JP2005188781A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温の気体が水平方向に供給される場合に使用されるものにおいて、フィンに凝縮水が溜まるのを抑制して、熱交換効率の低下を抑制可能とする熱交換器を提供する。
【解決手段】 複数積層される扁平状のチューブ１１０と、チューブ１１０の間に介在されるフィン１３０とを有し、水蒸気を含みフィン１３０の領域を流通する高温の気体と、高温の気体より低温でチューブ１１０内を流通する流体との間で熱交換する熱交換器において、チューブ１１０の積層方向は、水平方向に設定されており、高温の気体は、水平方向にフィン１３０側へ流入するようにしており、フィン１３０のチューブ１１０間で繋がれる壁部１３１は、高温の気体の流れ方向に隙間δを有して離散的に設けられると共に、高温の気体の流れ方向に対して傾斜するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、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用いて好適な熱交換器に関するものである。

従来の熱交換器として、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。即ち、この熱交換器は給湯器用熱交換器として用いられるもので、複数のチューブとフィンとが交互に積層されており、フィンの上方から下方に向けて供給される燃焼ガスによってチューブ内を流通する給湯水が加熱されるものとしている。

ここでは、フィンの代表形態としてオフセット型フィンを用いており、フィンのセグメントが燃焼ガスの流通方向に対して交差する方向にオフセットされるものとしている。これにより、フィンの表面に付着する燃焼ガスの凝縮水を分断して落下させることができ、凝縮水の厚みが厚くなるのを防止して、熱交換効率の悪化を抑制するようにしている。
特開２００２−１１５９１６号公報

しかしながら、上記給湯器用熱交換器を燃焼ガスが水平方向に供給される場合に適用しようとすると、給湯器用熱交換器を９０度回転した姿勢で用いることになり、これによってフィンのセグメントが水平方向を向く形となるので、燃焼ガスの凝縮水は、セグメントの主に上側面に滞留しやすくなり、熱交換効率の低下を招いてしまう。

本発明は、上記問題に鑑み、高温の気体が水平方向に供給される場合に使用されるものにおいて、フィンに凝縮水が溜まるのを抑制して、熱交換効率の低下を抑制可能とする熱交換器を提供することにある。

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。

請求項１に記載の発明では、複数積層される扁平状のチューブ（１１０）と、チューブ（１１０）の間に介在されるフィン（１３０）とを有し、水蒸気を含みフィン（１３０）の領域を流通する高温の気体と、高温の気体より低温でチューブ（１１０）内を流通する流体との間で熱交換する熱交換器において、チューブ（１１０）の積層方向は、水平方向に設定されており、高温の気体は、水平方向にフィン（１３０）側へ流入するようにしており、フィン（１３０）のチューブ（１１０）間で繋がれる壁部（１３１）は、高温の気体の流れ方向に隙間（δ）を有して離散的に設けられると共に、高温の気体の流れ方向に対して傾斜していることを特徴としている。

これにより、高温の気体が水平方向に供給される場合に使用されるものにおいて、熱交換により高温の気体から生ずる凝縮水をフィン（１３０）の壁部（１３１）で細かく分断し、且つ壁部（１３１）の傾斜に沿って順次下方に落下させることができるので、壁部（１３１）に溜まる凝縮水の量を低減できる。その結果、壁部（１３１）に付着する凝縮水の膜厚を低減でき、熱抵抗を低減して、熱交換効率の低下を抑制できる。

請求項２に記載の発明では、壁部（１３１）は、高温の気体の流れ方向の下流側に向けて、下側に傾斜していることを特徴としている。

これにより、高温の気体の流れと共に凝縮水を下方に落下させることができるので、壁部（１３１）に溜まる凝縮水の量を更に低減することができる。

尚、請求項３に記載の発明のように、フィン（１３０）としては、オフセット型フィン（１３０）を用いて、壁部（１３１）は、オフセット型フィン（１３０）のセグメント（１３１）とすることで、上記請求項１または請求項２に記載の発明の対応が容易にできる。

また、熱交換器としては、請求項４に記載の発明のように、高温の気体は、燃焼ガスであり、低温の流体は、給湯水であり、給湯水は、燃焼ガスの顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して加熱される給湯器用熱交換器に用いて好適である。

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。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図５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を示す正面図、側面図、図３はチューブ１１０を示す正面図、側面図、図４はアウターフィン１３０を示す外観斜視図、図５はアウターフィン１３０を示す断面図である。

本発明の熱交換器は、給湯器に使用されて、チューブ１１０内を流通する給湯水（本発明における流体に対応）と、アウターフィン１３０の領域を流通する燃焼ガス（本発明における水蒸気を含む高温の気体に対応）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る。この熱交換器１００は、図１〜図４に示すように、複数のチューブ１１０をアウターフィン（以下、フィン）１３０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である。

因みに、給湯器には１次熱交換器が設けられており、本熱交換器１００は、この１次熱交換器の上側に配置され、２次熱交換器として機能する。１次熱交換器から流出される給湯水が引き続き熱交換器１００に流入されるようになっており、また、１次熱交換器を通過した燃焼ガスが更に熱交換器１００に供給されるようになっている。

熱交換器１００は、図１、図２に示すように、チューブ１１０の積層方向が水平方向と成る姿勢で使用されるようにしており、燃焼ガスは、図１中左側から右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、一体的にろう付けされている。

チューブ１１０は、図３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、上側と下側の辺が傾斜する平行四辺形状の外形を成し、絞り加工によって全体に浅い絞り部１１１ａ、１１２ａが形成されており、その外周部にはフランジ部１１１ｂ、１１２ｂが設けられている。また、両チューブプレート１１１、１１２の上辺の高い側および下辺の低い側となる対角の位置には、絞り部１１１ａ、１１２ａから更に円筒状に絞られた第１打出し部１１１ｃ、１１２ｃおよび第２打出し部１１１ｄ、１１２ｄがそれぞれ設けられており、各打出し部１１１ｃ、１１２ｃ、１１１ｄ、１１２ｄの平坦部１１１ｅ、１１２ｅには、それぞれ連通口１１１ｆ、１１２ｆが設けられている。

そして、チューブプレート１１２のフランジ部１１２ｂには、複数の爪部１１２ｇが設けられており、両チューブプレート１１１、１１２が最中合わせされた時に、両フランジ部１１１ｂ、１１２ｂが互いに当接して、爪部１１２ｇによってかしめられて、チューブ１１０が形成される。

このチューブ１１０においては、絞り部１１１ａ、１１２ａによって扁平状の流路と成る扁平管部１１０ａが形成されている。また、扁平管部１１０ａは、第１打出し部１１１ｃ、１１２ｃによって形成される第１タンク部１１０ｃの内部空間に連通しており、同様に、第２打出し部１１１ｄ、１１２ｄによって形成される第２タンク部１１０ｄの内部空間とも連通している。

尚、チューブ１１０の扁平管部１１０ａの内部には、伝熱面積を増大すると共に内部を流通する給湯水に乱流効果を与える断面凹凸状のインナーフィン１２０が挿入されている。因みに、このインナーフィン１２０は、凹凸状断面がオフセットされて並ぶように形成されるいわゆるオフセット型フィンであり、具体的には凹凸状断面のオフセットが一方向に連続して形成されるものとしている。

複数のチューブ１１０は、図２に示すように、互いの第１タンク部１１０ｃ、第２タンク部１１０ｄ同士が連ねて水平方向に積層され、平坦部１１１ｅ、１１２ｅ同士が接合される。これにより、第１タンク部１１０ｃ同士が連通口１１１ｆ、１１２ｆによって互いに連通し、円筒状の入口タンク部１０１が形成され、同様に、第２タンク部１１０ｄ同士が連通口１１１ｆ、１１２ｆによって互いに連通し、円筒状の出口タンク部１０２が形成される。そして、複数の扁平管部１１０ａ（チューブ１１０）は、入口タンク部１０１、出口タンク部１０２にそれぞれ連通することになる。

フィン１３０は、図４に示すように、上記インナーフィン１２０と同様に凹凸状断面がオフセットされて並ぶように形成されるいわゆるオフセット型フィンであり、具体的には凹凸状断面のオフセットが千鳥状に配列されるものとしている。そして、フィン１３０は、凹凸状の断面が燃焼ガスの流れ方向を向くように、複数のチューブ１１０の間に介在されて、扁平管部１１０ａの表面に接合されている。尚、フィン（オフセット型フィン）１３０のセグメント１３１は、本発明におけるチューブ１１０間で繋がれる壁部に対応しており、燃焼ガスの流れ方向に隙間δを有して離散的に並ぶ形となっている。

本発明においては、このフィン１３０のセグメント１３１の形状に特徴を持たせている。即ち、図４に示すように、セグメント１３１を燃焼ガスの流れ方向に対して所定角度θをもって傾斜するようにしており、更に具体的には、この傾斜は、燃焼ガスの流れ方向の下流側に向けて、下側に傾斜するようにしている。

そして、図２に示すように、水平方向に積層される複数のチューブ１１０の一方の端部には、それぞれ給湯口１４０および出湯口１５０が設けられるようにしており、給湯口１４０は入口タンク部１０１に連通するように接続され、また、出湯口１５０は出口タンク部１０２に連通するように接続されている。給湯水は文字通り下側の給湯口１４０から流入して、上側の出湯口１５０から流出するようにしている。また、積層方向の両端に配置されるチューブ１１０には、補強プレート１６０が接合されている。

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から入口タンク部１０１に流入し、各チューブ１１０の扁平管部１１０ａを流れて、出口タンク部１０２から出湯口１５０を通って流出する。

一方、燃焼ガスは、図１に示すように、熱交換器１００の左側から右側へ向かって流れ、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。

この時、従来の技術では、冒頭の課題の項で説明したように、燃焼ガスの凝縮時に生ずる凝縮水は、フィン１３０のセグメント１３１の主に上側面に滞留しやすく、熱交換効率の低下を招いてしまうという問題があった。しかしながら、本発明においては、セグメント１３１に傾斜を持たせるようにしているので、図５に示すように、凝縮水をセグメント１３１で細かく分断し、且つセグメント１３１の傾斜に沿って順次下方に落下させることができ、セグメント１３１に溜まる凝縮水の量を低減できる。その結果、セグメント１３１に付着する凝縮水の膜厚を低減でき、熱抵抗を低減して、熱交換器１００の熱交換効率の低下を抑制できる。

更に、セグメント１３１は、燃焼ガスの流れ方向の下流側に向けて、下側に傾斜するようにしているので、燃焼ガスの流れと共に凝縮水を下方に落下させることができ、セグメント１３１に溜まる凝縮水の量を更に低減することができる。

ところで、燃焼ガスには、硫酸ガス、硝酸ガスが含まれているため、凝縮水には硫酸や硝酸が含まれており、酸性となっている。そのため、上述した実施例では、セグメント１３１に付着する凝縮水の量を低減させることができるので、付随的に、チューブ１１０およびフィン１３０が早期に腐食してしまうことを抑制することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６、図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、フィン１３０の仕様を変更したものである。ここでは、通常の千鳥配列されるオフセット型フィン１３０ａの全体を傾けることでセグメント１３１ａが燃焼ガスの流れ方向に対して傾斜（所定角度θ）するように配置している。

これにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では、フィン１３０（１３０ａ）のセグメント１３１（１３１ａ）が、燃焼ガスの流れ方向の下流側に向けて下側に傾斜するものとして説明したが、これに限らず、燃焼ガスの流速によっては、セグメント１３１の傾斜方向を燃焼ガスの上流側に向けて下側に傾斜するように設定しても良い。

また、フィン１３０は、オフセット型フィンに限らず、図８に示すように、全体が凹凸状に形成されるストレートフィン１３０ｂをベースとして、チューブ１１０間に繋がれる壁部１３１ｂに開口部１３２を設けたものとしても良い。

更に、上記実施形態では本発明の熱交換器を給湯器用熱交換器１００に適用したものとして説明したが、これに限らず、その他にも例えば冷凍サイクル内に配設される蒸発器等に適用するようにしても良い。

第１実施形態における給湯器用熱交換器を示す正面図である。 図１におけるＡ方向から見た矢視図（側面図）である。 チューブを示す（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。 アウターフィンを示す外観斜視図である。 アウターフィンを示す断面図である。 第２実施形態におけるアウターフィンを示す外観斜視図である。 図６におけるアウターフィンを示す断面図である。 その他の実施形態におけるアウターフィンを示す外観斜視図である。

符号の説明

１００ 給湯器用熱交換器
１１０ チューブ
１３０ アウターフィン（フィン）
１３１ セグメント（壁部）

Claims (4)

1. 複数積層される扁平状のチューブ（１１０）と、
   前記チューブ（１１０）の間に介在されるフィン（１３０）とを有し、
   水蒸気を含み前記フィン（１３０）の領域を流通する高温の気体と、前記高温の気体より低温で前記チューブ（１１０）内を流通する流体との間で熱交換する熱交換器において、
   前記チューブ（１１０）の積層方向は、水平方向に設定されており、
   前記高温の気体は、水平方向に前記フィン（１３０）側へ流入するようにしており、
   前記フィン（１３０）の前記チューブ（１１０）間で繋がれる壁部（１３１）は、前記高温の気体の流れ方向に隙間（δ）を有して離散的に設けられると共に、前記高温の気体の流れ方向に対して傾斜していることを特徴とする熱交換器。
2. 前記壁部（１３１）は、前記高温の気体の流れ方向の下流側に向けて、下側に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記フィン（１３０）は、オフセット型フィン（１３０）であり、
   前記壁部（１３１）は、前記オフセット型フィン（１３０）のセグメント（１３１）であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記高温の気体は、燃焼ガスであり、
   前記低温の流体は、給湯水であり、
   前記給湯水は、前記燃焼ガスの顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して加熱されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器。

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