JP2022175131A - 燃焼熱源機 - Google Patents

Abstract

【課題】単段熱交換器を用いる場合に缶体の温度上昇を抑制し且つ熱効率の向上を図ることを両立させる燃焼熱源機を提供する。【解決手段】燃焼熱源機１は給水管６から低温の流体が流入しバーナ部２の燃焼排気から吸熱して低温の流体を高温の流体に加熱し出湯管７に流出する熱交換器３と、熱交換器３を収容する缶体３３とを備える。熱交換器３は給水管６および出湯管７が接続される伝熱管３２を複数の伝熱フィン３１に貫通させて蛇行状に配設し且つ単段に配設する単段熱交換器３である。単段熱交換器３における伝熱管３２の並び方向に位置する流体の入口側および出口側の缶体内壁面３３ａ，３３ｂに、ファン１１により送風される空気のうちバーナ部２周辺を通過した短絡空気を流すとともに、単段熱交換器３の伝熱フィン３１における出湯側または給水側の少なくとも一方の側端部３１ｂ又は３１ａと缶体内壁面３３ａ，３３ｂとの間を非接触とする。【選択図】図１

Description

本発明は、単段熱交換器を備える燃焼熱源機に関する。

燃焼熱源機として、例えば、給湯装置は、バーナ部で生成した燃焼排気から吸熱して水を加熱する熱交換器を備えている。熱交換器は、給水管および出湯管を接続する伝熱管と、伝熱管を貫通させ蛇行状に配設する複数枚の伝熱フィンとを有するものがある。この熱交換器として、燃焼排気の流れ方向に伝熱管を上下方向に複数段に配設する複数段熱交換器以外に、熱交換器の上下方向の小型化を図るために伝熱管を単段に配設する単段熱交換器が知られている（特許文献１、２等）。

特開２０１５－６４１４３号公報 特開２０１３－１１４０９号公報

ところで、単段熱交換器では、燃焼排気の流れ方向の熱交換長が短くなるため、これを補うために、複数段熱交換器に比べ、伝熱管の管ピッチを短くして伝熱管の配列数を多くすることがある。例えば、複数段熱交換器における１段の伝熱管は、５～６本程度並べて配列するが、単段熱交換器では伝熱管を７～９本程度並べて配列する場合がある。この場合、最も端側に配置する伝熱管と熱交換器を収容する缶体の内壁との距離が接近し、伝熱フィンの側端部と缶体内壁面との接触部分を通じて伝熱フィンから缶体への伝熱が大きくなる傾向となる。そのため、缶体が過熱されて缶体温度が高温になり易く、また、伝熱フィンから多くの熱が缶体に奪われて熱交換器の熱効率の向上を妨げるおそれがあった。

本発明は、以上の事情に鑑みてなされたものであり、単段熱交換器を用いる場合、缶体の温度上昇を抑制し、且つ、熱効率の向上を図ることの両立を可能とする燃焼熱源機を提供することを目的とする。

本発明に係る燃焼熱源機は、
燃料を燃焼させて燃焼排気を生成するバーナ部と、
前記バーナ部に空気を送るファンと、
低温の流体が流入する給水管と、
前記給水管から低温の流体が流入し前記バーナ部の燃焼排気から吸熱して前記低温の流体を加熱して高温の流体とする熱交換器と、
前記熱交換器を収容する缶体と、
前記高温の流体を出湯する出湯管とを備え、
前記熱交換器は、前記給水管および前記出湯管が接続される伝熱管を複数の伝熱フィンに貫通させて蛇行状に配設し、且つ、単段に配設する単段熱交換器であり、
前記単段熱交換器における伝熱管の並び方向に位置する流体の入口側および出口側の前記缶体内壁面に、前記ファンにより送風される空気のうち前記バーナ部周辺を通過した短絡空気を流すとともに、前記単段熱交換器の伝熱フィンにおける出湯側または給水側の少なくとも一方の側端部と前記缶体内壁面との間を非接触とするものである。

前記構成によれば、前記缶体内壁面に短絡空気を流すことで、低温の短絡空気によって缶体の温度を低下させることができる。また、前記伝熱フィンの側端部と缶体内壁面とを非接触とすることで、伝熱フィンから缶体への伝熱が空気によって遮断される。これにより、缶体の温度上昇を防止でき、且つ、伝熱フィンの側端部近傍の熱が缶体に奪われることが防止され、伝熱フィンの側端部近傍でも温度上昇に寄与し、ひいてはこの伝熱フィンの側端部近傍の伝熱管への熱供給に寄与できる。前記非接触の部分の隙間では短絡空気が流動しやすくなるため、短絡空気の円滑な流動によって缶体の温度低下を促進することができる。

従って、単段熱交換器の場合、複数段熱交換器に比べ、伝熱管の管ピッチが短くなり最も端側の伝熱管と缶体内壁との距離が接近する傾向にあっても、缶体の温度上昇が抑制され、且つ、伝熱フィンの側端部近傍での温度上昇により熱効率の向上を図ることができる。よって、単段熱交換器を用いる燃焼熱源機において、缶体の温度上昇抑制と、熱効率の向上とを両立させることが可能となる。

前記燃焼熱源機において、
前記非接触とする伝熱フィンの側端部と缶体内壁面との間に、燃焼排気流と短絡空気流とを略分離する仕切り構造を有することが望ましい。
これにより、伝熱管の管ピッチが短くて最も端側に配置する伝熱管と缶体内壁との距離が接近する傾向にある単段熱交換器において、前記仕切り構造によって、缶体内壁面に沿った短絡空気の風路と、缶体内の伝熱フィンに向かう燃焼排気の風路とが明確に区分けされる。従って、積極的に短絡空気を缶体側に流すとともに、伝熱フィンの側端部近傍を流れる燃焼排気に短絡空気が混入することを防止できる。よって、燃焼排気による伝熱フィンの温度分布は、伝熱フィンの側端部まで高く維持することができ、且つ、缶体の温度を低く維持することができる。

前記仕切り構造は、前記伝熱フィンの側端部を折り曲げた折り曲げ部により構成することができる。
これにより、仕切り構造の形成に際して新たな部品を追加することなく、簡単に且つ低コストに仕切り構造を設けることができる。

前記伝熱フィンの折り曲げ部は、平坦な表面形状に形成することが望ましい。
すなわち、仕切り構造を構成する伝熱フィンの折り曲げ部には、燃焼排気を攪拌させるためのスリット等を設けず、プレーンの平坦な表面形状とすることにより、燃焼排気が攪拌されて短絡空気との混合が誘発されないようにすることができる。従って、単段熱交換器における最も端側に配置する伝熱管と缶体内壁との狭い空間において、短絡空気と燃焼排気との分離をより明確に行うことが可能となる。

また、前記燃焼熱源機は、前記缶体内壁面と非接触にする前記伝熱フィンの側端部は、出湯側の側端部としてもよい。
すなわち、単段熱交換器では、伝熱管の並び方向において給水側から出湯側に向かうにつれて伝熱管内の流体温度が高くなり、伝熱フィンの出湯側の側端部近傍は、最下流の伝熱管が配置され、最も温度の高い部分となる。従って、伝熱フィンの出湯側の側端部を缶体内壁面と非接触にすることで、伝熱フィンの出湯側の側端部近傍を十分に高い温度状態に維持でき、容易に熱効率の向上を図ることができる。また、缶体の過熱も十分に抑制でき、容易に缶体温度の低減を図ることができる。

実施形態による給湯装置（燃焼熱源機）の構成を示す模式図である。 実施形態による給湯装置（燃焼熱源機）に備える単段熱交換器の部分を示す斜視図である。 単段熱交換器の伝熱フィンの側端部に形成した折り曲げ部（仕切り構造）を示す模式図である。 単段熱交換器および缶体を示す平面図である。 単段熱交換器における伝熱フィンの側端部近傍での雰囲気温度の温度分布を示すグラフであり、同図（Ａ）は伝熱フィンの側端部と缶体内壁面とを接触する構造における雰囲気温度の温度分布を示すグラフであり、同図（Ｂ）は伝熱フィンの側端部と缶体内壁面との間を非接触とする構造（実施形態）における雰囲気温度の温度分布を示すグラフである。 その他の形態としての単段熱交換器および缶体を示す平面図である。

以下に、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
実施形態の燃焼熱源機は、単段熱交換器３を備える給湯装置１である。図１に示すように、給湯装置１は、外装ケーシング１０内に、ファン１１と、バーナ部２と、一次熱交換器（単段熱交換器３）と、二次熱交換器１２とが下から上へと順に配設されている。

ファン１１は、回転作動してバーナ部２に空気を供給する。バーナ部２には、燃料ガスを供給するガス供給管４が接続されている。バーナ部２は、ファン１１により供給される燃焼用空気（一次空気）と燃料ガスとを混合した混合ガスを燃焼させて燃焼排気（図１中、黒色太矢印）を生成する。このバーナ部２は、矩形状のバーナケース２１内に収容されている。バーナ部２周辺とバーナケース２１との間には、空隙２２が設けられている。従って、ファン１１によりバーナ部２側に供給される空気は、バーナ部２に向かう燃焼用空気と、バーナ部２周辺に向かってバーナ部２とバーナケース２１との間の空隙２２を通り抜ける短絡空気（図１中、白色太矢印）とに分かれる。短絡空気は、一部がバーナ部２の燃焼面に流れて燃焼の二次空気にもなるが、バーナケース２１の内側面に沿って一次熱交換器３側に流れて行く。

一次熱交換器３は、フィンチューブ式の単段熱交換器３である。図２にも示すように、この単段熱交換器３は、複数の板状の伝熱フィン３１と、伝熱フィン３１を貫通させて蛇行状に配設する伝熱管３２とを備える。伝熱管３２は、横方向に複数本並べて配列され、上下方向には単段（一段）に配設されている。この単段熱交換器３は、矩形状の缶体３３内に収容されている。缶体３３は、上端部と下端部とが開放され、下端部の開口部にはバーナケース２１の上端開口部と接続されており、バーナ部２の燃焼排気および短絡空気が流入される。缶体３３の上端部の開口部には、排気フード１４が接続されている。

二次熱交換器１２は、排気フード１４の上部に配設されている。二次熱交換器１２は、二次側伝熱管１２ａを蛇行状に配設して、この二次側伝熱管１２ａが上下方向に複数段に配設されている。二次熱交換器１２は、前壁と後壁とに開口部１３ａ，１３ｂを設けた矩形状の筐体１３内に収容されている。筐体１３の後壁の開口部１３ｂは、排気フード１４によって缶体３３の上端部の開口部と連通されており、単段熱交換器３を通過した燃焼排気が後壁の開口部１３ｂから二次熱交換器１２に供給される。筐体１３の前壁の開口部１３ａは、排気筒１５が接続された排気フード１４の前面開口部と対向し、二次熱交換器１２を通過した燃焼排気は、排気筒１５から装置１外に排出される。

二次熱交換器１２は、二次側伝熱管１２ａの上流側端部に上水道等に接続する第１給水管５が接続され、二次側伝熱管１２ａの下流側端部に第２給水管６が接続されている。第２給水管６の下流側端部は、単段熱交換器３の伝熱管３２の上流側端部に接続されている。単段熱交換器３の伝熱管３２の下流側端部は、出湯管７に接続されている。給湯装置１が運転されると、ファン１１を作動させると共にバーナ部２を燃焼させて、第１給水管５から二次熱交換器１２の二次側伝熱管１２ａ内に流入された水が燃焼排気により加熱されて低温水として第２給水管６から単段熱交換器３の伝熱管３２内に供給される。単段熱交換器３では、第２給水管６から伝熱管３２内に流入された低温水が燃焼排気により加熱されて高温水として出湯管７に流出され、シャワーやカラン等の給湯端末に湯が供給される。なお、本発明の燃焼熱源機では、水の代わりに他の流体を加熱するものでもよい。

次に、単段熱交換器３の配設部における構造について説明する。
本実施形態では、図１および図４に示すように、単段熱交換器３における伝熱フィン３１の給水側および出湯側の側端部３１ａ，３１ｂと缶体３３の入口側および出口側の内壁面３３ａ，３３ｂとの間は、非接触に構成されている。すなわち、板状の伝熱フィン３１における伝熱管３２の並び方向側に位置する両端の側端部３１ａ，３１ｂは、缶体内壁面３３ａ，３３ｂから離されて缶体内壁面３３ａ，３３ｂとの間に隙間ｓが設けられている。

このように、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂと缶体内壁面３３ａ，３３ｂとを非接触とすることで、伝熱フィン３１から缶体３３への伝熱が空気によって遮断される。これにより、缶体３３の壁面温度の上昇を防止でき、且つ、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂ近傍の熱が缶体３３に奪われることが防止される。従って、缶体３３が高温となることが防止され、また、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂ近傍の温度上昇に寄与し、ひいては伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂ近傍の伝熱管３２への熱供給に寄与できる。

単段熱交換器３の配設部では、図１に示すように、ファン１１により送風される空気のうち、バーナ部２の燃焼排気（図１中、黒色太矢印）は、伝熱フィン３１および伝熱管３２を配設する缶体３３中央部を流れ、バーナ部２周辺を通過した短絡空気（図１中、白色太矢印）は、バーナケース２１の内側面に沿って缶体３３内に流れ込み、缶体３３内に流れ込んだ短絡空気は、伝熱管３２の並び方向に位置する水の入口側および出口側の缶体内壁面３３ａ，３３ｂに沿って流れる構成としている。すなわち、短絡空気が伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂと缶体内壁面３３ａ，３３ｂとの間の隙間ｓを通って缶体内壁面３３ａ，３３ｂに沿って流れるように缶体３３とバーナケース２１との位置関係、形状、大きさ等が設定されている。本実施形態では、缶体３３とバーナケース２１とは、同形の矩形状とされ、大きさも略同径に形成されて接続されているが、バーナケース２１の方を大径にした構成であってもよい。

このように、短絡空気を缶体内壁面３３ａ，３３ｂに沿って流すことで、低温の短絡空気によって缶体３３壁面の温度を低下させることができる。また、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂと缶体内壁面３３ａ，３３ｂとの間を非接触にして隙間ｓを設けることで、短絡空気が缶体内壁面３３ａ，３３ｂに沿って流動しやすくなり、短絡空気の円滑な流動によって缶体３３の温度低下を促進することができる。

また、図３および図４に示すように、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂは、略直角に折り曲げて折り曲げ部３４が形成されている。この折り曲げ部３４の先端が隣りの伝熱フィン３１と当接するか、または、僅かに離れているかの間隔で、複数の伝熱フィン３１が並設されている。伝熱フィン３１の折り曲げ部３４は、缶体内壁面３３ａ，３３ｂとは非接触とされ、この非接触とする伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂと缶体内壁面３３ａ，３３ｂとの間に燃焼排気流と短絡空気流とを分離する仕切り構造を構成する。

このように、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂを折り曲げた折り曲げ部３４により仕切り構造を構成することにより、仕切り構造の形成に際して新たな部品を追加することなく、簡単に且つ低コストに仕切り構造を設けることができる。

単段熱交換器３は、複数段熱交換器に比べ、伝熱管３２の管ピッチが短くて最も端側の伝熱管３２と缶体内壁面３３ａ，３３ｂとの距離が接近する傾向にあるため、短絡空気を缶体内壁面３３ａ，３３ｂに沿って流すようにしても、短絡空気と、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂ近傍を流れる燃焼排気とが混合され易い。

この点、本実施形態では、単段熱交換器３において、折り曲げ部３４による仕切り構造によって、缶体内壁面３３ａ，３３ｂに沿って流れる短絡空気の風路と、缶体３３中央の伝熱フィン３１に向かって流れる燃焼排気の風路とを明確に区分けすることができる。従って、積極的に短絡空気を缶体３３側に流すとともに、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂ近傍を流れる燃焼排気と短絡空気とが混ざり合うことを防止できる。よって、燃焼排気による伝熱フィン３１の温度分布は、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂまで高く維持することができ、且つ、缶体３３の温度を低く維持することができる。

また、折り曲げ部３４は、平坦な表面形状に形成されている。すなわち、伝熱フィン３１は、その延在面にスリットや凹凸等を形成して燃焼排気を攪拌することで燃焼排気から熱を効率よく回収する構成とすることがあるが、仕切り構造を構成する伝熱フィン３１の折り曲げ部３４には、燃焼排気を攪拌させるためのスリット等を設けず、プレーンの平坦な表面形状とすることにより、燃焼排気が攪拌されて短絡空気との混合が誘発されないようにする。従って、単段熱交換器３における最も端側に配置する伝熱管３２と缶体３３内壁との間の狭い空間において、短絡空気と燃焼排気との分離をより明確に行うことが可能となる。

因みに、本発明者らが単段熱交換器３において伝熱フィン３１の出湯側の側端部３１ｂ近傍での雰囲気温度を解析したところ、図５（Ａ）に示すように、出湯側における伝熱フィン３１の側端部３１ｂが缶体内壁面３３ｂに接触する構造の場合、缶体内壁面３３ｂ近傍では、短絡空気により雰囲気温度が低下するが、その温度低下の傾きは比較的なだらかであった。すなわち、伝熱フィン３１の側端部３１ｂ近傍で短絡空気と燃焼排気とが混合され、その結果、伝熱フィン３１の側端部３１ｂ近傍の温度は低くなり、缶体内壁面３３ｂの温度は比較的高くなる。これに対して、図５（Ｂ）に示すように、伝熱フィン３１の側端部３１ｂと缶体内壁面３３ｂとの間を非接触とし折り曲げ部３４による仕切り構造を設けた本実施形態では、雰囲気温度は、伝熱フィン３１の側端部３１ｂまで高く維持され、缶体内壁面３３ｂ近傍で急激に低下する傾向となる。すなわち、伝熱フィン３１の側端部３１ｂと缶体内壁面３３ｂとの間を非接触とし且つ仕切り構造を設けることによって、短絡空気の風路と燃焼排気の風路とが明確に区分けされ、その結果、伝熱フィン３１は側端部３１ｂまで温度が高く維持され、缶体３３は温度が低く維持される。

以上より、本実施形態によれば、単段熱交換器３の場合、複数段熱交換器に比べ、伝熱管３２の管ピッチが短くなり最も端側に配置する伝熱管３２と缶体内壁面３３ａ，３３ｂとの距離が接近する傾向にあっても、缶体３３の温度上昇が抑制され、且つ、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂ近傍での温度上昇により熱効率の向上を図ることができる。よって、単段熱交換器３を用いる給湯装置１において、缶体３３の温度上昇抑制と、熱効率の向上とを両立させることが可能となる。

（その他の形態）
図６に示すように、単段熱交換器３Ａにおける配設構造として、給水側における伝熱フィン３１の側端部３１ａは、缶体内壁面３３ａと接触させているが、出湯側における伝熱フィン３１の側端部３１ｂは、缶体内壁面３３ｂと非接触にする。すなわち、単段熱交換器３Ａでは、伝熱管３２内を流れる水は、複数段熱交換器のように給水側と出湯側との間を往復することなく、給水側から出湯側へ一方向に流れるため、伝熱管３２の並び方向において給水側から出湯側に向かうにつれて伝熱管３２内の水温が高くなり、伝熱フィン３１の出湯側の側端部３１ｂ近傍は、最下流の伝熱管３２が配置され、最も温度が高い部分となる。従って、伝熱フィン３１の出湯側の側端部３１ｂを缶体内壁面３３ｂと非接触にするだけでも、伝熱フィン３１の出湯側の側端部３１ｂ近傍を十分に高い温度状態に維持でき、容易に熱効率の向上を図ることができる。また、缶体３３の過熱も十分に抑制でき、容易に缶体３３温度の低減を図ることができる。なお、図６の形態では、伝熱フィン３１の側端部３１ｂに折り曲げ部３４（仕切り構造）を設けるが、折り曲げ部３４を設けないようにしてもよい。

なお、本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な変更を行うことが可能である。
例えば、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂと缶体内壁面３３ａ，３３ｂとの間に設ける仕切り構造は、伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂの折り曲げ部３４に代えて、板状部材を伝熱フィン３１の側端部３１ａ，３１ｂに当接して配置する構造でもよい。
また、実施形態の給湯装置１は、熱交換器として、二次熱交換器１２を備えるが、二次熱交換器１２を備えず単段熱交換器３だけを備えるものでもよい。
また、本発明に係る燃焼熱源機は、給湯装置に限らず、ふろ給湯器、給湯暖房機、ボイラー等の様々な燃焼熱源機に適用することができる。

１ 給湯装置（燃焼熱源機）
２ バーナ部
３ 単段熱交換器（一次熱交換器）
４ ガス供給管
５ 第１給水管
６ 第２給水管
７ 出湯管
１０ 外装ケーシング
１１ ファン
１２ 二次熱交換器
１２ａ 二次側伝熱管
１３ 筐体
１３ａ 前壁の開口部
１３ｂ 後壁の開口部
１４ 排気フード
１５ 排気筒
２１ バーナケース
２２ 空隙
３１ 伝熱フィン
３１ａ 給水側の側端部
３１ｂ 出湯側の側端部
３２ 伝熱管
３３ 缶体
３３ａ 入口側の缶体内壁面
３３ｂ 出口側の缶体内壁面
３４ 折り曲げ部（仕切り構造）
ｓ 隙間

Claims (5)

1. 燃料を燃焼させて燃焼排気を生成するバーナ部と、
   前記バーナ部に空気を送るファンと、
   低温の流体が流入する給水管と、
   前記給水管から低温の流体が流入し前記バーナ部の燃焼排気から吸熱して前記低温の流体を加熱して高温の流体とする熱交換器と、
   前記熱交換器を収容する缶体と、
   前記高温の流体を出湯する出湯管とを備え、
   前記熱交換器は、前記給水管および前記出湯管が接続される伝熱管を複数の伝熱フィンに貫通させて蛇行状に配設し、且つ、単段に配設する単段熱交換器であり、
   前記単段熱交換器における伝熱管の並び方向に位置する流体の入口側および出口側の前記缶体内壁面に、前記ファンにより送風される空気のうち前記バーナ部周辺を通過した短絡空気を流すとともに、前記単段熱交換器の伝熱フィンにおける出湯側または給水側の少なくとも一方の側端部と前記缶体内壁面との間を非接触とする燃焼熱源機。
2. 前記非接触とする伝熱フィンの側端部と缶体内壁面との間に、燃焼排気流と短絡空気流とを略分離する仕切り構造を有する請求項１に記載の燃焼熱源機。
3. 前記仕切り構造は、前記伝熱フィンの側端部を折り曲げた折り曲げ部により構成する請求項２に記載の燃焼熱源機。
4. 前記伝熱フィンの折り曲げ部は、平坦な表面形状に形成されている請求項３に記載の燃焼熱源機。
5. 前記缶体内壁面と非接触にする前記伝熱フィンの側端部は、出湯側の端部とする請求項１～４のいずれか１項に記載の燃焼熱源機。

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