JP2010032183A

JP2010032183A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2010032183A
Application number: JP2008197335A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Machida; 和彦町田; Takumi Kida; 琢己木田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-12

Abstract

【課題】熱交換器の配管長さを延伸することなく、熱交換性能に優れた管式の熱交換器を提供する。
【解決手段】管式の熱交換器において、内部を水２が流れる外管３内に、互いに螺旋状にねじり合わされ、かつ内部をＣＯ_２冷媒４が流れる複数本の内管５を配置し、内管３の外表面に、内管５の軸方向に延びる複数の溝６と、内管５の軸方向において所定間隔毎に位置する複数の凹部７を設けた構成とし、水２が内管５の外表面の凹部７を渦状に流れることにより、壁面近傍の温度境界層を乱し、また、複数の溝６により熱交換面積を拡大したものである。これにより、より効率の良い熱交換を実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、空調装置、給湯装置等の機器に用いられ、特にヒートポンプ式の給湯機等のように、水等の流体と冷媒等の二種の流体を熱交換させるための熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、内部に冷媒用流路が形成された内管と、内管の外側に設けられ内管との間に水用流路を形成する外管とから構成された二重管式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６、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６、図７に示すように、この熱交換器１０１は、二重管式の熱交換器であり、内部を冷媒用流路１０２とする内管１０３と、内管１０３の外側に設けられ、内管１０３との間に水用流路１０４を形成する銅製の外管１０５とから構成され、この熱交換器１０１の場合は、内管１０３が２本設けられている。

内管１０３は、銅製の冷媒管１０６と、冷媒管１０６の外周に設けられた銅製の漏洩検知管１０７とから構成され、冷媒管１０６を拡管するか、或いは、漏洩検知管１０７を縮管することにより、冷媒管１０６と漏洩検知管１０７を密着している。

また、漏洩検知管１０７の内面には、配管方向に沿って多数の漏洩検知溝（図示せず）が形成されており、漏洩検知溝内には空気層が形成されている。さらに、漏洩検知溝は外部に設けられた漏洩検知センサー（図示せず）に接続されており、内管１０３または外管１０５から漏洩した冷媒、あるいは水は、漏洩検知溝を介して外部に漏出し、前記漏洩検知センサーにより検知されるようになっている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

熱交換器１０１は、内管１０３と外管１０５の二重管により形成され、内管１０３の外周を水が流れ、冷媒管１０６内を冷媒が流れるもので、熱伝導性の良い銅製で且つ密着された冷媒管１０６と漏洩検知管１０７を介して冷媒と水が熱交換されるようになっている。
特開２００５−６９６２０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、内管１０３の外表面積が水と接触する水側の伝熱面積であるため、熱交換性能を向上させるためには、熱交換器１０１の内管１０３、外管１０５を共に延長させる等して熱交換器１０１の容量、重量を増加させ、性能を向上させねばならないという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換性能を向上させることができる管式の熱交換器を提供することを目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部を流体Ａが流れる第１の管の内部に、内部を流体Ｂが流れる第２の管を複数配設した構成において、前記第２の管の外表面に、該第２の管の径方向内側に凹む凹部を少なくとも軸方向に多数設け、さらに前記第２の管の外表面に、該第２の管の軸方向に延びる溝を多数設けた構成としたものである。

この構成によって、第２の管の外表面に設けた多数の凹部と溝により、流体Ａに対する伝熱面積の拡大と、第２の管の外表面に沿って流れる流体Ａの流れを乱れさせることができるものである。

したがって、伝熱面積の拡大によって熱交換性能の向上が図れ、また、流体Ａの第２の管の外表面近傍の流れを乱すことにより、流体Ａにおける主流との温度境界層を攪乱させ、流体Ａの主流に熱を拡散させることができる。

本発明の管式の熱交換器は、第２の管の外表面に設けた多数の凹部と溝により、伝熱面積の増加と、流体Ａの流れを乱すことができ、その結果、流体Ｂ全体の熱を効率よく第２の管を介して流体Ａに伝達させることができる。

したがって、熱交換器の管長を延長させることなく、熱交換性能を向上させることができる。

請求項１に記載の発明は、内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ前記第１の管内に複数配設された第２の管を具備する熱交換器であって、前記第２の管の外表面に、該第２の管の径方向内側に凹む凹部を少なくとも軸方向に多数設け、さらに前記第２の管の外表面に、該第２の管の軸方向に延びる所定深さの溝を多数設けたものである。

かかる構成とすることにより、第２の管の外表面に設けた凹部と溝が伝熱面積の拡大と、第１の管内を流れる流体Ａの流れの撹乱を可能とする。その結果、伝熱面積の拡大によって熱交換性能の向上が図れ、また、流体Ａの第２の管の外表面近傍の流れを乱すことにより、流体Ａにおける主流との温度境界層を撹乱させ、流体Ａの主流に熱を拡散させることができ、さらに熱交換性能を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数の第２の管を、相互に絡めて螺旋状にねじり合わせた構成としたものである。

かかる構成とすることにより、第２の管の周囲を流れる流体Ａは、第２の管の表面のうねり形状に沿って旋回流となり、流体Ａの温度混合を加速させるばかりでなく、互いに螺旋状にねじり合わされた第２の管相互の間に生じる止水域に対して、複数の溝が流体Ａの流れる隙間を形成する。その結果、第２の管相互の間の温度境界層を乱すことができ、より効率の良い熱交換を実現することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第２の管に、該第２の管の温度が比較的低い低温部を定義し、前記溝を、前記第２の管の低温部に設けたものである。

かかる構成とすることにより、流体Ａがカルシウムの析出が多い水の場合でも、カルシウムが析出し易い高温部に前記溝を設けていないため、カルシウムの付着を極力抑えることができ、これに伴い効率の良い熱交換を実現することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第２の管における少なくとも前記低温部を除く管径を、前記低温部の管径より大きく設定したものである。

かかることにより、比較的温度の高い範囲における流体Ｂの圧力損失を抑制し、これに伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記第１の管に、前記流体Ａの流入口と流出口を設け、前記第２の管に、前記流体Ｂの流入口と流出口を設け、さらに、前記第１の管を流れる流体Ａと、前記第２の管を流れる流体Ｂの流れが対向する流れとなるように前記第１の管、第２の管における流入口と流出口を定めたものである。

かかることにより、前記流体Ａと流体Ｂの対向流に伴って流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくすることができ、その結果、熱交換量を大きくすることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前記流体Ａを水とし、前記流体Ｂを二酸化炭素としたものである。

かかることにより、熱交換器を、例えばヒートポンプ式給湯機用として、水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器として用いた場合、前記二酸化炭素は超臨界状態で動作し、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態で作動するため、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

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１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図である。図２は、同実施の形態１における熱交換器の一部を切除した斜視図である。図３は、同実施の形態１における熱交換器の管断面構造を示す図２のＡ−Ａ線による断面図である。図４は、同実施の形態１における内管の構成を示す要部の斜視図である。

図１から図４において、熱交換器１は二重管式であり、内部を水（本発明の流体Ａ）２が流れる銅製の外管（本発明の第１の管）３と、外管３と同様に銅製であって、外管３内に配設され、内部をＣＯ_２冷媒（本発明の流体Ｂ）４が流れる２本の内管（本発明の第２の管）５を主体に構成されている。内管３の外表面には、所定の深さで該内管３の軸方向に延びる複数の溝６と、同じく軸方向において所定間隔で位置する複数の凹部７が設けられている。

内管５は、図３に示す如く冷媒管ａと冷媒管ａの外周に設けられた漏洩検知管ｂとから構成されている。冷媒管ａと漏洩検知管ｂは冷媒管ａを拡管するか、あるいは、漏洩検知管ｂを縮管することにより密着一体化されているものである。

そして、内管５は、図２に示す如く互いに螺旋状にねじり合わされ、その螺旋の中心が、外管３の軸心とほぼ同軸となるように外管３に内包されている。したがって、外管３内において、内管５との間を水２が流動する。しかもその流れは、内管５の螺旋に沿った旋回流となる。

さらに、外管３の両端、および内管５の両端には、それぞれ流入口３ａ、５ａと流出口３ｂ、５ｂが設けられており、内管５のＣＯ_２冷媒４の流入口５ａ、流出口５ｂと、外管３の水２の流入口３ａ、流出口３ｂは、各々の流れが対向するように方向付けて設けられている。

また、内管５の外表面に形成された複数の溝６および凹部７は、ＣＯ_２冷媒４の流出口５ｂから流入口５ａ側にかけて所定の範囲（所定の長さ）Ｘに設けられているのみで、その範囲Ｘを除く表面は、溝６がない状態に形成されている。

具体的な構成の一例として、図４に示す如く、内管５は、二種類の管体を採用し、所定の範囲Ｘに相当する部分（所定の位置から水２の入口３ａにわたる範囲）には表面に多数の溝６と凹部７を具備する管５ｃを用い、それ以外の部分には、単純にパイプ加工された管５ｄを用い、両者をロウ付け等の手段によって連結し、その内管５を相互にねじり合わせた構成としている。

そして、管５ｄの内径は、管５ｃの外径と同等もしくは若干大きく設定され、ＣＯ_２冷媒４の流入口５ａまで連続した構成となっている。

ここで、以下の説明において所定の範囲Ｘを、説明の便宜上「低温部Ｘ」と称し、所定の範囲Ｘ以外の範囲を「高温部Ｙ」と称して説明する。

つまり、外管３内を流れる水２がカルシウムを含む場合、常温あるいは冷却されて低温で流れているとカルシウムの析出が生じ難く、加熱されて高温になると析出し易くなる性質がある。

このことに鑑みて、本実施の形態１の熱交換器１は、高温状態にあるＣＯ_２冷媒４と常温あるいは低温状態にある水２を熱交換するもので、外管３を流れる水２の温度において、比較的カルシウムの析出が生じ易い温度領域にある範囲、すなわち、ＣＯ_２冷媒４の流入口５ａ側に近い範囲を高温部Ｙと定義し、この高温部ＹからＣＯ_２冷媒４の流出口５ｂ側に向けての範囲、すなわち比較的カルシウムの析出が生じ難い温度領域を低温部Ｘと定義したものである。

さらに詳述すると、例えば、外管３を流れる水２の出湯温度を約９０℃とした場合、内管５を流れるＣＯ_２冷媒４の温度が約６０℃程度の温度となる部分を境に低温部Ｘと高温部Ｙを定義したものである。この温度値は、本実施の形態１においては一義的なものであり、実態は熱負荷等によって変動するものである。したがって、熱交換器１の形態、容量等に応じて最適な範囲に定める必要があり、これについては、設計事項として対応することができる。

それぞれの流入口３ａ、５ａからＣＯ_２冷媒４と水２が流入することにより、内管５の内部をヒートポンプの冷媒とするＣＯ_２冷媒４が流動し、外管３の内部における内管５との間を水２が流れる。これらの流れ方向は、前述の如く流入口３ａ、５ａと流出口３ｂ、５ｂの方向付けにより、対向して流れ、内管５の壁を介してＣＯ_２冷媒４と水２が熱交換する。

したがって、水２は外管３の流出口３ｂに近くなるにつれてその温度が上昇し、ＣＯ_２冷媒４は、流出口５ｂに近くなるにつれてその温度が低下する。

上記熱交換作用において、内管５の表面には、該内管５の軸方向において所定間隔をあけて凹部７を設けているため、この凹部７上を流れる水２は、該凹部７を渦状に流れ、内管５の壁面近傍の温度境界層を乱すこととなる。さらに内管５の外表面に設けた複数の溝６により、水２とＣＯ_２冷媒４との熱交換面積を拡大することができ、より効率の良い熱交換を実現することができる。

溝６は、互いに螺旋状にねじり合わされた内管５の螺旋角とは逆方向になるように配列することが好ましい。すなわち、内管５のねじり合わせにより、その表面に沿って水２が螺旋状に旋回しながら外管３内を流れ、このとき複数の溝６を乗り越える流れが生じる。この複数の溝６を乗り越える流れによって温度境界層をより乱すことができ、さらに効率のよい熱交換が可能となる。

また、２本の内管５は互いに螺旋状にねじり合わされているので、内管５の周囲を流れる水２は前述の如く旋回流となり、温度混合を加速させる効果がある。さらに螺旋状にねじり合わされた内管５と内管５の接触部に生じた止水域を、複数の溝６および凹部７による隙間を水２が流れるため、さらに温度境界層を乱すことができ、より効率の良い熱交換を実現することができる。

さらに、複数の溝６を低温部Ｘに設け、高温部Ｙに設けないことで、水２の中に溶けているカルシウム成分の高温部Ｙでの付着を抑えることができ、このカルシウム成分の付着に伴う流路面積の減少が抑制でき、長期にわたる信頼性を確保することができる。

また、凹部７を低温部Ｘに設け、高温部Ｙには設けない構成とすることで、上述の溝６と同様に、水２の中に溶けているカルシウム成分の高温部への付着を抑えることができ、信頼性が向上する。

さらに、内管５における少なくとも低温部Ｘを除く、所謂高温部Ｙの管５ｄの径を、低温部Ｘの管５ｃの径より大きく設定しているため、比較的温度の高い範囲におけるＣＯ_２冷媒４の圧力損失を抑制することができ、これに伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。

また、水２とＣＯ_２冷媒４を対向流としたことにより、水２とＣＯ_２冷媒４との温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができ、熱交換器１の能力を高めることができる。

このように、本実施の形態１における熱交換器１は、内管５内を流れるＣＯ_２冷媒４と外管３内を流れる水２の熱交換作用を効果的に行うことができ、これにより熱交換器１の管長を延長させることなく、熱交換性能を高めることができるものである。

次に、上記構成を基調とする熱交換器の一部を変更した構成について説明する。

図５は、実施の形態１における熱交換器の内管の異なる構成を示す要部の斜視図である。

図５において、図４との相違は、高温部Ｙに用いる内管５ｅの表面に、凹部７ａと溝６ａを設けた点である。

かかる構成により、内管５ｅの表面積の増加と、内管５ｅの表面を流れる水２の撹乱作用が向上し、熱交換器１の熱交換能力を高めることができるものである。

この高温部Ｙに設ける内管５ｅについては、水２に含まれるカルシウムの析出、付着を抑制するために、溝６ａについて、数と深さを低温部Ｘよりも少なく、かつ浅いものとし、また凹部７ａについて、相互の配置間隔を低温部Ｘよりも広く設定する等の配慮を行っている。

また、高温部Ｙについては、溝６ａ、凹部７ａのいずれか一方のみを設ける構成とすることもでき、その形状、数量等については、水２に含まれるカルシウムの析出、付着が抑制できる範囲で設定すればよい。

尚、本発明の実施の形態１では、外管３内に配置する内管５の本数を２本としているが、それ以上の本数とすることもでき、同様の作用効果を期待することができる。

また、本実施の形態１において、凹部７、７ａは、内管５を構成する管５ｃ、５ｅの軸方向に所定間隔毎に配置する構成としたが、その軸方向に加えて周方向に並んで配置する、あるいは千鳥状に配置する構成、さらにはスパイラル状に配置する構成とすることができ、凸部７はどのような配置関係であっても同様の作用効果を期待することができる。

さらに、本発明の実施の形態１において、外管３、内管５を銅製としたが、少なくともいずれか一方を真鍮、ステンレス、耐食性を持った鉄、アルミ合金等を材料として構成しても、同様の作用効果が期待できる。

また、本発明の実施の形態１では、内管５を流れる冷媒をＣＯ_２冷媒４としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ等）の冷媒、あるいはこれらの代替冷媒とすることもできる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させることなく、熱交換器の熱交換性能を向上させることができるもので、ＣＯ_２冷媒を用いた超臨界ヒートポンプ式給湯器や、暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ装置、さらには、家庭用、業務用の空気調和機、あるいはヒートポンプによる乾燥機能を具備した洗濯乾燥機、穀物貯蔵倉庫等のヒートポンプ機器の他に、燃料電池等の熱交換用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図同実施の形態１における熱交換器の一部を切除した斜視図同実施の形態１における熱交換器の管断面構造を示す図２のＡ−Ａ線による断面図同実施の形態１における内管の構成を示す要部の斜視図同実施の形態１における熱交換器の内管の異なる構成を示す要部の斜視図従来例を示す熱交換器の上面図同熱交換器の断面構造を示す図６のＢ−Ｂ線による断面図

符号の説明

１熱交換器
２水（流体Ａ）
３外管（第１の管）
３ａ流入口
３ｂ流出口
４ＣＯ_２冷媒（流体Ｂ）
５内管（第２の管）
５ａ流入口
５ｂ流出口
５ｃ管
５ｄ管
５ｅ管
６溝
７凹部
Ｘ低温部

Claims

内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ前記第１の管内に複数配設された第２の管を具備する熱交換器であって、前記第２の管の外表面に、該第２の管の径方向内側に凹む凹部を少なくとも軸方向に多数設け、さらに前記第２の管の外表面に、該第２の管の軸方向に延びる所定深さの溝を多数設けた熱交換器。
前記複数の第２の管を、相互に絡めて螺旋状にねじり合わせた構成とした請求項１に記載の熱交換器。
前記第２の管に、該第２の管の温度が比較的低い低温部を定義し、前記溝を、前記第２の管の低温部に設けた請求項１または２に記載の熱交換器。
前記第２の管における少なくとも前記低温部を除く管径を、前記低温部の管径より大きく設定した請求項３に記載の熱交換器。
前記第１の管に、前記流体Ａの流入口と流出口を設け、前記第２の管に、前記流体Ｂの流入口と流出口を設け、さらに、前記第１の管を流れる流体Ａと、前記第２の管を流れる流体Ｂの流れが対向する流れとなるように前記第１の管、第２の管における流入口と流出口を定めた請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記流体Ａを水とし、前記流体Ｂを二酸化炭素とした請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。