JP2007218523A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】管壁温度、水速、水通路の曲率半径等に関係なく、管内壁にスケール成分が付着する恐れの少ない熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】この発明に係る熱交換器１は、水配管２の外周に冷媒配管３を巻き付けた熱交換器において、水配管２は、外壁側に、少なくとも１条の管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成され、内壁側では、管外壁側螺旋状凹部が管内壁側螺旋状凸部となるとともに、管外壁側螺旋状凸部が管内壁側螺旋状凹部となり、冷媒配管３は、水配管２の管外壁側螺旋状凹部に接合され、冷媒配管３が巻き付けられた水配管２を平面上において渦巻き形状に形成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばヒートポンプ式給湯機等の水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器に関するものである。

ヒートポンプ式給湯機に用いられている水用熱交換器では、水温の上昇に伴い、水中に溶解しているスケール成分（例えば、炭酸カルシウム）が析出して水通路内壁に付着することがある。炭酸カルシウムの溶解度は、水温が上昇するにしたがって低下し、炭酸カルシウムがスケール成分として析出する。析出したスケール成分が水通路内壁に付着し、その付着は、管壁温度が高くなる場合、水速が小さい場合、水通路に曲率半径の小さな曲がりがある場合などに顕著になることが知られている。スケール成分が析出すると熱交換性能の低下、ひいては水配管の閉塞などの不具合になる可能性もある。

そこで、芯管の外周に巻管を螺旋状に巻き付けた熱交換器において、芯管内壁へのスケール成分の付着を抑制するために、渦巻き形状に形成されて水通路を構成する芯管と、芯管の外周に螺旋状に巻き付けられて冷媒通路を構成する巻管とからなり、水通路を流れる水を冷媒通路を流れる冷媒により加熱するように構成した熱交換器において、芯管における渦巻きの中心側を水入口とするとともに、芯管における渦巻きの外周側を水出口としている熱交換器が提案されている。

また、この熱交換器において、水通路の出口部分であって水温がスケール成分が析出する温度以上となる部分における水通路の流路断面積を、当該部分より上流側における流路断面積より大きくすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許第３６４９１８１号公報

しかしながら、芯管における渦巻きの外周側を水出口とし、水通路の出口部分の水通路の流路断面積を、上流側における流路断面積より大きくすると、構造的な制約が多くなり、配管の取り回しのために省スペース化が難しくなるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、管壁温度、水速、水通路の曲率半径等に関係なく、管内壁にスケール成分が付着する恐れの少ない熱交換器を提供することを目的とする。

この発明に係る熱交換器は、水配管の外周に冷媒配管を巻き付けた熱交換器において、
前記水配管は、
外壁側に、少なくとも１条の管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成され、
内壁側では、前記管外壁側螺旋状凹部が管内壁側螺旋状凸部となるとともに、前記管外壁側螺旋状凸部が管内壁側螺旋状凹部となり、
前記冷媒配管は、前記水配管の前記管外壁側螺旋状凹部に接合され、
前記冷媒配管が巻き付けられた前記水配管を平面上において渦巻き形状に形成したことを特徴とする。

この発明に係る熱交換器は、上記構成により、管壁温度、水速、水通路の曲率半径等に関係なく、管内壁にスケール成分が付着する恐れの少ない熱交換器が得られる。

実施の形態１．
図１乃至図６は実施の形態１を示す図で、図１は熱交換器１の平面図（ａ）とＡ−Ａ断面図（ｂ）、図２は熱交換器１の部分斜視図、図３は図２のＢ−Ｂ断面図、図４は水配管２と冷媒配管３との接合後の状態を示す断面図、図５はスケール析出実験のモデル図、図６は熱交換器１の水配管２の内壁へのスケール析出量を測定した結果を示す図である。

図１（ａ）に示すように、熱交換器１は、平面上において長円形状となるように渦巻き形状に、上下に二段（図１（ｂ）参照）に形成された水通路となる水配管２と、水配管２の外周に螺旋状に巻き付けられた冷媒通路となる冷媒配管３とを備える。但し、熱交換器１の段数は任意でよい。

熱交換器１は、例えば、ヒートポンプ式給湯機の室外ユニットの水側熱交換器に使用される。水配管２を流れる水と、冷媒配管３を流れる冷媒とは対向流となるように逆向きに流れる。冷媒には、ＣＯ_２、ＨＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＣ等が用いられる。

図１に示す熱交換器１は、例えば、冷媒配管３が外周に螺旋状に巻き付けられた水配管２の一段目の渦巻きの外周側の水入口部２ｅから巻き始め、一段目の渦巻きの中心部から二段目の渦巻きに移行し、その後二段目の渦巻きの外周側まで巻き、最後に曲線部１ａで外周側の渦巻きの径より小さい径で曲げて、水出口部２ｆが熱交換器１の中心部付近に位置するように構成する。

例えば、ヒートポンプ式給湯機の室外ユニットの水側熱交換器に熱交換器１が使用される場合に高温となる水配管２の水出口部２ｆが熱交換器１の中心部付近に位置するので、形状の自由度が増加し、実装密度が高くなり、省スペースでヒートポンプ式給湯機の室外ユニット内に設置できる効果がある。

図２乃至図４により、本実施の形態の熱交換器１の構成を具体的に説明する。図２に示すように、水配管２は、外壁側に管外壁側螺旋状凹部２ａが螺旋状に、ここでは３条並列に形成されている。条数は少なくとも１条あればよい。

管外壁側螺旋状凹部２ａの両端には、管外壁側螺旋状凸部２ｂがやはり螺旋状に形成されている。

そして、３条の管外壁側螺旋状凹部２ａに、管外壁側螺旋状凹部２ａの形状に沿って冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃが巻き付けられ、水配管２と冷媒配管３ａ、冷媒配管３ｂ、冷媒配管３ｃはロウ材または半田等の伝熱金属４により接合されている（図４参照）。

外壁側に管外壁側螺旋状凹部２ａ及び管外壁側螺旋状凸部２ｂが螺旋状に形成される水配管２は、例えば、燐脱酸銅製の平滑管の両端を固定し、内径側にマンドレルを挿入して捩り加工を施すことにより製造する。その他の、液圧バジル加工、鋳造、鍛造、切削加工、転造加工等の配管加工技術を応用して製造することもできる。

冷媒配管３は、水配管２の外壁側の管外壁側螺旋状凹部２ａに接合されるので、水配管２が平滑管である場合に比べ、水配管２と冷媒配管３との接触面積は大幅に増加する。従って、水配管２と冷媒配管３との間の伝熱性能が向上する。

一方、水配管２の内壁側は、図３に示すように、管外壁側螺旋状凹部２ａが管内壁側螺旋状凸部２ｃとなる。また、管外壁側螺旋状凸部２ｂが管内壁側螺旋状凹部２ｄとなる。

このように、水配管２の内壁側においても、管内壁側螺旋状凸部２ｃと、管内壁側螺旋状凹部２ｄとが螺旋状に形成されるので、水の流れを乱す乱流促進効果があり、水配管２の高温部（水出口部２ｆ側）に析出するスケールの堆積を抑制する効果がある。

特許文献１のように、スケールの堆積が、管壁温度が高くなる場合、水速が小さい場合、水通路に曲率半径の小さな曲がりがある場合などに顕著になることを考慮して、水出口を渦巻きの径の大きくなる外周側にするとか、出口側の径を入口側の径よりも大きくする等の制約が、本実施の形態の熱交換器１は少ない。本実施の形態の熱交換器１は、水配管２の上記構成により、自由な設計が可能になる。その一例が、図１に示す構成であり、水出口部２ｆをスペースのある熱交換器１の中心部付近に位置させている。それにより、既に述べたように、形状の自由度が増加し、実装密度が高くなり、省スペースでヒートポンプ式給湯機の室外ユニット内に設置できる効果がある。

尚、図３の矢印は、水の流れる方向と、冷媒の流れる方向が逆方向で、それらが対向流となることを示している。

次に、本実施の形態の熱交換器１を給湯機室外ユニット９に組込み、スケール析出量の測定を行った。図５に示す実験用モデルを製作して実験を行った。実験用モデルは、本実施の形態の熱交換器１を給湯機室外ユニット９に組込み、給湯機室外ユニット９に水冷却機１０を接続し、水冷却機１０に炭酸カルシウム槽７を接続し、炭酸カルシウム槽７から給湯機室外ユニット９に戻る構成である。尚、炭酸カルシウム槽７に炭酸ガスボンベ６からガス供給配管１１を介して炭酸ガスを供給する。これは、炭酸ガスを供給して、炭酸カルシウムが溶けやすくするためである。

熱交換器１の水配管２に流す水質は、炭酸カルシウム槽７において、強制的に炭酸ガスをバブリングしながら炭酸カルシウムを溶解させ、飽和炭酸カルシウム水溶液とした。また、水質は水配管２内にスケールが析出しやすいアルカリ性ｐＨ８〜９とした。試験条件は、給湯機室外ユニット９を高温連続沸き上げとした。尚、水配管２の内壁に付着したスケール析出量（厚さ）は、図１に示すように、水配管２の水出口部２ｆから、直線部１ｂ、曲線部１ａ、直線部１ｂまでの、約７００ｍｍの範囲を測定した。

実験結果を図６に示すが、スケール析出量（厚さ）は、水出口部２ｆをピークとして減少していくが、曲線部１ａのところでスケール析出量が抑制できていることが確認できる。これは、渦巻きの外周側より径の小さい曲線部１ａで、乱流が促進されるからである。

本実施の形態によれば、例えば、ヒートポンプ式給湯機の室外ユニットの水側熱交換器に熱交換器１が使用される場合に高温となる水配管２の水出口部２ｆが熱交換器１の中心部付近に位置するので、形状の自由度が増加し、実装密度が高くなり、省スペースでヒートポンプ式給湯機の室外ユニット内に設置できる効果がある。

また、冷媒配管３は、水配管２の外壁側の管外壁側螺旋状凹部２ａに接合されるので、水配管２が平滑管である場合に比べ、水配管２と冷媒配管３との接触面積は大幅に増加し、水配管２と冷媒配管３との間の伝熱性能が向上する。

また、水配管２の内壁側においても、管内壁側螺旋状凸部２ｃと、管内壁側螺旋状凹部２ｄとが螺旋状に形成されるので、水の流れを乱す乱流促進効果があり、水配管２の高温部（水出口部２ｆ側）に析出するスケールの堆積を抑制する効果がある。

実施の形態２．
図７は実施の形態２を示す図で、熱交換器１の平面図（ａ）とＣ−Ｃ断面図（ｂ）である。

図１と異なる点のみを説明する。図７に示す熱交換器１は、水配管２の水出口部２ｆが、平面上の渦巻きに対して垂直曲げ部５で、垂直に曲げられている。

これにより、熱交換器１の渦巻きの中心部付近のスペースが有効に活用される。

また、渦巻きの外周側の径より小さい垂直曲げ部５により、実施の形態１よりも、さらに乱流が促進され、スケールの析出を抑制する。

実施の形態１を示す図で、熱交換器１の平面図（ａ）とＡ−Ａ断面図（ｂ）である。 実施の形態１を示す図で、熱交換器１の部分斜視図である。 実施の形態１を示す図で、図２のＢ−Ｂ断面図である。 実施の形態１を示す図で、水配管２と冷媒配管３との接合後の状態を示す断面図である。 実施の形態１を示す図で、スケール析出実験のモデル図である。 実施の形態１を示す図で、熱交換器１の水配管２の内壁へのスケール析出量を測定した結果を示す図である。 実施の形態２を示す図で、熱交換器１の平面図（ａ）とＣ−Ｃ断面図（ｂ）である。

符号の説明

１ 熱交換器、１ａ 曲線部、１ｂ 直線部、２ 水配管、２ａ 管外壁側螺旋状凹部、２ｂ 管外壁側螺旋状凸部、２ｃ 管内壁側螺旋状凸部、２ｄ 管内壁側螺旋状凹部、２ｅ 水入口部、２ｆ 水出口部、３ 冷媒配管、３ａ 冷媒配管、３ｂ 冷媒配管、３ｃ 冷媒配管、４ 伝熱金属、５ 垂直曲げ部、６ 炭酸ガスボンベ、７ 炭酸カルシウム槽、９ 給湯機室外ユニット、１０ 水冷却機、１１ ガス供給配管。

Claims (3)

1. 水配管の外周に冷媒配管を巻き付けた熱交換器において、
   前記水配管は、
   外壁側に、少なくとも１条の管外壁側螺旋状凹部と、この管外壁側螺旋状凹部の両端に位置する管外壁側螺旋状凸部とが螺旋状に形成され、
   内壁側では、前記管外壁側螺旋状凹部が管内壁側螺旋状凸部となるとともに、前記管外壁側螺旋状凸部が管内壁側螺旋状凹部となり、
   前記冷媒配管は、前記水配管の前記管外壁側螺旋状凹部に接合され、
   前記冷媒配管が巻き付けられた前記水配管を平面上において渦巻き形状に形成したことを特徴とする熱交換器。
2. 前記冷媒配管が巻き付けられた前記水配管を平面上において渦巻き形状に形成し、これらを複数段に重ねて構成される熱交換器において、
   一つの渦巻きの外周側に水入口部を設け、他の渦巻きの外周側から渦巻きの中心部付近に折り曲げた端部に水出口部を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 前記水出口部を渦巻きに対して垂直方向に形成したことを特徴とする請求項２記載の熱交換器。

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