JP7165568B2

JP7165568B2 - 熱交換器

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Publication number: JP7165568B2
Application number: JP2018220902A
Authority: JP
Inventors: 貴大小野; 卓史小代
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2018-11-27
Filing date: 2018-11-27
Publication date: 2022-11-04
Anticipated expiration: 2038-11-27
Also published as: JP2020085350A

Description

本発明は、２枚の熱交換プレートを接合することによって形成される熱交換ユニットを備えた熱交換器に関する。

従来、上熱交換プレートと下熱交換プレートとが接合された複数の熱交換ユニットを備える熱交換器が提案されている（例えば、特許文献１）。各熱交換ユニットは、上熱交換プレートと下熱交換プレートとの間に被加熱流体が流れる内部空間と、内部空間を非連通状態で貫通し、バーナから噴出される燃焼排気が上下方向に通過する複数の排気孔とを有する。

図１０は、特許文献１における１つの熱交換ユニットの一部を上方から見た平面図である。図１０に示すように、排気孔１０１３を形成するため、楕円形状の各排気孔１０１３の周縁には、排気孔１０１３よりも一回り大きなフランジ部１０１８が形成されている。そのため、排気孔１０１３の周縁の上下熱交換プレートをロウ付けや溶接等の接合手段により接合すると、隣接する排気孔１０１３の間に形成される内部空間（図示せず）とフランジ部１０１８との境界となるフランジ部１０１８の接合線１０１８ａは排気孔１０１３と同一の楕円形状に形成される。

韓国登録特許第１０－１６０８１４９号公報

ところで、上記のような２枚の熱交換プレートを接合して形成される熱交換ユニットの内部空間を被加熱流体が流れるとき、被加熱流体によって熱交換ユニットには内部空間を上下方向に広げる圧力が働く。具体的には、内部空間はフランジ部１０１８で閉塞されているため、隣接して対向する３つのフランジ部１０１８によって囲まれた内部空間を形成する熱交換プレートの上下方向の変形量は、各接合線１０１８ａに接する仮想円Ｃｓを描くと、仮想円Ｃｓの中心点Ｏｓで最も大きくなる。このとき、仮想円Ｃｓは、仮想円Ｃｓの円弧と逆の曲率を有する各接合線１０１８ａと接点Ｐｓで点接触しているため、接点Ｐｓに集中的に上下熱交換プレートを離反させる方向に応力が集中する。このような応力集中が長期にわたって接合線１０１８ａの特定箇所に作用すると、フランジ部１０１８の接合に損傷が生じる虞がある。応力を低減させるために、隣接する排気孔１０１３間の距離を短くすることも考えられるが、内部空間が小さくなるため、流体流路の圧損が増加する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、２枚の熱交換プレートを接合することによって形成される熱交換ユニットを備えた熱交換器の耐久性を向上させることにある。

本発明によれば、
２枚の熱交換プレートを接合することによって形成される熱交換ユニットを備える熱交換器であって、
前記熱交換ユニットは、被加熱流体が流れる内部空間と、前記内部空間を非連通状態で貫通し、且つ燃焼排気が通過する複数の排気孔と、前記各排気孔の周縁で前記２枚の熱交換プレートが接合されて前記内部空間を閉塞するフランジ部とを有し、
前記各排気孔の周縁に形成される前記フランジ部の接合線の少なくとも一部は、隣接して対向する前記接合線に接する仮想円を描いたとき、前記仮想円と前記接合線との接点の接線方向に延在するか、または前記仮想円の円周方向に延在しており、
前記複数の排気孔は、前記仮想円が少なくとも４本の前記接合線と接するように形成されている熱交換器が提供される。

隣接して対向する接合線の少なくとも一部が上記仮想円と接合線との接点の接線方向に延在していれば、上記接合線の少なくとも一部は接線と略一致する直線形状を有する。これにより、内部空間内を被加熱流体が流れるとき、内部空間を形成する２枚の熱交換プレートに作用する応力は一定の長さの直線形状の連続線に作用する。また、隣接して対向する接合線の少なくとも一部が上記仮想円の円周方向に延在していれば、上記接合線の少なくとも一部は仮想円の円周の一部と略一致する円弧形状を有する。これにより、内部空間内を被加熱流体が流れるとき、内部空間を形成する２枚の熱交換プレートに作用する応力は一定の長さの円弧形状の連続線に作用する。従って、上記熱交換器によれば、接合線の特定箇所への応力集中を回避することができる。

また、上記熱交換器によれば、隣接する排気孔の間に形成される内部空間は少なくとも４本の接合線と接しているから、内部空間内を被加熱流体が流れるとき、各接合線に作用する応力をさらに分散させることができる。

好ましくは、上記熱交換器において、
前記熱交換ユニットは、隣接する前記フランジ部間に、前記内部空間の高さを減少させる内向き段差部及び／または前記内部空間の高さを増加させる外向き段差部を有する。

上記熱交換器によれば、隣接するフランジ部間に、内部空間の高さを減少させる内向き段差部及び／または内部空間の高さを増加させる外向き段差部が形成されているから、内部空間を形成する熱交換プレートの強度を高めることができる。また、内部空間内を被加熱流体が流れるとき、熱交換プレートの変形量を低減することができる。また、これらの段差部によって内部空間の高さが変化するから、被加熱流体の乱流が発生する。これにより、熱交換ユニットで吸熱された熱を効率的に被加熱流体に熱伝達させることができる。

以上のように、本発明によれば、２枚の熱交換プレートを接合して形成される熱交換ユニットにおいて、内部空間内を被加熱流体が流れるとき、排気孔の周縁に形成されるフランジ部の接合線に作用する応力を分散させることができるから、熱交換ユニットの耐圧性能を向上させることができる。これにより、フランジ部の接合の損傷を防止することができるから、優れた耐久性を有する熱交換器を提供することができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る熱交換器を有する熱源機を示す部分切欠斜視図である。図２は、本発明の実施の形態に係る熱交換器を示す部分分解斜視図である。図３は、本発明の実施の形態に係る一方の熱交換プレートの上面を示す平面図である。図４は、本発明の実施の形態に係る他方の熱交換プレートの上面を示す平面図である。図５は、本発明の実施の形態に係る熱交換ユニットの接合形態の一例を示す部分拡大平面図である。図６は、本発明の実施の形態に係る熱交換ユニットを示す部分拡大平面図である。図７は、本発明の実施の形態に係る熱交換ユニットを示す部分拡大断面図である。図８は、本発明の実施の形態に係る熱交換ユニットの接合形態の他の一例を示す部分拡大平面図である。図９は、本発明の実施の形態に係る熱交換ユニットの接合形態のさらに他の一例を示す部分拡大平面図である。図１０は、従来の熱交換ユニットの接合形態を示す部分拡大平面図である。

以下、本発明の実施の形態に係る熱交換器及びそれを備える熱源機について、添付図面を参照しながら具体的に説明する。
図１に示すように、本実施の形態に係る熱源機は、流入管６０から熱交換器１内に流入する水（被加熱流体）を、バーナ３１で生成される燃焼排気により加熱し、流出管６１を通じてカランやシャワーなどの温水利用先（図示せず）に供給する給湯器である。図示しないが、給湯器は、ケーシング内に組み込まれる。なお、被加熱流体として、他の熱媒体（例えば、不凍液）が用いられてもよい。

この給湯器では、上方から順に、バーナ３１の外郭を構成するバーナボディ３、燃焼室２、熱交換器１、及びドレン受け４０が配設される。また、バーナボディ３の一方側方（図１では、右側）には、バーナボディ３内に燃料ガスと空気との混合ガスを送り込む燃焼ファンを備えるファンケース４が配設される。また、バーナボディ３の他方側方（図１では、左側）には、ドレン受け４０と連通する排気ダクト４１が配設される。排気ダクト４１は、ドレン受け４０に排出される燃焼排気を給湯器の外部に排出する。

なお、本明細書では、ファンケース４及び排気ダクト４１がバーナボディ３の側方にそれぞれ配置された状態で給湯器を見たとき、奥行方向が前後方向に対応し、幅方向が左右方向に対応し、高さ方向が上下方向に対応する。

バーナボディ３は、平面視略小判形状を有し、例えば、ステンレス系金属で形成される。図示しないが、バーナボディ３は、下方に開放している。

ファンケース４と連通するガス導入部は、バーナボディ３の中央部から上方に突出している。バーナボディ３は、下向きの燃焼面３０を有する平面状のバーナ３１を備える。燃焼ファンを作動させることにより、混合ガスがバーナボディ３内に供給される。

バーナ３１は、全一次空気燃焼式であり、例えば、下向きに開口する多数の炎孔（図示せず）を有するセラミックス製の燃焼プレート、または金属繊維をネット状に編み込んだ燃焼マットからなる。バーナボディ３内に供給された混合ガスが、燃焼ファンの給気圧によって、下向きの燃焼面３０から下方へ向けて噴出される。この混合ガスを着火させることにより、バーナ３１の燃焼面３０に火炎が形成され、燃焼排気が生成される。従って、バーナ３１から噴出される燃焼排気は、燃焼室２を介して熱交換器１に送り込まれる。次いで、熱交換器１を通過した燃焼排気は、ドレン受け４０及び排気ダクト４１を通って給湯器の外部に排出される。

すなわち、この熱交換器１では、バーナ３１が設けられている上方側が燃焼排気のガス流路の上流側に対応し、バーナ３１が設けられている側と反対側の下方側が燃焼排気のガス流路の下流側に対応する。

燃焼室２は、平面視略小判形状を有する。燃焼室２は、例えば、ステンレス系金属で形成される。燃焼室２は、上下に開放するように、一枚の略長方形状の金属板を湾曲させて両端部を接合することにより形成される。図示しないが、燃焼室２の下端にはフランジが形成されている。フランジは、熱交換器１の上面周縁と接合される。

熱交換器１は、平面視略小判形状を有する。図２に示すように、熱交換器１は、複数（ここでは、１０層）の薄板状の熱交換ユニット１０と、最上層の熱交換ユニット１０の上熱交換プレート１１の上面に接合された上取り付け枠体８１と、最下層の熱交換ユニット１０の下熱交換プレート１２の下面に接合された下取り付け枠体８２とが積層されたプレート積層体を有する。なお、熱交換器１は、その周囲を覆う筐体を有してもよい。

各熱交換ユニット１０は、上下排気孔の位置やコーナ部の上下貫通孔の有無などの一部の構成が相違する以外は、共通の構成を有する一組の上熱交換プレート１１と下熱交換プレート１２とを上下方向に重ね合わせて、後述する所定箇所をロウ材等の接合手段で接合することにより形成される。このため、以下では、１つの熱交換ユニット１０の構成を主に説明し、他の熱交換ユニット１０の構成はそれと異なる部分のみを説明する。なお、各図面は、必ずしも実際の寸法を示したものでなく、実施形態を限定するものではない。

図３及び図４はそれぞれ、下から９層目（上から２層目）の熱交換ユニット１０を形成する上下熱交換プレート１１，１２の上面を示す平面図である。図３及び図４に示すように、上下熱交換プレート１１，１２は、平面視略小判形状を有する。上下熱交換プレート１１，１２は、例えば、所定の厚さ（例えば、約０．５ｍｍ）を有するステンレス製の金属板から形成される。上下熱交換プレート１１，１２はそれぞれ、コーナ部を除くプレートの略全面に多数の略円形状の上下排気孔１１ａ，１２ａと、上下排気孔１１ａ，１２ａの周縁に形成された上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃと、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに内方に向かって突出する多数の上下凹部１１ｂ，１２ｂと、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに外方に向かって突出する多数の第１及び第２上下凸部１１ｄ，１１ｅ，１２ｄ，１２ｅとを有する。なお、上下排気孔１１ａ，１２ａは、略楕円形状などの他の形状を有してもよい。

上下熱交換プレート１１，１２の周縁にはそれぞれ、上方に向かって突出する上下周縁接合部Ｗ１，Ｗ２が形成されている。下熱交換プレート１２の下周縁接合部Ｗ２は、下周縁接合部Ｗ２と上熱交換プレート１１の下面周縁とを接合させたときに、上下熱交換プレート１１，１２が所定高さの間隙を存して離間するように設定されている。

また、上熱交換プレート１１の上周縁接合部Ｗ１は、上周縁接合部Ｗ１と上方に隣接する熱交換ユニット１０の下熱交換プレート１２の下面周縁とを接合させたときに、下方の熱交換ユニット１０の上熱交換プレート１１と、上方の熱交換ユニット１０の下熱交換プレート１２とが所定高さの間隙を存して離間するように設定されている。

従って、下熱交換プレート１２の下周縁接合部Ｗ２と上熱交換プレート１１の下面周縁とを接合させることにより、上下排気孔１１ａ，１２ａ、上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃ、上下凹部１１ｂ，１２ｂ、第１及び第２上下凸部１１ｄ，１１ｅ，１２ｄ，１２ｅ、並びに後述する上下傾斜部１１ｆ，１２ｆが形成されていない平面領域で所定高さ（例えば、約２ｍｍ）の内部空間１４が形成される（図７参照）。また、複数の熱交換ユニット１０を接合させることにより、上下に隣接する熱交換ユニット１０の平面領域の間には、所定高さ（例えば、約３ｍｍ）の排気空間１５が形成される（図７参照）。

上下排気孔１１ａ，１２ａはそれぞれ、４つのコーナ部を除いた上下熱交換プレート１１，１２の略全面にわたって前後及び左右方向に所定の間隔で格子状に開設されている。また、上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃは、上下排気孔１１ａ，１２ａの開口縁から前後及び左右方向に水平に広がり、平面視略正八角形状の外形を有するように形成されている。

上下排気孔１１ａ，１２ａ及び上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃはそれぞれ、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに相互に対応する位置に形成されている。また、上下排気孔１１ａ，１２ａ及び上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃは、絞り加工により、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに対向する上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃが面接触するように、内方に突出する段差部の底面に形成されている。また、下排気孔１１ｂは、バーリング加工により形成されており、下排気孔１１ｂの開口縁の一部には、上方に向かって屈曲させたカシメ部１２ｇが形成されている。また、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに各上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃの外周から斜め外方に広がるように、上下傾斜部１１ｆ，１２ｆが形成されている。上下傾斜部１１ｆ，１２ｆは、上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃよりも一回り大きな平面視略正八角形状の外形を有するように形成されている。

従って、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされた状態で、上排気孔１１ａの開口縁が下排気孔１２ａの開口縁から上方に突出するカシメ部１２ｇでかしめられ、上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃがロウ材等の接合手段により接合されると、上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃによって内部空間１４を閉塞するフランジ部１８が形成される（図７参照）。また、上下排気孔１１ａ，１２ａによって内部空間１４を非連通状態で貫通する排気孔１３が形成される。また、上下傾斜部１１ｆ，１２ｆによってフランジ部１８に向かって内部空間１４の高さが減少する傾斜部２０が形成される。

上下熱交換プレート１１，１２の周縁部を除いて、前後及び左右方向で隣接する２つの上下排気孔１１ａ，１２ａの間には、平面視略円形状の上下凹部１１ｂ，１２ｂが形成されている。また、上下熱交換プレート１１，１２の周縁部において、前後または左右方向で隣接する２つの上下排気孔１１ａ，１２ａの間には、平面視略楕円形状の上下凹部１１ｂ，１２ｂが形成されている。また、これらの上下凹部１１ｂ，１２ｂの中央部には、上下凹部１１ｂ，１２ｂよりも小径の第１上下凸部１１ｄ，１２ｄが形成されている。これらの上下凹部１１ｂ，１２ｂ及び第１上下凸部１１ｄ，１２ｄはそれぞれ、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに相互に対応する位置に形成されている。従って、上下凹部１１ｂ，１２ｂ及び第１上下凸部１１ｄ，１２ｄはそれぞれ、４つのコーナ部を除いた上下熱交換プレート１１，１２の略全面にわたって前後及び左右方向に所定の間隔で格子状に形成されている。また、隣接する上下凹部１１ｂ，１２ｂの間隔は、隣接する上下排気孔１１ａ，１２ａのそれと略同一に設定されている。このため、上下排気孔１１ａ，１２ａと、上下凹部１１ｂ，１２ｂとは、前後及び左右方向に交互に略等間隔で形成されている。また、上下凹部１１ｂ，１２ｂはそれぞれ、上下熱交換プレート１１，１２の周縁部を除いて、前後及び左右方向で隣接する４つの上下排気孔１１ａ，１２ａで囲まれる領域の略中央部に位置するように形成されている。また、上下凹部１１ｂ，１２ｂはそれぞれ、前後及び左右方向で隣接する上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃ間の最短距離よりも小さい直径を有する。

上下凹部１１ｂ，１２ｂはそれぞれ、絞り加工により、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに内部空間１４の内方に向かって所定高さ（例えば、約０．５ｍｍ）突出するように形成されている。この上下凹部１１ｂ，１２ｂの内方への突出高さは、上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃのそれよりも低く設定されている。また、第１上下凸部１１ｄ，１２ｄはそれぞれ、絞り加工により、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに内部空間１４の外方に向かって所定高さ（例えば、約１．５ｍｍ）突出するように形成されている。この第１上下凸部１１ｄ，１２ｄの外方への突出高さは、平面領域よりも若干高く、第２上下凸部１１ｅ，１２ｅよりも低く設定されている。従って、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたとき、上下凹部１１ｂ，１２ｂによって内部空間１４の高さを減少させる内向き段差部１６が形成され、上下凹部１１ｂ，１２ｂ間に所定高さ（例えば、約１ｍｍ）の狭い内部空間１４が形成される（図７参照）。また、上下凹部１１ｂ，１２ｂの中央部に形成された第１上下凸部１１ｄ，１２ｄによって内部空間１４の高さを増加させる第１外向き段差部１７が形成され、第１上下凸部１１ｄ，１２ｄ間に所定高さ（例えば、約３ｍｍ）の広い内部空間１４が形成される（図７参照）。また、内向き段差部１６と隣接するフランジ部１８との間には、水の流体流路が形成される。なお、内向き段差部１６は、上下凹部１１ｂ，１２ｂのいずれか一方のみにより形成されてもよい。また、第１外向き段差部１７は、第１上下凸部１１ｄ，１２ｄのいずれか一方のみに形成されてもよい。また、上下凹部１１ｂ，１２ｂや第１上下凸部１１ｄ，１２ｄは、楕円形状や矩形状などの他の形状を有してもよい。

上下熱交換プレート１１，１２の前後及び左右方向に対して所定角度、傾斜する方向で、隣接する２つの上下排気孔１１ａ，１２ａの間には、第２上下凸部１１ｅ，１２ｅが形成されている。１組の上下熱交換プレート１１，１２の第２上下凸部１１ｅ，１２ｅは、隣接する他の１組の上下熱交換プレート１１，１２の第２上下凸部１１ｅ，１２ｅと相互に対応する位置に形成されている。また、第２上下凹部１１ｂ，１２ｂはそれぞれ、前後及び左右方向に対して所定角度、傾斜する方向で、上下排気孔１１ａ，１２ａまたは上下凹部１１ｂ，１２ｂと交互に配列されている。

第２上下凸部１１ｅ，１２ｅはそれぞれ、絞り加工により、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたときに内部空間１４の外方に向かって所定高さ（例えば、約１．５ｍｍ）突出するように形成されている。また、第２上下凸部１１ｅ，１２ｅはそれぞれ、第２上下凸部１１ｅ，１２ｅを囲む隣接する上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃ間の最短距離よりも小さい直径を有する。従って、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたとき、第２上下凸部１１ｅ，１２ｅによって内部空間１４の高さを増加させる第２外向き段差部１９が形成され、第２上下凸部１１ｅ，１２ｅ間に所定高さ（例えば、約６ｍｍ）の広い内部空間１４が形成される（図７参照）。また、隣接する熱交換ユニット１０が重ね合わされると、上方の熱交換ユニット１０の下熱交換プレート１２の第２下凸部１２ｅと、下方に隣接する熱交換ユニット１０の上熱交換プレート１１の第２上凸部１１ｅとは、相互に当接し、排気空間１５を保持する支持部が形成される。なお、第２外向き段差部１９は、第２上下凸部１１ｅ，１２ｅのいずれか一方のみにより形成されてもよい。また、第２上下凸部１１ｅ，１２ｅは、楕円形状や矩形状などの他の形状を有してもよい。

図示しないが、１つの熱交換ユニット１０を形成する上下熱交換プレート１１，１２のコーナ部に設けられた一部の上下貫通孔１１１～１１４，１２１～１２４は、上下熱交換プレート１１，１２が重ね合わされたとき、上下熱交換プレート１１，１２の間に形成される内部空間１４と連通するように開口している。また、上下に隣接する熱交換ユニット１０の同軸上に位置する上下貫通孔１１１～１１４，１２１～１２４の周縁相互を接合させることにより、排気空間１５を非連通状態で貫通する連通路が形成されている。また、最下層の熱交換ユニット１０の左側後方のコーナ部に設けられている下貫通孔１１１には、下取り付け枠体８２を介して流入管６０が接続されている。また、最下層から８層目の熱交換ユニット１０の右側前方のコーナ部の上下貫通孔１１４，１２４には、これらの熱交換ユニット１０の内部空間１４及び隣接する熱交換ユニット１０間の排気空間１５を非連通状態で貫通する導出管３３が挿入されている（図２参照）。また、導出管３３は、最下層の熱交換ユニット１０を形成する下熱交換プレート１２の右側前方の下貫通孔１１４及び下取り付け枠体８２を介して下方に延設されている。導出管３３の下流端は、流出管６１に接続されている。また、５層目の熱交換ユニット１０を形成する上熱交換プレート１１の左側前後両方のコーナ部、６層目の熱交換ユニット１０を形成する下熱交換プレート１２の左側前後両方のコーナ部、８層目の熱交換ユニット１０を形成する上熱交換プレート１１の右側後方のコーナ部、９層目の熱交換ユニット１０を形成する下熱交換プレート１２の右側後方のコーナ部（図４参照）、及び最上層の熱交換ユニット１０を形成する上熱交換プレート１１の全てのコーナ部（図２参照）には、貫通孔が形成されていない。

従って、流入管６０から最下層の熱交換ユニット１０の内部空間１４に流入する水は、隣接する熱交換ユニット１０間の排気空間１５を非連通状態で連通する連通路を介して、順次、上方に隣接する熱交換ユニット１０の内部空間１４に流入する。このとき、水は、最下層から５層目まで、各熱交換ユニット１０の内部空間１４内を図２中、左側から右側に向かって流れる。また、水は、６層目から８層目まで、各熱交換ユニット１０の内部空間１４内を図２中、右側から左側に向かって流れる。さらに、水は、９層目から最上層まで、各熱交換ユニット１０の内部空間１４内を図２中、左側から右側に向かって流れる。これにより、熱交換器１内を水が下方から上方に向かって流れる間に、各熱交換ユニット１０の排気孔１３及び隣接する熱交換ユニット１０間の排気空間１５を流れる燃焼排気によって水が加熱される。そして、最上層及び９層目の熱交換ユニット１０の内部空間１４に流入した水は、最下層から８層目の熱交換ユニット１０の内部空間１４及び隣接する熱交換ユニット１０間の排気空間１５を非連通状態で貫通する導出管３３を通って、流出管６１に流出する。

図２及び図７に示すように、隣接する熱交換ユニット１０の排気孔１３は、燃焼排気のガス流路の方向に対して垂直に交差する左右方向で半ピッチずれている。従って、上方から流れてきた燃焼排気は、１つの熱交換ユニット１０の排気孔１３を通過した後、その熱交換ユニット１０と下方に隣接する熱交換ユニット１０との間の排気空間１５に流れ出る。そして、排気空間１５に流れ出た燃焼排気は、下方に隣接する熱交換ユニット１０の上熱交換プレート１１に衝突し、下方に隣接する熱交換ユニット１０の排気孔１３からさらに下方に流れる。すなわち、燃焼排気が熱交換器１内を上方から下方に向かって流れるとき、熱交換器１内にはジグザグ状の排気通路が形成される。これにより、熱交換器１内における燃焼排気と上下熱交換プレート１１，１２との接触時間が増加する。なお、最上層の熱交換ユニット１０の上熱交換プレート１１の上方及び最下層の熱交換ユニット１０の下熱交換プレート１２の下方にはそれぞれ、これらの上下熱交換プレート１１，１２のコーナ部及び周縁部を上下から覆うように上下取り付け枠体８１，８２が接合されている。これにより、熱交換器１の強度の向上が図られている。

図５は、１つの熱交換ユニット１０を上方から見たときの排気孔１３の周縁の接合形態を示す部分平面図である。図５では、線の重なりによる煩雑化を避けるため、上凹部１１ｂ、第１上凸部１１ｄ、上傾斜部１１ｆ、第２上凸部１１ｅ、カシメ部１２ｇなどは省略されている。

各熱交換ユニット１０が製作される場合、上下排気孔フランジ部１１ｃ，１２ｃがロウ付け等の接合手段により接合され、排気孔１３、内部空間１４、及び内部空間１４を閉塞するフランジ部１８が形成される。そのため、図５に示すように、排気孔１３の周縁に形成されるフランジ部１８は、平面視略正八角形状の外形を有する。従って、排気孔１３の周縁には、平面視略正八角形状の接合線１８ａを有し、フランジ部１８の幅を有する接合部が形成される。また、各フランジ部１８は、隣接して対向する略正八角形状の接合線１８ａの一辺が略平行に位置するように、排気孔１３の周縁に前後及び左右方向に略同一角度で形成されている。このため、熱交換ユニット１０を上方から見たとき、前後及び左右方向で隣接して対向する接合線１８ａに接する仮想円Ｃ１を描くと、各接合線１８ａの一辺は仮想円Ｃ１と接合線１８ａとの接点Ｐ１の接線Ｌ１方向に延在する。

既述したように、内部空間１４は、フランジ部１８で閉塞されている。従って、水が内部空間１４内を流れるとき、前後及び左右方向で隣接して対向する接合線１８ａに接する仮想円Ｃ１の中心点Ｏ１で最も上下熱交換プレート１１，１２の変形量が大きくなる。それゆえ、内部空間１４を挟んで対向する接合線１８ａの上記一辺に、上下熱交換プレート１１，１２を上下方向に広げる方向に応力が作用する。このとき、接合線１８ａの上記一辺は、仮想円Ｃ１と接合線１８ａとの接点Ｐ１の接線Ｌ１方向に延在するから、上下熱交換プレート１１，１２を上下方向に広げようとする応力は一定の長さの略直線形状の連続線に作用し、応力が分散される。しかも、この熱交換ユニット１０では、排気孔１３は前後及び左右方向に所定の間隔で形成されているから、４つの排気孔１３で囲まれる内部空間１４は前後及び左右方向からフランジ部１８で囲まれている。すなわち、内部空間１４を囲む４つの排気孔１３は、仮想円Ｃ１が前後及び左右方向で隣接する４本の接合線１８ａと接するように配列されているから、各接合線１８ａの一辺に作用する応力をより分散させることができる。これにより、接合線１８ａの特定箇所への応力集中が回避され、熱交換ユニット１０の耐圧性能を向上させることができる。

また、図５に示すように、排気孔１３は前後及び左右方向に所定の間隔で格子状に形成されているため、前後及び左右方向に対して所定角度、傾斜する方向において、所定の間隔で排気孔１３が配列される。従って、水が内部空間１４内を流れるとき、前後及び左右方向に対して傾斜する方向で隣接して対向する接合線１８ａに接する仮想円Ｃ２の中心点Ｏ２で最も上下熱交換プレート１１，１２の変形量が大きくなる。この各接合線１８ａの一辺は、仮想円Ｃ２と接合線１８ａとの接点Ｐ２の接線Ｌ２方向に延在するから、上下熱交換プレート１１，１２を上下方向に広げようとする応力は一定の長さの略直線形状の連続線に作用し、応力が分散される。これにより、接合線１８ａの特定箇所への応力集中が回避され、熱交換ユニット１０の耐圧性能を向上させることができる。

また、熱交換ユニット１０には、絞り加工により、内部空間１４の高さを減少及び増加させる内向き段差部１６並びに第１及び第２外向き段差部１７，１９が形成されているから、内部空間１４を形成する上下熱交換プレート１１，１２の強度を高めることができる。また、上下で隣接する熱交換ユニット１０において、上方の熱交換ユニット１０の下熱交換プレート１２の第２下凸部１２ｅと、下方に隣接する熱交換ユニット１０の上熱交換プレート１１の第２上凸部１１ｅとは相互に当接しているから、内部空間１４を形成する上下熱交換プレート１１，１２の変形量を低減することができる。

本発明者等の検討によれば、上記熱交換ユニット１０は、上記略正八角形状のフランジ部１８と同径の円形状のフランジ部を有する比較熱交換ユニットに比べて、隣接して対向する接合線１８ａに作用する応力を約１０％、低下させることができる。このように、本実施の形態によれば、内部空間１４内を水が流れるとき、接合線１８ａの特定箇所に応力が集中しないから、高い耐久性を有する熱交換器１を提供することができる。

なお、隣接して対向する接合線１８ａの一部が接線Ｌ１，Ｌ２方向に延在していれば、フランジ部１８は他の多角形状の外形を有してもよい。また、上記熱交換ユニット１０におけるフランジ部１８の接合線１８ａの一部は、仮想円Ｃ１，Ｃ２と接合線１８ａとの接点Ｐ１，Ｐ２の接線Ｌ１，Ｌ２と完全に一致している必要はない。例えば、工業的生産では、接合線１８ａの一部に凹凸が形成される場合がある。このような場合でも、接合線１８ａの一部が接線Ｌ１，Ｌ２方向に延在し、接合線１８ａの一部が接線Ｌ１，Ｌ２と複数の交点を有するように形成されれば、接合線１８ａの特定箇所への応力集中を回避することができる。

図６は、熱交換ユニット１０の一部を上方から見たときの内部空間１４内の水の流れを示す部分平面図であり、図７は、熱交換ユニット１０の一部の内部空間１４内の水の流れを示す部分断面図である。これらの図中、破線矢印Ｆは、水の流れを、太矢印Ｇは、燃焼排気の流れを示す。なお、図６では、図５と同様に、第１上傾斜部１１ｆは示されてない。

水は、内部空間１４内の流路抵抗の低い部分を流れやすい。そのため、隣接するフランジ部１８間に内向き段差部１６が形成されていない場合、水は内部空間１４を閉塞するフランジ部１８から離れたフランジ部１８間の中央部を流れやすい。従って、フランジ部１８近傍を流れる水の温度とフランジ部１８間の中央部を流れる水の温度との温度差が大きくなり、内部空間１４内を流れる水の温度分布が大きくなる。その結果、フランジ部１８で吸熱された熱が水に十分に熱伝達されず、熱効率が低下しやすい。

しかしながら、本実施の形態の熱交換ユニット１０では、隣接するフランジ部１８間に内部空間１４の高さを減少させる内向き段差部１６が形成されているから、内向き段差部１６は内部空間１４の内方に向かって突出する。そのため、図６に示すように、内向き段差部１６の周縁に衝突した水は、内部空間１４を通過して下流側に向かって直線的に流れる水と、内向き段差部１６の周囲を回り込みながら下流側に向かって流れる水とに分流される。従って、内向き段差部１６の周囲を回り込む水は、フランジ部１８近傍を流れる。これにより、高温に加熱されたフランジ部１８の熱を効率的に水に熱伝達させることができる。

また、内部空間１４内の上流側から流れてきた水は内向き段差部１６に衝突して、水の乱流が発生する。従って、内向き段差部１６よりも上流側での水の温度分布を小さくすることができる。これにより、熱交換ユニット１０で吸熱された熱が効率的に水に熱伝達される。

また、内部空間１４を直線的に通過する水と内向き段差部１６の周囲を回り込む水とは、内向き段差部１６より下流側で再度、合流し、水の乱流が発生する。従って、内向き段差部１６より下流側での温度分布を小さくすることができる。これにより、熱交換ユニット１０で吸熱された熱がさらに効率的に水に熱伝達される。

また、図７に示すように、内向き段差部１６の略中央部及び隣接する２つの排気孔１３と隣接する２つの内向き段差部１６とで囲まれる領域の略中央部にはそれぞれ、内部空間１４の高さを増加させる第１及び第２外向き段差部１７，１９が形成されているから、第１及び第２外向き段差部１７，１９によって形成される広い内部空間１４に水が流入するとき、水の乱流が発生する。これにより、熱交換ユニット１０で吸熱された熱がさらに効率的に水に熱伝達される。

また、内向き段差部１６によって内部空間１４の高さが減少するから、熱交換ユニット１０の隣接する２つの排気孔１３の間の外面には凹凸が形成される。また、上下で隣接する熱交換ユニット１０の排気孔１３は左右方向に半ピッチずれており、内向き段差部１６は隣接するフランジ部１８間に位置する。すなわち、上方の熱交換ユニット１０の排気孔１３の下方に、下方の熱交換ユニット１０の内向き段差部１６や第１外向き段差部１７が位置する。そのため、排気空間１５を流れる燃焼排気は、排気孔１３に流入する前に上凹部１１ｂや第１上凸部１１ｄによって形成される凹凸に衝突して、燃焼排気の乱流が発生する。従って、排気孔１３の周縁部の燃焼排気の温度境界層を薄くすることができる。これにより、燃焼排気の熱がフランジ部１８で効率的に吸熱される。

従って、本実施の形態によれば、燃焼排気から熱交換ユニット１０が吸熱する熱が、効率的に内部空間１４内を流れる水に熱伝達されるから、熱交換が促進される。

図８は、熱交換ユニット１０の接合形態の他の一例を示す平面図である。なお、上記熱交換ユニット１０と同一の構成については、同一の引用番号を使用して、説明を省略する。

図８に示すように、この熱交換ユニット１０を形成する上下熱交換プレート１１，１２の構成は、フランジ部５８が一辺の中央部が内方に凹むように湾曲した平面視変形正八角形状の外形を有する以外、上記の上下熱交換プレート１１，１２のそれらと同様である。このため、熱交換ユニット１０を上方から見たとき、隣接して対向する接合線５８ａの一部である円弧は、前後及び左右方向で隣接して対向する接合線５８ａに接する仮想円Ｃ３を描くと、仮想円Ｃ３の円周方向に延在する。

上記熱交換ユニット１０では、水が内部空間１４内を流れるとき、前後及び左右方向で隣接して対向する接合線５８ａに接する仮想円Ｃ３の中心点Ｏ３で最も上下熱交換プレート１１，１２の変形量が大きくなる。それゆえ、内部空間１４を挟んで対向する接合線５８ａの上記円弧に、上下熱交換プレート１１，１２を上下方向に広げる方向に応力が作用する。この各接合線５８ａの上記円弧は、仮想円Ｃ３の円周方向に延在するから、上下熱交換プレート１１，１２を上下方向に広げようとする応力は一定の長さの略円弧形状の連続線に作用し、応力が分散される。また、この熱交換ユニット１０では、仮想円Ｃ３は、前後及び左右方向で隣接する４本の円弧形状の接合線５８ａに接しているから、応力を分散させることができる。さらに、隣接して対向する接合線５８ａの上記円弧全体が、中心点Ｏ３から等距離に位置するから、円弧形状の接合線５８ａに均等に応力を分散させることができる。これにより、接合線５８ａの特定箇所への応力集中が回避され、熱交換ユニット１０の耐圧性能を向上させることができる。

また、図８に示すように、前後及び左右方向に対して所定角度、傾斜する方向において、所定の間隔で排気孔１３が配列される。従って、水が内部空間１４内を流れるとき、前後及び左右方向に対して傾斜する方向で隣接して対向する接合線５８ａに接する仮想円Ｃ４の中心点Ｏ４で最も上下熱交換プレート１１，１２の変形量が大きくなる。この各接合線５８ａの上記円弧は、仮想円Ｃ４の円周方向に延在するから、上下熱交換プレート１１，１２を上下方向に広げようとする応力は一定の長さの略円弧形状の連続線に作用し、応力が分散される。これにより、接合線５８ａの特定箇所への応力集中が回避され、熱交換ユニット１０の耐圧性能を向上させることができる。

なお、上記熱交換ユニット１０において、フランジ部５８の接合線５８ａの一部は、仮想円Ｃ３，Ｃ４の円弧と完全に一致している必要はない。例えば、工業的生産では、接合線５８ａは、接合線５８ａの一部が仮想円Ｃ３，Ｃ４の円周と異なる曲率で形成される場合がある。このような場合でも、接合線５８ａが仮想円Ｃ３，Ｃ４の円周と複数の交点を有するように形成されれば、接合線５８ａの特定箇所への応力集中を回避することができる。

図９は、熱交換ユニット１０の接合形態のさらに他の一例を示す平面図である。なお、上記熱交換ユニット１０と同一の構成については、同一の引用番号を使用して、説明を省略する。

図９に示すように、この熱交換ユニット１０を形成する上下熱交換プレート１１，１２の構成は、フランジ部６８が左右方向に長い一辺を有する平面視変形八角形状の外形を有するように形成され、複数の楕円形状の排気孔６３が前後方向に半ピッチずれて配列されている以外、上記の上下熱交換プレート１１，１２のそれらと同様である。

図９に示すように、上記熱交換ユニット１０では、左右方向に対して傾斜する方向で隣接して対向する３つの接合線６８ａに接する仮想円Ｃ６を描くと、各接合線６８ａの傾斜した一辺は、仮想円Ｃ６と接合線６８ａとの接点Ｐ６の接線Ｌ６方向に延在する。従って、上記と同様に、上下熱交換プレート１１，１２を上下方向に広げようとする応力は一定の長さの略直線形状の連続線に作用し、応力が分散される。これにより、接合線６８ａの特定箇所への応力集中が回避され、熱交換ユニット１０の耐圧性能を向上させることができる。なお、接合線６８ａの一部は、図８と同様に、仮想円Ｃ６の円周方向に延在するように形成されてよい。

（その他の実施の形態）
（１）上記実施の形態では、下向きの燃焼面を有するバーナが熱交換器の上方に配設されている。しかしながら、上向きの燃焼面を有するバーナが熱交換器の下方に配設されてもよい。
（２）上記実施の形態では、複数の熱交換ユニットが上下に積層されている。しかしながら、複数の熱交換ユニットは左右に積層されてもよい。
（３）上記実施の形態では、上下に隣接する熱交換ユニットは排気空間を介して積層されている。しかしながら、排気空間を設けることなく、複数の熱交換ユニットが直接、積層されてもよい。
（４）上記実施の形態では、給湯器が用いられているが、ボイラなどの熱源機が用いられてもよい。

１熱交換器
１０熱交換ユニット
１１上熱交換プレート
１２下熱交換プレート
１３排気孔
１４内部空間
１５排気空間
１６内向き段差部
１７第１外向き段差部
１８，５８，６８フランジ部
１８ａ，５８ａ，６８ａ接合線
１９第２外向き段差部
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ６，仮想円
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ６接線
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ６接点

Claims

２枚の熱交換プレートを接合することによって形成される熱交換ユニットを備える熱交換器であって、
前記熱交換ユニットは、被加熱流体が流れる内部空間と、前記内部空間を非連通状態で貫通し、且つ燃焼排気が通過する複数の排気孔と、前記各排気孔の周縁で前記２枚の熱交換プレートが接合されて前記内部空間を閉塞するフランジ部とを有し、
前記各排気孔の周縁に形成される前記フランジ部の接合線の少なくとも一部は、隣接して対向する前記接合線に接する仮想円を描いたとき、前記仮想円と前記接合線との接点の接線方向に延在するか、または前記仮想円の円周方向に延在しており、
前記複数の排気孔は、前記仮想円が少なくとも４本の前記接合線と接するように形成されている熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器において、
前記熱交換ユニットは、隣接する前記フランジ部間に、前記内部空間の高さを減少させる内向き段差部及び／または前記内部空間の高さを増加させる外向き段差部を有する熱交換器。