JP2016008767A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の伝熱管のうち、一部の伝熱管が他の伝熱管と比較して熱交換にさほど有効に利用されないといった不利を生じないようにし、簡易な構成によって、高い熱交換効率を得ることが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】加熱用または冷却用の熱媒体の流入口２１および流出口２２が設けられているケース２と、このケース２内に収容された複数の螺旋状管体部３を有し、かつこれら複数の螺旋状管体部３が略同心の重ね巻き状に配されている複数の伝熱管Ｔと、これら複数の伝熱管Ｔの両端部に接続された流体流入用および流出用の一対のヘッダ４と、を備えている、熱交換器ＨＥ１であって、複数の螺旋状管体部３のそれぞれの螺旋巻き数は、内周側の螺旋状管体部から外周側の螺旋状管体部に進むにしたがって単調減少している。【選択図】 図２

Description

本発明は、たとえば給湯装置や放熱器などの構成要素として用いられる熱交換器、より詳しくは、いわゆる螺旋式伝熱管を用いたタイプの熱交換器に関する。

本出願人は、熱交換器の具体例として、特許文献１〜３に記載のものを提案している。
これらの文献に記載された熱交換器は、燃焼ガスが導入されるケース内に、螺旋状管体部を有する伝熱管を収容させたものである。複数の伝熱管の螺旋状管体部は、略同心の重ね巻き状に配列されている。また、複数の伝熱管の端部には、入水用および出湯用のヘッダが取り付けられている。入水用のヘッダから各伝熱管に流入した湯水は、燃焼ガスによって加熱されてから出湯用のヘッダに到達して出湯する。
前記した構成によれば、伝熱管の総本数を比較的少なくしつつ、伝熱管の伝熱面積を大きくすることができる。したがって、全体の製造コストを廉価にしつつ、高い熱交換効率を得ることが可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように未だ改善すべき点があった。

すなわち、複数の螺旋状管体部は、略同心の重ね巻き状に配されており、それらの縦横の幅(巻き径)は互いに相違している。このため、従来では、外周側の螺旋状管体部は、内周側の螺旋状管体部よりも長く、かつ伝熱面積が大きいものとなっている。一方、複数の螺旋状管体部を同一口径のパイプを用いて構成した場合、外周側の螺旋状管体部は、内周側の螺旋状管体部よりも長いことに起因し、その内部の流路抵抗は大きいものとなる。したがって、入水用のヘッダから複数の伝熱管に通水を行わせる場合、外周側の螺旋状管体部の通水量は、内周側の螺旋状管体部の通水量と比較して少なくなる。これでは、内周側の螺旋状管体部よりも伝熱面積の大きい外周側の螺旋状管体部が、熱交換に十分に利用されていないこととなる。このようなことから、従来においては、熱交換効率をより高める上で、改善すべき点があった。

特開２０１２−２４６４号公報 特開２０１２−７２９９８号公報 特開２０１２−１１２６２４号公報

本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、複数の伝熱管のうち、一部の伝熱管が他の伝熱管と比較して熱交換にさほど有効に利用されなくなるといった不利を生じないようにし、簡易な構成によって、熱交換効率を従来よりもさらに高めることが可能な熱交換器を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明により提供される熱交換器は、加熱用または冷却用の熱媒体の流入口および流出口が設けられているケースと、このケース内に収容された複数の螺旋状管体部を有し、か
つこれら複数の螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配されている複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管の両端部に接続されており、かつ前記複数の伝熱管に対する流体の流入および流出を行なわせるための一対のヘッダと、を備えている、熱交換器であって、前記複数の螺旋状管体部のそれぞれの螺旋巻き数は、内周側の螺旋状管体部から外周側の螺旋状管体部に進むにしたがって単調減少していることを特徴としている。

ここで、本明細書でいう「単調減少」とは、広義の単調減少であり、螺旋巻き数をＮ_nの数列とした場合、内周側の螺旋状管体部から外周側の螺旋状管体部に進むにしたがってＮ₁≧Ｎ₂≧Ｎ₃…の関係となる単調減少を意味する。螺旋巻き数が減少せずに同一である部分が一部に存在する場合も含む概念である。
なお、「狭義の単調減少」は、Ｎ₁＞Ｎ₂＞Ｎ₃…の関係にある単調減少であり、螺旋巻き数が同一である部分が一部でも存在する場合は含まれない。この狭義の単調減少は、広義の単調減少の一態様に含まれる。したがって、本発明においては、複数の螺旋状管体部のそれぞれの螺旋巻き数を、内周側の螺旋状管体部から外周側の螺旋状管体部に進むにしたがって狭義の単調減少となるように構成してもよい。

本発明の前記構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、従来技術とは異なり、外周側の螺旋状管体部の長さが、内周側の螺旋状管体部の長さと比較してかなり長くなるようなことを解消し、外周側と内周側とで螺旋状管体部の長さに大きな差を生じないようにして、複数の伝熱管それぞれの全長寸法の均一化を図ることができる。このため、複数の伝熱管の流路抵抗の均一化も図られ、複数の伝熱管のそれぞれを流通する流体の流量に大きなばらつきを生じないようにすることができる。一方、複数の伝熱管のそれぞれの伝熱面積にも大きなばらつきを生じないようにすることができる。したがって、伝熱面積が大きい外周側の螺旋状管体部を有する伝熱管が、熱交換に十分に利用されないという従来の不利が適切に解消される。本発明によれば、複数の螺旋状管体部の全体または略全体を、熱媒体と流体との熱交換に略均等に、かつ有効に利用することができることにより、従来よりも熱交換効率を高めることが可能となる。この点は、後述する実験のデータからも理解できる。
第２に、本発明によれば、熱交換効率を高めるための手段として、外周側の螺旋状管体部の長さを、従来よりも短くする手段が採用されている。したがって、伝熱管の短寸化に基づく製造コストの削減や、全体の軽量化などを好適に図ることもできる。

本発明において、好ましくは、前記複数の螺旋状管体部は、個別的には、巻きピッチが略一定の螺旋状管体部とされている一方、全体的には、前記複数の螺旋状管体部のそれぞれの巻きピッチが不揃いとされ、それぞれの軸長方向の高さ寸法が略同一に揃えられた構成とされている。

このような構成によれば、直状パイプに曲げ加工を施すことにより複数の螺旋状管体部を製造する場合、個々の螺旋状管体部については、略一定の巻きピッチで曲げ加工を施せばよいこととなる。また、複数の螺旋状管体部の軸長方向の高さ寸法は、略同一に揃えられているため、複数の伝熱管の両端部のそれぞれの高さを略同一とし、これらの部分に対するヘッダの接続も容易に行なうことが可能となる。したがって、複数の螺旋状管体部の巻き数が不揃いであるにも拘わらず、熱交換器全体の生産性が悪化しないようにすることができる。

本発明において、好ましくは、前記複数の螺旋状管体部は、平面視において円弧状の複数の曲げ部を有する略長円状または略矩形状であり、かつ前記複数の曲げ部のそれぞれの曲率半径は、同一に揃えられている。

このような構成によれば、複数の螺旋状管体部に設けられている複数の曲げ部の各所の
流路抵抗が略同一となる。このため、複数の螺旋状管体部のそれぞれの流路抵抗を均一にするには、曲げ部の流路抵抗のばらつきをさほど考慮する必要はなく、複数の螺旋状管体部の長さの均一化を図ればよいこととなる。したがって、複数の螺旋状管体部のそれぞれの流路抵抗を均一にするための設計・製作が容易となる。また、複数の曲げ部の曲率半径が同一に揃えられていない場合には、曲げ部の加工作業が煩雑なものとなるが、前記構成によれば、そのような煩雑さも解消され、伝熱管の製造コスト低減をより促進することができる。

本発明において、好ましくは、前記流入口および前記流出口は、平面視において、前記複数の螺旋状管体部を挟む配置に設けられ、前記流入口から前記ケース内に流入した熱媒体は、前記複数の螺旋状管体部の配置箇所を前記複数の螺旋状管体部の軸長方向に対して交差する方向に通過する構成とされている。

このような構成によれば、複数の螺旋状管体部の各所に対して熱媒体を効率よく作用させることができ、熱交換効率を高める上でより好ましい。

本発明において、好ましくは、前記複数の螺旋状管体部のそれぞれの全長寸法は、略同一に揃えられている。

このような構成によれば、複数の伝熱管のそれぞれの流路抵抗を同一に揃え、複数の伝熱管の全体を有効に利用した熱交換を行なわせる上で、より好ましいものとなる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

（ａ）は、本発明が適用された熱交換器の一例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、その正面断面図である。 （ａ）は、図１のIIa−IIa断面図であり、（ｂ）は、IIb−IIb断面図である。 本発明の他の例を示す正面断面図である。 本発明の他の例を示す側面断面図である。 本発明の他の例を示す側面断面図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１および図２に示す熱交換器ＨＥ１は、たとえば給湯装置の構成要素として用いられ、給湯装置に具備されている燃焼器によって発生された燃焼ガスから熱回収を行なうことにより給湯用の湯水を加熱生成するのに利用される。この熱交換器ＨＥ１は、ケース２、このケース２内に収容された複数の伝熱管Ｔ、および入水用および出湯用のヘッダ４（４ａ，４ｂ）を備えている。

ケース２は、中空の略直方体状であり、その後壁部２０ｂには、ケース２内に燃焼ガスを流入させるための流入口２１が設けられている。ケース２の前壁部２０ａには、複数の伝熱管Ｔによって熱回収がなされた後の燃焼ガスをケース２の外部に排出するための流出口２２が設けられている。燃焼ガスは、本発明でいう熱媒体の一例に相当する。

各伝熱管Ｔは、螺旋状管体部３と、この螺旋状管体部３の上下両端に一体的に繋がった延設管体部３１ａ，３１ｂとを有している。延設管体部３１ａ，３１ｂは、ケース２の側
壁部２０ｅを貫通し、かつその端部には入水用および出湯用のヘッダ４が接続されている。入水用のヘッダ４ａに供給された湯水は、複数の伝熱管Ｔのそれぞれに分かれて流れ、燃焼ガスにより加熱されてから出湯用のヘッダ４ｂに到達する。

各螺旋状管体部３は、平面視略長円状または略矩形状の複数のループ状管体部３０が螺旋の軸長方向（本実施形態では、上下高さ方向）に並んで一連に繋がった構成を有している。複数の螺旋状管体部３（３ａ〜３ｄ）のそれぞれの縦横のサイズは相違しており、これらは略同心の重ね巻き状に配列されている。ただし、複数の螺旋状管体部３のそれぞれの螺旋巻き数は、内周側の螺旋状管体部から外周側の螺旋状管体部に進むにしたがって単調減少している。単調減少の定義については、既に述べたとおりである。本実施形態においては、具体的には、図２に示すように、最内周の螺旋状管体部３ａから最外周の螺旋状管体部３ｄに進むにしたがって、それらの螺旋巻き数（段数）は、５段，４段，３段，３段となっている。

複数の螺旋状管体部３は、個別的には、上下高さ方向の巻きピッチが一定とされた螺旋状であるが、全体としては巻きピッチは一定ではなく、図２（ｂ）に示す巻きピッチＰ１〜Ｐ３は、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３の関係となっている。このことにより、複数の螺旋状管体部３の螺旋巻き数が相違しているにも拘わらず、各螺旋状管体部３の上下高さ寸法Ｈ１は略同一に揃えられている。これは、複数の延設管体部３１ａ，３１ｂの高さを揃え、ヘッダ４の接続を容易化する上で好ましい。図１（ａ）に示すように、複数の螺旋状管体部３のそれぞれには、円弧状の複数の曲げ部３２が設けられているが、これら複数の曲げ部３２は、いずれもその曲率半径ｒが同一とされている。複数の伝熱管Ｔのそれぞれの内径も同一である。

次に、前記した熱交換器ＨＥ１の作用について説明する。

複数の螺旋状管体部３の螺旋巻き数は、既述したように、不揃いとされており、最内周から最外周に進むにしたがって単調減少している。このため、たとえば外周側の螺旋状管体部３の長さが、内周側の螺旋状管体部３の長さと比較してかなり長くなるようなことは解消され、複数の螺旋状管体部３、ひいては複数の伝熱管Ｔのそれぞれに大きな寸法差がないものとなる。したがって、複数の伝熱管Ｔの流路抵抗の均一化が図られ、複数の伝熱管Ｔのそれぞれを流通する湯水流量に大きなばらつきが生じないようにすることができる。また、複数の伝熱管Ｔのそれぞれの伝熱面積の均一化も図られる。その結果、たとえば一部の伝熱管が他の伝熱管と比較して熱回収に有効に利用されなくなるといった不具合が適切に回避され、複数の伝熱管Ｔのそれぞれを略均一に、かつ有効に利用した熱回収が可能となる。このようなことから、高い熱交換効率を達成することができる。

熱交換器ＨＥ１においては、高い熱交換効率を得るための手段として、外周側の螺旋状管体部３の螺旋巻き数を少なくして、その短寸化を図っているが、後述する実験のデータからも理解されるように、外周側の螺旋状管体部３の螺旋巻き数を少なくしない場合（複数の螺旋状管体部３のそれぞれの巻き数を同一に揃えている場合）と同等または同等以上の熱交換効率を得ることが可能である。したがって、螺旋状管体部３の短寸化を図ることができる分だけ、製造コストの削減、ならびに全体の軽量化を好適に図ることも可能である。

螺旋状管体部３に形成されている複数の曲げ部３２のそれぞれの曲率半径ｒは同一であるため、それら複数の曲げ部３２の各所の流路抵抗も同一またはこれに近い状態となる。このため、複数の螺旋状管体部３のそれぞれの流路抵抗を均一にするには、曲げ部３２における流路抵抗のばらつきをさほど考慮する必要はなく、複数の螺旋状管体部３の長さの均一化を図ればよいこととなる。したがって、複数の伝熱管Ｔの流路抵抗を均一にするた
めの設計・製作が容易となる。また、複数の曲げ部３２の曲率半径が同一に揃えられていれば、そうでない場合と比較して、曲げ部３２の加工作業が容易となる利点も得られる。

図３ないし図５は、本発明の他の実施形態を示している。これらの図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付すこととし、重複説明は省略する。

図３に示す熱交換器ＨＥ２は、たとえばコージェネレーションシステムで用いられる湯水用の放熱器Ｒの構成要素として利用されており、ケース２内には、複数組（同図では、２組）の伝熱管Ｔが収容されている。各組の伝熱管Ｔは、前記実施形態における複数の伝熱管Ｔと同様な構成であり、それらのヘッダ４が配管接続されていることにより、複数組の伝熱管Ｔどうしは直列に接続されている。ケース２の底壁部２０ｄおよび上壁部２０ｃの一方には、ファン９から吐出される冷却用の空気の流入口２１が設けられ、かつ他方には、流出口２２が設けられている。

本実施形態においては、各伝熱管Ｔに冷却対象となる湯水が供給され、ファン９から吐出される空気により冷却される。各伝熱管Ｔに対して空気が進行する方向は、前記実施形態とは相違するものの、前記実施形態と同様に、高い熱交換効率を得ることが可能である。

本件発明者らは、前記した熱交換器ＨＥ２に近似する熱交換器として、ケース２に計４組の伝熱管Ｔを収容し、かつこれらを一連に配管接続した熱交換器（本発明適用の熱交換器）を作製した。また、これとの対比例となる熱交換器も作製し、これら２つの熱交換器を用いて温水を冷却する実験を行なった。本発明適用の熱交換器は、図１および図２に示したように、複数の螺旋状管体部３のそれぞれの螺旋巻き数が、内周側から外周側へ進むにしたがって５，４，３，３と変化するのに対し、対比例の熱交換器は、全ての螺旋状管体部の螺旋巻き数が５とされたものであり、従来技術に相当する構成である。両熱交換器は、これらの点で相違しているものの、これ以外の仕様は同一とした。
実験条件は、外気温が３５℃、伝熱管Ｔに供給される温水の温度が７０℃、温水の流量が０．２４Ｌ／min である。この実験により、次の表１のような結果が得られた。

表１から理解されるように、本発明適用の熱交換器は、対比例よりも伝熱面積が小さいものの、熱交換器を利用した冷却後の温水温度は、本発明適用の熱交換器の方が対比例よりも僅かながら低温となっている。したがって、本発明によれば、対比例（従来技術）よりも伝熱管の単位面積あたりの熱交換量が多く、熱交換効率を高くする上で本発明の方が有利であることが、前記した実験結果からも肯定することができる。

図４に示す熱交換器ＨＥ３においては、複数（たとえば、計３本）の螺旋状管体部３の螺旋巻き数が、内周側から外周側に進むにしたがって、たとえば６段、５段、４段と減少（狭義の単調減少に相当）しており、このことにより複数の伝熱管Ｔのそれぞれの長さは、略同一に揃えられている。
複数の伝熱管Ｔのそれぞれの湯水流通量を略同一にするには、これら複数の伝熱管Ｔの長さの差をできる限り小さくすることが好ましいが、複数の螺旋状管体部３の螺旋巻き数を適宜に選択することによって、そのような仕様とすることが可能である。

図５に示す熱交換器ＨＥ４においては、最外周の螺旋状管体部３（３ｄ）の内径Ｄ１（口径）が、他の螺旋状管体部３の内径Ｄ２よりも大きくされている。このことにより、最外周の螺旋状管体部３の流路抵抗をより小さくし、最外周の螺旋状管体部３の湯水流量を多くすることができる。本実施形態のように、本発明においては、外周側の螺旋状管体部の螺旋巻き数を少なくすることに加えて、その内径を大きくする手段を併用することもできる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

螺旋状管体部の平面視形状は、略長円状や略矩形状に限らず、たとえば円形状、楕円状などの他の形状とすることもできる。複数の伝熱管は、これらの螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配されていればよく、これら複数の伝熱管の具体的な本数も限定されない。また、既述したように、複数の螺旋状管体部の具体的な螺旋巻き数も限定されず、要は、内周側の螺旋状管体部から外周側の螺旋状管体部に進むにしたがって螺旋巻き数が単調減少した構成とされていればよい。複数の伝熱管の内径に多少のばらつきがあってもよく、また伝熱管の断面形状は、円形状に代えて、楕円状などの他の形状とすることもできる。
ケース内に供給される加熱用または冷却用の熱媒体の具体的な種類は問わない。伝熱管内に供給される流体は、給湯に用いられる湯水に限らず、たとえば温水暖房などに使用される不凍液、およびこれに類する液体も含み、やはりその具体的な種類は問わない。

ＨＥ１〜ＨＥ４ 熱交換器
Ｔ 伝熱管
２ ケース
３ 螺旋状管体部
４ ヘッダ
２１ 流入口
２２ 流出口
３２ 曲げ部

Claims (5)

1. 加熱用または冷却用の熱媒体の流入口および流出口が設けられているケースと、
   このケース内に収容された複数の螺旋状管体部を有し、かつこれら複数の螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配されている複数の伝熱管と、
   これら複数の伝熱管の両端部に接続されており、かつ前記複数の伝熱管に対する流体の流入および流出を行なわせるための一対のヘッダと、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記複数の螺旋状管体部のそれぞれの螺旋巻き数は、内周側の螺旋状管体部から外周側の螺旋状管体部に進むにしたがって単調減少していることを特徴とする、熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記複数の螺旋状管体部は、個別的には、巻きピッチが略一定の螺旋状管体部とされている一方、
   全体的には、前記複数の螺旋状管体部のそれぞれの巻きピッチが不揃いとされ、それぞれの軸長方向の高さ寸法が略同一に揃えられた構成とされている、熱交換器。
3. 請求項１または２に記載の熱交換器であって、
   前記複数の螺旋状管体部は、平面視において円弧状の複数の曲げ部を有する略長円状または略矩形状であり、かつ前記複数の曲げ部のそれぞれの曲率半径は、同一に揃えられている、熱交換器。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器であって、
   前記流入口および前記流出口は、平面視において、前記複数の螺旋状管体部を挟む配置に設けられ、前記流入口から前記ケース内に流入した熱媒体は、前記複数の螺旋状管体部の配置箇所を前記複数の螺旋状管体部の軸長方向に対して交差する方向に通過する構成とされている、熱交換器。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器であって、
   前記複数の螺旋状管体部のそれぞれの全長寸法は、略同一に揃えられている、熱交換器。

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