JP2016205764A - Heat exchanger and heat pump water heater using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流体間で熱交換を行う熱交換器に関するものである。 The present invention relates to a heat exchanger that performs heat exchange between fluids.
従来、この種の熱交換器は、内部に水用流路を形成し、略円筒形状に螺旋巻きされて形成した水管と、略円筒形状に形成された水管の外周に所定のピッチで螺旋巻きされ、内部に冷媒用流路を形成した冷媒管とから構成され、冷媒管と水媒管が密着することにより冷媒と水を熱交換するものが知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, this type of heat exchanger has a water flow path formed therein, spirally wound in a substantially cylindrical shape, and spirally wound at a predetermined pitch around the outer periphery of the substantially cylindrical water tube. And a refrigerant pipe having a refrigerant flow path formed therein, and heat exchange is performed between the refrigerant and water by closely contacting the refrigerant pipe and the water medium pipe (see, for example, Patent Document 1). .
図4は、特許文献1に記載された従来の熱交換器を示すもので、同熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図である。
FIG. 4 shows a conventional heat exchanger described in
熱交換器101は、略円筒形状に螺旋巻きされた水管102と、水管102の外周に所定のピッチで略円筒形状に螺旋巻きされた冷媒管103とから成っている。冷媒管103は水管102の略全長にわたり接合され、水管102の内部を流れる水の流れの方向と冷媒管103の内部を流れる冷媒の流れの方向が対向している。
The
また、水管102の内周面には、複数の溝104と、複数の溝104の間に位置する複数のフィン105を設けて、水と熱交換する伝熱面積の拡大を図ることで、熱交換器101の熱交換効率の向上を図っている。
In addition, a plurality of
しかしながら、前記従来における構成では、略円筒形状に巻かれた水管102の外周面は冷媒管103と接触しているため、冷媒の熱を水に伝え易くなる一方で、水管102の内周面は、冷媒管103と接触していないため、冷媒からの熱が伝わり難くなっている。
However, in the conventional configuration, since the outer peripheral surface of the
それゆえ、水管102の管内に複数のフィン105を設けても、略円筒形状に巻かれた水管102の内周面では、冷媒から水への伝熱促進がさほど成されず、複数のフィン105による水の圧力損失だけが増大することとなる。
Therefore, even if the plurality of
このため、水管102に内面溝付き管を適用して、コストや材料を投入して熱交換器101の単体の熱交換効率を向上させても、熱交換器101へ水を搬送するために機器に搭載された水搬送ポンプの動力が必要以上に増加してしまうので、機器全体のエネルギー効率の上昇が期待できないという課題を有していた。
For this reason, even if the inner grooved pipe is applied to the
本発明は前記従来の課題を解決するもので、水の圧力損失の増加を抑制でき、搭載する機器全体のエネルギー効率を向上させる熱交換器を提供することを目的とする。 This invention solves the said conventional subject, and it aims at providing the heat exchanger which can suppress the increase in the pressure loss of water and improves the energy efficiency of the whole mounted apparatus.
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第1流体が流れる内管と、前記内管に挿入される挿入体と、前記内管の外周に設けられ、第2流体が流れる少なくとも1本以上の外管とを備え、前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突
部とを含み、前記第1流体は、前記内管の内面と前記軸部と前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を流れるとともに、前記内管の内面に螺旋溝を設けたことを特徴とするものである。
In order to solve the conventional problem, a heat exchanger according to the present invention is provided with an inner pipe through which a first fluid flows, an insert inserted into the inner pipe, an outer periphery of the inner pipe, and a second fluid. At least one outer tube through which the fluid flows, and the insert includes a shaft portion and a spiral protrusion formed on the outer surface of the shaft portion, and the first fluid is an inner surface of the inner tube. And a spiral groove formed on the inner surface of the inner tube, while flowing through a spiral flow path formed by the shaft portion and the spiral protrusion.
これにより、内面に螺旋溝を有しかつ外管に直接接触している内管と、外管と接触していない挿入体との2部品で、水が流れる螺旋状流路を構成するので、旋回流と二次流れによる水の伝熱促進効果を維持したまま、伝熱に直接寄与する内管のみ管内の伝熱面積拡大を図ることができるため、熱の移動を伴わない挿入体での水の圧力損失を抑えつつ、螺旋溝による伝熱促進を図ることができる。 As a result, a spiral flow path through which water flows is constituted by two parts of an inner tube having a spiral groove on the inner surface and in direct contact with the outer tube and an insert not in contact with the outer tube. Only the inner pipe that directly contributes to heat transfer can be expanded while maintaining the heat transfer promotion effect of the swirl flow and secondary flow. While suppressing the pressure loss of water, the heat transfer can be promoted by the spiral groove.
本発明によれば、水の圧力損失の増加を抑制でき、搭載する機器全体のエネルギー効率を向上させる熱交換器を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the increase in the pressure loss of water can be suppressed and the heat exchanger which improves the energy efficiency of the whole mounted apparatus can be provided.
第1の発明は、第1流体が流れる内管と、前記内管に挿入される挿入体と、前記内管の外周に設けられ、第2流体が流れる少なくとも1本以上の外管とを備え、前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突部とを含み、前記第1流体は、前記内管の内面と前記軸部と前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を流れるとともに、前記内管の内面に螺旋溝を設けたことを特徴とする熱交換器である。 The first invention includes an inner tube through which the first fluid flows, an insert inserted into the inner tube, and at least one or more outer tubes provided on the outer periphery of the inner tube through which the second fluid flows. The insert includes a shaft portion and a spiral protrusion formed on the outer surface of the shaft portion, and the first fluid is formed by the inner surface of the inner tube, the shaft portion, and the spiral protrusion. The heat exchanger is characterized in that a spiral groove is provided on the inner surface of the inner tube while flowing through the formed spiral channel.
これにより、内面に螺旋溝を有しかつ外管に直接接触している内管と、外管と接触していない挿入体との2部品で、水が流れる螺旋状流路を構成するので、旋回流と二次流れによる水の伝熱促進効果を維持したまま、伝熱に直接寄与する内管のみ管内の伝熱面積拡大を図ることができるため、熱の移動を伴わない挿入体での水の圧力損失を抑えつつ、螺旋溝による伝熱促進を図ることができる。 As a result, a spiral flow path through which water flows is constituted by two parts of an inner tube having a spiral groove on the inner surface and in direct contact with the outer tube and an insert not in contact with the outer tube. Only the inner pipe that directly contributes to heat transfer can be expanded while maintaining the heat transfer promotion effect of the swirl flow and secondary flow. While suppressing the pressure loss of water, the heat transfer can be promoted by the spiral groove.
第2の発明は、特に第1の発明において、螺旋状突部の螺旋方向と、螺旋溝との螺旋方向とは、同一方向であることを特徴とする熱交換器である。 The second invention is a heat exchanger characterized in that, in the first invention in particular, the spiral direction of the spiral protrusion and the spiral direction of the spiral groove are the same direction.
これにより、螺旋状突部の先端面と螺旋溝との間に生じる隙間を小さくすることができるため、挿入体と内管の内面との隙間を極力小さくすることができ、伝熱に寄与しない水の内管の軸方向への流れを少なくすることができ、熱交換効率を高めることができる。 Thereby, since the clearance gap produced between the front end surface of a spiral protrusion and a spiral groove can be made small, the clearance gap between an insertion body and the inner surface of an inner tube can be made as small as possible, and it does not contribute to heat transfer. The flow of water in the axial direction of the inner pipe can be reduced, and the heat exchange efficiency can be increased.
第3の発明は、特に第1または第2の発明において、螺旋状突部の先端面が、一部の螺旋溝の開口部を覆う構成としたことを特徴とする熱交換器である。 The third invention is a heat exchanger characterized in that, in particular, in the first or second invention, the tip surface of the spiral projection covers the opening of a part of the spiral groove.
これにより、挿入体と内管の内面との隙間を極力小さくすることができるため、伝熱に寄与しない水の内管の軸方向への流れを少なくすることができ、熱交換効率を高めることができる。 As a result, the gap between the insert and the inner surface of the inner tube can be made as small as possible, so the flow of water in the axial direction of the inner tube that does not contribute to heat transfer can be reduced, and the heat exchange efficiency can be increased. Can do.
第4の発明は、前記第1〜第3のいずれかの発明の熱交換器を搭載したヒートポンプ給
湯機で、ヒートポンプ給湯機のエネルギー効率を向上させることができる。
A fourth invention is a heat pump water heater equipped with the heat exchanger according to any one of the first to third inventions, and can improve the energy efficiency of the heat pump water heater.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the embodiments.
(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た概略図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic view in which a part of the heat exchanger according to
図2(a)は、熱交換器の、螺旋状突部6の螺旋方向と螺旋溝8との螺旋方向とが反対方向である場合の断面図である。
FIG. 2A is a cross-sectional view of the heat exchanger when the spiral direction of the
また、図2(b)は、本発明の実施の形態1における熱交換器の、螺旋状突部6の螺旋方向と螺旋溝8との螺旋方向とが同一方向である場合の熱交換器の断面図である。
Moreover, FIG.2 (b) is a heat exchanger in the heat exchanger in
図3は、挿入体3の螺旋状突部6の先端に形成した突起10が、内管2の螺旋溝8に勘合するような形状となっている構成を示す熱交換器の断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the heat exchanger showing a configuration in which the
以下、各図面に基づいて、本発明の実施の形態1における熱交換器について説明する。
Hereinafter, based on each drawing, the heat exchanger in
図1において、熱交換器1は、内部を第1流体である水が流れる内管2と、内管2の内部に挿入された挿入体3と、内部を第2流体である冷媒(例えば、二酸化炭素)が流れ、かつ、内管2の外周に密着する少なくとも1本以上の外管4とからなり、水と冷媒とを対向に流して熱交換するものであり、ヒートポンプ式給湯機(図示なし)に搭載されている。
In FIG. 1, a
挿入体3は、軸部5と軸部5の外周に螺旋状に設けた螺旋状突部6から形成され、内管2との間に配置することにより、内管2の内面と軸部5の外面と隣接する螺旋状突部6とで形成される環状でかつ螺旋状の螺旋状流路7を形成している。
The
内管2の内面には、複数の螺旋溝8と、その螺旋溝8を形成する複数の立壁9が設けられており、水と熱交換する伝熱面積の拡大を図っている。
A plurality of
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。 The operation of the heat exchanger configured as described above will be described below.
熱交換器1は、外管4の内部を流れる高温の冷媒と、内管2と挿入体3の間に配置された螺旋状流路7を流れる低温の水を対向に流して熱交換することで、ヒートポンプ式給湯機に搭載した場合には、給湯用のお湯を生成する。
The
ここで、螺旋状に設けた螺旋状突部6に沿って螺旋状流路7を水が流れるので、螺旋による旋回流と、水の矩形流路断面化による二次流れ効果により、ヒートポンプ給湯機のように水の流速が遅い場合においても、熱交換効率を向上できる。
Here, since the water flows through the
また、内面に螺旋溝8を有し、かつ、外管4と密着する内管2と、外面に螺旋溝8を設けておらず、かつ、外管4と密着していない挿入体3とで水が流れる螺旋状流路7を形成するので、螺旋状流路7の旋回流と二次流れによる水の伝熱促進効果を維持したまま、伝熱に直接寄与する内管2の管内のみ伝熱面積を拡大することができる。
Further, the
このため、熱の移動を伴わない挿入体3での水の圧力損失増加を抑えたままで、螺旋溝8による水の伝熱促進を図ることができる。
For this reason, the heat transfer promotion of the water by the
以上のように、本発明の螺旋状流路7において、伝熱に寄与する部分のみ螺旋溝8を設けることが可能となるので、熱交換効率を向上させると同時に、水の圧力損失増加を抑制できる。
As described above, in the
このため、ヒートポンプ給湯機においては、水搬送ポンプ動力の上昇を抑えることが可能になるので、ヒートポンプ給湯機全体のエネルギー効率を向上させることができる。 For this reason, in a heat pump water heater, since it becomes possible to suppress a raise of water conveyance pump power, the energy efficiency of the whole heat pump water heater can be improved.
一方、図2(a)に示すように、挿入体3の螺旋状突部6の螺旋方向が、時計回りの方向であり、内管2の内面に設けた複数の螺旋溝8、すなわち、螺旋溝8を形成する隣接する複数の立壁9の螺旋方向が反時計回りである場合、両者の螺旋方向が異なるので、水が、螺旋状突部6と螺旋溝8の間を通過する水流が生じ、挿入体3の螺旋状突部6に沿った水の螺旋状の流れが弱くなり、旋回流による伝熱促進効果が小さくなる。
On the other hand, as shown in FIG. 2 (a), the spiral direction of the
そこで、図2(b)に示すように、挿入体3の螺旋状突部6の螺旋方向と、内管2の内面に設けた複数の螺旋溝8、すなわち、螺旋溝8を形成する隣接する複数の立壁9の螺旋方向を同じ(例えば、共に時計回り)にすることにより、螺旋状突部6と螺旋溝8の間を通過する水の流れを少なくすることができ、旋回流による伝熱促進効果を、前記図2(a)の場合より向上できる。
Therefore, as shown in FIG. 2B, the spiral direction of the
なお、螺旋状突部6の幅Sが螺旋溝8のピッチPよりも大きいと更に、螺旋状突部6を横切る水の流れを少なくすることができるので好ましい。
Note that it is preferable that the width S of the
また、図3のように、挿入体3の螺旋状突部6の先端面が、一部の螺旋溝8の開口部を覆うように、挿入体3の螺旋状突部6の先端に形成した突起10を、螺旋溝8に勘合させることで、螺旋状突部6と螺旋溝8との隙間を極力小さくすることができ、旋回流による伝熱促進効果を維持できる。
Further, as shown in FIG. 3, the tip surface of the
また、螺旋溝8を形成する立壁9の高さを、立壁9の根元幅よりも小さくすることで、挿入体3の外径寸法を大きくすることができる。このため、水の螺旋状流路7の旋回流効果を助長でき、伝熱促進し易くできる効果がある。
Moreover, the outer diameter dimension of the
尚、本発明の実施の形態1では、外管4の本数を1本としているが、それ以上の本数にしても同様の作用効果を期待できる。
In the first embodiment of the present invention, the number of
また、本発明の実施の形態1では、外管4を流れる冷媒の例えとして、二酸化炭素としたが、ハイドロカーボン系やHFC系(R410A、R32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。
In
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、コンパクトで経済性に優れ、品質性能および熱交換性能の高い熱交換器を提供できるので、流体間で熱交換を行う熱交換器を搭載した機器に適用できる。 As described above, the heat exchanger according to the present invention is compact and economical, and can provide a heat exchanger with high quality performance and heat exchange performance. Therefore, a heat exchanger that performs heat exchange between fluids is mounted. Applicable to equipment.
1 熱交換器
2 内管
3 挿入体
4 外管
5 軸部
6 螺旋状突部
7 螺旋状流路
8 螺旋溝
9 立壁
10 突起
S 螺旋状突部の幅
P 螺旋溝のピッチ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記内管に挿入される挿入体と、
前記内管の外周に設けられ、第2流体が流れる少なくとも1本以上の外管と、
を備え、
前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突部とを含み、
前記第1流体は、前記内管の内面と前記軸部と前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を流れるとともに、
前記内管の内面に螺旋溝を設けたことを特徴とする熱交換器。 An inner pipe through which the first fluid flows;
An insert inserted into the inner tube;
At least one outer tube provided on the outer periphery of the inner tube and through which the second fluid flows;
With
The insert includes a shaft portion and a spiral protrusion formed on the outer surface of the shaft portion,
The first fluid flows through a spiral flow path formed by the inner surface of the inner tube, the shaft portion, and the spiral protrusion,
A heat exchanger characterized in that a spiral groove is provided on the inner surface of the inner tube.
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