JP5590314B2 - 熱交換器およびこれを備えた温水装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼ガスなどの加熱用気体から熱回収を行なうのに用いられる熱交換器、およびこれを備えた給湯装置などの温水装置に関する。

温水装置に用いられている熱交換器は、給気口および排気口を有するケース内に伝熱管が収容された構成とされるのが一般的である。ケース内には、バーナにより発生された燃焼ガスが供給され、このことにより伝熱管内を流通する湯水が加熱される。このような熱交換器において、燃焼ガスから潜熱を回収すると、強酸性のドレイン（凝縮水）が発生する。一方、燃焼ガスはファンの送風圧を利用してケース内に強制的に供給されてくるのが一般的であり、燃焼ガスの流速は比較的高速である。このため、潜熱回収用の熱交換器においては、強酸性のドレインが燃焼ガスによって吹き飛ばされるなどして排気口から排出されないように配慮する必要がある。強酸性のドレインが排気口から排出されたのでは、ケースの外部のうち、排気口の周辺部が汚染する不具合を招く。

潜熱回収用の熱交換器の具体例としては、特許文献１に記載のものもある。同文献に記載の潜熱回収用の熱交換器においては、伝熱管を収容するケースの上壁部に排気口が設けられている。また、ケース内には、伝熱管の上方や一側方を覆う部材が設けられており、この部材とケースの上壁部や側壁部との間には、潜熱回収後の燃焼ガスを排気口に導くための燃焼ガス流路が形成されている。このような構成によれば、潜熱回収に伴って発生したドレインが燃焼ガス流路を通過して排気口に到達することは殆どなく、ドレインがケース外部に排出されることは防止される。

しかしながら、前記した潜熱回収用の熱交換器においては、次に述べるような不具合がある。すなわち、熱交換器の設計・製作に際しては、温水装置全体の高さを低くするといった観点から、上下高さ方向のサイズをできる限り小さくしたい場合がある。ところが、前記した熱交換器は、潜熱回収後の燃焼ガスを排気口に導くための燃焼ガス流路が、伝熱管とケースの上壁部との間に形成されている。したがって、そのような流路が設けられている分だけ、熱交換器全体の上下高さ方向のサイズが大きくなる。

特開２００８−１３８９９２号公報

本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであって、熱回収に伴って発生するドレインが排気口からケース外部に排出されるといった不具合を適切に防止し得るとともに、上下高さ方向の小サイズ化をも適切に図ることが可能な熱交換器、およびこれを備えた温水装置を提供することを、その課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供される熱交換器は、加熱用気体の給気口および排気口を有するケースと、このケース内に収容され、かつ前記給気口から前記ケース内に流入した加熱用気体から熱回収が可能な伝熱管と、を備えている、熱交換器であって、前記ケース内には、仕切り壁が設けられ、前記ケース内は、前記伝熱管が収容された熱交換領域と、上壁部に前記排気口が設けられている排気誘導室とが、前記ケースの横幅方向としての水平方向に並ぶようにして前記仕切り壁により区画形成されており、前記熱交換領域のうち、前記伝熱管よりも前記ケースの後部寄りの位置には、前記給気口が設けられ、かつ前記熱交換領域の下壁部の前部寄りの位置には、前記加熱用気体からの前記伝熱管による熱回収に伴って発生するドレインを前記ケースの外部に排出するためのドレイン排出口が設けられており、前記ケース内の前部寄りの位置には、前記熱交換領域と前記排気誘導室とを連通させる連通口が設けられており、前記給気口から前記熱交換領域内に流入した加熱用気体は、前記ケースの前部側に向けて前進して前記伝熱管の配置領域を通過した後に、前記ケースの前壁部に衝突することにより進行方向に変更を生じて、前記連通口を前記ケースの横幅方向に通過する構成とされ、前記連通口は、前記排気誘導室に生じたドレインをこの排気誘導室の下壁部上から前記熱交換領域の下壁部上に流れさせることが可能とされていることを特徴としている。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。
第１に、熱交換領域において熱回収がなされた加熱用気体は、その後連通口を通過して排気誘導室に流入した後にその上壁部に設けられている排気口に到達してケース外部に排出される。加熱用気体をこのように排気誘導室に迂回させてから排気口に導くようにすれば、熱交換領域において発生したドレインが、加熱用気体の影響を受けて排気口からケース外部に排出されないようにすることができる。その結果、排気口周辺部にドレイン汚染を生じるといったことが適切に防止される。
第２に、熱交換領域と排気誘導室とは水平方向に並ぶようにして区画形成されており、前記した特許文献１とは異なり、伝熱管とケースの上壁部との間に加熱用気体を流通させるための流路を別途形成する必要はない。したがって、その分だけ、ケースの上下高さ方向のサイズを小さくすることができ、熱交換器全体の薄型化が要請される場合に好適となる。

さらに、前記した構成によれば、熱交換領域に存在するドレインが、加熱用気体によって連通口の方向に直接吹き飛ばされないようにすることができる。したがって、排気誘導室に流入するドレイン量を少なくするのに好ましいものとなる。

本発明において、好ましくは、前記排気誘導室は、前記連通口を通過した加熱用気体が前記排気誘導室に流入したときにその流速を低下させることが可能に、前記連通口の開口面積よりも大きい流路面積をもつ空間部として形成されている。

このような構成によれば、加熱用気体が連通口を通過して排気誘導室に流入した際にその流速が低下するために、仮に、排気誘導室にドレインが存在していたとしても、このドレインが排気口に向けて勢い良く吹き飛ばされるといったことは適切に回避される。その結果、ドレインが排気口に到達することがより確実に防止され、ケース外部がドレイン汚染することを防止するのに一層好ましい。

本発明において、好ましくは、前記仕切り壁の外周縁の全体または一部は、前記ケースの内面との間に隙間を生じないように設けられ、前記熱交換領域において熱回収に伴って発生したドレインが前記ケースの内面を伝って前記排気誘導室側に移動することを前記仕切り壁によって抑制可能な構成とされている。

このような構成によれば、排気誘導室に進入するドレインの量をより少なくすることが可能であり、排気口からドレインが排出されることをより徹底して防止することができる。

本発明の第２の側面により提供される温水装置は、加熱用気体から熱回収を行なうことにより湯水加熱が可能な熱交換器を備えている、温水装置であって、前記熱交換器として、本発明の第１の側面により提供される熱交換器が用いられていることを特徴としている。

このような構成によれば、本発明の第１の側面により提供される熱交換器について述べたのと同様な効果が得られる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。

本発明に係る温水装置の一例を示す正面断面図である。 図１の平面断面図である。 図１のIII−III断面図である。 図１のIV−IV断面図である。 図１に示す温水装置の一使用例を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

図１〜図４は、本発明が適用された温水装置の一例を示している。図１によく表われているように、本実施形態の温水装置ＷＨは、バーナ３、１次熱交換器１、および２次熱交換器ＨＥを備えている。

バーナ３は、たとえば燃料ガスを燃焼させるガスバーナであって、缶体３０内に収容されており、このバーナ３にはファン３１から燃焼用空気が供給される。１次熱交換器１は、バーナ３により発生された燃焼ガスから顕熱を回収するためのものであり、たとえば銅製などのフィン付きチューブを用いて構成されている。この１次熱交換器１は、本発明に係る熱交換器の一例には相当しない。

２次熱交換器ＨＥは、本発明に係る熱交換器の一例に相当し、１次熱交換器１によって顕熱が回収された後の燃焼ガスから潜熱を回収するためのものである。この２次熱交換器ＨＥは、缶体３０上に載設されたケース７と、このケース７内に収容された複数の伝熱管４と、ケース７内に設けられた仕切り壁８とを具備している。

図２によく表われているように、複数の伝熱管４は、平面視長円状の複数の螺旋状管体を利用して構成されている。これら複数の螺旋状管体は、互いにサイズが異なっており、略同心の重ね巻き状に配されている。各伝熱管４の下端寄り部分および上端寄り部分は、略水平に延びる直状管体部４０ａ，４０ｂとされ、これらの端部に、入水用および出湯用のヘッダ部６Ａ，６Ｂが連結されている。ヘッダ部６Ａに供給された湯水は、複数の伝熱管４内に流れ込んでヘッダ部６Ｂに到達するが、その流通過程において加熱される。その後、前記湯水は、配管９９ａを介して１次熱交換器１の入水口１３ａに送られ、１次熱交換器１によってさらに加熱されてから出湯口１４ａに到達し、所望の給湯先に供給される。

ケース７は、略直方体状であり、その一部分は缶体３０の上方から一方向にはみ出しており、水平方向のサイズは比較的大きくされている。ただし、後述するように、このケース7の上下高さ方向のサイズは、小さくすることができる。このケース７の内部は、仕切
り壁８が設けられていることによって、水平方向に並んだ熱交換領域７６と排気誘導室７７とに区画されている。熱交換領域７６は、複数の伝熱管４が配置されている領域であり、この熱交換領域７６の下壁部７０ａの後部寄りの位置には、燃焼ガス用の給気口７１が設けられ、また前部寄りの位置には、ドレイン排出口７８が設けられている。

図３に示すように、給気口７１は、缶体３０内に連通しており、１次熱交換器１を通過
した燃焼ガスは、給気口７１を上向きに通過して熱交換領域７６に流入する。熱交換領域７６に流入した燃焼ガスは、その後この熱交換領域７６を前方側に向けて進行し、その過程において各伝熱管４に作用して潜熱回収がなされる。ドレイン排出口７８は、潜熱回収に伴って発生する強酸性のドレインをケース７の外部に排出するための部分である。下壁部７０ａは、前下がり状であり、各伝熱管４の表面から下壁部７０ａ上に流れ落ちたドレインは、ドレイン排出口７８に効率良く導かれるようになっている。

排気誘導室７７は、伝熱管４が設けられていない空間部であり、その上壁部７０ｂには、熱回収を終えた燃焼ガスを排ガスとして外部に排出するための排気口７２が設けられている。排気口７２には、たとえば図５を参照して後述するように、排ガス用のガイド部材９５を適宜接続して設けることが可能である。

仕切り壁８は、たとえば薄手の金属板を用いて構成されている。図２および図４によく表われているように、この仕切り壁８は、連通口８０を形成している。この連通口８０は、ケース７の前部寄りの位置において、熱交換領域７６と排気誘導室７７とを互いに連通させて、熱交換領域７６から排気誘導室７７への燃焼ガスの流入を行なわせるための部分である。熱交換領域７６における燃焼ガスの進行方向は、矢印Ｎ１で示すようにケース７の後部側から前部側への方向であり、燃焼ガスはケース７の前壁部７０ｄに衝突する。燃焼ガスが連通口８０を通過する際の進行方向は、矢印Ｎ２で示す方向であり、これらの方向は互いに交差する関係にある。連通口８０は、排気誘導室７７と比較してその幅はかなり小さく、排気誘導室７７は、連通口８０の開口面積よりも大きい流路面積をもつ空間部として形成されている。

図４に示すように、この連通口８０は、仕切り壁８に切欠き凹部８０’を形成することにより構成されている。仕切り壁８の上縁部、下縁部、および後縁部の略全長域は、ケース７の上壁部７０ｂ、下壁部７０ａ、後壁部７０ｃのそれぞれの内面に当接し、それらとの間に隙間が生じないように溶接またはロウ付けされている。切欠き凹部８０’の上縁部８１および下縁部８２は、ケース７の上壁部７０ｂおよび下壁部７０ａから起立したリブとなっている。このような構成は、熱交換領域７６において発生したドレインが、上壁部７０ｂや下壁部７０ａなどの内面を伝って排気誘導室７７側に流入することを阻止するのに役立つ。ケース７の前寄り部分においては、下縁部８２が設けられていない箇所（符号ｎ１で示す部分）が存在するが、これは排気誘導室７７内にドレインが進入する事態を生じた場合に、このドレインを熱交換領域７６に戻すための通路となる。

次に、前記した２次熱交換器ＨＥを備えた温水装置ＷＨの作用について説明する。

まず、バーナ３により発生され、かつ１次熱交換器１によって顕熱が回収された後の燃焼ガスは、既述したように、２次熱交換器ＨＥの給気口７１からケース７内の熱交換領域７６に流入する。このことにより、前記燃焼ガスからは各伝熱管４を利用した潜熱回収がなされ、熱交換効率を高くしつつ、適切な湯水加熱を行なうことができる。潜熱回収を終えた燃焼ガスは、その後連通口８０を通過して排気誘導室７７に流入した後に、その上壁部７０ｂの排気口７２から外部に排出される。燃焼ガスを熱交換領域７６からケース７の外部に直ちに排出させるのではなく、排気誘導室７７に一旦流入させてから排気させるようにすると、熱交換領域７６において発生したドレインが、燃焼ガスの影響を受けて排気口７２まで運ばれることは適切に防止され、排気口７２からケース外部に排出されないようにすることができる。

図２の矢印Ｎ１，Ｎ２で示したように、熱交換領域７６内の燃焼ガスは、その進行方向が大きく変更されてから連通口８０を通過する。このため、熱交換領域７６に存在するドレインの多くが、連通口８０に向けて燃焼ガスによって吹き飛ばされるといった現象が生じ難くなる。また、燃焼ガスが連通口８０を通過して排気誘導室７７に流入すると、流路
面積の拡大に起因して、燃料ガスの流速が大きく低下することとなる。したがって、仮に排気誘導室７７内にドレインが流入していたとしても、このドレインが勢いの強い燃焼ガスによって排気口７２まで吹き飛ばされるといったこともない。

熱交換領域７６において発生したドレインとしては、各伝熱管４から下壁部７０ａ上に流れ落ちるものの他、上壁部７０ｂや下壁部７０ａの内面に暫く付着した状態となるものもある。これに対し、仕切り壁８は、前記内面との間に隙間を生じないように設けられており、ドレインが前記内面を伝って熱交換領域７６側から排気誘導室７７側に移動することを阻止する。連通口８０には燃焼ガスが通過するために、本来的には、この連通口８０の形成箇所において、熱交換領域７６から排気誘導室７７へのドレイン移動量が多くなりがちであるが、図４に示した上縁部８１および下縁部８２がそのようなドレインの移動を適切に規制する。このようなことから、２次熱交換器ＨＥにおいては、排気口７２からドレインが外部に排出されることがより徹底して防止されることとなり、ケース７の外部の排気口周辺部がドレインによって汚染される事態を生じないようにすることができる。

熱交換領域７６と排気誘導室７７とは水平方向に並ぶようにしてケース７内に区画形成されており、仕切り壁８も、その全体がケース７内に収容されている。このようなことから、ケース７の上下高さ方向のサイズを小さくし、２次熱交換器ＨＥの全体の薄型化を図ることが可能である。

図５は、前記した温水装置ＷＨを他の温水関連機器と組み合わせて温水ユニットＵを構成した場合の一例を示している。この温水ユニットＵにおいては、前記した温水装置ＷＨを補助熱源機として利用しており、貯湯タンク９０、膨張タンク９１、熱交換器９２、制御基板を有するコントローラユニット９３、およびこれらを収容する外装ケース９６を備えている。外装ケース９６の天面部９６ａ上には、排気トップ９４が設けられている。

この温水ユニットＵは、主熱源として、たとえばソーラ集熱器、ヒートポンプ、あるいはガスエンジン（図示略）などを利用するものであり、この主熱源との間で熱媒を循環させる熱媒循環回路（図示略）が設けられている。膨張タンク９１は、前記熱媒の膨張を吸収して熱媒循環回路の圧力を安定させるためのものであり、熱交換器９２は、前記熱媒を利用して湯水加熱を行なうためのものである。貯湯タンク９０は、熱交換器９２を利用して加熱生成された湯水を貯留するためのものである。温水装置ＷＨは、貯湯タンク９０内の湯水温度が目標給湯温度に満たない場合に湯水を加熱するのに利用される。

温水装置ＷＨの排気口７２には、筒状に形成された排ガス用ガイド部材９５が接続され、かつこのガイド部材９５に排気トップ９４が接続されている。排気トップ９４は、外装ケース９６の天面部９６ａの上方において、略水平方向を向く排気口９４ａを備え、かつ略水平方向に回転可能である。この回転により、排気口９４ａの向きが変更され、排ガスの排出方向を適宜調整することが可能である。

前記したような温水ユニットＵにおいて、仮に、排気トップ９４の排気口９４ａからドレインが排出されたのでは、外装ケース９６の天面部９６ａが汚染することとなる。ところが、温水装置ＷＨは、既述したようにドレインの排出を極力防止する機能を有するために、そのような虞を適切に回避することができる。とくに、温水ユニットＵは、貯湯タンク９０を備えていることにより、全体のサイズが比較的大きく、天面部９６ａのサイズも大きいために、この天面部９６ａの広い範囲がドレインによって汚染されることは極力防止されることが要望されるが、本実施形態によれば、そのような要望に的確に応えることが可能である。さらに、温水装置ＷＨの２次熱交換器ＨＥは、左右幅方向の寸法が比較的大きくされ、その一部分は、バーナ１や１次熱交換器１の直上位置からはみ出した形態を有している。このような形態は、温水装置ＷＨのうち、排気口７２およびその周辺部分の
みを貯湯タンク９０に接近させて外装ケース９０内の略中央位置に配置させるのに好都合となる。このような構成によれば、排気トップ９４を天面部９６ａの中央部またはその近傍位置に体裁良く配置することが可能である。

本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る熱交換器、および温水装置の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

本発明でいう仕切り壁は、ケース内を熱交換領域と排気誘導室とが水平方向に並ぶように区画形成する機能を有すればよく、平板状でなくてもよい。伝熱管は、螺旋状管体を用いたものに限らず、たとえば直状管体や蛇行状のフレキシブル管体などを用いた構成とすることもできる。ケースは、伝熱管を収容可能であればよく、やはり直方体状に限定されない。

加熱用気体としては、燃焼ガス以外の種々の気体を用いることができる。本発明に係る熱交換器は、潜熱のみを回収するものではなく、顕熱および潜熱の双方を回収可能な熱交換器として構成することもできる。また、湯水加熱用途以外の用途に用いることもできる。本発明でいう温水装置とは、湯を生成する機能を備えた装置の意であり、一般給湯用、風呂給湯用、暖房用、あるいは融雪用などの各種の給湯装置、および給湯以外に用いられる湯を生成する装置を広く含む概念である。

ＷＨ 温水装置
ＨＥ ２次熱交換器（熱交換器）
４ 伝熱管
７ ケース
８ 仕切り壁
７０ｂ 上壁部（ケースの）
７１ 給気口
７２ 排気口
７６ 熱交換領域
７７ 排気誘導室
８０ 連通口

Claims (4)

1. 加熱用気体の給気口および排気口を有するケースと、
   このケース内に収容され、かつ前記給気口から前記ケース内に流入した加熱用気体から熱回収が可能な伝熱管と、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記ケース内には、仕切り壁が設けられ、前記ケース内は、前記伝熱管が収容された熱交換領域と、上壁部に前記排気口が設けられている排気誘導室とが、前記ケースの横幅方向としての水平方向に並ぶようにして前記仕切り壁により区画形成されており、
   前記熱交換領域のうち、前記伝熱管よりも前記ケースの後部寄りの位置には、前記給気口が設けられ、かつ前記熱交換領域の下壁部の前部寄りの位置には、前記加熱用気体からの前記伝熱管による熱回収に伴って発生するドレインを前記ケースの外部に排出するためのドレイン排出口が設けられており、
   前記ケース内の前部寄りの位置には、前記熱交換領域と前記排気誘導室とを連通させる連通口が設けられており、前記給気口から前記熱交換領域内に流入した加熱用気体は、前記ケースの前部側に向けて前進して前記伝熱管の配置領域を通過した後に、前記ケースの前壁部に衝突することにより進行方向に変更を生じて、前記連通口を前記ケースの横幅方向に通過する構成とされ、
   前記連通口は、前記排気誘導室に生じたドレインをこの排気誘導室の下壁部上から前記熱交換領域の下壁部上に流れさせることが可能とされていることを特徴とする、熱交換器。
2. 前記排気誘導室は、前記連通口を通過した加熱用気体が前記排気誘導室に流入したときにその流速を低下させることが可能に、前記連通口の開口面積よりも大きい流路面積をもつ空間部として形成されている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記仕切り壁の外周縁の全体または一部は、前記ケースの内面との間に隙間を生じないように設けられ、前記熱交換領域において熱回収に伴って発生したドレインが前記ケースの内面を伝って前記排気誘導室側に移動することを前記仕切り壁によって抑制可能な構成とされている、請求項１または２に記載の熱交換器。
4. 加熱用気体から熱回収を行なうことにより湯水加熱が可能な熱交換器を備えている、温水装置であって、
   前記熱交換器として、請求項１ないし３のいずれかに記載の熱交換器が用いられていることを特徴とする、温水装置。

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