JP5431210B2 - 伝熱管及び熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱管及び熱交換器に関する。特に、本発明は、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機に用いられる水−冷媒熱交換機用の伝熱管、及び当該伝熱管を備える熱交換器に関する。

従来、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機の熱交換器として、水が流通する外管と、冷媒が流通する内管との二重管からなる二重管式熱交換器が知られている。自然冷媒ヒートポンプ式給湯機は、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。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、自然冷媒ヒートポンプ式給湯器において、熱交換器を構成する水管として使用されるコルゲート形状の伝熱管であって、コルゲート形状のコルゲート溝深さをＨｃ、コルゲート外径をＯＤとしたときに、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤを満たす伝熱管が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載の伝熱管は、上記構成を備えるので、自然冷媒ヒートポンプ式給湯機のような水の流速が小さい使用形態においても熱交換器の伝熱性能を向上させることが可能である。

特開２００７−２１８４８６号公報

しかし、特許文献１に記載の伝熱管は、給湯器に適したコルゲート管を用いることで熱交換の高性能化を図ることはできるものの、熱交換効率を更に向上させて流体への伝熱性能を更に向上させる点については、まだ改善の余地がある。

したがって、本発明の目的は、熱交換効率が高く、伝熱性能が更に向上する伝熱管、及び当該伝熱管を備える熱交換器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、内周面及び外周面を有する主管と、前記外周面に螺旋状に形成されるコルゲート溝と、前記外周面に前記主管の軸方向について前記コルゲート溝と逆向きの螺旋状に並んで配置される複数のくぼみ部と、を備え、前記内周面には、前記コルゲート溝に対応する突条部と、前記複数のくぼみ部に対応する突起部が形成されている伝熱管が提供される。

また、上記伝熱管は、前記コルゲート溝の深さをＨｃ、前記くぼみ部の深さをＨｄ、前記くぼみ部の前記主管の軸方向についてのピッチをＰｄ、伝熱管の外径をＯＤとした場合に、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤ≦０．１、かつ、１．３≦Ｈｄ／Ｈｃ≦１．６、かつ、０．４≦Ｐｄ／ＯＤ≦０．６の関係を満たすことが好ましい。

また、本発明は、上記目的を達成するため、上記伝熱管と、前記伝熱管の外側に配置される外管と、を備える熱交換器が提供される。

また、上記熱交換器は、前記伝熱管は、前記外管の内側に配置されており、前記伝熱管と前記外管との間に流体が流通可能な流通路が形成されることが好ましい。

また、上記熱交換器は、前記伝熱管の外周面と面接触する平滑な内周面を有する漏洩検知管を備え、前記流通路は、前記漏洩検知管と前記外管の間に形成されることが好ましい。

また、上記熱交換器は、前記外管は、コルゲート溝を有することが好ましい。

また、上記熱交換器は、前記伝熱管は、第１流体用の第１伝熱管であり、前記外管は、第２流体用の第２伝熱管であり、前記第１伝熱管の外周面と接合されていることが好ましい。

本発明に係る伝熱管及び熱交換器によれば、熱交換効率が高く、伝熱性能が更に向上する。

本発明の第１の実施形態の伝熱管の縦断面の概要を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。 本発明の第４の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。 本発明の第５の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。 本発明の第６の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。 図７ＡのＣ−Ｃ線における断面図である。 実施例１、比較例１及び比較例２の伝熱管の層流領域（レイノルズ数Ｒｅが小さい領域）での伝熱性能を、平滑管に対する比で示したグラフである。 実施例１、比較例１及び比較例２の伝熱管の層流領域（レイノルズ数Ｒｅが小さい領域）での圧力損失を、平滑管に対する比で示したグラフである。 実施例１、実施例２及び実施例４の伝熱管におけるくぼみ深さとコルゲート深さの比Ｈｄ／Ｈｃと伝熱性能との関係を示すグラフである。 実施例１、実施例３、実施例５及び実施例６の伝熱管におけるくぼみ部の軸方向ピッチと伝熱管の外径の比Ｐｄ／ＯＤと伝熱性能との関係を示すグラフである。

［実施形態の要約］
熱交換器を構成する伝熱管において、内周面及び外周面を有する主管と、外周面に螺旋状に形成されるコルゲート溝と、外周面に主管の軸方向についてコルゲート溝と逆向きの螺旋状に並んで配置される複数のくぼみ部と、を備え、内周面には、コルゲート溝に対応する突条部と、複数のくぼみ部に対応する突起部が形成されている伝熱管が提供される。また、伝熱管を備える熱交換器において、内周面及び外周面を有する主管と、外周面に螺旋状に形成されるコルゲート溝と、外周面に主管の軸方向についてコルゲート溝と逆向きの螺旋状に並んで配置される複数のくぼみ部と、を備え、内周面には、コルゲート溝に対応する突条部と、複数のくぼみ部に対応する突起部が形成されている伝熱管と、伝熱管が内側に配置される外管と、を備える熱交換器が提供される。

［第１の実施形態］
（伝熱管１の構成の概要）
図１は、本発明の第１の実施形態の伝熱管の縦断面の概要を示す。

第１の実施形態の伝熱管１は、第１流体と第２流体の熱交換に用いられる熱交換器用の伝熱管である。例えば、熱交換器が自然冷媒ヒートポンプ式給湯機である場合、第１流体として水が用いられ、第２流体として二酸化炭素等の冷媒が用いられる。本実施形態においては、伝熱管１が内部に第１流体が流通する管として用いられ、伝熱管１の内部を流れる第１流体と、伝熱管１の外部を流れる第２流体との間で熱交換が行われる。

伝熱管１は、内周面１０ａ及び外周面１０ｂを有する断面円環状の主管１０と、主管１０の外周面１０ｂに形成された螺旋状のコルゲート溝２０と、主管１０に形成された複数のくぼみ部３０と、を有する。図１に示すように、側面視にて、コルゲート溝２０の延在方向は、主管１０の軸方向に対して所定の角度だけ傾斜している。また、各くぼみ部３０は、ディンプル加工により形成され、外周面１０ｂに螺旋方向に間隔をおいて並んで配置されている。図１に示すように、側面視にて、各くぼみ部３０の螺旋状の並び方向は、主管１０の軸方向に対して所定の角度だけ傾斜している。

本実施形態においては、コルゲート溝２０の延在方向と、各くぼみ部３０の並び方向は、軸方向について逆の方向に傾斜しており、コルゲート溝２０と各くぼみ部３０を結んだ仮想線は、所定周期で交差するようになっている。一方、内周面１０ａには、コルゲート溝２０に対応して突条部２０ａが形成されるとともに、各くぼみ部３０に対応して複数の突起部３０ｂが形成されている。

ここで、伝熱管１から各くぼみ部３０を除いた形態の伝熱管をコルゲート管という。そして、本実施形態の伝熱管１は、コルゲート溝２０及び各くぼみ部３０を備え、コルゲート溝２０の延在方向と各くぼみ部３０の並び方向が交差（クロス）していることから、「クロスコルゲート伝熱管」と呼ぶ場合がある。

（コルゲート溝２０の詳細）
本実施形態の伝熱管１は、コルゲート溝２０のコルゲート深さ（主管１０の外周面１０ｂからコルゲート溝２０の底部までの距離）をＨｃ、伝熱管１の外径をＯＤとした場合に、外径ＯＤに対する凹凸の比を表すＨｃ／ＯＤの値が、通常の内面溝付き管に比べて大きいことが好ましい。なお、内面溝付き管における凹凸の比もまた、「溝深さ／外径」で表すことができる。本実施形態においては、Ｈｃ／ＯＤの値につき、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤ≦０．１の関係を満たすことが好ましい。また、伝熱管１の伝熱性能を更に良好にすることを目的とした場合、Ｈｃ／ＯＤの値は、０．０３≦Ｈｃ／ＯＤ≦０．０７を満たすことが更に望ましい。尚、この範囲であれば、圧力損失の増大は抑制される。

また、コルゲート溝２０の軸方向のピッチＰｃは、一例として、３ｍｍ≦Ｐｃ≦３０ｍｍの範囲内で設定することができるが、斯かる範囲内の値に限定されない。

（くぼみ部３０の詳細）
また、本実施形態の伝熱管１は、各くぼみ部３０のくぼみ深さ（主管１０の外周面１０ｂからくぼみ部３０の底部までの距離）をＨｄとしたときに、１．３≦Ｈｄ／Ｈｃ≦１．６の関係を満たすことが好ましい。また、各くぼみ部３０の軸方向のピッチＰｄは、レイノルズ数３０００未満ではコルゲート溝２０のピッチＰｃより小さいことが好ましく、レイノルズ数３０００以上では大きいことが好ましい。さらに、軸方向のピッチＰｄと外径ＯＤは、０．４≦Ｐｄ／ＯＤ≦０．６の関係を満たすことが好ましい。

（伝熱管１の材質等）
伝熱管１は、伝熱管１の使用目的に応じて、所定の熱伝導率、及び所定の機械的強度を有する金属材料から形成することができる。例えば、金属材料は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等を用いることができる。また、主管１０の肉厚、具体的には、伝熱管１の端末の表面が平滑な部分における肉厚Ｔｗは、一例として、０．４ｍｍ≦Ｔｗ≦１．７ｍｍの範囲内に設定することができるが、斯かる範囲内の値に限定されない。

（第１の実施形態における伝熱管１の効果）
以上のように構成された伝熱管１によれば、コルゲート溝２０の延在方向と、各くぼみ部３０の並び方向が、主管１０の軸方向について逆向きの螺旋となるようにしたので、伝熱管１内を流れる第１流体の流速が小さい場合であっても、伝熱管１の伝熱性能を向上させることができると共に、伝熱管１を流れる第１流体の圧力損失の増大を抑制することができる。

特に、１．３≦Ｈｄ／Ｈｃ≦１．６と０．４≦Ｐｄ／ＯＤ≦０．６の関係を満たすようにすることにより、伝熱性能が飛躍的に向上させつつ、圧力損失の増大を抑制することができ、実用に際して極めて有利である。

尚、第１の実施形態においては、コルゲート溝２０が１つの突条部からなるものを示したが、コルゲート溝２０の突条部の数は複数であってもよい。内面溝付きの伝熱管では困難な大きなねじれ角を実現するには、突条部の数を３以下とすることが望ましい。コルゲート溝２０の条数が複数である場合は、軸方向のピッチＰｃは、軸方向に隣接しているコルゲート溝２０同士の距離となる。

（熱交換器２の構成）
図２は、本発明の第１の実施形態の熱交換器の概要を示す。
図２に示すように、この熱交換器２は、二重管式の熱交換器であり、伝熱管１と、伝熱管１が内側に配置される外管４０と、を備える。本実施形態においては、外管４０は、外周面１０ｂと距離をおいて伝熱管１を覆う本体部４１を有し、本体部４１の両端が伝熱管１の外周面１０ｂに接合部１０ｃにより接合されている。接合部１０ｃにおいては、例えばロウ付けにより伝熱管１と外管４０が接合されている。

（外管４０の構成）
本体部４１は、伝熱管１の外径よりも大きな内径を有し、伝熱管１の外周面１０ｂと本体部４１の内周面４０ａとの間には環状の流通路４６が形成されている。また、本体部４１の両端は、冷媒流入口４２及び冷媒流出口４４と連通しており、冷媒流入口４２から流通路４６を通じて冷媒流出口４４へ向けて第２流体が流れる。伝熱管１内には第１流体として水が流通し、外管４０内には第２流体として二酸化炭素等の冷媒が流通する。尚、環状部４６の冷媒の流通方向と、伝熱管１の水の流通方向とは逆方向にすることができる。

（第１の実施形態における熱交換器２の効果）
以上のように構成された熱交換器２によれば、伝熱管１内を流れる水の流速が小さい場合であっても、伝熱管１の伝熱性能を向上させることができると共に、伝熱管１を流れる流体の圧力損失の増大を抑制することができる。従って、伝熱管１内の水への伝熱性能を向上させることができ、熱交換器２を備える給湯機システム全体の熱交換効率を向上させることができる。また、伝熱管１の水の圧力損失を低減させることができるので、ポンプ入力の低減を図ることができる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明の第２の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。

第２の実施形態の熱交換器３は、第１の実施形態の熱交換器２と異なり、伝熱管１の外周面１０ｂに沿って漏洩検知管としての平滑管５０が設けられている点を除き、熱交換器２と略同一の構成・機能を備える。

熱交換器３は、第１流体が流れる伝熱管１と、伝熱管１の外周面１０ｂと面接触する平滑な内周面５０ｂを有する断面円環状の平滑管５０と、平滑管５０の外周面５０ａから距離をおいて外周面５０ａを覆う外管４０と、を備える。すなわち、平滑管５０は、伝熱管１と外管４０との間に配置され、平滑管５０の外周面５０ａと外管４０の内周面４０ａとの間に環状の流通路４６が形成され、この流通路４６に第２流体が流れるように形成される。この熱交換器３は、三重管式熱交換器ということができる。なお、平滑管５０は、伝熱管１からの流体の漏洩を検知する機能と、当該流体の流通路４６への漏洩を防止する機能とを有する。

また、伝熱管１の外周面１０ｂにはコルゲート溝２０が形成されていることから、平滑管５０の内周面５０ｂとコルゲート溝２０の間に空洞５２が形成されている。この空洞５２は、図示しない漏洩検知部に接続されている。そして、漏洩検知部は、第１流体が流通する伝熱管１に腐食等に基づく孔が生じた場合等に、第１流体の漏洩を検知して装置を停止させる。これにより、流通路４６を流れる第２流体と伝熱管１を流れる第１流体とが混合することを防止できる。

［第３の実施形態］
図４は、本発明の第３の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。

第３の実施形態の熱交換器４は、第２の実施形態の熱交換器３とは、外管の形態が異なる点を除き、熱交換器３と略同一の構成・機能を備える。

第３の実施形態の熱交換器４は、伝熱管１と、伝熱管１が内側に配置される外管６０と、を備える。外管６０は、外周面にコルゲート溝７０が形成され、内周面６０ａにコルゲート溝７０に対応する突条部７０ａが形成されている。この熱交換器４においても、外管６０の本体部６１は、冷媒流入口６２及び冷媒流出口６４と連通しており、冷媒流入口６２から流通路６６を通じて冷媒流出口６４へ向けて第２流体が流れる。このように、外管６０にコルゲート溝７０が形成されているので、熱交換器４の可撓性を向上させることができる。

［第４の実施形態］
図５は、本発明の第４の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。

第４の実施形態の熱交換器５は、第２の実施形態の熱交換器３とは外管の形態が異なる点を除き、熱交換器３と略同一の構成・機能を備える。

第４の実施形態の熱交換器５は、伝熱管１と、伝熱管１の外周面１０ｂと面接触する平滑な内周面５０ｂを有する断面円環状の平滑管５０と、伝熱管１及び平滑管５０が内側に配置されコルゲート溝７０が形成される外管６０と、を備える。外管６０がコルゲート溝７０を有しているので、熱交換器５の可撓性を向上させることができる。

［第５の実施形態］
図６は、本発明の第５の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図である。

第５の実施形態の熱交換器６は、第１の実施形態の伝熱管１と、伝熱管１の外側に配置され、外周面１０ｂに螺旋状に巻き付けられた冷媒流通用の冷媒伝熱管８０と、を備える。冷媒伝熱管８０は、例えばロウ付けにより伝熱管１に固着される。この熱交換器６では、伝熱管１内を流れる水と、冷媒伝熱管８０を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。

［第６の実施形態］
図７Ａは、本発明の第６の実施形態の熱交換器の概要を示す説明図であり、図７Ｂは、図７ＡのＣ−Ｃ線における断面図である。

第６の実施形態の熱交換器７は、図７Ａに示すように、第１の実施形態の伝熱管１と、伝熱管１と接触し、伝熱管１と平行に配置される２本の冷媒伝熱管８０とを備える。伝熱管１及び各冷媒伝熱管８０はいずれも略直線状に伸び、図８Ｂに示すように、伝熱管１の外周面１０ｂと冷媒伝熱管８０の外周面８０ａとは、接続部８０ｂにてロウ付けで固着されている。この熱交換器７においても、伝熱管１内を流れる水と、冷媒伝熱管８０内を流れる冷媒との間で熱交換が行われる。なお、伝熱管１の管径によって変わる伝熱の最適パスに応じて、伝熱管１の外部に設けられる冷媒伝熱管８０の本数を変えることができる。

以下、本発明の実施例の伝熱管について説明する。実施例１〜６の伝熱管、比較例１、２の伝熱管として、表１に示す構成を備える伝熱管をそれぞれ作製した。実施例１〜６の伝熱管は、第１の実施形態の伝熱管１と同様の構造であり、比較例１はくぼみ部が形成されていないコルゲート管であり、比較例２はくぼみ部の代わりにコルゲート溝を追加形成して２つのコルゲート溝を交差させた管である。

実施例１〜６、比較例１、２に係る伝熱管はいずれも、リン脱酸銅から形成して、外径（ＯＤ）を１４ｍｍにした。また、実施例１〜６の伝熱管１においては、コルゲート溝と各くぼみ部とを同時に形成した。実施例１〜６の伝熱管それぞれのＨｃ／ＯＤ、Ｈｄ／Ｈｃ、Ｐｄ／ＯＤの値、及び条数は表１に示した通りである。また、比較例１及び２のＰｃ／ＯＤも表１に示した通りである。さらに、比較例２の伝熱管について、追加されたコルゲート溝の深さＨｃ’とし、Ｈｃ’／Ｈｃの値を表１に示してある。

そして、各伝熱管の伝熱性能平滑管比を、層流領域（レイノルズ数Ｒｅが所定値以下の領域）で比較した。ここで、伝熱性能とは、流体の物性の影響を相殺するために、ヌセルト数Ｎｕをプラントル数Ｐｒの０．４乗で除した値（Ｎｕ／Ｐｒ^０．４）で定義する。また、伝熱性能は、ヒートポンプ式給湯機において実際に用いられる水流量に対応するレイノルズ数で比較した。

図８は、実施例１、比較例１及び比較例２の伝熱管の層流領域（レイノルズ数Ｒｅが小さい領域）での伝熱性能を、平滑管に対する比で示したグラフである。また、図９は、比較例１及び比較例２の伝熱管の層流領域（レイノルズ数Ｒｅが小さい領域）での圧力損失を、平滑管に対する比で示したグラフである。

図８を参照すると明らかなように、実施例１の伝熱管は、比較例１の伝熱管に対して、測定したレイノルズ数Ｒｅの全領域において伝熱性能が向上することが示された。また、図９を参照すると、実施例１の伝熱管は比較例２の伝熱管に対し全領域において圧力損失が同レベルであるものの、図８に示すように、レイノルズ数Ｒｅが４０００以下の領域で、比較例２の伝熱管に対して伝熱性能が向上することが示された。

図１０は、実施例１、実施例２及び実施例４の伝熱管におけるくぼみ深さとコルゲート深さの比Ｈｄ／Ｈｃと伝熱性能との関係を示すグラフである。図１０では、伝熱性能は、平滑管に対する比で示している。また、レイノルズ数Ｒｅは１５００とした。

図１０を参照すると明らかなように、Ｈｃ／ＯＤとＰｄ／ＯＤを一定した場合、Ｈｄ／Ｈｃが１．３以上のとき、伝熱性能が平滑管に対して１．２倍以上となる。従って、１．３≦Ｈｄ／Ｈｃを満たすことが望ましい。尚、図１０に示すように、伝熱性能が良好であることは、Ｈｄ／Ｈｃが１．６３までは確認されている。

図１１は、実施例１、実施例３、実施例５及び実施例６の伝熱管におけるくぼみ部の軸方向ピッチと伝熱管の外径の比Ｐｄ／ＯＤと伝熱性能との関係を示すグラフである。図１１では、伝熱性能は、平滑管に対する比で示している。また、レイノルズ数Ｒｅは１５００とした。

図１１を参照すると明らかなように、Ｈｃ／ＯＤとＨｄ／Ｈｃを一定した場合、０．４≦Ｐｄ／ＯＤ≦０．６の範囲内のとき、伝熱性能が平滑管に対して１．２倍以上となる。従って、０．４≦Ｐｄ／ＯＤ≦０．６を満たすことが望ましい。

以上、本発明の実施形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施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 伝熱管
３、４、５、６、７ 熱交換器
１０ 主管
１０ａ 内周面
１０ｂ 外周面
１０ｃ 接合部
２０ コルゲート溝
２０ａ 突条部
３０ くぼみ部
３０ａ 突起部
４０ 外管
４０ａ 内周面
４１ 本体部
４２ 冷媒流入口
４４ 冷媒流出口
４６ 流通路
５０ 平滑管
５０ａ 外周面
５０ｂ 内周面
５２ 空洞
６０ 外管
６０ａ 内周面
６１ 本体部
６２ 冷媒流入口
６４ 冷媒流出口
６６ 流通路
７０ コルゲート溝
７０ａ 突条部
８０ 冷媒伝熱管
８０ａ 外周面
８０ｂ 接触部

Claims (7)

1. 内周面及び外周面を有する主管と、
   前記外周面に螺旋状に形成されるコルゲート溝と、
   前記外周面に前記主管の軸方向について前記コルゲート溝と逆向きの螺旋状に並んで配置される複数のくぼみ部と、を備え、
   前記内周面には、前記コルゲート溝に対応する突条部と、前記複数のくぼみ部に対応する突起部が形成されている伝熱管。
2. 前記コルゲート溝の深さをＨｃ、前記くぼみ部の深さをＨｄ、前記くぼみ部の前記主管の軸方向についてのピッチをＰｄ、伝熱管の外径をＯＤとした場合に、０．０４≦Ｈｃ／ＯＤ≦０．１、かつ、１．３≦Ｈｄ／Ｈｃ≦１．６、かつ、０．４≦Ｐｄ／ＯＤ≦０．６の関係を満たす請求項１に記載の伝熱管。
3. 請求項２に記載の伝熱管と、
   前記伝熱管の外側に配置される外管と、を備える熱交換器。
4. 前記伝熱管は、前記外管の内側に配置されており、
   前記伝熱管と前記外管との間に流体が流通可能な流通路が形成される請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記伝熱管の外周面と面接触する平滑な内周面を有する漏洩検知管を備え、
   前記流通路は、前記漏洩検知管と前記外管の間に形成される請求項４に記載の熱交換器。
6. 前記外管は、コルゲート溝を有する請求項５に記載の熱交換器。
7. 前記伝熱管は、第１流体用の第１伝熱管であり、
   前記外管は、第２流体用の第２伝熱管であり、前記第１伝熱管の外周面と接合されている請求項４から６のいずれか１項に記載の熱交換器。

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