特開 2015-190722 熱交換器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-190722(P2015-190722A)

(43)【公開日】2015年11月2日

(54)【発明の名称】熱交換器

(51)【国際特許分類】

   F28F 3/08 20060101AFI20151006BHJP

   F28D 9/02 20060101ALI20151006BHJP

   F28F 3/00 20060101ALI20151006BHJP

   F28F 17/00 20060101ALI20151006BHJP

【ＦＩ】

   F28F3/08 301Z

   F28D9/02

   F28F3/00 311

   F28F17/00 501A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-69744(P2014-69744)

(22)【出願日】2014年3月28日

(71)【出願人】

【識別番号】391002498

【氏名又は名称】フタバ産業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100079108

【弁理士】

【氏名又は名称】稲葉 良幸

(74)【代理人】

【識別番号】100140486

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 徹

(74)【代理人】

【識別番号】100170058

【弁理士】

【氏名又は名称】津田 拓真

(74)【代理人】

【識別番号】100123641

【弁理士】

【氏名又は名称】茜ヶ久保 公二

(72)【発明者】

【氏名】小川 茂

【テーマコード（参考）】

3L103

【Ｆターム（参考）】

3L103AA22

3L103BB04

3L103CC27

3L103DD13

3L103DD57

(57)【要約】

【課題】ガスの冷却に伴って発生する凝縮水を、ガス流路から確実に排出することが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】排ガス流路２６は、その延伸方向を水平面に対して傾斜させ、且つ、排ガス流路入口２７から排ガス流路出口２８にわたって傾斜方向を反転させることで水平方向に往復するジグザグ状となるように構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスと冷媒との熱交換を行う熱交換器であって、
鉛直方向の一方を入口とし、他方を出口として、ガスを流すガス流路と、
前記ガス流路の外部に冷媒を流す冷媒流路と、を備え、
前記ガス流路は、その延伸方向を水平面に対して傾斜させ、且つ、前記入口から前記出口にわたって傾斜方向を反転させることで水平方向に往復するジグザグ状となるように構成されていることを特徴とする熱交換器。

【請求項2】

前記ガス流路は、連結された複数のプレートの内部に形成され、
前記複数のプレートは、前記ガス流路の底面から内方に向けて突出する複数の突起を有していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

【請求項3】

前記複数のプレートは、内部の前記ガス流路に連通する上部連通口及び下部連通口をそれぞれ有し、一の前記プレートの前記下部連通口が、一の前記プレートの下方に設けられた他の前記プレートの前記上部連通口と連結するように構成され、
他の前記プレートのガス流路の底面のうち、一の前記プレートの前記下部連通口を鉛直方向下方に投影した部位は、前記突起が形成されない平面とされていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。

【請求項4】

前記複数のプレートは、前記上部連通口及び前記下部連通口の周縁部に、鉛直方向に突出した筒部をそれぞれ有し、一の前記プレートの前記筒部と、一の前記プレートの下方に設けられた他の前記プレートの前記筒部とが接続されることで、前記上部連通口と前記下部連通口とが連結するように構成されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスと冷媒との熱交換を行う熱交換器に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、燃焼装置等において発生する高温のガスと冷媒との熱交換を行う熱交換器が知られている。

【0003】

下記特許文献１には、複数の平板状のエレメントを積層させて構成される熱交換器が記載されている。各エレメントの内部には、高温のガスを流すガス流路と、そのガス流路と隣り合うようにして冷却水を流す冷却水流路とが設けられ、ガスと冷却水との熱交換が行われる。ガスは冷却水に熱を奪われることで冷却され、エレメントに流入した際よりもその温度が低下して外部に排出される。各エレメントの中間には反転板が介装されており、その反転板によって区画されることで、ガスを蛇行させて流す流路が形成されている。

【0004】

このような熱交換器では、ガスに含まれる水分が冷却によって結露し、ガス流路に凝縮水が発生するという課題がある。発生した凝縮水は、熱交換器の性能低下を招くだけでなく、エレメント等の腐食の原因となるおそれがある。

【0005】

そこで、下記特許文献１に記載の熱交換器では、反転板が傾斜して配置されるとともに、反転板にドレン孔が設けられている。これにより、ガスの冷却に伴ってガス流路に発生した凝縮水は、反転板の傾斜に沿って下方に向かって流れ、さらにドレン孔を通過して落下し、外部へと排出される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００１−３５５９９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記特許文献１に記載の熱交換器では、反転板に設けたドレン孔は、そこにガスを通過させることは好ましくないため、そのサイズをあまり大きくすることができない。このため、熱交換器の使用に伴って、ガスや凝縮水に含まれる異物によりドレン孔が閉塞され、凝縮水を排出できなくなるおそれがあった。また、ドレン孔を通過しようとしている凝縮水が、反転板の下方から上昇してくる排ガスの流れによって押し上げられ、やはり凝縮水を排出できなくなるおそれがあった。

【0008】

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ガスの冷却に伴って発生する凝縮水を、ガス流路から確実に排出することが可能な熱交換器を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するために、本発明に係る熱交換器は、ガスと冷媒との熱交換を行う熱交換器であって、鉛直方向の一方を入口とし、他方を出口として、ガスを流すガス流路と、前記ガス流路の外部に冷媒を流す冷媒流路と、を備え、前記ガス流路は、その延伸方向を水平面に対して傾斜させ、且つ、前記入口から前記出口にわたって傾斜方向を反転させることで水平方向に往復するジグザグ状となるように構成されていることを特徴としている。

【0010】

以上のように構成された熱交換器では、冷却水との熱交換によってガスが冷却され、ガス流路に凝縮水が発生した場合は、凝縮水はガス流路の傾斜に沿って下方に向かって流れる。ガス流路は、その入口から出口にわたって傾斜方向を反転させることで水平方向に往復するジグザグ状とされているため、凝縮水は、当該ジグザグ状のガス流路に沿って流れ、下方の入口または出口から排出される。

【0011】

すなわち、本発明に係る熱交換器によれば、ガス流路の壁面等に、凝縮水を排出させるためだけに孔を設けることなく、ガスを流すためのガス流路を用いて凝縮水を外部に排出することができる。したがって、ガスや凝縮水に含まれる異物が原因となって凝縮水が排出されなくなるという事態を抑制することが可能となる。

【0012】

また本発明に係る熱交換器では、前記ガス流路は、連結された複数のプレートの内部に形成され、前記複数のプレートは、前記ガス流路の底面から内方に向けて突出する複数の突起を有していることも好ましい。

【0013】

ガス流路の底面上で凝縮水が拡散し、薄膜状になると、凝縮水はガス流路の底面との間に生じる摩擦の影響を比較的大きく受けるため、当該底面上をスムーズに流れることが困難となる。これに対し、上記の好ましい態様では、ガス流路の底面上の凝縮水は、突出する複数の突起を迂回して流れようとすることで、隣り合う突起の間に集められて大きな流束となる。このため、凝縮水が受ける摩擦の影響を比較的小さくし、底面上をスムーズに流してガス流路から確実に排出することが可能となる。

【0014】

また本発明に係る熱交換器では、前記複数のプレートは、内部の前記ガス流路に連通する上部連通口及び下部連通口をそれぞれ有し、一の前記プレートの前記下部連通口が、一の前記プレートの下方に設けられた他の前記プレートの前記上部連通口と連結するように構成され、他の前記プレートのガス流路の底面のうち、一の前記プレートの前記下部連通口を鉛直方向下方に投影した部位は、前記突起が形成されない平面とされていることも好ましい。

【0015】

一のプレートの下部連通口が、一のプレートの下方に設けられた他のプレートの上部連通口と連結するように構成された熱交換器では、一のプレートの下部連通口から流出した凝縮水は、他のプレートの上部連通口を介して、他のプレートの内部のガス流路の底面上に落下する。仮に、他のプレートの内部のガス流路の底面のうち、凝縮水が落下する部位に突起が形成されていると、落下した凝縮水が当該突起と衝突し、広範囲に拡散するおそれがある。凝縮水は拡散することで薄膜状となり、ガス流路の底面との間に生じる摩擦の影響を比較的大きく受けるため、当該底面上をスムーズに流れることが困難となる。

【0016】

これに対し、上記の好ましい態様では、他のプレートの内部のガス流路の底面のうち、一のプレートの下部連通口を鉛直方向下方に投影した部位は、突起が形成されない平面とすることで、他のプレートの内部のガス流路の底面上に落下した凝縮水の拡散を抑制し、摩擦の影響を比較的小さくして、底面上をスムーズに流すことが可能となる。これにより、凝縮水をガス流路から確実に排出することが可能となる。

【0017】

また本発明に係る熱交換器では、前記複数のプレートは、前記上部連通口及び前記下部連通口の周縁部に、鉛直方向に突出した筒部をそれぞれ有し、一の前記プレートの前記筒部と、一の前記プレートの下方に設けられた他の前記プレートの前記筒部とが接続されることで、前記上部連通口と前記下部連通口とが連結するように構成されていることも好ましい。

【0018】

この好ましい態様では、一のプレート及び他のプレートのそれぞれの筒部を鉛直方向に接続することで両プレートの連結を行うことができるため、複数のプレートを鉛直方向に配列して接続し、それらの内部に傾斜したガス流路を形成することが容易となる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、ガスの冷却に伴って発生する凝縮水を、ガス流路から確実に排出することが可能な熱交換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態に係る熱交換器を表す模式図である。

【図2】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図3】プレート上板の平面図である。

【図4】図３のＢ−Ｂ断面図である。

【図5】プレート下板の平面図である。

【図6】図５のＣ−Ｃ断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

【0022】

まず、図１及び図２を参照して、本発明の実施形態に係る熱交換器の概要を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器１００を表す模式図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。

【0023】

熱交換器１００は、燃料を燃焼させる燃焼装置（図示せず）から供給される高温の排ガスと、別途供給される冷媒との熱交換を行う熱交換器であり、図１に表すように、ケーシング１０と、プレートユニット２０と、を備えている。

【0024】

ケーシング１０は、熱交換器１００の筐体をなす金属製部材であり、少なくとも上ケーシング材１１と、下ケーシング材１２と、を有している。上ケーシング材１１及び下ケーシング材１２は、鉛直方向に互いに間隔を空けて配置されおり、両者の間は冷却水を流す冷却水流路１３とされている。

【0025】

プレートユニット２０は、冷却水で満たされた冷却水流路１３内に配置されており、プレート２１〜２５を有している。プレート２１〜２５はいずれも同一構成であり、鉛直方向に一列に並べられている。プレートユニット２０のうち、上端に配置されるプレート２１は上ケーシング材１１に対し連結され、下端に配置されるプレート２５は下ケーシング材１２に対し連結されている。また、鉛直方向に隣り合うプレート同士がそれぞれ連結されている。

【0026】

プレート２１〜２５の構成を、プレート２１を例にとって説明する。図２に表すように、プレート２１は、プレート上板３０と、プレート下板４０と、を有している。プレート上板３０は、薄肉の金属製板材である基板３１に種々の加工を施すことよって形成される部材であり、その端部３１ａ、３１ｂは、下方に向けて略垂直に折り曲げ加工されている。同様に、プレート下板４０も、薄肉の金属製板材である基板４１に種々の加工を施すことよって形成される部材であり、その端部４１ａ、４１ｂは、上方に向けて略垂直に折り曲げ加工されている。

【0027】

プレート上板３０の端部３１ａと端部３１ｂとの間にプレート下板４０を嵌入するとともに、端部３１ａと端部４１ａとを溶接固定し、端部３１ｂと端部４１ｂとを溶接固定することで、プレート２１が形成される。これによりプレート上板３０及びプレート下板４０は、排ガスを流すための排ガス流路２６を両者の間に形成して一体となる。なお、プレート２１の形成は、プレート上板３０とプレート下板４０との溶接固定のみならず、接着や、押し出しによるプレート上板３０とプレート下板４０の一体成形など、種々の方法を採用し得る。

【0028】

プレート２１〜２５は、連結することでそれぞれの内部の排ガス流路２６が連通し、プレート２１が上ケーシング材１１に対し連結される排ガス流路入口２７から、プレート２５が下ケーシング材１２に対し連結される排ガス流路出口２８まで排ガスを流す一連の流路を形成している。図１に表すように、プレート２１〜２５は、それぞれの内部の排ガス流路２６を、その延伸方向が水平面に対して傾斜角θで傾斜するように配置されている。

【0029】

このうちプレート２３からプレート２４にかけての排ガス流路２６についてみると、まず、プレート２２とプレート２３とが連結された連結部２２３から、プレート２３とプレート２４とが連結された連結部２３４まで、プレート２３の内部の排ガス流路２６が延伸する方向は、図１において水平面から反時計回りの方向に傾斜角θで傾斜している。一方、連結部２３４から、プレート２４とプレート２５とが連結された連結部２４５まで、プレート２４の内部の排ガス流路２６が延伸する方向は、図１において水平面から時計回りの方向に傾斜角θで傾斜している。このように、鉛直方向に隣り合うプレートで傾斜方向が反転する傾向は、他のプレート２１、２２、２５ついても同様である。このように、排ガス流路２６は、排ガス流路入口２７から排ガス流路出口２８にわたって、傾斜方向を反転させることで水平方向に往復するジグザグ状となるように構成されている。

【0030】

上方の排ガス流路入口２７から排ガス流路２６に流入した高温の排ガスは、排ガス流路２６の傾斜に沿って、水平方向に往復するように下方へと流れ、下方の排ガス流路出口２８から流出する。排ガスが排ガス流路入口２７から排ガス流路出口２８まで流れる間に、当該排ガスと、プレート２１〜２５の外部を流れる冷却水との熱交換が行われる。これにより、排ガスは冷却水によって熱を奪われて冷却され、排ガス流路入口２７から流入した際よりもその温度が低下して外部に排出される。

【0031】

排ガスが冷却されることにより、排ガスに含まれる水分が結露すると、排ガス流路２６に凝縮水が発生する。発生した凝縮水が、プレート上板３０やプレート下板４０に付着して留まると、その凝縮水によって排ガスと冷却水との熱交換が妨げられ、熱交換器の性能低下を招くおそれがある。また、凝縮水に酸性物質が含まれている場合などには、金属製板材であるプレート上板３０やプレート下板４０の腐食の原因となるおそれがある。

【0032】

これに対し、熱交換器１００では、発生した凝縮水を排ガス流路２６から排出することにより、この問題を解決している。排ガス流路２６で発生した凝縮水は、排ガス流路２６の傾斜に沿って下方に向かって流れる。排ガス流路２６は、排ガス流路入口２７から排ガス流路出口２８にわたって傾斜方向を反転させることで水平方向に往復するジグザグ状とされているため、凝縮水は、当該ジグザグ状の排ガス流路２６に沿って流れ、下方の排ガス流路出口２８から排出される。

【0033】

すなわち、熱交換器１００によれば、排ガス流路２６の壁面等に、凝縮水を通過させるためだけに孔を設けることなく、排ガスを流すための排ガス流路２６を用いて凝縮水を外部に排出することができる。したがって、排ガスや凝縮水に含まれる異物が原因となって凝縮水が排出されなくなるという事態を抑制することが可能となる。

【0034】

さらに、熱交換器１００には、排ガス流路２６から凝縮水を確実に排出するための種々の工夫が施されている。以下、この工夫について、さらに図３乃至図６を参照して説明する。図３は、プレート上板３０の平面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。図５は、プレート下板４０の平面図である。図６は、図５のＣ−Ｃ断面図である。

【0035】

図３及び図４に表すように、プレート上板３０は、その基板３１から下方に向けて突出する突起３２が複数形成されている。プレス加工によって形成された複数の突起３２は、プレート上板３０の長手方向に３列に整列するように配置されている。両端の列には３つの突起３２が並んでおり、中央の列には、両端の列の突起３２とオフセットした位置に４つの突起３２が並んでいる。

【0036】

また、プレート上板３０は、その端部に上部連通口３３が開口している。その上部連通口３３の周縁部には、筒部３４が形成されている。筒部３４は、バーリング加工によって突出形成されたものであり、その突出方向は、プレートユニット２０（図１参照）に組み込んだ場合に、鉛直方向上方となるように設定されている。

【0037】

図５及び図６に表すように、プレート下板４０は、その基板４１から上方に向けて突出する突起４２が複数形成されている。プレス加工によって形成された複数の突起４２は、プレート下板４０の長手方向に３列に整列するように配置されている。両端の列には３つの突起４２が並んでおり、中央の列には、両端の列の突起４２とオフセットした位置に４つの突起４２が並んでいる。

【0038】

また、プレート下板４０は、その端部に下部連通口４３が開口している。その下部連通口４３の周縁部には、筒部４４が形成されている。筒部４４は、バーリング加工によって突出形成されたものであり、その突出方向は、プレートユニット２０（図１参照）に組み込んだ場合に、鉛直方向下方となるように設定されている。

【0039】

以上のように形成されたプレート上板３０とプレート下板４０とを、図２を参照して説明したように、両者の間に排ガス流路２６を形成するように溶接固定して一体とすると、プレート上板３０の突起３２は、排ガス流路２６の天面から内方に向けて突出し、プレート下板４０の突起４２は、排ガス流路２６の底面から内方に向けて突出するように配置される。突起３２及び突起４２は、プレート上板３０及びプレート下板４０を一体とした際にそれぞれの頂部が当接し、プレート上板３０及びプレート下板４０の位置決めにも寄与している。また、突起３２及び突起４２は、排ガス流路２６の内方に向けて突出することで、排ガス流路２６を流れる排ガスとの接触面積を高め、熱交換器１００の性能向上にも寄与している。

【0040】

プレート上板３０とプレート下板４０とを溶接固定することで構成されるプレート２１〜２５は、筒部３４と筒部４４とを接続することにより連結される。以下、プレート２３とプレート２４との連結部２３４（図１参照）を例にとって説明すると、プレート２３の下部連通口４３の周縁部に形成された筒部４４を、その下方に配置されたプレート２４の上部連通口３３の周縁部に形成された筒部３４内に嵌入することにより、両プレートが連結される。連結により両プレートの内部の排ガス流路２６は連通し、両プレートにわたって一連の流路が形成される。

【0041】

プレート２３の内部の排ガス流路２６を、その傾斜に沿って下方に向かって流れる排ガスは、プレート２３の端部において、下部連通口４３から下方に排出される。この排ガスは、次に、プレート２４の上部連通口３３を介して、プレート２４の内部の排ガス流路２６に流入する。

【0042】

一方、プレート２３の内部の排ガス流路２６で発生した凝縮水は、当該排ガス流路２６の底面を構成するプレート下板４０の上面を流れる。仮に、このとき凝縮水がプレート下板４０の上面で拡散し、薄膜状になっていると、凝縮水はプレート下板４０の上面との間に生じる摩擦の影響を比較的大きく受けるため、プレート下板４０の上面をスムーズに流れることが困難となる。

【0043】

しかし、プレート下板４０に複数の突起４２を設けることにより、プレート下板４０の上面を流れる凝縮水は、図２にＷＦで表すように、突出する複数の突起４２を迂回して流れようとすることで、隣り合う突起４２、４２の間に形成される流路４２ａや、突起４２と端部４１ａ、４１ｂの形成される流路４２ｂに集められ、大きな流束となる。このため、凝縮水ＷＦは、摩擦の影響を比較的小さくし、プレート下板４０の上面を流して排ガス流路２６から確実に排出することが可能となる。

【0044】

プレート下板４０の傾斜に沿ってプレート２３の端部まで流れた凝縮水は、図６に矢印ＷＤ１で表すように、下部連通口４３から落下し、プレート２３の内部の排ガス流路２６から排出される。この凝縮水は、次に、図４に矢印ＷＤ２で表すように、プレート２４の上部連通口３３を介してプレート２４内の排ガス流路２６に落下し、さらに、図６に矢印ＷＤ３で表すように、プレート２４のプレート下板４０の上面に落下する。

【0045】

仮に、プレート２４のプレート下板４０の上面のうち、凝縮水が落下する部位に突起が形成されていると、凝縮水は当該突起と衝突して広範囲に拡散するおそれがある。凝縮水は拡散することで薄膜状となり、プレート下板４０の上面との間に生じる摩擦の影響を比較的大きく受けるため、プレート下板４０の上面をスムーズに流すことが困難となる。

【0046】

これに対し、熱交換器１００では、プレート２４のプレート下板４０の上面のうち、プレート２３の下部連通口４３を鉛直方向下方に投影した部位は、突起が形成されない平面部４１ｃとしている。したがって、プレート２４のプレート下板４０の上面（平面部４１ｃ）に落下した凝縮水の拡散を抑制し、摩擦の影響を比較的小さくして、プレート２４のプレート下板４０の上面をスムーズに流すことが可能となる。これにより、凝縮水を排ガス流路２６から確実に排出することが可能となる。

【0047】

以上のように、熱交換器１００では、プレート２１〜２５の内部の排ガス流路２６に凝縮水が発生した場合にも、当該凝縮水を排ガス流路２６でスムーズに流し、確実に排出することが可能となる。

【0048】

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

【符号の説明】

【0049】

１３ ：冷却水流路（冷媒流路）
２１〜２５：プレート
２６ ：排ガス流路（ガス流路）
２７ ：排ガス流路入口（入口）
２８ ：排ガス流路出口（出口）
３３ ：上部連通口
３４ ：筒部
４１ｃ：平面部
４２ ：突起
４３ ：下部連通口
４４ ：筒部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】