JP5796222B2

JP5796222B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP5796222B2
Application number: JP2011230344A
Authority: JP
Inventors: 森田　健一; 健一森田; 長生木戸
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: JP2013088073A

Description

本発明は、第１流体と第２流体の間で熱交換を行う熱交換器に関する。

従来から、２種類の流体（例えば、水と冷媒、空気と冷媒）の間で熱交換を行う熱交換器が広く使用されている。例えば、特許文献１には、図１２に示すような水と冷媒の間で熱交換を行う熱交換器１００が開示されている。

この熱交換器１００は、サーペンタイン型の水流路１１０を形成する構造体１１５と、水流路１１０に沿って配置された一対の冷媒管１２０とを備えている。水流路１１０の断面形状は矩形状であり、一対の冷媒管１２０は水流路１１０の高さ方向に積層されている。また、一対の冷媒管１２０は、一方の冷媒管の頂点と他方の冷媒管の頂点が均等な間隔で交互に並ぶように水流路１１０の幅方向に蛇行している。

国際公開第２００７／１０８２４０号

ところで、図１２に示す熱交換器１００では、水流路１１０の幅Ｗが冷媒管１２０の外径Ｄの約３倍であり、水流路１１０の高さＨを約２Ｄとみなすと、水流路１１０の断面積Ａは６Ｄ²程度である。すなわち、熱交換器１００では、水流路１１０の断面積が一対の冷媒管１２０の占有面積に対して非常に大きくなっており、冷媒管１２０の回りに水が流れるスペースが大きく確保されている。それ故に、熱交換効率があまり高くない。

熱交換効率を改善するには、水流路１１０の幅を小さくすることが考えられる。しかしながら、水流路１１０の幅を小さくしただけでは、熱交換器１００を含むヒートポンプ装置（特許文献１ではヒートポンプ式給湯機）のＡＰＦ（通年エネルギー消費効率（Annual Performance Factor））はそれほど向上しない。

上記事情に鑑み、本発明は、熱交換器を含むヒートポンプ装置のＡＰＦを向上させることができる技術を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の発明者らは、鋭意研究の結果、主流路内で一対の配管が蛇行する熱交換器において、主流路の断面積をＡ、一対の配管の外径をＤとしたときに、Ａ／Ｄ²を特定の範囲に収めた上で、一対の配管の頂点の間隔を均等な状態から所定量だけずらすことにより、熱交換器を含むヒートポンプ装置のＡＰＦが向上することを見出した。すなわち、図１２に示す熱交換器１００のように、Ａ／Ｄ²が６．０程度の状態で一対の配管の頂点の間隔を均等な状態から所定量ずらしても、熱交換器を含むヒートポンプ装置のＡＰＦを向上させることはできない。本発明は、このような観点からなされたものである。

すなわち、本発明の熱交換器は、第１流体と第２流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、第１流体が流れる主流路を形成する構造体と、前記主流路に沿って配置された、内部に第２流体が流れる一対の配管と、を備え、前記一対の配管は、所定のピッチで蛇行する蛇行部をそれぞれ含み、これらの蛇行部は、一方の蛇行部の頂点の間に他方の蛇行部の頂点が位置するように蛇行する方向と直交する方向に互いに積層されており、前記主流路の断面積をＡ、前記一対の配管のそれぞれの外径をＤ、前記所定のピッチをλ、前記蛇行部間での同方向に凸となる頂点同士のズレ量をＳとしたときに、以下の式
３．６＜Ａ／Ｄ²＜５．０
（５／１８）λ≦Ｓ≦（４／９）λ
を満たす、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、熱交換器を含むヒートポンプ装置のＡＰＦを向上させることができる。このため、同程度の性能を有する熱交換器に比べて小型化および軽量化を実現することも可能である。

本発明の一実施形態に係る熱交換器の全体斜視図図１に示す熱交換器の内部構造を示す平面図構造体を構成する箱体の平面図冷媒管の蛇行部の形状の説明図冷媒管同士の位置関係を示す平面図（ａ）は双方の蛇行部の頂点が離れすぎる場合を示す図、（ｂ）双方の蛇行部の頂点が近すぎる場合を示す図冷媒管の一例である二重管の断面図図２のVIII−VIII線に沿った熱交換器の断面図ツイスト型熱交換器の構成図シミュレーション結果である熱伝達係数および水側圧力損失を示すグラフシミュレーション結果であるＡＰＦ上昇率を示すグラフ従来の熱交換器の内部構造を示す平面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態によって限定されるものではない。

本実施形態では、ヒートポンプ式給湯機などのヒートポンプ装置に使用され、水（第１流体）と冷媒（第２流体)との間で熱交換を行う熱交換器を例に挙げて説明する。ただし、第１流体および第２流体はこれらに限定されない。例えば、水に代えて、油、ブラインなどを第１流体として使用することも可能である。また、第１流体および第２流体の双方が液体または気体であってもよい。

図１に、本実施形態の熱交換器１の外観を示し、図２に、熱交換器１の内部構造を示す。この熱交換器１は、水が流れる主流路２を形成する構造体１１と、主流路２に沿って配置された、内部に冷媒が流れる一対の冷媒管３，４とを備えている。

構造体１１は平面視で長方形状の扁平な板状をなしており、その内部は空洞になっている。すなわち、構造体１１の内部空間によって主流路２が構成されている。以下、説明の便宜のために、構造体１１の長さ方向をＹ方向、幅方向をＸ方向、厚さ方向をＺ方向という。本実施形態では、Ｚ方向が鉛直方向であり、Ｘ方向およびＹ方向が水平方向である。ただし、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向はこれに限定されるものではなく、熱交換器１の設置場所等に応じて適宜選定可能である。

より詳しくは、構造体１１は、上方に開口する容器状の箱体１２と、この箱体１２の開口を塞ぐ蓋１３で構成されている。なお、図２は、蓋１３を外した状態での熱交換器１の平面図である。蓋１３のＹ方向の一方の端部には、主流路２に水を流入させるための水入口管１５と、主流路２から水を流出させるための水出口管１６が互いにＸ方向に離間して設けられている。冷媒管３，４の一端部３ａ，４ａおよび他端部３ｂ，４ｂは、水出口管１６の近傍および水入口管１５の近傍で箱体１２を貫通している。

図３は、箱体１２のみの平面図である。箱体１２は、蓋１３と同形状の底壁１２ａと、底壁１２ａの周縁から立ち上がる矩形筒状の周壁１２ｂとを有する。また、箱体１２内には、周壁１２ｂと同一高さの、互いに平行な複数の仕切り板１４が配置されている。仕切り板１４は、Ｘ方向に等間隔で並んでおり、周壁１２ｂのうちのＹ方向に対向する短辺部の一方および他方に交互に接続されている。すなわち、仕切り板１４は、周壁１２ｂで囲まれる空間を部分的に仕切っており、構造体１１の内部空間（主流路２）をサーペンタイン型の流路（蛇行した流路）に成形している。換言すれば、主流路２は、互いに平行な複数の直線部２１と直線部２１の端部同士を連結する連結部２２を有しており、直線部２１では水の流れ方向が交互に１８０度反対向きになっている。サーペンタイン型の流路は、構造体１１内の無駄なスペースを省くのに有利である。

なお、箱体１２は複数段に積み重ねられ、それらの箱体１２ごとに一対の冷媒管３，４が設けられていてもよい。この場合には、上方の主流路２と下方の主流路２を隔てる箱体１２の底壁１２ａに、水入口管１５および水出口管１６に対応する位置に貫通孔を設けて、それらを連通させればよい。

構造体１１を構成する箱体１２、蓋１３および仕切り板１４は、たとえば銅、銅合金、ＳＵＳ、アルミニウムなどの金属によって構成されていてもよいし、金属以外の材料で作られていてもよい。例えば、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、液晶ポリマー、ポリプロピレンなどの樹脂で作られていてもよい。これらの樹脂（熱可塑性樹脂）は、優れた耐熱性及び化学的耐久性を有しており、水に触れても劣化しにくく、より軽量な熱交換器を提供できる可能性がある。

主流路２に沿って配置された一対の冷媒管３，４は、主流路２の全長に亘って、水と熱交換するべき冷媒が流れる副流路を形成する。このような冷媒管３，４には、良好な熱伝達性を有する金属管が採用される。冷媒管３，４としては、図７に示すような小径の内面平滑管５１が大径の内面溝付管５２で覆われた二重管（漏洩検知管）５を用いることが好ましい。このような二重管５によれば、万が一、内側の内面平滑管５１が破損した場合であっても、外側の内面溝付管５２の溝５２ａを伝って冷媒や潤滑油を構造体１１の外側に逃がすことができ、冷媒や潤滑油が水中に混入することを防ぐことができる。

ヒートポンプ回路を循環する冷媒としては、二酸化炭素や代替フロン等を用いることができる。二酸化炭素は、ＧＷＰ（Global Warming Potential）の低い冷媒として、ヒートポンプ装置に好適である。二酸化炭素を冷媒として使用すると、水を沸点に近い温度まで加熱することができる。代替フロンとしては、ハイドロフルオロカーボン等が挙げられる。

一対の冷媒管３，４は、主流路２の各直線部２１内に配置された蛇行部３１，４１をそれぞれ含む。蛇行部３１，４１のそれぞれは、直線部２１と同程度の長さを有しており、図４に示すように、所定のピッチλおよび振幅γで蛇行している。例えば、一対の冷媒管３，４のそれぞれの外径をＤとしたときに、λ＝４Ｄ〜６Ｄであり、γ＝１．６Ｄ〜２．４Ｄである。本実施形態では、蛇行部３１，４１は、Ｘ方向に蛇行しており、図５に示すように、一方の蛇行部の頂点の間に他方の蛇行部の頂点が位置するようにＺ方向に積層されている。ただし、蛇行部３１，４１は、Ｚ方向に蛇行しており、Ｘ方向に積層されていてもよい。

本発明の発明者らは、冷媒管３，４の蛇行形状が同じ形状（外径Ｄ、ピッチλおよび振幅γ）である時に、互いの冷媒管の相対位置と熱伝達係数および水側圧力損失の関係をコンピュータシミュレーションによって詳しく調べた。その結果、主流路２の断面積をＡとしたときに、Ａ／Ｄ²を特定の範囲に収めた上で、一対の冷媒管３，４の頂点の間隔を均等な状態から所定量だけずらすことにより、熱交換器を含むヒートポンプ装置のＡＰＦが向上することを突き止めた。本実施形態の熱交換器１は、その条件に適合するように構成されている。

具体的に、熱交換器１は、蛇行部３１，４１間での同方向に凸となる頂点同士のズレ量をＳとしたときに、以下の式１および式２を満たす。なお、一方の蛇行部の頂点から見て、最も近接する他方の蛇行部の頂点は、Ｙ方向の一方側および他方側のどちら側にあってもよい。
３．６＜Ａ／Ｄ²＜５．０・・・（式１）
（５／１８）λ≦Ｓ≦（４／９）λ ・・・（式２）

本実施形態では、図８に示すように、主流路２の断面形状が、蛇行部３１，４１が蛇行するＸ方向およびそれらが積層されたＺ方向に平行な辺を有する矩形状であるため、主流路２の断面積は主流路２の幅Ｗと高さＨの積とほぼ等しい。なお、主流路２の幅Ｗは、冷媒管３，４のＸ方向の両側に所定の隙間（例えば、０．３〜０．５ｍｍ）が形成される程度が好ましく、主流路２の高さＨは、冷媒管３，４のＺ方向の両側に所定の隙間（例えば、０．３〜０．５ｍｍ）が形成される程度が好ましい。また、図８に示すように、主流路２の断面形状の４つのコーナー部は、半径Ｒ（例えば、２〜３ｍｍ）の丸みを帯びた形状に形成されていることが好ましい。これを実現するには、蓋１３の下面にも主流路２に沿った溝を形成すればよい。あるいは、構造体１１は、主流路２のＺ方向の中央で二分割されていてもよい。

上記式１の理由としては、Ａ／Ｄ²が５．０以上では、図１２に示す従来の熱交換器１００と同様に熱交換効率があまり高くなく、Ａ／Ｄ²が３．６以下では、水側圧力損失が極端に高くなるからである。

上記式２に関しては、図６（ａ）に示すようにＳが（４／９）λを超えると、熱交換器を含むヒートポンプ装置のＡＰＦがそれほど向上しない。これに対し、Ｓが（４／９）λになると、ＡＰＦの向上が約４％とかなり大きくなり、さらにＳが減少するにつれてＡＰＦが上昇する。一方、図６（ｂ）に示すようにＳが（５／１８）λ未満になると、水側圧力損失が大きく増加し、いったん上昇したＡＰＦが下降に転じる。従って、Ｓは（５／１８）λ以上であることが好ましい。

また、熱交換器１は、冷媒管３，４と水との接触面積を確保するという観点から、以下の式３を満たすことが好ましい。
１．８≦γ／Ｄ≦２．２・・・（式３）

なお、熱交換器１の熱交換能力は特に限定されないが、大きな熱交換能力が要求される場合には、熱交換器１を複数個並列で接続して使用することにより、要求される熱交換能力を満足することができる。

（変形例）
前記実施形態では、主流路２の断面形状が矩形状になっていたが、主流路２の断面形状は円形状や楕円状、あるいは矩形状のどちらかの対辺が円弧になった長丸状であってもよい。

（シミュレーション）
以下に、本実施形態の熱交換器１の効果を確認するために行ったシミュレーションを説明する。

まず、図１，２，８に示す構成に対応する７つのモデル１〜７を作成し、これらのモデル１〜７に対して熱伝達係数および水側圧力損失をコンピュータシミュレーションで算出した。モデル１〜７では、蛇行部３１，４１間での同方向に凸となる頂点同士のズレ量Ｓのみを変化させ、他の寸法は同一にした。

具体的には、モデルの全長（Ｙ方向長さ）を２００ｍｍとし、主流路２の断面形状を８．６ｍｍ×８．６ｍｍの矩形状にした。また、主流路２の断面形状の４つのコーナー部の半径Ｒを２．３５ｍｍにした。冷媒管３，４については、外径Ｄを３．９ｍｍ、蛇行ピッチλを２０ｍｍ、蛇行幅γを７．８ｍｍとした。すなわち、一対の冷媒管３，４の上下左右に０．４ｍｍの隙間を確保した。そして、モデル１〜７では、頂点ズレ量Ｓを、それぞれ、（１／８）λ，（２／９）λ，（１／４）λ，（５／１８）λ，（１１／３６）λ，（３／８）λ、（１／２）λとした。

解析用ソフトウェアとしては「Ｆｌｕｅｎｔ」を用い、解析条件を、水の流量：０．３５Ｌ／分、水の温度：４０℃、冷媒管温度：４５℃とした。

次に、比較対象として、図９に示すようなツイスト型熱交換器６である参照モデルを作成した。ツイスト型熱交換器６では、断面円形の水管６１の内部に、一対の冷媒管６２，６３が互いにツイストされた状態で配置されている。水管６１の内径を８．６ｍｍ、冷媒管６２，６３の外径を３．９ｍｍ、冷媒管のツイストピッチを３０ｍｍとした。この参照モデルに対し、モデル１〜７と同様にして熱伝達係数および水側圧力損失を算出した。

シミュレーションにより得られたモデル１〜７の熱伝達係数および水側圧力損失を参照モデルに対する比として図１０に示す。また、シミュレーションにより得られた熱伝達係数および水側圧力損失から、モデル１〜７および参照モデルをヒートポンプ式給湯機に水を加熱する手段として用いたときのＡＰＦを求め、参照モデルに対してモデル１〜７ではＡＰＦがどれだけ上昇したかを図１１に示す。

図１０に示すように、頂点ズレ量Ｓが小さいほど、高い熱伝達係数が得られるが、それよりも顕著に水側圧力損失が急激に上昇するという傾向が得られる。

図１１に示すように、ヒートポンプ式給湯機では、頂点ズレ量Ｓ＝（５／１８）λをピークにして頂点ズレ量Ｓが（１／８）λ≦Ｓ≦（４／９）λの範囲で参照モデルに対するＡＰＦの上昇率が＋４％以上を示す。ただし、（１／８）λ≦Ｓ＜（５／１８）λの範囲では、Ｓ＝（５／１８）λと比較してＡＰＦの上昇率が劣り、水側圧力損失も大きくなるため、実用的ではない。そのため、ＡＰＦの上昇率が高く、実用的と判断される頂点ズレ量Ｓの範囲は（５／１８）λ≦Ｓ≦（４／９）λである。

このようにＡＰＦへの貢献に優れた熱交換器をヒートポンプ式給湯機に用いれば、同程度の性能を有する熱交換器に比して、熱交換器の小型化および軽量化が可能である。

なお、本シミュレーションにおいて、内面平滑管５１と内面溝付管５２とが一体の冷媒管として取り扱われているので、内面溝付管５２の存在は、シミュレーションの結果に影響を及ぼさない。内面溝付管５２が存在しない場合、耐腐食性を高めるために内面平滑管５１の肉厚を増やす必要がある。

本発明の熱交換器は、ヒートポンプ式給湯機、温水暖房装置などのヒートポンプ装置に使用できる。

１熱交換器
１１構造体
２主流路
３，４冷媒管
３１，４１蛇行部
５二重管
５１内面平滑管
５２内面溝付管

Claims

第１流体と第２流体の間で熱交換を行う熱交換器であって、
第１流体が流れる主流路を形成する構造体と、
前記主流路に沿って配置された、内部に第２流体が流れる一対の配管と、を備え、
前記一対の配管は、所定のピッチで蛇行する蛇行部をそれぞれ含み、これらの蛇行部は、一方の蛇行部の頂点の間に他方の蛇行部の頂点が位置するように蛇行する方向と直交する方向に互いに積層されており、
前記主流路の断面積をＡ、前記一対の配管のそれぞれの外径をＤ、前記所定のピッチをλ、前記蛇行部間での同方向に凸となる頂点同士のズレ量をＳとしたときに、以下の式
３．６＜Ａ／Ｄ²＜５．０
（５／１８）λ≦Ｓ≦（４／９）λ
を満たす、熱交換器。
前記主流路の断面形状は、前記蛇行部が蛇行する方向およびこれと直交する方向に平行な辺を有する矩形状である、請求項１に記載の熱交換器。
前記蛇行部が蛇行する幅をγとしたときに、以下の式
１．８≦γ／Ｄ≦２．２
を満たす、請求項１または２に記載の熱交換器。
前記主流路は、互いに平行な複数の直線部を有するサーペンタイン型の流路であり、前記蛇行部は、前記複数の直線部のそれぞれの内部に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記一対の配管のそれぞれは、内面平滑管が内面溝付管で覆われた二重管である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記一対の配管のそれぞれは、金属で構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記構造体は、樹脂で構成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱交換器。
前記第１流体が水であり、前記第２流体がヒートポンプ回路を循環する二酸化炭素である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱交換器。