JP3922213B2

JP3922213B2 - 給湯器用熱交換器

Info

Publication number: JP3922213B2
Application number: JP2003146659A
Authority: JP
Inventors: 蜷川　　稔英; 長賀部　　博之; 大河内　　隆樹
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: DE10328847A1; JP2004085180A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯水と燃焼ガスとの間で熱交換を行う給湯器用の熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば、特開２００２−１１５９１６号公報に記載された給湯器用の熱交換器がある。この熱交換器は、複数のチューブとアウターフィンとが交互に積層されており、アウターフィン側に供給される燃焼ガスによってチューブ内を流通する給湯水を加熱するものとしている。チューブ内には、給湯水側の熱伝達率を向上させるためにオフセット型のインナーフィンが配設されている。
【０００３】
ここでは、アウターフィンを上記インナーフィンと同様にオフセット型フィンとしており、フィンの表面に付着する燃焼ガスの凝縮水の厚みが厚くなるのを防止して、早期腐食を抑制するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この熱交換器は給湯器非使用時において熱交換器内の給湯水を排出した際に、チューブどうしの連通部と配管との位置関係によっては、チューブの下側部において給湯水が残存する。また、インナーフィンの形状によっては、インナーフィンのセグメント間に表面張力によって水膜が形成される。そして、セグメント間に水膜が形成された状態で、冬季において残存した給湯水が凍結して体積膨張分がインナーフィンのセグメントによって抑えられると、チューブ自身が変形し、更には隣接するアウターフィンも変形するという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑み、給湯水の凍結によるチューブの変形を防止できる給湯器用熱交換器を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、長手方向が略水平に配置されて、内部を給湯水が流通する複数のチューブ（１１０Ａ）と、チューブ（１１０Ａ）内に配設され、凹凸状断面が離散的に並ぶように形成されるインナーフィン（１２０ａ、１２０ｂ）とを備え、給湯水とチューブ（１１０Ａ）の外側を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う給湯器用熱交換器において、インナーフィン（１２０ａ、１２０ｂ）の凹凸状断面の側壁（１２１）は、チューブ（１１０Ａ）の天地方向における所定位置よりも下側の領域では、略天地方向を向くように配置され、且つ、所定位置よりも上側の領域では、略水平方向を向くように配置されることを特徴としている。
【０００８】
これにより、チューブ（１１０Ａ）内の給湯水を排出した際に、下側にいくらかの給湯水が残って凍結しても、インナーフィン（１２０ｂ）の側壁（１２１）に沿って体積膨張分を上側に逃がすことができるので、チューブ（１１０Ａ）の変形を防止できる。また、チューブ（１１０Ａ）の上側の領域ではインナーフィン（１２０ａ）の側壁（１２１）は給湯水の流れ方向と一致するので、下側の領域を含めたチューブ（１１０Ａ）全体の通水抵抗の増加を小さく抑えることができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、インナーフィン（１２０ａ、１２０ｂ）は、凹凸状断面がその連続する方向に対して垂直方向に千鳥状にオフセットされるオフセットフィン（１２０ａ、１２０ｂ）であり、側壁（１２１）は、オフセットフィンのセグメント（１２１）であることを特徴としている。
【００１０】
これにより、熱交換性能向上に対する寄与度の高いオフセットフィン（１２０ａ、１２０ｂ）を活用して、そのセグメント（１２１）の向きを調整することで容易に対応が可能となる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、チューブ（１１０Ａ）は、一方の長手方向端部側で連通し、仕切り壁（１１３）によって天地方向に上側流路（１１４）および下側流路（１１５）を形成するＵターンチューブ（１１０Ａ）であり、チューブ（１１０Ａ）の所定位置は、仕切り壁（１１３）に対応することを特徴としている。
【００１２】
これにより、熱交換部を大きく設定可能となるＵターンタイプのものにおいて、チューブ（１１０Ａ）の上側流路（１１４）と下側流路（１１５）とでインナーフィン（１２０ａ、１２０ｂ）の設置向きを変えるのみで容易に対応可能となる。
【００２１】
請求項４に記載の発明では、チューブ（１１０Ａ、１１０Ｂ）は、第１の板状部材（１１１Ａ、１１１Ｂ）および第２の板状部材（１１２Ａ、１１２Ｂ）の少なくとも周縁部（１１１ｅ）同士が接合されて、給湯水の流通を可能に形成され、周縁部（１１１ｅ）の断面形状は、第１の板状部材（１１１Ａ、１１１Ｂ）および第２の板状部材（１１２Ａ、１１２Ｂ）共に同一に形成されることを特徴としている。
【００２２】
これにより、給湯水凍結時に周縁部（１１１ｅ）に作用する応力を第１、第２の板状部材（１１１Ａ、１１１Ｂ、１１２Ａ、１１２Ｂ）それぞれに均等にして緩和することができる。
【００２３】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図５に示す図面に基づいて説明する。図１、図２は給湯器用熱交換器１００の平面図および正面図、図３はチューブ１１０Ａの正面図、図４、図５はインナーフィン１２０ａ、１２０ｂを示す外観図である。
【００２５】
本発明の給湯器用熱交換器（以下、熱交換器）１００は、給湯器に使用されて給湯水と燃焼ガスとの間で熱交換を行うものであり、図１に示すように、複数のチューブ１１０Ａをアウターフィン（以下、フィン）１３０と共に積層して構成される所謂ドロンカップタイプと呼ばれる熱交換器１００である。
【００２６】
この熱交換器１００は図２に示すように、チューブ１１０Ａの長手方向が略水平と成る姿勢で使用されるようにしており、燃焼ガスは、上側から下側に向けて供給される。また、この熱交換器１００を構成する各部材（以下で説明）は、ここでは、すべてステンレス系の材料としており、各部材が熱交換器１００の形状に組み立てられた後に、一体でろう付けされている。
【００２７】
チューブ１１０Ａは、図１、図３に示すチューブプレート（第１の板状部材）１１１Ａとチューブプレート１１２Ａ（第２の板状部材）を２枚一組で最中合わせに接合することで形成されている。両チューブプレート１１１Ａ、１１２Ａは、基本形状同一の絞り加工によって形成されており、その外周部にはフランジ部１１１ｂが設けられ、また内部には絞り形状の内側に突出して水平方向に延びる打ち出し部１１１ｃが設けられている。両チューブプレート１１１Ａ、１１２Ａが最中合わせされた時に、このフランジ部１１１ｂおよび打出し部１１１ｃが、互いに当接するようにしている。
【００２８】
そして、互いに当接する打出し部１１１ｃはチューブ１１０Ａ内における仕切り壁１１３を形成し、チューブ１１０Ａの一方の長手方向端部側（図３中の左側）で連通するＵ字状の流路、即ち上側流路１１４と下側流路１１５を形成している。この両流路１１４、１１５の形成される部位がチューブ１１０Ａの扁平管部１１０ａを成している。両流路１１４、１１５は、チューブ１１０Ａの他方の長手方向端部側（図３中の右側）に形成される一組のタンク部１１０ｂにそれぞれ通じており、このタンク部１１０ｂには連通口１１１ａが開口している。尚、仕切り壁１１３は、本発明におけるチューブ１１０Ａの天地方向における所定位置に対応する。
【００２９】
両チューブプレート１１１Ａ、１１２Ａは、上記説明のように同一の絞り形状としていることから、周縁部１１１ｅの断面形状は両者同一となっている。また、チューブプレート１１２Ａには外周部に複数の爪部１１２ａが設けられており、両チューブプレート１１１Ａ、１１２Ａを組み合わせた後に、この爪部１１２ａをかしめることによってチューブ１１０Ａの形状を保持するようにしている。
【００３０】
タンク部１１０ｂは、扁平管部１１０ａより厚み幅が大きく設けられ、そのタンク部１１０ｂを形成するチューブプレート１１１Ａ、１１２Ａの外表面には、連通口１１１ａを囲むように平坦部１１１ｄが設けられている。また、タンク部１１０ｂの内部には、強度部材としての三日月状を成すブッシング１１６が挿入されている。
【００３１】
複数のチューブ１１０Ａは、図１に示すように、互いのタンク部１１０ｂ同士が連ねて積層され、平坦部１１１ｄ同士が接合される。これにより、タンク部１１０ａに開口する連通口１１１ａを通じて各チューブ１１０Ａの流路１１４、１１５が相互に連通している。そして、チューブ１１０Ａの内部には、伝熱面積を増大するためにインナーフィン１２０ａ、１２０ｂが挿入されている。本発明においては、このインナーフィン１２０ａ、１２０ｂに特徴部を持たせており、詳細については後述する。
【００３２】
フィン１３０は、図１に示すように、全体形状として薄板材を凹凸状に折り曲げて形成されるもので、その凹凸状空間を燃焼ガスが流れるように配置され、チューブ１１０Ａの扁平管部１１０ａの表面に接合されている。尚、フィン１３０の凹凸状部には切り起こし部１３１が燃焼ガスの流れ方向に複数設けられており、乱流効果による燃焼ガス側の熱伝達促進を図るようにしている。
【００３３】
そして、積層方向の一端側に配されるチューブ１１０Ａには、図１、図２に示すように給湯水の給湯口１４０と出湯口１５０とがタンク部１１０ｂに接合されている。また、チューブ１１０Ａの積層方向の両端側には、それぞれ補強プレート１６０が接合されている。
【００３４】
次に、本発明の要部について説明する。インナーフィン１２０ａ、１２０ｂは、図４、図５に示すように、凹凸状断面が離散的に並ぶように形成されたもので、具体的には凹凸状断面がその連続する方向に対して垂直方向に千鳥状にオフセットされるオフセットフィンとしている。このオフセットフィンにおけるセグメント１２１はインナーフィン１２０ａ、１２０ｂの凹凸状断面の側壁に対応している。
【００３５】
そして、インナーフィン１２０ａ、１２０ｂはチューブ１１０Ａ内の上側流路１１４および下側流路１１５にそれぞれ配設されている。ここで、上側流路１１４においては、インナーフィン１２０ａのセグメント１２１は、図４に示すように、略水平方向を向くように配置され、また、下側流路１１５においては、インナーフィン１２０ｂのセグメント１２１は、図５に示すように、略天地方向を向くように配置されている。
【００３６】
次に、上記構成に基づく熱交換器１００の作動およびその作用効果について説明する。給湯水は、熱交換器１００の給湯口１４０から各チューブ１１０Ａの一方のタンク部１１０ｂへ流入し、その一方のタンク部１１０ｂから扁平管部１１０ａに形成される下側流路１１５および上側流路１１４を流れて他方のタンク部１１０ｂへ流入し、その他方のタンク部１１０ｂから出湯口１５０を通って流出する。
【００３７】
一方、燃焼ガスは、図２に示すように、熱交換器１００の上方から下方へ向かって流れ、熱交換器１００を通過する際に給湯水との熱交換を行い給湯水を加熱する。この時、燃焼ガスは、少なくとも熱交換器１００の出口側で露点温度以下（例えば３０〜５０℃）まで温度低下して凝縮する。即ち、この熱交換器１００は、燃焼ガスの顕熱だけでなく、燃焼ガスが凝縮する際に放出される潜熱をも吸収して給湯水を加熱することができる。
【００３８】
ところで、従来技術の項で説明したように、給湯器非使用時において熱交換器１００内の給湯水を排出した際に、チューブ１１０Ａの下側部においては、インナーフィンのセグメント１２１間に表面張力による水膜を形成して給湯水が残存する。そして、冬季においてこの残存した給湯水が凍結して体積膨張すると、チューブが変形してしまうことになるが、本発明においては、下側流路１１５内に配設されるインナーフィン１２０ｂのセグメント１２１を略天地方向に向くようにしているので、セグメント１２１に沿って体積膨張分を上側に逃がすことができ、チューブ１１０Ａの変形を防止することができる。また、チューブ１１０Ａの上側流路１１４ではインナーフィン１２０ａのセグメント１２１は、給湯水の流れ方向と一致するので、下側流路１１５を含めたチューブ１１０Ａ全体の通水抵抗の増加を小さく抑えることができる。
【００３９】
ここでは、熱交換性能向上に対する寄与度の高いオフセットフィンを活用して、そのセグメント１２１の向きを調整することで容易に対応可能としている。
【００４０】
また、チューブ１１０Ａは、熱交換部を大きく設定可能となるＵターンタイプのものをベースとしており、チューブ１１０Ａの上側流路１１４と下側流路１１５とでインナーフィン１２０ａ、１２０ｂの設置向きを変えるようにしているので、容易に対応可能となる。
【００４１】
尚、チューブ１１０Ａを構成する両チューブプレート１１１Ａ、１１２Ａを同一の絞り形状として周縁部１１１ｅを両者同一の形状としているので、給湯水凍結時に周縁部１１１ｅに作用する応力を両チューブプレート１１１Ａ、１１２Ａのそれぞれに均等にして緩和することができる。
【００４２】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図６、図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対してチューブ１１０Ａ内に配設するインナーフィン１２０ｃのタイプを変更したものである。
【００４３】
ここではインナーフィン１２０ｃは、オフセットフィンとしているものの、凹凸状断面のオフセットは、一方向に連続して形成されるものとしており、チューブ１１０Ａ内の両流路１１４、１１５に配設される時のセグメント１２１は、略水平方向を向くようにしている。
【００４４】
これにより、インナーフィン１２０ｃの凹凸状断面が斜め上側に向けて連続的に繋がる連通路のように形成されるので、チューブ１１０Ａ内に残存する給湯水が凍結しても、その体積膨張分を斜め上側（図７中の実線および破線の矢印方向）に逃がすことができ、チューブ１１０Ａの変形を防止できる。
【００４５】
ここでは、上側通路１１４、下側通路１１５共にセグメント１２１の向きを略水平方向にして配置できるので、給湯水に対する通水抵抗を低減することができ、且つインナーフィン１２０ｃを同一部材の２個使用として設定することができる。
【００４６】
尚、上記第２実施形態においては、図８に示すように、少なくとも下側流路１１５に配設されるインナーフィン１２０ｄのオフセットの方向は、天方向側に進むにつれて下流側流路１１５の右側（チューブ１１０Ａの他方の長手方向端部側）を向くようにするのが良い。
【００４７】
即ち、図６中の下側流路１１５の左側（チューブ１１０Ａの一方の長手方向端部側）の角部１１７においては、周縁部１１１ｅとインナーフィン１２０ｃのセグメント１２１とによって限られた密閉状の空間となるので、残存する給湯水の量によっては凍結時の体積膨張分を吸収しきれない場合が考えられる。よって、インナーフィン１２０ｄのオフセットの方向を上記のように設定することで、図８に示すように、凍結時の体積膨張方向を下側流路１１５において右上側にすることができ、尚且つ下側流路１１５の右側においては凍結時の体積膨張分をチューブ１１０Ａの開口側となるタンク部１１０ｂに吸収させることができるので、下側流路１１５の全領域において凍結時の体積膨張分を吸収することができるようになる。
【００４８】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図９に示す。上記第１、第２実施形態においては、チューブ１１０Ａの長手方向が水平方向に配される熱交換器１００に本発明を適用したものとして説明したが、図９に示すように、チューブ１１０Ｂの長手方向が略天地方向となるように配される熱交換器１００に適用してもよい。
【００４９】
チューブ１１０Ｂは、上記第１、第２実施形態と同様に一組のチューブプレート１１１Ｂ、１１２Ｂを対向接合して形成されるものであって、その内部には給湯水が通過する流路が形成されている。第１実施形態と同様に、チューブ１１０Ｂは、フィン（図示せず）と交互に図９の紙面に対して垂直方向に積層されており、ドロンカップタイプの熱交換器１００を構成している。チューブ１１０Ｂの下方には、チューブ１１０Ｂ内部に給湯水を流入させる給湯口１４０が形成されている。また、チューブ１１０Ｂの上方には、チューブ１１０Ｂの内部から給湯水を流出させる出湯口１５０が形成されており、給湯水はチューブ１１０Ｂの内部を下方から上方へと向かって流れる。尚、給湯口１５０および出湯口１６０が形成されていないチューブ１１０Ｂの角部はＲ形状を有している。
【００５０】
そして、チューブ１１０Ｂの内部には、第１実施形態で説明した図５と同様の形状を有するインナーフィン１２０ｅが挿入されている。インナーフィン１２０ｅのセグメント１２１は、略天地方向を向くように配置されている。
【００５１】
これにより、長手方向が略天地方向を向くチューブ１１０Ｂを有する熱交換器１００においても、チューブ１１０Ｂ内に残存する給湯水が凍結した場合、給湯水の体積膨張分を上側に逃がすことができ、チューブ１１０Ｂの変形を防止できる。また、本実施形態によれば、インナーフィン１２０ｅのセグメント１２１は、各チューブ１１０Ｂ内の給湯水の流れ方向と一致するので、通水抵抗の増加を抑制することができる。
【００５２】
尚、インナーフィン１２０ｅに代えて、第２実施形態で説明した図７のインナーフィン１２０ｃを９０度回転した状態でセグメント１２１を略天地方向に向けて使用するようにしても良い。
【００５３】
また、図１０に示すように、上記チューブ１１０Ｂ内には、第２実施形態で説明した図７のインナーフィン１２０ｃと同様のインナーフィン１２０ｆ、即ち、凹凸状断面のオフセットが一方向に連続的に形成され、セグメント１２１が略水平方向を向くように配置されるものとしても良く、これにより、チューブ１１０Ｂ内に残存する給湯水が凍結しても、その体積膨張分を斜め上側に逃がすことができ、チューブ１１０Ｂの変形を防止できる。
【００５４】
（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態においては、チューブ１１０Ａは、上側流路１１４および下側流路１１５を有するＵターンタイプのチューブとして説明したが、これに限らず、図１１に示すように、チューブプレート１１１Ｃ、１１２Ｃから成るストレートタイプのチューブ１１０Ｃとしても良い。この場合は、チューブ１１０Ｃの天地方向における所定位置（２点鎖線位置）を定めて、その上側と下側で、第１実施形態のようにインナーフィン１２０ｇ、１２０ｈのセグメント１２１の方向を規制して配設すれば良い。
【００５５】
尚、チューブ１１０Ｃの下端Ｂから所定位置までの寸法は、排水時に最大残存し得る給湯水の深さに凍結時の体積膨張分および所定の安全係数を乗じて決定すれば良い。
【００５６】
また、図１１に示すチューブ１１０Ｃに、上記第２実施形態で説明した一方向に連続してオフセットされるインナーフィン１２０ｃ（図７）と同様のものを配設しても良い。
【００５７】
更に、図４、図５で説明したインナーフィン１２０ａ、１２０ｂ（オフセットフィン）に対して、図１２に示すように、ストレートフィンの側壁部１２２に開口部１２３を有するインナーフィン１２０ｉとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態における給湯器用熱交換器を示す平面図である。
【図２】第１実施形態における給湯器用熱交換器を示す正面図である。
【図３】図１、図２におけるチューブを示す正面図である。
【図４】図３における上側流路に配設されるインナーフィンの外観を示す斜視図である。
【図５】図３における下側流路に配設されるインナーフィンの外観を示す斜視図である。
【図６】第２実施形態におけるチューブを示す正面図である。
【図７】図６におけるチューブ内に配設されるインナーフィンの外観を示す斜視図である。
【図８】第２実施形態の変形例１におけるチューブを示す正面図である。
【図９】第３実施形態における給湯器用熱交換器を示す正面図である。
【図１０】第３実施形態の変形例１における給湯器用熱交換器を示す正面図である。
【図１１】その他の実施形態におけるチューブを示す正面図である。
【図１２】その他の実施形態におけるインナーフィンの外観を示す斜視図である。
【符号の説明】
１００給湯器用熱交換器
１１０Ａ、１１０Ｂチューブ
１１１Ａ、１１１Ｂチューブプレート（第１の板状部材）
１１１ｅ周縁部
１１２Ａ、１１２Ｂチューブプレート（第２の板状部材）
１１３仕切り壁
１１４上側流路
１１５下側流路
１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ、１２０ｄ、１２０ｅ、１２０ｆインナーフィン
１２１セグメント（側壁）

Claims

長手方向が略水平に配置されて、内部を給湯水が流通する複数のチューブ（１１０Ａ）と、
前記チューブ（１１０Ａ）内に配設され、凹凸状断面が離散的に並ぶように形成されるインナーフィン（１２０ａ、１２０ｂ）とを備え、
前記給湯水と前記チューブ（１１０Ａ）の外側を流通する燃焼ガスとの間で熱交換を行う給湯器用熱交換器において、
前記インナーフィン（１２０ａ、１２０ｂ）の前記凹凸状断面の側壁（１２１）は、前記チューブ（１１０Ａ）の天地方向における所定位置よりも下側の領域では、略天地方向を向くように配置され、且つ、前記所定位置よりも上側の領域では、略水平方向を向くように配置されることを特徴とする給湯器用熱交換器。
前記インナーフィン（１２０ａ、１２０ｂ）は、前記凹凸状断面がその連続する方向に対して垂直方向に千鳥状にオフセットされるオフセットフィン（１２０ａ、１２０ｂ）であり、
前記側壁（１２１）は、前記オフセットフィンのセグメント（１２１）であることを特徴とする請求項１に記載の給湯器用熱交換器。
前記チューブ（１１０Ａ）は、一方の長手方向端部側で連通し、仕切り壁（１１３）によって天地方向に上側流路（１１４）および下側流路（１１５）を形成するＵターンチューブ（１１０Ａ）であり、
前記チューブ（１１０Ａ）の前記所定位置は、前記仕切り壁（１１３）に対応することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の給湯器用熱交換器。
前記チューブ（１１０Ａ、１１０Ｂ）は、第１の板状部材（１１１Ａ、１１１Ｂ）および第２の板状部材（１１２Ａ、１１２Ｂ）の少なくとも周縁部（１１１ｅ）同士が接合されて、前記給湯水の流通を可能に形成され、
前記周縁部（１１１ｅ）の断面形状は、前記第１の板状部材（１１１Ａ、１１１Ｂ）および前記第２の板状部材（１１２Ａ、１１２Ｂ）共に同一に形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の給湯器用熱交換器。