JP3720614B2 - 熱交換装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼装置からの排気通路に吸熱用の通水管を配置した熱交換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼排気からの熱交換効率の向上を図った熱交換装置として、主熱交換部と副熱交換部とが二段式に配置されてなる熱交換器と、ガスバーナが組み合わされた構成のものがある。前記熱交換器は、熱交換部として外周に多数のフィンが設けられた通水管が配置され、その上部に配設されるガスバーナの燃焼によって生じせられ熱交換器へ送り込まれる燃焼排気の顕熱を主として吸熱する主熱交換部と、この下流に配置され前記主熱交換部で吸熱されなかった残りの顕熱及び燃焼排気の潜熱を吸熱する副熱交換部との段階的な吸熱によって燃焼排気との間で効率よく熱交換されるようになっている。
【０００３】
このような構成の熱交換器において、熱交換部である通水管の断面配置を並列ではなく千鳥状となるように配する方が、通水管の全周に燃焼排気が行き渡るため熱交換効率が高くなることが知られている。しかし、千鳥配置は並列位置と比して熱交換部の占める容積が大きくなるため、熱交換器のコンパクト化の点で問題がある。
【０００４】
この問題を解決する手段として、並列配置された通水管の周囲に、通水管の全周面に燃焼排気が行き渡るような排気集中手段及び排気案内手段（整流板）を配設させる技術が開示されている（特許第2729461 号）。図１に整流板を用いた従来の熱交換装置の一例を示す。
この熱交換装置は、例えば給湯器に用いられるものであり、熱交換器(1) を収容する缶体(6) と、前記缶体(6) の上部に炎孔部が下向きに設定されたガスバーナー(3) を具備し、給気室(42)を備える給気箱(7) 、及び、前記熱交換器(1) の下端開口部に接続する排気筒(21)から構成されている。前記給気室にはガスノズル(31)が臨ませてあり、給気室(42)の上部にはファン(4) が設けられている。また、前記熱交換器(1) の下方にはドレンを排出するためのドレン排出口(8) が設けられている。
【０００５】
熱交換器(1) は、通水管(11)とその外周に設けられた多数の環状フィン(12)(12)及び前記缶体(6) とから構成されており、該熱交換器(1) は燃焼排気の顕熱を主として吸熱する主熱交換部(1a)と、主として前記主熱交換部(1a)で冷却された燃焼排気の潜熱を吸熱して露点以下に冷却し、ドレンを発生させる副熱交換部(1b)からなっている。
【０００６】
前記主熱交換部(1a)における通水管(11)は、三段に構成されその断面が千鳥状となうように二列又は三列に蛇行状に曲成されており、前記副熱交換部(1b)ではその断面が並列状に三列に蛇行状に曲成された一段構成である。
このものでは、副熱交換部(1b)側に位置する通水管(11)から水道水を供給すると、通水管(11)内の通水は、熱交換器(1) 内において通水管(11)やフィン(12)(12)を通ってガスバーナ(3) の燃焼により発生した燃焼排気の熱量を吸熱し、湯となって主熱交換部(1a)側から外部に取り出される。また、吸熱により前記副熱交換部(1b)で生じたドレンは、その自重によって該副熱交換部(1b)の下方に滴下し、前記ドレン排出口(8) から外部に排出される。
【０００７】
前記副熱交換部(1b)における通水管(11)の断面両側には、断面半円状の一対の案内部(51)(51)からなる整流板(5) が前記通水管(11)のフィン(12)(12)と同心円状に配設されており、この整流板(5)(5)は通水管(11)と熱交換されずに燃焼排気が通過してしまうことを防止するために、所定の部分で缶体(6) の内壁と整流板(5) との間の燃焼排気の流れを遮断できるように近接させている。前記通水管(11)を包囲する一対の案内部(51)(51)の上端相互及び下端相互は、小さな間隔をおいて対向しており、通水管(11)の上方及び下方には開放部が形成されている。
【０００８】
上記のような構成であるため、燃焼排気は前記上方の開放部から流入し、通水管(11)及びフィン(12)(12)との間を通水管(11)に沿って流れ下方の開放部から排出されるため、燃焼排気は通水管(11)に集中的に接触する。これにより、並列に配置された副熱交換部(1b)の熱効率は上昇し、熱交換器(1) は吸熱能力を低下させることなくその容積を減縮できるため、熱交換装置のコンパクト化が図ることができる。
【０００９】
しかし、燃焼排気の流れを遮断するように前記整流板(5)(5)を前記缶体(6) の内壁に近接するように設けているため、ガスバーナ(3) の燃焼振動によって整流板(5) が振動し、前記整流板(5) と前記缶体(6) の内壁との間に小衝突が繰返し生じて異音が発生するという問題がある。この異音解消法として、整流板(5) と缶体(6) との間隙を広くしたり、両者を溶着固定させるなどの方法が考えられるが、前者は前述のようにこの間隙を抜けて熱交換することなく通過する燃焼排気が生じてしまい熱効率が低下し、後者は製造工数が増加するためコスト高となってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような、『燃焼装置からの排気通路となる筒状の缶体(6) 内に前記排気通路を横断するように並設された複数の吸熱用のフィン付の通水管(11)と、前記通水管(11)の各々の表面に燃焼排気を集めるために前記フィン付の通水管(11)の少なくとも排気流の下流側の断面外周側部を囲うように通水管(11)に沿って配設される一対の案内部(51)(51)からなる整流板(5) とを具備する熱交換装置』において、熱効率を低下させることなく、前記整流板(5) と前記缶体(6) の内壁との間に生じる異音の発生を防止することをその課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
＊１項、
上記課題を解決するための本発明の技術的手段は、『前記整流板(5)と前記缶体(6)の内壁との間に燃焼排気を遮断可能な緩衝材(7)を介在させており、
副熱交換部に並設される吸熱用のフィン付の通水管(11)群が燃焼排気の流れ方向に少なくとも上下二段に配置された構成であり、各通水管(11)の断面部を挟んで対向する案内部(51)(51)が、連結板(500)で連結され、前記連結板(500)が、前記上下二段に配置された前記フィン付の通水管(11)(11)のフィン(12)(12)相互によって挟持される構成である』ことである。
【００１２】
上記技術的手段は、次のように作用する。
整流板(5) と缶体(6) の内壁との間に緩衝材(7) が配設されるため、前記整流板(5) と前記缶体(6) の内壁とが直接に接することがなく、燃焼振動によって前記整流板(5) に振動や微動が生じても、前記缶体(6) の内壁との間で小衝突が生じないため異音が発生することはない。
【００１３】
前記緩衝材(7)は、燃焼排気を遮断できる素材から構成されているから、缶体(6)の内壁と整流板(5)との間の排気の通過が遮断され、燃焼排気全体がフィン付の通水管(11)に案内される。
そして、副熱交換部に並設される吸熱用のフィン付の通水管(11)群が燃焼排気の流れ方向に少なくとも上下二段に配置された構成であり、各通水管(11)の断面部を挟んで対向する案内部(51)(51)が、連結板(500)で連結され、前記連結板(500)が、前記上下二段に配置された前記フィン付の通水管(11)(11)のフィン(12)(12)相互によって挟持される構成であるので、各整流板(5)(5)は連結板(500)の部分が上下段の通水管(11)(11)のフィン(12)(12)部によって挟持されているため、各整流板(5)(5)を缶体(6)の内壁に支持させなくとも缶体(6)内に安定した状態に固定されるから、整流板(5)とフィン(12)との間に振動による異音の発生がなく、整流板(5)の取付けが簡単である。
【００１４】
【発明の効果】
本発明は、上記構成であるから、次の特有の効果を有する。
熱交換器の作動時の燃焼振動に起因する整流板(5) の振動によって前記缶体(6) の内壁と前記整流板(5) との小衝突の繰返しによって異音が発生することを防止できる。
【００１５】
前記缶体(6)の内壁と前記整流板(5)との間の燃焼排気の通過が遮断され、燃焼排気全体がフィン付の通水管(11)に接触するようになるため、熱交換効率が上昇する。
［その他］
＊２項、
１項において、『前記緩衝材(7)がシリコンゴム又はＥＰＤＭ等の耐酸耐熱振動吸収性のゴム材』としたことにより、酸性物質を含むドレンの付着に影響されることなく、緩衝材(7)により振動や衝撃が吸収されるため、前記整流板(5)の振動による異音の発生をより確実に阻止又は減縮することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、上記した本発明の実施例を図面に従って詳述する。
図２に示す実施例は、燃焼排気を凝縮させてその潜熱を吸熱する機能を備えた熱交換装置を具備する、例えば給湯器に本発明を実施したものである。この例の熱交換装置は、給湯器本体の内部に熱交換器(1) を構成する缶体(6) を設け、該缶体(6) の上部に多孔プレート式のガスバーナ(3) を具備し且つ上部に混合気室(3a)を配設した構成となっている。また、前記熱交換器(1) の下端開口部には冷却された燃焼排気が排出される排気口(2) を連設した排気筒(21)を接続させている。
【００１７】
前記熱交換器(1) は、主にガスバーナ(3) の燃焼排気の顕熱を吸熱する主熱交換部(1a)と、その下方に配設され且つ主としてガスバーナ(3) の燃焼排気の潜熱を吸熱する副熱交換部(1b)とから成り、一方の前記主熱交換部(1a)は、缶体(6) に内接する複数の矩形状のフィン(12)(12)を通水管(11)に具備させた構成であり、他方の副熱交換部(1b)は、前記主熱交換部(1a)に位置する通水管(11)より排気流の下流側部分に環状のフィン(12)(12)を具備させた構成である。前記環状のフィン(12)(12)の直径は、隣接する通水管(11)のフィン(12)(12)や缶体(6) の内壁と極力近接させながら、互いに接触することのない大きさに設定されている。
【００１８】
この例の熱交換器(1) では、通水管(11)は、主熱交換部(1a)において上段が横四列、下段が横三列からなる千鳥状の二段構成に蛇行状に曲成されており、他方の副熱交換部(1b)においては横三列、縦二段に並列となるように蛇行状に曲成された構成となっている。また、ガスバーナ(3) と主熱交換部(1a)との間に設けられる燃焼室(60)の缶体(6) の外側には、高温化による缶体(6) の早期劣化及び外部への放熱ロスを防止するために通水管(11)が螺旋状に巻き付けられており、前記通水管(11)によって缶体(6) の熱が吸熱されるようになっている。
【００１９】
被加熱水は、下端部である副熱交換部(1b)の通水管(11)より供給されて、副熱交換部(1b)、主熱交換部(1a)の順にそれぞれの通水管(11)を巡り、その間に燃焼排気と熱交換して熱量を吸熱し、主熱交換部(1a)の通水管(11)の端部から前記缶体(6) の外側に螺旋状に巻き付けられた通水管(11)を通って上方へ送られ、上端部から湯として取り出されるようになっている。
【００２０】
前記副熱交換部(1b)のフィン付の通水管(11)の上段と下段との間には、図３、図５に示すように３つの整流板(5) が連接された構成である整流器具(54)が、その両延長片部(52)(52)において缶体(6) に内接するように、前記上下段のフィン付の通水管(11)(11)によって挟持されている。前記整流板(5) は、上段に位置する通水管(11)に具備されたフィン(12)(12)の下方側の円弧に沿うように屈曲された一対の案内部(51)(51)からなっており、隣接する整流板(5)(5)とは断面山型の凸部を形成する部分で連結されている。前記一対の案内部(51)(51)は所定の間隔を維持するように対向配置され、それらの相互が連結板(500) で連結一体化されており、前記連結板(500)(500)に挟まれた前記間隔が燃焼排気の流路である長孔(50)となっている。また、缶体(6) の内壁に近接する案内部(51)には、缶体(6) の内壁に平行な延長片部(52)が連結されている。
【００２１】
前記整流器具(54)の延長片部(52)(52)と缶体(6) の内壁との間には、それぞれ振動吸収性の弾性体であるシリコンゴムからなる緩衝材(7) が配設されており、前記延長片部(52)−緩衝材(7) −内壁の各間は、燃焼排気が各間から漏れることを実質的に遮断できるように密接されている。前記緩衝材(7) は、整流器具(54)の延長片部(52)と缶体(6) の内壁のどちらか一方に固着されれば良いが、この例では前記整流器具(54)の延長片部(52)(52)に取付けられており、組み立て時に前記緩衝材(7) が缶体(6) の内壁と密接するように設置されている。
【００２２】
前記緩衝材(7) の素材としては、上記以外にもＥＰＤＭ系ゴム等が考えられるが、燃焼排気内の酸化物を含有するドレン（ｐＨ２〜３程度）に対する耐酸性と、燃焼排気に対する耐熱性( 耐熱温度：150 ℃以上) と整流板(5) と缶体(6) の内壁との間において十分な気密性を発揮するものであればよい。
上記のような構成であるため、この例の熱交換装置は以下のように作動する。ガスバーナ(3) の上部に設けられた混合気室(3a)内に図示しない燃焼空気用のファンから強制給気を行なうと共にガスを供給してガスバーナ(3) を燃焼させて生成された燃焼排気は、前述した図１の従来の熱交換装置と同様に、吸熱されながら上部から下部方向へ流れ、燃焼室(60)→主熱交換部(1a)→副熱交換部(1b)→排気筒(21)→排気口(2) を経て外部へ排出される。一方、ガスバーナ(3) の燃焼と共に通水管(11)の上流部から水道水を供給すると、通水管(11)内の通水は、副熱交換部(1b)→主熱交換部(1a)→缶体(6) の外側に巻き付けられた通水管(11)を通る間に、ガスバーナ(3) の発生熱量を通水管(11)や前記通水管(11)に具備されるフィン(12)(12)を介して吸収し、通水管(11)の下流端部から湯となって外部に取り出される。この吸熱作用において、燃焼室(60)に続く主熱交換部(1a)では、主に、ガスバーナ(3) の燃焼排気の顕熱を吸熱する作用が行われており、その下方に位置する副熱交換部(1b)では、主として、燃焼排気の潜熱を吸熱し、露点温度以下に冷却させることによって凝縮させてドレンを発生させる作用が行われる。
【００２３】
このとき、ガスバーナー(3) で発生され熱交換部(1a)(1b)に送り込まれる燃焼排気は、主熱交換部(1a)の通水管(11)及び前記通水管(11)に具備された缶体(6) に内接する矩形のフィン(12)(12)に接触し、その顕熱を奪われる。次に、副熱交換部(1b)へと流れ込んだ燃焼排気は、図３に示されるように、各整流板(5) に設けられた案内部(51)(51)によって、燃焼排気は上段の通水管(11)の外周面に沿うように流れ、整流板(5) の長孔(51)から下段の通水管(11)及びフィン(12)(12)の頂上部に集中させられる。これによって、燃焼排気からの吸熱が効果的に行われるため熱効率が向上される。
【００２４】
また、整流器具(54)の延長片部(52)(52)と缶体(6) の内壁との間に緩衝材(7) が介在されているため、従来の熱交換装置のように、熱交換装置の作動中の燃焼振動によって整流板(5) が振動し、前記整流板(5) に近接する缶体(6) の内壁との間に小衝突が繰返し生じ、耳障りな異音や振動音が発生することが防止されるようになっている。
【００２５】
上記の例において、整流器具(54)は二段に構成された副熱交換部(1b)の上下段の間に一枚だけ配設されているが、図４に示されるように、副熱交換部(1b)を三段構成とし、前記整流器具(54)を各段間に挟持させるように配設してもよい。
本発明の熱交換装置は上記の実施の形態に限られるものでなく、熱交換装置の熱交換部(1a)(1b)の熱交換効率を向上させるために燃焼排気の集中手段としてその通水管(11)の周辺部に整流板(5) が配置され、その整流板(5) と缶体(6) との隙間を遮断するために、緩衝材(7) を介在させる構成となっている熱交換装置であればよい。したがって、各熱交換部(1a)(1b)の通水管(11)の配置やその数、通水管(11)に具備されるフィン(12)の形状や、整流板(5) の形状は、従来例として図１に示した熱交換装置のように上記の例と異なるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の熱交換装置の断面図
【図２】本発明の実施の形態の熱交換装置の断面図
【図３】本発明実施の形態１の副熱交換部(1b)の断面図
【図４】本発明実施の形態２の副熱交換部(1b)の断面図
【図５】本発明実施の形態の整流器具(54)の斜視図
【符号の説明】
(1) ・・・熱交換器、(11)・・・通水管、(11a) ・・・主熱交換部、
(11b) ・・・副熱交換部、(12)・・・フィン、(3) ・・・ガスバーナ、
(5) ・・・整流板、(51)・・・案内部、(500) ・・・連結板、
(6) ・・・缶体、(7) ・・・緩衝材

Claims (2)

1. 燃焼装置からの排気通路となる筒状の缶体(6)内に前記排気通路を横断するように並設された複数の吸熱用のフィン付の通水管(11)と、前記通水管(11)の各々の表面に燃焼排気を集めるために前記フィン付の通水管(11)の少なくとも排気流の下流側の断面外周側部を囲うように通水管(11)に沿って配設される一対の案内部(51)(51)からなる整流板(5)とを具備する熱交換装置において、
   前記整流板(5)と前記缶体(6)の内壁との間に燃焼排気を遮断可能な緩衝材(7)を介在させており、
   副熱交換部に並設される吸熱用のフィン付の通水管(11)群が燃焼排気の流れ方向に少なくとも上下二段に配置された構成であり、各通水管(11)の断面部を挟んで対向する案内部(51)(51)が、連結板(500)で連結され、前記連結板(500)が、前記上下二段に配置された前記フィン付の通水管(11)(11)のフィン(12)(12)相互によって挟持される構成である熱交換装置。
2. 前記緩衝材(7)がシリコンゴム又はＥＰＤＭ等の耐酸耐熱振動吸収性のゴム材からなる請求項１の熱交換装置。

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