JP2021042929A - プレート式熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】第２流体の流路の最上流熱交換体に隣接する第２熱交換体のローカルヒートを防止する。【解決手段】隣接する熱交換体１０は、一方の熱交換体１０の貫通孔１３の投影面が、他方の熱交換体１０の貫通孔と重ならないように形成され、最上流熱交換体１０ａを含む上流側熱交換群９ａにおける各熱交換体１０は、上流側熱交換群９ａより下流側の下流側熱交換群９ｂにおけるそれよりも、複数の貫通孔１３の総開口面積が大きくなるように形成されるプレート式熱交換器。【選択図】図５

Description

本発明は、内部を流通する第１流体と外部を流通する第２流体との間で熱交換を行う複数の熱交換体を有し、複数の熱交換体が積層されて構成されるプレート式熱交換器に関する。

従来、上熱交換プレートと下熱交換プレートとが接合された複数の熱交換体を備えるプレート式熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１）。各熱交換体は、上熱交換プレートと下熱交換プレートとの間に第１流体である熱媒が流通する内部空間と、内部空間を非連通状態で貫通し、第２流体である燃焼排気が上下方向に流通する複数の貫通孔とを有する。

韓国登録特許第１０−１６０８１４９号公報

ところで、複数の熱交換体が積層されたプレート式熱交換器では、燃焼排気の流路方向から見て、一方の熱交換体の貫通孔の投影面が他方の熱交換体の貫通孔と重ならないように隣接する熱交換体を形成すれば、熱交換器内の燃焼排気のガス流路が長くなり、熱効率を向上させることができる。また、できるだけ小さな開口面積の貫通孔を形成すれば、熱交換体の受熱面積が大きくなり、熱効率を向上させることができる。

しかしながら、上記のような貫通孔の配置構造を有する熱交換器では、上流側の熱交換体の貫通孔は下流側の熱交換体の貫通孔の形成されていない投影面と対向する。そのため、上流側の熱交換体の貫通孔を流通した燃焼排気は、まず上記の下流側の熱交換体の一面上の投影面に衝突し、その後、下流側の熱交換体の一面上に広がり、さらに下流側の熱交換体の貫通孔から下流側に流通する。従って、高温の燃焼排気が流通する燃焼排気のガス流路の上流域では、下流側の熱交換体における上流側の熱交換体の貫通孔と対向する部分が集中して加熱され、ローカルヒートが生じるという問題がある。特に、燃焼排気のガス流路の最上流の熱交換体に隣接する下流側の熱交換体には、最上流の熱交換体の内部を流通する熱媒と熱交換することなく、最上流の熱交換体の貫通孔を流通する高温の燃焼排気が衝突するため、ローカルヒートの問題が生じやすい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、第２流体の流路の上流域における熱交換体のローカルヒートを防止することができるプレート式熱交換器を提供することにある。

本発明によれば、
内部を流通する第１流体と外部を流通する第２流体との間で熱交換を行う複数の熱交換体を備え、前記複数の熱交換体が積層されて構成されるプレート式熱交換器であって、
前記熱交換体は、前記熱交換体の内部を流通する前記第１流体の流路面と交差する方向に前記第２流体が前記熱交換体の外部を流通するように形成された複数の貫通孔を有し、
隣接する熱交換体は、前記第２流体の流路方向から見て、一方の熱交換体の前記貫通孔の投影面が、他方の熱交換体の前記貫通孔と重ならないように形成され、
少なくとも前記第２流体の流路の最上流に位置する最上流熱交換体を含む上流側熱交換群における各熱交換体は、前記上流側熱交換群より前記第２流体の前記流路の下流側の下流側熱交換群におけるそれよりも、前記複数の貫通孔の総開口面積が大きくなるように形成されているプレート式熱交換器が提供される。

上記熱交換器によれば、上流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔の下流側に隣接する熱交換体への投影面の総面積は、下流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔のそれよりも大きい。そのため、第２流体が上流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔を流通して、その下流側に隣接する熱交換体に衝突する部分の総受熱面積は、第２流体が下流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔を流通して、その下流側に隣接する熱交換体に衝突する部分のそれよりも大きい。従って、上流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔を流通する第２流体が下流側に隣接する熱交換体に衝突するとき、第２流体から熱交換体に伝達される熱の集中を緩和させることができる。これにより、上流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔を流通する第２流体がその下流側に隣接する熱交換体に衝突するときの下流側に隣接する熱交換体の局部過熱を防止することができる。

好ましくは、上記熱交換器において、
前記上流側熱交換群は、前記最上流熱交換体から前記第２流体の前記流路の前記下流側の所定位置の熱交換体までを含む。

上記熱交換器によれば、最上流熱交換体だけでなく、最上流熱交換体から下流側の所定位置までの熱交換体も大きな貫通孔の総開口面積を有する。そのため、下流側の熱交換体の内部空間が減少し、隣接する貫通孔間の距離が短くなる。その結果、第１流体が下流側の熱交換体の内部を流通するとき、第１流体の流速が増加するとともに、上流側の熱交換体の貫通孔の投影面周辺により多くの第１流体が流れる。従って、貫通孔の投影面周辺の熱を逃がすことができる。これにより、下流側の熱交換体の局部過熱を防止することができる。

好ましくは、上記熱交換器において、
前記上流側熱交換群における前記各熱交換体は、前記下流側熱交換群におけるそれよりも、最大貫通孔の開口面積が大きくなるように形成される。

上流側熱交換群における各熱交換体には、下流側熱交換群における各熱交換体よりも高温の第２流体が接触する。また、第２流体の温度が高温であるほど、第２流体が貫通孔を通過するときの圧力損失が大きくなる。従って、上流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔が、下流側熱交換群における各熱交換体のそれよりも小さい場合、第２流体が上流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔を通過するときの圧力損失が大きくなる。しかしながら、上流側熱交換群における各熱交換体の最大貫通孔の開口面積を下流側熱交換群における各熱交換体の最大貫通孔のそれよりも大きくすることにより、上流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔を通過する第２流体の圧力損失を低減することができる。

好ましくは、上記熱交換器において、
前記上流側熱交換群における前記各熱交換体は、前記下流側熱交換群におけるそれよりも、前記第１流体の流路の容積が大きくなるように形成される。

熱交換体の貫通孔の総開口面積を増加させると、熱交換体の内部を流れる第１流体の流路が狭くなって、第１流体の流路抵抗が増加する。しかしながら、上記熱交換器によれば、上流側熱交換群における各熱交換体の内部を流れる第１流体の流路は、下流側熱交換群における内部を流通する第１流体のそれよりも大きな容積を有するから、第１流体の流路抵抗の増加を抑えることができる。

以上のように、本発明によれば、第２流体の流路方向から見て、隣接する熱交換体の一方の熱交換体の貫通孔の投影面が他方の熱交換体の貫通孔と重ならないように複数の熱交換体が積層されているプレート式熱交換器において、第２流体の流路の上流域における熱交換体のローカルヒートを防止することができる。これにより、第１流体の沸騰や変性を防止できるとともに、熱交換体の変形を防止できるから、優れた耐久性を有する熱交換器を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器を有する熱源機を示す概略部分切欠斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す概略部分分解斜視図である。 図３は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す流入管側の概略要部拡大断面図である。 図４は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器を示す流出管側の概略要部拡大断面図である。 図５は、本発明の実施の形態１に係る熱交換器における第１流体と第２流体の流れを説明する概略模式図である。 図６は、本発明の実施の形態２に係る熱交換器における第１流体と第２流体の流れを説明する概略模式図である。 図７は、本発明の実施の形態３に係る熱交換器における第１流体と第２流体の流れを説明する概略模式図である。

（実施の形態１）
以下、本実施の形態に係るプレート式熱交換器及びそれを備える熱源機について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る熱源機は、流入管２０から熱交換器１内に流入する水（第１流体）を、バーナ３１で生成される燃焼排気（第２流体）により加熱し、流出管２１を通じてカランやシャワーなどの温水利用先（図示せず）に供給する給湯器である。図示しないが、給湯器は、ケーシング内に組み込まれる。なお、第１流体として、他の熱媒（例えば、不凍液）が用いられてもよい。

この給湯器では、上方から順に、バーナ３１の外郭を構成するバーナボディ３、燃焼室２、熱交換器１、及びドレン受け４０が配設される。また、バーナボディ３の一方側方（図１では、右側）には、バーナボディ３内に燃料ガスと空気との混合ガスを送り込む燃焼ファンを備えるファンケース４が配設される。また、バーナボディ３の他方側方（図１では、左側）には、ドレン受け４０と連通する排気ダクト４１が配設される。排気ダクト４１は、ドレン受け４０に排出される燃焼排気を給湯器の外部に排出する。

なお、本明細書では、ファンケース４及び排気ダクト４１がバーナボディ３の側方にそれぞれ配置された状態で給湯器を見たとき、奥行方向が前後方向に対応し、幅方向が左右方向に対応し、高さ方向が上下方向に対応する。

バーナボディ３は、平面視略小判形状を有し、例えば、ステンレス系金属で形成される。図示しないが、バーナボディ３は、下方に開放している。

ファンケース４と連通するガス導入部は、バーナボディ３の中央部から上方に突出している。バーナボディ３は、下向きの燃焼面３０を有する平面状のバーナ３１を備える。燃焼ファンを作動させることにより、混合ガスがバーナボディ３内に供給される。

バーナ３１は、全一次空気燃焼式であり、例えば、下向きに開口する多数の炎孔（図示せず）を有するセラミックス製の燃焼プレート、または金属繊維をネット状に編み込んだ燃焼マットからなる。バーナボディ３内に供給された混合ガスが、燃焼ファンの給気圧によって、下向きの燃焼面３０から下方へ向けて噴出される。この混合ガスを着火させることにより、バーナ３１の燃焼面３０に火炎が形成され、燃焼排気が生成される。従って、バーナ３１から噴出される燃焼排気は、燃焼室２を介して熱交換器１に送り込まれる。次いで、熱交換器１を通過した燃焼排気は、ドレン受け４０及び排気ダクト４１を通って給湯器の外部に排出される。

すなわち、この熱交換器１では、バーナ３１が設けられている上方側が燃焼排気のガス流路の上流側に対応し、バーナ３１が設けられている側と反対側の下方側が燃焼排気のガス流路の下流側に対応する。

燃焼室２は、平面視略小判形状を有する。燃焼室２は、例えば、ステンレス系金属で形成される。燃焼室２は、上下に開放するように、一枚の略長方形状の金属板を湾曲させて両端部を接合することにより形成される。

図２に示すように、熱交換器１は、平面視略小判形状を有する。熱交換器１は、複数の薄板状の熱交換体１０が積層されたプレート式熱交換器である。なお、熱交換器１は、その周囲を覆う筐体を有してもよい。

図３及び図４は、熱交換器１の燃焼排気のガス流路の上流域における４つの熱交換体１０を示す概略拡大断面図である。熱交換器１は、１または複数の熱交換体１０を有する複数のブロック５を上下方向に積み重ねて構成されている。最上流のブロック５（以下、「最上流ブロック５ａ」という）及び最上流ブロック５ａに隣接する下流側のブロック５（以下、「第１下流側ブロック５ｂ」という）はそれぞれ、１つの熱交換体１０から構成されている。また、第１下流側ブロック５ｂの下流側に隣接するブロック（以下、「第２下流側ブロック５ｃ」という）は、複数の熱交換体１０が積層されて構成されている。後述するように、１つのブロック５が複数の熱交換体１０から構成される場合、水は、その１つのブロック５を構成する各熱交換体１０の内部を同一方向に並列に流れる。また、各ブロック５における隣接する熱交換体１０は、水が下方から上方に向かって流れるように相互に連通されている。また、隣接するブロック５は、水が下方から上方に向かって流れるように相互に連通されている。また、隣接するブロック５は、一方のブロック５における各熱交換体１０の内部を流れる水の流路方向が、他方のブロック５における各熱交換体１０の内部を流れる水の流路方向と逆方向となるように構成されている。図示しないが、この熱交換器１では、熱交換器１内の水の流路がブロック５の段数に応じて４パスとなるように、ブロック５ごとに水の流路方向が折り返されている。これにより、熱交換器１内に長い水の流路が形成され、熱効率を向上させることができる。

次に、熱交換体１０の構成について説明する。各熱交換体１０は、上下貫通孔の位置やコーナ部の通水孔の有無などの一部の構成が相違する以外は、共通の構成を有する一組の上熱交換プレート１１と下熱交換プレート１２とを上下方向に重ね合わせて、後述する所定箇所をロウ材等の接合手段で接合することにより形成される。また、ローカルヒートは、高温の燃焼排気が流通する燃焼排気のガス流路の上流域における熱交換体１０で生じる。このため、以下では、燃焼排気のガス流路の最上流に位置する熱交換体１０（以下、「最上流熱交換体１０ａ」という）及び最上流熱交換体１０ａから下流側の２つの熱交換体１０（以下、上流側から順に、「第２熱交換体１０ｂ」及び「第３熱交換体１０ｃ」という）の構成を主に説明する。なお、各図面は、必ずしも実際の寸法を示したものでなく、実施形態を限定するものではない。

図２〜図４に示すように、上下熱交換プレート１１，１２は、平面視略小判形状を有する。上下熱交換プレート１１，１２は、例えば、所定の厚さを有するステンレス製の金属板から形成される。上下熱交換プレート１１，１２はそれぞれ、コーナ部を除くプレートの略全面に多数の略円形状の上下貫通孔１１ａ，１２ａと、上下貫通孔１１ａ，１２ａの周縁に形成された上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃとを有する。なお、上下貫通孔１１ａ，１２ａは、略楕円形状などの他の形状を有してもよい。

上下熱交換プレート１１，１２の周縁にはそれぞれ、上方に向かって突出する上下周縁接合部Ｗ１，Ｗ２が形成されている。下熱交換プレート１２の下周縁接合部Ｗ２は、下周縁接合部Ｗ２と上熱交換プレート１１の下面周縁とを接合させたときに、上下熱交換プレート１１，１２が所定高さの間隙を存して離間するように設定されている。

また、上熱交換プレート１１の上周縁接合部Ｗ１は、上周縁接合部Ｗ１と上方に隣接する熱交換体１０の下熱交換プレート１２の下面周縁とを接合させたときに、下方の熱交換体１０の上熱交換プレート１１と、上方の熱交換体１０の下熱交換プレート１２とが所定高さの間隙を存して離間するように設定されている。

従って、下熱交換プレート１２の下周縁接合部Ｗ２と上熱交換プレート１１の下面周縁とを接合させることにより、所定の平均高さの内部空間１４が形成される（図３及び図４参照）。また、複数の熱交換体１０を接合させることにより、上下に隣接する熱交換体１０の間には、所定の平均高さの排気空間１５が形成される（図３及び図４参照）。

上下貫通孔１１ａ，１２ａはそれぞれ、４つのコーナ部を除いた上下熱交換プレート１１，１２の略全面にわたって前後及び左右方向に所定の間隔で格子状に開設されている。また、上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃは、上下貫通孔１１ａ，１２ａの開口縁から周方向外方に略水平に広がり、平面視略正八角形状の外形を有するように形成されている。なお、本実施の形態では、各熱交換体１０の上下貫通孔１１ａ，１２ａは、同一の大きさ及び形状を有する。しかしながら、各熱交換体１０の上下貫通孔１１ａ，１２ａは、上下方向で対向する一対の上下貫通孔１１ａ，１２ａが同一の大きさ及び形状に形成されていれば、他の一対の上下貫通孔１１ａ，１２ａのそれらと異なってもよい。

上下貫通孔１１ａ，１２ａ及び上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃはそれぞれ、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに相互に対応する位置に形成されている。また、上下貫通孔１１ａ，１２ａ及び上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃは、絞り加工により、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに対向する上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃが面接触するように、内方に突出する段差部の底面に形成されている。

従って、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされた状態で、上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃがロウ材等の接合手段により接合されると、上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃによって内部空間１４を閉塞するフランジ部が形成される。また、上下貫通孔１１ａ，１２ａによって内部空間１４を非連通状態で貫通する貫通孔１３が形成される。

上下貫通孔１１ａ，１２ａや上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃを除く上下熱交換プレート１１，１２の略全面には、複数の上下凹部及び複数の上下凸部がそれぞれ所定の間隔で形成されている。これらの上下凹部及び上下凸部はそれぞれ、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに相互に対応する位置に形成されている。従って、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされると、上下凹部によって熱交換体１０の内部空間１４の高さを減少させる内向き段差部が形成され、上下凸部によって熱交換体１０の内部空間１４の高さを増加させる外向き段差部が形成される。なお、これらの凹凸部は、形成されなくてもよい。

最上流熱交換体１０ａを形成する上熱交換プレート１１を除いて、各熱交換体１０の上下熱交換プレート１１，１２はそれぞれ、少なくとも１つのコーナ部に、通水孔６３と、通水孔６３の周縁から外方に向かって突出する通水孔フランジ部とを有する。１つの熱交換体１０を形成する上下熱交換プレート１１，１２の少なくとも１つのコーナ部に設けられた通水孔６３は、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたとき、上下熱交換プレート１１，１２の間に形成される内部空間１４と連通するように開口している。

図５は、熱交換器１における燃焼排気及び水の流れを説明する概略模式図である。なお、煩雑化を避けるため、図５中、凹凸部や貫通孔の周囲のフランジ部は省略されている。

第３熱交換体１０ｃを形成する上熱交換プレート１１及び第２熱交換体１０ｂを形成する下熱交換プレート１２の右側前方のコーナ部には、対向する通水孔６３が形成されている。また、第２熱交換体１０ｂを形成する上熱交換プレート１１及び最上流熱交換体１０ａを形成する下熱交換プレート１２の左側前後両方のコーナ部には、対向する通水孔６３が形成されている。これらの上下熱交換プレート１１，１２に形成されている通水孔６３は、上下に隣接する熱交換体１０の同軸上に位置する通水孔６３の周縁の通水孔フランジ部相互を接合させることにより、上下に隣接する熱交換体１０を連通させる連通路を形成している。

燃焼排気のガス流路の最下流に位置する熱交換体（以下、「最下流熱交換体１０ｓ」という）を形成する下熱交換プレート１２の左側前方のコーナ部の通水孔６３には、流入管２０が接続されている。また、最下流熱交換体１０ｓを形成する下熱交換プレート１２の右側後方のコーナ部の通水孔６３には、最下流熱交換体１０ｓから最上流熱交換体１０ａまで上方に向かって延びる導出管２３が挿通されている。導出管２３の上端部は、最上流熱交換体１０ａを形成する下熱交換プレート１２の右側後方のコーナ部の通水孔６３と接続されている。導出管２３の外周面は、最下流熱交換体１０ｓを形成する下熱交換プレート１２の右側後方のコーナ部の通水孔６３の内周縁とロウ材等の接合手段により接合されている。また、導出管２３の上端開口部は、最上流熱交換体１０ａの内部空間１４と連通している。また、導出管２３が最下流熱交換体１０ｓから最上流熱交換体１０ａまで挿通されると、導出管２３は最上流熱交換体１０ａ以外の熱交換体１０の内部空間１４及び全ての排気空間１５を非連通状態で貫通する。

従って、燃焼排気のガス流路の上流域において、左側前後両方のコーナ部の通水孔６３から第３熱交換体１０ｃの内部空間１４に流入する水は、内部空間１４内を左右方向の一方向（図５中、左側から右側）に流れる。また、右側前方のコーナ部の通水孔６３から第２熱交換体１０ｂの内部空間１４内に流入する水は、内部空間１４内を左右方向の一方向（図５中、右側から左側）に流れる。この第２熱交換体１０ｂの内部空間１４を流通する水の流路方向は、第３熱交換体１０ｃのそれと反対になる。また、左側前後両方のコーナ部の通水孔６３から最上流熱交換体１０ａの内部空間１４内に流入する水は、内部空間１４内を左右方向の一方向（図５中、左側から右側）に流れる。この最上流熱交換体１０ａの内部空間１４を流通する水の流路方向は、第２熱交換体１０ｂのそれと反対になる。そして、最上流熱交換体１０ａの内部空間１４内を流通する水は、最上流熱交換体１０ａの右側後方のコーナ部の通水孔６３に挿通された導出管２３に流出する。導出管２３に流出する水は、導出管２３を流下し、最下流熱交換体１０ｓに接続された流出管２１から熱交換器１の外部に流出する。

図３〜図５に示すように、隣接する熱交換体１０の貫通孔１３は、上流側の熱交換体１０の貫通孔１３の投影面が下流側の熱交換体１０の貫通孔１３と重ならないように、燃焼排気の流路方向に対して垂直に交差する左右方向にずれている。従って、上流側から流れてきた燃焼排気は、１つの熱交換体１０の貫通孔１３を通過した後、その熱交換体１０と下流側に隣接する熱交換体１０との間の排気空間１５に流れ出る。そして、排気空間１５に流れ出た燃焼排気は、下流側に隣接する熱交換体１０の上熱交換プレート１１に衝突し、下流側に隣接する熱交換体１０の貫通孔１３からさらに下流側に流れる。すなわち、燃焼排気が熱交換器１内を上流側から下流側に向かって流れるとき、熱交換器１内にはジグザグ状のガス流路が形成される。これにより、熱交換器１内における燃焼排気と上下熱交換プレート１１，１２との接触時間が増加する。

また、第２熱交換体１０ｂ及び第３熱交換体１０ｃの各貫通孔１３は、略同一の開口面積を有するように形成されているが、最上流熱交換体１０ａの各貫通孔１３は、第２熱交換体１０ｂ及び第３熱交換体１０ｃのそれよりも大きな開口面積を有するように形成されている（例えば、第２熱交換体１０ｂの各貫通孔１３の開口面積の１５０〜２００％）。上流側の熱交換体１０の貫通孔１３の投影面が下流側の熱交換体１０の貫通孔１３と重ならないように、各熱交換体１０における貫通孔１３の数は同一に設定され、各熱交換体１０における隣接する貫通孔１３の中心間の距離は略同一に設定されている。従って、最上流熱交換体１０ａにおける隣接する貫通孔１３間の距離は、第２熱交換体１０ｂ及び第３熱交換体１０ｃにおける隣接する貫通孔１３間のそれよりも小さい。すなわち、最上流熱交換体１０ａは、第２熱交換体１０ｂ及び第３熱交換体１０ｃより、大きな貫通孔１３の総開口面積を有する（例えば、第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３の総開口面積の１５０〜２００％）。なお、図示しないが、第３熱交換体１０ｃから最下流熱交換体１０ｓまでの熱交換体１０の各貫通孔１３は、第３熱交換体１０ｃのそれと略同一の形状及び大きさを有する。従って、本実施の形態では、最上流熱交換体１０ａが上流側熱交換群９ａを構成し、第２熱交換体１０ｂから最下流熱交換体１０ｓまでの熱交換体１０が下流側熱交換群９ｂを構成する。

本実施の形態によれば、燃焼排気は各熱交換体１０を貫通する貫通孔１３を上下方向に流通する。従って、各熱交換体１０の貫通孔１３は、燃焼排気が各熱交換体１０の内部を流通する水の流路面に対して略垂直に交差する方向に熱交換体１０の外部を流通するように形成されている。また、貫通孔１３は、各熱交換体１０の略全面に前後及び左右方向に略一定の間隔で形成されている。そのため、ガス流路の上流側から流れてくる燃焼排気は、貫通孔１３を除いた最上流熱交換体１０ａの一面全体に衝突し、最上流熱交換体１０ａを加熱する。すなわち、最上流熱交換体１０ａでは、貫通孔１３を除いた部分が受熱面となる。一方、隣接する熱交換体１０は、上流側の熱交換体１０の貫通孔１３の投影面が下流側の熱交換体１０の貫通孔１３と重ならないように形成されている。そのため、最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３を流通する燃焼排気は、第２熱交換体１０ｂ上の小面積の投影面にまず衝突する。この第２熱交換体１０ｂに衝突する燃焼排気は、最上流熱交換体１０ａと接触していない高温の燃焼排気（すなわち、最上流熱交換体１０ａの内部空間１４内を流通する水と熱交換が行われていない燃焼排気）も含んでいる。その結果、最上流熱交換体１０ａの下流側に隣接する第２熱交換体１０ｂで局部過熱が生じやすい。

しかしながら、本実施の形態によれば、最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３は、第２熱交換体１０ｂのそれよりも、大きな総開口面積を有するように形成されているから、最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３を第２熱交換体１０ｂに投影した投影面の総面積は、第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３を第３熱交換体１０ｃに投影した投影面のそれよりも大きい。このため、燃焼排気が最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３を流通して第２熱交換体１０ｂに衝突する部分の総受熱面積は、燃焼排気が第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３を流通して第３熱交換体１０ｃに衝突する部分のそれよりも大きい。これにより、燃焼排気から第２熱交換体１０ｂに伝達される熱の集中が緩和され、第２熱交換体１０ｂの局部過熱を防止することができる。

また、本実施の形態によれば、上流側熱交換群９ａを構成する最上流熱交換体１０ａのみが大きな貫通孔１３を有し、下流側熱交換群９ｂを構成する最下流熱交換体１０ｓから第２熱交換体１０ｂまでの熱交換体１０は小さな貫通孔１３を有するから、最上流熱交換体１０ａの内部を流通する水の流量が減少しても、熱交換器１全体の熱効率の低下を抑えることができる。

なお、好ましくは、上流側熱交換群９ａにおける各熱交換体１０は、下流側熱交換群９ｂにおけるそれよりも、最大貫通孔１３の開口面積が大きくなるように形成される。上流側熱交換群９ａにおける各熱交換体１０には、下流側熱交換群９ｂにおける各熱交換体１０よりも高温の燃焼排気が接触する。また、燃焼排気の温度が高温であるほど、燃焼排気が貫通孔１３を通過するときの圧力損失が大きくなる。従って、上流側熱交換群９ａにおける各熱交換体１０の貫通孔１３が、下流側熱交換群９ｂにおける各熱交換体１０のそれよりも小さい場合、燃焼排気が上流側熱交換群９ａにおける各熱交換体１０の貫通孔１３を通過するときの圧力損失が大きくなる。しかしながら、上流側熱交換群９ａにおける各熱交換体１０の最大貫通孔１３の開口面積を下流側熱交換群９ｂにおける各熱交換体１０の最大貫通孔１３のそれよりも大きくすることにより、上流側熱交換群９ａにおける各熱交換体１０の貫通孔１３を通過する燃焼排気の圧力損失を低減することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３を流通して第２熱交換体１０ｂに高温の燃焼排気が衝突することによる第２熱交換体１０ｂのローカルヒートを防止することができる。従って、第２熱交換体１０ｂの内部を流れる水の局部的な沸騰を防止できるとともに、第２熱交換体１０ｂの内部の圧力の増加による第２熱交換体１０ｂの損傷を防止でき、熱交換器１の耐久性を向上させることできる。

（実施の形態２）
本実施の形態に係る熱交換器１ａは、ブロック５の構成が異なる以外は、実施の形態１の熱交換器１と同一の構成を有する。このため、実施の形態１と異なる構成のみを説明し、同一の構成については説明を省略する。

図６に示すように、本実施の形態の熱交換器１ａは、水が最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂの内部空間１４を左右方向で同一方向（図５中、左側から右側）に並列に流通するように形成されている。このため、最上流ブロック５ａには、２つの平行流路が形成される。従って、本実施の形態では、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂが最上流ブロック５ａを構成し、第３熱交換体１０ｃが第１下流側ブロック５ｂを構成する。

また、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂは同一の最上流ブロック５ａに属するが、実施の形態１と同様に、最上流熱交換体１０ａのみが大きな貫通孔１３を有する。このため、最上流熱交換体１０ａが上流側熱交換群９ａを構成し、第２熱交換体１０ｂから最下流熱交換体１０ｓまでの熱交換体１０が下流側熱交換群９ｂを構成する。

従って、本実施の形態によれば、実施の形態１と同様に、最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３の総開口面積及び各貫通孔１３の開口面積は、第２熱交換体１０ｂのそれらよりも大きいから、第２熱交換体１０ｂの局部過熱を防止することができる。また、本実施の形態によれば、燃焼排気のガス流路の上流域における複数の熱交換体１０の内部空間１４内を同一方向に並列に水が流れるように水の流路が形成される。そのため、これらの熱交換体１０の内部空間１４内を流れる水の流路抵抗を低減することができる。これにより、熱交換器１に供給される水の流量が低下した場合でも、ローカルヒートを防止することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態に係る熱交換器１ｂは、ブロック５の構成及び第２熱交換体１０ｂの構成が異なる以外は、実施の形態１の熱交換器１と同一の構成を有する。このため、実施の形態１と異なる構成のみを説明し、同一の構成については説明を省略する。

図７に示すように、本実施の形態の熱交換器１ｂは、実施の形態２と同様に、水が最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂの内部空間１４を左右方向で同一方向（図５中、左側から右側）に並列に流通するように形成されている。このため、最上流ブロック５ａには、２つの平行流路が形成される。従って、本実施の形態では、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂが最上流ブロック５ａを構成し、第３熱交換体１０ｃが第１下流側ブロック５ｂを構成する。

また、第２熱交換体１０ｂの各貫通孔１３は、最上流熱交換体１０ａのそれと略同一の形状及び大きさを有する。また、第３熱交換体１０ｃから最下流熱交換体１０ｓまでの熱交換体１０の各貫通孔１３は、第３熱交換体１０ｃのそれと略同一の形状及び大きさを有する。従って、本実施の形態では、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂが上流側熱交換群９ａを構成し、第３熱交換体１０ｃから最下流熱交換体１０ｓまでの熱交換体１０が下流側熱交換群９ｂを構成する。

本実施の形態によれば、第２熱交換体１０ｂは、最上流熱交換体１０ａと同様に、大きな貫通孔１３の総開口面積を有する。そのため、第２熱交換体１０ｂの内部空間１４が減少し、隣接する貫通孔１３間の距離が短くなる。その結果、水が第２熱交換体１０ｂの内部を流通するとき、水の流速が増加するとともに、第１熱交換体１０ａの貫通孔１３の投影面周辺により多くの水が流れる。従って、貫通孔１３の投影面周辺の熱を水に効率的に逃がすことができる。これにより、第２熱交換体１０ｂの局部過熱をさらに防止することができる。

また、本実施の形態によれば、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３の総開口面積及び各貫通孔１３の開口面積は、第３熱交換体１０ｃのそれらよりも大きい。このため、最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３を第２熱交換体１０ｂに投影した投影面の総面積及び第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３を第３熱交換体１０ｃに投影した投影面の総面積はそれぞれ、第３熱交換体１０ｃの貫通孔１３をその下流側の熱交換体１０に投影した投影面のそれよりも大きい。従って、燃焼排気が最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３を流通して第２熱交換体１０ｂに衝突する部分の総受熱面積及び燃焼排気が第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３を流通して第３熱交換体１０ｃに衝突する部分の総受熱面積はそれぞれ、燃焼排気が第３熱交換体１０ｃの貫通孔１３を流通してその下流側の熱交換体１０に衝突する部分の総受熱面積よりも大きい。また、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂの各貫通孔１３の開口面積は、第３熱交換体１０ｃの各貫通孔１３のそれよりも大きい。

燃焼排気の温度は、燃焼排気が熱交換器１ｂ内を上流側から下流側に向かって流れていく間に、各熱交換体１０の内部空間１４内を流れる水と燃焼排気との間で熱交換が行われて、低下していく。一方、最上流熱交換体１０ａに大きな貫通孔１３を形成すると、最上流熱交換体１０ａ自身の受熱面積が減少する。そのため、最上流熱交換体１０ａの内部空間１４内を流通する水と燃焼排気との間の熱交換により燃焼排気から最上流熱交換体１０ａに伝達される熱が減少し、燃焼排気の上流域において、燃焼排気の温度が低下し難い。その結果、第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３を流通して第３熱交換体１０ｃに衝突する燃焼排気によって第３熱交換体１０ｃが局部過熱される虞がある。

しかしながら、本実施の形態によれば、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３の総開口面積及び各貫通孔１３の開口面積はそれぞれ、第３熱交換体１０ｃのそれらよりも大きいから、第２熱交換体１０ｂ及び第３熱交換体１０ｃの局部過熱を防止することができる。

上記のように、上流側熱交換群９ａが、最上流熱交換体１０ａから燃焼排気のガス流路の下流側の所定位置の熱交換体１０までを含むように熱交換器１ｂを構成すれば、最上流熱交換体１０ａの下流側に隣接する第２熱交換体１０ｂだけでなく、さらに下流側の第３熱交換体１０ｃのローカルヒートも効果的に防止することができる。また、本実施の形態によれば、燃焼排気のガス流路の上流域における複数の熱交換体１０の内部空間１４内を同一方向に水が流れるように水の流路が形成されているため、これらの熱交換体１０の内部空間１４内を流れる水の流路抵抗を低減することができる。これにより、熱交換器１ｂに供給される水の流量が低下した場合でも、ローカルヒートを防止することができる。

（その他の実施の形態）
（１）上記実施の形態では、上流側熱交換群における各熱交換体の内部を流れる第１流体の流路である内部空間は、下流側熱交換群における各熱交換体のそれと略同一の平均高さを有する。しかしながら、上流側熱交換群における各熱交換体の内部を流れる第１流体の流路の平均高さは、下流側熱交換群における各熱交換体のそれより高くしてもよい。これにより、上流側熱交換群における各熱交換体は、下流側熱交換群におけるそれよりも、大きな第１流体の流路の容積を有する（例えば、下流側熱交換群における熱交換体の第１流体の流路の容積の１０５〜１１０％）。すなわち、上流側熱交換群における各熱交換体の貫通孔の総開口面積を大きくすると、上流側熱交換群における各熱交換体の内部を流れる第１流体の流路抵抗が増加しやすい。しかしながら、上流側熱交換群における各熱交換体の第１流体の流路の容積を大きくすることにより、各熱交換体の内部を流れる第１流体の流路抵抗の増加を抑えることができる。これにより、熱効率を向上させることができる。

（２）上記実施の形態では、１つの熱交換体には、略同一の開口面積を有する貫通孔が形成されている。しかしながら、１つの熱交換体に、異なる開口面積を有する貫通孔が形成されてもよい。ローカルヒートは第１流体の滞留しやすい通水孔から離れた位置で発生しやすい。このため、ローカルヒートの発生しやすい領域に対向する上流側の熱交換体の貫通孔を大きく形成し、ローカルヒートの発生し難い領域に対向する上流側の熱交換体の貫通孔を小さく形成してもよい。このように、１つの熱交換体に開口面積の異なる大小の貫通孔を形成することにより、熱効率の低下を最小限に抑えながら、ローカルヒートを防止することができる。

（３）上記実施の形態では、下向きの燃焼面を有するバーナが熱交換器の上方に配設されている。しかしながら、上向きの燃焼面を有するバーナが熱交換器の下方に配設されてもよい。

（４）上記実施の形態では、複数の熱交換体が上下に積層されている。しかしながら、複数の熱交換体は左右に積層されてもよい。

（５）上記実施の形態では、給湯器が用いられているが、ボイラなどの熱源機が用いられてもよい。

１，１ｂ，１ｃ 熱交換器
１０ 熱交換体
１０ａ 最上流熱交換体
５ ブロック
１３ 貫通孔
９ａ 上流側熱交換群
９ｂ 下流側熱交換群

Claims (4)

1. 内部を流通する第１流体と外部を流通する第２流体との間で熱交換を行う複数の熱交換体を備え、前記複数の熱交換体が積層されて構成されるプレート式熱交換器であって、
   前記熱交換体は、前記熱交換体の内部を流通する前記第１流体の流路面と交差する方向に前記第２流体が前記熱交換体の外部を流通するように形成された複数の貫通孔を有し、
   隣接する熱交換体は、前記第２流体の流路方向から見て、一方の熱交換体の前記貫通孔の投影面が、他方の熱交換体の前記貫通孔と重ならないように形成され、
   少なくとも前記第２流体の流路の最上流に位置する最上流熱交換体を含む上流側熱交換群における各熱交換体は、前記上流側熱交換群より前記第２流体の前記流路の下流側の下流側熱交換群におけるそれよりも、前記複数の貫通孔の総開口面積が大きくなるように形成されているプレート式熱交換器。
2. 請求項１に記載のプレート式熱交換器において、
   前記上流側熱交換群は、前記最上流熱交換体から前記第２流体の前記流路の前記下流側の所定位置の熱交換体までを含むプレート式熱交換器。
3. 請求項１または２に記載のプレート式熱交換器において、
   前記上流側熱交換群における前記各熱交換体は、前記下流側熱交換群におけるそれよりも、最大貫通孔の開口面積が大きくなるように形成されているプレート式熱交換器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器において、
   前記上流側熱交換群における前記各熱交換体は、前記下流側熱交換群におけるそれよりも、前記第１流体の流路の容積が大きくなるように形成されているプレート式熱交換器。

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