JP6573210B2 - 二重管式熱交換器及びこれを備えたヒートポンプ式熱源機 - Google Patents

Description

本発明は二重管式熱交換器に関し、特に内管内を流れる熱媒体と内管と外管との間の隙間を流れる熱媒体との間の熱交換性能の向上を図ったものに関する。

従来から、ガス燃焼式熱源機、ヒートポンプ式熱源機、燃料電池発電装置等の熱源機で加熱した湯水を貯湯タンクに貯湯して所望の給湯先に給湯する貯湯給湯装置、前記熱源機で加熱した湯水を利用して暖房端末へ熱を供給する暖房装置、その他の種々の産業分野においては、高温の流体と低温の流体との間で熱交換させる為の種々の熱交換器が幅広く使用されている。

例えば、特許文献１の熱交換機においては、燃焼ガス用の給気口及び排気口が設けられたケーシングと、このケーシング内に収納され且つ複数の曲管部を有する螺旋状又は蛇行状の伝熱管とを備え、ケーシング内を流れる燃焼ガスと伝熱管を流れる湯水との間で熱交換を行うように構成され、複数の曲管部の各々の内側面に、燃焼ガスの乱流化を促進して熱交換性能を向上させる波形加工部が夫々設けられた構造が開示されている。

また、上記の熱交換器として、内管とこの内管を収納した外管とを備え、内管内に冷媒を流し、内管と外管との間の隙間に湯水を流し、冷媒と湯水との間で熱交換を行うように構成された二重管式熱交換器が実用化されている。この二重管式熱交換器は、熱交換性能に優れ且つ製作費の面で有利であるため広く採用されている。

特開２０１２−１１２６２４号公報

ところで、上記の二重管式熱交換器において、従来から、大型化や高コスト化を抑制しながら、熱交換性能を更に高めたいという要望がある。しかし、熱交換性能を向上させる場合、二重管式熱交換器の長寸法化を図ることで実現可能ではあるが、この方法では、上述したように、二重管式熱交換器が大型化したり、材料費の増加等でコスト高になるという問題がある。

そこで、特許文献１に記載の熱交換器のように、乱流を利用して熱交換性能を高める為に、伝熱管の曲管部の内側面に波形加工部を設ける構造を二重管式熱交換に利用した場合、外管の曲管部の内側面に波形形状を形成すると、外管の内側に向かって突出する複数の凹部が形成されてしまう。このため、二重管式熱交換を曲げ加工する際に、内管に複数の凹部が干渉してしまうので、屈曲部の曲率半径を小さくすることができずに、二重管式熱交換が大型化してしまい、また、外管の断面積が減少して通水抵抗が増加するので、熱交換性能が悪化してしまうという問題がある。

本発明の目的は、大型化及びコストの増加を抑制しつつ、熱交換性能の向上を図った二重管式熱交換器及びこれを備えたヒートポンプ式熱源機を提供すること、等である。

請求項１の二重管式熱交換器は、内管と外管とから構成され、前記内管を流れる第１熱媒体と、前記内管と前記外管との間を流れる第２熱媒体との間で熱交換を行う二重管式熱交換器であって、複数の屈曲部を有し且つ全体が矩形形状の渦巻状に構成された二重管式熱交換器において、前記内管は、断面視にて周方向に山部と谷部を繰りかえす波形形状の多葉管であり、前記各山部は前記外管の内面に面接触状に密着しており、前記複数の屈曲部は全て同じ曲率半径を有し、前記屈曲部における前記外管には、前記外管の断面積が拡大するように外側に突出した１又は複数の凸部が前記内側部のみに形成されていることを特徴としている。

請求項２のヒートポンプ式熱源機は、請求項１に記載の前記二重管式熱交換器で凝縮熱交換器を構成したことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、二重管式熱交換器は、複数の屈曲部を有し且つ全体が矩形形状の渦巻状に構成され、屈曲部における外管の内側部には、外管の断面積が拡大するように外側に突出した１又は複数の凸部が形成されているので、二重管式熱交換器を曲げ加工する際に、外管の内側部に外側に突出した複数の凸部が形成されるように意図的にしわ加工を行うことで、外管が内管に干渉するのを防ぎ、外管の断面円筒形状を維持するようにしわを抑制した曲げ加工した場合の屈曲部の曲率半径と比較して、小さい曲率半径の屈曲部を容易に実現することができ、二重管式熱交換器の小型化を図ることができる。

そして、内管は、断面視にて周方向に山部と谷部を繰りかえす波形形状の多葉管であるので、屈曲部における外管の内側部に対して、外管の断面積が拡大するように複数の凸部を形成することで、内管（多葉管）と外管との間の隙間の断面積が増加する。即ち、従来では、多葉形状の内管と円筒形状の外管との間の通水抵抗は、円筒形状の内管の場合と比較して高くなり、しかも、屈曲部では通水抵抗が顕著に増加していたが、屈曲部に複数の凸部を設けることで、内管が多葉管であっても、屈曲部における内管と外管との間の隙間の通水抵抗が低減するので、第２熱媒体の流量が増加し、二重管式熱交換器の熱交換性能が向上する。

また、屈曲部における内管と外管との間の隙間に第２熱媒体が流れる際に複数の凸部に沿って流れることで、第２熱媒体に乱流が発生し易くなり、それ故、屈曲部に第２熱媒体が滞留する時間が長くなるので、内管内を流れる第１冷媒との間で熱交換を促進することができ、二重管式熱交換器の熱交換性能が更に向上し、結果的に、二重管式熱交換器の更なる小型化を図ることができる。

請求項２の発明によれば、ヒートポンプ式熱源機は、請求項１に記載の前記二重管式熱交換器で凝縮熱交換器を構成したので、請求項１に記載の効果と同様の効果を奏する。

本発明の実施例１に係るヒートポンプ給湯装置の概略構成図である。 二重管式熱交換器の平面図である。 二重管式熱交換器の部分拡大平面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図３のＶ−Ｖ線断面図である。 実施例２に係る二重管式熱交換器の部分拡大平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 変更形態に係る二重管式熱交換器の平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、本発明の二重管式熱交換器１０が適用されたヒートポンプ式熱源機２の全体構成について簡単に説明する。
図１に示すように、ヒートポンプ式熱源機２は、第１熱媒体（例えばヒートポンプ用冷媒）により第２熱媒体（例えば給湯用湯水）を加熱する為のヒートポンプ回路６と、このヒートポンプ回路６を制御する為の熱源機側制御部７と、これら器具を収納する為の外装ケース８等を備えている。

尚、図１に示すように、本実施例のヒートポンプ式熱源機２は、加熱後の湯水を貯湯する貯湯タンク２１を有する貯湯タンクユニット３と、この貯湯タンクユニット３とヒートポンプ式熱源機２とに亙って湯水を循環させる為の循環用配管４ａ，４ｂと、これらを制御する制御ユニット５等と組み合わせることでヒートポンプ給湯装置１を構成している。

ヒートポンプ回路６は、圧縮機９、湯水加熱用の凝縮熱交換器を構成する二重管式熱交換器１０、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁１１、外気熱吸収用の蒸発熱交換器１２を有し、これら機器が冷媒配管１３を介して接続されて構成され、冷媒配管１３に封入された冷媒を利用して貯湯運転を行う。ヒートポンプ回路６の蒸発熱交換器１２には、蒸発熱交換器用の送風ファン１４が設けられている。

次に、外装ケース８内に収納されている各種機器について簡単に説明する。
図１に示すように、圧縮機９は、気相状態の冷媒を断熱圧縮して温度上昇させる公知の密閉型圧縮機である。

二重管式熱交換器１０（凝縮熱交換器）は、冷媒配管１３の一部となる内側流体通路３７、循環用配管４ａ，４ｂ間に接続された外側流体通路３８とを有する二重管式熱交換器１０から構成されているが、本発明の二重管式熱交換器１０の具体的な構造については後述する。

膨張弁１１は、液相状態の冷媒を断熱膨張させ温度低下させる。この膨張弁１１は、絞り量が可変な制御弁からなる。尚、絞り量が可変な膨張弁１１の代わりに絞り量が一定の膨張弁を採用しても良い。

蒸発熱交換器１２は、冷媒配管１３に含まれる蒸発器通路部１２ａを有し、この蒸発器通路部１２ａは伝熱管と複数のフィンとを有している。この蒸発熱交換器１２において、蒸発器通路部１２ａを流れる冷媒と外気との間で熱交換され、冷媒は外気から吸熱して気化する。

冷媒配管１３は、圧縮機９の吐出側と二重管式熱交換器１０の入口側とを接続する冷媒通路１３ａ、二重管式熱交換器１０の出口側と膨張弁１１の入口側とを接続する冷媒通路１３ｂ、膨張弁１１の出口側と蒸発熱交換器１２の入口側とを接続する冷媒通路１３ｃ、蒸発熱交換器１２の出口側と圧縮機９の導入側とを接続する冷媒通路１３ｄを備えている。

冷媒配管１３には、圧縮機９の吐出側に設けられ且つ圧縮機９から吐出する冷媒温度を検知する温度センサ１５ａ、膨張弁１１の入口側に設けられ且つ膨張弁１１に流入する冷媒温度を検知する温度センサ１５ｂ、膨張弁１１の出口側に設けられ且つ膨張弁１１から流出する冷媒温度を検知する温度センサ１５ｃ、蒸発熱交換器１２の出口側に設けられ且つ蒸発熱交換器１２から流出する冷媒温度を検知する温度センサ１５ｄ等が設けられている。

次に、貯湯タンクユニット３について簡単に説明する。
図１に示すように、貯湯タンクユニット３は、貯湯タンク２１、給水配管２２、バイパス給水配管２２ａ及び出湯配管２３等の各種の配管類、開閉弁２４や混合弁２５等の各種の弁類、湯水循環ポンプ２６等の各種のポンプ類、タンク側制御部２７、これら器具を収納する為の外装ケース２８等を備えている。貯湯タンク２１は、ヒートポンプ式熱源機２で加熱された高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留するものである。

貯湯タンク２１の下端部には、給水配管２２と循環用配管４ａとが接続され、貯湯タンク２１の上端部には、循環用配管４ｂと出湯配管２３とが接続され、循環用配管４ｂから戻された高温の湯水を貯湯タンク２１内に貯留し、給湯時には貯湯タンク２１内の高温の湯水を出湯配管２３に供給することができる。

貯湯タンク２１には、複数の温度センサ２９ａ〜２９ｄが高さ方向所定間隔おきの位置に配置され、温度センサ２９ａ〜２９ｄの温度検知信号がタンク側制御部２７に供給される。給水配管２２、出湯配管２３及び循環用配管４ａ，４ｂ等の各種の配管類にも、温度センサ２９ｅ〜２９ｉが設けられている。

図１に示すように、このヒートポンプ給湯装置１は、熱源機側制御部７とタンク側制御部２７からなる制御ユニット５によって制御される。各種の温度センサ等の検知信号が制御ユニット５に送信され、この制御ユニット５により、ヒートポンプ式熱源機２と貯湯タンクユニット３の動作、各種のポンプ類の作動・停止、各種の弁類の開閉状態の切り換え及び開度調整等を制御し、各種運転（貯湯運転、給湯運転等）を実行する。

タンク側制御部２７は、ユーザーが操作可能な操作リモコン１７との間でデータ通信可能であり、操作リモコン１７のスイッチ操作により目標給湯温度が設定されると、その目標給湯温度データが操作リモコン１７からタンク側制御部２７に送信される。熱源機側制御部７は、タンク側制御部２７との間でデータ通信可能であり、タンク側制御部２７からの指令に従ってヒートポンプ回路６の各種機器（圧縮機９、膨張弁１１、送風ファン１４の送風モータ１４ａ等）の駆動制御を行う。

次に、本発明の二重管式熱交換器１０の具体的な構造について説明する。
図２に示すように、二重管式熱交換器１０は、複数の屈曲部３４を有し且つ全体が矩形形状の渦巻状に構成されている。即ち、二重管式熱交換器１０は、平面視にて略矩形形状の複数のループ管３１を有する。複数のループ管３１は、上下方向に２層に且つ各層が複数巻（三重巻）になるように配置されている。各層に配置された３つのループ管３１は、内側から外側に向かって徐々に大型化するようなサイズに構成されている。

図２、図３に示すように、各ループ管３１は、横方向に延び且つ互いに平行に配置された１対の横直管部３２と、この１対の横直管部３２と直交する縦方向に延び且つ互いに平行に配置された１対の縦直管部３３と、横直管部３２の端部と縦直管部３３の端部とを接続する円弧状の複数の屈曲部３４とを夫々備えている。複数の屈曲部３４は、全て同じ曲率半径になるように設定されている。

図３〜図５に示すように、二重管式熱交換器１０は、内管３５と、この内管３５を内部に収納した外管３６とから構成され、内管３５の内部（内側流体通路３７）を流れる第１熱媒体（ヒートポンプ用冷媒）と内管３５と外管３６との間の隙間（外側流体通路３８）を流れる第２熱媒体（給湯用湯水）との間で熱交換を行うように構成されている。二重管式熱交換器１０は、発泡ポリプロピレン、発泡ポリスチレン等の樹脂を発泡成形した上下に２分割された保温材（図示略）で覆われている。

内管３５と外管３６は、例えば、リン脱酸銅製の円形断面の水道用銅管又はこれと同等品からなる所定の長さの素材管を用いて製作される。素材管の管壁の厚さは例えば０．６〜１．０ｍｍで、二重管式熱交換器１０の外径は例えば１６〜２０ｍｍである。但し、これらの数値は例示でありこれらに限定されるものではない。

図４，図５に示すように、内管３５は、管壁が周方向に山部３５ａと谷部３５ｂとが繰り返す波形形状をなす断面視にて多葉形状に形成された多葉管である。即ち、内管３５は、４つの山部３５ａと４つの谷部３５ｂとを有し、山部３５ａは円弧の両端部に湾曲部を付けた形状であり、谷部３５ｂは円弧的な形状である。外管３６は、管壁が内管３５の管壁より大径の円筒の形状に構成された円筒管である。

４つの谷部３５ｂは、中心部の断面略正方形の流体通路３７ａの回りに周方向に９０°間隔に配置され、各谷部３５ｂの先端近傍部は周方向に隣接する谷部３５ｂと接触している。内管３５の多葉管の軸心直交断面の断面形状は、山部３５ａと谷部３５ｂとを接続する直線部３５ｃを有している。内管３５の各山部３５ａは外管３６の内面に面接触状に密着している。

この内管３５は、所定のリード角をもって螺旋状に捩じった形状に構成されている。前記所定のリード角は、軸心方向に例えば３００〜５００ｍｍ移行する毎に１回転するような角度である。但し、上記の捩じりは必須のものではなく省略しても良い。

内管３５の内部には、４つの谷部３５ｂで囲まれた流体通路３７ａと４つの山部３５ａの内側の流体通路３７ｂとからなる内側流体通路３７が形成され、内管３５と外管３６との間には４つのほぼ三角形断面の流体通路３８ａからなる外側流体通路３８が形成され、内管３５の内部（内側流体通路３７）を流れる第１熱媒体と、内管３５と外管３６との間の隙間（外側流体通路３８）を流れる第２熱媒体との間で熱交換可能に構成してある。

即ち、内側流体通路３７の上流端は、冷媒通路１３ａの下流端に接続され、内側流体通路３７の下流端は、冷媒通路１３ｂの上流端に接続されている。外側流体通路３８の上流端は、循環用配管４ａの下流端に接続され、外側流体通路３８の下流端は、循環用配管４ｂの上流端に接続されている。

次に、二重管式熱交換器１０の屈曲部３４の構造について説明する。
図２〜図５に示すように、屈曲部３４における外管３６の内側部には、外管３６の断面積が拡大するように外側に（二重管式熱交換器１０の中心部に向かって）突出した複数の半円円弧状の凸部４１が長手方向に所定間隔置きに形成されている。即ち、屈曲部３４における外管３６の管壁の内側領域の略全長に亙って、複数の凸部４１が一定間隔で並んだ形状に形成されている。各凸部４１の内部には、外側流体通路３８に連なる拡張空間４１ａが夫々形成されている。

各拡張空間４１ａの縦断面の断面形状は、三日月形状に夫々形成され、各拡張空間４１ａの水平断面の断面形状は半円形状に夫々形成されている。即ち、屈曲部３４における外管３６の断面積（内管３５と外管３６との間の断面積）は、複数の凸部４１による拡張空間４１ａの断面積分増加するので、屈曲部３４における内管３５と外管３６との間の外側流体通路３８の通水抵抗が低下する。

この二重管式熱交換器１０の製作段階において、先ずは、１本のストレート形状の二重管式熱交換器を製作し、１種類の曲げ型によって、屈曲部３４を順次しわ（複数の凸部４１）が発生する曲げ加工により形成しながら、複数回螺旋状に巻回し、複数の縦直管部３３を２つのバンド部材４３によって締結することで、２重の長円渦巻状の二重管式熱交換器１０を製作することができる。

次に、本発明の二重管式熱交換器１０の作用及び効果について説明する。
ヒートポンプ回路６の貯湯運転時において、圧縮機９により高圧に圧縮された加熱状態の冷媒は、冷媒通路１３ａから二重管式熱交換器１０の内側流体通路３７に送られ、湯水循環ポンプ２６の駆動により貯湯タンク２１の下端部から循環用配管４ａを経て二重管式熱交換器１０の外側流体通路３８に流入した水と熱交換してその水を暖め、温度低下して液化した冷媒は冷媒通路１３ｂから膨張弁１１に送られ、加熱された湯水が循環用配管４ｂを通って貯湯タンク２１に貯留され、ヒートポンプ回路６を経由する加熱動作を繰り返すことで貯湯タンク２１に高温の湯水が貯留される。

ところで、貯湯運転時に、二重管式熱交換器１０の複数の屈曲部３４の各々においては、複数の凸部４１によって外側流体通路３８の通水抵抗は低減することで、外側流体通路３８を流れる湯水の流量が増加すると共に、複数の凸部４１によって外側流体通路３８を流れる湯水の乱流が促進されて屈曲部３４に水が滞留する時間が長くなるので、外側流体通路３８を流れる湯水と内側流体通路３７を流れる冷媒との間の熱交換を促進することができる。

以上説明したように、二重管式熱交換器１０は、複数の屈曲部３４を有し且つ全体が渦巻状に構成され、屈曲部３４における外管３６の内側部には、外管３６の断面積が拡大するように外側に突出した複数の凸部４１が長手方向に所定間隔おきに形成されているので、二重管式熱交換器１０を曲げ加工する際に、外管３６の内側部に外側に突出した複数の凸部４１が形成されるように意図的にしわ加工を行うことで、外管３６が内管３５に干渉するのを防ぎ、外管の断面円筒形状を維持するようにしわを抑制した曲げ加工した場合の屈曲部の曲率半径と比較して、小さい曲率半径の屈曲部３４を容易に実現することができ、二重管式熱交換器１０の小型化を図ることができる。

また、二重管式熱交換器１０を渦巻状に製作する際に、複数の屈曲部３４を同一の曲率半径に設定することで、平面視にて矩形形状に構成し易くなって二重管式熱交換器１０の小型化を図ることができ、その上、複数の曲げ型を必要せずに１種類の曲げ型で製作可能となるので、二重管式熱交換器１０の製作コストが低減する。

さらに、内管３５は、断面視にて多葉形状に形成された多葉管であるので、屈曲部３４における外管３６の内側面に対して、外管３６の断面積が拡大するように複数の凸部４１を形成することで、内管３５（多葉管）と外管３６との間の隙間の断面積が増加する。即ち、従来では、多葉形状の内管と円筒形状の外管との間の通水抵抗は、円筒形状の内管の場合と比較して高くなり、しかも、屈曲部では通水抵抗が顕著に増加していたが、屈曲部３４に複数の凸部４１を設けることで、内管３５が多葉管であっても、屈曲部３４における内管３５と外管３６との間の隙間の通水抵抗が低減するので、第２熱媒体の流量が増加し、二重管式熱交換器１０の熱交換性能が向上する。

さらにまた、屈曲部３４における内管３５と外管３６との間の隙間に第２熱媒体（給湯用湯水）が流れる際に複数の凸部４１に沿って流れることで、第２熱媒体に乱流が発生し易くなり、それ故、屈曲部３４に第２熱媒体が滞留する時間が長くなるので、内管３５内を流れる第１冷媒（ヒートポンプ用冷媒）との間で熱交換を促進することができ、二重管式熱交換器１０の熱交換性能が更に向上し、結果的に、二重管式熱交換器１０の更なる小型化を図ることができる。

次に、実施例１の二重管式熱交換器１０を部分的に変更した実施例２について説明する。尚、実施例１では、屈曲部３４における外管３６の内側部に、外管３６の断面積が拡大するように外側に突出した複数の凸部４１を形成しているが、この実施例２では、屈曲部３４における外管３６Ａの内側部に１つの凸部４１Ａを形成している。

図６に示すように、二重管式熱交換器１０Ａにおいて、屈曲部３４における外管３６Ａの内側部には、外管３６Ａの断面積が拡大するように外側に突出した１つの凸部４１Ａが形成されている。即ち、屈曲部３４における外管３６Ａの管壁の内側領域の長手方向の略全長に亙って、二重管式熱交換器１０Ａの中心部に向かって膨張する凸部４１Ａが形成されている。屈曲部３４における外管３６Ａは、断面視にて連続する互いに異なる直径の２つの円からなる横向き姿勢のダルマ形状に形成されている。

図７に示すように、凸部４１Ａの内部には、外側流体通路３８に連なる拡張空間４１Ａａが形成されている。この拡張空間４１Ａａの縦断面の断面形状は、外管３６Ａの直径の３０〜４０％程度の長さを直径とする略半円形状に形成されている。屈曲部３４における外側流体通路３８の容積は、拡張空間４１Ａａの容積分増加するので、外側流体通路３８の通水抵抗が低下する。その他の構成、作用及び効果は、前記実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。

次に、前記実施例１，２を部分的に変更した例について説明する。
［１］前記実施例１，２の内管３５は、冷媒管の素材管を漏洩検知管の素材管に挿入した２重管を加工することで製作された２重構造の多葉管であっても良い。冷媒管と漏洩検知管の間に流体が流通し得る隙間を形成することで、冷媒管から例えば冷媒が隙間に漏洩した場合には、それを検知することで、冷媒管からの流体の漏洩の発生を確実に検知することができる。

［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例１，２に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

２ ヒートポンプ式熱源機
１０，１０Ａ 二重管式熱交換器（凝縮熱交換器）
３４ 屈曲部
３５ 内管
３６，３６Ａ 外管
４１，４１Ａ 凸部

Claims (2)

1. 内管と外管とから構成され、前記内管を流れる第１熱媒体と、前記内管と前記外管との間を流れる第２熱媒体との間で熱交換を行う二重管式熱交換器であって、複数の屈曲部を有し且つ全体が矩形形状の渦巻状に構成された二重管式熱交換器において、
   前記内管は、断面視にて周方向に山部と谷部を繰りかえす波形形状の多葉管であり、
   前記各山部は前記外管の内面に面接触状に密着しており、
   前記複数の屈曲部は全て同じ曲率半径を有し、
   前記屈曲部における前記外管には、前記外管の断面積が拡大するように外側に突出した１又は複数の凸部が内側部のみに形成されている
   ことを特徴とする二重管式熱交換器。
2. 請求項１に記載の前記二重管式熱交換器で凝縮熱交換器を構成したことを特徴とするヒートポンプ式熱源機。