JP4773374B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、排気される燃焼ガスの潜熱を回収するために設置される二次的（補助的）な熱交換器に係る技術分野に属する。

最近、ガス，石油を燃料とする給湯装置等では、燃焼器で燃焼された燃焼ガスの顕熱を回収するための一次的な熱交換器に加えて、排気される燃焼ガスの潜熱を回収する二次的な熱交換器が備えられ、熱効率（燃費）の向上と二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量の削減とが図られている。一次的な熱交換器は、熱伝導率の高い銅系金属材を製造材料として熱効率を高めるとともに、酸性の凝縮水が生成されない構造に設計されている。二次的な熱交換器は、酸性の凝縮水の生成の阻止が困難なため、熱伝導率が低いものの耐酸性であるステンレス材等を製造材料としている。このため、二次的な熱交換器については、構造面で熱効率を高めることが要望されている。

従来、二次的な熱交換器の構造面で熱効率を高めることを指向した技術としては、例えば、以下に記載のものが知られている。
特許文献１には、排気される燃焼ガスの経路に潜熱を吸収する水が流通されるチューブが波形に配管された熱交換器が記載されている。

特許文献１に係る熱交換器は、チューブを波形に配管し限定された容積のなかでチューブの配管長を長く確保することで、熱交換面積を拡張し熱交換時間を延長して熱効率を高めるものである。
特開２００５−２１４５４９公報

特許文献１に係る熱交換器では、排気される燃焼ガスがチューブの周囲を単に直線的に通過するだけであるため、チューブの配管を波形にして熱交換面積を拡張し熱交換時間を延長しているにもかかわらず、排気される燃焼ガスの潜熱の回収が不充分で熱効率を充分に高めることができないという問題点がある。

本発明は、このような問題点を考慮してなされたもので、排気される燃焼ガスの潜熱を確実に回収して熱効率を充分に高めることのできる二次的な熱交換器を提供することを課題とする。

前述の課題を解決するため、本発明に係る熱交換器は、特許請求の範囲の各請求項に記載の手段を採用する。

即ち、請求項１では、排気される燃焼ガスの経路に潜熱を吸収する水が流通されるチューブが波形に配管された熱交換器において、チューブは燃焼ガスが導入される箱形のケーシングの内部に収容され、前記ケーシングの内部には導入された燃焼ガスを前記チューブの波形の配管に沿って案内する整流板が設けられ、前記整流板は基板の一端部または両端部に起立片が一体的に設けられたコ字形またはＬ字形に形成され、前記整流板の基板は前記ケーシングの上部に対面されクリアランスを介してスポット的に取付けられ、前記整流板の起立片は前記ケーシングの底面，側面とクリアランスを介して前記チューブの間に配置されていることを特徴とする。

この手段では、ケーシングの内部に導入された燃焼ガスがチューブの波形の配管に沿って案内されることで、実質的に熱交換面積が飛躍的に拡張され熱交換時間が飛躍的に延長される。また、整流板がケーシングの上部にスポット的に取付けられケーシングの上部，底面，側面との間にクリアランスが設けられることで、ケーシングの内部で生成された凝縮水の滞溜が防止され、燃焼ガスの整流板，ケーシングを介した放熱が回避される。

また、請求項２では、請求項１の熱交換器において、前記チューブの配管は山部から谷部への傾斜が平行となる波形とされ、前記整流板は前記チューブと平行に配置されていることを特徴とする。

この手段では、ケーシングの内部に導入された燃焼ガスがチューブの波形の配管の山部，谷部で１８０度の角度で旋回されることで、ケーシングの内部の全域における潜熱の回収が実現される。

また、請求項３では、請求項１または２の熱交換器において、前記チューブは多数本の細管が上下に間隔を介して積層されて端末に内部を流通する水を分配，集合するヘッダが接続され、前記ヘッダは前記チューブの軸線に直交する軸線の円筒形に形成されて前記ケーシングの内部に収容されていることを特徴とする。

この手段では、ヘッダが円筒形に形成されてケーシングの内部に収容されることで、ヘッダがケーシングの内部に導入された燃焼ガスの流通を阻害することなく潜熱の回収にも関与する。

本発明に係る熱交換器は、ケーシングの内部に導入された燃焼ガスがチューブの波形の配管に沿って案内されることで、実質的に熱交換面積が飛躍的に拡張され熱交換時間が飛躍的に延長されるため、排気される燃焼ガスの潜熱を確実に回収して熱効率を充分に高めることができる効果がある。また、整流板がケーシングの上部にスポット的に取付けられケーシングの上部，底面，側面との間にクリアランスが設けられることで、ケーシングの内部で生成された凝縮水の滞溜が防止され、燃焼ガスの整流板，ケーシングを介した放熱が回避されるため、整流板，ケーシング等の酸性劣化が防止されるとともに、熱効率がより高められる効果がある。

さらに、請求項２として、ケーシングの内部に導入された燃焼ガスがチューブの波形の配管の山部，谷部で１８０度の角度で旋回されることで、ケーシングの内部の全域における潜熱の回収が実現されるため、熱効率がより高められる効果がある。

さらに、請求項３として、ヘッダが円筒形に形成されてケーシングの内部に収容されることで、ヘッダがケーシングの内部に導入された燃焼ガスの流通を阻害することなく潜熱の回収にも関与するため、熱効率がより高められる効果がある。

以下、本発明に係る熱交換器を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

この形態では、図２に示すように、石油（灯油）を燃料とする給湯装置Ａに利用されるものを示してある。

この形態は、耐酸性であるステンレス材等を製造材料としたチューブ１，ヘッダ２，ケーシング３，整流板４の各部で構成されている。

チューブ１は、排気される燃焼ガスＧの潜熱を吸収する水Ｗが流通されるもので、山部から谷部への傾斜が平行となる波形の配管の８本の細管が間隔を介して上下に積層されている。即ち、チューブ１は、平行な本管部１１の端部が半円形の曲管部１２で連続された波形に形成されている。チューブ１の端末１３は、曲管部１２側の相対する位置に配置されている。

ヘッダ２は、チューブ１の内部を流通する水Ｗを分配，集合するもので、チューブ１の軸線に直交する軸線の一端面が閉塞された円筒形に形成されてチューブ１の両端末１３にろう付けでそれぞれ接続されている。即ち、ヘッダ２は、軸方向である上下方向にチューブ１を間隔を介して整列させた格好となっている。この結果、接続されたチューブ１，ヘッダ２には、相当の組付け強度が確保される。なお、１つのヘッダ２は、インレットとして給水用となる。また、他の１つのヘッダ２は、アウトレットとして給湯装置Ａの一次的な熱交換器Ａａへ温水Ｈを送る給湯用となる。

ケーシング３は、内部に排気される燃焼ガスＧを導入するもので、方形のカップ部３１に上蓋部３２が溶接又はろう付けされた箱形に形成されている。カップ部３１の長手方向の一側面には、燃焼ガスＧを導入する導入口３３が開口されている。導入口３３には、給湯装置Ａの一次的な熱交換器Ａａに接続された煙道Ａｂに接続される導入筒３４が取付けられている。カップ部３１の長手方向の他側面寄りの短手方向の側面には、導入した燃焼ガスＧを給湯装置Ａの機体外へ排出する排出口３５が開口されている。カップ部３１の底面の排出口３５近くには、内部で生成された凝縮水を受ける凹状の凝縮水受３６と、凝縮水を中和器に流下させるために凝縮水受３６に接続されたドレンパイプ３７とが設けられている。カップ部３１の長手方向の両側面には、給湯装置Ａの機枠等にケーシング３を取付け支持するための取付用ブラケット３８，３９が設けられている。

このケーシング３は、給湯装置Ａの上部に導入口３３，導入筒３４を上方側にして長手方向に約５度の角度の傾斜を設けて設置されている（図２参照）。ケーシング３の内部には、ヘッダ２がカップ部３１の底面を貫通するようにして配管されることで、チューブ１の全部とヘッダ２の大部分とが収容されている。

整流板４は、ケーシング３の内部を非完全に区画して導入された燃焼ガスＧの流路を規制するもので、ケーシング３の上蓋部３２の取付けられた薄板からなる。この整流板４は、基板４１の一端部または両端部に起立片４２が一体的に設けられたコ字形またはＬ字形に形成されている。基板４１には、ケーシング３の上部に位置する上蓋部３２に溶接又はろう付けでスポット的に取付けるためのエンボス４３が設けられている。基板４１は、エンボス４３によって、ケーシング３の上蓋部３２に少しのクリアランスａを介して対面されている。起立片４２は、ケーシング３のカップ部３１の底面，側面に少しのクリアランスｂ，ｃを介してチューブ１の本管部１１の間の中心位置に平行に千鳥状となるように配置されている。なお、起立片４２のカップ部３１の側面からの長さについては、チューブ１の曲管部１２の間の中心を通る中心線Ｌ付近までとしているが、ケーシングに導入される燃焼ガスＧの風量等に対応して適宜延長，短縮することが可能である。

この形態によると、給湯装置Ａの煙道Ａｂから排気される燃焼ガスＧが導入口３３，導入筒３４からケーシング３の内部に導入され、ケーシング３の内部で燃焼ガスＧの潜熱がチューブ１によって回収されることになる。

燃焼ガスＧの潜熱の回収では、特許文献１に係る熱交換器と同様に、チューブ１の波形の配管から配管長が長く確保され、熱交換面積が拡張され熱交換時間が延長されて熱効率が高められている。そして、ケーシング３の内部に導入された燃焼ガスＧが整流板４の起立片４２によってチューブ１の波形の配管に沿って案内されるため、実質的に熱交換面積が飛躍的に拡張され熱交換に与えられる時間が飛躍的に延長されることになる。従って、排気される燃焼ガスＧの潜熱を確実に回収して熱効率を充分に高めることができる。

また、整流板４の起立片４２によって案内される燃焼ガスＧがチューブ１の曲管部１２付近で１８０度の角度で旋回され（図４参照）、ケーシング１の内部の全域における潜熱の回収が実現されることも、熱効率の向上に寄与する。また、ヘッダ２が円筒形に形成されてケーシング３の内部に収容されてケーシング３の内部に導入された燃焼ガスＧの流通を阻害することなく潜熱の回収にも関与することも、熱効率の向上に寄与する。

なお、接続されたチューブ１，ヘッダ２に相当の組付け強度が確保されているため、燃焼ガスＧの流通でチューブ１等に無用な振動等が生じて異音を発生するようなことはない。また、チューブ１の波形の配管がチューブ１等の熱膨張を吸収することができるため、使用中にチューブ１，ヘッダ２の接続部分が損傷することもない。

さらに、この形態では、ケーシング３が傾斜して設置されているため、ケーシング３の内部で生成された凝縮水が自然に凝縮水受３６，ドレンパイプ３７に流下する。また、ケーシング３の内部における燃焼ガスＧの導入，排気の原則的な方向と凝縮水の流下方向とが一致するため、燃焼ガスＧの風圧が凝縮水の流下を助勢する。また、整流板４の基板４１，起立片４２とケーシング３のカップ部３１の底面，側面や上蓋部３２との間にクリアランスａ，ｂ，ｃが設けられているため、ケーシング３の内部に凝縮水が滞溜することがない。従って、ケーシング３，整流板４等の酸性劣化が確実に防止される。

さらに、整流板４の基板４１，起立片４２とケーシング３のカップ部３１の底面，側面や上蓋部３２との間にクリアランスａ，ｂ，ｃが設けられ、整流板４の基板４１がエンボス４３を介してケーシング３の上蓋部３２にスポット的に取付けられているため、燃焼ガスＧが整流板４，ケーシング３を介して無用に放熱することがない。従って、熱効率を充分に高めることができる。

以上、図示した形態の外に、チューブ１の細管本数や配管の波形のピッチ等を適宜変更することも可能である。

前述の給湯装置Ａが一般家庭用向けのもとした場合、一次的な熱交換器Ａａで約１５００℃の加熱が行われるとすると、ケーシング３に導入される燃焼ガスＧの温度が約２００℃となるが、本発明に係る熱交換器で潜熱を回収することでケーシング３から排気される燃焼ガスＧの温度を焼く６０℃まで低減することができる。即ち、給湯装置Ａの熱効率を８３％程度から９５％程度まで高めることができる。

本発明に係る熱交換器は、排気される燃焼ガスの潜熱を回収するために設置される二次的なものとして、給湯装置以外の広範な分野で利用することが可能である。

本発明に係る熱交換器を実施するための最良の形態の斜視図である。 図１の給湯装置に利用するための組込み例を示す正面図である。 図２の要部の拡大縦断面図である。 図２の要部の拡大横断面図である。

１ チューブ
１３ 端末
２ ヘッダ
３ ケーシング
３１ カップ部
３２ 上蓋部（上部）
４ 整流板
Ａ 給湯装置
Ａａ 一次的な熱交換器
Ｇ 燃焼ガス
Ｗ 水
Ｈ 温水

Claims (3)

1. 排気される燃焼ガスの経路に潜熱を吸収する水が流通されるチューブが波形に配管された熱交換器において、チューブは燃焼ガスが導入される箱形のケーシングの内部に収容され、前記ケーシングの内部には導入された燃焼ガスをチューブの波形の配管に沿って案内する整流板が設けられ、前記整流板は基板の一端部または両端部に起立片が一体的に設けられたコ字形またはＬ字形に形成され、前記整流板の基板は前記ケーシングの上部に対面されクリアランスを介してスポット的に取付けられ、前記整流板の前記起立片は前記ケーシングの底面，側面とクリアランスを介して前記チューブの間に配置されていることを特徴とする熱交換器。
2. 請求項１の熱交換器において、前記チューブの配管は山部から谷部への傾斜が平行となる波形とされ、前記整流板は前記チューブと平行に配置されていることを特徴とする熱交換器。
3. 請求項１または２の熱交換器において、前記チューブは多数本の細管が上下に間隔を介して積層されて端末に内部を流通する水を分配，集合するヘッダが接続され、前記ヘッダは前記チューブの軸線に直交する軸線の円筒形に形成されて前記ケーシングの内部に収容されていることを特徴とする熱交換器。

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