JP4143431B2

JP4143431B2 - 熱交換器

Info

Publication number: JP4143431B2
Application number: JP2003020185A
Authority: JP
Inventors: 憲司中村
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2003-01-29
Filing date: 2003-01-29
Publication date: 2008-09-03
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: KR20040069952A; KR100529788B1; JP2004232922A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、水等の被加熱流体を加熱する為の熱交換器に関するもので、例えば、給湯機や風呂釜等の熱交換器として使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、給湯機に組み込まれる従来の熱交換器、更に詳しくは、ガスバーナからの燃焼排気の顕熱以外に潜熱も吸収する形式の図９に示すコンデンシング給湯機の潜熱回収用の熱交換器(1)の要部の断面図である（特許文献１参照）。
このものでは、熱交換器(1)内には、被加熱流体たる水が流れる吸熱パイプ(13a)(13b)が配設されていると共に、これら吸熱パイプ(13a)(13b)は、表面積の拡大を図って熱効率を確保するために屈曲自在なコルゲート管で構成されている。
【０００３】
一方の吸熱パイプ(13a)は、図８の紙面と平行な面（以下、「蛇行面」という。）内で蛇行するように曲成されており、これにより、円弧状の折返し部(R)(R)とその両端に続く直線部(S)(S)を備えた波形に形成されている。又、他方の吸熱パイプ(13b)も上記と同様な波形に曲成されている。
吸熱パイプ(13a)(13b)は、前記蛇行面に対して垂直な方向に重ね合わされていると共に、これら吸熱パイプ(13a)(13b)は、前記波形の波長方向に互いに半ピッチずれる態様で配設されている。
このものでは、吸熱パイプ(13a)(13b)を重ね合わせ状態に配設しているから、熱交換器(1)に於ける前記重ね合わせ方向の寸法をある程度小さくすることができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２４１８７３号公報（図１，図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のものでは、吸熱パイプ(13a)(13b)を単純に重ね合わせるだけであるから、熱交換器(1)を十分に小型化することができないという問題があった。
本願発明は、かかる点に鑑みて成されたもので、
『ガスバーナからの燃焼排気の熱を吸収し且つ内部に被加熱流体が流れる複数の吸熱パイプが交差する状態で重ねられた吸熱パイプ群と、
前記吸熱パイプ群を包囲するケーシングを具備する熱交換器』に於いて、既述従来のものに比べて一層小型化された熱交換器を提供することをその課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
［請求項１に係る発明］
上記課題を解決するための請求項１に係る発明の技術的手段は、
『前記各吸熱パイプにおける前記交差する部位が、前記重ねられる方向に扁平化され、
前記各吸熱パイプは、一つの蛇行面内で蛇行する形状を有し、且つ、円弧状折返し部と該円弧状折返し部の端部に続く直線部が交互に繰り返して連続する波形に曲成されており、
前記扁平化された部位は、前記円弧状折返し部であり、
前記各吸熱パイプは前記蛇行面に対して垂直な方向に順次重ねられていると共に、重ね合わせ方向に隣接する吸熱パイプ相互が前記波形の波長方向にずれている』ことである。
上記技術的手段によれば、各吸熱パイプが扁平化された部位で重ね合わされるから、扁平化されていないものに比べて、吸熱パイプ群全体の前記重ね合わせ方向の寸法が一層小さくなり、その分、既述従来の熱交換器に比べて一層小型化が図れる。
【０００７】
又、吸熱パイプと熱交換しない燃焼排気の量が少なくなって、熱効率が向上するという作用効果が生じる。即ち、各吸熱パイプが前記重ね合わせ方向に間隔を置いて配設されている場合には、前記燃焼排気が各吸熱パイプに接触することなく前記間隔部を素通りし、これにより、吸熱パイプと熱交換しない燃焼排気の量が増加する。これに対し、本願発明では、吸熱パイプ群の前記重ね合わせ部が扁平化されているから、既述従来のものに比べて各吸熱パイプが更に密に配設された状態になり、その分、該配設密度が低い従来のものに比べて吸熱パイプに接触することなく排出される無駄な燃焼排気の量が少なくなる。即ち、流動する燃焼排気が各吸熱パイプの裏側まで回り込み、これにより、熱効率が向上する。
【０００８】
又、各吸熱パイプが波形に蛇行しているから直線パイプに比べて長くなり、その分、熱効率が向上する。
【０００９】
［請求項２に係る発明］
請求項１に係る発明に於いて、
『前記各吸熱パイプは、互いに同一の波形に曲成されたコルゲート管から構成されている』ものでは、各吸熱パイプが同一形状に形成されているから、異なる形状の吸熱パイプを製作する場合に比べて製造効率の向上と、部品の共通化を図ることができる。
【００１０】
［請求項３に係る発明］
請求項２に係る発明に於いて、
『前記各円弧状折返し部は前記ケーシング内に位置しており、
前記各円弧状折返し部の外周に対して前記ケーシングの内側壁が圧接されている』ものでは、円弧状折返し部がケーシングの内側壁に圧接されて安定する。従って、被加熱流体が急激に停止する際のウォータハンマー現象に起因する各吸熱パイプの振動音を抑制することができる。
【００１２】
【発明の効果】
本願発明は、上記構成であるから次の特有の効果を有する。
既述従来のものに比べて吸熱パイプ群全体の重ね合わせ方向の寸法が一層小さくなるから、熱交換器が一層小型化できる。
又、既述したように、燃焼排気が排気流に対する各吸熱パイプの裏側まで回り込み易くなり、これにより、吸熱パイプと接触することなく排出される燃焼排気の量が少なくなるから、その分、熱効率が向上する。
【００１３】
請求項２に係る発明では、各吸熱パイプが同一形状に形成されているから、部品の共通化が図れる。
【００１４】
請求項３に係る発明では、被加熱流体が急激に停止する際のウォータハンマー現象に起因する各吸熱パイプの振動音を抑制することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、上記した本願発明の実施の形態を図面に従って詳述する。
図１は、本願発明の実施の形態に係る熱交換器を適用したコンデンシング給湯機の縦断面図である。
このコンデンシング給湯機では、本体ケース(H)内に設けられた給気ファン（F）の上方に連設された燃焼箱(C)にはガスバーナ(B)が収納されていると共に、前記燃焼箱(C)の上方にはガスバーナ(B)の燃焼排気から顕熱を吸収する主熱交換器(2)が連設されており、該主熱交換器(2)には上記顕熱を吸収する為の吸熱パイプ(21)が配設されている。尚、前記吸熱パイプ(21)は、図１の紙面に対して前後に往復するように蛇行する一本の銅パイプで構成されており、その下流端(22)から加熱昇温された温水が流出するようになっている。
【００１７】
本願発明の対象たる熱交換器は、ガスバーナ(B)の燃焼排気から潜熱を回収する為の副熱交換器(5)として実施されている。
以下、副熱交換器(5)の構造について更に詳述する。
【００１８】
[全体構造]
図１，２に示すように、副熱交換器(5)は、被加熱流体たる水道水が流れ且つガスバーナの燃焼排気から潜熱を吸収する吸熱パイプ(13a)〜(13d)と、これらを装着する為のケーシング(50)を備えている。
【００１９】
[ケーシング(50)]
前記ケーシング(50)は、全体として矩形箱状に形成されている。そのため、ケーシング(50)は、矩形枠状に組み立てられる前後板(53)(54)及び側板(51)(52)と、該側板(51)(52)等によって組み立てられた上方開放の矩形枠の頂部を閉塞する天板(55)とを具備している。
【００２０】
ケーシング(50)内には、吸熱パイプ(13a)〜(13d)の上方に配設された排気案内板(56)と、吸熱パイプ(13a)〜(13d)から滴下するドレンを受けるドレンガイド(57)とが設けられている。このドレンガイド(57)は、燃焼排気流の下流側に向けて低くなるように傾斜していると共に、該傾斜部の最下部にはドレン集合部(58)が凹設されており、該ドレン集合部(58)に集められた強酸性のドレンは、排液管(59)を通過して図示しない中和装置に流入し、該中和装置で中和された後に下水に排出されるようになっている。
【００２１】
排気案内板(56)は吸熱パイプ(13a)〜(13d)の配設域に沿って燃焼排気が流れるように、下流側に向けて傾斜していると共に、下流端は下方に屈曲されて垂下壁(560)となっており、該垂下壁(560)の下方が熱交換室(12)からの排気口(561)となっている。又、ケーシング(50)を構成する前板(53)の上部には、燃焼排気を機外に排出する為の排気トップ(41)が配設されている。
【００２２】
[吸熱パイプ(13a)〜(13d)]
上記ドレンガイド(57)と排気案内板(56)の上下間に形成された熱交換室(12)に位置する吸熱パイプ(13a)〜(13d)は、夫々同一の波形に曲成されている。
図３に示すように、吸熱パイプ(13a)〜(13d)は、ステンレス又はチタンから成るコルゲート管（円弧状の谷部と山部が軸線方向に交互に連続する外面形状を有する管）を一つの平面（蛇行面）内で波形に曲成したものであり、容易に変形しないように比較的大きな剛性を有している。
【００２３】
又、吸熱パイプ(13a)〜(13d)は、蛇行方向の中央に位置する折返し部(R)と、その両端から各別に延長する二本の直線部(S)(S)と、該直線部(S)(S)に一端が連結一体化された二つの折返し部(R)(R)と、該折返し部(R)(R)の他端から各別に延長する両サイドの直線部(S)(S)を具備しており、本実施の形態では、上記各折返し部(R)が半円弧状に形成されている。これにより、吸熱パイプ(13a)〜(13d)は、折返し部(R)と該折返し部(R)の端部に続く直線部(S)が一つの平面たる蛇行面内で繰り返して連続する波形に形成されている。
【００２４】
吸熱パイプ(13a)〜(13d)の各折返し部(R)は、図５に示すように、円形パイプを前記蛇行面に対して垂直な方向に扁平化した小判型の断面形状を有している。尚、同図は吸熱パイプ(13a)の谷部を切断した形状を示している。一方、吸熱パイプ(13a)の各直線部(S)の谷部を横断した断面形状は、図４に示す如く円形になっている。
図１，図２に示すように、吸熱パイプ(13a)〜(13d)は前記蛇行面に垂直な方向に重ねられていると共に、吸熱パイプ(13a)〜(13d)のうち、重ね合わされる吸熱パイプ相互は屈曲する波形の波長方向に半ピッチだけずれている。即ち、図１に於いて、上から二番目と最下位の吸熱パイプ(13b)(13d)に対してこれらに隣接する吸熱パイプ(13a)(13c)は排気流の下流方向に半ピッチずれた部位に設けられている。
【００２５】
又、各吸熱パイプ(13a)〜(13d)は、扁平に加工された折返し部(R)(R)部分で重ね合わされていると共に、図１，図２に示すように、吸熱パイプ(13a)〜(13d)同士の重ね合わせ部分（平面視に於ける交差部）が、重ね合わせ方向に４本まとめて結束金具(16)(16)によって固定されている。これにより、吸熱パイプ(13a)〜(13d)の間隔を長期に亘って適正間隔に維持し、経年的な熱効率低下が防止できるようにしている。
【００２６】
又、吸熱パイプ(13a)〜(13d)の折返し部(R)(R)の外周にはケーシング(50)の内側壁たる側板(51)(52)が圧接されており、これにより、後述するウォータハンマー現象で吸熱パイプ(13a)〜(13d)が振動するのを抑制している。
【００２７】
更に、吸熱パイプ(13a)〜(13d)の両端部は、副熱交換器(5)を構成するケーシング(50)の側板(52)を外方に貫通していると共に、吸熱パイプ(13a)〜(13d)の前記貫通した一方の端部相互は、図２，図６に現れるように、流入側ヘッダ(31)で連結されていると共に、該流入側ヘッダ(31)には水道配管に繋がる給水管(33)が接続されている。一方、吸熱パイプ(13a)〜(13d)の他端相互は流出側ヘッダ(32)で連結されていると共に、該流出側ヘッダ(32)には主熱交換器(2)の吸熱パイプ(21)の上流端に繋がる連結パイプ(34)が接続されている。このように、吸熱パイプ(13a)〜(13d)は、その両端が流入側ヘッダ(31)と流出側ヘッダ(32)で連結されて全体として並列接続された状態になっており、これにより、吸熱パイプ(13a)〜(13d)が直列接続された場合に比べて通水抵抗の軽減が図られている。
【００２８】
[各部の機能等の説明]
このものでは、主熱交換器(2)を構成する吸熱パイプ(21)の下流側に給湯蛇口(K)を配管接続して使用する。
給湯蛇口(K)の開放によって上記吸熱パイプ(21)等が通水状態になると、これを検知する図示しない水量センサの信号で給気ファン（F）が回転すると共にガスバーナ(B)が燃焼し始める。
すると、給水管(33)から供給される被加熱流体たる水道水は、流入側ヘッダ(31)→吸熱パイプ(13a)〜(13d)→流出側ヘッダ(32)→連結パイプ(34)→吸熱パイプ(21)→給湯蛇口(K)と繋がる経路で流動する。
【００２９】
一方、ガスバーナ(B)からの燃焼排気は主熱交換器(2)の吸熱パイプ(21)の配設部→副熱交換器(5)の吸熱パイプ(13a)〜(13d)の配設部→排気口(561)→排気トップ(41)と繋がる経路で流れる。このとき、前記燃焼排気の顕熱は主熱交換器(2)の吸熱パイプ(21)部分を流れる水に吸収される一方、該吸熱によって温度低下した燃焼排気の潜熱は副熱交換器(5)の吸熱パイプ(13a)〜(13d)部分を流れる水に吸収される。そして、これらの吸熱作用によって加熱生成された温水が給湯蛇口(K)に供給される。
【００３０】
一方、前記燃焼排気からの潜熱吸収によって副熱交換器(5)部分で生成されたドレンはドレンガイド(57)上に滴下してドレン集合部(58)から排液管(59)を介して図示しない中和装置に導かれる。
このものでは、各吸熱パイプ(13a)〜(13d)を扁平にした折返し部(R)で重ね合わせているから、扁平化されていないものに比べて、吸熱パイプ群全体に於ける前記重ね合わせ方向の寸法が小さくなり、副熱交換器(5)を小型化することができる。
【００３１】
又、各吸熱パイプ(13a)〜(13d)を扁平化した折返し部(R)で重ね合わせているから、図７に示すように、吸熱パイプ(13b)(13d)の直線部(S)の中心軸と、これに重ね合わされる吸熱パイプ(13a)(13c)の直線部(S)の中心軸の重ね合わせ方向の距離が小さくなる。即ち、前記吸熱パイプ(13a)〜(13d)群を排気流の方向へ投影した場合には、吸熱パイプ(13b)(13d)に於ける直線部(S)と吸熱パイプ(13a)(13c)に於ける直線部(S)とが完全に重なった状態になる。従って、各吸熱パイプ(13a)〜(13d)が密に配設された状態になり、その分、該配設密度が低い場合に比べて吸熱パイプ(13a)〜(13d)に接触することなく排出される無駄な燃焼排気の量が少なくなる。即ち、流動する燃焼排気が各吸熱パイプ(13a)〜(13d)の裏側まで回り込み、これにより、熱効率が向上する。
【００３２】
尚、上記実施の形態では、コンデンシング給湯機の副熱交換器(5)として本願発明を適用する場合を例示的に説明したが、ガスバーナ(B)の燃焼排気の顕熱を吸収する主熱交換器(2)に本願発明を適用してもよい。又、浴槽内と風呂釜とを循環する追焚き回路の風呂釜内の熱交換器に本願発明を適用してもよく、本願発明は被加熱流体が流れる種々の熱交換器に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施の形態に係る熱交換器を適用した給湯機の縦断面図
【図２】副熱交換器(5)の横断面図
【図３】吸熱パイプ(13a)の斜視図
【図４】図３に於けるＩＶ−ＩＶ線断面図
【図５】図３に於けるＶ−Ｖ線断面図
【図６】副熱交換器(5)の背面図
【図７】各吸熱パイプ(13a)〜(13d)の配置関係の説明図
【図８】従来例の説明図
【図９】従来例の説明図
【符号の説明】
(13a)〜(13d)・・・吸熱パイプ
(2)・・・主熱交換器
(5)・・・副熱交換器
(50)・・・ケーシング
(B)・・・ガスバーナ
(R)・・・折返し部
(S)・・・直線部

Claims

ガスバーナからの燃焼排気の熱を吸収し且つ内部に被加熱流体が流れる複数の吸熱パイプが交差する状態で重ねられた吸熱パイプ群と、
前記吸熱パイプ群を包囲するケーシングを具備する熱交換器に於いて、
前記各吸熱パイプにおける前記交差する部位が、前記重ねられる方向に扁平化され、
前記各吸熱パイプは、一つの蛇行面内で蛇行する形状を有し、且つ、円弧状折返し部と該円弧状折返し部の端部に続く直線部が交互に繰り返して連続する波形に曲成されており、
前記扁平化された部位は、前記円弧状折返し部であり、
前記各吸熱パイプは前記蛇行面に対して垂直な方向に順次重ねられていると共に、重ね合わせ方向に隣接する吸熱パイプ相互が前記波形の波長方向にずれている、熱交換器。
請求項１に記載の熱交換器に於いて、
前記各吸熱パイプは、互いに同一の波形に曲成されたコルゲート管から構成されている、熱交換器。
請求項２に記載の熱交換器に於いて、
前記各円弧状折返し部は前記ケーシング内に位置しており、
前記各円弧状折返し部の外周に対して前記ケーシングの内側壁が圧接されている、熱交換器。