JP2006162165A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で高い熱交換効率を実現できると共に、高温側のみ水道水のカルシウム等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、全体として熱交換性能の劣化を防止する。
【解決手段】内管２の内部を水が流動し、内管２と外管４との間の環状部６を二酸化炭素が対向して流れ、安全な二重壁３を備え十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。また、水が流動する内管２の流出側２ｂの流路断面積を流入側２ａの流路断面積より拡大し、水に含まれるカルシウムが析出し流出側２ｂの内管２の管壁２ｂ１に付着しても水の流動を封止させず、熱交換停止を抑制できる。また、流入側２ａでは水が低温となるため、螺旋状の線材７を内包してもスケールの付着が無く、水の流動抵抗も低く抑えつつ水を攪乱して熱伝達率を向上させ、熱交換器１全体として熱交換性能の低下を防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は空調、冷凍、冷蔵、給湯等の機器、特にヒートポンプ式の給湯機などにおいて、水等の流体と冷媒等の２つの流体が熱交換するための熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、軸線の直線部で、小径管と大径管とが隙間を介して同軸に配置され、小径管の軸線が蛇行状に曲折され、小径管に加熱用流体が流通すると共に大径管に被加熱用の水が流通する構成において、小径管と大径管との間の水の流路断面積が、水の流通する下流側が上流側より大に形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１０から図１１は特許文献１に記載された従来の二重管型熱交換器を示すものである。 図１０，図１１で示すように熱交換器１００は蛇行状に曲折された小径管１０１と、小径管１０１の直線部に隙間を開けて同軸に被嵌された大径管１０２とを有する。大径管１０２の両端部は閉塞され、小径管１０１の外周に液密に固定されている。小径管１０１は、Ｕ字状に曲げたパイプと直線状のパイプとそれらの端部間を連結する短い連結用Ｕ字管１１２とを有する。次に、大径管１０２は夫々互いに水連結管１０８によって連結され、最も下流側に位置する大径管１０２のみの内直径が、他の大径管１０２の内直径よりも大に
形成されている。そして最も上流側の大径管１０２に入口パイプ１０９が連通され、最も下流側の大径管１０２に出口パイプ１１０か連通されている。

以上のように構成された二重管型熱交換器について、以下その動作を説明する。

上流側の入口パイプ１０９から水が流入し、水連結管１０８を介して下流側の大径管１０２ａと小径管１０１との隙間を長手方向に流通し、最下流の大径管１０２の出口パイプ１１０から外部に導かれる。また、小径管１０１には水の流通する最下流側から高温高圧のＣＯ２ガス等からなる加熱用流体が流入し、水の流通する最も上流側からそれが流出する。そして加熱用流体と水との間に熱交換が行われる。このとき水は上流側から下流側に流通するに従って次第に高温になり、最下流の大径管１０２では一例として８０℃程度に加熱される。すると、最下流側の大径管１０２では水酸化カルシウム等の溶解度が低下し、それが析出して大径管１０２内部に付着し易くなる。しかしながら、最下流側の大径管１０２の直径は、それ以外の部分の直径よりも大に形成されているから、それらは内部を円滑に流通し目詰まりを起こすことが少ない。さらに大径管１０２の内直径自体が大に形成されているから、多少の水スケールの付着が内面に存在しても、目詰まりを起こすことがない。
特開２００４−９３０３７号公報

しかしながら、上記従来の構成では、水の下流側の大径管１０２の内直径を大きくすることで水の流速が低下し、加熱用流体が最も高温で加熱される水との温度差が大きく熱交換量の大きな水の下流側の大径管１０２で水と小径管１０１の熱伝達率の低下し、熱交換器１００全体としての性能低下は避けられない。従って、所定の加熱能力を得るためには大径管１０２の管軸方向に延長することとなり、熱交換器１００の容積、重量が増加するという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、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で同時に高い熱交換率を実現すると共に、高温側での水のカルシウム（Ｃａ）等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、低温側での水の熱伝達率を向上させ、全体として熱交換性能の低下を防止する熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１壁と第２壁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で構成し、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が対向して流動し、前記内管の流出側の流路断面積が流入側の流路断面積より拡大し、前記内管の流入側に乱流促進手段を内包したものである。

これによって、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で流体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と共に、流体Ａとして水が流動する内管の流出部の流路断面積を拡大することにより、環状部を二酸化炭素等の冷媒が流体Ｂとして流動し水と熱交換して水が高温部となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し流出部の内管の管壁に付着しても、水の流動を封止することがない。また、水の流入側には乱流促進手段が内包されているため、流入側で低温となるためスケールの付着が無く、水を攪乱して熱伝達率を向上させる。

本発明の熱交換器は、非常に簡易な構造で安全性を確保し同時に高い熱交換効率を実現できると共に、水が流動する流出部の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても水の流動を封止することなく熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらに流入側の熱伝達率を向上させ、熱交換器全体として熱交換性能の低下を防止することができる。

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で構成し、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が対向して流動し、前記内管の流出側の流路断面積が流入側の流路断面積より拡大し、前記内管の流入側に乱流促進手段を内包することにより、流体Ａと流体Ｂの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成で流体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と共に、流体Ａとして水が流動する内管の流出部の流路断面積を拡大することにより、環状部を二酸化炭素等の冷媒が流体Ｂとして流動し水と熱交換して水が高温部となり、水（特に水道水）に含まれるカルシウムが析出し流出部の内管の管壁に付着しても水の流動を封止させず、熱交換機能を停止することを抑制することができる。また、水の流入側の乱流促進手段が、流入側で低温となるためスケールの付着が無く水を攪乱して熱伝達率を向上させ、熱交換器全体として熱交換性能の低下を防止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の内管の流入側に内包した乱流促進手段が螺旋状の線材であることにより、水の流動抵抗を低く抑えつつ、流入側の熱伝達率を向上することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明の螺旋状の線材が内管の略管軸方向に複数個断続的に配設されていることにより、螺旋状の線材により攪乱された流動状態が収まり始める毎に次の螺旋状の線材により攪乱されるため、水の攪乱による流入側の熱伝達率の向上を低下させることなく、螺旋状の線材による水の流動抵抗の上昇を極力低くすることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明の内管の管軸方向に螺旋の曲率半径が異なることにより、水の流動抵抗を低く抑えつつ内管の中心付近から管壁近傍まで全体の水の攪乱ができ、熱伝達率をさらに向上することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明の曲率半径の大きい螺旋の管軸方向長さを長く、曲率半径の小さい螺旋の管軸方向長さを短くすることにより、流速の早い管中心では管軸方向に短い螺旋材により水の流動抵抗の増加が低く抑えられつつ攪乱が促進され、流速が比較的遅くなる管壁近傍では、管軸方向に長い螺旋材により流動抵抗の増加が大きくならず水の攪乱が促進される。従って内管の流入側全体として水の流動抵抗を極力低く抑えつつ、熱伝達率を大幅に向上させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の発明の内管の流入側に内包した乱流促進手段が前記内管の略管軸方向に複数個配設された略球体と、前記略球体を連結する線材から成ることにより、流入側の水の攪乱を促進しつつ、水の攪乱した流動に追随して略球体と連結した線材が可動することにより水の流動抵抗を低く抑えることができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明の内管の管軸方向に略球体の前記内管の管軸に垂直方向の断面積が異なることにより、断面積の大きな略球体により、管内全体の水の攪乱を促進し、断面積の小さな略球体により水の流動抵抗の増加を低く抑えつつ、前記断面積の大きな略球体により水の攪乱された流動状態を助長させることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明の管軸に垂直方向の断面積が大きな略球体より断面積の小さい略球体の数が多いことにより、断面積の大きな略球体による水の流動抵抗の増加を極力低く抑えつつ、断面積の小さな略球体による攪乱効果の助長を行え、内管の流入側全体として水の流動抵抗を低く抑えつつ、熱伝達率を大幅に向上させることができる。

請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれか一項に記載の発明の流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことにより、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。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の管軸方向の断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ断面図である。図４は同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の断面図である。

図１から図３において、熱交換器本体１は、第１壁３ａと第２壁３ｂが相互に熱的に密着した二重壁３を持つ銅製の内管２と、内管２とほぼ同軸で内部に内管２を備えた銅製の外管４で構成している。外管４の内面にはリブ５が設けられており先端５ａが内管２の外面に接し、内管２と外管４の間に環状部６を有している。また、内管２の流出側２ｂおよびその外側の外管４ｂの流路断面積が、流入側２ａおよびその外側の外管４ａの流路断面積より拡大している。また、内管２の流入側２ａの内部に螺旋状の線材７が内包されている。

また，図４においては、内管２の流入側２ａの管軸方向に断続的に螺旋状の線材８が複数個配置されている。

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、内管２の内部を水が流動し、内管２と外管４との間の環状部６を二酸化炭素が対向して流れ、第１壁３ａと第２壁３ｂの二重壁３を介して水と二酸化炭素が熱交換する。

ここで、水と二酸化炭素の間に安全性を確保する二重壁３を備え十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。また、水が流動する内管２の流出側２ｂの流路断面積を流入側２ａの流路断面積より拡大することにより、二酸化炭素が環状部６を内管２の水と対向して流動し高温となり、水に含まれるカルシウムが析出し流出側２ｂの内管２の管壁２ｂ１に付着しても水の流動を封止させず、熱交換停止することを抑制することができる。また、流入側２ａでは水が低温となるため、螺旋状の線材７を内包してもスケールの付着が無く、水の流動抵抗も低く抑えつつ水を攪乱して熱伝達率を向上させ、熱交換器１全体として熱交換性能の低下を防止することができる。

また、図４で示すように、内管２の流入側２ａの略管軸方向に複数個断続的に配設した螺旋状の線材８により攪乱された流動状態が収まり始める毎に次の螺旋状の線材８により攪乱されるため、水の攪乱による流入側２ａの熱伝達率の向上を低下させることなく、螺旋状の線材８による水の流動抵抗の上昇を極力低くすることができる。

尚、本発明の実施の形態１では、内管２、外管４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１では、内管２、外管４の材料は、通常は銅製だが、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。

尚、本発明の実施の形態１では、環状部６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。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の断面図である。なお、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５において、内管２の流入側２ａに内包された螺旋状の線材９は、曲率半径の小さい螺旋部９ａと曲率半径の大きい螺旋部９ｂから成り，曲率半径の小さい螺旋部９ａの管軸方向の長さが曲率半径の大きい螺旋部９ｂの管軸方向長さより短くなっている。

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。

内管２の流入側２ａの流速が早い管中心では、管軸方向に短い曲率半径の小さい螺旋部９ａにより水の流動抵抗の増加が低く抑えられつつ攪乱が促進され、流速が比較的遅くなる内管２の流入側２ａの内壁近傍では、管軸方向に長い曲率半径の大きな螺旋部９ｂにより流動抵抗の増加が大きくならず水の攪乱が促進される。従って内管２の流入側２ａ全体として水の流動抵抗を極力低く抑えつつ、熱伝達率を大幅に向上させることができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３における熱交換器の管軸方向の断面図である。図７は、図６のＣ−Ｃ断面図である。図８は、図６のＤ−Ｄ断面図である。

尚、上述の実施の形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図６において、内管２の流入側２ａには略球体１０が管軸方向に複数個配設ており、略球体１０は管軸方向に線材１１で連結されている。

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。

流入側２ａでは水が低温となるため、略球体１０を内包してもスケールの付着が無く、
流入側２ａの水の攪乱を促進して熱伝達率を向上しつつ、水の攪乱した流動に追随して略球体１０と連結した線材１１が可動することにより、水の流動抵抗を低く抑えることができる。

（実施の形態４）
図９は、本発明の実施の形態４における熱交換器の管軸方向の断面図である。

尚、上述の実施の形態と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図9において、内管２の流入側２ａに、内管２の管軸に垂直方向の断面積の大きな略球体１２と、断面積の小さい略球体１３が複数個配設されており、略球体１２、１３は管軸方向に線材１４で連結されている。また、断面積の大きな略球体１２に対し、断面積の小さい略球体１３の数が多くなっている。

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。
数の少ない断面積の大きな略球体１２により、水の流動抵抗の増加を低く抑えつつ内管２全体の水の攪乱を促進し、数の多い断面積の小さな略球体１３による攪乱効果の助長を行え、内管２の流入側２ａ全体として水の流動抵抗を低く抑えつつ、熱伝達率を大幅に向上させることができる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、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と共に、水が流動する流出側の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても、水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらにスケールの付着しない流入側で熱伝達率を向上させ、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制が可能となるので、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の管軸方向の断面図 図１のＡ−Ａ断面図 図１のＢ−Ｂ断面図 同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の管軸方向の断面図 本発明の実施の形態３における熱交換器の管軸方向の断面図 図６のＣ−Ｃ断面図 図６のＤ−Ｄ断面図 本発明の実施の形態４における熱交換器の管軸方向の断面図 従来の２重管型熱交換器の一部破断断面図 図１０のＩＩ−ＩＩ矢視断面図

符号の説明

１ 熱交換器本体
２ 内管
２ａ 流入側
２ｂ 流出側
３ 二重壁
３ａ 第１壁
３ｂ 第２壁
４、４ａ，４ｂ 外管
５ リブ
６ 環状部
７、８、９ 螺旋状の線材
９ａ 曲率半径の小さい螺旋部
９ｂ 曲率半径の大きい螺旋部
１０、１２、１３ 略球体
１１、１４ 線材

Claims (9)

1. 第１壁と第２壁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で構成し、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が対向して流動し、前記内管の流出側の流路断面積が流入側の流路断面積より拡大し、前記内管の流入側に乱流促進手段を内包したことを特徴とした熱交換器。
2. 内管の流入側に内包した乱流促進手段が螺旋状の線材であることを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
3. 螺旋状の線材が内管の略管軸方向に複数個断続的に配設されたことを特徴とした請求項２に記載の熱交換器。
4. 内管の管軸方向に螺旋の曲率半径が異なることを特徴とした請求項２または３に記載の熱交換器。
5. 曲率半径の大きい螺旋の管軸方向長さが長く、曲率半径の小さい螺旋の管軸方向長さが短いことを特徴とした請求項４に記載の熱交換器。
6. 内管の流入側に内包した乱流促進手段が前記内管の管軸方向に複数個配設された略球体と、前記球体を連結する線材から成ることを特徴とした請求項１に記載の熱交換器。
7. 略球体の前記内管の管軸に垂直方向の断面積が異なることを特徴とした請求項６に記載の熱交換器。
8. 管軸方向の断面積が大きな略球体より断面積の小さい略球体の数が多いことを特徴とした請求項７記載の熱交換器。
9. 流体Ａを水とし、流体Ｂ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８のいずれか一項に記載の熱交換器。

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