JP2001082808A

JP2001082808A - 熱交換器

Info

Publication number: JP2001082808A
Application number: JP26215899A
Authority: JP
Inventors: Akishi Kegasa; 明志毛笠; Hiroshi Ikegami; 宏池上; Ryo Enomoto; 量榎本
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1999-09-16
Filing date: 1999-09-16
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、伝熱管１内部を流通する受熱対象
液Ｗ１と、伝熱管１外部を流通する給熱側ガスＧとの熱
交換を行う熱交換器１００において、簡単な構成で、燃
焼ガスＧの燃焼量を増加させても受熱対象液の急激な加
熱を抑制することができ、充分な熱出力を得ることがで
きる熱交換器を提供することを目的とする。【解決手段】伝熱管１の外表面において給熱側ガスＧ
の上流側に面する伝熱管上流側面４と、給熱側ガスＧの
熱交換を抑制する熱交換抑制手段Ａを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、伝熱管内部を流通
する受熱対象液と、前記伝熱管外部を流通する給熱側ガ
スとの熱交換を行う熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、給湯器用の熱交換器として、プレ
ートフィンチューブ型熱交換器が使用されている。これ
は、燃焼ガス（給熱側ガスの一例）の流通方向に沿って
配設された複数のフィンを設け、このフィンに穿設した
状態で伝熱管をろう付け等によって配設し、フィンの伝
熱作用にて受熱対象液と燃焼ガス（給熱側ガスの一例）
の熱交換を行うものである。また、１つの熱交換器にお
いて、給湯用と暖房用若しくは風呂の追い炊き用の水を
加熱する１缶２水熱交換器があり、このような１缶２水
熱交換器には、別の受熱対象液を流通させる２種類の伝
熱管を密着させて配設して相互の熱交換を可能にし、一
方の受熱対象液が滞留した状態において、滞留した受熱
対象液の熱を他方の伝熱管に伝熱させるように構成され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような熱
交換器において、熱出力を増加させるために、燃焼ガス
の燃焼量を増加させると、伝熱管に未だ吸熱されていな
い高温の燃焼ガスが衝突する伝熱管の外表面若しくはフ
ィンが過剰に加熱され、伝熱管内部の受熱対象液が伝熱
管内で沸騰し圧力過大、スケール発生、若しくは焼損と
いう弊害が起こる虞があり、燃焼量の増加させるには制
限があった。特に、上記の１缶２水熱交換器において、
伝熱管に未だ吸熱されていない高温の燃焼ガスが衝突
し、最も高温となる可能性がある伝熱管に流通する受熱
対象液を滞留させ、他方の受熱対象液を加熱する場合、
燃焼ガスの燃焼量を、滞留している受熱対象液の過剰加
熱による沸騰を回避できる程度に低下させる必要があ
り、機器の燃焼能力を充分に利用して受熱対象液を加熱
することができず、例えば、給湯水と暖房水を流通させ
る伝熱管を互いに偏平にして接触させたフィンチューブ
型の１缶２水熱交換器を採用したセントラルヒーティン
グボイラにおいて、燃焼ガスの流通方向の最上流側にあ
る伝熱管に流通する給湯水を滞留させた場合、燃焼能力
が３５ｋＷあるにも関わらず、燃焼量を６ｋＷ程度に抑
える必要があり、暖房用の水の出力上限値は５ｋＷ程度
でしかなかった。

【０００４】本発明は、これらの事情に鑑みて、簡単な
構成で、燃焼ガスの燃焼量を増加させても受熱対象液の
急激な加熱を抑制することができ、充分な熱出力を得る
ことができる熱交換器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】この目的を達成するため
の本発明の第一の特徴構成は、伝熱管内部を流通する受
熱対象液と、前記伝熱管外部を流通する給熱側ガスとの
熱交換を行う熱交換器の特徴構成は、請求項１に記載さ
れているように、前記伝熱管の外表面において、前記給
熱側ガスの流通方向上流側に面する伝熱管上流側面と前
記給熱側ガスとの熱交換を抑制する熱交換抑制手段を備
えた点にある。

【０００６】このように、例えば、熱交換抑制手段とし
て、伝熱管上流側面に断熱材を貼り付けたり、伝熱管上
流側面の管厚をその他の管厚より厚くしたりして、高温
の燃焼ガス（給熱側ガスの一例）に直接晒される前記伝
熱管上流側面において、燃焼ガスとの熱交換を抑制する
ことができるため、沸騰して圧力が上昇し、スケール発
生、若しくは焼損という弊害を抑制することができる。

【０００７】また、本発明の熱交換器の第二の特徴構成
は、請求項２に記載されているように、上記第一の特徴
構成に加えて、前記伝熱管が、前記給熱側ガスの流通方
向に沿って複数段の伝熱管群を形成する点にある。即
ち、本発明の熱交換器を、燃焼ガスの流通方向に垂直方
向に形成された伝熱管群を複数段配設した熱交換器とし
て構成することもでき、熱効率を向上させつつ、上記伝
熱管上流側面と燃焼ガスの熱交換を抑制し受熱対象液の
急激な加熱による沸騰を抑制することができる。

【０００８】また、本発明の熱交換器の第三の特徴構成
は、請求項３に記載されているように、上記第二の特徴
構成に加えて、前記熱交換抑制手段が、前記給熱側ガス
の流通方向上流側の段の伝熱管群を形成する伝熱管の前
記伝熱管上流側面と前記給熱側ガスとの熱交換を抑制す
る手段である点にある。複数段の伝熱管群を有する熱交
換器においては、未だ給熱されていない高温の燃焼ガス
は、まず燃焼ガスの流通方向において最上流側の段の伝
熱管の伝熱管上流側面に衝突するので、熱交換抑制手段
を、この最上流側の伝熱管上流側面と燃焼ガスとの熱交
換を抑制するように構成することで、受熱対象液の急激
な加熱を抑制し、さらに、その熱交換を抑制した分、そ
の下流側の伝熱管層を形成する伝熱管によって熱回収す
ることができ、伝熱管において熱応力が減少することが
できるために、伝熱管の寿命も向上させることができ
る。

【０００９】また、本発明の熱交換器の第四の特徴構成
は、請求項４に記載されているように、上記第一から第
三の特徴構成に加えて、前記伝熱管の外表面に、前記給
熱側ガスの流通方向に沿って形成されたフィンを形成し
て構成された点にある。このように、本発明の熱交換器
を、伝熱管の外表面に伝熱面積を稼ぐためのフィンを形
成した熱交換器として構成することもでき、伝熱管上流
側面と燃焼ガスの熱交換を抑制することができるので、
受熱対象液が沸騰して圧力が上昇し、スケール発生、若
しくは焼損という弊害を抑制することができる。

【００１０】また、本発明の熱交換器の第五の特徴構成
は、請求項５に記載されているように、上記第四の特徴
構成に加えて、前記熱交換抑制手段として、前記フィン
の前記伝熱管上流側面の近傍の部位に、孔を形成して備
えた点にある。このように、フィンを備えた熱交換器に
おいて、フィンの伝熱管上流側面の近傍の部位、所謂フ
ィンの伝熱管上流側面の上流側近傍の部位に、例えば複
数の孔を設けて熱交換抑制手段を構成することで、フィ
ンにおいて孔を設けた部位の伝熱面積が少なくなり、こ
の部位での燃焼ガスとの熱交換が抑制されるので、フィ
ンから伝熱管上流側面に伝熱する熱量が抑制され、結
果、伝熱管上流側面と燃焼ガスの熱交換を抑制すること
ができ、受熱対象液を、急激に加熱して沸騰させること
がなく、好ましい状態で加熱することができる。

【００１１】また、本発明の熱交換器の第六の特徴構成
は、請求項６に記載されているように、上記第四又は第
五の特徴構成に加えて、前記熱交換抑制手段として、前
記伝熱管上流側面と前記フィンとの間に、隙間を形成し
て備えた点にある。このように、熱交換抑制手段とし
て、伝熱管上流側面とフィンとの間に隙間を設けること
で、フィンから伝熱管への伝熱量が抑制されるので、伝
熱管上流側面と燃焼ガスとの熱交換を簡単に抑制するこ
とができ、受熱対象液を、急激に加熱して沸騰させるこ
とがなく、好ましい状態で加熱することができる。

【００１２】また、本発明の熱交換器の第七の特徴構成
は、請求項７に記載されているように、上記第四の特徴
構成に加えて、前記熱交換抑制手段として、前記フィン
が、前記伝熱管上流側面よりも前記給熱側ガスの流通方
向下流側に引退させて形成されている点にある。このよ
うに、熱交換抑制手段として、前記フィンを、伝熱管上
流側面よりも燃焼ガスの流通方向下流側に引退させて形
成する、即ち、フィンを、伝熱管上流側面を除く伝熱管
外表面に形成することで、伝熱管上流側面においてはフ
ィンからの給熱がないので、伝熱管上流側面は、フィン
が形成されてフィンからの給熱がある伝熱管外表面に対
して、燃焼ガスとの熱交換を抑制されている状態とな
り、結果、受熱対象液を、急激に加熱して沸騰させるこ
とがなく、好ましい状態で加熱することができる。

【００１３】また、本発明の熱交換器の第八の特徴構成
は、請求項８に記載されているように、上記第一から第
七の特徴構成に加えて、前記熱交換抑制手段として、前
記伝熱管上流側面に、熱伝導率が前記伝熱管を構成する
材料の熱伝導率以下である金属製の部材を接設して備え
た点にある。このように、熱伝導率が伝熱管の材料より
小さい金属製の板材等を、高温の燃焼ガスに直接晒され
る伝熱管上流側面に直接接触させて貼り付けることで、
この部分での燃焼ガスとの熱交換を抑制することがで
き、受熱対象液を沸騰させることがなく好ましい状態で
加熱することができる。また、伝熱管が銅製の場合、熱
交換を抑制するために伝熱管の外表面に接設する金属製
の部材としては、ステンレス、鉄、黄銅製の板材等を利
用することができる。

【００１４】また、本発明の熱交換器の第九の特徴構成
は、請求項９に記載されているように、上記第一から第
八の特徴構成に加えて、前記伝熱管が、互いに異なる受
熱対象液を内部に流通させる２種類以上の伝熱管によっ
て構成されたものであることが好ましい。このように、
本発明の熱交換器を所謂１缶２水熱交換器として構成す
ることで、燃焼ガスの流通方向において最上流側にある
伝熱管に流通する受熱対象液が滞留している場合におい
ても、この最上流の伝熱管の伝熱管上流側面と燃焼ガス
の熱交換を抑制することができるので、受熱対象液の急
激な加熱を抑制でき、この伝熱管よりも燃焼ガス流通方
向下流側に備えられた伝熱管において熱回収量を増加さ
せることができる。さらに、この滞留している受熱対象
液の急激な加熱による沸騰を抑制することができるの
で、燃焼量を増加させて流通状態の受熱対象液の出力上
限値増加させることができ、例えば、給湯水と暖房水を
流通させる伝熱管を互いに偏平にして接触させたフィン
チューブ型の１缶２水熱交換器を採用した燃焼能力が３
５ｋＷのセントラルヒーティングボイラにおいて、燃焼
ガスの流通方向の最上流側にある給湯用の水を滞留させ
た状態においては、燃焼量を１８．５ｋＷ程度に設定
し、暖房用の水の出力上限値を１５ｋＷ程度とすること
ができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係る熱交換器について、
実施の形態を図面に基いて説明する。図１は本発明に係
る熱交換器１００について、１つの実施の形態を示す側
面断面図である。図１（イ）に示すように、熱交換器１
００は、バーナ１０からの燃焼ガスＧの流通方向に垂直
に配設された複数の銅製の伝熱管１を、燃焼ガスＧの流
通方向にそって下流側から上流側にかけて順に直列に接
続して設け、さらに、前記伝熱管１の前記燃焼ガスＧの
流通方向の下流側に、密接させた複数の銅製の伝熱管２
を、同じく燃焼ガスＧの下流側から上流側にかけて順に
直列に接続して設けている。また、伝熱管１，２の管軸
方向に垂直且つ燃焼ガスＧの流通方向に平行の面に広が
っている複数のフィン３が設けられ、伝熱管１，２の外
表面とロウ付け等の溶接によって接続され、伝熱管の伝
熱面積を稼ぐ構成となっている。

【００１６】この熱交換器１００は、給湯水Ｗ１と暖房
水Ｗ２の片方若しくは両方を加熱することができる。即
ち、給湯水Ｗ１は、燃焼ガスＧの流通方向の上流側に設
けられた伝熱管１に供給され、順に伝熱管１内を流通
し、燃焼ガスＧの流通方向の下流側に設けられた伝熱管
１から排出され、さらに、暖房水Ｗ２は、燃焼ガスＧの
流通方向の上流側に設けられた伝熱管２に供給され、順
に伝熱管１内を流通し、燃焼ガスＧの流通方向の下流側
に設けられた伝熱管２から排出される構成となってい
る。この構成により、伝熱管１及び伝熱管２が燃焼状態
の燃焼ガスＧに晒され、それぞれの伝熱管１，２群に流
れている給湯水Ｗ１又は暖房水Ｗ２と燃焼ガスＧとの気
液の熱交換が行われる。

【００１７】さらに、それぞれの伝熱管１，２の接触部
は、接触面積を稼ぐために偏平状態とされており、互い
の伝熱管同士の熱交換を可能としている。この互いの熱
交換により、給湯水Ｗ１又は暖房水Ｗ２が局所的に加熱
されることを抑制する構成となっている。しかし、この
ように伝熱管を接触させて局所的な加熱を抑制しても、
例えば、図１（ロ）に示す、燃焼ガスの流通方向におい
て最上流側に設けられた伝熱管１ａにおいて、燃焼ガス
の流通方向上流側に面する伝熱管上流側面４において
は、未だ吸熱されていない高温の燃焼ガスが直接衝突す
るために、非常に高温となるので、伝熱管１ａに流通す
る給湯水Ｗ１を滞留させ、伝熱管２内にのみ暖房水Ｗ２
を流通させる場合、この最上流の伝熱管１ａ内の給湯水
Ｗ１が過剰加熱され沸騰する虞がある。

【００１８】そこで、本発明の熱交換器１００において
は、この燃焼ガスＧの流通方向において上流側に設けら
れた伝熱管１ａのバーナ１０側の伝熱管上流側面４と燃
焼ガスＧの熱交換を抑制することができる。即ち、未だ
吸熱されていない高温の燃焼ガスＧに晒される最上流側
に設置された伝熱管１ａのバーナ１０側の伝熱管上流側
面４とフィンとの間に隙間を設け、その隙間にステンレ
ス製の金属板５を、伝熱管上流側面４と密着するように
挿入させて設けられている。この金属板５はステンレス
製であるため、銅製の伝熱管１よりも熱伝導率が低く、
結果、燃焼ガスＧから伝熱管１ａの伝熱管上流側面４へ
の熱伝達を抑制することができ、高温の燃焼ガスＧによ
って伝熱管１ａ内部を流通する給湯水Ｗ１と燃焼ガスＧ
の熱交換が抑制される。このように、伝熱管１ａよりも
熱伝導率が低い金属板を利用して、燃焼ガスＧの流通方
向において上流側に設けられた伝熱管１の伝熱管上流側
面４と燃焼ガスＧの熱交換を抑制する手段を熱交換抑制
手段Ａと呼ぶ。

【００１９】このように、最も高温の燃焼ガスＧに晒さ
れる伝熱管１ａの伝熱管上流側面４と燃焼ガスＧとの熱
交換を抑制することで、例えば給湯水Ｗ１を滞留させ、
暖房水Ｗ２のみの加熱を行う場合においても、伝熱管１
の最上流側の伝熱管上流側面４が高温の燃焼ガスによっ
て急激に加熱されることがなく、この部分に滞留する給
湯水Ｗ１の沸騰を抑制することができるので、燃焼ガス
Ｇの燃焼量を従来よりも大きく設定できる。また、この
伝熱管１ａと燃焼ガスＧの熱交換を抑制することで、こ
の伝熱管１ａよりも下流側に流通する燃焼ガスＧの温度
が高くなり、伝熱管２における熱回収量を増加させ、暖
房水Ｗ２を充分に加熱することができ、例えば、燃焼ガ
スＧの燃焼量を１８．５ｋＷに設定して、暖房水Ｗ２に
よる熱出力を１５ｋＷにすることができる。

【００２０】〔別実施の形態〕〈１〉図２及び図３及び図４に、本発明に係る熱交換
器の熱交換抑制手段Ａの別の実施の形態を示す。まず、
図２においては、熱交換抑制手段Ａとして、フィン３に
おいて、最上流側の伝熱管１ａの伝熱管上流側面４の近
傍の部位に、径１ｍｍ程度の複数の孔６を設けて構成し
ている。このように構成することで、フィン３の孔６を
設けた部位の伝熱面積が少なくなり、燃焼ガスＧとフィ
ン３との熱交換を抑制され、フィン３から伝熱管１ａの
伝熱管上流側面４に伝熱する熱量が抑制されるので、結
果、伝熱管上流側面４と燃焼ガスＧとの熱交換が抑制さ
れることになる。

【００２１】また、図３においては、熱交換抑制手段Ａ
として、伝熱管上流側面４とフィン３との間に幅０．５
ｍｍの隙間７を設けて構成している。このような隙間７
は、フィン３と伝熱管１ａとをロウ付けする際に、この
隙間の部分だけロウが回らないようにすることで形成す
ることができる。このように隙間７を設けることで、同
じく、フィン３から伝熱管１ａへの伝熱量が抑制され、
結果、伝熱管上流側面４と燃焼ガスＧの熱交換を抑制す
ることができる。

【００２２】また、図４においては、前記熱交換抑制手
段Ａとして、フィン３が、伝熱管上流側面４よりも燃焼
ガスＧの下流側に引退させて形成されており、フィン３
を、伝熱管上流側面４を除く伝熱管１外表面に形成する
ことで、伝熱管上流側面４においてはフィン３からの給
熱がなく、伝熱管上流側面４は、フィン３が形成されて
フィン３からの給熱がある伝熱管１外表面に対して、燃
焼ガスＧとの熱交換を抑制されている状態となってい
る。さらに、このようにな構成において、上記の実施例
に示したように、ステンレス製の金属板５を伝熱管上流
側面４に貼り付け、伝熱管上流側面４と燃焼ガスＧとの
熱交換を一層抑制することもできる。

【００２３】〈２〉上記の実施の形態において、熱交
換器１を伝熱管１，２とフィン３とで構成するフィンチ
ューブ型の熱交換器として説明したが、この構成は本発
明を限定するものではなく、伝熱管のみを編み込んで構
成した熱交換器等においても、本発明の特徴構成である
熱交換抑制手段を備えて構成することができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明の熱交換器は、熱交換抑制手段に
よって、燃焼ガスの流通方向上流側に面する伝熱管上流
側面と、高温の燃焼ガスとの熱交換を抑制することで、
受熱対象液の急激な加熱を抑制することができ、さら
に、燃焼ガスの燃焼量を増加させ、充分な熱出力を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱交換器の実施の形態を示す側断
面図

【図２】熱交換抑制手段の別の実施の形態を示す部分断
面図

【図３】熱交換抑制手段の別の実施の形態を示す部分断
面図

【図４】熱交換抑制手段の別の実施の形態を示す部分断
面図

【符号の説明】

１伝熱管２伝熱管４伝熱管上流側面１００熱交換器Ａ熱交換抑制手段Ｇ燃焼ガス（給熱側ガス）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者榎本量大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内Ｆターム(参考） 3L036 AA06 AA41 AA46

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝熱管内部を流通する受熱対象液と、前
記伝熱管外部を流通する給熱側ガスとの熱交換を行う熱
交換器であって、前記伝熱管の外表面において、前記給熱側ガスの流通方
向上流側に面する伝熱管上流側面と前記給熱側ガスとの
熱交換を抑制する熱交換抑制手段を備えた熱交換器。
【請求項２】前記伝熱管が、前記給熱側ガスの流通方
向に沿って複数段の伝熱管群を形成する請求項１に記載
の熱交換器。
【請求項３】前記熱交換抑制手段が、前記給熱側ガス
の流通方向上流側の段の伝熱管群を形成する伝熱管の前
記伝熱管上流側面と前記給熱側ガスとの熱交換を抑制す
る手段である請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】前記伝熱管の外表面に、前記給熱側ガス
の流通方向に沿って形成されたフィンを形成して構成さ
れた請求項１から３の何れか１項に記載の熱交換器。
【請求項５】前記熱交換抑制手段として、前記フィン
の前記伝熱管上流側面の近傍の部位に、孔を形成して備
えた請求項４に記載の熱交換器。
【請求項６】前記熱交換抑制手段として、前記伝熱管
上流側面と前記フィンとの間に、隙間を形成して備えた
請求項４又は５に記載の熱交換器。
【請求項７】前記熱交換抑制手段として、前記フィン
が、前記伝熱管上流側面よりも前記給熱側ガスの流通方
向下流側に引退させて形成されている請求項４に記載の
熱交換器。
【請求項８】前記熱交換抑制手段として、前記伝熱管
上流側面に、熱伝導率が前記伝熱管を構成する材料の熱
伝導率以下である金属製の部材を接設して備えた請求項
１から７の何れか１項に記載の熱交換器。
【請求項９】前記伝熱管が、互いに異なる受熱対象液
を内部に流通させる２種類以上の伝熱管によって構成さ
れたものである請求項１から８の何れか１項に記載の熱
交換器。