JP6787574B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、給湯器等に設けられる熱交換器に関する。

給湯器等の熱交換器においては、水等の流体が流れ、外周に複数のフィンを等間隔で備えた蛇行状の配管（フィンパイプ）を有し、フィン間にバーナの燃焼排気を通過させることで、排気熱と配管内の流体との間で熱交換させる。配管内には、特許文献１〜３に開示されるように、配管内での局部沸騰による沸き上がり音の防止と熱効率アップを目的として、切り起こし片を形成したバッフルプレート（乱流板）が挿入されている。

特許第３６７８２６１号公報 特許第３６７８２６２号公報 特許第３６８７２９４号公報

特許文献１〜３のバッフルプレートは、切り起こし片が上向きと下向きとが交互となるように形成されているため、流量が少ない場合や粘性が高い流体の場合、流れが滞留して長手方向に温度ムラが生じ、熱効率が悪くなるおそれがある。

そこで、本発明は、流量が少ない場合等であっても温度ムラの発生を抑えて熱効率を向上させることができる熱交換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、燃焼排気が下方から上方へ通過するケーシングと、ケーシング内を水平方向へ直線状に貫通して、当該貫通方向との直交方向へ等間隔で並設され、内部に乱流板をそれぞれ挿入した複数の伝熱管部と、ケーシングの外部で隣接する伝熱管部の端部同士を、平面視で両端が互い違いとなるように接続するＵ字状の接続管部と、を含み、伝熱管部と接続管部とによって、蛇行状に繋がる一連の管体を形成した熱交換器であって、
乱流板は、伝熱管部へ縦向きに挿入されて、乱流板には、複数の乱流片が左右へ交互に切り起こし形成されていると共に、乱流片は全て下流側への下向き傾斜姿勢で設けられていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、流体が下流側への下向き傾斜姿勢の乱流片によって常に下方へ向けられるので、流量が少ない場合でも下方から上昇する燃焼排気との熱交換が効率よく行われる。よって、伝熱管部の長手方向での温度ムラが抑えられて熱効率が向上する。

熱交換器の正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 図３のＣ−Ｃ線断面図である。 乱流板の斜視図である。 乱流板の説明図で、（Ａ）は側面、（Ｂ）は底面をそれぞれ示す。 給湯器の概略図である。 乱流板に対する水の流れを示す説明図で、（Ａ）が乱流板１０Ａ、（Ｂ）が乱流板１０Ｂをそれぞれ示す。 変更例の乱流板の斜視図である。 変更例の乱流板の説明図で、（Ａ）は側面、（Ｂ）は底面をそれぞれ示す。 変更例の乱流板を挿入した熱交換器における図１Ｂ−Ｂ線と同位置での断面図である。 図１０のＤ−Ｄ線断面図である。

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、熱交換器の一例を示す正面図、図２はＡ−Ａ線断面図、図３はＢ−Ｂ線断面図、図４はＣ−Ｃ線断面図である。
この熱交換器１は、四角筒状のケーシング２を有し、ケーシング２内の上部には、左右方向に等間隔をおいて複数枚積層したフィン３，３・・（図３，４では中間部のフィンを省略）と、各フィン３を貫通してケーシング２内部で前後方向へ等間隔をおいて平行に配設される複数の伝熱管部４，４・・とを有する。前後に並ぶ伝熱管部４，４・・は、上下二段（ここでは上段に４本、下段に５本）配設されて、各段で前後に隣接する伝熱管部４，４同士は、一本の長いパイプを中間部位で折り曲げて、接続管部としてのＵ字状の折曲部５をケーシング２の右側の外部に突出させた状態でケーシング２及びフィン３，３・・を貫通して形成される。

一方、ケーシング２の左側では、各段で前後に隣接する伝熱管部４，４同士は、接続管部としてのＵ字管６の両端を、伝熱管部４，４の端部に差込接続することで連結される。但し、Ｕ字管６は、平面視で折曲部５と左右が互い違いとなるように配置される。また、上段最奥の伝熱管部４と下段最奥の伝熱管部４同士は、縦向きのＵ字管６の両端を差込接続することで連結される。
これにより、ケーシング２内の上部には、上段最前方位置の伝熱管部４から、折曲部５及びＵ字管６を介して４本の伝熱管部４が蛇行状に連続し、最後方位置の伝熱管部４からＵ字管６を介して下段へ移り、下段最後方位置の伝熱管部４から折曲部５及びＵ字管６を介して５本の伝熱管部４が蛇行状に連続する一連の管体７が形成される。

そして、各伝熱管部４内には、乱流板１０が挿入されている。この乱流板１０は、図５に示すように、強度や熱伝導性が高く、耐食性や耐酸化性に優れた金属（例えばニッケル合金系のストリップ材）で、伝熱管部４の内径よりもやや小さい幅で帯板状に形成されている。乱流板１０の長手方向の一方の端部は、終端が直線状の四角端部１１となり、他方の端部は、終端が半円状の円形端部１２となっている。円形端部１２には、円形の透孔１３，１３が、長手方向に２つ並べて形成されている。

さらに、乱流板１０には、図６にも示すように、四角端部１１側が鋭角となり、円形端部１２側へ行くに従って上下幅が大きくなる複数の三角孔１４，１４・・が、等間隔で形成されている。各三角孔１４の傾斜縁には、鋭角部分を切り起こした格好で円形端部１２側へ向けて幅が拡開する三角形状の乱流片１５，１５・・が、左右へ交互に突出するように、且つ下向き傾斜姿勢となるように折曲形成されている。各乱流片１５の幅広側の先端外側には、小孔１６が形成されている。

この乱流板１０は、上段の４本の伝熱管部４内へそれぞれ縦向きに挿入される。具体的には、Ｕ字管６を差込接続する前の伝熱管部４の左端から、乱流板１０を、円形端部１２を先にして挿入した後、Ｕ字管６を差込接続する。但し、４本の伝熱管部４，４・・間では、同じ縦向きの乱流板１０でも、図８（Ａ）に示すように、三角孔１４の鋭角部分が上側に位置する向き（乱流片１５が左から右に向けて下り傾斜姿勢となる向き、以下、区別する際には「１０Ａ」と表記する。）と、同図（Ｂ）に示すように、鋭角部分が下側に位置する向き（乱流片１５が右から左に向けて下り傾斜姿勢となる向き、以下、区別する際には「１０Ｂ」と表記する。）とが交互になるように向きを変えて挿入されている。

すると、図３，４に示すように、各Ｕ字管６の差込端部６ａ，６ａがそれぞれ四角端部１１，１１に当接して乱流板１０，１０を、円形端部１２，１２が右側の折曲部５内に差し込まれる位置まで押し込む。これにより、各乱流板１０は、円形端部１２が折曲部５の内面に近接し、四角端部１１がＵ字管６の差込端部６ａに当接した状態となって長手方向の移動が規制される。このとき乱流板１０の下縁は、伝熱管部４の下側の内面に当接し、各乱流片１５は、先端が伝熱管部４の左右の内面に当接した状態となるため、乱流板１０の回転も規制される。

以上の如く構成された熱交換器１は、例えば図７に示すように、給湯器２０の筐体２１内において、複数のバーナ群を内設するバーナユニット２２の上部に組み付けられる。熱交換器１の上部には、排気フード２３が組み付けられる。これにより、バーナユニット２２内のバーナ群の燃焼排気が、熱交換器１のケーシング２内を上昇して各フィン３，３間を通過して排気フード２３に至る燃焼室（内胴）が形成される。また、熱交換器１の管体７の上流端には、外部の水道管と接続される入水管２４が接続され、管体７の下流端には、給湯栓に繋がる配管が接続される出湯管２５が接続される。２６はバーナユニット２２への給気ファン、２７はコントローラである。

この給湯器２０において、給湯栓を開栓して器具内に通水させると、水が入水管２４を通って熱交換器１の管体７に至り、各伝熱管部４．４・・を順番に通過する。一方、コントローラ２７が通水を検知してバーナユニット２２内のバーナ群に点火すると共に、給気ファン２６を回転させてバーナ群に燃焼用空気を供給する。バーナ群の燃焼排気は、熱交換器１のケーシング２内を上昇してフィン３，３間を通過することで伝熱管部４を通過する水と熱交換される。よって、出湯管２５から所定温度の湯が出湯され、給湯栓から供給される。

各伝熱管部４では、図３に示す実線矢印方向に水が通過することになるが、ここで、水がＵ字管６を通って四角端部１１側から流入した場合、乱流板１０Ａの左右を通りつつ乱流片１５，１５と当接した水の一部は、図８（Ａ）に二点鎖線矢印で示すように、乱流片１５の下向き傾斜姿勢によって下方へ導かれる。よって、伝熱管部４の下側内面に衝突して乱流を生じさせる。各乱流片１５の小孔１６を通ることでも流速が部分的に変化して乱流を生じさせる。また、水の一部は三角孔１４を通過することで乱流板１０Ａの左右に行き来して乱流を生じさせる。
また、水が折曲部５を通って円形端部１２側から流入した場合、水は、乱流板１０Ｂの円形端部１３の外側若しくは透孔１３，１３を通って伝熱管部４内に流れる。そして、乱流板１０Ｂの左右を流れつつ乱流片１５，１５と当接した水の一部は、図８（Ｂ）に二点鎖線矢印で示すように、乱流片１５の下向き傾斜姿勢によって下方へ導かれ、伝熱管部４の下側内面に衝突して乱流を生じさせる。各乱流片１５の小孔１６を通ることでも流速が部分的に変化して乱流を生じさせる。また、水の一部は三角孔１４を通過することで乱流板１０Ｂの左右に行き来して乱流を生じさせる。

このように水が下向き傾斜した乱流片１５によって常に下方へ向けられるので、流量が少ない場合でも下方から上昇する燃焼排気との熱交換が効率よく行われ、伝熱管部４の長手方向での温度ムラが抑えられる。
一方、このように伝熱管部４内を水が乱流片１５に当接しながら通過することで、乱流板１０は水の下流側へ付勢されるが、四角端部１１側から流入した場合、乱流板１０は円形端部１２が折曲部５の内面に当接して移動規制され、円形端部１２側から流入した場合、乱流板１０は四角端部１１がＵ字管６の差込端部６ａに当接することで移動規制される。よって、乱流板１０が伝熱管部４内で移動したり回転したりすることがない。

（円形端部による乱流板の移動及び回転規制に係る発明の効果）
このように、上記形態の熱交換器１によれば、乱流板１０の一方の端部は、接続管部（折曲部５又はＵ字管６）内まで差し込まれて当該接続管部の内面に近接又は当接する半円形状の円形端部１２となっているので、水の流れによって乱流板１０が移動したり回転したりすることがない。また、これは乱流板１０に円形端部１２を形成して接続管部内に差し込むだけで足り、ロウ付け等の固定手段が不要となるため、部品点数の少ない簡単な構造となり、且つ組立作業性も良好な構造となる。

特にここでは、乱流板１０における接続管部内への差込部分には、透孔１３，１３が形成されているので、円形端部１２を接続管部内へ差し込んでも水の流入を必要以上に妨げることがない。
また、乱流板１０には、左右へ交互に切り起こし形成される複数の乱流片１５，１５が設けられているので、伝熱管部４の長手方向での温度ムラの発生を抑えることができる。

なお、上記形態では、乱流板の四角端部の移動規制にＵ字管の差込端部を利用しているが、これに限らず、伝熱管部やＵ字管の内面に突設した突起やリブ等を利用してもよい。伝熱管部の内面を利用した場合、四角端部側は別体のＵ字管である必要はなくなる。
但し、乱流板の一方の端部のみを円形端部とする構造に限らず、図９，１０に示す乱流板１０のように、両端を円形端部１２，１２として透孔１３，１３を設けてもよい。この場合、伝熱管部４では、図１１，１２に示すように、一方の円形端部１２が折曲部５の内面に近接し、他方の円形端部１２がＵ字管６の内面に近接するように挿入することで、伝熱管部４内での長手方向の移動規制は可能である。
この構造であれば、Ｕ字管６の差込端部を利用しなくても乱流板１０の移動規制が可能となる。

また、この発明では、透孔の数や形状、三角孔及び乱流片の数や形状も適宜変更可能である。
さらに、上記形態では、水平方向で蛇行する管体の伝熱管部に乱流板を縦向きに挿入しているが、上下の伝熱管部を縦向きの接続管部で接続する場合、乱流板を横向きに挿入して長手方向の一端又は両端を接続管部に差し込むようにしてもよい。この場合も円形端部が縦向きの接続管部の内面に近接又は当接することで長手方向の移動規制が可能となる。

（下向き傾斜姿勢の乱流片に係る発明の効果）
上記形態の熱交換器１によれば、乱流板１０は、伝熱管部４へ縦向きに挿入され、乱流板１０には、複数の乱流片１５，１５・・が左右へ交互に切り起こし形成されていると共に、各乱流片１５は全て下流側への下向き傾斜姿勢で設けられているので、水が下向き傾斜した乱流片１５によって常に下方へ向けられ、流量が少ない場合でも下方から上昇する燃焼排気との熱交換が効率よく行われる。よって、伝熱管部４の長手方向での温度ムラが抑えられて熱効率が向上する。

なお、上記形態では、同じ形態の乱流板１０を用いて、各伝熱管部４内に交互に向きを変えて挿入しているが、水の流れを下向きに案内する乱流片を備えたものであれば、透孔の形状や三角孔及び乱流片の数や形状等が異なる乱流板を交互又は各伝熱管部ごとに用いてもよい。

（Ｕ字管による乱流板の移動規制に係る発明の効果）
上記形態の熱交換器１によれば、管体７における接続管部の複数箇所を、隣接する伝熱管部４，４の端部に両端が差込接続される別体のＵ字管６として、乱流板１０におけるＵ字管６が差込接続される側の端部に、Ｕ字管６の差込端部６ａが当接することで乱流板１０が位置決めされているので、Ｕ字管６を利用した簡単且つ組立作業性の良好な構造で、乱流板１０の移動を効果的に規制することができる。

なお、上記形態では、平面視左側にのみＵ字管を用いて伝熱管部同士を連結しているが、右側にもＵ字管を用いて連結し、乱流板の両端をＵ字管の差込端部で挟む格好として乱流板の移動規制を行うようにしてもよい。

そして、各発明に共通して、熱交換器を設ける給湯器も、副熱交換器を有する潜熱回収型や、風呂の追い焚きや床暖房用の熱交換器を併設した二缶型等であっても本発明は適用できる。潜熱回収型では、少なくとも主熱交換器に本発明を適用すればよいし、二缶型であれば併設される双方の熱交換器に本発明を適用すればよい。
勿論給湯器に限らず、ロードヒータ等の他の器具であっても、流体と燃焼排気とを熱交換する熱交換器を有するものであれば、本発明の熱交換器は採用可能である。

１・・熱交換器、２・・ケーシング、３・・フィン、４・・伝熱管部、５・・折曲部、６・・Ｕ字管、６ａ・・差込端部、７・・管体、１０・・乱流板、１１・・四角端部、１２・・円形端部、１３・・透孔、１４・・三角孔、１５・・乱流片、１６・・小孔、２０・・給湯器、２１・・筐体、２２・・バーナユニット、２３・・排気フード、２４・・入水管、２５・・出湯管。

Claims (1)

1. 燃焼排気が下方から上方へ通過するケーシングと、
   前記ケーシング内を水平方向へ直線状に貫通して、当該貫通方向との直交方向へ等間隔で並設され、内部に乱流板をそれぞれ挿入した複数の伝熱管部と、
   前記ケーシングの外部で隣接する前記伝熱管部の端部同士を、平面視で両端が互い違いとなるように接続するＵ字状の接続管部と、を含み、前記伝熱管部と前記接続管部とによって、蛇行状に繋がる一連の管体を形成した熱交換器であって、
   前記乱流板は、前記伝熱管部へ縦向きに挿入されて、前記乱流板には、複数の乱流片が左右へ交互に切り起こし形成されていると共に、前記乱流片は全て下流側への下向き傾斜姿勢で設けられていることを特徴とする熱交換器。

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