JP3834431B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受熱管内の流体に熱源からの熱を伝導する熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の熱交換器では、受熱管の外周部に多数のフィンプレートを設けるとともに、それら多数のフィンプレートを受熱管の各部においてほぼ均等な間隔で配置していた。またそれぞれのフィンプレートの伝熱面積や厚みは受熱管のどの部分に配置されたものも同一であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、受熱管の中央寄りの部分では、対流は起こるが冷たい水が流れ込まないのでどんどん熱くなる。一方、受熱管の両端部分では、バーナーによって直接加熱されない両端外側のパイプ部分との間で対流が起こるので、冷たい水が両端部から管内へ流入して水温が下がる。このような対流を繰り返すことで受熱管の両端部分は中央部分に比べて水温の上昇が少なくなる。従って、従来のように同一形状のフィンプレート２０１を均等な間隔で配置すると、受熱管内に水が滞留した状態で加熱した場合には、図５に示すように、受熱管２０２の中央寄りの部分に滞留している水の温度が周囲部分に滞留している水よりも高くなってしまう。
【０００４】
たとえば、給湯流路と、浴槽内の水を追い焚きするための追い焚き流路とが１つの熱交換器を通っている一缶二水路型給湯機において、給湯側に通水の無い状態で追い焚き動作を行うと、給湯流路内に滞留している水の温度分布が図５に示すようになるので、受熱管２０２の中央寄りの部分で部分沸騰が起こり易かった。特に、熱交換器の一端部側から他端部側まで延びる受熱管の長さが長くなる横長タイプの熱交換器では、このような傾向が顕著であった。
【０００５】
上述のように、給湯流路内に滞留している水の温度にムラのある状態で出湯が開始されると、出湯温度を設定温度に維持するための制御が難しくなるとともに、部分沸騰していた箇所の水が出湯されて不意に熱い湯が出ると使用者に不快感を与えてしまう。このため、従来は、給湯流路内で部分沸騰が生じないように、追い焚き動作中における加熱量を小さく制限したり、間欠的に加熱していたので、追い焚き完了までに時間がかかる等の問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の技術が有する問題点に着目してなされたもので、受熱管内に流体が滞留している状態で加熱しても、当該受熱管内における流体の温度ムラを小さく抑えることのできる熱交換器を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するための本発明の要旨とするところは、次の各項の発明に存する。
［１］受熱管（２１）内の流体に熱源（１０２）からの熱を伝導する熱交換器において、
前記熱源（１０２）からの吸熱効率を高めるために前記受熱管（２１）の外周に配置された複数のフィンプレート（１１）を備え、
前記複数のフィンプレート（１１）は、その配置間隔を前記受熱管（２１）の端部側よりも中央寄りの部分において広く設定して、前記受熱管（２１）内に流体の滞留している状態の下で当該滞留している流体の吸熱量が前記受熱管（２１）の各部で略均一になるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
【０００８】
［２］受熱管（２１）内の流体に熱源（１０２）からの熱を伝導する熱交換器において、
前記熱源（１０２）からの吸熱効率を高めるために前記受熱管（２１）の外周に配置された複数のフィンプレート（１１）を備え、
前記複数のフィンプレート（１１）は、前記受熱管（２１）の端部側に配置されたフィンプレート（１１）の厚みよりも前記受熱管（２１）の中央寄りの部分に配置されたフィンプレート（１１）の厚みを薄くして、前記受熱管（２１）内に流体の滞留している状態の下で当該滞留している流体の吸熱量が前記受熱管（２１）の各部で略均一になるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
【０００９】
［３］受熱管（２１）内の流体に熱源（１０２）からの熱を伝導する熱交換器において、
前記熱源（１０２）からの吸熱効率を高めるために前記受熱管（２１）の外周に配置された複数のフィンプレート（１１）を備え、
前記複数のフィンプレート（１１）は、前記受熱管（２１）の端部側に配置されたフィンプレート（１１）の伝熱面積よりも前記受熱管（２１）の中央寄りの部分に配置されたフィンプレート（１１）の伝熱面積を小さくして、前記受熱管（２１）内に流体の滞留している状態の下で当該滞留している流体の吸熱量が前記受熱管（２１）の各部で略均一になるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
【００１０】
［４］前記フィンプレート（１１）の配置間隔を前記受熱管（２１）の端部側よりも中央寄りの部分において広く設定したことを特徴とする［２］または［３］記載の熱交換器。
【００１１】
［５］前記受熱管（２１）の端部側に配置されたフィンプレート（１１）の厚みよりも前記受熱管（２１）の中央寄りの部分に配置されたフィンプレート（１１）の厚みを薄く形成したことを特徴とする［３］記載の熱交換器。
【００１２】
［６］前記フィンプレート（１１）の配置間隔を前記受熱管（２１）の端部側よりも中央寄りの部分において広く設定したことを特徴とする［５］記載の熱交換器。
［７］少なくとも二系統の受熱管（２１）の通る一缶多水路型であることを特徴とする［１］、［２］、［３］、［４］、［５］または［６］記載の熱交換器。
【００１３】
前記本発明は次のように作用する。
受熱管（２１）の外周に配置された複数のフィンプレート（１１）は、受熱管（２１）内に流体の滞留している状態の下で当該滞留している流体の吸熱量が受熱管（２１）の各部で略均一になるように、互いの配置間隔やそれぞれの形状が受熱管（２１）の各部で不均一に形成されているので、滞留する流体の吸熱量が平均化されて温度ムラが減り、部分沸騰を防止することができる。
【００１４】
フィンプレート（１１）の配置間隔を受熱管（２１）の端部側よりも中央寄りの部分において広く設定したものでは、外部への放熱の少ない受熱管（２１）の中央部における伝熱効率を下げることができ、受熱管（２１）内での温度ムラを少なく抑えることができる。
【００１５】
同様に受熱管（２１）の端部側に配置されたフィンプレート（１１）の厚みよりも受熱管（２１）の中央寄りの部分に配置されたフィンプレート（１１）の厚みを薄く形成したり、受熱管（２１）の中央寄りの部分に配置されたフィンプレート（１１）の伝熱面積を端部側よりも小さくすることにより、中央部における伝熱効率が下がり、受熱管（２１）内での温度ムラを少なく抑えることができる。また、温度ムラが少なくなって部分沸騰が抑えられるので、結果的に熱交換器全体の加熱量を高めることができ、追い焚き等に要する時間を短縮することができる。
【００１６】
特に、少なくとも二系統の受熱管（２１）の通る一缶多水路型の熱交換器では、いずれかの受熱管（２１）内に流体の滞留した状態で加熱することが多いので、本発明が有効に作用する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の各種実施の形態を説明する。
図２に示すように、本発明の第１の実施の形態にかかる熱交換器１０は、一缶二水路型給湯型のものであり、給湯機能と浴槽への注湯機能と浴槽内の水を追い焚きする追い焚き機能とを備えた一缶二水路型給湯器１００に適用されている。
【００１８】
熱交換器１０には、給水を加熱するための給湯流路２０と、浴槽１２０内の湯を追い焚きするための追い焚き流路４０の双方が通っており、一缶二水路型給湯器１００は、熱交換器１０を加熱するためのバーナー１０２を備えている。バーナー１０２には、燃焼ガスの供給路であるガス供給管１０３が接続されており、ガス供給管１０３の途中には、燃焼ガスの供給量を調整するためのガス量調整弁１０４（比例弁）が取り付けられている。
【００１９】
給湯流路２０は、熱交換器１０の有する多数のフィンプレート１１から受熱する配管部分である給湯系受熱管２１と、給湯系受熱管２１の入口部に通じ、給水の流れ込み側となる給水管２２と、給湯系受熱管２１の出口部から延びる給湯管２３とから構成されている。給湯系受熱管２１は、熱交換器１０からその外部に露出したＵベンド部２４で折り返すことにより、熱交換器１０内を複数回通っている。
【００２０】
熱交換器１０内を通る給湯系受熱管２１の外周に設けた多数のフィンプレート１１の配置間隔は、熱交換器１０の端部側よりも中央寄りの部分の方が広くなるように設定されている。すなわち、フィンプレート１１の配置間隔は、給湯系受熱管２１の各部で不均一になっている。この配置間隔は、給湯系受熱管２１内に水が滞留している状態の下でバーナー１０２を燃焼させた際に、滞留している水の吸熱量が給湯系受熱管２１内の各部で略均一になるように設定されている。
【００２１】
給水管２２には、流入する給水の温度（入水温度）を検知するための入水サーミスタ１０５と、通水量を検知するための流量センサー１０６が設けられている。また、熱交換器１０の外部で折り返すＵベンド部２４には、当該部分における水温を検知する水管サーミスタ１０７が設けてある。給湯系受熱管２１の出口部近傍には、給湯系受熱管２１で加熱された後の水温（熱交内水温）を検知する熱交サーミスタ１０８が配置されている。
【００２２】
給湯管２３のうち熱交サーミスタ１０８よりも下流側の所定箇所と給水管２２のうち流量センサー１０６より上流側の所定箇所との間は、熱交換器１０を介さずに給水を給湯管２３へ送り込むためのバイパス通路２５によって接続されている。また、当該バイパス通路２５の途中には、熱交換器１０を迂回させる給水の流量を調整するためのバイパス流量制御弁１０９が設けられている。
【００２３】
給湯管２３には、バイパス通路２５との接続位置よりも下流側の箇所に、熱交換器１０で加熱された湯とバイパス通路２５を通じて熱交換器１０を迂回した給水とがミキシングされた後の水温（出湯温度）を検知するための出湯サーミスタ１１０が配置されている。また給湯管２３には、バイパス通路２５との接続位置よりも上流側の箇所に出湯量を調整するための流量制御弁１１１が設けられている。
【００２４】
追い焚き流路４０は、熱交換器１０のフィンプレート１１から受熱する配管部分である追い焚き系受熱管４１と、追い焚き系受熱管４１の一端部（追い焚き循環時における入口側）と浴槽１２０との間を接続する追い焚き戻り管４２と、追い焚き系受熱管４１の他端部と浴槽１２０との間を接続する追い焚き往き管４３とから構成されている。追い焚き戻り管４２の途中には、浴槽１２０内の湯を追い焚き系受熱管４１に向けて送る循環ポンプ１１２と、循環する水の温度を検出する風呂サーミスタ１１３と、循環ポンプ１１２を回した際に追い焚き戻り管４２内を水が流れるか否かを検知する流水スイッチ１１４とが設けられている。
【００２５】
追い焚き戻り管４２のうち循環ポンプ１１２よりも追い焚き系受熱管４１側の所定箇所と給湯管２３のうち出湯サーミスタ１１０よりも下流側の所定箇所との間は、給湯管２３内の水を追い焚き流路４０に送り込むための連絡路６０によって接続されている。また、連絡路６０の途中には、給湯管２３からの水を追い焚き戻り管４２に流すか否かを切り替えるための切替弁６１が設けられている。切替弁６１を開くことにより、給湯流路２０側で加熱された湯を浴槽１２０へ注ぎ込むことが可能になっている。
【００２６】
このほか、一缶二水路型給湯器１００には、給湯動作、注湯動作、追い焚き動作など各種の動作を制御するための図示しない制御部と、これに接続されるこれまた図示しないリモコンとを備えている。リモコンは、出湯温度の設定や、風呂の追い焚き指示等を受け付けるための操作部や設定温度を表示するための表示部を備えている。
【００２７】
次に作用を説明する。
図１は、Ｕベンド部２４で折り返している給湯流路２０および追い焚き流路４０を直線状に延ばした様子と給湯系受熱管２１内に滞留する水の各部における温度分布を示したものである。追い焚き単独動作中には、浴槽１２０内の水が追い焚き流路４０内を流れているが、給湯側への出湯が無いので、給湯流路２０内の水は滞留している。このような状態でバーナー１０２によって加熱すると、追い焚き系受熱管４１と給湯系受熱管２１内の双方の水が加熱されることになる。
【００２８】
ところで、給湯系受熱管２１の両端部では、比較的、冷たい空気７１が通過することと、隣接するフィンプレート１１が左右いずれか一方にしか存在しないこと等により、外部への放熱量が給湯系受熱管２１の中央寄りの部分よりも多くなる。言い換えると、給湯系受熱管２１の中央寄りの部分では両端部よりも外部への放熱量が少ない。また、給湯系受熱管２１の中央寄りの部分では、対流は起こるが冷たい水が流れ込まないのでどんどん熱くなる。一方、給湯系受熱管２１の端の部分では、バーナーによって直接加熱されていない両端外側のＵベンド部等との間で対流が起こるので、冷たい水が両端部の管内へ流入して水温が下がる。このような対流を繰り返すことで給湯系受熱管２１の両端部分は中央部分に比べて水温の上昇が少ない。
【００２９】
したがって、従来のように同一形状のフィンプレートを均等な間隔で配置すると、破線７２で示すように給湯系受熱管２１の中央寄りの部分における水温が端部近傍における水温よりも高くなってしまう。その結果、当該中央部分での沸騰が起きないように、バーナー１０２の燃焼量を低下させたり、バーナー１０２を間欠燃焼させる際のオン時間比率が低下するので、追い焚きに長い時間を要してしまう。
【００３０】
本実施の形態では、フィンプレート１１の配置間隔が、給湯系受熱管２１の端部側よりも中央寄りの部分において広く設定されているので、外部への放熱の少ない給湯系受熱管２１の中央部における伝熱効率が下がり、実線７３で示すように、給湯系受熱管２１の中央部分における水温のピーク値が低くなり、管内での温度ムラが少なく抑えられる。その結果、バーナー１０２の燃焼量を高く設定できるとともに、間欠燃焼時のオン時間が長くなるので、より高い追い焚き能力を得ることができ、追い焚きに要する時間を短縮することができる。
【００３１】
なお、給湯単独で使用する場合には、逆に、追い焚き系受熱管４１内に水が滞留しているが、フィンプレート１１の配置間隔を両端部よりも中央部分において広くすることにより、追い焚き系受熱管４１内での部分沸騰を防止することができる。その結果、熱交換器１０としての構造上、追い焚き流路４０側の吸熱比率を高めることができ、追い焚き能力の向上を図ることができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
図３は、本発明の第２の実施の形態における熱交換器１０ａの概略構成を示している。第１の実施の形態では、同一形状のフィンプレートの配置間隔を不均一にすることで、給湯系受熱管２１内に滞留する水の吸熱量が管内で略均一になるようにしたが、第２の実施の形態にかかる熱交換器１０ａでは、フィンプレート１１ａの伝熱面積を給湯系受熱管２１の各部で不均一に設定してある。
【００３３】
より具体的には、配置間隔は均等であるが、給湯系受熱管２１の両端部よりも中央寄りの部分におけるフィンプレート１１ａの高さを短くしてある。これにより、中央寄りの部分での吸熱量が低下し、結果的に、滞留している流体の吸熱量が平均化される。なおここでは、バーナー１０２側に面する側のフィンプレート１１ａの高さを低くしてある。
【００３４】
図４は、本発明の第３の実施の形態における熱交換機１０ｂを示している。第３の実施の形態では、フィンプレート１１ｂの配置間隔および高さは、各部で均一になっているが、給湯系受熱管２１の中央寄りの部分に配置されているフィンプレート１１ｂの厚みを端部に配置されたものよりも薄くしてある。
【００３５】
これにより、給湯系受熱管２１の中央寄りの部分での吸熱量が低下し、結果的に、滞留している流体の吸熱量が平均化される。
【００３６】
以上説明した各実施の形態では、フィンプレートの配置間隔と、高さと、厚みのうちのいずれか１つを不均一にすることによって、吸熱量の平均化を図ったが、高さや厚みなどの形状と配置間隔のうちの２以上の要素を組み合わせることで、吸熱量の平均化を図るようにしてもよい。
【００３７】
また各実施の形態で示した熱交換器は、追い焚き流路４０と給湯流路２０の通る一缶二水路型であったが、これに限定されず、給湯流路と他の流路、たとえば、暖房系統の流路であってもかまわない。したがって、給湯と追い焚きと暖房の各流路を共通の熱交換器で加熱する一缶多水路型給湯機でも本発明は有効である。なお、バーナー１０２へ供給する燃料はガス以外に石油等であってもかまわない。また、石油等ではガンタイプバーナーのようなバーナーレスタイプなどでもよい。
【００３８】
さらに、各実施の形態で示したような一缶二水路型、あるいは一缶多水路型の熱交換器に限らず、たとえば、給湯流路だけが通る単独機能の熱交換器であってもよい。すなわち、近年、通水の無い状態でバーナーを点火して熱交換器内部の湯を高温に維持しておき、出湯時に、熱交換器をバイパスさせた未加熱の給水と適宜の比率で混合することで、開栓後、短時間のうちに設定温度の湯を出湯する、いわゆるＱ機能を備えた給湯器が存在する。このような給湯器では、通水の無い状態でバーナーを点火するので、滞留している水が部分沸騰しないようにフィンプレートの配置間隔や形状を設定することで、より高い温度に熱交換器内の湯を保温することができる。また、間欠燃焼によって熱交換器内の水を高温に維持する場合には、１回当たりの燃焼オン時間を長くすることができる等により、制御の簡略化と、点火装置の劣化等を防止することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明にかかる熱交換器によれば、受熱管内に滞留している流体の吸熱量が受熱管の各部で略均一になるように、複数のフィンプレートの配置間隔やそれぞれの形状を受熱管の各部で不均一に構成したので、受熱管内での温度ムラが減り、部分沸騰を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の一実施の形態に係る熱交換器とその受熱管内の温度分布とを示す説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る熱交換器を適用した一缶二水路型給湯機の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る熱交換器を示す説明図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る熱交換器を示す説明図である。
【図５】従来から使用されている熱交換器とその受熱管内の温度分布とを示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ、１０ｂ…熱交換器
１１、１１ａ、１１ｂ…フィンプレート
２０…給湯流路
２１…給湯系受熱管
２２…給水管
２３…給湯管
２４…Ｕベンド部
４０…追い焚き流路
４１…追い焚き系受熱管
４２…追い焚き戻り管
４３…追い焚き往き管
１００…給湯器
１０２…バーナー
１２０…浴槽

Claims (7)

1. 受熱管内の流体に熱源からの熱を伝導する熱交換器において、
   前記熱源からの吸熱効率を高めるために前記受熱管の外周に配置された複数のフィンプレートを備え、
   前記複数のフィンプレートは、その配置間隔を前記受熱管の端部側よりも中央寄りの部分において広く設定して、前記受熱管内に流体の滞留している状態の下で当該滞留している流体の吸熱量が前記受熱管の各部で略均一になるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 受熱管内の流体に熱源からの熱を伝導する熱交換器において、
   前記熱源からの吸熱効率を高めるために前記受熱管の外周に配置された複数のフィンプレートを備え、
   前記複数のフィンプレートは、前記受熱管の端部側に配置されたフィンプレートの厚みよりも前記受熱管の中央寄りの部分に配置されたフィンプレートの厚みを薄くして、前記受熱管内に流体の滞留している状態の下で当該滞留している流体の吸熱量が前記受熱管の各部で略均一になるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
3. 受熱管内の流体に熱源からの熱を伝導する熱交換器において、
   前記熱源からの吸熱効率を高めるために前記受熱管の外周に配置された複数のフィンプレートを備え、
   前記複数のフィンプレートは、前記受熱管の端部側に配置されたフィンプレートの伝熱面積よりも前記受熱管の中央寄りの部分に配置されたフィンプレートの伝熱面積を小さくして、前記受熱管内に流体の滞留している状態の下で当該滞留している流体の吸熱量が前記受熱管の各部で略均一になるように形成されていることを特徴とする熱交換器。
4. 前記フィンプレートの配置間隔を前記受熱管の端部側よりも中央寄りの部分において広く設定したことを特徴とする請求項２または３記載の熱交換器。
5. 前記受熱管の端部側に配置されたフィンプレートの厚みよりも前記受熱管の中央寄りの部分に配置されたフィンプレートの厚みを薄く形成したことを特徴とする請求項３記載の熱交換器。
6. 前記フィンプレートの配置間隔を前記受熱管の端部側よりも中央寄りの部分において広く設定したことを特徴とする請求項５記載の熱交換器。
7. 少なくとも二系統の受熱管の通る一缶多水路型であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の熱交換器。

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