(57)【要約】【課題】大径の外面フィン付き管の外周面に、小径の円形断面の管を螺旋状に巻いた形態の給湯機用熱交換器において、水と冷媒との熱交換性能を大幅に向上させると共に、水流路内にスケールが付着してしまうことを効果的に抑制した給湯機用熱交換器を提供すること。また、そのような給湯機用熱交換器を有利に製造し得る方法を提供すること。【解決手段】管内が水側流路とされた外面フィン付き管１２の、該外面フィン１６間に形成される凹所１８の底面を円弧面とし、かかる凹所１８内に冷媒管１４を収容して、外面フィン１６に沿って外面フィン付き管１２の外周面に螺旋状に巻き付けると共に、外面フィン１６を、その先端中央部においてフィン中心線に沿って切り割り、その切り割り片１６ａ，１６ｂを、凹所１８内に収容された冷媒管１４に巻き付くように、それぞれ湾曲変形せしめて、冷媒管１４に密着させるようにして、給湯機用熱交換器１０を構成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管軸方向に螺旋状に延びる外面フィンが管外面に形成されていると共に、該外面フィン間に形成される凹所の底面が円弧面とされてなる、管内が水側流路とされた大径の外面フィン付き管を用い、該外面フィン付き管の外面フィン間の凹所内に、管内に冷媒が流通せしめられる小径の冷媒管を収容し、該凹所に沿って螺旋状に配置すると共に、かかる外面フィンを、その先端中央部において、フィン中心線に沿って切り割り、その切り割り片を、管軸方向において隣り合う凹所内に収容された前記冷媒管に巻き付くように、それぞれ湾曲変形せしめて、該冷媒管に密着させるように構成したことを特徴とする給湯機用熱交換器。
【請求項２】
前記外面フィン間に形成される凹所の底面を構成する円弧面の曲率半径が、前記冷媒管の外面の曲率半径と一致させられている請求項１に記載の給湯機用熱交換器。
【請求項３】
前記外面フィン付き管が、少なくとも６ｍｍ以上の内径を有している請求項１又は請求項２に記載の給湯機用熱交換器。
【請求項４】
前記外面フィン付き管のフィン高さ（Ｈ）とフィンピッチ（Ｐ）との比（Ｈ／Ｐ）が、１以上、２以下とされている請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の給湯機用熱交換器。
【請求項５】
前記外面フィン付き管の内面に、深さ：１ｍｍ以下の凹部が、前記外面フィンに対応して螺旋状に形成されている請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の給湯機用熱交換器。
【請求項６】
前記外面フィン付き管が、銅又は銅合金からなる材質にて構成され、且つ該外面フィン付き管の内面に、錫めっきが施されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一つに記載の給湯機用熱交換器。
【請求項７】
前記冷媒が、炭酸ガスを主体とする冷媒である請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載の給湯機用熱交換器。
【請求項８】
単純円形断面の素管の外周面に対して、ディスク転造加工を施すことによって、管軸方向に螺旋状に延びる外面フィンを管外面に形成すると共に、該外面フィン間に形成される凹所の底面を円弧面としてなる、管内が水側流路とされた外面フィン付き管を形成する工程と、
該外面フィン付き管の外面フィン間の凹所内に、管内に冷媒が流通せしめられる冷媒管を収容、位置せしめて、巻き締める工程と、
該外面フィン付き管の外面フィンを、その先端中央部において、切り割りディスクによる転造加工によって、フィン中心線に沿って切り割る工程と、
かかる外面フィンの先端部に形成された切り割り片を、ロール転造により、管軸方向において隣り合う凹所内に収容された前記冷媒管に巻き付くように、それぞれ湾曲変形せしめて、該冷媒管に密着させる工程とを、
含むことを特徴とする給湯機用熱交換器の製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換媒体である冷媒と水との間で熱交換を行う型式の給湯機用熱交換器に係り、中でも、炭酸ガスを主成分とする冷媒を熱交換媒体として、これと水とを熱交換するための給湯機用の熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷媒（熱交換媒体）と水とを熱交換する給湯機用熱交換器として、かかる冷媒を流通させる流路（冷媒側流路）と水を流通させる流路（水側流路）とを、２つの伝熱管を組み合わせて構成し、それら水と冷媒との間で熱交換を行うようにした熱交換器が、各種用いられてきている。そして、そのような熱交換器で用いられる冷媒としては、従来のフロン系冷媒に代えて、オゾン層保護や地球温暖化防止の観点から、温暖化係数の低い自然冷媒が注目されてきており、近年、この自然冷媒を利用した熱交換器の開発が行われている。また、そのような自然冷媒の中でも、炭酸ガスを用いた場合にあっては、高温高圧のガス条件が得られることから、特に注目を受けているのである。
【０００３】
ところで、このような炭酸ガスを主成分とする冷媒と水との間で熱交換を行う方式の熱交換器としては、従来より、特許文献１〜５に開示されているもののように、内部に冷媒を流通させる伝熱管と、内部に水を流通させる伝熱管とを組み合わせて、一つの熱交換器を構成したものが、各種提案されている。
【０００４】
例えば、特開２００１−２８０８６２号公報（特許文献１）や特開２００３−２１４７７８号公報（特許文献２）等においては、水側流路となる管体の外面に、冷媒側流路となる管体を一体的に配設したものが、明らかにされている。即ち、特許文献１においては、内部に水等のブラインが流通せしめられる、長手方向に凹状の溝が外面に形成されたパイプを用い、かかるパイプの外面の溝に、内部を冷媒が流動せしめられるパイプを嵌合せしめて、水と冷媒との間で熱交換をするようにしたブライン熱交換器が、明らかにされているのである。また、特許文献２においては、内部に被熱交換液が流される第１熱交換パイプの周壁に、その軸方向に沿って窪み部を形成し、その窪み部内に、内部に所定の熱媒体が流される第２熱交換パイプを配設し、それら第１熱交換パイプと第２熱交換パイプをロウ付けして、一体化することにより、両者間に隙間を生じさせることのない構造として、第２熱交換パイプ内を流れる熱媒体の熱が、ロウ材を介して、第１熱交換パイプ内を流れる被熱交換液に伝達されて、熱交換されるようにしたものが、明らかにされている。
【０００５】
一方、特開２００３−２０２１９４号公報（特許文献３）においては、水通路を構成する大径の芯管の内周面に、冷媒通路を構成する複数の小径の細管を、芯管の内壁に沿って長手方向に平行に配設し、それらをロウ付け等によって一体的に構成した二重管式の熱交換器が、明らかにされている。また、特開２００１−２０１２７５号公報（特許文献４）においては、内管と外管からなる二重管式の熱交換器において、内管と外管との間に形成される流路を螺旋状に仕切る伝熱促進体を介設して、かかる流路の流路長を増大させると共に、流れる流体の流速および乱流化を増大せしめて、内管内を流れる流体から内管と外管との間を流れる流体への伝熱が促進されるようにした二重管式熱交換器が、明らかにされている。
【０００６】
しかしながら、それら提案技術のうち、例えば特許文献１や特許文献２に開示のものにあっては、冷媒側の流路が水流路内に張り出した形状とされているために、水側の圧力損失が増大してしまい、給水ポンプの揚程不足を招く等の問題が内在しているのである。そして、水側の圧力損失が増大してしまうと、給水ポンプの揚程不足を招く恐れがあるところから、その対策としては、給水ポンプの能力を大きくする必要があるが、そうすると、給湯機全体として生産コストの増大を引き起こしてしまうといった問題が、新たに惹起されるのである。
【０００７】
加えて、特許文献２に開示のものにあっては、伝熱管同士をロウ付けにて接合しているために、ロウ付け部の不良によって、冷媒側流路と水側流路の接触面積不足を招き易く、その結果、伝熱性能のバラツキが生じやすいと言う欠点をも、内在しているのである。さらに、そのようなロウ付け不良による歩留低下を招くことによって、生産性が低下したり、コストアップしてしまうといった問題も内在している。
【０００８】
また、特許文献３に開示されている二重管式熱交換器にあっては、高温側である冷媒流路が、低温側となる水側流路の中に完全に封じ込められた形態とされているため、水側流路の管体と冷媒側流路の管体とをロウ付けにて接合した形態のものよりも、冷媒の熱が外気へと放出されてしまうことが低く抑えられるという利点を有しているのであるが、水側への伝熱面積を増加するためには、流路長を長くする必要があり、熱交換器の小型化が難しくなるものであった。
【０００９】
そこで、そのような二重管式熱交換器の、水側の伝熱促進効果を高めるための方法の一つとして、特許文献４のような構造の熱交換器が提案されているのであるが、かかる文献にて開示されている熱交換器においては、水側流路におけるスケール形成の問題が生じやすいという問題が、新たに惹起されることとなる。つまり、熱交換器を長期に亘って使用することにより、水道水に含まれるカルシウム等の成分が水流路内にスケールとして析出して、流路壁に付着し、そしてその付着量（厚さ）が経時的に増大することによって、最終的には流路を閉塞してしまうようになるのである。そして、かかるスケールの付着がある程度進行したときに、その付着したスケールを除去する作業が必要となるが、その場合において、水側流路に介設されている螺旋状の伝熱促進体の存在によって、その作業は非常に行い難いものであって、現実的には、熱交換器全体を交換することとなり、これが、運用コストの悪化に繋がる問題を内在しているのである。
【００１０】
一方、特許文献１の図５においては、水側流路となる断面が真円の管体に対して、冷媒側流路となる管体を、長手方向にらせん状に巻き付けた形態の熱交換器が明らかにされている。このような形態の熱交換器にあっては、水側流路が単純な円形断面の管であるところから、水流路内におけるスケール発生の問題が生じ難いといった長所があるものの、水側流路の管体と冷媒側流路の管体との接触面積が充分ではないため、冷媒から水への伝熱性能が低く、充分な熱交換性能を発揮出来ないと言った問題を内在している。
【００１１】
このため、そのような形態の熱交換器の伝熱性能を向上させるべく、特開２００４−１９０９２２号公報（特許文献５）においては、水側流路となる外面フィン付き管の外周に、冷媒側流路となる円管を巻き付け、かかるフィンを折り曲げて固定した熱交換器が、明らかにされている。しかしながら、そのような熱交換器にあっては、単純に、フィンを折り曲げただけのものであるところから、フィンと冷媒側流路となる比較的小径の伝熱管との間の接触面積の増加は僅かであり、そのため、伝熱促進効果が充分ではないといった問題がある。また、円弧状に形成されたフィンを、特許文献５に示されているような、引き抜き加工を行って折り曲げることは、加工上、非常に難しいといった問題をも、内在している。
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２８０８６２号公報
【特許文献２】特開２００３−２１４７７８号公報
【特許文献３】特開２００３−２０２１９４号公報
【特許文献４】特開２００１−２０１２７５号公報
【特許文献５】特開２００４−１９０９２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、製造工程が比較的簡単で低コストである外面フィン付き管の外面に、比較的小径の円形断面の管を螺旋状に巻いた形態の給湯機用熱交換器において、水と冷媒との熱交換性能を大幅に向上させると共に、水流路内にスケールが付着してしまうことを効果的に抑制することが出来る給湯機用熱交換器を提供することにある。また、本発明にあっては、そのようなスケールの付着を効果的に抑制せしめた熱交換器を、有利に製作し得る方法を提供することをも、その解決課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
そして、本発明にあっては、かくの如き課題の解決のために、管軸方向に螺旋状に延びる外面フィンが管外面に形成されていると共に、該外面フィン間に形成される凹所の底面が円弧面とされてなる、管内が水側流路とされた大径の外面フィン付き管を用い、該外面フィン付き管の外面フィン間の凹所内に、管内に冷媒が流通せしめられる小径の冷媒管を収容し、該凹所に沿って螺旋状に配置すると共に、かかる外面フィンを、その先端中央部において、フィン中心線に沿って切り割り、その切り割り片を、管軸方向において隣り合う凹所内に収容された前記冷媒管に巻き付くように、それぞれ湾曲変形せしめて、該冷媒管に密着させるように構成したことを特徴とする給湯機用熱交換器を、その要旨とするものである。
【００１５】
なお、このような本発明に従う給湯機用熱交換器の望ましい態様の一つによれば、前記外面フィン間に形成される凹所の底面を構成する円弧面の曲率半径が、前記冷媒管の外面の曲率半径と一致させられることとなる。また、本発明に従う給湯機用熱交換器の望ましい態様の別の一つによれば、前記外面フィン付き管は、少なくとも６ｍｍ以上の内径を有しているものである。
【００１６】
また、本発明に従う給湯機用熱交換器の別の好ましい態様の一つによれば、前記外面フィン付き管のフィン高さ（Ｈ）とフィンピッチ（Ｐ）との比（Ｈ／Ｐ）が、１以上、２以下とされている一方、更に別の好ましい態様の一つによれば、前記外面フィン付き管の内面に、深さ：１ｍｍ以下の凹部が、前記外面フィンに対応して螺旋状に形成されている。
【００１７】
さらに、本発明の別の望ましい態様の一つによれば、前記外面フィン付き管が、銅又は銅合金からなる材質にて構成され、且つ該外面フィン付き管の内面に錫めっきが施されて、給湯機用熱交換器が構成されることとなる。
【００１８】
更にまた、本発明に従う給湯機用熱交換器の他の望ましい態様の一つによれば、前記冷媒は、炭酸ガスを主体とする冷媒が用いられることとなる。
【００１９】
加えて、本発明にあっては、上記した給湯機用熱交換器を製作する方法として、単純円形断面の素管の外周面に対して、ディスク転造加工を施すことによって、管軸方向に螺旋状に延びる外面フィンを管外面に形成すると共に、該外面フィン間に形成される凹所の底面を円弧面としてなる、管内が水側流路とされた外面フィン付き管を形成する工程と、該外面フィン付き管の外面フィン間の凹所内に、管内に冷媒が流通せしめられる冷媒管を収容、位置せしめて、巻き締める工程と、該外面フィン付き管の外面フィンを、その先端中央部において、切り割りディスクによる転造加工によって、フィン中心線に沿って切り割る工程と、かかる外面フィンの先端部に形成された切り割り片を、ロール転造により、管軸方向において隣り合う凹所内に収容された前記冷媒管に巻き付くように、それぞれ湾曲変形せしめて、該冷媒管に密着させる工程とを、含むことを特徴とする給湯機用熱交換器の製作方法を採用することも、その要旨とするものである。
【発明の効果】
【００２０】
従って、このような本発明に係る給湯機用熱交換器の構成によれば、熱交換される水の流路となる外面フィン付き管の管外周面に形成された、管軸方向に螺旋状に延びる外面フィンの間に、冷媒の流通せしめられる冷媒管が螺旋状に巻かれているところから、水の流路長に対して冷媒管の接触する面積が大きくなり、その結果、冷媒管の中を流通する高温の冷媒の熱が、外面フィン付き管の中を流通する水へと、効果的に伝達せしめられ得ることとなる。
【００２１】
また、外面フィンの間に形成される凹所の底面が、円弧面とされているところから、そのような凹所に収容せしめられる、円形の断面とされた冷媒管の外周面が、かかる凹所の表面、換言すれば、外面フィン付き管の外周面に対してより一層効果的に密着せしめられ得ることとなり、以て伝熱性能を有利に向上させることが出来る特徴を発揮する。
【００２２】
さらに、かかる外面フィン付き管の外面フィンを、その先端中央部において、フィン中心線に沿って切り割り、その切り割り片を、フィンとフィンとの間に収容せしめられた冷媒管に巻き付くように湾曲変形せしめて、冷媒管に密着するようにしているところから、フィンの側面が、ほぼ全面に亘って冷媒管の外表面に密着せしめられることとなり、冷媒流路たる冷媒管と水流路たる外面フィン付き管との熱的接触が、より一層良好と為し得るのである。そしてその結果、それらの間の接触熱抵抗が低減し、より効果的に熱交換性能が向上せしめられ得る。
【００２３】
このように、本発明に従う給湯機用熱交換器によれば、内部に水が流通せしめられる外面フィン付き管と、内部に高温の冷媒が流通せしめられる冷媒管との接触面積が、有利に増大させられ得、これによって、水と冷媒との間の熱交換性能を効果的に向上させることが可能となると共に、水流路におけるスケールの析出による閉塞を有利に阻止することが出来る給湯機用熱交換器を提供することが、可能となるのである。
【００２４】
なお、本発明において、水流路となる外面フィン付き管を、銅又は銅合金からなる材質にて構成した際に、管壁と水とが接する部分を、錫めっき皮膜で被覆するようにすれば、管材質である銅又は銅合金が、２価の銅イオンとして水に溶け出してしまうことを、効果的に抑制することが可能となり、その結果、熱交換器の使用時における青水の抑制と、熱交換器の耐食性とを、有利に確保することが出来る。
【００２５】
また、本発明に従う給湯機用熱交換器の製作方法によれば、製造工程が簡単な転造加工にて、単純な円形断面の素管に対して外面フィンを形成することと、かかる外面フィン間の凹所に巻き付けた冷媒管を固定、密着せしめることとが、可能且つ容易であるところから、生産性が向上し、給湯機用熱交換器の生産コストを、効果的に低減することが出来るのである。また、水側流路となる外面フィン付き管と冷媒管とをロウ付け等にて一体化していた従来のものの如く、ロウ付け不良によって、伝熱性能にバラツキが惹起されるような問題も、有利に解消せしめられることとなる。
【００２６】
さらに、外面フィン付き管のフィン間に冷媒管を巻き付けた後に、フィンを折り曲げて固定せしめていた従来の熱交換器よりも、フィンと冷媒管とをより効果的に密着せしめることが出来るため、それらの間の熱抵抗が減少し、熱交換器の熱交換性能を、有利に向上させることが可能となるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。
【００２８】
先ず、図１及び図２には、本発明に従う給湯機用熱交換器の一実施形態が、示されている。即ち、図１においては平面図の形態で、また図２においては横断面図の形態において、かかる実施形態が、それぞれ示されているのである。そして、そこで、給湯機用熱交換器１０は、外周面に管軸方向に螺旋状に延びる外面フィン１６が形成されたストレート状の外面フィン付き管１２の、かかる外面フィン１６，１６間に形成される凹所１８内に、細径の冷媒管１４が、該凹所１８に沿って螺旋状に巻き付けられて、構成されている。
【００２９】
より詳細には、内部に水が流通せしめられる外面フィン付き管１２は、アルミニウムや銅及びそれらの合金等の金属材料を用いて形成されたものであって、図３に示されるように、所定のフィン幅（ｔ）及びフィン高さ（Ｈ）とされた外面フィン１６が、所定のピッチ（Ｐ）にて管軸方向に螺旋状に延びるように形成されており、そして、この外面フィン１６が、図４に示される如く、その先端中央部において切り割られた後に、凹所１８に収容された冷媒管１４を覆うように湾曲変形せしめられている。
【００３０】
なお、この外面フィン付き管１２におけるフィン高さ（Ｈ）とフィンピッチ（Ｐ）との比（Ｈ／Ｐ）は、適宜に選定されるが、有利には、１以上、２以下とされることが望ましい。特に、このような比を与える、フィン高さとフィンピッチとすることによって、外面フィン付き管１２と冷媒管１４との接触面積を充分に確保すると共に、冷媒管１４の上部を覆う外面フィン１６，１６同士の干渉を抑えることが出来、以て熱交換性能を効果的に向上せしめることが可能となる。
【００３１】
そして、かかる外面フィン付き管１２の内径は、望ましくは、少なくとも６ｍｍ以上の大きさとされることとなる。このような大きさの外面フィン付き管１２とすれば、水流路の圧力損失を効果的に軽減することが可能となると共に、熱交換器の経年使用に伴う水流路内におけるスケールの発生を、有利に抑制することが出来るためである。なお、この外面フィン付き管１２の内径の上限は、一般に、１２ｍｍ程度とされることとなる。
【００３２】
また、この外面フィン付き管１２の隣り合う外面フィン１６，１６の間に形成される凹所１８の底面は、そのような凹所１８内に収容される冷媒管１４の外面の曲率半径（Ｒ）と同じ大きさの曲率半径を持つ円弧状面とされている。
【００３３】
さらに、外面フィン付き管１２の内周面の外面フィン１６形成対応部位には、微小な溝２０が、外面フィン１６と同様に管軸方向に延びる螺旋状形態において形成されて、外面フィン１６と同じピッチ（間隔）にて配置されている。このような溝２０により、管内におけるスケールの発生を抑制しつつ、外面フィン付き管１２の内部を流通せしめられる水を撹乱し、乱流を有利に促進して、伝熱促進効果を高めることが出来、その結果、給湯機用熱交換器１０の熱交換性能を、効果的に向上せしめることが可能となる。なお、かかる溝２０の深さは、一般に、１ｍｍ以下の深さとされることとなる。これは、溝の深さが１ｍｍを超える場合にあっては、外面フィン付き管１２内を流通する水が、そのような溝部分において局所的に流速が低くなり、スケールの発生を惹起してしまうためである。また、そのような作用・効果は、一般に、０．５ｍｍ以上の溝深さにおいて期待され得るものである。
【００３４】
一方、冷媒管１４は、アルミニウムや銅及びそれらの合金等の金属材料を用いて形成されたものであって、内部を加熱された炭酸ガス等の冷媒が流通せしめられる、断面が円形の平滑管であって、その外径（ｄ2 ）は、外面フィン付き管１２よりも小径であると共に、外面フィン付き管１２の外面フィン１６，１６間の凹所１８の幅とほぼ同じとなるようにされている。
【００３５】
そして、そのような冷媒管１４が、図３に示されるように、外面フィン付き管１２の外周面に形成された外面フィン１６の谷間の凹所１８に沿って螺旋状に巻き付けられた後に、外面フィン付き管１２の外面フィン１６を、図４に示される如く、フィン先端の幅方向の中央部においてフィン中心線に沿って切り割り、それぞれの切り割り片１６ａ，１６ｂが、隣り合う凹所１８内に収容されている冷媒管１４の上側を覆うように、湾曲変形せしめられることによって、図２に示されるように、外面フィン１６（切り割り片１６ａ，１６ｂ）が冷媒管１４の外表面の略全体を包み込むように、それらが密着して、目的とする給湯機用熱交換器１０が形成されているのである。
【００３６】
このように構成された給湯機用熱交換器１０によれば、水の流路となる外面フィン付き管１２の外周面に、冷媒の流路である冷媒管１４が螺旋状に巻き付けられているところから、水の流路長を長くすることなく、水側流路と冷媒側流路の接触面積を増大することが出来、以て冷媒の熱を水へと効果的に伝達し得ることとなる。
【００３７】
ところで、外面フィン１６間に形成されている凹所１８は、その底面が円弧面にて構成されており、そして、その曲率半径が凹所１８内に収容される冷媒管１４の外面の曲率半径と同じとされていることによって、冷媒管１４の外表面と、凹所１８の底面とが、より一層効果的に隙間なく密着せしめられる得るようになっている。加えて、外面フィン１６が、その先端中央部において、フィン中心線に沿って切り割り片１６ａ，１６ｂに切り割られて、冷媒管１４の外周面の略全体を覆うように湾曲変形せしめられて、冷媒管１４と外面フィン１６とが密着させられているところから、冷媒管１４内を流通する冷媒の熱を外面フィン付き管１２内を流通する水に伝達する伝熱面積が、効果的に増大され得ることとなり、以て熱交換器１０の熱交換性能を、有利に向上することが可能となるのである。
【００３８】
また、外面フィン付き管１２と冷媒管１４との一体化が、外面フィン付き管１２の外周面に形成された外面フィン１６を湾曲変形せしめることによって、行われているところから、それらをロウ付けで一体化する従来の熱交換器のように、ロウ付け不良による伝熱性能のバラツキが発生してしまう問題も、効果的に解消せしめられ得るのである。
【００３９】
さらに、外面フィン付き管１２が、ストレート状の管体とされているため、水の流路が単純な形状となり、熱交換器の経年使用に伴う管内にスケールが発生する問題を、効果的に抑制することが可能となると共に、その内周面に微小な溝２０が螺旋状に形成されていることによって、冷媒管１４から伝達される熱を、外面フィン付き管１２内を流通する水へと効果的に伝熱することが出来ることとなる。
【００４０】
更にまた、冷媒管１４の内部を流通せしめられる熱交換媒体（冷媒）として、炭酸ガスを主体とする冷媒が用いられているところから、従来のフロン系冷媒のようにオゾン層破壊の恐れや、地球温暖化の問題が有利に解消され得ると共に、高温高圧のガス条件が得られるところから、単段の熱交換器とした場合であっても、高い湯温が得られるといった利点も有しているのである
【００４１】
ところで、熱交換機１０を構成する外面フィン付き管１２を、銅又は銅合金にて形成した場合にあっては、水の流通せしめられる部位である外面フィン付き管１２の内面には、好ましくは、錫めっきが施されて、用いられることとなる。これは、この種の熱交換器において、水の流通する部分を銅又は銅合金で構成した場合にあっては、流路内を流通する水のｐＨが酸性側やアルカリ性側に変化すると、管材質である銅又は銅合金が２価の銅イオンとして水に溶け出し易くなり、この溶け出した銅イオンが、使用時に石鹸や炭酸ガス等と反応して、青水を発生する問題を内在しているからである。
【００４２】
さらに、流通する水中には種々の成分が含まれており、この中でも溶解性ＳｉＯ2 は、未飽和であっても、２価の金属イオンが存在すると析出する傾向があり、そのように管壁から給湯水に溶け出した２価の銅イオンによって、ＳｉＯ2 が析出して、スケールを形成する恐れもあるのである。また、腐食が進行すると、熱交換器を構成する管壁に孔を開けていく孔食の危険性もある上に、表面の錆で荒れた部分に水垢等のスケールが付き易くなり、熱交換効率を悪くするという問題もある。
【００４３】
そこで、外面フィン付き管１２が銅若しくは銅合金で構成されている場合においては、水が流通する部分、即ち、外面フィン付き管１２の内面に対して錫めっきを施すことによって、管壁から銅イオンが溶け出してしまうことが、効果的に抑制せしめられることとなり、以て、熱交換器１０の耐食性を、有利に確保することが可能となるのである。
【００４４】
なお、そのような外面フィン付き管１２の内面に対して錫めっきを施す方法としては、例えば、予め管内面に錫めっきを施した単純円形断面の管を用意して、この外面にディスク転造加工を施すことによって、管外面に外面フィンを形成し、熱交換器１０を構成するための外面フィン付き管１２とする方法がある他、転造加工等によって形成された外面フィン付き管１２を用意し、この外面フィン付き管１２の外面フィン１６，１６間の凹所１８内に冷媒管１４を収容せしめて、熱交換器１０を構成した後に、水流路である外面フィン付き管１２の内部に錫めっき液を流通せしめて、錫めっき皮膜を形成する置換めっき法による方法もあり、本発明においては適宜に採用されることとなる。
【００４５】
このように、本発明に従う構成を有する給湯機用熱交換器１０によれば、製作の容易な外面フィン付き管１２と、単純な円形断面の冷媒管１４との接触面積を有利に増大することによって、水と冷媒との間の熱交換性能を効果的に向上させ得ることが出来ると共に、水流路におけるスケールの析出による閉塞を効果的に阻止することが出来る、給湯機用熱交換器を提供することが可能となるのである。
【００４６】
そして、このような外周面に外面フィン１６が螺旋状に形成された外面フィン付き管１２に冷媒管１４が螺旋状に巻き付けられると共に、外面フィン１６が切り割られて、冷媒管１４を覆うように湾曲変形せしめられた構造の給湯機用熱交換器１０は、以下に示すように、公知の転造加工法に従って、例えば、図５〜図７に示されるような転造加工装置を用いて、製作されることとなる。
【００４７】
すなわち、回転駆動軸３４に同心的に所定間隔を隔てて取り付けられた、漸次径が増大する複数のフィン形成ディスク３２からなる外面フィン転造用工具３０が、図５に示される如く、目的とする外面フィン付き管１２を与える大きさとされた素管３６の周りに、略１２０°の位相差をもって、３つ配置されている。また、かかる複数のフィン形成ディスク３２は、素管３６の外周面に形成される外面フィン１６のピッチを与える間隔で、回転駆動軸３４にて同心的に且つ一体的に連結されており、更に回転駆動軸３４は、素管３６の管軸に対して、形成される外面フィン１６のリード角に相当する角度を以て、位置せしめられている。また、素管３６の内側には、それぞれのフィン形成ディスク３２に対向する状態で、プラグ３８が挿入されており、このプラグ３８とフィン形成ディスク３２との間で、素管３６の変形が行われるようになっている。
【００４８】
そして、このように配置された３つの外面フィン転造用工具３０を用いて、そのフィン形成ディスク３２を回転駆動軸３４により回転させつつ、素管３６を通過せしめることにより、かかる素管３６の外周面に、所定高さの外面フィン１６が、径方向外方に突出して、螺旋状に管軸方向に連続して延びるように、漸次転造形成され、目的とする外面フィン付き管１２が、形成されるのである。
【００４９】
ところで、かかる素管３６の周りに配置された３つのフィン転造用工具３０は、図６に示されるように、複数のフィン形成ディスク３２を回転駆動軸３４に取り付けただけの構造とされる他に、それら３つの転造用工具３０のうちの最小で１つ、最大で３つの全ての工具が、図７に示される如く、回転駆動軸３４が外面フィン形成方向における下流側に延長されて、そしてその延長部分に対して、押さえローラ４０と、フィン切割ディスク４２ａ，４２ｂと、圧着ローラ４４ａ，４４ｂが、同心的に且つ一体的に取り付けられたものとされている。そして、それら追加されたローラやディスクによって、目的とする給湯機用熱交換器１０を得るために、外面フィン付き管１２に対して、以下のような加工が施されることとなる。なお、押さえローラ４０やフィン切り割りディスク４２ａ，４２ｂ、圧着ローラ４４ａ，４４ｂは、３つのフィン転造用工具３０のそれぞれの軸に適宜配置することが可能であって、例えば、押さえローラ４０は一つの軸のみに取り付ける一方、フィン切り割りディスク４２ａ，４２ｂ、圧着ローラ４４ａ，４４ｂを３つの軸全てに取り付けるようにしてもよい。
【００５０】
そこでは、先ず、外面フィン付き管１２の外周面に形成された外面フィン１６の間の凹所１８内に、冷媒管１４が挿入され、外面フィン１６に沿って螺旋状に巻き締めるように、取り付けられる。このとき、図７に示される如く、押さえディスク４０で、凹所１８内に挿入された冷媒管１４を、凹所１８の底面に対して押し付けるようにすることにより、冷媒管１４の外周面と凹所１８の底面とが、より密着せしめられた状態にて、外面フィン付き管１２に冷媒管１４が巻き付けられるようになっている。
【００５１】
次いで、かかる外面フィン１６を、切り割りディスク４２ａ，４２ｂによって、外面フィン１６のフィン先端部中央において、所定深さまで切り割るのであるが、ここでは、外径の異なる２枚の切り割りディスク４２ａ，４２ｂにて、漸次切り割り深さが深くなるようにして、目的の深さまで外面フィン１６を切り割る加工が施されるようにしている。なお、この外面フィン１６の切り割り加工は、１枚の切り割りディスク（４２）や、３枚以上の切り割りディスク（４２）を用いることも、勿論可能であり、この切り割りディスクの枚数は、外面フィン１６のフィン高さやフィン厚さによって、適宜選択されることとなる。
【００５２】
その後、図７に示されるように、外周面が円弧状凸面とされた圧着ローラ４４ａと、外周面が平面とされた圧着ローラ４４ｂとによって、切り割られた外面フィン１６の切り割り片１６ａ，１６ｂが、それぞれ隣り合う冷媒管１４に覆い被さるように、ロール転造が施される。具体的には、切り割りディスク４２ａ，４２ｂによって切り割られた外面フィン１６の切り割り片１６ａ，１６ｂを、それぞれ隣接する凹所１８内に挿入された冷媒管１４の上部を覆うように、圧着ローラ４４ａによって湾曲変形せしめた後、それら切り割り片１６ａ，１６ｂを冷媒管１４に対して圧着ローラ４４ｂによって更に押圧し、冷媒管１４の外周面と切り割り片１６ａ，１６ｂとが密着するように変形させるのである。このような工程を経て、単純な円形断面の素管３６と冷媒管１４とから、目的とする給湯機用熱交換器１０が、形成されるのである。
【００５３】
従って、このような給湯機用熱交換器１０の製作方法によれば、製造工程が簡単となる転造加工にて、単純な円形断面の素管３６に対して外面フィン１６を形成すると共に、その外面フィン１６間の凹所１８に沿って巻き付けた冷媒管１４を固定、密着せしめることが可能であるところから、生産性が向上し、目的とする給湯機用熱交換器１０の生産コストを、効果的に低減することが出来ることとなる。また、水側流路となる外面フィン付き管と冷媒管とをロウ付けにて一体化していた従来の熱交換器のように、ロウ付け不良による伝熱性能にバラツキが起きてしまうような問題も、有利に解消し得ることとなり、安定して高い熱交換性能を発揮する給湯機用熱交換器１０を提供することが可能となるのである。
【００５４】
以上、本発明の代表的な実施形態の一つとその製作方法について詳述してきたが、それらは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。
【００５５】
例えば、前述の実施形態においては、冷媒管１４として、内周面が平滑とされた管が用いられているが、内面に各種の伝熱促進加工が施された管、例えば、内周面に多数の溝（乃至はフィン）や突起が形成されてなる内面溝付き管を用いることも、勿論可能であり、本発明における有利な態様の一つである。
【００５６】
また、例示の具体例では、冷媒管１４の外径が、隣り合う外面フィン１６，１６の間の間隔と略同一とされているが、そのようなフィン間の間隔よりも、僅かに大きな外径とされた冷媒管１４を用いることも可能である。このように、外面フィン１６の間隔よりも大径とされた冷媒管１４を採用した場合には、押さえローラ４０によって、かかる冷媒管１４が外面フィン１６間の間隙に収まるように僅かに変形されながら、凹所１８内に挿入されることとなるため、冷媒管１４の外周面と凹所１８の底面や外面フィン１６の壁面とが、より一層密着せしめられ得るという特徴が発揮される。
【００５７】
その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、また、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。
【実施例】
【００５８】
以下に、本発明の代表的な実施例の一つを示し、本発明の特徴を更に明確にすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。
【００５９】
先ず、水側流路として用られる外面フィン付き管を形成するために、外径：１２．４ｍｍ、内径：７ｍｍ、断面が単純な円形のりん脱酸銅（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００  Ｃ１２２０）からなる大径の素管を準備した。また、冷媒側流路として用いられる冷媒管として、外径（ｄ1 ）：４ｍｍ、内径（ｄ2 ）：３．２ｍｍの、単純な円形断面のりん脱酸銅（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００  Ｃ１２２０）からなる小径管を準備した。
【００６０】
次いで、このように準備された２種類のりん脱酸銅管のうち、大径の素管を用い、それを、図６〜図７に示される如き転造加工装置にて加工することによって、実施例１となる熱交換器を作製した。即ち、その加工工程においては、先ず、水側流路となる素管の外周面にディスク転造加工を施し、図３に示されるような外面フィン付き管を形成した後、その外面フィン間に形成される凹所内に、別途準備された冷媒管となる小径管を挿入し、そして外面フィンに沿って外面フィン付き管の外周面に螺旋状に巻き付けた。その後、かかる外面フィンを切り割りディスクにて、所定深さまで切り割る加工を行った後に、そのような外面フィンの切り割り片を、圧着ローラにてロール転造加工を施すことによって、凹所内に挿入された冷媒管を覆うように湾曲変形させた。
【００６１】
かくして得られた、水側流路となる外面フィン付き管の外周面に形成された外面フィンは、フィン高さ（Ｈ）：５．４ｍｍ、フィン外径（Ｄ）：１８．４ｍｍ、フィンピッチ（Ｐ）：４．８ｍｍ、フィン厚さ（ｔ）：１．０ｍｍであり、このときのフィン高さとフィンピッチの比（Ｈ／Ｐ）は、１．１２５であった。また、フィン間に形成される凹所の底部は、曲率半径（Ｒ）：２．０ｍｍの円弧状であり、水側流路の外面フィン付き管の内周面には、深さ０．２ｍｍの内面溝が、外面フィンに沿った状態となるように、螺旋状に形成された。なお、切り割りディスクによる外面フィンの切り割り加工深さは、約２．４ｍｍであった。
【００６２】
一方、従来の熱交換器として、特許文献５の図５に示される如き構成の熱交換器を、作製した。即ち、水側流路管として、管外周のフィン高さ（Ｈ）：５．４ｍｍ、フィン外径（Ｄ）：１８．４ｍｍ、フィンピッチ（Ｐ）：４．８ｍｍ、フィン厚さ（ｔ）：１．０ｍｍの外面フィンが形成されたりん脱酸銅管（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００  Ｃ１２２０）を用意する一方、、冷媒側流路管として、外径（ｄ1 ）：４ｍｍ、内径（ｄ2 ）：３．２ｍｍのりん脱酸銅管（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００  Ｃ１２２０）を用意した。そして、水側流路管の外面フィン間に冷媒側流路管を巻き付けた後、所定大きさの穴が開けられた中空の治具（引き抜きプラグ）に挿入し、引き抜き加工を行うことによって、外面フィンを折り曲げて、目的とする熱交換器を形成し、これを、比較例１とした。
【００６３】
さらに、従来の熱交換器の別の一つとして、特許文献５の図６に示される如き構成の熱交換器を、比較例１の作成に用いたものと同様の材質や大きさの外面フィン付き管及び冷媒管を用いて形成し、これを比較例２とした。なお、折り曲げられた外面フィンと冷媒管との間に生じる隙間に充填される、熱伝導性の高い金属粉末を含むペーストとしては、ここでは、銅粉末を含むペーストを用いた。
【００６４】
このようして得られた実施例１、比較例１及び比較例２の熱交換器において、それぞれの冷媒管に高温のＣＯ2 冷媒を流通せしめる一方、水側流路管である外面フィン付き管には水を流通せしめて、それら冷媒と水との間で熱交換を行い、従来より公知の熱交換性能測定試験を行った。その結果、実施例１の熱交換器は、比較例１の熱交換器と比べて約２倍の熱交換性能が得られ、また比較例２の熱交換器と比べて約１．５倍の熱交換性能が得られることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に従う給湯機用熱交換器の一例を示す平面説明図である。
【図２】図１に示される給湯機用熱交換器を横断面形態にて部分的に拡大して示す断面説明図である。
【図３】図１に示される給湯機用熱交換器を構成する外面フィン付き管の一例を示す断面説明図である。
【図４】図３に示される外面フィン付き管の外面フィンを切り割った状態の一例を示す断面説明図である。
【図５】本発明に従う給湯機用熱交換器を製作する転造加工装置の一例を、縦断面形態にて示す断面説明図である。
【図６】図５に示される転造加工装置の三つのフィン転造用工具のうちの一つを示す横断面説明図である。
【図７】図５に示される転造加工装置における三つのフィン転造用工具のうちの、回転駆動軸が延長されて、押さえローラや切り割りディスク等が配置されたものを示す横断面説明図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  給湯機用熱交換器
１２  外面フィン付き管
１４  冷媒管
１６  外面フィン
１６ａ，１６ｂ  切り割り片
１８  凹所
２０  溝
【図１】
2008045868.tif 000003
【図２】
2008045868.tif 000004
【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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