JP5289088B2 - 熱交換器及び伝熱管 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器及び伝熱管に関する。特に、本発明は、貯湯式ヒートポンプ給湯機に用いられる熱交換器及び伝熱管に関する。

貯湯式ヒートポンプ給湯機は、主として夜間に一定の時間をかけて湯を沸かす装置であり、当該給湯機が備える熱交換器の伝熱管を流れる水の流速は小さいものである。したがって、伝熱管内を流れる水の流れが層流になることから、熱交換器としての伝熱性能を向上させることを目的とする場合、水を流通させる伝熱管の伝熱性能を向上させることが不可欠である。

従来、ヒートポンプ式給湯機として、水冷媒熱交換器の水伝熱管と、１本の水伝熱管に対して１本以上の冷媒伝熱管とを備え、水伝熱管は、らせん巻きされることにより略円筒形状に形成され、冷媒伝熱管は、略円筒形状に形成された水伝熱管の外周に所定のピッチでらせん巻きされ、更に、冷媒伝熱管は、少なくとも断面の１個所以上が水伝熱管の略全長にわたり接合され、かつ、水伝熱管を流れる水の流れの方向と冷媒伝熱管の内部を流れる冷媒の流れの方向とが反対方向に向いているヒートポンプ式給湯機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のヒートポンプ式給湯機は、上記構成を備えるので、給湯機全体の小形化、低コスト化を図ることができると共に、熱変換効率を向上できる。

特開２００５−１３３９９９号公報

しかし、特許文献１に記載のヒートポンプ式給湯機は、湯機全体の小形化、低コスト化を図ることができると共に熱変換効率を向上できるものの、近年の地球温暖化対策の観点からは熱変換効率は十分ではなく、熱変換効率の向上には改良の余地がある。

したがって、本発明の目的は、熱変換効率が高い熱交換器及び伝熱管を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、内周面にらせん状に設けられる複数の溝と、複数の溝の間に位置する複数のフィンとを有し、らせん巻きにより円筒に形成される第１伝熱管と、第１伝熱管に隣接して設けられる第２伝熱管とを備え、第１伝熱管は、円筒の曲率半径をＲ、第１伝熱管の最大内径をＩＤ、フィンの高さをＨＦとした場合に、下記式（１）を満たす熱交換器が提供される。

また、上記熱交換器は、第２伝熱管は、円筒の外周に沿って巻き付けられることにより第１伝熱管の外表面に接してもよい。

また、上記熱交換器は、第２伝熱管は、第１伝熱管の表面に沿って巻き付けられ、第１伝熱管の表面と第２伝熱管の表面とが接合されてもよい。

また、本発明は、上記目的を達成するため、内周面にらせん状に設けられる複数の溝と、複数の溝の間に位置する複数のフィンとを備え、らせん巻きにより円筒に形成される伝熱管であって、円筒の曲率半径をＲ、伝熱管の最大内径をＩＤ、フィンの高さをＨＦとした場合に、下記式（１）を満たす伝熱管が提供される。

本発明に係る熱交換器及び伝熱管によれば、熱変換効率が高い熱交換器及び伝熱管を提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器の断面図である。 （ａ）は、第１の実施の形態に係る水伝熱管の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の一点鎖線の円で囲んだ部分の拡大断面図である。 （ａ）は、第１の実施の形態に係る水伝熱管が直状である場合の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）においてＸ１−Ｘ２に沿って切り開いた場合の図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器の断面図である。 本発明の実施の形態の変形例に係る熱交換器の図である。 実施例及び比較例に係る水伝熱管を直状にした場合における伝熱性能の測定結果を示す図である。 実施例及び比較例に係るらせん巻きした水伝熱管の伝熱性能を測定した結果を示す図である。

［第１の実施の形態］
（熱交換器１の構成の概要）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器の断面の概要を示す。

第１の実施の形態に係る熱交換器１は、例えば、貯湯式ヒートポンプ給湯機（以下、「ヒートポンプ給湯機」という場合がある）において、水−冷媒間の熱交換に用いられる熱交換器である。具体的に、熱交換器１は、円筒形状又は略円筒形状にらせん巻きされた第１伝熱管としての水伝熱管１０と、水伝熱管１０に隣接して設けられる第２伝熱管としての冷媒伝熱管２０とを備える。水伝熱管１０には水が流され、冷媒伝熱管２０には冷媒が流される。すなわち、水伝熱管１０は水管として使用され、水伝熱管１０を流れる水と、冷媒伝熱管２０を流れる冷媒との間で熱が交換される。

（水伝熱管１０）
伝熱管としての水伝熱管１０は、その内周面に設けられる複数の溝１２と、複数の溝１２の間に位置すると共に、水伝熱管１０の内側に突き出た凸形状を有する複数のフィン１４とを有する。複数の溝１２は、例えば、水伝熱管１０の内周面にらせん状に形成される。第１の実施の形態に係る水伝熱管１０は、略直線状（以下、「直状」という場合がある）の水伝熱管１０をらせん巻きすることにより形成されるので、略円筒形状の外形を呈する。なお、複数のフィン１４によって、水伝熱管１０を流れる水の攪拌が促進される。

そして、第１の実施の形態に係る水伝熱管１０は、らせん状に複数巻きされることにより複数段を有して形成されており、一の段に該当する水伝熱管１０の表面１０ｂと、一の段に続く次の段に該当する水伝熱管１０の表面１０ｂとが、接触部１０ａにおいて直接に接触する。第１の実施の形態に係る水伝熱管１０は、例えば、直状の水伝熱管１０に対して連続的に曲げ加工を施して複数段にらせん巻きすることにより形成することができる。

また、らせん巻きされて略円筒形状に形成される水伝熱管１０の曲率半径を「Ｒ」、水伝熱管１０の最大内径を「ＩＤ」、フィン１４の高さを「ＨＦ」とした場合に、水伝熱管１０は、下記式（１）を満たすように形成される。

（冷媒伝熱管２０）
冷媒伝熱管２０は、第１の実施の形態において水伝熱管１０の外周に接触して設けられる。具体的に冷媒伝熱管２０は、略円筒形状を呈する水伝熱管１０の外周に沿ってらせん状に巻きつけられる。すなわち、第１の実施の形態に係る冷媒伝熱管２０は、水伝熱管１０のらせん巻き方向に沿って水伝熱管１０の外周に巻き付けられる。換言すると、水伝熱管１０内に流れるべき水の流れ方向と、冷媒伝熱管２０に流れるべき冷媒の流れの方向とが互いに略平行となるように、冷媒伝熱管２０が水伝熱管１０の外周に巻きつけられる。そして、冷媒伝熱管２０は、水伝熱管１０の表面１０ｂに接合された接合部２０ａを有して形成される。冷媒伝熱管２０は、接合部２０ａを介して水伝熱管１０に一体化することになる。

ここで、第１の実施の形態に係る熱交換器１においては、１本の冷媒伝熱管２０が水伝熱管１０の外周に巻き付けられる。具体的に、冷媒伝熱管２０は、略円筒形状の水伝熱管１０の外周に、一の段に該当する冷媒伝熱管２０の表面と、一の段に続く次の段に該当する冷媒伝熱管２０の表面とが離間するように巻き付けられる。例えば、一の段の水伝熱管１０と一の段に続く次の段の水伝熱管１０とが接触している部分に生じるくぼみ部分に冷媒伝熱管２０を沿わせることにより、冷媒伝熱管２０を水伝熱管１０の外周に接合することができる。

なお、水伝熱管１０と冷媒伝熱管２０との接合は、例えば、ロウ付け接合等の接合法を用いることができる。また、水伝熱管１０及び冷媒伝熱管２０はいずれも、所定の熱伝導率を有する金属材料から形成される。金属材料としては、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を基いることができる。そして、水伝熱管１０の内径は冷媒伝熱管２０の内径より大きく形成され、水伝熱管１０の外径は冷媒伝熱管２０の外径より大きく形成される。

図２Ａの（ａ）は、第１の実施の形態に係る水伝熱管の断面の概要を示し、図２Ａの（ｂ）は、図２Ａの（ａ）の一点鎖線の円で囲んだ部分の拡大断面の概要を示す。

図２Ａの（ａ）を参照すると、第１の実施の形態に係る水伝熱管１０は、その内周面に形成される複数の溝１２と、複数の溝１２の間のそれぞれに設けられるフィン１４とを有する。また、図２Ａの（ｂ）を参照すると、水伝熱管１０が有するフィン１４は、水伝熱管１０の内周面に所定の間隔を有して形成される。

ここで、第１の実施の形態において、水伝熱管１０の最大外径を「ＯＤ」、最大内径を「ＩＤ」とする。また、フィン１４の高さ、すなわち、溝１２の底部からフィン１４の先端までのフィン高さを「ＨＦ」、水伝熱管１０の肉厚、すなわち、水伝熱管１０の外周面から内周面（つまり、溝１２の底部）までの底肉厚を「ＴＷ」とする。

図２Ｂの（ａ）は、第１の実施の形態に係る水伝熱管が直状である場合の斜視図を示し、図２Ｂの（ｂ）は、図２Ｂの（ａ）においてＸ１−Ｘ２に沿って切り開いた場合の概要を示す。

図２Ｂの（ａ）は、曲げ加工が施される前の直状の水伝熱管１０を示す。そして、図２Ｂの（ａ）及び（ｂ）を参照すると、水伝熱管１０は、その内周面にらせん状に形成された複数の溝１２を有する。更に、水伝熱管１０は、複数の溝１２の間に複数のフィン１４を有する。ここで、第１の実施の形態において、複数のフィン１４の間隔を「ｂ」、直状の水伝熱管１０の長手方向に対する溝１２及びフィン１４のなす角度（以下、「ねじれ角」という）を「β」とする。

第１の実施の形態に係る水伝熱管１０において、フィン１４の間隔は、水伝熱管１０の内有面に設ける溝１２の数に応じて決定することができる。また、ねじれ角βは、水伝熱管１０の長手方向（直状の水伝熱管１０の軸方向）に対して０°を超え、９０°未満の範囲にすることができる。

（第１の実施の形態の変形例）
第１の実施の形態に係る熱交換器１は、水伝熱管１０の外周に１本の冷媒伝熱管２０を設けたが、第１の実施の形態の変形例においては、複数本の冷媒伝熱管２０を水伝熱管１０の外周に設けることもできる。この場合、一の冷媒伝熱管の内径と他の冷媒伝熱管の内径とを異ならせることもできる。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態に係る熱交換器１は、水伝熱管１０の内周面に上記式（１）を満足するような複数の溝１２及び複数のフィン１４を設けたので、複数のフィン１４において水伝熱管１０を流れる水の攪拌が促進される。これにより、第１の実施の形態においては、例えば、貯湯式ヒートポンプ給湯機のように水伝熱管１０内を流れる水の流速が遅い場合においても、熱交換器１の伝熱性能を向上させることができ、温暖化対策に資することができるような、熱変換効率が高い熱交換器１を提供することができる。

また、第１の実施の形態に係る熱交換器１は、水伝熱管１０内を流れる水の方向と、冷媒伝熱管２０内を流れる冷媒の方向とを逆にした対向流にすることができる。これにより、第１の実施の形態においては、熱交換性能を向上させた熱交換器１を提供することができる。

更に、第１の実施の形態に係る熱交換器１は、例えば、複数本の中空の水伝熱管をらせん状にねじることを要さないので、水伝熱管をらせん状にねじった場合に生じる得る水伝熱管の折れ、割れ、つぶれ等の変形が生じない。したがって、第１の実施の形態によれば、簡易な製造工程によって熱交換器１を製造することができ、信頼性の高い熱交換器１を提供できる。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器の断面の概要を示す。

第２の実施の形態に係る熱交換器２は、水伝熱管１０のらせん巻きの形態、及び冷媒伝熱管２０の水伝熱管１０に対する巻き付け方が異なる点を除き、第１の実施の形態に係る熱交換器１と略同様の構成を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

第２の実施の形態に係る熱交換器２は、直状の水伝熱管１０をらせん巻きすることにより略円筒形状の外径を呈する水伝熱管１０を備える。第２の実施の形態に係る水伝熱管１０は、らせん状に複数巻きされることにより複数段を有して形成されており、一の段に該当する水伝熱管１０の表面１０ｂと、一の段に続く次の段に該当する水伝熱管１０の表面１０ｂとが、少なくとも冷媒伝熱管２０の外径に相当する間隔だけ離間している。すなわち、第２の実施の形態に係る水伝熱管１０は、一の段に該当する水伝熱管１０の表面１０ｂと、一の段に続く次の段に該当する水伝熱管１０の表面１０ｂとは接触していない。

第２の実施の形態に係る冷媒伝熱管２０は、水伝熱管１０の外表面に沿ってらせん状に巻きつけられ、冷媒伝熱管２０と水伝熱管１０との接触部分がロウ付け接合等によって接合される。具体的に冷媒伝熱管２０は、略円筒形状を呈する水伝熱管１０の外周及び内周、並びに一の段と一の段に続く次の段との間のすき間に対応する水伝熱管１０の表面部分のそれぞれに接した状態で、水伝熱管１０にらせん状に巻きつけられる。すなわち、第２の実施の形態に係る冷媒伝熱管２０は、水伝熱管１０のらせん巻き方向に対して傾斜した方向に沿って水伝熱管１０の外周に巻き付けられる。換言すると、水伝熱管１０内に流れるべき水の流れ方向に対して、冷媒伝熱管２０に流れるべき冷媒の流れの方向が傾斜するように、冷媒伝熱管２０が水伝熱管１０の外周に巻きつけられる。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態に係る熱交換器２は、水伝熱管１０から形成される円筒の外周及び内周、並びに一の段と一の段に続く次の段との間のすき間に対応する水伝熱管１０の表面部分のそれぞれに冷媒伝熱管２０が接している。これにより、第２の実施の形態においては、水伝熱管１０の表面と冷媒伝熱管２０の表面との接触面積が増大するので、結果として伝熱面積を増加させることができる。したがって、第２の実施の形態に係る熱交換器２によれば、熱変換効率を大幅に向上させることができる。

［実施の形態の変形例］
図４は、本発明の実施の形態の変形例に係る熱交換器の一例を示す。

図４においては、冷媒伝熱管２０の図示を省略している。そして、本変形例に係る熱交換器は、第１伝熱管としての角形伝熱管１５が、略四角形状の断面を有する点を除き、第１の実施の形態に係る熱交換器１と略同様の構成を備える。したがって、相違点を除き詳細な説明は省略する。

本変形例においては、第１伝熱管としての角形伝熱管１５は、断面が略四角形状に形成された後、外形が略円筒形状になるようにらせん巻きされる。そして、図４において図示は省略しているが、らせん巻きされた角形伝熱管１５の外周に冷媒伝熱管２０が巻き付けられる。そして、角形伝熱管１５の表面と冷媒伝熱管２０の表面とが接合される。なお、本変形例においては、角形伝熱管１５の断面において、内面における対角線を最大内径「ＩＤ」と、外表面における対角線を最大外径「ＯＤ」とする。

ここで、図４においては、一の段に対応する角形伝熱管１５の表面と、一の段に続く次の段に対応する角形伝熱管１５の表面とは接触部１５ａにおいて接触している。なお、実施の形態の更に他の変形例に係る熱交換器においては、第２の実施の形態に係る熱交換器２と同様に、一の段に対応する角形伝熱管１５の表面と、一の段に続く次の段に対応する角形伝熱管１５の表面とを冷媒伝熱管２０の外径以上に離間させることもできる。この場合、冷媒伝熱管２０は、略円筒形状を呈するらせん巻きされた角形伝熱管１５の外周及び内周、並びに一の段と一の段に続く次の段との間のすき間に対応する角形伝熱管１５の表面部分のそれぞれに接した状態で、角形伝熱管１５にらせん状に巻きつけられる。

本変形例に係る熱交換器によれば、水が流れるべき伝熱管が角形形状を有するので、断面が円形状の場合に比べて、二次流れの効果が大きくなる。また、角形伝熱管１５を円筒形状にらせん巻きする場合に、角形伝熱管１５が扁平に変形することを抑制できるので、コンパクトなサイズの熱交換器を提供できる。

以下、本発明の実施例に係る熱交換器について説明する。

図５は、実施例及び比較例に係る水伝熱管を直状にした場合における伝熱性能の測定結果を示す。

具体的には、表１に示す仕様の直状の水伝熱管を作製した。水伝熱管の内周面に形成された複数の溝の仕様については、らせん状内面溝仕様の欄に記載した。実施例１及び実施例２、並びに比較例１及び比較例２に係る水伝熱管はいずれも、リン脱酸銅から作製した。そして、各水伝熱管の最大外径「ＯＤ」はいずれも８ｍｍとした。ここで、「伝熱性能」は、流体の物性の影響を相殺すべく、ヌセルト数Ｎｕをプラントル数Ｐｒの０．４乗で除した値で定義した（すなわち、伝熱性能＝Ｎｕ／Ｐｒ^０．４であり、実施例及び比較例について同様である）。

また、水伝熱管の圧力損失については、以下の説明において、無次元数であるＤａｒｃｙの管摩擦係数ｆとして表す。以下、第１の実施の形態において述べた上記式（１）についての根拠を実施例を元にして説明する。

まず、実施例１及び２に係る水伝熱管を作製する場合に用いる直状の水伝熱管においてはいずれも、レイノルズ数「Ｒｅ」が２０００以下の場合、平滑管である比較例２に係る水伝熱管と略同等の熱変換効率を示した（熱変換効率の値については省略）。これは、水伝熱管の内表面にフィンを設けていたとしても、フィンが、乱流境界層に覆われるからである。

ここで、レイノルズ数Ｒｅは次式（２）によって定義される。

上記式（２）において、ρは管内を流れる流体の密度（ｋｇ／ｍ^３）であり、μは管内を流れる流体の粘度（Ｐａｓ）である。また、νは流体速度（ｍ／ｓ）であり、ＩＤは水伝熱管の内径である。

ここで、乱流境界層は、水伝熱管の管壁のごく近傍を層流で流れる粘性底層（又は層流底層）と、層流と乱流との中間の層とから構成される。ここで、フィン高さと粘性底層等の厚みとを比較すべく、水伝熱管の管壁から水伝熱管の管中心方向への距離ｙ（すなわち、粘性底層の厚み）の無次元数ｙ^＋を以下の式（３）で定義する。

式（３）においてｕ^＊は摩擦速度であり、以下の式（４）で定義される。

式（４）においてτ_ｗは、管壁における摩擦応力（Ｐａ）である。

通常、粘性底層は０≦ｙ^＋≦５の範囲内であるので、粘性底層の厚みはｙ^＋＝５の場合のｙに近似できる。上記式（３）から、粘性底層の厚みｙは、摩擦速度ｕ^＊に反比例することが分かる。そして、摩擦速度ｕ^＊は、管壁における摩擦応力τ_ｗに比例することが上記式（４）から分かる。ここで、摩擦応力τ_ｗと、水伝熱管の長手方向の所定の区画Ｌにおける圧力損失△Ｐとの関係は、以下の式（５）から導き出される式（６）により示される。なお、区画Ｌの一端における圧力をＰ１、区画Ｌの他端における圧力をＰ２（但し、Ｐ１≧Ｐ２）とする。また、区画Ｌの長さをＬとする。

ここで、Ｄａｒｃｙ−Ｗｅｉｓｂａｃｈａの式は以下の式（７）のとおりである。

式（７）においてνは流体の平均流速（ｍ／ｓ）であり、ｆは管摩擦係数である。そして、式（７）を式（６）に代入すると、以下の式（８）が得られる。

式（８）を参照すると分かるように、水伝熱管を流れる流体の流体温度、及び流速が同一であれば、摩擦応力τ_ｗは管摩擦係数ｆに比例する。したがって、管摩擦係数ｆが大きくなると、上記式（３）で示した粘性底層の厚み、すなわち、ｙ^＋＝５の場合におけるｙの値は小さくなる。また、粘性底層の厚み（つまり、ｙ^＋＝５の場合におけるｙの値）を水伝熱管の最大内径ＩＤで除した値は、管摩擦係数ｆがレイノルズ数Ｒｅの関数である場合、上記式（２）から上記式（８）より、以下の式（９）のようにレイノルズ数Ｒｅと管摩擦係数ｆとの関数として表すことができる。

ここで、直状の水伝熱管の管摩擦係数ｆ_ｓは、例えば、水伝熱管が平滑管である場合、乱流域の式（ブラジウスの式：ｆ_ｓ＝０．３１６４／Ｒｅ^０．２５）、層流域の式（ハーゲンポワズイユの法則よりｆ_ｓ＝６４／Ｒｅ）で表されるように、レイノルズ数Ｒｅの０．２５乗、又はレイノルズ数Ｒｅに反比例する。したがって、直状の平滑管の場合には、上記式（９）を参照すると分かるように、粘性底層の厚み（つまり、ｙ^＋＝５の場合におけるｙの値）を水伝熱管の最大内径ＩＤで除した値は、レイノルズ数Ｒｅが増加すると減少する。

一方、らせん巻きした水伝熱管と直状の水伝熱管との管摩擦係数比ｋは、以下の式（１０）により定義される。

式（１０）においてＤｅはディーン数であり、らせん巻きにした水伝熱管の曲率半径をＲ、レイノルズ数をＲｅとした場合に、次式（１１）により定義される。

ここで、貯湯式ヒートポンプ給湯機のレイノルズ数Ｒｅは、沸き上げ時の水温の上昇に応じて増加する。また、レイノルズ数Ｒｅは、水伝熱管の内径、貯湯式ヒートポンプ給湯機が備える熱交換器のパス数、熱交換器の能力、室外条件等によっても変化する。そこで、室外条件及び給湯条件を、中間期条件（すなわち、室外空気温度：１６℃、入水温度：１７℃、出湯温度：６５℃）に設定すると共に、中間水温度を４１℃に設定した場合のレイノルズ数Ｒｅを、水伝熱管の内径、熱交換器のパス数、熱交換器の能力を以下に示す表２の条件ごとに算出した。なお、水伝熱管の内径、熱交換器のパス数、熱交換器の能力はそれぞれ、貯湯式ヒートポンプ給湯機に要求されるサイズ等の制約条件から考えられる範囲で大きく設定した。また、らせん巻きの曲率半径Ｒが２０ｍｍの場合におけるディーン数Ｄｅと、らせん巻きされた水伝熱管及び直状の水伝熱管それぞれの管摩擦係数比ｋも表２に示した。

表２を参照すると、最小のレイノルズ数Ｒｅは１３００であり、この場合に粘性底層が最も厚くなる。したがって、本発明者は、らせん巻きされた水伝熱管が平滑管より高い性能を発揮するには、内周面に溝及びフィンが形成された水伝熱管のフィン高さが、レイノルズ数Ｒｅ＝１３００における粘性底層の厚さよりも高いことが要求されるという知見を得た。

なお、らせん巻きした水伝熱管の最小臨界レイノルズ数Ｒ_ｅｃは以下の式（１２）により定義される。

らせん巻きの曲率半径Ｒが大きく、水伝熱管の内径ＩＤが小さいほど最小臨界レイノルズ数Ｒ_ｅｃは小さくなる。ここで、貯湯式ヒートポンプ給湯機に要求されるサイズを考慮すると、らせん巻きの曲率半径Ｒは最大でも２００ｍｍ程度であり、内径ＩＤの最小値を、例えば、表２に示した６．８ｍｍに設定した場合には、最小臨界レイノルズ数Ｒｅｃは約５４００となる。したがって、斯かる特性を有するらせん巻きの水伝熱管を流れる流体は、当該水伝熱管の略全域にわたって層流となり、層流域での直状の平滑管における管摩擦係数ｆ_ｓ＝６４／Ｒｅに上記式（１０）に示すらせん巻きの水伝熱管の管摩擦係数と直状の水伝熱管の管摩擦係数との比である管摩擦係数比ｋを乗ずることで、らせん巻きの平滑管における管摩擦係数ｆ（＝ｋ×ｆ_ｓ）を算出できる。

したがって、上記式（１０）及び式（１１）、並びに層流域での直状の平滑管における管摩擦係数ｆ_ｓ＝６４／Ｒｅを用いると、上記式（９）は、以下の式（１３）のように整理できる。

そして、本発明者は、上記式（１３）に基づいて以下の式（１）の関係を満たすらせん巻きした水伝熱管によれば、当該水伝熱管内を流れる流体の粘性底層をフィン高さより薄くすることができるという知見を得た。

これにより、本発明者は、例えば、ヒートポンプ式給湯器のレイノルズ数の範囲内において、本実施例に係る熱交換性能を向上させることができる熱交換器、及び当該熱交換器用の伝熱管を提供できるという知見を得た。

表３に表１に示した内周面に複数の溝がらせん状に形成された水伝熱管のフィン高さに対する内径の比であるＨＦ／ＩＤと、上記式（１３）においてらせん巻きの曲率半径Ｒが２０ｍｍの場合の粘性底層の厚みに対する内径の比の値（ｙ／ＩＤ）とを示す。

図６は、実施例及び比較例に係るらせん巻きした水伝熱管の伝熱性能を測定した結果を示す。

図６は、実施例１及び２、並びに比較例１に係る水伝熱管それぞれについて、らせん巻きした水伝熱管のらせん巻きの曲率半径Ｒが２０ｍｍの場合の伝熱性能を測定した結果である。図６を参照すると、らせん巻きした場合、実施例１及び２においてはレイノルズ数Ｒｅが１３００において、平滑管（比較例２）に対して伝熱性能が向上した。一方、比較例１においては、平滑管と同程度の伝熱性能であった。

（実施例の効果）
例えば、ヒートポンプ式給湯器の水−冷媒間の熱を交換する熱交換器における水の流速は非常に小さい。ここで、平滑管又は直状の伝熱管を用いた場合、これらを流通する流体（例えば、水）は層流になるので、伝熱性能が非常に低い。しかしながら、実施例１及び２の結果から、実施例１及び実施例２に係るらせん巻きした水伝熱管であって、内周面に所定の関係を満たす複数のらせん状の溝及び複数の溝間に位置する複数のフィンとを有する水伝熱管によれば、内周面に形成されたらせん巻きの溝の特性を利用して、粘性底層よりフィンの高さを高くすることができる。これにより、複数のフィンによる流体の攪拌と、フィンと流体とが接触する表面積が拡大する効果とにより、熱変換効率を効果的に向上させることができる。更に、水伝熱管の内周面に設けた溝のらせん巻きによる二次流れにより、熱変換効率を向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１、２ 熱交換器
１０ 水伝熱管
１０ａ 接触部
１０ｂ 表面
１２ 溝
１４ フィン
１５ 角形伝熱管
１５ａ 接触部
２０ 冷媒伝熱管
２０ａ、２０ｂ 接合部

Claims (4)

1. 水−冷媒間の熱交換に用いられる熱交換器であって、
   内周面にらせん状に設けられる複数の溝と、前記複数の溝の間に位置する複数のフィンとを有し、らせん巻きにより円筒に形成される第１伝熱管と、
   前記第１伝熱管に隣接して設けられる第２伝熱管と
   を備え、
   前記第１伝熱管はその中を前記水が流れる水伝熱管であり、前記第２伝熱管はその中を前記冷媒が流れる冷媒伝熱管であり、
   前記第１伝熱管内を流れる前記水は、レイノルズ数Ｒｅが１３００以上５４００以下の状態を含み、
   前記第１伝熱管は、前記円筒の曲率半径をＲ（ただし、Ｒは２００ｍｍ以下）、前記第１伝熱管の最大内径をＩＤ、前記フィンの高さをＨＦとした場合に、下記式（１）を満たす熱交換器。
   

   
2. 前記第２伝熱管は、前記円筒の外周に沿って巻き付けられることにより前記第１伝熱管の外表面に接する請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第２伝熱管は、前記第１伝熱管の表面に沿って巻き付けられ、
   前記第１伝熱管の表面と前記第２伝熱管の表面とが接合される請求項１に記載の熱交換器。
4. 水−冷媒間の熱交換に用いられ、その中を水が流れる伝熱管であって、
   前記伝熱管は、内周面にらせん状に設けられる複数の溝と、前記複数の溝の間に位置する複数のフィンとを備え、らせん巻きにより円筒に形成されて用いられ、
   前記伝熱管内を流れる前記水は、レイノルズ数Ｒｅが１３００以上５４００以下の状態を含み、
   前記円筒の曲率半径をＲ（ただし、Ｒは２００ｍｍ以下）、前記伝熱管の最大内径をＩＤ、前記フィンの高さをＨＦとした場合に、下記式（１）を満たす伝熱管。
   

   

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