JP4172411B2

JP4172411B2 - 温水用熱交換器の構造

Info

Publication number: JP4172411B2
Application number: JP2004105087A
Authority: JP
Inventors: 正隆岡戸; 清信伊藤; 和豊山田; 正純西川; 康人小林
Original assignee: 株式会社トヨトミ
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005291581A

Description

この発明は、主に家庭用石油給湯機、家庭用温水ボイラに搭載される温水用熱交換器に関するものである。

一般に石油給湯機や温水ボイラには、円筒形状を成した水室を備えており、この水室は内部の下部に燃焼室を配置するとともに、燃焼室の天板と水室の天板との間に多数の円筒形状の煙管を備え、また、水室の天板は排気筒を備えた排気ガス室の底板を兼ねている。前記燃焼室から煙管を介して燃焼ガスが排出するときに、煙管の内壁である通路壁を加熱しており、水室内の水は燃焼室側壁と、燃焼室天板と、煙管の通路壁から熱を受けて温水となる。

水室の内壁を構成する燃焼室側壁には、バーナーが取り付けられており、このバーナーには、燃焼用空気を送風する送風機と、油タンクからバーナーへ燃料を供給するための燃料加圧ポンプとを備え、この加圧ポンプで送られた燃料は、噴霧ノズルによって霧状燃料となって燃焼室内に吹出している。また、噴霧された燃料に着火するための点火電極とこの点火電極に高電圧を供給する高電圧発生器を備え、この高電圧発生器によって発生した高電圧によって点火電極で火花放電が行われ、噴霧ノズルから噴出す霧状燃料に着火する。

点火電極の火花によって霧状の燃料に着火すると、火炎がバーナーから燃焼室内に吹き出して、この燃焼室内で燃焼を行なうとともに、燃焼排気ガスは前記煙管から排気ガス室を経て排気筒から排出される。この時、高温の燃焼ガスは燃焼室の壁面と煙管の通路壁との間で熱交換が行われ、水室内の水が加熱される。

また、煙管には燃焼ガスの流れの障害となる抵抗体が配置されており、抵抗体の存在によって高温の燃焼ガスがスムーズに排出されなくなり、燃焼ガスの通過速度を制御して熱交換率を向上させる役目を行っている。この為、燃焼ガスが燃焼室から煙管を通過する時に水室内に送られた水道水や強制循環される水と熱交換して高温度の温水を得ることができる（特許文献１参照）。
特開平２−２３３９４２号公報

製品の小型化やコスト削減の要求が年々高まっており、それを実現するために燃焼室や水室の大きさが小さくなっており、小型化によって伝熱面積は小さくなるから、効率の良い熱交換器が必要となってきている。

従来では抵抗体に形成するプレートの数をできるだけ多くして熱交換率を向上しているが、この抵抗体は熱交換率だけでなくバーナーの燃焼性能にも大きく影響しており、抵抗体のプレートの数を多くして燃焼ガスの流速を遅くするとバーナーが異常燃焼を起こす問題がある。

煙管を通過する燃焼ガスと水室内に送られた水の熱交換は煙管の通路壁で行われるが、燃焼ガスは煙管内の中央に位置する抵抗体のガス流通孔を通過するため、燃焼ガスは煙管の中央付近を流れやすく、煙管の通路壁を効率よく加熱できないため、熱交換率があまりよいものではなかった。抵抗体のプレートの数を増やしても燃焼ガスの抵抗が大きくなるだけで熱交換率はそれほど上がらないものであり、熱交換率と燃焼ガスの排気効率の両方を満足することは難しいものであった。

また、抵抗体のプレートは半円形状に形成して煙管の通路壁に接触させており、半円形状のプレートは煙管の半径と同径となるように設けている。そのため、プレートを切起こしによって形成する必要があり、プレートは板状体を半円形状に切断しながら折り曲げて形成するため金型に大きな負担がかかり、金型が短期間で破損し修理や交換が必要となるものであり、金型費が上昇してコストアップにつながっていた。

この発明は上記の課題を解決するもので、円筒形で周囲に水室１を有する燃焼室２と、その水室１を貫通して燃焼室側壁２ａに取付けたバーナー３と、水室１の水室天板１ａに隣接して配置した排気ガス室４と、燃焼室天板２ｂと水室天板１ａとの間に接続して燃焼ガスを通過させると共に通路壁５ａで水と燃焼ガスが熱交換を行う多数の円筒形状の煙管５と、該煙管５の内部に配置した抵抗体６とを備え、該抵抗体６は煙管５の長手方向に設けた板状体６ａと、該板状体６ａに一定間隔をおいて交互方向に折り曲げた多数の半円形状の大プレート６ｂとで構成し、抵抗体６の大プレート６ｂは煙管５の半径と同径にして煙管５の通路壁５ａと接触し、大プレート６ｂの間の前記抵抗体６には燃焼ガスが通過するガス流通孔６ｄを設けた熱交換器において、前記抵抗体６には前記大プレート６ｂの燃焼ガスの流れの上流側に位置して、該大プレート６ｂとは反対側に向けて折り曲げによって小プレート６ｃを設け、該小プレート６ｃは煙管５の半径及びガス流通孔６ｄの横幅よりも小さく設定し、小プレート６ｃの前方及び側方と煙管５の通路壁５ａとの間にはガス通過間隙７を形成すると共に、前記抵抗体６の配置位置が異なる大プレート６ｂと小プレート６ｃとの間には段部６ｅを形成し、その段部６ｅと通路壁５ａに接触する大プレート６ｂとによって前記煙管５内に燃焼ガスの滞留部８を構成し、前記ガス流通孔６ｄを通過した燃焼ガスを小プレート６ｃによってガス通過間隙７に誘導し、燃焼ガスが前記滞留部８に滞留しながら通路壁５ａに沿って流れるようにしたことによって、煙管５の通路壁５ａに沿って上昇する燃焼ガスは滞留部８で一旦流速を弱めてから段部６ｅをこえてガス流通孔６ｄに送られるので、煙管５内を流れる燃焼ガスの通過速度を制御することができ、熱交換率が向上できた。

また、煙管５の通路壁５ａと抵抗体６の小プレート６ｃとの間に形成したガス通過間隙７は、小プレート６ｃの側方が狭く、前方が広くなるように形成したから、ガス流通孔６ｄを通過した燃焼ガスは小プレート６ｃの前方側に向かいやすくなり、燃焼ガスはガス通過間隙７の全体に均一に流れやすくなり、煙管５の通路壁５全体を均一に加熱できるものとなった。

また、抵抗体６の最下部に位置するガス流通孔６ｆの横幅を短くし、板状体６ａはこの最下部のガス流通孔６ｆの両側に残された部分の幅を広く設定したので、高温となる抵抗体６の下部の熱変形を防ぐことができる。

また、抵抗体６は、大小プレート６ｂ・６ｃの形状を残してガス流通孔６ｄ部分を孔あけ加工し、大小プレート６ｂ・６ｃを折り曲げ加工によって形成することで、金型にかかる負担が少ない加工が可能となり、金型の破損による修理や交換回数は格段に少なくなり、コストの低減が可能となる。

上記課題を解決するこの発明は、煙管５内に配置した抵抗体６は板状体６ａとこの板状体６ａの一部を交互に折り曲げた半円形状の大プレート６ｂと、この大プレート６ｂと一定の高さをもつ段部６ｅを介して反対方向に折り曲げた小プレート６ｃとを設け、この小プレート６ｃの前方及び側方と煙管５の通路壁５ａとの間にガス通過間隙７を設けたものであり、燃焼ガスがガス通過間隙７を通過することによって燃焼ガスが煙管５の通路壁５ａに沿って上昇するようになり、熱交換面積が有効に働いて熱交換率を上げることができた。

また、抵抗体６のガス流通孔６ｄを通過した燃焼ガスは、ガス流通孔６ｄに近い小プレート６ｃの側方に流れやすいが、この発明ではガス通過間隙７の幅を小プレート６ｃの前方が広く、側方が狭くなるように構成したから、燃焼ガスが小プレート６ｃの前方のガス通過間隙７に向かいやすくなり、ガス通過間隙７に均一に燃焼ガスが通過するものとなり、煙管５の通路壁５ａが均一に加熱されるので熱交換面積が広くできた。

また、抵抗体６の小プレート６ｃを燃焼ガスの流れの上流側に配置し、大プレート６ｂと段部６ｅによって滞留部８を構成することで、煙管５の通路壁５ａに沿って上昇する燃焼ガスは滞留部８で一旦流れを止めてから段部６ｅを越えてガス流通孔８に向かうので、抵抗体６に設ける大小プレート６ｂ・６ｃの数を増やすことなく煙管５内を流れる燃焼ガスの通過速度を制御することができるものとなり、排気負荷を増加させることなく熱交換率を上げることができた。

また、抵抗体６は燃焼室２に近い最下部が最も熱の影響を受けるものであるが、この発明では抵抗体６の最下部に位置するガス流通孔６ｆの横幅を短くし、板状体６ａの最下部のガス流通孔６ｆの両側に残された部分の幅を広くして強度を上げたから、抵抗体６の最下部の熱変形を防ぐことができ、長期にわたって良好な燃焼状態を維持できるものとなった。

また、この発明の抵抗体６は、大小プレート６ｂ・６ｃの形状を残してガス流通孔６ｄ部分を孔あけ加工した後、大小プレート６ｂ・６ｃを折り曲げ加工によって形成することができるので、従来の切起こしによって半円形状のプレートを形成する方法に比べて金型にかかる負担を少なくでき、金型の破損による修理や交換にかかる費用を抑えることができ、製造コストの低減が実現できた。

実施例を示す図によってこの構成を説明すると、１は熱交換器の缶体で構成する水室、９は水室１の外壁で構成する熱交換器の外胴、２は円筒形で水室１内の下部に配置した燃焼室、２ａは水室１の内壁で構成する燃焼室側壁、２ｂは燃焼室２の上板となる燃焼室天板、１ａは外胴９の上端で水室１の上板である水室天板であり、前記水室１は外胴９と燃焼室側壁２ａ、燃焼室天板２ｂ、水室天板１ａで覆われた空間によって構成している。

図１に示す実施例において、１０は水道水や循環ポンプで供給する循環水を水室１へ導く給水管、１１は水室１内で加熱されて得られた温水を所定の箇所に給湯するための給湯管、１２は給水管１０と給湯管１１が接続された間の外胴９に設けた温度センサーである。３は燃焼室側壁２ａを介して水室１を貫通して取り付けたバーナー、１３はバーナー３に燃焼空気を供給するための燃焼用の送風機、１４は図示せざる油タンクから燃料をバーナー３に圧送するための加圧ポンプである。

熱交換器上部の給湯管１１は風呂や台所の蛇口と接続されており、蛇口を開くと給水管１０から水道水が熱交換器の水室１に送られる。給湯機を運転可能状態とすると、温度センサー１２は水室１の水温を検知して、図示しない操作部で設定された温度よりも低い温度を温度センサー１２が検出すると、バーナー３に燃焼指令を出して、水室１内の水を指定した湯温に沸きあげる。そして、温水の使用によって水室１に冷水が流れ込んで温度センサー１２が指定した湯温以下を検出すると、再度バーナー３の運転を開始し、このようにバーナー３の運転・停止を繰り返しながら指定した湯温を維持するものである。

１５はバーナー３の先端部で燃焼室２に届かせたバーナートップ、１６は加圧ポンプ１４で送られた燃料を燃焼室２に噴霧するためのノズル、１７はノズル１６から噴霧された霧状燃料に着火するための点火電極であり、バーナー３に燃焼指令が出ると、前記送風機１３から燃焼空気をバーナー３に送ると共に、加圧ポンプ１４を作動してノズル１６から霧状燃料を噴霧し、点火電極１７から火花放電を行い、霧状燃料に着火して燃焼を開始する。

図１に示す熱交換器において、５は燃焼室天板２ｂと水室天板１ａとの間に配設した複数個の煙管、６は煙管５内にそれぞれ配置した抵抗体、４は水室天板１ａの上方の空間で構成する排気ガス室、１８は排気ガス室４に接続した排気筒であり、バーナー３から燃焼室２に送られた燃焼火炎は燃焼室２内で完全燃焼し、抵抗体６のある煙管５を通過する時に燃焼ガス速度を抑えられながら排気ガス室４に至り、この排気ガス室４に集められた燃焼ガスは排気筒１８から屋外に排気されている。

５ａは煙管５内で燃焼ガスと熱交換する部分である通路壁、６ａは煙管５内に配置した抵抗体６を構成する板状体、６ｂはこの板状体６ａに一定の間隔をおいて交互方向に折り曲げて構成した多数の半円形状の大プレート、６ｄは大プレート６ｂを折り曲げた部分に形成される板状体６ａに形成したガス流通孔であり、大プレート６ｂは煙管５の半径とほぼ同径の半円形状となるように形成している。

６ｃは板状体６ａに形成した各大プレート６ｂとは反対側に折り曲げた小プレート、６ｅは各大小プレート６ｂ・６ｃの間に形成される一定の高さをもつ段部であり、大小プレート６ｂ・６ｃは段部６ｅを介して一対に構成されており、抵抗体６はこの一対の大小プレート６ｂ・６ｃが板状体６ａに一定の間隔をおいて多数配置されたものとなり、この大小プレート６ｂ・６ｃの間にガス流通孔６ｄが配置されている。

小プレート６ｃは煙管５の半径及びガス流通孔６ｄの横幅よりも形状を小さく設定しており、７はこの小プレート６ｃの前方と側方の煙管５の通路壁５ａとの間に形成されるガス通過間隙である。

燃焼ガスが煙管５の下方から煙管５内に入ると、半円形状の大プレート６ｂにあたり、大プレート６ｂにあたった燃焼ガスはガス流通孔６ｄを通り抜けて小プレート６ｃの下面に沿って通路壁５ａに向かって流れ、通路壁５ａにあたって流れを変えて通路壁５ａに沿った上向きの流れとなり、小プレート６ｃと通路壁５ａとの間に形成されたガス通過間隙７を通過する。このように燃焼ガスの流れは煙管５内をジグザグに移動し、この時、高温の燃焼ガスは通路壁５ａを加熱することによって水室１内の水を加熱する。

従来の煙管５内に配置する抵抗体６は交互に形成した半円形状のプレートのみによって燃焼ガスの流れを制御しており、プレートとガス流通孔６ｄによってジグザグに燃焼ガスが流れることを期待しているが、実際はガス流通孔６ｄを通過した燃焼ガスがすぐに上向きの流れに変わり、煙管５の中央の板状体６ａに沿って上昇してしまうため、期待したほどの熱交換率を得ることができなかった。

また、従来の抵抗体６の構造で熱交換率を上げるためには、プレートの数を多くする必要があるが、プレートの数を増やして燃焼ガスの通過速度を遅くすると排気負荷が大きくなって送風機からバーナーへ空気が供給できなくなり、空気不足燃焼を起こして煤の発生の原因となる問題があり、このバーナー３の燃焼を悪化させない範囲でプレートの数を増やしても熱交換率はほとんど変わらないものであった。

これに対してこの発明では、小プレート６ｃの働きによって燃焼ガスが確実に煙管５の通路壁５ａに沿って流れるようにしたから、実際に燃焼ガスと水の熱交換が行われる煙管５の通路壁５ａが加熱されやすくなり、熱交換面積が有効に働いて熱交換率を向上することができた。このように燃焼ガスが煙管５の通路壁５ａを流れることができれば、燃焼ガスの通過速度が同じでも熱交換率は格段に向上するものとなり、バーナー３の燃焼性能を維持したまま熱交換率の向上が実現できた。

また、ガス流通孔６ｄを通過した燃焼ガスはガス流通孔６ｄに近い小プレート６ｃの側方のガス通過間隙７に多く流れやすいと考えられる。図２に示すこの発明の実施例では、小プレート６ｃの形状を長方形にすることで、小プレート６ｃとガス通過間隙７との間隔を小プレート６ｃの前方が広く、側方が狭くなるように形成したものである。この構造によれば、小プレート６ｃの側方のガス通過間隙７を通過する燃焼ガス量が規制され、小プレート６ｃの前方のガス通過間隙７を通過する燃焼ガス量が多くなるから、ガス通過間隙７を通過する燃焼ガス量を均一にすることができ、煙管５の通路壁５ａの全体を均一に加熱することができるから、広い範囲で熱交換ができるものとなった。

また、この発明の大小プレート６ｂ・６ｃを設けた抵抗体６の構成でも、熱交換率を上げるために大小プレート６ｂ・６ｃの数を増やすと排気負荷が大きくなる。図３に示すこの発明の実施例では、抵抗体６を煙管５に取付けたときに小プレート６ｃが燃焼ガスの流れの上流側に位置するように設けており、８は大プレート６ｂと段部６ｅとの間に形成される燃焼ガスの滞留部であり、大プレート６ｂにあたった燃焼ガスが一旦滞留部８で滞留してから段部６ｅをこえてガス流通孔６ｄに向かうようにしたものである。このようにすれば、大小プレート６ｂ・６ｃの数を増やさなくても滞留部８によって燃焼ガスの通過速度を制御できるから、排気負荷を上昇させることなく熱交換率を上げることができるものとなった。

また、抵抗体６は大プレート６ｂの外縁形状をできるだけ煙管５の内縁形状に近づけたいが、この大プレート６ｂの形状を大きくすると大プレート６ｂを折り曲げた部分に形成されるガス流通孔６ｄの横幅が広くなり、板状体６ａのガス流通孔６ｄの両側に残された部分の幅が狭くなり、抵抗体６の強度が低下するものである。６ｆは抵抗体６の最下部に位置するガス流通孔であり、この種の熱交換器は燃焼室２に近い煙管５の最下部が最も高温となっており、煙管５に取付けた抵抗体６も最下部が最も熱の影響を受けやすいため、この部分での熱交換率が極めて高いものである。そのため、抵抗体６は板状体６ａの最下部のガス流通孔６ｆの両側に残された部分の熱変形が最も起こりやすく、長期間使用を続けるとこの部分が熱溶断を起こしてしまう恐れがある。

この発明ではこの最下部のガス流通孔６ｆの横幅を上部のガス流通孔６ｄの横幅よりも短く形成し、板状体６ａの最下部のガス流通孔６ｆの両側に残された部分の幅を広く形成したので、最下部の強度を上げることができ、長期間の使用でも抵抗体６の最下部の熱変形を防ぐことができるものとなった。

図５は、抵抗体６の製造工程を示す実施例であり、はじめにプレスによって板状体６ａを大小プレート６ｂ・６ｃと段部６ｅを残してガス流通孔６ｄ部分の孔あけ加工を行う。次に、板状体６ａの片側の同一方向に配置される大小プレート６ｂ・６ｃを折り曲げ加工によって形成した後、他方側の大小プレート６ｂ・６ｃを折り曲げ加工によって形成している。

抵抗体によって燃焼ガスの流れを制御するためには、抵抗体のプレートの外縁形状を煙管５の内縁形状に近づける必要があり、そのため従来の抵抗体はプレートを切押し加工によって形成しているが、この切押し加工の場合、板状体のプレートを形成する部分を円弧状に切断しながら折り曲げを行うため金型の負担が大きく、金型を破損させやすい欠点があり、金型の修理や交換の回数が多くなり、金型費を上昇させるという問題があった。

これに対してこの発明では、ガス流通孔６ｄの孔あけ加工を行うことによって小プレート６ｃの周囲と大プレート６ｂの円弧部分の孔あけができ、しかも形状の大きい大プレート６ｂを形成することができるものであり、抵抗体６を孔あけ加工と折り曲げ加工によって成型する構成でできるから、金型にかかる負担が少なくなって金型の修理や交換の回数を少なくでき、製造コストの低減が可能となった。

この発明品を実施する給湯機の断面図である。この発明品の実施状態を示す要部の横断面図である。この発明品の実施状態を示す要部の縦断面図である。この発明品の実施例を示す斜視図である。この発明品の製造工程を示す平面図である。

符号の説明

１水室
１ａ水室天板
２燃焼室
２ａ燃焼室側壁
２ｂ燃焼室天板
３バーナー
４排気ガス室
５煙管
５ａ通路壁
６抵抗体
６ａ板状体
６ｂ大プレート
６ｃ小プレート
６ｄガス流通孔
６ｅ段部
６ｆ最下部のガス流通孔
７ガス通過間隙
８滞留部

Claims

円筒形で周囲に水室１を有する燃焼室２と、
その水室１を貫通して燃焼室側壁２ａに取付けたバーナー３と、
水室１の水室天板１ａに隣接して配置した排気ガス室４と、
燃焼室天板２ｂと水室天板１ａとの間に接続して燃焼ガスを通過させると共に通路壁５ａで水と燃焼ガスが熱交換を行う多数の円筒形状の煙管５と、
該煙管５の内部に配置した抵抗体６とを備え、
該抵抗体６は煙管５の長手方向に設けた板状体６ａと、
該板状体６ａに一定間隔をおいて交互方向に折り曲げた多数の半円形状の大プレート６ｂとで構成し、
抵抗体６の大プレート６ｂは煙管５の半径と同径にして煙管５の通路壁５ａと接触し、大プレート６ｂの間の前記抵抗体６には燃焼ガスが通過するガス流通孔６ｄを設けた熱交換器において、
前記抵抗体６には前記大プレート６ｂの燃焼ガスの流れの上流側に位置して、該大プレート６ｂとは反対側に向けて折り曲げによって小プレート６ｃを設け、
該小プレート６ｃは煙管５の半径及びガス流通孔６ｄの横幅よりも小さく設定し、小プレート６ｃの前方及び側方と煙管５の通路壁５ａとの間にはガス通過間隙７を形成すると共に、
前記抵抗体６の配置位置が異なる大プレート６ｂと小プレート６ｃとの間には段部６ｅを形成し、その段部６ｅと通路壁５ａに接触する大プレート６ｂとによって前記煙管５内に燃焼ガスの滞留部８を構成し、
前記ガス流通孔６ｄを通過した燃焼ガスを小プレート６ｃによってガス通過間隙７に誘導し、燃焼ガスが前記滞留部８に滞留しながら通路壁５ａに沿って流れるようにしたことを特徴とする温水用熱交換器の構造。
煙管５の通路壁５ａと抵抗体６の小プレート６ｃとの間に形成したガス通過間隙７は、小プレート６ｃの側方が狭く、前方が広くなるように形成したことを特徴とする請求項１記載の温水用熱交換器の構造。
前記抵抗体６の最下部に位置するガス流通孔６ｆの横幅を短くし、前記板状体６ａはこの最下部のガス流通孔６ｆの両側に残された部分の幅を広く設定したことを特徴とする請求項１記載の温水用熱交換器の構造。
前記抵抗体６は、大小プレート６ｂ・６ｃの形状を残してガス流通孔６ｄ部分を孔あけ加工し、大小プレート６ｂ・６ｃを折り曲げ加工によって形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載した温水用熱交換器の構造。