專利名稱：熱交換器用傳熱管以及使用其的熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱交換器用傳熱管以及使用其其的熱交換器，尤其涉及自然冷媒熱泵式熱水器(以下，也有僅稱為“熱泵熱水器”的情況)的水-冷媒熱交換器用傳熱管以及使用其的熱交換器。
背景技術(shù)：
一直以來，在使用公知的自然冷媒(例如，二氧化碳冷媒)的熱泵式熱水器中，一般使用放熱器和吸熱器兩種熱交換器，作為這些熱交換器所使用的傳熱管，使用放熱器用冷媒管及吸熱器用冷媒管。
另外，在該熱泵式熱水器中，放熱器也被稱為水-冷媒熱交換器，不僅使用上述兩種傳熱管，而且也使用與冷媒交換的其它傳熱管(放熱器用水管，以下也有僅稱為“水管”的情況)。并且，在這些傳熱管(放熱器用水管、放熱器用冷媒管、吸熱器用冷媒管)中，流動(dòng)在內(nèi)部的流體種類、壓力、流速等各不一樣，因此，各傳熱管所要求的技術(shù)規(guī)格也各不相同。
例如，作為自然冷媒熱泵式熱水器的水-冷媒熱交換器(以下，僅稱為“熱交換器”)，有由水流通的外管和冷媒流通的內(nèi)管的雙重管構(gòu)成的雙重管式熱交換器。此類雙重管式熱交換器的情況，當(dāng)冷媒流通的內(nèi)管由于腐蝕而有開孔時(shí)，則導(dǎo)致水與冷媒混合，因此，往往要進(jìn)行設(shè)置用于檢測水或冷媒的泄漏從而停止運(yùn)行裝置的泄漏檢測部(具有泄漏檢測槽的泄漏檢測管)(由于設(shè)有泄漏檢測管，所以實(shí)質(zhì)上構(gòu)成三重管的結(jié)構(gòu))。
另一方面，自然冷媒熱泵式熱水器在夜間煮水花費(fèi)時(shí)間，由于水的流速小而構(gòu)成層流，所以要想提高作為熱交換器的性能，提高作為瓶頸的水管的傳熱性能是不可缺少的。
作為以提高傳熱性能為目的的熱交換器，有一種在第一傳熱管內(nèi)配置將多條傳熱管扭成螺旋狀而構(gòu)成的第二傳熱管的裝置(參照專利文獻(xiàn)1日本特開2004-360974號(hào)公報(bào))。根據(jù)專利文獻(xiàn)1記載的熱交換器，可減少水的壓力損失或水垢成分的溶解析出，不必使用作為傳熱促進(jìn)體的其它部件也可促進(jìn)傳熱。
另外，存在一種以水管作為芯管并從外側(cè)卷繞冷媒管的熱交換器(參照專利文獻(xiàn)2日本特開2002-228370號(hào)公報(bào))。作為該芯管，公開了如下結(jié)構(gòu)除了平滑管，還有作成波紋管或內(nèi)面附有槽的管的結(jié)構(gòu)，或?qū)⑴で宀迦胄竟軆?nèi)部的結(jié)構(gòu)。根據(jù)該專利文獻(xiàn)2記載的熱交換器，記載了所取得的效果，如下制造·搬運(yùn)的便利性、熱交換性的提高、成本的降低等方面都具有效果。
但是，在專利文獻(xiàn)1記載的熱交換器中，存在如下問題將多條傳熱管扭成螺旋狀的工序本身復(fù)雜增加成本(扭轉(zhuǎn)容易發(fā)生壓碎或折曲等的變形的空心管的工序不像扭轉(zhuǎn)實(shí)心的金屬線的工序那樣容易)，而且分離第一傳熱管和第二傳熱管的熱交換器末端部分的處理(結(jié)構(gòu))也變得復(fù)雜。另外，還存在如下問題在設(shè)置上述泄漏檢測部時(shí)，必須將各個(gè)第二傳熱管作成雙重管等，進(jìn)一步造成高成本。
另外，在專利文獻(xiàn)2記載的熱交換器中，即便簡單地將芯管作成波紋形狀并將扭曲板插入芯管中，也無法得到所期望的傳熱性能，存在導(dǎo)致成本或壓力損失增大的情況。另外，在將芯管作成內(nèi)面附有槽的管的情況，即便增大傳熱面積，在流速小的層流區(qū)域中，無法得到由于增大傳熱面積而帶來的效果。再有，由于內(nèi)面附有槽的管受制造方法上的制約，所以很難形成在流速小的層流區(qū)域內(nèi)引起紊流效果那樣的較大的形狀變化。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種熱交換器用傳熱管以及使用其的熱交換器，其即便在如自然冷媒熱泵式熱水器那樣的水流速小的使用方式中，也可提高熱交換器的傳熱性能。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種傳熱管，其是一種作為構(gòu)成熱交換器的水管而使用的波紋形狀的傳熱管，在將上述波紋形狀的波紋槽深度設(shè)為Hc，并將波紋外徑設(shè)為OD時(shí)，滿足0.04≤Hc/OD。
本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，提供一種熱交換器，其特征在于，具備涉及上述本發(fā)明的傳熱管。
根據(jù)本發(fā)明可提供一種熱交換器用傳熱管以及使用其的熱交換器，其即便在如自然冷媒熱泵式熱水器那樣的水流速小的使用方式中，也可提高熱交換器的傳熱性能。


圖1是表示涉及本發(fā)明第一實(shí)施方式的傳熱管結(jié)構(gòu)的說明圖，(a)表示整體圖，(b)表示(a)的A區(qū)域的放大剖視圖。
圖2是表示涉及本發(fā)明第二實(shí)施方式的傳熱管結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖3是表示涉及本發(fā)明第三實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖4是表示涉及本發(fā)明第四實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖5是表示涉及本發(fā)明第五實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖6是表示涉及本發(fā)明第六實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖7是表示涉及本發(fā)明第七實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖8是比較涉及本發(fā)明第一實(shí)施方式的波紋傳熱管(實(shí)施例1)和平滑管(比較例1)及內(nèi)面附有槽的管(比較例2)的傳熱性能的圖表。
圖9是表示雷諾數(shù)Re為1000時(shí)的波紋傳熱管的Hc/OD與傳熱性能的關(guān)系(相對(duì)于平滑管的傳熱性能比)的圖表。
圖10是表示雷諾數(shù)Re為1000時(shí)的波紋傳熱管螺旋角βc與傳熱性能的關(guān)系(相對(duì)于平滑管的傳熱性能比)的圖表。
圖11是表示雷諾數(shù)Re為1000時(shí)的波紋傳熱管的Hc/OD與管摩擦系數(shù)的關(guān)系(相對(duì)于平滑管的管摩擦系數(shù)比)的圖表。
圖中1波紋槽，10、20波紋傳熱管，11外管，12泄漏檢測器，13泄漏檢測槽，100、200、300、400、500熱交換器，21波紋外管，31螺旋狀傳熱管具體實(shí)施方式
本發(fā)明的第一實(shí)施方式傳熱管的結(jié)構(gòu)圖1是表示涉及本發(fā)明第一實(shí)施方式的傳熱管結(jié)構(gòu)的說明圖，圖1(a)表示整體圖，圖1(b)表示圖1(a)的A區(qū)域的放大剖視圖。
涉及本實(shí)施方式的傳熱管(波紋傳熱管)10是一條加工后的波紋管，作為構(gòu)成熱交換器(例如，熱泵式熱水器用的水-冷媒熱交換器)的水管而使用。即，在流動(dòng)于傳熱管10內(nèi)的水與流動(dòng)于傳熱管10外的冷媒之間進(jìn)行熱交換。所謂波紋管是指通常在其內(nèi)外面具有波紋形螺旋結(jié)構(gòu)的管。
涉及本實(shí)施方式的波紋傳熱管10，其特征在于，在將波紋形狀的波紋槽深度設(shè)為Hc，并將波紋外徑設(shè)為OD時(shí)，表示相對(duì)外徑的凹凸比Hc/OD比普通的內(nèi)面附有槽的管要大(在內(nèi)面附有槽的管中，凹凸比用“槽深/外徑”表示)，并滿足0.04≤Hc/OD。期望是0.04≤Hc/OD≤0.1，優(yōu)選0.04≤Hc/0D≤0.07。通過使Hc/OD在上述范圍內(nèi)，可獲得良好的傳熱性能。另外，還可獲得低壓力損失。
另外，以波紋傳熱管10的波紋槽1與管軸Ta所成的角作為扭曲角βc，期望是40°以上的高扭曲形狀。優(yōu)選是40°≤βc≤82°。這樣一來，可促進(jìn)越過凹凸后的流體的紊流化。再有，基于上述波紋管的定義，扭曲角βc是0°＜βc＜90°的范圍。
波紋傳熱管10的末端平滑部分厚度Tw或波紋螺距Pc不作特別限定，例如，可使用0.4mm≤Tw≤1.7mm、3mm≤Pc≤10mm的管。另外，作為材質(zhì)不作特別限定，考慮到熱傳導(dǎo)率或機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)選使用銅或銅合金、或鋁或鋁合金等。
本發(fā)明的第二實(shí)施方式傳熱管的結(jié)構(gòu)圖2是表示涉及本發(fā)明第二實(shí)施方式的傳熱管結(jié)構(gòu)的說明圖。
與涉及第一實(shí)施方式的波紋傳熱管10是用一條加工后的波紋管相比，涉及本實(shí)施方式的波紋管20是用三條加工后的波紋管，作為構(gòu)成熱交換器的水管而使用。如果條數(shù)增多，則由于提高加工速度，成本上的優(yōu)點(diǎn)也增大。
扭曲角βc在用三條加工的情況，有比用一條加工的扭曲角βc變小的傾向，通過減小相鄰的波紋槽1的間隔，即、波紋螺距Pc，可實(shí)現(xiàn)在內(nèi)面附有槽的管中很難制造的40°以上的高扭曲角。
其次，說明有關(guān)具備上述波紋傳熱管的熱交換器。
本發(fā)明的第三實(shí)施方式熱交換器的結(jié)構(gòu)圖3是表示涉及本發(fā)明第三實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
涉及本實(shí)施方式熱交換器(雙重管式熱交換器)100，以涉及上述本發(fā)明實(shí)施方式的傳熱管(例如，波紋傳熱管10)作為內(nèi)管，其外側(cè)具備外管11，在波紋傳熱管10與外管11之間的環(huán)狀通道中流動(dòng)冷媒而形成。
本發(fā)明的第四實(shí)施方式熱交換器的結(jié)構(gòu)圖4是表示涉及本發(fā)明第四實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
涉及本實(shí)施方式熱交換器(三重管式熱交換器)200，以涉及上述本發(fā)明實(shí)施方式的傳熱管(例如，波紋傳熱管10)作為內(nèi)管，在其外周上為了形成泄漏檢測部(泄漏檢測槽13)而連接配置由平滑管構(gòu)成的泄漏檢測管12，再有，在泄漏檢測管12的外側(cè)配置有外管11，在泄漏檢測管12與外管11之間的環(huán)狀通道內(nèi)使流動(dòng)冷媒而形成。
本發(fā)明的第五、第六實(shí)施方式熱交換器的結(jié)構(gòu)圖5是表示涉及本發(fā)明第五實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。另外，圖6是表示涉及本發(fā)明第六實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
圖5、6所示的熱交換器300、400，是以圖3、4的熱交換器中的外管作為波紋管(波紋外管21)的裝置，由此，可提高可撓性。
本發(fā)明的第七實(shí)施方式熱交換器的結(jié)構(gòu)圖7是表示涉及本發(fā)明第七實(shí)施方式的熱交換器結(jié)構(gòu)的說明圖。
涉及本實(shí)施方式的熱交換器500是沿著上述本發(fā)明的實(shí)施方式的傳熱管(例如，波紋傳熱管10)的波紋槽1卷繞冷媒流通用的螺旋狀傳熱管31而構(gòu)成。再有，對(duì)應(yīng)所需，也有利用釬焊等固定安裝波紋槽1和傳熱管31的情況。
在熱交換器500中，在流動(dòng)于傳熱管10內(nèi)的水與流動(dòng)于螺旋狀傳熱管31內(nèi)的冷媒之間進(jìn)行熱交換。另外，通過沿著波紋槽1卷繞傳熱管31，可增大傳熱管10與傳熱管31的有效接觸面積。
本發(fā)明的其它實(shí)施方式作為本發(fā)明的實(shí)施方式，除了上述第一～第七的實(shí)施方式以外，還有各種方式，例如，舉出以下方式。
(1)說明了有關(guān)一條和三條的傳熱管，但也可以是兩條或四條以上。一條～三條的波紋傳熱管在易于實(shí)現(xiàn)在內(nèi)面附有槽的管中很難實(shí)現(xiàn)的高螺旋角這一點(diǎn)上優(yōu)選。
本發(fā)明實(shí)施方式的效果采用本發(fā)明實(shí)施方式，可獲得以下效果。
(1)熱泵式熱水器用的水-冷媒熱交換器中的水流速非常小，存在在現(xiàn)有的傳熱管(平滑管或內(nèi)面附有槽的管等)中由于形成層流而導(dǎo)致傳熱性能非常低的問題。另外，在使用了波紋管的現(xiàn)有傳熱管中，表示相對(duì)外徑的凹凸比Hc/OD未被限定，有關(guān)傳熱性能的效果不明確。與此相對(duì)，如果采用涉及本實(shí)施方式的波紋傳熱管，則表示相對(duì)外徑的凹凸比Hc/OD與內(nèi)面附有槽的管相比，以低成本便可得到充足的大小，并且，利用由流體越過規(guī)定的該Hc/OD的凹凸所帶來的紊流效果，可實(shí)現(xiàn)大幅提高傳熱性能。尤其是在現(xiàn)有產(chǎn)品中的很難提高性能的低雷諾數(shù)Re區(qū)域(例如，1000～5000，尤其是1000～3000)中，與平滑管相比可實(shí)現(xiàn)2倍以上的性能。
(2)采用涉及本實(shí)施方式的波紋傳熱管，由于可將波紋槽與管軸所構(gòu)成的角(扭曲角βc)作成在內(nèi)面附有槽的管中很難做到的40°以上的高扭曲形狀，所以可增大流體越過凹凸的頻率，可促進(jìn)流體的紊流效果。另外，通過調(diào)整條數(shù)和波紋螺距Pc的關(guān)系，與內(nèi)面附有槽的管等相比，可以低成本增大扭曲角βc。
(3)采用上述第三～第六實(shí)施方式的熱交換器，不僅提高作為水管的傳熱性能，而且由于可獲得極大的相對(duì)冷媒的水管傳熱面積，所以提高作為熱交換器的效率。再有，采用上述第三、五實(shí)施方式，不僅可提高水管的傳熱性能，還可以實(shí)現(xiàn)冷媒側(cè)的傳熱性能的提高。
(4)與內(nèi)面附有槽的管相比，可較為簡單地設(shè)置較大的泄漏檢測部。即，通常為了形成泄漏檢測器，作為泄漏檢測器必須使用具有高散熱性的內(nèi)面附有槽的管，但由于將內(nèi)管作為波紋傳熱管，所以，可容易地(以低成本)獲得較大的泄漏檢測槽，可將泄漏檢測管12作成平滑管。
(5)采用上述第五、六實(shí)施方式，通過將外管也作成波紋管，所以可提高可撓性。
(6)采用上述第七實(shí)施方式，通過將冷媒流動(dòng)的外管呈螺旋狀地卷繞在波紋傳熱管的波紋槽上，可使其具有可撓性。另外，通過將冷媒流動(dòng)的外管沿著波紋槽卷繞，與在平滑管或內(nèi)面附有槽的管上卷繞外管相比，可增大外管和水管(卷繞外管的傳熱管)的有效接觸面積(有效傳熱面積)。
實(shí)施例1圖8是在層流區(qū)域(雷諾數(shù)Re小的區(qū)域)中，比較涉及本發(fā)明第一實(shí)施方式的波紋傳熱管(實(shí)施例1)和平滑管(比較例1)及內(nèi)面附有槽的管(比較例2)的傳熱性能的圖表。表1表示用于試驗(yàn)的波紋傳熱管與內(nèi)面附有槽的管的規(guī)格，任意一種傳熱管其材質(zhì)都采用磷脫氧銅，外徑(OD)為9.52mm。這里，傳熱性能是指為了抵消流體的物性影響，而定義為用努賽爾數(shù)Nu除以普蘭特?cái)?shù)Pr的0.4次方(Nu/Pr0.4，以下的實(shí)施例也相同)所得的結(jié)果。另外，利用與用熱泵式熱水器實(shí)際所使用的水流量相對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)Re(1000、2000、3000)進(jìn)行比較。
表1表1.試驗(yàn)管的規(guī)格

從圖8中可明確在評(píng)價(jià)的雷諾數(shù)Re區(qū)域，內(nèi)面附有槽的管(比較例2)與平滑管(比較例1)具有大致相同的傳熱性能，與此相對(duì)，波紋傳熱管10具有3倍以上的傳熱性能，大幅提高了性能。
實(shí)施例2圖9是表示雷諾數(shù)Re為1000時(shí)的波紋傳熱管的Hc/OD與傳熱性能的關(guān)系(相對(duì)于平滑管的傳熱性能比)的圖表。波紋傳熱管的扭曲角βc和條數(shù)與實(shí)施例1(表1)相同。另外，如圖8所示，在該流速區(qū)域中，由于內(nèi)面附有槽的管的傳熱性能與平滑管相同，所以比較波紋傳熱管的傳熱性能與平滑管的傳熱性能。
從圖9中可明確在Hc/OD不足0.04時(shí)，傳熱性能急劇下降。由此，期望滿足0.04≤Hc/OD。
實(shí)施例3圖10是表示雷諾數(shù)Re為1000時(shí)的波紋傳熱管扭曲角βc與傳熱性能的關(guān)系(相對(duì)于平滑管的傳熱性能比)的圖表。波紋傳熱管的Hc/OD和條數(shù)與實(shí)施例1(表1)相同。另外，如圖8所示，在該流速區(qū)域中，由于內(nèi)面附有槽的管的傳熱性能與平滑管相同，所以比較波紋傳熱管的傳熱性能與平滑管的傳熱性能。
從圖10中可明確如果Hc/OD＝0.1，即便扭曲角βc較小(例如，βc＝35°)，傳熱性能比平滑管高約1.5倍左右，通過作成βc≥40°的高扭曲角，可將傳熱性能提高到高于平滑管的2倍以上。
實(shí)施例4圖11是表示雷諾數(shù)Re為1000時(shí)的波紋傳熱管的Hc/OD與管摩擦系數(shù)的關(guān)系(相對(duì)于平滑管的管摩擦系數(shù)比)的圖表。這里，所謂管摩擦系數(shù)，可以是以ΔP＝λ×L/de×(ρv2)/2的關(guān)系式所規(guī)定的量綱為1的λ，并可看作是抵消流道面積或流體流速等影響的壓力損失的指標(biāo)。再有，ΔP表示傳熱管的壓力損失，L表示傳熱管長，de表示傳熱管的相當(dāng)直徑(4×流道面積/濡濕邊緣長度)，ρ表示流體密度，v表示流體的流速。波紋傳熱管的扭曲角βc和條數(shù)與實(shí)施例1(表1)相同。另外，如圖8所示，在該流速區(qū)域中，由于內(nèi)面附有槽的管的傳熱性能與平滑管相同，所以將波紋傳熱管的傳熱性能與平滑管的傳熱性能進(jìn)行了比較。
從圖11中可明確判定在Hc/OD不足0.04時(shí)，與傳熱性能比相同，管摩擦系數(shù)比也急劇下降，無法促進(jìn)紊流。另一方面，在Hc/OD為0.04或其以上時(shí)，管摩擦系數(shù)比(即，壓力損失比)持續(xù)增加。再有，可知在Hc/OD超過0.1時(shí)(0.1＜Hc/OD)時(shí)，導(dǎo)致管摩擦系數(shù)比超過傳熱性能比(參照?qǐng)D9)(例如，在Hc/OD＝1.1時(shí)，對(duì)于傳熱性能比為4.3，管摩擦系數(shù)比為4.5)。因此，期望滿足0.04≤Hc/OD≤0.1，可提供低壓力損失且高性能的波紋傳熱管。
權(quán)利要求
1.一種傳熱管，是作為構(gòu)成熱交換器的水管而使用的波紋形狀的傳熱管，其特征在于，在將上述波紋形狀的波紋槽深度設(shè)為Hc，并將波紋外徑設(shè)為OD時(shí)，滿足0.04≤Hc/OD。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱管，其特征在于，滿足0.04≤Hc/OD≤0.1。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳熱管，其特征在于，在將上述波紋形狀的波紋槽與上述傳熱管的管軸所成的角設(shè)為扭曲角βc時(shí)，βc≥40°。
4.一種熱交換器，其特征在于，具備權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的傳熱管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換器，其特征在于，以上述傳熱管為內(nèi)管，其外側(cè)具備外管，形成為使冷媒在上述傳熱管與上述外管之間的環(huán)狀部中流動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換器，其特征在于，在上述傳熱管的外周上配置平滑管，以形成泄漏檢測部，還在上述平滑管外側(cè)配置外管，形成為使冷媒在上述平滑管和上述外管之間的環(huán)狀部中流動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的熱交換器，其特征在于，上述外管為波紋管。
8.一種熱交換器，其特征在于，在權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的傳熱管上卷繞冷媒流通用傳熱管而構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種熱交換器用傳熱管以及使用其的熱交換器，其即便在如熱泵式熱水器那樣的水流速小的使用方式中，也可提高熱交換器的傳熱性能。熱交換器(100)，由以下部件構(gòu)成波紋傳熱管(10)，其在將波紋槽深度設(shè)為Hc，并將波紋外徑設(shè)為OD時(shí)，0.04≤Hc/OD，在將波紋槽與管軸(Ta)所成的角作為扭曲角βc時(shí)，βc≥40°；以及，外管(11)，其配置在波紋傳熱管(10)的外側(cè)。
文檔編號(hào)F28D7/10GK101021393SQ20071000652
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月15日
發(fā)明者堀口賢, 菊地賢一, 小林隆一, 法福守, 兒玉健二, 野村克己 申請(qǐng)人:日立電線株式會(huì)社