(57)【要約】  【課題】高い精度や、大型の設備を必要としない簡易な工法で、水用流路の断面積を縮小して流速を増加させたり、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させたりしなくとも、熱交換性能に優れた二重管式熱交換器を提供する。  【解決手段】断面形状が小径の銅製の線材１０を、冷媒管２の外管３の外表面に冷媒管２の管軸方向及び周方向に離間するように螺旋状に巻き付けることにより、冷媒管２の外管３の外表面に冷媒管２の管軸方向あるいは周方向に離間した凸部を設けることができ、離散的に外壁面に対して垂直方向の剪断流れを起こし、冷媒管２の外壁面近傍の流動抵抗を極力小さく抑えつつ、外壁面近傍を流れる高温の水と外壁面から比較的に離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層を乱すことができる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に流体Ａが流れる第一の管と、内部に流体Ｂが流れる第二の管と、からなり、前記第二の管を前記第一の管内に配設した構成であって、前記第二の管の外表面に、前記第二の管の管軸方向、あるいは周方向に凹凸を形成した熱交換器。
【請求項２】
前記第二の管の外表面に、前記第二の管の管軸方向、あるいは周方向に互いに離間して凸部を形成した請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第二の管の外表面に、板状のフィンを螺旋状に巻き付けた請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第二の管の外表面に、小径の線材を螺旋状に巻き付けた請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項５】
複数本の前記第二の管を互いに螺旋状にねじり合わせ、複数本の前記第二の管のねじりのピッチは、前記第二の管に螺旋状に巻き付けられた前記フィンあるいは前記小径の線材のピッチより緩やかである請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第二の管は、外管と内管とが少なくとも一部に隙間を持ちつつ熱的に密着した二重管である請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記流体Ａと前記流体Ｂとが対向流とし、前記流体Ｂが前記第二の管を介して前記流体Ａを加熱する請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記流体Ａの流入側に比べ、前記流体Ａの流出側の前記第二の管の外表面に設けた凸部が、より管軸方向に離間している請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素とする請求項１から８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、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、内部に冷媒用流路が形成された内管と、内管の外側に設けられ内管との間に水用流路が形成された外管と、から構成された二重管を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１３は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の平面図、図１４は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の断面図を示すものである。
【０００４】
図１３、図１４で示すように、この熱交換器１０１は二重管式の熱交換器であり、内部に冷媒用流路１０２が形成された内管１０３と、内管１０３の外側に設けられ、内管１０３との間に水用流路１０４が形成された銅製の外管１０５と、から構成され、内管１０３が２本設けられている。内管１０３は、銅製の冷媒管１０６と、冷媒管１０６の外周に設けられた銅製の漏洩検知管１０７と、から構成され、冷媒管１０６を拡管するか、或いは、漏洩検知管１０７を縮管することにより、冷媒管１０６と漏洩検知管１０７とは密着されている。また、漏洩検知管１０７の内面には、配管方向に沿って多数の漏洩検知溝１０８が形成されており、漏洩検知溝１０８内には空気層が形成されている。さらに、漏洩検知溝１０８は外部に設けられた漏洩検知センサー（図示せず）に接続されており、内管１０３又は外管１０５から漏洩した冷媒又は水は漏洩検知溝１０８を介して外部に漏出し、漏洩検知センサーにより検知されるようになっている。
【０００５】
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。
【０００６】
熱交換器１０１は、内管１０３と外管１０５との二重管により形成され、冷媒と水とが熱伝導性の良い銅製で且つ密着された冷媒管１０６と漏洩検知管１０７を介して熱交換されるようになっているため、内管１０３が水との接触面積が大きくとれ、熱交換効率を向上させることできる。また、例え、腐食等により冷媒管１０６や漏洩検知管１０７に孔や亀裂が生じ、冷媒や水が漏洩したとしても、その漏洩を漏洩検知溝１０８を介して確実に検知することができ、さらに、冷媒と水との間には冷媒管１０６と漏洩検知管１０７により二重に境界壁が形成されており、いずれか一方に孔や亀裂等の欠陥が発生したしても、冷媒と水が互いに混入し合うおそれがない。したがって、熱交換器１０１の信頼性を高く維持することができる。また、熱交換器１０１が二重管式となっているため、曲げ加工が容易にでき、製造コストの低減化が可能となると共に、コンパクト化を図ることができる。
【特許文献１】特開２００５−６９６２０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、水と接触し熱伝達する内管１０３の外表面が銅製のなめらかな丸管状であるため、速度境界層（もしくは温度境界層）が発達しやすく、熱交換能力を向上させるためには、流速を増加させたり、熱交換器１０１の管長を長くし、内管１０３の伝熱面積を大きくする手法をとる必要があった。
【０００８】
このため、上記のような手法では、まず、流速を増加させるため、外管１０５の径を小さくし水用流路１０４の断面積を縮小すると、水道水にカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分が含まれているので、加熱し水の温度が上昇するとカルシウムの溶解度が低下して水に溶けていたカルシウムが析出し、析出したカルシウムが内管１０３の外壁と外管１０５内壁に付着し、水用流路１０４が詰まってしまい熱交換器１０１が機能しなくなるという課題を有していた。また、熱交換器１０１の管長を長くすると、熱交換器１０１のサイズが大きくなったり、重量が増加するという課題を有していた。
【０００９】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水用流路の断面積を縮小して流速を増加させたり、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させたりしなくとも、高い精度や、大型の設備を必要としない簡易な工法で、熱交換性能に優れた二重管式の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】
【００１０】
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が流れる第一の管と、内部に流体Ｂが流れる第二の管と、からなり、前記第二の管を前記第一の管内に配設した構成であって、前記第二の管の外表面に、前記第二の管の管軸方向、あるいは周方向に凹凸を形成したものである。
【００１１】
これによって、前記第二の管の外表面の凹凸により、前記第二の管の外壁面近傍を流れる水の剪断力に差が生じ、外壁面に対して垂直方向の剪断流れが生じることで、外壁面近傍を流れる高温の水と外壁面から比較的に離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層が乱れ、混合することで、熱伝達性を向上させることができるとともに、冷媒と水との熱交換面積を拡大させることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の二重管式の熱交換器は、外壁面近傍の高温の水と外壁面から離れた比較的低温の水によって形成されていた温度境界層が乱れ、混合することで、水用流路の断面積を縮小して流速を増加させたり、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させたりしなくとも、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、内部に流体Ａが流れる第一の管と、内部に流体Ｂが流れる第二の管と、からなり、前記第二の管を前記第一の管内に配設した構成であって、前記第二の管の外表面に、前記第二の管の管軸方向、あるいは周方向に凹凸を形成したことにより、第二の管の外壁面近傍を流れる水の剪断力に差が生じ、外壁面に対して垂直方向の剪断流れが生じることで、外壁面近傍を流れる高温の水と壁面から比較的に離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層が乱れ、混合することで、熱伝達性を向上させることができ、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。
【００１４】
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、前記第二の管の外表面に、前記第二の管の管軸方向、あるいは周方向に互いに離間して凸部を形成したことにより、第二の管の外壁面で生じる剪断流れを第二の管の管軸方向、あるいは周方向に離散させて発生させることができ、第二の管の外壁面近傍の流動抵抗を低く抑えることができる。
【００１５】
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、前記第二の管の外表面に、板状のフィンを螺旋状に巻き付けたことにより、第二の管の外表面に直接凹凸を設けるための転造加工を施す大型の製造設備を必要とせず、螺旋の間隔を密にしたり、粗にしたりすることで、第二の管の外表面に第二の管の管軸方向あるいは周方向に大きな凹凸あるいは離間した大きな凸部を設けることができ、外壁面近傍を流れる高温の水と外壁面から比較的に離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層を乱すことができる。
【００１６】
請求項４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、前記第二の管の外表面に、小径の線材を螺旋状に巻き付けたことにより、第二の管の外表面に直接凹凸を設けるための転造加工を施す大型の製造設備を必要とせず、さらにフィンを立てるための位置決め、巻き付け強さを高精度で行うための技術、装置を必要としない簡易な工法と安価な設備で、螺旋の間隔を密にしたり、粗にしたりすることで、第二の管の外表面に第二の管の管軸方向あるいは周方向に凹凸あるいは離間した凸部を設けることができ、第二の管の外壁面近傍の流動抵抗を低く抑えつつ、外壁面近傍を流れる高温の水と外壁面から比較的に離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層を乱すことができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、複数本の前記第二の管を互いに螺旋状にねじり合わせ、複数本の前記第二の管のねじりのピッチは、前記第二の管に螺旋状に巻き付けられた前記フィンあるいは前記小径の線材のピッチより緩やかであることにより、外壁面近傍を流れる高温の水と外壁面から離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層を乱すことができる。さらに、第一の管の管内の流体Ａ全体に旋回流として、流体Ａの流れを乱流攪乱し第一の管の流体Ａ全体に熱が拡散され熱伝達率の向上が図れる。さらに、ねじられた複数本の第二の管の間にフィンや小径の線材により隙間ができ、複数本の第二の管の周囲ほぼ全体を流体Ａとの有効接触面積とすることができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前記第二の管は、外管と内管とが少なくとも一部に隙間を持ちつつ熱的に密着した二重管であることにより、熱抵抗を小さく保ちつつ、流体Ａ又は流体Ｂが隙間を介して漏出することにより、流体Ａ又は流体Ｂの漏洩を検知可能なように構成されていることで流体Ａと流体Ｂの間は二重壁で両流体が混合しにくくなり、かつ隙間を介して外部に漏出し検知されることで安全性が向上する。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明において、前記流体Ａと前記流体Ｂとが対向流とし、前記流体Ｂが前記第二の管を介して前記流体Ａを加熱することにより、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができる。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の発明において、前記流体Ａの流入側に比べ、前記流体Ａの流出側の前記第二の管の外表面に設けた凸部が、より管軸方向に離間していることにより、流体Ａが流体Ｂにより加熱される場合に、高温となる流出側では、水に含まれるカルシウムが析出し流出側の第二の管の外表面で不付着しやすい凸部が疎らになるため、カルシウムスケールが成長して水の流動を封止させず、熱交換の停止することを抑制することができる。また、水の流速を落とさないため第二の管との熱伝達率の低下を極力抑えることができ、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。
【００２１】
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、前記流体Ａを水とし、前記流体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。
【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。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。
【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平面図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図、図３は、同実施の形態における熱交換器の要部切除斜視図である。
【００２４】
図１から図３において、熱交換器本体１は、内面に漏洩検知溝５を持つ外管３と内管４とが相互に熱的に密着した二重壁２ａを持ち、内管４の内部を二酸化炭素が流動する銅製の冷媒管２と、冷媒管２とほぼ同軸で、内部に冷媒管２を備え冷媒管２との間の略環状部を水が流動する銅製の水管６と、で構成している。冷媒管２の外管３の外表面には、冷媒管２の管軸方向及び周方向に離間するように、断面形状が薄板の銅製フィン７を密着するように螺旋状に巻き付けている。
【００２５】
また、冷媒管２の二酸化炭素の流入口８ａ、流出口８ｂと、水管６の水の流入口９ａ、流出口９ｂは各々の流れが対向するように設けられている。
【００２６】
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。
【００２７】
まず、冷媒管２の内部を二酸化炭素が流動し、水管６と冷媒管２との間の環状部を水が対向して流れ、外管３と内管４の二重壁２ａを介して二酸化炭素と水が熱交換する。
【００２８】
ここで、二酸化炭素と水の間において、内面に漏洩検知溝５を持ち二酸化炭素と水が漏洩検知溝５を介して漏出し、検知センサー（図示せず）にて検知可能なように構成されていることで、安全性を確保する二重壁２ａを備えつつ十分な接触面積を確保するため、外管３と内管４の二重壁２ａを介して高い熱伝導性を得る。
【００２９】
さらに、冷媒管２内の二酸化炭素と水管６と冷媒管２の間の水が対向流となっているため、効率のよい熱交換を実現することができ、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。
【００３０】
そして、冷媒管２の外管３の外表面に薄板状のフィン７を螺旋状に巻き付けたことにより、冷媒管２の外管３の外表面にフィン加工するための高度な加工技術や転造するための大型製造設備を必要とせず、冷媒管２の管軸方向あるいは周方向に離間した大きな凸部を設けることができ、冷媒管２の外管３の外壁面近傍を流れる水の剪断力に差を生じさせ、離散的に外壁面に対して垂直方向の剪断流れを起こし、流動抵抗を低く抑えつつ冷媒管２の外管３の外壁面近傍を流れる高温の水と外壁面から比較的に離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層を乱すとことができ、混合することで、熱伝達性を向上させることができる。
【００３１】
また、螺旋の間隔を密にしたり、粗にしたりすることで、冷媒管２の管軸方向あるいは周方向に大きな凹凸あるいは離間した大きな凸部を容易に設定することができ、水と二酸化炭素の熱交換器１の水側圧損と加熱能力の諸性能をバランス良く容易に設計することができる。
【００３２】
尚、本発明の実施の形態では、ファン７を薄板状のものとしたが、針状、あるいは波板状としても同様な効果を得られる。
【００３３】
尚、本発明の実施の形態では、冷媒管２の外管３、内管４、水管６及びフィン７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。
【００３４】
尚、本発明の実施の形態では、冷媒管２内を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、Ｒ４１０Ａ等の冷媒でも同様な効果を得られる。
【００３５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における熱交換器の平面図、図５は、図４のＢ−Ｂ断面図、図６は、同実施の形態における熱交換器の要部切除斜視図である。尚、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。
【００３６】
図４から図６において、断面形状が小径の銅製の線材１０は、冷媒管２の外管３の外表面に、冷媒管２の管軸方向及び周方向に離間するように螺旋状に巻き付けている。
【００３７】
以上のように、構成された熱交換器１について、以下その動作を説明する。
【００３８】
冷媒管２の外管３の外表面に直接凹凸を設けるための転造加工を施す大型の製造設備を必要とせず、さらにフィンを立てるための位置決め、巻き付け強さを高精度で行うための技術、装置を必要としない簡易な工法と安価な設備で、冷媒管２の外管３の外表面に冷媒管２の管軸方向あるいは周方向に離間した凸部を設けることができ、離散的に外壁面に対して垂直方向の剪断流れを起こし、冷媒管２の外壁面近傍の流動抵抗を極力小さく抑えつつ、外壁面近傍を流れる高温の水と壁面から比較的に離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層を乱すことができる。
【００３９】
尚、本実施の形態では、線材１０を断面形状が円状のものとしたが、四角形状、あるいは多角形状などあるいは異径のものでも同様な効果を得られる。
【００４０】
（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における熱交換器の平面図、図８は、同実施の形態における熱交換器の要部を示す図７のＣ部（水流入側）の一部を切除した部分平面図、図９は同実施の形態における熱交換器の要部を示す図７のＤ部（水流出側）の一部を切除した部分平面図である。尚、実施の形態１、２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。
【００４１】
図７から図９において、水の流入側に比べ、水の流出側の冷媒管２の外管３の外表面に断面形状が小径の銅製の線材１１が管軸方向あるいは周方向に、より離間して配設されている。
【００４２】
以上のように、構成された熱交換器１について、以下その動作を説明する。
【００４３】
二酸化炭素により加熱される水の場合に、高温となる流出側では、冷媒管２の管軸方向に対する線材１１が疎らに巻き付けられるため、水に含まれるカルシウムが析出し不付着しやすい線材１１による凸部が疎らになるため、カルシウムスケールが成長して水の流動を封止させず、熱交換の停止することを抑制することができる。また、水の流速を落とさないため冷媒管２との熱伝達率の低下を極力抑えることができ、熱交換器１全体として熱伝達率の低下を極力抑制することができる。
【００４４】
（実施の形態４）
図１０は、本発明の実施の形態４における熱交換器の平面図、図１１は、図１０のＥ−Ｅ断面図である。図１２は、同実施の形態における熱交換器の要部切除平面図である。尚、実施の形態１、２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。
【００４５】
図１０から図１２において、二本の冷媒管２Ｘが互いに螺旋状にねじり合わされ、二本の冷媒管２Ｘのねじりのピッチは、冷媒管２Ｘの外管３の外表面に螺旋状に巻き付けられた銅製の小径の線材１０のピッチより緩やかである。
【００４６】
以上のように、構成された熱交換器１について、以下その動作を説明する。
【００４７】
まず、冷媒管２Ｘの外管３の外表面に螺旋状に配設された小径の線材１０により冷媒管２Ｘの外管３の外壁面近傍を流れる高温の水と外壁面から離れたところを流れる比較的低温の水によって形成されていた温度境界層を乱すことができる。さらに、水管６内の水全体を旋回流にして流れを乱流攪乱し、水全体に熱が拡散され熱伝達率の向上が図れる。
【００４８】
さらに、ねじられた２本の冷媒管２Ｘの間に線材１０により隙間ができ、２本の冷媒管２Ｘの周囲ほぼ全体を水との有効接触面積とすることができる。
【００４９】
尚、本発明の実施の形態では、冷媒管２Ｘの本数を２本としたが、３本以上でも同様な効果を得られる。
【００５０】
尚、本実施の形態では、小径の線材１０を冷媒管２Ｘに巻き付けたが、板状のフィンを冷媒管２Ｘに巻き付けても同様な効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、熱交換性能を向上させることができるので、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、ヒートポンプの洗濯乾燥機などのヒートポンプ機器や、燃料電池等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の平面図
【図２】図１のＡ−Ａ断面図
【図３】同実施の形態における熱交換器の要部切除斜視図
【図４】本発明の実施の形態２における熱交換器の平面図
【図５】図４のＢ−Ｂ断面図
【図６】同実施の形態における熱交換器の要部切除斜視図
【図７】本発明の実施の形態３における熱交換器の平面図
【図８】同実施の形態における熱交換器の要部を示す図７のＣ部（水流入側）の一部を切除した部分平面図
【図９】同実施の形態における熱交換器の要部を示す図７のＤ部（水流出側）の一部を切除した部分平面図
【図１０】本発明の実施の形態４における熱交換器の平面図
【図１１】図１０のＥ−Ｅ断面図
【図１２】同実施の形態における熱交換器の要部切除平面図
【図１３】従来の熱交換器を示す平面図
【図１４】従来の熱交換器を示す断面図
【符号の説明】
【００５３】
１    熱交換器
２，２ｘ  冷媒管（第二の管）
２ａ  ２重壁
３    外管
４    内管
５    漏洩検知溝
６    水管（第一の管）
７    フィン
１０，１１  小径の線材
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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