JP2003343995A - 伝熱管 - Google Patents

伝熱管

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JP2003343995A
JP2003343995A JP2002157063A JP2002157063A JP2003343995A JP 2003343995 A JP2003343995 A JP 2003343995A JP 2002157063 A JP2002157063 A JP 2002157063A JP 2002157063 A JP2002157063 A JP 2002157063A JP 2003343995 A JP2003343995 A JP 2003343995A
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heat transfer
tube
transfer tube
pipe
heat exchanger
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Takayasu Kisaragi
隆康 木皿儀
Masatomo Gomibuchi
政智 五味渕
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Sumitomo Light Metal Industries Ltd
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Sumitomo Light Metal Industries Ltd
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/10Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/0008Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one medium being in heat conductive contact with the conduits for the other medium
    • F28D7/0016Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one medium being in heat conductive contact with the conduits for the other medium the conduits for one medium or the conduits for both media being bent

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 給湯機用熱交換器、とくに二酸化炭素(CO
2 )を主体とする冷媒を用いる給湯機用熱交換器の高性
能化、小型化(コンパクト化)、低コスト化の達成を可
能とする伝熱管を提供する。 【解決手段】 外管内に、螺旋状に撚り合わされた複数
の内管が装着されて、外管内に複数の流路が形成される
とともに、前記内管内の流路および/または外管と内管
との間隙で形成される流路に螺旋状の捩りテープが装入
されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、伝熱管、とくに給
湯用熱交換器の伝熱素子、その中でも炭酸ガスを主成分
とする冷媒を用いる給湯用熱交換器の伝熱素子としてと
くに好適に使用できる伝熱管に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、給湯用熱交換器の伝熱素子として
は、外管内に内管を装着した二重管式伝熱管を用い、内
管内に水道水、内管と外管との間隙にフロン系冷媒を対
向流となるように流すことにより熱交換を行っている。
【0003】近年、このようなヒートポンプの作動流体
として、オゾン層保護や地球温暖化防止の観点から温暖
化係数の低い自然作動冷媒が注目されており、これらの
冷媒を利用したヒートポンプの開発が行われており、発
明者らは、自然作動冷媒として二酸化炭素(CO2 )を
使用する給湯用熱交換器の伝熱管について検討を行って
きた。CO2 を使用する給湯器では、高圧高温のガス条
件が得られることから、単段の熱交換器だけで一気に7
〜90℃まで加熱することができるという特徴を有す
る。
【0004】CO2 のように比較的粘性係数が小さい冷
媒では、流動抵抗が小さくなり、細径管が有利であるこ
とから、例えば内径が1mm以下の極細管の使用が試み
られている。
【0005】しかしながら、極細管を使用した場合に
は、性能は高くなるものの、伝熱面積自体も小さくなる
ため、管本数を増やす必要が生じ、細管は加工工数が多
くコスト的に不利となるという難点がある。
【0006】また、給湯用熱交換器の伝熱素子として用
いられている同心円型の二重管式伝熱管においては、フ
ロン系冷媒を使用した場合には、圧力損失や熱バランス
的にマッチした構造となっているが、低粘性物性をそな
えた高密度の二酸化炭素冷媒の場合には、そのまま使用
した場合体積流量が小さくなり、流れが層流になり易
く、熱伝達率が低下するという問題があり、二酸化炭素
冷媒の特性に好適な伝熱管が望まれている。
【0007】一方、伝熱管の性能を向上させるための手
法として、管内に螺旋溝を形成したり、あるいは複数の
管を互いに螺旋状に撚り合わせて、流体に乱流を生ぜし
めたり(特開平11−221615号公報、特開200
1−239316号公報)、伝熱管の長さ方向に延びる
帯板を捩って螺旋状とした捩り板を挿入して、流体に旋
回流を与える(特開平11−23180号公報)など、
種々の方法が提案されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、給湯用熱交
換器の伝熱管、とくに冷媒として二酸化炭素(CO2
を使用する給湯用熱交換器の伝熱管における上記従来の
問題点を解消するために、上記の手法により熱交換性能
を高めた各種伝熱管およびその組み合わせと、これらの
伝熱管を、とくに、CO2 冷媒を使用した給湯用熱交換
器に組み込んだ場合の熱交換性能との関連性について、
多角的に検討を重ねた結果としてなされたものであり、
その目的は、高伝熱性能、小型化(コンパクト化)が達
成でき、コスト的にも有利な伝熱管、とくに、CO2
使用する給湯用熱交換器の伝熱管として好適な伝熱管を
提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の請求項1による伝熱管は、外管内に、螺旋
状に撚り合わされた複数の内管が装着されて、外管内に
複数の流路が形成されるとともに、前記内管内の流路お
よび/または外管と内管との間隙で形成される流路に螺
旋状の捩りテープが装入されていることを特徴とする。
【0010】請求項2による伝熱管は、請求項1におい
て、螺旋状に撚り合わされた複数の内管の捩りピッチP
o と内管の外径Di との比(Po /Di )が10以上5
0未満であることを特徴とする。
【0011】請求項3による伝熱管は、請求項1または
2において、内管内の流路および/または外管と内管と
の間隙で形成される流路に装入されている螺旋状の捩り
テープの捩りピッチPi と内管の外径Di との比(Pi
/Di )が1以上10未満であることを特徴とする。
【0012】請求項4による伝熱管は、請求項1〜3の
いずれかにおいて、外管内に、螺旋状に撚り合わされた
2〜8本の内管が装着されていることを特徴とする。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明による伝熱管は、給湯用熱
交換器の伝熱素子、とくに、二酸化炭素を主成分とする
冷媒を用いる給湯用熱交換器の伝熱素子として好適に使
用されるものであるが、空調機器、各種プラントなどの
熱交換器の伝熱管としても効果的に使用することが可能
である。
【0014】本発明においては、図1および図2に示す
ように、外管2内に、螺旋状に撚り合わされた複数の内
管3A、3Bを装着して、外管2内に、内管3A、3B
内の流体流路4A、4B、および内管3A、3Bと外管
2との間隙で形成される流体流路5からなる複数の流路
を形成するとともに、内管3A、3B内の流体流路4
A、4Bまたは外管と内管との間隙から形成される流体
流路5、または流体流路4、5の両方に螺旋状の捩りテ
ープ6を装入して伝熱管1を構成する。CO2 冷媒の給
湯機用熱交換器においては、内管内の流路にCO2 、内
管と外管との間隙で形成される流路に水道水を流通させ
る。
【0015】螺旋状の捩りテープ6は、好ましくは銅、
ステンレス鋼などの金属製テープからなり、必ずしも流
体流路の全長にわたって装入する必要はなく、部分的に
装入することにより、効果的に伝熱特性を向上させるこ
とができる。例えば、コイル状の伝熱管を熱交換器に組
み込む場合、流体と伝熱素子間で発生する圧力や温度変
化により、伝熱管の長手方向で伝熱性能が部分的に低下
することがある。このような場合、流体の特性に応じた
部位に捩りテープを部分的に装入することにより、熱伝
達率の低下を防ぎ、全体としての性能を高めるための微
調整を行うことが可能となる。
【0016】外管内に装着される内管の寸法は、内径が
1〜10mm程度のものが実用的であり、螺旋状に撚り
合わされた複数の内管の捩りピッチPo (360°ひね
りで、山間長さの2倍−図3)と内管の外径Di との比
(Po /Di )は、10以上50未満であることが好ま
しい。Po /Di が10未満では流動抵抗が大きくな
り、50以上になると、乱流による伝熱性の向上効果が
不十分となる。
【0017】本発明の伝熱管において、内管内の流路お
よび/または外管と内管との間隙で形成される流路に装
入されている螺旋状の捩りテープの捩りピッチPi (3
60°ひねりで、山間長さの2倍−図4)と内管の外径
Di との比(Pi /Di )は1以上10未満であること
が好ましい。Pi /Di が1未満では流動抵抗が大きく
なり、10以上では、旋回流の発生による伝熱性の向上
効果が小さい。
【0018】本発明においては、外管内に、螺旋状に撚
り合わされた2〜4本の内管、とくに、螺旋状に撚り合
わされた2本の内管が装着された構成により、十分な熱
交換性能を得ることができる。すなわち、各内管に捩り
テープを装入した構成により、内管内を流れるCO2
スに旋回流が生じて熱伝達率が高められ、外管と螺旋状
に撚り合わされた2本の内管との間隙を流通する水道水
は乱流となって熱伝達率が高められて、熱交換器として
の伝熱性能が向上する。このために、外管の内径は、内
管の外径の2〜3倍であることが望ましい。
【0019】本発明の伝熱管は、使用形態に応じて、例
えば、図5に示されるような直管型、図6に示されるよ
うなコイル型に成形し、給湯機用熱交換器に組み込まれ
る。
【0020】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。こ
れらの実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、
本発明はこれに限定されるものではない。
【0021】実施例1 外管として、外径:10mm、内径:8mmのりん脱酸
銅管、内管として、外径:4mm、内径:3mmのりん
脱酸銅管を用い、3本の内管を螺旋状に撚り合わせ、内
管内に、厚さ:0.5mm、幅:2.8mmのりん脱酸
銅材からなる螺旋状の捩りテープを装入して伝熱管を設
計した。
【0022】この伝熱管(長さ8.6m)を、図6に示
すようなコイル形状とした熱交換器を設計した。内管内
の流路にCO2 冷媒を流し、外管と内管との間隙で形成
される流路に水道水を流す構成で、下記のとおり計算に
より熱伝達率を求め、伝熱性能を評価した。
【0023】内管内の熱伝達率を、ねじり板の式: Nu1 =C1 Re1 0.5Pr1 0.4(T1 /Tb -0.5 により求め、外管と内管の隙間部の熱伝達率について
は、流路を管の流体力学直径に換算補正し、ヌッセルト
の式: Nu2 =C2 Re2 0.8Pr2 0.4 により求めた。ここで、 C1 、C2 :係数 Nu1 、Nu2 :ヌッセルト数 Re1 、Re2 :レイノルズ数 Pr1 、Pr2 :プラントル数 (T1 /Tb ):温度による物性値変化を補正する項
【0024】比較例1 実施例1と同じ寸法、材質の外管を用い、外管内に実施
例1と同じ材質の1本の内管を装着し、実施例1と同じ
冷媒側伝熱面積、水道水側伝熱面積を有する伝熱管を実
施例1と同一の熱交換器として設計し、実施例1と同様
計算による伝熱性能評価を行った。
【0025】上記計算による熱伝達率を、実施例1と比
較例1の熱交換器の間で比較したところ、実施例1の熱
交換性能は比較例1の性能の1.5倍であった。
【0026】
【発明の効果】本発明によれば、給湯機用熱交換器、と
くに二酸化炭素(CO2 )を主体とする冷媒を用いる給
湯機用熱交換器の高性能化、小型化(コンパクト化)、
低コスト化の達成を可能とする伝熱管が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の伝熱管の一実施例を示す一部を切り欠
いて示す側面図である。
【図2】図1の省略された断面図である。
【図3】内管の捩りピッチPo を示す図である。
【図4】捩りテープの捩りピッチPi を示す図である。
【図5】直菅型に成形された本発明の伝熱管を示す側面
図である。
【図6】コイル型に成形された本発明の伝熱管を示す側
面図である。
【符号の説明】
1 伝熱管 2 外管 3A 内管 3B 内管 4A 内管内の流体流路 4B 内管内の流体流路 5 内管と外管との間隙で形成される流体流路 6 捩りテープ Po 螺旋状に撚られた内管の捩りピッチ Pi 捩りテープの捩りピッチ
フロントページの続き Fターム(参考) 3L036 AA05 AA41 3L103 AA35 BB43 CC02 CC40 DD05 DD10 DD19 DD38

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 外管内に、螺旋状に撚り合わされた複数
    の内管が装着されて、外管内に複数の流路が形成される
    とともに、前記内管内の流路および/または外管と内管
    との間隙で形成される流路に螺旋状の捩りテープが装入
    されていることを特徴とする伝熱管。
  2. 【請求項2】 前記螺旋状に撚り合わされた複数の内管
    の捩りピッチPo と内管の外径Di との比(Po /Di
    )が10以上50未満であることを特徴とする請求項
    1記載の伝熱管。
  3. 【請求項3】 前記内管内の流路および/または外管と
    内管との間隙で形成される流路に装入されている螺旋状
    の捩りテープの捩りピッチPi と内管の外径Di との比
    (Pi /Di )が1以上10未満であることを特徴とす
    る請求項1または2記載の伝熱管。
  4. 【請求項4】 前記外管内に、螺旋状に撚り合わされた
    2〜8本の内管が装着されていることを特徴とする請求
    項1〜3のいずれかに記載の伝熱管。
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