JP2010078241A

JP2010078241A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2010078241A
Application number: JP2008247868A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Machida; 和彦町田; Takumi Kida; 琢己木田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】熱交換器の管長を延長させることなく熱交換性能を向上させることができる管式の熱交換器を提供すること。
【解決手段】管式の熱交換器において内部を水２が流れる外管３内に、互いに螺旋状にねじり合わされ内部を二酸化炭素冷媒４が流れる複数本の内管５を配置し、内管５の軸方向に複数の凸部７を内表面に設け、二酸化炭素冷媒４の流出口５ｂから流入口５ａ側に向けての所定の範囲毎に、内管５の内径が段階的に大きくなるように構成し、二酸化炭素冷媒４が凸部７を渦状に流れ壁面近傍の温度境界層を乱すとともに、二酸化炭素冷媒４の高温部Ｙの管内圧力損失を最小限に抑え、流体Ａと流体Ｂとの温度差をより大きくとれることが可能となり、より効率的な熱交換作用を実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、空調装置、給湯装置等の機器に用いられ、特にヒートポンプ式の給湯機等のように、水等の流体と冷媒等の二種の流体を熱交換させ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を形成する外管とから構成された二重管式のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４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５は、従来の熱交換器を示す図４のＢ−Ｂによる管断面図である。

図４、図５に示すように、この熱交換器１０１は、二重管式の熱交換器であり、内部を冷媒用流路１０２とする内管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を形成する銅製の外管１０５とから構成され、この熱交換器１０１の場合は、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を密着している。

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（図示せず）が形成されており、漏洩検知溝内には空気層が形成されている。さらに、漏洩検知溝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または外管１０５から漏洩した冷媒、あるいは水は、漏洩検知溝を介して外部に漏出し、前記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の二重管により形成され、内管１０３の外周を水が流れ、冷媒管１０６内を冷媒が流れるもので、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を介して冷媒と水が熱交換されるようになっている。
特開２００５−６９６２０号公報

しかしながら、上記従来の構成では、熱交換器１０１の性能に限度があり、性能を向上させるためには、冷凍サイクルにおいて圧縮機（図示せず）の冷媒循環量を増加させ、さらに熱交換器１０１の配管長さを延長する等の手法により、熱交換器１０１の配管の管内面積を大きくして性能を向上させなければならなかった。

このような手法では、熱交換器１０１の大きさが大きくなってしまい、ひいては、ヒートポンプ式給湯機の場合であると設置スペースが大きくなってしまう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、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換性能を向上させることができる管式の熱交換器を提供することを目的とするものである。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ、前記第１の管内に複数配設した第２の管とを備え、前記第２の管の内表面に、前記第２の管の内方に突出する凸部を少なくとも軸方向に複数設け、前記第２の管の内径を、前記流体Ｂの出口から入口に向かって、段階的に大きくなるように形成したことを特徴とするものである。

この構成によって、流体Ｂが第２の管の内面に形成した凸部を渦状に流れることになり、第２の管の内部において、壁面近傍を流れる流体Ｂの高温層と壁面から離れたところを流れる比較的温度が低い低温層によって形成されていた温度境界層に乱れを生じさせることができる。その結果、流体Ｂの流れを乱し、混合することにより、熱交換性能を向上させることができる。さらに前記第２の管の高温部に該当する部分の内径を段階的に大きく設定することにより、流体Ｂの管内圧力損失上昇を最小限に抑えることができ、流体Ａと流体Ｂとの温度差をより大きくとることが可能となり、より効率的な熱交換作用を実現することができる。

本発明によれば、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換性能を向上させることができる管式の熱交換器を提供できる。

第１の発明は、内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ、前記第１の管内に複数配設した第２の管とを備え、前記第２の管の内表面に、前記第２の管の内方に突出する凸部を少なくとも軸方向に複数設け、前記第２の管の内径を、前記流体Ｂの出口から入口に向かって、段階的に大きくなるように形成したことを特徴とする熱交換器である。

かかる構成とすることにより、第２の管の内部において流体Ｂが内表面に設けた凸部を渦状に流れ、壁面近傍の温度境界層を乱すばかりでなく、さらに流体Ｂの管内圧力損失が著しく増大する前記第２の管の温度が比較的高くなる領域の管内圧力損失上昇を最小限に抑えることができ、流体Ａと流体Ｂとの温度差をより大きくとることが可能となり、より効率的な熱交換作用を実現することができる。

第２の発明は、単位長さ当たりの凸部の数を、流体Ｂの出口から入口に向かって、段階的に少なくなるように配設したことを特徴とするものである。

かかる構成とすることにより、比較的温度の高い範囲における二酸化炭素冷媒の圧力損失をさらに抑制することができ、これに伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。

第３の発明は、複数の第２の管を、相互に絡めて螺旋状にねじり合わせたことを特徴とするものである。

かかる構成とすることにより、第２の管の内部を流れる流体Ｂは旋回流となり、温度混合を加速させることができる。

第４の発明は、第２の管は、外管と内管とが少なくとも一部に隙間を持ちつつ熱的に密
着した２重管としたことを特徴とするものである。

かかる構成とすることにより、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できるので流体Ａ又は流体Ｂの漏洩性を検知可能とすると共に、流体Ａと流体Ｂの間は二重壁であるので両流体は遮断され共に混合しにくくなるため安全性が向上する。

第５の発明は、第１の管を流れる流体Ａと、第２の管を流れる流体Ｂとがの対向流となるように構成したことを特徴とするものである。

かかる構成とすることにより、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、熱交換器の性能を向上することができる。

第６の発明は、流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とするものである。また、第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明の熱交換器を搭載したことを特徴とするヒートポンプ給湯機である。

かかることにより、熱交換器を、例えばヒートポンプ式給湯機用として、水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器として用いた場合、前記二酸化炭素は超臨界状態で動作し、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態で作動するため、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側面図である。図２は、同実施の形態１における熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図である。図３は、同実施の形態１における熱交換器の管断面構造を示す図２のＡ−Ａによる断面図である。

図１から図３において、熱交換器１は二重管式であり、内部を水（本発明の流体Ａ）２が流れる銅製の外管（本発明の第１の管）３と、外管３と同様に銅製であって、外管３内に配設され、内部を二酸化炭素冷媒（本発明の流体Ｂ）４が流れる２本の内管（本発明の第２の管）５を主体に構成されている。内管３の内表面には該内管３の軸方向において所定間隔で位置する複数の凸部７が設けられている。

内管５は、周知の如く冷媒管と冷媒管の外周に設けられた漏洩検知管（いずれも図示せず）とから構成されている。冷媒管と漏洩検知管は冷媒管を拡管するか、あるいは、漏洩検知管を縮管することにより密着一体化されているものである。図３では、便宜上単一の構造として図示している。

また、凸部７は、例えば、前述の如く密着一体化された内管５の外表面を局部的にプレスする、所謂ディンプル加工することによって形成されるもので、内管５の外表面には、凸部７の位置に対応して窪み７Ａが形成されている。

そして、内管５は、図２に示す如く互いに螺旋状にねじり合わされ、その螺旋の中心が、外管３の軸心とほぼ同軸となるように外管３に内包されている。したがって、外管３内において、内管５との間を水２が流動する。しかもその流れは、内管５の螺旋に沿った旋回流となる。

さらに、外管３の両端、および内管５の両端には、それぞれ流入口３ａ、５ａと流出口３ｂ、５ｂが設けられており、内管５の二酸化炭素冷媒４の流入口５ａ、流出口５ｂと、外管３の水の流入口３ａ、流出口３ｂは、各々の流れが対向するように方向付けて設けられている。

また、二酸化炭素冷媒４の流出口５ｂから流入口５ａ側に向けての所定の範囲（所定の長さ）毎に、内管５の内径が段階的に大きくなるように設定している。

さらに、二酸化炭素冷媒４の流出口５ｂから流入口５ａ側に向けての所定の範囲（所定の長さ）毎に、単位長さ当たりの凸部７の数が段階的に小さくなるように設定している。

具体的な構成の一例として、図２に示す如く、内管５は、二種類の管体を採用し、所定の範囲Ｘに相当する部分（所定の位置から二酸化炭素冷媒４の流出口５ｂにわたる範囲）には内径ＤＸおよび凸部７を具備する管５Ｘを用い、それ以外の部分（所定の位置から二酸化炭素冷媒４の流入口５ａにわたる範囲）には管内径ＤＹおよび凸部７を具備する管５Ｙを用い、両者をロウ付け等の手段によって連結し、その内管５を相互にねじり合わせた構成としている。

ここで、管５Ｙの内径ＤＹは管５Ｘの内径ＤＸよりも大きく、管５Ｙの凸部７の単位長さ当たりの数ＮＹは管５Ｘの単位長さ当たりの数ＮＸよりも小さく設定されている。

例えば、管５Ｘの凸部７の管軸方向ピッチＰＸを管５Ｙの凸部７の管軸方向ピッチＰＹよりも小さくすることにより、単位長さ当たりの数ＮＹがＮＸよりも小さくすることができる。

ここで、以下の説明において所定の範囲Ｘを、説明の便宜上「低温部Ｘ」と称し、所定の範囲Ｘ以外の範囲を「高温部Ｙ」と称して説明する。

これらの低温部Ｘ、高温部Ｙは、二酸化炭素冷媒４の流れ特性に伴う圧力損失、熱交換として作用する温度等の観点から定義する必要があり、本実施の形態１においては、一例として温度を主眼において、定義している。

さらに詳述すると、例えば、二酸化炭素冷媒４の流入口５ａの温度を８５℃、流出口５ｂの温度を２０℃とした場合、冷媒４の温度が約６０℃程度の温度となる部分を境に低温部Ｘと高温部Ｙを定義したものである。この温度値は、本実施の形態１においては一義的なものであり、実態は熱負荷等によって変動するものである。

したがって、低温部Ｘと高温部Ｙの境については、熱交換器１の形態、容量等に応じて最適な範囲（値）に定める必要があり、これについては、設計事項として対応することができる。

それぞれの流入口３ａ、５ａから二酸化炭素冷媒４と水２が流入することにより、内管５の内部をヒートポンプの冷媒とする二酸化炭素冷媒４が流動し、外管３の内部における内管５との間を水２が流れる。これらの流れ方向は、前述の如く流入口３ａ、５ａと流出口３ｂ、５ｂの方向付けにより、対向して流れ、内管５の壁を介して二酸化炭素冷媒４と水２が熱交換する。

したがって、水２は外管３の流出口３ｂに近くなるにつれてその温度が上昇し、二酸化
炭素冷媒４は、流出口５ｂに近くなるにつれてその温度が低下する。

上記熱交換作用において、内管５の内表面には、該内管５の軸方向において所定間隔をあけて凸部７を設けているため、この凸部７と接しながら流れる二酸化炭素冷媒４は、該凸部７を渦状に流れ、内管５の内壁面近傍の温度境界層を乱すこととなる。

また、２本の内管５は互いに螺旋状にねじり合わされているので、内管５の内部を流れる二酸化炭素冷媒４は前述の如く旋回流となり、温度混合を加速させる効果がある。

さらに、高温部Ｙにおける管５Ｙの内径ＤＹを低温部Ｘにおける管５Ｘの内径ＤＸよりも大きく設定しているので、比較的温度の高い範囲における二酸化炭素冷媒４の管内圧力損失を最小限に抑えることができる。その結果、二酸化炭素冷媒４の温度低下が最小限に抑えられるがゆえに、水２と二酸化炭素冷媒４との温度差をより大きくとることが可能となり、より効率的な熱交換作用を実現することができる。

また、高温部Ｙにおける凸部７の単位長さ当たりの数ＮＹを低温部Ｘにおける凸部７の単位長さ当たりの数ＮＹよりも小さく設定しているので、比較的温度の高い範囲における凸部７による二酸化炭素冷媒４の管内圧力損失をさらに抑えることができ、これに伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。

また、水２と二酸化炭素冷媒４を対向流としたことにより、水２と二酸化炭素冷媒４との温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができ、熱交換器１の能力を高めることができる。

このように、本実施の形態１における熱交換器１は、内管５内を流れる二酸化炭素冷媒４と外管３内を流れる水２の熱交換作用を効果的に行うことができ、これにより熱交換器１の管長を延長させることなく、熱交換性能を高めることができるものである。

尚、本発明の実施の形態１では、外管３内に配置する内管５の本数を２本としているが、それ以上の本数とすることもでき、同様の作用効果を期待することができる。

また、本実施の形態１において、凸部７は、内管５の軸方向に所定間隔毎に配置する構成としたが、その軸方向に加えて周方向に並んで配置する、あるいは千鳥状に配置する構成、さらにはスパイラル状に配置する構成とすることができ、凸部７はどのような配置関係であっても同様の作用効果を期待することができる。

さらに、本発明の実施の形態１において、外管３、内管５を銅製としたが、少なくともいずれか一方を真鍮、ステンレス、耐食性を持った鉄、アルミ合金等を材料として構成しても、同様の作用効果が期待できる。

また、本発明の実施の形態１では、内管５を流れる冷媒を二酸化炭素冷媒４としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ等）の冷媒、あるいはこれらの代替冷媒とすることもできる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させることなく、熱交換器の熱交換性能を向上させることができるもので、二酸化炭素冷媒を用いた超臨界ヒートポンプ式給湯器や、暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ装置、さらには、家庭用、業務用の空気調和機、あるいはヒートポンプによる乾燥機能を具備した洗濯乾燥機、穀物貯蔵倉庫等のヒートポンプ機器の他に、燃料電池等の熱交換用途
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側面図同熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図図２のＡ−Ａによる断面図従来の熱交換器の上面図図４のＢ−Ｂによる断面図

符号の説明

１熱交換器
２水（流体Ａ）
３外管（第１の管）
３ａ流入口
３ｂ流出口
４二酸化炭素冷媒（流体Ｂ）
５内管（第２の管）
５ａ流入口
５ｂ流出口
５Ｘ内管（低温部）
５Ｙ内管（高温部）
７凸部
ＤＹ内管５Ｙの内径

Claims

内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ、前記第１の管内に複数配設した第２の管とを備え、前記第２の管の内表面に、前記第２の管の内方に突出する凸部を少なくとも軸方向に複数設け、前記第２の管の内径を、前記流体Ｂの出口から入口に向かって、段階的に大きくなるように形成したことを特徴とする熱交換器。
単位長さ当たりの凸部の数を、流体Ｂの出口から入口に向かって、段階的に少なくなるように配設したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
複数の第２の管を、相互に絡めて螺旋状にねじり合わせたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
第２の管は、外管と内管とが少なくとも一部に隙間を持ちつつ熱的に密着した２重管としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
第１の管を流れる流体Ａと、第２の管を流れる流体Ｂとがの対向流となるように構成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器を搭載したことを特徴とするヒートポンプ給湯機。