JPH1114278A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外形が小さく、高密度化された熱交換器を開
発すると共に、筒状体の側壁の温度上昇を抑え、熱交換
効率をさらに上昇させる。 【解決手段】 角形の筒状体２と入口側集合管部３と出
口側集合管部４、複数の細管部５及びフィン６によって
構成されている。細管部５は、対掌形状の二枚の板体１
５，１６が重ね合わされて構成され、両者の凹溝によっ
て一連の流路が形成されている。集合管部３，４は、短
辺側の壁面８に近接した対角位置に設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器に関する
ものである。本発明の熱交換器は、高温の空気や燃焼ガ
ス等と水との間で熱交換を行うものとして特に好適であ
り、給湯器に採用する熱交換器として好ましいものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】家庭用給湯器や風呂の様な火炎によって
水を加熱する機器には、熱交換器が内蔵されている。こ
れらの機器に内蔵される熱交換器は、銅パイプにフィン
を取りつけた単純な構造のものが一般に利用されてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで近年、一つの
給湯器から風呂や洗面所あるいは台所といった多数の箇
所に給湯させる給湯システムの需要が高く、給湯器に内
蔵する熱交換器は大容量化の要求が強い。その一方で給
湯器の設置スペースに制約があり、熱交換器の外形はで
きるだけ小さくしなければならない。そのため熱交換器
は、流体流路を高密度に内蔵する必要があり、且つ高い
熱交換効率を有することが要求される。しかしながら、
従来技術の様な銅パイプにフィンを取りつけた構造の熱
交換器では、流体流路の高密度化や、熱交換効率の向上
に限界がある。

【０００４】また従来技術の熱交換器は、銅パイプを曲
げ加工して水が通過する流体流路を構成するので、製造
に手間を要する問題がある。特に従来技術の構造で流体
流路の高密度化を図るためには、狭い容積の中で銅パイ
プを何度も何度も折り返して長い流路を作る必要があ
り、製造に著しい手間を要する問題がある。そこで本発
明者らは、これらの問題点を解決するために鋭意研究
し、従来技術の銅パイプに代わって、板体によって流体
流路を構成する熱交換器を開発した。本発明者らが開発
した熱交換器を簡単に説明すると次の通りである。

【０００５】すなわち本発明者らが開発した熱交換器
は、角形の筒状体と入口側集合管部と出口側集合管部及
びこれら集合管部から分岐された複数の細管部によって
構成されている。この熱交換器の特徴は、板体によって
細管部を構成した点にある。すなわち細管部は、凹溝が
設けられた二枚の板体が重ね合わせられたものであり、
凹溝同士によって一連の流体流路が構成されている。そ
して前記した細管部（二枚の板体の組み合わせ）は、筒
状体内に多数平行に並べて配されている。また入口側集
合管部は、各細管部を垂直方向に貫通し、入口側集合管
部の貫通部分は、細管部の流路の一端に開口している。
出口側集合管部も同様であり、各細管部を垂直方向に貫
通し、出口側集合管部の貫通部分は、細管部の流路の他
端に開口している。

【０００６】本発明者らが開発した熱交換器は、板状の
細管部を平行に配するものであるから、狭い容積内に多
数の流体流路を内蔵することができる。また従来技術で
必須であった銅パイプの曲げ加工も不要であり、製造も
容易である。しかしながら、上記した熱交換器を試作し
て実験を重ねる内、上記した熱交換器は、筒状体の側壁
（いわゆる胴板）が過度に高温になるという問題点があ
ることが分かった。すなわち上記した構成の熱交換器
は、板体を重ねて流体流路を構成するものであるから、
図６の様に端部Ａに重ねしろが必要である。従って板体
の端部Ａ部分には、流体流路１００を設けることができ
ない。そのため細管部を筒状体に内蔵した状態におい
て、板体の端部Ａが近接する筒状体の側壁近傍に熱交換
不能な不感空間ができる。さらにこの不感空間は、板体
の膨らみ（流体流路を構成する膨らみ）が無いために熱
風に対する流路抵抗が小さく、多量の熱風が吹き抜けて
しまう。そのためこの不感空間と接する筒状体の側壁が
過度に高温となり、極端な場合には変形を起こす。また
不感空間を通過する熱風は、水温の上昇に寄与しないの
で、熱交換器の熱効率を低下させる原因となっている。

【０００７】そこで本発明は、上記した熱交換器をさら
に改良し、筒状体の側壁の温度上昇を防止すると共に、
熱交換効率をさらに上昇させ、実用的な熱交換器を開発
することを課題とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そして上記した目的を達
成するための請求項１に記載の発明は、熱媒体が通過す
る筒状体と、加熱又は冷却しようとする流体が流れる流
体流路を有し、前記筒状体内に流体流路が配されて熱媒
体と流体との間で熱交換を行う熱交換器において、流体
流路は、集合管部と、該集合管部から並列に分岐された
複数の細管部を有し、前記集合管部は、筒状体の壁面近
傍に配されていることを特徴とする熱交換器である。

【０００９】本発明の熱交換器では、集合管部が筒状体
の壁面近傍に配されている。そのため筒状体の壁面周辺
は、集合管部が障害物となって熱媒体の通過が制限され
る。その結果、筒状体の壁面の温度上昇が防止され、熱
交換効率も向上する。

【００１０】上記した発明をさらに発展させた請求項２
に記載の発明は、細管部は、二以上の板体の重ね合わせ
によって構成され、少なくとも一つの板体の内面側には
連続する凹溝が設けられ、該凹溝内を流体が流れること
を特徴とする請求項１記載の熱交換器である。

【００１１】請求項２に記載の発明は、前述した開発経
緯に基づいた構成であり、請求項１記載の発明を、細管
部が二以上の板体の重ね合わせによって構成された熱交
換器に適用したものである。本発明によると、板体の重
ねしろに生じる不感地帯が、集合管部によって封鎖され
る。その結果、筒状体の壁面の温度上昇が防止され、熱
交換効率も向上する。

【００１２】さらに上記した発明を具体化した請求項３
に記載の発明は、入口側集合管部と出口側集合管部を有
し、熱媒体が通過する筒状体は、四つの壁面で囲まれた
角筒形状であり、細管部を構成する板体は、筒状体の特
定の二つの壁面に対して平行に配列され、前記入口側集
合管部と出口側集合管部は板体の対角の位置にあって、
それぞれが板体を垂直方向に連通していることを特徴と
する請求項２記載の熱交換器である。

【００１３】本発明の熱交換器では、細管部を構成する
板体が、筒状体の特定の二つの壁面に対して平行に配列
されているので、細管部をより高密度に配することがで
き、熱交換効率が高い。また本発明の熱交換器では、入
口側集合管部と出口側集合管部を有し、両者が板体の対
角の位置にあって、それぞれが板体を垂直方向に連通し
ている。そのため最も昇温が懸念される部位たる筒状体
の板体端部側の二つの側壁が、入口側集合管部と出口側
集合管部によって封鎖される。

【００１４】なお集合管部と、壁面に密着させることが
望ましいが、５ｍｍ以下程度であれば相当の効果を発揮
することができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下さらに本発明の実施形態につ
いて説明する。図１は、本発明の実施形態の熱交換器の
分解斜視図である。図２は、図１の熱交換器で採用する
細管部の分解斜視図である。図３は、細管部を構成する
板体の集合管取りつけ部の拡大断面図である。図４は、
細管部を構成する板体の流路部の拡大断面図である。図
５は、図１の熱交換器内の加熱空気（燃焼ガス）の流れ
を示す説明図である。

【００１６】図１において、１は、本発明の実施形態の
熱交換器を示す。本実施形態の熱交換器１の基本構成
は、前述の「発明が解決しようとする課題」の欄で説明
した熱交換器と同一であり、角形の筒状体２と入口側集
合管部３と出口側集合管部４、複数の細管部５及びフィ
ン６によって構成されている。

【００１７】順次説明すると、筒状体２は鋼板、錫びき
鉄板、亜鉛びき鉄板、あるいはステンレススチール等の
金属材料の薄板で作られたものであり、開口形状が長方
形の筒体である。すなわち筒状体２は、長手の壁面７
と、短辺側の壁面８によって囲まれた角筒状である。筒
状体２の両端の開口部分には、バーナや排気管等の他部
材と接合するためのフランジ１０，１１が設けられてい
る。

【００１８】入口側集合管部３及び出口側集合管部４
は、いずれも断面形状が円形の管であり、側面には一定
間隔ごとに開口１２が設けられている。

【００１９】細管部５は、図２の様に対掌形状の二枚の
板体１５，１６が重ね合わされて構成されたものであ
る。すなわち板体１５，１６は、銅等の熱伝導に優れた
素材をプレス加工して作られたものであり、一連の凹溝
１７が設けられている。凹溝１７は、板体１５，１６の
一つの角部から始まり、板体１５，１６の長手方向に伸
び、端部で「Ｕ」字状に折り返して他端側に至り、これ
を繰り返して蛇行状に板体１５，１６の全域に広がって
いる。そして凹溝１７は、始点の対角位置で終了してい
る。

【００２０】板体１５，１６の凹溝１７の始点部位及び
終点部位の断面形状は、図３の通りであり、中心部分に
開口２０が設けられている。また開口２０の端部は、バ
ーリング加工がなされ、外側に向かって張り出してい
る。凹溝１７の他の部位の断面形状は、図４の様であ
り、凹溝１７は、僅かな平面部２１を挟んで設けられて
いる。

【００２１】板体１５，１６同士は、溶接或いは端部同
士を折り曲げることによって重ね合わされ、凹溝１７同
士が合致すると共に平面部２１同士と周面部同士が液密
に接合されている。その結果、凹溝１７同士によって四
面が閉鎖される。そして凹溝１７同士によって形成され
る空隙により、蛇行状に板体１５，１６の全域に広がる
一連の流路が形成される。なお、細管部５は、板体１
５，１６は、別々にプレス加工して製造した後に重ね合
わせても良いが、一枚の薄板に板体１５と板体１５の凹
溝１７を隣接してプレスし、両者の中間部を折り曲げて
一体化することにより製作することも可能である。すな
わち細管部５は、図２に示すような二つの板体１５，１
６を別個にプレスした後に両者を接合しても良く、また
二つの板体１５，１６の各辺のいずれか同士が接合され
た展開形状の板体をプレス成形し、これを折り曲げるこ
とによって製作しても良い。

【００２２】フィン６は、コルゲートフィン（波板状フ
ィン）であり、銅等の熱伝導に優れた素材の薄板を適当
な角度で互い違いの方向に折り返したものである。

【００２３】本実施形態の熱交換器１は、四組の細管部
５（板体１５，１６の組み合わせ）を有し、これらが角
形の筒状体２内に、長手の壁面７と平行に並べて配され
ている。そして各細管部５の長手方向の端部１８は、筒
状体２の短辺側の壁面８に溶接されている。

【００２４】また各細管部５の凹溝１７の始点及び終点
の開口２０は、同一直線状に並び、これらを垂直方向に
連通して入口側集合管部３と出口側集合管部４が挿入さ
れている。入口側集合管部３及び出口側集合管部４に
は、前記した様に一定間隔に開口１２が設けられてお
り、この開口は、いずれも各細管部５の凹溝１７内に位
置する。また凹溝１７の開口２０と入口側集合管部３及
び出口側集合管部４との間は、水洩れしないように溶接
されている。

【００２５】入口側集合管部３及び出口側集合管部４
は、細管部５を構成する板体１５，１６を垂直方向に貫
いて連通し、短辺側の壁面８と平行に延びて長手の壁面
７を貫通し、外部に引き出されている。

【００２６】またフィン６は、細管部５同士の間に配さ
れており、折り曲げ部分が板体１５，１６の表面に溶接
されている。なお各フィン６はそれぞれ頂部が双方の細
管部５に溶接されている。本実施形態の熱交換器１で
は、フィン６は、伝熱面積を増大させる機能の他、細管
部５を固定する機能も兼ね備えている。

【００２７】本実施形態の熱交換器１の構成は、上記の
通りであるが、ここで特記するべき点は、入口側集合管
部３及び出口側集合管部４の、筒状体２の短辺側の壁面
８との位置関係である。本実施形態の熱交換器１では、
入口側集合管部３と出口側集合管部４は、筒状体２の短
辺側の壁面８に近接した位置にある。集合管部３，４
は、短辺側の壁面８と接していることが望ましい。また
両者を当接させることが構造上困難である場合には、両
者の隙間ｄ（図１，図５）が５ｍｍ以内となる様に設計
することが推奨される。

【００２８】次に本実施形態の熱交換器１の作用を説明
する。本実施形態の熱交換器１は、給湯器等に内蔵され
る。そして入口側集合管部３が給水源に接続され、出口
側集合管部４はカラン等の給湯栓に接続される。水は、
入口側集合管部３から熱交換器１内に入る。そして水
は、入口側集合管部３の開口１２から３等分に分割され
て各細管部５に均等に導入される。水は、さらに各細管
部５の凹溝１７によって構成される流体流路を並列的に
流れ、出口側集合管部４に集められて給湯栓に至る。

【００２９】また熱交換器１の筒状体２は、ガスバーナ
等の熱源に接続される。そしてガスバーナ等によって加
熱された空気又は燃焼ガス等は、筒状体２を軸方向に流
れ、各細管部５やフィン６に当たって熱交換を行う。こ
こで本実施形態の熱交換器１では、入口側集合管部３と
出口側集合管部４が筒状体２の短辺側の壁面８に近接し
た位置にあるので、筒状体２内における加熱空気（燃焼
ガス）の流れは特異なものとなる。すなわち本実施形態
の熱交換器１では、入口側集合管部３は、筒状体２のバ
ーナ側であって、短辺側の壁面８に近接した位置にある
ので、短辺側の壁面８近くの加熱空気は、入口側集合管
部３によって遮られ、図５の様に中央側に流れる。

【００３０】また対向する短辺側の壁面８では、出口側
集合管部４は、筒状体２の排気側であって、短辺側の壁
面８に近接した位置にあるので、出口側集合管部４のバ
ーナ側の部位は、局部的に高気圧になり、加熱空気（燃
焼ガス）が滞留する。そのため加熱空気の大部分は、図
５の様に中央側に逃げる。その結果、いずれの短辺側の
壁面８近傍でも、加熱空気の通過量は少なく、短辺側の
壁面８の温度上昇は小さい。また本来、短辺側の壁面８
の近傍を通過する加熱空気は、筒状体２の中央部分に流
れるので、流体流路に接して熱交換に寄与し、熱交換効
率が向上する。

【００３１】以上述べた実施形態は、本発明の効果が最
も顕著にあらわれる例として、板体を組み合わせて成る
細管部５を活用したものを例示した。しかしながら、本
発明は、銅等のパイプを利用した熱交換器にも応用可能
であり、本発明は、板体を利用した細管部を有する構成
に限定されるものではない。また細管部５の構成は対掌
形状の板体１５，１６を重ね合わせたものを例示した
が、板体のいずれか一方に凹溝があれば、他方の板体は
平板状であっても良い。

【００３２】

【発明の効果】本発明の熱交換器では、集合管部が筒状
体の壁面近傍に配されているので、集合管部が障害物と
なって熱媒体の通過が制限され、筒状体の壁面の温度上
昇が防止される効果がある。また本発明の熱交換器で
は、熱媒体の多くが熱交換に寄与するので、熱交換効率
が高い効果がある。

【００３３】請求項２に記載の発明は、板状の細管部を
平行に配するものであるから、狭い容積内に多数の流体
流路を構成することができ、熱交換器を小型化すること
ができる効果がある。本発明によると、従来技術で必須
であった銅パイプの曲げ加工も不要であり、製造も容易
である。さらに請求項２に記載の発明では、板体の重ね
しろに生じる不感地帯が、集合管部によって封鎖される
ので、筒状体の壁面の温度上昇が防止され、熱交換効率
がさらに向上させることができる効果がある。

【００３４】請求項３に記載の発明は、細管部をより高
密度に配することができ、熱交換効率が高い効果があ
る。

【００３５】請求項４記載の熱交換器は、側壁の温度上
昇の防止と、熱交換効率の向上を確実に達成することが
できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の熱交換器の分解斜視図であ
る。

【図２】図１の熱交換器で採用する細管部の分解斜視図
である。

【図３】細管部を構成する板体の集合管取りつけ部の拡
大断面図である。

【図４】細管部を構成する板体の流路部の拡大断面図で
ある。

【図５】図１の熱交換器内の加熱空気（燃焼ガス）の流
れを示す説明図である。

【図６】開発途上の熱交換器内の加熱空気（燃焼ガス）
の流れを示す説明図である。

【符号の説明】

１ 熱交換器 ２ 筒状体 ３ 入口側集合管部 ４ 出口側集合管部 ５ 細管部 ６ フィン ７ 長手の壁面 ８ 短辺側の壁面 １５，１６ 板体 １７ 凹溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西畑 智宏 兵庫県神戸市中央区江戸町93番地 株式会 社ノーリツ内 (72)発明者 宇野 治三 東京都渋谷区代々木３丁目25番３号 東洋 ラジエーター株式会社内 (72)発明者 村上 剛 東京都渋谷区代々木３丁目25番３号 東洋 ラジエーター株式会社内 (72)発明者 成田 浩司 東京都渋谷区代々木３丁目25番３号 東洋 ラジエーター株式会社内 (72)発明者 大西 順 東京都渋谷区代々木３丁目25番３号 東洋 ラジエーター株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱媒体が通過する筒状体と、加熱又は冷
   却しようとする流体が流れる流体流路を有し、前記筒状
   体内に流体流路が配されて熱媒体と流体との間で熱交換
   を行う熱交換器において、流体流路は、集合管部と、該
   集合管部から並列に分岐された複数の細管部を有し、前
   記集合管部は、筒状体の壁面近傍に配されていることを
   特徴とする熱交換器。
2. 【請求項２】 細管部は、二以上の板体の重ね合わせに
   よって構成され、少なくとも一つの板体の内面側には連
   続する凹溝が設けられ、該凹溝内を流体が流れることを
   特徴とする請求項１記載の熱交換器。
3. 【請求項３】 入口側集合管部と出口側集合管部を有
   し、熱媒体が通過する筒状体は、四つの壁面で囲まれた
   角筒形状であり、細管部を構成する板体は、筒状体の特
   定の二つの壁面に対して平行に配列され、前記入口側集
   合管部と出口側集合管部は板体の対角の位置にあって、
   それぞれが板体を垂直方向に連通していることを特徴と
   する請求項２記載の熱交換器。
4. 【請求項４】 集合管部と壁面との隙間は、５ｍｍ以下
   であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
   載の熱交換器。