JP2017116190A - 熱交換器および温水装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】高い伝熱効率を有しつつ、伝熱管内のスケールの発生を抑制することのできる熱交換器および温水装置を提供する。【解決手段】本発明の熱交換器は、内部に加熱用気体を流すケースと、ケースの内部に配置された、複数の挿通孔を有するフィンと、複数の挿通孔に挿通され、湯水を流す伝熱管と、を備える。複数の挿通孔は、加熱用気体の流れ方向において、加熱用気体の流入側に最も近接する側に配置された、互いに隣り合う第１挿通孔および第２挿通孔を含む。フィンは、第１挿通孔と第２挿通孔との間において、加熱用気体の流入側の端縁から、第１挿通孔の中心と第２挿通孔の中心とを結ぶ基準線に対して加熱用気体の流入側から遠い側まで切り込まれたスリットを有する。また、フィンは、スリットと、第１挿通孔および第２挿通孔との間に、少なくとも１つの開口部を有する。開口部は、基準線に対して加熱用気体の流入側から遠い側に位置する部分を有する第１開口部を含む。【選択図】図４

Description

本発明は、熱交換器および温水装置に関する。
温水装置などに用いられる熱交換器において、高温の加熱用気体が接触する部位における伝熱管の過度の加熱を抑制し、伝熱管内での沸騰、スケール発生、損傷などを抑制するために、熱交換抑制手段を設けることが知られている（特許文献１）。
具体的に特許文献１では、熱交換手段として、伝熱管に対して加熱用気体（燃焼ガス）の流れ方向における上流側（以下、単に「上流側」ということがある。）に熱伝導率の低い金属板を設けること、あるいは、フィン（伝熱フィン）において伝熱管の上流側に複数の孔を設けることなどが記載されている。
特開２００１−８２８０８号公報
熱交換器の伝熱効率を向上させるために、フィンの加熱用気体の流入側端部にスリットを設ける場合がある。スリットは、隣り合う２つの伝熱管の間において、フィンの流入側端部から加熱用気体の流れの下流側（以下、単に「下流側」ということがある。）に向かって切り込まれている。伝熱効率を高めるためには、スリットをより下流側に切り込まれた形状とすることが望ましい。
しかしながら、本発明者らの検討により、スリットをより下流側に切り込まれた形状としたときに、伝熱管の周囲のフィンにおいて、伝熱管の上流側以外の部位（伝熱管の中心より下流側の部分）が高温になる場合があることが分かった。このため、伝熱管の燃焼ガス上流側だけで加熱用気体からの熱交換を抑制しても、伝熱管の過度の加熱を十分に抑制することができず、伝熱管内のスケールの発生を十分に抑制することができないと考えられる。
また、特に伝熱管の内部を流通する湯水が硬水である場合は、高温部でスケールが発生し易い。スケールの堆積により、伝熱効率の低下を招き、経年的に伝熱管に亀裂または割れが生じて漏水が起きる場合もある。このため、伝熱管の内部を流通する湯水が硬水である場合には、伝熱管内のスケールの発生をより確実に抑制することが求められる。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高い伝熱効率を有しつつ、伝熱管内のスケールの発生を抑制することのできる熱交換器および温水装置を提供することを目的とする。
本発明の熱交換器は、内部に加熱用気体を流すケースと、ケースの内部に配置された、複数の挿通孔を有するフィンと、複数の挿通孔に挿通され、湯水を流す伝熱管と、を備える。複数の挿通孔は、加熱用気体の流れ方向において、加熱用気体の流入側に最も近接する側に配置された、互いに隣り合う第１挿通孔および第２挿通孔を含む。
フィンは、第１挿通孔と第２挿通孔との間において、加熱用気体の流入側の端縁から、第１挿通孔の中心と第２挿通孔の中心とを結ぶ基準線に対して加熱用気体の流入側から遠い側まで切り込まれたスリットを有する。また、フィンは、スリットと、第１挿通孔および第２挿通孔との間に、少なくとも１つの開口部を有する。開口部は、基準線に対して加熱用気体の流入側から遠い側に位置する部分を有する第１開口部を含む。
本発明の熱交換器では、上記のスリットを有するフィンを用いることにより高い伝熱効率を有する。また、上記のスリットを有するフィンにおいて高温となりやすい部位に上記の開口部が設けられていることにより、伝熱管の過度の加熱を抑制し、伝熱管内のスケールの発生を抑制することができる。
上記の熱交換器において、加熱用気体の流出側においてケースを覆い、かつ、加熱用気体の流出口を有する排気集合筒をさらに備える。スリットは、加熱用気体の流れ方向において、流出口の開口部分と重なる範囲内（後述する図８および図６に示す範囲Ａ）にあり、第１挿通孔および第２挿通孔の少なくともいずれかの方向に向かって切り欠かれた切欠部を有している。切欠部は、基準線に対して加熱用気体の流入側から遠い側に位置する部分を有する。これにより、伝熱管の過度の加熱をより確実に抑制することができる。
上記の熱交換器において、第１挿通孔は、加熱用気体の流れ方向において、加熱用気体の流入側に最も近接する側に配置された複数の挿通孔のうち、伝熱管の湯水の流れ方向における最も下流側に配置された挿通孔であり、第１挿通孔および第２挿通孔の少なくともいずれかの方向に向かって切り欠かれた切欠部を有している。切欠部は、基準線に対して加熱用気体の流入側から遠い側に位置する部分を有する。これにより、伝熱管の過度の加熱をより確実に抑制することができる。
上記の熱交換器において、フィンは、加熱用気体の流入側の端縁においてスリット以外の他のスリットを有し、他のスリットは切欠部を有していない。これにより、伝熱管における伝熱効率を適度に維持しつつ、伝熱管の過度の加熱をより確実に抑制することができる。
上記の熱交換器において、開口部は、基準線よりも加熱用気体の流入側に近い側に位置する第２開口部をさらに含む。これにより、伝熱管の過度の加熱をより確実に抑制することができる。
上記の熱交換器において、第１開口部の開口面積は、第２開口部の開口面積よりも大きい。これにより、伝熱管における伝熱効率を適度に維持しつつ、伝熱管の過度の加熱をより確実に抑制することができる。
また、本発明は、上記の熱交換器と、加熱用気体を発生させるバーナと、を備える温水装置にも関する。この温水装置においても、上記の熱交換器と同様の効果が奏される。
本発明によれば、高い伝熱効率を有しつつ、伝熱管内のスケールの発生を抑制することのできる熱交換器および温水装置を提供することができる。
実施形態１に係る温水装置の構成を示す概略図である。 実施形態１に係る温水装置の送風部、燃焼装置、一次熱交換器および二次熱交換器の構成を示す斜視図である。 実施形態１に係る温水装置の一次熱交換器および二次熱交換器の構成を示す一部破断斜視図である。 実施形態１に係るフィンの構成を示す正面図である。 図４に示すフィンの部分拡大図である。 実施形態２に係るフィンの構成を示す正面図である。 図６に示すフィンの部分拡大図である。 実施形態２に係る温水装置の一次熱交換器および排気集合筒の構成を示す断面図である。 実施形態２に係るフィンおよび伝熱管の構成を示す斜視図である。
＜実施形態１＞
以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。まず、本実施形態における熱交換器を備えた温水装置の構成について図１〜図３を用いて説明する。
図１および図２を参照して、本実施形態の温水装置１（給湯装置、暖房装置など）は、本体ケース２と、バーナ３と、送風部６と、一次熱交換器１１と、二次熱交換器２１とを主に有している。バーナ３は、加熱用気体（燃焼ガス）を供給するためのものである。このバーナ３は、燃焼管などを含む燃焼部３ａと、バーナケース３ｂとを有しており、燃焼部３ａはバーナケース３ｂ内に収容されている。このバーナ３には、バーナ３に燃料ガスを供給するためのガス管５が接続されている。
送風部６は、バーナ３に燃焼用空気を供給するためのものであって、たとえばファン、ファンケース、ファンモータなどを有している。この送風部６はバーナ３の下部に取付けられている。
一次熱交換器１１および二次熱交換器２１の各々は、バーナ３から供給された加熱用気体によって熱交換を行うためのものである。バーナ３の上に一次熱交換器１１が取付けられており、その一次熱交換器１１の上に二次熱交換器２１が取付けられている。
一次熱交換器１１と二次熱交換器２１とは配管３２で接続されている。二次熱交換器２１には、二次熱交換器２１に水を供給するための給水管３１が接続されている。一次熱交換器１１には、一次熱交換器１１から湯を送り出すための出湯管３３が接続されている。
上記の給水管３１と出湯管３３との間にバイパス管３５が接続されている。このバイパス管３５は、出湯管３３から送り出される湯の温度を給水管３１の水で調整するためのものである。
図１および図３を参照して、一次熱交換器１１は、互いに間隔を隔てて配置された複数のフィン１３と、複数のフィン１３を貫通する伝熱管１５と、複数のフィン１３および伝熱管１５を内部に収容するケース１７とを有している。ケース１７の内部には、バーナ３で加熱された加熱用気体が導入される。
伝熱管１５は、一方端にて配管３２に接続されており、かつ他方端にて出湯管３３に接続されている。これにより、伝熱管１５の内部に湯水が流通される。なお伝熱管１５は、ケースの内部に位置する部分を有する複数のケース内配管１５１と、ケースの外部において複数のケース内配管１５１を互いに接続する複数の接続管１５２とを含む。ケース内配管は、加熱用気体の流入側（バーナ３側）に最も近い側に配置された複数のケース内配管１５１ａと、ケース内配管１５１ａよりも加熱用気体の流入側に対して遠い側に配置された複数のケース内配管１５１ｂとからなる。
また二次熱交換器２１は、複数の（例えばらせん状の）伝熱管２５と、伝熱管２５を内部に収容するケース２７とを有している。伝熱管２５は、一方端にて給水管３１に接続されており、かつ他方端にて配管３２に接続されている。
なお、本実施形態において、本発明に係る熱交換器は一次熱交換器１１に対応し、二次熱交換器２１には対応しない。
図３を参照して、一次熱交換器１１と二次熱交換器２１との間には、排気集合筒４２が配置されている。排気集合筒４２は、熱交換器のバーナが配置された側とは反対側において熱交換器上を覆っている。この排気集合筒４２には、熱交換器から加熱用気体を流出させる（すなわち、一次熱交換器１１を経た加熱用気体を二次熱交換器２１へ供給する）ための流出口４２ａが形成されている（図８参照）。また二次熱交換器２１のケース２７には、加熱用気体を排気するための排気口２７ａが設けられている。
次に、本実施形態の熱交換器（一次熱交換器１１）の特徴的構成について、図４および図５を用いて説明する。
図４を参照して、フィン１３のそれぞれは、板状の部材からなり、その板状の部材に複数の挿通孔１３１ａ，１３１ｂを有している。伝熱管１５は、複数の挿通孔１３１ａ，１３１ｂに挿通された状態で、複数のフィン１３を貫通するように配置されている。なお、伝熱管１５は、複数の挿通孔１３１ａ，１３１ｂの各々の周縁にろう付けされている。
複数の挿通孔１３１ａ，１３１ｂは、加熱用気体の流れ方向Ｄにおいて、加熱用気体の流入側（バーナ３側）に最も近接する側（Ｄの矢印と反対側）に配置された第１段目の挿通孔１３１ａと、第１段目の挿通孔１３１ａよりも加熱用気体の流入側に対して遠い側に配置された第２段目の挿通孔１３１ｂとを含む。第１段目の挿通孔１３１ａは、互いに隣り合う第１挿通孔１３１ｃおよび第２挿通孔１３１ｄを含む。
なお、第１段目の挿通孔１３１ａに伝熱管１５のケース内配管１５１ａが挿通され、第２段目の挿通孔１３１ｂに伝熱管１５のケース内配管１５１ｂが挿通される（図３、図８および図９）。
図４に示すフィンの部分拡大図である図５を参照して、フィン１３は、第１挿通孔１３１ｃと第２挿通孔１３１ｄとの間において、加熱用気体の流入側の端縁１３ａから切り込まれたスリット１３２を有している。ここで、スリット１３２は、第１挿通孔１３１ｃの中心Ｃ１と第２挿通孔１３１ｄの中心Ｃ２とを結ぶ基準線Ｌに対して加熱用気体の流入側から遠い側Ｓ１まで切り込まれている。スリット１３２をこのように深く切り込まれた形状とすることで、加熱用気体の熱が比較的温度の低い第２段目の伝熱管（ケース内配管１５１ｂ）まで伝わりやすくなるため、熱交換器全体の伝熱効率を高めることができる。
そして、フィン１３は、スリット１３２と、第１挿通孔１３１ｃおよび第２挿通孔１３１ｄとの間に、開口部１３３を有している。ここで、開口部１３３は、基準線Ｌに対して加熱用気体の流入側から遠い側Ｓ１に位置する部分を有する第１開口部１３３ａを含んでいる。第１開口部１３３ａが設けられる位置は、スリット１３２が上記のように深く切り込まれている場合に、フィン１３の温度が最も高くなる傾向にある部位である。このような部位に、開口部を設けることでスリット１３２の端縁から伝熱管１３３ｃ，１３３ｄへの熱伝導が抑制されるため、第１挿通孔１３１ｃおよび第２挿通孔１３１ｄに挿通された伝熱管１５（ケース内配管１５１ａ）が過度に加熱されることを抑制できる。
開口部１３３は、基準線Ｌよりも加熱用気体の流入側に近い側Ｓ２に位置する第２開口部１３３ｂ，１３３ｃをさらに含む。これにより、フィン１３の温度が第１開口部の位置の次に高くなる部位の熱伝導も抑制できるため、より確実に第１挿通孔１３１ｃおよび第２挿通孔１３１ｄに挿通された伝熱管１５（ケース内配管１５１ａ）が過度に加熱されることを抑制できる。
ここで、第１開口部１３３ａの開口面積は、第２開口部１３３ｂ，１３３ｃの開口面積よりも大きい。これは、これらの開口部１３３がない場合において、通常、フィン１３は、第１開口部１３３ａが設けられる部分の温度が最も高く、第２開口部１３３ｂ，１３３ｃが設けられる部分の温度はそれよりも低いからである。これにより、フィン１３の温度分布に応じた熱伝導のバランスを適切に調整して、全体の伝導効率を維持しつつ、第１挿通孔１３１ｃおよび第２挿通孔１３１ｄに挿通された伝熱管１５が過度に加熱されることを抑制できる。
なお、第２開口部１３３ｂの開口面積は、第２開口部１３３ｃの開口面積よりも小さい。開口部１３３がない場合において、フィン１３において第２開口部１３３ｂが設けられる部位は、第２開口部１３３ｃが設けられる部位よりも温度が低いからである。これにより、フィン１３の温度分布に応じた熱伝導のバランスをより適切に調整して、全体の伝導効率を維持しつつ、第１挿通孔１３１ｃおよび第２挿通孔１３１ｄに挿通された伝熱管１５が過度に加熱されることを抑制できる。
＜実施形態２＞
図６を参照して、本実施形態の熱交換器（一次熱交換器１１）は、スリット１３２ａが切欠部１３４を有している点で、実施形態１とは異なる。これ以外の点は実施形態１と同様であるため、重複する説明は省略する。
図６、図８および図９を参照して、スリット１３２ａは、加熱用気体の流れ方向Ｄにおいて、流出口４２ａの開口部分と重なる範囲（図８および図６に示す範囲Ａ）内にあり、第１挿通孔１３１ｃの方向に向かって切り欠かれた切欠部を１３４を有している。このような範囲Ａでは加熱用気体の流量が比較的多いため、このような位置にあるスリット１３２ａの周囲のフィン１３は、他のスリットの周囲よりも比較的高温になりやすい。したがって、この部分のフィン１３の面積を、切欠部を設けることで開口部を設ける場合よりもさらに減少させることができ、より確実に第１挿通孔１３１ｃに挿通された伝熱管１５が過度に加熱されることを抑制できる。
ただし、図６の部分拡大図である図７を参照して、切欠部１３４は、基準線Ｌに対して加熱用気体の流入側から遠い側Ｓ１に位置する部分を有している必要がある。仮に切欠部が加熱用気体の流入側に近い側Ｓ２に位置していたとすると、この部分はフィン１３がないため加熱用気体が直接的に伝熱管１５（ケース内配管１５１ａ）に当たり易くなるため、伝熱管１５の加熱がむしろ促進されてしまう。これに対して、Ｓ１に位置する部分を有するように切欠部１３４が設けられている場合、加熱用気体の流れ方向は、切欠部１３４から伝熱管１５に向かう方向ではないため、加熱用気体による直接的な伝熱管１５の加熱量よりも、フィン１３による伝熱が優位になる。このため、切欠部１３４によってフィン１３による伝熱を抑制することで、伝熱管１５の過度の加熱を抑制することが可能となる。
また、第１挿通孔１３１ｃは、加熱用気体の流れ方向において、加熱用気体の流入側に最も近接する側に配置された複数の挿通孔、つまり第１段目の挿通孔１３１ａのうち、伝熱管１５の最も下流側に配置された挿通孔である。スリット１３２ａは、このような第１挿通孔１３１ｃとそれに隣り合う第２挿通孔１３１ｄとの間に設けられており、第１挿通孔１３１ｃの方向に向かって切り欠かれた切欠部１３４を有している。加熱用気体の流入側に最も近接する側に配置された複数の挿通孔１３１ａに挿通された伝熱管１５（ケース内配管１５１ａ）は、他の挿通孔１３１ｂに挿通された伝熱管１５（ケース内配管１５１ｂ）よりも高温である。そのうちでも伝熱管１５の下流側ほど、伝熱により湯水の温度が高くなる。このため、ケース内配管１５１ａのうち最も伝熱管１５の下流側（第１挿通孔１３１ｃに挿通されたケース内配管１５１ａ）が、複数のケース内配管１５１ａ，１５１ｂのうちで最も温度が高くなる。したがって、このような位置にあるスリット１３２ａの周囲のフィン１３に切欠部１３４を設けることで、より確実に伝熱管１５（第１挿通孔１３１ｃに挿通されたケース内配管１５１ａ）が過度に加熱されることを抑制できる。
また、フィン１３は、加熱用気体の流入側の端縁１３ａにおいてスリット１３２ａ以外の他のスリット１３２を有し、他のスリット１３２は切欠部を有していない、これは、他のスリット１３２の周囲のフィン１３は、通常、スリット１３２ａの周囲よりも比較的温度が低いからである。これにより、フィン１３の温度分布に応じた熱伝導のバランスを適切に調整して、全体の伝導効率を維持しつつ、伝熱管１５が過度に加熱されることを抑制できる。
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１ 温水装置、２ 本体ケース、３ バーナ、３ａ 燃焼部、３ｂ バーナケース、４ スケール、５ ガス管、６ 送風部、７ 燃料管、１１ 一次熱交換器、１２ ヘッダ部、１２ａ 内壁、１３ フィン、１３ａ 端縁、１３１ａ，１３１ｂ 挿通孔、１３１ｃ 第１挿通孔、１３１ｄ 第２挿通孔、１３２ スリット、１３３ 開口部、１３３ａ 第１開口部、１３３ｂ，１３３ｃ 第２開口部、１３４ 切欠部、１５，２５ 伝熱管、１５１，１５１ａ，１５１ｂ ケース内配管、１５２ 接続管、１７ ケース、２１ 二次熱交換器、２７ ケース、２７ａ 排気口、３１ 給水管、３２ 配管、３３ 出湯管、３５ バイパス管、４２ 排気集合筒、４２ａ 流出口。

Claims (7)

  1. 内部に加熱用気体を流すケースと、
    前記ケースの内部に配置された、複数の挿通孔を有するフィンと、
    前記複数の挿通孔に挿通され、湯水を流す伝熱管と、を備え、
    前記複数の挿通孔は、前記加熱用気体の流れ方向において、前記加熱用気体の流入側に最も近接する側に配置された、互いに隣り合う第１挿通孔および第２挿通孔を含み、
    前記フィンは、前記第１挿通孔と前記第２挿通孔との間において、前記加熱用気体の流入側の端縁から、前記第１挿通孔の中心と前記第２挿通孔の中心とを結ぶ基準線に対して前記加熱用気体の流入側から遠い側まで切り込まれたスリットを有し、
    前記フィンは、前記スリットと、前記第１挿通孔および前記第２挿通孔との間に、少なくとも１つの開口部を有し、
    前記開口部は、前記基準線に対して前記加熱用気体の流入側から遠い側に位置する部分を有する第１開口部を含む、熱交換器。
  2. 前記加熱用気体の流出側において前記ケースを覆い、かつ、前記加熱用気体の流出口を有する排気集合筒をさらに備え、
    前記スリットは、前記加熱用気体の流れ方向において、前記流出口の開口部分と重なる範囲内にあり、前記第１挿通孔および前記第２挿通孔の少なくともいずれかの方向に向かって切り欠かれた切欠部を有し、
    前記切欠部は、前記基準線に対して前記加熱用気体の流入側から遠い側に位置する部分を有する、請求項１に記載の熱交換器。
  3. 前記第１挿通孔は、前記加熱用気体の流れ方向において、前記加熱用気体の流入側に最も近接する側に配置された前記複数の挿通孔のうち、前記伝熱管の湯水の流れ方向における最も下流側に配置された挿通孔であり、前記第１挿通孔および前記第２挿通孔の少なくともいずれかの方向に向かって切り欠かれた切欠部を有し、
    前記切欠部は、前記基準線に対して前記加熱用気体の流入側から遠い側に位置する部分を有する、請求項１に記載の熱交換器。
  4. 前記フィンは、前記加熱用気体の流入側の端縁において前記スリット以外の他のスリットを有し、前記他のスリットは切欠部を有していない、請求項２または３に記載の熱交換器。
  5. 前記開口部は、前記基準線よりも前記加熱用気体の流入側に近い側に位置する第２開口部をさらに含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
  6. 前記第１開口部の開口面積は、前記第２開口部の開口面積よりも大きい、請求項５に記載の熱交換器。
  7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器と、前記加熱用気体を発生させるバーナと、を備える温水装置。
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