JP2005291579A

JP2005291579A - 温水用熱交換器の構造

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Publication number: JP2005291579A
Application number: JP2004105085A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Hatanaka; 秀之畑中
Original assignee: Toyotomi Kogyo Co Ltd; Toyotomi Co Ltd
Current assignee: Toyotomi Kogyo Co Ltd; Toyotomi Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP4228967B2

Abstract

【課題】高効率で安定した熱交換が行える温水用熱交換器の構造に関する。
【解決手段】円筒形で周囲に水室１を有する燃焼室２と、水室１を貫通して燃焼室側壁２ａに取付けたバーナー３と、燃焼室２の燃焼室天板２ｂに配置されてバーナー３の燃焼ガスを通過させると共に通路壁４ａで水と燃焼ガスとが熱交換を行う多数の円筒形状の煙管４と、煙管４の上端に連接する水室１の水室天板１ａと、水室天板１ａを底板として排気筒５と接続する排気ガス室６とを備える。煙管４の内部に配置した燃焼ガスの抵抗体７は、煙管４の長手方向に設けた板状体７ａと、板状体７ａに一定間隔をおいて交互方向に折り曲げた多数の半円形状の切り起こし７ｂと、抵抗体７の上端に９０度曲げした折曲部７ｃとで構成し、折曲部７ｃによって煙管４上部の開口部４ｂの一部を閉塞することで、煙管４を通過する燃焼ガスが均一となり、熱交換面積が有効に働いて熱交率を上げることができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、主に家庭用石油給湯機、家庭用温水ボイラに搭載される温水用熱交換器に関するものである。

一般に石油給湯機や温水ボイラには、円筒形状を成した水室を備えており、この水室は内部の下部に燃焼室を配置するとともに、燃焼室の天板と水室の天板との間に多数の円筒形状の煙管を備え、また、水室の天板は排気筒を備えた排気ガス室の底板を兼ねている。前記燃焼室から煙管を介して燃焼ガスが排出するときに、煙管の内壁である通路壁を加熱しており、水室内の水は燃焼室側壁と、燃焼室天板と、煙管の通路壁から熱を受けて温水となる。

水室の内壁を構成する燃焼室側壁には、バーナーが取り付けられており、このバーナーには、燃焼用空気を送風する送風機と、油タンクからバーナーへ燃料を供給するための燃料加圧ポンプとを備え、この加圧ポンプで送られた燃料は、噴霧ノズルによって霧状燃料となって燃焼室内に吹出している。また、噴霧された燃料に着火するための点火電極とこの点火電極に高電圧を供給する高電圧発生器を備え、この高電圧発生器によって発生した高電圧によって点火電極で火花放電が行われ、噴霧ノズルから噴出す霧状燃料に着火する。

点火電極の火花によって霧状の燃料に着火すると、火炎がバーナーから燃焼室内に吹き出して、この燃焼室内で燃焼を行なうとともに、燃焼排気ガスは前記煙管から排気ガス室を経て排気筒から排出される。この時、高温の燃焼ガスは燃焼室の壁面と煙管の通路壁との間で熱交換が行われ、水室内の水が加熱される。

また、煙管には燃焼ガスの流れの障害となる各種形状の抵抗体が配置されることがあり、この抵抗体の存在によって高温の燃焼ガスがスムーズに排出されなくなり、燃焼ガスの通過速度を制御して熱交換率を向上させる役目を行っている。この為、燃焼ガスが燃焼室から煙管を通過する時に水室内に送られた水道水や強制循環される水と熱交換して高温度の温水を得ることができる（特許文献１参照）。
特開平２−２３３９４２号公報

このような石油給湯機や温水ボイラでは、温水が使用されるとその水流や油温の変化を検出してバーナーの運転が開始されるが、このバーナーが着火する時には、急に大量の燃焼ガスが発生するから、燃焼室内の圧力は爆発的に高まって強い風圧変化が起こるために、燃焼ガスの通過速度を制御している抵抗体が上方へ押し上げられるものである。このため、抵抗体は煙管から脱落したり、取付け位置が正しい位置から外れてしまうことがあり、抵抗体は熱効率を向上させる本来の役目を果たせなくなる。従来ではこのトラブルを防止するために抵抗体自身におもりを付けたり、板厚を増したりして抵抗体の脱落や移動を防止している。

また、製品の小型化やコスト削減の要求が年々高まるためそれを実現するために、バーナーの着火時の圧力変動を少なくする働きのある燃焼室の大きさが小さくなって強い圧力変化が生じやすく、また、小型化による伝熱面積は小さくなるから、効率の良い熱交換器が必要となってきている。

この発明は上記課題を解決するもので、円筒形で周囲に水室１を有する燃焼室２と、その水室１を貫通して燃焼室側壁２ａに取付けたバーナー３と、前記燃焼室２の燃焼室天板２ｂに配置されて前記バーナー３の燃焼ガスを通過させると共に通路壁４ａで水と燃焼ガスとが熱交換を行う多数の円筒形状の煙管４と、該煙管４の上端に連接する水室１の水室天板１ａと、この水室天板１ａを底板として排気筒５と接続する排気ガス室６とを備えた熱交換器において、前記煙管４の内部には通過する燃焼ガスの抵抗体７を配置し、該抵抗体７は、煙管４の長手方向に設けた板状体７ａと、この板状体７ａに一定間隔をおいて交互方向に折り曲げた多数の半円形状の切り起こし７ｂと、この抵抗体７の上端に９０度曲げして形成した折曲部７ｃとで構成し、前記煙管４上部の開口部４ｂの一部は前記抵抗体７の折曲部７ｃによって閉塞したことを特徴とする。

また、前記抵抗体７の半円形状の切り起こし７ｂは煙管４の半径と同径もしくは同径以上の寸法に設定し、この抵抗体７の切り起こし７ｂが煙管４の通路壁４ａと接触している構成としたから、排気負荷を更に向上できると共に、抵抗体７は脱落しにくくなった。

また、前記煙管４の上部には煙管４の内側に向けて形成した凸部４ｃを設け、前記抵抗体７の折曲部７ｃには前記凸部４ｃと係合する係止片７ｄを形成し、該係止片７ｄと凸部４ｃとを係合させて抵抗体７を煙管４内に保持することにより、抵抗体７は確実に固定できるようになる。

また、前記煙管４の開口部４ｂの一部を閉塞した抵抗体７の折曲部７ｃには燃焼ガス通過穴７ｅを設け、煙管４の排気負荷を制御することができたもので、この燃焼ガス通過穴７ｅの大きさを選択することにより、出力の違うバーナー３とこの発明の熱交換器とを組み合わせて使用できるようになる。

また、前記抵抗体７には煙管４よりも上方に伸びる取手部７ｆを形成したり、この抵抗体７の取手部７ｆには係止孔７ｇを配置すれば、この取手部７ｆや取手部７ｆの係止孔７ｇによって抵抗体７は容易に煙管４から引き出すことができるようになり、長期間使用して抵抗体７の弾性特性が悪くなっても抵抗体７は確実に取り外すことができた。

バーナー３の取り付け位置と煙管４の配列関係によると、バーナー３から吹き出す火炎はバーナー３と対角線上の燃焼室側壁２ａに向かって伸びるから、燃焼ガスはバーナー３から離れた煙管４を通過して排出されやすくなる。この発明では煙管４内に配置した抵抗体７は板状体７ａとこの板状体７ａの一部を交互に折り曲げた切り起こし７ｂと、その上端に９０度曲げした折曲部７ｃを設け、この折曲部７ｃによって煙管４の上部の開口部４ｂの一部を閉鎖したことにより、燃焼室２の内圧が抜けにくく均一化して煙管４を通過する燃焼ガスが均一となり、熱交換面積が有効に働いて熱効率を上げることができた。

このように燃焼室２の内圧が均一化できるようになると、バーナー３が着火する際の爆発的に始まる燃焼によって燃焼室２の内圧が急に高まり、該抵抗体７を上方へ押し上げ脱落することがある。この発明では煙管４内に装着する抵抗体７の切り起こし７ｂの大きさを煙管４の半径以上の寸法としたから、抵抗体７は煙管４の上部からは装着しやすく、燃焼室２の内圧が高くなって上方へ脱落しようとしても、切り起こし７ｂの端部が煙管４の通路壁４ａに押し付けられて抜けにくくなり、常に安定した熱交換が可能になった。

また、この発明では煙管４の上部に凸部４ｃを設け、抵抗体７の折曲部７ｃには凸部４ｃと係合する係止片７ｄを形成し、係止片７ｄと凸部４ｃとを係合させて抵抗体７を保持したから、着火時や燃焼時に大きな圧力変動が発生しても、煙管４から抵抗体７が脱落することはなくなった。また、抵抗体７が脱落しないから常に安定した熱交換が可能となった。

また、給湯機などの製品の小型化やコスト削減の要求が年々高まるなかで、熱交換器の共通化が課題となるが、バーナー３の出力に比例し送風機能力も変化させる必要があり、使用する熱交換器の共通化が難しい。この発明では、抵抗体７の折曲部７ｃに、排気負荷を調節するための燃焼ガス通過穴７ｅを設けたから、この燃焼ガス通過穴７ｅの大きさを適宜選定することにより、能力の異なるバーナー３であっても熱交換器の共通化が容易となった。

また、多くの場合熱交換器を構成する煙管４と抵抗体７の素材として異なった素材を選択する場合が多く、煙管４と抵抗体７を分離して廃棄処分する必要がある。また、メンテナンス時に抵抗体７を取外す必要もある。この発明では抵抗体７に取手部７ｆを設け、また、必要に応じてこの取手部７ｆ等に係止孔７ｇを設けたから、取手部７ｆや係止孔７ｇを使って抵抗体７を変形させることなく、容易に煙管４から取り外すことができた。

実施例を示す図によってこの構成を説明すると、１は熱交換器の缶体で構成する水室、８は水室１の外壁で構成する熱交換器の外胴、２は円筒形で水室１内の下部に配置した燃焼室、２ａは水室１の内壁で構成する燃焼室側壁、２ｂは燃焼室２の上板となる燃焼室天板、１ａは外胴８の上端に位置して水室１の上板を構成する水室天板であり、前記水室１は外胴８と燃焼室側壁２ａ、燃焼室天板２ｂ、水室天板１ａで覆われた空間によって構成している。

図１に示す実施例において、９は水道水や循環ポンプで供給する循環水を水室１へ導く給水管、１０は水室１内で加熱されて得られた温水を所定の箇所に給湯するための給湯管、１１は給水管９と給湯管１０が接続された間の外胴８に設けた温度センサーである。３は燃焼室側壁２ａを介して水室１を貫通して取り付けたバーナー、１２はバーナー３に燃焼空気を供給するための燃焼用の送風機、１３は図示せざる油タンクから燃料をバーナー３に圧送するための加圧ポンプ、１４は給湯機のバーナー３に燃焼の開始や停止の指令を出すバーナー制御手段、１５は給湯機を操作するためにバーナー制御手段１４に接続された操作部である。

１５ａは操作部１５に設けた給湯機の運転の開始・停止を指示する運転制御スイッチ、１５ｂは給湯機の出湯温度を設定する出湯温度設定部、１５ｃはバーナー３の運転中に点灯する運転表示ランプ、１５ｄは給湯機に不具合が生じたときに取扱者に知らせる警報表示ランプである。

熱交換器上部の給湯管１０は風呂や台所の蛇口と接続されており、蛇口を開くと給水管９から水道水が熱交換器の水室１に送られる。操作部１５の運転制御スイッチ１５ａを操作して給湯機を運転可能状態とすると、温度センサー１１は水室１の水温を検知しており、この温度センサー１１が給湯機の操作部１５の出湯温度設定部１５ｂによって設定された湯温よりも低い温度を検出すると、バーナー制御手段１４はバーナー３の運転を開始し、操作部１５の運転表示ランプ１５ｃを点灯させながら、水室１内の水を出湯温度設定部１５ｂで指定した湯温に沸きあげる。そして、温水の使用によって水室１に冷水が流れ込んで温度センサー１１が出湯温度設定部１５ｂで指定した湯温以下を検出すると、バーナー制御手段１４は再度バーナー３の運転を開始し、このようにバーナー３の運転・停止を繰り返しながら出湯温度設定部１５ｂで指定した湯温を維持するものである。

１６はバーナー３の先端部で燃焼室２に届かせたバーナートップ、１７は加圧ポンプ１３で送られた燃料を燃焼室２に噴霧するためのノズル、１８はノズル１７から噴霧された霧状燃料に着火するための点火電極、１９は点火電極１８から高電圧を発生させるための高電圧発生器であり、バーナー制御手段１４から燃焼開始指令が出ると、前記送風機１２から燃焼空気をバーナー３に送ると共に、加圧ポンプ１３を作動してノズル１７から霧状燃料を噴霧し、点火電極１８は高電圧発生器１９によって発生した高電圧によって火花放電を行い、霧状燃料に着火して燃焼を開始する。

図１に示す熱交換器において、４は燃焼室天板２ｂと水室天板１ａとの間に配設した複数個の煙管、７は煙管４内にそれぞれ配置した抵抗体、６は水室天板１ａの上方の空間で構成する排気ガス室、５は排気ガス室６に接続した排気筒であり、バーナー３から燃焼室２に送られた燃焼火炎は燃焼室２内で完全燃焼し、前記抵抗体７のある煙管４を通過する時に燃焼ガス速度を抑えられながら排気ガス室６に至り、この排気ガス室６に集められた燃焼ガスは排気筒５から屋外に排気されている。

４ａは煙管４内で燃焼ガスと熱交換する部分である通路壁、７ａは煙管４内に配置した抵抗体７を構成する板状体、７ｂはこの板状体７ａに一定の間隔をおいて交互方向に折り曲げて構成した多数の半円形状の切り起こし、２０は切り起こし７ｂによって板状体７ａに形成したガス流通口であり、燃焼ガスは煙管４の下方から煙管４内に入ると、半円形の切り起こし７ｂに当たり、この当たった燃焼ガスはガス流通口２０を通り抜けて、通路壁４ａに当たりながらその流れを通路壁４ａに沿った上方向きの流れに変える。このように燃焼ガスの流れは煙管４内をジグザグに移動し、この時、高温の燃焼ガスは通路壁４ａを加熱することによって水室１内の水を加熱する。

４ｂは煙管４の上端部で排気ガス室６との接続部を構成する開口部、７ｃは煙管４内の燃焼ガスの流れかたを制御する抵抗体７の上端部を９０度曲げして構成した折曲部であり、抵抗体７を煙管４内に配置したときには抵抗体７の折曲部７ｃは煙管４の開口部４ｂの半分を塞ぐように水室天板１ａの上に位置している。

各煙管４内に配置する抵抗体７は交互に形成した切り起こし７ｂによって燃焼ガスの流れを制御しているが、この切り起こし７ｂは切り押し加工によって製造されるから、その外縁形状を煙管４の内面形状に合わせることができない。このため、前記したように切り起こし７ｂとガス流通口２０によってジグザグに燃焼ガスが流れることを期待しても、実際は切り起こし７ｂと通路壁４ａとの間にできる通路からかなりの燃焼ガスが垂直方向に流れ、直接排気ガス室６に流れ込んでいる。また、この切り起こし７ｂと通路壁４ａとの間にできる通路の大きさは各煙管４と抵抗体７の組み合わせによって違っており、排気負荷が各煙管４毎にばらばらとなっており、燃焼室２の内圧を高める働きをこの切り起こし７ｂに期待していたが、実際には期待したほどの効果を得ることができなかった。

これに対してこの発明の折曲部７ｃは板状体７ａの上部を９０度折曲げによって構成しており、この折曲部７ｃが水室天板１ａの上に乗って煙管４の開口部４ｂの半分を確実に塞ぐことができるようになったから、燃焼ガスの排出について板状体７は大きな抵抗となり、燃焼室２の内圧を高く維持することができるようになった。また、煙管４の半分を確実に封鎖できたから、各煙管４に係る排気負荷は均一で、バーナー３に近い煙管４と離れた煙管４との差がほとんどなくなり、各煙管４から排出される燃焼ガス量が均一化することができた。また、煙管４内を通過する燃焼ガスの速度が均一化されたことにより、各煙管４の熱交換量も均一化され、優れた熱効率の熱交換器が実用化できたものである。

上記のように抵抗体７の折曲部７ｃによって確実に各煙管４の半分の面積を塞ぐことができると、バーナー３の運転開始時などのように燃焼室２の内圧が爆発的に高くなったときの抵抗体７を押し出す力が予想以上に高くなることがわかった。この発明では上記の構造と組み合わせる構成として、図２に示す実施例のように半円形状の切り起こし７ｂの大きさを、煙管４の半径と同径もしくは同径以上の寸法に設定し、常に抵抗体７の切り起こし７ｂの端が煙管４の通路壁４ａと接触している構造を提案する。この構成によれば煙管４の上方から抵抗体７を差し込む時はスムーズにでき、折曲部７ｃの働きで下方の燃焼室２への抵抗体７が脱落できないだけでなく、燃焼室２の内圧で抵抗体７に上向きの押し出す力がかかった時には切り起こし７ｂの先端が煙管４の通路壁４ａに押し付けられ、常に抵抗体７を正しい位置に保持することが可能になった。

また、上記のトラブルに対する対応方法によれば、抵抗体７の各部の寸法関係の見直しだけであるから非常に簡単で安価にできる。そして、この構造は燃焼室２の内圧が高くなって抵抗体７を上方に押し出すと力に対しては有効に働くことがわかった。しかし、抵抗体７が長期間の使用中に劣化して取り替えなければならないときには、この抵抗体７を煙管４の中から上方へ引き抜くことは工具などを利用しても、かなり困難な作業になる。図３に示す実施例はこの課題を解決できるようにしたもので、４ｃは煙管４の上部で水平天板１ａとの接続部から煙管４の内側に向けて形成した凸部、７ｄはこの凸部４ｃと係合する抵抗体７の折曲部７ｃに設けた係止片であり、この係止片７ｄが煙管４の内側に向けて形成した凸部４ｃと係合することで抵抗体７を煙管４に固定することができた。

このように係止片７ｄと凸部４ｃとが係合しておれば、燃焼室２の内圧が急に高くなって抵抗体７に上向きの押し出す力が発生しても、常に抵抗体７を正しい位置に保持することが可能になり、抵抗体７によって常に安定した熱交換を得ることができた。

また、他の実施例の構成を示す図３において、７ｅは煙管４の開口部４ｂの一部を閉塞する抵抗体７の折曲部７ｃに設けた燃焼ガス通過穴であり、この燃焼ガス通過穴７ｅによって燃焼ガス通過量が調節でき、煙管４内の排気負荷が設定できる構造となった。この種の給湯機では発熱量の異なるバーナー３を多種類用意して給湯能力を変更することが行なわれるが、たとえば出力の小さいバーナー３を同じ熱交換器で燃焼させると排気負荷が決まっているために、小さい出力のバーナー３では適正な熱効率を得ることができず、従来では給湯機の缶体の構造を変更しなければならなかった。

この発明では煙管４の開口部４ｂの一部を閉塞する抵抗体７の折曲部７ｃに燃焼ガス通過穴７ｅを設けたから、水室１や燃焼室２や煙管４などによる熱交換器の形状が同じであっても、この燃焼ガス通過穴７ｅの大きさを変更することによって排気負荷が変更できるようになり、出力の小さいバーナー３でも適正な燃焼ガス通過穴７ｅを選択することにより、高効率を維持して燃焼することができた。また、バーナー３の出力が大きくなった場合でも燃焼ガス通過穴７ｅの選択と合わせて、抵抗体７の形状を見直しすれば適正な排気負荷に設定できるから、バーナー３の出力が大きくなっても出力低下を招くことなく高効率を実現することができ、熱交換器本体の共通化を図ることができた。

また、近年環境問題に取り組む為にも異種金属の分別が必要であるが、多くの場合熱交換器を構成する煙管４と抵抗体７の素材として異なった素材を選択する場合が多い。このような給湯機を廃棄するときには煙管４と抵抗体７を分離しなければならないが、燃焼室２の内圧が高くなっても抵抗体７が脱落しないように設計されているから、長期間の使用で熱変化を起こした抵抗体７は外れにくくなっている。

７ｆは抵抗体７に設けた煙管４よりも上方に伸びる取手部であり、実施例を示す図３において抵抗体７の折曲部７ｃの先端を更に９０度上方に折り曲げることによって取手部７ｆを構成している。そして、抵抗体７を煙管４から取り外す際にはこの抵抗体７の取手部７ｆを手や工具でつかんで引き出すことができる。このため、給湯機を廃棄処理する時に煙管４と抵抗体７とを分離したり、メンテナンス時に抵抗体７をはずし掃除するときには、かなりきつく嵌め込まれた抵抗体７であっても、取手部７ｆを使って抵抗体７を変形させることなく、容易に煙管４から取り外すことができた。

また、７ｇは抵抗体７から上方に伸びる取手部７ｆに設けた係止孔であり、前記抵抗体７を煙管４から取り外す際に手や工具で取手部７ｆをつまんで取り外すだけでなく、この係止孔７ｇに工具を引っ掛けて取り外すことにより、取り外し作業が簡単で扱いやすく、抵抗体７は更に容易に煙管４から引き出し可能となった。このため、抵抗体７は煙管４から確実に取外すことができ、この作業も簡単で煙管４から取外したときに抵抗体７を変形させてしまうようなことはなくなった。

この発明品を実施する石油給湯機の断面図である。この発明品の実施状態を示す要部断面図である。他の実施例を示す説明図である。

符号の説明

１水室
１ａ水室天板
２燃焼室
２ａ燃焼室側壁
２ｂ燃焼室天板
３バーナー
４煙管
４ａ通路壁
４ｂ開口部
４ｃ凸部
５排気筒
６排気ガス室
７抵抗体
７ａ板状体
７ｂ切り起こし
７ｃ折曲部
７ｄ係止片
７ｅ燃焼ガス通過穴
７ｆ取手部
７ｇ係止孔

Claims

円筒形で周囲に水室１を有する燃焼室２と、
その水室１を貫通して燃焼室側壁２ａに取付けたバーナー３と、
前記燃焼室２の燃焼室天板２ｂに配置されて前記バーナー３の燃焼ガスを通過させると共に通路壁４ａで水と燃焼ガスとが熱交換を行う多数の円筒形状の煙管４と、
該煙管４の上端に連接する水室１の水室天板１ａと、
この水室天板１ａを底板として排気筒５と接続する排気ガス室６とを備えた熱交換器において、
前記煙管４の内部には通過する燃焼ガスの抵抗体７を配置し、
該抵抗体７は、煙管４の長手方向に設けた板状体７ａと、この板状体７ａに一定間隔をおいて交互方向に折り曲げた多数の半円形状の切り起こし７ｂと、この抵抗体７の上端に９０度曲げして形成した折曲部７ｃとで構成し、
前記煙管４上部の開口部４ｂの一部は前記抵抗体７の折曲部７ｃによって閉塞したことを特徴とする温水用熱交換器の構造。
前記抵抗体７の半円形状の切り起こし７ｂは煙管４の半径と同径もしくは同径以上の寸法に設定し、この抵抗体７の切り起こし７ｂが煙管４の通路壁４ａと接触していることを特徴とする請求項１に記載の温水用熱交換器の構造。
前記煙管４の上部には煙管４の内側に向けて形成した凸部４ｃを設け、前記抵抗体７の折曲部７ｃには前記凸部４ｃと係合する係止片７ｄを形成し、該係止片７ｄと凸部４ｃとを係合させて抵抗体７を煙管４内に保持したことを特徴とする請求項１に記載の温水用熱交換器の構造。
前記煙管４の開口部４ｂの一部を閉塞した抵抗体７の折曲部７ｃには燃焼ガス通過穴７ｅを設け、煙管４の排気負荷を制御することを特徴とする請求項１に記載の温水用熱交換器の構造。
前記抵抗体７には煙管４よりも上方に伸びる取手部７ｆを形成し、この取手部７ｆによって抵抗体７が煙管４から引き出されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の温水用熱交換器の構造。
前記抵抗体７の取手部７ｆには、係止孔７ｇを配置し、抵抗体７は煙管４から該係止孔７ｇを使って引き出されることを特徴とする請求項１に記載の温水用熱交換器の構造。