JP2008281263A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】管内を流れる流体の流速が小であっても優れた熱交換性を有し、曲げ加工による伝熱性能低下を抑えた小型の熱交換器を提供する。
【解決手段】円筒状の構造体を形成するコルゲート伝熱管１０のコルゲート溝の形状について、外径に対する凹凸の比を表すＨｃ／ｄ、またはＨｃｉ／ｄを規定したことにより、コルゲート伝熱管１０内での流体の攪拌が促進されて良好な乱流効果が得られ、効率的な熱交換が可能となる。そのため、内面溝付管に比べて大幅な伝熱性能の向上を果たすことができ、低コストで効率的な熱交換が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関し、特に、貯湯式ヒートポンプ給湯機に用いられる熱交換器に関する。

従来の貯湯式ヒートポンプ給湯機の熱交換器として、水を流す水管としての外管と、冷媒を流す冷媒管としての内管との二重管からなる二重管式熱交換器が知られている。

このような二重管式熱交換器の場合、冷媒が流れる内管に腐食によって孔が開くと、水と冷媒とが混ざりあって熱交換器能が損なわれることから、水または冷媒の漏洩を検知して熱交換器を停止する漏洩検知部を有するものがある。

このような漏洩検知部として、例えば、漏洩検知溝を有した漏洩検知管を用いたものが知られている。漏洩検知管を用いることで、管路は実質的に三重管構造となる。

貯湯式ヒートポンプ給湯機は、夜間に時間をかけて湯を沸かすものであり、そのため、水管内での水の流れは流速が小で層流となる。このことから、熱交換器としての性能向上を図るには、水管の伝熱性を高めることが不可欠である。

伝熱性能の向上を目的とした熱交換器として、第１伝熱管の内部に複数の伝熱管を螺旋状にねじって構成した第２伝熱管を配置したものがある（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１の熱交換器によれば、水の圧力損失やスケール成分が小であり、伝熱促進体としての別部品を要することなしに伝熱促進することができる。

また、水管を芯管として冷媒管を外側に巻き付けた熱交換器がある（例えば、特許文献２参照。）。芯管として、平滑管のほかにコルゲート伝熱管、内面溝付管、あるいは内部にねじり板を挿入した芯管を用いる構成が記載されている。

特許文献２の熱交換器によれば、製造、運搬の容易性、熱交換性の向上、コスト低減等の効果が得られる。

また、コルゲート伝熱管を用いた熱交換器として、第１のスパイラルと第２のスパイラルとを交互に組み合わせた２条のスパイラル状コルゲート伝熱管から構成される二重管式熱交換器がある（例えば、特許文献３参照。）。

特許文献３の熱交換器によれば、コルゲート伝熱管を使用することで、曲げ加工性が向上するので、熱交換器をコイル状に形成することが可能となる。そのため、平滑管では曲げることが困難な、小さい曲げが要求される配管などに使用することができる。
特開２００４−３６０９７４号公報 特開２００２−２２８３７０号公報 特開２００５−９８３２号公報

しかし、従来の熱交換器によると、以下のような問題がある。
特許文献１に記載される熱交換器では、複数本の伝熱管を螺旋状にねじる工程が複雑であり、コストアップを招くとともに第１伝熱管と複数本の第２伝熱管を分離する熱交換器端末部分の構成が複雑になるという問題がある。中空の伝熱管はつぶれ、折れ等の変形を生じやすく、ワイヤをねじるように容易に行うことはできない。

特許文献２に記載される熱交換器では、コルゲート伝熱管を芯管に用いる構成や、ねじり板を芯管に挿入するだけでは所望の伝熱性能を得ることができず、圧力損失の増大や、構成の複雑化によるコストアップ等の問題を招くおそれがある。また、芯管に内面溝付管を用いることで伝熱面積の増大を図っても、管内を流れる流体の流速が小なる層流域での使用においては伝熱性の向上が得られない。特に内面溝付管では、その製造上の制約から層流域で流れる流体に乱流効果をもたらすような形状の溝加工を施すことが困難である。

特許文献３に記載される熱交換器では、コルゲート伝熱管を用いても、曲げ加工によってコルゲート溝形状が変化し、所望の伝熱性能が得られない。特に熱交換器の小型化を図るためにコルゲート伝熱管の曲げを大にすると、コルゲート溝の変形が大になって伝熱性が損なわれてしまうという問題がある。

従って、本発明の目的は、管内を流れる流体の流速が小であっても優れた熱交換性を有し、曲げ加工による伝熱性能低下を抑えた小型の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、管の長手方向に所定の形状で連続するコルゲート形状を有し、前記コルゲート形状を有した前記管の曲げ加工後のコルゲート溝の深さの最大値をＨｃｉ、曲げ加工後に扁平したコルゲート伝熱管の短外径をｄとして、０．１≦Ｈｃｉ／ｄを満たすコルゲート伝熱管からなる熱交換器を提供する。

また、本発明は上記目的を達成するため、管の長手方向に所定の形状で連続するコルゲート形状を有し、前記コルゲート形状を有した前記管の曲げ加工後の、熱交換媒体と接触する部分のコルゲート溝の深さをＨｃ、曲げ加工後に扁平したコルゲート伝熱管の短外径をｄとして、０．０４≦Ｈｃ／ｄを満たすコルゲート伝熱管からなる熱交換器を提供する。

本発明の熱交換器によれば、管内を流れる流体の流速が小であっても優れた熱交換性を有し、曲げ加工による伝熱性能低下を抑えて熱交換器の小型化を図ることができる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態にかかる熱交換器の構造を示す斜視図である。この熱交換器１は、銅からなるコルゲート伝熱管１０と、銅からなる冷媒管１１によって構成されている。コルゲート伝熱管１０は、螺旋状に加工されて円筒状に形成された構造体を形成しており、その外周に冷媒管１１が螺旋状に接触するように設けられている。

コルゲート伝熱管１０は、１条でコルゲート加工されることによって内外面にスパイラル状の波形構造が設けられており、短径部ｄを有する楕円状に形成されている。また、コルゲート伝熱管１０の長径部は隣接する管壁と接触するように螺旋構造化されている。このコルゲート伝熱管１０の内部には、端部１０Ａおよび１０Ｂより導入される被加熱媒体としての水が通過する。

冷媒管１１は、熱交換媒体としてコルゲート伝熱管１０よりも小なる外径を有する平滑管で構成されており、円筒状に形成されたコルゲート伝熱管１０の構造体の、隣り合う管によって外周に設けられる溝に沿って螺旋状に巻きまわされている。この冷媒管１１の内部には、端部１１Ａおよび１１Ｂより導入される冷媒として、二酸化炭素が通過する。

図２は、本発明の実施の形態にかかる熱交換器を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すコルゲート伝熱管のＡ部分を示す拡大断面図である。

図２（ａ）に示すように、コルゲート伝熱管１０は、外部との接続を行うための端部１０Ａおよび１０Ｂが平滑状に形成されている。また、コルゲート伝熱管１０の外周に沿うように設けられる冷媒管１１の端部１１Ａおよび１１Ｂについても、同様に形成されている。

コルゲート伝熱管１０は、図２（ｂ）に示すように、熱交換器とするための曲げ加工によって扁平化する。この扁平化に伴って、コルゲートピッチＰｃで形成されたコルゲート伝熱管１０の管軸１０ａで形成される円弧よりも直径が小の部分、つまり曲げた内側の内径部では、管の縮みによってコルゲート溝が圧縮されることにより、コルゲート溝深さの最大値Ｈｃｉは曲げ加工前より深くなる。

本実施の形態では、曲げ加工後に扁平したコルゲート伝熱管１０の短外径ｄに対して、０．１≦Ｈｃｉ／ｄを満たすように形成されている。

また、管軸１０ａで形成される円弧よりも直径が大の部分、つまり曲げた外側の外径部では、管の伸びによってコルゲート溝が広がることにより、コルゲート溝深さＨｃは曲げ加工前より浅くなる。

本実施の形態では、曲げ加工後に扁平したコルゲート伝熱管１０の短外径ｄに対して、０．０４≦Ｈｃ／ｄを満たすように形成されている。

図３は、本発明の実施の形態にかかる熱交換器で使用される、曲げ加工前のコルゲート伝熱管（１条で加工されたもの）であり、（ａ）は一部を切断した全体図。（ｂ）は（ａ）に示すコルゲート伝熱管のＡ部分を示す拡大断面図である。

コルゲート伝熱管１０は、図３（ｂ）に示すように、コルゲート溝１０ｂと管軸１０ａ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、コルゲート伝熱管１０内でコルゲート溝１０ｂに基づく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、上述のコルゲート伝熱管１０の定義から、ねじれ角βｃは、０°＜βｃ＜９０°の範囲である。

また、本実施の形態におけるコルゲート伝熱管１０について、その端末平滑部肉厚Ｔｗ、外径ＯＤ、およびコルゲートピッチＰｃは、特に限定されるものではない。また、材質についても上記した銅の他に、熱伝導率や機械的強度を勘案して、例えば銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の熱伝導性および加工性に優れる金属材料を用いることができる。冷媒管１１の材質についても同様である。

また、コルゲート伝熱管１０の端部１０Ａおよび１０Ｂについて、コルゲート加工が未加工の平滑状の部分からなる構成としたが、端部１０Ａから端部１０Ｂにかけての全長にわたってコルゲート加工が施されたものであってもよい。このとき、図２（ａ）に示すコルゲート伝熱管１０の外部との接続を行うための端部１０Ａおよび１０Ｂは、コルゲート加工が施されたものとなる。

図４は、本発明の実施の形態にかかる他の伝熱管の一部を切断した全体図である。

図４に示すコルゲート伝熱管１０は、図３に示すコルゲート伝熱管１０が１条でコルゲート加工されたものであることに対し、３条でコルゲート加工された構成において相違している。このように条数が大になると加工速度が大になるため、生産コスト的に有利になる。

３条コルゲート加工のコルゲート伝熱管１０の場合、ねじれ角βｃは１条加工よりねじれ角βが小さくなる傾向にあるが、隣り合うコルゲート溝１０ｂの間隔、すなわちコルゲートピッチＰｃを小にすることで、内面溝付管では製造困難な４０°以上の高いねじれ角βｃを実現できる。

上記した熱交換器１では、１条と３条のコルゲート伝熱管１０を用いた構成について説明したが、コルゲート伝熱管１０の条数については他の条数、例えば、２条あるいは４条以上であっても良い。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βｃを実現しやすいという点で望ましい。

また、上記した熱交換器１ではコルゲート伝熱管１０からなる円筒状の構造体の外周に１本の冷媒管１１が巻きまわされた構成を説明したが、複数本の冷媒管１１が接触する構成であってもよい。

また、冷媒管１１は、コルゲート伝熱管１０からなる円筒状の構造体の内側に接触するようにしてもよい。この場合、コルゲート伝熱管１０の曲げ加工前のコルゲート溝深さが比較的浅いものであっても、構造体形成時の曲げ加工後に十分な深さを得ることができる。

また、冷媒管１１に導入される冷媒についても、上記した二酸化炭素に代わるものとしてプロパン、イソブタン、フロン系冷媒（Ｒ４１０Ａ，Ｒ４０７Ｃ，Ｒ２２）等の他の冷媒であってもよい。

（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。

本実施の形態にかかる熱交換器１によれば、円筒状の構造体を形成するコルゲート伝熱管１０のコルゲート溝の形状について、外径に対する凹凸の比を表すＨｃ／ｄ、またはＨｃｉ／ｄを規定したことにより、コルゲート伝熱管１０内での流体の攪拌が促進されて良好な乱流効果が得られ、効率的な熱交換が可能となる。そのため、内面溝付管に比べて大幅な伝熱性能の向上を果たすことができ、低コストで効率的な熱交換が可能となる。

これにより、従来では性能向上が難しかったレイノルズ数Ｒｅ領域（例えば、Ｒｅ＝１０００〜５０００、特にＲｅ＝１０００〜３０００）における性能向上により、貯湯式ヒートポンプ給湯機の定格ＣＯＰで２％以上の性能向上を図ることができる。

貯湯式ヒートポンプ給湯機に用いられる水−冷媒熱交換器では、伝熱管内を流れる水の流速が非常に小であり、平滑管や内面溝付管等では層流となって伝熱性能が非常に低いものであった。また、コルゲート伝熱管を使用した従来の伝熱管では、コルゲート溝の形状について規定がなく、伝熱性能に関する効果が不明確であった。

本実施の形態に係るコルゲート伝熱管１０は、コルゲート溝１０ｂと管軸１０ａとのねじれ角βｃを内面溝付管では形成困難であった４０°以上の高い角度で形成できるため、コルゲート伝熱管１０内を流れる流体が凹凸を乗り越える頻度を大にする。そのことによって管内の流体の主流と壁近傍の流れとの間に運動量の交換が行われ、乱流効果を促進させる。また、コルゲート伝熱管１０の条数とコルゲートピッチＰｃの関係を調整することで、内面溝付管に比べて低コストでねじれ角βｃを大にすることができる。

以下、本発明の実施例について説明する。

実施例１として、外径ＯＤが９．５２ｍｍのリン脱酸銅からなる銅管に対して１条でコルゲート加工を施すことにより、Ｈｃ／ＯＤが０．１、ねじれ角βｃが７３°のコルゲート伝熱管１０を製造し、このコルゲート伝熱管１０を用いて円筒状の構造体となるように曲げ加工して図１に示す熱交換器１を作製した。曲げＲについては伝熱管の中心径で２０ｍｍとなるように加工され、曲げ加工後のＨｃ／ｄは０．０４、Ｈｃｉ／ｄは０．１６であった。

実施例２として、外径ＯＤが９．５２ｍｍのリン脱酸銅からなる銅管に対して１条でコルゲート加工を施すことにより、Ｈｃ／ＯＤが０．０８、ねじれ角βｃが７３°のコルゲート伝熱管１０を製造し、このコルゲート伝熱管１０を用いて円筒状の構造体となるように曲げ加工して図１に示す熱交換器１を作製した。曲げＲについては伝熱管の中心径で２０ｍｍとなるように加工され、曲げ加工後のＨｃ／ｄは０．０３、Ｈｃｉ／ｄは０．１３であった。

比較例１

また、比較例１として、外径ＯＤが９．５２ｍｍのリン脱酸銅からなる銅管に対して１条でコルゲート加工を施すことにより、Ｈｃ／ＯＤが０．０４、ねじれ角βｃが７３°のコルゲート伝熱管１０を製造し、このコルゲート伝熱管１０を用いて円筒状の構造体となるように曲げ加工して図１に示す熱交換器１を作製した。曲げＲについては伝熱管の中心径で２０ｍｍとなるように加工され、曲げ加工後のＨｃ／ｄは０．０１、Ｈｃｉ／ｄは０．０６であった。

比較例２

比較例２として、外径ＯＤが９．５２ｍｍのリン脱酸銅からなる平滑管を、伝熱管の中心径で２０ｍｍの円筒状の構造体となるように曲げ加工して図１に示す熱交換器１を作製した。

比較例３

また、比較例３として、外径ＯＤが９．５２ｍｍのリン脱酸銅からなる内面溝付管（フィン高さ／外径ＯＤ＝０．０３、条数＝１、ねじれ角βｃ＝３０°）を用意した。

上記した実施例１，実施例２，比較例１，比較例２，および比較例３の仕様を表１に示す。

図５は、実施例および比較例で作製した熱交換器を貯湯式ヒートポンプ給湯機に組み込んで定格ＣＯＰの評価を実施した結果を示す図である。なお、評価については水と冷媒を対向流で流して実施した。

ここで、定格ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）とは、室外条件が乾球温度１６℃、湿球温度１２℃で入水温度１７℃、出湯温度６５℃となるときに、給湯能力を入力電力で除したものと定義する。

図５から明らかなように、水管がＨｃｉ／ｄが０．１以上のコルゲート伝熱管１０を用いた実施例１および実施例２のとき、平滑管の場合と比べて定格ＣＯＰは２％以上向上することが確認された。また、Ｈｃ／ｄが０．０４である実施例１では、定格ＣＯＰは２．５％向上する。

図６は、実施例および比較例で作製した熱交換器の伝熱管の伝熱性能を示す図である。伝熱性能は層流流域（レイノルズ数Ｒｅが小さい領域）で比較している。試験に供したコルゲート伝熱管と内面溝付管の仕様は、表１に示したとおりである。

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（Ｎｕ／Ｐｒ０．４）と定義する。また、レイノルズ数Ｒｅについては、貯湯式ヒートポンプ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６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３）と平滑管（比較例２）の伝熱性能がほぼ同程度であるのに対し、実施例１のコルゲート伝熱管１０では、３倍以上の伝熱性能と大幅に性能が向上していることが確認された。

図７は、コルゲート伝熱管のねじれ角βｃと伝熱性能の関係について示す図である。なお、伝熱性能は平滑管に対する伝熱性能比で示し、貯湯式ヒートポンプ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での条件とした。試験に供したコルゲート伝熱管１０は、表１に示す実施例１である。

図７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で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で２倍以上に向上させることができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる熱交換器の構造を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態にかかる熱交換器を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）に示すコルゲート伝熱管のＡ部分を示す拡大断面図である。 図３は、本発明の実施の形態にかかる熱交換器で使用される、曲げ加工前のコルゲート伝熱管（１条で加工されたもの）であり、（ａ）は一部を切断した全体図。（ｂ）は（ａ）に示すコルゲート伝熱管のＡ部分を示す拡大断面図である。 図４は、本発明の実施の形態にかかる他の伝熱管の一部を切断した全体図である。 図５は、実施例および比較例で作製した熱交換器を貯湯式ヒートポンプ給湯機に組み込んで定格ＣＯＰ（Coefficient Of Performance）の評価を実施した結果を示す図である。 図６は、実施例および比較例で作製した熱交換器の伝熱管の伝熱性能を示す図である。 図７は、コルゲート伝熱管のねじれ角βｃと伝熱性能の関係について示す図である。

符号の説明

１…熱交換器、１０…コルゲート伝熱管、１０Ａ, １０Ｂ…端部、１０ａ…管軸、１０ｂ…コルゲート溝、１１…冷媒管、１１Ａ, １１Ｂ…端部

Claims (5)

1. 管の長手方向に所定の形状で連続するコルゲート形状を有し、前記コルゲート形状を有した前記管の曲げ加工後のコルゲート溝の深さの最大値をＨｃｉ、曲げ加工後に扁平したコルゲート伝熱管の短外径をｄとして、０．１≦Ｈｃｉ／ｄを満たすコルゲート伝熱管からなることを特徴とする熱交換器。
2. 管の長手方向に所定の形状で連続するコルゲート形状を有し、前記コルゲート形状を有した前記管の曲げ加工後の、熱交換媒体と接触する部分のコルゲート溝の深さをＨｃ、曲げ加工後に扁平したコルゲート伝熱管の短外径をｄとして、０．０４≦Ｈｃ／ｄを満たすコルゲート伝熱管からなることを特徴とする熱交換器。
3. 前記コルゲート伝熱管は、曲げ加工前の前記コルゲート溝と前記コルゲート伝熱管の管軸とのなす角をねじれ角βｃとすると、βｃ≧４０である請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記コルゲート伝熱管は、螺旋状に加工されて円筒状に形成された構造体を形成しており、その外周に熱交換媒体としての冷媒管が螺旋状に接触するように設けられている請求項１または２に記載の熱交換器。
5. 前記コルゲート伝熱管は、前記コルゲート形状を有した前記管の曲げ加工後の、熱交換媒体と接触する部分のコルゲート溝の深さをＨｃ、曲げ加工後に扁平したコルゲート伝熱管の短外径をｄとして、０．０４≦Ｈｃ／ｄを満たす請求項１に記載の熱交換器。

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