(57)【要約】【課題】管体を用いた熱交換器において、圧力損失の増大を抑制しつつ、伝熱効率を向上させる。【解決手段】  内管２の内面２１は、複数の頂部６と、これら複数の頂部の間に形成された底部７とを有する。複数の頂部６は、熱交換用流体の主流方向に対して傾斜する方向に延長して形成される。主流方向に対する複数の頂部６の傾斜方向は、内管２の円周方向において交互に逆方向とされる。内管２の円周方向において隣り合う複数の頂部６の、主流方向の上流側における端部どうしは、連続させられている。頂部６及び底部７を通る内管２の横断面形状は、略波形状に形成されている。【選択図】図１
2019199984.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体の延長方向に沿って流れる熱交換用流体と前記管体の表面との間の熱交換を行う熱交換器であって、
前記表面は、複数の頂部と、これら複数の頂部の間に形成された底部とを有しており、
前記複数の頂部は、前記熱交換用流体の主流方向に対して傾斜する方向に延長して形成されており、
かつ、前記複数の頂部の、前記主流方向に対する傾斜方向は、前記管体の円周方向において交互に逆方向とされており、
さらに、前記円周方向において隣り合う前記複数の頂部の、前記主流方向の上流側における端部どうしは、連続させられた構成となっており、
前記頂部及び前記底部を通る前記管体の横断面形状は、略波形状に形成されている
ことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記管体の表面は、前記管体の内面である
請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記円周方向において隣り合う前記複数の頂部の、前記主流方向の上流側における端部どうしは、略Ｖ字状又はＵ字状に連続させられている
請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記管体は、湾曲部を備えており、
かつ、前記湾曲部の内周側における前記頂部の高さは、外周側における前記頂部の高さよりも高いものとなっている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記複数の頂部の、前記主流方向に対する傾斜角度は、１０度未満とされている
請求項１〜４のいずれか１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、熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、波形凹凸を伝熱面に形成することにより、熱交換用流体と伝熱面との伝熱効率を向上させる技術が記載されている。この文献によれば、波形凹凸の頂部線及び底部線を、流れ方向上流側に向けて頂点を配置したＶ字形状とすることにより、有効な二次流れを形成することが提案されている。
【０００３】
しかしながら、この技術は、平板状の伝熱表面に凹凸を形成するものであって、例えば冷凍サイクル用の二重管熱交換器に用いられるような、管体状の伝熱表面は対象としていない。
【０００４】
また、下記特許文献２には、円管の内面に螺旋状のコルゲート溝を形成する技術が記載されている。この技術では、管内を流れる伝熱用流体と溝との接触により、伝熱性能が向上すると期待される。一方で、この技術においては、管内を流れる伝熱用流体が管内表面から剥離するために、圧力損失が大きくなるという問題がある。つまり、管内に溝等の凹凸形状を形成した場合には、一般的には、伝熱特性の向上と圧力損失の増大とがトレードオフの関係になる。圧力損失が増大した場合、必要な熱交換量を得るための動力が増大してしまうという問題を生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２０１４／０７７３１６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０６７４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、管体を用いた熱交換器において、圧力損失の増大を抑制しつつ、伝熱効率を向上させることが可能な熱交換器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。
【０００８】
（項目１）
管体の延長方向に沿って流れる熱交換用流体と前記管体の表面との間の熱交換を行う熱交換器であって、
前記表面は、複数の頂部と、これら複数の頂部の間に形成された底部とを有しており、
前記複数の頂部は、前記熱交換用流体の主流方向に対して傾斜する方向に延長して形成されており、
かつ、前記複数の頂部の、前記主流方向に対する傾斜方向は、前記管体の円周方向において交互に逆方向とされており、
さらに、前記円周方向において隣り合う前記複数の頂部の、前記主流方向の上流側における端部どうしは、連続させられた構成となっており、
前記頂部及び前記底部を通る前記管体の横断面形状は、略波形状に形成されている
ことを特徴とする熱交換器。
【０００９】
（項目２）
前記管体の表面は、前記管体の内面である
項目１に記載の熱交換器。
【００１０】
（項目３）
前記円周方向において隣り合う前記複数の頂部の、前記主流方向の上流側における端部どうしは、略Ｖ字状又はＵ字状に連続させられている
項目１又は２に記載の熱交換器。
【００１１】
（項目４）
前記管体は、湾曲部を備えており、
かつ、前記湾曲部の内周側における前記頂部の高さは、外周側における前記頂部の高さよりも高いものとなっている
項目１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
【００１２】
（項目５）
前記複数の頂部の、前記主流方向に対する傾斜角度は、１０度未満とされている
項目１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の熱交換器によれば、熱交換用流体における圧力損失の増大を抑制しつつ、熱交換用流体と管体との伝熱効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態における管体を、図２の端部近傍の位置で切断した横断面図である。
【図２】図１の管体の要部の縦断面図である。
【図３】図１の管体に用いられる内管の内部における第１流路の概略形状を示す説明図である。
【図４】内管の内面形状を平面に展開した状態での、頂部及び底部の位置関係を示す概略的な説明図である。
【図５】内管の内面形状を平面に展開した状態での、二次流れの方向を示す、概略的な説明図である。
【図６】実施例及び比較例を示すグラフである。
【図７】シミュレーションにより二次流れの方向を示す説明図である。
【図８】シミュレーションにより摩擦係数と熱伝達特性を示す説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態における湾曲部での第１流路の外観形状を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２実施形態における湾曲部での内管２の内面形状を示す説明図である。
【図１１】本発明の第３実施形態における管体を示す説明図である。
【図１２】本発明の第４実施形態における管体を示す説明図である。
【図１３】本発明の第５実施形態における管体を示す説明図である。
【図１４】本発明の第６実施形態における管体を示す説明図である。
【図１５】本発明の第７実施形態における管体を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の第１実施形態に係る熱交換器を、添付の図面を参照しながら説明する。この熱交換器は、管体１の延長方向に沿って流れる熱交換用流体と管体１の表面との間の熱交換を行うためのものである。
【００１６】
本実施形態の管体１は、内管２と外管３とからなる二重管構造となっている（図１参照）。また、内管２の内側は、第１熱交換流体（例えば冷凍サイクルに用いられる低温冷媒）を流すための第１流路４となっており、内管２と外管３との間の隙間は、第２熱交換流体（例えば高温冷媒）を流すための第２流路５となっている。つまり、本実施形態の第１熱交換流体と第２熱交換流体とは、内管２を介して熱交換を行うようになっている。本実施形態の内管２は、熱伝導性の良い材質、例えばアルミ合金や銅合金により構成されることが好ましいが、これには制約されない。
【００１７】
内管２の内面２１（本発明における表面の一例に相当）には、複数の頂部６と、これら複数の頂部の間に形成された底部７とが形成されている（図１〜図５参照）。これらの頂部６及び底部７は、円筒状の内管２を塑性加工することにより形成されているので、内管２の外面２２には、内面２１に形成された頂部６に対応する底部と、底部７に対応する頂部とが形成されている。外面２２においても、内管２と第２熱交換流体との熱交換は行われるが、本例の説明においては、主に内面２１における熱交換作用に着目して説明する。
【００１８】
複数の頂部６は、第１熱交換流体（本発明の熱交換用流体の一例に相当）の主流方向に対して傾斜する方向に延長して形成されている（図４参照）。より詳しくは、主流方向に対する複数の頂部６の傾斜方向は、内管２の円周方向（図４では図中左右方向）において交互に逆方向とされている。複数の頂部６の、主流方向に対する傾斜角度（図４のγ１及びγ２の絶対値）は、１０度未満とされている。
【００１９】
円周方向において隣り合う複数の頂部６の、主流方向の上流側における端部どうしは、連続させられた構成となっている。より詳しくは、本実施形態では、円周方向において隣り合う複数の頂部６の、主流方向の上流側における端部どうしは、略Ｖ字状となるように連続させられている。また、本実施形態において、円周方向において隣り合う複数の頂部６の、主流方向の下流側における端部どうしは、離間された（つまり非連続の）形状となっているが、Ｖ字状又はＵ字状を形成するように連続させることもできる。
【００２０】
頂部６及び底部７を通る内管２の横断面形状は、略波形状に形成されている（例えば図１参照）。
【００２１】
（本実施形態の動作）
次に、本実施形態の熱交換器の動作を、図４及び図５を主に参照しながら説明する。
【００２２】
主流方向に沿って第１熱交換流体（以下単に「流体」ということがある）が流れると、流体は、隣接する頂部６どうしが連続するＶ字状の部分（主流方向における上流側の部分）に突き当たって左右に分割されて進む。その後さらに流体が進行すると、頂部６のいずれかの地点において流体が頂部６を乗り越える。
【００２３】
ここで、本実施形態では、隣接する頂部６の延長方向を逆方向とした（図４参照）ので、頂部６を乗り越えた流体は、頂部６どうしの間にある底部７に向けて下降する強い二次流れを生じさせる。すなわち、本実施形態においては、図４において斜線により模式的に示した領域Ａに向けて、二方向からの二次流れが合流しながら下降する。本実施形態では、この合流した二次流れにより、伝熱効率を向上させることができる。
【００２４】
また、本実施形態では、内管２の内面２１に沿って流体を流しているので、頂部６を流体が乗り越えることで生じる二次流れの強さを、内面２１の円周方向での曲率に起因してさらに強化することができ、伝熱効率を一層向上させることができる。
【００２５】
本実施形態では、円周方向において隣り合う複数の頂部６の、主流方向の上流側における端部どうしが略Ｖ字状に連続させられているので、Ｖ字の頂点（図４においては下側の頂点）において流体を二方向に円滑に分離することができ、圧力損失を小さく抑えることができるという利点もある。
【００２６】
また、本実施形態では、主流方向に対する頂部６の傾斜角度（図４のγ１及びγ２の絶対値）を１０度未満としたので、頂部６を乗り越える流体の剥離を低く抑えることができるという利点もある。すなわち、この傾斜角度が大きい場合、頂部６のうち、流れの下流側の部分を乗り越えた流れが、内面２１から剥離しやすくなり、もし剥離が生じると、圧力損失が増大してしまう。これに対して、本実施形態では、頂部６の傾斜角度を小さい値としたので、この剥離の可能性を低減させることができるという利点がある。
【００２７】
（実験例及び比較例１〜３）
次に、前記した第１実施形態の熱交換器の性能をシミュレーションにより評価した結果を実施例として図６に示す。また、比較のために、従来の熱交換器の性能を比較例として図６に同様に示す。シミュレーション条件は下記の通りである。
【００２８】
まず、内管２の内面２１の形状（滑らかな円管からの変形量）を示す関数ｆｗを下記式（１）のように定義する。
【００２９】
2019199984.tif 000003
【００３０】
ここで
ｘ：主流方向長さ；
θ：方位角（内管の軸心を中心とした偏角）；
Ｒ：内管直径（円管を前提とした場合）；
Ａ：波形凹凸形状の振幅；
Ｎ：内管の円周方向における波形凹凸形状の周期数；
Ｌｘ：主流方向に沿った、頂部の長さ（距離）；
Ｌθ：円周方向に沿った、頂部の長さ（距離）。
【００３１】
ここで、γを頂部の傾斜角とすると、γ＝ｔａｎ−１（Ｌｘ／Ｌθ）となる。γ＝９０°−｜γ１｜＝９０°−｜γ２｜である。また、Ｌθ＝２πＲ／Ｎである。また、実験例及び比較例において、基準円管直径と平均流速で定義されるレイノルズ数（Reynolds number）は一定値（44,000）とし、作動流体は空気を仮定し、プラントル数（Prandtl number）を0.7で一定とした。他の条件は各実験例及び比較例において基本的に同様とした。図６におけるグラフ中の数字は、前記したγに対応する角度を示す。一組の（Ｎ，Ａ／Ｒ）について、複数の角度に対応した結果を示す。また、図６における実験例のｊファクタ（コルバン伝熱因子）及びｆファクタ（管摩擦係数）は円筒管（jeng,0, feng,0）に対して正規化されている。なお、下付きの添字engは、水力学的直径として変形を加えない基準円管の直径を用いた評価値であることを示している。
【００３２】
図６に示した比較例は下記の文献に基づく：
（Internally Finned Tube：内面フィンチューブ）  M. Huq, A.M.A. Huq and M.M. Rahman, Int. Comm. Heat Mass Transf., 25-5 (1998) 619-630.
（Corrugated Tube：コルゲート管）  N.T. Obot, E.B. Esen, K.H. Snell and T.J. Rabas, Int. Comm. Heat Mass Transf., 19-1 (1992) 41-50.
（Dimpled Tube：ディンプル管）  Y. Wang, Y.-L. He, Y.-G. Lei and J. Zhang, Exp. Therm. Fluid Sci. 34-8 (2010) 1273-1281.
【００３３】
図６から分かるように、γが大きいほど（すなわちγ１及びγ２が小さいほど）ｊ／ｆファクタの値を大きくすることができる。また、この図から、本実施形態の伝熱管が、比較例に対して、高い伝熱性能と低い圧力損失を両立できていることがわかる。
【００３４】
（流れベクトルの例）
また、前記した実施形態の熱交換器における、流体の速度ベクトルの一例を図７に示す。この図に示されるように、本実施形態では、底部７に向かう強い二次流れ（図７において太い矢印で示す）を発生させることができる。
【００３５】
（流れの特性例）
さらに、前記した実施形態の熱交換器における、流体の摩擦抵抗及び熱伝達特性の一例を図８に示す。ここでは、Ｎ＝８、Ａ／Ｒ＝０．２、γ＝８２°とした。また、図８（ａ）は摩擦抵抗係数（skin friction coefficient）、図８（ｂ）はヌセルト数（Nusselt number）、図８（ｃ）は摩擦抵抗係数に対するスタントン数（Stanton number）の比を等高線として示す図である。いずれにおいても、添え字の０は基準となる円管形状の場合（つまり正規化の基準）を示す。また、図中実線で「hill」として示した部分は本実施形態の頂部に対応し、図中破線で「valley」として示した部分は本実施形態の底部に対応する。これらによれば、流れの剥離が観察されず、低い圧力損失であることがわかる。
【００３６】
（第２実施形態）
次に、図９及び図１０を参照して、本発明の第２実施形態に係る熱交換器を説明する。なお、この第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、重複した説明を避ける。
【００３７】
前記した第１実施形態の熱交換器においては、管体１として直管状のものを用いていた。これに対して、第２実施形態の熱交換器では、管体１が湾曲部１１を有している。図９には、湾曲部１１における内管２の内面形状（つまり第１流路４の外形形状）を部分的に示した。また、図１０は、湾曲部１１における内管２の横断面形状を模式的に示したものであり、湾曲部１１の内側部分に符号「Ｉ」を、外側部分に符号「Ｏ」を付した。
【００３８】
第２実施形態の熱交換器においては、湾曲部１１の内周側における頂部６の高さが、外周側における頂部６の高さよりも高いものとなっている。すなわち、湾曲部１１の内周側における底部７の深さは、外周側における底部７の深さよりも深いものとなっている。
【００３９】
一般に、配管に湾曲部がある場合、湾曲部の内側の流速は外側の流速より遅いため、湾曲部の内側における伝熱効率は外側よりも悪い。第２実施形態の熱交換器によれば、湾曲部１１の内周側における頂部６の高さを、外周側における頂部６の高さよりも高いものとすることにより、湾曲部１１の内周側においてより強い二次流れを発生させて、伝熱効率を改善することができるという利点がある。
【００４０】
第２実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【００４１】
（第３実施形態）
次に、図１１を参照して、本発明の第３実施形態に係る熱交換器を説明する。なお、この第３実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、重複した説明を避ける。
【００４２】
前記した第１実施形態の熱交換器においては、管体１として二重管式のものを用いていた。これに対して、第３実施形態の熱交換器では、管体１０１として、シェル８の内部を通過する、いわゆるシェルアンドチューブタイプのものが用いられている。シェル８の内部には、入口８１を介して第２熱交換流体が送り込まれ、出口８２から流出するようになっている。また、それぞれの管体１０１の内部には第１熱交換流体が流されて、管体１０１を介して第１熱交換流体と第２熱交換流体とが熱交換できるようになっている。
【００４３】
管体１０１の内面には、前記した第１実施形態と同様に、頂部６と底部７とが形成されている。
【００４４】
第３実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【００４５】
（第４実施形態）
次に、図１２を参照して、本発明の第４実施形態に係る熱交換器を説明する。なお、この第４実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、重複した説明を避ける。
【００４６】
前記した第１実施形態の熱交換器においては、管体１として二重管式のものを用いていた。これに対して、第４実施形態の熱交換器では、管体２０１として、高温用の配管２０１１と低温用の配管２０１２とを隣接させ、ろう付けにより接合したものを用いた。これらの配管２０１１及び２０１２のいずれにおいても、その内面に、第１実施形態と同様の頂部６と底部７とが形成されている。
【００４７】
第４実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【００４８】
（第５実施形態）
次に、図１３を参照して、本発明の第５実施形態に係る熱交換器を説明する。なお、この第４実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、重複した説明を避ける。
【００４９】
前記した第１実施形態の熱交換器においては、管体１として二重管式のものを用いていた。これに対して、第５実施形態の熱交換器では、管体３０１として、給湯水流路９の周囲に、給湯水との熱交換のために配置された、冷媒通過用のものが用いられている（特開２００４−２７８８０７号公報参照）。管体３０１の内面には、第１実施形態と同様の頂部６と底部７とが形成されている。
【００５０】
第５実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【００５１】
（第６実施形態）
次に、図１４を参照して、本発明の第６実施形態に係る熱交換器を説明する。なお、この第６実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、重複した説明を避ける。
【００５２】
前記した第１実施形態の熱交換器においては、管体１として二重管式のものを用いていた。これに対して、第６実施形態の熱交換器では、管体４０１として、フィンレス熱交換器用の、すなわち管体４０１内を流れる冷媒（第１熱交換流体）と、管体４０１に接する冷媒（第２熱交換流体）との間で熱交換するためのものが用いられている。管体４０１の内面には、第１実施形態と同様の頂部６と底部７とが形成されている。
【００５３】
第６実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【００５４】
（第７実施形態）
次に、図１５を参照して、本発明の第７実施形態に係る熱交換器を説明する。なお、この第７実施形態の説明においては、前記した第１実施形態と基本的に共通する要素については、同一符号を用いることにより、重複した説明を避ける。
【００５５】
前記した第１実施形態の熱交換器においては、管体１として二重管式のものを用いていた。これに対して、第７実施形態の熱交換器では、管体５０１として、コイル形状に旋回されたものが用いられている。管体５０１の内面には、第１実施形態と同様の頂部６と底部７とが形成されている。管体５０１の内部には第１熱交換流体が、図中矢印の方向に流されるようになっている。また、管体５０１の外側には、この管体５０１を覆うようにシェル８０が配置されている。この例では、シェル８０の入口８０１から第２熱交換流体が流入し、管体５０１の外面を横切る方向に流れた後、出口８０２から流出するようになっている。
【００５６】
第７実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と基本的に同様なので、これ以上詳しい説明は省略する。
【００５７】
なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。
【００５８】
例えば、前記した各実施形態では、円周方向において隣り合う複数の頂部６の、主流方向の上流側における端部どうしを、略Ｖ字状又に連続させているが、略Ｕ字状とすることもできる。このようにすると、頂部６の下流側端部近傍における、頂部６の傾斜角を小さくする（つまり主流方向に近づける）ことができるので、熱交換流体の剥離を一層確実に抑止できる。
【００５９】
さらに、前記した各実施形態では、傾斜角度γ１＝γ２としたが、これらを異なる値とすることは可能である。また、頂部６及び底部７を通る内管２の横断面形状における波形の周期の長さを、円周方向の位置に応じて変化させることも可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１・１０１・２０１・３０１・４０１・５０１  管体
１１  湾曲部
２０１１・２０１２  配管
２  内管
２１  内面
２２  外面
３  外管
４  第１流路
５  第２流路
６  頂部
７  底部
８・８０  シェル
８１・８０１  入口
８２・８０２  出口
９  給湯水流路
【図１】
2019199984.tif 000004
【図２】
2019199984.tif 000005
【図３】
2019199984.tif 000006
【図４】
2019199984.tif 000007
【図５】
2019199984.tif 000008
【図６】
2019199984.tif 000009
【図７】
2019199984.tif 000010
【図８】
2019199984.tif 000011
【図９】
2019199984.tif 000012
【図１０】
2019199984.tif 000013
【図１１】
2019199984.tif 000014
【図１２】
2019199984.tif 000015
【図１３】
2019199984.tif 000016
【図１４】
2019199984.tif 000017
【図１５】
2019199984.tif 000018