JP2008075986A - 温水用熱交換器の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストアップや作業性を悪化させることなく熱交換率を向上するための構造を備えた温水用熱交換器に関する。
【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から燃焼室２内にのぞませたバーナー３と、水室１の水室天板１ａに隣接して配置した排気ガス室４と、燃焼室天板２ｂと水室天板１ａの間に接続した多数の円筒形状の煙管５とを備え、煙管５の内部に抵抗体６を配置する。抵抗体６は同じ形状の２枚の板状体６ａを重ね合わせて構成し、それぞれの板状体６ａには開口部６ｂと全て同じ方向に折り曲げた流路抵抗部６ｃとを備えている。２枚の板状体６ａは一方の流路抵抗部６ｃが他方の流路抵抗部６ｃの間に位置する上下にずれた状態で重ね合わせたから、流路抵抗部６ｃの配置間隔が短くでき、煙管５内を通過する燃焼ガスの蛇行回数が増加して、熱交換率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、給湯器および温水ボイラの温水用熱交換器に関するものである。

給湯器や温水ボイラには円筒形状を成した水室を備えており、この水室内部には燃焼室を配置するとともに、水室の上部を封鎖する水室天板と対向して前記燃焼室には燃焼室天板を設け、該燃焼室天板と水室天板との間には多数の円筒状の煙管を備えている。また、水室天板の上部には排気ガス室が設けられ、前記燃焼室から煙管を介して燃焼ガス室に燃焼ガスを排出するときに、煙管の管壁を加熱しており、水室内の水は燃焼室側壁と、煙管の管壁から熱を受けて温水となる。

水室内部の燃焼室には水室を貫通して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圧力ポンプとを備え、この圧力ポンプで送られた燃料はノズルによって霧状燃料となって燃焼室内に噴霧している。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、ノズルから噴霧された霧状燃料に着火する。

点火電極の火花によって霧状燃料に着火すると、火炎がバーナーから燃焼室内に噴き出してこの燃焼室内で燃焼を行うとともに、燃焼排気ガスは前記煙管から排気ガス室を経て該排気ガス室に設けた排気筒から大気に排出される。この時、高温の燃焼ガスは燃焼室の壁面および煙管の管壁と水室の間で熱交換が行われ、水室内の水が加熱される。

この煙管には燃焼ガスの流れの障害となる抵抗体が配置されており、抵抗体の存在によって高温の燃焼ガスが煙管内をスムーズに排出されなくなり、燃焼ガスの通路を制御して熱交換率を向上させる役目を行っている。このため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と熱交換して効率よく高温度の温水を得ることができる。このとき、熱交換は燃焼室の壁面と煙管の管壁との間で行われるが、その比重は複数本ある管壁の方がはるかに大きく、抵抗体の働きは熱効率を高めるために重要である。このため、煙管に挿入される板状体で構成する抵抗体には半円形上の切起こしで形成したプレートを交互方向に折り曲げて、燃焼ガスが折り曲げたプレートに遮られ蛇行しながら排気ガス室に流れるように構成することで熱交換の効率を高めることが行われている（特許文献１参照）。
特開平２−２３３９４２号公報

製品の小型化やコスト削減の要求が年々高まっており、それを実現するために温水用熱交換器においても燃焼室や水室の容積および伝熱面積が小さくなって一般的に熱効率は下がる傾向にある。しかし環境面からはこの熱効率を上げる要求が出てきている。

従来では、熱効率を向上するために抵抗体に切起こしで形成した半円形状のプレートの数を多くし、燃焼ガスを煙管内でより多く蛇行させることにより煙管内での熱効率を向上させている。しかし、板状体に切起こしで抵抗体を形成するためには、切起こすための開口が必要になるから、板状体に形成できる抵抗体の最大数が決まってしまうものである。このため、抵抗体の数を増やすには、切起こし以外の方法で、例えば別部材の抵抗体を板状体にスポット溶接などによって取り付けする必要があり、作業性が非常に悪いもので改良の余地があった。

この発明は上記の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２の燃焼室側壁２ａから燃焼室２内にのぞませたバーナー３と、水室１の水室天板１ａに隣接して配置した排気ガス室４と、水室１の水室天板と燃焼室２の燃焼室天板２ｂとの間に接続して燃焼室２から排気ガス室４に燃焼ガスを通過させると共に、管壁５ａで水と燃焼ガスとが熱交換を行う多数の円筒状の煙管５と、その煙管５の内部に配置した抵抗体６とを備えた熱交換器において、前記抵抗体６は、煙管５内に挿入される板状体６ａと、その板状体６ａに開口部６ｂを形成しながら板状体６ａの素材の一部を側方の煙管５内壁に向けて折り曲げする多数の流路抵抗部６ｃとによって構成され、前記抵抗体６は２枚の板状体６ａを重ね合わせて形成し、それぞれの板状体６ａの前記流路抵抗部６ｃはすべて同じ方向に折り曲げられ、かつ逆向きの流路抵抗部６ｃが上下にずれた状態で２枚の板状体６ａが重ね合わされていることを特徴とする。

また、少なくとも一方の前記抵抗体６において、最上部の開口６ｂには前記流路抵抗部６ｃとは逆向きの係止部６ｄが折り曲げ形成され、その係止部６ｄが他方の流路抵抗部６ｃに係止することで２枚の抵抗体６が位置決めでき、一方の板状体６ａの流路抵抗部６ｃが正確に他方の抵抗体６の流路抵抗部６ｃの中間位置に配置できた。

また、少なくとも一方の前記抵抗体６の上端には前記煙管５の上部に届く大きさに設定された上端折曲部６ｅが形成されており、前記上端折曲部６ｅが水室天板１ａに係止して、前記抵抗体６の脱落を防止することができ、片方の板状体６ａの上端折曲部６ｅだけで２枚の抵抗体６は煙管５内に固定できるようになった。

上記課題を解決するこの発明は、煙管５の内部に配置した抵抗体６は２枚の板状体６ａを重ね合わせて形成し、それぞれの板状体６ａの流路抵抗部６ｃはすべて同じ方向に折り曲げられ、かつ逆向きの流路抵抗部６ｃが上下にずれた状態で２枚の板状体６ａを重ね合わせる構成であるから、この板状体６ａは全く同じ形状とすることができるようになり、かつ、板状体６ａの流路抵抗部６ｃの配置間隔が従来のものの半分にすることができたから、従来の別部材の流路抵抗部６ｃの取り付けに伴う作業性の悪化やコストアップに繋がることなく、抵抗体の数を増やし熱交換効率をアップさせることができた。

最上部の開口６ｂには流路抵抗部６ｃとは逆向きの係止部６ｄが折り曲げ形成され、その係止部６ｄを他方の流路抵抗部６ｃに係止させることで、煙管５内に装着した時には外れる方向の動きが規制されるから、２枚の板状体６ａを重ね合わせた時には、ずれた状態のまま保持できるようになり、２枚で形成した板状体６ａを接合するための専用の固定部品は不要となり、また、抵抗体６の装着時には特別な治具等を使うことなく２枚の抵抗体を位置決めすることができた。

前記抵抗体６の上端折曲部６ｅを前記煙管５の上部に届く大きさに設定することにより、上端折曲部６ｅが水室天板１ａに係止して抵抗体６の脱落を防止するもので、プレス加工などで製造される抵抗体６の形状を一部変更するだけで簡単に対応できるようになり、抵抗体６を２枚としても特別な固定構造を設ける必要がなく、また、簡単に抵抗体６が装着できるようになった。

実施例を示す図によってこの構成を説明すると、１は熱交換器を構成する水室、７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７の上端で水室１の上板である水室天板であり、前記水室１は外胴７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。

８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、９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、１０は水室１の外胴７に接続された給水管８と給湯管９との間に設けた温度センサーである。

図１に示す実施例において、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、１１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、１２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である。１３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、１４は加圧ポンプ１２で送られた燃料を燃焼室２に噴霧するためのノズル、１５はノズル１４から噴霧された霧状燃料に着火するための点火電極であり、バーナー３に燃焼指令が出ると、前記送風機１１から燃焼空気をバーナー３に送ると共に、加圧ポンプ１２を作動してノズル１４から霧状燃料を噴霧し、点火電極１５から火花放電を行い、霧状燃料に着火して燃焼を開始する。

前記給湯管９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８から水道水が水室１に送られる。給湯機を運転可能状態にすると、温度センサー１０は水室１の水温を検知して、図示しない操作部で設定された温度よりも低い温度を温度センサー１０が検知すると、バーナー３に燃焼指令を出して、水室１内の水を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１０が指定した湯温以下を検知すると、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指定した湯温を維持するものである。

図１に示す熱交換器において、５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、６は煙管５内にそれぞれ配置した抵抗体、４は水室天板１ａの上方の空間で構成する排気ガス室、１６は排気ガス室４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、抵抗体６のある煙管５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４に至り、この排気ガス室４に集められた燃焼ガスは排気筒１６から屋外に排気されている。

５ａは煙管５内で燃焼ガスと熱交換する管壁、６ａは煙管５内に配置した抵抗体６を構成する板状体、６ｃは板状体６ａに一定の間隔をおいて交互方向に配置した流路抵抗部であり、この流路抵抗部６ｃは煙管５の半径とほぼ同径の半円形状に形成している。６ｂは交互方向に配置した流路抵抗部６ｃの間を連通するために板状体６ａに形成した開口部である。

燃焼室２内で燃焼を行うと燃焼ガスは煙管５の下方から煙管５内に入るが、煙管５は抵抗体６によってその両側に流路を形成しており、片側の流路を上昇する燃焼ガスはその流路を遮っている流路抵抗部６ｃによって流れを止められ、開口部６ｂを通り抜けて隣の流路に流れる。この流路にも流路抵抗部６ｃが配置されているから、この流路抵抗部６ｃで遮られた燃焼ガスは開口部６ｂを通り抜けて隣の流路に戻る。このような燃焼ガスの流れが繰り返されることにより煙管５内を蛇行し、この時高温の燃焼ガスにより管壁５ａで水室１との熱交換が行われ水室１内の水が加熱される。

従来の煙管５内に配置する抵抗体６は、交互に形成した半円形状の流路抵抗部６ｃを多くし燃焼ガスを煙管５内でより多く蛇行させることにより熱効率を向上させているが、板状体に切起こしで抵抗体を形成するためには、切起こすための開口が必要になるため、板状体に形成できる抵抗体の最大数が決まっており、熱交換効率を高くするために、燃焼ガスの煙管内における蛇行回数を増やすことはできなかった。
また、この蛇行回数を増やすために、切起こし以外の方法で、例えば別部材の流路抵抗部６ｃを板状体６ａにスポット溶接などによって取り付ける方法などは、作業性の悪化や部品数の増加によるコストアップに繋がっていた。

これに対してこの発明では、図２に示す要部拡大図のように、抵抗体６を構成する板状体６ａの流路抵抗部６ｃは全て同じ方向に切起こしによって折り曲げられて開口部６ｂと一緒に形成されており、抵抗体６は２枚の板状体６ａを背中合わせにして重ね合わせてその両側に流路抵抗部６ｃが位置した状態で煙管５内に挿入されている。
このとき、燃焼ガスの通過部分を形成する開口部６ｂはできるだけ大きな開口面積が得られるように略四角形状に形成されているが、流路抵抗部６ｃは煙管５の断面形状の約半分である半円形を成しており、流路抵抗部６ｃの端縁が前記煙管５の内壁に密着ないし接近する形状になっている。

上記のように煙管５内に装着される２枚の板状体６ａは一方の流路抵抗部６ｃが他方の流路抵抗部６ｃの間に位置するずれた状態で重ね合わせて形成したから、交互に配置した流路抵抗部６ｃの間隔は従来の半分になり、燃焼ガスの煙管５内で蛇行する回数が増え、滞留時間が長くなり熱交換面積が有効に作用して熱交換率を上げることができた。

また、バーナー３の着火時には燃焼室２内で急激な体積膨張を発生させるから、その圧力により抵抗体６が水室天板１ａの上方に飛び出す恐れがあるが、２枚の板状体６ａは下方から圧力がかかることにより、互いに離れ合う方向に力が働くため、流路抵抗部６ｃが管壁５ａを押す方向に力がかかって大きな抵抗となることによって、抵抗体６の飛び出しを抑えることができる。

また、煙管５内に装着される抵抗体６は、同形状である２枚の板状体６ａによって構成され、その板状体６ａはプレス加工によって製造できる簡単な形状であるため、製造する際には複雑な工程等を踏むことなく、安価に大量に精度よく作ることができるようになったものである。

６ｄは板状体６ａにおける最上部の開口部６ｂに流路抵抗部６ｃとは逆向きに形成された係止部であり、この係止部６ｄは他方の流路抵抗部６ｃの位置に形成されて、通常の流路抵抗部６ｃが形成される間隔の半分であるが、その高さは前記流路抵抗部６ｃと比べて低く設定でき、開口部６ｂの燃焼ガスが蛇行する部分は他の開口部６ｂの燃焼ガスの通過する部分と同じ大きさに開口できる。
そして、２枚の板状体６ａは同形状に形成され、一方の板状体６ａの係止部６ｄは他方の板状体６ａにおける最上部の流路抵抗部６ｃに係止され、この結果、一方の板状体６ａの複数の流路抵抗部６ｃの中間に他方の流路抵抗部６ｃが配置されるように前記係止部６ｄが位置決めされている。

煙管５内に装着される流路抵抗部６ｃを形成した２枚の板状体６ａは前記係止部６ｄによって上下方向に位置決めがなされており、また、２枚の板状体６ａを重ね合わせて煙管５内に装着した時には、流路抵抗部６ｃが煙管５の内壁面で止められて外れる方向の動きが規制されるので、２枚の板状体６ａを重ね合わせた時にはずれた状態のまま保持できるようになった。
このため、２枚で形成した板状体６ａをあらかじめ接合するための専用の固定部品は不要となり、また、抵抗体６を装着する時には特別な治具等を使わないでも、２枚の抵抗体６ａは位置決めされて正しい位置にいつも設置しておくことができた。

６ｅは前記抵抗体６を形成する板状体６ａの上端を流路抵抗部６ｃと同方向に折り曲げて形成した上端折曲部であり、その上端折曲部６ｅは煙管５の上部に届く大きさに設定されており、上端折曲部６ｅが水室天板１ａに係止することで前記抵抗体６の脱落を防止している。

前記上端折曲部６ｅは図２に示す実施例のように、前記流路抵抗部６ｃと比べて幅が狭い形状に設定されており、このような構造とすることで、抵抗体６の脱落を防止するとともに、前記板状体６ａの開口部６ｂから上端折曲部６ｅの下方に流れる燃焼ガスは、幅が狭い上端折曲部６ｅの側方から前記排気ガス室４に流れるから、上端折曲部６ｅに遮られた燃焼ガスは煙管５の内壁に向けて誘導されるので、最後の流路抵抗部６ｃとしての役割も担うことができる。

前記上端折曲部６ｅは図５に示す実施例のように片側の板状体６ａのみに形成してもよく、重ね合わせた２枚の板状体６ａのうち、上端折曲部６ｅがある板状体６ａによって前記抵抗体６を煙管５内に保持することができる。
この場合、上端折曲部６ｅを備えた板状体６ａには係止部６ｄも備えており、一方、他方の板状体６ａの端には上端折曲部６ｅと係止部６ｄとが無い形状となっている。この結果、片方の板状体６ａは少し短くなるが、組み合わせて煙管５内に装着したときには、狭い間隔で流路抵抗部６ｃが配置でき、燃焼ガスが蛇行できる特徴をこの構造でも備えることができた。

この発明品を実施する給湯機の要部断面図である。 この発明品の実施例を示す斜視図である。 この発明品の実施状態を示す要部断面図である。 図３の実施状態における上面図である。 この発明品の他の実施状態を示す要部断面図である。

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 排気ガス室
５ 煙管
５ａ 管壁
６ 抵抗体
６ａ 板状体
６ｂ 開口部
６ｃ 流路抵抗部
６ｄ 係止部
６ｅ 上端折曲部

Claims (3)

1. 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（２）の燃焼室側壁（２ａ）から燃焼室（２）内にのぞませたバーナー（３）と、
   水室（１）の水室天板（１ａ）に隣接して配置した排気ガス室（４）と、
   水室（１）の水室天板（１ａ）と燃焼室（２）の燃焼室天板（２ｂ）との間に接続して燃焼室（２）から排気ガス室（４）に燃焼ガスを通過させると共に、管壁（５ａ）で水と燃焼ガスとが熱交換を行う多数の円筒状の煙管（５）と、
   その煙管（５）の内部に配置した抵抗体（６）とを備えた熱交換器において、
   前記抵抗体（６）は、煙管（５）内に挿入される板状体（６ａ）と、その板状体（６ａ）に開口部（６ｂ）を形成しながら板状体（６ａ）の素材の一部を側方の煙管（５）内壁に向けて折り曲げする多数の流路抵抗部（６ｃ）とによって構成され、
   前記抵抗体（６）は２枚の板状体（６ａ）を重ね合わせて形成し、それぞれの板状体（６ａ）の前記流路抵抗部（６ｃ）はすべて同じ方向に折り曲げられ、かつ逆向きの流路抵抗部（６ｃ）が上下にずれた状態で２枚の板状体（６ａ）が重ね合わされていることを特徴とする温水用熱交換器の構造。
2. 少なくとも一方の前記抵抗体（６）において、最上部の開口（６ｂ）には前記流路抵抗部（６ｃ）とは逆向きの係止部（６ｄ）が折り曲げ形成され、その係止部（６ｄ）が他方の流路抵抗部（６ｃ）に係止することで２枚の抵抗体（６）が位置決めされている請求項１に記載の温水用熱交換器の構造。
3. 少なくとも一方の前記抵抗体（６）の上端には前記煙管（５）の上部に届く大きさに設定された上端折曲部（６ｅ）が形成されており、前記上端折曲部（６ｅ）が水室天板（１ａ）に係止して、前記抵抗体（６）の脱落を防止することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の温水用熱交換器の構造。

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