JP6357480B2 - フィン−チューブ方式の熱交換器 - Google Patents
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Description
本発明はチューブの外側面に伝熱フィンが結合されてチューブの内部を流れる熱媒体と燃焼生成物の間に熱交換が行われるフィン−チューブ方式の熱交換器に関するものであり、より詳しくは、チューブの内部を流れる熱媒体と伝熱フィンの間を通過する燃焼生成物の乱流を促進することで騒音発生を抑制し熱効率を向上したフィン−チューブ方式の熱交換器に関するものである。
一般に、暖房装置は燃料の燃焼による燃焼性生物と熱媒体（暖房水）間の熱交換が行われる熱交換器を具備することで加熱された熱媒体を利用して暖房を行うか温水を供給する。
従来のフィン−チューブ方式の熱交換器は熱媒体が内部空間に沿って流れるチューブとその表面に突出された形状の伝熱フィンが結合された構造で形成されている。
従来のフィン−チューブ方式の熱交換器は熱媒体が内部空間に沿って流れるチューブとその表面に突出された形状の伝熱フィンが結合された構造で形成されている。
図１と図２を参照する。従来のフィン−チューブ方式の熱交換器１は、長方形の断面を有する多数のチューブ１０の外側面に複数の伝熱板２０が一定間隔に並んで結合され、前記伝熱フィン２０にはチューブ１０の形状に対応する多数の挿入孔２１が形成されてその内側にチューブ１０が挿入され、チューブ１０の外側面と挿入孔２１が接触する部分は溶接結合される。前記伝熱フィン２０が結合されたチューブ１０の両先端にはエンドプレート３０，４０が接合連結され、前記エンドプレート３０，４０にはチューブ１０の形状に対応する多数の挿入孔３１，４１が形成されてその内側にチューブ１０の両先端が挿入されてから溶接結合される。前記エンドプレート３０の前方側には流路キャップ５０，５１，５２，５３が結合され、前記エンドプレート４０の後方側には流路キャップ６０，６１，６２が結合されてチューブ１０の内部を流れる熱媒体の流路を転換する。そして、前記流路キャップ５１，５３には熱媒体の流入口５１ａと流出口５３ａがそれぞれ形成されている。
このようなフィン−チューブ方式の熱交換器は他の方式の熱交換器に比べ熱交換効率が高く構造が簡単で小型でコンパクトに製作することができ、量産性が高いためボイラ、エアコンなど家庭用と産業法に広く使用されている。また、フィン−チューブ方式の熱交換器は小型であると共に伝熱面積を広く確保することができるためハイフィンやベローズを適用した熱交換器に比べ熱効率性が優秀な長所がある。
しかし、従来のフィン−チューブ方式の熱交換器は、図３に示したようにバーナー７０の燃焼によって発生した燃焼生成物が流入される側に位置するチューブ１０の下端部１０ａが局部的に過熱されてチューブ１０の内部を通過する熱媒体に気泡Ｂが発生して沸騰騒音を誘発する問題があり、チューブ１０内部の流れが停滞した領域では熱媒体に含まれたカルシウムなどの異物が固着して熱交換器の効率を深刻に落とし、ひどい場合にはその部分が過熱によって損傷する問題を発生する。
このような問題を解決するための先行技術として、特許文献１にはチューブ（暖房管）の内部に暖房水の流路を変更するために一定角度で傾斜した多数のブレードが挿設された熱交換器の沸騰防止部材が開示されており、特許文献２にはチューブ内部表面の一定区間にらせん状の溝を形成して暖房水が通過しながら回転して暖房水が混合されるようにするらせん状の溝が形成されたチューブ（暖房管）が開示されている。
しかし、このような従来技術はチューブの断面が円形に構成された場合に適用可能であって、熱交換効率を更に上げて高効率のコンパクトは熱交換器を開発するために円形のチューブに代わって単位通過面積対比の伝熱面積が広い長方形のチューブを使用する場合には、前記従来技術に開示された沸騰防止部材やらせん状の溝を長方形比が大きいチューブの内部に構成することが容易ではないため適用することができない実情である。
しかし、このような従来技術はチューブの断面が円形に構成された場合に適用可能であって、熱交換効率を更に上げて高効率のコンパクトは熱交換器を開発するために円形のチューブに代わって単位通過面積対比の伝熱面積が広い長方形のチューブを使用する場合には、前記従来技術に開示された沸騰防止部材やらせん状の溝を長方形比が大きいチューブの内部に構成することが容易ではないため適用することができない実情である。
一方、図４を参照すると、従来のフィン−チューブ方式の熱交換器は伝熱フィン２０が平板状に形成され、隣接して並んで配置された伝熱フィン２０の間を燃焼生成物が直線方向に通過するように構成されている。この場合、図５に示したように燃焼生成物が伝熱フィン２０に接触される部分の温度は、燃焼生成物が流入される伝熱フィン２０の最初の先端から一定区間ＡにわたってはＴ∞に維持されてからその後燃焼生成物の温度がＴ０になるが、このように燃焼生成物の温度がＴ０で始まる地点を温度境界層形成地点Ｂと称する。温度境界層形成地点Ｂの後は燃焼生成物が伝熱フィン２０に接触される地点の温度がＴ０になり、燃焼生成物が前記伝熱フィン２０から遠くなるほど流体の温度がＴ∞になるまで増加する。
この場合、燃焼生成物の温度がより低い地点は図５の斜線部分になる。よって、伝熱フィン２０を平板に加工する場合、温度境界層形成地点Ｂの後の領域では熱交換効率が落ち、温度境界層形成地点Ｂを伝熱フィン２０の最初の先端から遠く離れるように形成するために伝熱フィン２０の間の間隔を狭く形成する場合には燃焼生成物の流動抵抗が大きくなって熱効率が低下する問題点がある。
この場合、燃焼生成物の温度がより低い地点は図５の斜線部分になる。よって、伝熱フィン２０を平板に加工する場合、温度境界層形成地点Ｂの後の領域では熱交換効率が落ち、温度境界層形成地点Ｂを伝熱フィン２０の最初の先端から遠く離れるように形成するために伝熱フィン２０の間の間隔を狭く形成する場合には燃焼生成物の流動抵抗が大きくなって熱効率が低下する問題点がある。
本発明は前記のような問題点を解決するために案出されたものであって、フィン−チューブ方式の熱交換器でチューブの内部を流れる熱媒体の流動に乱流の発生を促進することでチューブの局部的な過熱による沸騰騒音及び熱媒体内に含まれた異物の固着によって誘発される熱効率の低下及びチューブの損傷を防止するフィン−チューブ方式の熱交換器を提供することにその目的がある。
本発明の他の目的は、伝熱フィンの間を通過する燃焼生成物の流れを多様な方向に誘導して燃焼生成物の乱流の発生を促進することで熱交換効率を向上するフィン−チューブ方式の熱交換器を提供することにある。
本発明の他の目的は、伝熱フィンの間を通過する燃焼生成物の流れを多様な方向に誘導して燃焼生成物の乱流の発生を促進することで熱交換効率を向上するフィン−チューブ方式の熱交換器を提供することにある。
上述したような目的を具現するための本発明のフィン−チューブ方式の熱交換器は、内部に熱媒体が流れ、一定間隔に並んで配置されてその間の空間に燃焼生成物が通過するチューブ１１０と、前記燃焼生成物の流れの方向と平行するように前記チューブ１１０の外側面に長さ方向に沿って離隔されて結合された伝熱フィン１５０と、を含むフィン−チューブ方式の熱交換器において、前記チューブ１１０の内部には熱媒体の流れを乱流化するための第１乱流発生部材１３０が設置され、前記第１乱流発生部材１３０は、前記チューブ１１０の内部空間を左右に分割し前記チューブ１１０の長さ方向に配置された平板部１３１と、前記平板部１３１の一側面に形成された第１ガイド片１３２と、前記平板部１３１の他側面に形成される第２ガイド片１３３と、を含んで構成されることを特徴とする。
この場合、前記第１ガイド片１３２は前記平板部１３１の前記一側面に熱媒体の流動が上を向くように傾斜して配置され、前記第２ガイド片１３３は前記平板部１３１の前記他側面に熱媒体の流動が下を向くように傾斜して配置され、前記第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３に流入された熱媒体はそれぞれ前記平板部１３１の反対側面に隣接して配置された第２ガイド片１３３と第１ガイド片１３２に順次に引き継がれて前記平板部１３１の両側空間を交互に流動するように構成される。
また、前記第１ガイド片１３２の熱媒体流入端は第１連結片１３２ａによって前記平板部１３１の下端に連結されると共に前記平板部１３１の下端と第１連結片１３２ａ及び第１ガイド片１３２との間に平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われる第１疎通口１３２ｂが設けられ、前記第１ガイド片３１２の熱媒体の排出端は前記平板部１３１の上端に近接した高さに位置し、前記第２ガイド片１３３の熱媒体流入端は第２連結片１３３ａによって前記平板部１３１の上端に連結されると共に前記平板部１３１の上端と第２連結片１３３ａ及び第２ガイド片１３３の間に平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われる第２疎通口１３３ｂが設けられ、前記第２ガイド片１３３の熱媒体排出端は前記平板部１３１の下端に近接した高さに位置するように構成される。
また、前記第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３は前記平板部１３１の一部が切開されてそれぞれ前記平板部１３１の両側に折曲され、前記第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３の切開された部分を介して前記平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われるように構成される。
また、前記平板部１３１の前記一側面には前記第１ガイド片１３２と互いに異なる角度の勾配を有して交差する第３ガイド片１３４が突出形成され、前記平板部１３１の前記他側面には前記第２ガイド片１３３と互いに異なる角度の勾配を有して交差する第４ガイド片１３５が突出形成されるように構成される。
前記平板部１３１の先端部には、溶接部１３６が前記平板部１３１の前記一側面に突出して、チューブ１１０の一側の内側面に接して溶接結合され、前記平板部１３１の後端部には、溶接部１３７が前記平板部１３１の前記他側面に突出して、チューブ１１０の他側の内側面に接して溶接結合されるように構成される。
また、前記チューブ１１０の両側には熱媒体の流入管１２０ａと流出管１２０ｂが配置され、前記流入管１２０ａと流出間１２０ｂの内部には熱媒体の流れを乱流化するための第２乱流発生部材１４０が設置され、前記第２乱流発生部材１４０は、前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部を上下に分割し前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの長さ方向に配置されたプレート部材１４１と、前記熱媒体の流れの方向に沿って隣接して配置されて前記プレート部材１４１の一部が切開されて傾斜して折曲された第１傾斜部１４４と、第２傾斜部１４５と、を含んで構成される。
また、前記熱媒体の流動方向に沿って隣接して配置される第１傾斜部１４４と第２傾斜部１４５はそれぞれ傾斜した方向が上と下を交互に向くように形成される。
また、前記伝熱フィン１５０には隣接して配置される伝熱フィン１５０の間に投入される燃焼生成物の流れの方向に沿って互いに異なる大きさと傾斜を有する複数のラバーリング１５５，１５６，１５７が形成されるように構成される。
また、前記複数のラバーリング１５５，１５６，１５７は前記伝熱フィン１５０の一部が切開されて一側に折曲されて形成され、前記伝熱フィン１５０の切開された部分を介して前記伝熱フィン１５０の両側に流体疎通が行われるように構成される。
また、前記ラバーリング１５５，１５６，１５７は前記燃焼生成物の温度境界点Ｂ以降の領域に形成されるように構成される。
また、前記チューブ１１０は燃焼生成物の流動方向と平行する辺の長さが燃焼生成物の流入側及び流出側の辺の長さより長く形成される長方形の断面構造に形成される。
本発明によるフィン−チューブ方式の熱交換器によると、チューブと熱媒体流入管及び流出管の内部に熱媒体の流動方向を変化する第１乱流発生部材と第２乱流発生部材を具備することによって熱媒体の流動に乱流の発生を促進することで、チューブの局部的過熱及びそれによる熱媒体内に含まれた異物が固形化及び沈積することで誘発される沸騰騒音の発生及び熱効率の低下を防止することができる。
また、伝熱フィンに互いに異なる大きさと傾斜角を有する多数のラバーリングを燃焼生成物の投入方向に沿って交互に具備することで乱流発生を促進して熱交換効率を向上することができ、前記ラバーリングを伝熱フィンの温度境界点の後方領域にのみ形成することで伝熱フィンの全体領域にわたってラバーリングを形成する場合に比べ燃焼生成物の流動抵抗を減少すると共にラバーリングの加工に所要される時間及びコストを節減することができる。
また、従来の熱交換器に比べチューブの設置個数を減らしても熱交換効率を上げることができ、熱交換器の全体体積を減らすことができるため熱交換器を小型に製作することができる。
また、伝熱フィンに互いに異なる大きさと傾斜角を有する多数のラバーリングを燃焼生成物の投入方向に沿って交互に具備することで乱流発生を促進して熱交換効率を向上することができ、前記ラバーリングを伝熱フィンの温度境界点の後方領域にのみ形成することで伝熱フィンの全体領域にわたってラバーリングを形成する場合に比べ燃焼生成物の流動抵抗を減少すると共にラバーリングの加工に所要される時間及びコストを節減することができる。
また、従来の熱交換器に比べチューブの設置個数を減らしても熱交換効率を上げることができ、熱交換器の全体体積を減らすことができるため熱交換器を小型に製作することができる。
以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施例に関する構成及び作用を詳細に説明する。
図６と図７は本発明によるフィン−チューブ方式の熱交換器を互いに異なる方向から眺めた斜視図であり、図８は図６の分解斜視図であり、図９は図６のＡ−Ａ線による断面図である。
本発明によるフィン−チューブ方式の熱交換器１００は、熱交換器１００の内部を経由するように設置される熱媒体の流入管１２０ａとチューブ１１０及び熱媒体の流出管１２０ｂの内部を通過する熱媒体の流動に乱流を発生して局部的過熱によって引き起こされる熱媒体の沸騰及び異物の固着を防止すると共に、伝熱フィン１５０の間を通過する燃焼生成物の流れに乱流を発生して燃焼生成物と伝熱フィン１５０の間の熱交換効率を向上するように構成されることを特徴とする。以下、熱交換器１００の全体構成を先に説明し、熱媒体と燃焼生成物の乱流発生を促進するための本発明の特徴的構成に関する詳細な説明は後述する。
本発明によるフィン−チューブ方式の熱交換器１００は、熱交換器１００の内部を経由するように設置される熱媒体の流入管１２０ａとチューブ１１０及び熱媒体の流出管１２０ｂの内部を通過する熱媒体の流動に乱流を発生して局部的過熱によって引き起こされる熱媒体の沸騰及び異物の固着を防止すると共に、伝熱フィン１５０の間を通過する燃焼生成物の流れに乱流を発生して燃焼生成物と伝熱フィン１５０の間の熱交換効率を向上するように構成されることを特徴とする。以下、熱交換器１００の全体構成を先に説明し、熱媒体と燃焼生成物の乱流発生を促進するための本発明の特徴的構成に関する詳細な説明は後述する。
図６乃至図９を参照する。熱媒体が内部を通過する複数のチューブ１１０が一定間隔に並んで配置され、前記複数のチューブ１１０の両側には熱媒体の流入管１２０ａと流出管１２０ｂが配置され、前記複数のチューブ１１０と流入管１２０ａ及び流出管１２０ｂの外側面には多数個の伝熱フィン１５０が長さ方向に沿って一定間隔に結合される。図１４を参照する。前記伝熱フィン１５０にはチューブ１１０と流入管１２０ａ及び流出管１２０ｂが挿入されて結合されるようにチューブ挿入孔１５２と流入管挿入孔１５３及び流出管挿入孔１５４が形成されている。
前記チューブ１１０は伝熱面積を広く確保するために燃焼生成物の流動方向と平行する辺の長さが燃焼生成物の流入側及び排出側の辺の長さより長く形成された長方形の断面構造に構成されることが好ましい。
前記熱交換器１００を循環する熱媒体の流動に乱流発生を促進するための構成として、前記複数のチューブ１１０の内部には第１乱流発生部材１３０が結合され、前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部には第２乱流発生部材１４０が結合される。
前記チューブ１１０は伝熱面積を広く確保するために燃焼生成物の流動方向と平行する辺の長さが燃焼生成物の流入側及び排出側の辺の長さより長く形成された長方形の断面構造に構成されることが好ましい。
前記熱交換器１００を循環する熱媒体の流動に乱流発生を促進するための構成として、前記複数のチューブ１１０の内部には第１乱流発生部材１３０が結合され、前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部には第２乱流発生部材１４０が結合される。
本実施例において、前記第１乱流発生部材１３０は長方形構造のチューブ１１０を通過する熱媒体の乱流形成に適合した構造で形成され、前記第２乱流発生部材１４０は円形構造の流入管１２０ａと流出管１２０ｂを通過する熱媒体の乱流形成に適合した構造で形成されるが、その具体的な構成は後述する。
前記伝熱フィン１５０が結合されたチューブ１１０の両側端はエンドプレート１６０，１７０に接合連結され、前記エンドプレート１６０，１７０には前記チューブ１１０の形状に対応する多数の挿入孔１６１，１７１が形成されている。また、前方側に位置するエンドプレート１６０には流入管１２０ａと流出管１２０ｂの一側端が貫通する挿入孔１６２，１６３が形成され、後方側に位置するエンドプレート１７０には流入管１２０ａと流出管１２０ｂの他側端が接合連結される挿入孔１７２，１７３が形成されている。前記チューブ１１０の両端はエンドプレート１６０，１７０の挿入孔１６１，１７１に挿入されてから溶接結合され、前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの前方側の外周面と後端はそれぞれエンドプレート１６０，１７０の挿入孔１６２，１６３，１７２，１７３に挿入されてから溶接結合される。
前記エンドプレート１６０の前方側には流路キャップ１８０，１８１，１８２が結合され、前記エンドプレート１７０の後方側には流路キャップ１９０，１９１，１９２，１９３が結合される。図９に示したように、流入管１２０ａを介して流入された熱媒体は前記流露キャップ１８０，１９０によって流路が前方から後方に、そして後方から前方に交互に転換されて多数のチューブ１１０を順次に経由してから流出口１２０ｂを介して排出され、このような流動過程で燃焼生成物との熱交換によって加熱される。
前記伝熱フィン１５０が結合されたチューブ１１０の両側端はエンドプレート１６０，１７０に接合連結され、前記エンドプレート１６０，１７０には前記チューブ１１０の形状に対応する多数の挿入孔１６１，１７１が形成されている。また、前方側に位置するエンドプレート１６０には流入管１２０ａと流出管１２０ｂの一側端が貫通する挿入孔１６２，１６３が形成され、後方側に位置するエンドプレート１７０には流入管１２０ａと流出管１２０ｂの他側端が接合連結される挿入孔１７２，１７３が形成されている。前記チューブ１１０の両端はエンドプレート１６０，１７０の挿入孔１６１，１７１に挿入されてから溶接結合され、前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの前方側の外周面と後端はそれぞれエンドプレート１６０，１７０の挿入孔１６２，１６３，１７２，１７３に挿入されてから溶接結合される。
前記エンドプレート１６０の前方側には流路キャップ１８０，１８１，１８２が結合され、前記エンドプレート１７０の後方側には流路キャップ１９０，１９１，１９２，１９３が結合される。図９に示したように、流入管１２０ａを介して流入された熱媒体は前記流露キャップ１８０，１９０によって流路が前方から後方に、そして後方から前方に交互に転換されて多数のチューブ１１０を順次に経由してから流出口１２０ｂを介して排出され、このような流動過程で燃焼生成物との熱交換によって加熱される。
以下、図１０と図１１を参照してチューブ１１０の内部に設置される第１乱流発生部材１３０の構成及び作用を説明する。図１０はチューブの内部に設置される第１乱流発生部材及び熱媒体の流れを示す斜視図であり、図１１はチューブの内部に第１乱流発生部材が結合された様子を示す断面図である。
前記第１乱流発生部材１３０はチューブ１１０の内部に沿って流れる熱媒体の流動に乱流を発生して燃焼生成物の流入側に位置するチューブ１１０の局部的加熱を防止することで沸騰騒音と異物の固着を防止する役割をする。
そのための構成として、前記第１乱流発生部材１３０はチューブ１１０の内部空間を両側に分割しチューブ１１０の長さ方向に配置された平板部１３１と、前記平板部１３１の両側面に平板部１３１の長さ方向に沿って離隔されて第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３が傾斜して配置された構造に形成されている。
前記第１乱流発生部材１３０はチューブ１１０の内部に沿って流れる熱媒体の流動に乱流を発生して燃焼生成物の流入側に位置するチューブ１１０の局部的加熱を防止することで沸騰騒音と異物の固着を防止する役割をする。
そのための構成として、前記第１乱流発生部材１３０はチューブ１１０の内部空間を両側に分割しチューブ１１０の長さ方向に配置された平板部１３１と、前記平板部１３１の両側面に平板部１３１の長さ方向に沿って離隔されて第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３が傾斜して配置された構造に形成されている。
前記第１ガイド板１３２の平板部１３１の一側面に熱媒体が流入される先端部から熱媒体が通過する後端部に行くほど水平線を基準に上向きの勾配を有して一定間隔に離隔されて形成され、前記第２ガイド片１３３は平板部１３１の他側面に熱媒体が流入される先端部から熱媒体が通過する後端部に行くほど水平線を基準に下向きの勾配を有して一定間隔に離隔されて形成されている。
即ち、前記平板部１３１の両側面には互いに対応する位置に第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３が上向きと下向きの互いに異なる勾配を有するように形成され、平板部１３１の一側空間に流入された熱媒体は第１ガイド片１３２によってチューブ１１０の内部で上に向かって流動し、平板部１３１の他側空間に流入された熱媒体は第２ガイド片１３３によってチューブ１１０の内部から下に向かって流動する。
即ち、前記平板部１３１の両側面には互いに対応する位置に第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３が上向きと下向きの互いに異なる勾配を有するように形成され、平板部１３１の一側空間に流入された熱媒体は第１ガイド片１３２によってチューブ１１０の内部で上に向かって流動し、平板部１３１の他側空間に流入された熱媒体は第２ガイド片１３３によってチューブ１１０の内部から下に向かって流動する。
前記第１ガイド片１３２の熱媒体流入端は第１連結片１３２ａによって前記平板部１３１の下端に連結されると共に前記平板部１３１の下端と第１連結片１３２ａ及び前記第１ガイド片１３２の間に平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われる第１疎通口１３２ｂが設けられ、前記第１ガイド片１３２の熱媒体の排出端は前記平板部１３１の上端に近接した高さに位置するように具備される。
そして、前記第２ガイド片１３３の熱媒体の流入端は第２連結片１３３ａによって前記平板部１３１の上端に連結されると共に前記平板部１３１の上端と第２連結片１３３ａ及び第２ガイド片１３３の間に平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われる第２疎通口１３３ｂが設けられ、前記第２ガイド片１３３の熱媒体排出端は前記平板部１３１の下端に近接した高さに位置するように具備される。
そして、前記第２ガイド片１３３の熱媒体の流入端は第２連結片１３３ａによって前記平板部１３１の上端に連結されると共に前記平板部１３１の上端と第２連結片１３３ａ及び第２ガイド片１３３の間に平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われる第２疎通口１３３ｂが設けられ、前記第２ガイド片１３３の熱媒体排出端は前記平板部１３１の下端に近接した高さに位置するように具備される。
このような構成によって、第１ガイド片１３２によって平板部１３１の一側から上向きに移動された熱媒体は後方の平板部１３１の他側に形成された第２疎通口１３３ｂを通過して平板部１３１の他側空間に移動し、その後第２ガイド片１３３によって平板部１３１の他側から下向きに移動した後には平板部１３１の一側に形成された第１疎通口１３２ｂを通過して更に平板部１３１の一側空間に移動する。それによって、熱媒体の流れは第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３によってチューブ１１０の内部空間で上下及び左右方向に流動方向が変化し続けて流体の攪乱が発生する乱流の流れを有するようになる。
また、第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３の全体部分のうち前記平板部１３１の両側面に位置する第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３の部分は平板部１３１の一部を切開して外側に折曲された構造に形成されるが、例えば直四角形の４辺のうち３辺を切開し残りの１辺を中心に切開させるようになり、このような場合には折曲された突出面によって熱媒体の流動方向が上向き又は下向きに変更され、切開された部分を介して平板部１３１の両側空間に流体疎通が可能になって乱流の流れを更に促進するようになる。
また、前記平板部１３１の一側面には前記第１ガイド片１３２と互いに異なる角度の勾配を有して交差する第３ガイド片１３４が突出形成され、前記平板部１３１の他側面には前記第２ガイド片１３３と互いに異なる角度の勾配を有して交差する第４ガイド片１３５が突出形成されるように構成される。前記第３ガイド片１３４と第４ガイド片１３５も平板部１３１の一部を切開して両側に折曲して構成してもよく、切開された部分を介して平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われる。
このように、平板部１３１の両側面に第３ガイド片１３４と第４ガイド片１３５を追加に具備することで平板部１３１の両側にはそれぞれ上向きと下向きの流れが混在して熱媒体の乱流化を更に促進する。
このように、平板部１３１の両側面に第３ガイド片１３４と第４ガイド片１３５を追加に具備することで平板部１３１の両側にはそれぞれ上向きと下向きの流れが混在して熱媒体の乱流化を更に促進する。
そして、図１１に示したように、前記平板部１３１の先端部と後端部にはチューブ１１０の内側面に当たるように溶接部１３６，１３７が両側に突出形成され、前記溶接部１３６，１３７と前記チューブ１１０の内側面の間に溶接結合されるように構成される。よって、溶接部位の面積と箇所を減らすことができるようになってチューブ１１０の内側に第１乱流発生部材１３０を結合する構造を簡素化することができる。本実施例では前記溶接部１３６，１３７の突出した形状を半円状に構成したが、その突出した形状がそれに制限されることはなく、その他の形状に変形実施されてもよいことはもちろんである。
以下、熱媒体流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部に設置される第２乱流発生部材１４０の構成を説明する。図１２は、熱媒体の流入管と流出管の内部に設置される第２乱流発生部材及び媒体の流れを示す斜視図である。
前記第２乱流発生部材１４０は流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部空間を上下に分離しながら前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの長さ方向に配置されたプレート部材１４１と、前記熱媒体の流れ方向に沿って連結部材１４３を間に挟んで離隔されて前記プレート部材１４１の一部が切開されて上下方向に傾斜するように交互に折曲された第１傾斜部１４４と、第２傾斜部１４５と、を含んで構成される。
前記熱媒体の流動方向に沿って隣接して配置される第１傾斜部１４４と第２傾斜部１４５はそれぞれ傾斜した方向が上と下を向くように交互に形成されている。よって、図１２に矢印で表示したように流入管１２０と流出管１２０ｂの内部を通過する熱媒体は前記第２乱流発生部材１４０の第１傾斜部１４４と第２傾斜部１４５によって流動方向が上と下に向かって交互に変更される乱流の流れを有するようになる。
前記第２乱流発生部材１４０は流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部空間を上下に分離しながら前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの長さ方向に配置されたプレート部材１４１と、前記熱媒体の流れ方向に沿って連結部材１４３を間に挟んで離隔されて前記プレート部材１４１の一部が切開されて上下方向に傾斜するように交互に折曲された第１傾斜部１４４と、第２傾斜部１４５と、を含んで構成される。
前記熱媒体の流動方向に沿って隣接して配置される第１傾斜部１４４と第２傾斜部１４５はそれぞれ傾斜した方向が上と下を向くように交互に形成されている。よって、図１２に矢印で表示したように流入管１２０と流出管１２０ｂの内部を通過する熱媒体は前記第２乱流発生部材１４０の第１傾斜部１４４と第２傾斜部１４５によって流動方向が上と下に向かって交互に変更される乱流の流れを有するようになる。
前記第２乱流発生部材１４０は、プレート部材１４１の両側面部１４２が流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内側面に密着するように挿入されてから前記側面部１４２の先端部と後端部を流入管１２０ａと流出管１２０ｂに溶接によって結合する。
前記のように、本発明では熱媒体が流れるチューブ１１０の内部に第１乱流発生部材１３０を具備し、熱媒体の流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部には第２乱流発生部材１４０を具備して熱媒体の乱流を促進することで熱媒体の局部的な過熱の際に引き起こされる沸騰騒音を防止し、異物の固着を防止して熱効率を向上する。
前記のように、本発明では熱媒体が流れるチューブ１１０の内部に第１乱流発生部材１３０を具備し、熱媒体の流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部には第２乱流発生部材１４０を具備して熱媒体の乱流を促進することで熱媒体の局部的な過熱の際に引き起こされる沸騰騒音を防止し、異物の固着を防止して熱効率を向上する。
本実施例では前記チューブ１１０を長方形に構成し、流入管１２０ａと流出管１２０ｂは円形向上である場合を例に挙げて説明したが、チューブ１１０と流入管１２０ａ及び流出管１２０ｂは円形又は長方形構造に変形実施されてもよい。
以下、本発明の熱交換器１００に具備される伝熱フィン１５０の構成を説明する。
図１３は伝熱フィンの斜視図であり、図１４は伝熱フィンの間を通過する流体の流れを示す状態図である。本発明による伝熱フィン１５０は隣接して配置される伝熱フィン１５０の間を通過する燃焼生成物の流れを乱流化するための多数のラバーリング１５５，１５６，１５７が具備されることを特徴とする。
前記多数のラバーリング１５５，１５６，１５７は伝熱フィン１５０を構成する平板部材１５１の一部を切開して一側に突出するように折曲して形成され、燃焼生成物の流れの方向に沿って互いに異なる大きさと傾斜を有するように形成される。それによって、切開された部分には平板部材１５１の両側空間に流体疎通が可能な疎通孔１５５ａ，１５６ａ，１５７ａが形成される。よって、図１４に示したように、伝熱フィン１５０の間の空間に流入された燃焼生成物は前記ラバーリング１５５，１５６，１５７によって流動方向が多様な方向に変化して乱流の流れが促進されると共に前記疎通孔１５５ａ，１５６ａ，１５７ａを通過して隣接配置される伝熱フィン１５０の間の空間にも混入され、その流れが攪乱されて乱流を更に促進するようになる。
図１３は伝熱フィンの斜視図であり、図１４は伝熱フィンの間を通過する流体の流れを示す状態図である。本発明による伝熱フィン１５０は隣接して配置される伝熱フィン１５０の間を通過する燃焼生成物の流れを乱流化するための多数のラバーリング１５５，１５６，１５７が具備されることを特徴とする。
前記多数のラバーリング１５５，１５６，１５７は伝熱フィン１５０を構成する平板部材１５１の一部を切開して一側に突出するように折曲して形成され、燃焼生成物の流れの方向に沿って互いに異なる大きさと傾斜を有するように形成される。それによって、切開された部分には平板部材１５１の両側空間に流体疎通が可能な疎通孔１５５ａ，１５６ａ，１５７ａが形成される。よって、図１４に示したように、伝熱フィン１５０の間の空間に流入された燃焼生成物は前記ラバーリング１５５，１５６，１５７によって流動方向が多様な方向に変化して乱流の流れが促進されると共に前記疎通孔１５５ａ，１５６ａ，１５７ａを通過して隣接配置される伝熱フィン１５０の間の空間にも混入され、その流れが攪乱されて乱流を更に促進するようになる。
また、本発明で前記ラバーリング１５５，１５６，１５７は燃焼生成物の温度境界点Ｂ以降の領域Ｃにのみ形成されることを特徴とする。即ち、温度境界点Ｂ以前の領域Ａでは燃焼生成物の流れが層流で伝熱フィン１５０が平面状である場合にも十分な熱交換か可能であるため、温度境界点Ｂ以降の領域Ｃにのみラバーリング１５５，１５６，１５７を形成して燃焼生成物の流れを乱流化することで伝熱フィン１５０の全体領域にわたって熱交換効率を上げることができる。
また、温度境界点Ｂ以降の領域Ｃにのみラバーリング１５５，１５６，１５７を形成することで伝熱フィン１５０の全体領域にわたってラバーリングを形成する場合に備えて燃焼生成物の流動抵抗を減らすことができ、ラバーリングを加工するために所要される時間とコストを節減することができる。
また、温度境界点Ｂ以降の領域Ｃにのみラバーリング１５５，１５６，１５７を形成することで伝熱フィン１５０の全体領域にわたってラバーリングを形成する場合に備えて燃焼生成物の流動抵抗を減らすことができ、ラバーリングを加工するために所要される時間とコストを節減することができる。
前記のように本発明では第１乱流発生部材１３０と第２乱流発生部材１４０によってチューブ１１０と流入管１２０ａ及び流出管１２０ｂを通過する熱媒体の流動を乱流化して沸騰騒音及び異物の固着を防止すると共に伝熱板１５０に互いに異なる大きさと傾斜を有するラバーリング１５５，１５６，１５７を交互に形成することによって燃焼生成物の流動も乱流化することで熱交換効率を上げることができるようになり、従来技術に比べてチューブ１１０の設置個数を減らしても熱効率を上げることができるため熱交換器１００の全体体積を減らして小型に製作することができるようになる。
１ 熱交換器
１０ チューブ
２０ 伝熱フィン
３０，４０ エンドプレート
５０，６０ 流路キャップ
７０ バーナー
１００ 熱交換器
１１０ チューブ
１２０ａ 流入管
１２０ｂ 流出管
１３０ 第１乱流発生部材
１３１ 平板部
１３２ 第１ガイド片
１３２ａ 第１連結片
１３２ｂ 第１疎通口
１３３ 第２ガイド片
１３３ａ 第２連結片
１３３ｂ 第２疎通口
１３４ 第３ガイド片
１３５ 第４ガイド片
１３６，１３７ 溶接部
１４０ 第２乱流発生部材
１４１ プレート部材
１４２ 側面部
１４３ 連結部
１４４ 第１傾斜部
１４５ 第２傾斜部
１５０ 伝熱フィン
１５１ 平板部材
１５２ チューブ挿入孔
１５３ 流入管挿入孔
１４４ 流出管挿入孔
１５５，１５６，１５７ ラバーリング
１５５ａ，１５６ａ，１５７ａ 疎通孔
１６０，１７０ エンドプレート
１８０，１８１，１８２，１８３，１９０，１９１，１９２ 流路キャップ
１０ チューブ
２０ 伝熱フィン
３０，４０ エンドプレート
５０，６０ 流路キャップ
７０ バーナー
１００ 熱交換器
１１０ チューブ
１２０ａ 流入管
１２０ｂ 流出管
１３０ 第１乱流発生部材
１３１ 平板部
１３２ 第１ガイド片
１３２ａ 第１連結片
１３２ｂ 第１疎通口
１３３ 第２ガイド片
１３３ａ 第２連結片
１３３ｂ 第２疎通口
１３４ 第３ガイド片
１３５ 第４ガイド片
１３６，１３７ 溶接部
１４０ 第２乱流発生部材
１４１ プレート部材
１４２ 側面部
１４３ 連結部
１４４ 第１傾斜部
１４５ 第２傾斜部
１５０ 伝熱フィン
１５１ 平板部材
１５２ チューブ挿入孔
１５３ 流入管挿入孔
１４４ 流出管挿入孔
１５５，１５６，１５７ ラバーリング
１５５ａ，１５６ａ，１５７ａ 疎通孔
１６０，１７０ エンドプレート
１８０，１８１，１８２，１８３，１９０，１９１，１９２ 流路キャップ
Claims (7)
- 内部に熱媒体が流れ、一定間隔に並んで配置されてその間の空間に燃焼生成物が通過するチューブ１１０と、前記燃焼生成物の流れの方向と平行するように前記チューブ１１０の外側面に長さ方向に沿って離隔されて結合された伝熱フィン１５０と、を含むフィン−チューブ方式の熱交換器において、
前記チューブ１１０の内部には熱媒体の流れを乱流化するための第１乱流発生部材１３０が設置され、
前記第１乱流発生部材１３０は、前記チューブ１１０の内部空間を左右に分割し前記チューブ１１０の長さ方向に配置された平板部１３１と、前記平板部１３１の一側面に形成された第１ガイド片１３２と、前記平板部１３１の他側面に形成される第２ガイド片１３３と、を含み、
前記第１ガイド片１３２と前記第２ガイド片１３３は、前記平板部１３１の長さ方向に沿って隣接して配置されて傾斜して突出形成され、
前記平板部１３１の先端部には、溶接部１３６が前記平板部１３１の前記一側面に突出して、チューブ１１０の一側の内側面に接して溶接結合され、前記平板部１３１の後端部には、溶接部１３７が前記平板部１３１の前記他側面に突出して、チューブ１１０の他側の内側面に接して溶接結合され、
前記チューブ１１０の両側には熱媒体の流入管１２０ａと流出管１２０ｂが配置され、前記流入管１２０ａと流出間１２０ｂの内部には熱媒体の流れを乱流化するための第２乱流発生部材１４０が設置され、
前記第２乱流発生部材１４０は、前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの内部を上下に分割し前記流入管１２０ａと流出管１２０ｂの長さ方向に配置されたプレート部材１４１と、前記熱媒体の流れの方向に沿って隣接して配置されて前記プレート部材１４１の一部が切開されて傾斜して折曲された第１傾斜部１４４と、第２傾斜部１４５と、を含んで構成され、
前記第１ガイド片１３２は前記平板部１３１の前記一側面に熱媒体の流動が上を向くように傾斜して配置され、前記第２ガイド片１３３は前記平板部１３１の前記他側面に熱媒体の流動が下を向くように傾斜して配置され、前記第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３に流入された熱媒体はそれぞれ前記平板部１３１の反対側面に隣接して配置された第２ガイド片１３３と第１ガイド片１３２に順次に引き継がれて前記平板部１３１の両側空間を交互に流動し、
前記第１ガイド片１３２の熱媒体流入端は第１連結片１３２ａによって前記平板部１３１の下端に連結されると共に前記平板部１３１の下端と第１連結片１３２ａ及び第１ガイド片１３２との間に平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われる第１疎通口１３２ｂが設けられ、前記第１ガイド片１３２の熱媒体の排出端は前記平板部１３１の上端に近接した高さに位置し、前記第２ガイド片１３３の熱媒体流入端は第２連結片１３３ａによって前記平板部１３１の上端に連結されると共に前記平板部１３１の上端と第２連結片１３３ａ及び第２ガイド片１３３の間に平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われる第２疎通口１３３ｂが設けられ、前記第２ガイド片１３３の熱媒体排出端は前記平板部１３１の下端に近接した高さに位置することを特徴とするフィン−チューブ方式の熱交換器。 - 前記第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３は前記平板部１３１の一部が切開されてそれぞれ前記平板部１３１の両側に折曲され、前記第１ガイド片１３２と第２ガイド片１３３の切開された部分を介して前記平板部１３１の両側空間に流体疎通が行われることを特徴とする請求項１に記載のフィン−チューブ方式の熱交換器。
- 前記平板部１３１の前記一側面には前記第１ガイド片１３２と互いに異なる角度の勾配を有して交差する第３ガイド片１３４が突出形成され、前記平板部１３１の前記他側面には前記第２ガイド片１３３と互いに異なる角度の勾配を有して交差する第４ガイド片１３５が突出形成されることを特徴とする請求項１に記載のフィン−チューブ方式の熱交換器。
- 前記熱媒体の流動方向に沿って隣接して配置される第１傾斜部１４４と第２傾斜部１４５はそれぞれ傾斜した方向が上と下を交互に向くように形成されることを特徴とする請求項１に記載のフィン−チューブ方式の熱交換器。
- 前記伝熱フィン１５０には隣接して配置される伝熱フィン１５０の間に投入される燃焼生成物の流れの方向に沿って互いに異なる大きさと傾斜を有する複数のラバーリング１５５，１５６，１５７が形成されることを特徴とする請求項１に記載のフィン−チューブ方式の熱交換器。
- 前記複数のラバーリング１５５，１５６，１５７は前記伝熱フィン１５０の一部が切開されて一側に折曲されて形成され、前記伝熱フィン１５０の切開された部分を介して前記伝熱フィン１５０の両側に流体疎通が行われることを特徴とする請求項５に記載のフィン−チューブ方式の熱交換器。
- 前記チューブ１１０は長方形の断面構造で形成されることを特徴とする請求項１に記載のフィン−チューブ方式の熱交換器。
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