JP2016029314A - 熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】伝熱管全体の圧力損失を小さくし得るとともに、熱交換効率を従来よりも好適に高めることが可能な熱交換器を提供する。
【解決手段】加熱用気体の給気口２１ａおよび排気口２２が設けられているケース２内に配された複数の螺旋状管体部１０を有し、かつこれらが略同心の重ね巻き状に配されている複数の主伝熱管１と、ケース２内に配された補助伝熱管３と、複数の主伝熱管１および補助伝熱管３の両端部に接続された湯水の流入用および流出用の一対のヘッダ４ａ，４ｂと、を備えている、熱交換器ＨＥであって、補助伝熱管３は、複数の主伝熱管１の互いに隣接する螺旋状管体部１０どうしの相互間に介装された主管体部３０を有し、かつこの主管体部３０を介して互いに隣接する螺旋状管体部１０の相互間には、主管体部３０の外径以上の寸法の隙間ｃ１が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、たとえば給湯装置などの構成要素として用いられる熱交換器、より詳しくは、いわゆる螺旋式伝熱管を用いたタイプの熱交換器に関する。

本出願人は、熱交換器の一例として、特許文献１に記載のものを先に提案している。
同文献に記載の熱交換器は、燃焼ガスが導入されるケース内に、螺旋状管体部を有する複数の主伝熱管と、螺旋状管体部を有しない補助伝熱管とを収容させたものである。複数の主伝熱管の螺旋状管体部は、縦横の幅（巻き径）が相違しており、略同心の重ね巻き状に配列されている。一方、補助伝熱管は、前記複数の螺旋状管体部の内方に形成された空間部に配されている。複数の主伝熱管および補助伝熱管の両端部には、入水用および出湯用のヘッダが接続されており、入水用のヘッダから複数の主伝熱管および補助伝熱管のそれぞれに流入した湯水は、燃焼ガスによって加熱されてから出湯用のヘッダに到達して出湯する。
前記した構成によれば、主伝熱管が螺旋状管体部を有し、かつスペース効率のよい重ね巻き状とされているために、主伝熱管の総本数を比較的少なくしつつ、それらの伝熱面積を大きくし、高い熱交換効率を得ることが可能である。さらに、補助伝熱管によっても熱回収がなされるため、熱交換効率をより高めることが可能である。補助伝熱管は、螺旋状管体部の内方に形成された空間部を有効に利用して設けられているため、伝熱管全体が嵩張ることを抑制し、熱交換器の小型化を図る上でも好ましいものとなる。

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、複数の螺旋状管体部の重ね巻き方向の配列ピッチは、比較的小さくされており、複数の螺旋状管体部どうしの隙間（重ね巻き方向の隙間）が小さくされている。このような構成は、複数の螺旋状管体部の全体の小型化を図る上で好ましい。ところが、このような構成によれば、互いに隣り合う螺旋状管体部どうしの隙間が小さいことに起因し、この隙間に燃焼ガスが回り込み難くなる。これでは、螺旋状管体部のうち、燃焼ガスが十分に作用しない部分が生じてしまい、螺旋状管体部の全体を有効に利用した熱回収がなされているとは言い難い。したがって、主伝熱管による熱回収量を高め、熱交換効率を高める上で、未だ改善の余地がある。

一方、補助伝熱管は、熱回収量を多くするのに役立つとともに、熱交換器に湯水を送り込んだ際の圧力損失を低くするのにも役立つ。より詳しくは、複数の螺旋状管体部は、伝熱面積を確保する観点から長寸法に形成する必要があり、その流路抵抗が大きくなるため、主伝熱管を用いただけでは、これらの内部に供給される湯水の圧力損失が大きくなる。これに対し、補助伝熱管を設け、かつその流路抵抗を小さいものとすれば、伝熱管全体の圧力損失を小さくすることが可能である。
熱交換器の熱交換効率を高める上では、前記したような補助伝熱管の有益な機能を損なわないように配慮することが望まれる。

特開２００８−１２１９５９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り、伝熱管全体の圧力損失を小さくし得るとともに、熱交換効率を従来よりも好適に高めることが可能な熱交換器を提供することを、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。

本発明により提供される熱交換器は、加熱用気体の給気口および排気口が設けられているケースと、このケース内に配された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主伝熱管と、前記ケース内に配され、かつ螺旋状管体部を有しない伝熱管として構成されている少なくとも１つの補助伝熱管と、前記複数の主伝熱管および前記補助伝熱管の両端部に接続され、かつ前記複数の主伝熱管および前記補助伝熱管に対する湯水の流入および流出を行なわせるための一対のヘッダと、を備えている、熱交換器であって、前記補助伝熱管は、前記複数の主伝熱管の互いに隣接する螺旋状管体部どうしの相互間に介装された主管体部を有しており、かつこの主管体部を介して互いに隣接する螺旋状管体部の相互間には、前記主管体部の外径以上の寸法の隙間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、次のような効果が得られる。
第１に、複数の主伝熱管の螺旋状管体部のうち、補助伝熱管の主管体部を介して互いに隣接する螺旋状管体部の相互間には、主管体部の外径以上の大きな隙間が設けられているために、螺旋状管体部の相互間の隙間が小さくされていた従来技術とは異なり、螺旋状管体部どうしの隙間に加熱用気体を十分に回り込ませ、この加熱用気体を螺旋状管体部の広い領域に効率よく作用させることが可能となる。その結果、複数の主伝熱管による熱回収量を多くし、熱交換効率を高めることができる。
第２に、補助伝熱管として、複数の主伝熱管よりも流路抵抗が小さいものを用いることにより、従来技術と同様に、伝熱管全体における湯水の圧力損失を低減させる効果が得られる。また、補助伝熱管の主管体部に加熱用気体を作用させて熱回収を行なわせることも可能である。したがって、補助伝熱管を利用した圧力損失低減効果、および熱回収効果を適切に得ることもできる。

本発明において、好ましくは、前記補助伝熱管の主管体部は、直管状とされ、かつ前記補助伝熱管の全長は、前記複数の主伝熱管のいずれの全長よりも短くされている。

このような構成によれば、補助伝熱管の形状を単純なものとし、その製造コストを廉価にする上で好ましい。また、補助伝熱管の流路抵抗を主伝熱管の流路抵抗よりも小さくする上でも好ましいものとなる。

本発明において、好ましくは、前記補助伝熱管の主管体部は、前記複数の螺旋状管体部の螺旋中心の軸長方向に対して傾斜した角度で起立しており、前記給気口から前記ケース内に供給された加熱用気体は、前記複数の螺旋状管体部および前記主管体部の配置箇所を、前記軸長方向とは交差する方向に進行して前記排気口に到達するように構成されている。

このような構成によれば、補助伝熱管の起立状の主管体部に対して加熱用気体をそれとは交差する方向から作用させることができるために、補助伝熱管による熱回収量を多くすることができる。主管体部が傾斜した角度で起立していれば、主管体部が非傾斜の場合よりも、主管体部の寸法を長くし、熱回収量を増やすことも可能である。一方、前記構成によれば、複数の螺旋状管体部に対しても加熱用気体を効率よく作用させることができる。

本発明において、好ましくは、前記複数の主伝熱管および前記補助伝熱管は、前記螺旋状管体部の両端または前記主管体部の両端に繋がった複数の延設管体部を有し、かつこれら複数の延設管体部は、前記一対のヘッダに接続されており、前記補助伝熱管の延設管体部は、前記複数の主伝熱管の互いに隣接する延設管体部どうしの相互間に配されている。

このような構成によれば、補助伝熱管の延設管体部と主伝熱管の延設管体部とを交差させるようなことなく略平行に並べればよいこととなり、補助伝熱管および主伝熱管の構成の簡素化を図ることができる。

本発明において、好ましくは、前記補助伝熱管として、複数の補助伝熱管が設けられており、これら複数の補助伝熱管の主管体部と前記複数の螺旋状管体部とは、前記複数の螺旋状管体部の重ね巻き方向に１つずつ交互に配置されている。

このような構成によれば、複数の補助伝熱管の主管体部と複数の螺旋状管体部とをスペース効率良く配置しつつ、より高い熱交換効率を得ることが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記一対のヘッダの一方に対する湯水の流入は、ポンプを利用して行なわれる構成とされている。

本発明に係る熱交換器においては、既述したように、補助伝熱管を利用して圧力損失を低減することができるために、前記ポンプの負荷を小さくすることが可能である。

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。

（ａ）は、本発明に係る熱交換器の一例を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の熱交換器に用いられている一部の伝熱管を示す平面図である。 図１（ａ）の熱交換器に用いられている一部の伝熱管を示す斜視図である。 図２のIII−III断面図である。 図２のIV−IV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に示す熱交換器ＨＥは、たとえば給湯装置の構成要素として用いられ、給湯装置に具備されている燃焼器によって発生された燃焼ガスから熱回収を行なうことにより給湯用の湯水を加熱生成するのに利用される。
この熱交換器ＨＥは、１缶２回路方式であり、ケース２内に、仕切板２９を介して仕切られた第１および第２の熱交換部Ｈ１，Ｈ２が設けられた構成とされている。ケース２は、略直方体状であり、後壁部２０ａに給気口２１ａ，２１ｂが設けられ、かつ前壁部２０ｂに排気口２２が設けられている。給気口２１ａ，２１ｂからケース２内には燃焼ガスが流入し、第１および第２の熱交換部Ｈ１，Ｈ２において熱回収がなされた後の燃焼ガスが排気口２２からケース２の外部に排気される。

第１の熱交換部Ｈ１は、床暖房用などの温水暖房端末９に配管部９０を介して接続され、かつポンプＰを利用して送られてくる湯水（不凍液を含む）の加熱に用いられる温水暖房用の熱交換器であり、本発明が意図する熱交換器を構成する主要部分である。これに対し、第２の熱交換部Ｈ２は、たとえば水道圧を利用して供給されてくる湯水（水道水を含
む）の加熱に用いられる一般給湯用の熱交換器であり、本発明が意図する熱交換器を直接的に構成する部分ではない。第２の熱交換部Ｈ２は、たとえば特許文献１に記載された螺旋式の伝熱管と同様に、平面視矩形状または長円状の複数の螺旋状管体部８が略同心に配され、かつそれらの下端部および上端部に一体的に連設された延設管体部８０ａ，８０ｂがケース２の側壁部２０ｃを貫通し、入水用および出湯用の一対のヘッダ７ａ，７ｂに接続された構成を有している。

第１の熱交換部Ｈ１は、複数の主伝熱管１および補助伝熱管３（本実施形態では、いずれも３本）を用いて構成されている。図１（ｂ）においては、補助伝熱管３にクロスハッチングを付している。主伝熱管１は、第２の熱交換部Ｈ２の各伝熱管と比較すると、小サイズであるが、その基本的な構成は同様であり、螺旋状管体部１０の下端部および上端部に直管状の延設管体部１１ａ，１１ｂが一体的に繋がった構成を有している。複数の主伝熱管１は、それらの螺旋状管体部１０の縦横のサイズが相違するように形成されて、略同心の重ね巻き状とされている。延設管体部１１ａ，１１ｂは、ケース２の側壁部２０ｄを貫通し、かつ入水用および出湯用の一対のヘッダ４ａ，４ｂに接続されている。

複数の補助伝熱管３は、直管状の主管体部３０と、この主管体部３０の下端部および上端部に一体的に繋がった延設管体部３１ａ，３１ｂとを有しており、全体が略コ字状に屈曲した形態とされている。図３の仮想線で示すように、主管体部３０は、斜めに傾いた起立姿勢に設けられている。また、複数の補助伝熱管３のそれぞれは、複数の主伝熱管１のいずれよりも全長寸法が短く、かつ流路抵抗が小さいものとされている。

補助伝熱管３の下側の延設管体部３１ａと、主伝熱管１の下側の延設管体部１１ａとは、ケース２の前後方向に１つずつ交互に並んだ状態で入水用のヘッダ４ａに接続されている。これと同様に、上側の複数の延設管体部３１ｂ，１１ｂも、ケース２の前後方向に１つずつ交互に並んだ状態で出湯用のヘッダ４ｂに接続されている。さらに、複数の主管体部３０と螺旋状管体部１０も１つずつ交互に並んだ配列とされており、１つの主管体部３０は、最内周の螺旋状管体部１０の内方に位置しているが、他の２つの主管体部３０は、他の螺旋状管体部１０の相互間の位置に配されている（図２および図４も参照）。このことにより、主管体部３０が設けられている領域近辺の複数の螺旋状管体部１０の重ね巻き方向の配列ピッチは大きくされ、水平方向において主管体部３０を介して隣り合う螺旋状管体部１０どうしの相互間には、主管体部３０の外径以上の隙間ｃ１が設けられている。

次に、前記した熱交換器ＨＥの作用について説明する。

まず、第１の熱交換部Ｈ１においては、給気口２１ａからケース２内に流入した燃焼ガスが複数の主伝熱管１および補助伝熱管３に作用することにより前記燃焼ガスからの熱回収がなされ、主伝熱管１および補助伝熱管３内を流通する湯水が加熱される。ここで、螺旋状管体部１０の重ね巻き方向配列ピッチは、既述したように、大きくされているため、たとえば図３の矢印Ｎ１で示すように、１つの管体部１０ａに作用した燃焼ガスは、この管体部１０ａを前方側（同図の右側）へ通過した後に、この管体部１０ａとこれに隣接する次の管体部１０ｂとの隙間ｃ１に回り込み易くなり、次の管体部１０ｂの略全域に対してその背後から作用する。このような作用は、矢印Ｎ２，Ｎ３で示すように、管体部１０ｂ，１０ｃなどの他の領域においても同様に生じる。本実施形態とは異なり、螺旋状管体部１０どうしの隙間が小さくされている場合には、前記したような燃焼ガス流れは生じず、螺旋状管体部１０の全体を有効に利用した熱回収は難しい。本実施形態によれば、そのような不具合が解消され、螺旋状管体部１０による熱回収量を多くし、高い熱交換効率を得ることが可能である。

複数の補助伝熱管３による熱回収効果も得られるため、熱交換効率をさらによくするこ
とが可能である。とくに本実施形態では、補助伝熱管３の主管体部３０が、燃焼ガスの進行方向に対して交差する角度となるように起立している。このため、補助伝熱管３による熱回収量をより多くすることができる。

複数の補助伝熱管３は、複数の主伝熱管１よりも流路抵抗が小さいため、第１の熱交換部Ｈ１の全体を湯水が通過する際の圧力損失を小さくすることが可能である。このため、ポンプＰの負荷を小さくし、ポンプＰとして大型のものを用いる必要を無くす利点も得られる。

補助伝熱管３および主伝熱管１は、主管体部３０と螺旋状管体部１０とが１つずつ交互に配置されているだけではなく、これらの下側の延設管体部３１ａ，１１ａどうし、および上側の延設管体部３１ｂ，１１ｂどうしも１つずつ交互に並んだ配置とされている。このため、延設管体部３１ａ，１１ａどうし、または３１ｂ，１１ｂどうしを、たとえば互いに交差させるような必要はなく、整然と平行に並べればよいこととなる。したがって、補助伝熱管３および主伝熱管１の形状を簡素にし、これらの製造コストが高くなることを抑制する上で好ましいものとなる。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器の各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

主伝熱管の螺旋状管体部の平面視形状は、略矩形状や長円状に限らず、たとえば円形状（真円状）、楕円状などの他の形状とすることもできる。複数の主伝熱管の具体的な本数も限定されない。補助伝熱管は、主伝熱管とは異なり、螺旋状管体部を有しない形態とされていればよく、その具体的な形状は限定されない。また、補助伝熱管は、主伝熱管と同数または略同数設けることにより、複数の螺旋状管体部どうしの各隙間に補助伝熱管が介装された構成とすることが好ましいものの、やはり本発明はこれに限定されず、複数の螺旋状管体部どうしの隙間のうち、補助伝熱管が介装されていない隙間が存在していてもかまわない。補助伝熱管は、少なくとも１つ設けられていればよい。

本発明に係る熱交換器は、１缶２回路方式のものに代えて、たとえば１缶１回路方式のものに構成することもできる。また、本発明に係る熱交換器は、温水暖房用の熱交換器として用いるのに適するが、やはりこれに限定されるものではなく、たとえば一般給湯用や風呂給湯用などの熱交換器として用いることができることは勿論である。ケース内に供給される加熱用気体の具体的な種類は問わず、たとえばコージェネレーションシステムの発電部から排出される高温の排ガスなどを加熱用気体として用いることもできる。

ＨＥ 熱交換器
Ｐ ポンプ
ｃ１ 隙間
１ 主伝熱管
１０ 螺旋状管体部
１１ａ，１１ｂ 延設管体部（主伝熱管の）
２ ケース
２１ａ 給気口
２２ 排気口
３ 補助伝熱管
３０ 主管体部（補助伝熱管の）
３１ａ，３１ｂ 延設管体部（補助伝熱管の）
４ａ，４ｂ ヘッダ

Claims (6)

1. 加熱用気体の給気口および排気口が設けられているケースと、
   このケース内に配された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主伝熱管と、
   前記ケース内に配され、かつ螺旋状管体部を有しない伝熱管として構成されている少なくとも１つの補助伝熱管と、
   前記複数の主伝熱管および前記補助伝熱管の両端部に接続され、かつ前記複数の主伝熱管および前記補助伝熱管に対する湯水の流入および流出を行なわせるための一対のヘッダと、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記補助伝熱管は、前記複数の主伝熱管の互いに隣接する螺旋状管体部どうしの相互間に介装された主管体部を有しており、かつこの主管体部を介して互いに隣接する螺旋状管体部の相互間には、前記主管体部の外径以上の寸法の隙間が設けられていることを特徴とする、熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記補助伝熱管の主管体部は、直管状とされ、かつ前記補助伝熱管の全長は、前記複数の主伝熱管のいずれの全長よりも短くされている、熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器であって、
   前記補助伝熱管の主管体部は、前記複数の螺旋状管体部の螺旋中心の軸長方向に対して傾斜した角度で起立しており、
   前記給気口から前記ケース内に供給された加熱用気体は、前記複数の螺旋状管体部および前記主管体部の配置箇所を、前記軸長方向とは交差する方向に進行して前記排気口に到達するように構成されている、熱交換器。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器であって、
   前記複数の主伝熱管および前記補助伝熱管は、前記螺旋状管体部の両端または前記主管体部の両端に繋がった複数の延設管体部を有し、かつこれら複数の延設管体部は、前記一対のヘッダに接続されており、
   前記補助伝熱管の延設管体部は、前記複数の主伝熱管の互いに隣接する延設管体部どうしの相互間に配されている、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であって、
   前記補助伝熱管として、複数の補助伝熱管が設けられており、
   これら複数の補助伝熱管の主管体部と前記複数の螺旋状管体部とは、前記複数の螺旋状管体部の重ね巻き方向に１つずつ交互に配置されている、熱交換器。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の熱交換器であって、
   前記一対のヘッダの一方に対する湯水の流入は、ポンプを利用して行なわれる構成とされている、熱交換器。

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