JP6190981B2

JP6190981B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6190981B2
Application number: JP2017023973A
Authority: JP
Inventors: 勇武長
Original assignee: 株式会社長府製作所
Priority date: 2017-02-13
Filing date: 2017-02-13
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: JP2017083169A

Description

本発明は、筺体内で、管内を流れる流体と筺体内に取り込んだ流体とを熱交換する熱交換器に関する。

管内を流れる流体と筺体内に取り込んだ流体とを熱交換する熱交換器は、筺体と管を非接触にする設計や、筺体と管の接触面積を小さくする設計が採用されている。これは、筺体内に取り込まれた流体が筺体と管の間を円滑に流れて筺体内全体に万遍無く流通するようにし、熱交換効率を高水準に保つためである。また、筺体内に取り込まれた流体が、水分を含む燃焼ガスであった場合に発生する結露水を外部に排出する必要のある熱交換器では、筺体の底部を排出口に向かう結露水の流れを管によって遮るのを防止する点でも前記設計は有効である。
そして、そのような設計がなされた具体例が例えば特許文献１に記載され、筺体内には、それぞれ直線部及び湾曲部を備えた複数の管が設けられている。

特開２００８−１５１４７４号公報

しかしながら、特許文献１の熱交換器では、管を筺体に接触しない状態で保つために支持体が用いられており、熱交換器を構成する部品点数が多くなるという課題があった。
また、熱交換効率の観点上、複数の管は、隣り合う直線部（管体部）と直線部、及び隣り合う湾曲部（ループ部）と湾曲部がそれぞれ所定の間隔で配置されるのが望ましいが、支持体は、管の位置決めを行う機能を備えていない。従って、新たに部材を設ける場合、その部材は、支持体に頼ることなく単体で、複数の管の隣り合う部位を所定の配置で保つ必要があり、構造が複雑となる。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされるもので、筺体に、管の隣り合う部位を所定の間隔で保つ機構を設けた熱交換器を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係る熱交換器は、複数の流路部を有する１又は２以上の管を備え、筺体内で該管内を流れる流体Ａと該筐体内に取り込まれた流体Ｂとを熱交換する熱交換器において、前記筺体は、底部と、該底部に対向して配置された天井板とを有し、前記流路部は前記天井板及び前記底部に対して平行なＸ方向に複数列並べられて配置され、該Ｘ方向に前記流路部を複数列並べた流路部群を、少なくとも３つ前記Ｘ方向に直交するＹ方向に並列に配置し、前記Ｙ方向両端の前記流路部群を除く前記流路部群は、該流路部群の前記Ｙ方向の凹凸形状に合わせて形成された波状支持体によって位置決めされ、前記波状支持体は、該波状支持体が取り付けられている前記流路部群の前記Ｙ方向一側に当接する波状片Ｃと、該波状支持体が取り付けられている前記流路部群の前記Ｙ方向他側に当接する波状片Ｄとを有し、前記Ｙ方向一端にある前記流路部群の複数の前記流路部それぞれに、前記Ｙ方向一端から２つ目の前記流路部群に取り付けられた前記波状支持体の前記波状片Ｃの前記Ｙ方向一側に突出した山部が前記Ｙ方向他側から当接し、前記Ｙ方向他端にある前記流路部群の複数の前記流路部それぞれに、前記Ｙ方向他端から２つ目の前記流路部群に取り付けられた前記波状支持体の前記波状片Ｄの前記Ｙ方向他側に突出した谷部が前記Ｙ方向一側から当接している。

本発明に係る熱交換器において、前記波状支持体は、棒材によって形成されているのが好ましい。

本発明に係る熱交換器によれば、Ｙ方向に流路部群を少なくとも３つ並列に配置し、Ｙ方向両端の流路部群を除く流路部群のＹ方向の凹凸形状に合わせて波状支持体を形成するので、波状支持体によって流路部を確実に位置決め可能である。

本発明に係る熱交換器において、波状支持体が、棒材によって形成されている場合、筺体内における流体Ｂの進行が波状支持体によって妨げられるのを抑制でき、更に、波状支持体の製造コストを抑制することができる。

本発明の一実施の形態に係る熱交換器の一部省略側断面図である。同熱交換器の天井板を取り除いた状態の一部省略平面図である。図１の一部省略Ｈ−Ｈ’矢視断面図である。（Ａ）、（Ｂ）は、波状支持体と流路部の位置関係を示す説明図である。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１〜図３に示すように、本発明の一実施の形態に係る熱交換器１０は、複数の流路部１１を有する１又は２以上の管２２を備え、筺体１２内で管２２内を流れる流体Ａと筺体１２内に取り込まれた流体Ｂとを熱交換する。以下、詳細に説明する。

箱状の筺体１２は、図１、図２に示すように、流体Ｂの一例である燃焼ガスを取り込む取込口１３が形成された底部（壁部Ｑの一例）１４と、燃焼ガスを排出する吹出口１５が形成された側壁部１６とを備えた管収容部材１７を有し、この管収容部材１７の上側に、天井板（壁部Ｐの一例）１８が固定されている。
側壁部１６は、平面視して、四角形状の底部１４を囲むように形成され、底部１４と一体化して形成されている。
なお、図２は、熱交換器１０から天井板１８を取り除いた状態が記載され、排出口１９の記載が省略されている。

底部１４は、図１に示すように、筺体１２内で発生し、底部１４に溜まったドレン水が、底部１４の一側に設けられた排出口１９に向かって流れるように、全体が傾斜して形成され、底部１４に対向して配置された天井板１８も、底部１４の傾斜角度と同じ角度で傾斜して配置されている。
底部１４には、図１、図２に示すように、筺体１２内へ突出する複数の突起２０（第２の突起）が形成され、天井板１８にも、図１、図３に示すように、筺体１２内に突出する複数の突起２１（第１の突起）が形成されている。なお、図３は、底部１４を取り除いた状態が記載されている。
本実施の形態では、図１〜図３に示すように、各突起２０は平面視して円形であり、各突起２１も筺体１２の底側から見て円形であるが、この形状に限定されるものではない。

側壁部１６には、吹出口１５の形成箇所とは別位置に、それぞれ流体Ａが流れる複数の管２２が固定されている。本実施の形態では、流体Ａは液体であり、具体的には水（湯を含む）であるが、不凍液であってもよい。各管２２は、水の流入側と水の流出側が、側壁部１６を貫通した状態で側壁部１６に固定され、筺体１２内にある部分が、水の筺体１２内を流れる距離を長くすべく螺旋状に巻かれている。
筺体１２外で各管２２に流入した水は、筺体１２内を通過中に筺体１２内の燃焼ガスによって加熱され、筺体１２の外に送り出される。
本実施の形態では、熱交換器１０は、図示しない顕熱熱交換器と共に用いられる潜熱熱交換器であり、燃焼ガスは、顕熱熱交換器を通過して水を加熱した後に、熱交換器１０に送られる。熱交換器１０で加熱され筺体１２外に送り出された水は、各管２２の流出側に連結された接続管２３（図２、図３参照）を介して顕熱熱交換器に送られ、更に加熱され、給湯用の湯として用いられる。

筺体１２内で螺旋状に巻かれた複数の管２２は、複数の管状の流路部１１が一体的に連結されて形成され、流路部１１は天井板１８及び底部１４に対して平行であるＸ方向に複数列（本実施の形態では、４列）、近接して並列に並べられて配置されている。
Ｘ方向は、天井板１８及び底部１４に対して傾斜していてもよく、例えば、３０°以下、好ましくは１０°以下の範囲で傾斜していてもよい。

各管２２が有する複数の流路部１１は、図１に示すように、Ｘ方向に流路部１１を４列並べた流路部群２４がＸ方向一側に、Ｘ方向に直交するＹ方向（本実施の形態では上下方向）に並列に３つ配置され、Ｘ方向他側に、同じく流路部１１をＸ方向に４列並べた流路部群２５がＹ方向に並列に３つ配置されている。
並列に並べられた３つの流路部群２４と同じく並列に並べられた３つの流路部群２５は、Ｘ方向に距離を有して配置され、上からＮ段目（Ｙ方向一端からＮ番目）の流路部群２４が上からＮ段目の流路部群２５より高く位置するように配置されている（Ｎ＝１、２、３）。
なお、流路部群２４（流路部群２５についても同じ）の各流路部１１は、Ｘ方向に隣り合う流路部１１が、異なる管２２の流路部１１である必要はなく、同じ管２２の流路部１１が隣り合って配置されていてもよい。また、Ｘ方向とＹ方向は、実質的に直交していればよく、Ｙ方向がＸ方向に直交する方向に対して、例えば、±３°の範囲で傾斜していてもよい。

天井板１８には、図３に示すように、複数の突起２１が近接して配された突起群２６、２７、２８が複数箇所（本実施の形態では、３箇所）に分散して配されている。このうち、複数（本実施の形態では、５つ）の突起２１からなる突起群２６は、Ｘ方向一側にあり、それぞれ複数（本実施の形態では、４つ）の突起２１からなる突起群２７、２８は、Ｘ方向他側に設けられている。

突起群２６にある５つの突起２１は、図１、図３に示すように、２つの突起２１が、最上段の（Ｙ方向一端にある）流路部群２４の流路部１１の片側に当接するように配置され、残りの３つの突起２１が、最上段の流路部群２４の流路部１１の両側に当接するように配置されている。突起群２６の５つの突起２１は、この配置によって、突起２１が当接している４つの流路部１１が所定のピッチで配置されるように、流路部１１のＸ方向の位置決めをしている。

また、突起群２７（突起群２８についても同じ）の４つの突起２１は、１つの突起２１が、最上段の流路部群２５の流路部１１の片側に当接するように配置され、残りの３つの突起２１が、最上段の流路部群２５の流路部１１の両側に当接するように配置されている。突起群２７の４つの突起２１は、この配置によって、突起２１が当接している４つの流路部１１が所定のピッチで配置されるように、流路部１１のＸ方向の位置決めをしている。

天井板１８は、図１に示すように、突起群２７、２８の形成箇所が筺体１２内に窪んで形成されている。これは、突起群２７、２８の突起２１の突出長を、突起群２６の突起２１より長くすることなく、突起群２７の突起２１及び突起群２８の突起２１が最上段の流路部群２５に当接するようにするためである。

また、筺体１２の底部１４にも、図２に示すように、複数の突起２０が近接して配された突起群２９、３０、３１が複数箇所（本実施の形態では、３箇所）に分散して配されている。このうち、それぞれ複数（本実施の形態では、４つ）の突起２０からなる突起群２９、３０は、Ｘ方向一側にあり、複数（本実施の形態では、４つ）の突起２０からなる突起群３１は、Ｘ方向他側に設けられている。

突起群２９（突起群３０についても同じ）にある４つの突起２０は、図１、図２に示すように、１つの突起２０が、最下段の（Ｙ方向他端にある）流路部群２４の流路部１１の片側に当接するように配置され、残りの３つの突起２０が、最下段の流路部群２４の流路部１１の両側に当接するように配置されている。突起群２９の４つの突起２０は、この配置によって、突起２０が当接している４つの流路部１１が所定のピッチで配置されるように、流路部１１のＸ方向の位置決めをしている。

突起群３１の４つの突起２０も、１つの突起２０が、最下段の流路部群２５の流路部１１の片側に当接し、残りの３つの突起２０が、最下段の流路部群２５の流路部１１の両側に当接するように配置され、突起２０が当接している４つの流路部１１のＸ方向の位置決めをしている。
本実施の形態では、両側から突起２０が当接している流路部１１は、流路部１１の長さ方向の異なる位置で両側から突起２０が当接しているが、流路部１１の長さ方向の同一位置で両側から突起２０が当接していてもよい。これは、両側から突起２１が当接している流路部１１についても同じである。

底部１４は、図１に示すように、突起群２９、３０の形成箇所が底上げして形成され、底上げがなされていない場合に比べて突起群２９、３０が上位置に配されるようにしている。これは、突起群２９、３０の突起２０の突出長を、突起群３１の突起２０より長くすることなく、最下段の流路部群２５に比べて上位置にある最下段の流路部群２４に、突起群２９の突起２０及び突起群３０の突起２０が当接するようにするためである。

また、図１〜図４に示すように、Ｙ方向に３段ある流路部群２４において最上段及び最下段を除く２段目の流路部群２４には、流路部群２４の各流路部１１のＸ方向の位置決めを行う波状支持体３２が取り付けられ、同じくＹ方向に３段ある流路部群２５において最上段及び最下段を除く２段目の流路部群２５には、流路部群２５の各流路部１１のＸ方向の位置決めを行う波状支持体３３が取り付けられている。

金属製の棒材を曲げ加工することによって形成される波状支持体３２（波状支持体３３についても同じ）はそれぞれ、図４（Ａ）に示すように、Ｘ方向に延びる波状片３４（波状片Ｃ）と、この波状片３４に連結され、波状片３４の下位置に配置された、同じくＸ方向に延びる波状片３５（波状片Ｄ）とを備えている。
そして、波状片３４は、図４（Ａ）に示すように、Ｘ方向に山部３６及び谷部３７が複数回繰り返され、波状片３５も、Ｘ方向に山部３８及び谷部３９が複数回繰り返されている。波状片３４の複数の山部３６は等ピッチで配置され、波状片３５の複数の谷部３９も等ピッチで配置され、波状片３４の各山部３６は、波状片３５の各谷部３９の上位置に設けられている。波状支持体３２は、この構成によって、波状支持体３２が取り付けられている流路部群２４のＹ方向の凹凸形状に合わせるように形成されている。

波状支持体３２は、図４（Ａ）に示すように、２段目の流路部群２４の４つの流路部１１に対し、上（Ｙ方向一側）から波状片３４の１の山部３６をそれぞれ当接させ、下（Ｙ方向他側）から波状片３５の１つの谷部３９をそれぞれ当接させて、その４つの流路部１１を挟んでいる。波状支持体３２は、この構成によって、２段目の流路部群２４の各流路部１１が、Ｘ方向に波状片３４の山部３６（波状片３５の谷部３９）の形成ピッチで配置されるように位置決めしている。

また、最上段の流路部群２４の４つの流路部１１に、上から２段目（Ｙ方向一端から２つ目）の流路部群２４に取り付けられた波状支持体３２の波状片３４の複数の山部３６がそれぞれ下から当接している。そして、最下段の流路部群２４の４つの流路部１１に、下から２段目（Ｙ方向他端から２つ目）の流路部群２４に取り付けられた波状支持体３２の波状片３５の複数の谷部３９がそれぞれ上から当接している。
従って、最上段の流路部群２４の各流路部１１は、図１に示すように、上から当接する突起群２６の突起２１と、下から当接する波状支持体３２とによって確実に固定された状態が保たれている。最下段の流路部群２４の各流路部１１も、上から当接する波状支持体３２と、下から当接する突起群２９の突起２０及び同じく下から当接する突起群３０の突起２０とによって、確実に固定されている。

最上段にある流路部群２４と２段目の流路部群２４の間、及び２段目の流路部群２４と最下段にある流路部群２４の間には、波状支持体３２の波状片３４、３５によってそれぞれ同じ間隔の隙間が確保されている。そして、最上段の流路部群２４は、突起群２６の突起２１によって、各流路部１１が天井板１８に部分的に接するように配置され、最下段の流路部群２４は、突起群２９、３０それぞれの突起２０によって、各流路部１１が底部１４に部分的に接するように配されている。
従って、天井板１８と最上段の流路部群２４の間、最上段の流路部群２４と２段目の流路部群２４の間、２段目の流路部群２４と最下段の流路部群２４の間、及び最下段の流路部群２４と底部１４との間を、燃焼ガスが円滑に流動可能な設計となっている。

波状支持体３３も波状支持体３２と同様に、図４（Ｂ）に示すように、２段目の流路部群２５の４つの流路部１１に対し、上から波状片３４の１つの山部３６をそれぞれ当接させ、下から波状片３５の１つの谷部３９をそれぞれ当接させて、その４つの流路部１１を挟み、各流路部１１がＸ方向に所定のピッチ（波状支持体３３の波状片３４の山部３６の形成ピッチ）で配置されるように位置決めする。

また、最上段の流路部群２５の４つの流路部１１に、２段目の流路部群２５（上から２段目の流路部群２５）に取り付けられた波状支持体３３の波状片３４の複数の山部３６がそれぞれ下から当接し、最下段の流路部群２５の４つの流路部１１に、２段目の流路部群２５（下から２段目の流路部群２５）に取り付けられた波状支持体３３の波状片３５の複数の谷部３９がそれぞれ上から当接している。
従って、最上段の流路部群２５の各流路部１１は、図１に示すように、上から当接する突起群２７の突起２１及び突起群２８の突起２１と、下から当接する波状支持体３３とによって確実に固定された状態が保たれている。最下段の流路部群２５の各流路部１１も、上から当接する波状支持体３３と、下から当接する突起群３１の突起２０とによって、確実に固定されている。

最上段にある流路部群２５と２段目の流路部群２５の間、及び２段目の流路部群２５と最下段にある流路部群２５の間には、波状支持体３３の波状片３４、３５によってそれぞれ同じ間隔の隙間が確保されている。そして、最上段の流路部群２５は、突起群２７の突起２１及び突起群２８の突起２１によって、各流路部１１が天井板１８に部分的に接するように配置され、最下段の流路部群２５は、突起群３１の突起２０によって、各流路部１１が底部１４に部分的に接するように配されている。
従って、天井板１８と最上段の流路部群２５の間、最上段の流路部群２５と２段目の流路部群２５の間、２段目の流路部群２５と最下段の流路部群２５の間、及び最下段の流路部群２５と底部１４との間を、燃焼ガスが円滑に流動可能な設計となっている。

本実施の形態では、図２、図３に示すように、間隔を空けて配置された２つの波状支持体３３と１つの波状支持体３２とが用いられているが、波状支持体３２、３３の数は、管２２の配置や長さに応じて変更される。
また、筺体１２の側壁部１６には、図１〜図３に示すように、それぞれ筺体１２の内側に突出し、波状支持体３２の位置決めをする２つの突出構造４０が形成され、波状支持体３２は、この２つの突出構造４０の間に配置されている。
そして、筺体１２内には、取込口１３から筺体１２内に入った燃焼ガスが、筺体１２内全体に万遍無く送られるようにするメッシュ状の整流板４１が設けられ、波状支持体３３は、一側が、この整流板４１に設けられた貫通孔４２に挿通されて、位置決めされている。

複数の突起２０、２１及び波状支持体３２、３３は、熱交換器１０が長年使用されても、複数の管２２が所定の配置を保てるようにしているのは言うまでもないが、熱交換器１０の製造工程で、複数の管２２が所定の配置に保たれた状態で筺体１２にろう付けされるようにする機能も兼用している。従って、複数の突起２０、２１及び波状支持体３２、３３は、複数の管２２をろう付けする際に、各管２２を位置決めする治具を別個に用いる必要がない点においても有効である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上記した形態に限定されるものでなく、要旨を逸脱しない条件の変更等は全て本発明の適用範囲である。
例えば、第１、第２の突起による流路部の位置決めや、波状支持体による流路部の位置決めは、潜熱熱交換器だけでなく、顕熱熱交換器や、単体で用いられる熱交換器に対しても採用可能である。
また、管は筺体内で螺旋状に巻かれている必要はなく、Ｘ方向に流路部が複数列並べられるものであれば、他の形状、例えば、直線状、クランク状に配管されていてもよい。
そして、流路部群の配列は、Ｙ方向に３列である必要はなく、１列、２列、あるいは、４列以上であってもよい。流路部のＸ方向の位置決めは、流路部群の配列がＹ方向に１列又は２列である場合、波状支持体を用いることなく、第１、第２の突起で行われ、流路部群の配列がＹ方向にＮ個（Ｎ≧４）の場合、Ｙ方向両端にある流路部群を除く、Ｎ−２個の流路部群それぞれに波状支持体が取り付けられる。
更に、管の配管によっては、第１、第２の突起が、それぞれ筺体の対向する側壁部に形成され、流路部の位置決めを行うように設計してもよい。
また、波状支持体は金属製に限らず、例えば、エンジニアリングプラスチックを素材にして形成することもでき、エンジニアリングプラスチックを用いる場合は、成形機により製造される。

１０：熱交換器、１１：流路部、１２：筺体、１３：取込口、１４：底部、１５：吹出口、１６：側壁部、１７：管収容部材、１８：天井板、１９：排出口、２０、２１：突起、２２：管、２３：接続管、２４、２５：流路部群、２６〜３１：突起群、３２、３３：波状支持体、３４、３５：波状片、３６：山部、３７：谷部、３８：山部、３９：谷部、４０：突出構造、４１：整流板、４２：貫通孔

Claims

複数の流路部を有する１又は２以上の管を備え、筺体内で該管内を流れる流体Ａと該筐体内に取り込まれた流体Ｂとを熱交換する熱交換器において、
前記筺体は、底部と、該底部に対向して配置された天井板とを有し、前記流路部は前記天井板及び前記底部に対して平行なＸ方向に複数列並べられて配置され、該Ｘ方向に前記流路部を複数列並べた流路部群を、少なくとも３つ前記Ｘ方向に直交するＹ方向に並列に配置し、前記Ｙ方向両端の前記流路部群を除く前記流路部群は、該流路部群の前記Ｙ方向の凹凸形状に合わせて形成された波状支持体によって位置決めされ、前記波状支持体は、該波状支持体が取り付けられている前記流路部群の前記Ｙ方向一側に当接する波状片Ｃと、該波状支持体が取り付けられている前記流路部群の前記Ｙ方向他側に当接する波状片Ｄとを有し、前記Ｙ方向一端にある前記流路部群の複数の前記流路部それぞれに、前記Ｙ方向一端から２つ目の前記流路部群に取り付けられた前記波状支持体の前記波状片Ｃの前記Ｙ方向一側に突出した山部が前記Ｙ方向他側から当接し、前記Ｙ方向他端にある前記流路部群の複数の前記流路部それぞれに、前記Ｙ方向他端から２つ目の前記流路部群に取り付けられた前記波状支持体の前記波状片Ｄの前記Ｙ方向他側に突出した谷部が前記Ｙ方向一側から当接していることを特徴とする熱交換器。
請求項１記載の熱交換器において、前記波状支持体は、棒材によって形成されていることを特徴とする熱交換器。