JP5975423B2 - 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伝熱管を利用して熱回収を行なうタイプの熱交換器、およびこれを備えた給湯装置などの温水装置に関する。

給湯装置に用いられる熱交換器の一例としてとしては、バーナによって発生させた燃焼ガスを流入させるための給気口とその排気口とを形成したケース内に、伝熱管を収容させたものがある（たとえば、特許文献１，２を参照）。このような構成の熱交換器を用いて、燃焼ガスから潜熱回収を行なう場合、伝熱管の表面には、燃焼ガス中の窒素酸化物などの成分を含んだ強酸性のドレン水(凝縮水)が発生する。このようなドレン水は、伝熱管の外表面からケースの底面上に流れ落ちる他、燃焼ガスの流れによって排気口側に吹き飛ばされる場合もある。したがって、なんらの手当てをしなければ、ドレン水が排気口の外部に飛散し、給湯装置の排気口周辺やその下方が汚染される不具合を生じてしまう。
一方、近年においては、熱交換器の小型化の要請が強い。熱交換器の小型化を図るには、熱交換器のケースに設けられた排気口を伝熱管にかなり接近させねばない場合があるが、これらの部位を接近させると、伝熱管の外表面において発生したドレン水が、排気口内に進入し易くなり、ドレン水が排気口の外部に飛散する現象がより顕著となる。
したがって、前記したような現象を簡易な構成によって、適切に防止することが望まれる。

特許文献２に記載の熱交換器は、本発明の構成に比較的近似する先行技術であるため、これを図４に示す。
同図に示す熱交換器おいては、伝熱管８０を収容するケース９の前壁部９ａに、排気口９０が形成されており、この排気口９０の下縁部の後方側（図面右方）には、前上がり状の傾斜部８１が設けられている。この傾斜部８１は、ケース９内に流入した燃焼ガスの排気流れを円滑化することを目的として設けられてものである。ただし、この傾斜部８１をドレン水の飛散防止の観点から考察すると、次のような不具合がある。
すなわち、傾斜部８１の上面上には、伝熱管８０からドレン水が吹き飛ばされてくる場合がある。一方、傾斜部８１の前縁部８１ａは、排気口９０の下縁部に繋がっている。したがって、傾斜部８１の傾斜角度が比較的小さい場合には、この傾斜部８１上のドレン水が燃焼ガスの流れに押されて傾斜部８１上を前進し、排気口９０内へ到達する虞がある。このような状況を生じたのでは、前記ドレン水が排気口９０から外部に飛散する。
排気口９０の位置を高くして傾斜部８１の傾斜角度を大きくしたり、あるいは傾斜部８１のサイズを大きくすれば、前記した不具合を解消することは可能である。しかしながら、種々の事情により、排気口９０の高さを低く設定せねばならない場合や、傾斜部８１のサイズを大きくできないような場合があり、このような場合には前記したような不具合を生じてしまう。なお、傾斜部８１の傾斜角度を大きくできない事情としては、たとえば、傾斜角度を大きくすると、排気抵抗が増大する問題が生じ、また排気方向が上向きとなるため、熱交換器の設置場所の天井に排気が直撃して結露が発生するといった問題を生じる虞があり、これを回避しなければならない事情が挙げられる。

特開２００７−３３３３４３号公報 特開２００７−２３２２８９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り、排気口の外部にドレン水が飛散することを簡易な構成によって適切に防止す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が後部側または略中央の位置に設けられ、かつ排気口が前壁部に設けられているケースと、このケース内に収容され、かつ前記加熱用気体から潜熱を回収可能な伝熱管と、前記排気口の下縁部の後方領域のうち、前記伝熱管よりも前側の位置に設けられ、かつ前記排気口に接近するほど高さが高くなるように上面が傾斜した傾斜部と、を備えている、熱交換器であって、前記排気口の下縁部と前記傾斜部との間には、隙間が設けられており、前記傾斜部の上面上に付着したドレン水がこの傾斜部の前縁部に進行した際に、このドレン水を前記前縁部から前記隙間に流れ落とす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。
すなわち、前記傾斜部は、排気口の下縁部よりも伝熱管寄りの位置しており、加熱用気体の流れの作用によって伝熱管から飛散してくるドレン水が排気口に向けて進行することを阻止する役割を果たす。傾斜部に衝突したドレン水の多くは、この傾斜部の斜面に沿って下方に流れさせることができる。一方、加熱用気体の流れが速いような場合には、ドレン水が傾斜部の前縁部側に進行する場合があるが、このような現象を生じると、前記ドレン水は、傾斜部の前縁部と排気口の下縁部との間に形成された隙間に流れ落ちる。したがって、熱交換器の小サイズ化を促進することを目的として、傾斜部のサイズを余り大きくとれないような場合や、排気口を比較的低い高さに設けるような場合であっても、ドレン水が傾斜部を伝って排気口内に不当に進入することはない。その結果、熱交換器の小サイズ化などを図りつつ、ドレン水によって排気口周辺部などが汚染されることを適切に防止することが可能となる。

本発明において、好ましくは、前記傾斜部の後縁部から下向きに垂れ下がった垂下部を、さらに備えている。

このような構成によれば、ドレン水が排気口に向けて進行することを、傾斜部に加えて垂下部によっても防止することが可能となる。垂下部は、ケースの底面などで跳ねてから排気口に向かうドレン水の進行を阻止するのに有効である。垂下部は、傾斜部から下向きに垂れ下がる形態であるため、ケースの前後方向に嵩張らないようにしてケース内に適切に設けることが可能である。

本発明において、好ましくは、前記傾斜部および前記垂下部は、前記ケースの底壁部の前縁部寄りに形成されたドレン排水ガイド用の凹溝の底面上に配されている。

このような構成によれば、ドレン排水ガイド用の凹溝に溜まったドレン水の液面上で跳ねたドレン水が、排気口に向けて進行することも効率よく阻止し得ることとなる。また、ドレン排水ガイド用の凹溝のスペースを、傾斜部および垂下部の配置スペースとして有効に利用しており、熱交換器の小型化を促進する上で、より好ましい。

本発明において、好ましくは、金属板を用いて前記傾斜部および前記垂下部を一体形成した補助部材を有しており、この補助部材には、前記ケースの前壁部に取り付けられ、かつ前記傾斜部の前縁部に一体的に繋がって前記傾斜部を支持する支持部が、さらに設けら
れている。

このような構成によれば、補助部材をケース内に組み入れて、その支持部をケースの前壁部に取り付けることにより、傾斜部や垂下部を所定の位置へ適切に設けることができ、組立作業が容易となる。

本発明の第２の側面により提供される温水装置は、本発明の第１の側面により提供される熱交換器を備え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。

本発明に係る熱交換器を備えた温水装置の一例を示す概略正面断面図である。 図１のII−II断面図およびその一部拡大図である。 図２に示す構造に用いられている補助部材の斜視図である。 従来技術の一例を示す要部断面図である。

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に示す温水装置ＷＨは、給湯装置として構成されており、全体の基本的な構成は、特許文献１に記載された給湯装置と同様である。したがって、全体の構成については簡単に説明する。
この温水装置ＷＨは、燃焼器３、１次熱交換器１、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。１次熱交換器１は、本発明が適用された熱交換器には相当しない。

燃焼器３は、たとえばガスバーナであり、缶体３０内に配されている。缶体３０内には、ファン３１から燃焼用空気が上向きに送風される。１次熱交換器１は、燃焼器３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１１を有している。

２次熱交換器ＨＥは、１次熱交換器１によって顕熱が回収された燃焼ガスからさらに潜熱を回収するためのものであり、缶体３０上に載設されている。この２次熱交換器ＨＥは、複数の伝熱管４、これら複数の伝熱管４を内部に収容するケース２、および補助部材５（図２および図３を参照）を備えている。

複数の伝熱管４は、平面視長円状などの螺旋状管体を用いて構成されており、これらは互いにサイズが異なったものとされて略同心の重ね巻き状に形成されている。各伝熱管４の下端部４１および上端部４２には、ヘッダ４８，４９が取り付けられている。外部から給水管９８を介してヘッダ４８に供給された湯水は、各伝熱管４を通過して加熱される。この湯水は、ヘッダ４９、配管部９９を通過して、入水口１１ａから伝熱管１１に供給されてさらに加熱される。その後、この湯水は出湯口１１ｂから出湯し、所望の給湯先に送られる。

ケース２は、中空の略直方体状であり、図２に示すように、その底壁部２０ａの後部側
には、燃焼ガス用の給気口２１が設けられ、前壁部２０ｂには、排気口２２が設けられている。排気口２２の周縁部は前方に突出した筒状の突起部２２ｂとして形成されているが、これは温水装置ＷＨの各構成要素の全体を囲む外装ケース（図示略）の外部に燃焼ガス（排ガス）を導いて排出させるためである。１次熱交換器１を上向きに通過した燃焼ガスは、給気口２１からケース２内に流入した後に排気口２２に向けて前進する。このような過程において、燃焼ガスの潜熱が伝熱管４によって回収される。この潜熱回収に伴い、伝熱管４の表面には強酸性のドレン水が発生し、伝熱管４からケース２の底壁部２０ａ上に流れ落ちる。その際、燃焼ガス流れの作用を受けて前方に吹き飛ばされるドレン水も発生する。底壁部２０ａの前縁部寄りの位置には、ドレン排水ガイド用の凹溝２３が形成されている。底壁部２０ａ上を流れて凹溝２３に到達したドレン水は、排水口２４（図示も参照）を通過してケース２の外部に排出される。

補助部材５は、ドレン水が排気口２２内に進入することを抑制するための部材であり、ステンレスなどの金属板にプレス加工を施して形成されている。図３に示すように、補助部材５は、その全体の形状が開口部５３を有する矩形の枠状であり、支持部５０、傾斜部５１、および垂下部５２を一体的に形成したものである。

支持部５０は、開口部５３の上側および左右両側に位置する上板部５０ａおよび一対の側板部５０ｂを有している。各側板部５０ｂの下部には、略水平に屈曲された屈曲部５０ｂ’が設けられ、この屈曲部５０ｂ’に傾斜部５１が繋がっている。図２に示すように、補助部材５は、支持部５０をケース２の前壁部２０ｂに重ね合わせて接合させることにより、ケース２内に固定して取り付けられている。この取り付けに際し、開口部５３が排気口２２と重なる配置とされ、排気口２２を塞がないように設定される。

傾斜部５１は、前上がり状に傾斜した上面を有する部分であり、ケース２の左右横幅方向に延びている。この傾斜部５１は、排気口２２の下縁部２２ａの後方領域のうち、伝熱管４の前側（斜め下前方も含む）に設けられている。より詳しくは、傾斜部５１は、伝熱管４のうち、最下段かつ最前部に位置する管体部４０ａ’の斜め下前方に設けられている。排気口２２の下縁部２２ａと傾斜部５１との間には、隙間Ｃが形成されている。この隙間Ｃは、図３に示した開口部５３の一部であって、一対の屈曲部５０ｂ’の相互間領域に相当する。傾斜部５１の最上部（前縁部５１ａ）の高さは、排気口２２の下縁部２２ａの高さと略同一であり、かつ伝熱管４の最下段の管体部４０ａよりも低い高さである。

本実施形態では、排気口２２の下縁部２２ａの高さがかなり低くされているが、これは、不慮の事態が生じた場合に、ドレン水が給気口２１に流入することを防止するためである。より具体的には、ドレン水が排水口２４から外部に排出されない事態が生じ、ケース２内に多くのドレン水が溜まっていく現象を想定した場合、排気口２２の下縁部２２ａの高さを低くしておけば、ドレン水を排気口２２から外部に流出させることができる。このことにより、給気口２１から缶体３０内にドレン水が流れ落ちることを防止することができる。

垂下部５２は、傾斜部５１の後縁部５１ｂから下向きに垂れ下がった部分であり、傾斜部５１と同様にケース２の左右横幅方向に延びている。図３によく表われているように、この垂下部５２の下縁部には、切欠き部５２ａが設けられ、この切欠き部５２ａを挟んだ一対の下向き凸部５２ｂが形成されている。補助部材５の取り付けに際しては、それら一対の下向き凸部５２ｂをケース２の底壁部２０ａに当接させた状態として補助部材５の位置決めが図られる。傾斜部５１および垂下部５２は、ドレン排水ガイド用の凹溝２３の底面上に位置している。垂下部５２には、切欠き部５２ａが設けられているために、凹溝２３内におけるドレン水の流れが垂下部５２によって阻害されないようにすることが可能である。

次に、前記した２次熱交換器ＨＥおよび温水装置ＷＨの作用について説明する

まず、２次熱交換器ＨＥを利用して、燃焼ガスから潜熱回収を行なわせると、既述したように、伝熱管４の表面にドレン水が発生する。図２の管体部４０ａ’の表面に発生したドレン水Ｄに着目すると、このドレン水Ｄが下方に流れ落ちる際には、燃焼ガス流れの影響を受け、矢印Ｎ１に示すように、斜め下前方に向けて落ちる場合が多い。このようなドレン水の多くは、傾斜部５１の上面に当たり、遮られる。傾斜部５１の上面に当たったドレン水の多くは、矢印Ｎ２に示すように、傾斜部５１の下方に流れ落ちる。ただし、燃焼ガス流れが速いような場合には、矢印Ｎ３に示すように、傾斜部５１の上面上を前方に進行するものも生じる。このようなドレン水については、矢印Ｎ３’に示すように、隙間Ｃに流れ落とすことができる。したがって、ドレン水が傾斜部５１の上面を伝って排気口２２内に進入する現象を生じないようにすることもできる。

ドレン水としては、矢印Ｎ４に示すように、ドレン排水ガイド用の凹溝２３に向けて進行するものもある。凹溝２３にドレン水が存在するような場合には、このドレン水が前方に向けて跳ねる虞があるが、このようなドレン水については、垂下部５２によって適切に遮ることが可能である。垂下部５２は、凹溝２３の底面上に位置しているために、そのような効果は高い。

前記したようなことから、本実施形態では、排気口２２の下縁部２２ａの近傍およびその手前領域に進行してきたドレン水を、傾斜部５１や垂下部５２によって適切に遮り、排気口２２内にドレン水が進入することを防止することが可能である。したがって、排気口２２の外部に強酸性のドレン水が吹き出すことを抑制することができる。
なお、ドレン水としては、たとえば矢印Ｎ５で示すような経路で落下するものもあり得る。このようなドレン水については、本実施形態の構成では遮ることはできない。ただし、伝熱管４への入水は最下段の管体部４０ａから行なわれているために、最下段の管体部４０ａの表面において最も多くのドレン水が発生し、管体部４０ａよりも上側の他の管体部４０ｂで発生するドレン水量は少ない。したがって、前記の矢印Ｎ５の経路で飛散するドレン水量も少ない。本実施形態では、ドレン水の発生量が最も多い最下段の管体部４０ａから飛散するドレン水が排気口２２に進入することを適切に防止し得るものであり、排気口２２の外部周辺がドレン水によって汚染されることを効率良く防止する上で有意義である。

本実施形態では、傾斜部５１や垂下部５２が、ドレン排水ガイド用の凹溝２３のスペースを利用して設けられているために、それらの設置スペース効率がよい。また、補助部材５の支持部５０は、前壁部２０ｂに沿って設けられ、前壁部２０ｂから大きく嵩張った状態にはない。このようなことから、伝熱管４と前壁部２０ｂとの間隔Ｌ１を小さくし、ケース２の小型を図る上でも有利となる。

傾斜部５１や垂下部５２をケース２内の所定位置に設ける作業は、補助部材５をケース２内に組み付けることによって簡単に行なうことが可能であり、組立作業性がよい。また、補助部材５は、金属板のプレス加工によって簡単に製造することができ、その製造コストも廉価に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、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。

本発明でいう傾斜部は、その上面が前上がり状であればよく、その具体的な傾斜角度な
どは限定されない。また、排気口の下縁部と傾斜部との隙間は、ドレン水を落とすことが可能な幅であればよく、やはりその具体的な寸法は限定されない。傾斜部を設けるための手段として、前記した補助部材５とは異なる構成の部材を用いることも可能である。

熱交換器の伝熱管は、螺旋状管体を用いたものに限らず、これ以外として、たとえば直状管体、蛇行状の管体、蛇腹状の管体などを用いた構成とすることもできる。給気口については、ケースの後部側に設けることに代えて、たとえば特開２００８−２９８３２５号公報に記載されているように、ケースの略中央部（ケースの底壁部の略中央など）に設けた構成とすることもできる。

本発明に係る熱交換器は、１つのケース内に複数組の伝熱管が組み込まれたいわゆる１缶複数回路方式とすることも可能である。ケースに設けられる排気口は、必ずしも温水装置の正面を向いて開口するように設けられていなくてもよく、たとえば温水装置の背面側を向いて開口するように設けられていてもよい。本発明でいう熱交換器のケースの前壁部とは、温水装置の正面を向く壁部を意味するのではなく、排気口が設けられている壁部を意味する。

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。熱回収の対象となる気体としては、燃焼ガス以外として、たとえばコージェネレーション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。

ＷＨ 温水装置
ＨＥ ２次熱交換器（熱交換器）
Ｃ 隙間
２ ケース（熱交換器の）
４ 伝熱管
５ 補助部材
２０ｂ 前壁部（ケースの）
２１ 給気口
２２ 排気口
２２ａ 下縁部（排気口の）
２３ ドレン排水ガイド用の凹溝
５０ 支持部（補助部材の）
５１ 傾斜部
５１ａ 前縁部（傾斜部の）
５２ 垂下部

Claims (5)

1. 加熱用気体の給気口が後部側または略中央の位置に設けられ、かつ排気口が前壁部に設けられているケースと、
   このケース内に収容され、かつ前記加熱用気体から潜熱を回収可能な伝熱管と、
   前記排気口の下縁部の後方領域のうち、前記伝熱管よりも前側の位置に設けられ、かつ前記排気口に接近するほど高さが高くなるように上面が傾斜した傾斜部と、
   を備えている、熱交換器であって、
   前記排気口の下縁部と前記傾斜部との間には、隙間が設けられており、前記傾斜部の上面上に付着したドレン水がこの傾斜部の前縁部に進行した際に、このドレン水を前記前縁部から前記隙間に流れ落とすことが可能とされていることを特徴とする、熱交換器。
2. 請求項１に記載の熱交換器であって、
   前記傾斜部の後縁部から下向きに垂れ下がった垂下部を、さらに備えている、熱交換器。
3. 請求項２に記載の熱交換器であって、
   前記傾斜部および前記垂下部は、前記ケースの底壁部の前縁部寄りに形成されたドレン排水ガイド用の凹溝の底面上に配されている、熱交換器。
4. 請求項２または請求項３に記載の熱交換器であって、
   金属板を用いて前記傾斜部および前記垂下部を一体形成した補助部材を有しており、
   この補助部材には、前記ケースの前壁部に取り付けられ、かつ前記傾斜部の前縁部に一体的に繋がって前記傾斜部を支持する支持部が、さらに設けられている、熱交換器。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の熱交換器を備えていることを特徴とする、温水装置。

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