JP7162875B2

JP7162875B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP7162875B2
Application number: JP2018177757A
Authority: JP
Inventors: 翔一北川
Original assignee: 株式会社パロマ
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2022-10-31
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: JP2020051626A

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、フィンパイプ内にしまり嵌めして装着しているため、バッフルプレートが流体の付勢により下流側へ移動することがある。また、流体の流量が少ない場合や流体が不凍液等の粘性が高いものである場合、配管内面との接触部分で流れが滞留して温度ムラが生じたり、乱流作用の増大によって圧力損失が増大したりすることで、伝熱性能が低下するおそれがある。
さらに、バッフルプレートは、下方からの燃焼排気の流れに対して水平に配設される配管の直線部分では、略水平姿勢（横向き姿勢）で挿入されるが、切り起こし片が上流から下流に向かって上向きとなるように傾斜角度が設定されているため、組み付け作業時に流れ方向と上下方向とを考慮して行う必要があり、組立作業性が悪くなっていた。

そこで、本発明は、伝熱管内の流体に温度ムラや圧力損失の増大を生じさせることなく伝熱性能を向上させることができ、組立作業性も良好な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、燃焼排気が上下方向に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、伝熱管部内へ縦向きに挿入される帯状体で、上部と下部との少なくとも一方には、伝熱管部内で乱流板の左右両側を連通させる切欠部が、乱流板の長手方向へ所定間隔をおいて複数箇所に形成され、各切欠部における長手方向の前後の内縁には、乱流板の左右何れかへ傾斜する一対の羽根片が、互いに左右逆側となるように切り起こし形成されていると共に、
切欠部は、乱流板の上部と下部との双方にそれぞれ上下方向に位置を合わせて形成されて、上下に重なる各切欠部における上側の一対の羽根片と、下側の一対の羽根片とは、乱流板の長手方向の中心軸を中心とした回転対称となるように形成されていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、上下に重なる各切欠部における上下何れか一方の前側の羽根片と、他方の後側の羽根片とは互いに平行であることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２の構成において、各切欠部の内縁における一対の羽根片の間には、突起が形成されていることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、燃焼排気が上下方向に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、伝熱管部内へ縦向きに挿入される帯状体で、上部と下部との少なくとも一方には、伝熱管部内で乱流板の左右両側を連通させる切欠部が、乱流板の長手方向へ所定間隔をおいて複数箇所に形成され、各切欠部における長手方向の前後の内縁には、乱流板の左右何れかへ傾斜する一対の羽根片が、互いに左右逆側となるように切り起こし形成されていると共に、
各切欠部の内縁における一対の羽根片の間には、突起が形成さ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、切欠部とその内縁に設けた一対の羽根片とを有する乱流板の採用により、伝熱管部内で流れを滞留させずに旋回流を発生させることができる。よって、温度ムラが生じず、伝熱管部内の水の圧力損失を増大させることなく伝熱性能を向上させることができる。また、前後や上下に方向性を有しないので、組み付け作業時に前後や上下方向を考慮して行う必要がなく、組立作業性が良好となる。
特に、切欠部を乱流板の上部と下部との双方にそれぞれ上下方向に位置を合わせて形成して、上下の一対の羽根片同士を、乱流板の長手方向の中心軸を中心とした回転対称となるように形成しているので、上下の羽根片の先端部同士が先細り状に向かい合うことがなく、旋回流の流れを阻害しないように羽根片を形成可能となる。
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加えて、上下に重なる各切欠部における上下何れか一方の上流側の羽根片と、他方の下流側の羽根片とを互いに平行としているので、流れを阻害することなく２つの旋回流を効果的に発生させることができる。
請求項３及び４に記載の発明によれば、上記効果に加えて、各切欠部における一対の羽根片の間に突起を形成したことで、切欠部を通過する際の水の流れに突起を干渉させて乱流を発生させ、撹拌効果を向上させることができる。

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）は平面、（Ｃ）は底面、（Ｄ）は正面、（Ｅ）は背面をそれぞれ示す。乱流板の部分展開図である。給湯器の概略図である。伝熱管部内の水の流れを示す説明図で、（Ａ）が斜視、（Ｂ）が側面、（Ｃ）が平面をそれぞれ示す。

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３つ並べて形成されている。
なお、図５に示す乱流板１０の単体の説明では、四角端部１１側を前方、円形端部１２側を後方、乱流板１０と交差する方向を左右として説明する。

乱流板１０における四角端部１１と円形端部１２との間で上下の長手端縁には、図６にも示すように、前後方向に所定間隔をおいて複数（ここでは６つ）の切欠部１４，１４・・が、上下の切欠部１４，１４同士がやや前後にずれて上下方向に略重なるようにそれぞれ形成されている。上側の各切欠部１４における前後方向の中央には、上向きに山形状の突起１５がそれぞれ形成され、下側の各切欠部１４における前後方向の中央には、下向きに山形状の突起１５がそれぞれ形成されている。
また、各切欠部１４の前後の内縁には、左右何れかへ傾斜する一対の羽根片１６，１６が、互いに左右逆側となるように切り起こし形成されている。
この羽根片１６は、図７の部分展開図に示すように、切欠部１４の前後の内縁からそれぞれ対向状に前後方向へ打ち抜き形成される先細り状且つ平板状で、根元では互いに交差する傾斜折れ線１７，１７の位置で互いに左右逆側へ向けて折り返し形成される。よって、一対の羽根片１６，１６は、平面視では互いに平行に、側面視では互いに交差することになる。

さらに、上下に重なる各切欠部１４，１４において、上側の一対の羽根片１６Ａ，１６Ａ（上下で区別する際には上側を１６Ａ，下側を１６Ｂと表記する）と、下側の一対の羽根片１６Ｂ，１６Ｂとは、乱流板１０の長手方向の中心軸Ｏを中心とした回転対称となるように形成されて、上下の羽根片１６Ａ，１６Ｂ同士ではねじれる位置関係となっている。
また、上下に重なる各切欠部１４，１４において、上側前方の羽根片１６Ａと、下側後方の羽根片１６Ｂ（側面視で対角線上に位置する羽根片１６Ａ，１６Ｂ）とは互いに平行となるように切り起こし形成されている。同様に、上側後方の羽根片１６Ａと、下側前方の羽根片１６Ｂとも、互いに平行となるように切り起こし形成されている。

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の右端から、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。このとき、乱流板１０の上下は対称であるので、左右の向きのみ気をつけて挿入すればよい。
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の上下端縁は、伝熱管部４の内面に当接し、各羽根片１６は、先端が伝熱管部４の内面に当接又は近接した状態となる。

以上の如く構成された熱交換器１は、例えば図８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。

このとき各伝熱管部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、ここでは図９に示すように、各切欠部１４において左回り方向へねじれる羽根片１６，１６により、乱流板１０の左右から、上下の羽根片１６Ａ，１６Ｂの間を通過し、切欠部１４の位置で左右反対側へ回り込み、再び上下の羽根片１６Ａ，１６Ｂの間を通過する２つの旋回流Ｆ１，Ｆ２が発生する。
こうして水が乱流板１０の周りを螺旋状に旋回しながら伝熱管部４を通過することで、旋回流Ｆ１，Ｆ２では、下方から上昇する燃焼排気によって温度上昇する下側の切欠部１４を通過する水流と、上側の切欠部１４を通過する水流とが交互に流れて撹拌される。また、各水流が切欠部１４を通過する際、突起１５に干渉することでも乱流が発生する。
よって、伝熱管部４を通過する水と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。

なお、このように伝熱管部４内を水が羽根片１６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。

このように、上記形態の熱交換器１によれば、乱流板１０を、伝熱管部４内へ縦向きに挿入される帯状体とし、乱流板１０の上部と下部とには、伝熱管部４内で乱流板１０の左右両側を連通させる切欠部１４を、乱流板１０の長手方向へ所定間隔をおいて複数箇所に形成し、各切欠部１４における長手方向の前後の内縁に、乱流板１０の左右何れかへ傾斜する一対の羽根片１６，１６を、互いに左右逆側となるように切り起こし形成したことで、伝熱管部４内で流れを滞留させずに旋回流Ｆ１，Ｆ２を発生させることができる。よって、温度ムラが生じず、伝熱管部４内の水の圧力損失を増大させることなく伝熱性能を向上させることができる。また、四角端部１１と円形端部１２との差し込みの向き以外は上下で方向性を有しないので、組み付け作業時に上下方向を考慮して行う必要がなく、組立作業性が良好となる。

特にここでは、切欠部１４を、乱流板１０の上部と下部との双方にそれぞれ上下方向に位置を合わせて形成して、上下に重なる各切欠部１４における上側の一対の羽根片１６Ａ，１６Ａと、下側の一対の羽根片１６Ｂ，１６Ｂとを、乱流板１０の長手方向の中心軸Ｏを中心とした回転対称となるように形成しているので、上下の羽根片１６Ａ，１６Ｂの先端部同士が先細り状に向かい合うことがなく、旋回流Ｆ１，Ｆ２の流れを阻害しないように羽根片１６を形成可能となる。
また、上下に重なる各切欠部１４における上下何れか一方の前側の羽根片１６と、他方の後側の羽根片１６とを互いに平行としているので、流れを阻害することなく２つの旋回流Ｆ１，Ｆ２を効果的に発生させることができる。
さらに、各切欠部１４の内縁における一対の羽根片１６，１６の間には、突起１５を形成しているので、切欠部１４を通過する際の水の流れに突起１５を干渉させて乱流を発生させ、撹拌効果を向上させることができる。

なお、切欠部の数は上記形態に限らず、伝熱管部の長さ等に応じて適宜増減可能である。
また、羽根片の形状も、先細りでなくしたり、平板状でなく湾曲させたりねじれさせたりしても差し支えない。
さらに、上記形態では、乱流板の上部と下部とにそれぞれ切欠部及び羽根片を設けているが、上下何れか一端側のみに設けてもよいし、上部と下部とに交互に設けてもよい。突起の形状も変更可能で、省略することもできる。
そして、乱流板の前後両端の形状も、円形端部では透孔の数を増減したり省略したりしてもよいし、管体の構造によっては乱流板の前後両端を同じ形状として前後方向で方向性をなくしてもよい。

一方、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。また、燃焼排気がケーシングの上から下に向けて流れる逆燃焼式の熱交換器であっても本発明の適用は妨げない。
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・・切欠部、１５・・突起、１６・・羽根片、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、Ｆ１，Ｆ２・・旋回流。

Claims

燃焼排気が上下方向に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、前記伝熱管部内へ縦向きに挿入される帯状体で、上部と下部との少なくとも一方には、前記伝熱管部内で前記乱流板の左右両側を連通させる切欠部が、前記乱流板の長手方向へ所定間隔をおいて複数箇所に形成され、
各前記切欠部における前記長手方向の前後の内縁には、前記乱流板の左右何れかへ傾斜する一対の羽根片が、互いに左右逆側となるように切り起こし形成されていると共に、
前記切欠部は、前記乱流板の上部と下部との双方にそれぞれ上下方向に位置を合わせて形成されて、上下に重なる各前記切欠部における上側の前記一対の羽根片と、下側の前記一対の羽根片とは、前記乱流板の長手方向の中心軸を中心とした回転対称となるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
上下に重なる各前記切欠部における上下何れか一方の前側の前記羽根片と、他方の後側の前記羽根片とは互いに平行であることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
各前記切欠部の内縁における前記一対の羽根片の間には、突起が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
燃焼排気が上下方向に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、前記伝熱管部内へ縦向きに挿入される帯状体で、上部と下部との少なくとも一方には、前記伝熱管部内で前記乱流板の左右両側を連通させる切欠部が、前記乱流板の長手方向へ所定間隔をおいて複数箇所に形成され、
各前記切欠部における前記長手方向の前後の内縁には、前記乱流板の左右何れかへ傾斜する一対の羽根片が、互いに左右逆側となるように切り起こし形成されていると共に、
各前記切欠部の内縁における前記一対の羽根片の間には、突起が形成されていることを特徴とする熱交換器。