JP7328115B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、高温の気体（以下、高温ガス）と、高温ガスよりも低温の液体とを熱交換させることによって、液体を加熱する熱交換器に関する。

高温の気体（以下、高温ガス）と、その高温ガスよりも低温の液体とを熱交換させることによって液体を加熱する熱交換器は、様々な機器内に組み込まれて使用されている。例えば、燃料ガスを燃焼させることによって湯を生成する給湯器は広く使用されているが、この給湯器では、燃料ガスを燃焼させることによって高温の燃焼排ガスを発生させると共に、内部に組み込まれた熱交換器で燃焼排ガスと水とを熱交換させることによって、湯を生成するようになっている。

この熱交換器は、高温ガスが通過するガス通路の一部を形成する枠体と、枠体内で等間隔に配列された複数枚の伝熱板（通常、熱交換フィンと呼ばれる）と、複数枚の熱交換フィンを貫通する中空パイプとを備えている。中空パイプは、複数枚の熱交換フィンを貫通すると反転して、逆方向から再び複数枚の熱交換フィンを貫通することを繰り返すことによって、複数枚の熱交換フィンを何度も貫通した形状となっている。また、中空パイプおよび熱交換フィンは、銅などのように伝熱性の良い金属材料で形成されており、中空パイプが熱交換フィンを貫通する部分では、中空パイプとそれぞれの熱交換フィンとがロウ付けなどによって接合されている。

このような構造を有する熱交換器では、ガス通路に高温ガス（たとえば燃焼排ガス）を供給しながら、中空パイプの一端側から低温の液体（たとえば水）を供給すると、複数枚の熱交換フィンの間の隙間を通過する高温ガスと、中空パイプ内を流れる液体とが熱交換する。その結果、中空パイプの他端側からは、熱交換することによって加熱された液体（たとえば湯）が流出する。また、高温ガスは、複数枚の熱交換フィンの隙間を通過する間に、熱交換することによって冷却されることになる。

ここで、熱交換器の熱交換フィンは高温ガスと接触するために高温となるが、中空パイプは内部を通過する液体によって冷却されているため、熱交換フィンに比べると低温に保たれている。このため、高温になって膨張しようとする熱交換フィンを、比較的低温の中空パイプが拘束するような状態となって、熱交換フィンに大きな熱応力が発生する。その結果、熱交換器を熱的に厳しい条件で、長期に亘って使用していると、繰り返し発生する熱応力によって熱交換フィンに亀裂が発生することがある。特に、熱交換フィンの中で高温ガスの流れに向かって上流側の部分は高温となるため、大きな熱応力が発生して亀裂が発生し易くなっている。

そこで、熱交換フィンに高温ガスが流入する上流側の端部から、隣り合う中空パイプの間の位置まで、スリット状の切込部を熱交換フィンに形成する技術が提案されている（特許文献１）。この提案の技術では、熱交換フィンが高温になっても、熱交換フィンに形成された切込部によって、熱交換フィンの熱膨張が吸収されるので、熱応力の発生を抑制することができ、亀裂の発生を防止することが可能となる。

特開平１１－１０８４５６号公報

しかし、提案されている上記の従来技術では、熱交換フィンの隣り合う中空パイプの間の全てにスリット状の切込部を形成しているため、熱交換フィンの面積が小さくなり、熱交換器としての性能（熱交換効率）が低下してしまうという問題があった。

この発明は、従来の技術における上述した課題を解決するために成されたものであり、熱交換フィンに熱応力による亀裂が発生することがなく、熱交換効率の低下も抑制することが可能な熱交換器の提供を目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の熱交換器は次の構成を採用した。すなわち、
高温ガスと、該高温ガスよりも低温の液体とを熱交換させることによって、前記液体を加熱する熱交換器において、
前記高温ガスが通過するガス通路の一部を形成する枠体と、
前記高温ガスが通過する隙間を空けた状態で前記枠体内に配列されて、前記高温ガスが通過する方向と、前記枠体内に配列される方向とに直交する方向を長手方向とする形状に形成された複数枚の伝熱板と、
前記複数枚の伝熱板を、前記伝熱板の長手方向に位置を異ならせた所定のＮ箇所（但しＮは３以上の整数）で貫通して設けられると共に、前記伝熱板の隙間を流れる前記高温ガスとの間で熱交換する前記液体が内部を通過する中空パイプと
を備え、
前記中空パイプは、前記複数枚の伝熱板を貫通した後、前記伝熱板の長手方向に位置を異ならせて、且つ逆方向から再び前記複数枚の伝熱板を貫通することを繰り返すことによって、前記Ｎ箇所で前記複数枚の伝熱板を貫通する連続した中空パイプであり、
前記伝熱板には、前記Ｎ箇所で前記中空パイプが貫通することによって、隣り合う前記中空パイプに挟まれたＮ－１箇所のパイプ間部が形成されていると共に、
前記Ｎ－１箇所のパイプ間部の中から選択された一部の前記パイプ間部である選択パイプ間部には、前記高温ガスが流れ込む側の前記伝熱板の端部から前記選択パイプ間部までの範囲に、前記伝熱板の熱膨張を吸収する熱膨張吸収部が形成されている
ことを特徴とする。

かかる本発明の熱交換器においては、枠体内に複数の伝熱板が隙間を空けた状態で配列されており、その隙間を高温ガスが通過する際に、中空パイプ内の液体と熱交換するようになっている。この時、伝熱板は高温ガスで加熱されることによって熱膨張しようとする。ここで、伝熱板の形状は、高温ガスが通過する方向と、伝熱板が間隔を空けて配列される方向とに直交する方向を長手方向とする形状となっているため、この長手方向には熱膨張が累積して大きな熱膨張が発生する。また、中空パイプは、複数枚の伝熱板を貫通した後、伝熱板の長手方向に位置を異ならせて、逆方向から再び複数枚の伝熱板を貫通することを繰り返すことによって、伝熱板の長手方向に並んだ所定のＮ箇所（但しＮは３以上の整数）で複数枚の伝熱板を貫通する連続した中空パイプとなっている。伝熱板の長手方向に発生した大きな熱膨張を、このような中空パイプで拘束すると、伝熱板に大きな熱応力が発生して亀裂を発生させることになる。しかし、本発明の熱交換器の伝熱板には、高温ガスが流れ込む側の端部から、中空パイプが貫通する位置に挟まれたパイプ間部までの範囲に、伝熱板の熱膨張を吸収する熱膨張吸収部が形成されている。このため、熱膨張が累積して大きな熱膨張が発生する前に、熱膨張吸収部で熱膨張を吸収することができるので、伝熱板に発生する熱応力を抑制することができ、亀裂の発生を抑制することが可能となる。また、伝熱板のＮ箇所で中空パイプが貫通しているとすると、伝熱板にはＮ－１箇所のパイプ間部が存在することになるが、これら全てのパイプ間部に熱膨張吸収部を形成する必要は無く、一部のパイプ間部に形成すれば、伝熱板に発生する熱応力を抑制して亀裂の発生を抑制することができる。従って、Ｎ－１箇所のパイプ間部の中から一部のパイプ間部を選択して、そのパイプ間部（選択パイプ間部）に熱膨張吸収部を形成しておけば、伝熱板に熱膨張吸収部を形成したことによる熱交換効率の低下も抑制することが可能となる。

また、上述した本発明の熱交換器においては、高温ガスが流れ込む側の伝熱板の端部から、選択パイプ間部までに亘って切り込みを設けることによって、熱膨張吸収部を形成してもよい。

こうすれば、伝熱板の複数箇所に熱膨張吸収部を形成する場合でも、簡単に形成することが可能となる。

また、上述した本発明の熱交換器においては、伝熱板の複数箇所（Ｎ－１箇所）に存在するパイプ間部の中から、次のような位置のパイプ間部を、熱膨張吸収部が形成される選択パイプ間部として選択しても良い。先ず、上述したように、伝熱板にはＮ本の中空パイプが並んで貫通しており、Ｎ本の中空パイプの間にＮ－１個のパイプ間部が形成されている。従って、Ｎ－１個のパイプ間部の中から一部（Ｎ－１個よりも少ないＫ個）のパイプ間部を選択すると言うことは、選択したＫ個のパイプ間部（選択パイプ間部）によって、伝熱板を、中空パイプが貫通した複数（Ｋ＋１個）の小領域に分けていると考えることもできる。ここで、同じＫ個の選択パイプ間部を選択して伝熱板をＫ＋１個の小領域に分けた場合でも、選択する位置が異なれば、それぞれの小領域を貫通する中空パイプの数は異なったものとなる。そこで、何れの小領域についても、小領域を貫通する中空パイプの数が３つ以下となる位置のパイプ間部を、選択パイプ間部として選択するようにしても良い。

たとえば、小領域を貫通する中空パイプの数が３つの場合、中央の中空パイプの周囲に存在する伝熱板が熱膨張すると、左右の中空パイプはそれぞれ左方向および右方向に押し出される。そして、左方向に押し出された左側の中空パイプ、および右方向に押し出された右側の中空パイプの周囲に存在する伝熱板が熱膨張することによって、左方向および右方向に熱膨張が累積することになる。しかし、累積した熱膨張は、左側の中空パイプの更に左側に形成された熱膨張吸収部、および右側の中空パイプの更に右側に形成された熱膨張吸収部で吸収されてしまうため、実質的には熱膨張の累積が生じることはない。このことから、小領域を貫通する中空パイプの数が３つ以下となる位置に選択パイプ間部を選択しておけば、小領域で熱膨張の累積が生じることを回避することができ、亀裂の発生も防止することが可能となる。

また、上述した本発明の熱交換器においては、複数のパイプ間部の中から選択パイプ間部を選択する際に、次のような位置のパイプ間部を選択しても良い。すなわち、複数のパイプ間部の中から選択パイプ間部を選択する際には、それぞれの小領域を貫通する中空パイプの数が等しいか、少なくとも数の差が１となる位置のパイプ間部を、選択パイプ間部として選択するようにしても良い。

伝熱板が加熱されると、それぞれの小領域で生じた熱膨張が長手方向に累積するが、選択パイプ間部には熱膨張吸収部が形成されているため、選択パイプ間部を超えて熱膨張が累積することはない。このため、熱膨張は小領域の範囲内で累積することになり、長い小領域（貫通する中空パイプの数が多い小領域）では、短い小領域（貫通する中空パイプの数が少ない小領域）よりも、熱膨張の累積量が大きくなる。その結果、伝熱板に長い小領域と短い小領域とが存在する場合、長い小領域の部分では亀裂が発生し易くなる。そこで、複数の小領域を貫通する中空パイプの数が等しいか、少なくとも数の差が１となるような位置に選択パイプ間部を選択しておけば、他の小領域よりも亀裂の発生し易い小領域が生じることが無いので、伝熱板に亀裂が発生することを抑制することが可能となる。

また、上述した本発明の熱交換器においては、複数のパイプ間部の中で、左右対称の位置にあるパイプ間部を、選択パイプ間部として選択するようにしてもよい。

こうすれば、伝熱板の長手方向に偏って熱応力が発生することがないので、伝熱板に歪みが生じることを回避することが可能となる。

また、上述した本発明の熱交換器の伝熱板は、Ｎ箇所で中空パイプが貫通されると共に、高温ガスの流れの方向に向かって下流側の位置でも、複数箇所で中空パイプが貫通されたような伝熱板であってもよい。そして、この場合は、上流側のＮ箇所に貫通する中空パイプに挟まれたＮ－１箇所のパイプ間部の中から、選択パイプ間部を選択するようにしても良い。

高温ガスは、伝熱板の隙間を流れる間に熱交換によって冷却されるから、下流に行くほど温度が低くなり、これに伴って伝熱板の温度も、高温ガスの流れに対して下流側では、上流側に比べて低くなる。高温ガスの流れに対して上流側および下流側の複数箇所で中空パイプが伝熱板を貫通している場合には、上流側の中空パイプに挟まれたパイプ間部の中から選択パイプ間部を選択して、その選択パイプ間部に熱膨張吸収部を形成しておけば、伝熱板に亀裂が発生することを防止することが可能となる。

実施例の熱交換器１０を備えた給湯器１の大まかな構造を示した説明図である。 本実施例の熱交換器１０の構造を示した説明図である。 熱交換器１０の一部を拡大することによって中空パイプ１２に熱交換フィン１３が取り付けられている状態を示す説明図である。 本実施例の熱交換器１０で用いられている熱交換フィン１３の詳細な形状を示した説明図である。 熱膨張吸収部１５で熱交換フィン１３の熱膨張を吸収することが可能な理由についての説明図である。 熱膨張吸収部１５を有する熱交換フィン１３の他の態様を例示した説明図である。 熱膨張吸収部１５が左右対称な位置に設けられた熱交換フィン１３を例示した説明図である。 熱交換フィン１３に貫通穴１３ｂが複数段に設けられている場合を例示した説明図である。 他の態様の熱膨張吸収部１５についての説明図である。 他の態様の熱膨張吸収部１５についての説明図である。 スリット状の切り込みを有さない他の態様の熱膨張吸収部１５についての説明図である。

図１は、実施例の熱交換器１０を備えた給湯器１の大まかな構造を示した説明図である。給湯器１は、図示されるように、略直方体形状の本体ケース２の側面に、排気口３が突設された形状となっており、本体ケース２の底面には、給湯器１に燃料ガスを供給するためのガス管４や、給湯器１に上水を供給するための上水管５や、給湯器１で生成した湯を流出させるための出湯管６が突設されている。

また、給湯器１の本体ケース２の内部には、本実施例の熱交換器１０の他に、燃焼缶２０や、ガスマニホールド３０や、送風ファン４０や、上部カバー５０や、コントローラ６０や、元弁ユニット７０などが搭載されている。燃焼缶２０は、水平断面が長方形で上下方向が開口した中空の角柱形状の部品であり、燃焼缶２０の下方の内部には、燃料ガスを燃焼させる図示しないガスバーナが複数配置されている。また、ガスバーナが配置されていない燃焼缶２０の内部の上方の空間は、ガスバーナが燃料ガスを燃焼させるための燃焼室となっている。

燃焼缶２０の側面（図１では手前側の側面）には、燃焼缶２０に内蔵された図示しないガスバーナに燃料ガスを供給するためのガスマニホールド３０が取り付けられており、ガスマニホールド３０よりも上方の位置には、点火栓２１も取り付けられている。更に、燃焼缶２０の下端には、ガスバーナに燃焼用の空気を供給するための送風ファン４０が取り付けられている。送風ファン４０から燃焼用の空気を供給して、点火栓２１から火花を飛ばしつつ、ガスマニホールド３０から燃焼缶２０内のガスバーナに燃料ガスを供給すると、燃焼缶２０の内部の燃焼室で燃料ガスが燃焼して、高温の燃焼排ガスが生成されるようになっている。燃料ガスが供給されるガス管４は、本体ケース２の内部の底面に取り付けられた元弁ユニット７０に接続されており、元弁ユニット７０から燃料ガス配管７１を介してガスマニホールド３０に供給される。

燃焼缶２０の上端には、本実施例の熱交換器１０が取り付けられている。図１では、熱交換器１０が斜線を付して表示されている。熱交換器１０の構造については後述するが、熱交換器１０は、燃焼缶２０で生じた燃焼排ガスが内部を通過可能となっており、内部を通過する燃焼排ガスが上水と熱交換して湯を生成するようになっている。熱交換器１０に上水を供給する上水配管７３の上流側は、本体ケース２の内部の底面に取り付けられた接続具７２に接続されており、接続具７２には、給湯器１に上水を供給する上水管５が接続されている。このため、上水管５から供給された上水が、接続具７２および上水配管７３を介して熱交換器１０に供給されるようになっている。また、熱交換器１０で生成された湯が流出する出湯配管７４の下流側は、本体ケース２の内部の底面に取り付けられた接続具７５に接続されており、接続具７５には出湯管６が接続されている。このため、熱交換器１０で生成された湯は、出湯配管７４および接続具７５を介して、出湯管６から給湯器１の外部に供給される。

熱交換器１０の上部には、上部カバー５０が取り付けられている。上部カバー５０は、プレス成形された板金部材によって形成されており、燃焼缶２０内で生じた燃焼排ガスは、熱交換器１０を通過した後、上部カバー５０によって排気口３に導かれるようになっている。尚、本実施例の燃焼排ガスは、本発明における「高温ガス」に対応する。また、燃焼排ガスは、燃焼缶２０および熱交換器１０を通過した後、上部カバー５０を介して排気口３から排出されることから、燃焼缶２０および熱交換器１０の内部の空間は、本発明における「ガス通路」に対応する。

図２は、本実施例の熱交換器１０の構造を示した説明図である。図２（ａ）には、熱交換器１０の外観形状が示されており、図２（ｂ）には、図２（ａ）中の矢視Ｐの方向から上面視した熱交換器１０の形状が示されている。図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、熱交換器１０は矩形形状の枠体１１と、枠体１１内に配列された複数枚の熱交換フィン１３と、枠体１１および複数枚の熱交換フィン１３を貫通する中空パイプ１２とを備えている。中空パイプ１２は、枠体１１および複数枚の熱交換フィン１３を貫通した後、反転して逆方向から再び枠体１１および複数枚の熱交換フィン１３を貫通することを繰り返すことによって、蛇行する形状に形成されている。図２に示した例では、中空パイプ１２は、蛇行しながら枠体１１および複数枚の熱交換フィン１３を９回貫通した形状となっている。また、中空パイプ１２の上流側のパイプ端には上水配管７３が接続されており、中空パイプ１２の下流側のパイプ端には出湯配管７４が接続されている。尚、本実施例では、枠体１１や、中空パイプ１２、熱交換フィン１３は何れも、銅などの伝熱性の良い金属材料によって形成されている。また、本実施例の熱交換フィン１３は、本発明における「伝熱板」に対応する。

図３は、熱交換器１０の一部（図２（ｂ）中でＡと表示した部分）を拡大することによって中空パイプ１２に熱交換フィン１３が取り付けられている状態を示す説明図である。図示されるように、枠体１１の内部には、複数枚の熱交換フィン１３が等間隔で配置されている。尚、図示が煩雑となることを避けるために、図３では、複数枚の熱交換フィン１３の中で１つの熱交換フィン１３を実線で表示され、その他の熱交換フィン１３は破線で表示されている。

熱交換フィン１３は、細長い板状部材であり、大まかには、板形状の伝熱部１３ａに、中空パイプ１２が貫通する貫通穴１３ｂ（図４参照）が形成された形状となっている。貫通穴１３ｂの内周側には、端面が曲げ起こされることによって、中空パイプ１２をロウ付けするための接合部１３ｃが形成されており、曲げ起こされた接合部１３ｃの先端には、隣の熱交換フィン１３に当接して、隣り合う熱交換フィン１３の距離を一定に保つための突辺部１３ｄが突設されている。また、中空パイプ１２と中空パイプ１２との間の位置でも、伝熱部１３ａの上端（図３の紙面上では手前側）が曲げ起こされて、隣の熱交換フィン１３との距離を一定に保つための突辺部１３ｅが形成されている。更に、熱交換フィン１３の両端でも、伝熱部１３ａの端部が曲げ起こされて、隣の熱交換フィン１３との距離を一定に保つための突辺部１３ｆが形成されている。このため、複数枚の熱交換フィン１３は、隣の熱交換フィン１３との間に等間隔の隙間１３ｇが形成された状態で配列されることになる。図３では、隣の熱交換フィン１３との間に形成された隙間１３ｇに斜線を付して表示されている。

図４は、図２（ｂ）中に示した矢視Ｑの方向から見て、熱交換フィン１３の詳細な形状を示した説明図である。図示されるように、熱交換フィン１３は、細長い板状部材の長手方向の複数箇所（図示した例では９箇所）に、中空パイプ１２を貫通させるための貫通穴１３ｂが等間隔に形成された形状となっている。図中で斜線を付した矢印で示したように、燃焼排ガスは、熱交換フィン１３の短手方向から流入する。従って、複数の貫通穴１３ｂは、燃焼排ガスが流れる方向に対して交差する方向に配列して形成されていることになる。また、熱交換フィン１３の両端は折り曲げられて突辺部１３ｆが形成されている（図３参照）。更に、燃焼排ガスが流れる方向に対して上流側（図４の紙面上では下側）でも、貫通穴１３ｂの上流側の部分で熱交換フィン１３の端部が折り曲げられることによって、隣の熱交換フィン１３との間に隙間１３ｇを確保するための突辺部１３ｈが形成されている。

本実施例では、熱交換フィン１３に形成された貫通穴１３ｂと貫通穴１３ｂとの間の部分が、パイプ間部１４となる。ここで、図４に示したように、熱交換フィン１３は、燃焼排ガスの流れに対して上流側の端部の形状が、パイプ間部１４の位置では下流方向に後退することによって波形形状に形成されている。そして、端部が後退した複数箇所の中の一部では、熱交換フィン１３の端部からパイプ間部１４まで、熱交換フィン１３がスリット状に切り込まれることによって、熱膨張吸収部１５が形成されている。図４に例示した熱交換フィン１３では、９つの貫通穴１３ｂが形成されていることに対応して、パイプ間部１４の数は８つとなり、燃焼排ガスの上流側の熱交換フィン１３の端部は８箇所で後退している。この端部が後退した８箇所の中から選択した任意の箇所（但し、全ての箇所を選択することはできない）に、熱膨張吸収部１５を形成することができる。８つのパイプ間部１４の中で、熱交換フィン１３の端部から熱膨張吸収部１５が形成されているパイプ間部１４を、特に、選択パイプ間部１４ｓと称することにする。

このように、燃焼排ガスの流れに対して上流側の熱交換フィン１３の端部に熱膨張吸収部１５を設けておけば、熱交換器１０が熱的に厳しい条件で長期に亘って使用された場合でも、以下の理由から、熱交換フィン１３に亀裂が発生することを防止することができる。説明の都合上、先ず初めに、熱交換フィン１３に熱膨張吸収部１５が形成されていない場合について考える。熱交換フィン１３は燃焼排ガスによって加熱されると、高温になって膨張する。尚、以下では、熱による膨張のことを、単に「熱膨張」と称する。金属材料の熱膨張率（すなわち、温度が単位温度上昇した時の単位長さあたりの熱膨張量）は、全方向に対して均一であるが、図４に示すように熱交換フィン１３は細長い形状となっているため、長手方向（図４では左右方向）は短手方向（図４では上下方向）よりも熱膨張量が大きくなる。この長手方向に生じた大きな熱膨張量を、熱交換フィン１３を貫通する複数本の中空パイプ１２で拘束することになるため、熱交換フィン１３に大きな熱応力が発生して、亀裂を生じさせることになる。このことから、熱交換フィン１３に亀裂が発生する理由は、単に熱交換フィン１３が高温になるからではなく、熱交換フィン１３が長手方向に大きく熱膨張することが直接的な理由であると考えられる。

図４に例示した熱交換フィン１３は、９本の中空パイプ１２に跨る長さを有しているが、２箇所に形成されたスリット状の熱膨張吸収部１５によって、中空パイプ１２が３本ずつの３つの小領域Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃに分けられている。それぞれの小領域Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃの長さは、熱交換フィン１３全体の長さに比べて大幅に短くなっているために、長手方向に生じる熱膨張量も大幅に抑制することができる。その結果、熱交換フィン１３に亀裂が発生することも防止することが可能となる。この点について、補足して説明する。

図５は、熱交換フィン１３の小領域Ｒｂ（図４参照）の部分を拡大して示した説明図である。図示されるように、小領域Ｒｂには３つの貫通穴１３ｂが形成されているが、ここでは便宜上、中央の貫通穴１３ｂを貫通穴１３ｂＣと称し、左側の貫通穴１３ｂを貫通穴１３ｂＬ、右側の貫通穴１３ｂを貫通穴１３ｂＲと称して区別することにする。熱交換フィン１３が加熱されると、中央の貫通穴１３ｂＣの周囲の伝熱部１３ａ（図中では斜線を付して表示）が熱膨張する結果、左側の貫通穴１３ｂＬが左側に押し出され、右側の貫通穴１３ｂＲは右側に押し出される。図中には、左右に押し出された貫通穴１３ｂＬ、１３ｂＲが破線によって示されている。また、左側の貫通穴１３ｂＬの周囲の伝熱部１３ａは、貫通穴１３ｂＬと共に左側に押し出された位置（破線で表示した位置）で左右に熱膨張する。その結果、左側の貫通穴１３ｂＬの更に左側に存在する貫通穴１３ｂ（図示は省略）は、更に左側に押し出されることになる。このように熱交換フィン１３では、長手方向に熱膨張量が累積していき、熱交換フィン１３が長くなるほど、累積した熱膨張量は大きくなる。

しかし、熱交換フィン１３に熱膨張吸収部１５を形成しておけば、累積してきた熱膨張を熱膨張吸収部１５で吸収することができる。すなわち、図５に示した例では、左側に押し出された貫通穴１３ｂＬ（図中では破線で表示）の周囲の伝熱部１３ａが熱膨張しても、貫通穴１３ｂＬの左側にはスリット状の熱膨張吸収部１５が形成されているため、スリットの右端側の端部１５ｔＲが熱膨張によって左方向に移動するだけで、その更に左側に存在する図示しない貫通穴１３ｂに熱膨張が伝わることはない。図５では、熱膨張によって左方向に移動した熱膨張吸収部１５の端部１５ｔＲが破線によって表示されている。

同様なことは、中央の貫通穴１３ｂＣの右側の貫通穴１３ｂＲについても当て嵌まる。すなわち、右側に押し出された貫通穴１３ｂＲ（図中では破線で表示）の周囲の伝熱部１３ａが熱膨張しても、貫通穴１３ｂＲの右側には熱膨張吸収部１５が形成されている。このため、スリットの左端側の端部１５ｔＬが熱膨張によって右方向に移動するだけで、その更に右側に存在する図示しない貫通穴１３ｂに熱膨張が伝わることはない。図５では、熱膨張によって右方向に移動した熱膨張吸収部１５の端部１５ｔＬが破線によって表示されている。

以上では、図５を用いて、熱交換フィン１３の中央に形成された小領域Ｒｂ（図４参照）について説明したが、小領域Ｒｂの左側に形成された小領域Ｒａや、右側に形成された小領域Ｒｃについても、同様な説明が当て嵌まる。従って、熱交換フィン１３が加熱されて、小領域Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃが熱膨張しても、熱膨張吸収部１５の端部１５ｔＬが右方向に移動し、端部１５ｔＲが左方向に移動することによって、熱膨張が吸収されてしまい、熱膨張吸収部１５を超えては熱膨張が累積されることがない。このため、熱交換フィン１３に亀裂が発生することを防止することが可能となる。

尚、以上の説明から明らかなように、熱膨張吸収部１５のスリットの幅ｈは、熱膨張によって右方向に移動する端部１５ｔＬと、左方向に移動する端部１５ｔＲとが接触しない大きさに設定されている。また、熱交換フィン１３の中で燃焼排ガスが流入する側（上流側）は、下流側よりも高温となるので、熱交換フィン１３の下流側よりも上流側の方が熱膨張量は大きくなる。従って、熱膨張吸収部１５は、図４に例示したように、熱交換フィン１３の上流側の端部から切り込みを入れることによって形成しておけば良い。

図４に示した例では、熱交換フィン１３に熱膨張吸収部１５を形成する位置は、９つの貫通穴１３ｂに跨る長さを有する熱交換フィン１３を、３つの貫通穴１３ｂに跨る長さの小領域Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃに分けるような位置に形成されているものとして説明した。しかし、熱膨張吸収部１５を形成する位置は、必ずしも、複数の小領域の長さが同じとなる位置である必要は無く、また、熱膨張吸収部１５を形成する数も２つである必要は無い。たとえば、図６に例示した熱交換フィン１３には３つの熱膨張吸収部１５が形成されており、それらの熱膨張吸収部１５は熱交換フィン１３を、左側から貫通穴１３ｂが５つ分の長さを有する小領域Ｒａと、貫通穴１３ｂが１つ分の長さの小領域Ｒｂと、貫通穴１３ｂが２つ分の長さの小領域Ｒｃと、貫通穴１３ｂが１つ分の長さの小領域Ｒｄとに分ける位置に形成されている。

このような中空パイプ１２でも、小領域Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ、Ｒｄで生じた熱膨張は熱膨張吸収部１５で吸収されてしまうので、図５を用いて前述した理由と同様な理由により、熱膨張の累積によって大きな熱膨張が生じることがない。もちろん、小領域Ｒａは貫通穴１３ｂが５つ分の長さを有しているため、熱膨張が累積するが、熱交換フィン１３全体に比べれば、小領域Ｒａは短いので、熱膨張の累積量は小さくなる。その結果、貫通穴１３ｂに貫通する中空パイプ１２で熱膨張が拘束されることによって生じる熱応力も、熱膨張吸収部１５が形成されていない場合に比べれば小さくなるため、亀裂の発生を抑制することが可能となる。

尚、図６に例示したように、長さの短い小領域（貫通穴１３ｂの数が少ない小領域）と、長い小領域（貫通穴１３ｂの数が多い小領域）とが存在すると、長い小領域では熱膨張が累積してしまう。そこで、熱交換フィン１３に熱膨張吸収部１５を形成する際には、図４に例示したように複数の小領域の長さが同じ（貫通穴１３ｂの数が同じ）となるか、少なくとも、貫通穴１３ｂの数の差が１つとなる位置に熱膨張吸収部１５を形成することが望ましい。

また、熱交換フィン１３に形成する熱膨張吸収部１５の数を多くすれば、小領域の長さを短く（小領域に含まれる貫通穴１３ｂの数を少なく）することができるが、その一方で、熱交換フィン１３の伝熱部１３ａの面積が小さくなるので、熱交換の効率が低下する。しかし、小領域での熱膨張の累積を防止するという観点からすると、小領域に含まれる貫通穴１３ｂが１つの場合（たとえば、図６中の小領域Ｒｂ、Ｒｄ）と、貫通穴１３ｂが３つの場合（たとえば、図４の小領域Ｒａ、Ｒｂ、Ｒｃ）とで大きな違いは無い。何故なら、小領域に含まれる貫通穴１３ｂが３つの場合、図５を用いて前述したように、中央の貫通穴１３ｂＣの周囲の伝熱部１３ａで生じた熱膨張が左右の貫通穴１３ｂＬ、１３ｂＲに伝わって、その熱膨張の上に、左右の貫通穴１３ｂＬ、１３ｂＲの伝熱部１３ａでの熱膨張が加わることによって熱膨張の累積が生じても、左右の貫通穴１３ｂＬ、１３ｂＲの隣に形成された熱膨張吸収部１５で熱膨張が吸収されてしまうので、小領域に含まれる貫通穴１３ｂが３つであれば、実際には熱膨張の累積が生じないからである。

このことから、図４に例示した熱交換フィン１３のように、貫通穴１３ｂの数が３の倍数である場合は、小領域に含まれる貫通穴１３ｂが３つずつとなる位置に、熱膨張吸収部１５を形成することが望ましい。また、貫通穴１３ｂの数が３の倍数では無い場合は、貫通穴１３ｂが３つの小領域と、貫通穴１３ｂが２つあるいは４つの小領域とが形成される位置に、熱膨張吸収部１５を形成することが望ましい。こうすれば、熱交換フィン１３に形成する熱膨張吸収部１５の数を出来るだけ少なくしながら、それぞれの小領域での熱膨張の累積を回避することができる。その結果、熱交換フィン１３に亀裂が発生することを防止しながら、熱交換の効率が低下することも抑制することが可能となる。

また、異なる長さの小領域が形成されるように熱膨張吸収部１５を設ける場合には、それらの小領域が、熱交換フィン１３に流入する燃焼排ガスの流れに対して、左右対称となる位置に熱膨張吸収部１５を設けることが望ましい。たとえば、図７に例示した熱交換フィン１３では、８つの貫通穴１３ｂが形成されていることに伴って、貫通穴１３ｂが３つの小領域Ｒａ、Ｒｃと、貫通穴１３ｂが２つの小領域Ｒｂとが形成されている。この場合、中央の位置に貫通穴１３ｂが２つの小領域Ｒｂが形成され、その左右の位置に、貫通穴１３ｂが３つの小領域Ｒａ、Ｒｃが形成されるような位置に熱膨張吸収部１５を形成する。こうすれば、熱交換フィン１３に熱応力が発生しても、左右方向の一方側に偏って熱応力が分布することがないので、熱交換フィン１３が歪んでしまう事態を防止することが可能となる。

上述した実施例の熱交換フィン１３では、図４、図６、図７に例示したように、燃焼排ガスの流れに対して交差する方向（横方向）に複数の貫通穴１３ｂが一列に形成されているものとして説明した。しかし、熱交換フィン１３の中には、図８に例示するように、燃焼排ガスが流れる方向の上流側に形成された複数の貫通穴１３ｂに加えて、その下流側の位置にも複数の貫通穴１３ｉが一列に形成されている熱交換フィン１３も存在する。熱交換フィン１３は、燃焼排ガスの流れに対して上流側の方が下流側よりも高温になるから、図８のように、燃焼排ガスの流れに対して複数段の貫通穴１３ｂ、１３ｉが形成されている場合は、上流側の貫通穴１３ｂに対して熱膨張吸収部１５を形成すればよい。

また、上述した実施例の熱膨張吸収部１５は、平面的な形状（すなわち、板状の伝熱部１３ａの一部がスリット状に切り欠かれた形状）に形成されているものとして説明した。しかし、熱膨張吸収部１５は、立体的な形状（すなわち、板状の伝熱部１３ａの一部がスリット状に切り欠かれると共に、スリットの両側あるいは片側の伝熱部１３ａに曲げ加工が施された形状）とすることもできる。

図９には、立体的な形状の熱膨張吸収部１５を備えた熱交換フィン１３が例示されている。図９（ａ）は熱交換フィン１３の全体形状を表しており、図９（ｂ）は熱膨張吸収部１５の拡大図である。更に、図９（ｃ）は、図９（ｂ）中の矢視Ｒの方向から見て、熱膨張吸収部１５の形状を示した説明図である。図９に例示した熱膨張吸収部１５は、熱交換フィン１３の伝熱部１３ａにスリット状の切り込みを形成すると共に（図９（ｂ）参照）、切り込みの左側の伝熱部１３ａを、図９（ｂ）の紙面上で手前側に曲げ加工し、切り込みの右側の伝熱部１３ａについては、図９（ｂ）の紙面上で奥側に曲げ加工することによって形成されている。

こうすれば、熱膨張吸収部１５を形成するスリットの左側の端部１５ｔＬと、スリットの右側の端部１５ｔＲとが、異なる平面上に位置するようになる（図９（ｃ）参照）。従って、図９（ｃ）中に矢印で示したように、熱膨張を吸収するために、熱膨張吸収部１５の左側の端部１５ｔＬが右方向に大きく移動し、右側の端部１５ｔＲが左方向に大きく移動した場合でも、左側の端部１５ｔＬと右側の端部１５ｔＲとが接触することがない。このため、熱膨張吸収部１５のスリットの幅ｈ（図５参照）を小さな値とすることができる。その結果、熱膨張吸収部１５を形成したことによる熱交換フィン１３の面積の減少を抑制することができ、熱交換効率の低下も抑制することが可能となる。

図９に例示した熱膨張吸収部１５では、熱交換フィン１３の端部から形成したスリットの左右の伝熱部１３ａを曲げ加工することによって、熱膨張吸収部１５を形成するものとして説明した。しかし、熱膨張吸収部１５の左側の端部１５ｔＬと、右側の端部１５ｔＲとが、異なる平面上に位置するようになれば十分であり、必ずしも、スリットの左右の伝熱部１３ａを曲げ加工する必要は無い。従って、スリットの片側の伝熱部１３ａは曲げ加工して、反対側の伝熱部１３ａには曲げ加工しないままとしても良い。

図１０には、このような他の態様で立体的な形状の熱膨張吸収部１５を備えた熱交換フィン１３が例示されている。図１０（ａ）は熱交換フィン１３の全体形状であり、図１０（ｂ）は熱膨張吸収部１５を拡大した形状を、図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）中の矢視Ｓの方向から見た熱膨張吸収部１５の形状を表している。図１０に例示した熱膨張吸収部１５は、熱交換フィン１３の伝熱部１３ａにスリット状の切り込みを形成すると共に（図１０（ｂ）参照）、切り込みの左側の伝熱部１３ａを曲げ加工することによって、元の平面に対して平行な端部１５ｔＬを形成している。このため、熱膨張吸収部１５を形成するスリットの左側の端部１５ｔＬと、スリットの右側の端部１５ｔＲとが、異なる平面上に位置するようになる（図１０（ｃ）参照）。従って、図１０（ｃ）中に矢印で示したように、熱膨張を吸収するために、熱膨張吸収部１５の左右の端部１５ｔＬ、１５ｔＲが大きく移動しても、左右の端部１５ｔＬ、１５ｔＲが接触することがない。このため、熱膨張吸収部１５のスリットの幅ｈ（図５参照）を小さな値とすることができるので、熱膨張吸収部１５を形成したことによる熱交換フィン１３の面積の減少を抑制して、熱交換効率の低下も抑制することが可能となる。

また、上述した実施例では、熱交換フィン１３にスリット状の切り込みを入れることによって熱膨張吸収部１５を形成するものとして説明した。しかし、熱膨張吸収部１５は、容易に変形して熱膨張を吸収することが可能な形状であれば十分であり、必ずしも熱交換フィン１３にスリット状の切り込みを入れた形状でなくても構わない。

図１１には、スリット状の切り込みを入れない熱膨張吸収部１５を備えた熱交換フィン１３が例示されている。図１１（ａ）は熱交換フィン１３の全体形状であり、図１１（ｂ）は熱膨張吸収部１５を拡大した形状を、図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）中の矢視Ｔの方向から見た熱膨張吸収部１５の形状を表している。このような形状の熱膨張吸収部１５でも、熱交換フィン１３が熱膨張することによって、図１１（ｃ）に矢印で示したように、熱膨張吸収部１５の左側の伝熱部１３ａが右方向に移動し、右側の伝熱部１３ａが左方向に移動しても、熱膨張吸収部１５のリブを形成する左側の側壁１５ｃおよび右側の側壁１５ｄが撓み変形することによって、熱膨張を吸収することができる。その結果、熱交換フィン１３に亀裂が発生することを防止することが可能となる。

また、図１１（ｃ）に示した例では、熱膨張吸収部１５のリブを形成する左側の側壁１５ｃと右側の側壁１５ｄとが並行に形成されており、左右の側壁１５ｃ、１５ｄがアーチ状の天井部分によって連結されているものとして説明した。しかし、図１１（ｄ）に例示したように、左右の側壁１５ｃ、１５ｄを漸近させて、断面形状が山型のリブを形成するようにしても良い。このようにして形成した熱膨張吸収部１５であっても、図１１（ｄ）に矢印で示したように、熱膨張吸収部１５の左右から伝熱部１３ａが移動してきても、熱膨張吸収部１５のリブを形成する左右の側壁１５ｃ、１５ｄの撓み変形によって熱膨張を吸収することができるので、熱交換フィン１３に亀裂が発生することを防止することが可能となる。また、図１１に示したように、スリット状の切り込みを入れずに熱膨張吸収部１５を形成した場合、熱膨張吸収部１５を形成しても熱交換フィン１３の面積が小さくなることはないので、熱交換効率が低下する虞も生じない。

以上、本実施例の熱交換器１０について説明したが、本発明は上記の実施例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能である。

１…給湯器、 ２…本体ケース、 ３…排気口、 ４…ガス管、
５…上水管、 ６…出湯管、 １０…熱交換器、 １１…枠体、
１２…中空パイプ、 １３…熱交換フィン、 １３ａ…伝熱部、
１３ｂ…貫通穴、 １３ｃ…接合部、 １３ｄ…突辺部、
１３ｅ、１３ｆ…突辺部、 １３ｇ…隙間、 １３ｈ…突辺部、
１３ｉ…貫通穴、 １４…パイプ間部、 １４ｓ…選択パイプ間部、
１５…熱膨張吸収部、 １５ｃ、１５ｄ…側壁、 １５ｔＬ、１５ｔＲ…端部、
２０…燃焼缶、 ２１…点火栓、 ３０…ガスマニホールド、
４０…送風ファン、 ５０…上部カバー、 ６０…コントローラ、
７０…元弁ユニット、 ７１…燃料ガス配管、 ７２…接続具、
７３…上水配管、 ７４…出湯配管、 ７５…接続具、
Ｒａ～Ｒｄ…小領域。

Claims (6)

1. 高温ガスと、該高温ガスよりも低温の液体とを熱交換させることによって、前記液体を加熱する熱交換器において、
   前記高温ガスが通過するガス通路の一部を形成する枠体と、
   前記高温ガスが通過する隙間を空けた状態で前記枠体内に配列されて、前記高温ガスが通過する方向と、前記枠体内に配列される方向とに直交する方向を長手方向とする形状に形成された複数枚の伝熱板と、
   前記複数枚の伝熱板を、前記伝熱板の長手方向に位置を異ならせた所定のＮ箇所（但しＮは３以上の整数）で貫通して設けられると共に、前記伝熱板の隙間を流れる前記高温ガスとの間で熱交換する前記液体が内部を通過する中空パイプと
   を備え、
   前記中空パイプは、前記複数枚の伝熱板を貫通した後、前記伝熱板の長手方向に位置を異ならせて、且つ逆方向から再び前記複数枚の伝熱板を貫通することを繰り返すことによって、前記Ｎ箇所で前記複数枚の伝熱板を貫通する連続した中空パイプであり、
   前記伝熱板には、前記Ｎ箇所で前記中空パイプが貫通することによって、隣り合う前記中空パイプに挟まれたＮ－１箇所のパイプ間部が形成されていると共に、
   前記Ｎ－１箇所のパイプ間部の中から選択された一部の前記パイプ間部である選択パイプ間部には、前記高温ガスが流れ込む側の前記伝熱板の端部から前記選択パイプ間部までの範囲に、前記伝熱板の熱膨張を吸収する熱膨張吸収部が形成されている
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   前記熱膨張吸収部は、前記高温ガスが流れ込む側の前記伝熱板の端部から前記選択パイプ間部までに亘って形成された切り込みである
   ことを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１または請求項２に記載の熱交換器において、
   前記伝熱板は、前記選択パイプ間部によって、前記中空パイプが貫通する複数の小領域に分けられており、
   前記選択パイプ間部は、何れの前記小領域についても、前記小領域を貫通する前記中空パイプの数が３つ以下となる位置の前記パイプ間部が選択されている
   ことを特徴とする熱交換器。
4. 請求項１ないし請求項３の何れか一項に記載の熱交換器において、
   前記伝熱板は、前記選択パイプ間部によって、前記中空パイプが貫通する複数の小領域に分けられており、
   前記選択パイプ間部は、前記複数の小領域間で、前記小領域を貫通する前記中空パイプの数の差が１以下となる位置の前記パイプ間部が選択されている
   ことを特徴とする熱交換器。
5. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載の熱交換器において、
   前記選択パイプ間部は、前記Ｎ－１箇所の前記パイプ間部の中で左右対称の位置にある前記パイプ間部が選択されている
   ことを特徴とする熱交換器。
6. 請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の熱交換器において、
   前記伝熱板には、前記Ｎ箇所で前記中空パイプが貫通すると共に、前記高温ガスが流れる方向に向かって下流側の位置でも、複数箇所で前記中空パイプが貫通しており、
   前記選択パイプ間部は、上流側の前記Ｎ箇所に貫通する前記中空パイプに挟まれた前記Ｎ－１箇所の前記パイプ間部の中から選択されている
   ことを特徴とする熱交換器。

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