(57)【要約】【課題】所謂渦巻型の熱交換器において、小型化による重量とコストの削減を図る。【解決手段】熱交換器１は、円筒状の容器２内に設けられた渦巻状の仕切壁３間に渦巻通路７を構成し、この渦巻通路７に接する渦巻管４を上下複数段設けて渦巻管４外側の渦巻通路７内を流れる第一流体と渦巻管４内を流れる第二流体とを熱交換させる。渦巻管４の端部に設けられたヘッダ８とヘッダ９を備え、このヘッダ８とヘッダ９の近傍に、内外の渦巻通路７を連通する連通部１３と連通部１４を形成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器内に設けられた渦巻状の仕切壁部間に渦巻通路を構成し、該渦巻通路に接する渦巻管部を上下複数段設けて該渦巻管部外側の前記渦巻通路内を流れる第一流体と前記渦巻管部内を流れる第二流体とを熱交換させる熱交換器において、
前記渦巻管部の端部に設けられたヘッダを備え、該ヘッダ近傍に、内外の前記渦巻通路を連通する連通部を形成したことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記ヘッダは、前記渦巻管部の前記第二流体の入口側と出口側の端部にそれぞれ設けられ、前記連通部は前記各ヘッダのうちの何れか一方、若しくは、双方の近傍に形成されてい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】
前記仕切壁部を構成する仕切壁と、前記渦巻管部を構成する渦巻管とを備え、該渦巻管が前記仕切壁に密着して設けられると共に、前記仕切壁を前記ヘッダの近傍で終了させることにより、前記連通部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記仕切壁部と前記渦巻管部は一体に押出成形されており、前記連通部は前記渦巻管部以外の部分の前記仕切壁部を削除して形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器。
【請求項５】
渦巻の中心側に位置する前記ヘッダを、隣接する前記仕切壁部若しくは渦巻管部に当接させ、及び／又は、渦巻の外側に位置する前記ヘッダを、隣接する前記容器と、前記仕切壁部若しくは前記渦巻管部の双方に当接させたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちの何れかに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記仕切壁部及び渦巻管部はインボリュート曲線を成し、該インボリュート曲線の基礎円に接する線が前記渦巻の外側に位置するヘッダの中心を通るようにしたことを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記渦巻管部は前記第二流体が往復して流れる複数のパスに分けられ、最も下流のパスを流れる前記第二流体が前記第一流体に対して対向流となるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のうちの何れかに記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第二流体を蒸発させるものであり、前記最も下流のパスを構成する前記渦巻管部の数を他のパスより多くしたことを特徴とする請求項７に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第二流体の入口側の前記ヘッダの上流側にプリヒータを取り付け、該プリヒータと下流側の前記第一流体とを熱交換させることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記第一流体を前記渦巻の中心から流出させると共に、前記プリヒータを前記渦巻の中心に形成される前記容器内空間に配置したことを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記第一流体を前記渦巻の中心から流入させると共に、前記プリヒータを渦巻の外側に位置する前記ヘッダ近傍に形成される前記容器内空間に配置したことを特徴とする請求項９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、渦巻状に流れる第一流体と第二流体とを熱交換させる熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度の異なる第一流体と第二流体とを熱交換させるに当たり、円筒状の容器内に渦巻状の仕切板を設けて仕切板間に渦巻通路を構成し、この渦巻通路に渦巻管を複数段配置し、渦巻通路に第一流体を、渦巻管内に第二流体をそれぞれ流して熱交換させる渦巻型熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、図１４は従来の係る渦巻型の熱交換器１００の内部の平面図を示している。熱交換器１００の円筒状の容器１０２内には、渦巻状の仕切壁１０３と、渦巻管１０４が設けられている。渦巻管１０４は仕切壁１０３の内側に複数段配置されて密着されている。そして、渦巻状の仕切壁１０３間には、渦巻の中心から回転しながら外側に向かう一連の渦巻通路１０７が構成され、渦巻管１０４はこの渦巻通路１０７内に位置して当該渦巻通路１０７内を流れる第一流体と接するように配置される。また、複数段の渦巻管１０４の外側の端部はヘッダ１０８で連通され、渦巻の中心側の端部もヘッダ１０９で連通されている。
【０００４】
そして、第一流体（例えば冷水）を渦巻の中心部から流入させて容器１０２の側面から流出させる場合、渦巻通路１０７の渦巻の中心部に形成された接続口１１１から第一流体が熱交換器１００内に流入し、渦巻通路１０７を図１４中矢印で示すように渦巻の中心から外側に向けて反時計回りに回転しながら流れ、最後は容器１０２と仕切壁１０３間を一周した後、容器１０２の側面の接続口１１２から熱交換器１００外に流出することになる。また、ヘッダ１０８からは第二流体（例えば高温の冷媒）が流入し、各渦巻管１０４内を図１４中時計回りに外側から渦巻の中心に向けて回転しながら流れ、ヘッダ１０９から熱交換器１００外に流出するものであった。このように、第一流体と第二流体とは対向流となるので、熱交換効率が高くコンパクトな熱交換器とすることができる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１６２１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように渦巻型の熱交換器１００では渦巻の中心部に形成された接続口１１１から第一流体が容器１０２内に流入し、仕切壁１０３間の渦巻通路１０７内を回転しながら流れて最終的に容器１０２の側面に形成された接続口１１２から流出するものであった。そのため、中心側のヘッダ１０９とそれの外側に隣接する渦巻の中心部における渦巻管１０４や仕切壁１０３（実施例では渦巻管１０４が仕切壁１０３の内側にあるので渦巻管１０４）との間に隙間（図１４にＸ１で示す）を形成しなければならなかった。
【０００７】
また、外側のヘッダ１０８とその内側に位置する仕切壁１０３との間にも隙間Ｘ２を形成しなければならず、そのため、容器１０２の直径（胴径）Ｄ２が拡大されてしまい、耐圧確保のために肉厚にしなければならず、重量とコストが増大するという問題が発生していた。
【０００８】
本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、所謂渦巻型の熱交換器において、小型化による重量とコストの削減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の熱交換器は、容器内に設けられた渦巻状の仕切壁部間に渦巻通路を構成し、この渦巻通路に接する渦巻管部を上下複数段設けて渦巻管部外側の渦巻通路内を流れる第一流体と渦巻管部内を流れる第二流体とを熱交換させるものであって、渦巻管部の端部に設けられたヘッダを備え、このヘッダ近傍に、内外の渦巻通路を連通する連通部を形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明の熱交換器は、上記発明においてヘッダは、渦巻管部の第二流体の入口側と出口側の端部にそれぞれ設けられ、連通部は各ヘッダのうちの何れか一方、若しくは、双方の近傍に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明の熱交換器は、上記各発明において仕切壁部を構成する仕切壁と、渦巻管部を構成する渦巻管とを備え、この渦巻管が仕切壁に密着して設けられると共に、仕切壁をヘッダの近傍で終了させることにより、連通部が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明の熱交換器は、請求項１又は請求項２の発明において仕切壁部と渦巻管部は一体に押出成形されており、連通部は渦巻管部以外の部分の仕切壁部を削除して形成されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明の熱交換器は、上記各発明において渦巻の中心側に位置するヘッダを、隣接する仕切壁部若しくは渦巻管部に当接させ、及び／又は、渦巻の外側に位置するヘッダを、隣接する容器と、仕切壁部若しくは渦巻管部の双方に当接させたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明の熱交換器は、上記発明において仕切壁部及び渦巻管部はインボリュート曲線を成し、このインボリュート曲線の基礎円に接する線が渦巻の外側に位置するヘッダの中心を通るようにしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明の熱交換器は、上記各発明において渦巻管部は第二流体が往復して流れる複数のパスに分けられ、最も下流のパスを流れる第二流体が第一流体に対して対向流となるように構成したことを特徴とする。
【００１６】
請求項８の発明の熱交換器は、上記発明において第二流体を蒸発させるものであり、最も下流のパスを構成する渦巻管部の数を他のパスより多くしたことを特徴とする。
【００１７】
請求項９の発明の熱交換器は、上記発明において第二流体の入口側のヘッダの上流側にプリヒータを取り付け、このプリヒータと下流側の第一流体とを熱交換させることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０の発明の熱交換器は、上記発明において第一流体を渦巻の中心から流出させると共に、プリヒータを渦巻の中心に形成される容器内空間に配置したことを特徴とする。
【００１９】
請求項１１の発明の熱交換器は、請求項９の発明において第一流体を渦巻の中心から流入させると共に、プリヒータを渦巻の外側に位置するヘッダ近傍に形成される容器内空間に配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、容器内に設けられた渦巻状の仕切壁部間に渦巻通路を構成し、この渦巻通路に接する渦巻管部を上下複数段設けて渦巻管部外側の渦巻通路内を流れる第一流体と渦巻管部内を流れる第二流体とを熱交換させる熱交換器において、渦巻管部の端部に設けられたヘッダを備え、このヘッダ近傍に、内外の渦巻通路を連通する連通部を形成したので、請求項２の発明のように渦巻管部の第二流体の入口側と出口側の端部にそれぞれ設けられるヘッダの少なくとも一方、若しくは、双方の近傍に連通部を形成することで、渦巻の中心部と容器の側面との間で渦巻通路内を流通する第一流体が、ヘッダ近傍の連通部を経て内側と外側の渦巻通路間を流れることができるようになる。
【００２１】
これにより、請求項５の発明の如く渦巻の中心側に位置するヘッダを、隣接する仕切壁部若しくは渦巻管部に当接させ、渦巻の外側に位置するヘッダを、隣接する容器と、仕切壁部若しくは渦巻管部の双方に当接させたとしても、第一流体は支障無くヘッダ近傍の連通部から内外の渦巻通路間を流れることができるようになり、容器の直径（胴径）を縮小して熱交換器の小型化による重量の低減とコストの削減を図ることができるようになる。
【００２２】
この場合、請求項３の発明の如く仕切壁部を構成する仕切壁と、渦巻管部を構成する渦巻管とを備え、この渦巻管が仕切壁に密着して設けられる熱交換器においては、仕切壁をヘッダの近傍で終了させることにより連通部を形成すればよく、請求項４の発明の如く仕切壁部と渦巻管部が一体に押出成形されている場合には、渦巻管部以外の部分の仕切壁部を削除して連通部を形成すればよいので、該連通部の加工性が向上する。
【００２３】
更に、請求項６の発明の如く仕切壁部及び渦巻管部がインボリュート曲線を成す場合、インボリュート曲線の基礎円に接する線が渦巻の外側に位置するヘッダの中心を通るようにすれば、容器の直径（胴径）を最小とすることが可能となる。
【００２４】
請求項７の発明によれば上記各発明に加えて、渦巻管部を第二流体が往復して流れる複数のパスに分け、最も下流のパスを流れる第二流体が第一流体に対して対向流となるように構成したので、熱交換器を蒸発器として使用し、例えば第二流体を冷媒として第一流体との熱交換で蒸発させるときには、請求項８の発明の如くに最も下流のパスを構成する渦巻管部の数を他のパスより多くすることで、最も渦巻管部の数が多く伝熱面積が最大となる最下流のパスを、熱交換性能が高まる対向流とすることができるようになり、熱交換性能の向上を図ることが可能となる。
【００２５】
また、最下流よりも上流のパスでは第二流体は気液二相となり、温度が一定となるので、第一流体と並流となっても対向流の場合と変わらなくなり、熱交換性能の低下を防止できる。更に、気液二相のパスでは下流ほど気相の占める割合が高まり、流速が増すことで熱伝達率が向上する。従って、並流となることによる熱交換性能の低下を、熱伝達率の向上により補い、性能の改善を図ることができる。
【００２６】
一方、熱交換器を凝縮器として使用し、第二流体である冷媒を第一流体との熱交換で凝縮させる場合にも、第二流体が熱伝達率の低い気相において、第一流体との最大の温度差を確保することができ、上流側が並流となっても熱交換性能を向上させることが可能となる。
【００２７】
ここで、熱交換器を蒸発器として使用し、第二流体である例えば冷媒を蒸発させる場合、冷媒が温められて下流のパスほど温度が高くなり、第一流体との温度差が小さくなって出口側の第一流体の温度が位置によって異なって来るが、請求項９の発明の如く第二流体の入口側のヘッダの上流側にプリヒータを取り付け、このプリヒータと下流側の第一流体とを熱交換させるようにすれば、熱交換器の渦巻管部に流入する前の第二流体と、この温度の高い第一流体と熱交換させて第一流体の熱を有効に利用することができるようになる。
【００２８】
この場合、請求項１０の発明の如く第一流体を渦巻の中心から流出させる場合には、プリヒータを渦巻の中心に形成される容器内空間に配置することにより、渦巻の中心部にどうしても形成されてしまう容器内空間を利用してプリヒータを設け、寸法の拡大を防止することができるようになる。
【００２９】
逆に、第一流体を渦巻の中心から流入させる場合には、請求項１１の発明の如くプリヒータを渦巻の外側に位置するヘッダ近傍に形成される容器内空間に配置することにより、外側のヘッダ近傍にどうしても形成されてしまう容器内空間を利用してプリヒータを設け、寸法の拡大を防止することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を適用した一実施例の熱交換器の分解斜視図である。
【図２】図１の熱交換器内部の平面図である。
【図３】図１の熱交換器の仕切壁と渦巻管の斜視図である。
【図４】本発明の他の実施例の熱交換器内部の平面図である。
【図５】図４の熱交換器のインボリュート曲線の基礎円と外側のヘッダとの位置関係を説明する図である。
【図６】図１の熱交換器を蒸発器として使用するときの、渦巻管のパス割を説明する図である。
【図７】図６における第二流体である冷媒の各部の状態を説明する図である。
【図８】図６における第二流体である冷媒の各部の温度を説明する図である。
【図９】本発明のもう一つの他の実施例の熱交換器の第一流体と第二流体の流れを示す図である。
【図１０】図９の熱交換器内部の斜視図である。
【図１１】図９のプリヒータの斜視図である。
【図１２】図９のプリヒータのもう一つの実施例の斜視図である。
【図１３】図１の熱交換器を凝縮器として使用するときの、渦巻管のパス割を説明する図である。
【図１４】従来の渦巻型の熱交換器内部の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態について、図面に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００３２】
図１において、１は実施例である渦巻型の熱交換器であり、図中において上下が開口した円筒状の容器２と、インボリュート曲線を成す渦巻状の仕切壁部としての仕切壁３と、これもインボリュート曲線を成す渦巻管部としての渦巻管４と、蓋６、６とから構成されている。これら容器２、仕切壁３、渦巻管４及び蓋６は何れもステンレスやアルミニウム等の金属製であり、渦巻管４は仕切壁３の内側に複数段配置され、ろう付けにより密着されている。そして、この渦巻管４が複数段密着された仕切壁３が容器２内に配置され、容器２の上下の開口を蓋６、６にて閉塞することにより構成されている。
【００３３】
この場合、仕切壁３の上下端は蓋６、６の内面に密着してそれらの間が封止される。これにより、渦巻状の仕切壁３間には、渦巻の中心から回転しながら外側に向かう一連の渦巻通路７が構成される。渦巻管４はこの渦巻通路７内に位置して当該渦巻通路７内の空間と接するように配置される。これにより、渦巻管４は渦巻通路７内を流れる流体（後述する第一流体）と接することになる。また、複数段の渦巻管４は相互に間隔を存して配置されており、図２に示すように各渦巻管４の外側の端部（実施例では第二流体の入口側の端部）はヘッダ８で連通され、渦巻の中心側の端部（実施例では第二流体の出口側の端部）もヘッダ９で連通されている。
【００３４】
そして、熱交換器１が例えばランキンサイクルにおける冷媒の凝縮器として使用される場合、渦巻通路７には渦巻の中心の近傍（中心部）の蓋６に形成された接続口１１から、第一流体としての例えば冷水が熱交換器１内に流入する。そして、渦巻通路７を図２中矢印で示すように渦巻の中心から外側に向けて反時計回りに回転しながら流れ、容器２の側面に形成された接続口１２から熱交換器１外に流出する。また、ヘッダ８からは第二流体としての例えば高温の冷媒が流入し、各渦巻管４内を図２中の外側から渦巻の中心に向けて時計回りに回転しながら流れ、ヘッダ９から熱交換器１外に流出する。
【００３５】
このとき、冷水（第一流体）の流れは図３中反時計回りとなり、冷媒（第二流体）の流れは逆に時計回りとなるので、冷水と冷媒の流れは全体としては相互に対向流となる。そのため、渦巻管４内を流れる冷媒と、その外側の渦巻通路７内を流れる水との温度差が冷媒（第二流体）の入口側となるヘッダ８から出口側のヘッダ９に渡る全範囲に渡って大きくなり、熱交換性能が向上する。特に、渦巻管４内を冷媒（第二流体）が流れるため、高圧冷媒が流れても高耐圧設計が容易となる。
【００３６】
この場合、渦巻の中心側のヘッダ９は、その外側に隣接する渦巻管４に当接しており、外側のヘッダ８は、外側に隣接する容器２と内側に隣接する仕切壁３の双方に当接している。尚、渦巻管４が仕切壁３の外側に密着される場合には、ヘッダ９はその外側に隣接する仕切壁３に当接し、ヘッダ８はその内側に隣接する渦巻管４に当接することになる。これにより、容器２の直径（胴径）Ｄ１は前述した図１４の従来例の熱交換器１００の容器１０２の直径（胴径）Ｄ２よりも小さくなる。
【００３７】
また、実施例では仕切壁３はヘッダ８とヘッダ９の少許手前で終了しており、両ヘッダ８及びヘッダ９との間に間隔を構成している。これにより、ヘッダ８及びヘッダ９に接続される箇所の上下の渦巻管４の間には、内外の渦巻通路７を連通する連通部１３、１４が各ヘッダ８、９の近傍にそれぞれ形成されている（図３）。尚、連通部１３、１４の形状は、図３の実施形態に限定されることなく、例えば、仕切壁３の一部を切り欠いて形成することも可能である。
【００３８】
そして、渦巻通路７の渦巻の中心部に形成された接続口１１から冷水（第一流体）が熱交換器１内に流入する。渦巻の中心部には空間が形成されており、この空間に流入した冷水（第一流体）はヘッダ９の近傍に形成された連通部１４を通って外側の渦巻通路７に流出する。その後は渦巻通路７を図２中矢印で示すように渦巻の中心から外側に向けて反時計回りに回転しながら流れ、外側のヘッダ８の近傍に至る。
【００３９】
ヘッダ８の近傍まで流れて来た冷水（第一流体）は、当該ヘッダ８の近傍に形成された連通部１３を通って外側の容器２との間の空間に流出する。そして、今度は容器２と仕切壁３との間を時計回りに一周した後、容器２の側面の接続口１２から熱交換器１外に流出する。また、ヘッダ８からは高温の冷媒（第二流体）が流入し、各渦巻管４内を図２中時計回りに外側から渦巻の中心に向けて回転しながら流れ、ヘッダ９から熱交換器１外に流出する。冷水（第一流体）と冷媒（第二流体）とは対向流となるので、熱交換効率が高くなる。
【００４０】
このように、渦巻管４の冷媒の入口側と出口側の端部に設けられたヘッダ８、９を備え、各ヘッダ８、９の近傍に、内外の渦巻通路７を連通する連通部１３、１４をそれぞれ形成したので、渦巻の中心部と容器２の側面との間で渦巻通路７内を流通する冷水（第一流体）が、ヘッダ８、９近傍の連通部１３、１４を経て内側と外側の渦巻通路７間を流れることができるようになる。
【００４１】
これにより、実施例のように渦巻の中心側に位置するヘッダ９を、隣接する渦巻管４（若しくは仕切壁３）に当接させ、渦巻の外側に位置するヘッダ８を、隣接する容器２と、仕切壁３（若しくは渦巻管４）の双方に当接させたとしても、冷水（第一流体）は支障無くヘッダ８、９近傍の連通部１３、１４から内外の渦巻通路７間を流れることができるようになり、容器２の直径（胴径）Ｄ１を縮小して熱交換器１の小型化による重量の低減とコストの削減を図ることができるようになる。
【実施例２】
【００４２】
次に、図４は他の実施例の熱交換器１内部の平面図を示している。この実施例は、上述した実施例における仕切壁３及び渦巻管４に相当する仕切壁部３Ａ及び渦巻管部４Ａを、アルミニウム等の金属の押出成形により、押出材１５に一体に構成した例である。実施例の押出材１５には、内部に断面円形の流路を有する渦巻管部４Ａが上下複数段形成されており、各渦巻管部４Ａがそれらの間に位置する仕切壁部３Ａにより相互に接続された構成とされている。
【００４３】
そして、この実施例の場合係る平板状の押出材１５をインボリュート曲線を成すように渦巻状に巻回することにより、内外の仕切壁部３Ａ及び渦巻管部４Ａの間に渦巻通路７を構成する。この場合も、渦巻の中心側のヘッダ９は、その外側に隣接する渦巻管部４Ａに当接しており、外側のヘッダ８は、外側に隣接する容器２と内側に隣接する渦巻管部４Ａの双方に当接している。
【００４４】
そしてこの場合は、ヘッダ８及び９の近傍の上下の渦巻管部４Ａ間の仕切壁部３Ａを削除することにより、連通部１３及び１４を形成している。これにより、前述の実施例同様に冷水（第一流体）の流れを確保しながら、熱交換器１の寸法の縮小を図ることができる。
【実施例３】
【００４５】
次に、図５は前述したようにインボリュート曲線を成す図４の仕切壁部３Ａ及び渦巻管部４Ａのヘッダ８、９の位置を規定する他の例を示している。この場合、インボリュート曲線の基礎円ＣＢに接する線Ｌ１が渦巻の外側に位置するヘッダ８の中心を通るようにしている。インボリュート曲線は、基礎円ＣＢ（リール）に巻き取られた糸（伸縮しない）を、基礎円ＣＢ自体は回転させずに真っ直ぐに引き張ってほどいていくときに、糸の端点が描く曲線であるが、線Ｌ１は基礎円ＣＢの糸をほどいていく側に接する（糸の上に載る）。
【００４６】
このように、渦巻の中心を挟んでヘッダ８の反対側位置する仕切壁部３Ａと容器２との間の間隔を確保しながら、容器２の直径（胴径）を最小とすることが可能となる。
【００４７】
尚、上記各実施例ではヘッダ８とヘッダ９の双方の近傍に連通部１３、１４を形成したが、何れか一方に形成してもよい。その場合には形成しない方のヘッダを渦巻管（渦巻管部）や仕切壁（仕切壁部）から離間させる必要が生じるが、図１４の場合よりも少なくとも容器の直径（胴径）を縮小できる。
【実施例４】
【００４８】
次に、図６〜図８は冷媒（第二流体）が流れる渦巻管４（渦巻管部４Ａ）をパス割する例を示している。尚、図６〜図８は熱交換器１を蒸発器として使用し、第二流体である冷媒を渦巻管４（渦巻管部４Ａ）内で第一流体である水（温水）と熱交換させて蒸発させるものである。そして、水（第一流体）は今度は外側の接続口１２から渦巻通路７内に流入し、渦巻の中心側の接続口１１から流出する。また、冷媒は（第二流体）は渦巻の中心側のヘッダ９の下部から流入し、外側のヘッダ８の上部から流出するものとする。
【００４９】
上記各実施例のように凝縮器として使用する場合も同様であるが、この場合のように蒸発器として使用し、例えば第一流体を水（この場合温水）、第二流体を冷媒とするとき、第一流体と第二流体の流量差が大きく、第一流体の流量＞第二流体の流量となる。このとき、第二流体の低流速や偏流による性能低下を防ぐには、第二流体のみパス割を行うことで、流路面積を減らし、流速を上げることが有効となる。
【００５０】
この場合、熱交換器の単位時間当たりの熱交換量Ｑは、式（１）で得られる。
Ｑ［Ｗ］＝Ｕ［Ｗ／ｍ2・Ｋ］×Ａ［ｍ2］×ΔＴ［℃］  ・・・（１）
ここで、Ｕは総括伝熱係数、Ａは伝熱面積、ΔＴは第一流体と第二流体の有効温度差である。
【００５１】
そして、有効温度差ΔＴは式（２）で表され、並流よりも対向流の方が大きな値となり、並流よりも対向流の方が、熱交換量Ｑは大となる。
有効温度差ΔＴ＝対数平均温度差＝（ΔＴ１−ΔＴ２）／ｌｎ（ΔＴ１／ΔＴ２）
・・・（２）
【００５２】
一方、前述のような理由で複数の渦巻管４（渦巻管部４Ａ）を、第二流体が往復して流れる複数のパスに分けた場合、何れかのパスは必ず第一流体と並流となり、有効温度差ΔＴの低下による性能低下が発生する。また、第二流体の下流側のパスにおいては、入口の第二流体（冷媒）の温度が高くなり、有効温度差ΔＴが低下する。
【００５３】
そこで、この実施例では図６に示すように複数の渦巻管４を下から三つのパスＰＳ１、ＰＳ２、ＰＳ３に分ける。そして、渦巻管４の数はパスＰＳ１＜パスＰＳ２＜パスＰＳ３とし、且つ、パスＰＳ１が最上流、次にパスＰＳ２、そして、パスＰＳ３が最下流となるようにヘッダ８、９内を仕切１６で仕切る。
【００５４】
各図において太線矢印は第二流体である冷媒の流れを、白抜き矢印は第一流体である水（温水）の流れを示す。渦巻の中心側のヘッダ９の下部から流入した冷媒は最下部で最上流のパスＰＳ１に入り、パスＰＳ１を構成する渦巻管４内をヘッダ８に向かって流れ（往路）、次にヘッダ８から一つ上のパスＰＳ２に入り、パスＰＳ２を構成する渦巻４内をヘッダ９に向かって流れ（復路）、ヘッダ９から最上部で最下流のパスＰＳ３に入り、パスＰＳ３を構成する渦巻管４内をヘッダ８に向かって流れて流出する（往路）。従って、パスＰＳ１の第二流体は第一流体に対して対向流、パスＰＳ２では並流、パスＰＳ３では対向流となる。
【００５５】
図７は各パスでの冷媒（第二流体）の状態を示している。ヘッダ９からパスＰＳ１に流入した冷媒は液相であり、ヘッダ８に向かうに従って徐々に蒸発していき、気液二相となる。そして、パスＰＳ２を流れる過程で更に蒸発するものの、気液二相の状態でパスＰＳ２をヘッダ９まで流れ、パスＰＳ３でヘッダ８に流れる過程で更に蒸発して気液二相から全て気相に変化する。
【００５６】
このように、渦巻管４を第二流体が往復して流れる三つのパスＰＳ１〜ＰＳ３に分け、最も下流のパスＰＳ３を流れる第二流体が第一流体に対して対向流となるように構成している。そして、最下流のパスＰＳ３の渦巻管４の数を他のパスよりも多くしているので、実施例のように熱交換器１を蒸発器として使用し、第二流体を冷媒として第一流体（温水）との熱交換で蒸発させるときには、最も渦巻管４の数が多く伝熱面積が最大となる最下流のパスＰＳ３が、熱交換性能が高まる対向流となり、熱交換器１の熱交換性能の向上を図ることが可能となる。
【００５７】
また、最下流よりも上流のパスＰＳ２では冷媒（第二流体）は気液二相となり、温度が一定となるので、第一流体（温水）と並流となっても対向流の場合と変わらなくなり、熱交換性能の低下を防止できる。更に、気液二相のパスＰＳ２では下流ほど気相の占める割合が高まり、流速が増すことで熱伝達率が向上する。従って、並流となることによる熱交換性能の低下を、熱伝達率の向上により補い、性能の改善を図ることができる。
【実施例５】
【００５８】
ここで、図８は図６、図７の例における各部における冷媒（第二流体）の温度を示している。冷媒はヘッダ９から最下部のパスＰＳ１を構成する渦巻管４に流入した時点では例えば＋４０℃であったものがヘッダ８に至る時点では温水（例えば＋９５℃）との熱交換により＋８２℃まで上昇し、パスＰＳ２では温度は変わらず、最上部のパスＰＳ３でヘッダ８に至る時点では更に８７℃まで上昇する。
【００５９】
このように、最上部のパスＰＳ３では温水（第一流体）と冷媒（第二流体）との温度差が小さくなるため、下流側（螺旋の中心側）における温水の温度は、熱交換器１の下部では低いが、上部で高くなり、熱が利用されないまま流出することになる。
【００６０】
そこで、図９に示すように冷媒（第二流体）の入口側となるヘッダ９の上流側にプリヒータ１７を取り付け、プリヒータ１７を下流側の温水（第一流体）と下部から上部に渡って熱交換できるように配置し、冷媒はこのプリヒータ１７を流れた後、ヘッダ９に流入するようにする。
【００６１】
このように、冷媒（第二流体）の入口側のヘッダ９の上流側にプリヒータ１７を取り付け、このプリヒータ１７と下流側の温水（第一流体）とを熱交換させるようにすれば、熱交換器１の渦巻管４に流入する前の冷媒（第二流体）と、この温度の高い上部の温水（第一流体）と熱交換させて第一流体の熱を有効に利用することができるようになる。
【００６２】
図１０はプリヒータ１７の熱交換器１への配置例を示している。この例では仕切壁３及び渦巻管４の渦巻の中心に形成される容器２内の空間に配置する。この空間は温水（第一流体）の下流側となる。これにより、渦巻の中心部にどうしても形成されてしまう容器２内の空間を利用してプリヒータ１７を設け、容器２の寸法の拡大を防止することができるようになる。
【００６３】
尚、図１１、図１２はこのプリヒータ１７の構成例を示している。図１１はプリヒータ１７を螺旋状の配管で構成した場合、図１２は無数の突起１８を取り付けた配管でプリヒータ１７を構成した場合を示している。何れの場合にも、渦巻管４に流入する前の冷媒（第二流体）と温水（第一流体）とを十分に熱交換させることができる。
【００６４】
また、上記実施例によらず、図２の場合と同様に第一流体（この場合は蒸発器であるから温水）が渦巻の中心側から流入し、容器２側から流出する場合には、渦巻の外側に位置するヘッダ８が冷媒の入口側となるので、プリヒータ１７を渦巻の外側に位置するヘッダ８近傍に形成される容器２内の空間（図２中に破線の円で囲んだ空間ＳＸ）に配置する。これにより、外側のヘッダ近傍にどうしても形成されてしまう容器内空間を利用してプリヒータを設け、寸法の拡大を防止することができるようになる。
【実施例６】
【００６５】
また、図１３は熱交換器１を図２の場合のように凝縮器として使用する場合のパス割を示している。この場合は、複数の渦巻管４を上から二つのパスＰＳ４、ＰＳ５に分ける。そして、渦巻管４の数はパスＰＳ５＜パスＰＳ４とし、且つ、パスＰＳ４が上流、パスＰＳ５が下流となるようにヘッダ８、９内を仕切１６で仕切る。
【００６６】
この図においても太線矢印は第二流体である冷媒の流れを、白抜き矢印は第一流体である水（この場合は冷水）の流れを示す。渦巻の中心側のヘッダ９の上部から流入した冷媒は上部で上流のパスＰＳ４に入り、パスＰＳ４を構成する渦巻管４内をヘッダ８に向かって流れ（往路）、次にヘッダ８から下のパスＰＳ５に入り、パスＰＳ５を構成する渦巻４内をヘッダ９に向かって流れて流出する（復路）。従って、パスＰＳ４の第二流体は第一流体に対して並流、パスＰＳ５では対向流となる。
【００６７】
ヘッダ９からパスＰＳ４に流入した冷媒は気相（温度は＋６５℃）であり、ヘッダ８に向かうに従って＋１５℃程の冷水（第一流体）で徐々に凝縮していき、気液二相となる。そして、パスＰＳ５を流れる過程で更に凝縮してヘッダ９に戻る時点では液リッチの気液二相となる。
【００６８】
このように、熱交換器１を凝縮器として使用し、冷媒（第二流体）を冷水（第一流体）との熱交換で凝縮させる場合にも、冷媒（第二流体）が熱伝達率の低い気相において、冷水（第一流体）との最大の温度差を確保することができ、上流側のパスＰＳ４が並流となっても熱交換性能を向上させることが可能となる。
【００６９】
尚、実施例ではランキンサイクルで水（冷水や温水）と冷媒との熱交換を実現する熱交換器を例に説明したが、それに限らず、あらゆる用途の渦巻型の熱交換器に本発明は有効である。また、実施例では第一流体を水（冷水や温水）、第二流体を冷媒としたが、それに限らず、温度差のある種々の流体相互の熱交換に本発明の熱交換器は利用可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１  熱交換器
２  容器
３  仕切壁（仕切壁部）
３Ａ  仕切壁部
４  渦巻管（渦巻管部）
４Ａ  渦巻管部
６  蓋
７  渦巻通路
８、９  ヘッダ
１１、１２  接続口
１３、１４  連通部
１７  プリヒータ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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