JP5540683B2 - 熱交換器及びそれを備えた給湯機 - Google Patents

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、冷媒と水を熱交換するいわゆる二重管式タイプが考案されており、熱交換器の高能力化のために外管に螺旋形状を有する管を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１１、図１２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、図１１は同熱交換器の上面図、図１２は同熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図である。

図１１、図１２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を形成する螺旋形状を有する水管１０５ａ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、水管１０５ａは螺旋形状を有する螺旋管からなり、熱交換器１０１の全長にわたって用いられている。

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、冷媒用流路１０２を流れる二酸化炭素２と水用流路１０４を流れる水とが、内管１０３を介して熱交換されるようになっている。そして、螺旋形状を有する水管１０５ａによる水流攪拌のため伝熱促進され、高能力化が図られる。このとき、同時に水側圧力損失（以降、水圧損と呼ぶ）も増大する特徴を有する。

また、この熱交換器１０１の製造工程上、内管１０３を螺旋形状の水管１０５ａ内へ挿入する必要があるが、水管１０５ａの内径は螺旋溝深さの分だけ大きいものが必要となる。

従って、水管１０５ａを熱交換器１０１の全長にわたって単純に用いる場合、熱交換器１０１の熱交換能力は向上するが、水圧損や重量も増大してしまうこととなる。

特許第４２００３２９号公報

しかしながら、前記従来における構成では、水用流路１０４の伝熱促進のために螺旋形状の水管１０５ａを単純に用いただけでは熱交換能力は増加するものの、螺旋溝深さの分だけ大きい管径となるため、熱交換器重量も増加して材料費が上昇してしまう。

また、熱交換器の水圧損も増加するため、水搬送流量確保のためには、より搬送容量の大きいポンプ、つまりポンプの大型化が必要となり、材料費の上昇とともに大型のポンプを収容する製品本体が大型化してしまう。

このように、螺旋形状管を単純に適用するだけでは、材料費を低減でき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、熱交換器重量の増加を最小限に抑えながら熱交換器の高性能化を可能にし、かつ、水圧損の上昇も極力抑えることで、管重量に対する能力の比が最も大きい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が流れる外管と、前記外管内に配設され、内部を流体Ｂが流れる複数の内管と、を備え、前記流体Ａと前記流体Ｂとが熱交換し、前記流体Ａの温度を上昇させる熱交換器であって、前記外管は、前記流体Ａの出口部側に設けられた螺旋形状の螺旋管と、前記螺旋管よりも管径の小さい平滑管と、を有し、前記螺旋管の長さは、前記外管の長さに対して３％から４８％の範囲であり、前記螺旋管の管肉厚は、前記平滑管の管肉厚と略同等であることを特徴とするものである。また、本発明の熱交換器は、内部を流体Ａが流れる外管と、前記外管内に配設され、内部を流体Ｂが流れる複数の内管と、を備え、前記流体Ａと前記流体Ｂとが熱交換し、前記流体Ａの温度を上昇させる熱交換器であって、前記外管は、前記流体Ａの出口部側に設けられた螺旋形状の螺旋管と、前記螺旋管よりも管径の小さい平滑管と、を有し、前記螺旋管の長さは、前記外管の長さに対して３％から４８％の範囲であり、前記螺旋管の最小内径は、前記平滑管の最小内径と略同等であることを特徴とするものである。これにより、水用流路の伝熱促進がより効果的に発揮される高温部・高レイノルズ数域に螺旋形状を限定適用することで、熱交換器の重量に対する能力の比（ここでは能力重量比と呼ぶ）を最も大きくすることが可能となる。

また、高温部ゆえに水の粘度も小さくなるので、水圧損の上昇も極力抑えることも実現した管式の熱交換器を提供することができる。

本発明によれば、熱交換器重量の増加を最小限に抑えながら熱交換器の高性能化を可能にし、かつ、水圧損の上昇も極力抑えることで、管重量に対する能力の比が最も大きい管式の熱交換器を提供できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の上面図 同熱交換器の熱交換能力を示す図 同熱交換器の管重量を示した図 同熱交換器の熱交換能力／重量比を示す図 同熱交換器の水側圧力損失を示した図 本発明の実施の形態２における熱交換器の上面図 同熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図 同熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図 図６のＡ−Ａ断面図 図６のＢ−Ｂ断面図 従来例を示す熱交換器の上面図 同熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図

第１の発明は、内部を流体Ａが流れる外管と、前記外管内に配設され、内部を流体Ｂが流れる複数の内管と、を備え、前記流体Ａと前記流体Ｂとが熱交換し、前記流体Ａの温度を上昇させる熱交換器であって、前記外管は、前記流体Ａの出口部側に設けられた螺旋形状の螺旋管と、前記螺旋管よりも管径の小さい平滑管と、を有し、前記螺旋管の長さは、前記外管の長さに対して３％から４８％の範囲であり、前記螺旋管の管肉厚は、前記平滑管の管肉厚と略同等であることを特徴とするもので、流体Ａの温度が比較的高く粘度が最も小さくなる部位に螺旋形状を限定適用するので、水用流路の伝熱促進がより効果的に発揮されるだけでなく、水の粘度が小さい領域のため水圧損の上昇も最小限に抑えることも可能となり、管重量に対する能力の比が最も大きい管式の熱交換器を提供することができる。

また、螺旋形状を有する管による高能力化とともに、大径管の肉厚を小径管と同じ肉厚にしても、螺旋形状の効果により管曲げ時の座屈が発生し難くいため、軽量化が図れ、管重量に対する能力の比が最も大きい管式の熱交換器を提供できる。

第２の発明は、内部を流体Ａが流れる外管と、前記外管内に配設され、内部を流体Ｂが流れる複数の内管と、を備え、前記流体Ａと前記流体Ｂとが熱交換し、前記流体Ａの温度を上昇させる熱交換器であって、前記外管は、前記流体Ａの出口部側に設けられた螺旋形状の螺旋管と、前記螺旋管よりも管径の小さい平滑管と、を有し、前記螺旋管の長さは、前記外管の長さに対して３％から４８％の範囲であり、前記螺旋管の最小内径は、前記平滑管の最小内径と略同等であることを特徴とするもので、螺旋管と内管のクリアランスは小径管と内管のクリアランスと同じであるので、内管を外管へ挿入する生産性を維持したままで、更なる高能力化を図ることが可能となる。

第３の発明は、前記流体Ａと前記流体Ｂの流れが対向流となるように構成したことを特徴とするもので、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができ、熱交換器の性能を向上することができる。

第４の発明は、前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素とし、第５の発明は、第１〜４のいずれかの発明の熱交換器を備えた給湯機で、熱交換器を、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上面図である。図２は、同熱交換器の螺旋管の長さと熱交換能力の関係を示した図である。図３は、同熱交換器の螺旋管の長さと重量の関係を示した図である。図４は、同熱交換器の螺旋管の長さと重量に対する熱交換能力の比を示した図である。図５は、同熱交換器の螺旋管の長さと水圧損の関係を示した図である。

尚、従来の熱交換器１０１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１において、熱交換器１は、二重管式の熱交換器であり、内部を二酸化炭素２（本発明の流体Ｂ）が流れる冷媒用流路１０２を形成する内管１０３と、内管１０３の外側に設けられ、内管１０３との間に水４（本発明の流体Ａ）が流れ水用流路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１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。

そして、内管１０３は、互いに螺旋状にねじり合わされ、その螺旋の中心が、外管１０５の軸心とほぼ同軸となるように外管１０５に内包されている。したがって、外管１０５内において、内管１０３との間を水４が流動する。しかもその流れは、内管１０３の螺旋に沿った旋回流となる。

また、外管１０５は螺旋形状を有する螺旋管１０５ｂと平滑管１０５ｃとから構成されており、螺旋管１０５ｂは水４の出口部から長さＬの区間だけ設けられている。さらに、外管１０５の両端、および内管１０３の両端には、それぞれ流入口８ａ、７ａと流出口８ｂ、７ｂが設けられており、内管１０３の二酸化炭素２の流入口７ａ、流出口７ｂと、外管１０５の水４の流入口８ａ、流出口８ｂ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。

図２において、横軸は外管１０５の長さに対する螺旋管１０５ｂの長さの比Ｌ（％）で、縦軸は熱交換器１の熱交換能力Ｑの増加割合ΔＱ（％）である。図３において、横軸は外管１０５の長さに対する螺旋管１０５ｂの長さの比Ｌ（％）で、縦軸は熱交換器１の重量Ｗの増加割合ΔＷ（％）である。図４において、横軸は外管１０５の長さに対する螺旋管１０５ｂの長さの比Ｌ（％）で、縦軸は熱交換器１の重量Ｗの増加割合ΔＷ（％）に対する熱交換能力Ｑの増加割合ΔＱ（％）の比ΔＱ／ΔＷである。図５において、横軸は外管１０５の長さに対する螺旋管１０５ｂの長さの比Ｌ（％）で、縦軸は熱交換器１における水圧損Ｐの増加割合ΔＰ（％）である。

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。

それぞれの流入口７ａ、８ａから二酸化炭素２と水４が流入することにより、内管１０３の内部をヒートポンプの冷媒とする二酸化炭素２が流動し、外管１０５の内部における内管１０３との間を水４が流れる。これらの流れ方向は、前述の如く流入口７ａ、８ａと流出口７ｂ、８ｂの方向付けにより、対向して流れ、内管１０３の壁を介して二酸化炭素２と水４が熱交換する。したがって、水４は外管１０５の流出口８ｂに近くなるにつれてその温度が上昇し、二酸化炭素２は、流出口７ｂに近くなるにつれてその温度が低下する。

本発明では、外管１０５は螺旋形状を有する螺旋管１０５ｂと平滑管１０５ｃとから構成されており、螺旋管１０５ｂは水４の出口部から長さＬの区間だけ設けられているので、螺旋管１０５ｂによる重量増加に対して、より効率的に熱交換器１の熱交換能力Ｑを高めることができる。熱交換器１において、螺旋管１０５ｂの長さＬは、好ましくは外管１０５の長さに対して３％から４８％の範囲である。

図２に示すように、螺旋管１０５ｂの長さＬを長くすると熱交換能力Ｑの増加率ΔＱは増えるが、螺旋管１０５ｂの長さＬが長くなるに従って熱交換能力Ｑの増加率ΔＱの増え方が小さくなる特性がある。この理由は、水４の温度が高い領域ほど粘度が小さくなるためレイノルズ数が高くなり、螺旋管１０５ｂによる乱流促進の影響を受けやすくなるためである。

螺旋管１０５ｂを用いて量産するためには、製造工程上、内管１０３を螺旋管１０５ｂ内へ挿入する必要があり、螺旋管１０５ｂの管径は螺旋溝深さの分だけ大きくする必要がある。

図３に示すように、螺旋管１０５ｂの長さＬに比例して熱交換器１の重量Ｗの増加割合ΔＷ（％）は増えることになる。したがって、図２と図３の特性から図４に示す特性が得られ、図４によると、熱交換器１の重量増加割合ΔＷ（％）に対する熱交換能力Ｑの増加割合ΔＱ（％）は、螺旋管１０５ｂを水４の出口部側に一部投入した領域にピークを持つ特性となる。

これによると、螺旋管１０５ｂが外管１０５の長さに対して３％から４８％の範囲ならば、ΔＱ／ΔＷが３５％以上となり、螺旋管１０５ｂを効率的に投入することができる。つまり、水４の出口部８ｂ付近に螺旋管１０５ｂを部分的に適用したほうが熱交換能力Ｑの増加率ΔＱが大きくでき、水４の出口部８ｂ付近まで螺旋管１０５ｂを適用しても重量増加の割に熱交換能力の増加が小さいと言える。

このように、螺旋管１０５ｂを単純に外管１０５の全長にわたって用いるよりも、水４の出口部８ｂから長さＬだけ螺旋管１０５ｂを部分的に適用するほうが、管重量に対する能力の比が最も大きい管式の熱交換器を提供できる。

また、水用流路１０４に生じる水圧損ΔＰについても、外管１０５の全長にわたって単純に用いると、水圧損ΔＰが大幅増加するため水搬送動力が過大に必要となり容量の大きいポンプが別途必要となる。

図５に示すように、水４の出口部８ｂに近い領域に螺旋管１０５ｂを部分的に適用したほうが水圧損Ｐの増加割合ΔＰは小さいことがわかる。この理由は、水４の温度が高い領域ほど粘度が小さくなるため水流路抵抗が小さくなるためである。

よって、水４の出口部８ｂ付近に螺旋管１０５ｂを部分的に適用したほうが、水圧損ΔＰの上昇をより小さく抑えることができ、ポンプの許容抵抗値ΔＰ１以下に水圧損ΔＰを抑えうるものである。

以上のように、水４の温度が比較的高く粘度が小さくなる所謂高温部に螺旋管１０５ｂを部分的に限定して適用することにより、高レイノルズ数域に焦点を絞って螺旋管を投入することが可能となり、水用流路１０４の伝熱促進がより効果的に発揮されるだけでなく、水４の粘度が小さい領域のため水圧損ΔＰの上昇も最小限に抑えることも可能となり、熱交換器１の重量Ｗに対する熱交換能力Ｑの比が最も大きくなる管式の熱交換器を提供することができる。

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内を流れる二酸化炭素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。

また、水４と二酸化炭素２を対向流としたことにより、水４と二酸化炭素２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の能力をさらに高めることができる。

尚、本発明の実施の形態１では、外管５内に配置する内管３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、螺旋管１０５ｂは螺旋形状を有する管としたが、コルゲート管や内面溝付き管で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５、内管３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３を流れる冷媒を二酸化炭素２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同様の作用効果が期待できる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における熱交換器の上面図である。図７および図８は、同熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図である。図８は、図７のＡ−Ａ線による断面図である。図９は、図８のＢ−Ｂ線による断面図である。

尚、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図６において、外管１０５は、管径の小さい小径管とスケール耐久信頼性を向上させるための管径の大きい大径管から構成されており、螺旋管１０５ｂは大径管に、平滑管１０５ｃは小径管に施されている。大径管である螺旋管１０５ｂの肉厚ｔ１は、小径管なる平滑管１０５ｃの肉厚ｔ２と略同等としたものである。

また、螺旋管１０５ｂと内管１０３のクリアランスｔ１は平滑管１０５ｃと内管１０３のクリアランスｔ２と略同等であり、これにより大径管と小径管の最小内径を同等にすることができる。

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。

螺旋管１０５ｂによる高能力化とともに、螺旋形状の効果により管曲げ時の座屈が発生しにくくなる分、大径管である螺旋管１０５ｂの肉厚ｔ１をより薄くできるので軽量化が図れる。好ましくは、螺旋管１０５ｂと平滑管１０５ｃの肉厚ｔ１、ｔ２が同じである。

また、螺旋管１０５ｂと内管１０３のクリアランスＳ１は平滑管１０５ｃと内管１０３のクリアランスＳ２と同じであるので、内管１０３を外管１０５へ挿入する生産性を維持したままで更なる高能力化を図ることが可能となる。

以上のように、螺旋管１０５ｂの肉厚ｔ１とクリアランスＳ１を平滑管１０５ｃと略同等とすることにより、熱交換器１の重量増加を最小限に抑えながら熱交換器１の高性能化を可能にし、かつ水圧損の上昇も極力抑えられる管式の熱交換器を提供できる。

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、二酸化炭素を用い
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。

１ 熱交換器
２ 二酸化炭素（流体Ｂ）
４ 水（流体Ａ）
７ａ 二酸化炭素２の流入口
７ｂ 二酸化炭素２の流出口
８ａ 水４の流入口
８ｂ 水４の流出口
１０３ 内管
１０５ 外管
１０５ｂ 螺旋管
Ｌ 螺旋管１０５ｂの長さ
ｔ１、ｔ２ 管肉厚
Ｓ１、Ｓ２ クリアランス

Claims (5)

1. 内部を流体Ａが流れる外管と、
   前記外管内に配設され、内部を流体Ｂが流れる複数の内管と、を備え、
   前記流体Ａと前記流体Ｂとが熱交換し、前記流体Ａの温度を上昇させる熱交換器であって、
   前記外管は、前記流体Ａの出口部側に設けられた螺旋形状の螺旋管と、前記螺旋管よりも管径の小さい平滑管と、を有し、
   前記螺旋管の長さは、前記外管の長さに対して３％から４８％の範囲であり、
   前記螺旋管の管肉厚は、前記平滑管の管肉厚と略同等であることを特徴とする熱交換器。
2. 内部を流体Ａが流れる外管と、
   前記外管内に配設され、内部を流体Ｂが流れる複数の内管と、を備え、
   前記流体Ａと前記流体Ｂとが熱交換し、前記流体Ａの温度を上昇させる熱交換器であって、
   前記外管は、前記流体Ａの出口部側に設けられた螺旋形状の螺旋管と、前記螺旋管よりも管径の小さい平滑管と、を有し、
   前記螺旋管の長さは、前記外管の長さに対して３％から４８％の範囲であり、
   前記螺旋管の最小内径は、前記平滑管の最小内径と略同等であることを特徴とする熱交換器。
3. 前記流体Ａと前記流体Ｂの流れが対向流となるように構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 前記請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器を備えた給湯機。