JP6748560B2

JP6748560B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP6748560B2
Application number: JP2016222362A
Authority: JP
Inventors: 阿部　進; 進阿部; 成樹村山; 竹年田村
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2016-11-15
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2036-11-15
Also published as: JP2018080866A

Description

この発明は、熱交換効率の向上を図り得るフィンチューブ式の熱交換器に関するものである。

従来この種の熱交換器では、図７に示すように、フィンパイプ１０１と結合したフィンプレート１０２において、フィンプレート１０２の下縁と連続させた開環状のバーリング孔１０３を設けたものがあり（例えば、特許文献１参照。）、この開環状のバーリング孔１０３を設けたことにより、フィンパイプ１０１間の中間位置辺りにおけるフィンプレート１０２の過熱を防止しつつ、燃焼ガスの流れ方向下流側の吸熱量を多くすることができるものであった。

実開平３−５４６号公報

ところで、この熱交換器では、バーリング孔１０３近傍の温度が高くなりやすいものであり、バーリング孔１０３のバーリング部分で吸収された熱量はフィンプレート１０２を介してフィンパイプ１０１に伝達されるものであるが、フィンパイプ１０１は断面円形状のパイプであり、バーリングも環状で円形状であるため、フィンパイプ１０１の外縁部とバーリングの外縁部との間で伝熱距離が最短となる仮想線を形成したとすると、仮想線と直交する方向に向かって仮想線から離れていくにつれて、フィンパイプ１０１の外縁部とバーリングの外縁部とはお互いに遠ざかる関係性を有し、伝熱距離が長くなり、吸熱効果が薄く、熱交換効率の低下を招く要因となっているものである。

また、熱交換器を通過する燃焼ガスであって、バーリング孔１０３に進入する燃焼ガス以外の燃焼ガスは、図７の破線で示されているように、フィンパイプ１０１表面の一部およびバーリング孔１０３の外縁部を沿うように流れるだけであり、乱流が起こりにくく、この点も熱交換効率の低下を招く要因となっているものであり、熱交換効率に関して言えば未だ改善の余地があるものであった。

この発明は、上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、上下左右に一定の間隔で配設された複数のフィンパイプと、該フィンパイプの軸線方向に沿って所定の間隔で配列された複数枚のフィンプレートとを燃焼缶体内に備え、前記フィンプレートには、上下段に矩形状に配置された前記フィンパイプで囲まれる空間の略中央部に前記フィンプレート表面から隆起したバーリングを有するバーリング孔が形成されていると共に該バーリング孔に連続して前記フィンプレートの下縁まで延びる切り欠き部が形成され、前記燃焼缶体内で発生した熱を前記フィンプレートを介して前記フィンパイプに吸収させるようにした熱交換器において、前記バーリング孔を略ひし形状とし、前記切り欠き部と連通する部分を除く前記バーリング孔の全周に前記バーリングを有し、前記バーリングは、略ひし形状をなすための４辺の直線部を有し、該直線部のそれぞれは、前記バーリング孔を囲むように前記矩形状に配置された前記フィンパイプのうち、前記直線部と略直交する方向に位置する前記フィンパイプと対向するように配設し、前記バーリング孔は、平面視で、少なくとも一部が前記フィンパイプと重なるように、前記フィンパイプと重なり代を有する大きさで形成されているものとした。

また、請求項２では、前記フィンプレート上縁であって、前記バーリング孔の上方且つ上段の隣接する前記フィンパイプの間の位置に、直角方向に折れ曲げられ燃焼ガスを上段の前記フィンパイプの後流側に案内する上縁折り曲げ片を設けるものとした。

この発明の請求項１によれば、バーリング孔のバーリングを略ひし形状とし、切り欠き部と連通する部分を除くバーリング孔の全周にバーリングを有しているものとしたことで、バーリング孔を囲むよう矩形状に配置されたフィンパイプそれぞれに対して、バーリングからの熱を均一に吸熱させることができ、熱交換効率を向上させることができるものである。

さらに、請求項１によれば、略ひし形状をなすための４辺の直線部のそれぞれは、バーリング孔を囲むよう矩形状に配置されたフィンパイプのうち、直線部と略直交する方向に位置するフィンパイプと対向するように配設したことで、バーリングで吸収した熱は、４辺の直線部からそれぞれが対向しているフィンパイプに対してフィンプレートを介して伝熱されるので、それぞれのフィンパイプに偏りなく均一に吸熱させることができ、さらに、フィンパイプとバーリングの直線部との間の伝熱距離が、従来の円形状のバーリングとフィンパイプとの伝熱距離よりも短く、その分、フィンパイプへの伝熱量が多くなり、フィンパイプでの吸熱量が多くなるので、熱交換効率を向上させることができるものである。

その上、請求項１によれば、バーリング孔は、平面視で、少なくとも一部がフィンパイプと重なるように、フィンパイプと重なり代を有する大きさで形成されていることで、熱交換器に流入しバーリングの外縁と下段のフィンパイプとの間を進行してきた燃焼ガスは、下段のフィンパイプの後流側までスムーズに案内され、下段のフィンパイプにおける吸熱量も多くなると共に、上段のフィンパイプの前流側にもスムーズに案内されるので、上段のフィンパイプにおける吸熱量も多くなり、さらに、隣り合うバーリング孔同士の間で燃焼ガス同士を確実にぶつけることができ、燃焼ガスの乱流化を促進するので、熱交換効率を向上させることができるものである。

また、請求項２によれば、フィンプレート上縁であって、バーリング孔の上方且つ上段の隣接するフィンパイプの間の位置に、直角方向に折れ曲げられ燃焼ガスを上段のフィンパイプの後流側に案内する上縁折り曲げ片上縁折り曲げ片を設けたことで、バーリングと上段のフィンパイプの間を抜けた燃焼ガスは、上段のフィンパイプの後流側に案内されるので、上段のフィンパイプでの後流側でも吸熱され、上段のフィンパイプにおける吸熱量も多くなり、熱交換効率を向上させることができるものである。

この発明の一実施形態の熱交換器を備えた給湯装置の概略構成図。図１のＡ−Ａ線による断面図。熱交換器を構成するフィンプレートの斜視図。この発明の一実施形態の熱交換器および第１比較例の熱交換器におけるフィンパイプ−バーリング孔間の伝熱距離を説明した図。この発明の一実施形態の熱交換器における燃焼ガスの流れを示す図。この発明の一実施形態の熱交換器の要部拡大図。従来の熱交換器を示す図。

本発明に係る熱交換器の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態の熱交換器を備えた給湯装置の概略的な構成図であり、以下に詳細を説明する。

１は所定の端末（給湯栓等）で使用される湯を生成する給湯装置、２は灯油等の燃油を気化するアルミダイキャスト製の気化器、３は気化器２に備えられ燃油を気化可能な温度まで加熱する気化器ヒータ、４は気化器２の下部に位置し、気化器２で気化された気化ガスと一次空気とを予混合するアルミダイキャスト製の混合室で、前記気化器２と混合室４とで燃油を気化させる気化部５を形成するものである。

６は混合室４上部で気化器２の背面側に備えられ、混合室４で予混合された予混合ガスを燃焼させる燃焼部で、この燃焼部６と気化部５とでバーナを構成するものである。また、７は気化器２と一体的に形成され、気化器２の背面で燃焼部６上に突出した複数個の吸熱フィンで、燃焼時には燃焼熱を気化熱として気化器２にフィードバックして、気化器ヒータ３の通電量を極力抑えるものである。

８は気化器２に燃油を噴霧するノズル、９はノズル８に送油管１０を介して燃油を圧送する電磁ポンプ、１１は燃焼ファンで、燃焼ファン１１は送風路１２を介して気化器２の入口および燃焼部６とカバー枠１３との間の空気室１４とに連通し、吸込口１５より吸引した燃焼空気を、気化器２には予混合用の一次空気として供給し、空気室１４には気化器２側方を通り混合室４の下方から燃焼部６で燃焼される二次空気として供給するものである。

１６は内部に燃焼室１７を形成すると共に熱交換器１８を備えた燃焼缶体で、熱交換器１８は、燃焼室１７においてバーナ（燃焼部６）の燃焼により発生した熱（燃焼炎および燃焼ガスからの熱）を複数枚のフィンプレート１９を介してフィンパイプ２０に吸収させ、フィンパイプ２０を流通する水を加熱するフィンチューブ式の熱交換器からなり、フィンパイプ２０はＵ字管２１を介して連通連結され、蛇行した熱交換流路を形成するものであり、熱交換器１８を通過した燃焼ガスは排気口２２より機外に排気される。なお、熱交換器１８の詳細な構成については後述する。

２３は給水源から供給される水を熱交換器１８における前記熱交換流路の流入口に流通させる給水管、２４は熱交換器１８における前記熱交換流路の流出口に接続され、熱交換器１８で加熱された湯を所定箇所に設けられた給湯栓（図示せず）に供給する給湯管、２５は給水管２３から分岐した給水バイパス管、２６は給湯管２４と給水バイパス管２５との接続部に設けられ、給湯管２４からの湯と給水バイパス管２５からの水とを混合し、その混合比を可変できる混合弁である。なお、フィンパイプ２０とＵ字管２１と給水管２３と給湯管２４と給水バイパス管２５とで水が流通する給湯回路を構成するものである。

次に、熱交換器１８の詳細な構成について、図２および図３を用いて説明する。
図２は図１におけるＡ−Ａ線による断面図で、熱交換器１８の要部を正面視した図であり、図３は熱交換器１８を構成するフィンプレート１９の斜視図である。

前記熱交換器１８は、上下左右に一定の間隔で配設され、被加熱流体としての水が流れる複数本のフィンパイプ２０（この実施形態では１０本のフィンパイプ２０）と、フィンパイプ２０の軸線方向に沿って所定の間隔をおいて配列された複数枚のフィンプレート１９とで構成されており、フィンプレート１９にはフィンパイプ２０を通すための複数の貫通孔２６（フィンプレート１９表面から隆起した貫通孔２６のバーリング２６ａと、ろう材を挿通させるためのろう材用孔２６ｂも含む）が形成され、フィンパイプ２０は、ろう材用孔２６ｂに挿通されたろう材によって、複数の貫通孔２６の各々のバーリング２６ａの内縁とろう付けされてフィンプレート１９に固定されるものである。なお、上下左右に配設されたフィンパイプ２０には、同一の被加熱流体、ここでは給湯用の水が流通するものである。

各フィンプレート１９は、複数のフィンパイプ２０のうち上下段に矩形状に配置された４本のフィンパイプ２０で囲まれる矩形空間の略中央部に略ひし形状のバーリング孔２７（この実施形態では１枚のフィンプレート１９当たり４つのバーリング孔２７）が形成され、バーリング孔２７に連続してフィンプレート１９の下縁まで切り欠き部２８（この実施形態では１枚のフィンプレート１９当たり４つの切り欠き部２８）が形成されており、切り欠き部２８が形成されていることによってフィンパイプ２０間のフィンプレート１９が局部的に過剰に加熱されるのを抑制できるものである。なお、切り欠き部２８は、フィンプレート１９の下縁まで形成されているとしたが、ここでの下縁とは、図面（図２）の上下方向に合わせて下縁と表現したまでで、本質的には、フィンプレート１９の下縁とは、燃焼ガスの流れ方向の上流側に位置するフィンプレート１９縁側を意味しているものである。

また、フィンプレート１９表面から隆起したバーリング孔２７のバーリング２７ａは、図２に示されているように、フィンプレート１９の正面視（フィンパイプ２０の軸線方向から見て）において、４辺の直線部２７ｂとそれらの直線部２７ｂ間をつなぐ曲線部２７ｃとを有しており、それらが一体となって略ひし形状をなしているものである。なお、バーリング２７ａの高さは、バーリング２６ａの高さよりも僅かに低い高さとされているものである。

前記各フィンプレート１９の左右両側縁には、直角方向に折れ曲げられ、燃焼缶体１６の内壁に対してろう付け接合される側縁折り曲げ片２９が設けられ、各フィンプレート１９の上縁であって、上段の隣接するフィンパイプ２０の間の位置には、直角方向に折れ曲げられ、燃焼ガスを上段のフィンパイプ２０の後流側に案内する上縁折り曲げ片３０（この実施形態では１枚のフィンプレート１９当たり４つの上縁折り曲げ片３０）が設けられているものである。ここで、上縁折り曲げ片３０は、フィンプレート１９の上縁に設けられているとしたが、ここでの上縁とは、図面（図２）の上下方向に合わせて上縁と表現したまでで、本質的には、フィンプレート１９の上縁とは、燃焼ガスの流れ方向の下流側に位置するフィンプレート１９縁側を意味しているものである。また、側縁折り曲げ片２９の高さおよび上縁折り曲げ片３０の高さは、貫通孔２６のバーリング２６ａの高さよりも僅かに低く、バーリング孔２７のバーリング２７ａの高さと同程度である。

なお、熱交換器１８は、上記の構成、特に、バーリング孔２７（バーリング２７ａ）を有していることで、バーリング２７ａにおいて燃焼ガスから吸収した熱量をフィンプレート１９を介してフィンパイプ２０に伝達してフィンパイプ２０内を流れる水の加熱に用いることができるものである。

ここで、本実施形態のような略ひし形状のバーリング孔２７を有する熱交換器１８における、バーリング孔２７からフィンパイプ２０までの伝熱距離と、第１比較例としての環状のバーリング孔を有する熱交換器１８における環状のバーリング孔からフィンパイプ２０までの伝熱距離との関係を図４を用いて説明する。なお、この図４上では、フィンパイプ２０は外径のみを実線で描画しており、貫通孔２６周囲のバーリング２６ａなどは省略するものとする。

図４（ａ）は、本実施形態のような略ひし形状のバーリング孔２７を有する熱交換器１８の要部拡大図であり、一のフィンパイプ２０の外縁部（外径）とバーリング孔２７のバーリング２７ａ（特に、直線部２７ｂ）の外縁部との間で最短となる伝熱距離が、仮想線Ａ（実線の矢線）で示され、仮想線Ａと直交する方向に向かって、仮想線Ａから所定距離離れた位置におけるフィンパイプ２０の外縁部（外径）とバーリング孔２７のバーリング２７ａの外縁部との間の伝熱距離が、それぞれ、仮想線Ｂ（破線の矢線）および仮想線Ｃ（一点鎖線の矢線）で示されているものである。

そして、図４（ｂ）は、第１比較例としての環状のバーリング孔を有する熱交換器１８の要部拡大図であり、バーリング孔の形状以外は図４（ａ）の熱交換器１８と同一であり、フィンパイプ２０の外縁部（外径）とバーリング孔２７のバーリング２７ａの外縁部との間で最短となる仮想線Ａの長さおよび仮想線Ａのフィンパイプ２０側の矢線の基端の位置も、図４（ａ）に示されたものと同一であり、さらに、仮想線Ｂおよび仮想線Ｃのフィンパイプ２０側のそれぞれの矢線の基端の位置も図４（ａ）に示されたものと同一となっている。

ここで、図４（ｂ）に示された熱交換器１８において、仮想線Ａは、バーリング側の矢線の終端がバーリングの外縁に接しているが、仮想線Ｂおよび仮想線Ｃのバーリング側のそれぞれの矢線の終端は、バーリングの外縁に接していない。これは、仮想線Ｂおよび仮想線Ｃが描かれた位置でのフィンパイプ２０の外縁部（外径）とバーリング孔のバーリングの外縁部との間の伝熱距離が、図４（ａ）に示された熱交換器１８における仮想線Ｂおよび仮想線Ｃが描かれた位置でのフィンパイプ２０の外縁部（外径）とバーリング孔２７のバーリング２７ａの外縁部との間の伝熱距離よりも長いことを意味しており、断面形状が円形のフィンパイプ２０と対向するバーリング２７ａは、図４（ａ）のような直線形状（直線部２７ｂ）を有するバーリングの方が、図４（ｂ）のような円形状（または円弧形状）よりも、フィンパイプ２０とバーリング２７ａとの伝熱距離が短く、フィンプレート１９での放熱量が少なく、フィンパイプ２０への伝熱量が多くなり、フィンパイプ２０での吸熱量が多くなるものであり、本実施形態のように、図４（ａ）に示された略ひし形状のバーリング孔２７を有する熱交換器１８の方が、熱交換効率を向上させることができるものである。

また、図４（ａ）に示されているように、略ひし形状のバーリング２７ａを構成する４辺の直線部２７ｂのそれぞれは、バーリング孔２７を囲むように矩形状に配置された４本のフィンパイプ２０のうち、当該直線部２７ｂと略直交する方向に位置するフィンパイプ２０と対向するように配設されているので、バーリング２７ａで燃焼ガスから吸収した熱は、４辺の直線部２７ｂからそれぞれが対向しているフィンパイプ２０に対してフィンプレート１９を介して伝熱されるので、それぞれのフィンパイプ２０に偏りなく均一に吸熱させることができ、熱交換効率を向上させることができるものである。

次に、熱交換器１８を通過する燃焼ガスの流れについて図５を用いて説明するが、ここでは、バーリング孔２７内に進入する燃焼ガス以外の燃焼ガスの流れについて説明するものであり、その燃焼ガスの流れを破線で示している。
バーナ（燃焼部６）での燃焼により発生した燃焼ガスは、熱交換器１８に流入し、バーリング孔２７内に進入する燃焼ガスと、バーリング孔２７内に進入する燃焼ガス以外の燃焼ガスとに分かれ、バーリング孔２７内に進入する燃焼ガス以外の燃焼ガスは、破線で示されているように、まず、下段のフィンパイプ２０の前流側から側方側に沿って上昇し、下段のフィンパイプ２０と対向するバーリング２７ａの直線部２７ｂと下段のフィンパイプ２０の間を抜けて、隣接するバーリング孔２７の間に位置する×印の近傍でぶつかって乱流化しながら上昇し、上段のフィンパイプ２０と対向するバーリング２７ａの直線部２７ｂと上段のフィンパイプ２０の間を抜けて、フィンプレート１９上縁であって、バーリング孔２７上方且つ上段の隣接するフィンパイプ２０の間の位置に設けられた上縁折り曲げ片３０によって、上段のフィンパイプ２０の後流側に案内されて、熱交換器１８から流出していくものである。

ここで、略ひし形状のバーリング孔２７は、図６に示すように、平面視で、フィンプレート１９の上縁側から下縁側に向かって垂直方向に見て（または、フィンプレート１９の下縁側から上縁側に向かって垂直方向に見るのでもよい）、少なくとも一部がフィンパイプ２０と重なるように形成、すなわち、バーリング孔２７は、バーリング孔２７を囲むように上下段に矩形状に配置されたフィンパイプ２０と重なり代αを有するような大きさで形成されていることで、図５に破線で示されているように、熱交換器１８に流入しバーリング２７ａの外縁と下段のフィンパイプ２０との間を進行してきた燃焼ガスは、下段のフィンパイプ２０の後流側の中央（下段フィンパイプ２０の頂部）方向に向かい、下段のフィンパイプ２０の後流側の略中央部分までスムーズに案内され、下段のフィンパイプ２０での後流側でも吸熱され、下段のフィンパイプ２０における吸熱量も多くなると共に、上段のフィンパイプ２０の前流側の略中央部分（上段フィンパイプ２０の最低部）にもスムーズに案内されるので、上段のフィンパイプ２０での前流側で吸熱され、上段のフィンパイプ２０における吸熱量も多くなり、さらに、隣り合うバーリング孔２７同士の間（図５における×印の位置）で燃焼ガス同士を確実にぶつけることができ、燃焼ガスの乱流化が促進されるので、熱交換効率を向上させることができるものである。当然のことではあるが、バーリング孔２７内に進入した燃焼ガスもバーリング２７ａ内縁にぶつかることで乱流化するため、熱交換効率向上に寄与するものである。また、上縁折り曲げ片３０を設けたことによって、バーリング２７ａと上段のフィンパイプ２０の間を抜けた燃焼ガスは、上段のフィンパイプ２０の後流側に案内されるので、上段のフィンパイプ２０での後流側でも吸熱され、上段のフィンパイプ２０における吸熱量も多くなり、熱交換効率を向上させることができるものである。

また、熱交換器１８において、フィンプレート１９は、フィンパイプ２０の軸線方向に沿って所定の間隔（ここでの所定の間隔は、貫通孔２６のバーリング２６ａの高さと同じ長さ）をおいて複数枚配列されており、バーリング孔２７のバーリング２７ａと側縁折り曲げ片２９と上縁折り曲げ片３０の高さは貫通孔２６のバーリング２６ａの高さより僅かに低いだけなので、複数枚配列されたフィンプレート１９の下縁側から進入する燃焼ガスの大半は、フィンプレート１９間において、貫通孔２６のバーリング２６ａとバーリング孔２７のバーリング２７ａと側縁折り曲げ片２９と上縁折り曲げ片３０との間に形成されるほぼ決められた燃焼ガス流路を流れるので、全体的に流速が均一化され、フィンパイプ２０表面に沿うように進む燃焼ガスの流れも増加し、熱交換効率を向上させることができるものである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものではなく、本実施形態では、所定の端末（給湯栓等）で使用される湯を生成する給湯装置１に、本発明の熱交換器１８を適用したが、本発明の熱交換器１８は、所定の端末として被空調空間を暖房する床暖房パネル等の放熱端末で使用される温水を生成する温水暖房装置に適用してもよいものであり、また、給湯装置１または上記温水暖房装置で使用する燃料についても石油等の燃油の代わりに都市ガスやプロパンガスといったガス燃料を用いてもよいものである。

また、本実施形態は、熱交換器１８を通過する燃焼ガスの流れは、切り欠き部２８を有するフィンプレート１９の下縁側が上流側で、上縁折り曲げ片３０を有するフィンプレート１９の上縁側が下流側であり、図面（図５）上では、下から上に向かって流れているが、バーナが熱交換器１８より上方に設けられ、熱交換器１８を通過する燃焼ガスの流れが、上から下に向かって流れるような、いわゆる逆燃式の場合は、図２に示された熱交換器１８を上下逆さまにして、切り欠き部２８はフィンプレート１９の上縁側に、上縁折り曲げ片３０はフィンプレート１９の下縁側になるように配設すればよく、フィンプレート１９の切り欠き部２８を有する縁側が燃焼ガスの流れ方向の上流側となり、上縁折り曲げ片３０を有するフィンプレート１９の縁側が燃焼ガスの流れ方向の下流側となるという関係性をくずさなければ、先に説明した本発明の熱交換器が有する効果を発揮することができるものである。

１６燃焼缶体
１８熱交換器
１９フィンプレート
２０フィンパイプ
２７バーリング孔
２７ａバーリング
２７ｂ直線部
２８切り欠き部
３０上縁折り曲げ片

Claims

上下左右に一定の間隔で配設された複数のフィンパイプと、該フィンパイプの軸線方向に沿って所定の間隔で配列された複数枚のフィンプレートとを燃焼缶体内に備え、前記フィンプレートには、上下段に矩形状に配置された前記フィンパイプで囲まれる空間の略中央部に前記フィンプレート表面から隆起したバーリングを有するバーリング孔が形成されていると共に該バーリング孔に連続して前記フィンプレートの下縁まで延びる切り欠き部が形成され、前記燃焼缶体内で発生した熱を前記フィンプレートを介して前記フィンパイプに吸収させるようにした熱交換器において、前記バーリング孔を略ひし形状とし、前記切り欠き部と連通する部分を除く前記バーリング孔の全周に前記バーリングを有し、前記バーリングは、略ひし形状をなすための４辺の直線部を有し、該直線部のそれぞれは、前記バーリング孔を囲むように前記矩形状に配置された前記フィンパイプのうち、前記直線部と略直交する方向に位置する前記フィンパイプと対向するように配設し、前記バーリング孔は、平面視で、少なくとも一部が前記フィンパイプと重なるように、前記フィンパイプと重なり代を有する大きさで形成されていることを特徴とする熱交換器。
前記フィンプレート上縁であって、前記バーリング孔の上方且つ上段の隣接する前記フィンパイプの間の位置に、直角方向に折れ曲げられ燃焼ガスを上段の前記フィンパイプの後流側に案内する上縁折り曲げ片を設けたことを特徴とする請求項１記載の熱交換器。