(57)【要約】【課題】  チューブに発生する凝縮水を早期に離脱させることで、熱抵抗の増加や外部流体の流通抵抗の増加をより効果的に低減できる熱交換器を提供する。【解決手段】  略水平方向に配置されるチューブ１１０を有し、チューブ１１０の外部を通過するように水蒸気を含む高温の気体が流通され、チューブ１１０内に高温の気体より低温と成る低温の流体が流通されて、高温の気体から顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して低温の流体を加熱する熱交換器であって、チューブ１１０の外周面にスパイラル状の溝部１１１を形成し、チューブ１１０の長手方向における溝部１１１の幅寸法ｘは、溝部１１１間に形成される凸部１１２の幅寸法ｙよりも小さくなるように形成する。【選択図】    図４
2005233515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略水平方向に配置されるチューブ（１１０）を有し、
前記チューブ（１１０）の外部を通過するように水蒸気を含む高温の気体が流通され、前記チューブ（１１０）内に前記高温の気体より低温と成る低温の流体が流通されて、前記高温の気体から顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して前記低温の流体を加熱する熱交換器であって、
前記チューブ（１１０）の外周面には、スパイラル状の溝部（１１１）が形成され、
前記チューブ（１１０）の長手方向における前記溝部（１１１）の幅寸法（ｘ）は、前記溝部（１１１）間に形成される凸部（１１２）の幅寸法（ｙ）よりも小さくなるように形成されたことを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記チューブ（１１０）は、上下方向において並列配置されるように複数設けられており、
下方に配されるチューブ（１１０）は、上方に配されるチューブ（１１０）の直下に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記上下方向に対向し合う前記チューブ（１１０）のうち、一方のチューブ（１１０）の対向側の溝部（１１１）の位置と、他方のチューブ（１１０）の対向側の凸部（１１２）の位置とが一致するように配置され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】
前記溝部（１１１）は、複数条設けられ、それらの位相が互いにずらされて形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項５】
前記低温の流体は、液相流体であり、
複数の前記チューブ（１１０）に前記低温の流体を流入させる入口部（１３１）と、
複数の前記チューブ（１１０）から前記低温の流体を流出させる出口部（１４１）とを有し、
前記入口部（１３１）は、前記上下方向における複数の前記チューブ（１１０）の最下段側に配置され、
前記出口部（１４１）は、前記上下方向における複数の前記チューブ（１１０）の最上段側に配置されたことを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記チューブ（１１０）の内周面には、前記溝部（１１１）の位置に対応して内径側に突出するスパイラル状の突出部（１１３）が形成されたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいず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、例えば給湯水と燃焼ガスとの間で熱交換を行う給湯器用熱交換器に用いて好適な熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
大型冷凍機に用いられる従来の熱交換器として、例えば特許文献１に示されるように、外面に所定のピッチで複数の錘状のピンが配列された凝縮伝熱管（チューブ）が用いられたものが知られている。
【０００３】
この錘状のピンにより管外面の伝熱面積が拡大され、良好の伝熱性能が得られると共に、凝縮して液化した凝縮液がピン間に付着した場合に、凝縮液と管外面との接触面積を板状のフィンを設ける場合に比べて小さくして、凝縮液が落下しやすくなるようにしている。即ち、凝縮液が管外面に被覆されて、熱抵抗となるのを回避できるようにしている。
【特許文献１】特開平５−２２３４８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術は、板状のフィンを設けた場合のように、凝縮液がフィン間において膜張り状態となって停滞するのを防止するものである。一般に、凝縮液の発生過程は、まず細かな液滴として凝縮が始まり、それらが徐々に成長して、互いに合体して、自重による落下に至り、このサイクルを繰り返すものである。よって、凝縮の発生から凝縮液が落下するまでの間は、この凝縮液による熱抵抗の影響を受けることに成る。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、チューブに発生する凝縮水を早期に離脱させることで、熱抵抗の増加や外部流体の流通抵抗の増加をより効果的に低減でき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】
【０００６】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、略水平方向に配置されるチューブ（１１０）を有し、チューブ（１１０）の外部を通過するように水蒸気を含む高温の気体が流通され、チューブ（１１０）内に高温の気体より低温と成る低温の流体が流通されて、高温の気体から顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して低温の流体を加熱する熱交換器であって、チューブ（１１０）の外周面には、スパイラル状の溝部（１１１）が形成され、チューブ（１１０）の長手方向における溝部（１１１）の幅寸法（ｘ）は、溝部（１１１）間に形成される凸部（１１２）の幅寸法（ｙ）よりも小さくなるように形成されたことを特徴としている。
【０００８】
これにより、幅広と成る凸部（１１２）を本来の熱交換部として充分に確保すると共に凝縮水の発生領域として形成し、また幅狭と成る溝部（１１１）を凝縮水の回収領域として形成することができる。即ち、主に凸部（１１２）において高温の気体から凝縮水が発生し、成長、合体していくことになり、合体した凝縮水が隣接する溝部（１１１）に至ると、この溝部（１１１）が通路となって凝縮水は効果的に離脱（落下）されることになり、ある程度成長、合体した段階で凝縮水を溝部（１１１）によって早期に離脱させていくことができる。よって、凝縮水の付着による熱抵抗の増加や外部流体の流通抵抗の増加をより効果的に低減して、熱交換効率に優れる熱交換器（１００）とすることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、チューブ（１１０）は、上下方向において並列配置されるように複数設けられており、下方に配されるチューブ（１１０）は、上方に配されるチューブ（１１０）の直下に配置されたことを特徴としている。
【００１０】
これにより、上側のチューブ（１１０）から下側のチューブ（１１０）に凝縮水を離脱させていくことができるので、チューブ（１１０）の上側から下側に向けて凝縮水の発生、成長、合体、離脱のサイクルを連鎖的に促進させることができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、上下方向に対向し合うチューブ（１１０）のうち、一方のチューブ（１１０）の対向側の溝部（１１１）の位置と、他方のチューブ（１１０）の対向側の凸部（１１２）の位置とが一致するように配置されたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、上側のチューブ（１１０）の溝部（１１１）から凝縮水を下側のチューブ（１１０）の凸部（１１２）に直接落下させることができるので、請求項２に記載の発明効果をさらに向上させることができる。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、溝部（１１１）は、複数条設けられ、それらの位相が互いにずらされて形成されたことを特徴としている。
【００１４】
これにより、凸部（１１２）の幅寸法を小さくする側に調整することが可能となり、この凸部（１１２）における凝縮水の発生から離脱までのサイクルを更に早めることができる。
【００１５】
請求項５に記載の発明では、低温の流体は、液相流体であり、複数のチューブ（１１０）に低温の流体を流入させる入口部（１３１）と、複数のチューブ（１１０）から低温の流体を流出させる出口部（１４１）とを有し、入口部（１３１）は、上下方向における複数のチューブ（１１０）の最下段側に配置され、出口部（１４１）は、上下方向における複数のチューブ（１１０）の最上段側に配置されたことを特徴としている。
【００１６】
これにより、熱交換器（１００）の未使用時において、チューブ（１１０）内の液相流体を排出する必要がある時に、最下段となる入口部（１３１）から、確実に液相流体を排出できる。また、チューブ（１１０）内を液相流体が流通する際に空気が混入しても、空気は複数のチューブ（１１０）の最上段側に集まるので、出口部（１４１）から容易に排出させることができる。
【００１７】
請求項６に記載の発明では、チューブ（１１０）の内周面には、溝部（１１１）の位置に対応して内径側に突出するスパイラル状の突出部（１１３）が形成されたことを特徴としている。
【００１８】
これにより、チューブ（１１０）内を流通する低温の流体に対する乱流効果を与えることができるので、低温の流体側の熱伝達率を向上することができる。
【００１９】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図５に示す図面に基づいて説明する。尚、図１〜図３は給湯器用熱交換器１００を示す正面図、側面図、平面図、図４はチューブ１１０の詳細形状を示す正面図、図５は凝縮水の発生から離脱に至る挙動を示すモデル図である。
【００２１】
本発明の熱交換器は、給湯器に使用されて、チューブ１１０内を流通する給湯水（本発明における低温の流体あるいは液相流体に対応）とチューブ１１０の外部を流通する燃焼ガス（本発明における高温の気体に対応）との間で熱交換を行う給湯器用熱交換器（以下、熱交換器）１００に適用したものである。
【００２２】
尚、この熱交換器１００を構成する各部材（以下で説明）は、ここでは、すべてステンレス系の材料としており、各部材はろう付けあるいは溶接によって接合されている。
【００２３】
チューブ１１０は、複数本設けられており、それぞれが同一向きと成るように（並列配置され）略水平方向に配置されると共に、上下方向および前後方向（図２中で示す前後方向）に並んでいる。各チューブ１１０の長手方向の両端部側は、プレート１２１、１２２のチューブ孔（図示せず）に貫通されて、一体的にろう付けされている。尚、両プレート１２１、１２２は平行四辺形状を成しており、上下の２辺が傾斜するように形成されている。
【００２４】
複数のチューブ１１０は、傾斜する両プレート１２１、１２２の下側に位置する第１チューブ群１１０Ａと、傾斜する両プレート１２１、１２２の上側に位置する第２チューブ群１１０Ｂとに分けられている。一方のプレート１２１には、第１チューブ群１１０Ａの端部側を覆うように入口タンク１３０が溶接接合され、また、第２チューブ群１１０Ｂの端部側を覆うように出口タンク１４０が溶接接合されている。
【００２５】
そして、入口タンク１３０の最下端部（第１チューブ群１１０Ａの最下段側）には、入口タンク１３０内と連通する入口パイプ（本発明における入口部に対応）１３１が溶接接合されている。また、同様に出口タンク１４０の最上端部（第２チューブ群１１０Ｂの最上段側）には、出口タンク１４０内と連通する出口パイプ（本発明における出口部に対応）１４１が溶接接合されている。
【００２６】
また、他方のプレート１２２には、第１チューブ群１１０Ａ、第２チューブ群１１０Ｂのすべての端部側を覆うように中間タンク１５０が溶接接合されている。よって、本熱交換器１００においては、入口パイプ１３１、入口タンク１３１、第１チューブ群１１０Ａ、中間タンク１５０、第２チューブ群１１０Ｂ、出口タンク１４０、出口パイプ１４１の順に各内部空間が連通する形となっている。
【００２７】
複数のチューブ１１０の上側には上側プレート１６１が両プレート１２１、１２２の上側端部に溶接接合されており、また、複数のチューブ１１０の下側には下側プレート１６２が両プレート１２１、１２２の下側端部に溶接接合されており、これら４つのプレート１２１、１２２、１６１、１６２は、チューブ１１０を囲むダクト１６０を形成している。
【００２８】
そして、両プレート１２１、１２２に沿って傾斜する下側プレート１６２の下側は、チューブ１１０の長手方向の中央部に向けて更に傾斜する打出し部１６２ａが設けられており、この打出し部１６２ａには、後述する凝縮水をダクト１６０の外部へ排出するためのドレンパイプ１６３が下側に延びるように設けられている。
【００２９】
本発明においては、チューブ１１０に特徴部を持たせており、その詳細について以下、説明する。
【００３０】
図４に示すように、チューブ１１０の外周面には、スパイラル状の溝部１１１（１条のスパイラル）を設けており、この溝部１１１の間には凸部１１２が形成されている。また、チューブ１１０の内周面には、上記の溝部１１１の位置に対応して内径側に突出するスパイラル状の突出部１１３が形成されている。因みに、この溝部１１１および突出部１１３は、チューブ１１０の外側と内側にそれぞれ配置される雄ローラと雌ローラとの回転作動（ローラ成形）によって形成される。そして、チューブ１１０長手方向における溝部１１１の幅寸法ｘは、凸部１１２の幅寸法ｙよりも小さく成るようにしている。
【００３１】
また、各チューブ群１１０Ａ、１１０Ｂにおいて、各チューブ１１０の上下方向の位置関係は、下方に配されるチューブ１１０が、上方に配されるチューブ１１０の直下に配置されるようにしており（図２）、上下方向に対向し合うチューブ１１０のうち、一方のチューブ（図４中の上側のチューブ１１０）の対向側の溝部１１１の位置と、他方のチューブ（図４中の下側のチューブ１１０）の対向側の凸部１１２の位置とが一致するようにしている。
【００３２】
次に、上記構成に基づく熱交換器１００の作動およびその作用効果について説明する。
【００３３】
給湯水は、熱交換器１００の入口パイプ１３１から入口タンク１３０内に流入し、第１チューブ群１１０Ａを流れて、中間タンク１５０でＵターンして、第２チューブ群１１０Ｂを流れて、出口タンク１４０から出口パイプ１４１を通って流出する。
【００３４】
一方、燃焼ガスは、図２に示すように、熱交換器１００のダクト１６０内を前側から後側へ向かって流れ、複数のチューブ１１０（第２チューブ群１１０Ｂ、第１チューブ群１１０Ａ）を通過する際に給湯水との熱交換を行い、給湯水を加熱する。この時、燃焼ガスは、少なくともダクト１６０の出口側で露点温度以下（例えば３０〜５０℃）まで温度低下して凝縮する。即ち、この熱交換器１００は、燃焼ガスの顕熱だけでなく、燃焼ガスが凝縮する際に放出される潜熱をも吸収して給湯水を加熱することができる。燃焼ガスの凝縮によって生成される凝縮水は、下側プレート１６２に落下し、打出し部１６２ａに集められて、ドレンパイプ１６３から排出される。
【００３５】
ところで、この凝縮水は生成される際に、チューブ１１０の表面に付着し、従来、熱抵抗の増加および燃焼ガスの流通抵抗の増加を招いていたが、本発明においてはチューブ１１０の外周面に設けた溝部１１１によって、その問題を解消するようにしている。
【００３６】
即ち、図５（ａ）に示すように、凝縮水は、主にチューブ１１０の幅広となる凸部１１２に細かな液滴として発生し、図５（ｂ）に示すように、成長し、更に、図５（ｃ）に示すように、近接する液滴同士が合体する。この合体した凝縮水が、図５（ｄ）に示すように、隣接する溝部１１１に至ると、この溝部１１１が通路となって凝縮水は効果的に離脱（落下）されることになり、ある程度成長、合体した段階で凝縮水を溝部１１１によって早期に離脱させていくことができる。１つのチューブ１１０においては、このようなサイクルが繰り返される。
【００３７】
更に、離脱した凝縮水は、直下のチューブ１１０の凸部１１２に至り、そこから凝縮水を離脱させていくことができるので、チューブ１１０の上側から下側に向けて凝縮水の発生、成長、合体、離脱のサイクルを連鎖的に促進させることができる。
【００３８】
よって、幅広と成る凸部１１２を本来の熱交換部として充分に確保すると共に凝縮水の発生領域として形成し、また幅狭と成る溝部１１１を凝縮水の回収領域として形成することができ、チューブ１００への凝縮水の付着による熱抵抗の増加や外部流体の流通抵抗の増加をより効果的に低減して、熱交換効率に優れる熱交換器１００とすることができる。      
【００３９】
また、溝部１１１に合わせてチューブ１１０の内周面側に突出部１１３を形成するようにしているので、チューブ１１０内を流通する給湯水に対する乱流効果を与えることができ、給湯水側の熱伝達率を向上することができる。
【００４０】
本発明者は、本熱交換器１００を用いることで、従来技術に対して、常用される燃焼ガス流量時における燃焼ガスの流通抵抗が２０％低減され、給湯水の吸熱量が２％向上されたことを確認した。
【００４１】
尚、給湯水用の入口パイプ１３１を第１チューブ群１１０Ａの最下段側に配置し、出口パイプ１４１を第２チューブ群１１０Ｂの最上段側に配置するようにしているので、熱交換器１００の未使用時において、チューブ１１０内の給湯水を排出する必要がある時に、最下段となる入口パイプ１３１から、確実に給湯水を排出できる。また、チューブ１１０内を給湯水が流通する際に空気が混入しても、空気は複数のチューブ１１０の最上段側に集まるので、出口パイプ１４１から容易に排出させることができる。
【００４２】
（第２実施携帯）
上記第１実施形態においては、溝部１１１は、チューブ１１０に対して１条のスパイラルとして形成したが、これに限らず、溝部１１１を複数にして、これらの溝部１１１の位相が互いにずらされて形成される複数スパイラルとしても良く、これにより、凸部１１２の幅寸法ｙを小さくする側に調整することが可能となり、この凸部１１２における凝縮水の発生から離脱までのサイクルを更に早めることができる。
【００４３】
（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、本発明の熱交換器を給湯器用熱交換器１００に適用したものとして説明したが、これに限らず、加熱される低温の流体によって床暖房を行う暖房用熱交換器や、ボイラーや焼却炉等に使用される工業用排ガス用熱交換器等に適用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の給湯器用熱交換器を示す正面図である。
【図２】図１におけるＡ方向からの矢視図（側面図）である。
【図３】図１におけるＢ方向からの矢視図（平面図）である。
【図４】チューブの詳細形状を示す正面図である。
【図５】凝縮水の発生から離脱に至る挙動を示すモデル図である。
【符号の説明】
【００４５】
１００  給湯器用熱交換器（熱交換器）
１１０  チューブ
１１１  溝部
１１２  凸部
１１３  突出部
１３１  入口パイプ（入口部）
１４１  出口パイプ（出口部）
【図１】
2005233515.tif 000003
【図２】
2005233515.tif 000004
【図３】
2005233515.tif 000005
【図４】
2005233515.tif 000006
【図５】
2005233515.tif 000007