JP5605740B2

JP5605740B2 - 温水装置

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Publication number: JP5605740B2
Application number: JP2009148524A
Authority: JP
Inventors: 信宏竹田; 誠廣津
Original assignee: Noritz Corp
Current assignee: Noritz Corp
Priority date: 2009-06-23
Filing date: 2009-06-23
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2029-06-23
Also published as: JP2011007352A

Description

本発明は、温水装置に関する。

本出願人は、螺旋式の伝熱管を用いた熱交換器の一例として、特許文献１に記載されたものを先に提案している。同文献に記載された熱交換器においては、燃焼ガスが流入するケーシング内に伝熱管の螺旋状管体部が収容されている。この螺旋状管体部の端部に繋がっている延設管体部の一部は、ケーシングの側壁部を貫通してケーシングの外部に引き出され、入水口または出湯口とされている。螺旋状管体部は、複数のループ部が上下高さ方向に隙間を介して並んだ構成を有しており、ケーシング内に流入した燃焼ガスは、前記隙間を通過することにより、螺旋状管体部を効率良く加熱する。また、螺旋状管体部の各ループ部は、たとえば略長円状に形成されており、略平行な配置とされた一対の直状管体部と、これら一対の直状管体部の端部どうしを繋ぐ略半円アーチ状に形成された一対の曲状管体部とを有している。ただし、これら一対の曲状管体部は、上下高さ方向に傾斜しているのに対し、一対の直状管体部は、略水平状とされている。このような構成によれば、螺旋状管体部の各所の全体を傾斜させる場合と比較すると、螺旋状管体部の全体の高さ寸法を小さくすることができる。

しかしながら、従来においては、次に述べるように、不具合を生じる場合があった。

すなわち、従来の熱交換器においては、伝熱管の複数のループ部の上下配列ピッチ（螺旋状管体部の螺旋ピッチ）は、複数のループ部どうしの隙間に燃焼ガスが好ましい流量で通過するように選定されるが、その寸法は、螺旋状管体部の全体にわたって各所同一に揃えられているのが通例であった。ところが、このように構成では、ループ部どうしの隙間を小さくすべく前記配列ピッチを非常に小さくする場合に、延設管体部と螺旋状管体部のループ部とが干渉する虞があった。

より具体的には、図１０（ａ）に模式的に示すように、伝熱管９の上下２つの延設管体部９０は、最上段および最下段にそれぞれ位置する２つの第１のループ部９１ａに繋がってケーシング７Ａの側壁部７７に向けて略水平に延びている。この延設管体部９０は、第１のループ部９１ａに隣接する第２のループ部９１ｂに対して、平面視において一部分が重なった配置にある。したがって、螺旋状管体部９１の各所の配列ピッチＰ１０をかなり小さくしようとすると、たとえば同図の符号ｎ１で示す箇所において延設管体部９０が第２のループ部９１ｂと干渉する虞があった。このため、螺旋ピッチＰ１０を所望の小寸法に設定することが事実上困難となって、複数のループ部間の隙間を小さくするのに苦慮する場合があった。

前記した不具合を解消する手段としては、図１０（ｂ），（ｃ）に示すような手段がある。同図（ｂ）に示す手段においては、延設管体部９０を第２のループ部９１ｂから離反するように上下に傾斜させている。ところが、このような手段によれば、延設管体部９０がケーシング７Ａの側壁部７７に対して斜めに貫通することとなる。これでは、側壁部７７に設けられる貫通孔７７ａを楕円状に形成せねばならないといった必要があるばかりか、延設管体部９０をケーシング７Ａ内に組み込む作業が面倒なものとなり、さらには側壁部７７と延設管体部９０とのろう付け（または溶接）の品質も安定しないものとなるなど、熱交換器の組み立て作業性が悪化する。一方、同図（ｃ）に示す手段においては、延設管体部９０に曲げ部ｎ２を設けている。ところが、このような手段によれば、延設管体部９０に上下方向の曲げ加工を余分に施す必要が生じ、伝熱管９の製造に際しての曲げ工程数が多くなるため、伝熱管９の製造作業が煩雑化する不具合を招く。

なお、従来においては、たとえば特許文献２に記載されているように、伝熱管の螺旋状管体部を構成する複数のループ部の形状や大きさなどを不揃いにしたものがある。このような構成の伝熱管を用いた場合には、第１のループ部に繋がった延設管体部を第２のループ部に重ならない配置として、延設管体部と第２のループ部との干渉を回避することが可能である。ただし、同文献に示すように、螺旋状管体部の複数のループ部の形状や大きさなどを不揃いにしたのでは、この螺旋状管体部の製造がかなり煩雑なものとなり、伝熱管の製造コストが高価となる不具合がある。

特開２００７−３３３３４３号公報特開２００６−１４５２００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、伝熱管の螺旋状管体部の複数のループ部どうしの隙間をかなり小さくする場合であっても、螺旋状管体部に繋がった延設管体部を上下方向に傾斜させたり、あるいは上下に曲げ加工を施すといったことなく、簡易な手段によって延設管体部が螺旋状管体部と干渉することを適切に防止し、製造の容易化および低コスト化を図ることが可能な熱交換器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。

本発明により提供される温水装置は、加熱用流体供給手段と、この加熱用流体供給手段から供給される加熱用流体を利用して湯水加熱を行なうための熱交換器と、を備えている、温水装置であって、前記熱交換器は、上下高さ方向に起立した側壁部を有し、かつ内部
に加熱用流体が流入するケーシングと、このケーシング内に配された螺旋状管体部およびこの螺旋状管体部に繋がった上下一対の延設管体部を有する伝熱管と、を備えており、前記螺旋状管体部は、互いに間隔を隔てて略平行な配置とされた略水平状の一対の直状管体部と、これら一対の直状管体部の端部どうしを繋ぐ略半円アーチ状に形成され、かつ上下高さ方向に傾斜した一対の曲状管体部とを備えた略長円状の複数のループ部が、一連に繋がって上下高さ方向に隙間を隔てて並んだ構成とされており、前記一対の延設管体部は、前記螺旋状管体部の最上段および最下段に位置する第１のループ部に繋がって略水平状に延び、かつ前記ケーシングの側壁部に対して略直角の交差角度で貫通しており、前記各第１のループ部は、前記一対の直状管体部の一端部どうしが略半円アーチ状の第１の曲状管体部を介して繋がっている一方、前記一対の直状管体部の一方の他端部には、前記第１の曲状管体部の半分の長さの略１／４円アーチ状に形成された第２の曲状管体部の一端が繋がった構成とされ、かつ前記第１の曲状管体部が、上下高さ方向中間領域の他のループ部の各曲状管体部よりも傾斜角度が大きくされていることにより、前記各第１のループ部とこれに隣接する第２のループ部との上下方向配列ピッチが、前記他の複数のループ部の上下方向配列ピッチよりも大きくされており、前記各延設管体部は、前記第２の曲状管体部の他端に繋がって前記一対の直状管体部が延びる方向に対して略直交する方向に延びており、前記熱交換器のケーシング内には、この熱交換器の伝熱管とは別個に構成された追加の伝熱管が前記伝熱管と横並び状態で収容され、または前記熱交換器のケーシングの横に追加の伝熱管を収容した追加のケーシングが並んで設けられて、前記伝熱管および前記追加の伝熱管のいずれによっても加熱用流体との熱交換が可能とされており、前記熱交換器の伝熱管は、複数の螺旋状管体部の各ループ部が前記伝熱管と追加の伝熱管との横並び方向とは交差する方向に延びた一対の直状管体部を有する略長円状とされていることを特徴としている。
なお、本発明でいう略１／４円アーチ状とは、中心角が略直角の扇形の弧（アーチ）と同様な形状の意である。

このような構成によれば、螺旋状管体部の上下高さ方向中間領域における複数のループ部の上下方向配列ピッチを小さくした場合であっても、第１のループ部と第２のループ部との上下方向配列ピッチを大きくし、第１のループ部に繋がった延設管体部を第２のループ部に干渉しないようにすることができる。したがって、伝熱管の複数のループ部どうしの隙間寸法をかなり小さくすることが容易に達成できる。本発明においては、延設管体部と第２のループ部との干渉を回避するための手段として、延設管体部を上下に傾斜させる必要はないため、延設管体部をケーシングの側壁部に対して略直交した角度で貫通させた状態も適切に達成され、延設管体部と側壁部とのろう付け（または溶接）の品質が不安定となるような不具合も解消し、ケーシング内への伝熱管の組み込み作業を容易なものとすることができる。また、延設管体部と第２のループ部との干渉を回避する手段として、延設管体部を上下方向に曲げる必要もないため、伝熱管を製造する際の曲げ工程数が増加する不利も回避することができる。したがって、伝熱管の製造の容易化および低コスト化を図るのにも好ましい。さらに、本発明によれば、第１のループ部と第２のループ部との上下方向配列ピッチは他の複数のループ部の配列ピッチとは相違するものの、特許文献２とは異なり、第１のループ部以外の他の複数のループ部については、配列ピッチを各所一定に揃えるとともに、形状やサイズをも揃えることができる。
さらに、前記構成によれば、螺旋状管体部の最上段および再下段に繋がった２本の延設管体部を、ともに上下方向に傾斜させたり曲げたりするようなことなく、上下２つの第２のループ部と干渉しないようにすることができる。また、２つの延設管体部をともに上下
ケーシングの側壁部に略直交した角度で貫通させるために、伝熱管をケーシング内に組み込む作業をより容易なものとすることが可能であり、２つの延設管体部と側壁部とのろう付け（または溶接）の品質が不安定となる不具合も好適に解消される。
さらに、前記構成によれば、延設管体部が延びる方向と、略長円状に形成されたループ部の各直状管体部が延びる方向とは略直交するために、延設管体部と各直状管体部とが同一方向に延びるようにされた場合と比較すると、伝熱管全体の横幅(延設管体部が延びる方向の幅)、ひいては熱交換器全体の横幅を小さくするのに適するものとなる。なお、前記構成の熱交換器においては、延設管体部と各直状管体部とが同一方向に延びるようにされたものと比較すると、後述するように、延設管体部と第２のループ部とが干渉し易くなるが、本発明によれば、そのような干渉を好適に回避することが可能である。
さらに、伝熱管を利用した熱交換動作と追加の伝熱管を利用した熱交換動作とを個別に行なうことが可能となり、たとえば一般給湯用の湯水加熱機能と暖房用の湯水加熱機能とを兼備させるといったことが実現できる。伝熱管と追加の伝熱管とは横並び状態に設けられているが、伝熱管の略長円状のループ部の直状管体部は、横並び方向とは交差する方向に延びているために、伝熱管の横幅（伝熱管と追加の伝熱管とが並ぶ方向の幅）が大きく嵩張らないようにして、全体の小型化を図るのに好ましいものとなる。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記伝熱管として、螺旋状管体部のループ部の大きさが相違する複数の伝熱管を備えており、これら複数の伝熱管は、複数の螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配され、かつ複数の延設管体部が互いに略平行に延びた構成とされており、前記複数の伝熱管のそれぞれの外径または上下厚み寸法をｄ、最外周のループ部の各曲状管体部の中心曲率半径をＲ１、最内周のループ部の各曲状管体部の中心曲率半径をＲ２、各螺旋状管体部の上下高さ方向中間領域における複数のループ部の上下配列ピッチをＰ１、各螺旋状管体部の第１のループ部と第２のループ部との上下配列ピッチをＰ２とした場合において、
Ｐ１＜（２πｄ）／［π＋sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)］
Ｐ２≧（２πｄ）／［π＋sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)］
の関係が成立している。

このような構成によれば、次のような効果が得られる。すなわち、上記構成とは異なり、たとえばＰ１＝Ｐ２とされて、複数のループ部の全ての上下配列ピッチが一定の寸法Ｐに揃えられている場合、このＰが、小寸法であって、Ｐ＜（２πｄ）／［π＋sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)］であると、延設管体部と第２のループ部とは互いに干渉する（その詳細は、後述する）。これに対し、上記構成によれば、螺旋状管体部の上下高さ中間領域におけるループ部の上下配列ピッチＰ１が、延設管体部と第２のループ部とが本来的に干渉する寸法であるのに対し、第１のループ部と第２のループ部との上下配列ピッチＰ２は、それ以上の大きな寸法とされており、延設管体部と第２のループ部との干渉が好適に回避される（この点も、その詳細は後述する）。

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。

本発明が適用された温水装置の一例を示す概略断面図である。図１のII−II要部断面図である。図１に示す温水装置に用いられている熱交換器の正面断面図である。図１に示す温水装置に用いられている熱交換器の平面断面図である。（ａ）は、図３および図４の熱交換器に用いられている伝熱管集合体を示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。（ａ），（ｂ）は、図５に示す伝熱管集合体を模式的に示す図である。図３および図４の熱交換器の組み立て作業状態の一例を示す要部断面図である。（ａ）は、本発明が適用された伝熱管の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は、その正面図である。（ａ）は、伝熱管の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は、伝熱管集合体の他の例を示す平面図である。（ａ）〜（ｃ）は、従来技術の例を模式的に示す図である。

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７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。本実施形態の温水装置ＷＨは、２つの燃焼器３ａ，３ｂ、２つの１次熱交換器１ａ，１ｂ、および２次熱交換器ＨＥを備えている。２次熱交換器ＨＥは、本発明が適用された熱交換器の一例に相当する。

燃焼器３ａ，３ｂは、本発明でいう加熱用流体供給手段の一例に相当し、加熱用流体としての燃焼ガスを発生させるたとえばガスバーナまたはオイルバーナである。これらの燃焼器３ａ，３ｂは、缶体３０ａ，３０ｂ内に配され、かつ燃料ガスまたは燃料オイルが外部から配管３２ａ，３２ｂを介して供給される。缶体３０ａ，３０ｂ内には、２つのファン３１ａ，３１ｂから燃焼用空気が上向きに送風される。１次熱交換器１ａ，１ｂは、燃焼器３ａ，３ｂによって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、たとえば複数のフィン１２を有する伝熱管１１ａ，１１ｂが缶体３０ａ，３０ｂ内に配された構造である。

２次熱交換器ＨＥは、１次熱交換器１ａ，１ｂ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り、１次熱交換器１ａ，１ｂの上方に配されている。この２次熱交換器ＨＥは、中空の略直方体状のケーシング７、このケーシング７に収容された複数の第１および第２の伝熱管Ｔ１，Ｔ２、入水用のヘッダ５８，８８、および出湯用のヘッダ５９，８９を備えている。第１の伝熱管Ｔ１は、１次熱交換器１ａおよび燃焼器３ａに対応しており、これらはたとえば床暖房用の温水を生成するのに用いられる。これに対し、第２の伝熱管Ｔ２は、１次熱交換器１ｂおよび燃焼器３ｂに対応しており、これらはたとえば台所や洗面所などへの一般給湯を行なうのに用いられる。一般給湯用のものは、床暖房用のものよりも湯水加熱能力を高くする必要があるため、燃焼器３ｂは燃焼器３ａよりも熱発生量が多く、また１次熱交換器１ｂおよび第２の伝熱管Ｔ２は、１次熱交換器１ａおよび第１の伝熱管Ｔ１よりも伝熱面積が大きい。出湯用のヘッダ５９は、適当な配管９９ａを介して伝熱管１１ａの入水口１３ａに接続されており、また同様に、出湯用のヘッダ８９は、配管９９ｂを介して伝熱管１１ｂの入水口１３ｂに接続されている。このことにより、入水用のヘッダ５８に供給された水（不凍液を含む）は、第１の伝熱管Ｔ１を流通して加熱された後に、伝熱管１１ａに送られてさらに加熱され、この伝熱管１１ａの出湯口１４ａから出湯する。また、入水用のヘッダ８８に供給された水は、第２の伝熱管Ｔ２を流通して加熱された後に、伝熱管１１ｂに送られてさらに加熱され、この伝熱管１１ｂの出湯口１４ｂから出湯する。

第１および第２の伝熱管Ｔ１，Ｔ２は、ともに螺旋式の伝熱管であり、複数の螺旋状管体部４，６と、これらに繋がった複数の延設管体部５，８とを有している。螺旋状管体部４，６は、ともに１つのケーシング７内に収容されて、このケーシング７の幅方向に横並び状に設けられており、これらの間が仕切板７９によって仕切られている。ただし、このような構成に代えて、第１および第２の伝熱管Ｔ１，Ｔ２を２つのケーシング内に個別に収容し、これら２つのケーシングを横並び状態に互いに隣接させた構成とすることもできる。図３によく表われているように、ケーシング７の底部には、潜熱回収に伴って発生する凝縮水をケーシング７の外部に排出するための排出口７８が設けられている。この排出口７８は、たとえば第２の伝熱管Ｔ２の下方またはその近傍に設けられており、仕切板７９の下部または下方には、第１の伝熱管Ｔ１側において発生した凝縮水を排出口７８に向けて流れさせるための隙間（図示略）が適宜設けられている。図４に示すように、ケーシング７の底壁部７０ａおよび前壁部７０ｂには、燃焼ガスの給気口７１ａ，７１ｂおよび排気口７２ａ，７２ｂが設けられており、１次熱交換器１ａ，１ｂを通過した燃焼ガスは、給気口７１ａ，７１ｂからケーシング７内に流入することにより、螺旋状管体部４，６の後述するループ部４０どうし、またはループ部６０どうしの隙間を通過してこれらの部分を加熱し、その後排気口７２ａ，７２ｂからケーシング７の外部に排出されるようになっている（図２も参照）。

複数の第１の伝熱管Ｔ１のそれぞれは、たとえばステンレスなどの金属製の丸パイプ材に曲げ加工を施すことにより構成されている。図５によく表われているように、複数の螺旋状管体部４は、略長円状の複数のループ部４０が一連に繋がり、かつ複数の隙間を介して上下高さ方向に積層した構成を有している。ただし、これら複数の螺旋状管体部４は、それらのループ部４０のサイズが相違しており、略同心の重ね巻き状とされている。複数のループ部４０のうち、最上段および最下段に位置する２つの第１のループ部４０ａ以外の他のループ部４０は、略平行な配置とされた一対の直状管体部４１と、これら一対の直状管体部４１の端部どうしを繋ぐ略半円アーチ状の一対の曲状管体部４２とを有している。一対の曲状管体部４２は上下高さ方向に傾斜した傾斜部であるのに対し、一対の直状管体部４１は、傾斜のない、または殆どない水平部である。

一方、各第１のループ部４０ａは、略平行な配置とされた一対の直状管体部４１と、これら一対の直状管体部４１の一端部どうしを繋ぐ略半円アーチ状の第１の曲状管体部４２と、一対の直状管体部４１の一方の他端部に一端が繋がった第２の曲状管体部４３とを有している。この第２の曲状管体部４３は、第１の曲状管体部４２の半分の長さの略１／４円アーチ状である（なお、略１／４円アーチ状とは、既に述べたとおり、中心角が略直角の扇形の弧（アーチ）と同様な形状である）。第１のループ部４０ａでは、第１の曲状管体部４２が上下方向に傾斜しているものの、一対の直状管体部４１および第２の曲状管体部４３は、ともに略水平である。各延設管体部５は、第２の曲状管体部４３の他端に一体的に繋がっており、直状管体部４１が延びる方向に対して略直交する水平方向に直線状に延びている。複数の延設管体部５は、互いに略平行な配置とされて、図３に示すように、ケーシング７の側壁部７０ｃに略直交する角度で貫通しており、それらの一部分はケーシング７の外部に引き出されてヘッダ５８，５９と連結されている。

図５（ｂ）に示すように、螺旋状管体部４のうち、第１および第２のループ部４０ａ，４０ｂ間を除く他のループ部４０間の上下配列ピッチＰ１は、各所一定とされている。これに対し、第１および第２のループ部４０ａ，４０ｂの上下方向配列ピッチＰ２は、前記の配列ピッチＰ１よりも大きくされており、このことにより延設管体部５と第２のループ部４０ｂとの干渉が回避されている。

より具体的には、前記した配列ピッチＰ１，Ｐ２は、次のような式１，式２を満たす関係とされている。
Ｐ１＜（２πｄ）／［π＋sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)］・・・式１
Ｐ２≧（２πｄ）／［π＋sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)］・・・式２
ｄ：第１の伝熱管Ｔ１の外径
Ｒ１：最外周のループ部４０Ａの各曲状管体部４２の中心曲率半径
Ｒ２：最内周のループ部４０Ｂの各曲状管体部４２の中心曲率半径

上記した式１，式２を図６の模式図を参照して考察する。まず、同図（ａ）に示すように、最上段に位置する第１のループ部４０ａに繋がった複数の延設管体部５と第２のループ部４０ｂとが平面視において交差する箇所としては、ａ，ｆ，ｇ，ｈで示す箇所に加え、ｐ₁〜ｐ₆で示す計１０箇所ある。一方、複数の延設管体部５は略水平状であって、それらの高さが同一であるのに対し、第２のループ部４０ｂの曲状管体部４２は、ｅ点側からａ点側に向かうに連れて徐々にその高さが低くなっている。したがって、前記した１０箇所のうち、曲状管体部４２のうち、高さが最も高く、かつ曲状管体部４２および延設管体部５が互いに最接近する箇所は、ｐ₁である。これは、弧ｅｐ₁の中心角θが、他の部分の中心角（たとえば、弧ｅ’ｐ₂の中心角θ１や、弧ｅｐ₄の中心角θ２など）よりも小さく、曲状管体部４２において、ｅ点からの下降寸法が最も小さくなることから理解することができる。したがって、ｐ₁における延設管体部５と第２のループ部４０ｂとの干渉を回避できれば、前記した他の９箇所においても延設管体部５と第２のループ部４０ｂとの干渉は回避されることとなる。

前記したｐ₁は、最外周のループ部４０Ａの曲状管体部４２と、最内周のループ部４０Ｂに繋がった延設管体部５とが交差する箇所であり、次にこの点について図６（ｂ）を参照してさらに考察を進める。
まず、弧ｅａは、ｅからａに向けて一定の傾斜角度で下降している。ここで、仮に、複数のループ部４０の各所の上下配列ピッチが一定であって、このピッチをＰであるとすると、ｅとａとの高低差は、Ｐ／４である。一方、弧ｅａの中心角は、π／２である。したがって、ｅからｐ₁までの下降寸法をＨ１とすると、
Ｈ１＝（Ｐ／４）×［θ／（π／２）］、すなわち、Ｈ１＝Ｐ・θ／２πとなる。
一方、延設管体部５からｅまでの下降寸法をＨ２とすると、このＨ２は、弧ｃｄの下降量と等しく、Ｈ２＝Ｐ／２である。
したがって、延設管体部５からｐ₁までのトータルの下降寸法Ｈは、
Ｈ＝Ｈ１＋Ｈ２
＝Ｐ・θ／２π＋Ｐ／２
＝Ｐ（π＋θ）／２πとなる。
ここで、θ＝sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)である。
したがって、Ｈ＝Ｐ［π＋sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)］／２π ・・・式３
この式３において、Ｈ＜ｄであると、延設管体部５と曲状管体部４２とが干渉することとなる。したがって、延設管体部５と曲状管体部４２とが干渉する条件は、
Ｐ［π＋sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)］／２π＜ｄであり、この式から次の式４が得られる。
Ｐ＜（２πｄ）／［π＋sin^-1(Ｒ２／Ｒ１)］・・・式４

本実施形態の第１の伝熱管Ｔ１では、上下高さ中間領域の複数のループ部４０の配列ピッチＰ１が、上記の式４を満たすＰに相当し、本来的には、延設管体部５と第２のループ部４０ｂとが干渉する条件下にある。ところが、第１のループ部４０ａと第２のループ部４０ｂとの配列ピッチＰ２は、式２を満たしており、上記の式４のＰには相当しないものとなっている。このため、延設管体部５と第２のループ部４０ｂとの干渉は好適に回避される。

図４において、複数の第２の伝熱管Ｔ２は、螺旋状管体部６を構成する複数のループ部６０が略長円状とされており、このような点については第１の伝熱管Ｔ１と共通している。ただし、この第２の伝熱管Ｔ２においては、延設管体部８が直状管体部６と略一直線状となるように延びており、この点において第１の伝熱管Ｔ１とは構成が相違している。また、複数のループ部６０の配列ピッチＰ４（図３を参照）は、各所一様とされており、この点においても第１の伝熱管Ｔ１とは相違している。したがって、本実施形態においては、第１および第２の伝熱管Ｔ１，Ｔ２のうち、第１の伝熱管Ｔ１のみが本発明が適用された伝熱管に相当する。前記したピッチＰ４は、たとえばＰ１と略同様であるが、この第２の伝熱管Ｔ２は、後述するように、第１の伝熱管Ｔ１と比較して、延設管体部８と第２のループ部６０ｂとが干渉し難い構造であり、これらは干渉していない。複数の延設管体部８は、ケーシング７の側壁部７０ｄを略直交する角度で貫通して、それらの一部がケーシング７の外部に引き出されており、この部分にヘッダ８８，８９が連結されている。

次に、２次熱交換器ＨＥ、およびこれを備えた温水装置ＷＨの作用について説明する。

まず、燃焼器３ａによって発生された燃焼ガスからは、１次熱交換器１ａによって顕熱を回収した後に、２次熱交換器ＨＥの螺旋状管体部４によって潜熱を回収することができる。同様に、燃焼器３ｂによって発生された燃焼ガスからは、１次熱交換器１ｂおよび２次熱交換器ＨＥの螺旋状管体部６によって顕熱および潜熱を回収することができる。したがって、このような熱回収により、たとえば床暖房用および一般給湯用の二通りの湯水加熱を個別に、または同時に効率良く実行することができる。ケーシング７内には、螺旋状管体部４，６が横並び状態で設けられているが、螺旋状管体部４は、各直状管体部４１がケーシング７の前後方向に延びており、その横幅Ｗ（図４を参照）は、比較的小さくなる向きに設定されている。したがって、螺旋状管体部４，６のトータルの横幅が大きく嵩張ることを抑制し、２次熱交換器ＨＥの小型化を図る上で有利となる。

第１の伝熱管Ｔ１については、既述したとおり、螺旋状管体部４の上下高さ方向中間部のループ部４０の配列ピッチＰ１がかなり小さな寸法に設定されている。このため、ループ部４０どうしの隙間が微小な寸法とされ、この隙間に燃焼ガスを熱効率良く通過させ得るようになっている。その反面、第１および第２のループ部４０ａ，４０ｂの配列ピッチＰ２は、前記した式２を満たす寸法とされており、延設管体部５を略水平な直線状に形成した場合であっても、延設管体部５と第２のループ部４０ｂとの干渉を好適に回避することができる。したがって、第２のループ部４０ｂとの干渉を回避することを目的として延設管体部５を傾斜または屈曲させる必要がない分だけ、第１の伝熱管Ｔ１の製造が容易となり、その製造コストを廉価にすることができる。丸パイプ材に曲げ加工を施して第１の伝熱管Ｔ１を製造する場合、第１のループ部４０ａと第２のループ部４０ｂとの配列ピッチＰ２を他の配列ピッチＰ１と相違させる作業は、一部の曲状管体部４２の傾斜角度を他の曲状管体部４２の傾斜角度と相違させることによって容易に実行可能である。また、２次熱交換器ＨＥの製造作業工程において、第１の伝熱管Ｔ１をケーシング７に組み込む際には、たとえば図７に示すように、各延設管体部５を側壁部７０ｃの貫通孔７０ｃ’にその水平方向から差し込めばよく、ケーシング７内への第１の伝熱管Ｔ１の組み付け作業も容易なものとなる。

本発明は、上述した実施形態に限定されない。本発明に係る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。

伝熱管は、熱交換器の熱交換効率を高める観点からすると複数本用いることが好ましいものの、１本のみ用いた構成とすることも可能であり、このような場合にも本発明を適用することができる。より詳細に説明すると、図８に示すように、伝熱管Ｔ１が１本のみの場合には、延設管体部５と第２のループ部４０ｂとが平面視において交差する箇所は、ａ点のみである。延設管体部５から第２のループ部４０ｂ上のａ点までの下降寸法Ｈ５は、複数のループ部４０の配列ピッチをＰと仮定すると、Ｈ５＝（３／４）Ｐである。したがって、Ｈ５＜ｄの場合、すなわちＰ＜（４／３）ｄの場合には、延設管体部５と第２のループ部４０ｂとが干渉することとなる。したがって、ループ部４０の配列ピッチＰ１が、Ｐ１＜（４／３）ｄであったとしても、第１および第２のループ部４０ａ，４０ｂの配列ピッチＰ２を、Ｐ２≧（４／３）ｄとすれば、延設管体部５と第２のループ部４０ｂとの干渉を回避することが可能である。

図９に示す伝熱管Ｔ２は、図１〜図７に示した実施形態の第２の伝熱管Ｔ２と同様であるが、同図（ａ）に示すように、この伝熱管Ｔ２が１本のみ用いられる場合には、延設管体部８と第２のループ部６０ｂとの干渉は生じない。なぜなら、複数のループ部６０の各所の上下配列ピッチをＰと仮定すると、第２のループ部６０ｂのうち、平面視において延設管体部８と交差するｊ点の位置の高さは、延設管体部８よりもＰだけ低い高さとなる。このため、ｊ点において延設管体部８と第２のループ部６０ｂとが干渉するには、Ｐ＜ｄである必要があるものの、実際上は、ループ部６０の上下配列ピッチＰをｄよりも小さくすることはできないからである（ループ部６０どうしの隙間をゼロにした場合に、Ｐ＝ｄ）。したがって、図９（ａ）に示す伝熱管Ｔ２が１本のみ用いられる場合には、本発明の適用外となる。これに対し、同図（ｂ）に示すように、伝熱管Ｔ２が複数用いられる場合には、最内周のループ部６０Ｂに繋がった延設管体部８が、中心線Ｃ１に接近した配置となり、伝熱管Ｔ２の数が多いほど、中心線Ｃ１との距離ｓ１が小さくなる。一方、第２のループ部６０ｂのうち、中心線Ｃ１が通過する部分は、ｊ点よりも高い位置にある。したがって、同図（ｂ）に示す構成の場合には、同図（ａ）とは異なり、延設管体部８と第２のループ部６０ｂとが干渉する場合があり得ることとなる。以上の説明から理解できるように、２種類の伝熱管Ｔ１，Ｔ２を比較すると、伝熱管Ｔ１の方が、延設管体部と第２のループ部との干渉を生じやすい構造であり、本発明は、伝熱管Ｔ１またはこれと同様な構造の伝熱管に適用するのに最適である。

伝熱管は、断面円形状のものに代えて、たとえば断面楕円状のものに形成することもできる。ケーシングは、伝熱管の螺旋状管体部を収容し、かつ内部に燃焼ガスなどの加熱用流体が流入されればよく、その具体的な形状やサイズなども限定されない。上述の実施形態では、顕熱回収用の１次熱交換器１ａ，１ｂについては、本発明を適用していないが、本発明に係る熱交換器は、顕熱回収用、潜熱回収用の種別を問わない。本発明に係る熱交換器を、顕熱回収に用いることもできる。また、図１に示した温水装置は、いわゆる２缶（２ファン）方式の温水装置であるが、本発明においては、これとは異なり、たとえば１缶２水式と称されるもののように、１つの缶体内に複数の通水路が設けられたタイプの温水装置として、あるいは１ファン方式の温水装置として構成とすることもできることは勿論である。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。加熱用流体としては、燃焼ガス以外として、たとえばコージェネ用のガスエンジンや燃料電池からの排ガスを用いることもできる。

Claims

加熱用流体供給手段と、この加熱用流体供給手段から供給される加熱用流体を利用して湯水加熱を行なうための熱交換器と、を備えている、温水装置であって、
前記熱交換器は、
上下高さ方向に起立した側壁部を有し、かつ内部に加熱用流体が流入するケーシングと、
このケーシング内に配された螺旋状管体部およびこの螺旋状管体部に繋がった上下一対の延設管体部を有する伝熱管と、
を備えており、
前記螺旋状管体部は、互いに間隔を隔てて略平行な配置とされた略水平状の一対の直状管体部と、これら一対の直状管体部の端部どうしを繋ぐ略半円アーチ状に形成され、かつ上下高さ方向に傾斜した一対の曲状管体部とを備えた略長円状の複数のループ部が、一連に繋がって上下高さ方向に隙間を隔てて並んだ構成とされており、
前記一対の延設管体部は、前記螺旋状管体部の最上段および最下段に位置する第１のループ部に繋がって略水平状に延び、かつ前記ケーシングの側壁部に対して略直角の交差角度で貫通しており、
前記各第１のループ部は、前記一対の直状管体部の一端部どうしが略半円アーチ状の第１の曲状管体部を介して繋がっている一方、前記一対の直状管体部の一方の他端部には、前記第１の曲状管体部の半分の長さの略１／４円アーチ状に形成された第２の曲状管体部の一端が繋がった構成とされ、かつ前記第１の曲状管体部が、上下高さ方向中間領域の他のループ部の各曲状管体部よりも傾斜角度が大きくされていることにより、前記各第１のループ部とこれに隣接する第２のループ部との上下方向配列ピッチが、前記他の複数のループ部の上下方向配列ピッチよりも大きくされており、
前記各延設管体部は、前記第２の曲状管体部の他端に繋がって前記一対の直状管体部が延びる方向に対して略直交する方向に延びており、
前記熱交換器のケーシング内には、この熱交換器の伝熱管とは別個に構成された追加の伝熱管が前記伝熱管と横並び状態で収容され、または前記熱交換器のケーシングの横に追加の伝熱管を収容した追加のケーシングが並んで設けられて、前記伝熱管および前記追加の伝熱管のいずれによっても加熱用流体との熱交換が可能とされており、
前記熱交換器の伝熱管は、複数の螺旋状管体部の各ループ部が前記伝熱管と追加の伝熱管との横並び方向とは交差する方向に延びた一対の直状管体部を有する略長円状とされて
いることを特徴とする、温水装置。
前記伝熱管として、螺旋状管体部のループ部の大きさが相違する複数の伝熱管を備えており、
これら複数の伝熱管は、複数の螺旋状管体部が略同心の重ね巻き状に配され、かつ複数の延設管体部が互いに略平行に延びた構成とされており、
前記複数の伝熱管のそれぞれの外径または上下厚み寸法をｄ、
最外周のループ部の各曲状管体部の中心曲率半径をＲ１、
最内周のループ部の各曲状管体部の中心曲率半径をＲ２、
各螺旋状管体部の上下高さ方向中間領域における複数のループ部の上下配列ピッチをＰ１、
各螺旋状管体部の第１のループ部と第２のループ部との上下配列ピッチをＰ２とした場合において、
Ｐ１＜（２πｄ）／［π＋sin-1(Ｒ２／Ｒ１)］
Ｐ２≧（２πｄ）／［π＋sin-1(Ｒ２／Ｒ１)］
の関係が成立する、請求項１に記載の温水装置。