JP3829928B2

JP3829928B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP3829928B2
Application number: JP2002025760A
Authority: JP
Inventors: 稔英蜷川; 博之長賀部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2006-10-04
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: JP2003222494A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に、給湯器などに内蔵され、燃焼ガスと熱交換し、水を加熱する熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
出願人らは、家庭用給湯器内部に納められ、給湯水を加熱する熱交換器として、複数本のチューブが積層される熱交換器を試作検討しており、図１５はこの試作に係る熱交換器のチューブを構成する一対の伝熱プレート１００を示す図である。各チューブ１００には略Ｕ字状の流水通路１０１と、流水通路１０１の端部に通じる１組のタンク部１０２とが設けられている。このタンク部１０２は伝熱プレート１００の板面から外方に膨出した形状を有しており、その内部には、給湯水の凍結時においても十分な耐圧強度を確保するためにブッシング（図示しない）が配される。なお、１組のタンク部１０２が上下に並ぶように熱交換器は給湯器内に設置される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
熱交換器は、チューブのタンク部１０２同士が対向するように積層され、仮組み付けされた後、ろう付けするためにろう付け炉へと搬送される。この際、ブッシングがタンク部１０２内を移動すると、タンク部１０２と流水通路１０１との間を塞いでしまう可能性があった。そこで、上述した試作に係る熱交換器では、タンク部１０２の内壁面に打出成形によって突起１０３を形成し、この突起１０３によってブッシングを固定している。
【０００４】
しかし、ブッシングの固定構造である突起１０３は打出成形によって形成されるので、突起１０３の近傍の部位における付け長さＢ＋Ｃは、タンク部１０２の他の部位におけるろう付け長さＡよりも短くなる。そのため、このような局所的にろう付け長さが短い部位から腐食が進行し、チューブの水漏れが生じる可能性があった。
【０００５】
本発明は、内部に補強部材が配された複数本のチューブを積層した熱交換器において、チューブ内部において補強部材を固定しつつ、熱交換器の耐食寿命の低下を抑制することを目的とする。
【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の発明によれば、タンク部は流体流路よりも外側に膨出しており、前記タンク部（２２、２３）または前記連通口（２４、２５）のうち少なくとも一方は非回転形状を有しているので、搬送時などに熱交換器の向きが変わったとしても、タンク部（２２、２３）の壁面および連通口（２４、２５）によって補強部材（２７、２８）の移動は規制され、補強部材（２７、２８）を所定の位置に固定することができる。また、タンク部（２２、２３）の壁面を平坦な面としつつ、補強部材（２７、２８）を所定の位置に配することができるので、隣接するタンク部（２２、２３）どうしの接合面において、局所的にろう付け長さが短くなってしまう部位をなくすことができる。なお、本明細書において、非回転形状とは、円形および球形を除く形状を指すものである。
【０００８】
また、請求項２の発明によれば、前記タンク部（２２、２３）または前記連通口（２４、２５）のうち少なくとも一方は直線部を有しているので、タンク部（２２、２３）の壁面または前記連通口（２４、２５）によって補強部材（２７、２８）のタンク部（２２、２３）内での移動を規制することができる。
【０００９】
さらに、請求項３の発明によれば、爪部（２６）によって補強部材（２７、２８）を確実に固定することができる。
【００１０】
また、請求項４の発明によれば、タンク部（２２、２３）と流体通路との接続部を除いて、タンク部（２２，２３）は補強部材（２７，２８）によって閉塞されるので、タンク部（２２，２３）内に給湯水が滞留してしまうことを防止することができる。
【００１１】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
【００１３】
図１は熱交換器１の正面図、図２は熱交換器１の側面図、図３は熱交換器１の上面図である。
【００１４】
熱交換器１は、給湯器に使用されて給湯水と燃焼ガスとの熱交換を行うもので、図２及び図３に示すように、チューブ２をアウタフィン３と交互に積層して構成される、所謂ドロンカップタイプの積層型熱交換器であり、全体が組みつけられた後、一体ろう付けによって製造される。
【００１５】
チューブ２は、積層方向の一端側に配されるチューブ２Ａ、積層方向の他端側に配されるチューブ２Ｃ、チューブ２Ａとチューブ２Ｃとの間に配される複数のチューブ２Ｂよりなる。これらのチューブ２Ａ〜Ｃは、略Ｕ字状の流水通路（本発明における流体通路）が形成される偏平管部２１と、流水通路の上流側端部に接続される入口タンク部２２と、下流水通路の流側端部に接続される出口タンク部２３（いずれも図２参照）とを有する。入口タンク部２２、出口タンク部２３とは略矩形形状を有しており、非回転形状を有している。入口タンク部２２と出口タンク部２３とは同じ側に配されており、出口側タンク部２３が上側、入口側タンク部２２が下側に配されている。
【００１６】
偏平管部２１の内部には、図５、９、１３に示すように、伝熱面積の増大と、チューブの耐圧強度確保のためにインナフィン５（５Ａ、５Ｂ）が挿入される。
【００１７】
インナフィン５は、図４に示すように、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウムなど）の薄板材を凹凸状に交互に折り曲げて形成され、かつ凹部と凸部が直線的に連続するのではなく、断続的に横方向にオフセットして設けられた、所謂オフセットフィンである。
【００１８】
インナフィン５は、図５，９、１３に示すように、チューブ２内に形成される略Ｕ字状の流水通路の折り返し部より上流側と下流側とに分割して設けられ、かつ両者間に隙間６を有して配置されている。すなわち、伝熱プレートの仕切部（後述する）の両側にそれぞれ分割されたインナフィン５Ａ、５Ｂが配置され、流水通路の折り返し部には、上流側に配置されるインナフィン５Ａと下流側に配置されるインナフィン５Ｂとの間に隙間６が確保されている（図５、９、１３参照）。なお、折り返し部より上流側のインナフィン５Ａと下流側のインナフィン５Ｂは同一形状を有している。
【００１９】
チューブ２Ａ〜Ｃは、図２、３に示すように、隣接するチューブ２の入口タンク部２２と入口タンク部２２、出口タンク部２３と出口タンク部２３とが当接するとともに、偏平管部２１同士の間にアウタフィン３をはさみこんで積層されている。入口タンク部２２に開口する第１の連通口２４ａ、２４ｂ、出口タンク部２３に開口する第２の連通口２５ａ、２５ｂを介して各チューブ２Ａ〜Ｃの流水通路は相互に連通している。
【００２０】
図３に示すように、チューブ２Ａの入口タンク部２２には、給湯水が流入する入口ポート７が接合されており、チューブ２Ａの出口タンク部２３には、給湯水が流出する出口ポート８が接合されている。入口ポート７と出口ポート８とは同じ側に配置されており、給湯水は熱交換器１内をＵターンするようになっている。このような配置とすることによって、一定のスペースにおいて熱交換に寄与する有効面積を大きく確保することができる。また、チューブ２の積層方向の両側には、それぞれ補強用のプレート９が接合されている。
【００２１】
続いて、本発明の要部であるチューブ２Ａ〜２Ｃについて述べる。
【００２２】
図５はチューブ２Ａを示す図であり、チューブ２Ａは図６および図７に示す２枚の伝熱プレート４（４ａ、４ｂ）を組み合わせて形成される。２枚の伝熱プレート４ａ、４ｂは、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウムなど）の板材をプレス加工することによって成形される。
【００２３】
第１の伝熱プレート４ａには、偏平管部２１、入口タンク部２２、出口タンク部２３を形成する外側に膨出した膨出部３０が形成されている。膨出部３０には、入口ポート７、出口ポート８がそれぞれ接続される略円形の第１の連通口２４ａおよび第２の連通口２５ａが開口するとともに、流水通路を略Ｕ字状に形成するための仕切部２０が設けられている。第１の伝熱プレート４ａの周縁部には巻き締め部４１が設けられている。なお、下側に配される第１の連通口２４ａの下側開口縁は流水通路よりも下方に配され、上側に配される第２の連通口２５ａの上側開口縁は流水通路よりも上方に位置する。
【００２４】
伝熱プレート４ａと対向接合される第２の伝熱プレート４ｂは、伝熱プレート４ａとほぼ同一の外縁形状を有しており、入口タンク部２２および出口タンク部２３をそれぞれ形成する２つの膨出部３１、３２、偏平管部２１を形成する平板部３３が形成されている。膨出部３１、３２には略矩形形状を有する第１の連通口２４ｂおよび第２の連通口２５ｂがそれぞれ形成されており、これらの連通口２４ｂ、２５ｂの開口縁部には爪部２６が形成されている。なお、下側に配される第１の連通口２４ｂの下側開口縁は流水通路よりも下方に配され、上側に配される第２の連通口２５ｂの上側開口縁は流水通路よりも上方に位置する。
【００２５】
図５に示すように、第１の伝熱プレート４ａの巻き締め部４１は、第２の伝熱プレート４ｂの内面側から外面側へと折り返されており、第２の伝熱プレート４ｂの周縁を両側から挟み込むように巻き締めることによってチューブ２Ａは組み付けられ、伝熱プレート４ａ、４ｂの当接面はろう付けされる。
【００２６】
入口タンク部２２および出口タンク部２３の内部には、ブッシング２７（本発明における補強部材）が挿入されている。ブッシング２７は略コの字型を有しており、図５に示すように、連通口２４、２５の流水通路側の開口縁から流水通路までの部分を除いてタンク部２２、２３の内部を閉塞している。
【００２７】
図９はチューブ２Ｂを示す図であり、チューブ２Ｂは図１０および図１１に示す２枚の伝熱プレート４（４ｃ、４ｄ）を組み合わせて形成される。２枚の伝熱プレート４ｃ、４ｄは、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウムなど）の板材をプレス加工することによって成形される。
【００２８】
第３の伝熱プレート４ｃは、連通口２４ｂ、２５ｂの開口縁部に爪部が形成されておらず、この点を除いて伝熱プレート４ｂと同一形状を有しており、詳細な説明は省略する。
【００２９】
第４の伝熱プレート４ｄには、入口タンク部２２および出口タンク部２３をそれぞれ形成する２つの膨出部３１、３２と、偏平管部２１を形成する膨出部３４とが形成されており、第１の伝熱プレート４ｄの周縁部には巻き締め部４１が設けられている。
【００３０】
膨出部３１、３２には、略矩形形状の第１の連通口２４ｂ、第２の連通口２５ｂがそれぞれ開口しており、その開口縁部には爪部２６が形成されている。なお、下側に配される第１の連通口２４ｂの下側開口縁は流水通路よりも下方に配され、上側に配される第２の連通口２５ｂの上側開口縁は流水通路よりも上方に位置する。一方、膨出部３４には流水通路を略Ｕ字状に形成するための仕切部２０が設けられている。
【００３１】
チューブ２Ａと同様に、第４の伝熱プレート４ｄの巻き締め部４１が第３の伝熱プレート４ｃの周縁部を巻き締めることによってチューブ２Ｂは組み付けられ、伝熱プレート４ｃ、４ｄの当接面はろう付けされる。
【００３２】
チューブ２Ｂの入口タンク部２２および出口タンク部２３の内部には、給湯水の凍結時においても十分な耐圧強度を得るために、図１２に示すように、２つのＩ字型のブッシング２８（本発明における補強部材）が挿入される。ブッシング２８は、連通口２４ｂ、２５ｂの上側開口縁よりも上側と、連通口２４ｂ、２５ｂの下側開口縁よりも下側にそれぞれ配されている。図９に示すように、これらのブッシング２８によって、入口タンク部２２および出口タンク部２３のうち、連通口２４ｂ、２５ｂの上側開口縁よりも上側の空間、および連通口２４ｂ、２５ｂの下側開口縁よりも下方の空間が閉塞されている。なお、連通口２４ｂ、２５ｂの開口縁に形成された爪部２６によってブッシングは固定されている。
【００３３】
図１３はチューブ２Ｃを示す図であり、図１４は伝熱プレート４ｅを示す図である。チューブ２Ｃは２枚の伝熱プレート４（４ｃ、４ｅ）を組み合わせて形成される。第５の伝熱プレート４ｅは、伝熱性に優れる金属製（例えばステンレス、アルミニウムなど）の板材をプレス加工することによって成形される。第５の伝熱プレート４ｅは、連通口が形成されていないこと以外は伝熱プレート４ａと同一形状を有しており、詳細な説明は省略する。
【００３４】
第５の伝熱プレート４ｅの巻き締め部４１によって、図１３に示すように第１の伝熱プレート４ｃの周縁部を巻き締めることによってチューブ２Ｃは組み付けられ、伝熱プレート４ｃ、４ｅの当接面はろう付けされる。また、チューブ２Ｃの入口タンク部２２と出口タンク部２３の内部には、チューブ２Ａと同様にコの字形状のブッシング２７が挿入される。
【００３５】
なお、連通口２４の下側開口縁はチューブ２Ａ〜２Ｃ内に形成される流水通路の最下端よりも下方に位置しており、連通口２５の上側開口縁はチューブ２Ａ〜２Ｃ内に形成される流水通路の最上端よりも上方に位置している。
【００３６】
次に、熱交換器１の作動について説明する。
【００３７】
給湯水は、熱交換器１の入口ポート７からチューブ２Ａ〜２Ｃの入口タンク部２２に流入し、偏平管部２１に形成される略Ｕ字状の流水通路を通過して出口タンク部２３へと流入し、出口タンク部２３に流入した給湯水は出口ポート８を介して流出する。
【００３８】
燃焼ガスは、図１に示すように、熱交換器１の上方から下方に向かって流れ、熱交換器１を通過する際に給湯水と熱交換し、給湯水を加熱する。このとき、燃焼ガスは、少なくとも熱交換器１の出口側で露点以下（例えば３０〜５０℃）まで温度低下して凝縮する。つまり、この熱交換器１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凝縮潜熱をも吸収して給湯水を加熱することができる。
【００３９】
ところで、チューブ２Ａ〜Ｃを形成する伝熱プレート４ａ〜ｅは、金属製の板材をプレス加工することによって成形される。プレス加工によって連通口２４、２５を形成するにあたって、連通口２４、２５の外周縁部にはプレス成形機によって押さえられる部分が必要となる。そのため、プレス加工によって連通口２４、２５を形成する場合、連通口２４は、入口タンク部２２の下面よりも下方に位置し、連通口２５は、出口タンク部２３の上面よりも下方に位置する。したがって、入口タンク部２２、出口タンク部２３の内壁面と連通口２４、２５の開口縁部との間には空間が形成される。
【００４０】
この空間のうち、タンク部２２、２３の連通口２４、２５の上側開口縁よりも上方の空間、およびタンク部２２、２３の連通口２４、２５の下側開口縁よりも下方の空間には、給湯水が滞留しやすい。本実施の形態では、連通口２４、２５の上側開口縁よりも上方の空間、およびタンク部２２、２３の連通口２４、２５の下側開口縁よりも下方の空間にブッシング２７、２８を配置し、閉塞することによって給湯水の滞留を防止している。
【００４１】
ところで、熱交換器１は各部材を組み立てた後、ろう付けされるが、ろう付けのために熱交換器１を搬送する際に熱交換器の向きが変わると、ブッシング２７、２８がタンク部２２、２３の内部で移動してしまうと、タンク部２２、２３と流水通路との間を塞いでしまったり、上述した給湯水の滞留を防止できない可能性がある。しかしながら、本実施の形態では、チューブ２Ａ、２Ｃでは、連通口２４ｂ、２５ｂ、タンク部２２、２３は略矩形形状を有しているため、搬送時に熱交換器１の向きが変わったとしても、ブッシング２７が連通口２４、２５の周囲を回転してしまうことがない。また、チューブ２Ｂにおいても、連通口２４ｂ、２５ｂ、タンク部２２、２３は略矩形形状を有しているため、搬送時に熱交換器１の向きが変わったとしても、ブッシング２８が連通口２４、２５の周囲を回転してしまうことがない。したがって、搬送時に熱交換器１の向きが変わったとしても、タンク部２２、２３と流水通路との間を塞いでしまうことがない。また、給湯水の滞留を確実に防止することもできる。
【００４２】
さらに、本実施の形態によれば、ブッシング２７、２８は、連通口２４、２５の開口縁に形成された爪部２６によって固定されているので、確実にタンク部２２、２３内部でブッシング２７、２８を固定することができる。
【００４３】
また、本実施の形態では、隣接するタンク部２２、２３どうしの接合面となるタンク部２２、２３の外壁面を平坦な面としたままでブッシング２７、２８を所定の位置に保つことができるので、局所的にろう付け面積が減少してしまう部分をなくすことができる。その結果、試作例に比べてろう付け性を向上させることができ、耐食性を向上させることができる。
【００４４】
特に、上述した実施の形態では、連通口２４の下側開口縁はチューブ２Ａ〜２Ｃ内に形成される流水通路の最下端よりも下方に位置し、連通口２５の上側開口縁はチューブ２Ａ〜２Ｃ内に形成される流水通路の最上端よりも上方に位置しているため、流水通路内に給湯水の滞留部が形成されたり、気泡溜まりが形成されたりすることがない。そのため、流水通路内にブッシング２７、２８を設けなくてもよく、部品コストを抑えることができる。また、ブッシング２７、２８によって、給湯水と燃焼ガスとの熱交換面積が減少してしまうことがない。
【００４５】
上述した実施の形態では、チューブ２Ａ〜２Ｃの連通口２４、２５、膨出部３１、３２は略矩形形状を有しており、製品搬送時などにブッシング２７、２８がタンク部２２、２３内を移動してしまうことがない。
【００４６】
なお、上述した実施の形態によれば、入口タンク部２２と出口タンク部２３とを同じ側に配置し、流水通路を給湯水がＵ字状に流れる構造としたが、流水通路に折り返し部を設けず、入口タンク部２２と出口タンク部２３とを対角線上に配置し、直線的に給湯水が流れる構造としてもよい。
【００４７】
また、上述した実施の形態では、チューブ２Ａ〜２Ｃのタンク部２２、２３および連通口２４ｂ、２５ｂを略矩形形状とした実施の形態について述べたが、タンク部２２、２３または連通口２４ｂ、２５ｂのうちどちらか一方を非回転形状とし、他方を回転形状（円形、球形）とした構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る熱交換器の正面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る熱交換器の側面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る熱交換器の上面図である。
【図４】本発明の実施の形態におけるオフセットフィン（インナフィン）の斜視図である。
【図５】本実施の形態に係る第１チューブを示す図であり、図（ａ）は第１チューブの正面図であり、図（ｂ）は第１チューブの側面図であり、図（ｃ）は第１チューブの上面図である。
【図６】本実施の形態に係る第１の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第１の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第１の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第１の伝熱プレートの上面図である。
【図７】本実施の形態に係る第２の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第２の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第２の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第２の伝熱プレートの上面図である。
【図８】本実施の形態に係る、チューブ２Ａおよび２Ｃの内部に配されるブッシングを示す図であり、図（ａ）はブッシングの正面図であり、図（ｂ）はブッシングの側面図である。
【図９】本実施の形態に係る第２チューブを示す図であり、図（ａ）は第２チューブの正面図であり、図（ｂ）は第２チューブの側面図であり、図（ｃ）は第２チューブの上面図である。
【図１０】本実施の形態に係る第３の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第３の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第３の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第３の伝熱プレートの上面図である。
【図１１】本実施の形態に係る第４の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第４の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第４の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第４の伝熱プレートの上面図である。
【図１２】本実施の形態に係るチューブ２Ｂの内部に配されるブッシングを示す図であり、図（ａ）はブッシングの正面図であり、図（ｂ）はブッシングの側面図である。
【図１３】本実施の形態に係る第３チューブを示す図であり、図（ａ）は第３チューブの正面図であり、図（ｂ）は第３チューブの側面図であり、図（ｃ）は第３チューブの上面図である。
【図１４】本実施の形態に係る第５の伝熱プレートを示す図であり、図（ａ）は第５の伝熱プレートの正面図であり、図（ｂ）は第５の伝熱プレートの側面図であり、図（ｃ）は第５の伝熱プレートの上面図である。
【図１５】従来技術における伝熱プレートを示す図である。
【符号の説明】
１…熱交換器、
２…チューブ、
３…アウタフィン（フィン）、
４…伝熱プレート、
２２…入口タンク部、
２３…出口タンク部、
２４…第１の連通口、
２５…第２の連通口、
２７…ブッシング（補強部材）、
２８…ブッシング（補強部材）。

Claims

内部に形成された流体通路と、この流体通路に接続され、前記流体流路よりも外側に膨出したタンク部とを有し、互いの周縁部にて接合された２枚のプレートからなり、積層された複数本のチューブと、
各チューブの間に配され、熱伝達性能を向上させるフィンとを有し、
前記チューブ内の流体通路を流れる内部流体と前記チューブの外側を流れる外部流体との間で熱交換を行う熱交換器であって、
隣接するチューブのタンク部どうしがろう接合され、
隣接する前記チューブどうしを連通させる連通口が前記タンク部に形成されており、
前記連通口の開口縁と前記タンク部の内壁面との間には、前記連通口の前記流体通路側の開口縁と前記流体通路とを連通させる形状を有する補強部材が配されており、
前記タンク部の内壁面または前記連通口のうち少なくとも一方は非回転形状を有していることを特徴とする熱交換器。
前記タンク部または前記連通口のうち少なくとも一方は直線部を有していることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
前記連通口の開口縁部には、前記補強部材を固定する爪部が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の熱交換器。
前記補強部材は略Ｕ字形状を有し、開口した部位が前記流体通路側となるよう前記タンク部内に前記補強部材が配されることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれか１つに記載の熱交換器。