JP5076837B2 - 熱交換器及び給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は熱交換器及び給湯装置に関する。さらに詳しくは、オーバルコイルからなる水管を用いて加熱用気体から潜熱あるいは顕熱を回収するオーバルコイル式潜熱（顕熱）回収熱交換器及びこの熱交換器を備えた給湯装置に関する。

従来、加熱用気体から顕熱を回収するための顕熱回収熱交換器と、この顕熱回収熱交換器を通過した加熱用気体から潜熱を回収するための潜熱回収熱交換器とを組み合わせた高効率熱交換器を搭載した給湯装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかる給湯装置における潜熱回収熱交換器は、通常、隣接する複数の管体からなる管体群が螺旋状に配設されてなる水管がほぼ矩形状のケース内に配置された構造を有している。このケースには、加熱用気体が供給される給気口と、ケース内を通過して、水管内を流れる湯水との間で熱交換器を行った加熱用気体を外部に排出するための排気口とが形成されており、この排気口は、一般に長矩形状を呈している。

前記ケースは、ステンレスなどの耐腐食性に優れた金属板で作製されるが、加熱用気体が外部に漏れるのを効果的に防止するために、前記給気口及び排気口以外は、一般に全周ロウ付けで作製されている。

特開２００１−２１２１８号公報

前記ロウ付けは、１１００℃程度に加熱された炉内にて行われるが、冷却工程において、ケースに歪が残ることがある。特に、長矩形状の排気口の長辺付近は他の部位に比べて強度的に弱いため、撓みないしは変形が生じ易い。
排気口の長辺付近に撓みが生じると、この排気口に近接して配設される水管と当該排気口の縁との間の隙間（距離）にバラツキが生じ、その結果、排気抵抗が場所により異なってしまう。これにより、燃焼状態にバラツキが生じるなどして燃焼性能が影響を受け、所定の燃焼効率が得られなくなる惧れがある。

一方、冷却工程における排気口の変形を防止するために、ケースを構成する金属板の板厚を厚くして強度を大きくすることも考えられるが、そうするとケースの重量が大きくなるとともに、製作コストも上昇してしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ロウ付け後の冷却工程において排気口周縁に撓みや変形を生じるのを防止して、加熱用気体の排気抵抗を均一にし、安定した燃焼状態を得ることができる熱交換器及び給湯装置を提供することを目的としている。

本発明の熱交換器は、隣接する複数の管体からなる管体群が螺旋状に配設されており、各管体内を湯水が流通する水管と、
この水管を内部に収容するとともに、前記湯水との間で熱交換を行うための加熱用気体の給気口、及び全体として長矩形状を呈する排気口を有するケースと、
前記水管をケース内壁に固定する支持金具と
を備えた熱交換器であって、
前記排気口は、前記支持金具に対向する位置に形成され且つ前記排気口の長辺同士を繋ぐ繋ぎ部によって、複数の小排気口に分割されていることを特徴としている。

本発明の熱交換器では、水管をケース内壁に固定する支持金具に対向する位置に形成され且つ排気口の長辺同士を繋ぐ繋ぎ部によって、全体として長矩形状を呈する排気口が、複数の小排気口に分割されている。こうして、繋ぎ部によって長矩形状の排気口の長辺を複数の短い辺に分割して当該排気口を補強することにより、冷却工程において排気口周縁に撓みないしは変形が生じるのを抑制することができる。これにより、排気口に近接して配設されている水管と当該排気口の縁との間の隙間（距離）を均一に保つことができ、この隙間から外部に排出される加熱用気体の排気抵抗を均一にすることができる。その結果、燃焼状態を安定させて所定の燃焼効率を得ることができる。そして、前記繋ぎ部は、水管をケース内壁に固定する支持金具に対向する位置に形成されているので、この繋ぎ部によって増加する排気抵抗は僅かである。したがって、かかる繋ぎ部の形成により、排気抵抗が増加し、燃焼状態が影響を受けることはない。なお、本明細書において、「全体として長矩形状を呈する」とは、複数の小排気口と、隣接する小排気口間の繋ぎ部とが全体として長矩形状を呈することを意味している。

各小排気口の少なくとも１つの辺に、補強用のリブが形成されているのが好ましい。この場合、補強用のリブにより、小排気口周縁の変形をさらに抑制することができ、水管と当該小排気口の縁との間の隙間（距離）をより均一に保つことができる。

前記補強用のリブを、小排気口の縁部を曲げ加工したものとすることができる。この場合、別部材を用いることなく、ケースの壁体を構成する金属板により補強用のリブを形成することができるので、部材数を減らすことができる。

前記排気口がケースの上面に形成されており、且つ、各小排気口の４つの辺のうち加熱用気体の上流側に位置する辺に、ケース内方に向かう曲げ部が前記水管の上端付近まで延設されているのが好ましい。この構成によれば、ケース内を流れてきた加熱用気体は、前記曲げ部によって流れが阻害される。これにより、加熱用気体が水管と排気口の縁との隙間から外部に排出するのが抑制されるので、前記隙間に若干の不均一が生じたとしても、かかる不均一に起因する排気抵抗のバラツキの影響を最小限にすることができる。

前記曲げ部をバーリング加工により形成することができる。この場合、別部材を用いることなく、簡単に曲げ部を形成することができる。

また、本発明の給湯装置は、前記熱交換器を備えたことを特徴としている。この給湯装置の熱交換器では、水管をケース内壁に固定する支持金具に対向する位置に形成され且つ排気口の長辺同士を繋ぐ繋ぎ部によって、全体として長矩形状を呈する排気口が、複数の小排気口に分割されているので、前述した、加熱用気体の排気抵抗を均一化及び燃焼状態の安定化という効果を奏することができる。

本発明の熱交換器及び給湯装置によれば、ロウ付け後の冷却工程において排気口周縁に撓みや変形を生じるのを防止して、加熱用気体の排気抵抗を均一にし、安定した燃焼状態を得ることができる。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の熱交換器及び給湯装置の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係る給湯装置ＷＨの断面説明図であり、給湯装置ＷＨを正面から見た断面図である。給湯装置ＷＨは、ガス給湯器、風呂釜付給湯器、暖房機能付給湯器などとして用いられるものであり、燃焼器３、１次熱交換器１及び２次熱交換器２とで主に構成されている。

燃焼器３は、ガス燃焼器からなっており、送風ファン３０から燃焼用空気が供給される缶体３１内に配設されている。燃焼器３には、燃焼用のガスを当該燃焼器３に供給するためのガス管３２が接続されており、このガス管３２を介して外部から供給されるガスを燃焼させることにより、後述する加熱用気体（燃焼ガス）が生成される。

１次熱交換器１は、前記缶体３１の上方に連結された缶体１０と、この缶体１０内において前記燃焼器３の上方に配設されており、複数のフィン１１を有する第１水管１２とからなっている。この第１水管１２は、管体を螺旋状に加工したものであり、その一端（図１において上方の端部）に、前記２次熱交換器２からの湯が入湯する入湯口１３を有するとともに、その他端（図１において下方の端部）に、１次熱交換器１で加熱された湯が出湯する出湯口１４を有している。１次熱交換器１は、燃焼器３により生成された加熱用気体から顕熱を回収する部分である。

２次熱交換器２は、１次熱交換器１によって顕熱が回収された加熱用気体から潜熱を回収する部分であり、本発明の熱交換器の一実施の形態を構成している。２次熱交換器２は、隣接する複数の管体２０からなる管体群が螺旋状に配設されており、各管体２０内を湯水が流通する第２水管２１と、この第２水管２１を内部に収容する缶体（ケース）２２とを備えている。第２水管２１は、後述する支持金具によって、缶体２２の底壁２２ｃの内面に固定されている。缶体２２は、補助缶体２３（図３参照）を介して、第１水管１２を収容する前記缶体１０の上方に接続されている。また、缶体２２は、その後壁２２ａに加熱用気体の給気口２４を有するとともに、その上壁２２ｂに、第２水管２１内を流れる湯水との間で熱交換を行った加熱用気体が外部に排出される排気口２５（図４参照）を有している。

１次熱交換器１を通過した加熱用気体は、補助缶体２３を経由して給気口２４から缶体２２内に進入し、複数の管体２０同士の隙間４０を通過する。そして、この隙間４０を通過する際に、熱交換が行われ、加熱用気体が有する潜熱が管体２０内の湯水により回収される。熱回収がなされた加熱用気体は、排気口２５から缶体２２の外部に排出される。なお、第２水管２１によって加熱用気体から潜熱が回収されると、当該第２水管２１を構成する管体２０の表面にドレン（凝縮水）が付着し、缶体２２の底壁２２ｃの内面上に滴下する。前記底壁２２ｃは、前下がり状に傾斜しており、またその前部寄りの位置にはドレンの排出口２６が形成されている。これにより、管体２０の表面から底壁２２ｃの内面上に滴下したドレンは、排出口２６に流れ込み、この排出口２６から缶体２２の外部に排出される。

前記第２水管２１を構成する管体２０群は、複数の管体２０が略水平方向に隣接して配置されたものであり、平面視略長円状の形状を呈している。そして、上下高さ方向に積層するように螺旋状に配設されている。複数の管体２０の下端及び上端（それぞれ図１において下側の端部及び上側の端部）には、延設管体部２０ａ、２０ｂが連設されており、これら延設管体部２０ａ、２０ｂは、缶体２２の側壁２２ｄを貫通して当該缶体２２の外部に引き出され、入水用及び出湯用のヘッダー４１、４２にそれぞれ接続されている。

前記給湯装置ＷＨでは、ヘッダー４１の入水口４１ａに水が供給されると、この水は第２水管２１の各管体２０内を流れる間に加熱用空気との熱交換により加熱され、その後ヘッダー４２の出湯口４２ａから接続配管４３を経由して入湯口１３から第１水管１２内に流れ込んで、再加熱される。その後、加熱された湯水は、出湯口１４から出湯し、適宜の配管（図示せず）を経由して所望の給湯先に供給される。

前記第２水管２１は、支持金具６により缶体２２の底壁２２ｃの内面に固定されている。支持金具６は、ステンレスなどの金属板を成形加工することで作製されており、図６〜７に示されるように、互いに別体である本体部６０と補助部６１とを備えている。第２水管２１は、本実施の形態では、その直管部分の６か所で支持金具６により支持されている。なお、第２水管２１は、直管部分及び右側（図１において右側）の曲管部分において略水平であり、左側の曲管部分において傾斜して、１段上又は下の直管部分と接続されている。

本体部６０は、平面視略矩形状のベース部６０ａと、このベース部６０ａの対向する縁から立設された一対の起立片６０ｂとからなっている。ベース部６０ａは、略平板状の底部６０ａ１と、この底部６０ａ１の両側縁に連設された一対の受部６０ａ２とを有している。また、補助部６１は、帯状部６１ａと、この帯状部６１ａの長手方向両端部から下向きに延設された一対の係止片６１ｂとを有している。各起立片６０ｂの上端付近及び各係止片６１ｂの先端には、互いを係合させ得る係合手段としての孔６２及びフック部６３がそれぞれ設けられており、これらを係合させて本体部６０と補助部６１を組み合わせることにより、支持金具６を略矩形の枠状に形成することができる。

ベース部６０ａの底部６０ａ１は、当該底部６０ａ１の外面（裏面）が缶体２２の底壁２２ｃの内面と面接触するように、缶体２２の底壁２２ｃの内面に溶接などにより固定されている。複数の管体２０の直管部分は、一対の起立片６０ｂ間において前記受部６０ａ２上に配設されることにより、缶体２２の前後方向（図１において紙面貫通方向）への位置ずれが防止されている。缶体２２の底壁２２ｃは、前述したように前下がり状であるので、ベース部６０ａは、これに対応して前部へ行くほどその厚さ方向（上下方向）の寸法が大きくされている。前記補助部６１は、最上段の管体２０の上端に接するか、又は近接するように配設されており、管体２０が上方に浮き上がるのを防止している。

上下の管体２０間には、図８に示されるスペーサ８０によって、加熱用気体が通過する隙間が確保されている。このスペーサ８０は、直径数ミリ程度の断面円形の金属製線材に曲げ加工を施すことにより形成されており、垂直方向に所定間隔を隔てて複数（本実施の形態では、５つ）配設される略Ｕ字状のスペーサ部８０ａと、上下のスペーサ部８０ａを繋ぐ曲管部８０ｂとを備えている。スペーサ８０の両端には、互いに逆方向に曲げられた曲げ部８０ｃが形成されている。

前記スペーサ８０は、図９に示されるように、第２水管２１を構成する複数の管体２０が垂直方向及び水平方向に並んでいる状態において、これら管体２０の一側方から、スペーサ８０のスペーサ部８０ａの曲管部分８０ａ１を上下の管体間に挿入させて用いる。これにより、複数の管体２０は、スペーサ８０を構成する線材の直径と同一の隙間を垂直方向において生じるように支持される。スペーサ部８０ａを管体間に深く挿入すると、各曲管部８０ｂの内周面が管体２０の外周面に密接する。

第２水管２１を収容する缶体２２の上壁２２ｂには、図２及び図４に示されるように、全体として長矩形状を呈する排気口２５が形成されているが、本実施の形態では、この排気口２５が繋ぎ部２７によって複数の小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄに分割されている。前記繋ぎ部２７は、第２水管２１を缶体２２に固定支持する支持金具６に対向する位置において、前記排気口２５の長辺同士を繋いでいる。繋ぎ部２７として、帯状の金属板を別途作製し、この金属板を缶体２２の排気口２５周縁に取り付けることも可能であるが、本実施の形態では、缶体２２の上壁２２ｂと一体に形成している。すなわち、プレス加工によって前記小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄを形成することにより、併せて繋ぎ部２７を形成している。これにより、部材数を減らして、コストダウンを図ることができる。

繋ぎ部２７の位置及び数は、排気口２５に臨む、すなわち排気口２５に対向する支持金具６の位置及び数に応じて選定される。
全体として長矩形状の排気口２５を繋ぎ部２７によって複数の小排気口に分割する、換言すれば、繋ぎ部２７によって排気口２５を補強することにより、前述したロウ付け後の冷却工程において排気口２５周縁に撓みないしは変形が生じるのを抑制することができる。これにより、排気口２５に近接して配設されている第２水管２１と当該排気口２５の縁との間の隙間（距離）を均一に保つことができ、この隙間から外部に排出される加熱用気体の排気抵抗を均一にすることができる。その結果、燃焼状態を安定させて所定の燃焼効率を得ることができる。そして、前記繋ぎ部２７は、第２水管２１を缶体２２の底壁２２ｃに固定する支持金具６に対向する位置に形成されているので、この繋ぎ部２７によって増加する排気抵抗は僅かである。したがって、かかる繋ぎ部２７の形成により、排気抵抗が増加して燃焼状態が影響を受けるということはない。

図４に示されるように、各小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの４つの辺のうち加熱用気体の上流側に位置する辺に、缶体２２の内方に向かう曲げ部２８が前記第２水管２１の上端よりも下方の位置まで延設されている。この曲げ部２８は、小排気口の縁部を曲げ加工することにより形成されているが、バーリング加工により形成することもできる。曲げ加工又はバーリング加工を採用すると、別部材を用いることなく、簡単に曲げ部２８を形成することができるという利点がある。

前記曲げ部２８を設けると、缶体２２内を流れてきた加熱用気体は、この曲げ部２８によってその流れが阻害される。これにより、加熱用気体が第２水管２１と各小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの縁との隙間から外部に排出するのが抑制されるので、前記隙間に若干の不均一が生じたとしても、かかる不均一に起因する排気抵抗のバラツキの影響を最小限にすることができる。

前記曲げ部２８は、加熱用気体の流れをコントロールする以外に、各小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ周縁の強度を大きくする補強用リブとしての役割も果たしている。かかる補強用リブとしての曲げ部２８を形成することにより、各小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄ周縁の変形をさらに抑制することができ、第２水管２１と当該小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの縁との隙間（距離）をより均一に保つことができる。

なお、補強用リブとして曲げ部を形成する場合、前記曲げ部２８のように缶体２２の内方側に曲げるものに限定されるものではなく、缶体２２の外方側に曲げたものであってもよい。また、補強用リブとしての曲げ部の位置は、加熱用気体の上流側に位置する辺に限らず、反対側の辺であってもよい。さらに、曲げ部は、各小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの４辺のうち、２辺以上に形成することもできる。２辺以上に形成すると、さらに小排気口２５ａ、２５ｂ、２５ｃ、２５ｄの周縁を強化することができ、その変形量を小さくすることができる。

なお、補強用に曲げ部を形成する場合、その高さｈ（図４参照）は、図示した例のように、第２水管２１の最上段の管体２０の上端よりも下方の位置まで延びる高さとする必要はなく、補強効果が得られる限り、これよりも低くてもよい。
また、補強用リブとして、帯状部材又は棒状部材などからなる別体の部材を、小排気口の周縁に溶接などにより固定することもできるが、小排気口の縁部を曲げ加工又はバーリング加工することにより曲げ部を形成すると、部材数を減らすことができるという利点がある。
前述した実施の形態では、排気口２５が缶体２２の上壁２２ｂに形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば前壁２２ｅ（図３〜４において左側の壁）に形成することも可能である。

本発明の給湯装置の一実施の形態の断面説明図である。 図１に示される給湯装置の平面図である。 図２のＡ−Ａ線断面説明図である。 図２のＢ−Ｂ線断面説明図である。 図１に示される給湯装置の２次熱交換器の平面説明図である。 本発明の熱交換器に用いられる支持金具の一例の正面説明図である。 図６に示される支持金具の分解斜視図である。 本発明の熱交換器に用いられる管体用スペーサの一例の斜視図である。 図８に示される管体用スペーサの使用例を示す図である。

符号の説明

１ １次熱交換器
２ ２次熱交換器
３ 燃焼器
６ 支持金具
１０ 缶体
１２ 第１水管
１３ 入湯口
１４ 出湯口
２０ 管体
２１ 第２水管
２２ 缶体（ケース）
２２ａ 後壁
２２ｂ 上壁
２２ｃ 底壁
２３ 補助缶体
２４ 給気口
２５ 排気口
２７ 繋ぎ部
２８ 曲げ部
６０ 本体部
６１ 補助部
８０ スペーサ
ＷＨ 給湯装置

Claims (6)

1. 隣接する複数の管体からなる管体群が螺旋状に配設されており、各管体内を湯水が流通する水管と、
   この水管を内部に収容するとともに、前記湯水との間で熱交換を行うための加熱用気体の給気口、及び全体として長矩形状を呈する排気口を有するケースと、
   前記水管をケース内壁に固定する支持金具と
   を備えた熱交換器であって、
   前記排気口は、前記支持金具に対向する位置に形成され且つ前記排気口の長辺同士を繋ぐ繋ぎ部によって、複数の小排気口に分割されていることを特徴とする熱交換器。
2. 各小排気口の少なくとも１つの辺に、補強用のリブが形成されている請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記補強用のリブが、小排気口の縁部を曲げ加工したものである請求項２に記載の熱交換器。
4. 前記排気口がケースの上面に形成されており、且つ、各小排気口の４つの辺のうち加熱用気体の上流側に位置する辺に、ケース内方に向かう曲げ部が前記水管の上端付近まで延設されている請求項１に記載の熱交換器。
5. 前記曲げ部がバーリング加工により形成されている請求項４に記載の熱交換器。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換器を備えたことを特徴とする給湯装置。

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