JP2017166797A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger.
特許文献1に開示された熱交換器は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第1流体配管と、この第1流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第2流体配管とを備える。第2流体配管は、第1流体配管の山谷底部に、はめ込まれている。 The heat exchanger disclosed in Patent Document 1 has a shape of a first fluid pipe in which a plurality of mountain valley bottom portions are continuously provided in a spiral shape on the outer circumference, and a mountain valley bottom portion on the outer periphery of the first fluid pipe. And a second fluid pipe wound spirally along. The second fluid pipe is fitted in the bottom of the first fluid pipe.
上記のような熱交換器は、例えば銅のような金属を主な材料として作られる。熱交換器の重量が重くなるほど、銅などの高価な金属材料が多く必要になり、製造コストが高くなる。製造コストが高くならないようにするために、重量当たりの伝熱性能を向上することが求められている。この観点において、従来の技術には改善の余地がある。 The heat exchanger as described above is made mainly of a metal such as copper. The heavier the heat exchanger, the more expensive metal material such as copper is required, and the manufacturing cost increases. In order not to increase the manufacturing cost, it is required to improve the heat transfer performance per weight. In this respect, there is room for improvement in the conventional technique.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、重量当たりの伝熱性能を向上できる熱交換器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a heat exchanger that can improve heat transfer performance per weight.
本発明の熱交換器は、並行する複数条のつるまき線状の溝部と、隣り合う溝部の間の尾根部とを外面に有する熱媒体管と、各々の溝部に沿って設置された冷媒管と、を備え、熱媒体管の中心から尾根部の頂きでの熱媒体管の管壁の厚さの中心までの距離が、熱媒体管の中心から冷媒管の中心までの距離より短いものである。 The heat exchanger of the present invention includes a heat medium pipe having a plurality of parallel spiral winding groove portions and a ridge portion between adjacent groove portions on the outer surface, and a refrigerant pipe installed along each groove portion. The distance from the center of the heat medium tube to the center of the thickness of the tube wall of the heat medium tube at the top of the ridge is shorter than the distance from the center of the heat medium tube to the center of the refrigerant tube. is there.
本発明の熱交換器によれば、重量当たりの伝熱性能を向上することが可能となる。 According to the heat exchanger of the present invention, heat transfer performance per weight can be improved.
以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。本開示は、以下の実施の形態で説明する構成のうち、組合わせ可能な構成のあらゆる組合わせを含み得る。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. Elements common to the drawings are denoted by the same reference numerals, and redundant description is simplified or omitted. The present disclosure may include any combination of configurations that can be combined among the configurations described in the following embodiments.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1の熱交換器1の一部を示す縦断面図である。図2は、実施の形態1の熱交換器1の一部を示す外観図である。図1に示すように、本実施の形態1の熱交換器1は、熱媒体管2と、複数の冷媒管3とを備える。図1は、熱媒体管2の軸線を含む平面で切断した断面図である。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a part of the heat exchanger 1 of the first embodiment. FIG. 2 is an external view showing a part of the heat exchanger 1 of the first embodiment. As shown in FIG. 1, the heat exchanger 1 of Embodiment 1 includes a
熱交換器1は、熱媒体管2内を通る熱媒体と、冷媒管3内を通る冷媒との間で熱を交換させる。熱媒体は、水でもよい。熱媒体は、例えば塩化カルシウム水溶液、エチレングリコール水溶液、アルコール、などの、水以外の液状熱媒体でもよい。冷媒は、特に限定されないが、例えば、CO2、HFC、HC、HFOのいずれかでもよい。
The heat exchanger 1 exchanges heat between the heat medium passing through the
冷媒管3内を通る冷媒は、圧縮機(図示せず)で圧縮された高温高圧の冷媒でもよい。熱交換器1の熱媒体管2内を通る間に加熱された熱媒体は、例えば、給湯に用いられたり、室内の暖房に用いられたりしてもよい。
The refrigerant passing through the
熱媒体管2の外面には、並行する複数条の溝部2a、及び並行する複数条の尾根部2bがある。各々の尾根部2bは、隣り合う二つの溝部2aの間にある。溝部2aの条数は、尾根部2bの条数に等しい。各々の溝部2aは、熱媒体管2の軸線を中心とするつるまき線状に延びる。各々の尾根部2bは、熱媒体管2の軸線を中心とするつるまき線状に延びる。各々の冷媒管3は、各々の溝部2aに沿って設置されている。冷媒管3の数は、溝部2aの条数に等しい。溝部2aの条数、尾根部2bの条数、及び冷媒管3の数は、互いに等しい。以下の説明では、溝部2aの条数、尾根部2bの条数、及び冷媒管3の数を単に「条数」という。
On the outer surface of the
熱媒体管2の外周に巻き付ける前の冷媒管3は、冷媒管3の軸線に対して垂直な平面で切断したときの切断面が円形のものでもよい。熱媒体管2の外周に冷媒管3を巻き付けることで、通常、冷媒管3は多少潰れるように変形する。このため、熱媒体管2の外周に巻き付けた後の冷媒管3は、冷媒管3の軸線に対して垂直な平面で切断したときの切断面が楕円形になる。冷媒管3は、熱媒体管2に対して伝熱材料4を介して接合されている。伝熱材料4は、ハンダまたはロウ材でもよい。
The
冷媒管3の管壁の厚さは、高圧冷媒の圧力に耐えられるような厚さが必要になる。冷媒管3の内径が大きいほど、冷媒管3の管壁の厚さを厚くする必要がある。条数が多い場合には、条数が少ない場合に比べて、冷媒管3の内径が小さくなる。
The thickness of the pipe wall of the
図2では、複数の冷媒管3の区別を容易にするため、便宜上、冷媒管3毎に異なるハッチングを付す。すなわち、図2中のハッチングは、断面を意味するものではない。図2は、条数が4条の熱交換器1を示す。図2に示すように、各々の冷媒管3は、熱媒体管2の軸線を中心とするつるまき線状に延びる。熱交換器1の上流側で冷媒の流れは複数の流れに分かれ、その分かれた各々の冷媒の流れが各々の冷媒管3内を通る。すなわち、冷媒は、複数の冷媒管3内を並行して流れる。熱交換器1において冷媒の流れと熱媒体の流れとが対向流になってもよい。
In FIG. 2, for the sake of convenience, different hatching is given to each
図3は、実施の形態1の熱交換器1が備える熱媒体管2の横断面図である。図3は、熱媒体管2の軸線に対して垂直な平面で切断した断面図である。図3の熱媒体管2は、4条のものである。図3の熱媒体管2の軸線に対して垂直な平面で熱媒体管2を切断した切り口は、正方形の角が丸みを帯びた形状を有する。この丸みを帯びた四つの角の各々が、熱媒体管2の軸線を中心とするつるまき状に連なることで、各々の尾根部2bが形成される。この丸みを帯びた角の曲率直径dcは、例えば、熱媒体管2の内径diのおよそ0.23倍でもよい。熱媒体管2の内径diとは、熱媒体管2に内接する円柱の直径を指すものとする。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
図4は、実施の形態1の変形例の熱交換器1が備える熱媒体管2の横断面図である。図4は、熱媒体管2の軸線に対して垂直な平面で切断した断面図である。図4の熱媒体管2は、条数が5条のものである。図4の熱媒体管2の軸線に対して垂直な平面で熱媒体管2を切断した切り口は、正五角形の角が丸みを帯びた形状を有する。この丸みを帯びた五つの角の各々が、熱媒体管2の軸線を中心とするつるまき状に連なることで、各々の尾根部2bが形成される。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
図5は、実施の形態1の熱交換器1の一部を示す縦断面図である。図5は、熱媒体管2の軸線を含む平面で切断した断面図である。図5は、図1の一部をさらに拡大した図に相当する。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a part of the heat exchanger 1 of the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a plane including the axis of the
図5中のL1は、熱媒体管2の中心から冷媒管3の中心までの距離を示す。L2は、熱媒体管2の中心から、尾根部2bの頂きでの熱媒体管2の管壁の厚さの中心までの距離を示す。距離L2は、距離L1より短い。
L1 in FIG. 5 indicates a distance from the center of the
図6は、熱媒体管2内の熱媒体の流れを説明するための図である。図6は、熱媒体管2の軸線を含む平面で切断した断面図である。図6では、冷媒管3の図示を省略する。
FIG. 6 is a view for explaining the flow of the heat medium in the
図6に示すように、熱媒体管2内の熱媒体の流れには、熱媒体管2の長手方向に流れる主流と、尾根部2bが熱媒体管2の内面に形成する凹部2c内に流れ込む副流とがある。尾根部2bの高さが高いほど、凹部2cの深さが深くなる。凹部2cの深さが深いほど、凹部2c内に熱媒体が流れ込みにくくなり、副流の流速が低くなる。副流の流速が低いほど、凹部2cでの熱伝達率が低くなる。凹部2cでの熱伝達率が低くなると、熱媒体管2全体としての熱媒体の熱伝達率が低くなる。以上のことから、尾根部2bの高さが高いほど、熱媒体管2内の熱媒体の熱伝達率が低くなる傾向がある。逆に言えば、尾根部2bの高さが低いほど、熱媒体管2内の熱媒体の熱伝達率が高くなる傾向がある。
As shown in FIG. 6, the flow of the heat medium in the
本実施の形態であれば、図5中の距離L2が距離L1より短いことで、以下の効果が得られる。尾根部2bの高さが低くなるので、熱媒体管2内の熱媒体の熱伝達率を高くできる。尾根部2bの高さが低いことで、熱媒体管2の外面の凹凸が比較的小さいため、熱媒体管2の表面積が比較的小さい。このため、熱媒体管2の長さ当たりの重量を軽くできる。これらのことから、熱交換器1の重量当たりの伝熱性能を向上できる。熱交換器1は、例えば銅のような金属を主な材料として作られる。銅のような金属は高価であるため、製造コストを低くするためには、熱交換器1の重量当たりの伝熱性能を向上することが極めて重要である。本実施の形態であれば、熱交換器1の重量当たりの伝熱性能が向上することで、高価な金属材料の使用量を低減でき、製造コストを低くできる。
In the present embodiment, the following effects are obtained when the distance L2 in FIG. 5 is shorter than the distance L1. Since the height of the
図7は、実施の形態1の熱交換器1の一部を示す縦断面図である。 FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a part of the heat exchanger 1 of the first embodiment.
図7に示すように、熱媒体管2は、接触領域2d及び非接触領域2eを有する。接触領域2dは、冷媒管3と直接接触するか、または伝熱材料4を介して冷媒管3と接触する領域である。非接触領域2eは、接触領域2d以外の領域である。非接触領域2eは、尾根部2bの頂きを含む領域である。図7中の曲線2fは、熱媒体管2の軸線を含む平面で切断した切断面において、熱媒体管2の管壁の厚さの中心を通る曲線である。以下の説明では、曲線2fのうち、接触領域2dを通る部分の長さの、曲線2fの全長に対する割合を「接触割合」として定義する。接触割合は、図7中の(L3+L5)/(L3+L4+L5)の値として計算できる。
As shown in FIG. 7, the
熱媒体管2、冷媒管3、及び伝熱材料4を構成する金属の熱伝導は、冷媒または熱媒体の熱伝達に比べて非常に大きい。接触領域2dは、冷媒管3によって直接的に加熱されると考えることができる。このため、接触領域2dの内面の温度は、冷媒管3の温度にほぼ等しい。
The heat conduction of the metal constituting the
非接触領域2eは、接触領域2dからの熱伝導によって間接的に加熱されると考えることができる。一つの非接触領域2eの両側にある接触領域2dから、尾根部2bの頂きに向かって、熱伝導が生じる。一つの非接触領域2eを横断する方向の長さL4は、熱媒体管2の管壁の厚さに比べて大きい。非接触領域2eの温度は、尾根部2bの頂きに近いほど、低くなる。
It can be considered that the
上記の理由から、非接触領域2eの内面の温度は、接触領域2dの内面の温度より低くなる。このため、実際の熱媒体管2の内面の面積平均温度は、接触領域2dのみの内面の面積平均温度に比べて低くなる。以下の説明では、実際の熱媒体管2の内面の面積平均温度の、接触領域2dのみの内面の面積平均温度に対する比を、「フィン効率」として定義する。
For the above reason, the temperature of the inner surface of the
図8は、熱交換器1の重量当たりの相対AK値と接触割合との関係を示す図である。AK値は、伝熱面積A[m2]に熱通過率K[kW/(m2K)]を乗じた値である。重量当たりのAK値は、熱交換器1の重量当たりの伝熱性能の指標になる。図8は、4条の熱交換器1についての関係と、5条の熱交換器1についての関係とを示す。熱交換器1の冷媒の圧力損失は、冷媒管3の内径及び条数によって変化する。4条の熱交換器1の冷媒の圧力損失と、5条の熱交換器1の冷媒の圧力損失とが等しくなるように冷媒管3の内径を定めた上で図8の関係を計算した。図8に示す相対AK値は、冷媒の圧力損失が4条の熱交換器1及び5条の熱交換器1と等しくなるように冷媒管3の内径を定めた3条の熱交換器1のAK値の最大値を1とした場合の相対的なAK値である。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the relative AK value per weight of the heat exchanger 1 and the contact ratio. The AK value is a value obtained by multiplying the heat transfer area A [m 2 ] by the heat transmission rate K [kW / (m 2 K)]. The AK value per weight is an index of the heat transfer performance per weight of the heat exchanger 1. FIG. 8 shows the relationship regarding the four-row heat exchanger 1 and the relationship regarding the five-row heat exchanger 1. The pressure loss of the refrigerant in the heat exchanger 1 varies depending on the inner diameter and the number of stripes of the
接触割合は、0.74以下であることが望ましい。図8に示すように、4条及び5条の熱交換器1では、重量当たりの相対AK値は、接触割合が0.7〜0.73の辺りで、ピークになる。その一方で、接触割合が0.74を超えると、重量当たりの相対AK値は急激に低下する。よって、接触割合を0.74以下にすることで、熱交換器1の重量当たりの伝熱性能をより確実に向上できる。 The contact ratio is desirably 0.74 or less. As shown in FIG. 8, in the four and five heat exchangers 1, the relative AK value per weight peaks when the contact ratio is around 0.7 to 0.73. On the other hand, when the contact ratio exceeds 0.74, the relative AK value per weight rapidly decreases. Therefore, the heat transfer performance per weight of the heat exchanger 1 can be improved more reliably by setting the contact ratio to 0.74 or less.
接触割合は、0.6以上であることが望ましい。図8に示すように、接触割合が0.6以上であれば、重量当たりの相対AK値を十分に高くできるので、熱交換器1の重量当たりの伝熱性能をより確実に向上できる。 The contact ratio is desirably 0.6 or more. As shown in FIG. 8, when the contact ratio is 0.6 or more, the relative AK value per weight can be sufficiently increased, so that the heat transfer performance per weight of the heat exchanger 1 can be improved more reliably.
接触割合が0.74を超えると重量当たりの相対AK値が急激に低下する理由について、以下に説明する。図9は、熱媒体管2のフィン効率と接触割合との関係を示す図である。図9に示す関係は、図8と同じ熱交換器1について計算したものである。熱通過率Kの値は、主として、熱媒体管2の熱媒体の熱伝達率とフィン効率とによって定まる。接触割合を高くするには、非接触領域2eの幅を小さくする必要があるため、熱媒体管2の単位長さ当たりの冷媒管3の巻き密度を高くする必要がある。このため、接触割合が高くなると、冷媒管3の重量が増加するため、熱交換器1の重量が増加する。図9に示すように、接触割合が高くなるにつれてフィン効率も高くなるが、接触割合が0.74の辺りで、ほぼ1に近くなる。すなわち、接触割合が0.74の辺りで、フィン効率の値が飽和する。したがって、接触割合を0.74より大きくしても、フィン効率の上昇による伝熱性能の向上がほとんど得られず、熱交換器1の重量を増加させるだけになる。そのため、接触割合が0.74を超えると重量当たりの相対AK値が急激に低下することとなる。
The reason why the relative AK value per weight rapidly decreases when the contact ratio exceeds 0.74 will be described below. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the fin efficiency of the
図3及び図4から分かるように、5条の場合の熱媒体管2の尾根部2bの高さは、4条の場合の熱媒体管2の尾根部2bの高さに比べて低くなる。このため、図6で説明した副流の流速は、5条の場合の方が4条の場合よりも高くなる。その一方で、5条の場合には、尾根部2bの高さが低いことで、熱媒体管2の内側の表面積すなわち伝熱面積が、4条の場合よりも小さくなる。そのため、図8に示すように、重量当たりのAK値は、4条の場合の方が5条の場合よりも高くなる。
As can be seen from FIGS. 3 and 4, the height of the
図10は、実施の形態1の変形例の熱交換器1が備える熱媒体管2の横断面図である。図10は、熱媒体管2の軸線に対して垂直な平面で切断した断面図である。図10の熱媒体管2は、4条のものである。
FIG. 10 is a cross-sectional view of the
図10に示す熱媒体管2は、以下のように構成されている。仮想直線100は、熱媒体管2の軸線に対して垂直な平面で熱媒体管2を切断した切断面すなわち切り口の外縁の2箇所に接する直線である。L6は、熱媒体管2の中心と仮想直線100との間の距離を示す。L7は、熱媒体管2の中心から熱媒体管2の外面までの最短距離を示す。距離L6は、距離L7より長い。
The
図10に示す熱媒体管2を備えた熱交換器1によれば、図3に示す熱媒体管2を備えた熱交換器1に比べて、以下のような効果が得られる。尾根部2bが膨らんだ形状になるので、尾根部2bが熱媒体管2の内面に形成する凹部2cの形状がなだらかになる。その結果、図6で説明した副流の流速が高くなり、熱媒体の熱伝達率がさらに向上する。熱媒体管2の表面積、すなわち伝熱面積が大きくなる。これらのことから、伝熱性能がさらに向上する。
According to the heat exchanger 1 provided with the
上述した実施の形態では、4条及び5条の熱交換器1を中心に説明したが、本発明の熱交換器は、図5で説明した条件、すなわちL2<L1という条件を満足するものであれば、3条のものでもよいし、6条またはそれ以上の条数のものでもよい。
In the above-described embodiment, the
1 熱交換器、 2 熱媒体管、 2a 溝部、 2b 尾根部、 2c 凹部、 2d 接触領域、 2e 非接触領域、 2f 曲線、 3 冷媒管、 4 伝熱材料、 100 仮想直線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Heat exchanger, 2 Heat transfer medium pipe, 2a Groove part, 2b Ridge part, 2c Recessed part, 2d Contact area, 2e Non-contact area, 2f Curve, 3 Refrigerant pipe, 4 Heat transfer material, 100 Virtual straight line
Claims (5)
各々の前記溝部に沿って設置された冷媒管と、
を備え、
前記熱媒体管の中心から前記尾根部の頂きでの前記熱媒体管の管壁の厚さの中心までの距離が、前記熱媒体管の中心から前記冷媒管の中心までの距離より短い熱交換器。 A heat medium pipe having, on the outer surface, a plurality of parallel spiral winding groove portions and a ridge portion between the adjacent groove portions,
A refrigerant pipe installed along each of the grooves,
With
Heat exchange in which the distance from the center of the heat medium pipe to the center of the thickness of the pipe wall of the heat medium pipe at the top of the ridge is shorter than the distance from the center of the heat medium pipe to the center of the refrigerant pipe vessel.
前記熱媒体管は、前記冷媒管と直接接触するかまたは前記伝熱材料を介して前記冷媒管と接触する接触領域と、前記接触領域以外の領域である非接触領域とを有し、
前記熱媒体管の軸線を含む平面で切断した切断面において、前記熱媒体管の管壁の厚さの中心を通る曲線のうち、前記接触領域を通る部分の長さの、前記曲線の全長に対する割合である接触割合が、0.74以下である請求項1または請求項2に記載の熱交換器。 A heat transfer material for joining the heat medium pipe and the refrigerant pipe;
The heat medium pipe has a contact area that is in direct contact with the refrigerant pipe or in contact with the refrigerant pipe via the heat transfer material, and a non-contact area that is an area other than the contact area,
Of the curve passing through the center of the thickness of the tube wall of the heat transfer medium tube in the cut surface cut along the plane including the axis of the heat transfer medium tube, the length of the portion passing through the contact area is the total length of the curve The heat exchanger according to claim 1 or 2, wherein a contact ratio as a ratio is 0.74 or less.
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