JP5601507B2 - 熱交換器およびこれを備えた温水装置 - Google Patents

Description

本発明は、伝熱管がケース内に収容されたタイプの熱交換器、さらに詳しくは、伝熱管の端部に繋がって設けられるヘッダ部がケースの一部を利用して構成されたタイプの熱交換器、およびこれを備えた温水装置に関する。

従来の熱交換器の一例として、特許文献１に記載されたものがある。同文献に記載された熱交換器は、伝熱管を収容しており、かつ前記伝熱管を加熱するための燃焼ガスが内部に供給されるケースと、前記伝熱管への入水または出湯を行なわせるためのヘッダ部とを有している。このヘッダ部は、前記ケースの一部をケースの内方側に膨出させることによって構成されている。このような構成によれば、ヘッダ部がケースの一部を利用して構成されているために、ケースとは別個にヘッダ部を設ける場合と比較して、全体の製造コストを低減することが可能である。

しかしながら、前記従来技術においては、次に述べるように、未だ改善すべき余地があった。

第１に、ヘッダ部は、ケースの内側に向けて膨出しているため、ケースの内部は、このヘッダ部が設けられている分だけ狭くなり、ケース内に収容されている伝熱管とヘッダ部とが互いに干渉しないように配慮する必要が生じる。したがって、伝熱管の形状または種類如何では、伝熱管とヘッダ部との相対的な配置に大きな制約を受け、設計の自由度が小さくなる場合がある。その結果、ケース内に供給される燃焼ガスを伝熱管に効率良く作用させ得るように、ケース内に伝熱管を適切に配置することが困難となる場合もあった。

第２に、伝熱管は、ケースの膨出部に設けられた孔部に挿通され、膨出部によって支持されている。したがって、伝熱管を安定させて適切に支持するには、ケースの膨出部の強度を高くする必要があるが、そのためには、ケース自体の肉厚を大きくする必要がある。その結果、ケースの薄肉化や軽量化を図る上でも不利を生じる。

特開２００９−１６２４６１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、伝熱管のヘッダ部の存在に起因してケース内のスペースが狭くなり、伝熱管の配置などに大きな制約を受けるといった不具合を無くし、かつケースの薄肉化や軽量化など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、伝熱管を内部に収容しているケースと、このケースの一部を利用して構成され、かつ前記伝熱管の端部に繋がったヘッダ部と、を備えており、前記伝熱管は、前記ヘッダ部に繋がった端部が直状管体部とされ、かつ長手方向の中間部に曲状管体部を有しており、前記ケース内に熱交換対象媒体が供給されたときには、前記伝熱管の曲状管体部と前記ケースの側壁部との隙間を前記熱交換対象媒体の一部が通過する構成とされている、熱交換器であって、前記ヘッダ部は、前記ケースの側壁部にプレス加工を施すことにより、前記側壁部の一部が前記側壁部の外方に向けて膨出するように前記側壁部に一体的に形成され、かつ内部に空間部を形成している外向きの膨出部と、前記空間部と前記ケースの内部領域とを仕切るように前記ケースに取り付けられ、かつ前記伝熱管の内部を前記空間部に連通させるようにして前記伝熱管の端部との固定が図られる補助部材と、を備えており、前記補助部材は、少なくともその外周縁部が前記膨出部の内側に嵌入され、前記膨出部の内壁面にロウ付けまたは溶接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、伝熱管を収容するケースの一部を利用してヘッダ部が構成されているために、部品総数を少なくして、熱交換器全体の製造コストを廉価にできることは勿論のこと、次に述べるような格別な効果が得られる。
第１に、ケースの一部を利用して形成されたヘッダ部の膨出部は、ケースの外方に向けて膨出しているために、膨出部がケースの内方に向けて膨出していた従来技術とは異なり、ケースの内部が前記膨出部の分だけ狭くなるようなことが回避され、ケース内において伝熱管とヘッダ部とが互いに干渉しないようにするといったことが容易化される。したがって、伝熱管とヘッダ部との形状や配置に大きな制約を受けないこととなって、設計の自由度を高くし、熱交換効率を高める上で好ましい構造を好適に採用することができる。
第２に、伝熱管は、従来技術とは異なり、ケースの膨出部に直接固定された構成とはされておらず、ケースに設けられた補助部材に固定されている。このため、補助部材の強度を高くして伝熱管の端部を安定的に支持し得る一方、ケース自体の厚みについてはさほど大きくする必要はなく、ケース全体の薄肉化ならびに軽量化を図ることができる。熱交換器の製造コストを一層低減することが可能である。
さらに、補助部材、ならびに補助部材と膨出部とのロウ付け部分または溶接部分が、ケースの内方側に突出することを適切に防止または抑制することができる。また、補助部材の外周縁部が膨出部の内側に嵌入されて膨出部の内壁面にロウ付けまたは溶接されていれば、補助部材および膨出部の双方の補強も適切に図られる。

本発明において、好ましくは、前記補助部材は、全体が前記膨出部の内側に進入した配置とされ、前記ケースの内壁面よりも前記ケースの内方側へ突出しないように設けられている。

このような構成によれば、補助部材と伝熱管との干渉を回避するのにより好ましいものとなる他、たとえば後述する実施形態で示すような螺旋状管体を利用した伝熱管の一部をケースの内壁面に接近させて、それらの隙間を微小寸法に設定するといった構造を実現するのに、一層好ましいものとなる。

本発明において、好ましくは、前記伝熱管として、サイズが相違する複数の螺旋状管体が略同心の重ね巻き状に配された複数の伝熱管が用いられ、前記ケース内に熱交換対象媒体が供給されたときに、前記複数の螺旋状管体のうち、最外周の螺旋状管体と前記ケースの側壁部の内壁面との隙間を前記熱交換対象媒体の一部が通過する構成とされ、前記ヘッダ部は、前記複数の伝熱管の両端部のそれぞれに対応して設けられて、これらヘッダ部と前記最外周の螺旋状管体との干渉が避けられている。

このような構成によれば、螺旋状管体を有する複数の伝熱管に対して、これら複数の伝熱管の両端部に対応して設けられたヘッダ部が、ともに本発明が意図する構成とされているために、熱交換器全体の製造コストなどを図るのに一層好ましい。また、最外周の螺旋状管体とケースの内壁面との隙間を微小寸法として、不必要に多くの熱交換対象媒体が前記の隙間を通過するといったことも回避し、熱交換効率を高めることができる。

本発明の第２の側面により提供される温水装置は、熱交換対象媒体から熱回収を行なう
ことにより湯水を加熱するための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要部断面正面図である。 図１のII−II断面図である。 （ａ）は、図１に示す温水装置に具備されている熱交換器を示す平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のIIIｂ−IIIｂ断面図であり、（ｃ）は、（ｂ）のIIIｃ−IIIｃ要部拡大断面図であり、（ｄ）は、（ｂ）のＤ部拡大断面図である。 熱交換器の他の例を示す要部断面図である。 熱交換器の他の例を示す平面断面図である。

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３は、本発明が適用された温水装置およびこれに関連する構成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５０と、２つの熱交換器６，ＨＥ１とを備えている。

バーナ５０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５２内に収容されており、このバーナ５０にはファン５１から燃焼用空気が供給される。熱交換器６は、バーナ５０により発生された燃焼ガスから顕熱を回収するための１次熱交換器であり、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。本実施形態において、この熱交換器６は、本発明に係る熱交換器の一例には相当しない。

２次の熱交換器ＨＥ１は、本発明に係る熱交換器の一例に相当し、熱交換器６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２次熱交換器である。この熱交換器ＨＥ１は、缶体５２上に載設されたケース２と、このケース２内に収容された複数の伝熱管１と（図２も参照）、これら複数の伝熱管１の下端部および上端部に繋がって設けられた一対のヘッダ部３Ａ，３Ｂとを具備している。

図３によく表われているように、複数の伝熱管１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１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１０ａ，１０ｂとされ、これら直状管体部１０ａ，１０ｂの端部がヘッダ部３Ａ，３Ｂに繋がっている。図面では省略されているが、ケース２の下壁部２０ｂ上には、複数の伝熱管１の重量を受けてこれらの伝熱管１を支持する支持部材が別途設けられている。また、図面においては、ケース２の上壁部２０ａと伝熱管１の上面部との隙間Ｃ１、および下壁部２０ｂと伝熱管１の下面部との隙間Ｃ２が比較的大きく示されているが、好ましくは、これらの隙間Ｃ１，Ｃ２は、できる限り小さくされる。隙間Ｃ１，Ｃ２を小さくするための手段としては、上壁部２０ａおよび下壁部２０ｂに、伝熱管１に向けて突出する段部（図示略）を形成する手段を用いることができる。

ケース２は、略直方体状であり、先に述べた上壁部２０ａや下壁部２０ｂに加えて、後壁部２０ｃ、前壁部２０ｄ、および一対の側壁部２０ｅ，２０ｆも有している。これらの壁部は、ステンレス鋼板などの金属板を用いて構成されている。後壁部２０ｃおよび前壁部２０ｄには、燃焼ガスの流入口２１および流出口２２が設けられている。図２によく表われているように、缶体５２内を上方に向けて進行した燃焼ガスは、流入口２１にガイドされる。流入口２１からケース２内に流入した燃焼ガスは、複数の伝熱管１が形成する管体間の隙間やその他の後述する隙間などを通過した後に流入口２１からケース２の外部に排出される。このような燃焼ガスの進行過程において、各伝熱管１内を流通する湯水が加熱される。

ヘッダ部３Ａは、入水用であり、ケース２の側壁部２０ｆにプレス加工を施すことによってこの側壁部２０ｆに一体的に形成された膨出部３０と、この膨出部３０の内側に設けられた補助部材３１とを具備している。膨出部３０は、ケース２の外方に向けて膨出しており、その内側には空間部３２が形成されている。膨出部３０には、内部が空間部３２に連通した継手用管体３３が接合されており、この継手用管体３３に連結される給水用の管体（図示略）から供給されてくる湯水は、空間部３２に流入してから各伝熱管１内に流れ込む。

補助部材３１は、ケース２とは別体の金属板を用いて構成されている。この補助部材３１は、膨出部３０の内側に嵌入されており、この補助部材３１の外周縁部３１ａと膨出部３０の内壁面３０ａとを接合する接合部Ｊ１が設けられている。この接合部Ｊ１は、ロウ付けまたは溶接が施された部分である。この補助部材３１の存在により、空間部３２とケース２の内部領域２８との間が適切に仕切られている。補助部材３１には、複数の伝熱管１の端部を貫通させるための孔部３１ｂが形成されており、この孔部３１ｂの周縁部と各伝熱管１とを接合する接合部Ｊ２が設けられている。この接合部Ｊ２も、先の接合部Ｊ１と同様に、ロウ付けまたは溶接が施された部分である。

好ましくは、各伝熱管１の端部の外周面には、拡管手段などにより形成された段部１８が設けられている。このような構成によれば、接合部Ｊ２を設ける前段階において、段部１８に補助部材３１を係止させることにより、各伝熱管１と補助部材３１との相対的な位置決めを適切に図ることが可能である。補助部材３１の外周縁部３１ａおよびその近傍部分は、先端縁寄りほどケース２の外方寄りに位置するように湾曲している。このことにより、接合部Ｊ１よりも接合部Ｊ２の方が、ケース２の内方寄りに位置している。このような構成によれば、接合部Ｊ２を伝熱管１の外周面の全周にわたって設ける作業が容易となる。好ましくは、補助部材３１は、その全体が膨出部３０の内側に進入した配置とされ、ケース２の側壁部２０ｆの内面２０f'よりもケース２の内方側へ突出しないように設けられている。

ヘッダ部３Ｂは、各伝熱管１内を通過して加熱された湯水を出湯させるための出湯用ヘッダ部である。このヘッダ部３Ｂの構成は、先に述べたヘッダ部３Ａの構成と同様である。図面において、ヘッダ部３Ｂの各部のうち、ヘッダ部３Ａと共通する部分については、ヘッダ部３Ａと同一符号を付し、その説明は省略する。なお、図１に示すように、ヘッダ部３Ｂから出湯した湯水は、熱交換器６の入水口６０に導かれてからこの熱交換器６内を通過してさらに加熱された後に、出湯口６１から出湯し、所望の給湯先に供給される。

次に、前記した熱交換器ＨＥ１を備えた温水装置ＷＨの作用について説明する。

まず、図３を参照して詳述したように、熱交換器ＨＥ１における一対のヘッダ部３Ａ，３Ｂの各膨出部３０は、ケース２の外方に向けて膨出しているために、膨出部３０と最外周の伝熱管１（１Ａ）との干渉を適切に回避することができる。このことにより、最外周
の伝熱管１Ａをケース２の側壁部２０ｆにかなり接近させることが可能となり、それらの隙間Ｃ３の幅Ｌ１を微小寸法に設定することが可能である。本実施形態においては、補助部材３１の全体が膨出部３０の内側に進入し、ケース２の内方領域に補助部材３１がはみ出していないために、最外周の伝熱管１をケース２の側壁部２０ｆに接近させる上で、補助部材３１が支障となることも適切に回避される。

ケース２内に供給された燃焼ガスは、既述したように、伝熱管１に作用しつつ流出口２２に向けて進行するが、その際に燃焼ガスの一部は、前記した隙間Ｃ３を通過する。本実施形態とは異なり、隙間Ｃ３の幅Ｌ１が大きいと、最外周の伝熱管１Ａに対して燃焼ガスが効率良く作用しないこととなる他、隙間Ｃ３を通過する燃焼ガスの量が多くなって、伝熱管１の他の箇所に作用する燃焼ガス量が減少する虞を生じる。これでは、燃焼ガスからの熱回収量が減少する。これに対し、本実施形態の熱交換器ＨＥ１によれば、既述したように隙間Ｃ３を小さくすることが可能であるため、前記の虞を解消し、燃焼ガスからの熱回収量を多くして高い熱交換効率が得られる。

各伝熱管１の端部は、補助部材３１に貫通しており、補助部材３１によって支持されている。これに対し、補助部材３１は、幅が比較的小さく、また外周縁部３１ａの全体が膨出部３０に接合されているなどの理由から、その厚みを比較的小さくした場合であっても、その強度をかなり高いものとすることができる。したがって、補助部材３１を利用して各伝熱管１の端部を安定的に支持することが可能である。各伝熱管１の支持を安定させることを目的としてケース２の厚みｔ１をさほど大きくする必要はない。したがって、ケース２の全体の薄肉化ならびに軽量化を図り、製造コストの低減化をも図ることが可能である。本実施形態においては、ケース２の厚みｔ１と補助部材３１の厚みｔ２との関係が、ｔ１＜ｔ２の関係にあるが、本発明においては、これに代えて、ｔ１≒ｔ２、あるいはｔ１＞ｔ２の関係としてもよい。

図４および図５は、熱交換器の他の実施形態を示している。これらの図において、前記実施形態と同一または類似の要素には、前記実施形態と同一の符号を付している。

図４に示す実施形態においては、補助部材３１が単なる平板状であり、ケース２の側壁部２０ｆの内面に対面接触した状態において、補助部材３１の外周縁部３１ａと側壁部２０ｆの内面とを接合する接合部Ｊ１が設けられている。本実施形態によれば、補助部材３１がケース２の内方側にその厚み寸法分だけ突出した状態となるものの、その突出寸法は小さい。膨出部３０は、ケース２の外方に向けて突出しているために、この膨出部３０が伝熱管１と干渉する虞は適切に回避されている。したがって、前記実施形態と同様に、最外周の伝熱管１Ａと側壁部２０ｆとの隙間Ｃ３の寸法Ｌ１を、やはり小さくすることができる。本実施形態から理解されるように、補助部材３１については、その全体または一部がケース２の内方側に向けて突出した構成されていてもかまわない。

図５に示す熱交換器ＨＥ２においては、伝熱管１として、略一直線状に延びた直状管体が用いられており、ケース２の幅方向の一端部には、入水用および出湯用のヘッダ部３Ｃ，３Ｄが設けられ、かつ他端部には、湯水戻し用のヘッダ部３Ｅが設けられている。これらのヘッダ部３Ｃ〜３Ｅは、ケース２の側壁部２０ｅ，２０ｆにプレス加工を施すことによって形成されてケース２の外方に向けて膨出した膨出部３０ｃ〜３０ｅを具備している。これら膨出部３０ｃ〜３０ｅの内側には、空間部３２ｃ〜３２ｅとケース２の内部領域２８とを仕切る補助部材３１ｃ〜３１ｅが設けられており、伝熱管１（１Ｂ）の両端部は、補助部材３１ｃ，３１ｅに貫通し、伝熱管１（１Ｃ）の両端部は、補助部材３１ｄ，３１ｅに貫通している。膨出部３０ｅ，３０ｆには、入水口３９ｅおよび出湯口３９ｆを形成する継手用管体３３が取り付けられている。

本実施形態においては、入水口３９ｅからヘッダ部３Ｃに供給された湯水は、このヘッダ部３Ｃに接続されている伝熱管１Ｂ内を通過して湯水戻し用のヘッダ部３Ｅ内に流入し、その後は伝熱管１Ｃ内を通過してヘッダ部３Ｄ内に到達し、出湯口３９ｆから出湯する。このような湯水の流通過程において、この湯水は、流入口２１からケース２内に流入した燃焼ガスによって加熱される。本実施形態においては、前記実施形態とは異なり、伝熱管１が直状管体を用いて構成されているために、ヘッダ部３Ｃ〜３Ｅと伝熱管１との干渉を回避し得るといった効果をとくに奏するものではないが、ヘッダ部３Ｃ〜３Ｅの膨出部３０ｃ〜３０ｅがケース２の外方に向けて膨出しているために、ケース２内がヘッダ部３Ｃ〜３Ｅのボリューム分だけ狭くなるようなことはなく、またケース２の内面が大きな凹凸状になるといったことを適切に回避することができる。もちろん、補助部材３１ｃ〜３１ｅの強度を高くして伝熱管１の端部を安定的に支持し得るとともに、ケース２自体の厚みについてはさほど大きくする必要はなく、ケース２の薄肉化や軽量化を図ることができる利点も得られる。本実施形態から理解されるように、伝熱管は必ずしも螺旋状管体を利用したものでなくてもよく、これ以外の種々の伝熱管（たとえば、前記した直状管の他に、Ｕ字管、蛇行状のフレキシブル管など）を用いることができる。

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。

本発明でいう膨出部は、熱交換器のケースの側壁部の一部がケースの外方に向けて膨出し、かつ内部に空間部を形成する構成であればよく、その具体的な膨出寸法や形状などは限定されない。また、本発明でいう補助部材も、その具体的な形状やサイズは限定されず、要は、膨出部の内部の空間部とケースの内部領域とを仕切るようにケースに取り付けら
れて、伝熱管の端部との固定が図られていればよい。

本発明においては、熱交換器に複数のヘッダ部が設けられる場合に、これら複数のヘッダ部の全てが本発明の意図する構成とされることが好ましいものの、やはりこれに限定されない。たとえば複数のヘッダ部のうち、一部のヘッダ部のみが本発明の意図する構成とされ、これ以外の他のヘッダ部が本発明の意図する構成ではない場合であっても、本発明の技術的範囲に包摂される。熱交換用媒体としては、燃焼ガス以外の種々の流体を用いることができる。本発明に係る熱交換器は、潜熱回収用に限らないことは勿論のこと、湯水加熱用途以外の種々の用途に適用可能なものとして構成することもできる。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
ＨＥ１，ＨＥ２ 熱交換器
Ｃ３ 隙間
Ｊ１，Ｊ２ 接合部
１ 伝熱管
２ ケース
３Ａ〜３Ｅ ヘッダ部
２８ ケースの内部領域
３０，３０ｃ〜３０ｅ 膨出部
３１，３１ｃ〜３１ｅ 補助部材
３１ａ 外周縁部（補助部材の）
３２ 空間部

Claims (4)

1. 伝熱管を内部に収容しているケースと、
   このケースの一部を利用して構成され、かつ前記伝熱管の端部に繋がったヘッダ部と、
   を備えており、
   前記伝熱管は、前記ヘッダ部に繋がった端部が直状管体部とされ、かつ長手方向の中間部に曲状管体部を有しており、
   前記ケース内に熱交換対象媒体が供給されたときには、前記伝熱管の曲状管体部と前記ケースの側壁部との隙間を前記熱交換対象媒体の一部が通過する構成とされている、熱交換器であって、
   前記ヘッダ部は、
   前記ケースの側壁部にプレス加工を施すことにより、前記側壁部の一部が前記側壁部の外方に向けて膨出するように前記側壁部に一体的に形成され、かつ内部に空間部を形成している外向きの膨出部と、
   前記空間部と前記ケースの内部領域とを仕切るように前記ケースに取り付けられ、かつ前記伝熱管の内部を前記空間部に連通させるようにして前記伝熱管の端部との固定が図られる補助部材と、
   を備えており、
   前記補助部材は、少なくともその外周縁部が前記膨出部の内側に嵌入され、前記膨出部の内壁面にロウ付けまたは溶接されていることを特徴とする、熱交換器。
2. 前記補助部材は、全体が前記膨出部の内側に進入した配置とされ、前記ケースの内壁面よりも前記ケースの内方側へ突出しないように設けられている、請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記伝熱管として、サイズが相違する複数の螺旋状管体が略同心の重ね巻き状に配された構成を有する複数の伝熱管が用いられ、
   前記ケース内に熱交換対象媒体が供給されたときに、前記複数の螺旋状管体のうち、最外周の螺旋状管体と前記ケースの側壁部の内壁面との隙間を前記熱交換対象媒体の一部が通過する構成とされ、
   前記ヘッダ部は、前記複数の伝熱管の両端部のそれぞれに対応して設けられて、これらヘッダ部と前記最外周の螺旋状管体との干渉が避けられている、請求項１または２に記載
   の熱交換器。
4. 熱交換対象媒体から熱回収を行なうことにより湯水を加熱するための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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