(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部と外部との熱交換を行う給湯用伝熱管であって、
管内面の少なくとも一部に、高さ（Ｈ１）が０．８ｍｍ〜２．０ｍｍである複数の突起が設けられており、
管内部を流れる流体の流速が０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓであり、
前記突起の任意の高さにおける断面形状は、円形、楕円形もしくは近似円形のような滑らかな曲線で構成されており、
前記伝熱管の一端側には前記突起が設けられていない平滑部が設けられ、前記平滑部が設けられた端部を流体が流出する流体出口とし、
前記複数の突起のピッチ（Ｐ）と内径（Ｄ）との比は、０．５〜１０である、
給湯用伝熱管。
【請求項２】
内部と外部との熱交換を行う給湯用伝熱管であって、
管内面の少なくとも一部に、高さ（Ｈ１）が内径（Ｄ）の０．１〜０．２５倍である複数の突起が設けられており、
管内部を流れる流体の流速が０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓであり、
前記突起の任意の高さにおける断面形状は、円形、楕円形もしくは近似円形のような滑らかな曲線で構成されており、
前記伝熱管の一端側には前記突起が設けられていない平滑部が設けられ、前記平滑部が設けられた端部を流体が流出する流体出口とし、
前記複数の突起のピッチ（Ｐ）と内径（Ｄ）との比は、０．５〜１０である、
給湯用伝熱管。
【請求項３】
前記複数の突起は、管軸の方向に平行して設けられている、
請求項１または２に記載の給湯用伝熱管。
【請求項４】
前記複数の突起は、螺旋状に設けられている、
請求項１または２に記載の給湯用伝熱管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、給湯器技術、特に給湯用伝熱管に関する。
【背景技術】
【０００２】
空気調和装置、給湯器などに用いられる熱交換装置においては、管内に水などの流体が流れるとともに管内外の温度差によって熱交換を行う給湯用伝熱管が設けられている。そして、給湯用伝熱管の伝熱性能を向上させるため、管内面に溝が形成された溝付管が使われることがある。また、給湯用伝熱管の内面に突起を設けて伝熱性能を向上させる技術も提案されている。
【０００３】
このように、給湯用伝熱管内部に突起を設けると、給湯用伝熱管の伝熱面積が大きくなるとともに、突起により流体が撹拌されることで、伝熱面における熱伝達率が増大され、伝熱性能が向上する。しかし、給湯用伝熱管内部に突起を設けると、突起によって管摩擦係数が増大し、管内の流れの圧力損失が大きくなる。そこで、給湯用伝熱管内部に高さが０．４５ｍｍ〜０．６ｍｍの突起を設けて、冷媒との熱伝達を促進しつつ圧力損失を抑える技術が提案されている（特許文献１：特公平６−７０５５６）。
【発明の概要】
【０００４】
しかし、給湯用伝熱管内の流体の流速が非常に低く、管内における流体の流れが層流域から乱流域への遷移領域である場合、特許文献１で開示された高さ０．４５ｍｍ〜０．６ｍｍの突起を設けても伝熱性能の向上は小さい。
【０００５】
例えば、図１に示すヒートポンプ式給湯器においては、電気代の安い夜間電力を効率的に利用するため、長い時間をかけて水を約１０℃から約９０℃まで一過式で沸かす。ここでは、製品のコンパクト化と高効率を確保するため、給湯用伝熱管内を流れる水の流量を非常に小さい値（例えば、０．８Ｌ／ｍｉｎ）に設定している。このように管内の水流量が小さい給湯用伝熱管においては、給湯用伝熱管の内径を小さくすることで管内の流速を高め、伝熱性能を向上させる方法を採用している。しかし、この場合でも管内の水流量が小さいため、管内における水の流れは、流入口付近では層流域から乱流域への遷移領域（Ｒｅ＝１５００〜３０００）、流出口付近でも乱流初期（Ｒｅ＝７０００）程度である。また、水の流入口付近の低温区間では、熱伝導率も小さいため、効率的な熱交換が期待できない。
【０００６】
本発明の目的は、上記背景技術の問題点を克服し、簡単な構造で、低レイノルズ数域において伝熱性能の向上を図るとともに、管内の圧力損失が小さい給湯用伝熱管を提供することにある。
【０００７】
第１発明に係る給湯用伝熱管は、内部と外部との熱交換を行う給湯用伝熱管であって、管内面の少なくとも一部に、高さＨ１が０．８ｍｍ〜２．０ｍｍである複数の突起が設けられている。また、管内部を流れる流体の流速が０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓであり、流体が流出する流体流出口の近傍に位置する区間には、突起が設けられていない。さらに、突起の任意の高さにおける断面形状は、円形、楕円形もしくは近似円形のような滑らかな曲線で構成されている。複数の突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比は０．５〜１０である。
【０００８】
層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間では、管内に設けた突起の高さを従来のように低く設定すると伝熱性能の向上効果が得られない。
【０００９】
そこで、層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間、すなわちレイノルズ数Ｒｅが７０００未満の区間に位置する部分の管内面に、管内に向けて突出する高さが０．８ｍｍ〜２．０ｍｍの複数の突起を設けた。その結果、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が小さく、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００１０】
ここで、管内部を流れる流体の流速が０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓである。なお、給湯用伝熱管の内部を流れる流体の流速が０．２ｍ/ｓ〜０．４ｍ/ｓであることが好ましい。ここで、管内の流体の流速が０．１ｍ/ｓ未満である場合、給湯用伝熱管の熱伝達率が極めて低い。一方、管内の流体の流速が０．６ｍ/ｓを超えると、管内の摩擦係数が大きくなり、管内の圧力損失が大きくなる。そこで、内部を流れる流体の流速範囲を０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓとする。その結果、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００１１】
また、管内突起による管内流体の圧力損失への影響要素として、管内流体のレイノルズ数、速度、突起の高さなどのほか、突起の形状が挙げられる。突起の形状が鋭角状である場合、角を曲がる流れにより剥離渦が生じ、流体の圧力損失が高くなる。
【００１２】
そこで、突起の任意の高さにおける断面形状が、円形、楕円形もしくは近似円形のような滑らかな曲線で構成されているようにしている。すなわち、突起の外周面が滑らかな曲面で形成されているため、突起の形状が鋭角状であるものに比べて剥離渦の発生を抑えることができ、管内流体の圧力損失による影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００１３】
さらに、給湯用伝熱管の流体流出口部では、流体の温度が高く、例えば流体が水である場合、管内面にスケールが付着するおそれがある。このような区間に突起を設けると、突起によりスケールの付着が促進されるおそれがある。そこで、流体の温度が高い流体流出口近傍に位置する区間には、突起が設けられていない管、例えば平滑管を使用することにより、スケールの発生を抑える。
【００１４】
なお、管内面に設けられた複数の突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比は０．５〜１０である。
【００１５】
突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比が０．５以下の場合、伝熱促進効果は得られるが、上流側において突起の影響により圧力損失が大きくなる。また、突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比が１０以上の場合、伝熱促進効果が小さくなる。
【００１６】
そこで、突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比を０．５〜１０にすることで、伝熱促進効果を維持しつつ、圧力損失の増加が小さく、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００１７】
第２発明に係る給湯用伝熱管は、内部と外部との熱交換を行う給湯用伝熱管であって、管内面の少なくとも一部に、高さＨ１が内径Ｄの０．１〜０．２５倍である複数の突起が設けられている。また、管内部を流れる流体の流速が０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓであり、流体が流出する流体流出口の近傍に位置する区間には、突起が設けられていない。さらに、突起の任意の高さにおける断面形状は、円形、楕円形もしくは近似円形のような滑らかな曲線で構成されている。複数の突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比は０．５〜１０である。
【００１８】
管内に突起が設けられた場合、管摩擦係数は、レイノルズ数Ｒｅ及び相対粗度の関数となる。ここでは、管内突起による管摩擦係数への影響を表すため、管内に設けた突起の高さと管内径との比（すなわち相対粗度）を用いている。層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間において、管内壁面の相対粗度を所定範囲内にすることにより、伝熱効果の向上を図るとともに圧力損失による影響を最小限に抑えることができる。
【００１９】
そこで、層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間、すなわちレイノルズ数Ｒｅが７０００未満の区間に位置する部分の内面に、高さＨ１が内径Ｄの０．１〜０．２５倍である複数の突起を設けた。その結果、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００２０】
ここで、管内部を流れる流体の流速が０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓである。なお、給湯用伝熱管の内部を流れる流体の流速が０．２ｍ/ｓ〜０．４ｍ/ｓであることが好ましい。ここで、管内の流体の流速が０．１ｍ/ｓ未満である場合、給湯用伝熱管の熱伝達率が極めて低い。一方、管内の流体の流速が０．６ｍ/ｓを超えると、管内の摩擦係数が大きくなり、管内の圧力損失が大きくなる。そこで、内部を流れる流体の流速範囲を０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓとする。その結果、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００２１】
また、管内突起による管内流体の圧力損失への影響要素として、管内流体のレイノルズ数、速度、突起の高さなどのほか、突起の形状が挙げられる。突起の形状が鋭角状である場合、角を曲がる流れにより剥離渦が生じ、流体の圧力損失が高くなる。
【００２２】
そこで、突起の任意の高さにおける断面形状が、円形、楕円形もしくは近似円形のような滑らかな曲線で構成されているようにしている。すなわち、突起の外周面が滑らかな曲面で形成されているため、突起の形状が鋭角状であるものに比べて剥離渦の発生を抑えることができ、管内流体の圧力損失による影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００２３】
さらに、給湯用伝熱管の流体流出口部では、流体の温度が高く、例えば流体が水である場合、管内面にスケールが付着するおそれがある。このような区間に突起を設けると、突起によりスケールの付着が促進されるおそれがある。そこで、流体の温度が高い流体流出口近傍に位置する区間には、突起が設けられていない管、例えば平滑管を使用することにより、スケールの発生を抑える。
【００２４】
なお、管内面に設けられた複数の突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比は０．５〜１０である。
【００２５】
突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比が０．５以下の場合、伝熱促進効果は得られるが、上流側において突起の影響により圧力損失が大きくなる。また、突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比が１０以上の場合、伝熱促進効果が小さくなる。
【００２６】
そこで、突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比を０．５〜１０にすることで、伝熱促進効果を維持しつつ、圧力損失の増加が小さく、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００２７】
第３発明に係る給湯用伝熱管は、第１発明または第２発明に記載の給湯用伝熱管において、複数の突起は、管軸方向に平行して設けられている。
【００２８】
管軸方向に突起を設けることにより、伝熱促進が連続しておこなえる。また、流体の流れは管軸方向に直線的に流れるため、圧力損失の増加が小さく、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００２９】
第４発明に係る給湯用伝熱管は、第１発明または第２発明に記載の給湯用伝熱管において、複数の突起は、螺旋状に設けられている。
【００３０】
螺旋状に突起を設けることにより、管内の流体の流れに旋回が発生し、流体の通過長さが長くなり、伝熱性能がさらに向上する。
【発明の効果】
【００３１】
以上の説明で述べたように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
【００３２】
第１発明では、管内面の少なくとも一部に、高さＨ１が０．８ｍｍ〜２．０ｍｍである複数の突起を設けている。これにより、管内の流れが層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間でも、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。特に、突起の高さが０．９ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲内であることが好ましい。また、給湯用伝熱管は外径が８ｍｍ〜１４ｍｍ（内径が６ｍｍ〜１２ｍｍ）であることが好ましい。
【００３３】
また、内部を流れる流体の流速が０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓである。ここで、管内の流体の流速が０．１ｍ/ｓ未満である場合、給湯用伝熱管の熱伝達率が極めて低い。一方、管内の流体の流速が０．６ｍ/ｓを超えると、管内の摩擦係数が大きくなり、管内の圧力損失が大きくなる。そこで、内部を流れる流体の流速範囲を０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓとする。その結果、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００３４】
ここで、突起の任意の高さにおける断面形状は、円形、楕円形もしくは近似円形のような滑らかな曲線で構成されている。
【００３５】
ここでは、突起の外周面が滑らかな曲面で形成されているため、突起の形状が鋭角状であるものに比べて剥離渦の発生を抑えることができ、管内流体の圧力損失による影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００３６】
さらに、流体が流出する流体流出口の近傍に位置する区間には、突起が設けられていない。
【００３７】
給湯用伝熱管の流体流出口部では、流体の温度が高く、例えば流体が水である場合、管内面にスケールが付着するおそれがある。このような区間に突起を設けると、突起によりスケールの付着が促進される場合がある。そこで、流体の温度が高い流体流出口近傍に位置する区間には、突起が設けられていない管、例えば平滑管を使用することにより、スケールの発生を抑える。
【００３８】
なお、複数の突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比は０．５〜１０である。
【００３９】
突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比を０．５〜１０にすることで、伝熱促進効果を維持しつつ、圧力損失の増加が小さく、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。特に、給湯用伝熱管の突起ピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比を０．８〜４にしたほうが好ましい。
【００４０】
第２発明では、管内面の少なくとも一部に、高さＨ１が内径Ｄの０．１〜０．２５倍である複数の突起を設けている。これにより、管内の流れが層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間でも、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。特に、突起の相対粗度（Ｈ１／Ｄ）が０．１１〜０．１５の範囲内であることが好ましい。
【００４１】
また、内部を流れる流体の流速が０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓである。ここで、管内の流体の流速が０．１ｍ/ｓ未満である場合、給湯用伝熱管の熱伝達率が極めて低い。一方、管内の流体の流速が０．６ｍ/ｓを超えると、管内の摩擦係数が大きくなり、管内の圧力損失が大きくなる。そこで、内部を流れる流体の流速範囲を０．１ｍ/ｓ〜０．６ｍ/ｓとする。その結果、管内に設けた突起による熱伝達率の向上が図られるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００４２】
ここで、突起の任意の高さにおける断面形状は、円形、楕円形もしくは近似円形のような滑らかな曲線で構成されている。
【００４３】
ここでは、突起の外周面が滑らかな曲面で形成されているため、突起の形状が鋭角状であるものに比べて剥離渦の発生を抑えることができ、管内流体の圧力損失による影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００４４】
さらに、流体が流出する流体流出口の近傍に位置する区間には、突起が設けられていない。
【００４５】
給湯用伝熱管の流体流出口部では、流体の温度が高く、例えば流体が水である場合、管内面にスケールが付着するおそれがある。このような区間に突起を設けると、突起によりスケールの付着が促進される場合がある。そこで、流体の温度が高い流体流出口近傍に位置する区間には、突起が設けられていない管、例えば平滑管を使用することにより、スケールの発生を抑える。
【００４６】
なお、複数の突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比は０．５〜１０である。
【００４７】
突起のピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比を０．５〜１０にすることで、伝熱促進効果を維持しつつ、圧力損失の増加が小さく、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。特に、給湯用伝熱管の突起ピッチＰと給湯用伝熱管内径Ｄとの比を０．８〜４にしたほうが好ましい。
【００４８】
第３発明では、第１発明または第２発明に記載の給湯用伝熱管において、複数の突起は、管軸方向に平行して設けられている。
【００４９】
管軸方向に突起を設けることにより、伝熱促進が連続しておこなえる。また、流体の流れは管軸方向に直線的に流れるため、圧力損失の増加が小さく、給湯用伝熱管全体の性能が向上する。
【００５０】
第４発明では、第１発明または第２発明に記載の給湯用伝熱管において、複数の突起は、螺旋状に設けられている。
【００５１】
螺旋状に突起を設けることにより、管内の流体の流れに旋回が発生し、流体の通過長さが長くなり、伝熱性能がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】ヒートポンプ給湯器の模式図。
【図２】水熱交換器の概略図。
【図３】給湯用伝熱管の平面図。
【図４】給湯用伝熱管の管内流れのレイノルズ数を表すグラフ。
【図５】（ａ）給湯用伝熱管の断面斜視図。  （ｂ）図５（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図。  （ｃ）図５（ｂ）のＢ−Ｂ矢視断面図。
【図６】実験１の結果を示すグラフ図。
【図７】実験２の結果を示すグラフ図。
【図８】実験３の結果を示すグラフ図。
【図９】実験４に係る給湯用伝熱管の断面斜視図。
【図１０】実験４の結果グラフ図。
【図１１】変形例１に係る給湯用伝熱管の平面図。
【図１２】（ａ）変形例２に係る給湯用伝熱管の平面図。  （ｂ）変形例２に係る給湯用伝熱管の斜視図。  （ｃ）変形例２のもう一つの給湯用伝熱管の斜視図。
【図１３】変形例３に係る給湯用伝熱管の平面図。
【図１４】変形例４に係る給湯用伝熱管の平面図。
【図１５】変形例５に係る給湯用伝熱管の平面図。
【図１６】変形例６に係る給湯用伝熱管の平面図。
【図１７】変形例７に係る給湯用伝熱管の平面図。
【図１８】変形例８に係る給湯用伝熱管の平面図。
【図１９】（ａ）変形例９に係る給湯用伝熱管の平面図。  （ｂ）変形例９に係る給湯用伝熱管の斜視図。
【図２０】変形例１０に係る給湯用伝熱管の平面図。
【図２１】（ａ）変形例１１に係る給湯用伝熱管の平面図。  （ｂ）図２１（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
＜全体構成＞
図１は、ヒートポンプ式給湯機の模式図である。ここで、ヒートポンプ式給湯機は、貯湯ユニット１とヒートポンプユニット２とを備えている。給湯ユニット１は、水道管１１と、貯湯タンク１２と、水循環用ポンプ１３と、給水管３と、水熱交換器３０を構成する給湯用伝熱管３１と、温湯管１６と、混合弁１７と、給湯管１８とが順に連結されている。ここでは、給水管１１から貯湯タンク１２に水道水が供給される。貯湯タンク１２の底部から温度の低い水が水循環用ポンプ１３より水熱交換器３０の給湯用伝熱管３１に供給され加熱される。加熱された温湯は、貯湯タンク１２の上部に流入される。温湯管１６を経て貯湯タンク１２の上部から出湯される高温の温湯は、混合弁１７により混合水管１９の冷水と混合される。この混合弁１７により給湯の温度が調節され、給湯管１８によりユーザに供給される。
【００５４】
次に、ヒートポンプユニット２は冷媒循環回路を備え、この冷媒循環回路は、圧縮機２１と、水熱交換器３０と、膨張弁２３と、空気熱交換器２４とを、冷媒管３２により順に接続して構成される。冷媒は圧縮機２１により高圧に圧縮された後、水熱交換器３０に送られる。水熱交換器３０において熱交換された冷媒は、膨張弁２３を通過し、空気熱交換器２４へ供給される。冷媒は、周囲からの熱を吸収して圧縮機２１に還流される。
【００５５】
＜水熱交換器＞
図２は、ヒートポンプ給湯機における水熱交換器３０の概略図である。図２に示すように、水熱交換器３０は、給湯用伝熱管３１と冷媒管３２とによって構成されている。給湯用伝熱管３１は、同一平面上において長円形状となるように渦巻き形状に形成され、水通路Ｗを形成している。冷媒管３２は、給湯用伝熱管３１の外周に螺旋状に巻き付けられ、冷媒通路Ｒを形成している。そして、給湯用伝熱管３１における渦巻きの外周側を水流入口３１１、給湯用伝熱管３１における渦巻きの中心側を水流出口３１２としている。水熱交換器３０において、冷媒管３２内の冷媒は、冷媒流入口３２２においてＡ２２方向から流入し放熱する。その後、冷媒流出口３２１においてＡ２１方向から流出する。水流入口３１１においてＡ１１方向から供給された水道水はこの熱により加熱され、温湯となって水流出口３１２においてＡ１２方向に流出する。
【００５６】
＜給湯用伝熱管＞
次に、給湯用伝熱管３１について説明する。図３に示すように、給湯用伝熱管３１の管内面には、高さがＨ１の複数の突起３１３が、管軸方向において２０ｍｍピッチ（図３のＰ参照）で上下対称に設けられている。図３においては、紙面方向から見て上方に設けられた突起３１３のみが表示されている。本実施例では、給湯用伝熱管３１の水流入口３１１における水温は約１０℃、水流出口３１２における水温は約９０℃と設定されている。ここで、給湯用伝熱管における水の流量は約０．８Ｌ/ｍｉｎである。また、給湯用伝熱管の外径が８ｍｍ〜１４ｍｍ（内径が６ｍｍ〜１２ｍｍ）であることが好ましい。
【００５７】
給湯用伝熱管３１の管内流のレイノルズ数Ｒｅを、図４に表している。図４で示すように、給湯用伝熱管３１の水流入口３１１におけるレイノルズ数Ｒｅは約２０００であり、管内の流れは層流域である。水の流れが進むにつれ、流入口３１１から流入された水は、図２に示す冷媒管３２との熱交換を行い水温が高くなる。水温上昇により、水の粘性係数が小さくなり、レイノルズ数Ｒｅは段々大きくなる。図４において、水流出口３１２におけるレイノルズ数Ｒｅは約７０００であって、管内流は層流から乱流への遷移領域に位置する。ここで、給湯用伝熱管３１の管内面に設けられた複数の突起３１３が、伝熱性能の向上に与える影響及び圧力損失に与える影響を調べるため、以下の実験を行った。
【００５８】
（１）実験１
図５（ａ）は給湯用伝熱管３１の断面斜視図である。実験１においては、内径Ｄが８ｍｍの管内面に、高さＨ１が１．０ｍｍの突起を、管軸方向のピッチＰが２０ｍｍになるように上下対称に設けている。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図であり、図５（ｃ）は、図５（ｂ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）から分るように、突起３１３は給湯用伝熱管の外面を凹ませることによって内面に形成されるようになっている。また、図５（ｃ）から分るように、突起３１３の横断面図の形状は楕円形になるように形成されている。ここで、給湯用伝熱管３１の内面には、突起が設けられていない平面部３１ａが存在する。図６（ａ）は、管内の流れが層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間の各レイノルズ数Ｒｅにおいて、突起を設けていない平滑管を採用した場合と、高さＨ１が１ｍｍの突起３１３を、管軸方向のピッチＰが２０ｍｍになるように上下対称に設けた場合の伝熱性能を表したものである。ここで、横軸はレイノルズ数Ｒｅの値を表している。縦軸は、突起３１３を設けた給湯用伝熱管３１のヌセルト数Ｎｕと、突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のヌセルト数Ｎｕｏとの比（Ｎｕ／Ｎｕｏ）を表している。ここで、ヌセルト数は、固体壁から流体への熱の伝わりやすさの指標としての熱伝達率値を無次元化したものであり、その値が大きいほど、固体壁から流体へ熱が伝わりやすくなる。従って、Ｎｕ／Ｎｕｏの値が大きいほど、突起による給湯用伝熱管の伝熱性能の向上が大きい。図６（ａ）から分るように、レイノルズ数Ｒｅが４０００以下の場合、高さＨ１が１ｍｍの突起３１３による伝熱性能の向上は明らかである。一方、レイノルズ数Ｒｅが４０００以上の場合、管内に設けた突起３１３による伝熱性能の向上は緩やかである。
【００５９】
図６（ｂ）は、管内の流れが、層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間の各レイノルズ数Ｒｅにおいて、突起を設けていない平滑管を採用した場合と、高さＨ１が１ｍｍの突起３１３を、管軸方向のピッチＰが２０ｍｍになるように上下対称に設けた給湯用伝熱管３１を採用した場合の管内圧力損失の推移を表したものである。ここで、横軸はレイノルズ数Ｒｅの値を表している。縦軸は、突起３１３を設けた給湯用伝熱管３１のファニングの摩擦係数ｆと突起を設けていない平滑管のファニングの摩擦係数ｆｏとの比（ｆ／ｆｏ）を表している。ここで、ファニングの摩擦係数は、管内流れの圧力損失を表す無次元数であり、その値が大きいほど、管内流れの圧力損失は大きくなる。したがって、ｆ／ｆｏの値が大きいほど、管内の水圧損失は大きくなる。図６（ｂ）から分るように、レイノルズ数Ｒｅが約２０００である場合、すなわち管内の流れが層流域である場合は、突起３１３を設けた給湯用伝熱管３１の管内圧力損失が突起を設けていない平滑管内の圧力損失と同等となっている。一方、レイノルズ数Ｒｅが大きくなり、管内の流れが層流域から乱流域へ遷移するにつれ、管内面に設けた突起３１３による管内圧力損失が大きくなり、レイノルズ数Ｒｅが４０００以上の場合は、ほぼ一定している。
【００６０】
（２）実験２
実験２においては、突起３１３の高さＨ１が伝熱性能及び管内流れの圧力損失に与える影響を調べるため、管内面に設けた突起３１３の高さＨ１を変更させながら実験を行った。図７（ａ）は、内径Ｄが８ｍｍの給湯用伝熱管に、高さＨ１が異なる突起を、管軸方向のピッチＰが２０ｍｍになるように上下対称に設けた場合の伝熱性能を表したものである。ここで、横軸は突起３１３の高さＨ１の値を表している。縦軸は、突起３１３を設けた給湯用伝熱管３１のヌセルト数Ｎｕと突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のヌセルト数Ｎｕｏとの比（Ｎｕ／Ｎｕｏ）を表している。実線はレイノルズ数Ｒｅが４０００である場合、点線はレイノルズ数Ｒｅが２０００である場合の実験結果を表わしている。図７（ａ）から分るように、レイノルズ数Ｒｅが４０００及び２０００の場合ともに、突起３１３の高さＨ１が高くなるほど伝熱性能は向上する。また、図７（ａ）の点線から分るように、レイノルズ数Ｒｅが２０００の状態では、突起３１３の高さＨ１が０．５ｍｍ以下の場合突起３１３による伝熱性能の向上はほとんど見られない。突起３１３の高さＨ１が０．８ｍｍ以上になって、はじめて伝熱性能の向上効果が現れる。
【００６１】
図７（ｂ）は、内径Ｄが８ｍｍの給湯用伝熱管に、高さＨ１が異なる突起を２０ｍｍ（管軸方向）ピッチで上下対称に設けた場合の給湯用伝熱管全体の性能を表したものである。すなわち、伝熱性能の向上と圧力損失の抑制を総合的に考慮した性能を表す。ここで、横軸は突起の高さの値を表している。縦軸は、突起を設けた給湯用伝熱管のヌセルト数Ｎｕと突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のヌセルト数Ｎｕｏとの比（Ｎｕ／Ｎｕｏ）を、突起を設けた給湯用伝熱管のファニングの摩擦係数ｆと突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のファニングの摩擦係数ｆｏとの比（ｆ／ｆｏ）で割った値を表している。上述したように、Ｎｕ／Ｎｕｏの値が大きいほど伝熱性能が向上され、ｆ／ｆｏの値が大きいほど管内の水圧損は大きくなる。したがって、Ｎｕ／Ｎｕｏの値をｆ／ｆｏの値で割った値が大きいほど、伝熱性能の向上が図れるとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響が抑えられ、給湯用伝熱管全体の性能が向上したこととなる。
【００６２】
図７（ｂ）において、実線はレイノルズ数Ｒｅが４０００である場合、点線はレイノルズ数Ｒｅが２０００である場合の実験結果を表わしている。図７（ｂ）から分るように、レイノルズ数Ｒｅが２０００及び４０００の状態ともに、給湯用伝熱管内に設けられた突起の高さが０．８ｍｍである場合、Ｎｕ／Ｎｕｏの値をｆ／ｆｏの値で割った値が一番大きく、突起の高さが２．０ｍｍを超えるとその値は顕著に小さくなる。すなわち、低レイノルズ数区間では、突起の高さが０．８ｍｍ〜２．０ｍｍの範囲内である場合、給湯用伝熱管全体の性能向上が図れる。特に、突起の高さが０．９ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲内であることが好ましい。
【００６３】
（３）実験３
実験３においては、突起３１３の高さＨ１をそのまま指標とするのではなく、相対粗度（Ｈ１／Ｄ）を指標としている。この相対粗度（Ｈ１／Ｄ）が伝熱性能及び管内流れの圧力損失に与える影響を調べるため、相対粗度（Ｈ１／Ｄ）を変更させながら実験を行った。図８（ａ）は、レイノルズ数Ｒｅが２０００である状態及び４０００である状態で、突起を設けていない平滑管を採用した場合と、相対粗度（Ｈ１／Ｄ）が異なる場合の伝熱性能を表したものである。ここで、横軸は相対粗度（Ｈ１／Ｄ）の値を表している。縦軸は、突起３１３を設けた給湯用伝熱管３１のヌセルト数Ｎｕと突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のヌセルト数Ｎｕｏとの比（Ｎｕ／Ｎｕｏ）を表している。図８（ａ）から分るように、突起の相対粗度（Ｈ１／Ｄ）の値が大きいほど伝熱性能は向上する。また、図８（ａ）の点線から分るように、レイノルズ数２０００の状態では、相対粗度（Ｈ１／Ｄ）の値が０．１以下では突起による伝熱性能の向上はほとんど見られない。
【００６４】
図８（ｂ）は、突起を設けていない平滑管を採用した場合と、突起の相対粗度（Ｈ１／Ｄ）が異なる場合の伝達管全体の性能を表したものである。ここで、横軸は相対粗度（Ｈ１／Ｄ）の値を表している。縦軸は、突起を設けた給湯用伝熱管のヌセルト数Ｎｕと突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のヌセルト数Ｎｕｏとの比（Ｎｕ／Ｎｕｏ）を、突起を設けた給湯用伝熱管のファニングの摩擦係数ｆと突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のファニングの摩擦係数ｆｏとの比（ｆ／ｆｏ）で割った値を表している。上述したように、Ｎｕ／Ｎｕｏの値が大きいほど伝熱性能が向上され、ｆ／ｆｏの値が大きいほど管内の水圧損は大きくなる。したがって、Ｎｕ／Ｎｕｏの値をｆ／ｆｏの値で割った値が大きいほど、熱伝達率の向上を図るとともに、突起が管内の圧力損失に与える影響を抑え、給湯用伝熱管全体の性能が向上したこととなる。図８（ｂ）から分るように、レイノルズ数Ｒｅが２０００、及び４０００の状態ともに、給湯用伝熱管内に設けられた突起の相対粗度（Ｈ１／Ｄ）が０．１である場合、Ｎｕ／Ｎｕｏの値をｆ／ｆｏの値で割った値が一番大きく、突起の相対粗度（Ｈ１／Ｄ）が０．２５を超えるとその値は顕著に小さくなる。すなわち、低レイノルズ数Ｒｅの区間では、突起の相対粗度（Ｈ１／Ｄ）が０．１〜０．２５の範囲内である場合は、給湯用伝熱管全体の性能向上が図れる。特に、突起の相対粗度（Ｈ１／Ｄ）が０．１１〜０．１５の範囲内であることが好ましい。
【００６５】
（４）実験４
実験４においては、図９に示す給湯用伝熱管４１と図５に示す給湯用伝熱管３１との比較を行った。ここで、図９に示す給湯用伝熱管４１は、内径Ｄが８ｍｍの管内面に、深さが０．２ｍｍの溝４２が設けられたものである。ここで、溝４２は線で表わしている。一方、図５に示すように給湯用伝熱管３１は、高さがＨ１の複数の突起３１３が、ピッチＰが２０ｍｍになるように上下対称に設けたものである。図１０（ａ）は、管内の流れが層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間の各レイノルズ数Ｒｅにおいて、給湯用伝熱管４１を採用した場合と、給湯用伝熱管３１を採用した場合の伝熱性能を表したものである。ここで、横軸はレイノルズ数Ｒｅの値を表している。縦軸は、給湯用伝熱管３１及び給湯用伝熱管４１のヌセルト数Ｎｕと突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のヌセルト数Ｎｕｏとの比（Ｎｕ／Ｎｕｏ）を表している。ここで、実線は給湯用伝熱管３１を採用した際の実験データであり、点線は給湯用伝熱管４１を採用した際の実験データである。図１０（ａ）から分るように、レイノルズ数Ｒｅが７０００未満の場合、突起３１３が設けられた給湯用伝熱管３１による伝熱性能の向上が、溝４２が設けられた給湯用伝熱管４１による伝熱性能の向上より顕著である。一方、レイノルズ数Ｒｅが７０００以上の場合、溝４２が設けられた給湯用伝熱管４１による伝熱性能の向上が、突起３１３が設けられた給湯用伝熱管３１による伝熱性能の向上より顕著である。
【００６６】
図１０（ｂ）は、管内の流れが層流域及び層流域から乱流域への遷移が発生する低レイノルズ数の区間の各レイノルズ数Ｒｅにおいて、給湯用伝熱管４１を採用した場合と、給湯用伝熱管３１を採用した場合の管内圧力損失を表したものである。ここで、横軸はレイノルズ数Ｒｅの値を表している。縦軸は、給湯用伝熱管３１及び給湯用伝熱管４１のファニングの摩擦係数ｆと突起を設けていない平滑給湯用伝熱管のファニングの摩擦係数ｆｏとの比（ｆ／ｆｏ）を表している。ここで、実線は給湯用伝熱管３１を採用した際の実験データであり、点線は給湯用伝熱管４１を採用した際の実験データである。図１０（ｂ）から分るように、給湯用伝熱管３１においては、レイノルズ数Ｒｅが約２０００である場合、すなわち管内の流れが層流域である場合は、平滑管内の圧力損失と同等となっている。一方、レイノルズ数Ｒｅが大きくなり、管内の流れが層流域から乱流域へ遷移するにつれ、管内面に設けた突起３１３による管内圧力損失が大きくなる。一方、給湯用伝熱管４１においては、管内の流れが層流域および／または層流域から乱流域へ遷移領域のすべての区間において、管内圧力損失が平滑管内の圧力損失より大きくなっている。また、管内の流れが層流域および／または層流域から乱流域へ遷移領域のすべての区間において、給湯用伝熱管４１における管内圧力損失が給湯用伝熱管３１における管内圧力損失より高くなっている。上記実験データから分るように、給湯用伝熱管３１の給湯用伝熱管全体の性能が給湯用伝熱管４１より高い。
【００６７】
［変形例１］
実施例１では、内径Ｄが８ｍｍの管内面に、高さＨ１が１ｍｍの突起を、管軸方向のピッチＰが２０ｍｍになるように上下対称に設けている給湯用伝熱管３１を使用した。変形例１の給湯用伝熱管５１では、図１１で示すように、高さＨ１が１．０ｍｍの突起５１３の間には、高さＨ２が０．３ｍｍの小突起５１５を設けている。低レイノルズ数域においては、小さい突起より大きい突起の方が熱伝達率の向上に貢献するが、高レイノルズ数域においては、大きい突起より小さい突起の方が熱伝達率の向上に貢献する。そこで、高さＨ１が１．０ｍｍの突起５１３の間に、高さＨ２が０．３ｍｍの小突起５１５を設けることにより、レイノルズ数が低い区間では突起５１３により伝熱性能が向上され、レイノルズ数が高い区間では小突起５１５による伝熱性能の向上の相乗効果が図られることにより、熱交換器全体の性能が向上する。
【００６８】
［変形例２］
図１２に示すように、変形例２で採用した給湯用伝熱管６１は、管内面上螺旋Ｃ１に沿って突起６１３を設けている。図１２（ａ）は、給湯用伝熱管６１の平面図であり、図１２（ｂ）は給湯用伝熱管６１の斜視図である。ここで、突起６１３の高さＨ１は１．０ｍｍ、円周方向のピッチＰ１は６ｍｍ、管軸方向のピッチＰ２は６ｍｍである。
【００６９】
図１２（ｃ）に示す給湯用伝熱管６２は、高さＨ１が１．０ｍｍの突起６２３の間に、高さＨ２が０．３ｍｍの小突起６２５を設けたものである。ここで、円周方向のピッチＰ３は２ｍｍ、管軸方向のピッチＰ４は２ｍｍである。
【００７０】
［変形例３］
図１３に示すように、変形例３で採用した給湯用伝熱管６３は、突起６３３が設けられている区間６３ａと、突起が設けられていない区間６３ｂを有する。ここで、突起が設けられていない区間６３ｂは、水の流出口６３２近傍に位置する区間である。給湯用伝熱管６３の流出口６３２近傍では、流体である水の温度が高く、管壁にスケールが付着するおそれがある。このような区間に突起部を設けた場合、スケールの付着が促進される場合がある。そこで、水温が高い水流出口６３２近傍に位置する区間６３ｂには、突起を設けらないことにより、スケールの発生が抑えられる。
【００７１】
［変形例４］
図１４に示すように、変形例４で採用した給湯用伝熱管６４は、深さが０．２ｍｍの溝６４４が設けられた溝付き管に高さＨ１が１．０ｍｍの突起６４３を、管軸方向のピッチＰが２０ｍｍになるように上下対称に設けている。ここで、溝６４４は線で表わしている。ここでは、溝６４４が設けられている管に突起６４３を設けることで、溝６４４と突起６４３による給湯用伝熱管全体の相乗効果が計られる。
【００７２】
［変形例５］
図１５に示すように、変形例５で採用した給湯用伝熱管６５は、区間６５ａ、区間６５ｂより構成されている。水流出口６５２の近傍に位置する区間６５ｂには平滑管を採用し、その他の区間６５ａには、深さが０．２ｍｍの溝６５４が設けられた溝付き管に高さが１．０ｍｍの突起６５３を設けている。溝６５４は線で表わしている。溝６５４と突起６５３による給湯用伝熱管全体の相乗効果が計られるとともに、水温が高い水流出口６５２近傍に位置する区間６５ｂにおけるスケールの発生が抑えられる。
【００７３】
［変形例６］
図１６に示すように、変形例６で採用した給湯用伝熱管６６は、区間６６ａ、区間６６ｂ，区間６６ｃの３区間から構成されている。水流入口６６１から管内のレイノルズ数Ｒｅが４０００までの区間６６ａには、深さが０．２ｍｍの溝６６４が設けられた溝付き管に高さが１．０ｍｍの突起６６３を設けたものを採用し、水流出口６６２の近傍に位置する区間６６ｃには溝も突起も設けていない平滑管を採用し、区間６６ａと区間６６ｃとの間には溝６６４の深さが０．２ｍｍの溝付き管６６ｂを採用している。ここで、溝６６４は線で表わしている。ここでは、レイノルズ数が低い区間では突起６６３と溝６６４により伝熱性能が向上され、レイノルズ数が高い区間では溝６６４による伝熱性能の向上の相乗効果が図られることにより、熱交換器全体の性能が向上する。また、水温が高い水流出口６６２近傍に位置する区間６６ｃにおけるスケールの発生が抑えられる。
【００７４】
［変形例７］
図１７に示すように、変形例７で採用した給湯用伝熱管６７は、区間６７ａ、区間６７ｂ，区間６７ｃの３区間から構成されている。水流入口６７１から管内のレイノルズ数Ｒｅが４０００までの区間６７ａには、高さが１．０ｍｍの突起６７３を設けたものを採用し、水流出口６６２の近傍に位置する区間６７ｃには平滑管を採用し、区間６７ａと区間６７ｃとの間には溝６７４の深さが０．２ｍｍの溝付き管６７ｂを採用している。ここで、溝６７４は線で表わしている。ここでは、レイノルズ数が低い区間では突起６７３により伝熱性能が向上され、レイノルズ数が高い区間では溝６７４による伝熱性能の向上の相乗効果が図られることにより、熱交換器全体の性能が向上する。また、水温が高い水流出口６７２近傍に位置する区間６７ｃにおけるスケールの発生が抑えられる。
【００７５】
［変形例８］
図１８に示すように、変形例８で採用した給湯用伝熱管６８は、直線部６８４には突起６８３を設けているが、曲げ部Ｂ１〜Ｂ７には突起を設けていない。曲げ部Ｂ１〜Ｂ７の内面に突起を設けることによる管内圧力損失の増大を回避し、また曲げ作業過程における大きな変形、破損などの発生を回避できる。
【００７６】
［変形例９］
図１９（ａ）は、変形例９で採用した給湯用伝熱管６９の平面図を示したものであり、図１９（ｂ）は、給湯用伝熱管６９の斜視図を示したものである。ここで、直線部６９４には突起６９３が設けられているが、曲げ部Ｃ−Ｃにおいて、曲げられている面Ｓ１と交差する区間６９５には突起を設けていない。
【００７７】
［変形例１０］
図２０に示すように、変形例１０で採用した給湯用伝熱管７０は、給湯用伝熱管の外面７１と冷媒管７２との接触部位には突起を設けていない。冷媒管７２が巻かれる部位に対応する管外面に凹みが設けられると、冷媒管７２と給湯用伝熱管外面７１との接触が悪くなり、冷媒管７２からの伝熱効果が低下するおそれがある。そこで、冷媒管７２が巻き付けられていない部位に突起７１３を設けることで、冷媒管７２からの伝熱効果の低下を防ぐことができる。
【００７８】
［変形例１１］
図２１（ａ）は、変形例１１で採用した給湯用伝熱管８０の平面図を示したものであり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。図２１（ａ）に示すように、高さＨ１が１．０ｍｍの突起８１３は、管軸方向のピッチＰ１が２０ｍｍ、円周方向のピッチＰ２が約６ｍｍになるように上下左右対称に設けている。
【符号の説明】
【００７９】
１      給湯サイクル
１００  ヒートポンプ給湯器
２      冷媒サイクル
３０    水熱交換器
３１    給湯用伝熱管
３１１  水流入口
３１２  水流出口
３１３，４１３，５１３，６１３  突起
３１４  溝
３１５  小突起
３２    冷媒管
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８０】
【特許文献１】特公平６−７０５５６
【図１】
0004942773.tif 000002
【図２】
0004942773.tif 000003
【図３】
0004942773.tif 000004
【図４】
0004942773.tif 000005
【図５】
0004942773.tif 000006
【図６】
0004942773.tif 000007
【図７】
0004942773.tif 000008
【図８】
0004942773.tif 000009
【図９】
0004942773.tif 000010
【図１０】
0004942773.tif 000011
【図１１】
0004942773.tif 000012
【図１２】
0004942773.tif 000013
【図１３】
0004942773.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0004942773.tif 000016
【図１６】
0004942773.tif 000017
【図１７】
0004942773.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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