JP7105468B2 - 熱交換器及び給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、給湯器等に使用され、バーナの燃焼排気と湯水を通水させる伝熱管との間で熱交換させるフィンチューブ式の熱交換器と、その熱交換器を備えた給湯器とに関する。

熱交換器は、ケーシング内で厚み方向に所定間隔をおいて複数配設された板状のフィンと、各フィンを直交状に貫通して蛇行状に配設される伝熱管とを有して、バーナを備えた燃焼室の上部に配置される。給湯器では、伝熱管の一端が給水管に、他端が出湯管にそれぞれ接続されて、給水管から伝熱管を通る水がバーナの燃焼排気と熱交換して加熱されて出湯管から出湯される。
この熱交換器では、特許文献１に開示されるように、フィンにおける伝熱管の貫通部分にバーリングを形成すると共に、バーリングの先端に、外側へ放射状に折り返される支持片を形成し、この支持片を隣接するフィンに当接させることでフィン同士の間隔を維持するようにしている。特許文献２には、支持片をバーリングの先端よりも前方へ長く突出させることで、フィンとバーリングとの間に伝熱管に沿った隙間が形成可能となっている。

特開平５－１４１８８９号公報 実開平７－１２７７３号公報

フィンと伝熱管とは、炉中でロウ材を溶融させてフィンと伝熱管との隙間に流し込むことでロウ付け固定されるが、特許文献１の構造ではバーリングの先端全周が隣接するフィンに当接しているため、ロウがフィンと伝熱管との間に十分流れ込まず、強度が確保できない上、フィンでの吸熱を伝熱管に効果的に伝熱させることができないという問題が生じる。特許文献２のようにバーリングから支持片を突出させれば、バーリングの先端とフィンとの間に伝熱管の外周に沿った隙間が生じるため、当該隙間に沿ってロウを流し込むことができる。しかし、当該隙間は支持片によって複数箇所で分断されるため、結局ロウの流れ（流動性）が阻害されてしまい、当該隙間全体にロウが行き渡らないおそれは残ってしまう。

そこで、本発明は、フィンチューブ式においてフィンと伝熱管とを強固にロウ付け固定でき、強度及び伝熱効率の向上が期待できる熱交換器及び給湯器を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、上下方向に立設されて厚み方向に所定間隔をおいて配設され、周縁にバーリングを立ち上げ形成した複数の貫通孔を有すると共に、各貫通孔の上方にロウ材差込孔をそれぞれ形成した複数の板状のフィンと、各貫通孔を貫通してフィンにロウ付け固定される伝熱管とを含む熱交換器であって、
フィンのバーリングは、フィン間の間隔よりも短い高さで立ち上げ形成されて、隣接するフィンとの間に、伝熱管を露出させ、伝熱管の外周に沿ってロウが流れる周方向の隙間を形成している一方、バーリングにおける立ち上げ形成方向の前端には、バーリングの径方向で隙間の外側を通って前方へ突出し、前端を隣接するフィンに当接させて間隔を保持させる支持片が、ロウ材差込孔の真下から外れ、且つ貫通孔の中心を通る上下方向の直線を中心とした線対称位置となるように、貫通孔の上半分側でバーリングの周方向に所定間隔をおいて複数折曲形成されていると共に、
各支持片は、バーリングの前端から前方へ行くに従ってバーリングの径方向外側へ広がるように傾斜する傾斜部と、その傾斜部の先端から径方向外側へフィンと平行に広がる当接部とからなり、各当接部が隣接するフィンに当接する状態で各傾斜部の径方向内側に、隙間がバーリングの全周に亘って連続形成されていることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、給湯器であって、バーナを有する燃焼室の上部に、請求項１に記載の熱交換器を備えてなることを特徴とする。

請求項１及び２に記載の発明によれば、バーリングにおける立ち上げ形成方向の前端に、バーリングの径方向で隙間の外側を通って前方へ突出し、前端を隣接するフィンに当接させて間隔を保持させる支持片が折曲形成されていることで、フィンとバーリングとの隙間でのロウの流動性が確保でき、フィンチューブ式においてフィンと伝熱管とを強固にロウ付け固定できる。よって、強度及び伝熱効率の向上が期待できる。
また、支持片を傾斜部と当接部とから形成したことで、フィンとバーリングとの隙間でのロウの流れを阻害することなくフィン間の間隔を維持する支持片を簡単に得ることができる。
さらに、支持片をバーリングの周方向に所定間隔をおいて複数形成しているので、フィンの間隔をより確実に確保することができる。

給湯器の正面図である。 フロントカバーを取り外した筐体の正面図である。 上ケーシングの背面図である。 上ケーシング及び熱交換器の平面図である（フィンは一部のみ示す）。 図３のＡ－Ａ線断面図である。 図４のＢ－Ｂ線断面図である。 フィンの斜視図である。 図５のＣ－Ｃ線拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、給湯器の一例を示す正面図、図２はフロントカバーを取り外した筐体の正面図である。
この給湯器１は、上面及び下面、左右の側面及び背面が囲まれて前面が開口する縦長箱状の筐体２と、その筐体２の前面を閉塞するフロントカバー３とを有し、フロントカバー３の上部に、排気フード９の前方に設けられた横長筒状の排気口１０を突出させている。フロントカバー３の下部及び側部には吸気口４，４・・が設けられて、筐体２の背面の上下には、壁面等への取付用のブラケット５，５が取り付けられている。
筐体２内には、燃焼室６が設けられている。この燃焼室６は、筐体２内の上側に配置されて、複数本のバーナからなるバーナユニットを収容する四角筒状の下ケーシング７と、後述する熱交換器を収容する四角筒状の上ケーシング８とを組み付けてなり、上ケーシング８の上側に排気フード９が組み付けられている。燃焼室６の下部で筐体２の開口際には、電装基板を正面視四角形状の箱体に収容してなるコントローラ１１が横向きに設置されている。

図３は上ケーシング８の背面図、図４は平面図、図５は図３のＡ－Ａ線断面図である。 上ケーシング８には、筐体２の下面に設けた水出口を介して外部配管と接続され、上ケーシング８の後側を回り込んで右側面前側に接続される給水管１２と、湯出口を介して外部配管と接続され、上ケーシング８の前側を通って右側面前側に接続される出湯管１３とが配設されている。また、上ケーシング８には、風呂往き口を介して外部の浴槽に接続され、上ケーシング８の後側を通って右側面後側に接続される風呂往き管１４と、風呂戻り口を介して浴槽に接続され、上ケーシング８の前側を通って左側面前側に接続される風呂戻り管１５とが配設されている。

上ケーシング８内の熱交換器は、上ケーシング８の左右方向に所定間隔をおいて配設された複数のフィン１６，１６・・と、各フィン１６を直交状に貫通して蛇行状に配設される給湯伝熱管１７及び風呂伝熱管１８とを備えている。
給湯伝熱管１７は、上ケーシング８の前側下部で給水管１２と接続されて後側へ蛇行状に配設された後、上側へ移行して前側へ蛇行状に配設され、上ケーシング８の前側上部で出湯管１３と接続されて、フィン１６と共に給湯熱交換器１９を形成している。
風呂伝熱管１８は、上ケーシング８の後側で風呂往き管１４と接続され、上下に配設される給湯伝熱管１７の間で前側へ蛇行状に配設されて、上ケーシング８の前側で風呂戻り管１５と接続され、フィン１６と共に風呂熱交換器２０を形成している。すなわち、１つの燃焼室６内で給湯熱交換器１９及び風呂熱交換器２０が共通のバーナで加熱される一缶二水型となっている。

給湯伝熱管１７及び風呂伝熱管１８は、上ケーシング８内で前後方向に等間隔をおいて配設される直管部２１，２１・・と、上ケーシング８の外部で直管部２１，２１の端部同士を繋ぐＵ字状の曲管部２２，２２・・とからなる。直管部２１は、図５に示すように、前後に配設される５本ずつの段が上下方向に３段並べて配置されて、各段ごとに曲管部２２が直管部２１へ左右交互に接続されて蛇行状に繋がることで、上段及び下段で給湯伝熱管１７を、中段で風呂伝熱管１８をそれぞれ形成している。給湯伝熱管１７の最後方位置の上段と下段との直管部２１，２１は、上下方向の曲管部２２によって接続される。

よって、この給湯器１においては、出湯管１３に接続された外部配管の給湯栓が開栓されて給水管１２から器具内に通水されると、コントローラ１１がバーナを燃焼させて、給水管１２から下段及び上段の給湯伝熱管１７を通る水をバーナの燃焼排気と熱交換させて出湯管１３から出湯させる。
また、コントローラ１１に外部で接続された給湯リモコン又は風呂リモコンの自動スイッチを押すと、コントローラ１１は、バーナユニットを燃焼させると共に、出湯管１３と風呂戻り管１５とを接続する落とし込み管を介して、給湯熱交換器１９で熱交換された湯を浴槽に供給する。浴槽の湯は、図示しないポンプにより、風呂戻り管１５から風呂熱交換器２０に送られて、中段の風呂伝熱管１８を通って同じバーナの燃焼排気と熱交換されて風呂往き管１４に流れ、浴槽に戻って循環しながら追い焚きされる。

そして、各フィン１６は、図７にも示すように、上ケーシング８内の前後方向に延びる矩形状の板体となっている。但し、図７のフィン１６単独では、左下側（バーリングの立ち上げ方向）を前方として説明する。
まず、フィン１６には、各段の直管部２１が貫通する貫通孔２５，２５・・が、上下方向に連通した格好で形成されており、各貫通孔２５の内周縁には、前側へ向けてバーリング２６が立ち上げ形成されている。このバーリング２６は、上段の貫通孔２５Ａ（以下、各段で区別する際には、上段を２５Ａ、中段を２５Ｂ、下段を２５Ｃと符号を付して表記する。バーリング２６も同じ）では、下部を除く内周縁全体にバーリング２６Ａが、中段の貫通孔２５Ｂでは、上下を除く左右の内周縁にバーリング２６Ｂが、下段の貫通孔２５Ｃでは、上部を除く内周縁全体にバーリング２６Ｃがそれぞれ部分的に形成されて、上段及び中段のバーリング２６Ａ，２６Ｂには、左右に２つの支持片２７，２７が、下段のバーリング２６Ｃには、左右及び下部に３つの支持片２７，２７・・が、それぞれ外側へ折曲形成されている。

各支持片２７は、バーリング２６の前端から前方へ行くに従って径方向外側へ広がるように傾斜する傾斜部２８と、傾斜部２８の先端から径方向外側へフィン１６と平行に広がる当接部２９とを備えている。
また、上段の貫通孔２５Ａの上側には、バーリング２６Ａの根元部分に掛けて形成されて下端が貫通孔２５Ａと連通する左右一対のロウ材差込孔３０，３０が形成されている。同様に、上段及び中段の貫通孔２５Ａ，２５Ｂの間で左右に、中段及び下段の貫通孔２５Ｂ，２５Ｃの間で左右にも、小径のロウ材差込孔３１，３１がそれぞれ形成されている。

さらに、フィン１６における上下の貫通孔２５Ａ～２５Ｃの列の間には、フィン１６の下端から左右の貫通孔２５Ｃ，２５Ｃの外周に沿って曲線状に切り込まれ、下段の貫通孔２５Ｃの中心から上端までは左右同じ幅で切り込まれ、そこから中段の貫通孔２５Ｂの中心付近までは先細り状に切り込まれる複数の切込み３２，３２・・が、それぞれ上向きに形成されている。各切込み３２の上方には、上段と中段との貫通孔２５Ａ，２５Ｂの間で正面視矩形状のオフセットフィン３３が、バーリング２６よりも低い高さで切り起こし形成されている。オフセットフィン３３の上方には、上段の貫通孔２５Ａよりも上方で切り起こし形成され、下縁を下向きに突出させた正面視Ｔ字状のオフセットフィン３４が、バーリング２６よりも低い高さで形成されている。

そして、フィン１６の左右両側縁には、前側へ折り返される折り返し部３５，３５が、上下方向に間隔をおいてそれぞれ上下端まで形成されて、上ケーシング８の内面と当接可能となっている。但し、フィン１６の両側縁の上部及び下部には、折り返し部３５を含んで上ケーシング８の内面に接触しない傾斜状の切欠部３６，３７がそれぞれ形成されて、上下の切欠部３６，３７の間の折り返し部３５のみが上ケーシング８に接触するようになっている。
このうち下側の切欠部３７は、上ケーシング８に接触する上端が、上下方向で下段の貫通孔２５Ｃの上端と下端との間（ここを貫通する直管部２１の上限と下端との間）に位置するように形成されている。

このフィン１６を複数枚左右方向に同じ向きで重ね合わせて各貫通孔２５に直管部２１を貫通させると、図４，６，８に示すように、各支持片２７の当接部２９が、右側に隣接するフィン１６の裏面に当接して、左側のフィン１６の表面と当接部２９とで設定される間隔Ｐを保った状態でフィン１６，１６・・が厚み方向に積層される。この状態でフィン１６の裏面と左側で隣接するフィン１６のバーリング２６の立ち上げ形成方向前端との間には、直管部２１を露出させる周方向の溝状の隙間Ｓが、間隔Ｐの略半分の幅で形成される。ここで、支持片２７は、バーリング２６の前端から径方向外側へ広がる傾斜部２８を有しているので、傾斜部２８が隙間Ｓの外側を通って隙間Ｓを分断させない。よって、隙間Ｓは、傾斜部２８と直管部２１との間でも途切れることがなく、全周に亘って連続している。

以上の如く構成された給湯器１においては、上ケーシング８に給湯熱交換器１９及び風呂熱交換器２０をロウ付けする場合、直管部２１を貫通孔２５に貫通させて給湯伝熱管１７及び風呂伝熱管１８を接続した各フィン１６を、ロウ材差込孔３０（必要であれば小径のロウ材差込孔３１）にロウ材を差し込んだ状態で上ケーシング８内に嵌合させ、炉内で加熱する。すると、ロウ材が溶融してロウが、上段の給湯伝熱管１７の直管部２１と貫通孔２５Ａとの間、中段の風呂伝熱管１８の直管部２１と貫通孔２５Ｂとの間、下段の給湯伝熱管１７の直管部２１と貫通孔２５Ｃとの間の順にそれぞれ流れ落ちて、各伝熱管１７，１８と貫通孔２５とを溶接する。
このとき、ロウは、フィン１６と隣接するフィン１６のバーリング２６との間の溝状の隙間Ｓ内を、径方向外側の支持片２７に阻害されることなく全周に亘って流れるので、ロウが各伝熱管１７，１８の直管部２１と貫通孔２５との間に流れ込んで各直管部２１はムラなくフィン１６に溶接される。従って、必要な強度でロウ付けされ、フィン１６と各伝熱管１７，１８との間の伝熱効率も確保できる。

そして、各フィン１６の両端縁においても、折り返し部３５，３５と上ケーシング８との間でロウ付けされるが、上下端は切欠部３６，３７によって上ケーシング８と接触していないので、その間で上下のロウ付け部分３８，３８（図５）でのみ溶接されて、下側のロウ付け部分３８，３８の下限位置Ａ，Ａは、下段の直管部２１の上端と下端との間（図５に示す範囲Ｈ内）に位置することになる。
よって、給湯運転等でバーナの燃焼排気が通過する際、各フィン１６の両端では、熱交換前の燃焼排気が最初にフィン１６の下端に接触して吸熱するため、フィン１６の下端が高温となるが、ここでは上ケーシング８とロウ付けされていないため、その上側のロウ付け部分３８への熱の影響は小さい。フィン１６での吸熱は、先に下段の給湯伝熱管１７の直管部２１に下端から伝わるため、当該直管部２１の下端より上側でフィン１６を固定するロウ付け部分３８には、直管部２１による吸熱後の比較的低温の熱が伝わる。従って、燃焼排気からの吸熱作用による温度変化は小さくて済み、ロウ付け部分３８にクラックが生じるおそれは低減される。

特に、各フィン１６の両端縁には、下側の切欠部３７及びロウ付け部分３８を含む折り返し部３５，３５が形成されているので、折り返し部３５と上ケーシング８との間で燃焼排気の吹きだまりが形成され、ロウ付け部分３８の下側領域に温度差が生じにくくなる。よって、ロウ付け部分３８の下限位置Ａをできるだけ下段の直管部２１の下端近くに設定してロウ付け部分３８を下方に長く延ばして強度を上げることもできる。

（バーリング及び支持片に係る発明の効果）
このように、上記形態の熱交換器（給湯熱交換器１９及び風呂熱交換器２０）及び給湯器１によれば、フィン１６のバーリング２６が、フィン１６間の間隔Ｐよりも短い高さで立ち上げ形成されて、隣接するフィン１６との間に、各伝熱管１７，１８の外周に沿ってロウが流れる周方向の隙間Ｓを形成している一方、バーリング２６における立ち上げ形成方向の前端には、バーリング２６の径方向で隙間Ｓの外側を通って前方へ突出し、前端を隣接するフィン１６に当接させて間隔Ｐを保持させる支持片２７が折曲形成されているので、フィン１６とバーリング２６との隙間Ｓでのロウの流動性が確保でき、フィンチューブ式においてフィン１６と各伝熱管１７，１８とを強固にロウ付け固定できる。よって、強度及び伝熱効率の向上が期待できる。

特にここでは、支持片２７を、バーリング２６の前端から前方へ行くに従ってバーリング２６の径方向外側へ広がるように傾斜する傾斜部２８と、その傾斜部２８の先端から径方向外側へフィン１６と平行に広がる当接部２９とから形成したことで、フィン１６とバーリング２６との隙間Ｓでのロウの流れを阻害することなくフィン１６間の間隔Ｐを維持する支持片２７を簡単に得ることができる。
また、支持片２７を、バーリング２６の周方向に所定間隔をおいて複数形成しているので、フィン１６の間隔Ｐをより確実に確保することができる。

なお、上記発明において、支持片の形状は上記形態に限らず、例えば傾斜部に代えて、バーリングの前端からＬ字状に形成されて隙間の外側を通る中間部を形成したり、周方向の幅を大きくしたり等、適宜変更可能である。支持片の数の増減も可能である。
また、バーリングの形状も、隣接するフィンとの間に隙間を形成するものであれば、貫通孔の配置や上下の段数等によっては周方向に断続する形態を変えることは可能である。逆に貫通孔の全周にバーリングが連続形成されていてもよい。
さらに、上ケーシング内での給湯伝熱管と風呂伝熱管との配設形態も、上下の配置や段数、各段の直管部の数等を変えることは可能である。

（ロウ付け部分の下限位置の設定に係る発明の効果）
このように、上記形態の熱交換器（給湯熱交換器１９及び風呂熱交換器２０）及び給湯器１によれば、各フィン１６の両端縁におけるロウ付け部分３８の下限位置Ａが、給湯伝熱管１７における最下段の貫通部分（貫通孔２５Ｃを貫通する直管部２１）の上端と下端との間（図５の範囲Ｈ内）に設定されていることで、ロウ付け部分３８に温度差が生じにくくなる。よって、クラックの発生を抑制しつつ、フィン１６を上ケーシング８内へ強固にロウ付け固定することができる。

特にここでは、各フィン１６の両端縁におけるロウ付け部分３８より下側部分には、上ケーシング８に接触しない切欠部３７が形成されているので、フィン１６の高温の熱が上ケーシング８に伝わりにくくなり、上ケーシング８の耐久性を維持することができる。
また、各フィン１６の両端縁におけるロウ付け部分３８及び切欠部３７には、折り返し部３５が折曲形成されていることで、ロウ付け部分３８の下側領域に温度差が生じにくくなる。よって、ロウ付け部分３８の下限位置Ａを下段の直管部２１の下端近くに設定してロウ付け部分３８を下方に長く延ばし、強度を上げることも可能となる。

なお、上記発明において、ロウ付け部分の下限位置は上記形態に限らず、最下段の伝熱管の上下端の範囲にあれば、適宜上下に設計変更可能である。
また、切欠部の形状は上記形態に限らず、ケーシングの内面に対する傾斜角度を大きくしたり、傾斜状でなく四角形状に切り欠いたりする等、適宜変更して差し支えない。切欠部をなくしてロウ付けされないフィンの下端側縁をケーシングの内面に当接させることもできる。
さらに、折り返し部は、上記形態のようにフィンの両側縁の上下端まで設けず、ロウ付け部分と下側の切欠部のみに折り返し部を設けたり、下側の切欠部に設けずにその上側のロウ付け部分にのみ折り返し部を設けたり等、変更しても差し支えない。逆に上下端の全長に折り返し部を設けてもよいし、折り返し部を省略してもよい。

そして、各発明に共通して、給湯器は一缶二水型に限らず、給湯熱交換器と風呂熱交換器とが別々の燃焼室に配置されるものであっても、熱交換器ごとに本発明は適用可能である。風呂回路以外の例えば暖房回路用の熱交換器であっても本発明の適用は妨げないし、風呂回路等がなく給湯回路のみ有するものであっても適用可能である。

１・・給湯器、２・・筐体、３・・フロントカバー、６・・燃焼室、７・・下ケーシング、８・・上ケーシング、１１・・コントローラ、１２・・給水管、１３・・出湯管、１４・・風呂往き管、１５・・風呂戻り管、１６・・フィン、１７・・給湯伝熱管、１８・・風呂伝熱管、１９・・給湯熱交換器、２０・・風呂熱交換器、２１・・直管部、２２・・曲管部、２５・・貫通孔、２６・・バーリング、２７・・支持片、２８・・傾斜部、２９・・当接部、３５・・折り返し部、３６，３７・・切欠部、３８・・ロウ付け部分、Ｐ・・間隔、Ｓ・・隙間。

Claims (2)

1. 上下方向に立設されて 厚み方向に所定間隔をおいて配設され、周縁にバーリングを立ち上げ形成した複数の貫通孔を有すると共に、各前記貫通孔の上方にロウ材差込孔をそれぞれ形成した複数の板状のフィンと、各前記貫通孔を貫通して前記フィンにロウ付け固定される伝熱管とを含む熱交換器であって、
   前記フィンの前記バーリングは、前記フィン間の間隔よりも短い高さで立ち上げ形成されて、隣接する前記フィンとの間に、前記伝熱管を露出させ、前記伝熱管の外周に沿ってロウが流れる周方向の隙間を形成している一方、
   前記バーリングにおける立ち上げ形成方向の前端には、前記バーリングの径方向で前記隙間の外側を通って前方へ突出し、前端を隣接する前記フィンに当接させて前記間隔を保持させる支持片が、前記ロウ材差込孔の真下から外れ、且つ前記貫通孔の中心を通る上下方向の直線を中心とした線対称位置となるように、前記貫通孔の上半分側で前記バーリングの周方向に所定間隔をおいて複数折曲形成されていると共に、
   各前記支持片は、前記バーリングの前端から前方へ行くに従って前記バーリングの径方向外側へ広がるように傾斜する傾斜部と、その傾斜部の先端から前記径方向外側へ前記フィンと平行に広がる当接部とからなり、各前記当接部が前記隣接するフィンに当接する状態で各前記傾斜部の前記径方向内側に、前記隙間が前記バーリングの全周に亘って連続形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. バーナを有する燃焼室の上部に、請求項１に記載の熱交換器を備えてなる給湯器。

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