JP6662019B2 - 二重管式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は二重管式熱交換器に関し、特に螺旋状に巻回して上下方向に積層した二重管式熱交換器において、低温水が流れる配管と高温水が流れる配管との間での熱交換を防止して熱交換効率を向上させたものに関する。

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（給湯栓、浴槽、暖房端末等）に給湯する貯湯給湯装置、その他の種々の産業分野において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二重管式熱交換器が幅広く使用されている。

例えば、特許文献１の二重管式熱交換器は、二重管を螺旋状に且つ接触状に巻回した外側の第１伝熱管と、二重管を螺旋状に且つ接触状に巻回した第２伝熱管とで構成されている。第１伝熱管の管直径は第２伝熱管の管直径よりも大きく、螺旋状に巻回される第２伝熱管の曲げ半径は第１伝熱管の曲げ半径よりも小さく構成することで、第１伝熱管の内側の空間内に第２伝熱管を収納し、熱交換器全体の実装密度を向上させデッドスペースの削減を図っている。

また、特許文献２の二重管式熱交換器においては、二重管を渦巻状に巻き回して形成された熱交換ユニットを上下方向に５層（但し上中下の３段）に積層し、下段２層の熱交換ユニットと中段２層の熱交換ユニットをヘッダで接続し、中段２層の熱交換ユニットと上段１層の熱交換ユニットをヘッダで接続している。上下に隣接する層の熱交換ユニットの間に金属製のパイプを挟着して層間に隙間を形成している。

従来の一般的な二重管式熱交換器１００について図７、図８に基づいて説明する。
図７は二重管式熱交換器１００の斜視図、図８は図７のVIII−VIII線断面図である。 この二重管式熱交換器１００は、平面視渦巻き状の下段の第１管部１１０と、平面視渦巻き状の上段の第２管部１２０とを上下に積層した構造である。

第１管部１１０と第２管部１２０は、内管１３０と外管１４０とからなる二重管を渦巻き状に連続曲げすることで一体形成されている。この二重管において、内管１３０と外管１４０との間に外側流体通路１４０ａが形成され、内管１３０の内部に内側流体通路１３０ａが形成されている。

低温の外側流体は配管１００ａにより導入部１５０に導入され、加熱されて導出部１６０から導出される。高温の内側流体は配管１００ｃにより導出部１６０に導入され、放熱して配管１００ｄにより導入部１５０から導出される。

第１管部１１０は、外周配管１１０ａ，１１０ｂ、中間配管１１０ｃ，１１０ｄ、内周配管１１０ｅ，１１０ｆを有し、これらの配管１１０ａ〜１１０ｆは添字のアルファベッド順に繋がっている。第２管部１２０は、内周配管１２０ａ，１２０ｂ、中間配管１２０ｃ，１２０ｄ、外周配管１２０ｅ，１２０ｆを有し、これらの配管１２０ａ〜１２０ｆは添字のアルファベッド順に繋がっている。そして、下段の内周配管１１０ｆと上段の内周配管１２０ａとが繋がっている。

特許第３９２２２１４号公報 特許第４４１４１９６号公報

特許文献１の二重管式熱交換器では、第１，第２伝熱管において、二重管を螺旋状に且つ接触状に巻回しているため、上下に隣接する二重管の間で熱交換が生じる構造になっている。この二重管式熱交換器は、図７、図８に示すような二重管式熱交換器とは二重管の巻き回し形態において全く異なるため、図７、図８に示す二重管式熱交換器に適用できない。そして、上下に隣接する二重管を接触状に配置する場合には、低温水が流れる二重管と高温水が流れる二重管との間で熱交換が生じ、熱交換効率が低下する。

また、特許文献２の二重管式熱交換器は、渦巻き状の二重管を３段以上に重ねることを前提としているため、小型の渦巻き状の二重管を２段に重ねる二重管式熱交換器には適用できない。また、熱交換ユニットの間に金属製パイプをロウ付けすることで、上下に隣接する熱交換ユニット間に隙間を形成しているが、金属製パイプがロウ付けされているので隣接する熱交換ユニット間での伝熱が生じるうえ、二重管式熱交換器の構造が複雑化し、部品数が多くなるという問題がある。

図７、図８に示す従来の二重管式熱交換器１００においては、下段の外周配管１１０ａ，１１０ｂに約２０℃の低温水が流れ、上段の外周配管１２０ｅ，１２０ｆに約６０℃の高温水が流れるが、外周配管１１０ａ，１２０ｅが接触しているため高温の外周配管１２０ｅから低温の外周配管１１０ａへ熱伝達が生じ、外周配管１１０ｂ，１２０ｆが接触しているため高温の外周配管１２０ｆから低温の外周配管１１０ｂへ熱伝達が生じる。そのため、低温水と高温水との間で熱交換が生じて熱交換効率が低下するという問題がある。

本発明の目的は、螺旋状に巻回して上下方向に積層した二重管式熱交換器であって、高温水が流れる配管と低温水が流れる配管との間での熱交換が生じないようにして熱交換効率を高めた二重管式熱交換器を提供することである。

請求項１の二重管式熱交換器は、内管と外管とで構成された二重管を連続曲げすることで一体形成された二重管式熱交換器であって、下段に配置される平面視渦巻き状の第１管部と、上段に配置される平面視渦巻き状の第２管部とを上下方向に積層した構造の二重管式熱交換器であって、前記内管の内部に冷媒通路、内管と外管の間に温水通路が形成され、 前記第１管部のうちの最外周となる第１外周配管の端部において低温の冷媒が導出されると共に低温水が導入され、前記第２管部のうちの最外周となる第２外周配管の端部おいて高温の冷媒が導入されると共に高温水が導出され、前記第２管部の巻き数は、前記第１管部の巻き数よりも少なく、かつ、前記第２管部の前記第２外周配管が前記第１管部の前記第１外周配管とその内周側の配管の間に対応する位置に配置されており、前記第１外周配管と前記第２外周配管との間で熱交換が生じないように、前記第１外周配管と前記第２外周配管の間に隙間が設けられている、ことを特徴とする二重管式熱交換器。

請求項１の発明によれば、二重管式熱交換器は、第１管部のうちの最外周となる第１外周配管と、第２管部のうちの最外周となる第２外周配管の間に隙間を設けたので、低温水が流れる第１外周配管と高温水が流れる第２外周配管の間で熱交換が生じなくなり、第１外周配管を流れる低温水と第２外周配管を流れる高温湯水との間での熱交換が生じなくなるから、二重管式熱交換器の熱交換効率を向上させることができる。

しかも、高温の冷媒が第２外周配管の端部から導入されて低温冷媒が第１外周配管の端部から導出され、低温水が第１外周配管の端部から導入されて高温水が第２外周配管の端部から導出されるため、高温から低温に温度低下する冷媒と、低温から高温に温度上昇する水とが対向流となって高い熱交換効率を確保することができる。
そして、上段に配置される平面視渦巻き状の第２管部の巻き数は、下段に配置される平面視渦巻き状の第１管部の巻き数よりも少なく、第２外周配管を第１外周配管とその内周側の配管の間に対応する位置に配置するため、第１外周配管と第２外周配管との間に隙間を形成する上で有利になるうえ、二重管式熱交換器の厚さを小さくすることができる。二重管式熱交換器の熱交換効率が高まるため、第２管部の巻き数を第１管部の巻き数よりも少なくすることも可能になる。

本発明の実施例に係るヒートポンプ式熱源機の概略構成図である。 二重管式熱交換器の斜視図である。 二重管式熱交換器を構成する二重管の拡大断面図である。 図２のＩＶ−ＩＶ線断面拡大図である。 実施例の変更形態に係る図４相当図である。 内管と外管の間を流れる水の温度変化を示すグラフである。 従来の二重管式熱交換器の斜視図である。 図７のVIII−VIII線断面図である。

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２が適用されたヒートポンプ式熱源機１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１は、凝縮熱交換器としての二重管式熱交換器２、圧縮機３、高圧の冷媒を急膨張させて温度と圧力を下げる膨張弁４、外気熱吸収用の蒸発熱交換器５を有し、これら機器２〜５が冷媒配管６を介して接続されてヒートポンプ回路を構成し、冷媒配管６に封入された冷媒を利用して貯湯運転を行う。ヒートポンプ式熱源機１は、さらに蒸発熱交換器５用の送風ファン７を有し、これら機器２〜５とともに外装ケース２０内に収納されている。

次に、外装ケース２０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３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２については後述する。

膨張弁４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４は、絞り量が可変な制御弁からなる。蒸発熱交換器５は、冷媒配管６に含まれる蒸発器通路部５ａを有し、この蒸発器通路部５ａ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５において、送風ファン７によって取り込んだ外気熱と蒸発器通路部５ａを流れる冷媒との間で熱交換される。

冷媒配管６は、圧縮機３の吐出側と二重管式熱交換器２の入口側とを接続する冷媒通路６ａ、二重管式熱交換器２の出口側と膨張弁４の入口側とを接続する冷媒通路６ｂ、膨張弁４の出口側と蒸発熱交換器５の入口側とを接続する冷媒通路（図示略）、蒸発熱交換器５の出口側と圧縮機３の導入側とを接続する冷媒通路（図示略）を備えている。

送風ファン７は、送風モータ７ａと、この送風モータ７ａによって回転駆動される羽根部材７ｂとを有し、支持金具７ｃを介して底板２４と横仕切り板２６とに支持されている。

外装ケース２０は、薄鋼板製の箱状に形成され、左右１対の側板２１，２２と、前側板（図示略）と、後側板２３と、天板（図示略）と、底板２４とを備えている。外装ケース２０の内部は、夫々が薄鋼板製の垂直な縦仕切り板２５と水平な横仕切り板２６とによって区画されている。右側板２２には、配管接続部を覆う配管カバー２２ａが取り付けられている。

次に、本発明の二重管式熱交換器２の構造について説明する。
図２〜図４に示すように、二重管式熱交換器２は、内管１０と外管１１とで構成された二重管９を連続曲げすることで一体形成され、下段に配置される平面視渦巻き状の第１管部１２と、上段に配置される平面視渦巻き状の第２管部１３とを上下方向に積層した構造で、全体として水平姿勢となるように配設されている。

図３に示すように、内管１０は、内層内管１０ａと、その外面にほぼ密着状に外嵌された漏洩検知管１０ｂとで二重多葉管に形成されているが、以下この二重多葉管を内管１０として説明する。内管１０の断面は、周方向に山部１０ｍと谷部１０ｖとが繰り返す波形形状に形成されている。内管１０の断面は４つの谷部１０ｖと４つの山部１０ｍとを有し、谷部１０ｖは円弧的な形状であり、山部１０ｍは円弧の両端部に湾曲部を付けた形状である。

４つの谷部１０ｖは、中心部の通路１６ｂの回りに周方向に９０°間隔に配置され、各谷部１０ｖの先端近傍部は周方向に隣接する谷部１０ｖと接触している。内管１０は、山部１０ｍと谷部１０ｖとを接続する直線部１０ｓを有している。外管１１は、内管１０に外接する内径の円筒状の素材管で構成され、内管１０の山部１０ｍの大部分は外管１１の内面に面接触状に密着している。

内管１０の内部には、４つの断面三角形状の通路１６ａと、中心部の断面矩形状の通路１６ｂとからなる冷媒通路１６が形成され、内管１０と外管１１の間には、４つのほぼ扇形状の通路１７ａからなる温水通路１７が形成されている。冷媒通路１６を流れる冷媒と 温水通路１７を流れる温水との間で熱交換可能に構成されている。

内層内管１０ａと漏洩検知管１０ｂと外管１１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０．４〜１．０ｍｍで、二重管９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１に示すように、二重管式熱交換器２は、横仕切り板２６の上面側に配置され、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。

図２に示すように、二重管式熱交換器２の一端部の導入部１４には、低温の冷媒が導出される冷媒導出管６ｂと、低温水が導入される低温水導入管８ａとが接続され、冷媒導出管６ｂは前記の冷媒通路１６に接続されている。低温水導入管８ａは前記の温水通路１７に接続されている。二重管式熱交換器２の他端部の導出部１５には、高温の冷媒が導入される冷媒導入管６ａと、高温水が導出される高温水導出管８ｂとが接続され、冷媒導入管６ａは前記の冷媒通路１６に接続され、高温水導出管８ｂは前記の温水通路１７に接続されている。

冷媒導入管６ａはヒートポンプ回路の圧縮機３の下流側に接続され、冷媒導出管６ｂは
ヒートポンプ回路の膨張弁４の上流側に接続されている。低温水導入管８ａは低温側循環配管により貯湯槽の下部に接続され、高温水導出管８ｂは高温側循環配管により貯湯槽の頂部に接続されている。

図４に示すように、二重管式熱交換器２の第１管部１２は、外周配管１２ａ，１２ｂと中間配管１２ｃ，１２ｄと内周配管１２ｅ，１２ｆとを添字のアルファベッド順に接続して構成されている。第２管部１３は、内周配管１３ａ，１３ｂと外周配管１３ｃ，１３ｄとを添字のアルファベッド順に接続して構成されている。第１管部１２と第２管部１３の境界においては下段の内周配管１２ｆと上段の内周配管１３ａとが接続されている。第１管部１２と第２管部１３は内管１０と外管１１とからなる二重管９を連続曲げすることで一体形成されている。

第１管部１２のうちの最外周となる第１外周配管１２ａ，１２ｂと、第２管部１３のうちの最外周となる第２外周配管１３ｃ，１３ｄとの間で熱交換が生じないように、第１外周配管１２ａ，１２ｂと第２外周配管１３ｃ，１３ｄの間に隙間１４ａ，１４ｂが設けられている。

第２管部１３の巻き数（例えば２重巻き）は、第１管部１２の巻き数（例えば３重巻き）よりも少なく、且つ、第２管部１３の第２外周配管１３ｃ，１３ｄが、第１管部１２の第１外周配管１２ａ，１２ｂとその内周側の下段中間配管１２ｃ，１２ｄの間に対応する位置に配置されている。

即ち、第２外周配管１３ｃが、第１外周配管１２ａとその内側の中間配管１２ｃの間の
谷状部の上側近傍位置に配置されて、第２外周配管１３ｃと第１外周配管１２ａの間に隙間１４ａが形成されると共に、第２外周配管１３ｃと中間配管１２ｃの間に隙間１４ｃが形成されている。同様に、第２外周配管１３ｄが、第１外周配管１２ｂとその内側の中間配管１２ｄの間の谷状部の上側近傍位置に配置されて、第２外周配管１３ｄと第１外周配管１２ｂの間に隙間１４ｂが形成されると共に、第２外周配管１３ｄと中間配管１２ｄの間に隙間１４ｄが形成されている。

次に、前記の隙間１４ａ〜１４ｄを一定の大きさに設定する構造について説明する。
二重管９を連続曲げして二重管式熱交換器２を製作する際に、二重管９を長円形の螺旋状に曲げ加工してから、プレス加工にて圧縮成形することで図２に示すような偏平な構造にする。そのため、二重管９の弱い弾性復原力により前記隙間１４ａ〜１４ｄが拡大する方向へ復原する傾向がある。

そこで、図２、図４に示すように、片側の５本の配管１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１３ａ，１３ｃのストレート部の両端寄りの２ケ所において、例えばＰＰ等の合成樹脂製のバンド１５ａ（結束手段）で束ねることで、前記隙間１４ａ，１４ｃを２〜３ｍｍ程度の所定の隙間に設定している。また、他方の側の５本の配管１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１３ｂ，１３ｄのストレート部材の両端寄りの２ケ所において、例えばＰＰ等の合成樹脂製のバンド１５ｂ（結束手段）で束ねることで、前記隙間１４ｂ，１４ｄを２〜３ｍｍ程度の所定の隙間に設定している。

次に、二重管式熱交換器２の温水通路１７内を流れる湯水の流通経路及び湯水の温度変化について説明する。図６に示すグラフは、温水通路１７内を流れる湯水が、第１管部１２の配管１２ａ〜１２ｆ、第２管部１３の配管１３ａ〜１３ｄを順に流通するに従い、内管１０内の冷媒通路１６を対向流で流れる高温冷媒と熱交換されて約２０℃から約６０℃に温度が上昇していく状態を示している。

この二重管式熱交換器２においては、第１外周配管１２ａの端部に設けられた導入部１４から入水した約２０℃の低温水が、内管１０内の冷媒通路１６を対向流で流れる高温冷媒と熱交換されて第２外周配管１３ｄの端部に設けられた導出部１５から約６０℃の高温の湯水となって導出される。

次に、本発明の二重管式熱交換器２の作用、効果について説明する。
二重管式熱交換器２は、第１管部１２のうちの最外周となる第１外周配管１２ａ，１２ｂと、第２管部１３のうちの最外周となる第２外周配管１３ｃ，１３ｄの間に隙間１４ａ，１４ｂを設けたので、第１外周配管１２ａ，１２ｂを流れる低温水と第２外周配管１３ｃ，１３ｄを流れる高温湯水との間での熱交換が生じなくなり、熱交換効率を向上させることができる。

即ち、第１外周配管１２ａ，１２ｂの温水通路１７には約２０℃の低温水が流通しているのに対し、第２外周配管１３ｃ，１３ｄの温水通路１７には、内管１０内の冷媒通路１６を対向流で流れる高温冷媒と熱交換された約６０℃の高温水が流通している。
このため、第１外周配管１２ａ，１２ｂと第２外周配管１３ｃ，１３ｄが接触した状態であれば、低温水と高温水との間で熱交換が生じ、熱交換効率が低下することに鑑み、第１外周配管１２ａ，１２ｂと第２外周配管１３ｃ，１３ｄの間に隙間１４ａ，１４ｂを設けて熱交換効率が低下するのを防止している。

また、第２管部１３の巻き数は２重巻きであり、第１管部の巻き数である３重巻きよりも少ないため、第２外周配管１３ｃ，１３ｄを第１外周配管１２ａ，１２ｂとその内周側の中間配管１２ｃ，１２ｄの間に対応する位置に配置することができるため、前記の隙間１４ａ，１４ｂに加えて、前記の隙間１４ｃ，１４ｄも形成できるため、熱交換効率を一層向上させることができる。その結果、第２管部１３の巻き数を減らすことが可能になり、二重管９の使用量を削減でき、製作コストを低減することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した例について説明する。
［１］実施例の上段の内周配管１３ａ，１３ｂは、下段の内周配管１２ｅ，１２ｆの真上に位置するように配置して構成されているが、特にこの形状に限定する必要はなく、図５に示すように、上段の内周配管１３ａを下段の内周配管１２ｅの真上よりも内周側へ寄せた位置に配置して、配管１３ａ，１２ｅ間に隙間１４ｅを形成し、また、上段の内周配管１３ｂを下段の中間配管１２ｄと内周配管１２ｆの間の谷状部の上側近傍位置に配置して、
配管１３ｂ，１２ｆの間及び配管１３ｂ，１２ｄの間に隙間１４ｆ，１４ｇを形成する。

片側の配管１２ａ，１２ｃ，１２ｅ，１３ａ，１３ｃをバンド１５ｃで束ねることで、隣接する配管間の隙間１４ａ，１４ｃ，１４ｅが２〜３ｍｍ程度の所定の隙間に設定されている。また、他方の側の配管１２ｂ，１２ｄ，１２ｆ，１３ｂ，１３ｄをバンド１５ｄで束ねることで、隣接する配管間の隙間１４ｂ，１４ｄ，１４ｆ，１４ｇが２〜３ｍｍ程度の所定の隙間に設定されている。

［２］実施例の内管１０は多葉管形状で構成されているが、特にこの形状に限定する必要はなく、種々の形状の内管を採用可能である。例えば、断面円形の内管も採用可能である。
［３］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、実施例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 二重管式熱交換器
９ 二重管
１０ 内管
１１ 外管
１２ 第１管部
１２ａ，１２ｂ 第１外周配管
１３ 第２管部
１３ｃ，１３ｄ 第２外周配管

Claims (1)

1. 内管と外管とで構成された二重管を連続曲げすることで一体形成された二重管式熱交換器であって、下段に配置される平面視渦巻き状の第１管部と、上段に配置される平面視渦巻き状の第２管部とを上下方向に積層した構造の二重管式熱交換器であって、
   前記内管の内部に冷媒通路、内管と外管の間に温水通路が形成され、
   前記第１管部のうちの最外周となる第１外周配管の端部において低温の冷媒が導出されると共に低温水が導入され、前記第２管部のうちの最外周となる第２外周配管の端部おいて高温の冷媒が導入されると共に高温水が導出され、
   前記第２管部の巻き数は、前記第１管部の巻き数よりも少なく、かつ、前記第２管部の前記第２外周配管が前記第１管部の前記第１外周配管とその内周側の配管の間に対応する位置に配置されており、
   前記第１外周配管と前記第２外周配管との間で熱交換が生じないように、前記第１外周配管と前記第２外周配管の間に隙間が設けられている、
   ことを特徴とする二重管式熱交換器。