JP4947162B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、空調装置、給湯装置等の機器に用いられ、特にヒートポンプ式の給湯機等のように、水等の流体と冷媒等の二種の流体を熱交換させ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、内部に冷媒用流路が形成された内管と、内管の外側に設けられ内管との間に水用流路を形成する外管とから構成された二重管式のものがある。さらに、熱交換器の水用流路に伝熱促進体を挿入したものもある（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１には、伝熱促進体として変位可能なワイヤを用い、ワイヤの変位により水用流路を流れる水を乱流状態とし、熱伝達性能を向上させる方法が開示されている。

特許文献２には、外管と内管とに密着させた補助管を用い、内管の伝熱面積を増加させ、熱伝達性能を向上させる方法が開示されている。

特開２００９−１１５４２９号公報 特開２００２−１６２１７７号公報

しかしながら、特許文献１における構成では、ワイヤが外管や内管に対し変位可能であるため、伝熱促進体が外管の内面にあたって引っかかったり、変形したりする。このため、十分に乱流促進できず、熱伝達性能の向上が得られないという課題を有していた。

特許文献２における構成では、外管に、補助管と内管とを挿入したのち、補助管を内管と外管に密着させるために、引き抜き、押し出し、プレスなどの後加工が必要となり、組立性が悪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、十分な熱伝達性能の向上が得られる伝熱促進体を備え、容易に製造でき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、内部に第１流体流路を形成する２本の内管と、２本の内管の外側に設けられ、２本の内管との間に第２流体流路を形成する外管と、第２流体流路の流路断面積を減少させる伝熱促進体とを備え、伝熱促進体は、外管との最小隙間が、２本の内管と外管との最小隙間と略同等となるように、２本の内管のそれぞれと長手方向に沿って線状に接触して固定されたものである。

本発明の熱交換器は、内管に固定された伝熱促進体により第２流体流路の流路断面積を減少させ、熱伝達性能を向上させるとともに、熱交換器の製造時には、外管に内管と伝熱促進体とを容易に挿入できるので、組み立て性が向上する。

本発明の実施の形態１における熱交換器の斜視図 同実施の形態１における熱交換器の管断面図 本発明の実施の形態２における熱交換器の斜視図 本発明の実施の形態３における熱交換器の斜視図 同実施の形態３における熱交換器の管断面図 同実施の形態４における熱交換器の管断面図

第１の発明は、内部に第１流体流路を形成する２本の内管と、２本の内管の外側に設けられ、２本の内管との間に第２流体流路を形成する外管と、第２流体流路の流路断面積を減少させる伝熱促進体とを備え、伝熱促進体は、外管との最小隙間が、２本の内管と外管との最小隙間と略同等となるように、２本の内管のそれぞれと長手方向に沿って線状に接触して固定されたものである。

かかる構成とすることにより、第１の発明の熱交換器は、熱交換器の使用時には、第２流体流路を流れる流体の流速が増し乱流促進されるため、熱伝達性能の向上が可能であるとともに、熱交換器の製造時の外管に内管と伝熱促進体とを挿入するのが容易で、後加工も不要なために、組み立て性が向上する。

第２の発明は、第１の発明の伝熱促進体を、２本の内管とともに螺旋状に絡み合うように捻って固定するものである。

かかる構成とすることにより、ねじられた内管と伝熱促進体とに沿って、第２流体流路を流れる流体が旋回流となって流れることによる伝熱促進と、伝熱促進体が第２流体流路の流路断面積を減少させることにより、第２流体流路を流れる流体の流速が増して乱流促進することによる伝熱促進の２つの作用により、熱伝達性能の向上が可能である。また、伝熱促進体を内管とともにねじることで固定しているので、ろう付け溶接などによる固定方法に比べて、容易に製造できる。

第３の発明は、第１から第２の発明の伝熱促進体が、第２流体流路の流路断面積を減少させる主要部と、主要部より断面積が小さい端部とを有することにより、伝熱促進体の端部の挿入性がさらに向上するため、容易に製造できる。

第４の発明は、第１から第２の発明の伝熱促進体の断面形状を略円形とすることにより、一般的に入手し易い円形の物（例えば市販の銅管）をそのまま利用できるので、伝熱促進体の具現化に際して特別な加工を施す必要もなく、容易に製造できる。

第５の発明は、第１から第２の発明の伝熱促進体の断面形状を略楕円形とすることにより、第４の発明における略円形の場合よりも、挿入性を良好に保ちつつ伝熱促進体の断面積が大きくとれるので、第２流体流路の流路断面積をより小さくでき、更なる乱流促進がなされる。

第６の発明は、第１から第２の発明の伝熱促進体の断面形状を略扇形とすることにより、第５の発明における略円形の場合よりも、挿入性を良好に保ちつつ伝熱促進体の断面積が大きくとれるので、第２流体流路の流路断面積をより小さくでき、更なる乱流促進がなされる。

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一部を切除し、一部を切欠いた斜視図であり、図２は熱交換器の管断面図である。

図１に示すように、熱交換器１は、二重管式の熱交換器であり、内部を二酸化炭素が流れる冷媒用流路１０２（本発明の第１流体流路）を形成する内管１０３と、２本の内管１０３の外側に設けられ、内管１０３との間に水が流れる水用流路１０４（本発明の第２流体流路）を形成する銅製の外管１０５とから構成されている。

図２に示すように、内管１０３は、銅製の冷媒管１０６と、冷媒管１０６の外周に設けられた銅製の漏洩検知管１０７とから構成されている。

なお、漏洩検知管１０７の内面には、配管方向に沿って多数の漏洩検知溝（図示せず）が形成されており、漏洩検知溝内には空気層が形成されている。さらに、漏洩検知溝は外部に接続されており、内管１０３または外管１０５から漏洩した二酸化炭素や水を、漏洩検知溝を介して外部に漏出させ、万一、二酸化炭素や水が漏れた場合でも、二酸化炭素と水とが混合するのを防止している。

水用流路１０４には、同じ外径の内管１０３を２本併設し、さらにその内管１０３に併設して２本の伝熱促進体９０が配置されている。伝熱促進体９０は、外管１０５との最小隙間Δｔ２が、内管１０３と外管１０５との最小隙間Δｔ１と略同等となるように、２本の内管１０３外面に、伝熱促進体９０の長手方向に沿って線状に接触して固定されている。なお、最小隙間Δｔ１は、例えば、外管１０５の内径が約１１ｍｍの場合には、約０．２〜０．５ｍｍとなる。伝熱促進体９０の固定方法としては、ろう付け溶接などが用いられる。また、伝熱促進体９０の両端部の側面は塞がっており、伝熱促進体９０の内部には水は流れないようになっている。

以上のように構成された熱交換器は、水用流路１０４を水が流れ、冷媒用流路１０２を二酸化炭素が流れることで、水と二酸化炭素との熱交換を行う。

このような熱交換器の熱伝達性能を向上させるには、冷媒用流路１０２の流路断面積は、そこを流れる二酸化炭素に最適な流路断面積とし、水用流路１０４の流路断面積は、そこを流れる水に最適な流路断面積とすることが望ましい。しかし、冷媒用流路１０２の流路断面積は、内管１０３の内径により決まり、水用流路１０４の流路断面積は、外管１０５の内径と内管１０３の外径により決まるため、冷媒用流路１０２を最適化すると、水用流路１０４の流路断面積は大きくなりすぎる場合がある。このような場合には、水用流路１０４の流路断面積を減少させることで最適な流路断面積とすることができる。

本実施の形態では、水用流路１０４には、２本の内管１０３と併設して２本の伝熱促進体９０を配置したので、水用流路１０４の流路断面積Ｓ１を小さくでき、最適な流路断面積に近づく。これにより、水の流速が増し乱流促進されるため、冷媒用流路１０２を流れる二酸化炭素の熱を効率よく、内管１０３を介して水に伝達させることができる。

一方、このような熱交換器を製造する際には、外管１０５に、内管１０３と伝熱促進体９０とを挿入して製造するが、伝熱促進体９０と外管１０５との最小隙間Δｔ２は、内管１０３と外管１０５との最小隙間Δｔ１と略同等の隙間を確保している。これにより、伝熱促進体９０を設けてない場合と同様に、容易に挿入でき、熱交換器の組み立て性が向上する。また、内管１０３に固定された伝熱促進体９０を外管１０５に挿入するので、外管１０５に内管１０３を挿入した後に、伝熱促進体９０を固定する後加工が不要となり、熱
交換器の組み立て性が向上する。

かかる構成とすることにより、本実施の形態の熱交換器は、熱伝達性能の向上が可能であるとともに、熱交換器の製造時の組み立て性が向上する。

なお、このような伝熱促進体９０は、略円形の断面形状を有する場合には、その断面部直径Ｄ１は、内管１０３の外径Ｄの約０．６５倍となる。このとき、伝熱促進体９０がない場合に対して、流路断面積Ｓ１は０．７４倍に減少することから、水流速は約１．３５倍に増加する。したがって、水側熱伝達率は水流速の０．８乗に比例すると仮定すると、この場合の水側熱伝達率は、伝熱促進体９０がない場合に対して１．２７倍の伝熱促進が行われる。

また、本実施の形態では、一般的に入手し易い円形の長尺物（例えば市販の銅管）をそのまま利用できるので、伝熱促進体９０の具現化に際して特別な加工を施す必要もなく、簡単な製作で熱交換器を実現できるという副次的な効果も得られる。

（実施の形態２）
図３は、同実施の形態２における熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図である。本実施の形態においては、実施の形態１と異なる点のみ説明する。

図３に示すように、本実施の形態では、２本の略円形の断面形状を有した伝熱促進体９１は、２本の内管１０３とともに、互いに螺旋状に絡み合うようにねじり合わされ固定されている。また、その螺旋の中心が、外管１０５の軸心とほぼ同軸となるように外管１０５に内包されている。

かかる構成とすることにより、ねじられた内管１０３と伝熱促進体９１に沿って水が旋回流となって流れることによる伝熱促進と、伝熱促進体９１によって流路断面積を小さくなり乱流促進することによる伝熱促進の２つの作用によって、より伝熱促進ができる。

さらに、伝熱促進体９１を固定する方法として、内管１０３とともにねじることで固定しているので、ろう付け溶接などによる固定方法に比べて、容易に熱交換器を製作できる。また、ねじることで固定しても、実施の形態１と同様に、伝熱促進体９１と外管１０５との最小隙間は、内管１０３と外管１０５との最小隙間と略同等の隙間を確保しているので、伝熱促進体９１を設けてない場合と同様の挿入性を維持しつつ、伝熱促進効果を引き出すことができる。このため、高い熱交換能力が得られる熱交換器を、容易に製造できる。

（実施の形態３）
図４は、同実施の形態３における熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図である。本実施の形態においては、実施の形態１と異なる点のみ説明する。

図４に示すように、本実施の形態では、２本の伝熱促進体９２は、主要部９２ｂと端部９２ａからなる。主要部９２ｂは、外管１０５との最小隙間が、内管１０３と外管１０５との最小隙間と略同等となるように、２本の内管１０３外面のそれぞれに、主要部９２ｂの長手方向に沿って線状に接触して固定されている。一方、端部９２ａは、主要部９２ｂより断面積が小さくなっている。このため、外管１０５と端部９２ａとの最小隙間は、内管１０３と外管１０５との最小隙間より大きくなっている。

かかる構成とすることにより、伝熱促進体９２の主要部９２ｂで、水用流路１０４の流路断面積Ｓ１を小さくできる。これにより、水の流速が増し乱流促進されるため、冷媒用
流路１０２を流れる二酸化炭素の熱を効率よく、内管１０３を介して水に伝達させることができる。

さらに、端部９２ａでは、内管１０３と外管１０５との最小隙間以上の隙間を確保しているので、内管１０３とともに伝熱促進体９２の端部９２ａを外管１０５に挿入する際の挿入性がさらに向上する。このため、高い熱交換能力が得られる熱交換器を、容易に製造できる。

（実施の形態４）
図５は、同実施の形態４における熱交換器の管断面図である。実施の形態３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。

伝熱促進体としての楕円促進体９３は略楕円形なる断面形状を有し、２本の内管１０３とともに、互いに螺旋状にねじり合わされ固定されている。

かかる構成とすることにより、楕円促進体９３によって、外管１０５への挿入性を良好に保ちつつ、水用流路１０４の流路断面積Ｓ２を実施の形態３よりも更に小さくすることが出来る。

この場合、楕円促進体９３断面部の楕円における長辺側の直径（長直径と呼ぶ）Ｄ２Ｌは内管１０３の外径Ｄの約０．９６倍であり、楕円の短辺側の直径（短直径と呼ぶ）Ｄ２Ｓは内管１０３の外径Ｄの約０．６２倍となる。このとき、楕円促進体９３がない場合に対して、流路断面積Ｓ２は０．６４倍に減少し、水流速は約１．５６倍に増加する。

したがって、水側熱伝達率が水流速の０．８乗に比例すると仮定すると、楕円促進体９３を２本挿入した時の水側熱伝達率は、楕円促進体９３がない場合に対して１．４３倍になり実施の形態２よりも更に伝熱促進されることとなる。

さらに、楕円促進体９３と外管１０５との最小隙間は、内管１０３と外管１０５との最小隙間と略同等の隙間を確保しているので、楕円促進体９３を設けてない場合と同様の挿入性を維持しつつ、伝熱促進効果を引き出すことができる。このため、高い熱交換能力が得られる熱交換器を、容易に製造できる。

（実施の形態５）
図５は、同実施の形態５における熱交換器の管断面図である。実施の形態４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。

伝熱促進体としての扇形促進体９４は略扇形なる断面形状を有し、２本の内管１０３とともに、互いに螺旋状にねじり合わされ固定されている。

かかる構成とすることにより、扇形促進体９４によって、外管１０５への挿入性を良好に保ちつつ、水用流路１０４の流路断面積Ｓ３を実施の形態４よりも更に小さくでき乱流促進を大幅に可能とするものである。

この場合、扇形促進体９４断面部の扇の半径Ｄ３は内管１０３の外径Ｄの約０．７６倍、扇形の中心角は約１１０度となる。このとき、扇形促進体９４がない場合に対して、流路断面積Ｓ３は０．５７倍に減少し、水流速は約１．７５倍に増加する。したがって、水側熱伝達率が水流速の０．８乗に比例すると仮定すると、扇形促進体９３を２本挿入した時の水側熱伝達率は、扇形促進体９４がない場合に対して１．５６倍になり実施の形態３よりも更に伝熱促進されることとなる。

さらに、扇形促進体９３と外管１０５との最小隙間は、内管１０３と外管１０５との最小隙間と略同等の隙間を確保しているので、楕円促進体９３を設けてない場合と同様の挿入性を維持しつつ、伝熱促進効果を引き出すことができる。このため、高い熱交換能力が得られる熱交換器を、容易に製造できる。

なお、以上の実施の形態では、伝熱促進体９０〜９２、楕円促進体９３、扇形促進体９４の本数を２本としているが、１本もしくは３本以上の本数としても同様の作用効果を期待することができる。また、外管１０５、内管１０３を銅製としたが、少なくともいずれか一方を真鍮、ステンレス、耐食性を持った鉄、アルミ合金等を材料として構成しても、同様の作用効果が期待できる。伝熱促進体９０〜９２、楕円促進体９３、扇形促進体９４の材料としては、銅、真鍮、ステンレス、アルミ合金などの金属材料や、架橋ポリエチレンなどの樹脂材料を採用できる。

伝熱促進体９０〜９２、楕円促進体９３、扇形促進体９４は、必ずしも水用流路の全長にわたって挿入する必要はなく、部分的に挿入することで、局所的に伝熱促進させる構成としてもよい。

また、冷媒用流路を流れる冷媒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同様の作用効果が期待できる。

以上のように、本発明にかかる熱交換器は、製造時の組み立て性を向上させつつ、熱交換能力を向上させることができるもので、冷媒として二酸化炭素を用いた超臨界ヒートポンプ式給湯器や、暖房用ブラインを加熱する超臨界ヒートポンプ装置、さらには、家庭用、業務用の空気調和機、あるいはヒートポンプによる乾燥機能を具備した洗濯乾燥機、穀物貯蔵倉庫等のヒートポンプ機器の他に、燃料電池等の熱交換用途にも適用できる。

１ 熱交換器
９０、９１、９２ 伝熱促進体
９３ 楕円促進体
９４ 扇形促進体
１０２ 冷媒用流路
１０３ 内管
１０４ 水用流路
１０５ 外管

Claims (6)

1. 内部に第１流体流路を形成する２本の内管と、前記２本の内管の外側に設けられ、前記２本の内管との間に第２流体流路を形成する外管と、前記第２流体流路の流路断面積を減少させる伝熱促進体とを備え、前記伝熱促進体は、前記外管との最小隙間が、前記２本の内管と前記外管との最小隙間と略同等となるように、前記２本の内管のそれぞれと長手方向に沿って線状に接触して固定されたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記伝熱促進体は、前記２本の内管とともに螺旋状に絡み合うように捻って固定されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記伝熱促進体は、前記第２流体流路の流路断面積を減少させる主要部と、前記主要部より断面積が小さい端部とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記伝熱促進体の断面が略円形であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱促進体の断面が略楕円形であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
6. 前記伝熱促進体の断面が略扇形であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。