(57)【要約】【課題】使用に伴い熱変形しても熱交換率を維持することができるとともに、状況に応じて熱交換率を変化させることができる熱交換器を安価に提供すること。【解決手段】低温流体の流通する低温流体管１２０及び高温流体の流通する高温流体管１１０の両管材が共に螺旋状に巻回されるとともに、交互に面接触するように組み合わされて構成される熱交換器において、前記低温流体管１２０又は高温流体管１１０の少なくとも何れか一方の管材と同軸状に配設された熱交換量調整管１３０を備えており、其の熱交換量調整管１３０に所望の低温流体若しくは高温流体が流通することを特徴としている。【選択図】  図２
2004340455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる温度の流体の流通する低温流体管及び高温流体管の両管材が共に螺旋状に巻回されるとともに、交互に面接触するように組み合わされて構成される熱交換器において、
前記低温流体管又は高温流体管の少なくとも何れか一方の管材と同軸状に配設された熱交換量調整管を備えており、
其の熱交換量調整管に所望の低温流体若しくは高温流体が流通することを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
熱交換量調整管は、其の両側に位置する低温流体管又は高温流体管に面接触することを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
熱交換量調整管は、其の同軸に位置する低温流体管又は高温流体管に面接触す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】
低温流体管の段における螺旋の内径長と高温流体管の段における螺旋の内径長とが同一長とさ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】
低温流体管の段における螺旋の外径長と高温流体管の段における螺旋の外径長とが同一長とされてい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】
低温流体管、高温流体管及び熱交換量調整管は、分離状態において、隣合う螺旋の間隔が管断面軸方向長より小さくさ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】
低温流体管、高温流体管及び熱交換量調整管は、夫々楕円形状に形成されるとともに、管断面径方向長が管断面軸方向長よりも小さく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】
【０００１】
【従来の技術】
熱交換器の従来技術としては、例えば、夫々螺旋状に巻回された冷媒管と給湯水管とが交互に配置するように組み合わされるとともに、螺旋の両端に設けた端板をボルトとナットとにより締結して、前記両管材同士が互いに圧接するようにされた熱交換器がある（特許文献１および２参照）。このように構成することにより、隣合う冷媒管と給湯水管との間で熱交換率を向上させるとともに、使用に伴って熱変形した場合にも隣合う冷媒管と給湯水管との距離を維持することができるのである。
【０００２】
【特許文献１】
特開２００１−２４１８６５号公報
【特許文献２】
特開昭６２−２６８９９０号公報
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来技術の熱交換器においては、圧接するための機構を別途設ける必要がある。また、両管材の断面形状を特殊（いびつ）な形状に変形加工する工程や、圧接機構を組み付ける工程、組み付けた圧接機構を用いて両管材を螺旋の両側より圧接する工程を余分に行う必要があり、製造工程が煩雑である。即ち、従来の熱交換器においては、部品点数を多く要するとともに、製造工程が煩雑であるため、製造コストが嵩むという問題点があった。更には、両管材を両側より圧接する状態を維持する構成とすると、使用に伴い管材が熱変形することにより、図１１に示すように、却って両管材の間に間隙が発生して、密着状態が維持できないという問題点もあった。
【０００４】
そこで、案出されたのが本発明であって、本発明は、使用に伴い熱変形しても熱交換率を維持することができるとともに、状況に応じて熱交換率を変化させることができる熱交換器を安価に提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために請求項１記載の熱交換器は、異なる温度の流体の流通する低温流体管及び高温流体管の両管材が共に螺旋状に巻回されるとともに、交互に面接触するように組み合わされて構成され、前記低温流体管又は高温流体管の少なくとも何れか一方の管材と同軸状に配設された熱交換量調整管を備えており、其の熱交換量調整管に所望の低温流体若しくは高温流体が流通するものである。
請求項２記載の熱交換器は、請求項１記載の熱交換器において、熱交換量調整管は、其の両側に位置する低温流体管又は高温流体管に面接触するものである。
請求項３記載の熱交換器は、請求項１または２記載の熱交換器において、
熱交換量調整管は、其の同軸に位置する低温流体管又は高温流体管に面接触するものである。
請求項４記載の熱交換器は、請求項１から３の何れかに記載の熱交換器において、低温流体管の段における螺旋の内径長と高温流体管の段における螺旋の内径長とが同一長とされているものである。
請求項５記載の熱交換器は、請求項１から４の何れかに記載の熱交換器において、低温流体管の段における螺旋の外径長と高温流体管の段における螺旋の外径長とが同一長とされているものである。
請求項６記載の熱交換器は、請求項１から５の何れかに記載の熱交換器において、低温流体管、高温流体管及び熱交換量調整管は、分離状態において、隣合う螺旋の間隔が管断面軸方向長より小さくされているものである。
請求項７記載の熱交換器は、請求項１から６の何れかに記載の熱交換器において、低温流体管、高温流体管及び熱交換量調整管は、夫々楕円形状に形成されるとともに、管断面径方向長が管断面軸方向長よりも小さくされている。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施例について説明する。勿論、下記実施例は、本発明の好ましい実施例を示すに過ぎず、本発明の技術的範囲は、下記実施例そのものに何ら限定されるものではない。
【０００７】
図１は、本発明の一実施例である熱交換器１００の側面図であり、図２は、かかる熱交換器１００の矢印Ａ方向からの平面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。図１から図３に示すように、熱交換器１００は、高温流体管１１０と、低温流体管１２０と、熱交換量調整管１３０とを備えている。
【０００８】
図１に示す高温流体管１１０は、高温流体の流通する管であり、螺旋状に巻回されている。この高温流体管１１０の内部には、その両端部に夫々設けられた接続口（図示せず）を介して、高温流体が流入し、又は流出するようにされている。即ち、本発明においては、低温流体と高温流体とは、相対的な関係である。
【０００９】
低温流体管１２０は、低温流体の流通する管であり、夫々螺旋状に巻回されている。この低温流体管１２０の内部には、その両端部に夫々設けられた接続口を介して、高温流体が流入し、又は流出するようにされている。
【００１０】
熱交換量調整管１３０は、低温流体または高温流体の何れか一方が流通する管であり、螺旋状に巻回されている。本実施例においては、この熱交換量調整管１３０は、低温流体管１２０と同一の段であって、その外周側に配設されている。また、熱交換量調整管１３０の内部には、その両端部に夫々設けられた接続口（図示せず）を介して、低温流体または高温流体が流入し、又は流出するようにされている。
【００１１】
図４は、熱交換量調整管１３０内に低温流体もしくは高温流体のいずれも流通させなかった場合と、何れかを流通させた場合とにおける熱交換の様子の対比を示す図である。
【００１２】
図４（ａ）に示すように、熱交換量調整管１３０内に何も流通させない場合、熱交換は高温流体管１１０を流通する高温流体と低温流体管１２０内を流通する低温流体との間で行われる。即ち、低温流体と高温流体との熱交換は、高温流体管１１０−低温流体管１２０のルートのみ、即ち、１ルートのみを介して行われる。
【００１３】
次に、図４（ｂ）に示すように、熱交換量調整管１３０内に低温流体を流通させた場合、熱交換は、高温流体管１１０内を流通する高温流体と低温流体管１２０内を流通する低温流体との間、及び高温流体管１１０内を流通する高温流体と熱交換量調整管１３０内を流通する低温流体との間で行われる。即ち、低温流体と高温流体との熱交換は、高温流体管１１０−低温流体管１２０の熱交換ルート、及び高温流体管１１０−熱交換量調整管１３０の熱交換ルートの２ルートを介して行われる。従って、熱交換器１００を冷却器（冷水器）として使用する場合には、冷却ルートを２ルートとすることにより、高温流体管１１０内に流れる高温流体の冷却率（温度下降率）を大きくすることができる一方、熱交換器１００を加熱器（温水器）として使用する場合には、加熱ルートを分散することにより、高温流体管１１０内に流れる高温流体の加熱率（温度上昇率）を小さくすることができる。
【００１４】
更に、図４（ｃ）に示すように、熱交換量調整管１３０内に高温流体を流通させた場合には、熱交換は、高温流体管１１０内を流通する高温流体と低温流体管１２０内を流通する低温流体との間、及び低温流体管１２０内を流通する低温流体と熱交換量調整管１３０内を流通する低温流体との間で行われる。即ち、低温流体と高温流体との熱交換は、高温流体管１１０−低温流体管１２０の熱交換ルート、及び熱交換量調整管１３０−低温流体管１２０の熱交換ルートの２ルートを介して行われる。従って、熱交換器１００を加熱器として使用する場合には、加熱ルートを２ルートとすることにより、低温流体管１２０内に流れる低温流体の加熱率を大きくすることができる一方、熱交換器１００を冷却器として使用する場合には、冷却ルートを分散することにより、高温流体管１１０内に流れる高温流体の冷却率を小さくすることができる。
【００１５】
なお、熱交換量調整管１３０に、勿論、熱交換量調整管１３０内に流れる低温流体および高温流体は、低温流体管１２０及び高温流体管１１０に流れる低温流体および高温流体と同一閉路を循環するものでなくても良いし、閉路が異なる場合には、低温流体管１２０および高温流体管１１０に流れる低温流体および高温流体と異種の低温流体または高温流体であって良い。
【００１６】
次に、図５および図６を参照して、上記のように構成された熱交換器１００の製造方法の一例について説明する。まず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、断面略真円状（管断面直径：１５．８８ｍｍ）の真っ直ぐな管材１１（２１）を偏平加工（座屈加工）する偏平成形工程が施される（偏平後、偏平前に適宜な長さに切断される）。偏平成形工程後、図５（ｃ）に示すように、偏平状とされた管材１２（２２）を螺旋状に巻回する巻回加工が施される。この際、偏平方向（管断面長軸（φＨ）方向）が螺旋の径方向となるように、更には、隣合う螺旋の間隔（隙間）Ｄが管断面短軸の長さ（φＬ）よりも小さくなるように巻回されるのである。この巻回工程により、低温流体管１２０及び熱交換量調整管１３０が成形される。なお、図示はしないが、高温流体管１１０の成形方法の成型方法も、低温流体管１２０及び熱交換量調整管１３０と同様に、断面略真円状の管材に偏平成形加工が施された後、巻回工程が施されることにより成形される。
【００１７】
巻回工程後、高温流体管１１０と、低温流体管１２０・熱交換量調整管１３０とが交互に接触するように、組み合わせる組合工程が施される。組合工程の終了に伴い、熱交換器１００が完成する。勿論、更に、各管材１１０，１２０，１３０の端部に接続口などを取着するようにしても良いことはいうまでもない。
【００１８】
ここで、高温流体管１１０、低温流体管１２０及び熱交換量調整管１３０においては、螺旋の間隔Ｄが管断面短軸の長さ（φＬ）よりも小さくされている。従って、熱交換器１００の完成後、高温流体管１１０と低温流体管１１０・熱交換量調整管１３０とを密着させるために、螺旋の軸方向両端（矢印Ａ方向および反矢印Ａ方向）から加圧工程を施さなくても、更にはその加圧による圧接状態を保持する機構や、管材同士の分離やずれを防止するような機構を設けなくても、図７に示すように、使用（試用を含む）に伴い、管材同士が密着し合うのである。勿論、接触状態を良好とするために、かかる螺旋の軸方向両端からの適度（軽度）に圧接するようにしても良い。
【００１９】
「第２実施例」
次に、図８を参照して、上述の実施例（第１実施例）とは異なる他の実施例（第２実施例）について説明する。
【００２０】
第２実施例の熱交換器２００は、第１実施例の熱交換器１００に対して、熱交換量調整管１３０に加えて、第２熱交換量調整管２３０を追加したものである。この第２熱交換量調整管２３０は、熱交換量調整管１３０の配設されている段とは異なる段に配設されている。以上のように、熱交換器２００は、熱交換量調整管を複数を複数備えているので、熱交換量調整管１３０及び第２熱交換量調整管２３０内への低温流体および高温流体の流通の組合せを選択することにより、熱交換量を複数段階に、即ち、細かく変更することができる。
【００２１】
かかる組合せを具体的に列記すれば、熱交換量調整管１３０および第２熱交換量調整管２３０に何も流通させない場合、熱交換量調整管１３０または第２熱交換量調整管２３０の何れか一方若しくは両方に低温流体若しくは高温流体の何れかを流通させる場合、又は、熱交換量調整管１３０に低温流体若しくは高温流体の何れか一方を流通させるとともに第２熱交換量調整管２３０に何れか他方を流通させる場合が挙げられる。
【００２２】
また、熱交換器２００においては、管断面長軸が長い方が互い違いとなるように、組み合わされている。従って、組合せ状態における熱交換器２００の形状保持効果を向上させることができる。
【００２３】
「第３実施例」
次に、図９を参照して、上述の実施例（第１及び第２実施例）とは異なる他の実施例（第３実施例）について説明する。
【００２４】
第３実施例の熱交換器３００は、熱交換量調整管１３０の配設されている段と同じ段であって、且つ熱交換量調整管１３０の外周側に、第３熱交換量調整管３３０を配設したものである。従って、熱交換量調整管１３０及び第３熱交換量調整管３３０内への低温流体および高温流体の流通の組合せを選択することにより、熱交換量を複数段階に、即ち、細かく変更することができる。
【００２５】
「設置例」
次に、図１０を参照して、本発明の熱交換器１００，２００，３００の設置例（応用例）について説明する（以下、便宜上、第１実施例の熱交換器１００を用いて説明する。）。
【００２６】
図１０は、熱交換システム５００に関して説明した図である。図１０に示すように、熱交換システム５００は、熱交換器１００と、圧縮機５１０と、放熱器５２０と、電磁弁５３０と、逆止弁５４０と、Ｃ／Ｔ５５０と、冷却器５６０と、風呂桶５７０とを備えている。
【００２７】
かかる熱交換システム５００においては、高温流体管１１０及び熱交換量調整管１３０に高温流体の一種であるＣＯ２が流通する一方、低温流体管１２０に低温流体の一種であるＨ２Ｏを流通するようにされている。
【００２８】
従って、風呂桶５６０内のＨ２Ｏの温度が第１の所定しきい温度値（Ｔ１）よりも低い場合には、電磁弁５３０を開放することにより、風呂桶５６０内のＨ２Ｏをより早く高温とすることができる一方、風呂桶５６０内のＨ２Ｏの温度が第２の所定しきい温度値（Ｔ２（Ｔ２＞Ｔ１））よりも高くなった場合には、電磁弁５３０を閉塞することにより、加熱の度合いを低くして、保温状態とすることができるのである。即ち、風呂桶５６０内のＨ２Ｏの温度に応じて、熱交換量を変更することができるのである。
【００２９】
以上、実施例に基づき本発明を説明したが、上記実施例は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形することができることはいうまでもなく、本発明の技術的範囲内には、それら種々の改良変形をも含まれている。
【００３０】
例えば、上記実施例における熱交換器１００においては、熱交換量調整管１３０が低温流体管１２０と同一の段に配設されているが、熱交換量調整管１３０を高温流体管１１０と同一の段に配設するようにしても良い。また、熱交換量調整管１３０は、低温流体管１２０（又は高温流体管１１０）の外周側に配設されなくても、その内周側に配設されても良い。
【００３１】
また、上記実施例においては、高温流体がＣＯ２であり、低温流体がＨ２Ｏである場合における設置例を説明しているが、高温流体管１１０、低温流体管１２０に流通させる流体（液体または気体）は、これらに限られるものでないことはいうまでもなく、他の種類の流体であっても良い。例えば、クーラント、油、フロン２２、メタンガス等が挙げられる。
【００３２】
更に、上記実施例における熱交換システム５００においては、熱交換量調整管１３０にＣＯ２が流通するように構成されている。しかしながら、熱交換量調整管１３０にＨ２Ｏが流通するように構成されても良い。これにより、あまり高温でなくても、大量に湯が必要となる設備にも対応させることが可能となる。
【００３３】
更に、上記実施例における熱交換システム５００は、Ｈ２Ｏを加熱するシステム（加熱システム）を構成する場合のものであるが、Ｈ２Ｏを冷却するシステム（冷却システム）を構築する場合には、Ｈ２Ｏの流通する管が高温流体管１１０を構成するようにし、冷媒の流通する管が低温流体管１２０を構成するようにしても良い。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１記載の熱交換器によれば、低温流体管又は高温流体管の少なくとも何れか一方の管材と同軸状に配設された熱交換量調整管に、所望の低温流体若しくは高温流体が流通するようにされているので、状況に応じて熱交換量調整管に低温流体又は高温流体の何れか一方を流通させることにより、低温流体管又は高温流体管との間を移動する熱交換量を変更することができる。即ち、低温流体管又は高温流体管に流れる流体の温度変化率を変更することができるという効果を奏する。
請求項２記載の熱交換器によれば、請求項１記載の熱交換器の奏する効果に加え、更に、熱交換量調整管が其の両側に位置する低温流体管又は高温流体管に面接触するので、其の面接触する管材内に流れる流体と反対の流体を熱交換量調整管内に流通させることにより、面接触する管材内の流体の温度変化率を促進することができる一方、かかる面接触する管材内に流れる流体と同一の流体を熱交換量調整管内に流通させることにより、面接触する管材内の流体の温度変化率を鈍化させることができるという効果を奏する。
請求項３記載の熱交換器によれば、請求項１又は２に記載の熱交換器の奏する効果に加え、更に、熱交換量調整管が其の同軸に位置する低温流体管又は高温流体管に面接触するので、其の面接触する管材内に流れる流体と反対の流体を熱交換量調整管内に流通させることにより、面接触する管材内の流体の温度変化率を促進することができる一方、かかる面接触する管材内に流れる流体と同一の流体を熱交換量調整管内に流通させることにより、面接触する管材内の流体の温度変化率を鈍化させることができるという効果を奏する。
請求項４記載の熱交換器によれば、請求項１から３の何れかに記載の熱交換器の奏する効果に加え、低温流体管の段における螺旋の内径長と高温流体管の段における螺旋の内径長とが同一長とされているので、各管材を螺旋状に巻回する作業、及び各管材を組立てる作業を簡略化することができるという効果を奏する。
請求項５記載の熱交換器によれば、請求項１から４の何れかに記載の熱交換率の奏する効果に加え、更に、低温流体管の段における螺旋の外形長と高温流体管の段における螺旋の外形長とが同一長とされているので、外観を筒状のコンパクト形状とすることができるという効果がある。
請求項６記載の熱交換器によれば、請求項１から５の何れかに記載の熱交換器の奏する効果に加え、更に、低温流体管、高温流体管及び熱交換量調整管は分離状態において、隣合う螺旋の間隔が管断面軸方向長より小さくされているので、低温流体管及び高温流体管の組合せ後に両管材の螺旋の両側より圧力を加えなくても密接状態を維持することができるという効果を奏する。ひいては、使用に伴い両管材が熱変形した場合にも、両管材間に隙間が発生してしまうこと、即ち、熱交換率が低下してしまうことを防止することができるという効果を奏する。
請求項７記載の熱交換器によれば、請求項１から６の何れかに記載の熱交換器の奏する効果に加え、更に、低温流体管、高温流体管及び熱交換量調整管は夫々楕円形状に形成されるとともに、管断面径方向長が管断面軸方向長よりも小さくされているので、組合せ状態を安定させることができるとともに、高温流体管と低温流体管との熱交換率を増大させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である熱交換器の側面図である。
【図２】上記熱交換器の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。
【図４】上記熱交換器における熱交換のルートを示す図である。
【図５】上記熱交換器の製造方法の一部（偏平成形工程および巻回工程）を示す図である。
【図６】上記熱交換器の製造方法の一部（組合工程）を示す図である。
【図７】上記熱交換器の接触（密着）具合を示す図である。
【図８】第２実施例の熱交換器の部分断面図である。
【図９】第３実施例の熱交換器の部分断面図である。
【図１０】第１実施例の熱交換器の設置例（熱交換システム）を示す図である。
【図１１】従来技術の熱交換器の部分断面図である。
【符号の説明】
１００，２００，３００  熱交換器
１１０                  高温流体管
１２０                  低温流体管
１３０，２３０，３３０  熱交換量調整管
５００                  熱交換システム
【図１】
2004340455.tif 000003
【図２】
2004340455.tif 000004
【図３】
2004340455.tif 000005
【図４】
2004340455.tif 000006
【図５】
2004340455.tif 000007
【図６】
2004340455.tif 000008
【図７】
2004340455.tif 000009
【図８】
2004340455.tif 000010
【図９】
2004340455.tif 000011
【図１０】
2004340455.tif 000012
【図１１】
2004340455.tif 000013