JPH1068596A - 水又は水溶液用の熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 成形加工が容易であり、温度差の大きいヒー
トサイクルにも適応でき、且つコストを低減できる水又
は水溶液用の熱交換器を提供する。 【構成】 本発明による熱交換器は、水管３９には、銅
材又は鉄合金を用いているので、被熱交換体として水ま
たは水溶液に対して安定である。フィン４３には、鉄合
金を用いているので、加工性が良く、突起や襞の形成も
容易にできるので、熱交換特性の向上を図ることができ
る。更に、メッキや表面処理がし易く、熱交換器の耐久
性が向上するとともに温度差の大きいヒートサイクルに
も適応できる。また、鉄合金を用いているため、安価で
あり、熱交換器の製造に対する製造コストの低減を図る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水又は水溶液を熱
交換する熱交換器に関し、特に、水または水溶液を流す
水管を多数のフィンに嵌挿して構成された熱交換器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、流体を流す管（パイプ）を多数
のフィンに嵌挿して構成された熱交換器が公知である。
かかる熱交換器では、管内に被熱交換体として気体や液
体を流し、フィン間に気体や液体の流体を熱媒体として
流すのが一般的であり、この種の熱交換器では、管及び
フィンには、熱伝導性が優れる銅又はアルミニウム材料
を使用している。

【０００３】例えば、クーラー（空気調和装置）や、冷
蔵庫等の冷媒を流す熱交換器においては、冷媒を流す管
及びフィンにはアルミニウム材料を使用するのが一般的
であり、給湯器等の水を加熱する場合には銅製の水管を
用い、フィンには銅材料を使用している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、銅又は
アルミニウムは、機械強度が低く、膨張率が高いという
特性を有する。この為、銅又はアルミニウム材料を用い
たフィンを温度差の大きいヒートサイクルに使用する場
合には、変形及び亀裂が生じ易いという不都合がある。

【０００５】また、銅及びアルミニウムは、加工性の点
でも劣り、例えば、これらの材料を用いたフィンに対し
て、熱交換特性を向上させるために、流路を形成する突
起や、表面積を稼ぐ突起や襞を形成し難いという問題点
がある。即ち、図８に示すように、従来の給湯器用の熱
交換器にあっては、水管１０１に対してフィン１０３は
平坦であったり、突起を形成しても突き抜きにより生じ
るわずかな切り端状の突起１０５であれば容易に成形で
きるものの、表面積が大きくなるような突起の成形は困
難であり、成形の自由度が小さいものであった。また、
フィン材料である銅は表面安定度の点で劣り、メッキや
塗装等の表面処理がしにくいという問題点がある。

【０００６】更に、銅やアルミニウムは高価であり、熱
交換器の製造コストが高くなるという問題点がある。

【０００７】そこで、本発明の目的は、成形加工が容易
であり、温度差の大きいヒートサイクルにも適応でき、
且つコストを低減できる水又は水溶液用の熱交換器を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、請求項１に記載の発明は、間隙を置いて配置した複
数のフィンと、これらのフィンに嵌挿され水又は水溶液
を流す水管とを備え、水管内の流体を熱交換する水又は
水溶液用の熱交換器において、前記水管は銅材料又は鉄
合金により作られており、前記フィンは鉄合金から作ら
れているものである。

【０００９】尚、本明細書では、銅材料には、純度の高
い銅の他、銅合金を含むものを意味する。また、鉄合金
には、純度の高い鉄の他、鋼材や特殊鋼材を含むものを
意味する。

【００１０】この請求項１に記載の発明によれば、水管
には、銅材料又は鉄合金を用いているので、被熱交換体
として水または水溶液に対して安定であり、上水用の水
管としても用いることができる。また、フィンには、鉄
合金を用いているので、加工性が良く、突起や襞の形成
も容易にできるので、熱交換特性の向上を図ることがで
きる。更に、メッキや表面処理がし易く、熱交換器の耐
久性が向上するとともに温度差の大きいヒートサイクル
にも適応できる。また、フィンの材料として、鉄合金を
用いているため、安価であり、熱交換器の製造に対する
製造コストの低減を図ることができる。

【００１１】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の発明において、前記熱交換器は、熱交換媒体として気
体を前記フィン間に通過させてなる気液熱交換器であ
り、前記フィンには、張出しによる突起又は切欠きによ
る突起が多数形成されているものである。

【００１２】この請求項２に記載の発明によれば、フィ
ンには、張出しによる突起や切欠きによる突起が形成さ
れているので、熱交換媒体としての気体をフィンに通過
させる際に、熱交換面積を増加させたり、熱交換媒体の
流路を効率よく形成させることができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
に記載の発明において、前記フィンに用いられる鉄合金
は、鋼材又は特殊鋼材としたものである。

【００１４】本明細書において、鋼材には、鉄に炭素
（Ｃ）０．０３５乃至１．７重量％を含む鉄のものを意
味し、特殊鋼には、鉄にニッケル（Ｎｉ）、マンガン
（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）等を成分として含むものを意
味する。

【００１５】この請求項３に記載の発明によれば、鉄合
金として鋼材や特殊鋼材をもちいることによって、特
に、温度差の大きいヒートサイクルへの使用等の環境特
性に応じた材質の選定ができる。

【００１６】請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３
に記載の発明において、前記水管には、上水または生活
水等の水を循環させ、バーナーにより加熱した気体を前
記フィン間に通して水を加熱するものである。

【００１７】この請求項４に記載の発明は、水管には上
水または生活水を循環させた給湯や風呂の湯沸かし等に
使用するものであり、バーナによる加熱をするもので、
かかるヒートサイクルの温度差が大きい場合にもフィン
には、変形や亀裂が生じ難い。一般的に、鋼材は銅材料
に比較して、約２倍の機械的強度があり、且つ膨張率は
２／３であり、耐熱性の点でも優れる。また、必要に応
じてメッキ等の表面加工する場合にも表面処理が容易に
できる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、添付図面の図１乃至図６
を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本
発明の実施の形態にかかる熱交換器１を、上水をガスに
より加熱するガス給湯器３に用いられる場合を例に用い
て説明する。

【００１９】図１に示すように、ガス給湯器３は、概し
て、上水が供給される給水管５と、この給水管５から水
を導入して熱交換する熱交換器１、熱交換器１に加熱ガ
スを送風する加熱部７、及び熱交換後の湯を給湯する給
湯管９とから構成されている。

【００２０】給水管５には、水フィルタ９、入水サーミ
スタ１３、水量センサ１５を介して熱交換器１の水管
（後述する）１７の入口に接続されている。水管１７の
出口には、給湯管９が接続されており、出湯サーミスタ
１９、水量サーミスタ２１、水抜き弁２３を介して洗面
所や台所等に湯を給湯する配管に接続されている。尚、
符号２４はバイパス通路である。

【００２１】加熱部７は、熱交換器１の下部に配置され
ており、ガスを燃焼させるガスバーナ２５、ガスバーナ
に着火する点火プラグ２７及び燃焼ファンを備え、ガス
管２９から導入されたガスに点火し熱交換器に高温の気
体を供給する構成となっている。尚、加熱部７には、外
気サーミスタ３１、ガス電磁弁３３、ガス比例弁３５、
元ガス電磁弁３７が配置されており、ガスによる燃焼状
態を調節するようになっている。

【００２２】ここで、図２を合わせて参照するが、熱交
換器１は、ケース４１内に収納されており、間隙を置い
て配置した複数のフィン４３と、これらのフィン４３に
嵌挿された水管１７とから構成されている。

【００２３】水管１７は、ケース４１の外側を取り巻く
とともに、ケース内に蛇行して配置されており、熱交換
効率の向上が図られている。

【００２４】このケース４１には、ガス燃焼により加熱
された加熱風が下から上に導入され、熱交換器を通させ
た後、排気管４５から排気後の燃焼ガスを排気する構成
となっている。

【００２５】水管１７は、銅材料から作られており、水
道水に対して安定であることから、上水用の水管として
用いられている。また、銅材料を使用することにより、
熱伝導性に優れ、熱交換特性の点でも良好となる。

【００２６】銅材料としては、純度の高い銅の他、銅に
亜鉛を加えた真ちゅう（銅合金）が用いられているが、
その外、銅と他の金属との合金が使用される。これら
の、合金の場合にその成分については特に規定されるも
のではない。

【００２７】また、水管１７には、鋼材（スチール）を
使用することもできる。鋼材を使用した場合には、銅や
アルミニウムに比較して機械強度が高く、熱膨張率も低
いことから、耐熱性の点でも優れる。

【００２８】フィン４３は、図３に示すように、略矩形
形状の鋼材をプレスや打ち抜きして形成されている。鋼
材としては、例えば、燐（Ｐ）を０．０５０重量％以
下、硫黄（Ｓ）を０．０５０重量％以下含むＪＩＳ規格
ＳＳ３３Ｏ、ＳＳ４００、ＳＳ４９０や、炭素（Ｃ）を
０．３０重量％、マンガン（Ｍｎ）を１．６０重量％以
下、燐（Ｐ）を０．０４０重量％以下、硫黄（Ｓ）を
０．０４０重量％以下含むＪＩＳ規格ＳＳ５４Ｏの鋼材
等が使用される。その他、用途に応じて種々のものを用
いることができる。

【００２９】このフィン４３には、水管１７を嵌挿する
水管用孔４７が上段と下段とにそれぞれ３個ずつ形成さ
れている。各水管用孔４７の上方には、ろう材が挿入さ
れるろう孔４９が形成されている。ろう材としては棒状
の銅ろうやニッケルろうが使用され、製造時に炉内で溶
出させて水管１７をフィン４３に接続している。

【００３０】また、フィン４３には、張出による突起５
１、５３が形成されており、図３に矢印Ａで示すよう
に、加熱ガスの流路を水管１７に近づけるように案内す
るとともに蛇行させたり、乱流を起こさせて熱交換効率
を高めている。突起５１及び５３は、図４に示すよう
に、フィンの表面を突出させており、加熱ガスの流路を
形成するほか膨出によりフィンの表面積を増加させて、
熱交換面積を増加させている。尚、図４には、突起５３
のみを示しているが、突起５１についても同様な突起を
形成するものである。また、突起５３は、その両側を切
り欠いて突出させたり、図４に符号５３ａとして示すよ
うに、凸形状に膨出させたり、符号５３ｂとして示すよ
うに、上底を打ち抜いた円錐台形状であってもよい。即
ち、鋼材は成形加工の自由度が高いため、種々の突起を
容易に形成することができる。

【００３１】次に、本実施の形態の作用について説明す
る。給湯運転時には、給水管９から水が熱交換器１の水
管１７に導入される。一方、加熱部７においてガスに点
火されると、燃焼ガスが熱交換器１のフィン４３間を通
過して水管１７内の水を加温する。

【００３２】熱交換器１では、図３に矢印Ａで示すよう
に加熱ガスが流れるが、下段の水管１７は加熱部７から
の加熱ガスが直接通過する。その後加熱ガスは突起５
３、５１によって、上段の水管１７を取り巻くように案
内され、フィン４３間を通過する。フィン４３では、そ
の表面が加熱ガスと接触して熱伝導を受けるが、突起５
３、５１は、図４に示すように、膨出させているので、
実施的にフィン４３の表面積を大きくしており、熱交換
表面が大きいことから、加熱ガスからの熱を多く受ける
ことができる。

【００３３】また、給湯器３では、加熱部７で形成され
る火炎の温度は１５００℃から１８００℃であり、そこ
で形成される加熱ガスも１０００℃近くの高温である
が、鋼材を使用しているので、かかる高熱に対しての熱
膨張や機械的強度が高いために変形や亀裂を生じにく
く、温度差の大きなヒートサイクルにおける耐久性が優
れ、寿命を延命することができる。

【００３４】製造時には、鋼材を使用しているので、プ
レス加工等によりかかる膨出突起が容易に形成できる。
また、鋼材は銅等の金属に比較して表面の安定性に優れ
ているので、表面処理が施しやすい。従って、高温下で
の耐腐食性を付与するために、塗装をしたり、メッキ作
業が容易にできる。

【００３５】本発明は上述した実施例に限定されず、本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例
えば、図５に示すように、突起５３（又は５１）は、フ
ィン４３の両面に交互に表面を突出させたり、切り欠い
て突出させたり、図６に示すように、突起を略台形形状
としたものであったも上述した実施の形態と同様な効果
を得ることができる。

【００３６】更に、図７に示すように、フィン４３全体
に凹凸５７を形成して、表面積を増加させる構成として
もよい。

【００３７】また、上述した実施の形態では、給湯器を
例に用いて説明したが、これに限らず、水の冷却、酸性
水溶液やアルカリ水溶液を水管に流し、加熱や冷却をす
る場合であっても同様な効果を得ることができる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、水管内
の流体を熱交換する水又は水溶液用の熱交換器におい
て、水管は銅材料又は鉄合金により作られているので、
水管はその管内を流れる水または水溶液に対して安定で
ある。フィンは鉄合金から作られているので、加工性が
良く、突起や襞の形成も容易にでき、熱交換特性の向上
を図ることができる。更に、メッキや表面処理がし易
く、熱交換器の耐久性が向上するとともに温度差の大き
いヒートサイクルにも適応できる。また、フィンに用い
る鉄合金、例えば、鋼材や特殊鋼材は銅やアルミニウム
に比較して安価であり、製造コストの低減を図ることが
できる。

【００３９】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
に記載の発明に加えて、フィンには、張出しや突起や切
欠きによる突起を形成しているので、熱交換面積を増加
させたり、熱交換媒体の流路を効率よく形成させること
ができる。

【００４０】請求項３に記載の発明によれば、フィン材
料用いる鉄合金として、鋼材や特殊鋼材を使用している
ので、特に、温度差の大きいヒートサイクルへの使用等
の環境特性に応じた材質の選定ができる。

【００４１】この請求項４に記載の発明は、水管には上
水または生活水を循環させた給湯や風呂の湯沸かし等に
使用するような、ヒートサイクルの温度差が大きい場合
にもフィンには、変形や亀裂が生じ難い。また、必要に
応じて腐食の防止を図るためにメッキ等の表面処理が容
易にできる。

【００４２】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態にかかる給湯器の概略構成
図ある。

【図２】図１に示す給湯器に用いられる熱交換器の斜視
図である。

【図３】フィンの平面図である。

【図４】熱交換器の一部を示す断面図である。

【図５】他の実施の形態にかかるフィンの断面図であ
る。

【図６】他の実施の形態にかかるフィンの断面図であ
る。

【図７】他の実施の形態にかかる熱交換器の一部を示す
断面図である。

【図８】従来の熱交換器の一部を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 熱交換器 ３９ 水管 ４３ フィン ５１、５３ 突起 ５７ 凹凸（突起又は襞）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 間隙を置いて配置した複数のフィンと、
   これらのフィンに嵌挿され水又は水溶液を流す水管とを
   備え、水管内の流体を熱交換する水又は水溶液用の熱交
   換器において、 前記水管は銅材料又は鉄合金により作られており、前記
   フィンは鉄合金から作られていることを特徴とする水又
   は水溶液用の熱交換器。
2. 【請求項２】 前記熱交換器は、熱交換媒体として気体
   を前記フィン間に通過させてなる気液熱交換器であり、
   前記フィンには、張出しによる突起又は切欠きによる突
   起が多数形成されていることを特徴とする請求項１に記
   載の水又は水溶液用の熱交換器。
3. 【請求項３】 前記フィンに用いられる鉄合金は、鋼材
   又は特殊鋼材であることを特徴とする請求項１又は２に
   記載の水又は水溶液用の熱交換器。
4. 【請求項４】 前記水管には、上水または生活水等の水
   を循環させ、バーナーにより加熱した気体を前記フィン
   間に通して水を加熱することを特徴とする請求項１乃至
   ３のいずれか一項に記載の水又は水溶液用の熱交換器。