JP2008267632A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】水用流路の断面積を縮小して流速を増加させたり、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させたりせずに、コンパクトで熱交換性能に優れ、かつ水の流動抵抗が抑えられた熱交換器を提供する。
【解決手段】平板７が冷媒管２の外壁と平板７が互いに密着するように２本の冷媒管２の間に配置され、さらに、水管６の管軸方向に離間して複数個設けられることにより、２本の冷媒管２の外壁２ｂに密着した複数の平板７により冷媒管２から水に熱が伝わる伝熱面積が拡大される。さらに、平板７は水管６の管軸方向に離間して設けているため、水の流速が遅く層流の場合でも、水の流動抵抗の増加を抑えつつ、平板７の水の流動方向に対する先端７ａが前縁効果を発揮し、速度境界層もしくは温度境界層の発達を第１の管の管軸方向に断続的に分断することができ熱伝達性が向上し、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は空調、給湯等の機器、特にヒートポンプ式の給湯機などにおいて、水等の流体と冷媒等の２つの流体が熱交換するための熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器としては、内部に冷媒用流路が形成された内管と、内管の外側に設けられ内管との間に水用流路が形成された外管とから構成された２重管を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

図１４、図１５は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すものである。

図１４、図１５で示すように、この熱交換器１０１は２重管式の熱交換器であり、内部に冷媒用流路１０２が形成された内管１０３と、内管１０３の外側に設けられ、内管１０３との間に水用流路１０４が形成された銅製の外管１０５とから構成され、内管１０３が２本設けられている。内管１０３は、銅製の冷媒管１０６と、冷媒管１０６の外周に設けられた銅製の漏洩検知管１０７とから構成され、冷媒管１０６を拡管するか、或いは、漏洩検知管１０７を縮管することにより、冷媒管１０６と漏洩検知管１０７は密着されている。また、漏洩検知管１０７の内面には、配管方向に沿って多数の漏洩検知溝１０８が形成されており、漏洩検知溝１０８内には空気層が形成されている。さらに、漏洩検知溝１０８は外部に設けられた漏洩検知センサー（図示せず）に接続されており、内管１０３又は外管１０５から漏洩した冷媒又は水は漏洩検知溝１０８を介して外部へ漏出し、漏洩検知センサーにより検知されるようになっている。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

熱交換器１０１は、内管１０３と外管１０５の２重管により形成され内管１０３の外周が水と、冷媒と水とが熱伝導性の良い銅製で且つ密着された冷媒管１０６と漏洩検知管１０７を介して熱交換されるようになっているため、内管１０３が水との接触面積が大きくとれ、熱交換効率を向上させることできる。また、例え、腐食等により冷媒管１０６や漏洩検知管１０７に孔や亀裂が生じ、冷媒や水が漏洩したとしても、その漏洩を漏洩検知溝１０８を介して確実に検知することができ、さらに、冷媒と水との間には冷媒管１０６と漏洩検知管１０７により２重に境界壁が形成されており、いずれか一方に孔や亀裂等の欠陥が発生したしても、冷媒と水が互いに混入し合うおそれがない。したがって、熱交換器１０１の信頼性を高く維持することができる。また、熱交換器１０１が２重管式となっているため、曲げ加工が容易にでき、製造コストの低減化が可能となると共に、コンパクト化を図ることができる。
特開２００５−６９６２０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、水と接触し熱伝達する内管１０３が銅製のなめらかな丸管状であるため、速度境界層、もしくは温度境界層が発達しやすく、熱交換能力を向上させるためには、流速を増加させたり、熱交換器１０１の管長を長くし、内管１０３の伝熱面積を大きくする手法をとる必要があった。

このため、上記のような手法では、まず、流速を増加させるため、外管１０５の径を小さくし水用流路１０４の断面積を縮小したり、熱交換器１０１の管長を長くすると、水側の圧損が増加するため、熱交換器１０１に水を送るポンプ（図示せず）の揚程を向上させるためにポンプを大型化したり、ポンプに用いるモータへの入力を増加する必要があり、熱交換器１０１が搭載されるヒートポンプ式給湯機のコストが増加したり、省エネが損なわれるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、水用流路の断面積を縮小して流速を増加させたり、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させたりせずに、コンパクトで熱交換性能に優れかつ水の流動抵抗が抑えられた熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管の管内に少なくとも２本以上配置され、内部に流体Ｂが流れる第２の管と、前記少なくとも２本以上の第２の管の周方向の間に少なくとも１枚以上の平板が配置された構成であって、前記第２の管の外壁と前記平板が互いに密着し、前記平板が前記第１の管の管軸方向に離間して設けられている。

これによって、第２の管の外壁に密着した少なくとも１枚以上の平板により第２の管から流体Ａに熱が伝わる伝熱面積が拡大される。

さらに、前記平板は第１の管の管軸方向に離間して設けているため、流体Ａの流速が遅く層流の場合でも、流体Ａの流動抵抗の増加を抑えつつ、平板の流体Ａに対する先端が前縁効果を発揮し、速度境界層もしくは温度境界層の発達を第１の管の管軸方向に断続的に分断することができ熱伝達性が向上する。

本発明の熱交換器は、流体Ａの流動抵抗の増加を抑えつつ、第２の管の流体Ａに対する熱伝達性を向上させ、かつ流体Ａへの伝熱面積を増加させることで、流体Ａの流路の断面積を縮小して流速を増加させたり、管長を長くして伝熱面積を増加させたりしなくとも、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。

請求項１に記載の発明は、内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管の管内に少なくとも２本以上配置され、内部に流体Ｂが流れる第２の管と、前記少なくとも２本以上の第２の管の周方向の間に少なくとも１枚以上の平板が配置された構成であって、前記第２の管の外壁と前記平板が互いに密着し、前記平板が前記第１の管の管軸方向に離間して設けられていることにより、第２の管から流体Ａに熱が伝わる伝熱面積が拡大され、さらに、前記平板は第１の管の管軸方向に離間して設けているため、流体Ａの流速が遅く層流の場合でも、流体Ａの流動抵抗を低く抑えつつ、平板の流体Ａに対する先端が前縁効果を発揮し、速度境界層もしくは温度境界層の発達を第１の管の管軸方向に断続的に分断することができ熱伝達性が向上し、熱交換器の熱交換性能を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第２の管と前記平板が前記第１の管の管軸を略中心として捻られることにより、第１の管内の流体Ａ全体を旋回流にすることにより、流体Ａの流れを乱流攪乱し第１の管の流体Ａの主流に熱が拡散され、また、第１の管の管軸方向に離間して設けられた平板が捻られたことにより、より流れが混合され熱拡散が促進され、流体Ａへの熱伝達性がより向上する。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記平板にスリットを設けたことにより、流体Ａの流速が遅く層流の場合でも、平板の表面近傍において、流体Ａの流れ方向に対し前縁効果を発揮し、速度境界層もしくは温度境界層の発達を管軸方向に分断することができ熱伝達性が向上する。また、平板が第１の管の管軸方向に離間して設けているため、スリットにより局所的に流動抵抗が増加しても熱交換器全体としては流体Ａの流動抵抗の増加を抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記平板を波板状としたことにより、流体Ａの流速が遅く層流の場合でも、平板の表面近傍において、流体Ａの流れ方向に対し流れが蛇行し速度境界層もしくは温度境界層を管軸方向に攪乱し熱伝達性が向上する。また、平板が第１の管の管軸方向に離間して設けているため、流れの蛇行により局所的に流動抵抗がわずかに増加しても熱交換器全体としては流体Ａの流動抵抗がほとんど増加させないことができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記第２の管を内包した前記第１の管は管軸方向に直管部と曲管部を交互に設けられ略渦巻き状あるいは蛇行状に曲成された構成であって、前記平板が少なくとも前記第１の管の曲管部に配置され前記第１の管の内壁に密着したことにより、第１の管の流体Ａの流路に潰れや変形が生じやすい曲管部において、平板が第１の管の内壁に密着したことで安定した流体Ａの流路の断面積を確保し、また、潰れや変形が生じにくい第１の管の直管部には流路内に平板を設けないため、略渦巻き状あるいは蛇行状に曲成され熱交換器全体を省スペースに収納した上で、流体Ａの流動抵抗を低く抑えながら所定の熱交換量を得ることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前記第２の管が、外管と内管が少なくとも一部に隙間を持ちつつ熱的に密着した２重管であることにより、熱抵抗を小さく保ちつつ、流体Ａ又は流体Ｂが前記隙間を介して漏出することにより、流体Ａ又は流体Ｂの漏洩を検知可能なように構成されていることで流体Ａと流体Ｂの間は二重壁で両流体が混合しにくくなり、かつ隙間を介して外部に漏出し検知されることで安全性が向上する。

請求項７に記載の発明は、請求項１から６のいずれか一項に記載の発明において、流体Ａと流体Ｂを対向流としたことにより、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができる。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか一項に記載の発明において、流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことにより、ヒートポンプ給湯機用の水−冷媒熱交換器として使用することで高いヒートポンプ効率を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における熱交換器の構成図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、本発明の実施の形態１における他の熱交換器の構成図である。図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。図５は、本発明の実施の形態１における他の熱交換器の構成図である。図６は、図５のＣ−Ｃ断面図である。

図１、図２において、熱交換器１本体は、内管４の内部を二酸化炭素が流動し、内面に漏洩検知溝５を持つ外管３が内管４に熱的に密着した二重壁２ａとなる銅製の２本の冷媒管２であり、銅製の水管６には、２本の冷媒管２が内包されている。銅製の平板７は、冷媒管２の外壁と平板７が互いに密着するように、２本の冷媒管２の間に配置され、さらに、水管６の管軸方向に離間して複数個設けられているものであって、平板７は水管６の管軸方向に連続的に設けられているものではない。

以上のように構成された熱交換器について、以下その動作を説明する。

まず、冷媒管２の内部を二酸化炭素が流動し、水管６と冷媒管２との間の環状部を水が対向して流れ、外管３と内管４の二重壁２ａを介して二酸化炭素と水が熱交換する。

ここで、二酸化炭素と水の間において、内面に漏洩検知溝５を持ち二酸化炭素と水が漏洩検知溝５を介して漏出し、検知センサー（図示せず）にて検知可能なように構成されていることで、安全性を確保する二重壁２ａを備えつつ十分な接触面積を確保するため、外管３と内管４の二重壁２ａを介して高い熱伝導性を得る。

さらに、冷媒管２内の二酸化炭素と水管６と冷媒管２の間の水が対向流となっているため、効率のよい熱交換を実現することができ、ヒートポンプ給湯機用水冷媒熱交換器として使用することで、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

そして、２本の冷媒管２の外壁に密着した複数の平板７により冷媒管２から水に熱が伝わる伝熱面積が拡大される。さらに、平板７は水管６の管軸方向に離間して設けているため、水の流速が遅く層流の場合でも、水の流動抵抗の増加を抑えつつ、平板７の水の流動方向に対する先端７ａが前縁効果を発揮し、速度境界層もしくは温度境界層の発達を第１の管の管軸方向に断続的に分断することができ熱伝達性が向上することができる。

また、平板７の水管６の管軸方向に対するピッチを粗密に容易に設定することができ、水側の圧損と熱伝達特性を変えることができ、ヒートポンプ給湯機の諸条件に合わせ、加熱能力や水冷媒熱交換器としての容積といった性能と仕様をバランス良く容易に設計することができる。

また、図３、図４で示すように、平板７の表面にスリット８を設けたことにより、水の流速が遅く層流の場合でも、平板７の表面近傍において、水の流れ方向に対し前縁効果を発揮し、速度境界層もしくは温度境界層の発達を管軸方向に分断することができ熱伝達性が向上する。また、平板７が水管６の管軸方向に離間して設けているため、スリット８により局所的に流動抵抗が増加しても熱交換器１全体としては水の流動抵抗の増加を抑えることができる。

また、図５、図６で示すように、表面を波板状とした銅製の平板９を、２本の冷媒管２の外壁に密着し、水管６の管軸方向に離間して設けているため、水の流速が遅く層流の場合でも、平板９の表面近傍において、水の流れ方向に対し流れが蛇行し速度境界層もしくは温度境界層を管軸方向に攪乱し熱伝達性が向上する。また、表面を波板状とした平板９により流れが蛇行し局所的に水の流動抵抗がわずかに増加しても熱交換器１全体としては水の流動抵抗がほとんど増加させないことができる。

尚、本実施の形態では、冷媒管２の外管３、内管４、水管６、平板７、９は銅製だが、真ちゅう、ＳＵＳ、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。

尚、本実施の形態では、冷媒管２内を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、Ｒ４１０Ａ等の冷媒でも同様な効果を得られる。

尚、本実施の形態では、冷媒管２は２本としたが、２本以上であればよく、例えば、３本としてもよい。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２における熱交換器の構成図である。図８は、図７のＤ−Ｄ断面図である。図９は、図７のＥ−Ｅ断面図である。

尚、実施の形態１と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図７から図９において、冷媒管２は、２本互いに螺旋状にねじり合わされている。また、冷媒管２の外壁に密着するように２本の冷媒管２の間に挟まれ、冷媒管２と同じピッチで捻られた平板１０であり、水管６の管軸方向に離間して複数個設けられている。

以上のように、構成された熱交換器１について、以下その動作を説明する。

螺旋状にねじられた冷媒管２により、水管６内の水全体を旋回流にすることで水の流れを乱流攪乱し、水管６の水の主流に冷媒管２の熱が拡散され、また、水管６の管軸方向に離間して設けられ捻られた平板１０により、より流れが混合され熱拡散が促進される。従って、水への熱伝達性がより向上する。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における熱交換器の構造を示す平面図である。図１１は、図１０のＦ−Ｆ断面図である。図１２は、図１０のＧ−Ｇ断面図である。図１３は、同実施の形態における熱交換器の曲管部の一部破断断面図である。

尚、実施の形態１、２と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図１０から図１３において、熱交換器１ｘは、冷媒管２を内包した水管６が管軸方向に直管部６ａと曲管部６ｂを交互に設けられ、略渦巻き状に曲成されている。平板１１は水管６の曲管部６ｂに配置され水管６の内壁に密着している。また、冷媒管２の二酸化炭素の流入口１２ａ、流出口１２ｂと、水管６の水の流入口１３ａ、流出口１３ｂは各々の流れが対向するように設けられている。

以上のように、構成された熱交換器１ｘについて、以下その動作を説明する。

水管６の水の流路に潰れや変形が生じやすい曲管部６ｂにおいて、平板１１が水管６の内壁に密着したことで冷媒管２との間に安定した水の流路の断面積を確保することができ、潰れや変形が生じにくい水管６の直管部６ａには平板１１を設けないため、略渦巻き状あるいは蛇行状に曲成され熱交換器１ｘ全体を省スペースに収納した上で、水の流動抵抗を低く抑えながら所定の熱交換量を得ることができる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、水用流路の断面積を縮小して流速を増加させたり、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させたりしなくとも、熱交換器の熱交換性能を向上させることができ、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、ヒートポンプの洗濯乾燥機などのヒートポンプ機器や、燃料電池等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の構成図 図１のＡ−Ａ断面図 本発明の実施の形態１における他の熱交換器の構成図 図３のＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態１における他の熱交換器の構成図 図５のＣ−Ｃ断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の構成図 図７のＤ−Ｄ断面図 図７のＥ−Ｅ断面図 本発明の実施の形態３における熱交換器の構造を示す平面図 図１０のＦ−Ｆ断面図 図１０のＧ−Ｇ断面図 同実施の形態における熱交換器の曲管部の一部破断断面図 従来の熱交換器を示す平面図 従来の熱交換器を示す断面図

符号の説明

１，１ｘ 熱交換器
２ 冷媒管
２ａ ２重壁
３ 外管
４ 内管
５ 漏洩検知溝
６ 水管
６ａ 直管部
６ｂ 曲管部
７，１１ 平板
８ スリット
９ 表面が波板状の平板
１０ 捻られた平板

Claims (8)

1. 内部に流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管の管内に少なくとも２本以上配置され、内部に流体Ｂが流れる第２の管と、前記少なくとも２本以上の第２の管の周方向の間に少なくとも１枚以上の平板が配置された構成であって、前記第２の管の外壁と前記平板が互いに密着し、前記平板が前記第１の管の管軸方向に離間して設けられた熱交換器。
2. 前記第２の管と前記平板が、前記第１の管の管軸を略中心として捻られた請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記平板にスリットを設けた請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記平板を波板状とした請求項１または２に記載の熱交換器。
5. 前記第２の管を内包した前記第１の管は管軸方向に直管部と曲管部を交互に設けられ略渦巻き状あるいは蛇行状に曲成された構成であって、前記平板が少なくとも前記第１の管の曲管部に配置され前記第１の管の内壁に密着した請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
6. 前記第２の管は、外管と、内管が少なくとも一部に隙間を持ちつつ熱的に密着した２重管である請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
7. 流体Ａと流体Ｂが対向流とし、流体Ｂが前記第２の管を介して流体Ａを加熱する請求項１から６のいずれか一項に記載の熱交換器。
8. 前記流体Ａを水、前記流体Ｂを二酸化炭素とする請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。

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