(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の伝熱管と、第２の伝熱管と、これらを平行に支持する間接部材とを備え、前記間接部材が前記第１の伝熱管および第２の伝熱管の外周面に対してその半円周以上でかつ円周以下で接する第１の支持部および第２の支持部を有し、これらの支持部の弾性変形により、前記第１の伝熱管および第２の伝熱管が前記間接部材に圧入され密着支持されるとともに、前記第１の伝熱管を流れる熱交換流体Ａは高温高圧の冷媒とし、前記第２の伝熱管を流れる熱交換流体Ｂは低温低圧の水として、前記第２の伝熱管の出口側内径をその入口側内径よりも大きくした熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は熱交換器に関し、特に、ヒートポンプを用いて冷水や温水を生成する冷暖房機や給湯機に利用される冷媒水熱交換器のような、異種媒体間の熱移動を行う熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、熱交換器の耐圧性の拡大、生産性の向上および小型・軽量化を目的に、特開平６−３１７３９１号公報に開示されているような熱交換器が提案されている。その構成について、図７を参照しながら説明する。
【０００３】
熱交換器５０は、高温高圧流体が流れる第１の伝熱管５１と、低温低圧流体が流れる第２の伝熱管５２とを備え、各伝熱管５１および５２を流体の流れ方向が平行となるよう設置し、これらの伝熱管５１および５２の間に各伝熱管の半円周部分に接する形状の間接部材５３を備え、さらに伝熱管５１および５２と間接部材５３とを密着固定する固定部材５４を備えた構成である。
【０００４】
第１の伝熱管５１を流れる高温高圧流体は、その下に位置する間接部材５３を介して、第２の伝熱管５２を流れる低温低圧流体と熱交換を行うことになる。従来例では、伝熱管に強度の高い真円形状の管を用いるとともに、圧縮や加熱処理等の加工を排除し、管体の有する初期の耐圧性能を確保することにより、耐圧性の向上を図っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、次のような課題がある。例えば、能力に応じて十分な伝熱面積を確保するためには、熱交換器を長尺にする必要がある。このとき同時に、コンパクト性を確保するためには、Ｕ字状の折り返し部を有する蛇行形状とする必要がある。従来例のように、熱収縮チューブ等からなる円筒状の固定部材５４により、伝熱管５１および５２と間接部材５３とを固定する構成では、蛇行する熱交換器５０の全長にわたる固定部材５４の挿入は困難であり、組立性が悪く生産性が低下するという課題があった。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、耐圧性と熱交換性能に優れ、生産性が高く低コストな熱交換器を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前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の伝熱管と、第２の伝熱管と、これらを平行に支持する間接部材とを備え、前記間接部材が前記第１の伝熱管および第２の伝熱管の外周面に対してその半円周以上でかつ円周以下で接する第１の支持部および第２の支持部を有し、これらの支持部の弾性変形により、前記第１の伝熱管および第２の伝熱管が前記間接部材に圧入され密着支持されるとともに、前記第１の伝熱管を流れる熱交換流体Ａは高温高圧の冷媒とし、前記第２の伝熱管を流れる熱交換流体Ｂは低温低圧の水として、前記第２の伝熱管の出口側内径をその入口側内径よりも大きくしたものである。
【０００８】
これによって、強度の高い真円形状の管を使用しても十分な密着性が得られるとともに、圧縮や加熱処理等の加工を施すことなく管体の有する初期の耐圧性能を確保できる。また、第１および第２の伝熱管の外周面に間接部材を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、蛇行形状等の複雑な熱交換器に対しても、支持部の弾性変形を利用した圧入により、容易に組み立てることできる。よって、耐圧性と熱交換性能に優れ、生産性が高く低コストな熱交換器を提供できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、第１の伝熱管と、第２の伝熱管と、これらを平行に支持する間接部材とを備え、前記間接部材が前記第１の伝熱管および第２の伝熱管の外周面に対してその半円周以上でかつ円周以下で接する第１の支持部および第２の支持部を有し、これらの支持部の弾性変形により、前記第１の伝熱管および第２の伝熱管が前記間接部材に圧入され密着支持されるとともに、前記第１の伝熱管を流れる熱交換流体Ａは高温高圧の冷媒とし、前記第２の伝熱管を流れる熱交換流体Ｂは低温低圧の水として、前記第２の伝熱管の出口側内径をその入口側内径よりも大きくした熱交換器とするものであり、強度の高い真円形状の管を使用しても十分な密着性が得られるとともに、圧縮や加熱処理等の加工を施すことなく管体の有する初期の耐圧性能を確保できる。また、第１および第２の伝熱管の外周面に間接部材を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、蛇行形状等の複雑な熱交換器に対しても、支持部の弾性変形を利用した圧入により、容易に組み立てることできる。よって、耐圧性と熱交換性能に優れ、生産性が高く低コストな熱交換器を提供できる。
【００１０】
また、第１の伝熱管を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、第２の伝熱管を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、第２の伝熱管の出口側内径がその入口側内径よりも大きいものであり、水加熱時のスケール析出による伝熱管の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の熱交換器１０の断面斜視図である。図１において、熱交換器１０は、第１の伝熱管１と、第２の伝熱管２と、これらを平行に支持する間接部材３とを備え、間接部材３が各伝熱管１および２の外周面に対してその半円周部分以上かつ円周以下に接する略均一厚の第１および第２の支持部４および５を有するものである。伝熱管１および２は、支持部４および５に対してこれらの弾性変形を利用して、図中矢印ＣおよびＤに示した方向から圧入される。このとき、支持部４および５の弾性力により、伝熱管１および２は間接部材３に対して密着支持される。さらに、高圧側流体が流れる第１の伝熱管１の外径が、低圧側流体が流れる第２の伝熱管２よりも小さく構成されている。
【００１３】
ここで、第１および第２の伝熱管１および２は、例えば、熱伝導性の良い銅やアルミニウム等からなり、強度の高い真円形状の管体で構成される。一方、間接部材３は、熱伝導性および成形性の良いアルミニウム等からなり、断面が略均一形状の押出材で構成される。
【００１４】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。例えば、第１の伝熱管１に高温高圧流体、第２の伝熱管２に低温低圧流体がそれぞれ流れるとする。このとき、高温高圧流体は、第１の伝熱管１、その外周面に接する間接部材３、第２の伝熱管２を介して、低温低圧流体と熱交換を行うことになる。
【００１５】
ここで、本実施例によれば、伝熱管１および２が、その半円周部分以上かつ円周以下に接する略均一厚の支持部４および５の弾性力により、間接部材３と密着した状態で連続的に接触するため、強度の高い真円形状の管を使用しても十分な密着性が得られるとともに、熱交換に必要な伝熱面積を十分に確保することができる。
【００１６】
また、例えば、能力に応じて十分な伝熱面積を確保するために、熱交換器を長尺にすると同時に、Ｕ字状の折り返しを有する蛇行形状とするような場合も、伝熱管１および２を予め蛇行形状にしておき、伝熱管１および２を間接部材３に対して、その上下方向から圧入する構成とすることができ、容易に組み立てることできる。このとき、伝熱管１および２に、圧縮、拡大、加熱処理等の加工を施すことがないため、管体の有する初期の耐圧性能を確保することが可能となる。
【００１７】
なお、同じように、支持部の弾性変形により、伝熱管と間接部材とを容易に分解することも可能であり、伝熱管と間接部材とを異種材料とした場合でも、リサイクル性を確保することができる。
【００１８】
さらに、高圧側流体が流れる第１の伝熱管１の外径を、低圧側流体が流れる第２の伝熱管２よりも小さくすること、すなわち、高圧側に低圧側よりも強度の高い細管を使用することにより、耐圧性により一層優れた熱交換器を提供できる。したがって、耐圧性と熱交換性能に優れ、生産性が高く低コストな熱交換器を提供できる。
【００１９】
なお、実施例１では、第１および第２の伝熱管として外径の異なるものを用いるよう図示または説明したが、熱交換流体の物性や要求される性能に応じて、同じ外径のものにしても構わない。
【００２０】
（実施例２）
図２は本発明の実施例２の熱交換器２０の断面斜視図である。本発明の実施例２は、図１に示した熱交換器１０と略同一の構成を有する。本実施例が実施例１と異なるのは、図２に示したように、高圧側流体が流れる第１の伝熱管１１の外径が低圧側流体が流れる第２の伝熱管１２よりも小さく、さらにこの伝熱管１１が複数の伝熱管１１ａおよび１１ｂから構成される点である。
【００２１】
図２において、熱交換器２０は、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂと、第２の伝熱管１２と、これらを平行に支持する間接部材１３とを備える。この間接部材１３は、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂの外周面に対してその半円周部分以上かつ円周以下に接する略均一厚の第１の支持部１４ａおよび１４ｂと、第２の伝熱管１２の外周面に対してその半円周部分以上かつ円周以下に接する略均一厚の第２の支持部１５を有する。伝熱管１１ａ、１１ｂおよび１２は、支持部１４ａ、１４ｂおよび１５に対してこれらの弾性変形を利用して、図中矢印ＣおよびＤに示した方向から圧入される。このとき、支持部部１４ａ、１４ｂおよび１５の弾性力により、伝熱管１１ａ、１１ｂおよび１２は間接部材１３に対して密着支持される。
【００２２】
ここで、第１および第２の伝熱管１１および１２は、例えば、熱伝導性の良い銅やアルミニウム等からなり、強度の高い真円形状の管体で構成される。一方、間接部材１３は、熱伝導性および成形性の良いアルミニウム等からなり、断面が略均一形状の押出材で構成される。
【００２３】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。例えば、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂに高温高圧流体、第２の伝熱管１２に低温低圧流体がそれぞれ流れるとする。このとき、高温高圧流体は、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂ、その外周面に接する間接部材１３、第２の伝熱管１２を介して、低温低圧流体と熱交換を行うことになる。
【００２４】
ここで、実施例１と同様に、伝熱管が支持部の弾性力により間接部材と密着した状態で連続的に接触するため、強度の高い真円形状の伝熱管を使用しても十分な密着性が得られ、熱交換に必要な伝熱面積を十分に確保できる。さらに、例えば、十分な伝熱面積を確保するために、伝熱管をＵ字状の折り返しを有する蛇行形状とするような場合も、伝熱管を間接部材に対して、その上下方向から圧入する構成とすることができ、容易に組み立てることできる。
【００２５】
加えて、高圧側流体が流れる第１の伝熱管１１に、低圧側流体が流れる第２の伝熱管１２よりも強度の高い細管を使用することにより、耐圧性の向上が図れるとともに、高圧側に複数の伝熱管１１ａおよび１１ｂを使用することで、有効な伝熱面積の拡大が図られる。
【００２６】
したがって、実施例１の効果に加えて、熱交換性能により一層優れたコンパクトな熱交換器を提供できる。
【００２７】
（実施例３）
図３は本発明の実施例３の熱交換器３０の断面斜視図であり、図４は熱交換器３０の構成図である。本発明の実施例３は、図２に示した熱交換器２０と略同一の構成を有するので、同一符号のものは説明を省略する。本実施例が実施例２と異なるのは、図３に示したように、間接部材２３が、例えば第２の伝熱管１２をＵ字状の折り返しを有する蛇行形状としたときに形成されるような平行する複数の伝熱管群を一体的に挟み込む構成を有する点である。さらに、図４に示したように、間接部材２３上の隣接する伝熱管１２すなわち支持部１５の間にスリット状の空隙部１６を設けた点である。また、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂと第２の伝熱管１２とを、間接部材２３を介して、その入口から出口に至るまで完全に対向する位置に設け、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂを流れる熱交換流体Ａと第２の伝熱管１２を流れる熱交換流体Ｂとが、図中矢印で示したように、その入口から出口に至るまで完全に対向流となる構成を有する点である。このとき、各伝熱管１１および１２と間接部材２３との密着支持は、実施例１および２と同様に、間接部材２３の支持部１４ａ、１４ｂおよび１５の弾性変形により容易に行える。
【００２８】
ここで、第１および第２の伝熱管１１および１２は、例えば、熱伝導性の良い銅やアルミニウム等からなり、強度の高い真円形状の管体で構成される。一方、間接部材１３は、熱伝導性および成形性の良いアルミニウム等からなり、断面が略均一形状の押出材で構成される。
【００２９】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。
【００３０】
例えば、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂに高温高圧流体、第２の伝熱管１２に低温低圧流体がそれぞれ流れるとする。このとき、高温高圧流体は、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂ、その外周面に接する間接部材２３、第２の伝熱管１２を介して、低温低圧流体と熱交換を行う。また、第１の伝熱管１１ａおよび１１ｂを流れる熱交換流体Ａと、第２の伝熱管１２を流れる熱交換流体Ｂとは、図４に示したように、その入口から出口に至るまで完全に対向流として熱交換を行うことになる。
【００３１】
ここで、実施例１および２と同様に、伝熱管が支持部の弾性力により間接部材と密着した状態で連続的に接触するため、強度の高い真円形状の伝熱管を使用しても十分な密着性が得られ、熱交換に必要な伝熱面積を十分に確保できる。さらに、例えば、十分な伝熱面積を確保するために、伝熱管をＵ字状の折り返しを有する蛇行形状とするような場合も、伝熱管を間接部材に対して、その上下方向から圧入する構成とすることができ、容易に組み立てることできる。
【００３２】
加えて、間接部材２３が平行する複数の管群を一体的に挟む構成とすることで、実施例１および２の構成に対して、部品点数が削減され、製造工程の簡略化が図られる。
【００３３】
さらに、間接部材２３上の隣接する伝熱管１１および１２の間にスリット状の空隙部１６を設けることで、隣接する同一流体の伝熱管１１または１２同士の熱交換が低減され、熱交換性能が向上される。
【００３４】
また、第１の伝熱管１１を流れる熱交換流体Ａと第２の伝熱管１２を流れる熱交換流体Ｂとが対向流となる構成とすることにより、並行流や直交流に比べて熱交換性能に優れた対向流の形態で熱交換を行うことができる。
【００３５】
したがって、実施例１および２の効果に加えて、熱交換性能と生産性により優れ、コンパクトかつ低コストな熱交換器を提供できる。
【００３６】
（実施例４）
図５は本発明の実施例４の熱交換器１０の断面斜視図である。本発明の実施例４は、図１に示した熱交換器１０と略同一の構成を有するので、同一符号のものは説明を省略する。本実施例が実施例１と異なるのは、図５に示したように、第１および第２の伝熱管１および２と、間接部材３の支持部４および５とで囲まれる隙間に、熱伝達物質１７を充填した点である。熱伝達物質１７としては、例えば、シリコンペーストやシリコンゲル、アルミ粉末等の熱伝導の良い物質があげられる。
【００３７】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。例えば、第１の伝熱管１に高温高圧流体、第２の伝熱管２に低温低圧流体がそれぞれ流れるとする。このとき、高温高圧流体は、第１の伝熱管１、熱伝達物質１７、間接部材３、熱伝達物質１７、第２の伝熱管２の順に熱を伝導させ、低温低圧流体と熱交換を行うことになる。
【００３８】
したがって、実施例１の効果に加えて、伝熱管１および２と間接部材３とで囲まれる隙間に熱伝達物質１７を充填することにより、伝熱管１および２と間接部材３との密着性がさらに向上し、熱交換に有効な伝熱面積を拡大することができるため、さらなる熱交換器の高性能化とコンパクト化を実現できる。
【００３９】
（実施例５）
図６は本発明の実施例５の熱交換器４０の断面斜視図である。
【００４０】
本発明の実施例５は、図３に示した熱交換器３０と略同一の構成を有するので、同一符号のものは説明を省略する。本実施例が実施例３と異なるのは、図６に示したように、第１の伝熱管１１を流れる熱交換流体Ａが高温高圧の冷媒であり、第２の伝熱管２２を流れる熱交換流体Ｂが低温低圧の水であるとともに、第２の伝熱管２２の出口側伝熱管４２の内径がその入口側伝熱管１２の内径よりも大きい点である。
【００４１】
ここで、内径が異なる入口側および出口側伝熱管１２および４２を密着支持する間接部材２３および４３は、それぞれ単独のものでも一体化したものでもどちらでも構わない。また、連続する第２の伝熱管２２の内径をその入口と出口で異ならせるためには、両端で径の異なる管材やＵベンドを用いて、その中間で接続する等の方法により容易に行うことができる。
【００４２】
以上のように構成された熱交換器について、以下その作用を説明する。第１の伝熱管１１には、図６に点線矢印で示すように、高温高圧の冷媒、例えば、ヒートポンプ装置等に用いられる二酸化炭素、炭化水素、フロン冷媒などが流れ、第２の伝熱管２２には、図中実線矢印で示すように、低温低圧の水が流れる。このとき、高温高圧の冷媒は、第１の伝熱管１１を流れる間に、間接部材４３および１３、第２の伝熱管４２および１２を介して、低温低圧の水と熱交換を行うことになる。低温低圧の水は、第２の伝熱管２２の出口側伝熱管４２において、最も高温となる。
【００４３】
例えば、冷媒で水（特に水道水）を加熱する冷媒水熱交換器の場合、一般に、カルシウムやマグネシウム等の硬度成分を多く含んだ水を長期間高温に加熱すると、最も高温となる水側伝熱管の出口部近傍においてスケールが発生する可能性がある。このようなスケールが水側伝熱管の内周に付着すると、水の流動の抵抗となり、熱交換性能を低減させる。
【００４４】
ここで、本実施例では、第２の伝熱管２２の水出口側４２の内径を、その水入口側１２の内径よりも大きく構成しているため、万一水側伝熱管内にスケールが生成した場合も、水の流動抵抗の増加を緩和することができる。
【００４５】
したがって、実施例３の効果に加えて、冷媒による水加熱時のスケール析出による水側伝熱管の閉塞が緩和され、熱交換器の長寿命化が図られ、信頼性の向上を実現できる。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、強度の高い真円形状の管を使用しても十分な密着性が得られるとともに、圧縮や加熱処理等の加工を施すことなく管体の有する初期の耐圧性能を確保できる。また、第１および第２の伝熱管の外周面に間接部材を密着した状態で連続的に接触させ、十分な伝熱面積を確保することができる。さらに、蛇行形状等の複雑な熱交換器に対しても、支持部の弾性変形を利用した圧入により、容易に組み立てることできる。よって、耐圧性と熱交換性能に優れ、生産性が高く低コストな熱交換器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１の熱交換器の伝熱管の断面を示した斜視図
【図２】  本発明の実施例２の熱交換器の伝熱管の断面を示した斜視図
【図３】  本発明の実施例３の熱交換器の伝熱管の断面を示した斜視図
【図４】  同熱交換器を分解して示した構成図
【図５】  本発明の実施例４の熱交換器の支持部と伝熱管の間に介在する熱伝達物質を示した斜視図
【図６】  本発明の実施例５の熱交換器の伝熱管の断面を示した斜視図
【図７】  従来の熱交換器の伝熱管の断面を示した斜視図
【符号の説明】
１、１１ａ、１１ｂ  第１の伝熱管
２  第２の伝熱管
３、２３  間接部材
４  第１の支持部
５  第２の支持部
１６  空隙部
１７  熱伝達物質
【図１】
0003767473.tif 000002
【図２】
0003767473.tif 000003
【図３】
0003767473.tif 000004
【図４】
0003767473.tif 000005
【図５】
0003767473.tif 000006
【図６】
0003767473.tif 000007
【図７】
0003767473.tif 000008