JP6682017B2 - 捻り管式熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、第１配管と、該第１配管の外周部に螺旋状に設けられた第２配管とを備えた捻り管式熱交換器に関するものである。

従来、第１配管と該第１配管の外周部に設けられた第２配管とを備え、第１配管内を流れる水等の第１流体を、第２配管内を流れる冷媒で加熱する熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の熱交換器は、第１配管の長さ方向に沿って第２配管を配置している。換言すると、特許文献１に記載の熱交換器は、第１配管と第２配管とが平行に配置されている。そして、特許文献１に記載の熱交換器は、第１配管及び第２配管の外周部を樹脂層で覆い、第１配管に第２配管を密着させている。第１配管及び第２配管の外周部を覆うこの樹脂層は、断熱材としても機能する。また、この樹脂層は、押出法により、第１配管及び第２配管の外周部に設けられる。

また、従来、第１配管内を流れる水等の第１流体を、第２配管内を流れる冷媒で加熱する熱交換器として、捻り管式熱交換器というものも提案されている。この捻り管式熱交換器は、外周部に螺旋状の溝部が形成された第１配管と、該第１配管の溝部に巻き付けられた第２配管とを備えている。すなわち、第２配管は、第１配管の外周部に螺旋状に設けられている。

特開２００４−３４７１７８号公報

特許文献１に記載の熱交換器は、断熱材として機能する樹脂層を押出法により形成している。つまり、特許文献１に記載の熱交換器は、熱交換器全体に断熱材を設ける構成となっている。このため、特許文献１のように断熱材を設ける構成は、熱交換器の材料費が増加してしまうという課題があった。

また、捻り管式熱交換器は、第１配管の外周部に第２配管が螺旋状に設けられており、複雑な形状となっている。このため、捻り管式熱交換器の外周部に、押出法によって樹脂層を形成することは、現実的に不可能である。このため、従来の捻り管式熱交換器は、外周部に断熱層を備えられず、第２配管が腐食してしまうという課題があった。

詳しくは、第２配管の両端部は、該第２配管に冷媒を供給する配管及び該第２配管から冷媒を流出させる配管と接続するため、第１配管の外周部に巻かれていない状態となっている。このため、第２配管の途中部が、第１配管の途中部の外周部に巻き付けられている。そして、第１配管の外周部に巻き付けられている第２配管部分と、第１配管とが、例えば半田等により接合されている。以下では、第１配管と第２配管とが接合されている範囲を第１範囲と称し、第１範囲よりも第１配管の端部側に存在し、第１配管と第２配管とが接合されていない範囲を第２範囲と称することとする。

捻り管式熱交換器は上述のように構成されているので、第１配管に流入した第１流体は、まず第２範囲を流れる。その後、第１配管内の第１流体は、第１範囲に流入し、第２配管内を流れる冷媒によって加熱される。すなわち、第２範囲に存在する第１配管部分を流れる第１流体は、未だ冷媒によって加熱されていないため、低温となっている。このため、第２範囲に存在する第１配管部分は、周囲温度よりも低温となり、結露しやすい。また、第２範囲は、第１配管と第２配管とが接合されていない範囲であり、第１配管と第２配管との間に隙間が形成されている。このため、結露が発生した場合、第１配管と第２配管との間の隙間が小さくなる第２範囲では、つまり、第１範囲との境界部近傍となる第２範囲では、結露水がブリッジする形で保持される。ここで、第２配管には、第１配管内の第１流体を加熱するため、第１流体よりも高温の冷媒が流れている。すなわち、第２配管は、第１配管よりも高温となっている。このため、第１配管と第２配管との間に結露水がブリッジする形で保持されると、当該部分が温度差電池として作用し、高温側となる第２配管に腐食が発生してしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、第２配管の腐食を抑制でき、材料費の増加を抑制することも可能な捻り管式熱交換器を提供することを目的とする。

本発明に係る捻り管式熱交換器は、外周部に螺旋状の溝部が形成され、内部に第１流体が流れる第１配管と、前記第１配管の前記溝部に一部が巻き付けられており、内部に前記第１流体を加熱する冷媒が流れる第２配管と、を有する捻り管を備え、前記第１配管と前記第２配管とが接合されている範囲を第１範囲と定義し、該第１範囲よりも前記第１配管の端部側に存在し、前記第１配管と前記第２配管とが接合されていない範囲を第２範囲と定義した場合、前記第１範囲と前記第２範囲との境界部を含む一部の範囲に、該境界部における前記第１配管及び前記第２配管の外周部と、前記第２範囲における前記第１配管の外周部とを覆うように巻き付けられている断熱材を備えた熱交換器である。

本発明に係る捻り管式熱交換器は、第２範囲から第１範囲へ向かって第１流体が流れる構成として用いることができる。ここで、本発明に係る捻り管式熱交換器は、第１範囲と第２範囲との境界部における第１配管及び第２配管の外周部と、第２範囲における第１配管の外周部とを覆うように、断熱材が巻き付けられている。つまり、本発明に係る捻り管式熱交換器は、第１配管と第２配管との間にブリッジした結露水が温度差電池として作用し、第２配管に腐食が発生する箇所に断熱材を巻き付けている。断熱材を巻き付けるという断熱材の取り付け方法は、押出法を用いる断熱材の取り付け方法と異なり、形状が複雑な捻り管式熱交換器においても容易に断熱材を取り付けられる方法である。このため、本発明に係る捻り管式熱交換器は、第１配管と第２配管との間に結露水がブリッジすることを抑制でき、当該箇所が温度差電池として作用して第２配管に腐食が発生することを抑制できる。また、本発明に係る捻り管式熱交換器は、一部分のみに断熱材を設けているので、捻り管式熱交換器の材料費が増加することも抑制できる。

本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管における断熱材取り付け範囲近傍を示す要部拡大図であり、断熱材が取り付けられていない状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管における断熱材取り付け範囲近傍を示す要部拡大図であり、断熱材が取り付けられている状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管における断熱材取り付け範囲の断面図である。 本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管に巻き付けられる断熱材の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管に巻き付けられる断熱材の別の一例を示す図である。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器を示す斜視図である。
捻り管式熱交換器１００は、捻り管１を備えている。捻り管１の詳細は後述するが、該捻り管１は、後述のように、水等の第１流体が流れる第１配管１０と、第１流体を加熱する冷媒が流れる第２配管２０と、を備えている（後述の図２及び図３を参照）。また、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、捻り管１の一部に断熱材３０が巻き付けられている。なお、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、長尺の（長さが長い）捻り管１を用いている。このため、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、捻り管１が複数段のとぐろ状（コイル状）に巻かれた形状となっている。とぐろ状部分の辺の長さ及び段数は、捻り管１の長さに応じて、適宜決定すればよい。

捻り管式熱交換器１００は、例えば、ヒートポンプ式給湯機用の水冷媒熱交換器として用いられる。この場合、第１流体となる水が、捻り管式熱交換器１００で加熱される。具体的には水は、捻り管１の入口側端部１１から、該捻り管１の内部に流入する。より詳しくは、水は、捻り管１を構成する第１配管１０の入口側端部１１から、該第１配管１０の内部に流入する。そして、第１配管１０に流入したこの水は、出口側端部１２から流出するまでの間に、第２配管２０の内部を流れる冷媒によって加熱され、湯となる。

続いて、本実施の形態に係る捻り管１の詳細について説明する。

図２は、本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管における断熱材取り付け範囲近傍を示す要部拡大図であり、断熱材が取り付けられていない状態を示す図である。図３は、本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管における断熱材取り付け範囲近傍を示す要部拡大図であり、断熱材が取り付けられている状態を示す図である。また、図４は、本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管における断熱材取り付け範囲の断面図である。なお、図４は、第１配管１０の長さ方向と垂直な断面図となっている。換言すると、図４は、第１配管１０の管軸方向と垂直な断面図となっている。また、図４は、第１配管１０と第２配管２０とが接合されている箇所での断面図となっている。

捻り管１は、第１配管１０と、該第１配管１０の外周部に螺旋状に設けられた第２配管２０と、を有している。第１配管１０及び第２配管２０は、熱伝導性が良好な材質で形成されている。本実施の形態では、第１配管１０及び第２配管２０は、例えば、銅又は銅合金によって形成されている。

第１配管１０は、上述のように、内部に水等の第１流体が流れるものである。第１配管１０の外周部には、第２配管２０が巻き付けられる螺旋状の溝部１３が形成されている。詳しくは、本実施の形態では、第１配管１０の外周部に、螺旋状の山部１４及び螺旋状の谷部１５を交互に形成している。そして、谷部１５を溝部１３としている。なお、本実施の形態では、複数条の溝部１３を形成している。より詳しくは、本実施の形態では、３条の溝部１３を形成している。このため、図４に示すように、溝部１３での第１配管１０の断面形状は、三角形となっている。これは、円管を３条に捻って第１配管１０を形成しているため、３つの辺が形成されるからである。したがって、第１配管１０に４条の溝部１３を形成した場合、溝部１３での第１配管１０の断面形状は四角形となる。

第２配管２０は、上述のように、内部に第１流体を加熱する冷媒が流れるものである。第２配管２０は、第１配管１０の溝部１３に巻き付けられている。なお、本実施の形態では、上述のように、複数条（より詳しくは３条）の溝部１３が形成されている。このため、第１配管１０の外周部には、条数と同数の第２配管２０が巻き付けられている。

ここで、第２配管２０の両端部は、該第２配管２０に冷媒を供給する配管及び該第２配管２０から冷媒を流出させる配管と接続するため、第１配管１０の外周部に巻かれていない状態となっている。このため、第２配管２０の途中部つまり一部が、第１配管１０の途中部の外周部（つまり溝部１３）に巻き付けられている。そして、第１配管１０の溝部１３に巻き付けられている第２配管２０部分と、第１配管１０とが、例えば半田等により接合されている。

なお、本実施の形態では、第１配管１０と第２配管２０とが接合されている範囲を第１範囲４１と定義する。また、第１範囲４１よりも第１配管１０の入口側端部１１側に存在し、第１配管１０と第２配管２０とが接合されていない範囲を第２範囲４２と定義する。また、第１範囲４１と第２範囲４２との境界部を、境界部４３と定義する。つまり、境界部４３は、第１配管１０と第２配管２０とが接合されている範囲の、最も端の箇所である。

図３に示すように、本実施の形態に係る捻り管１は、境界部４３を含む一部の範囲に、上述の断熱材３０を設けている。詳しくは、断熱材３０は、境界部４３における第１配管１０及び第２配管２０の外周部と、第２範囲４２における第１配管１０の外周部とを覆うように巻き付けられている。なお、断熱材３０の長さ（詳しくは捻り管１の管軸方向の長さ）については、特に制限はないが、巻き付ける作業性、断熱材３０のコスト、及び捻り管１における結露が想定される範囲の長さ等を考慮すると、境界部４３から第２範囲４２方向に約２０ｃｍが適当である。また、断熱材３０は、第１配管１０及び第２配管２０に腐食を発生させる成分が溶出し難い材質で形成されることが好ましく、例えばポリエチレン発泡樹脂で形成されるのが好ましい。

断熱材３０は、例えば片面全域に接着剤が塗布され、該接着剤によって捻り管１に貼り付けられることにより、固定されている。このように断熱材３０を固定する場合、使用する接着剤としては、第１配管１０及び第２配管２０に腐食を発生させる成分（塩酸、硫酸、酢酸等）が溶出するようなものは避けた方が良く、例えばアクリル系の接着剤が望ましい。

図５は、本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管に巻き付けられる断熱材の一例を示す図である。また、図６は、本発明の実施の形態に係る捻り管式熱交換器の捻り管に巻き付けられる断熱材の別の一例を示す図である。

捻り管１に巻き付けられる前の断熱材３０は、例えば長方形状をしており、第２配管２０と同数の穴３１が形成されている。穴３１は、第２配管２０が挿入される穴である。穴３１の直径は、例えば、第２配管２０の外径と略同寸法となっている。なお、穴３１の位置については特に規定はないが、例えば短辺方向の略中心位置に穴３１が形成される。また、断熱材３０の短辺の長さＬ２は、境界部４３において第１配管１０及び第２配管２０の外周部のほぼ全周を覆うことができる寸法であることが好ましい（図４参照）。また、本実施の形態では、図３に示すように、断熱材３０の長手方向の端部が、境界部４３近傍に配置されている。このため、境界部４３から第２範囲４２方向に約２０ｃｍの範囲を断熱材３０で覆う場合、断熱材３０の長辺の長さＬ１も約２０ｃｍとすることが好ましい。なお、境界部４３よりも第１範囲４１側も断熱材３０で覆う場合、第１範囲４１を覆う分の長さだけ、断熱材３０の長辺の長さＬ１を長くするとよい。

また、断熱材３０には、穴３１から当該断熱材３０の端部に至る切り込みが形成されている。穴３１に第２配管２０を挿入する際、断熱材３０の端部から切り込み３２を通して穴３１に第２配管２０を挿入することにより、穴３１への第２配管２０の挿入が容易となる。なお、切り込み３２の形成方向は、特に限定されない。図５に示すように長辺に向かって切り込み３２を形成してもよいし、図６に示すように短辺に向かって切り込み３２を形成してもよい。

続いて、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００における第１流体の加熱動作について説明する。
第１流体は、捻り管１を構成する第１配管１０の入口側端部１１から、該第１配管１０の内部に流入する。この第１流体は、第１配管１０の内部を、第２範囲４２から第１範囲４１に向かって流れる。そして、第１流体は、第１範囲４１を流れている間に、第２配管２０の内部を流れる冷媒によって加熱される。この加熱された第１流体は、第１配管１０の出口側端部１２から、捻り管式熱交換器１００の外部に流出する。

ここで、第２範囲４２に存在する第１配管１０部分を流れる第１流体は、未だ冷媒によって加熱されていないため、第１配管１０内に存在する第１流体の中で最も低温となっている。このため、第２範囲に存在する第１配管部分は、周囲温度よりも低温となり、結露しやすい環境となる。このため、捻り管式熱交換器１００に断熱材３０が設けられていない場合、第２範囲に存在する第１配管部分に結露が発生する。

第２範囲４２は、第１配管１０と第２配管２０とが接合されていない範囲であり、第１配管１０と第２配管２０との間に隙間２が形成されている（図２参照）。このため、第２範囲に存在する第１配管部分に結露が発生した場合、隙間２が小さくなる境界部４３近傍の第２範囲４２では、結露水がブリッジする形で保持される。ここで、第２配管２０には、第１配管１０内の第１流体を加熱するため、第１流体よりも高温の冷媒が流れている。すなわち、第２配管２０は、第１配管１０よりも高温となっている。このため、第１配管１０と第２配管２０との間に結露水がブリッジする形で保持されると、当該部分が温度差電池として作用し、高温側となる第２配管２０に腐食が発生してしまう。

しかしながら、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００においては、境界部４３を含む一部の範囲に断熱材３０が巻き付けられている。すなわち、捻り管式熱交換器１００においては、第１配管１０と第２配管２０との間にブリッジした結露水が温度差電池として作用し、第２配管２０に腐食が発生する箇所に、断熱材３０が巻き付けられている。このため、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、境界部４３を含む一部の範囲によって周辺空気が冷却されることを、つまり、境界部４３を含む一部の範囲に結露が発生することを抑制できる。したがって、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、第２配管２０の腐食を抑制することができる。

なお、上述のように、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、捻り管１が複数段のとぐろ状（コイル状）に巻かれた形状となっている。このため、断熱材３０が設けられていない場合、第２範囲４２に存在する第１配管１０部分と当該部分の上方に配置されている捻り管１部分との間でも、結露水がブリッジする可能性がある。このように結露水がブリッジした場合、当該箇所が温度差電池として作用し、高温側となる第２配管２０に腐食が発生してしまう。しかしながら、図１及び図３に示すように、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００においては、断熱材３０が巻かれている範囲と、該範囲の上方に配置されている捻り管１部分との間に、断熱材３０が配置された状態となる。このため、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００においては、第１範囲４１の第２配管２０の腐食を抑制することもできる。

以上、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、外周部に螺旋状の溝部１３が形成され、内部に第１流体が流れる第１配管１０と、第１配管１０の溝部１３に一部が巻き付けられており、内部に第１流体を加熱する冷媒が流れる第２配管２０と、を有する捻り管１を備えている。そして、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、第１範囲４１と第２範囲４２との境界部４３を含む一部の範囲に、該境界部４３における第１配管１０及び第２配管２０の外周部と、第２範囲４２における第１配管１０の外周部とを覆うように巻き付けられている断熱材３０を備えている。

本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、第１配管１０と第２配管２０との間にブリッジした結露水が温度差電池として作用し、第２配管２０に腐食が発生する箇所に断熱材３０を巻き付けている。断熱材３０を巻き付けるという断熱材の取り付け方法は、押出法を用いる断熱材の取り付け方法と異なり、形状が複雑な捻り管式熱交換器１００においても容易に断熱材３０を取り付けられる方法である。このため、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、第１配管１０と第２配管２０との間に結露水がブリッジすることを抑制でき、当該箇所が温度差電池として作用して第２配管２０に腐食が発生することを抑制できる。また、本実施の形態に係る捻り管式熱交換器１００は、一部分のみに断熱材３０を設けているので、捻り管式熱交換器１００の材料費が増加することも抑制できる。

なお、断熱材３０は、例えば、ポリエチレン発泡樹脂で形成されている。ポリエチレン発泡樹脂は、第１配管１０及び第２配管２０に腐食を発生させる成分が溶出し難い材質だからである。

また、断熱材３０は、例えば、第２配管２０が挿入される穴３１と、該穴３１から当該断熱材３０の端部に至る切り込み３２とが形成されている。穴３１に第２配管２０を挿入する際、断熱材３０の端部から切り込み３２を通して穴３１に第２配管２０を挿入することにより、穴３１への第２配管２０の挿入が容易となる。すなわち、断熱材３０の取り付けが更に容易となる。

また、捻り管１が複数段のとぐろ状に巻かれている場合、前記一部の範囲（断熱材３０が巻き付けられている範囲）と、該一部の範囲の上方に配置されている捻り管１部分との間に、断熱材３０が配置されている。前記一部の範囲（断熱材３０が巻き付けられている範囲）の上方に配置されている捻り管１部分の第２配管２０の腐食も抑制することができる。

１ 捻り管、２ 隙間、１０ 第１配管、１１ 入口側端部、１２ 出口側端部、１３ 溝部、１４ 山部、１５ 谷部、２０ 第２配管、３０ 断熱材、３１ 穴、３２ 切り込み、４１ 第１範囲、４２ 第２範囲、４３ 境界部、１００ 捻り管式熱交換器。

Claims (5)

1. 外周部に螺旋状の溝部が形成され、内部に第１流体が流れる第１配管と、
   前記第１配管の前記溝部に一部が巻き付けられており、内部に前記第１流体を加熱する冷媒が流れる第２配管と、
   を有する捻り管を備え、
   前記第１配管と前記第２配管とが接合されている範囲を第１範囲と定義し、該第１範囲よりも前記第１配管の端部側に存在し、前記第１配管と前記第２配管とが接合されていない範囲を第２範囲と定義した場合、
   前記第１範囲と前記第２範囲との境界部を含む一部の範囲に、該境界部における前記第１配管及び前記第２配管の外周部と、前記第２範囲における前記第１配管の外周部とを覆うように巻き付けられている断熱材を備えた捻り管式熱交換器。
2. 前記断熱材は、ポリエチレン発泡樹脂で形成されている請求項１に記載の捻り管式熱交換器。
3. 前記断熱材は、前記第２配管が挿入される穴と、該穴から当該断熱材の端部に至る切り込みとが形成されている請求項１又は請求項２に記載の捻り管式熱交換器。
4. 前記捻り管は、複数段のとぐろ状に巻かれており、
   前記一部の範囲と、該一部の範囲の上方に配置されている前記捻り管部分との間に、前記断熱材が配置されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の捻り管式熱交換器。
5. 前記第１流体が前記第２範囲から前記第１範囲へ向かって流れる構成である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の捻り管式熱交換器。

Images