JP2003021399A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 凝縮水による目詰まりを生じることなく、放
熱性能の向上を実現できる熱交換器を提供すること。 【解決手段】 本発明の熱交換器に使用されるアウタフ
ィン３には、燃焼ガスが流入する入口側（燃焼ガスから
主に顕熱を回収する領域）にのみ複数のウイング３ａが
設けられている。このウイング３ａは、三角形の一辺を
残してフィン表面から切り起こされ、燃焼ガスの流れ方
向に対し傾斜して設けられている。また、フィン３の上
下方向に連続する２個のウイング３ａは、燃焼ガスの流
れ方向に対する傾斜方向が異なる様に切り起こされてい
る。このウイング３ａの作用により、燃焼ガスがフィン
表面に誘導され、且つウイング３ａが燃焼ガスの流れ方
向に対し傾斜しているので、燃焼ガスの流れに旋回流を
発生させることができる。その結果、フィン表面上に発
生する温度境界層の発達を抑制でき、熱伝達率が向上し
て放熱性能の向上を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水蒸気を含む高温
の気体と低温の流体とを熱交換させて、高温の気体から
顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して低温の流体を加熱
する熱交換器に係わり、特に給湯器用の熱交換器に用い
て好適である。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、例えば、特開平９−１
２６５５４号公報に記載された熱交換装置がある。この
熱交換装置は、燃焼ガスの凝縮潜熱を回収して給湯水を
加熱する二次熱交換器を備えている。この二次熱交換器
の放熱性能を向上させるには、以下の方法が考えられ
る。 フィンの伝熱面積を増大させる。 フィンの表面上に発生する温度境界層の発達を抑制し
て熱伝達率の向上を図る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】とろこが、上記の二次
熱交換器は、給湯水との熱交換により燃焼ガスの温度が
露点温度まで低下して凝縮水が発生するため、以下の問
題がある。上記の理由から、フィンの伝熱面積を大き
く確保できる所謂ドロンカップタイプの熱交換器を使用
した場合、熱交換器の小型化によりフィンピッチを小さ
くする、あるいはフィン高さを低くすると、フィンを挟
んで隣合うチューブ同士の間に凝縮水が保持されて目詰
まりを起こし易くなり、通風抵抗が増大する。

【０００４】また、上記の理由からフィンにルーバ等
を設けることが一般的に行われるが、フィンピッチを小
さくしたり、フィン高さを低くした上で、更にフィンに
ルーバを設けると、そのルーバにより凝縮水の排出が阻
害されるため、性能低下を招く。本発明は、上記事情に
基づいて成されたもので、その目的は、凝縮水による目
詰まりを生じることなく、放熱性能の向上を実現できる
熱交換器を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（請求項１の手段）本発
明は、チューブの外側を上方から下方へ向かって水蒸気
を含む高温の気体が流れ、チューブ内の流体通路に高温
の気体より低温の流体を流通させて、高温の気体から顕
熱のみならず凝縮潜熱をも回収して低温の流体を加熱す
る熱交換器であって、フィンは、自身の表面から切り起
こされて高温の気体が流れる中に突出する複数の切り起
こし片を有し、この切り起こし片がフィンの上部側にの
み設けられている。

【０００６】この構成では、フィンに設けた切り起こし
片の作用により、高温の気体がフィン表面に誘導される
ので、フィン表面上に発生する温度境界層の発達を抑制
でき、熱伝達率の向上を図ることが可能である。また、
切り起こし片をフィンの上部側にのみ設けているので、
高温の気体が凝縮して発生する凝縮水の排出が切り起こ
し片によって妨げられることがなく、凝縮水の目詰まり
による放熱性能の低下を防止できる。

【０００７】（請求項２の手段）請求項１に記載した熱
交換器において、フィンは、高温の気体から主に顕熱を
回収する領域にのみ複数の切り起こし片が設けられてい
る。これにより、顕熱を回収する領域の熱伝達率を向上
できる。また、高温の気体から主に凝縮潜熱を回収する
領域には切り起こし片が設けられていないので、凝縮水
の排出が切り起こし片によって妨げられることはない。

【０００８】（請求項３の手段）請求項１または２に記
載した熱交換器において、切り起こし片は、三角形状に
切り起こされて高温の気体の流れ方向に対し傾斜して設
けられ、その傾斜方向が異なる第１の切り起こし片と第
２の切り起こし片とを有し、第１の切り起こし片と第２
の切り起こし片とが高温の気体の流れ方向にて交互に設
けられている。

【０００９】この構成によれば、切り起こし片が高温の
気体の流れ方向に対し傾斜しているので、高温の気体を
フィン表面に誘導できる効果に加えて、更に高温の気体
の流れに旋回流を発生させることができる。その結果、
フィン表面上に発生する温度境界層の発達を更に抑制で
き、熱伝達率の向上を図ることが可能である。また、高
温の気体の流れ方向に対し傾斜方向が異なる第１の切り
起こし片と第２の切り起こし片とを高温の気体の流れ方
向（フィンの上下方向）に交互に設けることで、旋回方
向が異なる旋回流を交互に発生させることが可能であ
る。その結果、フィン表面上における温度境界層の発生
を抑制できるので、熱伝達率が向上して放熱性能の向上
が可能になる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図３は熱交換器１の正面図、図４は
熱交換器１の側面図、図５は熱交換器１の上面図であ
る。本実施例の熱交換器１は、給湯器に使用されて給湯
水と燃焼ガスとの熱交換を行うもので、図４及び図５に
示す様に、複数のチューブ２をアウタフィン３と共に積
層して構成される所謂ドロンカップタイプと呼ばれる熱
交換器１であり、全体が組み立てられた後、一体ろう付
けによって製造される。

【００１１】チューブ２は、図６及び図７に示す２枚の
伝熱プレート４（４Ａ、４Ｂ）を組み合わせて形成さ
れ、内部にＵ字状の流水通路（本発明の流体通路）を形
成する偏平管部２Ａ（図４参照）と、流水通路の両端に
通じる一組のタンク部２Ｂ（図４参照）とが設けられ、
このタンク部２Ｂに連通口２ｂが開口している。

【００１２】２枚の伝熱プレート４は、第１の伝熱プレ
ート４Ａ（図６参照）の周縁部に巻締め部４ａが設けら
れていること以外は略同一形状である。この２枚の伝熱
プレート４は、図１（ｂ）に示す様に、第１の伝熱プレ
ート４Ａの巻締め部４ａを第２の伝熱プレート４Ｂの内
面側から外面側へ折り返して、第２の伝熱プレート４Ｂ
の端部を両側から挟み込む様に巻締めして組付けられ、
両者の当接面４ｂがろう付けされる。

【００１３】タンク部２Ｂは、偏平管部２Ａより厚み幅
が大きく設けられ、そのタンク部２Ｂを形成する伝熱プ
レート４の外表面には、連通口２ｂの周囲にろう付け面
となる平坦部２ｃ（図８及び図１０参照）が環状に設け
られている。なお、タンク部２Ｂを形成している伝熱プ
レート４の断面形状（Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面、Ｄ−Ｄ
断面）と、偏平管部２Ａを形成している伝熱プレート４
の断面形状（Ｅ−Ｅ断面）を図８〜図１０に示す。

【００１４】複数のチューブ２は、図４及び図５に示す
様に、互いのタンク部２Ｂ同士を連ねて積層され、連通
口２ｂの周囲に設けられる平坦部２ｃ同士が接合され
る。これにより、タンク部２Ｂに開口する連通口２ｂを
通じて各チューブ２の流水通路が相互に連通している。
なお、チューブ２の内部には、図１（ａ）に示す様に、
伝熱面積を増大するためにインナフィン５を挿入しても
良い。

【００１５】積層方向の一端側に配されるチューブ２に
は、図５に示す様に、給湯水の給湯口６と出湯口７とが
タンク部２Ｂに接合されている。また、積層方向の両端
側には、それぞれ補強用のプレート８が接合されてい
る。タンク部２Ｂより厚み幅が薄い偏平管部２Ａでは、
隣合う偏平管部２Ａ同士の間に略一定の幅を有する偏平
な空間が形成され、その空間にアウタフィン３が配置さ
れる。

【００１６】アウタフィン３は、図２（ａ）に示す様
に、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミ
ニウム等）の薄板材を凹凸状に交互に折り曲げて形成さ
れるもので、その凹凸空間を燃焼ガスが上方から下方へ
流れる様に配置され、偏平管部２Ａを形成する伝熱プレ
ート４の表面にろう付けされる。このアウタフィン３に
は、図１（ａ）及び図２（ａ）に示す様に、燃焼ガスが
流入する入口側（燃焼ガスから主に顕熱を回収する領
域）にのみ複数の切り起こし片（以下ウイング３ａと呼
ぶ）が設けられている。なお、図２（ａ）に示すアウタ
フィン３では、伝熱プレート４に対するろう付け面３Ａ
にウイング３ａを設けているが、アウタフィン３の側面
３Ｂに設けても良い。

【００１７】ウイング３ａは、三角形の一辺を残してフ
ィン表面から切り起こされ、燃焼ガスの流れ方向に対し
傾斜して設けられている。また、フィン３の上下方向に
連続する２個のウイング３ａは、図２（ｂ）に示す様
に、燃焼ガスの流れ方向に対する傾斜方向が異なる様に
切り起こされている。つまり、図２（ｂ）に示す上側の
ウイング３ａ（第１の切り起こし片）は、三角形の右側
の一辺を残してフィン表面から切り起こされているのに
対し、下側のウイング３ａ（第２の切り起こし片）は、
三角形の左側の一辺を残してフィン表面から切り起こさ
れている。

【００１８】次に、本実施例の作用及び効果を説明す
る。給湯水は、熱交換器１の給湯口６から各チューブ２
の一方のタンク部２Ｂへ流入し、その一方のタンク部２
Ｂから偏平管部２Ａに形成される流水通路を流れて他方
のタンク部２Ｂへ流入し、その他方のタンク部２Ｂから
出湯口７を通って流出する。

【００１９】一方、燃焼ガスは、図３に示す様に、熱交
換器１の上方から下方へ向かって流れ、熱交換器１を通
過する際に給湯水と熱交換されて給湯水を加熱する。こ
の時、燃焼ガスは、少なくとも熱交換器１の出口側で露
点温度以下（例えば３０〜５０℃）まで温度低下して凝
縮する。つまり、この熱交換器１は、燃焼ガスの顕熱だ
けでなく、燃焼ガスが凝縮する際に放出される凝縮潜熱
をも吸収して給湯水を加熱することができる。

【００２０】（本実施例の効果）本実施例の熱交換器１
は、アウタフィン３に設けたウイング３ａの作用によ
り、燃焼ガスがフィン表面に誘導され、且つウイング３
ａが燃焼ガスの流れ方向に対し傾斜しているので、燃焼
ガスの流れに旋回流を発生させることができる。特に、
アウタフィン３の上下方向に連続する２個のウイング３
ａは、燃焼ガスの流れ方向に対する傾斜方向が異なる様
に切り起こされているので、旋回方向が異なる旋回流を
交互に発生させることが可能である。その結果、アウタ
フィン３の表面上に発生する温度境界層の発達を抑制で
きるので、熱伝達率が向上して放熱性能の向上を図るこ
とができる。

【００２１】また、ウイング３ａをアウタフィン３の上
部側（燃焼ガスから顕熱を回収する領域）にのみ設けて
いるので、燃焼ガスが凝縮して発生する凝縮水の排出が
ウイング３ａによって妨げられることがなく、凝縮水の
目詰まりによる放熱性能の低下を防止できる。なお、本
実施例では、アウタフィン３に設ける切り起こし片とし
て三角形状のウイング３ａを示したが、例えば図１１に
示す様な矩形状のルーバ３ｂでも良い。

【００２２】本実施例の熱交換器１は、給湯水と燃焼ガ
スとを熱交換させているが、給湯水と燃焼ガスとに限定
されるものではない。但し、チューブ２の外側を流れる
流体は、水蒸気を含んだ高温の気体であり、チューブ２
の内部を流れる低温の流体との熱交換により凝縮して凝
縮水を発生する温度域で使用されるものとする。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）図３のＡ−Ａ断面図と、（ｂ）巻締め部
の拡大断面図である。

【図２】（ａ）アウタフィンの斜視図と、（ｂ）ウイン
グの形状を示すろう付け面の正面図である。

【図３】熱交換器の正面図である。

【図４】熱交換器の側面図である。

【図５】熱交換器の上面図である。

【図６】第１の伝熱プレートの三面図である。

【図７】第２の伝熱プレートの三面図である。

【図８】図６に示す伝熱プレートのＢ−Ｂ断面図であ
る。

【図９】図６に示す伝熱プレートのＥ−Ｅ断面図であ
る。

【図１０】図６に示す伝熱プレートのＣ−Ｃ断面図
（ａ）とＤ−Ｄ断面図（ｂ）である。

【図１１】ルーバを有するアウタフィンの斜視図であ
る。

【符号の説明】

１ 熱交換器 ２ チューブ ３ アウタフィン（フィン） ３ａ ウイング（切り起こし片） ３ｂ ルーバ（切り起こし片）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に流体通路を形成するチューブと、 このチューブの外表面に接触して伝熱面積を増大するフ
   ィンとを備え、 前記フィンを挟み込んで前記チューブを複数段に積層し
   て構成され、前記チューブの外側を上方から下方へ向か
   って水蒸気を含む高温の気体が流れ、前記チューブ内の
   流体通路に前記高温の気体より低温の流体を流通させ
   て、前記高温の気体から顕熱のみならず凝縮潜熱をも回
   収して前記低温の流体を加熱する熱交換器であって、 前記フィンは、自身の表面から切り起こされて前記高温
   の気体が流れる中に突出する複数の切り起こし片を有
   し、この切り起こし片が前記フィンの上部側にのみ設け
   られていることを特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】請求項１に記載した熱交換器において、 前記フィンは、前記高温の気体から主に顕熱を回収する
   領域にのみ前記複数の切り起こし片が設けられているこ
   とを特徴とする熱交換器。
3. 【請求項３】請求項１または２に記載した熱交換器にお
   いて、 前記切り起こし片は、三角形状に切り起こされて前記高
   温の気体の流れ方向に対し傾斜して設けられ、その傾斜
   方向が異なる第１の切り起こし片と第２の切り起こし片
   とを有し、前記第１の切り起こし片と第２の切り起こし
   片とが前記高温の気体の流れ方向にて交互に設けられて
   いることを特徴とする熱交換器。