JP2013160479A - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ式給湯機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、流路断面内の２次流れを促進し、且つ熱伝達率が特に高い部分を熱交換に用いることで、熱交換効率を向上させることができる熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、伝熱管を曲げて形成された曲げ部を有する第１の伝熱部と、前記第１の伝熱部と熱交換する第２の伝熱部とを備え、前記曲げ部は、互いに直交する方向のうち一方向の流路幅が他方向の流路幅以上の寸法を有し、且つ、前記一方向に沿って対向する伝熱管の管壁部が曲げ部の外側と内側に位置するように構成され、前記外側に位置する管壁部の外側に前記第２の伝熱部が配置されることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ式給湯機に関する。

従来、高温の流体を流通させる高温流路と、低温の流体を流通させる低温流路を共にらせん構造とし、高温流路と低温流路を交互に積層した熱交換器が提案されている（特許文献１参照）。また、給湯用熱交換器、膨張弁、蒸発器、圧縮機を冷媒配管で順次接続して構成されるヒートポンプ式給湯機において、らせん状の低温流路の外周に高温流路を巻きつけたものが提案されている（特許文献２参照）。

特開２００６−１２５７５６号公報 特開２００９−１３３５３０号公報

ところで、らせん状の流路で構成される熱交換器では、流路外側の流速が内側に比べて速くなるため、流路外周面の熱伝達率が他の面に比べて最も高くなる。しかしながら、特許文献１は流路の上下面で熱交換を行うものであって流路外周面を用いておらず、らせん状の熱交換器が本来発揮し得る性能を十分に引き出せない。

また特許文献２の従来技術では、低温流路の外側に高温流路を巻きつけることで、らせん構造の利点である内側流路の外周面の熱伝達率の高さを活用することでき得る。しかし低温流体が流通する内側流路は、らせん径方向の流路幅に比べてらせん高さ方向の流路幅が長くなっており、流路内の２次流れによる伝熱促進効果が充分ではない。

そこで本発明は、流路断面内の２次流れを促進し、且つ熱伝達率が特に高い部分を熱交換に用いることで、熱交換効率を向上させることができる熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ式給湯機を提供することを目的とする。

本発明は、伝熱管を曲げて形成された曲げ部を有する第１の伝熱部と、前記第１の伝熱部と熱交換する第２の伝熱部とを備え、前記曲げ部は、互いに直交する方向のうち一方向の流路幅が他方向の流路幅以上の寸法を有し、且つ、前記一方向に沿って対向する伝熱管の管壁部が曲げ部の外側と内側に位置するように構成され、前記外側に位置する管壁部の外側に前記第２の伝熱部が配置されることを特徴とする。

本発明によれば、流路断面内の２次流れを促進し、且つ熱伝達率が特に高い部分を熱交換に用いることで、熱交換効率を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るヒートポンプ式給湯機のシステム図である。 実施例１に係る熱交換器の斜視図である。 実施例１に係る熱交換器の部分断面図である。 実施例１に係る熱交換器の部分断面拡大図である。 実施例１に係るらせん構造内の流速分布の模式図である。 実施例１に係る内側流路断面内の２次流れの模式図である。 実施例１に係る内側流路のアスペクト比に対するＤｅａｎ数、流量、交換熱量の関係を示すグラフである。 実施例２に係る熱交換器の部分断面図である。 実施例３に係る熱交換器の部分断面図である。 実施例３に係る内側流路のアスペクト比に対するＤｅａｎ数、流量、交換熱量の関係を示すグラフである。 実施例４に係る熱交換器の部分断面図である。 実施例５に係る熱交換器の部分断面図である。

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。

図１に本実施形態に係る熱交換器１０を搭載したヒートポンプ式給湯機の構成を示す。熱交換器１０の第２の伝熱部２の一端は膨張弁１３の入口側へと、膨張弁１３の出口側は蒸発器１２の入口側へと、蒸発器１２の出口側は圧縮機１１の吸込側へと、そして圧縮機１１の吐出側は熱交換器１０の第２の伝熱部２のもう一端へと接続されている。

本実施形態のヒートポンプ式給湯機の動作を説明する。ヒートポンプサイクルに封入された冷媒１４は圧縮機１１で圧縮されて高温・高圧状態になり、熱交換器１０の第２の伝熱部２へと流入する。熱交換器１０へと流入した冷媒１４は第１の伝熱部１を流通する水１５に熱を伝え、冷媒１４自身は熱を失って熱交換器１０から流出する。熱交換器１０から流出した冷媒１４は膨張弁１３を通過することで減圧し、蒸発器１２にて外気から熱が加えられた後、再度圧縮機１１へと流入する。なお、熱交換器１０の第１の伝熱部１内の水１５は、冷媒１４と対向する方向に流通している。

次に、実施例１について図２〜図７に従って説明する。熱交換器１０は、図２に示すような外観を有する。そして、図３、図４に示すように、熱交換器１０は、伝熱管Ｔを曲げて形成された曲げ部Ｒを有する第１の伝熱部１と、前記第１の伝熱部１と熱交換する第２の伝熱部２とを備える。本実施例では、伝熱管Ｔが全体的に曲げられており、第１の伝熱部１の全体に亘り流れ方向に沿って曲げ部が連続した状態となっている。前記曲げ部Ｒは、互いに直交する方向のうち一方向の流路幅Ｗが他方向の流路幅Ｈ以上の寸法を有し、且つ、前記一方向に沿って対向する伝熱管Ｔの管壁部４、５が曲げ部Ｒの外側と内側に位置するように構成されている。そして、外側に位置する管壁部４の外側に、第２の伝熱部２が配置されている。

また、第１の伝熱部１は、曲げ部Ｒが複数隣接して配置され、複数隣接して配置される各曲げ部Ｒの前記外側に位置する管壁部４によって外側伝熱領域Ａが構成されている。そして、前記外側伝熱領域Ａに前記第２の伝熱部２が配置されている。

具体的に説明すると、前記第１の伝熱部１は、らせん状に巻かれた伝熱管Ｔによって構成される。伝熱管Ｔをらせん状に巻くと、流れ方向に沿って曲げ部Ｒが連続する状態となると同時に、各層の同じ周方向位置にある曲げ部Ｒが高さ方向に沿って隣接する状態となる。即ち、第１の伝熱部１は、伝熱管をらせん状に巻くことで筒状となり、その外周面が外側伝熱領域Ａとなる。

なお、本実施例では、流路幅Ｗを与える前記一方向をらせんの径方向とし、流路幅Ｈを与える前記他方向をらせんの高さ方向としているが、流路幅を決定する方向は、これに限定されず、任意の採り方が可能である。例えば、らせんの径方向と前記一方向又は高さ方向と他方向が一致しているか、傾斜しているかを問わない。

また、この熱交換器１０は、らせん状の第１の伝熱部１外周に、第２の伝熱部２をらせん状に巻きつけた構造となっている。従って、第１の伝熱部１の流路を内側流路、第２の伝熱部２の流路を外側流路と呼ぶことができる。第２の伝熱部２の伝熱管は第１の伝熱部１の隣接する２ピッチ分の伝熱管と接触している。即ち、第２の伝熱部２の伝熱管は第１の伝熱部１の２ピッチ分の伝熱管の間に配置されている。第１の伝熱部１の断面は矩形状に形成されている。このようにすれば、熱伝導距離を短くすることができ、伝熱効率を向上させることができる。

らせん径方向の流路幅Ｗと高さ方向の流路幅Ｈは、２次流れの強さに関係する要素である。図３、図４では、らせん径方向の流路幅Ｗは高さ方向の流路幅Ｈの１.２５倍となっている。また、第１の伝熱部１と接触する第２の伝熱部２の断面形状は円形である。なお、図３、図４では、流路幅Ｗ及び流路幅Ｈの寸法を流路断面の中心点を通る位置で採っているが、流路幅Ｗ及び流路幅Ｈの寸法は、必ずしも流路断面の中心点３を通る位置で採る必要はない。

図５にらせん状流路内の流速分布を示す。らせん状流路のように旋回する流れ場では、内周側の流速に比べて外周側の流速が速くなるため、流速の高い外周側では内周側に比べて速度勾配および温度勾配が大きくなる。従って、らせん流路の外周面は内周面に比べて熱伝達率が高くなる。

図６に第１の伝熱部１の断面内の流れを示す。図５に示したような旋回する流れ場では、運動量保存の法則に従ってらせんの外周側の静圧が内周側の静圧に比べて低くなる。これにより図６に示すような、流路断面の中央部を通過して内周側から外周側へ向かう流れと、流路壁面に沿った外周側から内周側へと向かう流れで構成される渦状の２次流れが発生する。

流路断面内の２次流れによる伝熱促進効果の強さは下記に示すＤｅａｎ数に依存する。

ここで、Ｒｅは流路内のレイノルズ数、Ｗは流路断面のらせん径方向の流路幅、Ｄ_SPはらせん巻き径である。なお、レイノルズ数は下記のように定義される。

ここで、Ｕは第１の伝熱部１の伝熱管内の平均流速、Ｄ_hは水力直径（＝４×流路断面積／周長さ）、νは動粘度である。また、矩形断面の水力直径はＤ_h＝２ＷＨ／（Ｗ＋Ｈ）で表される。

式（１）からわかる通り、Ｄｅａｎ数は流路のらせん径方向の流路幅Ｗが大きいほど高くなる。ただし、同一の材料使用量で考えた場合、らせん径方向の流路幅Ｗを大きくすると、その分らせんの高さ方向の流路幅Ｈが小さくなるため、流路内に水を流すポンプの消費電力が増加し、熱交換器全体としてみた場合に性能が低下してしまう可能性がある。

上記に鑑み、流路内の圧力損失を保つ観点から流速Ｕを一定、材料使用量一定の観点かららせん巻き径Ｄ_SPおよび流路断面の内周Ｌ＝２（Ｗ＋Ｈ）を一定とした場合について考える。らせん径方向の流路幅Ｗとらせん高さ方向の流路幅Ｈを用いて流路のアスペクト比をＣ＝Ｗ／Ｈと定義すると、流量ＱとＤｅａｎ数は下記の式で表される。

式（３）と（４）をグラフ化したものを図７に示す。横軸は流路断面のアスペクト比、縦軸は流量、Ｄｅａｎ数、交換熱量のそれぞれの最大値に対する比率である。

流量はアスペクト比が１.０の場合に最大化し、Ｄｅａｎ数はアスペクト比が１.５の場合に最大化する。交換熱量は流量と熱伝達率の積であり、さらに熱伝達率はＤｅａｎ数に依存することから、流量とＤｅａｎ数の積は交換熱量に相当する。したがって図７から矩形断面について交換熱量が最大化するアスペクト比は１.２５となることがわかる。本実施例ではこれに基づいて、らせん径方向の流路幅Ｗを高さ方向の流路幅Ｈの１.２５倍としたが、流量が最大化するアスペクト比１.０からＤｅａｎ数が最大化するアスペクト比１.５の範囲であれば十分に性能向上を図ることができる。

次に、熱交換器１０の製造方法について説明する。熱交換器１０は、まず円管を矩形状に成形した後にらせん状に巻くことで第１の伝熱部１を形成し、その外周に円管を巻きつけて第２の伝熱部２を形成し、最後に第１の伝熱部１と第２の伝熱部２の伝熱管の接触部をろう材によって接合することで容易に成形できる。

以上のように、本実施例に係る熱交換器１０は、従来のものに比べて一定の交換熱量を得るために必要な流路長さを短縮することができる。

なお、本実施例では第１の伝熱部１を流通する流体を水とし、第２の伝熱部２を流通する流体を冷媒としたが、本実施例の構造は、流体の種類にかかわらず適用可能である。

本実施例の熱交換器によれば、流路断面内の２次流れを促進し、且つ熱伝達率が特に高い部分を熱交換に用いることで、熱交換効率を向上させることができる。即ち、本実施例の熱交換器によれば、互いに直交する方向の流路幅のうち大きい方の流路幅で対向する伝熱管の管壁部が曲げ部の外側と内側に位置するように構成することで、流路断面内の２次流れを促進することができ、さらに、熱伝達率が特に高い部分である曲げ部の外側に位置する管壁部の外面に第２の伝熱部を配置させることで、熱交換器の性能を十分に活用することができ、熱伝達率を向上させることが可能となる。従って、一定量の交換熱量を得るために必要な流路長さを短縮することが可能となる。

次に、実施例２について図８に従って説明する。なお、他の実施例と共通する構成については説明を省略する。実施例２は実施例１と異なり、第２の伝熱部２の伝熱管を第１の伝熱部１の１ピッチ分の伝熱管と接触させたものになっている。

ここで、伝熱管をらせん状に形成した場合、流体の温度は厳密には伝熱管の段ごとに異なるため、一方の伝熱部の伝熱管が他方の伝熱部の伝熱管と複数の段に跨って接触すると、段ごとの流体温度が平均化されてしまい、使用方法によっては熱交換効率が低下する場合もあり得る。この点、実施例２の構造とすれば、第１の伝熱部１の伝熱管と第２の伝熱部２の伝熱管とを１ピッチのみで接触するため、熱交換効率の低下を防ぐことが可能となる。

次に、実施例３について図９、図１０に従って説明する。なお、他の実施例と共通する構成については説明を省略する。図９に示すとおり本実施例は第１の伝熱部１に断面が円形状の伝熱管を採用した構造である。なお、第１の伝熱部１のアスペクト比が１.０の場合は伝熱管は円管となり、それ以外の場合は楕円管となる。

本実施例のアスペクト比に対する流量およびＤｅａｎ数の関係を図１０に示す。横軸は流路断面のアスペクト比、縦軸はそれぞれの項目の最大値に対する比率である。流量は断面が円形状の場合に最大化し、Ｄｅａｎ数はらせん径方向の内径４が高さ方向の内径５の１.３１倍の場合に最大化する。従ってアスペクト比を１.０〜１.３１の範囲とすれば効率よく交換熱量を得ることができ、特にアスペクト比が１.１５の場合に最大の効果が得られる。

本実施例のような断面円形状の伝熱管を用いた場合、Ｄｅａｎ数、流量の絶対値は種々の断面に対して最も高い値となる。したがって、実施例１や２よりもさらに高い性能を得ることが可能である。

次に、実施例４について図１１に従って説明する。なお、他の実施例と共通する構成については説明を省略する。本実施例の熱交換器１０は、第２の伝熱部２が伝熱管によって構成されるものではなく、第１の伝熱部１の外側に、らせんの高さ方向に沿って流れる流路が形成されている。このようにすれば、第１の伝熱部１と第２の伝熱部２とが熱交換する領域を大きく確保することができる。なお、第２の伝熱部２は、第１の伝熱部１の外周面との間に流路を形成するものであってもよく、内側管と外側管を有する二重管構造を有し、内側管の径方向内側に第１の伝熱部１が配置されるものであっても良い。

次に、実施例５について図１２に従って説明する。なお、他の実施例と共通する構成については説明を省略する。本実施例の熱交換器１０は、第２の伝熱部２が第１の伝熱部１の外側においてらせんの高さ方向に沿って配置される伝熱管によって構成される。このようにすれば、第２の伝熱部２の伝熱管をらせん状に巻く手間がかからず、熱交換効率の良い熱交換器を容易に作成することができる。

なお、本発明に係る熱交換器は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、上記実施形態では第１の伝熱部１および第２の伝熱部２として円形状または矩形状の断面形状を有する流路を想定しているが、これらを組み合わせたような一部に曲率を持つ断面形状であってもよい。例えば、円弧状部分と直線状部分とが連続した外周形状（いわゆるトラック形状）を有するものであってもよい。また、流路内面は平滑であることを想定しているが、内面に連続的または間欠的な溝や突起を設けた構造であってもよい。さらに、らせん巻き径Ｄ_SPがらせん構造の積層方向に変化してテーパ状に形成されたものであってもよい。

例えば、上記実施形態では、第１の伝熱部１がらせん状に巻かれるものを例に説明したが、第１の伝熱部は、伝熱管を曲げて形成された曲げ部を有するものであればその形状は特に限定されるものではない。例えば、第１の伝熱部１の全体ではなく一部に曲げ部が設けられ、他部は直線部などの他の形状で構成される構造が考えられる。このような構造であっても、曲げ部の外側に位置する管壁部と前記第２の伝熱部との間の熱交換効率を向上させることができるで効果を奏する。また、第１の伝熱部１の構造に関する他の例としては、例えば、曲げ部の外側又は内側が交互に入れ替わるように蛇行する形状であってもよい。

１ 第１の伝熱部
２ 第２の伝熱部
３ 中心点
４、５ 管壁部
１０ 熱交換器
１１ 圧縮機
１２ 蒸発器
１３ 膨張弁
１４ 冷媒
１５ 水
Ａ 外側伝熱領域
Ｄ_SP らせん巻き径
Ｈ、Ｗ 流路幅
Ｒ 曲げ部
Ｔ 伝熱管

Claims (10)

1. 伝熱管を曲げて形成された曲げ部を有する第１の伝熱部と、
   前記第１の伝熱部と熱交換する第２の伝熱部とを備え、
   前記曲げ部は、互いに直交する方向のうち一方向の流路幅が他方向の流路幅以上の寸法を有し、且つ、前記一方向に沿って対向する伝熱管の管壁部が曲げ部の外側と内側に位置するように構成され、
   前記外側に位置する管壁部の外側に前記第２の伝熱部が配置されることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記第１の伝熱部は、前記曲げ部が複数隣接して配置され、複数隣接して配置される各曲げ部の前記外側に位置する管壁部によって外側伝熱領域が構成され、
   前記外側伝熱領域に前記第２の伝熱部が配置されることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記第１の伝熱部は、らせん状に巻かれた伝熱管によって構成されることを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記第１の伝熱部の曲げ部は、前記一方向の流路幅（Ｗ）と他方向の流路幅（Ｈ）とのアスペクト比（Ｗ／Ｈ）が、レイノルズ数Ｒｅと、伝熱管のらせん巻き径（Ｄ_SP）を用いて表されるＤｅａｎ数
   が最大となる値よりも小さく設定されることを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記第１の伝熱部の曲げ部は、断面が矩形状に形成され、
   前記一方向の流路幅は、前記他方向の流路幅の１.０倍から１.５倍の寸法に設定されることを特徴とする熱交換器。
6. 請求項５に記載の熱交換器において、
   前記一方向の流路幅は、前記他方向の流路幅の１.２５倍の寸法に設定されることを特徴とする熱交換器。
7. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記第１の伝熱部の曲げ部は、断面が円形状に形成され、
   前記一方向の流路幅は、前記他方向の流路幅の１.０倍から１.３１倍の寸法に設定されることを特徴とする熱交換器。
8. 請求項７に記載の熱交換器において、
   前記一方向の流路幅は、前記他方向の流路幅の１.１５倍の寸法に設定されることを特徴とする熱交換器。
9. 請求項２に記載の熱交換器において、
   前記第２の伝熱部は、らせん状に巻かれた伝熱管によって構成され、前記第１の伝熱部の曲げ部の外周側に接触させて配置されることを特徴とする熱交換器。
10. 請求項１に記載の熱交換器と、前記熱交換器に流入する冷媒を圧縮する圧縮機と、前記熱交換器から排出された前記冷媒を膨張させる膨張機構と、前記膨張機構から排出された前記冷媒と外気とを熱交換させる蒸発器とを備え、
    前記熱交換器の第１の伝熱部に水を流通させ、第２の伝熱部に冷媒を流通させることを特徴とするヒートポンプ式給湯機。