JP3882024B2

JP3882024B2 - 二連管束を有する熱交換器

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Description

本発明は、特に家庭用ガスボイラーに用いて集中暖房系統への加熱蒸気の供給及び／又は衛生設備用水の供給を行なうための熱交換器に関するものである。
本発明で対象とする熱交換器は、より正確にはガスバーナから生じる高温ガスに直接露呈される一次側熱交換器と、この一次側交換器から排出される温度の低下したガスに露呈される二次側交換器とによって構成された二連式の復水熱交換器である。

この種の二連式熱交換器内では、加熱対象の水その他の流体は加熱流に対して向流で循環され、即ち、正確に言えば先ずはじめに二次側熱交換器を通過して予熱され、その後に一次側熱交換器内に流入して加熱される。

例えば、バーナから直接出てくる燃焼ガスの温度は約１０００℃である。

一次側熱交換器を通過した後の燃焼ガスの温度は一般に１００〜１８０℃の範囲内となる。

これらの高温ガスはある量の水分を蒸気として含有しており、この水分は二次側熱交換器の管壁が約６０℃の露点未満のときに該管壁に接触して凝結する。

この凝結液は、二次側熱交換器内を循環する水に対して蒸発潜熱に対応する補足的な熱量を与える。

例えば特許文献１には、装置の利用率を実質的に向上することが可能な二連式熱交換器が記載されている。
欧州特許出願公開第００７８２０７号明細書

また、特許文献２には、内部に冷却液、例えば被加熱水を循環させる管を熱伝導性に優れた材料で構成した熱交換エレメントが記載されている。
国際公開第９４／１６２７２号パンフレット

この管は、螺旋コイル状に巻回されていると共に螺旋の軸心に対してほぼ直交する長軸を有する扁平な楕円形断面を有し、この管の各コイルターンは或る一定寸法の間隙を介して隣接コイルターンの扁平外面から離れた表裏面を有し、この間隙寸法は管の楕円形断面の扁平高さよりも狭く、更に隣接コイルターン間の間隔は管壁に形成されたボスによって構成される交差部材によって寸法設定されている。

特許文献２には、様々な実施形態として異なる様式で形成された上述のような幾つかのエレメントを有する熱交換器も述べられている。

このような従来の構造の熱交換エレメントは、管状エレメント近傍を通過する高温ガスと管状エレメント内を循環する被加熱流体との間で極めて高い熱交換効率を達成する。

実際に、高温ガスはコイルターン間の間隙を通過する間に熱交換エレメントにおける扁平断面の長辺側の管壁面に接触している。

本発明は、必要に応じて参照される特許文献２で公知となっているような熱交換器、即ち、その熱交換エレメントが扁平管の管束からなる上述の一般的なタイプの凝縮熱交換器を具体的な対象としている。

本発明の対象に最も近い従来技術は、特許文献２の図２２に示されている実施形態に相当する。

この従来技術の熱交換器は、特許文献２の図２２に符号１で示されている一次側管束と符号１’で示されている二次側管束との平行配置された二連の管束によって構成されている。

これらの二連の管束は、それらの軸心が平行となるように互いに近接配置されて外囲体８(特許文献２においては「本体」)内に固定的に取り付けられている。

高温ガスは外部装置９から供給され、ダクト９０と燃焼ガス出口８０とを介して一次側熱交換器１の中央部に流入する(矢印J₀)。この高温ガスは、一次側熱交換器内を径方向に内側から外側へと通過し(矢印J₁)、その後に二次側熱交換器内を常に径方向に、但し今度は外側から内側へと通過する(矢印J₂)。

最終的に冷却されたガスは燃焼ガス出口８１を介してこの二連式熱交換器から出て行く(矢印J₃)。

本発明の目的は、特許文献２の図２２に極めて簡略に示されている従来の熱交換器を改良して、更にコンパクト化を計ることにある。

事実として、この種の装置の据付者がしばしば遭遇する制約は、熱交換器を収容するために利用することができる空間に関連しており、多くの場合、こうした空間は可能な限り切り詰められるのが常である。

本発明はまた、比較的に軽量の熱交換器構造を提供して据付者による輸送、位置決め、及び適正位置への固定の作業を一層簡便にすることも目的としている。

本発明は、二次側熱交換器で回収されるエネルギーが一次側熱交換器で捕捉されるエネルギーよりも常に小さいという本発明者による新たな知見に基づくものである。

この知見から、管束の長さに比例する二次側熱交換器の熱交換面積を一次側熱交換器の熱交換面積よりも縮小できることが判明した。

このような根拠に基づいて二次側管束の軸方向寸法を縮小すれば、それによって利用可能な余地空間が二次側管束の一端側に形成され、この余地空間を最終的な冷却燃焼ガスの排出用出口の設置空間に利用することができる。

従って本発明によれば、特許文献２の図２２に示されている従来技術とは対照的に、燃焼ガス出口の軸方向寸法が熱交換器外形寸法を増大させることはなく、熱交換器本来の外形寸法の範囲内にほぼ収まることになる。

また二次側熱交換器の管束長を短くしたことにより、当然のことながら熱交換器全体の重量も、上記従来技術による同等長さの一次側及び二次側管束を備えた熱交換器に比べて軽量になる。

更に本発明によれば、常にコンパクト化の改善努力を伴って一次側管束の内部空間に挿入配置される筒状バーナを使用することができ、これによってバーナの軸方向寸法もまた外囲体の軸方向外形寸法の範囲内に収めることが可能となる。

このように、本発明で対象とするのはガス又は燃料油バーナを付設した凝縮熱交換器であり、互いに平行に近接してガス不透過性の外囲体内に固定配置された一次側管束と二次側管束との二連の管束を備え、これら二連の管束が移送集合部を介して互いに連通され、加熱対象流体、特に液体の水を二次側管束の管路内から移送集合部を介して一次側管束の管路内へ循環させる手段が設けられ、外囲体が前記二連の管束の周囲を狭い間隙を介して取り囲んでいると共に二次側管束の近傍位置に燃焼ガス出口を有し、前記バーナから生じる高温ガスを一次側管束の内部から径方向又はほぼ径方向外方にコイルターン間の間隙を介して二次側管束内に通過させ、二次側管束内から燃焼ガス出口を介して外部へ排出するようにした熱交換器である。

本発明によれば、
バーナは一次側管束の内径より実質的に小さい外径を有する筒状バーナからなると共に一次側管束の内側に同軸状に取り付けられて一次側管束の全長又はほぼ全長に亘って軸方向に延在し、
一次側管束の一端側の外面に対面する位置で二次側管束の延長線上に利用可能な余地空間を形成するように二次側管束の軸方向寸法が一次側管束の軸方向寸法より実質的に小さくされ、
前記余地空間は二次側管束の内部空間と連通した囲いによって占められ、
この囲い内に連通するように燃焼ガス出口が囲いの壁部に対して二次側管束の軸心と直交する向きに接続されて燃焼ガス出口の軸方向の大部分が囲いの軸方向寸法内に収まるようになっている。

更に本発明の幾つかの好適な付加的特徴を挙げれば以下の通りである。

即ち、好ましくは各管束を構成する各管路は直線状の両端部を有し、これら二連の管路の両端部の軸心は各管束を形成する螺旋の正接面に相当する共通面内に配置され、これら両端部の各開口は熱交換器の両側でそれぞれ外側に向けられ、一次側管束の両端部と二次側管束の両端部は互いに近接して配置され、これら各管束の両端部は外囲体の壁部に封止固定されて該壁部を貫通し、貫通した先端には、外囲体の一方の側面上で加熱対象流体の供給ダクトと加熱済流体の出口ダクトとに接続される隔壁内蔵の入口及び出口用集合部内に開口する円形開口と、外囲体の他方の側面上で移送集合部内に開口する円形開口とが形成されている。

また外囲体は、半円筒状の両縁壁部を２枚の直線平板状の側面壁部で接続して形成される略楕円形の一定断面形状を有する薄壁筒状胴体部と、前記断面形状に対応する輪郭形状を有すると共に筒状胴体部の軸心と直交する面内で筒状胴体部の両端開口を閉鎖する一対の端面板とを備え、筒状胴体部の各半円筒状両縁壁部は両管束をそれぞれ同軸状にコイルターンの略半周分に亘って部分的に囲んでいることが好ましい。

好ましくは一方の端面板に開口を設け、この開口にはバーナを支持した取付板を取り外し可能に装着する。

取付板の外部には、バーナへの可燃混合気を供給するための送風機が装着されるが、これに代えて外部からの可燃ガスの供給を受ける単純なガス供給口を設けてもよい。

一対の端面板の各々には、一次側管束の内部空間に対面する側に断熱ディスクを設けることが望ましい。

両管束は互いにほぼ等しい径寸法を有することが好ましい。

好適には、両管束をその軸心が水平方向を向くように互いに平行に配置する。

この場合、両管束を互いに上下に間隙を介して重なるように配置し、両管束の軸心が同一垂直平面内に配置されるようにするとよい。

二次側管束は一次側管束の上方に配置し、両管束間には、二次側管束上に形成される凝結液が落下して一次側管束及び／又はバーナ上に侵入することを防止する手段として例えば傾斜トラフを介装しておくことが好ましい。

両管束を互いに横並びに並置してもよく、この場合、両管束の軸心は同一水平面内に配置される。

燃焼ガス出口の軸心は両管束の軸心を含む平面内に配置することができ、或いは両管束の軸心を含む平面に対して直交する向きに配置することもできる。

前記余地空間を占める囲いは、その壁部を二次側管束と同軸のスリーブ状の円筒管で構成することができ、この場合、円筒管の一方の端部は外囲体に当接固定され、他方の端縁には二次側管束を当接支持する環状フランジが設けられ、同様に円筒形スリーブ状の燃焼ガス出口を軸心同士が直交するように囲いの円筒管に接続する。

外囲体は傾斜底面を備えていることが望ましく、この傾斜底面に二次側管束から落下してくる凝結液を回収及び排出するための出口接続部を設けていくとよい。

本発明の上述及びそれ以外の特徴と利点を幾つかの非限定的な実施形態を示す図面と共に詳述すれば以下の通りである。

図１〜４に示す熱交換器ユニットは、例えばステンレス薄鋼板からなる薄壁中空の外囲体１を備えている。

図２に示すように、中空外囲体１は側面からみて略楕円形状であり、その輪郭は下側と上側の各半円部分を二本の直線辺部で接続して形成されている。

この外囲体は、上記楕円形状の一定断面形状を有する或る長さの筒状胴体部１４によって構成され、図２においては下側と上側の各半円部分は符号１４２と１４３で示され、それらをつなぐ二本の直線辺部は符号１４０と１４１で示され、この胴体部の長さ方向の両端面はそれぞれ図１に符号１５ａと１５ｂで示す同じ形状の端面板で閉鎖されている。

以下の説明においては、図１で左側に位置する端面板１５ａを「前方端面板」、右側に位置する端面板１５ｂを「後方端面板」と呼ぶ。

両端面板１５ａ、１５ｂは、例えば溶接などの周知の方法で筒状胴体部１４の両端面に固定され、固定接合部は気密に封止される。

図１に示すように、外囲体の底面部１６は後述の出口接続部１７へ向かって下降傾斜している。

外囲体１の内部には、先に述べた特許文献２に記載されたタイプの扁平楕円断面管による螺旋状コイル管路からなる二つの管束が取り付けられ、これらの管束が一次側熱交換器２０と二次側熱交換器３０の熱交換エレメントを構成している。

図において、一次側管束は符号２１で示し、二次側管束は符号３１で示してある。

これらの管束は、いずれも或るコイルターン数で単位エレメント化された複数の螺旋状コイル管路を同軸上に並置配列してなり、各単位エレメントは、一次側熱交換器２０では水平軸心Ｘ₁−Ｘ'₁、二次側熱交換器３０では水平軸心Ｘ₂−Ｘ'₂を有している。

これら二本の水平軸心は図２にＶで示す同一垂直平面内に位置し、二次側管束３１は一次側管束２１の垂直方向上方に配置されている。

これら管束２１と３１の内部空間を、それぞれ符号２と３で示す。

ガス又は燃料油バーナ４０は一次側熱交換器２０に付設されている。このバーナは筒状バーナであり、例えば空気とブタン又は空気と燃料油蒸気などの可燃混合気が通過可能な径方向に向いた複数の小穴を全長に亘って有し、バーナの管状壁の外面が燃焼面を構成している。

図示の実施例においては、可燃混合気は周知タイプの送風機４によってバーナに導入され、この送風機もユニットの一部を構成している。

但し、この送風機は、公知の別の手段による混合気を供給するスリーブに置き換えても本発明の範囲から逸脱するわけではない。この場合、送風機は一次側熱交換器の軸心Ｘ₁−Ｘ'₁上から外される。

バーナ４０は、管束２１の内側に同軸状、即ち軸心Ｘ₁−Ｘ'₁に沿って取り付けられ、従ってバーナの外径は管束２１の内径より実質的に小さい。

前方端面板１５ａは、軸心Ｘ₁−Ｘ'₁上に中心が位置する円形開口１５０を有しており、この円形開口を通してバーナを外囲体の内部に挿入し、適正位置に配置できるようにしてある。

送風機４の出口には取付板４１が設けられ、例えばねじ(図示せず)によって前方端面板に固定できるようになっている。

この構成により、特に熱交換器の保守及び維持管理のためにバーナを取り外して清掃することが容易になる。

各端面板１５ａ及び１５ｂには、一次側管束の内部空間２側にそれぞれ例えばセラミック製の断熱ディスク５、６による内側ライニングを施されている。

これらの断熱ディスクは、その配置レベルにおいて外囲体１の壁部を燃焼により生じる強力な熱から保護する機能を果たすものである。

断熱ディスク５、６は、公知の適宜な手段によって端面板１５ａ及び１５ｂの内側に固定すればよい。

勿論、一方の断熱ディスク５にはその中央部に前記開口１５０と同様の開口が穿たれており、バーナを通すことができるようにしてある。

図１に示すように、他方の断熱ディスク６は後方端面板１５ｂに直接当接して取り付けられるわけではなく、スペーサー６１によって後方端面板からある間隙を維持した位置に保持されている。

二次側管束３１は、或る単位エレメント数の螺旋状コイル管路によって構成され、この螺旋状コイル管路の単位エレメントは、一次側管束２１を構成している螺旋状コイル管路の単位エレメントと同一仕様のものである。

一例として、螺旋状コイル管路の個々の単位エレメントは４ターン分の扁平楕円断面管からなる。コイル形状は、例えば内径１８５ｍｍ、外径２３５ｍ、扁平楕円形断面の扁平高さ７．２ｍｍ、コイルターン間の分離間隙０．８ｍｍ程度のものである。

この場合、各単位エレメントの軸方向寸法は３２ｍｍである。

図示の例において、一次側管束２１は１０個のエレメントを並置することによって構成されている。

本発明の本質的な特徴によれば、二次側管束３１を構成するエレメントの個数は一次側管束の構成エレメント数より少なくなる。図示の例では１０個ではなく６個である。

従って、一次側管束２１の長さｌ₁は３２０ｍｍ(＝３２ｍｍ×１０)であるのに対し、二次側管束３１の長さｌ₂は僅か１９２ｍｍ(＝３２ｍｍ×６)となり、１２８ｍｍの差が生じている。

図１〜４の実施例において、二次側管束３１はその一端部で前方端面板１５ａに当接して配置されている。

従って、上記長さの差ｌ₁−ｌ₂だけの自由な余地空間が管束３１の他端部と後方端面板１５ｂとの間に形成されている。

この余地空間の内部には、軸心Ｘ₂−Ｘ'₂と同心の円筒状スリーブで構成された囲い９が配置されており、この囲いの一端部は後方端面板１５ｂに例えば溶接によって固定され、他端部には軸心Ｘ₂−Ｘ'₂に対して直交する平面内で外方に拡がる環状フランジ９０が設けられている。

このフランジは二次側管束３１の他端部における支持体として機能する。この余地空間には冷却された燃焼ガスの排出用の燃焼ガス出口７も配置されている。

このガス出口としても円筒管が用いられており、縦軸Ｚ−Ｚ’と同軸上に配置された円筒管が余地空間内部で囲い９に連通接続されている。

燃焼ガス出口７は、図示しない燃焼ガス及びヒューム用排出ダクト、例えば煙突ダクトに連結される。

図示の実施例において、一次側管束２１と二次側管束３１をそれぞれ構成する螺旋状コイル管路は、単位エレメントの並列接続で形成されている。

但し、各管束における単位エレメントの一部又は全部を直列接続にしても本発明の範囲から逸脱するわけではない。

各単位エレメントの端部は、先に引用した特許文献２の図１及び図２４に示されているように整形され、配向されている。

コイルの各端部は、開口部が円形の直線状部分となっており、この開口端部分から管扁平断面部分への移行は徐々に形状が変化するように成形されている(笛状の形状)。

これら両端部の軸心(外向き)は、コイルの螺旋の正接面に相当する同一の共通面内に配置されている。

この共通面は、本実施例においては水平面である。

下側の一次側管束を構成するエレメントはその両端部２１０、２１１が頂部側を向くよう、これに対して上側の二次側管束３１を構成するエレメントはその両端部３１０、３１１が底部側を向くように整列配置されている。

この整列配置は、それぞれ交互に一方の管束の入口開口が他方の管束の出口開口に近接するように行われている。

コイル状の各単位エレメントは、その一方の開口部を外囲体の平板状側面壁部１４０、１４１に形成された適宜な穴に係合させることにで外囲体の内部に保持されている。

この係合部分には適切な密封シールが配設される。

外囲体の内部で各単位エレメントを芯出し状態で確実に保持するため、更に追加の部材を設けることも可能である。

また、コイルを構成する各々の扁平楕円断面管は、特許文献２に述べられている構成に従って幅広のほうの両面の一方にスペーサーとして機能する一連の突起を有しており、この突起で隣接コイルターン間の間隙寸法が正確に設定されるようにしてある。

これらの突起は、両管束２１及び３１についてそれぞれ符号２１２及び３１２で示してある。

熱交換器を構成する各々のコイルの端部は集合部内に開口しており、この集合部は、コイル端を収容している開口を完全に囲むように外囲体１の壁、より正確には平板状側面壁部１４０、１４１に外部から固定されている。

一方の側面壁部１４０には符号１００で示す入口及び出口用の集合部が固定され、反対側の側面壁部１４１には移送集合部１１が固定されている。

いずれにせよ、これら集合部は必要な開口を有する略直方体形状の細長いハウジングである。これらの集合部は、例えば図２に符号１０１で示したねじによって、或いは直接的な溶接によって外囲体１に固定される。接合部に気密シールが施されることは述べるまでもない。

入口／出口用集合部１００は、内部が水平隔壁１３によって区画されている。

集合部１００において隔壁１３よりも上方に位置する内部空間には加熱対象の冷水用供給ダクトに接続される接続管１２が連通し、またこの内部空間は二次側管束３１を構成する螺旋状コイル管路の入口部分にも連通している。

これとは逆に、集合体１００において隔壁１３よりも下方に位置する内部空間には熱水出口ダクトに接続される接続管１０が連通し、またこの内部空間は一次側管束２１を構成する螺旋状コイル管路の出口部分にも連通している。

反対側の移送集合部１１は内部隔壁の無い連通空間を形成し、これにより二次側管束３１の出口端と一次側管束２１の入口端との間の接続が確保されている。

外囲体の内部では、上下の熱交換器の間に傾斜トラフ８が配置され、このトラフは前方端面板１５ａに固定されている。トラフ８は凹部を上向きにして湾曲した板であり、図１に示すように後方へ向けて下降している。

図４から判るように、このトラフは外囲体の中央領域を占めているだけであり、後述のように両側部における燃焼ガスの通過を妨害することはない。

トラフ８の後方端は更に曲げられて急角度で下降傾斜するリップ部９０となっており、このリップ部が前述の断熱ディスク６と後方端面板１５ｂとの間隙の上に覆い被さっている(図１参照)。

内部構造の取り付けを可能にするため、外囲体１の胴体部１４は例えば溶接によって縦断面Ｖに対応する接合面で互いに接合される二つの半割シェルによって構成される。

これにより、これら二つのシェルを、予め適正に相互位置決めされた二組の管束に後から取り付けることが可能になる。

最終組立に先立って、環状の断熱ディスク５とトラフ８とが前方端面板１５ａの内面に固定される。断熱ディスク６とスリーブ９と燃焼ガス出口７(前記スリーブが予め取り付けられている)は、他方の後方端面板１５ｂの内面に固定される。

上側部分において、外囲体の胴体部１４を構成する二つの半割シェルは、互いに組み合わせたときに燃焼ガス出口を囲むことになる半円形開口をそれぞれ有しており、それには端面板１５ｂが既に適切に位置決めされている。次に、端面板１５ａが正位置に配置された後に、外囲体胴体部１４のレベルにおける燃焼ガス出口７の外周部のまわりを含む溶接が行なわれ、これら領域における密封シールもが達成される。

最後に、バーナは当然ながら適切な点火装置、例えば燃焼面に近接配置された火花放電用電極を備えており、周知の電気回路装置が接続されているが、これらは図面を不必要に複雑難解にすることを避けるために図示されてない。

以下、この熱交換器の動作を図３及び図４と共に説明する。

送風機４を作動させると可燃混合気が管状バーナ４０の内部に送り込まれる。この混合気は、バーナの壁面に設けられた多数の微細貫通孔を介してバーナ壁面外に放出される。従ってバーナが点火されると燃焼が起き、バーナ表面全体に亘って炎Ｆが生じる。

バーナの点火と同時に加熱対象の水が循環される。図４において、外部から供給される冷水ＥＦが管１２に到達すると集合部１００の上側の内部部分に行き渡って上側の二次側管束３１の入口端からその螺旋状コイル管路内に導かれる。二次側管束の出口端から出た水は移行集合部１１に入り、この集合部内で矢印Ｔで示したように移行して下側の一次側管束２１の入口端に行き渡り、一次側管束の螺旋状コイル管路内に導かれる。最終的に加熱された水は一次側管束の出口端から集合部１００の下側の内部部分に現れ、矢印ＥＣで示すように管１０から外部へ送り出される。

一次側管束の内部空間２内で炎Ｆにより生じた燃焼ガスは、一次側管束２１の外側に向かって流出する。即ち、この高温の燃焼ガスは、一次側管束を構成する扁平楕円断面管のコイルターン間に形成されている間隙を径方向に通過しながら高効率の熱交換を達成し、従って一次側熱交換器２１を通過する間に管路内に流れる水（これは後述するよう予熱されている）を強く加熱する。

この熱交換により、一次側管束を通過した燃焼排ガスは大幅に冷却されている。但し、依然としてこの燃焼排ガスは、外部から供給される水の温度(周囲温度)よりは明らかに高温である。一例として、一次側管束を通過した燃焼排ガスの温度は約１００〜１５０℃である。

この依然として高温の燃焼排ガスは外囲体の内壁に沿って上方に導かれる。即ち、この燃焼排ガスはトラフ８の側部から回り込んで二次側管束３１に達し、今度はその扁平楕円断面管の螺旋状コイル管路のコイルターン間を通して外側から内側に導かれる。この燃焼排ガスの通過の間に、内部に冷水又は単に微温の水が流れている二次側管束の管路壁は燃焼生成物の露点より低い温度にあり、従って燃焼排ガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部が管壁で凝結する。この結果、燃焼排ガスと二次側管束内に流れる水との間の温度差による熱量の移動の他に、発熱相変化である復水現象による蒸発潜熱の伝達によってもたらされる補足的な熱量の移動が生じる。

このようにして二次側管束内を流れる水の予熱が達成され、この予熱された水が一次側管束に導かれている。

かくして著しく冷却された燃焼排ガスは、二次側熱交換器の内部空間３及び囲い９内を介して出口７から外部ダクト又は煙突へ排出される。

二次側管束３１の管路壁に生じた凝結液は重力によりトラフ８の上に落下し、落下した凝結液がバーナの動作を妨げることがないようになっている。トラフは傾斜しており、従ってトラフ上に落下した凝結液はトラフの後方端に導かれ、更に下方に湾曲したリップ部８０から断熱ディスク６と端面板１５ｂとの間隙を介して外囲体の傾斜底面部１６上に落下する。従って、落下した凝結水は傾斜底面部１６に沿って流下し、図示しない適宜のドレンダクトに接続された凝結液出口接続部１７に導かれる。

図５〜図７に示す第２実施例は構成要素の殆どが前記第１実施例と同様である。従って同一又は対応する要素には第１実施例と同じ符号を用いてある。

第２実施例は、以下の２点を除いて第１実施例と同じ構成を有している。

第１の相違点は、第２実施例による熱交換器は一次側及び二次側の熱交換器を上下の縦配置ではなく、略水平な配置で並べている点である。即ち、第２実施例では、一次側管束と二次側管束が横並びに並置され、これら管束の各軸心Ｘ₁−Ｘ'₁及びＸ₂−Ｘ'₂は同一水平面Ｈ内にある。

図示の例において、移送集合部１１は上方に配置され、入口／出口集合部１００は下方に向けられている(図６参照)。これと上下を逆にした配置でもよいことは述べるまでもない。燃焼ガス出口７は上向きである。

第２の相違点は、この燃焼ガス出口７の(縦)軸心Ｙ−Ｙ’が両管束の軸心を含む平面に対して直交している点である(もはや前記平面には含まれない)。

この第２実施例では、凝結液を生じる二次側管束が横方向にずれていて、もはや一次側管束及びバーナの真上には位置していないため、凝結液回収用のトラフは無用である。水平配置された外囲体１の底面部１６は下降傾斜部を形成し、二次側管束からの凝結液は底面部に直接落下して下降傾斜部の底に設けらた出口接続部１７を介して排出される。

図７及び図８に第２実施例における燃焼ガスの流れが矢印で示されている。このガスの流れは、一次側管束から二次側管束に導かれる燃焼ガス流が外囲体の内部でもはや垂直方向ではなく略水平方向に移動することを除いて、第１実施例の場合とほぼ同様である。

以上に述べた第１及び第２実施例において、２つ管束を構成する螺旋状コイル管路の単位エレメントはいずれも同一構造のものである。但し、本発明ではこれを必須とするものではなく、両管束で螺旋状コイル管路を構成する単位エレメントの特にコイル径方向寸法が互いに異なっていてもよい。

更にまた、上記各実施例では囲い９と燃焼ガス出口７を収容する余地空間が二次側管束と後方端面板との間に形成されている。

この構成も必須であるわけではなく、例えば図９及び図１０に示すような更に別の実施形態も可能である。

即ち、図９及び図１０においては、上述の各実施例と同等又は対応する要素には同一符号にダッシュ記号を付して示してある。

これらの図において、一次側管束２１’の径方向寸法は二次側管束３１’に比べて大きい。

両管束を取り巻く外囲体の形状は本実施例においては改変されている。両側面１４０’及び１４１’は互いに平行ではなく、若干上方に収束するように傾斜している。

この場合、囲み９’と燃焼ガス出口７’は前方端面板１５’ａと二次側管束３１’との間に形成された余地空間に配置されている。

本発明の基本理念の範疇において、先に述べた第１及び第２の２つの実施例のいずれか一方と図９及び図１０に示した更に別の実施形態とを組み合わせた形態も可能であり、これには、第１又は第２実施例において互いに径方向寸法の異なる一次側管束と二次側管束を(囲い及び燃焼ガス出口を置き換えずに)装着すること、又は燃焼ガス出口を図１０の形態と同様の構成に置き換える(その一方で両管束の径方向寸法を同一に維持する)ことが含まれる。

本発明による熱交換器は極めて軽量及びコンパクトであり、しかも熱交換の効率が極めて高い。

本発明は、家庭用給湯器に極めて良好に適合可能であるが、その他の分野、特に産業分野においても種々の液体を加熱する用途に利用可能である。

図２のＩ−Ｉ線矢視断面で表した本発明の第１実施例を模式的に示す概略正面図である。図１の装置の概略の左側面図である。図１に対応して動作時の特にガスの流れを示す概略説明図である。図２に対応して動作時の特にガスの流れを示す概略説明図である。図６のＶ−Ｖ線矢視断面で表した本発明による熱交換器の第２実施例を図１と同様に模式的に示す概略平面図である。本発明による熱交換器の第２実施例における図２と同様の概略正面図である。本発明による熱交換器の第２実施例における図３と同様の概略説明図である。本発明による熱交換器の第２実施例における図４と同様の概略説明図である。本発明による更に別の実施形態を示す概略の左側面図である。図９の実施形態を縦断面で表した概略正面図である。

Claims

ガス又は燃料油バーナ(40)を付設した熱交換器であって、一次側管束(21)と二次側管束(31)との二連の管束を備え、これら二連の管束の各々が一本又は端部同士で連結された複数本の管で形成された螺旋状コイル管路からなると共に該管路の管壁が良熱導体製であって螺旋の軸心と直交又はほぼ直交する長軸を有する扁平楕円形断面を有し、各螺旋状コイル管路の隣接コイルターン間には前記断面の扁平高さより小さい一定の間隙が形成され、これら二連の管束が互いに平行に近接してガス不透過性の外囲体(1)内に固定配置されると共に移送集合部(11)を介して互いに連通され、加熱対象流体、特に液体の水を二次側管束(31)の管路内から移送集合部(11)を介して一次側管束(21)の管路内へ循環させ、外囲体(1)が前記二連の管束の周囲を狭い間隙を介して取り囲んでいると共に二次側管束(31)の近傍位置に燃焼ガス出口(7)を有し、前記バーナ(40)から生じる高温ガスを一次側管束(21)の内部から径方向又はほぼ径方向外方にコイルターン間の間隙を介して二次側管束(31)内に通過させ、二次側管束内から燃焼ガス出口(7)を介して外部へ排出するようにした熱交換器において、
バーナ(40)が一次側管束(21)の内径より実質的に小さい外径を有する筒状バーナからなると共に一次側管束の内側に同軸状に取り付けられて一次側管束の全長又はほぼ全長に亘って軸方向に延在し、
一次側管束の一端側の外面に対面する位置で二次側管束の延長線上に利用可能な余地空間を形成するように二次側管束(31)の軸方向寸法(l₂)が一次側管束(21)の軸方向寸法(l₁)より実質的に小さくされ、
前記余地空間が二次側管束の内部空間(3)と連通する囲い(9)によって占められ、
この囲い(9)内に連通するように燃焼ガス出口(7)が囲い(9)の壁部に対して二次側管束(31)の軸心(X₂-X'₂)と直交する向きに接続されて燃焼ガス出口の軸方向の大部分が囲い(9)の軸方向寸法内に収容されていることを特徴とする熱交換器。
各管束(21, 31)を構成する各管路が直線状の両端部(210〜211, 310〜311)を有し、これら二連の管路の両端部の軸心が各管束を形成する螺旋の正接面に相当する共通面内に配置され、これら両端部の各開口が熱交換器の両側でそれぞれ外側に向けられていることと、一次側管束の両端部と二次側管束の両端部が互いに近接して配置され、これら各管束の両端部が外囲体(1)の壁部に封止固定されて該壁部を貫通し、貫通した先端には外囲体の一方の側面上で加熱対象流体の供給ダクトと加熱済流体の出口ダクトとに接続される隔壁内蔵の入口及び出口用集合部(100)内に開口する円形開口と、外囲体の他方の側面上で移送集合部(11)内に開口する円形開口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
外囲体(1)が、半円筒状の両縁壁部を２枚の直線平板状の側面壁部で接続して形成される略楕円形の一定断面形状を有する薄壁筒状胴体部(14)と、前記断面形状に対応する輪郭形状を有すると共に筒状胴体部の軸心と直交する面内で筒状胴体部の両端開口を閉鎖する一対の端面板(15a, 15b)とを備え、筒状胴体部の各半円筒状両縁壁部(142, 143)が両管束(21, 31)をそれぞれ同軸状にコイルターンの略半周分に亘って部分的に囲んでいることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
一方の端面板(15a)が開口(150)を備え、該開口にバーナ(40)を支持した取付板(41)が取り外し可能に装着されていることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
取付板(41)の外部に、バーナへの可燃混合気を供給するための送風機(4)又は単純なガス供給口が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の熱交換器。
両端面板(15a, 15b)が一次側管束(21)の内部空間(2)側にそれぞれ断熱ディスク(5, 6)を備えていることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
両管束が互いにほぼ等しい径寸法を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
両管束(21, 31)の軸心(X₁-X'₁, X₂-X'₂)が互いに平行に水平方向に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の熱交換器。
両管束(21, 31)が互いに上下に間隙を介して重なるように配置され、両管束の軸心(X₁-X'₁, X₂-X'₂)が同一垂直平面(V)内に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
二次側管束(31)が一次側管束(21)の上方に配置され、両管束間には一次側管束(21)又はバーナ(40)に対する二次側管束(31)からの落下凝結液の侵入を防止する傾斜トラフ(8)が介装されていることを特徴とする請求項９に記載の熱交換器。
両管束(21, 31)が互いに横並びに並置され、両管束の軸心(X₁-X'₁, X₂-X'₂)が同一水平面(H)内に配置されていることを特徴とする請求項８に記載の熱交換器。
燃焼ガス出口(7)の軸心(Z-Z')が、両管束の軸心(X₁-X'₁, X₂-X'₂)を含む平面内に配置されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱交換器。
燃焼ガス出口(7)の軸心(Y-Y')が両管束の軸心(X₁-X'₁, X₂-X'₂)を含む平面に対して直交していることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱交換器。
囲い(9)の壁部が二次側管束(31)と同軸の円筒管からなり、該円筒管の一方の端部が外囲体(15b)に固定されていると共に他方の端部に二次側管束(31)を支持する環状フランジ(90)が設けられ、同様に円筒形の燃焼ガス出口(7)が囲い(9)の円筒管にその軸心(X₂-X'₂)と直交する向きに接続されていることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の熱交換器。
外囲体(1)が傾斜底面(16)を備え、この傾斜底面に二次側管束(31)からの凝結液を回収及び排出するのに適した出口接続部(17)が設けられていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の熱交換器。