口
９ｂ  流出口
１０  水用分岐管
１０ａ  流入口
１０ｂ  流出口
Ｈ  深さ
Ｃ１、Ｃ２  中心
【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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