JP6173802B2 - 熱交換器及びそれを用いた給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器及びそれを用いた給湯器に関する。

従来、同一平面上に配列された複数の伝熱管を螺旋状に巻回・積層して構成された伝熱部を備えた熱交換器が知られている。このような熱交換器は、各伝熱管が細長い配管により構成されているため、各伝熱管の配置関係を一定状態に維持することが困難である。例えば、伝熱管が所定の配設位置からずれた場合には、燃焼排気の排気抵抗や熱効率等の設計上の計算が狂ってしまう。

そこで、熱交換器には、隣接する伝熱管の間隔を一定に保ち、それを維持するためのスペーサが設けられている。例えば、特許文献１には、伝熱部の左右両端部であるコーナ部（伝熱管を折り返してなる部分）において、上下方向に隣接する伝熱管間に平板状のスペーサを挿入して介在させた熱交換器が開示されている。

特許第４９６３１２６号公報

ところで、前記特許文献１の熱交換器では、伝熱管の上下方向への巻回数（積層数）が増すにつれて、スペーサの必要枚数が増えることになる。そのため、各スペーサが伝熱管間から脱落するのを防止するための手段が必要となる。この点、前記特許文献１の熱交換器においては、コーナ部の上下両側に、一対の挟み込み部材を配置している。そして、一対の挟み込み部材を長ネジ（連結部材）でネジ止めすることにより、挟み込み部材間の伝熱管及びスペーサを保持している。

しかしながら、前記特許文献１の熱交換器の構成では、スペーサの脱落を防止するために部品点数の増加を招いてしまう。また、伝熱管間という狭いスペースに長ネジを通したり、長ネジを貫通させるためのネジ孔（貫通孔）をスペーサに形成したりする必要があり、製造・組立工程の複雑化を招いてしまう。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でありながら、スペーサの脱落を防止することができ、伝熱部を十分かつ確実に保持・位置決めすることができる熱交換器及びそれを用いた給湯器を提供しようとするものである。

本発明の一の態様は、同一平面上に配列された一又は複数の伝熱管を螺旋状に巻回して構成された伝熱部を備え、該伝熱部は、その巻回軸方向に直交する第一方向に対向配置され、前記伝熱管を折り返してなる一対のコーナ部と、該一対のコーナ部を連結する一対の連結部とを有し、前記各コーナ部には、前記巻回軸方向に隣接する前記伝熱管間に介在させるスペーサが配設されており、前記一対のコーナ部の少なくとも一方には、該コーナ部を保持する保持部材が配設されており、該保持部材は、前記コーナ部及び該コーナ部に配設された前記スペーサを前記伝熱部の前記第一方向の外側から覆う被覆部と、該被覆部から前記伝熱部の前記第一方向の内側に向けて突出し、前記コーナ部の前記巻回軸方向の両側をそれぞれ覆うと共に、前記コーナ部を前記巻回軸方向の両側から挟持する一対の巻回軸方向挟持部とを有することを特徴とする熱交換器にある。

前記熱交換器において、保持部材は、被覆部と一対の巻回軸方向挟持部とを有する。そして、被覆部及び一対の巻回軸方向挟持部は、伝熱部のコーナ部を第一方向及び巻回軸方向において外側から覆っている。これにより、コーナ部の伝熱管間に配設されたスペーサの脱落を防止することができる。また、伝熱部のコーナ部において、伝熱管の位置ずれ・広がり（特に第一方向及び巻回軸方向における伝熱管の外側への位置ずれ・広がり）を抑制することができる。

また、保持部材は、前述のように、被覆部及び一対の巻回軸方向挟持部によって伝熱部のコーナ部を外側から覆うと共に、一対の巻回軸方向挟持部によって伝熱部のコーナ部を巻回軸方向の両側から挟持している。そのため、伝熱管間にスペーサを介在させた状態の伝熱部を十分かつ確実に保持・位置決めすることができる。これにより、スペーサによって規制された伝熱管同士の間隔や各伝熱管の配設位置を維持することができ、熱交換器の性能（熱効率等）を高い状態で維持することができる。

また、保持部材を例えば一部品として構成することにより、少ない部品点数で、つまり簡易な構成でありながら、スペーサの脱落防止や伝熱部（伝熱管）の保持・位置決めを容易に実現することができる。これにより、部品点数の削減や製造・組立工程の容易化を図ることも可能となる。

このように、本発明によれば、簡易な構成でありながら、スペーサの脱落を防止することができ、伝熱部を十分かつ確実に保持・位置決めすることができる熱交換器を提供することができる。

また、前記熱交換器において、前記巻回軸方向挟持部には、前記コーナ部の前記伝熱管に係合する係合片部が設けられていてもよい。この場合には、保持部材が伝熱部のコーナ部から外れることを防止することができる。これにより、保持部材によって伝熱部をより確実に保持・位置決めすることができる。

また、前記巻回軸方向挟持部には、その厚み方向に貫通してなる貫通孔が設けられていてもよい。この場合には、燃焼排気を巻回軸方向挟持部の貫通孔に流通させることにより、保持部材の巻回軸方向挟持部が燃焼排気の流動の妨げとなることを防止することができる。これにより、熱交換器の性能（熱効率等）を高い状態で維持することができる。

また、前記保持部材は、前記被覆部から前記伝熱部の前記第一方向の内側に向けて突出し、前記コーナ部における前記巻回軸方向及び前記第一方向に直交する第二方向の両側をそれぞれ覆うと共に、前記コーナ部を前記第二方向の両側から挟持する一対の第二方向挟持部をさらに有していてもよい。この場合には、伝熱部のコーナ部を巻回軸方向だけでなく第二方向からも挟持することができる。これにより、保持部材によって伝熱部をより一層確実に保持・位置決めすることができる。

次に、本発明の他の態様は、前記熱交換器を備えていることを特徴とする給湯器にある。
前記給湯器は、前述の熱交換器を備えている。そのため、熱交換器において、簡易な構成でありながら、スペーサの脱落を防止することができ、伝熱部を十分かつ確実に保持・位置決めすることができるという効果を得ることができる。

実施形態１における、熱交換器を備えた給湯器を示す説明図である。 実施形態１における、熱交換器を示す説明図である。 実施形態１における、伝熱部を示す斜視図である。 実施形態１における、伝熱部を示す平面図である。 実施形態１における、伝熱部を示す側面図である。 実施形態１における、伝熱管間に配設されたスペーサを示す説明図である。 実施形態１における、保持部材を示す斜視図である。 実施形態１における、保持部材を示す（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）側面図である。

（実施形態１）
本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１〜図６に示すように、本実施形態の熱交換器１は、同一平面上に配列された複数の伝熱管３を螺旋状に巻回して構成された伝熱部２を備えている。伝熱部２は、その巻回軸方向（上下方向）に直交する第一方向（左右方向）において対向配置され、伝熱管３を折り返してなる一対のコーナ部２１と、一対のコーナ部２１を連結する一対の連結部２２とを有する。各コーナ部２１には、巻回軸方向に隣接する伝熱管３間に介在させるスペーサ４が配設されている。

図３〜図５、図７、図８に示すように、一対のコーナ部２１には、コーナ部２１を保持する保持部材５が配設されている。保持部材５は、コーナ部２１及びコーナ部２１に配設されたスペーサ４を伝熱部２の第一方向の外側から覆う被覆部５１と、被覆部５１から伝熱部２の第一方向の内側に向けて突出し、コーナ部２１における巻回軸方向の両側をそれぞれ覆うと共に、コーナ部２１巻回軸方向の両側から挟持する一対の巻回軸方向挟持部（上下挟持部）５３とを有する。以下、これを詳説する。

なお、本実施形態では、説明の便宜上、第一方向を左右方向、巻回軸方向を上下方向とし、巻回軸方向及び第一方向に直交する方向である第二方向を前後方向とする。また、巻回軸方向挟持部を上下挟持部とする。また、燃焼排気の流通方向は前後方向であり、燃焼排気は後側から前側に流通する。また、前後左右上下の各方向は、後述する給湯器８（熱交換器１）を正面から見た視点（図１参照）で規定している。ただし、これらの各方向は、便宜的に規定した方向にすぎず、給湯器８及び熱交換器１のどちら側を前側と見なすかは任意である。

図１に示すように、給湯器８は、燃焼排気から顕熱及び潜熱を回収する潜熱回収型の燃焼器具であり、燃焼排気から主に顕熱を回収する主熱交換器（図示略）と、主熱交換器での熱交換に伴って温度が低下した燃焼排気中から主に潜熱を回収する二次熱交換器（熱交換器１）とを内蔵している。

図２に示すように、熱交換器１は、伝熱部２と、その伝熱部２を収容するケース１０とを備えている。熱交換器１は、伝熱部２を収容したケース１０内の空間に燃焼排気を導入及び排出することにより、燃焼排気と伝熱部２の伝熱管３内を流通する水等の被加熱流体との熱交換を行うよう構成されている。

なお、本実施形態では、ケース１０内における燃焼排気の流通方向を前後方向としており、燃焼排気をケース１０の後側から導入し、前側から排出する。また、ケース１０の右側の側壁部１０４には、外部から被加熱流体を導入及び排出するための中空状の導入用部材１１及び排出用部材１２が設けられている。

図３〜図５に示すように、伝熱部２は、同一平面上に配列された５本の伝熱管３を上下方向に２段積み重ね、これらの伝熱管３を上下方向に螺旋状に巻回して構成されている。すなわち、多重螺旋構造を有する。各伝熱管３の一方の端部３０１は、ケース１０の側壁部１０４を貫通して導入用部材１１内に接続されており、他方の端部３０２は、ケース１０の側壁部１０４を貫通して排出用部材１２内に接続されている。

同図に示すように、伝熱部２は、一対のコーナ部２１と一対の連結部２２とを有する。一対のコーナ部２１は、伝熱部２の左右両側に設けられ、左右方向に対向して配置されている。各コーナ部２１は、伝熱管３をコの字状に折り返して（折り曲げて）構成されている。一方、一対の連結部２２は、伝熱部２の前後両側に設けられ、前後方向に対向して配置されている。各連結部２２は、一対のコーナ部２１を連結するように、伝熱管３を左右方向に延ばして構成されている。

また、伝熱部２の各コーナ部２１には、上下方向に隣接する伝熱管３間に介在させ、伝熱管３同士の上下方向の間隔を維持するための複数のスペーサ４が配設されている。具体的に、左側のコーナ部２１には、コの字状に折り返した（折り曲げた）状態の伝熱管３が６段積み重ねられているため（図５参照）、５つのスペーサ４が配設されている。また、右側のコーナ部２１には、コの字状に折り返した（折り曲げた）状態の伝熱管３が４段積み重ねられているため（図５参照）、３つのスペーサ４が配設されている。各スペーサ４は、伝熱部２の左右両側から伝熱管３間に挿入して配置されている。

図６に示すように、スペーサ４は、三角形平板状の部材であり、平面部４１と、その平面部４１から突出して形成された複数の突出部４２とを有する。突出部４２は、その側面が突出方向（上下方向）に対して傾斜を有しており、全体として円錐形状となっている。そして、突出部４２は、伝熱管３を位置決めし、伝熱管３同士の左右方向の間隔を維持している。また、突出部４２には、その厚み方向（上下方向）に貫通してなり、燃焼排気を流通させるための貫通孔４２１が設けられている。なお、図６は、保持部材５を除いた状態の伝熱部２の左側のコーナ部２１を拡大して示したものである。また、図示を省略したが、右側のコーナ部２１も左側のコーナ部２１と同様の構成となっている。

図３〜図５に示すように、伝熱部２の各コーナ部２１には、それぞれ保持部材５が配設されている。保持部材５は、伝熱部２のコーナ部２１を外側から覆うようにして保持している。以下、保持部材５の具体的な構成や形状について説明する。

図３〜図５、図７、図８に示すように、保持部材５は、平板状の被覆部５１と、平板状の一対の上下挟持部５３とを有する。被覆部５１は、伝熱部２のコーナ部２１を左右方向の外側から覆っている。一対の上下挟持部５３は、被覆部５１の上下両端から伝熱部２の左右方向の内側に向けて突出形成されており、伝熱部２のコーナ部２１の上下両側をそれぞれ覆っている。また、一対の上下挟持部５３は、伝熱部２のコーナ部２１を上下両側から挟持している。

また、各上下挟持部５３には、その厚み方向（本実施形態では上下方向）に貫通してなり、燃焼排気を流通させるための複数の貫通孔５３１が設けられている。また、各上下挟持部５３の先端部には、伝熱部２のコーナ部２１の伝熱管３に係合する係合片部５３２が設けられている。上側の上下挟持部５３の係合片部５３２は、下側に折り曲げられ、最上段最内側の伝熱管３の内側に引っ掛けられている（図３参照）。一方、下側の上下挟持部５３の係合片部５３２は、上側に折り曲げられ、最下段最内側の伝熱管３の内側に引っ掛けられている（図示略）。なお、図７、図８では、折り曲げられる前の状態の係合片部５３２を示している。また、係合片部５３２は、前記以外の他の伝熱管３に係合する構成とすることもできる。

また、図３〜図５、図７、図８に示すように、本実施形態において、保持部材５は、被覆部５１及び一対の上下挟持部５３に加えて、さらに平板状の一対の第二方向挟持部（以下、前後挟持部５２という）を有する。一対の前後挟持部５２は、被覆部５１の前後両端から伝熱部２の左右方向の内側に向けて突出形成されており、伝熱部２のコーナ部２１の前後両側をそれぞれ覆っている。また、一対の前後挟持部５２は、伝熱部２のコーナ部２１を前後両側から挟持している。

また、被覆部５１の前後両端部には、前後挟持部５２と連結する一対の連結角部５１１が設けられている。各連結角部５１１には、その厚み方向に貫通してなり、燃焼排気を流通させるための複数の貫通孔５１２が設けられている。

また、各前後挟持部５２には、その厚み方向（本実施形態では前後方向）に貫通してなり、燃焼排気を流通させるための複数の貫通孔５２１が設けられている。また、各前後挟持部５２の上下両端部には、一対の抑え片部５２２が設けられている。一対の抑え片部５２２は、伝熱部２の前後方向の内側に向けて突出形成されており、伝熱部２のコーナ部２１を上下両側から抑えている。

次に、本実施形態の熱交換器１及びそれを用いた給湯器８の作用効果を説明する。
本実施形態の熱交換器１において、保持部材５は、被覆部５１と一対の上下挟持部５３とを有する。そして、被覆部５１及び一対の上下挟持部５３は、伝熱部２のコーナ部２１を左右方向及び上下方向において外側から覆っている。これにより、コーナ部２１の伝熱管３間に配設されたスペーサ４の脱落を防止することができる。また、伝熱部２のコーナ部２１において、伝熱管３の位置ずれ・広がり（特に左右方向及び上下方向における伝熱管３の外側への位置ずれ・広がり）を抑制することができる。

また、保持部材５は、前述のように、被覆部５１及び一対の上下挟持部５３によって伝熱部２のコーナ部２１を外側から覆うと共に、一対の上下挟持部５３によって伝熱部２のコーナ部２１を上下方向の両側から挟持している。そのため、伝熱管３間にスペーサ４を介在させた状態の伝熱部２を十分かつ確実に保持・位置決めすることができる。これにより、スペーサ４によって規制された伝熱管３同士の間隔や各伝熱管３の配設位置を維持することができる。その結果、熱交換器１の性能（熱効率等）を高い状態で維持することができる。

また、保持部材５を一部品として構成することにより、少ない部品点数で、つまり簡易な構成でありながら、スペーサ４の脱落防止や伝熱部２（伝熱管３）の保持・位置決めを容易に実現することができる。これにより、部品点数の削減や製造・組立工程の容易化を図ることも可能となる。

また、本実施形態において、保持部材５の上下挟持部５３には、係合片部５３２が設けられている。そのため、保持部材５が伝熱部２のコーナ部２１から外れることを防止することができる。これにより、保持部材５によって伝熱部２をより確実に保持・位置決めすることができる。

また、保持部材５の上下挟持部５３には、複数の貫通孔５３１が設けられている。そのため、燃焼排気を上下挟持部５３の貫通孔５３１に流通させることにより、上下挟持部５３が燃焼排気の流動の妨げとなることを防止することができる。これにより、熱交換器の性能（熱効率等）を高い状態で維持することができる。

また、保持部材５は、被覆部５１及び一対の上下挟持部５３に加えて、さらに一対の前後挟持部５２を有する。そのため、伝熱部２のコーナ部２１を上下方向だけでなく前後方向からも挟持することができる。これにより、保持部材５によって伝熱部２をより一層確実に保持・位置決めすることができる。

また、保持部材５の前後挟持部５２には、一対の抑え片部５２２が設けられている。そのため、伝熱部２のコーナ部２１において、伝熱管３の位置ずれ・広がり（特に上下方向における伝熱管３の外側への位置ずれ・広がり）を抑制することができる。これにより、保持部材５によって伝熱部２をより確実に保持・位置決めすることができる。

また、保持部材５の前後挟持部５２には、複数の貫通孔５２１が設けられている。そのため、燃焼排気を前後挟持部５２の貫通孔５２１に流通させることにより、保持部材５の前後挟持部５２が燃焼排気の流動の妨げとなることを防止することができる。これにより、熱交換器１の性能（熱効率等）を高い状態で維持することができる。

また、本実施形態の給湯器８は、前述の熱交換器１を備えている。そのため、給湯器８は、熱交換器１において、簡易な構成でありながら、スペーサ４の脱落を防止することができ、伝熱部２を十分かつ確実に保持・位置決めすることができるという効果を得ることができる。

このように、本実施形態によれば、簡易な構成でありながら、スペーサ４の脱落を防止することができ、伝熱部２を十分かつ確実に保持・位置決めすることができる熱交換器１及びそれを用いた給湯器８を提供することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態１に何ら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前述の実施形態１において、熱交換器１の伝熱部２に対する燃焼排気の流通方向は、伝熱部２の前後方向（第二方向）であるが、この方向に限定されるものではなく、その他の方向であってもよい。

また、前述の実施形態１において、熱交換器１は、保持部材５を伝熱部２の両方のコーナ部２１に配設する構成としているが、保持部材５を一方のコーナ部２１に配設する構成としてもよい。また、例えば、伝熱部２の製造過程において両方のコーナ部２１に保持部材５を配設しておき、製造後に一方のコーナ部２１から保持部材５を取り外すようにしてもよい。

１…熱交換器
２…伝熱部
２１…コーナ部
２２…連結部
３…伝熱管
４…スペーサ
５…保持部材
５１…被覆部
５３…上下挟持部（巻回軸方向挟持部）

Claims (5)

1. 同一平面上に配列された複数の伝熱管を螺旋状に巻回して構成された伝熱部を備え、
   該伝熱部は、その巻回軸方向に直交する第一方向に対向配置され、前記伝熱管を折り返してなる一対のコーナ部と、該一対のコーナ部を連結する一対の連結部とを有し、
   前記各コーナ部には、前記巻回軸方向に隣接する前記伝熱管間に介在させるスペーサが配設されており、
   前記一対のコーナ部の少なくとも一方には、該コーナ部を保持する保持部材が配設されており、
   該保持部材は、前記コーナ部及び該コーナ部に配設された前記スペーサを前記伝熱部の前記第一方向の外側から覆う被覆部と、該被覆部から前記伝熱部の前記第一方向の内側に向けて突出し、前記コーナ部の前記巻回軸方向の両側をそれぞれ覆うと共に、前記コーナ部を前記巻回軸方向の両側から挟持する一対の巻回軸方向挟持部とを有し、
   前記コーナ部では、前記複数の伝熱管が、前記巻回軸方向に直交する方向に間隔を空けて並列に配列された状態を保ったまま、前記巻回軸方向から見てコの字状に折り返されることにより、前記複数の伝熱管が前記巻回軸方向及び前記第一方向に直交する第二方向へ延びる部分と、前記複数の伝熱管が前記第一方向へ延びる部分とが構成され、
   前記巻回軸方向挟持部は、前記被覆部からの突出方向先端側ほど前記第二方向の幅が狭くなる形状とされることにより、前記複数の伝熱管が前記第二方向へ延びる部分において、前記コーナ部の前記巻回軸方向の両側を覆い、かつ、前記複数の伝熱管が前記第一方向へ延びる部分では、前記コーナ部の前記巻回軸方向の両側を覆わないように構成されていることを特徴とする熱交換器。
2. 前記巻回軸方向挟持部には、前記伝熱部の前記コーナ部の前記伝熱管に係合する係合片部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 前記巻回軸方向挟持部には、その厚み方向に貫通してなる貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱交換器。
4. 前記保持部材は、前記被覆部から前記伝熱部の前記第一方向の内側に向けて突出し、前記コーナ部における前記巻回軸方向及び前記第一方向に直交する第二方向の両側をそれぞれ覆うと共に、前記コーナ部を前記第二方向の両側から挟持する一対の第二方向挟持部をさらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の熱交換器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器を備えていることを特徴とする給湯器。

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