JP6411108B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、水管を流れる液体を加熱する熱交換器に関する。

従来、缶体の内部に配置された水管にバーナ等の燃焼装置によって発生させた熱を導くことによって、水管を流れる液体を加熱する熱交換器が知られている。そのような熱交換器は、給湯器やボイラー等に用いられる。

そのような熱交換器を用いた給湯器としては、水管に熱を効率的に導くために、缶体の内部に複数の板状のフィンを重なるように配置し、それらを水管が複数回貫くように構成されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０００−２３４８０５号公報

ところで、従来の熱交換器では、水管の温度（すなわち、水管の内部を流れる液体の温度）は、入水側から出湯側に向かうにつれて上昇する。そのため、従来の給湯器の熱交換器のように、複数のフィンを水管が複数回貫くように構成されている場合、フィンの温度が領域によって異なることがある。

例えば、フィンの水管の入水側では、水管を流れる液体の温度が低く、フィンから水管へ伝わる熱量が大きいので、燃焼装置からフィンに伝わる熱量が不足し、フィンの温度が低くなりすぎてしまうことがある。その結果、その領域では、燃焼装置の燃焼排気等に含まれる水分が結露し、腐食等の原因となるドレンがフィンの表面に付着してしまうおそれがあった。

一方、そのようなドレンが発生しないように燃焼装置からフィンに伝わる熱量を大きくすると、水管の出湯側では、水管を流れる液体の温度が高く、フィンから水管へ伝わる熱量が小さいので、燃焼装置からフィンに伝わる熱量が過剰になり、フィンの温度が高くなりすぎてしまうことがある。その結果、その領域では、フィンが高熱により変形してしまうおそれがあった。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであり、フィンに付着するドレンの発生を防止しつつ、フィンの変形を防止することができる熱交換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の熱交換器は、燃焼装置を有する缶体の内部に重なるように配置された板状の複数のフィンと、缶体の内部でフィンを貫くように配置された水管とを備え、フィンを介して燃焼装置の熱を水管に導く熱交換器であって、水管が所定の間隔を存して折り返された複数の直線部を有し、複数の直線部が同一のフィンを複数回貫くものにおいて、フィンの燃焼装置側には、フィンを直線部が貫く位置ごとに、水管の周りに、水管の軸と交わる方向に拡がる伝熱部が形成され、水管の表面からその表面の周囲に位置する伝熱部の端縁の少なくとも一部までの熱伝達距離のうちの少なくとも該水管の軸を通る水平方向における熱伝達距離は、水管の入水側の伝熱部ほど大きく、水管の出湯側の伝熱部ほど小さいことを特徴とする。

このように本発明の熱交換器のフィンは、水管を流れる液体の温度が低く、フィンから水管へ導かれる熱量が大きい入水側ほど、水管の表面からその表面の周囲に位置する伝熱部の端縁の少なくとも一部までの距離（以下、「熱伝達距離」という。）を大きく形成し、燃焼装置からフィンへ伝わる熱量が大きくなるように構成されている。そのため、フィンの温度が低くなりすぎることが防止され、フィンの表面に結露が生じにくい。

また、本発明の熱交換器のフィンは、水管を流れる液体の温度が高く、フィンから水管へ導かれる熱量が小さい出湯側ほど、熱伝達距離を小さく形成し、燃焼装置からフィンへ伝わる熱量が小さくなるように構成されている。そのため、フィンの温度が高くなりすぎることが防止され、フィンに変形が生じにくい。

したがって、本発明の熱交換器によれば、フィンに付着するドレンの発生を防止しつつ、フィンの変形を防止することができる。

また、本発明の熱交換器においては、複数のフィンの伝熱部は、直線部ごとにその直線部の上流端から下流端に亘って同一形状であり、熱伝達距離は、水管の入水側の直線部の周りの伝熱部ほど大きく、水管の出湯側の直線部の周りの伝熱部ほど小さくなるように構成してもよい。

このように構成した場合、水管の同一の直線部に貫かれる伝熱部は同一形状であるので、同一の直線部に貫かれる伝熱部から水管に導かれる熱量は、各フィンで同程度になる。

しかし、熱交換器全体としては、従来の熱交換器に比べ、入水側の伝熱部から水管に導かれる熱量が大きく、出湯側の伝熱部から水管に導かれる熱量が小さくなるので、入水側でフィンの温度が低くなりすぎることがなく、出湯側でフィンの温度が高くなりすぎることがない。

そのため、各々異なる形状のフィンを用いる必要がなくなり、生産コストを増加させることなく、フィンに付着するドレンの発生及びフィンの変形を低減することができる。

また、本発明の熱交換器においては、水管の入水側の伝熱部と出湯側の伝熱部とは、燃焼装置側の形状が同一形状であり、水管の入水側の部分は、水管の出湯側の部分よりも熱伝達距離が大きい位置で、フィンを貫くようにしてもよい。

熱伝達距離を変化させる方法としては、伝熱部の大きさを変化させる方法の他、このように水管の通る位置を変化させる方法を用いるようにしてもよい。
また、本発明の熱交換器においては、隣接する伝熱部の間には、それらの伝熱部を通る水管のよりも高い位置まで垂直方向に延設された切り込み部が形成されていることが好ましい。

本発明の実施形態に係る熱交換器を用いた給湯器の概略構成を示す斜視図。 図１の給湯器の内部の構成を示す断面図。 図１の給湯器の熱交換器の構成を示す斜視図。 図１の給湯器の熱交換器のフィンの形状を示す平面図。 変形例に係る熱交換器のフィンの形状を示す平面図。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換器について説明する。なお、本実施形態は、本発明の熱交換器を給湯器に用いた場合を説明しているが、本発明の熱交換器は、給湯器の他、ボイラー等にも用い得るものである。

まず、図１及び図２を参照して、本実施形態に係る給湯器１の構成を説明する。

図１に示すように、給湯器１は、缶体２と、缶体２を貫くように設けられた水管３とを備えている。図２に示すように、缶体２は、内部に燃焼室２ａが形成されている。燃焼室２ａの下方には、バーナ４（燃焼装置）が設けられており、燃焼室２ａの上方には、バーナ４に対向するようにして、複数のフィン５が配置されている。

次に、図２及び図３を参照して、給湯器１に用いられている熱交換器６の構成について説明する。

図３に示すように、給湯器１の熱交換器６は、缶体２の内部で間隔を存して重なるように配置された複数のフィン５と、それらのフィン５を貫くように配置された水管３によって構成されている。

水管３は、缶体２の外部で折り返され、フィン５を複数回貫くようにして延びている。水管３におけるフィン５を貫いている部分は、直線状の直線部３ａ〜３ｅとなっており（図２参照）、複数の直線部３ａ〜３ｅは、互いに所定の間隔を存して平行に配設されている。

フィン５は、フィン５の下方に配置されたバーナ４（図２参照。）の燃焼排気によって加熱される。フィン５に伝えられた熱は、フィン５を貫通する水管３に導かれ、水管３の内部を流れる液体を入水側から出湯側に向かって（図３において矢印で示した流れに沿って）徐々に温度が高くなるように加熱する。

次に、図２及び図４を参照して、給湯器１に用いられている熱交換器６のフィン５の形状について説明する。

図４に示すように、フィン５は、下方（バーナ４側）に、一端側（図４においては図面左側）から順に、第１開口部５ａ、第２開口部５ｂ、第３開口部５ｃが、水平方向に一列に並ぶように形成されている。

また、フィン５は、第１開口部５ａ，第２開口部５ｂ，第３開口部５ｃよりも上方（バーナ４から離れる方向。図４においては図面上方。）であって第１開口部５ａと第２開口部５ｂとの間となる位置に、第４開口部５ｄが形成されている。さらに、フィン５は、第４開口部５ｄの他端側（図４においては図面右側）であって第２開口部５ｂと第３開口部５ｃとの間となる位置に、第５開口部５ｅが形成されている。

各フィン５の第１開口部５ａは、複数の直線部３ａ〜３ｅのうち最も入水側の直線部３ａによって貫かれる。各フィン５の第２開口部５ｂは、第１開口部５ａを貫く直線部３ａよりも出湯側の直線部３ｂによって貫かれる。各フィン５の第３開口部５ｃは、第２開口部５ｂを貫く直線部３ｂよりも出湯側の直線部３ｃによって貫かれる。各フィン５の第４開口部５ｄは、第３開口部５ｃを貫く直線部３ｃよりも出湯側の直線部３ｄによって貫かれる。第５開口部５ｅは、最も出湯側の直線部３ｅによって貫かれる（図２参照。）。

フィン５のバーナ４側の第１開口部５ａの周りには（すなわち、水管３の周りには）、水管３の軸と交わる方向に拡がる第１伝熱部５ｆが形成されている。同様に、第２開口部５ｂの周りには、第２伝熱部５ｇが形成されている。また、同様に、第３開口部５ｃの周りには、第３伝熱部５ｈが形成されている。

なお、バーナ４の燃焼排気は、フィン５の中で最もバーナ４側（図面においては下方）の伝熱部５ｆ〜５ｈに、最も早く当たる。そのため、燃焼排気の熱は、まず伝熱部５ｆ〜５ｈを介して、それらを通る直線部３ａ〜３ｃ（すなわち、そこを通る液体）に伝達される。その後、伝熱部５ｆ〜５ｈでは水管３に伝達されなかった熱が、フィン５の伝熱部５ｆ〜５ｈより上方の領域に伝達され、その領域を通る直線部３ｄ，３ｅに伝達される。

第１伝熱部５ｆの外縁は、第１開口部５ａの周りにおいて、フィン５の一端側（図４においては図面左側）の縁部である第１端縁部５ｆ１と、第１端縁部５ｆ１の下端から他端側（図４においては図面右側）に直線状に延びる第２端縁部５ｆ２と、第２端縁部５ｆ２の他端側から他端側の上方（バーナ４から離れる方向。図４においては図面上方。）に円弧状に延びる第３端縁部５ｆ３と、第３端縁部５ｆ３の他端側から上方に直線状に延びる第４端縁部５ｆ４とによって形成されている。

第２伝熱部５ｇの外縁は、第２開口部５ｂの周りにおいて、一端側で垂直方向に直線状に延びる第１端縁部５ｇ１と、第１端縁部５ｇ１の下端から第２開口部５ｂを挟んで他端側まで円弧状に延びる第２端縁部５ｇ２と、第２端縁部５ｇ２の他端側から上方に直線状に延びる第３端縁部５ｇ３とによって形成されている。

第３伝熱部５ｈの外縁は、第３開口部５ｃの周りにおいて、一端側で垂直方向に直線状に延びる第１端縁部５ｈ１と、第１端縁部５ｈ１の下端から他端側の下方（バーナ４に近づく方向。図４においては図面下方。）に円弧状に延びる第２端縁部５ｈ２と、第２端縁部５ｈ２の下端から他端側に直線状に延びる第３端縁部５ｈ３と、第３端縁部５ｈ３の他端側から延びるフィン５の他端側の縁部である第４端縁部５ｈ４とによって形成されている。

また、フィン５では、水管３の表面からその表面直下の第１伝熱部５ｆの端縁（第２端縁部５ｆ２）までの距離を熱伝達距離ｘ１、水管３の表面からその表面直下の第２伝熱部５ｇの端縁（第２端縁部５ｇ２）までの距離を熱伝達距離ｘ２、水管３の表面からその表面直下の第３伝熱部５ｈ（第３端縁部５ｈ３）までの距離を熱伝達距離ｘ３とした場合、水管３の最も入水側となる熱伝達距離ｘ１が最も大きく、熱伝達距離ｘ２が次に大きく、最も出湯側となる熱伝達距離ｘ３が最も小さく形成されている。

すなわち、伝熱部５ｆ〜５ｈは、熱交換器６全体として、バーナ４から伝えられ水管３へ導かれる熱量が水管３の入水側ほど大きく、水管３の出湯側ほど小さくなるように、形状が異なっている。

このように、フィン５では、第１伝熱部５ｆと第２伝熱部５ｇと第３伝熱部５ｈとが、バーナ４側において、互いに独立した形状になっている。そのため、水管３の第１伝熱部５ｆを通る部分、第２伝熱部５ｇを通る部分及び第３伝熱部５ｈを通る部分に導かれる熱量は、各部分の周囲における伝熱部５ｆ〜５ｈの熱伝達距離ｘ１〜ｘ３に応じて変化する。

このように本実施形態の給湯器１に用いられている熱交換器６のフィン５は、水管３を流れる液体の温度が低く、フィン５から水管３へ導かれる熱量が大きい入水側ほど、伝熱部を大きく形成することによって、バーナ４からフィン５へ伝わる熱量が大きくなるように構成されている。そのため、フィン５の温度が低くなりすぎることが防止され、フィン５の表面に結露が生じにくい。

また、熱交換器６のフィン５は、水管３を流れる液体の温度が高く、フィン５から水管３へ導かれる熱量が小さい出湯側ほど、伝熱部を小さく形成することによって、バーナ４からフィン５へ伝わる熱量が小さくなるように構成されている。そのため、フィン５の温度が高くなりすぎることが防止され、フィン５に変形が生じにくい。

したがって、本実施形態の給湯器１に用いられている熱交換器６によれば、フィン５に付着するドレンの発生を防止しつつ、フィン５の変形を防止することができる。

ところで、給湯器１の熱交換器は、複数のフィン５を間隔を存して重なるように配置して構成されている（図３参照。）。それらのフィン５の水管３の同一の直線部３ａ〜３ｃに貫かれる伝熱部５ｆ〜５ｈは、その直線部３ａ〜３ｃの上流端から下流端に亘って同一形状であるので、同一の直線部３ａ〜３ｃに貫かれる伝熱部５ｆ〜５ｈから水管３に導かれる熱量は、各フィン５で同程度になる。

そして、熱交換器６全体としては、入水側でフィン５の温度が低くなりすぎることがなく、出湯側でフィン５の温度が高くなりすぎることがない程度に、水管３へ導かれる熱量は十分に変化する。

また、熱交換器６を構成する際に、各々異なる形状のフィンを用いなくてもよいので、従来の熱交換器に比べて、大きく生産コストが上昇することもない。

なお、フィン５では、第１伝熱部５ｆの下方の第２端縁部５ｆ２及び第３端縁部５ｆ３の一部の形状と、第１伝熱部５ｆの上方に位置する第１上縁部５ｉの形状とが一致するように形成されている。また、第２伝熱部５ｇの下方の第２端縁部５ｇ２の一部の形状と、第２伝熱部５ｇの上方に位置する第２上縁部５ｊの形状とが一致するように形成されている。さらに、第３伝熱部５ｈの下方の第２端縁部５ｈ２及び第３端縁部５ｈ３の一部の形状と、第３伝熱部５ｈの上方に位置する第３上縁部５ｋの形状とが一致するように形成されている。

すなわち、本実施形態の熱交換器６のフィン５は、一枚の板状の金属材から多数のフィン５を生産する場合、生産の際に切り落とさなければならない部分が少なくなるように設計されている。そのため、本実施形態の熱交換器６は、従来の熱交換器に比較して、生産コストが大きく増加することもない。

以上、図示の実施形態について説明したが、本発明はこのような形態に限られるものではない。

上記実施形態においては、フィン５の下方の領域（伝熱部５ｆ〜５ｈが形成されている領域）では、水管３が水平方向に一列に並ぶように構成するとともに、伝熱部５ｆ〜５ｈのバーナ４側の形状を各々異なるように形成することによって、バーナ４からフィン５へ伝わる熱量（すなわち、フィン５から水管３へ導かれ得る熱量）が、出湯側ほど小さくなるように構成されている。

しかし、本発明における伝熱部の形状は、そのような形状に限定されるものではなく、水管の入水側ほど燃焼装置からフィンへ伝わる熱量が大きく、水管の出湯側ほど燃焼装置からフィンへ伝わる熱量が小さくなるような形状であればよい。

例えば、図５に変形例として示すように、フィン５の伝熱部５ｆ〜５ｈのバーナ４(燃焼装置)側の形状が同一になるように形成し、水管３の入水側の部分が、水管３の出湯側の部分よりも熱伝達距離が大きい位置で（垂直方向において上方にずれた位置で）、フィンを貫くようにしてもよい。

また、例えば、フィンの燃焼装置からの燃焼排気と接触する領域における水平方向の距離を変化させるようにしてもよい。

具体的には、上記実施形態の場合には、第１伝熱部５ｆにおける水管３から第４端縁部５ｆ４までの熱伝達距離ｙ１、第２伝熱部５ｇにおける水管３から第１端縁部５ｇ１までの熱伝達距離ｙ２、第２伝熱部５ｇにおける水管３から第３端縁部５ｇ３までの熱伝達距離ｙ３、第３伝熱部５ｈにおける水管３から第１端縁部５ｈ１までの熱伝達距離ｙ４を、水管３の入水側ほど大きくなるように構成してもよい。

また、上記実施形態においては、複数のフィン５の形状は、いずれも同一形状になっている。しかし、本発明のフィンは、そのような構成に限定されるものではない。

例えば、各々のフィンを異なる形状とし、各々のフィンの伝熱部を比較した場合にも、水管の入水側の伝熱部が、水管の出湯側の伝熱部よりも大きくなるように構成してもよい。このように構成した場合には、上記実施形態のように構成した場合に比較して生産コストは増加するものの、さらに効率よく、フィンに付着するドレンの発生を防止しつつ、フィンの変形を防止することができる。

また、上記実施形態においては、水管３を折り返すことによって、水管３が一枚のフィン５を複数回貫くように構成されている。しかし、本発明はそのような構成に限定されるものではなく、水管が一枚のフィンを１回だけ貫くように構成してもよい。

１…給湯器、２…缶体、２ａ…燃焼室、３…水管、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ…直線部、４…バーナ（燃焼装置）、５…フィン、５ａ…第１開口部、５ｂ…第２開口部、５ｃ…第３開口部、５ｄ…第４開口部、５ｅ…第５開口部、５ｆ…第１伝熱部、５ｆ１…第１端縁部、５ｆ２…第２端縁部、５ｆ３…第３端縁部、５ｆ４…第４端縁部、５ｇ…第２伝熱部、５ｇ１…第１端縁部、５ｇ２…第２端縁部、５ｇ３…第３端縁部、５ｈ…第３伝熱部、５ｈ１…第１端縁部、５ｈ２…第２端縁部、５ｈ３…第３端縁部、５ｈ４…第４端縁部、５ｉ…第１上縁部、５ｊ…第２上縁部、５ｋ…第３上縁部、６…熱交換器、ｘ１…水管３の表面から第１伝熱部５ｆの第３端縁部５ｆ３までの熱伝達距離、ｘ２…水管３の表面から第２伝熱部５ｇの第２端縁部５ｇ２までの熱伝達距離、ｘ３…水管３の表面から第３伝熱部５ｈの第２端縁部５ｈ２までの熱伝達距離。

Claims (4)

1. 燃焼装置を有する缶体の内部に重なるように配置された板状の複数のフィンと、前記缶体の内部で前記フィンを貫くように配置された水管とを備え、前記フィンを介して前記燃焼装置の熱を前記水管に導く熱交換器であって、前記水管が所定の間隔を存して折り返された複数の直線部を有し、前記複数の直線部が同一の前記フィンを複数回貫くものにおいて、
   前記フィンの前記燃焼装置側には、前記フィンを前記直線部が貫く位置ごとに、前記水管の周りに、前記水管の軸と交わる方向に拡がる伝熱部が形成され、
   前記水管の表面から該表面の周囲に位置する前記伝熱部の端縁の少なくとも一部までの熱伝達距離のうちの少なくとも該水管の軸を通る水平方向における熱伝達距離は、前記水管の入水側の前記伝熱部ほど大きく、前記水管の出湯側の前記伝熱部ほど小さいことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   複数の前記フィンの前記伝熱部は、前記直線部ごとに当該直線部の上流端から下流端に亘って同一形状であり、
   前記熱伝達距離は、前記水管の入水側の前記直線部の周りの前記伝熱部ほど大きく、前記水管の出湯側の前記直線部の周りの前記伝熱部ほど小さいことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の熱交換器であって、
   前記水管の入水側の前記伝熱部と出湯側の前記伝熱部とは、前記燃焼装置側の形状が同一形状であり、
   前記水管の入水側の部分は、前記水管の出湯側の部分よりも前記熱伝達距離が大きい位置で、前記フィンを貫くことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の熱交換器であって、
   隣接する前記伝熱部の間には、該伝熱部を通る水管のよりも高い位置まで垂直方向に延設された切り込み部が形成されていることを特徴とする熱交換器。

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