CN103562665A

CN103562665A - 换热器以及使用了该换热器的热泵

Info

Publication number: CN103562665A
Application number: CN201280024474.9A
Authority: CN
Inventors: 森田健一; 木户长生; 铃木基啓; 町田和彦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: EP2735832A4; EP2735832A1; CN103562665B; JPWO2013014899A1; EP2735832B1; WO2013014899A1; JP6037235B2

Abstract

换热器(100)具备多个换热部(10)。换热部(10)由包含2根内管(24)的内管集合体(26)以及外管(28)构成。由外管(28)的内径Φin的一半与内管(24)的外径Φout之差((Φin/2)-Φout)表示的间隙的宽度G满足0<G≤0.8(单位：mm)。表示换热部(10)的数量的通路数N与外管(28)的内径Φin(单位：mm)满足下述的关系(1)～(5)中的任意一个。(1)N＝4且8.20≤Φin≤9.50，(2)N＝5且7.58≤Φin≤8.90，(3)N＝6且7.14≤Φin≤8.50，(4)N＝7且6.78≤Φin≤8.20，(5)N＝8且6.52≤Φin≤7.90。

Description

换热器以及使用了该换热器的热泵

技术领域

本发明涉及一种换热器以及使用了该换热器的热泵。

背景技术

一直以来广泛使用一种用于在两种流体(例如，水与制冷剂、空气与制冷剂)之间进行换热的换热器。

例如，专利文献1中记载了具备内管以及外管的双重管式换热器。如专利文献1的图6中的记载所示，专利文献1的换热器具备2根双重管和集管。通过集管并列连接有2根双重管。双重管分别由一个外管以及两个内管构成。

专利文献2中记载了具备具有矩形的流道的框体和配置在框体的内部的流道的传热管的换热器。专利文献2中记载的换热器与专利文献1中记载的换热器的共通点在于，具有在一方的流体的流道配置有具有另一方的流体的流道的管的构造。

本说明书中，将具有在一方的流体的流道配置有另一方的流体的流道的构造的换热器称为“双重流道式换热器”。

【在先技术文献】

【专利文献】

专利文献1：专利第4414197号说明书

专利文献2：特开2005-24109号公报

发明内容

【发明要解决的课题】

专利文献1以及2中记载的换热器由铜、不锈钢等金属制成，因此非常重。因此，期望一种更轻量的双重流道式换热器。

鉴于上述课题，本发明的目的在于提供一种用于使双重流道式换热器轻量化的技术。

【用于解决课题的手段】

即，本公开提供一种换热器，其为使第一流体与第二流体换热的换热器，具备：

多个换热部，其分别具有第一流道以及第二流道；

第一集管，其以将所述第一流体向所述第一流道引导并从所述第二流道聚集所述第二流体的方式设置在所述多个换热部的一端部；

第二集管，其以从所述第一流道聚集所述第一流体并将所述第二流体向所述第二流道引导的方式设置在所述多个换热部的另一端部，

所述换热部由如下的两部分构成，即，(i)内管集合体，其包含分别具有所述第一流道的2根内管，并通过使所述2根内管以螺旋状扭转而形成；(ii)包装体，其以在本身的内周面与所述内管集合体的外周面之间形成所述第二流道的方式将所述内管集合体收纳，

表示在所述第一集管与所述第二集管之间配置的所述换热部的数量的通路数N为4～8，

由所述包装体的内径Φin的一半与所述内管的外径Φout之差((Φin/2)-Φout)表示的间隙的宽度G满足0<G≤0.8，G的单位是mm，

所述通路数N与所述包装体的内径Φin满足下述的关系(1)～(5)中的任意一个，Φin的单位是mm，

(1)N＝4，8.20≤Φin≤9.50，

(2)N＝5，7.58≤Φin≤8.90，

(3)N＝6，7.14≤Φin≤8.50，

(4)N＝7，6.78≤Φin≤8.20，

(5)N＝8，6.52≤Φin≤7.90。

【发明效果】

根据本公开，通过适当规定包装体的内径Φin、间隙的宽度G以及通路数N的关系，虽然具有与以往的双重流道式换热器同等的换热能力，但能够提供轻量化的换热器。

附图说明

图1为本发明的一实施方式所涉及的换热器的概略俯视图。

图2为图1所示的换热器中使用的换热部的截面图。

图3为内管集合体的简略图。

图4为热泵供热水器的结构图。

图5为表示模拟的结果的坐标图。

图6为表示模拟的结果的另一坐标图。

图7为表示模拟的结果的又一坐标图。

图8为表示模拟的结果的再一坐标图。

具体实施方式

专利文献1的换热器由于在中央部分具有大的空间，因此相比换热能力而言具有较大的尺寸(参照图3等)。专利文献1的换热器的尺寸例如大部分决定于角部分的曲率半径。越减小角部分的曲率半径，越能够减小整体的尺寸。但是，角部分的曲率半径根据双重管的粗细等存在必然的限度。因此，通过双重管的弯曲形状的设计来推进小型化是几乎不可能的。

本发明者们通过计算机模拟来研究了使换热能力保持一定值而使双重流道式换热器的流道数(相当于专利文献1的双重管数)、外管的内径、外管与内管之间的间隙的宽度等变化时换热器的重量如何变化。其结果发现，当流道数、外管的内径以及间隙的宽度取特定值时，能够减轻换热器的重量。根据这种实验结果，本发明者们公开以下的内容。

本公开的第一方式提供一种换热器，其为使第一流体与第二流体换热的换热器，具备：

多个换热部，其分别具有第一流道以及第二流道；

(1)N＝4，8.20≤Φin≤9.50，

(2)N＝5，7.58≤Φin≤8.90，

(3)N＝6，7.14≤Φin≤8.50，

(4)N＝7，6.78≤Φin≤8.20，

(5)N＝8，6.52≤Φin≤7.90。

根据第一方式，在本公开的第二方式提供的换热器中，所述间隙的宽度G满足0.16≤G≤0.8。由此，能够顺畅地将内管集合体放入包装体中。

根据第一或第二方式，在本公开的第三方式提供的换热器中，所述内管以及所述包装体分别由铜管构成。由此，能够有效地进行第一流体与第二流体之间的换热。

根据第一或第二方式，在本公开的第四方式提供的换热器中，所述内管由铜管构成，所述包装体由树脂制成。当由树脂制成包装体时，存在能够提供更轻量的换热器的可能性。

根据第一～第四方式中的任意一种方式，在本公开的第五方式提供的换热器中，所述内管为由内面平滑管和设置在所述内面平滑管的外侧且带有内面槽的管构成的漏泄检测管。通过漏泄检测管，即便万一内面平滑管损坏，也能够防止第一流体向第二流道流出。

根据第一～第五方式中的任意一种方式，在本公开的第六方式提供的换热器中，所述第一流体为二氧化碳，所述第二流体为水。当将二氧化碳作为制冷剂使用时，能够将水加热至接近沸点的温度。

本公开的第七方式提供一种热泵，具备：

压缩机，其压缩制冷剂；

散热器，其由第一～第六方式中的任意一种方式所述的换热器构成，将压缩后的制冷剂冷却；

膨胀机构，其使冷却后的制冷剂膨胀；

蒸发器，其使膨胀后的制冷剂蒸发；

水回路，其使水在所述散热器循环。

通过使用第一～第六方式中的任意一种方式所述的换热器，能够提高热泵的效率。

以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，并非通过以下的实施方式对本发明进行限定。

如图1所示，本实施方式的换热器100具备多个换热部10、第一集管16以及第二集管22。第一集管16以及第二集管22分别设置在多个换热部10的一端部以及另一端部。

如图2所示，换热部10由内管集合体26以及外管28(包装体)构成。内管集合体26包含2根内管24。2根内管24分别具有第一流道24h。如图3所示，通过将这2根内管24扭转成螺旋状而形成内管集合体26。内管集合体26配置在外管28中。由此，在外管28的内周面与内管集合体26的外周面之间形成第二流道28h。典型的第一流道24h的截面形状以及第二流道28h的截面形状是圆形。

对内管集合体26而言，螺旋间距以及螺旋角并不受特别的限定。螺旋间距例如调节在20～65mm的范围。螺旋角例如调节在13～26°的范围。虽然优选在某种程度上较大的螺旋角，然而根据内管24的外径而存在加工限度。如图3所示，“螺旋间距”指扭转的内管24的1个周期量的长度。“螺旋角”为如下定义的角度。在俯视观察内管集合体26时，定义内管集合体26的中心线L₁和在内管集合体26的腹部的位置处的两个内管24的接点Φ。另外，以通过接点Φ的方式定义内管24的切线L₂。将中心线L₁与切线L₂所成角度定义为“螺旋角”。

如图1所示，第一集管16由出口集管12以及入口集管14构成。第一集管16起到从第二流道28h聚集第二流体并将第一流体向第一流道24h引导的作用。第二集管22由入口集管18以及出口集管20构成。第二集管22起到将第二流体向第二流道28h引导并从第一流道24h聚集第一流体的作用。当使第一流体在第一流道24h流动并使第二流体在第二流道28h流动时，在第一流体与第二流体之间进行换热。

第一流体的一例为二氧化碳等制冷剂，第二流体的一例为水。二氧化碳作为GWΦ(Global WarmingΦotential)低的制冷剂而适于热泵。当将二氧化碳作为制冷剂使用时，能够将水加热至接近沸点的温度。但是，进行换热的两种流体并不限定于此。也可以取代水，而将油、盐水等作为第二流体使用。而且，制冷剂也可以使用氟化烃等氟制冷剂。

例如，专利文献1(图6)中记载了第一集管16以及第二集管22的详细构造。

在本实施方式中，内管24以及外管28分别由铜管构成。由此，能够有效地进行第一流体与第二流体之间的换热。

第二流道28h也可以由具有管以外的形状的构件形成。这种构件既可以由金属制成，也可以由金属以外的材料制成。例如，可以由铜管制成内管24，而由树脂制成相当于外管28的构件(包装体)。当由树脂制成相当于外管28的构件时，存在能够提供更轻量的换热器的可能性。

例如，可以由聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚四氟乙烯、聚砜、聚醚砜、聚芳酯、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、液晶聚合物、聚丙烯等树脂制成相当于外管28的构件。这些树脂(热塑性树脂)具有优异的耐热性以及化学耐久性，而且即使接触水也难以劣化。外管28还可以由包含玻璃填料等强化材料的树脂制成。

如图2所示，内管24为由内面平滑管32和设置在内面平滑管32的外侧且带有内面槽的管30构成的漏泄检测管。内面平滑管32的外径与带有内面槽的管30的内径相等。通过漏泄检测管，即便万一内面平滑管32损坏，也能够防止第一流体向第二流道28h流出。但是，内管24未必是漏泄检测管。内管24也可以仅由内面平滑管32构成。而且，也可以在内管24的表面形成凹陷(凹凸)。这种凹陷使内管24的表面的热传导率提高。

如图1所示，在本实施方式中，表示配置在第一集管16与第二集管22之间的换热部10的数量的通路数N为4。根据外管28的内径以及内管24的外径，也可以在4～8的范围适宜变更通路数N。

如专利文献1(专利第4414197号说明书)的图6中记载的那样，以往的双重流道式换热器的通路数N例如为2。当增大通路数N时，流道面积与通路数成比例地增大，因此压力损失大幅度降低。但是，由于流体的流速下降，热传导率也降低。而为了补偿热传导率的降低所造成的换热能力的降低，需要适当设计每根通路的流道的长度。即使将通路数N增大至2倍，也无法使每根通路的长度达到一半。因此，仅单纯地增加通路数，无法得到减轻双重流道式换热器的重量的效果。

本发明者们通过计算机模拟具体研究了流道数(通路数)、外管的内径以及间隙的宽度的关系。其结果查明，当这些参数取特定值时，虽然具有与以往的双重流道式换热器同等的换热能力，但够提供轻量化的换热器。

具体而言，本实施方式的换热器100满足下述的关系。首先，通路数N处于4～8的范围。外管28的内径Φin处于6.52～9.50mm的范围。由外管28的内径Φin的一半与内管24的外径Φout之差((Φin/2)-Φout)表示的间隙的宽度G满足0<G≤0.8(单位：mm)。另外，通路数N与外管28的内径Φin(单位：mm)满足下述的关系(1)～(5)中的任意一个。从图2可知，内管集合体26的外径等于内管24的外径Φout的2倍。

(1)N＝4，8.20≤Φin≤9.50

(2)N＝5，7.58≤Φin≤8.90

(3)N＝6，7.14≤Φin≤8.50

(4)N＝7，6.78≤Φin≤8.20

(5)N＝8，6.52≤Φin≤7.90

通路数N越增加，钎焊部位越增加，或者集管16以及22的构造变得越复杂。当通路数N超过8时，即使能够实现轻量化也难以实现大量生产。而且，当通路数N过大时，难以向各个换热部10均匀地流通第一流体以及第二流体。因此，优选通路数N处于4～8的范围。

当间隙的宽度G为零时，不能将内管集合体26放入外管28中。因此，必须使间隙的宽度G大于零。优选间隙的宽度G在0.16mm以上。另一方面，当间隙的宽度G超过0.8mm时，内管24的表面的热传导率下降，从而可能造成换热性能的降低明显化。因此，优选间隙的宽度G的上限值为0.8mm。

当外管28的内径Φin以及间隙的宽度G确定时，内管24的外径Φout确定。通过减小外管28的内径Φin和/或内管24的外径Φout，此外通过减小外管28的壁厚和/或内管24的壁厚，能够实现换热器100的轻量化。但是，从安全性角度考虑，需要使内管24以及外管28分别具备一定的壁厚。从耐腐蚀性角度考虑，将检测管30的壁厚(无槽部分的厚度)调节在例如0.5～0.7mm的范围。从同样的角度出发，将外管28的壁厚调节在例如0.5～0.7mm的范围。将内面平滑管32的壁厚调节在例如0.2～0.4mm的范围。另外，就内面平滑管32(制冷剂管)而言，要求可承担制冷剂(第一流体)的压力的厚度。当内面平滑管32的厚度过厚时，会对换热器100的重量、成本、制冷剂的压力损失等造成影响。因此，可以将内面平滑管32的厚度规定在内面平滑管32本身的外径的例如12～20％(优选为12～16％)的范围。

换热器100的换热能力并不受特别的限定，例如，处于4.5～6.0kW的范围。当换热器100具有这种大小的换热能力时，能够将换热器100适当使用于一般家庭用的热泵。当然，在要求更进一步的换热能力时，可以并列使用两台换热器100。

如图1所示，在本实施方式中，换热部10未弯曲。虽然与通路数N有关，但换热部10具有2～5米的长度。因此，在本实施方式的换热器100中，可以使换热部10以漩涡状弯曲。通过使换热部10使用细管能够减小弯曲半径，从而可能使死区减小。

接下来，说明换热器100的用途。图4为能够采用换热器100的热泵供热水器200的结构图。

热泵供热水器200具备热泵单元201以及罐单元203。由热泵单元201制成的热水存储在罐单元203。从罐单元203向供热水栓204供给热水。热泵单元201具备：压缩制冷剂的压缩机205、冷却制冷剂的散热器207、使制冷剂膨胀的膨胀机构209、使制冷剂蒸发的蒸发器211以及将这些设备依次连接的制冷剂管213。典型的膨胀机构209为膨胀阀。也可以取代膨胀阀，而使用可回收制冷剂的膨胀能量的容积式膨胀机。散热器207可以使用换热器100。罐单元203具备热水存储罐215以及水回路217。水回路217起到使水在散热器207循环的作用。

【实施例】

以参照图1～3说明的换热器为对象，通过计算机模拟计算了将外管的内径Φin固定为7.06mm或8.6mm而使通路数N变化时的重量。间隙的宽度G固定为0.4mm。作为参照例，准备了通路数N为2而外管的内径Φin为10.8mm的换热器的计算结果。使换热能力维持参照例的值(约4.7kW)而使通路数N变化。即，设定换热部的长度(外管的长度)以发挥与参照例相同的换热能力。模拟的条件如下。

解析用软件：REFΦROΦVersion7.0

水的流量：1.4kg/分钟

水的温度.17℃

制冷剂的种类：CO₂

制冷剂的温度(入口)：87℃

制冷剂的温度(出口).20℃

制冷剂的压力：9.6MΦa

外管以及内管的材料：铜

结果如表1以及表2所示。表1为Φin＝7.06mm的结果。表2为Φin＝8.6mm的结果。

[表1]

[表2]

如表1的合计重量的项目所示，在Φin＝7.06mm时，仅8通路的换热器比参照例轻。如表2的合计重量的项目所示，在Φin＝8.6mm时，仅4通路的换热器比参照例轻。

接下来，将间隙的宽度G固定在0.4mm，并研究了外管的内径Φin与通路数N的各种组合。而且，提取了比参照例轻的换热器的外管的内径Φin与通路数N的组合。表3表示其结果。

[表3]

图5以及图6的坐标图表示表3的结果。图5的坐标图的横轴表示通路数N，纵轴表示重量。在图5中，最左边的标记与参照例对应。图6的坐标图的横轴表示外管的内径Φin，纵轴表示通路数N。如图6所示，为了维持与参照例同等的换热能力并实现轻量化，需要根据通路数N适当选择外管的内径Φin。

如表3以及图5所示，当间隙的宽度G为0.4mm时，在Φin＝6.82mm以及9通路的条件下换热器的重量最小。但是，当通路数N超过8时，存在生产性降低的顾虑。

接下来，在(a)间隙的宽度G为0.8mm时，(b)间隙的宽度G为0mm时，(c)使间隙的宽度G最优化时的各条件下，研究了外管的内径Φin与通路数N的各种组合。表4表示(a)的情况的结果。表5表示(b)的情况的结果。表6表示(c)的情况的结果。另外，图7的坐标图表示表3～6的结果。

[表4]

[表5]

[表6]

当间隙的宽度G超过0.8mm时，可能造成内管的表面的热传导率下降，从而导致换热性能的降低明显化。因此，对超过0.8mm的范围未进行模拟。另一方面，间隙的宽度G的下限值并不受特别的限定，如表6所示，当使间隙的宽度G最优化时，相比参照例，能够最大限度地减小换热器的重量。

即，在使第二流体(水)的压力损失不超过一定值的范围内使间隙的宽度G最优化时的数据表示能够使换热器的重量最小化的间隙的宽度G。因此，能够将间隙的宽度G最优化时的数据作为适当的下限值处理。另外，在表6中，间隙的宽度G的最小值为0.16mm，此时的通路数N为8。

由间隙的宽度G为0mm时的数据可知，当间隙的宽度G接近0mm时需要抑制水侧的压力损失，因此需要增加外管的内径Φin。其结果为，间隙的宽度G为0mm时的外管的内径Φin大于间隙的宽度G为0.4mm时的外管的内径Φin。

如图7所示，当N＝4时，只要满足8.20≤Φin≤9.50，即可维持与参照例同等的换热能力并减轻双重流道式换热器的重量。同样，通过在N=5时满足7.58≤Φin≤8.90，在N=6时满足7.14≤Φin≤8.50，在N=7时的满足6.78≤Φin≤8.20，在N＝8时满足6.52≤Φin≤7.90，也能够降低双重流道式换热器的重量。

另外，由于在本模拟中将检测管与内管作为一体的管处理，因此检测管的存在不影响模拟的结果。检测管的壁厚固定为0.68mm，然而在不存在检测管的情况下，为了提高耐腐蚀性而需要增加内面平滑管的壁厚。

接下来，将外管的材料变更为以30重量％的比例包含玻璃填料的聚苯硫醚(ΦΦS)，并实施了与得到表3的结果的模拟相同的模拟。表7以及图8表示结果。与表3以及图5同样，表7的最左边的列以及图8的最左边的标记与参照例对应。

[表7]

如表7以及图8所示，在使用了树脂制的外管的情况下，与使用了铜制的外管的情况同样，在Φin＝6.82mm以及9通路的条件下换热器的重量最小。图8的坐标图表示出与图5的坐标图相同的趋势。其表示关于使用了铜制的外管的换热器而导出的结论(参照图7)也适用于使用了树脂制的外管的换热器。

产业上的可利用性

本发明的换热器能够用于热泵式供热水器、热水制暖装置等设备。

Claims

1.一种换热器，其为使第一流体与第二流体换热的换热器，具备：

多个换热部，其分别具有第一流道以及第二流道；

(1)N＝4，8.20≤Φin≤9.50，

(2)N＝5，7.58≤Φin≤8.90，

(3)N＝6，7.14≤Φin≤8.50，

(4)N＝7，6.78≤Φin≤8.20，

(5)N＝8，6.52≤Φin≤7.90。

2.如权利要求1所述的换热器，其中，

所述间隙的宽度G满足0.16≤G≤0.8。

3.如权利要求1所述的换热器，其中，

所述内管以及所述包装体分别由铜管构成。

4.如权利要求1所述的换热器，其中，

所述内管由铜管构成，所述包装体由树脂制成。

5.如权利要求1所述的换热器，其中，

所述内管为由内面平滑管和设置在所述内面平滑管的外侧且带有内面槽的管构成的漏泄检测管。

6.如权利要求1所述的换热器，其中，

所述第一流体为二氧化碳，所述第二流体为水。

7.一种热泵，具备：

压缩机，其压缩制冷剂；

散热器，其由权利要求1所述的换热器构成，将压缩后的制冷剂冷却；

膨胀机构，其使冷却后的制冷剂膨胀；

蒸发器，其使膨胀后的制冷剂蒸发；

水回路，其使水在所述散热器循环。