(57)【要約】【課題】熱効率を向上させ、かつ熱交換器の耐久性を向上した（結露防止性能向上と発生した結露水の滞留防止）給湯用熱交換器を提供することを課題とする。【解決手段】傾斜をつけて並べた複数の板状フィン１と、前記板状フィンには燃焼ガスの通過方向に対し、水平および上下方向に複数の伝熱管２を傾斜をつけて有し、前記板状フィンには燃焼ガスの流れ方向を変更する案内板１０を、前記伝熱管のうち燃焼ガスの通過方向に対して下流側伝熱管（伝熱管上段）の燃焼ガスの通過方向に対して上流側を囲う突起１１と、前記伝熱管近傍に切り欠き穴１２を設けて、前記突起は板状フィンを切り起こすことにより解決手段とする。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
伝熱管方向に傾斜をつけて並設した複数の板状フィンと、前記板状フィンに接続した傾斜をつけた複数の前記伝熱管と、前記伝熱管近傍の前記板状フィンに切り欠き穴を設けた給湯用熱交換器。
【請求項２】
板状フィンには燃焼ガスの流れ方向を変更する案内板を設けた請求項１記載の給湯機用熱交換器。
【請求項３】
伝熱管の燃焼ガスの通過方向に対して上流側を囲う突起を設けた請求項１又は２記載の給湯用熱交換器。
【請求項４】
板状フィンには燃焼ガスの通過方向に対し、複数段の傾斜をつけた伝熱管を有した請求項３記載の給湯用熱交換器。
【請求項５】
突起は、板状フィンを切り起こすことにより設けた請求項３又は４記載の給湯用給湯用熱交換器。
【請求項６】
案内板や突起の高さを、板状フィン間の間隔と同じ距離にした請求項２〜５のいずれか１項に記載の給湯用給湯用熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯用熱交換器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来この種の熱交換器を図９に示す。給湯装置は、ガスまたはガス化した灯油を燃料とし、ファンで送られた空気と混合させたガスでバーナを燃焼させ、バーナの上部に燃焼室を構成する熱交換器が備えられている。熱交換器は、一定間隔で垂直に並べられた板状フィン１と、この板状フィン１に垂直に挿入された伝熱管２から構成されている。バーナで加熱された燃焼ガス５は流動して伝熱管２内の水と熱交換するが、熱交換された後の水の温度が低い時は結露が発生しやすく、この結露水が板状フィン１に付着滞留する。そのため、バーナの要求熱量に応じてファンの回転数を微妙に変更するなどの複雑な制御を行う必要があった。また、このとき吸収されなかった熱は、排気ガスとして高温のまま排気口から排出される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特開文献１】
特開２０００−２７４６７３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来のこの種の熱交換器を備えた給湯装置では、ファンの制御が複雑で開発に手間がかかり、また燃焼ガス５は図９に示すように伝熱管２の間をすり抜けて高温のまま通過し、給湯装置の排気口より排出されるため、熱効率が低下するという問題点があった。
【０００５】
そして、複雑なファン制御を行っても、燃焼ガス５中には燃焼によって発生した水分が水蒸気として含有しており、低空気過剰率で燃焼させた場合や燃焼量を絞って燃焼させた場合には燃焼ガスが熱交換器で冷却され飽和水蒸気となり、低温であるフィンに結露水となって着水することは避けられないものであった。この結露水は燃焼ガス中のＣＯ２やＮＯｘによって高酸性水となっており、銅フィンの酸化を促進し、酸化物によってフィン間の距離が短くなりフィン間の閉塞を生じ熱交換器の耐久性を著しく悪化さるとともに、不完全燃焼を誘発し、給湯機の故障要因となる。
【０００６】
よって給湯用熱交換器としては簡単な制御で結露水の発生を抑えることはもちろんであるが、発生しても結露水が流れてしまう構成で、かつ熱効率を向上させることが重要な技術課題となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、伝熱管方向に傾斜をつけて並設した複数の板状フィンと、前記板状フィンに接続した傾斜をつけた複数の前記伝熱管と、前記伝熱管近傍の前記板状フィンに切り欠き穴を設けたものである。これにより、結露水が発生しても結露水は切り欠き穴を通り、傾斜に沿って流れてしまうため、フィン間の閉塞が防止でき熱交換器の耐久性の悪化およびに不完全燃焼を防止できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
前記従来の問題を解決するために、請求項１記載の発明は、伝熱管方向に傾斜をつけて並設した複数の板状フィンと、前記板状フィンに接続した傾斜をつけた複数の前記伝熱管と、前記伝熱管近傍の前記板状フィンに切り欠き穴を設けたことにより、結露水が発生しても傾斜に沿って結露水が流れるので、結露水がフィンに滞留しないため銅フィンの酸化を防ぎ熱交換器の耐久性を悪化させないことができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明は、特に請求項１において、板状フィンに燃焼ガスの流れ方向を変更する案内板を有することにより、案内板によって燃焼ガスをもっともフィン効率の高い伝熱管の方向に導いて熱効率を向上させたり、結露が発生しやすい低温部に熱を導いたりすることで結露の発生を抑えることができるが、結露水が発生した場合には傾斜に沿って結露水が流れるので、結露水がフィンに滞留しないため銅フィンの酸化を防ぎ熱交換器の耐久性を悪化させないことができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１、２において、伝熱管の燃焼ガスの通過方向に対して上流側を囲う突起を有することにより、最もフィン効率の高い伝熱管の近くでの熱の吸収を多くすることで熱効率を高める。
【００１１】
また、熱の吸収を多くするためフィン温度が高くなり結露も防止できるが、結露水が発生した場合には前記伝熱管の下部に設けられた穴を通じて傾斜により結露水が流れるので、結露水がフィンに滞留しないため銅フィンの酸化を防ぎ熱交換器の耐久性を悪化させないことができる。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、特に請求項３において、板状フィンには燃焼ガスの通過方向に対し複数段の傾斜をつけた伝熱管を有したものである。まず燃焼ガスの流れに対して上流側に設けられた伝熱管で燃焼ガスの熱を吸収するため、燃焼ガスの温度は低くなり、下流側の伝熱管の吸熱量は少なくなる。
【００１３】
また、このことにより燃焼ガスの流れに対して下流程フィン温度が低くなり結露が発生しやすい。
【００１４】
しかし、この方式によれば、伝熱管下流側に設けられた突起により、伝熱管下流側の吸熱量を増やすことができるため、更なる結露防止による耐久性能と熱効率の向上を望めるが、結露水が発生しても前記伝熱管の下部に設けられた穴を通じて傾斜により結露水が流れるので結露水がフィンに滞留しないため更に耐久性の向上が見込める。
【００１５】
また、請求項５に記載の発明は、請求項３、４において、突起は板状フィンを切り起こすことにより設けることにより加工が簡単なうえ、切り起こしにより生じた穴により突起が吸収した熱は、下流側の伝熱管に伝わる。
【００１６】
したがって伝熱管上流側に吸収される熱量が減少し、伝熱管下流側に流れ吸収される熱量が増加するため板状フィンの温度差が少なくなり、さらなる結露現象防止や温度差による熱応力発生による伝熱管等の亀裂の発生を防止することができる。
【００１７】
また、請求項６に記載の発明は、請求項２〜５において、案内板や突起部の高さを、板状フィン間の間隔と同じ距離にしたものであり、フィン間距離を精度よく管理するものである。
【００１８】
したがって熱交換器の伝熱性能のバラツキを減少し、機器の出湯能力を安定化できる。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について図面に基づいて説明する。図１（ａ）は本発明の実施例１の給湯用熱交換器を組み込んだ給湯機の側断面図である。また、図１（ｂ）は本発明の実施例１の給湯用熱交換器の正面断面図であり板状フィン１および伝熱管２が傾斜をつけて並べられていることがわかる。３はバーナ、７は燃焼室、６は排気口である。熱交換器４には一定間隔で板状フィン１が傾斜をつけて設けられ、胴体９で包囲される。
【００２０】
また、伝熱管２も傾斜をつけて設けられている。図２は板状フィン１の正面図であり板状フィン１には切り欠き穴１２が設けられている。一般に結露は伝熱管が抵抗になり燃焼ガス５が流れにくく、低温になりやすい伝熱管の下流側（Ａ部）で発生しやすいことが分かっており、切り欠き穴１２はこの辺りに設けるのがよい。
【００２１】
この結果、結露水が発生しても結露水は切り欠き穴１２を通りぬけて傾斜に沿って流れてしまうため、結露水が滞留せずフィン間の閉塞が防止でき熱交換器の耐久性の悪化およびに不完全燃焼を防止できる。
【００２２】
（実施例２）
次に本発明の実施例２について図３を用いて説明する。図３は板状フィン１の正面図であり、実施例２において実施例１と相違するのは、板状フィン１には案内板１０が設けられていることである。バーナ３で加熱された燃焼ガス５は案内板１０によって最もフィン効率の高い伝熱管周辺に導かれるため熱効率を向上させることができる。
【００２３】
この結果、同じ大きさの熱交換器４であれば熱効率を高くすることができ、燃料の削減を図り、エネルギーの有効利用、ひいてはＣＯ２の削減、地球温暖化を防止できる。また、同じ熱効率で良いのであれば熱交換器４を小さくして小型軽量化できる。
【００２４】
また、給湯用熱交換器の性能として熱効率とともに要求される性能には耐久性能があるが、耐久性能の大部分を占める結露について説明する。給湯機では燃焼ガス中に燃焼によって発生した水分が水蒸気として含有しており、低空気過剰率で燃焼させた場合や燃焼量を絞って燃焼させた場合には燃焼ガスが熱交換器で冷却され飽和水蒸気となり低温であるフィンの後流部に結露水となって付着する。
【００２５】
この結露水は燃焼ガス中のＣＯ２やＮＯｘによって高酸性水となっており、銅フィンの酸化を促進し、酸化物の堆積によってフィン間の距離が短くなりフィン間の閉塞を生じ熱交換器の耐久性を著しく悪化させるとともに、不完全燃焼を誘発し、給湯機の故障原因となる。
【００２６】
だから、結露水を発生をできるだけ抑えることはもちろんであるが、発生してもフィンに滞留させないでフィンから流れ落ちる構成にしておく必要がある。案内板１０により、従来は伝熱管が抵抗になり燃焼ガス５が流れにくく、低温になりやすかった伝熱管の下流側（Ａ部）にも高温の燃焼ガス５を導くことにより、フィン低温部に付着する結露水の発生をある程度防止することができるが、設けられた切り欠き穴１２により結露水が発生しても結露水は切り欠き穴１２を通りぬけて傾斜に沿って流れてしまうため、更に熱交換器の耐久性の悪化およびに不完全燃焼を防止できる。
【００２７】
（実施例３）
次に本発明の実施例３について図４を用いて説明する。図４（ａ）は板状フィン１正面図、（ｂ）は側断面図である。実施例３において実施例１、２と相違する点は、燃焼ガス５の通過方向に対して上流を囲う半円状の突起１１を設け、突起１１の近傍に切り欠き穴１２を設けたことである。
【００２８】
この構成では、半円状の突起１１が燃焼ガス５の流れの抵抗となってバーナ３で加熱された高温の燃焼ガス５が突起１１に当たることにより、従来では通り抜けていた熱も突起１１を通じてフィンから伝熱管に有効に伝達される。
【００２９】
さらに、フィン効率の高い伝熱管周辺でのフィン面積が突起１１により増加することになる。これらのことから、熱効率を向上させることができる。また発生した結露水は突起１１に一旦受けられることにより広範囲で結露水を受けられる。
【００３０】
そして板状フィン１と伝熱管２は傾斜をつけて配置されているため、切り欠き穴１２を通じて流れてしまうため、更に熱交換器の耐久性の悪化およびに不完全燃焼を防止できる。
【００３１】
（実施例４）
次に本発明の実施例４について図５を用いて説明する。実施例４において実施例１、２、３と相違する点は、板状フィン１には燃焼ガスの通過方向に対し上下方向に複数段の伝熱管２ａ、２ｂを備えている点と（実施例３では一例として２段とした）、燃焼ガス５の通過方向に対して下流側（伝熱管２ｂ）だけ、伝熱管を囲う半円状の突起１１を設けたことである。
【００３２】
また、図６には板状フィンの温度分布を示している。図６に示したように、従来の板状フィンでは図９に示す板状フィン１の高さ位置Ｈが大きいほど（燃焼ガス５の流れ方向に対して下流側に行くほど）温度が低くなり、特に複数段の伝熱管を備えている場合は結露の発生量も多くなり、高さ位置Ｈによる温度差も大きい。すなわちこのことは、バーナ３で加熱された高温の燃焼ガス５の熱が先に伝熱管下段２ａで奪われて、燃焼ガス５の温度が低くなった後、伝熱管上段２ｂで熱交換されるために伝熱管上段２ｂの方が熱の吸収割合が低いことを意味している。実施例４に示す構成によれば、伝熱管上段２ｂに設けた突起１１により、上段側だけ熱吸収を良くすることができる。
【００３３】
すなわち上段側の突起１１が燃焼ガス５の流れの抵抗となって燃焼ガスの熱を受ける。そしてフィン効率の高い伝熱管周辺でのフィン面積が突起１１により増加することになる。よって高さ位置Ｈが下流側でのフィン温度が高くなるため結露を防止しながら、伝熱管を複数段備えることで更なる熱効率の向上が可能である。
【００３４】
また発生した結露水は突起１１に一旦受けられることにより広範囲で結露水を受けられる。そして板状フィン１と伝熱管２は傾斜をつけて配置されているため、切り欠き穴１２を通じて流れてしまうので、更なる熱交換器の耐久性の悪化およびに不完全燃焼を防止できる。
【００３５】
（実施例５）
次に本発明の実施例５について図７を用いて説明する。実施例５において実施例４と相違する点は、突起部１１を板状フィン１の切り起しで設けることによって切り起こし穴１４が設けられることである。板状フィン１の保有熱は伝熱管下段２ａ、伝熱管上段２ｂの双方に伝わり熱交換されていたが、突起部１１を切り起こしにより設けることによって生じる切り起こし穴１４により、突起１１が受けた熱はほとんど伝熱管上段２ｂに伝わり熱交換されることになる（切り起こし穴１４があることにより熱が伝熱管下段２ａ側に伝わらない）。
【００３６】
したがって伝熱管下段２ａ側に流れ吸収される熱量が減少し、伝熱管上段２ｂ側に流れ吸収される熱量が増加するため、図６に示す様に板状フィン高さＨによる温度差が少なくなり、温度差による熱応力発生による伝熱管等の亀裂の防止やさらなる結露発生を防止することができるが、結露が発生した場合には板状フィン１と伝熱管２は傾斜をつけて配置されているため、切り欠き穴１２を通じて流れてしまうので、更なる熱交換器の耐久性の悪化およびに不完全燃焼を防止できる。
【００３７】
（実施例６）
次に本発明の実施例６について図８を用いて説明する。実施例６において実施例５と相違する点は案内板１０や突起１１の高さを板状フィン１の間隔１３と同距離にすることである。従来フィン配置時にフィン間距離固定治具を要していたが本発明では板状フィン１を重ね合わせて組むだけでフィン間距離を精度よく管理することができ、燃焼ガス５を各板状フィン１間に均一に供給できることから熱交換器４の伝熱性能のバラツキを減少し、機器の出湯能力を安定化できる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明の給湯用熱交換器によれば次の効果が得られる。すなわち、給湯用熱交換器の性能を左右する熱効率と結露性能において、熱効率を向上させながら結露の発生をおさえ、また結露が発生した場合でもフィン間に滞留することなく流れてしまう構成にすることにより、同じ大きさの熱交換器であれば熱効率を高くすることができ、燃料の削減を図り、エネルギーの有効利用、ひいてはＣＯ２の削減、地球温暖化を防止できる。
【００３９】
また、同じ熱効率で良いのであれば熱交換器を小さくして小型軽量化できる。
【００４０】
また、結露水の発生をできるだけ少なくし発生した結露水は流れてしまう構成のため、結露水によるは銅フィンの酸化を防止し、この酸化物の堆積によるフィン間の閉塞を防げるため熱交換器の耐久性を著しく向上させるとともに、安全性も向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の第１の実施例の給湯用熱交換器を組み込んだ給湯装置の構成図
（ｂ）本発明の第１の実施例における板状フィンの側断面図
【図２】本発明の第１の実施例における板状フィンの正面図
【図３】本発明の第２の実施例における板状フィンの正面図
【図４】（ａ）本発明の第３の実施例における板状フィンの正面図
（ｂ）本発明の第３の実施例における板状フィンの側断面図
【図５】本発明の第４の実施例における板状フィンの正面図
【図６】板状フィンの温度分布図
【図７】本発明の第５の実施例における板状フィンの正面図
【図８】本発明の第６の実施例における板状フィンの側面図
【図９】従来の板状フィンの正面図
【符号の説明】
１  板状フィン
２  伝熱管
２ａ伝熱管下段複数段の伝熱管
２ｂ伝熱管上段複数段の伝熱管
４  熱交換器
１０  案内板
１１  突起
１２  切り欠き穴
１３  フィン間隔
１５  案内板高さ
１６  突起高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004163059.tif 000009
【図８】
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【図９】
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