特許 6016350 給湯用熱交換器の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6016350

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年10月26日

(54)【発明の名称】給湯用熱交換器の製造方法

(51)【国際特許分類】

   F28D 7/02 20060101AFI20161013BHJP

   F25B 39/04 20060101ALI20161013BHJP

   F28D 7/04 20060101ALI20161013BHJP

   F24H 9/00 20060101ALI20161013BHJP

【ＦＩ】

   F28D7/02

   F25B39/04 H

   F28D7/04

   F24H9/00 A

【請求項の数】4

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2011-243616(P2011-243616)

(22)【出願日】2011年11月7日

(65)【公開番号】特開2012-122714(P2012-122714A)

(43)【公開日】2012年6月28日

【審査請求日】2014年10月2日

(31)【優先権主張番号】特願2010-254485(P2010-254485)

(32)【優先日】2010年11月15日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000107538

【氏名又は名称】株式会社ＵＡＣＪ

(73)【特許権者】

【識別番号】311014705

【氏名又は名称】株式会社ＵＡＣＪ銅管

(74)【代理人】

【識別番号】100078190

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 三千雄

(74)【代理人】

【識別番号】100115174

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 正博

(72)【発明者】

【氏名】武藤 伸之

(72)【発明者】

【氏名】西本 嘉弘

(72)【発明者】

【氏名】鳥山 治

(72)【発明者】

【氏名】飯島 泉

【審査官】 藤崎 詔夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−３２６１４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０９３１４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０７６９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１８４８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ２８Ｄ ７／０２

Ｆ２４Ｈ ９／００

Ｆ２５Ｂ ３９／０４

Ｆ２８Ｄ ７／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱交換によって水を加熱するための冷媒が流通せしめられる冷媒流路と、かかる冷媒により加熱される水が流通せしめられる水流路とを有し、それら冷媒流路及び水流路の何れもが、管体によって形成されていると共に、該水流路を形成する水流路管の外周に、該冷媒流路を形成する冷媒流路管を螺旋状に巻き付けて、それらを熱的に接合し、更にその熱的接合体を平面上において渦巻き状に巻くことによって構成される熱交換ユニットを、上下方向に複数段配置して、それら各段の熱交換ユニットを構成する水流路管及び冷媒流路管を相互に連通せしめることにより、最上段と最下段の熱交換ユニットに、該水流路管の水出入口や該冷媒流路管の冷媒出入口が位置せしめられるように構成されてなる給湯用熱交換器を製造する方法であって、
それら熱交換ユニットにおける水流路管は、水入口から水出口まで、また冷媒流路管は、冷媒入口から冷媒出口までが、それぞれ継手を介して接合されることなく、連続した１本の管体にて、一体に構成すると共に、一つ又は複数の押刃の当接によって、溝ピッチ：４〜１０ｍｍ、溝深さ：０．２〜１．４ｍｍのスパイラル溝を、管外周面に螺旋状に形成する一方、該スパイラル溝に対応した螺旋状の凸条が、管内周面に形成され、且つ該スパイラル溝間に位置する筒壁部が、管径方向外方に凸なる湾曲形状とされたスパイラル管を製造して、このスパイラル管を、前記水流路管として用いることを特徴とする給湯用熱交換器の製造方法。

【請求項2】

熱交換によって水を加熱するための冷媒が流通せしめられる冷媒流路と、かかる冷媒により加熱される水が流通せしめられる水流路とを有し、それら冷媒流路及び水流路の何れもが、管体によって形成されていると共に、該水流路を形成する水流路管の外周に、該冷媒流路を形成する冷媒流路管を螺旋状に巻き付けて、それらを熱的に接合し、更にその熱的接合体を平面上において渦巻き状に巻くことによって構成される熱交換ユニットを、上下方向に複数段配置して、それら各段の熱交換ユニットを構成する水流路管及び冷媒流路管を相互に連通せしめることにより、最上段と最下段の熱交換ユニットに、該水流路管の水出入口や該冷媒流路管の冷媒出入口が位置せしめられるように構成されてなる給湯用熱交換器を製造する方法であって、
それら熱交換ユニットにおける水流路管は、水入口から水出口まで、また冷媒流路管は、冷媒入口から冷媒出口までが、それぞれ継手を介して接合されることなく、連続した１本の管体にて、一体に構成すると共に、一つ又は複数の押刃の当接によって、溝ピッチ：４〜１０ｍｍ、溝深さ：０．２〜１．４ｍｍのスパイラル溝を、管外周面に螺旋状に形成する一方、該スパイラル溝に対応した螺旋状の凸条が、管内周面に形成され、且つ該スパイラル溝間に位置する筒壁部が、管径方向外方に凸なる湾曲形状とされたスパイラル管を、かかるスパイラル溝の溝深さをＨｃ、外径をＯＤとしたとき、０．０５５≦Ｈｃ／ＯＤ≦０．０８６の関係を満たすように製造して、このスパイラル管を、前記水流路管として用いることを特徴とする給湯用熱交換器の製造方法。

【請求項3】

前記スパイラル管が、１２．７ｍｍ又は１０．５ｍｍの外径を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の給湯用熱交換器の製造方法。

【請求項4】

前記スパイラル管は、その外径をＯＤ、ピッチをＰｃとしたとき、０．３１５≦Ｐｃ／ＯＤ≦０．４７２の関係を満たすように構成されている請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載の給湯用熱交換器の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷媒と水との間で熱交換を行う給湯用熱交換器に係り、特に、複数段の熱交換ユニット間において、水流路管及び冷媒流路管を、それぞれ、継手を介さずに、１本の管体にて、一体的に構成せしめることで、面倒な接続作業の省略等による生産性の向上及びコスト削減を実現すると共に、熱交換効率を向上させ、また短尺化が可能となるように、改良された給湯用熱交換器に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来から、熱交換媒体である冷媒と水等の流体との間で熱交換する熱交換器として、冷媒を流通させる流路（冷媒流路）と熱交換により加熱される水等の流体の流路（水流路）とを、２種の伝熱管を組み合わせて構成し、冷媒と水等の流体との間で、熱交換が行われるようにした熱交換器が、各種用いられている。

【0003】

その中で、冷媒と水との間で熱交換を行う方式の熱交換器としては、特許文献１〜４等にも明らかにされている如く、内部に冷媒を流通させる伝熱管（以下、冷媒管又は冷媒流路管とも称する）と、内部に水を流通させる伝熱管（以下、水管又は水流路管とも称する）とを組み合わせて、一つの熱交換器を構成したものが、提案されている。

【0004】

具体的には、特開２００２−２２８３７０号公報（特許文献１）においては、熱が伝達される水が流通せしめられる芯管の外周に対して、熱を伝達する冷媒が流通せしめられる冷媒管が、螺旋状に巻き付けられて、それらを熱的に接合することによって、構成された熱交換器が、明らかにされているのである。

【0005】

また、特開２００５−１６４１６６号公報（特許文献２）においては、外周に管内方へ凹む少なくとも１条のガイド溝が螺旋状に形成されたスクリュー部分を有している、流体が内部を流動する芯管の外周に、冷媒が内部を流動する少なくとも１本の冷媒管が、前記スクリュー部分においては、前記ガイド溝内に収容されるようにして、前記芯管に螺旋状に巻き付けられている構造の熱交換器が、明らかにされている。

【0006】

さらに、特開２００６−９０６９７号公報（特許文献３）においては、外周に、複数条の山谷底部が、各条毎に連続して螺旋状に設けられた第１流体配管の山谷底部に、第２流体配管を嵌め込んで、かかる第１流体配管外周の山谷底部の形状に沿って、第２流体配管を螺旋状に巻き付けて、それらを伝熱的に接合可能に構成した捩り管形熱交換器が、明らかにされている。

【0007】

そして、そのような熱交換器は、特開２００３−２８５８３号公報（特許文献４）に開示されているような形態の熱交換ユニットを構成して、用いられているのである。即ち、特許文献４の図１に示されるようなＵ字管によって接続された形態や、特許文献４の図７に示されるようなヘアピン管によって一体化された形態、更には特許文献４の図１４に示されるような水流路管を渦巻き状に巻いた形態等において、用いられているのである。また、そこでは、特許文献４の図１８に示される従来の長円形状に屈曲形成した巻き方の如く、空間部が大きくなることがなく、湾曲部の曲率半径を比較的大きくして、水流路の流通抵抗を小さくし、スケールの付着を抑制することができることから、渦巻き状に巻いた形態の熱交換ユニットが、一般に、有利に採用されることとなる。

【0008】

しかしながら、それら従来から提案されている熱交換ユニットを用いた給湯用熱交換器にあっては、何れも、以下に指摘せる如き問題を内在するものであった。

【0009】

例えば、特許文献１に開示の熱交換器にあっては、伝熱管として、給湯器に適したコルゲート管を用いることで、その高性能化を図ることはできるものの、熱交換効率を更に向上させると共に、熱交換器の水側の伝熱性能を更に向上させ、且つ圧力損失を低減させる点については、未だ改善の余地があるものであった。

【0010】

また、特許文献４の図１５や図１６に示されるような、渦巻き状に巻いた形態の熱交換ユニットを多段に配置し、それらの水流路管及び冷媒流路管をそれぞれ接続して、所定の長さを確保した形態の給湯用熱交換器を構成する場合において、各段間の熱交換ユニットの水流路管及び冷媒流路管の接続方法は、通常、継手を用いて、上下に隣接する熱交換ユニットの水流路管同士及び冷媒流路管同士を連結するものであった。

【0011】

具体的には、渦巻き状に巻いた形態の熱交換ユニットを二段配置した場合において、従来構造の給湯用熱交換器１００は、図１４及び図１５に示される如き構造とされているのである。そこで、一段目の熱交換ユニット１０２を構成する水流路管１０４の水入口１０６から流入した水は、図示しない冷媒流路管を流れる冷媒によって加熱されながら、連結部１０８を経て、二段目の熱交換ユニット１１０に入り、更に加熱されて、水出口１１２に至ることとなるが、連結部１０８は、図１４（ｂ）に示されるように、Ｕ字管状の継手１１４が水流路管１０４、１０４にろう付けされた形態となっているのであり、また図示しない冷媒流路管においても、それぞれの段の熱交換ユニットを構成するものが、相互に、継手を介して、同様に連結されているのである。

【0012】

このため、従来の給湯用熱交換器においては、継手と水流路管及び継手と冷媒流路管を接続するためのろう付け作業が必要であること、また継手と水流路管及び継手と冷媒流路管を接続するためのカップリング部品が必要であること、更には、接続部の漏洩検査が必要であること等から、生産性の低下やコストの高騰が惹起されるという問題を抱えているのである。

【0013】

加えて、熱交換器に接続部を設けて長くすることは、各流路が必要以上に長くなってしまうところから、材料費面や生産性の面において、コストアップが惹起されることとなると共に、各流路の圧力損失も増大するという問題を内在するものでもあったのである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】特開２００２−２２８３７０号公報

【特許文献2】特開２００５−１６４１６６号公報

【特許文献3】特開２００６−９０６９７号公報

【特許文献4】特開２００３−２８５８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、冷媒と水との間で熱交換を行う給湯用熱交換器において、上下各段の熱交換ユニットを構成する水流路管及び冷媒流路管を、それぞれ、継手を介さずに、１本の管体にて構成し、一体的に構成せしめることで、面倒な接続作業の省略等による生産性の向上及びコスト削減を実現し、加えて、熱交換効率の向上や短尺化を可能と為し得ると共に、圧力損失も可及的に低くされ得るように、改良された給湯用熱交換器を提供することにある。

【0016】

また、他の課題とするところは、近年、熱交換器のコスト削減が強く求められている状況下において、そのような要求に応えることを目的として、給湯用熱交換器を構成する熱交換ユニットにおいて、熱交換効率を向上させたスパイラル管（コルゲート管とも言う）を使用することで、熱交換器としての所要長さ（総延長）を短くすることができるようにして、生産性及びコスト削減効果に優れる給湯用熱交換器を提供することにもある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

そして、本発明にあっては、かくの如き課題を解決するために、熱交換によって水を加熱するための冷媒が流通せしめられる冷媒流路と、かかる冷媒により加熱される水が流通せしめられる水流路とを有し、それら冷媒流路及び水流路の何れもが、管体によって形成されていると共に、該水流路を形成する水流路管の外周に、該冷媒流路を形成する冷媒流路管を螺旋状に巻き付けて、それらを熱的に接合し、更にその熱的接合体を平面上において渦巻き状に巻くことによって構成される熱交換ユニットを、上下方向に複数段配置して、それら各段の熱交換ユニットを構成する水流路管及び冷媒流路管を相互に連通せしめることにより、最上段と最下段の熱交換ユニットに、該水流路管の水出入口や該冷媒流路管の冷媒出入口が位置せしめられるように構成されてなる給湯用熱交換器を製造する方法であって、それら熱交換ユニットにおける水流路管は、水入口から水出口まで、また冷媒流路管は、冷媒入口から冷媒出口までが、それぞれ継手を介して接合されることなく、連続した１本の管体にて、一体に構成すると共に、一つ又は複数の押刃の当接によって、溝ピッチ：４〜１０ｍｍ、溝深さ：０．２〜１．４ｍｍのスパイラル溝を、管外周面に螺旋状に形成する一方、該スパイラル溝に対応した螺旋状の凸条が、管内周面に形成され、且つ該スパイラル溝間に位置する筒壁部が、管径方向外方に凸なる湾曲形状とされたスパイラル管を製造して、このスパイラル管を、前記水流路管として用いることを特徴とする給湯用熱交換器の製造方法を、その基本的構成とするものである。

【0019】

また、本発明にあっては、そのような溝が設けられた、高熱交換率を有するスパイラル管の形態を、より好適なものとすることで、更に高性能な給湯用熱交換器を提供することが出来るのである。

【0020】

ここで、本発明にあっては、前記スパイラル管は、１２．７ｍｍ又は１０．５ｍｍの外径を有していることが、好ましい。

【0021】

また、本発明にあっては、有利には、前記スパイラル管は、溝深さをＨｃ、外径をＯＤとしたときに、０．０５５≦Ｈｃ／ＯＤ≦０．０８６の関係を満たすように構成することが好ましい。ここで、スパイラル管の溝深さ：Ｈｃは、スパイラル管の外周面から溝の底部までの距離である。

【0022】

さらに、本発明にあっては、前記スパイラル管の外径をＯＤ、溝ピッチをＰｃとしたときに、好ましくは、０．３１５≦Ｐｃ／ＯＤ≦０．４７２なる関係を満たすように構成されることとなる。なお、かかるスパイラル管の溝ピッチ：Ｐｃは、４．００ｍｍ≦Ｐｃ≦１０．００ｍｍの範囲内で設定することが望ましく、４．００ｍｍ≦Ｐｃ≦６．００ｍｍの範囲内で設定することが、更に望ましい。

【0023】

そして、本発明においては、水流路管及び冷媒流路管は、それぞれ、その使用目的に応じて、所定の熱伝導率及び所定の機械的強度を有する金属材料から形成することができるが、例えば、かかる金属材料としては、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を有利に用いることができる。

【発明の効果】

【0024】

このように、本発明に従う給湯用熱交換器にあっては、水流路を形成する水流路管の外周に、冷媒流路を形成する冷媒流路管を螺旋状に巻き付けて、それらを熱的に接合することによって構成された接合体を用い、それを平面上において渦巻き状に巻くことによって構成された複数の熱交換ユニットを、上下方向に複数段配置して、構成しているところから、熱交換器の総延長を、最短にすることが出来ることとなり、そのために、給湯用熱交換器において、接続作業を省略することによる生産性向上及びコスト低減と、接続部品を削減することによるコスト低減の効果を得ることが出来ると共に、圧力損失も可及的に低くされ得ることとなったのである。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の適用される給湯用熱交換器を構成する熱交換ユニットにおける水流路と冷媒流路との熱的接合体の一例を示す部分断面説明図である。

【図2】本発明に従う給湯用熱交換器を構成する熱交換ユニットの一例を平面形態において示す説明図である。

【図3】本発明に従う給湯用熱交換器の形態の一例を示す説明図であって、（ａ）は、正面形態における説明図（図４における IIIａ矢視説明図）、（ｂ）は、渡し部の形態を示す部分拡大説明図（図４における IIIｂ矢視説明図）である。

【図4】本発明に従う給湯用熱交換器の一例を平面形態において示す説明図［図３（ａ）におけるIV矢視説明図］である。

【図5】本発明に従う給湯用熱交換器を構成する水流路管として用いられるスパイラル管の形態の一例を示す説明図であって、（ａ）は、その部分縦断面説明図、（ｂ）は、その縦断面拡大説明図である。

【図6】各種のスパイラル管の伝熱性能を評価するために用いられる試験装置の概略を示す縦断面説明図である。

【図7】各種のスパイラル管の伝熱性能を評価した結果を示すグラフであって、その溝ピッチ：Ｐｃと管内熱伝達率：α_i の関係を示すものである。

【図8】各種のスパイラル管の伝熱性能を評価した結果を示すグラフであって、その溝深さ：Ｈｃと管内熱伝達率：α_i の関係を示すものである。

【図9】各種のスパイラル管を用いた熱交換器の実測された熱交換量について比較した結果を示すグラフであって、その溝ピッチ：Ｐｃと熱交換量比（％）との関係を示すものである。

【図10】本発明に従う、実験例において用いた給湯用熱交換器の、各熱交換ユニットの平面形態を示す説明図であって、（ａ）は、最下段となる一段目の熱交換ユニットを示す説明図であり、（ｂ）は、下から二段目の熱交換ユニットを示す説明図である。

【図11】本発明に従う、実験例において用いた給湯用熱交換器の、各熱交換ユニットの平面形態を示す説明図であって、（ａ）は、下から三段目の熱交換ユニットを示す説明図であり、（ｂ）は、最上段となる四段目の熱交換ユニットを示す説明図［図１２におけるXIｂ矢視説明図］である。

【図12】本発明に従う、実験例において用いた給湯用熱交換器の、正面形態を示す説明図［図１１（ｂ）における XII矢視説明図］である。

【図13】本発明に従う給湯用熱交換器を構成する水流路管として用いられるスパイラル管の形態の他の一例を示す正面説明図である。

【図14】従来の給湯用熱交換器の形態の一例を示す説明図であって、（ａ）は、正面形態における説明図［図１５（ｂ）における XIVａ矢視説明図で、図３（ａ）に対応］であり、（ｂ）は、連結部の形態を示す部分拡大説明図［図１５（ｂ）における XIVｂ矢視説明図で、図３（ｂ）に対応］である。

【図15】従来の構造を有する給湯用熱交換器を構成する熱交換ユニットの一例を平面形態において示す説明図であって、（ａ）は、図１４（ａ）におけるXVａ−XVａ断面説明図であり、（ｂ）は、図１４（ａ）におけるXVｂ矢視説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。

【0027】

先ず、図１には、本発明が適用される給湯用熱交換器において、熱交換ユニットを構成する水流路管と冷媒流路管との熱的接合体の一つの形態が示されている。そこにおいて、熱的接合体１０は、水流路１２及び冷媒流路１４を有しており、水流路１２を形成する管体（水流路管１６）及び冷媒流路１４を形成する管体（冷媒流路管１８）によって、構成されている。具体的には、熱的接合体１０は、太径の水流路管１６の外周面に、３本の細径の冷媒流路管１８ａ、１８ｂ、１８ｃが、均等な巻きピッチ：Ｐ１（各冷媒流路管１８のそれぞれの巻きピッチはＰ２）にて螺旋状に巻き付けられた構成とされており、それらが、必要に応じて、はんだやろうにて接合される等して、密接固定されて、熱的に接合されていると共に、水流路管１６の内側が水流路１２とされ、冷媒流路管１８の内側が冷媒流路１４とされている。従って、冷媒流路１４を流れる冷媒と、水流路１２を流れる水との間において、熱交換が行われることとなり、それによって、水流路１２を流れる水が加熱されるようになっているのである。

【0028】

なお、水流路管１６は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の所定の熱伝導率及び所定の機械的強度を有する金属材料を用いて形成され、一般に、外径：Ｄ１が９．５〜２０ｍｍ程度、肉厚：ｔ１が０．６〜１．５ｍｍ程度とされた、太径で、断面が円形の管体にて構成されている。また、冷媒流路管１８も、かかる水流路管１６と同様に、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の所定の熱伝導率及び所定の機械的強度を有する金属材料を用いて形成されており、一般に、外径：Ｄ２が３．０〜７．０ｍｍ程度、肉厚：ｔ２が０．３〜０．９ｍｍ程度とされた、細径で、断面が円形の管体にて構成されている。中でも、水流路管１６は、好ましくは、外径：Ｄ１が１０．５〜１２．７ｍｍ程度、肉厚：ｔ１が０．６〜１．０ｍｍ程度、冷媒流路管１８は、好ましくは、外径：Ｄ２が３．４〜４．５ｍｍ程度、肉厚：ｔ２が０．３〜０．７ｍｍ程度とされる。

【0029】

そして、図２に示されるように、熱的接合体１０（ここでは図示されていない冷媒流路管の１本又は複数本が、螺旋状に巻き付けられて熱的に接合された水流路管１６）を、平面上において、各角部（曲げ部２０）を曲率半径：Ｒにて曲げて、略矩形状の渦巻き状に巻くことによって、熱交換ユニット３０が形成されている。ここで、曲率半径：Ｒは、管内を流れる各流体の圧力損失が高くなり過ぎないような値とされるが、一般に２×Ｄ１〜２０×Ｄ１［ｍｍ］程度とされることとなる。本発明に従う給湯用熱交換器は、複数の熱交換ユニット３０から構成されており、具体的には、図２〜図４に示されるように、これらの熱交換ユニット３０が、上下方向（図２において紙面に垂直な方向で、図３（ａ）における上下方向）に複数段配置されて、構成されている。なお、図３（ａ）においては、熱交換ユニット３０が上下方向に二段配置されており、給湯用熱交換器３２は、一段目（下段）の熱交換ユニット３０ａと二段目（上段）の熱交換ユニット３０ｂとから構成され、それら熱交換ユニット３０ａ、３０ｂの段間は渡し部（図中、網掛部分）３８によって連結されている。そして、下段の熱交換ユニット３０ａには、水入口４０が、また上段の熱交換ユニット３０ｂには、水出口４２が、それぞれ設けられている。また、図示しない冷媒流路管（１８）内を流通せしめられる冷媒は、水流路管１６内を流通せしめられる水に対して、一般に、対向流となるように構成されるものであるところから、かかる冷媒流路管（１８）の冷媒入口は、上段の熱交換ユニット３０ｂに配置される一方、冷媒出口は、下段の熱交換ユニット３０ａに配置されることとなる。

【0030】

ここで、上記の給湯用熱交換器３２においては、渡し部３８が、図３より明らかな如く、下段から上段に向かって緩やかな傾斜角度、一般に１５〜５０°程度の角度で上傾する形態において、その前後の水流路管１６、１６と連続した形態で滑らかに接続されていることを特徴としており、熱交換ユニット３０ａ、３０ｂの段間が、従来のように継手を介して接合されてはいない。換言すれば、給湯用熱交換器３２全体において、水流路管１６は、水入口４０から水出口４２までが、連続した一本の継目のない管体から構成されており、図３（ｂ）に示されるように、渡し部３８が、連続した一本の管体の一部とされているのである。また、そのような渡し部３８に位置する水流路管１６上には、冷媒流路管が巻き付けられて、熱的に接合されており、そして上段及び下段の熱交換ユニット３０ａ、３０ｂの冷媒流路管に接続されて、一体の管体にて構成されている。

【0031】

このように、本発明に従う給湯用熱交換器３２にあっては、水流路管１６が、水入口から水出口まで一体で継目の無い管体にて構成されると共に、冷媒流路管（１８）も、同様に、冷媒入口から冷媒出口まで一体で継目の無い管体で構成されていることを特徴としているのであり、そのために、従来の給湯用熱交換器において必要とされていた、ろう付け作業やカップリング部品及び接続部の漏洩検査等が、一切不要となるため、生産性やコストにおいて優れたものとなるのである。

【0032】

また、上記の給湯用熱交換器３２においては、一段目の熱交換ユニット３０ａの水入口４０から流入された水が、渦巻き状に配置された水流路管１６の水流路（１２）内を、渦巻きの内周側方向へ向かって流れ、熱交換ユニット３０ａの中心部近傍に位置する水流路管１６の終点部４４に至るまでの間に、水流路管１６の外周に螺旋状に巻き付けられた冷媒流路管（１８；図示せず）の冷媒流路（１４）内を流れる高温の冷媒によって加熱されていく。その後、水は、渡し部３８を通り、図４に示されるような、熱交換ユニット３０ａの上段に配置された二段目の熱交換ユニット３０ｂへ、熱交換ユニット３０ｂの中心部近傍に位置する水流路管１６の始点部４６より流入せしめられることとなる。かかる水は渦巻き状に配置された水流路管１６の水流路（１２）内を、渦巻きの外周側方向へ向かって流れ、熱交換ユニット３０ｂの最外周部に位置する水出口４２に至るまでの間に、水流路管１６の外周に螺旋状に巻き付けられた、図示しない冷媒流路管（１８）の冷媒流路内を流れる高温の冷媒によって更に加熱され、所望の温度に達するようになっているのである。

【0033】

さらに、ここでは、水流路管１６として、図５（ａ）及び（ｂ）に示される如き形態を呈する、高熱交換率を有するスパイラル管４８が、用いられている。かかるスパイラル管４８は、公知の如く、外周面にスパイラル（螺旋）状の溝（スパイラル溝）５０を有する一方、かかる溝５０に対応した凸条５４が内周面に形成されてなる形態を呈するものである。そのようなスパイラル管４８におけるスパイラル溝５０は、一般に、溝深さ：Ｈｃが０．２〜１．４ｍｍ程度とされている。また、スパイラル溝５０の溝深さ：Ｈｃは、スパイラル管４８の最大の外径（ＯＤ）を与える外周面からスパイラル溝５０の底部までの距離である。また、そのようなスパイラル管４８の外径：ＯＤが分かっている場合、かかるスパイラル溝５０の形状は、溝ピッチ：Ｐｃ、溝深さ：Ｈｃによって、一意に表わすことが出来る。つまり、溝ピッチ：Ｐｃが決まれば、溝角度θは、θ＝ｔａｎ^-1（ＯＤ・π／Ｐｃ）［ｒａｄ］で決まる。

【0034】

このようなスパイラル管４８の内部を水流路５２とする場合においては、管内表面の凸条５４が水流を乱す効果により、伝熱がより一層促進されるのである。また、かかるスパイラル管４８は、１２．７ｍｍ又は１０．５ｍｍの外径：ＯＤを有していることが、好ましい。外径：ＯＤが、そのような値とされることで、溝間の管外表面の平坦度合いが適正に（歪みが問題ない程度に）保て、はんだ付け等熱的接合を安定ならしめるという特徴を発揮することとなるのである。

【0035】

ここで、図６のような二重管構造を有する試験装置を用いて、一定長さの種々のスパイラル管について伝熱性能を評価し、本発明において好適に用いられるスパイラル管について明らかにする。

【0036】

先ず、外側の管（外管）に、高温（３０℃）の水を、流量：１．５Ｌ／ｍｉｎの一定流量で流すと共に、内側の管（内管）に、低温（２０℃）の水を、流量：Ｇｗｉ＝１．５〜３Ｌ／ｍｉｎで、それぞれ対向する方向に流す。そして、外管内を流れる水と、内管内を流れる水との間で熱交換させて、内管の入口及び出口における、それぞれの水の温度：Ｔｗｃｉ、Ｔｗｃｏを測定し、かかる温度の変化から、下記式（１）に示されるように、単位時間当たりの伝熱量：Ｑｗ［ｋＷ］を計算して求めた。一方、外管の入口及び出口における、それぞれの水の温度：Ｔｗｈｉ、Ｔｗｈｏも測定し、下記式（２）に示されるように、対数平均温度差：ΔＴを求めた。ここで、ρは、水の密度［ｋｇ／ｍ³ ］、Ｃｐは、
水の比熱［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］である。
Ｑｗ＝Ｇｗｉ／６０×ρ×Ｃｐ×（Ｔｗｃｉ−Ｔｗｃｏ） ・・・（１）
ΔＴ=〔（Ｔｗｈｉ−Ｔｗｃｏ）−（Ｔｗｈｏ−Ｔｗｃｉ）〕
／ｌｎ〔（Ｔｗｈｉ−Ｔｗｃｏ）／（Ｔｗｈｏ−Ｔｗｃｉ）〕 ・・・（２）

【0037】

ここにおいて、内管の外表面積をＡ₀ ［ｍ² ］とすると、熱通過率：Ｋ［ｋＷ／（ｍ² ・Ｋ）］は、次式（３）において求めることが出来る。
Ｋ＝Ｑｗ／（Ａ₀ ×ΔＴ） ・・・（３）

【0038】

次に、外管の内径をＤ_oi、内管の外径をＤ_ioとすると、外側水路の相当直径：Ｄｅは、Ｄｅ＝Ｄ_oi−Ｄ_ioで表わせる。ここで、外管内を流れる水について、かかる水の熱伝達率をλｗ［ｋＷ／（ｍ² ・Ｋ）］、レイノズル数をＲｅ、プラントル数をＰｒとすると、外管内を流れる水の熱伝達率：α₀ ［ｋＷ／（ｍ² ・Ｋ）］は、Dittus-Boelterの式より、下記式（４）の如く求められ、内側の水側の熱伝達率（管内熱伝達率）：α_i ［ｋＷ／（ｍ² ・Ｋ）］は、下記式（５）で求められる。
α₀ ＝０．０２３×（λｗ／Ｄｅ）×（Ｄ_oi／Ｄ_io）^0.53×Ｒｅ^0.8 ×Ｐｒ^1/3
・・・（４）
α_i ＝１／（１／Ｋ−１／α₀ ） ・・・（５）

【0039】

ここで、外径：１２．７ｍｍ、肉厚：０．８ｍｍのスパイラル管において、その溝深さ：Ｈｃを０．８ｍｍで一定とし、そして溝ピッチ：Ｐｃを、それぞれ、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、１０ｍｍ、１１ｍｍ、１２ｍｍとした各種スパイラル管を準備して、それぞれ、その管内熱伝達率：α_i を求めた。そして、その結果を、溝ピッチ：Ｐｃ［ｍｍ］を横軸に、管内熱伝達率：α_i ［ｋＷ／（ｍ² ・Ｋ）］を縦軸にとり、グラフに示したものが、図７である。この図７から明らかなように、溝ピッチ：Ｐｃが狭い程、水側の熱伝達性能が向上するが、その傾向は、溝ピッチ：Ｐｃが、４ｍｍ〜１０ｍｍの範囲で、より顕著である。

【0040】

また、外径：１２．７ｍｍ、肉厚：０．８ｍｍのスパイラル管において、その溝ピッチ：Ｐｃを４ｍｍで一定とし、溝深さ：Ｈｃを、それぞれ、０．４ｍｍ、０．６ｍｍ（２つ）、０．８ｍｍ（２つ）、１．１ｍｍ、１．５ｍｍとしたスパイラル管を準備して、各々管内熱伝達率：α_i を求めた。その結果を、溝深さ：Ｈｃ［ｍｍ］を横軸にとり、図７と同様に示したグラフが、図８である。このように、溝深さ：Ｈｃが深い程、水側の熱伝達性能が向上する。

【0041】

しかし、溝ピッチ：Ｐｃが狭い程、加工速度が低下することや、管外表面の円柱面の歪みが増長する問題が惹起されることとなる。また、溝深さ：Ｈｃが深い場合も、加工の影響範囲が増加し、管外表面の円柱面の歪みが増長する。このようにして、管外表面の歪みが増加すると、冷媒の流路となる冷媒流路管を、その外側に巻きつけた際に、その接地面積が低下し、伝熱量が低下する恐れがある。

【0042】

以上の知見に鑑み、本発明においては、スパイラル管の溝深さ：Ｈｃ、外径：ＯＤについて、０．０５５≦Ｈｃ／ＯＤ≦０．０８６の関係を満たすように構成されていることが好ましい。Ｈｃ／ＯＤの値が、０．０５５未満の場合、溝深さ：Ｈｃが浅過ぎるため、熱伝達性能の向上効果を充分に得られず、０．０８６を超える場合、溝深さ：Ｈｃが深過ぎるため、管外表面の円柱面の歪みが増長し、冷媒流路管との接地面積が低下することで、伝熱量が低下する恐れがあるからである。

【0043】

また、本発明では、スパイラル管の溝ピッチ：Ｐｃと外径：ＯＤとは、好ましくは、０．３１５≦Ｐｃ／ＯＤ≦０．４７２の関係を満たすように、構成されている。かかるＰｃ／ＯＤの値が、０．３１５未満の場合には、外径：ＯＤに対して溝ピッチ：Ｐｃが狭過ぎるため、加工速度の低下及び伝熱量の低下が惹起されるのであり、また０．４７２を超える場合には、外径：ＯＤに対して溝ピッチ：Ｐｃが拡過ぎるため、熱伝達性能の向上効果を充分に得られないのである。

【0044】

なお、スパイラル管の溝ピッチ：Ｐｃは、４．００ｍｍ≦Ｐｃ≦１０．００ｍｍの範囲内で設定することが望ましく、４．００ｍｍ≦Ｐｃ≦６．００ｍｍの範囲内で設定することが更に望ましい。かかる溝ピッチ：Ｐｃが、４．００ｍｍ未満の場合に、上記の如く、表面歪みの影響により、熱交換性能のばらつきが起き易くなるのであり、また１０．００ｍｍを超えるようになると、溝を設けることによる熱交換性能の向上効果が充分に得られなくなるからである。

【0045】

次いで、上記のようなスパイラル状の溝を形成した管（スパイラル管）を水流路管として用い、その周りに冷媒の流路となる冷媒流路管が巻き付けられた形態の熱的接合体を形成した。水流路管は、外径：φ１２．７ｍｍ、肉厚：０．８ｍｍ、溝深さ：０．８ｍｍ、長さ：１０ｍとし、スパイラル溝ピッチを、４ｍｍ、６ｍｍ、８ｍｍ、１１ｍｍとしたものを、それぞれ、２つずつ用意した。冷媒流路管は、外径：３．４ｍｍ、肉厚：０．４ｍｍ、として、かかる冷媒流路管を水流路管にはんだで接合することで、それら流路管間の熱的な流れが向上されるようにした。

【0046】

そして、そのような熱的接合体からなる熱交換器を用いて、Ｒ７４４（ＣＯ₂ 冷媒）を用いたヒートポンプ回路を形成し、下記の中間期の条件の下、熱交換量を測定した。水及び冷媒の流れは対向流とした。
・冷媒入口温度：８０℃
・冷媒出口温度：２０℃
・冷媒入口圧力：１０ＭＰａ
・水入口温度 ：１７℃
・水流量 ：１．７ｋｇ/ｍｉｎ
・周囲温度 ：１６℃

【0047】

ここでは、冷媒出口温度が２０℃になるように冷媒流量を制御することで、熱バランスをとり、その状態での水出口温度や冷媒流量を、それぞれ測定した。水側の熱交換量、即ち入熱量は、式：水側熱交換量［ｋＷ］＝水流量［ｋｇ／ｓ］×比熱［ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）］×水出入口温度差［Ｋ］、で求められ、冷媒側の熱交換量は、式：冷媒側熱交換量［ｋＷ］＝冷媒流量［ｋｇ／ｓ］×冷媒出入口エンタルピー差［ｋＪ／ｋｇ］、で求められる。

【0048】

そして、冷媒出入口エンタルピーは、各位置の冷媒温度、冷媒圧力から計算できる。ここでは、観測された温度、圧力から計算する。なお、比較は、水側熱交換量で行った。

【0049】

以上のように実測された熱交換量について、スパイラル溝ピッチが１１ｍｍとされた水流路管を用いた熱交換器の平均値を、基準（＝１００％、図９中に破線で示す）として、比較した結果を、図９に示す。

【0050】

このように、より高い熱交換率を有する伝熱管（スパイラル管）を用いることで、より高性能な熱交換器を提供することが出来、以て本発明において解決すべき課題を、より有利に解決することが出来るのである。

【0051】

さらに、給湯用熱交換器が、水流路管として外表面に溝を有するスパイラル管を用いた熱交換ユニットから構成される場合、従来のように継手を介して各熱交換ユニットを連結するとするならば、ろう付け作業が非常に困難であると共に、連結部からの漏洩が惹起される可能性も高くなってしまう。そこで、前述せる如き、水流路管が、水入口から水出口まで一体で継目の無い管体にて構成される、本発明に従う構造とすることにより、その効果を、より一層有利に享受することが出来ることとなるのである。

【0052】

なお、図５に示されるような、スパイラル管４８は、製造工程において、走行及び回転せしめられている管体の径方向外側から押刃を均等に当てることで、管外表面に螺旋状の凹み（溝）５０を形成すると共に、管内表面に、かかる凹み（溝）５０に対応した凸条５４を形成することによって、製造されることとなる。

【0053】

以上、本発明の代表的な実施形態について説明してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。

【0054】

例えば、図１に示される形態においては、冷媒流路管１８として、三本の冷媒流路管１８ａ、１８ｂ、１８ｃが、所定の巻きピッチ：Ｐ１及びＰ２にて水流路管１６に巻き付けられているが、冷媒流路管１８の本数は三本に限定されるものではない。

【0055】

また、図２及び図４に示される形態においては、熱交換ユニット３０における熱的接合体１０（水流路管１６）の曲げ部２０の曲率半径：Ｒが、全ての曲げ部２０で同じとされているが、これに限るものではない。

【0056】

そして、各熱交換ユニットの形状にあっては、矩形状の渦巻き状に限られず、円形状、その他の多角形状の渦巻き状とすることも可能であり、渦巻きの巻き回数についても図示の形態に限られるものではない。

【0057】

さらに、給湯用熱交換器を構成する熱交換ユニットは上下方向に二段配置するものに限定されるものではなく、三段以上配置することも可能であり、加えて、水入口及び水出口の位置や渡し部の位置も、図２〜図４に示される位置に特定されるものではない。

【0058】

例えば、図１０〜図１２に示されるように、一段目（最下段）の熱交換ユニット５６、二段目の熱交換ユニット５８、三段目の熱交換ユニット６０及び四段目（最上段）の熱交換ユニット６２を上下方向に配置することで、給湯用熱交換器６４が構成され、一段目の熱交換ユニット５６の終点部６６と二段目の熱交換ユニット５８の始点部６８とが渡し部７０にて、二段目の熱交換ユニット５８の終点部７２と三段目の熱交換ユニット６０の始点部７４とが渡し部７６にて、三段目の熱交換ユニット６０の終点部７８と四段目の熱交換ユニット６２の始点部８０とが渡し部８２にて、それぞれ接続せしめられている場合において、渡し部７６を最外周部において設けてもよいのである。

【0059】

また、水流路管を流れる水の流れも、最下段に位置する熱交換ユニット（３０ａ、５６）から最上段に位置する熱交換ユニット（３０ｂ、６２）への流れに特定されるものではない。これらの構成は、要求される性能、与えられたスペース、周辺部品とのレイアウト等により、適宜設定されるべきものである。

【0060】

なお、本発明において有利に用いられることとなるスパイラル管について、前述の実施形態においては、一条の螺旋状の溝が設けられているのみであるが、図１３に示される如く、複数条（図１３では、三条）の螺旋状の溝５０ａ、５０ｂ、５０ｃを設けたスパイラル管８４とすることも出来る。この場合、製造工程において、複数の押刃によって溝５０を形成するようにすることで、溝形成工程に掛かる時間を短縮することが可能となる。

【0061】

その他、一々列挙はしないが、本発明は、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、そして、そのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。

【実施例】

【0062】

以下に、本発明に従う幾つかの実験例を示し、熱交換性能の評価及び給湯用熱交換器の寸法諸元の測定を行なって、本発明の特徴を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実験例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には、上記した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加え得るものであることが、理解されるべきである。

【0063】

先ず、下記表１に示される如き諸元を有する水流路管及び冷媒流路管を用いて、図１に示されるような熱的接合体を四種類作製した。

【0064】

【表1】

【0065】

次に、上記のようにして作製した熱的接合体を、それぞれ、図１０〜図１２に示されるような形態で巻回して熱交換ユニットを形成し、そしてかかる熱交換ユニットを上下方向に四段配置することによって、実験例１〜５に係る給湯用熱交換器を製作した。また、そこでは、各熱交換ユニットの各段間の渡し部において、継手は使用されておらず、給湯用熱交換器全体において、水入口から水出口まで、水流路管は一体の継目の無い管体で構成され、冷媒流路管も同様である。

【0066】

そして、実験例３に係る給湯用熱交換器を基準とし、それと同等の熱交換性能となるように、実験例１、２、４、５の給湯用熱交換器を製造した場合の寸法諸元及び熱交換器の総延長を求めた。その結果を、下記表２に示す。なお、ここでは、図１０及び図１２に示される如く、Ｌ：給湯用熱交換器の長さ、Ｗ：給湯用熱交換器の幅、Ｈ：給湯用熱交換器の高さを示し、Ｒは、各熱交換ユニットにおける熱的接合体（水流路管）の曲げ部の曲率半径を示す。

【0067】

【表2】

【0068】

かかる実験例１〜５に係る給湯用熱交換器においては、各熱交換ユニットの各段間の連結部で継手が使用されておらず、それらの製造に際して、ろう付け作業やカップリング部品及び接続部の漏洩検査等が、一切不要であったため、生産性に優れ、低コストにて製造可能なものであった。

【0069】

さらに、実験例の結果から、水流路管としてスパイラル状の溝が設けられたスパイラル管を用いて熱交換器を構成した場合、水流路管として溝が設けられていない平滑管を用いて構成された熱交換器と同等の熱交換性能を有する熱交換器の総延長が、更に有利に短くされることが分かる。これにより、より一層、生産性向上効果及びコスト低減効果に優れる給湯用熱交換器を製造することが可能となることが理解される。

【符号の説明】

【0070】

１０ 熱的接合体 １２ 水流路
１４ 冷媒流路 １６ 水流路管
１８ 冷媒流路管 ２０ 曲げ部
３０ 熱交換ユニット ３０ａ 一段目の熱交換ユニット
３０ｂ 二段目の熱交換ユニット ３２ 給湯用熱交換器
３８ 渡し部 ４０ 水入口
４２ 水出口 ４４ 終点部
４６ 始点部 ５２ 水流路
５４ 凸条 １００ 給湯用熱交換器
１０２ 一段目の熱交換ユニット １０４ 水流路管
１０６ 水入口 １０８ 連結部
１１０ 二段目の熱交換ユニット １１２ 水出口
１１４ 継手

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】