JP4148080B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器に関するものであり、給湯水と燃焼ガスとの間で熱交換を行う給湯器用熱交換器に適用して好適である。

従来の熱交換器として、特許文献１に示されるように、複数積層されるチューブの間にアウターフィンが介在され、チューブ内を流れる内部流体とアウターフィンを通過する外部流体（特許文献１中では燃焼ガス）との間で熱交換するものが知られている。

この熱交換器のチューブ内には、断面形状が凹凸状に形成され伝熱面積を増大させて内部流体に対する熱伝達率を向上させるインナーフィンが挿入されている。

尚、一般にチューブ内に挿入されるインナーフィンは、上記のように熱伝達率を向上させる共に、チューブ内圧によるチューブの変形、更にはアウターフィンの変形を抑制する強度部材としても機能する。
特開２００２−２６７２７２号公報

しかしながら、上記特許文献１においては、チューブの変形に対する細かな配慮はなされておらず、インナーフィンの凹凸状断面の配置については何ら開示されていない。

即ち、図８に示すように、インナーフィン１２０の凹凸状断面の形状によっては凹状部１２１および凸状部１２２に方向性ができ、チューブ１１０内での凹状部１２１および凸状部１２２の配置パターンが一定に成るとは限らない。よって、インナーフィン１２０の凹状部１２１（あるいは凸状部１２２の中空側）同士が互いに対向するような配置関係が形成される部位（図８中の矢印部および破線楕円部）においては、チューブ１１０のみの板厚で内圧を受ける形となり、ここが応力集中部位となってチューブ１１０が変形し、更にはアウターフィン１３０が変形すると言う問題があった。

本発明は、上記問題に鑑み、インナーフィンの凹凸状断面の配置を考慮することで、内圧によるチューブの変形、更にはアウターフィンの変形を防止でき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、内部に内部流体が流通し、複数積層されるチューブ（１１０）と、凹凸状断面が離散的に並ぶように形成され、チューブ（１１０）内に挿入されるインナーフィン（１２０）と、各チューブ（１１０）の間に介在されるアウターフィン（１３０）とを備え、内部流体とアウターフィン（１３０）を通過する外部流体との間で熱交換を行う熱交換器において、
チューブ（１１０）の積層方向から各インナーフィン（１２０）を投影して見た時に、凹凸状断面の凹状部（１２１）および凸状部（１２２）の位置がそれぞれ一致するように配置され、
インナーフィン（１２０）は、矩形状に形成されており、
凹状部（１２１）および凸状部（１２２）は、インナーフィン（１２０）の中心に対して点対称となるように配置され、
且つ、インナーフィン（１２０）の対角上の２箇所には、チューブ（１１０）に設けられたチューブ凸状部（１１１ｆ、１１１ｇ）と係合することで、チューブ（１１０）に対するインナーフィン（１２０）の表裏を規制する切欠き部（１２３）が設けられたことを特徴としている。

これにより、隣り合うチューブ（１１０）内のインナーフィン（１２０）において、一方のチューブ（１１０）の凹状部（１２１）の底部は、他方のチューブ（１１０）の凹状部（１２１）の中空側と対向し、また、凸状部（１２２）の中空側は、他方のチューブ（１１０）の凸状部（１２２）の天井部と対向する形となる。凹状部（１２１）および凸状部（１２２）の中空側においては、チューブ（１１０）は自身の板厚のみで内圧を受けることになるが、対向する側では、チューブ（１１０）にインナーフィン（１２０）の板厚が加わった形で、アウターフィン１３０を介して内圧を受け返すことができる。そして、この関係が複数積層されるチューブ（１１０）の全体に渡って形成されるので、内圧によって応力集中する部位を無くして、チューブ（１１０）の変形、更にはアウターフィン（１３０）の変形を防止することができる。

また、切欠き部（１２３）によって、インナーフィン（１２０）の表裏が確実に規制され、また、中心に対して１８０度反転しても、凹状部（１２１）および凸状部（１２２）の位置が同一となるようにすることができるので、インナーフィン（１２０）を複数のチューブ（１１０）に挿入する際に、容易に凹状部（１２１）および凸状部（１２２）の位置を一致させることができる。

また、インナーフィン（１２０）の凹凸状断面としては、請求項２に記載の発明のように、一方向に連続的にオフセットされたものとしたり、請求項３に記載の発明のように、凹凸状断面が連続する方向に対して垂直方向に千鳥状にオフセットされたものとするのが良く、内部流体側の熱伝達率向上に優れるインナーフィン（１２０）とすることができる。

更に、請求項４に記載の発明では、アウターフィン（１３０）は、薄板材を凹凸状に折り曲げて形成され、インナーフィン（１２０）およびアウターフィン（１３０）におけるそれぞれの凹凸状断面の側壁（１２４、１３２）は、互いに交差するように配置されたことを特徴としている。

これにより、インナーフィン（１２０）とアウターフィン（１３０）との間で、より強固に互いを支持し合うことができるので、チューブ（１１０）、更にはアウターフィン（１３０）の変形を効果的に防止することができる。

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、図２は給湯器用熱交換器１００の平面図および正面図、図３は図２のＡ−Ａ部における断面図、図４はチューブ１１０の正面図、図５はインナーフィン１２０の正面図、図６はインナーフィン１２０の外観斜視図である。

本発明の熱交換器は、給湯器に使用されて給湯水（本発明の内部流体に対応）と燃焼ガス（本発明の外部流体に対応）との間で熱交換を行う給湯器用熱交換器（以下、熱交換器）１００に適用したものであり、図１に示すように、複数のチューブ１１０が積層され、また各チューブ１１０の間にアウターフィン１３０が介在されることで形成される所謂ドロンカップタイプと呼ばれる熱交換器１００である。

この熱交換器１００は図２に示すように、チューブ１１０の長手方向が略水平と成る姿勢で使用されるようにしており、燃焼ガスは、上側から下側に向けて供給される。また、この熱交換器１００を構成する各部材（以下で説明）は、ここでは、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、一体でろう付けされている。

チューブ１１０は、図１、図３、図４に示すチューブプレート１１１とチューブプレート１１２とを２枚一組で最中合わせに接合することで形成されている。両チューブプレート１１１、１１２は、基本形状同一の絞り加工によって形成されており、その外周部にはフランジ部１１１ｂが設けられ、また内部には絞り形状の内側に突出して水平方向に延びる打ち出し部１１１ｃが設けられている。両チューブプレート１１１、１１２が最中合わせされた時に、このフランジ部１１１ｂおよび打出し部１１１ｃが、互いに当接するようにしている。

そして、互いに当接する打出し部１１１ｃはチューブ１１０内における仕切り壁１１３を形成し、チューブ１１０の一方の長手方向端部側（図４中の左側）で連通するＵ字状の流路、即ち上側流路１１４と下側流路１１５を形成している。この両流路１１４、１１５の形成される部位がチューブ１１０の扁平管部１１０ａを成している。両流路１１４、１１５は、チューブ１１０の他方の長手方向端部側（図４中の右側）に形成される一組のタンク部１１０ｂにそれぞれ通じており、このタンク部１１０ｂには連通口１１１ａが開口している。

両チューブプレート１１１、１１２は、上記説明のように同一の絞り形状としていることから、周縁部１１１ｅの断面形状も両者同一となっており、給湯水の内圧よって周縁部１１１ｅに作用する応力を両チューブプレート１１１、１１２共に、均等となるようにしている。また、チューブプレート１１２の外周部には複数の爪部１１２ａが設けられており、両チューブプレート１１１、１１２を組み合わせた後に、この爪部１１２ａをかしめることによってチューブ１１０の形状を保持するようにしている。

タンク部１１０ｂは、扁平管部１１０ａより厚み幅が大きく設けられ、そのタンク部１１０ｂを形成するチューブプレート１１１、１１２の外表面には、連通口１１１ａを囲むように平坦部１１１ｄが設けられている。また、タンク部１１０ｂの内部には、強度部材としての三日月状を成すブッシング１１６が挿入されている。

複数のチューブ１１０は、図１に示すように、互いのタンク部１１０ｂ同士が連ねて積層され、平坦部１１１ｄ同士が接合される。これにより、タンク部１１０ｂに開口する連通口１１１ａを通じて各チューブ１１０の流路１１４、１１５が相互に連通している。そして、チューブ１１０の内部には、伝熱面積を増大するためにインナーフィン１２０が挿入されている。本発明においては、このインナーフィン１２０に特徴部を持たせており、詳細については後述する。

アウターフィン（以下、フィン）１３０は、図１に示すように、全体形状として薄板材を凹凸状に折り曲げて形成されたもので、凹凸状断面の側壁１３２が図２中の天地方向に延びて、その凹凸状空間を燃焼ガスが流れるように配置され、チューブ１１０の扁平管部１１０ａの表面に接合されている。尚、フィン１３０の凹凸状部には切り起こし部１３１が燃焼ガスの流れ方向に複数設けられており、乱流効果による燃焼ガス側の熱伝達促進を図るようにしている。

そして、積層方向の一端側に配されるチューブ１１０には、図１、図２に示すように給湯水の給湯口１４０と出湯口１５０とがタンク部１１０ｂに接合されている。また、チューブ１１０の積層方向の両端側には、それぞれ補強プレート１６０が接合されている。

次に、本発明の要部について説明する。インナーフィン１２０は、図４〜図６に示すように、凹凸状断面が離散的に並ぶように形成されたもので、具体的には凹凸状断面の凹状部１２１、凸状部１２２が一方向に連続的にオフセットされるオフセットフィンとしている。このオフセットフィンにおけるセグメント１２４は、インナーフィン１２０の凹凸状断面の側壁に対応している。尚、凹状部１２１および凸状部１２２は、インナーフィン１２０の表側、裏側から見た時に互いに逆の位置関係となるが、ここでは、便宜上、図４〜図６において紙面に対して突出する側を凸状部１２２とし、凹む側を凹状部１２１としている（図３においては、左側に突出する側を凸状部１２２とし、他の部位を凹状部１２１としている）。

そして、凹状部１２１および凸状部１２２は、インナーフィン１２０の中心に対して点対称となるように配置されている（図４）。

また、インナーフィン１２０の外周の対角上には、切欠き部１２３を設けている。この切欠き部１２３は、チューブ１１０の一方の長手方向端部側における角Ｒ部１１１ｆと他方の長手方向端部側におけるＲ打出し部１１１ｇとの干渉を避けて係合すると共に、チューブ１１０内におけるインナーフィン１２０の表裏を規制する位置決め部として機能する。ここで、インナーフィン１２０の表裏を規制するというのは、チューブ１１０に対して、切欠き部１２３を図４に示す位置にすれば、各チューブ１１０におけるすべてのインナーフィン１２０の表裏が一方向に統一されることを意味する。尚、チューブ１１０の角Ｒ部１１１ｆおよびＲ打出し部１１１ｇは、本発明のチューブ凸状部に対応する。

そして、インナーフィン１２０は、セグメント１２４が図４に示すように、略水平方向を向くように配置されチューブ１１０内の上側流路１１４および下側流路１１５にそれぞれ挿入されている。尚、下側流路１１５に挿入されるインナーフィン１２０は、上側流路１１４に挿入されるインナーフィン１２０の表裏を反転して使用しており、基本的には同一の部材（共通仕様）としている。

このように本発明においては、上記のように凹状部１２１および凸状部１２２をインナーフィン１２０の中心に対して点対称に配置すること、および切欠き部１２３による位置決めを行うことにより、図３に示すように、複数積層されるチューブ１１０の積層方向からインナーフィン１２０を投影して見た時に、凹状部１２１および凸状部１２２の位置がそれぞれ一致するように配置される。

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１４０から各チューブ１１０の一方のタンク部１１０ｂへ流入し、その一方のタンク部１１０ｂから扁平管部１１０ａに形成される下側流路１１５および上側流路１１４を流れて他方のタンク部１１０ｂへ流入し、その他方のタンク部１１０ｂから出湯口１５０を通って流出する。

一方、燃焼ガスは、図２に示すように、熱交換器１００の上方から下方へ向かって流れ、熱交換器１００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、少なくとも熱交換器１００の出口側で露点温度以下（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。

ところで、「発明が解決しようとする課題」の項で説明したように、給湯水がチューブ１１０内を流通することによりチューブ１１０には内圧が作用し、剛性の低い部位があるとそこに応力が集中してチューブ１１０、更にはフィン１３０が変形してしまう場合があるが、本発明においては、インナーフィン１２０の凹状部１２１および凸状部１２２の位置をチューブ１２０の積層方向にそれぞれ一致するようにしているので、その変形を防止することができるようになる。

即ち、図３に示すように、隣り合うチューブ１１０内のインナーフィン１２０において、一方のチューブ１１０の凹状部１２１の底部は、他方のチューブ１１０の凹状部１２１の中空側と対向し、また、凸状部１２２の中空側は、他方のチューブ１１０の凸状部１２２の天井部と対向する形となる。凹状部１２１および凸状部１２２の中空側においては、チューブ１１０は自身の板厚のみで内圧を受けることになるが、対向する側では、チューブ１１０にインナーフィン１２０の板厚が加わった形で、フィン１３０を介して内圧を受け返すことができる。そして、この関係が複数積層されるチューブ１１０の全体に渡って形成されるので、内圧によって応力集中する部位を無くして、チューブ１１０の変形、更にはフィン１３０の変形を防止することができる訳である。

そして、本発明においては、インナーフィン１２０に、チューブ１１０に対するインナーフィン１２０の表裏を規制する位置決め部を設け、且つ、凹状部１２１および凸状部１２２が、インナーフィン１２０の中心に対して点対称となるように配置しているので、インナーフィン１２０の表裏が確実に規制され、また、中心に対して１８０度反転しても、凹状部１２１および凸状部１２２の位置が同一となるようにすることができ、インナーフィン１２０を複数のチューブ１１０に挿入する際に、容易に凹状部１２１および凸状部１２２の位置を一致させることができる。

尚、位置決め部１２３は、インナーフィン１２０の対角上に設けられ、チューブ凸状部（角Ｒ部１１１ｆ、Ｒ打出し部１１１ｇ）と係合する切欠き部１２３として形成しており、容易に形成することができる。

また、インナーフィン１２０は、凹凸状断面が一方向に連続的にオフセットされたオフセットフィンとしているので、上記のような変形防止を可能とすると共に、給湯水側の熱伝達率向上に優れるインナーフィン１２０とすることができる。

更に、インナーフィン１２０およびフィン１３０におけるそれぞれの凹凸状断面の側壁１２４、１３２が、互いに交差するように配置しているので、インナーフィン１２０とフィン１３０との間で、より強固に互いを支持し合うことができ、チューブ１１０、更にはフィン１３０の変形を効果的に防止することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対してチューブ１１０内に配設するインナーフィン１２０のタイプを変更したものである。

インナーフィン１２０の凹凸状断面形状については、図７に示すように、凹凸状断面の連続する方向（図７中の上下方向）に対して垂直方向（図７中の左右方向）に千鳥状にオフセットされたオフセットフィンとしても良く、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態においては、本発明の熱交換器を給湯器用熱交換器に適用したものとして説明したが、これに限らず、オイルクーラ、インタークーラ等その他の熱交換器にも広く適用可能である。

また、インナーフィン１２０の位置決め部は、切欠き部１２３に限らず、表裏のいずれかを識別可能とするマーキング等としても良い。

また、インナーフィン１２０は、上記で説明したオフセットフィンに限らず、ストレートフィンの側壁に開口部を有するものとしても良い。

また、チューブ１１０は、上側流路１１４および下側流路１１５を有するＵターンタイプのチューブとして説明したが、これに限らず、ストレートタイプのチューブとしても良い。

更に、内部流体（給湯水）および外部流体（燃焼ガス）の流れ方向をそれぞれ水平方向および天地方向として説明したが、両者の流れ方向は互いに逆（内部流体が天地方向、外部流体が水平方向）と成っても良い。

第１実施形態における給湯器用熱交換器を示す平面図である。 図１における給湯器用熱交換器を示す正面図である。 図２のＡ−Ａ部における断面を示す断面図である。 チューブを示す正面図である。 インナーフィンを示す正面図である。 インナーフィンの外観を示す斜視図である。 第２実施形態におけるインナーフィンの外観を示す斜視図である。 従来技術の熱交換器における内圧による応力集中部位を示す断面図である。

符号の説明

１００ 給湯器用熱交換器（熱交換器）
１１０ チューブ
１１１ｆ 角Ｒ部（チューブ凸状部）
１１１ｇ Ｒ打出し部（チューブ凸状部）
１２０ インナーフィン
１２１ 凹状部
１２２ 凸状部
１２３ 切欠き部（位置決め部）
１２４ セグメント（側壁）
１３０ アウターフィン
１３２ 側壁

Claims (4)

1. 内部に内部流体が流通し、複数積層されるチューブ（１１０）と、
   凹凸状断面が離散的に並ぶように形成され、前記チューブ（１１０）内に挿入されるインナーフィン（１２０）と、
   各前記チューブ（１１０）の間に介在されるアウターフィン（１３０）とを備え、
   前記内部流体と前記アウターフィン（１３０）を通過する外部流体との間で熱交換を行う熱交換器において、
   前記チューブ（１１０）の積層方向から各前記インナーフィン（１２０）を投影して見た時に、前記凹凸状断面の凹状部（１２１）および凸状部（１２２）の位置がそれぞれ一致するように配置され、
   前記インナーフィン（１２０）は、矩形状に形成されており、
   前記凹状部（１２１）および前記凸状部（１２２）は、前記インナーフィン（１２０）の中心に対して点対称となるように配置され、
   且つ、前記インナーフィン（１２０）の対角上の２箇所には、前記チューブ（１１０）に設けられたチューブ凸状部（１１１ｆ、１１１ｇ）と係合することで、前記チューブ（１１０）に対する前記インナーフィン（１２０）の表裏を規制する切欠き部（１２３）が設けられたことを特徴とする熱交換器。
2. 前記インナーフィン（１２０）の前記凹凸状断面は、一方向に連続的にオフセットされたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記インナーフィン（１２０）の前記凹凸状断面は、その連続する方向に対して垂直方向に千鳥状にオフセットされたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記アウターフィン（１３０）は、薄板材を凹凸状に折り曲げて形成され、
   前記インナーフィン（１２０）および前記アウターフィン（１３０）におけるそれぞれの凹凸状断面の側壁（１２４、１３２）は、互いに交差するように配置されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器。

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