JP2013213599A

JP2013213599A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2013213599A
Application number: JP2012083589A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Machida; 和彦町田; Takahiro Oshiro; 崇裕大城; Osamu Aoyanagi; 治青柳; Tomoaki Ando; 智朗安藤; Akihiro Shigeta; 明広重田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-17

Abstract

【課題】熱交換性能に優れた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、前記第１の管の内部に複数配設され、内部を流体Ｂが流れる第２の管５とを備え、前記複数の第２の管は互いにらせん状にねじり合った状態で前記第１の管内に配設され、前記第２の管の内面に、前記らせん状の旋回方向とは逆方向に旋回するように形成される多数の溝６を設けたことにより、流体Ｂの流れを旋回流にして、さらに、溝６により温度境界層の形成を阻害するので、熱伝達性能を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、空気調和機やヒートポンプ給湯機に用いられる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、ヒートポンプ式給湯機用として、冷媒として二酸化炭素を用い、冷媒と水との間で熱交換を行うことで、水に二酸化炭素の熱が伝達されて水が湯となって貯湯タンクに貯湯される。そして、熱交換器を構成する伝熱管には、伝熱面積が大きい内面溝付管を適用して高性能化を図るものが種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の熱交換器の内部構造を示すものである。図６に示すように、この熱交換器は二重管式であり、内部を水が流れる外管１０３と、外管１０３内に配設され、内部を二酸化炭素が流れる２本の内管１０５を主体に構成されている。内管１０５の内表面には、所定の深さで該内管１０５の軸方向Ｌ２に延びる複数の溝１０６が設けられている。また、内管１０５は、図６に示すように互いにらせん状にねじり合わされ、らせんの中心は外管１０３の軸心Ｌ１とほぼ同軸となるように外管１０３に内包されている。これにより、外管１０３内において、水は内管１０５の間を流れる旋回流となり、この旋回流によって温度境界層の形成を防ぎ、伝熱性能を向上させている。

特開２０１０−３８４２９号公報

しかしながら、上記従来の構成では、外管と内管の間を流れる流体の流れを旋回流とし、乱流促進を図ることができるが、内管の内部を流れる冷媒の乱流促進を十分に図ることができな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、二重管式の熱交換器において、冷媒の乱流促進効果を向上させた伝熱性能に優れた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、内部を流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管の内部に複数配設され、内部を流体Ｂが流れる第２の管とを備え、前記複数の第２の管は互いにらせん状にねじり合った状態で前記第１の管内に配設され、前記第２の管の内面に、前記らせん状の旋回方向とは逆方向に旋回するように形成される多数のらせん溝を設けたことを特徴とする。

これにより、第２の管内を流れる流体Ｂが旋回流となり、また、溝の旋回方向と複数の第２の管がねじられて形成されたらせん状の旋回方向が異なることで、流体Ｂの旋回流が溝に衝突して温度境界層の形成を阻害することができるので、伝熱性能を向上させることができる。

本発明は、流体の乱流化を促進させ、伝熱性能に優れた熱交換器を提供することができ
る。

本発明の実施の形態１における熱交換器概略図本発明の実施の形態１における熱交換器の管断面図本発明の実施の形態１における熱交換器の伝熱管内面の溝構造を示す概略図本発明の実施の形態２における熱交換器の伝熱管内面の溝構造を示す概略図本発明の実施の形態２におけるらせん角差と熱伝達率比の関係を示すグラフ従来の熱交換器における伝熱管内面溝構造を示す概略図

第１の発明は、内部を流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管の内部に複数配設され、内部を流体Ｂが流れる第２の管とを備え、前記複数の第２の管は互いにらせん状にねじり合った状態で前記第１の管内に配設され、前記第２の管の内面に、前記らせん状の旋回方向とは逆方向に旋回するように形成される多数の溝を設けたことを特徴とする。

これにより、流体Ｂの流れが複数の第２の管のねじりによる旋回流となり、また、複数の第２の管の旋回方向と溝の旋回方向が異なるので、流体Ｂが溝に衝突する方向の流れも誘起されて、流体の混合拡散による伝熱促進がなされるので、伝熱性能を向上させることができる。

第２の発明は、前記第１の管の軸線と前記第２の管の軸線にて形成される第１のらせん角と、前記第２の管の軸線と前記溝の方向にて形成される第２のらせん角との差が、６０度から１２０度であることを特徴とする。

これにより、流体Ｂの流れが、溝によってさらに拡散されるので、流体温度の伝熱促進が加速され、さらに伝熱性能を向上させることができる。

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本発明が限定されるものではない。

本発明の実施の形態においては、特に流体Ａを水とし、流体Ｂを二酸化炭素とした場合について説明する。

（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概略図、図２は本発明の実施の形態１における熱交換器の管断面図、図３は本発明の実施の形態１における熱交換器の伝熱管内面の溝構造を示す概略図である。

図１および図２に示すように、熱交換器１は二重管式であり、内部を水が流れる外管３と、外管（第１の管）３内に配設されており、内部を二酸化炭素が流れる２本の内管（第２の管）５を主体に構成されている。内管５は、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Ｌ１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との間を水が流動する。そしてその流れは、らせん状にねじり合わされた内管５に沿った旋回流となる。

そして、内管５の内表面には、所定の深さで内管５の軸方向Ｌ２に延びる複数の溝６が設けられている。

また、２本の内管５のらせん形状は軸心Ｌ１に対してＤ１方向に旋回する方向に形成されており、溝６のらせん方向Ｄ２は、互いにらせん状にねじり合わされた内管５のらせん方向Ｄ１とは逆方向に設けられている。

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。

互いに螺旋状にねじり合わされた２本の内管５の内部を流れる二酸化炭素は、らせん方向Ｄ１の旋回流となり混合拡散を促進させる。

そして、内面らせん溝６のらせん方向Ｄ２はらせん方向Ｄ１とは逆方向であることにより、二酸化炭素にはＤ１方向にらせん状に旋回しながら内管５内を流れつつ、複数の内面らせん溝６を乗り越える流れが誘起される。この時、二酸化炭素の流れが内面らせん溝６に衝突することとなるので、流体温度の混合拡散により温度境界層の形成を抑制して、効率の良い熱交換作用を実現することができる。

このように、本実施の形態１における熱交換器は、らせん方向Ｄ１に向かって互いにらせん状にねじり合わされた内管５と、内管５の内部に、らせん方向Ｄ１とは逆方向Ｄ２に向かって形成される溝６を配置することによって、旋回流に加えて溝６に衝突する流れを誘起することができるので、乱流促進により伝熱性能を向上させることができる。

なお、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、それ以上の本数としてもよい。

また、本発明の実施の形態１では、内管５を流れる流体Ｂ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できる。

（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内管の内部構造を示す概略図、図５は本発明の実施の形態２におけるらせん角差θ３と熱伝達率比α０の関係を示すグラフである。

ツイスト角θ１（第１のらせん角）は、ねじり合った複数の内管のらせん形状を定義する角度であり、外管３の軸線Ｌ１と内管５の軸線Ｌ２にて形成される。よって、そのらせんの中心軸は外管３の軸心Ｌ１と同軸である。内面らせん溝角θ２（第２のらせん角）は、内管５の内表面に設けられた所定深さの複数の内面らせん溝６のらせん形状を定義する角度であり、内管の軸線と溝６の方向にて形成される。よって、そのらせんの中心軸は内管５の軸心Ｌ２と同軸である。らせん角差θ３（らせん角差）は、ツイスト角θ１と内面らせん溝角θ２との角度差である。なお、ツイスト角θ１と内面らせん溝角θ２は、本実施の形態では反時計回りを正方向として説明する。

図３に示すように、内管５内を流れる二酸化炭素の流れは、反時計方向のツイスト角θ１（例えば、４０度）でらせん状に旋回しつつ、ツイスト角θ１とは反対方向の内面らせん溝角θ２（例えば、−３０度）を有する複数の内面らせん溝６を乗り越える流れが生じ、伝熱促進される。

図５にて、らせん角差θ３と熱伝達率比α０の関係を説明する。熱伝達率比α０は、内管５内を流れる二酸化炭素の伝熱促進の指標であり、内管５の管内熱伝達率を無次元化したものである。

熱伝達率比α０は、内面らせん溝６の管内側伝熱面積増加による熱伝達率向上効果αＡと、複数の内面らせん溝６を乗り越える流れによる二酸化炭素の撹乱による熱伝達率向上効果αＴとから成る。らせん角差θ３が小さすぎても、大きすぎても撹乱による熱伝達率向上効果αＴが小さくなり、らせん角差θ３には最適な領域が存在する。

図５に示すように、らせん角差θ３が、π／３ｒａｄ（６０度）から２／３ｒａｄ（１２０度）の範囲の時、熱伝達率向上効果αＡが大きくなり、熱伝達率比α０も大きくなる。

らせん角差θ３が、π／３ｒａｄ（６０度）から２／３ｒａｄ（１２０度）の範囲では、二酸化炭素が、内面らせん溝６に概ね正面から衝突する流れとなるので、乱流促進により、流体温度の伝熱促進効果が得られる。特に、らせん角差θ３がπ／２ｒａｄ（９０度）ならば、旋回流と溝６とが真正面から衝突するので、伝熱促進効果としては最も大きくなり好ましい。

このように、二酸化炭素の流れが内面らせん溝６の略直角方向から衝突する流れとなって拡散されることで、乱流促進をより効果的に図ることができ、伝熱性能を向上させることができる。

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、空気調和機や給湯機に代表されるヒートポンプ装置やヒートポンプによる乾燥機能を具備した洗濯乾燥機、また、燃料電池の熱交換用途にも適用できる。

１熱交換器
３外管（第１の管）
５内管（第２の管）
６溝

Claims

内部を流体Ａが流れる第１の管と、前記第１の管の内部に複数配設され、内部を流体Ｂが流れる第２の管とを備え、前記複数の第２の管は互いにらせん状にねじり合った状態で前記第１の管内に配設され、前記第２の管の内面に、前記らせん状の旋回方向とは逆方向に旋回するように形成される多数の溝を設けたことを特徴とする熱交換器。
前記第１の管の軸線と前記第２の管の軸線にて形成される第１のらせん角と、前記第２の管の軸線と前記溝の方向にて形成される第２のらせん角との差が、６０度から１２０度であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。