JP2001336833A - 熱交換方法、熱交換器及び熱交換システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 流水速度の低下や交換熱量の減少を来すこと
なく、流体間の熱交換を実現した熱交換方法、熱交換器
及び熱交換システムを提供する。 【解決手段】 屈曲構造の第１の管路（熱交換管２）、
第１の管路を包囲する第２の管路（外管６）等を備え、
第１の管路に第１の流体（高温水ＨＷ）、第２の管路に
第２の流体（水Ｗ）を前記第１の流体とは逆方向に流
し、第１及び第２の流体の熱交換を行うことにより、流
水速度の低下や交換熱量の減少を来すことなく、流体間
の熱交換を実現したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水等の流体間の熱
交換に用いられる熱交換方法、熱交換器及び熱交換シス
テムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、給湯、浴槽の追焚又は温水暖房が
可能な給湯・暖房システムが実用化されている。この給
湯・暖房システムでは、熱源機で得た高温水を熱媒とし
て床暖房パネルやファンコンベクタに供給し、その熱量
を床や室内空間に放出させて暖房を行うものである。熱
源機には、給湯を行う給湯用熱交換器と温水暖房を行う
暖房用熱交換器が備えられ、暖房用熱交換器は冬期には
暖房需要に応じて常に加熱状態にし、高温水が得られ
る。この高温水は、８０℃程度の高温であり、その熱量
は浴槽水の追焚に用いることができる。即ち、高温水等
の流体が持つ熱量で浴槽水を加熱させる追焚用熱交換器
がある。この種の追焚用熱交換器は、二重構造の管体を
用いて、その内管に暖房用の温水、その外管に追焚用の
湯水を流し、流体間の熱交換を行っている。例えば、特
開平６−２２９６１７号「浴槽水加熱装置」はこの種の
熱交換器を示しており、熱効率を向上させるため、三重
管構造としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、長尺の管体
を配置してなる熱交換器は、管体の長尺化で熱効率を向
上させることができるが、熱源機の筐体内に占める割合
が大きく、給湯や追焚設備の小型化を妨げる。この熱交
換器は通水抵抗が小さいため、他の暖房機器と同時に使
用すると、流水が集中し、暖房機器側の循環量を激減さ
せるおそれがある。熱交換器の通水抵抗を増加させるに
は、その入口側にオリフィスを設ければよいが、オリフ
ィスは熱交換器内の流水速度を低下させ、交換熱量を減
少させるという欠点がある。

【０００４】そこで、本発明は、流水速度の低下や交換
熱量の減少を来すことなく、流体間の熱交換を実現した
熱交換方法、熱交換器及び熱交換システムを提供するこ
とを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の熱交換方法、熱
交換器及び熱交換システムは、屈曲構造の第１の管路
（熱交換管２）、第１の管路を包囲する第２の管路（外
管６）等を備え、第１の管路に第１の流体（高温水Ｈ
Ｗ）、第２の管路に第２の流体（水Ｗ）を前記第１の流
体とは逆方向に流し、第１及び第２の流体の熱交換を行
うことにより、流水速度の低下や交換熱量の減少を来す
ことなく、流体間の熱交換を実現したものである。

【０００６】請求項１に係る本発明の熱交換方法は、屈
曲構造の第１の管路（熱交換管２）に第１の流体（高温
水ＨＷ）を流し、前記第１の管路を包囲する第２の管路
（外管６）に第２の流体（水Ｗ）を前記第１の流体とは
逆方向に流し、前記第１の流体と前記第２の流体の熱交
換を行うことを特徴とする。また、請求項３に係る本発
明の熱交換器は、第１の流体を流す屈曲構造の第１の管
路（熱交換管２）と、この第１の管路を包囲し、前記第
１の流体とは逆方向に第２の流体を流す第２の管路（外
管６）とを備えて、前記第１の流体と前記第２の流体の
熱交換を行うことを特徴とする。即ち、第１の管路は螺
旋構造等の屈曲構造であるため、その屈曲形態に応じて
管路長が長く、第１の管路を包囲する第２の管路に比較
して管路長は長大であり、表面積も大である。このた
め、第１の管路に流れる第１の流体の流速は第２の管路
を流れる第２の流体より緩やかとなり、表面積の大きい
第１の管路の表面に第２の流体が接触し、しかも、第１
及び第２の流体の通流方向が異なるため、両者の熱交
換、即ち、第１及び第２の流体が持つ熱量の授受が行わ
れる。例えば、第２の流体に比較して第１の流体の熱量
が高い場合には、その熱量が第２の流体に流れ、第１の
流体によって第２の流体を加熱することができる。

【０００７】請求項２に係る本発明の熱交換方法は、前
記第２の管路に流した前記第２の流体を、前記第１の管
路に近接させた第３の管路（内管１０）に流し、前記第
１の流体と前記第２の流体の熱交換を行うことを特徴と
する。また、請求項４に係る本発明の熱交換器は、前記
第１の管路に近接配置された第３の管路（内管１０）を
備え、前記第２の管路を通過させた前記第２の流体を前
記第３の管路に流すことを特徴とする。即ち、第２の管
路に流した第２の流体を、第１の管路に近接した第３の
管路、例えば、第１の管路を螺旋構造とすれば、第３の
管路を第１の管路で包囲することにより、第１の管路を
流れる第１の流体の熱量を第３の管路を流れる第２の流
体に付与することができる。この結果、熱交換効率を高
めることができる。

【０００８】請求項５に係る本発明の熱交換器は、前記
第２の管路で形成される空間内に管路長の長い前記第１
の管路を収容してなることを特徴とする。即ち、第２の
管路に管路長の長い第１の管路を収容することで、第１
の管路側の通流抵抗を増大させるとともに、第１及び第
２の流体の熱量の授受面積を拡大することができ、熱交
換効率を高めることができる。

【０００９】請求項６に係る本発明の熱交換システム
は、燃焼手段（バーナ３４）で生じた熱量を受けて第１
の被加熱流体（高温水ＨＷ）を加熱する第１の熱交換手
段（熱交換器３１）と、第１の管路（熱交換管２）に前
記第１の被加熱流体を流すとともに、第２の管路（外管
６）に第２の被加熱流体（水Ｗ）を流し、前記第１の被
加熱流体が持つ熱量によって前記第２の被加熱流体を加
熱する熱交換を行う第２の熱交換手段（熱交換器３２）
とを備えてなることを特徴とする。即ち、第１の熱交換
手段では、燃焼手段から高い熱量を熱源とする熱交換を
行い、この熱交換で加熱された第１の被加熱流体が持つ
熱量を用いて第２の熱交換手段で熱交換を行い、第１の
被加熱流体によって第２の被加熱流体が加熱される。こ
のような熱交換システムでは、第１の被加熱流体の持つ
熱量の有効利用が可能となる。

【００１０】請求項７に係る本発明の熱交換システム
は、前記第２の熱交換手段によって浴槽水を加熱するこ
とを特徴とする。即ち、第１の被加熱流体の持つ熱量を
暖房等に使用する場合、燃焼熱を加熱源とする熱交換手
段を設置することなく、巡回する第１の被加熱流体の持
つ熱量を浴槽水の加熱（追焚）に用いることができ、熱
量の有効利用を図ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１〜図４には、本発明の熱交換
器及び熱交換方法の実施形態が示され、図１は全体構造
を示す部分断面図、図２及び図３はその分解断面図、図
４は熱交換管の入出部の断面図である。

【００１２】この熱交換器には、管路長が長く屈曲構造
を成す第１の管路として熱交換管２が設けられ、この実
施形態の場合、熱交換管２は銅又は銅合金等の熱伝導率
の高い金属を以て形成され、屈曲構造として螺旋部４を
備え、この螺旋部４は一定の周回径及びピッチに形成さ
れており、この熱交換管２には第１の流体として高温水
ＨＷを通流させる。また、熱交換管２には薄肉の加工し
易い金属材料を使用することができ、熱伝導性からする
と、銅、銅合金等、熱伝導率の高い金属が好適である
が、薄肉構造とすれば熱伝導性が高められるので、ステ
ンレス等の熱伝導性の低い金属を使用することができ、
この種の金属を用いても熱交換量を低減させることはな
い。

【００１３】熱交換管２の周囲には、第２の流体として
加熱すべき給水等の水Ｗを流す第２の管路として外管６
が設けられ、この外管６は金属や合成樹脂等で形成する
ことができ、その外側に放熱抑制手段として保温材を設
ける等して放熱を抑制し、外管６の内径は熱交換管２の
螺旋部４の外径より大きく設定されている。即ち、外管
６は熱交換器の筐体ないし外装部材を構成している。こ
の実施形態では、外管６の内壁部に螺旋部４の外径を一
致させて外管６の内部には、熱交換管２の螺旋部４によ
って螺旋状の通水路８が形成されている。

【００１４】外管６の内部には熱交換管２に近接する第
３の管路として内管１０が設けられており、この内管１
０は銅又は銅合金等の熱伝導率の高い金属を以て形成す
ればよく、薄肉の加工し易い金属材料を使用してもよ
い。熱交換管２の螺旋部４内に内管１０が設置され、そ
の一端側に開口部１２が形成されて外管６の一端側に開
放されており、この開口部１２から内管１０内に水Ｗが
流れる。

【００１５】そして、外管６には、その一端部側に連結
部１４、他端部側に閉塞部１６が設けられ、連結部１４
には外管６が嵌合されるとともに、主連結口１８ととも
に分岐連結管２０が取り付けられている。主連結口１８
には連結部１４に固定された熱交換管２の一端側が連通
し、また、分岐連結管２０には連結具２１が取り付けら
れて図示しない管路に接続される。

【００１６】また、外管６の他端側に嵌合させて外管６
を閉塞する閉塞部１６には、透孔１７、１９を介して熱
交換管２及び内管１０が貫通して固定されて外部に引き
出されている。また、外管６の閉塞部１６の近傍には入
水口部２２が形成され、この入水口部２２には連結部２
４が設けられている。また、熱交換管２には連結部２６
を介して図示しない管路が接続され、内管１０の端部に
は連結部２８を介して図示しない管路が接続される。

【００１７】次に、熱交換動作について説明すると、連
結部１４の主連結口１８から供給される高温水ＨＷは、
連結部１４から熱交換管２に流れ、螺旋部４を通って連
結部２６側に流出する。一方、連結部２４側に供給され
た水Ｗは、外管６の一端側から熱交換管２の間の通水路
８を通って熱交換管２、その螺旋部４の表面に接触しな
がら外管６の他端側に至り、内管１０の開口部１２から
内管１０に流れ込み、連結部２８側に流出する。即ち、
水Ｗは、外管６内を通流することにより熱交換管２の放
熱によって加熱され、温水Ｗｈに変化する。

【００１８】このような熱交換器では、熱交換管２が螺
旋部４を備えるとともに、外管６内に螺旋状の通水路８
が形成されている結果、乱流効果が得られるとともに、
螺旋部４による伝熱面積が大きく、小型化とともに熱交
換効果が高められ、また、螺旋部４による通水抵抗が大
きいため、他の熱交換器や放熱手段と併用しても、高温
水ＨＷが集中して流れ込むという不都合はない。また、
この実施形態では、熱交換管２の伝熱面積を大きくする
ため、屈曲構造として螺旋部４を設けているが、千鳥形
状等の配管形態を設定してもよい。また、小型化ととも
に伝熱面積を大きくするには、熱交換管２の管径を細く
設定してもよい。

【００１９】次に、図５には、本発明の熱交換器の実施
形態として熱交換システムが示されている。この熱交換
システムには、第１及び第２の熱交換手段として熱交換
器３１、３２が設置され、熱交換器３１には燃焼手段又
は加熱源としてバーナ３４が設置され、バーナ３４は図
示しない燃料ガスの燃焼によって必要な熱量を得てい
る。即ち、熱交換器３１には、熱交換管３６が設けら
れ、管路３８、４０を通じてポンプ４２によって圧送さ
れる第１の被加熱流体として高温水ＨＷを循環させる。
管路３８、４０には分岐管４４、４６、４８、５０が並
列に設けられ、各分岐管４４〜５０には熱負荷を構成す
る熱交換器３２、放熱器５２、５４、５６が接続されて
いるとともに、比例弁５８、６０、６２、６４が設けら
れている。比例弁５８〜６４の開閉及び開度制御によっ
て、熱交換器３２、放熱器５２〜５６に対する高温水Ｈ
Ｗの通流量が調整される。

【００２０】そして、第２の熱交換手段である熱交換器
３２は、図１〜図４に示した熱交換器であって、この実
施形態では、浴槽水の追焚加熱源を構成しており、その
外管６には、浴槽６６との間に第２の被加熱流体である
浴槽水Ｗを循環させる循環路を構成する戻り管６８、往
き管７０を介して浴槽６６が連結され、戻り管６８には
ポンプ７２が設けられている。

【００２１】このような構成によれば、バーナ３４の燃
焼によって発生させた熱量は、熱交換器３１の熱交換管
３６に流れる流水に吸収され、高温水ＨＷが得られ、こ
の高温水ＨＷは管路３８、４０を循環する。比例弁５８
〜６４の開度に応じて、その高温水ＨＷを熱交換器３
２、放熱器５２〜５６に通流させることができる。

【００２２】ポンプ７２を駆動すると、浴槽６６内の水
Ｗが熱交換器３２の外管６内に流れ込む。このとき、熱
交換器３２の熱交換管２に流れる高温水ＨＷの熱量Ｑ₁
が外管６内の水Ｗに伝達され、即ち、熱交換によって浴
槽水Ｗが加熱される。

【００２３】そして、放熱器５２〜５６では、高温水Ｈ
Ｗが持つ熱量を受けて熱量Ｑ₂ 、Ｑ ₃ 、Ｑ₄ として放熱
させることができる。この熱量は、床暖房や室内温風と
して利用できる。

【００２４】この熱交換システムでは、被加熱流体であ
る水Ｗを熱媒として用いた暖房システム及び浴槽水Ｗの
追焚システムを構成しており、暖房システムで得られる
熱量が浴槽６６の追焚に利用され、バーナを熱源とする
熱交換器を設置することなく、簡易な構造で追焚システ
ムを構成することができ、熱の有効利用を図ることがで
きる。しかも、熱交換器３２では、熱交換管２に螺旋部
４を備えているので、十分な通水抵抗が得られ、放熱器
５２〜５６を切り換えたことによる放熱負荷の低減時、
高温水ＨＷが集中的に流れ込むという不都合はない。

【００２５】なお、実施形態では、熱交換を行う第１及
び第２の流体を水として説明したが、油や空気でもよ
く、本発明は、各種の流体間の熱交換に利用することが
できる。また、第１の流体を熱量の高い高温水ＨＷ、第
２の流体を熱量の低い水Ｗとして説明したが、第２の流
体を熱量の高い高温水、第１の流体を熱量の低い水とし
ても熱交換を行うことができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
次の効果が得られる。 ａ 流水速度の低下や交換熱量の減少を来すことなく、
流体間の熱交換を行うことができ、例えば、暖房システ
ムで得られる熱量を浴槽水の追焚に利用することができ
る。 ｂ 第２の管路で形成される空間内に管路長の長い第１
の管路を収容したので、第１の管路側の通流抵抗を増大
させ、第１及び第２の流体の熱量の授受面積を拡大する
ことができ、熱交換効率を向上させることができる。 ｃ 燃焼を熱源とする熱交換で加熱された第１の被加熱
流体が持つ熱量を用いて第２の被加熱流体を加熱するこ
とができ、燃焼熱を用いて加熱した被加熱流体の熱量を
有効に利用することができる。 ｄ 燃焼熱を加熱源とする追焚用の熱交換手段を設置す
ることなく、暖房の熱源として巡回する第１の被加熱流
体の持つ熱量を浴槽水の加熱（追焚）に用いることがで
き、熱量の有効利用を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱交換方法及び熱交換器の実施形態で
ある熱交換器の縦断面図である。

【図２】熱交換管の形態を示す部分断面図である。

【図３】外管及び内管の形態を示す部分断面図である。

【図４】熱交換管、外管、内管及び連結部の要部を示す
部分断面図である。

【図５】本発明の熱交換方法及び熱交換器の実施形態で
ある熱交換システムを示す配管図である。

【符号の説明】

２ 熱交換管（第１の管路） ４ 螺旋部 ６ 外管（第２の管路） １０ 内管（第３の管路） ３１ 熱交換器（第１の熱交換手段） ３２ 熱交換器（第２の熱交換手段） ＨＷ 高温水（第１の流体、第１の被加熱流体） Ｗ 水（第２の流体、第２の被加熱流体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小池 秀人 静岡県富士市西柏原新田201番地 高木産 業株式会社内 (72)発明者 森中 宣隆 静岡県富士市西柏原新田201番地 高木産 業株式会社内 (72)発明者 後藤 幹雄 静岡県富士市西柏原新田201番地 高木産 業株式会社内 Ｆターム(参考） 3L036 AA07 3L070 BB01 BC02 CC08 DG06 3L103 AA37 BB50 CC02 DD05 DD08 DD38 DD68

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 屈曲構造の第１の管路に第１の流体を流
   し、前記第１の管路を包囲する第２の管路に第２の流体
   を前記第１の流体とは逆方向に流し、前記第１の流体と
   前記第２の流体の熱交換を行うことを特徴とする熱交換
   方法。
2. 【請求項２】 前記第２の管路に流した前記第２の流体
   を、前記第１の管路に近接させた第３の管路に流し、前
   記第１の流体と前記第２の流体の熱交換を行うことを特
   徴とする請求項１記載の熱交換方法。
3. 【請求項３】 第１の流体を流す屈曲構造の第１の管路
   と、 この第１の管路を包囲し、前記第１の流体とは逆方向に
   第２の流体を流す第２の管路と、 を備えて、前記第１の流体と前記第２の流体の熱交換を
   行うことを特徴とする熱交換器。
4. 【請求項４】 前記第１の管路に近接配置された第３の
   管路を備え、前記第２の管路を通過させた前記第２の流
   体を前記第３の管路に流すことを特徴とする請求項３記
   載の熱交換器。
5. 【請求項５】 前記第２の管路で形成される空間内に管
   路長の長い前記第１の管路を収容してなることを特徴と
   する請求項３又は請求項４記載の熱交換器。
6. 【請求項６】 燃焼手段で生じた熱量を受けて第１の被
   加熱流体を加熱する第１の熱交換手段と、 第１の管路に前記第１の被加熱流体を流すとともに、第
   ２の管路に第２の被加熱流体を流し、前記第１の被加熱
   流体が持つ熱量によって前記第２の被加熱流体を加熱す
   る熱交換を行う第２の熱交換手段と、 を備えてなることを特徴とする熱交換システム。
7. 【請求項７】 前記第２の熱交換手段によって浴槽水を
   加熱することを特徴とする請求項６記載の熱交換システ
   ム。