JP2006090697A - 捩り管形熱交換器 - Google Patents

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Abstract

【課題】 従来の熱交換器は、第1流体配管外周が平滑管又はコルゲート管なので、第1流体配管と第2流体配管との接触面積が小さく伝熱性能が十分でないという問題があった。
【解決手段】 この発明の捩り管形熱交換器は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第1流体配管と、この第1流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第2流体配管とを備え、前記第2流体配管を前記第1流体配管の山谷底部に嵌め込んで、伝熱的に接合可能な構成とした。
【選択図】 図2

Description

この発明は、水と冷媒との間の熱交換を促すための熱交換器、例えばヒートポンプ式給湯機用の熱交換器に関する。
従来の水配管(以下第1流体配管と称す)と冷媒配管(以下第2流体配管と称す)に対する熱交換器は、配管腐食等で冷媒と水が混ざることを回避するために漏洩検知溝を有する2重管を用いた3重管構造が主流であったが、製造工程が複雑で高コストである上に、曲げ加工等の自由度が少なく、第2流体配管の長さ延長に限界がある等、熱交換器としての性能向上にも限界があったので、この問題を解決するために、水が流通する芯管(第1流体配管)の外周に、冷媒が流通する第2流体配管を螺旋状に巻きつけたり、芯管と平行に伝熱接合する手段等が提案されている。(例えば、特許文献1参照)
一方、背景技術として、技術分野は異なるが、貯液タンクの液体加熱装置として、貯液タンク胴部を湾曲させて断面が円弧状の凹部を形成し、熱交換パイプを嵌めこみ螺旋状に巻きつけるという提案がされている。(例えば、特許文献2参照)
特開平2002−228370 (図3、図5、図7) 実開昭57−165972号公報
しかしながら、前記、従来の第1流体配管外周に第2流体配管を螺旋巻きする熱交換器では、第1流体配管外周面が凹凸なしの平滑面を有する管なので、第1流体配管と第2流体配管との接触面積が小さく伝熱性能が十分でないという問題があった。また、第1流体配管をコルゲート管とする提案もなされているが、一般にコルゲート管は、平滑面を有する管の外径にツールを押し当て螺旋状に一条の連続溝を形成した管であり、外周側が逆円弧状で山谷が浅いので、水の乱流促進には効果があるものの、やはり依然として第1流体配管と第2流体配管との接触面積が小さく、伝熱性能を十分に得ることがでないという問題があった。
一方、前記、特許文献2に記載の、貯液タンク胴部を湾曲させて断面が円弧状の凹部を形成し、熱交換パイプを嵌めこみ螺旋状に巻きつける形態では、第1流体配管長さを延長することが困難であり、スパイラル内径が大きく水の流速も著しく低いため、貯液タンク等に用途が限定され、ヒートポンプ式給湯機用の水熱交換器など、高性能な水と冷媒に対する熱交換器としては十分に機能しないという問題があった。
また、円弧状の凹部に熱交換パイプを嵌めこむ場合は、凹部円弧の曲率を熱交換パイプの曲率と完全に一致させて初めて面接触となるが、実際には、凹部の曲率を熱交換パイプの曲率より大きくしないと奥まで嵌め込めないため、むしろ線接触に近くなり、接触伝熱面積を顕著に改善することは困難であるという問題があった。
この発明は、これらの問題点を解決するためになされたもので、第1流体配管と第2流体配管との伝熱に有効な接触面積を大幅に拡大すると共に、接触熱抵抗低減、フィン効率向上、乱流促進等の相乗効果により、従来の第1流体配管に第2流体配管を螺旋巻きする熱交換器に比べて、熱交換性能を顕著に向上させた熱交換器を得ることを目的とする。
この発明の捩り管形熱交換器は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第1流体配管と、この第1流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第2流体配管とを備え、前記第2流体配管を前記第1流体配管の山谷底部に嵌め込んで、伝熱的に接合可能な構成としたものである。
また、この発明の捩り管形熱交換器は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第1流体配管と、この第1流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第2流体配管とを備え、前記第2流体配管を前記第1流体配管の山谷底部に嵌め込んで構成し、前記第1流体配管のスパイラルピッチPが前記第2流体配管の外径Roより大きく、前記第2流体配管の外径Roの3倍又は2倍より小さくしたものである。
この発明の捩り管形熱交換器は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第1流体配管と、この第1流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第2流体配管とを備え、前記第2流体配管を前記第1流体配管の山谷底部に嵌め込んで、伝熱的に接合可能な構成とし、第2流体配管に対する第1流体配管の形状および位置関係を特定したので、第1流体配管と第2流体配管との接触伝熱面積を大幅に向上でき、乱流促進効果やフィン効率向上も付与して伝熱性能を大幅に向上できると同時に、第1流体配管および第2流体配管の圧力損失を抑制することが可能なので、高性能且つ高効率な熱交換器を得ることができる。また、曲げ加工などに対する可撓性に優れ、形状自由度が高いので、コンパクトで高性能な熱交換ユニット
の構成を可能とする等多大な効果がある。
また、この発明の捩り管形熱交換器は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第1流体配管と、この第1流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第2流体配管とを備え、前記第2流体配管を前記第1流体配管の山谷底部に嵌め込んで構成し、前記第1流体配管のスパイラルピッチPが前記第2流体配管の外径Roより大きく、前記第2流体配管の外径Roの3倍又は2倍より小さくした構成としたので、顕著に伝熱性能が向上し、極めて高性能な熱交換器を得られる効果がある。
実施の形態1.
以下このこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器を詳細に説明する。図1はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器の要部斜視図、図2は図1の捩り管形熱交換器の長手方向に断面にした要部横断面図、図3はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器における図2の要部拡大断面図、図4はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器のスパイラル内外径比による伝熱性能相関図、図5はこの発明の実施の形態1の長手方向断面におけるスパイラルピッチと第2流体配管外径比による伝熱性能相関図、図6はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器にて線状ロウ材等を巻きつけた状態を示す拡大断面図、図7はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器にてリボン状ロウ材等を巻きつけた状態を示す拡大断面図、図8はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器のロウ付け後の状態を示す拡大断面図である。図9はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器の第1流体配管外周に設けた条数と第2流体配管の関係を示すパスパターン模式図である。
図1および図2に示すように、この発明の熱交換器1は、外周に複数条(例えば3条)の山谷を各条毎に連続して螺旋状に設けた捩り管を第1流体配管2とし、第2流体配管(3a、3b、3c)を前記第1流体配管2の外周に設けた各条毎の山谷部の形状に沿って螺旋状に巻きつけて嵌め込む構成とした。これによって第1流体配管2と第2流体配管(3a、3b、3c)との接触伝熱面積を拡大可能とした。尚、第1流体配管2に複数条の山谷を設けることにより、第2流体配管を第1冷媒管3a、第2冷媒管3b、第3冷媒管3c等に分岐してパス設計を最適化できると共に、隣接する第2流体配管同士の接触を防ぐことにより熱漏洩を防止できる。
図2において、第1流体配管のスパイラル外径SRoは、スパイラル内径SRiの1.5倍以上が好適である。図4は、縦軸に伝熱性能(従来性能を100とした場合の単位第1流体配管長さ当たりの相対AK値)、横軸にSRoとSRiの比(SRo/SRi)、をプロットした実験結果を示したものである。ここでAK値は伝熱面積×熱通過率で定義される。SRo/SRiが1.5倍以上とした場合、これによって、水の流速を確保した上で図2に示す第2流体配管3を螺旋状に巻きつけて嵌め込むのに好適な第1流体配管2外周の山部2a、谷底部2bを構成できるため、図4に示すように顕著に伝熱性能が向上している。
また、図2に矢印で示すように、水の流れ方向に対して、冷媒が螺旋状に対向流となるように逆向きに流れる。2〜4パスに分岐された冷媒は、入り口及び出口で統合されて一本になる。この場合の冷媒の種類は、CO2、HFC、HCFC、HC、H2O等が適用可能であるが、特にこれに限定されるものではない。
図3において、第1流体配管2外周の山部2a高さHは、第2流体配管3の半径Ro/2より大きく、直径Ro以下となるようにした。第1流体配管2の山側斜面部2cと第2流体配管3との接触面積を安定して確保するために、山部2a高さHを第2流体配管3の半径Ro/2より大きくした。そして、前記第1流体配管2のスパイラルピッチPは、第2流体配管3の直径Roより大きく、直径Roの3倍より小さい。このように、第1流体配管外周に特定範囲のピッチで特定範囲の山高さを設けた山谷形状に沿って第2流体配管3を巻きつけるので、山谷がガイドとなって容易に第2流体配管3を所定の位置に安定して巻きつけて嵌めこみ固定することが可能であり、第2流体配管3の過度の扁平化抑制や座屈防止にも効果がある。
また、第1流体配管2外周に設けた谷底部2b幅Bは、第2流体配管3の内径Ri以上、外径Ro+0.24mm以下である。内径マンドレル挿入等によって第1流体配管2の谷底部2b幅Bを第2流体配管3の内径Ri以上とすることによって、第2流体配管3が第1流体配管2の谷底部2b幅Bに確実に接触すると共に、第2流体配管3を巻きつけるときの張力によって谷底部2b幅Bへ押し付け力が発生し易くなるので、接触熱抵抗を低減できる効果がある。
前記図3において、山部2a高さHが大きすぎて第2流体配管3の直径Roを超えると熱交換器としてのスペース効率が悪くなりコンパクト化の弊害となる。また、前記第1流体配管2のスパイラルピッチPが直径Ro以下だと第2流体配管3を奥まで嵌めこめず、第2流体配管3が第1流体配管2の谷底部2b幅Bに接触できないので第2流体配管3と第1流体配管2の接触伝熱面積が低下し、本来の目的を果たせない。逆にスパイラルピッチPが大きすぎても、第2流体配管3と第1流体配管2の接触伝熱面積の確保が不安定となり、第1流体配管2単位長さ当たりに対する第2流体配管3の全長が短くなるので、熱交換器としての性能が低下して好ましくない。
ここで、図5は、縦軸に伝熱性能(従来性能を100とした場合の管2のスパイラルピッチPと第2第1流体配管2単位長さ当たりの相対AK値)、横軸に第1流体配流体配管3の直径Roの比(P/Ro)、をプロットした実験結果を示したものである。ここでAK値は伝熱面積×熱通過率で定義される。図5に示すように、第1流体配管2のスパイラルピッチPが第2流体配管3の外径Roより大きく、第2流体配管3の外径Roの3倍より小さい場合に本発明の効果が顕著に得られる。また、更に高性能とするには、スパイラルピッチPが第2流体配管3の外径Roの2倍より小さいことが望ましい。
また、図3における第2流体配管3のRoは、第2流体配管3の巻き付け進行方向に直角ではなく斜め切断面形状となるので、第1流体配管2の長手方向にやや伸びた楕円状となり、巻付ける以前の第2流体配管3外径より大きめとなる。
また、この発明の実施の形態1では、ロウ付け等によって接触面積を拡大する場合にも、第1流体配管2外周に設けた山側斜面部2cと第2流体配管3とのロウ付け隙間を設計できるが、一般にロウ付け品質を確保するためには、ロウ付け隙間は0.08mmから0.12mmとするのが製作上望ましく、従って第2流体配管3と第1流体配管2の山部2a、谷底部2b及び山側斜面部2cとの隙間は両側で0.24mm以下とすべきなので、谷底部2b底幅Bを外径Ro+0.24mm以下とすれば好適である。その結果、少ないロウ材で有効に接触面積を拡大可能とする効果がある。
また、第1流体配管2外周に設けた山部2a、谷底部2bは、図2に示すように第1流体配管2内部に乱流が発生し易い形状としているため、乱流促進効果により伝熱性能が向上する。
また、この発明の捩り管形熱交換器1である第1流体配管2外周に設けた山部2aの形状は、熱交換フィンとしても作用するので、フィン効率アップ効果により伝熱性能向上が図れる。
このように、この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器は、第1流体配管2の谷底部2bと第2流体配管3に加えて、第1流体配管2外周に設けた山側斜面部2cと第2流体配管3との最小隙間部分が、直接またはロウ付け等により接触部分が3箇所以上で面接触となり伝熱的に接合されている。従って、従来の平滑面を有する第1流体配管に第2流体配管を巻きつけた熱交換器に比べて、有効接触伝熱面積を約3倍以上に拡大でき、前記乱流促進効果やフィン効率向上も相乗効果として作用することにより、単位第1流体配管長さ当たりのAK値(伝熱面積×熱通過率)を大幅に向上することができる。
また、従来の熱交換器は、伝熱性能AK値を高めるためには必然的に第1流体配管2または第2流体配管3の圧力損失の著しい増加を伴うのが一般的であったが、この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器は、対向する流体が各々の進行方向に向かって邪魔されることなく連続的に螺旋状に流れることに加え、第2流体配管3を複数に分岐しているので、第1流体配管2および第2流体配管3の圧力損失増加を両者とも低く抑制した状態でAK値を大幅に向上可能であるという画期的特長を有している。
ここで、第1流体配管2は、燐脱酸銅平滑面を有する管の両端を固定し、内径側にマンドレルを挿入して捩り加工を加えることにより製造したものだが、特にこれに限定されるものではなく、液圧バルジ加工や鋳鍛造、切削加工、転造加工等、他の配管加工技術を応用して、この発明の特徴を有する第1流体配管2を製造しても良い。また、第1流体配管2の原材料を内面溝付き管とすれば好適な効果を奏することは勿論である。
また、第1流体配管2および第2流体配管3の材質は、燐脱酸銅に限定されるものではなく、用途に応じて、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス、チタンなどの配管用金属及びその合金等を用いても良い。
実施例1.
第1流体配管2は、スパイラル外径SRo:14.0mm、スパイラル内径SRi:8.0mm、条数は4、山部2a高さH:2.5mm、スパイラルピッチP:4.8mm、谷底幅B:3.0mm、第2流体配管3は、外径Ro:3.2mm、内径Ri:2.0mm、第1流体配管2外周は4条で、冷媒は4パス。ロウ付け等の伝熱接合無し。
実施例2.
第1流体配管2は、スパイラル外径SRo:18.0mm、スパイラル内径SRi:9.5mm、条数は3、山部2a高さH:3.0mm、スパイラルピッチP:7.8mm、谷底部2b幅B:3.5mmとする。
第2流体配管3は、外径Ro:4.3mm、内径Ri:2.8mm、第1流体配管2外周は3条で、冷媒は3パス、φ0.8のりん銅ろうを螺旋状に巻きつけてロウ付けした。図6を参照。
実施例3.
第1流体配管2は、スパイラル外径SRo:15.0mm、スパイラル内径SRi:9.0mm、条数は2,山部2a高さH:3.5mm、スパイラルピッチP:6.2mm、谷底部2b幅B:4.0mmとする。
第2流体配管3は、外径Ro:4.0mm、内径Ri:2.8mm、第1流体配管外周は2条で、冷媒は2パス、幅:3.5mm、厚み:0.2mmのリボン状のハンダ材を図7のようにセットしてハンダ付けした。
実施例4.
第1流体配管2は、スパイラル外径SRo:18.0mm、スパイラル内径SRi:10.0mm、条数は4、山部2a高さH:3.5mm、スパイラルピッチP:7.2mm、谷底幅B:5.0mmとする。
第2流体配管3は、外径Ro:5.0mm、内径Ri:4.0mm、第1流体配管2外周は4条、冷媒は2パスで、図7に示すように、リボン状の低融点金属4、例えば、アルミニウム、ハンダ、ロウ材等を第1流体配管2の谷底部2b面と第2流体配管3との間に巻きつけた。
ここで、この発明の実施の形態1における第1流体配管2外周と第2流体配管3との伝熱接合形態について図に示し説明する。前記実施例1のように、第1流体配管2外周に設けた山谷部と第2流体配管3との寸法関係を圧入気味に設定することにより、ロウ付け無しでも比較的優れた伝熱性能を発揮できる。
また、前記実施例2に示すように、伝熱接触部にロウ付け等による伝熱接合を施すことにより、更に伝熱性能を向上できる。図6(a)に示すように、線状ロウ材4又はハンダ材等を第1流体配管2の山部2aと第2流体配管3との隙間に巻きつけたり、図6(b)に示すようにリボン状のロウ材又はハンダ材等を第1流体配管2の谷底部2bと第2流体配管3との間に巻きつけても良い。(前記実施例3を参照。)
なお、図7に示す形態では第2流体配管3と第1流体配管2外周谷底部2b面との間にアルミニウム、ハンダ、ロウ材等の塑性変形能力の高い低融点金属を挟んでいるので、加圧力が十分な場合には、前記実施例4のように、加熱ロウ付け無しで優れた伝熱接合を可能とする。
以上のように、この発明の実施の形態1では、前記山部2aおよび谷底部2bまたは第2流体配管3と第1流体配管2外周に形成された隙間等を利用して、ロウ材を所定の位置に確実に巻きつけることが可能であり、伝熱接合する際の生産性向上や製造品質の向上にも顕著な効果がある。
図8は、加熱ロウ付け後の断面図である。加熱ロウ付けでは炉中ロウ付け、高周波ロウ付け、又はガスバーナーロウ付け等の方法を施すことができる。なお、ハンダ付けでも同様である。
図9は、第1流体配管2外周に設けた条数と第2流体配管3のパスパターン事例の模式図を示す。図9(a)は2条2パス、図9(b)は3条3パス、図9(c)は3条2パス、図9(d)は4条4パス、図9(e)は4条2パスなどを示している。これらは、冷媒の流量、流速、圧損などの特性に応じて好適に選択することができる。2〜4パスに分岐された冷媒は、入り口及び出口で統合されて一本になる。
図10はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器をヒートポンプ式給湯機用熱交換器用に曲げ加工した状態を示す平面図、図11はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器をヒートポンプ式給湯機用熱交換器用に曲げ加工した状態を示す正面図、図12はこの発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器をヒートポンプ式給湯機用熱交換器用に曲げ加工した状態を示す要部拡大図である。図において、捩り管形熱交換器1は、一般に数m〜30m程度で構成されるので、図12に示すように曲げ加工部1aを施し、継ぎ目なしの長尺物とする他、数m程度の短い熱交換器1を作って、それらの端末部を直管やUベンドで接続する等、必要な長さまで繋ぎあわせて積層形成してヒートポンプ式給湯機用のガスクーラユニットとした。
尚、この発明の捩り管形熱交換器は、断熱テープを巻いたり、断熱材で覆うことにより、更に熱交換性能が向上することは言うまでもない
尚、この発明の捩り管形熱交換器はヒートポンプ式給湯機用の熱交換器等に限定されるものではなく、水と冷媒に関する熱交換器に広く適用可能である。
また、この発明の捩り管形熱交換器の他の実施の形態では、前記第1流体配管を、水以外の流体、例えば第3の冷媒を流す配管として適用することも可能であり、冷媒同士の熱交換器としても優れた性能を発揮するので、各種冷凍サイクル上の熱回収等への適用も好適である。但し、冷媒の圧力に耐えられるように捩り管の肉厚アップや材料強度の向上などの設計上の配慮が必要となる。この場合の冷媒の種類は、CO2、HFC、HCFC、HC等が適用可能であるが、特にこれに限定されるものではない。
この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器の要部斜視図である。 この発明の実施の形態1による図1の捩り管形熱交換器の長手方向に対する要部横断面図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器の長手方向に対する図2の要部拡大断面図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器のスパイラル内外径比による伝熱性能相関図である。 この発明の実施の形態1の長手方向断面におけるスパイラルピッチと第2流体配管外径比による伝熱性能相関図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器にて線状ロウ材等を巻きつけた状態を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器にてリボン状ロウ材等を巻きつけた状態を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器のロウ付け後の状態を示す拡大断面図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器の第1流体配管外周に設けた条数と冷媒配管の関係を示すパスパターン模式図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器をヒートポンプ式給湯機用の熱交換器用に曲げ加工した状態を示す平面図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器をヒートポンプ式給湯機用の熱交換器用に曲げ加工した状態を示す正面図である。 この発明の実施の形態1による捩り管形熱交換器を曲げ加工した要部拡大して示す模式図である。
符号の説明
1 熱交換器、2 第1流体配管、2a 山部、2b 谷底部、2c 山側斜面部、3 第2流体配管、3a 第1冷媒管、3b 第2冷媒管、3c 第3冷媒管、3d 第4冷媒管、4 ロウ材等または低融点金属。

Claims (9)

  1. 外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第1流体配管と、この第1流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第2流体配管とを備え、前記第2流体配管を前記第1流体配管の山谷底部に嵌め込んで、伝熱的に接合可能な構成とすることを特徴とした捩り管形熱交換器。
  2. 前記第1流体配管のスパイラル外径SRoがスパイラル内径SRiの1.5倍以上であることを特徴とした請求項1に記載の捩り管形熱交換器。
  3. 前記第1流体配管の山部高さHが、前記第2流体配管の外径Roの1/2より大きく、前記第2流体配管の外径Ro以下であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の捩り管形熱交換器。
  4. 外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第1流体配管と、この第1流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第2流体配管とを備え、前記第2流体配管を前記第1流体配管の山谷底部に嵌め込んで、伝熱的に接合可能な構成とするとともに、前記第1流体配管のスパイラルピッチPが前記第2流体配管の外径Roより大きく、前記第2流体配管の外径Roの3倍又は2倍より小さいことを特徴とする捩り管形熱交換器。
  5. 前記第1流体配管外周に設けた谷底部幅Bが前記第2流体配管の内径Ri以上で、かつ前記第2流体配管の外径Ro+0.24mm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項3又は請求項4のいずれか1項記載の捩り管形熱交換器。
  6. 少なくとも第1流体配管外周に設けた山側斜面部と第2流体配管との最小隙間部分が伝熱的に接合されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載の捩り管形熱交換器。
  7. 前記第1流体配管と第2流体配管とをハンダ又はロウ材等の低融点金属で伝熱接合したことを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の捩り管形熱交換器。
  8. 前記第1流体配管に、水を流すことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載の捩り管形熱交換器。
  9. 前記第1流体配管に、水とは異なる第3流体を流すことを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載の捩り管形熱交換器。
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