JP4306158B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気を含む高温の気体と低温の流体とを熱交換させて、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に係わり、特に給湯器用の熱交換器に用いて好適である。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば、特開平９−１２６５５４号公報に記載された熱交換装置がある。この熱交換装置は、燃焼ガスの凝縮潜熱を回収して給湯水を加熱する二次熱交換器を備えている。
この二次熱交換器の放熱性能を向上させるには、以下の方法が考えられる。
▲１▼フィンの伝熱面積を増大させる。
▲２▼フィンの表面上に発生する温度境界層の発達を抑制して熱伝達率の向上を図る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
とろこが、上記の二次熱交換器は、給湯水との熱交換により燃焼ガスの温度が露点温度まで低下して凝縮水が発生するため、以下の問題がある。
上記▲１▼の理由から、フィンの伝熱面積を大きく確保できる所謂ドロンカップタイプの熱交換器を使用した場合、熱交換器の小型化によりフィンピッチを小さくする、あるいはフィン高さを低くすると、フィンを挟んで隣合うチューブ同士の間に凝縮水が保持されて目詰まりを起こし易くなり、通風抵抗が増大する。
【０００４】
また、上記▲２▼の理由からフィンにルーバ等を設けることが一般的に行われるが、フィンピッチを小さくしたり、フィン高さを低くした上で、更にフィンにルーバを設けると、そのルーバにより凝縮水の排出が阻害されるため、性能低下を招く。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、凝縮水による目詰まりを生じることなく、放熱性能の向上を実現できる熱交換器を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
本発明は、チューブの外側を上方から下方へ向かって水蒸気を含む高温の気体が流れ、チューブ内の流体通路に高温の気体より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、フィンは、自身の表面から切り起こされて高温の気体が流れる中に突出する複数の切り起こし片を有し、この切り起こし片がフィンの上部側にのみ設けられている。
【０００６】
この構成では、フィンに設けた切り起こし片の作用により、高温の気体がフィン表面に誘導されるので、フィン表面上に発生する温度境界層の発達を抑制でき、熱伝達率の向上を図ることが可能である。
また、切り起こし片をフィンの上部側にのみ設けているので、高温の気体が凝縮して発生する凝縮水の排出が切り起こし片によって妨げられることがなく、凝縮水の目詰まりによる放熱性能の低下を防止できる。
【０００７】
また、フィンは、高温の気体から主に顕熱を回収する領域にのみ複数の切り起こし片が設けられている。
これにより、顕熱を回収する領域の熱伝達率を向上できる。また、高温の気体から主に凝縮潜熱を回収する領域には切り起こし片が設けられていないので、凝縮水の排出が切り起こし片によって妨げられることはない。
【０００８】
（請求項２の手段）
請求項１に記載した熱交換器において、
切り起こし片は、三角形状に切り起こされて高温の気体の流れ方向に対し傾斜して設けられ、その傾斜方向が異なる第１の切り起こし片と第２の切り起こし片とを有し、第１の切り起こし片と第２の切り起こし片とが高温の気体の流れ方向にて交互に設けられている。
【０００９】
この構成によれば、切り起こし片が高温の気体の流れ方向に対し傾斜しているので、高温の気体をフィン表面に誘導できる効果に加えて、更に高温の気体の流れに旋回流を発生させることができる。その結果、フィン表面上に発生する温度境界層の発達を更に抑制でき、熱伝達率の向上を図ることが可能である。
また、高温の気体の流れ方向に対し傾斜方向が異なる第１の切り起こし片と第２の切り起こし片とを高温の気体の流れ方向（フィンの上下方向）に交互に設けることで、旋回方向が異なる旋回流を交互に発生させることが可能である。その結果、フィン表面上における温度境界層の発生を抑制できるので、熱伝達率が向上して放熱性能の向上が可能になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は熱交換器１の正面図、図４は熱交換器１の側面図、図５は熱交換器１の上面図である。
本実施例の熱交換器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４及び図５に示す様に、複数のチューブ２をアウタフィン３と共に積層して構成される所謂ドロンカップタイプと呼ばれる熱交換器１であり、全体が組み立てられた後、一体ろう付けによって製造される。
【００１１】
チューブ２は、図６及び図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、内部にＵ字状の流水通路（本発明の流体通路）を形成する偏平管部２Ａ（図４参照）と、流水通路の両端に通じる一組のタンク部２Ｂ（図４参照）とが設けられ、このタンク部２Ｂに連通口２ｂが開口している。
【００１２】
２枚の伝熱プレート４は、第１の伝熱プレート４Ａ（図６参照）の周縁部に巻締め部４ａが設けられていること以外は略同一形状である。この２枚の伝熱プレート４は、図１（ｂ）に示す様に、第１の伝熱プレート４Ａの巻締め部４ａを第２の伝熱プレート４Ｂの内面側から外面側へ折り返して、第２の伝熱プレート４Ｂの端部を両側から挟み込む様に巻締めして組付けられ、両者の当接面４ｂがろう付けされる。
【００１３】
タンク部２Ｂは、偏平管部２Ａより厚み幅が大きく設けられ、そのタンク部２Ｂを形成する伝熱プレート４の外表面には、連通口２ｂの周囲にろう付け面となる平坦部２ｃ（図８及び図１０参照）が環状に設けられている。なお、タンク部２Ｂを形成している伝熱プレート４の断面形状（Ｂ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面、Ｄ−Ｄ断面）と、偏平管部２Ａを形成している伝熱プレート４の断面形状（Ｅ−Ｅ断面）を図８〜図１０に示す。
【００１４】
複数のチューブ２は、図４及び図５に示す様に、互いのタンク部２Ｂ同士を連ねて積層され、連通口２ｂの周囲に設けられる平坦部２ｃ同士が接合される。これにより、タンク部２Ｂに開口する連通口２ｂを通じて各チューブ２の流水通路が相互に連通している。なお、チューブ２の内部には、図１（ａ）に示す様に、伝熱面積を増大するためにインナフィン５を挿入しても良い。
【００１５】
積層方向の一端側に配されるチューブ２には、図５に示す様に、給湯水の給湯口６と出湯口７とがタンク部２Ｂに接合されている。また、積層方向の両端側には、それぞれ補強用のプレート８が接合されている。
タンク部２Ｂより厚み幅が薄い偏平管部２Ａでは、隣合う偏平管部２Ａ同士の間に略一定の幅を有する偏平な空間が形成され、その空間にアウタフィン３が配置される。
【００１６】
アウタフィン３は、図２（ａ）に示す様に、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウム等）の薄板材を凹凸状に交互に折り曲げて形成されるもので、その凹凸空間を燃焼ガスが上方から下方へ流れる様に配置され、偏平管部２Ａを形成する伝熱プレート４の表面にろう付けされる。
このアウタフィン３には、図１（ａ）及び図２（ａ）に示す様に、燃焼ガスが流入する入口側（燃焼ガスから主に顕熱を回収する領域）にのみ複数の切り起こし片（以下ウイング３ａと呼ぶ）が設けられている。なお、図２（ａ）に示すアウタフィン３では、伝熱プレート４に対するろう付け面３Ａにウイング３ａを設けているが、アウタフィン３の側面３Ｂに設けても良い。
【００１７】
ウイング３ａは、三角形の一辺を残してフィン表面から切り起こされ、燃焼ガスの流れ方向に対し傾斜して設けられている。また、フィン３の上下方向に連続する２個のウイング３ａは、図２（ｂ）に示す様に、燃焼ガスの流れ方向に対する傾斜方向が異なる様に切り起こされている。つまり、図２（ｂ）に示す上側のウイング３ａ（第１の切り起こし片）は、三角形の右側の一辺を残してフィン表面から切り起こされているのに対し、下側のウイング３ａ（第２の切り起こし片）は、三角形の左側の一辺を残してフィン表面から切り起こされている。
【００１８】
次に、本実施例の作用及び効果を説明する。
給湯水は、熱交換器１の給湯口６から各チューブ２の一方のタンク部２Ｂへ流入し、その一方のタンク部２Ｂから偏平管部２Ａに形成される流水通路を流れて他方のタンク部２Ｂへ流入し、その他方のタンク部２Ｂから出湯口７を通って流出する。
【００１９】
一方、燃焼ガスは、図３に示す様に、熱交換器１の上方から下方へ向かって流れ、熱交換器１を通過する際に給湯水と熱交換されて給湯水を加熱する。この時、燃焼ガスは、少なくとも熱交換器１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。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。
【００２０】
（本実施例の効果）
本実施例の熱交換器１は、アウタフィン３に設けたウイング３ａの作用により、燃焼ガスがフィン表面に誘導され、且つウイング３ａが燃焼ガスの流れ方向に対し傾斜しているので、燃焼ガスの流れに旋回流を発生させることができる。特に、アウタフィン３の上下方向に連続する２個のウイング３ａは、燃焼ガスの流れ方向に対する傾斜方向が異なる様に切り起こされているので、旋回方向が異なる旋回流を交互に発生させることが可能である。その結果、アウタフィン３の表面上に発生する温度境界層の発達を抑制できるので、熱伝達率が向上して放熱性能の向上を図ることができる。
【００２１】
また、ウイング３ａをアウタフィン３の上部側（燃焼ガスから顕熱を回収する領域）にのみ設けているので、燃焼ガスが凝縮して発生する凝縮水の排出がウイング３ａによって妨げられることがなく、凝縮水の目詰まりによる放熱性能の低下を防止できる。
なお、本実施例では、アウタフィン３に設ける切り起こし片として三角形状のウイング３ａを示したが、例えば図１１に示す様な矩形状のルーバ３ｂでも良い。
【００２２】
本実施例の熱交換器１は、給湯水と燃焼ガスとを熱交換させているが、給湯水と燃焼ガスとに限定されるものではない。但し、チューブ２の外側を流れる流体は、水蒸気を含んだ高温の気体であり、チューブ２の内部を流れる低温の流体との熱交換により凝縮して凝縮水を発生する温度域で使用されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）図３のＡ−Ａ断面図と、（ｂ）巻締め部の拡大断面図である。
【図２】（ａ）アウタフィンの斜視図と、（ｂ）ウイングの形状を示すろう付け面の正面図である。
【図３】熱交換器の正面図である。
【図４】熱交換器の側面図である。
【図５】熱交換器の上面図である。
【図６】第１の伝熱プレートの三面図である。
【図７】第２の伝熱プレートの三面図である。
【図８】図６に示す伝熱プレートのＢ−Ｂ断面図である。
【図９】図６に示す伝熱プレートのＥ−Ｅ断面図である。
【図１０】図６に示す伝熱プレートのＣ−Ｃ断面図（ａ）とＤ−Ｄ断面図（ｂ）である。
【図１１】ルーバを有するアウタフィンの斜視図である。
【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）
３ａ ウイング（切り起こし片）
３ｂ ルーバ（切り起こし片）

Claims (2)

1. 内部に流体通路を形成するチューブと、
   このチューブの外表面に接触して伝熱面積を増大するフィンとを備え、
   前記フィンを挟み込んで前記チューブを複数段に積層して構成され、前記チューブの外側を上方から下方へ向かって水蒸気を含む高温の気体が流れ、前記チューブ内の流体通路に前記高温の気体より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、
   前記フィンは、自身の表面から切り起こされて前記高温の気体が流れる中に突出する複数の切り起こし片を有し、この切り起こし片が前記フィンの上部側にのみ設けられ、
   前記フィンは、前記高温の気体から主に顕熱を回収する領域にのみ前記複数の切り起こし片が設けられていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載した熱交換器において、
   前記切り起こし片は、三角形状に切り起こされて前記高温の気体の流れ方向に対し傾斜して設けられ、その傾斜方向が異なる第１の切り起こし片と第２の切り起こし片とを有し、前記第１の切り起こし片と第２の切り起こし片とが前記高温の気体の流れ方向にて交互に設けられていることを特徴とする熱交換器。

Images