(57)【要約】【課題】小型かつ熱交換能力に優れた熱交換器を提供すること。【解決手段】断面が長円状に形成され、第一流体が流れる第一流路２と、第一流路２内に配設され、第二流体が流れる第二流路４と、を備え、第二流路４は、第一流路２の長径方向に繰り返し屈曲する波形状部４ｃを有し、第一流路２および第二流路４は、第一流路２の長径方向を軸として折り曲げられて蛇行状または渦巻状に形成されているので、第二流路が第一流路内の全体にわたって配置され、第一流体は、波形状の流路を横切ることによって乱流となるので、熱交換量が増大して熱交換能力が増大するとともに、第一流路と第二流路とを、長径方向を軸として折り曲げ形成して小型化を図ることができる。【選択図】図２
2015021620.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面が長円状に形成され、第一流体が流れる第一流路と、
前記第一流路内に配設され、第二流体が流れる第二流路と、を備え、
前記第二流路は、前記第一流路の長径方向に繰り返し屈曲する波形状部を有し、
前記第一流路および前記第二流路は、前記第一流路の長径方向を軸として折り曲げられて蛇行状または渦巻状に形成されることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記第一流路の内表面の上端と前記第二流路との間の間隙が、前記第一流路の内表面の下端と前記第二流路との間の間隙よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第一流路の折曲部に、第一流路の内方に向かって突出する突部を設け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】
前記第一流路の内部には複数の前記第二流路が配設され、
複数の前記第二流路は、前記第一流路の短径方向から見て互いに交差しないように配設されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１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、高温または低温の液体を生成する熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱交換器には、冷媒と水とを熱交換させて、高温湯を生成するものがあり、水が流れる配管（外管）の内部に冷媒が流れる配管（内管）が配置された二重管式のものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の熱交換器は、１本の外管と、外管の内部に配設されて螺旋状にねじられた２本の内管とで構成され、外管の断面形状は楕円形状となっている。これにより、外管の短径方向に曲げ加工を行うことで、外管が円形の場合と比較して熱交換器の小型化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１０２０４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、外管が楕円状に形成されているので、螺旋状にねじられた内管と外管との間の距離が短径方向と長径方向とで異なり、熱交換が円滑に行われず、熱交換能力が低下してしまう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、楕円形状の外管を採用して熱交換器の小型化を図りつつ、熱交換能力を向上させることが可能な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】
【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、断面が長円状に形成され、第一流体が流れる第一流路と、前記第一流路内に配設され、第二流体が流れる第二流路と、を備え、前記第二流路は、前記第一流路の長径方向に繰り返し屈曲する波形状部を有し、前記第一流路および前記第二流路は、前記第一流路の長径方向を軸として折り曲げられて蛇行状または渦巻状に形成されることを特徴とするものである。
【０００８】
これにより、第二流路は、第一流路の内部に、第一流路の長径方向に対して互いに近づいたり遠ざかったりするように配置される。よって、第一流体と第二流体との双方の乱流化を促進するとともに、第一流体と第二流体との熱交換を円滑に行わせることができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型で熱交換能力に優れた熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態における熱交換器の内部構造を示す側方断面図、（ｂ）同熱交換器の第一流路の内部構造を示す断面図
【図２】（ａ）同熱交換器の上面図、（ｂ）同熱交換器のヘッダの構造を示す側面図
【図３】同熱交換器の第一流路の内部の間隙を示す側方断面図
【図４】（ａ）同熱交換器の折曲部の構造を示す斜視図、（ｂ）同熱交換器の折曲部の内部構造を示すＡ−Ａ断面図
【図５】（ａ）同熱交換器の他の形態を示す側方断面図、（ｂ）同熱交換器の第一流路の内部構造を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
第１の発明は、断面が長円状に形成され、第一流体が流れる第一流路と、前記第一流路内に配設され、第二流体が流れる第二流路と、を備え、前記第二流路は、前記第一流路の長径方向に繰り返し屈曲する波形状部を有し、前記第一流路および前記第二流路は、前記第一流路の長径方向を軸として折り曲げられて蛇行状または渦巻状に形成されることを特徴とする熱交換器である。
【００１２】
かかる構成とすることにより、第一流体が第二流路を横切る際の伝熱促進効果を効率よく得ることができ、熱交換能力が向上しヒートポンプ機器の性能向上に寄与できる。また、第一流路の長径方向を軸として折曲部を形成するので、折曲部の曲率半径を小さくするとともに水平方向の寸法を小さくして、高密度な実装が可能となる。よって、収納性が向上するとともに大幅な熱交換能力向上が可能となる。
【００１３】
さらに、第二流路が波形状であることから、直管の場合と比較して第一流路の折曲部において、第一流路の外周側の内壁と内周側の内壁に当接する第二流路の面積が大きくなる。よって、輸送時等の振動防止が可能となり破損等が防止され、熱交換器の信頼性が向上する。また、特に第二流路の剛性が向上するので曲げ時に座屈することもない。
【００１４】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記第一流路の内表面の上端と前記第二流路との間の間隙が、前記第一流路の内表面の下端と前記第二流路との間の間隙よりも大きいことを特徴とするものである。
【００１５】
かかる構成とすることにより、熱交換が行われて高温となり、自然対流によって自然に上部に分布する第一流体を速やかに流通させることが可能となるので、熱交換能力が向上する。
【００１６】
第３の発明は、特に第１または第２の発明において、前記第一流路の折曲部に、第一流路の内方に向かって突出する突部を設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
かかる構成とすることにより、折曲部での淀みによる熱伝達低下を防止し伝熱促進が可能となり熱交換能力が向上する。
【００１８】
第４の発明は、特に第１から第３のいずれかの発明において、前記第一流路の内部には複数の前記第二流路が配設され、複数の前記第二流路は、前記第一流路の短径方向から見て互いに交差しないように配設されていることを特徴とするものである。
【００１９】
かかる構成とすることにより、第一流路内に複数の第二流路を配設した場合に、隣接する波形状の第二流路による相互の流体乱流効果を得て熱交換能力が向上する。
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態）
図１は、本実施の形態における熱交換器の内部構造を示す側方断面図、図２（ａ）は、同熱交換器の上面図、図２（ｂ）は、同熱交換器の側面図である。
【００２２】
以下、本発明の熱交換器を、ヒートポンプ式給湯機などのヒートポンプ装置に使用され、第一流体である水と第二流体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器として使用する場合について説明する。
【００２３】
冷媒はヒートポンプ回路を循環するものであり、冷媒としては例えば二酸化炭素が用いられる。ただし、第一流体および第二流体はこれらに限定されない。例えば、水に代えて、油、ブラインなどを第一流体として使用することも可能である。また、第一流体および第二流体の双方が液体または気体であってもよい。
【００２４】
図１に示すように、熱交換器１は、第一流体（例えば水）が流動し、流動方向の垂直断面が長円形状である第一流路２と、第二流体（例えば二酸化炭素などの高温冷媒）が流動し第一流路２内に配設される第二流路４とを有する。第一流体は矢印３ａ方向に流動し第二流体は矢印３ｂ方向に流動し、対向流が構成されて熱交換を行う。ここで、長円形状とは、楕円形状のみならず、略半円形状と略半円形状とを直線でつないだ形状を含むものである。これにより、第一流路２は長径と短径とを有することになる。
【００２５】
第二流路４は、第一流体の長径方向に繰り返し屈曲して振幅を有する波形状部４ｃを備えている。なお、本実施の形態では、第二流路４の全体にわたって波形状部が形成されている。よって、第二流路４は、長円形状断面を有する第一流路２内の長径方向の上部から下部までの広い領域に配置されている。第一流路２は、例えば引き抜き加工あるいはプレス等で長円加工された銅管が用いられる。
【００２６】
また、図２に示すように、第一流路２の両端部にはそれぞれ入口ヘッダ５および出口ヘッダ６が接続されており、さらに入口ヘッダ５および出口ヘッダ６には、第一流体および第二流体の流入管および流出管が接続されている。入口ヘッダ５には第一流体流出管７が接続され、また入口ヘッダ５内を貫通するように第二流路４と第二流体流入管８が接続されている。出口ヘッダ６には第一流体流入管９が接続され、また出口ヘッダ６内を貫通するように第二流路４と第二流体流出管１０が接続されており、それぞれヒートポンプ給湯機の水回路および冷媒回路に接続されている（図示せず）。熱交換器１は、第一流路２の長円形状断面の長径方向を曲げ軸として渦巻状に形成されている。なお、熱交換器１は、渦巻状以外にも、入口ヘッダ５と出口ヘッダ６との間で蛇行状に形成されていてもよい。
【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】
図１に示すように、第一流路２内に矢印３ａ方向から流入した水は、第二流路４内に矢印３ｂ方向から流入した高温冷媒と熱交換を行う。水と高温冷媒は対向流を形成しているので全域に渡り両流体間で温度差を有し良好な熱交換が可能となる。
【００２９】
さらに、第二流路４は、第一流路２の長径方向に振幅する波形状部４ｃを有し、長円形状断面を有する第一流路２内の長径方向の上部から下部までの広い領域に配置されているので、第一流路２内の水は、波形状部４ｃを何度も横切るように流動する。その際に、衝突あるいはうねりによる乱流効果が得られるので伝熱促進が活発になり、熱交換能力向上が可能となる。従って、ヒートポンプ給湯機の性能向上が可能となる。
【００３０】
また、熱交換器１は、第一流路２の長円形状断面の長径方向を曲げ軸として渦巻状または蛇行状に形成されているので、第一流路２および第二流路４が長尺であっても小型化を図ることができる。したがって、高密度な実装が可能となるので収納性が向上するとともに、大幅な熱交換能力向上が可能となる。
【００３１】
また、第二流路４に波形状部４ｃが設けられていることから、第二流路４が直管の場合
と比較して、折曲部２０の外周側内壁および内周側内壁に当接する第二流路４の面積が増大し、輸送時等の振動防止が可能となり信頼性が向上する。また、第一流路２と第二流路４とが当接して一体となり、剛性が増大するので、第一流路２と第二流路４とを曲げ加工する場合にも座屈することがなく生産性および信頼性が向上する。
【００３２】
また、第二流路４と接触している第一流路２の部分は伝熱面となり、第二流路４と第一流路２の双方から第一流体を加熱することができるので、熱交換能力向上が可能となる。
【００３３】
さらに、第一流路２は長円形状断面の長径方向を曲げ軸として渦巻状または蛇行状に曲げられているので、第一流路２を折り曲げる際の内周と外周との長さの差が小さくなり、第一流路２の偏肉を抑えることが可能であり、熱交換器の信頼性をより向上させることができる。
【００３４】
また、図３に示すように、第一流路２の長径方向の上部内壁１１ａと第二流路４の振幅頂部１２ａ、１２ｂとの間に間隙１３ａ、１３ｂがそれぞれ設けられている。この間隙１３ａにおける、上部内壁１１ａの上端と第二流路４の上方側の振幅頂部１２ａとの間の寸法は、第一流路２の長径方向の下部内壁１１ｂの下端と第二流路４の下方側の振幅頂部１２ｂとの間の間隙１３ｂの寸法よりも大きくしている。なお、間隙１３ａの寸法が間隙１３ｂの寸法よりも大きい場合には、間隙１３ｂは設けられていなくてもよい。すなわち間隙１３ｂの寸法は０であってもよい。
【００３５】
かかる構成とすることにより、第二流路４内を流動する高温冷媒と熱交換を行い高温となった第一流路２内を流動する水は、密度差による自然対流によって、第一流路２の内部の上方に分布する。ここで、前述のように、第一流路２の長径方向の上部内壁１１ａと第二流路４の振幅頂部１２ａとの間には間隙１３ａが設けられているので、熱交換して高温となった水は間隙１３ａを流動し、その流れが過度に阻害されることがなく、熱交換能力が向上する。
【００３６】
また、図４（ａ）は、熱交換器１の折曲部の構造を示す斜視図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００３７】
熱交換器１は、渦巻状に形成した折曲部２０の内周側に、第一流路２の内表面に突出した凸部２１が設けられている。凸部２１は、第一流路２の表面を外方から内方に向かって押圧することで形成される。よって、第一流路２の外表面には、凸部２１と対向する位置に凹部２２が形成される。
【００３８】
凸部２１がない場合では、第一流路２内を矢印３ａ方向に流動する水は、折曲部２０を通過する際に折曲部２０で管壁から離れて流速が低下する。これにより、折曲部２０の内部では、いわゆる淀みが生じ、第一流体と第二流体との熱伝達が円滑に行われなくなる。一方、本実施の形態では、淀みが生じる領域に凸部２１を設けているので、第一流体の乱流化が促進され、熱伝達が円滑に行われなくなることを抑制し、熱交換能力を高く維持することができる。
【００３９】
なお、折曲部２０の内側に突出する凸部を設けているが、凹部であってもよい、これにより淀みの発生を抑制して伝熱を促進し、熱交換能力を高く維持することができる。
【００４０】
また、図５（ａ）（ｂ）に示すように、第一流路２内に２本の第二流路４ａ、４ｂを配設してもよい。このとき、第二流路４ａ、４ｂは、第一流路２の短径方向から見て互いに交差しないように配置されている。
【００４１】
かかる構成とすることにより、矢印３ｃのように第二流路４ａ、４ｂと第一流路２との間を流動する水の流れに加え、第二流路４ａと第二流路４ｂとの間を流動する水の流れ（矢印３ｄ）が生じ、第一流体の乱流化を促進することができるので熱交換能力が向上する。
【００４２】
なお、図５においては、第二流路４の本数を２本としているが、それ以上の本数とすることもでき、同様の作用効果を期待することができる。
【００４３】
さらに、本実施の形態において、第二流路４を銅管としたが、銅以外の素材であってもよい。なお、銅管は、熱伝達率が大きく、配管加工が容易な点で好ましい。
【００４４】
なお、本実施の形態では、第二流路４および冷媒管内を流れる冷媒を二酸化炭素としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ等）の冷媒、あるいはこれらの代替冷媒とすることも同様の作用効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、小型かつ熱交換能力に優れているので、給湯機、温水暖房機、空気調和機、ヒートポンプを用いた乾燥機能を有する洗濯乾燥機の他、燃料電池における熱交換の用途としても適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１  熱交換器
２  第一流路
４、４ａ、４ｂ  第二流路
４ｃ  波形状部
５  入口ヘッダ
６  出口ヘッダ
７  第一流体流出管
８  第二流体流入管
９  第一流体流入管
１０  第二流体流出管
１１ａ  上部内壁
１１ｂ  下部内壁
１２ａ、１２ｂ  振幅頂部
１３ａ、１３ｂ  間隙
２０  折曲部
２１  凸部
２２  凹部
【図１】
2015021620.tif 000003
【図２】
2015021620.tif 000004
【図３】
2015021620.tif 000005
【図４】
2015021620.tif 000006
【図５】
2015021620.tif 000007