JPH09159390A - 給湯機用熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱効率を向上させ、かつ熱交換器の耐久性を
向上した給湯機用熱交換器を提供することを課題とす
る。 【解決手段】 一定間隔で平行に並べた複数の板状フィ
ン９と、この板状フィン９に直角に挿入した複数の伝熱
管１０とを有し、前記板状フィン９に燃焼ガスの通過方
向に対して１０度から４０度斜向した複数の突出した三
角翼１２を設けて解決手段とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はガス、石油等を燃料
とする給湯機の熱交換器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来この種の熱交換器は、図９に示すよ
うなものが一般的であった。以下、その構成について図
９を参照にしながら説明する。一定間隔で垂直に並べら
れた板状フィン１と、この板状フィン１に垂直に挿入さ
れた伝熱管２から構成され、燃焼ガスは流動して伝熱管
２内の水と熱交換する。伝熱管２の後流部には斜線で示
す死水域３が生じ、この死水域３での燃焼ガス側熱伝達
率が著しく低下し、熱交換器としての伝熱性能が低レベ
ルであった。この対策として図１０に示すような特開昭
６４−３８５９５号公報に開示される如く、板状フィン
１に複数の筒状のバーリング４を設け、板状フィン１間
の燃焼ガスの流れを乱しレイノルズ数を増大させ、熱交
換器の伝熱性能を向上させようとしていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】給湯機では燃焼ガス中
に燃焼によって発生した水分が水蒸気として含有してお
り、低空気過剰率で燃焼させた場合や燃焼量を絞って燃
焼させた場合には燃焼ガスが熱交換器で冷却され飽和水
蒸気となり、低温であるフィンに結露水となって着水す
る。この結露水は燃焼ガス中のＣＯ₂ やＮＯｘによって
高酸性水となっており、銅フィンの酸化を促進し、酸化
物によってフィン間の距離が短くなりフィン間の閉塞を
生じ熱交換器の耐久性を著しく悪化させ、給湯機の故障
要因となるので、結露水をフィンに滞留させないでフィ
ンから流れ落ちる構成にしておくことが重要となる。よ
って給湯機用熱交換器としては熱効率を向上させ、かつ
結露水をフィンに滞留させないことが重要な技術課題と
なる。

【０００４】上記図９で示す従来例ではフィンが板状フ
ィン１のようにフラットであるため、結露水を滞留させ
にくい構成となっているが、熱効率は低レベルであり、
熱交換器の小型化・軽量化は難しいという課題をもって
いた。また、図１０で示す例では熱効率は向上できるが
筒状のバーリングに結露水が滞留しやすい課題を有して
いた。

【０００５】本発明は上記従来の課題を解決し、熱効率
を向上させ、かつ熱交換器の耐久性を向上させる給湯機
用熱交換器を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため、一定間隔で平行に並べた複数の板状フィン
と、この板状フィンに直角に挿入した複数の伝熱管とを
有し、板状フィンに燃焼ガスの通過方向に対して１０度
から４０度斜向した複数の突出した三角翼を設けること
としたものである。

【０００７】そして、この三角翼の後流に縦渦を発生さ
せ、結露水が生じた場合にも斜向した三角翼で落下しや
すくしている。

【０００８】

【発明の実施の形態】前記従来の問題点を解決すること
を解決課題として、請求項１に記載の発明は、一定間隔
で平行に並べた複数の板状フィンと、この板状フィンに
直角に挿入した複数の伝熱管を有し、前記板状フィンに
燃焼ガスの通過方向に対して１０度から４０度斜向した
複数の突出した三角翼を設けたものであり、この三角翼
の後流に縦渦が発生し、結露水が三角翼で落下しやすく
なる。

【０００９】また、請求項２に記載の発明は、三角翼を
燃焼ガスの通過方向に対して伝熱管の後流側に設け且つ
前記伝熱管側に斜向したものであり、伝熱管の後流に燃
焼ガスを流入させる。

【００１０】また、請求項３に記載の発明は、三角翼の
高さを板状フィン間の間隔と同距離にしたものであり、
フィン間距離を精度よく管理するものである。

【００１１】また、請求項４に記載の発明は、板状フィ
ンに、伝熱管の後流側を囲うハの字状の突起部を設け、
前記ハの字状の突起部の後流側に三角翼を設けたもので
あり、伝熱管の後流に燃焼ガスを流入させた後、三角翼
を通過させ縦渦を発生させる。

【００１２】また、請求項５に記載の発明は、板状フィ
ンに、伝熱管の後流側を囲う半円状の突起部を設け、前
記半円状の突起部の後流側に三角翼を設けたものであ
り、伝熱管の後流に燃焼ガスを流入させた後、三角翼を
通過させ縦渦を発生させる。

【００１３】また、請求項６に記載の発明は、板状フィ
ンに、伝熱管を囲う円状の突起部を設け、前記円状の突
起部の後流側に三角翼を設けたものであり、伝熱管の前
面に馬蹄渦を発生させ、伝熱管の後流に燃焼ガスを流入
させた後、三角翼を通過させ縦渦を発生させる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）以下、本発明の実施例１について図１、
２、３を参照しながら説明する。

【００１５】図１は本発明の実施例１の給湯機用熱交換
器を組み込んだ給湯機の構成図であり、５はバーナ部、
６は燃焼室、７は熱交換器、８は排気ガス出口部であ
る。熱交換器７は一定間隔で板状フィン９が並設され、
板状フィン９に垂直に伝熱管１０が挿入されて、胴体１
１で包囲される。図２（ａ）は板状フィン９の正面図、
図２（ｂ）は側面図である。三角翼１２は燃焼ガスの流
線方向に対して１０度から４０度斜向するように板状フ
ィン９に垂直に切り起こして多数設けてある。

【００１６】ここで、三角翼１２を通過する燃焼ガスの
流れについて図３を参照しながら説明する。板状フィン
９に沿って流入した燃焼ガスは三角翼１２を乗り越え通
過する。三角翼１２の後流側空間１３は負圧となり、剥
離流線面がねじれ、ついでそれが、らせん状に回転し下
流に流れる途中で、周りの燃焼ガスを巻込んで、縦渦１
４を発生させる。縦渦１４は三角翼１２の後流域１５で
ある板状フィン９の温度境界層を破壊し熱伝達率を向上
させる。

【００１７】よって、三角翼１２を図２（ａ）のように
温度境界層が形成されているフィンの前縁部１６から離
れた部位１７や平面部が連続する部位１８に多数個設け
ることで温度境界層を破壊し、板状フィン９の熱伝達率
を向上させることができ、熱交換器の伝熱性能を向上さ
せることができる。この結果、同じ伝熱面積の熱交換器
７であれば熱効率を高くすることができ、燃料の削減を
図り、エネルギーの有効利用、ひいてはＣＯ₂ の削減、
地球温暖化を防止できる。また、同じ熱効率で良いので
あれば熱交換器７の伝熱面積を小さくして小型軽量化で
きる。

【００１８】給湯機用熱交換器の性能として伝熱性能と
ともに要求される性能として耐久性能があるが、耐久性
の大部分を占める結露と耐久性について説明する。給湯
機では燃焼ガス中に燃焼によって発生した水分が水蒸気
として含有しており、低空気過剰率で燃焼させた場合や
燃焼量を絞って燃焼させた場合には燃焼ガスが熱交換器
で冷却され飽和水蒸気となり、低温であるフィンの後流
部に結露水となって着水する。この結露水は燃焼ガス中
のＣＯ₂ やＮＯｘによって高酸性水となっており、銅フ
ィンの酸化を促進し、酸化物の堆積によってフィン間の
距離が短くなりフィン間の閉塞を生じ熱交換器の耐久性
を著しく悪化させるとともに、不完全燃焼を誘発し、給
湯機の故障要因となる。だから、結露水をフィンに滞留
させないでフィンから流れ落ちる構成にしておくことが
重要となる。三角翼１２は垂直方向より１０度から４０
度傾斜するように設けてあるので、結露水が溜ることな
く下方に落下する。よって、結露水の板状フィン９への
滞留も少なくでき、熱交換器の耐久性能を向上できる。

【００１９】（実施例２）次に本発明の実施例２につい
て図４を用いて説明する。実施例２において実施例１と
相違する点は、三角翼１２を燃焼ガスの通過方向に対し
て伝熱管１０の後流側に設け且つ伝熱管１０側に斜向さ
せた点にある。この構成によって、一部の燃焼ガスは三
角翼１２に沿って流れるため、流入方向を変更され伝熱
管１０の後流域１９に流入し、死水域が減少する。よっ
て最もフィン効率の高い伝熱管１０の周囲での伝熱性能
が著しく向上する。また他部の燃焼ガスは実施例１と同
じく、三角翼１２を乗り越え三角翼１２の後流側に縦渦
１４を発生し三角翼１２の後流域２０である板状フィン
９の温度境界層を破壊し熱伝達率を向上させる。以上述
べたように、本発明によれば、死水域の減少と縦渦によ
る伝熱促進により、熱交換器の伝熱性能は大幅に向上す
る。

【００２０】（実施例３）次に本発明の実施例３につい
て図５を用いて説明する。実施例３において実施例１と
相違する点は、三角翼１２の高さ２１を板状フィン９間
の間隔２２と同距離にすることである。従来、フィン配
置時にフィン間距離設定治具を要していたが本発明では
板状フィン９を重ね合わせて組むだけでフィン間距離を
精度よく管理することができ、燃焼ガスを各板状フィン
９間に均一に供給できることから熱交換器の伝熱性能の
バラツキを減少し、機器の出湯能力を安定化できる。

【００２１】（実施例４）次に本発明の実施例４につい
て図６を用いて説明する。実施例４において実施例１と
相違する点は、板状フィン９に、伝熱管１０の後流側を
囲うハの字状の突起部２３を設け、ハの字状の突起部２
３の後流側に三角翼１２を設けたことである。この構成
によって、燃焼ガスはハの字状の突起部２３に沿って伝
熱管１０の周囲を流れるため、伝熱管１０の後流域２４
に流入し、死水域が減少する。よって最もフィン効率の
高い伝熱管１０の周囲での伝熱性能が著しく向上する。
また後流域２４を通過した燃焼ガスは実施例１と同じ
く、三角翼１２を乗り越え三角翼１２の後流側に縦渦１
４を発生し三角翼１２の後流域２５である板状フィン９
の温度境界層を破壊し熱伝達率を向上させる。以上述べ
たように、本発明によれば、死水域の減少と縦渦による
伝熱促進により、熱交換器の伝熱性能は大幅に向上す
る。

【００２２】（実施例５）次に本発明の実施例５を図７
を用いて説明する。実施例５において実施例１と相違す
る点は、板状フィン９に、伝熱管１０の後流側を囲う半
円状の突起部２６を設け、半円状の突起部２６の後流側
に三角翼１２を設けたことである。この構成によって、
燃焼ガスは半円状の突起部２６に沿って伝熱管１０の周
囲を流れるため、伝熱管１０の後流域２７に流入し、死
水域が減少する。よって最もフィン効率の高い伝熱管１
０の周囲での伝熱性能が著しく向上する。また後流域２
７を通過した燃焼ガスは実施例１と同じく、三角翼１２
を乗り越え三角翼１２の後流側に縦渦１４を発生し三角
翼１２の後流域２８である板状フィン９の温度境界層を
破壊し熱伝達率を向上させる。以上述べたように、本発
明によれば、死水域の減少と縦渦による伝熱促進によ
り、熱交換器の伝熱性能は大幅に向上する。

【００２３】（実施例６）次に本発明の実施例６につい
て図８を用いて説明する。図８（ａ）は板状フィン９の
正面図、（ｂ）は側面図である。実施例６において実施
例１と相違する点は、板状フィン９に、伝熱管１０を囲
う円状の突起部２９を設け、円状の突起部２９の後流側
に三角翼１２を設けたことである。この構成によって、
流入した燃焼ガスは伝熱管１０の前面に馬蹄渦３０を発
生させた後、円状の突起部２９に沿って伝熱管１０の周
囲を流れるため、伝熱管１０の後流域３１にも流入し、
死水域が減少する。よって最もフィン効率の高い伝熱管
１０の周囲での伝熱性能が著しく向上する。また後流域
３１を通過した燃焼ガスは実施例１と同じく、三角翼１
２を乗り越え三角翼１２の後流側に縦渦１４を発生し三
角翼１２の後流域３２である板状フィン９の温度境界層
を破壊し熱伝達率を向上させる。以上述べたように、本
発明によれば、馬蹄渦と死水域の減少と縦渦による伝熱
促進により、熱交換器の伝熱性能は大幅に向上する。

【００２４】

【発明の効果】以上の説明から明らかのように本発明の
給湯機用熱交換器によれば次の効果が得られる。

【００２５】（１）板状フィンに三角翼を設け、縦渦を
発生させることで、熱交換器の伝熱性能及び耐久性能を
大幅に向上させることができる。

【００２６】（２）三角翼を燃焼ガスの通過方向に対し
て伝熱管の後流側に設け且つ伝熱管側に斜向させたこと
によって伝熱管の後流に燃焼ガスを流入させ、死水域を
減少させることができ、熱交換器の伝熱性能を大幅に向
上させることができる。

【００２７】（３）三角翼の高さを板状フィン間の間隔
と同距離にすることでフィン間距離を精度よく管理で
き、燃焼ガスを各フィン間に均一に供給できることから
熱交換器の伝熱性能のバラツキを減少し、機器の出湯能
力を安定化できる。

【００２８】（４）板状フィンに、伝熱管の後流側を囲
うハの字状の突起部を設け、ハの字状の突起部の後流側
に三角翼を設けることで、伝熱管の後流に燃焼ガスを流
入させ死水域を減少させた後、三角翼を通過させ縦渦を
発生させるので、熱交換器の伝熱性能を大幅に向上させ
ることができる。

【００２９】（５）板状フィンに、伝熱管の後流側を囲
う半円状の突起部を設け、半円状の突起部の後流側に三
角翼を設けることで、伝熱管の後流に燃焼ガスを流入さ
せ死水域を減少させた後、三角翼を通過させ縦渦を発生
させるので、熱交換器の伝熱性能を大幅に向上させるこ
とができる。

【００３０】（６）板状フィンに、伝熱管を囲う円状の
突起部を設け、円状の突起部の後流側に三角翼を設ける
ことで、伝熱管前面に馬蹄渦を発生させ、伝熱管の後流
に燃焼ガスを流入させた後、三角翼を通過させ縦渦を発
生させるので、熱交換器の伝熱性能を大幅に向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の給湯機用熱交換器を組込ん
だ給湯機の構成図

【図２】（ａ）同給湯機用熱交換器の板状フィンの正面
図 （ｂ）同給湯機用熱交換器の板状フィンの側面図

【図３】同三角翼による縦渦発生原理図

【図４】本発明の実施例２の給湯機用熱交換器の板状フ
ィンの正面図

【図５】本発明の実施例３の給湯機用熱交換器の板状フ
ィンの側面図

【図６】本発明の実施例４の給湯機用熱交換器の板状フ
ィンの正面図

【図７】本発明の実施例５の給湯機用熱交換器の板状フ
ィンの正面図

【図８】（ａ）本発明の実施例６の給湯機用熱交換器の
板状フィンの正面図 （ｂ）同給湯機用熱交換器の板状フィンの側面図

【図９】（ａ）従来例の燃焼装置の構成を示す正面図 （ｂ）同構成を示す側面図

【図１０】（ａ）他の従来例の燃焼装置の構成を示す正
面図 （ｂ）同構成を示す側面図

【符号の説明】

７ 熱交換器 ９ 板状フィン １０ 伝熱管 １２ 三角翼 ２１ 三角翼の高さ ２２ 板状フィン間の間隔 ２３ ハの字状の突起部 ２６ 半円状の突起部 ２９ 円状の突起部

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一定間隔で平行に並べた複数の板状フィ
   ンと、この板状フィンに直角に挿入した複数の伝熱管と
   を有し、前記板状フィンに燃焼ガスの通過方向に対して
   １０度から４０度斜向した複数の突出した三角翼を設け
   た給湯機用熱交換器。
2. 【請求項２】 三角翼を燃焼ガスの通過方向に対して伝
   熱管の後流側に設け且つ前記伝熱管側に斜向した請求項
   １記載の給湯機用熱交換器。
3. 【請求項３】 三角翼の高さを板状フィン間の間隔と同
   距離にした請求項１、または２記載の給湯機用熱交換
   器。
4. 【請求項４】 板状フィンに、伝熱管の後流側を囲うハ
   の字状の突起部を設け、前記ハの字状の突起部の後流側
   に三角翼を設けた請求項１、または３記載の給湯機用熱
   交換器。
5. 【請求項５】 板状フィンに、伝熱管の後流側を囲う半
   円状の突起部を設け、前記半円状の突起部の後流側に三
   角翼を設けた請求項１、または３記載の給湯機用熱交換
   器。
6. 【請求項６】 板状フィンに、伝熱管を囲う円状の突起
   部を設け、前記円状の突起部の後流側に三角翼を設けた
   請求項１、または３記載の給湯機用熱交換器。