JP5405395B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、流入ヘッダと流出ヘッダとを介して吸熱管内に流す水を燃焼排気により熱交換加熱する熱交換器に関するものである。

高熱効率給湯器に搭載される潜熱回収型の熱交換器は、燃焼排気の通路となるケース内に複数本の吸熱管を配設し、吸熱管の両パイプ端を所定の高低差をもって配置し、これら吸熱管の両パイプ端をケースの側板に設けた二つのヘッダへ各別に接続し、外部配管からこの一方のヘッダを通じて各吸熱管へ水を送り込んで燃焼排気中の水蒸気を凝縮させ、他方のヘッダからその潜熱を回収した湯水を取り出すように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

このような熱交換器では、更なる小型化や高熱効率化を実現するため、吸熱管の細管化が図られている。つまり、吸熱管の細管化を図ることによって、ケースの限られた空間内へより多くの吸熱管を配置し、吸熱管全体の伝熱面積も広く確保している。

しかし、吸熱管の細管化を図った結果、冬期における吸熱管内の凍結防止のために吸熱管から水抜きを行う際、水の表面張力に起因して吸熱管のパイプ端開口に水膜が張り、吸熱管内の流水方向の下流部に水が残留してしまう問題があった。従って吸熱管の細管化を図る場合には、円滑に吸熱管の水抜きができる構成であることが望まれる。

ところで、従来の熱交換器として、ケースの側面から下方へ曲がる延設管体を吸熱管の一方のパイプ端に接続し、さらにこの延設管体の下端にヘッダを設け、このヘッダを通じて吸熱管の排水を行うものがある（例えば、特許文献２参照）。

図１０に示すように、この熱交換器９は、ケース９０内に収容した複数の吸熱管９１の両パイプ端をケース９０の側板９２へ貫挿させ、この側板９２へ露出した吸熱管９１の一方のパイプ端に下方へ曲がる延設管体９３を接続し、さらに、延設管体９３の下端にヘッダ９４を取り付けた構成である。

これによれば、吸熱管９１の細管化を図った場合でも、延設管体９３内の水頭圧によってその延設管体９３の先端部での水膜の形成が防止されるから、円滑に吸熱管９１の水抜きが行われるとしている。

しかしながら、このものでは、延設管体９３やヘッダ９４をケース９０から張り出した状態で設けるため、熱交換器９の小型化が阻害される。また、複数の吸熱管９１のそれぞれに対して延設管体９３を設ける必要があるため、部品点数の増加や組立工程数が増加する問題もある。

特開２００７−１６３０９６号公報

特開２００７−３３３３４３号公報

本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、吸熱管の細管化を図った場合でも、小型化を阻害せず且つ簡易な構成で適切に吸熱管の水抜きが行われる熱交換器を提供することを課題とする。

本発明に係る熱交換器は、
燃焼排気の通路となるケース内に吸熱管を配設し、吸熱管の両パイプ端を所定の高低差をもって配置し、前記両パイプ端をケースの側板に設けた二つのヘッダへ各別に接続し、外部配管から一方のヘッダを通じて吸熱管内へ送り込まれる水を燃焼排気により熱交換加熱する熱交換器において、
吸熱管の低位置側のパイプ端開口の下端を、ヘッダの外部配管接続用の開口の下端より上方に設定し、
吸熱管の低位置側のパイプ端開口に接続されるヘッダ内に、前記パイプ端開口に達した水の水抜き流路を形成するための水抜き板を、前記パイプ端開口に対向して配置したものである。

上記構成によれば、吸熱管の水抜き時、水の表面張力に起因してパイプ端開口に水膜が保持されようとしても、パイプ端開口に達した水は、そのパイプ端開口の下端とヘッダの外部配管接続用の開口の下端との高低差によって、円滑にパイプ端開口から排出される。従って、吸熱管の細管化によりその口径を小さくした場合でも、吸熱管内の流水方向の下流部に水が残留せず、確実に吸熱管の水抜きが行われる。

特に、このものでは、吸熱管の低位置側のパイプ端開口に対向して水抜き板が配設されているから、吸熱管の水抜き時、水の表面張力に起因してパイプ端開口に水膜が保持されようとしても、このパイプ端開口に達した水は、水抜き板によって形成される水抜き流路を伝ってパイプ端開口から排出される。従って、吸熱管の細管化によりその口径を小さくした場合でも、吸熱管内の流水方向の下流部に水が残留せず、確実に吸熱管の水抜きが行われる。また、ヘッダ内に水抜き板を設けた簡易な構成であるから、熱交換器の小型化を阻害することもない。

上記水抜き流路は、水抜き板に形成された上下方向に延びる凹溝により構成され、
前記凹溝は、パイプ端開口の口径よりも溝幅が狭く且つパイプ端開口に連通しているのが望ましい。

このものでは、吸熱管の水抜き時にパイプ端開口に水の表面張力に起因した水膜が形成されようとしても、このパイプ端開口に達した水は、水抜き流路としての凹溝を伝ってパイプ端開口から排出される。従って、吸熱管の細管化によりその口径を小さくした場合でも、吸熱管内の流水方向の下流部に水が残留せず、確実に吸熱管の水抜きが行われる。

また、上記水抜き流路は、パイプ端開口と水抜き板との間隙により構成され、
前記間隙は、水の表面張力に起因してパイプ端開口に形成される水膜の盛り上がり量以下に設定されるものとしても良い。

このものでは、吸熱管の水抜き時にパイプ端開口に水の表面張力に起因した水膜が形成されようとしても、このパイプ端開口に達した水は、水抜き流路としての間隙を伝ってパイプ端開口から排出される。従って、吸熱管の細管化によりその口径を小さくした場合でも、吸熱管内の流水方向の下流部に水が残留せず、確実に吸熱管の水抜きが行われる。

上記水抜き板は、水透過部材により構成されるのが望ましい。

このものでは、水が水抜き板を円滑に通過することができるから、通常の出湯動作が行われる際にも熱交換器への通水の妨げとなることがない。

以上のように、本発明によれば、吸熱管の細管化を図った場合であっても、確実に吸熱管の水抜きが行われるから、水抜き作業を行ったにもかかわらず吸熱管内に水が残留し、それが凍結して吸熱管を破損させるなどの不具合を引き起こすこともない。これにより、熱交換器の更なる小型化や高熱効率化が実現するとともに、簡易な構成で適切に吸熱管の水抜きを行うことの可能な熱交換器を提供できる。

本発明の実施の形態に係る熱交換器を組み込んだ給湯器の概略構成図。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の横断面図。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の流入ヘッダ周辺を示す図。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の流入ヘッダ周辺の分解図。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の流入ヘッダ周辺の横断面図。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の流入ヘッダ周辺の縦断面図。 本発明の実施の形態に係る熱交換器の水抜き板の正面（Ａ）、右側面（Ｂ）および底面（Ｃ）を示す図。 本発明の他の実施形態に係る熱交換器の流入ヘッダ周辺の横断面図。 本発明の他の実施形態に係る熱交換器の流入ヘッダ周辺の縦断面図。 従来の熱交換器の説明図。

次に、上記した本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら詳述する。

図１は、本発明の実施の形態に係る副熱交換器５を備えた潜熱回収型の給湯器１の縦断面概略図であり、その外装ケース１０内には、後述する燃焼筐体３０内へ燃焼用の空気を送り込む給気ファン２と、ガスバーナ３と、ガスバーナ３の燃焼排気中の顕熱を回収する主熱交換器４と、上記燃焼排気中の潜熱を回収する副熱交換器５とが組み込まれている。

ガスバーナ３は、上端が開放する矩形箱状の燃焼筐体３０内に収容されており、この燃焼筐体３０の底部に給気ファン２が接続されている。また、燃焼筐体３０の上端は、主熱交換器４の後述する胴部４０の下端に連結している。

主熱交換器４は、上下が開放する矩形筒状の胴部４０内に、図示しない複数の吸熱フィンと、その吸熱フィンを貫通する吸熱管４１とを収容したものであり、この胴部４０の上端は、副熱交換器５の底部に連結している。また、主熱交換器４の吸熱管４１は、一端が出湯管６１を介してカランやシャワー等の温水供給先Ｐへ繋がり、他端が接続管６２を介して副熱交換器５へ繋がっている。

副熱交換器５は、矩形箱状のケース５０内に、複数（ここでは、８本）の吸熱管５１を収容したものである。ケース５０内には、前後方向へ延びる横通路５００が形成されており、この横通路５００内に吸熱管５１が組み込まれる。また、ケース５０の後方底部には、横通路５００と胴部４０の内部空間とを繋ぐ排気導入口５０１が開設されており、ケース５０の上部には、横通路５００と外装ケース１０外の空間とを繋ぐ排気口５０２が開設されている。

従って、温水供給先Ｐが開栓され、ガスバーナ３の燃焼が開始されると、そのガスバーナ３の燃焼排気は、主熱交換器４の胴部４０を通過した後、排気導入口５０１から横通路５００へ導かれ、吸熱管５１相互の間隙を通って排気口５０２から外装ケース１０の外部へ排出される。一方、上水道から後述する給水管６３を通じて副熱交換器５へ供給された水は、各吸熱管５１を通過する際に燃焼排気中の潜熱によって熱交換加熱された後、接続管６２を通って主熱交換器４へ導かれる。そして、主熱交換器４へ導かれた水は、その吸熱管４１を通過する際に燃焼排気中の顕熱によって熱交換加熱され、出湯管６１を通じて温水供給先Ｐへ供給される。

図２に示すように、吸熱管５１は、ステンレスやチタン等の耐食性の高い金属で形成された一本のコルゲートパイプを、複数箇所に曲げ加工を施して平面的に蛇行させたものであり、その入口側パイプ端５１１および出口側パイプ端５１２は、ケース５０の一方の側板５２に形成された二つの凹部５２０にそれぞれ貫挿固定されている。

また、入口側パイプ端５１１側の凹部５２０には、それら入口側パイプ端５１１を一括して給水管６３へ接続する流入ヘッダ５４が設けられており、出口側パイプ端５１２側の凹部５２０には、それら出口側パイプ端５１２を一括して接続管６２へ接続する流出ヘッダ５５が設けられている。

図１に示したように、流入ヘッダ５４は、流出ヘッダ５５より低位置に配設されており、それに合わせて、吸熱管５１もその入口側パイプ端５１１が出口側パイプ端５１２より低位置になるよう、所定角度（例えば、５度）前方下がりの状態で配設されている。

また、各吸熱管５１は、縦断面視したときにそれらパイプ断面相互が千鳥状に配列されるよう、上下に重なり合った状態で横通路５００内に組み込まれており、そのうち最下位にある吸熱管５１が、下から二段目にある吸熱管５１より後方に配設されている。

図３に示すように、凹部５２０は、縦長長方形状に形成されており、ケース５０の前方側へ所定角度（例えば、５度）傾斜した状態で配設されている。吸熱管５１の各入口側パイプ端５１１は、この凹部５２０の長手方向に沿って二列で且つ千鳥状に配列されており、そのうち最下位にある吸熱管５１の入口側パイプ端５１１は、下から二段目にある吸熱管５１の入口側パイプ端５１１より後方に配置される。

入口側パイプ端５１１の各開口（以下、「パイプ端開口」という）５１Ａは、ケース５０の外側から流入ヘッダ５４のヘッダ本体５４１によって覆われている。ヘッダ本体５４１の外面下部には、給水管６３を接続するジョイント部５４２が設けられており、上記各パイプ端開口５１Ａは、流入ヘッダ５４内の後述する閉鎖空間５４０を介してこのジョイント部５４２の開口（以下、「接続口」という）５４Ａへ繋がっている。

従って、温水供給先Ｐへの出湯動作を開始した際、上水道から給水管６３へ供給された水は、上記接続口５４Ａから後述する閉鎖空間５４０を通って各パイプ端開口５１Ａへ導かれ、並列的に吸熱管５１へ送り込まれる。一方、水抜き動作が行われた場合は、吸熱管５１内の水が各パイプ端開口５１Ａから後述する閉鎖空間５４０を通って接続口５４Ａへ排出される。

さて、背景技術でも述べたように、上記副熱交換器５においても、更なる小型化や高熱効率化を実現するため、吸熱管５１の細管化が図られている。具体的には、各パイプ端開口５１Ａの口径が１０ｍｍとなる８本の吸熱管５１を上述のとおりに重ね合わせ、横空間５００内に収容している。これにより、限られた空間内に多くの通水路を配置でき、広い伝熱面積が確保される。

ところが、吸熱管５１を細管化すると、吸熱管５１内の水抜きを行う際、水の表面張力に起因してパイプ端開口５１Ａに水膜が形成され、吸熱管５１の下流部に水が残留する可能性がある。

そこで、上記副熱交換器５では、最下位にある吸熱管５１の入口側パイプ端５１１が下から二段目にある吸熱管５１の入口側パイプ端５１１より後方になるよう、各吸熱管５１を上下に重ね合わせて配列した。これにより、最下位にあるパイプ端開口５１Ａの下端が接続口５４Ａの下端より上方に配置されるから、吸熱管５１内の水は、そのパイプ端開口５１Ａの下端と接続口５４Ａの下端との高低差によって円滑にパイプ端開口５１Ａから排出される。

図４から図６に示すように、流入ヘッダ５４のヘッダ本体５４１は、ジョイント部５４２の配設されてない内面の全周に周壁５４３を有する、浅い器状に形成されており、ケース５０の外側から凹部５２０の全体を覆っている。上記周壁５４３は、凹部５２０の内周全体に対して密接状態で固定され、ヘッダ本体５４１と凹部５２０との間に閉鎖空間５４０を画成している。

尚、図４に示すように、接続管６２を接続する流出ヘッダ５５のジョイント部５５２は、そのヘッダ本体５５１の外面上部に設けられており、流入ヘッダ５４のジョイント部５４２より高い位置に設定されている。

図５から図７に示すように、上記閉鎖空間５４０には、パンチングメタルで形成された水抜き板５６が収容されている。この水抜き板５６は、図５および図６に示すように、吸熱管５１の各パイプ端開口５１Ａに対向して設けられており、吸熱管５１内の水抜きを行う際、各パイプ端開口５１Ａに達した水の水抜き流路を形成している。具体的には、水抜き板５６の各パイプ端開口５１Ａとの対向面側には、上下方向へ延びる凹溝５６１が二箇所形成されており、これら凹溝５６１が、二列に並ぶ各パイプ端開口５１Ａに対して連続的に対向している。

また凹溝５６１は、上記パイプ端開口５１Ａの口径より狭幅（例えば、パイプ端開口５１Ａの口径が１０ｍｍで、凹溝５６１の溝幅が略１ｍｍ）に形成されている一方、水抜き板５６に設けられた多数のパンチ孔５６Ａは、パイプ端開口５１Ａより小径に形成されている。

水抜き板５６には、凹溝５６１を形成するリブ山５６２が設けられており、水抜き板５６の強度確保に寄与している。また、水抜き板５６の両側端には、上記リブ山５６２側へ鈍角に折れ曲がる曲げ部５６３が設けられている。さらに、水抜き板５６の外形は、凹部５２０の内周に略沿った大きさに形成されている。

リブ山５６２は、その頂部５６Ｔがヘッダ本体５４１の内側に当接する高さに形成されている。また、曲げ部５６３は、その先端がヘッダ本体５４１の周壁５４３の上端に当接するように形成されており、水抜き板５６の凹溝５６１の開口側の面は、パイプ端開口５１Ａの周縁に接した状態で保持されている。

そして、副熱交換器５の吸熱管５１内の水抜き作業に際して、給水管６３および出湯管６１に設けられた図示しない水抜き栓を開くと、最初、吸熱管５１の入口側と出口側との高低差によって、吸熱管５１内の水がその入口側のパイプ端開口５１Ａ側へ導かれ、水抜き板５６に形成された複数のパンチ孔５６Ａを通って接続口５４Ａ側へ円滑に排出される。

その後、吸熱管５１内の水がその流水方向の下流部まで排出されると、上記高低差による水頭圧が小さくなることから、水の表面張力に起因してパイプ端開口５１Ａに水膜が形成され易くなる傾向にあるが、本実施形態では、パイプ端開口５１Ａに達した水は、水膜とならずに水抜き板５６の凹溝５６１へ進入し、さらに凹溝５６１に沿って流下する。この排水原理は、次のように考えられる。

パイプ端開口５１Ａに達した水は、凹溝５６１における毛細管現象によってその凹溝５６１内へ浸透し、さらにその凹溝５６１内へ浸透した水は、その自重と凹溝５６１における毛細管現象とが相まって、凹溝５６１に沿って流下すると考えられる。そして、このようにしてパイプ端開口５１Ａに達した水が、順次凹溝５６１を通じて流されていくことで、上記高低差による水頭圧が小さくなっても、吸熱管５１内の水は、パイプ端開口５１Ａで水膜とならずに接続口５４Ａ側へ残らず排出される。従って、吸熱管５１の細管化によりその口径を小さくしても、吸熱管５１内の流水方向の下流部に水が残留しないで、吸熱管５１の水抜きが確実に行われる。

このように、上記実施の形態に係る副熱交換器５によれば、吸熱管５１の細管化を図った場合でも、確実に吸熱管５１の水抜きを行うことができるから、水抜き作業を行ったにもかかわらず、吸熱管５１内に水が残留し、それが凍結して吸熱管５１を破損させるなどの不具合を引き起こすこともない。これにより、副熱交換器５の更なる小型化や高熱効率化を実現できるとともに、パイプ端開口５１Ａの下端を接続口５４Ａの下端より上方に設定する、或いは、流入ヘッダ５４内のパイプ端開口５１Ａに水抜き板５６を配設する、といった比較的簡易な構成で適切に吸熱管５１の水抜きを行うことの可能な副熱交換器５を提供できる。

また、最下位にある吸熱管５１の入口側パイプ端５１１を、下から二段目にある吸熱管５１の入口側パイプ端５１１より後方に配置したことで、流入ヘッダ５４を不要に大きく設定しなくても、最下位にあるパイプ端開口５１Ａの下端を接続口５４Ａの下端より上方に設定できるから、小型化や高熱効率化を損なうことなく、確実に吸熱管５１の水抜きを行うことの可能な副熱交換器５を提供できる。

さらに、水抜き板５６をパンチングメタルにより構成したことで、吸熱管５１の入口側パイプ端５１１側へ導かれた水が、水抜き板５６を円滑に通過することができるから、通常の出湯動作が行われる際にも副熱交換器５への通水の妨げとなることがない。

［その他］
尚、副熱交換器５の小型化や高熱効率化を損なわなければ、最下位にあるパイプ端開口５１Ａの下端が接続口５４Ａの下端より上方に設定される限り、その最下位にある吸熱管５１を下から二段目にある吸熱管５１より前方に配設しても良い。

また、上記実施の形態では、水抜き板５６をパンチングメタルにより構成したが、副熱交換器５への通水の妨げとならない構成のものであれば、これに限らず、エキスパンドメタル、網、メッシュ、フィルター等の種々の水透過部材を採用しても良い。また、水抜き板５６は、金属材料が好適に使用されるが、プラスチック、セラミック等の材料を用いても良い。

また、上記実施の形態では、水抜き板５６に設けられた凹溝５６１の開口側の面をパイプ端開口５１Ａの周縁に接した状態で保持する構成のものを説明したが、図８および図９に示すように、水抜き板５７とパイプ端開口５１Ａの周縁との間に所定幅の間隙５７Ｓを設けた構成のものであっても良い。

この間隙５７Ｓは、水の表面張力に起因してパイプ端開口５１Ａに形成される水膜の盛り上がり量以下（例えば、パイプ端開口５１Ａの口径が１０ｍｍで、間隙５７Ｓが略１ｍｍ）に設定されており、この間隙５７Ｓが各パイプ端開口５１Ａに達した水の水抜き流路を形成する。

上記水抜き板５７の幅方向における中央部には、その上下方向へ延びるリブ山５７２が一箇所形成されており、水抜き板５７の強度確保に寄与している。また、水抜き板５７の両側端には、リブ山５７２側へ鈍角に折れ曲がる曲げ部５７３が設けられている。さらに、水抜き板５７の外形は、凹部５２０の内周に略沿った大きさに形成されている。

上記リブ山５７２は、その頂部５７Ｔがヘッダ本体５４１の内側に当接する高さに形成されている。また、曲げ部５７３は、その先端がヘッダ本体５４１の周壁５４３の上端に当接するように形成されており、水抜き板５７とパイプ端開口５１Ａとの間に上述した間隙５７Ｓを有した状態で保持されている。

そして、副熱交換器５の吸熱管５１内の水抜き作業に際して、給水管６３および出湯管６１に設けられた図示しない水抜き栓を開くと、最初、上述した実施形態と同様、吸熱管５１内の水が、水抜き板５７に形成された複数のパンチ孔５７Ａを通って接続口５４Ａ側へ円滑に排出される。

その後、吸熱管５１内の水がその流水方向の下流部まで排出されると、パイプ端開口５１Ａに達した水は、水膜となる前に水抜き板５７とパイプ端開口５１Ａとの間隙５７Ｓへ導かれ、水抜き板５７に沿って流下する。即ち、パイプ端開口５１Ａに達した水は、パイプ端開口５１Ａで外方へ盛り上がり、水抜き板５７に接触する。そして、上記間隙５７Ｓにおける毛細管現象によってその間隙５７Ｓへ誘導され、さらにその自重と間隙５７Ｓにおける毛細管現象とが相まって、水抜き板５７に沿って流下すると考えられる。

このようにしてパイプ端開口５１Ａに達した水が、順次水抜き板５７を通じて流されていくことで、吸熱管５１の高低差による水頭圧が小さくなっても、吸熱管５１内の水は、パイプ端開口５１Ａに水膜が形成される前に残らず接続口５４Ａ側へ排出される。これにより、上述した実施形態と同様の作用効果が発揮される。

尚、本発明は、上記実施の形態のみに限定されず、例えば、吸熱管５１に渦巻状や螺旋状のものを採用するなど、本発明の範囲内において種々の変更を施すことが可能である。また、上述した熱交換器は、給湯器に限らず、各種の熱交換装置に用いられるものであっても良い。

１・・・給湯器
２・・・給気ファン
３・・・ガスバーナ
４・・・主熱交換器
５・・・副熱交換器
５０・・・ケース
５１・・・吸熱管
５１１・・・入口側パイプ端
５１２・・・出口側パイプ端
５１Ａ・・・パイプ端開口（低位置側のパイプ端開口）
５２・・・側板
５２０・・・凹部
５４・・・流入ヘッダ（低位置側に配設されるヘッダ）
５４Ａ・・・接続口（外部配管接続用の開口）
５５・・・流出ヘッダ
５６・・・水抜き板
５６１・・・凹溝
５６２・・・リブ山
５６３・・・曲げ部
５６Ａ・・・パンチ孔
６１・・・出湯管
６２・・・接続管
６３・・・給水管

Claims (4)

1. 燃焼排気の通路となるケース内に吸熱管を配設し、吸熱管の両パイプ端を所定の高低差をもって配置し、前記両パイプ端をケースの側板に設けた二つのヘッダへ各別に接続し、外部配管から一方のヘッダを通じて吸熱管内へ送り込まれる水を燃焼排気により熱交換加熱する熱交換器において、
   吸熱管の低位置側のパイプ端開口の下端を、ヘッダの外部配管接続用の開口の下端より上方に設定し、
   吸熱管の低位置側のパイプ端開口に接続されるヘッダ内に、前記パイプ端開口に達した水の水抜き流路を形成するための水抜き板を、前記パイプ端開口に対向して配置した、熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器において、
   水抜き流路は、水抜き板に形成された上下方向に延びる凹溝により構成され、
   前記凹溝は、パイプ端開口の口径よりも溝幅が狭く且つパイプ端開口に連通している、熱交換器。
3. 請求項１に記載の熱交換器において、
   水抜き流路は、パイプ端開口と水抜き板との間隙により構成され、
   前記間隙は、水の表面張力に起因してパイプ端開口に形成される水膜の盛り上がり量以下に設定される、熱交換器。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の熱交換器において、
   水抜き板は、水透過部材により構成される、熱交換器。

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