JP2006342997A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】 流入口の位置と、流出口の位置とが複数本のチューブを挟んで反対側に位置している熱交換器において、チューブに流れる流体の量を均一化する。
【解決手段】 入口側タンク部と出口側タンク部の少なくとも一方の内部に配置され、複数本のチューブのうち、流入口または流出口が設けられた部位の近傍に接続するチューブの流通抵抗を流入口または流出口が設けられた部位から遠い位置に接続するチューブの流通抵抗に比べて増加させる流通抵抗増加部材を備えるようにする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、内部に流体が流れる熱交換器に関し、特に給湯装置に内蔵され、燃焼ガスと熱交換をして給湯水を加熱する熱交換器に用いて好適なものである。

従来、内部を流れる流体と外部の熱源との間で熱交換をする熱交換器として、流体の流入口を備えた入口側タンク部と、流体の流出口を備えた出口側タンク部と、一端が入口側タンク部に接続されるとともに他端が出口側タンク部に接続され、流入口から入口側タンク部に流入した流体を出口側タンク部に導く複数本のチューブとから構成される熱交換器が知られている（例えば特許文献１）。
特開２００２−２６７２７２号公報

ところで、上記のような熱交換器において、図７に示すように、入口側タンク部１１０に設けられた流入口１１１の位置と、出口側タンク部１２０に設けられた流出口１２１の位置とが複数本のチューブ１３０を挟んで反対側に位置している場合、流体の出入り口１１１、１２１に近い位置に接続されたチューブほど流体がより多く流れてしまい、チューブ毎に流体の流量に偏りが生じるという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、入口側タンク部に設けられた流入口の位置と、出口側タンク部に設けられた流出口の位置とが複数本のチューブを挟んで反対側に位置している熱交換器において、チューブ毎に流れる流体の量を均一化することを目的とする。

上記目的を達成するにあたり、請求項１に記載の発明は、流体が流入する流入口（１１）が設けられた入口側タンク部（１０）と、流体の流出口（２１）が設けられた出口側タンク部（２０）と、一端が入口側タンク部（１０）に接続されるとともに他端が出口側タンク部（２０）に接続された複数本のチューブ（３０）とを有し、流入口（１１）の位置と、流出口（２１）の位置とが複数本のチューブ（３０）を挟んで反対側に位置している熱交換器において、入口側タンク部（１０）と出口側タンク部（２０）の少なくとも一方の内部に配置され、複数本のチューブ（３０）のうち、流入口（１１）または流出口（２１）が設けられた部位の近傍に接続するチューブの流通抵抗を流入口（１１）または流出口（２１）が設けられた部位から遠い位置に接続するチューブの流通抵抗に比べて増加させる流通抵抗増加部材（４０）を備えることを特徴とする熱交換器を備えることを特徴とする。

これにより、入口側タンク部に設けられた流入口の位置と、出口側タンク部に設けられた流出口の位置とが複数本のチューブを挟んで反対側に位置している熱交換器においても、流通抵抗増加部材（４０）によって複数本のチューブ（３０）のうち、流入口（１１）または流出口（２１）が設けられた部位の近傍に接続するチューブの流通抵抗が増加させられるため、流体の流入口（１１）、流出口（２１）に近い位置に接続されたチューブほど流体がより多く流れてしまうという現象を抑制でき、その結果チューブ毎に流れる流体の量を均一化することができる。

また、各チューブを流れる流体の量は、チューブの一端が接続された入口側タンク部内部の流体の主流方向に大きく影響を受け、入口側タンク部内の流体の主流方向が特定のチューブを流れる流体の流れ方向と一致してしまうと、その特定のチューブのみ流体が多く流れ込んでしまうという問題が生じる。

そこで、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、入口側タンク部（１０）内部における流体の主流方向が特定のチューブを流れる流体の流れ方向と一致しないように、流入口（１１）を、複数本のチューブ（３０）と直交する方向から流体を入口側タンク部（１０）に流入させるように設けたことを特徴とする。

同様に、各チューブを流れる流体の量は、チューブの他端が接続された出口側タンク部内部の流体の主流方向に大きく影響を受け、出口側タンク部内の流体の主流方向が特定のチューブを流れる流体の流れ方向と一致してしまうと、その特定のチューブのみ流体が多く流れ出してしまうという問題が生じる。

そこで、請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の発明において、出口側タンク部（２０）内部における流体の主流方向が特定のチューブを流れる流体の流れ方向と一致しないように、流出口（２１）を、複数本のチューブ（３０）と直交する方向へ流体を前記出口側タンク部（２０）から流出させるように設けたことを特徴とする。

また、請求項１ないし請求項３に記載の発明は、請求項４に記載の発明のように、入口側タンク部（１０）、出口側タンク部（２０）、複数本のチューブ（３０）を、対面する位置に凹部が設けられた２枚のプレートによって形成されるプレートチューブ（３１）を積層させることによって構成することもできる。

また、請求項１ないし請求項４に記載の発明は、請求項５に記載の発明のように、流体として給湯水を用い、複数本のチューブ（３０）を燃焼ガス雰囲気中に配置し、給湯水と燃焼ガスを熱交換させる給湯装置用の熱交換器として用いることができる。

尚、上記各手段に付した括弧内の符号は、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一例である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１ないし図５を用いて説明する。

（本実施形態構成）
図１は本実施形態の熱交換器１の構成を示す図である。この熱交換器１は、給湯装置に使用され、内部を流れる給湯水と外部の燃焼ガスとの間で熱交換を行なうものである。

熱交換器１は、大別すると給湯水が流入する流入ポート１１が設けられた入口側タンク部１０と、給湯水が流出する流出ポート２１が設けられた出口側タンク部２０と、一端が入口側タンク部１０に接続されるとともに他端が出口側タンク部２０に接続された複数本のチューブ３０とから構成されている。

尚、本実施形態における熱交換器１は、プレートチューブ３１が積層され、一体ろう付けされることによって入口側タンク部１０、出口側タンク部２０、複数本のチューブ３０が形成される積層型の熱交換器であり、各プレートチューブ３１の間にはプレートチューブの内部を流れる給湯水と燃焼ガスとの熱交換を促進するためにアウターフィン３２が介在されている。

図２は本実施形態におけるプレートチューブ３１の単体を示す図である。尚、図２（ａ）は図１と同じ方向から見た図、図２（ｂ）は図２（ａ）中の矢印アの方向から見た図、図２（ｃ）は図２（ａ）中の矢印イの方向から見た図である。

プレートチューブ３１は、プレス加工によって対面する位置に凹部が形成された２枚の金属板の凹部を合わせるようにして形成されており、その両端部（３３、３４）は中央部分３５に比べて太く膨出している。尚、プレートチューブ３１の材料に用いる金属板としては、例えばステンレス、アルミニウム等の伝熱性に優れる金属が望ましい。

上記膨出した両端部（３３、３４）は、プレートチューブ３１が積層され、一体ろう付けされたときに入口側タンク部１０および出口側タンク部２０を形成する部分であり、図２中の符号３３で示される流入側膨出部３３は積層されることで入口側タンク部１０を形成し、符号３４で示される流出側膨出部３４は積層されることで出口側タンク部２０を形成する。

尚、流入側膨出部３３には入口側開口部３５、流出側膨出部３４には出口側開口部３６がそれぞれ開口しており、これら入口側開口部３５および流出側開口部３６によって、積層されたプレートチューブ３１の各流入側膨出部３３、流出側膨出部３４が隣接するプレートチューブ３１の流入側膨出部３３、流出側膨出部３４と連通して入口側タンク部１０と出口側タンク部２０とを形成している。

上記の入口側開口部３５および流出側開口部３６の周囲には、流入側膨出部３３、流出側膨出部３４の端面から立設する立設壁３７がそれぞれ設けられている。この立設壁３７は、プレートチューブ３１を形成する二枚の金属板にプレス加工によって凹部を形成する際に同時に形成されるものであり、二枚の金属板の両方に設けられているが、二枚の金属板のうち、一方に設けられた立設壁３７は、プレートチューブ３１の内部に向けて立設しているため、図２には図示されていない。

尚、図２（ｂ）に破線で示す円３８、３９は、図１に示す流入端プレートチューブ３１ａおよび流出端プレートチューブ３１ｂに組みつけられた入口側ガイド部５１および出口側ガイド部５２に開口した円形の開口部（以下、流入ポート接続口３８、流出ポート接続口３９）の位置を示すものである。この流入ポート接続口３８、流出ポート接続口３９には、図１に示す流入ポート１２および流出ポート２２が接続されている。ここで、流入ポート１２の位置と流出ポート２２の位置は、複数本のチューブ３０を挟んで反対側に位置している。尚、流入ポート１２は複数本のチューブ３０と直交する方向から給湯水を入口側タンク部１０内に流入させ、流出ポート２２は複数本のチューブ３０と直交する方向へ給湯水を出口側タンク部２０内から流出させる。

また、プレートチューブ３１のうち、流入側膨出部３３と、流出側膨出部３４の間の中央部分３５は、プレートチューブ３１が積層されたときに複数本のチューブ３０を形成する部位であり、内部を流れる給湯水と燃焼ガスとの熱交換を促進するために図示しないインナーフィンが配置されている。尚、本実施形態におけるインナーフィンは、図３に示すような凸部がオフセットすりょうに形成されたいわゆるオフセットフィンである。

次に、図４を用いて本発明の流通抵抗増加部材４０の構成について説明する。図４は、入口側タンク部１０と複数本のチューブ３０の接続部を、図１の紙面と平行な平面で切った断面を示したものであり、本実施形態における流通抵抗増加部材４０はプレートチューブ３１の内部に向けて立設した立設壁３７の一部を延ばしたものである。そして、流通抵抗増加部材４０は、流入側タンク部１０内部の給湯水が、複数本のチューブ３０へ流入する際の流通抵抗を増加させるように、入口側タンク部１０からチューブ内部へ通じる入口５０を塞ぐように立設している。尚、図４では入口側タンク部１０と複数本のチューブ３０との接続部の断面のみ示したが、出口側タンク部２０と複数本のチューブ３０との接続部においても同様の構成である。

ここで、流通抵抗増加部材４０の配置位置を図５を用いて説明する。図５（ａ）は流通抵抗増加部材４０が配置される位置を説明するための図面であり、図５（ｂ）ないし図５（ｄ）は流通抵抗増加部材４０の立設する幅を変化させた例を示す図面で、プレートチューブ３１単体を図４中の矢印ウの方向から見たＡ−Ａ´断面に相当する。尚、図５（ｂ）は流通抵抗増加部材４０を配置していない場合の断面図であり、図５（ｄ）は流通抵抗増加部材４０を大きく立設させ、チューブ入口５０を塞ぐようにした場合の断面図であり、図５（ｃ）は流通抵抗増加部材４０を二分割し、図５（ｄ）の場合に比べて流通抵抗の増加度合いを小さくした場合の断面図である。

複数本のチューブ３０のうち、流入ポート１１と流出ポート１１が設けられた部位の近傍に接続するチューブ（具体的には、図５（ａ）に示す流入端プレートチューブ３１ａおよび流出端プレートチューブ３１ｂ、およびそれらに隣接するプレートチューブ３１ｃが構成するチューブ）にはより多くの給湯水が流れ込もうとする。そこで、本実施形態では、上記のチューブの出入り口近傍に流通抵抗増加部材４０を配置して、複数本のチューブ３０のうち、流入ポート１１または流出ポート２１が設けられた部位の近傍に接続するチューブの流通抵抗を、流入ポート１１または流出ポート２１が設けられた部位から遠い位置に接続するチューブの流通抵抗に比べて増加させる。これにより、流入ポート１１、流出ポート２１に近い位置に接続されたチューブほど給湯水がより多く流れてしまうという現象を抑制でき、その結果、チューブ毎に流れる給湯水の量を均一化するようにした。

具体的には、最も流通抵抗の増加を必要とする流入端プレートチューブ３１ａ、流出端プレートチューブ３１ｂには、図５（ｃ）、図５（ｄ）に示すような流通抵抗増加部材４０を用い、流入ポート１１および流出ポート２１から遠ざかるにつれて流通抵抗増加部材４０の立設幅を狭くするようにした。

（他の実施形態）
上記の実施形態では、入口側タンク部１０と出口側タンク部２０の両方に流通抵抗増加部材４０を設けることとしたが、本発明はこれに限定するものではなく、入口側タンク部１０または出口側タンク部２０のいずれか一方にのみ流通抵抗増加部材４０を設けるようにしてもよい。

また、上記の実施形態では流通抵抗増加部材４０の幅を変化させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、流通抵抗増加部材４０が立設する数、高さ、角度等を変化させて、入口側タンク部１０からチューブ３０への流通抵抗を変化させるようにしてもよい。

尚、流通抵抗増加部材４０の立設する数または角度によって流通抵抗を増加させる場合、流入ポート１２または流出ポート２１の近傍に接続されたチューブ入口５０の一部を塞ぐように、流通抵抗増加部材４０をチューブ入口５０に対して垂直に近づけるように折り曲げて流通抵抗を増大させるようにする。このようにすれば、プレートチューブ３１を形成する２枚の金属製の板版のプレス形状を、流通抵抗増加部材４０の立設度合いに応じて変化させる必要はなく、プレス形状を統一することができる。尚、チューブ入口５０を塞がない場合は、プレートチューブ３１をなす金属板の後側端面に接する位置まで流通抵抗増加部材４０を折り曲げるようにすればよい。

また、上記の実施形態では、流入側タンク部１０および流出側タンク部２０を、長方形の入口側開口部３５および出口側開口部３６が開口した流入側膨出部３３、流出側膨出部３４を積層させて形成したが、流入ポート接続口３８、流出ポート接続口３９と同様の円形状の開口部を積層させて形成するようにしてもよい。この場合、図６中の矢印エで示すように、入口側開口部３５から出口側開口部３６へとプレートチューブ３１内部をショートカットする流体の流れが発生する恐れがあるため、流通抵抗増加部材４０を用いて入口側開口部３５と出口側開口部３６とを結ぶ最短経路を塞ぐようにしてもよい。

また、上記の実施形態では、本発明を入口側タンク部１０と、出口側タンク部２０と、複数本のチューブ３０を、対面する位置に凹部が設けられた２枚のプレートによって形成されるプレートチューブ３１が積層することによって形成する積層型の熱交換器に適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上記の実施形態では、流通抵抗増加部材４０をプレス加工によって形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、流通抵抗増加部材４０を、板版に穴を開けて塑性変形させるバーリング加工によって設けるようにしてもよい。

本発明の実施形態における熱交換器の構成を示す図である。 本発明の実施形態におけるプレートチューブ３１の単体の構成を示す図である。 オフセットフィンの構成を示す図である。 本発明の実施形態における入口側タンク部１０と複数本のチューブ３０の接続部の断面を示した図である。 本発明の実施形態における流通抵抗増加部材４０の配置位置を説明するための図である。 本発明の変形例を説明するための図面である。 本発明の課題を説明するための図面である。

符号の説明

１ 熱交換器
１０ 入口側タンク部
１１ 流入ポート
２０ 出口側タンク部
２１ 流出ポート
３０ 複数本のチューブ
３８ 流入ポート接続口
３９ 流出ポート接続口
４０ 流通抵抗増加部材
５０ チューブ入口

Claims (5)

1. 流体が流入する流入口（１１）が設けられた入口側タンク部（１０）と、
   流体の流出口（２１）が設けられた出口側タンク部（２０）と、
   一端が前記入口側タンク部（１０）に接続されるとともに他端が前記出口側タンク部（２０）に接続された複数本のチューブ（３０）とを有し、
   前記流入口（１１）の位置と、前記流出口（２１）の位置とが前記複数本のチューブ（３０）を挟んで反対側に位置している熱交換器において、
   前記入口側タンク部（１０）と前記出口側タンク部（２０）の少なくとも一方の内部に配置され、前記複数本のチューブ（３０）のうち、前記流入口（１１）または前記流出口（２１）が設けられた部位の近傍に接続するチューブの流通抵抗を、前記流入口（１１）または前記流出口（２１）が設けられた部位から遠い位置に接続するチューブの流通抵抗に比べて増加させる流通抵抗増加部材（４０）を備えることを特徴とする熱交換器。
2. 前記流入口（１１）は、流体を前記入口側タンク部（１０）内に前記複数本のチューブ（３０）と直交する方向から流入させるように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記流出口（２１）は、流体を前記出口側タンク部（２０）内から前記複数本のチューブ（３０）と直交する方向へ流出させるように設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記入口側タンク部（１０）と、前記出口側タンク部（２０）と、前記複数本のチューブ（３０）は、対面する位置に凹部が設けられた２枚のプレートによって形成されるプレートチューブ（３１）が積層することによって構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記流体は、給湯水であり、
   前記複数本のチューブ（３０）の外部は、燃焼ガス雰囲気中にあり、
   前記給湯水と前記燃焼ガスとを熱交換させることを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の熱交換器。

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