JP2012524236A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、複数の熱交換管内を流れる加熱水と燃焼ガスとの間の熱伝達が効率的に行われる熱交換器に関する。前記熱交換器は、それぞれが開いた扁平な管状の断面形状を有する端部を有し、それぞれの内側を加熱水が流れる複数の熱交換管と、第１及び第２の取付板であって、それぞれが前記板の長さ方向に所定の間隔で形成された複数の管挿入孔を有し、前記複数の熱交換管の両端が前記各管挿入孔に挿入されるようになっている、第１及び第２の取付板と、前記第１及び第２の取付板のそれぞれに取り付けられ、前記複数の熱交換管の両端を閉じることによって平行な流路を形成する、第１及び第２の平行流路キャップと、前記第１の平行流路キャップに接続された加熱水入口と、前記第１又は第２の平行流路キャップに接続された加熱水出口とを有する。前記複数の熱交換管のそれぞれの断面は、前記複数の熱交換管の間を通過する燃焼ガスの流路を伸長させるように、前記熱交換管の幅方向に交互に設けられた複数の凸部及び複数の凹部を有する。

Description

本発明は、ボイラに用いられる熱交換器に関し、より詳細には、燃焼ガスと、熱交換管内を流れる加熱水との間の効率的な熱伝達を可能にする熱交換器に関する。

当該技術分野で知られているように、燃焼室内の熱交換管の内側を流れる加熱水を、バーナを用いて加熱することの可能の加熱器の例には、ボイラ及び給湯器などが含まれる。即ち、一般家庭、公共建造物等で使用されるボイラは、暖房及び給湯に用いられ、また給湯器は、冷水を所定の温度まで短時間に加熱することで、ユーザが湯を便利に使用することを可能にする。ボイラや給湯器のような加熱器のほとんどは、油又はガスを燃料として使用するシステムによって構成されており、バーナを用いて前記油又はガスを燃焼させ、前記燃焼の過程で生じた燃焼熱を利用して水を加熱し、前記加熱された水（湯）をユーザに供給する。

これらの加熱器には、バーナから生じた熱を吸収する熱交換器が備えられており、熱交換器の熱伝達効率を向上させるための様々な方法が提案されている。

関連技術分野において、熱交換管の熱伝達面積を、熱交換管の外表面上に複数のフィンを形成することで増加させる方法が、広く用いられている。しかし、そのような熱交換管の製造方法は複雑で、製造コストを増加させる一方で、フィンによる熱伝達面積の効果は大幅には上がらない。

図１は、関連技術のフィン式の熱交換器よりも製造方法の容易な長方形の熱交換器を図示したものである。

前記熱交換器は、幅が高さよりも大きい長方形の断面を有する複数の熱交換管１の両端が取付板２及び３に嵌め込まれており、端板４及び５が、ブレージング、即ちブレーズ溶接によって前記取付板に取り付けられた構成を有する。加熱水入口６及び加熱水出口７が、端板４及び５にそれぞれ形成されている。前記複数の熱交換管１は、複数の管コネクタ８によってそれぞれ接続されており、加熱水入口６から流入した加熱水が、前記複数の熱交換管１及び複数の管コネクタ８内を通過した後に加熱水出口７から排出されるようになっている。前記熱交換器は、製造方法がフィン式の熱交換器よりも容易であり、熱伝達面積が十分に確保できるという利点を有する。

しかし、熱交換器のバーナ内の燃焼による燃焼ガスが、熱交換管１間の隙間を矢印方向に流れるが、燃焼ガスの流路が比較的短いために、燃焼ガスの熱が熱交換管１に十分に伝達されない。更に、熱交換管１間の隙間が、家庭用ボイラの場合で通常１乃至２ミリメートルであるために、ボイラを稼働させて加熱水が熱交換管１内に流入すると、熱交換管１が加熱水の圧力によって膨張し、燃焼ガスの流路を塞ぐので、熱交換効率が低下する。

本発明は、熱交換管を通過する燃焼ガスの経路の長さを増加させ、燃焼ガスに乱流を発生させることで熱伝達効率を向上させることの可能な熱交換器を提供しようとするものである。更に、本発明は、熱交換管内を流れる加熱水の圧力に起因する膨張のために、熱交換管が燃焼ガスの経路を塞ぐことを防止することの可能な熱交換器を提供しようとするものである。加えて、本発明は、燃焼ガスが通過する複数の熱交換管間の隙間を均一に保つことの可能な熱交換器を提供しようとするものである。

本発明の一実施例に基づく熱交換器は、それぞれが開いた扁平な管状の断面を有する端部を有し、それぞれの内側を加熱水が流れる複数の熱交換管と、第１及び第２の取付板であって、それぞれが前記板の長さ方向に所定の間隔で形成された複数の管挿入孔を有し、前記複数の熱交換管の両端が前記各管挿入孔に挿入されるようになっている第１及び第２の取付板と、前記第１及び第２の取付板のそれぞれに取り付けられ、前記複数の熱交換管の両端を閉じることによって平行な流路を形成する、第１及び第２の平行流路キャップと、前記第１の平行流路キャップに接続された加熱水入口と、前記第１又は第２の平行流路キャップに接続された加熱水出口とを有する。前記複数の熱交換管のそれぞれの断面は、前記複数の熱交換管の間を通過する燃焼ガスの流路を伸長させるように、前記熱交換管の幅方向に交互に設けられた複数の凸部及び複数の凹部を有する。

前記複数の熱交換管は、前記複数の熱交換管の長さ方向に離間しかつ前記複数の熱交換管の幅方向に突出した複数の凸部を有し、隣り合う熱交換管の凸部は、互いに接触している。

前記熱交換管の上部と下部の厚さ方向の断面は、互いに一致した形状であり、隣り合う熱交換管によって形成される燃焼ガスの流路の断面の形状は、同様である。

前記第１及び第２の平行流路キャップは、プレス成形によって形成されており、前記複数の熱交換管の端部を閉じるための複数のドーム状の部分及び前記複数のドーム状の部分間の複数の接続部を有する。前記複数の熱交換管の断面形状と同様の形状を有する複数の挿入板が、前記燃焼ガスの流路の形状及び隙間が同様に保たれるように、前記複数の接続部で前記複数の熱交換管の間に挿入されている。

前記複数の熱交換管は、プレス成形及び曲げ加工によって形成され、その後前記複数の接続部が溶接される。

本発明の熱交換器によれば、複数の熱交換管を通過する燃焼ガスの流路を伸長させることで、熱伝達効率を向上させることが可能である。更に、前記複数の熱交換管が、前記複数の熱交換管内を流れる加熱水の圧力に起因する膨張のために、燃焼ガスの流路を塞いでしまうことを防止することが可能である。加えて、燃焼ガスが通過する前記複数の熱交換管の間の隙間全体を均一に保つことが可能である。

関連技術の長方形の熱交換器を図示したものである。 本発明の一実施例に基づく熱交換器の斜視図である。 本発明の一実施例に基づく熱交換器の略断面図である。 本発明の一実施例に基づく複数の熱交換管が積み重ねられている様子を示す断面図である。 本発明の一実施例に基づく熱交換管の形状を図示したものである。 本発明の一実施例に基づく第１の取付板の形状を図示したものである。 本発明の一実施例に基づく第１の平行流路キャップの形状を図示したものである。 本発明の一実施例に基づく複数の熱交換管の間に挿入された挿入板の形状を図示したものである。

１０：熱交換管
１１：凸部
１２：凹部
１３：凸部
２１：第１の取付板
２１ａ：管挿入孔
２２：第２の取付板
３１：第１の平行流路キャップ
３２：第２の平行流路キャップ
３１ａ、３２ａ：ドーム状の部分
３１ｂ、３２ｂ：接続部
４１：加熱水入口
４２：加熱水出口
５０：挿入板

本発明の好適な構成及び動作を、添付の図面を参照しながら以下に詳細に説明する。前記図面において、複数の部品に参照番号が付与されているが、異なる図面であっても、同じ部品は同じ参照番号で表される。

図２は、本発明の一実施例に基づく熱交換器１００の斜視図であり、図３は前記熱交換器の略断面図を図示したものである。

熱交換器１００は、複数の熱交換管１０、第１の取付板２１、第２の取付板２２、第１の平行流路キャップ３１、第２の平行流路キャップ３２、加熱水入口４１及び加熱水出口４２を有する。

熱交換管１０は、両端が開いた扁平な管状の断面を有し、熱交換管１０内を加熱水が流れる。複数の熱交換管１０は、長さ方向に積み重ねられている。

第１の取付板２１及び第２の取付板２２は、一定の間隔で長さ方向に設けられた複数の管挿入孔２１ａを有し、複数の熱交換管１０の両端が前記複数の管挿入孔に挿入されている（図６参照）。

第２の平行流路キャップ３１及び第２の平行流路キャップ３２は、第１の取付板２１及び第２の取付板２２にそれぞれ取り付けられ、複数の熱交換管１０の開いた両端を閉じることによって、互いに平行な流路を形成している。

第１の平行流路キャップ３１は、下部が加熱水入口４１に接続されており、上部が加熱水出口４２に接続されている。或いは、加熱水入口４１が第１の平行流路キャップ３１の下部に接続されており、加熱水出口４２が第２の平行流路キャップ３２の上部に接続されていてもよい。

熱交換器１００内を流れる加熱水の流路を、以下に図３を参照しながら説明する。

加熱水は、熱交換器１００の下部の加熱水入口４１を通って流入し、２本の熱交換管１０内を通過した後に、右側へと流れる。熱交換管１０の右端を通過した加熱水は、上述の２本の熱交換管１０の上に積み重ねられた別の２本の熱交換管１０の右端を通って左側へと流れる。これら４本の熱交換管１０の右端は、第２の平行流路キャップ３２のドーム状の部分３２ａによって閉じられている。

左側へと流れる加熱水は、第１の平行流路キャップ３２のドーム状の部分３１ａを通過した後に、別の２本の熱交換管１０に沿って右側へと流れる。加熱水は、流路をこのようにジグザグに変えながらこれらの熱交換管１０を通過した後に、第１の平行流路キャップ３１の上部と接続された加熱水出口４２から排出される。加熱水は、複数の熱交換管１０内を流れる間に、バーナ内の燃焼によって生じた燃焼ガスとの間で熱交換を行う。図では、燃焼ガスが、複数の熱交換管１０の間を図に向かって垂直な方向又はこれとは逆の方向に通過する間に、加熱水に熱を伝達する。

図４は、複数の熱交換管１０が積み重ねられている様子を図示したものであり、図５は、複数の熱交換管１０のうちの１つの形状を図示したものである。

前記実施例においては、熱交換管１０の幅方向ｗは、燃焼ガスが熱交換管の間を通過する方向であり、厚さ方向ｔは、扁平な管状の断面を有する熱交換管１０の厚さを表す方向であり、長さ方向ｌは、熱交換管１０の全長を表す方向である（図５参照）。

熱交換管１０の断面は、熱交換管の間を通過する燃焼ガスの流路を延長するように、熱交換管１０の幅方向ｗに複数の凸部１１と複数の凹部１２とが交互に設けられた形状を有する。更に、熱交換管１０の断面の下部と上部とは、厚さ方向ｔにおいて互いに一致した形状を有する。即ち、上部が厚さ方向ｔに突出していると、下部は熱交換管１０内に凹んでいる。このために、２本の隣り合う熱交換管１０によって形成される燃焼ガス流路の断面形状は、複数のＳ字状であり、これらの形状は、複数の熱交換管１０全体にわたって概ね同じである。

この構成により、燃焼ガスの流路が伸長し、複数の熱交換管１０の熱伝達面積が増加するので、燃焼ガスの熱が熱交換管１０内の加熱水に十分に伝達される。更に、燃焼ガスの流路がＳ字状に形成されるので、燃焼ガスが乱流を発生する。このために、燃焼ガスが流路内により長く留まり、これに伴って、燃焼ガスの熱が熱交換管１０内を流れる加熱水により良好に伝達されるので、熱交換効率が向上する。

熱交換管１０を、金属の板を前記上部及び下部の厚さ方向ｔの形状にプレス成形し、中間部を曲げ加工した後に、接続部を溶接することで製造することが望ましい。熱交換管１０の製造コストを、製造プロセスを簡易化することで抑えられる。一方、ボイラが稼働して加熱水が熱交換管１０内に流入するのに伴い、加熱水の圧力のために熱交換管１０が厚さ方向に伸長することがある。一般に、家庭用ボイラ内に設けられている熱交換器は、サイズが小さく、複数の熱交換管１０の間の隙間は約１乃至２ミリメートルである。即ち、燃焼ガスが約１乃至２ミリメートルの隙間を通過して流れるので、熱交換管１０が膨張すると燃焼ガスの流路を塞いでしまい、熱交換効率を低下させてしまう。

複数の凸部１１及び凹部１２が交互に設けられており、プレス成形によって製造されているので、熱交換管１０は十分な剛性を有し、加熱水の圧力による熱交換管１０の膨張は僅かである。それでも、加熱水の圧力による熱交換管１０の膨張をより確実に防止するために、熱交換管の長さ方向に所定の間隔で、熱交換管の幅方向の両側に突出した複数の凸部を、熱交換管が有することが望ましい。隣り合う熱交換管の凸部１３は、これらの熱交換管が長さ方向に配置されている時に、互いに接触している。このため、熱交換管１０の膨張による燃焼ガスの流路の閉塞が、凸部１３によって防止される。

凸部１３は、熱交換管１０の長さ方向に離間している。即ち、凸部１３は、燃焼ガスの流路と平行に離間しており、このため、燃焼ガスの流路が凸部１３によって塞がれることがない一方で、燃焼ガスの流路が複数のセクションに区分されるので、燃焼ガスの熱が熱交換管１０に良好に伝達される。更に、熱交換管１０内を流れる加熱水が、凸部１３を通過するのに伴って乱流を発生するので、加熱水が燃焼ガスの熱を更に吸収することができ、全体的な熱交換効率が向上する。

図６は、本発明の一実施例に基づく第１の取付板２１の形状を図示したものである。第２の取付板は、第１の取付板２１と同じ形状である。

複数の熱交換管１０の端部が挿入される複数の管挿入孔２１ａは、第１の取付板２１に一定の間隔で形成されている。第１の平行流路キャップ３１は、第１の取付板２１上に、例えばブレージングによって平行な流路を形成するように取り付けられている。

図７は、本発明の一実施例に基づく第１の平行流路キャップ３１の形状を図示したものであり、図８は、本発明の一実施例に基づく熱交換管１０間に挿入される挿入板５０を図示したものである。第２の平行流路キャップ３２の形状も、加熱水入口４１を加熱水出口４２と接続するための開口部を除いては、第１の平行流路キャップ３１の形状と概ね同一である。

第１の平行流路キャップ３１は、熱交換管１０の端部を閉じるための複数のドーム状の部分３１ａと、前記複数のドーム状の部分間の複数の接続部３２ｂとを有する。一般に、前記形状を有する平行流路キャップは、プレス成形によって形成される。上述のように、ボイラ内の複数の熱交換管１０間の隙間は約１乃至２ミリメートルしかないが、前記複数のドーム状の部分を１乃至２ミリメートルの間隔でプレス成形により形成することは、非常に困難である（即ち、接続部３１ｂの長さが１乃至２ミリメートルとなるように第１の平行流路キャップ３１をプレス成形により製造することは、非常に困難である）。一般に、プレス成形により形成可能な接続部３２ｂの最も短い長さは、約４乃至５ミリメートルである。熱交換経路を平行流路キャップによって形成する場合には、平行流路キャップの接続部近傍の熱交換管１０間の隙間は４乃至５ミリメートルであるべきであり、それ以外の熱交換管１０間の隙間は１乃至２ミリメートルであるので、熱交換管１０間の隙間が均一とならない。即ち、ドーム状の部分３１の周囲に配置された熱交換管１０間の距離は１乃至２ミリメートルであり、一方、接続部近傍の熱交換管１０間の距離は４乃至５ミリメートルである。このような場合、殆どの燃焼ガスは、互いに４乃至５ミリメートル離間した熱交換管１０間を通って流れ、熱交換管１０間を均等に通過しないので、熱交換効率が低下する。

この問題を解消するために、熱交換管１０の断面と同様な断面形状を有する挿入板５０が、第１の平行流路キャップの接続部３１ｂで、熱交換管１０の間に挿入されている（図４参照）。挿入板５０は、第１の平行流路キャップ３１と交互に配置された第２の平行流路キャップ３２の接続部３２ｂでも挿入されている。この結果、挿入板５０は、熱交換管２本ごとに挿入されている（図３参照）。このため、熱交換管１０間の隙間を、接続部３１ｂにかかわらず、約１乃至２ミリメートルに保つことが可能であり、燃焼ガスが複数の熱交換管１０全体にわたって均等に流れることが可能なので、熱交換効率が向上する。

上述のように、本発明の一実施例に基づく複数の熱交換管１０は、前記熱交換管の幅方向に交互に設けられた複数の凸部１１及び凹部１２を有する断面形状を有するので、燃焼ガスが、前記複数の熱交換管を通過するより長い流路に沿って乱流を発生することが可能であり、この結果、熱伝達効率が向上する。更に、複数の熱交換管１０のそれぞれが、長さ方向ｌに離間した複数の凸部１３を有し、隣り合う熱交換管の凸部１３が互いに接触しているので、前記複数の熱交換管内を流れる加熱水の圧力による熱交換管の膨張のために、燃焼ガスの流路が塞がれることが防止される。更に、熱交換管１０の断面と同様な形状を有する挿入板５０が、平行流路キャップの接続部３１ｂに対応する箇所で挿入されているので、熱交換管１０間の隙間全体を均一に保つことが可能であり、熱交換効率が向上する。

本発明は、上述の複数の実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲と精神とから逸脱することなく様々な修正及び変更を加えてもよいことは、当業者に明らかとなろう。

Claims (5)

1. それぞれが開いた扁平な管状の断面を有する端部を有し、それぞれの内側を加熱水が流れる、複数の熱交換管と；
   第１及び第２の取付板であって、それぞれが前記板の長さ方向に所定の間隔で形成された管挿入孔を有し、前記複数の熱交換管の両端が前記各管挿入孔に挿入されるようになっている、第１及び第２の取付板と；
   前記第１及び第２の取付板のそれぞれに取り付けられ、前記複数の熱交換管の両端を閉じることによって平行な流路を形成する、第１及び第２の平行流路キャップと；
   前記第１の平行流路キャップに接続された加熱水入口と；
   前記第１又は第２の平行流路キャップに接続された加熱水出口と；
   を備え、前記複数の熱交換管のそれぞれの断面が、前記複数の熱交換管の間を通過する燃焼ガスの流路を伸長させるように、前記熱交換管の幅方向に交互に設けられた複数の凸部及び複数の凹部を有する、熱交換器。
2. 前記複数の熱交換管が、前記複数の熱交換管の長さ方向に離間しかつ前記複数の熱交換管の幅方向に突出した複数の凸部を有し、隣り合う熱交換管の凸部が互いに接触している、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記熱交換管の上部と下部との厚さ方向の断面が、互いに一致した形状であり、隣り合う熱交換管によって形成される燃焼ガスの流路の断面の形状が同様である、請求項１に記載の熱交換器。
4. 前記第１及び第２の平行流路キャップが、プレス成形によって形成されており、前記複数の熱交換管の端部を閉じるための複数のドーム状の部分及び前記複数のドーム状の部分間の複数の接続部を有し、前記複数の熱交換管の断面形状と同様の形状を有する複数の挿入板が、前記燃焼ガスの流路の形状及び隙間が同様に保たれるように、前記複数の接続部で前記複数の熱交換管の間に挿入されている、請求項３に記載の熱交換器。
5. 前記複数の熱交換管が、プレス成形及び曲げ加工によって形成され、その後前記複数の接続部が溶接されている、請求項１乃至４のいずれか１つに記載の熱交換器。

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