(57)【要約】【課題】熱交換効率を向上する構成として、圧送機器類の消費電力を極力抑えて熱交換量を上昇できるようにする。【解決手段】管状ケーシング１と内管２との間を第一流体が流れ、内管２に第二流体が流れると共に、ケーシング１内に設けられた伝熱促進体３を有した熱交換器において、伝熱促進体３は、内管２と所定隙間を保って配置されて、第一流体が流れる流路１０を内管２との間に形成される内流路１０ｃとケーシング１との間に形成される外流路１０ｄとに分岐するスロート部３０と、スロート部３０に設けられて外流路側に突出する鍔部３１とを備えた構成である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状ケーシングと内管との間を第一流体が流れ、前記内管に第二流体が流れると共に、前記ケーシング内に設けられた伝熱促進体を有した熱交換器において、
前記伝熱促進体は、前記内管と所定隙間を保って配置されて、前記第一流体が流れる流路を前記内管との間に形成される内流路と前記ケーシングとの間に形成される外流路とに分岐するスロート部と、前記スロート部に設けられて前記外流路側に突出する鍔部とを備えていることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記伝熱促進体は、前記ケーシングに取付部材を介して支持されていることを特徴とする請求項１に熱交換器。
【請求項３】
前記スロート部は、前記外通路を前記内通路より大きな通路幅となるよう配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記鍔部は、前記スロート部の両端部うち前記第一流体の下流側にある端部に設けられていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の熱交換器。
【請求項５】
前記スロート部の両端部うち前記第一流体の上流側にある端部と前記鍔部の突出端とを結ぶ線と、前記スロート部のうち前記鍔部を突出している側の平面部である母線とでなす角度（図４のθ）が５０度以下であることを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記内管の外周には複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールが設けられていることを特徴とする請求項１から５の何れかに記載の熱交換器。
【請求項７】
前記内管の外周又は／及び内周は凹凸、フィン、線材の１以上により表面積が増加されていることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、温度の異なる流体間の熱交換効率を向上するため管状ケーシングに内管と共に伝熱促進体を設けるようにした熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象の熱交換器は、特許文献１に例示されるごとく外管（本発明の管状ケーシングに相当）と内管との間を第一流体が流れ、この内管に第二流体が流れると共に、熱交換効率を向上するため外管ないしはケーシング内に伝熱促進体を配置したタイプである。
【０００３】
すなわち、特許文献１の伝熱促進体は、内管と併設して外管内にワイヤーを配置する構成（特開２００９−１１５４２９号公報）等を改良して、周方向に複数の溝を設けたものを使用して内管に接触した状態で固定される。作用効果としては、外管ないしはケーシングと内管との間に形成される流路（本発明の第一流路に相当）を流れる流体の流速が増し乱流促進させる点、内管との接触部にも流体が溝を介して流れる点から熱伝導性能をより高められると記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−７７７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のような構造では、伝熱促進体が内管に接触して固定されることを必須としているため、流体が乱流し易くなるものの、内管と伝熱促進体の溝との隙間にも流れ込むため圧力損失も大きくなり、その結果、流速の増加はほとんど期待できず、流速を増すにはファン、ブロワ、ポンプといった圧送機器類の消費電力を上げなければならなかった。
【０００６】
また、従来は、前記圧送機器類の出力を上げて流体の流速を増大するほど熱交換量を上げ易いという認識はあったが、圧送機器類の大型化や消費電力の増加に伴って稼働経費増となって熱交換で得られるメリット以上のコストがかかり、そのような問題に対する解決策が望まれていた。
【０００７】
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたもので、主たる目的は熱交換機器の熱交換効率を向上する構成として、圧送機器類の消費電力を極力抑えて熱交換量を上昇できるようにし経済的に優れた構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明は、管状ケーシングと内管との間を第一流体が流れ、前記内管に第二流体が流れると共に、前記ケーシング内に設けられた伝熱促進体を有した熱交換器において、前記伝熱促進体は、前記内管と所定隙間を保って配置されて、前記第一流体が流れる流路を前記内管との間に形成される内流路と前記ケーシングとの間に形成される外流路とに分岐するスロート部と、前記スロート部に設けられて前記外流路側に突出する鍔部とを備えていることを特徴としている。
【０００９】
以上の本発明は、請求項２〜７のように展開されることがより好ましい。
（ア）前記伝熱促進体は、前記ケーシングに取付部材を介して支持されている構成である。
（イ）前記スロート部は、前記外通路を前記内通路より大きな通路幅となるよう配置されている構成である。
【００１０】
（ウ）前記鍔部は、前記スロート部の両端部うち前記第一流体の下流側にある端部に設けられている構成である。
（エ）前記スロート部の端部うち前記第一流体の上流側にある端部と前記鍔部の突出端とを結ぶ線と、前記スロート部のうち前記鍔部を突出している側の平面部である母線とでなす角度（図４のθ）が５０度以下である構成である。
【００１１】
（オ）前記内管の外周には熱電変換モジュールが設けられている構成である。
（カ）前記内管の外周又は／及び内周は凹凸、フィン、線材の１以上により表面積が増加されている構成である。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１の発明は、第一流体にあえて非定常流、つまり乱流を伝熱促進体の鍔部により発生させることと、その乱流の発生領域により鍔部の流体上流側、特に内管とスロート部との間の内通路の出口付近に負圧を発生させ、その負圧により積極的に熱交換させたい内通路を流れる流体部分の流速を増すようにしたものである。この結果、本発明の熱交換器は、上記圧送機器類の消費電力を抑えながら、第一流体のうち、内通路を流れる流体部分の流速を増大し、それに対応して熱交換効率を向上できる。
【００１３】
請求項２の発明では、伝熱促進体がケーシングに取付部材を介して支持されているため、第一流体のうち、熱交換に最も重要となる内通路（内管とスロート部との間の通路）を流れる流体部分を不用意に乱したり邪魔にならず、それにより熱交換効率をより確実に向上できる。
【００１４】
請求項３の発明では、スロート部が外通路を内通路より大きな通路幅となるよう配置されているため、図３から推察されるごとく鍔部による乱流増大領域を確実に得られるようにし、負圧領域に所定の負圧を発生できるようにする。
【００１５】
請求項４の発明では、鍔部がスロート部の両端部うち第一流体の下流側にある端部に設けられているため、図３に示した乱流増大領域及び負圧領域を最適な位置に形成させるようにする。
【００１６】
請求項５の発明では、図４の角度θが５０度以下であるため、第一流体のうち、外流路を流れる流体部分が著しく乱れて、圧力損失も過大となるというような不具合を避けることができる。
【００１７】
請求項６の発明では、内管の外周に設けられた熱電変換モジュールを有しているため、ゼーベック効果により温度差を利用して電力を取り出すことができる。この利点は、例えば、鍔部の存在で第一流体の圧力損失が増加し、それを上記圧送機器類の出力を上げことで補填する場合、圧送機器類の消費電力を熱電変換モジュールでの発電量でまかなえるようにして熱交換効率及び経済性に優れた熱交換器を実現可能にする。
【００１８】
請求項７の発明では、内管の表面積を凹凸、フィン、線材の１以上により増加し、熱交換効率をそれによっても更に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用した熱交換器の構成を示す模式図である。
【図２】（ａ）と（ｂ）は図１のＡ−Ａ線矢視断面図とＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図３】上記熱交換器の要部を拡大した模式作用図である。
【図４】（ａ）は上記熱交換器の伝熱促進体を示す半断面図、（ｂ）は前記伝熱促進体を変形した半断面図、（ｃ）は伝熱促進体を更に変形した半断面図である。
【図５】上記熱交換器が熱電変換モジュールを有している変形例を示す模式図である。
【図６】（ａ）と（ｂ）は上記熱交換器の内管の２つの変形例を示す模式図である。
【図７】（ａ）と（ｂ）は上記熱交換器のケーシング等の形状を変更した変形例を図２に対応して示す模式図である。
【図８】（ａ）と（ｂ）は上記熱交換器の内管の配置などを変更した変形例を図７に対応して示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明形態の熱交換器として、図１〜図４（ａ）に示した構造及び作動を明らかにした後、図４（ｂ）に示した変形例１、図５に示した変形例２、図６（ａ），（ｂ）に示した変形例３、図７に示した変形例４、図８に示した変形例５の順に説明する。なお、各変形例では、重複記載を避けるため図１〜図４（ａ）の構造との対比から変更点だけを説明する。
【００２１】
（構造）図１及び図２の熱交換器は、特に給湯器ないしはそれに類似の装置を想定した例であり、管状ケーシング１と内管２との間を第一流体として気体が流れ、内管２に第二流体として液体が流れると共に、熱交換効率を向上するためケーシング１内に設けられた伝熱促進体３を有している。なお、ケーシング１、内管２、伝熱促進体３の材質は、銅、真鍮、ステンレス、アルミ合金などの金属材料が好ましいが、ガラスや樹脂材料でも差し支えない。
【００２２】
ここで、ケーシング１は、熱交換部１１を挟んで下側の配置部１２及び上側の配置部１３を有している。配置部１２には、例えば、第一流体として熱風用の圧送機器４が配設される。配置部１３には、使用済み熱風を外部へ配置する排出部５などが配置される。
【００２３】
圧送機器４は、例えば、バーナーユニット及びバーナーユニットで発生される熱風（気体）を、ファン等の送風機により熱交換部１１との間を仕切っている仕切部４０に設けられた複数の通孔４０ａ，４０ｂから熱交換部１１に圧送するようになっている。なお、熱風は、図２（ｂ）において、中央の通孔４０ｂから圧送される最も高い熱風温度Ｔ１と、更に周囲の複数の通孔４０ａから圧送される熱風温度Ｔ2とを選択切換可能（例えば、通常はＴ１設定にし、更に高くしたいときに（Ｔ１＋Ｔ２）設定に切り換える）となっている。
【００２４】
排出部５は、例えばフードなどで構成されて、熱交換部１１の使用済み熱風を熱交換部１１との間を仕切っている仕切部５０の不図示の微細な孔から導いて外部へ排出するようになっている。
【００２５】
内管２は、熱交換部１１の中部に配置される本体２１と、本体２１の下側に連結されて熱交換部１１の対応側壁から外部へ配管されている管部２２と、本体２１の上側に連結されて熱交換部１１の対応側壁から外部へ配管されている管部２３とを有している。
【００２６】
本体２１の内径２０は、管部２２の内径２０ａ及び管部２３の内径２０ｂより大きくなっている。また、第二流体の流れ方向としては、第一流体と向かい合わせとなるよう管部２３側より管部２２側へ流す対向流式、第一流体と同じ向きとなるよう管部２２側より管部２３側へ流す並流式の何れでもよい。
【００２７】
伝熱促進体３は、図４（ａ）にも示されているごとく、本体２１より一回り大きな円管状のスロート部３０と、スロート部３０の端外周に突出する鍔部３１とを有した形状であり、ケーシングの熱交換部１１を区画している対応壁部に対し取付部材であるアーム６を介して固定支持されている。
【００２８】
スロート部３０は、第一流体が流れる流路１０（ケーシングの熱交換部１１と内管の本体２１との間の通路１０）の一部を、内管の本体２１との間に区画形成される内流路１０ｃと、ケーシングの熱交換部１１との間に区画形される外流路１０ｄとに分岐可能な形状であればよい。形状は、通常、内管の本体形状とほぼ相似形となるよう形成される。また、このスロート部３０は、外通路１０ｄを内通路１０ｃより大きな通路幅（図１において、通路幅ｔ１＞ｔ２）となるよう配置されている。なお、符号１０ａは通路１０の通路上流側、１０ｂは通路１０の通路下流側である。
【００２９】
鍔部３１は、スロート部３０の両端部うち、第一流体の下流側にある端部に設けられている。また、鍔部３１は、スロート部３０の対応端部を外側に略直角に屈曲した状態となっている。鍔部３１の張出寸法は、図４（ａ）に示されるごとく、スロート部３０の両端部うち第一流体の上流側（同図の下側）にある端部と鍔部３１の突出端とを結ぶ線と、スロート部３０のうち鍔部３１を突出している側の平面部である母線とでなす角度θが５０度以下、より好ましくは角度θが４０度以下となるようにすることである。
【００３０】
以上の伝熱促進体３は、複数のアーム６により熱交換部１１を区画しているケーシングの対応部に固定支持されている。この場合、アーム６は、第一流体の圧力損失を最小限に抑えるため可能な限り細い形状で、かつ、上下のアーム６が重ならないようにしてアーム両端をスロート部３０とケーシングの熱交換部１１の各対応部に溶接等で接合することが好ましい。
【００３１】
（作動）以上の熱交換器は以下に列記するような点で改良されている。
（ア）形態の熱交換器では、上記した課題を解決する上で、熱交換系を形成する流路、つまりケーシングの熱交換部１１と内管の本体２１との間の流路１０に流れる第一流体（例えば熱風などの気体）のうち、特に熱交換させたい内管の本体２１周囲部分の流れを伝熱促進体３の形状工夫により局所的に速くなるようにしたものである。すなわち、第１の工夫点は、流路１０に流れる第一流体（例えば熱風などの気体）にあえて非定常流、つまり渦列や揺らぎ（本明細書ではこれを乱流と称する）を主に伝熱促進体３の鍔部３１により発生させる。第２の工夫点は、その乱流増大領域（図３のＸ領域）により鍔部３１の流体上流側、特に内管本体２１とスロート部３０との間の内通路１０ｃの出口付近に負圧を発生させ、その負圧領域（図３のＹ領域）により積極的に熱交換させたい内通路１０ｄを流れる流体部分の流速を増大させるようにしたものである。要は、第一流体の流速を鍔部３１の乱流増大作用を利用して外流路１０ｄに比べ内流路１０ｃ側を速くする構成である。
【００３２】
（イ）以上の伝熱促進体３は、内管２に支持することも可能であるが、この形態のごとくケーシング１側に取付部材であるアーム６を介して支持する方が内通路１０ｃを流れる流体を不用意に乱したり邪魔にならないため好ましい。また、この伝熱促進体３では、スロート部３０が外通路１０ｄを内通路１０ｃより大きな通路幅（ｔ１＞ｔ２）となるよう配置され、鍔部３１がスロート部３０の両端部うち第一流体の下流側にある端部に設けられているため、図３から推察されるごとく乱流増大領域Ｘ及び負圧領域Ｙを最適な位置に形成させることができる。
【００３３】
（ウ）鍔部３１の張出寸法は、図４（ａ）に示されるごとく角度θが５０度以下、より好ましくは角度θが４０度以下となっているため、第一流体のうち、外流路１０ｄを流れる流体部分が鍔部３１により著しく乱れて圧力損失が過大になることを防止できる。これは、角度θを変えて試験した結果から、角度θが５０度を超えると、第一流体のうち、外流路１０ｄを流れる流体部分が著しく乱れて、圧力損失も過大となるためである。なお、第一流体のうち、外流路１０ｄを流れる流体部分の圧力損失が大きくなり過ぎると、それを補填するため上記した圧送機器５の出力を上げて流体の流速を増大させるようでは本発明の利点が半減されることとなる。この数値限定はそのような事態を避けるためである。
【００３４】
（変形例１）図４（ｂ）は以上の伝熱促進体の鍔部の形状を変更した例を示している。すなわち、この伝熱促進体３Ａは、鍔部３１がスロート部３０に対し直角ではなく、第一流体の下流側に向けて多少傾斜した状態に設けられている。このような構成は、例えば、上記外通路１０ｄの通路幅ｔ１が狭い場合や乱流度合を調整するときなどに好適である。また、図４（ｃ）は伝熱促進体の鍔部形状として更に変更した例を示している。この鍔部３１は、スロート部３０形状として上流側に比べて下流側を次第に滑らかに広がるような形状である。つまり、本発明の鍔部３１は、単純な鍔形状に限られず、このようなスロート部自体の形状（上流側に比べて下流側を次第に広がる形状）も含む広義な意味で使用している。
【００３５】
（変形例２）図５は以上の内管の周囲に熱電変換モジュールを設けた例を示している。すなわち、内管２Ａは、本体２１の外周に設けられたゼーベック効果により温度差を利用して発電し電力を取り出す熱電変換モジュール９を有している。この熱電変換モジュール９は、細部を省略しているが、複数のＰ型とＮ型の各熱電変換素子９０と、隣接する熱電変換素子９０を接続する接続パッドとから構成されると共に、接続パッドの外側には銅板が固定されている。これらの詳細は特開２００４−３５０４７９号公報などを参照されたい。この変形例では、例えば、鍔部３１の存在で第一流体の圧力損失が増加し、それを圧送機器４の出力を上げことで補填する場合、圧送機器４の消費電力を熱電変換モジュール９での発電量でまかなえるようにする。換言すると、この構成では、圧送機器４の消費電力が仮に１０Ｗ増加したとしても、熱電変換モジュール９での発電量がそれを上回っておれば経済性に優れたものとなる。
【００３６】
（変形例３）図６は以上の内管が熱伝達を向上するため本体２１の表面積を増加する２つの構成を示している。同（ａ）の構成は、内管本体２１の内部にコイル形の線材７を本体内面に接するように配置したものである。同（ｂ）は、内管本体２１の外周に螺旋状のフィン８を設けたものである。他の構成としては、内管本体２１の周囲壁に溝等を形成して凹又は／及び凸形状を追加するようにしてもよい。具体的には、例えば、同（ａ）の線材７の代わりに内管本体２１の内周面に凹又は／及び凸形状を形成したり、同（ｂ）のフィン８の代わりに内管本体２１の外周面に凹又は／及び凸形状を形成する構成である。これらの構成は、線材７、フィン８、凹又は／及び凸の１以上により内管本体２１の表面積を増加し、熱交換効率を更に向上できるようにする。
【００３７】
（変形例４）図７（ａ）と（ｂ）は以上のケーシング、内管、伝熱促進体の形状を変更した例を図２に対応して示している。すなわち、図７において、ケーシング１Ａ及び内管２Ｂ並びに伝熱促進体３Ａは、それぞれ矩形の立体に形成されている。それに伴って、この構成では、図示を省いたが、熱交換部１１を挟んだ下側の圧送機器用配置部１２及び上側の排出部用配置部１３も適宜に形状変更されると共に、仕切板４０に設けられる複数の通孔４０ｃ，４０ｄも長孔形状となっている。
【００３８】
（変形例５）図８（ａ）と（ｂ）は以上のケーシング、内管、伝熱促進体の形状を更に変更した構成例を図７に対応して示している。すなわち、図８において、ケーシング１Ｂは図７と同じく矩形の立体に形成されている。内管２Ｃは、ケーシング１Ｂ内にあってほぼ水平方向に配置される本体２５と、本体２５の両端側をケーシング１Ｂの対応側壁から外部へ配管されている管部２５ａ，２５ｂとを有している。伝熱促進体３Ｃは、内管２Ｃの両側にあって所定の隙間を保って配置されている。各スロート部３０は、ケーシング１Ｂに応じた平板状となっている。各鍔部３０は、そのスロート部３０の上側にあって内管２Ｃから離れる側に突出されている。
【００３９】
以上のように、本発明を構成しているケーシングの形状、内管の配置構成、伝熱促進体の形状などは任意に設計可能なものである。要は、本発明の熱交換器は、請求項で特定される構成を備えておればよく、細部は以上の変形例などを参考にして変更したり展開可能なものである。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の熱交換器は、簡易性を維持しながら、熱交換能力を向上することができるもので、各種の給湯器や給湯装置、空気調和器、乾燥器、更にそれらに類似の装置にも適用できるものである。
【符号の説明】
【００４１】
１，１Ａはケーシング
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃは内管
３，３Ａ，３Ｃは伝熱促進体
４は第一流体の供給部
５は第一流体の排出部
６はアーム（取付部材）
７は線材
８はフィン
９は熱電変換モジュール
１０は第一通路
１０ｃは内通路
１０ｄは外通路
２０は第二通路
３０はスロート部
３１は鍔部
【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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