JP2010249373A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器の配管長さを延伸することなく、熱交換性能に優れた管式の熱交換器を提供する。
【解決手段】内部を流体Ａが流れる第１の管３と、内部を流体Ｂが流れ、かつ、前記第１の管３内に複数配設された第２の管５とを備え、前記第２の管５の内表面に、径方向内側に突出する凸部（７ａ、７ｂ、７ｃ）を少なくとも軸方向に複数設け、複数の凸部（７ａ、７ｂ、７ｃ）の最大高さを段階的に前記流体Ｂの流れに向かって大きくした部位を有することを特徴とする熱交換器で、流体Ｂが第２の管５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５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、より効率の良い熱交換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５、図６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、図６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の管内に複数配設された第２の管とを備え、前記第２の管の内表面に、径方向内側に突出する凸部を少なくとも軸方向に複数設け、複数の凸部の最大高さを段階的に前記流体Ｂの流れに向かって大きくした部位を有することを特徴とするものである。

これにより、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。

さらに、凸部の最大山高さを流体Ｂの入口から出口に向かって段階的に大きくすることで、流体Ｂの上流に位置する凸部の止水域の影響を受けることなく、温度境界層への乱れを助長させることができ、凸部による伝熱促進を効果的に作用せしめ、より高い効率の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。

本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図 同熱交換器の内管の要部詳細断面図 同熱交換器の内管の要部斜視図 同熱交換器の他の内管の要部斜視図 従来の熱交換器の上面図 図５のＢ−Ｂ断面図

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の管内に複数配設された第２の管とを備え、前記第２の管の内表面に、径方向内側に突出する凸部を少なくとも軸方向に複数設け、複数の凸部の最大高さを段階的に前記流体Ｂの流れに向かって大きくした部位を有することを特徴とする熱交換器である。

これにより、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。

さらに、凸部の最大山高さを流体Ｂの入口から出口に向かって段階的に大きくすることで、流体Ｂの上流に位置する凸部の止水域の影響を受けることなく温度境界層への乱れを助長させることができ、凸部による伝熱促進を効果的に作用せしめ、より高い効率の熱交換作用を実現することができる。

第２の発明は、複数の凸部の最大高さを段階的に流体Ｂの流れに向かって大きくした部位を周期的に設けたことを特徴とするもので、流体Ｂの管内圧力損失が大きくなる入口側（高温側）の凸部の最大山高さを必要以上に高くすることがないので、流体Ｂ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、流体Ｂの温度低下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、さらに効率的な熱交換作用を実現することができる。

第３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との流れが対向流れとなるように、前記第１の管と前記第２の管とのそれぞれに、流入口と流出口とを設けたことを特徴とするもので、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４、第５の発明は、流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素としたもので、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。

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内管の構成を示す要部の斜視図である。図３は、同実施の形態１における熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図である。図４は、同実施の形態１における熱交換器の内管の異なる構成を示す要部の斜視図である。

図１から図４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、内部を冷媒である二酸化炭素（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の軸方向に突出する凸部７を軸方向に多数設けており、凸部７は冷媒である二酸化炭素の入口から出口に向かって最大山高さを段階的に大きくし、かつ周期的に配置している。

例えば、凸部７は冷媒である二酸化炭素の入口から出口に向かって、最大高さＨａなる第１の凸部７ａ、最大高さＨｂなる第２の凸部７ｂ、最大高さＨｃなる第３の凸部７ｃの順で、かつこの組合せで周期的に配置されている。凸部７の最大高さは、第１の凸部７ａ、第２の凸部７ｂ、第３の凸部７ｃの順に大きいものとする。

内管５は、周知の如く冷媒管６ｂと冷媒管６ｂの外周に設けられた漏洩検知管６ａとから構成されている。冷媒管６ｂと漏洩検知管６ａは冷媒管６ｂを拡管するか、あるいは、漏洩検知管６ａ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。

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の水２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、内管５の内表面に形成された複数の凸部７は、冷媒である二酸化炭素４の流出口５ｂから流入口５ａ側にかけて所定の範囲（所定の長さ）Ｘに設けられているのみで、その範囲Ｘを除く内表面は、凸部７がない状態に形成されている。

具体的な構成の一例として、図４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（所定の位置から水２の入口３ａにわたる範囲）には内表面に多数の凸部７を具備する管５ｃを用い、それ以外の部分には、単純にパイプ加工された管５ｄ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。

そして、管５ｄの内径は、管５ｃの外径と同等もしくは若干大きく設定され、冷媒である二酸化炭素４の流入口５ａまで連続した構成となっている。

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、冷媒である二酸化炭素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、外管３を流れる水２の流入口３ａ温度約１７℃を流出口３ｂ温度で約６５℃まで加熱昇温するためには、冷媒である二酸化炭素４の流入口５ａおよび流出口５ｂの温度をそれぞれ約８５℃、約２０℃に制御する場合がある。この場合、冷媒である二酸化炭素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。

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から冷媒である二酸化炭素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冷媒である二酸化炭素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、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、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、第１の凸部７ａ、第２の凸部７ｂ、第３の凸部７ｃの順に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、内管５の内壁面近傍の温度境界層を乱すこととなる。

ここで、第２の凸部７ｂの最大高さＨｂは第１の凸部７ａの最大高さＨａよりも大きいので、第２の凸部７ｂは第１の凸部７ａの下流に生じる止水域の影響を受けることなく温度境界層への乱れを助長させることができる。

同様に、第３の凸部７ｃの最大高さＨｃは第２の凸部７ｂの最大高さＨｂよりも大きいので、第３の凸部７ｃは第２の凸部７ｂの下流に生じる止水域の影響を受けることなく温度境界層への乱れを助長させることができ、さらに効率のよい熱交換が可能となる。

また、第１の凸部７ａ、第２の凸部７ｂ、第３の凸部７ｃを周期的に繰り返し配置することで、冷媒である二酸化炭素４の管内圧力損失を最小限に抑えることができ、さらに効率的な熱交換作用を実現することができる。

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の内部を流れる冷媒である二酸化炭素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、凸部７を低温部Ｘに設け、高温部Ｙに設けないことで、冷媒である二酸化炭素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、冷媒である二酸化炭素４の温度低下が最小限に抑えられ、その結果、水２と冷媒である二酸化炭素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。

さらに、内管５における少なくとも低温部Ｘを除く、所謂高温部Ｙの管５ｄの径を、低温部Ｘの管５ｃの径より大きく設定しているため、比較的温度の高い範囲における冷媒である二酸化炭素４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。

また、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、内管５内を流れる冷媒である二酸化炭素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、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。

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（流体Ｂ）
５ 内管（第２の管）
５ａ 流入口
５ｂ 流出口
５ｃ 管
５ｄ 管
６ 溝
７ 凸部
７ａ 第１の凸部
７ｂ 第２の凸部
７ｃ 第３の凸部

Claims (5)

1. 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の管内に複数配設された第２の管とを備え、前記第２の管の内表面に、径方向内側に突出する凸部を少なくとも軸方向に複数設け、複数の凸部の最大高さを段階的に前記流体Ｂの流れに向かって大きくした部位を有することを特徴とする熱交換器。
2. 複数の凸部の最大高さを段階的に流体Ｂの流れに向かって大きくした部位を周期的に設けたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 第１の管を流れる流体Ａと第２の管を流れる流体Ｂとの流れが対向流れとなるように、前記第１の管と前記第２の管とのそれぞれに、流入口と流出口とを設け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. 流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器を搭載したヒートポンプ給湯機。