JP4736533B2 - 熱交換器 - Google Patents

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本発明は空調、冷凍、冷蔵、給湯等の機器、特にヒートポンプ式の給湯機などにおいて、水等の流体と冷媒等の2つの流体が熱交換するための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、軸線の直線部で、小径管と大径管とが隙間を介して同軸に配置され、小径管の軸線が蛇行状に曲折され、小径管に加熱用流体が流通すると共に大径管に被加熱用の水が流通する構成において、小径管と大径管との間の水の流路断面積が、水の流通する下流側が上流側より大に形成したものがある(例えば、特許文献1参照)。
図9、図10は特許文献1に記載された従来の二重管型熱交換器を示すものである。
図9、図10で示すように熱交換器100は蛇行状に曲折された小径管101と、小径管101の直線部に隙間を開けて同軸に被嵌された大径管102とを有する。大径管102の両端部は閉塞され、小径管101の外周に液密に固定されている。小径管101は、U字状に曲げたパイプと直線状のパイプとそれらの端部間を連結する短い連結用U字管112とを有する。次に、大径管102は夫々互いに水連結管108によって連結され、最も下流側に位置する大径管102のみの内直径が、他の大径管102の内直径よりも大に形成されている。そして最も上流側の大径管102に入口パイプ109が連通され、最も下流側の大径管102に出口パイプ110が連通されている。
以上のように構成された二重管型熱交換器について、以下その動作を説明する。
上流側の入口パイプ109から水が流入し、水連結管108を介して下流側の大径管102と小径管101との隙間を長手方向に流通し、最下流の大径管102の出口パイプ110から外部に導かれる。また、小径管101には水の流通する最下流側から高温高圧のCO2ガス等からなる加熱用流体が流入し、水の流通する最も上流側からそれが流出する。そして加熱用流体と水との間に熱交換が行われる。このとき水は上流側から下流側に流通するに従って次第に高温になり、最下流の大径管102では一例として80℃程度に加熱される。すると、最下流側の大径管102では水酸化カルシウム等の溶解度が低下し、それが析出して大径管102内部に付着し易くなる。しかしながら、最下流側の大径管102の直径は、それ以外の部分の直径よりも大に形成されているから、それらは内部を円滑に流通し目詰まりを起こすことが少ない。さらに大径管102の内直径自体が大に形成されているから、多少の水スケールの付着が内面に存在しても、目詰まりを起こすことがない。
特開2004−93037号公報
しかしながら、上記従来の構成では、水の下流側の大径管102の内直径を大きくすることで水の流速が低下し、加熱用流体が最も高温で加熱される水との温度差が大きく熱交換量の大きな水の下流側の大径管102で水と小径管101の熱伝達率の低下し、熱交換器100全体としての性能低下は避けられない。従って、所定の加熱能力を得るためには大径管102の管軸方向に延長することとなり、熱交換器100の容積、重量が増加する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、流体Aと流体Bの間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成で同時に高い熱交換率を実現すると共に、高温側での水のカルシウム(Ca)等のミネラル成分の析出による熱交換器の機能停止を抑制し、かつ、高温側で水の流速が低下しても熱伝達率を低下させず、水の高温側での熱交換性能を低下させず、全体として熱交換性能の低下を防止する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、内部にが流動する内管と、前記内管の外周を覆って前記内管の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外周を覆うように設置し、前記中管との間の環状部に二酸化炭素前記水と対向して流動する外管とからなる多重管で構成され、前記水の流出側の前記多重管が前記水の流入側の前記多重管と同一の管径で2本の前記多重管に分岐しており、前記2本の前記多重管は各々を寄り合わせるように螺旋状に捻られているものである。
これによって、二酸化炭素の間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成での流路と二酸化炭素の流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ると共に、加熱用冷媒として環状部を流動する二酸化炭素と対向して、内管内をが流動した場合、水が高温部となる内管の流出側で、水(特に水道水)に含まれるカルシウムが析出して流出側の内管の管壁に付着し水の流動を封止することがないほど内管の流路断面積を拡大し流速が低下しても、水の流出側の多重管を螺旋状に捻ることにより、流出側の多重管内の水が旋回流となり乱流化が促進でき、流出側の熱伝達率の低下を抑制できる。
本発明の熱交換器は、非常に簡易な構造で安全性を確保し同時に高い熱交換効率を実現できると共に、水が流動する流出側の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても水の流動を封止することなく熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらに水の流出側の熱交換性能の低下を抑制でき、熱交換器全体として熱交換性能の低下を防止することができる。
請求項1に記載の発明は、内部にが流動する内管と、前記内管の外周を覆って前記内管の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外周を覆うように設置し、前記中管との間の環状部に二酸化炭素前記水と対向して流動する外管とからなる多重管で構成され、前記水の流出側の前記多重管が前記水の流入側の前記多重管と同一の管径で2本の前記多重管に分岐しており、前記2本の前記多重管は各々を寄り合わせるように螺旋状に捻られていることにより、二酸化炭素の間に安全性を確保する二重壁を備えた非常に簡易な構成での流路と二酸化炭素の流路の間で十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得ると共に、加熱用冷媒として環状部を流動する二酸化炭素と対向して内管内をが流動、水が高温部となる内管の流出側で、水(特に水道水)に含まれるカルシウムが析出して流出側の内管の管壁に付着し水の流動を封止することがないほど内管の流路断面積を拡大し流速が低下しても、水の流出側の多重管を螺旋状に捻ることにより、流出側の多重管内の水が旋回流となり乱流化が促進でき、流出側の熱伝達率の低下を抑制できる。また、水の流出側の多重管が水の流入側の多重管と同一の管径で2本の多重管に分岐していることにより、水が高温となり水に含まれるカルシウムが析出し内管の管壁に付着する流出側のみ、流路断面積を拡大して水の流動を封止させず熱交換機能を停止することを抑制することができ、熱交換器全体の重量・容積の増加を極力抑えることができる。また、流入部の流路断面積は拡大しないため、水の流速を落とさず内管との熱伝達率を低下させないことができる。さらに、また、同一仕様の内管と外管により流出側の流路断面積を流入側の流路断面積より拡大することができ、引き抜きや押し出し用の金型などの設備を複数種持つ必要がなく、内管、外管を1仕様に絞って量産することでの信頼性が向上すると共に製造コストを低減できる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の発明の多重管の螺旋状の捻りが管軸方向に部分的に施されたことにより、螺旋状の流路により旋回流となった流動状態が収まり始める毎に次の螺旋状の流路で旋回流となるため、の流出側での熱伝達率の向上を低下させることなく螺旋状流路による旋回流の水の流動抵抗の上昇を極力低くすることができる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の発明の多重管の螺旋状の捻りのピッチを、の流出側ほど大きくしたことにより、流出側で二酸化炭素の温度差が比較的小さい部分では螺旋状の捻りのピッチを小さくし、旋回流による乱流化が促進され流速低下による熱伝達率の低下が抑制され、加熱用の二酸化炭素が最も高温で加熱されるとの温度差が大きく、熱交換量の大きい最も流出側の部分では螺旋状の捻りのピッチを大きくして旋回流による乱流化を抑制しての熱伝達率を調整して熱交換性能を抑え、の最も高温となる箇所でのスケール析出を抑制する。
請求項に記載の発明は、請求項1から請求項のいずれか一項に記載の発明のが流入する側の内管の内面に突起を設けることにより、流入側で低温となるため、比較的内径が小さくてもスケールの付着が無く大きな伝熱面積が確保でき、かつ、水を攪乱して熱伝達率を向上させ、熱交換器全体としては熱交換性能を向上させることができる。
請求項に記載の発明は、請求項に記載の発明の内管の内面の突起を管軸方向に対して螺旋状あるいは略平行に連続して複数のフィンとすることにより、内管の流入側の伝熱面積を大きくすることができ、流入側の熱交換能力を向上することができる。また、螺旋状、あるいは略平行の複数のフィンは引き抜き、押し出し工法で容易に製作が可能で製造コストも低く抑えることができる。
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この発明が限定されるものではない。
(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管軸方向の一部破断断面図である。図2は、図1のA−A線断面図である。図3は、図1のB−B線断面図である。図4、図5は同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。
図1から図3において、熱交換器本体1は、第1壁3aと第2壁3bが相互に熱的に密着した二重壁3を持つ内部に水が流動する銅製の内管2と、内管2とほぼ同軸で内部に内管2を備えた銅製の外管4で構成された三重管7である。外管4の内面にはリブ5が設けられており先端5aが内管2の外面に接し、内管2と外管4の間に環状部6を有しており、二酸化炭素が内管2内を流動する水と対向して流動している。また、内管2の水の流入側2aの三重管7aが1本で、水の流出側2bの三重管7bは同一の仕様(管径)で2本に分岐しており、さらに各々を寄り合わせるように螺旋状に捻られている。
また、図4においては、内管2の水の流出側2bの三重管7cは管軸方向に断続的に螺旋状の捻り部7c1と非捻り部7c2が形成されている。
また、図5においては、内管2の水の流出側2bの三重管7dの螺旋状の捻りのピッチを、内管2の水の出口8に向かうほど大きくしている。
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。
まず、内管2の内部を水が流動し、内管2と外管4との間の環状部6を二酸化炭素が対向して流れ、第1壁3aと第2壁3bの二重壁3を介して水と二酸化炭素が熱交換する。
ここで、水と二酸化炭素の間に安全性を確保する二重壁3を備え十分な接触面積を確保して高い熱交換効率を得る。
また、内管2の水の流出側2bを、内管2の水の流出側2bの流路断面積の総和が流入側2aの流路断面積の総和より大となるように、同一の仕様(管径)で2本に分岐しているため、流出側2bの内壁面に十分な付着面積が確保され、環状部を二酸化炭素等の冷媒が流体Bとして流動し水と熱交換して水が高温部となり、水(特に水道水)に含まれるカルシウムが析出し流出部2bの内壁面に付着しても水の流動を封止させず、熱交換機能を停止することを抑制することができる。
さらに、また、内管2の流出側2bの三重管7bは各々を寄り合わせるように螺旋状に捻られているため、三重管7の流出側7bの内管2内の水が旋回流となり、流路断面積が大きく流速が遅くても乱流化が促進し、流出側2bの熱伝達率の低下を抑制でき、内管2の流出側2bの熱交換性能の低下を抑制し熱交換器1全体として熱交換性能の低下を防止することができる。
また、図4で示すように、内管2の水の流出側2cの三重管7cが、管軸方向に断続的に螺旋状の捻り部7c1と非捻り部7c2がある構成により、螺旋状の捻り部7c1の内管2c1の螺旋状流路により旋回流となった流動状態が収まり始める毎に次の螺旋状の流路で旋回流となるため、水の流出側2cでの熱伝達率の向上を低下させることなく、螺旋状の旋回流による水の流動抵抗の上昇を極力低くすることができる。
また、図5で示すように、内管2の水の流出側2dの三重管7dの螺旋状の捻りのピッチを、内管2の水の出口8に向かうほど大きくすることにより、流出側2dで水と二酸化炭素の温度差が比較的小さい部分では螺旋状の捻りのピッチを小さくし、旋回流による乱流化が促進され流速低下による熱伝達率の低下が抑制され、二酸化炭素が最も高温で加熱される水との温度差が大きく熱交換量の大きい最も出口8の部分では、三重管7dの螺旋状の捻りのピッチを大きくして旋回流による乱流化を抑制して水の熱伝達率を調整して熱交換性能を抑え、水の最も高温となる出口部8近傍でのスケール析出を抑制する。
尚、本発明の実施の形態1では、熱交換器1全体を直線状としたが、湾曲及びコイルの形態でも同様な効果を得られる。
尚、本発明の実施の形態1では、内管2、外管4の材料は、銅製だが、真ちゅう、SUS、耐食性を持った鉄、アルミ合金等でも同様な効果を得られる。
尚、本発明の実施の形態1では、環状部6を流通する冷媒を二酸化炭素としたが、R410A、R32等の高圧で作動する冷媒でも同様な効果を得られる。
(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。図7は図6のC−C線断面図である。なお、実施の形態1と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図8は同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図である。
図6、図7において、内管2の流入側2aの第1壁3aの内面に管軸方向に螺旋状のフィン9が形成されている。
また、図8においては、内管2の流入側2aの第1壁3aの内面に管軸方向に略平行なフィン10が形成されている。
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。
ここで、流入側2aでは水が低温となるため、内管2の内径が比較的小さくてもスケールの付着が無く、螺旋状のフィン9により大きな伝熱面積を大きくし、かつ、水を攪乱して熱伝達率を向上させ、熱交換器1全体としては熱交換性能を向上させることができる。
また、図8で示すように、流入側2aの第1壁3aの内面に管軸方向に略平行のフィン10を形成することにより、水の流動抵抗を低く抑えつつ、流入側2aの伝熱面積を大きくすることができ、流入側2aの熱交換能力を向上することができる。また、略平行の複数のフィン8は最も容易な略平行の引き抜き、押し出し工法で製作が可能であり、製造コストも低く抑えることができる。
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、非常に簡易な構造で同時に高い熱交換効率を実現できると共に、水が流動する流出側の内管の管壁にカルシウムが析出し付着しても、水の流動を封止することなく、熱交換機能を停止することを抑制することができ、さらにスケールの付着しない流入側で熱伝達率を向上させ、熱交換器全体として熱伝達率の低下を極力抑制が可能となるので、ヒートポンプ給湯器や家庭用、業務用の空気調和機、燃料電池等の用途にも適用できる。
本発明の実施の形態1における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図 図1のA−A線断面図 図1のB−B線断面図 同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図 同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図 本発明の実施の形態2における熱交換器の管軸方向の一部破断断面図 図6のC−C線断面図 同実施の形態における他の熱交換器の管軸方向の一部破断断面図 従来の二重管型熱交換器の一部破断断面図 図9のII−II矢視断面図
符号の説明
1 熱交換器本体
2 内管
2a 流入側
2b,2c,2d 流出側
3 二重壁
3a 第1壁
3b 第2壁
4 外管
5 リブ
6 環状部
7,7a,7b,7c,7d 三重管
8 出口部
9 螺旋状のフィン
10 略平行なフィン

Claims (5)

  1. 内部にが流動する内管と、前記内管の外周を覆って前記内管の一部または全部に密着する中管と、前記中管の外周を覆うように設置し、前記中管との間の環状部に二酸化炭素前記水と対向して流動する外管とからなる多重管で構成され、前記水の流出側の前記多重管が前記水の流入側の前記多重管と同一の管径で2本の前記多重管に分岐しており、前記2本の前記多重管は各々を寄り合わせるように螺旋状に捻られていることを特徴とした熱交換器。
  2. 前記多重管の螺旋状の捻りが管軸方向に部分的に施された請求項に記載の熱交換器。
  3. 前記多重管の螺旋状の捻りのピッチを、前記水の流出側ほど大きくしたことを特徴とした請求項に記載の熱交換器。
  4. 前記水が流入する側の前記内管の内面に突起を設けたことを特徴とする請求項1から請求項のいずれか一項に記載の熱交換器。
  5. 前記内管の内面の突起を管軸方向に対して螺旋状あるいは略平行に連続して複数のフィンとしたことを特徴とした請求項に記載の熱交換器。
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