JP2008121908A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】高温の熱交換媒体から熱交換されるべき流体への熱交換性能を高めて、かかる熱交換されるべき流体の均一加熱効果を向上せしめた熱交換器を、比較的単純で且つコンパクトな構造において、製造コストも安価に実現すること。
【解決手段】高温の熱交換媒体が流通せしめられる第一の内管４が、その外周面の一部において、熱交換されるべき流体が流通せしめられる第二の内管６の外周面の一部に対して当接せしめられて、熱的接触させられていると共に、更に、かかる第二の内管６の外周面と接触していない部分において、外管８の内周面に当接せしめられて、熱的接触させられている一方、かかる第二の内管６が、その外周面のうち前記第一の内管４の外周面と接触していない部分において、前記外管８の内周面の前記第一の内管４の外周面と接触していない部分に対して当接せしめられて、熱的接触させられるように、構成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、高温の熱交換媒体と熱交換されるべき流体との間で熱交換を行う熱交換器に係り、中でも、炭酸ガスを主成分とする冷媒と水とを熱交換するための給湯機用水熱交換器として好適に用いられ得る熱交換器に関するものである。

従来から、高温の熱交換媒体（冷媒）と水等の所定の流体とを熱交換する熱交換器として、かかる熱交換媒体を流通させる流路（以下、冷媒流路と略称する）と、水等の熱交換されるべき流体を流通させる流路（以下、水流路と略称する）とを、二つの伝熱管を組み合わせて構成し、それら冷媒と水等との間で熱交換を行うようにした熱交換器が、各種用いられて来ている。また、そのような熱交換器において用いられる熱交換媒体（冷媒）としては、従来のフロン系冷媒に代えて、オゾン層の保護や地球環境の温暖化防止等の観点から、温暖化係数の低い自然冷媒が注目されて来ており、近年においては、この自然冷媒を利用した熱交換器の開発が、行われている。そして、そのような自然冷媒の中でも、炭酸ガスを用いた場合には、高温高圧のガス条件が得られるところから、特に注目を受けているのである。

ところで、そのような炭酸ガスを主成分とする冷媒と水との間で熱交換を行う方式の熱交換器としては、従来より、以下に例示するように、内部に冷媒を流通させる伝熱管と、内部に水を流通させる伝熱管とを組み合わせて、一つの熱交換器を構成したものが、各種提案されている。

例えば、特開２００６−１７０５７１号公報（特許文献１）においては、スパイラル状に撚られ又は捻られた二本の内管内に、それぞれ冷媒を流通せしめる一方、それら二本の内管を収容した外管の管内には、水が流通せしめられるようにした構造の二重多管式熱交換器が、明らかにされている。そして、そこでは、高温側である冷媒流路管（内管）が低温側となる水流路管（外管）の中に完全に封じ込められた形態とされているところから、冷媒の熱が外気へと放出されてしまうことが、低く抑えられるという利点を有しているのであるが、水側への伝熱面積を増加させることが難しいという欠点を内在している。このため、特許文献１では、冷媒流路管をスパイラル状に捻ることにより流路長を長くして、水側への伝熱面積を増加させているのであるが、それでも、伝熱面積の増加の効果は充分ではなく、熱交換器の小型化が難しくなるものであった。

また、この特許文献１に提案の二重多管式熱交換器にあっては、冷媒流路管の損傷等により、冷媒が、その外側を流通する水中へ漏洩する危険性があり、特に、給湯機用水熱交換器に適用する場合において、飲料用にも使用される水の中へ冷媒が混入することを避ける必要があるところから、特許文献１においては、その図３に示されるような漏洩検知管が、冷媒流路管（内管）として採用されているのであるが、そのために、構造が複雑となると共に、コストアップの要因ともなっているのである。

また、特開２００２−２２８３７０号公報（特許文献２）や特開２００６−９０６９７号公報（特許文献３）においては、水流路管の外側に冷媒流路管を配置してなる構造の、冷媒流路管巻き付けタイプの熱交換器が明らかにされているが、その中で、特許文献２に提案されている構造のものにあっては、水流路管と冷媒流路管との接触面積が充分ではないために、冷媒から水への伝熱性能が低く、充分な熱交換性能を発揮することが困難であるという問題を内在している。このため、そのような形態の熱交換器の伝熱性能を向上させるべく、特許文献３においては、水流路管の外周に、複数条の山谷底部を連続して螺旋状に設け、その山谷底部に沿って、冷媒流路管を巻き付けるようにしているのであるが、これとても、接触面積の増加は充分ではなく、加えて、冷媒からの熱が外気に放出される欠点もあり、熱交換性能面において良好な熱交換器であるとは言い難いものであった。

さらに、特開２００３−１４３８３号公報（特許文献４）は、水流路管に冷媒流路管を押し込むように配置してなる構造の熱交換器を開示しており、そこでは、水流路管の外面を窪ませ、その窪みに冷媒流路管を嵌め込んでなる構成とされているところから、上記特許文献２の如きタイプに比べて、冷媒流路管と水流路管の接触面積が増大され、伝熱性能の向上が図られ得ることとなったのであるが、それでも、充分であるとは言い難いものであった。なお、特許文献４の図５に示されている形態は、冷媒流路管が上下に二本配置されるものであるが、接触面積を増大させるには、そのような冷媒流路管の本数を、３本、４本、或いはそれ以上と増やすことも考えられるものの、その場合において、冷媒流路管から冷媒の熱が外気に放出される欠点は逃れられず、熱交換性能面において、良好な熱交換性能を有しているとは言うことが出来ない。

ここで、図６には、かかる特許文献４に開示のタイプにおいて構成された熱交換器３０の断面図が示されており、そこでは、３本の冷媒流路管３２が、それぞれ、水流路管３４の外面に設けられた三つの窪み３６内に密着配置されてなる構造において、構成されている。また、そのような熱交換器３０における１本の冷媒流路管３２からの熱の流れが、図７に示されている。そこにおいて、冷媒流路管３２内を流れる冷媒からの熱は、冷媒流路管３２と水流路管３４との接触部３８を介して、その内側の領域４０を流れる水を加熱し、その熱が、更に他の領域４２，４４を流れる水にも伝達されることとなる一方、冷媒からの熱は、外気４６へも放散されることとなるのである。そして、このような熱伝達において、接触部３８に近い領域４０の水の温度は高くなる一方、接触部３８の両側に位置して、水流路管３４の内周面に近い領域４２の水は、外気４６の影響を受けて、充分に加熱され得ず、低い温度の水となるのであり、このために、水流路（３４）内での水温度の差が大きく、均熱状態とはなり難いのである。

一方、水道水等の水に含まれるカルシウム等の成分は、高温（およそ８５℃以上）に加熱された領域において析出し易く、このために、上記した内側領域４０においては、そのような成分の析出によるスケール形成が惹起され易い問題を内在しているのである。そして、熱交換器３０を長期間に亘って使用することにより、その形成されたスケールが、流路壁に付着し、そしてその付着量（厚さ）が経時的に増大することによって、流路断面積を減少させ、最終的には流路を閉塞させてしまうという問題を内在しているのであり、更にこのような問題は、特許文献４のタイプに限られることなく、特許文献２、３のようなタイプにおいても起こり得る問題となっているのである。

そして、かくの如きスケールの形成を効果的に抑制するには、水流路（３４）内での均熱を図ることが重要であり、このため、熱交換性能やコスト面での有利さに加えて、熱交換されるべき水が出来るだけ均一に加熱されるようにすることによって、スケール形成を効果的に抑制する機能を兼ね備えた熱交換器の実現が、望まれているのである。

特開２００６−１７０５７１号公報 特開２００２−２２８３７０号公報 特開２００６−９０６９７号公報 特開２００３−１４３８３号公報

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、高温の熱交換媒体から熱交換されるべき流体への熱交換性能を高めて、かかる熱交換されるべき流体の均一加熱効果を向上せしめた熱交換器を、比較的単純で且つコンパクトな構造において、製造コストも安価に、実現することにある。

そして、本発明にあっては、かくの如き課題の解決のために、管内に高温の熱交換媒体が流通せしめられる第一の内管と、該高温の熱交換媒体との間で熱交換されるべき流体が管内に流通せしめられる第二の内管と、それら第一及び第二の内管を管内に収容、保持する外管とから構成される熱交換器にして、該第一の内管が、その外周面の一部において、前記第二の内管の外周面の一部に対して当接せしめられて熱的接触させられていると共に、更に、該第二の内管の外周面と接触していない部分において、前記外管の内周面に当接せしめられて熱的接触させられている一方、該第二の内管が、その外周面のうち前記第一の内管の外周面と接触していない部分において、前記外管の内周面の前記第一の内管の外周面と接触していない部分に対して当接せしめられて、熱的接触させられていることを特徴とする熱交換器を、その要旨とするものである。

なお、このような本発明に従う熱交換器の望ましい態様の一つによれば、前記第二の内管の外周面に、管軸方向に延びる溝部が、凹陥して形成され、該溝部内に前記第一の内管が密接、収容されている一方、それら第一及び第二の内管に密接するように、前記外管が外嵌めされている構成が、有利に採用されることとなる。

また、本発明の望ましい態様の他の一つによれば、前記第一の内管と前記第二の内管との当接、前記第一の内管と前記外管との当接及び前記第二の内管と前記外管との当接が、それぞれ機械的な圧着によって実現されて、熱的接触が形成されている。

さらに、本発明に従う熱交換器にあっては、望ましくは、前記高温の熱交換媒体が炭酸ガスを主体とする冷媒とされ、また前記熱交換されるべき流体が水とされて、給湯機用水熱交換器として、有利に用いられ得るのであり、更にまた、前記外管は、好ましくは、銅又は銅合金を材質として構成されていることが望ましいのである。

このように、本発明に従う熱交換器にあっては、第一の内管と第二の内管の熱的接触部位を介して、第一の内管内を流通する高温の熱交換媒体からの熱が、第二の内管内を流通する流体に伝達されることとなると共に、第一の内管が、外管に対して熱的に接触せしめられていることにより、高温の熱交換媒体からの熱が、外管へも伝熱、拡散し、外気への熱放出が効果的に抑制され得るようになっているのであり、更に、外管と第二の内管との熱的接触部位を介しての伝熱作用も発揮され得ることとなることによって、かかる第二の内管内を流通する流体が、１本の第一の内管から、その周りに位置する第二の内管の複数部位において、伝熱されることとなり、そして、これによって、第二の内管内における流体のより一層有効な均熱化を図り得ることとなったのである。

そして、このように、第二の内管内を流れる流体の均熱化の向上によって、かかる流体の局所加熱領域の形成が効果的に抑制されることとなるのであり、これによって、水等の加熱されるべき流体中に含まれるカルシウム等の成分の析出が有利に抑制され、その結果、スケールの形成が、効果的に抑制され得るのである。

また、かかる本発明に従う熱交換器にあっては、第一の内管と第二の内管とそれらを収容する外管とが、相互に接触せる形態において組み付けられていることによって、目的とする熱交換器が形成されており、そこでは、高温の熱交換媒体が流通せしめられる第一の内管が、外管内に完全に封じ込まれた形態となるところから、第一の内管に損傷等が発生した場合において、熱交換媒体は、外管と第一及び第二の内管との間の間隙に漏洩することとなるために、その間隙部が漏洩検知管の機能を果たすこととなり、従来の如き特別な構造の漏洩検知管を用いる必要がないところから、比較的単純な構造において、しかも、コンパクトな構造において、熱交換器を構成することが出来、そのために、製造コストも安価と為し得るのである。

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

先ず、図１及び図２には、本発明に従う熱交換器の一実施形態が示されている。そこにおいて、図１は、かかる熱交換器の長手方向（管軸方向）における内管及び外管の配設形態を示す一端側断面斜視説明図であり、また図２は、図１に示される熱交換器の横断面である、管軸に垂直な方向の断面を拡大して示す説明図である。そして、それらの図から明らかなように、熱交換器２は、管内に高温の熱交換媒体が流通せしめられる、細径の第一の内管４の３本と、かかる高温の熱交換媒体との間で熱交換されるべき流体が管内に流通せしめられる、太径の第二の内管６と、それら第一及び二の内管４，６を管内に収容、保持する、太径の外管８とが、相互に密接されて、構成されている。

より具体的には、第一の内管４は、一般に、外径：３〜７ｍｍ、肉厚：０．４〜１．２ｍｍ程度の細径の、断面が円形の管体にて構成され、ここでは、その３本が、周方向に約１２０°の位相差をもって配置せしめられている。また、第二の内管６は、外管８の内面に接するように、太径の管体にて構成されていると共に、その外周面には、前記第一の内管４を収容し得る深さを有する半円形乃至は円弧状断面の凹溝１０が、管軸に平行な方向に延びるように設けられており、更にその凹溝１０は、周方向に約１２０°の位相差をもって３条配設されている。そして、この第二の内管６の３条の凹溝１０内に、その円弧状の内面に密接するようにして、第一の内管４が、それぞれ収容、保持せしめられてなる構造とされているのである。

また、外管８は、一般に、外径：１２．７〜２５．４ｍｍ、肉厚：０．４〜０．８ｍｍ程度の太径の、断面が円形の管体にて構成されている。そして、この外管８に内接するように、第一及び第二の内管４，６が収容されているのである。即ち、第二の内管６とその凹溝１０内に収容位置せしめた第一の内管４とが、第二の内管６の最大径に位置する外周面部分において、外管８の内周面に接触せしめられるようになっている。従って、そこでは、第一の内管４が、その外周面の一部において、第二の内管６の外周面の一部に対して当接せしめられて、熱的接触させられていると共に、更に、第二の内管６の外周面と接触していない部分において、外管８の内周面に当接せしめられて、熱的に接触せしめられている一方、第二の内管６が、その外周面のうち、第一の内管４の外周面と接触していない部分において、外管８の内周面の第一の内管４の外周面と接触していない部分に対して当接せしめられて、熱的に接触させられてなる構造となっているのである。

従って、このような構造の熱交換器２にあっては、その熱の流れが、図３に示されている如く、第一の内管４内を流れる高温の熱交換媒体からの熱は、第一の内管４と第二の内管６（具体的には、凹溝１０の内面）との接触部１２を介して、その内側の領域１４を流れる流体を加熱し、更にその熱が、他の領域１６，１８を流れる流体に伝達されるようになると同時に、高温の熱交換媒体からの熱は、第一の内管４と外管８との接触部２０を介して、外管８に伝熱され、更に外管８を拡散する熱が、外管８と第二の内管６との接触部２２を介して、凹溝１０の周方向両側に位置する領域１６を流れる流体に伝達されるようになるのである。その結果、第二の内管６の凹溝１０の周方向両側に位置する領域１６を流れる流体の温度が、効果的に高められ得ることとなり、以て、第二の内管６内を流通する流体の温度の均一性が、効果的に向上せしめられ得ることとなるのである。

そして、このように、第二の内管６内を流通せしめられる流体の温度の均一性が向上せしめられて、そのような流体の局所加熱領域の形成が抑制されることによって、第二の内管６内を流れる流体の加熱温度が効果的に高められ得、以て、そのような流体を加熱するための第一の内管４内を流れる熱交換媒体の温度を低下せしめ得るところから、領域１４における流体温度の上昇を有利に回避し得て、かかる流体中のカルシウム等の成分析出が効果的に抑制され得ることとなるのであり、その結果、スケールの形成が有利に抑制され得ることにより、熱交換器２を長期間に亘って使用しても、そのようなスケールの流路壁に対する付着により、流路断面積が減少したり、甚だしい場合にあっては、流路を閉塞させるという問題の発生も、何等顧慮する必要もなくなったのである。

しかも、かかる熱交換器２にあっては、第二の内管６の凹溝１０の開口部位に、第一の内管４と第二の内管６と外管８とによって囲まれた空間２６が管軸方向に形成されることとなるところから、高温の熱交換媒体が流通せしめられる第一の内管４に損傷等が発生した場合において、高温の熱交換媒体は、そのような空間２６内に漏洩し、管軸方向に導かれることとなるのであり、このため、そのような空間２６内における熱交換媒体の存在の有無を検知することによって、漏洩検知管としての機能も発揮させることが出来るところから、従来の如き複雑な構造の漏洩検知管を用いる必要が全くなく、そのために、比較的単純な構造において、且つコンパクトな構造として、熱交換器を構成することが出来るのであり、以て、製造コストも安価なものと為し得るのである。

なお、かかる熱交換器２において、第一及び第二の内管４，６や外管８としては、従来から熱交換器に用いられている各種金属材質の管体が利用され得るものであるが、特に、外管８を熱伝導率の高い銅又は銅合金からなる材質にて形成することにより、更に、熱交換器２の熱交換性能を向上させることが出来る特徴があり、また第一の内管４及び第二の内管６も、外管８と同様に、銅又は銅合金からなる材質にて形成することが望ましく、そうすることによって、熱交換性能の更なる向上が期待され得ることに加えて、熱交換器２をスクラップ処理する場合においても、その取扱いが容易となる利点がある。

また、このような構造の熱交換器２を製作する場合において、第一の内管４と第二の内管６との接触部１２や第一の内管４と外管８との接触部２０、更には、第二の内管６と外管８との接触部２２は、何れも、ロウ付け等によって接合されていても差し支えないが、本発明では、それら３本の管体を、合わせ抽伸加工等によって、相互に機械的に圧着せしめる手法が、好適に採用されるのである。因みに、ロウ付けによる場合にあっては、ロウ付け不良による接触面積の不足を招き易く、また性能のバラツキを生じ易く、更にロウ付け不良等による歩留り低下等の問題も懸念されるのであるが、第一の内管４を第二の内管６の凹溝１０内に組み付けた状態において、外管８内に収容して、抽伸加工する、合わせ抽伸加工等によって、それら３本の管体（４，６，８）を相互に機械的圧着させる場合には、そのような問題はなく、比較的簡単な加工操作にて、目的とする熱交換器２を有利に製作することが可能となる。

ところで、本発明に従う熱交換器は、例示の実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものでは決してなく、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、またそのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることが、理解されるべきである。

例えば、第一の内管４は、図１に示される如く、管軸に平行な方向に配置せしめられる他、図４に示される如く、管軸方向においてらせん状に、適数本の第一の内管４を配置せしめるようにすることも可能であり、その場合において、そのようならせん状配置となるように、第二の内管６の外周面に設けられる凹溝１０も、管軸方向にらせん状に形成せしめられることとなる。

また、第一の内管４の配設本数にあっても、目的に応じて、適宜の本数が選定され、例えば、４本の第一の内管４を配設する場合にあっては、図５に示される如く、周方向に約９０°の位相差をもって配設してなる構造が、有利に採用されることとなる。

以下に、本発明の代表的な実施例の一つを示し、本発明の特徴を更に明確にすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。

先ず、図１〜図３に示される構造の、本発明に従う熱交換器を得るべく、外管（８）として、外径：１７．２ｍｍ、内径：１５．８ｍｍ、肉厚：０．７ｍｍの、断面が単純な円形の太径の平滑管を準備した。また、第一の内管（４）としては、外径：５．０ｍｍ、内径：４ｍｍ、肉厚：０．５ｍｍの、断面が単純な円形の細径の平滑管の３本を準備した。更に、第二の内管（６）としては、外径：約２２．２ｍｍ、肉厚：０．７ｍｍの、断面が単純な円形の太径の平滑管を準備した。なお、それら三種の平滑管の材質は、何れも、りん脱酸銅（ＪＩＳ−Ｈ−３３０−Ｃ１２２０）とした。

そして、目的とする熱交換器を得るべく、第二の内管（６）を与える太径の平滑管に対して、予め最終形状に近い形に異形加工を施し、その形成された円弧状の凹溝（１０）内に、第一の内管（４）を与える細径の平滑管を挿入して組み付け、更にその組付け管を、外管（８）を与える太径の平滑管内に挿入した後、常法に従って、抽伸縮径加工を施すことにより、目的とする熱交換器（２）を製作した。

また、比較のために、外管（８）の存在しない、図６〜図７に示される如き形態の熱交換器（３０）を、上記した第一及び第二の内管（４，６）を与える二種類の平滑管を用いて、作製した。

かくして得られた二種の熱交換器（２，３０）を用いて、その第二の内管（６，３４）内を流通する流体である水の均熱性を評価した。なお、流量等の条件は、以下の通りとした。
熱交換されるべき流体：水
流量 ：１Ｌ／ｍｉｎ、２Ｌ／ｍｉｎ、
出口温度：６５℃
熱交換媒体（冷媒） ：炭酸ガス冷媒
流量 ：管１本当り２Ｌ／ｍｉｎ、総流量：６Ｌ／ｍｉｎ
入口温度：８０℃
入口圧力：１０ＭＰａ

そして、それら二つの熱交換器（２，３０）の均熱性を評価するために、熱交換器の水出口（冷媒入口）付近の流路内面に、熱電対を貼り付けて、表面温度を測定した。その結果、本発明に従う熱交換器（２）においては、加熱された水の最大温度差が１℃以内となり、効果的に均熱し得ることが確認された。これに対して、外管（８）の設けられていない、従来の熱交換器（３０）にあっては、最大温度差が２℃となり、その均熱化が充分でないことが、明らかとなった。

本発明に従う熱交換器の一例を示す一端側断面斜視説明図である。 図１に示される熱交換器の横断面を拡大して示す説明図である。 熱の流れを示す図２の一部拡大部分図である。 本発明に従う熱交換器の他の一例を示す図１に対応する説明図である。 本発明に従う熱交換器の更に他の例を示す図２に対応する横断面拡大説明図である。 従来の熱交換器の一例を示す横断面説明図である。 図６に示される熱交換器の熱の流れを示す部分拡大説明図である。

符号の説明

２，３０ 熱交換器 ４ 第一の内管
６，３４ 第二の内管 ８ 外管
１０ 凹溝 １２，２０，２２ 接触部
１４，１６，１８ 領域 ２６ 空間

Claims (5)

1. 管内に高温の熱交換媒体が流通せしめられる第一の内管と、該高温の熱交換媒体との間で熱交換されるべき流体が管内に流通せしめられる第二の内管と、それら第一及び第二の内管を管内に収容、保持する外管とから構成される熱交換器にして、
   該第一の内管が、その外周面の一部において、前記第二の内管の外周面の一部に対して当接せしめられて熱的接触させられていると共に、更に、該第二の内管の外周面と接触していない部分において、前記外管の内周面に当接せしめられて熱的接触させられている一方、該第二の内管が、その外周面のうち前記第一の内管の外周面と接触していない部分において、前記外管の内周面の前記第一の内管の外周面と接触していない部分に対して当接せしめられて、熱的接触させられていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記第二の内管の外周面に、管軸方向に延びる溝部が、凹陥して形成され、該溝部内に前記第一の内管が密接、収容されている一方、それら第一及び第二の内管に密接するように、前記外管が外嵌めされていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第一の内管と前記第二の内管との当接、前記第一の内管と前記外管との当接及び前記第二の内管と前記外管との当接が、それぞれ機械的な圧着によって実現されて、熱的接触が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記高温の熱交換媒体が炭酸ガスを主体とする冷媒であり、前記熱交換されるべき流体が水であって、且つ給湯機用水熱交換器として用いられることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の熱交換器。
5. 前記外管が、銅又は銅合金を材質として構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一つに記載の熱交換器。
   

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