JP2010210137A - 熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱交換性能に優れた熱交換器を提供すること。
【解決手段】本発明の熱交換器は、水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることで、大径管内を流れる水の流速を増大させると共に、乱流促進を図ることができ、水側の伝熱性能を向上させることができ、さらに冷媒管をねじることによってより乱流促進を図ることができ、さらに冷媒管と大径管との接触部を設けることによって加熱効率を向上させる。
【選択図】図2
【解決手段】本発明の熱交換器は、水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることで、大径管内を流れる水の流速を増大させると共に、乱流促進を図ることができ、水側の伝熱性能を向上させることができ、さらに冷媒管をねじることによってより乱流促進を図ることができ、さらに冷媒管と大径管との接触部を設けることによって加熱効率を向上させる。
【選択図】図2
Description
本発明は、ヒートポンプ式給湯機における熱交換器の構成に関するものである。
図8は、従来の水冷媒熱交換器の平面図である。また、図9は、図8のA−A断面図である。図8および図9において、従来の水冷媒熱交換器では、流体Aが108a側から流入し、第1の管106内を通り、108b側から流出する。一方、流体Bは107a側から流入し、第1の管106内に挿入された第2の管102内を通り、107b側から流出する。前記第1の管106は、管軸方向、あるいは周方向に異形状であり、また、第2の管102は、冷媒管103を互いに螺旋状にねじり合わされた複数本で構成されている。
この構成により、複数本の第2の管102を互いに螺旋状にねじり合わせて第1の管106内の流体A全体を旋回流にすることにより、流体Aの流れを乱流攪乱し、第1の管106の流体Aの主流に熱が拡散される。
さらに、複数本の螺旋状のねじれた第2の管102の外壁と異径状の第1の管106の内壁との管軸方向あるいは周方向の距離に差があるために、第1の管106の内壁近傍を流れる比較的低温の水と壁面から離れたところを流れる高温の水によって形成されていた温度境界層を乱すことができ、これにより、流体Aはほぼ全域に熱が拡散され、熱伝達性が向上するというものである(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−107957号公報
しかしながら、従来の構成では、第1の管106の内周に内接する円107aと、内周に外接する円107bの直径の差が大きく、内接する円107aの外側には、空間108ができてしまう。これにより、第1の管の断面積は、内接する円107aの断面積よりも著しく大きくなってしまい、第1の管として円107a相当の円管を用いたときよりも、第1の管106内を流れる流速は低下してしまい熱交換効率を向上させることができないという課題を有していた。
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、熱交換性能に優れた熱交換器を提供することを目的とする。
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱交換器は、水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることで、大径管内を流れる水の流速を増大させると共に、乱流促進を図ることができ、水側の伝熱性能を向上させることができる。
本発明は、熱交換性能に優れた熱交換器を提供することができる。
第1の発明は、水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることにより、大径管の断面積を小さくすることができ、管内を流れる水の流速を増大させることができ、熱伝達率を向上させることが
できる。
できる。
第2の発明は、特に第1の発明において、前記大径管の断面積が軸方向に変化することにより、さらに乱流促進を促進させることができ、熱伝達率を向上させることができる。
第3の発明は、特に第1または第2の発明において、冷媒管を複数設け、前記複数の冷媒管に外接する外接円の直径よりも、前記大径管に内接する内接円の直径が小さいことにより、大径管と中径管とが密着し、中径管の熱を熱伝導で大径管に熱を伝えることができる。これにより、大径管の伝熱面を利用して水に熱を伝えることができ、伝熱性能をさらに促進させることができる。
第4の発明は、特に第1から第3の発明において、冷媒管の外表面に凹みを設けることで、中径管の外周近傍での乱流促進を図ることができ、さらに熱伝達率を向上させることができる。
第5の発明は、特に第1から第4の発明において、冷媒管の内表面に溝を形成することにより、小径管内面での熱伝達率を向上させることができる。
第6の発明は、特に第1から第5の発明において、前記冷媒管は、小径管と中径管で形成され、前記中径管には漏洩検知溝を形成したことにより、小径管に亀裂が入っても漏洩検知溝を介して冷媒の漏れが検知できるので、水に冷媒が混ざることがない。
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本発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
実施の形態1について、図1〜図3を用いて説明する。図1は平面図、図2は図1のA−A断面での断面図、図3は要部を切除した斜視図である。
実施の形態1について、図1〜図3を用いて説明する。図1は平面図、図2は図1のA−A断面での断面図、図3は要部を切除した斜視図である。
図1において、本実施の形態の熱交換器11は、大径管16と、冷媒管14とを有しており、さらに冷媒管14は、中径管12および小径管13で構成されている。そして中径管12の内面には冷媒の漏洩を検知するための冷媒漏洩検知溝が形成されている。
また熱交換器11は、水流路21には水が流れ、冷媒流路22に冷媒が流れる。そして冷媒側の入口17aと冷媒側の出口17bとを有し、水側の入口18aと水側の出口18bを有している。そして図1に示すように冷媒と水との熱交換は対向流を成すように流れ熱交換される。
また、大径管16の断面形状は多角形状を成しており、本実施の形態では円弧部16aと直線部16bを有している。なお、本実施の形態の大径管の形状では、図2に示すような形状となっているが、これに限定されることはなく、円弧部と直線部で形成されていればよい。
以上のように構成された熱交換器について、以下の動作、作用を説明する。
図1において、低温の水は、入口18aから流入して大径管16内を通り、出口18bより流出する。一方、圧縮機で圧縮された高温の冷媒(例えば、二酸化炭素など)が、冷媒側の入口17aから流入し、大径管16内に挿入された小径管13内を通り、17bより流出する。
図2、図3において、低温の水は水流路21、高温の冷媒は冷媒流路22を通る。大径管16は、円弧部16aと直線部16bより形成されており、また、冷媒管14は、中径管12と小径管13とが密着された二重管で構成され、図3に示すように冷媒管14は互いにねじられて大流路16内に挿入されている。
また、大流路の直線部16bは、中径管12の外周と接触する部分を有している。そのため、中径管12の熱が熱伝導でそのまま大径管16に伝わる。
水流路21を通る低温の水と、冷媒流路22を通る高温の冷媒とは、中径管12の外周で熱交換される。2本の冷媒管14はねじられて大径管16内に挿入されていることで、水流路21を通る水は攪拌され、熱交換効率を向上させる。
また、大径管16が直線部16bを有することで、中径管12と接触する部分を有することになり、高温の冷媒の熱はこの接触する部分を通り、直線部16bに熱伝導により熱が伝わる。これにより、大径管16の壁面が加熱され、低温の水に熱が伝わる。
つまり、中径管12と大径管16が接触する部分を有することで、伝熱面積を拡大させる効果を得ることができ、熱交換効率を向上させることができる。
また、内部に水が満たされた状態で、低温雰囲気に長時間置かれた場合、水は水流路21内で凍結してしまい、完全に凍結するとその体積は膨張するが、多角形に形成された大径管16は円に変形することで、破裂することを防止することできる。
(実施の形態2)
実施の形態2について、図4、図5を用いて説明する。実施の形態2は、実施の形態1に対し、異なる部分は大径管16の断面形状であり、その他の部分は同様の構成で、同様の効果を有することから、実施の形態2の特徴を中心に説明する。
実施の形態2について、図4、図5を用いて説明する。実施の形態2は、実施の形態1に対し、異なる部分は大径管16の断面形状であり、その他の部分は同様の構成で、同様の効果を有することから、実施の形態2の特徴を中心に説明する。
図4(a)〜(d)は、図5に示すaa〜ddの大径管の断面図、図4(e)は、図5に示すXX断面図かつYY断面図かつZZ断面図、図5は側面図である。図4、図5において、実施の形態2の熱交換器は、二本の冷媒管34をねじり、大径管31に挿入している。そして大径管31の断面形状は、曲面部32、および平面部33a、平面部33b、平面部33c、平面部33で構成され、水の流れを点線35で示している。なお、図4において冷媒管34の断面図は省略している。
図5に示すように、平面部33a、平面部33b、平面部33c、平面部33dを順番に繰り返し設けており、図4(a)〜(e)で示すように、大径管16の断面図の辺を構成する平面部の位置が、流路に沿って変化させている。
図5に示すように、大径管16の断面図は、aa断面図、XX断面図、bb断面図、YY断面図、cc断面図、ZZ断面図、dd断面図を繰り返している。つまり図4を用いて説明すると、図4(a)、図4(e)、図4(b)、図4(e)、図4(c)、図4(e)、図4(d)と順に繰り返し、図4(e)の断面形状とその前後の断面形状では断面積が変わっている。
また、平面部33aと平面部33cは互いに向かい合う位置にあり、軸方向にはズレている。同じように、平面部33bと平面部33dも互いに向かい合う位置にあり、軸方向にズレている。
このように形成された大径管31内を水が流れると、ねじられた冷媒管34に沿って旋
回して流れる流れによりまず攪拌される。さらに、本発明の第2の形態の場合は、冷媒管34と大流路の平面33a、33b、33c、33dとが接する部分で流路が非常に狭いため、この部分を避けて水が流れる。
回して流れる流れによりまず攪拌される。さらに、本発明の第2の形態の場合は、冷媒管34と大流路の平面33a、33b、33c、33dとが接する部分で流路が非常に狭いため、この部分を避けて水が流れる。
ここで、大径管31を形成する互いに向かい合う平面部33aと平面部33c及び平面部33bと平面部33dが、管軸方向にずれていることから、冷媒管34を横断する流れ35が生ずる。
つまり、管軸方向の断面積が、曲面部32と平面部33aで形成された断面から、曲面部32と平面部33bで形成された断面に変わる際に、ねじられた冷媒管に沿った流れと、ねじられた冷媒管を横断する流れが生じる。この現象が、平面部33cを含む断面、平面部33dを含む断面と順に断面形状の変化を繰り返すことで、さらに攪拌され、乱流促進を図ることができ、水側の熱伝達率をさらに向上させるものである。また、凍結時などは、実施の形態1と同様の作用を有する。
(実施の形態3)
実施の形態3について、図6を用いて説明する。実施の形態3は、実施の形態1及び実施の形態2に対し、異なる部分は大径管41の断面形状であり、その他の部分は同様の構成で、同様の効果を有することから、実施の形態3の特徴を中心に説明する。
実施の形態3について、図6を用いて説明する。実施の形態3は、実施の形態1及び実施の形態2に対し、異なる部分は大径管41の断面形状であり、その他の部分は同様の構成で、同様の効果を有することから、実施の形態3の特徴を中心に説明する。
図6は、本発明の第3の実施の形態の断面図である。図6において、本実施の形態の大径管41は、曲面部42、平面部43を互いに交互に設けた構成となっている。図6に示すように本実施の形態では曲面部42を3箇所、平面部43を3箇所設けている。
なお実施の形態1および2と同じように、ねじられた冷媒管44が設けられており、大径管41内に挿入されている。
また、図6には、大径管41の内面に内接する内接円48、冷媒管44に外接する外接円49を示しており、dは内接円48の直径、Dは外接円49の直径を示す。
大径管41は、3つの平面43と3つの曲面42で形成されている。ここで、冷媒管44に外接する外接円49の直径Dと、大径管の内接円48の直径dを比較すると、平面43の内面と冷媒管44の外周を接触させた場合、内接円48の直径dの方を小さくすることができる。
これにより、冷媒管44を挿入した際に最も流路断面積を小さくすることができ、最も水側の流速を速くすることができ、熱伝達率を向上させることができる。
なお、実施の形態3は3つの平面で説明したが、平面の数を3以上の奇数の平面で構成すれば、同様の効果を得ることができる。また、実施の形態2のように断面を変化させる構成を適用することにより、さらに伝熱促進を図ることができる。また、凍結時などは、実施の形態1と同様の作用を有する。
(実施の形態4)
実施の形態4について、図7を用いて説明する。実施の形態4は、熱交換器を構成する冷媒管に関するものであり、その部分を中心に説明する。その他の形状については実施の形態1から3を適用することができ、その説明は省略する。
実施の形態4について、図7を用いて説明する。実施の形態4は、熱交換器を構成する冷媒管に関するものであり、その部分を中心に説明する。その他の形状については実施の形態1から3を適用することができ、その説明は省略する。
図7は、本発明の第4の実施の形態の断面図である。図7において、冷媒管54は、中径管52と、小径管53とで構成され、中径管52の外表面には凹部55が設けられ、ま
た小径管53の内表面には溝部56が設けられている。
た小径管53の内表面には溝部56が設けられている。
大径管内を流れる水は、中径管52の外表面に沿って流れる。水の温度は、中径管の外表面で最も温度が高く、そこから離れるに従い温度は低下し、大径管の内面で最も温度が低くなるような温度勾配を示すが、中径管52の外表面に形成した凹部55により、特に中径管52の外表面近傍では、乱流促進が図られ、均一な温度分布となることで、熱伝達率の向上を図ることができる。
さらに、小径管53の内表面に溝56を形成することで、小径管53の内表面積を増大させることができ、伝熱面積を拡大させることができる。また、小径管53の内表面の溝56は次のような効果を有する。小径管53の内面を流れる冷媒は、わずかながらオイルを含んで循環している。このオイルが小径管53の内面に付着することで、伝熱面を覆ってしまうが、内面に溝56を形成することで、オイルは表面張力により溝底部に沿って流動することになる。
このことから、溝の頂部は冷媒にさらされることから、熱伝達率を低下させることは抑制できる。これにより、熱伝達率の向上を図ることができ、熱交換器の高性能化を図ることができる。
なお、本実施の形態4を、実施の形態1〜実施の形態3に搭載することで、それぞれの効果を発揮することができ、加算した効果を得ることができる。
以上のように、本発明に係る熱交換器は、ヒートポンプサイクルと給湯サイクルが一体に構成された一体型ヒートポンプ式給湯機、別体に構成された分離型ヒートポンプ式給湯機、給湯用熱交換器で加熱したお湯をそのまま出湯できる直接出湯型ヒートポンプ式給湯機などの各種ヒートポンプ給湯機の水―冷媒熱交換器に適用でき、給湯機能のほかに、浴槽給湯、暖房機能、乾燥機能を有するヒートポンプ装置にも適用できる。
11 熱交換器
12、52 中径管
13、53 小径管
14、34、44、54 冷媒管
16、31、41 大径管
16a 多角形状の大径管の円弧部
16b 多角形状の大径管の直線部
32、42 曲面部
33a、33b、33c、33d、43 平面部
48 大径管の内面に内接する内接円
49 冷媒管の外周に外接する外接円
55 中径管外表面の凹部
12、52 中径管
13、53 小径管
14、34、44、54 冷媒管
16、31、41 大径管
16a 多角形状の大径管の円弧部
16b 多角形状の大径管の直線部
32、42 曲面部
33a、33b、33c、33d、43 平面部
48 大径管の内面に内接する内接円
49 冷媒管の外周に外接する外接円
55 中径管外表面の凹部
Claims (6)
- 水が流れる大径管と、冷媒が流れる冷媒管とを備え、前記大径管の断面形状を構成する辺は直線と円弧で構成されることを特徴とする熱交換器。
- 前記大径管の断面積が軸方向に変化することを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。
- 冷媒管を複数設け、前記複数の冷媒管に外接する外接円の直径よりも、前記大径管に内接する内接円の直径が小さいことを特徴とする請求項1または2に記載の熱交換器。
- 冷媒管の外表面に凹みを設けることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 冷媒管の内表面に溝を形成することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の熱交換器。
- 前記冷媒管は、小径管と中径管で形成され、前記中径管には漏洩検知溝を形成したことを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の熱交換器。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009056201A JP2010210137A (ja) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | 熱交換器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009056201A JP2010210137A (ja) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | 熱交換器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010210137A true JP2010210137A (ja) | 2010-09-24 |
Family
ID=42970506
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009056201A Pending JP2010210137A (ja) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | 熱交換器 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2010210137A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013120027A (ja) * | 2011-12-08 | 2013-06-17 | Panasonic Corp | 二重管式熱交換器 |
JP2015021699A (ja) * | 2013-07-23 | 2015-02-02 | パナソニック株式会社 | 熱交換器 |
JP2015021619A (ja) * | 2013-07-16 | 2015-02-02 | パナソニック株式会社 | 熱交換器 |
-
2009
- 2009-03-10 JP JP2009056201A patent/JP2010210137A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2013120027A (ja) * | 2011-12-08 | 2013-06-17 | Panasonic Corp | 二重管式熱交換器 |
JP2015021619A (ja) * | 2013-07-16 | 2015-02-02 | パナソニック株式会社 | 熱交換器 |
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