JP2005083667A

JP2005083667A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2005083667A
Application number: JP2003316376A
Authority: JP
Inventors: Osao Kido; 長生木戸; Takumi Kida; 琢己木田; 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: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-03-31
Also published as: GB2421071B; CN100439848C; WO2005026638A1; CN1853080A; GB0604225D0; GB2421071A

Abstract

【課題】２つの流体間の熱交換効率を高めた高効率な熱交換器を提供する。
【解決手段】第１壁５ａと第２壁５ｂとが相互に密着した二重壁５を持つ内管４と、内管４とほぼ同軸で内部に内管４を備えた外管６とから構成され、内管４の内部を流体Ａが流動し、内管４と外管６との間の環状部を流体Ｂが流動する熱交換器であり、これにより流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁５を備えた非常に簡易な構成としながら、流体Ａの流路と流体Ｂの流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。
【選択図】図１

Description

本発明はヒートポンプ式給湯機の水−冷媒熱交換器など、液体と冷媒との熱交換器に関するものである。

近年、環境対応や省エネルギーを図るために、自然冷媒を利用したヒートポンプ式給湯機が商品化され、この商品では高温冷媒によって水を加熱する水−冷媒熱交換器が使用されている。

従来の熱交換器としては、熱媒管を芯管の外周に巻き付けたものがある。（例えば、特許文献１参照）。

以下、図面を参照しながら上記従来の熱交換器について説明する。

図６は従来の熱交換器の構造図である。図６に示すように、従来の熱交換器は、水が流通する芯管１と、芯管１の外周に冷媒が流通する熱媒管２とで構成されており、熱媒管２は芯管１に螺旋状に巻き付けられている。また３は分流器で、分流器３によって冷媒は複数の熱媒管２ａ、２ｂと２ｃに分岐して流れる構成となっている。

以上のように構成された従来の熱交換器では、熱媒管２を芯管１の外周に巻き付けただけの簡易な構成であり、製造が容易であるとしている。
特開２００２−２２８３７０号公報

しかしながら上記従来の構成では、芯管１と熱媒管２とは理論的には線接触であり、熱交換のための接触面積を増やすためには、熱媒管２を細くしてかつその本数を増やすことが必要であり、さらに密着性を上げるためには熱媒管２を変形したり芯管１にロウ付する等が必要となり、期待に反して製造は複雑となり、かつ十分な熱交換効率が得られないという課題を有していた。

本発明は従来の課題を解決するもので、非常に簡易な構造で、同時に高い熱交換効率を実現できる熱交換器を提供することを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、第１壁と第２壁とが相互に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とから構成され、前記内管の内部を流体Ａが流動し、前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが流動する熱交換器であり、これにより流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成としながら、流体Ａの流路と流体Ｂの流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。

本発明は、第１壁と第２壁とが相互に密着した二重壁を持つ内管と、内管とほぼ同軸で内部に内管を備えた外管とから構成され、内管の内部を流体Ａが流動し、内管と外管との間の環状部を流体Ｂが流動する熱交換器であり、これにより流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成としながら、流体Ａの流路と流体Ｂの流路の
間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ることができる。

請求項１に記載の発明は、第１壁と第２壁とが相互に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とから構成され、前記内管の内部を流体Ａが流動し、前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが流動する熱交換器であり、これにより流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成としながら、流体Ａの流路と流体Ｂの流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ることができる。

また請求項２に記載の発明は、前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器であり、これによりヒートポンプ給湯機用のガスクーラとして使用することで、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

また請求項３に記載の発明は、前記流体Ｂが流動する環状部の高さを前記流体Ａが流動する内管の外径の０．０３倍から０．０７倍としたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器であり、これにより、流体Ａの圧力損失の増大を抑えながら、流体Ｂの熱伝達率と圧力損失のバランスを最適化し、熱交換器を小型軽量化することができる。

また請求項４に記載の発明は、前記外管の内面または前記内管の外面もしくはその両方に突起を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３に記載の熱交換器であり、これにより、環状部の最小高さを突起によって確保することができる。

また請求項５に記載の発明は、前記突起を管軸方向に対して平行または螺旋状に連続する複数のフィンとしたことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器であり、これにより、環状部の流路の流体直径を小さくして、流体Ｂの熱伝達率を高くすることができる。

また請求項６に記載の発明は、前記内管を銅または銅合金製、前記外管をアルミニウムまたはアルミニウム合金製としたことを特徴とする請求項２から請求項５に記載の熱交換器であり、これにより、流体Ａに対する耐食性を確保しながら軽量化を図ることができる。

また請求項７に記載の発明は、前記内管及び前記外管を螺旋状に巻いたことを特徴とする請求項１から請求項６に記載の熱交換器であり、これにより、熱交換器の収納性を高めることができる。

また請求項８に記載の発明は、流体Ａと流体Ｂとを対向流としたことを特徴とする請求項１から請求項７に記載の熱交換器であり、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による熱交換器の管軸方向の部分断面図、図２は、同実施の形態の管軸と垂直方向の部分断面図である。図１と図２において、４は銅製の内管で、第１壁５ａと第２壁５ｂとが相互に密着した二重壁５によって構成される。６は内管４と同軸のアルミニウム製の外管で、内部に内管４を備える。７は外管６の内面に突起として設けられ軸方向に連続する多数のフィンであり、フィン７の先端７ａが内管４の外面と接している。また内管４と外管６との間の環状部の高さＨは内管４の外径Ｄの０．０３から０．０７倍の大きさとなっている。

以上のように構成された熱交換器は、内管４の内部に流体Ａとして水を、内管４と外管６との間の環状部を流体Ｂとして二酸化炭素を、それぞれ対向流で流して使用され、二重壁５を通じて、水と二酸化炭素とが熱交換する。ここで、この熱交換器は主に内管４と外管６による非常に簡易な構造でありながら、水と二酸化炭素は二重壁５で隔てられているために、ヒートポンプ給湯機用の水−冷媒熱交換器として安全性を確保することができる。また内管４と外管６との間の環状部の高さＨに関しては、その影響として図３のような関係がある。高さＨを小さくすると速度が大きくなるために二酸化炭素の熱伝達率は大きくなる。しかし同時に二酸化炭素の圧力損失も増大し、このことによって二酸化炭素と水との平均温度差が小さくなる。この両方の影響によって、所望の熱交換量を確保するのに必要な外管６の長さが最も小さくなる高さＨの最適な範囲が存在し、それは内管４の外径Ｄの０．０３から０．０７倍の間となる。また外管６の内面に向けられたフィン７の先端７ａが内管４の外面と接していることで、内管４と外管６との間の環状部の高さＨが一定に保たれると共に、フィン７によって環状部の流路の流体直径を小さくして、二酸化炭素の熱伝達率を高くすることができる。また、内管４を銅製、外管６をアルミニウム製とすることで、水に対する耐食性を確保しながら軽量化を図ることができる。またこの熱交換器をヒートポンプ給湯機などの実際の機器で使用する際には、図４に示すように、内管４と外管６はともに螺旋状に巻かれて機器内に収納される。さらに、水と二酸化炭素の流れが対向流となることで、両者の平均的な温度を大きくして高い熱交換量を得ている。

以上のように本実施の形態の熱交換器は、第１壁５ａと第２壁５ｂとが相互に密着した二重壁５を持つ内管４と、内管４と同軸で内部に内管４を備えた外管６とから構成され、内管４の内部を流体Ａが流動し、内管４と外管６との間の環状部を流体Ｂが流動することにより、流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁５を備えた非常に簡易な構成としながら、流体Ａの流路と流体Ｂの流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ることができる。

また流体Ａを水、流体Ｂ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ことができる。

また流体Ｂが流動する環状部の高さＨを流体Ａが流動する内管４の外径Ｄの０．０３倍から０．０７倍とすることで、流体Ａの圧力損失の増大を抑えながら、流体Ｂの熱伝達率と圧力損失のバランスを最適化し、熱交換器を小型軽量化することができる。

また外管６の内面に突起としての複数のフィン７を設け、フィン７の先端７ａが内管４の外面と接することで、環状部の最小高さを突起によって確保することができる。

またフィン７は、外管６の内面に軸方向に連続して複数設けられることで、環状部の流路の流体直径を小さくして、流体Ｂの熱伝達率を高くすることができる。

また内管４を銅製、外管６をアルミニウム製とすることで、流体Ａに対する耐食性を確保しながら軽量化を図ることができる。

また内管４及び外管６を螺旋状に巻くことで、熱交換器の収納性を高めることができる。

また流体Ａと流体Ｂとを対向流とすることで、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができる。

なお本実施の形態では、フィン７を外管６の内面に設けたが、図５に示すように、フィ
ン７は内管４の外面に設けても良い。

また本実施の形態では、突起を管軸方向に連続するフィンとしたが、突起は不連続なものでも良い。

本発明にかかる熱交換器は、内管の内部を流体Ａが流動し、内管と外管との間の環状部を流体Ｂが流動する熱交換器であり、これにより流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備え、かつ十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ることができ、ヒートポンプ給湯機用の水−冷媒熱交換器など幅広い用途に適用が可能である。

本発明による熱交換器の実施の形態１の管軸方向の部分断面図同実施の形態の熱交換器の管軸と垂直方向の部分断面図同実施の形態の熱交換器に関して、内管の外径Ｄに対する環状部の高さＨの比の影響を示す特性図同実施の形態の熱交換器の使用例を示す図同実施の形態の熱交換器の他の実施の形態を示す管軸と垂直方向の部分断面図従来の熱交換器の構造図

符号の説明

４内管
５二重壁
５ａ第１壁
５ｂ第２壁
６外管
７フィン

Claims

第１壁と第２壁とが相互に熱的に密着した二重壁を持つ内管と、前記内管とほぼ同軸で内部に前記内管を備えた外管とから構成され、前記内管の内部を流体Ａが流動し、前記内管と前記外管との間の環状部を流体Ｂが流動する熱交換器。
前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記流体Ｂが流動する環状部の高さを前記流体Ａが流動する前記内管の外径の０．０３倍から０．０７倍としたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
前記外管の内面または前記内管の外面もしくはその両方に突起を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３に記載の熱交換器。
前記突起を管軸方向に対して平行または螺旋状に連続する複数のフィンとしたことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
前記内管を銅または銅合金製、前記外管をアルミニウムまたはアルミニウム合金製としたことを特徴とする請求項２から請求項５に記載の熱交換器。
前記内管及び前記外管を螺旋状に巻いたことを特徴とする請求項１から請求項６に記載の熱交換器。
前記流体Ａと前記流体Ｂとを対向流としたことを特徴とする請求項１から請求項７に記載の熱交換器。