JP2007093169A

JP2007093169A - 熱交換器

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Publication number: JP2007093169A
Application number: JP2005286740A
Authority: JP
Inventors: Koichi Koto; 公一光藤; Yoshio Suzuki; 義生鈴木; Naoki Kumagai; 直樹熊谷
Original assignee: Paloma Kogyo KK
Current assignee: Paloma Kogyo KK
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-12

Abstract

【課題】熱交換器のケーシングの温度上昇を低減させてケーシングの耐久性を高めると共に、熱効率に優れる熱交換器を提供すること。
【解決手段】ガスバーナの燃焼ガスが流動するケーシング１２内にその燃焼ガスの流動方向に沿って多数枚の集熱フィン１４が平行に配置されると共に、内部に被加熱流体が流動する伝熱管１６が集熱フィン１４を貫通して配置された熱交換器において、ケーシング１２の内壁面に近接した部位から内方向かつ燃焼ガスの流動方向上流側から下流側に向けて、集熱フィン１４の表面に整流部材１８を設けた熱交換器１０とする。整流部材１８は、例えば、集熱フィン１４を局所的に切起こし折曲形成した切起こし片により構成されたものであっても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱交換器に関し、さらに詳しくは、給湯器等のガス燃焼機器に用いられる熱交換器に関する。

従来から、この種の熱交換器は、フィンアンドチューブ式熱交換器と呼ばれ、図５に示すように、板状の銅板からなる複数の集熱フィン３４を所定間隔で縦に平行に配列させ、この複数の集熱フィン３４に伝熱管３６を複数本貫通させて構成される。

この複数の集熱フィン３４は、その両端を角筒状のケーシング３２にロー付けにより接合されており、このケーシング３２には、ガスバーナ（図示略）からの燃焼ガスが図中下方から導かれる。従って、ガスバーナからの燃焼ガスがケーシング３２内の集熱フィン３４間に流れ、この燃焼ガスの熱が直接又は各集熱フィン３４から伝熱管３６に伝達され、伝熱管３６から伝熱管３６の内部を流れる水に熱が伝達されて、温水を得ることができる。

このような熱交換器３０において、従来、ケーシング３２が高温になりすぎるとケーシング３２の耐久性が低下するという問題があった。すなわち、燃焼ガスの加熱による集熱フィン３４の膨張により、ケーシング３２の集熱フィン３４と接合されている部分が横方向に開くように付勢される。一方、集熱フィン３４と接合されていない下部においては、その周囲に伝熱管（図示略）が巻かれているため、横方向の変形が規制される。これによって、接合部と非接合部との境目において曲げ変形が繰り返され、ケーシング３２にクラックが生じるようになる。この傾向は、ケーシング３２の集熱フィン３４との接合部が高温になるほど、顕著になる。そのため、ケーシング３２の温度を下げる試みがなされている。

例えば特許文献１には、図６に示すように、集熱フィン３４と接合されたケーシング３２の接合部分の燃焼ガスの流動方向上流側に、この接合部分に燃焼ガスが流れ込まないようにするための遮蔽部材３８を設けたものが開示されている。これにより、ケーシング３２の温度上昇を低減させて、ケーシング３２の耐久性を向上させている。

実開平０５−１９８５７号公報

しかしながら、燃焼ガスは上流から下流に向かって真っ直ぐにケーシング３２内を流れることから、特許文献１に示される熱交換器４０では、伝熱管３６の外周面の下側の面には燃焼ガスが当たるものの、伝熱管の上側の面には燃焼ガスが当たらないため、熱効率が低いという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、熱交換器のケーシングの温度上昇を低減させてケーシングの耐久性を高めると共に、熱効率に優れる熱交換器を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る熱交換器は、ガスバーナの燃焼ガスが流動するケーシング内にその燃焼ガスの流動方向に沿って多数枚の集熱フィンが平行に配置されると共に、内部に被加熱流体が流動する伝熱管が前記集熱フィンを貫通して配置された熱交換器において、前記ケーシングの内壁面に近接した部位から内方向かつ前記燃焼ガスの流動方向上流側から下流側に向けて、前記集熱フィンの表面に整流部材を設けたことを要旨とする。

前記整流部材は、前記集熱フィンを局所的に切起こし折曲形成した切起こし片により構成されているものであっても良い。

そして、前記伝熱管は、前記燃焼ガスの流動方向に複数列、複数段に亘って互い違いに配列され、前記整流部材は、少なくとも最外側に位置する伝熱管の外周面に向けて設けられていることが望ましい。

また、前記伝熱管は、前記燃焼ガスの流動方向に複数列、２段に亘って互い違いに配列され、前記整流部材は、下段最外側に位置する伝熱管と２段目最外側に位置する伝熱管の両方の外周面に向けて前記燃焼ガスを流動させる長さの切起こし片により構成されていることが望ましい。

本発明に係る熱交換器によれば、ケーシングの内壁面に近接した部位から内方向かつ燃焼ガスの流動方向上流側から下流側に向けて、集熱フィンの表面に整流部材を設けたことから、ケーシングと集熱フィンとが接合された部分に燃焼ガスが流れ込みにくくなる。これにより、ケーシングが高温になりすぎることを防ぐことができる。そして、この整流部材により、ケーシングの内壁面に沿って流れる燃焼ガスは伝熱管側に向けて流動するようになることから、従来の熱交換器よりも伝熱管の外周面に燃焼ガスが多く当たるようになり、熱交換器の熱効率を高くすることができる。

この場合、前記整流部材が、集熱フィンを局所的に切起こし折曲形成した切起こし片により構成されることにより、集熱フィンに容易に整流部材を設けることができる。これにより、本発明に係る熱交換器の生産性を高めることができる。また、切起こしにより形成された開口部によって、高温となった集熱フィンの熱がケーシングに伝わりにくくなるため、ケーシングの温度上昇を抑えることができる。

そして、前記伝熱管が、燃焼ガスの流動方向に複数列、複数段に亘って互い違いに配列され、前記整流部材が、少なくとも最外側に位置する伝熱管の外周面に向けて設けられることにより、少なくとも最外側に位置する伝熱管には、外周面の下側の面だけでなく上側の面にも燃焼ガスを当てることができるため、熱交換器の熱効率を高くすることができる。

また、前記伝熱管が、燃焼ガスの流動方向に複数列、２段に亘って互い違いに配列され、前記整流部材が、下段最外側に位置する伝熱管と２段目最外側に位置する伝熱管の両方の外周面に向けて燃焼ガスを流動させる長さの切起こし片により構成されることにより、下段最外側と２段目最外側に位置する伝熱管の両方について、外周面の下側の面だけでなく上側の面にも燃焼ガスを当てることができるため、さらに熱効率を高くすることができる。

以下に本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る熱交換器の第１実施形態を表す斜視図である。本実施形態に係る熱交換器１０には、角筒状のケーシング１２内の上部に、そのケーシング１２内を流動する燃焼ガスの流動方向に沿って多数枚の集熱フィン１４が所定間隔で平行に配置されている。そして、この集熱フィン１４を貫通して、集熱フィン１４と直交する方向に伝熱管１６が複数本配置されている。

この伝熱管１６は、ケーシング１２を貫通して出たところで他の伝熱管１６と繋がり、長い１本の管を形成しており、その一端は図示しない給水管に、他端は図示しない給湯管に繋がっている。そして、この内部には、冷水等の被加熱流体が通される。

集熱フィン１４の下部両端には、切起こし折曲形成した切起こし片からなる整流部材１８が設けられている。ケーシング１２と集熱フィン１４とは、ロー付けにより固着され、集熱フィン１４と集熱フィン１４を貫通する伝熱管１６もロー付けにより固着されている。

ケーシング１２の下方には、図示しないガスバーナが設けられており、このガスバーナからの高温の燃焼ガスがケーシング１２を通って集熱フィン１４に送られる。送られてきた燃焼ガスは、集熱フィン１４や伝熱管１６を加熱する。そして、伝熱管１６の壁を通して伝熱されることによりその内部を流れる冷水は温水に変えられ、給湯管に送られる。

図２は、上記第１実施形態の熱交換器の断面図である。これは、集熱フィン１４と直交する方向から見るように表したものである。図示しないガスバーナからの燃焼ガスは、図中下方から上方に流れる。

伝熱管１６は、上下方向に３段に配置されており、一番下の段には一列に複数本の伝熱管１６が配置され、２段目には、１番下の段と横方向に位置をずらせて互い違いになるように一列に複数本の伝熱管１６が配置されている。さらに、３段目には、２段目と横方向に位置をずらせて互い違いになるように配置されている。図示するものは、１番下の段と３段目に配置された伝熱管１６が、上下方向から見ると重なって見えるように配置されているが、これらも横方向に互い違いになるように配置させたものであっても良い。

整流部材１８は、ケーシング１２の内壁面に近接した部位から内方向かつ燃焼ガスが流動する方向の上流側から下流側に向けて、集熱フィン１４の表面に設けられている。これによって、ケーシング１２の内壁面に沿って流れてきた燃焼ガスは、図中矢印で示すように、一番下の段の最外側に位置する伝熱管（１６ａ、１６ａ）の外周面に向けられ、下側の面だけでなく上側の面にも燃焼ガスを当てることができる。そして、従来の熱交換器よりも熱効率を高くすることができる。

なお、ここでいう熱効率とは、燃焼ガスによって供給された熱量に対する伝熱管を流れる水等の被加熱流体に吸収された熱量の割合で表される。

よって、熱交換器の伝熱面積（集熱フィンの面積と伝熱管の外周面の面積の総和）が同じ場合には、従来、伝熱管の外周面の下側のみに燃焼ガスが当たっていたのを、その上側にも当たるようにすることで、伝熱管の内部を流れる被加熱流体の吸熱量が増えるため、熱効率が高くなることになる。

この場合、整流部材１８は、ケーシング１２と集熱フィン１４との接合部２２にできるだけ近い部位であって接合部２２の下部よりも下の位置から、伝熱管１６側に向けるようにすることが好ましい。このようにすることにより、燃焼ガスは接合部２２に流れ込みにくくなるからである。

図２に示す熱交換器１０において、さらに、３段目の最外側に位置する伝熱管の外周面に燃焼ガスを向けたものとすることもできる。それを図３によって示す。

図３は、本発明に係る熱交換器の第２実施形態を表す断面図である。整流部材１８は、集熱フィン１４の両端にそれぞれ２箇所ずつ設けられ、ケーシング１２の内壁面に近接した部位から一番下の段の最外側に位置する伝熱管（１６ａ、１６ａ）と３段目の最外側に位置する伝熱管（１６ｂ、１６ｂ）の外周面にそれぞれ向けられている。

これによって、ケーシング１２の内壁面に沿って流れてきた燃焼ガスは、図中矢印で示すように、一番下の段の最外側に位置する伝熱管（１６ａ、１６ａ）だけでなく３段目の最外側に位置する伝熱管（１６ｂ、１６ｂ）の外周面にも流れるため、これら伝熱管（１６ａ、１６ｂ）の外周面の下側と上側の両面に燃焼ガスを当てることができる。そして、熱交換器１０よりさらに熱効率を高くすることができる。

また、熱交換器は、その用途に応じて種々の形態にすることが可能である。例えば、伝熱管１６の内部を流れる水を所定温度に加熱できるのであれば、上下方向に３段ではなく、２段としたものであっても良い。

図４は、本発明に係る熱交換器の第３実施形態を表す断面図であり、伝熱管１６が上下方向に２段に配置されたものである。１段目の伝熱管１６と２段目の伝熱管１６とが互い違いに配置されており、１段目の伝熱管１６と伝熱管１６との間に、２段目の伝熱管１６が配置されている。そして、上下方向に２段となっているため、上下方向から見て伝熱管１６が重ならないものである。このような配置とすることにより、下方から流れてくる燃焼ガスが、全部の伝熱管１６の外周面の下側を加熱することができるため、熱効率が高いものとなる。

整流部材１８は、ケーシング１２の内壁面に近接した部位であって接合部２２の下部よりも下の位置から下段最外側に位置する伝熱管（１６ａ、１６ａ）と２段目最外側に位置する伝熱管（１６ｃ、１６ｃ）の両方の外周面に向けて燃焼ガスを流動させる長さの切起こし片により構成されている。

このような構成により、下の段の伝熱管（１６ａ、１６ａ）の外周面だけでなく、上の段の伝熱管（１６ｃ、１６ｃ）の外周面にも燃焼ガスを向けることができる。そして、これらの伝熱管の外周面の下側だけでなく上側にも燃焼ガスが当たるようになるため、熱交換器の熱効率を高めることができる。

そして、このような構成の熱交換器（１０、２４、２６）によれば、ケーシング１２の内壁面に沿って流れてきた燃焼ガスが進行方向を変えられて、ケーシング１２と集熱フィン１４との接合部２２に流れないようになる。これによって、ケーシング１２が高温になりすぎることを防ぐことができる。また、伝熱管（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ）の外周面の下側だけでなく上側も燃焼ガスによって加熱することができることから、伝熱管の外周面の加熱される面積が増え、その内部を流れる水に、より多く伝熱することができるため、熱効率に優れるものとなる。

図２〜図４に示す整流部材１８は、その一例として、集熱フィン１４の局所的な切起こしにより形成されたものについて示しているが、これに限定されるものではない。例えば、ロー付け等によって集熱フィン１４の表面に整流板を立設させたものであっても良い。また、ロー付けしやすいように、Ｌ字状部材の一面を集熱フィン１４にロー付けしたものとすることもできる。そして、整流部材１８は、ロー付けにより集熱フィン１４に固着することだけに限られず、ビス止め等によっても良いし、その他の方法によって固着することも可能である。

この整流部材１８は、集熱フィン１４と９０°の角度で集熱フィン１４表面に立設させても良いし、９０°よりも少し傾斜させても良い。いずれの場合であっても、集熱フィン１４と集熱フィン１４との間隔又はそれ以上の長さに立設させたものが良い。集熱フィン１４と集熱フィン１４との間隔未満の長さに立設したものとすると、整流部材１８と他の集熱フィン１４との間に隙間が生じるため、整流部材１８で規制する方向に燃焼ガスが流れるだけでなく、その隙間を通って接合部２２にも燃焼ガスが流れてしまい、ケーシング１２の温度上昇につながるからである。

また、例えば、整流部材１８を切起こしにより形成する場合には、切起こしにより開口部（スリット）２０が形成されるが、１つの切起こし片が、他の集熱フィン１４に切起こしにより形成された開口部２０に入り込むようにしても良い。これによって、集熱フィン１４が多少ずれることがあっても、整流部材１８と集熱フィン１４との間に隙間が生じないからである。

なお、伝熱管１６は、上下方向に４段以上配置することも可能であり、その時に、各段の最外側に位置する伝熱管１６の外周面に向けて、ケーシング１２の内壁面に近接した部位より内方向、燃焼ガスの流動方向上流側から下流側に向けて、整流部材１８を設けたものとしても良い。

また、最外側に位置する伝熱管以外の伝熱管の外周面の上側にも燃焼ガスが回り込むように、ケーシング１２の内壁面に近接した部位だけでなく、ケーシング１２の中心近辺にも、整流部材を適宜設けることもできる。

一方、図６に示すように、従来の熱交換器４０の場合には、ケーシング３２の内壁面に沿って流れてきた燃焼ガスは遮蔽板３８に当たるため、ケーシング３２の内壁面に沿って流れてきた燃焼ガスがケーシング３２と集熱フィン３４との接合部に流れないようにすることはできる。

しかしながら、遮蔽板３８に当たった後は、矢印に示すように、一番下の段の最外側に位置する伝熱管（３６ａ、３６ａ）の横を通り過ぎるだけで、その伝熱管（３６ａ、３６ａ）の外周面の上側には回り込まない。つまり、燃焼ガスの流れが、伝熱管３６の近郊に行かない部分が多く生じている。よって、第１〜第３実施形態に示すものと比べて、伝熱管外周面が加熱される面積が小さくなり、熱効率が低いものとなる。

次に、本実施形態に係る熱交換器と従来の熱交換器における熱効率をそれぞれ測定した結果を示す。

〔熱効率試験の条件〕（ＪＩＳＳ２０１９に準拠）
ガスバーナからの燃焼ガスを熱交換器に通過させながら、伝熱管に常温の水を流す。この時、伝熱管を通過する水が温められ、給湯管より出湯される出湯温度が水温より４０±５℃高くなるように、燃焼ガスの供給速度を調節する。そして、ほぼ安定した湯温が得られる状態となった後、熱効率（燃焼ガスによる供給熱量に対する伝熱管を通過する水が吸収した熱量の割合）の測定を開始する。熱効率の測定は、ガスメータが１回転以上整数回転する間出湯し、次式（数１）により算出する。

（数１）

なお、ほぼ安定した湯温が得られる状態とは、出湯温度を試験出湯温度に調節した後、停水、通水の操作によるガスバーナの点滅操作を行い、通水の都度出湯温度を測定し、試験出湯温度±８％以内の温度が連続して３回以上得られる状態を言う。また、熱効率試験は、同一条件で２回以上行い、連続２回の熱効率の値の差が、この２回の平均値の５％以下になったとき、この平均値を求める熱効率の値とした。

（実施例１）
燃焼ガスの流動方向上流側に４本、下流側に３本、合計７本の伝熱管（上下２段）が貫通した集熱フィンに、第３実施形態のように、ケーシングと集熱フィンとがロー付けされた接合部の下部よりも上流側から、上の段に配置された両端の伝熱管の下流側にかけて、切起こし片が形成された熱交換器（総伝熱面積＝８０×１０^−２ｍ^２）を用いた。この熱交換器では、熱効率は８２％であった。

（比較例１）
実施例１と同様、燃焼ガスの流動方向上流側に４本、下流側に３本、合計７本の伝熱管（上下２段）が貫通した集熱フィンを有し、切起こし片が形成されていない熱交換器（総伝熱面積＝１０７×１０^−２ｍ^２）を用いた。この熱交換器では、熱効率は８２％であった。

実施例１と比較例１の熱交換器は、熱交換率が共に８２％であった。そして、実施例１の熱交換器の伝熱面積は比較例１のものの約７５％であり、同じ伝熱面積で考えると、実施例１のものが比較例１のものよりも１．３４倍優れることが分かった。このように、熱交換器の集熱フィンに切起こし片（整流部材）を形成することによって、熱交換器の熱効率が向上することが確認できた。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

例えば、上記実施例において、集熱フィンや伝熱管の形状、枚数、整流部材の形状、枚数等は、実施形態に示されるものに限定されるものではない。また、熱交換器（ケーシング）の形状も、角形に限られず、円筒形等であっても構わない。

本発明に係る熱交換器は、給湯器等のガス燃焼機器に用いられる熱交換器として使用することができる。

第１実施形態の熱交換器の概略斜視図である。第１実施形態の熱交換器の断面図である。第２実施形態の熱交換器の断面図である。第３実施形態の熱交換器の断面図である。従来の熱交換器の断面図である。従来の熱交換器の断面図である。

符号の説明

１０、２４、２６熱交換器
１２ケーシング
１４集熱フィン
１６伝熱管
１８整流部材（切起こし片）
２０開口部
２２接合部

Claims

ガスバーナの燃焼ガスが流動するケーシング内にその燃焼ガスの流動方向に沿って多数枚の集熱フィンが平行に配置されると共に、内部に被加熱流体が流動する伝熱管が前記集熱フィンを貫通して配置された熱交換器において、
前記ケーシングの内壁面に近接した部位から内方向かつ前記燃焼ガスの流動方向上流側から下流側に向けて、前記集熱フィンの表面に整流部材を設けたことを特徴とする熱交換器。
前記整流部材は、前記集熱フィンを局所的に切起こし折曲形成した切起こし片により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
前記伝熱管は、前記燃焼ガスの流動方向に複数列、複数段に亘って互い違いに配列され、前記整流部材は、少なくとも最外側に位置する伝熱管の外周面に向けて設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
前記伝熱管は、前記燃焼ガスの流動方向に複数列、２段に亘って互い違いに配列され、前記整流部材は、下段最外側に位置する伝熱管と２段目最外側に位置する伝熱管の両方の外周面に向けて前記燃焼ガスを流動させる長さの切起こし片により構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器。