JP2011007353A - 熱交換器および温水装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】管体用のスペーサの位置ずれを防止する構造の簡素化や使用部品の小サイズ化などを適切に図ることが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】ケーシング7内に収容されて一定方向に並んだ熱交換用の複数の管体部50aと、これら複数の管体部50aどうしの間に挿入可能な複数の突起部20およびこれら複数の突起部20を支持しまたは一連に繋ぐ基端部21を有するスペーサSと、を備えている、熱交換器HEであって、スペーサSの複数の突起部20のうち、少なくとも1つの突起部20は、複数の管体部50aどうしの間に挿入されることなく、前記一定方向の最端に位置する管体部50a’の外面側にはみ出すように配置されたはみ出し突起部20aとされ、ケーシング7またはその内部には、スペーサSの移動を規制するようにはみ出し突起部20aと係合する係合部が設けられている。
【選択図】 図3

Description

本発明は、熱交換用の複数の管体部の配列をスペーサを用いて設定するように構成されたタイプの熱交換器、およびこれを用いた温水装置に関する。
本出願人は、熱交換器の具体例として、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、図9に示すように、燃焼ガスが流入するケーシング7Aと、このケーシング7A内に収容される伝熱管8と、スペーサ9とを有している。スペーサ9は、金属線材に曲げ加工を施すことにより形成されており、基端部90と、この基端部90から略水平方向に突出する複数の突起部91とを有している。これら複数の突起部91は、管体部80どうしの間に挿入され、このことにより管体部80どうしの隙間の上下方向の寸法が所定の値に設定される。ケーシング7A内には、複数の起立部69を有する支持部材6eが設けられており、この支持部材6eによって伝熱管8が支持される。複数の起立部69は、スペーサ9の基端部90に当接するように構成されており、このことによりスペーサ9が複数の管体部80から抜け外れることや、各管体部80の軸長方向に移動することが防止されている。このような構成によれば、簡易な手段によってスペーサ9を適切に固定し、かつ伝熱管8を安定して支持することができる。また、起立部69の上部に補助部材68を連結すれば、これら起立部69と補助部材68とによって複数の管体部80が囲み込まれることとなって、複数の管体部80の上下方向の位置ずれも防止することができる。
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、スペーサ9の複数の突起部91は、いずれも複数の管体部80どうしの間に挿入されており、スペーサ9のうち、複数の管体部80の外部に露出した状態にあるのは、基端部90のみとされている。支持部材6eの起立部69は、そのような基端部90に当接するように設けられているが、このような手段によれば、スペーサ9を安定的に固定させるには、起立部69を基端部90に沿わせて長い寸法に形成する必要があり、支持部材6eの上下高さ寸法Hが大きくなる。したがって、支持部材6eの小型・軽量化、および部品コストの低減化を図る上で、未だ改善の余地があった。また、前記従来技術においては、起立部69に補助部材68を連結することにより複数の管体部80の上下方向の位置ずれを防止しているものの、部品点数を少なくして製造の容易化などを図る観点からすると、補助部材68のような部品を用いる必要を無くすことも好ましい。
特開2008−151473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、複数の管体部の隙間を規定するスペーサの位置ずれ防止構造の簡素化や使用部品の小サイズ化などを適切に図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、加熱用流体が流入するケーシングと、このケーシング内に収容されて一定方向に並んだ熱交換用の複数の管体部と、これら複数の管体部どうしの間に挿入可能な複数の突起部およびこれら複数の突起部を支持しまたは一連に繋ぐ基端部を有するスペーサと、を備えている、熱交換器であって、前記スペーサの複数の突起部のうち、少なくとも1つの突起部は、前記複数の管体部どうしの間に挿入されることなく、前記一定方向の最端に位置する管体部の外面側にはみ出すように配置されたはみ出し突起部とされており、前記ケーシングまたはその内部には、前記スペーサの移動を規制するように前記はみ出し突起部と係合する係合部が設けら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、前記係合部と前記はみ出し突起部との係合によりスペーサの移動が適切に規制されることは勿論のこと、前記はみ出し突起部は、一定方向に並んだ複数の管体部のうち、一定方向の最端に位置する管体部の外面側にはみ出したものであるために、前記係合部としては、前記最端に位置する管体部の近傍に大きく嵩張らないものとして構成することができる。より具体的には、前記係合部としては、前記従来技術の起立部69とは異なり、複数の管体が並ぶ方向へ長寸法に延びたものとして構成する必要はない。したがって、スペーサの位置ずれを防止する構造の簡素化および小型・軽量化を図り、熱交換器の製造コストを低減するのに有利となる。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記複数の管体部は、上下方向に並び、かつ前記はみ出し突起部は、前記複数の管体部のうち、最下端の管体部の下側に位置しており、前記ケーシング内には、前記最下端の管体部の下面に当接してこの管体部を支持する支持部材が固定して設けられ、この支持部材に前記係合部が設けられている。
このような構成によれば、管体部を支持する支持部材を有効に利用してスペーサの移動を規制するための係合部が設けられており、その構成は合理的であって、熱交換器の部品総数が増加することを抑制するのに好適である。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記支持部材は、前記はみ出し突起部が進入する上面開口状の凹部を形成する起立壁を有し、かつこの起立壁が、前記係合部であり、前記起立壁と前記はみ出し突起部との係合により、前記スペーサの水平方向への移動が規制されている。
このような構成によれば、スペーサの水平方向への移動規制を図るための構造を、非常に簡易なものとすることができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記スペーサは、前記複数の管体部のうち、最上端の管体部の上側に位置する追加のはみ出し突起部を有しており、前記ケーシングの上壁部は、前記追加のはみ出し突起部に対してその上側から当接または接近し、前記追加のはみ出し突起部および前記複数の管体部の上方への移動を規制している。
このような構成によれば、複数の管体部が上下方向に移動することを適切に規制することが可能であるが、そのための手段として、ケーシングの上壁部と支持部材とが利用されており、前記従来技術の補助部材68に相当する部材を用いる必要はない。したがって、部品点数の増加を回避することができる。さらに重要な効果として、ケーシングの上壁部と最上端の管体部との隙間の寸法を追加のはみ出し突起部を利用して所望の寸法に規定し、前記隙間に対する加熱用流体の通過量や通過時の抵抗(いわゆる排気抵抗に相当する)を適切な値とすることができる。前記隙間の寸法が不適切であると、熱交換効率の低下を招いたり、あるいはケーシングの上壁部が過熱するといった不具合を生じるが、前記構成によれば、そのような不具合を好適に防止することが可能である。加えて、ケーシングの上壁部と最上端の管体部との間に追加のはみ出し突起部が介在することにより、それら上壁部と管体部とが広い面積で直接接触しないようにし、管体部から上壁部への熱伝達(放熱)を抑制する効果も得られる。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記ケーシングのうち、前記最端箇所の管体部の外面に対向する壁部には、前記はみ出し突起部を進入させる凹部が形成されており、この凹部形成領域が、前記係合部である。
このような構成によれば、ケーシングの所定の壁部を利用してスペーサの移動を規制することができ、スペーサの移動を規制するための専用部材を用いる必要はない。したがって、部品点数の減少などを図り、製造コストを低減するのにより好ましいものとなる。
本発明の第2の側面により提供される温水装置は、加熱用流体供給手段と、この加熱用流体供給手段から供給される加熱用流体を利用して湯水加熱を行なうための熱交換器と、を備えている、温水装置であって、前記熱交換器として、本発明の第1の側面により提供される熱交換器が用いら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、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。
本発明が適用された熱交換器を備えた温水装置の一例を示す概略断面図である。 図1のII−II要部断面図である。 (a)は、図1に示す熱交換器の正面断面図であり、(b)は、(a)のA部拡大図である。 図1に示す熱交換器の平面断面図である。 図1に示す熱交換器に用いられているスペーサの斜視図である。 (a)は、図5に示すスペーサの平面図であり、(b)は、その正面図であり、(c)は、その右側面図である。 (a)は、図1に示す熱交換器に用いられている支持部材を示す斜視図であり、(b)は、(a)のVIIb−VIIb断面図であり、(c)は、(a)のVIIc−VIIc断面図である。 (a)は、本発明が適用された熱交換器の他の例を示す正面断面図であり、(b)は、(a)のB部拡大図である。 従来技術の一例を示す要部分解断面図である。
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7は、本発明が適用された熱交換器を備えた給湯装置としての温水装置、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、本実施形態の温水装置WHは、燃焼器3、1次熱交換器1、および2次熱交換器HEを備えている。2次熱交換器HE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、たとえばガス燃焼器であり、送風ファン31から燃焼用空気が供給される缶体30内に配され、外部からガス配管32を介して供給される燃料ガスを燃焼させる。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、たとえば複数のフィン12を有する伝熱管11を用いて構成されている。
2次熱交換器HEは、1次熱交換器1を通過した燃焼ガスから潜熱を回収するためのものであり、缶体30の上部に載設されている。この2次熱交換器HEは、ケーシング7、複数の伝熱管T、支持部材6、および複数の管体用のスペーサSを備えている。複数の伝熱管Tは、ケーシング7内に収容された複数の螺旋状管体部5を有している。
図2に示すように、ケーシング7の底壁部70aおよび前壁部70bには、燃焼ガス用の給気口71および排気口72が設けられており、1次熱交換器1を上向きに通過した燃焼ガスは、給気口71からケーシング7内に進入して、複数の螺旋状管体部5どうしの各隙間59を通過し、その際に熱回収される。熱回収がなされた燃焼ガスは、排気口72からケーシング7の外部に排出される。螺旋状管体部5によって燃焼ガスから潜熱が回収されると、ドレイン(凝縮水)が発生してケーシング7の底壁部70a上に滴下する。底壁部70aは、前下がり状に傾斜しており、またその前部寄りの位置にはドレイン用の排出口73を備えている(図3を参照)。このことにより、螺旋状管体部5から底壁部70a上に滴下したドレインは、排出口73に流れ込み、ケーシング7の外部に排出される。
各螺旋状管体部5は、図4によく表われているように、平面視略長円状の一連に繋がった複数のループ部50が複数の隙間59を介して上下高さ方向に積層した構成を有している。複数の螺旋状管体部5のそれぞれのループ部50の大きさは相違しており、これらは略同心の重ね巻き状に配されている。なお、各螺旋状管体部5において、直線状の管体部50aは略水平であり、各螺旋状管体部5の両端に位置する平面視半円アーチ状の管体部50bは水平面に対して傾斜している。複数の螺旋状管体部5の下端および上端に連設された延設管体部51,52の一部は、ケーシング7の外部に引き出されており、入水用および出湯用のヘッダ55A,55Bとの連結が図られている。図1によく表われているように、この温水装置WHにおいては、ヘッダ55Aに入水がなされると、この水は各伝熱管T内を流通して加熱され、その後ヘッダ55Bから接続配管18を経由して伝熱管11内に流れ込み、さらに加熱される。次いで、この加熱された湯水は、出湯口14から出湯し、適当な配管(図示略)を介して所望の給湯先に供給される。
スペーサSは、複数の伝熱管Tのループ部50どうしの上下方向の隙間59を所望の寸法に設定するためのものである。このスペーサSは、既述した特許文献1に記載されたスペーサとその基本的な構成は同様であり、金属製線材に曲げ加工を施すことにより形成され、図5および図6に示すような構成を有している。より具体的には、スペーサSは、平面視略U字状に形成されて一定方向(図面では上下方向)に間隔を隔てて並んだ複数の突起部20と、これら複数の突起部20を一連に繋ぐ正面視半円アーチ状の複数の基端部21とを有している。複数の突起部20は、図2によく表われているように、たとえば複数の管体部50aどうしの間にその一側方から挿入される。ただし、突起部20の総数は、上下方向における管体部50aの総数よりも多く(図面では、突起部20の総数は8であり、上下方向における管体部50aの総数は7である)、最下端に位置する突起部20は、管体部50aどうしの間には挿入されておらず、最下端の管体部50a’の下側にはみ出した状態に配置されたはみ出し突起部20aである。また、最上端に位置する突起部20も管体部50aどうしの間には挿入されておらず、最上端の管体部50a”の上側にはみ出した状態に配置されたはみ出し突起部20b(本発明でいう追加のはみ出し突起部の一例に相当)である。
支持部材6は、複数の伝熱管Tの固定支持を図るためのものであるが、スペーサSの移動を規制する役割も果たす。この支持部材6は、たとえばステンレス鋼板にプレス加工を施すことにより構成されており、図7に示すような構成を有している。より詳しくは、この支持部材6は、位置決め用の孔部60a,60bが設けられた底板部60、この底板部60の短手方向両側縁から起立した一対の第1の起立壁61、底板部60の長手方向一側縁から起立した第2の起立壁62、第1の起立壁61の上端部に繋がった一対の受け板部63、およびこれら一対の受け板部63の一側縁から起立した一対のストッパ片64を有している。第1および第2の起立壁61,62は、上面開口状の凹部65を形成している。この凹部65は、後述するように、スペーサSのはみ出し突起部20aを嵌入させるための部分であり、第1および第2の起立壁61,62は、凹部65に嵌入されたはみ出し突起部20aと係合してその移動を規制する役割を果たし、本発明でいう係合部の一例に相当する。
支持部材6は、図2および図3に示すように、ケーシング7の底壁部70aの上面に溶接などの手段を用いて固定されている。一対の受け板部63は、その上面が略水平状に設定されており、複数の管体部50aは、スペーサSのはみ出し突起部20aが凹部65に進入するようにして、一対の受け板部63上に載せられている。図2に示すように、最下端の管体部50a’は、第2の起立壁62とストッパ片64との間に挟まれており、このことにより水平方向(スペーサSの各突起部20の長手方向)の位置決めが図られている。したがって、第2の起立壁62は、スペーサSの移動規制と管体部50aの移動規制との双方に役立っている。なお、第2の起立壁62は、図7に示すように、左右非対称の形状とされているが、これは、スペーサSの最下端の基端部21と第2の起立壁62との干渉を回避して、第2の起立壁62を受け板部63上の管体部50aにできる限り接近させるためである。スペーサSのはみ出し突起部20aは、その基端寄りの一端部20a’が、第2の起立壁62に当接することとなり、この当接により、スペーサSが複数の管体部50aから抜け外れることが防止される。
図2および図3によく表われているように、ケーシング7の上壁部70cには、はみ出し突起部20bにその上側から当接する下向きの凸状部74が設けられている。この凸状部74は、たとえばプレス加工により設けられている。なお、本実施形態では、スペーサSや支持部材6が1つずつ設けられているに過ぎないが、各伝熱管Tの螺旋状管体部5は、ケーシング7に固定された延設管体部51,52によっても支持された状態にあるために、スペーサSや支持部材6が設けられている箇所と、そうでない箇所との間で、ループ部50どうしの隙間59の寸法に大きな差が生じるといった不具合はない。ただし、スペーサSや支持部材6を複数箇所に設けてもよいことは勿論である。
次に、前記した熱交換器HEを備えた温水装置WHの作用について説明する。
図2および図3に示されているように、スペーサSの最下端に位置するはみ出し突起部20aは、支持部材6の凹部65に嵌入しており、凹部65を形成する第1および第2の起立壁61,62と係合している。はみ出し突起部20aと第1の起立壁61との係合は、スペーサSが各管体部50aの長手方向に移動することを阻止する作用を生じさせる。また、はみ出し突起部20aと第2の起立壁62との係合は、スペーサSが管体部50aどうしの隙間59から抜け外れることを阻止する作用を生じさせる。したがって、複数の管体部50aに対するスペーサSの相対移動を阻止し、その装着状態を適正に維持することができる。一方、このようにスペーサSの移動を防止するための手段として、はみ出し突起部20aが嵌入する凹部65を支持部材6に設ける手段を採用すれば、支持部材6をさほど大きなサイズに形成する必要はなくなり、支持部材6の軽量化や製造コストの低減を図ることができる。また、支持部材6は、スペーサSの移動を防止する機能に加え、複数の管体部50aが水平方向に移動しないように支持する機能をも発揮するものであるために、スペーサS用の固定部材と管体部50a用の支持部材とを別々に設ける場合と比較すると、その構成は合理的であり、熱交換器HEの部品総数を少なくするのに好適である。
複数の管体部50aは、はみ出し突起部20bを介してケーシング7の上壁部70cによって上方に浮き上がないように下向きに押さえられた状態にある。したがって、複数の伝熱管Tが上下方向に位置ずれすることも適切に防止され、伝熱管Tの振動音などを発生し難くする効果も得られる。複数の管体部50aの上方への浮き上がりを防止する手段として、ケーシング7の上壁部70cが利用されているために、やはりそれ専用の部材を別途用いる必要がなく、部品点数の増加を防止するのに一層好ましいものとなる。また、ケーシング7の上壁部70cを最上端の管体部50a”に直接接触させたのでは、それらの接触面積が大きく、最上端の管体部50a”から上壁部70cに向けての熱伝達量が多くなって、放熱ロスを生じることとなるが、これら管体部50a”と上壁部70cとの間にはみ出し突起部20aを介在させれば、そのようなことも適切に抑制することができる。さらに、上壁部70cと最上端の管体部50a”との隙間の寸法は、スペーサSを利用して所定の寸法に正確に規定されるために、上壁部70cと最上端の管体部50a”との隙間を通過する燃焼ガス量を所望の適切な量に設定し、排気抵抗が過大になること防止しつつ、高い熱交換効率が得られるようにすることもできる。
図8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符号を付している。
図8に示す実施形態においては、ケーシング7の底壁部70aにプレス加工などを施すことにより、この底壁部70aに凹部78を形成し、かつこの凹部78に、はみ出し突起部20aが嵌入している。また、底壁部70aには、部分的に上向きに突出した凸状部77も設けられ、この凸状部77上に最下端の管体部50a’が載置されて複数の管体部50aが支持されている。
本実施形態によれば、前記実施形態の支持部材6に相当する部品が不要であり、熱交換器の部品総数をより少なくすることができる。本実施形態および前記実施形態から理解されるように、本発明においては、はみ出し突起部と係合する係合部は、ケーシングの内部にケーシングとは別の部材を利用して設けられる場合と、ケーシング自体に設けられる場合とのいずれであってもよい。
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。
本発明でいう係合部は、スペーサの移動を規制するようにはみ出し突起部と係合する部分であればよく、凹部以外の形状のものとして構成とすることができる。上述の実施形態では、スペーサの複数の突起部のうち、最上端および最下端に位置する2つの突起部をはみ出し突起部としているが、これらのうち一方を管体部どうしの間に挿入させ、他方のみをはみ出し突起部とした構成とすることもできる。最上端の突起部をはみ出し突起部とした場合には、それに対応させて、前記はみ出し突起部に係合する係合部をケーシングの上部側に設ければよい。もちろん、複数の管体部が並ぶ方向は、上下方向以外のたとえば上下斜め方向や略水平方向であってもよく、このような場合にも本発明を適用することができる。スペーサのはみ出し突起部は、他の突起部と必ずしもその形状やサイズが同一に揃えられていなくてもよい。スペーサは、金属線材に曲げ加工を施したものでなくてもよく、たとえばプレート状またはバー状の部材を基端部とし、この基端部から一定の厚みをもつプレート状あるいは軸状などの複数の突起部が櫛歯状に突出して並んだような構成のものを用いることもできる。
熱交換用の複数の管体部としては、螺旋状以外のたとえば直管状のものを用いることも可能である。ケーシングは、熱交換用の複数の管体部を収容し、かつ内部に燃焼ガスなどの加熱用流体が流入されればよく、その具体的な形状やサイズなども限定されない。上述の実施形態では、顕熱回収用の1次熱交換器については、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。加熱用流体としては、燃焼ガス以外として、たとえばガスエンジンや燃料電池からの排ガスを用いることもできる。

Claims (6)

  1. 加熱用流体が流入するケーシングと、
    このケーシング内に収容されて一定方向に並んだ熱交換用の複数の管体部と、
    これら複数の管体部どうしの間に挿入可能な複数の突起部およびこれら複数の突起部を支持しまたは一連に繋ぐ基端部を有するスペーサと、
    を備えている、熱交換器であって、
    前記スペーサの複数の突起部のうち、少なくとも1つの突起部は、前記複数の管体部どうしの間に挿入されることなく、前記一定方向の最端に位置する管体部の外面側にはみ出すように配置されたはみ出し突起部とされており、
    前記ケーシングまたはその内部には、前記スペーサの移動を規制するように前記はみ出し突起部と係合する係合部が設けられていることを特徴とする、熱交換器。
  2. 前記複数の管体部は、上下方向に並び、かつ前記はみ出し突起部は、前記複数の管体部のうち、最下端の管体部の下側に位置しており、
    前記ケーシング内には、前記最下端の管体部の下面に当接してこの管体部を支持する支持部材が固定して設けられ、
    この支持部材に前記係合部が設けられている、請求項1に記載の熱交換器。
  3. 前記支持部材は、前記はみ出し突起部が進入する上面開口状の凹部を形成する起立壁を有し、かつこの起立壁が、前記係合部であり、
    前記起立壁と前記はみ出し突起部との係合により、前記スペーサの水平方向への移動が規制されている、請求項2に記載の熱交換器。
  4. 前記スペーサは、前記複数の管体部のうち、最上端の管体部の上側に位置する追加のはみ出し突起部を有しており、
    前記ケーシングの上壁部は、前記追加のはみ出し突起部に対してその上側から当接または接近し、前記追加のはみ出し突起部および前記複数の管体部の上方への移動を規制している、請求項2または3に記載の熱交換器。
  5. 前記ケーシングのうち、前記最端箇所の管体部の外面に対向する壁部には、前記はみ出し突起部を進入させる凹部が形成されており、この凹部形成領域が、前記係合部である、請求項1に記載の熱交換器。
  6. 加熱用流体供給手段と、この加熱用流体供給手段から供給される加熱用流体を利用して湯水加熱を行なうための熱交換器と、を備えている、温水装置であって、
    前記熱交換器として、請求項1ないし5のいずれかに記載の熱交換器が用いられていることを特徴とする、温水装置。
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