JP2013204861A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換効率の高い熱交換器を提供する。
【解決手段】第１流体と第２流体の間で熱交換を行う熱交換器１Ａは、第１流体が流れる主流路１０を形成する構造体２と、主流路１０内に蛇行部３１を有する、内部に第２流体が流れる伝熱管３と、を備えている。伝熱管３は、断面円形状の内管４と、この内管４に外接する、複数の平坦部５１を有する断面多角形状の外管５と、からなる二重管である。外管５は、各平坦部５１が内管４の回りをスパイラル状に旋回するように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、第１流体と第２流体の間で熱交換を行う熱交換器に関する。

従来から、２種類の流体（例えば、水と冷媒、空気と冷媒）の間で熱交換を行う熱交換器が広く使用されている。例えば、特許文献１には、図９（ａ）に示すような水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器１００が開示されている。

この熱交換器１００は、内部に水が流れる水管１１０と、内部に冷媒が流れる一対の冷媒管１２０とを備えている。一対の冷媒管１２０は、互いにツイストされた状態で水管１１０内に配置されている。

各冷媒管１２０は、図９（ｂ）に示すように、断面円形状の内管１２１と、内管１２１に外接する断面四角形状の外管１２２とからなる二重管である。すなわち、外管１２２は、互いに垂直に交わる４つの平坦部を有している。この構造の冷媒管１２０では、内管１２１から冷媒が外部に漏洩する、あるいは外管１２２から水が内部に漏洩したとしても、その冷媒または水が内管１２１の外周面と外管１２２の頂点付近との間に形成される流路を通じて熱交換器外に放出されるため、冷媒または水の漏洩を検知することができる。

特開２００８−２８１２４９号公報

ところで、特許文献１には、一対の冷媒管１２０がどのような状態でツイストされているかは具体的には記載されていないが、加工性の観点からは双方の冷媒管１２０における外管１２２の平坦部同士が面接触した状態でツイストされると考えられる。しかしながら、この場合には、図１０に示すように、一対の冷媒管１２０の両側に形成される水流路の断面形状はどの位置でも略Ｄ字状となり、その水流路を水がスムーズに流れるために、熱交換効率に改善の余地がある。

本発明は、このような事情に鑑み、熱交換効率の高い熱交換器を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、第１流体と第２流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、第１流体が流れる主流路を形成する構造体と、前記主流路内に蛇行部を有する、内部に第２流体が流れる伝熱管と、を備え、前記伝熱管は、断面円形状の内管と、この内管に外接する、複数の平坦部を有する断面多角形状の外管と、からなる二重管であり、前記外管は、前記複数の平坦部のそれぞれが前記内管の回りをスパイラル状に旋回するように構成されている、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、断面多角形状の外管が捩られながら蛇行する形状を有するため、外管の外側を流れる第１流体の乱流化が促進される。これにより、伝熱管の周囲の温度境界層の成長が抑制されるため、高い熱交換効率を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る熱交換器の構成図 （ａ）は第１実施形態において用いられる伝熱管の断面図、（ｂ）は変形例の伝熱管の断面図 外管に加工される前の原管内に内管を挿入した状態を示す断面図 （ａ）は原管を断面多角形状に成型する方法を示す図、（ｂ）はその方法に用いられる回転金型の正面図 （ａ）は原管を断面多角形状に成型する別の方法を示す図、（ｂ）および（ｃ）はその方法に用いられる回転金型の正面図 本発明の第２実施形態に係る熱交換器の斜視図 図６に示す熱交換器の内部構成を示す平面図 図７のVIII−VIII線に沿った熱交換器の断面図 （ａ）は従来の熱交換器の構成図、（ｂ）はその熱交換器に用いられる冷媒管の断面図 図９（ａ）に示す熱交換器の想定される断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。

以下の実施形態では、ヒートポンプ式給湯機などのヒートポンプ装置に使用され、第１流体である水と第２流体である冷媒との間で熱交換を行う熱交換器を例に挙げて説明する。冷媒はヒートポンプ回路を循環するものであり、冷媒としては例えば高温水の生成に好適な二酸化炭素が用いられる。ただし、第１流体および第２流体はこれらに限定されない。例えば、水に代えて、油、ブラインなどを第１流体として使用することも可能である。また、第１流体および第２流体の双方が液体または気体であってもよい。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る熱交換器１Ａを示す。この熱交換器１Ａは、水が流れる主流路１０を形成する構造体２と、構造体２内に配置された、内部に冷媒が流れる伝熱管３とを備えている。

本実施形態では、構造体２として、断面長丸状の配管２Ａが用いられている。配管２Ａとしては、金属管を好適に用いることができる。以下、本実施形態では説明の便宜のために、配管２Ａの断面における長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向といい、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向をＺ方向という。

伝熱管３は、主流路１０内に、一定の波長の波形を描く蛇行部３１を有する。蛇行部３１は、Ｘ方向に蛇行しながらＺ方向に延びている。すなわち、伝熱管３の中心線は、Ｘ方向およびＺ方向に平行な平面上でうねっている。

図２（ａ）に示すように、伝熱管３は、断面円形状の内管４と、この内管４に外接する断面多角形状の外管５と、からなる二重管である。すなわち、外管５は、断面形状である多角形状の角数と同数の平坦部５１を有している。内管４および外管５としては、金属管を好適に用いることができる。

内管４の外周面と外管５の頂点付近との間には、内管４から冷媒が外部に漏洩する、あるいは外管５から水が内部に漏洩したときに、その冷媒または水の漏洩を検知するための流路３０が形成されている。このような漏洩検知用の流路３０により、例えば内管４に腐食などによって微細な穴などが形成され場合、流路３０を通って冷媒を外部に放出することができるため、冷媒と水が混合することを防止できる。

内管４と外管５の接触面積を大きく確保するという観点からは、外管５の多角形状の角数は４以上であることが好ましい。一方、漏洩検知用の流路３０を大きく確保するという観点からは、外管５の多角形状の角数は１０以下であることが好ましい。また、加工性の観点からは、外管５の多角形状の角数は偶数であることが好ましい。

本実施形態では、内管４の内周面は平滑である。ただし、内管４の内周面は必ずしも平滑である必要はない。例えば図２（ｂ）に示すように、内管４の内周面には、当該内管４を軸方向に横断する複数の溝４１が形成されていてもよい。このような溝４１を有する内管４を使用することで、伝熱管３の内側の表面積を増大させて伝熱性能を向上させることができる。

図１に戻って、外管５は、各平坦部５１が内管４の回りをスパイラル状に旋回するように構成されている。換言すれば、外管５は、軸方向に沿って捩られたような形状を有している。このような外管５は、図３に示すように、内管４の外径よりも大きな内径を有する断面円形状の原管５０内に内管４を挿入した後に、原管５０を押し潰しながら断面多角形状に成型することにより得ることができる。

原管５０を断面多角形状に成型するには、例えば図４（ａ）および（ｂ）に示すように、互いに密着する一対の回転金型６を用い、これらの回転金型６を内管４の中心線Ｌ回りに旋回させてもよい。各回転金型６には、円筒状の端面の中央に多角形（例えば六角形）を二等分した断面形状の溝６１が設けられている。これらの溝６１によって多角形状のゲートＧが規定される。なお、ゲートＧの中心から各辺までの最短距離は、当然ながら原管５０の外径の１／２よりも小さい。双方の回転金型６は内管４の中心線Ｌ回りに旋回するため、多角形状のゲートＧも回転する。このゲートＧに原管５０が通されることにより、捩られたような形状の外管５が得られる。

あるいは、原管５０を断面多角形状に成型するには、例えば図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、固定された二組の回転金型６対を用いてもよい。一方の回転金型６対に設けられる溝６１と他方の回転金型６対に設けられる溝６１とを、多角形を直交する二方向に分断した形状とする。そして、一方の回転金型６対に対する他方の回転金型６対の角度を９０度から少しずらせば、一方の回転金型６対と他方の回転金型６対とでゲートＧの頂点位置がずれるため、実際に捩られた外管５が得られる。

上記のように原管５０を多角形状に縮小すれば、漏洩検知用流路３０を有する伝熱管３を安価に製造することができる。漏洩検知用流路を有する伝熱管を製造するには、外管と内管の一方に、それらの接触面（外管の内周面または内管の外周面）に溝が予め形成された溝付管を使用することも可能である。しかし、原管５０を多角形状に縮小する方法であれば、溝付管を使用する方法よりも製造コストを下げることができる。

また、断面多角形状の外管５が捩られながら蛇行する形状を有するため、外管５の外側を流れる水の乱流化が促進される。これにより、伝熱管３の周囲の温度境界層の成長が抑制されるため、高い熱交換効率を得ることができる。

外管５の平坦部５１の外側面は平滑であってもよいが、ディンプル加工が施されることによって外管５の軸方向に所定のピッチで凹部が形成されていてもよい。この場合には、伝熱管３近傍の水の流れがさらに乱流化されるため、伝熱性能をより向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、図６〜８を参照して、本発明の第２実施形態に係る熱交換器１Ｂを説明する。なお、本実施形態では、第１実施形態と同一構成部分には同一符号を付し、その説明を省略することがある。

本実施形態では、水が流れる主流路１０を形成する構造体２として、平面視で長方形状の扁平な箱体２Ｂが用いられている。また、一対の伝熱管３が主流路１０に沿って配置されている。なお、箱体２Ｂの厚さ方向の両主面は、主流路１０に対応する部分が盛り上がるように凸凹していてもよい。

以下、本実施形態では説明の便宜のために、箱体２Ｂの長さ方向をＹ方向、幅方向をＸ方向、厚さ方向をＺ方向という。本実施形態では、Ｚ方向が鉛直方向であり、Ｘ方向およびＹ方向が水平方向である。ただし、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向はこれに限定されるものではなく、熱交換器１Ｂの設置場所等に応じて適宜選定可能である。

箱体２Ｂは、上方に開口する容器状の本体２１と、この本体２１の開口を塞ぐ蓋２２で構成されている。なお、図７は、蓋２２を外した状態での熱交換器１Ｂの平面図である。蓋２２のＹ方向の一方の端部には、主流路１０に水を流入させるための水入口管７１と、主流路１０から水を流出させるための水出口管７２が互いにＸ方向に離間して設けられている。一対の伝熱管３の一端部３ａおよび他端部３ｂは、水出口管７２の近傍および水入口管７１の近傍で本体２１を貫通している。

本体２１は、蓋２２と同形状の底壁２１ａと、底壁２１ａの周縁から立ち上がる矩形筒状の周壁２１ｂとを有する（図８参照）。また、本体２１内には、周壁２１ｂと同一高さの、互いに平行な複数の仕切板２３が配置されている。仕切板２３は、Ｘ方向に等間隔で並んでおり、周壁２１ｂのうちのＹ方向に対向する短辺部の一方および他方に交互に接続されている。すなわち、仕切板２３は、周壁２１ｂで囲まれる空間を部分的に仕切っており、サーペンタイン型の主流路１０を形成している。換言すれば、主流路１０は、互いに平行な複数の直線部１１と直線部１１の端部同士を連結する連結部１２を有しており、直線部１１では水の流れ方向が交互に１８０度反対向きになっている。サーペンタイン型の流路は、箱体２Ｂ内の無駄なスペースを省くのに有利である。

主流路１０の直線部１１の断面形状は、図８に示すように、Ｘ方向およびＺ方向に平行な辺を有する矩形状である。ただし、主流路１０の断面形状は、円形状や楕円状、あるいは矩形状のどちらかの対辺が円弧になった長丸状であってもよい。

なお、本体２１は複数段に積み重ねられ、それらの本体２１ごとに一対の伝熱管３が設けられていてもよい。この場合には、上方の主流路１０と下方の主流路１０を隔てる本体２１の底壁２１ａに、水入口管７１および水出口管７２に対応する位置に貫通孔を設けて、それらを連通させればよい。

箱体２Ｂを構成する本体２１、蓋２２および仕切板２３は、たとえば銅、銅合金、ＳＵＳ、アルミニウムなどの金属によって構成されていてもよいし、金属以外の材料で作られていてもよい。例えば、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、液晶ポリマー、ポリプロピレンなどの樹脂で作られていてもよい。これらの樹脂（熱可塑性樹脂）は、優れた耐熱性及び化学的耐久性を有しており、水に触れても劣化しにくく、より軽量な熱交換器を提供できる可能性がある。

主流路１０に沿って配置された一対の伝熱管３のそれぞれは、第１実施形態で説明したとおり、断面円形状の内管４と、内管４に外接する断面多角形状の外管５とからなる（図８参照）。外管５は、図８に示すように、各平坦部５１が内管４の回りをスパイラル状に旋回するように構成されており、軸方向に沿って捩られたような形状を有している。なお、図６および図７では、図面の簡略化のために、伝熱管３の外形を円筒状の平滑面として描いている。

各冷媒管３は、主流路２の各直線部２１内に配置された蛇行部３１を含む。各蛇行部３１は、直線部１１と同程度の長さを有している。本実施形態では、蛇行部３１は、Ｘ方向に蛇行しており、図７に示すように、一方の蛇行部の頂点の間に他方の蛇行部の頂点が位置するようにＺ方向に積層されている。ただし、蛇行部３１は、Ｚ方向に蛇行しており、Ｘ方向に積層されていてもよい。

本実施形態のように、主流路２内に複数の伝熱管３が配置されていても、断面多角形状の外管５が捩られながら蛇行する形状を有するため、第１実施形態と同様に高い熱交換効率を得ることができる。

本発明の熱交換器は、ヒートポンプ式給湯機、温水暖房装置などのヒートポンプ装置に使用できる。

１Ａ，１Ｂ 熱交換器
１０ 主流路
１１ 直線部
２ 構造体
３ 伝熱管
３１ 蛇行部
４ 内管
４１ 溝
５ 外管
５１ 平坦部

Claims (6)

1. 第１流体と第２流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、
   第１流体が流れる主流路を形成する構造体と、
   前記主流路内に蛇行部を有する、内部に第２流体が流れる伝熱管と、を備え、
   前記伝熱管は、断面円形状の内管と、この内管に外接する、複数の平坦部を有する断面多角形状の外管と、からなる二重管であり、
   前記外管は、前記複数の平坦部のそれぞれが前記内管の回りをスパイラル状に旋回するように構成されている、熱交換器。
2. 前記外管の多角形状の角数は、４以上１０以下である、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記内管の内周面には、当該内管を軸方向に横断する複数の溝が形成されている、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記主流路は、互いに平行な複数の直線部を有するサーペンタイン型の流路であり、前記蛇行部は、前記複数の直線部のそれぞれの内部に配置されている、請求項１〜３の何れか一項に記載の熱交換器。
5. 前記構造体は、樹脂で構成されている、請求項１〜４の何れか一項に記載の熱交換器。
6. 前記第１流体が水であり、前記第２流体がヒートポンプ回路を循環する冷媒である、請求項１〜５の何れか一項に記載の熱交換器。

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