JP2020186865A

JP2020186865A - 熱交換器及び給湯器

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Publication number: JP2020186865A
Application number: JP2019092325A
Authority: JP
Inventors: 啓介古用; Keisuke Furumochi
Original assignee: Paloma Co Ltd
Current assignee: Paloma Co Ltd
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-11-19
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: JP7298877B2

Abstract

【課題】プレート式でも良好な熱効率を維持する。【解決手段】プレート式の二次熱交換器６において、各伝熱プレート３７に、燃焼排気の通過方向に対して所定角度傾斜して直線状に伸びる複数の突条３８，３８・・を所定間隔をおいて並設して各突条３８，３８の間に排気通路４２，４２・・を形成すると共に、各突条３８に、隣接する突条３８との間の排気通路４２を通過方向の上流側よりも狭くする幅広部３８ａを形成した。【選択図】図４

Description

本発明は、潜熱回収型の給湯器に使用されるプレート式の熱交換器と、その熱交換器を用いた給湯器とに関する。

潜熱回収型の給湯器では、顕熱を回収する一次熱交換器と、潜熱を回収する二次熱交換器とが併設される。一次熱交換器としては、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、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、二次熱交換器としては、一対の伝熱プレート同士を接合して内部流路を形成したペアプレートを、厚み方向に複数重ねて各ペアプレート間に排気通路を形成し、各ペアプレートの内部流路の両端同士を互いに連通させて一方を流入経路、他方を流出経路としたプレート式が知られている。この伝熱プレートとして、特許文献１には、くの字状の凸部を設けて凸部間に排気通路を形成した発明が開示されている。

特許第５０４３８５９号公報

しかし、特許文献１の二次熱交換器では、伝熱プレートの形状が複雑となって加工が難しく、コストがかさむ問題がある。よって、直線状の凸部とすれば加工は比較的容易に行えるが、直線状の凸部間を流れる燃焼排気が層流となりやすい。このため凸部の表面付近に速度の遅い層流境界層（断熱層）が生じることで十分な熱回収ができなくなり、熱効率が向上しなくなるおそれがあった。

そこで、本発明は、プレート式でも良好な熱効率を維持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、２枚の伝熱プレートを互いに組み合わせて両伝熱プレート間に内部流路を形成したペアプレートを、ケーシング内に厚み方向へ複数組並設して各ペアプレート間に燃焼排気が通過する排気通路を形成すると共に、各内部流路の両端同士を連通させて一端に流入経路を、他端に流出経路をそれぞれ形成してなる熱交換器であって、
各伝熱プレートに、燃焼排気の通過方向に対して所定角度傾斜して直線状に伸びる複数の突条を所定間隔をおいて並設して、各突条の間に排気通路を形成すると共に、少なくとも一部の突条における少なくとも通過方向の下流側の端部に、隣接する突条との間の排気通路を通過方向の上流側よりも狭くする幅広部が形成されていることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、請求項１の構成において、幅広部は、突条の幅を通過方向の上流端から下流端へ行くに従って徐々に広くするテーパ状とすることで形成され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、顕熱回収用の一次熱交換器と、潜熱回収用の二次熱交換器とを備えた給湯器であって、
二次熱交換器として請求項１又は２に記載の熱交換器を用いたことを特徴とする。

本発明によれば、各伝熱プレートに形成される突条に、突条の間の排気通路を通過方向の上流側よりも狭くする幅広部を形成したことで、排気通路内の燃焼排気の流れを乱流にでき、プレート式でも良好な熱効率を維持することができる。
請求項２に記載の発明によれば、上記効果に加えて、幅広部を、突条の幅を通過方向の上流端から下流端へ行くに従って徐々に広くするテーパ状とすることで形成しているので、乱流を長く発生させることができ、突条の全長に亘って効果的な熱回収が可能となる。

フロントカバーを外した給湯器の正面図である。樹脂シート及びコントローラ、表示操作パネルを省略した給湯器の正面図である。図２の内胴のみのＡ−Ａ線断面図である。図３のＢ−Ｂ線断面図である。ペアプレートの正面図である。

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正面図で、フロントカバーを外した状態で示している。図２は図１において、樹脂シート及びコントローラ、表示操作パネルを除いた状態を示している。
この給湯器１は、前面を開口した四角箱状の筐体２内に、バーナ４と、一次熱交換器５と、二次熱交換器６とが上から順に設けられる内胴３を収容した逆燃焼式となっている。また、筐体２内には、内胴３の下部から後方へ回り込んで上向きに設けられる排気部７と、内胴３の右側方でバーナ４に連結されたファンユニット８と、ファンユニット８の下側でファンユニット８に連結され、ガスガバナ９を介してガス導入管１１から燃料ガスが供給されるガス供給ユニット１０とが設けられている。内胴３の下方右側には、電装基板を収容してなるコントローラ１２が横向きに設置され、その下方中央には、フロントカバーから露出する表示操作パネル１３が設けられている。

バーナ４は、燃料ガスと燃焼に必要な全ての燃焼用空気との混合気が燃焼する全一次空気式で、上下面を開口して上下方向に所定深さを有する平面視横長矩形状の上ケーシング１４を有し、上ケーシング１４の上面は、上方へ突出してファンユニット８が接続されるチャンバ１５によって閉塞されている。上ケーシング１４の下面には、図３，４に示すように、複数の炎孔が形成されて下向きへ円弧状に膨出する炎孔板１６が設けられて、炎孔板１６の表面（下面）で混合気が燃焼可能となっている。
ファンユニット８は、平面視円形のファンケース１７内に図示しないファンを収容し、ファンケース１７の上側中央に、ファンを回転駆動させるファンモータ１８を設けている。

一次熱交換器５は、バーナ４が取り付けられる四角筒状の中ケーシング２０内の下部に、複数のフィン２１，２１・・（図３，４では一部のみ図示）を厚み方向となる左右方向へ所定間隔をおいて並設すると共に、各フィン２１を左右方向に貫通する伝熱管２２を配設してなるステンレス製となっている。
ここでの伝熱管２２は、最下段で前後方向に所定間隔をおいて配設される横断面楕円形で、長軸を上下方向とした８本の直線状の大径管２３，２３・・と、その上方で中ケーシング２０の前後外側へそれぞれ上下方向に所定間隔をおいて３本ずつ配設される横断面円形の直線状の小径管２４，２４・・とを含んでいる。このうち大径管２３は、中ケーシング２０の左右の側面に設けられた下側ヘッダ２５により、前後に隣接する２本の端部同士が左右で交互に接続されて、全体で１本に繋がる蛇行状となっている。但し、最後部の大径管２３の右端部には、二次熱交換器６との接続管２６が接続され、最前部の大径管２３の右端部は、上下に延びる前側ヘッダ２７により、前側３本の小径管２４の右端部と接続されている。中ケーシング２０の左側面には、前後の３本の小径管２４の左端部同士を接続する左側ヘッダ２８が設けられている。中ケーシング２０の右側面には、後側３本の小径管２４の右端部同士を接続する右側ヘッダ２９が設けられて、右側ヘッダ２９に出湯管３０が接続される。

よって、一次熱交換器５の伝熱管２２では、接続管２６から最後部の大径管２３に流入した湯水は、最下段の大径管２３，２３・・を交互に通過しながら前方へ蛇行状に移動した後、最前部の大径管２３から前側３本の小径管２４、後側３本の小径管２４を順番に通過して出湯管３０へ流れることになる。
中ケーシング２０の上側外周には、略全面に導電パターンが蛇行状に網羅されてなる帯状の樹脂シート３１が巻回されて、中ケーシング２０からの燃焼排気の漏洩を検知可能となっている。各大径管２３には、通過する湯水を撹拌するための乱流板３２が挿入されている。

一方、二次熱交換器６は、図３，４に示すように、中ケーシング２０と連通する四角筒状の下ケーシング３５内に、一対の伝熱プレート３７，３７同士を向かい合わせて接合したペアプレート３６を、厚み方向となる前後方向へ複数積層してなる。各伝熱プレート３７は、正面視が横長矩形状を有し、中央部分には、直線状の突条３８，３８・・が、正面視で所定角度傾斜した姿勢で複数平行に突設されて、左右両側には、突条３８と連通する上下方向の凸部がそれぞれ突設されている。よって、各ペアプレート３６には、突条３８，３８・・内をジクザグに流れる内部流路３９が形成されると共に、凸部同士の対向によって左端部に流入部４０が、右端部に流出部４１がそれぞれ形成される。こうしてペアプレート３６，３６の間には、突条３８，３８の間を燃焼排気が傾斜状に流れる排気通路４２，４２・・が形成される。

そして、各伝熱プレート３７の各突条３８は、図５にも示すように、正面視での幅が上端から下端へ行くに従って徐々に広くなるテーパ状に形成されて、全長に亘って幅広部３８ａを形成している。よって、突条３８，３８間に形成される各排気通路４２は、両側の突条３８，３８の幅広部３８ａにより、正面視での幅が上端から下端へ行くに従って徐々に狭くなる先細り形状となっている。つまり、各排気通路４２では、上端の入口の断面積と下端の出口の断面積とに差が生じることになる。

さらに、ペアプレート３６，３６・・では、各流入部４０の下端が積層方向で連通する流入経路４３を形成しており、この流入経路４３は、下ケーシング３５の正面側下部に設けた入口４４と接続されている。さらに、ペアプレート３６，３６・・では、各流出部４１の上端が積層方向で連通する流出経路４５を形成しており、この流出経路４５は、下ケーシング３５の正面側上部に設けた出口４６と接続されている。入口４４には給水管４７が接続され、出口４６には接続管２６が接続される。
よって、この二次熱交換器６では、給水管４７から入口４４を介して流入経路４３に流入した水は、各ペアプレート３６の流入部４０を介して内部流路３９にそれぞれ流れ、流出部４１を介して流出経路４５に流れ、出口４６から接続管２６へ流れることになる。

排気部７は、二次熱交換器６の下ケーシング３５の下面に取り付けられるドレン受け５０と、ドレン受け５０の後部に立設される排気ダクト５１とを備える。ドレン受け５０の底部は、ドレン排出管５２を介して中和器５３と接続される。
排気ダクト５１は、合成樹脂製の横長角筒状で、排気ダクト５１の上端の開口には、筐体２の上面に突出する円筒状の排気筒部５５を備えた上カバー５４が接合される。

以上の如く構成された給湯器１においては、器具内に通水されると、リモコン等で要求される燃焼量に応じた回転数でコントローラ１２がファンモータ１８を駆動させてファンを回転させる。すると、ファンユニット８では、ファンの回転数に比例した空気が吸い込まれる。同時にガス導入管１１からは燃料ガスが供給され、ガス供給ユニット１０でファンユニット８の吸込側に設けたベンチュリーを介して空気と混合されて混合気が生成される。生成された混合気は、ファンケース１７の吐出口からバーナ４のチャンバ１５に吐出され、上ケーシング１４内に供給されて、炎孔板１６の各炎孔から噴出し、図示しない点火電極によって点火されて燃焼する。

バーナ４からの燃焼排気は、一次熱交換器５の中ケーシング２０で各フィン２１，２１の間を通過することで、伝熱管２２内を流れる湯水と熱交換し、顕熱が回収される。伝熱管２２のうち、各大径管２３内では、乱流板３２によって湯水が撹拌されるため、滞留や温度ムラが生じにくくなる。
各フィン２１，２１の間を通過した燃焼排気は、中ケーシング２０から二次熱交換器６の下ケーシング３５内に至る。よって、図５に点線で示す（ここでは一部のみ示す）ように、燃焼排気Ｇは、左右の流入部４０と流出部４１との間で各排気通路４２を通過することになり、内部流路３９を流れる水と熱交換して潜熱が回収される。
このとき、各排気通路４２は、隣接する突条３８，３８の幅広部３８ａ，３８ａにより、下流側へ行くに従って先細りとなっているため、ここを流れる燃焼排気Ｇは、下流側へ行くに従って流速が上がることで乱れを起こして層流が破壊され、これが拡散されてＧ１のように乱流となる。よって、潜熱が十分に回収されることになる。

そして、下ケーシング３５を通過した燃焼排気は、排気部７のドレン受け５０内に進入し、ドレン受け５０の後部に移動して排気ダクト５１内を上昇して排気筒部５５から外部に排出される。二次熱交換器６で発生したドレンは、ドレン受け５０内に落下し、ドレン排出管５２及び中和器５３を介して器具の外部へ排出される。

このように、上記形態の二次熱交換器６及び給湯器１によれば、各伝熱プレート３７に、燃焼排気の通過方向に対して所定角度傾斜して直線状に伸びる複数の突条３８，３８・・を所定間隔をおいて並設して各突条３８，３８の間に排気通路４２，４２・・を形成すると共に、各突条３８に、隣接する突条３８との間の排気通路４２を通過方向の下流側へ行くに従って狭くする幅広部３８ａを形成したことで、排気通路４２内の燃焼排気の流れを乱流にでき、プレート式でも良好な熱効率を維持することができる。
特にここでは、幅広部３８ａを、突条３８の幅を通過方向の上流端から下流端へ行くに従って徐々に広くするテーパ状とすることで形成しているので、乱流を長く発生させることができ、突条３８の全長に亘って効果的な熱回収が可能となる。

なお、上記形態の二次熱交換器では、伝熱プレートに設ける各突条をそれぞれ全長に亘るテーパ状として幅広部を形成しているが、これに限らず、下流側の下半分や下流側の端部のみをテーパ状として部分的に幅広部を形成しても差し支えない。幅広部も全て同じ形態とする必要はなく、全体にテーパ状となる突条と部分的なテーパ状となる突条とを混在させたりしてもよい。テーパ状に限らず、片側のみを傾斜面としたり、段階的に幅広部を形成したりすることもできる。
また、全ての突条に幅広部を形成する形態に限らず、例えば並列方向に１つおきとなる突条等、一部の突条のみに幅広部を形成しても熱効率の向上は期待できる。
さらに、突条の数や傾斜角度も適宜変更可能で、流入部や流出部の位置、流入経路や流出経路も上記形態に限定されない。

その他、バーナ、一次熱交換器の各形態やファンユニットの配置、コントローラの配置等は適宜変更可能である。逆燃焼式でなくてもよく、一次熱交換器の上側に二次熱交換器がある給湯器でも本発明は適用できる。
また、一次熱交換器では、大径管の数は適宜増減可能であるし、伝熱管として小径管がない形態であっても差し支えない。横断面形状が楕円形でなく円形であってもよい。フィン及び伝熱管の向きも上記形態と逆であってもよいし、フィン及び伝熱管は１段でなく複数段設けてもよい。
さらに、ファンユニットで燃料ガスと燃焼用空気とを混合した混合気をチャンバへ供給する予混合式となっているが、これに限らず、ファンからは燃焼用空気のみを供給させてファンの下流側で燃料ガスと燃焼用空気とをチャンバに導入させる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・・バーナ、５・・一次熱交換器、６・・二次熱交換器、７・・排気部、８・・ファンユニット、１０・・ガス供給ユニット、１２・・コントローラ、１４・・上ケーシング、２０・・中ケーシング、２１・・フィン、２２・・伝熱管、２３・・大径管、２４・・小径管、２６・・接続管、３０・・出湯管、３５・・下ケーシング、３６・・ペアプレート、３７・・伝熱プレート、３８・・突条、３８ａ・・幅広部、３９・・内部流路、４０・・流入部、４１・・流出部、４２・・排気通路、４３・・流入経路、４５・・流出経路、４７・・給水管、５０・・ドレン受け、５１・・排気ダクト。

Claims

２枚の伝熱プレートを互いに組み合わせて両前記伝熱プレート間に内部流路を形成したペアプレートを、ケーシング内に厚み方向へ複数組並設して各前記ペアプレート間に燃焼排気が通過する排気通路を形成すると共に、各前記内部流路の両端同士を連通させて一端に流入経路を、他端に流出経路をそれぞれ形成してなる熱交換器であって、
各前記伝熱プレートに、燃焼排気の通過方向に対して所定角度傾斜して直線状に伸びる複数の突条を所定間隔をおいて並設して、各前記突条の間に前記排気通路を形成すると共に、
少なくとも一部の前記突条における少なくとも前記通過方向の下流側の端部に、隣接する前記突条との間の前記排気通路を前記通過方向の上流側よりも狭くする幅広部が形成されていることを特徴とする熱交換器。
前記幅広部は、前記突条の幅を前記通過方向の上流端から下流端へ行くに従って徐々に広くするテーパ状とすることで形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
顕熱回収用の一次熱交換器と、潜熱回収用の二次熱交換器とを備えた給湯器であって、
前記二次熱交換器として請求項１又は２に記載の熱交換器を用いたことを特徴とする給湯器。