JP2012007771A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】十分な熱伝達性能の向上が得られる伝熱促進体を備えた熱交換器を提供する。
【解決手段】内部に冷媒流路１０２を形成する複数の内管１０３と、内部に水流路１０４を形成する外管１０５と、複数の内管１０３を外管１０５に内挿して構成される熱交換器１において、内管１０３と併設して外管１０５内に配置することで水流路の流路断面積Ｓ１を減少させる伝熱促進体９０を設け、伝熱促進体９０は、周方向の溝９０ａを複数有することにより、水流路内の流速が増し乱流促進されることに加えて、伝熱促進体９０と内管１０３との接触部にも水を流せしめるので、熱伝達性能をより高めることができる。
【選択図】図１

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ある。さらに、熱交換器の水流路に伝熱促進体を挿入したものもある（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１には、伝熱促進体として変位可能なワイヤを用い、ワイヤの変位により水流路を流れる水を乱流状態とし、熱伝達性能を向上させる方法が開示されている。

特許文献２には、外管と内管とに密着させた補助管を用い、内管の伝熱面積を増加させ、熱伝達性能を向上させる方法が開示されている。

特開２００９−１１５４２９号公報 特開２００２−１６２１７７号公報

しかしながら、特許文献１における構成では、ワイヤが外管や内管に対し変位可能であるため、伝熱促進体が外管の内面にあたって引っかかったり、変形したりする。このため、十分に乱流促進できず、熱伝達性能の向上が得られないという課題を有していた。

特許文献２における構成では、外管に、補助管と内管とを挿入したのち、補助管を内管と外管に密着させるために、引き抜き、押し出し、プレスなどの後加工が必要となり、組立性が悪い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、十分な熱伝達性能の向上が得られる伝熱促進体を備え、容易に製造できる熱交換器を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部に第１流体流路を形成する内管と、前記内管の外側に設けられ前記内管との間に第２流体流路を形成する外管と、前記内管に接触して固定され前記第２流体流路の流路断面積を減少させる伝熱促進体とを備え、前記伝熱促進体は周方向に溝を有するものである。

本発明の熱交換器は、内管に固定された伝熱促進体により第２流体流路の流路断面積を減少させることに加えて、伝熱促進体と内管との間にも第２流体流路を流れる流体を流せしめるので、熱伝達性能をより高めることができる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図 図１におけるＡ−Ａ断面図 図１におけるＢ−Ｂ断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の伝熱促進体を示した斜視図 本発明の実施の形態３における熱交換器の伝熱促進体を示した斜視図 本発明の実施の形態４における熱交換器の斜視図

第１の発明は、内部に第１流体流路を形成する内管と、内管の外側に設けられ内管との間に第２流体流路を形成する外管と、内管に接触して固定され第２流体流路の流路断面積を減少させる伝熱促進体とを備え、伝熱促進体は周方向に溝を有するものである。

かかる構成とすることにより、第１の発明の熱交換器は、熱交換器の使用時には、第２流体流路内の流体の流速が増し乱流促進されることに加えて、伝熱促進体と内管との間にも第２流体を流せしめるので、熱伝達性能をより高めることができる。

第２の発明は、第１の発明における伝熱促進体と外管との最小隙間が、内管と外管との最小隙間と略同等となるように伝熱促進体を配置したものである。かかる構成とすることにより、熱交換器の製造時には、外管に内管と伝熱促進体とを挿入するのが容易となり組み立て性が向上し、安価に熱伝達性能を高めた熱交換器を実現できる。

第３の発明は、第１または第２の発明の伝熱促進体の溝を、らせん形状に設けたことにより、溝を比較的容易に加工でき、熱交換器の製造工数を減らすことができるので、安価に熱伝達性能を高めた熱交換器を実現できる。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明の伝熱促進体の外周に線材を巻き付けて周方向の溝を形成することにより、一般的に入手し易い円形の長尺物（例えば市販の銅管）と線材（例えば市販の針金）を利用して実現可能である。故に、伝熱促進体の具現化に際して特別な加工を施す必要もなく、簡単な製作で、安価に熱伝達性能を高めた熱交換器を実現できる。

第５の発明は、第１〜第４の発明のいずれか１つの発明の伝熱促進体を、内管とともに螺旋状に絡み合うように捻って固定するものである。かかる構成とすることにより、ねじられた内管と伝熱促進体とに沿って、第２流体流路を流れる流体が旋回流となって流れることによる伝熱促進と、伝熱促進体が第２流体流路の流路断面積を減少させることにより、第２流体流路を流れる流体の流速が増して乱流促進することによる伝熱促進と、伝熱促進体と内管との間にも第２流体が流れることによる伝熱促進の３つの作用により、熱伝達性能の向上が可能である。また、伝熱促進体を内管とともにねじることで固定しているので、ろう付け溶接などによる固定方法に比べて、容易に製造できる。

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、一部を切欠いた斜視図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ部の管断面図であり、図３は図１におけるＢ−Ｂ部の管断面図である。

図１に示すように、熱交換器１は、二重管式の熱交換器であり、内部を二酸化炭素が流れる冷媒流路１０２（本発明の第１流体流路）を形成する内管１０３と、２本の内管１０３の外側に設けられ、内管１０３との間に水が流れる水流路１０４（本発明の第２流体流路）を形成する銅製の外管１０５とから構成されている。

図２および図３に示すように、水流路１０４には、同じ外径の内管１０３を２本併設し、さらにその内管１０３に併設して伝熱促進体９０が２本配置されている。伝熱促進体９０の表面には、所定深さと所定ピッチを有する周方向の溝９０ａが複数設けられている。伝熱促進体９０は、外管１０５との最小隙間Δｔ２が、内管１０３と外管１０５との最小隙間Δｔ１と略同等となるように、伝熱促進体９０の溝９０ａが設けられていない部分が２本の内管１０３外面に接触して固定されている。なお、最小隙間Δｔ１は、例えば、外管１０５の内径が約１１ｍｍの場合には、約０．２〜０．５ｍｍとなる。伝熱促進体９０の固定方法としては、ろう付け溶接などが用いられる。また、伝熱促進体９０の両端部の側面は塞がっており、伝熱促進体９０の内部には水は流れないようになっている。

なお、溝９０ａは少なくとも、伝熱促進体９０と内管１０３とが接触する部分に設けられている。

図２は、伝熱促進体９０の溝９０ａが設けられていない部分（図１のＡ−Ａ部）で切断した管断面であり、図３は、伝熱促進体９０の溝９０ａの部分（図１のＢ−Ｂ部）で切断した管断面である。

また、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とから構成されている。

なお、漏洩検知管１０７の内面には、管の軸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接続されており、冷媒管１０６または漏洩検知管１０７から漏洩した二酸化炭素や水を、漏洩検知溝を介して外部に漏出させ、万一、二酸化炭素や水が漏れた場合でも、二酸化炭素と水とが混合するのを防止している。

以上のように構成された熱交換器は、水流路１０４を水が流れ、冷媒流路１０２を二酸化炭素が流れることで、水と二酸化炭素との熱交換を行う。

このような熱交換器の熱伝達性能を向上させるには、冷媒流路１０２の流路断面積は、そこを流れる二酸化炭素に最適な流路断面積とし、水流路１０４の流路断面積は、そこを流れる水に最適な流路断面積とすることが望ましい。しかし、冷媒流路１０２の流路断面積は、内管１０３の内径により決まり、水流路１０４の流路断面積は、外管１０５の内径と内管１０３の外径により決まるため、冷媒流路１０２を最適化すると、水流路１０４の流路断面積は大きくなりすぎる場合がある。このような場合には、水流路１０４の流路断面積を減少させることで最適な流路断面積とすることができる。

本実施の形態では、水流路１０４には、２本の内管１０３と併設して２本の伝熱促進体９０を配置したので、水流路１０４の流路断面積Ｓ１を小さくでき、最適な流路断面積に近づく。これにより、水の流速が増し乱流促進されるため、冷媒流路１０２を流れる二酸化炭素の熱を効率よく、内管１０３を介して水に伝達させることができる。

また、内管１０３と伝熱促進体９０との間に溝９０ａが形成されることにより、死水域となっていた２本の内管１０３と２本の伝熱促進体９０から囲まれた領域にも、溝９０ａを流れる水の流れ（図３の矢印）を生じさせ熱伝達性能をより高めることができる。

一方、このような熱交換器を製造する際には、外管１０５に、内管１０３と伝熱促進体９０とを挿入して製造するが、伝熱促進体９０と外管１０５との最小隙間Δｔ２は、内管１０３と外管１０５との最小隙間Δｔ１と略同等の隙間を確保している。これにより、伝熱促進体９０を設けてない場合と同様に、容易に挿入でき、熱交換器の組み立て性が向上する。また、内管１０３に固定された伝熱促進体９０を外管１０５に挿入するので、外管１０５に内管１０３を挿入した後に、伝熱促進体９０を固定する後加工が不要となり、熱交換器の組み立て性が向上する。かかる構成とすることにより、本実施の形態の熱交換器は、熱伝達性能の向上が可能であるとともに、熱交換器の製造時の組み立て性が向上する。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における熱交換器の伝熱促進体を示した斜視図である。本実施の形態においては、実施の形態１と異なる点のみ説明する。

図４に示すように、本実施の形態では、伝熱促進体９１に溝９１ａをらせん形状に設けている。

かかる構成とすることにより、伝熱促進体９１の溝９１ａを比較的容易に加工できるため、実施の形態１の効果に加えて、熱交換器の製造工数を減らすことができる。これにより、安価に熱伝達性能を高めた熱交換器を実現できる。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における熱交換器の伝熱促進体を示した斜視図である。本実施の形態においては、実施の形態１と異なる点のみ説明する。

図５に示すように、本実施の形態では、伝熱促進体９２の外周に線材９３を巻き付けて周方向の溝９２ａを複数形成している。このことにより、一般的に入手し易い円形の長尺物（例えば市販の銅管）および線材（例えば市販の針金）をそのまま利用できるので、伝熱促進体９２の具現化に際して特別な加工を施す必要もなく簡単に製作できる。

このため、高い熱交換能力が得られる熱交換器を容易に製造できる。

（実施の形態４）
図６は、本発明の実施の形態４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。本実施の形態においては、実施の形態１と異なる点のみ説明する。

図６に示すように、本実施の形態では、２本の伝熱促進体９０は、２本の内管１０３とともに、互いに螺旋状に絡み合うようにねじり合わされ固定されている。また、その螺旋の中心が、外管１０５の軸心とほぼ同軸となるように外管１０５に内包されている。

かかる構成とすることにより、ねじられた内管１０３と伝熱促進体９０に沿って水が旋回流となって流れることによる伝熱促進と、伝熱促進体９０によって流路断面積を小さくなり乱流促進することによる伝熱促進の２つの作用によって、より伝熱促進ができる。

さらに、伝熱促進体９０を固定する方法として、内管１０３とともにねじることで固定しているので、ろう付け溶接などによる固定方法に比べて、容易に熱交換器を製作できる。また、ねじることで固定しても、実施の形態１と同様に、伝熱促進体９０と外管１０５との最小隙間は、内管１０３と外管１０５との最小隙間と略同等の隙間を確保しているので、伝熱促進体９０を設けてない場合と同様の挿入性を維持しつつ、伝熱促進効果を引き出すことができる。さらに、溝９０ａを流れる水の流れを生じさせ熱伝達性能をより高めることができる。このため、高い熱交換能力が得られる熱交換器を、容易に製造できる。

なお、以上の実施の形態では、伝熱促進体９０〜９２の本数を２本としているが、１本もしくは３本以上の本数としても同様の作用効果を期待することができる。また、外管１０５、内管１０３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。伝熱促進体９０〜９２の材料としては、銅、真鍮、ステンレス、アルミ合金などの金属材料や、架橋ポリエチレンなどの樹脂材料を採用できる。

伝熱促進体９０〜９２は、必ずしも水流路の全長にわたって挿入する必要はなく、部分的に挿入することで、局所的に伝熱促進させる構成としてもよい。

また、冷媒流路を流れる冷媒を二酸化炭素としたが、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同様の作用効果が期待できる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、製造時の組み立て性を向上させつつ、熱交換能力を向上させることができるもので、冷媒として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
９０、９１、９２ 伝熱促進体
９０ａ、９１ａ、９２ａ 溝
９３ 線材
１０２ 冷媒流路（第１流体流路）
１０３ 内管
１０４ 水流路（第２流体流路）
１０５ 外管
Δｔ１ 内管１０３と外管１０５との最小隙間
Δｔ２ 伝熱促進体９０と外管１０５との最小隙間

Claims (5)

1. 内部に第１流体流路を形成する内管と、前記内管の外側に設けられ前記内管との間に第２流体流路を形成する外管と、前記内管に接触して固定され前記第２流体流路の流路断面積を減少させる伝熱促進体とを備え、前記伝熱促進体は周方向に溝を有することを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱促進体と前記外管との最小隙間が、前記内管と前記外管との最小隙間と略同等となることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記伝熱促進体の溝をらせん状に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. 前記伝熱促進体の外周に線材を巻き付けて周方向の溝を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. 前記伝熱促進体は、前記内管とともに螺旋状に絡み合うように捻って固定され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。

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