(57)【要約】【課題】良好な耐圧強度を備えると共に、熱交換される２流体の伝熱促進をバランスよく実現して高い熱交換性能を発揮する熱交換器を提供すること。【解決手段】直管状の外管１２内に直管状の内管１４を挿入、配置すると共に、外管１２と内管１４との間の間隙内に、その管壁が管外方と管内方に交互に屈曲・突出せしめられて、管軸方向に螺旋状に延びるフィン１８が管内外面に形成されてなる捩り管形状の中管１６を同軸的に配置し、かかるフィン１８の外面側のフィン先端部２２を外管１２の内面と密接嵌合させて外側流路２６を形成する一方、フィン１８の内面側のフィン先端部２４を内管１４の外面と密接嵌合させて内側流路２８を形成して、熱交換器１０を構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直管状の外管内に直管状の内管が挿入、配置されると共に、該外管と該内管との間の間隙内に同軸的に中管が配置されてなる形態の熱交換器であって、
該中管として、管壁が管外方と管内方に交互に屈曲・突出せしめられて、管軸方向に螺旋状に延びるフィンが管内外面に形成されてなる捩り管が用いられて、該捩り管の外面側のフィンの先端部が前記外管の内面に密接嵌合させられ、該外管と該捩り管との間に螺旋状の外側流路が形成される一方、該捩り管の内面側のフィンの先端部が前記内管の外面に密接嵌合させられ、該捩り管と該内管との間に螺旋状の内側流路が形成されて、それら外側流路と内側流路とにそれぞれ別個の流体が流通せしめられ、それら流体間で熱交換が行われるように構成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記外管の径方向外側に、前記捩り管と同様な構造の追加捩り管と直管状の外挿管とが少なくとも１組以上交互に順次配設されて、該追加捩り管毎に、その両側に、追加の螺旋状の流路がそれぞれ形成されるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、管の内側を流れる流体と管の外側を流れる流体との間で熱交換を行う熱交換器に関し、特に、給湯器用として用いられる液−液熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、給湯器用として用いられる熱交換器としては、大径の外管の内部に小径の伝熱管を配置し、内管と外管との間の間隙に第１の流体を流通させる一方、内管内に第２の流体を流通させることによって、それら第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行なうように構成した二重管式の熱交換器や、複数枚の伝熱プレートを重ね合わせて、隣接する伝熱プレートの間に流路を形成し、そこに熱交換媒体を交互に流通させるように構成したプレート式熱交換器等が知られている。
【０００３】
そのような二重管式熱交換器として、例えば、特開２００１−２０１２７５号公報（特許文献１）においては、内管と外管との間に、外管の内側流路を螺旋状に仕切る伝熱促進体を介設して、内管と外管との間に形成される流路の流路長さを増大させると共に、流路を流れる流体の流速や乱流化を増加させることによって、内管内を流れる流体から内管と外管との間を流れる流体への伝熱が促進されるようにした二重管式熱交換器が、明らかにされている。また、特開２００７−８５５９５号公報（特許文献２）においては、スパイラル状のひだ形中空フィンを有する内管と、該内管の外側に配置された外管から構成された給湯器用の液−液熱交換器が、明らかにされている。
【０００４】
しかしながら、これらの二重管式熱交換器にあっては、各々、流通する流体に伝熱促進効果を付加すべく工夫はされているが、その効果は充分とはいえず、特に、熱交換を行う二つの流体に対する各々の伝熱促進効果において、その差が大きく、アンバランスなものであった。例えば、特許文献１にて明らかにされている二重管式熱交換器にあっては、内管と外管の間に伝熱促進体を介設することによって、内管と外管の間隙を流通する流体の伝熱促進効果を向上させているが、内管内を流通する流体側の伝熱促進効果は、充分ではないのである。そのため、そこでは、内管内にねじれテープ等からなる内管用伝熱促進体を挿入することも明らかにはされているが、それだけでは充分な伝熱促進効果を発揮するものではなかった。しかも、そのように内管内にねじれテープを挿入したり、内管と外管の間に螺旋状の伝熱促進体を介設したりすると、流通する流体の圧力損失を増大させることになるため、好ましくないのである。
【０００５】
また、特許文献２において明らかにされている熱交換器にあっては、ねじり力により壁面座屈させて形成されたスパイラル状のひだ形中空フィンを有する伝熱管を内管として、内管内を流れる流体や内管と外管の間を流れる流体の伝熱面積を共に増加させると共に、両流体に乱流効果を作用させて、熱交換効率の向上を図っているのであるが、内管内を流通する流体が、そのような形状とされた内管の中空フィン内に入り難く、そのため、内管内における伝熱促進効果は、期待できないものであった。
【０００６】
一方、特開平２−８９９９１号公報（特許文献３）にて明らかにされているプレート式熱交換器にあっては、伝熱促進効果の良好な熱交換器ではあるが、その構造上、耐圧強度不足を招きやすいという欠点を内在するものであった。また、特開２００７−３２２０５１号公報（特許文献４）にて明らかにされているヒートポンプ式給湯装置にて用いられているプレート式熱交換器、即ち、かかる特許文献４の図３において断面形状が記載されているようなプレート式熱交換器にあっては、流路断面形状のバランスが悪く、特に、内側の流路の伝熱促進効果は期待できないものであった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−２０１２７５号公報
【特許文献２】特開２００７−８５５９５号公報
【特許文献３】特開平２−８９９９１号公報
【特許文献４】特開２００７−３２２０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここにおいて、本発明は、かかる事情を背景にして為されたものであって、その解決課題とするところは、良好な耐圧強度を備えると共に、熱交換される２流体の伝熱促進をバランスよく実現した、高い熱交換性能を発揮する熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、本発明にあっては、かくの如き課題の解決のために、直管状の外管内に直管状の内管が挿入、配置されると共に、該外管と該内管との間の間隙内に同軸的に中管が配置されてなる形態の熱交換器であって、該中管として、管壁が管外方と管内方に交互に屈曲・突出せしめられて、管軸方向に螺旋状に延びるフィンが管内外面に形成されてなる捩り管が用いられて、該捩り管の外面側のフィンの先端部が前記外管の内面に密接嵌合させられ、該外管と該捩り管との間に螺旋状の外側流路が形成される一方、該捩り管の内面側のフィンの先端部が前記内管の外面に密接嵌合させられ、該捩り管と該内管との間に螺旋状の内側流路が形成されて、それら外側流路と内側流路とにそれぞれ別個の流体が流通せしめられ、それら流体間で熱交換が行われるように構成したことを特徴とする熱交換器を、その要旨とするものである。
【００１０】
なお、この本発明に従う熱交換器の望ましい態様の一つによれば、前記外管の径方向外側に、前記捩り管と同様な構造の追加捩り管と直管状の外挿管とを少なくとも１組以上交互に順次配設し、該追加捩り管毎に、その両側に追加の螺旋状の流路をそれぞれ形成して構成されることとなる。
【発明の効果】
【００１１】
従って、このような本発明に従う構成とされた熱交換器によれば、外管と内管との間の間隙内に同軸的に配置された捩り管である中管が、外管と内管との間の隙間を分割する隔壁となり、２つのほぼ等価な螺旋状の流路を形成しているところから、それぞれの流路を流れる２つの流体の伝熱促進効果がほぼ均等となり、以て、バランスのとれた熱交換器を実現することが可能となるのである。さらに、このように、２つの流路のバランスがとれているために、両流路間の隔壁を成す捩り管にかかる力も相殺されることとなり、その結果、耐圧強度にも優れた熱交換器とすることが出来るのである。
【００１２】
しかも、そのような捩り管である中管によって形成される２つの流路を流れる流体が、共に旋回流となるところから、それぞれの流路において有利に伝熱促進効果が発揮されることとなり、大きな伝熱効果を実現することが可能となる。
【００１３】
さらに、かかる熱交換器にあっては、比較的単純な形態である捩り管にて構成される中管と、直管状の外管と内管とを使用し、これらを組み付けるだけで、目的とする熱交換器を構成することが可能であるところから、比較的容易に熱交換器を製作することが出来ると共に、生産コストも有利に低減することが出来ることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に従う熱交換器の一例を、その一部を切り欠いた断面にて示す、正面説明図である。
【図２】図１に示される熱交換器の軸方向に平行な断面を示す縦断面説明図である。
【図３】本発明に従う熱交換器の別の一例を、軸方向に平行な断面の形態にて示す縦断面説明図である。
【図４】従来の構成の二重管式熱交換器を示す説明図であって、（ａ）は、その縦断面形態を、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ断面を、それぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明を更に具体的に明らかにするために、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ、詳細に説明することとする。
【００１６】
先ず、図１には、本発明に従う熱交換器の一実施形態が、その一部が切り欠かれた断面を表す正面図の形態において、示されている。かかる図において、熱交換器１０は、直管状の外管１２内に直管状の内管１４が挿入され、それらが同軸的に配置されると共に、かかる外管１２の内周面と内管１４の外周面との間に形成される間隙内に、管内外周面に所定高さのフィン１８が管軸方向に螺旋状に連続して延びるように形成されている中管１６が同軸的に配置されて、構成されている。
【００１７】
より詳細には、外管１２及び内管１４は、アルミニウムや銅又はそれらの合金等の金属材料を用いて形成された、略円形形状の断面をもつ直管状の管体とされている。そして、そのサイズとしては、要求される熱交換器１０の大きさや熱交換性能等に応じて、適宜に決定されることとなるが、一般に、外管１２が、１２．７〜２５．４ｍｍ程度の管外径（Ｄ1  ）を有すると共に、内管１４は、かかる外管１２よりも小径とされ、外管１２の内部に挿入、配置され得る、９．５２〜２２．２ｍｍ程度の管外径（Ｄ3 ）を有している。また、そのような大きさの管外径とされた外管１２や内管１６は、一般に、０．２５〜１．３ｍｍ程度の管肉厚を有している。
【００１８】
一方、中管１６は、アルミニウムや銅又はそれらの合金等からなる金属材料を用いて形成された捩り管であって、前述した外管１２や内管１４と同程度の、或いはそれらよりも薄肉の厚さとされた管壁が、管外方と管内方に交互に屈曲・突出せしめられることによって、所定高さ（Ｈ）のフィン１８として、管軸方向に螺旋状に連続して延びるように管内外面に形成されている。なお、かかるフィン１８は、管軸方向において所定のリード角と所定の間隔をもって形成されているが、一般に、リード角（螺旋角度）が４５〜８５°程度、間隔（ピッチ）：Ｐが２〜６ｍｍ程度とされている。
【００１９】
そして、そのような形状とされた中管１６が、外管１２と内管１４との間に形成される間隙内に配置された状態、即ち、外管１２内に中管１６、そして中管１６内に内管１４という様に、外管１２内に中管１６と内管１４を順次挿入して、それらを同軸的に配置した状態において、中管１６のフィン１８が、外面側のフィン先端部２２において外管１２の内周面と密接嵌合せしめられている一方、内面側のフィン先端部２４において内管１４の外周面と密接嵌合させられて、それらが一体となった熱交換器１０が形成されているのである。
【００２０】
また、このように、外管１２と内管１４との間に形成される間隙内に配置された中管１６の、フィン１８の内外面のそれぞれのフィン先端部２２，２４が、外管１２の内周面や内管１４の外周面とそれぞれ密接嵌合させられていることによって、それぞれ独立した２つの螺旋状の外側流路２６と内側流路２８が管軸方向に連続して形成されている。即ち、図２に拡大して示される如く、中管１６の外面側の隣り合うフィン１８，１８の間に形成される溝と外管１２の内周面との間の空間に外側流路２６が形成される一方、中管１６の内面側の隣り合うフィン１８，１８の間に形成される溝と内管１４の外周面との間の空間に内側流路２８が形成されている。つまり、換言すれば、外管１２と内管１４との間に形成されている間隙を、その間隙内に配置された中管１６の管壁によって、２つの独立した外側流路２６と内側流路２８に分割しているのである。
【００２１】
そして、かかる熱交換器１０にあっては、このようにして形成された外側流路２６と内側流路２８の２つの流路に、それぞれ別個の流体が流通せしめられることによって、それらの２流体間で熱交換が行われるようになっている。
【００２２】
このように、本発明に従う構造の熱交換器１０によれば、中管１６によって分割された外管１２と内管１４との間の間隙が、２つのほぼ等価な螺旋状の外側流路２６と内側流路２８とされているところから、それぞれの流路２６，２８を流れる２つの流体の伝熱促進効果をほぼ均等とすることが可能となる。そして、そのように、２つの流路２６，２８がほぼ等価とされ、構造的にもバランスがとれた構成とされているところから、両流路間の隔壁となる中管１６にかかる力も相殺されることとなり、その結果、熱交換器１０の耐圧強度をも、有利に向上し得ることとなる。
【００２３】
さらに、それぞれの流路２６，２８が螺旋状に延びる流路となっており、そのため、それら流路内を流通せしめられる流体が、共に旋回流となるところから、それぞれの流路において効果的に伝熱促進効果が発揮されることとなり、以て、大きな伝熱効果が実現され得るのである。
【００２４】
加えて、かかる熱交換器１０にあっては、単純な直管状の外管１２や内管１４と、比較的単純な形態である捩り管の中管１６とを組み付けるのみで、目的とする熱交換器１０を構成することが可能であるところから、熱交換器１０の製作性を有利に向上し得ると共に、その生産コストも有利に低減することが可能となる効果も、発揮されることとなる。
【００２５】
以上、本発明の代表的な実施形態の一つについて詳述してきたが、それは、あくまでも例示に過ぎないものであって、本発明は、そのような実施形態に係る具体的な記述によって、何等限定的に解釈されるものではないことが、理解されるべきである。
【００２６】
例えば、前述した実施形態においては、外管１２と内管１４との間の間隙に、中管１６を配設して、２つの螺旋状の流路２６，２８が形成せしめられた熱交換器１０を例示したが、図３に示される如く、外管１２の径方向外側に、中管１４と同様な構造とされた捩り管３２と、更にその捩り管３２の径方向外側に、直管状の外挿管３４とを配設して、捩り管３２の内外面のフィン先端部が、それぞれ、外管１２の外周面や外挿管３４の内周面と密接嵌合せしめられるようにすることによって、更に２つの螺旋状の流路３６，３８が形成された熱交換器３０とすることも可能である。このような熱交換器３０によれば、４つの流路が形成された熱交換器をコンパクトに構成することが出来ると共に、３種類以上の温度レベルの流体間での熱交換が可能となるといった効果が、有利に実現され得ることとなる。
【００２７】
なお、図３に例示した、１組の捩り管３２と直管状の外挿管３４とを、外管１２の径方向外側に配設したものの他にも、２組や３組、或いはそれ以上の組数の捩り管と外挿管とを、外管１２の径方向外側に交互に順次配設して、それぞれの追加の捩り管と外挿管毎に追加の螺旋状の流路が形成されるようにし、より多くの流体間において熱交換が可能となるようにした熱交換器とすることも、勿論可能である。
【００２８】
その他、一々列挙はしないが、本発明が、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施されるものであり、またそのような実施の態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて、何れも、本発明の範疇に属するものであることは、言うまでもないところである。
【実施例】
【００２９】
以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本発明の特徴を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明が、そのような実施例の記載によって、何等の制約をも受けるものでないことは、言うまでもないところである。
【００３０】
先ず、図１に示されるような、本発明に従う構造の熱交換器を製造するために、その外管（１２）として用いる管体として、外径：２１．０ｍｍ、肉厚：０．７ｍｍの、りん脱酸銅（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００  Ｃ１２２０）からなる、断面が単純な円形の大径の平滑管を準備した。また、内管（１４）として用いる管体として、外管と同様のりん脱酸銅からなる、外径：１２ｍｍ、肉厚：０．６ｍｍの、断面が単純な円形の小径の平滑管を準備した。更に、中管（１６）として用いる捩り管として、外径：１９．１ｍｍ、内径：１２．５ｍｍ、肉厚：０．７ｍｍの、山部ピッチ：３．０ｍｍ、山部高さ：２．６ｍｍの、外管や内管と同様のりん脱酸銅からなる捩り管を準備した。なお、このような中管として用いた捩り管は、従来から公知の手法を用いて製作した。即ち、特開平２−２４２０９１号公報に記載されているような、平滑管の両端を把持装置にて把持せしめ、平滑管内に縮径量規制部材を挿入した状態で、その平滑管の軸心方向に圧縮力を作用させつつ、平滑管の両端を軸心周りに互いに反対方向に回転させる手法で製造した。
【００３１】
次いで、このように準備された３種類のりん脱酸銅管を組み合わせて、中管内に内管を挿入し、更に中管を外管内に挿入した後、公知の合わせ抽伸加工等の操作によって、外管を外径（Ｄ1 ）：２０ｍｍとなるまで縮径して、中管の内外面のフィン先端部を、それぞれ外管の内周面や内管の外周面と機械的に圧着して、図１に示される如き、本発明に従う熱交換器（１０）を作製して、これを実施例１とした。この外管の縮径後の各管体の寸法は、外管（１２）が、外径（Ｄ1 ）：２０ｍｍ、内径（Ｄ2 ）：１８．６ｍｍ、肉厚＝０．７ｍｍ、内管（１４）が、外径（Ｄ3 ）：１２ｍｍ、内径（Ｄ2 ）：１０．８ｍｍ、肉厚＝０．６ｍｍ、中管（１６）が、外径：１８．６ｍｍ、内径：１２ｍｍ、肉厚＝０．７ｍｍ、山部ピッチ（Ｐ）：３．０ｍｍ、山部高さ（Ｈ）：２．６ｍｍとなるようにした。
【００３２】
一方、比較のために、図４に示されるような、大径の外管４２内に小径の内管４４を挿入、配置することにより構成した形態の、単純な二重管式の熱交換器４０を製作し、これを、比較例１とした。なお、かかる熱交換器４０の外管４２として用いる管体としては、外径（Ｄ5 ）：２０ｍｍ、内径（Ｄ6 ）：１８．６ｍｍ、肉厚：０．７ｍｍの、りん脱酸銅（ＪＩＳ  Ｈ  ３３００  Ｃ１２２０）からなる、断面が単純な円形の大径の平滑管を用い、また内管４４として用いる管体としては、外管と同様のりん脱酸銅からなる、外径（Ｄ7 ）：１６ｍｍ、内径（Ｄ8 ）：１４．６ｍｍ、肉厚：０．７ｍｍの、断面が単純な円形の小径の平滑管を用いた。
【００３３】
そして、上記のようにして準備した実施例１と比較例１の熱交換器において、一方の流路内に、８０℃の高温水を流通させる一方、他方の流路内には、２５℃の低温水を流通させて、それら高温水と低温水との間で熱交換を行い、それぞれの熱交換器の熱交換性能を測定した。なお、ここでは、実施例１の熱交換器においては、中管（１６）の内面側のフィン先端部（２４）と内管（１４）の外周面から形成される内側流路（２８）に、高温水を４Ｌ／ｍｉｎの流速で流通させ、中管（１６）の外面側のフィン先端部（２２）と外管（１２）の内周面から形成される外側流路（２６）に、低温水を８Ｌ／ｍｉｎの流速で流通させた。一方、比較例１の熱交換器においては、内管４４の内側となる流路４８内に高温水を４Ｌ／ｍｉｎの流速で流通させ、外管４２の内周面と内管４４の外周面の間の間隙に形成される流路４６内には、低温水を８Ｌ／ｍｉｎの流速で流通させた。なお、それらの水の流通方向は、それぞれの流通方向が反対方向となる方向に、即ち対向流となるように流通させた。
【００３４】
上記の熱交換性能評価試験の結果、本発明に従う構成とされた実施例１の熱交換器にあっては、比較例１の従来の構成である単純な二重管式熱交換器に比べて、熱交換性能が２５％向上することを確認した。
【００３５】
また、他の実施例として、図３に示される如き、一組の捩り管と外挿管とを追加して、螺旋状の流路が４つ形成された形態の熱交換器を製作した。即ち、先ず、上述した実施例１の熱交換器を構成するために用意した外管（１２）、内管（１４）、中管（１６）と同様の管体を準備し、更に、それらよりも大径とされた、追加の捩り管（３２）と、外挿管（３４）として用いる断面が単純な円形の平滑管を準備した。なお、それらの管材質は、外管（１２）等と同様に、りん脱酸銅とした。
【００３６】
そして、このように準備された５種類のりん脱酸銅管を組み合わせて、実施例１の熱交換器を構成したときと同様に、中管（１６）内に内管（１４）を挿入した後、それらを外管（１２）内に挿入し、更にそれを捩り管（３２）内に、外挿管（３４）内に、と順次挿入し、その後、公知の合わせ抽伸加工等の操作によって、外挿管を縮径して、外挿管（３４）の内周面や外管（１２）の外周面を捩り管（３２）の内外面のフィン先端部と密接嵌合させて流路（３６，３８）を形成すると共に、外管（１２）の内周面や内管（１４）の外周面を中管（１６）の内外面のフィン先端部と密接嵌合させて流路（２６，２８）を形成せしめて、図３に示される如き熱交換器（３０）を作製した。
【００３７】
なお、外挿管（３４）を縮径させた後のそれぞれの管体の寸法は、外挿管（３４）が、外径：２８．６ｍｍ、内径：２６．６ｍｍ、外管（１２）が、外径：２０ｍｍ、内径：１８．６ｍｍ、内管（１４）が、外径：１２ｍｍ、内径：１０．８ｍｍとした。また、捩り管（３２）の外径及び内径は、外径側は外面側のフィン先端部が外挿管（３４）の内周面と密着嵌合させられているため、外挿管（３４）の内径と同径の２６．６ｍｍとなり、内径側は内面側のフィン先端部が外管（１２）の外周面と密着嵌合させられているため、外管（１２）の外径と同径の２０ｍｍとなっている。さらに、中管（１６）も同様の理由により、その外径が外管（１２）の内径と同径の１８．６ｍｍ、内径が内管（１４）の外径と同径の１２ｍｍとなっている。また、それら捩り管（３２）と中管（１６）の山部ピッチ（フィンピッチ）は、どちらも３ｍｍとし、更に、フィン高さは、どちらも２．６ｍｍとした。
【００３８】
そして、このようにして作製された熱交換器（３０）のそれぞれの流路に対して、高温水と低温水を流通させて、それらの間で熱交換が行われることを確認した。即ち、外管（１２）と内管（１４）との間に形成された２つの流路（２６，２８）のうち、一方の流路（２８）には８０℃の高温水を流通させる一方、他方の流路（２６）内に、２５℃の低温水を流通させ、更に、外管（１２）と外挿管（３４）との間に形成された２つの流路（３６，３８）のうち、一方の流路（３８）には８０℃の高温水を流通させる一方、他方の流路（３６）内に、２５℃の低温水を流通させて、それら４つの流体（水）間で、熱交換が可能であることを確認した。
【符号の説明】
【００３９】
１０  熱交換器
１２  外管
１４  内管
１６  中管
１８  フィン
２２，２４  フィン先端部
２６  外側流路
２８  内側流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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