JP4114642B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、チューブ内を流通する流体とチューブ間に介在されるフィン領域を流通する高温の気体との間で熱交換を行う熱交換器に関するものであり、給湯器用の熱交換器に用いて好適である。

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、熱交換効性能の低下に繋がる。

尚、この熱交換器においては、熱交換時の燃焼ガスの温度低下に伴い、主に熱交換器の下流側（下方側）で凝縮水が生成され、フィンの壁面に形成されるルーバや、隣接するフィン壁面間等での凝縮水の膜張りによる滞留が顕著となる。

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外部流体から生成される凝縮水の排水性に優れる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、複数積層配置され、隣接する間を水蒸気を含む高温の気体が流通する扁平形状のチューブ（１１０）と、複数のチューブ（１１０）の間に介在されて、高温の気体の流通方向から見て、凹凸状に形成されるフィン（１２０）とを備え、フィン（１２０）の領域を上方から下方に向かって高温の気体が流れ、チューブ（１１０）内に高温の気体より低温となる低温の流体を流通させて、高温の気体から顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して低温の流体を加熱する熱交換器であって、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複数の突出部（１２２）が設けられており、複数の突出部（１２２）の突出部配置密度は、高温の気体の流入側よりも流出側の方が疎となるように設定されたことを特徴としている。

これにより、熱交換時に高温の気体の下流側で主に生成される凝縮水が、突出部（１２２）間で膜張りを起こして滞留するのを抑制できるので、凝縮水の排水性に優れ、熱交換性能の低下を防止可能とする熱交換器（１００）とすることができる。

尚、高温の気体の流入側においては、流出側とは異なり、凝縮水の膜張りの影響は少なく、突出部配置密度を密となるように設定することが可能であるので、熱交換器（１００）の基本的な熱交換性能を低下させることが無い。

上記突出部配置密度は、請求項２に記載の発明のように、突出部（１２２）を鎧戸状に形成されるルーバ（１２２）として、このルーバ（１２２）のルーバピッチ（ＬＰ）を大きくすることで、疎となるように設定することができる。

そして、請求項３に記載の発明のように、複数のチューブ（１１０）間に介在されるフィン（１２０）のそれぞれは、一枚仕様として形成すれば、部品点数の増加を抑え、また、組付け工数を悪化させることが無い。

請求項４に記載の発明では、フィン（１２０）のフィン配置密度は、高温の気体の流入側よりも流出側の方が疎となるように設定されたことを特徴としている。

これにより、フィン（１２０）の平面部（１２１）間で凝縮水が膜を張って滞留するのを抑制でき、更に凝縮水の排水性を向上させることができる。

上記フィン配置密度は、請求項５に記載の発明のように、凹凸状に形成されるフィン（１２０）のフィンピッチ（ＦＰ）を大きくすることで、疎となるように設定することができる。

請求項６に記載の発明では、複数積層配置され、隣接する間を水蒸気を含む高温の気体が流通する扁平形状のチューブ（１１０）と、複数のチューブ（１１０）の間に介在されて、高温の気体の流通方向から見て、凹凸状に形成されるフィン（１２０）とを備え、フィン（１２０）の領域を上方から下方に向かって高温の気体が流れ、チューブ（１１０）内に高温の気体より低温となる低温の流体を流通させて、高温の気体から顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して低温の流体を加熱する熱交換器であって、フィン（１２０）のフィン配置密度は、高温の気体の流入側よりも流出側の方が疎となるように設定されたことを特徴としている。

これにより、フィン（１２０）の平面部（１２１）間で凝縮水が膜張りを起こして滞留するのを抑制でき、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる。

この場合のフィン配置密度は、請求項７に記載の発明のように、凹凸状に形成されるフィン（１２０）のフィンピッチ（ＦＰ）を大きくすることで、疎となるように設定することができる。

本熱交換器は、請求項８に記載の発明のように、高温の気体を燃焼ガスとし、また、低温の流体を給湯水として、この給湯水を加熱する給湯器用の熱交換器（１００）に用いて好適である。

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５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部を示す断面図である。

本発明の熱交換器は、図示しないガス給湯器に使用されて、アウターフィン１２０の領域を流通する燃焼ガス（本発明における水蒸気を含む高温の気体に対応）と、チューブ１１０内を流通する給湯水（本発明における低温の流体に対応）との間で熱交換を行い、給湯水を加熱する給湯器用熱交換器（以下、熱交換器）１００に適用したものである。

因みに、ガス給湯器には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、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、ガス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３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おり、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）。

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として中間領域に断面扁平状の扁平管部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凹凸状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、チューブ積層方向の一方の端部となるチューブ（図２中の左側のチューブ）１１０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。

本発明においては、図４、図５に示すように、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、熱交換効率を向上させるための複数のルーバ（本発明における突状部に対応）１２２が設けられている。ルーバ１２２は、平面部１２１に対して傾斜して、燃焼ガスの流れ方向に並ぶように形成されており、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表面の温度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ものである。尚、複数並ぶルーバ１２２の途中部（ここでは３ヶ所）には、このルーバ１２２の傾斜向きを転向する転向部１２３が設けられている。

そして、このルーバ１２２の配置密度が、燃焼ガスの流入側よりも流出側の方が疎となるようにしている。即ち、燃焼ガスの流入側（図４、図５中の上下方向の略中央部より上側）となるルーバ１２２ａのルーバピッチＬＰ１よりも流出側（図４、図５中の上下方向の略中央部より下側）となるルーバ１２２ｂのルーバピッチＬＰ２の方が大きくなるようにしている。各ルーバ１２２（１２２ａ、１２２ｂ）の傾斜角度を一定とすれば、ルーバ１２２ｂのルーバピッチＬＰ２が大きいということは、ルーバ１２２ａ間の隙間よりもルーバ１２２ｂ間の隙間の方が大きく形成されるということになる。

また、上記フィン１２０は、各ルーバピッチＬＰ１、ＬＰ２が異なるものの、周知のローラ加工にて各ルーバ１２２ａ、１２２ｂの同時成形が可能であり、各チューブ１１０間に介在されるそれぞれのフィン１２０は、一枚仕様として設定されている。

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、熱交換器１００のコア部１００ａを上方から下方に向けて通過し、ガス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、流出側のルーバ１２２ｂのルーバピッチＬＰ２を流入側のルーバ１２２ａのルーバピッチＬＰ１よりも大きくなるように形成しているので、凝縮水がルーバ１２２ｂ間で膜張りを起こして滞留するのを抑制することができる。よって、凝縮水の排水性に優れ、熱交換性能の低下を防止可能とする熱交換器１００とすることができる。

尚、燃焼ガスの流入側においては、流出側とは異なり、凝縮水の膜張りの影響は少なく、ルーバ１２２ａのルーバピッチＬＰ１を小さく（本来の熱交換性能を確保するのに必要な大きさに）設定することが可能であるので、熱交換器１００の基本的な熱交換性能を低下させることが無い。

また、各チューブ１１０間に介在されるそれぞれのフィン１２０は、各ルーバ１２２ａ、１２２ｂのルーバピッチＬＰ１、ＬＰ２が異なるものの、ルーバピッチＬＰ１、ＬＰ２の異なる分割されたフィンでは無く、一枚仕様として設定するようにしているので、部品点数の増加を抑え、また、組付け工数を悪化させることが無い。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６〜図８に示す。尚、図６は、図１のＥ−Ｅ部における断面図であり、図７、図８は、それぞれ図６のＦ方向、Ｇ方向から見た矢視図である。

第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、フィン１２０の配置密度を燃焼ガスの流入側よりも流出側の方が疎となるようにしたものである。即ち、ここでは、フィン１２０を燃焼ガスの流入側（図６中の上下方向の略中央部より上側）となるフィン１２０ａと、流出側（図６中の上下方向の略中央部より下側）となるフィン１２０ｂとに分割しており、凹凸状に形成されるフィン１２０ｂのフィンピッチＦＰ２をフィン１２０ａのフィンピッチＦＰ１よりも大きくなるように形成している。

尚、各フィン１２０ａ、１２０ｂのルーバピッチＬＰは、上記第１実施形態と同様に、フィン１２０ｂの方がフィン１２０ａよりも大きくなるようにしている。

これにより、フィン１２０の平面部１２１間で凝縮水が膜を張って滞留するのを抑制でき、更に凝縮水の排水性を向上させることができる。

（その他の実施形態）
上記第２実施形態では、ルーバピッチＬＰおよびフィンピッチＦＰの両者について、燃焼ガスの流出側で大きくなるようにしたが、フィンピッチＦＰのみを対象として対応したものとしても良い。

また、上記第１〜第３実施形態では、燃焼ガスの流れ方向の略中央部でルーバピッチＬＰおよびフィンピッチＦＰの大きさの設定を変えるものとして説明したが、その境界位置は熱交換時における凝縮水の発生領域に応じて決定すれば良い。あるいは、ルーバピッチＬＰおよびフィンピッチＦＰの大きさを燃焼ガスの流入側から流出側に向けて滑らかに、ないしは段階的に大きくなるように変化させても良い。

また、フィン１２０の突出部はルーバ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（スリットフィン）や平面部１２１に形成される波状部（ウエーブフィン）、打出し部等としても良い。

また、ルーバ１２２やフィン１２０の配置密度を燃焼ガスの下流側で疎とするために、ルーバピッチＬＰやフィンピッチＦＰの大きさを変えて対応したが、ルーバ１２２やフィン１２０自身の形成を間引くようにして対応しても良い。

また、フィン１２０は、コルゲートタイプのものに限らず、クランク状に曲げられて形成されるフィンとしても良い。

更に、上記各実施形態では熱交換器１００を給湯器用に使用するものとして説明したが、これに限らず、空調装置用の蒸発器等のその他の熱交換器にも広く活用できる。

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１のＥ−Ｅ部に対応する第２実施形態におけるチューブおよびフィンを示す断面図である。 図６のＦ方向から見た矢視図（平面図）である。 図６のＧ方向から見た矢視図（下面図）である。

符号の説明

１００ 給湯器用熱交換器（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（突出部）

Claims (8)

1. 複数積層配置され、隣接する間を水蒸気を含む高温の気体が流通する扁平形状のチューブ（１１０）と、
   複数の前記チューブ（１１０）の間に介在されて、前記高温の気体の流通方向から見て、凹凸状に形成されるフィン（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前記高温の気体が流れ、前記チューブ（１１０）内に前記高温の気体より低温となる低温の流体を流通させて、前記高温の気体から顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して前記低温の流体を加熱する熱交換器であって、
   隣接し合う複数の前記チューブ（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複数の突出部（１２２）が設けられており、
   複数の前記突出部（１２２）の突出部配置密度は、前記高温の気体の流入側よりも流出側の方が疎となるように設定されたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記突出部（１２２）は、鎧戸状に形成されるルーバ（１２２）であり、
   前記ルーバ（１２２）のルーバピッチ（ＬＰ）を大きくすることで、前記突出部配置密度が疎となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 複数の前記チューブ（１１０）間に介在される前記フィン（１２０）のそれぞれは、一枚仕様として形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記フィン（１２０）のフィン配置密度は、前記高温の気体の流入側よりも流出側の方が疎となるように設定されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の熱交換器。
5. 凹凸状に形成される前記フィン（１２０）のフィンピッチ（ＦＰ）を大きくすることで、前記フィン配置密度が疎となるようにしたことを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
6. 複数積層配置され、隣接する間を水蒸気を含む高温の気体が流通する扁平形状のチューブ（１１０）と、
   複数の前記チューブ（１１０）の間に介在されて、前記高温の気体の流通方向から見て、凹凸状に形成されるフィン（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前記高温の気体が流れ、前記チューブ（１１０）内に前記高温の気体より低温となる低温の流体を流通させて、前記高温の気体から顕熱のみならず凝縮潜熱をも回収して前記低温の流体を加熱する熱交換器であって、
   前記フィン（１２０）のフィン配置密度は、前記高温の気体の流入側よりも流出側の方が疎となるように設定されたことを特徴とする熱交換器。
7. 凹凸状に形成される前記フィン（１２０）のフィンピッチ（ＦＰ）を大きくすることで、前記フィン配置密度が疎となるようにしたことを特徴とする請求項６に記載の熱交換器。
8. 前記高温の気体は、燃焼ガスであり、
   前記低温の流体は、給湯水であることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の熱交換器。

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