(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内管と、前記内管を覆う外装部とを備え、前記内管と前記外装部を一体化し、前記外装部には前記内管の略長手方向に沿う伝熱フィンを一体形成するとともに、前記外装部は伝熱フィンを一体に有する伝熱板で構成し、前記伝熱フィンは伝熱板１枚からなる単層伝熱フィンと、前記伝熱板を複数枚重ね合わせて構成する複層伝熱フィンとからなる熱交換ユニット。
【請求項２】
伝熱フィンは波状とした請求項１記載の熱交換ユニット。
【請求項３】
外装部は耐食性材料で構成した請求項１または２記載の熱交換ユニット。
【請求項４】
内管は高熱伝導性材料で構成した請求項１〜３のいずれか１項記載の熱交換ユニット。
【請求項５】
内管と外装部の間に、高熱伝導性材料を充填した請求項１〜４のいずれか１項記載の熱交換ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用又は業務用の燃焼装置を用いた熱交換装置に関し、更に詳しくは給湯または暖房などの燃焼ガス中の水蒸気潜熱を回収して熱効率の大幅な向上を図った潜熱回収熱交換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の熱交換装置は第一の例として、例えば、特開２０００−１４６３０４公報に記載されている図１１のようなものがあった。図１１において、１は銅製の通水管で、２は切削または転造加工によってフィン山３を形成した厚肉のアルミ製フィンチューブで、４はフィンチューブ２を囲む熱交換室側板で、５は通水管１と接合している銅製のＵ字管である。フィンチューブ２は熱交換室側板４で囲まれており、通水管１はフィンチューブ２内に挿通している構成になっていた。
【０００３】
上記構成において、上流側で大部分の熱を奪われ、２００〜３００°Ｃ低温となった燃
焼排気ガスは、さらにフィンチューブ２に熱を奪われ、水蒸気が凝縮して結露水を生成し、さらに１００°Ｃ以下の排気ガスとなって排出される。ここで炭酸や硝酸イオンを含む酸性結露水によって、フィンチューブ２及びフィン山３は腐食されるが、通水管１を覆うアルミ製フィンチューブ２は厚肉としたため、時間経過による通水管１までの腐食進行を遅らせて、ある程度の耐久性の保障を可能とした。
【０００４】
また、第二の例として、特開２０００−１４６３０５公報に記載された図１２のようなものがあった。図１２において、６は銅製の通水管で、７はアルミまたはステンレス鋼で形成された受熱管で、８は受熱管７の外周に植え立てたアルミまたはステンレス鋼で形成されたプレートフィンで、９は熱交換室を構成する側板である。受熱管７内に通水管６を挿通し、通水管６を拡管加工することによって、通水管６、受熱管７、フィンプレート８を一体に接合させた構成になっていった。
【０００５】
上記の銅製の通水管６をアルミまたはステンレス鋼で形成された受熱管７で覆うような構成によって、燃焼ガスに接触する部分には、アルミまたはステンレス鋼などの耐食性素材が用いられ、銅製の通水管６を酸性結露水による腐食から保護することが可能となった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の第一の例における熱交換装置の構成では、燃焼ガスに接触する部分には、フィン山３を有するアルミ製のフィンチューブ２が用いられたため、燃焼ガス中の水蒸気による酸性結露水がアルミ表面に付着した際に、水酸化アルミが形成され、熱膨張してフィン山３の間の燃焼ガス通路を閉塞してしまい、時間が経過するとこの閉塞状況が進行して排気不良による不完全燃焼の発生や燃焼装置の着火不良を発生してしまうという課題があった。そして、アルミを肉厚構成にするために熱交換器が大型になるという課題もあった。
【０００７】
また、上記従来の第二の例における熱交換装置の構成では、燃焼ガスに接触する部分には、ステンレス鋼製の受熱管７の外周に、ステンレス製のフィンプレート８が植え立てられ、拡管工法によって形成される構成になっているため、運転と停止による加熱と冷却の繰り返しによって、フィンプレート８と受熱管７の接合する部分には隙間ができてしまい、熱の伝わりが悪くなり、所期の高い熱効率が得られなくなるという課題があった。一方、隙間の発生を防止するためにロー付け加工をする場合には高価なステンレス鋼用のロー材や、銅に比べ高温度域の炉設備が必要で制作費が大幅に高くなってしまうという課題があった。
【０００８】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、酸性結露水による腐食を防止し、所期性能が維持できて耐久性がよく、かつ小型化が図れる高効率熱交換装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来の課題を解決するために、内管と、前記内管を覆う外装部とを備え、前記内管と前記外装部を一体化するとともに、前記外装部には前記内管の略長手方向に沿う伝熱フィンを一体形成するとともに、前記外装部は伝熱フィンを一体に有する伝熱板で構成し、前記伝熱フィンは伝熱板１枚からなる単層伝熱フィンと、前記伝熱板を複数枚重ね合わせて構成する複層伝熱フィンとからなる熱交換ユニットを提供する。
【００１０】
上記の熱交換ユニットは燃焼ガス通路に配置し、内管を通水し、前記内管の表面を例えば耐食性のよい外装部で覆い、伝熱フィンを有する前記外装部は燃焼ガスに接触するような構成によって、内管と燃焼ガスとの接触を遮断し、内管の酸性ドレン水による腐食を防
ぐとともに、熱伝達率の低い燃焼ガス側に外装部によって形成される伝熱フィンが設けられているため、内管内を通水する水と伝熱フィン表面を流れる燃焼ガスとの熱交換は効率良く行うことができる。
【００１１】
このように、伝熱フィンは簡単に形成され、耐久性のよい高効率熱交換装置を提供することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に係る熱交換ユニットは、内管と、前記内管を覆う外装部とを備え、前記内管と前記外装部を一体化するとともに、前記外装部には前記内管の略長手方向に沿う伝熱フィンを一体形成するとともに、前記外装部は伝熱フィンを一体に有する伝熱板で構成し、前記伝熱フィンは伝熱板１枚からなる単層伝熱フィンと、前記伝熱板を複数枚重ね合わせて構成する複層伝熱フィンとからなる熱交換ユニットとする。
【００１３】
上記熱交換ユニットは燃焼ガス通路に配置して、内管を通水し、前記内管の表面を例えば耐食性のよい外装部で覆い、伝熱フィンを有する前記外装部は燃焼ガスに接触するような構成によって、内管と燃焼ガスとの接触を遮断し、内管の酸性ドレン水による腐食を防ぐとともに、熱伝達率の低い燃焼ガス側に外装部によって形成される伝熱フィンが設けられているため、内管内を通水する水と伝熱フィンを流れる燃焼ガスとの熱交換は効率良く行うことができる。
【００１４】
このように、伝熱フィンは簡単に形成され、耐久性がよく、高効率熱交換装置を提供することができる。
【００１５】
上記の熱交換ユニットにおいて、複数の単層伝熱フィンを重ね合わせて複層伝熱フィンが構成でき、また、逆に複層伝熱フィンをはがして複数の単層伝熱フィンが構成できるため、必要に応じて、最適な伝熱フィン面積を簡単に調整できる。また、複層伝熱フィンはフィン厚みがあるので、フィン効率が上がり、伝熱性の向上も図れる。
【００１６】
請求項２に係る熱交換ユニットは、請求項１の構成に加えて、伝熱フィンは波状とした構成になっている。
【００１７】
上記の熱交換ユニットにおいて、外装部の伝熱フィンを波状としたため、燃焼ガス通路に置かれている波状伝熱フィンは燃焼ガス流れを撹乱し、熱伝達率を高めて伝熱性をよくすることができる。また、伝熱フィンを波状にすることによって、有限な空間でより多く伝熱面積を確保できるため、伝熱性をよくすることができる。
【００１８】
請求項３に係る熱交換ユニットは、請求項１〜２いずれかの構成に加えて、外装部は耐食性材料で構成されている。
【００１９】
上記の熱交換ユニットにおいて、外装部は耐食性材料で構成されるため、酸性結露水による腐食を防止し、耐久性のよい高効率熱交換ユニットを提供することができる。
【００２０】
請求項４に係る熱交換ユニットは、請求項１〜３いずれかの構成に加えて、内管は高熱伝導性材料で構成されている。
【００２１】
上記の熱交換ユニットにおいて、内管は高熱伝導性材料で構成されるため、熱の伝わりをよくすることができ、高効率熱交換ユニットを提供することができる。
【００２２】
請求項５に係る熱交換ユニットは、請求項１〜４いずれかの構成に加えて、内管と外装
部の間に、高熱伝導性材料が充填されている。
【００２３】
内管と外装部の間に高熱伝導性材料を充填することによって、内管と外装部の間に隙間をなくし、外装部が受熱した熱を効率よく内管へ伝わることができ、高効率熱交換ユニットを提供することができる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２５】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１における熱交換装置のシステム構成図で、図２は熱交換装置を構成する熱交換ユニットの斜視図で、図３は熱交換ユニットの分解図である。
【００２６】
図１において、１０は燃料ガスを燃焼するバーナで、バーナ１０の下流側には燃焼室１１を構成するドラム缶１２が設けられており、ドラム缶１２の外周にドラム水管１３が接着している。燃焼室１１の下流側にはフィン管１４を内包する顕熱熱交換器１５と、排気室１６が互いに密接して設けられている。排気室１６の下流側に排気通路調整板１７が設けられ、排気通路調整板１７によって、排気ガスＡが曲がって燃焼ガス通路１８へ導かれる。燃焼ガス通路１８の下流側部分は下に向き、排出通路２１と連通している。排出通路２１において、排気ガスＢが曲がって導出通路２２へ導かれ排気口２３から排出する。また、排出通路２１には結露水排出部２４が接続されている。
【００２７】
ここで、燃焼ガス通路１８には、熱交換ユニット１９を多数接続した熱交換装置２０が設けられている。この熱交換ユニット１９は、図２、３に示すように、２枚の伝熱板２５ａ、２５ｂを重ね合わせて、平板状の伝熱フィン２５を構成する例えばステンレス鋼などの耐食性材料或いは表面処理を施した材料を用いた外装部２６で銅などの高熱伝導性の材料を用いた内管２７を覆い、これらを一体化して構成されている。
【００２８】
以上のように構成された熱交換装置について、以下動作、作用を説明する。
【００２９】
バーナ１０の燃焼によって燃焼室１１内で形成される高温燃焼ガスは顕熱熱交換器１５でフィン管１４内を流れる予熱水を加熱した後、低温燃焼ガスとなって、排気室１６内に流入する。さらに排気室１６の下流側において、この低温の排気ガスＡが燃焼ガス通路１８を通過しながら、下向きの流れ方向に偏向され、熱交換装置２０を通過する。この時、熱交換装置２０内において、伝熱フィン２５を通じて内管２７内を流れる水を予熱することによって排気ガスはさらに低温の排気ガスＢとなり、燃焼排気ガス中の水蒸気は凝縮潜熱を奪われて外装部２６の表面で凝縮水となる。この凝縮水にはＣＯ２やＮＯｘなどのガスが溶解しているため、酸性（pH＝２〜４）を示す。発生した凝縮水は更に低温となった燃焼ガスとともに下向きに流れ、結露水排出部２４から排出される。一方更に低温となった排気ガスＢは排出通路２１で偏向を受け、再び導出通路２２を上方に流れ排気口２３から大気に排出される。加熱流体である水は給水口（図示せず）から熱交換装置２０の内管２７内へ導入され、低温の排気ガスＡから水蒸気潜熱を奪い給水時よりやや温度が高い予熱水となって、熱交換装置２０から導出される。そして、この予熱水はドラム缶１２の外周を巻くドラム水管１３へと導かれ、ドラム缶１２の外周を冷却しながらフィン管１４に至り、顕熱熱交換器１５で所定の温度まで加熱された後出湯される。
【００３０】
このように、伝熱フィン２５と一体構成の外装部２６を用いて、内管２７を覆い、一体化として構成された熱交換ユニット１９は、外装部２６を例えばステンレス鋼などの耐食性材料や、防食処理をすることによって、別材料または別手段で伝熱フィンを立てる必要なく、燃焼ガス中に含まれるＣＯ2やＮＯｘが溶解することによる酸性結露水の腐食から
内管２７を保護し耐久性を向上させることができる。
【００３１】
また、上流側の低温の加熱流体を、下流側の低温の燃焼ガスで熱交換装置２０によって熱交換させ、下流側の高温の加熱流体を、上流側の高温の燃焼ガスで顕熱熱交換器１５によって熱交換させる対向型熱交換システムとすることで加熱流体と燃焼ガスとの温度差を確保し効果的な伝熱を行なわせ小型の熱交換システムを実現することができる。
【００３２】
（実施例２）
図４は本発明の実施例２の熱交換ユニット斜視図を示す。
【００３３】
本実施例２において、実施例１と異なる点は、図４に示すごとく熱交換ユニット１９は伝熱板２５ａまたは２５ｂによって単層伝熱フィン２８と、伝熱板２５ａ、２５ｂを重ね合わせて構成される複層伝熱フィン２９とを備えることである。
【００３４】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００３５】
次に動作、作用を説明すると、伝熱板２５ａまたは２５ｂの一部からなる単層伝熱フィン２８は伝熱板２５ａ、２５ｂを重ね合わせて構成される複層伝熱フィン２９に比べ、燃焼ガスと接触する伝熱面積は大きく取れる。また、複層伝熱フィン２９は複数枚の伝熱板で構成され、フィン厚みがあるため、単層伝熱フィン２８に比べフィン効率が高い。これらによって、熱交換ユニット１９の吸熱効果が向上し、実施例１と比べより小型化な熱交換装置が実現できる。
【００３６】
（実施例３）
図５は本発明の実施例３の熱交換ユニット斜視図で、図６は同熱交換ユニットの分解斜視図である。
【００３７】
本実施例３において、実施例１と異なる点は、図５と図６に示すごとく熱交換ユニット１９の外装部２６は１枚の伝熱板３０からなることである。
【００３８】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００３９】
次に動作、作用を説明すると、本実施例において、図６に示すように、１枚の伝熱板３０を所定の位置で折り曲げて内管２７を覆い熱交換ユニット１９を構成するため、少ない部品点数で加工でき、低コストの熱交換装置が提供できる。
【００４０】
（実施例４）
図７は本発明の実施例４の熱交換ユニット斜視図である。
【００４１】
本実施例４において、実施例１と異なる点は、図７に示すごとく熱交換ユニット１９の伝熱フィン３１を波状としたことである。
【００４２】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００４３】
次に動作、作用を説明すると、伝熱フィン３１を波状としたため、燃焼ガス通路に置かれている波状伝熱フィン３１は燃焼ガス流れを撹乱し、熱伝達率を高めて伝熱性をよくすることができる。また、伝熱フィンを波状にすることによって、有限な空間でより多く伝熱フィンを確保できるため、伝熱性をよくすることができる。
【００４４】
（実施例５）
図８は本発明の実施例５の熱交換ユニット斜視図である。
【００４５】
本実施例５において、実施例１と異なる点は、図８に示すごとく熱交換ユニット１９の伝熱フィン２５は伝熱板２５ａと２５ｂを重ねてスポット溶接手段３２で密接させて構成されたことである。
【００４６】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００４７】
次に動作、作用を説明すると、伝熱板２５ａと２５ｂはスポット溶接手段３２で固定され密接されているため、外装部２６は内管２７と一体化することができるとともに、結露水が熱交換ユニット１９の内管２７へ浸透することを防ぐことができ、耐久性の向上が図れる。
【００４８】
（実施例６）
本実施例６においては、各実施例に示す熱交換ユニット１９の外装部２６を、耐食性材料例えばステンレス鋼などで構成したことである。なお、本実施例は実施例１の図面を用いて説明する。
【００４９】
次に動作、作用を説明すると、外装部２６の表面が燃焼ガスと触れ、低温燃焼ガス中の水蒸気から凝縮した酸性結露水とも接触するため、耐食性材料例えばステンレス鋼などを用いると、外装部２６表面が腐食される心配なく、内管２７を酸性腐食から保護し、耐久性の向上が図れる。
【００５０】
（実施例７）
本実施例７においては、各実施例１に示す熱交換ユニット１９の内管２７を、高熱伝導性材料例えば銅などで構成したことである。なお、本実施例は実施例１の図面を用いて説明する。
【００５１】
次に動作、作用を説明すると、内管２７を高熱伝導性材料で構成されることによって、内管２７の内外壁における熱の伝わりをよくして、伝熱効果を向上させ、高効率の熱交換装置を提供することができる。
【００５２】
（実施例８）
図９は本発明の実施例８の熱交換ユニット断面図である。
【００５３】
本実施例８において、実施例１と異なる点は、図９に示すごとく熱交換ユニット１９を構成する内管２７と外装部２６の間に、高熱伝導性材料３３を充填したことである。
【００５４】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００５５】
次に動作、作用を説明すると、内管２７と外装部２６を一体化としたため、内管２７の表面と外装部２６の裏面は密接しているが、しかし、図９に示すように、伝熱板２５ａと伝熱板２５ｂを重ね合わせた際に、伝熱板２５ａのエジ部３４と伝熱板２５ｂのエジ部３５によって、外装部２６と内管２７の間に隙間ができてしまい、この隙間に空気などが入ると、熱抵抗が生じ、熱の流れを阻害することになる。本実施例はこの隙間に高熱伝導性材料３３例えば粘度のある銅粉末などを充填することによって、隙間をなくし、伝熱性を向上させ、高効率の熱交換装置を提供することができる。
【００５６】
なお、本実施例において、エジ部３４、３５による隙間に高熱伝導性材料３３を充填するとしたが、内管２７表面全体或いは外装部２６の裏面に高熱伝導性材料を塗装してから一体化加工すると、より確実に内管２７の表面と外装部２６の裏面を接ぎ目なし密接させることができ、伝熱性が向上し、高効率の熱交換装置を提供することができる。
【００５７】
（実施例９）
図１０は本発明の実施例９の熱交換ユニット斜視図である。
【００５８】
本実施例９において、実施例１と異なる点は、図１０に示すごとく伝熱フィン２５を構成する伝熱板２５ａの端の部分は折り曲げられ、伝熱板２５ｂの端部を覆うかしめ部３６を有することである。
【００５９】
なお、実施例１と同一符号のものは同一構造を有し、説明は省略する。
【００６０】
次に動作、作用を説明すると、伝熱板２５ａの端の部分は折り曲げられ伝熱板２５ｂの端部をかしめる構成を有することによって、伝熱フィン２５の端の部分はかしめられるため、結露水が端部にある伝熱板２５ａと伝熱板２５ｂの接ぎ目を通して、熱交換ユニット１９の内管２７の部分へ浸透することを防ぐことができ、耐久性の向上が図れる。
【００６１】
なお、前記各実施例において、顕熱熱交換器１５がフィン管１４を用いるとしたが、フィン管１４を熱交換ユニット１９に入れ替えても同様な効果が実現できる。
【００６２】
なお、前記各実施例において、燃料ガスについて説明したが、石油燃料やその他の燃料を使用した場合でも同様の効果が実現できる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、酸性結露水による腐食を防止し、所期性能が維持できて耐久性がよく、かつ小型化が図れる高効率熱交換装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１における熱交換装置のシステム構成図
【図２】  同熱交換装置を構成する熱交換ユニットの斜視図
【図３】  同熱交換ユニットの分解図
【図４】  本発明の実施例２における熱交換ユニットの斜視図
【図５】  本発明の実施例３における熱交換ユニットの斜視図
【図６】  同熱交換ユニットの分解斜視図
【図７】  本発明の実施例４における熱交換ユニットの斜視図
【図８】  本発明の実施例５における熱交換ユニットの斜視図
【図９】  本発明の実施例８における熱交換ユニットの断面図
【図１０】  本発明の実施例９における熱交換ユニットの斜視図
【図１１】  従来の熱交換装置の要部断面図
【図１２】  従来の他の熱交換装置の要部断面図
【符号の説明】
１９  熱交換ユニット
２５  伝熱フィン
２５ａ、２５ｂ  伝熱板
２６  外装部
２７  内管
２８  単層伝熱フィン
２９  複層伝熱フィン
３０  伝熱板
３１  伝熱フィン
３２  溶接手段
３３  高熱伝導性材料
【図１】
0003763271.tif 000002
【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】
0003763271.tif 000008
【図８】
0003763271.tif 000009
【図９】
0003763271.tif 000010
【図１０】
0003763271.tif 000011
【図１１】
0003763271.tif 000012
【図１２】
0003763271.tif 000013