(57)【要約】  本発明に係る熱交換器は、山部の螺旋状の周回のうちＮ周目の山部である第１山部と、山部の螺旋状の周回のうちＮ＋１周目の山部である第２山部と、第１山部と第２山部との間の谷部である中間谷部と、を含んだ第１の配管の部分を第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面を断面視した状態において、凹部は、該凹部の頂点が、中間谷部の中央点よりも第１熱媒体の流れ方向下流側に位置するように形成されている。
2019021345.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱媒体が流れる第１の流路が形成された第１の配管と、
第２熱媒体が流れる第２の流路が形成され、前記第１の配管に巻き付けられた第２の配管と、
を有し、
前記第１の配管は、
前記第１の配管の径が拡がる拡径方向に突出する山部と、
前記山部が形成されている部分よりも外径が小さく、前記第２の配管が巻き付けられた谷部とを含み、
前記山部は、
前記第１の流路の前記第１熱媒体が流れる方向に螺旋状に形成され、
前記谷部は、
前記山部に沿って螺旋状に形成され、
前記谷部の形成方向である螺旋方向に形成され、前記第１の配管の径が小さくなる縮径方向に凹む凹部を含んでおり、
前記山部の螺旋状の周回のうちＮ周目の前記山部である第１山部と、前記山部の螺旋状の周回のうちＮ＋１周目の前記山部である第２山部と、前記第１山部と前記第２山部との間の前記谷部である中間谷部と、を含んだ前記第１の配管の部分を前記第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面を断面視した状態において、
前記凹部は、
該凹部の頂点が、前記中間谷部の中央点よりも前記第１熱媒体の流れ方向下流側に位置するように形成されている
熱交換器。
【請求項２】
前記凹部は、
該凹部の頂点と、前記第１山部の頂点と、を結んだ直線よりも、
該凹部の頂点と、前記第２山部の頂点と、を結んだ直線の方が短くなる位置に形成されている
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記凹部は、
前記第１熱媒体の流れ方向下流側における壁面が、前記中間谷部の壁面の一部を延設して形成されている
請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記凹部は、
平面視円形状に形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記凹部は、
断面視流線形形状で形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記凹部は、
平面視楕円形状に形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記凹部は、
螺旋方向を短軸とし、螺旋方向に垂直な方向を長軸とする平面視楕円形状で形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記凹部は、
頂点が、
前記第１の配管の前記第１熱媒体の流れ方向における螺旋方向の進行方向に対して、中央部よりも上流側に形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記山部及び前記谷部がそれぞれ複数条形成されている
請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器を凝縮器として備え、
前記熱交換器では、
前記熱交換器を構成している第１の配管の第１の流路を流れる第１熱媒体が、
前記熱交換器を構成している第２の配管の第２の流路を流れる第２熱媒体によって加温される
冷凍サイクル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、第１の配管と第１の配管に巻き付けた第２の配管とを備えた熱交換器、及び、その熱交換器を備える冷凍サイクル装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、第１熱媒体が流れる流路が形成された第１の配管と、第１の配管の外周に巻き付けられ、第２熱媒体が流れる流路が形成された第２の配管と、を備えた熱交換器が存在している。このような熱交換器では、第１の配管を流れる第１熱媒体と、第２の配管を流れる第２熱媒体と、で熱交換が行われることになる。第１の配管は、芯管と称される場合がある。第２の配管は、外管と称される場合がある。第１熱媒体としては、水又は不凍液が挙げられる。第２熱媒体としては、冷媒が挙げられる。【０００３】
そのようなものとして、特許文献１に記載されているように、「捩り加工により形成され、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第１流体配管と、この第１流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第２流体配管とを備え、前記第２流体配管を前記第１流体配管の山谷底部に嵌め込んで、伝熱的に接合可能な構成とする」捩り管形熱交換器が提案されている。【０００４】
特許文献１に記載の熱交換器では、第１の配管の拡径方向に突出する山部と、山部が形成されている部分よりも外径を小さくした谷部とを形成し、第１の配管と第２の配管との接触面積を拡大するようにしている。こうすることで、特許文献１に記載の熱交換器では、伝熱面積が拡大し、第１の配管を流れる第１熱媒体である水と第２の配管を流れる第２熱媒体である冷媒との熱交換性能を改善している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−９１２６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の熱交換器においては、第１の配管を流れる第１熱媒体である水の流れが山部の形成部分で滞留しやすい。そのため、特許文献１に記載の熱交換器においては、山部の形成部分における熱伝達率が低くなり、山部の形成部分での熱交換量が小さいものとなっている。その結果、特許文献１に記載の熱交換器によれば、第１の配管と第２の配管との接触面積を拡大しているが、熱交換性能の改善効果が限定的になっていた。【０００７】
本発明は、上記のような課題を背景としてなされたものであり、第１の配管における第１熱媒体の流れの滞留を抑制することで、熱交換性能の改善を図るようにした熱交換器、及び、その熱交換器を備える冷凍サイクル装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る熱交換器は、第１熱媒体が流れる第１の流路が形成された第１の配管と、第２熱媒体が流れる第２の流路が形成され、前記第１の配管に巻き付けられた第２の配管と、を有し、前記第１の配管は、前記第１の配管の径が拡がる拡径方向に突出する山部と、前記山部が形成されている部分よりも外径が小さく、前記第２の配管が巻き付けられた谷部とを含み、前記山部は、前記第１の流路の前記第１熱媒体が流れる方向に螺旋状に形成され、前記谷部は、前記山部に沿って螺旋状に形成され、前記谷部の形成方向である螺旋方向に形成され、前記第１の配管の径が小さくなる縮径方向に凹む凹部を含んでおり、前記山部の螺旋状の周回のうちＮ周目の前記山部である第１山部と、前記山部の螺旋状の周回のうちＮ＋１周目の前記山部である第２山部と、前記第１山部と前記第２山部との間の前記谷部である中間谷部と、を含んだ前記第１の配管の部分を前記第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面を断面視した状態において、前記凹部は、該凹部の頂点が、前記中間谷部の中央点よりも前記第１熱媒体の流れ方向下流側に位置するように形成されているものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る熱交換器によれば、谷部に形成する凹部の形成位置を特定することで、凹部の下流側の山部における第１熱媒体の滞留部においても第１熱媒体の流速が落ちにくく、熱交換性能の改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る熱交換器を備えた冷凍サイクル装置の回路構成の一例を概略的に示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の構成を概略的に示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の第１の配管の構成の一例を示す外観図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の第１の配管の構成の一例の一部を概略的に示す概略図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の構成の一例の一部を概略的に示す概略図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の一部の断面を拡大して示す概略断面図である。
【図７】凹部が形成されていない第１の配管における第１熱媒体の流速分布の説明図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の第１の配管における第１熱媒体の流速分布の説明図である。
【図９】凹部を谷部の中央部に形成した第１の配管における第１熱媒体の流線の比較例としての説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の第１の配管における第１熱媒体の流線の説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態１に係る熱交換器の第１の配管における第１熱媒体の流線の説明図である。
【図１２】変形例１に係る熱交換器の第１の配管を第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面を概略的に示す断面図である。
【図１３】変形例１に係る熱交換器の第１の配管を第１熱媒体の流れ方向に直交する断面を概略的に示す断面図である。
【図１４】変形例２に係る熱交換器の第１の配管を第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面を概略的に示す断面図である。
【図１５】変形例１に係る熱交換器の第１の配管を第１熱媒体の流れ方向に直交する断面を概略的に示す断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る熱交換器の第１の配管における第１熱媒体の流線の説明図である。
【図１７】平面視円形状の凹部が形成された第１の配管における第１熱媒体の流線の比較例としての説明図である。
【図１８】本発明の実施の形態３に係る熱交換器の第１の配管における第１熱媒体の流線の説明図である。
【図１９】本発明の実施の形態４に係る熱交換器の第１の配管における凹部の説明図である。
【図２０】本発明の実施の形態４に係る熱交換器の第１の配管における凹部の断面構成を概略的に拡大して示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を適宜参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。また、図１を含め、以下の図面において、同一の符号を付したものは、同一又はこれに相当するものであり、このことは明細書の全文において共通することとする。さらに、明細書全文に表わされている構成要素の形態は、あくまでも例示であって、これらの記載に限定されるものではない。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器１００を備えた冷凍サイクル装置２００の回路構成の一例を概略的に示す概略構成図である。図１を参照して冷凍サイクル装置２００について説明する。
なお、実施の形態１では、第１熱媒体が水であるものとし、第２熱媒体が冷媒であるものとして説明する。
【００１３】
＜冷凍サイクル装置２００の全体構成＞
冷凍サイクル装置２００は、冷媒回路Ａ１と、熱媒体回路Ａ２と、を有している。冷媒回路Ａ１と熱媒体回路Ａ２とは、熱交換器１００を介して熱的に接続されている。また、熱媒体回路Ａ２は、貯湯タンク２０７を介して給水回路Ａ３と接続されている。給水回路Ａ３は、給湯利用部Ｕに接続され、給湯利用部Ｕに温水を供給するように構成されている。給湯利用部Ｕとしては、家庭の水道の蛇口及び風呂等、温水が要求される各種の負荷の少なくとも１つが挙げられる。給水回路Ａ３は、水道の配管等に接続され、給水可能に構成されている。
【００１４】
冷媒回路Ａ１には冷媒配管２０Ａを介して冷媒が循環する。冷媒としては、二酸化炭素を採用することができる。冷媒回路Ａ１は、冷媒を圧縮する圧縮機２０１と、凝縮器として機能する熱交換器１００と、絞り装置２０２と、蒸発器として機能する熱交換器２０３とを含んで形成される。
【００１５】
圧縮機２０１は、冷媒を圧縮するものである。圧縮機２０１で圧縮された冷媒は、圧縮機２０１から吐出されて熱交換器１００へ送られる。圧縮機２０１は、例えば、ロータリ圧縮機、スクロール圧縮機、スクリュー圧縮機、又は、往復圧縮機等で構成することができる。
【００１６】
熱交換器１００は、凝縮器として機能し、冷媒回路Ａ１を流れる高温高圧の冷媒と、熱媒体回路Ａ２を流れる水とで熱交換を行い、水を加温するとともに、冷媒を凝縮させるものである。熱交換器１００は、水と冷媒とを熱交換する水−冷媒熱交換器である。熱交換器１００については、後段で詳細に説明する。
熱交換器１００が、本発明の熱交換器に相当する。
【００１７】
絞り装置２０２は、熱交換器１００から流出した冷媒を膨張させて減圧するものである。絞り装置２０２は、例えば冷媒の流量を調整可能な電動膨張弁等で構成するとよい。なお、絞り装置２０２としては、電動膨張弁だけでなく、受圧部にダイアフラムを採用した機械式膨張弁、または、キャピラリーチューブ等を適用することも可能である。
【００１８】
熱交換器２０３は、蒸発器として機能し、絞り装置２０２から流出された低温低圧の冷媒と送風機２０３Ａにより供給される空気とで熱交換を行い、低温低圧の液冷媒または二相冷媒を蒸発させるものである。熱交換器２０３は、例えば、フィンアンドチューブ型熱交換器、マイクロチャネル熱交換器、シェルアンドチューブ式熱交換器、ヒートパイプ式熱交換器、二重管式熱交換器、又は、プレート熱交換器等で構成することができる。
また、熱交換器２０３には、送風機２０３Ａが付設されている。
【００１９】
熱媒体回路Ａ２には熱媒体配管１０Ａを介して水が循環する。熱媒体回路Ａ２は、熱交換器１００と、水を搬送するポンプ２０５とを含んで形成される。
【００２０】
また、冷凍サイクル装置２００は、冷凍サイクル装置２００の全体を統括制御する制御装置６０を備えている。制御装置６０は、圧縮機２０１の駆動周波数を制御する。また、制御装置６０は、運転状態に応じて絞り装置２０２の開度を制御する。さらに、制御装置６０は、送風機２０３Ａ、及び、ポンプ２０５の駆動を制御する。つまり、制御装置６０は、運転指示に基づいて、図示省略の各温度センサー及び図示省略の各圧力センサーから送られる情報を利用し、圧縮機２０１、絞り装置２０２、送風機２０３Ａ、及び、ポンプ２０５等の各アクチュエーターを制御する。
【００２１】
制御装置６０に含まれる各機能部は、専用のハードウェア、又は、メモリに格納されるプログラムを実行するＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）で構成される。
【００２２】
＜熱交換器１００の構成＞
図２は、熱交換器１００の構成を概略的に示す斜視図である。
熱交換器１００は、第１熱媒体である水が流れる第１の流路ＦＰ１が形成された第１の配管１と、第２熱媒体である冷媒が流れる第２の流路ＦＰ２が形成された第２の配管２と、を有している。第２の配管２は、第１の配管１の外周に１条又は複数条巻き付けられ、第１の配管１と接触している。第１の配管１は、熱媒体配管１０Ａの一部を構成する。第２の配管２は、冷媒配管２０Ａの一部を構成する。
【００２３】
第１の配管１には、第１の流路ＦＰ１に連通する水の流入口１ａ及び水の流出口１ｂが形成されている。また、第２の配管２には、第２の流路ＦＰ２に連通する冷媒の流入口２ａ及び冷媒の流出口２ｂが形成されている。
なお、熱交換器１００は、第１の配管１を流れる水の方向と第２の配管２を流れる冷媒の方向とが対向するように冷媒回路Ａ１及び熱媒体回路Ａ２に接続することができる。これにより、熱媒体と冷媒との熱交換効率が向上する。
【００２４】
＜冷凍サイクル装置２００の動作＞
ここで、図１に戻って、冷凍サイクル装置２００の動作について説明する。
冷凍サイクル装置２００は、負荷側からの指示に基づいて、給湯運転が可能になっている。
なお、各アクチュエーターの動作は、制御装置６０により制御される。
【００２５】
低温低圧の冷媒が圧縮機２０１によって圧縮され、高温高圧のガス冷媒となって圧縮機２０１から吐出される。圧縮機２０１から吐出された高温高圧のガス冷媒は、熱交換器１００に流入する。熱交換器１００に流入した冷媒は、第２の配管２を流通し、第１の配管１を流れる水と熱交換される。このとき冷媒は凝縮されて低温高圧の液冷媒となって熱交換器１００から流出する。なお、二酸化炭素を冷媒として使用した場合、冷媒は超臨界状態のまま、温度変化することになる。
一方、第１の配管１に流入した水は、第２の配管２を流れる冷媒により加温され、負荷側に供給されることになる。
【００２６】
熱交換器１００から流出した低温高圧の液冷媒は、絞り装置２０２によって低温低圧の液冷媒又は二相冷媒となり、熱交換器２０３に流入する。熱交換器２０３に流入した冷媒は、熱交換器２０３に付設されている送風機２０３Ａにより供給される空気と熱交換して、低温低圧のガス冷媒となって熱交換器２０３から流出する。熱交換器２０３から流出した冷媒は、圧縮機２０１へ再度吸入される。
【００２７】
なお、図１では、冷媒回路Ａ１において冷媒の流れが一定方向となる場合を例に示しているが、圧縮機２０１の吐出側に流路切替装置を設けて、冷媒の流れを反転可能に構成してもよい。流路切替装置を設けた場合、熱交換器１００は蒸発器としても機能することになり、熱交換器２０３は凝縮器としても機能することになる。なお、流路切替装置としては、例えば、二方弁の組み合わせ、三方弁の組み合わせ、又は、四方弁を採用することができる。
【００２８】
また、冷凍サイクル装置２００に使用する冷媒としては二酸化炭素が望ましいが、二酸化炭素を用いることに限定するものではない。二酸化炭素の他にも、炭化水素もしくはヘリウムなどの自然冷媒、ＨＦＣ４１０Ａ、ＨＦＣ４０７ＣもしくはＨＦＣ４０４Ａなどの塩素を含まない代替冷媒、又は、Ｒ２２もしくはＲ１３４ａなどの既存の製品に使用されているフロン系冷媒も使用可能である。
【００２９】
＜熱交換器１００の詳細な構成＞
図３は、熱交換器１００の第１の配管１の構成の一例を示す外観図である。図４は、熱交換器１００の第１の配管１の構成の一例の一部を概略的に示す概略図である。図５は、熱交換器１００の構成の一例の一部を概略的に示す概略図である。図６は、熱交換器１００の一部の断面を拡大して示す概略断面図である。図３〜図６を参照して熱交換器１００の構成について詳細に説明する。
【００３０】
図６では、熱交換器１００の第１の配管１及び第２の配管２を第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面の一部を概略的に拡大して示している。また、図６には、第１の配管１の内周面Ｓ１、第１の配管１の外周面Ｓ２、拡径方向ＤＲ１、縮径方向ＤＲ２、第１の流路ＦＰ１、及び、滞留部Ｔを図示している。
【００３１】
拡径方向ＤＲ１とは、第１の配管１の内周面Ｓ１側から第１の配管１の外周面Ｓ２に向かう方向である。縮径方向ＤＲ２とは、第１の配管１の外周面Ｓ２側から第１の配管１の内周面Ｓ１に向かう方向である。第１の流路ＦＰ１とは、第１の配管１の流路である。第１の配管１の内周面Ｓ１とは、第１の配管１の内壁を構成している内面である。第１の配管１の外周面Ｓ２とは、第１の配管１の外壁を構成している外面である。滞留部Ｔとは、第１の流路ＦＰ１において第１熱媒体の流速が遅くなる領域である。
【００３２】
第１の配管１は、第１の配管１の径が拡がる拡径方向ＤＲ１に突出する山部３ａを有している。山部３ａは、第１の流路ＦＰ１の水が流れる方向に螺旋状に形成されている。
また、第１の配管１は、山部３ａが形成されている部分よりも外径が小さい谷部３ｂを有している。谷部３ｂは、山部３ａに沿って螺旋状に形成されている。
つまり、山部３ａ及び谷部３ｂは並列に形成されている。谷部３ｂには、図５及び図６に示すように、第２の配管２が巻き付けられる。そのため、第２の配管２も螺旋状に第１の配管１に巻き付けられる。
【００３３】
ここでは、第１の配管１に１条の山部３ａが形成されている場合を一例として説明している。そこで、図３〜図５では、山部３ａの形成箇所がわかりやすいように、第１の配管１の上下に４つずつの山部３ａを示した。しかし、第１の配管１には山部３ａが複数形成されているのではなく、第１の配管１には山部３ａが螺旋状に延びるように１つ形成されている。ただし、山部３ａを複数条形成する場合には、螺旋状に延びるように山部３ａが複数形成されることになる。
【００３４】
山部３ａは、螺旋状に形成されているため、第１の配管１の周囲を複数周することになる。また、谷部３ｂも、第１の配管１の周囲を複数周するように形成されている。谷部３ｂは山部３ａに沿って形成されるため、谷部３ｂは螺旋状の周回のうちＮ周目の山部３ａと螺旋状の周回のうちＮ＋１周目の山部３ａとの間に形成されることになる。換言すれば、山部３ａは、螺旋状の周回のうちＮ周目の谷部３ｂと螺旋状の周回のうちＮ＋１周目の山部３ａとの間に形成されることになる。なお、Ｎは、自然数である。また、螺旋状の周回のうちＮ周目が流入口１ａに近く、螺旋状の周回のうちＮ＋１周目が流出口１ｂに近いものとする。
【００３５】
谷部３ｂには凹部３ｃが形成されている。凹部３ｃは、谷部３ｂの形成方向である螺旋方向に並ぶように複数形成され、第１の配管１の径が小さくなる縮径方向ＤＲ２に凹むように形成されている。
【００３６】
ここで、図６を用いて、凹部３ｃについて詳しく説明する。図６では、熱交換器１００の一部、つまり、螺旋状の周回のうちＮ周目の山部３ａと、螺旋状の周回のうちＮ＋１周目の山部３ａと、それらの間に位置するＮ周目の中間谷部である谷部３ｂと、を含む部分を図示している。また、便宜的に、図６では、螺旋状の周回のうちＮ周目の山部３ａを第１山部３ａ−１と称し、螺旋状の周回のうちＮ＋１周目の山部３ａを第２山部３ａ−２と称するものとする。また、図６では、熱交換器１００の一部分を、さらに第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とに分けて図示している。
【００３７】
第１領域Ｒ１とは、第１山部３ａ−１の頂点Ｂ１を通り、第１の流路ＦＰ１と直交する直線Ｄ１と、谷部３ｂの中央点Ｂ４を通り、第１の流路ＦＰ１と直交する直線Ｄ２と、の間の領域である。つまり、第１領域Ｒ１とは、図６に示す断面において、谷部３ｂの中央点Ｂ４よりも、第１の流路ＦＰ１における第１熱媒体の流れ方向上流側の領域を意味している。
第２領域Ｒ２とは、直線Ｄ２と、第２山部３ａ−２の頂点Ｂ２を通り、第１の流路ＦＰ１と直交する直線Ｄ３と、の間の領域である。つまり、第２領域Ｒ２とは、図６に示す断面において、谷部３ｂの中央点Ｂ４よりも、第１の流路ＦＰ１における第１熱媒体の流れ方向下流側の領域を意味している。
なお、谷部３ｂの中央点Ｂ４とは、第１の流路ＦＰ１における第１熱媒体の流れ方向において、谷部３ｂの中間に位置する点を意味している。
【００３８】
また、図６では、凹部３ｃの頂点Ｂ３と、第１山部３ａ−１の頂点Ｂ１と、を結んだ線分を線分Ｌ１とし、凹部３ｃの頂点Ｂ３と、第２山部３ａ−２の頂点Ｂ２と、を結んだ線分を線分Ｌ２として図示している。
なお、凹部３ｃの頂点Ｂ３は、凹部３ｃのうち縮径方向ＤＲ２に最も凹んだ部分であるものとする。
【００３９】
図６に示すように、凹部３ｃは、第２領域Ｒ２に形成されている。つまり、凹部３ｃは、凹部３ｃの頂点Ｂ３が、谷部３ｂの中央点Ｂ４よりも第１の流路ＦＰ１における第１熱媒体の流れ方向下流側に位置するように形成されている。換言すれば、凹部３ｃは、線分Ｌ１より線分Ｌ２の方が短くなる位置に形成されている。つまり、第１山部３ａ−１と、第２山部３ａ−２と、それらの間に位置する中間谷部である谷部３ｂと、を含んだ部分を断面視した状態において、第１熱媒体の流れ方向上流側から、第１山部３ａ−１、谷部３ｂ、凹部３ｃ、第２山部３ａ−２の順に並ぶ。
【００４０】
また、図６に示すように、第１熱媒体の流れ方向下流側における凹部３ｃの壁面は、この凹部３ｃが形成されている谷部３ｂの壁面を形成している第１の配管１の内周面Ｓ１及び外周面Ｓ２を延設して形成されている。つまり、第２山部３ａ−２の頂点Ｂ２から凹部３ｃの頂点Ｂ３を見た場合、凹部３ｃは、線分Ｌ２が、第１熱媒体の流れ方向上流側に向かって、かつ、縮径方向ＤＲ２へ向かうように形成されている。また、凹部３ｃの頂点Ｂ３から第２山部３ａ−２の頂点Ｂ２を見た場合、凹部３ｃは、線分Ｌ２が、第１熱媒体の流れ方向下流側に向かって、かつ、拡径方向ＤＲ１へ向かうようになっている。
【００４１】
一般的に、山部３ａ及び谷部３ｂが形成された構造を備えた熱交換器１００においては、特に山部３ａにおいて第１熱媒体の流れが滞りやすい。つまり、図６に示すように、第１山部３ａ−１及び第２山部３ａ−２の部分で第１熱媒体の流れが滞りやすく、滞留部Ｔが形成される。そのため、滞留部Ｔでの熱交換性能が低くなってしまう。
そこで、熱交換器１００では、谷部３ｂに凹部３ｃを形成しているため、滞留部Ｔにおける第１熱媒体の流速の低下を抑制でき、熱交換性能を改善できる。以下、第１熱媒体の流速の低下の抑制について説明する。
【００４２】
＜第１の配管１の第１熱媒体の流速分布について＞
図７は、凹部３ｃが形成されていない第１の配管１における第１熱媒体の流速分布の説明図である。図８は、熱交換器１００の第１の配管１における第１熱媒体の流速分布の説明図である。
なお、図７は比較例であるが、説明の便宜上、熱交換器１００と同様の符号を付記するものとする。図７及び図８では、第１の配管１における第１熱媒体の流れを、流れＦＬ１、流れＦＬ２、及び、流れＦＬ３として矢印で図示している。また、図７及び図８では、流れＦＬ１、流れＦＬ２、流れＦＬ３の順番に第１熱媒体の流速が遅いものとする。
【００４３】
図７に示すように、第１の配管１の中央部においては、流れＦＬ１が形成されており、流速が高くなっている。
また、図７に示すように、第１の配管１の内周面Ｓ１に沿った部分においては、流れＦＬ２が形成されており、流れＦＬ１よりも流速が低くなっている。
また、図７に示すように、第１の配管１の滞留部Ｔの形成部分においては、流れＦＬ３が形成されており、流れＦＬ２よりもさらに流速が低くなっている。
【００４４】
一方、図８に示すように、第１の配管１の内周面Ｓ１に沿った部分においては、流れＦＬ２が形成されるが、図７と比較すると、流れＦＬ２が流れＦＬ１に近い流速となる。つまり、第１熱媒体が、凹部３ｃを避け、山部３ａの方向に流れることになり、その分、流れＦＬ２の流速が増す。
また、図８に示すように、第１の配管１の滞留部Ｔの形成部分においては、流れＦＬ３が形成されるが、図７と比較すると、流れＦＬ３が流れＦＬ２に近い流速となる。つまり、第１熱媒体が、凹部３ｃを避け、山部３ａの方向に流れることになり、その分、滞留部Ｔにおける流れＦＬ３の流速が増す。
【００４５】
したがって、凹部３ｃが形成された熱交換器１００と、凹部３ｃが形成されていない熱交換器を比較すると、凹部３ｃが形成された熱交換器１００においては、第１の配管１の内周面Ｓ１側であっても、流速が落ちにくくなる。このように、熱交換器１００では、凹部３ｃが形成されているため、滞留部Ｔにおいても流速が落ちにくく、熱交換性能の改善を図ることが可能である。
【００４６】
＜第１の配管１の第１熱媒体の流線について＞
図９は、凹部３ｃを谷部３ｂの中央部に形成した第１の配管１における第１熱媒体の流線の比較例としての説明図である。図１０及び図１１は、熱交換器１００の第１の配管１における第１熱媒体の流線の説明図である。図１０は、第１の配管１の内部の状態を概略的に示している。また、図１１は、第１の配管１の内部の状態を外部から見た場合を概略的に示している。
なお、図９は比較例であるが、説明の便宜上、熱交換器１００と同様の符号を付記するものとする。図９では、第１の配管１における第１熱媒体の一部の流れを、渦流ＦＬ４として矢印で図示している。図１０及び図１１では、第１の配管１における第１熱媒体の一部の流れを、渦流ＦＬ５として矢印で図示している。
【００４７】
図９に示すように、凹部３ｃの第１熱媒体の流れ方向の下流側に第１の配管１の内周面Ｓ１に沿って渦流ＦＬ４が滞留する。この渦流ＦＬ４により、第１の配管１での腐食の発生が懸念される。これは、渦流ＦＬ４の発生部分における第１の配管１の内周面Ｓ１に酸化被膜が形成されないため、その部分の耐腐食力が低下することが要因の一つであると考えられる。凹部３ｃを谷部３ｂの中央部に形成した場合、凹部３ｃの下流側では凹部３ｃに連続して谷部３ｂを構成している第１の配管１の内周面Ｓ１が存在していることになる。そのため、凹部３ｃによって発生した渦流ＦＬ４が、谷部３ｂを構成している第１の配管１の内周面Ｓ１に沿って発生することになり、この部分における酸化被膜の形成を妨げる原因となっている。
【００４８】
図１０及び図１１においても、凹部３ｃの第１熱媒体の流れ方向の下流側に渦流ＦＬ５が発生する。しかしながら、熱交換器１００においては、凹部３ｃの第１熱媒体の流れ方向の下流側の直後に、第１の配管１の内周面Ｓ１が存在しない。また、山部３ａの流れにより渦流ＦＬ５が発生しない。つまり、凹部３ｃによって発生した渦流ＦＬ５が、谷部３ｂを構成している第１の配管１の内周面Ｓ１の近傍で滞留することなく、図１０に示した流れＦＬ５ａのようになり、この部分における酸化被膜の形成を妨げることがない。
【００４９】
このように、熱交換器１００においては、凹部３ｃを第２領域Ｒ２に形成したため、凹部３ｃの第１熱媒体の流れ方向の下流側で発生する渦流ＦＬ５が、第１の配管１の内周面Ｓ１の近傍で滞留しないため、この部分においても耐腐食力の低下を抑制することができる。
【００５０】
凹部３ｃは、ディンプル加工で形成することができる。つまり、凹部３ｃは、平面視円形状に凹んでいるということである。なお、凹部３ｃをディンプル加工で形成することに限定するものではない。凹部３ｃが、平面視線形状に凹んでいるものであってもよい。つまり、凹部３ｃは、溝状に凹んで形成されていてもよい。
また、凹部３ｃは、平面視円形状であるものとして説明したが、それに限定されるものではなく、平面視三角形状、四角形状等の多角形状であってもよい。
また、各凹部３ｃを同一形状であるものとして説明したが、それに限定されるものではなく、それぞれが異なる形状であってもよい。
【００５１】
上記の説明では、山部３ａ及び谷部３ｂが第１の配管１に１条形成されている場合を例に挙げたが、山部３ａ及び谷部３ｂの条数を特に限定するものではない。変形例１及び変形例２で説明するように、山部３ａ及び谷部３ｂが、第１の配管１に複数条形成されていてもよい。
【００５２】
［第１の配管１の変形例１］
図１２は、変形例１に係る熱交換器１００の第１の配管１を第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面を概略的に示す断面図である。図１３は、変形例１に係る熱交換器１００の第１の配管１を第１熱媒体の流れ方向に直交する断面を概略的に示す断面図である。
図１２及び図１３では、山部３ａ及び谷部３ｂが３条形成されている第１の配管１を図示している。
【００５３】
図１２では、山部３ａ及び谷部３ｂが３条形成されている。つまり、第１の配管１には、山部３ａ１、山部３ａ２及び山部３ａ３が形成されていることになる。また、第１の配管１には、谷部３ｂ１、谷部３ｂ２及び谷部３ｂ３が形成されていることにもなる。
そして、山部３ａ１と山部３ａ２との間に谷部３ｂ１が位置することになる。また、山部３ａ２と山部３ａ３との間に谷部３ｂ２が位置することになる。さらに、山部３ａ３と山部３ａ１との間に谷部３ｂ３が位置することになる。
【００５４】
山部３ａは、条数が増加すると、拡径方向ＤＲ１の突出量が小さくなる。つまり、山部３ａの条数が増加すると、滞留部Ｔにおいて第１熱媒体が滞留しにくい形状となり、凹部３ｃの形成位置に加えて、滞留部Ｔにおける流速の低下を抑制しやすくなる。その結果、山部３ａを３条とすると、さらに熱交換性能の改善が図れる。
【００５５】
［第１の配管１の変形例２］
図１４は、変形例２に係る熱交換器１００の第１の配管１を第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面を概略的に示す断面図である。図１５は、変形例１に係る熱交換器１００の第１の配管１を第１熱媒体の流れ方向に直交する断面を概略的に示す断面図である。
図１４及び図１５では、山部３ａ及び谷部３ｂが４条形成されている第１の配管１を図示している。
【００５６】
図１４では、山部３ａ及び谷部３ｂが４条形成されている。つまり、第１の配管１には、山部３ａ１、山部３ａ２、山部３ａ３及び山部３ａ４が形成されていることになる。また、第１の配管１には、谷部３ｂ１、谷部３ｂ２、谷部３ｂ３及び山部３ａ４が形成されていることになる。
そして、山部３ａ１と山部３ａ２との間に谷部３ｂ１が位置することになる。また、山部３ａ２と山部３ａ３との間に谷部３ｂ２が位置することになる。また、山部３ａ３と山部３ａ４との間に谷部３ｂ３が位置することになる。さらに、山部３ａ４と山部３ａ１との間に谷部３ｂ４が位置することになる。
【００５７】
変形例１と同様に、山部３ａの条数が増加すると、滞留部Ｔにおいて第１熱媒体が滞留しにくい形状となり、凹部３ｃの形成位置に加えて、滞留部Ｔにおける流速の低下を抑制しやすくなる。その結果、山部３ａを４条とすると、さらに熱交換性能の改善が図れる。
【００５８】
［熱交換器１００及び冷凍サイクル装置２００が奏する効果］
以上のように、熱交換器１００は、凹部３ｃが、第２領域Ｒ２に形成されているので、滞留部Ｔにおいても流速が落ちにくく、熱交換性能の改善を図ることができる。
また、熱交換器１００は、凹部３ｃが、第２領域Ｒ２に形成されているので、凹部３ｃの第１熱媒体の流れ方向の下流側で発生する渦流ＦＬ５を、第１の配管１の内周面Ｓ１に沿わないようにできる。このため、熱交換器１００によれば、凹部３ｃの第１熱媒体の流れ方向の下流側においても耐腐食力の低下を抑制できる。
【００５９】
熱交換器１００は、凹部３ｃが、線分Ｌ１よりも、線分Ｌ２の方が短くなる位置に形成されているので、凹部３ｃが第２領域Ｒ２に形成されていることになり、滞留部Ｔにおける流速の低下を抑制できる。
【００６０】
熱交換器１００は、凹部３ｃが、第２山部３ａ−２の頂点Ｂ２から凹部３ｃの頂点Ｂ３を見た場合、線分Ｌ２が、第１熱媒体の流れ方向上流側に向かって、かつ、縮径方向ＤＲ２へ向かうように形成されている。そのため、凹部３ｃが谷部３ｂよりもさらに縮径方向ＤＲ２に凹んでいることが明確になり、凹部３ｃを複雑な形状とすることなく、滞留部Ｔにおける流速の低下を抑制できることになる。
【００６１】
熱交換器１００によれば、凹部３ｃが、平面視円形状に形成されているので、凹部３ｃをディンプル加工で形成することができ、複雑及び高価な機構で形成しなくて済む。
【００６２】
熱交換器１００によれば、山部３ａ及び谷部３ｂがそれぞれ複数条形成されているので、滞留部Ｔにおける第１熱媒体の滞留をさらに抑制できることになる。
【００６３】
冷凍サイクル装置２００によれば、上記の熱交換器を凝縮器として備えているので、凝縮器における熱交換性能の改善が期待できる。
【００６４】
実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器の第１の配管１における第１熱媒体の流線の説明図である。図１６に基づいて、実施の形態２に係る熱交換器の第１の配管１における第１熱媒体の流線について説明する。
なお、実施の形態２では実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００６５】
実施の形態２では、凹部３ｃの形状を、実施の形態１で説明した凹部３ｃの形状とは変化させている。具体的には、凹部３ｃの形状を図１６に示すように断面視流線形形状としている。つまり、凹部３ｃの第１熱媒体の流れ方向に沿う部分を、凹部３ｃの第１熱媒体の流れ方向に直交する部分よりも長くし、この長くした部分を滑らかに湾曲させた形状として凹部３ｃを構成している。凹部３ｃを断面視流線形形状とすることで、凹部３ｃでの渦流の発生を抑制することができる。したがって、実施の形態２に係る熱交換器によれば、耐腐食力の低下の更なる抑制が期待できる。
【００６６】
この場合にも、凹部３ｃは、ディンプル加工で形成することができる。つまり、ディンプル加工で形成する凹部３ｃの型を、断面視流線形形状とすることで、凹部３ｃを形成すればよい。
また、各凹部３ｃの全部が断面視流線形形状であってもよいし、全部が断面視流線形形状でなくてもよい。
また、実施の形態１で説明した変形例１又は変形例２を、実施の形態２にも適用することができるものとする。
【００６７】
［実施の形態２に係る熱交換器が奏する効果］
実施の形態２に係る熱交換器によれば、凹部３ｃが、断面視流線形形状で形成されているので、凹部３ｃでの渦流の発生をさらに抑制でき、耐腐食力の低下の更なる抑制が期待できる。
【００６８】
実施の形態３．
図１７は、平面視円形状の凹部３ｃが形成された第１の配管１における第１熱媒体の流線の比較例としての説明図である。図１８は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器の第１の配管１における第１熱媒体の流線の説明図である。図１７及び図１８に基づいて、実施の形態３に係る熱交換器の第１の配管１における第１熱媒体の流線について説明する。
なお、実施の形態３では実施の形態１及び実施の形態２との相違点を中心に説明し、実施の形態１及び実施の形態２と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００６９】
図１７では、実施の形態１に係る熱交換器１００の第１の配管１の構成を比較例として示している。図１７では、第１の配管１における第１熱媒体の流れを、流れＦＬ６として矢印で図示している。図１８では、第１の配管１における第１熱媒体の流れを、流れＦＬ７として矢印で図示している。
【００７０】
実施の形態３では、凹部３ｃの形状を、実施の形態１で説明した凹部３ｃの形状とは変化させている。具体的には、凹部３ｃの形状を図１８に示すように平面視楕円形状としている。つまり、凹部３ｃの螺旋方向を短軸ｍａ１とし、凹部３ｃの螺旋方向に垂直な方向を長軸ｍａ２とする楕円形状で凹部３ｃを構成している。ここで、螺旋方向とは、図１８に示す直線Ｌ３と平行な方向を意味している。直線Ｌ３は、紙面上下に繋がっている山部３ａの頂点同士を結んだ直線である。
【００７１】
凹部３ｃを平面視楕円形状とすることで、凹部３ｃが、螺旋方向に沿う第１熱媒体の流れに対しての堰としてより機能することになる。つまり、凹部３ｃが長軸ｍａ２の幅で螺旋方向に沿う第１熱媒体の流れの壁となる。そのため、凹部３ｃを平面視楕円形状とした場合には、図１８に示す山部３ａへ誘導する流れＦＬ７の効果が、図１７に示す流れＦＬ６よりも大きいものとなる。つまり、第１熱媒体の滞留部Ｔでの流速が落ちにくいため、熱交換性能の改善が期待できる。
【００７２】
この場合にも、凹部３ｃは、ディンプル加工で形成することができる。つまり、ディンプル加工で形成する凹部３ｃの型を、平面視楕円形状とすることで、凹部３ｃを形成すればよい。
また、各凹部３ｃの全部が平面視楕円形状であってもよいし、全部が平面視楕円形状でなくてもよい。
また、実施の形態１で説明した変形例１又は変形例２を、実施の形態３にも適用することができるものとする。
【００７３】
［実施の形態３に係る熱交換器が奏する効果］
熱交換器１００は、凹部３ｃが、螺旋方向を短軸ｍａ１とし、螺旋方向に垂直な方向を長軸ｍａ２とする平面視楕円形状で形成されているので、螺旋方向に沿う第１熱媒体の流れに対して凹部３ｃが堰としてより機能することになる。そのため、実施の形態３に係る熱交換器によれば、山部３ａへ誘導する流れの効果が大きいものとなる。
【００７４】
実施の形態４．
図１９は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器の第１の配管１における凹部３ｃの説明図である。図２０は、本発明の実施の形態４に係る熱交換器の第１の配管１における凹部３ｃの断面構成を概略的に拡大して示す概略断面図である。図１９及び図２０に基づいて、実施の形態４に係る熱交換器の第１の配管１における凹部３ｃについて説明する。
なお、実施の形態４では実施の形態１、実施の形態２、及び、実施の形態３との相違点を中心に説明し、実施の形態１、実施の形態２、及び、実施の形態３と同一部分には、同一符号を付して説明を省略するものとする。
【００７５】
図２０は、第１の配管１の凹部３ｃを含む螺旋方向の断面を概略的に拡大して図示している。また、図２０では、第１の流路ＦＰ１の流入口１ａから流出口１ｂへ向かう第１熱媒体の螺旋方向に沿う流れを、流れＦＬ８として矢印で図示している。
【００７６】
実施の形態４では、凹部３ｃの形状を、実施の形態１で説明した凹部３ｃの形状とは変化させている。具体的には、図１９及び図２０に示すように、凹部３ｃの頂点Ｂ３の位置を螺旋方向の進行方向に対して、凹部３ｃの中央よりも上流側にずらしている。
凹部３ｃの頂点Ｂ３を螺旋方向の進行方向に対して中央よりも上流側にずらすことで、図２０に示す流れＦＬ８に対して、凹部３ｃは流線形形状となる。そのため、実施の形態２と同様に、凹部３ｃでの渦流の発生を抑制することができる。したがって、実施の形態４に係る熱交換器によれば、耐腐食力の低下の更なる抑制が期待できる。
【００７７】
なお、実施の形態１で説明した変形例１又は変形例２を、実施の形態４にも適用することができる。
【００７８】
［実施の形態４に係る熱交換器が奏する効果］
実施の形態４に係る熱交換器は、凹部３ｃの頂点Ｂ３が、第１の配管１の第１熱媒体の流れ方向における螺旋方向の進行方向に対して、中央部よりも上流側に形成されている。そのため、実施の形態４に係る熱交換器によれば、実施の形態２に係る熱交換器と同様に、凹部３ｃでの渦流の発生をさらに抑制でき、耐腐食力の低下の更なる抑制が期待できる。
【００７９】
以上、本発明を実施の形態を分けて説明したが、具体的な構成は、説明した実施の形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１  第１の配管、１ａ  流入口、１ｂ  流出口、２  第２の配管、２ａ  流入口、２ｂ  流出口、３ａ  山部、３ａ−１  第１山部、３ａ−２  第２山部、３ａ１  山部、３ａ２  山部、３ａ３  山部、３ａ４  山部、３ｂ  谷部、３ｂ１  谷部、３ｂ２  谷部、３ｂ３  谷部、３ｂ４  谷部、３ｃ  凹部、１０Ａ  熱媒体配管、２０Ａ  冷媒配管、６０  制御装置、１００  熱交換器、２００  冷凍サイクル装置、２０１  圧縮機、２０２  絞り装置、２０３  熱交換器、２０３Ａ  送風機、２０５  ポンプ、２０７  貯湯タンク、Ａ１  冷媒回路、Ａ２  熱媒体回路、Ａ３  給水回路、Ｂ１  第１山部の頂点、Ｂ２  第２山部の頂点、Ｂ３  凹部の頂点、Ｂ４  中間谷部の中央点、ＤＲ１  第１の配管の拡径方向、ＤＲ２  第１の配管の縮径方向、ＦＰ１  第１の流路、ＦＰ２  第２の流路、Ｒ１  第１領域、Ｒ２  第２領域、Ｓ１  内周面、Ｓ２  外周面、Ｔ  滞留部、Ｕ  給湯利用部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2019021345.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【手続補正書】
【提出日】令和1年9月3日(2019.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱媒体が流れる第１の流路が形成された第１の配管と、
第２熱媒体が流れる第２の流路が形成され、前記第１の配管に巻き付けられた第２の配管と、
を有し、
前記第１の配管は、
前記第１の配管の径が拡がる拡径方向に突出する山部と、
前記山部が形成されている部分よりも外径が小さく、前記第２の配管が巻き付けられた谷部とを含み、
前記山部は、
前記第１の流路の前記第１熱媒体が流れる方向に螺旋状に形成され、
前記谷部は、
前記山部に沿って螺旋状に形成され、
前記谷部の形成方向である螺旋方向に形成され、前記第１の配管の径が小さくなる縮径方向に凹む凹部を含んでおり、
前記山部の螺旋状の周回のうちＮ周目の前記山部である第１山部と、前記山部の螺旋状の周回のうちＮ＋１周目の前記山部である第２山部と、前記第１山部と前記第２山部との間の前記谷部である中間谷部と、を含んだ前記第１の配管の部分を前記第１熱媒体の流れ方向に沿って切った断面を断面視した状態において、
前記凹部は、
該凹部の頂点が、前記中間谷部の中央点よりも前記第１熱媒体の流れ方向下流側に位置するように形成されている
熱交換器。
【請求項２】
前記凹部は、
該凹部の頂点と、前記第１山部の頂点と、を結んだ直線よりも、
該凹部の頂点と、前記第２山部の頂点と、を結んだ直線の方が短くなる位置に形成されている
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記凹部は、
前記第１熱媒体の流れ方向下流側における壁面が、前記中間谷部の壁面の一部を延設して形成されている
請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記凹部は、
平面視円形状に形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記凹部は、
断面視流線形形状で形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記凹部は、
平面視楕円形状に形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記凹部は、
螺旋方向を短軸とし、螺旋方向に垂直な方向を長軸とする平面視楕円形状で形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記凹部は、
頂点が、
前記第１の配管の前記第１熱媒体の流れ方向における螺旋方向の進行方向に対して、中央部よりも上流側に形成されている
請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記山部及び前記谷部がそれぞれ複数条形成されている
請求項１〜８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の熱交換器を凝縮器として備え、
前記熱交換器では、
前記熱交換器を構成している前記第１の配管の前記第１の流路を流れる前記第１熱媒体が、
前記熱交換器を構成している前記第２の配管の前記第２の流路を流れる前記第２熱媒体によって加温される
冷凍サイクル装置。
【国際調査報告】
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