(57)【要約】【課題】外管１０内に複数の内管２０を内装した管式熱交換器の熱交換率を向上させる。【解決手段】内管２０の内外周面にその長さ方向に向かって螺旋溝２１、２２が形成され、その複数の内管２０がその長さ方向に向かって螺旋状にねじり合わされている。両螺旋溝２１、２２は、ローラ１の押圧によって同時に形成する。内管２０の内外面に螺旋溝２１、２２が形成されていると、その表面を流れる流体ａ、ｂは共に乱流となって熱交換率が向上する。このとき、内管２０のねじり合わせた方向と内管２０の螺旋溝２１、２２の螺旋方向とを逆にすれば、さらに乱流生成効果も増して熱交換率が向上する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一の流体（ｂ）が流れる外管（１０）と、その外管（１０）内に設けられて他の流体（ａ）が流れる複数本の内管（２０）とからなって、前記一の流体（ｂ）と他の流体（ａ）との間で熱交換する管式の熱交換器（Ａ）であって、
上記内管（２０）が、その外周面にその長さ方向に向かって螺旋溝（２１）が形成されたものであり、かつその複数の内管（２０）がその長さ方向に向かって螺旋状にねじり合わされていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
上記内管（２０）は、その内周面にも長さ方向の螺旋溝（２２）が形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
上記内管（２０）の内外面の螺旋溝（２１、２２）を、ローラ（１）の押圧によって同時に形成したものとしたことを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
上記複数の内管（２０）に、質の異なる熱交換媒体又は被熱交換媒体の上記他の流体（ａ）となる一方が流通し、上記外管（１０）に前記熱交換媒体又は被熱交換媒体の上記一の流体（ｂ）となる他方が流通し、上記ねじり合わされた内管（２０）全体が保護管（９）で被覆され、その保護管（９）は、各内管（２０）の外面に密着されて、保護管（９）の外面も内管（２０）の螺旋溝（２１）に倣って凹凸状となっていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の熱交換器。
【請求項５】
上記複数の内管（２０）と１本の円管（８、２０ｂ）への接続部は、前記複数の内管（２０）のそれぞれの端部が断面扇状に形成されてその扇状部分を寄せ集めた外周円状となって、その扇状部分を寄せ集めた外周円状部が、前記円管（８、２０ｂ）が水密に嵌め込まれている円筒状ヘッダー（７）の内面に水密に嵌め込まれていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一つに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、複数の内管と、その内管を内装する外管とからなり、その両管内の流体間で熱交換する管式熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、給湯装置として、圧縮機、給湯用熱交換器、膨張弁、及び外気を熱源とする熱源側熱交換器からなる冷凍サイクルと、給湯用熱交換器、給水ポンプ、及び給湯タンクからなる給湯サイクル（ヒートポンプユニット）とから構成されるものがある。この給湯装置は、給湯用熱交換器で、圧縮機からの高温冷媒によって給水ポンプからの水を加熱して湯とし、この湯を給湯タンクに貯蔵して台所や湯槽等に供給する（特許文献１、段落００２９〜００３３、図１、図２等参照）。
この給湯装置の場合、冷凍サイクルの熱交換媒体はＣＯ２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等であり、給湯サイクルの被熱交換媒体は主に水であり、異なる質（性状）の熱交換媒体と被熱交換媒体との間の熱交換を行う。
【０００３】
また、ヒートポンプユニットや電気加熱機等の加熱源で加熱された湯（温水）を、さらに、室内の熱交換器に送り込んで、床暖房等の熱交換媒体とするものもある。この場合、室内の熱交換器における熱交換媒体及び被熱交換媒体は共に水であって、例えば、少量の３５℃の温水から３０℃のそれより大量の温水に熱交換する。
さらに、複数のコルゲート管（螺旋管）を並列し、その並列したコルゲート管を内管としてその外周面に外筒（外管）を嵌めたものもある（特許文献２、図５〜図８参照）。
【０００４】
このような熱交換器において、複数の内管がその長さ方向に向かって螺旋状にねじり合わされている熱交換器がある（特許文献１、図２等参照）。
この熱交換器は、内管がねじり合わされていることにより、内外管の間（外管内）を流れる流体が螺旋状の流れとなって乱流が生じて内管表面との接触面積が大きくなり、熱交換率が高まる。
さらに、その各内管表面に長さ方向の溝を設けるとともに凹部を形成し、その凹部及び溝によって内外管の間を流れる流体を乱流としてさらなる熱交換率を高めたものもある（特許文献１、図２等参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−３２１８３号公報
【特許文献２】特開２０１２−２４９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記各内管表面に長さ方向の溝を設けるとともに凹部を形成し、その各内管をねじり合わせた熱交換器はそれなりに熱交換率が向上したが、さらなる熱交換率の向上が望まれている。
この発明は、そのさらなる熱交換率の向上を図ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するため、この発明は、各内管表面の長さ方向の溝をさらに螺旋状としたのである。
その溝が内管表面において螺旋状であれば、その表面を流れる流体もさらに乱流となって熱交換率が向上する。
【０００８】
この発明に係わる熱交換器の構成としては、一の流体が流れる外管と、その外管内に設けられて他の流体が流れる複数本の内管とからなる管式の熱交換器であって、前記内管が、その外周面にその長さ方向に向かって螺旋溝が形成されたものであり、かつその複数の内管がその長さ方向に向かって螺旋状にねじり合わされている構成を採用することができる。
このとき、内管を流れる一の流体を熱交換媒体又は被熱交換媒体、外管を流れる他の流体を被熱交換媒体又は熱交換媒体として、その両流体（熱交換媒体と被熱交換媒体）の間で熱交換する。
【０００９】
この構成において、上記各内管は、その内周面にも長さ方向の螺旋溝が形成されたものであれば、内管内を流れる流体も螺旋状の流れとなって乱流となり、熱交換率が向上する。
内管外周面の螺旋溝は切削や押し込み等によって形成することができるが、内外面に螺旋溝を形成する場合は、ローラの押圧による絞り加工によって同時に形成すれば、製作コストの安価なものとなる。
また、上記複数の内管のねじり合わせた方向と内管の螺旋溝の螺旋方向は同一方向でも逆方向でも良いが、逆方向とすれば、乱流効果が向上するため、熱交換率も向上することが考えられる。
【００１０】
上記各熱交換器は、一の流体と他の流体が異なる質の場合、例えば、前者がＣＯ２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等の冷媒で、後者が水である場合でも使用することができるが、内管が破損すると、その内外の媒体（冷媒と水）が混合する不都合が生じる。この場合、内管を二重管としてその混合を防止する。このとき、その両管間を漏洩検知ゾーンとし、そのゾーンに漏洩液が漏れると、管端でその漏洩を検知するようにすることができる。
この具体的なこの発明の構成としては、上記複数の内管に、質の異なる熱交換媒体又は被熱交換媒体の上記他の流体となる一方が流通し、上記外管に、前記熱交換媒体又は被熱交換媒体の上記一の流体となる他方が流通し、上記ねじり合わされた内管全体が保護管で被覆され、その保護管は、各内管の外面に密着されて、保護管の外面も内管の螺旋溝に倣って凹凸状となっている構成を採用することができる。
【００１１】
さらに、上記複数の内管と１本の円管への接続部は、前記複数の内管のぞれぞれの端部が断面扇状に形成されてその扇状部分を寄せ集めた外周円状となって、その扇状部分を寄せ集めた外周円状部が、前記円管が水密に嵌め込まれている円筒状ヘッダーの内面に水密に嵌め込まれている構成等を採用することができる。
また、上記内管を蛇行状に配置すれば、小スペースで熱交換率の高い熱交換器とすることができる（図７参照）。
【発明の効果】
【００１２】
この発明は、以上のように構成したので、熱交換率の高い熱交換器となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明に係る熱交換器を採用した熱交換装置の一実施形態の概略正面図
【図２】図１のＩ−Ｉ線切断拡大図
【図３】同熱交換器の外管を除去した部分拡大正面図
【図４】同熱交換器の内管の部分拡大正面図
【図５】他の実施形態の断面図
【図６】さらに他の実施形態の斜視図
【図７】同実施形態の切断平面図
【図８】（ａ）は図６の正面図、（ｂ）は一部切断右側面図
【図９】同実施形態の内管を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図
【図１０】同実施形態の外管湾曲部の一方を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は切断正面図
【図１１】同他方を示し、（ａ）は下面図、（ｂ）は切断正面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
この発明に係る熱交換器の一実施形態を図１〜図５に示し、この実施形態の熱交換器Ａは、内部を流体ｂが流れる外管１０と、その外管１０内に設けられて流体ａが流れる４本の内管２０とからなる管式であり、床暖房用熱交換器として使用されるものである。その熱交換媒体（被熱交換媒体）ａ、ｂは共に水であって、少量の温水ａからそれより大量の水ｂに熱交換し、例えば、水ｂを３０℃から３５℃にする（５℃上げる）。内管２０の本数は複数であれば、２本、３本、５本等と任意である。この実施形態では４本とした。
【００１５】
外管１０は、断熱性の高い材料からなり、金属や樹脂が考えられるが、この実施形態では、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を使用した。この外管１０の内周面には、その長さ方向に伸びる螺旋溝又は螺旋突条を形成することができる。その螺旋溝又は螺旋突条は間欠的とすることもできる。外管１０の長さは、熱交換率や設置場所等を考慮して実験などによって適宜に設定する。この実施形態の１本の熱交換器Ａでは、７リットル／分の水ｂの流通量とした。このため、被熱交換媒体（水）ｂとして、例えば、４０リットル／分以上を得たい時には、この熱交換器Ａを四本以上並列すればよい。
【００１６】
各内管２０は、その外周面にその長さ方向に向かって１本の螺旋溝２１が形成されたものであり、かつ、その長さ方向に向かって螺旋状にねじり（撚り）合わされている。その螺旋溝２１は、図４に鎖線で示すように、銅や銅合金等の熱伝導性の高く塑性変形可能な金属からなる管の外周面に、例えば、押圧ローラ１を押し当てて、管を回転しつつその長さ方向に送ることによる絞り加工によって形成する。このとき、同図に示すように、内管２０の内周面にも同様に螺旋溝（螺旋条）２２が形成される。押圧ローラ１は円盤状として、その周縁断面を、例えば、０．７５ｍｍ直径の円弧状とすることができる。内管２０には内面溝付管を採用することができる。
【００１７】
螺旋溝２１及びねじり合わせの螺旋ピッチは、熱交換率の最適なものを実験などによって適宜に設定する。その内管２０のねじり方向と内管２０の螺旋溝２１の螺旋方向は図示の同方向としたり、逆方向としたりすることができる。螺旋溝２１（２２）も二本以上を並列して形成することもできる。
ねじり合わせた複数の内管２０は、コネクタに一方をなす締め付け金具６ａでその端末が纏められて一体とされ、その金具６ａにコネクタの他方をなすキャップ６ｂをＯリング等の止水材を介して嵌めることによって並行に導出される。
ねじり合わせた複数の内管２０は、その外周面が外管１０の内周面に接していても（図２の状態）離れていても良い。
【００１８】
内管２０のねじり合わせは、複数の内管２０をダイスに挿し通し、そのダイスを回転することによって行い、そのねじり合わせる際、図２鎖線で示すように、中心に円筒棒状芯金５０を介在すると、各内管２０の中心に円筒状の空隙が確実に形成されるとともに、複数の内管２０も均一にねじ込まれる（螺旋状とされる）ため、流体の流れがねじり合わせた内管全周に亘って均一となって熱交換が円滑に行われるようになる。芯金５０は内管２０をねじり合わせた後、引き抜いて除去する。
【００１９】
この実施形態の熱交換器Ａは以上の構成であり、例えば、図１に示すように、外管１０の両端にＴ字管５がそれぞれ接続され、そのＴ字管５の一口が床暖房用水ｂのタンク（図示せず）の給排口に接続されて、そのタンクからその水ｂが外管１０内に循環して流通する。
内管２０の導出端はヘッダー７を介して集合管８となり、冷凍サイクル等による温水のタンクの給排口に接続されて、内管２０内に温水ａが循環して流通する。
【００２０】
この構成の熱交換器Ａにおいて、この熱交換器Ａに、温水ａ及び水ｂが流通すると、内管２０内において、温水ａは螺旋溝２２（螺旋突条）によって螺旋状の流れの負荷を受けながら、内管２０の螺旋状（ねじれ）に沿って流れる。
一方、外管１０内において、水ｂは内管２０のねじれ（螺旋状）及びその外周面の螺旋溝２１の負荷を受けながら螺旋状に流れる。
このため、この両管１０、２０内の各水ａ、ｂの螺旋状の流れは乱流となり、内管２０を介した接触面積が多くなって温水ａから水ｂへの熱の受け渡しが効率良く行われる。すなわち、円滑な（高い効率の）熱交換が行われる。
【００２１】
図５にはこの発明に係る他の実施形態の熱交換器Ａ’を示し、この熱交換器Ａ’は、質（性状）の異なる熱交換媒体、例えば、内管２０に、上記冷凍サイクルのＣＯ２、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２等の冷媒ａが流通し、外管１０に水ｂが流通し、その間で熱交換するものである。このため、上記の熱交換器Ａとは異なり、上記温水ａを作る場合に採用される。
このような、質の異なる熱交換媒体ａ、ｂ間の熱交換の場合、内管２０が損傷して、熱交換媒体ａが水ｂに混入すると支障がある、このため、この熱交換器Ａ’は、内管２０を同一材料からなる保護管９で被覆している。
【００２２】
その保護管９は、実線で示すように、できるだけ各内管２０の外表面全域に密着していることが好ましいが、鎖線で示すように各内管２０、２０間は直線状の被覆状態でも良い。また、保護管９は、内管２０への被覆時、螺旋溝２１に入り込んで（図５の破線状態）その表面に波状の凹凸が生じ、その入り込みによって、両者２０、９の一体性（密着性）が確保されて内管２０の内面と保護管９外面の熱伝導性が高くなっており、その保護管９表面の凹凸により、上記螺旋溝２１と同様に、その表面を流れる流体（水）ｂが乱流となって、熱交換率の高いものとなる。
【００２３】
この実施形態の熱交換器Ａ’は以上の構成であり、この熱交換器Ａ’を給湯装置の給湯用熱交換器として図１に示す熱交換装置とすると、圧縮機からの高温冷媒ａが内管２０内を流通し、給水ポンプからの水ｂが外管１０内を流通する。このとき、内管２０内面の螺旋溝２２によって熱交換媒体ａが乱流になり、さらに、保護管９が内管２０に一体となって両者の熱伝導性が高いものとなっているとともに、保護管９の凹凸によって外管１０内を流通する水ｂが乱流となるため、内管２０内の高温冷媒ｂと水ａとの熱交換は円滑になされる。
【００２４】
なお、この熱交換器Ａ’において、内管２０と保護管９との空隙２３内に漏液検知線を設けたり、その空隙２３の長さ方向一端に漏液検知器を設けたりすることによって、内管２０や保護管９が破損してその空隙２３に漏液した場合、その漏液を検出し得るようにすることができる。
【００２５】
図６〜図１１には、上記熱交換器Ａ’の別態様の実施形態を示し、この実施形態の熱交換器Ａ’’は、外管１０をＰＰＳ等の樹脂製の筒管で形成し、複数の内管２０を蛇行状に同じく蛇行状の外管１０内に装填したものである。この実施形態も内管２０は４本とした。
外管１０は、直線部１０ａと湾曲部１０ｂ（１０ｂ１、１０ｂ２）とからなり、湾曲部１０ｂを直線部１０ａに水密に連結することによって蛇行する管路を形成している。その蛇行度合い（回数）は任意であり、この実施形態においては、３箇所に蛇行部分（Ｕ字部分）を有している。その湾曲部１０ｂは、図１０、図１１の各（ａ）、（ｂ）に示す部材１０ｂ１、１０ｂ２からなる。直線部１０ａは成形上の関係から左右２分割しているが、一本物でもよい。
【００２６】
内管２０は、上記実施形態と同様にして形成されており、２本のＵ字状本体部分２０ａとその本体部分２０ａを連結するＵ字状接続部分２０ｂとからなる（図７、図９（ａ）参照）。
この実施形態における４本の内管２０と集合管８、中間接続管（Ｕ字状接続部分）２０ｂとの接続は、図９（ｂ）に示すように、その各内管２０の接続端を絞り加工などにより断面扇状に成形し、その４本を纏めて周囲円形として円筒状ヘッダー７の内面に嵌め込み、さらにそのヘッダー７に集合管８を接続している。その接続部（嵌め込み部）は溶接などによって水密とする。Ｕ字状本体部分２０ａのＵ字部分２０ａ’の各内管２０はねじり合わせることなく、そのＵ字状部分の湾曲中心が同一線上に位置するようになっている。
【００２７】
因みに、この複数の内管２０をその先端を断面扇状として１本の集合管８等に接続する構造は、この実施形態の螺旋溝２１、２２付内管２０に限らず、図１に示す実施形態や螺旋溝２１、２２を有しない内管２０にも採用し得る。
図中、１２は外管１０の流体入口、１３は同出口、１４は流体出口１３と連通した分岐口であり、分岐の有無に応じて適宜に栓をする。１５は排水栓である。
【００２８】
この熱交換器Ａ’’も同様に、ヒートポンプユニットの圧縮機からの高温冷媒ａが内管２０内を流通し、給水ポンプからの水ｂが外管１０内を流通する。このとき、内管２０内において、冷媒ａは螺旋溝２２（螺旋突条）によって螺旋状の流れの負荷を受けながら、内管２０の螺旋状（ねじれ）に沿って流れる。
一方、外管１０内において、水ｂは内管２０のねじれ（螺旋状）及びその外周面の螺旋溝２１の負荷を受けながら螺旋状に流れる。
このため、この両管１０、２０内の各冷媒ａ及び水ｂの螺旋状の流れは乱流となり、内管２０を介した接触面積が多くなって冷媒ａから水ｂへの熱の受け渡しが効率良く行われる。すなわち、円滑な（高い効率の）熱交換が行われる。このとき、冷媒ａと水ｂは相対する方向に流れてその熱交換をさらに円滑にしている。
【００２９】
上記実施形態の熱交換器Ａは、床暖房用であったが、水以外の流体においても採用し得ることができ、さらに同質の流体間の熱交換を行うのみならず、異なる質の流体間の熱交換器として使用し得ることは勿論である。このとき、内管２０に被熱交換媒体（例えば、水ａ）、外管１０内に熱交換媒体（例えば、冷媒ｂ）を流通させることもできる。
また、上記実施形態の熱交換器Ａ’、Ａ’’は、冷媒ａと水ｂとによる熱交換の場合であったが、質の異なる熱交換媒体と被熱交換媒体との熱交換であれば、何れの態様においても採用し得ることは勿論である。このとき、同様に、内管２０に被熱交換媒体（例えば、水）、外管１０内に熱交換媒体（例えば、冷媒）を流通させることもできる。
【００３０】
このように、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３１】
Ａ、Ａ’、Ａ’’  熱交換器
ａ  熱交換媒体（温水、冷媒）
ｂ  被熱交換媒体（水）
５  Ｔ字管
６ａ  コネクタの締め付け金具
６ｂ  同キャップ
７  ヘッダー
８  集合管
９  保護管
１０  外管
１０ａ  外管直線部
１０ｂ、１０ｂ１、１０ｂ２  外管湾曲部
２０  内管
２０ａ  内管Ｕ字状本体部分
２０ｂ  内管Ｕ字状接続部分（中間接続管）
２１、２２  螺旋溝
２３  空隙
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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