JP2006242553A - 伝熱管、給湯用熱交換器およびヒートポンプ給湯器 - Google Patents

Abstract

【課題】長期間の使用過程においてスケール堆積が生じにくいことにより、良好な熱交換特性を維持できる伝熱管を提供する。
【解決手段】管の内面からの高さｈが管の内径ｄに対して０．００５ｄ〜０．１９ｄであり、管の軸方向に形成された０．４ｍｍ以上の距離ａを有する溝によってそれぞれ挟まれた、複数の螺旋状のフィンを備えることを特徴とする伝熱管である。さらに、管の内面に形成されるフィンと、フィンと隣り合うフィンとの間に形成される溝との接続部Ｆｒの曲率半径αが０．０３〜０．５ｍｍであることを特徴とする伝熱管である。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に使用される伝熱管、特に給湯水を管内に流通するヒートポンプ給湯器用熱交換器に使用される伝熱管に関するものである。

地球環境保全の観点から二酸化炭素排出量を削減するために各種の伝熱機器の開発が行われている。温水を製造するための給湯器は都市ガスや油系燃料による加熱で製造することが多かったが、電力駆動による圧縮機で冷媒を循環して熱サイクルを形成することによって温水を製造するヒートポンプ給湯器の高性能化が進んでいる。ヒートポンプ給湯器では冷媒にフロンではなく二酸化炭素を使用することが多くなっており、脱フロンにも寄与している。

このようなヒートポンプ給湯器は、一般的に次に記載するようなシステムで形成されている。すなわち、圧縮機で高温高圧にされた冷媒は、ガスクーラーと呼ばれる熱交換器に送られ、水道水と熱交換することにより給湯に用いる温水を製造する。ガスクーラーで低温化された冷媒は、膨張弁で低圧化されて、室外に設置される蒸発器で外気により気化されて再び圧縮機で高温高圧化される。

流体の熱伝達率を向上させるための管の内壁面のフィンを付加してガスクーラーの性能を向上した例がある（例えば特許文献１）。
特開２００３−１５６２９１号公報

しかしながら、特許文献１記載の熱交換器では、水道水が高温化されるので、その水道水内に含まれるカルシウムやシリカが析出（一般的にスケールと呼ぶ）して管内壁面に付着しやすくなり、管につまりが生じやすくなるという問題が生じる。特に、管内面にフィンを付加すると、隣り合うフィンの間にその析出物が堆積して経時的にフィン付加による熱伝達率向上の効果が劣化する。

このような問題に鑑み、本発明はなされたもので、長期間の使用過程においてスケール堆積が生じにくいことにより、良好な熱交換特性を維持できる伝熱管を提供するものである。

本発明に係る伝熱管の第１の態様は、管の内面からの高さｈが管の内径ｄに対して０．００５ｄ〜０．１９ｄであり、管の軸方向に形成された０．４ｍｍ以上の距離ａを有する溝によってそれぞれ挟まれた、複数の螺旋状のフィンを備えることを特徴とする、伝熱管である。

本発明に係る伝熱管の第２の態様は、管の内面に形成されるフィンと、フィンと隣り合うフィンとの間に形成される溝との接続部Ｆｒの曲率半径αが０．０３〜０．５ｍｍであることを特徴とする伝熱管である。

本発明に係る伝熱管の第３の態様は、管の内面に形成されるフィンと、フィンと隣り合うフィンとの間に形成される溝との接続部Ｆｒが、少なくとももう一段の面を形成することを特徴とする伝熱管である。

本発明に係る伝熱管の第４の態様は、伝熱管が、銅または銅合金からなることを特徴とする伝熱管である。

本発明に係る熱交換器の第１の態様は、上述した伝熱管を用いた熱交換器である。

本発明に係るヒートポンプ給湯器の第１の態様は、上述した熱交換器を用いたヒートポンプ給湯器である。

本発明による熱交換器によれば、ヒートポンプ等に用いられる伝熱管について、長期間の使用過程においてスケール堆積が生じにくいため、良好な熱交換特性を維持できる伝熱管を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図１から図９を参照して、詳細に説明する。

図１は、本発明に係る伝熱管を示す一実施例の模式図である。図１（ａ）は、伝熱管の平面図である。図１（ｂ）は、伝熱管の矢視ｘの縦断面図である。図１（ｃ）は、伝熱管の矢視ｙの横断面図である。図１（ｄ）は伝熱管の矢視ｚの斜め断面図である。

本発明の伝熱管において、図１（ｃ）に示すフィン２の高さ（または溝の深さ）ｈを管内径ｄに対して０．００５ｄ〜０．１９ｄとする。高さｈが０．００５ｄより小さいと螺旋状のフィンまたは溝による伝熱性能が劣るためである。逆に、高さｈが０．１９ｄよりも大きくなっても伝熱性能の向上は飽和するばかりでなく、管内のフィンとフィンとの間に形成される面溝部へのスケールの堆積が生じやすくなってしまうためである。好ましくは０．０１ｄ〜０．１３ｄである。

本発明の伝熱管において、図１（ｂ）に示す管の軸方向に隣り合う溝の距離ａを０．４ｍｍ以上とする。距離ａが０．４ｍｍ未満であると管内の面溝部へのスケールの堆積が生じやすくなってしまうためである。好ましくは距離ａが０．５〜１．８ｍｍである。

さらに、本発明の伝熱管のフィンの特性について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図１に示される伝熱管の各部と同様の構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図２は、フィンの形状の１つの態様を模式的に示す断面図である。なお、ここでは、図２に示すように、管の内面に形成されるフィン２と接続部Ｆｒが曲面である場合を曲面接合と分類する。曲面接合で管の内面に形成されるフィン２と、その隣り合うフィン２によって、その間に形成される溝との接続部Ｆｒの曲率半径αを０．０３〜０．５ｍｍとする。曲率半径αが０．０３ｍｍ未満であると、曲面接合の接続部Ｆｒにスケールの堆積が生じやすくなってしまう。逆に、曲率半径αが０．５ｍｍを越えると不必要に材料を必要とし、単位長さ管重量の増加という問題が生じる。好ましくは、曲率半径αが０．０３〜０．４ｍｍである。

図３は、フィンの形状の他の態様を模式的に示す断面図である。また、ここでは、本発明の伝熱管において曲面接合の代替として、図３に示すように、管の内面のフィン２と管の接続部Ｆｒにおいてもう一段の面（テーパー）が形成されているものを面取接合と分類する。すなわち、フィン２と管の内面とは多角形の一部をなすよう形成される。この面取接合によりフィン２と溝部との境にスケールの堆積が生じにくくなる。なお、図３に示すｂは、面取接合の面の高さを示し、ｃは、面取接合の面の幅を示す。

本発明の伝熱管の材質は、熱伝導性を有するものであれば良いが、好ましくは熱伝導性に優れる金属が良い。より好ましくは銅または銅合金である。

また、本発明の伝熱管は熱交換器に用いられ、特に、二酸化炭素を冷媒とし、水道水と熱交換するヒートポンプ給湯器に用いられる。

（実施例１）
以下に、実施例を用いて本発明に係る熱交換器を詳細に説明する。
図４は、伝熱管の特性とその特性に基づく評価結果を示す表である。伝熱管の材質はリン脱酸銅を使用し、外径Ｄを９．５２ｍｍ、内径ｄを７．９２ｍｍ、管の長さを２．５ｍ、管の肉厚ｔを０．８ｍｍとした。その状態で、溝数、フィンの高さｈ、溝の距離ａ、接続部Ｆｒの曲率α、ねじれ角θを種々の条件で変化させ、伝熱管の評価を行った。

また、図５は、本発明に係る伝熱管の伝熱性能の評価方法を示す模式図である。図５に示すように、２重管式熱交換器により伝熱管１の伝熱性能を評価した。２重管式伝熱管の内管には、本発明例および比較例の伝熱管１を使用し、水温３０度の低温水を流量２リットル／分で、図５に示す矢印３の方向に流した。外管４にはステンレス製の外径１６ｍｍ、肉厚１ｍｍの管を使用し、水温６０度の高温水を流量３リットル／分で、図５に示す矢印５の方向に流した。

まず、伝熱性能の評価を調べるために、図４に示す実験条件の下で水の交換熱量Ｑ１の測定を行った。なお、スケール直前の交換熱量Ｑ１は、本発明例および比較例の伝熱管１と同じ外径を有し、管内面にフィンまたは溝が無い平滑管の交換熱量Ｑ１を１００とし（比較例７）、比較例７との比で本発明例１〜１９及び比較例１〜６の交換熱量Ｑ１を示した。

次に、伝熱管１の内面へのスケール付着による伝熱性能の影響について検討するため、以下に示すスケール付着加速試験を行なった。

本発明例および比較例の伝熱管１の内部に、カルシウム硬度が２００ｍｇ／リットル、およびイオン状シリカが１００ｍｇ／リットルになるように塩化カルシウムおよびメタケイ酸ナトリウムを添加して８０℃に加熱した水道水を、流量２リットル／分で２７０日間通水した。なお、試験水は１５日ごとに新しい液に交替した。

さらに前記実施例１と同じ方法で、通水開始より９０日、１８０日、２７０日で、本発明例および比較例の伝熱管１の交換熱量を測定し、スケール付着前後による交換熱量の劣化を評価した。通水開始より９０日、１８０日、２７０日のそれぞれの交換熱量をＱ２、Ｑ３、Ｑ４とした。また、試験終了後（２７０日後）に、伝熱管１を切断して管内面のスケールの堆積状態を目視で確認した。ほとんど堆積していないものを○、やや堆積が見られるものを△、堆積が著しいものを×とした。伝熱管１の形状と評価結果を図４に示す。

図４から明らかなように、本願発明の伝熱管１はスケール堆積がしにくく、それにより交換熱量の劣化がほとんど無いため、良好な熱交換特性を維持している。それに対し、比較例１はｈ／ｄが０．００５よりも小さいので伝熱性能が本発明例より劣った。また、比較例２は管の内面のフィン２と管の接続部Ｆｒにテーパーや曲面が形成されない接合（直接接合）なのでスケールが付着してしまい伝熱性能の低下が大きかった。比較例３と４はｈ／ｄが０．１９よりも大きいのでスケールが付着してしまい伝熱性能の低下が大きかった。比較例５および６は溝の距離ａが０．４ｍｍよりも小さいため、スケールが付着してしまい伝熱性能の低下が大きかった。比較例７は平滑管なので交換熱量が本発明例より劣った。

（実施例２）
次に、実施例１と同様、図５に示す評価方法を用いて、外径Ｄが１２．７ｍｍ、内径ｄが１１．１ｍｍ、肉厚ｔが０．８ｍｍである伝熱管１を評価した。その他の条件は実施例１と同様である。伝熱管の形状と評価結果を図６に示す。

図６は、第２実施例の伝熱管の特性とその特性に基づく評価結果を示す表である。図６から明らかなように、本願発明の伝熱管１はスケール堆積がしにくく、それにより交換熱量の劣化がほとんど無いため、良好な熱交換特性を維持している。それに対し、比較例８はｈ／ｄが０．００５より小さいので本発明よりも伝熱性能が悪かった。比較例９はｈ／ｄが０．１９より大きいので、スケールが付着してしまい伝熱性能が低下してしまった。比較例１０は平滑管なので交換熱量が本発明例より低い。

（実施例３）
さらに、実施例１で取り上げた、外径Ｄが９．５２ｍｍ、肉厚ｔが０．８ｍｍの本発明例１５の伝熱管と、平滑管である図４に示す比較例７について、入口の水温１０℃、水流量６〜９リットル/分（流速約２〜３ｍ／ｓｅｃ）の範囲で、図５に示す評価方法を用いて交換熱量を測定した。その結果を図７に示す。

図７は、第３実施例の伝熱管の特性とその特性に基づく評価結果を示す表である。図７より分かるように、本発明なる伝熱管は水流量が多くなっても高い伝熱性能を得ることができる。このことは、本発明なる伝熱管が、給湯器だけに限らず、各種の高温媒体を冷却するための伝熱管として使用しても効果を得るものであることを示している。

（実施例４）
図８は、本発明の伝熱管を備える熱交換器の一例を示す平面図である。図８に示すように、本発明に係る熱交換器１３は、二酸化炭素などの冷媒が流れる管６を、水が流れる伝熱管１で挟む構造をしており、かつ、両者を接合材により接合して密着することによって、管６から放熱される熱が大気へ放出されることなしに、伝熱管１に伝わり、効率良く伝熱管１と熱交換を行うものである。

冷媒は図８に示す矢印９に沿って管２に流入する一方で、水は図８に示す矢印１０に沿って伝熱管１を流出する。したがって、管の内部を流れる冷媒と水は、対向流れとなるように構成されている。

さらに、本発明の熱交換器について、図８に示すａ−ａ断面図を用いて詳細に説明すると、伝熱管１と管６及び接合部７で囲まれた範囲が隙間部８として形成されるために、腐食により伝熱管１や管６の管壁に孔があいた場合にも、他の管への腐食が進行する前に、隙間部８へ冷媒あるいは水が流れ出して、その漏洩を検知することができる。

伝熱管１と管６の接触面積を増やし、かつ、漏洩検知用の隙間を確保するためには管６の本数は２本または３本とすることが望ましく、これより多いと漏洩検知用の隙間を確保しようとすると、伝熱管１と管６の接触面積が少なくなり伝熱特性が低下する。これらの構成をとることによって、熱交換器の高性能化が図られ、また、熱交換器自体を小型化することができる。

（実施例５）
本発明なる伝熱管を、ヒートポンプ給湯器に使用する例について述べる。
図９は、ヒートポンプ給湯器のシステムフロー図である。本実施例のヒートポンプ給湯器は、室外ユニット１１と給湯タンク２０とから構成される。

室外ユニット１１は、圧縮機１２、ガスクーラーと呼ばれる熱交換器１３、膨張弁１４及び蒸発器１５を備え、それらが順次に冷媒配管１６によって接続された一次冷媒回路により構成されている。この冷媒回路には、冷媒として臨界温度の低い二酸化炭素が使用されている。一方、熱交換器１３、循環ポンプ１８、給湯タンク２０を備え、それらが順次に配管１９によって接続された回路を二次冷媒回路とする。したがって、熱交換器１３には、冷媒配管１６と配管１９とが接続される。

圧縮機１２は、蒸発器１５で蒸発された冷媒を、図示しないアキュムレータを介して吸引し、臨界圧力以上まで圧縮作用を行う。なお、アキュムレータは設けなくともよい。熱交換器１３は、圧縮機１２から吐出された冷媒としての二酸化炭素と水との間で熱交換を行う。なお、通常運転時では、冷媒は圧縮機１２で臨界圧力以上に加圧されるので、熱交換器１３での放熱によっても凝縮することはなく、ガス状態となっている。

膨張弁１４は、熱交換器１３から流出する冷媒を弁の開き度合いに応じて減圧し、図示しない制御装置によって制御される。蒸発器１５は、膨張弁１４で減圧された冷媒を蒸発させる。この冷媒のために大気中からの熱を吸熱するするために、ファン１７が備えられている。これらの部材を使用して、二酸化炭素冷媒は、図９に示す矢印にしたがって冷媒配管１６内を流れる。

また、二次冷媒回路において、循環ポンプ１８は、外部から給湯タンク２０を介して流入する水を熱交換器１３に導出する。さらに、熱交換器１３によって約９０℃程度まで加熱された温水を給湯タンク２０に導出する。したがって、この循環ポンプ１８によって、水が二次冷媒回路内を矢印に示すように循環する。なお、循環ポンプ１８は、図示しない制御装置によって循環量を制御する。

上述したように、一次冷媒回路に二酸化炭素冷媒を使用することで、二次冷媒回路側において、外部から流入する水道水を高温水にし、その高温水が給湯タンク２０に貯められて、必要な時に給湯される。

さらに、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。

本発明により、ヒートポンプ等に用いられる伝熱管について、長期間の使用過程においてスケール堆積が生じにくいため、良好な熱交換特性を維持できる伝熱管を提供することができ、産業上の利用可能性が高い。

図１は、本発明に係る伝熱管を示す一実施例の模式図である。 図２は、フィンの形状の１つの態様を模式的に示す断面図である。 図３は、フィンの形状の他の態様を模式的に示す断面図である。 図４は、第１実施例の伝熱管の特性とその特性に基づく評価結果を示す表である。 図５は、本発明に係る伝熱管の伝熱性能の評価方法の模式図である。 図６は、第２実施例の伝熱管の特性とその特性に基づく評価結果を示す表である。 図７は、伝熱管の特性とその特性に基づく評価結果を示す表である。 図８は、本発明の伝熱管を備える熱交換器の一例を示す平面図である。 図９は、ヒートポンプ給湯器のシステムフロー図である。

符号の説明

１ 伝熱管
２ フィン
３ 低温水
４ 外管
５ 高温水
６ 管
７ 接合部
８ 隙間部
９ 冷媒
１０ 水
１１ 室外ユニット
１２ 圧縮機
１３ 熱交換器
１４ 膨張弁
１５ 蒸発器
１６ 冷媒配管
１７ ファン
１８ 循環ポンプ
１９ 配管
２０ 給湯タンク
Ｄ 外径
ｄ 内径
ｔ 肉厚
α 曲率半径
Ｆｒ 接続部
ｈ フィンの高さ
ａ 溝の距離
ｂ 面の高さ
ｃ 面の幅
θ ねじれ角

Claims (6)

1. 管の内面からの高さｈが前記管の内径ｄに対して０．００５ｄ〜０．１９ｄであり、前記管の軸方向に形成された０．４ｍｍ以上の距離ａを有する溝によってそれぞれ挟まれた、複数の螺旋状のフィンを備えることを特徴とする、伝熱管。
2. 管の内面に形成されるフィンと、前記フィンと隣り合うフィンとの間に形成される溝との接続部Ｆｒの曲率半径αが０．０３〜０．５ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載の伝熱管。
3. 管の内面に形成されるフィンと、前記フィンと隣り合うフィンとの間に形成される溝との接続部Ｆｒが、少なくとももう一段の面を形成することを特徴とする、請求項１に記載の伝熱管。
4. 前記伝熱管が、銅または銅合金からなることを特徴とする、請求項1から３のいずれか１項に記載の伝熱管。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の伝熱管を用いた熱交換器。
6. 請求項５に記載の熱交換器を用いたヒートポンプ給湯器。

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