JP2021085581A - 熱交換器およびこれを備えた温水装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数のヘッダ部を互いに接近させて設けることを容易かつ適切に実現可能な熱交換器を提供する。【解決手段】加熱用気体が内部に供給されるケース2と、このケース2内に収容された伝熱管3,4,6と、この伝熱管が接続される複数のヘッダ部Ha,Hbと、を備えている、熱交換器HEであって、ケース2の側壁部2aは、内側プレート24と外側プレート25とが重ね合わされた構成とされており、複数のヘッダ部Ha,Hbのうち、一部のヘッダ部Haは、その膨出部21aが内側プレート24に設けられてケース2の内方側に膨出した構成とされ、他の一部のヘッダ部Hbは、その膨出部21bが外側プレート25に設けられてケース2の外方側に膨出した構成とされている。【選択図】 図5

Description

本発明は、燃焼ガスなどの加熱用気体から伝熱管を利用して熱回収を行なうタイプの熱交換器、およびこれを備えた給湯装置などの温水装置に関する。
温水装置を構成する熱交換器の具体例として、特許文献1〜3に記載されたものがある。
特許文献1,2に記載された熱交換器は、加熱用気体としての燃焼ガスが内部に供給されるケースと、このケース内に収容され、かつ内部を加熱対象流体としての湯水が流通する複数の伝熱管と、を備えている。また、前記ケースの側壁部には、複数の伝熱管への入水または出湯を可能とすべく、前記湯水の流入出がなされるチャンバを有する複数のヘッダ部が設けられている。ただし、これら複数のヘッダ部は、ケースの外方側または内方側のいずれか一方に膨出する膨出部を設けることにより形成されている。
このような構成によれば、ヘッダ部がケースの側壁部の一部を利用して形成されているため、ヘッダ部の構成を簡素にし、製造コストを廉価にすることが可能である。
一方、特許文献3に記載された熱交換器においても、ケースの側壁部に複数のヘッダ部が設けられており、そのための手段として、ケースの側壁部は、内側プレートと外側プレートとが重ね合わされた二重構造とされている。内側プレートは、伝熱管を支持する平板状とされている一方、外側プレートには、ケースの外方側に膨出する複数の膨出部が設けられており、これら複数の膨出部と内側プレートとの相互間領域が、複数のチャンバとなっている。
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、特許文献1〜3のいずれにおいても、ケースの1つの側壁部に複数のヘッダ部が設けられる場合に、前記側壁部に設けられる複数の膨出部が、ケースの外方側のみに膨出し、またはケースの内方側のみに膨出したものとされている。このため、複数の膨出部を互いに接近させて設ける場合に、これらの膨出部を適切に形成することが困難となり、ヘッダ部を設けるのに苦慮する場合があった。その結果、生産性が悪化したり、あるいは複数のヘッダ部どうしを接近させないように熱交換器の設計仕様を変更する必要などが生じていた。
ケースの側壁部に膨出部を設けるための手段としては、一般的には、側壁部にプレス加工を施す手段が採用されるが、このような手段において、同一方向に膨出する膨出部を、互いに接近させた配置で適切に形成することは一層困難であり、前記した不具合は、より顕著となる。
特許第4841567号公報 特許第6558570号公報 中国実用新案CN205049014U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、複数のヘッダ部を互いに接近させて設けることを容易かつ適切に実現可能な熱交換器、およびこの熱交換器を備えた温水装置を提供することを、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。
本発明の第1の側面により提供される熱交換器は、加熱用気体が内部に供給されるケースと、このケース内に収容され、かつ内部を加熱対象流体が流通する伝熱管と、前記ケースの1つの側壁部に設けられた膨出部を利用して前記加熱対象流体が流入出するチャンバが形成され、かつ前記伝熱管が接続される複数のヘッダ部と、を備えている、熱交換器であって、前記ケースの前記側壁部は、内側プレートと外側プレートとが重ね合わされた構成とされており、前記複数のヘッダ部のうち、一部のヘッダ部は、その膨出部が前記内側プレートに設けられて前記ケースの内方側に膨出している第1のヘッダ部とされ、かつ他の一部のヘッダ部は、その膨出部が前記外側プレートに設けられて前記ケースの外方側に膨出している第2のヘッダ部とさ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。
すなわち、第1のヘッダ部は、内側プレートに設けられてケースの内方側に膨出する膨出部を有し、かつ第2のヘッダ部は、外側プレートに設けられてケースの外方側に膨出する膨出部を有しているため、これら第1および第2のヘッダ部を互いに接近させた配置に設ける場合であっても、それらの一方の膨出部が、他方の膨出部の形成に影響を与えることはない。したがって、前記従来技術とは異なり、第1および第2のヘッダ部を接近させて設ける場合に、それらの膨出部を適切に製作するのに苦慮することがなくなる。その結果、生産性を高めることが可能となり、また複数のヘッダ部どうしを接近させないように熱交換器の設計仕様を変更する必要などもなくすことができる。
本発明において、好ましくは、前記伝熱管として、複数のフィンが軸長方向に並んだ配列で接合されたフィン付き伝熱管を備え、かつ前記複数のフィンのうち、最端部のフィンと前記ケースの前記側壁部との相互間には、隙間が形成されており、前記第1のヘッダ部の膨出部は、前記隙間の下部開口部または上部開口部を塞いでいる。
このような構成によれば、次の効果が得られる。
すなわち、ケース内に加熱用気体が供給された場合、この加熱用気体の一部は、最端部のフィンとケースの側壁部との相互間の隙間に進入し、この隙間を通過する虞がある。前記隙間を多くの加熱用気体が通過すると、伝熱管およびフィンの全体による熱回収量が少なくなり、熱効率が低下する。これに対し、前記隙間は、第1のヘッダ部の膨出部を利用して塞がれているため、加熱用気体が前記隙間を通過することは防止または抑制され、前記した不具合を適切に解消することができる。前記隙間を塞ぐための専用部材を用いる必要はなく、部品点数の増加も回避することができる。
本発明において、好ましくは、前記外側プレートのうち、前記第1のヘッダ部の膨出部に対向する箇所は、前記ケースの外方側に膨出した第1の補助膨出部とされて、前記第1のヘッダ部のチャンバは、前記第1の補助膨出部をも利用して形成され、および/または、前記内側プレートのうち、前記第2のヘッダ部の膨出部に対向する箇所は、前記ケースの内方側に膨出した第2の補助膨出部とされて、前記第2のヘッダ部のチャンバは、前記第2の補助膨出部をも利用して形成されている。
このような構成によれば、第1のヘッダ部および/または第2のヘッダ部のチャンバの容積を大きくすることができる。したがって、加熱対象流体がチャンバ内を流れる際の抵
抗を小さくし、加熱対象流体の流れの円滑化を図ることが可能である。また、第1の補助膨出部および/または第2の補助膨出部の存在により、ケースの側壁部の強度を高めることもできる。
本発明において、好ましくは、前記第1の補助膨出部は、前記第1のヘッダ部の膨出部よりも前記第2のヘッダ部から離間した位置に設けられており、および/または、前記第2の補助膨出部は、前記第2のヘッダ部の膨出部よりも前記第1のヘッダ部から離間した位置に設けられている。
このような構成によれば、第1の補助膨出部を設ける場合に、この第1の補助膨出部の第2のヘッダ部の膨出部からの離間距離を長くとること、および/または、第2の補助膨出部を設ける場合に、この第2の補助膨出部の第1のヘッダ部の膨出部からの離間距離を長くとることが可能となる。したがって、第1および第2の膨出部が、互いに接近している場合であっても、第1の補助膨出部および/または第2の補助膨出部を容易かつ適切に設けることが可能となる。
本発明の第2の側面により提供される温水装置は、本発明の第1の側面により提供される熱交換器を備えていることを特徴としている。
このような構成によれば、本発明の第1の側面により提供される熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。
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。
本発明に係る熱交換器の一例を示す斜視図である。 図1の分解斜視図である。 図1の熱交換器を用いて構成された温水装置の一例を示す正面断面図である。 図3の要部側面断面図である。 図4の要部拡大断面図である。 本発明の他の例を示す要部拡大断面図である。
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3に示す温水装置WHは、加熱用気体としての燃焼ガスを発生させるバーナ1、および熱交換器HEを備えている。熱交換器HEは、ケース2、このケース2内に配された複数の胴パイプ3、複数のフィン5および伝熱管4を有する1次熱交換部A1、複数の伝熱管6を有する2次熱交換部A2、ならびに図1に示す複数のヘッダ部Ha〜Hdを備えている。
バーナ1は、従来既知の逆燃式のものである。このバーナ1においては、ファン10から供給される燃焼用空気に燃料ガスが混合されて点火され、このことにより発生した燃焼ガスが、ケース2内の上部側から下向きに供給される。
胴パイプ3は、略コ字状に屈曲しており、ケース2の側壁部2b〜2dの上部内面に沿って上下複数段で設けられており(図1および図2も参照)、後述するように、その内部には湯水が供給されて流通する。このことにより、ケース2の複数の側壁部2b〜2dを
冷却する役割を果たし、また燃焼ガスからの湯水加熱用の吸熱も行なう。ケース2の側壁部2aの冷却は、後述する複数のヘッダ部Ha〜Hdにより行なわれる。
1次熱交換部A1および2次熱交換部A2は、燃焼ガスから顕熱および潜熱をそれぞれ回収して湯水加熱を行なうための部位である。
1次熱交換部A1は、胴パイプ3よりも低い位置に設けられている。この1次熱交換部A1の伝熱管4は、ケース2内に横架設されて上下および水平方向に並んだ直状の複数の管体部4が、ベンド管49、およびケース2の側壁部2aに設けられた後述する複数のヘッダ部Ha〜Hdを介して一連に接続された構成を有している(図4を参照)。複数のフィン5は、プレート状であり、複数の管体部4が貫通して接合され、かつ各管体部4の軸長方向に並んでいる。
2次熱交換部A2は、ケース2内のうち、熱交換器HEの下方に複数の伝熱管6を配置して構成されている。各伝熱管6は、たとえば蛇行状伝熱管であり、互いに隣り合う伝熱管6の高さが相違するように、複数の伝熱管6の高さは、正面視断面視において互い違いとされている。
図1によく表れているように、ケース2は、上下両面部が開口した略矩形の筒状である。このケース2は、側壁部2b〜2dを有する平面視略コ字状のケース本体部20、側壁部2aを構成する内側プレート24、および外側プレート25を備えている。
図2によく表れているように、内側プレート24は、ケース本体部20の一側面開口部を塞ぐようにしてケース本体部20に接合されている。この内側プレート24には、胴パイプ3の端部3a〜3d、伝熱管4を構成する複数の管体部40の一端部40a、複数の伝熱管6の両端部6a,6bが貫通し、かつ接続されている。
この内側プレート24のうち、複数の伝熱管6の上側の端部6aが貫通して接続された領域は、ケース2の内方側に膨出した膨出部21aとして形成されている。この膨出部21aは、後述するヘッダ部Ha(第1のヘッダ部)の構成要素である。
外側プレート25は、内側プレート24の外面側に重ねられて接合されることにより、複数のヘッダ部Ha〜Hdを構成するための部材である。この外側プレート25には、図1に示す複数のヘッダ部Hb〜Hdを構成するための膨出部として、ケース2の外方側に膨出した複数の膨出部21b〜21dを備えている。
複数のヘッダ部Ha〜Hdについて、以下詳述する。
ヘッダ部Haは、2次熱交換部A2の出湯用のヘッダ部であり、本発明でいう第1のヘッダ部に相当する。このヘッダ部Haは、内側プレート24の膨出部21aの外側に外側プレート25の一部が重なることにより形成されており、図4に示すように、その内側には、複数の伝熱管6の上側の端部6aに連通するチャンバ7aが形成されている。外側プレート25のうち、このヘッダ部Haに相当する箇所には、接続管体80の下端用の接続口80a(2次熱交換部A2の出湯口)が設けられている。
また、ヘッダ部Haは、複数のフィン5の最端部のフィン5aと、側壁部2aとの相互間に形成されている隙間9の下部開口部90を塞ぐように設定されており、このヘッダ部Haの左右幅方向の長さは、フィン5の左右幅方向の長さと略同一である。図5においては、最端部のフィン5aとヘッダ部Haとが接触しており、下部開口部90を完全に塞いだ状態に示されているが、それらの間に微小幅の隙間が存在していてもよい。
ヘッダ部Hbは、2次熱交換部A2の入水用のヘッダ部である。このヘッダ部Hbは、外側プレート25のうち、複数の伝熱管6の下側の端部6bに対応する箇所に形成され、かつケース2の外方側に膨出する膨出部21bを具備して構成されている。この膨出部21bの内側には、伝熱管6の下側の端部6bに連通するチャンバ7bが形成されている。
このヘッダ部Hbには、継手部材81が取付けられて、入水口81aが設けられている。
ヘッダ部Hc(Hc1,Hc2)は、伝熱管4の複数の管体部40どうしを連通させる連通路としての役割を果たすヘッダ部である。このヘッダ部Hcは、外側プレート25のうち、伝熱管4の複数の管体部40の一端部40aに対応する箇所に形成され、かつケース2の外方側に膨出する膨出部21cを具備して構成されている。この膨出部21cの内側には、管体部40の一端部40aに連通するチャンバ7cが形成されている。ただし、ヘッダHc2’は、下段の胴パイプ3の一端部3aを、管体部40と連通させるものである。
ヘッダ部Hdは、上段の胴パイプ3の一端部3bと、下段の胴パイプ3の他端部3cとを連通させる通連路としての役割を果たすヘッダ部である。このヘッダ部Hdは、外側プレート25のうち、前記した一端部3bから他端部3cに到る領域に対応する箇所に形成され、かつケース2の外方側に膨出する膨出部21dを具備して構成されている。この膨出部21dの途中箇所は、二股状に分岐しているが、これはヘッダ部Hdの面積を大きくし、ヘッダ部Hdによる側壁部2aの冷却効果を高めるのに役立つ。
外側プレート25には、接続管体80の上端を接続するための開口部82も設けられている。この開口部82は、胴パイプ3に対する入水口に相当する。
熱交換器HEにおいては、入水口81aに水道水などの湯水が供給される。この湯水は、その後に図1の矢印に示すように進行する。すなわち、入水口81aに供給された湯水は、ヘッダ部Hbに流れ込んでから複数の伝熱管6を通過し、ヘッダ部Haに到達する。その後、この湯水は接続管体80を通過して胴パイプ3に流れ込み、この胴パイプ3を通過した後には、伝熱管4を流れる。その際、湯水は、管体部40に加えて、複数のヘッダ部Hcやベンド管49を流れることとなり、最終的には、伝熱管4の出湯口59に到達し、出湯する。前記した湯水の流通過程において、前記湯水は燃焼ガスにより加熱され、温水生成がなされる。
次に、前記した熱交換器HEおよびこれを備えた温水装置WHの作用について説明する。
図5に示すように、ヘッダ部Ha,Hc1は、上下高さ方向において互いに接近した位置関係にある。これに対し、ヘッダ部Haは、その膨出部21aが内側プレート24に設けられてケース2の内方側に膨出している一方、ヘッダ部Hc1は、その膨出部21cが外側プレート25に設けられてケース2の外方側に膨出している。したがって、これらのヘッダ部Ha,Hc1は、これらの膨出部21a,21cどうしが干渉するようなことはなく、また一方を形成する際に、その影響が他方に及ぶこともない。本実施形態とは異なり、2つの膨出部21a,21cが、同一プレートに設けられ、かつその膨出方向が同一であると、これらをプレス加工によって適切に形成することは困難となるが、本実施形態によれば、そのような虞は適切に解消することが可能である。その結果、2つのヘッダ部Ha,Hc1が互いに接近しないように熱交換器HEの設計仕様を変更する必要はない。ヘッダ部Ha,Hc1を接近させることにより、熱交換器HEの小サイズ化を図ることも可能である。
また、ヘッダ部Haは、既述したように、最端部のフィン5aと側壁部2aとの隙間9の下部開口部90を塞いでいるため、隙間9を燃焼ガスが通過することは阻止される。隙間9を多くの燃焼ガスが通過したのでは、1次熱交換部A1による熱回収量が減少するが、このようなことも本実施形態の熱交換器HEによれば、適切に防止される(なお、本実施形態とは異なり、たとえば正燃式の場合には、ヘッダ部の膨出部によって、隙間9に相当する隙間の上部開口部を塞ぐ構成とすることもできる)。
その他、本実施形態によれば、1次熱交換部A1の管体部40および胴パイプ3を、ヘッダ部Hc,Hdを利用して連通させているため、ベンド管のみを用いてそれらの部位を連通させる場合と比較すると、熱交換器HEの製造作業が簡素化される。また、ヘッダ部Ha〜Hdは、膨出部21a〜21dを有するため、側壁部2aの強度アップも図られる。
図6は、本発明の他の実施形態を示している。同図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付すこととし、重複説明は省略する。
図6に示す熱交換器HEaにおいては、外側プレート25のうち、ヘッダ部Haの膨出部21aに対向する箇所は、ケース2の外方側に膨出した補助膨出部21a’(第1の補助膨出部)とされている。このことにより、ヘッダ部Haのチャンバ7aは、膨出部21aと補助膨出部21a’との双方に挟まれた空間部となっている。
また、補助膨出部21a’は、膨出部21aよりも適当な寸法Lだけ下方に位置しており、ヘッダ部Hc1の膨出部21cに対し、膨出部21aよりも離間している。
一方、内側プレート24のうち、ヘッダ部Hbの膨出部21bに対向する箇所は、ケース2の内方側に膨出した補助膨出部21b’(第2の補助膨出部)とされている。このことにより、ヘッダ部Hbのチャンバ7bは、膨出部21bと補助膨出部21b’との双方に挟まれた空間部となっている。補助膨出部21b’の上部は、複数の伝熱管6の端部下面部に接近または当接している。
本実施形態によれば、ヘッダ部Ha,Hbの双方のチャンバ7a,7bの容積を大きくし、ヘッダ部Ha,Hbを湯水が通過する際の抵抗を小さくすることが可能となる。また、補助膨出部21a’,21b’の存在により、ケース2の側壁部2aの強度が一層高くなる。
補助膨出部21a’は、ヘッダ部Hc1の膨出部21cと同様に、外側プレート25に形成されているものの、膨出部21aよりも適当な寸法Lだけ下方に位置し、膨出部21cから離間する方向に位置ずれしているため、補助膨出部21a’および膨出部21cの間に、平板状部分を長めに形成することが可能である。したがって、膨出部21c,21a’をプレス加工により形成する場合に、その加工が困難にならないようにすることができる。
一方、ヘッダ部Hbの補助膨出部21b’は、複数の伝熱管6の端部下面部に接近または当接しているため、この膨出部21b’を基準として、複数の伝熱管6の位置合わせを適切に行なうことも可能となる。
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、および温水装置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。
図6において、補助膨出部21a’を膨出部21aよりも下方に寸法Lだけ位置ずれさせた構成は、本発明における「第1の補助膨出部は、第1のヘッダ部の膨出部よりも第2のヘッダ部から離間した位置に設けられている」構成に相当するが、これと同様に、「第2の補助膨出部は、第2のヘッダ部の膨出部よりも第1のヘッダ部から離間した位置に設けられている」構成とすることもできる。
上述の実施形態においては、1つのケース2内に、胴パイプ3、1次熱交換部A1を構成する伝熱管4、および2次熱交換部A2を構成する伝熱管6の計3種類の伝熱管(胴パイプ3も伝熱管に含まれる)が設けられているが、伝熱管の数や種類などは限定されない
。1つのケース内に1種類のみの伝熱管が収容された熱交換器として構成することも可能であり、伝熱管の具体的な形状、材質、サイズ、本数などは限定されない。
上述の実施形態から理解されるように、本発明でいうヘッダ部は、伝熱管への入水用あるいは出湯用に限定されず、伝熱管どうしを連通させるためのヘッダ部(通路)も含む概念である。
上述の実施形態においては、熱交換器の上側にバーナを配置した逆燃式であるが、これに限定されず、たとえば熱交換器の下側にバーナを配置した正燃式とすることもできる。加熱用気体は、燃焼ガスに限定されず、たとえばコージェネレーションシステムにおいて発生する高温の排ガスなどとすることもできる。
本発明に係る熱交換器は、温水装置の構成要素として用いる以外の他の用途に用いることも可能である。したがって、加熱対象流体は、湯水以外の流体とすることもできる。
本発明に係る温水装置は、湯水を加熱して温水を生成する機能を備えたものであり、一般的な給湯装置の他、たとえば風呂給湯装置、暖房用温水装置、融雪用の温水装置などとして構成することができる。
WH 温水装置
HE,HEa 熱交換器
Ha〜Hd ヘッダ部
1 バーナ
2 ケース
2a 側壁部(ケースの)
21a〜21d 膨出部
21a’,21b’ 補助膨出部
24 内側プレート
25 外側プレート
3 胴パイプ(伝熱管)
4,6 伝熱管
7a〜7d チャンバ

Claims (5)

  1. 加熱用気体が内部に供給されるケースと、
    このケース内に収容され、かつ内部を加熱対象流体が流通する伝熱管と、
    前記ケースの1つの側壁部に設けられた膨出部を利用して前記加熱対象流体が流入出するチャンバが形成され、かつ前記伝熱管が接続される複数のヘッダ部と、
    を備えている、熱交換器であって、
    前記ケースの前記側壁部は、内側プレートと外側プレートとが重ね合わされた構成とされており、
    前記複数のヘッダ部のうち、一部のヘッダ部は、その膨出部が前記内側プレートに設けられて前記ケースの内方側に膨出している第1のヘッダ部とされ、かつ他の一部のヘッダ部は、その膨出部が前記外側プレートに設けられて前記ケースの外方側に膨出している第2のヘッダ部とさ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、
    前記伝熱管として、複数のフィンが軸長方向に並んだ配列で接合されたフィン付き伝熱管を備え、かつ前記複数のフィンのうち、最端部のフィンと前記ケースの前記側壁部との相互間には、隙間が形成されており、
    前記第1のヘッダ部の膨出部は、前記隙間の下部開口部または上部開口部を塞いでいる、熱交換器。
  3. 請求項1または2に記載の熱交換器であって、
    前記外側プレートのうち、前記第1のヘッダ部の膨出部に対向する箇所は、前記ケースの外方側に膨出した第1の補助膨出部とされて、前記第1のヘッダ部のチャンバは、前記第1の補助膨出部をも利用して形成され、および/または、
    前記内側プレートのうち、前記第2のヘッダ部の膨出部に対向する箇所は、前記ケースの内方側に膨出した第2の補助膨出部とされて、前記第2のヘッダ部のチャンバは、前記第2の補助膨出部をも利用して形成されている、熱交換器。
  4. 請求項3に記載の熱交換器であって、
    前記第1の補助膨出部は、前記第1のヘッダ部の膨出部よりも前記第2のヘッダ部から離間した位置に設けられており、および/または、
    前記第2の補助膨出部は、前記第2のヘッダ部の膨出部よりも前記第1のヘッダ部から離間した位置に設けられている、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を備えていることを特徴とする、温水装置。
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