JP2015105815A

JP2015105815A - 潜熱熱交換器

Info

Publication number: JP2015105815A
Application number: JP2013249435A
Authority: JP
Inventors: 和博中澤; Kazuhiro Nakazawa; 布川　隆弘; Takahiro Nunokawa; 隆弘布川
Original assignee: Corona Corp
Current assignee: Corona Corp
Priority date: 2013-12-02
Filing date: 2013-12-02
Publication date: 2015-06-08
Anticipated expiration: 2033-12-02
Also published as: JP6224443B2

Abstract

【課題】エアーが溜まることによる熱交換効率の低下を防止する潜熱熱交換器を提供する。【解決手段】内部に燃焼ガスの流路を有するケーシングと、ケーシング内に収容される複数の受熱管２と、受熱管２の上流端が接続され受熱管２に被加熱流体を流入させる流入ヘッダ３と、受熱管２の下流端が接続され受熱管２からの被加熱流体が流出される流出ヘッダ４とを備え、受熱管２は上下方向に積層され流入ヘッダ３と流出ヘッダ４との間を水平方向に通水させるようにした潜熱熱交換器１において、流入ヘッダ３の内容積よりも流出ヘッダ４の内容積を小さくしたことで、潜熱熱交換器１に初めて通水するとき等に受熱管２内に残ろうとするエアーを押し出すことができ、受熱管２内にエアーが溜まる状態がなく、熱交換効率の低下を防止できる。【選択図】図１

Description

この発明は、燃焼ガスから潜熱を回収する潜熱熱交換器に関するものである。

従来、燃焼ガスから潜熱を回収する潜熱熱交換器としては、図５に示すような、同じ大きさ（内容積が等しい）の円筒状の一対のヘッダ（流入ヘッダ１０１および流出ヘッダ１０２）間に複数の受熱管１０３が接続され、この複数の受熱管１０３は上下方向に積層されたものであった。（例えば、特許文献１参照。）

特開２００８−１７００８８号公報

ところで、図５に示すような潜熱熱交換器を備えた給湯機において、燃焼ガスから顕熱を回収する顕熱熱交換器が貯湯式の熱交換器で通水路の途中に減圧弁が設けられて減圧されている場合や、給湯機から宅内に適宜設けられた給湯栓までの通水配管の取り回しが複雑で通水配管の長さが長い場合、給湯の圧力が弱いまたは給湯流量が少ないことがある。

ここで、給湯機を設置して初めて潜熱熱交換器に通水するときや、給湯機内の潜熱熱交換器の受熱管１０３等の水が流通する流路の凍結予防のために水抜きを行った後に再度通水するとき、流入ヘッダ１０１に流入した水は、流入ヘッダ１０１から各受熱管１０３に分かれて流れ、流出ヘッダ１０２に集まって外部に流出されものであるが、先に説明したように給湯の圧力が弱いまたは給湯流量が少ない場合は、エアーを押し出しきることができず、図５中の矢視方向から見た潜熱熱交換器を示した図６に示すように、最上部の受熱管１０３内にエアーが溜まる可能性があり、エアーが溜まった状態であると、その部分は熱交換に寄与することがなく、熱交換効率が低下してしまうという問題点を有するものであった。

この発明は、上記課題を解決するために、特に請求項１ではその構成を、内部に燃焼ガスの流路を有するケーシングと、該ケーシング内に収容される複数の受熱管と、該受熱管の上流端が接続され前記受熱管に被加熱流体を流入させる流入ヘッダと、前記受熱管の下流端が接続され前記受熱管からの被加熱流体が流出される流出ヘッダとを備え、前記受熱管は上下方向に積層され前記流入ヘッダと前記流出ヘッダとの間を水平方向に通水させるようにした潜熱熱交換器において、前記流入ヘッダの内容積よりも前記流出ヘッダの内容積を小さくするものとした。

この発明の請求項１によれば、流入ヘッダの内容積よりも流出ヘッダの内容積を小さくしたことで、潜熱熱交換器に初めて通水するとき等に受熱管内に残ろうとするエアーを押し出すことができ、受熱管内にエアーが溜まる状態がなく、熱交換効率の低下を防止することができるものである。

この発明の一実施形態を示す潜熱熱交換器の斜視図。同一実施形態の潜熱熱交換器のヘッダ断面図。同一実施形態の潜熱熱交換器を備えた潜熱回収型給湯機の概略図。同一実施形態の潜熱熱交換器の通水時におけるヘッダおよび受熱管内の水の状態を表した図。従来の潜熱熱交換器の斜視図。従来の潜熱熱交換器の通水時におけるヘッダおよび受熱管内の水の状態を表した図。

次に、この発明の一実施形態の潜熱熱交換器を図面に基づき説明する。
図１に示すように、潜熱熱交換器１は、複数の受熱管２と、受熱管２の上流端が接続される円筒状の流入ヘッダ３と、受熱管２の下流端が接続される円筒状の流出ヘッダ４とを備えているものであり、前記受熱管２は蛇行形状をしており間隔を介して上下方向に複数本積層され、流入ヘッダ３と流出ヘッダ４との間を水平方向に水を通水させるものであり、上下に隣接する受熱管２同士はピッチがずれて配置されており、それによって燃焼ガスに乱流が起こり熱交換が促進されるものである。

ここで、図２は流入ヘッダ３および流出ヘッダ４の断面図を簡易的に示したものであり、流入ヘッダ３の高さと流出ヘッダ４の高さは同じであるが、流入ヘッダ３の径よりも流出ヘッダ４の径の方が小さく、流入ヘッダ３の内容積Ｖ１よりも流出ヘッダ４の内容積Ｖ２の方が小さいものであり、流入ヘッダ３の内容積Ｖ１＞流出ヘッダ４の内容積Ｖ２という関係性を有するものである。

また、図３に示すように、潜熱熱交換器１は、潜熱回収型給湯機５の一部を構成するものであり、潜熱回収型給湯機５は、燃焼ガスから顕熱を回収する顕熱熱交換器としての円筒状の貯湯缶体６と、石油燃料を燃焼させるバーナ部７と、貯湯缶体６の上方に設置され内部にロックウールやグラスウール等の消音材８を有する消音部９と、潜熱熱交換器１と、潜熱熱交換器１および消音部９の上方に設置された扁平箱状の連通路１０と、連通路１０と接続されバーナ部７で発生される燃焼ガスを外部に排出する排気筒１１と、潜熱熱交換器１で発生したドレンを中和する中和器１２とで構成されているものである。

前記貯湯缶体６は内部に一定量の湯水が貯湯され、貯湯缶体６の下部内側には燃焼室１３が形成され、貯湯缶体６内には多数の煙道を構成する熱交換パイプ１４が複数配置され、貯湯缶体６の上部にはバーナ部７で発生させた燃焼ガスを消音部９に流出させる缶体燃焼ガス出口１５が形成されているものである。なお、１６は貯湯缶体６内の湯水の温度を検出する貯湯温度センサ、１７は貯湯缶体６下部に接続され潜熱熱交換器１の受熱管２で予熱された湯水を貯湯缶体６に流入させる連結管、１８は貯湯缶体６上部に接続され貯湯缶体６内に貯湯されている湯水をユーザー宅内に適宜設けられた給湯栓（図示せず）に供給する給湯管である。

前記バーナ部７は、点火電極１９や燃料を供給するノズル２０や燃焼用空気を供給する燃焼ファン２１を有し、燃焼室１３内に臨ませたバーナ部７の燃焼によって発生する燃焼ガスが燃焼室１３と連通している熱交換パイプ１４を通過する際、熱交換パイプ１４内の高温の燃焼ガスと貯湯缶体６内の貯水との間で熱交換が行われ貯湯缶体６内の湯水が高温に加熱されるものである。

前記消音部９は、缶体燃焼ガス出口１５からの燃焼ガスを流入させる消音部燃焼ガス入口２２と、消音材８と、消音部９内に形成され燃焼ガスが通過する消音部燃焼ガス流路２３と、消音部燃焼ガス流路２３を通過した燃焼ガスを潜熱熱交換器１に流出させる消音部燃焼ガス出口２４とを備えているものである。

前記潜熱熱交換器１は、内部に受熱管２および流入ヘッダ３および流出ヘッダ４を収容するケーシング２５を備え、受熱管２および流入ヘッダ３および流出ヘッダ４およびケーシング２５で潜熱熱交換器１を構成するものであり、ケーシング２５はその一側面に、消音部燃焼ガス出口２４からの燃焼ガスをケーシング２５内に流入させる潜熱熱交燃焼ガス入口２６が形成され、ケーシング２５内には燃焼ガスが通過する潜熱熱交燃焼ガス流路２７が形成され、ケーシング２５の上面には潜熱熱交燃焼ガス流路２７を通過した燃焼ガスを連通路１０に流出させる潜熱熱交燃焼ガス出口２８が形成され、ケーシング２５の底面には潜熱熱交換器１で発生するドレンを中和器１２に導くドレン管２９と接続されるドレン排水接続口３０が設けられているものである。

また、流入ヘッダ３には、給水管３１と接続され給水管３１からの水を流入ヘッダ３内に流入させる流入接続口３２が設けられており、給水管３１の途中には給水圧を減圧する減圧弁３３が設けられているものである。なお、流出ヘッダ４には、潜熱熱交換器１と貯湯缶体６とを連結する連結管１７の一端と接続され潜熱熱交換器１によって加熱された湯水を流出ヘッダ４から流出させる流出接続口３４が設けられているものである。

前記連通路１０は潜熱熱交燃焼ガス出口２８からの燃焼ガスを流入させる連通路燃焼ガス入口３５と、連通路１０内に形成され燃焼ガスが通過する連通路燃焼ガス流路３６と、連通路燃焼ガス流路３６を通過した燃焼ガスを排気筒１１に流出させる連通路燃焼ガス出口３７とを備えているものである。

前記中和器１２は、その内部にドレンを中和するための中和剤（図示せず）が充填されており、ドレン管２９から中和器１２に導かれたドレンを中和し、中和されたドレンを排水管３８を介して外部に排出するものである。

次に、この潜熱回収型給湯機５の動作について説明する。
ユーザー宅内に適宜設けられた給湯栓（図示せず）を開くと、給湯管１８から貯湯缶体６内の高温水が出湯されて給湯が開始される。それと同時に、給水管３１から流入ヘッダ３に水が流入し、水は流入ヘッダ３から各受熱管２内に流入し、各受熱管２内を通過した水は、各受熱管２から流出ヘッダ４へ流出し、流出ヘッダ４から連結管１７を介して貯湯缶体６内に流入するものである。

そして、貯湯缶体６内の温水の温度が徐々に低下し、貯湯温度センサ１６で検出する温度が所定温度以下になると、バーナ部７にて燃焼が開始され、その燃焼ガスが燃焼室１３から貯湯缶体６内の熱交換パイプ１４を通過する際、熱交換パイプ１４内の高温の燃焼ガスと貯湯缶体６内の貯水との間で熱交換されて貯湯缶体６内の被加熱流体としての水を加熱するものである。

前記熱交換パイプ１４内を通過して顕熱を吸熱された燃焼ガスは、缶体燃焼ガス出口１５を抜け消音部燃焼ガス入口２２から消音部９に流入する。消音部９に流入した燃焼ガスは、まだ高温で音速が大きく、同一周波数でも波長が短いので、消音部９を潜熱熱交換器１の上流側に配置することにより、小容積の消音部９でも低周波を効果的に消音できるものである。また、燃焼ガスの流れ方向として消音部９を潜熱熱交換器１の上流側に配置することで、まだ燃焼ガスがドレンを生じるほど温度が低下しておらず、ドレンによる消音材８の腐食を防止できるものである。

消音部９を通過した燃焼ガスは、潜熱熱交燃焼ガス入口２６から潜熱熱交換器１のケーシング２５内に流入し、ケーシング２５内の潜熱熱交燃焼ガス流路２７を通過する燃焼ガスは、ケーシング２５内に収容された複数の受熱管２および流入ヘッダ３および流出ヘッダ４を流通する水と熱交換して貯湯缶体６に流入される水を加熱し、潜熱熱交換器１の潜熱熱交燃焼ガス流路２７を通過して潜熱を吸熱された燃焼ガスは、潜熱熱交燃焼ガス出口２８を抜けて連通路１０に流入し、連通路１０を通り排気筒１１から外部に排気されるものである。

前記潜熱熱交換器１において、複数の受熱管２内を流通する被加熱流体としての水と、加熱流体としての燃焼ガスとが熱交換されると、燃焼ガス中の水蒸気が露点以下となることによって、燃焼ガスと接触する受熱管２表面や流入ヘッダ３および流出ヘッダ４の表面に強酸性のドレンが生成され、生成されたドレンはケーシング２５の底面で回収され、ドレン排水接続口３０に導かれるものである。潜熱熱交換器１で発生したドレンは、ドレン排水接続口３０からドレン管２９を通過し中和器１２に流入し、中和器１２内で中和剤と接触して中和され、中和されたドレンは排水管３８を介して所定箇所の下水に排水されるものである。

次に、潜熱熱交換器１の通水時における受熱管２内および流入ヘッダ３内および流出ヘッダ４内の水の状態について、図１中の矢視方向から見た潜熱熱交換器１を示した図４に基づいて説明する。なお、図４中の点線は、受熱管２内および流入ヘッダ３内および流出ヘッダ４内の水を表すものとする。

潜熱回収型給湯機５を設置して初めて潜熱熱交換器１に通水するときや、潜熱回収型給湯機５内の潜熱熱交換器１の受熱管２等の水が流通する流路の凍結予防のために水抜きを行った後に再度通水するとき等に、流入ヘッダ３に流入した水は、流入ヘッダ３から各受熱管２に分かれて流れ、流出ヘッダ４に集まって流出ヘッダ４から連結管１７に供給されるものであるが、ここでは、流入ヘッダ３の内容積Ｖ１と流出ヘッダ４の内容積Ｖ２とが、Ｖ１＞Ｖ２という関係性を有するようにしたことで、受熱管２内に残ろうとするエアーを押し出すことができ、図４に示すように、通水した時に受熱管２内や流入ヘッダ３内および流出ヘッダ４内はエアーがなく水で充満した状態となるものである。

よって、本実施形態のように、顕熱熱交換器が貯湯式の熱交換器（貯湯缶体６）で通水路の途中に減圧弁３３が設けられて給水圧が減圧されている、あるいは潜熱回収型給湯機５から宅内に適宜設けられた給湯栓（図示せず）までの通水配管の取り回しが複雑で通水配管の長さが長いことで、給湯の圧力が弱いまたは給湯流量が少ない場合であっても、エアーを押し出しきることができ、先に説明した図６に示したような、最上部の受熱管２内にエアーが溜まる状態がなく、熱交換効率の低下を防止することができるものである。

なお、本発明は先に説明した一実施形態に限定されるものではなく、本実施形態の潜熱熱交換器１では、受熱管２は、上下方向に間隔を介して縦１列に積層したものであるが、流入ヘッダ３の内容積Ｖ１と流出ヘッダ４の内容積Ｖ２とが、Ｖ１＞Ｖ２という関係性を有していれば、受熱管２は、上下方向（列方向）だけでなく横方向（行方向）にも配置するような複数本並列的に並べたものであってもよいものである。

また、本実施形態では、流入ヘッダ３および流出ヘッダ４はケーシング２５内に配設されているが、流入ヘッダ３の内容積Ｖ１と流出ヘッダ４の内容積Ｖ２とが、Ｖ１＞Ｖ２という関係性を有していれば、流入ヘッダ３および流出ヘッダ４はケーシング２５の外に配設されていてもよいものである。

１潜熱熱交換器
２受熱管
３流入ヘッダ
４流出ヘッダ
２５ケーシング

Claims

内部に燃焼ガスの流路を有するケーシングと、該ケーシング内に収容される複数の受熱管と、該受熱管の上流端が接続され前記受熱管に被加熱流体を流入させる流入ヘッダと、前記受熱管の下流端が接続され前記受熱管からの被加熱流体が流出される流出ヘッダとを備え、前記受熱管は上下方向に積層され前記流入ヘッダと前記流出ヘッダとの間を水平方向に通水させるようにした潜熱熱交換器において、前記流入ヘッダの内容積よりも前記流出ヘッダの内容積を小さくしたことを特徴とする潜熱熱交換器。