JP2018004119A - 潜熱回収用熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】ドレン水排出の際の燃焼ガス流の影響を軽減可能な潜熱回収用熱交換器を提供すること。【解決手段】ケース(21)と、前記ケース(21)の内部に配設された複数の伝熱管(22a) と、前記ケース(21)の一端部側に設けられた燃焼ガスの導入開口部(33)と、前記ケースの他端部側に設けられた燃焼ガスの排出開口部(35)と、前記複数の伝熱管(22a) で生じたドレン水を外部に排出するために前記ケース(21)の底部に設けられた排水口(38)とを備えた潜熱回収用熱交換器(20)において、前記複数の伝熱管(22a) は、平面視長円状または長方形状に積層され且つその所定部分に伝熱管(22a) の上下方向の間隔を規制するスペーサ(30)を有し、前記排水口(38)は、前記スペーサ(30)の下部近傍に設けられた。【選択図】図５

Description

本発明は、給湯装置の熱交換器に関し、特に燃焼ガスの潜熱を回収して伝熱管内を流れる液体を加熱する潜熱回収用熱交換器に関する。

従来から、都市ガスや石油を燃焼させて発生させた燃焼ガスの顕熱を回収して伝熱管内を流れる湯水を加熱する顕熱回収用熱交換器と、顕熱回収後の燃焼ガスの潜熱を回収して伝熱管内を流れる上水を加熱する潜熱回収用熱交換器を備えた給湯装置が広く使用されている。このような給湯装置は燃焼用の空気を送る送風機を備えており、燃焼により発生した燃焼ガスは、送風機の送風圧によって顕熱回収用熱交換器及び潜熱回収用熱交換器に順に導入されて伝熱管内の液体を加熱した後、排気口から排出される。

燃焼ガスには燃料の燃焼によって発生する水分が含まれており、この水分は潜熱回収用熱交換器において凝縮し、ドレン水となる。このドレン水は潜熱回収用熱交換器の底部のドレンパンに落下し、ドレンパンに設けられた排水口から潜熱回収用熱交換器の外部へ排出される。このときドレン水を排水口へ導くために、例えば特許文献１に示すように、ドレンパンにキャピラリを設けて毛細管現象を利用してドレン水を引き込み、排水口の方へ誘導するように構成したものが知られている。尚、ドレン水は強酸性のため、排水口から排出されたドレン水は、中和処理を行う中和器を通って給湯装置の外部に排出される。

特開２０１４−２１４９７７号公報

しかし、石油を燃料とする石油給湯装置は、一般的に送風機の送風圧が高く、燃焼ガスの流速が速いので、ドレンパンに落下したドレン水が燃焼ガス流の影響を受けて排水口へ向かって流れることが妨げられることがある。また、特許文献１のようにキャピラリを設けても、燃焼ガス流の影響によりドレン水が排水口へ向かって流れない場合がある。このときドレンパンに溜まったドレン水が燃焼ガス流に煽られ、排気口からドレン水の飛沫が飛散する虞がある。また、ドレン水の排出が妨げられると、ドレン水に含まれるタール成分が排水口を詰まらせる虞がある。

本発明の目的は、ドレン水排出の際の燃焼ガス流の影響を軽減可能な潜熱回収用熱交換器を提供することである。

請求項１の発明は、ケースと、前記ケースの内部に配設された複数の伝熱管と、前記ケースの一端部側に設けられた燃焼ガスの導入開口部と、前記ケースの他端部側に設けられた燃焼ガスの排出開口部と、前記複数の伝熱管で生じたドレン水を外部に排出するために前記ケースの底部に設けられた排水口とを備えた潜熱回収用熱交換器において、前記複数の伝熱管は、平面視長円状または長方形状に積層され且つその所定部分に伝熱管の上下方向の間隔を規制するスペーサを有し、前記排水口は、前記スペーサの下部近傍に設けられたことを特徴としている。

この構成により、積層された複数の伝熱管の所定部分において伝熱管の上下方向の隙間にはスペーサが配置されているので、燃焼ガスがスペーサを通り抜けるようには流れ難くなり、大部分の燃焼ガスはスペーサを迂回するように向きを変えて流れるのでスペーサ近傍では燃焼ガス流の流速が低下する。また、排水口がスペーサの下部近傍に設けられたので、ドレンパンに落下したドレン水は燃焼ガス流の影響が軽減されて排水口へ向かって流れる。

請求項２の発明は、請求項１において、前記複数の伝熱管が、螺旋状に積層されたことを特徴としている。この構成により、積層された伝熱管がコンパクトになって燃焼ガス流路が短くなり燃焼ガスの流速が速い場合でも、ドレン水は燃焼ガス流の影響が軽減されて排水口へ向かって流れる。

請求項３の発明は、請求項１または２において、前記スペーサは、平面視長円状または長方形状に積層された前記複数の伝熱管の長手方向に延びる部分に夫々設けられ、それらスペーサは前記長円状または長方形状の中心に対して略対称に配置され、前記排水口は、前記排出開口部に近い側のスペーサの下部近傍に設けられたことを特徴としている。

この構成により、燃焼ガスが複数のスペーサを迂回するように流れ、排出開口部に近い燃焼ガス流下流側のスペーサ近傍では流速が一層低下するので、ドレン水は燃焼ガス流の影響が軽減されて排水口へ向かって流れる。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記排水口は、前記スペーサの下部近傍のうちの前記スペーサの直下または燃焼ガス流の下流側部位に設けられていることを特徴としている。

この構成により、スペーサの燃焼ガス流の上流側で流速が低下した燃焼ガスがスペーサを迂回して流れて到達する燃焼ガス流下流側部位では一層流速が低下しているので、燃焼ガス流の影響を最も受け難い位置に排水口が位置することとなり、ドレン水は燃焼ガス流の影響が軽減されて排水口へ向かって流れる。

本発明によれば、ドレンパンに落下したドレン水に対する燃焼ガス流の影響を軽減することができる。また、ドレン水に対する燃焼ガス流の影響が軽減されるので、ドレン水の飛沫の発生を防ぐことができ、ドレン水の排水口へ向かう流れが妨げられないので、タール成分による詰まりを防ぐことができる。

本発明の実施例に係る給湯装置の内部機器を示す正面図である。 熱交換器の外観斜視図である。 天面板を取り外した状態の熱交換器の斜視図である。 伝熱管ユニットの要部斜視図である。 天面板を取り外した状態の熱交換器の平面図である。 前面板を取り外した状態の熱交換器の正面図である。 右側面板を取り外した状態の熱交換器の右側面図である。 スペーサとセット金具の分解斜視図である。 伝熱管に装着したスペーサを示す図４のIX−IX線断面図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

最初に、図１に基づいて給湯装置１について説明する。
給湯装置１は、石油等の液体燃料を燃焼させて上水を加熱し、給湯栓や風呂等に給湯するものである。

この給湯装置１は、外装ケース２内の中段部に配設されたバーナ装着部３と、このバーナ装着部３の下側に配設された燃焼ケース４と、この燃焼ケース４の下側に接続された顕熱回収用熱交換器５と、顕熱回収用熱交換器５から下方へ排出される燃焼ガスを集合する排気集合部６と、この排気集合部６の左端部から上方へ延びる消音機能を有する排気通路７と、外装ケース２内の頂部付近に配設された潜熱回収用熱交換器２０と、潜熱回収用熱交換器２０の底部から流下するドレン水を中和剤で処理する中和器８と、外装ケース２の頂部上面側の中央部に設けられた排気筒１０と、この排気筒１０の隣に配設された吸気筒９と、送風ファン（図示略）と、上水系統に接続されて上水を加圧して潜熱回収用熱交換器２０及び顕熱回収用熱交換器５に圧送する循環ポンプ１２と、制御部１３等を備えている。

バーナ装着部３には、図示を省略するが、複数の燃料噴霧ノズルやバーナが設けられている。バーナは炎孔を下方へ向けた下向き燃焼式のバーナであり、複数のバーナで発生した下向きの火炎は燃焼ケース４内へ導入され、燃焼ケース４から顕熱回収用熱交換器５へ導入された燃焼ガスは、顕熱回収用熱交換器５の伝熱管内を流れる湯水を加熱する。その後、燃焼ガスは、排気集合部６から排気通路７を通って潜熱回収用熱交換器２０の左端部へ導入され、潜熱回収用熱交換器２０の伝熱管ユニット２２内を流れる上水を加熱した後、排気筒１０から放出される。潜熱回収用熱交換器２０で加熱された湯水は、顕熱回収用熱交換器５へ供給されて加熱された後、出湯配管へ供給される。尚、バーナは下向き燃焼式のものに限定されず、上向き燃焼式のバーナであってもよい。

次に、潜熱回収用熱交換器２０について説明する。
図２〜図７に示すように、潜熱回収用熱交換器２０（以下、熱交換器２０という）は、略直方体形状のケース２１と、このケース２１の内部に配設された複数の伝熱管２２ａから構成された伝熱管ユニット２２と、ケース２１の一端部側、例えば左端部側に設けられた燃焼ガスの導入開口部３３と、ケース２１の他端部側、例えば右端部側に設けられた燃焼ガスの排出開口部３５と、前記伝熱管ユニット２２で発生したドレン水を外部に排出するために前記ケース２１の底部に設けられた排水口３８とを備えている。

ケース２１は、ドレンパンである底面板２１ａ、前面側板２１ｂ、後面側板２１ｃ、左面側板２１ｄ、右面側板２１ｅ、ケース２１内の左端部分の導入空間２３の右端上半部を仕切る仕切り板２４、前面側仕切り板２５、天面板２６等を備えている。また、天面板２６の上方近傍には、天面板２６と協働して燃焼ガスの排出通路を形成するカバー板（図示略）が配設され、排出通路の下流端が排気筒１０に接続されている。

図４に示すように、伝熱管ユニット２２は、複数（例えば６本）のステンレス製の伝熱管２２ａが水平方向に接近状に並べられ、鉛直方向の中心軸周りに螺旋状に複数段（例えば５段）積層されて、平面視長円状または長方形状を有する。図２，図３に示すように、伝熱管ユニット２２の複数の伝熱管２２ａの両端部は、ケース２１の右面側板２１ｅを貫通してケース２１の外側に突出し、入水ヘッダ２７と出湯ヘッダ２８が接続されている。

図３〜図５に示すように、平面視長円状または長方形状の螺旋状に積層された伝熱管ユニット２２の所定部分、例えば伝熱管ユニット２２の前端側の伝熱管２２Ａが長手方向に延びる部分の一部にスペーサ３０が設けられ、スペーサ３０の下部近傍に排水口３８が設けられている。また、スペーサ３２が、伝熱管ユニット２２の平面視長円状または長方形状の中心に対してスペーサ３０と対称位置に設けられている。スペーサ３０は、スペーサ３２よりケース２１の排出開口部３５に近い位置に設けられている。尚、排水口３８の下流側は中和器８に接続されている。

図７に示すように、排水口３８は底面板２１ａの前端側に設けられている。この排水口３８の周りには、排水口３８に向かってドレン水が集まるように下方に膨出状に形成された底面凹部４０が形成されている。一方、底面板２１ａの後端側には、上方に膨出状に形成された底面凸部４１が形成されている。この底面凸部４１により、底面板２１ａと伝熱管ユニット２２の下端との隙間を小さくして燃焼ガスの大部分が伝熱管２２ａの間を通過するように構成されている。尚、底面板２１ａは、排水口３８に向かって緩やかに下方に傾斜するように構成されていてもよい。

図８、図９に示すように、スペーサ３０は、例えば直径が３〜４ｍｍの円柱状のステンレス製の線材を折り曲げて形成され、伝熱管ユニット２２の複数の伝熱管の上下方向の間隔を規制するように伝熱管の間に装着される。スペーサ３２も同様に形成されている。セット金具３１は、ステンレス製の帯板の上下両端部に伝熱管ユニット２２の上下両端の伝熱管に係合する係合部３１ａ，３１ｂを形成したものである。図９は、図４のIX−IX線断面図であり、スペーサ３０，３２およびセット金具３１の装着状態が示されている。

図５、図６に示すように、ケース２１の左端側の底面板２１ａには、燃焼ケース４内で発生した燃焼ガスをケース２１内に導入する平面視長円形状の導入開口部３３が形成されている。この導入開口部３３から導入された燃焼ガスを伝熱管ユニット２２へ供給するため、導入開口部３３の上側空間には伝熱管が存在しない導入空間２３が形成されている。尚、導入開口部３３の形成部位は、ケースの底面板２１ａに限定されるものではなく、天面板２６の左端側、前面側板２１ｂの左端側、または左面側板２１ｄに設けられ、導入された燃焼ガスが導入空間２３で流れる向きを調整して伝熱管ユニット２２に向かうように構成してもよい。

導入空間２３の右端には、その導入空間２３から伝熱管ユニット２２の方へ導入される燃焼ガスを伝熱管ユニット２２の下半部側へ誘導するための鉛直の仕切り板２４が設けられ、この仕切り板２４の下側には燃焼ガスが通過可能な開口通路３４が形成されている。仕切り板２４は、その上端部に設けられたフランジ２４ａが天面板の下面にビス等により固定されている。

図２に示すように、天面板２６の右端側部分には、熱交換後の燃焼ガスを上方へ排出するための排出開口部３５が形成されている。この排出開口部３５は伝熱管ユニット２２の前後幅と同等の前後幅と、この前後幅の約１／３程度の左右幅を有する平面視略長方形状の開口部である。尚、排出開口部３５の位置は天面板２６に限定されるものではなく、前面側板２１ｂの右端側部分に設けて給湯装置１の前面側から排気するようにしてもよい。

天面板２６の排出開口部３５の右側には平板部２６ａが設けられ、排出開口部３５の左側には下方に膨出状に形成された第１天面凹部３７ａと第１天面凹部３７ａの前端側にさらに下方に膨出状に形成された第２天面凹部３７ｂが設けられている。これら第１，第２天面凹部３７ａ，３７ｂにより、天面板２６と伝熱管ユニット２２の上端の間の隙間を小さくして、燃焼ガスの大部分が伝熱管２２ａの間を通過するように構成されている。

次に、上記の熱交換器２０の作用、効果について説明する。
燃焼ケース４内の燃焼ガスは、顕熱回収用熱交換器５において湯水を加熱した後排気集合部６を経て排気通路７へ流れ、排気通路７の上端から熱交換器２０の導入開口部３３を通って導入空間２３へ流入する。熱交換器２０に流入した燃焼ガスにより伝熱管ユニット２２内を流れる水が加熱されて湯水となり、その湯水が顕熱回収用熱交換器５へ供給され、顕熱回収用熱交換器５において一層高温の湯水に加熱される。

導入空間２３に流入した燃焼ガスは、導入空間２３の下半部に連通した開口通路３４を通って伝熱管ユニット２２の方へ流動する。図５、図６に示すように、燃焼ガスは伝熱管ユニット２２の下半部側を右方へ流動しながら、その一部は伝熱管ユニット２２の上半部側へ流動する。熱交換器２０の後端側に設けられたガス流路上流側のスペーサ３２の方へ流れた燃焼ガスの大半は、スペーサ３２により前方へ誘導されてから右方へスペーサ３２を迂回するように流動し、その後、熱交換器２０の前端側に設けられたガス流路下流側のスペーサ３０により熱交換器２０の後端側へ誘導される。

熱交換器２０の後端側へ誘導された燃焼ガスの一部は熱交換器２０の後端部上層側を流れ、燃焼ガスの残りの部分は熱交換器２０の後端部中層及び後端部下層側を流動して天面板２６の平板部２６ａの下方へ流動する。前記上層側を流れた燃焼ガスは排出開口部３５から上方へ流れ、天面板２６とカバー板の間の排出通路へ流れ、排気筒１０から放出される。

平板部２６ａの下方へ流動した燃焼ガスは、右面側板２１ｅにより前方へ誘導され、伝熱管の間及び平板部２６ａと伝熱管ユニット２２の間を前方へ流動してから排出開口部３５の前半部から上方へ流動して天面板２６とカバー板の間の排出通路へ流れ、排気筒１０から放出される。

伝熱管ユニット２２には、伝熱管２２ａの上下方向の隙間を規制するスペーサ３０が設けられているので、燃焼ガスがスペーサ３０を通り抜けるようには流れ難くなり、上述のように燃焼ガスはスペーサ３０を迂回するように向きを変えて流れるのでスペーサ３０近傍では燃焼ガス流の流速が低下する。また、排水口３８がスペーサ３０の下部近傍に設けられたので、排水口３８にドレン水が流れる際に燃焼ガス流の影響が軽減される。従って、底面板２１ａに落下したドレン水に対する燃焼ガス流の影響を軽減することができ、ドレン水は排水口３８へ向かって流れる。

また、螺旋状に積層することにより伝熱管ユニット２２がコンパクトになり、燃焼ガス流路が短くなり、燃焼ガスの流速が低下し難くなる。この場合でも、スペーサ３０により燃焼ガス流の影響を軽減することができ、ドレン水は排水口３８へ向かって流れる。

さらに、燃焼ガス流の上流側にスペーサ３２を設けたことにより燃焼ガスが複数のスペーサ３０，３２を迂回するように流れ、排出開口部３５に近い燃焼ガス流の下流側のスペーサ３０近傍では流速が一層低下するので、ドレン水に対する燃焼ガス流の影響を軽減することができ、ドレン水は排水口３８へ向かって流れる。

その上、スペーサ３０の燃焼ガス流の上流側で流速が低下した燃焼ガスが、このスペーサ３０を迂回して流れて到達する燃焼ガス流の下流側部位では一層流速が低下しているので、燃焼ガス流の影響を最も受け難い位置に排水口３８が位置することとなり、ドレン水に対する燃焼ガス流の影響を軽減することができ、ドレン水は排水口３８へ向かって流れる。

しかも、排水口３８へ向かうドレン水が燃焼ガス流により妨げられずに流れるので、ドレン水の飛沫の発生を防ぐことができ、ドレン水のタール成分による排水口３８の詰まりを防止することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
［１］熱交換器２０は、入水ヘッダ２７、出湯ヘッダ２８のある側を左側とし、導入開口部３３のある側を右側とするように左右を反転させた構造や、前後を反転させた構造であってもよい。
［２］伝熱管ユニット２２の伝熱管２２ａの本数や段数は前記実施例のものに限定されるものではない。
［３］水平方向に延びた伝熱管が上下に複数並べられ、平面視長方形状を有するように蛇行状に曲げられて伝熱管ユニット２２が形成されてもよい。
［４］スペーサ３０，３２は線材や板材等により櫛状に形成されていてもよい。
［５］導入開口部３３や排出開口部３５の形状は実施例のものに限定されるものではなく、種々の形状を採用可能である。
［６］その他、当業者ならば本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

１ 給湯装置
８ 中和器
１０ 排気筒
１３ 制御部
２０ 潜熱回収用熱交換器（熱交換器）
２１ ケース
２１ａ 底面板
２２ 伝熱管ユニット
２２ａ 伝熱管
２６ 天面板
２７ 入水ヘッダ
２８ 出湯ヘッダ
３０，３２ スペーサ
３３ 導入開口部
３５ 排出開口部
３８ 排水口

Claims (4)

1. ケースと、前記ケースの内部に配設された複数の伝熱管と、前記ケースの一端部側に設けられた燃焼ガスの導入開口部と、前記ケースの他端部側に設けられた燃焼ガスの排出開口部と、前記複数の伝熱管で生じたドレン水を外部に排出するために前記ケースの底部に設けられた排水口とを備えた潜熱回収用熱交換器において、
   前記複数の伝熱管は、平面視長円状または長方形状に積層され且つその所定部分に伝熱管の上下方向の間隔を規制するスペーサを有し、
   前記排水口は、前記スペーサの下部近傍に設けられたことを特徴とする潜熱回収用熱交換器。
2. 前記複数の伝熱管は、螺旋状に積層されたことを特徴とする請求項１に記載の潜熱回収用熱交換器。
3. 前記スペーサは、前記平面視長円状または長方形状に積層された複数の伝熱管の長手方向に延びる部分に夫々設けられ、それらスペーサは前記長円状または長方形状の中心に対して略対称に配置され、
   前記排水口は、前記排出開口部に近い側のスペーサの下部近傍に設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の潜熱回収用熱交換器。
4. 前記排水口は、前記スペーサの下部近傍のうちの前記スペーサの直下または燃焼ガス流の下流側部位に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の潜熱回収用熱交換器。