JP2007271122A

JP2007271122A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2007271122A
Application number: JP2006094993A
Authority: JP
Inventors: Takashi Shirai; 崇白井; Nobuaki Hinako; 伸明日名子
Original assignee: Kobelco and Materials Copper Tube Ltd
Current assignee: Kobelco and Materials Copper Tube Ltd
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】伝熱性能の向上を図ることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】大径管２と、大径管２の内径より小さい外径を有する小径管３とを備え、大径管２の内部で管軸方向に沿って、小径管３を設けた熱交換器１であって、小径管３は、外管４と、外管４の内部に同軸に設けられた内管５とからなり、外管４と内管５との間に空間部６が形成された二重管であると共に、内管５はその内面に管軸方向に平行な溝およびフィン、または、らせん状の溝およびフィンが形成された内面溝付管であり、大径管２と小径管３との間の外側流路７を第１熱媒体の流路とし、内管５の内部を第２熱媒体の流路とすることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、給湯器、床暖房、冷蔵庫、冷凍庫等に用いる熱交換器に関するもので、より詳しくは、大径管と小径管とを流れる熱媒体の間で管壁を通して相互に熱交換する熱交換器に関する。

一般に、熱交換器の構成としては、大径管と、その大径管の内部に小径管を備える構成のものが知られている。そして、冷蔵庫、冷凍庫用熱交換器においては、大径管および小径管の内部に熱媒体としてのフロン、代替フロン等の冷媒が流され、大径管と小径管とを流れる冷媒間で熱交換が行なわれるものである。また、給湯器用ヒートポンプユニットの熱交換器においては、大径管の内部に水、小径管の内部に二酸化炭素、代替フロン冷媒が流される。また、床暖房用熱交換器の熱交換器においては、大径管の内部に水、小径管の内部にフロン、代替フロン等の冷媒が流されるものである。

前記構成の熱交換器の具体的なものとして、特に、給湯器用ヒートポンプユニットの熱交換器が特許文献１に提案されている。図１０に示すように、特許文献１の熱交換器１０１は、１本の大径管１０２と、その大径管１０２の内部に小径管１０３を備え、小径管１０３が外管１０４と内管１０５とからなる二重管であって、外管１０４と内管１０５との間に漏洩検知溝１０６を有する。そして、内管１０５の内部に形成された冷媒用流路に冷媒を流し、大径管１０２と小径管１０３との間に形成された外側流路１０７を流れる水等の流体との間で熱交換させる。使用中に、小径管１０３を構成する外管１０４または内管１０５に腐食が発生し、外管１０４の外側を流れる流体または内管１０５の内側を流れる冷媒が漏洩した際には、漏洩検知溝１０６で冷媒の漏洩を検知している。また、水を流したときのスケール付着を抑制し、熱交換効率と耐用年数を向上させるために、大径管１０２の曲げ半径、冷媒用流路の断面積と水用流路（外側流路１０７）の断面積との比、漏洩検知溝１０６の深さを一定範囲に規定している。
特開２００５−６９６２０号公報（請求項１〜請求項４、段落００１３〜００１７、図１、図２、図５）

ところで、前記のような二重管式熱交換器により水と冷媒とを熱交換させて温水を作る場合、より高温の温水を得るには、大径管内に配置する小径管の本数を多くして冷媒の熱量を増加させる、水の流速を遅くして小径管と接触する時間を長くする等の方法がとられる。しかしながら、大径管内に配置する小径管の本数を多くすると、冷媒供給量が増加するため水温の上昇には有利であるが、スケールがより付着しやすくなる（スケールの主体であるＣａＣＯ_３は水温が高くなるほど付着しやすくなる）。また、スケール付着により伝熱効率が低下すると共に、水の流れる断面積がより小さくなるので圧力損失が増加し、水を流通させるポンプの負荷が大きくなってしまう。また、水の流速を遅くして小径管と接触する時間を長くすると、冷媒から水への熱伝達量が増加して水温を高くすることができるが、これに伴い、スケールがより付着しやすくなるため伝熱効率が低下してしまう。

熱交換器が組み込まれる給湯器用ヒートポンプユニット（以下、給湯器と称す）においては、夜間蓄熱＋昼間追い炊きのため、給湯器での負荷変動が大きく、熱交換器における熱媒体（水）の流量変動幅が大きい。このような使用環境の中で、熱交換器の性能向上による給湯の夜間蓄熱の時間短縮化、蓄熱量の改善、昼間の追い炊き時における給湯器のエネルギー消費効率ＣＯＰ（ＣｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の改善が望まれている。そのため、給湯器に組み込まれる熱交換器においては、その伝熱性能を改善する必要がある。また、家庭用給湯器においては、給湯器の設置容積を大きくできないので、熱交換器においては、給湯器に占める熱交換器の容積を小さくしつつ、伝熱性能を向上することが望まれている。

そこで、本発明は、このような問題を解決すべく創案されたもので、その目的は、伝熱性能の向上を図ることができる熱交換器を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、大径管と、前記大径管の内径より小さい外径を有する小径管とを備え、前記大径管の内部で管軸方向に沿って、前記小径管を設けた熱交換器であって、前記小径管は、外管と、前記外管の内部に同軸に設けられた内管とからなり、前記外管と前記内管との間に空間部が形成された二重管であると共に、前記内管はその内面に管軸方向に平行な溝およびフィン、または、らせん状の溝およびフィンが形成された内面溝付管であり、前記大径管と前記小径管との間の外側流路を第１熱媒体の流路とし、前記内管の内部を第２熱媒体の流路とする熱交換器として構成したものである。

前記構成によれば、小径管を構成する内管が管軸方向に平行な溝およびフィン、または、らせん状の溝およびフィンが形成された内面溝付管であるため、内管内の表面積が増加し、また管内のフィンにより第２熱媒体が攪拌されるため、第２熱媒体から第１熱媒体への伝熱量が増大する。また、小径管が外管と内管とからなる二重管であるため、内管に腐食等による破損が発生しても、内管と外側流路（第１熱媒体の流路）が連通状態になることがなく、第１熱媒体に異物が混入するおそれがなくなる。また、同様に、外管に腐食等による破損が発生しても、第２熱媒体に異物が混入するおそれがなくなる。

また、外管と内管との間に空間部が形成されているため、内管に腐食等による破損が発生しても、外管と内管の間に形成された空間部から内管内の第２熱媒体の漏洩を小径管の両端２カ所において検知することが可能になり、熱交換器の運転を止め、破損状況を調べることができる。

請求項２に係る発明は、前記内面溝付管において、前記フィンの高さ（ｈｆ）が０．１〜０．３ｍｍ、前記溝のねじれ角（θ）が５〜４５°、前記フィンの山頂角（δ）が１０〜４５°、前記溝の溝数が３０〜７０である熱交換器として構成したものである。
前記構成によれば、内管の表面積の増大及び管内の第２冷媒の攪拌効果により、第２熱媒体から第１熱媒体への伝熱量が増大する。

また、請求項３に係る発明は、前記小径管が複数本設けられている熱交換器として構成したものである。
前記構成によれば、第１熱媒体と第２熱媒体とが熱交換する小径管（外管）の外表面積、すなわち伝熱面積が大きくなる。その結果、第２熱媒体から第１熱媒体への伝熱量が増大する。

また、請求項４に係る発明は、前記第２熱媒体が二酸化炭素であり、前記第１熱媒体が水である熱交換器として構成したものである。
前記構成によれば、自然冷媒である水および二酸化炭素を媒体として使用するため、環境負荷が小さくなる。

また、請求項５に係る発明は、前記二酸化炭素は、冷凍機油を０．１〜６．０ｍａｓｓ％含有する熱交換器として構成したものである。
前記構成によれば、二酸化炭素に冷媒油が含有されるため、冷媒の圧縮に使用される熱交換器のコンプレッサーの磨耗が小さくなる。

また、請求項６に係る発明は、前記二酸化炭素は、超臨界状態である熱交換器として構成したものである。
前記構成によれば、二酸化炭素の熱伝達性能が一層向上すると共に、圧力損失が小さくなる。

請求項１に係る発明によれば、小径管を構成する内管が内面溝付管であることによって、熱交換器の伝熱性能を向上させることができる。また、外管と内管との間に空間部が形成されていることによって、熱交換器の安全性を向上させることができる。

請求項２に係る発明によれば、小径管を構成する内管の溝形状が所定の形状であることによって、熱交換器の伝熱性能をより一層向上させることができる。

請求項３に係る発明によれば、小径管が複数本設けられていることによって、熱交換器の伝熱性能をより一層向上させることができる。

請求項４に係る発明によれば、第１熱媒体として水、第２熱媒体として二酸化炭素を使用することによって、環境にやさしい熱交換器が提供できる。

請求項５に係る発明によれば、第２熱媒体としての二酸化炭素が冷凍機油を含有することによって、コンプレッサーの寿命が向上し、熱交換器をより長期にわたって使用することできる。

請求項６に係る発明によれば、第２熱媒体としての二酸化炭素が超臨界状態であることによって、熱交換器の伝熱性能をより一層向上させることができると共に、ＣＯＰに優れた熱交換器を提供できる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。図１は熱交換器の構成を示す一部破断斜視図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った管軸直交断面図、（ｂ）は小径管の拡大端面図、図３（ａ）は内管の管軸方向に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った管軸直交断面における拡大図、図４は大径管に凹凸部が形成された熱交換器の構成を示し、（ａ）は一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った管軸直交断面図、図５はバッフル材が配置された熱交換器の構成を示す一部破断斜視図、図６は二酸化炭素の温度と局所熱伝達率の関係を示すグラフ、図７〜図８は巻回部が形成された熱交換器の構成を示す斜視図、図９は熱交換器を使用した給湯器の構成を模式的に示す説明図である。

本発明の熱交換器の実施形態を図１、図２（ａ）、（ｂ）に示す。図１、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、本発明の熱交換器１は、大径管２と、大径管２の内径より小さい外径を有する小径管３とを備え、大径管２の内部で管軸方向に沿って小径管３を設けたものである。以下、各構成について説明する。

（１）大径管
大径管２は、後記する小径管３との間に外側流路７を形成し、外側流路７を第１熱媒体Ｗの流路としたものである。また、大径管２の内径は、後記する小径管３の外径より大きく、且つ、外側流路７に第１熱媒体Ｗを流すのに十分な内径、及び耐圧強度を持てばよく、一例として、外径は４〜３０ｍｍ、肉厚は０．２〜２．５ｍｍ、長さは１００ｍｍ以上が好ましい。また、大径管２の寸法は、後記する小径管３の寸法との関係、本発明の熱交換器１が組み込まれる給湯器３０（図９参照）等の寸法、熱容量、加工性を考慮して決められ、熱交換器１の伝熱性能、圧力損失の点から、管軸直交断面における１本の小径管３の流路断面積と、大径管２と小径管３との間の外側流路７の断面積との比（外側流路／小径管）が１０〜５０の範囲内を満足するように設定することがより好ましい。

また、熱交換器１の伝熱性能の向上を目的として、大径管２の内部を流れる第１熱媒体Ｗに撹拌または旋回流を与えて乱流を発生させたい（第１熱媒体Ｗの温度を均一化させたい）場合、あるいは管内の伝熱面積を増やしたい（第１熱媒体Ｗの流路長を増やしたい）場合等には、大径管２は、その全長の少なくとも一部の領域に凹凸部を形成した形状としてもよい（図４（ａ）、（ｂ）参照）。凹凸部９は、例えば、大径管２をコルゲート状に加工することによって、凸部の高さｈｄを０．５〜２ｍｍ、凸部のピッチＰｄを５〜２０ｍｍに形成することが好ましく、凸部（高さｈｄおよびピッチＰｄ）が前記範囲未満であると、凹凸部９の成形加工がしにくく、凸部が前記範囲を超えると第１熱媒体Ｗの圧力損失が大きくなりやい。

また、凹凸部９は、熱交換器１の実際の運転において、小径管３（内管）の内部を流れる第２熱媒体Ｘが二酸化炭素である場合には、二酸化炭素の局所熱伝達率が極大となる許容温度範囲（２０〜８０℃、図６参照）を満足する領域Ｓに対応する大径管２に形成することが好ましい。そして、凹凸部９の形態は、外側流路７内の第１熱媒体Ｗに乱流が発生すると共に、圧力損失が大きくならなければ、前記コルゲート状に限定されず、例えば、大径管２の内表面の少なくとも一部に管軸方向に平行な溝およびフィン、または、らせん状の溝およびフィンを形成してもよい。

大径管２の材質としては、（１）熱伝導性が優れ、大径管２および後記する小径管３の内部を流れる熱媒体間で効率良く熱交換できる、（２）熱交換器１が使用される種々の雰囲気で耐食性に優れる、（３）凹凸部の形成、後記するらせん状、渦巻状の巻回部の形成、給湯器３０等に組み込まれる際の曲げ加工などの塑性加工性に優れる（加工により割れ等が生じない機械的性質を備える）、（４）給湯器３０等に組み込まれる際の他の管とのロウ付け性、はんだ付け性または接着剤による接着性に優れる、（５）熱交換器１が使用される圧力で耐圧性に優れる、などの特性を満足するものが好ましい。

これらの（１）〜（５）の特性を満足する材質としては、エアコン、大型空調機器などの熱交換器として広く用いられているＪＩＳＨ３３００に規定する合金番号Ｃ１１０１の無酸素銅、合金番号Ｃ１２０１及びＣ１２２０のりん脱酸銅のいずれかが好ましい。

また、前記の材質のみに限定する必要はなく、特に熱伝導性と耐圧強度が必要な場合は、ＪＩＳＨ３３００に規定された銅または銅合金や、例えばＦｅ、Ｐ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｓｎ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ａｇ、Ａｌ等の元素より選択する１種または２種以上を総計で数％以下Ｃｕに含有させたＪＩＳＨ３３００に規定されていない銅合金を用いることも可能である。

さらに、特に耐食性と耐圧強度が必要な場合には、ＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ７０６０、Ｃ７１００、Ｃ７１５０などのＣｕ−Ｎｉ系合金、ＴｉまたはＴｉ合金、ステンレス鋼などを用いることも可能である。また、軽量化が求められる場合には、耐食性、強度、加工性などの特性を考慮して、アルミニウム、アルミニウム合金の中から所定の特性を有するものを選択することも可能である。

大径管２を構成する管は、押出し素管を圧延、抽伸して製作される継目無し管、あるいは所定幅の板条の幅方向の端面を溶接して製作される溶接管を用いてもよい。
通常、大径管２としては管内面が平滑である平滑管が用いられることが多いが、大径管２として内面溝付管を使用する場合には、内面溝付管は平滑管内部に溝付プラグを挿入し、管外面に回転する転造体（転造ボール、圧延ロール）を押し当てて溝を転造する方法、または、条材の表面に溝を圧延し、条の端部同士を溶接する方法により製作することができる。

（２）小径管
図２（ｂ）に示すように、小径管３は、外管４と内管５とからなり、外管４と内管５との間に空間部６が形成された二重管であると共に、内管５の内部を第２熱媒体Ｘ（図１参照）の流路としたものである。また、第２熱媒体Ｘの供給量をふやすことにより伝熱性能を向上させたい場合には、小径管３を大径管２の管軸方向に沿って複数設けることが好ましい。小径管３を複数設ける場合には、大径管２内の小径管３の配置としては、図２（ａ）に示すように、外側流路７を均等に分割する配置が好ましい。このように小径管３を配置することによって、小径管３からの外側流路７（大径管２）への熱伝達が向上し、第１熱媒体Ｗの圧力損失も低くなる。しかしながら、熱伝達が向上し、圧力損失も低ければ、図２（ａ）以外の配置でもよい。

（２−１）外管
図２（ａ）に示すように、外管４は、大径管２の内部に外側流路７を形成するように、大径管２の管軸方向に沿って設けられ、且つ、外側流路７に第１熱媒体Ｗ（図１参照）が必要量流通することが可能な寸法に形成されている。一例として、外径は１〜８ｍｍ、肉厚は０．２〜２．５ｍｍ、長さは１００ｍｍ以上が好ましい。また、外管４の寸法は、熱交換器１の伝熱性能、第１熱媒体Ｗおよび第２熱媒体Ｘの圧力損失の点から、管軸直交断面における１本の小径管３の流路断面積と、大径管２と小径管３との間の外側流路７の断面積との比（外側流路／小径管）が１０〜５０の範囲を満足するように設定することがより好ましい。また、外管４の材質は、前記大径管２で選択されたものと同様な材質が適用され、大径管２と同じものまたは異なるものを適宜選択する。

外管４を構成する管は、その内部に設けられる内管５の内圧を高くして運転されることが多いため、管の外径に対する肉厚を大きくすることが多く、一般には、押出し素管を圧延、抽伸して製作される継目無し管を用いることが多い。管の肉厚は、熱交換器の運転圧力に基づいて計算される耐圧強度から決定すればよい。耐圧強度が要求値を満たせば、溶接管を用いてもよい。

外管４は、後記する内管５との間に空間部６が形成されるように、管内面の少なくとも一部に管軸方向に平行な溝およびフィン、または、らせん状の溝およびフィン（図示せず）が形成された内面溝付管を用いることが好ましい。しかしながら、内管５として管外表面に突起部が設けられた管を用いる場合には、外管４として、管内面が平滑である平滑管を用いてもよい。

（２−２）内管
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、内管５は、外管４の内部に同軸に設けられ、外管４より外径の小さい外径を有し、管内面に管軸方向に平行な溝およびフィン、または、らせん状の溝およびフィンが形成された内面溝付管であり、更に外管４との間に空間部６を形成すると共に、その内部に第２熱媒体Ｘ（図１参照）が必要量流通することが可能な寸法に形成されている。一例として、外径は１〜８ｍｍ、肉厚は０．２〜２ｍｍ、長さは１００ｍｍ以上が好ましく、管軸直交断面における１本の小径管３の流路断面積と、大径管２と小径管３との間の外側流路７の断面積との比（外側流路／小径管）が１０〜５０の範囲を満足するように設定することがより好ましい。また、内管５の材質は、前記外管４と同じものまたは異なるものを適宜選択する。

（外径：１〜８ｍｍ、好ましくは２〜６ｍｍ）
外径が１ｍｍ未満であると熱伝達率の増加量よりも圧力損失の増加量の方が多くなり、結果として熱交換器としての性能が低下しやすい。一方、外径が８ｍｍを超えると、熱交換器内の圧力の関係で、小径管（内管）の厚さを厚くする必要が生じやすい。このため、内管の外径を制限したほうが好ましい。

また、内管５を内面溝付管とすることにより、管内の熱媒体が撹拌され、旋回流が与えられ、また、管内の伝熱面積が増加するため、第２熱媒体Ｘ（図１参照）の熱伝達性能が向上する。特に、冷凍機油を０．１〜６．０ｍａｓｓ％含む二酸化炭素を第２熱媒体Ｘとして用いる場合は、圧力損失の増加を抑えながら、平滑管に比べて伝熱性能を向上させることが可能になるため、適当な形状の内面溝付管を用いることが好ましい。なお、内面溝付管は、平滑管内部に溝付プラグを挿入し、管外面に回転する転造体（転造ボール、圧延ロール）を押し当て、溝を転造する方法、または条材の表面に溝を圧延し、条の端部同士を溶接する方法により製作することができる。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、内管５の内面溝付管の溝形状としては、以下の形状とすることが好ましい。
（フィンの高さｈｆ：０．１〜０．３ｍｍ）
管軸直交断面において、管内の溝５ｂの間に形成されるフィン５ａは、その高さｈｆが高いほど、管内の伝熱面積が増大し、また冷媒の攪拌効果も大きくなり、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、フィン５ａの高さｈｆが０．３ｍｍを超えると、圧力損失の増加が大きくなりやすい。一方、フィン５ａの高さｈｆが０．１ｍｍ未満の場合、熱伝達率の向上効果が小さくなりやすい。したがって、フィン５ａの高さｈｆの適当な範囲は０．１〜０．３ｍｍが好ましい。

（溝のねじれ角θ：５〜４５°）
管内の溝５ｂは、管軸方向に平行な溝またはらせん状の溝である。ねじれ角θは、管内面における管軸方向に平行な直線と溝５ｂが伸びる方向とがなす角度で定義され、平行な溝はねじれ角θ＝０°となる。また、ねじれ角θが大きいほうが、冷媒の攪拌効果も大きくなり、また管内の伝熱面積が増大し、熱伝達率が大きくなるため、溝５ｂはらせん状の溝が好ましい。そして、ねじれ角θが、５°未満の場合、平滑管と比較して熱伝達率向上の効果が小さくなりやすい。一方、ねじれ角θが４５°を超えると、圧力損失が増加しやすい、また内面溝付管の加工が難しくなりやすい。したがって、ねじれ角θは５〜４５°が好ましい。

（フィンの山頂角δ：１０〜４５°）
山頂角δは、管軸直交断面において、フィン５ａの斜面が成す角度である。山頂角δが小さいほど、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、山頂角δが１０°未満の場合、内面溝付管を加工した場合に、フィン５ａが倒れやすくなり、目的とする伝熱性能が得られにくくなる。一方、山頂角δが４５°を超えると、管内の表面積が低下して伝熱性能が低下すると共に、管の質量が大きくなりやすい。したがって、山頂角δは１０〜４５°が好ましい。

（溝数：３０〜７０）
溝数が多いほど、その熱伝達率も高くなる。しかしながら、溝数が７０を超えると熱伝達率の増加量よりも圧力損失の方が大きくなりやすい。溝数が３０未満の場合、熱伝達率が向上しにくい。したがって、溝数は３０〜７０が好ましい。

なお、伝熱性能の点から、管軸直交断面における溝５ｂの形状は、台形状が三角状より好ましい。台形状の溝５ｂであると、三角状の溝に比べて、断面積が増大すると共に、溝５ｂの底部に熱媒体の液膜が形成しやすいため、伝熱性能が向上する。また、管の肉厚は溝部において最小になるが、その値（底肉厚Ｔ）は、冷媒の運転圧力により決まる耐圧強度と管の引張り強さより求めることができる。

内管５を構成する管は、断面積が小さいが、その内部を流れる第２熱媒体Ｘの流通量を多くしたい場合が多いので、内圧を高くして運転されることが多い。そのため、管の外径に対する肉厚を大きくすることが多く、一般には、押出し素管を圧延、抽伸して製作される継目無し管を用いることが多い。管の肉厚は、熱交換器の運転圧力に基づいて計算される耐圧強度から決定すればよい。耐圧強度が要求値を満たせば、溶接管を用いてもよい。

（２−３）空間部
図２（ａ）、（ｂ）に示すように、空間部６は、内管５が腐食等で破損した際に、外側流路７（第１熱媒体Ｗ、図１参照）に異物等が混入するのを防ぐ作用を有すると共に、内管５の内部を流れる第２熱媒体Ｘ（図１参照）が流入するため、その流入した第２熱媒体Ｘ、例えば、二酸化炭素等の量を外部から測定することにより、内管５の破損（腐食等）状況を外部から検知させる作用を有する。そのため、空間部６の断面積は０．５〜３ｍｍ^２が好ましい。断面積が０．５ｍｍ^２未満であると空間部６に流入した第２熱媒体Ｘが外部にまで到達しにくく、第２熱媒体Ｘが検知しにくくなる。また、断面積が３ｍｍ^２を超えると内管５と外管４の接触面積が小さくなり第２熱媒体Ｘからの伝熱量が低下しやすい。

空間部６は、例えば、外管４（内面溝付管）に内管５を挿入して、空引きして外管４に内管５をかしめることによって作製する。しかしながら、異物混入防止、内管５の破損（腐食等）状況の検知作用を有する空間部６が作製できれば、前記作製方法に限定されない。例えば、外管４（平滑管）との間に空間部６を形成するために、管外表面に突起部を設けた管を内管５として使用してもよい。

（３）熱媒体
図１に示すように、第１熱媒体Ｗおよび第２熱媒体Ｘは、水、フロンまたは代替フロン等の冷媒、二酸化炭素等の自然冷媒から、熱交換器が組み込まれる熱交換システムの用途を考慮して、適宜選択される。特に、給湯器３０（熱交換システム、図９参照）の熱交換器には、第１熱媒体Ｗとして水を、第２熱媒体Ｘとして二酸化炭素またはハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒を使用することが好ましい。また、第２熱媒体Ｘは、環境面からは二酸化炭素が好ましく、さらに、熱効率が優れる点で、二酸化炭素を超臨界状態で使用することがより好ましい。超臨界状態とは気相と液相の境界がなくなった状態であり、密度及び粘度が気相状態に近似した低い状態であるにもかかわらず、熱伝達率が気相状態の２倍以上の高い値を示す。このため、小径管３の内管に内面溝付管を用いても、平滑管を用いた場合に比べ、管内の圧力損失の増加を低くしながら、管内熱伝達率を高めることが可能になる。

第２熱媒体Ｘとして二酸化炭素を用いる場合、二酸化炭素そのものは潤滑作用を持たないため、熱交換システムのコンプレッサーを磨耗させてしまうことがある。このため、二酸化炭素に０．１〜６．０ｍａｓｓ％の冷凍機油を含有させることが好ましい。冷凍機油には、通常ポリアルキレングリコール（ＰＡＧ）等が用いられる。その含有量が、０．１ｍａｓｓ％未満であると、潤滑効果が低く、熱交換システムのコンプレッサーを磨耗させやすい、また６．０ｍａｓｓ％を超えて含有させると、第２熱媒体Ｘ（二酸化炭素）の伝熱性能が低下しやすい。

また、熱交換システムまたは熱交換器１の成績効率（ＣＯＰ）を考慮すると、第２熱媒体Ｘは、ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒が好ましい。ハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）系冷媒は、従来使用されていたクロロフルオロカーボン（ＣＦＣ）系、ハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）系冷媒の塩素全部を水素に置換したもので、オゾンを破壊しない冷媒である。代表的なＨＦＣ系冷媒としては、Ｒ３２とＲ１２５を混合した非共沸混合冷媒であるＲ４１０Ａがある。さらに、ＨＦＣ系冷媒もほぼ臨界状態で使用することがより好ましい。

図１では、第２熱媒体Ｘの流れる方向と、第１熱媒体Ｗの流れる方向とが対向している。これにより、第２熱媒体Ｘからの第１熱媒体Ｗへの伝熱が効率よく行われる。しかしながら、十分な伝熱量が得られれば、第２熱媒体Ｘおよび第１熱媒体Ｗの流れる方向を同一方向としてもよい。

次に、本発明の熱交換器の他の実施形態について説明する。
本発明の熱交換器は、第１熱媒体と第２熱媒体の熱交換を更に促進するために、伝熱促進部材が設けられたものであってもよい。

図５に示すように、伝熱促進部材の１つであるバッフル板８を小径管３の外面に接触させ、大径管２の管軸方向に沿って複数配置した熱交換器１であってもよい。このようにバッフル板８を配置することによって、第１熱媒体Ｗの流路長の増大および乱流発生による第１熱媒体Ｗの温度の均一化が進み、第２熱媒体Ｘからの第１熱媒体Ｗへの伝熱量がより一層増大すると共に、第１熱媒体Ｗの圧力損失も低くなる。

伝熱促進部材（バッフル板８）を配置する領域Ｓ（長さ）は、外側流路７を流れる第１熱媒体Ｗの圧力損失が大きくならない長さに設定し、かつ、領域Ｓでの小径管３（内管５、図２（ａ）、（ｂ）参照）を流れる第２熱媒体Ｘの温度を考慮して設定することが好ましい。具体的には、図６に示すように、熱交換器の実際の運転において、第２熱媒体Ｘが二酸化炭素の場合には、二酸化炭素の局所熱伝達率が極大となる許容温度範囲（２０〜８０℃）を満足する領域を設定する。

しかしながら、伝熱促進部材は、第１熱媒体Ｗの流れの一部に対して妨げとなり、第１熱媒体Ｗの流れに乱流を発生させると共に、第１熱媒体Ｗの圧力損失が大きくならないものであれば、バッフル板８に限定されない。例えば、図示しないが、複数の小径管３の間に挿入されるインナー材、複数の小径管３を束ねる束ね部材であってもよい。

本発明の熱交換器は、図７、図８に示すように、大径管２の少なくとも一部に渦巻状に巻回した巻回部１０、らせん状に巻回した巻回部１１を設けて、熱交換器１の省スペース化を図ったものであってもよい。このような巻回部１０、１１を設けることによって、熱交換システム（給湯器３０、図９参照）において、熱交換器が所定の筐体に収納可能となる。

なお、巻回部１０、１１の巻回軸Ｙに対して直交する断面形状は、円形形状（図７参照）、直線路とその直線路の両側に形成された半円状の湾曲部とからなる小判形状（図８参照）であることが好ましい。また、一定体積内で、熱交換器の熱容量を大きくしたい場合には、図７の渦巻状の巻回部１０を上下２段にする、あるいは図８のらせん状の巻回部１１を内外２層とする等の方法を用いればよい。

次に、本発明の熱交換器を給湯器（熱交換システム）に使用した例を図９で説明する。熱交換器１において、大径管（図示せず）に水を流通させ、小径管（図示せず）にＣＯ₂を流通させる。ＣＯ₂は、冷媒ユニット２２の蒸発器２４において大気熱を吸収した後、圧縮器２５により圧縮され、高温高圧の流体として、熱交換器１の小径管に送られる。小径管に供給されたＣＯ₂は、大径管内の水と熱交換して低温の流体となって冷媒ユニット２２の膨張弁２６に送られる。ＣＯ₂は膨張弁２６により膨張し、蒸発器２４で再度吸熱する。一方、水ユニット２１の貯湯タンク２３の水は、ポンプＰで熱交換器１の大径管に送られる。大径管に送られた水は、小径管と接触することにより加熱され、高温の水（湯）となって貯湯タンク２３に戻る。

以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明する。
（１）第１の実施例（実施例１〜３、比較例１、２）
実施例１〜３として、大径管の内部に管軸方向に沿って１〜４本の小径管を設け（図１参照）、その大径管の全長の一部に渦巻状の巻回部（図７参照）を形成した熱交換器を作製した。各構成については、以下の通りである（表１参照）。

（大径管）
大径管として、ＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ１２２０のりん脱酸銅で作製された、外径１５．８８ｍｍ、内径１４．２８ｍｍ、全長８ｍの平滑管を使用した。

（小径管）
小径管として、外管（内面溝付管）に内管（内面溝付管）を挿入して、空引きすることにより外管に内管をかしめ、外管と内管の間に空間部（管軸直交断面積：１．２ｍｍ^２）が形成された二重管（図２（ｂ）参照）を使用した。

（外管）
外管として、ＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ１２２０のりん脱酸銅で作製された、外径４．６ｍｍ、内径３．８ｍｍ、全長８ｍの内面溝付管を使用した。溝形状としては、溝数５０、溝リード角０°（管軸方向に平行）、溝間に形成されるフィンの高さ０．２ｍｍ、フィンの山頂角２０°、フィンピッチ０．２２ｍｍとした。

（内管）
内管として、ＪＩＳＨ３３００に規定された合金番号Ｃ１２２０のりん脱酸銅で作製された外径３．８ｍｍ、底肉厚（Ｔ）０．５ｍｍ、フィンの高さ（ｈｆ）０．１３ｍｍ、ねじれ角（θ）１５°、山頂角（δ）２０°、溝数４０、全長８ｍの内面溝付管を使用した（図３（ａ）、（ｂ）参照）。

（巻回部）
大径管の全長の一部に、最大外径（ＯＤ）３００ｍｍ、最小内径（ＩＤ）１５０ｍｍの渦巻状の巻回部を二層に形成した。なお、巻回部の高さ（Ｈ）は３２ｍｍとした。

比較例１として、内管を同材質で作製された外径３．８ｍｍ、内径２．８ｍｍ、全長８ｍの平滑管を使用した以外は実施例１と同様にして熱交換器を作製した。比較例２として、内管を同材質で作製された外径３．８ｍｍ、内径２．８ｍｍ、全長８ｍの平滑管を使用した以外は実施例３と同様にして熱交換器を作製した。

作製した実施例１〜３および比較例１、２の熱交換器について、図９の給湯器に組込み、熱媒体を使用した際の伝熱性能および圧力損失を以下の方法で確認した。熱交換器の大径管に流量０．５５〜１．３Ｌ／ｍｉｎの水を流し、小径管に０．８５〜１．３ｋｇ／ｍｉｎ、９〜１１ＭＰａの二酸化炭素を対向するように流した。二酸化炭素に含まれる冷凍機油の量は１．５ｍａｓｓ％であった。

（伝熱性能）
これらの熱交換器を１時間運転し、熱交換器出口の水温を測定し、水の比熱、流量、水温より、熱交換器出口を通過した水の総熱量を算出した。比較例２の熱交換器における総熱量を１００とし、各熱交換器の総熱量をその比として表した。その結果を表１に示す。

（圧力損失）
これらの熱交換器の水入側および水出側での水圧を測定し、圧力損失（水入側−水出側）を計算し、３０ｋＰａ以下のときを良好「○」、３０ｋＰａを超えるときを不良（従来と同様）「△」とした。その結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１〜３の熱交換器は、比較例１、２の熱交換器に比べて、伝熱性能が優れていることが確認された。圧力損失はほぼ同じであった。

（２）第２の実施例（実施例４〜７）
実施例４として、冷凍機油の含有量を実施例３より減少させたこと以外は実施例３と同様にして熱交換器を作製した。実施例５として、熱交換器の大径管の内部の外側流路にバッフル材を配置したこと以外は実施例４と同様にして熱交換器（図５参照）を作製した。実施例６、７として、冷凍機油の含有量を実施例５より増加したこと以外は実施例５と同様にして熱交換器を作製した（表２参照）。
（バッフル材）
りん脱酸銅薄板より製作した厚さ１ｍｍ、管軸直交断面積が外側流路の断面積に対して４０％の板状体バッフル材を、３本の小径管に挿通し、小径管の全長８ｍに２５０ｍｍ間隔にスパイラル状（図５参照）に配置した。

作製した実施例４〜６の熱交換器について、第１の実施例と同様にして、伝熱性能（第１の実施例の比較例２の熱交換器の伝熱性能を１００とした）および圧力損失を測定し、その結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例４の熱交換器は、外側流路にバッフル材を有するため、バッフル材のない実施例３の熱交換器より伝熱性能が向上した。また、実施例４〜６の結果から、冷凍機油の含有量が増加するにつれて、熱交換器の伝熱性能が低下していくことが分かる。なお、圧力損失についてはほぼ同じであった。

本発明に係る熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った管軸直交断面図、（ｂ）は小径管の拡大端面図である。（ａ）は内管の管軸方向に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った管軸直交断面における拡大図である。本発明に係る大径管に凹凸部が形成された熱交換器の構成を示し、（ａ）は一部破断側面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った管軸直交断面図である。本発明に係るバッフル材が配置された熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。二酸化炭素の温度と局所熱伝達率の関係を示すグラフである。本発明に係る渦巻状の巻回部が形成された熱交換器の構成を示す斜視図である。本発明に係るらせん状の巻回部が形成された熱交換器の構成を示す斜視図である。熱交換器を使用した給湯器の構成を模式的に示す説明図である。従来の熱交換器の構成を示す管軸直交断面図である。

符号の説明

１熱交換器
２大径管
３小径管
４外管
５内管
６空間部
７外側流路
Ｘ第２熱媒体
Ｗ第１熱媒体

Claims

大径管と、前記大径管の内径より小さい外径を有する小径管とを備え、
前記大径管の内部で管軸方向に沿って、前記小径管を設けた熱交換器であって、
前記小径管は、外管と、前記外管の内部に同軸に設けられた内管とからなり、前記外管と前記内管との間に空間部が形成された二重管であると共に、
前記内管はその内面に管軸方向に平行な溝およびフィン、または、らせん状の溝およびフィンが形成された内面溝付管であり、
前記大径管と前記小径管との間の外側流路を第１熱媒体の流路とし、前記内管の内部を第２熱媒体の流路とすることを特徴とする熱交換器。
前記内面溝付管は、前記フィンの高さ（ｈｆ）が０．１〜０．３ｍｍ、前記溝のねじれ角（θ）が５〜４５°、前記フィンの山頂角（δ）が１０〜４５°、前記溝の溝数が３０〜７０であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記小径管が複数本設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
前記第２熱媒体が二酸化炭素であり、前記第１熱媒体が水であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器。
前記二酸化炭素は、冷凍機油を０．１〜６．０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
前記二酸化炭素は、超臨界状態であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の熱交換器。