JP2005090868A - Heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱交換器に関するものであり、給湯水と燃焼ガスとの間で熱交換を行う給湯器用熱交換器に適用して好適である。 The present invention relates to a heat exchanger, and is suitable for application to a heat exchanger for a hot water heater that performs heat exchange between hot water and combustion gas.
従来の熱交換器として、特許文献1に示されるように、複数積層されるチューブの間にアウターフィンが介在され、チューブ内を流れる内部流体とアウターフィンを通過する外部流体(特許文献1中では燃焼ガス)との間で熱交換するものが知られている。 As a conventional heat exchanger, as shown in Patent Document 1, an outer fin is interposed between a plurality of stacked tubes, and an internal fluid that flows through the tube and an external fluid that passes through the outer fin (in Patent Document 1) Those that exchange heat with the combustion gas) are known.
この熱交換器のチューブ内には、断面形状が凹凸状に形成され伝熱面積を増大させて内部流体に対する熱伝達率を向上させるインナーフィンが挿入されている。 Inside the tube of this heat exchanger, an inner fin is inserted that has a cross-sectional shape that is uneven, increases the heat transfer area, and improves the heat transfer rate for the internal fluid.
尚、一般にチューブ内に挿入されるインナーフィンは、上記のように熱伝達率を向上させる共に、チューブ内圧によるチューブの変形、更にはアウターフィンの変形を抑制する強度部材としても機能する。
しかしながら、上記特許文献1においては、チューブの変形に対する細かな配慮はなされておらず、インナーフィンの凹凸状断面の配置については何ら開示されていない。 However, in the said patent document 1, the fine consideration with respect to a deformation | transformation of a tube is not made | formed and nothing is disclosed about arrangement | positioning of the uneven | corrugated shaped cross section of an inner fin.
即ち、図8に示すように、インナーフィン120の凹凸状断面の形状によっては凹状部121および凸状部122に方向性ができ、チューブ110内での凹状部121および凸状部122の配置パターンが一定に成るとは限らない。よって、インナーフィン120の凹状部121(あるいは凸状部122の中空側)同士が互いに対向するような配置関係が形成される部位(図8中の矢印部および破線楕円部)においては、チューブ110のみの板厚で内圧を受ける形となり、ここが応力集中部位となってチューブ110が変形し、更にはアウターフィン130が変形すると言う問題があった。
That is, as shown in FIG. 8, depending on the shape of the concave-convex cross section of the
本発明は、上記問題に鑑み、インナーフィンの凹凸状断面の配置を考慮することで、内圧によるチューブの変形、更にはアウターフィンの変形を防止できる熱交換器を提供することにある。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a heat exchanger that can prevent deformation of the tube due to internal pressure and further deformation of the outer fin by considering the arrangement of the concavo-convex cross section of the inner fin.
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明では、内部に内部流体が流通し、複数積層されるチューブ(110)と、凹凸状断面が離散的に並ぶように形成され、チューブ(110)内に挿入されるインナーフィン(120)と、各チューブ(110)の間に介在されるアウターフィン(130)とを備え、内部流体とアウターフィン(130)を通過する外部流体との間で熱交換を行う熱交換機において、チューブ(110)の積層方向から各インナーフィン(120)を投影して見た時に、凹凸状断面の凹状部(121)および凸状部(122)の位置がそれぞれ一致するように配置されたことを特徴としている。 In the first aspect of the present invention, an inner fluid is circulated therein, and a plurality of stacked tubes (110) and an inner portion that is formed so that the concavo-convex sections are arranged in a discrete manner and inserted into the tube (110). In a heat exchanger that includes a fin (120) and an outer fin (130) interposed between the tubes (110), and performs heat exchange between the internal fluid and the external fluid passing through the outer fin (130). When the inner fins (120) are projected and viewed from the stacking direction of the tube (110), the concave portions (121) and the convex portions (122) of the concave-convex cross section are arranged so as to coincide with each other. It is characterized by that.
これにより、隣り合うチューブ(110)内のインナーフィン(120)において、一方のチューブ(110)の凹状部(121)の底部は、他方のチューブ(110)の凹状部(121)の中空側と対向し、また、凸状部(122)の中空側は、他方のチューブ(110)の凸状部(122)の天井部と対向する形となる。凹状部(121)および凸状部(122)の中空側においては、チューブ(110)は自身の板厚のみで内圧を受けることになるが、対向する側では、チューブ(110)にインナーフィン(120)の板厚が加わった形で、アウターフィン130を介して内圧を受け返すことができる。そして、この関係が複数積層されるチューブ(110)の全体に渡って形成されるので、内圧によって応力集中する部位を無くして、チューブ(110)の変形、更にはアウターフィン(130)の変形を防止することができる。
Thereby, in the inner fin (120) in the adjacent tube (110), the bottom of the concave portion (121) of one tube (110) is connected to the hollow side of the concave portion (121) of the other tube (110). The hollow side of the convex portion (122) is opposed to the ceiling portion of the convex portion (122) of the other tube (110). On the hollow side of the concave portion (121) and the convex portion (122), the tube (110) receives internal pressure only with its own plate thickness, but on the opposite side, the tube (110) has an inner fin ( 120), the internal pressure can be received back through the
請求項2に記載の発明では、インナーフィン(120)には、チューブ(110)に対するインナーフィン(120)の表裏を規制する位置決め部(123)が設けられ、且つ、凹状部(121)および凸状部(122)は、インナーフィン(120)の中心に対して点対称となるように配置されたことを特徴としている。 In the invention according to claim 2, the inner fin (120) is provided with a positioning portion (123) for regulating the front and back of the inner fin (120) with respect to the tube (110), and the concave portion (121) and the convex portion are provided. The shape part (122) is characterized by being arranged so as to be point-symmetric with respect to the center of the inner fin (120).
これにより、インナーフィン(120)の表裏が確実に規制され、また、中心に対して180度反転しても、凹状部(121)および凸状部(122)の位置が同一となるようにすることができるので、インナーフィン(120)を複数のチューブ(110)に挿入する際に、容易に凹状部(121)および凸状部(122)の位置を一致させることができる。 As a result, the front and back of the inner fin (120) are reliably regulated, and the positions of the concave portion (121) and the convex portion (122) are the same even if the inner fin (120) is inverted 180 degrees with respect to the center. Therefore, when the inner fin (120) is inserted into the plurality of tubes (110), the positions of the concave portion (121) and the convex portion (122) can be easily matched.
尚、位置決め部(123)は、請求項3に記載の発明のように、インナーフィン(120)の対角上に設けられ、チューブ(110)に設けられたチューブ凸状部(111f、111g)と係合する切欠き部(123)としてやれば容易に形成することができる。 The positioning portion (123) is provided on the diagonal of the inner fin (120) as in the invention described in claim 3, and the tube convex portion (111f, 111g) provided on the tube (110). If it does as a notch part (123) engaged with, it can form easily.
また、インナーフィン(120)の凹凸状断面としては、請求項4に記載の発明のように、一方向に連続的にオフセットされたものとしたり、請求項5に記載の発明のように、凹凸状断面が連続する方向に対して垂直方向に千鳥状にオフセットされたものとするのが良く、内部流体側の熱伝達率向上に優れるインナーフィン(120)とすることができる。 Further, as the concave-convex cross section of the inner fin (120), it is assumed that the inner fin (120) is continuously offset in one direction as in the invention according to claim 4, or the concave and convex as in the invention according to claim 5. The inner fins (120) excellent in improving the heat transfer coefficient on the internal fluid side can be obtained, which are preferably offset in a zigzag manner in the direction perpendicular to the direction in which the cross-sections continue.
更に、請求項6に記載の発明では、アウターフィン(130)は、凹凸状断面が連続的または離散的に並ぶように形成され、インナーフィン(120)およびアウターフィン(130)におけるそれぞれの凹凸状断面の側壁(124、132)は、互いに交差するように配置されたことを特徴としている。 Furthermore, in the invention according to claim 6, the outer fin (130) is formed so that the concavo-convex cross section is continuously or discretely arranged, and the concavo-convex shape in the inner fin (120) and the outer fin (130). The side walls (124, 132) of the cross section are characterized by being arranged so as to cross each other.
これにより、インナーフィン(120)とアウターフィン(130)との間で、より強固に互いを支持し合うことができるので、チューブ(110)、更にはアウターフィン(130)の変形を効果的に防止することができる。 Accordingly, the inner fin (120) and the outer fin (130) can be supported more firmly with each other, so that the deformation of the tube (110) and the outer fin (130) can be effectively performed. Can be prevented.
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means shows a corresponding relationship with the specific means of embodiment description mentioned later.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1〜図6に示す図面に基づいて説明する。尚、図1、図2は給湯器用熱交換器100の平面図および正面図、図3は図2のA−A部における断面図、図4はチューブ110の正面図、図5はインナーフィン120の正面図、図6はインナーフィン120の外観斜視図である。
(First embodiment)
1st Embodiment of this invention is described based on drawing shown in FIGS. 1 and 2 are a plan view and a front view of the
本発明の熱交換器は、給湯器に使用されて給湯水(本発明の内部流体に対応)と燃焼ガス(本発明の外部流体に対応)との間で熱交換を行う給湯器用熱交換器(以下、熱交換器)100に適用したものであり、図1に示すように、複数のチューブ110が積層され、また各チューブ110の間にアウターフィン130が介在されることで形成される所謂ドロンカップタイプと呼ばれる熱交換器100である。
The heat exchanger of the present invention is used in a water heater and performs heat exchange between hot water (corresponding to the internal fluid of the present invention) and combustion gas (corresponding to the external fluid of the present invention). (Hereinafter referred to as a heat exchanger) 100, as shown in FIG. 1, a plurality of
この熱交換器100は図2に示すように、チューブ110の長手方向が略水平と成る姿勢で使用されるようにしており、燃焼ガスは、上側から下側に向けて供給される。また、この熱交換器100を構成する各部材(以下で説明)は、ここでは、すべてステンレス系の材料としており、各部材が熱交換器100の形状に組み立てられた後に、一体でろう付けされている。
As shown in FIG. 2, the
チューブ110は、図1、図3、図4に示すチューブプレート111とチューブプレート112とを2枚一組で最中合わせに接合することで形成されている。両チューブプレート111、112は、基本形状同一の絞り加工によって形成されており、その外周部にはフランジ部111bが設けられ、また内部には絞り形状の内側に突出して水平方向に延びる打ち出し部111cが設けられている。両チューブプレート111、112が最中合わせされた時に、このフランジ部111bおよび打出し部111cが、互いに当接するようにしている。
The
そして、互いに当接する打出し部111cはチューブ110内における仕切り壁113を形成し、チューブ110の一方の長手方向端部側(図4中の左側)で連通するU字状の流路、即ち上側流路114と下側流路115を形成している。この両流路114、115の形成される部位がチューブ110の扁平管部110aを成している。両流路114、115は、チューブ110の他方の長手方向端部側(図4中の右側)に形成される一組のタンク部110bにそれぞれ通じており、このタンク部110bには連通口111aが開口している。
Further, the projecting
両チューブプレート111、112は、上記説明のように同一の絞り形状としていることから、周縁部111eの断面形状も両者同一となっており、給湯水の内圧よって周縁部111eに作用する応力を両チューブプレート111、112共に、均等となるようにしている。また、チューブプレート112の外周部には複数の爪部112aが設けられており、両チューブプレート111、112を組み合わせた後に、この爪部112aをかしめることによってチューブ110の形状を保持するようにしている。
Since both the
タンク部110bは、扁平管部110aより厚み幅が大きく設けられ、そのタンク部110bを形成するチューブプレート111、112の外表面には、連通口111aを囲むように平坦部111dが設けられている。また、タンク部110bの内部には、強度部材としての三日月状を成すブッシング116が挿入されている。
The
複数のチューブ110は、図1に示すように、互いのタンク部110b同士が連ねて積層され、平坦部111d同士が接合される。これにより、タンク部110bに開口する連通口111aを通じて各チューブ110の流路114、115が相互に連通している。そして、チューブ110の内部には、伝熱面積を増大するためにインナーフィン120が挿入されている。本発明においては、このインナーフィン120に特徴部を持たせており、詳細については後述する。
As shown in FIG. 1, the plurality of
アウターフィン(以下、フィン)130は、図1に示すように、全体形状として薄板材を凹凸状に折り曲げて形成されたもので、凹凸状断面の側壁132が図2中の天地方向に延びて、その凹凸状空間を燃焼ガスが流れるように配置され、チューブ110の扁平管部110aの表面に接合されている。尚、フィン130の凹凸状部には切り起こし部131が燃焼ガスの流れ方向に複数設けられており、乱流効果による燃焼ガス側の熱伝達促進を図るようにしている。
As shown in FIG. 1, the outer fin (hereinafter referred to as a fin) 130 is formed by bending a thin plate material into an uneven shape as an overall shape, and the
そして、積層方向の一端側に配されるチューブ110には、図1、図2に示すように給湯水の給湯口140と出湯口150とがタンク部110bに接合されている。また、チューブ110の積層方向の両端側には、それぞれ補強プレート160が接合されている。
Further, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, a hot
次に、本発明の要部について説明する。インナーフィン120は、図4〜図6に示すように、凹凸状断面が離散的に並ぶように形成されたもので、具体的には凹凸状断面の凹状部121、凸状部122が一方向に連続的にオフセットされるオフセットフィンとしている。このオフセットフィンにおけるセグメント124は、インナーフィン120の凹凸状断面の側壁に対応している。尚、凹状部121および凸状部122は、インナーフィン120の表側、裏側から見た時に互いに逆の位置関係となるが、ここでは、便宜上、図4〜図6において紙面に対して突出する側を凸状部122とし、凹む側を凹状部121としている(図3においては、左側に突出する側を凸状部122とし、他の部位を凹状部121としている)。
Next, the main part of the present invention will be described. As shown in FIGS. 4 to 6, the
そして、凹状部121および凸状部122は、インナーフィン120の中心に対して点対称となるように配置されている(図4)。
And the
また、インナーフィン120の外周の対角上には、切欠き部123を設けている。この切欠き部123は、チューブ110の一方の長手方向端部側における角R部111fと他方の長手方向端部側におけるR打出し部111gとの干渉を避けて係合すると共に、チューブ110内におけるインナーフィン120の表裏を規制する位置決め部として機能する。ここで、インナーフィン120の表裏を規制するというのは、チューブ110に対して、切欠き部123を図4に示す位置にすれば、各チューブ110におけるすべてのインナーフィン120の表裏が一方向に統一されることを意味する。尚、チューブ110の角R部111fおよびR打出し部111gは、本発明のチューブ凸状部に対応する。
Further, a
そして、インナーフィン120は、セグメント124が図4に示すように、略水平方向を向くように配置されチューブ110内の上側流路114および下側流路115にそれぞれ挿入されている。尚、下側流路115に挿入されるインナーフィン120は、上側流路114に挿入されるインナーフィン120の表裏を反転して使用しており、基本的には同一の部材(共通仕様)としている。
The
このように本発明においては、上記のように凹状部121および凸状部122をインナーフィン120の中心に対して点対称に配置すること、および切欠き部123による位置決めを行うことにより、図3に示すように、複数積層されるチューブ110の積層方向からインナーフィン120を投影して見た時に、凹状部121および凸状部122の位置がそれぞれ一致するように配置される。
Thus, in the present invention, the
次に、上記構成に基づく熱交換器100の作動およびその作用効果について説明する。給湯水は、熱交換器100の給湯口140から各チューブ110の一方のタンク部110bへ流入し、その一方のタンク部110bから扁平管部110aに形成される下側流路115および上側流路114を流れて他方のタンク部110bへ流入し、その他方のタンク部110bから出湯口150を通って流出する。
Next, the operation of the
一方、燃焼ガスは、図2に示すように、熱交換器100の上方から下方へ向かって流れ、熱交換器100を通過する際に給湯水との熱交換を行い給湯水を加熱する。この時、燃焼ガスは、少なくとも熱交換器100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。即ち、この熱交換器100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潜熱をも吸収して給湯水を加熱することができる。
On the other hand, as shown in FIG. 2, the combustion gas flows from the top to the bottom of the
ところで、「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、給湯水がチューブ110内を流通することによりチューブ110には内圧が作用し、剛性の低い部位があるとそこに応力が集中してチューブ110、更にはフィン130が変形してしまう場合があるが、本発明においては、インナーフィン120の凹状部121および凸状部122の位置をチューブ120の積層方向にそれぞれ一致するようにしているので、その変形を防止することができるようになる。
By the way, as explained in the section “Problems to be Solved by the Invention”, hot water flows through the
即ち、図3に示すように、隣り合うチューブ110内のインナーフィン120において、一方のチューブ110の凹状部121の底部は、他方のチューブ110の凹状部121の中空側と対向し、また、凸状部122の中空側は、他方のチューブ110の凸状部122の天井部と対向する形となる。凹状部121および凸状部122の中空側においては、チューブ110は自身の板厚のみで内圧を受けることになるが、対向する側では、チューブ110にインナーフィン120の板厚が加わった形で、フィン130を介して内圧を受け返すことができる。そして、この関係が複数積層されるチューブ110の全体に渡って形成されるので、内圧によって応力集中する部位を無くして、チューブ110の変形、更にはフィン130の変形を防止することができる訳である。
That is, as shown in FIG. 3, in the
そして、本発明においては、インナーフィン120に、チューブ110に対するインナーフィン120の表裏を規制する位置決め部を設け、且つ、凹状部121および凸状部122が、インナーフィン120の中心に対して点対称となるように配置しているので、インナーフィン120の表裏が確実に規制され、また、中心に対して180度反転しても、凹状部121および凸状部122の位置が同一となるようにすることができ、インナーフィン120を複数のチューブ110に挿入する際に、容易に凹状部121および凸状部122の位置を一致させることができる。
In the present invention, the
尚、位置決め部123は、インナーフィン120の対角上に設けられ、チューブ凸状部(角R部111f、R打出し部111g)と係合する切欠き部123として形成しており、容易に形成することができる。
The
また、インナーフィン120は、凹凸状断面が一方向に連続的にオフセットされたオフセットフィンとしているので、上記のような変形防止を可能とすると共に、給湯水側の熱伝達率向上に優れるインナーフィン120とすることができる。
Further, since the
更に、インナーフィン120およびフィン130におけるそれぞれの凹凸状断面の側壁124、132が、互いに交差するように配置しているので、インナーフィン120とフィン130との間で、より強固に互いを支持し合うことができ、チューブ110、更にはフィン130の変形を効果的に防止することができる。
Furthermore, since the
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図7に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対してチューブ110内に配設するインナーフィン120のタイプを変更したものである。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. 2nd Embodiment changes the type of the
インナーフィン120の凹凸状断面形状については、図7に示すように、凹凸状断面の連続する方向(図7中の上下方向)に対して垂直方向(図7中の左右方向)に千鳥状にオフセットされたオフセットフィンとしても良く、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
As shown in FIG. 7, the concavo-convex cross-sectional shape of the
(その他の実施形態)
上記第1、第2実施形態においては、本発明の熱交換器を給湯器用熱交換器に適用したものとして説明したが、これに限らず、オイルクーラ、インタークーラ等その他の熱交換器にも広く適用可能である。
(Other embodiments)
In the first and second embodiments, the heat exchanger according to the present invention has been described as being applied to a heat exchanger for a hot water heater. Widely applicable.
また、インナーフィン120の位置決め部は、切欠き部123に限らず、表裏のいずれかを識別可能とするマーキング等としても良い。
Further, the positioning part of the
また、インナーフィン120は、上記で説明したオフセットフィンに限らず、ストレートフィンの側壁に開口部を有するものとしても良い。
The
また、チューブ110は、上側流路114および下側流路115を有するUターンタイプのチューブとして説明したが、これに限らず、ストレートタイプのチューブとしても良い。
Moreover, although the
更に、内部流体(給湯水)および外部流体(燃焼ガス)の流れ方向をそれぞれ水平方向および天地方向として説明したが、両者の流れ方向は互いに逆(内部流体が天地方向、外部流体が水平方向)と成っても良い。 Further, the flow directions of the internal fluid (hot water) and the external fluid (combustion gas) have been described as the horizontal direction and the vertical direction, respectively, but the flow directions of the two are opposite to each other (the internal fluid is the vertical direction and the external fluid is the horizontal direction). It may be.
100 給湯器用熱交換器(熱交換器)
110 チューブ
111f 角R部(チューブ凸状部)
111g R打出し部(チューブ凸状部)
120 インナーフィン
121 凹状部
122 凸状部
123 切欠き部(位置決め部)
124 セグメント(側壁)
130 アウターフィン
132 側壁
100 Heat exchanger for water heater (heat exchanger)
110 tube 111f corner R part (tube convex part)
111g R launch part (tube convex part)
120
124 segment (side wall)
130
Claims (6)
凹凸状断面が離散的に並ぶように形成され、前記チューブ(110)内に挿入されるインナーフィン(120)と、
各前記チューブ(110)の間に介在されるアウターフィン(130)とを備え、
前記内部流体と前記アウターフィン(130)を通過する外部流体との間で熱交換を行う熱交換機において、
前記チューブ(110)の積層方向から各前記インナーフィン(120)を投影して見た時に、前記凹凸状断面の凹状部(121)および凸状部(122)の位置がそれぞれ一致するように配置されたことを特徴とする熱交換器。 A tube (110) in which an internal fluid circulates and is stacked;
An inner fin (120) formed so that the concavo-convex cross-sections are discretely arranged and inserted into the tube (110);
An outer fin (130) interposed between the tubes (110),
In a heat exchanger for exchanging heat between the internal fluid and the external fluid passing through the outer fin (130),
Arranged so that the positions of the concave portion (121) and the convex portion (122) of the concavo-convex section coincide with each other when the inner fins (120) are projected and viewed from the stacking direction of the tubes (110). A heat exchanger characterized by being made.
且つ、前記凹状部(121)および前記凸状部(122)は、前記インナーフィン(120)の中心に対して点対称となるように配置されたことを特徴とする請求項1に記載の熱交換器。 The inner fin (120) is provided with a positioning portion (123) for regulating the front and back of the inner fin (120) with respect to the tube (110),
The heat according to claim 1, wherein the concave portion (121) and the convex portion (122) are arranged so as to be point-symmetric with respect to the center of the inner fin (120). Exchanger.
前記インナーフィン(120)および前記アウターフィン(130)におけるそれぞれの凹凸状断面の側壁(124、132)は、互いに交差するように配置されたことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれかに記載の熱交換器。 The outer fin (130) is formed such that the concavo-convex cross section is continuously or discretely arranged,
The side wall (124, 132) of each concavo-convex section in the inner fin (120) and the outer fin (130) is disposed so as to intersect with each other. The heat exchanger according to crab.
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