JP2020016418A - 熱交換器およびこれを備えた温水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィンの温度分布の均一化を図ることにより、熱応力の発生を抑制し、熱応力に起因する伝熱管の歪みなどを抑制可能な熱交換器を提供する【解決手段】複数の管体部４が加熱用気体流れ方向に２段の千鳥配列とされている伝熱管Ｔと、フィン５と、このフィン５のうちの第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２どうしの間を切欠する複数の切欠き凹部５１と、を備えている、熱交換器ＨＥであって、各切欠き凹部５１は、第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２どうしの間よりも加熱用気体流れ方向下流側にさらに延び、幅方向において第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２の中間に位置する第１の下流側管体部４Ｂ１の中心Ｏｃと、第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２のそれぞれとの中心Ｏａ，Ｏｂどうしを結ぶ仮想線Ｌ１，Ｌ２を越えている。【選択図】 図３

Description

本発明は、いわゆるフィンチューブタイプの伝熱管を用いた熱交換器、およびこれを備えた給湯装置などの温水装置に関する。

温水装置を構成する熱交換器の具体例として、特許文献１に記載のものがある。
同文献に記載の熱交換器は、バーナにより発生された燃焼ガス（加熱用気体）からフィン付きの伝熱管を用いて熱回収を行なうことにより、伝熱管内を流通する湯水を加熱し、温水を生成可能である。
このような熱交換器においては、フィンが吸熱作用を発揮し、熱効率を高めるのに役立つ。ただし、フィンは伝熱管に貫通して接合されているため、フィンに燃焼ガスが作用した際に大きな熱応力が発生すると、その力が伝熱管にも作用することとなって、伝熱管を歪ませることとなる。熱交換器の耐久性、信頼性を高める観点からすると、前記したような現象を抑制することが望まれる。

一方、特許文献１に示されているように、熱交換器としては、複数の直状の管体部を上下２段の千鳥配列としたものがよく用いられる。このような熱交換器の場合、フィンのうち、燃焼ガス流れ方向上流側部分（上側部分）、とくに燃焼ガス流れ方向上流側に位置する管体部（上段の管体部）どうしの間の領域がかなりの高温となる反面、燃焼ガス流れ方向下流側部分（下側部分）は温度が余り高くならない。このような温度差は、フィンに熱応力を生じさせ、前記温度差が大きいほど、フィンに発生する熱応力も大きくなり、伝熱管に大きな歪みが生じ易くなる。

そこで、そのようなことを抑制する手段として、特許文献１においては、フィンの燃焼ガス流れ方向上流側部分（上側部分）であって、燃焼ガス流れ方向上流側に位置する管体部（上段の管体部）どうしの間の領域を切欠する切欠き凹部を設けている。このような構成によれば、本来、最も高温になり易い領域が存在しないこととなるため、フィンが加熱された際の全体の温度分布の均一化を図り、熱応力を少なくすることが可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。
すなわち、フィンが燃焼ガスによって加熱される場合、斜め方向において隣り合う管体部どうしの中間領域も高温になり易い。これに対し、前記切欠き凹部は、そのような位置には設けられていない。切欠き凹部が、燃焼ガス流れ方向上流側に位置する管体部（上段の管体部）どうしの間に設けられていると、燃焼ガスの熱が、斜め方向において隣り合う管体部どうしの中間領域に及び易くなるため、この中間領域は、より高温になり易くなる。このような高温領域が生じると、フィン全体の温度分布のばらつきを小さくすることが困難となる。フィンに発生する熱応力を小さくし、伝熱管の歪みなどをより適切に抑制する観点すると、前記したようなことを適切に防止することが望まれる。

特許第６３１４１０６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り、フィンの温度分布の
均一化を図ることにより、熱応力の発生を抑制し、熱応力に起因する伝熱管の歪みなどを少なくすることが可能な熱交換器、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熱交換器は、加熱用気体が内部に流入する缶体内に配され、かつ加熱用気体流れ方向と交差する幅方向に間隔を隔てて並んだ複数の管体部を有するとともに、これら複数の管体部は、加熱用気体流れ方向に２段の千鳥配列とされ、複数の上流側管体部および下流側管体部とされている伝熱管と、前記複数の管体部が貫通して接合されたフィンと、このフィンの加熱用気体流れ方向上流側部分に設けられ、かつ前記複数の上流側管体部の互いに隣り合う第１および第２の上流側管体部どうしの間を切欠する複数の切欠き凹部と、を備えている、熱交換器であって、前記各切欠き凹部は、前記第１および第２の上流側管体部どうしの間よりも加熱用気体流れ方向下流側にさらに延びており、かつ前記複数の下流側管体部のうち、前記幅方向において前記第１および第２の上流側管体部の中間に位置する第１の下流側管体部の中心と、前記第１および第２の上流側管体部のそれぞれの中心とを結ぶ仮想線を越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、次のような効果が得られる。
すなわち、フィンが加熱用気体を受けて加熱される場合、本来的には、フィンのうち、前記第１および第２の上流側管体部どうしの間に加え、これら第１および第２の上流側管体部のそれぞれと、これらとは斜め方向において隣り合う位置関係の第１の下流側管体部との間の領域が、他の領域と比べてかなりの高温になり易い。これに対し、前記構成によれば、そのような高温になり易い領域にわたって切欠き凹部が一連に延びて形成されているため、フィンには、他の部分と比較して極端に高温となる領域を生じ難くし、温度分布の均一化を、従来よりも一層図ることが可能となる。その結果、フィンに発生する熱応力を小さくし、フィンの熱応力に起因して伝熱管に大きな歪みが生じることを適切に防止することが可能となる。これは、熱交換器の耐久性、信頼性を高める上で、好ましい。
また、前記切欠き凹部は、従来技術よりも長く延設されているため、フィンに熱応力が生じた際に、その力が伝熱管に伝わり難くなる作用も得られる。

本発明において、好ましくは、前記各切欠き凹部の加熱用気体流れ方向下流側部分は、前記幅方向において二股状に分かれた２つの延設部とされ、これら２つの延設部は、前記第１の下流側管体部のうち、加熱用気体流れ方向上流寄り部分の左右両側の位置まで延びている。

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、フィンのうち、第１の下流側管体部の加熱用気体流れ方向上流側部分は、本来的には、フィンの加熱用気体流れ方向下流側などの他の部分と比較して、高温になり易い部分である。これに対し、切欠き凹部の二股状の延設部は、そのような部分にまで及んだ状態に形成されている。したがって、フィンの温度分布を均一化し、熱応力を少なくする上で、より好ましいものとなる。
また、前記切欠き凹部が長く延設されている分だけ、フィンに熱応力が生じた際に、その力が伝熱管により伝わり難くなる作用も得られる。

本発明において、好ましくは、前記フィンのうち、前記複数の下流側管体部どうしの間に設けられ、かつ加熱用気体流れ方向の長さが、前記複数の下流側管体部のそれぞれの外径と略同一またはそれ以上とされたスリットを、さらに備えている。

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、フィンのうち、複数の下流側管体部どうしの間に熱応力を生じた場合、本来的には、複数の下流側管体部に比較的大きな力が直接的に作用する。これに対し、そのような部分に、各下流側管体部の外径以上の長さをもつスリットが設けられているため、前記熱応力に起因する力は、下流側管体部には作用し難くなる。したがって、下流側管体部の歪みなどを防止する上で好ましい。
また、フィンのうち、複数の下流側管体部どうしの間は、本来的に、他の部分と比較して高温になり易い部分である。これに対し、この部分にスリットが設けられているため、この部分の高温化を防止し、フィンの温度分布の均一化を図り、熱応力を少なくするのにも役立つ。

本発明において、好ましくは、前記フィンに設けられ、かつ前記フィンの前側または後側に起立して前記幅方向に延びる複数の切り起こし片を、さらに備えており、前記各切り起こし片は、前記複数の下流側管体部どうしの間の加熱用気体流れ方向下流側に位置し、かつその幅は、前記複数の下流側管体部どうしの内幅よりも大きくされている。

このような構成によれば、加熱用気体が切り起こし片に衝突する作用により、この加熱用気体を下流側管体部に向かわせたり、下流側管体部と切り起こし片との間を通過する加熱用気体の流速を速めるなどして、熱効率を高めることが可能となる。加えて、フィンの加熱用気体流れ方向下流側部分の温度を上昇させることができるために、フィンの加熱用気体流れ方向の下流側部分と上流側部分との温度差を小さくすることが可能となる。したがって、フィンの温度分布の均一化をより徹底して図り、熱応力を一層小さくすることができる。

本発明において、好ましくは、前記フィンの両端部の加熱用気体流れ方向上流側部分に設けられ、かつ前記缶体の側壁部に当接可能な当接部を、さらに備えており、前記複数の切欠き凹部のうち、前記幅方向の両端に位置する切欠き凹部は、前記当接部よりも加熱用気体流れ方向下流側に延びている。

このような構成によれば、フィンから缶体の側壁部への熱伝達量を少なくすることができる。また、フィンの両端部近辺の可撓性が高まる。このため、フィンが幅方向に熱膨張し、その両端部の当接部が缶体の側壁部に圧接した際に、その圧接力を小さくし、これらに生じる応力も小さくすることができる。

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。

（ａ）は、本発明に係る温水装置の一例を示す要部断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIb−Ib断面図である。 図１に示す温水装置で用いられているフィンの正面図である。 （ａ）は、図２の要部拡大正面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIIIb−IIIb断面図である。

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に示す温水装置ＷＨは、仮想線で一部分が示されたバーナ１と、熱交換器ＨＥとを備えている。図示説明は省略するが、熱交換器ＨＥの下側には、たとえば熱交換器ＨＥとは別の熱交換器(二次熱交換器)、あるいは熱回収後の燃焼ガス（排ガス）を外部に排気するための排気集合筒などが設けられる。

バーナ１は、従来既知の逆燃焼方式のものである。このバーナ１においては、不図示のファンから吐出される燃焼用空気に燃料ガスが混合され、この混合気は、熱交換器ＨＥの缶体２の上部開口部から下向きに臨むように設けられた通気性を有する混合気噴射部材１０を介して缶体２内に噴射される。混合気には点火がなされ、缶体２内には加熱用気体としての燃焼ガスが供給される。

熱交換器ＨＥは、前記した缶体２に加え、伝熱管Ｔ、複数のフィン５、および複数の胴パイプ３９を備えており、これらはたとえばステンレス製である。胴パイプ３９は、湯水加熱用の吸熱に加え、缶体２の側壁部２０を冷却する役割を果たし、缶体２の側壁部２０の内面に沿って設けられている。胴パイプ３９の入水口３８に供給された湯水は、胴パイプ３９を通過した後に、伝熱管Ｔに流れ込んで通過し、出湯口３７に到達する。

伝熱管Ｔは、缶体２内に横架設されて上下および水平方向に複数並んだ直状の管体部４が、不図示のベンド管を介して一連に接続されることにより構成されている。複数の管体部４は、上下２段の千鳥配列とされている。本実施形態では、燃焼ガス流れ方向（加熱用気体流れ方向）が下向きであるため、上段側の管体部４が、上流側管体部４（４Ａ）であり、下段側の管体部４が、下流側管体部４（４Ｂ）である。

複数のフィン５は、複数の管体部４が貫通し、かつこれら管体部４にロウ付けされており、管体部４の軸長方向に適当な間隔で複数並んでいる。
図２および図３によく表れているように、各フィン５は、各管体部４が挿通する複数の貫通孔５０、複数の切欠き凹部５１、複数のスリット５２、複数の切り起こし片５３、および当接部５４を備えている。

図３において、切欠き凹部５１（５１Ａ）は、複数の上流側管体部４Ａのうち、互いに隣り合う第１および第２の上流側管体部４Ａ（４Ａ１，４Ａ２）どうしの間を切欠した部位であり、その下部領域は、幅方向において二股状に分かれた２つの延設部５１ａとされている。これら２つの延設部５１ａは、第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２のそれぞれの中心Ｏａ，Ｏｂと、幅方向においてそれらの間に位置する第１の下流側管体部４Ｂ１の中心Ｏｃとを結ぶ仮想線Ｌ１，Ｌ２よりも下方に延びている（仮想線Ｌ１，Ｌ２を寸法Ｌａだけオーバしている）。また、２つの延設部５１ａは、第１の下流側管体部４Ｂ１の上端部よりも、適当な寸法Ｌｂだけさらに下方に延びており、第１の下流側管体部４Ｂ１の上部寄り領域の左右両側に位置している。

前記の説明は、複数の切欠き凹部５１の中から１つの切欠き凹部５１（５１Ａ）を代表的に抽出し、これと関連のある複数の管体部４を、第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２、ならびに第１の下流側管体部４Ｂ１としたものであるが、複数の切欠き凹部５１のそれぞれは前記した構成と同様であり、第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２、ならびに第１の下流側管体部４Ｂ１が、図３で示されたものに限定されないことは言う迄もない。

各スリット５２は、フィン５のうち、複数の下流側管体部４Ｂどうしの間に設けられて
おり、上下方向に延びている。各スリット５２の上下長さＬｃは、各下流側管体部４Ｂの外径と同一、またはそれ以上である。

各切り起こし片５３は、フィン５に切込みを形成してフィン５の一部を切り起こすことにより形成されたものであり、フィン５の前方側または後方側に起立して幅方向に延びており、その下側には孔部５３ａが形成されている。この切り起こし片５３は、互いに隣り合う下流側管体部４Ｂどうしの間の領域の下側に設けられており、その長さＬｄは、下流側管体部４Ｂどうしの内幅Ｌｅよりも大きくされている。

当接部５４は、フィン５の両端部の上部寄り部分であって、缶体２の側壁部２０に当接可能な部分であり、好ましくは、この当接部５４には、フィン５の前方または後方に向けて屈曲した屈曲片部５８が形成されている。複数の切欠き凹部５１のうち、幅方向の端部に位置する切欠き凹部５１の延設部５１a'（５１ａ）は、当接部５４よりも適当な寸法Ｌｆだけ下方に延びている。

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５が燃焼ガスを受けた場合、本来的には、図３において、フィン５の第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２どうしの間、および第１および第２の上流側管体部４Ａ１，４Ａ２のそれぞれと第１の下流側管体部４Ｂ１との間の領域が、他の領域よりもかなり高温になり易い。これに対し、切欠き凹部５１は、そのような高温になり易い箇所に一連に形成されている。このため、フィン５には、他の領域と比較して極端に高温となる領域を生じないようし、温度分布の均一化を図ることが可能となる。

また、フィン５のうち、第１の下流側管体部４Ｂ１の上側部分も、本来的には、フィン５の他の領域と比較して、高温になり易い領域の１つである。これに対し、切欠き凹部５１の二股状の延設部５１ａは、そのような部分にまで及んで形成されており、高温となる部分が排除されている。したがって、フィン５全体の温度分布をより均一化し、熱応力を少なくする上で、より好ましいものとなる。フィン５の熱応力を少なくすると、フィン５から伝熱管Ｔに作用する力も小さくなるため、伝熱管Ｔに発生する歪みなどを抑制し、その耐久性などを高めることが可能である。さらに、切欠き凹部５１が比較的大きく形成され、各上流側管体部４Ａの周囲、および各下流側管体部４Ｂの上部周辺におけるフィン５の幅が小さくなっているため、これらの部分が温度上昇した場合に、それら管体部４Ａ，４Ｂに及ぼす力も小さくなる。このようなことによっても、伝熱管Ｔの歪みなどを減少させ得ることとなる。

フィン５のうち、下流側管体部４Ｂどうしの間に熱応力が生じた場合、本来的には、フィン５からそれら複数の下流側管体部４Ｂに対して力が直接作用する。これに対し、本実施形態では、前記した部分に下流側管体部４Ｂの外径と同等以上の上下長さＬｃのスリット５２が設けられているため、この部分が緩衝部となって、フィン５から下流側管体部４Ｂに作用する力が弱められる。したがって、下流側管体部４Ｂの歪みなどを防止する上でより好ましいものとなる。また、フィン５のうち、下流側管体部４Ｂどうしの間は、他の部分と比較してやや高温になり易い部分であるが、スリット５２が設けられていることにより、そのような高温化も抑制される。その結果、フィン５の温度分布の均一化が一層適切に図られる。

各切り起こし片５３は、燃焼ガスの流れを阻害し、下流側管体部４Ｂへの燃焼ガスの接触度合いを多くする作用や、切り起こし片５３と下流側管体部４Ｂとの相互間を通過する燃焼ガスの流速を速める作用などにより、熱効率を高めるのに役立つ。また、フィン５の下縁部側における吸熱量を多くし、この部分の温度を上昇させる。このことにより、フィ
ン５の下縁部側と上縁部側との温度差が小さくなり、フィン５の温度分布の均一化、および熱応力の減少をより促進することが可能である。

フィン５が温度上昇を生じた際には、熱膨張により、フィン５の当接部５４が缶体２の側壁部２０に圧接する。これに対し、フィン５の当接部５４の近傍に位置する切欠き凹部５１の延設部５１a'は、当接部５４よりも下方に延びているため、この延設部５１a'を含む切欠き凹部５１は、当接部５４と側壁部２０との圧接力を弱める作用を発揮する。したがって、フィン５に発生する応力をより軽減し、また缶体２の側壁部２０に発生する応力をも軽減することが可能となる。

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。

上述の実施形態においては、熱交換器の上側にバーナを配置した逆燃式であるが、これに限定されず、たとえば熱交換器の下側にバーナを配置した正燃式とすることもできる。この場合、本発明でいう加熱用気体流れ方向は、上向きとなる。
フィンは、ステンレス製に限定されず、他の材質とすることもできる。
伝熱管は、フィンを貫通する複数の管体部が、加熱用気体流れ方向に２段の千鳥配列とされていればよく、その具体的な数や、配列ピッチなどは限定されない。
加熱用気体は、燃焼ガスに限定されず、たとえばコージェネレーションシステムにおいて発生する高温の排ガスなどとすることもできる。
本発明でいう温水装置は、湯水を加熱して温水を生成する機能を備えたものであり、一般的な給湯装置の他、たとえば風呂給湯装置、暖房用温水装置、融雪用の温水装置なども含む。

Ｗ 温水装置
ＨＥ 熱交換器
Ｔ 伝熱管
Ｏａ，Ｏｂ 中心（第１および第２の上流側管体部の）
Ｏｃ 中心（第１の下流側管体部の）
Ｌ１，Ｌ２ 仮想線
１ バーナ
２ 缶体
２０ 側壁部
４ 管体部
４Ａ 上流側管体部
４Ａ１，４Ａ２ 第１および第２の上流側管体部
４Ｂ 下流側管体部
４Ｂ１ 第１の下流側管体部
５ フィン
５０ 貫通孔
５１ 切欠き凹部
５１ａ 延設部（切欠き凹部の）
５２ スリット
５３ 切り起こし片
５４ 当接部

Claims (6)

1. 加熱用気体が内部に流入する缶体内に配され、かつ加熱用気体流れ方向と交差する幅方向に間隔を隔てて並んだ複数の管体部を有するとともに、これら複数の管体部は、加熱用気体流れ方向に２段の千鳥配列とされ、複数の上流側管体部および下流側管体部とされている伝熱管と、
   前記複数の管体部が貫通して接合されたフィンと、
   このフィンの加熱用気体流れ方向上流側部分に設けられ、かつ前記複数の上流側管体部の互いに隣り合う第１および第２の上流側管体部どうしの間を切欠する複数の切欠き凹部と、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記各切欠き凹部は、前記第１および第２の上流側管体部どうしの間よりも加熱用気体流れ方向下流側にさらに延びており、かつ前記複数の下流側管体部のうち、前記幅方向において前記第１および第２の上流側管体部の中間に位置する第１の下流側管体部の中心と、前記第１および第２の上流側管体部のそれぞれの中心とを結ぶ仮想線を越えていることを特徴とする、熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記各切欠き凹部の加熱用気体流れ方向下流側部分は、前記幅方向において二股状に分かれた２つの延設部とされ、
   これら２つの延設部は、前記第１の下流側管体部のうち、加熱用気体流れ方向上流寄り部分の左右両側の位置まで延びている、熱交換器。
3. 請求項１または２に記載の熱交換器であって、
   前記フィンのうち、前記複数の下流側管体部どうしの間に設けられ、かつ加熱用気体流れ方向の長さが、前記複数の下流側管体部のそれぞれの外径と略同一またはそれ以上とされたスリットを、さらに備えている、熱交換器。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器であって、
   前記フィンに設けられ、かつ前記フィンの前側または後側に起立して前記幅方向に延びる複数の切り起こし片を、さらに備えており、
   前記各切り起こし片は、前記複数の下流側管体部どうしの間の加熱用気体流れ方向下流側に位置し、かつその幅は、前記複数の下流側管体部どうしの内幅よりも大きくされている、熱交換器。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器であって、
   前記フィンの両端部の加熱用気体流れ方向上流側部分に設けられ、かつ前記缶体の側壁部に当接可能な当接部を、さらに備えており、
   前記複数の切欠き凹部のうち、前記幅方向の両端に位置する切欠き凹部は、前記当接部よりも加熱用気体流れ方向下流側に延びている、熱交換器。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の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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