JP2010210137A

JP2010210137A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2010210137A
Application number: JP2009056201A
Authority: JP
Inventors: Osamu Aoyanagi; 治青柳; Kazuhiko Machida; 和彦町田; Akiyoshi Chikasawa; 昭佳近澤
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】熱交換性能に優れた熱交換器を提供すること。
【解決手段】本発明の熱交換器は、水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることで、大径管内を流れる水の流速を増大させると共に、乱流促進を図ることができ、水側の伝熱性能を向上させることができ、さらに冷媒管をねじることによってより乱流促進を図ることができ、さらに冷媒管と大径管との接触部を設けることによって加熱効率を向上させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、ヒートポンプ式給湯機における熱交換器の構成に関するものである。

図８は、従来の水冷媒熱交換器の平面図である。また、図９は、図８のＡ−Ａ断面図である。図８および図９において、従来の水冷媒熱交換器では、流体Ａが１０８ａ側から流入し、第１の管１０６内を通り、１０８ｂ側から流出する。一方、流体Ｂは１０７ａ側から流入し、第１の管１０６内に挿入された第２の管１０２内を通り、１０７ｂ側から流出する。前記第１の管１０６は、管軸方向、あるいは周方向に異形状であり、また、第２の管１０２は、冷媒管１０３を互いに螺旋状にねじり合わされた複数本で構成されている。

この構成により、複数本の第２の管１０２を互いに螺旋状にねじり合わせて第１の管１０６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１０６の流体Ａの主流に熱が拡散される。

さらに、複数本の螺旋状のねじれた第２の管１０２の外壁と異径状の第１の管１０６の内壁との管軸方向あるいは周方向の距離に差があるために、第１の管１０６の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を乱すことができ、これにより、流体Ａはほぼ全域に熱が拡散され、熱伝達性が向上するというものである（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１０７９５７号公報

しかしながら、従来の構成では、第１の管１０６の内周に内接する円１０７ａと、内周に外接する円１０７ｂの直径の差が大きく、内接する円１０７ａの外側には、空間１０８ができてしまう。これにより、第１の管の断面積は、内接する円１０７ａの断面積よりも著しく大きくなってしまい、第１の管として円１０７ａ相当の円管を用いたときよりも、第１の管１０６内を流れる流速は低下してしまい熱交換効率を向上させることができないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換性能に優れた熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることで、大径管内を流れる水の流速を増大させると共に、乱流促進を図ることができ、水側の伝熱性能を向上させることができる。

本発明は、熱交換性能に優れた熱交換器を提供することができる。

第１の発明は、水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることにより、大径管の断面積を小さくすることができ、管内を流れる水の流速を増大させることができ、熱伝達率を向上させることが
できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、前記大径管の断面積が軸方向に変化することにより、さらに乱流促進を促進させることができ、熱伝達率を向上させることができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、冷媒管を複数設け、前記複数の冷媒管に外接する外接円の直径よりも、前記大径管に内接する内接円の直径が小さいことにより、大径管と中径管とが密着し、中径管の熱を熱伝導で大径管に熱を伝えることができる。これにより、大径管の伝熱面を利用して水に熱を伝えることができ、伝熱性能をさらに促進させることができる。

第４の発明は、特に第１から第３の発明において、冷媒管の外表面に凹みを設けることで、中径管の外周近傍での乱流促進を図ることができ、さらに熱伝達率を向上させることができる。

第５の発明は、特に第１から第４の発明において、冷媒管の内表面に溝を形成することにより、小径管内面での熱伝達率を向上させることができる。

第６の発明は、特に第１から第５の発明において、前記冷媒管は、小径管と中径管で形成され、前記中径管には漏洩検知溝を形成したことにより、小径管に亀裂が入っても漏洩検知溝を介して冷媒の漏れが検知できるので、水に冷媒が混ざることがない。

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本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
実施の形態１について、図１〜図３を用いて説明する。図１は平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面での断面図、図３は要部を切除した斜視図である。

図１において、本実施の形態の熱交換器１１は、大径管１６と、冷媒管１４とを有しており、さらに冷媒管１４は、中径管１２および小径管１３で構成されている。そして中径管１２の内面には冷媒の漏洩を検知するための冷媒漏洩検知溝が形成されている。

また熱交換器１１は、水流路２１には水が流れ、冷媒流路２２に冷媒が流れる。そして冷媒側の入口１７ａと冷媒側の出口１７ｂとを有し、水側の入口１８ａと水側の出口１８ｂを有している。そして図１に示すように冷媒と水との熱交換は対向流を成すように流れ熱交換される。

また、大径管１６の断面形状は多角形状を成しており、本実施の形態では円弧部１６ａと直線部１６ｂを有している。なお、本実施の形態の大径管の形状では、図２に示すような形状となっているが、これに限定されることはなく、円弧部と直線部で形成されていればよい。

以上のように構成された熱交換器について、以下の動作、作用を説明する。

図１において、低温の水は、入口１８ａから流入して大径管１６内を通り、出口１８ｂより流出する。一方、圧縮機で圧縮された高温の冷媒（例えば、二酸化炭素など）が、冷媒側の入口１７ａから流入し、大径管１６内に挿入された小径管１３内を通り、１７ｂより流出する。

図２、図３において、低温の水は水流路２１、高温の冷媒は冷媒流路２２を通る。大径管１６は、円弧部１６ａと直線部１６ｂより形成されており、また、冷媒管１４は、中径管１２と小径管１３とが密着された二重管で構成され、図３に示すように冷媒管１４は互いにねじられて大流路１６内に挿入されている。

また、大流路の直線部１６ｂは、中径管１２の外周と接触する部分を有している。そのため、中径管１２の熱が熱伝導でそのまま大径管１６に伝わる。

水流路２１を通る低温の水と、冷媒流路２２を通る高温の冷媒とは、中径管１２の外周で熱交換される。２本の冷媒管１４はねじられて大径管１６内に挿入されていることで、水流路２１を通る水は攪拌され、熱交換効率を向上させる。

また、大径管１６が直線部１６ｂを有することで、中径管１２と接触する部分を有することになり、高温の冷媒の熱はこの接触する部分を通り、直線部１６ｂに熱伝導により熱が伝わる。これにより、大径管１６の壁面が加熱され、低温の水に熱が伝わる。

つまり、中径管１２と大径管１６が接触する部分を有することで、伝熱面積を拡大させる効果を得ることができ、熱交換効率を向上させることができる。

また、内部に水が満たされた状態で、低温雰囲気に長時間置かれた場合、水は水流路２１内で凍結してしまい、完全に凍結するとその体積は膨張するが、多角形に形成された大径管１６は円に変形することで、破裂することを防止することできる。

（実施の形態２）
実施の形態２について、図４、図５を用いて説明する。実施の形態２は、実施の形態１に対し、異なる部分は大径管１６の断面形状であり、その他の部分は同様の構成で、同様の効果を有することから、実施の形態２の特徴を中心に説明する。

図４（ａ）〜（ｄ）は、図５に示すａａ〜ｄｄの大径管の断面図、図４（ｅ）は、図５に示すＸＸ断面図かつＹＹ断面図かつＺＺ断面図、図５は側面図である。図４、図５において、実施の形態２の熱交換器は、二本の冷媒管３４をねじり、大径管３１に挿入している。そして大径管３１の断面形状は、曲面部３２、および平面部３３ａ、平面部３３ｂ、平面部３３ｃ、平面部３３で構成され、水の流れを点線３５で示している。なお、図４において冷媒管３４の断面図は省略している。

図５に示すように、平面部３３ａ、平面部３３ｂ、平面部３３ｃ、平面部３３ｄを順番に繰り返し設けており、図４（ａ）〜（ｅ）で示すように、大径管１６の断面図の辺を構成する平面部の位置が、流路に沿って変化させている。

図５に示すように、大径管１６の断面図は、ａａ断面図、ＸＸ断面図、ｂｂ断面図、ＹＹ断面図、ｃｃ断面図、ＺＺ断面図、ｄｄ断面図を繰り返している。つまり図４を用いて説明すると、図４（ａ）、図４（ｅ）、図４（ｂ）、図４（ｅ）、図４（ｃ）、図４（ｅ）、図４（ｄ）と順に繰り返し、図４（ｅ）の断面形状とその前後の断面形状では断面積が変わっている。

また、平面部３３ａと平面部３３ｃは互いに向かい合う位置にあり、軸方向にはズレている。同じように、平面部３３ｂと平面部３３ｄも互いに向かい合う位置にあり、軸方向にズレている。

このように形成された大径管３１内を水が流れると、ねじられた冷媒管３４に沿って旋
回して流れる流れによりまず攪拌される。さらに、本発明の第２の形態の場合は、冷媒管３４と大流路の平面３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄとが接する部分で流路が非常に狭いため、この部分を避けて水が流れる。

ここで、大径管３１を形成する互いに向かい合う平面部３３ａと平面部３３ｃ及び平面部３３ｂと平面部３３ｄが、管軸方向にずれていることから、冷媒管３４を横断する流れ３５が生ずる。

つまり、管軸方向の断面積が、曲面部３２と平面部３３ａで形成された断面から、曲面部３２と平面部３３ｂで形成された断面に変わる際に、ねじられた冷媒管に沿った流れと、ねじられた冷媒管を横断する流れが生じる。この現象が、平面部３３ｃを含む断面、平面部３３ｄを含む断面と順に断面形状の変化を繰り返すことで、さらに攪拌され、乱流促進を図ることができ、水側の熱伝達率をさらに向上させるものである。また、凍結時などは、実施の形態１と同様の作用を有する。

（実施の形態３）
実施の形態３について、図６を用いて説明する。実施の形態３は、実施の形態１及び実施の形態２に対し、異なる部分は大径管４１の断面形状であり、その他の部分は同様の構成で、同様の効果を有することから、実施の形態３の特徴を中心に説明する。

図６は、本発明の第３の実施の形態の断面図である。図６において、本実施の形態の大径管４１は、曲面部４２、平面部４３を互いに交互に設けた構成となっている。図６に示すように本実施の形態では曲面部４２を３箇所、平面部４３を３箇所設けている。

なお実施の形態１および２と同じように、ねじられた冷媒管４４が設けられており、大径管４１内に挿入されている。

また、図６には、大径管４１の内面に内接する内接円４８、冷媒管４４に外接する外接円４９を示しており、ｄは内接円４８の直径、Ｄは外接円４９の直径を示す。

大径管４１は、３つの平面４３と３つの曲面４２で形成されている。ここで、冷媒管４４に外接する外接円４９の直径Ｄと、大径管の内接円４８の直径ｄを比較すると、平面４３の内面と冷媒管４４の外周を接触させた場合、内接円４８の直径ｄの方を小さくすることができる。

これにより、冷媒管４４を挿入した際に最も流路断面積を小さくすることができ、最も水側の流速を速くすることができ、熱伝達率を向上させることができる。

なお、実施の形態３は３つの平面で説明したが、平面の数を３以上の奇数の平面で構成すれば、同様の効果を得ることができる。また、実施の形態２のように断面を変化させる構成を適用することにより、さらに伝熱促進を図ることができる。また、凍結時などは、実施の形態１と同様の作用を有する。

（実施の形態４）
実施の形態４について、図７を用いて説明する。実施の形態４は、熱交換器を構成する冷媒管に関するものであり、その部分を中心に説明する。その他の形状については実施の形態１から３を適用することができ、その説明は省略する。

図７は、本発明の第４の実施の形態の断面図である。図７において、冷媒管５４は、中径管５２と、小径管５３とで構成され、中径管５２の外表面には凹部５５が設けられ、ま
た小径管５３の内表面には溝部５６が設けられている。

大径管内を流れる水は、中径管５２の外表面に沿って流れる。水の温度は、中径管の外表面で最も温度が高く、そこから離れるに従い温度は低下し、大径管の内面で最も温度が低くなるような温度勾配を示すが、中径管５２の外表面に形成した凹部５５により、特に中径管５２の外表面近傍では、乱流促進が図られ、均一な温度分布となることで、熱伝達率の向上を図ることができる。

さらに、小径管５３の内表面に溝５６を形成することで、小径管５３の内表面積を増大させることができ、伝熱面積を拡大させることができる。また、小径管５３の内表面の溝５６は次のような効果を有する。小径管５３の内面を流れる冷媒は、わずかながらオイルを含んで循環している。このオイルが小径管５３の内面に付着することで、伝熱面を覆ってしまうが、内面に溝５６を形成することで、オイルは表面張力により溝底部に沿って流動することになる。

このことから、溝の頂部は冷媒にさらされることから、熱伝達率を低下させることは抑制できる。これにより、熱伝達率の向上を図ることができ、熱交換器の高性能化を図ることができる。

なお、本実施の形態４を、実施の形態１〜実施の形態３に搭載することで、それぞれの効果を発揮することができ、加算した効果を得ることができる。

以上のように、本発明に係る熱交換器は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機の水―冷媒熱交換器に適用でき、給湯機能のほかに、浴槽給湯、暖房機能、乾燥機能を有するヒートポンプ装置にも適用できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の平面図Ａ−Ａ断面での断面図本発明の実施の形態１における熱交換器の要部を切除した斜視図（ａ）ａａ断面図（ｂ）ｂｂ断面図（ｃ）ｃｃ断面図（ｄ）ｄｄ断面図（ｅ）ＸＸ断面図かつＹＹ断面図かつＺＺ断面図本発明の実施の形態２における側面図本発明の実施の形態３における断面図本発明の実施の形態４における断面図従来の形態における熱交換器の平面図図８のＡ−Ａ断面での断面図

１１熱交換器
１２、５２中径管
１３、５３小径管
１４、３４、４４、５４冷媒管
１６、３１、４１大径管
１６ａ多角形状の大径管の円弧部
１６ｂ多角形状の大径管の直線部
３２、４２曲面部
３３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、４３平面部
４８大径管の内面に内接する内接円
４９冷媒管の外周に外接する外接円
５５中径管外表面の凹部

Claims

水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることを特徴とする熱交換器。
前記大径管の断面積が軸方向に変化することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
冷媒管を複数設け、前記複数の冷媒管に外接する外接円の直径よりも、前記大径管に内接する内接円の直径が小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
冷媒管の外表面に凹みを設けることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換器。
冷媒管の内表面に溝を形成することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換器。
前記冷媒管は、小径管と中径管で形成され、前記中径管には漏洩検知溝を形成したことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の熱交換器。