JP3786024B2

JP3786024B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP3786024B2
Application number: JP2002025761A
Authority: JP
Inventors: 宏一山本; 稔英蜷川; 博之長賀部; 隆樹大河内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP2003222493A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、給湯器などに内蔵され、燃焼ガスと熱交換し、水を加熱する熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、家庭用給湯器などに内蔵され、燃焼ガスなどとを熱交換し、水を加熱する熱交換器として、特開平１１−１４１５６号公報に記載された、一対のプレートを対向接合した複数の流体通路を積層した熱交換器が知られている。上記公報に記載された熱交換器では、水平方向に伸び、Ｕ字状に折り返された凹溝がプレス加工されたプレート同士を対向接合することによって流体通路を形成している。凹溝の一端は下方に突出した位置に形成されており、凹溝の他端は上方に突出した位置に形成されている。この突出した部位にはそれぞれ開口部が形成されており、入口側集合管部、出口側集合管部がそれぞれ接続される。入口側集合管部から熱交換器内に流入した給湯水は、流体通路を下方から上方へと通過し、出口側集合管部から熱交換器外へと流出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような構造の熱交換器において、各凹溝の一端に形成された開口部が凹溝の上面よりも下方に形成されていると、凹溝の上面と開口部との間の空間に気泡溜まりが形成される場合がある。
【０００４】
ところで、給湯水として用いられる水道水中には、衛生上の目的から塩素が含まれているが、上述したように、凹溝中に気泡溜まりが形成されると、水道水中の塩素が濃縮される可能性がある。水道水中の塩素が濃縮されると、プレート同士の接合部が腐食し、チューブの破損が生じる可能性があった。
【０００５】
そこで、本発明は、２枚のプレートを対向接合した流体通路を有する熱交換器において、熱交換器内での水および気泡の滞留を防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、前記入口タンク部（２２）または前記出口タンク部（２３）のうち、上方に配されるタンク部に形成された前記連通口（２４ａ、２４ｂ）よりも上方となる部分は閉塞部材（２７、２８）によって塞がれているので、熱交換器（１）内部の給湯水を連通口（２５ａ、２５ｂ）を介して流出させることができ、給湯水の熱交換器（１）内部での滞留、および給湯水中に含まれる気泡溜まりの形成を防止することができる。そのため、濃縮された塩素によるプレート接合部の腐食を防止することができる。
【０００８】
また、請求項２、３記載の発明によれば、流体通路内に給湯水や気泡が滞留することがなく、流体通路を閉塞部材で塞ぐことによって外部流体と内部流体との熱交換面積を減少させてしまうことがない。
【０００９】
さらに、請求項４記載の発明によれば、確実に給湯水の熱交換器（１）内部での滞留、および給湯水中に含まれる気泡溜まりの形成を防止することができる。
【００１０】
ところで、連通口をプレス成形によって加工する場合、連通口の外周縁部にはプレス成形機の雌型によって押さえられる部分が必要となる。したがって、プレス加工によって連通口を形成する場合、連通口は必ずタンク部の上面よりも下方に位置する。そのため、本発明は、特に、請求項５に記載したような連通口（２５ａ、２５ｂ）をプレス成形によって加工する熱交換器に適用するのが望ましい。
【００１１】
さらに、請求項６の発明によれば、前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記入口タンク部（２２）と隣接する前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記入口タンク部（２２）とがろう接合され、前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記出口タンク部（２３）と隣接する前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記出口タンク部（２３）とがろう接合された熱交換器に適用する場合、閉塞部材（２７、２８）によって閉塞される部分の出口タンク部（２３）の壁面を、隣接する前記出口タンク部（２３）との接合面とすることができ、ろう付け面積を十分に得ることができる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１４】
図１は熱交換器１の正面図、図２は熱交換器１の側面図、図３は熱交換器１の上面図である。
【００１５】
熱交換器１は、給湯器に使用されて給湯水と燃焼ガスとの熱交換を行うもので、図２及び図３に示すように、チューブ２をアウタフィン３と交互に積層して構成される、所謂ドロンカップタイプの積層型熱交換器であり、全体が組みつけられた後、一体ろう付けによって製造される。
【００１６】
チューブ２は、積層方向の一端側に配されるチューブ２Ａ、積層方向の他端側に配されるチューブ２Ｃ、チューブ２Ａとチューブ２Ｃとの間に配される複数のチューブ２Ｂよりなる。これらのチューブ２Ａ〜Ｃは、略Ｕ字状の流水通路（本発明における流体通路）が形成される偏平管部２１と、流水通路の上流側端部に接続される入口タンク部２２と、下流水通路の流側端部に接続される出口タンク部２３（いずれも図２参照）とを有する。入口タンク部２２と出口タンク部２３とは同じ側に配されており、出口側タンク部２３が上側、入口側タンク部２２が下側に配されている。
【００１７】
偏平管部２１の内部には、図５、９、１３に示すように、伝熱面積の増大と、チューブの耐圧強度確保のためにインナフィン５（５Ａ、５Ｂ）が挿入される。インナフィン５は、図４に示すように、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウムなど）の薄板材を凹凸状に交互に折り曲げて形成され、かつ凹部と凸部が直線的に連続するのではなく、断続的に横方向にオフセットして設けられた、所謂オフセットフィンである。
【００１８】
インナフィン５は、図５，９、１３に示すように、チューブ２内に形成される略Ｕ字状の流水通路の折り返し部より上流側と下流側とに分割して設けられ、かつ両者間に隙間６を有して配置されている。すなわち、伝熱プレートの仕切部（後述する）の両側にそれぞれ分割されたインナフィン５Ａ、５Ｂが配置され、流水通路の折り返し部には、上流側に配置されるインナフィン５Ａと下流側に配置されるインナフィン５Ｂとの間に隙間６が確保されている（図５、９、１３参照）。なお、折り返し部より上流側のインナフィン５Ａと下流側のインナフィン５Ｂは同一形状を有している。
【００１９】
チューブ２Ａ〜Ｃは、図２、３に示すように、隣接するチューブ２の入口タンク部２２と入口タンク部２２、出口タンク部２３と出口タンク部２３とが当接するとともに、偏平管部２１同士の間にアウタフィン３をはさみこんで積層されている。入口タンク部２２に開口する第１の連通口２４ａ、２４ｂ、出口タンク部２３に開口する第２の連通口２５ａ、２５ｂを介して各チューブ２Ａ〜Ｃの流水通路は相互に連通している。
【００２０】
図３に示すように、チューブ２Ａの入口タンク部２２には、給湯水が流入する入口ポート７が接合されており、チューブ２Ａの出口タンク部２３には、給湯水が流出する出口ポート８が接合されている。入口ポート７と出口ポート８とは同じ側に配置されており、給湯水は熱交換器１内をＵターンするようになっている。このような配置とすることによって、一定のスペースにおいて熱交換に寄与する有効面積を大きく確保することができる。また、チューブ２の積層方向の両側には、それぞれ補強用のプレート９が接合されている。
【００２１】
続いて、本発明の要部であるチューブ２Ａ〜２Ｃについて述べる。
【００２２】
図５はチューブ２Ａを示す図であり、チューブ２Ａは図６および図７に示す２枚の伝熱プレート４（４ａ、４ｂ）を組み合わせて形成される。２枚の伝熱プレート４ａ、４ｂは、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウムなど）の板材をプレス加工することによって成形される。
【００２３】
第１の伝熱プレート４ａには、偏平管部２１、入口タンク部２２、出口タンク部２３を形成する外側に膨出した膨出部３０が形成されている。膨出部３０には、入口ポート７、出口ポート８がそれぞれ接続される略円形の第１の連通口２４ａおよび第２の連通口２５ａが開口するとともに、流水通路を略Ｕ字状に形成するための仕切部２０が設けられている。第１の伝熱プレート４ａの周縁部には巻き締め部４１が設けられている。
【００２４】
伝熱プレート４ａと対向接合される第２の伝熱プレート４ｂは、伝熱プレート４ａとほぼ同一の外縁形状を有しており、入口タンク部２２および出口タンク部２３をそれぞれ形成する２つの膨出部３１、３２、偏平管部２１を形成する平板部３３が形成されている。膨出部３１、３２には略矩形形状を有する第１の連通口２４ｂおよび第２の連通口２５ｂがそれぞれ形成されており、これらの連通口２４ｂ、２５ｂの開口縁部には爪部２６が形成されている。
【００２５】
図５に示すように、第１の伝熱プレート４ａの巻き締め部４１は、第２の伝熱プレート４ｂの周縁を両側から挟み込むように巻き締めることによってチューブ２Ａは組み付けられ、伝熱プレート４ａ、４ｂの当接面はろう付けされる。
【００２６】
入口タンク部２２および出口タンク部２３の内部には、給湯水の凍結時においても十分な耐圧強度を得るために、ブッシング２７（本発明における閉塞部材）が挿入されている。ブッシング２７は略コの字型を有しており、図５に示すように、連通口２４、２５の流水通路側の開口縁から流水通路までの部分を除いてタンク部２２、２３の内部を閉塞している。
【００２７】
図９はチューブ２Ｂを示す図であり、チューブ２Ｂは図１０および図１１に示す２枚の伝熱プレート４（４ｃ、４ｄ）を組み合わせて形成される。２枚の伝熱プレート４ｃ、４ｄは、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウムなど）の板材をプレス加工することによって成形される。第３の伝熱プレート４ｃは、連通口２４ｂ、２５ｂの開口縁部に爪部が形成されていないこと以外は伝熱プレート４ｂと同一形状を有しており、詳細な説明は省略する。
【００２８】
第４の伝熱プレート４ｄには、入口タンク部２２および出口タンク部２３をそれぞれ形成する２つの膨出部３１、３２と、偏平管部２１を形成する膨出部３４とが形成されており、第１の伝熱プレート４ｄの周縁部には巻き締め部４１が設けられている。膨出部３１、３２には、略矩形形状の第１の連通口２４ｂ、第２の連通口２５ｂがそれぞれ開口しており、その開口縁部には爪部２６が形成されている。なお、下側に配される第１の連通口２４ｂの下側開口縁はチューブ２Ｂ内に形成される流水通路の最下端よりも下方に位置している。一方、膨出部３４には流水通路を略Ｕ字状に形成するための仕切部２０が設けられている。
【００２９】
チューブ２Ａと同様に、第４の伝熱プレート４ｄの巻き締め部４１が第３の伝熱プレート４ｃの周縁部を巻き締めることによってチューブ２Ｂは組み付けられ、伝熱プレート４ｃ、４ｄの当接面はろう付けされる。
【００３０】
チューブ２Ｂの入口タンク部２２および出口タンク部２３の内部には、給湯水の凍結時においても十分な耐圧強度を得るために、図１２に示すように、２つのＩ字型のブッシング２８（本発明における閉塞部材）が挿入される。ブッシング２８は、連通口２４ｂ、２５ｂの上側開口縁よりも上側と、連通口２４ｂ、２５ｂの下側開口縁よりも下側にそれぞれ配されている。図９に示すように、これらのブッシング２８によって、入口タンク部２２および出口タンク部２３のうち、連通口２４ｂ、２５ｂの上側開口縁よりも上側の空間、および連通口２４ｂ、２５ｂの下側開口縁よりも下方の空間が閉塞されている。なお、連通口２４ｂ、２５ｂの開口縁に形成された爪部２６によってブッシング２８は固定されている。
【００３１】
図１３はチューブ２Ｃを示す図であり、図１４は伝熱プレート４ｅを示す図である。チューブ２Ｃは２枚の伝熱プレート４（４ｃ、４ｅ）を組み合わせて形成される。第５の伝熱プレート４ｅは、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウムなど）の板材をプレス加工することによって成形される。第５の伝熱プレート４ｅは、連通口が形成されていないこと以外は伝熱プレート４ａと同一形状を有しており、詳細な説明は省略する。
【００３２】
第５の伝熱プレート４ｅの巻き締め部４１によって、図１３に示すように第３の伝熱プレート４ｃの周縁部を巻き締めることによってチューブ２Ｃは組み付けられ、伝熱プレート４ｃ、４ｅの当接面はろう付けされる。また、チューブ２Ｃの入口タンク部２２と出口タンク部２３の内部には、チューブ２Ａと同様にコの字形状のブッシング２７が挿入される。
【００３３】
なお、連通口２５の上側開口縁はチューブ２Ａ〜２Ｃ内に形成される流水通路の最上端よりも上方に位置している。
【００３４】
次に、熱交換器１の作動について説明する。
【００３５】
給湯水は、熱交換器１の入口ポート７からチューブ２Ａ〜２Ｃの入口タンク部２２に流入し、偏平管部２１に形成される略Ｕ字状の流水通路を通過して出口タンク部２３へと流入し、出口タンク部２３に流入した給湯水は出口ポート８を介して流出する。
【００３６】
燃焼ガスは、図１に示すように、熱交換器１の上方から下方に向かって流れ、熱交換器１を通過する際に給湯水と熱交換し、給湯水を加熱する。このとき、燃焼ガスは、少なくとも熱交換器１の出口側で露点以下（例えば３０〜５０℃）まで温度低下して凝縮する。つまり、この熱交換器１は、燃焼ガスの顕熱だけでなく、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮する際に放出される凝縮潜熱をも吸収して給湯水を加熱することができる。
【００３７】
ところで、チューブ２Ａ〜Ｃを形成する伝熱プレート４ａ〜ｅは、金属製の板材をプレス加工することによって成形される。プレス加工によって連通口２４、２５を形成するにあたって、連通口２４、２５の外周縁部にはプレス成形機によって押さえられる部分が必要となる。そのため、プレス加工によって連通口２４、２５を形成する場合、連通口２５は、出口タンク部２３の上面よりも下方に位置する。したがって、出口タンク部２３の上面と連通口２５の上側開口縁部との間には空間が形成される。
【００３８】
上述した実施の形態によれば、この空間はブッシング２７、２８によって閉塞されているので、給湯水はこの空間に滞留することなく、熱交換器１内部を通過する。また、給湯水は滞留せず、出口タンク部２３外へと排出されるので、給湯水中に含まれる気泡による気泡だまりの形成も防止することができる。その結果、水道水中の塩素の濃縮による伝熱プレート４の接合部の腐食を抑制することができ、熱交換器１の寿命を向上させることができる。
【００３９】
また、上述した実施の形態では、連通口２５を出口タンク部２３の上面の近傍に形成するのではなく、連通口２５の開口縁と出口タンク部２３との間に、隣接するチューブ２の出口タンク部２３との接合面となる壁面を有しているので、十分なろう付け面積を確保することができる。
【００４０】
特に、上述した実施の形態では、連通口２５の上側開口縁はチューブ２Ａ〜２Ｃ内に形成される流水通路の最上端よりも上方に位置しているため、流水通路内に給湯水の滞留部が形成されたり、気泡溜まりが形成されたりすることがない。そのため、流水通路内にブッシング２７、２８を設けなくてもよく、部品コストを抑えることができる。また、ブッシング２７、２８によって、給湯水と燃焼ガスとの熱交換面積が減少してしまうことがない。
【００４１】
上述した実施の形態では、チューブ２Ａ〜２Ｃの連通口２４、２５、膨出部３１、３２は略矩形形状を有しており、製品搬送時などにブッシング２７、２８がタンク部２２、２３内を移動してしまうことがない。
【００４２】
なお、上述した実施の形態によれば、入口タンク部２２と出口タンク部２３とを同じ側に配置し、流水通路を給湯水がＵ字状に流れる構造としたが、流水通路に折り返し部を設けず、入口タンク部２２と出口タンク部２３とを対角線上に配置し、直線的に給湯水が流れる構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る熱交換器の正面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る熱交換器の側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱交換器の上面図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるオフセットフィン（インナフィン）の斜視図である。
【図５】本実施の形態に係る第１チューブを示す図であり、図（ａ）は第１チューブの正面図であり、図（ｂ）は第１チューブの側面図であり、図（ｃ）は第１チューブの上面図である。
【図６】本実施の形態に係る第１の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第１の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第１の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第１の伝熱プレートの上面図である。
【図７】本実施の形態に係る第２の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第２の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第２の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第２の伝熱プレートの上面図である。
【図８】本実施の形態に係る、チューブ２Ａおよび２Ｃの内部に配されるブッシングを示す図であり、図（ａ）はブッシングの正面図であり、図（ｂ）はブッシングの側面図である。
【図９】本実施の形態に係る第２チューブを示す図であり、図（ａ）は第２チューブの正面図であり、図（ｂ）は第２チューブの側面図であり、図（ｃ）は第２チューブの上面図である。
【図１０】本実施の形態に係る第３の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第３の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第３の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第３の伝熱プレートの上面図である。
【図１１】本実施の形態に係る第４の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第４の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第４の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第４の伝熱プレートの上面図である。
【図１２】本実施の形態に係るチューブ２Ｂの内部に配されるブッシングを示す図であり、図（ａ）はブッシングの正面図であり、図（ｂ）はブッシングの側面図である。
【図１３】本実施の形態に係る第３チューブを示す図であり、図（ａ）は第３チューブの正面図であり、図（ｂ）は第３チューブの側面図であり、図（ｃ）は第３チューブの上面図である。
【図１４】本実施の形態に係る第５の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第５の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第５の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第５の伝熱プレートの上面図である。
【符号の説明】
１…熱交換器、
２…チューブ、
３…アウタフィン（フィン）、
４…伝熱プレート、
２２…入口タンク部、
２３…出口タンク部、
２４…第１の連通口、
２５…第２の連通口、
２７…ブッシング（閉塞部材）、
２８…ブッシング（閉塞部材）。

Claims

内部に形成された流体通路と、この流体通路の上流側端部に接続され、前記プレート（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）に形成された第１の連通口（２４ａ、２４ｂ）を介して前記内部流体を前記流体通路に流入させる入口タンク部（２２）と、前記流体通路の下流側端部に接続され、前記プレート（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）に形成された第２の連通口（２５ａ、２５ｂ）を介して前記内部流体を前記流体通路から流出させる出口タンク部（２３）とを有し、互いの周縁部にて接合された２枚のプレート（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ）からなり、積層された複数本のチューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）と、
各チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の間に配され、熱伝達性能を向上させるフィン（３）とを有し、
前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）内の流体通路を流れる内部流体と前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の外側を流れる外部流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
前記入口タンク部（２２）または前記出口タンク部（２３）のうち、上方に配されるタンク部に形成された前記連通口（２４ａ、２４ｂ）よりも上方となる部分が閉塞部材（２７、２８）によって閉塞されていることを特徴とする熱交換器。
前記入口タンク部（２２）または前記出口タンク部（２３）のうち、上方に配されるタンク部（２２）は、前記流体通路の最上端よりも上方に配されることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記入口タンク部（２２）または前記出口タンク部（２３）のうち、上方に配されるタンク部（２２）に形成された前記連通口（２５ａ、２５ｂ）の上側開口縁は前記流体通路の最上端よりも上方に位置することを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
前記閉塞部材は、前記連通口の上側開口縁と前記タンク部の内壁面上面との間の空間を塞ぐことを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１つに記載の熱交換器。
前記連通口（２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ）はプレス成形によって加工されたことを特徴とする請求項１ないし４のうちいずれか１つに記載の熱交換器。
前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記入口タンク部（２２）と隣接する前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記入口タンク部（２２）とはろう接合され、前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記出口タンク部（２３）と隣接する前記チューブ（２Ａ、２Ｂ、２Ｃ）の前記出口タンク部（２３）とはろう接合されていることを特徴とする請求項１ないし５のうちいずれか１つに記載の熱交換器。