(57)【要約】  【課題】環状部に複数の仕切りを有する熱交換器で、特に環状部高さが低い場合について、仕切りがロウ材の伝う経路となるので、ロウ付け作業のばらつきによっては、第二流体の流路である環状部の流路が閉塞するため、熱交換性能を確保しにくいという課題があった。  【解決手段】分岐管４内部に向かって小径部５と大径部６とを有する第一開口部４ａで、外管端末部３ａを大径部６にまで突出させる。小径部５との隙間より十分に広い空間８を外管３の外周に設けたので、第一開口部４ａのロウ付けで多量のロウ材９が流れても、大径部６に達すると浸透力の毛細管現象が起こらなくなるので、ロウ詰りし易い構造であるフィンを有する環状部で、特に環状部高さが低い場合でも、流路が確保できる。また、２本の二重管１内の水と二酸化炭素の分岐と、２本の二重管１への二酸化炭素の分流を、１つの分岐管４でできるので、部品点数の低減、構造の簡略化ができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の二重管と分岐管とからなり、前記二重管は、第一流体を流す内管と、前記内管の外周を覆って前記内管との間の環状部に第二流体を流す外管とからなり、前記環状部には複数の仕切りを有し、前記分岐管は、複数の第一開口部と複数の第二開口部と一つの第三開口部とを有し、１つの前記第一開口部と１つの前記第二開口部とが、対となって複数の前記対を成し、前記第一開口部は、前記外管の管軸方向において前記分岐管の内側に向かって小径部と大径部とを有し、前記外管端末部を少なくとも前記大径部にまで突出させて、前記小径部との隙間より十分に広い空間を前記外管外周に有するように覆い、前記第二開口部は、前記外管端末部より露出して前記分岐管内部を貫通する前記内管を覆ったことを特徴とした熱交換器。
【請求項２】
前記分岐管は、本体部と蓋部とからなり、前記本体部に、前記第一開口部と、前記第二開口部と、を有す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】
前記第一流体は水、前記第二流体は二酸化炭素であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２種類の流体が熱交換を行う熱交換器の、２種類の流体を分岐する端末部分の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の熱交換器では、管端で２種類の流体を分岐する構造に、Ｔ型継手と異型継手を組合せた構造（例えば、特許文献１参照）や、それらを一体成形した異型Ｔ型継手がよく使用されている。
【０００３】
以下、図面を参照しながら、従来の熱交換器の分岐部分の構造を説明する。
【０００４】
図７は特許文献１に記載された従来の熱交換器の側面図、図８は継手部分の断面図である。
【０００５】
図７、図８に示すように、従来の熱交換器１００は、チタン製の内壁１０１ａと銅製の外壁１０１ｂとからなる二重壁を有する内管１０１と、内管１０１を覆うように設置した銅製の外管１０２と、銅製の継手１０３と、からなる。
【０００６】
継手１０３は、Ｔ形継手部材１０４と、異型継手部材１０５と、からなる。Ｔ型継手部材１０４の接続部１０４ａが外管１０２とロウ付けされ、Ｔ型部材１０４の接続部１０４ｂは異型継手部材１０５の大径部１０５ａとロウ付けされる。また、異型継手部材１０５の小径部１０５ｂは、外管１０２の端末部より露出して内部を貫通する内管１０１にロウ付けされる。内管１０１の端末部には、図示しないソケット等の継手が、溶接またはロウ付けされて、この部分を介して、内管１０１内に流体を流出入させる。
【０００７】
一方、Ｔ型継手部材１０４の接続部１０４ｃには、図示しないソケット等の継手が溶接またはロウ付けされて、この部分を介して、内管１０１と外管１０２との間の環状部に冷媒または熱媒等の流体を流出入させる。
【０００８】
以上のように構成された上記の熱交換器について、以下その動作を説明する。
【０００９】
内管１０１内部には冷媒等の流体が流通し、内管１０１と外管１０２との間の環状部には熱交換される水等の液体が流動して、内管１０１の二重壁を介して熱の授受を行い、冷媒等の流体と、水等の液体が熱交換を行う。
【００１０】
内管１０１は、内壁１０１ａをチタン製としたので耐食性が高い。また、銅製の外壁１０１ｂで二重壁とすることで、高価で熱伝導率の低いチタンを薄肉化して、安く製造でき、熱伝導率が高い銅によって、熱交換効率を向上させている。さらに、外管１０２と継手１０３は銅製であることから、入手も容易で、ロウ付けや溶接で接合できるという利点があった。
【特許文献１】登録実用新案第３０２６５１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記従来の特許文献１に記載の熱交換器１００の構成では、Ｔ形継手部材１０４ａを外管１０２にロウ付けする際、多量のロウ材が流れると、毛細管現象によって隙間を伝うロウ材が外管１０２の端末部にまで達して、環状部がロウ詰りしてしまう。環状部高さが低い場合には、流路の潰れを防ぐ為に、フィンや別部材の仕切りが必要となるが、特に、環状部にフィン等の複数の仕切りを有する場合には、仕切り自体が、ロウ材の伝う経路となる。
【００１２】
ロウ詰りは、流路を大幅に減少させたり、完全に閉塞したりして、分流が不均等になったり、冷媒等の流れない流路を生じさせて、熱交換性能を大幅に低下させてしまうという課題があった。
【００１３】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、環状部に複数の仕切りを有する熱交換器で、特に環状部高さが低い場合について、ロウ付け作業のばらつきに係わらず、環状部の流路を確保することができる端末部分の構造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】
【００１４】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、複数本の二重管と分岐管とからなり、前記二重管は、第一流体を流す内管と、前記内管の外周を覆って前記内管との間の環状部に第二流体を流す外管とからなり、前記環状部には複数の仕切りを有し、前記分岐管は、複数の第一開口部と複数の第二開口部と一つの第三開口部とを有し、１つの前記第一開口部と１つの前記第二開口部とが、対となって複数の前記対を成し、前記第一開口部は、前記外管の管軸方向において前記分岐管の内側に向かって小径部と大径部とを有し、前記外管端末部を少なくとも前記大径部にまで突出させて、前記小径部との隙間より十分に広い空間を前記外管外周に有するように覆い、前記第二開口部は、前記外管端末部より露出して前記分岐管内部を貫通する前記内管を覆ったものである。
【００１５】
これによって、外管端末部を少なくとも大径部にまで突出させて、小径部との隙間より十分に広い空間を外管外周に設けたことにより、第一開口部のロウ付け時に、多量のロウ材が流れても、第一開口部の小径部を過ぎて大径部に達すると、浸透力である毛細管現象が起こらなくなるので、外管端末部までロウ材が達せず、ロウ詰りし易い複数の仕切りを有する環状部でも、流路がロウ詰りすることがない。
【００１６】
また、外管端末を大径部まで、深く差し込むことで、第一開口部接合時の加熱で外管の強度が低下しても、小径部と外管外壁とで必ず二重壁となるため、強度が高く、その先に端末部が位置するので、耐圧強度を確保できる。
【００１７】
ここで、環状部に仕切りがない場合、外管端末部の環状部では、第二流体が流出入口である第三開口部側に偏流し易く、偏流によって、環状部での熱交換に偏りが生じる。
【００１８】
しかし、本発明では、第二流体が環状部へ流入する場合には、外管端末部を分岐管の内側に突出させることで、広い分岐管内部に一旦第二流体を溜めて均圧な状態にした後、外管端末部前後の差圧によって仕切りのある環状部に第二流体を引き入れるため、内管の周囲に均等に分流できる。また、第二流体が環状部から流出する場合には、環状部の仕切りで整流された状態で流出するので、第三開口部までの距離に係わらず、外管端末部の環状部の第二流体に偏流を生じさせない。
【００１９】
また、対となる第一開口部と第二開口部を、複数対有することで、複数本の二重管内の第一流体と第二流体を分岐することと、第二流体を複数本へ分流することが、１つの分岐管でできる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の熱交換器は、環状部の流路を確保することができる端末部分の構造を有するので、環状部に複数の仕切りを有する、特に環状部高さが低いロウ詰りし易い構造の場合でも、ロウ付け作業のばらつきに係わらず、熱交換性能を確保できる。
【００２１】
また、耐圧強度について、信頼性を確保することができる。
【００２２】
また、分岐管の内側に突出する外管端末部の環状部に複数の仕切りを有するので、第二流体が、外管端末部の環状部へ流入する場合には、内管の周囲に均等に分流させることができて、外管端末部の環状部から流出する場合には、均等に流出させることができるので、外管全長に渡って均等な熱交換を環状部で行うことができる。
【００２３】
また、熱交換器端末部の部品点数を低減できて、構造を簡略にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
請求項１に記載の発明は、複数本の二重管と分岐管とからなり、前記二重管は、第一流体を流す内管と、前記内管の外周を覆って前記内管との間の環状部に第二流体を流す外管とからなり、前記環状部には複数の仕切りを有し、前記分岐管は、複数の第一開口部と複数の第二開口部と一つの第三開口部とを有し、１つの前記第一開口部と１つの前記第二開口部とが、対となって複数の前記対を成し、前記第一開口部は、前記外管の管軸方向において前記分岐管の内側に向かって小径部と大径部とを有し、前記外管端末部を少なくとも前記大径部にまで突出させて、前記小径部との隙間より十分に広い空間を前記外管外周に有するように覆い、前記第二開口部は、前記外管端末部より露出して前記分岐管内部を貫通する前記内管を覆ったものである。
【００２５】
これによって、外管端末部を少なくとも大径部にまで突出させて、小径部との隙間より十分に広い空間を外管外周に設けたことにより、第一開口部のロウ付け時に、多量のロウ材が流れても、第一開口部の小径部を過ぎて大径部に達すると、浸透力である毛細管現象が起こらなくなって、外管端末部までロウ材が達せず、ロウ詰りし易い複数の仕切りを有する、特に環状部高さが低い環状部でも、流路を確保することができるので、ロウ付け作業のばらつきに係わらず、熱交換性能を確保できる。
【００２６】
また、外管端末を大径部まで、深く差し込むことで、第一開口部接合時の加熱で外管の強度が低下しても、小径部と外管外壁とで必ず二重壁となるため、強度が高く、その先に端末部が位置するので、耐圧強度を確保して、信頼性を確保することができる。
【００２７】
また、外管端末部を分岐管の内側に突出させることで、分岐管の内部の広い空間に一旦第二流体を溜めて、溜まった第二流体を環状部の仕切りで整流するので、第三開口部までの距離に係わらず、外管端末部の環状部の第二流体に偏流を生じさせない。従って、第二流体が、外管端末部の環状部へ流入する場合には、内管の周囲に均等に分流させることができて、外管端末部の環状部から流出する場合には、均等に流出させることができるので、圧力損失の増加を抑制できる。
【００２８】
また、対となる第一開口部と第二開口部を、複数対有することで、複数本の二重管内の第一流体と第二流体を分岐することと、第二流体を複数本へ分流することを、１つの分岐管でするので、熱交換器端末部の部品点数を低減できて、構造を簡略にできる。さらに、１つの分岐管で複数本への分流を行うため、分岐管内部の空間は複数本分の、より広い空間となって、第二流体はその空間が広いほど分岐管内部で均圧化されるので、より均等に分流することができる。
【００２９】
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、前記分岐管は、本体部と蓋部とからなり、前記本体部に、前記第一開口部と、前記第二開口部と、を有するものである。
【００３０】
これによって、本体部と蓋部の２部式にすることで、分岐管製作において、管や板、ブロックといった素材の形状やその加工方法の選択肢が増えて、たとえば、本体部は管を転用して製作する等、分岐管をより安価に製作することができる。
【００３１】
また、略同一直線上に位置する第一開口部と第二開口部が、本体部に集中するので、第一開口部と第二開口部の位置決めや加工を、容易に行うことが出来る。
【００３２】
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、前記第一流体は水、前記第二流体は二酸化炭素であることを特徴としたものである。
【００３３】
これによって、熱交換器として高い熱交換効率を得て、特にヒートポンプ式給湯機に用いると、製品として高い熱交換効率を得ることができる。
【００３４】
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。ここで、先に説明した実施の形態と同一の構成については同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３５】
（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側面図である。図２は、同実施の形態の熱交換器の端末部の断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。図４は、同実施の形態の熱交換器の端末部の二酸化炭素の流れを示す図である。図５は、同実施の形態における他の熱交換器の端末部の断面図である。
【００３６】
図１から図４において、熱交換器１Ｘは、２本の二重管１が本体である。二重管１は、二重壁を有して内部に水を流す内管２と、内管２の外周を覆って内管２との間の環状部に二酸化炭素を流す外管３と、からなる。ここで、外管３は外径が１１〜１５ｍｍで肉厚は１〜２ｍｍ、内管２の外径は７〜１１ｍｍで二重壁の肉厚は併せて１〜２ｍｍである。内管２と外管３との隙間の環状部の高さｈは０．２〜０．８ｍｍである。２本の二重管１の端末には、分岐管４を備える。
【００３７】
分岐管４は、２つの第一開口部４ａと、２つの第二開口部４ｂと、１つの第三開口部４ｃと、を有する。略同一直線上に一対の第一開口部４ａと第二開口部４ｂが位置して、２対の第一開口部４ａと第二開口部４ｂは略平行に位置している。各第一開口部４ａは、外管３の管軸方向において分岐管４内部に向かって小径部５と大径部６とを有し、外管３を覆い、外管３の端末部３ａを大径部６にまで突出させて、外管３に接合されている。第二開口部４ｂは、外管端末部３ａより露出して分岐管４内部を貫通する内管２を覆って内管２に接合されている。第一開口部４ａの大径部６に突出する外管３の端末部３ａまでの出代Ｓは外管３の外径の０．８〜１．８倍で、外管３の外径が１２．７ｍｍの場合、出代Ｓは１０ｍｍ、分岐管４の高さＨは４５ｍｍ程度、幅Ｗは３５ｍｍ程度である。
【００３８】
外管３は内壁に複数のフィン７を有し、フィン７の先端は内管２に接して環状部を仕切っており、また、環状部の流路を確保している。本実施の形態では、フィン７は同一周上に８点設けている。
【００３９】
内管２の端末部には、図示しないソケット等の継手がロウ付けされて、この部分を介して、内管２内に水を流出入させる。分岐管４の第三開口部４ｃには、図示しない管等がロウ付けされて、この部分を介して、内管２と外管３との間の環状部に二酸化炭素を流出入させる。内管２、外管３、分岐管４は、耐食性、熱伝導性の良い銅製である。
【００４０】
以上のように構成された熱交換器１Ｘについて、以下その動作、作用を説明する。
【００４１】
二重管１内で、内管２の内部を低温の水が流動し、内管２と外管３との間の環状部を高温の二酸化炭素が対向して流れ、内管２の二重壁を介して水と二酸化炭素が熱交換することでお湯ができる。ここで、内管２を二重壁として、水と二酸化炭素との間を二重壁構造とすることで、一方の管が腐食した場合でも水と二酸化炭素が混じることがなく、安全性を確保することができる。また、図示しないが、二重壁の間に溝を設けた場合には、溝を内管端末部で大気に連通させることで、漏洩を検知することができる。
【００４２】
また、環状部の二重管１半径方向の寸法を環状部高さとした場合、特に、環状部高さを低くすることで、環状部を極薄流路として、マイクロチャネルを模擬して、二酸化炭素の相当直径を小さくして、熱伝達を促進し、高い熱交換効率を得ることができる。ここで、マイクロチャネルとは、文字通り、微小な流路をいい、例えば、二酸化炭素が流動する環状部の高さを内管の外径の０．０３倍から０．０７倍とすると、熱伝達率と圧力損失のバランスがよく、熱交換器を小型軽量化できる。
【００４３】
環状部高さを低くすると環状部は潰れ易くなるので、フィン７を設けて流路を確保する。フィン７を設けると、二重管１の端末に分岐管４の第一開口部４ａをロウ付けする際には、フィン７自体がロウ材の伝う経路となって、フィン７のない場合に比してロウ詰りし易い。ロウ詰りすると、環状部で二酸化炭素の流れない箇所が生じ、熱交換器として熱交換性能が著しく低下する。
【００４４】
しかし、本実施の形態では、外管端末部３ａを大径部６にまで突出させて、小径部５との隙間より十分に広い空間８を外管３の外周に設けたことにより、第一開口部４ａのロウ付けで多量のロウ材９が分岐管４内へ流れても、小径部５を過ぎて大径部６に達すると、浸透力である毛細管現象が起こらなくなるので、外管端末部３ａまでロウ材９が達することがない。従って、ロウ詰りし易い構造であるフィン７を有する環状部で、特に環状部高さが低い場合でも、ロウ詰りすることがなく、二酸化炭素の流路が確保できる。従って、ロウ付け作業のばらつきに係わらず、熱交換性能を確保できる。
【００４５】
また、外管端末部３ａを大径部６まで深く差し込むことで、第一開口部４ａのロウ付け時の加熱で外管３の強度が低下しても、接合部分である小径部５は必ず二重壁となるため、耐圧強度を確保できて、耐圧強度について信頼性を確保することができる。
【００４６】
また、図４において、外管端末部３ａを分岐管４の内側に突出させることで、狭い環状部から分岐管４の内部の広い空間に一旦二酸化炭素を溜めて、均圧な状態にした後、外管端末部３ａ前後の差圧によってフィン７のある環状部に二酸化炭素を引き入れるため、内管２の周囲に均等に二酸化炭素を分流できる。
【００４７】
また、図１において、二酸化炭素が流出する側の分岐管４を、分岐管４´とする。
【００４８】
二酸化炭素が流出する場合、分岐管４´内では、二酸化炭素が外管端末部３ａまでフィン７で整流された状態で流出するので、第三開口部４ｃまでの距離に係わらず、環状部の二酸化炭素に偏流を生じさせない。
【００４９】
従って、外管３全長に渡って、均等な熱交換を環状部で行うことができる。
【００５０】
また、２対の第一開口部４ａと第二開口部４ｂを有することで、２本の二重管１内の水と二酸化炭素を分岐することと、二酸化炭素を２本の二重管１に分流することを、１つの分岐管でできるので、熱交換器１Ｘの端末部の部品点数を低減できて、構造を簡略にできる。さらに、１つの分岐管４で２本の二重管１への分流を行うため、分岐管４内部の空間８は、より広い空間となって、二酸化炭素はその空間８が広いほど分岐管４内部で均圧化されるので、より均等に分流することができる。
【００５１】
また、第一流体を水、第二流体を二酸化炭素とすることで、熱交換器１Ｘとして高い熱交換効率を得て、ヒートポンプ式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。
【００５２】
尚、本発明の実施の形態では、分岐管４を筒状の構成で示したが、図５に示すように、銅ブロックに第一開口部４ａ、第二開口部４ｂ、第三開口部４ｃを削って製作してもよい。銅ブロックで製作した場合、耐圧強度の信頼性を確保することができる。
【００５３】
尚、本発明の実施の形態では、分岐管４は２本の二重管１への分流を行う２パス用の分岐管として示したが、これに限らず二重管１が３本の３パス用、４本の４パス用の場合でも同様な効果が得られる。
【００５４】
尚、本発明の実施の形態では、内管２、外管３の材料は、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が得られる。
【００５５】
尚、本発明の実施の形態では、環状部を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、Ｒ４１０Ａ等の高圧で作動する冷媒でも同様な効果が得られる。
【００５６】
尚、フィン７は内管２の外壁に設け、フィン７の先端を外管３の内壁に接して環状部を仕切ってもよい。
【００５７】
尚、本発明の実施の形態では、フィン７の数は同一周上に８点設けているが、２点以上あればよく、更には、流路断面積と同心の確保の観点からより好ましくは３点である。
【００５８】
尚、本発明の実施の形態では、フィン７は外管３と一体のものとしたが、内管２と外管３との間に柱状材を挿入して、環状部を仕切ってもよい。
【００５９】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における熱交換器の端末部の断面図である。
【００６０】
図６において、分岐管４は、本体部１０と蓋部１１とからなり、本体部１０に、２つの第一開口部４ａと、２つの第二開口部４ｂと、１つの第三開口部４ｃと、を有するものである。
【００６１】
これによって、本体部１０と蓋部１１の２部式にすることで、分岐管４の製作において、管や板、ブロックといった素材の形状やその加工方法の選択肢が増えて、分岐管をより安価に製作することができる。たとえば、図６の本体部１０は、管を転用し、後加工を加えることで製作できる。
【００６２】
また、第一開口部４ａと第二開口部４ｂが、本体部９に集中するので、第一開口部４ａと第二開口部４ｂの位置決めや加工を、容易に行うことが出来る。特に略同一直線上に第一開口部４ａと第二開口部４ｂが位置する場合、製作が容易になり、たとえば、１本の径違いドリルを用いることで、１回で穴あけ加工ができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、環状部に、ロウ詰りし易い構造である複数の仕切りを有し、特に環状部高さが低い場合でも、ロウ詰りすることがなく、二酸化炭素の流路が確保できる端末構造を有するので、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】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図
【図２】同実施の形態における熱交換器の端末部の断面図
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図
【図４】同実施の形態における熱交換器の端末部の二酸化炭素の流れを示す図
【図５】同実施の形態における他の熱交換器の端末部の断面図
【図６】本発明の実施の形態２における熱交換器の端末部の断面図
【図７】従来の熱交換器の側面図
【図８】従来の熱交換器の継手部分の断面図
【符号の説明】
【００６５】
１Ｘ  熱交換器
１    二重管
２    内管
３    外管
３ａ  外管端末部
４    分岐管
４´  分岐管
４ａ  第一開口部
４ｂ  第二開口部
４ｃ  第三開口部
５    小径部
６    大径部
７    フィン
８    空間
１０  本体部
１１  蓋部
【図１】
2007187357.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2007187357.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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