(57)【要約】【課題】  第１流体からチューブへの伝熱面積を小さくすることなく、第１流体の抜取作業を行うにあたりチューブ内に第１流体が残り難くする構造の熱交換器を提供する【解決手段】  給湯水を内部で流通させる水側チューブ２１と、水側チューブ２１内部にて直線的に延びる複数本の水平流路部２１ａが積層して形成されるように水側チューブ２１内部を仕切る仕切板２３とを備え、冷媒チューブ２４内を流通する冷媒と給湯水とを熱交換する熱交換器であって、水平流路部２１ａが積層される方向を縦方向とし、水平流路部２１ａの長手方向と略垂直、かつ、縦方向と略垂直な方向を横方向とした場合に、水平流路部２１ａの断面形状を、縦方向の寸法および横方向の寸法の少なくとも一方の寸法が不均一となるような形状（例えば台形）に形成する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凍結すると体積が増大する第１流体を内部で流通させるチューブ（２１）と、前記チューブ（２１）内部にて直線的に延びる複数本の流路（２１ａ）が積層して形成されるように前記チューブ（２１）内部を仕切る仕切板（２３）とを備え、前記チューブ（２１）外部にて流通する第２流体と前記第１流体とを熱交換する熱交換器であって、
前記流路（２１ａ）が積層される方向を縦方向とし、前記流路（２１ａ）の長手方向と略垂直、かつ、前記縦方向と略垂直な方向を横方向とした場合に、前記流路（２１ａ）の断面形状を、前記縦方向の寸法および前記横方向の寸法の少なくとも一方の寸法が不均一となるような形状に形成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記複数本の流路（２１ａ）は、互いに連通して蛇行状に延びる流路を構成していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記流路（２１ａ）の断面形状を台形に形成し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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チューブ内部を流通する第１流体と、チューブ外部にて流通する第２流体とを熱交換する熱交換器に関するもので、給湯水を加熱するための加熱用熱交換器の水チューブに適用して有効なものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者は、給湯水と冷媒とを熱交換するヒートポンプ式給湯器用の加熱用熱交換器として、水側チューブと細管状の冷媒側チューブとを接合して、給湯水と冷媒とが熱交換するものを開発した。
【０００３】
図７は発明者が開発した水側チューブを模式的に示す断面図であり、水側チューブ（２１）内には仕切板（２３）が配置されている。そして、仕切板（２３）により、チューブ内部にて紙面垂直方向に延びる複数本の流路（２１ａ）が積層して形成されている。図８は仕切板（２３）単体を示す図７の斜視図である。これらの図７および図８に示すように、水側チューブ（２１）内に蛇行流路を構成する仕切板を備えることにより、チューブ体積を大きくすることなく水と水側チューブ（２１）との伝熱面積増大を図っている。
【０００４】
なお、この種の熱交換器では、水側チューブ（２１）内の水が凍結して仕切板（２３）等が変形、破損してしまうことを防止すべく、熱交換器の長期未使用時には水側チューブ（２１）内の水を抜き取るのが一般的である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、流路（２１ａ）の断面積を小さく設計するほど、仕切板（２３）の水への接触面積が増大し、上記伝熱面積を大きくできる。しかしその背反として、水の抜取作業時に、水側チューブ（２１）内の水が表面張力で流路（２１ａ）の壁面に付着して、流路（２１ａ）を閉塞するように残ってしまう（図８参照）。しかも、閉塞するように残った水が水側チューブ（２１）内を閉塞する栓として機能してしまい、栓を先頭に水側チューブ（２１）内に多量の水が残る恐れがある。なお、図８にて網点ハッチを付した部分は栓としての残水を示している。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑み、第１流体からチューブへの伝熱面積を小さくすることなく、第１流体の抜取作業を行うにあたりチューブ内に第１流体が残り難くする構造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】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、凍結すると体積が増大する第１流体を内部で流通させるチューブ（２１）と、チューブ（２１）内部にて直線的に延びる複数本の流路（２１ａ）が積層して形成されるようにチューブ（２１）内部を仕切る仕切板（２３）とを備え、チューブ（２１）外部にて流通する第２流体と第１流体とを熱交換する熱交換器であって、
流路（２１ａ）が積層される方向を縦方向とし、流路（２１ａ）の長手方向と略垂直、かつ、縦方向と略垂直な方向を横方向とした場合に、流路（２１ａ）の断面形状を、縦方向の寸法および横方向の寸法の少なくとも一方の寸法が不均一となるような形状に形成したことを特徴とする。
【０００８】
ところで、図７および図８に示す熱交換器では、流路（２１ａ）の断面形状は単純な矩形形状である。そのため、表面張力によって形成される残水Ｗのうち流路（２１ａ）を閉塞するように拡がる液面Ｗｆは、縦方向および横方向に対称な形状となるので、前記液面Ｗｆは安定した崩れ難いものとなる。すなわち、残水Ｗが、流路（２１ａ）を閉塞するような栓形状に形成され易くなってしまう。
【０００９】
これに対し、上記請求項１に記載の発明によれば、流路（２１ａ）の断面形状は、縦方向の寸法および横方向の寸法の少なくとも一方の寸法が不均一となる形状であるため、第１流体Ｗのうち表面張力によって流路（２１ａ）を閉塞するように拡がる液面Ｗｆは、縦方向および横方向の少なくとも一方に非対称な形状となり、前記液面Ｗｆが不安定で崩れ易いものとなる。よって、第１流体をチューブ（２１）から抜き取る作業の際に、流路（２１ａ）内の第１流体が、流路（２１ａ）を閉塞するような栓形状に形成され難いものとなるため、チューブ（２１）内に第１流体が残り難くなる。
【００１０】
しかも、このような効果は、流路（２１ａ）の断面形状を上述の不均一な形状にするだけで発揮されるので、チューブ（２１）内の流路（２１ａ）断面積を大きくすることなく実現できる。よって、第１流体からチューブ（２１）への伝熱面積を小さくすることなく、チューブ（２１）内に第１流体が残り難くする構造の熱交換器を提供できる。
【００１１】
また、請求項２に記載のように、複数本の流路（２１ａ）が、互いに連通して蛇行状に延びる流路を構成するといった構造の熱交換器では、第１流体をチューブ（２１）から抜き取る作業の際に、チューブ（２１）内に第１流体が残り易くなる。よって、このような構造の熱交換器に請求項１に記載の発明を適用させて好適である。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、流路（２１ａ）の断面形状を台形に形成したことを特徴とするので、図４に示すように、チューブ（２１）内部にて複数本の流路（２１ａ）を積層して形成しつつ、流路（２１ａ）の断面形状を不均一となるような形状に形成することを、容易に実現できる。
【００１３】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。
【００１５】
本実施形態は、給湯水を加熱するための加熱用熱交換器の水チューブに本発明を適用したものであって、図１はヒートポンプ式給湯器であり、図２は本実施形態に係るチューブを用いた給湯水と冷媒と熱交換する水冷媒熱交換器２０の外形斜視図である。なお、図２〜図４中に記載の上下方向を示す矢印は、所定の設置場所にヒートポンプ式給湯器を設置した状態における上下方向を示している。
【００１６】
上記給湯水は、特許請求の範囲に記載の「凍結すると体積が増大する第１流体」に相当し、上記冷媒は、特許請求の範囲に記載の第２流体に相当する。
【００１７】
ヒートポンプ式給湯器とは、図１に示すように、冷媒を吸入圧縮する圧縮機１０、水冷媒熱交換器２０、水冷媒熱交換器２０から流出した冷媒を減圧する減圧器３０、外気から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発器４０、及び蒸発器４０から流出した冷媒を液相冷媒と気相冷媒とに分離して余剰冷媒を液相冷媒として蓄えるとともに、気相冷媒を圧縮機１０に供給する気液分離器５０等から構成されたものである。そして、外気から吸熱した熱及び圧縮機１０の圧縮仕事量に相当する熱量を給湯水に与えることにより給湯水を加熱するものである。
【００１８】
次に、水冷媒熱交換器２０の構造について述べる。
【００１９】
水冷媒熱交換器２０の水側チューブ２１は、図３に示すように、断面形状が略凹（バスタブ）状にプレス成形された２枚の外板２２を接合して構成されている。また、図４に示すように、水側チューブ２１内には、２枚の外板２２間で構成された空間を仕切る仕切板２３が配置されており、当該仕切板２３により、蛇行した給湯水流路、つまり蛇行流路２１ａ、２１ｂを構成したものである。
【００２０】
蛇行流路２１ａ、２１ｂは、略水平方向に直線的に延びる複数本の水平流路部２１ａと、複数本の水平流路部２１ａを互いに連通するＵターン流路部２１ｂとから構成されている。水平流路部２１ａは、上下方向に積層配置されている。これにより、水側チューブ２１内の水は、上下方向に蛇行しながら流通することとなる。
【００２１】
ここで、水平流路部２１ａが積層される方向を縦方向とし、水平流路部２１ａの長手方向と略垂直、かつ、前記縦方向と略垂直な方向を横方向とする。そして、図３に示すように、水平流路部２１ａの断面形状を、縦方向の寸法および横方向の寸法が不均一となるような形状に形成している。
【００２２】
本実施形態では、水平流路部２１ａの断面形状を台形に形成しており、台形の高さ方向が前記横方向と一致するように形成されている。そして、水平流路部２１ａの縦方向寸法は、符号Ｈ１、Ｈ２に示すように異なる寸法となる。また、水平流路部２１ａの横方向寸法は、符号Ｌ１、Ｌ２に示すように異なる寸法となる。
【００２３】
なお、本実施形態では、外板２２及び仕切板２３を耐食性に優れた金属（例えば、銅やステンレス）製として、これらをろう接にて接合している。
【００２４】
なお、「ろう接」とは、例えば「接続・接合技術」（東京電機大学出版局）に記載されているように、ろう材やはんだを用いて母材を溶融させないように接合する技術を言う。因みに、融点が４５０℃以上の溶加材を用いて接合するときをろう付けと言い、その際の溶加材をろう材と呼び、融点が４５０℃以下の溶加材を用いて接合するときをはんだ付けと言い、その際の溶加材をはんだと呼ぶ。
【００２５】
因みに、本実施形態では、外板２２及び仕切板２３の厚みを共に約０．５ｍｍとし、両者２２、２３は箔状のりん銅溶加材にろう接され、外板２２同士も箔状のりん銅溶加材にろう接されているが、例えば棒状の溶加材を所定箇所に配置してもよい。
【００２６】
また、仕切板２３は、図３に示すように、板材を波状にプレス成形することにより、複数本の水平流路部２１ａの一部を構成する複数本の溝部２３ａを形成したもので、隣り合う溝部２３ａは、Ｕターン流路部２１ｂを介して連通する。
【００２７】
因みに、本実施形態では、仕切板２３を金属製とすることにより、給湯水と水側チューブ２１との伝熱面積を増大させるフィンとしての効果も担っている。
【００２８】
ところで、本実施形態では、圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上としているので、水冷媒熱交換器２０に冷媒と給湯水とが熱交換する際に、冷媒は凝縮することなく、冷媒温度を低下させながらそのエンタルピを低下させることから、図２に示すように、冷媒の流れと給湯水の流れとが対向流れとなるように、複数本（本実施形態では、３本）の細管状冷媒チューブ２４を束ねて１本とし、その束ねた冷媒チューブ２４を水側チューブ２１周りにコイル状に巻き付けられた状態で外板２２にろう接している。
【００２９】
なお、本実施形態では、冷媒チューブ２４をりん脱酸銅をローラ成形機にてコイル状に成形したものであり、りん銅の溶加材にて水側チューブ２１、つまり外板２２にろう接している。
【００３０】
次に、ヒートポンプ式給湯器の作動を簡単に説明すると、ここで、当該給湯器を作動させて給湯水を循環させると、水側チューブ２１の下端部に接続された入口側水配管２５の流入口２５ａから給湯水が流入し、蛇行流路２１ａ、２１ｂを上方に向けて流通する。その後、水側チューブ２１の上端部に接続された出口側水配管２６の流出口２６ａから給湯水が流出する。
【００３１】
一方、圧縮機１０の作動により循環する冷媒は、上方に位置する冷媒チューブ２４に接続された入口側冷媒配管２７の流入口２７ａから給湯水が流入し、コイル状の流路を下方に向けて流通する。その後、下方に位置する冷媒チューブ２４に接続された出口側冷媒配管２８の流出口２８ａから冷媒が流出する。これにより、冷媒の流れと給湯水の流れとが対向流れの状態で熱交換する。
【００３２】
なお、入口側冷媒配管２７は、複数本の冷媒チューブ２４の長手方向両端側に連通しており、複数本の冷媒チューブ２４に冷媒を分配供給するタンクとして機能している。また、出口側冷媒配管２８は、複数本の冷媒チューブ２４の長手方向両端側に連通しており、複数本の冷媒チューブ２４に冷媒を集合回収するタンクとして機能している。
次に、水冷媒熱交換器２０の長期未使用時等における、水側チューブ２１内の水の抜き取り作業について述べる。
【００３３】
入口側水配管２５には排水口２５ｂが備えられており、出口側水配管２６には排水口２６ｂおよび空気流入口２６ｃが備えられている。そして、抜き取り作業時には、これらの排水口２５ｂ、２６ｂおよび空気流入口２６を開く。すると、排水口２５ｂからは、チューブ２１内の水および入口側水配管２５内の水が、水の自重により排水される。この時、空気流入口２６ｃからは空気流入口２６ｃを通じてチューブ２１内に空気が入るようになっている。これにより、給湯水抜き取り時にチューブ２１内に負圧が発生して、排水性が悪くなってしまうことを回避している。
【００３４】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００３５】
本実施形態では、水平流路部２１ａの断面形状を台形形状に形成しているため、水側チューブ２１内の水Ｗのうち表面張力によって水平流路部２１ａを閉塞するように拡がる液面Ｗｆは、非対称な形状となり、不安定で崩れ易いものとなる。よって、水側チューブ２１から水を抜き取る作業の際に、水平流路部２１ａ内の水が、水平流路部２１ａを閉塞するような栓形状に形成され難いものとなるため、水側チューブ２１内に水が残り難くなる。
【００３６】
しかも、このような効果は、水平流路部２１ａの断面形状を台形形状にするだけで発揮されるので、水平流路部２１ａの通路断面積を大きくすることなく実現できる。よって、水から水側チューブ２１への伝熱面積を小さくすることなく、水側チューブ２１内に水が残り難くする構造の熱交換器を提供できる。
【００３７】
（第２実施形態）
水平流路部２１ａの断面形状を、縦方向の寸法Ｈ１、Ｈ２および横方向の寸法Ｌ１、Ｌ２が不均一となるような形状にする具体的手段として、上記第１実施形態では、水平流路部２１ａの断面形状を台形に形成しているが、本実施形態では、図５に示すように、水平流路部２１ａの断面形状を三角形に形成している。
【００３８】
本実施形態に係るその他の構造は上記第１実施形態と同様であり、本実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
（第３実施形態）
上記第１および第２実施形態では、水平流路部２１ａの断面形状を、縦方向の寸法Ｈ１、Ｈ２および横方向の寸法Ｌ１、Ｌ２が不均一となるような形状にしているが、本実施形態では、水平流路部２１ａの断面形状を、縦方向の寸法Ｈ１、Ｈ２および横方向の寸法Ｌ１、Ｌ２の一方のみが不均一となるような形状にしている。
【００４０】
具体的には、図６に示すように、水平流路部２１ａの断面形状を平行四辺形に形成している。これにより、縦方向の寸法Ｈ１は均一となるものの、横方向の寸法Ｌ１、Ｌ２が不均一となる。
【００４１】
本実施形態に係るその他の構造は上記第１実施形態と同様であり、本実施形態によっても第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４２】
（他の実施形態）
上述の各実施形態では、冷媒チューブ２４を水側チューブ２１周りにコイル状に巻き付けて構成しているが、本発明の実施にあたり、冷媒チューブ２４を水側チューブ２１と同様な構造にして、これら２つのチューブ２１、２４を貼り合わせた熱交換器に本発明を適用してもよい。
【００４３】
また、上述の各実施形態では、板材に矩形波状にプレス成形を施すことにより仕切板２３を形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばコの字状断面又は目の字状断面を有す押し出し又は引き抜き材にて仕切板２３を形成してもよい。
【００４４】
また、上述の実施形態では、２枚の外板２２を共にバスタブ状としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば一方側の外板２２のバスタブ状とし、他方側を平板状としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の第１実施形態に係るヒートポンプ式給湯器の模式図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る水冷媒熱交換器２０の外形斜視図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る水側チューブ２１の断面図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る水側チューブ２１の概念図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る水側チューブ２１の断面図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る水側チューブ２１の断面図である。
【図７】試作検討に係る水側チューブ２１の概念図である。
【図８】図７の仕切板２３単体および残水Ｗを示す概念図である。
【符号の説明】
【００４６】
２１…水側チューブ、２１ａ…水平流路部（流路）、２３…仕切板、
Ｈ１、Ｈ２…水平流路部の縦方向寸法、Ｌ１、Ｌ２…水平流路部の横方向寸法。
【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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