JP2008190787A - スパイラル管およびこれを用いた熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】より高い熱交換率を有したスパイラル管およびこれを用いた熱交換器を提供することを目的とする。
【解決手段】スパイラル管１０は、所定の厚さからなる管の内面および外面が一体に溝部を構成し、この溝部は管の外周に連続して螺旋状に形成されている。スパイラル管１０の横断面では、溝部は波状に形成されており、溝部により管軸から径方向に最も離れた管部分の凸状ピーク部１１は溝部の周期Ｗの中心Ｃと一致しない位置に形成されている。このとき凸状ピーク部１１は中心Ｃから０．１５Ｗ以上０．４５Ｗ以下離れており、特に中心Ｃよりも管内部を通る流体の進行方向Ｆの位置に存在していることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷凍機、空調機等の熱交換機に用いられるスパイラル管およびこれを用いた熱交換器に関するものである。

熱交換器は、温熱または冷熱（以下、熱という）を伝達される水や空気などが流通する芯管の外周に対して熱を伝達する熱媒体を伝熱的に接することで、芯管に所望の熱を伝達させる。

従来、熱交換器には熱交換の高効率化が求められており、その一つの改善策として、管内伝熱性能の高性能化のために管内面に微細な螺旋溝が多数形成されたスパイラル管が用いられている。また、熱交換器のコンパクト化への要求もあり、より細い伝熱管を有効に用いる小型熱交換器の開発が進められている。しかし、単に細径伝熱管を用いるのでは、管内圧力損失が増大するだけ熱交換器の高効率化にはならないため、より有効に細径伝熱管を使用するためには、細径管の溝形状の最適化を行う必要がある。

特許文献１には、この問題を解決する手段として、外周に複数条の山谷底部を条ごとに連続して螺旋状に設けられた第１流体配管と、この第１流体配管外周の山谷底部の形状にそって螺旋状に巻きつけた第２流体配管とを備えた捩り管形熱交換器が開示されている。

特開２００６−９０６９７号公報

しかしながら、第１流体配管内の谷部の幅が狭く谷部に充分な流体が流れない。そのため流量を増やしても有る量以上では熱交換率が上昇しない欠点がある。また谷部での流体と管壁とのインピンジメント効果（衝突効果）が薄い欠点があり、十分な熱交換率が得られるとはいえない。また、現在では更なる熱交換器の小型化が求められており、熱交換器に用いられるスパイラル管の小型化が不可欠となってきている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、より高い熱交換率を有したスパイラル管およびこれを用いた熱交換器を提供することを目的とする。

第１の発明であるスパイラル管の第１の態様は、外周と内周に連続して螺旋状に一体に設けられた溝部を有し、前記溝部は径方向において前記管軸に最も近づく凹状ピーク部を前記周期Ｗで有し、前記溝部の前記管軸から径方向に最も離れた凸状ピーク部が前記凹状ピーク部間の中心から０．１５Ｗ以上０．４５Ｗ以下離れていることを特徴とする。

第１の発明であるスパイラル管の第２の態様は、前記溝部は前記内周を構成する内周面と前記外周を構成する外周面を有し、前記外周面の前記凹状ピーク部を少なくとも２点通る前記管軸に略平行な接線と前記内周面が交差した内周点のうち、隣接する前記凹状ピーク部間の隣接する２点の直線距離である内面隙間Ｇは、前記凹状ピーク部における内周面間の径方向距離である管内径Ｄｉに対して２０％以上８０％以下であることを特徴とする。

第１の発明であるスパイラル管の第３の態様は、前記凸状ピーク部は前記中心より管内部を通る流体の進行方向に存在することを特徴とする。

第２の発明である熱交換器の第１の態様は、前記スパイラル管の外周の溝部の形状に沿って螺旋状に少なくとも１つの熱媒体を有した流体配管を前記スパイラル管と伝熱的に接合配置されていることを特徴とする。

第２の発明である熱交換器の第２の態様は、前記スパイラル管の外側に前記スパイラル管と同心軸の円筒管を設け、前記スパイラル管と前記円筒管の間に熱媒体を有する流体空間が設けられていることを特徴とする。

第１の発明であるスパイラル管の第１の態様によれば、スパイラル管を流れる流体は渦流を生じて熱交換率は高まり、更に溝部がスパイラル管内の流体と衝突しやすい内周面を有することによって、スパイラル管を流れる流体はインピンジメント効果を得、熱交換率を高めることができる。

第１の発明であるスパイラル管の第２の態様によれば、スパイラル管の内側から見た凸状ピーク部を含む谷部の懐が深いことによってスパイラル管内で大量の流体が溝部に流れることができ、大量流体の熱交換を可能にすることができる。

第１の発明であるスパイラル管の第３の態様によれば、凸状ピーク部が流体の進行方向に存在することで、凸状ピーク部から凹状ピーク部へ変化する内周面にスパイラル管内の流体が衝突しやすくなり、より高いインピンジメント効果を得ることができ、熱交換率を一層高めることができる。

第２の発明である熱交換器の第１の態様によれば、スパイラル管を流れる流体はインピンジメント効果を得、更に、熱媒体を有した流体配管をスパイラル管に対して伝熱的に接合配置することで、スパイラル管内の流体と流体配管内の熱媒体との熱交換率を高めることができる。

第２の発明である熱交換器の第２の態様によれば、スパイラル管を流れる流体はインピンジメント効果を得、更に、円筒管とスパイラル管の間に熱媒体を有する流体空間が設けられることで、スパイラル管内の流体と流体空間内の熱媒体との熱交換率を高めることができる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるスパイラル管およびこれを用いた熱交換器について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

図１は、本発明の一実施形態によるスパイラル管の一部横断面図である。スパイラル管１０は、所定の厚さからなる管の内面および外面が一体に溝部を構成し、この溝部は管の外周と内周に連続して螺旋状に一体に形成されている。スパイラル管１０の横断面では、溝部は波状に形成されており、溝部において管軸から径方向に最も離れた管部分の凸状ピーク部１１は溝部の周期Ｗの中心Ｃと一致しない位置に形成されている。このとき凸状ピーク部１１は中心Ｃから０．１５Ｗ以上０．４５Ｗ以下離れており、特に中心Ｃよりも管内部を通る流体の進行方向Ｆの位置、つまり図１においては中心Ｃよりも右側に存在していることが好ましい。本実施例によると、スパイラル管１０内部を通る流体は周期Ｗ内では特にＦ１方向に隣接する凸状ピーク部１１と凹状ピーク部１７間の内周面１８のＡのような部分に衝突することにより、スパイラル管内の流体がインピンジメント効果を得ることができる。このインピンジメント効果によってスパイラル管の熱交換率を高めることができる。

また、管の外周面１６において管軸に径方向で最も近づく凹状ピーク部１７を通り管軸に略平行な接線を引いたときに、前記接線が内周面１８と交差した内周点１９のうち、隣接する凹状ピーク部１７間の２点の内周点１９を結んだ際に管内の流体領域に生じる直線距離を内面隙間Ｇとし、管の凹状ピーク部における内周面１８間の径方向距離を管内径Ｄｉとすると、より効率的な熱交換を行うためには、内面隙間Ｇは管内径Ｄｉに対して２０％以上８０％以下であることが望ましい。

図２は、本発明の一実施形態による熱交換器の一部斜視図である。熱交換器１４は、図１に示したスパイラル管１０に溝部の形状に沿って螺旋状に流体配管１３を設置している。このとき、流体配管１３はスパイラル管１０と伝熱的に接合されている。ここで、伝熱的に接合されているとは、スパイラル管１０と流体配管１３が接触している面積ができるだけ広いことが望ましい。接合方法としては、引抜き法やプレス法による接合の他、ロウ材や半田材を用いてスパイラル管１０と流体配管１３の隙間を埋める等の方法がある。また、矢印で示すように、スパイラル管１０内を通る流体の進行方向Ｆ１に対して、流体配管１３内を通る流体が対向流となるように逆向きのＦ２方向に螺旋状に流れる。この流体配管１３は好ましくは２〜４パスに分岐されており、入り口及び出口で統合されて一本となっている。

図３は、本発明の一実施形態による熱交換器の一部斜視図である。熱交換器１４は、図１に示したスパイラル管１０の外側にスパイラル管１０と同心軸の円筒管１２を設け、スパイラル管１０と円筒管１２の間に流体空間１５を有している。矢印で示すように、スパイラル管１０内を通る流体の進行方向Ｆ１に対して、流体空間１５内を通る流体が対向流となるように逆向きのＦ２方向に流れる。この流体空間１５はスパイラル管１０と円筒管１２が管の両端で接合されて形成されており、流体空間１５は入口および出口以外は密閉されている。本実施例によると、スパイラル管１０内部を通る流体は周期Ｗ内では特にＦ１方向に隣接する凸状ピーク部１１と凹状ピーク部１７間の内周面１８のＡのような部分に衝突することにより、スパイラル管内の流体がインピンジメント効果を得ることができる。このインピンジメント効果によってスパイラル管１０内の流体と流体空間１５内の媒体との熱交換率を高めることができる。

また、スパイラル管１０、流体配管１３および円筒管１２の材質は、銅、アルミニウム、鉄、ステンレス、チタンなどの配管用金属及びその合金を用いてもよい。特に、熱伝導率や接合の簡易さから銅及びその合金を用いることが好ましい。

図２および図３の熱交換器１４では、好ましくはスパイラル管１０の内部には、被熱媒体を、流体配管１３および流体空間１５には加熱媒体を用いるのがよい。ここで、加熱媒体が熱を加えるものであれば、被熱媒体は熱を得るものとなり、反対に、加熱媒体が熱を吸収するものであれば、被熱媒体は熱を失うものを意味する。本実施例での加熱媒体の種類は、ＣＯ２、ＨＦＣ、ＨＣＦＣ、ＨＣ、Ｈ２Ｏ等が適用可能であるが、特にこれに限定されるものではない。また、被熱媒体に関しても、水や空気、油や化学薬品等、目的に応じた流体物を用いることができる。例えば、被熱媒体に水を加熱媒体にＣＯ２を用いて水を加熱するような給湯用や、被熱媒体に空気を加熱媒体にＨＦＣを用いて空気を冷やしたり暖めたりする空調機用などに用いることができる。このように、加熱媒体を用いて被熱媒体の温度上昇を促したり、逆に加熱媒体を用いて被熱媒体の温度低下を促したりすることができる。

本発明の実施例に係る熱交換器１４では、図３に示すようなスパイラル管１０と円筒管１２を用いた。このとき、スパイラル管１０は、脱酸銅でできており、管内径Ｄｉ：１０.７８ｍｍ、溝部の周期Ｗ：１２ｍｍ、変位距離Ｘ：３．６ｍｍ、内面隙間Ｇ：８.２５ｍｍとした。円筒管１２は、脱酸銅でできており、外径：２１.５ｍｍ、内径：１９.９ｍｍとした。スパイラル管１０と円筒管１２の接合方法は引抜き法を用いた。スパイラル管１０内の被熱媒体と流体空間１５内の加熱媒体は水を用いた。

比較例

比較例に係る熱交換器に用いたスパイラル管２０を図４に示す。スパイラル管２０は溝周期Ｗの中心Ｃと凸状ピーク部２１がほぼ同じ位置に存在する。比較例としての熱交換器はスパイラル管２０と円筒管を用いた。このとき、スパイラル管２０は、脱酸銅でできており、管内径Ｄｉ：１０.７８ｍｍ、溝部の周期Ｗ：１２ｍｍ、内面隙間Ｇ：９.０ｍｍとした。円筒管は、脱酸銅でできており、外径２１.５ｍｍ、内径１９.９mmとした。スパイラル管１０と円筒管の接合方法は引抜き法を用いた。スパイラル管２０内の被熱媒体と円筒管内の加熱媒体は水を用いた。

本発明の実施例および比較例のスパイラル管を同じ長さで用いた熱交換器を使用し、被熱媒体である１５℃の水を毎分０．７リットル流し、加熱媒体として、３５℃の水を毎分３５リットル流したところ、被熱媒体の水温が約３４℃になるのに、比較例では２ｍの長さが必要であったが、本発明の実施例によると、１．６ｍの長さで同じ効果が得られた。つまり、本発明の実施例によると、比較例のスパイラル管の長さに比べて８０％の長さのスパイラル管を用いて、従来の熱交換器と同等の働きをする熱交換器を実現することができる。これにより、本発明のスパイラル管を用いることによって、従来の熱交換器と同じ性能を有しながら、より熱交換効率を高くすることで、より小型化された熱交換器を実現可能となる。また、熱交換器自体の小型化に伴い、スパイラル管や流体配管などに用いる配管用金属及びその合金の使用量を削減することができる。

本発明の実施例にかかるスパイラル管の一部横断面図である。 本発明の実施例にかかる熱交換器の一部斜視図である。 本発明の実施例にかかる熱交換器の一部斜視図である。 従来型のスパイラル管の一部横断面図である。

符号の説明

１０ スパイラル管
１１ 凸状ピーク部
１２ 円筒管
１３ 流体配管
１４ 熱交換器
１５ 流体空間
１６ 外周面
１７ 凹状ピーク部
１８ 内周面
１９ 内周点
２０ スパイラル管
２１ 凸状ピーク部

Claims (5)

1. 外周と内周に連続して螺旋状に一体に設けられた溝部を有し、前記溝部は径方向において前記管軸に最も近づく凹状ピーク部を前記周期Ｗで有し、前記溝部の前記管軸から径方向に最も離れた凸状ピーク部が前記凹状ピーク部間の中心から０．１５Ｗ以上０．４５Ｗ以下離れていることを特徴とするスパイラル管。
2. 前記溝部は前記内周を構成する内周面と前記外周を構成する外周面を有し、前記外周面の前記凹状ピーク部を少なくとも２点通る前記管軸に略平行な接線と前記内周面が交差した内周点のうち、隣接する前記凹状ピーク部間の隣接する２点の直線距離である内面隙間Ｇは、前記凹状ピーク部における内周面間の径方向距離である管内径Ｄｉに対して２０％以上８０％以下であることを特徴とする請求項１に記載のスパイラル管。
3. 前記凸状ピーク部は前記中心より管内部を通る流体の進行方向に存在することを特徴とする請求項１または２に記載のスパイラル管。
4. 請求項１乃至３に記載の前記スパイラル管の外周の溝部の形状に沿って螺旋状に少なくとも１つの熱媒体を有した流体配管を前記スパイラル管と伝熱的に接合配置されていることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１乃至３に記載の前記スパイラル管の外側に前記スパイラル管と同心軸の円筒管を設け、前記スパイラル管と前記円筒管の間に熱媒体を有する流体空間が設けられていることを特徴とする熱交換器。

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