熱交換器
【課題】いわゆる螺旋チューブタイプの伝熱管内の圧力が高くなった際に伝熱管とこの伝熱管に連結されたヘッダなどの連結部材との間に回転モーメントが発生する現象を適切に防止または抑制し、伝熱管や連結部材の取り付けの安定性などを高めることが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】複数の伝熱管Ｔ１と、これらに固定連結された連結部材２Ａ，２Ｂと、を備えており、複数の伝熱管Ｔ１は、連結部材２Ａ，２Ｂとの連結位置から略同一方向に延びた複数の直状管体部１を有し、かつこれら複数の直状管体部１の内面には、螺旋状の凹部１２が形成されている、熱交換器ＨＥ１であって、複数の直状管体部１として、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒが設けられており、これら第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、凹部１２の螺旋の巻き方向が互いに相違している。
【解決手段】複数の伝熱管Ｔ１と、これらに固定連結された連結部材２Ａ，２Ｂと、を備えており、複数の伝熱管Ｔ１は、連結部材２Ａ，２Ｂとの連結位置から略同一方向に延びた複数の直状管体部１を有し、かつこれら複数の直状管体部１の内面には、螺旋状の凹部１２が形成されている、熱交換器ＨＥ１であって、複数の直状管体部１として、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒが設けられており、これら第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、凹部１２の螺旋の巻き方向が互いに相違している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水やその他の所望の流体を伝熱管内に流通させて、この流体の加熱または冷却を行なうタイプの熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器を構成する伝熱管としては、内面および外面に螺旋状の凹部および凸部を形成したいわゆる螺旋チューブタイプのものがある（たとえば、特許文献１，２を参照）。このような伝熱管によれば、この伝熱管の外面および内面の表面積（伝熱面積）が大きくなることに加え、伝熱管内を流通する流体や伝熱管の外面に作用する熱交換用媒体に乱流を生じさせて、それらと伝熱管との接触時間を長くとることができる。したがって、伝熱効率を高くするのに好ましい。このような伝熱管を複数本用いる場合には、フィン付きチューブなどの他のタイプの伝熱管と同様に、流体の流入出用のヘッダに連結して用いられる。
【０００３】
しかしながら、前記した螺旋チューブタイプの伝熱管に、ヘッダを連結して用いる場合には、次のような不具合が生じることを、本件発明者は発見した。
【０００４】
すなわち、伝熱管の内部に連通した流体流通経路において、たとえばウォータハンマが発生し、伝熱管内の圧力が相当に高くなったときには、伝熱管に捩じり力（伝熱管の長手方向に延びる中心軸を中心とするトルク）が発生する。この現象は、伝熱管の内面に形成されている凹部が螺旋状であることに起因して生じる。前記捩じり力の方向は、前記凹部の螺旋の巻き方向とは反対の方向であり、伝熱管内における流体流通方向とは無関係である。伝熱管にヘッダが固定して連結されている場合、前記した伝熱管の捩じり力は、ヘッダを回転させる回転モーメントを発生させる場合がある。この場合、前記回転モーメントは、その反作用として、ヘッダが伝熱管を回転させる力としても働く。このような力は、伝熱管の本数が多くなるほど、大きくなる。ヘッダと伝熱管との間に前記した回転モーメントが発生することは、ヘッダや伝熱管の取り付け箇所に不必要な応力を生じさせるといった要因となり、これらヘッダや伝熱管の取り付けの安定性や信頼性を高める観点からすると、好ましいものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０８２０５８号公報
【特許文献２】特開平９−３１０９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、いわゆる螺旋チューブタイプの伝熱管内の圧力が高くなった際に、伝熱管とこの伝熱管に連結されたヘッダなどの連結部材との間に回転モーメントが発生する現象を、適切に防止または抑制し、伝熱管や連結部材の取り付けの安定性や信頼性を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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
本発明により提供される熱交換器は、複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管に固定して
連結された連結部材と、を備えており、前記複数の伝熱管は、前記連結部材との連結位置から略同一方向に延びた複数の直状管体部を有し、かつこれら複数の直状管体部の内面には、螺旋状の凹部が形成されている、熱交換器であって、前記複数の直状管体部として、第１および第２の直状管体部が設けられており、これら第１および第２の直状管体部は、前記凹部の螺旋の巻き方向が互いに相違していることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、伝熱管内の圧力が高くなって複数の直状管体部において捩じり力が発生しても、第１および第２の直状管体部のそれぞれにおいて発生する捩じり力の方向は、互いに反対となる。したがって、これらの捩じり力が発生させる回転モーメントは、相殺または減殺されることとなって、伝熱管と連結部材との間に大きな回転モーメントを生じないようにすることができる。その結果、前記回転モーメントに起因して伝熱管や連結部材の取り付け箇所に大きな応力が生じるといったことが回避され、それらの取り付けの安定性や信頼性を高めることが可能である。
【００１０】
本発明において、好ましくは、前記複数の伝熱管として、前記第１の直状管体部を有する伝熱管と、前記第２の直状管体部を有する伝熱管とが設けられている。
【００１１】
このような構成によれば、第１の直状管体部を有する伝熱管と、第２の直状管体部を有する伝熱管とを組み合わせて、本発明が意図する熱交換器の構成を容易に実現することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、前記第１および第２の直状管体部のそれぞれの数は、略同一とされている。
【００１３】
このような構成によれば、第１および第２の直状管体部のそれぞれにおいて発生する捩じり力の大きさを均衡させ易くなり、伝熱管と連結部材との間に発生する回転モーメントを小さくするのに、より好ましいものとなる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、前記複数の直状管体部は、１または複数の列に並んでおり、かつこれらの各列において、前記第１および第２の直状管体部は、１つずつ交互に位置するように並んでいる。
【００１５】
このような構成によれば、第１および第２の直状管体部どうしを互いに接近させることができる。このため、第１の直状管体部周りに発生する回転モーメントを、第２の直状管体部周りに発生する回転モーメントによって相殺または減殺されることが効率良く行なわれる。したがって、伝熱管と連結部材との間に発生する回転モーメントを小さくするのに一層好ましい。
【００１６】
本発明において、好ましくは、前記複数の伝熱管の全部または一部は、前記第１および第２の直状管体部の双方を有し、かつこれら第１および第２の直状管体部が管体長手方向に直列状に並んだ構成とされている。
【００１７】
このような構成によれば、各伝熱管の第１の直状管体部において発生する捩じり力を、第２の直状管体部において発生する捩じり力によって相殺または減殺することが可能であり、各伝熱管から連結部材に対して大きな捩じり力が作用することを抑制することが可能である。したがって、伝熱管と連結部材との連結箇所などに発生する応力を減少させる上で、より好ましい。
【００１８】
本発明において、好ましくは、前記各直状管体部の外面には、螺旋状の凸部が形成されている。
【００１９】
このような構成によれば、各伝熱管の伝熱面積を大きくし、伝熱効率を一層高めるのに好適となる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、前記各伝熱管は、前記各直状管体部に対して曲状管体部を介して繋がった追加の直状管体部をさらに有しており、この追加の直状管体部の内面および外面にも、螺旋状の凹部および凸部が形成されている。
【００２１】
このような構成によれば、追加の直状管体部が設けられていることによって伝熱管の伝熱面積の拡大が図られるばかりか、この追加の直状管体部に形成された螺旋状の凹部および凸部の存在によって伝熱面積のさらなる拡大が図られる。したがって、伝熱管の総数を少なくして全体の大型化を抑制しつつ、高い熱交換効率を得るのに一層好適となる。
【００２２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は、本発明に係る熱交換器の一例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ断面説明図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す熱交換器において用いられている伝熱管の例を示す一部省略正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ部拡大断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す熱交換器における第１および第２の直状管体部の他の配列例を示す断面説明図である。
【図４】（ａ）は、本発明に係る熱交換器の他の例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のIV−IV断面説明図である。
【図５】（ａ）は、本発明に係る熱交換器の他の例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＶ−Ｖ断面説明図である。
【図６】本発明に係る熱交換器の他の例を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る熱交換器の他の例を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は、本発明に係る熱交換器の他の例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVIII−VIII断面図である。
【図９】本発明に係る熱交換器の他の例を示す平面断面図である。
【図１０】図９に示す熱交換器において用いられている伝熱管の例を示す一部省略正面図である。
【図１１】本発明に係る熱交換器の他の例を示す平面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１および図２は、本発明が適用された熱交換器の一例を示している。
本実施形態の熱交換器ＨＥ１は、たとえば給湯装置の構成部品として用いられて、給湯用の湯水加熱を行なうためのものであり、複数の伝熱管Ｔ１、一対のヘッダ２Ａ，２Ｂ、およびこれらを内部に収容するケース３を備えている。この熱交換器ＨＥ１は、複数の伝熱管Ｔ１の構成に特徴があり、これ以外の熱交換器ＨＥ１の全体的な基本構造は、従来既知のものと同様である。したがって、複数の伝熱管Ｔ１の構成以外の説明は簡単なものとする。
【００２６】
ケース３は、各伝熱管Ｔ１に作用させる加熱用媒体の流入口３０および排出口３１を有している。加熱用媒体としては、たとえば燃焼装置（図示略）によって発生された燃焼ガスが用いられる。一対のヘッダ２Ａ，２Ｂは、本発明でいう「連結部材」の一例に相当し
、各伝熱管Ｔ１への湯水の流出入を行なわせるとともに、各伝熱管Ｔ１を支持する役割を果たす。各伝熱管Ｔ１の両端部１０は、一対のヘッダ２Ａ，２Ｂの壁部に対して、ろう付け、あるいは溶接などの手段により固定して連結されている。ヘッダ２Ａの内部には、給水口２１に繋がった入水用のチャンバ２０ａと、出湯口２２に繋がった出湯用のチャンバ２０ｂとが形成されており、ヘッダ２Ｂの内部には、湯水戻し用のチャンバ２０ｃが形成されている。給水口２１から入水用のチャンバ２０ａに給水がなされると、この水は、流入口３０寄りの複数の伝熱管Ｔ１を通過して湯水戻し用のチャンバ２０ｃに到り、その後はこのチャンバ２０ｃから排出口３１寄りの複数の伝熱管Ｔ１を通過して出湯用のチャンバ２０ｂに流入する。このような過程において、前記の水は、ケース３内に供給されてくる加熱用媒体によって加熱されて、温水の生成がなされ、この温水は出湯口２２から所定の箇所に供給される。
【００２７】
各伝熱管Ｔ１は、たとえばステンレスや銅などの金属製であり、一定方向に延びた直管状である。すなわち、本実施形態においては、各伝熱管Ｔ１の全体が、直状管体部１となっている。図２によく表われているように、直状管体部１のうち、両端部１０を除く略全長域の外面には、螺旋状の凸部１１が形成されているとともに、内面には、螺旋状の凹部１２が形成されている。凸部１１どうしの間は螺旋状の凹部となっており、凹部１２どうしの間は螺旋状の凸部となっている。図２には、螺旋状の凸部１１および凹部１２が、４条ネジなどの多条ネジの形態とされた例が示されている。凸部１１および凹部１２を、多条ネジの形態にすると、凸部１１および凹部１２を密に設けることが容易となる。ただし、これに限定されず、凸部１１および凹部１２を単条ネジの形態とすることもできる。
【００２８】
複数の直状管体部１としては、第１および第２の直状管体部１（１Ｌ，１Ｒ）の２種類が設けられている。第１の直状管体部１Ｌは、螺旋状の凸部１１および凹部１２が左ネジ（左回りで前進するネジ）と同様な巻き方向とされたものであり、図２（ａ）に示されたものがこれに該当する。これに対し、第２の直状管体部１Ｒは、螺旋状の凸部１１および凹部１２が右ネジ（右回りで前進するネジ）と同様な巻き方向とされたものである。複数の伝熱管Ｔ１としては、第１の直状管体部１Ｌを有するものと、第２の直状管体部１Ｒを有するものとの２種類がある。なお、図１においては、螺旋状の凸部１１を、実線の斜線を用いて簡略的に示している。螺旋状の凹部１２は、凸部１１の裏面側に形成されている。このような点は、後述する他の実施形態の図面においても同様である。
【００２９】
前記したような螺旋状の凸部１１および凹部１２は、伝熱管Ｔ１の原材料となる金属製チューブに、転造処理を施すことにより形成することが可能である。転造処理によれば、金属製チューブの外面に雄ネジ状の凸部１１を形成する際に、雌ネジ状の凹部を前記金属製のチューブの内面に同時に形成することができる。また、転造処理を終えたチューブに、捩じり加工をさらに施すと、螺旋状の凸部１１および凹部１２のそれぞれのピッチを狭めることができ、伝熱管Ｔ１の表面積を大きくするのにより有利となる。
【００３０】
複数の直状管体部１は、互いに略平行となるように並んでおり、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、たとえば図１（ｂ）に示すような配列となっている。同図において、第１の直状管体部１Ｌには「Ｌ」、第２の直状管体部１Ｒには「Ｒ」の符号を付している。この点は、図３などの他の図においても同様である。第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、たとえば千鳥配列とされており、その縦列（上下高さ方向の列であり、図面では８列とされている）のそれぞれにおいては、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒが、１つずつ交互に位置するように並んでいる。なお、本実施形態とは異なり、複数の直状管体部１を縦横にマトリクス状に並べる場合には、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、縦方向の列に加えて、横方向の列においても、１つずつ交互に並ぶ配置とされることが好ましい。第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒのそれぞれの総数は、略同数（同数を含む）である。
【００３１】
次に、前記した熱交換器ＨＥ１の作用について説明する。
【００３２】
湯水加熱を行なう場合には、流入口３０からケース３内に加熱用媒体を流入させるとともに、給水口２１に給水を行なって各伝熱管Ｔ１内に水を流通させる。各伝熱管Ｔ１の外面および内面には、螺旋状の凸部１１および凹部１２が形成されているために、背景技術の欄において述べたのと同様に、伝熱管Ｔ１の伝熱面積を大きくし、また加熱用媒体や水を乱流としてこれらと伝熱管Ｔ１との接触時間を長くとることが可能となり、伝熱効率が良くなる。
【００３３】
給水口２１や出湯口２２に連通する湯水流通経路（図示略）において、たとえばウォータハンマが発生し、各伝熱管Ｔ１内の圧力が相当に高くなった場合には、各直状管体部１において捩じり力が発生する。これは、既述したとおり、各直状管体部１の内面に螺旋状の凹部１２が形成されていることに起因する。また、前記捩じり力の方向は、凹部１２の螺旋の巻き方向とは反対方向である。このため、図１（ｂ）に示すように、第１の直状管体部１Ｌにおいては、右回りの捩じり力Ｔａが発生するのに対し、第２の直状管体部１Ｒにおいては、左回りの捩じり力Ｔｂが発生する。したがって、これらの捩じり力Ｔａ，Ｔｂのそれぞれが発生させる回転モーメント、すなわち複数の伝熱管Ｔ１とヘッダ２Ａ，２Ｂとを相対回転させようとする回転モーメントは、相殺または減殺される。とくに、本実施形態においては、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒの数が略同数とされ、かつこれらが縦方向の各列において１つずつ交互に配置されて互いに接近しているために、捩じり力Ｔａ，Ｔｂのそれぞれが発生させる回転モーメントの相殺または減殺がより適切に図られる。
【００３４】
このように、この熱交換器ＨＥ１においては、ウォータハンマなどの現象が生じても、伝熱管Ｔ１とヘッダ２Ａ，２Ｂとの間にこれらを相対回転させようとする大きな回転モーメントが発生しないようにすることができる。その結果、伝熱管Ｔ１とヘッダ２Ａ，２Ｂとの連結部（ろう付け部分など）やその他の部分に大きな応力が生じることを適切に防止し、これら伝熱管Ｔ１やヘッダ２Ａ，２Ｂの取り付けの安定性、信頼性を高めることができる。
【００３５】
図３〜図１１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、先の実施形態と同一または類似の要素には、先の実施形態と同一の符号を付している。
【００３６】
図３（ａ）に示す構成においては、複数の直状管体部１の上下高さ方向に並んだ複数の縦列として、第１の直状管体部１Ｌのみが並んだ列と、第２の直状管体部１Ｒのみが並んだ列とがあり、これらの列が横方向に１列ずつ交互に位置している。同図（ｂ）に示す構成においては、第１の直状管体部１Ｌのみが並んだ縦列と第２の直状管体部１Ｒのみが並んだ縦列とが、横方向に２列ずつ交互に位置している。同図（ｃ）に示す構成においては、複数の直状管体部１が、第１の直状管体部１Ｌのみが一纏めに集められた複数の例と、第２の直状管体部１Ｒのみが一纏めに集められた複数の列とに２分されている。
【００３７】
前記したいずれの構成においても、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒのそれぞれにおいて発生する捩じり力Ｔａ，Ｔｂに基づく回転モーメントを好適に相殺または減殺することが可能である。これらの構成から理解されるように、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒの具体的な配列としては、種々の配列とすることができる。この点は、後述するような他の構成の熱交換器ＨＥ２〜ＨＥ６についても同様である。
【００３８】
図４（ａ）に示す熱交換器ＨＥ２においては、各伝熱管Ｔ２が、Ｕ字管として構成されており、一対の直状管体部１の一端部どうしが曲状管体部４を介して繋がった構成を有し
ている。一対の直状管体部１のそれぞれの他端部は、ヘッダ２Ａに連結されている。螺旋状の凹部１１および凸部１２は、各直状管体部１には設けられているものの、曲状管体部４には設けられていない。また、直状管体部１としては、前記実施形態と同様に、凸部１１や凹部１２の螺旋の巻き方向が互いに相違する第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒの２種類が設けられている。同図（ｂ）に示すように、伝熱管Ｔ２が並ぶ方向（同図では横方向）において、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、１つずつ交互に位置するように並んでいる。
【００３９】
本実施形態によれば、先に述べた実施形態と同様に、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒのそれぞれにおいて発生する捩じり力Ｔａ，Ｔｂに基づく回転モーメントを小さくすることが可能である。各伝熱管Ｔ２は、一端部側のみがヘッダ２Ａに連結されて拘束され、他端部側が自由端となった片もち状であり、各伝熱管Ｔ２とヘッダ２Ａとを相対的に回転させようとする大きな回転モーメントが生じた場合には、各伝熱管Ｔ２に歪みを生じる虞があるものの、本実施形態では、そのようなことを適切に防止することが可能である。曲状管体部４は、伝熱管Ｔ２に曲げ加工を施して形成されるが、この曲状管体部４には、螺旋状の凸部１１および凹部１２が設けられていないために、前記の曲げ加工を容易に行なうことが可能である。すなわち、本実施形態とは異なり、曲状管体部４として形成される部分に螺旋状の凸部１１および凹部１２が設けられていたのでは、この部分の剛性が高くなり、曲げ加工が難しくなるが、本実施形態によれば、そのようなことが適切に回避される。
【００４０】
図５（ａ）に示す熱交換器ＨＥ３においては、伝熱管Ｔ２としての１つのＵ字管を構成する一対の直状管体部１のうち、一方は、第１の直状管体部１Ｌとされ、かつ他方は、第２の直状管体部１Ｒとされている。このような構成によれば、同図（ｂ）に示すように、複数の伝熱管Ｔ２が並ぶ横方向において、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒを１つずつ交互に配置させることができることに加え、縦方向において第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒどうしを並ばせて接近させることもできる。本実施形態から理解されるように、１つの伝熱管に複数の直状管体部を設ける場合、これら複数の直状管体部に形成される凸部１１や凹部１２の螺旋の巻き方向は、必ずしも同一方向に揃えられていなくてもよい。
【００４１】
図６に示す熱交換器ＨＥ４においては、各伝熱管Ｔ２の一対の直状管体部１が、２つのヘッダ２Ｂ，２Ｃに個別に連結されている。これら２つのヘッダ２Ｂ，２Ｃは、図４（ａ）および図５（ａ）に示したヘッダ２Ａを２分割した構成に相当しており、ヘッダ２Ｂは入水用、ヘッダ２Ｃは出湯用である。このように、Ｕ字管として構成された伝熱管Ｔ２の一対の直状管体部１を２つのヘッダ２Ｂ，２Ｃに対して個別に連結した場合においても、図４や図５に示した実施形態と同様な作用が得られる。ヘッダを２分割した構成としてもよいことは、次の図７に示す実施形態についても同様である。
【００４２】
図７に示す熱交換器ＨＥ５において、各伝熱管Ｔ３は、全体が蛇行した形態を有する蛇行管として構成されている。より具体的には、各伝熱管Ｔ３は、ヘッダ２Ｄに一端部が接続された一対の直状管体部１どうしの間に、複数の曲状管体部４ａ〜４ｃと、複数の追加の直状管体部５（同図では、一対の直状管体部５）とが設けられた構成である。螺旋状の凸部１１および凹部１２は、直状管体部１のみならず、追加の直状管体部５にも設けられている。曲状管体部４ａ〜４ｃには、凸部１１および凹部１２は設けられていない。複数の直状管体部１は、各伝熱管Ｔ３が並んだ方向（同図では上下高さ方向）において、たとえば第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒが１つずつ交互に並んだ配置とされている。
【００４３】
本実施形態においては、各伝熱管Ｔ３の全長寸法を長くとることが可能であり、全体の伝熱面積を大きくするのに有利となる。加えて、追加の直状管体部５にも直状管体部１と
同様に、螺旋状の凸部１１および凹部１２が設けられているために、この部分も直状管体部１と同様に伝熱効率が良好な部分となって、高い熱交換効率を得るのにより好ましいものとなる。なお、追加の直状管体部５は、ヘッダ２Ｄに直接連結されておらず、この追加の直状管体部５において仮に捩じり力が発生しても、ヘッダ２Ｄと伝熱管Ｔ３とを相対的に回転させようとする回転モーメントを生じさせることは殆どない。したがって、追加の直状管体部５に設けられる凸部１１および凹部１２の螺旋の巻き方向は問わず、この追加の直状管体部５に繋がった直状管体部１に設けられている凸部１１および凹部１２の巻き方向と同一、非同一のいずれであってもよい。
【００４４】
図８に示す熱交換器ＨＥ６においては、各伝熱管Ｔ４が、平面視長円状の螺旋ループ管体部ＬＯを有するものとして構成されている。より具体的に説明すると、この熱交換器ＨＥ６においては、上下に分離して設けられた入水用および出湯用のヘッダ２Ｅ，２Ｆを有しており、複数の直状管体部１としては、下側の入水用のヘッダ２Ｅに曲管９０を介して一端部が連結された複数の下側の直状管体部１と、上側の出湯用のヘッダ２Ｆに一端部が連結された複数の上側の直状管体部１とがある。
【００４５】
各直状管体部１は、ケース３Ａの壁部３２を貫通しており、この壁部３２にろう付けなどの手段を用いて固定されている。したがって、本実施形態においては、ケース３Ａが本発明でいう「連結部材」に相当し、直状管体部１において発生した捩じり力は、ケース３Ａの壁部３０と複数の伝熱管Ｔ４とを相対回転させようとする回転モーメントを生じさせる可能性がある。ヘッダ２Ｅ，２Ｆは、ケース３Ａの外部に位置しているため、前記した捩じり力は受けない。複数の下側および上側の直状管体部１は、それぞれ略水平方向に１列に並んでいるが、このような配列において、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、略水平方向に１つずつ交互に位置するように並んでいる。
【００４６】
螺旋ループ管体部ＬＯは、平面視長円状の複数のループ部が一連に繋がって上下高さ方向に積層した構成を有している。前記のループ部は、直状管体部１と同方向に延びて，ケース３Ａの前後方向に間隔を隔てて位置する一対の追加の直状管体部５Ａと、これら一対の追加の直状管体部５Ａの両端部を繋ぐ曲状管体部４ｅ，４ｆとを有している。複数の伝熱管Ｔ４どうしは、螺旋ループ管体部ＬＯの大きさが互いに相違するように構成され、これらの螺旋ループ管体部ＬＯは、略同心状の重ね巻き状となっている。螺旋ループ管体部ＬＯは、その下端部が下側の直状管体部１の一端に繋がり、かつ上端部が上側の直状管体部１の一端に繋がっている。図面では省略しているが、螺旋ループ管体部ＬＯは、ケース３Ａ内において適当な支持部材を用いて支持され、不用意に位置ずれを生じないように設けられている。追加の直状管体部５Ａの外面および内面には、直状管体部１と同様に、螺旋状の凸部１１や凹部１２が形成されている。曲状管体部４ｄ，４ｅには、凸部１１や凹部１２は形成されていない。
【００４７】
本実施形態においては、各伝熱管Ｔ４が螺旋ループ管体部ＬＯを有しているために、全体の嵩張りを抑制しつつ、その全長寸法を長くして伝熱面積をかなり大きくすることができる。したがって、伝熱管Ｔ４の総数を少なくして全体の小型化を図りつつ、高い熱交換効率を得るのに、より好ましいものとなる。追加の直状管体部５Ａには、螺旋状の凸部１１や凹部１２が形成されているために、熱交換効率をより高めることが可能である。一方、複数の直状管体部１は、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒが略水平方向に１つずつ交互に並んだ状態で、ケース３Ａの壁部３２に固定されているために、各伝熱管Ｔ４内の圧力が相当に高くなって第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒのそれぞれにおいて捩じり力が発生しても、第１の直状管体部１Ｌにおいて発生する捩じり力に基づく回転モーメントと、第２の直状管体部１Ｒにおいて発生する捩じり力に基づく回転モーメントとは、やはり互いに相殺され、または減殺される。したがって、複数の伝熱管Ｔ４とケース３Ａの壁部３０とを相対的に回転させようとする回転モーメントの発生は適切に防止または
抑制される。その結果、たとえば伝熱管Ｔ４と壁部３０とのろう付け箇所やその他の伝熱管４の支持部分に、前記回転モーメントに起因する大きな応力を発生させないようにすることができる。
【００４８】
図９に示す熱交換器ＨＥ７においては、複数の伝熱管Ｔ５のそれぞれが、第１および第２の領域Ａ１，Ａ２に区分され、かつこれらの領域Ａ１，Ａ２が、第１および第２の直状管体部１Ｒ，１Ｌとして形成されている。図１０によく表われているように、第１および第２の直状管体部１Ｒ，１Ｌは、伝熱管Ｔ５の長手方向略中央部の非螺旋状部１０ａを挟んで伝熱管Ｔ５の長手方向に直列に並んでいる。非螺旋状部１０ａは、伝熱管Ｔ５を製造すべくその原材料パイプに捩じり加工を施す際に、前記原材料パイプをクランプするための部分である。この熱交換器ＨＥ７においては、複数の伝熱管Ｔ５が全て同じ向き（たとえば、第１の直状管体部１Ｒが左側に位置し、第２の直状管体部１Ｌが右側に位置する向き）に揃えられている。図９に示す熱交換器ＨＥ７の伝熱管Ｔ５以外の構成は、図１に示した熱交換器ＨＥ１と同様である。
【００４９】
本実施形態においては、給水口２１や出湯口２２に連通する湯水流通経路（図示略）においてウォータハンマが発生し、各伝熱管Ｔ５内の圧力が相当に高くなった場合、各伝熱管Ｔ５の第１の直状管体部１Ｒでは左回りの捩じり力Ｔｃが発生し、第２の直状管体部１Ｌでは右回りの捩じり力Ｔｄが発生する。各伝熱管Ｔ５において、このような２つの捩じり力Ｔｃ，Ｔｄが発生すると、これらは互いに相殺または減殺されることとなる。したがって、各伝熱管Ｔ５とヘッダ２Ａ，２Ｂとの連結部分に作用する各伝熱管Ｔ５の捩じり力を小さくし、それらの連結部分に大きな応力が生じないようにすることが可能である。
【００５０】
図９および図１０に示した実施形態から理解されるように、本発明においては、複数の伝熱管として、第１の直状管体部を有するものと第２の直状管体部を有するものとを用いることに代えて、管体長手方向に直列状に並んだ第１および第２の直状管体部を有するものを用いた構成とすることもできる。１本の伝熱管に第１および第２の直状管体部を直列状に並べて設ける場合、その適用対象となる伝熱管は、直線状に延びた伝熱管に限定されない。たとえば、図４〜図８に示したようなＵ字管、蛇行管、および螺旋状などの伝熱管であっても、その直状部分には第１および第２の直状管体部の双方を適切に設けることが可能である。
【００５１】
図１１に示す熱交換器ＨＥ８は、複数の伝熱管Ｔ５の向き（第１および第２の直状管体部１Ｒ，１Ｌの左右の配置）が同一に揃えられておらず、複数の伝熱管Ｔ５の配列方向において、第１および第２の直状管体部１Ｒ，１Ｌが交互に位置するように設定されている。このような構成によれば、各伝熱管Ｔ５において発生する捩じり力Ｔｃ，Ｔｄが互いに相殺または減殺される効果に加えて、互いに隣り合う伝熱管Ｔ５からヘッダ２Ａ，２Ｂに作用する回転モーメントが相殺または減殺される効果も得られることとなる。したがって、各伝熱管Ｔ５とヘッダ２Ａ，２Ｂとの連結部分に生じる応力を減少させる上で、一層好ましいものとなる。
【００５２】
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、種々に設計変更自在である。
【００５３】
上述した実施形態では、伝熱管を、いわゆる直状管、Ｕ字管、蛇行管、螺旋ループ管として構成した例を示したが、これ以外の形態のものに形成することができる。伝熱管は、要は、直状管体部を少なくとも一部に有し、かつこの直状管体部の内面に、螺旋状の凹部が形成されていればよい。螺旋状の凹部は、直状管体部の内面の全長域にわたって形成されていなくてもよく、直状管体部の一部分のみに形成されていてもよい。また、螺旋状の凹部は、たとえば切削加工など、転造や捩じり加工以外の手段を用いて形成してもかまわ
ない。伝熱効率を高める観点からすると、直状管体部の外面に螺旋状の凸部を設けることが好ましいものの、この凸部が形成されていない構成とすることもできる。また、螺旋状の凸部に代えて、非螺旋状の単なる円板状などの熱交換用のフィンを、各伝熱管の外面部に設けて、伝熱効率を高めた構成とすることもできる。
【００５４】
本発明でいう第１および第２の直状管体部は、要は、それらの内面に形成されている凹部の螺旋の巻き方向が相違していればよい。前記した実施形態とは反対に、凹部の螺旋の巻き方向が右方向のものを第１の直状管体部と称し、左方向のものを第２の直状管体部と称してもよい。第１および第２の直状管体部どうしは、凹部の螺旋の巻き方向以外にも相違点があってもよく、たとえば凹部の数、ピッチ、あるいは全体の管体長さなどの項目において相違点があってもかまわない。本発明でいう連結部材としては、上述した実施形態のように、ヘッダや、伝熱管を囲むケースを具体例として挙げることができるものの、やはりこれらに限定されるものではない。
【００５５】
本発明に係る熱交換器は、給湯装置用のものに限定されない。流体の加熱用途に代えて、冷却用途に用いることもできる。したがって、伝熱管の外面に作用させる媒体の種類は問わない。伝熱管内を流通する流体としては、水以外の種々の液体、あるいは気体（水蒸気を含む）を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
ＨＥ１〜ＨＥ８ 熱交換器
Ｔ１〜Ｔ５ 伝熱管
１ 直状管体部
１Ｌ 第１の直状管体部
１Ｒ 第２の直状管体部
２Ａ〜２Ｄ ヘッダ（連結部材）
３Ａ ケース（連結部材）
４，４ａ〜４ｅ 曲状管体部
５，５Ａ 追加の直状管体部
１１ 螺旋状の凸部
１２ 螺旋状の凹部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水やその他の所望の流体を伝熱管内に流通させて、この流体の加熱または冷却を行なうタイプの熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱交換器を構成する伝熱管としては、内面および外面に螺旋状の凹部および凸部を形成したいわゆる螺旋チューブタイプのものがある（たとえば、特許文献１，２を参照）。このような伝熱管によれば、この伝熱管の外面および内面の表面積（伝熱面積）が大きくなることに加え、伝熱管内を流通する流体や伝熱管の外面に作用する熱交換用媒体に乱流を生じさせて、それらと伝熱管との接触時間を長くとることができる。したがって、伝熱効率を高くするのに好ましい。このような伝熱管を複数本用いる場合には、フィン付きチューブなどの他のタイプの伝熱管と同様に、流体の流入出用のヘッダに連結して用いられる。
【０００３】
しかしながら、前記した螺旋チューブタイプの伝熱管に、ヘッダを連結して用いる場合には、次のような不具合が生じることを、本件発明者は発見した。
【０００４】
すなわち、伝熱管の内部に連通した流体流通経路において、たとえばウォータハンマが発生し、伝熱管内の圧力が相当に高くなったときには、伝熱管に捩じり力（伝熱管の長手方向に延びる中心軸を中心とするトルク）が発生する。この現象は、伝熱管の内面に形成されている凹部が螺旋状であることに起因して生じる。前記捩じり力の方向は、前記凹部の螺旋の巻き方向とは反対の方向であり、伝熱管内における流体流通方向とは無関係である。伝熱管にヘッダが固定して連結されている場合、前記した伝熱管の捩じり力は、ヘッダを回転させる回転モーメントを発生させる場合がある。この場合、前記回転モーメントは、その反作用として、ヘッダが伝熱管を回転させる力としても働く。このような力は、伝熱管の本数が多くなるほど、大きくなる。ヘッダと伝熱管との間に前記した回転モーメントが発生することは、ヘッダや伝熱管の取り付け箇所に不必要な応力を生じさせるといった要因となり、これらヘッダや伝熱管の取り付けの安定性や信頼性を高める観点からすると、好ましいものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０８２０５８号公報
【特許文献２】特開平９−３１０９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、いわゆる螺旋チューブタイプの伝熱管内の圧力が高くなった際に、伝熱管とこの伝熱管に連結されたヘッダなどの連結部材との間に回転モーメントが発生する現象を、適切に防止または抑制し、伝熱管や連結部材の取り付けの安定性や信頼性を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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
本発明により提供される熱交換器は、複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管に固定して
連結された連結部材と、を備えており、前記複数の伝熱管は、前記連結部材との連結位置から略同一方向に延びた複数の直状管体部を有し、かつこれら複数の直状管体部の内面には、螺旋状の凹部が形成されている、熱交換器であって、前記複数の直状管体部として、第１および第２の直状管体部が設けられており、これら第１および第２の直状管体部は、前記凹部の螺旋の巻き方向が互いに相違していることを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、伝熱管内の圧力が高くなって複数の直状管体部において捩じり力が発生しても、第１および第２の直状管体部のそれぞれにおいて発生する捩じり力の方向は、互いに反対となる。したがって、これらの捩じり力が発生させる回転モーメントは、相殺または減殺されることとなって、伝熱管と連結部材との間に大きな回転モーメントを生じないようにすることができる。その結果、前記回転モーメントに起因して伝熱管や連結部材の取り付け箇所に大きな応力が生じるといったことが回避され、それらの取り付けの安定性や信頼性を高めることが可能である。
【００１０】
本発明において、好ましくは、前記複数の伝熱管として、前記第１の直状管体部を有する伝熱管と、前記第２の直状管体部を有する伝熱管とが設けられている。
【００１１】
このような構成によれば、第１の直状管体部を有する伝熱管と、第２の直状管体部を有する伝熱管とを組み合わせて、本発明が意図する熱交換器の構成を容易に実現することができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、前記第１および第２の直状管体部のそれぞれの数は、略同一とされている。
【００１３】
このような構成によれば、第１および第２の直状管体部のそれぞれにおいて発生する捩じり力の大きさを均衡させ易くなり、伝熱管と連結部材との間に発生する回転モーメントを小さくするのに、より好ましいものとなる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、前記複数の直状管体部は、１または複数の列に並んでおり、かつこれらの各列において、前記第１および第２の直状管体部は、１つずつ交互に位置するように並んでいる。
【００１５】
このような構成によれば、第１および第２の直状管体部どうしを互いに接近させることができる。このため、第１の直状管体部周りに発生する回転モーメントを、第２の直状管体部周りに発生する回転モーメントによって相殺または減殺されることが効率良く行なわれる。したがって、伝熱管と連結部材との間に発生する回転モーメントを小さくするのに一層好ましい。
【００１６】
本発明において、好ましくは、前記複数の伝熱管の全部または一部は、前記第１および第２の直状管体部の双方を有し、かつこれら第１および第２の直状管体部が管体長手方向に直列状に並んだ構成とされている。
【００１７】
このような構成によれば、各伝熱管の第１の直状管体部において発生する捩じり力を、第２の直状管体部において発生する捩じり力によって相殺または減殺することが可能であり、各伝熱管から連結部材に対して大きな捩じり力が作用することを抑制することが可能である。したがって、伝熱管と連結部材との連結箇所などに発生する応力を減少させる上で、より好ましい。
【００１８】
本発明において、好ましくは、前記各直状管体部の外面には、螺旋状の凸部が形成されている。
【００１９】
このような構成によれば、各伝熱管の伝熱面積を大きくし、伝熱効率を一層高めるのに好適となる。
【００２０】
本発明において、好ましくは、前記各伝熱管は、前記各直状管体部に対して曲状管体部を介して繋がった追加の直状管体部をさらに有しており、この追加の直状管体部の内面および外面にも、螺旋状の凹部および凸部が形成されている。
【００２１】
このような構成によれば、追加の直状管体部が設けられていることによって伝熱管の伝熱面積の拡大が図られるばかりか、この追加の直状管体部に形成された螺旋状の凹部および凸部の存在によって伝熱面積のさらなる拡大が図られる。したがって、伝熱管の総数を少なくして全体の大型化を抑制しつつ、高い熱交換効率を得るのに一層好適となる。
【００２２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は、本発明に係る熱交換器の一例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＩ−Ｉ断面説明図である。
【図２】（ａ）は、図１に示す熱交換器において用いられている伝熱管の例を示す一部省略正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ部拡大断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す熱交換器における第１および第２の直状管体部の他の配列例を示す断面説明図である。
【図４】（ａ）は、本発明に係る熱交換器の他の例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のIV−IV断面説明図である。
【図５】（ａ）は、本発明に係る熱交換器の他の例を示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＶ−Ｖ断面説明図である。
【図６】本発明に係る熱交換器の他の例を示す斜視図である。
【図７】本発明に係る熱交換器の他の例を示す斜視図である。
【図８】（ａ）は、本発明に係る熱交換器の他の例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のVIII−VIII断面図である。
【図９】本発明に係る熱交換器の他の例を示す平面断面図である。
【図１０】図９に示す熱交換器において用いられている伝熱管の例を示す一部省略正面図である。
【図１１】本発明に係る熱交換器の他の例を示す平面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
図１および図２は、本発明が適用された熱交換器の一例を示している。
本実施形態の熱交換器ＨＥ１は、たとえば給湯装置の構成部品として用いられて、給湯用の湯水加熱を行なうためのものであり、複数の伝熱管Ｔ１、一対のヘッダ２Ａ，２Ｂ、およびこれらを内部に収容するケース３を備えている。この熱交換器ＨＥ１は、複数の伝熱管Ｔ１の構成に特徴があり、これ以外の熱交換器ＨＥ１の全体的な基本構造は、従来既知のものと同様である。したがって、複数の伝熱管Ｔ１の構成以外の説明は簡単なものとする。
【００２６】
ケース３は、各伝熱管Ｔ１に作用させる加熱用媒体の流入口３０および排出口３１を有している。加熱用媒体としては、たとえば燃焼装置（図示略）によって発生された燃焼ガスが用いられる。一対のヘッダ２Ａ，２Ｂは、本発明でいう「連結部材」の一例に相当し
、各伝熱管Ｔ１への湯水の流出入を行なわせるとともに、各伝熱管Ｔ１を支持する役割を果たす。各伝熱管Ｔ１の両端部１０は、一対のヘッダ２Ａ，２Ｂの壁部に対して、ろう付け、あるいは溶接などの手段により固定して連結されている。ヘッダ２Ａの内部には、給水口２１に繋がった入水用のチャンバ２０ａと、出湯口２２に繋がった出湯用のチャンバ２０ｂとが形成されており、ヘッダ２Ｂの内部には、湯水戻し用のチャンバ２０ｃが形成されている。給水口２１から入水用のチャンバ２０ａに給水がなされると、この水は、流入口３０寄りの複数の伝熱管Ｔ１を通過して湯水戻し用のチャンバ２０ｃに到り、その後はこのチャンバ２０ｃから排出口３１寄りの複数の伝熱管Ｔ１を通過して出湯用のチャンバ２０ｂに流入する。このような過程において、前記の水は、ケース３内に供給されてくる加熱用媒体によって加熱されて、温水の生成がなされ、この温水は出湯口２２から所定の箇所に供給される。
【００２７】
各伝熱管Ｔ１は、たとえばステンレスや銅などの金属製であり、一定方向に延びた直管状である。すなわち、本実施形態においては、各伝熱管Ｔ１の全体が、直状管体部１となっている。図２によく表われているように、直状管体部１のうち、両端部１０を除く略全長域の外面には、螺旋状の凸部１１が形成されているとともに、内面には、螺旋状の凹部１２が形成されている。凸部１１どうしの間は螺旋状の凹部となっており、凹部１２どうしの間は螺旋状の凸部となっている。図２には、螺旋状の凸部１１および凹部１２が、４条ネジなどの多条ネジの形態とされた例が示されている。凸部１１および凹部１２を、多条ネジの形態にすると、凸部１１および凹部１２を密に設けることが容易となる。ただし、これに限定されず、凸部１１および凹部１２を単条ネジの形態とすることもできる。
【００２８】
複数の直状管体部１としては、第１および第２の直状管体部１（１Ｌ，１Ｒ）の２種類が設けられている。第１の直状管体部１Ｌは、螺旋状の凸部１１および凹部１２が左ネジ（左回りで前進するネジ）と同様な巻き方向とされたものであり、図２（ａ）に示されたものがこれに該当する。これに対し、第２の直状管体部１Ｒは、螺旋状の凸部１１および凹部１２が右ネジ（右回りで前進するネジ）と同様な巻き方向とされたものである。複数の伝熱管Ｔ１としては、第１の直状管体部１Ｌを有するものと、第２の直状管体部１Ｒを有するものとの２種類がある。なお、図１においては、螺旋状の凸部１１を、実線の斜線を用いて簡略的に示している。螺旋状の凹部１２は、凸部１１の裏面側に形成されている。このような点は、後述する他の実施形態の図面においても同様である。
【００２９】
前記したような螺旋状の凸部１１および凹部１２は、伝熱管Ｔ１の原材料となる金属製チューブに、転造処理を施すことにより形成することが可能である。転造処理によれば、金属製チューブの外面に雄ネジ状の凸部１１を形成する際に、雌ネジ状の凹部を前記金属製のチューブの内面に同時に形成することができる。また、転造処理を終えたチューブに、捩じり加工をさらに施すと、螺旋状の凸部１１および凹部１２のそれぞれのピッチを狭めることができ、伝熱管Ｔ１の表面積を大きくするのにより有利となる。
【００３０】
複数の直状管体部１は、互いに略平行となるように並んでおり、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、たとえば図１（ｂ）に示すような配列となっている。同図において、第１の直状管体部１Ｌには「Ｌ」、第２の直状管体部１Ｒには「Ｒ」の符号を付している。この点は、図３などの他の図においても同様である。第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、たとえば千鳥配列とされており、その縦列（上下高さ方向の列であり、図面では８列とされている）のそれぞれにおいては、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒが、１つずつ交互に位置するように並んでいる。なお、本実施形態とは異なり、複数の直状管体部１を縦横にマトリクス状に並べる場合には、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、縦方向の列に加えて、横方向の列においても、１つずつ交互に並ぶ配置とされることが好ましい。第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒのそれぞれの総数は、略同数（同数を含む）である。
【００３１】
次に、前記した熱交換器ＨＥ１の作用について説明する。
【００３２】
湯水加熱を行なう場合には、流入口３０からケース３内に加熱用媒体を流入させるとともに、給水口２１に給水を行なって各伝熱管Ｔ１内に水を流通させる。各伝熱管Ｔ１の外面および内面には、螺旋状の凸部１１および凹部１２が形成されているために、背景技術の欄において述べたのと同様に、伝熱管Ｔ１の伝熱面積を大きくし、また加熱用媒体や水を乱流としてこれらと伝熱管Ｔ１との接触時間を長くとることが可能となり、伝熱効率が良くなる。
【００３３】
給水口２１や出湯口２２に連通する湯水流通経路（図示略）において、たとえばウォータハンマが発生し、各伝熱管Ｔ１内の圧力が相当に高くなった場合には、各直状管体部１において捩じり力が発生する。これは、既述したとおり、各直状管体部１の内面に螺旋状の凹部１２が形成されていることに起因する。また、前記捩じり力の方向は、凹部１２の螺旋の巻き方向とは反対方向である。このため、図１（ｂ）に示すように、第１の直状管体部１Ｌにおいては、右回りの捩じり力Ｔａが発生するのに対し、第２の直状管体部１Ｒにおいては、左回りの捩じり力Ｔｂが発生する。したがって、これらの捩じり力Ｔａ，Ｔｂのそれぞれが発生させる回転モーメント、すなわち複数の伝熱管Ｔ１とヘッダ２Ａ，２Ｂとを相対回転させようとする回転モーメントは、相殺または減殺される。とくに、本実施形態においては、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒの数が略同数とされ、かつこれらが縦方向の各列において１つずつ交互に配置されて互いに接近しているために、捩じり力Ｔａ，Ｔｂのそれぞれが発生させる回転モーメントの相殺または減殺がより適切に図られる。
【００３４】
このように、この熱交換器ＨＥ１においては、ウォータハンマなどの現象が生じても、伝熱管Ｔ１とヘッダ２Ａ，２Ｂとの間にこれらを相対回転させようとする大きな回転モーメントが発生しないようにすることができる。その結果、伝熱管Ｔ１とヘッダ２Ａ，２Ｂとの連結部（ろう付け部分など）やその他の部分に大きな応力が生じることを適切に防止し、これら伝熱管Ｔ１やヘッダ２Ａ，２Ｂの取り付けの安定性、信頼性を高めることができる。
【００３５】
図３〜図１１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、先の実施形態と同一または類似の要素には、先の実施形態と同一の符号を付している。
【００３６】
図３（ａ）に示す構成においては、複数の直状管体部１の上下高さ方向に並んだ複数の縦列として、第１の直状管体部１Ｌのみが並んだ列と、第２の直状管体部１Ｒのみが並んだ列とがあり、これらの列が横方向に１列ずつ交互に位置している。同図（ｂ）に示す構成においては、第１の直状管体部１Ｌのみが並んだ縦列と第２の直状管体部１Ｒのみが並んだ縦列とが、横方向に２列ずつ交互に位置している。同図（ｃ）に示す構成においては、複数の直状管体部１が、第１の直状管体部１Ｌのみが一纏めに集められた複数の例と、第２の直状管体部１Ｒのみが一纏めに集められた複数の列とに２分されている。
【００３７】
前記したいずれの構成においても、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒのそれぞれにおいて発生する捩じり力Ｔａ，Ｔｂに基づく回転モーメントを好適に相殺または減殺することが可能である。これらの構成から理解されるように、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒの具体的な配列としては、種々の配列とすることができる。この点は、後述するような他の構成の熱交換器ＨＥ２〜ＨＥ６についても同様である。
【００３８】
図４（ａ）に示す熱交換器ＨＥ２においては、各伝熱管Ｔ２が、Ｕ字管として構成されており、一対の直状管体部１の一端部どうしが曲状管体部４を介して繋がった構成を有し
ている。一対の直状管体部１のそれぞれの他端部は、ヘッダ２Ａに連結されている。螺旋状の凹部１１および凸部１２は、各直状管体部１には設けられているものの、曲状管体部４には設けられていない。また、直状管体部１としては、前記実施形態と同様に、凸部１１や凹部１２の螺旋の巻き方向が互いに相違する第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒの２種類が設けられている。同図（ｂ）に示すように、伝熱管Ｔ２が並ぶ方向（同図では横方向）において、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、１つずつ交互に位置するように並んでいる。
【００３９】
本実施形態によれば、先に述べた実施形態と同様に、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒのそれぞれにおいて発生する捩じり力Ｔａ，Ｔｂに基づく回転モーメントを小さくすることが可能である。各伝熱管Ｔ２は、一端部側のみがヘッダ２Ａに連結されて拘束され、他端部側が自由端となった片もち状であり、各伝熱管Ｔ２とヘッダ２Ａとを相対的に回転させようとする大きな回転モーメントが生じた場合には、各伝熱管Ｔ２に歪みを生じる虞があるものの、本実施形態では、そのようなことを適切に防止することが可能である。曲状管体部４は、伝熱管Ｔ２に曲げ加工を施して形成されるが、この曲状管体部４には、螺旋状の凸部１１および凹部１２が設けられていないために、前記の曲げ加工を容易に行なうことが可能である。すなわち、本実施形態とは異なり、曲状管体部４として形成される部分に螺旋状の凸部１１および凹部１２が設けられていたのでは、この部分の剛性が高くなり、曲げ加工が難しくなるが、本実施形態によれば、そのようなことが適切に回避される。
【００４０】
図５（ａ）に示す熱交換器ＨＥ３においては、伝熱管Ｔ２としての１つのＵ字管を構成する一対の直状管体部１のうち、一方は、第１の直状管体部１Ｌとされ、かつ他方は、第２の直状管体部１Ｒとされている。このような構成によれば、同図（ｂ）に示すように、複数の伝熱管Ｔ２が並ぶ横方向において、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒを１つずつ交互に配置させることができることに加え、縦方向において第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒどうしを並ばせて接近させることもできる。本実施形態から理解されるように、１つの伝熱管に複数の直状管体部を設ける場合、これら複数の直状管体部に形成される凸部１１や凹部１２の螺旋の巻き方向は、必ずしも同一方向に揃えられていなくてもよい。
【００４１】
図６に示す熱交換器ＨＥ４においては、各伝熱管Ｔ２の一対の直状管体部１が、２つのヘッダ２Ｂ，２Ｃに個別に連結されている。これら２つのヘッダ２Ｂ，２Ｃは、図４（ａ）および図５（ａ）に示したヘッダ２Ａを２分割した構成に相当しており、ヘッダ２Ｂは入水用、ヘッダ２Ｃは出湯用である。このように、Ｕ字管として構成された伝熱管Ｔ２の一対の直状管体部１を２つのヘッダ２Ｂ，２Ｃに対して個別に連結した場合においても、図４や図５に示した実施形態と同様な作用が得られる。ヘッダを２分割した構成としてもよいことは、次の図７に示す実施形態についても同様である。
【００４２】
図７に示す熱交換器ＨＥ５において、各伝熱管Ｔ３は、全体が蛇行した形態を有する蛇行管として構成されている。より具体的には、各伝熱管Ｔ３は、ヘッダ２Ｄに一端部が接続された一対の直状管体部１どうしの間に、複数の曲状管体部４ａ〜４ｃと、複数の追加の直状管体部５（同図では、一対の直状管体部５）とが設けられた構成である。螺旋状の凸部１１および凹部１２は、直状管体部１のみならず、追加の直状管体部５にも設けられている。曲状管体部４ａ〜４ｃには、凸部１１および凹部１２は設けられていない。複数の直状管体部１は、各伝熱管Ｔ３が並んだ方向（同図では上下高さ方向）において、たとえば第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒが１つずつ交互に並んだ配置とされている。
【００４３】
本実施形態においては、各伝熱管Ｔ３の全長寸法を長くとることが可能であり、全体の伝熱面積を大きくするのに有利となる。加えて、追加の直状管体部５にも直状管体部１と
同様に、螺旋状の凸部１１および凹部１２が設けられているために、この部分も直状管体部１と同様に伝熱効率が良好な部分となって、高い熱交換効率を得るのにより好ましいものとなる。なお、追加の直状管体部５は、ヘッダ２Ｄに直接連結されておらず、この追加の直状管体部５において仮に捩じり力が発生しても、ヘッダ２Ｄと伝熱管Ｔ３とを相対的に回転させようとする回転モーメントを生じさせることは殆どない。したがって、追加の直状管体部５に設けられる凸部１１および凹部１２の螺旋の巻き方向は問わず、この追加の直状管体部５に繋がった直状管体部１に設けられている凸部１１および凹部１２の巻き方向と同一、非同一のいずれであってもよい。
【００４４】
図８に示す熱交換器ＨＥ６においては、各伝熱管Ｔ４が、平面視長円状の螺旋ループ管体部ＬＯを有するものとして構成されている。より具体的に説明すると、この熱交換器ＨＥ６においては、上下に分離して設けられた入水用および出湯用のヘッダ２Ｅ，２Ｆを有しており、複数の直状管体部１としては、下側の入水用のヘッダ２Ｅに曲管９０を介して一端部が連結された複数の下側の直状管体部１と、上側の出湯用のヘッダ２Ｆに一端部が連結された複数の上側の直状管体部１とがある。
【００４５】
各直状管体部１は、ケース３Ａの壁部３２を貫通しており、この壁部３２にろう付けなどの手段を用いて固定されている。したがって、本実施形態においては、ケース３Ａが本発明でいう「連結部材」に相当し、直状管体部１において発生した捩じり力は、ケース３Ａの壁部３０と複数の伝熱管Ｔ４とを相対回転させようとする回転モーメントを生じさせる可能性がある。ヘッダ２Ｅ，２Ｆは、ケース３Ａの外部に位置しているため、前記した捩じり力は受けない。複数の下側および上側の直状管体部１は、それぞれ略水平方向に１列に並んでいるが、このような配列において、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒは、略水平方向に１つずつ交互に位置するように並んでいる。
【００４６】
螺旋ループ管体部ＬＯは、平面視長円状の複数のループ部が一連に繋がって上下高さ方向に積層した構成を有している。前記のループ部は、直状管体部１と同方向に延びて，ケース３Ａの前後方向に間隔を隔てて位置する一対の追加の直状管体部５Ａと、これら一対の追加の直状管体部５Ａの両端部を繋ぐ曲状管体部４ｅ，４ｆとを有している。複数の伝熱管Ｔ４どうしは、螺旋ループ管体部ＬＯの大きさが互いに相違するように構成され、これらの螺旋ループ管体部ＬＯは、略同心状の重ね巻き状となっている。螺旋ループ管体部ＬＯは、その下端部が下側の直状管体部１の一端に繋がり、かつ上端部が上側の直状管体部１の一端に繋がっている。図面では省略しているが、螺旋ループ管体部ＬＯは、ケース３Ａ内において適当な支持部材を用いて支持され、不用意に位置ずれを生じないように設けられている。追加の直状管体部５Ａの外面および内面には、直状管体部１と同様に、螺旋状の凸部１１や凹部１２が形成されている。曲状管体部４ｄ，４ｅには、凸部１１や凹部１２は形成されていない。
【００４７】
本実施形態においては、各伝熱管Ｔ４が螺旋ループ管体部ＬＯを有しているために、全体の嵩張りを抑制しつつ、その全長寸法を長くして伝熱面積をかなり大きくすることができる。したがって、伝熱管Ｔ４の総数を少なくして全体の小型化を図りつつ、高い熱交換効率を得るのに、より好ましいものとなる。追加の直状管体部５Ａには、螺旋状の凸部１１や凹部１２が形成されているために、熱交換効率をより高めることが可能である。一方、複数の直状管体部１は、第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒが略水平方向に１つずつ交互に並んだ状態で、ケース３Ａの壁部３２に固定されているために、各伝熱管Ｔ４内の圧力が相当に高くなって第１および第２の直状管体部１Ｌ，１Ｒのそれぞれにおいて捩じり力が発生しても、第１の直状管体部１Ｌにおいて発生する捩じり力に基づく回転モーメントと、第２の直状管体部１Ｒにおいて発生する捩じり力に基づく回転モーメントとは、やはり互いに相殺され、または減殺される。したがって、複数の伝熱管Ｔ４とケース３Ａの壁部３０とを相対的に回転させようとする回転モーメントの発生は適切に防止または
抑制される。その結果、たとえば伝熱管Ｔ４と壁部３０とのろう付け箇所やその他の伝熱管４の支持部分に、前記回転モーメントに起因する大きな応力を発生させないようにすることができる。
【００４８】
図９に示す熱交換器ＨＥ７においては、複数の伝熱管Ｔ５のそれぞれが、第１および第２の領域Ａ１，Ａ２に区分され、かつこれらの領域Ａ１，Ａ２が、第１および第２の直状管体部１Ｒ，１Ｌとして形成されている。図１０によく表われているように、第１および第２の直状管体部１Ｒ，１Ｌは、伝熱管Ｔ５の長手方向略中央部の非螺旋状部１０ａを挟んで伝熱管Ｔ５の長手方向に直列に並んでいる。非螺旋状部１０ａは、伝熱管Ｔ５を製造すべくその原材料パイプに捩じり加工を施す際に、前記原材料パイプをクランプするための部分である。この熱交換器ＨＥ７においては、複数の伝熱管Ｔ５が全て同じ向き（たとえば、第１の直状管体部１Ｒが左側に位置し、第２の直状管体部１Ｌが右側に位置する向き）に揃えられている。図９に示す熱交換器ＨＥ７の伝熱管Ｔ５以外の構成は、図１に示した熱交換器ＨＥ１と同様である。
【００４９】
本実施形態においては、給水口２１や出湯口２２に連通する湯水流通経路（図示略）においてウォータハンマが発生し、各伝熱管Ｔ５内の圧力が相当に高くなった場合、各伝熱管Ｔ５の第１の直状管体部１Ｒでは左回りの捩じり力Ｔｃが発生し、第２の直状管体部１Ｌでは右回りの捩じり力Ｔｄが発生する。各伝熱管Ｔ５において、このような２つの捩じり力Ｔｃ，Ｔｄが発生すると、これらは互いに相殺または減殺されることとなる。したがって、各伝熱管Ｔ５とヘッダ２Ａ，２Ｂとの連結部分に作用する各伝熱管Ｔ５の捩じり力を小さくし、それらの連結部分に大きな応力が生じないようにすることが可能である。
【００５０】
図９および図１０に示した実施形態から理解されるように、本発明においては、複数の伝熱管として、第１の直状管体部を有するものと第２の直状管体部を有するものとを用いることに代えて、管体長手方向に直列状に並んだ第１および第２の直状管体部を有するものを用いた構成とすることもできる。１本の伝熱管に第１および第２の直状管体部を直列状に並べて設ける場合、その適用対象となる伝熱管は、直線状に延びた伝熱管に限定されない。たとえば、図４〜図８に示したようなＵ字管、蛇行管、および螺旋状などの伝熱管であっても、その直状部分には第１および第２の直状管体部の双方を適切に設けることが可能である。
【００５１】
図１１に示す熱交換器ＨＥ８は、複数の伝熱管Ｔ５の向き（第１および第２の直状管体部１Ｒ，１Ｌの左右の配置）が同一に揃えられておらず、複数の伝熱管Ｔ５の配列方向において、第１および第２の直状管体部１Ｒ，１Ｌが交互に位置するように設定されている。このような構成によれば、各伝熱管Ｔ５において発生する捩じり力Ｔｃ，Ｔｄが互いに相殺または減殺される効果に加えて、互いに隣り合う伝熱管Ｔ５からヘッダ２Ａ，２Ｂに作用する回転モーメントが相殺または減殺される効果も得られることとなる。したがって、各伝熱管Ｔ５とヘッダ２Ａ，２Ｂとの連結部分に生じる応力を減少させる上で、一層好ましいものとなる。
【００５２】
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、種々に設計変更自在である。
【００５３】
上述した実施形態では、伝熱管を、いわゆる直状管、Ｕ字管、蛇行管、螺旋ループ管として構成した例を示したが、これ以外の形態のものに形成することができる。伝熱管は、要は、直状管体部を少なくとも一部に有し、かつこの直状管体部の内面に、螺旋状の凹部が形成されていればよい。螺旋状の凹部は、直状管体部の内面の全長域にわたって形成されていなくてもよく、直状管体部の一部分のみに形成されていてもよい。また、螺旋状の凹部は、たとえば切削加工など、転造や捩じり加工以外の手段を用いて形成してもかまわ
ない。伝熱効率を高める観点からすると、直状管体部の外面に螺旋状の凸部を設けることが好ましいものの、この凸部が形成されていない構成とすることもできる。また、螺旋状の凸部に代えて、非螺旋状の単なる円板状などの熱交換用のフィンを、各伝熱管の外面部に設けて、伝熱効率を高めた構成とすることもできる。
【００５４】
本発明でいう第１および第２の直状管体部は、要は、それらの内面に形成されている凹部の螺旋の巻き方向が相違していればよい。前記した実施形態とは反対に、凹部の螺旋の巻き方向が右方向のものを第１の直状管体部と称し、左方向のものを第２の直状管体部と称してもよい。第１および第２の直状管体部どうしは、凹部の螺旋の巻き方向以外にも相違点があってもよく、たとえば凹部の数、ピッチ、あるいは全体の管体長さなどの項目において相違点があってもかまわない。本発明でいう連結部材としては、上述した実施形態のように、ヘッダや、伝熱管を囲むケースを具体例として挙げることができるものの、やはりこれらに限定されるものではない。
【００５５】
本発明に係る熱交換器は、給湯装置用のものに限定されない。流体の加熱用途に代えて、冷却用途に用いることもできる。したがって、伝熱管の外面に作用させる媒体の種類は問わない。伝熱管内を流通する流体としては、水以外の種々の液体、あるいは気体（水蒸気を含む）を適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
ＨＥ１〜ＨＥ８ 熱交換器
Ｔ１〜Ｔ５ 伝熱管
１ 直状管体部
１Ｌ 第１の直状管体部
１Ｒ 第２の直状管体部
２Ａ〜２Ｄ ヘッダ（連結部材）
３Ａ ケース（連結部材）
４，４ａ〜４ｅ 曲状管体部
５，５Ａ 追加の直状管体部
１１ 螺旋状の凸部
１２ 螺旋状の凹部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管に固定して連結された連結部材と、を備えており、
前記複数の伝熱管は、前記連結部材との連結位置から略同一方向に延びた複数の直状管体部を有し、かつこれら複数の直状管体部の内面には、螺旋状の凹部が形成されている、熱交換器であって、
前記複数の直状管体部として、第１および第２の直状管体部が設けられており、これら第１および第２の直状管体部は、前記凹部の螺旋の巻き方向が互いに相違していることを特徴とする、熱交換器。
【請求項２】
前記複数の伝熱管として、前記第１の直状管体部を有する伝熱管と、前記第２の直状管体部を有する伝熱管とが設けられている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１および第２の直状管体部のそれぞれの数は、略同一とされている、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記複数の直状管体部は、１または複数の列に並んでおり、かつこれらの各列において、前記第１および第２の直状管体部は、１つずつ交互に位置するように並んでいる、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記複数の伝熱管の全部または一部は、前記第１および第２の直状管体部の双方を有し、かつこれら第１および第２の直状管体部が管体長手方向に直列状に並んだ構成とされている、請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記各直状管体部の外面には、螺旋状の凸部が形成されている、請求項１ないし５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項７】
前記各伝熱管は、前記各直状管体部に対して曲状管体部を介して繋がった追加の直状管体部をさらに有しており、
この追加の直状管体部の内面および外面にも、螺旋状の凹部および凸部が形成されている、請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項１】
複数の伝熱管と、これら複数の伝熱管に固定して連結された連結部材と、を備えており、
前記複数の伝熱管は、前記連結部材との連結位置から略同一方向に延びた複数の直状管体部を有し、かつこれら複数の直状管体部の内面には、螺旋状の凹部が形成されている、熱交換器であって、
前記複数の直状管体部として、第１および第２の直状管体部が設けられており、これら第１および第２の直状管体部は、前記凹部の螺旋の巻き方向が互いに相違していることを特徴とする、熱交換器。
【請求項２】
前記複数の伝熱管として、前記第１の直状管体部を有する伝熱管と、前記第２の直状管体部を有する伝熱管とが設けられている、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記第１および第２の直状管体部のそれぞれの数は、略同一とされている、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記複数の直状管体部は、１または複数の列に並んでおり、かつこれらの各列において、前記第１および第２の直状管体部は、１つずつ交互に位置するように並んでいる、請求項３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記複数の伝熱管の全部または一部は、前記第１および第２の直状管体部の双方を有し、かつこれら第１および第２の直状管体部が管体長手方向に直列状に並んだ構成とされている、請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項６】
前記各直状管体部の外面には、螺旋状の凸部が形成されている、請求項１ないし５のいずれかに記載の熱交換器。
【請求項７】
前記各伝熱管は、前記各直状管体部に対して曲状管体部を介して繋がった追加の直状管体部をさらに有しており、
この追加の直状管体部の内面および外面にも、螺旋状の凹部および凸部が形成されている、請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２２６７６３（Ｐ２０１１−２２６７６３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３０４７（Ｐ２０１１−１３０４７）
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２５日（２０１１．１．２５）
【出願人】（０００００４７０９）株式会社ノーリツ (1,293)
【Ｆターム（参考）】
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