JP4079117B2 - 給湯器用熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、チューブ内を流通する給湯水とチューブ間に介在されるフィン領域を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う給湯器用熱交換器に関するものである。

従来の熱交換器として、例えば、特許文献１に示されるものが知られている。即ち、この熱交換器は、空調装置用のエバポレータであって、複数積層されるチューブ（特許文献１中では冷媒管部）の間にフィン（コルゲートフィン）が介在されて形成されている。ここでは、空調空気は水平方向にフィン領域を流通するようにしており、フィンは空調空気の流通方向に複数に分割され、各分割されたフィンが隙間部を持って配設されるようにしている。

これにより、空調空気が冷却される際に生成される凝縮水をフィンの隙間部からチューブの壁面に沿って流下させることができ、フィン内における凝縮水の滞留を抑制して、熱交換効率の向上を図るようにしている。
特開平１０−１４１８０５号公報

しかしながら、熱交換器が給湯器用熱交換器のように、フィン領域を流通する外部流体（燃焼ガス）の向きが上方から下方となる姿勢で使用される場合においては、燃焼ガスから生成される凝縮水は重力によってフィン内を流下するので、上記従来技術におけるフィンの隙間部は意味を成さず、フィン内における凝縮水の膜張りによる滞留が生じ、熱交換効率の低下に繋がる。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、フィンに対して上方から下方に供給される燃焼ガスから生成される凝縮水の排水性に優れる給湯器用熱交換器を提供することにある。

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。

請求項１に記載の発明では、内部に流体通路を形成すると共に、積層配置される複数のチューブ（１１０）と、複数のチューブ（１１０）の間に介在されて、伝熱面積を増大するフィン（１２０）とを備え、フィン（１２０）の領域を上方から下方に向かって燃焼ガスが流れ、チューブ（１１０）の流体通路内に給湯水を流通させて、燃焼ガスから顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して給湯水を加熱する給湯器用熱交換器であって、隣接し合う複数のチューブ（１１０）の間で繋がるフィン（１２０）の平面部（１２１）には、熱交換効率を向上させるための凹凸部（１２２）と、凹凸部（１２２）の形成されない非形成部（１２３）とが燃焼ガスの流通方向に交互に設けられ、凹凸部（１２２）は、ルーバ部（１２２）であり、非形成部（１２３）は、ルーバ部（１２２）の向きを転向する転向部（１２３）であり、転向部（１２３）の平面状に維持される面積は、燃焼ガスの流入側よりも流出側の方が大きく形成されたことを特徴としている。

この給湯器用熱交換器（１００）においては、熱交換時に燃焼ガスから凝縮水が生成されるが、この凝縮水は、まずフィン（１２０）の表面において細かな液滴として発生する。そして、転向部（１２３）によって、これらの細かな液滴は積極的に収集される。即ち、平面状に維持される転向部（１２３）においては、互いに近接し合う細かな液滴同士が表面張力によって合体していく。更に、転向部（１２３）に近接するルーバ部（１２２）の液滴も表面張力によってここに吸収されていき、液滴は短時間で成長する。

そして、転向部（１２３）で成長した液滴の自重と燃焼ガスの風圧とによる下向きの力が、転向部（１２３）における液滴の表面張力を上回った時点で、液滴は一気に下方に落下（離脱）していく。

このように、発生した液滴を転向部（１２３）に積極的に集合させ、合体、成長した液滴を順次離脱させていくというサイクルを繰り返すことにより、液滴がフィン（１２０）のルーバ部（１２２）において付着停滞することを防止できる。よって、凝縮水の排水性に優れる給湯器用熱交換器（１００）とすることができる。

上記凝縮水は、熱交換時における燃焼ガスの温度低下によって（露点温度を下回って）生成されるものであり、燃焼ガスの流入側に対して流出側においてより多く生成されるので、転向部（１２３）を流出側に大きく形成することで、上記で説明した凝縮水の排水を効果的に発揮させることができる。

また、上流側においては、ルーバ部（１２２）をより多く形成できることになるので、フィン（１２０）の伝熱作用を高めて燃焼ガスと給湯水との熱交換効率を向上することができる。

尚、凹凸部（１２２）は、ルーバ部（１２２）として、また、非形成部（１２３）は、ルーバ部（１２２）の向きを転向する転向部（１２３）として容易に形成することができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図６に示す図面に基づいて説明する。尚、図１は給湯器用熱交換器１００を示す側面図、図２は図１のＡ方向から見た矢視図（平面図）、図３は図１のＢ方向から見た矢視図（左側面図）、図４は図３のＣ−Ｃ部を示す断面図、図５は図４のＤ−Ｄ部を示す断面図、図６は図５の燃焼ガス流出側における凝縮水をモデル的に示す拡大図である。

本発明の給湯器用熱交換器（以下、熱交換器）１００は、図示しない給湯器に使用されものであり、ケース部材の中に配設される。この熱交換器１００においては、熱交換器１００のコア部１００ａを流通する燃焼ガスと、熱交換器１００（チューブ１１０）内を流通する給湯水との間で熱交換が行われ、給湯水が加熱されるようになっている。

因みに、給湯器には１次熱交換器が設けられており、本熱交換器１００は、この１次熱交換器の上側に配置され、２次熱交換器として機能する。即ち、ガスバーナによって発生され、１次熱交換器を通過した後の燃焼ガスがケース部材に導入され、熱交換器１００に供給されるようになっており、また、給湯水は熱交換器１００を流通した後に１次熱交換器に供給されるようになっている。よって、給湯水は、熱交換器１００で予め加熱され、１次熱交換器で更に加熱されて、湯として使用されることに成る。尚、熱交換器１００を流通した燃焼ガスは、ケース部材から給湯器の本体部に設けられたガス排出口から外部へ排出される。

熱交換器１００は、図１〜図４に示すように、複数のチューブ１１０をアウターフィン（以下、フィン）１２０と共に積層して構成されるいわゆるドロンカップタイプの熱交換器としている。尚、この熱交換器１００を構成する各部材（以下で説明）は、すべてステンレス系の材料としており、各部材が熱交換器１００の形状に組み立てられた後に、一体的にろう付け接合されている。

チューブ１１０は、一対のチューブプレート１１１、１１２から成り、両チューブプレート１１１、１１２の外周部に設けられたフランジ部１１１ａ、１１２ａで互いに当接して接合されている。両チューブプレート１１１、１１２の長手方向の両端側は、中間領域よりも深く絞り加工されており、チューブ１１０として中間領域に扁平管部１１０ａが、両端側にそれぞれ第１タンク部１１０ｂ、第２タンク部１１０ｃが形成されている。

尚、チューブ１１０の扁平管部１１０ａの内部（本発明における流体通路に対応）には、伝熱面積を増大すると共に内部を流通する給湯水に乱流効果を与える断面凹凸状のインナーフィン１６０（図４）が挿入されている。因みに、このインナーフィンは、凹凸状断面がオフセットされて並ぶように形成されるいわゆるオフセット型フィンとしている。

そして、複数のチューブ１１０は、第１タンク部１１０ｂ同士、第２タンク部１１０ｃ同士が連通するように積層されている。よって、複数の扁平管部１１０ａは、各第１タンク部１１０ｂ、第２タンク部１１０ｃを介して、それぞれ連通している。

フィン１２０は、燃焼ガスの流通方向から見た形状が波形に形成されたコルゲートタイプのフィンであり、各チューブ１１０の扁平管部１１０ａ間に介在されている。そして、扁平管部１１０ａとフィン１２０とによって、コア部（熱交換部）１００ａが形成される。尚、本発明においては、このフィン１２０の形状に特徴を持たせており、詳細については後述する。

そして、チューブ１１０の積層方向の一方の端部には、給湯口１３０および出湯口１４０が設けらており、給湯口１３０は第１タンク部１１０ｂに連通するように接続され、出湯口１４０は第２タンク部１１０ｃに連通するように接続されている。また、積層方向の両端に配置されるチューブ１１０の第１タンク部１１０ｂ、第２タンク部１１０ｃに対応する領域には、補強プレート１５０が設けられている。

このように形成される熱交換器１００は、チューブ１１０の積層方向および長手方向が略水平方向となる姿勢で使用され、燃焼ガスがフィン１２０領域の上方から下方に向けて供給されるようにしている（図１、図３）。

本発明においては、隣接し合うチューブ１１０間で繋がるフィン１２０の平面部１２１に、凹凸部１２２と、この凹凸部１２２が形成されない非形成部１２３（１２３ａ〜１２３ｃ）とを設け、両者１２２、１２３が燃焼ガスの流れ方向に交互に並ぶようにしている。

凹凸部１２２は、図５に示すように、フィン１２０の伝熱面積を増加させると共に、燃焼ガス流通時におけるフィン１２０表面の境界層の形成を抑制して燃焼ガス側の局所熱伝達率（熱交換効率）を向上させる鎧戸状のルーバ部１２２としている。

また、非形成部１２３（１２３ａ〜１２３ｃ）は、上記ルーバ部１２２の傾斜向きを転向する転向部１２３（１２３ａ〜１２３ｃ）としており、加えて、燃焼ガスの流入側の転向部１２３ａよりも流出側の転向部１２３ｃの方が、ルーバ部１２２が形成されずに平面状に維持される面積が大きく成るようにしている。

尚、ここでは、傾斜向きの異なるルーバ部１２２を４つ設け、この４つのルーバ部１２２の各間に転向部１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃが介在されるようにしており、燃焼ガスの流通路として長いものになっている。

次に、上記構成に基づく熱交換器１００の作動およびその作用効果について説明する。

給湯水は、熱交換器１００の給湯口１３０から第１タンク部１１０ｂに流入し、各チューブ１１０の扁平管部１１０ａを流れて、第２タンク部１１０ｃから出湯口１４０を通って流出する。

一方、燃焼ガス（１次熱交換器通過後の２００℃レベルの燃焼ガス）は、図示しないケース部材に導入されて熱交換器１００のコア部１００ａを上方から下方に向けて通過し、給湯器のガス排出口から外部に排出される。

そして、燃焼ガスは、コア部１００ａを通過する際に給湯水との熱交換を行い、給湯水を加熱する。この時、燃焼ガスは、少なくともコア部１００ａの出口側（流出側）で露点温度以下（例えば３０〜５０℃）まで温度低下して凝縮する。即ち、この熱交換器１００は、燃焼ガスの顕熱だけでなく、燃焼ガスが凝縮する際に放出される潜熱をも吸収して給湯水を加熱することができる。

ここで、凝縮水は上記のように主に燃焼ガスの流出側で生成されるが、この凝縮水は、まずフィン１２０の表面において細かな液滴として発生する。そして、主に燃焼ガスの流出側となる転向部１２３ｃによって、これらの細かな液滴は積極的に収集される。

即ち、図６に示すように、平面状に維持される面積の大きい転向部１２３ｃにおいては、この転向部１２３ｃで互いに近接し合う細かな液滴同士が表面張力によって合体していく。更に、転向部１２３ｃに近接するルーバ部１２２の液滴も表面張力によってここに吸収されていき、液滴は短時間で成長する。

そして、転向部１２３ｃで成長した液滴の自重と燃焼ガスの風圧とによる下向きの力が、転向部１２３ｃにおける液滴の表面張力を上回った時点で、液滴は一気に下方に落下（離脱）していく。

このように、本発明においては、発生した液滴を転向部１２３ｃに積極的に集合させ、合体、成長した液滴を順次離脱させていくというサイクルを繰り返すことにより、液滴がフィン１２０のルーバ部１２２において付着停滞することを防止できる。よって、凝縮水の排水性に優れる熱交換器１００とすることができる。

また、燃焼ガスの流入側においては、凝縮水生成の影響が少なく、転向部１２３ａ、１２３ｂを小さくすることで、本来のルーバ部１２２をより多く形成することができ、フィン１２０の伝熱作用を高めて燃焼ガスと給湯水との熱交換効率を向上することができる。

（その他の実施形態）
上記第１実施形態に対して、凹凸部はルーバ部１２２に限定されるものでは無く、平面部１２１に対して平行に切り起こしされるスリット部（スリットフィン）等にしても良い。この時の非形成部は、文字通りスリット部を形成せずに平面部１２１を残した部位とすれば良い。また、フィン１２０は、コルゲートタイプのものに代えて、プレートタイプのものとしても良い。

第１実施形態における熱交換器を示す側面図である。 図１のＡ方向から見た矢視図（平面図）である。 図１のＢ方向から見た矢視図（左側面図）である。 図３のＣ−Ｃ部を示す断面図である。 図４のＤ−Ｄ部を示す断面図である。 図５の燃焼ガス流出側における凝縮水をモデル的に示す拡大図である。

符号の説明

１００ 給湯器用熱交換器
１１０ チューブ
１２０ アウターフィン（フィン）
１２１ 平面部
１２２ ルーバ部（凹凸部）
１２３ 転向部（非形成部）

Claims (1)

1. 内部に流体通路を形成すると共に、積層配置される複数のチューブ（１１０）と、
   前記複数のチューブ（１１０）の間に介在されて、伝熱面積を増大するフィン（１２０）とを備え、
   前記フィン（１２０）の領域を上方から下方に向かって燃焼ガスが流れ、前記チューブ（１１０）の流体通路内に給湯水を流通させて、前記燃焼ガスから顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して前記給湯水を加熱する給湯器用熱交換器であって、
   隣接し合う前記複数のチューブ（１１０）の間で繋がる前記フィン（１２０）の平面部（１２１）には、熱交換効率を向上させるための凹凸部（１２２）と、前記凹凸部（１２２）の形成されない非形成部（１２３）とが前記燃焼ガスの流通方向に交互に設けられ、
   前記凹凸部（１２２）は、ルーバ部（１２２）であり、
   前記非形成部（１２３）は、前記ルーバ部（１２２）の向きを転向する転向部（１２３）であり、
   前記転向部（１２３）の平面状に維持される面積は、前記燃焼ガスの流入側よりも流出側の方が大きく形成されたことを特徴とする給湯器用熱交換器。

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