JP6471353B2

JP6471353B2 - 熱交換器およびそれを用いたヒートポンプ給湯機

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Publication number: JP6471353B2
Application number: JP2015091024A
Authority: JP
Inventors: 町田　和彦; 和彦町田; 一貴小石原; 由樹山岡; 治青柳
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: JP2016205764A

Description

本発明は、流体間で熱交換を行う熱交換器に関するものである。

従来、この種の熱交換器は、内部に水用流路を形成し、略円筒形状に螺旋巻きされて形成した水管と、略円筒形状に形成された水管の外周に所定のピッチで螺旋巻きされ、内部に冷媒用流路を形成した冷媒管とから構成され、冷媒管と水媒管が密着することにより冷媒と水を熱交換するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、特許文献１に記載された従来の熱交換器を示すもので、同熱交換器の一部を切除し、一部を切欠いた斜視図である。

熱交換器１０１は、略円筒形状に螺旋巻きされた水管１０２と、水管１０２の外周に所定のピッチで略円筒形状に螺旋巻きされた冷媒管１０３とから成っている。冷媒管１０３は水管１０２の略全長にわたり接合され、水管１０２の内部を流れる水の流れの方向と冷媒管１０３の内部を流れる冷媒の流れの方向が対向している。

また、水管１０２の内周面には、複数の溝１０４と、複数の溝１０４の間に位置する複数のフィン１０５を設けて、水と熱交換する伝熱面積の拡大を図ることで、熱交換器１０１の熱交換効率の向上を図っている。

特許第５２８９０８８号公報

しかしながら、前記従来における構成では、略円筒形状に巻かれた水管１０２の外周面は冷媒管１０３と接触しているため、冷媒の熱を水に伝え易くなる一方で、水管１０２の内周面は、冷媒管１０３と接触していないため、冷媒からの熱が伝わり難くなっている。

それゆえ、水管１０２の管内に複数のフィン１０５を設けても、略円筒形状に巻かれた水管１０２の内周面では、冷媒から水への伝熱促進がさほど成されず、複数のフィン１０５による水の圧力損失だけが増大することとなる。

このため、水管１０２に内面溝付き管を適用して、コストや材料を投入して熱交換器１０１の単体の熱交換効率を向上させても、熱交換器１０１へ水を搬送するために機器に搭載された水搬送ポンプの動力が必要以上に増加してしまうので、機器全体のエネルギー効率の上昇が期待できないという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、水の圧力損失の増加を抑制でき、搭載する機器全体のエネルギー効率を向上させる熱交換器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１流体が流れる内管と、前記内管に挿入される挿入体と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流れる少なくとも１本以上の外管とを備え、前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突部とを含み、前記第１流体は、前記内管の内面と前記軸部と隣接する前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を、前記第２流体と対向に流れるとともに、前記内管の内面には、隣接する立壁から形成される螺旋溝が設けられており、かつ、前記螺旋状突部の幅は前記螺旋溝のピッチより大きいことを特徴とするものである。

これにより、内面に螺旋溝を有しかつ外管に直接接触している内管と、外管と接触していない挿入体との２部品で、水が流れる螺旋状流路を構成するので、旋回流と二次流れによる水の伝熱促進効果を維持したまま、伝熱に直接寄与する内管のみ管内の伝熱面積拡大を図ることができるため、熱の移動を伴わない挿入体での水の圧力損失を抑えつつ、螺旋溝による伝熱促進を図ることができる。

本発明によれば、水の圧力損失の増加を抑制でき、搭載する機器全体のエネルギー効率を向上させる熱交換器を提供できる。

本発明の実施の形態１における熱交換器の概略図（ａ）熱交換器の螺旋状突部の螺旋方向と螺旋溝との螺旋方向とが反対方向である場合の熱交換器の断面図（ｂ）本発明の実施の形態１における熱交換器の螺旋状突部の螺旋方向と螺旋溝との螺旋方向とが同一方向である場合の断面図本発明の実施の形態１における他の熱交換器の断面図従来の熱交換器の斜視図

第１の発明は、第１流体が流れる内管と、前記内管に挿入される挿入体と、前記内管の外周に設けられ、第２流体が流れる少なくとも１本以上の外管とを備え、前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突部とを含み、前記第１流体は、前記内管の内面と前記軸部と隣接する前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を、前記第２流体と対向に流れるとともに、前記内管の内面には、隣接する立壁から形成される螺旋溝が設けられており、かつ、前記螺旋状突部の幅は前記螺旋溝のピッチより大きいことを特徴とする熱交換器である。

第２の発明は、特に第１の発明において、螺旋状突部の螺旋方向と、螺旋溝との螺旋方向とは、同一方向であることを特徴とする熱交換器である。

これにより、螺旋状突部の先端面と螺旋溝との間に生じる隙間を小さくすることができるため、挿入体と内管の内面との隙間を極力小さくすることができ、伝熱に寄与しない水の内管の軸方向への流れを少なくすることができ、熱交換効率を高めることができる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、螺旋状突部の先端面が、一部の螺旋溝の開口部を覆う構成としたことを特徴とする熱交換器である。

これにより、挿入体と内管の内面との隙間を極力小さくすることができるため、伝熱に寄与しない水の内管の軸方向への流れを少なくすることができ、熱交換効率を高めることができる。

第４の発明は、前記第１〜第３のいずれかの発明の熱交換器を搭載したヒートポンプ給湯機で、ヒートポンプ給湯機のエネルギー効率を向上させることができる。

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一部を切除した概略図である。

図２（ａ）は、熱交換器の、螺旋状突部６の螺旋方向と螺旋溝８との螺旋方向とが反対方向である場合の断面図である。

また、図２（ｂ）は、本発明の実施の形態１における熱交換器の、螺旋状突部６の螺旋方向と螺旋溝８との螺旋方向とが同一方向である場合の熱交換器の断面図である。

図３は、挿入体３の螺旋状突部６の先端に形成した突起１０が、内管２の螺旋溝８に勘合するような形状となっている構成を示す熱交換器の断面図である。

以下、各図面に基づいて、本発明の実施の形態１における熱交換器について説明する。

図１において、熱交換器１は、内部を第１流体である水が流れる内管２と、内管２の内部に挿入された挿入体３と、内部を第２流体である冷媒（例えば、二酸化炭素）が流れ、かつ、内管２の外周に密着する少なくとも１本以上の外管４とからなり、水と冷媒とを対向に流して熱交換するものであり、ヒートポンプ式給湯機（図示なし）に搭載されている。

挿入体３は、軸部５と軸部５の外周に螺旋状に設けた螺旋状突部６から形成され、内管２との間に配置することにより、内管２の内面と軸部５の外面と隣接する螺旋状突部６とで形成される環状でかつ螺旋状の螺旋状流路７を形成している。

内管２の内面には、複数の螺旋溝８と、その螺旋溝８を形成する複数の立壁９が設けられており、水と熱交換する伝熱面積の拡大を図っている。

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。

熱交換器１は、外管４の内部を流れる高温の冷媒と、内管２と挿入体３の間に配置された螺旋状流路７を流れる低温の水を対向に流して熱交換することで、ヒートポンプ式給湯機に搭載した場合には、給湯用のお湯を生成する。

ここで、螺旋状に設けた螺旋状突部６に沿って螺旋状流路７を水が流れるので、螺旋による旋回流と、水の矩形流路断面化による二次流れ効果により、ヒートポンプ給湯機のように水の流速が遅い場合においても、熱交換効率を向上できる。

また、内面に螺旋溝８を有し、かつ、外管４と密着する内管２と、外面に螺旋溝８を設けておらず、かつ、外管４と密着していない挿入体３とで水が流れる螺旋状流路７を形成するので、螺旋状流路７の旋回流と二次流れによる水の伝熱促進効果を維持したまま、伝熱に直接寄与する内管２の管内のみ伝熱面積を拡大することができる。

このため、熱の移動を伴わない挿入体３での水の圧力損失増加を抑えたままで、螺旋溝８による水の伝熱促進を図ることができる。

以上のように、本発明の螺旋状流路７において、伝熱に寄与する部分のみ螺旋溝８を設けることが可能となるので、熱交換効率を向上させると同時に、水の圧力損失増加を抑制できる。

このため、ヒートポンプ給湯機においては、水搬送ポンプ動力の上昇を抑えることが可能になるので、ヒートポンプ給湯機全体のエネルギー効率を向上させることができる。

一方、図２（ａ）に示すように、挿入体３の螺旋状突部６の螺旋方向が、時計回りの方向であり、内管２の内面に設けた複数の螺旋溝８、すなわち、螺旋溝８を形成する隣接する複数の立壁９の螺旋方向が反時計回りである場合、両者の螺旋方向が異なるので、水が、螺旋状突部６と螺旋溝８の間を通過する水流が生じ、挿入体３の螺旋状突部６に沿った水の螺旋状の流れが弱くなり、旋回流による伝熱促進効果が小さくなる。

そこで、図２（ｂ）に示すように、挿入体３の螺旋状突部６の螺旋方向と、内管２の内面に設けた複数の螺旋溝８、すなわち、螺旋溝８を形成する隣接する複数の立壁９の螺旋方向を同じ（例えば、共に時計回り）にすることにより、螺旋状突部６と螺旋溝８の間を通過する水の流れを少なくすることができ、旋回流による伝熱促進効果を、前記図２（ａ）の場合より向上できる。

なお、螺旋状突部６の幅Ｓが螺旋溝８のピッチＰよりも大きいと更に、螺旋状突部６を横切る水の流れを少なくすることができるので好ましい。

また、図３のように、挿入体３の螺旋状突部６の先端面が、一部の螺旋溝８の開口部を覆うように、挿入体３の螺旋状突部６の先端に形成した突起１０を、螺旋溝８に勘合させることで、螺旋状突部６と螺旋溝８との隙間を極力小さくすることができ、旋回流による伝熱促進効果を維持できる。

また、螺旋溝８を形成する立壁９の高さを、立壁９の根元幅よりも小さくすることで、挿入体３の外径寸法を大きくすることができる。このため、水の螺旋状流路７の旋回流効果を助長でき、伝熱促進し易くできる効果がある。

尚、本発明の実施の形態１では、外管４の本数を１本としているが、それ以上の本数にしても同様の作用効果を期待できる。

また、本発明の実施の形態１では、外管４を流れる冷媒の例えとして、二酸化炭素としたが、ハイドロカーボン系やＨＦＣ系（Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２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、コンパクトで経済性に優れ、品質性能および熱交換性能の高い熱交換器を提供できるので、流体間で熱交換を行う熱交換器を搭載した機器に適用できる。

１熱交換器
２内管
３挿入体
４外管
５軸部
６螺旋状突部
７螺旋状流路
８螺旋溝
９立壁
１０突起
Ｓ螺旋状突部の幅
Ｐ螺旋溝のピッチ

Claims

第１流体が流れる内管と、
前記内管に挿入される挿入体と、
前記内管の外周に設けられ、第２流体が流れる少なくとも１本以上の外管と、
を備え、
前記挿入体は、軸部とその軸部の外表面に形成された螺旋状突部とを含み、
前記第１流体は、前記内管の内面と前記軸部と隣接する前記螺旋状突部とで形成される螺旋状流路を、前記第２流体と対向に流れるとともに、
前記内管の内面には、隣接する立壁から形成される螺旋溝が設けられており、
かつ、前記螺旋状突部の幅は前記螺旋溝のピッチより大きいことを特徴とする熱交換器。
前記螺旋状突部の螺旋方向と、前記螺旋溝との螺旋方向とが、同一方向であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記螺旋状突部の先端面が、一部の前記螺旋溝の開口部を覆う構成としたことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器を搭載したヒートポンプ給湯機。