JP3945436B2

JP3945436B2 - 熱交換器構造

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Publication number: JP3945436B2
Application number: JP2003089385A
Authority: JP
Inventors: 信宏竹田
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2003-03-27
Filing date: 2003-03-27
Publication date: 2007-07-18
Anticipated expiration: 2023-03-27
Also published as: JP2004293992A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換フィンに対し互いに異なる加熱目的を有する流体が通される第１及び第２の２種類の受熱管が貫通して配置された１缶２水路式の熱交換器構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、同じ熱交換フィンに対し２種類の受熱管が貫通配置された１缶２水路式の熱交換器構造として、特許文献１により提案されたものが知られている。このものでは、熱交換フィンに対し給湯用受熱管２本と、循環加熱用受熱管１本とを上下方向に並べ、かつ、２本の給湯用受熱管が循環加熱用受熱管を挟み込む形になるようにして貫通配置させている。また、上記の特許文献１には給湯用受熱管と循環加熱用受熱管とで２本１組にして熱交換フィンを貫通配置させる熱交換器構造も開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
実公平８−７３０７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、熱交換フィンに対し例えば給湯用の第１受熱管を単独で貫通配置させる第１領域と、上記第１受熱管に循環加熱用の第２受熱管を接触状態に連結して組み合わせた２本１組のものを貫通配置させる第２領域とに分けて、各領域毎に燃焼熱を作用させ得るように燃焼手段の燃焼範囲を切換可能にした熱交換器構造の開発にあたり、次の不都合が考えられる。
【０００５】
すなわち、上記第１及び第２の双方の領域に通される第１受熱管として材料的に同じ仕様（肉厚、外径等）にすると、耐久性に難が生じたり、過剰仕様となって軽量化やコスト低減化に反したりする事態を招くことになる。例えば、第２領域の第１受熱管を第１領域における単独配置の第１受熱管に必要な仕様と同じ設定にすると、第２領域の第１受熱管は第２受熱管と連結されて拘束された状態になっており第１領域の第１受熱管とは受ける熱応力に差があるため、第２領域の第１受熱管においては耐久性不足を招きかねないことになる。一方、第１領域の第１受熱管を第２領域における２本１組状態の第１受熱管に必要な仕様と同じ設定にすると、第１領域の第１受熱管においては過剰仕様となって軽量化に反したり、コスト増を招くことになる。
【０００６】
また、第２受熱管のみを単独加熱するために第２領域に対してのみ燃焼熱を作用させる場合においても、第１受熱管も同時に加熱されてしまって熱効率面で不利を招くため、このような場合に無用に加熱される第１受熱管の内部流体量をできるだけ低減させて第２受熱管側に対する加熱効率の向上を図りたいという要請もある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、耐久性及び軽量化の両立を図り得る熱交換器構造を提供することにある。また、併せて第２受熱管側に対する加熱効率の向上をも図り得るようにする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、燃焼手段からの燃焼熱を受ける熱交換フィンに対し互いに異なる加熱目的を有する流体が通される第１及び第２の２種類の受熱管が貫通して配置された１缶２水路式の熱交換器構造を対象として次の特定事項を備えるようにした。すなわち、上記熱交換フィンに、上記燃焼手段の互いに異なる範囲から燃焼熱を受ける領域として第１及び第２の少なくとも２つの領域を区画設定し、上記第１の領域に上記第１受熱管のみを貫通配置させる一方、上記第２の領域に上記第１受熱管を燃焼手段に近い側に上記第２受熱管を遠い側にそれぞれ位置付けかつ互いに接触して連結した状態で上記第１及び第２の両受熱管を貫通配置させる。加えて、上記第２の領域の第１受熱管の肉厚を、上記第１の領域の第１受熱管の肉厚よりも大きく設定する一方、上記第２の領域の第１受熱管と上記第１の領域の第１受熱管とを互いに同じ外径にする（請求項１）。
【０００９】
この発明の場合、第１の領域には第１受熱管のみが貫通配置され、第２の領域には第１及び第２の双方の受熱管が組み合わされた状態で貫通配置されることになるため、第１の領域又は第２の領域に対し燃焼手段から個別に燃焼熱を与えることにより、第１受熱管及び第２受熱管のいずれか一方のみを加熱する場合にも他方の受熱管内の沸騰を防止しつつ加熱対象である一方の受熱管に対し熱効率よく受熱させることが可能になる。また、上記第１受熱管は第１の領域のものよりも第２の領域のものが大きい肉厚になるように設定されている、つまり、上記第１受熱管は第１の領域では薄肉とされる一方、第２の領域では厚肉とされているため、第２の領域の第１受熱管が第２受熱管と連結されて拘束された状態にされていても、第１受熱管から第２受熱管への伝熱性及び第１受熱管自体の長手方向への伝熱性が共に厚肉にされた分良くなり、熱応力に起因する耐久性低下の不都合も回避し得ることになる。その一方、第１の領域の第１受熱管は単独で貫通配置されてフリーな状態にあるため、薄肉でも熱応力に起因する耐久性低下の不都合もない。これにより、第２の領域での第１受熱管の耐久性を満足させつつも、第１の領域での第１受熱管の薄肉厚化により軽量化、コスト低減化をも図り得ることになる。さらに、第２受熱管のみの加熱のために第２の領域に対し燃焼熱を作用させることにより内部が滞留状態の第１受熱管が同時に加熱されてしまう場合であっても、厚肉化による伝熱性の向上によって第１受熱管内の過加熱が抑制されて確実な沸騰防止が図られる上に、第１の領域の第１受熱管部と第２の領域の第１受熱管部とを互いに同じ外径にしているため、第２の領域の第１受熱管部は厚肉にされた分だけ内断面積が小さくなり、この受熱流体量の減少により、上記の第２受熱管に対する加熱時の熱効率の向上を得ることができることになる。
【００１０】
本発明においては、上記第２の領域に対し上記第２受熱管よりも燃焼手段に遠い側に第１受熱管をさらに貫通配置することができる（請求項２）。このようにすることにより、第２の領域に対する燃焼熱を効率よく第１受熱管の加熱のために利用し得るようになる。この場合、上記第２の領域にある上記燃焼手段に遠い側の第１受熱管の肉厚を近い側の第１受熱管よりも小さく設定するようにしてもよい（請求項３）。このようにすることにより、より軽量化をも図り得る。
【００１１】
以上の請求項１〜請求項３のいずれかの熱交換器構造においては、上記熱交換フィンの第１の領域と第２の領域との間に両領域間での熱応力の伝達を軽減する欠損部を形成するようにしてもよい（請求項４）。このような欠損部を形成することにより、第１の領域と第２の領域との一方から他方への熱応力の伝達が上記欠損部において軽減され、これにより、第１の領域と第２の領域との相互の干渉を緩和して変形の発生が緩和されることになる。つまり、第１の領域の薄肉の第１受熱管と、第２の領域の厚肉の第１受熱管との熱応力（熱変形）の相違に起因する第１及び第２の両領域間での相互干渉による変形の発生が緩和、抑制されることになる。なお、上記欠損部としては切れ込み、スリット、ミシン目状のものを形成すればよい。
【００１２】
また、以上の請求項１〜請求項４のいずれかの熱交換器構造においては、第１受熱管に給湯用流体が通され、第２受熱管に例えば温水暖房もしくは風呂追焚等の循環加熱用流体が通される構成とすることにより（請求項５）、給湯用と循環加熱用とからなる１缶２水路式の熱交換器構造として好適なものを提供し得る。
【００１３】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１〜請求項５のいずれかの熱交換器構造によれば、第１の領域又は第２の領域に分けてそれぞれ第１受熱管のみ又は第１受熱管と第２受熱管との組み合わせを貫通配置させているため、第１受熱管及び第２受熱管のいずれか一方のみを加熱する場合にも他方の受熱管内の沸騰を防止しつつ加熱対象である一方の受熱管に対し熱効率よく受熱させることができる上に、コスト低減化をも図ることができる。また、第１受熱管の肉厚を第１の領域では薄肉に、第２の領域では厚肉にしているため、伝熱性の向上により熱応力に起因する耐久性低下の不都合も回避することができ、耐久性の維持と軽量化及びコスト低減化の要請との両立を図ることができる。さらに、第２受熱管の単独加熱時においても、厚肉化による伝熱性の向上によって第１受熱管内の過加熱が抑制されて確実な沸騰防止を図ることができる上に、第１の領域の第１受熱管部と第２の領域の第１受熱管部とを互いに同じ外径にしているため、第２の領域の第１受熱管部は厚肉にされた分だけ内断面積が小さくなり、この受熱流体量の減少により、上記の第２受熱管に対する加熱時の熱効率の向上を得ることができる。
【００１４】
特に、請求項２によれば、第２の領域に対する燃焼熱を効率よく第１受熱管の加熱のために利用することができ、請求項３によれば、請求項２による効果に加え、さらにより一層の軽量化をも図ることができる。
【００１５】
請求項４によれば、第１の領域と第２の領域との一方から他方への熱応力の伝達を欠損部において軽減させることができ、これにより、第１の領域と第２の領域との相互の干渉を緩和して熱交換フィンの変形発生を緩和することができる。
【００１６】
請求項５によれば、給湯用と循環加熱用とからなる１缶２水路式の熱交換器構造として好適なものを提供することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る熱交換器構造を示し、２は例えば燃料ガスの供給を受けて燃焼される燃焼手段、３は同図の紙面に直交する方向に多数枚が並設される熱交換フィン、４は入口が給水管路に接続され出口が給湯管路に接続されて上記熱交換フィン３に対し折返し貫通配置される給湯用の第１受熱管、６は暖房端末との間で循環される暖房回路又は浴槽との間で循環される追焚回路等の循環加熱回路の一部を構成する循環加熱用の第２受熱管である。
【００１９】
上記燃焼手段２と、熱交換フィン３とは缶体７に取り付けられている。そして、第１受熱管４を構成する第１受熱管部４１〜５４は、入口が図示省略の上記給水管路に接続された第１受熱管部４１から第１受熱管部４２、第１受熱管部４３、…、第１受熱管部５３、第１受熱管部５４までこの順に連続して上記缶体７及び熱交換フィン３を折返し貫通し、上記第１受熱管部５４の出口が図示省略の上記給湯管路に接続されている。また、上記第２受熱管６を構成する第２受熱管部６１〜６３は、入口が図示省略の上記循環加熱回路の上流側に接続された第２受熱管部６１から第２受熱管部６２、第２受熱管部６３までこの順に連続して上記缶体７及び熱交換フィン３を折返し貫通し、上記第２受熱管部６３の出口が上記循環加熱回路の下流側に接続されている。
【００２０】
上記燃焼手段２は熱交換フィン３に対する燃焼範囲が第１燃焼部２１と、第２燃焼部２２とに燃焼切換可能に構成されており、第１及び第２の燃焼部２１，２２のいずれか一方を単独で又は双方同時に燃焼作動可能となっている。
【００２１】
そして、上記第１燃焼部２１及び第２燃焼部２２の燃焼範囲に対応して、上記熱交換フィン３も第１の領域３１と第２の領域３２とに区画設定されている。つまり、第１燃焼部２１の燃焼作動により第１燃焼部２１からの燃焼熱を実質的に受ける領域として第１の領域３１が区画設定され、第２燃焼部２２の燃焼作動により第２燃焼部２２からの燃焼熱を実質的に受ける領域として第２の領域３２が区画設定されている。
【００２２】
上記の第１の領域３１には、上述の第１受熱管４を構成する第１受熱管部４１〜５４の内、第１受熱管部４１〜４４が下段に、第１受熱管部５１〜５４が上段にそれぞれ貫通配置されている。つまり、第１受熱管４のみがそれぞれ単独で貫通配置されている。なお、上記の下段とは燃焼手段２に近い側（燃焼側）の位置であり、上段とは燃焼手段２に遠い側（排気側）の位置である。また、上記の第２の領域３２には、上記の第１受熱管４を構成する第１受熱管部４１〜５４の内、第１受熱管部４５〜４７が下段に、第１受熱管部４８〜５０が上段にそれぞれ貫通配置されていると共に、上述の第２受熱管６を構成する第２受熱管部６１〜６３が中段にそれぞれ貫通配置されている。つまり、第１受熱管４と第２受熱管６とが貫通配置されている。そして、第１の領域の第１受熱管部４１〜４４，５１〜５４の肉厚よりも、第２の領域の第１受熱管部４５〜５０の肉厚が大きく（厚肉に）設定されている。
【００２３】
上記第２の領域３２においては、図２にも詳細を示すように、下段位置の第１受熱管部４５〜４７と、中段位置の第２受熱管部６３〜６１とが互いに接触（密着）した状態にロー付けにより連結され、また、上段位置の第１受熱管部５０〜４８が上記第２受熱管部６３〜６１に対しロー付けにより連結されている。さらに、上記下段位置の第１受熱管部４５〜４７と、中段位置の第２受熱管部６３〜６１とは、互いの接触部位が若干扁平とされて熱伝導のための面積が円管同士の線接触の場合よりも増大されている。
【００２４】
これら下段位置の第１受熱管部４５〜４７と、中段位置の第２受熱管部６３〜６１との各肉厚の関係は、上記第１受熱管部４５〜４７が上述の如く厚肉とされる一方、上記第２受熱管部６３〜６１は薄肉とされている。また、上記上段位置の第１受熱管部５０〜４８の肉厚は、図例では下段位置の第１受熱管部４５〜４７よりも薄肉で、かつ、第１の領域の第１受熱管部４１〜４４，５１〜５４よりも厚肉に設定されている。なお、上記上段位置の第１受熱管部５０〜４８の肉厚は、下段位置の第１受熱管部４５〜４７と同じ厚肉にする、あるいは、第１の領域の第１受熱管部４１〜４４，５１〜５４と同じ薄肉にする、のいずれを採用してもよいが、軽量化の観点からは少なくとも下段位置の第１受熱管部４５〜４７よりも薄肉にすることが好ましい。
【００２５】
また、上記の第１の領域３１と、第２の領域３２との境界部位にはスリット状の欠損部３３が形成されて、第１の領域３１と第２の領域３２との両者間での熱応力の伝達を軽減させるようになっている。
【００２６】
以上の熱交換器構造の場合、燃焼手段２の燃焼切換により、第１受熱管４のみが貫通配置された第１の領域３１と、第１受熱管４及び第２受熱管６の双方が貫通配置された第２の領域３２とに対し個別に燃焼熱を与えて加熱運転させることができる。すなわち、給湯単独加熱を行うときには、燃焼手段２の第１燃焼部２１のみを燃焼作動させると、第１の領域３１の第１受熱管４が実質的に受熱する一方、加熱無用な第２の領域３２の第２受熱管６に対する加熱のために燃焼熱が消費されることもない。逆に、循環加熱回路の単独加熱を行うときには、燃焼手段２の第２燃焼部２２のみを燃焼作動させると、第２の領域３２の第２受熱管６が実質的に受熱する一方、加熱無用な第１の領域３１の第１受熱管４に対する加熱のために燃焼熱が消費されることもない。
【００２７】
しかも、上記の循環加熱回路の単独加熱の際、第２の領域３２では、第２受熱管６は厚肉にされた下段位置の第１受熱管４から厚肉にされた分だけ、又、伝熱面積が増大されている分だけ大きな伝熱を受ける一方、その伝熱の増大により、加熱無用な第１受熱管４内の水の過加熱を抑制して沸騰発生を回避することができる。この場合、第１の領域の第１受熱管部４１〜４４，５１〜５４と、第２の領域の第１受熱管部４５〜５０とを互いに同じ外径にすると、第２の領域の第１受熱管部４５〜５０は厚肉にされた分だけ内断面積が小さくなり、この受熱流体量の減少により、上記の第２受熱管６に対する加熱時の熱効率の向上を得ることができる。加えて、下段位置の第１受熱管４は厚肉にされているため、この第１受熱管４が第２受熱管６と連結されて互いに拘束された状態であっても、万一の亀裂発生等を確実に回避して耐久性を増大させることができる。その一方、第１の領域３１の第１受熱管４は薄肉にされているため、軽量化及びコスト低減化をも図ることができる。
【００２８】
さらに、第１の領域３１と、第２の領域３２との間には欠損部３３が形成されているため、上記の給湯単独加熱、循環加熱回路の単独加熱、あるいは、上記燃焼手段２の第１及び第２の両燃焼部２１，２２を共に燃焼作動させる給湯及び循環加熱回路の同時加熱のいずれの場合であっても、第１及び第２の両領域３１，３２の一方から他方への熱応力の伝達に基づく変形発生を防止することができる。
【００２９】
＜他の実施形態＞
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の実施形態を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、第２の領域３２に対し下段位置の第１受熱管４、中段位置に第２受熱管６、上段位置に第１受熱管４をそれぞれ貫通配置しているが、これに限らず、少なくとも上記第２の領域３２には１本の第１受熱管４と１本の第２受熱管６とが貫通配置されていればよい。例えば図３に示すように第１の領域３１には第１受熱管４を各１本、第２の領域３２には第１受熱管４及び第２受熱管６を各１本、それぞれ貫通配置したり、図４に示すように上段位置の第１受熱管４を中段位置の第２受熱管６から離れた位置に貫通配置したり、図５に示すように第１受熱管４及び第２受熱管６の組み合わせを上側及び下側の各位置に貫通配置したりしてもよい。図５の場合には、第２受熱管６として第２受熱管部６４〜６６を追加して第２受熱管部６６の出口に循環加熱回路の下流側を接続する。
【００３０】
また、欠損部３３として、上記のスリット状のものに代えてミシン目状のものを形成したり、あるいは、熱交換フィン３の上側及び下側の一方又は双方から上下方向に延びる切れ込みを形成したりしてもよい。
【００３１】
上記実施形態では、第２の領域３２において、図２に示したように下段位置の第１受熱管部４５〜４７と、中段位置の第２受熱管部６３〜６１とをそれぞれＤ形の断面形状を有する管にして互いの接触面積が増大するようにしているが、これに限らず、下段位置の第１受熱管部４５〜４７と、中段位置の第２受熱管部６３〜６１とをそれぞれ円形断面等の他の断面形状を有する管にしてもよく、この場合でも上記下段位置の第１受熱管部４５〜４７を第１の領域３１の第１受熱管４１〜４４，５１〜５４よりも厚肉することによる本発明の作用効果を享受することができる。
【００３２】
さらに、上記実施形態では、燃焼手段２が缶体７の下側に、熱交換フィン３及び受熱管４，６からなる熱交換器が上側に配設された場合を示したが、これに限らず、図１の上下を逆にした逆燃形式に配設してもよい。すなわち、燃焼手段２を上側に配設してその燃焼炎が下向きに形成されるようにし、熱交換フィン３及び受熱管４，６からなる熱交換器を上下逆にして燃焼手段２の下側位置に配設し、燃焼手段からの燃焼熱を上方から受けて燃焼排気を下方から排出させるようにする。この場合でも、本発明の作用効果を上記の実施形態と同様に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す断面説明図である。
【図２】図１の第２の領域における第１受熱管及び第２受熱管の拡大断面説明図である。
【図３】他の実施形態を示す図１の部分図である。
【図４】図３とは異なる他の実施形態を示す図３対応図である。
【図５】図３及び図４とは異なる他の実施形態を示す図３対応図である。
【符号の説明】
２燃焼手段
３熱交換フィン
４第１受熱管
６第２受熱管
３１第１の領域
３２第２の領域
３３欠損部
４１〜５４第１受熱管部（第１受熱管）
６１〜６３第２受熱管部（第２受熱管）

Claims

燃焼手段からの燃焼熱を受ける熱交換フィンに対し互いに異なる加熱目的を有する流体が通される第１及び第２の２種類の受熱管が貫通して配置された１缶２水路式の熱交換器構造であって、
上記熱交換フィンは上記燃焼手段の互いに異なる範囲から燃焼熱を受ける領域として第１及び第２の少なくとも２つの領域が区画設定され、
上記第１の領域には上記第１受熱管のみが貫通配置される一方、上記第２の領域には上記第１受熱管が燃焼手段に近い側に上記第２受熱管が遠い側にそれぞれ位置付けられかつ互いに接触して連結された状態で上記第１及び第２の両受熱管が貫通配置され、かつ、
上記第２の領域の第１受熱管の肉厚が上記第１の領域の第１受熱管の肉厚よりも大きく設定される一方、上記第２の領域の第１受熱管と上記第１の領域の第１受熱管とが互いに同じ外径にされている
ことを特徴とする熱交換器構造。
請求項１記載の熱交換器構造であって、
上記第２の領域には上記第２受熱管よりも燃焼手段に遠い側に第１受熱管がさらに貫通配置されている、熱交換器構造。
請求項２記載の熱交換器構造であって、
上記第２の領域にある上記燃焼手段に遠い側の第１受熱管の肉厚が近い側の第１受熱管よりも小さく設定されている、熱交換器構造。
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の熱交換器構造であって、
上記熱交換フィンの第１の領域と第２の領域との間には両領域間での熱応力の伝達を軽減する欠損部が形成されている、熱交換器構造。
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の熱交換器構造であって、
第１受熱管には給湯用流体が通され、第２受熱管には循環加熱用流体が通されるように構成されている、熱交換器構造。