JP2010127496A - 熱交換器 - Google Patents

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】内部を流体Ａが流れる内管３と、前記内管の外周に密着し内部を流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の外管５とを備え、前記外管５の内面に複数の凸部７を設けたことを特徴とするもので、流体Ｂが外管の内面に形成した凸部７を渦状に流れることになり、外管５の内部において、壁面近傍を流れる流体Ｂの低温層と、壁面から離れたところを流れる比較的温度が高い高温層と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、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。
【選択図】図２

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、内部に水流路が形成された内管と、内部に冷媒流路が形成され内管の外面に巻きつけら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４と図５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４と図５に示すように、この熱交換器１０１は２重管式の熱交換器であり、内部に水２が流れる内管１０３と、内部に冷媒１０４が流れ内管１０３の外面に巻きつけられた外管１０５とから構成され、本実施の形態の場合には外管１０５が２本設けられている。

内管１０３の両端、および外管１０５の両端には、それぞれ流入口１０３ａ、１０５ａと流出口１０３ｂ、１０５ｂが設けられており、外管１０５の内部を流れる冷媒である二酸化炭素１０４の流入口１０５ａ、流出口１０５ｂと、外管１０３の内部を流れる水の流入口１０３ａ、流出口１０３ｂ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。

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。

それぞれの流入口１０３ａ、１０５ａから水１０２と冷媒である二酸化炭素１０４が流入することにより、外管１０５の内部をヒートポンプの冷媒である二酸化炭素１０４が流動し、内管１０３の内部を水１０２が流れ、内管１０３と外管１０５の壁を介して冷媒である二酸化炭素１０４と水１０２が熱交換する。

ここで、外管１０５は引張りながら内管１０３の表面に巻きつける加工となるため、外管１０５の断面形状が扁平しやすく耐圧確保のためには外管１０５管の肉厚を必要以上に確保する必要がある。
特開２００６−３１７１１５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が流れる内管と、前記内管の外周に密着し内部を流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の外管とを備え、前記外管の内面に複数の凸部を設けたことを特徴とするもので、流体Ｂが外管の内面に形成した凸部を渦状に流れることになり、外管の内部において壁面近傍を流れる流体Ｂの低温層と、壁面から離れたところを流れる比較的温度が高い高温層と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、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。

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が流れる内管と、前記内管の外周に密着し内部を流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の外管とを備え、前記外管の内面に複数の凸部を設けたことを特徴とするもので、外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、外管の外面を押圧することで、内面に複数の凸部を設けたことを特徴とするもので、内面溝付管のような大掛かりな設備を必要とする転造加工といった２次加工を加えることなく、ローラーによる押出し加工といった簡素な加工法にて素管の内外面に凹凸を設けることができるので、加工費を安価に抑えることができる。

第３の発明は、外管を内管の外面に巻き付けて構成したことを特徴とするもので、流体Ｂ側の伝熱面積がより大きくとれるので、より大きな熱交換促進を得ることができる。

第４の発明は、外管に設けた複数の凸部を、管軸方向において一定ピッチで断続的に形成したことを特徴とするもので、乱流効果を促進させ安定した熱交換を提供することができる。

第５の発明は、流体Ａと流体Ｂとを対向流とし、前記流体Ｂが前記外管と前記内管とを介して、前記流体Ａと熱交換する構成としたことを特徴とするもので、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。

第６の発明は、流体Ａを水、流体Ｂを二酸化炭素としたことを特徴とするもので、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。

第７の発明は、第１〜６のいずれかの熱交換器を搭載した給湯機で、熱交換効率に優れた給湯機を提供できる。

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一部を切除した斜視図である。図２は、同実施の形態１における熱交換器の構造を示す断面図である。図３は、同実施の形態１における熱交換器の外管内のレイノルズ数と熱伝達率の関係を示す図である。

図１から図２において、熱交換器１は二重管式であり、内部を水２（本発明の流体Ａ）が流れる銅製の内管３と、内管３と同様に銅製であって内部を冷媒である二酸化炭素４（本発明の流体Ｂ）が流れる複数の（例えば２本の）外管５を主体に構成されている。

この外管５は内管３の外面に巻きつけられており、外面を押圧することで外面に凹部６が形成されるとともに内面に複数の凸部７が形成されているものである。外管５に有する複数の凸部７は管軸方向において一定ピッチで断続的に形成されている。

また、内管３の両端、および外管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、外管５の内部を流れる冷媒である二酸化炭素４の流入口５ａ、流出口５ｂと、外管３の内部を流れる水の流入口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。

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。

それぞれの流入口３ａ、５ａから水２と冷媒である二酸化炭素４が流入することにより、外管５の内部をヒートポンプの冷媒である二酸化炭素４が流動し、内管３の内部を水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３と外管５の壁を介して冷媒である二酸化炭素４と水２が熱交換する。

したがって、水２は内管３の流出口３ｂに近くなるにつれてその温度が上昇し、冷媒である二酸化炭素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、外管５の内表面には、該外管５の軸方向において所定間隔（ピッチＰ）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冷媒である二酸化炭素４は、該凸部７を渦状に流れ、外管５の内壁面近傍の温度境界層を乱すこととなる。

外管５の管内レイノルズ数と熱伝達率の関係を実験的に求めた結果（図３）によると、凸部ありの熱伝達率はどのレイノルズ数にもかかわらず凸部なしの熱伝達率よりも約１．２倍から１．５倍大きくなっており凸部７の効果は明らかである。

凸部７のピッチ間隔Ｐは、外管５の長手方向の長さの１〜５倍の間隔で設けることが望ましい。これは、間隔が大きいと乱流促進が図れず、また、間隔が狭すぎると冷媒である二酸化炭素側の圧力損失が増大してしまい能力を低下させてしまうからである。また凸部７の深さｔは、外管５の肉厚以下の深さで構成されている。これは、外管５の肉厚以上に凸部７の深さを設定すると、外管５の流路が著しく狭くなってしまい、冷媒の抵抗が増大し、熱交換性能を減ずることになる。

そして、水２と冷媒である二酸化炭素４を対向流としたことにより、水２と冷媒である二酸化炭素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、外管５内を流れる冷媒である二酸化炭素４と内管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。

更に外管５を内管３の表面に巻きつけた際に、従来の構成では外管５の断面形状が扁平していたが、本発明の実施の形態１では外管５の外面を押圧して凸部７を加工するため、管自身の材質が加工硬化して引張り強度が向上する。よって、外管５の断面形状が扁平しにくくなるため耐圧確保のための管肉厚を増やす必要がなくなりコストダウンになる。

尚、本発明の実施の形態１では、外管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、外管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、内管３、外管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を流れる冷媒を冷媒である二酸化炭素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、冷媒である二酸化炭素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一部を切除した斜視図 同熱交換器の構造を示す断面図 同熱交換器の外管内のレイノルズ数と熱伝達率の関係を示す図 従来の熱交換器における熱交換器の一部を切除した斜視図 同熱交換器の構造を示す断面図

符号の説明

１ 熱交換器
２ 水（流体Ａ）
３ 内管
４ 冷媒である二酸化炭素（流体Ｂ）
５ 外管
６ 凹部
７ 凸部

Claims (7)

1. 内部を流体Ａが流れる内管と、前記内管の外周に密着し内部を流体Ｂが流れる少なくとも１本以上の外管とを備え、前記外管の内面に複数の凸部を設けたことを特徴とする熱交換器。
2. 外管の外面を押圧することで、内面に複数の凸部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 外管を内管の外面に巻き付けて構成し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。
4. 外管に設けた複数の凸部を、管軸方向において一定ピッチで断続的に形成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。
5. 流体Ａと流体Ｂとを対向流とし、前記流体Ｂが前記外管と前記内管とを介して、前記流体Ａと熱交換する構成と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。
6. 流体Ａを水、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。
7. 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給湯機。