(57)【要約】  【課題】熱交換器の配管長さを延伸することなく、熱交換性能に優れた管式の熱交換器を提供する。  【解決手段】管式の熱交換器において、内部を水２が流れる外管３内に、互いに螺旋状にねじり合わされ、かつ内部をＣＯ２冷媒４が流れる複数本の内管５を配置し、内管３の内表面に、内管５の軸方向に延びる複数の溝６と、内管５の軸方向において所定間隔毎に位置する複数の凸部７を設けた構成とし、ＣＯ２冷媒４が内管５の内表面の凸部７を渦状に流れることにより、壁面近傍の温度境界層を乱し、また、複数の溝６により熱交換面積を拡大したものである。これにより、より効率の良い熱交換を実現することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ前記第１の管内に複数配設された第２の管を具備する熱交換器であって、前記第２の管の内表面に、該第２の管の径方向内側に突出する凸部を少なくとも軸方向に多数設け、さらに前記第２の管の内表面に、該第２の管の軸方向に延びる溝を多数設けた熱交換器。
【請求項２】
前記複数の第２の管を、相互に絡めて螺旋状にねじり合わせた構成とした請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第２の管に、該第２の管の温度が比較的低い低温部を定義し、前記溝を、前記第２の管の低温部に設けた請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記第２の管における少なくとも前記低温部を除く管径を、前記低温部の管径より大きく設定した請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１の管に、前記流体Ａの流入口と流出口を設け、前記第２の管に、前記流体Ｂの流入口と流出口を設け、さらに、前記第１の管を流れる流体Ａと、前記第２の管を流れる流体Ｂの流れが対向する流れとなるように前記第１の管、第２の管における流入口と流出口を定めた請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記流体Ａを水とし、前記流体Ｂを二酸化炭素とした請求項１から５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図５、図６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ある。
【０００４】
図５、図６に示すように、この熱交換器１０１は、二重管式の熱交換器であり、内部を冷媒用流路１０２とする内管１０３と、内管１０３の外側に設けられ、内管１０３との間に水用流路１０４を形成する銅製の外管１０５とから構成され、この熱交換器１０１の場合は、内管１０３が２本設けられている。
【０００５】
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、冷媒管１０６を拡管するか、或いは、漏洩検知管１０７を縮管することにより、冷媒管１０６と漏洩検知管１０７を密着している。
【０００６】
また、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設けられた漏洩検知センサー（図示せず）に接続されており、内管１０３または外管１０５から漏洩した冷媒、あるいは水は、漏洩検知溝を介して外部に漏出し、前記漏洩検知センサーにより検知されるようになっている。
【０００７】
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。
【０００８】
熱交換器１０１は、内管１０３と外管１０５の二重管により形成され、内管１０３の外周を水が流れ、冷媒管１０６内を冷媒が流れるもので、熱伝導性の良い銅製で且つ密着された冷媒管１０６と漏洩検知管１０７を介して冷媒と水が熱交換されるようになっている。
【特許文献１】特開２００５−６９６２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成では、熱交換器１０１の性能に限度があり、性能を向上させるためには、冷凍サイクルにおいて圧縮機（図示せず）の冷媒循環量を増加させ、さらに熱交換器１０１の配管長さを延長する等の手法により、熱交換器１０１の配管の管内面積を大きくして性能を向上させなければならなかった。
【００１０】
このような手法では、熱交換器１０１の大きさが大きくなってしまい、ひいては、ヒートポンプ式給湯機の場合であると設置スペースが大きくなってしまうという課題を有していた。
【００１１】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、熱交換器の管長を延長させることなく熱交換性能を向上させることができる管式の熱交換器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、内部を流体Ａが流れる第１の管の内部に、内部を流体Ｂが流れる第２の管を複数配設した構成において、前記第２の管の内表面に、該第２の管の径方向内側に突出する凸部を少なくとも軸方向に多数設け、さらに前記第２の管の内表面に、該第２の管の軸方向に延びる溝を多数設けた構成としたものである。
【００１３】
この構成によって、流体Ｂが第２の管の内面に形成した凸部を渦状に流れることになり、第２の管の内部において、壁面近傍を流れる流体Ｂの高温層と壁面から離れたところを流れる比較的温度が低い低温層によって形成されていた温度境界層に乱れを生じさせることができる。その結果、流体Ｂの流れを乱し、混合することにより、熱交換性能を向上させることができる。さらに、第２の管の内表面に設けた複数の溝により、流体Ａと流体Ｂの熱交換面積を拡大することができ、熱交換性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の管式の熱交換器は、第２の管の内表面に設けた多数の凸部と溝により、伝熱面積の増加と、流体Ｂの流れを乱すことができ、その結果、流体Ｂ全体の熱を効率よく第２の管を介して流体Ａに伝達させることができる。
【００１５】
したがって、熱交換器の管長を延長させることなく、熱交換性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
請求項１に記載の発明は、内部を流体Ａが流れる第１の管と、内部を流体Ｂが流れ、かつ前記第１の管内に複数配設された第２の管を具備する熱交換器であって、前記第２の管の内表面に、該第２の管の径方向内側に突出する凸部を少なくとも軸方向に多数設け、さらに前記第２の管の内表面に、該第２の管の軸方向に延びる溝を多数設けたものである。
【００１７】
かかる構成とすることにより、第２の管の内部において流体Ｂが内表面に設けた凸部を渦状に流れ、壁面近傍の温度境界層を乱すばかりでなく、第２の管の内表面に設けた複数の溝により、流体Ａと流体Ｂとの熱交換面積を拡大させることができ、その結果、より高い効率の熱交換作用を実現することができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記複数の第２の管を、相互に絡めて螺旋状にねじり合わせた構成としたものである。
【００１９】
かかる構成とすることにより、第２の管の内部を流れる流体Ｂは旋回流となり、温度混合を加速させることができる。したがって、より効率の良い熱交換作用を実現することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記第２の管に、該第２の管の温度が比較的低い低温部を定義し、前記溝を、前記第２の管の低温部に設けたものである。
【００２１】
かかる構成とすることにより、流体Ｂの管内圧力損失が大きくなる高温部には溝を設けていないため、流体Ｂの管内圧力損失を最小限に抑えることができる。
【００２２】
その結果、流体Ｂの温度低下を最小限に抑えることができ、流体Ａと流体Ｂとの温度差をより大きくとることが可能となり、さらに効率的な熱交換作用を実現することができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記第２の管における少なくとも前記低温部を除く管径を、前記低温部の管径より大きく設定したものである。
【００２４】
かかる構成とすることにより、比較的温度の高い範囲におけるＣＯ２冷媒の圧力損失をさらに抑制することができ、これに伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明において、前記第１の管に、前記流体Ａの流入口と流出口を設け、前記第２の管に、前記流体Ｂの流入口と流出口を設け、さらに、前記第１の管を流れる流体Ａと、前記第２の管を流れる流体Ｂの流れが対向する流れとなるように前記第１の管、第２の管における流入口と流出口を定めたものである。
【００２６】
かかる構成とすることにより、流体Ａと流体Ｂの平均的な温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができ、熱交換器の性能を向上することができる。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれか一項に記載の発明において、前記流体Ａを水とし、前記流体Ｂを二酸化炭素としたものである。
【００２８】
かかることにより、熱交換器を、例えばヒートポンプ式給湯機用として、水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器として用いた場合、前記二酸化炭素は超臨界状態で動作し、フロン系の冷媒に比して密度が高い状態で作動するため、高いヒートポンプ効率を得ることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
（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側面図である。図２は、同実施の形態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る。図３は、同実施の形態１における熱交換器の管断面構造を示す図２のＡ−Ａ線による断面図である。図４は、同実施の形態１における内管の構成を示す要部の斜視図である。
【００３１】
図１から図４において、熱交換器１は二重管式であり、内部を水（本発明の流体Ａ）２が流れる銅製の外管（本発明の第１の管）３と、外管３と同様に銅製であって、外管３内に配設され、内部をＣＯ２冷媒（本発明の流体Ｂ）４が流れる２本の内管（本発明の第２の管）５を主体に構成されている。内管３の内表面には、所定の深さで該内管３の軸方向に延びる複数の溝６と、同じく軸方向において所定間隔で位置する複数の凸部７が設けられている。
【００３２】
内管５は、周知の如く冷媒管と冷媒管の外周に設けられた漏洩検知管（いずれも図示せず）とから構成されている。冷媒管と漏洩検知管は冷媒管を拡管するか、あるいは、漏洩検知管を縮管することにより密着一体化されているものである。図３では、便宜上単一の構造として図示している。
【００３３】
また、凸部７は、例えば、前述の如く密着一体化された内管５の外表面を局部的にプレスする、所謂ディンプル加工することによって形成されるもので、内管５の外表面には、凸部７の位置に対応して窪み７Ａが形成されている。
【００３４】
そして、内管５は、図２に示す如く互いに螺旋状にねじり合わされ、その螺旋の中心が、外管３の軸心とほぼ同軸となるように外管３に内包されている。したがって、外管３内において、内管５との間を水２が流動する。しかもその流れは、内管５の螺旋に沿った旋回流となる。
【００３５】
さらに、外管３の両端、および内管５の両端には、それぞれ流入口３ａ、５ａと流出口３ｂ、５ｂが設けられており、内管５のＣＯ２冷媒４の流入口５ａ、流出口５ｂと、外管３の水２の流入口３ａ、流出口３ｂは、各々の流れが対向するように方向付けて設けられている。
【００３６】
また、内管５の内表面に形成された複数の溝６および凸部７は、ＣＯ２冷媒４の流出口５ｂから流入口５ａ側にかけて所定の範囲（所定の長さ）Ｘに設けられているのみで、その範囲Ｘを除く内表面は、溝６がない状態に形成されている。
【００３７】
具体的な構成の一例として、図４に示す如く、内管５は、二種類の管体を採用し、所定の範囲Ｘに相当する部分（所定の位置から水２の入口３ａにわたる範囲）には内表面に多数の溝６と凸部７を具備する管５ｃを用い、それ以外の部分には、単純にパイプ加工された管５ｄを用い、両者をロウ付け等の手段によって連結し、その内管５を相互にねじり合わせた構成としている。
【００３８】
そして、管５ｄの内径は、管５ｃの外径と同等もしくは若干大きく設定され、ＣＯ２冷媒４の流入口５ａまで連続した構成となっている。
【００３９】
ここで、以下の説明において所定の範囲Ｘを、説明の便宜上「低温部Ｘ」と称し、所定の範囲Ｘ以外の範囲を「高温部Ｙ」と称して説明する。
【００４０】
これらの低温部Ｘ、高温部Ｙは、ＣＯ２冷媒４の流れ特性に伴う圧力損失、熱交換として作用する温度等の観点から定義する必要があり、本実施の形態１においては、一例として温度を主眼において、定義している。
【００４１】
さらに詳述すると、例えば、外管３を流れる流入口３ａの温度が約１７℃の水２を、流出口３ｂの温度で約６５℃まで加熱昇温するために、ＣＯ２冷媒４の流入口５ａおよび流出口５ｂの温度をそれぞれ約８５℃、約２０℃に制御する場合がある。この場合、ＣＯ２冷媒４の温度が約６０℃程度の温度となる部分を境に低温部Ｘと高温部Ｙを定義したものである。この温度値は、本実施の形態１においては一義的なものであり、実態は熱負荷等によって変動するものである。したがって、低温部Ｘと高温部Ｙの境については、熱交換器１の形態、容量等に応じて最適な範囲（値）に定める必要があり、これについては、設計事項として対応することができる。
【００４２】
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。
【００４３】
それぞれの流入口３ａ、５ａからＣＯ２冷媒４と水２が流入することにより、内管５の内部をヒートポンプの冷媒とするＣＯ２冷媒４が流動し、外管３の内部における内管５との間を水２が流れる。これらの流れ方向は、前述の如く流入口３ａ、５ａと流出口３ｂ、５ｂの方向付けにより、対向して流れ、内管５の壁を介してＣＯ２冷媒４と水２が熱交換する。
【００４４】
したがって、水２は外管３の流出口３ｂに近くなるにつれてその温度が上昇し、ＣＯ２冷媒４は、流出口５ｂに近くなるにつれてその温度が低下する。
【００４５】
上記熱交換作用において、内管５の内表面には、該内管５の軸方向において所定間隔をあけて凸部７を設けているため、この凸部７と接しながら流れるＣＯ２冷媒４は、該凸部７を渦状に流れ、内管５の内壁面近傍の温度境界層を乱すこととなる。さらに内管５の内表面に設けた複数の溝６により、水２とＣＯ２冷媒４との熱交換面積を拡大することができ、より効率の良い熱交換を実現することができる。
【００４６】
溝６は、互いに螺旋状にねじり合わされた内管５の螺旋角とは逆方向になるように配列することが好ましい。すなわち、内管５のねじり合わせにより、ＣＯ２冷媒４は、螺旋状に旋回しながら内管５内を流れ、このとき複数の溝６を乗り越える流れが生じる。この複数の溝６を乗り越える流れによって温度境界層をより乱すことができ、さらに効率のよい熱交換が可能となる。
【００４７】
また、２本の内管５は互いに螺旋状にねじり合わされているので、内管５の内部を流れるＣＯ２冷媒４は前述の如く旋回流となり、温度混合を加速させる効果がある。
【００４８】
さらに、複数の溝６を低温部Ｘに設け、高温部Ｙに設けないことで、ＣＯ２冷媒４の管内圧力損失上昇が大きくなる高温部ではＣＯ２冷媒４の管内圧力損失上昇を最小限に抑えることができる。その結果、ＣＯ２冷媒４の温度低下が最小限に抑えられ、その結果、水２とＣＯ２冷媒４との温度差をより大きくとることが可能となり、より効率的な熱交換作用を実現することができる。
【００４９】
さらに、内管５における少なくとも低温部Ｘを除く、所謂高温部Ｙの管５ｄの径を、低温部Ｘの管５ｃの径より大きく設定しているため、比較的温度の高い範囲におけるＣＯ２冷媒４の圧力損失をさらに抑制することができ、これに伴う熱交換効率の低下を抑制することができる。
【００５０】
また、水２とＣＯ２冷媒４を対向流としたことにより、水２とＣＯ２冷媒４との温度差を大きくして熱交換量を大きくすることができ、熱交換器１の能力を高めることができる。
【００５１】
このように、本実施の形態１における熱交換器１は、内管５内を流れるＣＯ２冷媒４と外管３内を流れる水２の熱交換作用を効果的に行うことができ、これにより熱交換器１の管長を延長させることなく、熱交換性能を高めることができるものである。
【００５２】
尚、本発明の実施の形態１では、外管３内に配置する内管５の本数を２本としているが、それ以上の本数とすることもでき、同様の作用効果を期待することができる。
【００５３】
また、本実施の形態１において、凸部７は、内管５の軸方向に所定間隔毎に配置する構成としたが、その軸方向に加えて周方向に並んで配置する、あるいは千鳥状に配置する構成、さらにはスパイラル状に配置する構成とすることができ、凸部７はどのような配置関係であっても同様の作用効果を期待することができる。
【００５４】
さらに、本発明の実施の形態１において、外管３、内管５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。
【００５５】
また、本発明の実施の形態１では、内管５を流れる冷媒をＣＯ２冷媒４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できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明にかかる熱交換器は、管長を長くして内管の伝熱面積を増加させることなく、熱交換器の熱交換性能を向上させることができるもので、ＣＯ２冷媒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。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施の形態１における熱交換器の側面図
【図２】同実施の形態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
【図３】同実施の形態１における熱交換器の管断面構造を示す図２のＡ−Ａ線による断面図
【図４】同実施の形態１における内管の構成を示す要部の斜視図
【図５】従来例を示す熱交換器の上面図
【図６】同熱交換器の断面構造を示す図５のＢ−Ｂ線による断面図
【符号の説明】
【００５８】
１    熱交換器
２    水（流体Ａ）
３    外管（第１の管）
３ａ  流入口
３ｂ  流出口
４    ＣＯ２冷媒（流体Ｂ）
５    内管（第２の管）
５ａ  流入口
５ｂ  流出口
５ｃ  管
５ｄ  管
６    溝
７    凸部
Ｘ    低温部
【図１】
2010038429.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図５】
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