熱交換器およびヒートポンプ給湯装置

【課題】熱交換器を含む装置のＡＰＦを向上させることができる熱交換器を提供する。
【解決手段】熱交換器１は、互いに絡み合う一対の螺旋状の内管２０で構成された捩り管２と、捩り管２を収容する外管３と、を備えている。外管３の内周面には、一対の内管２０とは逆向きの螺旋状のリブ３１が、２〜１８本設けられている。この構成によれば、熱交換器１を含む装置のＡＰＦを向上させることができる。熱交換器１は、例えばヒートポンプ給湯装置に用いられる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの流体の間で熱交換を行う熱交換器、およびその熱交換器を用いたヒートポンプ給湯装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、２つの流体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６（ａ）および（ｂ）に示すような水と冷媒との間で熱交換を行う熱交換器１００が開示されている。
【０００３】
この熱交換器１００では、外管１２０内に、互いに絡み合う一対の螺旋状の内管１１５で構成された捩り管１１０が配置されている。外管１２０の内周面には、多数（図例では２４個）の螺旋状のリブ１２１が設けられており、これらのリブ１２１の間に多数の溝が形成されている。
【０００４】
リブ１２１の螺旋方向は一対の内管１１５の螺旋方向と同じであり、リブ１２１の螺旋ピッチ（１つのリブ１２１の同一位置での軸方向距離）は各内管１１５の螺旋ピッチと同じである。このため、一対の内管１１５の間にそれらの外周面によって形成されるＶ溝は全長に亘ってリブ１２１と平行であり、捩り管１１０と外管１２０の内周面との間に形成される断面扇状の流路には、Ｖ溝およびリブ１２１に沿って水がスムーズに流れるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３８２７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述した構成の熱交換器１００では、外管１２０の内周面に設けられたリブ１２１により水に乱流を生じさせて熱伝達率を向上させることが期待できるものの、水がリブ１２１に沿って流れるため、乱流の効果は十分であるとは言えない。また、リブ１２１によって水の圧力損失が増加するために、水を圧送するポンプの負荷が増大する。それ故に、熱交換器を含む装置（特許文献１ではヒートポンプ給湯装置）全体としてＡＰＦ（通年エネルギー消費効率（Annual Performance Factor））が充分に改善されないことも懸念される。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、熱交換器を含む装置のＡＰＦを充分に向上させることができる熱交換器、およびこの熱交換器を用いたヒートポンプ給湯装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、リブの本数を抑えた上でリブの螺旋方向を一対の内管の螺旋方向と逆向きにすれば、圧力損失の増加によるポンプの負荷の増大よりも乱流による熱伝達率の向上の効果により、ＡＰＦが上昇することを見出した。本発明は、このような観点からなされたものである。
【０００９】
すなわち、本発明の熱交換器は、互いに絡み合う一対の螺旋状の内管で構成された捩り管と、前記捩り管を収容する外管と、を備え、前記外管の内周面には、前記一対の内管とは逆向きの螺旋状のリブが、２〜１８本設けられている、ことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明のヒートポンプ給湯装置は、冷媒を循環させるヒートポンプ回路中の放熱器として上記の熱交換器を備える、ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱交換器によれば、熱交換器を含む装置のＡＰＦを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る熱交換器の縦断面図
【図２】（ａ）は図１に示す熱交換器を構成する外管の縦断面図、（ｂ）は同外管に収容される捩り管の側面図
【図３】図１のIII−III線に沿った横断面図
【図４】図１に示す熱交換器が用いられるヒートポンプ給湯装置の構成図
【図５】（ａ）および（ｂ）はシミュレーションの結果を示すグラフであり、（ａ）はリブ数と熱伝達率および圧力損失の関係を示し、（ｂ）はリブ数とＡＰＦ変化率の関係を示す
【図６】（ａ）は従来の熱交換器の縦断面図、（ｂ）は（ａ）のVIＢ−VIＢ線に沿った横断面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１に、本発明の一実施形態に係る熱交換器１を示す。この熱交換器１は、相対的に低温の水（第１流体）と相対的に高温の冷媒（第２流体）との間で熱交換を行うものである。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。
【００１５】
具体的に、熱交換器１は、捩り管２と、この捩り管２を収容する外管３とを備えている。冷媒は捩り管２内を流れ、水は外管３と捩り管２の間を流れる。すなわち、捩り管２は冷媒が流れる冷媒流路を構成し、外管３は水が流れる水流路を構成する。なお、捩り管２内を流れる冷媒と外管３と捩り管２の間を流れる水は、対向流を形成するように互いに逆向きに流れることが好ましい。
【００１６】
捩り管２は、図２（ｂ）に示すように、互いに絡み合う一対の螺旋状の内管２０で構成されている。一対の内管２０は、図３に示すように、対称な位置を保ったままで回転するように寄り合わされている。すなわち、各内管２０は、１本の直線の回りを旋回している。本実施形態では、各内管２０の螺旋方向は、図１の左から右に向かって時計回りである。
【００１７】
各内管２０は、同一位置での軸方向距離である螺旋ピッチＰ１を有する。螺旋ピッチＰ１は、捩り管２の捩りピッチでもある。各内管２０の外径をＤとしたときに、螺旋ピッチＰ１は、例えば、４Ｄ〜２０Ｄである。
【００１８】
内管２０としては、良好な熱伝達性を有する金属管が好適に用いられる。また、内管２０としては、図３に示すような内周面に溝が設けられた大径管２２内に小径管２１が挿入された二重管（漏洩検知管）を用いることが好ましい。このような二重管によれば、万が一、小径管２１が破損した場合であっても、大径管２２の溝を伝って冷媒や潤滑油を逃がすことができ、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。
【００１９】
外管３は、内管２０の外径Ｄの２倍よりも少し大きな内径を有する。外管３の内周面には、図２（ａ）および図３に示すように、螺旋状のリブ３１が設けられている。リブ３１の螺旋方向は、図１の左から右に向かって反時計回りである。すなわち、リブ３１の螺旋状は、一対の内管２０の螺旋状とは逆向きである。
【００２０】
リブ３１の本数は、２本以上１８本以下であることが好ましい。リブ３１の本数がこの範囲内にあれば、圧力損失の増加によるポンプの負荷の増大よりも乱流による熱伝達率の向上の効果により、リブ３１が設けられていない熱交換器に比べて、熱交換器を含む装置のＡＰＦを０．５％以上向上させることができるからである。また、リブ３１は、等角度間隔で配置されていることが好ましい。
【００２１】
各リブ３１は、同一位置での軸方向距離である螺旋ピッチＰ２を有する。リブ３１の螺旋ピッチＰ２は、内管２０の螺旋ピッチＰ１と等しくてもよいし、それよりも大きくても小さくてもよい。例えば、リブ３１の螺旋ピッチＰ２は、（１／３）Ｐ１〜３Ｐ１の範囲内で選択することが可能である。
【００２２】
また、各リブ３１のアスペクト比（高さ／幅）は、例えば０．５〜１．５である。なお、各リブ３１の断面形状は、特に限定されるものではない。例えば、各リブ３１の断面形状は、矩形状や台形状であってもよいし、外管３の内周面から滑らかに盛り上がり、頂点も丸みを帯びた略三角形状であってもよい。
【００２３】
外管３は、金属で構成されていてもよいが、高分子材料で構成されていることが好ましい。高分子材料は、金属に比べて、軽量、安価、腐食しない、スケールが付着し難いという利点がある。しかも、高分子材料からなる外管３を用いれば、捩り管２がリブ３１に接触したとしても、冷媒の熱が外管３の外周面から外部に放熱されることを抑制することができる。高分子材料からなる外管３としては、ポリフェニレンサルフィド、フッ素樹脂などの高性能樹脂を最内面に、ポリアミドやポリプロピレンなどの汎用樹脂を外面に配した積層チューブなどを用いることも可能である。
【００２４】
以上説明した本実施形態の熱交換器１は、図４に示すようなヒートポンプ給湯装置２００に好適に用いられる。ヒートポンプ給湯装置２００は、湯を生成するヒートポンプユニット２０５と、生成された湯を貯える貯湯タンク２２０を備えており、貯湯タンク２２２に貯えられた湯は給湯栓２３０に供給される。ヒートポンプユニット２０５は、圧縮機２１１、放熱器２１２、膨張弁２１３および蒸発器２１４がこの順に接続された、冷媒を循環させるヒートポンプ回路２１０を有している。そして、放熱器２１２として本実施形態の熱交換器１が用いられる。なお、膨張弁２１３に代えて、冷媒の膨張エネルギーを回収可能な容積式膨張機が用いられていてもよい。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が、ＧＷＰ（Global Warming Potential）が低く、かつ、水を沸点に近い温度まで加熱することができる二酸化炭素を用いることが好ましい。
【００２５】
（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。
【００２６】
図１〜３に示す構成に対応する、リブの螺旋方向が一対の内管の螺旋方向と反対の７つのモデルを作成した。これらのモデルに対し、流体解析ソフトウェア「Ｆｌｕｅｎｔ」を用いて、単位長さ（９０ｍｍ）当たりの水の圧力損失と冷媒から水への熱伝達率を算出した。
【００２７】
解析条件としては、水の流量を０．３５Ｌ／分、水の温度を４０℃、捩り管の温度を４５℃とした。また、外管の内径を８．６ｍｍとし、各内管の外径を３．９ｍｍ、螺旋ピッチを３０ｍｍとした。リブについては、螺旋ピッチを３０ｍｍ、高さを０．２ｍｍ、幅を０．４ｍｍとした。
【００２８】
モデル１〜７では、リブの本数を０本から２４本まで４本ずつ増加させた。すなわち、モデル１は、リブが設けられていない熱交換器に相当する。
【００２９】
シミュレーションにより得られた圧力損失および熱伝達率を図５（ａ）に示す。また、得られた圧力損失および熱伝達率から、各モデルをヒートポンプ給湯装置に用いたときのＡＰＦを求め、モデル１（リブなし）に対してモデル２〜７ではＡＰＦがどれだけ変化したかを図５（ｂ）に示す。
【００３０】
図５（ａ）から、水の圧力損失が、リブの本数が少ないうちはリブの本数に比例して増加するが、リブの本数が多くなるとそれほど増加しないことが分かる。一方で、冷媒から水への熱伝達率は、リブの本数が１２本でピークとなり、リブの本数がそれよりも多くなると大きく低下する。それらの影響により、図５（ｂ）に示すように、ＡＰＦの変化は上向きに凸となる曲線を描く。そして、図５（ｂ）から、リブの本数を２〜１８本にすれば、ＡＰＦを約０．５〜１．６％向上できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
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装置に使用できる。
【符号の説明】
【００３２】
１熱交換器
２捩り管
２０内管
３外管
３１リブ
２００ヒートポンプ給湯装置
２１２放熱器

【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに絡み合う一対の螺旋状の内管で構成された捩り管と、
前記捩り管を収容する外管と、を備え、
前記外管の内周面には、前記一対の内管とは逆向きの螺旋状のリブが、２〜１８本設けられている、熱交換器。
【請求項２】
前記外管は、高分子材料で構成されている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記外管と前記捩り管の間を流れる第１流体と前記捩り管内を流れる第２流体は対向流を形成する、請求項１または２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記外管と前記捩り管の間を流れる第１流体は水であり、前記捩り管内を流れる第２流体は冷媒である、請求項１〜３の何れか一項に記載の熱交換器。
【請求項５】
冷媒を循環させるヒートポンプ回路中の放熱器として請求項４に記載の熱交換器を備える、ヒートポンプ給湯装置。

【図１】