JP2006170571A - 二重多管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱交換長を短くし、コンパクト化を可能にした二重多管式熱交換器を提供する。
【解決手段】 熱交換器１は、外管４と、外管４に挿入された２つの内管５Ａ，５Ｂとからなる配管２を所定の巻形状にして構成され、内管５Ａ，５Ｂの内部にはＣＯ_２ガスが流され、内管５Ａ，５Ｂと外管４との間には水が流される。内管５Ａ，５Ｂは、スパイラル状に撚られまたは捩じられており、これにより、水の流れが大幅に乱されることで十分な乱流が得られ、内管外面での水の熱伝達率が大きくなる。この結果、熱交換効率が向上し、熱交換長の短縮、コンパクト化が可能になる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒートポンプ給湯機等に用いられる二重多管式熱交換器に関し、特に、熱交換長を短くし、コンパクト化を可能にした二重多管式熱交換器に関する。

従来、家庭用の給湯分野では、燃焼式、ヒーター式ともに効率改善が困難なため、省エネルギー化は進んでいなかった。しかし、最近開発されたＣＯ_２（炭酸ガス）ヒートポンプ給湯機は、給湯エネルギーを大幅に削減する省エネルギー機器として注目され、さらに、炭酸ガス排出量が、従来の燃焼式給湯機の約１／２という特長を有している。これにより、ＣＯ_２ヒートポンプ給湯機の普及が促進することで、温室効果ガスの大幅な削減に寄与することが期待される。

ＣＯ_２ヒートポンプ給湯機は、自然冷媒であるＣＯ_２ガスの優れた加熱特性を生かし、超臨界状態の冷媒と水が熱交換することで、ヒートポンブ運転のみで最高９０℃の高温沸き上げを可能にしたものであり、ヒーターを使用しないため、機器のエネルギー効率が飛躍的に向上する。また、ＣＯ_２冷媒は、毒性、可燃性のない冷媒であり、環境面からも、オゾン層破壊がなく、地球温暖化係数も非常に小さいという特長を有している。

図５は、ＣＯ_２ヒートポンプ給湯機の構成を示す。このＣＯ_２ヒートポンプ給湯機１００は、貯湯ユニット１１０と、ヒートポンプユニット１２０とを備える。

貯湯ユニット１１０は、冷水を供給する給水配管１１１と、給水配管１１１からの水が供給される貯湯タンク１１２と、ヒートポンプユニット１２０からの湯が供給される給湯配管１１３と、貯湯タンク１１２から熱湯を取り出す給湯配管１１４と、給湯配管１１４からの湯と給水配管１１１からの冷水を混合する給湯混合弁１１５とを備える。

ヒートポンプユニット１２０は、給水配管１１１からの水を圧送する循環ポンプ１２１と、循環ポンプ１２１の後段に配置された熱交換器１２２と、熱交換器１２２にＣＯ_２ガス１２３を循環させる循環配管１２４と、循環配管１２４内に配設された膨張弁１２５と、膨張弁１２５より後段の循環配管１２４内に配設された熱交換器１２６と、熱交換器１２６からのＣＯ_２ガス１２３を圧縮するコンプレッサ１２７と、熱交換器（蒸発器）１２６に空気を吹きつける電動式のファン１２８とを備える。

図５のＣＯ_２ヒートポンプ給湯機１００は、給水配管１１１から供給された水が、循環ポンプ１２１によって熱交換器１２２に送られ、コンプレッサ１２７からの高温のＣＯ_２ガス１２３との間で熱交換が行われ、加熱される。加熱された水は、給湯配管１１３を経て貯湯タンク１１２に送られ、貯湯される。

一方、ヒートポンプユニット１２０においては、熱交換器１２２で熱を奪われて高圧低温になったＣＯ_２ガス１２３は、膨張弁１２５で低圧低温となり、熱交換器１２６に送られる。熱交換器１２６では、ファン１２８によって供給される大気の温度から熱を吸収して気化した状態でＣＯ_２ガス１２３がコンプレッサ１２７に送られる。

ＣＯ_２ガス１２３は、コンプレッサ１２７で圧縮されることにより、ＣＯ_２ガス１２３は高温になって熱交換器１２２に送られ、熱交換器１２２では循環ポンプ１２１からの水を加熱する。以下、上記したサイクルを繰り返すことにより、連続的に９０°近い温度の熱湯を生成することができる。

貯湯タンク１１２は、上部に熱交換器１２２からの湯が供給され、下部に給水配管１１１からの水が供給され、両者の接する部分には境界層（混合層）１１６が形成されている。貯湯タンク１１２から取り出された湯は、給湯混合弁１１５で給水配管１１１からの水により、ユーザの好みの温度に調整して用いられる。

なお、この種のＣＯ_２ヒートポンプ給湯機として、例えば、高効率なスクロール圧縮機や熱交換器を採用し、省エネルギー性を追求したＣＯ_２ヒートポンプ給湯機が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

図６は、ヒートポンプユニット１２０の熱交換機器１２６に用いることができる従来の熱交換器を示す。同図中、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。

図６の（ａ）に示すように、熱交換器２００は、内管２１１および外管２１２からなる管体をコイル状に巻回した配管２１０と、外管２１２の両端に連通するパイプ２１３Ａ，２１３Ｂとを備えた二重管構成になっている。なお、このほか、上記配管２１０を直線状に配置した熱交換器も、従来より用いられている。

図６の（ｂ）に示すように、配管２１０は、内管２１１と外管２１２が同心円状に配置され、例えば、内管２１１にはＣＯ_２ガスが流され、外管２１２にはパイプ２１３Ａ，２１３Ｂを通して液体が流される。

なお、図６の（ｂ）のような二重管構成の熱交換器にあって、内管（伝熱管）および外管（外殻管）の表面にフッ素系樹脂等の耐蝕性樹脂を被覆し、内管と外管の間に酸等の薬液や腐食液等の腐食流体を流せるようにした構成の二重多管式熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図７は、従来の他の熱交換器の構成を示す。同図中、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。

この熱交換器３００は、図７の（ｂ）に示すように、小径の２つの内管２１１Ａ，２１１Ｂと、この内管２１１Ａ，２１１Ｂを略平行に内挿している大径の外管２１２とからなる配管２１０を備える。配管２１０は、図７の（ａ）に示すように、図６の熱交換器と同様に、コイル状に巻回することにより熱交換器３００が構成される。なお、このように、外管２１２内に２つの内管２１１Ａ，２１１Ｂを内挿した構造の熱交換器を、以下においては二重多管式熱交換器と称する。

図７の熱交換器３００によれば、図６のような単純な二重多管式熱交換器に比べて、圧力損失を上げないで、すなわち、配管２１０を長くしないで伝熱面積を増やせるので、熱交換性能を高めることができる。なお、内管２１１は、３本以上であってもよい。
「冷凍」２００４年３月号、第７９巻第９１７号（ｐ１７〜２２） 特開２００２−３１４９７号公報（［００１８］、［００１９］、図１）

しかし、従来の発光装置によると、２本の内管２１１Ａ，２１１Ｂが、概ね平行になっているため、外管２１２と内管２１１Ａ，２１１Ｂの間を流れる流体の流速が遅い場合、十分な乱流にならず、内管２１１Ａ，２１１Ｂの外側と液体との熱伝達率が小さくなる。このため、二重管部の長さは、例えば、１０ｍを必要とした。このため、二重多管式熱交換器を短くして小型化を図ることができなかった。

ＣＯ_２を冷媒とするヒートポンプ式給湯機では、安価な夜間電力を使用して８時間程度の長い時間をかけて水を９０℃近くの高温まで昇温させるため、二重多管式熱交換器の外側の流路を流れる水の流量は０．６〜１．５Ｌ／ｍｉｎとかなり小さく、流速も小さい。このため、内管外側と水との熱伝達率が小さく、交換熱量の割には長く、大きな熱交換器になっているのが現状である。

したがって、本発明の目的は、熱交換長を短くし、コンパクト化を可能にした二重多管式熱交換器を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、スパイラル状に撚られまたは捩じられるとともに、それぞれに第１の流体が流通する複数の内管と、
前記複数の内管が内挿されるとともに、前記複数の内管との間の空間に第２の流体が流通する外管とを備えたことを特徴とする二重多管式熱交換器を提供する。

本発明の二重多管式熱交換器によれば、熱交換長を短くし、コンパクト化を図ることができる。

［第１の実施の形態］
（二重多管式熱交換器の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る二重多管式熱交換器の構成を示す。同図中、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。

この二重多管式熱交換器１は、図１の（ａ）に示すように、占有容積を小さくコンパクトにするために同一平面上で矩形の渦巻き状にした配管２と、この配管２の両端に接続されて、貯湯ユニット等からの液体が流通する２つのパイプ３Ａ，３Ｂとを有し、例えば、給湯用の熱交換器に用いられる。

配管２は、図１の（ｂ）に示すように銅等により作られて第２の流体が流通する外管４と、この外管４との間に空間が生じるようにして外管４に挿入された銅等により作られて第１の流体が流通する第１の２つの内管５Ａ，５Ｂとを備える。内管５Ａ，５Ｂは、同一構成であり、スパイラル状に撚られ、または捩じられている。この撚りピッチは、一定である必要はないし、二重管部の全長に亘って撚られている必要もない。また、撚られている部分と撚られていない部分が混在していてもよい。

また、内管５の本数は、２本に限定されるものでなく、任意の本数にすることができる。更に、外管４および内管５Ａ，５Ｂには銅管を用いているが、銅管に限定するものではなく、例えば、アルミニウム管やステンレス管であってもよい。

図２は、図１の（ｂ）のＤ−Ｄ線の断面を示す。また、図３は、図２における内管５Ａの詳細を示す断面図である。内管５Ａ，５Ｂは、外管４の内面に対し、水等の媒体を流す空間を形成可能な外径を有している。なお、図３においては、内管５Ａ，５Ｂは同一構成であるため、内管５Ａについてのみ図示している。

図３に示すように、内管５Ａは、漏洩検知溝付銅管５１と、この漏洩検知溝付銅管５１に内嵌された円筒状の銅管（円管）５２と、漏洩検知溝付銅管５１の内面の円周方向に所定間隔に形成された漏洩検知溝５３とを備える。

漏洩検知溝５３は、腐食等により配管２の内側または外側からクラック等が進行した場合でも、冷媒等が直接給湯水に混入するのを防ぐことができるように、内管５Ａの内側の媒体、ないしは内管５Ａの外側の水が漏洩検知溝５３を通して排出できるように構成されている。漏洩検知溝５３に液体が流れ出ていることをセンサで検知することにより、液体の漏洩を検知できる。

（二重多管式熱交換器の動作）
二重多管式熱交換器１は、例えば、図５に示した熱交換器１２２の場所に用いられる。内管５Ａ，５ＢにはＣＯ_２ガスが流通し、外管４と内管５Ａ，５Ｂとの間には水が流通する。圧縮されたＣＯ_２ガスが高温になって内管５Ａ，５Ｂに流れることにより、内管５Ａ，５Ｂと外管４の間を流れる水との間で熱交換が行われ、高温になった湯がパイプ６Ａから取り出され、貯湯ユニットに送られる。

このとき、２つの内管５Ａ，５Ｂは、スパイラル状に撚られているため、内管５Ａ，５Ｂと外管４の間を流れる水の流れは、大幅に乱され、十分な乱流になる。この結果、特に内管５Ａ，５Ｂの外面における水の熱伝達率が大きくなり、熱交換効率が高くなるため、二重管部の長さを短縮でき、従って熱交換器はコンパクトになる。

（第１の実施の形態の効果）
この実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（イ）本発明による二重多管式熱交換器１は、２本の内管５Ａ，５Ｂをスパイラル状に撚っているため、水の流れが大幅に乱され、十分な乱流が得られることにより、内管外面での水の熱伝達率が大きくなり、熱交換効率を高くできる。この結果、外管４と内管５Ａ，５Ｂによる二重管部の長さを短くすることができ、これにより、コンパクト化を達成できる。
（ロ）二重管部の長さを短縮できたことにより、外管４および内管５の漏洩検知溝付銅管５１および銅管５２の使用量が少なくなり、コストダウンを図ることができる。
（ハ）配管２を、平面で矩形の渦巻き状に巻くことにより、二重多管式熱交換器１の占有容積を小さくコンパクトにすることができる。
（ニ）内管５Ａ，５Ｂは漏洩検知溝付銅管を備えているため、漏洩検知が可能であるため、二重多管式熱交換器１による湯を給湯として飲用した場合でも、安全性を確保することができる。

［第２の実施の形態］
（二重多管式熱交換器の構成）
図４は、本発明の第２実施の形態に係る二重多管式熱交換器の構成を示す。本実施の形態は、第１実施の形態の図３において、銅管５２の内面に溝５４を設けたものであり、その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

溝５４は、銅管５２の内面の伝熱面積を大きくし、かつ銅管５２の内部を流れる冷媒の流れを乱すことを目的として設けられ、管長手方向（管軸方向）に伸びるように形成されるとともに、円周方向に一定間隔に設けられている。

（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態に比べ、熱交換効率を更に高めることができ、結果的にさらにコンパクトで安価な熱交換器を得ることができる。

（実施例）
次に、図１〜図３を参照し、本発明に係る二重多管式熱交換器１の実施例について説明する。外管４は、直径１４ｍｍ、肉厚１ｍｍの銅管を用い、内管５Ａ，５Ｂは、漏洩検知溝５３を有する直径５ｍｍ、内径３ｍｍの銅管を用い、図１の（ｂ）のように、スパイラル状に撚って外管４に挿入した。スパイラルのピッチは、１００〜２００ｍｍとした。外管４に内管５Ａ，５Ｂを挿入してなる二重多管部の長さは、外管４内に流す水の温度が９℃、水の流量が０．８ｍｌ／ｍｉｎの条件で９０℃の熱湯を得るのに必要な二重管部の長さは７ｍ程度であった。この配管２を図１に示すように、平面で矩形の渦巻き状に巻いた。

因みに、図７に示した従来構成では、外管と内管の寸法が本実施例と同じ場合、水の温度が９℃、水の流量が０．８ｍｌ／ｍｉｎの条件で９０℃の熱湯を得るためには、二重管部の長さは１０ｍを必要とした。

この二重多管式熱交換器１を、炭酸ガスを冷媒とするヒートポンプ給湯機の冷媒と水との熱交換器として使用した。炭酸ガスを冷媒とするヒートポンプ給湯機、特に、一般家庭で使用されるものは、電気料金を安くするため、料金が大幅に割安な夜間電力を使用し、８時間程度の長い時間をかけて、水を９０℃近くまで加熱し、貯湯タンクに貯湯しておいてから、必要な時に取り出して使用している。

しかし、ヒートポンプ給湯機に炭酸ガス冷媒を用いた場合、使用する電力に対する成績係数が高いため、水を段階的に加熱するよりも、熱交換器に一度だけ通過させて一気に目的の温度（９０℃近く）まで加熱するほうが効率が良い。そこで、流量を０．６〜１．５Ｌ／ｍｉｎ程度に小さくしたところ、流速も小さいものとなり、水の温度が９℃程度の場合、水の流量を０．８ｍｌ／ｍｉｎ程度にして９０℃の熱湯を得ることができた。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、第１の流体および第２の流体は、他の流体であってもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る二重多管式熱交換器の構成を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。 図１の（ｂ）のＤ−Ｄ線の断面を示す断面図である。 図２における内管の詳細を示す断面図である。 本発明の第２実施の形態に係る二重多管式熱交換器の構成を示す断面図である。 ＣＯ_２ヒートポンプ給湯機の構成を示す系統図である。 従来の熱交換器を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。 従来の他の熱交換器の断面形状を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。

符号の説明

１ 二重多管式熱交換器
２ 配管
３Ａ，３Ｂ パイプ
４ 外管
５Ａ，５Ｂ 内管
６Ａ，６Ｂ パイプ
５１ 漏洩検知溝付銅管
５２ 銅管
５３ 漏洩検知溝
５４ 溝
１００ ヒートポンプ給湯機
１１０ 貯湯ユニット
１１１ 給水配管
１１２ 貯湯タンク
１１３ 給湯配管
１１４ 給湯配管
１１５ 給湯混合弁
１２０ ヒートポンプユニット
１２１ 循環ポンプ
１２２ 熱交換器
１２３ ＣＯ_２ガス
１２４ 循環配管
１２５ 膨張弁
１２６ 熱交換器
１２７ コンプレッサ
１２８ ファン
２００ 熱交換器
２１０ 配管
２１１，２１１Ａ，２１１Ｂ 内管
２１２ 外管
２１３Ａ，２１３Ｂ パイプ
３００ 熱交換器

Claims (5)

1. スパイラル状に撚られまたは捩じられるとともに、それぞれに第１の流体が流通する複数の内管と、
   前記複数の内管が内挿されるとともに、前記複数の内管との間の空間に第２の流体が流通する外管とを備えたことを特徴とする二重多管式熱交換器。
2. 前記内管は、その内面に管軸方向に伸びる複数の漏洩検知用の溝が円周方向に所定間隔に形成されている漏洩検知溝付管と、
   前記漏洩検知溝付管に内嵌された円管とを備えることを特徴とする請求項１記載の二重多管式熱交換器。
3. 前記円管は、その内面に管軸方向に伸びる複数の溝が円周方向に所定間隔に形成されていることを特徴とする請求項２記載の二重多管式熱交換器。
4. 前記外管は、平面上に矩形の渦巻き状に巻かれていることを特徴とする請求項１記載の二重多管式熱交換器。
5. 前記第１の流体は、炭酸ガスであり、前記第２の流体は、水であることを特徴とする請求項１記載の二重多管式熱交換器。

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