JP2021063615A - プレート式熱交換器 - Google Patents
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Abstract
【課題】熱効率を向上させるとともに、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。【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５５が、他方の熱交換体１０の貫通孔１３と重ならないように形成され、複数の熱交換体１０は、投影面５５に第１流体の流路の高さが変動する変動部１７，１８を有する熱交換体（Ｐ）と、投影面５５に第１流体の流路の高さが略一定の平面部１９を有する熱交換体（Ｑ）とを備え、少なくとも第２流体の流路の最上流に位置する最上流熱交換体１０ａの下流側に隣接する第２熱交換体１０ｂは、熱交換体（Ｑ）から構成されるプレート式熱交換器。【選択図】図２
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。
上記プレート式熱交換器は、少なくとも１つの熱交換体を有する複数のブロックを上下方向に積層することにより構成されている。また、上下方向で隣接するブロックは、熱媒が流通するように互いに連通されている。さらに、隣接するブロックは、一方のブロックを流通する熱媒の流路方向が、他方のブロックを流通する熱媒のそれと異なるように構成されている。これにより、熱交換器内を流通する熱媒の流路がブロックの段数に応じて長くなり、熱効率を高めることができる。
ところで、上記のような貫通孔が内部空間を非連通状態で貫通する熱交換体では、燃焼排気が通過する貫通孔の周縁部が最も加熱される。従って、熱効率を高めるためには、貫通孔の周縁部で燃焼排気の熱が効率よく熱媒に熱伝達されるような熱交換体の構造が好ましい。
また、複数の熱交換体が積層されるプレート式熱交換器では、燃焼排気のガス流路方向から見て、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。
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、すなわち下流側の熱交換体の貫通孔の周縁部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、熱効率を向上させるとともに、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、
前記複数の熱交換体は、前記投影面に前記第１流体の流路の高さが変動する変動部を有する熱交換体（Ｐ）と、前記投影面に前記第１流体の前記流路の前記高さが略一定の平面部を有する熱交換体（Ｑ）とを備え、
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の下流側に隣接する第２熱交換体は、前記熱交換体（Ｑ）から構成されているプレート式熱交換器が提供される。
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、
前記複数の熱交換体は、前記投影面に前記第１流体の流路の高さが変動する変動部を有する熱交換体（Ｐ）と、前記投影面に前記第１流体の前記流路の前記高さが略一定の平面部を有する熱交換体（Ｑ）とを備え、
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の下流側に隣接する第２熱交換体は、前記熱交換体（Ｑ）から構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、熱交換体（Ｐ）は、隣接する熱交換体の貫通孔の投影面に第１流体の流路の高さが変動する変動部を有するから、第１流体の流路抵抗が大きくなり、投影面の内部を流通する第１流体の流量が少なくなる。また、第１流体が投影面の内部を通過するとき、第１流体の乱流が発生するから、第１流体の温度分布を小さくすることができる。また、変動部によって熱交換体（Ｐ）の表面積が大きくなるから、熱交換体（Ｐ）の受熱面積が大きくなる。これにより、第２流体から受熱される熱を効率的に第１流体に熱伝達させることができる。
一方、第２流体の流路の上流域では、最上流熱交換体の貫通孔を通過した高温の第２流体が第２熱交換体の小面積の投影面に集中する。上記のように投影面に変動部が形成されている場合、投影面の内部を流通する第１流体の流量が低下やすい。それゆえ、全ての熱交換体が変動部を有する熱交換体（Ｐ）で構成されると、最上流熱交換体の貫通孔を第２熱交換体に投影した投影面で局部過熱が生じやすい。しかしながら、上記熱交換器によれば、第２熱交換体は隣接する熱交換体の貫通孔の投影面に第１流体の流路の高さが略一定の平面部を有する熱交換体（Ｑ）から構成されるから、熱交換体（Ｑ）の投影面の内部を流通する第１流体の流路抵抗は、熱交換体（Ｐ）の投影面を通過するときのそれに比べて、小さくなり、熱交換体（Ｑ）の投影面の内部を流通する第１流体の流量が多くなる。また、平面部には凹凸が形成されていないため、平面部に衝突した第２流体が均一に四方に広がる。これにより、第２熱交換体の投影面での熱の集中を緩和させることができる。
好ましくは、上記熱交換器において、
前記最上流熱交換体は、前記熱交換体（Ｑ）から構成される。
前記最上流熱交換体は、前記熱交換体（Ｑ）から構成される。
上記熱交換器によれば、高温の第２流体が衝突する最上流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、
前記平面部は、少なくとも前記熱交換体（Ｑ）の周縁部を除いた前記投影面に形成される。
前記平面部は、少なくとも前記熱交換体（Ｑ）の周縁部を除いた前記投影面に形成される。
一方の熱交換体の貫通孔の投影面が他方の熱交換体の周縁部に形成されている場合、投影面の少なくとも周縁部側には、貫通孔が形成されていない。これに対して、熱交換器の周縁部以外の投影面では、四方に貫通孔が形成される。それゆえ、四方を貫通孔で囲まれた投影面では第２流体からの受熱量が多くなる。その結果、第２流体の流路の上流域の熱交換体では、周縁部以外の投影面で局部過熱が生じやすい。従って、平面部を少なくとも熱交換体（Ｑ）の周縁部を除く投影面に形成すれば、局部過熱を効果的に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、
前記第２熱交換体と前記最上流熱交換体とは、前記第１流体が前記第２熱交換体及び前記最上流熱交換体の内部をこの順に流通するように、直列に連結される。
前記第２熱交換体と前記最上流熱交換体とは、前記第１流体が前記第２熱交換体及び前記最上流熱交換体の内部をこの順に流通するように、直列に連結される。
上記熱交換器によれば、第２熱交換体の内部を流通する全ての第１流体が、最上流熱交換体の内部を流通する。これにより、熱交換器に供給される第１流体の流量が少ない場合でも、最上流熱交換体及び第２交換体の局部過熱を効果的に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、
前記熱交換体（Ｑ）の前記貫通孔は、略矩形状を有し、
前記矩形状の貫通孔は、少なくとも１つの頂点が前記投影面に突出するように配置される。
前記熱交換体（Ｑ）の前記貫通孔は、略矩形状を有し、
前記矩形状の貫通孔は、少なくとも１つの頂点が前記投影面に突出するように配置される。
上記熱交換器によれば、投影面の内部を流通する第１流体の流速が速くなる。これにより、局部過熱をさらに防止することができる。
以上のように、本発明によれば、熱効率を向上させることができるとともに、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。従って、本発明によれば、高熱効率で、優れた耐久性を有するプレート式熱交換器を提供することができる。
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（ここでは、１３層）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２〜図４に示すように、熱交換器１は、１または複数の熱交換体１０を有する複数（ここでは、４段）のブロック５を上下方向に積み重ねて構成されている（以下、これらのブロック５を総称する場合、単に「ブロック５」という。また、燃焼排気のガス流路に従って、最上段のブロック５を、「最上流ブロック５ａ」、中段のブロック５を、上流側から順に「第１下流側ブロック５ｂ」、「第２下流側ブロック５ｃ」、最下段のブロック５を、「最下流ブロック５ｄ」という）。最上流ブロック５ａ及び第１下流側ブロック５ｂ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２下流側ブロック５ｃは、５つの熱交換体１０が積層されて構成されており、最下流ブロック５ｄは、６つの熱交換体１０が積層されて構成されている。なお、熱交換器１は、３つ以下または５つ以上のブロック５から構成されてもよい。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。従って、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。図２〜図９に示すように、各熱交換体１０は大きさや形状などの基本構成を共通にするが、第２下流側ブロック５ｃ及び最下流ブロック５ｄの熱交換体１０と、最上流ブロック５ａ及び第１下流側ブロック５ｂの熱交換体１０とは、後述する貫通孔の形状や変動部の有無などの構成が異なる（以下、熱交換体１０を総称する場合、単に「熱交換体１０」という。また、第２下流側ブロック５ｃ及び最下流ブロック５ｄの熱交換体１０を総称する場合、「熱交換体（Ｐ）」といい、最上流ブロック５ａ及び第１下流側ブロック５ｂの熱交換体１０を総称する場合、「熱交換体（Ｑ）」という）。このため、以下では、熱交換体（Ｐ）の構成を先に説明し、熱交換体（Ｑ）については熱交換体（Ｐ）と異なる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。
第２下流側ブロック５ｃ及び最下流ブロック５ｄの各熱交換体（Ｐ）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。図４〜図６に示すように、熱交換体（Ｐ）の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、略楕円形状や略矩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（Ｐ）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（Ｐ）の上熱交換プレート１１と、上方の熱交換体（Ｐ）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、所定の高さの内部空間１４が形成される（図３参照）。また、複数の熱交換体（Ｐ）を接合させることにより、上下に隣接する熱交換体（Ｐ）の間には、所定の高さの排気空間１５が形成される（図３参照）。
熱交換体（Ｐ）の上下貫通孔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、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、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１６が形成される（図１０参照）。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。
前後及び左右方向で隣接する４つの上下貫通孔１１ａ，１２ａの間にはそれぞれ、略円形状の上下凹部１１ｂ，１２ｂが形成されている。また、上下熱交換プレート１１，１２の周縁において、前後または左右方向で隣接する２つの上下貫通孔１１ａ，１２ａの間には、平面視略楕円形状の上下凹部１１ｂ，１２ｂが形成されている。また、これらの上下凹部１１ｂ，１２ｂの中央部には、上下凹部１１ｂ，１２ｂよりも小径の上下凸部１１ｄ，１２ｄが形成されている。これらの上下凹部１１ｂ，１２ｂ及び上下凸部１１ｄ，１２ｄ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、上下凹部１１ｂ，１２ｂ及び上下凸部１１ｄ，１２ｄ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形成されている。また、隣接する上下凹部１１ｂ，１２ｂ間の前後及び左右方向の間隔は、隣接する上下貫通孔１１ａ，１２ａ間のそれと略同一に設定されている。このため、上下貫通孔１１ａ，１２ａと、上下凹部１１ｂ，１２ｂとは、前後及び左右方向に交互に略等間隔で形成されている。また、上下凹部１１ｂ，１２ｂはそれぞれ、上下熱交換プレート１１，１２の周縁を除いて、前後及び左右方向で隣接する４つの上下貫通孔１１ａ，１２ａで囲まれる領域の略中央部に位置するように形成されている。また、上下凹部１１ｂ，１２ｂはそれぞれ、前後及び左右方向で隣接する上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃ間の最短距離よりも小さい直径を有する。
上下凹部１１ｂ，１２ｂはそれぞれ、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内部空間１４の内方に向かって所定高さ、突出するように形成されている。この上下凹部１１ｂ，１２ｂの内方への突出高さは、上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃのそれよりも低く設定されている。また、上下凸部１１ｄ，１２ｄはそれぞれ、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内部空間１４の外方に向かって所定高さ、突出するように形成されている。従って、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたとき、上下凹部１１ｂ，１２ｂによって内部空間１４の高さを減少させる変動部１７が形成され、上下凹部１１ｂ，１２ｂ間に所定高さの狭い内部空間１４が形成される（図１０参照）。また、上下凹部１１ｂ，１２ｂの中央部に形成された上下凸部１１ｄ，１２ｄによって内部空間１４の高さを増加させる変動部１８が形成され、上下凸部１１ｄ，１２ｄ間に所定高さの広い内部空間１４が形成される（図１０参照）。また、図示しないが、変動部１７と隣接するフランジ部１６との間には、水の流路が形成される。なお、上下凹部１１ｂ，１２ｂや上下凸部１１ｄ，１２ｄは、略楕円形状や略矩形状などの他の形状を有してもよい。また、変動部１７，１８は、いずれか一方のみが形成されてもよい。
熱交換体（Ｐ）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（Ｐ）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２〜図３及び図７〜図９に示すように、熱交換体（Ｑ）は、上下貫通孔１１ａ，１２ａ及び上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃの形状が異なること、前後及び左右方向で隣接する４つの上下貫通孔１１ａ，１２ａで囲まれる領域に上下凹部及び上下凸部が形成されていないこと、上下熱交換プレート１１，１２の周縁において、前後または左右方向で隣接する２つの上下貫通孔１１ａ，１２ａの間に上下凹部が形成されていないこと、最上流の熱交換体（Ｑ）を形成する上熱交換プレート１１には通水孔が形成されていないこと以外は、熱交換体（Ｐ）と同一の構成を有する。また、最上流ブロック５ａ及び第１下流側ブロック５ｂの各熱交換体（Ｑ）は、上下貫通孔１１ａ，１２ａの位置やコーナ部の通水孔６３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、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。従って、熱交換体（Ｑ）を構成する上下熱交換プレート１１，１２を接合させることにより、所定の高さの内部空間１４が形成される（図３参照）。また、複数の熱交換体（Ｑ）を接合させることにより、上下に隣接する熱交換体（Ｑ）の間には、所定の高さの排気空間１５が形成される（図３参照）。また、熱交換体（Ｐ）と熱交換体（Ｑ）とを接合させることにより、上下に隣接する熱交換体（Ｐ）と熱交換体（Ｑ）との間には、所定の高さの排気空間１５が形成される（図３参照）。
熱交換体（Ｑ）の上下熱交換プレート１１，１２はそれぞれ、コーナ部及び周縁を除くプレートの略全面に多数の略正方形状の上下貫通孔１１ａ，１２ａを有する。また、略正方形状の上下貫通孔１１ａ，１２ａの周縁には、略正方形状の上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃが形成されている。上下熱交換プレート１１，１２の周縁には、略五角形状の上下貫通孔１１ａ，１２ａが形成されている。また、略五角形状の上下貫通孔１１ａ，１２ａの周縁には、略五角形状の上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃが形成されている。なお、これらの上下貫通孔１１ａ，１２ａは、略円形状や略楕円形状などの他の形状を有してもよい。これらの上下貫通孔１１ａ，１２ａ及び上下貫通孔フランジ部１１ｃ，１２ｃは、熱交換体（Ｐ）のそれらと略同一のピッチで形成されている。従って、上下熱交換プレート１１，１２を接合させると、熱交換体（Ｑ）の周縁部を除いて略正方形状の貫通孔１３及び内部空間１４を閉塞する略正方形状のフランジ部１６が形成される。また、熱交換体（Ｑ）の周縁部では、略五角形状の貫通孔１３及び内部空間１４を閉塞する略五角形状のフランジ部１６が形成される。また、熱交換体（Ｐ）と異なり、四方を貫通孔１３で囲まれた領域には凹凸部が形成されていないため、熱交換体（Ｑ）は、前後及び左右方向で隣接する４つの貫通孔１３の間に、内部空間１４の高さが略一定の平面部１９を有する。
熱交換体（Ｑ）の周縁部を除く貫通孔１３は、４つの頂点が熱交換体（Ｑ）の前後左右の周縁部に向き、且つ貫通孔１３の一辺が隣接する貫通孔１３のそれと略平行となるように形成されている。このため、貫通孔１３は、燃焼排気のガス流路の方向から見て、貫通孔１３によって囲まれた領域に各頂点が突出するように配設されている。また、フランジ部１６は、フランジ部１６の４つの頂点（例えば、右側の頂点）が、斜め方向に隣接するフランジ部１６の反対側の頂点（例えば、左側の頂点）よりも、斜め方向に隣接する貫通孔１３の中心寄りに位置するように形成されている。
各熱交換体（Ｑ）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３に示すように、熱交換体（Ｐ），（Ｑ）はいずれも、隣接する熱交換体１０における一方の熱交換体１０の貫通孔１３の投影面が他方の熱交換体１０の貫通孔１３と重ならないように、燃焼排気のガス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、既述した熱交換体（Ｐ）の変動部１７，１８及び熱交換体（Ｑ）の平面部１９はそれぞれ、隣接する熱交換体１０の貫通孔１３の投影面５５（図１０参照）に配置される。なお、熱交換体（Ｐ）の貫通孔１３と熱交換体（Ｑ）の貫通孔１３との関係も上記と同様である（図３及び図１０参照）。
次に、図３を参照して、熱交換器１における燃焼排気及び水の流れを説明する。各ブロック５は、水をブロック５内部に導入する導入口７１と、水をブロック５外部に導出する導出口７２とを有する。これらの導入口７１及び導出口７２はそれぞれ、各ブロック５の燃焼排気のガス流路の最下流及び最上流に位置する熱交換体１０の所定の通水孔６３により構成される。なお、煩雑化を避けるため、図３中、貫通孔１３の周囲のフランジ部１６や凹凸部は省略されている。
燃焼排気のガス流路の最下流に位置する熱交換体（Ｐ）（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の右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から燃焼排気のガス流路の最上流に位置する熱交換体（Ｑ）（以下、「最上流熱交換体１０ａ」という）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、右側前方のコーナ部の通水孔６３から最下流ブロック５ｄの各熱交換体（Ｐ）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３中、右側から左側）に流れる。また、左側前後両方のコーナ部の通水孔６３から第２下流側ブロック５ｃの各熱交換体（Ｐ）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３中、左側から右側）に流れる。この第２下流側ブロック５ｃの熱交換体（Ｐ）の内部空間１４を流通する水の流路方向は、最下流ブロック５ｄのそれと反対になる。また、右側前方のコーナ部の通水孔６３から第１下流側ブロック５ｂの熱交換体（Ｑ）（以下、「第２熱交換体１０ｂ」という）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３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２下流側ブロック５ｃ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３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。このように、燃焼排気のガス流路の上流域における最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂは、第２熱交換体１０ｂの内部に流入する全ての水が最上流熱交換体１０ａに流入するように、直列に接続されている。また、最下流ブロック５ｄの複数の熱交換体（Ｐ）は、複数の平行流路が形成されるように並列に接続されている。第２下流側ブロック５ｃも最下流ブロック５ｄと同様である。
次に、図１０を参照して、燃焼排気のガス流路の上流域における燃焼排気の流れ及び熱交換体（Ｐ），（Ｑ）の内部空間１４内の水の流れについて説明する。なお、図１０では、熱交換体（Ｐ），（Ｑ）の相違が明確になるよう、熱交換体（Ｐ），（Ｑ）の前後及び左右方向に対して傾斜する方向の部分断面図が示されている。
水は、各熱交換体（Ｐ），（Ｑ）の左右方向に離れた通水孔６３間を流れる。このとき、熱交換体（Ｐ）は、貫通孔１３に囲まれた領域に水の流路の高さが増減する変動部１７，１８を有する。そのため、内部空間１４内の上流側から流れてきた水が変動部１７，１８の内部を通過するとき、水の流路抵抗が大きくなって、水の流量が低下する。また、水が変動部１７，１８の内部を通過するとき、水の乱流が発生し、水の温度分布が小さくなる。さらに、変動部１７，１８によって熱交換体（Ｐ）の表面積が大きくなるから、熱交換体（Ｐ）の受熱面積が大きくなる。これにより、燃焼排気のガス流路の下流側において、燃焼排気から受熱される熱を効率的に水に熱伝達させることができる。そして、熱交換体（Ｑ）の下流側に熱伝達性に優れる熱交換体（Ｐ）を積層することにより、高温の燃焼排気の顕熱を上流側の熱交換体（Ｑ）で吸収し、燃焼排気の潜熱を下流側の熱交換体（Ｐ）で吸収することができる。これにより、熱効率を向上させることができる。
一方、本実施の形態では、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、一方の熱交換体１０の貫通孔１３の投影面５５が他方の熱交換体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５５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。それゆえ、熱交換器１が変動部１７，１８を有する変動部有り熱交換体（Ｐ）のみで構成されている場合、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、第２熱交換体１０ｂは、水の流路の高さが略一定の平面部１９を有する平面部有り熱交換体（Ｑ）から構成されている。この平面部１９は、四方を貫通孔１３で囲まれた領域、すなわち最上流熱交換体１０ａの貫通孔１３の投影面５５に形成されている（図７〜図１０参照）。このため、熱交換体（Ｑ）の投影面５５の内部を流通する水の流路抵抗は、熱交換体（Ｐ）の投影面５５の内部を流通するそれに比べて小さくなり、熱交換体（Ｑ）の投影面５５の内部を流通する第１流体の流量が多くなる。また、平面部１９には凹凸が形成されていないため、平面部１９に衝突した燃焼排気が均一に四方に広がる。その結果、燃焼排気が集中して衝突する投影面５５での熱の集中を緩和させることができる。これにより、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、最上流熱交換体１０ａには、最も高温の燃焼排気が衝突し、燃焼排気が通過する貫通孔１３の周縁部が最も加熱される。従って、水の流量が少ないとき、最上流熱交換体１０ａで局部過熱が生じる虞がある。しかしながら、本実施の形態によれば、最上流熱交換体１０ａは熱交換体（Ｑ）で構成されており、最上流熱交換体１０ａにおける四方を貫通孔１３で囲まれた領域、すなわち第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３の投影面５５は平面部１９を有する。これにより、最上流熱交換体１０ａ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最上流熱交換体１０ａと第２熱交換体１０ｂとは、水が第２熱交換体１０ｂ及び最上流熱交換体１０ａをこの順に流通するように直列に連結されている。そのため、第２熱交換体１０ｂを流れる全ての水が最上流熱交換体１０ａに流入する。従って、熱交換器１内に供給される水が少ない場合でも、第２熱交換体１０ｂ及び最上流熱交換体１０ａにおける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、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂの貫通孔１３は略正方形状を有する。また、貫通孔１３は、燃焼排気のガス流路の方向から見て、各頂点が貫通孔１３で囲まれた領域、すなわち投影面５５に突出するように配置される。このため、貫通孔１３で囲まれた領域を流通する水の流速が速くなる。これにより、局部過熱をさらに防止することができる。
また、本実施の形態では、最上流熱交換体１０ａ及び第２熱交換体１０ｂを構成する熱交換器（Ｑ）は、周縁部の隣接する貫通孔１３の間に外方に突出する凸部を有する。これらの周縁部でも投影面５５が形成されるが、この投影面５５の周縁部側には貫通孔１３が形成されていない。これに対して、熱交換器（Ｑ）の周縁部以外の投影面５５では、四方に貫通孔１３が形成される。従って、この投影面５５では燃焼排気からの受熱量が多くなり、局部過熱が生じやすい。従って、平面部１９を少なくとも熱交換体（Ｑ）の周縁部を除く投影面５５に形成すれば、局部過熱を効果的に防止することができる。また、熱交換体（Ｑ）の周縁部の隣接する貫通孔１３の間に凸部や凹部などの変動部を形成することにより、効率的に燃焼排気の熱を水に熱伝達させることができる。
以上のように、本実施の形態によれば、熱効率を向上させることができるとともに、燃焼排気のガス流路の上流域における熱交換体１０のローカルヒートを防止することができる。従って、本実施の形態よれば、高熱効率で、優れた耐久性を有するプレート式熱交換器を提供することができる。
（その他の実施の形態）
（１）上記実施の形態では、第２熱交換体よりも下流側の熱交換体は変動部を有する熱交換体（Ｐ）のみから構成されている。しかしながら、第２熱交換体よりも下流側の熱交換体でも局部過熱が生じる場合、一部の熱交換体（Ｐ）の代わりに熱交換体（Ｑ）を用いてもよい。
（２）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。
（３）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。
（４）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）上記実施の形態では、第２熱交換体よりも下流側の熱交換体は変動部を有する熱交換体（Ｐ）のみから構成されている。しかしながら、第２熱交換体よりも下流側の熱交換体でも局部過熱が生じる場合、一部の熱交換体（Ｐ）の代わりに熱交換体（Ｑ）を用いてもよい。
（２）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。
（３）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。
（４）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 熱交換器
１０ 熱交換体
１０ａ 最上流熱交換体
１０ｂ 第２熱交換体
１３ 貫通孔
１７，１８ 変動部
５５ 投影面
１０ 熱交換体
１０ａ 最上流熱交換体
１０ｂ 第２熱交換体
１３ 貫通孔
１７，１８ 変動部
５５ 投影面
Claims (5)
- 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、
前記複数の熱交換体は、前記投影面に前記第１流体の流路の高さが変動する変動部を有する熱交換体（Ｐ）と、前記投影面に前記第１流体の前記流路の前記高さが略一定の平面部を有する熱交換体（Ｑ）とを備え、
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の下流側に隣接する第２熱交換体は、前記熱交換体（Ｑ）から構成されているプレート式熱交換器。 - 請求項１に記載のプレート式熱交換器において、
前記最上流熱交換体は、前記熱交換体（Ｑ）から構成されているプレート式熱交換器。 - 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、
前記平面部は、少なくとも前記熱交換体（Ｑ）の周縁部を除いた前記投影面に形成されているプレート式熱交換器。 - 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、
前記第２熱交換体と前記最上流熱交換体とは、前記第１流体が前記第２熱交換体及び前記最上流熱交換体の内部をこの順に流通するように、直列に連結されているプレート式熱交換器。 - 請求項１〜４のいずれか１項に記載のプレート式熱交換器において、
前記熱交換体（Ｑ）の前記貫通孔は、略矩形状を有し、
前記矩形状の貫通孔は、少なくとも１つの頂点が前記投影面に突出するように配置されているプレート式熱交換器。
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Patent Citations (3)
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