JP2006162204A - 給湯器用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の給湯器用熱交換器は、１本の水用円管のある直径方向両端側に６〜１０本の冷媒用円管が配置されるため、その方向は円管３本分の寸法となり、許容スペースにおける占有体積は大きくなり、かつ管本数が多数になると円管曲げ加工性、組立性、接合性が低下する等の問題点があった。
【解決手段】 この発明に係る熱交換器は、全長にわたり密着された複数本の異なる径の金属円管から成り、うち数本の円管にＣＯ２等の一次側流体を、残りの円管に二次側流体である水を流すことにより両流体間の熱交換を行う構成とした。
【選択図】 図２

Description

この発明は給湯器用熱交換器に係り、特に、異種流体物の熱交換を行う熱交換器に関するものである。

従来の給湯器用熱交換器は、１本の水用円管のある直径方向両端側に６〜１０本の冷媒用円管が配置、接合され、冷媒用円管の配置されていない方向に隣接させることにより多段巻形状の面積をコンパクト化している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１５６２９１（第８頁、第１図、第４図）

従来の給湯器用熱交換器は、冷媒用円管が配置された方向は円管３本分の寸法となり、許容スペースにおける占有体積は大きくなる。また円管本数が７本以上の多数になると円管曲げ加工性、組立性、接合性が低下し、許容スペースへ実装できる形状の確保が困難となり、熱交換器としての性能向上に重要である熱交換長さの確保が容易ではなくなる。さらに円管曲げ加工性、組立性、接合性が低下するため加工コストが増加し、特に性能対コスト比較においては良い仕様の熱交換器が得られない等の問題点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は複数本の金属円管を用い、全長、外径、内径、本数、接触位置などを自在かつ的確に組合せることにより、異種流体間の熱交換を効率よく行うことができる給湯器用熱交換器を得るものである。

また、第２の目的は許容スペースに最大長さを実装することにより、体積あたり熱交換を効率的に行うことができるヒートポンプ式給湯器用熱交換器を得るものである。

また、第３の目的は製造方法の容易な仕様、形状により、性能対コスト比較において優れた給湯器用熱交換器を得るものである。

この発明に係る給湯器用熱交換器は、全長にわたり密着された複数本の異なる径の金属円管から成り、うち数本の円管にＣＯ２等の一次側流体を、残りの円管に二次側流体である水を流すことにより両流体間の熱交換を行うものである。

この発明の給湯器用熱交換器は、全長にわたり密着された複数本の異なる径の金属円管から成り、うち数本の円管にＣＯ２等の一次側流体を、残りの円管に二次側流体である水を流すことにより両流体間の熱交換を行う構成としたから、的確な円管仕様および本数組合せを可能とすると共に、高効率な熱交換が可能となる効果を有する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における給湯用熱交換管を示す拡大断面図、図２はこの発明の実施の形態１における給湯用熱交換器を示す平面図、図３はこの発明の実施の形態１における給湯用熱交換器を示す部分拡大断面図、図４はこの発明の実施の形態１における給湯用熱交換器を示す断面図、図５はこの発明の実施の形態１における給湯用熱交換器の加工冶具装置を示す平面図、図６はこの発明の実施の形態１における給湯用熱交換器の加工冶具装置を示す側面図である。

図において、熱交換管１は二次流体である水を流す水用円管２（以下水用円管２と称す）と一次流体であるＣＯ_２より成る冷媒を流す冷媒用円管３（以下冷媒用円管３と称す）とを１：２の本数組合せで構成され、長さ方向の全長にわたり接合されており、断面形状で冷媒用円管３を水用円管２の片側で中心を通る垂直線に対して４５°の位置に第１の冷媒用円管３ａを面接合すると共に、前記４５°の位置からほぼ９０°管表面をずらして第２の冷媒用円管３ｂを位置させている。

また、図において、前記接合された熱交換管１は、断面配置にて実際の許容スペース４への実装を考慮して多段トラック巻形状に曲げ加工して熱交換器５を形成したもを俵積に構成し、通常は必要とされる所定流量により水用円管２は冷媒用円管３より径の大きい円管を用いるため、図３に示す拡大断面図のように、水用円管２を複数並列接合させるとともに該水用円管２間に凹部６を設け、該水用円管２間の凹部６に冷媒用円管３を配置して構成した状態となる。

以上のように、この実施の形態１の熱交換器５は冷媒用円管３を水用円管２の間に俵積に配置しているので、熱交換管１が密着した状態が確保でき接合も容易に行える。そのため熱交換管１を介した熱伝達効率に優れ、加工コストの低い熱交換器を実現することができる。

接合方法としては炉中ロウ付け、炉中またはディップ槽によるハンダ付け、熱伝導性フィラー入り熱硬化性接着剤による接着接合等がある。

さらに、図２において熱供給側である冷媒用円管３を最外周５ａおよび最内周５ｂに構成しているので、水用円管２の最終部の高温域における外部への熱放射ロスを最小限にでき、熱交換効率に優れた熱交換器５を実現することができる。

また、冷媒用円管３を水用円管２の間の凹部６に配置しているので、断面における円管の占有率が最も高く、平板に近似した形状を確保できる。そのため全長増加のため２層以上重ねて構成することも容易であり、各層間の断熱はシート状断熱材７をはさむだけで可能となるなど、スペース効率に優れた体積あたり熱交換性能の高い熱交換器を実現することができる。

図５、図６は図２に示す熱交換器の形状に曲げ加工する冶工具装置を示すものである。曲げ加工冶具本体９には、最内周５ｂの曲げＲ８を規正する一対の管内周規正具９ａと、最外周５ａを規正する一対の外具９ｂとを曲げ加工冶具平滑部９ｃ上に固定し、かつ該管内周規正具９ａと外具９ｂとを上面で固定する上具９ｄを設けるとともに、熱交換管１の最内周端１ａを固定する内端具９ｅと、熱交換管１の最終端１ｂを固定する終端具９ｆとを前記曲げ加工冶具平滑部９ｃ上に固定させ、かつ曲げ加工済みの各段の熱交換器５を順次保持できる分割式の保持冶具９ｇを前記上具９ｄ下面に設けている。

また、図７はこの発明の実施の形態１における渦巻形状給湯用熱交換器を示す平面図である。図において、実際の許容スペース４の形状により、渦巻形状とした熱交換器５である。

図８、図９は図１の断面配置で、螺旋形状に曲げ加工した熱交換器の側面図と正面図である。図において、許容スペース４内に断面形状で冷媒用円管３を水用円管２の片側で位置させて設けた熱交換器５を螺旋形状に曲げ加工して形成した構成である。

図１０、図１１は図８、図９に示す熱交換器５の形状に曲げ加工するための螺旋曲げ冶工具装置を示す平面図と側面図である。図において、螺旋曲げ冶工具装置１０は、熱交換器５を載置する四角形の螺旋曲げ冶工具台部１０ａと許容スペース４内に規正する前記螺旋曲げ冶工具台部１０ａの四辺に螺旋管内側形状に密着させる保持面１０ｂを有する保持冶具１０ｃを立脚させて設けている。そして、熱交換器５の螺旋内径を規正する円筒具１０ｄに巻回しつつ曲げ加工を施し、該熱交換器５各段の円管を順次保持できるスライド式にして保持されている。

図１２は、この発明の他の実施の形態であり、全ての冷媒用円管３を水用円管２の外周側に配置することにより、曲げ加工性を向上した熱交換器の側面図である。

また、図１３はこの発明の他の実施の形態であり、図１の断面配置の組合せを２組交互に構成した熱交換器の側面図である。熱交換器としては水用円管２と冷媒用円管３の本数組合せが２：４で構成できる。（図２２を参照）

以上この発明の実施の形態１では、水用円管２と冷媒用円管３を１：２の本数組合せで接合された構成であるが、次に水用円管２と冷媒用円管３を１：１の本数組合せで接合された場合である他の実施の形態を説明する。

図１４は、この発明の他の実施の形態による熱交換器の断面図、図１５はこの発明の他の実施の形態による熱交換器の拡大断面図である。

図１４において、水用円管２の片側に冷媒用円管３が１本接合された断面を示すが、図において、水用円管２の管径中心に対し４５°の角度で、冷媒用円管３を接合して形成する。そして図１５に示すように前記の実施の形態１の図３の拡大断面図に示すと同様に冷媒用円管３は隣接する水用円管２の間の凹部６に配置できる。

効果としては、図２２に示すように、組立性が良、材料費が少、水流量大となるものである。従って実施の形態１の図２、図７、図８、図１２、図１３の各熱交換器に応用が可能である。

以上のように、この発明の実施の形態１に示す熱交換器と基本形状を同様とし、かつ円管本数が減少した構成なので、加工工数の低下、加工設備の流用、材料費の低下による低コストの熱交換器を実現することができる。

さらに、図１３に示すように断面配置の組合せを２組交互または３組順次に構成することで、熱交換器としては水用円管２と冷媒用円管３の本数組合せが２：２または３：３で構成できる。（図２２を参照）従って、前記図２、図７、図８の各熱交換器においても同様に応用可能である。

又、この発明の実施の形態１の他の実施の形態では、図８、図１２、図１３の各熱交換器は螺旋形状のものであるが、それらを応用した場合を説明する。

図１６、図１７は螺旋形状を直方体状の許容スペース４への実装性を考慮した場合の熱交換器の概略形状を示す斜視図である。また図１８、図１９は螺旋形状を２式以上重ねる場合又は２重３重とする場合の熱交換器の概略形状を示す正面図である。

この場合は、図１８では全長増加のため繋ぎ管５ｅを設けて、第１熱交換器５ｃと第２熱交換器５ｄとを上下に連通接続させて２式以上に重ね構成し、又図１９では第１熱交換器５ｃの内部に第２熱交換器５ｄを内設しておいて繋ぎ管５ｅで連通接続させて構成するものである。

以上のように、直方体スペースへの実装性に優れた形状にすることで、体積あたり熱交換性能の高い熱交換器を実現することができる。

また、図２０、図２１はこの発明の実施の形態１の他の実施の形態を示したもので、図２０はこの発明の実施の形態１の他の実施の形態による熱交換器の部分側面図、図２１は熱交換器の水用円管と冷媒用円管の複数本組合せを示す部分断面図である。

図において、水用円管２と冷媒用円管３がワイヤーロープ状により合わされた状態を示し、熱交換器５は水用円管２と冷媒用円管３の全長にわたりこの形状で構成される。図２１の略断面図で示すように、水用円管２と冷媒用円管３の本数の組合せは（ａ）１：１、（ｂ）１：２、（ｃ）１：３、（ｄ）２：２、（ｅ）２：４の各組合せでの構成に分かれる。また、熱交換器５の形状としては前記実施の形態１に示す、図２、図７、図８、図１２、図１３、図１６、図１７、図１８、図１９の各熱交換器の形状が流用可能である

以上のように、水用円管２と冷媒用円管３が熱交換器の全長にわたりより合わされることにより、曲げ加工は曲げ加工済みの各段の円管の保持がより簡易な仕様の冶具で行える。また円管の密着性が確保でき、ロウ付け、ハンダ付け、接着材等による接合も容易に行える。そのため円管を介した熱伝達効率に優れ、加工コストの低い熱交換器を実現することができる。

さらに、縒り合わされることで円管が密着した状態を確保でき、要求熱交換能力によってはロウ付け、ハンダ付け、接着剤等による接合工程が不要となり、加工コストのより低い熱交換器を実現することができる。

これら、この発明の実施の形態１による数々の水用円管と冷媒用円管との組合せ、管径条件、効果を図２２にまとめて説明すると、まず、（イ）の水用円管対冷媒用円管の組合せ１対１では、前記図１４で説明したような構成であり、管の条件をφ９．５２×ｔ０．８：φ５×ｔ０．６、メリットとして組立性良、材料費少、水流量大となる。

また、（ロ）の水用円管対冷媒用円管の組合せ１対２は、前記この発明の実施の形態１で説明した形態であり、管の条件をφ９．５２×ｔ０．８：φ５×ｔ０．６、メリットとして俵積時の占有効率良、水流量大、冷媒圧力損失少となる。

また、（ハ）の水用円管対冷媒用円管の組合せ１対３は、水用円管の周囲１２０°毎に冷媒用円管を位置させて接合し、管の条件をφ９．５２×ｔ０．８：φ４×ｔ０．６、メリットとして水流量大となる。

また、（ニ）の水用円管対冷媒用円管の組合せ２対２では、図示（ａ）と図示（ｂ）の複数の形態が考えられ、図示（ａ）は左右に並べられた水用円管の凹部に上下に冷媒用円管を接合させて形成した形態と、図示（ｂ）は左右に並べられた水用円管の凹部上と右４５°の位置に冷媒用円管を接合させて形成した形態があり、管の条件をφ７×ｔ０．５：φ４×ｔ０．６、メリットとして管接合性良となる。

また、（ホ）の水用円管対冷媒用円管の組合せ２対４では、図示（ａ）と図示（ｂ）の複数の形態が考えられ、図示（ａ）は前記１対２での形態を並列に並べて位置させる形態と、図示（ｂ）では前記２対２での図示（ａ）の形態にプラス左管上部と右管下部とにそれぞれ接合させて形成して形態で、管の条件をφ７×ｔ０．５：φ３．６×ｔ０．６、メリットとして曲げ加工可能な本数範囲で熱交換面積が大、管接合性良となる。

また、（ヘ）の水用円管対冷媒用円管の組合せ３対３では、前記（イ）の１対１の組合せで説明のとおり水用円管２の管径中心に対し４５°の角度で、冷媒用円管３を接合して構成したユニットを３組並列接合するような形態に構成するもので、管の条件をφ７×ｔ０．５：φ３．６×ｔ０．６、メリットとしては曲げ加工可能な本数範囲で熱交換面積が大となるものである。

この発明の実施の形態１における給湯用熱交換管を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態１における給湯用熱交換器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における給湯用熱交換器を示す部分拡大断面図である。 この発明の実施の形態１における給湯用熱交換器を示す断面図である。 この発明の実施の形態１における給湯用熱交換器の加工冶具を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における給湯用熱交換器の加工冶具を示す側面図である。 この発明の実施の形態１における渦巻形状給湯用熱交換器を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における螺旋形状給湯用熱交換器を示す側面図である。 この発明の実施の形態１における螺旋形状給湯用熱交換器を示す正面図である。 この発明の実施の形態１における螺旋形状給湯用熱交換器の螺旋曲げ冶工具装置を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における螺旋形状給湯用熱交換器の螺旋曲げ冶工具装置を示す側面図である。 この発明の実施の形態１における螺旋形状給湯用熱交換器を示す側面図である。 この発明の実施の形態１における螺旋形状給湯用熱交換器を示す側面図である。 この発明の実施の形態１における他の給湯用熱交換管を示す部分断面図である。 この発明の実施の形態１における他の給湯用熱交換器を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態１における他の給湯用熱交換器の概略形状を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における他の給湯用熱交換器の概略形状を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における他の給湯用熱交換器の概略形状を示す正面図である。 この発明の実施の形態１における他の給湯用熱交換器の概略形状を示す正面図である。 この発明の実施の形態１における他の給湯用熱交換器を示す部分拡大側面図である。 この発明の実施の形態１における他の給湯用熱交換器を示す部分断面図である。 この発明の実施の形態１における水用円管と冷媒用円管との組合せを示しす説明図である。

符号の説明

１ 熱交換管、２ 水用円管、３ 冷媒用円管、４ 許容スペース、５ 熱交換器、５ａ 最外周、５ｂ 最内周、５ｅ 繋ぎ管、６ 凹部、７ シート状断熱材、８ 曲げＲ、９ 曲げ加工冶具本体、１０ 螺旋曲げ冶具装置。

Claims (6)

1. 全長にわたり密着された複数本の異なる径の金属円管から成り、うち数本の円管にＣＯ２等の一次側流体を、残りの円管に二次側流体である水を流すことにより両流体間の熱交換を行うことを特徴とする給湯器用熱交換器。
2. 水用円管を複数並列接合させるとともに該水用円管間に凹部を設け、該水用円管間の凹部に冷媒用円管を配置して構成したことを特徴とする請求項１記載の給湯用熱交換器。
3. 許容スペース内で多段トラック巻形状に曲げ加工して設けた熱交換器、この熱交換器を前記許容スペース内で複数積層構成したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の給湯器用熱交換器。
4. トラック巻形状に曲げ加工して熱交換器を形成し、該熱交換器間にシート状断熱材を設けたことを特徴とする請求項３記載の給湯用熱交換器。
5. 要求される所定熱交換能力に対する各流体の温度、圧力、流速や、実装形状に対する円管全長等の条件による選定を、各円管の外径、内径、本数等の数値を的確に選定可能としたことを特徴とする請求項１記載の給湯器用熱交換器。
6. 許容スペースに最大長さの円管を実装できる形状であることを特徴とする請求項１または２記載の給湯器用熱交換器。

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