JP2020169759A

JP2020169759A - 熱交換器及び給湯器

Info

Publication number: JP2020169759A
Application number: JP2019070730A
Authority: JP
Inventors: 広輝金澤; Hiroki Kanazawa
Original assignee: Paloma Co Ltd
Current assignee: Paloma Co Ltd
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2020-10-15
Anticipated expiration: 2039-04-02
Also published as: JP7256525B2

Abstract

【課題】フィンチューブ式でもドレンの発生や耐久性の低下を招くことなく高い熱効率を実現する。【解決手段】熱交換器７は、フィン８及び伝熱管９を、燃焼排気の通過方向の上流側で互いに平行に配設される伝熱管９Ａ〜９Ｆと、伝熱管９Ａ〜９Ｆが貫通する下フィン８Ａとを含む下段と、通過方向の下流側で互いに平行に配設される伝熱管９Ｇ〜９Ｌと、伝熱管９Ｇ〜９Ｌが貫通する上フィン８Ｂとを含む上段との上下２段に分けて設置し、上流側最初の伝熱管９Ａに入水管１２を、下流側最後の伝熱管９Ｌに出湯管１３をそれぞれ接続して、フィン８，８間を通過するバーナ６の燃焼排気と各伝熱管９内を流れる水との間で熱交換可能としている。【選択図】図１

Description

本発明は、給湯器に使用されるフィンチューブ式の熱交換器と、その熱交換器を用いた給湯器とに関する。

給湯器に使用される熱交換器には、特許文献１に開示されるように、厚み方向に所定間隔をおいて並設される複数のフィンに複数の伝熱管を蛇行状に貫通させて、フィン間にバーナの燃焼排気等の高温の気体を通過させることで、気体と伝熱管内を流れる流体との間で顕熱を回収可能としたフィンチューブ式が知られている。
一方、この熱交換器を一次熱交換器として、潜熱を回収するための二次熱交換器を併設して高い熱効率を実現する潜熱回収型の給湯器も知られている。

特許第６１５１１４６号公報

潜熱回収型の給湯器では、９０％を超える熱効率が得られるが、二次熱交換器で発生するドレン（結露）を排水する必要があり、排水設備が用意できない場所には設置できないという問題がある。
一方、顕熱回収型となるフィンチューブ式の熱交換器では、伝熱管の列を上下に並べた２段式も普及しており、この方式ではフィンが比較的小さくても８０％程度の熱効率が確保でき、コンパクトな器具となる。よって、フィンチューブ式の熱交換器のみで熱効率の向上を図ることが考えられる。
しかし、２段式の場合、上段側（燃焼排気の下流側）の伝熱管の温度が低くなるため、ドレンが発生しないように上段側への流入温度を少なくとも露点温度以上とする必要がある。ところが、流入温度を高くすると、熱交換器からの出口温度が高くなり、器具の出湯温度を下げるためにバイパス管から水を混合することになる。この結果、高いバイパス率で出湯量が少なくなった際には、熱交換器で沸騰が生じ、耐久性を低下させるおそれがある。よって、フィンチューブ式の熱交換器では、２段式でも流入温度を上げるには限界があり、熱効率は高くても８３％程度にとどまっていた。

そこで、本発明は、フィンチューブ式でもドレンの発生や耐久性の低下を招くことなく高い熱効率を実現することができる熱交換器及び給湯器を提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、上下方向に立設され、厚み方向に所定間隔をおいて並設される複数のフィンに、複数の伝熱管を貫通させて各伝熱管を蛇行状に接続し、フィン間を上下方向に通過するバーナの燃焼排気と各伝熱管内を流れる湯水との間で熱交換可能としたフィンチューブ式の熱交換器であって、
フィン及び伝熱管を、燃焼排気の通過方向の上流側で互いに平行に配設される複数の上流側伝熱管と、各上流側伝熱管が貫通する上流側フィンとを含む上流側の段と、
通過方向の下流側で互いに平行に配設される複数の下流側伝熱管と、各下流側伝熱管が貫通する下流側フィンとを含む下流側の段との上下２段に分けて設置したことを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、上流側フィンと下流側フィンとは分離していることを特徴とする。
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、給湯器であって、バーナと、請求項１又は２に記載の熱交換器とを有し、上流側の段の最初の上流側伝熱管に入水管を、下流側の段の最後の下流側伝熱管に出湯管をそれぞれ接続し、フィン間を通過するバーナの燃焼排気と各伝熱管内を流れる水との間で熱交換可能としたことを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３の構成において、バーナの燃焼を制御する制御手段を備え、制御手段は、下流側の段の最初の下流側伝熱管への湯水の流入温度が、下流側フィンにおける露点温度以上となるようにバーナの燃焼を制御することを特徴とする。
請求項５に記載の発明は、請求項４の構成において、制御手段は、上流側の段での上流側伝熱管の吸熱率の合計が８０％以上、下流側の段での下流側伝熱管の吸熱率の合計が２０％未満となるようにバーナの燃焼を制御することを特徴とする。

本発明によれば、下流側の段の最初の下流側伝熱管への湯水の流入温度が、下流側フィンにおける露点温度以上となるようにバーナの燃焼を制御すれば、出口温度の上昇を抑えつつドレンの発生を防止することができる。よって、バイパス率が高くなりにくく、出湯量が少なくても沸騰が生じにくくなる。すなわち、顕熱を回収するフィンチューブ式であってもドレンの発生や耐久性の低下を招くことなく高い熱効率を実現することができる。
特に、請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加えて、上流側フィンと下流側フィンとは分離しているので、上流側フィンから下流側フィンへの熱移動がなくなり、出口温度の上昇抑制により効果的となる。

給湯器の概略図である。熱交換器の断面図である。各伝熱管の吸熱率を示す表である。熱交換器の変更例の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、給湯器の一例を示す概略図である。
この給湯器１は、筐体２内に、下部に給気ファン４を、上部に排気口５をそれぞれ備えた内胴３を収容してなる。内胴３の内部下側には、図示しないガス管から供給される燃料ガスと給気ファン４から供給される燃焼用空気との混合気を燃焼させるバーナ６が設置されて、バーナ６の上側には、熱交換器７が設置されている。
この熱交換器７は、図２に示すように、複数のフィン８を厚み方向へ所定間隔をおいて並設すると共に、各フィン８を直交状に貫通する１２本の伝熱管９，９・・を上下２段で配設してなるフィンチューブ式で、各伝熱管９の端部同士は、内胴３の外側で互い違いにＵ字管に連結されて蛇行状に繋がっている。ここで各伝熱管９を区別するためにＡ〜Ｌの符号を付して説明すると、下段では、図２の左端の伝熱管９Ａから右へ９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ，９Ｅ，９Ｆの順に繋がった後、右端の伝熱管９Ｆが上段右端の伝熱管９Ｇと繋がり、そこから左へ９Ｈ，９Ｉ，９Ｊ，９Ｋ，９Ｌの順に繋がっている。

また、ここでのフィン８は、下段の６本の伝熱管９Ａ〜９Ｆが貫通する下フィン８Ａと、上段の６本の伝熱管９Ｇ〜９Ｌが貫通する上フィン８Ｂとに分離しており、上下フィン８Ａ，８Ｂは、互いに非接触で内胴３内に支持されている。
この下フィン８Ａと上フィン８Ｂとは同じ形態で、各フィン８Ａ，８Ｂにおける各伝熱管９，９の間は、両側の伝熱管９の外形に沿って上方へ逆Ｖ字状に切れ込む切込み１０，１０・・が形成されている。また、各切込み１０の上側には、上下で大きさが異なる横長長方形状の切り起こし部１１，１１がそれぞれ形成されている。

一方、下段左端の伝熱管９Ａには入水管１２が接続され、上段左端の伝熱管９Ｋには出湯管１３が接続されて、入水管１２と出湯管１３との間には、熱交換器７をバイパスするバイパス管１４が接続されて、バイパス弁１５によって所定のバイパス率で水を出湯管１３へ供給可能となっている。入水管１２には水量センサ１６が、出湯管１３におけるバイパス管１４の上流側と下流側とには、内胴３からの出口温度を検出する内胴温センサ１７と、出湯管１３からの出湯温度を検出する出湯温センサ１８とがそれぞれ設けられている。また、熱交換器７における上段最初の伝熱管９Ｇの上流側となるＵ字管には、伝熱管９Ｇへの流入温度を検出する流入温センサ（図示略）が設けられている。これらのセンサは、制御手段としてのコントローラ２０へ電気的に接続されている。

以上の如く構成された給湯器１においては、器具の外部で出湯管１３の下流端に設けた図示しない給湯栓を開いて器具内に通水させると、コントローラ２０は、ガス管の元電磁弁やガス比例弁等を開いてバーナ６に燃料ガスを供給し、イグナイタを作動させて点火電極によってバーナ６の点火制御を行う。
次に、コントローラ２０は、出湯温センサ１８で検出された出湯温度と、図示しないリモコンで設定された設定温度との差に応じて、ガス比例弁の開度を制御してガス量を連続的に変化させ、出湯温度を設定温度に一致させる出湯温制御を行う。また、コントローラ２０は、ガス比例弁の制御によるガス量の変化に応じて給気ファン４の回転数を変化させて、ガス量と空気量との比率を制御する。

また、コントローラ２０は、出湯温制御において、流入温センサからの検出温度が、上フィン８Ｂにドレンが発生しない露点温度（例えば５０℃）以上となるようにバーナ６の燃焼量を制御する。このため内胴温センサ１７から得られる出口温度が高くなると、バイパス弁１５の開度を大きくしてバイパス率を調整する。
こうして上段の伝熱管９Ｇ〜９Ｌへの流入温度が露点温度以上となることで、上フィン８Ｂでのドレンの発生が防止される。また、下フィン８Ａと分離していることで、下フィン８Ａからの伝熱がなく、過剰な温度上昇は生じないため、出口温度の上昇は抑えられてバイパス率も大きくなりすぎることがない。

図３は、１２本の伝熱管９Ａ〜９Ｌそれぞれにおいて、上段最初の伝熱管９Ｇへの流入温度を５０℃として、入口温度と出口温度とを測定し、入口と出口との間での上昇温度と吸熱率とをそれぞれ算出したもので、下段の伝熱管９Ａ〜９Ｆでは吸熱率が全て１０％を上回り、合計で約９２％となっている。これに対して上段の伝熱管９Ｇ〜９Ｌでは吸熱率が全て１％台で、合計で約８％となっている。
また、伝熱管９への入水温度が２０℃、出口温度が５２．６℃での上昇温度３２．６℃、排気温度７２．４℃から計算した熱効率は、８８．３％となっている。

このように、上記形態の熱交換器７及び給湯器１によれば、フィン８及び伝熱管９を、燃焼排気の通過方向の上流側で互いに平行に配設される伝熱管９Ａ〜９Ｆ（上流側伝熱管）と、伝熱管９Ａ〜９Ｆが貫通する下フィン８Ａ（上流側フィン）とを含む下段と、通過方向の下流側で互いに平行に配設される伝熱管９Ｇ〜９Ｌ（下流側伝熱管）と、伝熱管９Ｇ〜９Ｌが貫通する上フィン８Ｂ（下流側フィン）とを含む上段との上下２段に分けて設置し、下段の伝熱管９Ａに入水管１２を、上段の伝熱管９Ｌに出湯管１３をそれぞれ接続して、フィン８，８間を通過するバーナ６の燃焼排気と各伝熱管９内を流れる水との間で熱交換可能としたことで、コントローラ２０によって上段最初の伝熱管９Ｇへの湯水の流入温度が、上フィン８Ｂにおける露点温度以上となるようにバーナ６の燃焼を制御すれば、出口温度の上昇を抑えつつドレンの発生を防止することができる。よって、バイパス率が高くなりにくく、出湯量が少なくても沸騰が生じにくくなる。すなわち、顕熱を回収するフィンチューブ式であってもドレンの発生や耐久性の低下を招くことなく高い熱効率を実現することができる。
特にここでは、下フィン８Ａと上フィン８Ｂとは分離しているので、下フィン８Ａから上フィン８Ｂへの熱移動がなくなり、出口温度の上昇抑制により効果的となる。

なお、下段の伝熱管９Ａ〜９Ｆの吸熱率の合計は、図３のように９０％以上、上段の伝熱管９Ｇ〜９Ｌの吸熱率の合計は、図３のように１０％未満とするのが望ましいが、下段の吸熱率の合計を８０％以上、上段の吸熱率の合計を２０％未満となるようにバーナ６の燃焼を制御しても、出口温度が高くなりすぎることがなく、バイパス率を上げる必要がなくなるので、沸騰が生じにくい効果は得られる。

また、フィン８は、上記形態のように上下で完全に分離する形態に限定せず、例えば図４に示す熱交換器７Ａのように、上下にオーバーラップする伝熱管９，９の間に接続部分１９，１９・を設けて下フィン８Ａと上フィン８Ｂとを部分的に接続してもよい。この場合、同じ出湯温制御を行っても、下段の吸熱率の合計は約８８％となり、上段の吸熱率の合計は約１２％まで増加する。しかし、接続部分１９は、下フィン８Ａの比較的温度が低い箇所に形成されているので、上フィン８Ｂへの熱移動は抑えられる。よって、熱効率は８８．３％と高くできる上、バイパス率の増加による沸騰が生じにくくなる効果も得られる。
このように下フィン８Ａと上フィン８Ｂとを部分的に接続すれば、プレス成型等の製造工程の効率が良くなる。但し、接続部分はできるだけ小さくするのが望ましい。

そして、上記各例に共通して、下段と上段との伝熱管の数や配置は適宜変更可能で、下段の伝熱管を上段よりも多くしたり、上下方向で下段の伝熱管の間に上段の伝熱管が位置するように千鳥状に配置したりしても差し支えない。伝熱管の断面形状も円形に限らず、長円形や楕円形も採用できる。
また、フィンも、上記各例では上フィンと下フィンとを同じ形態としているが、例えば下フィンを上フィンよりも大きくする等、上下で異なる形態としてもよい。
さらに、燃焼排気が上から下に通過する逆燃焼式の給湯器であっても本発明は適用可能である。

１・・給湯器、２・・筐体、３・・内胴、４・・給気ファン、６・・バーナ、７，７Ａ・・熱交換器、８・・フィン、８Ａ・・下フィン、８Ｂ・・上フィン、９（Ａ〜Ｌ）・・伝熱管、１２・・入水管、１３・・出湯管、１４・・バイパス管、１８・・出湯温センサ、２０・・コントローラ。

Claims

上下方向に立設され、厚み方向に所定間隔をおいて並設される複数のフィンに、複数の伝熱管を貫通させて各前記伝熱管を蛇行状に接続し、前記フィン間を上下方向に通過するバーナの燃焼排気と各前記伝熱管内を流れる湯水との間で熱交換可能としたフィンチューブ式の熱交換器であって、
前記フィン及び前記伝熱管を、燃焼排気の通過方向の上流側で互いに平行に配設される複数の上流側伝熱管と、各前記上流側伝熱管が貫通する上流側フィンとを含む上流側の段と、
前記通過方向の下流側で互いに平行に配設される複数の下流側伝熱管と、各前記下流側伝熱管が貫通する下流側フィンとを含む下流側の段との上下２段に分けて設置したことを特徴とする熱交換器。
前記上流側フィンと前記下流側フィンとは分離していることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
バーナと、請求項１又は２に記載の熱交換器とを有し、前記上流側の段の最初の前記上流側伝熱管に入水管を、前記下流側の段の最後の前記下流側伝熱管に出湯管をそれぞれ接続し、前記フィン間を通過する前記バーナの燃焼排気と各前記伝熱管内を流れる水との間で熱交換可能としたことを特徴とする給湯器。
前記バーナの燃焼を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記下流側の段の最初の前記下流側伝熱管への湯水の流入温度が、前記下流側フィンにおける露点温度以上となるように前記バーナの燃焼を制御することを特徴とする請求項３に記載の給湯器。
前記制御手段は、前記上流側の段での前記上流側伝熱管の吸熱率の合計が８０％以上、前記下流側の段での前記下流側伝熱管の吸熱率の合計が２０％未満となるように前記バーナの燃焼を制御することを特徴とする請求項４に記載の給湯器。