JP2005061771A

JP2005061771A - 熱交換器

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Publication number: JP2005061771A
Application number: JP2003295130A
Authority: JP
Inventors: Takumi Kida; 琢己木田; Osao Kido; 長生木戸; Hiroko Ishii; 裕子石井; 朋子 ▲はま▼川; Tomoko Hamakawa; Seishi Imai; 誠士今井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-10
Anticipated expiration: 2023-08-19
Also published as: JP4075732B2

Abstract

【課題】熱交換器単独で、簡単な構造で熱交換性能の向上ができ、かつ断熱材などの周辺部材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が図れる熱交換器を提供するものである。
【解決手段】銅製の水が流通する管１の内部に、冷媒が流通する螺旋状に形成された銅製の管２を内包して、管１の内部を水が管２の内部を二酸化炭素が各々流体として対向流して流れ、二酸化炭素からの熱を管２全体から管１の内部を流れる水に伝熱することができ、熱交換器１０に取り付ける断熱材も簡素にでき、ヒートポンプ給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、本発明は、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などにおいて、水と冷媒とを熱交換させるための熱交換器に関するものである。

たとえば、ヒートポンプ式給湯機用の水と冷媒とを熱交換させるための熱交換器などは、給湯器本体のコンパクト化、低価格化に対する市場要望に対応するため、熱交換器本体のコンパクト・高性能化や、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が一層求められている。
以下、図面を参照しながら、従来から知られているヒートポンプ式給湯機用の水熱交換器を説明する。

図１４において、１００は水熱交換器本体であり、芯管１０１の周りに冷媒管１０２を螺旋状に巻きつけており、芯管１０１と冷媒管１０２はロウ付けで接合されている。又、他の例として、冷媒管１０２が図１５で示すように、複数本の分岐冷媒管（１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ）を１つの分流器１０３に接続して芯管１０１に巻きつけられている。

芯管１０１及び冷媒管１０２の材料は、銅又は鉄、ＳＵＳ、真ちゅう又はアルミニウム等が使用されている。

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。

まず、温熱（以下、単に「熱」という）を伝達される水が流通する芯管１０１の外周に熱を伝達する冷媒が流通する冷媒管１０２を螺旋状に巻き付け、ロウ付けで伝熱的に接合するだけの簡易な構成にすることによって、水・冷媒両流体間で伝熱を行わせようとするものである。

従って、芯管１０１が必ずしも直管でなくてもよく、さらに、芯管１０１の長さも比較的自由に設計できるから、熱交換性能の向上、製造の容易性、運搬の容易性、コスト低減等の面で効果がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２２８３７０号公報

しかしながら、前記のような従来の水熱交換器のような構成では、熱を伝達する冷媒が流通する冷媒管１０２を芯管１０１の外側に螺旋状に巻き付けているため、冷媒管１０２の芯管１０１との接合部１０４（図示せず）で部分的に熱を芯管１０１に伝達しており、非接合部から外側に熱を放出している。従って、水熱交換器１００の熱交換性能の向上させるためには、外側を断熱材等の熱伝達を抑制する部材で覆う必要がある。そのため、水熱交換器単独では、簡単な構造で熱交換性能の向上ができ、製造の容易性、運搬の容易性、コスト低減等が図れても、断熱材などの周辺部材が必要不可欠となり給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が図れないという欠点があった。

本発明は、上記課題を解決するもので、熱交換器単独としても、簡単な構造で熱交換性能の向上ができ、かつ断熱材などの周辺部材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化及び断熱材などの周辺部材削減が図れる熱交換器を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明の熱交換器は、水が流通する管１と、前記管１の内部に冷媒が流通する管２を螺旋状に形成して内包したものであり、冷媒からの熱を管２全体から管１の内部を流れる水に伝熱することができ、水熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。

また、水が流通する管１の内部に分流器から複数本に分岐された分岐管を螺旋状に巻いて管を内包したものであり、冷媒管を分流することにより、冷媒管を螺旋状に巻くことによる冷媒管内の冷媒の圧力損失の増加を抑えることができ、水との伝熱をより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長をより短くでき、よりコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。

本発明の断熱箱体によれば、水が流通する管１と、前記管１の内部に冷媒が流通する管２が螺旋状に形成され内包されたものであり、冷媒からの熱を管２全体から管１の内部を流れる水に伝熱することができ、水熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れることができる。

また、管１の内部に分流器から複数本に分岐された分岐管を螺旋状に巻いて管を内包したものであり、冷媒管を分流することにより、冷媒管を螺旋状に巻くことによる冷媒管内の冷媒の圧力損失の増加を抑えることができ、水との伝熱をより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長をより短くでき、よりコンパクト化、軽量化が図れることができる。

請求項１に記載の断熱箱体の発明は、水が流通する管１と、前記管１の内部に冷媒が流通する管２が螺旋状に形成され内包されたものであり、冷媒からの熱を管２全体から管１の内部を流れる水に伝熱することができ、水熱交換器に取り付ける断熱材も簡素にでき、給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、水が流通する管１の内部に分流器から複数本に分岐された分岐管を螺旋状に巻いて管を内包したものであり、冷媒管を分流することにより、冷媒管を螺旋状に巻くことによる冷媒管内の冷媒の圧力損失の増加を抑えることができ、水との伝熱をより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長をより短くでき、よりコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、管１の内壁と螺旋状に巻かれた管２の外郭の間に隙間を設けることにより、管２と管１の内壁の隙間を水流の主流が流れることで、螺旋状の管２による流路抵抗の増加による管１内の水側流量の減少を抑制すると共に、螺旋状の管２の外郭部で乱流が促進され伝熱能力をさらにより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長をさらにより短くでき、さらによりコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３に記載の発明において、螺旋状の管２の螺旋の中心軸部に、略同心の空洞を有することにより、管１内を流れる水が螺旋状の管２の中心軸部を主に流れることで、螺旋状に巻かれた管２と水の有効接触面積が大きくなり、かつ螺旋状の空洞部で水が乱流となりながら流動することで冷媒との熱交換能力を大幅に向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長を大幅に短くでき、大幅なコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。

請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４に記載の発明において、管２の管外径より広いピッチで螺旋状に巻くことにより、管１内を流れる水が螺旋状の管２の管全体を回り込みながら、管１の内壁と管２の外郭の間の隙間と管２の中心軸部を流れることで、螺旋状に巻かれた管２の熱伝達面積を最も有効に用いて水に熱伝達でき、かつ螺旋状の内部を水が乱流となりながら流動することで冷媒との伝熱能力をより大幅に向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長をより大幅に短くでき、より大幅なコンパクト化、軽量化が図れるという作用を有する。

請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項５に記載の発明において、管２内を流通する冷媒を二酸化炭素とすることにより、ヒートポンプ給湯機用の水・冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得るという作用を有する。

請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６に記載の発明において、管２を外管と内管が密着してなる２重管とすることにより、管２内の冷媒が二酸化炭素等の高圧冷媒となる場合でも、管２の熱伝導性を落とすことなく、水との間に安全性を確保する２重壁を確保するという作用を有する。

請求項８に記載の発明は、請求項１から請求項７に記載の発明において、冷媒が流通し螺旋状に巻かれた管２の本数をＮとし、管２の内径をｄ３とした場合に、管２の本数Ｎと、管２の内径ｄ３の間に（数１）の関係があることにより、管内２の熱伝達率と圧力損失のバランスを最適化し、水熱交換器を小型軽量化するという作用を有する。

請求項９に記載の発明は、請求項２から請求項８に記載の発明において、管２を形成する分岐管の外径をｄ２’とし管１の内径をｄ１として、前記管１の内径ｄ１が２．１ｄ２’〜２．７ｄ２’であり、螺旋角が４°〜６０°であることにより、管１内の水の圧力損失を小さく抑えながら、熱伝達率を最適化し、水熱交換器を小型軽量化するという作用を有する。

請求項１０に記載の発明は、請求項１または請求項３から請求項８に記載の発明において、管２を１本とし、前記管２の外径をｄ２、管１の内径をｄ１として、前記管１の内径ｄ１が１．８ｄ２〜２．２ｄ２であり、螺旋角が６°〜７０°であることにより、管１内の水の圧力損失を小さく抑えながら、熱伝達率を最適化し、水熱交換器を小型軽量化すると共に、管２を一本で螺旋状に巻くため、螺旋形状加工時に管２の保持行程等の工数の低減、治工具の簡素化が図れるという作用を有する。

以下本発明による熱交換器の実施の形態について、図１から図１５を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の実施の形態１における熱交換器の管１の軸方向の断面図であり、図３は同実施の形態の熱交換器の管１の軸方向の部分断面図である。

図１において、１は銅製の水が流通する管であり、２は管１に内包され、冷媒が流通する管で螺旋状に形成された銅製の管であり、５は熱交換器本体である。

また、図２において、管１の内部に分流器３から複数本に分岐された分岐管２ａ，２ｂ，２ｃを螺旋状に巻いて内包した銅製の管である。

ここで、図３で示すように、管１の内径をｄ１、管２及び分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの外径をｄ２、ｄ２’、管２及び分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの内径をｄ３としている。そして、管１の内径ｄ１は、螺旋状に巻かれた管２の外郭より大きいため、管１の内壁と螺旋状に巻かれた管２の外郭の間に隙間６が設けられている。

また、螺旋状に巻いた管２及び分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの内径ｄ３と、管の本数Ｎとの間には、（数１）の関係がある。

さらに、図１の場合において、管１の内径ｄ１と管２の外径ｄ２の間には、ｄ１は１．８ｄ２〜２．２ｄ２で、螺旋角θが６°〜７０°、より好ましくは５５°〜７０°となっている。螺旋角が６°より小さいものは螺旋とは見なせないものとなる。

さらに、また、図２の場合において、管２の内径ｄ１と分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの外径をｄ２’の間には、ｄ１は２．１ｄ２’〜２．７ｄ２’の関係で、螺旋角θが４°〜６０°、より好ましくは３０°〜６０°となっている。螺旋角が４°より小さいと個々の管が変形して固定不可能になる。

図１において、管１の内部を水が管２の内部を二酸化炭素が各々流体として対向して流れ、管２の壁４（図示せず）を介して水と二酸化炭素が熱交換する。

ここで、図１で示すように、二酸化炭素からの熱を管２全体から管１の内部を流れる水に伝熱することができ、熱交換器１０に取り付ける断熱材も簡素にでき、ヒートポンプ給湯器等の製品に組み込む際には十分なコンパクト化、軽量化が図れる。また、図２で示すように、水が流通する管１の内部に分流器３から複数本に分岐された分岐管２ａ，２ｂ，２ｃを螺旋状に巻いて内包したものであり、冷媒管を分流することにより、冷媒管を螺旋状に巻くことによる冷媒管内の冷媒の圧力損失の増加を抑えることができ、水との伝熱をより向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長をより短くでき、よりコンパクト化、軽量化が図れる。そして、また、管１の内壁と螺旋状に巻かれた管２の外郭の間の隙間６により、管２と管１の内壁の隙間６を水の主流が流れることで、螺旋状の管２及び分岐管２ａ，２ｂ，２ｃによる流路抵抗の増加による管１内の水側流量の減少を抑制すると共に、螺旋状の管２及び分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの外郭部で乱流が促進され伝熱能力をさらにより向上し、伝熱能力をさらにより向上させ、必要な熱交換能力を得るための管１の管長をさらにより短くでき、さらによりコンパクト化、軽量化が図れる。

また、螺旋状に巻いた管２及び分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの内径ｄ３と、本数Ｎとの間には、図４で示すような関係がある。内径ｄ３を小さくすると二酸化炭素の流速が増加し熱伝達率が大きくなる。しかし、同時に二酸化炭素の圧力損失も増加し、このため二酸化炭素と水との平均温度差が小さくなる。この両者の影響によって必要熱交換量を確保するのに必要な熱交換器重量が最も小さくなる管２の内径の最適範囲が存在し、それは、管２及び分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの内径ｄ３と本数Ｎの間に（数１）の関係が成り立つ範囲である。

また、図１のように螺旋状に巻かれた管２の外径ｄ２及び螺旋角θと、管１の内径ｄ１の間には図５、図６で示すような関係がある。

水の圧力損失を小さく一定に保ちながら必要熱交換量を確保するのに、螺旋角θを大きくすると管１の内径ｄ１は大きくなり熱伝達面積が大きくなるが、流速が低下し熱伝達率が低下し最も高い熱伝達率となる管２の外径ｄ２と管１の内径ｄ１の最適範囲が存在する。

このため、図６で示すように、各螺旋角で水の圧力損失を小さく一定に保ちながら必要な管１の必要長さが最も短くなる管１の内径ｄ１の最適範囲が在り、これにより、必要な熱交換器重量が最も小さくなる管１の内径ｄ１及び管２の螺旋角θの最適範囲が存在し、それは、管２の外径ｄ２に対し、ｄ１は１．８ｄ２〜２．２ｄ２で、螺旋角θが５５°〜７０°の間である。また、管２を１本とした場合、管２を一本で螺旋状に巻くため、螺旋形状加工時に管２の保持行程等の工数の低減、治工具の簡素化が図れることができる。

また、同様に、図２のように螺旋状に巻かれた３本の分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの外径をｄ２’及び螺旋角θと、管１の内径ｄ１の間には図７、図８で示すような関係がある。

この場合、必要な熱交換器重量が最も小さくなる管１の内径ｄ１及び管２の螺旋角θの最適範囲は、分岐管２ａ，２ｂ，２ｃの外径ｄ２’に対し、ｄ１は２．４ｄ２’〜２．７ｄ２’で、螺旋角θが３０°〜４５°の間である。

また、さらに、分岐管を２本とした場合（図示せず）にも同様に分岐管の外径ｄ２’及び螺旋角θと、管１の内径ｄ１の間には図９、図１０で示すような関係がある。

この場合、必要な熱交換器重量が最も小さくなる管１の内径ｄ１及び管２の螺旋角θの最適範囲は、分岐管の外径ｄ２’に対し、ｄ１は２．１ｄ２’〜２．６ｄ２’であり、螺旋角θが４５°〜６０°の間である。

また、図１１で示すように、螺旋状の管の螺旋の中心軸部７に、略同心の空洞８を設けることで、管１内を流れる水が螺旋状の管２の中心軸部７の空洞８を主に流れることで、螺旋状に巻かれた管２と水の有効接触面積が大きくなり、かつ螺旋状の空洞部で水が乱流となりながら流動することで冷媒との熱交換能力を大幅に向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長を大幅に短くでき、大幅なコンパクト化、軽量化が図れる。

また、図１２で示すように、管２の管外径ｄ２、ｄ２’より広いピッチで螺旋状に巻くことにより、管１内を流れる水が螺旋状の管２の管全体を回り込みながら、管１の内壁と管２の外郭の間の隙間９と管２の中心軸部を流れることで、螺旋状に巻かれた管２の熱伝達面積を最も有効に用いて水に熱伝達でき、かつ螺旋状の内部を水が乱流となりながら流動することで冷媒との伝熱能力をより大幅に向上させる。このため、必要な熱交換能力を得るための管１の管長をより大幅に短くでき、より大幅なコンパクト化、軽量化が図れる。

また、図１３で示すように、管２を外管１０ａと内管１０ｂが密着してなる銅製の２重管とすることにより、管２内の冷媒が二酸化炭素の高圧冷媒となる場合に、管２の熱伝導性を落とすことなく、水との間に安全性を確保する２重壁を確保する。

尚、本発明の実施の形態では、管１を直管状のものとしたが、湾曲状及びコイル状としても同様な効果を得られる。

尚、本発明の実施の形態では、管２内を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、Ｒ４１０Ａ等の高圧で作動する冷媒でも同様な効果を得られる。

尚、管１、管２及び分岐管２ａ，２ｂ，２ｃ、外管８ａと内管８ｂを銅製としたが真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、水が流通する管内に冷媒が流通する螺旋状の管を内包して冷媒からの熱を高い効率で水に伝達することができ、ヒートポンプ式の給湯機や家庭用、業務用の空気調和機などの熱交換器として広く適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の管１の軸方向の断面図同実施の形態における他の熱交換器の管１の軸方向の断面図同実施の形態の熱交換器の管１の軸方向の部分断面図同実施の形態における熱交換器の管２の内径ｄ３に対する管２の本数の影響を示す特性図同実施の形態における熱交換器の管２の外径ｄ２に対する螺旋角θの影響を示す特性図同実施の形態における熱交換器の管２の内径ｄ１に対する螺旋角θの影響を示す特性図同実施の形態における他の熱交換器の管２の外径ｄ２に対する螺旋角θの影響を示す特性図同実施の形態における他の熱交換器の管２の内径ｄ１に対する螺旋角θの影響を示す特性図同実施の形態における他の熱交換器の管２の外径ｄ２に対する螺旋角θの影響を示す特性図同実施の形態における他の熱交換器の管２の内径ｄ１に対する螺旋角θの影響を示す特性図同実施の形態における他の熱交換器の管１の軸方向の断面図同実施の形態における他の熱交換器の管１の軸方向の断面図本発明の実施の形態１における他の熱交換器の管１の軸方向の部分断面図従来の熱交換器の構造図従来の他の熱交換器の構造図

符号の説明

１管
２螺旋状の管
２ａ，２ｂ，２ｃ分岐管
３分流器
５熱交換器
６、９隙間
７中心軸部
８空洞
１０ａ外管
１０ｂ内管

Claims

水が流通する管１と、前記管１の内部に冷媒が流通する管２が螺旋状に形成され内包された熱交換器。
分流器から複数本に分岐された分岐管を螺旋状に巻いて管２を構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
管１の内壁と、螺旋状に巻かれた管２の外郭の間に隙間を設け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。
螺旋状の管２の螺旋の中心軸部に、略同心の空洞を有する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の熱交換器。
管２の管外径より広い間隔で螺旋状に巻くことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。
管２内を流通する冷媒を二酸化炭素としたことを特徴とした請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の熱交換器。
管２を外管と内管が密着してなる２重管としたことを特徴とした請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の熱交換器。
冷媒が流通し、螺旋状に巻かれた管２の本数をＮとし、管２の内径をｄ３とした場合に、管２の本数Ｎと、管２の内径ｄ３の間に（数１）の関係があることを特徴とした請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の熱交換器。
管２を形成する分岐管の外径をｄ２’とし、管１の内径をｄ１として、前記管１の内径ｄ１が２．１ｄ２’〜２．７ｄ２’であり、螺旋角が４°〜６０°であることを特徴とした請求項２から請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器。
管２を１本とし、前記管２の外径をｄ２、管１の内径をｄ１として、前記管１の内径ｄ１が１．８ｄ２〜２．２ｄ２であり、螺旋角が６°〜７０°であることを特徴とした請求項１または請求項３から請求項８のいずれか一項に記載の熱交換器。