JP6173805B2 - 熱交換器、及び給湯器 - Google Patents

Description

本発明は、熱交換器、及び給湯器に関する。

従来、一又は複数の伝熱管をケーシングの内部に収納して、ケーシングの内部を流れる燃焼排気の熱を、伝熱管の内部を流れる被加熱流体（例えば水など）へと伝達する熱交換器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この種の熱交換器において、伝熱管はケーシングの壁面を貫通しており、伝熱管の両端にある開口はケーシングの外部に配置されている。ケーシングの外部において、伝熱管の両端にある貫通箇所それぞれには、一方の貫通箇所を取り囲む接手部と、他方の貫通箇所を取り囲む接手部が設けられている。伝熱管の両端にある開口のうち、一端にある開口は一方の接手部の内側に封入され、他端にある開口は他方の接手部の内側に封入されている。

一方の接手部には、被加熱流体の供給路となる配管が接続される。他方の接手部には、被加熱流体の排出路となる配管が接続される。供給路側から供給される被加熱流体は、一方の接手部を介して伝熱管の内部へと流入する。伝熱管の内部を経て伝熱管の外部へと流出する被加熱流体は、他方の接手部を介して排出路側へと流出する。

特開２０１１−２７３６３号公報

ところで、上記特許文献１に記載された従来技術の場合、接手部に接続される配管（供給路又は排出路となる配管）は、接手部から略水平に横方向へと延びている。この配管は、通常、更に縦方向へと延びる配管に接続されるため、この場合、両配管は９０度エルボなどを介して接続される。

しかし、接手部に接続される配管が上述のように略水平に横方向へ延びる構造になっていると、ケーシングの側方には、横方向の配管を設置するのに必要なスペースを確保せざるを得なくなるので、ケーシング及び配管を含む器具（例えば給湯器。）全体の横方向寸法が大型化する、という問題がある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的の一つは、ケーシングの側面に設けられた接手部に配管が接続された構造を備える熱交換器において、配管を設置するのに必要な横方向のスペースを削減することにある。

以下、本発明において採用した構成について説明する。
本発明の熱交換器は、内部空間を燃焼排気が流れるケーシングと、前記ケーシングの内部空間に配設された伝熱管によって構成され、前記ケーシングの内部空間を流れる燃焼排気の熱を、前記伝熱管の内部を流れる被加熱流体へと伝達する伝熱部と、前記ケーシングの側面に固定されていて、その内部には前記伝熱管の入口側又は出口側が連通しており、前記被加熱流体の供給路又は排出路となる配管を接続可能な接続部を有し、前記伝熱管側及び前記接続部に接続された前記配管側のうち、いずれか一方から流入する前記被加熱流体を他方へと流出させる接手部とを備え、前記接手部が有する前記接続部は、当該接続部に接続される前記配管を、当該配管の軸方向が前記接続部から斜め下方へと延びる傾斜をなす向きに接続可能に構成されている。

このように構成された熱交換器によれば、接手部が有する接続部に配管を接続すると、配管の軸方向は接続部から斜め下方へと延びる傾斜をなす向きになる。そのため、配管長が同寸法とされた場合であっても、配管の軸方向が接続部から略水平に延びる向きとなる従来技術に比べ、ケーシングの側面において配管が横方向へ張り出すのを抑制でき、配管を設置するのに必要な横方向のスペースを削減することができる。したがって、そのようなスペースを削減できる分だけ、熱交換器を備える器具（例えば給湯器。）全体の横方向寸法を小型化することができる。あるいは、熱交換器を備える器具全体の寸法が従来と同程度であれば、配管を設置しなくても良くなったスペースを、他の構成部品を配置するためのスペースとして利用することもできる。

本発明の熱交換器が備える前記接手部の内部において、前記伝熱管への入口又は前記伝熱管からの出口となる伝熱管側開口部は、前記接続部の有する配管側開口部の最下位置以上の高さ位置に形成されていることが好ましい。

このように構成された熱交換器によれば、伝熱管側開口部が配管側開口部の最下位置以上の高さ位置に形成されているので、伝熱管側開口部から接手部の内部へ被加熱流体が流出した際、その被加熱流体は配管側開口部の最下位置から配管側へと流出する。したがって、配管側開口部の最下位置よりも低い位置に伝熱管側開口部がある場合とは異なり、配管側の流路を開放すれば、被加熱流体を伝熱管内に残留させることなく配管側へ抜くことができる。

本発明の熱交換器において、前記接手部は、前記ケーシングの側面に固定されるベース部材と、前記ベース部材に固定されて、当該ベース部材との間に前記被加熱流体が流通する領域を形成するキャップ部材とで構成され、前記キャップ部材には、板状に形成された部分で、その板厚方向が前記キャップ部材の外面側において斜め下方へと向けられた傾斜部が設けられ、当該傾斜部には、当該傾斜部を板厚方向に貫通する貫通孔が形成され、当該貫通孔には当該貫通孔の貫通方向と軸方向が一致する前記接続部が取り付けられ、当該接続部には、当該接続部と前記配管の軸方向を一致させた状態で前記配管を接続可能に構成されていることが好ましい。

このように構成された熱交換器によれば、上述のような傾斜部が設けられた範囲では、接手部の内部空間における横断面（水平な断面）の面積が、上方向ほど大きくなる。そのため、低温環境下において接手部内に残った水が凍結して膨張したとしても、膨張時の残水圧力を斜め上方へ逃がすことができる。したがって、接手部の内部空間における横断面の面積が上下方向で等面積となっている従来品に比べ、残水の凍結に起因して接手部が破損するのを抑制することができる。

本発明の給湯器は、上述した本発明の熱交換器のうち、いずれか一つを備えるものである。
このように構成された給湯器によれば、本発明の熱交換器を備えているので、本発明の熱交換器について述べた通りの作用、効果を奏し、給湯器全体の横方向寸法を小型化することができる。あるいは、配管を設置しなくても良くなったスペースを、他の構成部品を配置するためのスペースとして利用することもできる。

給湯器の一部を破断して内部構造を示した正面図。 （ａ）は副熱交換器を右前上方から見た斜視図、（ｂ）は副熱交換器内部における伝熱部の配設位置を示す斜視図。 （ａ）は伝熱部を左前上方から見た斜視図、（ｂ）は伝熱部の平面図、（ｃ）は伝熱部の正面図。 接手部の正面側から見た縦断面図。 接手部と配管（入水管，出水管）の接続状態を示す説明図。

次に、本発明の実施形態について、具体的な例を挙げて説明する。
以下に説明するのは、潜熱回収型の給湯器及びその給湯器が備える副熱交換器において、本発明の構成を採用した事例である。なお、以下の説明では、図中に併記した前後左右上下の各方向を利用して給湯器ないし副熱交換器の構造を説明する。ただし、これらの各方向は、給湯器の各部の相対的な位置関係を簡潔に説明するために便宜的に規定した方向にすぎず、給湯器ないし副熱交換器のどちら側を前側と見なすかは任意である。

図１に例示する給湯器１は、上部に潜熱回収用の副熱交換器３を備えている。給湯器１内で燃料（ガス）を燃焼させることによって発生させた高温の燃焼排気は、先に主熱交換器に通されてから、続いて副熱交換器３へと通される。これにより、主熱交換器では、燃焼排気から主に顕熱が回収され、副熱交換器３では、燃焼排気から主に潜熱が回収される。

この副熱交換器３は、金属製のケーシング５を備える。ケーシング５の右側面には、第一接手部７Ａと第二接手部７Ｂが設けられている。第一接手部７Ａには入水管９Ａが接続され、第二接手部７Ｂには出水管９Ｂが接続されている。入水管９Ａ及び出水管９Ｂの右方には、制御基板などを収容する基板ボックス１１が設けられている。第一接手部７Ａは、図２（ａ）に示すように、ケーシング５の右側面上において、第二接手部７Ｂよりも下方、かつ第二接手部７Ｂよりも前方となる位置に設けられている。

ケーシング５の後面側（背面側）には、燃焼排気をケーシング５の内部へと導入するための導入口（図示略。）が形成されている。一方、ケーシング５の前面側（正面側）には、燃焼排気をケーシング５の内部から外部へと排出するための排出口１３が形成されている。なお、この排出口１３を覆う位置には、図１に示すように、排気フード１５が取り付けられている。

導入口側からケーシング５の内部へ導入される燃焼排気は、ケーシング５の内部空間を導入口側から排出口１３側へと流れる。すなわち、ケーシング５の内部において、燃焼排気の流通方向は、副熱交換器３の背面側から正面側へ向かう方向となっている。

ケーシング５の内部空間には、図２（ｂ）に示すように、伝熱部１７が収容されている。伝熱部１７は、複数（本実施形態では１０本）の伝熱管１９を備えている。これらの伝熱管１９は、図３（ａ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）に示すように、上下方向に延びる仮想的な軸線を中心にして、その軸線の周囲で各伝熱管１９が同軸の螺旋を描く形状とされている。

より詳しく説明すると、各伝熱管１９は、燃焼排気の流通方向上流側において右上から左下へと延びる後側部分１９Ａと、燃焼排気の流通方向下流側において左上から右下へと延びる前側部分１９Ｂとを有する。また、これら後側部分１９Ａ及び前側部分１９Ｂの左端間を連通させる左側部分１９Ｃと、これら後側部分１９Ａ及び前側部分１９Ｂの右端間を連通させる右側部分１９Ｄとを有する。

これらは、各伝熱管１９の下端側から、前側部分１９Ｂ，左側部分１９Ｃ，後側部分１９Ａ，右側部分１９Ｄ，前側部分１９Ｂ，左側部分１９Ｃ，後側部分１９Ａ，右側部分１９Ｄ，前側部分１９Ｂ，左側部分１９Ｃ，後側部分１９Ａの順に連設されている。これにより、各伝熱管１９の下端から、図３（ｂ）に示す平面図においては時計回りとなる方向に旋回しつつ上端に至る螺旋状の管路が形成されている。各伝熱管１９の下端は第一接手部７Ａに連通し、各伝熱管１９の上端は第二接手部７Ｂに連通している。

複数の左側部分１９Ｃを上下両側から挟む位置には、複数の左側部分１９Ｃを束ねた状態で保持する抑え部２０Ａが配設されている。また、複数の右側部分１９Ｄを上下両側から挟む位置には、複数の右側部分１９Ｄを束ねた状態で保持する抑え部２０Ｂが配設されている。

第一接手部７Ａは、図４に示すように、ケーシング５の側面に固定されるベース部材２１と、ベース部材２１に固定されたキャップ部材２３とを備える。これらベース部材２１及びキャップ部材２３は、両者間に被加熱流体が流通する領域を形成している。キャップ部材２３には、板状に形成された部分であって、その板厚方向がキャップ部材２３の外面側において斜め下方（図４中に示す矢印Ａ１方向。；本実施形態では水平に対して２５度下方。）へと向けられた傾斜部２５が設けられている。傾斜部２５には、傾斜部２５を板厚方向に貫通する貫通孔２７が形成され、貫通孔２７には貫通孔２７の貫通方向と軸方向が一致する接続部２９が取り付けられている。接続部２９には、図５に示すように、接続部２９と入水管９Ａの軸方向を一致させた状態で入水管９Ａが接続される。

第二接手部７Ｂは、第一接手部７Ａと同様に構成されており、上述のようなベース部材２１，キャップ部材２３，傾斜部２５，貫通孔２７，及び接続部２９を備えている。ただし、第二接手部７Ｂの場合、接続部２９には、図５に示すように、接続部２９と出水管９Ｂの軸方向を一致させた状態で出水管９Ｂが接続される。

第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂの内部において、伝熱管１９への入口又は伝熱管１９からの出口となる伝熱管側開口部３１は、接続部２９の有する配管側開口部３３の最下位置Ｈ１以上の高さ位置に形成されている。

以上のように構成された給湯器１において、各伝熱管１９には、入水管９Ａから水が供給され、その水が第一接手部７Ａを介して各伝熱管１９へと流入する。また、主熱交換器において主に顕熱が回収された燃焼排気は、導入口を介してケーシング５の内部空間へと流入する。

ケーシング５の内部空間へ導入される燃焼排気は、既に主熱交換器において顕熱が奪われて温度が低下し、それに伴って相対湿度が高くなっている。そのため、燃焼排気と伝熱管１９が接触すると、燃焼排気中の水蒸気が凝縮してドレン（凝縮水）が発生、燃焼排気からは主に潜熱が回収されることになる。これにより、各伝熱管１９内を流れる水は昇温し、その昇温した水が第二接手部７Ｂを介して出水管９Ｂへと流出する。なお、出水管９Ｂを流通する水は、更に主熱交換器へと送られて加熱されることになる。

ところで、図５には、副熱交換器３が備える接続部２９，２９の位置と、入水管９Ａ及び出水管９Ｂの位置を実線で示すとともに、従来の熱交換器が備える接続部５１，５１の位置と、入水管５３Ａ及び出水管５３Ｂの位置を破線で示してある。

図５に示されるように、従来の熱交換器では、接続部５１，５１が略水平方向に向けられており、これらの接続部５１，５１に接続される入水管５３Ａ及び出水管５３Ｂの端部も、ケーシング５の側面から横方向へ略水平に延びる構造となっていた。

そのため、接続部２９と接続部５１の中心軸線上で、各接続部２９，５１の左端となる箇所（図５中に“●”を付して示した箇所）が、左右方向について同等な位置Ｐ１にある場合でも、その位置Ｐ１から右方に向かって張り出す入水管９Ａ，５３Ａ及び出水管９Ｂ，５３Ｂの張り出し寸法Ｌ１，Ｌ２は、斜め下方へと延びる入水管９Ａ及び出水管９Ｂの方が小さくなっている（Ｌ１＜Ｌ２）。

したがって、入水管９Ａ及び出水管９Ｂの右方には、従来品よりも余剰空間ができるので、本実施形態の場合であれば、入水管９Ａ及び出水管９Ｂの右方にある基板ボックス１１へのアクセスが容易になり、基板ボックス１１やその周辺での保守点検や修理作業が容易になる。あるいは、このような位置に基板ボックス１１が存在しない場合でも、従来品よりも余剰空間ができれば、その空間を他の構成部品を配設するために利用することができる。さらに、そのような余剰空間そのものが不要であれば、余剰空間分だけ給湯器１の体積を削減し、給湯器１の小型化を図ることもできる。

また、本実施形態の給湯器１では、図４に示したように、伝熱管側開口部３１の位置Ｄ１，Ｄ２が配管側開口部３３の最下位置Ｈ１以上の高さ位置に形成されているので、低温環境下において凍結防止のために、入水管９Ａ及び出水管９Ｂからの水抜きを行った際、伝熱管側開口部３１から第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂの内部へ流出する被加熱流体は、配管側開口部３３の最下位置から入水管９Ａ及び出水管９Ｂ側へと流出する。

したがって、配管側開口部３３の最下位置Ｈ１よりも低い位置に伝熱管側開口部３１がある場合とは異なり、入水管９Ａ及び出水管９Ｂ側の流路を開放すれば、被加熱流体を伝熱管１９内に残留させることなく入水管９Ａ及び出水管９Ｂ側へ抜くことができる。

また、上述のような第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂにおいて、傾斜部２５が設けられた範囲では、第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂの内部空間における横断面（水平な断面）の面積が、上方向ほど大きくなる。そのため、低温環境下において第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂ内に残った水が凍結して膨張したとしても、膨張時の残水圧力を斜め上方へ逃がすことができる。したがって、第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂの内部空間における横断面の面積が上下方向で等面積となっている従来品に比べ、残水の凍結に起因して第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂが破損するのを抑制することができる。

加えて、第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂに板状の傾斜部２５が設けられていれば、同等な傾斜部２５が設けられていない場合に比べ、プレス加工などによって傾斜部２５の板厚方向へ貫通孔２７を形成するのも容易であり、接続部２９そのものの形状については軸方向を変更するような形状としなくても済む。したがって、板状ではない箇所に貫通孔２７を形成する場合、板厚方向ではない方向に貫通孔２７を形成する場合、接続部２９そのものを複雑な形状とする場合、垂直な面に対して斜めに配管を接続可能な構造とした場合などに比べ、第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂを単純な構造にし、第一接手部７Ａ及び第二接手部７Ｂを製造するために必要なコストを抑えることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の具体的な一実施形態に限定されず、この他にも種々の形態で実施することができる。
例えば、上記実施形態では、伝熱管側開口部３１が配管側開口部３３の最下位置Ｈ１以上の高さ位置に形成されている事例を説明したが、低温環境下での利用を想定しない機種であれば、伝熱管側開口部３１が配管側開口部３３の最下位置Ｈ１よりも下方にあっても問題はない。

１…給湯器、３…副熱交換器、５…ケーシング、７Ａ…第一接手部、７Ｂ…第二接手部、９Ａ…入水管、９Ｂ…出水管、１１…基板ボックス、１３…排出口、１５…排気フード、１７…伝熱部、１９…伝熱管、１９Ａ…後側部分、１９Ｂ…前側部分、１９Ｃ…左側部分、１９Ｄ…右側部分、２０Ａ，２０Ｂ…抑え部、２１…ベース部材、２３…キャップ部材、２５…傾斜部、２７…貫通孔、２９…接続部、３１…伝熱管側開口部、３３…配管側開口部、５１…接続部、５３Ａ…入水管、５３Ｂ…出水管。

Claims (3)

1. 水平に配置され、内部空間を燃焼排気が流れるケーシングと、
   前記ケーシングの内部空間に配設された伝熱管によって構成され、前記ケーシングの内部空間を流れる燃焼排気の熱を、前記伝熱管の内部を流れる被加熱流体へと伝達する伝熱部と、
   前記ケーシングの側面に固定されていて、その内部には前記伝熱管の入口側又は出口側が連通しており、前記被加熱流体の供給路又は排出路となる配管を接続可能な接続部を有し、前記伝熱管側及び前記接続部に接続された前記配管側のうち、いずれか一方から流入する前記被加熱流体を他方へと流出させる接手部と
   を備え、
   前記接手部が有する前記接続部は、当該接続部に接続される前記配管を、当該配管の軸方向が前記接続部から斜め下方へと延びる傾斜をなす向きに接続可能に構成され、
   前記接手部の内部において、前記伝熱管への入口又は前記伝熱管からの出口となる伝熱管側開口部は、前記接続部の有する配管側開口部の最下位置以上の高さ位置に形成されている
   熱交換器。
2. 前記接手部は、前記ケーシングの側面に固定されるベース部材と、前記ベース部材に固定されて、当該ベース部材との間に前記被加熱流体が流通する領域を形成するキャップ部材とで構成され、
   前記キャップ部材には、板状に形成された部分で、その板厚方向が前記キャップ部材の外面側において斜め下方へと向けられた傾斜部が設けられ、当該傾斜部には、当該傾斜部を板厚方向に貫通する貫通孔が形成され、当該貫通孔には当該貫通孔の貫通方向と軸方向が一致する前記接続部が取り付けられ、当該接続部には、当該接続部と前記配管の軸方向を一致させた状態で前記配管を接続可能に構成されている
   請求項１に記載の熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の熱交換器を備える給湯器。

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