JP2013120027A - 二重管式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の二重管式熱交換器の構成では、高温部の冷媒流速が大きくなってしまい、冷媒圧力損失をさらに増大させる内面溝付管を適用するのが困難だった。また、内面溝付管も溝部分に圧縮機の潤滑油が流れこんでしまい、内面溝付管本来の効果を発揮できないという課題を有していた。
【解決手段】二重管式熱交換器１は、内管１３内部と、内管１３外部と外管１１内部との間を流れる流体間で熱交換を行う二重管５を渦巻状に構成した熱交換ユニット６を複数個有し、熱交換ユニット６同士を接合する中間ヘッダ３を境に、下流側二重管５ｂのパス数を上流側二重管５ａのパス数よりも少なくする。かかる構成により、下流側の冷媒流速を増大させることで、内面溝付管の溝から油を剥離し、内面溝付管の伝熱面積拡大による伝熱促進効果をひきだすことができ、熱交換器の性能を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部に流体が通る流路をもつ内管と、内管の外側に設けられ、内管との間に流体が通る流路がある外管を有する二重管で、内管内部と、内管外部と外管内部との間を流れる流体間で熱交換を行う二重管式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、水流路を構成する水管と、冷媒流路を構成する冷媒管とからなり、水流路を流れる水と冷媒流路を流れる冷媒とを熱交換する二重管式タイプの熱交換器が考案されている（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の概略図であり、図７は同文献に記載された従来の熱交換器の二重管の断面図を示すものである。

図５、図６、図７に示すように、この熱交換器１０１は、複数の二重管１０２を渦巻状に形成したものを連接した二重管式の熱交換器であり、二重管１０２内部を冷媒流路１０３とする冷媒管１０４と、冷媒管１０４を内挿して冷媒管１０４の外壁との間に水流路１０５を形成した水管１０６からなる。冷媒流路１０３と水流路１０５は対向して流れており、この結果、熱交換効率を高めることができる。

また、二重管１０２は中間ヘッダ１０７を境に、冷媒の上流側を上流側二重管、冷媒の下流側を下流側二重管とする。

そして、冷媒管１０４は、冷媒流路１０３の入口側（高温部と呼ぶ）に配置した２本の高温部冷媒管１０４ａと、冷媒流路１０３の出口側（低温部と呼ぶ）に併設した４本の低温部冷媒管１０４ｂを、中間ヘッダ１０７を介して、順次連接して形成されている。

また、高温部冷媒管１０４ａを内包する水管径は、低温部冷媒管１０４ｂを内包する水管径よりも拡径されている。

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。

熱交換器１０１は、冷媒流路１０３を流れる冷媒と水流路１０５を流れる水とが、冷媒管１０４ａを介して熱交換されるようになっている。

熱交換器１０１の高温部に配置された水管１０６は、低温部に配置された水管よりも拡径されているので、析出したスケール成分により管内を閉塞させることはない。

熱交換性能面では、高温部に配置された水管１０６の水管径が低温部よりも拡径されているので水側伝熱促進が弱くなるが、高温部の水管１０６の本数を低温部よりも少なくすることで、水流速の低下を回避し水側の伝熱促進効果を保っている。

特開２００５−１４７５６６号公報

しかしながら、前記従来における構成では、冷媒流路１０３の入口側、つまり高温部に配置した高温部冷媒管１０４ａの本数は、冷媒流路１０３の出口側、つまり低温部に配置した低温部冷媒管１０４ｂの本数よりも少なく、高温故に冷媒密度が小さくなることと冷媒流路断面積が低温部よりも小さいことの両方の影響により高温部の冷媒流速が過度に大きくなる。その結果、高温部の冷媒圧力損失が増大し冷媒圧力と冷媒温度が低下してしまい、冷媒と水との温度差が減少することなり、高温部での熱交著しく低下してしまうという課題があった。

一方、低温部においても、低温部冷媒管１０４ｂの本数が高温部冷媒管１０４ａよりも多く、低温故に冷媒密度が比較的大きくなることと冷媒流路断面積が高温部よりも大きいことの両方の影響により低温部冷媒管１０４ｂの冷媒流速が小さくなりすぎて、伝熱促進が弱くなるという課題も有していた。

すなわち、前記従来の熱交換器では、水側伝熱性能は考慮しているものの、冷媒側伝熱性能の低下を考慮しておらず、熱交換器の小型軽量化には限界を有していた。

また、冷媒側伝熱性能を向上させる従来技術として、内面溝付管を冷媒管に適用する手段が報告されているが、これを従来の構成に適用する場合、高温部の冷媒圧力損失が著しく増大してしまい、伝熱促進効果をひきだすことができなかった。したがって、従来の構成に内面溝付管を適用することが出来なかった。

更に、ＣＯ_２冷媒のような動作圧力の高いサイクルでは、冷媒の圧縮時に圧縮機吐出口から冷媒が圧縮機の潤滑油を伴って冷凍サイクル内に流出してしまうため、冷媒流速の遅い低温部においては特に内面溝付管の溝部分に潤滑油がたまりやすくなり、伝熱の熱抵抗になってしまい、内面溝付管本来の伝熱面積拡大による伝熱促進効果をひきだすことができなかった。

そこで、本発明は冷媒側の伝熱性能を向上させる方法を提案し、熱交換器の高性能化、および小型軽量化を達成することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決するため、内部に冷媒用流路が形成された内管と、前記内管の外側に設けられ、前記内管との間に水用流路が形成された外管からなる二重管であって、前記水用流路を流れる水と前記冷媒用流路を流れる冷媒とを熱交換する前記二重管を渦巻状に構成した熱交換ユニットを複数個有し、前記熱交換ユニット同士を接合する中間ヘッダを備えた二重管式熱交換器において、前記中間ヘッダを境に、冷媒の上流側を上流側二重管、冷媒の下流側を下流側二重管としたとき、前記下流側二重管のパス数を前記上流側二重管のパス数よりも少なくし、かつ前記内管に内面溝付管を適用する。

本発明の二重管式熱交換器は、冷媒が低温となる冷媒用流路の出口側、つまり中間ヘッダよりも下流側の二重管のパス数よりも多くなるため、冷媒圧力損失が過度に増大することはなく、冷媒管に内面溝付管を適用しても、冷媒と水の温度差がとれるため、熱交換器の高性能化が実現できる。

本発明の実施の形態に係わる二重管式熱交換器を示す正面図 本発明の実施の形態に係わる二重管式熱交換器を示す平面図 本発明の実施の形態に係わる二重管内部の詳細を示す断面図 本発明の実施と他仕様の熱交換器とを比較した際の能力の増大率を示した図 特許文献１の実施の形態に係わる二重管式熱交換器を示す正面図 特許文献１の実施の形態に係わる二重管式熱交換器を示す平面図 特許文献１の実施の形態に係わる二重管内部の詳細を示す断面図

第１の発明は、内部に冷媒用流路が形成された内管と、前記内管の外側に設けられ、前記内管との間に水用流路が形成された外管からなる二重管であって、前記水用流路を流れる水と前記冷媒用流路を流れる冷媒とを熱交換する前記二重管を渦巻状に構成した熱交換ユニットを複数個有し、前記熱交換ユニット同士を接合する中間ヘッダを備えた二重管式熱交換器において、前記中間ヘッダを境に、冷媒の上流側を上流側二重管、冷媒の下流側を下流側二重管としたとき、前記下流側二重管のパス数を、前記上流側のパス数よりも少なくする。これにより、前記上流側二重管では、冷媒流速の増大を抑えることで冷媒圧力損失を低減し、前記下流側二重管では、冷媒流速が増大し、溝にたまろうとする油を冷媒が管内表面から引き剥がすことができ、内面溝付管の伝熱面積拡大による伝熱促進効果を発揮することができる。

第２の発明は、第１の発明において、冷媒を二酸化炭素としたものである。二酸化炭素は、他冷媒と比較して圧力損失のつきにくい冷媒であるため、内面溝付管による圧力損失増大も他冷媒より小さく、冷媒温度も低下しにくい。そのため、二酸化炭素を冷媒として適用した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、他のフロン系の冷媒よりも、高いヒートポンプ効率を得ることができる。

（実施の形態１）
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。

図１、図２に示すように、本実施では二重管式熱交換器１は、二重管５を渦巻状に成形した熱交換ユニット６を複数個有し、中間ヘッダ３を境に冷媒温度が高温となる方の上流側二重管５ａを２本、冷媒温度が低温となる方の下流側二重管５ｂを１本とし、それぞれの先端にヘッダ２、４を取り付けて構成されている。上流側二重管５ａと下流側二重管５ｂは、中間ヘッダ３により水用流路１２が、冷媒分岐管７によって冷媒用流路１５が接合されている。また、ヘッダ２には、冷媒用ヘッダ８、水管９、冷媒分岐管１０、ヘッダ４には水管８と冷媒分岐管９が取り付けられており、二重管式熱交換器１を給湯装置本体に取り付けるために接合されている。

本実施において、上流側二重管５ａ、下流側二重管５ｂの長さをそれぞれＬ１、Ｌ２、管の本数をＮ１、Ｎ２としたとき、パス数はＮ１＞Ｎ２の関係で、熱交換器の平均パス数Ｎを以下の数１のように定義する。本実施では、二重管式熱交換器１の全長をＬとし、中間ヘッダ３の位置をＬ／２となるところに設けているので、Ｌ１＝Ｌ２である。

また、上流側二重管５ａの本数は２本、下流側二重管５ｂの本数は１本であるため、本実施の平均パス数は１．５パスとなる。また、本実施では中間ヘッダ３の下流側において、パス数が部分的に１パスとなっていることから、二重管式熱交換器１の仕様を部分１パスと呼び、上流側二重管５ａ、下流側二重管５ｂのパス数が一致している場合の通常仕様の二重管式熱交換器との混同を避けることにする。

図３に示すように、上流側二重管５ａ、下流側二重管５ｂは、全く同じ構成であり、内管１３内には冷媒用流路１５が形成され、内管１３と外管１１の間には水用流路１２が形成されている。そして、冷媒用流路１５を流通する冷媒と水用流路１２を流通する水はお互いに対向して流れるようになっており、この結果、冷媒と水との間の熱交換効率を高めることができる。また、内管１３は、冷媒管１４と、冷媒管１４の外周に設けられた漏洩検知管１７とから構成され、２本の内管１３が縦方向に並設されている。本実施では、冷媒管１４を内面溝付管とし、内面に配管方向に沿って多数の溝１６が形成されている。漏洩検知管１７の内面には、配管方向に沿って多数の漏洩検知溝１８が形成されており、漏洩検知溝１８内には空気層が形成されている。漏洩検知溝１８を設けることで、内管１３又は外管１１から漏洩した冷媒又は水は混入することなく漏洩検知溝１７を介して外部に漏出する。

図４は、冷媒に二酸化炭素を採用した場合における通常の２パス仕様（冷媒管が内面平滑管）の熱交換器に対し、材料の投入量が等しい各熱交換器の能力がどの程度増大しているかを示しているものである。比較に用いている熱交換器は、本実施の部分１パス仕様（冷媒管が内面溝付管）、通常の２パス仕様（冷媒管が内民溝付管）、部分１パス仕様（冷媒管が内面平滑管）の３台である。また、材料の投入量Ｓは以下の数２に計算される。

本実施では、上流側二重管５ａのパス数よりも下流側二重管５ｂのパス数が少ないため、下流側二重管５ｂ内の冷媒用流路１５および水用流路１２内の流速は、上流側二重管５ａ内のものより倍増するが、本実施では中間ヘッダよりも下流側、すなわち元々冷媒圧力損失の小さい低温側で冷媒流速が増大しているので、高温側で冷媒圧力損失が増大した場合とは違い能力への影響は少ない。

図４に示すように、２パス仕様でも冷媒管に内面溝付管を適用することで、冷媒管が内面平滑管である２パス仕様のものより能力が向上している。しかしながら、部分１パス仕様で冷媒管に内面溝付管を適用した熱交換器の方が、２パス仕様よりも能力が高いことが分かる。これは、２パス仕様では、中間ヘッダよりも下流側で管内の冷媒流速が遅く、内面溝付管の溝部分に油が入り込んでしまい、冷媒と伝熱管との伝熱を阻害してしまうので、内面溝付管本来の伝熱促進効果を発揮できないのに対し、部分１パス仕様では冷媒流速が増大することで、溝部分から潤滑油を剥離させることができ、内面溝付管本来の伝熱促進効果が発揮できるためだと考えられる。

また、本発明では冷媒流速を増大させることで、内面溝付管の溝から潤滑油を剥離させる手法を用いているが、下流側二重管を１本にしたように、上流側二重管を１本とし、高温側でも冷媒流速を高めると、部分１パスのような効果は得られない。これは、内面溝付管の溝部分から潤滑油を剥離させる効果よりも、高温側で冷媒圧力損失が増大することにより、冷媒温度が低下し、水と冷媒の温度差が大幅に減少してしまうからである。特に、対向型のような熱交換器では、上流側で冷媒温度が減少してしまうと、熱交換器の能力が低下してしまう。

また、図５より部分１パス仕様（冷媒管が内面平滑管）では、２パス仕様（冷媒管が内面平滑管）より能力が高く、冷媒管を内面溝付管としなくても、熱交換器の構成を本実施のように調整することで熱交換器の性能向上が見込めることが分かる。

しかしながら、冷媒管が内面溝付管仕様の熱交換器と比較すると、能力は劣っており、冷媒管が内面溝付管仕様の熱交換器と同等の能力を得るには、熱交換器の長さを増大させなければならない。

二重管の長さを増大させると、管内の摩擦損失が増大するため、水側の圧力損失も増大する。水圧損が大きくなると熱交換器内に水を循環させている水ポンプを出力の大きいものにしなければならない。

しかしながら、本実施では、冷媒管に内面溝付管を適用することで、熱交換器の能力を増大させた分、二重管の長さを削減することができるため、水圧損を減少させることも可能である。すなわち、本実施の構成と、冷媒管を内面溝付管とすることで、冷媒管が内面平滑管の部分１パス仕様の熱交換器を適用できなかった範囲において、部分１パス仕様の熱交換器を適用できるようになる。

以上のように、本実施では上流側二重管と下流側二重管のパス数をＮ１＞Ｎ２の関係にすることにより、冷媒流速の増大を利用して、内面溝付管の伝熱面積拡大による伝熱促進効果を発揮することで、熱交換器の性能を向上できるので、熱交換器の小型軽量化および低資源化を達成することができる。

また、本実施では、上流側二重管５ａのパス数を２本、下流側二重管５ｂのパス数を１本としているが、パス数がＮ１＞Ｎ２の関係となっていれば、本実施と同様に能力向上効果が得られる（例えば、Ｎ１＝ ３本、Ｎ２ ＝ ２本）。

また、本発明に適用する冷媒管の内面溝付管は内径３．０ｍｍ以下のものが好ましい。また、本実施の構成以外にも、油による冷媒と伝熱管との伝熱阻害を減少させるために、１つの内面溝付管内に異なるフィン形状を２つ設けるなどの手段がとられているが、本発明のように冷媒流速を利用して溝部分にたまろうとする油を剥離させれば、内面溝付管のフィン形状を複雑にする必要はなく、伝熱管の加工費も安く済む。
また、内面平滑管では熱交換器の能力を増大させるために、伝熱管の長さを増大させるなどの手段しかとれなかったが、内面溝付管では、熱交換器の長短に合わせて、最適な溝形状に変更することができ、熱交換器の長短に合わせて性能を向上させることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる二重管式熱交換器は、冷媒圧力損失が過度に増大することはなく、冷媒管に内面溝付管を適用しても、冷媒と水の温度差がとれるため、高効率な熱交換が必要な産業用・家庭用の空調機器等の用途にも適用できる。

１ 二重管式熱交換器
３ 中間ヘッダ
５ 二重管
５ａ 上流側二重管
５ｂ 下流側二重管
６ 熱交換ユニット
１１ 外管
１２ 水用流路
１３ 内管
１５ 冷媒用流路

Claims (2)

1. 内部に冷媒用流路が形成された内管と、前記内管の外側に設けられ、前記内管との間に水用流路が形成された外管からなる二重管であって、前記水用流路を流れる水と前記冷媒用流路を流れる冷媒とを熱交換する前記二重管を渦巻状に構成した熱交換ユニットを複数個有し、前記熱交換ユニット同士を接合する中間ヘッダを備えた二重管式熱交換器において、前記中間ヘッダを境に、冷媒の上流側を上流側二重管、冷媒の下流側を下流側二重管としたとき、前記下流側二重管のパス数を前記上流側二重管のパス数よりも少なくし、かつ前記内管に内面溝付管を適用した二重管式熱交換器。
2. 内管内部を流れる冷媒を、二酸化炭素とする請求項１記載の二重管式熱交換器。