JP2013145066A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、第一流体と第二流体の間で熱交換を行う熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger that performs heat exchange between a first fluid and a second fluid.
従来から、ヒートポンプ式給湯機、空調機、床暖房装置などのヒートポンプ装置では、二種類の流体(例えば、水と冷媒、空気と冷媒)の間で熱交換を行う熱交換器が使用されている。例えば、特許文献1には、図13に示すような水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器100が開示されている。
Conventionally, in heat pump devices such as a heat pump type hot water heater, an air conditioner, and a floor heating device, a heat exchanger that performs heat exchange between two types of fluids (for example, water and refrigerant, air and refrigerant) has been used. . For example, Patent Document 1 discloses a
この熱交換器100は、水が流れる第一流路110を形成する構造体115と、冷媒が流れる第二流路を形成する一対の冷媒管120とを備えている。構造体115は長方形板状をなしており、第一流路110は構造体115の幅方向に並ぶ複数の直線部を有するサーペンタイン型の流路である。一対の冷媒管120は、構造体115の厚さ方向に積層されており、第一流路110の各直線部内では当該直線部の中心線上で互いに交差するように構造体115の幅方向に蛇行している。
The
図13に示すような熱交換器100では、構造体115の幅方向に蛇行する一対の冷媒管120を収容するために、第一流路110の幅が比較的に大きく設定されている。熱交換器においては、いっそうの小型化が求められる。
In the
本発明は、いっそうの小型化が可能な熱交換器を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the heat exchanger which can be further reduced in size.
前記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第一流体と第二流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、第一流体が流れる第一流路を形成する構造体と、第二流体が流れる第二流路を形成する、前記第一流路内で所定方向に配列された複数の配管と、を備え、前記複数の配管のそれぞれは、隣り合う前記配管が互いに近づいたり遠ざかったりするように前記所定方向に蛇行する蛇行部を含む、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a heat exchanger according to the present invention is a heat exchanger that performs heat exchange between a first fluid and a second fluid, and is a structure that forms a first flow path through which the first fluid flows. And a plurality of pipes arranged in a predetermined direction in the first flow path that form a second flow path through which the second fluid flows, and each of the plurality of pipes is adjacent to the adjacent pipes And a meandering portion that meanders in the predetermined direction so as to move away from or away from the subject.
上記の構成によれば、複数の配管の配列方向と蛇行方向とが一致しているために、第一流路の断面積を従来よりも小さくすることができる。従って、熱交換器を従来よりも小型化することができる。 According to said structure, since the arrangement direction of several piping and the meandering direction correspond, the cross-sectional area of a 1st flow path can be made smaller than before. Therefore, the heat exchanger can be made smaller than before.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments.
以下の実施形態では、ヒートポンプ式給湯機などのヒートポンプ装置に使用され、第一流体である水と第二流体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を例に挙げて説明する。冷媒はヒートポンプ回路を循環するものであり、冷媒としては例えば二酸化炭素が用いられる。ただし、第一流体および第二流体はこれらに限定されない。例えば、水に代えて、油、ブラインなどを第一流体として使用することも可能である。また、第一流体および第二流体の双方が液体または気体であってもよい。 In the following embodiments, a heat exchanger that is used in a heat pump apparatus such as a heat pump type hot water heater and performs heat exchange between water as a first fluid and a refrigerant as a second fluid will be described as an example. The refrigerant circulates through the heat pump circuit, and for example, carbon dioxide is used as the refrigerant. However, the first fluid and the second fluid are not limited to these. For example, instead of water, oil, brine or the like can be used as the first fluid. Further, both the first fluid and the second fluid may be liquid or gas.
(第一実施形態)
図1に、本実施形態の熱交換器1Aの外観を示し、図2に、熱交換器1Aの内部構造を示す。この熱交換器1Aは、水が流れる第一流路2を形成する構造体11と、冷媒が流れる第2流路4を形成する複数(本実施形態では2つ)の配管5とを備えている。配管5の大部分は、構造体3内に収容されている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows the appearance of the
第一流路2を流れる水と第二流路5を流れる冷媒とは互いに対向して流れる。このような構成であれば、水と冷媒との熱交換効率を高めることができる。
The water flowing through the
構造体3は平面視で長方形状の扁平な板状をなしており、その内部は空洞になっている。すなわち、構造体3の内部空間によって第一流路2が構成されている。なお、構造体3の厚さ方向の両主面は、水流路2に対応する部分が盛り上がるように凸凹していてもよい。
The
以下、説明の便宜のために、構造体3の長さ方向をY方向、幅方向をX方向、厚さ方向をZ方向という。本実施形態では、Z方向が鉛直方向であり、X方向およびY方向が水平方向である。ただし、X、Y、Z方向はこれに限定されるものではなく、熱交換器1Aの設置場所等に応じて適宜選定可能である。
Hereinafter, for convenience of explanation, the length direction of the
構造体3は、より詳しくは、周壁、底壁および天井壁からなる箱体3Aと、箱体3A内に配置された複数の仕切板3Bを含む。箱体3AのY方向の一方の端部には、第一流路2内に水を流入させるための第一流体入口31と、第一流路2内から水を流出させるための第一流体出口32が、互いにX方向に離間して設けられている。第二流路4を形成する配管5の両端部は、それぞれ第1流体入口31の近傍および第一流体出口32の近傍で箱体3Aを貫通している。
More specifically, the
図3は、構造体3のみの断面図である。箱体3A内に配置された仕切板3Bは、X方向に等間隔で並んでおり、箱体3Aの周壁のうちのY方向に対向する短辺部の一方および他方に交互に接続されている。すなわち、仕切板3Bは、周壁で囲まれる空間を部分的に仕切っており、構造体3の内部空間である主流路2をサーペンタイン型の流路(蛇行した流路)に成形している。換言すれば、主流路2は、X方向に互いに平行に並ぶ複数の直線部21と直線部21の端部同士を連結する屈曲部22を有している。上述した第一流体入口31および第一流体出口32は最も外側に位置する直線部21の屈曲部22と反対側の端部に開口しており、直線部21では水の流れ方向が交互に180度反対向きになっている。サーペンタイン型の流路は、構造体3内の無駄なスペースを省くのに有利である。なお、構造体3はZ方向に複数段に積み重ねられていてもよい。
FIG. 3 is a cross-sectional view of only the
構造体3は、樹脂で構成されている。このような樹脂としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、液晶ポリマー、ポリプロピレンなどが挙げられる。樹脂は、一般に、金属材料よりも軽量という利点がある。また、樹脂の方が、一般に、金属材料よりも安価である。ただし、構造体3は、金属で構成されていてもよい。
The
構造体3は、例えば、当該構造体3をZ方向に半分に分割した分割体同士を振動溶着等の方法にて溶着することにより作製することができる。あるいは、構造体3を、箱体3Aの配管5が貫通する短辺部およびこれに接続された仕切板3Bからなる蓋部、およびその他の部分からなる、蓋部が挿入可能な容器部に分割し、蓋部と容器部とをシール部材を介して締結することも可能である。
The
図2に戻って、配管5は、第一流路2内でZ方向に配列されている。すなわち、Z方向が本発明の所定方向に相当し、X方向が本発明の直交方向に相当する。配管5の第一流体出口32近傍の端部には、図略の圧縮機等から高温高圧の冷媒が導かれ、配管5の第一流体入口31近傍の端部からは、水に放熱した後の冷媒が図略の膨張機構に導かれる。
Returning to FIG. 2, the
各配管5は、第一流路2の各直線部21内に配置された蛇行部51と、第一流路2の屈曲部22に沿って蛇行部51の端部同士を連結する連結部52を含む。蛇行部51の長さは、直線部21の長さとほぼ等しい。上述した各配管5の両端部は、最も外側に位置する蛇行部51を真っ直ぐに延長した部分である。
Each
配管5は、良好な熱伝導性を有する金属で構成されている。配管5としては、小径の管を大径の内面溝付き管で覆った構造の二重管(漏洩検知管)を採用することが好ましい。このような二重管によれば、万が一、小径の管が破損した場合であっても、外側の内面溝付き管の溝を伝って、潤滑油を含む冷媒を第一流路2の外部に逃がすことができ、冷媒中の潤滑油が、水に混入することを防ぐことができる。
The
次に、図4(a)および(b)ならびに図5を参照して、第一流路2および配管5の形状を詳細に説明する。
Next, the shapes of the
各配管5の蛇行部51は、隣り合う配管5が互いに近づいたり遠ざかったりするようにZ方向に蛇行している。換言すれば、双方の配管5の蛇行部51の中心は、Y方向およびZ方向に平行な同一平面上に位置している。
The meandering
蛇行部51の蛇行形状は、周期性を有しており、正弦波状を呈している。このような蛇行形状とすることにより、第一流路2の全長に対する、配管5の全長の割合を大きく取ることが可能なので、熱交換器1Aの小型化に有利である。双方の配管5の蛇行部51の蛇行形状は第一流路2のZ方向に対する中心線に対して対称であり、双方の配管5の蛇行部51の波長P1は一致している。このため、双方の配管5で蛇行部51の曲げ形状を共通化でき、配管5を容易に作製することができる。また、全体の構造が単純化するので、例えば計算機シミュレーションにより、蛇行部51の曲げ形状や第一流路2の幅等の設計条件を最適化しやすくなる。
The meandering shape of the
また、双方の配管5の蛇行部51は、蛇行部51の頂点同士が点接触するように互いの位置関係が定められている。すなわち、双方の配管5の蛇行部51の位相は180度ずれている。このように、蛇行部51同士の接点が線状に連なることを避けるようにすれば、蛇行部51の間に比較的に大きな隙間を確保することができ、三次元的な流れの活発化、水の圧力損失の増大防止といった効果を期待できる。
Further, the relative positions of the meandering
構造体3は、第一流路2を規定する管状面35を有している。本実施形態では、管状面35の断面における基本形状は直径D1の円形状である。管状面35は、屈曲部22では基本形状を有し、直線部21では基本形状から変形した形状を有している。ただし、管状面35の基本形状は、例えば角が丸められた矩形状であってもよい。
The
隣り合う配管5の蛇行部51間のZ方向における最大隙間(ギャップ)Gは、本実施形態では蛇行部51の振幅γの2倍と等しい。この最大隙間Gは、管状面35と配管5の間のZ方向における最小クリアランスC1(蛇行部51同士が最も離間する位置でのクリアランス)よりも大きいことが好ましい。なお、蛇行部51同士が接触している位置では、Z方向における管状面35から配管5までの距離は、C1+0.5×Gである。
The maximum gap (gap) G in the Z direction between the
第一流路2を規定する管状面35は、X方向において配管5の蛇行部51を挟んで対向する対向領域36を有する。対向領域36は、全ての直線部21に一対ずつ存在する。図3に示すように、各直線部21の対向領域36には、管状面35の軸方向に沿ってX方向に波打つ波形状を形成する複数の凸部37がそれぞれ設けられている。各直線部21における双方の対向領域36の波形状は、第一流路2のX方向に対する中心線に対して対称であり、双方の波形状の波長P2は一致している。
The
また、各直線部21における一方の対向領域36上の凸部37と他方の対向領域36上の凸部37は、双方の波形状の位相が一致するようにY方向に交互に並んでいる。換言すれば、Z方向から見たときに、直線部21の幅はどこでも同じである。このため、水は、第一流路2の直線部21をX方向にうねりながら流れる。
Moreover, the
凸部37は、Z方向から見ると三角形状をなしている。各直線部21における双方の対向領域36上の凸部37の先端は、蛇行部51同士が最も離間する位置で配管5に最も接近する。すなわち、P2=2×P1である。凸部37の先端から配管5までのX方向のクリアランスC2は、Z方向の最小クリアランスC1と同程度である。
The
本実施形態の熱交換器1Aでは、配管5の配列方向と蛇行方向とが一致しているために、それらの方向と直交する方向においては第一流路2の幅を大きく確保する必要がない。従って、第一流路2の断面積を従来よりも小さくすることができ、熱交換器を従来よりも小型化することができる。
In the
続いて、本実施形態の熱交換器1Aの作用について説明する。 Then, the effect | action of 1 A of heat exchangers of this embodiment is demonstrated.
第一流体入口31から第一流路2内に流入した水は、下流側の第一流体出口32に向かって、第一流路2を流れていく。各直線部21では、水が、凸部37にガイドされることにより、配管5を何度も横切るように、蛇行部51間および蛇行部51と管状面35の間を通ってX方向にうねりながら流れる。その後、水は第一流体出口32から流出する。
The water flowing into the
ところで、配管5の外側を配管5の軸方向に沿って真っ直ぐ水が流れる場合、配管5から受ける攪拌作用が小さいので、水は、配管5の表面近傍に比較的大きい厚さの温度境界層を形成しつつ流れる。
By the way, when water flows straight along the axial direction of the
これに対し、本実施形態では、各直線部21における双方の対向領域36に設けられた凸部37により、水が配管5を何度も横切るようにX方向にうねりながら流れるため、配管5の表面近傍に形成される温度境界層は、上述した水が配管5の軸方向に沿って真っ直ぐ流れる場合に比べて成長し難くなる。そのような流れを積極的に作り出してやることにより、温度境界層が厚くなることを防止でき、ひいてはより効率的な熱交換を行えるようになる。
On the other hand, in this embodiment, water flows while undulating in the X direction so as to cross the
また、本実施形態では、水は、双方の配管5の表面にぶつかりながら流れるので、配管5の表面を伝熱面として有効利用できる。併せて、死水域も小さくすることができる。死水域が小さくなればなるほど、伝熱面積は増大するので、熱交換効率は高まる。
Moreover, in this embodiment, since water flows while colliding with the surface of both the
次に、本実施形態の熱交換器1Aの効果を確認するために行ったシミュレーションを説明する。 Next, the simulation performed in order to confirm the effect of 1 A of heat exchangers of this embodiment is demonstrated.
本シミュレーションでは、解析用ソフトウェア「Fluent」を用いた。解析条件としては、水の流量を0.0058kg/s、水の温度を40℃、冷媒が流れる配管の温度を45℃とした。 In this simulation, analysis software “Fluent” was used. As analysis conditions, the flow rate of water was 0.0058 kg / s, the temperature of water was 40 ° C., and the temperature of the piping through which the refrigerant flows was 45 ° C.
まず、比較対象として、図12に示すようなツイスト型熱交換器6である参照モデル1,2を作成した。ツイスト型熱交換器6では、断面円形の水管61の内部に、一対の冷媒管62,63が互いに密着してツイストされた状態で配置されている。参照モデル1では、水管61の内径を8.6mm、冷媒管62,63の外径を3.9mm、水管61と冷媒管62,63の間のクリアランスを0.4mm、冷媒管62,63のツイストピッチを40mmとした。参照モデル2は、参照モデル1から冷媒管62,63のツイストピッチを30mmに変更したものである。
First, as comparison targets,
次に、本実施形態の熱交換器1Aに相当する実施モデル1を作成した。実施モデル1では、管状面35の直径D1を10.6mm、配管5の外径D2を3.9mm、Z方向の最小クリアランスC1およびX方向の最小クリアランスC2を0.4mm、蛇行部51間のZ方向の最大隙間Gを2mm、蛇行部51の波長P1を10mm、凸部37によって形成される波形状の波長P2を20mmとした。
Next, an implementation model 1 corresponding to the
参照モデル1,2および実施モデル1に対して、熱伝達率および圧力損失を解析した。表1に、その解析結果を示す。なお、表1には、水が流れる断面積(実施モデル1では、第一流路2の直線部21の断面積から双方の配管5の占有面積を引いた面積)を水側断面積として記載する。
The heat transfer coefficient and pressure loss were analyzed for the
参照モデル1に対し、冷媒管のツイストピッチを40mmから30mmに短縮した参照モデル2では、撹拌促進により、冷媒管の表面近傍における水の温度境界層の発達の抑制効果が得られるため、冷媒管から水への熱伝達率が2855W/m2Kから4120W/m2Kに向上する。しかしながら、圧力損失も、1.31kPa/mから1.56kPa/mと上昇する。これに対して、実施モデル1では、参照モデル2と同様に、配管5から水への熱伝達率を4693W/m2Kに向上させることができるとともに、圧力損失も、参照モデル1と同等である1.31kPa/mに抑えることができる。さらに、実施モデル1では、水側断面積が47mm2と参照モデル1,2の34mm2に対して約1.4倍大きい。このため、カルシウムイオン等の金属イオンを含む水を加熱する場合に、60℃以上の領域にて生成しやすいスケールが析出しても、第一流路2の閉塞が起こり難くなり、耐スケール性が向上する。
In the
本実施形態の熱交換器1Aによれば、熱伝達率の向上だけでなく、圧力損失の低減と耐スケール性の確保とを両立することも可能である。従って、熱交換効率に優れ、より一層の小型化が可能な熱交換器1Aを提供することができる。
According to the
<変形例>
第一流路2を規定する管状面35の直径Dは、第一流路2の全長に亘って一定である必要はない。例えば、管状面35の直径Dは、第一流路2の上流側よりも下流側の方が大きくなっていてもよい。カルシウムイオン等の金属イオンを多く含む水を加熱する場合、60℃以上の領域にてスケールが析出しやすい。第一流路2における第一流体出口4に近い部分をやや広口に設計しておけば、スケール析出による圧力損失の増大を抑制することができる。
<Modification>
The diameter D of the
また、前記実施形態では、双方の配管5の蛇行部51の位相が180度ずれていたが、蛇行部51の位相のずれは必ずしも180度である必要はない。例えば、図6(a)および(b)に示すように、図5に示す状態から一方の配管5の蛇行部51がY方向にΔP(例えば、ΔP=(1/4)P1)だけ移動していてもよい。この場合には、蛇行部51同士が接触しなくなる(例えば、連結部52同士のみを接触させてもよい)。この構成でも、前記実施形態で説明した有意な効果を得ることができる。あるいは、図7(a)および(b)に示すように、図6(a)に示す状態から双方の配管5をZ方向に移動して、蛇行部51同士を接触させてもよい。この場合には、蛇行部51間のZ方向の最大隙間Gは、蛇行部51の振幅γの2倍よりも小さくなる。
Moreover, in the said embodiment, although the phase of the
また、前記実施形態では、配管5がZ方向に配列されていた。ただし、配管5は必ずしもZ方向に配列されている必要はない。例えば、構造体3のY方向の両側にヘッダを設け、それらのヘッダを結ぶように構造体3内に直線状の複数の第一流路2を設ける場合には、配管5をX方向に配列することも可能である。
In the embodiment, the
(第二実施形態)
次に、図8ならびに図9(a)および(b)を参照して、本発明の第二実施形態に係る熱交換器1Bを説明する。なお、本実施形態では、第一実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。この点は、後述する第三実施形態でも同様である。
(Second embodiment)
Next, with reference to FIG. 8 and FIG. 9 (a) and (b), the
本実施形態では、各直線部21における一方の対向領域36には複数の凸部37が設けられているが、他方の対向領域36はZ方向に平行な平面であって配管5に近接している。換言すれば、各直線部21においては、対向領域36から配管5までの距離が異なっており、配管5から遠い方の対向領域36に凸部37が設けられている。
In the present embodiment, a plurality of
平面である対向領域36から配管5までのX方向のクリアランスC3は、Z方向の最小クリアランスC1および凸部37の先端から配管5までのX方向のクリアランスC2と同程度である。
The clearance C3 in the X direction from the opposed
続いて、本実施形態の熱交換器1Bの作用について説明する。
Then, the effect | action of the
第一流体入口31から第一流路2内に流入した水は、下流側の第一流体出口32に向かって、第一流路2を流れていく。各直線部21では、水が、凸部37にガイドされることにより、配管5近傍から何度も張り出すように、蛇行部51間および蛇行部51と管状面35の間を通ってX方向に縮小および拡大を繰り返しながら流れる。その後、水は第一流体出口32から流出する。
The water flowing into the
本実施形態の熱交換器1Bでも、温度境界層が厚くなることを防止できるとともに死水域を小さくすることができるため、第1実施形態の熱交換器1Aと同様の効果を得ることができる。
Also in the
なお、第一実施形態で説明した変形例が本実施形態にも適用可能であることは言うまでもない。 Needless to say, the modification described in the first embodiment is also applicable to this embodiment.
(第三実施形態)
次に、図10ならびに図11(a)および(b)を参照して、本発明の第三実施形態に係る熱交換器1Cを説明する。
(Third embodiment)
Next, with reference to FIG. 10 and FIG. 11 (a) and (b), 1 C of heat exchangers which concern on 3rd embodiment of this invention are demonstrated.
本実施形態では、各直線部21における対向領域36の双方がZ方向に平行な平面であって配管5に近接している。すなわち、管状面35の断面形状は、各直線部21においてZ方向に引き延ばされている。
In the present embodiment, both of the facing
各直線部21における対向領域36には、双方の配管5の蛇行部51を個別に収容する空間を隔てるように管状面35の軸方向に延びる突条部38がそれぞれ設けられている。突条部38は、直線部21のほぼ全長に亘って連続的に形成されている。
In the opposing
突条部38の断面形状は、矩形状であってもよいが、台形状や三角形状などの先細りとなる形状であることが好ましい。また、突条部38の両側面は、双方の配管5の中心を通る平面上に曲率中心を有する曲面であることが好ましい。一方、管状面35における対向領域36の間の領域も、双方の配管5の中心を通る平面上に曲率中心を有する曲面であることが好ましい。
The cross-sectional shape of the protruding
突条部38の高さは、対向領域36から配管5までのX方向のクリアランスC3よりも大きいことが好ましい。
The height of the protruding
本実施形態では、蛇行部51同士が接触しないことが好ましい(図6(b)参照)。双方の配管5の蛇行部51の位相のずれは180度であってもよいが、この場合には別途双方の配管5を互いに接触しないように支持すると良い。このような蛇行部51同士の位置関係であれば、蛇行部51の間に形成される比較的に大きな隙間に水をスムーズに流入させることができ、第一実施形態と同様に、三次元的な流れの活発化、水の圧力損失の増大防止といった効果を期待できる。
In the present embodiment, it is preferable that the meandering
本実施形態の熱交換器1Cでは、配管5の配列方向と蛇行方向とが一致しているために、それらの方向と直交する方向においては第一流路2の幅を大きく確保する必要がない。従って、第一流路2の断面積を従来よりも小さくすることができ、熱交換器を従来よりも小型化することができる。
In the heat exchanger 1C of this embodiment, since the arrangement direction of the
続いて、本実施形態の熱交換器1Cの作用について説明する。 Then, the effect | action of 1 C of heat exchangers of this embodiment is demonstrated.
第一流体入口31から第一流路2内に流入した水は、下流側の第一流体出口32に向かって、第一流路2を流れていく。各直線部21では、水が、突条部38によってZ方向の流通が規制されることにより、各配管5のX方向の両側を通って蛇行部51の蛇行形状とクロスするように、蛇行部51間の広い空間と、蛇行部51と管状面35の間の広い空間とを往来する。その後、水は第一流体出口32から流出する。
The water flowing into the
ところで、配管5の外側を配管5の軸方向に沿って真っ直ぐ水が流れる場合、配管5から受ける攪拌作用が小さいので、水は、配管5の表面近傍に比較的大きい厚さの温度境界層を形成しつつ流れる。
By the way, when water flows straight along the axial direction of the
これに対し、本実施形態では、各直線部21における双方の対向領域36に設けられた突条部38により、水が各配管5の表面に沿ってZ方向にうねりながら流れるため、配管5の表面近傍に形成される温度境界層は、上述した水が配管5の軸方向に沿って真っ直ぐ流れる場合に比べて成長し難くなる。そのような流れを積極的に作り出してやることにより、温度境界層が厚くなることを防止でき、ひいてはより効率的な熱交換を行えるようになる。
On the other hand, in this embodiment, water flows while undulating in the Z direction along the surface of each
また、本実施形態では、水は、双方の配管5の表面に沿ってうねりながら流れるので、配管5の表面を伝熱面として有効利用できる。併せて、死水域も小さくすることができる。死水域が小さくなればなるほど、伝熱面積は増大するので、熱交換効率は高まる。
Moreover, in this embodiment, since water flows along the surface of both the
次に、本実施形態の熱交換器1Cの効果を確認するために行ったシミュレーションを説明する。なお、解析用ソフトや解析条件は、第一実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーションと同じである。 Next, the simulation performed in order to confirm the effect of 1 C of heat exchangers of this embodiment is demonstrated. The analysis software and analysis conditions are the same as the simulation performed to confirm the effect of the first embodiment.
まず、比較対象として、図12に示すようなツイスト型熱交換器6である参照モデル3を作成した。参照モデル3は、第一実施形態で説明した参照モデル1から冷媒管62,63のツイストピッチを20mmに変更したものである。
First, as a comparison target, a
次に、本実施形態の熱交換器1Cに相当する実施モデル2を作成した。実施モデル2では、管状面35のZ方向の高さ(双方の配管5の中心を通る平面上での高さ)を10.6mm、配管5の外径D2を3.9mm、Z方向の最小クリアランスC1および対向領域36から配管5までのX方向のクリアランスC3を0.4mm、蛇行部51間のZ方向の最大隙間Gを2mm、蛇行部51の波長P1を10mm、蛇行部51の位相ずれを90度とした。さらに、管状面35における対向領域36の間の領域の曲率半径R1を2.35mm、突条部38の曲面である両側面の曲率半径R2を2.35mm、曲率半径R1,R2の曲率中心同士の間の距離Hを2.73mm、突条部38の両側面を延長した仮想面同士の間の距離δを0.2mmとした。
Next, an
参照モデル3および実施モデル2に対して、熱伝達率および圧力損失を解析した。表2に、その解析結果を示す。なお、表2には、水が流れる断面積(実施モデル2では、第一流路2の直線部21の断面積から双方の配管5の占有面積を引いた面積)を水側断面積として記載する。また、表2には、参照モデル1の解析結果も示す。
The heat transfer coefficient and pressure loss were analyzed for
参照モデル1に対し、冷媒管のツイストピッチを40mmから20mmに短縮した参照モデル3では、撹拌促進により、冷媒管の表面近傍における水の温度境界層の発達の抑制効果が得られるため、冷媒管から水への熱伝達率が2855W/m2Kから5183W/m2Kに向上する。しかしながら、圧力損失も、1.31kPa/mから2.27kPa/mと上昇する。これに対して、実施モデル2では、参照モデル3と同様に、配管5から水への熱伝達率を5486W/m2Kに向上させることができるとともに、圧力損失も、参照モデル2よりも低い2.19kPa/mに抑えることができる。さらに、実施モデル2では、水側断面積が45mm2と参照モデル1,3の34mm2に対して約1.3倍大きい。このため、カルシウムイオン等の金属イオンを含む水を加熱する場合に、60℃以上の領域にて生成しやすいスケールが析出しても、第一流路2の閉塞が起こり難くなり、耐スケール性が向上する。
In the
本実施形態の熱交換器1Cによれば、熱伝達率の向上だけでなく、圧力損失の低減と耐スケール性の確保とを両立することも可能である。従って、熱交換効率に優れ、より一層の小型化が可能な熱交換器1Cを提供することができる。 According to the heat exchanger 1C of the present embodiment, not only an improvement in heat transfer coefficient but also a reduction in pressure loss and securing of scale resistance can be achieved at the same time. Therefore, it is possible to provide a heat exchanger 1C that is excellent in heat exchange efficiency and can be further reduced in size.
なお、第二実施形態の熱交換器1Bにおいて、凸部37が設けられていない対向領域36に本実施形態で説明した突条部38を設けることも可能である。
In addition, in the
本発明の熱交換器は、優れた熱交換性能を有し、冷媒を用いたヒートポンプ式給湯機用の熱交換器として特に有用である。 The heat exchanger of the present invention has excellent heat exchange performance and is particularly useful as a heat exchanger for a heat pump type hot water heater using a refrigerant.
1A〜1C 熱交換器
2 第一流路
21 直線部
3 構造体
35 管状面
36 対向領域
37 凸部
38 突条部
4 第二流路
5 配管
51 蛇行部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
第一流体が流れる第一流路を形成する構造体と、
第二流体が流れる第二流路を形成する、前記第一流路内で所定方向に配列された複数の配管と、を備え、
前記複数の配管のそれぞれは、隣り合う前記配管が互いに近づいたり遠ざかったりするように前記所定方向に蛇行する蛇行部を含む、熱交換器。 A heat exchanger for exchanging heat between the first fluid and the second fluid,
A structure forming a first flow path through which the first fluid flows;
Forming a second flow path through which the second fluid flows, and a plurality of pipes arranged in a predetermined direction in the first flow path,
Each of the plurality of pipes includes a meandering section that meanders in the predetermined direction so that the adjacent pipes approach or move away from each other.
前記対向領域の少なくとも一方には、前記管状面の軸方向に沿って前記直交方向に波打つ波形状を形成する複数の凸部が設けられている、請求項1または2に記載の熱交換器。 The tubular surface defining the first flow path of the structure has an opposing region facing each other across the meandering portions of the plurality of pipes in an orthogonal direction orthogonal to the predetermined direction,
The heat exchanger according to claim 1 or 2, wherein at least one of the opposing regions is provided with a plurality of convex portions that form a wave shape that undulates in the orthogonal direction along the axial direction of the tubular surface.
前記対向領域の他方は、前記所定方向に平行な平面であって前記複数の配管に近接している、請求項3に記載の熱交換器。 The plurality of convex portions are provided in one of the opposing regions,
The heat exchanger according to claim 3, wherein the other of the opposed regions is a plane parallel to the predetermined direction and is close to the plurality of pipes.
前記対向領域は、前記所定方向に平行な平面であって前記複数の配管に近接しており、
前記対向領域のそれぞれには、前記複数の配管の蛇行部を個別に収容する空間を隔てるように前記管状面の軸方向に延びる突条部が設けられている、請求項1または2に記載の熱交換器。 The tubular surface defining the first flow path of the structure has an opposing region facing each other across the meandering portions of the plurality of pipes in an orthogonal direction orthogonal to the predetermined direction,
The facing region is a plane parallel to the predetermined direction and is close to the plurality of pipes,
Each of the said opposing area | region is provided with the protrusion part extended in the axial direction of the said tubular surface so that the space which accommodates the meander part of these piping separately may be provided. Heat exchanger.
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