JP5334898B2 - 捩り管式熱交換器及びそれを備えた設備機器 - Google Patents

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Description

本発明は、捩り管式の熱交換器及びそれを備えた設備機器に関するものである。
熱交換器には、内部に第1流体が流れる第1伝熱管と、内部に第2流体が流れる第2伝熱管を近接または接触させて、接合したものが各種提案されている。このような熱交換器では、第1伝熱管に水、第2伝熱管に所定の温度に調整された冷媒(例えば、単一冷媒、非共沸冷媒、二酸化炭素やアンモニア等の自然冷媒等)を連続的に流通させることで、水と冷媒の間で熱交換させるようになっている。つまり、冷媒と水の間で熱の移動が起こり、それにより水配管を流れる水の温度は、所定の温度に調整される。
さらに水と冷媒との熱交換効率を向上させるために、外周に複数条からなる螺旋状の溝が連続して形成された第1伝熱管と、この第1伝熱管の外周に形成されている螺旋状の溝に沿って巻き付けられた第2流体配管とを備え、その後、第1伝熱管と第2伝熱管を半田で接合した捩り管式熱交換器が提案されている(例えば、特許文献1)。特許文献1のように、螺旋状の溝に沿って第2伝熱管が第1伝熱管に巻き付けられると、仮に第1流体配管の外周部が平滑だった場合よりも、第1流体配管と第2流体配管の接触面積が大きくなる。つまり、第1流体配管を流れる水と、第2流体配管を流れる冷媒との伝熱面積は、大きくなり伝熱効率の向上が期待できる。
また、「円筒状の冷凍ケーシングの外周に冷凍形に接続する蒸発器を螺旋状に密着的に巻回し、この蒸発器における上下に密着して隣接し合う巻き回し部と前記冷凍ケーシングとの間に形成される螺旋状の間隙を熱伝導率の良好な適宜の材料で充塞させるようにした冷却ユニットにおいて、前記間隙の断面積よりも適宜小さい断面積を有し、該間隙内に所用の隙間を形成した状態で前記冷凍ケーシングの外周に巻き回された長尺の線材と、前記線材を伝わらせながら前記隙間全体を充塞するように流し込まれ、前記冷凍ケーシングと蒸発器とを密着状態で接着させる半田とから構成したことを特徴とする冷却ユニットの接着構造。」という技術が提案されている(例えば、特許文献2)。特許文献2の技術では、上記円筒状の冷凍ケーシングと、蒸発器と、の間に存在する間隙に熱伝導性がよい金属を挿入し、更にその金属では埋めきれない間隙には、半田を流し込むことで間隙を埋めるようにしている。これにより、上記円筒状の冷凍ケーシングと、上記蒸発器の接触面積が大きくなり(伝熱面積が大きくなり)、上記冷凍ケーシングと上記蒸発器の熱交換効率の向上と、上記冷凍ケーシングと上記蒸発器の接着力の向上が期待できる。
特開2006−90697号公報(3頁、第1図、第8図) 特開平11−132610号公報(2頁、第1図)
従来の捩り管式熱交換器は、第1伝熱管と第2伝熱管との接触が充分でない場合があった。
また、第1伝熱管と第2伝熱管との間に形成される間隙に、伝熱性に優れた線材を螺旋状に装着してから、第1伝熱管と第2伝熱管と線材を接合してフィレットを形成すると、第1伝熱管と第2伝熱管の接触面積が大きくなり熱交換効率を大きくすることができるが、フィレットが盛り上がってしまいコンパクト性を損ねてしまっていた。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、第1伝熱管と第2伝熱管との間に形成される間隙に沿って線材を装着し、熱交換効率を向上させることを第1の目的としている。また、形成されるフィレットの形状をコンパクト性に優れたものにすることを第2の目的としている。
本発明に係る捩り管式熱交換器においては、第1流体が内部を流れ、山部と溝部からなる螺旋状溝が外周に形成されている略円筒状の第1伝熱管と、第2流体が内部を流れ、前記第1伝熱管の外周に形成されている前記溝部に沿って巻き付けられる略円筒状の第2伝熱管と、前記第2伝熱管を前記第1伝熱管に押しつけるように、且つ、前記第1伝熱管の中心軸を通る面を断面視したとき、前記山部と前記第2伝熱管の外周とにおける接線と、前記第2伝熱管の外周と、前記山部と、で囲まれた範囲に、装着される線材と、を備え、前記接線と、前記第2伝熱管の外周と、前記山部と、で囲まれる部分にフィレットが形成される。
本発明に係る捩り管式熱交換器によれば、第1伝熱管と第2伝熱管との間に形成される螺旋状の間隙に沿って線材が確実に装着されるので、第1伝熱管と第2伝熱管の熱交換効率が向上する。また、フィレットの形成位置を特定しているので、コンパクト性に優れている。
本発明に係る捩り管式熱交換器の本体の全体図である。 図1の点線で示す捩り管式熱交換器の本体の一部を説明する図である。 図2に示す点線A−Aでの断面形状の一例を拡大して示した図である。 図2に示す点線A−Aでの断面形状の他の一例を拡大して示した図である。 本発明の実施の形態3に係るヒートポンプ式給湯機の第1流体及び第2流体の回路構成を示す概略構成図である。
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明に係る捩り管式熱交換器の熱交換器本体100の全体図である。本実施の形態1に係る捩り管式熱交換器は、少なくとも図1に示すような熱交換器本体100から構成されている。
以下、本実施の形態1の捩り管式熱交換器の構成について説明する。
本実施の形態1に係る熱交換器本体100は、内部に第1流体(例えば、水)が流通可能なように略円筒形状をしている第1伝熱管1と、内部に第2流体(例えば、冷媒)が流通可能なように略円筒形状をしており第1伝熱管1の外周に形成された螺旋状の溝に沿って巻き付けられている第2伝熱管2と、を少なくとも備えている。
第1伝熱管1は、素管と呼ばれる、内部に流体を流すことができるようになっている管状部材を加工することで形成される。つまり、素管の外周に螺旋状の溝を形成加工(捩り加工)することで第1伝熱管1が作製される。なお、素管は、通常、銅(リン脱酸銅)を材料としていることが多いが、材料を特に限定するものではない。
第1伝熱管1に形成される螺旋状の溝について簡単に説明する。上記素管の外周に螺旋状の溝を形成加工するにあたり、芯金(硬い棒状部材)を素管の内部に挿入し、素管の一方の端を固定し他方の端を回転させる(捩る)。これにより、素管が捩られ、螺旋状の溝が外周部に形成される。また第1伝熱管1の両端部分(第1伝熱管1同士を連結する部分)には、例えばロウ付けを実施して、第1伝熱管1同士を連結するので、上記螺旋状の溝は形成しないほうがよい。上記した螺旋状の溝を形成する加工には、高い精度が要求されることから、素管の長手方向は高い精度で整直(長手方向に真っ直ぐになっていること)されていることが望ましい。
また、素管の長手方向の使用最長長さは、輸送の問題と、捩り加工機に設置可能な長さの問題から6300mm以下とするのが望ましい。
外周に螺旋状の溝を形成した素管の長手方向の長さは、形成前の直管材から数十%短縮される。これは、素管を捩り螺旋状の溝を形成する過程で、素管の長さが短くなるということである。これにより、熱交換器本体100に組み込む第1伝熱管1の全長が6000mm以上の場合は、必然的に複数本の第1伝熱管1を接続することになる。
こうして、第1伝熱管1同士を接合し、所定の寸法とした後に、長円コイル形状となるように曲げ加工を施す。その後、第1伝熱管1に形成されている溝に沿って第2伝熱管2を巻き付けながら嵌め込んでいく。
そして、本実施の形態1においては、第2伝熱管2に加えて、さらに線材4(例えば、銅とアルミニウム等といった伝熱性能が高い部材がよい)を装着させるようにしている。その線材4は、図3で後述するが、第1伝熱管1の中心軸を通る面を断面視したときに、第1伝熱管1と第2伝熱管2との間に形成される片側または両側の間隙に嵌め込むようにして装着される。つまり、線材4は、第1伝熱管1と第2伝熱管2との間に形成されている螺旋状の間隙に沿って巻き回して装着される。この線材4によって、第2伝熱管2を第1伝熱管1に確実に装着することができる。
フィレット5は、第1伝熱管1と、第2伝熱管2と、上記線材4と、を接合する役割を果たす。フィレット5は、第1伝熱管1と第2伝熱管2と線材4によって形成されている間隙を埋めるように形成される。こうして、第1伝熱管1と第2伝熱管2と線材4との間にフィレット5が形成されて、第1伝熱管1と第2伝熱管2とは、伝熱的に接合されることになる。フィレット5は、例えば半田からなる。具体的なフィレット5の説明については図3で後述する。
第1伝熱管1の外周に形成されている螺旋状の溝に沿って第2伝熱管2を巻き付けて装着し、更に、第1伝熱管1と第2伝熱管2との間に形成される螺旋状の間隙に沿って線材4を巻き回して装着させ、その後第1伝熱管1と第2伝熱管2と線材4とにフィレット5を形成して、第1伝熱管1及び第2伝熱管2を伝熱的に接合してなる管を、結合直管6とよぶ。この結合直管6は、このまま熱交換器本体100に組み込まれてもよいが、通常、結合直管6は、例えば加工上の問題によって充分な長さとは言えない。従って、通常、この結合直管6は、複数本直列に連結して所定の長さにし、その後、例えば図1にあるようにコイル状に曲げ加工を施してコンパクトな形状にされて、熱交換器本体100に組み込まれる。
次に、本実施の形態1に係る捩り管式熱交換器の動作について簡単に説明する。
熱交換器本体100の第1伝熱管入口1aより第1伝熱管1に流入した水(矢印AR3)は、第2伝熱管2を流れる冷媒と熱交換をし、その後、第1伝熱管出口1bから放出(矢印AR4)される。こうして、冷媒と熱交換して加温または冷却された水は、ユーザーに利用される。
熱交換器本体100の第2伝熱管入口2aより第2伝熱管2に流入した冷媒(矢印AR1)は、その後、第2伝熱管出口2bから放出(矢印AR2)される。その後、冷媒は加温または冷却されて、再び第2伝熱管入口2aに至る。上記のように、冷媒は、環状構成となる冷媒回路(図示省略)を連続的に流れることになる(熱交換器本体100外部の構成については図5を参照)。
ここで、第1伝熱管1及び第2伝熱管2について詳しく説明する。
図2は、図1の点線PA1で示す捩り管式熱交換器の熱交換器本体100の一部を説明する図である。図3は、図2に示す点線A−Aでの断面形状の一例を拡大して示した図である。
図2に示すように、第2伝熱管2は、第1伝熱管1の外周に形成されている螺旋状の溝に嵌め込まれている。螺旋状の溝は、山部1cと溝部1dとから構成されている。図3に示すように、第2伝熱管2は、第1伝熱管1の外周に形成されている螺旋状の溝部1dの略中央に装着されており、第2伝熱管2の両側はそれぞれの山部1cの一部に接している。
図3に示すように、さらに、第1伝熱管1と第2伝熱管2の間に形成されている間隙には線材4が装着されている。つまり、第1伝熱管1の中心軸を通る面を断面視したとき、線材4は、第1伝熱管1の山部1c上の一点と第2伝熱管2の外周上の一点とにおける接線7と、第2伝熱管2の外周と、山部1cと、に接するように上記間隙に装着される。
また、同様に、第1伝熱管1の中心軸を通る面を断面視したとき、フィレット5は、第1伝熱管1の山部1c上の一点と第2伝熱管2の外周上の一点とにおける接線7と、第2伝熱管2の外周と、山部1cと、で囲まれる部分に形成される。本実施の形態1において、第2伝熱管2の両側に、第2伝熱管2に対して対称的な形状の間隙が形成されており、線材4は、この両側の間隙にそれぞれ一本ずつ装着される。
まず、上記のように、第1伝熱管1と第2伝熱管2との間に形成される螺旋状の上記間隙に線材4を装着することで、第2伝熱管2は、第1伝熱管1により確実に装着される。
仮に、上記のように第2伝熱管2が線材4によって確実に固定されていない場合には、第1伝熱管1と第2伝熱管2の間の接触面積が小さくなってしまう。つまり、第1伝熱管1と第2伝熱管2の熱交換効率は、悪くなってしまう。従って、線材4で、第2伝熱管2を第1伝熱管1に確実に固定することは有効である。
また、本発明の最大の特徴は、線材4を装着することと、フィレット5の形状であり、これらによって、伝熱面積を大きくすることが可能であるとともに、コンパクト性に優れた捩り管式熱交換器を提供することが可能となっている。
仮に、線材4を上記したように第1伝熱管1と第2伝熱管2との間に形成される間隙に巻き回さなければ、例えば半田で第1伝熱管1と第2伝熱管2とを接合した際に形成されるフィレット5の形状は溝部1dと山部1cの下部と第2伝熱管の外周とで形成される小さな範囲にとどまってしまうおそれがある。これでは、第1伝熱管1と第2伝熱管2との接触面積は小さく、つまり伝熱面積が小さくなってしまうので、第1伝熱管1内部を流れる第1流体と第2伝熱管2を流れる第2流体との間の熱交換効率は低下してしまう。
しかし、本実施の形態1においては、線材4を山部1cと第2伝熱管2に接するように巻き回して第1伝熱管1に装着してから、例えば半田で第1伝熱管1と、第2伝熱管2と、線材4と、を接合する。これにより、図3に示すように、第1伝熱管1と第2伝熱管2との接触面積を広くすることができる。つまり、フィレット5は、溝部1dと山部1cと第2伝熱管2の外周とで形成される範囲にとどまらず、山部1cと線材4と第2伝熱管2とで形成される範囲にも形成されるからである。
こうして、第1伝熱管1と第2伝熱管2の接触範囲が大きくなる。そして、第1伝熱管1と第2伝熱管2の伝熱面積が大きくなり、第1伝熱管1の内部を流れる第1流体と第2伝熱管2の内部を流れる第2流体との間の熱交換効率は高くなる。
また、本実施の形態1における、フィレット5の表面(第1伝熱管1の中心軸を通る面を断面視したときには、図3の接線7によって示される表面)は、山部1c上の一点と第2伝熱管2の外周上の一点との両方の点における接線を越えないように決定される。接線7の傾きは、山部1cの形状と第2伝熱管の径によって決定される。なお、本実施の形態1において、上記接線7と接している山部1c上の点は一点のみが決定されるものとする。つまり、山部1cは一箇所に頂点を持つ(上に凸)形状をしており、第2伝熱管2の径が決まっているので、山部1cと第2伝熱管2とを結ぶ接線7は1本である。こうして、1本の接線7と第2伝熱管の外周と山部1cとに接するように線材4の径は決定すればよい。
フィレット5は、上記したような範囲に形成されているので、第1伝熱管1と第2伝熱管2の接触面積が大きく(伝熱面積が大きい)なり、第1伝熱管1を流れる第1流体と第2伝熱管2を流れる第2流体との間の熱交換効率を高くすることが可能となっている。加えて、フィレット5の表面は、山部1c上の一点と第2伝熱管2の外周上の一点とを結んだ接線を越えないように形成されている。従って、熱交換器本体100は、コンパクト性に優れたものとなっている。
図3においては、第2伝熱管2の両側の間隙にそれぞれ1本ずつの線材4を装着しているが、特にそれぞれ1本ずつに限定されるものではない。つまり、第1伝熱管1及び第2伝熱管2の形状によって線材4を装着する本数を決定してよい。
また、本実施の形態1において、溝部1dから山部1cの頂点までの高さより、第2伝熱管2の直径の方が大きいものとしているが、第2伝熱管2の直径の方が小さくても、本実施の形態1は適用可能である。
また、本実施の形態1では、図2に示すように、第1伝熱管1に形成されている螺旋状の溝は1条としているが、複数条の溝が形成されていても、本実施の形態1が適用できることは言うまでもない。
以上のように、本実施の形態1に係る捩り管式熱交換器の熱交換器本体100は、第2伝熱管2と第1伝熱管1との間に形成される間隙に線材4を装着することによって、第2伝熱管2の両側が確実に固定されることになり第1伝熱管1と第2伝熱管2の伝熱面積が大きくなる。また、フィレット5は、接線7と第2伝熱管2の外周と山部1cと、で囲まれる部分に形成されるので、コンパクト性に優れたものとなっている。
実施の形態2.
以下、本発明の実施の形態2を図面に基づいて説明する。
なお、本実施の形態2の説明では、本実施の形態2の特徴部分を記述するものとし、上記実施の形態1と同様となる点についての説明は省略するものとする。
図4は、図2に示す点線A−Aでの断面形状の他の一例を拡大して示した図である。図4は、図1の点線PA1で示す、熱交換器本体100の一部を説明する図である。図4に示すように、本実施の形態2では、第2伝熱管2は、第1伝熱管1の外周に形成されている螺旋状の溝にあるどちらか片方の山部1cに寄せられるようにして螺旋状に装着される。つまり、第1伝熱管1の中心軸を通る面を断面視したときに、線材4は、右側(左側)の山部1cに寄せて装着される場合は、第1伝熱管1の外周に形成されている螺旋状の溝に巻き付けられる全ての線材4が右側(左側)の山部1cに寄せて巻き付けられるということである。
本実施の形態2は、実施の形態1より、山部1c間の距離が第2伝熱管の外径に対して、相対的に大きくなっている。本実施の形態2のような場合には、山部1cの間の略中央に、第2伝熱管を配置すると、第1伝熱管1と第2伝熱管2の接触面積は小さくなってしまう。そこで、山部1cの側壁を利用して、第2伝熱管2の側面の一方を山部1cの側面に接触させる。そして、もう一方に形成される間隙には、実施の形態1と比較して相対的に太い線材4を、第1伝熱管1と第2伝熱管2に接するように巻き付ける。これにより、第2伝熱管2は、片方を第1伝熱管1の山部1cの側面に、もう一方は線材4とによって、両側が確実に固定される。
また、フィレット5は、接線7と第2伝熱管2の外周と山部1cと、で囲まれる部分に形成される。接線7の傾きは、山部1cの形状と第2伝熱管の径によって決定される。なお、本実施の形態2において、上記接線7と接している山部1c上の点は一点のみが決定されるものとする。つまり、山部1cは1箇所に頂点を持つ(上に凸)形状をしており、第2伝熱管2の径が決まっているので、山部1cと第2伝熱管2とを結ぶ接線7は1本である。こうして1本の接線7と第2伝熱管の外周と山部1cとに接するように線材4の径は決定すればよい。
実施の形態2におけるフィレット5は、上記したような形状をしているので、第1伝熱管1と第2伝熱管2の接触面積は大きく(伝熱面積が大きい)し、第1伝熱管1を流れる第1流体と第2伝熱管2を流れる第2流体との間の熱交換効率は高くすることが可能となっている。加えて、フィレット5は、山部1c上の一点と第2伝熱管2の外周上の一点とを結んだ接線からなる表面を形成している。従って、熱交換器本体100は、コンパクト性に優れたものとなっている。
以上のように、本実施の形態2に係る捩り管式熱交換器の熱交換器本体100は、第2伝熱管2の側面は、片方を第1伝熱管1の山部1cの側面で、もう一方を線材4で、両側が確実に固定されるので、伝熱面積が大きいものとなる。また、フィレット5は、接線7と第2伝熱管2の外周と山部1cと、で囲まれる部分に形成されるので、コンパクト性に優れたものとなっている。
実施の形態3.
本発明の実施の形態1及び実施の形態2に係る捩り管式熱交換器の熱交換器本体100をヒートポンプ式給湯機200に適用したものを実施の形態3として説明する。
図5は、本発明の実施の形態3に係るヒートポンプ式給湯機200の水及び冷媒の回路構成を示す概略構成図である。図5に基づいて、ヒートポンプ式給湯機200の構成及び動作の例を説明する。ヒートポンプ式給湯機200は、少なくともヒートポンプユニット201と貯湯ユニット202から構成されている。ヒートポンプユニットには、少なくとも熱交換器本体100(水加熱側熱交換器)と、絞り装置203と、圧縮機204と、空気側熱交換器205とポンプ206を備えている。また貯湯ユニット202は、少なくとも貯湯タンク207を備えている。
そして、図5に示すようにヒートポンプユニット201は、熱交換器本体100(水加熱側熱交換器)と、絞り装置203と、空気側熱交換器205と、圧縮機204と、を冷媒配管210で順次接続して構成されている。
また、貯湯ユニット202は熱交換器本体(水加熱側熱交換器)にて加温された第1流体(水)を一時的に貯めておき、ユーザーが利用する際に、例えば蛇口などに加温された第1流体を供給できるようになっている。
熱交換器本体100(水加熱側熱交換器)は、凝縮器として機能し、第2伝熱管2を流通する第2流体(冷媒)と第1伝熱管1を流通する第1流体(水)との間で熱交換を行い、水の温度を調節するものである。
空気側熱交換器205は、蒸発器として機能し、冷媒配管210を導通する第2流体と空気との間で熱交換を行い、冷媒を気化・ガス化するものである。
絞り装置203は冷媒配管210を導通する冷媒を減圧して膨張させるものである。この絞り装置203は、例えば毛細管や電磁弁で構成するとよい。
ポンプ206は、貯湯タンク207に貯蓄されている水を吸い上げて、水を熱交換器本体100(水加熱側熱交換器)に送る働きをしている。
次に、ヒートポンプ式給湯機200の動作について説明する。ヒートポンプ式給湯機200が起動されると、まず圧縮機204が、気体になっている第2流体(冷媒)を圧縮し、第2流体(冷媒)の温度と圧力を上昇させる。次に、熱交換器本体100にその第2流体(冷媒)は送り込まれて、第1伝熱管1を介して、第1流体(水)と熱交換する。これにより第2流体の温度は下がる。次に、毛細管に送り込まれて、高圧となった第2流体の圧力は下げられて、液化する。
このようにして、液化された低温の第2流体(冷媒)は、空気側熱交換器205に送り込まれる。空気側熱交換器205に設けられたファン等により、その第2流体(冷媒)に空気を吹き付ける。それによって第2流体(冷媒)は、吹き付けられた空気から熱を吸熱して気化する。空気側熱交換器205を通過した冷媒(冷媒)は、再び圧縮機に送り込まれる。このサイクルを連続的に行うことで、ヒートポンプユニット201は第1流体(水)を加温して、貯湯ユニット202に加温された第1流体(水)を貯蓄することが可能となる。こうして、例えば屋内の蛇口に加温された第1流体(水)を供給することが可能となっている。
1 第1伝熱管、1a 伝熱管入口、1b 伝熱管出口、1c 山部、1d 溝部、2 第2伝熱管、2a 伝熱管入口、2b 伝熱管出口、4 線材、5 フィレット、6 結合直管、7 接線、100 熱交換器本体、201 ヒートポンプユニット、202 貯湯ユニット、203 絞り装置、204 圧縮機、205 空気側熱交換器、206 ポンプ、207 貯湯タンク。

Claims (5)

  1. 第1流体が内部を流れ、山部と溝部からなる螺旋状溝が外周に形成されている略円筒状の第1伝熱管と、
    第2流体が内部を流れ、前記第1伝熱管の外周に形成されている前記溝部に沿って巻き付けられる略円筒状の第2伝熱管と、
    前記第2伝熱管を前記第1伝熱管に押しつけるように、且つ、前記第1伝熱管の中心軸を通る面を断面視したとき、前記山部と前記第2伝熱管の外周とにおける接線と、前記第2伝熱管の外周と、前記山部とで囲まれた範囲に装着される線材と、を備え、
    前記接線と、前記第2伝熱管の外周と、前記山部とで囲まれる部分にフィレットが形成される
    ことを特徴とする捩り管式熱交換器。
  2. 前記第2伝熱管の両側に形成されるそれぞれの前記間隙に前記線材が装着される
    ことを特徴とする請求項1に記載の捩り管式熱交換器。
  3. 前記第2伝熱管の両側に形成される前記間隙の一方に前記線材が装着される
    ことを特徴とする請求項1に記載の捩り管式熱交換器。
  4. 前記線材は、
    銅またはアルミニウムで構成される
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の捩り管式熱交換器。
  5. 請求項1〜4のいずれか一項に記載の捩り管式熱交換器を備えている
    ことを特徴とする設備機器。
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