(57)【要約】【課題】熱交換器の管長を延長させることなく熱交換能力を向上させることができる管式の熱交換器を提供する。【解決手段】水１１１が流動する外管１１と、冷媒１２１が流動する複数の内管１２で熱交換器を構成し、複数の内管１２の中央には、断面が略円形形状をした長尺の中実管である挿入体２１が併設され、複数の内管１２と長尺の中実管である挿入体２１を一体となって螺旋状に捻り合わされて捻り管群２２を形成することで、伝熱面積を有効に活用し、容易に製造できる高い熱交換能力が得られる熱交換器を可能にする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に第１流体流路を形成する複数の内管と、前記複数の内管の外側に設けられ前記複数の内管との間に第２流体流路を形成する外管と、前記複数の内管の相互の間隔を規制する挿入体とを備え、前記挿入体は前記内管の軸方向に連続するとともに、前記複数の内管と一体で捻り合わされたことを特徴とした熱交換器。
【請求項２】
前記挿入体は、軸方向の断面が略円形あるいは略多角形の中実管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】
前記挿入体は、軸方向の断面が略円形あるいは略多角形の中空管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４】
前記挿入体は、表面に複数の開口部を有することを特徴とした請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記挿入体は、周方向に溝部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６】
前記挿入体は、らせん状に溝部を有することを特徴とした請求項１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、空調装置、給湯装置等の機器に用いられ、特にヒートポンプ式の給湯機等のように、水等の流体と冷媒等の二種の流体を熱交換させるための熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７は、従来の熱交換器の管断面図、図８はその熱交換器の軸方向断面図である。従来の熱交換器１は、外管１１内に配設され、内部を第１流体１２１が流動する２本の内管１２を互いに密着させながら絡み合うように螺旋状に捻り合わせて構成する。これにより、捻られた内管１２に沿って流れる第２流体１１１は旋回流となって流れることで乱流化されて伝熱促進が図れ、熱交換効率の高い熱交換器が得られるというものである。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、内管１２の本数を増やすことで更に伝熱面積を増加させるとともに、内管１２相互の間隔を確保するように、内管１２にスペーサー１３を装着し、各内管１２が密着せずにその間隔を流体が流動する熱交換器が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
図９は、特許文献２に記載された従来の熱交換器の斜視図である。図９に示すように、熱交換器１は、外管１１内に配設された複数（３本）の内管１２を絡み合うように螺旋状に捻り合わせている。各内管１２には、それぞれ所定間隔をおいてスペーサー１３が装着されているので、各内管１２相互の間隔が確保され密着しない。この間隔を流体が流れるので複数の内管１２の表面積が有効に伝熱面積として活用されるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９１６８４号公報
【特許文献２】実公平４−４３７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の構成では、複数の内管１２にスペーサー１３が所定間隔をおいて装着されているので、内管１２と外管１１の間の流路断面積が不連続に変化する。つまり、スペーサー１３がある部分では流路断面積が小さく、スペーサー１３がない部分では流路断面積が大きくなる。このような流路断面積が変化する箇所では、流れの剥離が発生するため、圧力損失が増大する要因となっていた。
【０００７】
また、複数の内管１２のそれぞれにスペーサー１３を装着して外管１１に挿入しなければならないので、大きな内径を有する外管１１が必要となり、熱交換器重量および体積の増加を招き、更には内管１２と外管１１の間を流動する流体の流速が低下することにより熱伝達率が低下し、その結果、内管１２を増加させた割に熱交換能力が向上しないという課題を有していた。
【０００８】
また、内管１２それぞれにスペーサー１３を、所定間隔をおいて装着しているので組立に非常に手間がかかり、更に複数の内管１２の両端から捻る際スペーサー１３がある部分とない部分で捻った後の捻り管の外径に差が生じ不均一なため、外管１１に挿入する際の挿入性が悪いなど、ものづくりの面で課題を有していた。
【０００９】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、複数の内管相互の間隔を確保しながら小径な捻り管群を形成し、外管に内挿することで、圧力損失の増加を抑えながら熱交換能力向上を可能とするとともに、容易に製造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】
【００１０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部に第１流体流路を形成する複数の内管と、複数の内管の外側に設けられ複数の内管との間に第２流体流路を形成する外管と、複数の内管の相互の間隔を規制する挿入体とを備え、挿入体は内管の軸方向に連続するとともに、複数の内管と一体で捻り合わされたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱交換器は、圧力損失の増加を抑えながら捻り管による乱流促進および内管相互の間隔確保による有効伝熱面積の低下防止の効果を得ることができ、熱交換能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の管断面図
【図２】本発明の実施の形態１における熱交換器の断面の斜視図
【図３】本発明の実施の形態２における熱交換器の管断面図
【図４】本発明の実施の形態２における挿入体の斜視図
【図５】本発明の実施の形態３における挿入体の斜視図
【図６】本発明の実施の形態４における挿入体の斜視図
【図７】従来の熱交換器の管断面図
【図８】従来の熱交換器の軸方向断面図
【図９】別の従来の熱交換器の断面の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
第１の発明は、内部に第１流体流路を形成する複数の内管と、複数の内管の外側に設けられ複数の内管との間に第２流体流路を形成する外管と、複数の内管の相互の間隔を規制する挿入体とを備え、挿入体は内管の軸方向に連続するとともに、複数の内管と一体で捻り合わされたものである。
【００１４】
この構成によって、複数の内管の相互間隔を確保しつつ凹凸が少ない小径な捻り管群を形成することができるので、この捻り管群を外管に挿入して熱交換器として構成した際、複数の内管相互の間にも第２流体が流動するので、内管の表面積が有効に伝熱面積として活用できる。更に、挿入体は流動方向に連続した形態なので捻り管郡の凹凸が少なく、第２流体流路の断面積が不連続に変化することを抑制し、圧力損失の増加を抑えることができる。また、外管の内径も小さくできるので第２流体の流速低下を招くこともなく、捻り管群に沿った旋回流となって流動することで乱流化されて効率的に伝熱促進を図ることができるといった相乗効果が得られ、熱交換能力向上が可能となる。
【００１５】
第２の発明は、第１の発明の挿入体を、軸方向の断面が略円形あるいは略多角形の中実管としたものであり、比較的入手可能な略円形断面の中実管を挿入体として用いることで、低コストで熱交換能力を向上させることができ、また、略多角形断面の中実管を挿入体として用いることで、略多角形状の各辺部に内管が接するので、内管と挿入体とを一体として捻り合わせる際に、内管と挿入体とがズレたり、ガタが生じることがなく、安定して捻り管群を製作できる。
【００１６】
第３の発明は、第１の発明の挿入体を、軸方向の断面が略円形あるいは略多角形の中空管としたものであり、挿入体の内部にも第２流体が流動できるので、実質の伝熱面積を増やすことが可能となり熱交換能力が向上する。
【００１７】
第４の発明は、第３の発明の挿入体の表面に複数の開口部を有するものであり、第２流体は容易に挿入体の内部と外部の間を流動することが可能となるので、攪拌効果が生じ熱交換能力向上が可能となる。
【００１８】
第５の発明は、第１の発明の挿入体は、周方向に溝部を有するものであり、挿入体の溝部にも第２流体が流動するので、伝熱面積の増加および溝部を通じて第２流体の移動が可能となるので攪拌効果が生じ、熱交換能力向上が可能となる。
【００１９】
第６の発明は、第１の発明の挿入体は、らせん状に溝部を有するものであり、挿入体の溝部にも第２流体が流動するとともに攪拌効果が生じ、熱交換能力向上が可能となる。加えて、安価に熱交換器を実現できる。
【００２０】
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。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。
【００２１】
（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管断面図である。図２は本発明の実施の形態１における熱交換器の断面の斜視図である。
【００２２】
図１および図２に示すように、この熱交換器１は、二重管式の熱交換器であり、内部を二酸化炭素１２１が流れる冷媒流路（本発明の第１流体流路）を形成する内管１２と、３本の内管１２の外側に設けられ、内管１２との間に水１１１が流れる水流路（本発明の第２流体流路）を形成する外管１１とから構成されている。
【００２３】
３本の内管の中央には、断面が略円形形状をした長尺の中実管である挿入体２１が併設されている。この３本の内管１２と挿入体２１は一体となって螺旋状に捻り合わされて捻り管群２２を形成している。この挿入体２１の外径は、内管１２の外径の約０．２〜１．０倍であることが、内管１２相互の間隔を最適にする上で望ましい。
【００２４】
この熱交換器は、外管１１内の水流路を水１１１が流れ、３本の内管１２内の冷媒流路を二酸化炭素１２１が流れることで、水１１１と二酸化炭素１２１との熱交換を行う。
【００２５】
３本の内管１２の中央に挿入体２１が併設されているので、３本の内管１２は相互の間隔を確保することができる。また、凹凸が少ない小径な捻り管群２２を形成できるので、捻り管群２２を外管１１に挿入して熱交換器１の構成とした場合、３本の内管１２相互の間にも水１１１が流動するので、内管１２の表面が有効に伝熱面積として活用できるとともに、外管１１と捻り管群２２の間の水１１１流路の断面積が不連続に変化することが無く圧力損失の増加を抑えることができる。更に、捻り管群２２は小径で凹凸が少ないため、外管１１の内径も小さくできる。これにより、内管１２と外管１１との間の最小隙間を小さくできるので、水流路を流れる水１１１の流速低下を招くこともなく、捻り管群２２に沿った旋回流となって流動することで乱流化されて効率的に伝熱促進を図ることができるといった相乗効果が得られ、大幅な熱交換能力向上が可能となる。なお、内管１２と外管１１との間の最小隙間は、例えば、外管１１の内径が約１１ｍｍの場合には、約０．２〜０．５ｍｍとなる。
【００２６】
尚、本実施の形態では、挿入体２１の断面形状を略円形形状としているが、断面形状が略多角形の長尺の中実管を挿入体として用いても、同様の効果が得られることはいうまでもなく、更に略多角形状の各辺部に内管１２が接するように併設することで、内管１２と挿入体２１とを一体として捻り合わせる際にも、ズレやガタが生じることがなく安定したものづくりが可能となる。
【００２７】
（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における熱交換器の管断面図である。図４は、本発明の実施の形態２における挿入体の斜視図である。尚、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２８】
図３および図４において、挿入体３１は、軸方向の断面が略円形あるいは略多角形の長尺の中空管であり、挿入体３１の表面には、複数の開口部３２が設けられている。その他の構成は、本発明の実施の形態１と同様である。
【００２９】
この熱交換器は、３本の内管１２の中央に挿入体３１が併設されているので、３本の内管１２は相互の間隔を確保することができるとともに、凹凸が少ない小径な捻り管群２２を形成できる。このため、捻り管群２２を外管１１に挿入して熱交換器１の構成とした場合、本発明の実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００３０】
更には、長尺の中空管を挿入体３１としているので、水１１１は挿入体３１内部を流動することが可能となる。このため、内管１２内を流動する二酸化炭素１２１の熱を、３本の内管１２と挿入体３１の接触部３３、挿入体３１を介して、挿入体３１内を流れる水１１１に伝熱することが可能となり、実質の伝熱面積が増加する。
【００３１】
加えて、挿入体３１の表面には複数の開口部３２が設けられているので、水１１１は容易に挿入体３１の内部と外部との間を流動することが可能となり、攪拌効果が生じ熱交換能力向上が可能となる。
【００３２】
尚、本実施の形態では、挿入体３１の断面形状を略円形形状としているが、断面形状が略多角形の長尺の中空管を挿入体として用いても、同様の効果が得られることはいうまでもなく、更に略多角形状の各辺部に内管１２が接するように併設することで、内管１２と挿入体３１とを一体として捻り合わせる際にも、ズレやガタが生じることがなく安定したものづくりが可能となる。
【００３３】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における挿入体の斜視図である。尚、実施の形態１および２と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３４】
図５において、挿入体４１は、周方向に溝部４２を複数有し、３本の内管１２との接触する部分に溝部４２が位置する長尺の連続体である。その他の構成は、本発明の実施の形態１および２と同様である。
【００３５】
この熱交換器は、３本の内管１２の中央に、挿入体４１を備えているので、３本の内管１２は相互の間隔を確保することができるとともに、凹凸が少ない小径な捻り管群２２を形成できる。このため、捻り管群２２を外管１１に挿入して熱交換器１の構成とした場合、本発明の実施の形態１および２と同様の効果が得られる。
【００３６】
更には、挿入体４１は周方向の溝部４２を複数有しているので、挿入体４１の溝部４２を通じて水１１１の流動が可能となるので攪拌効果が生じ、熱交換能力向上が可能となる。
【００３７】
尚、本実施の形態では、挿入体４１の断面形状を略円形形状としているが、断面形状が略多角形の長尺の中空管を挿入体として用いても、同様の効果が得られることはいうまでもなく、更に略多角形状の各辺部に内管１２が接するように併設することで、内管１２と挿入体４１とを一体として捻り合わせる際にも、ズレやガタが生じることがなく安定したものづくりが可能となる。
【００３８】
（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４における熱交換器の挿入体を示した斜視図である。
【００３９】
本実施の形態においては、実施の形態３と異なる点のみ説明する。
【００４０】
図６に示すように、本実施の形態では、挿入体５１に溝部５２をらせん形状に設けている。これにより、溝部５２を流れる水１１１も旋回流となり、さらなる攪拌効果を生じさせ、熱交換能力向上が可能となる。また、挿入体５１の溝部５２は、比較的容易に加工できるため、実施の形態３の効果に加えて、熱交換器の製造工数を減らすことができる。このため、安価に熱交換能力向上させた熱交換器を実現できる。
【００４１】
尚、以上の実施の形態において、外管１１、内管１２を銅製とすることが望ましいが、少なくともいずれか一方を真鍮、ステンレス、耐食性を持った鉄、アルミ合金等を材料として構成しても、同様の作用効果が期待できる。さらに、挿入体２１、３１、４１の材料としては、銅、真鍮、ステンレス、アルミ合金などの金属材料が、伝熱面積を増加させる上では望ましいが、架橋ポリエチレンなどの樹脂材料を採用してもよい。
【００４２】
また、以上の実施の形態では、外管１１内に挿入する内管１２の本数を３本としているが、２本もしくは３本以上の本数としても同様の作用効果を期待することができる。
【００４３】
また、本発明の実施の形態１から３では、外管１１と内管１２からなる二重管熱交換器としているが、内管１２の外面に漏洩検知機能を有する、いわゆる漏洩検知管を有した三重管熱交換器でも同様の作用効果を期待することができる。
【００４４】
また、本発明の実施の形態１から３では、内管１２内を流れる冷媒を二酸化炭素１２１としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ等）の冷媒、あるいはこれらの代替冷媒とすることも同様の作用効果が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、製造時の組み立て性も向上させつつ、熱交換能力を向上させることができるもので、二酸化炭素を用いた超臨界ヒートポンプ式給湯器や、暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ装置、さらには、家庭用、業務用の空気調和機、あるいはヒートポンプによる乾燥機能を具備した洗濯乾燥機、穀物貯蔵倉庫等のヒートポンプ機器の他に、燃料電池等の熱交換用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１１  外管
１２  内管
２１、３１、４１，５１  挿入体
３２  開口部
４２、５２  溝部
【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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