CN102445101A

CN102445101A - 带内面槽的波纹管及换热器

Info

Publication number: CN102445101A
Application number: CN2011100438582A
Authority: CN
Inventors: 本间和彦; 小林隆一; 堀口贤; 谷中昭仁
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Sumikei Copper Tube Co.,Ltd.
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-05-09
Also published as: JP2012077917A

Abstract

本发明提供能够抑制压力损失并提高传热性能的带内面槽的波纹管及换热器。本发明的带内面槽的波纹管具备：具有内周面及外周面的主管；设置在内周面上的多个散热片；多个散热片之间的多个槽；以及设置在外周面上的波纹槽，在波纹槽的深度为Hc，主管的外径为OD的情况下，满足0.04≤Hc/OD，在多个散热片的高度为Hf，主管的最大内径为ID的情况下，满足0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037，在波纹槽的波纹间距为Pc的情况下，满足1.1≤Pc/ID。

Description

带内面槽的波纹管及换热器

技术领域

本发明涉及带内面槽的波纹管及换热器。特别是涉及作为本发明的自然冷却剂热泵式热水器(在下面，也有简称为“热泵热水器”的情况)的水-冷却剂换热器用传热管的带内面槽的波纹管及使用该带内面槽的波纹管的换热器。

背景技术

在以往，作为自然冷却剂热泵式热水器的换热器，已知有由流通水的外管与流通冷却剂的内管的双层管构成的双层管式换热器。在这样的双层管式换热器的情况下，若在流通冷却剂的内管上由腐蚀导致开孔，则水与冷却剂混合，因而有设置检测水或者冷却剂的泄漏并使装置停止的泄漏检测部(换句话说，具有泄漏检测槽的泄漏检测管)的情况(此外由于设置有泄漏检测管，实际上变为三层管结构。)。

另一方面，自然冷却剂热泵式热水器是在夜间耗时来烧开热水的热水器，水的流速较小，水流为层流。由此，为提高作为换热器的性能，需要提高水管的传热性能。此外，自然冷却剂热泵式热水器由贮热水箱单元与热泵单元构成，该自然冷却剂热泵式热水器是将自然冷却剂CO₂作为热泵单元的传热介质，与贮热水箱单元的水进行换热的装置。

作为以提高传热性能为目的换热器已知有如下结构的换热器，该换热器具备：带内面槽的波纹管，该带内面槽的波纹管在波纹槽深度为Hc，波纹外径为OD的情况下，满足0.04≤Hc/OD，在波纹槽与管轴的夹角为扭转角βc的情况下，满足βc≥40°，在内面槽的散热片高度为Hf，管的最大内径为ID的情况下，满足0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037；配置在带内面槽的波纹管的外侧的外管(例如，参照专利文献1。)。

根据如专利文献1所述的换热器，能够得到即使在自然冷却剂热泵式热水器那样的水的流速较小的使用形态下，也能够提高换热器的传热性能的换热器用传热管及使用该换热器用传热管的换热器。

专利文献1：日本特开2009-174833号公报

在此，日本从2006年开始施行修正节能法(涉及合理化使用能源的法律)采用APF取代COP作为节能的基准值。根据该修正法案，将评价基准从以往的仅对热泵的效率评价变为对包括贮热水单元的系统整体的效率评价。

由此，通过也使贮热水单元侧的消耗电力减少来提高APF的需求变得更高。具体而言，通过减少水管的压力损失，节省泵动力的能耗。并且，为了实现节能，要求水管的进一步的高性能化及低压力损失化。

发明内容

由此，本发明的目的在于，提供能够将压力损失抑制在较低水平并提高传热性能的带内面槽的波纹管及换热器。

用于解决问题的手段

(1)本发明以解决上述问题为目的，提供如下带内面槽的波纹管，具备：具有内周面及外周面的主管；设置在内周面上的多个散热片；多个散热片之间的多个槽；以及设置在外周面上的波纹槽，在波纹槽的深度为Hc，主管的外径为OD的情况下，满足0.04≤Hc/OD，在多个散热片的高度为Hf，主管的最大内径为ID的情况下，满足0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037，在波纹槽的波纹间距为Pc的情况下，满足1.1≤Pc/ID。

(2)此外，在上述带内面槽的波纹管中，Pc/ID也可以满足1.1≤Pc/ID≤2.0。

(3)此外，本发明以解决上述问题为目的，提供具备上述(1)或(2)所述的带内面槽的波纹管的换热器。

本发明的效果如下。

根据本发明的带内面槽的波纹管及换热器，能够提供降低压力损失并提高传热性能的带内面槽的波纹管及换热器。

附图说明

图1A是本发明的第一实施方式的带内面槽的波纹管的结构的概要图。

图1B(a)是图1A的B-B上的剖面的一部分的图，图1B(b)是图1A的A部分的部分放大剖视图。

图2是本发明的第二实施方式的换热器的结构的概要图。

图3是本发明的第三实施方式的换热器的结构的概要图。

图4是本发明的第四实施方式的换热器的结构的概要图。

图5是本发明的第五实施方式的换热器的结构的概要图。

图6是本发明的第六实施方式的换热器的结构的概要图。

图7是表示雷诺数Re为5000时的带内面槽的波纹管的Pc/ID与无因次化热传导率的关系(对比较例1的无因次化热传导率比)的图。

图8是表示雷诺数Re为5000时的波纹管的Pc/ID与压力损失的关系(对比较例1的管摩擦系数比)的图。

图9是表示雷诺数Re为5000时的Pc/ID与(无因次化热传导率比/压力损失比)的关系的图。

其中：

1-带内面槽的波纹管，2、3、4、5、6-换热器，10-主管，10a-内周面，10b-外周面，12-散热片，14-槽，16-波纹槽，16a-凸部，20-外管，30-泄漏检测管，32-泄漏检测槽，40-波纹外管，42-波纹槽，50-波纹外管，52-波纹槽，60-螺旋状传热管，100-管轴。

具体实施方式

(实施方式的简述)

带内面槽的波纹管是作为构成换热器的水管的带内面槽的波纹管，具有如下结构，具备：具有内周面及外周面的主管；设置在上述内周面上的多个散热片；上述多个散热片之间的多个槽；以及设置在上述外周面上的波纹槽，在上述波纹槽的深度为Hc，上述主管的外径为OD的情况下，满足0.04≤Hc/OD，在上述多个散热片的高度为Hf，上述主管的最大内径为ID的情况下，满足0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037，在上述波纹槽的波纹间距为Pc的情况下，满足1.1≤Pc/ID。

(第一实施方式)

(带内面槽的波纹管1的结构)

图1A表示本发明的第一实施方式的带内面槽的波纹管的结构的概要，图1B的(a)表示图1A的B-B的剖面的一部分，图1B的(b)表示图1A的A部分的部分放大剖视图。

第一实施方式的带内面槽的波纹管1例如是作为自然冷却剂热泵式热水器的水-冷却剂换热器所使用的传热管的带内面槽的波纹管。带内面槽的波纹管1在主管10的内周面10a上具有多个螺旋状的槽14，并且在主管10的外周面10b上具有螺旋状的波纹槽16，在设置有波纹槽16的外周面10b对应的位置的主管10的内周面10a处具有凸部16a。

具体而言，带内面槽的波纹管1具备：使用具有规定的传热率、规定的机械强度的金属材料构成，具有内周面10a及外周面10b的主管10；相对于主管10的管轴100具有规定的角度(即，内面槽扭转角)，并设置在内周面10a上的多个散热片12；设置在多个散热片12之间的多个槽14；以及设置在主管10的外周面10b上的波纹槽16。此外，能够由例如铜、铜合金、铝、铝合金等形成主管10。

在此，带内面槽的波纹管1在波纹槽16的深度为Hc，主管10的外径为OD的情况下，满足0.04≤Hc/OD，在多个散热片12的高度为Hf，主管10的最大内径为ID的情况下，满足0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037。此外，带内面槽的波纹管1在波纹槽16的波纹间距为Pc的情况下，满足1.1≤Pc/ID。此外，Pc/ID优选为满足1.1≤Pc/ID≤2.0。

在此，在图1A及图1B中，“Tw”为主管10(即，进行波纹加工之前的原管)的壁厚。该部分可以从未加工波纹槽的部分、例如波纹管的端部等进行确认。由此，主管10的外径“OD”相等于主管10的最大内径“ID”的和二倍的主管10的剖面的末端平滑部的壁厚“Tw”值相加的值。由此，ID能够定义为ID＝(OD-2×Tw)。此外，带内面槽的波纹管1的末端平滑部的壁厚Tw为例如0.4mm≤Tw≤1.7mm。

此外，带内面槽的波纹管1的波纹槽16与管轴100的夹角为扭转角βc。此外，根据上述的带内面槽的波纹管1的定义，扭转角βc在0°≤βc＜90°的范围内。扭转角βc的范围优选为40°≤βc≤82°。由此，能够促进越过波纹槽16的凸部16a的流体的紊流化。

(带内面槽的波纹管1的制造方法)

作为第一实施方式的带内面槽的波纹管1的制造方法的一个例子，能够举出在主管10的内周面10a上形成螺旋状的连续槽之后，对主管10的外周面10b进行波纹加工的方法。

具体而言，首先，将具有连续的螺旋状的多个槽的栓插入主管10。然后，一边对主管10进行从插入有栓的主管10拔出栓的拉拔加工，一边从主管10的外侧对插入栓的部分施加连续的负载，从而在主管10的内面上滚压栓形状形成内面槽(换句话说，槽14)。接下来，通过在主管10的长度方向上以均速移动主管10，同时对外周面10b以圆盘状的盘进行压入波纹加工，从而形成波纹槽16。通过这样的加工方法，能够将进行波纹加工的主管10的外周面10b视为弯曲较少的平滑面。

(第一实施方式的效果)

由于第一实施方式的带内面槽的波纹管1满足0.04≤Hc/OD，并满足0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037，并满足1.1≤Pc/ID，因此能够大幅减少在带内面槽的波纹管1中的压力损失，由此能够大幅提高(无因次化热传导率比/压力损失比)。

(第二实施方式)

图2表示本发明的第二实施方式的换热器的结构的概要。

第二实施方式的换热器2(换句话说，双层管式换热器)以第一实施方式的带内面槽的波纹管1作为内管，在覆盖内管的外侧具备外管20。并且，在带内面槽的波纹管1的外表面与外管20的内表面之间设置有冷却剂流动的环路。

(第三实施方式)

图3表示本发明的第三实施方式的换热器的结构的概要。

第三实施方式的换热器3(换句话说，三层管式换热器)是以第一实施方式的带内面槽的波纹管1作为内管，以在内管的外侧形成泄漏检测部(换句话说，泄漏检测槽32)的方式将由平滑管构成的泄漏检测管30配置为在覆盖内管的外侧。此外，外管20配置在覆盖泄漏检测管30的外侧，在泄漏检测管30与外管20之间设置有冷却剂流动的环路。

(第四实施方式)

图4表示本发明的第四实施方式的换热器的结构的概要。

第四实施方式的换热器4与第二实施方式的换热器2相比，除了波纹外管的形状不同的点之外，具备与第二实施方式的换热器2大致相同的结构及功能。由此，省略除不同点以外的详细的说明。

换热器4所具备的波纹外管40在外表面上具有波纹槽42。由此，能够提高波纹外管40的挠性。

(第五实施方式)

图5表示本发明的第五实施方式的换热器的结构的概要。

第五实施方式的换热器5与第三实施方式的换热器3相比，除了波纹外管的形状不同的点之外，具备与第三实施方式的换热器3大致相同的结构及功能。由此，省略除不同点以外的详细的说明。

换热器5所具备的波纹外管50在外表面具有波纹槽52。由此，能够提高波纹外管50的挠性。

(第6实施方式)

图6表示本发明的第6实施方式的换热器的结构的概要。

第6实施方式的换热器6构成为沿设置在第一实施方式的带内面槽的波纹管1的外周面10b上的波纹槽16卷绕有冷却剂流通用的螺旋状传热管60的结构。此外，如有必要，能够以钎焊等固定波纹槽16与螺旋状传热管60。

在换热器6中，在带内面槽的波纹管1之内流动的水与在接触于带内面槽的波纹管1的外周的、在螺旋状传热管60之内流动的冷却剂之间进行热交换。通过沿波纹槽16卷绕螺旋状传热管60，在起到第一实施方式的带内面槽的波纹管1的效果之外，能够增大带内面槽的波纹管1与螺旋状传热管60的有效接触面积(换言之，有效传热面积)。

如上所述，根据第一实施方式的带内面槽的波纹管1至第6的实施方式的换热器，在自然冷却剂热泵式热水器的水-冷却剂换热器中，能够保持同等的压力损失并提高传热性能。

(实施例1)

已制成实施例1及实施例2和比较例1及比较例2的带内面槽的波纹管。在表1中表示了实施例1及实施例2和比较例1及比较例2的带内面槽的波纹管的结构。

表1

实施例1及实施例2和比较例1及比较例2的传热管都作为主管的材质使用了磷脱氧铜。并且，比较例1～2及实施例1～2均将主管的外径(OD)设为12.7mm。此外，比较例1是未设有内面槽的波纹管，比较例2及实施例1～2是具有相同形状的内面槽、但波纹间距Pc不同的带内面槽的波纹管。

在此，为评价传热性能用一般常用的无因次化热传导率来评价各带内面槽的波纹管的特性。即，由于无因次化热传导率与流体的物理性能的影响相互抵消，因此定义为以努塞特数Nu除以普朗特数Pr的0.4倍乘积的值(无因次化热传导率a：Nu/Pr^0.4)。

此外，若在管内热传导率为αi，圆管的等价直径为De，水的传热率为λ，则Nu定义为1/αi＝De/Nu·λ，用于传热性能的指标。另外，努塞特数Nu及普朗特数Pr是由在管内流动的水的质量流量、温度变化及压力决定的无因次数。在实施例中，该无因次化热传导率a用于评价。即，比较例2及实施例1～2的无因次化热传导率a对于比较例1的未设有内面槽的波纹管的无因次化热传导率a之比作为性能的指标。同样地，实施例的压力损失对于比较例的压力损失之比作为压力损失的指标。

(实施例及比较例的波纹管的无因次化热传导率与压力损失的评价)

图7表示在雷诺数Re为5000时，带内面槽的波纹管的Pc/ID与无因次化热传导率的关系(相对于比较例1的无因次化热传导率比)。

即，在雷诺数Re为5000时，在横轴上表示比较例2及实施例1～2的带内面槽的波纹管的Pc/ID，在纵轴上表示比较例2及实施例1～2相对于比较例1的未设有内面槽的波纹管的无因次化热传导率比。在此，将雷诺数Re设定为5000的理由在于，由于在实际中将带内面槽的波纹管用于换热器时，雷诺数Re从1000左右至9000左右连续地变化，在实施例中设定为中间值的雷诺数Re5000。

图8表示在雷诺数Re为5000时，波纹管的Pc/ID与压力损失的关系(相对于比较例1的管摩擦系数比)。

即，在雷诺数Re为5000时，在横轴上表示比较例2及实施例1～2的带内面槽的波纹管的Pc/ID，在纵轴上表示比较例2及实施例1～2的相对于比较例1的未设有内面槽的波纹管的压力损失比。在此，能够在如图1A所示的带内面槽的波纹管1的两端部使用差压计来测定压力损失。

根据图7可明确得知，无因次化热传导率比随着Pc/ID的增加而减少。这是由于单位长度对应的波纹数减少而使在带内面槽的波纹管的内表面上的波纹槽起到的对水流的搅拌效果变小。

此外，在图8中，压力损失比也与图7同样地随着Pc/ID增加而减少。这是由于单位长度对应的波纹数减少而使表面粗糙度也减少。在此，管摩擦系数为以ΔP＝λ×L/de×(ρ×v2)/2的关系式规定的无因次数λ，其大小由管内面的表面粗糙度决定。此外，ΔP为传热管的压力损失，L为传热管长度，de为传热管的等价直径(4×流路面积/湿周长度长度)，ρ为流体的密度，v为流体的流速。

图9表示在雷诺数Re为5000时，Pc/ID与(无因次化热传导率比/压力损失比)的关系。

根据图9可明确得知，在Pc/ID≥1.1时，实施例的带内面槽的波纹管的(无因次化热传导率比/压力损失比)超过100％。由此，可知相对于比较例1，实施例的带内面槽的波纹管的性能较为优良。另外，在1.1≤Pc/ID≤2.0中，实施例的带内面槽的波纹管的无因次化热传导率比也变为100％以上，可以说更为适合在实际中作为换热器使用。

在实施例1及实施例2中，在下面说明在波纹间距Pc变大的情况下(无因次化热传导率比/压力损失比)超过100％的理由。

首先，带内面槽的波纹管的传热促进效果的原因如下，在主管内流动的水越过由波纹形成的主管内的凸部而被紊流化，并与以由内周面的槽增加表面积的波纹槽夹有的区域(多个凸部之间)接触。波纹间距Pc越大，换句话说，随着对应于带内面槽的波纹管的单位长度的压力损失变小，波纹槽所夹有的区域的粘性底层增加，随散热片高度方向的有效传热面积减少，该传热促进效果减少。

另一方面，若由波纹槽夹有的区域的面积增加，在水越过由波纹槽16所形成的主管的内侧的凸部而被紊流化之后，该水接触的水流方向的有效传热面积增加。

由此，在本实施例中，即使在波纹间距Pc变大的情况下，由于能够将粘性底层的增加而使散热片的高度方向的有效传热面积的减少量以水流方向的有效传热面积的增大而抵消，因此与压力损失比的降低相比，无因次化热传导率比没有大幅降低。由此，在本实施例中，在波纹间距Pc变大的情况下能够提高(无因次化热传导率比/压力损失比)。

进而，发明人在3000≤Re≤7000的情况下也确认了在Pc/ID≥1.1时，(无因次化热传导率比/压力损失比)超过比较例1。

虽然在上面说明了本发明的实施方式及实施例，但专利权利要求的范围相关的发明并不局限于上述所述的实施方式及实施例。此外，需要留意在实施方式及实施例中说明的特征的全部组合并不限于发明的用于解决问题所必须的手段。

Claims

1.一种带内面槽的波纹管，其特征在于，

具备：

具有内周面及外周面的主管；

设置在上述内周面上的多个散热片；

上述多个散热片之间的多个槽；以及

设置在上述外周面上的波纹槽；

在上述波纹槽的深度为Hc，上述主管的外径为OD的情况下，满足0.04≤Hc/OD，

在上述多个散热片的高度为Hf，上述主管的最大内径为ID的情况下，满足0.022{30.7×(Hc/OD)+1.13}^(-0.5)≤Hf/ID≤0.037，

在上述波纹槽的波纹间距为Pc的情况下，满足1.1≤Pc/ID。

2.如权利要求1所述的带内面槽的波纹管，其特征在于，

上述Pc/ID满足1.1≤Pc/ID≤2.0。

3.如权利要求1所述的带内面槽的波纹管，其特征在于，

上述主管的壁厚Tw满足0.4mm≤Tw≤1.7mm。

4.如权利要求1所述的带内面槽的波纹管，其特征在于，

作为上述波纹槽与管轴的夹角的扭转角βc满足40°≤βc≤82°。

5.如权利要求1所述的带内面槽的波纹管，其特征在于，

上述主管的外径OD为12.7mm。

6.如权利要求1所述的带内面槽的波纹管，其特征在于，

上述波纹槽的深度Hc为0.7mm。

7.如权利要求1所述的带内面槽的波纹管，其特征在于，

上述散热片的高度Hf为0.2mm。

8.一种换热器，其特征在于，

该换热器具备权利要求1至7所述的带内面槽的波纹管。