(57)【要約】【課題】良好な伝熱性能を有するとともに、熱媒体などの漏洩を速やかに検知することのできる熱交換器を提供する。【解決手段】本発明に係る熱交換器１は、大径管２内にその管軸方向に沿って小径管３を設けて構成された熱交換器１であって、前記小径管３は、外管４と、前記外管４の内部に同軸に設けられる内管５と、からなり、前記外管４の内面又は／及び前記内管５の外面を粗面化して漏洩検知流路を形成するとともに、前記大径管２と前記小径管３との間の外側流路７を第１熱媒体Ｗの流路とし、前記内管５の内部を第２熱媒体Ｘの流路としていることを特徴としている。【選択図】図１
2007271238.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大径管内にその管軸方向に沿って小径管を設けて構成された熱交換器であって、
前記小径管は、
外管と、前記外管の内部に同軸に設けられる内管と、からなり、
前記外管の内面又は／及び前記内管の外面を粗面化して漏洩検知流路を形成するとともに、
前記大径管と前記小径管との間の外側流路を第１熱媒体の流路とし、前記内管の内部を第２熱媒体の流路としていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記外管の内面又は／及び前記内管の外面は、管軸方向に測定したときの最大断面高さＲｔが４μｍ以上であ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】
前記外管の内面と前記内管の外面との間に、少なくとも１本の線状体が外管の全長に渡って設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記線状体が螺旋状に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記小径管が複数設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記第２熱媒体は、超臨界状態の二酸化炭素であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１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、例えば、給湯器、床暖房、冷蔵庫、冷凍庫用等に用いる熱交換器に関するもので、より詳しくは、大径管と小径管とを流れる熱媒体の間で管壁を通して相互に熱交換する熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な熱交換器としては、大径管と、その大径管の内部に小径管を備える構成のものがよく知られており、給湯器用ヒートポンプユニット、床暖房、冷蔵庫などに広く用いられている。
給湯器用ヒートポンプユニットや床暖房に用いられる熱交換器においては、一般的に、大径管の内部に水を流通させ、小径管の内部に二酸化炭素や代替フロンなどの熱媒体（冷媒ともいう）を流通させている。
また、冷蔵庫に用いられる熱交換器においては、一般的に、大径管および小径管の内部に熱媒体としてのフロンや代替フロンなどの熱媒体を流通させている。
すなわち、これらに用いられている熱交換器はいずれも大径管と小径管に流通する熱媒体間で熱交換を行なっている。
【０００３】
前記した構成の熱交換器が、例えば、特許文献１や特許文献２に記載されている。
特許文献１に記載されている熱交換器は、大径管と小径管とよりなる二重管式の熱交換器において、小径管が漏洩検知流路である漏洩検知溝を備える二重構造となっている。
また、特許文献２に記載されている熱交換器は、特許文献１に記載された熱交換器と同様の二重管式の熱交換器であるが、小径管が相互に熱的に密着した二重壁をもつ構造となっている。
【特許文献１】特開２００５−６９６２０号公報（請求項１、図２）
【特許文献２】特開２００５−８３６６７号公報（請求項１、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献1に記載されている熱交換器は、小径管が漏洩検知溝を備えているために、熱媒体の流通する最内層の管と、その外側の管との間に空気層が形成される。特許文献1に記載されている熱交換器は、このような空気層を有しているために熱伝達率が小さくなり、熱交換器としての伝熱性能が低下してしまうという問題がある。
【０００５】
また、特許文献２に記載されている熱交換器は、小径管が相互に熱的に密着した二重壁をもつ構造であるために熱伝達性能は優れるものの、小径管の内側あるいは外側が腐食等により破れた場合、管内を流れる熱媒体の漏洩を検知することが難しくなるという問題がある。
【０００６】
なお、給湯器用ヒートポンプユニットや床暖房などに用いられる熱交換器においては、エネルギー消費効率（ＣＯＰ；Coefficient of Performance）の改善が望まれているとともに、熱交換部において熱媒体や水の漏洩が発生した場合に、これらが交じり合う前にその漏洩を検知できる構造であることが要求されている。
【０００７】
本発明は前記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、良好な伝熱性能を有するとともに、熱媒体などの漏洩を速やかに検知することのできる熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決した本発明に係る熱交換器は、大径管内にその管軸方向に沿って小径管を設けて構成された熱交換器であって、前記小径管は、外管と、前記外管の内部に同軸に設けられる内管と、からなり、前記外管の内面又は／及び前記内管の外面を粗面化して漏洩検知流路を形成するとともに、前記大径管と前記小径管との間の外側流路を第１熱媒体の流路とし、前記内管の内部を第２熱媒体の流路としていることを特徴としている。
【０００９】
このように、本発明に係る熱交換器は、小径管を構成する外管と内管の境界面が粗面化されているので、当該粗面化された境界面が適宜の大きさの空間部を有することとなる。そして、この空間部が漏洩検知流路として機能するので、熱媒体の漏洩を好適に検知することができる。さらに、このような構成とすることによって、本発明に係る熱交換器は、例えば、特許文献１に記載されている熱交換器のように、漏洩検知溝が設けられているものに比べて、外管と内管との接触面積を大きくすることができるので、熱伝達率を大幅に向上させることができる。
【００１０】
本発明に係る熱交換器において、前記外管の内面又は／及び前記内管の外面の粗面化の度合いは、管軸方向に測定したときの最大断面高さＲｔが４μｍ以上であるのが望ましい。なお、最大断面高さＲｔは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１に規定されている。
このように、本発明に係る熱交換器は、外管の内面又は／及び内管の外面について、管軸方向に測定したときの最大断面高さＲｔを４μｍ以上としたことによって、熱媒体などが漏洩したことを確実に検知することができる。
【００１１】
本発明に係る熱交換器においては、前記外管の内面と前記内管の外面との間に、少なくとも１本の線状体が外管の全長に渡って設けられているのが望ましい。
このように、本発明に係る熱交換器は、内管と外管との間に線状体を設けることによって、内管と外管との間に、全長に渡る連続した隙間が形成される。かかる連続した隙間が熱媒体の漏洩を検知する漏洩検知流路として機能することで、熱媒体などの漏洩をより確実に検知することができる。
【００１２】
本発明に係る熱交換器においては、前記線状体が螺旋状に設けられているのが望ましい。
このように、本発明に係る熱交換器は、線状体を螺旋状に設けることによって、熱媒体などの漏洩をさらに確実に検知することができる。
【００１３】
本発明に係る熱交換器においては、前記小径管が複数設けられているのが望ましい。
このように、本発明に係る熱交換器は、小径管を複数設けることによって、第２熱媒体の流量及び第２熱媒体の流れる管の外表面積を増大させることができるので、伝熱性能をより向上させることができる。
【００１４】
本発明に係る熱交換器において、前記第２熱媒体は、超臨界状態の二酸化炭素であるのが望ましい。
このように、本発明に係る熱交換器は、第２熱媒体に超臨界状態の二酸化炭素を用いることによって、熱伝達率を大きくすることができる。その結果、当該二酸化炭素から第１熱媒体への伝熱がより一層効率よく行われることとなり、熱交換器としてのＣＯＰをより一層増大させることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る熱交換器は、大径管の内部に小径管が設けられた構成であり、当該小径管を外管と内管とで構成し、また、外管と内管との境界面を粗面化し、又はさらに線状体を設けることによって、漏洩検知が可能な構造としつつ、外管と内管の接触面積を大きくしているので、良好な伝熱性能を有することができる。つまり、熱交換器としての安全性を保証しながら、従来の漏洩検知溝を設けた二重管式熱交換器と比較して伝熱性能を向上させることができる。また、熱交換器の消費電力等の運転コストも低くなるのでＣＯＰ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】
【００１６】
次に、本発明に係る熱交換器の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。参照する図面において、
図１は、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は、小径管の拡大断面図である。図３は、図２（ｂ）のＹ部拡大図であって、外管と内管の要部拡大説明図である。図４は、伝熱促進手段（バッフル材）が配置された第２の実施形態に係る熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。図５（ａ）は、図４のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｂ）〜（ｅ）は、Ｂ１〜Ｂ４での伝熱促進手段（バッフル材）の配置を模式的に示す説明図である。図６は、他の形態に係る伝熱促進手段（インナー材）が配置された熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。図７は、図６のＣ−Ｃ線断面図である。図８は、さらに他の形態に係る伝熱促進手段（インナー材）を示す斜視図である。図９（ａ）は、束ね部材が配置された熱交換器の構成を示す一部破断斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＣ’−Ｃ’線断面図である。図１０は、束ね部材およびインナー材が配置された熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。図１１は、図１０の熱交換器の構成を示す一部破断側面図である。図１２は、凹凸部が形成された熱交換器の構成を示し、（ａ）は、一部破断側面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。図１３は、（ａ）は、内面溝付管の構成を説明する縦断面図であり、（ｂ）は、内面溝付管の構成を説明するＥ−Ｅ線における一部拡大横断面図である。図１４〜１７は、巻回部が形成された熱交換器の構成を示す斜視図である。図１８は、熱交換器を使用した給湯器の構成を模式的に示す説明図である。
【００１７】
図１および図２（ａ）（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施形態に係る熱交換器１は、大径管２と、大径管２の内径より小さい外径を有する小径管３とを備え、前記した小径管３は、外管４と外管４の内側に同軸に設けられた外管４の内径より小さい外径を有する内管５とからなり、この外管４の内面又は／及び内管５の外面が粗面化された構成となっている。そして、大径管２と小径管３の間に形成された外側流路７を流通する第１熱媒体Ｗと内管５の内部を流通する第２熱媒体Ｘとによって熱交換を行うものである。
【００１８】
以下、各構成について説明する。
図１、図２に示すように、本発明の熱交換器１は、大径管２内にその管軸方向に沿って小径管３を設けた構成となっている。以下、各構成について説明する。
【００１９】
（大径管）
図１、２に示すように、大径管２は、後記する小径管３との間に外側流路７を形成し、外側流路７を第１熱媒体Ｗの流路としたものである。また、大径管２の内径は、後記する小径管３の外径より大きく、且つ、外側流路７に第１熱媒体Ｗを流すのに十分な内径、及び耐圧強度を持てばよく、一例として、外径は４〜３０ｍｍ、肉厚は０．２〜２．５ｍｍ、長さは１００ｍｍ以上が好ましい。また、大径管２の寸法は、後記する小径管３の寸法との関係、本発明の熱交換器１が組み込まれる給湯器３０（図１８参照）の寸法、熱容量、加工性を考慮して決められ、熱交換器１の伝熱性能、圧力損失の点から、管軸直交断面における１本の小径管３の流路断面積と、大径管２と小径管３との間の外側流路７の断面積との比（外側流路７／小径管３）が１０〜５０の範囲内を満足するように設定することがより好ましい。
【００２０】
大径管２の材質としては、（１）熱伝導性が優れ、大径管２および後記する小径管３の内部を流れる熱媒体間で効率良く熱交換できる、（２）熱交換器１が使用される種々の雰囲気で耐食性に優れる、（３）後記する凹凸部の形成、らせん状、渦巻状の巻回部の形成、給湯器３０に組み込まれる際の曲げ加工などの塑性加工性に優れる（加工により割れ等が生じない機械的性質を備える）、（４）給湯器３０に組み込まれる際の他の管とのロウ付け性、はんだ付け性又は接着剤による接着性に優れる、（５）熱交換器１が使用される圧力で耐圧性に優れる、などの特性を満足するものが好ましい。
【００２１】
これらの（１）〜（５）の特性を満足する材質としては、エアコン、大型空調機器などの熱交換器に広く用いられているＪＩＳＨ３３００に規定する合金番号Ｃ１１０１の無酸素銅、合金番号Ｃ１２０１及びＣ１２２０のりん脱酸銅のいずれかが好ましい。
【００２２】
また、前記の材質のみに限定する必要はなく、特に熱伝導性と耐圧強度が必要な場合は、ＪＩＳＨ３３００に規定された銅又は銅合金や、例えばＦｅ、Ｐ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｇ、Ａｌ等の元素より選択する１種又は２種以上を総計で数％以下Ｃｕに含有させたＪＩＳＨ３３００に規定されていない銅合金を用いることも可能である。
【００２３】
さらに、特に耐食性と耐圧強度が必要な場合には、ＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ７０６０、Ｃ７１００、Ｃ７１５０などのＣｕ−Ｎｉ系合金やＴｉ又はＴｉ合金、ステンレス鋼などを用いることも可能である。また、軽量化が求められる場合には、耐食性、強度、加工性などの特性を考慮して、アルミニウム、アルミニウム合金の中から所定の特性を有するものを選択することも可能である。
【００２４】
大径管２を構成する管は、押出し素管を圧延、抽伸して製作される継目無し管、あるいは所定幅の板条の幅方向の端面を溶接して製作される溶接管を用いてもよい。
【００２５】
通常、大径管２としては管内面が平滑である平滑管が用いられることが多いが、管内の熱媒体を撹拌したい場合、旋回流を与えたい場合、あるいは管内の伝熱面積を増やしたい場合等には、管内面の少なくとも一部に管軸方向に平行な溝、あるいは、らせん状の溝（図示せず）が形成された内面溝付管を用いてもよい。また、大径管２内の溝付加工には、転造法、圧延法（転造ボールの代わりに圧延ロールを使用）、条（幅の狭い板状）に圧延ロールで溝付し、条を丸めて端を溶接するなどの方法によればよい。
【００２６】
（小径管）
図２（ｂ）に示すように、小径管３は、外管４と内管５とからなり、外管４の内面又は／及び内管５の外面を粗面化することによって微細な空間部６を形成し、かかる空間部６を漏洩検知流路とする二重管としており、この内管５の内部を第２熱媒体Ｘ（図１参照）の流路としたものである。
この小径管３は、大径管２内にその管軸方向に沿って複数、望ましくは３〜６本の本数範囲で設けている。なお、外管４と内管５の間に少なくとも１本の線状体９を外管４の全長に渡って設置するのがよい。また、線状体９はらせん状に設けるのがよい。この小径管３は、内管５を外管４に挿入し、外管４を縮径する、また内管５を拡管する等の方法で製作されるが、外管４と内管５の接触部分において、連通した隙間が形成されるよう、縮径又は拡管の圧力はあまり大きくしない方がよい。
【００２７】
（外管）
外管４は、大径管２の内部に外側流路７を形成するように、大径管２の管軸方向に沿って設けられ、且つ、外側流路７に第１熱媒体Ｗが必要量流通することが可能な寸法に形成されており、一例として、外径は、１〜８ｍｍ、肉厚は、０．２〜２ｍｍ、長さは、１００ｍｍ以上とするのが好ましい。また、外管４の寸法は、前記したように、熱交換器１の伝熱性能、第１熱媒体Ｗおよび第２熱媒体Ｘの圧力損失の点から、管軸直交断面における１本の小径管３の流路断面積と、大径管２と小径管３との間の外側流路７の断面積との比（外側流路７／小径管３）が１０〜５０の範囲を満足するように設定することがより好ましい。
【００２８】
外管４の材質は、前記した大径管２で選択されたものと同様の材質が適用され、大径管２と同じもの又は異なるものを適宜選択するのがよい。
外管４を構成する管は、その内部に設けられる内管５の内圧を高くして運転されることが多いため、管の外径に対する肉厚を大きくすることが多く、一般には、押出し素管を圧延、抽伸して製作される継目無し管を用いることが多い。管の肉厚は、熱交換器１の運転圧力に基づいて計算される耐圧強度から決定すればよい。耐圧強度が要求値を満たせば、溶接管を用いてもよい。
【００２９】
外管４は、図３に示すように、後記する内管５との間に微細な空間部６が形成されるように、管の内面が粗面化されている。外管４の内面を粗面化することにより、例えば、外管４に内管５を挿入し、外管４を縮径又は内管５を拡管して両者を接触させた場合でも、外管４と内管５との間に微細な隙間が形成され、内管５又は外管４が破れた場合に、その漏洩を感知することが可能である。また、後記するように、更に、外管４と内管５との間に外管４の全長に渡って線状体９が設けられた構成としてもよい。外管４の内面を粗面化する方法としては、外管４の内面へのショットブラスト、外管４の内面の研磨、外管４の内面の化学的エッチング等の方法によればよく、管軸方向に測定した最大断面高さＲｔが４μｍ以上となるように粗面化されることが望ましい。この最大断面高さＲｔは、６μｍ以上がより望ましく、７μｍ以上が更に望ましい。また、このときの表面粗さを算術平均粗さＲａで測定した場合、算術平均粗さＲａが０．８μｍ以上が望ましく、１．２μｍ以上がより望ましく、１．５μｍ以上が更に望ましい。
【００３０】
外管４の内面に対して行うショットブラストの方法としては、例えば、ＳｉＣ等の粉末を管内に高速で吹き付けて管内を粗面化することができる。吹き付ける粒子の種類、粒度、吹き付け圧力、吹き付け時間などを変えることにより、粗面の程度を調整することができる。また、外管４の内面に対して行う研磨は、例えば、表面に凹凸又は粗面が形成され、その直径が管内径より小さい超硬製円筒状治具を外管４の内面に挿入し、外管４全長に渡って管内と前記した超硬製円筒状治具とを接触させる工程を１回ないし数回繰返せばよい。この場合、超硬製円筒状治具の外面の表面粗さ、治具の硬さ、治具の送り速度、繰返し回数等により外管４の内面に付与する粗面化の程度を調整することができる。また、外管４の内面に対して行う化学的エッチング法としては、銅又は銅合金管の場合、３０〜９０℃程度の塩化第二鉄水溶液を管内に供給し、管内をエッチングすればよく、塩化第二鉄水溶液の濃度、エッチング時間により粗面の程度を調整することができる。
【００３１】
（内管）
内管５は、外管４の内部に同軸に設けられ、外管４より外径の小さい外径を有し、外管４との間に空間部６を形成するとともに、その内部に第２熱媒体Ｘが必要量流通することが可能な寸法に形成されており、一例として、外径は、１〜８ｍｍ、肉厚は、０．２〜２ｍｍ、長さは、１００ｍｍ以上が好ましく、管軸直交断面における１本の小径管３の流路断面積と、大径管２と小径管３との間の外側流路７の断面積との比（外側流路７／小径管３）が１０〜５０の範囲を満足するように設定することがより好ましい。また、内管５の材質は、前記した外管４と同じもの又は異なるものを適宜選択するのがよい。
【００３２】
内管５を構成する管は、断面積が小さいが、その内部を流れる第２熱媒体Ｘの流通量を多くしたい場合が多いので、内圧を高くして運転されることが多い。そのため、管の肉厚を大きくすることが多く、一般には、押出し素管を圧延、抽伸して製作される継目無し管を用いることが多い。管の肉厚は、熱交換器１の運転圧力に基づいて計算される耐圧強度から決定すればよい。耐圧強度が要求値を満たせば、溶接管を用いてもよい。
【００３３】
内管５は、外管４との間に微細な空間部６が形成されるように、管の外面が粗面化されている。あるいは、後記するように、更に、外管４と内管５との間に外管４の全長に渡って線状体９が設けられた構成とされている。内管５の外面を粗面化する方法としては、内管５の外面へのショットブラスト、内管５の外面の研磨、内管５の外面の化学的エッチング等の方法によればよく、管軸方向に測定した最大断面高さＲｔが４μｍ以上となるように粗面化されることが望ましい。この最大断面高さＲｔは６μｍ以上がより望ましく、７μｍ以上が更に望ましい。また、このときの表面粗さを算術平均粗さＲａで測定した場合、表面粗さＲａは、０．８μｍ以上が望ましく、１．２μｍ以上がより望ましく、１．５μｍ以上が更に望ましい。
【００３４】
内管５の外面に対して行うショットブラストについては、外管４に対するのと同様に行えばよい。また、内管５の外面に対して行う研磨は、例えば、適当な粗さのエメリー紙による内管５の外面の研磨、あるいは表面に凹凸又は粗面が形成され、その開口部の径が内管５外径より小さい超硬製ダイスに内管５を通す等の方法で可能である。エメリー紙の粗さ、ダイスの粗さ、硬さ、内管５の通過速度、ダイスを通す回数等により粗面の程度を調整することができる。また、内管５の外面に対して行う化学的エッチング法としては、銅又は銅合金管の場合、３０〜９０℃程度の塩化第二鉄水溶液を管外に供給し、内管５の外面をエッチングすればよく、塩化第二鉄水溶液の濃度、エッチング時間により粗面の程度を調整することができる。
【００３５】
なお、通常、内管５としては管内面が平滑である平滑管が用いられることが多いが、管内の第２熱媒体Ｘを撹拌したい場合、旋回流を与えたい場合、あるいは管内の伝熱面積を増やしたい場合等には管内面の少なくとも一部にフィン５ａなどを所定のねじれ角、山頂角、溝数で設けて、管軸方向に平行な溝、あるいは、らせん状の溝（図１３参照）が形成された内面溝付管を用いてもよい。特に、冷凍機油を０．１〜６．０ｍａｓｓ％含む二酸化炭素を第２熱媒体Ｘとして用いる場合は、圧力損失の増加を抑えながら、平滑管に比べて伝熱性能を向上させることが可能になるため、適当な形状の内面溝付管を用いることが望ましい。なお、内面溝付管は、平滑管内部に溝付プラグを挿入し、管外面の回転する転造体を押し当てて転造する方法、又は条材の表面に溝を圧延し、条の端部どうしを溶接する方法により製作することができる。内面溝付管の溝形状としては、以下の範囲のものを採用することが望ましい。
【００３６】
（フィン高さｈｆ：０．１〜０．３ｍｍ）
管内の溝間に形成されるフィン高さｈｆが高いほど、管内の伝熱面積が増大し、また第２熱媒体Ｘの撹拌効果も大きくなり、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、フィン高さｈｆが０．３ｍｍを超えると、圧力損失の増加が大きくなる。一方、フィン高さｈｆが０．１ｍｍ未満の場合、熱伝達率の向上効果が小さい。したがって、フィン高さｈｆの適当な範囲は０．１ｍｍ〜０．３ｍｍとするのがよい。
【００３７】
（ねじれ角θ：０〜４５°）
ねじれ角θは、管内面における管軸方向に平行な直線と溝が伸びる方向とがなす角度である。ねじれ角θが大きいほうが、第２熱媒体Ｘの撹拌効果も大きくなり、また管内の伝熱面積が増大するため、熱伝達率が大きくなる。なお、その値が、５°未満の場合、平滑管と比較して熱伝達率向上の効果が小さく、ねじれ角θが４５°を超えると、圧力損失が増加し、また内面溝付管の加工が難しくなる。したがって、ねじれ角θの適当な範囲は０〜４５°とするのがよく、５〜４５°とするのがさらによい。
【００３８】
（山頂角δ：５〜４５°）
山頂角δは、管軸直交断面において、フィンの斜面が成す角度である。山頂角δが小さいほど、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、山頂角δが５°未満の場合、内面溝付管を加工した場合に、フィンが倒れやすくなり、目的とする伝熱性能が得られにくくなる。一方、山頂角δが４５°を超えると、管内の表面積が低下して伝熱性能が低下するとともに、管の質量が大きくなってしまう。したがって、山頂角δの適当な範囲は５〜４５°とするのがよい。
【００３９】
（溝数３０〜７０）
溝数が多いほど、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、溝数が７０を超えると熱伝達率の増加量よりも圧力損失の方が大きくなる。一方、溝数が３０未満の場合、熱伝達率が向上しない。したがって、溝数の適当な範囲は３０〜７０とする。
【００４０】
なお、伝熱性能の点から、管軸直交断面における溝部の形状は、台形状とするのがよい。また、管の肉厚は溝部において最小になるが、その値は、第２熱媒体Ｘの運転圧力により決まる耐圧強度と管の引張り強さから求めることができる。
【００４１】
（線状体）
そして、図３に示すように、小径管３を構成する外管４又は内管５の漏洩をより早く、確実に検知するために、外管４の内面と内管５の外面を粗面にすることに加え、外管４の内面と内管５の外面の間に、外管４全長に渡って線状体９を設けることが望ましい。管の長手方向に直行する断面で見ると、外管４と内管５を嵌合しても、線状体９が介在することで外管４と内管５が完全に接触せず、これらの間に隙間が形成される。この隙間は、線状体９に沿って管の長手方向に連続するため、線状体９を設けない場合に比べ、漏洩をより早く検知することが可能になる。
【００４２】
線状体９の材質は、外管４又は内管４と同一のもの、あるいは銅、銅合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金等耐食性のよいものを選定すればよい。また、その寸法は、外径０．２〜１．５ｍｍより選択すればよい。線状体９を設ける方法としては、内管５の外面あるいは外管４の内面に線状体９を接着剤、はんだ、ろう等で固定した後、外管４に内管５を挿入して外管４を縮径する方法や、内管５を拡径する方法などで外管４と内管５とを一体化させることを一例として挙げることができる。
【００４３】
（熱媒体）
図１に示すように、大径管２内を流れる第１熱媒体Ｗと小径管３内を流れる第２熱媒体Ｘは、水、フロン又は代替フロン等の冷媒、二酸化炭素等の自然冷媒の中から、熱交換器１が組み込まれる機器の用途を考慮して、適宜選択される。例えば、給湯器用ヒートポンプユニットの熱交換器１である場合は、第１熱媒体Ｗとして水を、第２熱媒体Ｘとして二酸化炭素又はハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒を使用することが好ましい。
【００４４】
なお、第２熱媒体Ｘは、環境面から二酸化炭素を用いるのが好ましく、さらに、熱効率が優れる点で、二酸化炭素を超臨界状態で用いるのがより好ましい。かかる二酸化炭素は、給湯器用ヒートポンプユニットのコンプレッサーを磨耗させないよう、通常０．１〜６．０質量％程度の冷凍機油を含有することが多い。冷凍機油には、通常ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）等が用いられる。
【００４５】
また、例えば、給湯器用ヒートポンプユニットの成績効率（ＣＯＰ）を考慮すると、第２熱媒体Ｘは、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒を用いるのが好ましい。ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒は、従来使用されていたクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）系、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）系冷媒の塩素全部を水素に置換したもので、オゾンを破壊しない冷媒である。代表的なＨＦＣ系冷媒としては、Ｒ３２とＲ１２５を混合した非共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａがある。さらに、ＨＦＣ系冷媒もほぼ臨界状態で使用することがより好ましい。
なお、第１熱媒体Ｗと第２熱媒体Ｘは、冷媒と図１では、第２熱媒体Ｘの流れる方向と、第１熱媒体Ｗの流れる方向とが対向していると熱交換効率が向上する。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る熱交換器を図４〜１１に示す。
なお、第１の実施形態の熱交換器１と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
図４〜１１に示すように、熱交換器１ａは、前記した第１の実施形態の熱交換器１に伝熱促進手段８をさらに備えたものである。
【００４７】
（伝熱促進手段）
第１熱媒体Ｗと第２熱媒体Ｘの熱交換を更に促進するために、図４に示すように、伝熱促進手段８として、小径管３の外面に接触させたバッフル板８ａを設けてもよい。このようにバッフル板８ａを配置することによって、第１熱媒体Ｗの流路長の増大および乱流発生による第１熱媒体Ｗの温度の均一化が進み、第２熱媒体Ｘからの第１熱媒体Ｗへの伝熱性能をより一層向上させることができるとともに、第１熱媒体Ｗの圧力損失も低くなる。また、バッフル板８ａを配置する領域Ｓ（長さ）は、外側流路７を流れる第１熱媒体Ｗの圧力損失が大きくならない長さに設定し、かつ、領域Ｓでの内管５を流れる第２熱媒体Ｘの温度を考慮して設定することが好ましい。例えば、熱交換器１を用いた給湯器の実際の運転において、第２熱媒体Ｘが二酸化炭素を用いている場合は、当該二酸化炭素の局所熱伝達率が極大となる許容温度範囲（２０〜８０℃）を満足する領域を設定する。
【００４８】
なお、このような伝熱促進手段８は、第１熱媒体Ｗの流れの一部に対して妨げとなり、第１熱媒体Ｗの流れに乱流を発生させるとともに、第１熱媒体Ｗの圧力損失が大きくならないものであれば、バッフル板８ａに限定されない。例えば、図６、６に示す断面十字形状のインナー材８ｂとすることや、図８に示す径の大きい部分と小さい部分とを有するインナー材とすることや、図９に示す束ね部材とすることや、図１０、１０に示すように、図９に示す束ね部材の他にインナー材８ｅを備えることができる。
なお、図１２に示すように、熱交換器１ａの大径管２に凹凸部８ｆを形成することによっても同様の効果を得ることができる。
【００４９】
（熱交換器の形態）
そして、図１４〜１７に示すように、前記した構成の熱交換器１（熱交換器１ａを含む）を巻回して巻回部１５、１６、１７、１８を形成して熱交換器１ｂとなし、給湯器３０、床暖房、冷蔵庫、冷凍庫用などの熱交換システムに使用した例を図１８で説明する。
例えば、巻回部１５を設けた熱交換器１ｂを給湯器３０用ヒートポンプユニットの筐体１０に収納するには、筐体１０の寸法に合わせて前記した巻回部１５を形成すればよい。また、一定体積内で、熱交換器１ｂの熱容量を大きくしたい場合には、図１４及び図１７のらせん巻き巻回を内外２層とする、あるいは図１５及び図１６の渦巻状巻回を上下２段にする等の方法を用いればよい。
【００５０】
図１８に示す熱交換システム（給湯器３０）では、熱交換器１の大径管２に、例えば、水などの第１熱媒体Ｗを流通させ、小径管３に、例えば、二酸化炭素（ＣＯ2）などの第２熱媒体Ｘを流通させる。二酸化炭素は、冷媒ユニット２４の蒸発器２５において大気熱を吸収した後、圧縮器２６により圧縮され、高温高圧の流体として、熱交換器１の小径管３に送られる。小径管３に供給された二酸化炭素は、大径管２内の水と熱交換して低温の流体となって冷媒ユニット２４の膨張弁２７に送られる。二酸化炭素は膨張弁２７により膨張し、蒸発器２５で再度吸熱する。一方、水ユニット２８の貯湯タンク２９の水は、ポンプＰで熱交換器１の大径管２に送られる。大径管２に送られた水は、小径管３と接触することにより加熱され、高温の水（湯）となって貯湯タンク２９に戻る。
【実施例】
【００５１】
以下、本発明の熱交換器について、実施例および比較例を挙げて具体的に説明する。
〔１〕第１の実施例（本発明例１〜６、比較例１，２）
大径管２の内部に管軸方向に沿って１本の小径管３（図１参照）を設け、表１及び図１５に示す大径管２の全長の一部に渦巻状の巻回部１６を形成した本発明例１〜６及び比較例１，２の熱交換器１ｂを作製した。各構成については、以下の通りである。
【００５２】
（ａ）大径管
大径管２は、外径１５．８８ｍｍ、内径１４．２８ｍｍ、全長９ｍの平滑管を、ＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ１２２０のりん脱酸銅で作製した。
【００５３】
（ｂ）小径管
小径管３は、図２（ｂ）に示すように、下記の外管４に内管５を挿入して、空引きすることにより外管４に内管５をかしめて製作した二重管を用いた。
【００５４】
（ｃ）外管
外管４は、外径５．０ｍｍ、内径４．０ｍｍ、全長８ｍの平滑管を、大径管２と同材質で作製した。
なお、外管４は、後記するように、粗面化処理を行ったものも作製した。粗面化処理前の外管４の内面の管軸方向の最大断面高さＲｔは０．８〜１．３μｍであった。
また、比較例２に用いる外管４として、外径５．０ｍｍ、溝部肉厚０．３ｍｍ、溝深さ０．２ｍｍ、溝リード角１５°、溝数４０の内面溝付管を作製した。
【００５５】
（ｄ）内管
内管５は、外径３．９ｍｍ、肉厚０．５ｍｍ、全長７．５ｍの平滑管を大径管２と同材質で作製した。粗面化処理前の内管５の外面の管軸方向の最大断面高さＲｔは０．８〜１．２μｍであった。そして、これを用いてその外面を粗面化処理を行ったものも作製した。最大断面高さＲｔを表１に示す。
なお、管内の第２熱媒体Ｘを漏洩させるために長さ方向の中間点（３．７５ｍ）に直径１ｍｍのドリルで孔を１個設けた。
なお、線状体９を設けるものについては、線状体９を設けた後、外管４に挿入できるよう管の外径及び肉厚を設定した。
【００５６】
（ｅ）巻回部
大径管２の全長の一部に、図１５に示す最大外径ＯＤ３００ｍｍ、最小内径ＩＤ１５０ｍｍの渦巻状の巻回部１６を二層に形成した。なお、巻回部１６の高さＨは３２ｍｍとした。
【００５７】
（ｆ）粗面化
外管４の内面は、水１２０ｃｃ、塩酸３０ｃｃ、塩化第二鉄１５ｇの比率よりなる腐食液を準備し、５０℃に加熱した後、この腐食液を外管４内に循環させることにより、外管４の内面を粗面化した。粗面化の程度は、腐食液の循環時間により調整した。粗面化処理後の外管４の両端より０．５ｍずつ切断し、更に管を管軸方向に切断して管内の最大断面高さＲｔを接触式表面粗さ計で測定した。
また、内管５の外面は、ＳｉＣ粒子を吹き付けることにより粗面化した。粗面化の程度はＳｉＣ粒子の粒度、吹き付け圧力・時間を変えることにより調整した。
また、＃５０のエメリー紙で全長を研磨し、粗面化したものも準備した。
【００５８】
（ｇ）線状体
直径０．５ｍｍの銅線を使用した。一部の試料には、外管４と内管５との間に１本又は２本の線状体９を、外管４と内管５が接触する長さにおいて３回転するよう、らせん状に設けた。
表１に、本発明例１〜６と比較例１，２の外管の内面および内管の外面について、粗面化の有無と、最大断面高さＲｔと、線状体９の本数を示す。
【００５９】
【表１】
2007271238.tif 000003
【００６０】
そして、作製した本発明例１〜６及び比較例１，２の熱交換器１ｂを図１８の給湯器３０に組込み、その大径管２に流量０．５５〜１．３Ｌ／ｍｉｎの水を流通させ、小径管３の内管５に０．８５〜１．３ｋｇ／ｍｉｎ、９〜１１ＭＰａの二酸化炭素を対向するように６時間に渡り流通させた。６時間後、熱交換器１ｂを流通する二酸化炭素の漏洩の有無を検知することができるか確認した。なお、二酸化炭素の漏洩の有無の検知は、熱交換器を流通する二酸化炭素の圧力を測定し、その減少の有無によって確認した。
二酸化炭素の漏洩の有無の検知結果を表２に示す。
【００６１】
【表２】
2007271238.tif 000004
【００６２】
表２に示すように、本発明例１〜６の熱交換器１ｂにおいては、外管４と内管５との界面に微細な隙間が形成されていることから、内管５に設けた孔から漏洩した二酸化炭素が隙間を通って熱交換器１ｂの外部に漏れ出し、漏洩するのを検知することができた。
【００６３】
一方、比較例１の熱交換器１ｂでは、隙間が形成されていないため、内管５に穴をあけておいても二酸化炭素の漏洩が起こらなかったため、その漏洩を検知することができなかった。
また、比較例２の熱交換器１ｂでは、内管５と外管４の界面に多数の溝（漏洩検知溝）が設けられているため、これらの中で最も早く二酸化炭素の漏洩を検知することができた。
なお、二酸化炭素の漏洩の検知は、内面溝付管を外管４とする従来例である比較例２＞本発明例６＞本発明例５＞本発明例４＞本発明例３＞本発明例２＞本発明例１の順で早かった。
【００６４】
〔２〕  第２の実施例
第１の実施例の本発明例１、比較例１及び比較例２の熱交換器１ｂを組み込んだ給湯器３０（図１８参照）を用いて、以下の要領で伝熱性能を測定した。なお、いずれの熱交換器１ｂも、内管５の孔を設けないものを用いている。その結果を表３に示す。
【００６５】
（ｈ）伝熱性能
本発明例１、比較例１及び比較例２の熱交換器１ｂを組み込んだ給湯器３０を１時間運転し、熱交換器１ｂの排出口の水温を測定し、水の比熱、流量、水温から、熱交換器１ｂの排出口を通過した水の総熱量を算出した。比較例２の熱交換器１ｂにおける熱量を１００とし、各熱交換器１ｂの熱量をその比として表した。
表３に伝熱性能の測定結果を示す。
【００６６】
【表３】
2007271238.tif 000005
【００６７】
表３に示すように、本発明例１の熱交換器１ｂは、比較例１の熱交換器１ｂとほぼ同等の伝熱性能を有し、従来から用いられている漏洩検知溝を有する比較例２の熱交換器１ｂより伝熱性能が優れていた。
【００６８】
以上、本発明に係る熱交換器について、最良の実施の形態および実施例を示して詳細に説明したが、本発明の内容はこれらの記載に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において広く変更・改変を行うことができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は、小径管の拡大断面図である。
【図３】図２（ｂ）のＹ部拡大図であって、外管と内管の要部拡大説明図である。
【図４】伝熱促進手段（バッフル材）が配置された第２の実施形態に係る熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。
【図５】（ａ）は、図４のＢ−Ｂ線断面図であり、（ｂ）〜（ｅ）は、Ｂ１〜Ｂ４での伝熱促進手段（バッフル材）の配置を模式的に示す説明図である。
【図６】他の形態に係る伝熱促進手段（インナー材）が配置された熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。
【図７】図６のＣ−Ｃ線断面図である。
【図８】さらに他の形態に係る伝熱促進手段（インナー材）を示す斜視図である。
【図９】（ａ）は、束ね部材が配置された熱交換器の構成を示す一部破断斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＣ’−Ｃ’線断面図である。
【図１０】束ね部材およびインナー材が配置された熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。
【図１１】図１０の熱交換器の構成を示す一部破断側面図である。
【図１２】凹凸部が形成された熱交換器の構成を示し、（ａ）は、一部破断側面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＤ−Ｄ線断面図である。
【図１３】（ａ）は、内面溝付管の構成を説明する縦断面図であり、（ｂ）は、内面溝付管の構成を説明するＦ−Ｆ線における一部拡大横断面図である。
【図１４】巻回部が形成された熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図１５】巻回部が形成された熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図１６】巻回部が形成された熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図１７】巻回部が形成された熱交換器の構成を示す斜視図である。
【図１８】熱交換器を使用した給湯器の構成を模式的に示す説明図である。
【符号の説明】
【００７０】
１，１ａ，１ｂ  熱交換器
２      大径管
３      小径管
４      外管
５      内管
６      空間部
７      外側流路
８      伝熱促進手段
９      線状体
１４    凹凸部
１５，１６，１７，１８  巻回部
３０    給湯器
Ｗ      第１熱媒体
Ｘ      第２熱媒体
【図１】
2007271238.tif 000006
【図２】
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【図３】
2007271238.tif 000008
【図４】
2007271238.tif 000009
【図５】
2007271238.tif 000010
【図６】
2007271238.tif 000011
【図７】
2007271238.tif 000012
【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】
2007271238.tif 000017
【図１３】
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【図１４】
2007271238.tif 000019
【図１５】
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【図１６】
2007271238.tif 000021
【図１７】
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【図１８】
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