JP2008292059A - 熱交換器および温水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘッダの接続が容易であるとともに、高い熱交換効率を得ることが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】複数の伝熱管Ｐの螺旋状管体部５が略同心の重ね巻き状に配されてケース７内に収容され、加熱用媒体が螺旋状管体部５の複数のループ部５０どうしの隙間５９を螺旋状管体部５の軸長方向に対して交差する方向に進行するように構成されている熱交換器Ｂであって、複数の螺旋状管体部５として、複数のループ部５０の軸長方向の配列ピッチｐ１，ｐ２が互いに相違する第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂが設けられており、これら第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂは、軸長方向一端部５０’どうし、および他端部５０”どうしの軸長方向高さが略同一に揃えられている一方、軸長方向中間部の複数のループ部５０どうしの軸長方向高さは不揃いとされている。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃焼ガスなどの加熱用媒体からいわゆる螺旋式の伝熱管を用いて熱回収を行ない、水などの所望の流体を加熱するのに用いられる熱交換器、およびこれを備えた温水装置に関する。

本出願人は、温水装置に用いられる熱交換器の一例として、特許文献１に記載されたものを先に提案している。同文献に記載された熱交換器は、いわゆる螺旋式の伝熱管を複数用いたものであり、複数の伝熱管の螺旋状管体部を略同心の重ね巻き状に配列させてケース内に収容している。このケース内には燃焼ガスが導入され、このケース内に導入された燃焼ガスは、複数の螺旋状管体部の複数のループ部どうしの隙間を順次通過するように構成されている。この燃焼ガスの通過の際に、螺旋状管体部によって熱回収がなされ、螺旋状管体部内を流れる水が効率良く加熱される。

特許文献１の図２２には、前記したような熱交換器において、熱交換効率をより高めるための一手段が記載されている。同図に記載された手段においては、複数の螺旋状管体部の互いに隣り合うものどうしを上下方向に位置ずれさせており、このことによりそれらのループ部を千鳥配列としている。このような手段によれば、複数のループ部が上下方向に位置ずれすることなく縦横に整然と並んで設けられている場合と比較すると、各ループ部に対して燃焼ガスがより作用し易くなり、熱回収量を多くすることが可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

すなわち、前記従来技術においては、複数の螺旋状管体部のそれぞれの巻きピッチ（軸長方向におけるループ部の配列ピッチ）が同一に揃えられており、複数のループ部を千鳥配列に設定するための手段として、隣り合う螺旋状管体部の全体を上下方向に位置ずれさせている。したがって、複数の螺旋状管体部の上端部および下端部のそれぞれの高さも不揃いとなっている。ところが、このような構成とされていたのでは、螺旋状管体部の上端部および下端部のそれぞれに対して湯水の流出入を行なわせるためのヘッダを接続する場合に、その接続を容易に行なうことができず、ヘッダの接続構造が複雑化する。その結果、前記従来技術においては、その分だけ製造コストが高価となる。

特開２００６−３１７０３５号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、ヘッダの接続が容易であり、かつ高い熱交換効率を得ることが可能な熱交換器、およびこれを備えた温水装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される熱交換器は、複数のループ部が軸長方向に隙間を隔てて並んだ複数の螺旋状管体部を有し、かつこれら複数の螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配されている複数の伝熱管と、前記複数の螺旋状管体部の軸長方向両端部に接続されている一対のヘッダと、前記複数の螺旋状管体部を収容しており、かつ加熱用媒体を内部に流入させてから前記複数のループ部どうしの隙間を前記軸長方向に対して交差する方向に進行させた後に外部に排出させるための加熱用媒体の流入口および流出口が形成されているケースと、を備えている、熱交換器であって、前記複数の螺旋状管体部として、前記複数のループ部の前記軸長方向における配列ピッチが互いに相違する第１および第２の螺旋状管体部が設けられており、これら第１および第２の螺旋状管体部は、軸長方向一端部どうし、および他端部どうしの軸長方向高さが略同一に揃えられている一方、軸長方向中間部の複数のループ部どうしの軸長方向高さは不揃いとされていることを特徴としている。

このような構成によれば、第１および第２の螺旋状管体部の軸長方向中間部のループ部どうしは、軸長方向高さが不揃いであり、千鳥配列またはこれに類する配列となっている。このため、これらの部分を加熱用媒体が流通する際の熱回収量を多くし、熱交換効率を高めることができる。また、本発明においては、前記したようなループ部の千鳥配列またはこれに類する配列を実現するための手段として、第１および第２の螺旋状管体部のそれぞれのループ部の配列ピッチを相違させる手段を採用しており、それらの軸長方向一端部どうし、および他端部どうしの軸長方向高さは略同一に揃えられている。このため、これらの端部の高さが不揃いとされている場合と比較して、螺旋状管体部に対してヘッダを容易に接続することができることとなる。したがって、製造コストの低減化も図ることができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１および第２の螺旋状管体部のそれぞれのループ部の軸長方向における配列ピッチをｐ1，ｐ2とし、ループ部の段数をＮ1，Ｎ2とした場合に、ｐ1×(Ｎ1−１）＝ｐ2×(Ｎ2−１）の関係が成立するように構成されている。

このような構成によれば、第１および第２の螺旋状管体部の軸長方向一端部どうし、および他端部どうしを略同一高さに揃えつつ、それらの軸長方向中間部のループ部どうしの高さを相違させることが適切に実現される。また、第１および第２の螺旋状管体部のそれぞれは、巻きピッチ（ループ部の配列ピッチ）が一定の螺旋状に形成すればよく、ループ部の配列が不等間隔の螺旋状に形成する必要はない。したがって、第１および第２の螺旋状管体部については、従来の螺旋状管体を製作する場合と同様な手法を用いて比較的簡易に製作することができる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１および第２の螺旋状管体部は、交互に繰り返して並んだ構成とされている。

このような構成によれば、第１および第２の螺旋状管体部が繰り返して並んだ部分においては、それらの軸長方向中間部の互いに隣り合うループ部どうしは全て軸長方向に位置ずれした構成となる。したがって、熱交換効率を高めるのにより好適となる。また、ループ部の配列ピッチが相違する螺旋状管体部として、第１および第２の螺旋状管体部の２種類の螺旋状管体部を用いるだけでよいために、それらの製造も容易となる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記第１および第２の螺旋状管体部とは複数のループ部の軸長方向における配列ピッチが相違する第３の螺旋状管体部をさらに備えており、この第３の螺旋状管体部の軸長方向両端部は、前記第１および第２の螺旋状管体部の軸長方向両端部と軸長方向高さが略同一に揃えられている。

このような構成によれば、ループ部の配列ピッチが相違する螺旋状管体部の数が多くなるために、熱交換効率をより高めることが可能となる。

本発明の第２の側面により提供される温水装置は、本発明の第１の側面により提供される熱交換器と、この熱交換器の前記ケース内に前記加熱用媒体としての燃焼ガスを供給する燃焼器と、を備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図５は、本発明が適用された温水装置の具体例としての給湯装置、およびこれに関連する構成の一例を示している。図１によく表われているように、本実施形態の給湯装置Ａは、燃焼器３、１次熱交換器１、および２次熱交換器Ｂを備えている。２次熱交換器Ｂは、本発明が適用された熱交換器の一例に相当する。

燃焼器３は、正燃式のガスバーナであり、缶体３０内に配され、かつ燃料ガスが外部から配管３２を介して供給されるように構成されている。缶体３０内には、下方のファン３１から燃焼用空気が上向きに送風される。１次熱交換器１は、燃焼器３によって発生された燃焼ガスから顕熱を回収するためのものであり、複数のフィン１２を有する伝熱管１１の主要部が缶体１０内に配された構造を有している。

２次熱交換器Ｂは、１次熱交換器１によって顕熱が回収された燃焼ガスからさらに潜熱を回収するためのものであり、１次熱交換器１の上方に配され、かつ缶体１０に対して補助缶体１９を介して接続されている。この２次熱交換器Ｂは、内部に燃焼ガスが導入されるケース７、複数の伝熱管Ｐ、および入水用および出湯用の一対のヘッダ６Ａ，６Ｂを備えている。複数の伝熱管Ｐのそれぞれは、螺旋状管体部５と、この螺旋状管体部５の下端および上端に繋がった延設管体部５１，５２とを有しており、螺旋状管体部５は、ケース７内に収容されている。本実施形態において、螺旋状管体部５の軸長方向（図５（ｂ）の螺旋状管体部５の中心軸Ｃが延びる方向）は、ケース７の上下高さ方向（鉛直方向）である。

ケース７は、中空の略直方体状であり、その後壁部７０ａおよび前壁部７０ｂには、燃焼ガス用の流入口７１、および流出口７２が設けられている。１次熱交換器１を通過してその上方に進行した燃焼ガスは、図３に示すように、補助缶体１９内を通過して流入口７１からケース７内に進入して複数の螺旋状管体部５に作用し、これらによって熱回収がなされた後に、流出口７２からケース７の外部に排出される。この流出口７２は、たとえば図２に示すような正面視略矩形状である。流入口７１も同様である。

螺旋状管体部５によって燃焼ガスから潜熱回収がなされると、それらの表面にドレイン（凝縮水）が発生し、下方に滴下する。これに対し、ケース７は底壁部７０ｄを有しており、この底壁部７０ｄの前端部寄りの位置には、ドレイン用の排出口７３が設けられている。好ましくは、底壁部７０ｄは、ドレインを排出口７３に円滑に導くように前下がり状に傾斜している。ドレインが螺旋状管体部５の表面から底壁部７０ｄ上に滴下すると、その後このドレインは排出口７３に流れ込み、ケース７の外部に排出される。

各螺旋状管体部５は、図５によく表われているように、平面視略長円状の複数のループ部５０が一連に繋がって複数の隙間５９を介して上下高さ方向（軸長方向）に積層した構成を有している。なお、各ループ部５０のうち、ケース７の左右幅方向に延びる直状管体部５０ａ，５０ｂは、水平状であるのに対し、それらの端部に繋がった半円弧状の両端部５０ｃ，５０ｄは、上下に傾斜している。このように、ループ部５０の両端部５０ｃ，５０ｄのみを傾斜させれば、ループ部５０の全長域を傾斜状に形成する場合と比較すると、螺旋状管体部５の全体の高さを低く抑えることができる利点が得られる。むろん、本発明においては、これとは異なり、螺旋状管体部５のループ部５０の全長域が傾斜した構成とすることもできる。複数の螺旋状管体部５は、それぞれのループ部５０の大きさが相違するように形成され、これらは略同心の重ね巻き状に配されている。

図３によく表われているように、複数の螺旋状管体部５としては、ループ部５０の配列ピッチがｐ１の第１の螺旋状管体部５Ａと、配列ピッチがｐ２とされた第２の螺旋状管体部５Ｂとがある。第１の螺旋状管体部５Ａは、内周から１番目、３番目、および５番目の奇数列に位置しており、第２の螺旋状管体部５Ｂは、２番目、および４番目の偶数列に位置している。本実施形態においては、第１の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂのそれぞれの段数をＮ１，Ｎ２とした場合（図面では、Ｎ1は６、Ｎ2は５である）、次の式１を満たすように構成されている。
ｐ1×(Ｎ1−１）＝ｐ2×(Ｎ2−１） ・・・式１

前記した式１の左辺および右辺は、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂのそれぞれの下端のループ部５０’の中心から上端のループ部５０”の中心までの寸法に相当する。したがって、前記式１を満たす場合、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂの上下方向の高さは同一となる。本実施形態においては、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂの下端のループ部５０’どうし、および上端のループ部５０”どうしは、同一高さに揃えられている。ただし、ループ部５０’，５０”を除き、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂの高さ方向中間部の他のループ部５０どうしは、それらの高さにズレを生じた配列となっている。本実施形態において、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂは、同一口径のパイプを用いて構成されている。

図５に示すように、複数の螺旋状管体部５の下端および上端に連設されている延設管体部５１，５２は、ケース７の一側壁７０ｅを貫通してケース７の外部に引き出されており、これらの端部に入水用および出湯用のヘッダ６Ａ，６Ｂが接続されている。延設管体部５１には、曲管部５１ａが設けられているが、これは螺旋状管体部５内から水抜きを行なう場合の水抜き性を良くするためである。図１によく表われているように、ヘッダ６Ｂの出湯口６０Ｂは、適当な配管８１を介して伝熱管１１の入水口１１ａに接続されている。ヘッダ６Ａの入水口６０Ａには、給水管（図示略）が接続されている。入水口６０Ａに供給された水は、複数の螺旋状管体部５および伝熱管１１を順次通過して加熱され、その後出湯口１１ｂから所望の給湯先に供給される。

次に、２次熱交換器Ｂ、およびこれを備えた給湯装置Ａの作用について説明する。

図１において、まず、燃焼器３が駆動して燃焼ガスが発生すると、この燃焼ガスからは１次熱交換器１によって顕熱が回収された後に、２次熱交換器Ｂの各螺旋状管体部５によって潜熱が回収される。このような作用により、各螺旋状管体部５および伝熱管１１に供給されてそれらの内部を流通する水が加熱され、湯水が適切に生成される。図３を参照して説明したように、２次熱交換器Ｂは、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂが水平方向に交互に並び、かつそれらのループ部５０の上下方向の配列ピッチｐ１，ｐ２が相違していることにより、それらのループ部５０に高低差を生じている。このため、たとえば第１の螺旋状管体部５Ａのループ部５０の隙間５９の隣には、第２の螺旋状管体部５Ｂのループ部５０が位置し、また第２の螺旋状管体部５Ｂのループ部５０の隙間５９の隣には、第１の螺旋状管体部５Ａのループ部５０が位置する構成となっている。したがって、流入口７１からケース７に流入した燃焼ガスがその前方の流出口７２に向けて水平方向に進行する際に、複数のループ部５０のそれぞれに対して燃焼ガスが効率良く作用することとなる。その結果、２次熱交換器Ｂによる熱回収量を多くすることができ、２次熱交換器Ｂの小型化を図りつつ熱交換効率を高めるのに好ましいものとなる。

一方、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂの下端のループ部５０’どうし、および上端のループ部５０”どうしの高さは揃えられているために、それらに繋がった複数の延設管体部５１，５２もそれぞれ同一高さに揃うこととなる。このため、本実施形態とは異なり、それらの高さが不揃いにされている場合と比較すると、一対のヘッダ６Ａ，６Ｂを取り付ける作業が容易となり、製造コストを抑制することができる。また、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂは、ループ部５０の配列ピッチは互いに相違するものの、ループ部５０の配列はともに等間隔とされているために、現材料パイプに曲げ加工を施して第１および第２の螺旋状管体部Ａ，５Ｂを製作する際の製作作業も容易となる。本実施形態とは異なり、ループ部５０の配列を不等間隔としつつ、螺旋状管体部５の全体の高さが所定の値となるように製作する場合には、その製作が難しいものとなるが、本実施形態によれば、そのような不具合もない。

図６は、本発明の他の実施形態を示している。同図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図６に示す実施形態においては、複数の螺旋状管体部５として、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂに加えて、第３の螺旋状管体部５Ｃをさらに備えており、これらは一定の順序で並んでいる。第１ないし第３の螺旋状管体部５Ａ〜５Ｃのそれぞれのループ部５０の軸長方向（上下方向）の配列ピッチをｐ１〜ｐ３とし、段数をＮ１〜Ｎ３（ただし、図面においては、Ｎ１＝７、Ｎ２＝８、Ｎ３＝９）とすると、次の式２を満足するように構成されている。
ｐ1×(Ｎ1−１）＝ｐ2×(Ｎ2−１）＝ｐ3×(Ｎ3−1） ・・・式２

本実施形態においても、全ての螺旋状管体部５の下端のループ部５０’どうし、および上端のループ部５０”どうしの高さを同一に揃えて、これらの部分にヘッダ６Ａ，６Ｂを直接または間接的に容易に接続することが可能である。一方、第１および第２の螺旋状管体部５Ａ，５Ｂに加えて、第３の螺旋状管体部５Ｃが設けられているために、その分だけ複数のループ部５０に高低差を生じさせる場合のバリエーションに種々の工夫を凝らすことが可能となり、各ループ部５０に対して燃焼ガスを効率良く作用させることが可能である。本実施形態から理解されるように、本発明においては、ループ部の配列ピッチが相違する螺旋状管体部として、３種類の螺旋状管体部を用いた構成とすることができる。もちろん、それ以上に多種の螺旋状管体部を用いた構成とすることも可能である。たとえば、複数の螺旋状管体部のそれぞれのループ部の配列ピッチが全て相違するように構成することも可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されない。本発明に係る熱交換器、および温水装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

伝熱管の螺旋状管体部のループ形状は、略長円状に限定されず、それ以外のたとえば略長矩形状、略正矩形状、あるいは円形状などの種々の形状にすることができる。また、伝熱管は、螺旋状管体部の軸長方向が略鉛直方向となる姿勢に限らず、たとえば水平方向となるように横倒しされた姿勢に設けることも可能である。複数の伝熱管は、必ずしも同一口径のパイプ材を用いて形成されていなくてもよく、それらの口径を相違させた構成とすることもできる。伝熱管に供給される被加熱流体としては、水以外の不凍液やその他の流体を適用することが可能であり、加熱用媒体としても、燃焼ガス以外の媒体を適用することができる。ケースは、伝熱管を収容し、かつ内部に燃焼ガスなどの加熱用媒体が流入されて、この加熱用媒体が複数のループ部どうしの隙間を螺旋状管体部の軸長方向に対して交差する方向（軸長方向に対して直交する方向に限定されない）に進行させるように構成されていればよく、やはりその具体的な形状なども限定されない。従来技術として説明した特許文献１に記載の熱交換器は、螺旋状管体部によって囲まれている空間部に燃焼ガスが供給され、かつこの燃焼ガスがその後に前記空間部から螺旋状管体部のループ部どうしの隙間を通過するように構成されているが、本発明においてもこれと同様な経路で加熱用媒体を流通させる構成とすることができる。

上述した実施形態では、顕熱回収用の１次熱交換器１については、本発明を適用していないが、本発明に係る熱交換器は、顕熱回収用、潜熱回収用の種別を問わない。本発明に係る熱交換器を、顕熱回収に用いることもできる。本発明でいう温水装置とは、湯を生成する機能を備えた装置の意であり、一般給湯用、風呂給湯用、暖房用、あるいは融雪用などの各種の給湯装置、および給湯以外に用いられる湯を生成する装置を広く含む概念である。

本発明が適用された給湯装置の一例を示す概略正面断面図である。 図１に示す給湯装置の要部正面図である。 図１のIII−III断面図である。 図１に示す給湯装置の２次熱交換器の側面図である。 （ａ）は、図１に示す給湯装置の２次熱交換器の平面断面図であり、（ｂ）は、その正面断面図である。 本発明が適用された熱交換器の他の例を示す断面図である。

符号の説明

Ａ 給湯装置（温水装置）
Ｂ ２次熱交換器（熱交換器）
Ｐ 伝熱管
３ 燃焼器
５ 螺旋状管体部
５Ａ〜５Ｃ 第１ないし第３の螺旋状管体部
７ ケース
６Ａ，６Ｂ ヘッダ
５０ ループ部
５９ 隙間（ループ部どうしの）
７１ 流入口
７２ 流出口

Claims (5)

1. 複数のループ部が軸長方向に隙間を隔てて並んだ複数の螺旋状管体部を有し、かつこれら複数の螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配されている複数の伝熱管と、
   前記複数の螺旋状管体部の軸長方向両端部に接続されている一対のヘッダと、
   前記複数の螺旋状管体部を収容しており、かつ加熱用媒体を内部に流入させてから前記複数のループ部どうしの隙間を前記軸長方向に対して交差する方向に進行させた後に外部に排出させるための加熱用媒体の流入口および流出口が形成されているケースと、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記複数の螺旋状管体部として、前記複数のループ部の前記軸長方向における配列ピッチが互いに相違する第１および第２の螺旋状管体部が設けられており、
   これら第１および第２の螺旋状管体部は、軸長方向一端部どうし、および他端部どうしの軸長方向高さが略同一に揃えられている一方、軸長方向中間部の複数のループ部どうしの軸長方向高さは不揃いとされていることを特徴とする、熱交換器。
2. 前記第１および第２の螺旋状管体部のそれぞれのループ部の軸長方向における配列ピッチをｐ1，ｐ2とし、ループ部の段数をＮ1，Ｎ2とした場合に、
   ｐ1×(Ｎ1−１）＝ｐ2×(Ｎ2−１）
   の関係が成立するように構成されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記第１および第２の螺旋状管体部は、交互に繰り返して並んだ構成とされている、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 前記第１および第２の螺旋状管体部とは複数のループ部の軸長方向における配列ピッチが相違する第３の螺旋状管体部をさらに備えており、
   この第３の螺旋状管体部の軸長方向両端部は、前記第１および第２の螺旋状管体部の軸長方向両端部と軸長方向高さが略同一に揃えられている、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器と、この熱交換器の前記ケース内に前記加熱用媒体としての燃焼ガスを供給する燃焼器と、を備えていることを特徴とする、温水装置。

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