JP3941035B2

JP3941035B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP3941035B2
Application number: JP2001200393A
Authority: JP
Inventors: 秀幸神野; 英男岡本
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2007-07-04
Anticipated expiration: 2021-07-02
Also published as: TW546467B; JP2003014309A; CN100416174C; KR100471354B1; KR20030004024A; CN1396418A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給湯器等に設けられる熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、給湯器に設けられているこの種の熱交換器は、バーナの燃焼排気流路に設けられた複数のフィンと、各フィンを貫通して複数配列された吸熱管を備え、該吸熱管に被加熱水を導通させることにより、熱交換を行なって湯を生成している。一般に、吸熱管は、燃焼排気流と交差する左右方向に複数配列された第１吸熱管群と、該第１吸熱管群の上方（燃焼排気の下流側）において燃焼排気流と交差する左右方向に複数配列された第２吸熱管群とを形成しており、第１吸熱管群の始端から第２吸熱管群の終端に向かって被加熱水を導通させる。そして更に、高い熱効率を得るため、フィンの形状を拡張すると共に第２吸熱管群の上方（燃焼排気の下流側）に燃焼排気流と交差する左右方向に複数配列された第３吸熱管群を設けることが行なわれる。なお、該第３吸熱管群の始端は第２吸熱管群の終端に接続される。これによって、吸熱面積が大きくなり、熱交換効率が向上する。
【０００３】
しかし、前記第３吸熱管群を設けて熱交換器を構成すると、前記バーナの燃焼量を低下させたときに、当該燃焼量に対する吸熱面積が過大になるため、前記第３吸熱管群の周囲において排気温度が露点より低くなる。これにより、燃焼排気の水蒸気がドレンとなって第３吸熱管群の各吸熱管の表面やその近傍のフィンに付着し、吸熱管やフィンに腐食が生じて寿命を低下させる不都合がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
かかる不都合を解消して、本発明は、ドレンの発生を抑えて高い熱交換効率を得ることができる熱交換器を構造簡単に提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、バーナの燃焼排気流路に設けられた複数のフィンと、燃焼排気流と交差する左右方向及び燃焼排気流に沿った上下方向の夫々に複数配列されて各フィンを貫通する吸熱管とを備え、燃焼排気の最上流側に位置する吸熱管の始端から、最下流側に位置する吸熱管の終端へ被加熱水を導通させる熱交換器において、前記吸熱管は、上下方向に少なくとも３列に配列して設けられ、燃焼排気の最上流側に位置する第１列目の下流側に位置する第２列目の各吸熱管と第３列目の各吸熱管との間を境界とし、該境界位置に、フィンの一部に一対の平行な切込みを形成し両切込み間の板状部分をフィンの表裏方向に隆起させて燃焼排気をその切込端縁に突き当てることにより該境界位置の下流側のフィンにおける熱交換効率を増加させる複数のオフセットフィンからなる吸熱促進手段を設けて、該吸熱促進手段により境界位置を介して上流側の吸熱領域と下流側の吸熱領域とに仮想分断し、前記境界位置において仮想分断された上流側の吸熱領域と下流側の吸熱領域との熱交換効率の配分比が前記バーナの最大燃焼時において９７：３〜９２：８となるように前記フィンの吸熱面積と各吸熱管の配置とが設定されていることを特徴とする。
【０００６】
本発明においては、前記吸熱管が上下方向に少なくとも３列に配列して設けられていることによって、比較的大きな吸熱面積を得ることができ、高い熱交換効率を得ることができる。
【０００７】
また、本発明によれば、先ず、燃焼排気の最上流側に位置する第１列目の下流側に位置する第２列目の各吸熱管と第３列目の各吸熱管との間の境界位置に前記吸熱促進手段を設け、該境界位置の下流側のフィンの熱交換効率を増加させる。これによって、下流側のフィン及び各吸熱管の表面温度の極度な低下を抑えることができ、下流側のフィン及び各吸熱管の表面温度を比較的高い状態に維持できるからドレンの発生を防止することができる。
【０００８】
また、本発明の熱交換器は、前記バーナの最大燃焼時において前記境界位置の上流側と下流側との熱交換効率の配分比が９７：３〜９２：８となるように前記フィンの吸熱面積と各吸熱管の配置とが設定されている。本発明者は各種の実験を行なうことにより、熱交換器全体に比較的高い熱交換効率を得たうえで、境界位置の下流側においてドレンが発生しない熱交換効率が、全体の３％〜８％必要であることを見出した。これに基づいて前記フィンの吸熱面積と各吸熱管の配置とを設定することにより、ドレンの発生を防止して熱交換効率の高い熱交換器を構成することができる。
【００１０】
また、本発明においては、前記境界位置に前記オフセットフィンを設けることによって、前記境界位置において燃焼排気が突き当たる端縁が前記切込み及び各オフセットフィンの下縁に形成される。そして、該オフセットフィンを設けることによって、フィンの吸熱領域が上流側の吸熱領域と下流側の吸熱領域とに仮想分断される。これによって、下流側の熱交換効率を向上させることができる。更に、複数のオフセットフィンを設けることにより、燃焼排気の熱を各吸熱管の上側に熱伝導によって回り込ませて均一に吸熱させることができる。これにより、下流側のフィン及び各吸熱管の表面温度を上げることができ、ドレンの発生を防止することができる。
【００１１】
また、本発明において、前記吸熱促進手段を介して燃焼排気の下流側に位置するフィンには、左右に隣り合う吸熱管間に対応する各吸熱管の上方位置においてフィンの一部に一対の平行な切込みを形成し両切込み間の板状部分をフィンの表裏方向に隆起させた複数の他のオフセットフィンが形成されていることが好ましい。各他のオフセットフィンによれば、左右に隣り合う吸熱管間を流れる燃焼排気の熱を各吸熱管の上側に熱伝導によって回り込ませることができ、燃焼排気熱を効率よくフィン及び吸熱管に伝達させることができる。これにより、フィンの吸熱面積を比較的小として十分な熱交換が行なえるので、フィンをコンパクトに構成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の熱交換器を採用した給湯器の一部を模式的に示す説明図、図２は本実施形態の熱交換器の要部構成を示す説明図、図３はオフセットフィンの形状を示す説明的斜視図、図４及び図５は他の実施形態の熱交換器の要部構成を示す説明図、図６は熱交換器のドレン発生領域を示す線図、図７は比較例として挙げた熱交換器の要部構成を示す説明図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の熱交換器Ａは、給湯器１のバーナ２の上方に位置する該バーナ２の燃焼排気流路３に設けられている。熱交換器Ａは複数のフィン４と、各フィン４を貫通する吸熱管５，６，７とによって構成され、該吸熱管５，６，７の上流側には被加熱水（水道水）を導入する導入管８が接続され、該吸熱管５，６，７の下流側には被加熱水（湯）を導出する導出管９が接続されている。導入管８と導出管９とはバイパス水管１０により接続され、混合部１１によって導出管９の湯の温度が調節可能とされている。また、バーナ２は給湯運転制御手段１２によって燃焼量が制御される。該給湯運転制御手段１２は図示しない水量センサや出湯温度センサ１３及び給水温度センサ１４等の検出結果に基づいてバーナ２の燃焼量を制御する。また、該給湯運転制御手段１２は熱交換制御手段１５を備えており、詳しくは後述するが、吸熱管５，６，７内の被加熱水の温度に基づくバーナ２の燃焼制御が行なえるようになっている。
【００１４】
前記熱交換器Ａは、図２に示すように、前記フィン４を貫通する複数の吸熱管５，６，７を備えている。各吸熱管５，６，７は単一の導管を蛇行させてフィン４を貫通させたものであり、燃焼排気の最上流側に左右方向に配列された第１吸熱管群１６と、該第１吸熱管群１６の上方に左右方向に配列された第２吸熱管群１７と、該第２吸熱管群１７の上方に左右方向に配列された第３吸熱管群１８とで上下方向に３列に配設されている。被加熱水は図中矢印で示すように、第１吸熱管群１６の始端から導入され、第３吸熱管群１８の終端から導出される。
【００１５】
第２吸熱管群１７と第３吸熱管群１８との間のフィン４には、複数の第１オフセットフィン１９が形成されている。該第１オフセットフィン１９は、図３に示すように、フィン４の一部に一対の平行な切込みを形成した後、両切込み間の板状部分を一方面側から他方面側に向かって隆起させて形成されている。そして、燃焼排気は図３中矢印で示すように該第１オフセットフィン１９の表裏を通過する。
【００１６】
図２に示すように、該第１オフセットフィン１９の下方位置（燃焼排気の上流側）には補助オフセットフィン２０が設けられている。第１オフセットフィン１９は、その両端部が第２吸熱管群１７の各吸熱管６の上方に臨む長さに形成されており、これによって本発明の吸熱促進手段を構成している。即ち、該第１オフセットフィン１９を設けることによって、フィン４の吸熱領域が図中の仮想線ｗを介して、上流部吸熱領域４ａと下流部吸熱領域４ｂとに仮想分断される。これによって、下流部吸熱領域４ｂの下縁に燃焼排気が突き当たる端縁を形成することができ、熱交換効率を向上させることができる。更に、該第１オフセットフィン１９により燃焼排気の熱が第２吸熱管群１７の吸熱管６の上方に熱伝導によって回りこみ、均一な熱伝達が得られるので、比較的高い熱交換効率を得ることができる。
【００１７】
また、第３吸熱管群１８の各吸熱管７の間には第２オフセットフィン２１及び補助オフセットフィン２２が形成されている。これらのオフセットフィン２１，２２は第３吸熱管群１８の各吸熱管７の上方に燃焼排気の熱を熱伝導によって回り込ませて熱交換効率を向上させる。
【００１８】
ここで、該熱交換器Ａにおいては、図１に示すように、第３吸熱管群１８の入口付近に被加熱水の温度を検出する温度センサ２３が設けられている。そして、温度センサ２３の検出温度が燃焼排気の露点より高くなるように、前記熱交換制御手段１５によって、被加熱水の流量に応じたバーナ２の燃焼量を制御することにより、第３吸熱管群１８の各吸熱管７及びその近傍のフィン４のドレン発生を確実に防止することができる。
【００１９】
これを、バーナ２の最大燃焼量時の全体熱交換効率を８８％としたとき、図２示の上流部吸熱領域４ａと下流部吸熱領域４ｂとの熱交換効率配分で示すと、表１に示すように、上流部吸熱領域４ａの熱交換効率が８４．６〜８１．５％となり、下流部吸熱領域４ｂの熱交換効率が３．４〜６．５％となる。
【００２０】
【表１】

【００２１】
なお、バーナ２の燃料ガス種が１３Ａ−１であるとき通常の燃焼時の空気比は１．６前後であるが、このときの燃焼排気の露点はおよそ５１〜５３℃である。このような空気比のばらつきを考慮すれば、表１のデータに基づいて、上流部吸熱領域４ａの熱交換効率を８５〜８１％とし、下流部吸熱領域４ｂの熱交換効率を３〜７％とすることが好ましい。そして、本実施形態においては、上記上流部吸熱領域４ａと下流部吸熱領域４ｂとの熱交換効率配分となるように、前記第１オフセットフィン１９及びフィン４の全体吸熱面積を設定した。即ち、上流側と下流側との熱交換効率の配分比は９７：３〜９２：８となり、これに基づいて前記フィン４の吸熱面積と各吸熱管７の配置とが設定される。これにより、バーナ２の最大燃焼量時の全体熱交換効率を８８％と比較的高い熱交換効率を得てしかも、ドレン発生を防止してコンパクトな熱交換器Ａを形成することができる。
【００２２】
また、該熱交換器Ａにおいては、第３吸熱管群１８の入口付近に被加熱水の温度を検出する温度センサ２３に替えて、図１に示すように、第３吸熱管群１８の出口付近に温度センサ２４を設けてもよい。この場合には、該温度センサ２４は熱交換器Ａを経て加熱された被加熱水（湯）の温度を検出する。そして、前記熱交換制御手段１５においては、該温度センサ２４の検出温度と、給湯能力及び熱交換効率データ等から第３吸熱管群１８の入口の被加熱水の温度を算出し、該算出温度が燃焼排気の露点より高くなるように、被加熱水の流量に応じたバーナ２の燃焼量を制御すればよい。具体的には、例えば表１を参照して、熱交換器Ａを経て加熱された被加熱水（湯）の温度が５７℃以上になるようにバーナ２の燃焼量を制御する。これによっても、第３吸熱管群１８の各吸熱管７及びその近傍のフィン４のドレン発生を確実に防止することができる。
【００２５】
ここで、本実施形態の熱交換器Ａにおいてドレンの発生条件を確認する試験について図４を参照して説明する。本試験においては、前記熱交換器Ａの他に、比較のために図５に示す構成の熱交換器Ｃを用いた。該熱交換器Ｃは、図５に示すように、各吸熱管５，６，７の配列は前記熱交換器Ａと同様であるが、フィン２９には本発明の吸熱促進手段に相当する構成が備えられていない。
【００２６】
図４において、バーナ２（図１参照）が最大燃焼量のとき、熱交換効率が最大となるのは吸熱管５，６，７内の被加熱水の水量が最大で出湯温度（熱交換器出口温度）が最小のときである。実線ａ，ｃは夫々熱交換器Ａ（図２示），熱交換器Ｃ（図５示）のドレン発生領域（ドレンライン）を示している。ドレンライン以下であるとき第３吸熱管群１８にドレンが発生する。これにより、一点鎖線ａ‘，ｃ‘は各熱交換器Ａ，Ｃの第３吸熱管群１８においてドレンが発生しない出湯温度の制御温度を示している。図４において明らかなように、本実施形態の熱交換器Ａは、比較例の熱交換器Ｃに比べてドレンラインを低い位置に形成することができる。これによって、本実施形態の熱交換器Ａによれば、出湯温度を比較的低くすることができるので、ドレンの発生を防止して且つ高い熱交換効率が得られることが明らかである。
【００２７】
なお、本実施形態においては、複数の吸熱管５，６，７を上下方向に３列に配列した例を示したが、３列以上に配列した場合であっても最上部（燃焼排気の最下流部）に位置する吸熱管群の温度を制御することで、確実にドレンの発生を防止することができることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の熱交換器を採用した給湯器の一部を模式的に示す説明図。
【図２】本実施形態の熱交換器の要部構成を示す説明図。
【図３】オフセットフィンの形状を示す説明的斜視図。
【図４】熱交換器のドレン発生領域を示す線図。
【図５】比較例の熱交換器の要部構成を示す説明図。
【符号の説明】
Ａ…熱交換器、２…バーナ、３…燃焼排気流路、４…フィン、５，６，７…吸熱管、１６…第１吸熱管群（第１列目の各吸熱管）、１７…第２吸熱管群（第２列目の各吸熱管）、１８…第３吸熱管群（第３列目の各吸熱管）、１９…第１オフセットフィン（吸熱促進手段）、２１…第２オフセットフィン（他のオフセットフィン）。

Claims

バーナの燃焼排気流路に設けられた複数のフィンと、燃焼排気流と交差する左右方向及び燃焼排気流に沿った上下方向の夫々に複数配列されて各フィンを貫通する吸熱管とを備え、燃焼排気の最上流側に位置する吸熱管の始端から、最下流側に位置する吸熱管の終端へ被加熱水を導通させる熱交換器において、
前記吸熱管は、上下方向に少なくとも３列に配列して設けられ、
燃焼排気の最上流側に位置する第１列目の下流側に位置する第２列目の各吸熱管と第３列目の各吸熱管との間を境界とし、
該境界位置に、フィンの一部に一対の平行な切込みを形成し両切込み間の板状部分をフィンの表裏方向に隆起させて燃焼排気をその切込端縁に突き当てることにより該境界位置の下流側のフィンにおける熱交換効率を増加させる複数のオフセットフィンからなる吸熱促進手段を設けて、該吸熱促進手段により境界位置を介して上流側の吸熱領域と下流側の吸熱領域とに仮想分断し、
前記境界位置において仮想分断された上流側の吸熱領域と下流側の吸熱領域との熱交換効率の配分比が前記バーナの最大燃焼時において９７：３〜９２：８となるように前記フィンの吸熱面積と各吸熱管の配置とが設定されていることを特徴とする熱交換器。
前記吸熱促進手段を介して燃焼排気の下流側に位置するフィンには、左右に隣り合う吸熱管間に対応する各吸熱管の上方位置においてフィンの一部に一対の平行な切込みを形成し両切込み間の板状部分をフィンの表裏方向に隆起させた複数の他のオフセットフィンが形成されていることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。