JP2007218486A - 熱交換器用伝熱管及びこれを用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒートポンプ給湯機のような流速が小さい使用形態においても熱交換器の伝熱性能を向上させ得る熱交換器用伝熱管及びこれを用いた熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１００は、コルゲート溝深さをＨｃ、コルゲート外径をＯＤとすると０．０４≦Ｈｃ/ＯＤであり、コルゲート溝と管軸Ｔａとのなす角をねじれ角βcとするとβc≧４０゜であるコルゲート伝熱管１０と、その外側に配置される外管１１とから構成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、熱交換器用伝熱管及びこれを用いた熱交換器に関し、特に、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機（以下、単に「ヒートポンプ給湯機」と称する場合もある）の水−冷媒熱交換器用伝熱管及びこれを用いた熱交換器に関する。

従来からよく知られている自然冷媒ヒートポンプ式給湯機の熱交換器として、水が流通する外管と、冷媒が流通する内管との二重管からなる二重管式熱交換器がある。このような二重管式熱交換器の場合、冷媒が流通する内管に腐食による孔が開くと、水と冷媒が混ざり合ってしまうことから、水または冷媒の漏洩を検知して装置を停止するための漏洩検知部（漏洩検知溝を有する漏洩検知管）を設けることがしばしば行われている（漏洩検知管を設けることによって、実質的に三重管構造になる）。

一方、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機は、夜間に時間をかけてお湯を沸かすものであり、水の流速が小さく、層流となるため、熱交換器としての性能を向上させるには、ボトルネックになる水管の伝熱性能の向上が不可欠となる。

伝熱性能の向上を目的とした熱交換器としては、第一伝熱管内に、複数本の伝熱管を螺旋状にねじって構成した第二伝熱管を配置したものがある（特許文献１を参照）。特許文献１記載の熱交換器によれば、水の圧力損失やスケール成分の溶出が小さく、伝熱促進体としての別部品を用いずに伝熱促進することができる旨が記載されている。

また、水管を芯管として冷媒管を外側から巻き付けた熱交換器がある（特許文献２を参照）。当該芯管としては、平滑管のほか、コルゲート管や内面溝付管とする構成、或いは芯管内部にねじり板を挿入する構成が開示されている。特許文献２記載の熱交換器によれば、製造・運搬の容易性、熱交換性の向上、コストの低減等の面で効果を有する旨が記載されている。
特開２００４−３６０９７４号公報 特開２００２−２２８３７０号公報

しかしながら、特許文献１記載の熱交換器では、複数本の伝熱管を螺旋状にねじる工程自体が複雑でコストが掛かる（つぶれや折れ等の変形がしやすい中空な管をねじる工程は、中実なワイヤをねじる工程ほど容易ではない）ことに加えて、第一伝熱管と複数本の第二伝熱管を分離する熱交換器端末部分の処理（構成）が複雑になるという問題がある。また、上述した漏洩検知部を設ける際に個々の第二伝熱管を二重管にする必要が生じるなど、さらに高コストになりやすいという問題がある。

また、特許文献２記載の熱交換器では、単純に芯管をコルゲート形状としたり、芯管にねじり板を挿入しても、所望の伝熱性能を得られずに、コストや圧力損失の増大を招く場合がある。また、芯管を内面溝付管とした場合には、伝熱面積が増大しても、流速の小さい層流域では、伝熱面積の増大による効果を得ることができない。更に、内面溝付管の製法上の制約から、流速の小さい層流域で乱流効果を起こさせるような大きな形状変化を形成することは困難である。

従って、本発明の目的は、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機のような水の流速が小さい使用形態においても熱交換器の伝熱性能を向上させ得る熱交換器用伝熱管及びこれを用いた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、熱交換器を構成する水管として使用されるコルゲート形状の伝熱管であって、前記コルゲート形状のコルゲート溝深さをＨｃ、コルゲート外径をＯＤとすると、０．０４≦Ｈｃ/ＯＤを満たすことを特徴とする伝熱管を提供する。

本発明は、上記目的を達成するため、上記本発明に係る伝熱管を備えたことを特徴とする熱交換器を提供する。

本発明によれば、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機のような水の流速が小さい使用形態においても熱交換器の伝熱性能を向上させ得る熱交換器用伝熱管及びこれを用いた熱交換器を得ることができる。

〔本発明の第１の実施の形態〕
（伝熱管の構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る伝熱管の構造を示す説明図であり、図１（ａ）は全体図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ領域における拡大断面図を示す。

本実施の形態に係る伝熱管（コルゲート伝熱管）１０は、１条で加工されたコルゲート管であり、熱交換器（例えば、ヒートポンプ給湯機用の水−冷媒熱交換器）を構成する水管として使用されるものである。すなわち、伝熱管１０内を流れる水と、伝熱管１０の外を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。コルゲート管とは、一般にその内外面に波形のスパイラル構造を持った管をいう。

本実施の形態に係るコルゲート伝熱管１０は、コルゲート形状のコルゲート溝深さをＨｃ、コルゲート外径をＯＤとすると、外径に対する凹凸の比を表すＨｃ/ＯＤが通常の内面溝付管と比べて大きく（内面溝付管における凹凸の比は「溝深さ/外径」で表される）、０．０４≦Ｈｃ/ＯＤを満たすことを特徴とする。望ましくは、０．０４≦Ｈｃ/ＯＤ≦０．１であり、より望ましくは０．０４≦Ｈｃ/ＯＤ≦０．０７を満たすことを特徴とする。Ｈｃ/ＯＤを上記範囲にすることで、良好な伝熱性能が得られる。また、低圧力損失とすることができる。

また、コルゲート伝熱管１０のコルゲート溝１と管軸Ｔａとのなす角をねじれ角βｃとして、４０゜以上の高ねじれ形状とすることが望ましい。より望ましくは４０°≦βｃ≦８２°である。これにより、凹凸を乗り越えた流体の乱流化を促進することができる。なお、上述のコルゲート管の定義から、ねじれ角βｃは、０°＜βｃ＜９０°の範囲である。

コルゲート伝熱管１０の端末平滑部肉厚ＴｗやコルゲートピッチＰｃは、特に限定されるものではないが、例えば、０．４ｍｍ≦Ｔｗ≦１．７ｍｍ、３ｍｍ≦Ｐｃ≦１０ｍｍのものを使用できる。また、材質としては、特に限定されるものではないが、熱伝導率や機械的強度を勘案して銅や銅合金、またはアルミニウムやアルミニウム合金などが好ましく用いられる。

〔本発明の第２の実施の形態〕
（伝熱管の構成）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る伝熱管の構造を示す説明図である。

本実施の形態に係るコルゲート伝熱管２０は、第１の実施の形態に係るコルゲート伝熱管１０が１条で加工されたコルゲート管であるのに対し、３条で加工されたコルゲート管であり、熱交換器を構成する水管として使用されるものである。条数が大きくなると、加工速度が上がるため、コスト的なメリットが大きい。

ねじれ角βcは、３条加工の場合、１条加工よりねじれ角βcが小さくなる傾向にあるが、隣り合うコルゲート溝１の間隔、すなわちコルゲートピッチＰｃを小さくすることで、内面溝付管では製造困難な４０°以上の高いねじれ角を実現できる。

次に、上記コルゲート伝熱管を備えた熱交換器について説明する。

〔本発明の第３の実施の形態〕
（熱交換器の構成）
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。

本実施の形態に係る熱交換器（二重管式熱交換器）１００は、上述した本発明の実施の形態に係る伝熱管（例えば、コルゲート伝熱管１０）を内管として、その外側に外管１１を備え、コルゲート伝熱管１０と外管１１の間の環状路に冷媒が流れるように形成されている。

〔本発明の第４の実施の形態〕
（熱交換器の構成）
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。

本実施の形態に係る熱交換器（三重管式熱交換器）２００は、上述した本発明の実施の形態に係る伝熱管（例えば、コルゲート伝熱管１０）を内管として、その外周に漏洩検知部（漏洩検知溝１３）が形成されるように平滑管からなる漏洩検知管１２が接して配置され、更に漏洩検知管１２の外側に外管１１が配置され、漏洩検知管１２と外管１１の間の環状路に冷媒が流れるように形成されている。

〔本発明の第５，６の実施の形態〕
（熱交換器の構成）
図５は、本発明の第５の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。また、図６は、本発明の第６の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。

図５，６に示した熱交換器３００，４００は、図３，４の熱交換器における外管をコルゲート管（コルゲート外管２１）としたものであり、これにより可撓性を向上させることができる。

〔本発明の第７の実施の形態〕
（熱交換器の構成）
図７は、本発明の第７の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。

本実施の形態に係る熱交換器５００は、上述した本発明の実施の形態に係る伝熱管（例えば、コルゲート伝熱管１０）のコルゲート溝１に沿って、冷媒流通用の螺旋状伝熱管３１が巻き付けられて構成される。なお、必要に応じて、コルゲート溝１と伝熱管３１をろう付け等で固着する場合もある。

熱交換器５００では、伝熱管１０内を流れる水と、伝熱管１０の外周で接触する螺旋状伝熱管３１内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。また、コルゲート溝１に沿って伝熱管３１を巻き付けることで、伝熱管１０と伝熱管３１の有効接触面積（有効伝熱面積）を増大させることができる。

〔本発明のそのほかの実施の形態〕
本発明の実施の形態としては、上記の第１〜７の実施の形態のほか、種々の形態があり、例えば、以下の形態が挙げられる。
（１）１条と３条のコルゲート伝熱管について説明したが、２条、或いは４条以上であってもよい。１条〜３条のコルゲート伝熱管が、内面溝付管では困難な高いねじれ角を実現しやすいという点で望ましい。

〔本発明の実施の形態の効果〕
本発明の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）ヒートポンプ式給湯機の水−冷媒熱交換器における水の流速は非常に小さく、従来の伝熱管（平滑管や内面溝付管など）では層流となるために伝熱性能が非常に低いという問題があった。また、コルゲート管を使用した従来の伝熱管では、外径に対する凹凸の比を表すＨｃ/ＯＤが規定されておらず、伝熱性能に関する効果が不明確であった。これらに対し、本実施の形態に係るコルゲート伝熱管によれば、外径に対する凹凸の比を表すＨｃ/ＯＤが内面溝付管に比べても低コストで十分大きくとることができ、かつ、このＨｃ/ＯＤを規定した凹凸を流体が乗り越えることによる乱流効果により、大幅な伝熱性能の向上を果たすことができる。特に、従来品では性能向上が難しかった低いレイノルズ数Ｒｅ領域（例えば、１０００〜５０００、とりわけ１０００〜３０００）において、平滑管に比べて２倍以上の性能が実現可能となる。

（２）本実施の形態に係るコルゲート伝熱管によれば、コルゲート溝と管軸とのなす角（ねじれ角）βｃを、内面溝付管では困難であった４０゜以上の高いねじれ形状にできるため、流体が凹凸を乗り越える頻度を増大させ、流体の乱流効果を促進することができる。また、条数とコルゲートピッチＰｃの関係を調整することで、内面溝付管などに比べ、低コストでねじれ角βｃを大きくとることができる。

（３）上記第３〜６の実施の形態に係る熱交換器によれば、水管としての伝熱性能の向上のみならず、冷媒に対する水管の伝熱面積を極大とすることができるため、熱交換器としての効率が向上する。さらに、上記第３，５の実施の形態によれば、水管の伝熱性能の向上に加えて、冷媒側の伝熱性能の向上も図ることができる。

（４）内面溝付管に比べ、大きな漏洩検知部を比較的簡単に設けることができる。すなわち、通常、漏洩検知溝を形成するためには、高いフィンを持った内面溝付管を漏洩検知管として用いる必要があるが、内管をコルゲート伝熱管としたため、漏洩検知溝が（低コストで）容易に大きくとれ、漏洩検知管１２を平滑管とすることができる。

（５）上記第５，６の実施の形態によれば、外管もコルゲート管とすることで、可撓性を向上させることができる。

（６）上記第７の実施の形態によれば、冷媒が流れる外管をコルゲート伝熱管のコルゲート溝に螺旋状に巻きつけることで、可撓性を持たせることができる。また、冷媒が流れる外管をコルゲート溝に沿って巻き付けることで、平滑管や内面溝付管に外管を巻き付ける場合に比して、外管と水管（外管を巻き付ける伝熱管）の有効接触面積（有効伝熱面積）を増大させることができる。

図８は、本発明の第１の実施の形態に係るコルゲート伝熱管（実施例１）と、平滑管（比較例１）と、内面溝付管（比較例２）の伝熱性能を、層流領域（レイノルズ数Ｒｅが小さい領域）で比較したものである。試験に供したコルゲート伝熱管と内面溝付管の仕様を表１に示した。何れの伝熱管も、材質をリン脱酸銅とし、外径（ＯＤ）を９．５２ｍｍとした。ここで、伝熱性能とは、流体の物性の影響を相殺するために、ヌセルト数Ｎｕをプラントル数Ｐｒの０．４乗で除したものと定義する（Ｎｕ／Ｐｒ^０．４、以下の実施例において同様）。また、ヒートポンプ式給湯機で実際に使用される水流量に対応するレイノルズ数Ｒｅ（１０００，２０００，３０００）で比較した。

図８から明らかなように、評価したレイノルズ数Ｒｅ領域で、内面溝付管（比較例２）と平滑管（比較例１）がほぼ同程度の伝熱性能であるのに対し、コルゲート伝熱管１０は３倍以上の伝熱性能と大幅に性能が向上している。

図９は、レイノルズ数Ｒｅが１０００のときの、コルゲート伝熱管のＨｃ/ＯＤと伝熱性能の関係（平滑管に対する伝熱性能比）を示したものである。コルゲート伝熱管のねじれ角βcと条数は実施例１（表１）と同様とした。また、図８で示したように、この流速領域では内面溝付管の伝熱性能は平滑管と同程度なため、コルゲート伝熱管の伝熱性能は平滑管のそれと比較した。

図９から明らかなように、Ｈｃ/ＯＤが０．０４未満になると、急激に伝熱性能が低下する。よって、０．０４≦Ｈｃ/ＯＤを満たすことが望ましい。

図１０は、レイノルズ数Ｒｅが１０００のときの、コルゲート伝熱管のねじれ角βcと伝熱性能の関係（平滑管に対する伝熱性能比）を示したものである。コルゲート伝熱管のＨｃ/ＯＤと条数は実施例１（表１）と同様とした。また、図８で示したように、この流速領域では内面溝付管の伝熱性能は平滑管と同程度なため、コルゲート伝熱管の伝熱性能は平滑管のそれと比較した。

図１０から明らかなように、Ｈｃ/ＯＤ＝０．１であれば、ねじれ角βcが小さくても（例えば、βc＝３５゜）、伝熱性能は平滑管比１．５倍程度高くなるが、βc≧４０゜の高いねじれ角にすることで、伝熱性能を平滑管比２倍以上に向上させることができる。

図１１は、レイノルズ数Ｒｅが１０００のときの、コルゲート伝熱管のＨｃ/ＯＤと管摩擦係数の関係（平滑管に対する管摩擦係数比）を示したものである。ここで、管摩擦係数とは、ΔＰ＝λ×Ｌ/ｄｅ×(ρｖ^２)/２の関係式で規定される無次元数λであり、流路面積や流体の流速等の影響を相殺した圧力損失の指標と見なすことができる。なお、ΔＰは伝熱管の圧力損失、Ｌは伝熱管長さ、ｄｅは伝熱管の相当直径（４×流路面積/濡れ縁長さ）、ρは流体の密度、ｖは流体の流速である。コルゲート伝熱管のねじれ角βcと条数は実施例１（表１）と同様とした。また、図８で示したように、この流速域では内面溝付管の伝熱性能は平滑管と同程度なため、コルゲート伝熱管の管摩擦係数は平滑管の管摩擦係数と比較した。

図１１から明らかなように、Ｈｃ/ＯＤが０．０４未満になると、伝熱性能比と同様に管摩擦係数比も急激に減少し、乱流促進ができなくなることが判る。一方、Ｈｃ/ＯＤが０．０４以上になると、管摩擦係数比（すなわち、圧力損失）は増加し続ける。さらに、Ｈｃ/ＯＤが０．１を超えると（０．１＜（Ｈｃ/ＯＤ））、管摩擦係数比が伝熱性能比（図９参照）を超えてしまうことが判る（例えば、Ｈｃ/ＯＤ＝１．１において、伝熱性能比４．３に対し、管摩擦係数比４．５となる）。従って、０．０４≦Ｈｃ/ＯＤ≦０．１を満たすことが望ましく、低圧力損失で高性能なコルゲート伝熱管を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る伝熱管の構造を示す説明図であり、（ａ）は全体図を示し、（ｂ）は（ａ）のＡ領域における拡大断面図を示す。 本発明の第２の実施の形態に係る伝熱管の構造を示す説明図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。 本発明の第４の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。 本発明の第５の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。 本発明の第６の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。 本発明の第７の実施の形態に係る熱交換器の構造を示す説明図である。 本発明の第１の実施の形態に係るコルゲート伝熱管（実施例１）と、平滑管（比較例１）と、内面溝付管（比較例２）の伝熱性能を比較したものである。 レイノルズ数Ｒｅが１０００のときの、コルゲート伝熱管のＨｃ/ＯＤと伝熱性能の関係（平滑管に対する伝熱性能比）を示したものである。 レイノルズ数Ｒｅが１０００のときの、コルゲート伝熱管のねじれ角βcと伝熱性能の関係（平滑管に対する伝熱性能比）を示したものである。 レイノルズ数Ｒｅが１０００のときの、コルゲート伝熱管のＨｃ/ＯＤと管摩擦係数の関係（平滑管に対する管摩擦係数比）を示したものである。

符号の説明

１：コルゲート溝
１０，２０：コルゲート伝熱管
１１：外管
１２：漏洩検知管
１３：漏洩検知溝
１００，２００，３００，４００，５００：熱交換器
２１：コルゲート外管
３１：螺旋状伝熱管

Claims (8)

1. 熱交換器を構成する水管として使用されるコルゲート形状の伝熱管であって、前記コルゲート形状のコルゲート溝深さをＨｃ、コルゲート外径をＯＤとすると、０．０４≦Ｈｃ/ＯＤを満たすことを特徴とする伝熱管。
2. ０．０４≦Ｈｃ/ＯＤ≦０．１を満たすことを特徴とする請求項１記載の伝熱管。
3. 前記コルゲート形状のコルゲート溝と前記伝熱管の管軸とのなす角をねじれ角βcとすると、βc≧４０゜であることを特徴とする請求項１記載の伝熱管。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の伝熱管を備えたことを特徴とする熱交換器。
5. 前記伝熱管を内管として、その外側に外管を備え、前記伝熱管と前記外管の間の環状部に冷媒が流れるように形成されていることを特徴とする請求項４記載の熱交換器。
6. 前記伝熱管の外周に漏洩検知部が形成されるように平滑管が配置され、更に前記平滑管の外側に外管が配置され、前記平滑管と前記外管の間の環状部に冷媒が流れるように形成されていることを特徴とする請求項４記載の熱交換器。
7. 前記外管がコルゲート管であることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の熱交換器。
8. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の伝熱管に、冷媒流通用の伝熱管が巻き付けられて構成されることを特徴とする熱交換器。
   

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