JP2005337609A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 外部流体の上流側から下流側の全体に渡って、縦渦を効果的に発生させて、性能向上可能とする熱交換器を提供する。
【解決手段】 複数積層配置され、隣接する間を外部流体が流通する扁平状のチューブ１１０と、複数のチューブ１１０の間に介在され、外部流体の流通方向から見て、チューブ１１０の外壁面１１０ｅに接合される平板部１２１、この平板部１２１に交差する立板部１２２を有するように凹凸状に形成されるフィン１２０とを有し、外部流体およびチューブ１１０内を流通する内部流体の間で熱交換する熱交換器において、平板部１２１に外部流体の流れ方向に傾斜するように配置され、外部流体の下流側となるにつれて自身の突出量が大きくなる突出部１２３を外部流体の流れ方向に複数設け、立板部１２２を外部流体の流れ方向に蛇行するように形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、チューブ内を流通する給湯水とチューブ間に介在されるフィン領域を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う給湯器用の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、内燃機関から排出される排気と冷却流体との間で熱交換を行う排気熱交換器であって、排気通路に配設される波状のフィンの排気通路内壁側に、排気流れ方向に沿う複数のウイング（特許文献１中ではルーバ）が設けらたものとしている。

このウイングは、排気流れ下流側に向かうほど内壁側からの距離が大きくなるような面で形成され、排気の流通方向に対して交差するように配置されている。

これにより、排気がウイングを乗り越える際に縦渦が形成され、ウイングの上流側面と下流側面との圧力差によって縦渦が下流側の内壁側に引き込まれると共に加速され、また、内壁側と交差するフィンの立板部とウイングとの隙間を通過する排気も縦渦によって加速される。よって、排気側における熱伝達率を向上させると共に、フィンに付着するすす等の未燃焼物質を吹き飛ばすことができるので、フィンの目詰まりを防止しつつ、熱交換効率を向上させるようにしている。
特開２００３−１０６７９４号公報

しかしながら、ウイングが複数並ぶフィン全体の領域において、流速の分布について詳細に解析してみると（後述する本発明の熱交換器にて）、図８に示すように、外部流体（燃焼ガス）の上流側においては、ウイング１２３の効果が確認できるものの、下流側に至るほど、外部流体はウイング１２３から離れるように流れ、縦渦の生成が減衰し、ウイング１２３部における流速の低下が見られた。併せて、熱流束についても調べてみると、図９に示すように、上記の流速分布と同様の結果が得られた。即ち、外部流体流れの全体に渡ってウイング１２３の効果が充分に得られていないことが解った。 尚、図８の（ａ）〜（ｄ）は、ウイング１２３の根元、中間部、先端部、フィン１２０の中間部における流速分布（流入側流速７ｍ／ｓ）をそれぞれ示すものであり、また図９の（ａ）は（ｂ）におけるフィン１２０の立板部１２２の左側面での熱流束分布、（ｂ）は、フィン１２０の内壁側となる平板部１２１での熱流束分布、（ｃ）は（ｂ）におけるフィン１２０の立板部１２２の右側面での熱流束分布を示すものである。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、外部流体の上流側から下流側の全体に渡って、縦渦を効果的に発生させて、性能向上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、複数積層配置され、隣接する間を外部流体が流通する扁平状のチューブ（１１０）と、複数のチューブ（１１０）の間に介在され、外部流体の流通方向から見て、チューブ（１１０）の外壁面（１１０ｅ）に接合される平板部（１２１）、この平板部（１２１）に交差する立板部（１２２）を有するように凹凸状に形成されるフィン（１２０）とを有し、外部流体およびチューブ（１１０）内を流通する内部流体の間で熱交換する熱交換器において、平板部（１２１）には、外部流体の流れ方向に傾斜するように配置され、外部流体の下流側となるにつれて自身の突出量が大きくなる突出部（１２３）が、外部流体の流れ方向に複数設けられ、立板部（１２２）は、外部流体の流れ方向に蛇行するように形成されたことを特徴としている。

これにより、突出部（１２３）によって外部流体に縦渦が形成され、また外部流体は加速される。そして、外部流体が蛇行する立板部（１２２）にぶつかる際に、その流れの向きを突出部（１２３）側に押し戻すことができるので、外部流体の上流側から下流側の全体に渡って繰返し突出部（１２３）によって縦渦を形成でき、熱交換性能を向上させることができる。

尚、請求項２に記載の発明のように、外部流体を水蒸気を含む高温の気体とし、内部流体を高温の気体より低温となる低温の流体とし、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適用して好適であり、熱交換時に高温の気体から生成される凝縮水を、高温の気体に発生される縦渦（流速ＵＰ）によって効果的にフィン（１２０）から排出させることができ、熱交換性能の低下を防止することができる。

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）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。尚、図１は熱交換器１００の正面図、図２は熱交換器１００の平面図、図３はアウターフィン１２０の外観を示す斜視図である。

本実施形態の熱交換器１００は、給湯器に使用されて給湯水（本発明における内部流体および低温の流体に対応）と、水蒸気を含む燃焼ガス（本発明における外部流体および高温の気体に対応）との間で熱交換を行うものである（当然のことながら、給湯水の温度は、燃焼ガスより低温であり、給湯水は燃焼ガスによって加熱される）。この熱交換器１００は、図１、図２に示すように、複数の扁平状のチューブ１１０がアウターフィン１２０と共に積層されて構成されるいわゆるドロンカップタイプと呼ばれるものであり、全体が組み立てられた後に一体ろう付けによって製造される。

チューブ１１０は、２枚のチューブプレート１１１、１１２の組み合わせによって形成され、内部にＵ字状の流水通路を形成する扁平管部１１０ａと、流水通路の両端に通じる一組のタンク部１１０ｂとが設けられ、このタンク部１１０ｂに連通口１１０ｃが開口している。

一方のチューブプレート１１１の周縁部には、巻締め部（図示せず）が設けられており、２枚のチューブプレート１１１、１１２は、一方のチューブプレート１１１の巻締め部を他方のチューブプレート１１２の内面側から外面側へ折り返して、他方のチューブプレート１１２の端部を両側から挟み込むように巻締めして組付けられ、両者の当接面がろう付けされる。

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の外壁面には、連通口１１０ｃの周囲にろう付け面となる平坦面１１０ｄが環状に設けられている。

複数のチューブ１１０は、互いのタンク部１１０ｂ同士が当接するように積層され、連通口１１０ｃの周囲に設けられる平坦部１１０ｄ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１１０ｃを通じて各チューブ１１０の流水通路が相互に連通している。尚、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フィン（図示せず）を挿入してもよい。

積層方向の一端側に配されるチューブ１１０には、給湯水用の給湯口１３０と出湯口１４０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、それぞれ補強用のプレート１５０が接合されている。

タンク部１１０ｂより厚み幅が薄い扁平管部１１０ａでは、隣接する扁平管部１１０ａ同士の間に略一定の幅を有する扁平な空間が形成される。この空間は燃焼ガスが通過する燃焼ガス通路１１０ｆとなっており、この燃焼ガス通路１１０ｆにはアウターフィン（本発明におけるフィンに対応）１２０が配置される。

アウターフィン（以下、フィン）１２０は、図３に示すように、伝熱性に優れる金属（例えば、ステンレス、アルミニウム等）製の薄板材が凹凸状に折り曲げられて形成され、その凹凸空間を燃焼ガスが上方から下方へ流れるように配置され、扁平管部１１０ａの外壁面１１０ｅにろう付けされる。このように凹凸状に折り曲げられたフィン１２０によって、燃焼ガス通路１１０ｆは複数個の細流路１１０ｇに区画される。

尚、フィン１２０の凹凸状に折り曲げられた壁面のうち、チューブ１１０の外壁面１１０ｅと略平行に配され、この外壁面１１０ｅにろう付けされる壁面は平板部１２１となっており、また、フィン１２０の凹凸状に折り曲げられた壁面のうち、平板部１２１と交差する側壁面は立板部１２２となっている。

このフィン１２０の平板部１２１には、燃焼ガス通路１１０ｆに配されるフィン１２０のほぼ全域にわたって、所定の間隔をもって離散的に複数個の切り起こし片（以下、ウイングと呼ぶ）１２３が設けられている。

ウイング１２３は、ここでは三角形の一辺を残してフィン１２０の平板部１２１から切り起こされており、燃焼ガス通路１１０ｆ中に突出する突出部となっている。尚、ウイング１２３は、平板部１２１からの高さ（突出量）が、燃焼ガス流れ下流側となるにつれて高くなるような向きで配置されている。

また、ウイング１２３は、燃焼ガスの流れ方向に対し、所定の角度で傾斜して設けられており、フィン１２０の上下方向に連続する２個のウイング１２３は、燃焼ガスの流れ方向に対する傾斜方向が異なるように切り起こされている。つまり、ウイング１２３は燃焼ガスの流れ方向に対して交互に傾斜角度が異なる千鳥配列となっている。尚、ウイング１２３の高さおよび幅は、各燃焼ガス流路を塞がない高さおよび幅となっている。

更に、フィン１２０の立板部１２２は、燃焼ガスの流れ方向に蛇行するように形成されている。尚、平板部１２１は立板部１２２に沿うように蛇行形状となっており、総じて、細流路１１０ｇは、蛇行する流路として形成されている。

次に、本実施形態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１３０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に形成される流水通路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１４０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の上方から下方へ向かって流れ（上流側が約２００℃）、熱交換器１００を通過する際に給湯水との間で熱交換を行い、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、内部に含まれる水蒸気は凝縮する。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凝縮潜熱をも吸収して給湯水を加熱することができる。

ここでは、燃焼ガスが細流路１１０ｇを流通する際に、ウイング１２３によって燃焼ガスに縦渦が形成され、また燃焼ガスは加速される。そして、燃焼ガスが蛇行する立板部１２２にぶつかる際に、その流れの向きをウイング１２３側に押し戻すことができるので、燃焼ガスの上流側から下流側の全体に渡って繰返しウイング１２３によって縦渦を形成でき、熱交換性能を向上させることができる。

また、熱交換時に燃焼ガスから生成される凝縮水を、燃焼ガスに発生される縦渦（流速ＵＰ）によって効果的にフィン１２０から排出させることができ、熱交換性能の低下を防止することができる。

尚、図４は本実施形態における燃焼ガスの流速分布を示すものであり、また、図５は本実施形態における熱流束分布を示すものである。測定部位、条件等は上記課題の項で説明した図８、図９（従来技術）と同一である。本実施形態においては、従来技術に対して、ウイング１２３に加えて蛇行する立板部１２２によって、下流側においても縦渦が効果的に形成され、流速および熱流束が向上するのを確認できた。

また、併せて、本実施形態における熱交換器１００での熱交換量を確認したところ、従来技術に対して６％の向上を確認した（上流側燃焼ガス流速７ｍ／ｓ時）。因みに、燃焼ガスの低流速領域（３．５ｍ／ｓ）においても、８％の熱交換量の向上を確認している。

（その他の実施形態）
燃焼ガスの流れ方向に対するウイング１２３の傾きは、上記第１実施形態に対して、逆方向となるようにしても良く、同様の効果が得られる（図６、図７）。

また、本実施の形態では、フィン１２０として図３に示すような矩形形状に折り曲げられた形状とした実施例について述べたが、ウイング１２３を形成するのに充分な大きさの平板部１２１を有していればよく、折曲部がＲ形状を有するように折り曲げられたフィンを用いても良い。

また、ウイング１２３が形成される平板部１２１と対向するチューブ１１０の壁面に、燃焼ガス通路１１０ｆ中に突出する凹凸部を、例えば打出し加工等によって形成しても良い。

また、対象とする熱交換器は、上記のような給湯起用の熱交換器１００に限らず、他のラジエータや蒸発器等への適応が可能である。

第１実施形態における熱交換器を示す正面図である。 第１実施形態における熱交換器を示す平面図である。 アウターフィンの外観を示す斜視図である。 第１実施形態における燃焼ガスの流速分布を示す流速分布図である。 第１実施形態におけるフィン表面の熱流束分布を示す熱流束分布図である。 その他の実施形態における燃焼ガスの流速分布を示す流速分布図である。 その他の実施形態におけるフィン表面の熱流束分布を示す熱流束分布図である。 従来技術における燃焼ガスの流速分布を示す流速分布図である。 従来技術におけるフィン表面の熱流束分布を示す熱流束分布図である。

符号の説明

１００ 熱交換器
１１０ チューブ
１１０ｅ 外壁面
１２０ アウターフィン（フィン）
１２１ 平板部
１２２ 立板部
１２３ 切り起こし片（突出部）

Claims (2)

1. 複数積層配置され、隣接する間を外部流体が流通する扁平状のチューブ（１１０）と、
   複数の前記チューブ（１１０）の間に介在され、前記外部流体の流通方向から見て、前記チューブ（１１０）の外壁面（１１０ｅ）に接合される平板部（１２１）、この平板部（１２１）に交差する立板部（１２２）を有するように凹凸状に形成されるフィン（１２０）とを有し、
   前記外部流体および前記チューブ（１１０）内を流通する内部流体の間で熱交換する熱交換器において、
   前記平板部（１２１）には、前記外部流体の流れ方向に傾斜するように配置され、前記外部流体の下流側となるにつれて自身の突出量が大きくなる突出部（１２３）が、前記外部流体の流れ方向に複数設けられ、
   前記立板部（１２２）は、前記外部流体の流れ方向に蛇行するように形成されたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記外部流体は、水蒸気を含む高温の気体であり、
   前記内部流体は、前記高温の気体より低温となる低温の流体であり、
   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ことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

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