JP2017166797A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】重量当たりの伝熱性能を向上できる熱交換器を提供する。【解決手段】熱交換器１は、並行する複数条のつるまき線状の溝部２ａと、隣り合う溝部２ａの間の尾根部２ｂとを外面に有する熱媒体管２と、各々の溝部２ａに沿って設置された冷媒管３と、を備える。熱媒体管２の中心から尾根部２ｂの頂きでの熱媒体管２の管壁の厚さの中心までの距離Ｌ２が、熱媒体管２の中心から冷媒管３の中心までの距離Ｌ１より短い。【選択図】図５

Description

本発明は、熱交換器に関する。

特許文献１に開示された熱交換器は、外周に複数条の山谷底部を各条毎に連続して螺旋状に設けた第１流体配管と、この第１流体配管外周の山谷底部の形状に沿って螺旋状に巻きつけた第２流体配管とを備える。第２流体配管は、第１流体配管の山谷底部に、はめ込まれている。

特開２００６−０９０６９７号公報

上記のような熱交換器は、例えば銅のような金属を主な材料として作られる。熱交換器の重量が重くなるほど、銅などの高価な金属材料が多く必要になり、製造コストが高くなる。製造コストが高くならないようにするために、重量当たりの伝熱性能を向上することが求められている。この観点において、従来の技術には改善の余地がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、重量当たりの伝熱性能を向上できる熱交換器を提供することを目的とする。

本発明の熱交換器は、並行する複数条のつるまき線状の溝部と、隣り合う溝部の間の尾根部とを外面に有する熱媒体管と、各々の溝部に沿って設置された冷媒管と、を備え、熱媒体管の中心から尾根部の頂きでの熱媒体管の管壁の厚さの中心までの距離が、熱媒体管の中心から冷媒管の中心までの距離より短いものである。

本発明の熱交換器によれば、重量当たりの伝熱性能を向上することが可能となる。

実施の形態１の熱交換器の一部を示す縦断面図である。 実施の形態１の熱交換器の一部を示す外観図である。 実施の形態１の熱交換器が備える熱媒体管の横断面図である。 実施の形態１の変形例の熱交換器が備える熱媒体管の横断面図である。 実施の形態１の熱交換器の一部を示す縦断面図である。 熱媒体管内の熱媒体の流れを説明するための図である。 実施の形態１の熱交換器の一部を示す縦断面図である。 熱交換器の重量当たりの相対ＡＫ値と接触割合との関係を示す図である。 熱媒体管のフィン効率と接触割合との関係を示す図である。 実施の形態１の変形例の熱交換器が備える熱媒体管の横断面図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を簡略化または省略する。本開示は、以下の実施の形態で説明する構成のうち、組合わせ可能な構成のあらゆる組合わせを含み得る。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１の熱交換器１の一部を示す縦断面図である。図２は、実施の形態１の熱交換器１の一部を示す外観図である。図１に示すように、本実施の形態１の熱交換器１は、熱媒体管２と、複数の冷媒管３とを備える。図１は、熱媒体管２の軸線を含む平面で切断した断面図である。

熱交換器１は、熱媒体管２内を通る熱媒体と、冷媒管３内を通る冷媒との間で熱を交換させる。熱媒体は、水でもよい。熱媒体は、例えば塩化カルシウム水溶液、エチレングリコール水溶液、アルコール、などの、水以外の液状熱媒体でもよい。冷媒は、特に限定されないが、例えば、ＣＯ_２、ＨＦＣ、ＨＣ、ＨＦＯのいずれかでもよい。

冷媒管３内を通る冷媒は、圧縮機（図示せず）で圧縮された高温高圧の冷媒でもよい。熱交換器１の熱媒体管２内を通る間に加熱された熱媒体は、例えば、給湯に用いられたり、室内の暖房に用いられたりしてもよい。

熱媒体管２の外面には、並行する複数条の溝部２ａ、及び並行する複数条の尾根部２ｂがある。各々の尾根部２ｂは、隣り合う二つの溝部２ａの間にある。溝部２ａの条数は、尾根部２ｂの条数に等しい。各々の溝部２ａは、熱媒体管２の軸線を中心とするつるまき線状に延びる。各々の尾根部２ｂは、熱媒体管２の軸線を中心とするつるまき線状に延びる。各々の冷媒管３は、各々の溝部２ａに沿って設置されている。冷媒管３の数は、溝部２ａの条数に等しい。溝部２ａの条数、尾根部２ｂの条数、及び冷媒管３の数は、互いに等しい。以下の説明では、溝部２ａの条数、尾根部２ｂの条数、及び冷媒管３の数を単に「条数」という。

熱媒体管２の外周に巻き付ける前の冷媒管３は、冷媒管３の軸線に対して垂直な平面で切断したときの切断面が円形のものでもよい。熱媒体管２の外周に冷媒管３を巻き付けることで、通常、冷媒管３は多少潰れるように変形する。このため、熱媒体管２の外周に巻き付けた後の冷媒管３は、冷媒管３の軸線に対して垂直な平面で切断したときの切断面が楕円形になる。冷媒管３は、熱媒体管２に対して伝熱材料４を介して接合されている。伝熱材料４は、ハンダまたはロウ材でもよい。

冷媒管３の管壁の厚さは、高圧冷媒の圧力に耐えられるような厚さが必要になる。冷媒管３の内径が大きいほど、冷媒管３の管壁の厚さを厚くする必要がある。条数が多い場合には、条数が少ない場合に比べて、冷媒管３の内径が小さくなる。

図２では、複数の冷媒管３の区別を容易にするため、便宜上、冷媒管３毎に異なるハッチングを付す。すなわち、図２中のハッチングは、断面を意味するものではない。図２は、条数が４条の熱交換器１を示す。図２に示すように、各々の冷媒管３は、熱媒体管２の軸線を中心とするつるまき線状に延びる。熱交換器１の上流側で冷媒の流れは複数の流れに分かれ、その分かれた各々の冷媒の流れが各々の冷媒管３内を通る。すなわち、冷媒は、複数の冷媒管３内を並行して流れる。熱交換器１において冷媒の流れと熱媒体の流れとが対向流になってもよい。

図３は、実施の形態１の熱交換器１が備える熱媒体管２の横断面図である。図３は、熱媒体管２の軸線に対して垂直な平面で切断した断面図である。図３の熱媒体管２は、４条のものである。図３の熱媒体管２の軸線に対して垂直な平面で熱媒体管２を切断した切り口は、正方形の角が丸みを帯びた形状を有する。この丸みを帯びた四つの角の各々が、熱媒体管２の軸線を中心とするつるまき状に連なることで、各々の尾根部２ｂが形成される。この丸みを帯びた角の曲率直径ｄｃは、例えば、熱媒体管２の内径ｄｉのおよそ０．２３倍でもよい。熱媒体管２の内径ｄｉとは、熱媒体管２に内接する円柱の直径を指すものとする。

図４は、実施の形態１の変形例の熱交換器１が備える熱媒体管２の横断面図である。図４は、熱媒体管２の軸線に対して垂直な平面で切断した断面図である。図４の熱媒体管２は、条数が５条のものである。図４の熱媒体管２の軸線に対して垂直な平面で熱媒体管２を切断した切り口は、正五角形の角が丸みを帯びた形状を有する。この丸みを帯びた五つの角の各々が、熱媒体管２の軸線を中心とするつるまき状に連なることで、各々の尾根部２ｂが形成される。

図５は、実施の形態１の熱交換器１の一部を示す縦断面図である。図５は、熱媒体管２の軸線を含む平面で切断した断面図である。図５は、図１の一部をさらに拡大した図に相当する。

図５中のＬ１は、熱媒体管２の中心から冷媒管３の中心までの距離を示す。Ｌ２は、熱媒体管２の中心から、尾根部２ｂの頂きでの熱媒体管２の管壁の厚さの中心までの距離を示す。距離Ｌ２は、距離Ｌ１より短い。

図６は、熱媒体管２内の熱媒体の流れを説明するための図である。図６は、熱媒体管２の軸線を含む平面で切断した断面図である。図６では、冷媒管３の図示を省略する。

図６に示すように、熱媒体管２内の熱媒体の流れには、熱媒体管２の長手方向に流れる主流と、尾根部２ｂが熱媒体管２の内面に形成する凹部２ｃ内に流れ込む副流とがある。尾根部２ｂの高さが高いほど、凹部２ｃの深さが深くなる。凹部２ｃの深さが深いほど、凹部２ｃ内に熱媒体が流れ込みにくくなり、副流の流速が低くなる。副流の流速が低いほど、凹部２ｃでの熱伝達率が低くなる。凹部２ｃでの熱伝達率が低くなると、熱媒体管２全体としての熱媒体の熱伝達率が低くなる。以上のことから、尾根部２ｂの高さが高いほど、熱媒体管２内の熱媒体の熱伝達率が低くなる傾向がある。逆に言えば、尾根部２ｂの高さが低いほど、熱媒体管２内の熱媒体の熱伝達率が高くなる傾向がある。

本実施の形態であれば、図５中の距離Ｌ２が距離Ｌ１より短いことで、以下の効果が得られる。尾根部２ｂの高さが低くなるので、熱媒体管２内の熱媒体の熱伝達率を高くできる。尾根部２ｂの高さが低いことで、熱媒体管２の外面の凹凸が比較的小さいため、熱媒体管２の表面積が比較的小さい。このため、熱媒体管２の長さ当たりの重量を軽くできる。これらのことから、熱交換器１の重量当たりの伝熱性能を向上できる。熱交換器１は、例えば銅のような金属を主な材料として作られる。銅のような金属は高価であるため、製造コストを低くするためには、熱交換器１の重量当たりの伝熱性能を向上することが極めて重要である。本実施の形態であれば、熱交換器１の重量当たりの伝熱性能が向上することで、高価な金属材料の使用量を低減でき、製造コストを低くできる。

図７は、実施の形態１の熱交換器１の一部を示す縦断面図である。

図７に示すように、熱媒体管２は、接触領域２ｄ及び非接触領域２ｅを有する。接触領域２ｄは、冷媒管３と直接接触するか、または伝熱材料４を介して冷媒管３と接触する領域である。非接触領域２ｅは、接触領域２ｄ以外の領域である。非接触領域２ｅは、尾根部２ｂの頂きを含む領域である。図７中の曲線２ｆは、熱媒体管２の軸線を含む平面で切断した切断面において、熱媒体管２の管壁の厚さの中心を通る曲線である。以下の説明では、曲線２ｆのうち、接触領域２ｄを通る部分の長さの、曲線２ｆの全長に対する割合を「接触割合」として定義する。接触割合は、図７中の（Ｌ３＋Ｌ５）／（Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５）の値として計算できる。

熱媒体管２、冷媒管３、及び伝熱材料４を構成する金属の熱伝導は、冷媒または熱媒体の熱伝達に比べて非常に大きい。接触領域２ｄは、冷媒管３によって直接的に加熱されると考えることができる。このため、接触領域２ｄの内面の温度は、冷媒管３の温度にほぼ等しい。

非接触領域２ｅは、接触領域２ｄからの熱伝導によって間接的に加熱されると考えることができる。一つの非接触領域２ｅの両側にある接触領域２ｄから、尾根部２ｂの頂きに向かって、熱伝導が生じる。一つの非接触領域２ｅを横断する方向の長さＬ４は、熱媒体管２の管壁の厚さに比べて大きい。非接触領域２ｅの温度は、尾根部２ｂの頂きに近いほど、低くなる。

上記の理由から、非接触領域２ｅの内面の温度は、接触領域２ｄの内面の温度より低くなる。このため、実際の熱媒体管２の内面の面積平均温度は、接触領域２ｄのみの内面の面積平均温度に比べて低くなる。以下の説明では、実際の熱媒体管２の内面の面積平均温度の、接触領域２ｄのみの内面の面積平均温度に対する比を、「フィン効率」として定義する。

図８は、熱交換器１の重量当たりの相対ＡＫ値と接触割合との関係を示す図である。ＡＫ値は、伝熱面積Ａ［ｍ^２］に熱通過率Ｋ［ｋＷ／（ｍ^２Ｋ）］を乗じた値である。重量当たりのＡＫ値は、熱交換器１の重量当たりの伝熱性能の指標になる。図８は、４条の熱交換器１についての関係と、５条の熱交換器１についての関係とを示す。熱交換器１の冷媒の圧力損失は、冷媒管３の内径及び条数によって変化する。４条の熱交換器１の冷媒の圧力損失と、５条の熱交換器１の冷媒の圧力損失とが等しくなるように冷媒管３の内径を定めた上で図８の関係を計算した。図８に示す相対ＡＫ値は、冷媒の圧力損失が４条の熱交換器１及び５条の熱交換器１と等しくなるように冷媒管３の内径を定めた３条の熱交換器１のＡＫ値の最大値を１とした場合の相対的なＡＫ値である。

接触割合は、０．７４以下であることが望ましい。図８に示すように、４条及び５条の熱交換器１では、重量当たりの相対ＡＫ値は、接触割合が０．７〜０．７３の辺りで、ピークになる。その一方で、接触割合が０．７４を超えると、重量当たりの相対ＡＫ値は急激に低下する。よって、接触割合を０．７４以下にすることで、熱交換器１の重量当たりの伝熱性能をより確実に向上できる。

接触割合は、０．６以上であることが望ましい。図８に示すように、接触割合が０．６以上であれば、重量当たりの相対ＡＫ値を十分に高くできるので、熱交換器１の重量当たりの伝熱性能をより確実に向上できる。

接触割合が０．７４を超えると重量当たりの相対ＡＫ値が急激に低下する理由について、以下に説明する。図９は、熱媒体管２のフィン効率と接触割合との関係を示す図である。図９に示す関係は、図８と同じ熱交換器１について計算したものである。熱通過率Ｋの値は、主として、熱媒体管２の熱媒体の熱伝達率とフィン効率とによって定まる。接触割合を高くするには、非接触領域２ｅの幅を小さくする必要があるため、熱媒体管２の単位長さ当たりの冷媒管３の巻き密度を高くする必要がある。このため、接触割合が高くなると、冷媒管３の重量が増加するため、熱交換器１の重量が増加する。図９に示すように、接触割合が高くなるにつれてフィン効率も高くなるが、接触割合が０．７４の辺りで、ほぼ１に近くなる。すなわち、接触割合が０．７４の辺りで、フィン効率の値が飽和する。したがって、接触割合を０．７４より大きくしても、フィン効率の上昇による伝熱性能の向上がほとんど得られず、熱交換器１の重量を増加させるだけになる。そのため、接触割合が０．７４を超えると重量当たりの相対ＡＫ値が急激に低下することとなる。

図３及び図４から分かるように、５条の場合の熱媒体管２の尾根部２ｂの高さは、４条の場合の熱媒体管２の尾根部２ｂの高さに比べて低くなる。このため、図６で説明した副流の流速は、５条の場合の方が４条の場合よりも高くなる。その一方で、５条の場合には、尾根部２ｂの高さが低いことで、熱媒体管２の内側の表面積すなわち伝熱面積が、４条の場合よりも小さくなる。そのため、図８に示すように、重量当たりのＡＫ値は、４条の場合の方が５条の場合よりも高くなる。

図１０は、実施の形態１の変形例の熱交換器１が備える熱媒体管２の横断面図である。図１０は、熱媒体管２の軸線に対して垂直な平面で切断した断面図である。図１０の熱媒体管２は、４条のものである。

図１０に示す熱媒体管２は、以下のように構成されている。仮想直線１００は、熱媒体管２の軸線に対して垂直な平面で熱媒体管２を切断した切断面すなわち切り口の外縁の２箇所に接する直線である。Ｌ６は、熱媒体管２の中心と仮想直線１００との間の距離を示す。Ｌ７は、熱媒体管２の中心から熱媒体管２の外面までの最短距離を示す。距離Ｌ６は、距離Ｌ７より長い。

図１０に示す熱媒体管２を備えた熱交換器１によれば、図３に示す熱媒体管２を備えた熱交換器１に比べて、以下のような効果が得られる。尾根部２ｂが膨らんだ形状になるので、尾根部２ｂが熱媒体管２の内面に形成する凹部２ｃの形状がなだらかになる。その結果、図６で説明した副流の流速が高くなり、熱媒体の熱伝達率がさらに向上する。熱媒体管２の表面積、すなわち伝熱面積が大きくなる。これらのことから、伝熱性能がさらに向上する。

上述した実施の形態では、４条及び５条の熱交換器１を中心に説明したが、本発明の熱交換器は、図５で説明した条件、すなわちＬ２＜Ｌ１という条件を満足するものであれば、３条のものでもよいし、６条またはそれ以上の条数のものでもよい。

１ 熱交換器、 ２ 熱媒体管、 ２ａ 溝部、 ２ｂ 尾根部、 ２ｃ 凹部、 ２ｄ 接触領域、 ２ｅ 非接触領域、 ２ｆ 曲線、 ３ 冷媒管、 ４ 伝熱材料、 １００ 仮想直線

Claims (5)

1. 並行する複数条のつるまき線状の溝部と、隣り合う前記溝部の間の尾根部とを外面に有する熱媒体管と、
   各々の前記溝部に沿って設置された冷媒管と、
   を備え、
   前記熱媒体管の中心から前記尾根部の頂きでの前記熱媒体管の管壁の厚さの中心までの距離が、前記熱媒体管の中心から前記冷媒管の中心までの距離より短い熱交換器。
2. 前記溝部の条数が４条または５条である請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記熱媒体管と前記冷媒管とを接合する伝熱材料を備え、
   前記熱媒体管は、前記冷媒管と直接接触するかまたは前記伝熱材料を介して前記冷媒管と接触する接触領域と、前記接触領域以外の領域である非接触領域とを有し、
   前記熱媒体管の軸線を含む平面で切断した切断面において、前記熱媒体管の管壁の厚さの中心を通る曲線のうち、前記接触領域を通る部分の長さの、前記曲線の全長に対する割合である接触割合が、０．７４以下である請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記接触割合が０．６以上である請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記熱媒体管の軸線に対して垂直な平面で前記熱媒体管を切断した切断面の外縁の２箇所に接する仮想直線と、前記熱媒体管の中心との距離は、前記熱媒体管の中心から前記熱媒体管の外面までの最短距離より長い請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の熱交換器。

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