JP2004190923A - 二重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】二重管を構成する内管と外管以外にインナーフィン等の伝熱促進材料を追加することなく、より低価格で高性能な二重管式熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】内管と外管からなる二重管式熱交換器において、外管を外側から内側へ凹ませて内管に向かって先細る、略円錐状、略円錐台状、略球面状または、略円柱、略楕円柱状等の複数の突起部を、内管を取り巻くように、千鳥状や、螺旋状に配置する。これによって、外管に簡易なプレス等の加工を施すのみで、内管と外管との間を流れる流体の乱流化を増加し、内管内を流れる流体から内外管間を流れる流体への伝熱を促進することができる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯装置や空調装置のように水と冷媒との間で熱交換させる二重管式熱交換器に関するものであって、特に高圧側の圧力が冷媒の臨界圧力以上となるヒートポンプサイクルにて、給湯水や暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ式給湯装置又は超臨界ヒートポンプ式空調装置に適用する、二重管式熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の二重管式熱交換器では、内管と外管の間に、ディンプル状の凹凸を有するインナーフィン等の伝熱促進体を挿入し、流体の乱流を促進することで熱交換器の伝熱性能を向上させていた。（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−１４５２８５号公報（第２−４頁、第４図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成において、二重管を構成する内管と外管以外にインナーフィン等の伝熱促進材料が必要なため、通常の二重管よりも材料コストが高くなるという課題を有していた。
【０００５】
本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、内管と外管以外の材料を追加することなく、外管に簡易な加工を施すのみで伝熱性能を高めることで、より低価格で高性能な二重管式熱交換器を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の二重管式熱交換器は、内管と外管とからなり、前記外管を外側から内側へ凹ませることにより前記外管の内側に複数の突起部を形成したことを特徴とする。
請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の二重管式熱交換器において、複数の前記突起部を、略円錐形状、略円錐台形状、略球面形状、略円柱形状、又は略楕円柱形状としたことを特徴とする。
請求項３記載の本発明は、請求項１に記載の二重管式熱交換器において、複数の前記突起部を、千鳥状に配置したことを特徴とする。
請求項４記載の本発明は、請求項１に記載の二重管式熱交換器において、複数の前記突起部を、螺旋状に配置したことを特徴とする。
請求項５記載の本発明は、請求項１に記載の二重管式熱交換器において、前記内管内を冷媒の流路とし、前記内管と外管との間の空間を水の流路としたことを特徴とする。
請求項６記載の本発明は、請求項５に記載の二重管式熱交換器において、前記内管を、漏洩検知管としたことを特徴とする。
請求項７記載の本発明は、請求項５に記載の二重管式熱交換器において、冷媒として炭酸ガスを用いることを特徴とする。
請求項８記載の本発明は、請求項５に記載の二重管式熱交換器において、冷媒の流れ方向と水の流れ方向とを対向させたことを特徴とする。
請求項９記載の本発明は、請求項５から請求項８のいずれかに記載の二重管式熱交換器において、前記水の入口側に比べて出口側に配置する複数の前記突起部の数を少なくしたことを特徴とする。
請求項１０記載の本発明は、請求項５から請求項８のいずれかに記載の二重管式熱交換器において、前記水の入口側に比べて出口側に配置する複数の前記突起部の深さを浅くしたことを特徴とする。
請求項１１記載の本発明は、請求項５から請求項８のいずれかに記載の二重管式熱交換器において、前記水の出口側には前記突起部を配置しないことを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態における二重管式熱交換器は、内管と外管以外の材料を追加することなく、外管を外側から内側へ凹ませて外管の内側に複数の突起部を設けるという簡易な加工を施すのみで、外管の内側流路を流れる流体の乱流化が増加され、内管内を流れる流体から内外管間を流れる流体への伝熱が促進される。しかも、例えば湾曲部においても、内管の周囲に配置された外管の複数の突起部が内管との距離を略均等に保つため、伝熱性能の低下を防ぐことができるという作用を有する。
また、本発明の第２の実施の形態は、第１の実施の形態による二重管式熱交換器において、複数の突起部を、略円錐形状、略円錐台形状、略球面形状、略円柱形状、又は略楕円柱形状のように、内管に向かった滑らかな突起形状とすることで、内外管間を流れる流体の流動抵抗を低減でき、圧損による伝熱性能の低下をより少なくすることができる。
また、本発明の第３の実施の形態は、第１の実施の形態による二重管式熱交換器において、外管の複数の突起部を、千鳥状に配置することで、内外管間の流体の流れの直進性を妨げ、乱流化を促進し、より一層の伝熱促進を図ることができる。
また、本発明の第４の実施の形態は、第１の実施の形態による二重管式熱交換器において、突起部を、螺旋状に配置したことにより、内外管間の流体は螺旋状の流れとなり、流体の流速が増加するとともに乱流化が促進され、より一層の伝熱促進を図ることができる。
また、本発明の第５の実施の形態は、第１の実施の形態による二重管式熱交換器において、冷媒よりも流体の乱流化増加による、熱伝達性能の向上効果が大きい水の流路を、複数の突起部を配した内外管間の流路とし、内管内を冷媒の流路とすることにより、より効果的な伝熱促進を図ることができる。
また、本発明の第６の実施の形態は、第５の実施の形態による二重管式熱交換器において、内管を、例えば漏洩検知溝を有する漏洩検知管とすることにより、漏洩検知管への冷媒または水の漏れによる内管の腐食等を早期に発見することが可能となり、冷媒が水（飲用水等）へ混入することを防ぎ、安全性を確保することができる。
また、本発明の第７の実施の形態は、第５の実施の形態による二重管式熱交換器において、冷媒として、超臨界域では熱伝達性能が良くなる炭酸ガスを用いることにより、水の加熱効率が向上する。
また、本発明の第８の実施の形態は、第５の実施の形態による二重管式熱交換器において、冷媒と水との流れ方向を対向させることにより、冷媒から水への熱伝達性能をより向上させることができる。
また、本発明の第９の実施の形態は、第５から第８の実施の形態による二重管式熱交換器において、水の入口側に比べて出口側に配置する複数の突起部の数を少なくし、より高温の水が流れる、水出口に近い側の内外管間の空間を広くすることで、高温水のもとで析出されやすい炭酸カルシウム等のスケールによる水流路の詰まりを防ぐことができる。
また、本発明の第１０の実施の形態は、第５から第８の実施の形態による二重管式熱交換器において、水の入口側に比べて出口側に配置する複数の突起部の深さを浅くし、より高温の水が流れる、水出口に近い側の内外管間の空間を広くすることで、高温水のもとで析出されやすい炭酸カルシウム等のスケールによる水流路の詰まりを防ぐことができる。
また、本発明の第１１の実施の形態は、第５から第８の実施の形態による二重管式熱交換器において、水の出口側には突起部を配置せず、より高温の水が流れる、水の出口に近い側の内外管間の空間を広くすることで、高温水のもとで析出されやすい炭酸カルシウム等のスケールによる水流路の詰まりを防ぐことができる。
【０００８】
【実施例】
以下本発明の実施例について図面を参照して説明する。
図１、図２は、本発明の第１の実施例による二重管式熱交換器の断面図及び要部構成図を示している。
本実施例の二重管式熱交換器は、例えば、炭酸ガスを冷媒とする給湯装置において給湯用の水冷媒熱交換器として用いられるものであり、図１、図２に示すように、内管１を外管２内に同心状に挿入して構成される。なお、図２は、図１における二重管式熱交換器のＡ−Ａ’断面図である。
【０００９】
本実施例においては、内管１内には冷媒Ｒが流れる冷媒流路４が、内管１と外管２の間には水Ｗが流れる水流路５が形成され、さらに冷媒Ｒと水Ｗとの流れは対向流とする。
外管２は、プレス加工等の加工方法によって、外側から内側へ凹ませることにより、内管１へ向かって先細る略円錐状の複数の突起部３が形成される。さらに、これら複数の突起部３は、管長方向に千鳥状に配置される。
内管１は、管長方向に連続する漏洩検知溝６を、例えば銅管等の熱伝導性の良い材料による二重管１ａ、１ｂの間に形成した漏洩検知管により構成される。
外管２は、良熱伝導性材料でなくてもよいが、内管１との出入口部での接合性等を考慮すれば、内管１と同素材を用いるのが望ましい。また外管２は、水に対する耐腐食性が強い、例えば銅等の素材を用いるのが望ましい。
【００１０】
上記のように構成された二重管式熱交換器では、次のような作用効果が得られる。
内管１と外管２の間に、内管１を取り巻くように複数の突起部３が千鳥状に配置されることにより、管長方向への水の流れの直進が妨げられ、蛇行する流れを形成し、水の乱流化が促進され、冷媒流路４を流れる冷媒から水流路５を流れる水への伝熱が促進される。また、複数の突起部３は、略円錐状のように滑らかな突起形状のため、水流路５を蛇行して流れる流体の流動抵抗を低減し、圧損による伝熱性能の低下を少なくすることができる。
なお、本実施例では、内管１内を冷媒Ｒ、内外管間内を水Ｗの流路としたが、逆に内管内を水Ｗ、内外管間内を冷媒Ｒの流路とする場合も考えられる。しかし、水は冷媒よりも流体の乱流化増加による熱伝達性能向上効果がより大きいため、複数の突起部３を配した内外管間の流路には、水を流す方がより効果的な伝熱促進を図ることができる。
また、この種の二重管式熱交換器は、コンパクトに収納するために、内管１を外管２に挿入した状態で湾曲させ、コイル状に巻き加工する場合がある。この場合、内管１の周囲に配置された複数の突起部３が、湾曲部においても内管１と外管２との同心を保持し、内管１と外管２の距離が、極端に接したり、離れたりすることによる伝熱性能の低下を防ぐことができる。
さらに、また、漏洩検知溝６を有する漏洩検知管を内管１に採用したことにより、漏洩検知管への冷媒Ｒまたは水Ｗの漏れにより、内管１の腐食等を早期に発見することが可能となり、冷媒が水（飲用水等）へ混入することを防ぎ、安全性を確保することができる。
【００１１】
ところで、第１の実施例における複数の突起部３は、図３、図４に示すように、内管へ向かってやや先細る略円錐台状（または楕円錐台状）の形状としてもよく、また、図５、図６に示すように、円柱状（または楕円柱）の形状としてもよい。またこれら以外にも、突起部全体が丸みをもつ略球面状の形状としてもよい。
【００１２】
図７は、本発明の第２の実施例による二重管式熱交換器の要部構成図を示している。
外管２の複数の突起部３は、内管１の周りを螺旋状に取り巻くように配置されている。このため、内外管間の流体（水Ｗ）に螺旋状の流れが形成され、流体（水Ｗ）の流速の増加や乱流化が促進し、より一層の伝熱促進を図ることができる。
【００１３】
さらに、図８、図９、図１０には、本発明の第３の実施例による二重管式熱交換器を示している。
図９は、図８における二重管式熱交換器の水入口に近い側での断面（Ａ−Ａ’）形状を示し、図１０は、図８における二重管式熱交換器の水出口に近い側での断面（Ｂ−Ｂ’）形状を示す。
本実施例では、水の入口側に比べて出口側に配置する複数の突起部３の単位長さ当たりの数を少なくしている。また、図９、図１０に示すように、水の入口側に比べて出口側に配置する複数の突起部３の深さを浅くしている。これにより、高温の水が流れる水出口に近い側の内外管間の流路が、より広く確保されるため、高温水で析出する炭酸カルシウム等のスケールによる、水流路の詰まりを防ぐことができる。なお、内管１と外管２との距離が元々狭い場合には、水出口側における複数の突起部３を全く配置しないことにより、スケール等による水流路の詰まりを防止することも可能である。
【００１４】
【発明の効果】
上記実施例から明らかなように、本発明によれば、内管と外管からなる二重管式熱交換器において、外管を外側から内側へ凹ませて外管の内面に複数の突起部を設けるという簡易な加工を施すことで、外管の内側流路を流れる流体の乱流化が増加され、内管内を流れる流体から内外管間を流れる流体への伝熱が促進される。しかも、例えば湾曲部においても、内管の周囲に配置された外管の複数の突起部が内管との距離を略均等に保つため、伝熱性能の低下を防ぐことができる。よって、内管と外管以外にインナーフィン等の伝熱促進体の材料を追加することなく、外管に簡易な加工を施すのみで伝熱性能が高められるため、より低価格で高性能な二重管式熱交換器を提供することができる。
また、本発明によれば、外管の複数の突起部が、内管に向かって先細る略円錐状、略円錐台状、略球面状、または、略円柱状、略楕円柱状等のように滑らかな突起形状を有するため、内外管間を流れる流体の流動抵抗の低減が可能となり、圧損による伝熱性能の低下をより少なくすることができ、より高性能な二重管式熱交換器を提供することができる。
また、本発明によれば、外管の複数の突起部を、千鳥状に配置することで、内外管間の流体の流れの直進性を妨げ、乱流化がより増加するため、より一層の伝熱促進を図ることができ、より高性能な二重管式熱交換器を提供することができる。
また、本発明によれば、外管の複数の突起部を、内管の周りを螺旋状に取り巻くように配置することで、内外管間の流体に螺旋状の流れを形成し、流体の流速が増加するとともに、乱流化が促進されるため、より一層の伝熱促進を図ることができ、より高性能な二重管式熱交換器を提供することができる。
また、本発明によれば、冷媒よりも流体の乱流化増加による、熱伝達性能の向上効果が大きい水の流路を、複数の突起部を配した内外管間の流路とし、内管内を冷媒の流路とすることにより、より効果的な伝熱促進を図ることができ、より高性能な二重管式熱交換器を提供することができる。
また、本発明によれば、内管に漏洩検知溝を有する漏洩検知管を採用したことにより、漏洩検知管への冷媒または水の漏れにより内管の腐食等を早期に発見することが可能となるため、冷媒が水（飲用水等）へ混入することを防ぎ、より安全性の高い二重管式熱交換器を提供することができる。
また、本発明によれば、冷媒として炭酸ガスを用いることで、超臨界では熱伝達性能が良くなるため、水の加熱効率が向上させることができ、より高性能な二重管式熱交換器を提供することができる。
また、本発明によれば、冷媒と水とを対向して流通させることで、冷媒から水への熱伝達性能をより向上させることができ、より高性能な二重管式熱交換器を提供することができる。
また、本発明によれば、水の入口側に比べて出口側に配置する複数の突起部の数を少なく、深さを浅くし、さらに、出口に近い側には突起部を配置しないことにより、より高温の水が流れる水の出口に近い側の内外管間の空間を広く確保できるため、高温水のもとで析出されやすい炭酸カルシウム等のスケールによる水流路の詰まりを防ぐことができ、より信頼性の高い二重管式熱交換器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例による二重管式熱交換器の断面図
【図２】本発明の第１の実施例による二重管式熱交換器の要部構成図
【図３】本発明の他の実施例による二重管式熱交換器の断面図
【図４】本発明の他の実施例による二重管式熱交換器の要部構成図
【図５】本発明の更に他の実施例による二重管式熱交換器の断面図
【図６】本発明の更に他の実施例による二重管式熱交換器の要部構成図
【図７】本発明の第２の実施例による二重管式熱交換器の要部構成図
【図８】本発明の第３の実施例による二重管式熱交換器の要部構成図
【図９】図８における二重管式熱交換器のＡ−Ａ’線断面図
【図１０】図８における二重管式熱交換器のＢ−Ｂ’線断面図
【符号の説明】
１（１ａ、１ｂ） 内管
２ 外管
３ 突起部
４ 冷媒流路
５ 水流路
６ 漏洩検知溝

Claims (11)

1. 内管と外管とからなり、前記外管を外側から内側へ凹ませることにより前記外管の内側に複数の突起部を形成したことを特徴とする二重管式熱交換器。
2. 複数の前記突起部を、略円錐形状、略円錐台形状、略球面形状、略円柱形状、又は略楕円柱形状としたことを特徴とする請求項１に記載の二重管式熱交換器。
3. 複数の前記突起部を、千鳥状に配置したことを特徴とする請求項１に記載の二重管式熱交換器。
4. 複数の前記突起部を、螺旋状に配置したことを特徴とする請求項１に記載の二重管式熱交換器。
5. 前記内管内を冷媒の流路とし、前記内管と外管との間の空間を水の流路としたことを特徴とする請求項１に記載の二重管式熱交換器。
6. 前記内管を、漏洩検知管としたことを特徴とする請求項５に記載の二重管式熱交換器。
7. 冷媒として炭酸ガスを用いることを特徴とする請求項５に記載の二重管式熱交換器。
8. 冷媒の流れ方向と水の流れ方向とを対向させたことを特徴とする請求項５に記載の二重管式熱交換器。
9. 前記水の入口側に比べて出口側に配置する複数の前記突起部の数を少なくしたことを特徴とする請求項５から請求項８のいずれかに記載の二重管式熱交換器。
10. 前記水の入口側に比べて出口側に配置する複数の前記突起部の深さを浅くしたことを特徴とする請求項５から請求項８のいずれかに記載の二重管式熱交換器。
11. 前記水の出口側には前記突起部を配置しないことを特徴とする請求項５から請求項８のいずれかに記載の二重管式熱交換器。

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