JP6205578B2

JP6205578B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6205578B2
Application number: JP2013157371A
Authority: JP
Inventors: 明広重田; 安藤　智朗; 智朗安藤; 町田　和彦; 和彦町田; 智章北野
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2017-10-04
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: JP2015028390A

Description

本発明は、高温または低温の液体を生成する熱交換する熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器は、２種類の流体（例えば、水と冷媒）の間で熱交換を行うために使用され、箱体の内部に形成されて第一流体が流れる第一流路と、第一流路の内部に配設されて第二流体が流れる第二流路とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照。）。

図７は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。図７に示すように、熱交換器１００は、第一流体が流れる矩形状の第一流路１０１を形成する箱体１０２と、第一流路１０１内に配置された配管ユニット１０３とを備え、配管ユニット１０３は波形状の第二流路１０４ａ、１０４ｂとから構成される。第二流路１０４ａ、１０４ｂは、第一流体の流れ方向に直交する一の面から見て複数箇所で互いに交差するように配置されている。

第一流体は、第一流路１０１の内部を、第二流路１０４ａ、１０４ｂとの間の空間を縫うように流れる。これにより第一流体は三次元的に流れ、上下左右に流れ方向が変化する複雑な流れが誘起される。よって、第二流路１０４ａ、１０４ｂの周りに温度境界層が発達することを抑制して、熱交換効率を向上させることができる。また、第一流路１０１の全長に対して第二流路１０４ａ、１０４ｂの全長を大きくして、熱交換器の小型化を図ることができる。

国際公開第２００７／１０８２４０号

この種の熱交換器においては、第一流体と第二流体とが熱交換することにより、それぞれの流路が熱膨張する場合がある。前記従来の構成では、第二流路の波形状の振幅が、第一流路の幅と略同一に構成されている。したがって、特に第一流体と第二流体との双方が高温となる箇所では、流体の熱によって伸張した第二流路に過度な応力がかかり、また、熱膨張した第二流路が第一流路を変形させ、場合によっては熱交換器が破損してしまうという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、流路の熱膨張による熱交換器の破損を防止することが可能な、耐久性に優れた熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第一流体が流れる第一流路と、前記第一流路の内側に配設されるとともに、前記第一流体の流通方向と垂直な方向に繰り返し屈曲する波形状部を有し、内部を第二流体が流れる第二流路と、を備え、前記波形状部は、複数の振幅および／または複数のピッチを有するとともに、前記複数の振幅は、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が大きいことで、前記第一流路と前記波形状部の頂点との隙間が、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が小さい形状であり、また、前記複数のピッチは、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が小さい形状であることを特徴とするものである。

これにより、第二流路が熱膨張した場合でも、複数の振幅、ピッチで屈曲する波形状部によって、第二流路に過度な応力がかかること、また、第二流路が第一流路を変形させることを抑制して、熱交換器の破損を防止することができる。

本発明によれば、熱膨張による熱交換器の破損を防止することが可能な、耐久性に優れた熱交換器を提供することができる。

本発明の熱交換器の実施の形態における概略構成図図１のＡ−Ａ断面図（ａ）図１のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）図１のＣ−Ｃ断面図同熱交換器の第二流路が振幅方向に熱膨張する際の変化を示す説明図（ａ）同熱交換器の第二流路の他の形状を示す図１のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）同熱交換器の第二流路の他の形状を示す図１のＣ−Ｃ断面図同熱交換器の第二流路が波形状のピッチ方向に熱膨張する際の変化を示す説明図従来の熱交換器の構成図

第１の発明は、第一流体が流れる第一流路と、前記第一流路の内側に配設されるとともに、前記第一流体の流通方向と垂直な方向に繰り返し屈曲する波形状部を有し、内部を第二流体が流れる第二流路と、を備え、前記波形状部は、複数の振幅および／または複数のピッチを有するとともに、前記複数の振幅は、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が大きいことで、前記第一流路と前記波形状部の頂点との隙間が、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が小さい形状であり、また、前記複数のピッチは、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が小さい形状であることを特徴とする熱交換器である。

これにより、第二流路が熱膨張した場合でも、複数の振幅、ピッチで屈曲する波形状部によって、第二流路に過度な応力がかかること、また、第二流路が第一流路を変形させることを抑制して、熱交換器の破損を防止することができ、耐久性に優れた熱交換器とすることができる。

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この発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における熱交換器の概略構成図、図２および図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図１のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｃ断面図である。

図１に示すように、本実施の形態における熱交換器は、第一流体が流れる第一流路１と、内部を第二流体が流れる複数の第二流路２と、第一流体が流入するとともに第二流体が流出する側に設けられ、第一流路１と第二流路２とを分離する入口ヘッダ３と、第一流体が流出するとともに第二流体が流入する側に設けられ、第一流路１と第二流路２とを分離する出口ヘッダ４と、を備えている。第二流路２は、第一流路１の内部に配置された配管によって構成されている。本実施の形態では第二流路２を構成する配管は、第一流路１の内部に１本配置されている。

本実施の形態の熱交換器は、例えば、第一流体として水などの熱媒体を用い、第二流体として二酸化炭素等の冷媒を用い、冷媒が有する熱によって水を加熱して、湯を生成する用途として使用できるものである。なお、冷媒としては、二酸化炭素以外にも、Ｒ４１０Ａ等の共沸冷媒やＲ４０７Ｃ等の非共沸冷媒に代表されるＨＦＣ冷媒を用いることができる。さらに、第二流体としては、冷媒以外にも、ボイラーで発生させた蒸気や高温の水等を用いることも可能である。以下、第二流体が冷媒であって、高温の冷媒によって熱媒体を加熱する場合について説明する。

熱交換器の第一流路１の端部には、熱媒体配管が接続される。第一流路１は、熱媒体配管によってポンプ（図示せず）と接続されて熱媒体回路を形成する。第一流路１には、入口ヘッダ３側からポンプによって搬送された水等の熱媒体（第一流体）が流入し、第一流体と熱交換を行った後の熱媒体が出口ヘッダ４側から流出する。

熱交換器の第二流路２は、圧縮機、膨張弁、蒸発器と冷媒配管で環状に接続されて冷媒回路（図示せず）を構成するものである。第二流路２には、出口ヘッダ４側から圧縮機で圧縮された高温の冷媒が流入し、第二流体と熱交換を行った後の冷媒が入口ヘッダ３側か
ら流出する。

熱交換器において、第一流路１に流入した熱媒体（第一流体）と、熱交換器の第二流路２に流入した冷媒とが熱交換を行う。ここで、圧縮機にて圧縮された高温の冷媒を第二流路２に流入させた場合には、高温の冷媒が熱媒体に放熱し、熱媒体を加熱することで、高温の熱媒体を生成することができる。よって、この熱交換器を冷媒の放熱器とする場合には、給湯機や温水暖房機の用途として使用することができる。一方、膨張弁によって減圧された低温の冷媒を第二流路２に流入させた場合には、低温の冷媒は熱媒体から吸熱し、熱媒体が冷却されることで、低温の熱媒体を生成することができる。よって、この熱交換器を冷媒の蒸発器とする場合には、冷房装置等の用途として使用することができる。

第一流路１は、図２に示すように、断面が長円状に形成されている。ここで、長円状とは、楕円形状のみならず、図２に示すような、略半円形状と略半円形状とを直線でつないだ形状を含むものである。これにより、第一流路１は長径と短径とを有することになる。

また、第一流路１は、図１に示すように、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４との間で直線部１ａと折曲部１ｂとが繰り返し形成されて蛇行する、サーペンタイン状に形成されている。なお、第一流路１は、サーペンタイン状以外にも、渦巻状に形成されていてもよい。これにより、熱交換器を小型化することができる。

第二流路２を構成する配管は、図２、図３に示すように、第一流路１内において、第一流体の流通方向と垂直な方向、すなわち、第一流路１の断面の方向に繰り返し屈曲する波形状部２ｃを有している。本実施の形態では、波形状部２ｃは、第一流路１の長径方向に繰り返し屈曲している。すなわち、波形状部２ｃは、第一流路１の長径方向に所定の振幅で、第一流路１の流通方向に平行な方向に所定のピッチで、繰り返し屈曲するように構成されている。

さらに、第二流路２を構成する配管は、入口ヘッダ３から出口ヘッダ４に向かって、第一流路１に沿ってサーペンタイン状に屈曲して形成されている。以上のように、第二流路２は、第一流路１の長径方向に対して繰り返し屈曲することで波形状に形成され、かつ、第一流路１の短径方向に対して入口ヘッダ３から出口ヘッダ４に向かってサーペンタイン状または渦巻状に屈曲して形成されている。なお、波形状部２ｃは、少なくとも第一流路１の直線部１ａの内部に設けられていればよく、折曲部１ｂの内部には設けられていない方が、第二流路２の加工が簡単になる点で好ましい。

さらに、第二流路２は、複数の振幅の波形状部２ｃを有する。すなわち、波形状部２ｃが複数の振幅で屈曲することで、波形状部２ｃの頂点と第一流路１との間の隙間が複数の値を取ることになる。本実施の形態では、図３（ａ）（ｂ）に示すように、第二流路２は、熱交換器において第一流体の温度が相対的に低い（例えば、１０〜３０度）箇所の隙間Ａが、第一流体の温度が相対的に高い（例えば、３０度〜７０度）箇所の隙間Ｂよりも、小さくなるように構成されている。すなわち、第二流路２は、第一流体の温度が相対的に低い箇所の方が、その振幅が大きくなるように形成されている。ここで、隙間Ａは、隙間Ａ１とＡ２との合計値をいうものであり、隙間Ｂは、隙間Ｂ１とＢ２との合計値をいうものである。隙間Ａは、例えば、第二流路２の直径（外径）Ｄの１/１０よりも大きく１/２０以下の範囲に設定され、隙間Ｂは、例えば、第二流路２の直径Ｄの１/５以上で１/１０よりも小さい範囲に設定される。なお、本実施の形態では、第一流体の温度が相対的に低い箇所とは、熱交換器を放熱器として使用する場合の、入口ヘッダ３側をいい、第一流体の温度が相対的に高い箇所とは、熱交換器を放熱器として使用する場合の、出口ヘッダ４側をいうものである。

第一流路１は、例えば、銅製のパイプを伸銅加工やプレス加工によって成型される。また、第一流路１は、樹脂材をプレス加工等によって成型されて形成されていてもよい。第二流路２には、熱伝導率が大きく、加工性にも優れた銅管を用いることが好ましい。

以上のように構成された熱交換器について、冷媒の放熱器として機能する場合の動作、作用を説明する。

図１、３に示すように、第一流体は、入口ヘッダ３側から第一流路１内に流入する。一方、高温の第二流体は、出口ヘッダ４側から第二流路２内に流入する。これにより、第一流体と第二流体は、図３に示すように対向流となる。第一流体は、高温の第二流体から吸熱して高温となる。このように、第一流体と第二流体を対向する方向に流すことで、第一流体と第二流体との温度差を一定以上に確保しながら熱交換させることができ、熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。

ここで、本実施の形態の熱交換器を、例えば給湯機の放熱器として使用する場合、第一流体である水は、その温度が９度程度で熱交換器に流入し、熱交換器にて９０度程度まで加熱される。このとき、第二流路２は、高温の第二流体及び第二流体と熱交換して次第に高温となる第一流体によって加熱され、熱膨張する。ここで、第二流路２は、入口ヘッダ３と出口ヘッダ４とによって両端が固定されているため、従来の熱交換器のように、第二流路の波形状の振幅が、第一流路の幅と略同一に構成されていると、第二流路が熱膨張したとしても、第二流路２が伸張する空間がない。よって、第二流路２が熱膨張した場合には、第二流路２に過大な応力が生じ、また、第二流路２が熱膨張することによって、第一流路にも負荷がかかってしまう。

そこで、本実施の形態の熱交換器では、図３、図４に示すように、複数の振幅で屈曲する波形状部２ｃを設けることで、第二流路２が熱膨張したとしてもその伸びを吸収できるようにしている。より具体的には、図３に示すように、第一流体の温度が相対的に高くなる箇所の波形状部２ｃの振幅を、第一流体の温度が相対的に低くなる箇所の振幅よりも小さくして、第一流路１と第二流路２の頂点との間の隙間（隙間Ｂ）が大きくなるようにしている。

これにより、第一流体の温度が高い位置でも、第二流路２が熱膨張して伸張するための空間を確保することができ、第二流路２に生じた応力に起因する熱交換器の破損を防止することができる。

以上のように、本実施の形態においては、第二流路２の波形状部２ｃは、複数の振幅で屈曲するように構成されている。これにより、第二流路２の熱膨張による伸びを吸収し、破損を防止することができ、熱交換器の信頼性を向上することができる。

また、本実施の形態では、第一流体の温度が第一流体の流入する温度と比べて高い所定の箇所において、第二流路２の頂点と第一流路１との隙間Ｂが大きくなるように、波形状部２ｃが形成されている。これにより、特に水が高温になることで析出しやすい炭酸カルシウムなどがスケールとして析出した場合でも、隙間Ｂ形成されていることで第一流路１の内部に滞留せず、第一流路１を閉塞することを防止できる。このように、波形状部２ｃの振幅を変化させるのみで、コストを増大させることなく、熱交換器の信頼性を向上させることができる。

また、本実施の熱交換器では、第二流路２に波形状部２ｃを設けることで、第一流体が第二流路２を横切るように、うねりながら流れることとなるので、乱流化を促進して熱交換器の性能を向上させることができる。

また、本実施の形態では、第一流路１の流通方向に垂直な断面形状を、図２に示すように略長円状とすることで、第一流路１をサーペンタイン状または渦巻き状に折り曲げ加工する際の内外周長差が小さくなる。すなわち、断面が略長円状の第一流路１を短径方向に折り曲げ加工することで、第一流路１の偏肉を抑えることとなり、熱交換器の信頼性をより向上することができる。

なお、波形状部２ｃは、図５に示すように、複数のピッチで屈曲するように構成されていてもよい。ここで、図５（ａ）は、熱交換器の第二流路２の他の形状を示す図１のＢ−Ｂ断面図、図５（ｂ）は、熱交換器の第二流路２の他の形状を示す図１のＣ−Ｃ断面図、図６は、同熱交換器の第二流路が波形状のピッチ方向に熱膨張する際の変化を示す説明図である。

図５に示すように、第二流路２の波形状部２ｃは、第一流体の流通方向と平行な方向に所定のピッチで繰り返し屈曲することで波形状に形成されている。ここで、第二流路２は、複数のピッチの波形状部２ｃを有する。本実施の形態では、図５（ａ）（ｂ）に示すように、第二流路２は、熱交換器において第一流体の温度が相対的に低い（例えば、１０〜３０度）箇所のピッチＰ１が、第一流体の温度が相対的に高い（例えば、３０度〜７０度）箇所のピッチＰ２よりも、小さくなるように構成されている。ここでピッチは、第一流体の流通方向に平行な方向において、波形状部２ｃの隣接する頂点と頂点との間の距離、または、隣接する谷点と谷点との間の距離をいうものである。ピッチＰ１は、例えば、第二流路２の直径Ｄの３倍以上、４倍以下となるように設定され、ピッチＰ２は、例えば、第二流路２の直径Ｄの４倍より大きく、６倍以下となるように設定される。

これにより、図６に示すように、第一流体の流通方向と平行な方向のピッチのうち、特に、第一流体の温度が相対的に高い箇所のピッチＰ２を大きくすることで、第二流路２が熱膨張した場合でも、第二流路２を構成する配管が、波形状のピッチが狭くなるように微小変化することができ、第二流路２に応力がかかることを抑制する。したがって、第二流路２の熱膨張による熱交換器の破損を防止することができる。

以上のように、本実施の形態において第二流路２の波形状部２ｃは、複数のピッチで屈曲するように構成されているので、第二流路２の熱膨張による過度な応力の発生を抑制して、熱交換器の破損を防止し、耐久性を向上させることができる。

なお、本実施の形態では、第二流路２が複数の振幅で屈曲する場合と複数のピッチで屈曲する場合とで分けて説明したが、波形状部２ｃが複数の振幅かつ複数のピッチで屈曲するように構成されていてもよい。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、第二流路を複数の振幅および／またはピッチで屈曲させることにより、第二流路の熱膨張による伸びを吸収して破損を防止し、耐久性に優れた熱交換器とすることができるので、給湯機、温水暖房機、空気調和機、ヒートポンプを用いた乾燥機能を有する洗濯乾燥機の他、燃料電池における熱交換の用途としても適用できる。

１第一流路
２第二流路
２ｃ波形状部
３入口ヘッダ
４出口ヘッダ
Ａ、Ａ１、Ａ２、Ｂ、Ｂ１、Ｂ２隙間
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２ピッチ

Claims

第一流体が流れる第一流路と、
前記第一流路の内側に配設されるとともに、前記第一流体の流通方向と垂直な方向に繰り返し屈曲する波形状部を有し、内部を第二流体が流れる第二流路と、を備え、
前記波形状部は、複数の振幅および／または複数のピッチを有するとともに、前記複数の振幅は、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が大きいことで、前記第一流路と前記波形状部の頂点との隙間が、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が小さい形状であり、また、前記複数のピッチは、前記第一流体の出口側よりも入口側の方が小さい形状であることを特徴とする熱交換器。