JP2003114057A - 熱交換装置及びそれを用いた熱交換システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 潜熱回収用熱交換器特有の腐食を防止する。 【解決手段】 管形状の内管２７と、内管を覆い伝熱フ
ィン２５を構成する外装部２６と、一体化した熱交換ユ
ニット２８を備え、この熱交換ユニット２８を少なくと
も１つ以上潜熱回収用熱交換器として用いる構成として
いる。そして、内管２７を外装部２６で覆っているた
め、外装部２６を耐食性材料や、防食処理することによ
って、酸性結露水の腐食から内管を保護し耐久性を向上
させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主として家庭用又
は業務用の燃焼装置において顕熱だけでなく、特に燃焼
ガス中の水蒸気潜熱までを回収し、熱効率の向上を図っ
た熱交換システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の潜熱回収用熱交換システ
ムは第一の例として、例えば、特開２０００−１４６３
０４公報に記載されている図８のようなものがあった。
図８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の
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℃の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、１００℃以下の低温排気ガスと
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２０００−１
４６３０５公報に記載された図９のようなものがあっ
た。図９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】しかしながら上記図８
に示す従来の第一の例における潜熱回収用熱交換システ
ムの構成では、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の凝縮水がアルミ表
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を発生してしまうと
いう課題があった。そして、アルミを厚肉構成にするた
めに熱交換器が大型になるという課題もあった。

【０００７】また、図９に示す従来の第二の例における
潜熱回収用熱交換システムの構成では、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
法によって一体化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、初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、初期性能が維持で
きて耐久性がよく、かつ小型化が図れる潜熱回収用熱交
換システム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】本発明は上記課題を解決
するため、ガス通路に設けられ、かつ複数の熱交換ユニ
ットを接続して構成される熱交換装置であって、前記熱
交換ユニットの少なくとも一つ以上の熱交換ユニット
は、管形状の内管と、前記内管の外周面を覆う如く前記
内管に一体化した外装部と、前記外装部に設けた伝熱フ
ィンとで構成し、かつ前記外装部は耐食性材料で形成し
た熱交換装置を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１にかかる熱交換
装置は、ガス通路に設けられ、かつ複数の熱交換ユニッ
トを接続して構成される熱交換装置であって、前記熱交
換ユニットの少なくとも一つ以上の熱交換ユニットは、
管形状の内管と、前記内管の外周面を覆う如く前記内管
に一体化した外装部と、前記外装部に設けた伝熱フィン
とで構成し、かつ前記外装部は耐食性材料で形成した構
成になっている。

【００１１】そして、内管を耐食性材料の外装部で覆っ
ているため、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を保護し耐
久性を向上させることができる。

【００１２】本発明の請求項２にかかる熱交換装置は、
複数の伝熱フィンを有し、前記各伝熱フィンの内管に沿
う先端までの距離を互いに異ならせた構成としている。

【００１３】そして、燃焼ガスの流れの上流側伝熱フィ
ンを下流側よりも長く構成すれば、伝熱フィンを燃焼ガ
ス流れの高温側により多く構成することができるため、
潜熱回収用熱交換器を更に小さく構成することができ
る。

【００１４】本発明の請求項３にかかる熱交換システム
は、顕熱用熱交換器の燃焼ガス流れの下流側で、加熱流
体の上流側に請求項１または請求項２のいずれかの１項
に記載の熱交換装置を設けた構成としている。

【００１５】そして、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
顕熱用熱交換器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。

【００１６】本発明の請求項４にかかる熱交換システム
は、燃焼室を構成するドラムと、前記燃焼室の下流に設
けた燃焼ガス通路と、前記燃焼ガス通路に設けた顕熱用
熱交換器及び潜熱回収用熱交換器とを備え、前記潜熱回
収用熱交換器を請求項１または２のいずれか１項に記載
の熱交換装置とするとともに、同潜熱回収用熱交換器内
を流れる加熱流体と燃焼ガスの流れとが対向するように
構成し、かつ前記顕熱用熱交換器と前記潜熱回収用熱交
換器を連結するドラム管を前記ドラムに巻装した構成に
なっている。

【００１７】そして、燃焼ガス流れと対向流とすること
により効率的に潜熱回収用熱交換器で予熱された加熱流
体を、燃焼室の外周を冷却することにより、燃焼室から
顕熱用熱交換器までの温度勾配を緩和することになり熱
歪を小さくすることができ小型で耐久性の高い熱交換シ
ステムを実現できる。

【００１８】本発明の請求項５にかかる熱交換システム
は、顕熱用熱交換器と燃焼ガス流れの下流側の潜熱回収
用熱交換器の間に空間を構成している。

【００１９】そして、顕熱用熱交換器を通過し低温とな
り、温度分布や速度分布を有する燃焼ガスの流れを、こ
の空間で混合、整流し潜熱回収用熱交換器に導くことに
よりより小型で高効率の熱交換システムを実現すること
ができる。

【００２０】本発明の請求項６にかかる熱交換システム
は、伝熱フィンはガスの流れと並行に配置する水平熱交
換ユニットと、同ガスの流れと交差する方向に配置する
傾斜熱交換ユニットとを備えている。

【００２１】そして、燃焼ガス通路の曲がり部など流れ
が偏向を受ける部分には、燃焼ガス流れに交差する方向
に伝熱フィンを配置することで燃焼ガスの流れを誘導
し、燃焼ガス通路の隅部の循環流の発生を抑制し流れと
ともに熱交換をスムーズにし、また燃焼ガス通路の低圧
損化も図れる。

【００２２】本発明の請求項７にかかる熱交換システム
は、複数の熱交換ユニットの内管を複数個並列に接続
し、前記内管による並列流路を構成している。

【００２３】そして、低温の燃焼ガスから潜熱を回収す
るために内管の管路長は長くなり流路圧損が大きくなる
傾向であるが、複数の並列流路を設けることにより圧損
の増加を抑制することができる。

【００２４】本発明の請求項８にかかる熱交換システム
は、少なくとも内管、外装部からなる熱交換ユニットに
表面処理を施している。

【００２５】そして、耐食性の表面処理をすれば、耐久
性を向上させることができる。また親水性の表面処理を
すれば、伝熱フィンの表面で結露した凝縮水は速やかに
伝熱フィン上を流れて除去されるので、燃焼ガスと伝熱
フィンの熱交換が凝縮水で阻害されることはなくなる。
また撥水性の表面処理をすれば、低湿度の燃焼ガスでは
伝熱フィン上で発生した凝縮水は大きな水滴を形成し乾
いた伝熱フィンを確保することができるため熱交換が阻
害されることがなくなる。

【００２６】

【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。

【００２７】（実施例１）図１は本発明の実施例１とし
てガス給湯機に応用された潜熱回収用熱交換システムを
示す全体断面図、図２〜３は潜熱回収用熱交換器の部分
拡大図である。

【００２８】図１〜２において、ガス供給管１０の途中
に流量を調節する比例弁１１が設けられバーナ部１２に
接続している。バーナケース１３の底にはファン１４が
装着されておりバーナ部１２との間に空気室１５が設け
られている。バーナ部１２の下流側には燃焼室１６を構
成するドラム１７があり、その外周にはドラム管１８が
接着して設けられている。燃焼室１６の下流側にはフィ
ン管１９を内包した顕熱用熱交換器２０と、排気室２１
が互いに密接して設けられている。排気室２１の下流側
は第一偏向路２２と低温排気室２３と第二偏向路２４
が、低温排気室２３が下方向に向くようにクランク状に
構成されている。そして上記低温排気室２３内には熱交
換ユニット２８を多数接続した潜熱回収用熱交換器２９
が内包されている。

【００２９】ここで上記熱交換ユニット２８は図２〜３
に示すように、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を用いた外装部２６
を、通常銅などの高熱伝導性の材料を用いた内管２７の
両側からこれを覆う如く一体化して構成してある。

【００３０】また内管２７は給水ヘッダ３０と予熱ヘッ
ダ３１の間を３列の互いに平行な並列流路３２を構成す
るように接続されている。低温排気室２３の底部にはド
レン排水路３３が接続されている。第二偏向路２４の下
流側には再び上方向に向かう排気通路３４と排気口３５
が設けられている。また加熱流体である水の流れは給水
ヘッダ３０→並列流路３２（内管２７）→予熱ヘッダ３
１→ドラム管１８→フィン管１９の順に接続されてい
る。

【００３１】次に動作、作用について説明すると、ガス
供給管１０から供給された燃料ガスは比例弁１１で給湯
負荷に対応した流量に調節された後バーナ部１２に供給
される。一方、空気は供給ガス量に対応した風量として
ファン１４から空気室１５内に吐出され空気室１５内で
均一にされた後バーナ部１２に供給される。バーナ部１
２でガス燃料と空気が混合され燃焼室１６内で安定な火
炎が形成される。燃焼室１６内で完全燃焼した高温燃焼
ガスは顕熱用熱交換器２０でフィン管１９内を流れる予
熱水を加熱した後、低温の燃焼ガスとなって排気室２１
に流入する。低温の燃焼ガスは第一偏向路２２を通過す
る間に下向きの流れに偏向され、比較的均一な流れとな
って潜熱回収用熱交換器２９内を通過する。

【００３２】この時伝熱フィン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燃焼ガスは更に低温
となり、燃焼排気ガス中の水蒸気は潜熱を奪われて外装
部２６の表面で凝縮水となる。凝縮水にはＣＯ₂やＮＯ
ｘなどのガスが溶解しているため酸性（pH＝２〜４）を
示す。外装部２６が耐食性材料で構成されるため内管２
７はこの凝縮水による腐食を受けることがない。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、ドレン排水路３２から排出される。一方更に低温
燃焼ガスは第二偏向路２４で偏向を受け、再び排気通路
３４を上方に流れ排気口３５から大気に排出される。

【００３３】また給水された水は給水ヘッダ３０で内管
２７が互いに接続された３経路の並列流路３２を通過す
る間に低温の燃焼ガス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予熱ヘッダ３１に至る。
そして予熱ヘッダ３１から燃焼室１６の上流側のドラム
管１８へと導かれ、燃焼室１６の外周を冷却しながらフ
ィン管１９に至り、顕熱用熱交換器２０で所定の温度ま
で加熱された後出湯される。

【００３４】このように、潜熱回収用熱交換器２９を構
成する熱交換ユニット２８の内管２７を外装部２６で覆
っているため、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、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。

【００３５】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潜熱回収用熱交換器２９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
燃焼ガスで顕熱用熱交換器２０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潜熱回
収用熱交換システムを実現することができる。

【００３６】また、潜熱回収用熱交換器２９において、
低温の燃焼ガスから潜熱を回収するために内管２７の全
管路長は長くなり流路圧損が大きくなる傾向であるが、
給水ヘッダ３０と予熱ヘッダ３１の間を複数の並列流路
３２を設けることにより圧損の増加を抑制することがで
きる。

【００３７】また、燃焼ガス流れと加熱流体を対向流と
することにより効率的に潜熱回収用熱交換器２９で予熱
された加熱流体を、燃焼室１６の外周を冷却することに
より、燃焼室１６から顕熱用熱交換器２０までの温度勾
配を緩和することになり、ドラム１７の熱歪を小さくす
ることができ小型で耐久性の高い潜熱回収用熱交換シス
テムを実現できる。更に予熱水を燃焼室１６の周囲に供
給することにより、従来冬季に給水温度が低下してドラ
ム管１８に大気中の水蒸気が結露してドラム１７を腐食
することも防止できる。

【００３８】なおガス給湯機の場合についての実施例を
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。

【００３９】（実施例２）図４は本発明の実施例２の熱
交換ユニットの断面図、図５は同潜熱回収用熱交換シス
テムの一部断面図を示す。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。

【００４０】本実施例２において、実施例１と異なる点
は図４に示すごとく複数ある伝熱フィン２５ａ、２５ｂ
の内管に沿う先端までの距離を互いに異ならせ、図５に
示すごとく長い側２５ａ（距離Ｌ１）を低温排気室２３
の上流側に、短い側２５ｂ（距離Ｌ２）を下流側に位置
するよう配列した点である。

【００４１】次に動作、作用を説明すると、低温となっ
た燃焼ガス流れの上流側伝熱フィン２５ａが下流側より
も長く構成されているため、伝熱フィン２５の受熱面積
は燃焼ガス流れの高温側により多く配置され吸熱効果が
向上する。従って実施例１に比べて潜熱回収用熱交換器
２９を更に小さく構成することができる。

【００４２】（実施例３）図６は本発明の実施例３の潜
熱回収用熱交換システムの一部を示す断面図である。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。本実施例３において、実施例１と異なる点
は排気室２１と第一偏向路２２の間に偏向板３６を設
け、第一偏向路２２内に水平熱交換ユニット３７と、低
温排気室２３の隅部に傾斜熱交換ユニット３８を設けた
ことである。

【００４３】次に動作、作用を説明すると、偏向板３６
によって顕熱用熱交換器２０を通過した低温の燃焼ガス
は偏向と混合を受け、温度分布や速度分布を有する燃焼
ガスの流れを、この空間で混合、整流し第一偏向路２２
内に設けられた水平熱交換ユニット３７でも熱交換が行
なわれる。よって小型で高効率の潜熱回収用熱交換シス
テムを実現することができる。

【００４４】また低温排気室２３内の燃焼ガスの流れが
偏向を受ける部分には、燃焼ガス流れに交差する方向に
伝熱フィンを配置する傾斜熱交換ユニット３８を設けて
あるため燃焼ガスの流れをスムーズに誘導し、隅部に循
環流の発生を抑制するとともに熱交換を促進し、更に燃
焼ガス通路全体の低圧損化も図れる。

【００４５】（実施例４）図７は本発明の実施例４の潜
熱回収用熱交換システムにおける熱交換ユニットを示す
断面図である。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。

【００４６】本実施例４において、実施例１と異なる点
は熱交換ユニット２８に表面処理が施され、皮膜コート
３９で覆われていることである。

【００４７】次に動作、作用を説明すると、皮膜コート
３９のように耐食性の表面処理をすれば、潜熱回収用熱
交換器２９の耐久性を向上させることができる。また親
水性の表面処理をすれば、伝熱フィン２５の表面で結露
した凝縮水は速やかに伝熱フィン２５上を流れて除去さ
れるので、燃焼ガスと伝熱フィン２５の熱交換が凝縮水
で阻害されることはなくなる。また撥水性の表面処理を
すれば、低湿度の燃焼ガスでは伝熱フィン上で発生した
凝縮水は大きな水滴を形成し乾いた伝熱フィン２５を確
保することができるため熱交換が阻害されることがなく
なる。このように燃焼ガスの特性に合わせた表面処理の
皮膜コート３９を行なうことにより、耐久性の向上や、
熱効率の更なる向上、及び潜熱回収用熱交換器２９の小
型化が実現できる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、外
装部を耐食性材料や、防食処理をすることによって、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を保護し耐久性を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１における熱交換システムの全
体断面図

【図２】同熱交換システムの熱交換ユニット部分の断面
斜視図

【図３】同熱交換システムの熱交換ユニット部分の分解
斜視図

【図４】本発明の実施例２における熱交換システムの熱
交換ユニット部分の断面図

【図５】本発明の実施例２における熱交換システムの一
部断面図

【図６】本発明の実施例３における熱交換システムの一
部断面図

【図７】本発明の実施例４における熱交換システムの熱
交換ユニット部分の断面図

【図８】従来の熱交換システムの部分拡大断面図

【図９】同他の従来の熱交換システムの部分拡大断面図

【符号の説明】

１６ 燃焼室 １７ ドラム １７ａ ガス通路 １８ ドラム管 ２０ 顕熱用熱交換器 ２１ 排気室（空間） ２２ａ ガス通路 ２５ 伝熱フィン ２６ 外装部 ２７ 内管 ２８ 熱交換ユニット ２９ 潜熱回収用熱交換器 ３２ 並列流路 ３７ 水平熱交換ユニット ３８ 傾斜熱交換ユニット

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガス通路に設けられ、かつ複数の熱交換
   ユニットを接続して構成される熱交換装置であって、前
   記熱交換ユニットの少なくとも一つ以上の熱交換ユニッ
   トは、管形状の内管と、前記内管の外周面を覆う如く前
   記内管に一体化した外装部と、前記外装部に設けた伝熱
   フィンとで構成し、かつ前記外装部は耐食性材料で形成
   した熱交換装置。
2. 【請求項２】 伝熱フィンは複数有し、前記各伝熱フィ
   ンは内管に沿う先端までの距離を互いに異ならせた請求
   項１記載の熱交換装置。
3. 【請求項３】 顕熱用熱交換器の下流側で、加熱流体の
   上流側に請求項１または請求項２のいずれか１項記載の
   熱交換装置を設けた熱交換システム。
4. 【請求項４】 燃焼室を構成するドラムと、前記燃焼室
   の下流に設けたガス通路と、前記ガス通路に設けた顕熱
   用熱交換器及び潜熱回収用熱交換器とを備え、前記潜熱
   回収用熱交換器を請求項１または２のいずれか１項に記
   載の熱交換装置とするとともに、同潜熱回収用熱交換器
   内を流れる加熱流体と燃焼ガスの流れとが対向するよう
   に構成し、かつ前記顕熱用熱交換器と前記潜熱回収用熱
   交換器を連結するドラム管を前記ドラムに巻装した熱交
   換システム。
5. 【請求項５】 顕熱用熱交換器とその下流側の潜熱潜熱
   回収用熱交換器との間に空間を形成した請求項４記載の
   熱交換システム。
6. 【請求項６】 伝熱フィンはガスの流れと並行に配置す
   る水平熱交換ユニットと、同ガスの流れと交差する方向
   に配置する傾斜熱交換ユニットとを備える請求項３〜５
   のいずれか１項に記載の熱交換システム。
7. 【請求項７】 複数の熱交換ユニットの内管を複数個並
   列に接続し、前記内管による並列流路を構成した請求項
   ３〜６のいずれか１項に記載の熱交換システム。
8. 【請求項８】 少なくとも内管、外装部からなる熱交換
   ユニットに表面処理を施した請求項３〜７記載のいずれ
   か１項に記載の熱交換システム。