JP2013011410A - フィンチューブ型熱交換器およびこれを備えた温水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易であり、しかも簡易な構造によって適切に熱交換効率を高めることが可能なフィンチューブ型熱交換器を提供する。
【解決手段】伝熱管Ｔと、この伝熱管Ｔを挿通させるための第１の孔部２０Ａ、およびこの第１の孔部２０Ａに連通したロウ材挿入用の第２の孔部２０Ｂを有し、かつ第１および第２の孔部２０Ａ，２０Ｂの周縁には、厚み方向片側に突出する第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂが設けられているフィン２と、を備えている、フィンチューブ型熱交換器ＨＥであって、フィン２のうち、第１および第２の孔部２０Ａ，２０Ｂの連通箇所の両側縁部は、バーリング部が設けられていないフラット部２３として形成され、第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂは、フラット部２３を挟んで離間している。
【選択図】 図４

Description

本発明は、フィンチューブ型熱交換器、およびこれを備えた給湯装置などの温水装置に関する。

温水装置に用いられているフィンチューブ型熱交換器は、たとえばバーナを用いて発生させた燃焼ガスから熱回収を行なうのに用いられるが、その構造は、複数枚のプレート状のフィンに伝熱管（チューブ）が貫通し、かつこれらがロウ付けされた構造とされているのが一般的である。このような熱交換器も、他の型式の熱交換器と同様に、全体の小型化を図りつつ、熱交換効率を高めることが要望される。熱交換効率を高めるための手段としては、たとえばフィンに切り起こし部などを形成し、フィンの伝熱面積を大きくする手段がよく採用されている。ただし、伝熱管の伝熱面積を大きくする際には、熱交換器内の流路抵抗（排気抵抗）が余り大きくならないように配慮することが望まれ、切り起こし部の数を単に多くすればよい訳ではない。

本出願人は、フィンチューブ型熱交換器として、特許文献１に記載のものを先に提案している。同文献に記載の熱交換器のフィンは、伝熱管挿通用の第１の孔部の上部に、ロウ材挿入用の第２の孔部が連設された構成を有している。この第２の孔部は、熱交換器の製造過程において、伝熱管とフィンとをロウ付けする際に、ロウ材を挿入して装着させるのに利用される。第２の孔部の縁部には、第１の孔部の縁部に設けられているバーリング部と一体的に繋がったバーリング部が設けられている。このことにより、第２の孔部の周辺部分の機械的強度を高めることができる。また、第２の孔部の縁部にバーリング部が設けられている分だけ、フィンの伝熱面積が増大するため、熱交換効率を高める効果も期待できる。

しかしながら、前記従来技術においては、互いに連通した第１および第２の孔部の縁部に、一連に繋がったバーリング部を形成する構成であり、しかもこのバーリング部は、非円形の特異な形状である。このため、フィンにプレス加工（バーリング加工）を施すことによって前記したバーリング部を適切に形成することは容易ではなく、その製造に苦慮するものとなっていた。バーリングパンチを利用してフィンにバーリング加工を施す際には、その加工対象部位の近傍をダイスによって適切に支持しておく必要があるが、従来のバーリング部の構造では、加工対象部位の近傍全域をダイスを利用して支持することが難しいものとなっていた。また、前記従来技術では、バーリング部を有効に利用し、熱交換効率をさらに高める観点からも、未だ改善すべき余地があった。

特開平８−１５９５６０号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、製造が容易であり、しかも簡易な構造によって適切に熱交換効率を高めることが可能なフィンチューブ型熱交換器、およびこれを備えた温水装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供されるフィンチューブ型熱交換器は、伝熱管と、この伝熱管を挿通させるための第１の孔部、およびこの第１の孔部に連通したロウ材挿入用の第２の孔部を有し、かつ前記第１および第２の孔部の周縁には、厚み方向片側に突出する第１および第２のバーリング部が設けられているフィンと、を備えている、フィンチューブ型熱交換器であって、前記フィンのうち、前記第１および第２の孔部の連通箇所の両側縁部は、バーリング部が設けられていないフラット部として形成され、前記第１および第２のバーリング部は、前記フラット部を挟んで離間していることを特徴としている。

このような構成によれば、バーリングパンチを利用したプレス加工によって、フィンに第１および第２のバーリング部を形成する際には、これら第１および第２のバーリング部の加工対象の中間地点となるフラット部をダイスによって適切に支持することが可能となる。したがって、第１および第２のバーリング部をプレス加工により、容易かつ適切に形成することが可能となる。一方、第１のバーリング部に加えて、第２のバーリング部がフィンに設けられていれば、伝熱面積の拡大により、熱交換器の熱交換効率を高める効果も得られる。

本発明において、好ましくは、前記第１および第２の孔部の基本形態は、互いに交差しないように離れて並んだ２つの異径の円形孔であり、かつ前記フィンのうち、前記第１および第２の孔部どうしの間には、これらを連通させるスリットが設けられ、このスリットの両側縁部が前記フラット部として形成されている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
すなわち、前記構成とは異なり、第１および第２の孔部が互いに交差するように接近した配置に設けられたのでは、第２の孔部の周縁部の長さが短くなり、第２のバーリング部のサイズが小さくなる。これでは、第２のバーリング部の伝熱面積を大きくできず、また燃焼ガスなどの熱交換対象流体が第２のバーリング部に有効に作用し難くなる。これに対し、前記構成によれば、第１および第２の孔部が互いに交差する関係にはならないように離間しているために、前記したような不利を適切に回避することができる。その他、前記構成によれば、熱交換器の製造に際し、第２の孔部に挿入されたロウ材を加熱溶融させたときには、このロウ材を伝熱管と第１のバーリング部との隙間にガイドさせることが、スリットを利用して適切に行なわせることができる。第１および第２の孔部の基本形態が円形であれば、それらが非円形の特異な形状の場合と比較すると、第１および第２のバーリング部の形成がより容易となる。

本発明において、好ましくは、前記スリットの幅は、前記第２の孔部の直径よりも小さくされ、前記第２のバーリング部は、正面視において、前記第１のバーリング部とは反対側に位置する半円弧状領域に加え、この半円弧状領域の両端から前記第１の孔部側に向けてさらに延びた円弧状領域を有している。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。すなわち、伝熱管および第１のバーリング部が、燃焼ガスなどの熱交換対象流体の流れ方向上流側に位置し、かつ第２のバーリング部がその下流側に位置するように熱交換器が用いられる場合において、伝熱管または第１のバーリング部に作用した熱交換対象流体が伝熱管や第１のバーリング部の背後（下流側）に回り込んだときに、この熱交換対象流体を、第１のバーリング部のうち、第１の孔部側に向けて延びた円弧状領域に対して有効に作用させることができる。したがって、熱交換効率を高める上でより好ましいものとなる。

本発明において、好ましくは、前記第１および第２のバーリング部の離間寸法は、前記第２の孔部の半径以下とされている。

第２のバーリング部を利用して熱交換効率を高めるには、第２のバーリング部が第１のバーリング部から余り大きく離間しないようにすることが望まれる。前記構成によれば、そのような要望に的確に応えることができ、熱交換効率を高めるのに好ましいものとなる。

本発明の第２の側面により提供される温水装置は、本発明の第１の側面により提供されるフィンチューブ型熱交換器を備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供されるフィンチューブ型熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器を備えた温水装置の一例を示す概略正面断面図である。 図１のII−II断面図である。 図１のIII−III断面図である。 （ａ）は、図１ないし図３に示すフィンチューブ型熱交換器のフィンの正面図であり、（ｂ）は、（ａ）の一部拡大図である。 図４（ａ）の一部拡大斜視図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図５は、本発明が適用された温水装置およびこれに関連する構成の一例を示している。本実施形態の温水装置ＷＨは、ガス給湯装置として構成されている。図１によく表われているように、温水装置ＷＨは、バーナ５、１次熱交換器ＨＥ、および２次熱交換器７を備えている。これらのうち、１次熱交換器ＨＥが、本発明に係るフィンチューブ型熱交換器の一例に相当する。

バーナ５は、たとえばガスバーナであり、ファン５１からバーナケース５０内に上向きに送られてくる燃焼用空気を利用して燃料ガスを燃焼させる。１次熱交換器ＨＥは、燃焼ガスから顕熱を回収するためのものであり、バーナケース５０上に載設された缶体３内に、複数のフィン２および伝熱管Ｔ（チューブ）が収容された構成である。

２次熱交換器７は、１次熱交換器ＨＥを通過した燃焼ガスから潜熱を回収するためのものであり、１次熱交換器ＨＥ上に載設されたケース７０内に、複数の伝熱管７１が収容された構成である。ケース７０および伝熱管７１は、潜熱回収に伴って発生する強酸性のドレインに対する耐食性を有すべくその材質はたとえばステンレスである。複数の伝熱管７１は、サイズが相違し、かつ重ね巻き状に配列された螺旋状管体であり、これらの上下両端部は、ケース７０の外部に引き出されて通水用のヘッダ７５ａ，７５ｂと連結されている。図２に示すように、１次熱交換器ＨＥを上向きに通過した燃焼ガスは、ケース７０の底壁部７０ａに設けられた給気口７２からケース７０内に進行し、伝熱管７１どうしの隙間を通過した後にケース７０の前壁部７０ｂに設けられた排気口７３から外部に排出される。このような過程において、燃焼ガスから伝熱管７１により潜熱回収がなされる。

１次熱交換器ＨＥの構成を詳細に説明すると、まず伝熱管Ｔは、銅製であり、図３に示
すように、複数の直状管体部１１が略Ｕ字状の連結用管体部１２を介して一連に繋がった平面視蛇行状に形成されている。複数の直状管体部１１は、水平な姿勢とされ、かつ略平行に並んで缶体３の幅方向（同図の左右方向）に列をなしている。各直状管体部１１の両端部は、缶体３の壁部３０ａ，３０ｂに貫通して支持され、かつこれらの壁部３０ａ，３０ｂにロウ付けされている。蛇行状に形成された伝熱管Ｔは、上下高さ方向に単段（１段）に設けられており、１次熱交換器ＨＥは、伝熱管Ｔの上側および下側に他の伝熱管を有しない構成とされている。伝熱管Ｔの両端には、入水口１３ａおよび出湯口１３ｂが設けられている。入水口１３ａは、継手用管体１２’を利用して設けられているが、このような管体１２’の有無は問わない。図１に示すように、この温水装置ＷＨでは、２次熱交換器７のヘッダ７５ａに供給された湯水は、伝熱管７１内を通過して加熱されてヘッダ７５ｂに到達した後に、配管部７６を介して入水口１３ａに送られる。その後、この湯水は、伝熱管Ｔ内を通過してさらに加熱されてから出湯口１３ｂに到達し、出湯する。

複数のフィン２は、銅板にプレス加工を施して構成されたものである。図４および図５によく表われているように、フィン２は、互いに連通した第１および第２の孔部２０Ａ，２０Ｂ、ならびにそれらの周縁に設けられた第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂを複数有している。第１の孔部２０Ａは、伝熱管Ｔの直状管体部１１を挿通させるための部分である。したがって、複数の第１の孔部２０Ａの配列は、直状管体部１１の配列に対応しており、水平方向に所定間隔で並び、かつその列は上下１段である。第１の孔部２０Ａの基本形態は、直状管体部１１の外形およびサイズに対応した円形孔である。ただし、この第１の孔部２０Ａは、その周縁に第１のバーリング部２１Ａが形成されたいわゆるバーリング孔である。第１のバーリング部２１Ａは、伝熱管Ｔとのロウ付けを図るための部分であって、フィン２の厚み方向片側に突出しており、その正面視形状は、上部切欠き円形リング状である。

第２の孔部２０Ｂは、ロウ材挿入用の孔部であり、１次熱交換器ＨＥの製造に際し、伝熱管Ｔとフィン２とを接合するためのロウ材を挿入させて保持させるのに利用される。第２の孔部２０Ｂは、その基本形態が第１の孔部２０Ａよりも小径の円形孔であり、かつその周縁には第２のバーリング部２１Ｂが設けられたバーリング孔である。第２のバーリング部２１Ｂは、その正面視形状が下部切欠き円形リング状であり、第１のバーリング部２１Ａと同方向に突出している。第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂの突出高さｈ１，ｈ２（図５を参照）は、略同一である。

第２の孔部２０Ｂは、第１の孔部２０Ａの上側に設けられており、この第２の孔部２０Ｂの下部と第１の孔部２０Ａの上部とは、上下方向に延びたスリット２２を介して繋がっている。より詳しくは、第２の孔部２０Ｂは、第１の孔部２０Ａとは直接交差しない距離に設けられている。それ故に、第１および第２の孔部２０Ａ，２０Ｂは直接には繋がっておらず、スリット２２を介して繋がっている。このスリット２２が設けられた箇所は、本発明でいう第１および第２の孔部の連通箇所の一例に相当し、このスリット２２の左右幅方向の両側縁部は、第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂが設けられていないフラット部２３とされている。このため、第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂは、フラット部２３を挟んで上下方向に適当な寸法Ｌ１だけ離間している。寸法Ｌ１は、好ましくは、第２の孔部２０Ｂの半径（Ｄ２／２）以下である。具体的数値の例を挙げると、寸法Ｌ１は、好ましくは、２ｍｍ以下である。

スリット２２の幅Ｌ２は、第２の孔部２０Ｂの直径Ｄ２よりも小さくされている。このことにより、第２のバーリング部２１Ｂの円弧長さを長くすることが可能である。図４（ｂ）に示すように、第２のバーリング部２１Ｂは、その上部側に位置する半円弧状領域Ａ１に加え、この半円弧状領域Ａ１の両端から下方に向けて延びる一対の円弧状領域Ａ２を有している。

次に、前記した温水装置ＷＨの作用について説明する。

まず、フィン２の第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂは、前記従来技術とは異なり、一体的には繋がっておらず、それらはフラット部２３を挟んで離間している。このため、バーリング加工によって第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂを形成する際には、フラット部２３にダイスを当接させて、この部分を適切に支持することが可能である。その結果、第１および第２のバーリング部２１Ａ，２１Ｂを容易かつ適切に形成することが可能となる。１次熱交換器ＨＥの製造に際し、伝熱管Ｔとフィン２とをロウ付けする場合には、第２の孔部２０Ｂにロウ材を挿入させた状態でこのロウ材を加熱溶融させるが、このような処理を行なうと、溶融したロウ材は、スリット２２を通過して第１のバーリング部２１Ａの内周面と伝熱管Ｔの外周面との隙間に流れ込むこととなる。したがって、伝熱管Ｔとフィン２とのロウ付けも適切に行なうことが可能である。

温水装置ＷＨの運転時においては、図４（ｂ）の矢印Ｎ１で示すように、燃焼ガスが第１のバーリング部２１Ａに向けてその下方から上向きに進行してくる。この燃焼ガスは、その後に第１のバーリング部２１Ａを通過する際には、矢印Ｎ２で示すように、第１のバーリング部２１Ａの上部側に回り込む。これに対し、第２のバーリング部２１Ｂは、第１のバーリング部２１Ａに適度な距離で接近した配置にあるために、前記した燃焼ガスが第２のバーリング部２１Ｂに有効に作用する。とくに、第２のバーリング部２１Ｂは、半円弧状領域Ａ１の両端から下方に向けて延びる一対の円弧状領域Ａ２を有しており、この領域Ａ２にも燃焼ガスが作用する。このようなことから、１次熱交換器ＨＥにおいては、第２のバーリング部２１Ｂに多くの燃焼ガスを有効に作用させることができる。

一方、第２のバーリング部２１Ｂに作用した熱を伝熱管Ｔに効率よく伝達させるには、第２のバーリング部２１Ｂが第１のバーリング部２１Ａにできる限り接近していることが望まれる。これに対し、本実施形態では、それらの離間寸法Ｌ１が第２の孔部２０Ｂの半径以下の比較的小さい寸法とされている。したがって、第２のバーリング部２１Ｂに作用した熱が伝熱管Ｔに効率よく伝達する。このようなことから、１次熱交換器ＨＥにおいては、熱回収量を多くし、熱交換効率を高くすることができる。

１次熱交換器ＨＥの伝熱管Ｔは、既述したように、上下方向に単段（１段）に設けられた構成であり、１次熱交換器ＨＥには、２段目、あるいは３段目に相当する伝熱管は設けられていない。したがって、１次熱交換器ＨＥを薄型化し、温水装置ＷＨ全体の小型化、ならびに製造コストの低減を図ることが可能である。なお、１次熱交換器ＨＥでは、第２のバーリング部２１Ｂを利用した熱回収量の増大を図ることができるために、伝熱管Ｔが複数段ではなく、単段に設けられているという理由に基づいて、１次熱交換器ＨＥの熱回収量に不足を生じるといった不具合を生じないようにすることが可能である。なお、仮に、１次熱交換器ＨＥによる熱回収量がやや少なめであったとしても、その不足分は２次熱交換器７の熱回収によって補うことが可能であるために、いずれにしても温水装置ＷＨ全体としては高い熱交換効率を達成することが可能である。図面には記載されていないが、１次熱交換器ＨＥのフィン２には、伝熱面積を増大させるための切り起こし部などを適宜設けることもできる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係るフィンチューブ型熱交換器、およびこれを備えた温水装置の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

本発明においては、第１および第２の孔部２０Ａ，２０Ｂが、スリット２２を介することなく直接繋がった構成とすることもできる。この場合、第１および第２の孔部２０Ａ，
２０Ｂの直接繋がっている部分（連通箇所）の両側縁部が、バーリング部が設けられていないフラット部として形成されていればよい。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、実際に使用される際には、第２の孔部２０Ｂおよびバーリング部２１Ｂが、第１の孔部２０Ａおよびバーリング部２１Ａの上側に位置する姿勢でなくてもよい。たとえば、前記実施形態とは異なり、バーナの下方にフィンチューブ型熱交換器を配置させて、バーナから熱交換器に向けて燃焼ガスが下向きに進行する逆燃式の場合には、第１の孔部２０Ａおよびバーリング部２１Ａがバーナに接近するように上側に配置され、かつ第２の孔部２０Ｂおよびバーリング部２１Ｂがそれの下側に位置するように設定される。なお、熱交換器の製造に際し、伝熱管とフィンとをロウ付けする場合には、第２の孔部２０Ｂおよびバーリング部２１Ｂが、第１の孔部２０Ａおよびバーリング部２１Ａの上側に位置する姿勢とされることは勿論である。

本発明に係るフィンチューブ型熱交換器は、給湯装置などの温水装置の構成要素として用いられることに代えて、たとえば空調装置用などの熱交換器としても用いることが可能であり、その具体的な用途は限定されない。本発明でいう温水装置とは、湯を生成する機能を備えた装置の意であり、一般給湯用、風呂給湯用、暖房用、あるいは融雪用などの各種の給湯装置、および給湯以外に用いられる湯を生成する装置を広く含む。

ＷＨ 温水装置
ＨＥ １次熱交換器（フィンチューブ型熱交換器）
Ｔ 伝熱管（フィンチューブ型熱交換器の）
Ａ１ 半円弧状領域
Ａ２ 円弧状領域
２ フィン（フィンチューブ型熱交換器の）
２０Ａ，２０Ｂ 第１および第２の孔部
２１Ａ，２１Ｂ 第１および第２のバーリング部
２２ スリット
２３ フラット部

Claims (5)

1. 伝熱管と、
   この伝熱管を挿通させるための第１の孔部、およびこの第１の孔部に連通したロウ材挿入用の第２の孔部を有し、かつ前記第１および第２の孔部の周縁には、厚み方向片側に突出する第１および第２のバーリング部が設けられているフィンと、
   を備えている、フィンチューブ型熱交換器であって、
   前記フィンのうち、前記第１および第２の孔部の連通箇所の両側縁部は、バーリング部が設けられていないフラット部として形成され、前記第１および第２のバーリング部は、前記フラット部を挟んで離間していることを特徴とする、フィンチューブ型熱交換器。
2. 請求項１に記載のフィンチューブ型熱交換器であって、
   前記第１および第２の孔部の基本形態は、互いに交差しないように離れて並んだ２つの異径の円形孔であり、かつ前記フィンのうち、前記第１および第２の孔部どうしの間には、これらを連通させるスリットが設けられ、このスリットの両側縁部が前記フラット部として形成されている、フィンチューブ型熱交換器。
3. 請求項２に記載のフィンチューブ型熱交換器であって、
   前記スリットの幅は、前記第２の孔部の直径よりも小さくされ、前記第２のバーリング部は、正面視において、前記第１のバーリング部とは反対側に位置する半円弧状領域に加え、この半円弧状領域の両端から前記第１の孔部側に向けてさらに延びた円弧状領域を有している、フィンチューブ型熱交換器。
4. 請求項２または３に記載のフィンチューブ型熱交換器であって、
   前記第１および第２のバーリング部の離間寸法は、前記第２の孔部の半径以下とされている、フィンチューブ型熱交換器。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のフィンチューブ型熱交換器を備えていることを特徴とする、温水装置。

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