(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せずに、熱交換性能に優れた熱交換器を提供する。  【解決手段】冷媒管２を互いに螺旋状にねじり合わせて管６内の流体Ａ全体を旋回流にすることにより、流体Ａの流れを乱流攪乱し管６の流体Ａの主流に熱が拡散され、さらに２本の螺旋状のねじれた冷媒管２と水管６の内壁との間で、スパイラル状の凹凸により管軸方向と周方向の両方に周期的に距離に差を設けることとなり、水６の内面近傍を流れる水の剪断力に差を生じさせ、周期的に壁面に対して垂直方向の剪断流れを起こし、水管６の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を連続的に乱すことができ、水側の熱伝達性をさらに向上させることができる。【選択図】図３
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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１の管と、内部に流体Ｂが流れ互いに螺旋状にねじり合わされた少なくとも二本以上の第２の管と、からなり、前記第２の管は前記第１の管内に配設された構成であって、前記第１の管が管軸方向、あるいは周方向に異形状である熱交換器。
【請求項２】
前記第１の管が管軸方向に凹凸を有する管である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１の管がスパイラル状にねじられた請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第１の管の内壁面が周方向の凹凸を有する管である請求項１に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１の管の内壁面に周方向に離間した凹部を設けた請求項１に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第２の管は、外管と、内管が少なくとも一部に隙間を持ちつつ熱的に密着した２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】
流体Ａと流体Ｂが対向流とし、流体Ｂが前記第２の管を介して流体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を水、前記流体Ｂを二酸化炭素とした請求項１から７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２重管を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１０、図１１は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。
【０００４】
図１０、図１１で示すように、この熱交換器１０１は２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を介して外部へ漏出し、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の２重管により形成され内管１０３の外周が水と、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２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２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せずに、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２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１の管と、内部に流体Ｂが流れ互いに螺旋状にねじり合わされた少なくとも二本以上の第２の管と、からなり、前記第２の管は前記第１の管内に配設された構成であって、前記第１の管が管軸方向、あるいは周方向に異形状である。
【００１１】
これによって、複数本の第１の管を互いに螺旋状にねじり合わせて第１の管内の流体Ａ全体を旋回流にすることにより、流体Ａの流れを乱流攪乱し第１の管の流体Ａの主流に熱が拡散される。
【００１２】
さらに、複数本の螺旋状のねじれた第２の管の外壁と異径状の第１の管の内壁との管軸方向あるいは周方向の距離に差があるために、第１の管の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高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。従って、流体Ａほぼ全域に熱が拡散され、熱伝達性が向上する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱交換器は、第１の管の内壁面近傍の比較的低温の水と壁面から離れた高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】
【００１４】
請求項１に記載の発明は、内部に流体Ａが流れる第１の管と、内部に流体Ｂが流れ互いに螺旋状にねじり合わされた少なくとも二本以上の第２の管と、からなり、前記複数本の第２の管は前記第１の管内に配設された構成であって、前記第１の管が管軸方向、あるいは周方向に異形状であることにより、複数本の第２の管を互いに螺旋状にねじり合わせて第１の管内の流体Ａ全体を旋回流にすることにより、流体Ａの流れを乱流攪乱し第１の管の流体Ａの主流に熱が拡散され、さらに、複数本の螺旋状のねじれた第２の管の外壁と異径状の第１の管の内壁との管軸方向あるいは周方向の距離に差があるために、第１の管の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を乱すこととなり、流体Ａほぼ全域に熱が拡散され、熱伝達性が向上する。
【００１５】
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１の管が、管軸方向に凹凸を有する管であることにより、複数本の螺旋状のねじれた第２の管の外壁との間で、管軸方向に周期的に距離に差を設けることとなり、第１の管の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を周期的に乱すことができる。
【００１６】
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１の管がスパイラル状にねじられたことにより、複数本の螺旋状のねじれた第２の管の外壁との間で、管軸方向と周方向の両方に周期的に距離に差を設けることとなり、第１の管の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を連続的に乱すことができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の管の内壁面が周方向の凹凸を有する管であることにより、複数本の螺旋状のねじれた第２の管の外壁との間で、周方向に周期的に距離に差を設けることとなり、水の流動抵抗の増加を抑えつつ第１の管の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を周期的に乱すことができる。また、円管にねじり加工あるいは螺旋の絞り加工といった２次加工を加えることなく、押出し加工いった素管加工法にて周方向に凹凸を設けることができ、加工費も安価に抑えることができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の管の内壁面に周方向に離間した凹部を設けたことにより、複数本の螺旋状のねじれた第２の管の外壁との間で、周方向に離散的に距離に差を設けることとなり、水の流動抵抗の増加をほとんどさせることなく第１の管の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を離散的に乱すことができる。また、円管にねじり加工あるいは螺旋の絞り加工といった２次加工を加えることなく、押出し加工いった素管加工法にて周方向に離間した凸部を設けることができ、第１の管に用いられる材料少なく抑えることができ、加工費も安価に抑えることができる。
【００１９】
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２の管が、外管と、内管が少なくとも一部に隙間を持ちつつ熱的に密着した２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が前記隙間を介して漏出することとなり、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。
【００２０】
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、流体Ａと流体Ｂを対向流とし、流体Ｂが前記第２の管を介して流体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。
【００２１】
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、流体Ａを水とし、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構造を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、同実施の形態における熱交換器の要部を示す一部を切除した斜視図である。
【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が２本互いに螺旋状にねじり合わされ、銅製の水管６は２本の螺旋状の冷媒管２の螺旋中心とほぼ同軸でねじり加工することでのスパイラル状の凹凸を施され、内部に冷媒管２を備え冷媒管２との間に水が流動する流路を形成している。
【００２５】
また、冷媒管２の二酸化炭素の流入口７ａ、流出口７ｂと、水管６の水の流入口８ａ、流出口８ｂ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。
【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を互いに螺旋状にねじり合わせて管６内の流体Ａ全体を旋回流にすることにより、流体Ａの流れを乱流攪乱し管６の流体Ａの主流に熱が拡散され、さらに２本の螺旋状のねじれた冷媒管２と水管６の内壁との間で、スパイラル状の凹凸により管軸方向と周方向の両方に周期的に距離に差を設けることとなり、水６の内面近傍を流れる水の剪断力に差を生じさせ、周期的に壁面に対して垂直方向の剪断流れを起こし、水管６の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を連続的に乱すことができる。従って、水側の熱伝達性をさらに向上させることができる。
【００３１】
また、冷媒管２の螺旋のピッチを粗密にしたり、スパイラル状の凹凸のピッチを粗密にすることで、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凹部を容易に設定することができ、水側の圧損と熱伝達特性を変えることができ、ヒートポンプ給湯機の諸条件に合わせ、加熱能力や水冷媒熱交換器としての容積といった性能と仕様をバランス良く容易に設計することができる。
【００３２】
尚、本実施の形態では、水管６のスパイラル状の凹凸をねじり加工にて設けたが、水管６の外側から螺旋溝などを設ける絞り加工でも同様な効果を得られる。
【００３３】
尚、本実施の形態では、冷媒管２の外管３、内管４、水管６は通常は銅製だが、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】
尚、本実施の形態では、冷媒管２は２本としたが、２本以上であればよく、例えば、３本としてもよい。
【００３６】
（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構造を示す平面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。図６は、同実施の形態における熱交換器の要部を示す一部を切除した斜視図である。
【００３７】
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。
【００３８】
図４から図６に示すように、水管９は押出し加工により、図５で示すような周方向に複数の略円弧状の凹凸１０を有する異形管である。
【００３９】
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。
【００４０】
水管９は押出し加工により周方向に複数の凹凸１０を有する異形管であることにより、水管９の内壁面が、互いに螺旋状のねじれた冷媒管２の外壁との間で、周方向に周期的に距離に差を設けることとなり、水の流動抵抗の増加を抑えつつ水管９の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を周期的に乱すことができる。従って、水側の熱伝達性を向上させることができる。
【００４１】
また、水管９の形状は、円管にねじり加工あるいは螺旋の絞り加工といった２次加工を加えることなく、押出し加工いった素管加工法にて周方向に複数の凹凸１０を設けることができ、加工費も安価に抑えることができる。
【００４２】
尚、本実施の形態では、水管９は周方向に複数の略円弧状の凹凸１０を有する異形管としたが、鋭角状の凹凸、あるいは多角形状などの異形管でも同様な効果を得られる。
【００４３】
（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構造を示す平面図である。図８は、図７のＣ−Ｃ断面図である。図９は、同実施の形態における熱交換器の要部を示す一部を切除した斜視図である。
【００４４】
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７から図９において、水管１１は押出し加工により、周方向に離間し、管軸方向に略平行な水管１１の内側に窪む複数の凹部１２を設けている。
【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】
水管１１は押出し加工により周方向に離間した複数の凹部１２を設けたことにより、水管１１の内壁に周方向に凸が離間してでき、互いに螺旋状のねじれた冷媒管２の外壁との間で、周方向に離散的に距離に差を設けることとなり、水の流動抵抗の増加をほとんどさせることなく水管１１の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を、離散的に乱すことができる。従って、水側の熱伝達性を向上させることができる。
【００４８】
また、円管にねじり加工あるいは螺旋の絞り加工といった２次加工を加えることなく、押出し加工いった素管加工法にて周方向に離間した凹部を設けることができ、加工費も安く抑え、さらに水管１１に用いられる材料を少なく抑え、材料費も安価に抑えることができる。
【００４９】
尚、本実施の形態では、複数の凹部１２は、管軸方向と略平行に設けたが、螺旋状に設けることで、水の流動抵抗は増加するが、水側の熱伝達性はさらに向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、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、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】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の構造を示す平面図
【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を示す一部を切除した斜視図
【図４】本発明の実施の形態２における熱交換器の構造を示す平面図
【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を示す一部を切除した斜視図
【図７】本発明の実施の形態３における熱交換器の構造を示す平面図
【図８】図７のＣ−Ｃ断面図
【図９】同実施の形態における熱交換器の要部を示す一部を切除した斜視図
【図１０】従来の熱交換器を示す平面図
【図１１】従来の熱交換器を示す断面図
【符号の説明】
【００５２】
１    熱交換器
２    冷媒管
２ａ  ２重壁
３    外管
４    内管
５    漏洩検知溝
６，９，１１  水管
１０  凹凸
１２  凹部
【図１】
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【図２】
2008267631.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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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