JP2012047449A - 熱交換用チューブ、熱交換器及び熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を抑制しつつ流体の熱交換前後の温度差を大きくする熱交換用チューブ、熱交換器、熱交換システムを提供すること。
【解決手段】熱交換用チューブ２０は、内部を流れる第１の流体を外部の第２の流体と熱交換させるものであり、螺旋状に形成され、螺旋が１回転することにより進む方向の投影面上において、螺旋が１回転することにより形成される円２０ａの内部に、該１回転により形成された円２０ａとは異なる他の回転により形成された円２０ｂの少なくとも一部が存在し、螺旋が１回転するごとに順次形成される円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・のそれぞれの中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・が移動するように巻かれている。熱交換器は、熱交換用チューブ２０と、これを収容する収容体とを備える。熱交換システムは、上記熱交換器と、第１の流体を流動させる機器と、第１の流体に対して対向流で第２の流体を流動させる機器とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は熱交換用チューブ、熱交換器及び熱交換システムに関し、特に大型化を抑制しつつ流体の熱交換前後の温度差を大きくする熱交換用チューブ、熱交換器及び熱交換システムに関する。

地下ピット等の水槽に貯留された液体の熱を利用するために、この熱を採取する機器として、液中熱交換器がある。液中熱交換器の一例として、複数の可とう性のある樹脂製チューブをＵ字状に曲げ、各チューブ同士が接触しないように間隔を空けて管板に取り付けて構成することにより、交換熱量を増大させたものがある。この液中熱交換器は、水槽に貯留された液体中に設置され、チューブ内に熱媒体を流すことにより、液体と熱媒体との熱交換を行わせ、液体の熱を採取するものである（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−１１６４７１号公報（図１等）

しかしながら上述の液中熱交換器はチューブがＵ字状に形成されているため、流体の熱交換前後の温度差を大きくするためにチューブ１本当たりの長さを長くすると、Ｕ字状チューブの束を設置する水槽（チューブ収容容器）が大きくなってしまっていた。

本発明は上述の課題に鑑み、大型化を抑制しつつ流体の熱交換前後の温度差を大きくする熱交換用チューブ及び熱交換器、並びにこれらを利用した熱交換システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係る熱交換用チューブは、例えば図１（図３）に示すように、内部を流れる第１の流体を外部の第２の流体と熱交換させる熱交換用チューブ１０（２０）であって；螺旋状に形成され、前記螺旋が１回転することにより進む方向の投影面（図１（ａ）（図３（ａ））参照）上において、前記螺旋が１回転することにより形成される円１２Ａ（２０ａ）の内部に、該１回転により形成された円１２Ａ（２０ａ）とは異なる他の回転により形成された円１２Ｂ（２０ｂ）の少なくとも一部が存在するように構成されている。

このように構成すると、熱交換用チューブが螺旋状に形成されているのでＵ字状又は直線状に形成した場合よりも熱交換用チューブ１本当たりの伝熱面積を大きくすることができて、第１の流体及び第２の流体の各々の流体の熱交換前後の温度差を大きくすることができる。また、螺旋が１回転することにより進む方向の投影面上において、前記螺旋が１回転することにより形成される円の内部に、該１回転により形成された円とは異なる他の回転により形成された円の少なくとも一部が存在するように構成されているので、螺旋が１回転することにより形成される円の内部を有効に利用することができ、熱交換用チューブの大型化を抑制することができる。

また、本発明の第２の態様に係る熱交換用チューブは、例えば図１及び図２に示すように、上記本発明の第１の態様に係る熱交換用チューブ１０において、螺旋状に形成された単位チューブ１２の複数が、１つの単位チューブ１２Ａの前記螺旋が１回転することにより形成される円の内部に、他の単位チューブ１２Ｂの前記螺旋が１回転することにより形成される円の少なくとも一部が存在するように、相互に嵌合されて構成され；それぞれの単位チューブ１２内を流れる前記第１の流体又はそれぞれの単位チューブ１２内を流れた前記第１の流体を合流させる管寄せ１８を備える。

このように構成すると、螺旋状に形成された単位チューブの複数が相互に嵌合されて構成されているので製造が容易になる。さらに、各単位チューブを着脱可能に構成した場合は、単位チューブの外表面を清掃する際に各単位チューブを分離させて清掃することが可能となるので保守が容易になる。

また、本発明の第３の態様に係る熱交換用チューブは、例えば図３に示すように、上記本発明の第１の態様に係る熱交換用チューブにおいて、１本のチューブが、前記螺旋が１回転することにより進む方向の投影面（図３（ａ）参照）上において、前記螺旋が１回転するごとに順次形成される円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・のそれぞれの中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・が移動するように巻かれて構成されている。

このように構成すると、第１の流体と第２の流体とが各々の全体的な流れ方向を変えずに熱交換チューブ１本当たりの伝熱面積を最大にすることができる。

上記目的を達成するために、本発明の第４の態様に係る熱交換器は、例えば図４に示すように、上記本発明の第１の態様乃至第３の態様のいずれか１つの態様に係る熱交換用チューブ１０（２０）と；熱交換用チューブ１０（２０）を収容する収容体３１であって、第２の流体ｄを導入する導入口３１ａと第２の流体ｄを導出する導出口３１ｂとが形成された収容体３１とを備える。

このように構成すると、利用可能な熱エネルギーの採取量を従来よりも増大させることができる熱交換器となる。

上記目的を達成するために、本発明の第５の態様に係る熱交換システムは、例えば図４に示すように、上記本発明の第４の態様に係る熱交換器３０と；第１の流体ｈを流動させる第１の流動機器５５と；第２の流体ｄを、熱交換器３０内において第１の流体ｈの流れと対向する方向に流動させる第２の流動機器４５とを備える。

このように構成すると、熱交換器内における第１の流体と第２の流体とを全体において対向流で熱交換させることが可能となり、熱交換効率を向上させることができる。

本発明によれば、熱交換用チューブが螺旋状に形成されているのでＵ字状又は直線状に形成した場合よりも熱交換用チューブ１本当たりの伝熱面積を大きくすることができて、第１の流体及び第２の流体の各々の流体の熱交換前後の温度差を大きくすることができ、また、螺旋が１回転することにより進む方向の投影面上において、前記螺旋が１回転することにより形成される円の内部に、該１回転により形成された円とは異なる他の回転により形成された円の少なくとも一部が存在するように構成されているので、螺旋が１回転することにより形成される円の内部を有効に利用することができ、熱交換用チューブの大型化を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る熱交換用チューブの概略構成図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る熱交換用チューブを構成する単位チューブの斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る熱交換用チューブの概略構成図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器を含む本発明の第４の実施の形態に係る熱交換システムの概略系統図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において互いに同一又は相当する部材には同一あるいは類似の符号を付し、重複した説明は省略する。

まず図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換用チューブ１０を説明する。図１は、熱交換用チューブ１０の概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。図２は、熱交換用チューブ１０を構成する単位チューブ１２の斜視図である。図１（ａ）では、管寄せ１８を省略して示している。熱交換用チューブ１０は、１本のチューブがコイルばね状に形成されてなる単位チューブ１２が複数嵌合されて構成されたバンドルチューブ１１と、各単位チューブ１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ、１２Ｄ、１２Ｅ、１２Ｆを流通する流体が混合する管寄せ１８とを備えている。本実施の形態では、６つの単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆが嵌合されてバンドルチューブ１１が構成されており、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆは同様に形成されている。このため、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆ共通の性質を説明するときは、総称して単に「単位チューブ１２」ということとする。

単位チューブ１２は、１本のチューブがコイルばね状に、換言すれば螺旋状に形成されている。ここでいう「螺旋」は、回転しながら回転面に直交する方向へ伸びる３次元曲線である。図１（ａ）に示す平面は、単位チューブ１２を構成する螺旋の回転面を示しており、これが「螺旋が１回転することにより進む方向の投影面」（回転面の投影面にもなる）となる。他方、図１（ｂ）に示すように、単位チューブ１２は図１（ｂ）の紙面上下方向に伸びており、この単位チューブ１２が伸びる方向が「螺旋が１回転することにより進む方向」（以下「軸方向」ともいう。）となる。単位チューブ１２は、螺旋が１回転することにより形成される円（以下「基準円」ともいう。）が軸方向に連なることにより、コイルばね状に形成されている。軸方向に連なる各基準円は、中心が軸方向に伸びる共通の仮想直線を通り、同径に形成されている。したがって、単位チューブ１２を軸方向（回転面上）で見た場合、各基準円は重なって１つの円のように見えることとなる。

単位チューブ１２の材質は、取り扱う流体の性状に応じて、合成樹脂製、あるいは銅やアルミニウム等の金属製のものを適宜選択することができる。合成樹脂製を採用した場合は、腐食性を有する流体（例えば温泉水等）の取り扱いにも適している。他方、金属製を採用した場合は、一般に合成樹脂よりも熱伝導率が大きいため、熱交換効率を向上させることができる。

バンドルチューブ１１は、独立した状態の６つの単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆ（図２参照）を、側面視（図１（ｂ）参照）において、１つの単位チューブ１２の隣り合う基準円と基準円との間に、他の単位チューブ１２の基準円の一部が挟まれるように、嵌合されて構成されている。嵌合された状態の６つの単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆには、すべての基準円の内部を通るように心棒１５が抜き差し可能に挿通されている（図１（ａ）参照）。心棒１５が挿通されることで、嵌合された各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆが分離することを防ぐことができる。また、心棒１５が抜き差し可能に挿通されているので、単位チューブ１２を清掃等のメンテナンスをするときに、心棒１５を抜いて各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆを分離した状態でメンテナンスをすることができ、保守が容易になる。

各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆが嵌合されたとき、軸方向に投影した面（軸方向の投影面）において、１つの単位チューブ１２Ａの基準円の内部に、他の単位チューブ１２Ｂ〜１２Ｆの基準円の一部（円弧）が存在することとなる。換言すれば、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの基準円は、平面視において相互に交差している。このように構成すると、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆを嵌合させずに並べて配置した場合に比べて、単位体積当たりの各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの合計表面積（伝熱面積）を増やすことができる。また、螺旋状に形成された各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆが嵌合されたとき、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの軸は心棒１５の軸に対して傾いた状態になっている。さらに、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの軸同士も相互に傾いた状態になっている。各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの軸が相互に傾いた状態になることによって、軸が傾いていない状態と比較して、側面視における１つの単位チューブ１２の隣り合う基準円同士の間隔を小さくすることができ、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆ同士をより密に嵌合させることができる。このように構成すると、単位体積当たりの各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの合計表面積（伝熱面積）をより増やすことができる。

管寄せ１８は、嵌合された各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆのそれぞれの一端に接続された管寄せ１８Ａと、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆのそれぞれの他端に接続された管寄せ１８Ｂとを含んで構成されている。管寄せ１８Ａと管寄せ１８Ｂとは同様に構成されており、両管寄せ１８Ａ、１８Ｂの共通の性質を説明するときは、総称して単に「管寄せ１８」ということとする。管寄せ１８は、典型的には所定の長さに切断された配管１８ｐの両端をキャップやフランジ等で塞ぎ、バンドルチューブ１１を構成する各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの数分（本実施の形態では６個）の接続口１８ｊが形成されて構成されている。配管１８ｐの所定の長さは、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの数分の接続口１８ｊを形成することができる長さである。接続口１８ｊは、一端が配管１８ｐに固定された短管の他端に形成されており、袋ナット等の公知の着脱可能な継手で構成されている。接続口１８ｊが着脱可能に構成されていることで、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆと管寄せ１８とを分離することができ、さらに上述の心棒１５を抜くことで各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆを分離することができて、単位チューブ１２の保守が容易になる。

上記のように構成された熱交換用チューブ１０は、少なくともバンドルチューブ１１が第２の流体に漬かるように配置され、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの内部に第１の流体が流されて、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行わせるために利用される。熱交換用チューブ１０は、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆのそれぞれの一端に管寄せ１８Ａが接続され、他端に管寄せ１８Ａが接続されていることにより、第１の流体が全体として一方向（第２の流体に対して一方向）に流れるため、例えばＵ字状のチューブのように第１の流体の上流部で一度熱交換が行われた第２の流体が存在する方向に第１の流体が戻されることがなく、熱交換効率を向上させることができる。チューブ内外の流体を相対的に流動させる際は、熱交換効率が高い対向流とすることが好ましいところ、従来の液中熱交換器のようにＵ字状に形成されたチューブでは大型化を抑制しつつ終始対向流とすることが難しいが、本実施の形態のように単位チューブ１２を螺旋状にすることで、熱交換用チューブ１０の大型化を抑制しつつ、第１の流体及び第２の流体を終始対向流として熱交換効率を向上させることができる。

また、熱交換用チューブ１０は、単位チューブ１２が螺旋状に形成されているため、直線状に形成されたチューブに比べて長さ（第１の流体が通る道のり）を長くすることができ、１本当たりの単位チューブ１２の伝熱面積を大きくすることができるため、第１の流体及び第２の流体の各々の流体の熱交換前後の温度差を大きくすることができる。また、バンドルチューブ１１が第２の流体に漬かるように配置することができるため、例えば第２の流体として、閉塞のおそれがあるためにプレート熱交換器に導入することが敬遠されがちな異物が含まれ得る排水等を適用することができ、熱交換（排熱回収）の用途を拡大することができる。

以上の熱交換用チューブ１０の説明では、バンドルチューブ１１を構成する各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆが同様に形成されているとしたが、異なる形に形成されていてもよい。また、単位チューブ１２の螺旋を構成する各基準円が同径に形成されているとしたが、１つの単位チューブ１２内で各基準円の径を適宜変更してもよい。あるいは、１つの単位チューブ１２内で各基準円を同径とし、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆ相互の間で基準円の径を変更して、１つの単位チューブ１２の内部に他の単位チューブ１２を挿通して（すなわち、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆの基準円の円弧が交差しないように）構成してもよい。しかしながら、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆ相互間で管路抵抗のバランスを取る観点から、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆ相互で長さを等しくするために基準円の径を同径にして平面視において基準円が相互に交差するように構成するのが好ましい。また、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆが嵌合されて構成されたバンドルチューブ１１を１単位として、複数のバンドルチューブ１１を配列して第１の流体の流量を増加させてもよい。また、各単位チューブ１２Ａ〜１２Ｆのそれぞれの一端に管寄せ１８Ａが接続され、他端に管寄せ１８Ａが接続されて、第１の流体が全体として一方向に流れることとしたが、ある任意の２つの単位チューブ１２を１セットとして、この２つの単位チューブ１２の他端同士を接続し、両端の管寄せ１８Ａ、１８Ｂを並べて設置してもよい。このようにすると、熱交換用チューブ１０に対して第１の流体を出入りさせる配管（不図示）の接続口を近接させることができ、施工が容易になる。この場合でも、単位体積当たりの伝熱面積が大きい熱交換用チューブ１０とすることができる。

次に図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る熱交換用チューブ２０を説明する。図３は、熱交換用チューブ２０の概略構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。熱交換用チューブ２０は、１本のチューブが、以下に説明するような特徴を持ちつつ、螺旋状に形成されている。なお、ここでいう「螺旋」は、熱交換用チューブ１０（図１参照）の場合と同様、回転しながら回転面に直交する方向へ伸びる３次元曲線である。熱交換用チューブ２０の特徴は、１本のチューブが螺旋状に巻かれる際に、螺旋が１回転するごとに円（以下、この螺旋が１回転することにより形成される円を「ベース円」という。）２０ａ、ベース円２０ｂ、ベース円２０ｃ、ベース円２０ｄ、・・・と順次形成されていくが、「螺旋が１回転することにより進む方向」（以下「軸方向」ともいう。）の投影面上において、各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・のそれぞれの中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・が共通の１点ではなく、移動していることである。本実施の形態では、順次形成されるベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・のそれぞれの中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・の軌跡Ｔが円を描くように、１本のチューブが巻かれて熱交換用チューブ２０が構成されている。各中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・は、軌跡Ｔとなる円を１周した後は、その同じ円周上に存在するように構成されている。

各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・は、真円でなくてもよく、例えば楕円や水滴を模式的に表したような形状でもよい。いずれの場合も、本実施の形態では、各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・は、典型的には概ね同じ形に形成される。各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・が真円でない場合の中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・は、典型的には、まず、１つのベース円２０ａの円周上の任意の点における曲率中心に当該ベース円２０ａの中心Ｍａが決められ、各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・が一致するように重ねられたと仮定したときに当該ベース円２０ａの円周上の任意の点に対応する位置を残りのベース円２０ｂ、２０ｃ、・・・の円周上の任意の点として、これを通る曲率円の中心に残りのベース円２０ｂ、２０ｃ、・・・の中心Ｍｂ、Ｍｃ、・・・が決められる。あるいは、軸方向投影面における各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・のそれぞれの重心（図心）を、それぞれの中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・としてもよい。

上記のように１本のチューブが巻かれた熱交換用チューブ２０は、図３（ｂ）の側面図に示されるように、各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・の中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・が、側面視において左右に移動しながら軸方向に伸びている。このような構成なので、本実施の形態では各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・の曲率半径が同一に構成されていることと相俟って、熱交換用チューブ２０の側面視における最外郭がサインカーブを描いて山と谷が現れるように見えるが（図３（ｂ）では便宜上山と谷が現れるように示している）、実際には熱交換用チューブ２０全体が軸回りに捻られながら側面視においてサインカーブの山と山とが接近しており、熱交換用チューブ２０は図３（ｂ）に示すよりも軸方向に短く密に構成されている。このように構成すると、単位体積当たりの熱交換用チューブ２０の合計表面積（伝熱面積）をより増やすことができる。

熱交換用チューブ２０の材質は、単位チューブ１２（図１、２参照）の材質と同様、取り扱う流体の性状に応じて、合成樹脂製、あるいは銅やアルミニウム等の金属製のものを適宜選択することができる。合成樹脂製を採用した場合は、腐食性を有する流体（例えば温泉水等）の取り扱いにも適している。他方、金属製を採用した場合は、一般に合成樹脂よりも熱伝導率が大きいため、熱交換効率を向上させることができる。

上記のように構成された熱交換用チューブ２０は、第２の流体に漬かるように配置され、内部に第１の流体が流されて、第１の流体と第２の流体との間で熱交換を行わせるために利用される。熱交換用チューブ２０は、第１の流体が全体として一方向（第２の流体に対して一方向）に流れるため、例えばＵ字状のチューブのように第１の流体の上流部で一度熱交換が行われた第２の流体が存在する方向に第１の流体が戻されることがなく、熱交換効率を向上させることができる。また、熱交換用チューブ２０は、螺旋状に形成されているため、直線状に形成されたチューブに比べて、長さ（第１の流体が通る道のり）を長くすることができ、伝熱面積を大きくすることができるため、第１の流体及び第２の流体の各々の流体の熱交換前後の温度差を大きくすることができる。また、熱交換用チューブ２０は、第２の流体に漬かるように配置することができるため、例えば第２の流体として、閉塞のおそれがあるためにプレート熱交換器に導入することが敬遠されがちな異物が含まれ得る排水等を適用することができ、熱交換（排熱回収）の用途を拡大することができる。

以上の熱交換用チューブ２０の説明では、軸方向投影面における各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・のそれぞれの中心Ｍａ、Ｍｂ、Ｍｃ、・・・の軌跡Ｔが円を描くように構成されているとしたが、円以外の、例えば、楕円、矩形や多角形、あるいはランダムな曲線や折れ線を描くように構成されていてもよい。また、各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・が概ね同じ形に形成されているとしたが、各ベース円２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、・・・のうち１つ又は複数が異なる形になるように、曲率半径や形状を適宜変更してもよい。また、熱交換用チューブ２０を複数配列して第１の流体の流量を増加させてもよい。

次に図４を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器３０及び本発明の第４の実施の形態に係る熱交換システム４０を説明する。図４は、熱交換器３０を含む熱交換システム４０の概略系統図である。まず、熱交換器３０の構成について説明する。熱交換器３０は、上述した熱交換用チューブ１０（図１も参照）と、熱交換用チューブ１０を収容する収容体としてのシェル（缶胴）３１とを備えている。シェル３１は、熱交換用チューブ１０の収容に適するように円筒状に形成されている。また、シェル３１は、開閉可能な蓋を有しており、熱交換用チューブ１０を出し入れすることができるように構成されている。シェル３１には、第２の流体としての熱源排水ｄを導入する導入口３１ａと、熱源排水ｄを導出する導出口３１ｂとが形成されている。導入口３１ａ及び導出口３１ｂは、シェル３１の長手方向に離れた対角の位置にそれぞれ形成されている。シェル３１内に収容される熱交換用チューブ１０は、管寄せ１８Ａ（図１参照）が導出口３１ｂ側に、管寄せ１８Ｂ（図１参照）が導入口３１ａ側に位置するように配置されている。熱交換用チューブ１０内を流れる第１の流体としての温水ｈは、管寄せ１８Ａ（図１参照）から管寄せ１８Ｂ（図１参照）の方向に流れるように構成されている。

なお、本実施の形態の説明では、熱交換器３０が熱交換用チューブ１０を備えているとして説明するが、熱交換用チューブ１０の代わりに熱交換用チューブ２０（図３も参照）を備えていてもよい。熱交換用チューブ２０を備える場合、熱交換効率を向上させる観点から、熱交換用チューブ２０内を流れる温水ｈが熱源排水ｄと対向流となるように、熱交換用チューブ２０をシェル３１内に収容するのが好ましい。また、収容体がシェル３１で構成されているとして説明するが、収容体が躯体水槽等で形成されていてもよい。躯体水槽等とした場合も、熱源排水ｄの導入口及び導出口が形成される。

次に熱交換システム４０の構成を説明する。熱交換システム４０は、熱交換器３０で採取した熱の利用形態の一例を示すものであり、熱交換器３０の他、温水ｈを蓄える蓄熱槽５８と、温水ｈを熱交換器３０内の熱交換用チューブ１０（２０）内を含めて流動させる第１の流動機器としての温水ポンプ５５と、温水ｈの熱を利用する熱利用機器５１としての融雪システム５１Ａ、床暖房設備５１Ｂ、給湯設備５１Ｃと、熱源排水ｄを貯留する貯留槽４１と、熱源排水ｄを熱交換器３０のシェル３１内かつ熱交換用チューブ１０（２０）外側を含めて流動させる第２の流動機器としての熱源排水ポンプ４５とを備えている。

熱交換器３０内の管寄せ１８Ａ（図１参照）には熱利用機器５１から導出された温水ｈを流す還配管５２の一端が接続されており、管寄せ１８Ｂ（図１参照）には熱利用機器５１に供給される温水ｈを流す往配管５３の一端が接続されている。還配管５２の他端は、熱利用機器５１の台数分に分岐して各熱利用機器５１の温水ｈが導出される接続口に接続されている。往配管５３の他端は、熱利用機器５１の台数分に分岐して各熱利用機器５１の温水ｈが供給される接続口に接続されている。分岐する前の往配管５３には、温水ｈを流動させる温水ポンプ５５が配設されている。温水ポンプ５５と熱交換器３０との間の往配管５３には、熱交換器３０から導出された温水ｈを蓄熱槽５８に導く配管５４Ａが接続されている。配管５４Ａの接続部と温水ポンプ５５との間の往配管５３には、蓄熱槽５８内の温水を往配管５３に流入させる配管５４Ｂが接続されている。配管５４Ｂと往配管５３の接続部には、三方弁５６が配設されている。

熱交換器３０の導入口３１ａと貯留槽４１とは、貯留槽４１内の熱源排水ｄを熱交換器３０に導く供給管４２で接続されている。供給管４２には、貯留槽４１内の熱源排水ｄを熱交換器３０に圧送する熱源排水ポンプ４５が配設されている。熱交換器３０の導出口３１ｂには、シェル３１から導出された熱源排水ｄを貯留槽４１に導く回収管４３の一端が接続されている。回収管４３の他端は、貯留槽４１内で開口している。貯留槽４１と熱源排水ポンプ４５との間の供給管４２と、回収管４３とは、回収管４３を流れる熱源排水ｄを貯留槽４１をバイパスして供給管４２に導くバイパス管４４で連通している。供給管４２とバイパス管４４との接続部には、三方弁４６が配設されている。貯留槽４１には、熱源排水ｄを導入する導入管４１ｓと、貯留槽４１内の液位が所定の高さを超えた分の熱源排水ｄを系外に排出するオーバー管４１ｆとがそれぞれ接続されている。

引き続き図４を参照して、熱交換器３０及び熱交換システム４０の作用を説明する。熱交換器３０の作用の説明は、熱交換システム４０の作用の一環として説明する。また、以下の説明では適宜図１を参照することとする。本実施の形態では、熱源排水ｄとして温泉の排水が、温水ｈには物質としての水（Ｈ_２Ｏ）が、それぞれ用いられている。熱交換器３０のシェル３１内かつ熱交換用チューブ１０の外側は、プレート熱交換器に比べ、流体の流路が大きいので、熱源排水ｄ（温泉排水）に多少の異物が含まれている場合でも利用することができる。

貯留槽４１には、熱源排水ｄが貯留されている。熱利用機器５１の系統には、温水ｈが行き渡っている。熱源排水ポンプ４５を起動すると、熱源排水ｄが、貯留槽４１から供給管４２を介して熱交換器３０の導入口３１ａに至る。その後熱源排水ｄは、導入口３１ａから導出口３１ｂに向かって、熱交換用チューブ１０の外側のシェル３１内を流れる。他方、温水ポンプ５５が起動すると、還配管５２内の温水ｈが管寄せ１８Ａに到達する。その後温水ｈは、熱交換用チューブ１０内を流れて管寄せ１８Ｂに至る。熱交換器３０内では、温水ｈと熱源排水ｄとが終始対向流で流れて熱交換が行われ、温水ｈの温度が上昇し、熱源排水ｄの温度は低下する。このとき、温水ｈと熱源排水ｄとが終始対向流で流れ、また、熱交換用チューブ１０の伝熱面積が比較的大きいため、温水ｈの昇温幅（熱交換前後の温度差）を大きくすることができる。そのため、温度が低めの排水等の比較的低レベル（エクセルギーが小さい）の流体を有効に利用することが可能となる。

熱交換器３０で温度が低下した熱源排水ｄは、回収管４３を介して、貯留槽４１内（オーバー管４１ｆ側）に戻される。なお、熱交換器３０に供給される熱源排水ｄの温度を調節するため、熱交換器３０から導出された熱源排水ｄの一部又は全部を、適宜バイパス管４４を介して供給管４２に導入させてもよい。貯留槽４１には、導入管４１ｓを介して随時温泉からの排水（熱源排水ｄ）が導入されており、余分な熱源排水ｄは、熱交換後の温度が低下したものから随時オーバー管４１ｆを介して系外に排出される。

他方、熱交換器３０で温度が上昇した温水ｈは、往配管５３を介して各熱利用機器５１に供給される。融雪システム５１Ａでは、温水ｈの熱が融雪に利用される。床暖房設備５１Ｂでは、温水ｈの熱が暖房に利用される。給湯設備５１Ｃでは、温水ｈの熱が給湯に利用される。各熱利用機器５１で熱が利用されて温度が低下した温水ｈは、還配管５２を介して熱交換器３０の熱交換用チューブ１０内に導かれ、再び熱源排水ｄと熱交換されて温度が上昇した後、熱利用機器５１に供給されるサイクルを繰り返す。なお、熱利用機器５１で利用される熱が余剰となる場合は、三方弁５６を切り換えることにより、往配管５３を流れる温水ｈが配管５４Ａを介して蓄熱槽５８に導かれることによって温水ｈの熱が蓄熱槽５８に蓄えられる。蓄熱槽５８に蓄熱されていると、熱交換器３０で採熱できない場合であっても、蓄熱槽５８の熱を熱利用機器５１で利用することができる。

以上の説明では、熱交換システム４０が温熱を融雪システム５１Ａ等で利用するシステムであるとしたが、熱利用機器として冷房システムを適用する等、冷熱を利用するシステムとして構成してもよい。

１０ 熱交換用チューブ
１２ 単位チューブ
１８ 管寄せ
２０ 熱交換用チューブ
２０ｘ（ｘ＝ａ、ｂ、・・・） ベース円
３０ 熱交換器
３１ シェル
３１ａ 導入口
３１ｂ 導出口
４０ 熱交換システム
４５ 熱源排水ポンプ（第２の流動機器）
５５ 温水ポンプ（第１の流動機器）
ｄ 熱源排水（第２の流体）
ｈ 温水（第１の流体）
Ｍｘ（ｘ＝ａ、ｂ、・・・） 中心

Claims (3)

1. 内部を流れる第１の流体を外部の第２の流体と熱交換させる熱交換用チューブであって；
   螺旋状に形成され、前記螺旋が１回転することにより進む方向の投影面上において、前記螺旋が１回転することにより形成される円の内部に、該１回転により形成された円とは異なる他の回転により形成された円の少なくとも一部が存在するように構成され；
   １本のチューブが、前記螺旋が１回転することにより進む方向の投影面上において、前記螺旋が１回転するごとに順次形成される円のそれぞれの中心が移動するように巻かれて構成された；
   熱交換用チューブ。
2. 請求項１に記載の熱交換用チューブと；
   前記熱交換用チューブを収容する収容体であって、前記第２の流体を導入する導入口と前記第２の流体を導出する導出口とが形成された収容体とを備える；
   熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器と；
   前記第１の流体を流動させる第１の流動機器と；
   前記第２の流体を、前記熱交換器内において前記第１の流体の流れと対向する方向に流動させる第２の流動機器とを備える；
   熱交換システム。

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