(57)【要約】  【課題】伝熱面積が大きく、放熱ロスが抑制できる熱交換器を提供することを目的とする。  【解決手段】二酸化炭素が冷媒として流通する流路２を複数本並列に並べた扁平な断面形状の１本の多穴管３の扁平な外壁３ａの両側に、相対する２本の異型管４を配することで、多穴管３の両側が異型管４と面接触して伝熱面積を大きくすることで、大きな熱交換量を得ることができる。また、高温の多穴管３を真ん中にしてその両側を低温となる異型管４で覆って放熱ロスを抑制するので、熱交換効率を高めることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１流体が流通する流路を複数本並列に並べた略扁平な断面形状の多穴管と、前記多穴管の両側に相対して第２流体が流通する異型管を配設して、前記多穴管の前記流路の列に対して略平行な外壁と前記異型管の外壁が互いに熱的に接することを特徴とした熱交換器。
【請求項２】
前記多穴管の前記流路の断面形状は略円形であることを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記異型管は、略半円形の断面形状で、前記略半円形の弦に相当する外壁が前記多穴管に接することを特徴とした請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記多穴管と前記異型管の外壁が互いに接する接触面は、互いに嵌合する凸凹を有することを特徴とした請求項１から３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記凸凹の形状は、前記多穴管の、前記流路を略均等な肉厚で形成した外壁に沿うことを特徴とした請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記多穴管をアルミニウム系の材料とし、前記異型管を銅とすることを特徴とした請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記多穴管の外壁と前記異型管の外壁の間に、電食抑制材を挟むことを特徴とした請求項６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記多穴管と前記異型管を拘束する管状の防水部材を有することを特徴とした請求項６または７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記多穴管の外郭に、前記異型管を囲うリブを有することを特徴とした請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記異型管の外郭に、前記多穴管を囲うリブを有することを特徴とした請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記多穴管と、前記多穴管の両側に相対して配設された前記異型管を、前記多穴管の前記流路の列の略中心を中心に捻ることを特徴とした請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１２】
第１流体を二酸化炭素とし、第２流体を水とすることを特徴とした請求項１から１１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、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などにおいて、液体と冷媒との熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、ヒートポンプ式給湯機用の水と冷媒を熱交換させるための熱交換器などは、給湯器本体の高性能化、小型化に対する市場の要望に対応するため、熱交換器本体の高性能化や小型化などが一層求められている。
【０００３】
以下、図面を参照しながら、従来から知られているヒートポンプ式給湯機用の水熱交換器を説明する。
【０００４】
図１０は特許文献１に記載された従来の熱交換器の構造図、図１１は従来の熱交換器の他の構造図である。図１０において、１００は水熱交換器本体であり、芯管１０１の周りに冷媒管１０２を螺旋状に巻きつけており、芯管１０１と冷媒管１０２はロウ付けで接合されている。又、他の例として、図１１で示すように冷媒管１０２が、複数本の分岐冷媒管（１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ）を１つの分流器１０３に接続して芯管１０１に巻きつけられている。芯管１０１及び冷媒管１０２の材料は、銅又は鉄、ＳＵＳ、真ちゅう又はアルミニウム等が使用されている。
【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】
低温の水が流通する芯管１０１の外周に、高温の冷媒が流通する冷媒管１０２を螺旋状に巻き付け、ロウ付けで熱的に接合するだけの簡易な構成にすることによって、水を流す芯管１０１に複雑な製造工程が必要な漏洩検知手段を設けず、水と冷媒の両流体間で伝熱させようとするものである。さらに、芯管１０１が必ずしも直管でなくてもよく、また、芯管１０１の長さも比較的自由に設計できるため、熱交換性能の向上、製造の容易性、コスト低減等の面で効果がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−２２８３７０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、上記従来の水熱交換器１００の構成では、高温の冷媒が流通する冷媒管１０２を芯管１０１の外側に螺旋状に巻き付けているため、冷媒管１０２の芯管１０１との接合部１０４（図示せず）で部分的に熱を芯管１０１に伝達しており、線接触のため伝熱面積が小さいという課題があった。さらに、非接合部から外側に熱を放出して放熱ロスが大きいという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、伝熱面積が大きく、放熱ロスが抑制できる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】
【０００９】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１流体が流通する流路を複数本並列に並べた略扁平な断面形状の多穴管と、前記多穴管の両側に相対して第２流体が流通する異型管を配設して、前記多穴管の前記流路の列に対して略平行な外壁と前記異型管の外壁が互いに熱的に接するものである。
【００１０】
これによって、略扁平な多穴管の両側に異型管を配することで、多穴管の両側が異型管と面接触して伝熱面積を大きくとる。また、第１流体を二酸化炭素として第２流体を水とした場合、高温の二酸化炭素が流通する多穴管を真ん中にしてその両側を低温の水が流通する異型管で覆って放熱ロスを抑制する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱交換器は、第１流体が流通する流路を複数本並列に並べた略扁平な断面形状の多穴管と、前記多穴管の両側に相対して第２流体が流通する異型管を配設して、前記多穴管の前記流路の列に対して略平行な外壁と前記異型管の外壁が互いに熱的に接するものであり、多穴管の両側が異型管と面接触して伝熱面積を大きくして大きな熱交換量を得ることができる。また、高温の多穴管を真ん中にしてその両側を低温となる異型管で覆って放熱ロスを抑制するので、熱交換効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、第１流体が流通する流路を複数本並列に並べた略扁平な断面形状の多穴管と、前記多穴管の両側に相対して第２流体が流通する異型管を配設して、前記多穴管の前記流路の列に対して略平行な外壁と前記異型管の外壁が互いに熱的に接するものであり、多穴管の両側が異型管と面接触して伝熱面積を大きくすることで大きな熱交換量を得ることができる。また、第１流体を二酸化炭素として第２流体を水とした場合、高温の二酸化炭素が流通する多穴管を真ん中にしてその両側を低温の水が流通する異型管で覆って放熱ロスを抑制することで、熱交換効率を高めることができる。
【００１３】
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、前記多穴管の前記流路の断面形状は略円形であり、流路を略円形にすることで多穴管の耐圧肉厚を最小にするので、多穴管への材料投入量を抑制できる。
【００１４】
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、前記異型管は、略半円形の断面形状で、前記略半円形の弦に相当する外壁が前記多穴管に接するものであり、異型管内部の流れは、略半円形の弦に相当する外壁の両端では湾曲する弧状の外壁との摩擦抵抗で圧力が高くなり、略半円形の弦に相当する外壁の中央では圧力が低くなるため、流速は中央ほど速く流れ、速度差によって中央から端部へと向かう二次流れを生じる。したがって、略半円形の弦に相当する外壁の、放熱ロスがない中央ほど第２流体が速く流れるので、更なる熱交換効率の向上を図ることができる。また、中央から端部へと向かう二次流れが乱流化を促進するので、水側熱伝達の促進を図ることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、前記多穴管と前記異型管の外壁が互いに接する接触面は、互いに嵌合する凸凹を有するものであり、凹凸によって接触面が増大するので、伝熱面積を更に増大させることができる。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記凸凹の形状は、前記多穴管の、前記流路を略均等な肉厚で形成した外壁に沿うものであり、多穴管の流路間の余分な肉厚を低減するので、境界熱抵抗の低減及び更なる多穴管への材料投入量の抑制を図ることができる。
【００１７】
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、前記多穴管をアルミニウム系の材料とし、前記異型管を銅とするものであり、アルミニウム系の材料で多穴管の軽量化を図り、熱交換器重量の低減を図ることができる。また、熱伝導率の高い銅で異型管の境界熱抵抗の低減を図ることができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記多穴管の外壁と前記異型管の外壁の間に、電食抑制材を挟むものであり、異種金属である多穴管と異型管が直接接触することを防止するので、多穴管と異型管の間の電食を防止できる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の発明において、前記多穴管と前記異型管を拘束する管状の防水部材を有するものであり、多穴管と異型管の間に水分が介在することを防止するので、更に熱交換器の電食を防止できる。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の発明において、前記多穴管の外郭に、前記異型管を囲うリブを有するものであり、多穴管のリブに異型管をはめ込むことで最小限の溶接、ロウ付け、はんだ付けで接合するので、大型の溶接、ロウ付け、はんだ付け設備の削減及び工数の削減を図ることができる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の発明において、前記異型管の外郭に、前記多穴管を囲うリブを有するものであり、高温の多穴管を両側からリブで囲うので、多穴管端部からの放熱を低減するので、更なる熱交換効率の向上を図ることができる。また、多穴管と異型管を最小限の溶接、ロウ付け、はんだ付けで接合するので、大型の溶接、ロウ付け、はんだ付け設備の削減及び工数の削減を図ることができる。
【００２２】
請求項１１に記載の発明は、請求項１から１０のいずれか一項に記載の発明において、前記多穴管と、前記多穴管の両側に相対して配設された前記異型管を、前記多穴管の前記流路の列の略中心を中心に捻るものであり、溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束材等を用いることなく、多穴管と異型管を接合するので、設備の削減、工数の削減を図ることができる。また、捻ることで水及び二酸化炭素の乱流化が促進されるので、更なる水側及び冷媒側熱伝達の促進を図ることができる。
【００２３】
請求項１２に記載の発明は、請求項１から１１のいずれか一項に記載の発明において、第１流体を二酸化炭素とし、第２流体を水とするものであり、高い熱交換効率を得ることができるので、ヒートポンプ給湯器用の水・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。
【００２４】
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。
【００２５】
尚、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。
【００２６】
（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要部斜視図であり、図２は同実施の形態の熱交換器の多穴管及び異型管の軸方向に垂直な断面図である。図３は、同実施の形態の異型管内部の二次流れを示した模式図である。図４から図８は、同実施の形態の他の熱交換器の多穴管及び異型管の軸方向に垂直な断面図である。図９は、同実施の形態における他の熱交換器の要部斜視図である。
【００２７】
図１から図３において、熱交換器本体１は、二酸化炭素が冷媒として流通する略円形の流路２を複数本並列に並べた略扁平な断面形状の１本の多穴管３と、多穴管３の両側に相対して配設した水が流通する２本の異型管４から構成されている。異型管４は、略半円形の断面形状で、略半円形の弦に相当する外壁４ａと弧状の外壁４ｂからなる。そして、多穴管３の流路２の列に対して略平行な外壁３ａと、異型管４の外壁４ａは直接熱伝導するように互いに接して、通常はんだ付けされている。多穴管３は軽量で熱伝導性の良いアルミニウム製の押出し加工品で、異型管４は耐食性、熱伝導性の良い銅の引抜き加工品である。
【００２８】
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、作用を説明する。
【００２９】
多穴管３の流路２の内部に二酸化炭素が、異型管４の内部に水が各々流体として対向して流れ、多穴管３の外壁３ａと異型管４の外壁４ａを介して水と二酸化炭素が熱交換する。
【００３０】
ここで、多穴管３の外壁３ａの両側に相対する２本の異型管４を配設することで、多穴管３の両側が異型管と面接触して伝熱面積を大きくして大きな熱交換量を得ることができる。また、高温の二酸化炭素が流通する多穴管３を真ん中にしてその両側を低温の水が流通する異型管４で覆って放熱ロスを抑制することで、熱交換効率を高めることができる。
【００３１】
また、多穴管３の流路２の断面形状を略円形にすることで多穴管３の耐圧肉厚を最小にするので、多穴管３への材料投入量を抑制できる。
【００３２】
また、多穴管３内部の複数の流路２を流通する第１流体を二酸化炭素とし、異型管４の内部を流通する第２流体を水とすることにより、高い熱交換効率を得ることができるので、ヒートポンプ給湯器用の水・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。
【００３３】
また、図３で示すように異型管４は略半円形の断面形状で、略半円形の弦に相当する外壁４ａが多穴管３に接することにより、異型管４内部の流れは外壁４ａの両端では湾曲する外壁４ｂとの摩擦抵抗で圧力が高くなり、外壁４ａの中央は圧力が低くなるため、内部を流れる水は中央の流速Ｖ１が両端の流速Ｖ２より速く、この速度差によって異型管４の軸方向に垂直な断面では中央から端部へと向かう二次流れを生じる。したがって、外壁４ａの放熱ロスがない中央ほど第２流体が速く流れるので、更なる熱交換効率の向上を図ることができる。また、中央から端部へと向かう二次流れが乱流化を促進するので、水側熱伝達を促進できる。
【００３４】
また、図４で示すように、多穴管３は流路２を略均等な肉厚で形成して、多穴管３の略均等な肉厚の外壁３ｂと、異型管４の略半円形の弦に相当して流路２の略均等な肉厚の外壁３ｂに沿う凸凹を有する外壁４ｃが互いに凹凸で嵌合して接することにより、凹凸によって接触面が増大するので、伝熱面積を更に増大させることができる。また、多穴管３の流路２間の余分な肉厚を低減するので、境界熱抵抗の低減及び更なる多穴管３への材料投入量の抑制を図ることができる。
【００３５】
また、図５で示すように、多穴管３がアルミニウム製、異型管４が銅製の場合、多穴管３の外壁３ａと異型管４の外壁４ａとの間に電食抑制材５を挟むことにより、異種金属である多穴管３と異型管４が直接接触することを防止するので、多穴管と異型管の間の電食を防止できる。
【００３６】
また、図６で示すように、多穴管３がアルミニウム製、異型管４が銅製の場合、多穴管３と異型管４を拘束する管状の防水部材６を有することにより、異種金属である多穴管３と異型管４の間に水分が介在することを防止するので、熱交換器の電食を防止できる。
【００３７】
また、図７で示すように、多穴管３の外郭に、異型管４を囲うリブ７を有することにより、多穴管３のリブ７に異型管４をはめ込むことで最小限の溶接、ロウ付け、はんだ付けで接合するので、大型の溶接、ロウ付け、はんだ付け設備の削減及び工数の削減を図ることができる。
【００３８】
また、図８で示すように、異型管４の外郭に、多穴管３を囲うリブ８を有することにより、高温の多穴管３を両側から異型管４のリブ８で囲うので、多穴管３端部からの放熱ロスを低減するので、更なる熱交換効率の向上を図ることができる。また、多穴管３と異型管４を最小限の溶接、ロウ付け、はんだ付けで接合するので、大型の溶接、ロウ付け、はんだ付け設備の削減及び工数の削減を図ることができる。
【００３９】
また、図９で示すように、多穴管３の両側に相対して配設された異型管４を、多穴管３の流路２の列の略中心を中心に捻ることにより、溶接、ロウ付け、はんだ付け、拘束材等を用いることなく、多穴管３と異型管４を接合するので、設備の削減、工数の削減を図ることができる。また、捻ることで水及び二酸化炭素の乱流化が促進されるので、更なる水側及び冷媒側熱伝達の促進を図ることができる。
【００４０】
尚、本発明の実施の形態では、多穴管３の内部を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、これに限らず、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等その他の高圧冷媒と水や、温度差を持つ同一流体間の熱交換に用いても同様な効果を得られる。
【００４１】
尚、冷媒が流通する多穴管３はアルミニウム製、水が流通する異型管４は銅製として示したが、これに限らず、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミニウム合金等でもよい。冷媒が流通する多穴管３は、好ましくは熱伝導性の良い材料（例えば銅、アルミニウム）で作られ、異型管４は、好ましくは耐食性の良い材料（例えば銅、ＳＵＳ）で作られたものがよい。
【００４２】
尚、本実施の形態では、多穴管３の両側に相対して配設する異型管４は、略半円形で略半円形の弦に相当する外壁４ａの幅が互いに接する多穴管３の幅に等しい断面形状で示したが、これに限らず、例えば略扁平な四角形の管（図示せず）や丸管を潰したような略扁平な楕円管（図示せず）でもよい。その場合、異型管４は特に専用の金型を製作することなく、汎用の管を転用できるため、管の製作コストを低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、多穴管の両側が異型管と面接触して伝熱面積を大きくすることで、大きな熱交換量を得ることができる。また、高温の二酸化炭素が流通する多穴管を真ん中にしてその両側を低温の水が流通する異型管で覆って放熱ロスを抑制することで、熱交換効率を高めることができる。したがって、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の要部斜視図
【図２】同実施の形態の熱交換器の多穴管及び異型管の軸方向に垂直な断面図
【図３】同実施の形態の異型管内部の二次流れを示した模式図
【図４】同実施の形態の他の熱交換器の多穴管及び異型管の軸方向に垂直な断面図
【図５】同実施の形態の他の熱交換器の多穴管及び異型管の軸方向に垂直な断面図
【図６】同実施の形態の他の熱交換器の多穴管及び異型管の軸方向に垂直な断面図
【図７】同実施の形態の他の熱交換器の多穴管及び異型管の軸方向に垂直な断面図
【図８】同実施の形態の他の熱交換器の多穴管及び異型管の軸方向に垂直な断面図
【図９】同実施の形態における他の熱交換器の要部斜視図
【図１０】従来の熱交換器の構造図
【図１１】従来の熱交換器の他の構造図
【符号の説明】
【００４５】
１  熱交換器本体
２  流路
３  多穴管
３ａ  流路の列に対して略平行な外壁
３ｂ  略均等な肉厚の外壁
４  異型管
４ａ  略半円形の弦に相当する外壁
５  電食抑制材
６  管状の防水部材
７，８  リブ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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