(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流れる第１伝熱管と、第２流体が流れる第２伝熱管とを有し、前記第１伝熱管の外周に前記第２伝熱管が巻回された結合管を平面的に渦巻き形状に形成し、これらを多段に積み重ねた渦巻き多段形熱交換器の製造方法において、
前記結合管を渦巻き形状の外周側から内周側へ向かって曲げていき、略中心部到達後、渦巻き形状が完成した１段目は下方に落とし、さらに次の段の内周側から外周側へ向かって曲げていき、外周側へ到達後、２段目も下方に落とし、再び次の段の外周側から内周側に向かって同様に曲げていき、これを連続的に繰り返すことにより連続した渦巻き形状の多段の熱交換器とし、
前記結合管の最終段の渦巻き形状は、外周側から内周側に向かって曲げていくものであり、内周側における最後の略１８０度の曲げの位置を変えることにより、曲げ加工による出口管部の位置のバラツキを調整することを特徴とする渦巻き多段形熱交換器の製造方法。
【請求項２】
前記結合管の曲げは、略直角に曲げることを特徴とする請求項１記載の渦巻き多段形熱交換器の製造方法。
【請求項３】
前記結合管を略直角に曲げる場合の、前記結合管の内側曲げ半径Ｒを、前記結合管の外径をＤとしたとき、０．５Ｄ≦Ｒ＜１．５Ｄとすることを特徴とする請求項２記載の渦巻き多段形熱交換器の製造方法。
【請求項４】
前記結合管を略直角に曲げる場合の、前記結合管の内側曲げ半径Ｒを、前記結合管の外径をＤとしたとき、０．５Ｄ≦Ｒ≦５／６Ｄとすることを特徴とする請求項３記載の渦巻き多段形熱交換器の製造方法。
【請求項５】
第１流体が流れる第１伝熱管と、第２流体が流れる第２伝熱管とを有し、前記第１伝熱管の外周に前記第２伝熱管が巻回された結合管を平面的に渦巻き形状に形成し、これらを多段に積み重ねた渦巻き多段形熱交換器において、
端部に位置する渦巻き形状の少なくとも一つは、前記結合管の一方の端部が外周側に位置し、内周側の略中心部から次の渦巻き形状に連続して移行し、該次の渦巻き形状は内周側から外周側に向かって渦巻きが形成され、外周側からさらに次の渦巻き形状の外周側に連続して移行し、該さらに次の渦巻き形状は外周側から内周側に向かって渦巻きが形成され、これを繰り返して平面的な渦巻き形状を多段に積み重ね、
前記結合管の最終段の渦巻き形状は、外周側から内周側に向かって曲げていくものであり、内周側における最後の略１８０度の曲げの位置を変えることにより、曲げ加工による出口管部の位置のバラツキが調整されることを特徴とする渦巻き多段形熱交換器。
【請求項６】
前記渦巻き形状の前記結合管の曲げは、略直角に曲げられることを特徴とする請求項５記載の渦巻き多段形熱交換器。
【請求項７】
前記結合管を略直角に曲げる場合の、前記結合管の内側曲げ半径Ｒを、前記結合管の外径をＤとしたとき、０．５Ｄ≦Ｒ＜１．５Ｄとすることを特徴とする請求項６記載の渦巻き多段形熱交換器。
【請求項８】
前記結合管を略直角に曲げる場合の、前記結合管の内側曲げ半径Ｒを、前記結合管の外径をＤとしたとき、０．５Ｄ≦Ｒ≦５／６Ｄとすることを特徴とする請求項７記載の渦巻き多段形熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、渦巻き状に巻き加工して平面形状とし、これを多段に中継接続なしで連続して形成する渦巻き多段形熱交換器の製造方法及び渦巻き多段形熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の渦巻き多段形熱交換器は、限られたスペースの中で配管長を長くするために、渦巻き末端の中心部又は外周部において配管の中継接続を行うのが一般的であった。
【０００３】
冷媒対水熱交換器の形状を改良し、ヒートポンプ給湯機の小型化を図るために、第１流体が流動する第１伝熱管と、第２流体が流動する第２伝熱管とを備え、この第２伝熱管に第１伝熱管を埋設一体化して結合して結合管となし、この結合管を渦巻き状に折曲加工して構成し、かつ、渦巻き状の熱交換器本体を平面形状を呈するように形成した熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−６０９０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の渦巻き多段形熱交換器は、全長を中継接続なしに連続巻きすることが困難であり、そのため中継接続箇所があるとコスト高になり、熱交換効率又は信頼性確保の観点からも不利となる課題があった。また、渦巻き中心部での中継接続作業は困難となる場合が多く作業時間・信頼性低下の要因となっていた。さらには中継配管の取り回しのために省スペース化が難しくなり、組立後の接続部の品質確認、不良修正も容易ではない。また、熱交換器内の流体の排出性が悪く液溜まりによる課題を有していた。また、曲げ半径が大きいとスペース効率が悪いばかりでなく、スプリングバックによる形状バラツキが生じ、さらには熱交換性能にも影響を及ぼしていた。
【０００５】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、より長い配管を中継接続が無い高密度状態な熱交換器として収納し、熱交換器内の流体の排出性が良く、品質バラツキの少ない信頼性の高い、安価な高性能の渦巻き多段形熱交換器及び渦巻き多段形熱交換器の製造方法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】
【０００６】
この発明に係る渦巻き多段形熱交換器の製造方法は、第１流体が流れる第１伝熱管と、第２流体が流れる第２伝熱管とを有し、第１伝熱管の外周に第２伝熱管が巻回された結合管を平面的に渦巻き形状に形成し、これらを多段に積み重ねた渦巻き多段形熱交換器の製造方法において、結合管を渦巻き形状の外周側から内周側へ向かって曲げていき、略中心部到達後、渦巻き形状が完成した１段目は重力により下方に落とし、さらに次の段の内周側から外周側へ向かって曲げていき、外周側へ到達後、２段目も重力により下方に落とし、再び次の段の外周側から内周側に向かって同様に曲げていき、これを連続的に繰り返すことにより連続した渦巻き形状の多段の熱交換器とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
この発明に係る渦巻き多段形熱交換器の製造方法は、上記構成により、全長を中継接続なしに連続巻きすることができ、生産性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１乃至図１４は実施の形態１を示す図で、図１は渦巻き多段形熱交換器５の平面図、図２は渦巻き多段形熱交換器５の側面図、図３は図２のＡ−Ａ線から下の１段目を見た平面図、図４は図１における結合管３のＢ部拡大図、図５は他の例の結合管３Ａを示す拡大図、図６は渦巻き多段形熱交換器５の多段化を示すイメージ図、図７は渦巻き多段形熱交換器５の渦巻き成形手順を示す図、図８，図９は図７の各ステップを個々に示す図、図１０は結合管３の内側曲げ半径Ｒと伝熱性能の関係を示す図、図１１は曲げ内側半径寸法Ｒを外径ｄ２の２倍にした時の渦巻き多段形熱交換器５の部分的な平面図、図１２は曲げ内側半径寸法Ｒを外径Ｄの１倍にした時の渦巻き多段形熱交換器５の部分的な平面図、図１３は曲げ内側半径寸法Ｒを外径Ｄの０．７５倍にした時の渦巻き多段形熱交換器５の部分的な平面図、図１４は曲げ内側半径寸法Ｒを外径Ｄの０．５倍にした時の渦巻き多段形熱交換器５の部分的な平面図である。
【０００９】
図１は、３段の渦巻き多段形熱交換器５を上から見た平面図である。この渦巻き多段形熱交換器５は、例えば、ヒートポンプ給湯機の冷媒対水熱交換器に使用されるもので、第１流体（例えば、水）が流れる第１伝熱管の外周に、第２流体（例えば、冷媒）が流れる第２伝熱管を這わすように螺旋状に巻回した結合管３を渦巻き状に形成し、これを連続して多段に形成したものである。これについては、後述する。
【００１０】
図１では、上の１段目の渦巻き形状が見えているが、後述するように、曲げ始めの入口管部３ａは、一番下の３段目にある。入口管部３ａの位置は、ヒートポンプ給湯機の水回路との配管接続位置を基準に決められる。
【００１１】
曲げ終わりの出口管部３ｂの位置も、ヒートポンプ給湯機の水回路との配管接続位置に一致するのが好ましいが、曲げ加工のバラツキにより、結合管３の全長を決めておいても、出口管部３ｂの位置はその都度変わる。図１の曲げ位置調整部分において、最後の曲げの位置を変えることにより、曲げ加工による出口管部３ｂの位置のバラツキを調整する。設計値としては、この曲げ位置調整部分の中間に出口管部３ｂがくるように狙う。そして、出口管部３ｂの位置が基準位置に達しない場合は、最後の曲げを早めに行う。逆に、出口管部３ｂの位置が基準位置を超える場合は、図１の２点鎖線で示す位置に近い曲げを行い出口管部３ｂの位置が基準位置に合わせる。
【００１２】
結合管３の曲げは、図３に示す１段目から行う。１段目の曲げは、外側から内側に向かって行う。各曲げは、略直角に曲げるが、その際に内側曲げＲは、後述するが、スペース効率や熱交換器としての伝熱性能が適正な値になるような内側曲げＲで行う必要がある。
【００１３】
１段目の曲げが完了したら、図２に示す２段目に移行する。２段目では、結合管３の曲げを内側から外側に向かって行う。
【００１４】
２段目の曲げが完了したら、図１に示す３段目に移行する。３段目では、結合管３の曲げを外側から内側に向かって行う。
【００１５】
図１乃至図３の例は、段数が３段であるが、もちろん３段に限定されるものではない。
【００１６】
ここで、結合管３について、説明しておく。図４の例は、第１流体（例えば、水）が流れる第１伝熱管１は平滑管であり、その外周に第２流体（例えば、冷媒）が流れる第２伝熱管２が螺旋状に巻回される。また、螺旋状に巻回された第２伝熱管２の外径を、結合管３の外径Ｄと定義する。この結合管３の外径Ｄは、後の説明で使用する。
【００１７】
図５の例は、第１流体が流れる第１伝熱管１Ａが、捩り管である点が図４と異なる。捩り管である第１伝熱管１Ａは、少なくとも１条の山部１ａと谷底部１ｂとからなる螺旋溝を外周に備える。第１伝熱管１Ａの管内壁部１ｃも、外周の螺旋溝に沿うような形状になっている。この場合も、螺旋溝に螺旋状に巻回された第２伝熱管２の外径を、結合管３の外径Ｄと定義する。
【００１８】
図６は渦巻き多段形熱交換器５の、連続直角曲げ渦巻き多段イメージを示す。図６は段数が４段の場合であり、曲げ始めの１段目は、外側から内側に向かって連続直角曲げにより渦巻きを形成する。２段目は、内側から外側に向かって連続直角曲げにより渦巻きを形成するが、このとき１段目は重力により２段目より下方に落ち、垂れ下がっている。３段目は、外側から内側に向かって連続直角曲げにより渦巻きを形成するが、このとき１段目及び２段目は重力により３段目より下方に落ち、垂れ下がっている。４段目は、内側から外側に向かって連続直角曲げにより渦巻きを形成するが、このとき１段目乃至３段目は重力により４段目より下方に落ち、垂れ下がっている。
【００１９】
図８により、渦巻き多段形熱交換器５の成形手順を説明する。尚、図９、図１０に各ステップを分けて示す。
【００２０】
ステップ１で、結合管３（結合管３Ａでもよい）を所定距離送り、最初の曲げ位置に合わせる。
【００２１】
ステップ２で、結合管３をほぼ直角に曲げる（曲げ１）。
【００２２】
ステップ３で、再び所定距離（短手方向の長さ分）、次の曲げ位置に合わせる。
【００２３】
ステップ４で、結合管３をほぼ直角に曲げる（曲げ２）。
【００２４】
ステップ５で、再び所定距離（長手方向の長さ分）送り、次の曲げ位置に合わせる。
【００２５】
ステップ６で、結合管３をほぼ直角に曲げる（曲げ３）。
【００２６】
ステップ７で、再び所定距離（短手方向の長さ分）、次の曲げ位置に合わせる。
【００２７】
ステップ８で、結合管３をほぼ直角に曲げる（曲げ４）。この時、結合管３の先端である入口管部３ａが供給材料と干渉するので、入口管部３ａを供給材料と干渉しないように下方へ排出していく。
【００２８】
ステップ９で、再び所定距離（長手方向の長さ分）送り、次の曲げ位置に合わせる。
【００２９】
以上の手順を繰り返して、渦巻き多段形熱交換器５を、図６のイメージで形成する。先に曲げられた部分が、下方に排出されて垂れ下がるイメージである。
【００３０】
次に、結合管３の直角曲げ時の、内側曲げ半径Ｒについて言及する。図１０は、先に定義した外径Ｄ＝２０ｍｍの結合管３について、内側曲げ半径Ｒと渦巻き多段形熱交換器５の伝熱性能との関係を実験により求めた結果である。図１０において、横軸が内側曲げ半径Ｒで、縦軸が伝熱性能の相対値で、内側曲げ半径Ｒ＝０．５Ｄのときの伝熱性能を１００％とする。
【００３１】
図１０に示すように、内側曲げ半径Ｒが０．５Ｄより小さい場合は、結合管３が挫屈するので、この領域は範囲外である。
【００３２】
内側曲げ半径Ｒが０．５Ｄより大きくなると、徐々に伝熱性能が低下し、内側曲げ半径Ｒが約１．５Ｄの点に扁曲点がある。従って、伝熱性能については、０．５Ｄ≦Ｒ＜１．５Ｄが好ましい範囲と言える。内側曲げ半径Ｒが小さい方が伝熱性能が良いのは、結合管３の外周面に巻回される第２伝熱管２が密の状態を保つことと、結合管３の曲げ部での流速が内側曲げ半径Ｒが小さい方が早く、乱流効果があるためと考えられる。
【００３３】
次に、図１１乃至図１４を参照しながら、内側曲げ半径Ｒと渦巻き多段形熱交換器５のスペース効率との関係について述べる。図１１の内側曲げ半径Ｒ＝２Ｄ、図１２の内側曲げ半径Ｒ＝２Ｄの場合は、各図が示すように、中心付近に結合管３を曲げるスペースがなく、スペース効率が悪い。図１３の内側曲げ半径Ｒ＝０．７５Ｄ、図１４の内側曲げ半径Ｒ＝０．５Ｄの場合は、中心付近に結合管３を曲げるスペースがあり、スペース効率が良い。従って、スペース効率については、内側曲げ半径Ｒ≦５／６Ｄが好ましいと言える。
【００３４】
伝熱性能と、スペース効率との両方を考慮した場合、内側曲げ半径Ｒは、０．５Ｄ≦Ｒ≦５／６Ｄとなる。
【００３５】
以上の説明では、結合管３の曲げは、直角曲げとしたが、曲線的な曲げでも良い。
【００３６】
以上のように、本実施の形態によれば、渦巻きの中心部に配管の中継接続のためのスペースを考慮せずに渦巻き状に巻いていくことができるため、配管の高密度収納が可能となる。また、直角状に曲げるため曲げ形状のバラツキが少ない高速自動化が可能となる。また、図１に示すように出口管部３ｂ（曲げ終わり側）の曲げ位置を長手方向において任意調整することにより配管出口位置が一定化する。つまり、配管の入口管部３ａと出口管部３ｂの末端が渦巻きの外周部または中心部の任意の位置に精度よく配置されるため、後工程のユニット（水回路）形態形成時の配管接続が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施の形態１を示す図で、渦巻き多段形熱交換器５の平面図である。
【図２】実施の形態１を示す図で、渦巻き多段形熱交換器５の側面図である。
【図３】実施の形態１を示す図で、図２のＡ−Ａ線から下の１段目を見た平面図である。
【図４】実施の形態１を示す図で、図１における結合管３のＢ部拡大図である。
【図５】実施の形態１を示す図で、他の例の結合管３Ａを示す拡大図である。
【図６】実施の形態１を示す図で、渦巻き多段形熱交換器５の多段化を示すイメージ図である。
【図７】実施の形態１を示す図で、渦巻き多段形熱交換器５の渦巻き成形手順を示す図である。
【図８】実施の形態１を示す図で、図７の各ステップを個々に示す図である。
【図９】実施の形態１を示す図で、図７の各ステップを個々に示す図である。
【図１０】実施の形態１を示す図で、結合管３の内側曲げ半径Ｒと伝熱性能の関係を示す図である。
【図１１】実施の形態１を示す図で、曲げ内側半径寸法Ｒを外径ｄ２の２倍にした時の渦巻き多段形熱交換器５の部分的な平面図である。
【図１２】実施の形態１を示す図で、曲げ内側半径寸法Ｒを外径Ｄの１倍にした時の渦巻き多段形熱交換器５の部分的な平面図である。
【図１３】実施の形態１を示す図で、曲げ内側半径寸法Ｒを外径Ｄの０．７５倍にした時の渦巻き多段形熱交換器５の部分的な平面図である。
【図１４】実施の形態１を示す図で、曲げ内側半径寸法Ｒを外径Ｄの０．５倍にした時の渦巻き多段形熱交換器５の部分的な平面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  第１伝熱管、１ａ  山部、１ｂ  谷底部、１ｃ  管内壁部、２  第２伝熱管、３  結合管、３Ａ  結合管、３ａ  入口管部、３ｂ  出口管部、５  渦巻き多段形熱交換器。
【図１】
0004699945.tif 000002
【図２】
0004699945.tif 000003
【図３】
0004699945.tif 000004
【図４】
0004699945.tif 000005
【図５】
0004699945.tif 000006
【図６】
0004699945.tif 000007
【図７】
0004699945.tif 000008
【図８】
0004699945.tif 000009
【図９】
0004699945.tif 000010
【図１０】
0004699945.tif 000011
【図１１】
0004699945.tif 000012
【図１２】
0004699945.tif 000013
【図１３】
0004699945.tif 000014
【図１４】
0004699945.tif 000015