JP2021101130A - 熱交換器およびこれを備えた温水装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水冷管による冷却に伴って発生する凝縮水に基づく不具合を適切に防止または抑制することが可能な熱交換器を提供する。【解決手段】伝熱管５および複数のフィン６を収容し、内部には加熱用気体が横向きに進行するように横倒しの姿勢とされた缶体４と、この缶体４の周壁部４０の外面部に巻き付けられた水冷管７と、この水冷管７を周壁部４０にロウ付けするロウ付け部Ｂと、を備えている、熱交換器ＨＥであって、缶体４の上壁部４０ａまたは下壁部４０ｂの少なくとも一方には、上壁部４０ａまたは下壁部４０ｂの略全幅にわたって水冷管７とのロウ付けがなされていない非ロウ付け部ＮＢが、１箇所以上設けられている。【選択図】 図１

Description

本発明は、いわゆるフィン付きの伝熱管を用いたタイプの熱交換器、およびこれを備えた給湯装置などの温水装置に関する。

温水装置の具体例として、特許文献１，２に記載されたものがある。
これらの文献に記載された温水装置は、バーナと、このバーナにより発生された加熱用気体としての燃焼ガスから熱回収を行なって湯水を加熱する熱交換器とを備えている。熱交換器は、燃焼ガスが供給される缶体内に、伝熱管およびこの伝熱管に接合された複数のフィンが配されており、かつ前記缶体の周壁部の外面部には、水冷管が巻き付けられ、ロウ付けされている。この水冷管は、前記缶体の周壁部のバーナに近い領域を冷却する。このため、前記缶体が熱損傷することは防止される。

前記したような温水装置は、設置場所の条件など、種々の理由から、バーナや熱交換器を横倒しの姿勢とし、バーナから発生した燃焼ガスを横向きに進行させて熱交換器に供給するように設定したい場合がある。

しかしながら、前記したような横倒しの設定がなされた場合には、次に述べるように、解決すべき課題が生じる。
すなわち、熱交換器の缶体のうち、水冷管によって冷却されている箇所においては、燃焼ガス中の水蒸気が凝縮し、強酸性の凝縮水が発生する。この凝縮水は、缶体の周壁部の内面において発生するが、前記周壁部のうち、上壁部の内面において発生した凝縮水は、燃焼ガスによって燃焼ガス流れ方向下流側に飛ばされ、あるいは上壁部の内面を伝うことにより、伝熱管や複数のフィンに到達し、付着する虞がある。複数のフィンに多くの凝縮水が付着したのでは、凝縮水の蒸発に伴う腐食生成物の発生量が多くなるため、複数のフィンどうしの隙間に詰まりを生じ易くなり、熱交換器がいわゆる排気閉塞状態となる虞がある。燃焼ガスの円滑な流れを確保し、効率のよい熱回収を行なう上では、そのような虞を適切に解消することが望まれる。
一方、熱交換器を横倒し状態に設定する場合において、熱交換器のバーナ側が、これとは反対側よりも高さが低くなるように傾斜していると、缶体の周壁部のうち、缶体の下壁部の内面において発生した凝縮水は、前記内面を伝ってバーナ側に流れ込む虞がある。このような虞は、適切に防止することが望まれる。
なお、熱交換器の缶体の周壁部のうち、上下高さ方向に起立している側壁部の内面において発生した凝縮水は、側壁部の内面を伝って流れ落ちている途中でその殆どが蒸発するため、前記したような不具合を生じる虞は殆どない。

特許第６４１１１０８号公報 特開平５−１６４４０２号公報

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、水冷管による冷却に伴って発生する凝縮水に基づく不具合を適切に防止または抑制することが可能な熱交換器、およびこれを供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、横倒しの姿勢とされ、かつ内部には加熱用気体が横向きに進行するように供給される缶体と、この缶体の内部に配され、かつ前記加熱用気体から熱回収を行なって湯水加熱を行なうための伝熱管およびこの伝熱管に接合された複数のフィンと、前記缶体の周壁部のうち、前記複数のフィンよりも加熱用気体流れ方向上流側の外面部に巻き付けられた水冷管と、この水冷管を前記周壁部にロウ付けする水冷管用のロウ付け部と、を備えている、熱交換器であって、前記缶体の周壁部の上壁部または下壁部の少なくとも一方には、前記上壁部または前記下壁部の略全幅にわたって前記水冷管とのロウ付けがなされていない非ロウ付け部が、１箇所以上設けら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、缶体の周壁部のうち、水冷管とロウ付け部を介して接合された箇所においては、周壁部と水冷管との熱伝達面積が大きく、水冷管による周壁部の冷却効果が高くなるため、この部分における凝縮水の発生量は多い。これに対し、非ロウ付け部においては、周壁部と水冷管との熱伝達面積が小さく、水冷管による周壁部の冷却効果は低くなるため、この部分における凝縮水の発生量は少なくなる。
ここで、本発明においては、缶体の周壁部のうち、上壁部または下壁部の少なくとも一方には、前記非ロウ付け部が１箇所以上設けられているため、上壁部または下壁部の少なくとも一方の内面における凝縮水の発生量を少なくすることができる。したがって、上壁部の内面において発生した凝縮水が、複数のフィンの位置に到達して、これらフィンに目詰まりが発生して排気閉塞状態になること、あるいは下壁部の内面において発生した凝縮水が、熱交換器の加熱用気体流れ方向上流側（たとえばバーナ側）に流れていくことを適切に防止または抑制することが可能である。
なお、缶体の周壁部の冷却は、ロウ付け部が設けられている箇所において適切に図ることができるため、非ロウ付け部が部分的に設けられていることに起因して、缶体の冷却が不十分となる虞は適切に回避することが可能である。

本発明において、好ましくは、前記缶体は、加熱用気体流れ方向下流側が上流側よりも高さが低くなるように傾斜しており、前記非ロウ付け部は、前記上壁部に設けられている。

このような構成によれば、水冷管による缶体の冷却に伴って発生した凝縮水は、加熱用気体流れ方向下流側に流れ易くなり、たとえばバーナ側である加熱用気体流れ方向上流側に凝縮水が流れないようにすることが可能である。
一方、缶体の上壁部の内面において発生した凝縮水は、加熱用気体流れ方向下流側に流れ易くなるため、複数のフィンや伝熱管に到達し易くなる。これに対し、上壁部には非ロウ付け部が設けられていることにより、凝縮水の発生量は少なくなるため、複数のフィンや伝熱管に多くの凝縮水が到達することは適切に防止される。したがって、複数のフィンに目詰まりが発生することも効果的に防止される。

本発明において、好ましくは、前記缶体は、加熱用気体流れ方向上流側が下流側よりも高さが低くなるように傾斜しており、前記非ロウ付け部は、前記下壁部に設けられている。

このような構成によれば、水冷管による缶体の冷却に伴って発生した凝縮水は、加熱用気体流れ方向上流側に流れ易くなる。このため、缶体の上壁部の内面において発生した凝縮水が、加熱用気体流れ方向下流側に流れて複数のフィンや伝熱管に到達することは抑制
される。したがって、凝縮水に起因するフィンの目詰まりを防止することが可能となる。
また、缶体の下壁部の内面において発生した凝縮水は、たとえばバーナ側である加熱用気体流れ方向上流側に流れ易くなるものの、下壁部には非ロウ付け部が設けられていることにより、凝縮水の発生量は少なくなる。このため、バーナ側である加熱用気体流れ方向上流側に多くの凝縮水が流れていくことは適切に防止される。

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供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。

本発明において、好ましくは、前記加熱用気体としての燃焼ガスを発生させるバーナと、このバーナおよび前記缶体内に空気を供給するファンと、このファンから前記缶体内に供給された空気を、前記缶体の周壁部の内面に沿わせて流れさせ、かつ前記周壁部のうち、前記非ロウ付け部が設けられている前記上壁部または前記下壁部の内面近傍への空気供給量を、前記周壁部の他の部分の内面近傍への空気供給量よりも多くする空気ガイド手段と、をさらに備えている。

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、缶体の非ロウ付け部が設けられた上壁部または下壁部については、水冷管による冷却効果が他の部分よりも劣ることとなるため、それらの部分が他の部分と比較してかなり高温となる虞がある。これに対し、前記構成によれば、そのような部分に対しては、ファンから多くの空気が供給され、この空気によって前記部分が空冷される。したがって、前記した虞を適切に解消することが可能である。

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を備えた温水装置の一例を示す概略断面図である。 図１の要部平面断面図である。 図１のIII−III断面図である。 本発明の他の例を示す概略断面図である。 図４のＶ−Ｖ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１に示す温水装置ＷＨは、ファン１、バーナ２、熱交換器ＨＥ、および排気集合筒３（排気用ケース）を備え、かつこれらが横並び状に配列されて接続された構成である。
この温水装置ＷＨは、いわゆる横倒し姿勢である。ただし、熱交換器ＨＥの缶体４の中心線ＣＬは、水平線ＨＬに対して適度な角度αで傾斜し、バーナ２側よりも排気集合筒３側の方が低い高さとなるように設定されている（図１において、右下がり傾斜）。これは、熱交換器ＨＥ内において発生した凝縮水がバーナ２側に流れることを防止するのに役立つ。

バーナ２は、たとえばブンゼンバーナであって、いわゆる横燃焼方式とされている。このバーナ２は、温水装置ＷＨの前後幅方向（図１の紙面と交差する方向）に複数並んだバーナ本体２０（燃焼管）が、バーナケース２１内に配された構成である。各バーナ本体２０には、燃料ガス供給ヘッド２９のノズル２９ａからの燃料ガス供給、およびファン１か
らの燃焼用空気の供給がなされ、これらの混合ガスが各バーナ本体２０内に導入され、横向き開口状の炎口部２０ａにおいて燃料ガスが燃焼する。この燃焼により発生した燃焼ガス（加熱用気体）は、ファン１からの送風圧により横向きに進行し、熱交換器ＨＥに向かう。

熱交換器ＨＥは、缶体４、この缶体４内に配された伝熱管５および複数のフィン６、ならびに水冷管７を備えている。
缶体４は、たとえば略矩形角筒状であって、既述したように、横倒しの姿勢であり、周壁部４０として、上壁部４０ａ、下壁部４０ｂ、および両側壁部４０ｃを有している。

伝熱管５および複数のフィン６は、バーナ２から缶体４内に供給される燃焼ガスから熱回収を行なって湯水加熱を行なうための部材である。伝熱管５は、直状の複数の管体部５０が、ベンド管５１（図２を参照）を介して一連に接続された構成である。複数のフィン６は、プレート状であり、温水装置ＷＨの前後幅方向に間隔を隔てて並んでいる。これら複数のフィン６には、伝熱管５の複数の管体部５０が貫通してロウ付けなどの手段を用いて接合されている。熱交換器ＨＥを通過した燃焼ガスは、排ガスとして、排気集合筒３の排気口３１から外部に排気される。

水冷管７は、缶体４の周壁部４０のうち、複数のフィン６および伝熱管５よりも燃焼ガス流れ方向上流側の外面部に巻き付けられている。この水冷管７には、水道水などの水が供給され、缶体４の周壁部４０が冷却され、周壁部４０が燃焼ガスによって異常な高温に加熱されることは防止される。この水冷管７を通過した水が、伝熱管５に送り込まれる。

図３に示すように、缶体４の周壁部４０の外面部には、水冷管７とのロウ付けがなされたロウ付け部Ｂと、ロウ付けがなされていない非ロウ付け部ＮＢとが設けられている。ロウ付け部Ｂとしては、缶体４の下壁部４０ｂおよび両側壁部４０ｃのそれぞれの略全幅にわたるロウ付け部Ｂ（Ｂｂ，Ｂｃ）がある。非ロウ付け部ＮＢとしては、上壁部４０ａの略全幅（全幅を含む）にわたる非ロウ付け部ＮＢ（ＮＢａ）、および周壁部４０の４隅部４９に設けられた非ロウ付け部ＮＢ（ＮＢｃ）がある。
図１に示すように、上壁部４０ａの外面には、水冷管７が複数回（たとえば２回）にわたって巻き付けられ、水冷管７の複数の管体部７ａが当接している。本実施形態においては、それら複数の管体部７ａのいずれも、上壁部４０ａにはロウ付けされていない。

図１の一部拡大図ｂに示すように、ロウ付け部Ｂは、水冷管７がロウ材Ｂｍを介して周壁部４０に接触しているため、それら相互間の熱伝達面積は大きく、冷却効果は高い。一方、図１の一部拡大図ａに示すように、非ロウ付け部ＮＢは、水冷管７が周壁部４０に単に接触しているだけであるため、冷却効果は低い。したがって、缶体４の上壁部４０ａは水冷管７によって余り効果的には冷却されない。

本実施形態の温水装置ＷＨにおいては、缶体４の上壁部４０ａを、水冷管７によって効果的に冷却できない代わりに、ファン１からの燃焼用空気を利用して効果的に空冷することが可能とされており、その構成の一例を、次に説明する。

すなわち、バーナ２には、複数の通気孔９１ａを有する整流板９１、およびバーナケース２１の周壁部の熱損傷を防止するための遮熱板９０が付属して設けられている。遮熱板９０とバーナケース２１の周壁部との相互間には、ファン１からバーナケース２１内に供給された燃焼用空気の一部が流通する空気流通路９２が設けられ、また遮熱板９０の先端部には、空気流通路９２を通過した燃焼用空気を缶体４内に流出させる空気流出口９３が設けられている。この空気流出口９３から流出する空気は、缶体４の周壁部４０の内面に沿うようにして内面近傍を流れ、周壁部４０を冷却する。

ここで、上側の空気流出口９３（９３ａ）から上壁部４０ａの内面近傍に向けて流出する空気の流量は、他の空気流出口９３から下壁部４０ｂや両側壁部４０ｃのそれぞれの内面近傍に向けて流出する空気の流量よりも多くなるように構成されている。このような構成は、たとえば上側の空気流出口９３ａを、他の空気流出口９３よりも開口面積が大きくするなどして実現することができる。さらに、このようなことに代えて、または加えて、整流板９１の複数の通気孔９１ａの配置や開口サイズを工夫し、ファン１からバーナケース２１内に供給された燃焼用空気の一部が、上側の空気流通路９２に対して他の空気流通路９２よりも多量に導かれるように設定することによっても、前記したような構成を実現することが可能である。
整流板９１および遮熱板９０は、本発明でいう「空気ガイド手段」の具体例に相当する。

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。

まず、温水装置ＷＨによる給湯動作は、バーナ２を駆動燃焼させ、伝熱管５および複数のフィン６によって燃焼ガスから熱を回収することにより、伝熱管５内を流通する湯水を加熱することに行なわれる。ここで、熱交換器ＨＥの缶体４の周壁部４０は、水冷管７によって冷却されているため、周壁部４０の内面において凝縮水が発生するが、上壁部４０ａには水冷管７がロウ付けされていないため、この上壁部４０ａの内面において多くの凝縮水が発生することは適切に回避される。温水装置ＷＨは、バーナ２側よりも排気集合筒３側の方が低い高さとなるように傾斜しているため、上壁部４０ａの内面に凝縮水が発生すると、この凝縮水の多くがフィン６の位置に到達し、フィン６に目詰まりを生じる虞がある。これに対し、本実施形態によれば、そのような不具合は適切に解消される。

一方、缶体４の下壁部４０ｂおよび両側壁部４０ｃは、水冷管７によって冷却されるために、その冷却効果は、缶体４の上壁部４０ａにも及び、上壁部４０ａは適度に冷却されるため、この上壁部４０ａが燃焼ガスの作用によって熱損傷する虞はない。また、既述したように、上壁部４０ａの内面近傍には、上側の空気流出口９３ａから多くの空気が供給されるため、このことによっても上壁部４０ａが熱損傷することは適切に回避される。

缶体４の下壁部４０ｂおよび両側壁部４０ｃの内面においては凝縮水が発生するが、下壁部４０ｂの内面において発生した凝縮水は、この下壁部４０ｂの内面上をフィン６側に向けて流れていく。この場合、フィン６に凝縮水が触れたとしても、フィン６の下端部の狭小部分であるため、フィン６の広い範囲で目詰まりを生じる虞はない。また、両側壁部４０ｃの内面において発生した凝縮水は、この内面を伝って下壁部４０ｂ上に到達するが、多くはその途中で蒸発するため、この凝縮水に起因してフィン６の広い範囲で目詰まりが生じることもない。

図４および図５は、本発明の他の実施形態を示している。これらの図において、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４に示す温水装置ＷＨａにおいては、熱交換器ＨＥの中心線ＣＬが、水平線ＨＬに対して適当な角度α１だけ傾斜しているが、その傾斜方向は、先に述べた温水装置ＷＨとは反対である。すなわち、バーナ２側よりも排気集合筒３側の方が高い高さとなるように傾斜している（図４において、右上がり傾斜）。

一方、図５に示すように、缶体４の上壁部４０ａには、その略全幅にわたって水冷管７
とのロウ付けがなされたロウ付け部Ｂ（Ｂａ）が設けられている。これに対し、缶体４の下壁部４０ｂには、その略全幅（全幅を含む）にわたる非ロウ付け部ＮＢ（ＮＢｂ）が設けられている。下壁部４０ｂの外面には、水冷管７が複数回にわたって巻き付けられ、複数の管体部７ｂが下壁部４０ｂの外面に当接しているが、それら複数の管体部７ｂのいずれも、下壁部４０ｂにはロウ付けされていない。したがって、缶体４の下壁部４０ｂは、水冷管７によって余り効果的には冷却されない。
このことに対応し、下側の空気流出口９３（９３ｂ）から下壁部４０ｂの内面近傍に向けて流出する空気の流量は、他の空気流出口９３から上壁部４０ａや両側壁部４０ｃのそれぞれの内面近傍に向けて流出する空気の流量よりも多くなるように構成されている。このことにより、下壁部４０ｂを効果的に空冷し、下壁部４０ｂが異常高温になることを適切に防止することが可能である。

本実施形態においては、缶体４の上壁部４０ａの内面において凝縮水が発生するが、温水装置ＷＨａは、バーナ２側よりも排気集合筒３側の方が高くなるように傾斜しているため、前記凝縮水がフィン６側に流れていくことは抑制される。したがって、凝縮水に起因してフィン６に目詰まりが生じることを適切に防止することが可能となる。
一方、缶体４の下壁部４０ｂの内面において凝縮水が発生した場合には、この凝縮水がバーナ２側に流れていき易くなるが、下壁部４０ｂには水冷管７がロウ付けされておらず、下壁部４０ｂの内面における凝縮水の発生量は少ない。このため、バーナ２に多くの凝縮水が流れ込む不具合も生じないようにすることが可能である。

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。

上述の実施形態においては、温水装置ＷＨ，ＷＨａを傾斜させているが、本発明はこれに限定されず、缶体４の中心線ＣＬが水平となるように非傾斜状態の横倒し姿勢に設定してもよい。
また、上述の実施形態においては、缶体４の上壁部４０ａおよび下壁部４０ｂのいずれか一方のみに非ロウ付け部ＮＢが設けられているが、本発明はこれに限定されず、上壁部４０ａおよび下壁部４０ｂの双方に非ロウ付け部ＮＢが設けられた構成とすることも可能である。

また、図１〜図３に示した実施形態においては、缶体４の上壁部４０ａに対して水冷管７の複数の管体部７ａの全てをロウ付けしていないが、たとえばそれらのうち、１つの管体部７ａについてはロウ付けせず、他の管体部７ａについてはロウ付けを行なうようにしてもよい。この点は、図４および図５に示した実施形態の缶体４の下壁部４０ｂに当接する水冷管７の複数の管体部７ｂについても同様である。本発明でいう非ロウ付け部は、上壁部４０ａまたは下壁部４０ｂの少なくとも一方に、１箇所以上（少なくとも１箇所）設けられていればよい。

加熱用気体は、燃焼ガスに代えて、たとえばコージェネレーションシステムから排出される高温の排ガスなどとすることが可能である。伝熱管および複数のフィンの具体的な形状、サイズ、材質なども上述したような内容に限定されない。
本発明に係る熱交換器は、温水装置用以外の用途に用いることもできる。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。

ＨＥ 熱交換器
ＷＨ，ＷＨａ 温水装置
Ｂ，Ｂａ，Ｂｂ，Ｂｃ ロウ付け部
ＮＢ，ＮＢａ，ＮＢｂ，ＮＢｃ 非ロウ付け部
１ ファン
２ バーナ
３ 排気集合筒
４ 缶体
４０ 周壁部（缶体の）
４０ａ 上壁部（周壁部の）
４０ｂ 下壁部（周壁部の）
５ 伝熱管
６ フィン
７ 水冷管

Claims (5)

1. 横倒しの姿勢とされ、かつ内部には加熱用気体が横向きに進行するように供給される缶体と、
   この缶体の内部に配され、かつ前記加熱用気体から熱回収を行なって湯水加熱を行なうための伝熱管およびこの伝熱管に接合された複数のフィンと、
   前記缶体の周壁部のうち、前記複数のフィンよりも加熱用気体流れ方向上流側の外面部に巻き付けられた水冷管と、
   この水冷管を前記周壁部にロウ付けする水冷管用のロウ付け部と、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記缶体の周壁部の上壁部または下壁部の少なくとも一方には、前記上壁部または前記下壁部の略全幅にわたって前記水冷管とのロウ付けがなされていない非ロウ付け部が、１箇所以上設けら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、
   前記缶体は、加熱用気体流れ方向下流側が上流側よりも高さが低くなるように傾斜しており、
   前記非ロウ付け部は、前記上壁部に設けられている、熱交換器。
3. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記缶体は、加熱用気体流れ方向上流側が下流側よりも高さが低くなるように傾斜しており、
   前記非ロウ付け部は、前記下壁部に設けられている、熱交換器。
4. 請求項１ないし３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。
5. 請求項４に記載の温水装置であって、
   前記加熱用気体としての燃焼ガスを発生させるバーナと、
   このバーナおよび前記缶体内に空気を供給するファンと、
   このファンから前記缶体内に供給された空気を、前記缶体の周壁部の内面に沿わせて流れさせ、かつ前記周壁部のうち、前記非ロウ付け部が設けられている前記上壁部または前記下壁部の内面近傍への空気供給量を、前記周壁部の他の部分の内面近傍への空気供給量よりも多くする空気ガイド手段と、
   をさらに備えている、温水装置。

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