(57)【要約】【課題】いっそうの小型化が可能な熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１Ａは、第一流体が流れる第一流路２を形成する構造体３と、第二流体が流れる第二流路４を形成する、第一流路２内で所定方向に配列された複数の配管５と、を備えている。各配管５は、隣り合う配管５が互いに近づいたり遠ざかったりするように前記所定方向に蛇行する蛇行部５１を含む。この構成によれば、配管５の配列方向と蛇行方向とが一致しているために、第一流路２の断面積を従来よりも小さくすることができる。従って、熱交換器を従来よりも小型化することができる。【選択図】図２
2013145066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一流体と第二流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、
第一流体が流れる第一流路を形成する構造体と、
第二流体が流れる第二流路を形成する、前記第一流路内で所定方向に配列された複数の配管と、を備え、
前記複数の配管のそれぞれは、隣り合う前記配管が互いに近づいたり遠ざかったりするように前記所定方向に蛇行する蛇行部を含む、熱交換器。
【請求項２】
隣り合う前記配管の蛇行部間の前記所定方向における最大隙間は、前記構造体の前記第一流路を規定する管状面と前記複数の配管の間の前記所定方向における最小クリアランスよりも大きい、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記構造体の前記第一流路を規定する管状面は、前記所定方向と直交する直交方向において前記複数の配管の蛇行部を挟んで対向する対向領域を有し、
前記対向領域の少なくとも一方には、前記管状面の軸方向に沿って前記直交方向に波打つ波形状を形成する複数の凸部が設けられている、請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記複数の凸部は、第一流体が前記第一流路を前記直交方向にうねりながら流れるように前記対向領域の双方に設けられている、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記複数の凸部は前記対向領域の一方に設けられており、
前記対向領域の他方は、前記所定方向に平行な平面であって前記複数の配管に近接している、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記構造体の前記第一流路を規定する管状面は、前記所定方向と直交する直交方向において前記複数の配管の蛇行部を挟んで対向する対向領域を有し、
前記対向領域は、前記所定方向に平行な平面であって前記複数の配管に近接しており、
前記対向領域のそれぞれには、前記複数の配管の蛇行部を個別に収容する空間を隔てるように前記管状面の軸方向に延びる突条部が設けられている、請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記第一流路は、前記所定方向と直交する直交方向に互いに平行に並ぶ複数の直線部を有するサーペンタイン型の流路であり、前記蛇行部は、前記複数の直線部のそれぞれの内部に配置されている、請求項１〜６の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記構造体は、樹脂で構成されている、請求項１〜７の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第一流体が水であり、前記第二流体がヒートポンプ回路を循環する冷媒である、請求項１〜８の何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、第一流体と第二流体の間で熱交換を行う熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプ式給湯機、空調機、床暖房装置などのヒートポンプ装置では、二種類の流体（例えば、水と冷媒、空気と冷媒）の間で熱交換を行う熱交換器が使用されている。例えば、特許文献１には、図１３に示すような水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器１００が開示されている。
【０００３】
この熱交換器１００は、水が流れる第一流路１１０を形成する構造体１１５と、冷媒が流れる第二流路を形成する一対の冷媒管１２０とを備えている。構造体１１５は長方形板状をなしており、第一流路１１０は構造体１１５の幅方向に並ぶ複数の直線部を有するサーペンタイン型の流路である。一対の冷媒管１２０は、構造体１１５の厚さ方向に積層されており、第一流路１１０の各直線部内では当該直線部の中心線上で互いに交差するように構造体１１５の幅方向に蛇行している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００７／１０８２４０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１３に示すような熱交換器１００では、構造体１１５の幅方向に蛇行する一対の冷媒管１２０を収容するために、第一流路１１０の幅が比較的に大きく設定されている。熱交換器においては、いっそうの小型化が求められる。
【０００６】
本発明は、いっそうの小型化が可能な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】
前記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第一流体と第二流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、第一流体が流れる第一流路を形成する構造体と、第二流体が流れる第二流路を形成する、前記第一流路内で所定方向に配列された複数の配管と、を備え、前記複数の配管のそれぞれは、隣り合う前記配管が互いに近づいたり遠ざかったりするように前記所定方向に蛇行する蛇行部を含む、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
上記の構成によれば、複数の配管の配列方向と蛇行方向とが一致しているために、第一流路の断面積を従来よりも小さくすることができる。従って、熱交換器を従来よりも小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一実施形態に係る熱交換器の全体斜視図
【図２】図１に示す熱交換器の内部構造を示す断面図
【図３】構造体のみの断面図
【図４】（ａ）は図２のIV−IV線に沿った断面図、（ｂ）はその一部拡大図
【図５】図２のV−V線に沿った断面図
【図６】（ａ）および（ｂ）は変形例の蛇行部を説明する図
【図７】（ａ）および（ｂ）は別の変形例の蛇行部を説明する図
【図８】本発明の第二実施形態に係る熱交換器の内部構造を示す断面図
【図９】（ａ）は図８のIX−IX線に沿った断面図、（ｂ）はその一部拡大図
【図１０】本発明の第３実施形態に係る熱交換器の内部構造を示す断面図
【図１１】（ａ）は図１０のXI−XI線に沿った断面図、（ｂ）はその一部拡大図
【図１２】ツイスト型熱交換器の構成図
【図１３】従来の熱交換器の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。
【００１１】
以下の実施形態では、ヒートポンプ式給湯機などのヒートポンプ装置に使用され、第一流体である水と第二流体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を例に挙げて説明する。冷媒はヒートポンプ回路を循環するものであり、冷媒としては例えば二酸化炭素が用いられる。ただし、第一流体および第二流体はこれらに限定されない。例えば、水に代えて、油、ブラインなどを第一流体として使用することも可能である。また、第一流体および第二流体の双方が液体または気体であってもよい。
【００１２】
（第一実施形態）
図１に、本実施形態の熱交換器１Ａの外観を示し、図２に、熱交換器１Ａの内部構造を示す。この熱交換器１Ａは、水が流れる第一流路２を形成する構造体１１と、冷媒が流れる第２流路４を形成する複数（本実施形態では２つ）の配管５とを備えている。配管５の大部分は、構造体３内に収容されている。
【００１３】
第一流路２を流れる水と第二流路５を流れる冷媒とは互いに対向して流れる。このような構成であれば、水と冷媒との熱交換効率を高めることができる。
【００１４】
構造体３は平面視で長方形状の扁平な板状をなしており、その内部は空洞になっている。すなわち、構造体３の内部空間によって第一流路２が構成されている。なお、構造体３の厚さ方向の両主面は、水流路２に対応する部分が盛り上がるように凸凹していてもよい。
【００１５】
以下、説明の便宜のために、構造体３の長さ方向をＹ方向、幅方向をＸ方向、厚さ方向をＺ方向という。本実施形態では、Ｚ方向が鉛直方向であり、Ｘ方向およびＹ方向が水平方向である。ただし、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向はこれに限定されるものではなく、熱交換器１Ａの設置場所等に応じて適宜選定可能である。
【００１６】
構造体３は、より詳しくは、周壁、底壁および天井壁からなる箱体３Ａと、箱体３Ａ内に配置された複数の仕切板３Ｂを含む。箱体３ＡのＹ方向の一方の端部には、第一流路２内に水を流入させるための第一流体入口３１と、第一流路２内から水を流出させるための第一流体出口３２が、互いにＸ方向に離間して設けられている。第二流路４を形成する配管５の両端部は、それぞれ第１流体入口３１の近傍および第一流体出口３２の近傍で箱体３Ａを貫通している。
【００１７】
図３は、構造体３のみの断面図である。箱体３Ａ内に配置された仕切板３Ｂは、Ｘ方向に等間隔で並んでおり、箱体３Ａの周壁のうちのＹ方向に対向する短辺部の一方および他方に交互に接続されている。すなわち、仕切板３Ｂは、周壁で囲まれる空間を部分的に仕切っており、構造体３の内部空間である主流路２をサーペンタイン型の流路（蛇行した流路）に成形している。換言すれば、主流路２は、Ｘ方向に互いに平行に並ぶ複数の直線部２１と直線部２１の端部同士を連結する屈曲部２２を有している。上述した第一流体入口３１および第一流体出口３２は最も外側に位置する直線部２１の屈曲部２２と反対側の端部に開口しており、直線部２１では水の流れ方向が交互に１８０度反対向きになっている。サーペンタイン型の流路は、構造体３内の無駄なスペースを省くのに有利である。なお、構造体３はＺ方向に複数段に積み重ねられていてもよい。
【００１８】
構造体３は、樹脂で構成されている。このような樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、液晶ポリマー、ポリプロピレンなどが挙げられる。樹脂は、一般に、金属材料よりも軽量という利点がある。また、樹脂の方が、一般に、金属材料よりも安価である。ただし、構造体３は、金属で構成されていてもよい。
【００１９】
構造体３は、例えば、当該構造体３をＺ方向に半分に分割した分割体同士を振動溶着等の方法にて溶着することにより作製することができる。あるいは、構造体３を、箱体３Ａの配管５が貫通する短辺部およびこれに接続された仕切板３Ｂからなる蓋部、およびその他の部分からなる、蓋部が挿入可能な容器部に分割し、蓋部と容器部とをシール部材を介して締結することも可能である。
【００２０】
図２に戻って、配管５は、第一流路２内でＺ方向に配列されている。すなわち、Ｚ方向が本発明の所定方向に相当し、Ｘ方向が本発明の直交方向に相当する。配管５の第一流体出口３２近傍の端部には、図略の圧縮機等から高温高圧の冷媒が導かれ、配管５の第一流体入口３１近傍の端部からは、水に放熱した後の冷媒が図略の膨張機構に導かれる。
【００２１】
各配管５は、第一流路２の各直線部２１内に配置された蛇行部５１と、第一流路２の屈曲部２２に沿って蛇行部５１の端部同士を連結する連結部５２を含む。蛇行部５１の長さは、直線部２１の長さとほぼ等しい。上述した各配管５の両端部は、最も外側に位置する蛇行部５１を真っ直ぐに延長した部分である。
【００２２】
配管５は、良好な熱伝導性を有する金属で構成されている。配管５としては、小径の管を大径の内面溝付き管で覆った構造の二重管（漏洩検知管）を採用することが好ましい。このような二重管によれば、万が一、小径の管が破損した場合であっても、外側の内面溝付き管の溝を伝って、潤滑油を含む冷媒を第一流路２の外部に逃がすことができ、冷媒中の潤滑油が、水に混入することを防ぐことができる。
【００２３】
次に、図４（ａ）および（ｂ）ならびに図５を参照して、第一流路２および配管５の形状を詳細に説明する。
【００２４】
各配管５の蛇行部５１は、隣り合う配管５が互いに近づいたり遠ざかったりするようにＺ方向に蛇行している。換言すれば、双方の配管５の蛇行部５１の中心は、Ｙ方向およびＺ方向に平行な同一平面上に位置している。
【００２５】
蛇行部５１の蛇行形状は、周期性を有しており、正弦波状を呈している。このような蛇行形状とすることにより、第一流路２の全長に対する、配管５の全長の割合を大きく取ることが可能なので、熱交換器１Ａの小型化に有利である。双方の配管５の蛇行部５１の蛇行形状は第一流路２のＺ方向に対する中心線に対して対称であり、双方の配管５の蛇行部５１の波長Ｐ１は一致している。このため、双方の配管５で蛇行部５１の曲げ形状を共通化でき、配管５を容易に作製することができる。また、全体の構造が単純化するので、例えば計算機シミュレーションにより、蛇行部５１の曲げ形状や第一流路２の幅等の設計条件を最適化しやすくなる。
【００２６】
また、双方の配管５の蛇行部５１は、蛇行部５１の頂点同士が点接触するように互いの位置関係が定められている。すなわち、双方の配管５の蛇行部５１の位相は１８０度ずれている。このように、蛇行部５１同士の接点が線状に連なることを避けるようにすれば、蛇行部５１の間に比較的に大きな隙間を確保することができ、三次元的な流れの活発化、水の圧力損失の増大防止といった効果を期待できる。
【００２７】
構造体３は、第一流路２を規定する管状面３５を有している。本実施形態では、管状面３５の断面における基本形状は直径Ｄ１の円形状である。管状面３５は、屈曲部２２では基本形状を有し、直線部２１では基本形状から変形した形状を有している。ただし、管状面３５の基本形状は、例えば角が丸められた矩形状であってもよい。
【００２８】
隣り合う配管５の蛇行部５１間のＺ方向における最大隙間（ギャップ）Ｇは、本実施形態では蛇行部５１の振幅γの２倍と等しい。この最大隙間Ｇは、管状面３５と配管５の間のＺ方向における最小クリアランスＣ１（蛇行部５１同士が最も離間する位置でのクリアランス）よりも大きいことが好ましい。なお、蛇行部５１同士が接触している位置では、Ｚ方向における管状面３５から配管５までの距離は、Ｃ１＋０．５×Ｇである。
【００２９】
第一流路２を規定する管状面３５は、Ｘ方向において配管５の蛇行部５１を挟んで対向する対向領域３６を有する。対向領域３６は、全ての直線部２１に一対ずつ存在する。図３に示すように、各直線部２１の対向領域３６には、管状面３５の軸方向に沿ってＸ方向に波打つ波形状を形成する複数の凸部３７がそれぞれ設けられている。各直線部２１における双方の対向領域３６の波形状は、第一流路２のＸ方向に対する中心線に対して対称であり、双方の波形状の波長Ｐ２は一致している。
【００３０】
また、各直線部２１における一方の対向領域３６上の凸部３７と他方の対向領域３６上の凸部３７は、双方の波形状の位相が一致するようにＹ方向に交互に並んでいる。換言すれば、Ｚ方向から見たときに、直線部２１の幅はどこでも同じである。このため、水は、第一流路２の直線部２１をＸ方向にうねりながら流れる。
【００３１】
凸部３７は、Ｚ方向から見ると三角形状をなしている。各直線部２１における双方の対向領域３６上の凸部３７の先端は、蛇行部５１同士が最も離間する位置で配管５に最も接近する。すなわち、Ｐ２＝２×Ｐ１である。凸部３７の先端から配管５までのＸ方向のクリアランスＣ２は、Ｚ方向の最小クリアランスＣ１と同程度である。
【００３２】
本実施形態の熱交換器１Ａでは、配管５の配列方向と蛇行方向とが一致しているために、それらの方向と直交する方向においては第一流路２の幅を大きく確保する必要がない。従って、第一流路２の断面積を従来よりも小さくすることができ、熱交換器を従来よりも小型化することができる。
【００３３】
続いて、本実施形態の熱交換器１Ａの作用について説明する。
【００３４】
第一流体入口３１から第一流路２内に流入した水は、下流側の第一流体出口３２に向かって、第一流路２を流れていく。各直線部２１では、水が、凸部３７にガイドされることにより、配管５を何度も横切るように、蛇行部５１間および蛇行部５１と管状面３５の間を通ってＸ方向にうねりながら流れる。その後、水は第一流体出口３２から流出する。
【００３５】
ところで、配管５の外側を配管５の軸方向に沿って真っ直ぐ水が流れる場合、配管５から受ける攪拌作用が小さいので、水は、配管５の表面近傍に比較的大きい厚さの温度境界層を形成しつつ流れる。
【００３６】
これに対し、本実施形態では、各直線部２１における双方の対向領域３６に設けられた凸部３７により、水が配管５を何度も横切るようにＸ方向にうねりながら流れるため、配管５の表面近傍に形成される温度境界層は、上述した水が配管５の軸方向に沿って真っ直ぐ流れる場合に比べて成長し難くなる。そのような流れを積極的に作り出してやることにより、温度境界層が厚くなることを防止でき、ひいてはより効率的な熱交換を行えるようになる。
【００３７】
また、本実施形態では、水は、双方の配管５の表面にぶつかりながら流れるので、配管５の表面を伝熱面として有効利用できる。併せて、死水域も小さくすることができる。死水域が小さくなればなるほど、伝熱面積は増大するので、熱交換効率は高まる。
【００３８】
次に、本実施形態の熱交換器１Ａの効果を確認するために行ったシミュレーションを説明する。
【００３９】
本シミュレーションでは、解析用ソフトウェア「Ｆｌｕｅｎｔ」を用いた。解析条件としては、水の流量を０．００５８ｋｇ／ｓ、水の温度を４０℃、冷媒が流れる配管の温度を４５℃とした。
【００４０】
まず、比較対象として、図１２に示すようなツイスト型熱交換器６である参照モデル１，２を作成した。ツイスト型熱交換器６では、断面円形の水管６１の内部に、一対の冷媒管６２，６３が互いに密着してツイストされた状態で配置されている。参照モデル１では、水管６１の内径を８．６ｍｍ、冷媒管６２，６３の外径を３．９ｍｍ、水管６１と冷媒管６２，６３の間のクリアランスを０．４ｍｍ、冷媒管６２，６３のツイストピッチを４０ｍｍとした。参照モデル２は、参照モデル１から冷媒管６２，６３のツイストピッチを３０ｍｍに変更したものである。
【００４１】
次に、本実施形態の熱交換器１Ａに相当する実施モデル１を作成した。実施モデル１では、管状面３５の直径Ｄ１を１０．６ｍｍ、配管５の外径Ｄ２を３．９ｍｍ、Ｚ方向の最小クリアランスＣ１およびＸ方向の最小クリアランスＣ２を０．４ｍｍ、蛇行部５１間のＺ方向の最大隙間Ｇを２ｍｍ、蛇行部５１の波長Ｐ１を１０ｍｍ、凸部３７によって形成される波形状の波長Ｐ２を２０ｍｍとした。
【００４２】
参照モデル１，２および実施モデル１に対して、熱伝達率および圧力損失を解析した。表１に、その解析結果を示す。なお、表１には、水が流れる断面積（実施モデル１では、第一流路２の直線部２１の断面積から双方の配管５の占有面積を引いた面積）を水側断面積として記載する。
【００４３】
【表１】
2013145066.tif 000003
【００４４】
参照モデル１に対し、冷媒管のツイストピッチを４０ｍｍから３０ｍｍに短縮した参照モデル２では、撹拌促進により、冷媒管の表面近傍における水の温度境界層の発達の抑制効果が得られるため、冷媒管から水への熱伝達率が２８５５Ｗ／ｍ2Ｋから４１２０Ｗ／ｍ2Ｋに向上する。しかしながら、圧力損失も、１．３１ｋＰａ／ｍから１．５６ｋＰａ／ｍと上昇する。これに対して、実施モデル１では、参照モデル２と同様に、配管５から水への熱伝達率を４６９３Ｗ／ｍ2Ｋに向上させることができるとともに、圧力損失も、参照モデル１と同等である１．３１ｋＰａ／ｍに抑えることができる。さらに、実施モデル１では、水側断面積が４７ｍｍ2と参照モデル１，２の３４ｍｍ2に対して約１．４倍大きい。このため、カルシウムイオン等の金属イオンを含む水を加熱する場合に、６０℃以上の領域にて生成しやすいスケールが析出しても、第一流路２の閉塞が起こり難くなり、耐スケール性が向上する。
【００４５】
本実施形態の熱交換器１Ａによれば、熱伝達率の向上だけでなく、圧力損失の低減と耐スケール性の確保とを両立することも可能である。従って、熱交換効率に優れ、より一層の小型化が可能な熱交換器１Ａを提供することができる。
【００４６】
＜変形例＞
第一流路２を規定する管状面３５の直径Ｄは、第一流路２の全長に亘って一定である必要はない。例えば、管状面３５の直径Ｄは、第一流路２の上流側よりも下流側の方が大きくなっていてもよい。カルシウムイオン等の金属イオンを多く含む水を加熱する場合、６０℃以上の領域にてスケールが析出しやすい。第一流路２における第一流体出口４に近い部分をやや広口に設計しておけば、スケール析出による圧力損失の増大を抑制することができる。
【００４７】
また、前記実施形態では、双方の配管５の蛇行部５１の位相が１８０度ずれていたが、蛇行部５１の位相のずれは必ずしも１８０度である必要はない。例えば、図６（ａ）および（ｂ）に示すように、図５に示す状態から一方の配管５の蛇行部５１がＹ方向にΔＰ（例えば、ΔＰ＝（１／４）Ｐ１）だけ移動していてもよい。この場合には、蛇行部５１同士が接触しなくなる（例えば、連結部５２同士のみを接触させてもよい）。この構成でも、前記実施形態で説明した有意な効果を得ることができる。あるいは、図７（ａ）および（ｂ）に示すように、図６（ａ）に示す状態から双方の配管５をＺ方向に移動して、蛇行部５１同士を接触させてもよい。この場合には、蛇行部５１間のＺ方向の最大隙間Ｇは、蛇行部５１の振幅γの２倍よりも小さくなる。
【００４８】
また、前記実施形態では、配管５がＺ方向に配列されていた。ただし、配管５は必ずしもＺ方向に配列されている必要はない。例えば、構造体３のＹ方向の両側にヘッダを設け、それらのヘッダを結ぶように構造体３内に直線状の複数の第一流路２を設ける場合には、配管５をＸ方向に配列することも可能である。
【００４９】
（第二実施形態）
次に、図８ならびに図９（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明の第二実施形態に係る熱交換器１Ｂを説明する。なお、本実施形態では、第一実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。この点は、後述する第三実施形態でも同様である。
【００５０】
本実施形態では、各直線部２１における一方の対向領域３６には複数の凸部３７が設けられているが、他方の対向領域３６はＺ方向に平行な平面であって配管５に近接している。換言すれば、各直線部２１においては、対向領域３６から配管５までの距離が異なっており、配管５から遠い方の対向領域３６に凸部３７が設けられている。
【００５１】
平面である対向領域３６から配管５までのＸ方向のクリアランスＣ３は、Ｚ方向の最小クリアランスＣ１および凸部３７の先端から配管５までのＸ方向のクリアランスＣ２と同程度である。
【００５２】
続いて、本実施形態の熱交換器１Ｂの作用について説明する。
【００５３】
第一流体入口３１から第一流路２内に流入した水は、下流側の第一流体出口３２に向かって、第一流路２を流れていく。各直線部２１では、水が、凸部３７にガイドされることにより、配管５近傍から何度も張り出すように、蛇行部５１間および蛇行部５１と管状面３５の間を通ってＸ方向に縮小および拡大を繰り返しながら流れる。その後、水は第一流体出口３２から流出する。
【００５４】
本実施形態の熱交換器１Ｂでも、温度境界層が厚くなることを防止できるとともに死水域を小さくすることができるため、第１実施形態の熱交換器１Ａと同様の効果を得ることができる。
【００５５】
なお、第一実施形態で説明した変形例が本実施形態にも適用可能であることは言うまでもない。
【００５６】
（第三実施形態）
次に、図１０ならびに図１１（ａ）および（ｂ）を参照して、本発明の第三実施形態に係る熱交換器１Ｃを説明する。
【００５７】
本実施形態では、各直線部２１における対向領域３６の双方がＺ方向に平行な平面であって配管５に近接している。すなわち、管状面３５の断面形状は、各直線部２１においてＺ方向に引き延ばされている。
【００５８】
各直線部２１における対向領域３６には、双方の配管５の蛇行部５１を個別に収容する空間を隔てるように管状面３５の軸方向に延びる突条部３８がそれぞれ設けられている。突条部３８は、直線部２１のほぼ全長に亘って連続的に形成されている。
【００５９】
突条部３８の断面形状は、矩形状であってもよいが、台形状や三角形状などの先細りとなる形状であることが好ましい。また、突条部３８の両側面は、双方の配管５の中心を通る平面上に曲率中心を有する曲面であることが好ましい。一方、管状面３５における対向領域３６の間の領域も、双方の配管５の中心を通る平面上に曲率中心を有する曲面であることが好ましい。
【００６０】
突条部３８の高さは、対向領域３６から配管５までのＸ方向のクリアランスＣ３よりも大きいことが好ましい。
【００６１】
本実施形態では、蛇行部５１同士が接触しないことが好ましい（図６（ｂ）参照）。双方の配管５の蛇行部５１の位相のずれは１８０度であってもよいが、この場合には別途双方の配管５を互いに接触しないように支持すると良い。このような蛇行部５１同士の位置関係であれば、蛇行部５１の間に形成される比較的に大きな隙間に水をスムーズに流入させることができ、第一実施形態と同様に、三次元的な流れの活発化、水の圧力損失の増大防止といった効果を期待できる。
【００６２】
本実施形態の熱交換器１Ｃでは、配管５の配列方向と蛇行方向とが一致しているために、それらの方向と直交する方向においては第一流路２の幅を大きく確保する必要がない。従って、第一流路２の断面積を従来よりも小さくすることができ、熱交換器を従来よりも小型化することができる。
【００６３】
続いて、本実施形態の熱交換器１Ｃの作用について説明する。
【００６４】
第一流体入口３１から第一流路２内に流入した水は、下流側の第一流体出口３２に向かって、第一流路２を流れていく。各直線部２１では、水が、突条部３８によってＺ方向の流通が規制されることにより、各配管５のＸ方向の両側を通って蛇行部５１の蛇行形状とクロスするように、蛇行部５１間の広い空間と、蛇行部５１と管状面３５の間の広い空間とを往来する。その後、水は第一流体出口３２から流出する。
【００６５】
ところで、配管５の外側を配管５の軸方向に沿って真っ直ぐ水が流れる場合、配管５から受ける攪拌作用が小さいので、水は、配管５の表面近傍に比較的大きい厚さの温度境界層を形成しつつ流れる。
【００６６】
これに対し、本実施形態では、各直線部２１における双方の対向領域３６に設けられた突条部３８により、水が各配管５の表面に沿ってＺ方向にうねりながら流れるため、配管５の表面近傍に形成される温度境界層は、上述した水が配管５の軸方向に沿って真っ直ぐ流れる場合に比べて成長し難くなる。そのような流れを積極的に作り出してやることにより、温度境界層が厚くなることを防止でき、ひいてはより効率的な熱交換を行えるようになる。
【００６７】
また、本実施形態では、水は、双方の配管５の表面に沿ってうねりながら流れるので、配管５の表面を伝熱面として有効利用できる。併せて、死水域も小さくすることができる。死水域が小さくなればなるほど、伝熱面積は増大するので、熱交換効率は高まる。
【００６８】
次に、本実施形態の熱交換器１Ｃの効果を確認するために行ったシミュレーションを説明する。なお、解析用ソフトや解析条件は、第一実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーションと同じである。
【００６９】
まず、比較対象として、図１２に示すようなツイスト型熱交換器６である参照モデル３を作成した。参照モデル３は、第一実施形態で説明した参照モデル１から冷媒管６２，６３のツイストピッチを２０ｍｍに変更したものである。
【００７０】
次に、本実施形態の熱交換器１Ｃに相当する実施モデル２を作成した。実施モデル２では、管状面３５のＺ方向の高さ（双方の配管５の中心を通る平面上での高さ）を１０．６ｍｍ、配管５の外径Ｄ２を３．９ｍｍ、Ｚ方向の最小クリアランスＣ１および対向領域３６から配管５までのＸ方向のクリアランスＣ３を０．４ｍｍ、蛇行部５１間のＺ方向の最大隙間Ｇを２ｍｍ、蛇行部５１の波長Ｐ１を１０ｍｍ、蛇行部５１の位相ずれを９０度とした。さらに、管状面３５における対向領域３６の間の領域の曲率半径Ｒ１を２．３５ｍｍ、突条部３８の曲面である両側面の曲率半径Ｒ２を２．３５ｍｍ、曲率半径Ｒ１，Ｒ２の曲率中心同士の間の距離Ｈを２．７３ｍｍ、突条部３８の両側面を延長した仮想面同士の間の距離δを０．２ｍｍとした。
【００７１】
参照モデル３および実施モデル２に対して、熱伝達率および圧力損失を解析した。表２に、その解析結果を示す。なお、表２には、水が流れる断面積（実施モデル２では、第一流路２の直線部２１の断面積から双方の配管５の占有面積を引いた面積）を水側断面積として記載する。また、表２には、参照モデル１の解析結果も示す。
【００７２】
【表２】
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【００７３】
参照モデル１に対し、冷媒管のツイストピッチを４０ｍｍから２０ｍｍに短縮した参照モデル３では、撹拌促進により、冷媒管の表面近傍における水の温度境界層の発達の抑制効果が得られるため、冷媒管から水への熱伝達率が２８５５Ｗ／ｍ2Ｋから５１８３Ｗ／ｍ2Ｋに向上する。しかしながら、圧力損失も、１．３１ｋＰａ／ｍから２．２７ｋＰａ／ｍと上昇する。これに対して、実施モデル２では、参照モデル３と同様に、配管５から水への熱伝達率を５４８６Ｗ／ｍ2Ｋに向上させることができるとともに、圧力損失も、参照モデル２よりも低い２．１９ｋＰａ／ｍに抑えることができる。さらに、実施モデル２では、水側断面積が４５ｍｍ2と参照モデル１，３の３４ｍｍ2に対して約１．３倍大きい。このため、カルシウムイオン等の金属イオンを含む水を加熱する場合に、６０℃以上の領域にて生成しやすいスケールが析出しても、第一流路２の閉塞が起こり難くなり、耐スケール性が向上する。
【００７４】
本実施形態の熱交換器１Ｃによれば、熱伝達率の向上だけでなく、圧力損失の低減と耐スケール性の確保とを両立することも可能である。従って、熱交換効率に優れ、より一層の小型化が可能な熱交換器１Ｃを提供することができる。
【００７５】
なお、第二実施形態の熱交換器１Ｂにおいて、凸部３７が設けられていない対向領域３６に本実施形態で説明した突条部３８を設けることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の熱交換器は、優れた熱交換性能を有し、冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機用の熱交換器として特に有用である。
【符号の説明】
【００７７】
１Ａ〜１Ｃ  熱交換器
２    第一流路
２１  直線部
３    構造体
３５  管状面
３６  対向領域
３７  凸部
３８  突条部
４    第二流路
５    配管
５１  蛇行部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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